KR20230098936A - Method for manufacturing fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지 스택 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는 막-전극접합체의 계면접합력을 증가시키면서 생산 불량률을 저감하고 공정 속도를 향상할 수 있는 연료전지 스택 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell stack, and more particularly, to a method for manufacturing a fuel cell stack capable of reducing a production defect rate and improving a process speed while increasing interfacial bonding force of a membrane-electrode assembly.
일반적으로, 연료전지는 연료와 산화제를 사용하여 전기화학적 반응을 유도하고 이를 통해 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 장치이다. In general, a fuel cell is a kind of power generation device that induces an electrochemical reaction using a fuel and an oxidizing agent and converts chemical energy into electrical energy through this.
이러한 연료전지의 종류는 그 구성 물질과 연료 등에 의해서 구분되며, 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)의 경우 촉매 전극층(Catalyst Electrode Layer)을 분리하고 있는 전해질 막이 수소 이온을 통과시키는 고분자로 이루어져 있다.These types of fuel cells are classified by their constituent materials and fuel. In the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), the electrolyte membrane separating the catalyst electrode layer passes hydrogen ions. made up of polymers.
일반적으로, 고분자 전해질막 연료전지는 막-전극접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA), 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 분리판(Separator)으로 구성된 단위 셀의 적층 구조로 구성되어 있다. In general, polymer electrolyte membrane fuel cells are composed of a laminated structure of unit cells composed of a membrane-electrode assembly (MEA), a gas diffusion layer (GDL), and a separator.
연료전지의 전기 생성을 위한 전기화학 반응은 상기 막-전극 접합체에서 일어난다. 상기 막-전극접합체는 전해질막과 상기 전해질막의 양 면에 접합된 촉매전극층으로 구성된다. 상기 촉매전극층은 촉매와 고분자로 이루어진다.An electrochemical reaction for generating electricity in a fuel cell occurs in the membrane-electrode assembly. The membrane-electrode assembly is composed of an electrolyte membrane and a catalyst electrode layer bonded to both sides of the electrolyte membrane. The catalyst electrode layer is made of a catalyst and a polymer.
막-전극 접합체의 구조는 촉매전극층의 도포 위치나 도포 방법에 따라 다양하지만, 최종적인 구조는 전해질막의 양 면이 촉매전극층과 접촉하는 형태이다. 이때 촉매전극층과 전해질막 간의 접합 상태가 우수할수록 연료전지의 성능과 내구성이 우수하기 때문에, 통상 막-전극접합체의 제조 공정에 열처리 공정을 추가하여 고온 가열함으로써 촉매전극층과 전해질막의 계면접합력을 증가시킨다.The structure of the membrane-electrode assembly varies depending on the application location or method of applying the catalyst electrode layer, but the final structure is a type in which both sides of the electrolyte membrane are in contact with the catalyst electrode layer. At this time, since the better the bonding state between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane, the better the performance and durability of the fuel cell. Therefore, a heat treatment process is added to the normal membrane-electrode assembly manufacturing process to increase the interfacial bonding force between the catalyst electrode layer and the electrolyte membrane by heating at a high temperature. .
또한, 열처리 공정을 통해 막-전극접합체가 유리전이 온도 이상이 되면 이오노머의 재배열에 의해 이온 클러스터가 원활하게 형성되어 연료전지 성능이 향상된다.In addition, when the membrane-electrode assembly exceeds the glass transition temperature through the heat treatment process, ion clusters are smoothly formed by rearrangement of the ionomer, thereby improving fuel cell performance.
종래의 막-전극접합체 열처리 방법을 살펴보면, 판형 핫 프레스(Plate hot press)를 이용하여 단일의 막-전극접합체나 적층된 복수의 막-전극접합체를 고온 가압하여 열처리하는 방법, 다른 방법으로는 막-전극접합체를 보호지를 이용하여 롤(roll) 형태나 적층한 형태로 오븐에 넣어 열처리하는 방법이 있다.Looking at the conventional membrane-electrode assembly heat treatment method, a single membrane-electrode assembly or a plurality of stacked membrane-electrode assemblies is subjected to high-temperature pressurization and heat treatment using a plate hot press. - There is a method of heat treatment by putting the electrode assembly in an oven in a roll form or a laminated form using protective paper.
상기 판형 핫 프레스를 이용하는 열처리 방법은 특정 온도로 가열된 판이 막-전극접합체와 물리적으로 접촉하여 열을 전달하는 방식으로 물리적으로 약한 고분자로 이루어진 막-전극접합체의 특성을 고려할 때 불량률이 높은 단점이 있고, 상기 오븐을 이용한 열처리 방법은 오븐 내 온도 분포를 고르게 제어하기 어려우며 대류 현상을 이용한 열 전달 방식으로 소요 시간이 긴 단점이 있다.The heat treatment method using the plate-type hot press is a method in which a plate heated to a specific temperature physically contacts the membrane-electrode assembly to transfer heat, and considering the characteristics of the membrane-electrode assembly made of a physically weak polymer, the defect rate is high. In addition, the heat treatment method using the oven is difficult to evenly control the temperature distribution in the oven, and the heat transfer method using the convection phenomenon has a disadvantage in that the required time is long.
