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KR101765584B1 - 연료전지 시스템 - Google Patents

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KR101765584B1
KR101765584B1 KR1020150062659A KR20150062659A KR101765584B1 KR 101765584 B1 KR101765584 B1 KR 101765584B1 KR 1020150062659 A KR1020150062659 A KR 1020150062659A KR 20150062659 A KR20150062659 A KR 20150062659A KR 101765584 B1 KR101765584 B1 KR 101765584B1
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channel
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최성범
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현대자동차 주식회사
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Abstract

연료전지 시스템이 개시된다. 개시된 연료전지 시스템은 다수 개의 연료전지들이 연속적으로 배열된 연료전지 스택과, 연료전지 스택으로 수소와 산소의 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛을 포함하며, 연료전지는 막-전극 어셈블리로 수소와 공기를 유동시키는 반응유로를 지닌 분리판을 포함하고, 분리판은 수소를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 반응유로에 수소 흡착물질이 코팅 형성된 수소 흡착층을 포함할 수 있다.

Description

연료전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
본 발명의 실시예는 연료전지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉 시동성을 개선할 수 있는 연료전지 시스템에 관한 것이다.
알려진 바와 같이, 연료전지 시스템은 연료전지에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응으로서 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 시스템이다. 대개 연료전지 시스템은 연료전지 차량에 적용되고 있다.
연료전지 시스템의 연료전지는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판이 구비된 구조를 갖는다. 분리판은 수소와 공기를 막-전극 어셈블리로 공급하는 반응유로와, 냉각수를 유동시키는 냉각유로를 형성하고 있다. 이러한 연료전지는 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 부수적으로는 반응열과 물을 생성하게 된다.
그런데, 외 기온이 낮은 동절기에는 물이 분리판의 반응유로에서 국부적으로 동결되며 그 반응유로를 따라 유동하는 수소와 공기의 흐름을 막는 아이스 블로킹(ice blocking)이 발생할 수 있다.
특히, 이와 같은 연료전지 시스템의 냉 시동 시에는 아이스 블로킹에 의해 분리판의 반응유로가 막힘으로 그 반응유로를 통해 막-전극 어셈블리로 공급되는 수소의 양이 부족해지는 현상이 발생한다.
이로 인해 종래 기술에서는 막-전극 어셈블리로 공급되는 수소가 부족함에 따라, 막-전극 어셈블리가 비가역적으로 열화되어 연료전지의 성능이 저하될 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 냉 시동 시에 수소 공급 부족에 의한 연료전지의 열화를 방지할 수 있도록 한 연료전지 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지는, 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 양측에 구비되는 분리판을 포함하며, 상기 분리판은 수소가 흐르는 반응유로에 형성된 수소 흡착부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 수소 흡착부는 상기 반응유로의 채널 면에 수소 흡착물질이 코팅된 수소 흡착층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 수소 흡착층은 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나는 수소 흡착물질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지에 있어서, 상기 수소 흡착물질은 금속 수소화물(metal hydride)로 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템은, 다수 개의 연료전지들이 연속적으로 배열된 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택으로 수소와 산소의 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛을 포함하며, 상기 연료전지는 막-전극 어셈블리로 수소와 공기를 유동시키는 반응유로를 지닌 분리판을 포함하고, 상기 분리판은 수소를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 반응유로에 수소 흡착물질이 코팅 형성된 수소 흡착층을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 수소 흡착층은 상기 반응유로의 채널 면에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템에 있어서, 상기 수소 흡착물질은 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나는 금속 수소화물(metal hydride)로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템은, 시동 시의 대기 온도가 0℃ 이하이면, 상기 수소 흡착물질이 코팅된 반응유로로 수소를 기 설정된 제1 압력으로 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 연료전지 시스템은, 상기 분리판으로 유동되는 냉각수의 온도가 0℃ 이하이면, 상기 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 수소를 가압하며 상기 반응유로로 공급할 수 있다.
본 발명의 실시예는 저온 조건에서의 냉 시동 시 분리판의 수소 반응유로로 수소를 공급하여 수소 흡착층의 발열 반응으로서 분리판의 아이스 블로킹 현상을 방지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 분리판의 아이스 블로킹 현상에 따른 수소 공급 부족으로 연료전지가 열화되는 것을 방지할 수 있고, 연료전지 차량의 냉 시동성을 개선할 수 있다.
이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템을 개략적으로 도시한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 다수 개의 연료전지들(10)이 적층된 연료전지 스택(40)과, 연료전지 스택(40)으로 연료로서의 수소 및 산화제로서의 공기(이하에서는 "반응가스"라고 한다)를 공급하는 반응가스 공급유닛(50)을 포함한다. 그리고 연료전지 시스템(100)은 전체 시스템의 전반적인 운용을 컨트롤 하는 제어기(90)를 포함하고 있다.
여기서, 반응가스 공급유닛(50)은 수소를 연료전지 스택(40)으로 공급하는 수소 공급부(51)와, 공기를 연료전지 스택(40)으로 공급하는 공기 공급부(61)를 포함한다. 연료전지 스택(40)을 구성하는 연료전지(10)는 반응가스 공급유닛(50)으로부터 제공되는 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 반응 부산물로서 열과 물을 발생시킨다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템에 적용되는 연료전지를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지(10)는 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(11)와, 막-전극 어셈블리(11)의 양측에 구비되는 분리판(21)을 포함한다.
