KR101683980B1 - A fuel cell stack - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 촉매층에 수용성 물질을 배합하거나, 캐소드 전극의 외측에 수용성 물질이 혼합된 삼투압유도층을 형성하거나, 연료전지 스택의 캐소드 입구 측에 수용성 물질을 분사하는 분사수단을 더 포함함으로써, 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있고, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있으며, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell stack, in which a water-soluble material is mixed with a catalyst layer having an anode electrode and a cathode electrode sandwiching a polymer electrolyte membrane, or an osmotic- The fuel cell stack is improved in performance and durability of the membrane electrode assembly by preventing water from being corroded by directing water to the cathode electrode side on the anode electrode side by further including jetting means for spraying a water- It is possible to prevent corrosion of the cathode electrode due to moisture concentrated at the anode electrode due to despreading during low current operation and also to prevent corrosion of the anode electrode due to partial reverse voltage generated by anode flooding, It is possible to reduce fuel consumption, During the operation, water is kept on the cathode electrode, and the dry phenomenon caused by the strong flow rate can delay the deterioration of the membrane and the ionomer. Due to the improvement of the durability of the fuel cell stack, parts replacement and cell repair It is possible to expect a long-term cost reduction.

Description

연료전지 스택{A fuel cell stack}A fuel cell stack

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택에 관한 것이다.
[0001] The present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a fuel cell stack in which electrode corrosion is prevented by guiding water toward a cathode electrode on the anode electrode side, thereby improving the performance and durability of the membrane electrode assembly.

일반적으로 수소자동차에는 수소를 연료로 하는 고분자 연료전지 스택이 장착되며, 이 연료전지 스택은 막전극접합체의 양측에 수소 및 공기를 흘려주어 아래 식1 및 식2와 같은 전기-화학반응을 통해 모터를 구동시킬 수 있는 전기에너지를 얻는다.Generally, a hydrogen vehicle is equipped with a polymer fuel cell stack using hydrogen as a fuel. This fuel cell stack allows hydrogen and air to flow on both sides of the membrane electrode assembly, Thereby obtaining an electric energy capable of driving the electric motor.

식1>Equation 1>

연료극(애노드,-) : 2H2 -> 4H+ + 4e- Anode (-): 2H 2 -> 4H + + 4e -

식2>Equation 2>

공기극(캐소드,+) : O2 + 4H+ + 4e- -> 2H2O + HeatAir cathode (cathode, +): O 2 + 4H + + 4e - -> 2H 2 O + Heat

상기한 식1,2를 통해 발생된 전기에너지 외에도 부수적으로 물과 열이 생성되는데, 그 양은 운전조건, 반응특성, 스택의 구성부품 및 운전장치의 구성부품에 따라 다양하며, 이는 연료전지 스택의 내구성능에 직결된다.In addition to the electrical energy generated by the above equations 1 and 2, water and heat are incidentally generated. The amount varies depending on the operating conditions, reaction characteristics, constituent parts of the stack, and components of the operating apparatus. It is directly related to endurance performance.

따라서, 물과 열의 생성을 억제함에 따라 연료전지 스택의 내구성능을 향상시키기 위해 상기한 다양한 요소 중 연료전지 스택의 핵심 부품인 막전극접합체의 전극 및 막의 내구성능을 향상시킴에 따른 연료전지 스택이 요구된다.Accordingly, in order to improve the endurance performance of the fuel cell stack by suppressing the generation of water and heat, the fuel cell stack according to the present invention improves endurance performance of electrodes and membranes of the membrane electrode assembly, Is required.

여기서, 전극의 경우, 다습하고, 전압이 높은 환경에서 아래 식3과 같이, 탄소가 부식됨에 따른 Pt(백금)촉매의 지지층이 사라지기 때문에 Pt가 뭉쳐지거나 탈락되는 등의 화학적 반응으로 면적이 줄어들어 연료전지 스택의 내구성능이 저하되는 경우가 발생한다.Here, in the case of the electrode, since the supporting layer of the Pt (platinum) catalyst disappears due to the corrosion of carbon as shown in the following Equation 3 in a high humidity and high voltage environment, the area is reduced due to chemical reaction such as Pt clustering or dropout The durability of the fuel cell stack may deteriorate.

식3>Equation 3>

C + 2H2O -> CO2 + 4H+ + 4e- C + 2H 2 O -> CO 2 + 4H + + 4e -

위 식3에 따라 탄소 부식의 원인 물질은 물(H2O)이며, 연료전지 스택 막전극접합체 내에서 물의 이동은 아래 그림1과 같다.According to Equation 3, the cause of carbon corrosion is water (H 2 O), and the movement of water in the fuel cell stack membrane electrode assembly is shown in Fig.

Figure 112014089491279-pat00001
Figure 112014089491279-pat00001

[그림1][Figure 1]

여기서, 막전극접합체를 통한 물의 이동은 생성된 전류의 크기 즉, 고전류와 저전류 구간에서 크게 달라진다.Here, the movement of water through the membrane electrode assembly largely varies in the magnitude of the generated current, that is, in the high current and low current sections.

