KR20150078452A - 연료 전지 스택의 수소 공급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 수소 공급 장치는, 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀; 상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되는 한 쌍의 엔드 플레이트; 및 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 공기 유로를 통해 상기 캐소드에 선택적으로 수소를 공급하는 수소 공급 수단을 포함한다.

Description

연료 전지 스택의 수소 공급 장치 {HYDROGEN SUPPLY APPARATUS OF FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 연료 전지 스택의 수소 공급 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 연료 전지 스택의 성능 유지 및 내구성 향상을 위해 특정 상황에서 일시적으로 캐소드에 수소를 공급하기 위한 연료 전지 스택의 수소 공급 장치에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 바와 같이 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다.
연료 전지 시스템은 크게 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택, 연료 전지 스택에 연료(수소)를 공급하는 연료 공급장치, 연료 전지 스택에 전기 화학 반응에 필요한 산화제인 공기 중의 산소를 공급하는 공기 공급장치, 연료 전지 스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택의 운전 온도를 제어하는 열 및 물 관리 장치를 포함하여 구성된다.
이와 같은 구성으로 연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.
연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택은 단위 셀(120)이 연속적으로 배열되어 구성되는데, 각 단위 셀(120)은 가장 안쪽에 막 전극 어셈블리 (MEA: Membrane Electrode Assembly)가 위치한다. 그리고 상기 막 전극 어셈블리는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.
또한, 상기 막 전극 어셈블리 (MEA)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 위치한다. 그리고 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드 및 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(140)(Separator)이 위치한다.
따라서 수소와 산소가 각각의 촉매층에 의한 화학 반응으로 이온화가 이루어져서, 수소 쪽은 수소 이온과 전자가 발생하는 산화 반응을 하고, 산소 쪽은 산소 이온이 수소 이온과 반응하여 물이 생성되는 환원 반응을 한다. 일반적으로, 연료 전지에 사용되는 전극 촉매는 탄소 재료로 구성된 촉매 지지체에 백금 촉매와 조촉매(Ru, Co, Cu 등)를 포함하는 촉매가 주로 사용된다.
즉, 수소는 애노드(Anode, "산화전극" 이라고도 함)로 공급되고, 산소(공기)는 캐소드(Cathode, "환원전극"이라고도 함)로 공급된다. 따라서 애노드로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소 이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해된다. 그리고 이 중에서 수소 이온(Proton, H+)만이 선택적으로 양이온 교환막인 전해질막을 통과하여 캐소드로 전달된다. 이와 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체 확산층과 분리판(140)을 통하여 캐소드로 전달된다.
캐소드에서는 전해질막을 통하여 공급된 수소 이온과 분리판(140)을 통하여 전달된 전자가 공기 공급장치에 의해 캐소드로 공급된 공기 중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때 일어나는 수소 이온의 이동에 의해, 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.
이와 같은 연료 전지 스택의 운전 중에 시동과 정지 동작이 빈번하게 이루어지는데, 이때 연료 전지 스택에 고전압이 형성되거나 역전압이 형성될 경우 촉매 및 촉매 지지체에 열화가 일어나 연료 전지의 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
그리고 연료 전지가 장착된 차량의 경우 부하의 변동이 급격하게 이루어지는 경우가 많다. 특히 아이들 상태에서 차량이 출발하는 경우, 부하의 변동이 급격하게 이루어진다. 연료 전지 스택이 저가습이면서 아이들 상태인 운전 조건에서 부하가 변동하는 경우 순간적으로 셀 전압이 급격하게 떨어졌다가 원래의 상태로 복원되는 현상이 발생한다. 이러한 현상은 고분자 전해질막이 저가습 상태에서 건조 상태(dry out)에서 H+ 이온의 이동성이 떨어지기 때문에 연료 전지 스택의 전제 반응 속도가 느려지기 때문에 발생한다.
그리고 연료 전지의 지속적인 사용으로 인해 연료 전지 스택의 촉매가 열화되고 이에 따라 연료 전지의 출력 성능이 저하되는 문제가 발생한다.
그리고 동절기 등 외부 온도가 낮은 상황에서 연료 전지를 시동시키는 냉시동의 경우, 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 발생하는 열을 이용한다. 하지만 영하 조건에서의 냉시동의 경우, 발열량이 작고 주변 부품의 열용량이 작아 연료 전지 스택의 온도가 느리게 상승하는 문제가 발생한다.