또한, 상기와 같은 종래의 열처리 방법은 막-전극접합체의 최적화 연속 공정인 롤투롤(Roll-to-roll) 공정에 적용하기 어려워, 대량 생산을 위한 양산에 병목 현상을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.In addition, the conventional heat treatment method as described above is difficult to apply to a roll-to-roll process, which is a continuous process of optimizing a membrane-electrode assembly, and may cause a bottleneck in mass production for mass production.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로서, 막-전극접합체의 계면접합력을 증가시키면서 생산 불량률을 저감하고 공정 속도를 향상할 수 있는 연료전지 스택 제조 방법을 제공하는 것에 목적이 있다. The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for manufacturing a fuel cell stack capable of reducing a production defect rate and improving a process speed while increasing the interfacial bonding force of a membrane-electrode assembly.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적은 하기의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects of the present invention that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 막-전극접합체와 상기 막-전극접합체의 양면에 적층되는 한 쌍의 가스확산층 및 상기 각 가스확산층의 외측면에 적층되는 한 쌍의 분리판으로 구성된 복수의 연료전지 셀을 적층하여 연료전지 스택을 제조하는 제1 단계; 상기 제1 단계에서 서로 이웃하여 적층된 연료전지 셀의 분리판으로 둘러싸인 냉각수 유로에 가열 기체를 공급함으로써 상기 막-전극접합체를 가열하는 제2 단계;를 포함하는 연료전지 스택 제조 방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention provides a plurality of membrane-electrode assemblies, a pair of gas diffusion layers laminated on both sides of the membrane-electrode assembly, and a pair of separators laminated on the outer surfaces of each gas diffusion layer. A first step of manufacturing a fuel cell stack by stacking fuel cell cells of; A second step of heating the membrane-electrode assembly by supplying heating gas to a cooling water passage surrounded by separators of fuel cell cells stacked adjacent to each other in the first step; Provided is a fuel cell stack manufacturing method including a.
또한, also,
상기한 과제의 해결 수단에 의하면 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.According to the means for solving the above problems, the present invention provides the following effects.
첫째, 열처리되지 않은 막-전극접합체를 이용하여 연료전지 스택을 제작한 다음 상기 제작한 연료전지 스택의 냉각수 유로에 소정 온도의 열풍(즉, 가열 기체)을 공급함으로써 상기 막-전극접합체를 열처리한 효과를 구현하여 막-전극접합체의 계면접합력을 증가시킬 수 있으며, 또한 막-전극접합체의 열처리를 위한 별도의 물리적인 접촉이 없기 때문에 그로 인한 생산 불량률을 저감할 수 있고 종래 대비 공정 속도가 증가된다.First, a fuel cell stack is fabricated using a membrane-electrode assembly that has not been heat-treated, and then the membrane-electrode assembly is heat-treated by supplying hot air (ie, heating gas) at a predetermined temperature to the cooling water passage of the manufactured fuel cell stack. It is possible to increase the interfacial bonding force of the membrane-electrode assembly by implementing the effect, and since there is no separate physical contact for heat treatment of the membrane-electrode assembly, the resulting production defect rate can be reduced and the process speed is increased compared to the prior art. .
둘째, 종래의 열처리 공정 대비 막-전극접합체의 열처리를 위한 장치의 구조가 간단하여 유지 보수 비용이 절감되며, 막-전극접합체 단위가 아니라 연료전지 스택 단위로 열처리 공정이 진행되므로 제조 환경에 의한 영향이 상대적으로 감소되어 별도의 환경 제어(예를 들어, 클린 룸)가 필요하지 않게 되며, 그에 따른 원가 절감이 가능하다. Second, the structure of the device for heat treatment of the membrane-electrode assembly is simple compared to the conventional heat treatment process, so maintenance costs are reduced, and the heat treatment process is performed in units of fuel cell stacks, not in units of membrane-electrode assemblies, so the effect of the manufacturing environment This is relatively reduced so that a separate environment control (eg, clean room) is not required, and cost reduction accordingly is possible.
본 발명의 효과는 위에서 언급한 효과로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 효과는 하기의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects of the present invention not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 방법을 통해 막-전극접합체를 열처리한 경우 막-전극접합체의 온도 변화를 도시한 그래프
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면1 is a view schematically showing a cross-sectional structure of a general fuel cell stack;
2 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
3 is a graph showing the temperature change of the membrane-electrode assembly when the membrane-electrode assembly is heat-treated through the fuel cell stack manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
6 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. Specific structural or functional descriptions presented in the embodiments of the present invention are merely exemplified for the purpose of explaining embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention may be implemented in various forms.
또한, 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함한다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout this specification, when a certain part "includes" a certain component, it means that it may further include other components, not excluding other components unless otherwise stated. .