우선, 고전류 구간에서 연료전지 스택 내 수분의 이동은 아래 그림2에 도시된 바와 같이, 전기적삼투압(Electro osmotic drag)이 우세하며, 이는 캐소드 전극 측으로 이동하는 수소 이온의 양이 증가함에 따라 수분이 캐소드 전극에 집중되는 것이다.First, the movement of moisture in the fuel cell stack in the high current section is dominated by the electroosmotic drag as shown in FIG. 2 below. This is because as the amount of hydrogen ions migrating toward the cathode electrode increases, It is concentrated on the electrode.

즉, 캐소드 전극에 수분이 있는 경우, 공기와 캐소드 전극과의 접촉을 방해할 수 있지만, 캐소드 전극을 통해 유입되는 공기의 유속이 매우 세기 때문에 대부분 공기에 의해 제거되며 연료전지 스택의 전극 내구성능에는 크게 영향을 주지 않는다.That is, when there is moisture in the cathode electrode, the contact between the air and the cathode electrode may be hindered. However, since the flow rate of the air flowing through the cathode electrode is very strong, It does not greatly affect.

Figure 112014089491279-pat00002
Figure 112014089491279-pat00002

[그림2][Figure 2]

한편, 저전류 구간에서 연료전지 스택 내 수분의 이동은 아래 그림3에 도시된 바와 같이, 역확산(Back diffusion)이 우세하며, 이는 캐소드 전극 측에 응축되었던 많은 양의 수분이 상대적으로 수분이 적은 애노드 전극 측으로 확산된다.On the other hand, as shown in FIG. 3, the back diffusion is dominant in the movement of moisture in the fuel cell stack in the low current section, and a large amount of water condensed on the cathode electrode side is relatively low in moisture And diffuses toward the anode electrode side.

Figure 112014089491279-pat00003
Figure 112014089491279-pat00003

[그림3][Figure 3]

따라서, 역확산으로 인해 애노드 전극 측에 물이 고인 경우, 캐소드 전극의 부식을 유발되는 것을 아래 그림4에서 확인할 수 있다.Therefore, it can be seen in FIG. 4 that corrosion of the cathode electrode occurs when water is on the anode electrode side due to despreading.

Figure 112014089491279-pat00004
Figure 112014089491279-pat00004

[그림4][Figure 4]

즉, ① 애노드 전극 측에 물이 고이면, ② 막전극접합체를 사이에 두고 투과한 공기가 애노드 전극 측 표면에 흡착하게 되고, ③ 이의 반대편 캐소드 전극은 1.4V 이상의 고전압에 노출되며, ④ 이 캐소드 전극에 걸린 고전압에 의해 캐소드 전극 측의 탄소가 부식된다.That is, (1) when water is held on the anode electrode side, (2) air permeated through the membrane electrode assembly is adsorbed on the anode electrode side surface, (3) the cathode electrode on the opposite side is exposed to a high voltage of 1.4 V or more, The carbon on the cathode side is corroded by the high voltage applied to the cathode.

따라서, 애노드 전극은 캐소드 전극에 비해 상대적으로 가스의 유속이 빠르지 않아 물의 배출이 원활히 이루어 지지 않는 단점이 있으며, 탄소 부식에 따른 캐소드 전극이 소실되어 전극의 두께가 얇아지는 문제점이 발생함과 아울러, 연료전지 스택의 수명이 단축되는 문제점이 있다.Therefore, the anode electrode has a disadvantage that the gas flow rate is not relatively fast as compared with the cathode electrode, and the water is not smoothly discharged. Also, the cathode electrode is lost due to carbon corrosion and the thickness of the electrode is reduced, The life of the fuel cell stack is shortened.

상기한 문제점을 해결하기 위해서는 애노드 전극 측의 수소 유량을 크게 할 수 있지만, 저전류 구간에서 과량의 수소가 애노드 전극에 흐르는 경우, 전기-화학 반응에 참여하지 않는 수소는 그대로 배출되므로 수소를 연료로 하는 자동차의 연비 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.In order to solve the above problem, the hydrogen flow rate on the anode electrode side can be increased. However, when excess hydrogen flows to the anode electrode in the low current section, hydrogen not participating in the electrochemical reaction is discharged as it is. The efficiency of the automobile is lowered in terms of fuel economy.

이러한 문제점에 착안하여 연료전지 스택의 내구성 향상을 위한 기술로 ① US 8551667(Hydrogel barrier for fuel cells)와 ② US 5358799 A(Fuel cell)이 제안된 바 있으며, ①의 경우, 액상 전해질과 캐소드 전극 사이에 하이드로 겔 장애물을 비치하여 캐소드에서 생성된 물이 하이드로 겔 장애물을 통해 액상 전해질 측으로 유도하는 기술이고, ②의 경우, 연료전지 물관리시스템(water management system)이라는 구성에서 중공막(hollow member)을 적용하여 캐소드 전극 측의 물을 애노드 전극 측으로 이동시키는 기술이다.As a technology for improving the durability of the fuel cell stack, US Pat. No. 8551667 (Hydrogel barrier for fuel cells) and US 5358799 A (Fuel cell) have been proposed. In the case of (1), between the liquid electrolyte and the cathode electrode And the water generated in the cathode is guided to the liquid electrolyte side through the hydrogel obstacle by providing the hydrogel obstacle in the case of the fuel cell water management system. Thereby moving the water on the cathode electrode side to the anode electrode side.