그리고 연료 전지 스택의 수소 퍼지 과정에서 상당한 소음이 발생하게 되는데, 이러한 소음은 운전자에게 불안감을 조성하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 연료 전지의 시동 및 정지시에 고전압이 형성되거나 역전압이 형성되어 촉매 및 촉매 지지체가 열화되어 연료 전지의 성능이 저하되는 것을 방지하도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 연료 전지의 고분자 전해질막의 건조 상태에서의 급격한 부하 변동에 의해 연료 전지의 셀 전압이 강하되는 것을 방지하는 것을 다른 목적으로 한다.
그리고 연료 전지의 사용에 따라 촉매가 열화되어 연료 전지의 출력 성능이 저하되는 것을 방지하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
그리고 연료 전지의 냉시동시 연료 전지 스택의 온도가 빠르게 상승하도록 하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
그리고 연료 전지 운전시 수소 퍼지시에 발생하는 소음으로 인해 탑승자에게 불안감이 발생하는 것을 제거하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 의한 연료 전지 스택의 수소 공급 장치는, 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀; 상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되는 엔드 플레이트; 및 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 공기 유로를 통해 상기 캐소드에 선택적으로 수소를 공급하는 수소 공급 수단을 포함할 수 있다.
그리고 상기 수소 공급 수단은, 상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되고 수소 배출구가 형성되는 수소 배관; 및 상기 수소 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 배관의 수소 배출구와 선택적으로 연통하는 수소 공급구가 형성되는 공급 배관을 포함할 수 있다.
그리고 상기 수소 공급구는 상기 공급 배관의 원주 방향으로 다수 개가 일정 간격으로 형성될 수 있다.
그리고 상기 수소 배출구 또는 수소 공급구는 수소가 유입되는 입구로부터 멀어질수록 폭이 좁아지도록 형성될 수 있다.
그리고 상기 수소 공급구는 상기 공급 배관의 원주 방향으로 다수 개가 일정 간격으로 형성될 수 있다.
상기 캐소드에 공급되는 수소는 상기 애노드로 수소를 공급하는 연료공급부를 통해 공급될 수 있다.
상기 캐소드에 공급되는 수소는 상기 애노드에서 반응하지 못한 수소를 배출시키는 퍼지 라인을 통해 공급될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 연료 전지 스택의 수소 공급 장치에 의하면, 연료 전지의 시동시에 애노드와 캐소드에 수소를 동시에 분사함으로써 고전압 또는 역전압이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 고분자 전해질막의 건조 상태를 방지하여 셀 전압이 강하되는 것을 방지하는 효과를 가진다.
그리고 캐소드에 수소를 공급함으로써 성능이 저하된 연료 전지 스택의 촉매의 성능을 복원할 수 있는 효과를 가진다.
그리고 연료 전지의 냉시동 과정에서 캐소드에 수소를 공급함으로써 캐소드의 백금 촉매에서의 수소와 산소의 화학 반응에 의해 스택의 온도가 빠르게 상승하는 효과를 가진다.
그리고 연료 전지의 퍼지 수소를 캐소드에 재유입시킴으로써, 수소 퍼지시에 발생하는 소음이 줄어들어 탑승자의 불안감을 해소시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 공급 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 공급 장치의 일부 구성을 확대한 부분 확대도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 공기 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 공기 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급 장치의 배관을 도시한 단면도이다.
도 9는 연료 전지의 전류 밀도와 셀 전압의 관계를 도시한 그래프이다.
도 10은 연료 전지의 시간과 셀 전압의 관계를 도시한 그래프이다.
도 11은 연료 전지 시동시 수소 퍼지에 따른 셀 전압과의 관계를 도시한 그래프이다.
도 12는 연료 전지의 저가습 아이들 조건에서 부하 변동시 시간에 따른 셀 전압의 관계를 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 연료 전지 자동차에 구비되는 것으로, 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전 시스템으로서 이루어진다.
여기서, 연료는 연료 전지 시스템이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.
그리고, 연료는 연료 전지 시스템이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 당 업계에서 "리포머(Reformer)"라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 연료는 편의상 수소라고 칭한다.
