KR20210062192A - A highly durable fuel cell system capable of releasing cell voltage reversal - Google Patents

A highly durable fuel cell system capable of releasing cell voltage reversal Download PDF

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KR20210062192A
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Abstract

The present invention relates to a fuel cell system including a configuration with which it is possible to check whether a reverse voltage has occurred and then resolve it. The fuel cell system includes: a fuel cell stack including at least one membrane-electrode assembly; and a battery cell provided on at least one side of the fuel cell stack. The battery cell includes: a working electrode including a cathode for oxygen supply and an anode for hydrogen supply; an electrolyte membrane provided between the cathode and the anode; and a reference electrode for hydrogen supply formed on one surface of the electrolyte membrane at a predetermined distance from the working electrode and a sub gasket surrounding the electrolyte membrane outside the working electrode and the reference electrode.

Description

역전압을 해소할 수 있는 고내구성 연료전지 시스템{A HIGHLY DURABLE FUEL CELL SYSTEM CAPABLE OF RELEASING CELL VOLTAGE REVERSAL}A highly durable fuel cell system capable of resolving reverse voltage {A HIGHLY DURABLE FUEL CELL SYSTEM CAPABLE OF RELEASING CELL VOLTAGE REVERSAL}

본 발명은 역전압이 발생하였는지 확인한 뒤, 이를 해소할 수 있는 구성을 포함하는 연료전지 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell system including a configuration capable of solving the problem after checking whether a reverse voltage has occurred.

일반적으로 자동차용 연료전지로는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)가 적용되고 있는데, 이 고분자 전해질막 연료전지가 자동차의 다양한 운전조건에서 최소 수십 kW이상 높은 출력 성능을 정상적으로 발현하려면 넓은 전류 밀도 범위에서 안정적으로 작동 가능해야 한다. 일반적으로 고분자 전해질막 연료전지는 요구되는 출력 수준을 충족하기 위해 단위 셀(Unit Cell)들을 적층하여 조립한 스택(Stack) 형태로 사용하게 된다. 그리고 연료전지 스택의 단위 셀 구성에서 가장 안쪽에는 막-전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하고, 이 MEA는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 전해질막과, 전해질막의 양면에 도포된 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)로 구성된다. 이하 연료전지라 함은 고분자 전해질막 연료전지를 의미한다.In general, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is applied as a fuel cell for automobiles, and this polymer electrolyte membrane fuel cell normally exhibits high output performance of at least tens of kW under various driving conditions of automobiles. To do this, it must be able to operate reliably over a wide current density range. In general, a polymer electrolyte membrane fuel cell is used in the form of a stack in which unit cells are stacked and assembled to meet a required output level. In addition, a membrane-electrode assembly (MEA) is located at the innermost part of the unit cell configuration of the fuel cell stack, and this MEA is applied to both sides of the electrolyte membrane and the electrolyte membrane that can move hydrogen ions (Proton). It consists of an anode (Anode) and a cathode (Cathode). Hereinafter, the term “fuel cell” refers to a polymer electrolyte membrane fuel cell.

또한 MEA의 바깥 부분, 즉 애노드 및 캐소드가 위치한 바깥 부분에는 기체확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)과 가스켓(Gasket) 등이 적층되고, GDL의 바깥쪽에는 반응기체 및 냉각수, 반응에 의해 발생한 물이 흐르는 유로(Flow Field)를 제공하는 분리판(Separator or Bipolar Plate)이 접합된다. 상기 고분자 전해질막 연료전지의 전기 생성을 위한 전기화학반응을 보면, 연료전지의 산화극인 애노드에 공급된 수소가 수소 이온과 전자로 분리된 후, 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 환원극인 캐소드 쪽으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 통해 캐소드로 이동하게 되고, 상기 캐소드에서 산소 분자와 수소 이온 및 전자가 함께 반응하여 전기와 열을 생성함과 동시에 반응 부산물로서 물을 생성하게 된다. 연료전지 내 전기화학반응시 생성되는 물은 적절한 양이 존재하면 MEA의 가습성을 유지시켜 주는 바람직한 역할을 하지만, 과량의 물 발생시 이를 적절히 제거해 주지 않으면 높은 전류밀도에서 '물 범람 또는 홍수(Flooding)' 현상이 발생하게 되고, 이 범람된 물은 반응 기체들이 효율적으로 연료전지 셀 내부로 공급되는 것을 방해하는 역할을 하여 전압 손실이 더욱 커지게 된다.In addition, a gas diffusion layer (GDL) and a gasket are stacked on the outer part of the MEA, that is, the outer part where the anode and cathode are located, and the reactor body, cooling water, and water generated by the reaction are stacked on the outside of the GDL. A separator or bipolar plate providing a flow field is bonded. Looking at the electrochemical reaction for generating electricity in the polymer electrolyte membrane fuel cell, after hydrogen supplied to the anode, which is the anode of the fuel cell, is separated into hydrogen ions and electrons, the hydrogen ions move toward the cathode, which is the reduction electrode through the polymer electrolyte membrane. , The electrons move to the cathode through an external circuit, and oxygen molecules, hydrogen ions, and electrons react together at the cathode to generate electricity and heat, and at the same time, water as a reaction by-product is generated. The water generated during the electrochemical reaction in the fuel cell plays a desirable role in maintaining the humidification of the MEA if an appropriate amount is present.However, if excessive water is not properly removed, it is'water flooding or flooding' at a high current density. 'A phenomenon occurs, and the overflowed water plays a role in preventing the efficient supply of the reaction gases into the fuel cell cell, resulting in greater voltage loss.

연료전지 스택 내에 물이 축적되거나 고임으로써 반응 기체들(수소 및 공기 중 산소)의 흐름을 방해하여 셀 성능이 감소하는 '물 범람(Flooding)' 현상처럼 가역적으로 성능이 회복되는 경우에는 사용될 수 있으나, 비가역적 열화 모드에서는 적용하는 데 한계가 있다. 대표적인 비가역적 열화 모드인 '역전압(Cell Voltage Reversal)' 문제는 연료전지 내 물 범람, 동절기의 얼음 생성 및 수소 연료 공급장치의 이상 등의 다양한 원인에 의해 연료전지에 사용되는 애노드에 수소 연료가 부족해지는 것(Hydrogen Fuel Starvation) 때문에 발생한다. 역전압이 발생하면 연료전지 셀 성능에 매우 치명적인 악영향을 미쳐 셀 전압을 크게 감소시키는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 수소 공급 부족 현상은 크게 연료전지 셀 전체적으로 수소 공급이 부족해지는 '전체적인 수소 부족(Overall Hydrogen Starvation)' 현상과 셀 전체적인 수소 공급은 충분하나 불균일한 분배(Uneven Distribution)로 인해 부분적으로 수소 공급이 부족해지는 '국부적인 수소 부족(Local Hydrogen Starvation)' 현상으로 분류할 수 있다. 이러한 수소 부족 현상은 특히 수소 기체의 불균일한 공급 및 분배, 갑작스러운 연료전지 로드(Load) 요구량 증가 및 연료전지 시동(Start-up) 등의 운전조건에 자주 발생한다. 이렇게 애노드에 수소가 부족한 경우 애노드 전압(Vanode)이 증가하게 된다. 그러나 계속 애노드 전압이 증가하면 결국 애노드 전압이 캐소드 전압(Vcathode) 대비 더 증가하여 셀 전압(Vcell)이 0 보다 작게 되는 역전압 상태에 이르게 된다(Vcell = Vcathode - Vanode < 0). 애노드 전압 증가에 의한 역전압 상태에서는 먼저 다음 반응식1과 같이 먼저 물전기분해(Water Electrolysis) 반응이 발생한다.It can be used when the performance is reversibly recovered, such as a phenomenon of'water flooding', in which the cell performance decreases by interfering with the flow of reaction gases (hydrogen and oxygen in the air) due to accumulation or accumulation of water in the fuel cell stack However, there is a limit to application in the irreversible deterioration mode. The problem of'Cell Voltage Reversal', which is a representative irreversible deterioration mode, is caused by various causes such as flooding of water in the fuel cell, ice formation in winter, and abnormality of the hydrogen fuel supply system. It occurs because of Hydrogen Fuel Starvation. It is known that the occurrence of a reverse voltage has a very fatal adverse effect on the performance of a fuel cell cell, thereby greatly reducing the cell voltage. In general, the hydrogen supply shortage is largely a phenomenon of'Overall Hydrogen Starvation' in which the supply of hydrogen to the entire fuel cell cell is insufficient, and hydrogen supply is sufficient but the supply of hydrogen is partially due to uneven distribution. It can be classified as a phenomenon of'local hydrogen starvation', which becomes scarce. This hydrogen shortage phenomenon frequently occurs in operating conditions such as uneven supply and distribution of hydrogen gas, sudden increase in fuel cell load demand, and fuel cell start-up. When the anode lacks hydrogen, the anode voltage (V anode ) increases. However, if the anode voltage continues to increase, the anode voltage eventually increases compared to the cathode voltage (V cathode ), resulting in a reverse voltage state in which the cell voltage (V cell ) becomes smaller than 0 (V cell = V cathode -V anode <0). . In the reverse voltage state due to an increase in the anode voltage, first, a water electrolysis reaction occurs as shown in Reaction Equation 1 below.

[반응식1][Scheme 1]

H2O → 1/2O2 + 2H+ + 2e-, Eo = 1.229 V (vs. SHE) H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e -, E o = 1.229 V (vs SHE.)

단, 여기서 Eo는 표준전극전위(Standard Electrode Potential)이고 SHE는 표준수소전극(Standard Hydrogen Electrode)이다. However, where E o is the Standard Electrode Potential and SHE is the Standard Hydrogen Electrode.

그러나 이후에도 애노드 전압이 계속 증가하면 다음 반응식2와 반응식3과 같이 애노드에서의 탄소 부식 반응이 가속화된다.However, if the anode voltage continues to increase after that, the carbon corrosion reaction at the anode is accelerated as shown in Reaction Equations 2 and 3 below.

[반응식2][Scheme 2]

C + 2H2O → CO2 + 4H+ + 4e-, Eo = 0.207 V (vs. SHE) C + 2H 2 O → CO 2 + 4H + + 4e -, E o = 0.207 V (vs SHE.)

[반응식3][Scheme 3]

C + H2O → CO + 2H+ + 2e-, Eo = 0.518 V (vs. SHE) C + H 2 O → CO + 2H + + 2e -, E o = 0.518 V (vs SHE.)