상기한 ① ② 기술의 경우, 기본적으로 삼투압을 이용하여 물을 이동시키는 기술이지만, 각각에 하이드로 겔 장애물과 물관리시스템이라는 구조적인 구성이 더 추가되어야 하므로 이에 따른 제작비용이 상승되는 문제점이 있다.
In the case of the above technology (1) and (2), water is basically moved using osmotic pressure, but a structural configuration such as a hydrogel obstacle and a water management system must be added to each of the technologies.

상기한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극 및 캐소드 전극을 갖는 촉매층에 수용성 물질을 배합하거나, 캐소드 전극의 외측에 수용성 물질이 혼합된 삼투압유도층을 형성하거나, 연료전지 스택의 캐소드 입구 측에 수용성 물질을 분사하는 분사수단을 더 포함함으로써, 애노드 전극 측에 물을 캐소드 전극 측으로 유도함에 따라 전극 부식을 예방하여 막전극접합체의 성능 및 내구 성능이 향상되는 연료전지 스택을 제공하는데 목적이 있다.
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a method for producing an osmotic pressure induction layer in which a water-soluble substance is mixed with a catalyst layer having an anode electrode and a cathode electrode with a polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween, The fuel cell stack according to any one of the preceding claims, further comprising a spraying means for spraying a water-soluble substance onto the cathode inlet side of the battery stack, thereby preventing corrosion of the electrode by guiding water toward the cathode electrode side, And the like.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly), 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓(Gasket) 및 분리판(Separator)을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(unit-cell)을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막(poly electrolyte membrane)과; 이 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머(ionomer)를 유기용매에 용해함과 아울러, 삼투압(osmotic)을 유도하는 수용성 물질을 배합하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 형성하되, 각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 캐소드 전극이 애노드 전극 보다 높은 농도의 수용성 물질이 배합된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.In order to accomplish the above object, the present invention provides a fuel cell including a plurality of unit cells including a Membrane-Electrode Assembly (MEA), a Gas Diffusion Layer (GDL), a gasket, and a separator, wherein the membrane electrode assembly comprises: a polyelectrolyte membrane; a membrane electrode assembly; A catalyst layer composed of an electrode slurry is formed by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity on both sides of the polymer electrolyte membrane in an organic solvent and by mixing a water-soluble substance inducing osmotic pressure, Wherein the cathode electrode is made of a catalyst layer and the cathode electrode is mixed with a water-soluble substance having a higher concentration than the anode electrode in the anode electrode.

또한, 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; 상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층과; 각각의 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극 및 애노드 전극 중에 상기 캐소드 전극의 외측에 코팅되며, 상기 애노드 전극의 물을 상기 캐소드 전극으로 유도하도록 수용성 물질이 혼합된 반투막으로 이루어진 삼투압유도층을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.Also, a fuel cell stack constructed by stacking a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a gasket, and a separator, the membrane electrode assembly comprising: a polymer electrolyte membrane; A catalyst layer made of an electrode slurry by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity on both sides of the polymer electrolyte membrane in an organic solvent; And an osmotic pressure induction layer coated on the outside of the cathode electrode in the cathode electrode and the anode electrode, each catalyst layer being made of a semi-permeable membrane mixed with a water-soluble substance so as to lead water of the anode electrode to the cathode electrode. And a fuel cell stack.

한편, 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서, 상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; 상기 고분자 전해질막의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층을 포함하여 구성하되, 상기 연료전지 스택의 양측에 형성된 캐소드 입구 및 애노드 입구 중 상기 캐소드 입구에 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 공기와 혼합하여 투입하는 투입수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.
Meanwhile, in a fuel cell stack constructed by stacking a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a gasket, and a separator, the membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane; And a catalyst layer composed of an electrode slurry by dissolving an ionomer having conductivity on both sides of the polymer electrolyte membrane in an organic solvent, wherein a cathode inlet and an anode inlet formed on both sides of the fuel cell stack, Further comprising an injecting means for injecting a water-soluble substance inducing osmotic pressure with air.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있다.By providing the present invention configured as described above, it is possible to prevent corrosion of the cathode electrode due to moisture concentrated at the anode electrode due to despreading during low-current operation, as well as corrosion of the anode electrode due to partial reverse voltage generated by anode flooding And it is possible to suppress the supply of hydrogen, which is effective in reducing fuel consumption.

또한, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, when the cathode electrode is kept at a high temperature for a long time, it is possible to delay deterioration of the membrane and the ionomer due to a dry phenomenon caused by a strong flow rate.

결국, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.
As a result, the durability improvement of the fuel cell stack can reduce the number of parts replacement and the number of times of cell repair, thereby achieving long-term cost savings.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제1실시예 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제1실시예 구성에 따른 작동상태도.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제2실시예 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 제3실시예 구성도.1 is a view showing the construction of a fuel cell stack according to a first embodiment of the present invention.
Fig. 2 is an operational state view of the fuel cell stack according to the first embodiment of the present invention; Fig.
3 is a view showing the construction of a second embodiment of the fuel cell stack according to the present invention.
4 is a view showing a third embodiment of a fuel cell stack according to the present invention.