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예를 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Matters represented in the accompanying drawings may be different from those actually implemented in the drawings schematically illustrated to easily explain the embodiments of the present invention.
본 발명의 이해를 돕기 위하여, 먼저 도 1을 참조하여 일반적인 연료전지 스택의 단면 구조를 설명하도록 한다. 도 1은 일반적인 연료전지 스택의 단면 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. In order to facilitate understanding of the present invention, first, a cross-sectional structure of a general fuel cell stack will be described with reference to FIG. 1 . 1 is a diagram schematically illustrating a cross-sectional structure of a general fuel cell stack.
일반적으로, 연료전지 스택(100)은 복수의 단위 셀(즉, 연료전지 셀)이 일 방향으로 적층된 구조로 구성되며, 상기 연료전지 셀(101)은 도 1에 도시된 바와 같이 막-전극접합체(110)와 상기 막-전극접합체(110)의 양면에 적층되는 한 쌍의 가스확산층(120) 및 상기 각 가스확산층(120)의 외측면에 적층되는 한 쌍의 분리판(130)으로 구성된다. In general, the
상기 한 쌍의 가스확산층(120)은 막-전극접합체(110)를 중심으로 막-전극접합체(110)의 양면에 적층 배치되며, 상기 한 쌍의 분리판(130)은 막-전극접합체(110)를 중심으로 가스확산층(120)의 외측면에 적층 배치된다. The pair of
상기 분리판(130)은 연료전지 스택(100)의 전기 생성을 위한 반응가스 및 냉각을 위한 냉각수의 유로를 제공하는 것으로, 도 1과 같은 요철형 단면 구조를 가지도록 구성된다. The
연료전지 스택(100)은 복수의 연료전지 셀(101)이 일 방향으로 적층될 때 서로 이웃하는 연료전지 셀(101)의 분리판(130)들이 마주하여 적층되며, 이때 이웃한 한 쌍의 분리판(130)으로 둘러싸인 공간이 냉각수 유로(131)의 역할을 하고, 분리판(130)과 가스확산층(120) 사이의 공간이 반응가스 유로(134)의 역할을 한다. In the
또한, 상기 막-전극접합체(110)는 전해질막(111)과 이 전해질막(111)의 양면에 적층된 한 쌍의 촉매전극층(112)으로 구성되며, 상기 반응가스 유로(134)를 통해 공급되는 반응 가스의 전기화학 반응에 의해 전기를 생성한다. In addition, the membrane-
본 발명은 상기와 같이 구성되는 막-전극접합체의 계면접합력을 증가시켜 연료전지의 성능 및 내구성을 증대하기 위한 연료전지 스택 제조 방법에 관한 것으로, 열처리되지 않은 막-전극접합체를 이용하여 연료전지 스택을 제작한 다음 상기 제작한 연료전지 스택의 냉각수 유로에 열풍(즉, 가열 기체)을 공급함으로써 상기 막-전극접합체를 열처리한 효과를 구현하여 막-전극접합체의 계면접합력을 증가시키는 동시에 기존 대비 막-전극접합체의 생산 불량률을 줄이고 공정 속도를 향상하도록 한다. The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell stack for increasing the performance and durability of a fuel cell by increasing the interfacial bonding force of a membrane-electrode assembly configured as above, and using a membrane-electrode assembly that has not been heat-treated. After manufacturing, by supplying hot air (ie, heating gas) to the cooling water passage of the fuel cell stack manufactured above, the effect of heat treatment of the membrane-electrode assembly is realized to increase the interfacial bonding force of the membrane-electrode assembly, and at the same time, compared to the conventional film - Reduce the production defect rate of electrode assembly and improve the process speed.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 방법을 통해 막-전극접합체를 열처리한 경우 막-전극접합체의 온도 변화를 도시한 그래프이다. 2 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. -This is a graph showing the temperature change of the membrane-electrode assembly when the electrode assembly is heat-treated.
또한, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 시 막-전극접합체를 열처리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a process of heat-treating a membrane-electrode assembly in manufacturing a fuel cell stack according to another embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are fuel cells according to another embodiment of the present invention. It is a drawing for explaining the process of heat-treating the membrane-electrode assembly during stack manufacturing.