이러한 셀 역전압 조건이 지속되어 셀 전압이 약 -2V 미만이 되는 과도한 역전압 상태에 도달하게 되면 연료전지 셀의 발열이 과다해져서 MEA 및 기체확산층 등을 전반적으로 파손시키며, 특히 MEA에 핀홀(Pin-Hole)이 발생하고 셀이 전기적으로 단락되는(Electrically Shorted) 심각한 문제들을 야기할 수 있다. 이렇게 되면 결국 더 이상 연료전지 셀을 정상적으로 운전할 수 없는 셀 고장(Cell Failure) 상태에 도달하게 된다. If such a cell reverse voltage condition continues to reach an excessive reverse voltage state where the cell voltage is less than about -2V, the fuel cell cell heats up excessively, causing overall damage to the MEA and gas diffusion layer, and in particular, pinholes in the MEA. -Hole) occurs and the cell is electrically shorted, which may cause serious problems. In this case, a cell failure state is reached in which the fuel cell cell cannot be operated normally any more.

전체적인 수소 부족 현상은 연료전지 운전장치(Balance Of Plant) 등에서 센서를 사용하여 수소 공급 상태 등을 모니터링함으로써 비교적 용이하게 검지할 수 있으나, 일부 셀에서의 국부적인 수소 부족 현상은 연료전지 스택의 각 셀을 스택 전압 모니터링(Stack Voltage Monitoring) 장치 등으로 면밀하게 모니터링해야만 검지할 수 있기 때문에 훨씬 많은 노력과 복잡한 제어시스템을 요구하게 된다.The overall hydrogen shortage phenomenon can be detected relatively easily by monitoring the hydrogen supply status using sensors in the fuel cell operation system (Balance Of Plant), but local hydrogen shortage phenomenon in some cells can be detected by each cell of the fuel cell stack. Because it can be detected only by closely monitoring with a Stack Voltage Monitoring device, much more effort and a complex control system are required.

그러므로 이러한 역전압에 도달하기 전에 연료전지를 탑재한 차량을 적절히 제어하여 안정적으로 운행할 수 있도록 하고, 역전압에 대한 내구성이 우수한 연료전지 시스템 및 운전제어 기술을 개발하는 것이 중요하다. Therefore, before reaching such a reverse voltage, it is important to properly control a vehicle equipped with a fuel cell so that it can operate stably, and to develop a fuel cell system and driving control technology having excellent durability against reverse voltage.

한편, 물 범람으로 인한 셀 전압 하락시 종래 기술에서는 애노드에서 기인한 것인지, 캐소드에서 기인한 것인지 명확하지 않았다. 명확한 판단 없이 애노드의 수소 공급, 캐소드의 공기 공급을 증가시켜 물 범람 현상을 제거하여 셀 전압을 정상화 시키는 한계가 있었다. 더욱이 셀 전압 하락이 캐소드의 물 범람 때문인지, 애노드의 역전압에 의한 것인지 사전에 구분이 불가능 하였다.On the other hand, in the case of a cell voltage drop due to flooding of water, in the prior art, it was not clear whether it was caused by the anode or the cathode. There is a limit to normalizing the cell voltage by removing the water overflow phenomenon by increasing the supply of hydrogen to the anode and the air to the cathode without a clear judgment. Moreover, it was impossible to distinguish in advance whether the cell voltage drop was due to flooding of water at the cathode or reverse voltage at the anode.

한국등록공보 제10-1405800호Korean Registered Gazette No. 10-1405800 한국등록공보 제10-0341435호Korean Registered Gazette No. 10-0341435

이에 본 발명에서는 셀 전압 하락이 애노드 역전압에 의한 것인지, 캐소드의 물 범람 현상에 의한 것인지 명확하게 사전에 판단하여 비가역적인 역전압에 의한 열화 모드에서도 정상적인 차량 주행을 도모하고자 한다. Accordingly, in the present invention, it is intended to achieve normal vehicle driving even in a deterioration mode due to an irreversible reverse voltage by clearly determining in advance whether the cell voltage drop is due to an anode reverse voltage or a water overflow phenomenon of the cathode.

더불어 물 범람 현상시 애노드측인지, 캐소드측인지 판단하여 차량의 내구성을 효율적으로 향상시킬 수 있는 방안을 제시하고자 한다. In addition, it is intended to propose a method to efficiently improve the durability of the vehicle by determining whether it is on the anode side or the cathode side in the event of water overflow.

보다 상세하게는 스택 내에 임의의 위치에 주동력 적층 셀과는 다른 사양의 기준 전극이 포함된 셀을 적용하여 애노드 전압과 캐소드 전압을 독립적인 측정을 하고자 한다. In more detail, it is intended to independently measure the anode voltage and the cathode voltage by applying a cell including a reference electrode having a specification different from that of the main power stacked cell at an arbitrary position in the stack.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. Objects of the present invention will become more apparent from the following description, and will be realized by means described in the claims and combinations thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 시스템은 적어도 어느 하나의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택; 상기 연료전지 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급부; 상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부; 및 상기 연료전지 스택의 적어도 어느 한 측에 구비되는 전지 셀을 포함하고, 상기 전지 셀은 산소가 공급되는 캐소드(Cathode)와, 수소가 공급되는 애노드(Anode)를 포함하는 작동전극(Working electrode); 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 구비되는 전해질막; 상기 작동전극과 일정 거리 이격되어 상기 전해질막의 어느 한 면에 형성되고 수소가 공급되는 기준전극(Reference electrode) 및 상기 작동전극과 상기 기준전극의 외측으로 상기 전해질막을 감싸는 서브 가스켓를 포함할 수 있다.A fuel cell system according to an embodiment of the present invention includes a fuel cell stack including at least one membrane-electrode assembly; An oxygen supply unit supplying oxygen to the fuel cell stack; A hydrogen supply unit supplying hydrogen to the fuel cell stack; And a battery cell provided on at least one side of the fuel cell stack, wherein the battery cell includes a cathode supplied with oxygen and an anode supplied with hydrogen. ; An electrolyte membrane provided between the cathode and the anode; A reference electrode formed on one surface of the electrolyte membrane and supplied with hydrogen by being spaced apart from the working electrode by a predetermined distance, and a sub gasket surrounding the electrolyte membrane outside the working electrode and the reference electrode.

상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택과 상기 전지 셀 사이에 구비된 절연체를 더 포함하는 것일 수 있다.The fuel cell system may further include an insulator provided between the fuel cell stack and the battery cell.

상기 기준전극은 상기 전해질막 상에서 상기 애노드와 같은 면에 형성된 것일 수 있다.The reference electrode may be formed on the electrolyte membrane on the same surface as the anode.

상기 전지 셀은 상기 기준전극 상에 구비되는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징은 수소가 통과하는 적어도 어느 하나의 수소 유로, 상기 수소 유로의 일측에 형성되고 수소가 유입되는 수소 유입부 및 상기 수소 유로의 타측에 형성되고 수소가 배출되는 수소 배출부를 포함하는 것일 수 있다.The battery cell further includes a housing provided on the reference electrode, wherein the housing includes at least one hydrogen passage through which hydrogen passes, a hydrogen inlet portion formed on one side of the hydrogen passage and into which hydrogen flows, and the hydrogen passage It may be formed on the other side of the to include a hydrogen discharge unit from which hydrogen is discharged.

상기 전지 셀은 상기 캐소드 상에 구비되는 캐소드 분리판 및 상기 애노드 상에 구비되는 애노드 분리판을 더 포함하고, 상기 캐소드 분리판 및 애노드 분리판은 각각 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하는 것일 수 있다.The battery cell further includes a cathode separation plate provided on the cathode and an anode separation plate provided on the anode, and the cathode separation plate and the anode separation plate each include at least one channel portion through which the reactor body passes. It can be.

상기 연료전지 시스템은 상기 작동전극 및 상기 기준전극에 연결되어 상기 전지 셀의 캐소드 전압(Vcathode), 애노드 전압(Vanode) 및 셀 전압(Vcell)을 측정하는 전압 측정부; 및 상기 전압 측정부에 연결되어 상기 전압 측정부의 측정 결과에 근거하여 상기 연료전지 스택으로 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.The fuel cell system includes a voltage measuring unit connected to said working electrode and said reference electrode for measuring the cathode voltage (V cathode), the anode voltage (V anode), and the cell voltage (V cell) of the battery cell; And a control unit connected to the voltage measurement unit and controlling a supply amount of the reactor body supplied to the fuel cell stack based on a measurement result of the voltage measurement unit.

상기 제어부는 상기 전압 측정부와 연결되어 수신된 상기 캐소드 전압, 애노드 전압 및 및 셀 전압의 값을 통해 상기 전지 셀에 역전압이 발생하였는지를 결정하는 판단 모듈; 및 상기 판단 모듈, 산소 공급부 및 수소 공급부와 연결되어 상기 판단 모듈에서 결정한 상태에 따라 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 유량 조절 모듈을 포함하는 것일 수 있다.The control unit includes a determination module connected to the voltage measuring unit to determine whether a reverse voltage has occurred in the battery cell based on the values of the cathode voltage, the anode voltage, and the cell voltage received; And a flow rate control module connected to the determination module, the oxygen supply unit, and the hydrogen supply unit to adjust the supply amount of the reactor body supplied to the fuel cell stack according to a state determined by the determination module.

상기 판단 모듈은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 내지 1.5V에 속하면 수소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀에 역전압이 발생하였다고 결정하고, 상기 유량 조절 모듈이 상기 판단 모듈의 결정에 따라 상기 수소 공급부에서 공급되는 수소의 공급량을 증가시키는 것일 수 있다.The determination module determines that a reverse voltage has occurred in the battery cell due to a lack of hydrogen supply when the anode voltage falls within 0.05V to 1.5V while the cell voltage is decreased, and the flow rate control module According to the determination, the amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit may be increased.