우선, 본 발명은 삼투압(osmotic)을 이용하여 연료전지 스택(100)의 요소 부품인 막전극접합체(110)의 성능 및 내구성능을 향상시키기 위한 것으로, 연료전지 스택(100)의 막전극접합체(110)는 크게 수소 이온을 통과시키고 양 전극의 반응가스를 서로 접촉하지 못하게 막아주는 막과 수소 이온을 이동시키는 이오노머(막성분), 촉매, 촉매 지지층인 탄소를 포함하는 전극으로 이루어진다.First, the present invention is to improve the performance and durability of the membrane electrode assembly 110, which is an element component of the fuel cell stack 100, by using osmotic pressure. The membrane electrode assembly 100 of the fuel cell stack 100 110 are mainly composed of a membrane for passing hydrogen ions, a membrane for preventing reaction gases from contacting each other, a ionomer (membrane component) for moving hydrogen ions, a catalyst, and an electrode containing carbon as a catalyst supporting layer.

여기서, 막전극접합체(110)의 막(111)과 전극(113a,113b)은 연료전지 스택(100)의 성능면에서 매우 중요한 부분을 담당하며, 막이 열화되는 경우에 연료전지 스택 성능 곡선에서 Ohmic 과전류가 발생하고, 전극이 열화되는 경우에는 activation, concentration 과전압이 발생하여 성능이 감소하는 경우가 발생한다.Here, the film 111 of the membrane electrode assembly 110 and the electrodes 113a and 113b are very important in the performance of the fuel cell stack 100, and when the membrane is deteriorated, the Ohmic If an overcurrent occurs and the electrode deteriorates, activation and concentration overvoltage may be generated and the performance may decrease.

이와 같이, 연료전지 스택(100) 성능의 핵심을 담당하는 두 가지 요소 중 먼저 전극의 열화를 감소하는 기술에 대하여 설명하면, 전극(113a,113b)의 경우, 특히 저전류 구간에서 애노드 플러딩에 의해 캐소드 전극(113a)이 열화 되는데, 이를 개선하기 위해서는 무엇보다 애노드 전극(113b)의 물을 다른 곳으로 이동시키는 기술이 필요하다.As described above, among the two factors that play a key role in the performance of the fuel cell stack 100, a description will first be given of a technique for reducing deterioration of the electrodes. In the case of the electrodes 113a and 113b, The cathode electrode 113a is deteriorated. In order to improve this, a technique of moving the water of the anode electrode 113b to another place is required.

이때, 애노드 전극(113b)의 물을 제거하기 위해서는 첫번째로 수소가스의 유량을 크게 하여 물을 배출구로 밀어 내보내는 방법이 있으나, 이는 반응에 참여하지 않는 수소를 과량으로 보냄으로 인해, 차량 연비의 손실을 초래되며, 두번째로 캐소드 전극(113a)의 물이 애노드 전극(113b)으로 역확산(Back diffusion)되는 것을 방지하고 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키는 방법이 있다.At this time, in order to remove water from the anode electrode 113b, there is a method in which the flow rate of the hydrogen gas is first increased to push the water out to the discharge port. However, since the excess hydrogen is not supplied to the reaction, And secondly the water in the cathode electrode 113a is prevented from being back-diffused into the anode electrode 113b and the water in the anode electrode 113b is moved to the cathode electrode 113a.

이러한 두 가지 방법 중 두번째 방법을 채택하여 본 발명에 대해 첨부된 도면과 함께 구체적인 실시예를 통해 구성을 상세히 설명한다.The second method among these two methods will be adopted to describe the present invention in detail with reference to the accompanying drawings through detailed embodiments.

각 실시예에 따른 구성에 대해 설명하기에 앞서, 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키기 위해서는 물을 이동시키는 원동력으로 삼투압을 이용한 방법을 제시한다.Before describing the configuration according to each embodiment, a method using osmotic pressure as a driving force for moving water is proposed in order to move the water of the anode electrode 113b to the cathode electrode 113a.

아래 그림5에 도시된 바와 같이, 삼투압을 이용한 연료전지 스택(100) 내에 수분의 이동을 모식화한 것으로, 삼투압은 농도가 다른 두 용액을 반투막으로 막아놓았을 경우, 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 용매만 선택적으로 옮겨가는 현상이 발생하는 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 5 below, the transfer of moisture in the fuel cell stack 100 using osmotic pressure is schematized. When two solutions having different concentrations are sealed with a semipermeable membrane, It can be seen that the phenomenon of selective transfer occurs.

Figure 112014089491279-pat00005
Figure 112014089491279-pat00005

[그림5][Figure 5]

한편, 연료전지 스택(100)의 막(111)과 이오노머(ionomer)로 사용되는 나피온(Nafion)이라는 물질은 잘 알려진 대로 반투막의 특성이 있으며, 이외에도 정수기의 여과에 사용되는 셀룰로오스 아세테이트 계, 폴리에테르 술폰계의 막도 반투성을 가지므로 막의 특성상 선택적으로 적용하여 사용할 수 있다.The membrane 111 of the fuel cell stack 100 and the Nafion material used as an ionomer have a semipermeable property as is well known. In addition, a cellulose acetate-based material such as poly Since the ether sulfone type membrane is also semitransparent, it can be selectively applied depending on the characteristics of the membrane.