또한, 본 발명의 제조 방법에 의해 제조되는 연료전지 스택은 도 1과 같은 단면 구조로 구성될 수 있으며, 이에 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 연료전지 스택의 구조 및 구성은 도 1을 참조로 설명될 수 있다. In addition, the fuel cell stack manufactured by the manufacturing method of the present invention may have a cross-sectional structure as shown in FIG. can be explained
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택 제조 방법은, 막-전극접합체(110)와 상기 막-전극접합체(110)의 양면에 적층되는 한 쌍의 가스확산층(120) 및 상기 각 가스확산층(120)의 외측면에 적층되는 한 쌍의 분리판(130)으로 구성된 복수의 연료전지 셀(101)을 일렬로 적층하여 연료전지 스택(100)을 제조하는 제1 단계와, 상기 제1 단계에서 서로 이웃한 연료전지 셀(101)의 분리판(130)으로 둘러싸인 냉각수 유로(131)에 가열 기체를 주입하여 상기 막-전극접합체(110)를 가열하는 제2 단계를 포함한다. A fuel cell stack manufacturing method according to an embodiment of the present invention includes a membrane-
상기 제1 단계에서 제조한 연료전지 스택(100)은 도 1과 같은 단면 구조를 가지도록 구성될 수 있으며, 서로 이웃한 연료전지 셀(101)들 사이에 분리판(130)으로 둘러싸여 형성된 냉각수 유로(131)가 구비된다. The
또한, 상기 제1 단계는, 복수의 연료전지 셀(101)을 적층한 다음 최외층에 배치된 연료전지 셀의 외측에 한 쌍의 엔드 플레이트(미도시)를 적층하고, 상기 한 쌍의 엔드 플레이트에 체결밴드를 결합하여 연료전지 셀(101)들을 적층된 상태로 고정하는 단계를 포함할 수 있다. In addition, in the first step, after stacking a plurality of
이때, 연료전지 셀(101)들은 상기 엔드 플레이트를 통해 제공되는 면압에 의해 적층 상태가 유지되며, 분리판(130)의 냉각수 유로(131) 및 반응가스 유로(134)는 기밀한 상태가 유지된다. 도면으로 나타내지는 않았으나, 분리판(130)은 실링용 가스켓(미도시)을 구비하여 상기 엔드 플레이트의 면압에 의해 유로가 밀봉된다. At this time, the
본 발명에서는 상기 냉각수 유로(131)에 소정 온도로 가열된 기체(즉, 상기 가열 기체)를 주입함으로써 상기 막-전극접합체(110)를 가열하여 열처리한 효과를 구현한다. In the present invention, by injecting a gas heated to a predetermined temperature (ie, the heating gas) into the
상기 제1 단계에서 연료전지 셀(101) 및 연료전지 스택(100)은 열처리되지 않은 막-전극접합체(110)를 이용하여 제조되며, 상기 막-전극접합체(110)는 상기 제2 단계에서 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체에 의해 가열된다. 상기 막-전극접합체(110)는 상기 제2 단계에서 가열됨에 의해 그 계면접합력이 증대된다. In the first step, the
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 열풍 발생기(200)를 이용하여 냉각수 유로(131)에 가열 기체를 공급한다. 상기 열풍 발생기(200)는 소정 온도의 가열 기체를 발생시키도록 구성된 장치이며, 가열 기체를 소정 유량으로 냉각수 유로(131)에 공급한다. As shown in FIG. 2 , in the embodiment of the present invention, the
예를 들어, 상기 열풍 발생기(200)는 기체 압축기를 이용하여 가열 기체의 압력을 증가시킴으로써 가열 기체를 소정 유량으로 냉각수 유로(131)에 공급할 수 있다.For example, the
상기 열풍 발생기(200)는 연결수단을 통해 냉각수 유로(131)의 입구 또는 출구에 기체 유동가능하게 연결될 수 있다. 상기 연결수단은 열풍 발생기(200)와 막-전극접합체(110)의 연결 및 분리가 용이한 구조로 구성된 것이 사용되며, 열풍 발생기(200)와 막-전극접합체(110)의 연결 중 가열 기체가 새지 않도록 기밀을 유지하도록 구성된 것이 사용된다. The
본 발명의 실시예에서 막-전극접합체(110)를 가열하는 제2 단계는, 연료전지 스택(100)의 냉각수 유로(131)에 상기 열풍 발생기(200)를 연결하는 단계와, 상기 열풍 발생기(200)를 구동시켜 열풍 발생기(200)에서 발생 배출되는 가열 기체를 상기 냉각수 유로(131)에 공급하는 단계로 이루어질 수 있다. In the embodiment of the present invention, the second step of heating the membrane-
상기 열풍 발생기(200)는 냉각수 유로(131)의 입구와 출구 중 적어도 어느 한쪽에 연결되어 냉각수 유로(131)에 가열 기체를 공급하며, 냉각수 유로(131)를 통과하여 배출되는 가열 기체를 회수하기 위하여 냉각수 유로(131)의 입구와 출구 중 다른 한쪽에도 연결될 수 있다. The
도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수 유로(131)의 입구(즉, 냉각수 입구)로 가열 기체가 공급되는 경우, 냉각수 유로(131)의 출구(즉, 냉각수 출구)를 통해 가열 기체가 배출되어 열풍 발생기(200)로 회수된다. 이때, 상기 냉각수 입구(132)로 공급된 가열 기체는 냉각수 유로(131)를 통해 연료전지 스택(100)의 내부를 통과하면서 막-전극접합체(110)를 가열하게 된다. As shown in FIG. 2 , when heating gas is supplied to the inlet of the cooling water passage 131 (ie, the cooling water inlet), the heating gas is discharged through the outlet of the cooling water passage 131 (ie, the cooling water outlet) to generate hot air. returned to