상기 판단 모듈은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 미만이고, 상기 캐소드 전압의 변화량(△Vcathode)과 상기 애노드 전압의 변화량(△Vanode)의 비율(△Vcathode/△Vanode)이 1.5 내지 2.5이면 산소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀의 셀 전압이 하락하였다고 결정하고, 상기 유량 조절 모듈이 상기 판단 모듈의 결정에 따라 상기 산소 공급부에서 공급되는 산소의 공급량을 증가시키는 것일 수 있다.The determination module has the anode voltage less than 0.05V in a state where the cell voltage is decreasing, and the ratio of the change amount of the cathode voltage (△V cathode ) and the change amount of the anode voltage (△V anode ) (△V cathode /△ If V anode ) is 1.5 to 2.5, it is determined that the cell voltage of the battery cell has decreased due to insufficient oxygen supply, and the flow control module increases the supply amount of oxygen supplied from the oxygen supply unit according to the determination of the determination module. I can.

상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고, 상기 전지 셀의 애노드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 촉매의 함량 대비 80% 내지 95%이고, 상기 전지 셀의 애노드의 두께가 상기 막-전극 접합체의 음극의 두께 대비 80% 내지 90%이며, 상기 전지 셀의 애노드에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고, 상기 전지 셀의 애노드 분리판의 채널부의 단면적이 상기 막-전극 접합체 사이에 구비되는 분리판의 채널부의 단면적 대비 85% 내지 95%일 수 있다.The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, and a separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes. Including, the content of the catalyst contained in the anode of the battery cell is 80% to 95% of the content of the catalyst contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly, the thickness of the anode of the battery cell is the membrane-electrode assembly 80% to 90% of the thickness of the negative electrode, the content of the ionomer contained in the anode of the battery cell is 125% to 190% of the content of the ionomer contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly, and the anode separation of the battery cell The cross-sectional area of the channel portion of the plate may be 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion of the separator provided between the membrane-electrode assembly.

상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고, 상기 전지 셀의 캐소드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 양극에 포함된 촉매의 함량 대비 85% 내지 95%이고, 상기 전지 셀의 캐소드의 두께가 상기 막-전극 접합체의 양극의 두께 대비 80% 내지 90%이며, 상기 전지 셀의 캐소드에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체의 양극에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고, 상기 전지 셀의 캐소드 분리판의 채널부의 단면적이 상기 막-전극 접합체 사이에 구비되는 분리판의 채널부의 단면적 대비 85% 내지 95%일 수 있다.The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, and a separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes. Including, the content of the catalyst contained in the cathode of the battery cell is 85% to 95% of the content of the catalyst contained in the positive electrode of the membrane-electrode assembly, the thickness of the cathode of the battery cell is the membrane-electrode assembly 80% to 90% of the thickness of the positive electrode, and the content of the ionomer contained in the cathode of the battery cell is 125% to 190% of the content of the ionomer contained in the positive electrode of the membrane-electrode assembly, and the cathode of the battery cell is separated The cross-sectional area of the channel portion of the plate may be 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion of the separator provided between the membrane-electrode assembly.

상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고, 상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고, 상기 전지 셀의 애노드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 촉매의 함량 대비 115% 내지 145%이고, 상기 전지 셀의 애노드의 탄화도가 상기 막-전극 접합체의 음극의 탄화도 대비 110% 내지 130%일 수 있다.The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode, and a separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes. Including, the content of the catalyst contained in the anode of the battery cell is 115% to 145% of the content of the catalyst contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly, the carbonization of the anode of the battery cell is the membrane-electrode assembly It may be 110% to 130% compared to the degree of carbonization of the negative electrode.

본 발명에 따른 연료전지 시스템은 애노드에서 수소 부족에 의한 역전압 발생시 비가역적인 탄소 부식 반응을 사전에 억제할 수 있고, 수소, 공기 부족 상황을 사전에 검지하여 수소 부족 문제, 공기 부족 문제를 효율적으로 해소할 수 있다.The fuel cell system according to the present invention can suppress the irreversible carbon corrosion reaction in advance when the reverse voltage occurs due to insufficient hydrogen at the anode, and detects the situation of shortage of hydrogen and air in advance to efficiently solve the problem of hydrogen shortage and insufficient air. It can be solved.

본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be inferred from the following description.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 막-전극 접합체를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지 셀을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전지 셀의 전압을 측정하는 구조를 개략적으로 도시한 회로도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 구비된 전압 측정부 및 제어부를 개략적으로 도시한 블럭도이다.
1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell system according to the present invention.
2 is a perspective view schematically showing a part of a fuel cell system according to the present invention.
3 is a cross-sectional view schematically showing a membrane-electrode assembly according to the present invention.
4 is a cross-sectional view schematically showing a battery cell according to the present invention.
5 is a circuit diagram schematically showing a structure for measuring a voltage of a battery cell according to the present invention.
6 is a block diagram schematically showing a voltage measuring unit and a control unit included in the fuel cell system according to the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.The above objects, other objects, features, and advantages of the present invention will be easily understood through the following preferred embodiments related to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are shown to be enlarged than actual for clarity of the present invention.

본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "하부에" 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance the possibility of the presence or addition. Further, when a part such as a layer, film, region, plate, etc. is said to be "on" another part, this includes not only the case where the other part is "directly above", but also the case where there is another part in the middle. Conversely, when a part such as a layer, a film, a region, or a plate is said to be "under" another part, this includes not only the case where the other part is "directly below", but also the case where there is another part in the middle.

달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 성분, 반응 조건, 폴리머 조성물 및 배합물의 양을 표현하는 모든 숫자, 값 및/또는 표현은, 이러한 숫자들이 본질적으로 다른 것들 중에서 이러한 값을 얻는 데 발생하는 측정의 다양한 불확실성이 반영된 근사치들이므로, 모든 경우 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 기재에서 수치범위가 개시되는 경우, 이러한 범위는 연속적이며, 달리 지적되지 않는 한 이러한 범 위의 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지의 모든 값을 포함한다. 더 나아가, 이러한 범위가 정수를 지칭하는 경우, 달리 지적되지 않는 한 최소값으로부터 최대값이 포함된 상기 최대값까지를 포함하는 모든 정수가 포함된다.Unless otherwise specified, all numbers, values, and/or expressions expressing quantities of ingredients, reaction conditions, polymer compositions, and formulations used herein are those that occur in obtaining these values, among other things essentially. Since they are approximations that reflect the various uncertainties of the measurement, it should be understood as being modified in all cases by the term "about". In addition, when numerical ranges are disclosed herein, such ranges are continuous and, unless otherwise indicated, include all values from the minimum value of this range to the maximum value including the maximum value. Furthermore, where this range refers to an integer, all integers from the minimum to the maximum value including the maximum value are included, unless otherwise indicated.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 일부를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a cross-sectional view schematically showing a fuel cell system according to the present invention. 2 is a perspective view schematically showing a part of a fuel cell system according to the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 연료전지 시스템은 적어도 어느 하나의 막-전극 접합체(11)를 포함하는 연료전지 스택(10), 상기 연료전지 스택(10)으로 산소를 공급하는 산소 공급부(20), 상기 연료전지 스택(10)으로 수소를 공급하는 수소 공급부(30), 상기 연료전지 스택(10)의 적어도 어느 한 측에 구비되는 전지 셀(40) 및 상기 연료전지 스택(10) 및/또는 상기 전지 셀(40)의 외측에 설치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(60)를 포함한다.1 and 2, the fuel cell system includes a fuel cell stack 10 including at least one membrane-electrode assembly 11, and an oxygen supply unit supplying oxygen to the fuel cell stack 10 ( 20), a hydrogen supply unit 30 for supplying hydrogen to the fuel cell stack 10, a battery cell 40 and the fuel cell stack 10 provided on at least one side of the fuel cell stack 10, and / Or includes a pair of end plates 60 installed on the outside of the battery cell 40.

상기 연료전지 스택(10)은 복수 개의 막-전극 접합체(11)가 분리판(12)을 개재하여 적층된 것일 수 있다.The fuel cell stack 10 may be formed by stacking a plurality of membrane-electrode assemblies 11 through a separator 12.

도 3은 상기 막-전극 접합체(11)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 막-전극 접합체(11)는 양극(111), 음극(112) 및 상기 양극(111)과 음극(112) 사이에 위치하는 전해질막(113)을 포함할 수 있다.3 is a schematic cross-sectional view of the membrane-electrode assembly 11. Referring to this, the membrane-electrode assembly 11 may include an anode 111, a cathode 112, and an electrolyte membrane 113 positioned between the anode 111 and the cathode 112.

상기 음극(112)에 공급된 수소는 전자 및 양성자(H+)로 분해된다. 상기 전자는 전기 회로(미도시)를 통해 양극으로 흐르고, 양성자(H+)는 전해질막(113)을 통해 양극(111)으로 이동한다. 양극(111)에서, 양성자는 전자 및 양극(111)에 공급된 산소와 결합하여 물 및 열을 생성한다.Hydrogen supplied to the cathode 112 is decomposed into electrons and protons (H + ). The electrons flow to the anode through an electric circuit (not shown), and protons (H + ) move to the anode 111 through the electrolyte membrane 113. In the anode 111, protons combine with electrons and oxygen supplied to the anode 111 to produce water and heat.

상기 분리판(12)은 복수 개의 막-전극 접합체(11)를 분리하는 구성으로 각 분리판(12)은 상기 연료전지 스택(10) 내에서 수소 및 산소가 통과할 수 있도록 적어도 어느 하나의 채널부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 채널부의 형상 및 위치는 특별히 제한되지 않으며 연료전지 스택의 형상 등에 맞추어 적절하게 형성할 수 있다.The separating plate 12 is configured to separate a plurality of membrane-electrode assemblies 11, and each separating plate 12 has at least one channel to allow hydrogen and oxygen to pass through the fuel cell stack 10. May include sub (not shown). The shape and position of the channel portion are not particularly limited, and may be appropriately formed according to the shape of the fuel cell stack.

상기 산소 공급부(20)는 상기 연료전지 스택(10)의 외부에 위치하여 상기 연료전지 스택(10) 및/또는 전지 셀(40)로 산소를 공급하는 구성이다.The oxygen supply unit 20 is located outside the fuel cell stack 10 and supplies oxygen to the fuel cell stack 10 and/or the battery cell 40.