또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다. 그러나 이하에서는 산화제를 편의 상 공기라고 칭한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 시스템은 전기에너지를 발생시키는 연료 전지 스택(1)과, 상기 연료 전지 스택(1)의 연료인 수소를 공급하는 연료공급부(4), 상기 연료 전지 스택(1)에 전기화학 반응에 필요한 공기를 공급하는 공기공급부(8), 상기 연료 전지 스택(1)의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료 전지 스택(1)의 운전 온도를 제어하며 물 관리 기능을 수행하는 열 및 물 관리부(6), 그리고 상기 연료 전지 시스템의 작동 전반을 제어하는 제어부(80)를 포함하여 구성된다.
상기 연료 전지 시스템의 연료공급부(4)는 수소탱크와, 비례제어밸브(30), 수소 재순환부(9)를 포함한다. 그리고 상기 공기공급부(8)는 공기블로워(15)와, 가습기(20)를 포함한다. 그리고 상기 열 및 물 관리부(6)는 냉각수 펌프(65)와 라디에이터(60)를 포함한다.
상기 연료공급부(4)의 수소탱크로부터 공급되는 고압의 수소는 상기 비례제어밸브(30)를 거쳐 낮은 압력으로 연료 전지 스택으로 공급되며, 수소 재순환부(9)에서는 재순환라인에 재순환 블로워를 설치하여 스택의 애노드에서 사용하고 남은 미반응 수소를 다시 애노드 및 캐소드로 재순환시킴으로써 수소의 재사용을 도모한다.
상기 라디에이터(60)는 연료 전지 스택 내부로 최적의 온도로 조절된 냉각수가 유입될 수 있도록 냉각수의 온도를 조절한다. 상기 라디에이터(60)를 통과한 냉각수는 외기와의 열 교환에 의해 냉각되고, 온도가 조절된 냉각수가 연료 전지 스택(1)으로 공급된다.
상기 제어부(80)는 각 구성요소를 제어하여 상기 연료 전지 스택(1)의 애노드와 캐소드 전극으로 공급되는 수소와 산소를 제어하여 전기를 생성한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 수소 공급 장치의 구성도이다. 도 2에서는 설명의 편의를 위해 단위 셀(120)이 하나인 경우를 예로 들어 도시하였다.
도 2에 도시된 바와 같이, 연료 전지 스택은 다수의 단위 셀(120)들을 연속적으로 배열한 전기 발생 집합체로 이루어진다. 각각의 단위 셀(120)은 수소 및 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시킨다.
상기 연료 전지 스택은 다수의 단위 셀(120)을 가압 체결하여 이루어진다. 따라서 다수의 단위 셀(120)이 배열된 양측에는 엔드 플레이트(110)(EP: End Plate)가 체결수단에 의해 서로 체결되면서 단위 셀(120)들이 일정한 압력이 가해진 상태로 상호 체결되어 밀착 결합한다.
상기 각 단위 셀(120)은 막 전극 어셈블리(130)(MEA: Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막 전극 어셈블리(130)의 양측에 배치되는 두 개의 분리판(140)으로 구성된다. 상기 막 전극 어셈블리(130)는 수소 이온(Proton)을 이동시키는 전해질막과, 상기 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드와 애노드로 구성되어 있다.
상기 막 전극 어셈블리(130)의 양측에는 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 배치되고, 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료와 공기를 캐소드와 애노드로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(140)이 배치된다.
애노드는 상기 분리판(140)의 유로를 통해 공급되는 연료(수소)를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 전해질막은 수소 이온을 캐소드로 이동시키는 기능을 하게 된다.
그리고 캐소드는 애노드 측으로부터 받은 전자, 수소 이온 및 분리판(140)의 유로를 통해 제공받은 공기 중의 산소를 환원 반응시켜 물 및 열을 생성하는 기능을 하게 된다.
화학반응에 의해 캐소드에 생성된 물의 일부는 전해질막을 투과하여 애노드로 이동한다. 애노드로 넘어간 물이 촉배층에 잔류할 경우 촉매 반응량을 감소시키게 되고, 애노드로 넘어간 물이 유로에 머무르게 될 경우 수소의 공급 경로를 차단하게 된다.
따라서 도 1에 도시된 바와 같이, 애노드에는 촉매층이나 채널에 잔존하는 물을 모아서 배출하는 워터트랩과, 애노드 내의 불순물을 가습기로 배출하는 퍼지라인이 연결된다.