상기 가열 기체는 냉각수 유로(131)를 둘러싼 분리판(130) 및 상기 분리판(130)과 막-전극접합체(110) 사이에 적층 배치된 가스확산층(120)을 통해 막-전극접합체(110)에 열을 전달한다. 즉, 상기 가열 기체의 열 에너지는 전도 현상에 의해 막-전극접합체(110)로 전달된다. The heating gas passes through the membrane-
상기 가열 기체를 이용한 막-전극접합체(110)의 가열 효과는 도 3을 통해 확인할 수 있다. 도 3은 연료전지 스택의 막-전극접합체 위치에 온도 센서를 장착하고 냉각수 유로에 65℃로 가열된 공기를 주입했을 때 상기 막-전극접합체의 온도 변화를 측정하여 나타낸 것이다. 이때, 상기 냉각수 유로에 주입된 공기의 온도는 막-전극접합체(110)의 가열 효과를 확인하기 위해 선택된 실험 온도일 뿐이며, 이에 의해 상기 열풍 발생기(200)에서 연료전지 스택(100)으로 공급되는 가열 기체의 온도가 한정되는 것은 아니다. The heating effect of the membrane-
도 3을 보면, 연료전지 스택의 냉각수 유로에 주입된 65℃의 공기(즉, 가열 기체)에 의해 막-전극접합체가 20분 이내에 약 62℃로 새츄레이션(saturation)되는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 3 , it can be confirmed that the membrane-electrode assembly is saturated to about 62° C. within 20 minutes by air (ie, heating gas) at 65° C. injected into the cooling water passage of the fuel cell stack.
또한, 막-전극접합체(110)에서 발생하는 전자의 이동 경로 역할을 하는 가스확산층(120)과 분리판(130)은 전기 전도성 물질로 형성되며 일반적으로 열 전도도가 높기 때문에, 냉각수 유로(131)를 통과하는 가열 기체는 상기 가스확산층(120)과 분리판(130)의 열 전도를 통해 막-전극접합체(110)를 효과적으로 가열하는 것이 가능하다. In addition, since the
또한, 연료전지 스택(100)의 구조상 냉각수 유로(131)는 막-전극접합체(110) 및 가스확산층(120)과 공간적으로 격리되어 있기 때문에, 상기 가열 기체의 압력에 의한 막-전극접합체(110)의 물리적인 변형을 방지할 수 있다. In addition, since the cooling
상기 막-전극접합체(110)의 계면접합력을 효과적으로 증대하기 위하여, 상기 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체의 온도는 막-전극접합체(110)를 구성하는 조성 물질 중 하나인 이오노머의 유리전이온도 이상으로 정해진다. In order to effectively increase the interfacial bonding force of the membrane-
예를 들어, 고분자 전해질막 연료전지의 경우 막-전극접합체(110)를 제조할 때 촉매전극층(112)의 바인더로 이오노머인 나피온(Nafion)을 사용하며, 나피온의 유리전이온도는 130℃이다. 막-전극접합체(110)의 바인더로 나피온을 사용하는 경우, 열풍 발생기(200)에서 연료전지 스택으로 유동 중에 발생하는 열 손실을 고려하여, 냉각수 유로(131)에 공급되는 가열 기체는 열풍 발생기(200)에서 130℃보다 높은 온도로 가열된다. For example, in the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell, Nafion, an ionomer, is used as a binder for the
구체적으로, 상기 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체의 온도는 100℃ ~ 250℃로 정해질 수 있다. 이는, 막-전극 접합체(110)의 열처리를 위한 가열 기체의 최소 온도가 100℃이고, 상기 가열 기체의 온도가 250℃를 초과하는 경우 막-전극 접합체(110)의 과한 열처리로 인하여 연료전지 스택(100)이 열화되며 연료전지 스택(100)을 구성하는 주변 부품(즉, 막-전극 접합체(110)의 주변 부품)에 악영향을 미칠 수 있기 때문이다. Specifically, the temperature of the heating gas injected into the cooling
일반적으로, 고분자 전해질막 연료전지의 경우 연료전지 스택의 구동을 위하여 스택 내 물이 반드시 필요하다. 이에, 연료전지 스택은 100℃ 미만의 온도에서 구동되며, 막-전극 접합체는 유리전이온도가 100℃ 이상인 이오노머를 사용한다. In general, in the case of a polymer electrolyte membrane fuel cell, water in the stack is absolutely necessary for driving the fuel cell stack. Accordingly, the fuel cell stack operates at a temperature of less than 100°C, and the membrane-electrode assembly uses an ionomer having a glass transition temperature of 100°C or higher.
따라서, 100℃ 미만의 유리전이온도를 갖는 이오노머는 고분자 전해질막 연료전지의 막-전극 접합체에 사용되기 곤란하며, 본 발명에서 상기 가열 기체의 최소 온도는 100℃로 정해진다.Therefore, an ionomer having a glass transition temperature of less than 100°C is difficult to use in a membrane-electrode assembly of a polymer electrolyte membrane fuel cell, and in the present invention, the minimum temperature of the heating gas is set at 100°C.