상기 산소 공급부(20)는 산소를 저장하고 있는 산소 탱크(21) 및 상기 산소를 상기 연료전지 스택(10) 및/또는 전지 셀(40)로 공급하는 산소 공급로(22)를 포함할 수 있다. 다만 산소가 아니라 외부의 공기를 사용하는 경우에는 상기 산소 공급부(20)에 외부와 연통되어 있는 공기 블로어(Air Blower)가 설치되어 있을 수 있다. 또한 산소와 외부의 공기를 선택적으로 사용하는 경우에는 상기 산소 공급부(20)에 상기 산소 탱크(21) 및 상기 공기 블로어가 모두 설치되어 있을 수 있다.The oxygen supply unit 20 may include an oxygen tank 21 storing oxygen and an oxygen supply path 22 supplying the oxygen to the fuel cell stack 10 and/or the battery cell 40. . However, when using external air instead of oxygen, an air blower communicating with the outside may be installed in the oxygen supply unit 20. In addition, when oxygen and external air are selectively used, both the oxygen tank 21 and the air blower may be installed in the oxygen supply unit 20.

상기 수소 공급부(30)는 수소를 저장하고 있는 수소 탱크(31) 및 상기 수소를 상기 연료전지 스택(10) 및/또는 전지 셀(40)로 공급하는 수소 공급로(32)를 포함할 수 있다.The hydrogen supply unit 30 may include a hydrogen tank 31 storing hydrogen and a hydrogen supply path 32 supplying the hydrogen to the fuel cell stack 10 and/or the battery cell 40. .

상기 산소 공급부(20)는 상기 산소를 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)에 동일한 경로로 공급하는 것일 수 있다. 다만 상기 산소 공급부(20)가 상기 산소를 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)에 별도의 경로로 공급하게 할 수도 있다. 이의 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않고, 상기 산소 공급부(20)를 복수 개로 설치하거나, 상기 산소 공급로(32) 및 후술할 엔드 플레이트의 산소 유입구(61)를 별도로 설치하는 등의 방법으로 구현할 수 있다.The oxygen supply unit 20 may supply the oxygen to the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 through the same path. However, the oxygen supply unit 20 may supply the oxygen to the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 through a separate path. A specific method thereof is not particularly limited, and may be implemented by installing a plurality of the oxygen supply units 20, or separately installing the oxygen supply path 32 and the oxygen inlet 61 of the end plate to be described later. .

상기 수소 공급부(30)는 상기 수소를 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)에 동일한 경로로 공급하는 것일 수 있다. 다만 상기 수소 공급부(30)가 상기 수소를 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)에 별도의 경로로 공급하게 할 수도 있다. 이의 구체적인 방법은 특별히 제한되지 않고, 상기 수소 공급부(30)를 복수 개로 설치하거나, 상기 수소 공급로(32) 및 후술할 엔드 플레이트의 수소 유입구(63)를 별도로 설치하는 등의 방법으로 구현할 수 있다.The hydrogen supply unit 30 may supply the hydrogen to the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 through the same path. However, the hydrogen supply unit 30 may supply the hydrogen to the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 through a separate path. A specific method thereof is not particularly limited, and may be implemented by installing a plurality of the hydrogen supply units 30, or separately installing the hydrogen supply path 32 and the hydrogen inlet 63 of the end plate to be described later. .

상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택(10)에 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 냉각수 공급부는 냉각수를 저장하고 있는 냉각수 탱크 및 상기 냉각수를 상기 연료전지 스택으로 공급하는 냉각수 공급로를 포함할 수 있다.The fuel cell system may further include a coolant supply unit (not shown) that supplies coolant to the fuel cell stack 10. The coolant supply unit may include a coolant tank storing coolant and a coolant supply path for supplying the coolant to the fuel cell stack.

상기 연료전지 시스템은 상기 연료전지 스택(10) 및/또는 상기 전지 셀(40)의 외측에 설치되는 한 쌍의 엔드 플레이트(60)를 포함할 수 있다. 상기 엔드 플레이트(60)는 상기 산소 공급부(20)로부터 유입되는 산소가 통과하는 산소 유입구(61), 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 산소가 통과하는 산소 배출구(62), 상기 수소 공급부(30)로부터 유입되는 수소가 통과하는 수소 유입구(63) 및 연료전지 스택(10)으로부터 배출되는 수소가 통과하는 수소 배출구(64)를 포함할 수 있다. 이들의 형상 및 위치는 특별히 제한되지 않고, 연료전지 시스템의 각 구성의 배치, 크기 등을 고려하여 적절하게 형성할 수 있다.The fuel cell system may include a pair of end plates 60 installed outside the fuel cell stack 10 and/or the battery cell 40. The end plate 60 includes an oxygen inlet 61 through which oxygen introduced from the oxygen supply unit 20 passes, an oxygen outlet 62 through which oxygen discharged from the fuel cell stack 10 passes, and the hydrogen supply unit 30 A hydrogen inlet 63 through which hydrogen introduced from) passes and a hydrogen outlet 64 through which hydrogen discharged from the fuel cell stack 10 passes. Their shape and position are not particularly limited, and may be appropriately formed in consideration of the arrangement and size of each component of the fuel cell system.

상기 엔드 플레이트(60)는 상기 냉각수 공급부로부터 유입되는 냉각수가 통과하는 냉각수 유입구(미도시) 및 그 내부로부터 배출되는 냉각수가 통과하는 냉각수 배출구(미도시)를 포함할 수 있다. The end plate 60 may include a cooling water inlet (not shown) through which the cooling water introduced from the cooling water supply unit passes, and a cooling water outlet (not shown) through which the cooling water discharged from the inside thereof passes.

도 4는 상기 전지 셀(40)을 개략적으로 도시한 단면도이다. 이를 참조하면, 상기 전지 셀(40)은 캐소드(Cathode, 41a) 및 애노드(Anode, 41b)를 포함하는 작동전극(Working electrode, 41), 상기 캐소드(41a)와 상기 애노드(41b) 사이에 구비되는 전해질막(42), 상기 작동전극(41)과 일정 거리 이격되어 상기 전해질막(42)의 어느 한 면에 형성되고 수소가 공급되는 기준전극(Reference electrode, 43) 및 상기 작동전극(41)과 상기 기준전극(43)의 외측으로 상기 전해질막(42)을 감싸는 서브 가스켓(44)를 포함한다. 여기서 "작동전극"은 일반적인 작동전극과 대전극을 포함하는 의미로서, 애노드가 작동전극인 경우에는 캐소드가 대전극이 되고, 캐소드가 작동전극인 경우에는 애노드가 대전극이 된다.4 is a schematic cross-sectional view of the battery cell 40. Referring to this, the battery cell 40 is provided between a working electrode 41 including a cathode 41a and an anode 41b, and between the cathode 41a and the anode 41b. A reference electrode 43 and the working electrode 41 formed on any one surface of the electrolyte membrane 42 by being spaced apart from the working electrode 41 by a predetermined distance and supplied with hydrogen. And a sub gasket 44 surrounding the electrolyte membrane 42 outside the reference electrode 43. Here, the "working electrode" means including a general working electrode and a counter electrode. When the anode is the working electrode, the cathode becomes the counter electrode, and when the cathode is the working electrode, the anode becomes the counter electrode.

본 발명은 상기 연료전지 시스템이 상기 기준전극(43)을 포함하는 전지 셀(40)을 1 이상 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전지 셀의 캐소드(41a)와 애노드(41b)의 구조, 이들에 대한 산소와 수소의 공급, 전체적인 셀의 구조는 전술한 막-전극 접합체(11)와 실질적으로 동일하다. 다만 본 발명은 상기 전지 셀(40)에 기준전극(43)을 추가함으로써, 상기 전지 셀(40)의 캐소드 전압(Vcathode)과 애노드 전압(Vanode)을 독립적으로 측정할 수 있도록 하였다. 그에 따라 상기 연료전지 시스템에 역전압이 발생하는지 실시간으로 체크할 수 있고, 그 원인이 되는 전극을 명확하게 판단할 수 있으므로 역전압에 대해 효과적으로 대응할 수 있다. 이에 대해서는 구체적으로 후술한다.The present invention is characterized in that the fuel cell system includes at least one battery cell 40 including the reference electrode 43. The structure of the cathode 41a and the anode 41b of the battery cell, the supply of oxygen and hydrogen to them, and the structure of the overall cell are substantially the same as those of the membrane-electrode assembly 11 described above. However, in the present invention, by adding the reference electrode 43 to the battery cell 40, the cathode voltage (V cathode ) and the anode voltage (V anode ) of the battery cell 40 can be independently measured. Accordingly, it is possible to check in real time whether a reverse voltage is generated in the fuel cell system, and since the causing electrode can be clearly determined, it is possible to effectively respond to the reverse voltage. This will be described in detail later.

상기 연료전지 시스템은 상기 전지 셀(40)을 적어도 하나 이상 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택(10)의 양 단부 중 어느 한 곳에 설치되거나, 양 단부 모두에 설치될 수 있다. 또한 상기 전지 셀(40)은 상기 연료전지 스택(10)의 내부에 설치될 수도 있다.The fuel cell system may include at least one or more of the battery cells 40. It may be installed at one of both ends of the fuel cell stack 10 or may be installed at both ends of the fuel cell stack 10. In addition, the battery cell 40 may be installed inside the fuel cell stack 10.

상기 전지 셀(40)은 일종의 역전압의 발생을 검출할 수 있는 센서로서 기능하는 구성이다. 따라서 상기 전지 셀(40)에는 상기 연료전지 스택(10)과 동일한 전기적 부하가 적용된다. 즉, 상기 전지 셀(40)의 작동전극(41)의 단위 면적당 부하되는 전류는 상기 막-전극 접합체(11)의 한 쌍의 전극의 것과 동일하다. 다만 상기 연료전지 스택(10)이 상기 전지 셀(40)에 미치는 영향을 배제하기 위하여 상기 전지 셀(40)과 상기 연료전지 스택(10) 사이에 절연체(50)를 설치할 수 있다.The battery cell 40 is configured to function as a sensor capable of detecting the occurrence of a kind of reverse voltage. Accordingly, the same electrical load as the fuel cell stack 10 is applied to the battery cell 40. That is, the current loaded per unit area of the working electrode 41 of the battery cell 40 is the same as that of the pair of electrodes of the membrane-electrode assembly 11. However, in order to exclude the influence of the fuel cell stack 10 on the battery cell 40, an insulator 50 may be installed between the battery cell 40 and the fuel cell stack 10.