상기 워터트랩에는 가습기로 물을 배출하는 물 배출라인이 연결되며, 물 배출라인에는 일정 주기마다 개방되어 물을 배출하는 배출 밸브가 구비된다. 또한, 상기 퍼지라인에는 퍼지 밸브가 구비되어 애노드 내의 수소를 퍼지 주기마다 배출한다. 따라서 상기 분리판(140)의 수분 및 질소 등의 불순물을 함께 배출 및 제거하고, 수소 이용률을 높이게 된다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 분리판(140)의 일 측면은 애노드 또는 캐소드와 마주하고, 상기 분리판(140)의 타측면은 이웃한 다른 단위 셀(120)의 분리판(140)과 마주한다. 애노드와 마주보는 분리판(140)의 일측 면에는 연료 유로가 형성되고, 캐소드와 마주보는 분리판(140)의 일측 면에는 공기 유로가 형성된다. 그리고 상기 분리판(140)의 내부에는 냉각수의 순환을 위한 냉각수 유로가 형성된다
상기 분리판(140)에는 수소를 애노드에 공급하기 위한 연료 입구 매니폴드(144)와 반응하지 않은 수소의 배출을 위한 연료 출구 매니폴드(145)가 형성된다. 그리고 캐소드에 공기를 공급하기 위한 공기 입구 매니폴드(146)와 반응하지 않은 공기의 배출을 위한 공기 출구 매니폴드(147)가 형성된다. 그리고 상기 단위 셀(120)에 냉각수를 공급 및 배출하기 위한 냉각수 입구 매니폴드(148) 및 냉각수 출구 매니폴드(149)가 형성된다.
그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성된 연료 입구 매니폴드(144) 및 연료 출구 매니폴드(145)와 연통하는 연료 입구 매니폴드(114) 및 연료 출구 매니폴드(115)가 각각 형성된다. 그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성되는 공기 입구 매니폴드(146) 및 공기 출구 매니폴드(147)와 연통하는 공기 입구 매니폴드(116) 및 공기 출구 매니폴드(117)가 각각 형성된다. 그리고 상기 엔드 플레이트(110)에는 상기 분리판(140)에 형성되는 냉각수 입구 매니폴드(148) 및 냉각수 출구 매니폴드(149)와 연통하는 냉각수 입구 매니폴드(118) 및 냉각수 출구 매니폴드(119)가 각각 형성된다.
상기 엔드 플레이트(110)에 형성된 공기 입구 매니폴드(116)와 상기 분리판(140)에 형성된 공기 입구 매니폴드(146)를 관통하여 수소 배관(220)이 구비된다. 이때, 상기 수소 배관(220)에는 수소 배출구(221)가 형성된다. 상기 수소 배출구(221)는 상기 수소 배관(220)의 길이 방향으로 길게 형성된 슬롯 형상으로 형성될 수 있다.
상기 수소 배관(220)의 외측에는 공급 배관(230)이 구비된다. 상기 공급 배관(230)은 모터(210)의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 배관(220)의 수소 배출구(221)와 선택적으로 연통하는 수소 공급구(231)가 형성된다. 상기 수소 공급구(231)는 상기 수소 배출구(221)와 대응되는 형상으로 형성되어, 상기 모터(210)의 구동력에 의해 상기 공급 배관(230)이 회전하면서 상기 공급 배관(230)의 회전 각도에 따라 상기 수소 배출구(221)와 선택적으로 연통한다.
상기 수소 배관(220)은 상기 연료공급부 및/또는 상기 애노드에서 반응하지 못한 수소를 배출시키는 퍼지 라인과 연결될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 모터(210)의 구동력에 의해 상기 공급 배관(230)이 회전하여 상기 수소 배출구(221)와 수소 공급구(231)가 연통하지 않으면(도 4(a) 참조), 상기 수소 배관(220)내의 수소는 상기 공기 입구 매니폴드(146)로 유입되지 않는다.
그러나 상기 모터(210)의 구동력에 의해 상기 공급 배관(230)이 회전하여 상기 수소 배출구(221)와 수소 공급구(231)가 연통하면(도 4(b) 참조), 상기 연료공급구 또는 퍼지 라인으로부터 유입되는 수소는 상기 공기 입구 매니폴드(146)를 통해 캐소드에 유입된다.