아래 그림6에 도시된, 연료전지 스택(100)의 막(111)을 통해 간단히 삼투압 실험을 수행한 결과에 따르면, 작은 바이알에 수용성 용질인 소금을 담고, 바이알 입구를 나피온 막으로 덮은 다음 테프론 튜브로 주위를 밀봉한 후, 비커에 증류수를 담아 막 부분이 증류수가 닿도록 뒤지어 연료전지 스택의 작동온도인 60℃로 한 시간 동안 유지한 결과 바이알에 비커의 증류수가 옮겨진 것을 확인하였다. 이는 삼투압에 의해 고농도인 소금 쪽으로 나피온을 통해 증류수가 이동하는 것이 확인된다.According to the result of simple osmotic test conducted through the membrane 111 of the fuel cell stack 100 shown in FIG. 6 below, the small vial was filled with a salt as a water-soluble solute, the vial inlet was covered with a Nafion membrane, After sealing with a tube, the beaker was filled with distilled water, and the membrane was covered with deionized water. The membrane was maintained at an operating temperature of 60 ° C for one hour. As a result, distilled water of the beaker was transferred to the vial. It is confirmed that the osmotic pressure moves the distilled water through the Nafion to the high salt concentration.

Figure 112014089491279-pat00006
Figure 112014089491279-pat00006

[그림6][Figure 6]

삼투압의 식(P=CRT)에 의해, 이오노머를 이루는 나피온 성분의 반투막과, 연료전지 스택의 작동온도가 60℃라는 것을 고려하여 삼투압을 이용한 연료전지 스택의 성능 및 내구성능 향상시킬 수 있을 것이다.
The performance and durability of the fuel cell stack using the osmotic pressure can be improved by taking into account the fact that the operating temperature of the fuel cell stack is 60 ° C due to the osmotic pressure (P = CRT) and the semipermeable membrane of the Nafion component constituting the ionomer .

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 이 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해함과 아울러, 삼투압을 유도하는 수용성 물질(WS)을 배합하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)을 형성하되, 각각의 촉매층(113)으로 이루어진 캐소드 전극(113a) 및 애노드 전극(113b) 중에 캐소드 전극(113a)이 애노드 전극(113b)보다 높은 농도의 수용성 물질(WS)을 배합하여 구성한다.1 and 2, the fuel cell stack 100 of the present invention includes a membrane electrode assembly 110, a gas diffusion layer, a gasket, and a plurality of unit cells 120 including a separator, In the fuel cell stack 100, the membrane electrode assembly 110 includes a polymer electrolyte membrane 111; A catalyst layer 113 made of an electrode slurry is formed by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity in both sides of the polymer electrolyte membrane 111 in an organic solvent and a water-soluble substance (WS) A cathode electrode 113a and a water-soluble substance WS having a concentration higher than that of the anode electrode 113b are mixed in the cathode 113a and the anode 113b of each catalyst layer 113, respectively.

도 1에 의하면, 막전극접합체(110)는 반응이 일어나는 Pt/C 촉매에 이온 전도성이 있는 이오노머(나피온)를 유기용매에 용해한 후 혼합하여 전극 슬러리를 막(111)의 양면에 코팅하여 제조한다.1, the membrane electrode assembly 110 is formed by dissolving ionomer (Nafion) having ion conductivity in a Pt / C catalyst in which reaction takes place in an organic solvent and then mixing the electrode slurry on both sides of the membrane 111 do.

이때, 캐소드 전극(113a)에 애노드 전극(113b)보다 높은 농도의 수용성 물질(WS)을 배합하면 농도 차이로 인한 삼투압에 의해 연료전지 스택(100) 운전 중 셀 내 애노드 전극(113b) 측의 물이 캐소드 전극(113a) 측으로 이동하게 된다.At this time, when the water-soluble substance WS having a higher concentration than the anode electrode 113b is added to the cathode electrode 113a, osmotic pressure due to the concentration difference causes water on the anode electrode 113b side in the cell during operation of the fuel cell stack 100 To the cathode electrode 113a side.

또한, 도 2에 의하면, 저전류 구간 운전 중 플러딩이 발생하여도 삼투압에 의해 애노드 전극(113b)의 물을 캐소드 전극(113a)으로 이동시키고 애노드 플러딩을 방지함으로써 내구성능을 향상시킬 수 있다.In addition, according to FIG. 2, even if flooding occurs during the low-current section operation, the water of the anode electrode 113b is moved to the cathode electrode 113a by the osmotic pressure and the anode flooding is prevented.

여기서, 상기 수용성 물질(WS)이 양이온일 경우, 이오노머의 작용기를 막아 수소 이온의 전도도를 저하시킬 수 있기 때문에, 이온성 물질이 아닌 극성 공유 결합을 하는 물질로 수용성 규산, 친수성인 셀룰로오스 유도체 등을 채택할 수 있다.
When the water-soluble substance (WS) is a cation, water-soluble silicic acid, a hydrophilic cellulose derivative, or the like may be used as a substance having a polar covalent bond that is not an ionic substance because it can block the functional group of the ionomer and lower the conductivity of the hydrogen ion. Can be adopted.