상기 절연체(50)는 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)을 전기적으로 분리할 수 있는 것이라면 어떠한 것도 사용할 수 있다. 예를 들어, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP: Glass fiber reinforced plastics); 및/또는 탄소강에 불소계 수지를 코팅한 것일 수 있다. 상기 불소계 수지는 PTFE(Polytetrafluoroethylene), FEP(Fluorinated Ethylene Propylene), PFA(Perfluoroalkoxy Alkanes), ETFE(Ethylene Tetrafluoroethylene) 등을 포함할 수 있다.Any insulator 50 may be used as long as it can electrically separate the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 from each other. For example, glass fiber reinforced plastics (GFRP); And/or carbon steel may be coated with a fluorine-based resin. The fluorine-based resin may include Polytetrafluoroethylene (PTFE), Fluorinated Ethylene Propylene (FEP), Perfluoroalkoxy Alkanes (PFA), Ethylene Tetrafluoroethylene (ETFE), and the like.

상기 캐소드(41a) 및 애노드(41b)는 상기 전지 셀의 작동전극(41)으로서, 각각 촉매 및 이오노머를 포함할 수 있다.The cathode 41a and the anode 41b are operating electrodes 41 of the battery cell, and may each include a catalyst and an ionomer.

상기 촉매는 특별히 제한되지 않으나, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 2원계, 3원계, 4원계 금속 촉매를 포함할 수 있다.The catalyst is not particularly limited, but platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), nickel (Ni), osmium (Os), manganese (Mn), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten ( W), iron (Fe), molybdenum (Mo), iridium (Ir), tin (Sn) may include two or more binary, ternary, quaternary metal catalysts selected from the group consisting of.

상기 이오노머는 특별히 제한되지 않으나, 나피온 이오노머(Du Pont사의 상품명) 등의 불소계 이오노머를 포함할 수 있다.The ionomer is not particularly limited, but may include a fluorine-based ionomer such as Nafion ionomer (trade name of Du Pont).

상기 캐소드(41a) 및 애노드(41b) 상에는 각각 가스 확산층(45a, 45b)이 더 구비될 수 있다. 상기 가스 확산층(45a, 45b)은 상기 캐소드(41a) 및 애노드(41b) 각각에 반응기체를 원활하게 공급하기 위한 것으로서, 탄소로 이루어진 직물, 종이, 부직포 등의 시트형 기재를 포함할 수 있다.Gas diffusion layers 45a and 45b may be further provided on the cathode 41a and the anode 41b, respectively. The gas diffusion layers 45a and 45b are for smoothly supplying a reactive body to each of the cathode 41a and the anode 41b, and may include a sheet-like substrate such as fabric, paper, and nonwoven fabric made of carbon.

상기 전해질막(42)은 상기 애노드(41b)에서 생성된 양성자가 상기 캐소드(41a)로 이동할 수 있도록 하는 구성이다. 상기 전해질막(42)은 특별히 제한되지 않으나, 나피온 이오노머 등의 불소계 이오노머 또는 팽창된 폴리테트라플루오로에틸렌(expanded-Polytetrafluoroehtylene, e-PTFE)에 불소계 이오노머를 함침시킨 것 등을 포함할 수 있다.The electrolyte membrane 42 is configured to allow protons generated in the anode 41b to move to the cathode 41a. The electrolyte membrane 42 is not particularly limited, but may include a fluorine-based ionomer such as Nafion ionomer or a fluorine-based ionomer impregnated with expanded-polytetrafluoroethylene (e-PTFE).

상기 전지 셀(40)은 상기 캐소드(41a) 상에 구비되는 캐소드 분리판(46a) 및 상기 애노드(41b) 상에 구비되는 애노드 분리판(46b)을 더 포함할 수 있다. 상기 캐소드 분리판(46a) 및 상기 애노드 분리판(46b)은 각각 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부(47, 47')를 포함할 수 있다. 또한 상기 캐소드 분리판(46a) 및 상기 애노드 분리판(46b)은 각각 냉각수가 통과하는 유로(미도시)를 더 포함할 수 있다.The battery cell 40 may further include a cathode separator 46a provided on the cathode 41a and an anode separator 46b provided on the anode 41b. The cathode separating plate 46a and the anode separating plate 46b may each include at least one channel portion 47 and 47' through which the reactor body passes. In addition, the cathode separating plate 46a and the anode separating plate 46b may further include passages (not shown) through which cooling water passes.

상기 전해질막(42)은 상기 작동전극(41)의 외측으로 연장 형성되어 상기 기준전극(43)이 형성될 공간을 제공할 수 있다. 또한 상기 작동전극(41) 및 기준전극(43)의 외측으로 상기 전해질막(42)을 감싸는 서브 가스켓(44)을 설치하여 상기 전해질막(42)이 노출되지 않도록 할 수 있다. 그에 따라 상기 전해질막(42)의 수분을 용이하게 관리할 수 있고, 상기 전지 셀(40)의 캐소드 전압 및 애노드 전압을 안정적으로 측정할 수 있다.The electrolyte membrane 42 may extend outside the working electrode 41 to provide a space in which the reference electrode 43 is to be formed. In addition, a sub gasket 44 surrounding the electrolyte membrane 42 may be installed outside the working electrode 41 and the reference electrode 43 to prevent the electrolyte membrane 42 from being exposed. Accordingly, moisture in the electrolyte membrane 42 can be easily managed, and the cathode voltage and anode voltage of the battery cell 40 can be stably measured.

상기 기준전극(43)은 상기 전해질막(42) 상에서 상기 애노드(41b)와 같은 면에 형성된 것일 수 있다. 이와 함께 상기 기준전극(43)에 수소를 공급함으로써 상기 기준전극(43)이 상기 전지 셀(40) 내에서 수소전극으로 기능하도록 할 수 있다.The reference electrode 43 may be formed on the electrolyte membrane 42 on the same surface as the anode 41b. In addition, by supplying hydrogen to the reference electrode 43, the reference electrode 43 may function as a hydrogen electrode in the battery cell 40.

상기 기준전극(43)은 촉매 및 이오노머를 포함할 수 있다. 상기 촉매는 특별히 제한되지 않으나, 백금(Pt), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 니켈(Ni), 오스뮴(Os), 망간(Mn), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 텅스텐(W), 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 이리듐(Ir), 주석(Sn)으로 이루어진 군으로부터 선택된 2종 이상의 2원계, 3원계, 4원계 금속 촉매를 포함할 수 있다. 상기 이오노머는 특별히 제한되지 않으나, 나피온 이오노머(Du Pont사의 상품명) 등의 불소계 이오노머를 포함할 수 있다. 상기 촉매와 상기 이오노머는 상기 작동전극(41)의 것과 같거나 다를 수 있다.The reference electrode 43 may include a catalyst and an ionomer. The catalyst is not particularly limited, but platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), nickel (Ni), osmium (Os), manganese (Mn), titanium (Ti), zirconium (Zr), tungsten ( W), iron (Fe), molybdenum (Mo), iridium (Ir), tin (Sn) may include two or more binary, ternary, quaternary metal catalysts selected from the group consisting of. The ionomer is not particularly limited, but may include a fluorine-based ionomer such as Nafion ionomer (trade name of Du Pont). The catalyst and the ionomer may be the same as or different from those of the working electrode 41.

상기 기준전극(43) 상에는 가스 확산층(45c)이 더 구비될 수 있다. 상기 가스 확산층(45c)은 상기 기준전극(43)에 반응기체를 원활하게 공급하기 위한 것으로서, 탄소로 이루어진 직물, 종이, 부직포 등의 시트형 기재를 포함할 수 있다.A gas diffusion layer 45c may be further provided on the reference electrode 43. The gas diffusion layer 45c is for smoothly supplying the reactive body to the reference electrode 43, and may include a sheet-like substrate such as a fabric, paper, or nonwoven fabric made of carbon.

상기 전지 셀(40)은 상기 기준전극(43) 상에 구비되는 하우징(48)을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징(48)은 상기 기준전극(43) 및 상기 기준전극(43)이 형성된 전해질막(42) 및 이를 감싸는 서브 가스켓(44)의 일정 부분을 모두 감싸도록 설치될 수 있다.The battery cell 40 may further include a housing 48 provided on the reference electrode 43. The housing 48 may be installed to cover all of the reference electrode 43 and the electrolyte membrane 42 on which the reference electrode 43 is formed, and a predetermined portion of the sub gasket 44 surrounding the reference electrode 43.

상기 하우징(48)은 수소가 통과하는 적어도 어느 하나의 수소 유로(48a), 상기 수소 유로(48a)의 일측에 형성되고 수소가 유입되는 수소 유입부(48b) 및 상기 수소 유로(48a)의 타측에 형성되고 수소가 배출되는 수소 배출부(48c)를 포함할 수 있다. 외부로부터 유입되는 수소는 상기 수소 유입부(48b)를 거쳐 상기 수소 유로(48a)를 통해 상기 기준전극(43)에 제공되고, 이후 수소 배출부(48c)를 통해 외부로 배출된다.The housing 48 includes at least one hydrogen passage 48a through which hydrogen passes, a hydrogen inlet 48b formed on one side of the hydrogen passage 48a and into which hydrogen flows, and the other side of the hydrogen passage 48a. It is formed in and may include a hydrogen discharge unit (48c) from which hydrogen is discharged. Hydrogen introduced from the outside is provided to the reference electrode 43 through the hydrogen flow path 48a through the hydrogen inlet 48b, and then discharged to the outside through the hydrogen discharge part 48c.

상기 하우징(48)에 공급되는 수소는 상기 수소 공급부(30)에서 별도의 유로(미도시)를 형성하여 유입시키거나, 상기 수소 공급부(30)와 구별되는 별도의 수소 공급 장치(미도시)를 설치하여 유입시킬 수 있다.Hydrogen supplied to the housing 48 is introduced by forming a separate flow path (not shown) in the hydrogen supply unit 30, or a separate hydrogen supply device (not shown) distinguished from the hydrogen supply unit 30 is provided. It can be installed and introduced.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지 시스템은 연료전지 스택(10) 및 이와 전기적으로 분리된 전지 셀(40)을 포함한다. 상기 연료전지 스택(10)과 상기 전지 셀(40)은 실질적으로 동일한 환경에서 구동되므로 상기 전지 셀(40)의 상태를 모니터링하면 이를 통해 상기 연료전지 스택(10)의 상태를 유추할 수 있다.As described above, the fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell stack 10 and a battery cell 40 electrically separated therefrom. Since the fuel cell stack 10 and the battery cell 40 are driven in substantially the same environment, the state of the fuel cell stack 10 can be inferred by monitoring the state of the battery cell 40.