또한, 상기 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체의 유량은 0.1 ~ 10 LPM(liter per minute)으로 정해질 수 있다. 이는, 상기 가열 기체의 유량이 0.1 LPM 미만이면, 가열 기체의 유량이 부족하여 막-전극접합체(110)에 충분한 열을 전달할 수 없고, 가열 기체가 주입되는 냉각수 유로(131)의 입구(132)와 출구(133)에서 열처리 효과의 큰 편차가 유발될 수 있기 때문이다. 또한, 상기 가열 기체의 유량이 10 LPM을 초과하면, 과다한 유량 공급으로 인하여 냉각수 유로(131) 내 압력 상승이 발생하고 이로 인해 연료전지 스택(100)의 기밀 유지 부품에 손상이 발생할 수 있다. 또한, 연료전지 스택(100)의 기밀 유지 부품에 비가역적인 손상이 발생하게 되면 냉각수 누수로 인해 연료전지 스택(100)의 구동에 문제가 야기될 수 있다. In addition, the flow rate of the heating gas injected into the cooling
여기서, 상기 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체의 유량은 연료전지 셀(101)당 유량을 의미한다. Here, the flow rate of the heating gas injected into the cooling
한편, 상기 열풍 발생기(200)에서 연료전지 스택(100)으로 공급된 가열 기체는 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 사이에 냉각수 유로(131)를 단방향으로 흐르기 때문에, 상기 가열 기체의 유동방향을 기준으로 한 연료전지 스택(100)의 길이가 길거나 또는 외기온도가 낮아 외기온도로 인한 열 손실이 큰 경우, 냉각수 유로(131)에 주입되는 가열 기체의 온도와 상기 냉각수 유로(131)에서 배출되는 가열 기체의 온도 간에 차이가 발생할 수 있다. Meanwhile, since the heating gas supplied from the
즉, 연료전지 스택(100) 내에서 단방향으로 유동되는 가열 기체는 스택(100)을 통과하면서 점차 냉각되어 감온될 수 있으며, 그에 따라 스택(100) 내로 주입되는 가열 기체와 스택(100)에서 배출되는 가열 기체 간에 온도 차이가 발생할 수 있다. 상기와 같은 온도 차이가 발생하는 경우 막-전극접합체(110)가 불균일하게 가열되는 상황이 발생할 수 있다. That is, the heating gas flowing in one direction within the
상기와 같은 온도 차이 발생을 최소화하기 위하여, 상기 가열 기체는 연료전지 스택(100)에 공급될 때 주기적으로 그 유동방향이 변경될 수 있다. 구체적으로, 상기 가열 기체는 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 중 어느 한쪽을 통해 냉각수 유로(131)에 공급되는 경우 정해진 시간이 지나면 상기 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 중 다른 한쪽을 통해 냉각수 유로(131)에 공급될 수 있다. In order to minimize the temperature difference, the flow direction of the heating gas may be periodically changed when supplied to the
다시 말해, 상기 가열 기체는 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 중 어느 한쪽을 통해 냉각수 유로(131)에 주입되며, 이러한 가열 기체의 주입 위치는 주기적으로 변경될 수 있다. 상기 가열 기체의 주입 위치를 변경함으로써 냉각수 유로(131) 내 가열 기체의 유동방향이 변경된다. In other words, the heating gas is injected into the cooling
이를 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 열풍 발생기(200)와 연료전지 스택(100) 사이에 가열 기체의 유동방향을 제어하기 위한 열풍 분배기(210)가 장착될 수 있다. 즉, 상기 열풍 발생기(200)에서 배출된 가열 기체는 상기 열풍 분배기(210)를 통해 연료전지 스택(100)에 공급될 수 있다. To this end, as shown in FIG. 4 , a
상기 열풍 분배기(210)는 열풍 발생기(200)에서 연료전지 스택(100)으로 공급되는 가열 기체의 유동방향을 변경할 수 있도록 구성된다. The
예를 들어, 상기 열풍 발생기(200)는 열풍 분배기(210)를 통해 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133)에 연결된다. 이때, 상기 열풍 분배기(210)는 열풍 발생기(200)의 배출구(201)와 유입구(202)에 유체이동가능하게 연결되는 동시에, 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133)에 유체이동가능하게 연결된다. For example, the
상기 열풍 분배기(210)는 열풍 발생기(200)의 배출구(201)에서 토출되는 가열 기체를 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 중 어느 한쪽으로 주입하며, 상기 가열 기체의 유동을 위한 내부 유로를 주기적으로 변경함으로써 상기 가열 기체의 주입 위치를 변경하고 연료전지 스택(100) 내 가열 기체의 유동방향을 변경할 수 있다. The
상기 가열 기체는 냉각수 입구(132)로 주입되는 경우 냉각수 입구(132)에서 냉각수 출구(133)쪽으로 냉각수 유로(131)를 통과하여 흐르게 되며(도 4의 좌측 도면 참조), 냉각수 출구(133)로 주입되는 경우 냉각수 출구(133)에서 냉각수 입구(132)쪽으로 냉각수 유로(131)를 통과하여 흐르게 된다(도 4의 우측 도면 참조). When the heating gas is injected into the cooling
한편, 열처리 공정의 효율성을 높이기 위하여 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각수 유로(131)가 유체이동가능하게 직렬로 연결된 복수의 연료전지 스택(100)에 하나의 열풍 발생기(200)에서 생성한 가열 기체를 공급하는 것도 가능하다. Meanwhile, in order to increase the efficiency of the heat treatment process, as shown in FIG. 5 , heating generated by one