<실시예 2>&Lt; Example 2 >

본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 3에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 상기 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)과; 각각의 촉매층(113)으로 이루어진 캐소드 전극(113a) 및 애노드 전극(113b) 중에 상기 캐소드 전극(113a)의 외측에 코팅되며, 상기 애노드 전극(113b)의 물을 상기 캐소드 전극(113a)으로 유도하도록 수용성 물질(WS)을 혼합한 반투막으로 이루어진 삼투압유도층(115)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 3, the fuel cell stack 100 of the present invention includes a membrane electrode assembly 110, a gas diffusion layer, a gasket, and a plurality of unit cells 120, (100), wherein the membrane electrode assembly (110) comprises a polymer electrolyte membrane (111); A catalyst layer 113 made of an electrode slurry by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity on both sides of the polyelectrolyte membrane 111 in an organic solvent; The anode electrode 113b and the cathode electrode 113b are coated on the outer side of the cathode electrode 113a in the cathode electrode 113a and the anode electrode 113b made of the respective catalyst layers 113 and the water of the anode electrode 113b is led to the cathode electrode 113a And an osmotic pressure induction layer 115 made of a semi-permeable membrane in which a water-soluble substance (WS) is mixed.

여기서, 삼투압유도층(115)의 수용성 물질(WS)로 인해 캐소드 전극(113a)의 물이 애노드 전극(113b)으로 넘어가는 현상을 감소시켜 애노드 플러딩을 방지할 수 있다. Here, the water of the cathode electrode 113a is prevented from being transferred to the anode electrode 113b due to the water soluble substance WS of the osmotic pressure induction layer 115, thereby preventing the anode flooding.

상기 삼투압유도층(115)에 사용되는 탄소는 공기 흐름을 방해하지 않도록 전극보다 사이즈가 큰 탄소 입자를 선택하여 가공성을 유지하며, 반투막으로 이루어진 삼투압유도층(115)은 이온투과성을 띠지 않는 셀룰로오스 아세테이트나 폴리에테르 술폰계 고분자에 수용성 물질(WS)을 섞어 사용한다.The carbon used for the osmotic pressure induction layer 115 is selected to have a larger size than that of the electrodes so as not to interfere with the air flow, and the osmotic pressure induction layer 115 made of semipermeable membrane is made of cellulose acetate Or a water-soluble substance (WS) is mixed with a polyether sulfone-based polymer.

이때, 사용되는 수용성 물질(WS)은 이온 비투과성 고분자를 사용하기 때문에 삼투압 효과를 극대화시킬 수 있는 이온성 물질을 선택한다.At this time, since the water-soluble substance (WS) used uses an ion-impermeable polymer, an ionic substance which can maximize the osmotic effect is selected.

즉, 대표적으로 수용성이며 이온성인 물질로 염화나트륨(NaCl), 염화수소(HCl), 황산나트륨(Na2S04), 황산칼슘(CaS04) 등의 전해질을 선택할 수 있다.That is, electrolytes such as sodium chloride (NaCl), hydrogen chloride (HCl), sodium sulfate (Na 2 SO 4 ) and calcium sulfate (CaSO 4 ) can be selected as representative water soluble and ionic substances.

또한, 상기 삼투압유도층(115)을 막전극접합체(110)의 캐소드 전극(113a) 층에 코팅하는 방법 외에도 반투성 고분자와 용질이 섞인 혼합 슬러리를 가스확산층(GDL)의 미세다공층(MPL: Micro Porous Layer) 탄소 표면에 코팅하는 것도 또 다른 방법을 제시할 수 있다.
In addition to the above method of coating the osmotic pressure inducing layer 115 on the cathode electrode 113a layer of the membrane electrode assembly 110, the mixed slurry in which the semipermeable polymer and the solute are mixed is applied to the microporous layer (MPL: Micro Porous Layer Coating on the carbon surface may provide another method.

<실시예 3>&Lt; Example 3 >

본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 4에 도시된 바와 같이, 막전극접합체(110), 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀(120)을 적층하여 구성된 연료전지 스택(100)에 있어서, 상기 막전극접합체(110)는 고분자 전해질막(111)과; 상기 고분자 전해질막(111)의 양측에 Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해하여 전극 슬러리로 이루어진 촉매층(113)을 포함하여 구성하되, 상기 연료전지 스택(100)의 양측에 형성된 캐소드 입구(101) 및 애노드 입구(103) 중 상기 캐소드 입구(101)에 삼투압을 유도하는 수용성 물질(WS)을 투입하여 수용성 물질이 공기와 혼합된 상태로 캐소드 전극측에 공급되도록 하는 투입수단(130)을 더 포함하여 구성한다.As shown in FIG. 4, the fuel cell stack 100 of the present invention includes a membrane electrode assembly 110, a gas diffusion layer, a gasket, and a plurality of unit cells 120, (100), wherein the membrane electrode assembly (110) comprises a polymer electrolyte membrane (111); And a catalyst layer 113 made of an electrode slurry by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity on both sides of the polymer electrolyte membrane 111 in an organic solvent. The catalyst layer 113 is formed on both sides of the fuel cell stack 100 (WS) for introducing osmotic pressure to the cathode inlet (101) of the cathode inlet (101) and the anode inlet (103) to supply the water soluble substance to the cathode electrode 130).