본 발명은 상기 전지 셀(40)의 상태를 모니터링하기 위해 작동전극(41) 외에 기준전극(43)을 설치함으로써 상기 전지 셀(40)의 캐소드 전압 및 애노드 전압을 독립적으로 측정할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 도 5는 상기 전지 셀(40)의 전압을 측정하는 구조를 개략적으로 도시한 회로도이다. 상기 전지 셀(40)은 기준전극(43)을 포함하므로 이의 전압을 기준으로 캐소드 전압(Vcathode)과 애노드 전압(Vanode)을 독립적으로 측정할 수 있고, 그에 따라 상기 전지 셀(40)의 셀 전압(Vcell=Vcathode-Vanode)을 계산할 수 있다.In the present invention, by installing a reference electrode 43 in addition to the working electrode 41 to monitor the state of the battery cell 40, the cathode voltage and the anode voltage of the battery cell 40 can be independently measured. It is characterized. 5 is a circuit diagram schematically showing a structure for measuring the voltage of the battery cell 40. Since the battery cell 40 includes the reference electrode 43, a cathode voltage (V cathode ) and an anode voltage (V anode ) can be independently measured based on the voltage, and accordingly, the The cell voltage (V cell = V cathode -V anode ) can be calculated.

상기 전지 셀(40)에서 셀 전압 하락이 일어났다고 판단되면 상기 연료전지 스택(10)에도 동일 내지 유사한 현상이 일어났다고 유추할 수 있다. 다만 이것만으로는 셀 전압 하락이 수소 공급이 부족해서 발생한 것인지, 아니면 산소 공급이 부족해서 발생한 것인지 알 수 없다. 즉, 셀 전압 하락의 원인을 알지 못하므로 적절하게 대처하기 어렵다. If it is determined that the cell voltage drop has occurred in the battery cell 40, it can be inferred that the same or similar phenomenon has occurred in the fuel cell stack 10. However, this alone does not know whether the cell voltage drop is caused by insufficient supply of hydrogen or insufficient supply of oxygen. In other words, it is difficult to adequately cope with the cause of the cell voltage drop since it is not known.

본 발명은 셀 전압 하락의 원인에 따라 캐소드 전압 및 애노드 전압의 양상이 달리 나타난다는 것에 착안하여 측정된 전지 셀(40)의 캐소드 전압, 애노드 전압 및 셀 전압을 근거로 셀 전압 하락의 원인까지 판단하여 적절히 대응을 할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다. 이하 구체적으로 설명한다.The present invention determines the cause of the cell voltage drop based on the measured cathode voltage, anode voltage, and cell voltage of the battery cell 40 based on the fact that the patterns of the cathode voltage and the anode voltage appear different depending on the cause of the cell voltage drop. It is characterized in that it is possible to respond appropriately. It will be described in detail below.

도 6은 본 발명에 따른 연료전지 시스템에 구비된 전압 측정부(70) 및 제어부(80)를 개략적으로 도시한 블럭도이다. 이를 참조하면, 상기 연료전지 시스템은 상기 작동전극(41) 및 상기 기준전극(43)에 연결되어 상기 전지 셀(40)의 캐소드 전압(Vcathode), 애노드 전압(Vanode) 및 셀 전압(Vcell)을 독립적으로 측정 및 계산하는 전압 측정부(80) 및 상기 전압 측정부(80)에 연결되어 상기 전압 측정부(80)의 측정 결과에 근거하여 상기 연료전지 스택(10)으로 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 제어부(90)를 포함할 수 있다.6 is a block diagram schematically showing the voltage measurement unit 70 and the control unit 80 provided in the fuel cell system according to the present invention. Referring to this, the fuel cell system is connected to the working electrode 41 and the reference electrode 43 to be connected to the cathode voltage (V cathode ), the anode voltage (V anode ), and the cell voltage (V cell ) independently measuring and calculating a voltage measurement unit 80 and a reaction connected to the voltage measurement unit 80 and supplied to the fuel cell stack 10 based on the measurement result of the voltage measurement unit 80 It may include a control unit 90 for adjusting the supply amount of gas.

상기 전압 측정부(80)는 상기 작동전극(41) 및 상기 기준전극(43)에 전기적으로 연결되어 도 5와 같이 상기 전지 셀(40)의 캐소드 전압과 애노드 전압을 측정하는 측정 모듈(81), 상기 측정 모듈(81)에 의해 측정된 캐소드 전압과 애노드 전압을 사용하여 셀 전압을 계산하는 계산 모듈(82) 및 상기 측정 모듈(81) 및 계산 모듈(82)에서 측정된 값을 상기 제어부(90)에 전달하는 송신 모듈(83)을 포함할 수 있다.The voltage measurement unit 80 is electrically connected to the working electrode 41 and the reference electrode 43 to measure a cathode voltage and an anode voltage of the battery cell 40 as shown in FIG. 5. , A calculation module 82 for calculating a cell voltage using the cathode voltage and the anode voltage measured by the measurement module 81, and the value measured by the measurement module 81 and the calculation module 82, the control unit ( It may include a transmission module 83 that transmits to 90).

상기 측정 모듈(81)은 특별히 제한되지 않고, 전류-전압 측정법, 전류 차단 측정법, 임피던스 분광법, 순환 전압 전류법 등의 다양한 측정 방법 중 사용한 것에 따라 적절한 모듈을 선택할 수 있다.The measurement module 81 is not particularly limited, and an appropriate module may be selected according to the use of various measurement methods such as a current-voltage measurement method, a current cutoff measurement method, an impedance spectroscopy method, and a cyclic voltammetry method.

상기 송신 모듈(83)은 상기 측정 모듈(81)의 측정값 및 상기 계산 모듈(82)의 계산값을 송신할 수 있다면 어떠한 것도 사용할 수 있고, 예를 들어 유선 모듈; 또는 와이파이, 블루투스, 지그비 모듈 등의 무선 모듈일 수 있다.The transmission module 83 may use any one as long as it can transmit the measured value of the measurement module 81 and the calculated value of the calculation module 82, for example, a wired module; Alternatively, it may be a wireless module such as Wi-Fi, Bluetooth, or ZigBee module.

상기 제어부(90)는 상기 전압 측정부(80)와 연결되어 수신된 상기 캐소드 전압, 애노드 전압 및 셀 전압의 값을 통해 상기 전지 셀(40)에 셀 전압 하락이 발생하였는지를 결정하는 판단 모듈(91); 및 상기 판단 모듈(91), 산소 공급부(20) 및 수소 공급부(30)와 연결되어 상기 판단 모듈(91)에서 결정한 상태에 따라 상기 연료전지 스택(10)에 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 유량 조절 모듈(92)을 포함한다.The control unit 90 is connected to the voltage measuring unit 80 and a determination module 91 that determines whether a cell voltage drop has occurred in the battery cell 40 through the values of the cathode voltage, anode voltage, and cell voltage received. ); And connected to the determination module 91, the oxygen supply unit 20, and the hydrogen supply unit 30 to adjust the supply amount of the reactor body supplied to the fuel cell stack 10 according to the state determined by the determination module 91. It includes a flow control module 92.

수소의 공급 부족으로 연료전지에 역전압이 발생하면 셀 전압이 하락함과 동시에 애노드 전압은 과전압이 형성되어 상승한다. 이와 동시에 캐소드 전압도 하락하나 애노드 전압에 비해서는 완만하게 변화하며 0 V 이하로 떨어지지는 않고 비교적 일정한 전압을 보인다.When a reverse voltage occurs in the fuel cell due to insufficient supply of hydrogen, the cell voltage decreases and the anode voltage increases due to the formation of an overvoltage. At the same time, the cathode voltage also decreases, but it changes gently compared to the anode voltage, and does not drop below 0 V, but shows a relatively constant voltage.

한편, 산소의 공급 부족으로 연료전지의 셀 전압이 하락할 때에는 애노드 전압이 약간 상승하기는 하나, 그 이전에 캐소드 전압이 하락한다. On the other hand, when the cell voltage of the fuel cell decreases due to insufficient supply of oxygen, the anode voltage slightly increases, but the cathode voltage decreases before that.

즉, 수소 공급 부족에 따라 역전압이 발생했을 때와 산소 공급 부족에 따라 셀 전압이 하락하였을 때는 그 상황이 서로 상이하다.That is, when the reverse voltage occurs due to insufficient supply of hydrogen and when the cell voltage decreases due to insufficient supply of oxygen, the situation is different from each other.

따라서 상기 판단 모듈(91)은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 내지 1.5V에 속하면 수소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀(40)에 역전압이 발생하였다고 결정하고, 상기 유량 조절 모듈(92)이 상기 판단 모듈(91)의 결정에 따라 상기 수소 공급부(30)에서 공급되는 수소의 공급량을 증가시키는 신호를 발신한다. 참고로 애노드 전압의 수치범위의 하한이 0.05 V 미만이면 제어가 너무 과민해질 수 있고, 상한이 1.5 V를 초과하면 전지 셀에 비가역적인 탄소 부식 반응이 발생할 수 있다.Therefore, the determination module 91 determines that a reverse voltage has occurred in the battery cell 40 due to a shortage of hydrogen supply when the anode voltage falls within the 0.05V to 1.5V state while the cell voltage decreases, and the flow rate The control module 92 transmits a signal for increasing the supply amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit 30 according to the determination of the determination module 91. For reference, if the lower limit of the numerical range of the anode voltage is less than 0.05 V, control may become too sensitive, and if the upper limit exceeds 1.5 V, an irreversible carbon corrosion reaction may occur in the battery cell.

한편, 상기 판단 모듈(91)은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 미만이고, 상기 캐소드 전압의 변화량(△Vcathode)과 상기 애노드 전압의 변화량(△Vanode)의 비율(△Vcathode/△Vanode)이 1.5 내지 2.5이면 산소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀(40)의 셀 전압 하락이 발생하였다고 결정하고, 상기 유량 조절 모듈(92)이 상기 판단 모듈(91)의 결정에 따라 상기 산소 공급부(20)에서 공급되는 산소의 공급량을 증가시키는 신호를 발신한다. On the other hand, the determination module 91 is the anode voltage is less than 0.05V in a state in which the cell voltage is decreased, and the ratio of the change amount of the cathode voltage (ΔV cathode ) and the change amount of the anode voltage (ΔV anode ) ( If ΔV cathode / ΔV anode ) is 1.5 to 2.5, it is determined that the cell voltage drop of the battery cell 40 has occurred due to insufficient oxygen supply, and the flow control module 92 determines the determination module 91 Accordingly, a signal for increasing the amount of oxygen supplied from the oxygen supply unit 20 is transmitted.