그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 수소 공급구(231)는 상기 공급 배관(230)의 원주 방향으로 다수 개 형성될 수도 있다.
상기 수소 공급구(231)가 다수 개 형성됨으로 인해, 상기 공급 배관(230)의 회전에 의해 상기 수소 배관(220)내의 수소를 펄스 형태로 공급할 수 있다. 즉, 앞의 도 4에 도시된 형태와 비교하여, 캐소드에 공급하는 수소의 공급 속도, 공급 유량 등을 효율적으로 제어할 수 있는 장점을 가진다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소 공급 장치의 구성을 도시한 개념도이다.
일반적으로 상기 수소 배관(220)을 통해 유입되는 수소의 유량으로 인해, 수소 배관(220)의 수소 입구에서 멀어질수록 각 단위 셀(120)의 캐소드에 수소를 균일하게 분배하는 것이 불가능해진다. 따라서 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 수소 배출구(221)는 상기 수소 배관(220)의 수소 입구에서 멀어질수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기 수소 배출구(221)가 상기 수소 배관(220)의 수소 입구에서 멀어질수록 폭이 좁아지는 사다리꼴 형상으로 형성되면, 도 7에 도시된 바와 같이, 수소 입구에서 가까운 부분에는 상대적으로 수소 배출구(221)와 수소 공급구(231)의 개방 면적이 커지고(도 7(a) 참조), 수소 입구에서 먼 부분에는 상대적으로 수소 배출구(221)와 수소 공급구(231)의 개방 면적이 작아진다(도 7(b) 참조). 따라서 연료 전지 스택의 각 단위 셀(120)의 캐소드에 수소의 유량을 균일하게 공급할 수 있다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 수소 공급구(231)는 상기 공급 배관(230)의 원주 방향으로 다수 개 형성될 수 있다. 이와 같이, 상기 수소 공급구(231)가 다수 개 형성됨으로써, 상기 공급 배관(230)의 회전에 의해 상기 수소 배관(220)내의 수소를 펄스 형태로 공급할 수 있다. 즉, 앞의 도 6 및 도 7에 도시된 형태와 비교하여, 캐소드에 공급하는 수소의 공급 속도, 공급 유량 등을 효율적으로 제어할 수 있는 장점을 가진다.
이상에서 설명한 바와 같이, 공기 입구 매니폴드(146)를 통해 캐소드에 항상 수소를 공급하는 것이 아니라, 다음에서 설명하는 특정 상황이 발생하였을 때, 캐소드에 수소를 공급하게 된다.
먼저, 연료 전지의 시동과 정지 동작이 빈번하게 이루어지면, 연료 전지 스택에 고전압이 형성되거나 역전압이 형성될 수 있다. 이때, 상기 수소 배관(220)을 통해 캐소드에 수소를 공급하면, 고전압이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로 도 9에 도시된 바와 같이, 무부하 상태에서 연료 전지 스택에서는 고전압이 형성된다(도 9의 (3) 표시부 참조). 이때, 캐소드에 수소를 공급하면 고전압이 형성되는 것이 방지되고(도 9의 (2) 표시부 참조), 캐소드에 수소를 공급하지 않으면 다시 연료 전지에 고전압이 형성되는 것을 알 수 있다(도 9의 (3) 표시부 참조).
그리고 도 10에 도시된 바와 같이, 캐소드에 수소를 공급하지 않는 경우(도10 (a)의 점선 표시부 참조)와 비교하여, 캐소드에 수소를 공급하면 역전압이 형성되는 것을 방지(도 10(b) 참조) 할 수 있다.
이와 같이, 연료 전지에 고전압 또는 역전압이 형성되면, 촉매 및 촉매 지지체에 열화가 일어나 연료 전지의 성능이 저하된다. 따라서 도 11에 도시된 바와 같이, 캐소드에 수소를 공급하지 않는 경우(도 11(a) 참조)와 비교하여, 캐소드에 수소를 공급하면 연료 전지의 셀 전압이 일정하게 유지되어 연료 전지의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다(도 11(b) 참조).
다음으로, 아이들 상태에서 연료 전지가 장착된 차량이 출발하는 경우, 부하의 변동이 급격하게 이루어질 때, 캐소드에 수소를 공급한다.