이때, 열풍 발생기(200)의 배출구(201)는 복수의 연료전지 스택(100) 중 최 전방에 배치된 연료전지 스택(100)의 냉각수 입구(132) 또는 냉각수 출구(133)에 연결되며, 상기 복수의 연료전지 스택(100)은 냉각수 입구(132)와 냉각수 출구(133) 중 어느 하나가 서로 유체이동가능하게 연결된다. At this time, the
이에, 열풍 발생기(200)에서 생성 배출된 가열 기체는 최 전방에 배치된 연료전지 스택(100)부터 최 후방에 배치된 연료전지 스택(100)까지 순차적으로 통과하면서 연료전지 스택(100) 내 막-전극접합체(110)를 가열하게 된다. Accordingly, the heating gas generated and discharged from the
이를 위하여, 본 발명의 실시예에서 막-전극접합체(110)를 가열하는 제2 단계는, 복수의 연료전지 스택(100)의 냉각수 유로(131)를 유체이동가능하게 직렬로 연결하는 단계, 상기 복수의 연료전지 스택(100) 중 최 전방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 상기 가열 기체를 발생하는 열풍 발생기(200)의 배출구(201)를 연결하는 단계, 및 상기 열풍 발생기(200)를 구동시켜 열풍 발생기(200)에서 발생 배출된 가열 기체를 상기 최 전방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 공급하는 단계로 이루어질 수 있다. To this end, the second step of heating the membrane-
또한, 상기 제2 단계는 상기 복수의 연료전지 스택(100) 중 최 후방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 상기 열풍 발생기(200)의 유입구(202)를 연결하는 단계를 더 포함함으로써 연료전지 스택(100)을 통과한 가열 기체를 회수할 수 있도록 한다. In addition, the second step further includes connecting the
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 열풍 발생기(200)는 복수의 연료전지 스택(100)의 냉각수 유로(131)에 병렬로 유체공급가능하게 연결될 수도 있다. 이때, 하나의 열풍 발생기(200)에서 토출된 가열 기체는 복수의 연료전지 스택(100)에 분배되어 동시 공급될 수 있으며, 복수의 연료전지 스택(100)을 통과하여 배출된 가열 기체는 취합되어 열풍 발생기(200)로 회수될 수 있다. Also, as shown in FIG. 6 , the
이를 위하여, 본 발명의 실시예에서 막-전극접합체(110)를 가열하는 제2 단계는, 복수의 연료전지 스택(100)의 냉각수 유로(131)를 유체이동가능하게 병렬로 연결하는 단계, 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로(131)의 한쪽 단부(즉, 입구 또는 출구)에 상기 가열 기체를 발생하는 열풍 발생기(200)의 배출구(201)를 연결하는 단계, 및 상기 열풍 발생기(200)를 구동시켜 열풍 발생기(200)에서 발생 배출된 가열 기체를 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로(131)에 공급하는 단계로 이루어질 수 있다. To this end, the second step of heating the membrane-
또한, 상기 제2 단계는 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로(131)의 다른 한쪽 단부(즉, 출구 또는 입구)에 상기 열풍 발생기(200)의 유입구(202)를 연결하는 단계를 더 포함함으로써 연료전지 스택(100)을 통과한 가열 기체를 회수할 수 있도록 한다. In addition, the second step further includes connecting the
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 또한 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.Since the embodiments of the present invention have been described in detail above, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to a conventional or dictionary meaning, and the scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments. It is not limited to examples, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also included in the scope of the present invention.
100 : 연료전지 스택
101 : 연료전지 셀
110 : 막-전극접합체
111: 전해질막
112: 촉매전극층
120 : 가스확산층
130 : 분리판
131 : 냉각수 유로
132 : 냉각수 입구
133 : 냉각수 출구
134 : 반응가스 유로
200 : 열풍 발생기
201 : 배출구
202 : 유입구
210 : 열풍 분배기100: fuel cell stack 101: fuel cell cell
110: membrane-electrode assembly 111: electrolyte membrane
112: catalyst electrode layer 120: gas diffusion layer
130: separator 131: coolant flow path
132: cooling water inlet 133: cooling water outlet
134: reaction gas flow path 200: hot air generator
201: outlet 202: inlet
210: hot air distributor
Claims (9)
상기 제1 단계에서 서로 이웃하여 적층된 연료전지 셀의 분리판으로 둘러싸인 냉각수 유로에 가열 기체를 공급하여 상기 막-전극접합체를 가열하는 제2 단계;
를 포함하는 연료전지 스택 제조 방법.