상기 제어부(90)는 상기 전압 측정부(80)로부터 전달되는 캐소드 전압 등의 값을 수신하고, 상기 유량 조절 모듈(92)에 의해 생성된 신호를 송신하는 송수신 모듈(93)을 더 포함할 수 있다. 상기 송수신 모듈(93)은 특별히 제한되지 않고, 예를 들어 유선 모듈; 또는 와이파이, 블루투스, 지그비 모듈 등의 무선 모듈일 수 있다.The control unit 90 may further include a transmission/reception module 93 for receiving a value such as a cathode voltage transmitted from the voltage measuring unit 80 and transmitting a signal generated by the flow rate control module 92. have. The transmission/reception module 93 is not particularly limited, and includes, for example, a wired module; Alternatively, it may be a wireless module such as Wi-Fi, Bluetooth, or ZigBee module.

본 발명에 따르면 상기 연료전지 시스템의 내구성을 보다 향상시키기 위해 상기 전지 셀(40)을 상기 연료전지 스택(10)에 포함된 막-전극 접합체(11)에 비해 수소 공급 및/또는 산소 공급에 더 민감하게 형성할 수도 있다. 즉, 연료전지 시스템에 어떠한 이상이 발생하였을 때, 인위적으로 연료전지 스택(10)보다 상기 전지 셀(40)에 먼저 역전압이 발생하도록 한다는 것이다. 그에 따라 상기 연료전지 스택(10)에 역전압이 발생하기 전에 미리 조치를 취할 수 있다.According to the present invention, in order to further improve the durability of the fuel cell system, the battery cell 40 is more capable of supplying hydrogen and/or oxygen than the membrane-electrode assembly 11 included in the fuel cell stack 10. It can also be sensitively formed. That is, when an abnormality occurs in the fuel cell system, the reverse voltage is artificially generated in the battery cell 40 before the fuel cell stack 10. Accordingly, measures can be taken before the reverse voltage is generated in the fuel cell stack 10.

상기 연료전지 시스템의 제1 실시형태는 상기 전지 셀(40)의 수소산화반응성을 낮춘 것이다. 구체적으로 상기 연료전지 시스템은 상기 전지 셀(40)의 애노드(41b)에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체(11)의 음극(112)에 포함된 촉매의 함량 대비 80% 내지 95%이고, 상기 전지 셀(40)의 애노드(41b)의 두께가 상기 막-전극 접합체(11)의 음극(112)의 두께 대비 80% 내지 90%이며, 상기 전지 셀(40)의 애노드(41b)에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체(11)의 음극(112)에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고, 상기 전지 셀(40)의 애노드 분리판(46b)의 채널부(47')의 단면적이 상기 막-전극 접합체(11) 사이에 구비되는 분리판(12)의 채널부(미도시)의 단면적 대비 85% 내지 95%인 것일 수 있다.The first embodiment of the fuel cell system is to lower the hydrogen oxidation reactivity of the battery cell 40. Specifically, in the fuel cell system, the content of the catalyst included in the anode 41b of the battery cell 40 is 80% to 95% compared to the content of the catalyst included in the anode 112 of the membrane-electrode assembly 11 And, the thickness of the anode 41b of the battery cell 40 is 80% to 90% of the thickness of the negative electrode 112 of the membrane-electrode assembly 11, and the anode 41b of the battery cell 40 The content of ionomer contained in the membrane-electrode assembly 11 is 125% to 190% of the content of the ionomer contained in the negative electrode 112 of the membrane-electrode assembly 11, and the channel portion of the anode separator 46b of the battery cell 40 The cross-sectional area of (47') may be 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion (not shown) of the separator 12 provided between the membrane-electrode assembly 11.

또한 상기 전지 셀(40)의 수소산화반응성을 더욱 낮추기 위해 상기 전지 셀(40)의 애노드 분리판(46b) 및 애노드(41b) 상에 구비된 가스 확산층(45b)을 친수화 처리할 수 있다. In addition, in order to further lower the hydrogen oxidation reactivity of the battery cell 40, the anode separator 46b of the battery cell 40 and the gas diffusion layer 45b provided on the anode 41b may be hydrophilized.

상기 연료전지 시스템의 제2 실시형태는 상기 전지 셀(40)의 산소환원반응성이 저감된 것이다. 구체적으로 상기 연료전지 시스템은 상기 전지 셀(40)의 캐소드(41a)에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체(11)의 양극(111)에 포함된 촉매의 함량 대비 85% 내지 95%이고, 상기 전지 셀(40)의 캐소드(41a)의 두께가 상기 막-전극 접합체(11)의 양극(111)의 두께 대비 80% 내지 90%이며, 상기 전지 셀(40)의 캐소드(41a)에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체(11)의 양극(111)에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고, 상기 전지 셀(40)의 캐소드 분리판(46a)의 채널부(47)의 단면적이 상기 막-전극 접합체(11) 사이에 구비되는 분리판(12)의 채널부(미도시)의 단면적 대비 85% 내지 95%인 것일 수 있다.In the second embodiment of the fuel cell system, the oxygen reduction reactivity of the battery cell 40 is reduced. Specifically, in the fuel cell system, the content of the catalyst contained in the cathode 41a of the battery cell 40 is 85% to 95% of the content of the catalyst contained in the anode 111 of the membrane-electrode assembly 11 And, the thickness of the cathode 41a of the battery cell 40 is 80% to 90% of the thickness of the positive electrode 111 of the membrane-electrode assembly 11, and the cathode 41a of the battery cell 40 The content of the ionomer contained in the membrane-electrode assembly 11 is 125% to 190% of the content of the ionomer contained in the anode 111 of the membrane-electrode assembly 11, and the channel portion of the cathode separator 46a of the battery cell 40 The cross-sectional area of 47 may be 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion (not shown) of the separator 12 provided between the membrane-electrode assembly 11.

또한 상기 전지 셀(40)의 산소환원반응성을 더욱 저감하기 위해 상기 전지 셀(40)의 캐소드 분리판(46a) 및 캐소드(41a) 상에 구비된 가스 확산층(45a)을 친수화 처리할 수 있다. In addition, in order to further reduce the oxygen reduction reactivity of the battery cell 40, the cathode separator 46a of the battery cell 40 and the gas diffusion layer 45a provided on the cathode 41a may be hydrophilized. .

상기 연료전지 시스템의 제3 실시형태는 상기 전지 셀(40)의 역전압에 대한 강건성을 향상시킨 것이다. 여기서, "역전압에 대한 강건성"은 전지 셀(40)에 역전압이 자주 발생하여도 상기 전지 셀(40)이 그 기능을 잃지 않는 정도를 의미한다. 전술한 바와 같이 상기 전지 셀(40)을 수소 및 산소 공급에 민감하게 하면 상기 전지 셀(40)에 역전압이 비교적 자주 발생한다. 이와 같은 경우 상기 전지 셀(40)의 역전압에 대한 강건성이 낮으면 상기 전지 셀(40)의 고장에 의해 상기 연료전지 시스템의 원활하게 작동하지 않을 수 있다. 상기 제3 실시형태의 상기 연료전지 시스템은 상기 전지 셀(40)의 애노드(41b)에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체(11)의 음극(112)에 포함된 촉매의 함량 대비 115% 내지 145%이고, 상기 전지 셀(40)의 애노드(41b)의 탄화도가 상기 막-전극 접합체(11)의 음극(112)의 탄화도 대비 110% 내지 130%인 것일 수 있다. 여기서 "탄화도"는 탄소재에서 수분과 회분을 제외한 나머지 성분 가운데 탄소가 차지하는 비율을 의미한다.The third embodiment of the fuel cell system improves the robustness of the battery cell 40 against a reverse voltage. Here, "robustness against reverse voltage" means the degree to which the battery cell 40 does not lose its function even if the reverse voltage is frequently generated in the battery cell 40. As described above, when the battery cell 40 is sensitive to the supply of hydrogen and oxygen, a reverse voltage occurs relatively frequently in the battery cell 40. In this case, if the robustness against the reverse voltage of the battery cell 40 is low, the fuel cell system may not operate smoothly due to a failure of the battery cell 40. In the fuel cell system of the third embodiment, the content of the catalyst included in the anode 41b of the battery cell 40 is compared with the content of the catalyst included in the anode 112 of the membrane-electrode assembly 11. % To 145%, and the carbonization degree of the anode 41b of the battery cell 40 may be 110% to 130% of the carbonization degree of the negative electrode 112 of the membrane-electrode assembly 11. Here, "carbonization degree" means the proportion of carbon in the remaining components excluding moisture and ash in the carbon material.

이상으로 본 발명의 에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.As described in detail above, the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims It is also included in the scope of the present invention.