연료 전지가 장착된 차량이 아이들 상태에서 출발하면 도 12 (a)의 'A'에 도시된 바와 같이, 순간적으로 부하가 변동하여 셀 전압이 급격하게 떨어졌다가 다시 상승하는 것을 알 수 있다.
그러나 연료 전지가 장착된 차량이 아이들 상태에서 출발할 때, 캐소드에 수소를 공급하면 수소와 산소의 화학반응에 의해 생성된 물이 고분자 전해질막이 건조되는 것을 방지하여, 도 12(b)에 도시된 바와 같이 셀 전압이 떨어지는 것을 방지하는 것을 알 수 있다.
그리고 연료 전지의 지속적인 사용으로 인해 연료 전지 스택의 촉매가 열화됨에 따라 연료 전지의 성능 회복이 필요한 경우, 캐소드에 수소를 공급한다.
연료 전지의 캐소드에 수소를 공급하면, 캐소드에 공급된 수소는 애노드 방향으로 확산된다. 이와 동시에 캐소드의 백금 표면 산화물의 환원을 통해 캐소드의 산소환원반응(Oxygen Reduction Reaction: ORR)이 활발히 이루어진다.
따라서 성능이 저하된 연료 전지 스택의 캐소드에 수소를 공급함으로써 일정 부분 연료 전지의 성능의 회복된다.
그리고 동절기와 같이 연료 전지가 장착된 차량을 냉시동하는 경우, 캐소드에 수소를 공급하면, 캐소드의 백금 촉매에서 수소와 산소의 화학반응에 의해 열이 발생하여 연료 전지 스택의 온도를 빠르게 상승시킬 수 있다.
그리고 캐소드에 공급하는 수소를 애노드에서 발생하는 퍼지 수소를 이용하여 재공급하면, 수소 퍼지 과정에서 발생하는 소음이 감소하여 운전자에게 불안감을 조성하는 문제를 해결할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 연료 전지 스택
110: 엔드 플레이트
120: 단위 셀
130: 막 전극 어셈블리
140: 분리판
144: 연료 입구 매니폴드
145: 연료 출구 매니폴드
146: 공기 입구 매니폴드
147: 공기 출구 매니폴드
148: 냉각수 입구 매니폴드
149: 냉각수 출구 매니폴드
210: 모터
220: 수소 배관
221: 수소 배출구
230: 공급 배관
231: 수소 공급구

Claims (7)

  1. 고분자 전해질막과 애노드 및 캐소드를 포함하는 막 전극 어셈블리와, 상기 막 전극 어셈블리의 양측에 배치되고 냉각수 유로와 공기 유로 그리고 연료 유로가 형성되고 상기 공기 유로와 연통하는 공기 입구 매니폴드가 형성되는 분리판을 포함하는 다수의 단위 셀;
    상기 다수의 단위 셀의 양단에 구비되어 상기 단위 셀을 가압 체결하고, 상기 분리판의 공기 입구 매니폴드와 대응하는 위치에 공기 입구 매니폴드가 형성되는 엔드 플레이트; 및
    상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되어 상기 공기 유로를 통해 상기 캐소드에 선택적으로 수소를 공급하는 수소 공급 수단;
    을 포함하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소 공급 수단은,
    상기 분리판에 형성되는 공기 입구 매니폴드와 상기 엔드 플레이트에 형성되는 공기 입구 매니폴드에 구비되고 수소 배출구가 형성되는 수소 배관; 및
    상기 수소 배관의 내측 또는 외측에 구비되어 모터의 구동력에 의해 회전하면서 상기 수소 배관의 수소 배출구와 선택적으로 연통하는 수소 공급구가 형성되는 공급 배관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 공급구는 상기 공급 배관의 원주 방향으로 다수 개가 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 수소 배출구 또는 수소 공급구는 수소가 유입되는 입구로부터 멀어질수록 폭이 좁아지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수소 공급구는 상기 공급 배관의 원주 방향으로 다수 개가 일정 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드에 공급되는 수소는 상기 애노드로 수소를 공급하는 연료공급부를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 캐소드에 공급되는 수소는 상기 애노드에서 반응하지 못한 수소를 배출시키는 퍼지 라인을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택의 수소 공급 장치.
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