여기서, 상기 투입수단(130)은 벤투리 관을 통해, 유속이 빠른 공기가 단면적이 좁아지는 관을 지날 때, 베르누이 식에 의해 속도는 증가하고 압력은 감소함에 따라, 넓은 관과 좁은 관의 압력 차에 의해 용액을 빨아올리는 힘이 발생하여 캐소드 전극(113a)에 물보다 농도가 높은 용액이 주입함으로써, 용질에 의해 물이 막을 통과하지 못해 애노드 전극(113b)으로 넘어갈 수 없고 캐소드 전극(113a) 및 가스확산층(GDL)에 존재함은 물론, 농도 차가 존재하게 되고 애노드 전극(113b)의 수분이 삼투압에 의해 캐소드 전극(113a)으로 유도된다.
상기 공기는 연료전지의 전기 생성 반응에 사용될 수 있도록 연료전지 스택(100)에 반응가스, 즉 산화제 가스로 공급되는 공기이고, 상기 용액은 상술한 수용성 물질이 포함된 용액이다. 결국, 상기 투입수단(130)이 수용성 물질이 포함된 용액을 캐소드 입구에 투입하면, 도 4에 나타낸 바와 같이 연료전지 스택(100)에 반응가스(산화제 가스)로 공급되는 공기와 함께 수용성 물질이 혼합된 후 스택 내 캐소드 전극측으로 공급될 수 있게 된다.As the speed increases and the pressure decreases due to the Bernoulli equation when the feeding means 130 passes a tube having a narrow cross-sectional area through the Venturi tube, the pressure of the narrow tube A solution which sucks up the solution is generated by the car and a solution having a concentration higher than that of water is injected into the cathode electrode 113a so that water can not pass through the membrane due to solute and can not pass to the anode electrode 113b, And the gas diffusion layer (GDL), a concentration difference exists, and the moisture of the anode electrode 113b is guided to the cathode electrode 113a by the osmotic pressure.
The air is air supplied to the fuel cell stack 100 as a reaction gas, that is, an oxidizing gas, so that the air can be used for the electricity generation reaction of the fuel cell. The solution is a solution containing the above-mentioned water-soluble substance. As a result, when the solution containing the water-soluble substance is injected into the cathode inlet of the injecting means 130, the water supplied to the fuel cell stack 100 together with the reaction gas (oxidant gas) And then supplied to the cathode electrode side in the stack.

특히, 캐소드 전극(113a)에 용액을 주입하는 방법으로 유량이 비교적 적은 저전류 구간에서 용질이 캐소드 전극(113a)에 축적되기 때문에 삼투압 효과가 극대화되고 고전류 구간에서는 빠른 유량에 의해 용질이 연료전지 스택(100) 밖으로 쓸려 배출되는 결과를 얻을 수 있어 출력에 따른 삼투압 조절에 매우 유용하다.In particular, since the solute is accumulated in the cathode electrode 113a in the low current section where the flow rate is relatively small, the effect of osmotic pressure is maximized, and in the high current section, It is possible to obtain the result of being discharged out of the washing tank 100 and thus being very useful for controlling the osmotic pressure according to the output.

한편, 상기 투입수단(130)은 벤투리 관을 이용하여 용액을 분사하는 방법 외에도 캐소드 입구(101)에 인젝터를 설치해 용액을 직접 주입하는 방법도 제안할 수 있다.In addition, the injecting unit 130 may also include a method of directly injecting a solution by providing an injector in the cathode inlet 101, in addition to a method of injecting a solution using a venturi tube.

더불어, 용액을 제조할 때 사용하는 수용성 물질(WS)은 극성 공유 결합을 하는 물질인 수용성 규산 또는 셀룰로오스 유도체 중 어느 한 가지를 선택 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the water-soluble substance (WS) used in the preparation of the solution is preferably selected from any one of water-soluble silicic acid or cellulose derivative which is a substance having a polar covalent bond.

종래 연료전지 스택(100) 막전극접합체(110)의 경우, 고온 건조한 환경에서 열화가 가속됨에 따라 공기 유속이 빠른 캐소드 입구(101) 측에서는 전해질막(111)과 이오노머가 마르기 쉬워서 실제로 전해질막(111)의 열화가 더 진행된 문제점이 있다.In the case of the conventional fuel cell stack 100 membrane electrode assembly 110, since deterioration is accelerated in a high temperature and dry environment, the electrolyte membrane 111 and the ionomer tend to dry on the side of the cathode inlet 101, ) Is further deteriorated.

따라서, 전해질막(111)과 이오노머의 열화를 감소시키기 위해서는 수분을 유지시켜줄 수 있는 물질이 필요하며, 본 발명은 삼투압을 이용해 전해질막(111)이 마르고 열화되기 쉬운 캐소드 전극(113a) 측의 이오노머에 수분을 유지할 수 있기 때문에, 캐소드 입구(101) 측의 공기 가습기에서 공급되는 상대습도(RH: Relative Humidity)보다 실제 캐소드 전극(113a) 상대습도가 상승함으로 인해, 전해질막이 보호되며 성능이 증가되는 효과를 기대할 수 있다.Therefore, it is necessary to use a material capable of maintaining moisture in order to reduce the deterioration of the electrolyte membrane 111 and the ionomer. In the present invention, the ionomer on the side of the cathode electrode 113a, The relative humidity of the cathode electrode 113a is increased relative to the relative humidity (RH) supplied from the air humidifier on the side of the cathode inlet 101 so that the electrolyte membrane is protected and the performance is increased Effect can be expected.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 저전류 운전 시, 역확산에 의해 애노드 전극에 집중되는 수분으로 인한 캐소드 전극의 부식은 물론, 애노드 플러딩에 의해 발생되는 부분적 역전압에 의한 애노드 전극 부식을 미리 예방할 수 있으며, 이로 인해 수소의 과공급을 억제할 수 있으므로 연비 절감에 효과가 있다.By providing the present invention configured as described above, it is possible to prevent corrosion of the cathode electrode due to moisture concentrated at the anode electrode due to despreading during low-current operation, as well as corrosion of the anode electrode due to partial reverse voltage generated by anode flooding And it is possible to suppress the supply of hydrogen, which is effective in reducing fuel consumption.