막-전극 어셈블리(11)는 전해질막과, 전해질막의 일면에 형성되는 애노드 전극과, 전해질막의 다른 일면에 형성되는 캐소드 전극을 포함한다. 여기서, 각각의 애노드 전극 및 캐소드 전극에는 기체 확산층(도면에 도시되지 않음)이 구비될 수 있다.
분리판(21)은 수소와 공기를 막-전극 어셈블리(11)로 공급하기 위한 것으로서, 예를 들면 전기 전도성을 지닌 금속 분리판으로 구비된다. 분리판(21)은 수소 및 공기를 각각 유동시키는 유로 및 냉각 매체를 유동시키는 유로를 형성할 수 있다.
분리판(21)은 수소를 유동시키는 수소 반응유로(23)를 형성하며 막-전극 어셈블리(11)의 애노드 전극 측에 밀착된다. 분리판(21)은 공기를 유동시키는 공기 반응유로(25)를 형성하며 막-전극 어셈블리(11)의 캐소드 전극 측에 밀착된다.
분리판(21)은 막-전극 어셈블리(11)의 애노드 전극 및 캐소드 전극 측에 밀착되는 랜드 부분을 형성하고 있다. 여기서 분리판(21)의 수소 반응유로(23) 및 공기 반응유로(25)는 그 랜드 부분 사이에 채널 형태로 형성될 수 있다. 그리고 분리판(21)에는 냉각 매체(예를 들면, 냉각수)를 유동시키는 냉각유로(27)가 구비된다.
상기와 같이 구성되는 연료전지 시스템(100)은 외 기온이 낮은 동절기의 저온 조건에서 분리판(21)의 반응유로(23, 25)에 존재하는 물이 국부적으로 동결되어 그 반응유로를 따라 유동하는 반응가스의 흐름을 막는 아이스 블로킹(ice blocking) 현상이 발생할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)은 냉 시동 시 분리판(21)의 아이스 블로킹 현상에 의한 수소 공급 부족으로 연료전지(10)의 열화가 발생되는 것을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.
이를 위해 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)에 적용되는 연료전지(10)의 분리판(21)은 수소가 흐르는 수소 반응유로(23)에 형성되는 수소 흡착부(30)를 포함하고 있다.
수소 흡착부(30)는 외 기온이 낮은 동절기의 냉 시동 시, 분리판(21)의 수소 반응유로(23)에 국부적으로 얼어 있는 얼음을 화학적인 발열 반응으로서 녹일 수 있는 것이다.
즉, 수소 흡착부(30)는 분리판(21)의 수소 반응유로(23)로 공급되는 수소에 반응하며 수소를 흡착하면서 열이 발생되는 것으로, 그 반응열로 수소 반응유로(23)에 국부적으로 얼어붙어 있는 얼음을 녹일 수 있다.
수소 흡착부(30)는 분리판(21)의 수소 반응유로(23)에 코팅 형성되는 수소 흡착층(31)을 포함한다. 수소 흡착층(31)은 수소 흡착물질이 분리판(21)의 수소 반응유로(23)에 코팅 또는 도포된 것으로, 분리판(21)의 랜드 부분을 제외한 수소 반응유로(23)의 채널 면에 형성된다. 수소 흡착물질은 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나는 금속 수소화물(metal hydride)을 포함할 수 있다.
수소 흡착층(31)을 형성하는 일 예의 방법으로서, 마스킹 테이프를 이용하여 수소 반응유로(23)의 채널 면을 노출시키고, 수소 흡착물질을 스퍼터링 증착 방식으로 수소 반응유로(23)의 채널 면에 증착시키며 수소 흡착층(31)을 형성할 수 있다.
수소 흡착층(31)을 형성하는 다른 예의 방법으로서, 마스킹 테이프를 이용하여 수소 반응유로(23)의 채널 면을 노출시키고, 수소 흡착물질을 스프레이 코팅 방식으로 수소 반응유로(23)의 채널 면에 코팅하며 수소 흡착층(31)을 형성할 수 있다.
여기서, 수소 흡착층(31)은 수소 반응유로(23) 전역의 채널 면에 형성될 수 있으며, 수소 반응유로(23) 일부의 채널 면에 형성될 수도 있다. 그리고 수소 흡착층(31)을 분리판(21)의 랜드 부분을 제외한 수소 반응유로(23)의 채널 면에 형성하는 이유는 그 랜드 부분에 수소 흡착층(31)을 형성할 경우, 분리판(21)과 막-전극 어셈블리(11) 측의 접촉 저항이 저하되기 때문이다.
이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)의 작용을 앞서 개시한 도면들 및 하기의 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템의 작동을 설명하기 위한 플로우-챠트이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 우선 본 발명의 실시예에서는 온도센서를 통해 대기 온도를 감지하고 그 감지신호를 제어기(90)로 출력한다(S11 단계). 이에 제어기(90)는 시동 시의 대기 온도가 0℃ 이하인 것으로 판단되면(S12 단계), 분리판(21)의 수소 반응유로(23)로 수소를 공급한다(S13 단계). 이 때 제어기(90)는 수소 공급부(51)를 통해 수소를 기 설정된 제1 압력으로서 수소 반응유로(23)로 공급한다. 그러면, 수소 반응유로(23)의 채널 면에 코팅된 수소 흡착층(31)은 수소와 반응하며 그 수소를 흡착하면서 열을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 저온 조건(대기 온도 0℃ 이하)에서의 냉 시동 시, 분리판(21)의 수소 반응유로(23)에 국부적으로 얼어붙어 있는 얼음을 수소 흡착층(31)의 반응열로 녹일 수 있다.
이러는 과정을 거치는 동안, 본 발명의 실시예에서는 분리판(21)으로 유동하는 냉각수의 온도를 온도센서를 통해 감지하고 그 감지신호를 제어기(90)로 출력한다(S14 단계). 이에 제어기(90)는 시동 시의 냉각수 온도가 0℃ 이하인 것으로 판단되면(S15 단계), 수소 공급부(51)를 통해 수소를 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 가압하며 수소 반응유로(23)로 공급한다(S16 단계).
그러면, 본 발명의 실시예에서는 수소 반응유로(23)의 수소 흡착층(31)이 수소를 흡착하며 지속적으로 발열하고, 수소 반응유로(23)에 비교적 넓은 분포로 얼어붙어 있는 얼음을 수소 흡착층(31)의 반응열로 녹일 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 저온 조건에서의 냉 시동 시, 수소 흡착층(31)의 반응열로 수소 반응유로(23)에 얼어붙어 있는 얼음을 제거하여 수소가 흐르는 통로를 확보함으로써 막-전극 어셈블리(11)로의 원활한 수소 공급을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 수소 반응유로(23)의 수소 흡착층(31)은 일정량의 수소가 흡착되고 나면 더 이상의 발열 반응을 진행하지 않게 되고, 냉각수의 온도가 영상으로 진입하게 되면 정상적인 시동이 이루어지게 된다.
지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 시스템(100)에 의하면, 저온 조건에서의 냉 시동 시 분리판(21)의 수소 반응유로(23)로 수소를 공급하여 수소 흡착층(31)의 발열 반응으로서 분리판(21)의 아이스 블로킹 현상을 방지할 수 있다.
이로써, 본 발명의 실시예에서는 저온 조건에서의 냉 시동 시 분리판(21)의 아이스 블로킹 현상에 따른 수소 공급 부족으로 연료전지(10)가 열화되는 것을 방지할 수 있고, 연료전지 차량의 냉 시동성을 개선할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10... 연료전지 11... 막-전극 어셈블리(MEA)
21... 분리판 23... 수소 반응유로
25... 공기 반응유로 27... 냉각유로
30... 수소 흡착부 31... 수소 흡착층
40... 연료전지 스택 50... 반응가스 공급유닛
51... 수소 공급부 61... 공기 공급부
90... 제어기