10: 연료전지 스택
11: 막-전극 접합체 111: 양극 112: 음극 113: 전해질막
12: 분리판
20: 산소 공급부 21: 산소 탱크 22: 산소 공급로
30: 수소 공급부 31: 수소 탱크 32: 수소 공급로
40: 전지 셀 41: 작동전극 41a: 캐소드 41b: 애노드
42: 전해질막 43: 기준전극 44: 서브 가스켓
45a: 캐소드 가스 확산층 45b: 애노드 가스 확산층
46a: 캐소드 분리판 46b: 애노드 분리판
47, 47': 채널부
48: 하우징 48a: 수소 유로 48b: 수소 유입부 48c: 수소 배출부
50: 절연체 60: 엔드 플레이트
80: 전압 측정부 81: 측정 모듈 82: 계산 모듈 83: 송신 모듈
90: 제어부 91: 판단 모듈 92: 유량 조절 모듈 93: 송수신 모듈
10: fuel cell stack
11: membrane-electrode assembly 111: anode 112: cathode 113: electrolyte membrane
12: Separation plate
20: oxygen supply unit 21: oxygen tank 22: oxygen supply path
30: hydrogen supply unit 31: hydrogen tank 32: hydrogen supply path
40: battery cell 41: working electrode 41a: cathode 41b: anode
42: electrolyte membrane 43: reference electrode 44: sub gasket
45a: cathode gas diffusion layer 45b: anode gas diffusion layer
46a: cathode separation plate 46b: anode separation plate
47, 47': channel part
48: housing 48a: hydrogen flow path 48b: hydrogen inlet 48c: hydrogen outlet
50: insulator 60: end plate
80: voltage measurement unit 81: measurement module 82: calculation module 83: transmission module
90: control unit 91: determination module 92: flow control module 93: transmission/reception module

Claims (12)

적어도 어느 하나의 막-전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택;
상기 연료전지 스택으로 산소를 공급하는 산소 공급부;
상기 연료전지 스택으로 수소를 공급하는 수소 공급부; 및
상기 연료전지 스택의 적어도 어느 한 측에 구비되는 전지 셀을 포함하고,
상기 전지 셀은 산소가 공급되는 캐소드(Cathode)와, 수소가 공급되는 애노드(Anode)를 포함하는 작동전극(Working electrode); 상기 캐소드와 상기 애노드 사이에 구비되는 전해질막; 상기 작동전극과 일정 거리 이격되어 상기 전해질막의 어느 한 면에 형성되고 수소가 공급되는 기준전극(Reference electrode) 및 상기 작동전극과 상기 기준전극의 외측으로 상기 전해질막을 감싸는 서브 가스켓를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
A fuel cell stack including at least one membrane-electrode assembly;
An oxygen supply unit supplying oxygen to the fuel cell stack;
A hydrogen supply unit supplying hydrogen to the fuel cell stack; And
Including a battery cell provided on at least one side of the fuel cell stack,
The battery cell includes a working electrode including a cathode to which oxygen is supplied and an anode to which hydrogen is supplied; An electrolyte membrane provided between the cathode and the anode; A fuel cell comprising a reference electrode formed on one side of the electrolyte membrane and supplied with hydrogen by a predetermined distance from the working electrode, and a sub gasket surrounding the electrolyte membrane outside the working electrode and the reference electrode. system.
제1항에 있어서,
상기 연료전지 스택과 상기 전지 셀 사이에 구비된 절연체를 더 포함하는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell system further comprising an insulator provided between the fuel cell stack and the battery cell.
제1항에 있어서,
상기 기준전극은 상기 전해질막 상에서 상기 애노드와 같은 면에 형성된 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The fuel cell system wherein the reference electrode is formed on the electrolyte membrane on the same surface as the anode.
제1항에 있어서,
상기 전지 셀은 상기 기준전극 상에 구비되는 하우징을 더 포함하고,
상기 하우징은 수소가 통과하는 적어도 어느 하나의 수소 유로, 상기 수소 유로의 일측에 형성되고 수소가 유입되는 수소 유입부 및 상기 수소 유로의 타측에 형성되고 수소가 배출되는 수소 배출부를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The battery cell further includes a housing provided on the reference electrode,
The housing includes at least one hydrogen flow path through which hydrogen passes, a hydrogen inlet part formed on one side of the hydrogen flow path and into which hydrogen is introduced, and a hydrogen discharge part formed on the other side of the hydrogen flow path and through which hydrogen is discharged. Battery system.
제1항에 있어서,
상기 전지 셀은 상기 캐소드 상에 구비되는 캐소드 분리판 및 상기 애노드 상에 구비되는 애노드 분리판을 더 포함하고,
상기 캐소드 분리판 및 애노드 분리판은 각각 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The battery cell further includes a cathode separator provided on the cathode and an anode separator provided on the anode,
The cathode separator and the anode separator each include at least one channel portion through which the reactor body passes.
제1항에 있어서,
상기 작동전극 및 상기 기준전극에 연결되어 상기 전지 셀의 캐소드 전압(Vcathode), 애노드 전압(Vanode) 및 셀 전압(Vcell)을 측정하는 전압 측정부; 및
상기 전압 측정부에 연결되어 상기 전압 측정부의 측정 결과에 근거하여 상기 연료전지 스택으로 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
A voltage measuring unit connected to the working electrode and the reference electrode to measure a cathode voltage (V cathode ), an anode voltage (V anode ), and a cell voltage (V cell) of the battery cell; And
The fuel cell system further comprises a control unit connected to the voltage measurement unit and controlling a supply amount of the reactor body supplied to the fuel cell stack based on a measurement result of the voltage measurement unit.
제6항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전압 측정부와 연결되어 수신된 상기 캐소드 전압, 애노드 전압 및 및 셀 전압의 값을 통해 상기 전지 셀에 역전압이 발생하였는지를 결정하는 판단 모듈; 및 상기 판단 모듈, 산소 공급부 및 수소 공급부와 연결되어 상기 판단 모듈에서 결정한 상태에 따라 상기 연료전지 스택에 공급되는 반응기체의 공급량을 조절하는 유량 조절 모듈을 포함하는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 6,
The control unit includes a determination module connected to the voltage measuring unit to determine whether a reverse voltage has occurred in the battery cell based on the values of the cathode voltage, the anode voltage, and the cell voltage received; And a flow rate control module connected to the determination module, the oxygen supply unit, and the hydrogen supply unit to adjust the supply amount of the reactor body supplied to the fuel cell stack according to a state determined by the determination module.
제7항에 있어서,
상기 판단 모듈은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 내지 1.5V에 속하면 수소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀에 역전압이 발생하였다고 결정하고,
상기 유량 조절 모듈이 상기 판단 모듈의 결정에 따라 상기 수소 공급부에서 공급되는 수소의 공급량을 증가시키는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 7,
The determination module determines that a reverse voltage has occurred in the battery cell due to insufficient hydrogen supply when the anode voltage falls within 0.05V to 1.5V while the cell voltage decreases,
The fuel cell system, wherein the flow rate control module increases the supply amount of hydrogen supplied from the hydrogen supply unit according to the determination of the determination module.
제7항에 있어서,
상기 판단 모듈은 상기 셀 전압이 감소하는 상태에서 상기 애노드 전압이 0.05V 미만이고, 상기 캐소드 전압의 변화량(△Vcathode)과 상기 애노드 전압의 변화량(△Vanode)의 비율(△Vcathode/△Vanode)이 1.5 내지 2.5이면 산소 공급 부족에 의해 상기 전지 셀의 셀 전압이 하락하였다고 결정하고,
상기 유량 조절 모듈이 상기 판단 모듈의 결정에 따라 상기 산소 공급부에서 공급되는 산소의 공급량을 증가시키는 것인 연료전지 시스템.
The method of claim 7,
The determination module is in a state where the cell voltage is decreased, the anode voltage is less than 0.05V, and the ratio of the change amount of the cathode voltage (△V cathode ) and the change amount of the anode voltage (△V anode ) (△V cathode /△ If V anode ) is 1.5 to 2.5, it is determined that the cell voltage of the battery cell has decreased due to insufficient oxygen supply,
The fuel cell system wherein the flow rate control module increases the amount of oxygen supplied from the oxygen supply unit according to the determination of the determination module.
제1항에 있어서,
상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고,
상기 전지 셀의 애노드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 촉매의 함량 대비 80% 내지 95%이고,
상기 전지 셀의 애노드의 두께가 상기 막-전극 접합체의 음극의 두께 대비 80% 내지 90%이며,
상기 전지 셀의 애노드에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고,
상기 전지 셀의 애노드 분리판의 채널부의 단면적이 상기 막-전극 접합체 사이에 구비되는 분리판의 채널부의 단면적 대비 85% 내지 95%인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode,
A separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes,
The content of the catalyst contained in the anode of the battery cell is 80% to 95% compared to the content of the catalyst contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly,
The thickness of the anode of the battery cell is 80% to 90% of the thickness of the negative electrode of the membrane-electrode assembly,
The content of the ionomer contained in the anode of the battery cell is 125% to 190% compared to the content of the ionomer contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly,
A fuel cell system in which the cross-sectional area of the channel portion of the anode separator of the battery cell is 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion of the separator provided between the membrane-electrode assembly.
제1항에 있어서,
상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고,
상기 전지 셀의 캐소드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 양극에 포함된 촉매의 함량 대비 85% 내지 95%이고,
상기 전지 셀의 캐소드의 두께가 상기 막-전극 접합체의 양극의 두께 대비 80% 내지 90%이며,
상기 전지 셀의 캐소드에 포함된 이오노머의 함량이 상기 막-전극 접합체의 양극에 포함된 이오노머의 함량 대비 125% 내지 190%이고,
상기 전지 셀의 캐소드 분리판의 채널부의 단면적이 상기 막-전극 접합체 사이에 구비되는 분리판의 채널부의 단면적 대비 85% 내지 95%인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode,
A separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes,
The content of the catalyst contained in the cathode of the battery cell is 85% to 95% compared to the content of the catalyst contained in the positive electrode of the membrane-electrode assembly,
The thickness of the cathode of the battery cell is 80% to 90% of the thickness of the anode of the membrane-electrode assembly,
The content of the ionomer contained in the cathode of the battery cell is 125% to 190% compared to the content of the ionomer contained in the positive electrode of the membrane-electrode assembly,
A fuel cell system in which the cross-sectional area of the channel portion of the cathode separator of the battery cell is 85% to 95% of the cross-sectional area of the channel portion of the separator provided between the membrane-electrode assembly.
제1항에 있어서,
상기 막-전극 접합체는 양극, 음극 및 상기 양극과 음극 사이에 위치하는 전해질막을 포함하고,
상기 막-전극 접합체 사이에는 분리판이 구비되며, 상기 분리판은 반응기체가 통과하는 적어도 어느 하나의 채널부를 포함하고,
상기 전지 셀의 애노드에 포함된 촉매의 함량이 상기 막-전극 접합체의 음극에 포함된 촉매의 함량 대비 115% 내지 145%이고,
상기 전지 셀의 애노드의 탄화도가 상기 막-전극 접합체의 음극의 탄화도 대비 110% 내지 130%인 연료전지 시스템.
The method of claim 1,
The membrane-electrode assembly includes an anode, a cathode, and an electrolyte membrane positioned between the anode and the cathode,
A separation plate is provided between the membrane-electrode assembly, and the separation plate includes at least one channel portion through which the reactor body passes,
The content of the catalyst contained in the anode of the battery cell is 115% to 145% compared to the content of the catalyst contained in the negative electrode of the membrane-electrode assembly,
A fuel cell system in which the carbonization degree of the anode of the battery cell is 110% to 130% of the carbonization degree of the negative electrode of the membrane-electrode assembly.
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