A fuel cell stack is formed by stacking a plurality of fuel cell cells composed of a membrane-electrode assembly, a pair of gas diffusion layers stacked on both sides of the membrane-electrode assembly, and a pair of separator plates stacked on the outer surface of each gas diffusion layer. The first step of manufacturing;
a second step of heating the membrane-electrode assembly by supplying a heating gas to a cooling water passage surrounded by separators of fuel cell cells stacked adjacent to each other in the first step;
A fuel cell stack manufacturing method comprising a.
상기 제2 단계에서는, 상기 냉각수 유로의 입구와 출구 중 어느 한쪽으로 소정 온도의 가열 기체를 주입하며, 상기 가열 기체의 주입 위치를 주기적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
In the second step, a heating gas having a predetermined temperature is injected into one of the inlet and outlet of the cooling water passage, and the injection position of the heating gas is periodically changed.
상기 냉각수 유로에 주입되는 가열 기체의 온도는 상기 막-전극접합체를 구성하는 물질 중 하나인 이오노머의 유리전이온도 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
The fuel cell stack manufacturing method, characterized in that the temperature of the heating gas injected into the cooling water passage is higher than the glass transition temperature of the ionomer, one of the materials constituting the membrane-electrode assembly.
상기 냉각수 유로에 주입되는 가열 기체의 온도는 100℃ ~ 250℃ 인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
The fuel cell stack manufacturing method, characterized in that the temperature of the heating gas injected into the cooling water passage is 100 ℃ ~ 250 ℃.
상기 냉각수 유로에 주입되는 가열 기체의 유량은 0.1 LPM(liter per minute) ~ 10 LPM인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
The fuel cell stack manufacturing method, characterized in that the flow rate of the heating gas injected into the cooling water passage is 0.1 LPM (liter per minute) to 10 LPM.
상기 제2 단계는:
a) 복수의 연료전지 스택의 냉각수 유로를 유체이동가능하게 직렬로 연결하는 단계;
b) 상기 복수의 연료전지 스택 중 최 전방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 상기 가열 기체를 발생하는 열풍 발생기의 배출구를 연결하는 단계;
c) 상기 열풍 발생기를 구동시켜 상기 열풍 발생기에서 발생 배출된 가열 기체를 상기 최 전방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 공급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
The second step is:
a) connecting cooling water passages of a plurality of fuel cell stacks in series in a fluid flow manner;
b) connecting an outlet of a hot air generator generating the heating gas to a cooling water flow path of a fuel cell stack disposed at the frontmost side of the plurality of fuel cell stacks;
c) supplying the heated gas generated and discharged from the hot air generator to a cooling water passage of the fuel cell stack disposed at the frontmost side by driving the hot air generator;
A fuel cell stack manufacturing method comprising a.
상기 제2 단계는, 상기 복수의 연료전지 스택 중 최 후방에 배치된 연료전지 스택의 냉각수 유로에 상기 열풍 발생기의 유입구를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 6,
The second step further comprises connecting an inlet of the hot air generator to a cooling water passage of a fuel cell stack disposed at the rearmost of the plurality of fuel cell stacks.
상기 제2 단계는:
a) 복수의 연료전지 스택의 냉각수 유로를 유체이동가능하게 병렬로 연결하는 단계;
b) 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로의 한쪽 단부에 상기 가열 기체를 발생하는 열풍 발생기의 배출구를 연결하는 단계;
c) 상기 열풍 발생기를 구동시켜 상기 열풍 발생기에서 발생 배출된 가열 기체를 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로에 공급하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 1,
The second step is:
a) connecting cooling water passages of a plurality of fuel cell stacks in parallel in a fluid flow manner;
b) connecting an outlet of a hot air generator generating the heating gas to one end of the cooling water passages connected in parallel;
c) driving the hot air generator to supply the heated gas generated and discharged from the hot air generator to the cooling water passages connected in parallel;
A fuel cell stack manufacturing method comprising a.
상기 제2 단계는, 상기 병렬로 연결한 냉각수 유로의 다른 한쪽 단부에 상기 열풍 발생기의 유입구를 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
The method of claim 8,
The second step further comprises connecting the inlet of the hot air generator to the other end of the cooling water flow path connected in parallel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
KR1020210187920A KR20230098936A (en) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | Method for manufacturing fuel cell stack |
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KR1020210187920A KR20230098936A (en) | 2021-12-27 | 2021-12-27 | Method for manufacturing fuel cell stack |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117117251A (en) * | 2023-09-21 | 2023-11-24 | 北京理工大学 | Fuel cell heating technology and temperature control method |
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2021
- 2021-12-27 KR KR1020210187920A patent/KR20230098936A/en unknown
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CN117117251A (en) * | 2023-09-21 | 2023-11-24 | 北京理工大学 | Fuel cell heating technology and temperature control method |
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