Claims (7)

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  4. 다수 개의 연료전지들이 연속적으로 배열된 연료전지 스택과, 상기 연료전지 스택으로 수소와 산소의 반응가스를 공급하는 반응가스 공급유닛을 포함하는 연료전지 시스템에 있어서,
    상기 연료전지는 막-전극 어셈블리로 수소와 공기를 유동시키는 반응유로를 지닌 분리판을 포함하며,
    상기 분리판은 수소를 막-전극 어셈블리로 공급하기 위한 반응유로에 수소 흡착물질이 코팅 형성된 수소 흡착층을 포함하고,
    대기온도 또는 냉각수 온도가 기준온도 이하인 경우, 상기 대기온도 또는 상기 냉각수 온도가 기준온도 이상인 경우보다 애노드 전극 측으로 수소를 공급하는 압력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 수소 흡착층은 상기 반응유로의 채널 면에 형성되고,
    상기 수소 흡착물질은 수소를 흡착하며 발열 반응이 일어나는 금속 수소화물(metal hydride)인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  6. 제4 항에 있어서,
    시동 시의 대기 온도가 0℃ 이하이면, 상기 수소 흡착물질이 코팅된 반응유로로 수소를 기 설정된 제1 압력으로 공급하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 분리판으로 유동되는 냉각수의 온도가 0℃ 이하이면, 상기 제1 압력보다 더 큰 제2 압력으로 수소를 가압하며 상기 반응유로로 공급하는 연료전지 시스템.
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