또한, 고전류 운전 시, 캐소드 전극에 수분을 유지시킴에 따라 강한 유속으로 인해 발생하는 Dry현상으로 막 및 이오노머의 열화를 지연시킬 수 있는 장점이 있다.In addition, when the cathode electrode is kept at a high temperature for a long time, it is possible to delay deterioration of the membrane and the ionomer due to a dry phenomenon caused by a strong flow rate.

결국, 연료전지 스택의 내구성능 향상으로 인해, 부품교체 및 셀 리페어의 회수에 따른 횟수를 줄일 수 있으므로 장기적인 비용절감을 기대할 수 있다.As a result, the durability improvement of the fuel cell stack can reduce the number of parts replacement and the number of times of cell repair, thereby achieving long-term cost savings.

이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석 되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms and words used in the present specification and claims should not be construed to be limited to ordinary or dictionary terms. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.

따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
Therefore, the configurations shown in the drawings and the embodiments described herein are merely the most preferred embodiments of the present invention, and are not intended to represent all of the technical ideas of the present invention. Therefore, It should be understood that various equivalents and modifications are possible.

100: 연료전지 스택 101: 캐소드 입구
103: 애노드 입구 110: 막전극접합체
111: 고분자 전해질막 113: 촉매층
113a: 캐소드 전극 113b: 애노드 전극
115: 삼투압유도층 120: 단위셀
130: 투입수단 WS: 수용성 물질100: fuel cell stack 101: cathode inlet
103: anode inlet 110: membrane electrode assembly
111: polymer electrolyte membrane 113: catalyst layer
113a: cathode electrode 113b: anode electrode
115: Osmosis inducing layer 120: Unit cell
130: input means WS: water-soluble substance

Claims (5)

막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서,
상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해함과 아울러 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 배합한 전극 슬러리를 이용하여 상기 고분자 전해질막의 양측에 적층 형성한 촉매층을 포함하고,
상기 촉매층으로 이루어진 캐소드 전극과 애노드 전극이 고분자 전해질막의 양측에 적층된 상태에서 애노드 전극측의 물이 상기 양측 전극 내 수용성 물질의 농도 차이로 인한 삼투압 현상에 의하여 캐소드 전극측으로 이동될 수 있도록 상기 캐소드 전극과 애노드 전극 중에 캐소드 전극에 애노드 전극보다 높은 농도의 수용성 물질이 배합되어 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a gasket, and a separator,
The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane; And a catalyst layer laminated on both sides of the polymer electrolyte membrane using an electrode slurry comprising a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity dissolved in an organic solvent and a water-soluble substance inducing osmotic pressure,
The cathode electrode and the anode electrode are laminated on both sides of the polymer electrolyte membrane so that the water on the anode electrode side can be moved toward the cathode electrode by the osmotic pressure phenomenon due to the difference in concentration of the water- And the cathode electrode includes a water-soluble substance having a higher concentration than that of the anode electrode in the anode electrode.
삭제delete 막전극접합체, 가스확산층, 가스켓 및 분리판을 포함하여 이루어진 다수의 단위셀을 적층하여 구성된 연료전지 스택에 있어서,
상기 막전극접합체는 고분자 전해질막과; Pt/C 촉매와 전도성이 있는 이오노머를 유기용매에 용해한 전극 슬러리를 이용하여 상기 고분자 전해질막의 양측에 적층 형성한 촉매층을 포함하고,
상기 연료전지 스택의 양측에 형성된 캐소드 입구 및 애노드 입구 중 상기 캐소드 입구에 삼투압을 유도하는 수용성 물질을 투입하는 투입수단을 더 포함하여, 상기 투입수단에 의해 투입된 수용성 물질이 연료전지의 산화제 가스로 공급되는 공기와 혼합된 상태로 캐소드 전극측에 공급되면, 캐소드 전극측으로 유입된 상기 수용성 물질로 인한 삼투압 현상에 의하여 애노드 전극측의 물이 캐소드 전극측으로 이동될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
A fuel cell stack comprising a plurality of unit cells including a membrane electrode assembly, a gas diffusion layer, a gasket, and a separator,
The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane; And a catalyst layer laminated on both sides of the polymer electrolyte membrane using an electrode slurry obtained by dissolving a Pt / C catalyst and an ionomer having conductivity in an organic solvent,
Further comprising a charging means for charging a water-soluble substance for inducing osmotic pressure to the cathode inlet of the cathode inlet and the anode inlet formed on both sides of the fuel cell stack, wherein the water- Wherein water on the anode electrode side can be moved toward the cathode electrode by the osmotic pressure phenomenon caused by the water soluble substance introduced into the cathode electrode side when mixed with air to be supplied to the cathode electrode side.
청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
상기 수용성 물질은 극성 공유 결합을 하는 물질인 수용성 규산 또는 셀룰로오스 유도체 중 어느 한 가지를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
The method according to claim 1 or 3,
Wherein the water-soluble substance is selected from the group consisting of water-soluble silicic acid or a cellulose derivative which is a substance having a polar covalent bond.
삭제delete
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