세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택 document_id A220623111542

연료 전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다. 연료 전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다. 이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다. 고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다. 직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알코올류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 직접 메탄올형 연료 전지는 직접 산화형 연료 전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다. 이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료 전지를 위주로 설명한다. 고분자 전해질형 연료 전지는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기와 같은 소형기기용 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점이 있다. 고분자 전해질형 연료 전지에 사용되는 막-전극 어셈블리는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부직포 등으로 이루어진다. 막-전극 어셈블리의 외측에는 막-전극 어셈블리를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 어셈블리를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 세퍼레이터가 설치되어 단위 셀을 형성한다. 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리와 접촉하는 부분에 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 유로는 세퍼레이터와 별도로 설치될 수도 있지만 세퍼레이터의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다. 복수 개의 단위 셀은 적층 배열되며 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통해서 고정된다. 연료 전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 어셈블리에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료 전지 스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다. 전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 세퍼레이터와, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 세퍼레이터를 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다. 연료 전지 외부에서 세퍼레이터의 유로로 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하기 위해서는 세퍼레이터에 각각의 연료가스, 산화제가스 및 냉각매체 별로 최소 2개 이상의 관통 구멍을 형성한다. 그리고 유로의 입출구를 각각 이들의 관통구멍까지 연결시켜, 한쪽의 관통구멍으로부터 반응가스 혹은 냉각매체를 각각의 유로로 공급하고 다른 쪽의 관통구멍으로 잉여가스 및 반응생성물 혹은 냉각매체를 배출한다. 반응가스 및 냉각매체를 공급하고 잉여가스, 반응생성물 및 냉각매체를 배출하는 관통구멍을 통상 매니폴드(Manifold) 구멍이라고 한다. 세퍼레이터에 형성된 매니폴드 구멍은 단위 셀을 여러 장 적층하여 스택을 구성함에 있어서 적층 방향으로 매니폴드를 형성하게 되는데, 이러한 반응가스 및 냉각매체 공급방식을 내부 매니폴드 방식이라고 한다. 내부 매니폴드 방식 이외에, 세퍼레이터에 매니폴드 구멍을 형성하지 않고 세퍼레이터 외측에 가스 분배를 위한 배관이나 구조물을 형성하여 각각의 단위 셀로 반응가스 혹은 냉각매체를 공급하는 방식을 외부 매니폴드 방식이라고 한다. 일반적으로 고분자 전해절 연료 전지는 전해질막에서 수소 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 반응가스(연료 및 산화제)를 공급할 때 일정 수준 이상으로 가습해서 공급한다. 한편, 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해서 물이 생성되기 때문에, 반응가스의 노점온도가 연료 전지 작동 온도보다 높으면 가스 유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다. 이러한 것을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응가스의 불균일한 유동 및 전극에서 반응가스의 결핍을 유발하여 연료 전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 플러딩 현상은 캐소드 전극뿐만 아니라 전해질 막을 통과해 전달된 물에 의해 애노드 전극에서도 발생할 수 있다. 특히 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다. 이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다. 이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매의 손실이 발생하게 되고 유효 전극 면적의 감소를 초래하여 연료 전지 성능을 저하시킨다. 종래에는 플러딩 현상을 방지하고 연료 전지의 성능을 안정화시키기 위하여 반응가스의 이슬점 온도를 연료 전지 운전 온도보다 약간 낮게 가습하여 공급하는 방법이 사용되었다. 그러나, 이 경우에도 반응가스 입구 배관의 단열이 완벽할 수 없기 때문에, 장시간 운전 시에는 입구 배관에 응축수가 발생하고 이 응축수는 반응가스와 함께 매니폴드에 간헐적으로 유입되어 가스 유로로 섞여 들어가게 된다. 가스유로로 들어간 응축수는 유로를 가로막아 유로 내부로의 반응가스 흐름을 방해하고, 이에 따라 연료 전지는 가스 부족 현상을 겪게 된다. 또한 응축수가 존재하는 부근의 전극에서는 반응 생성물인 수증기의 응축이 더욱 가속화되어 플러딩 현상이 심화된다. 특히 여러 장의 단위 셀이 적층되어 있는 연료전지 스택의 경우 입구 배관에 인접한 셀에 응축수의 유입이 집중되어 전극의 열화가 가속되며, 이와 같이 특정 셀의 열화는 인접 셀의 열화로 이어져 결국에는 연료전지 스택 전체의 운전이 불가능한 상황에 이르게 된다. 통상 단위 셀로 유입된 물에 의한 가스유로의 막힘 및 플러딩 현상을 해소하기 위하여, 공급가스의 세퍼레이터 유로부분에서의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 사용되었다. 그러나, 공급가스 유속을 증가시키기 위해서는 높은 압력으로 가스를 공급하는 것이 필요하며, 이를 위해서 가스공급 블로어 또는 압축기 등의 동력을 극단적으로 증가시켜야 하기 때문에, 시스템 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 또한, 응축수는 모든 단위 셀로 균등하게 분배되어 유입되는 것이 아니라 이상(two-phase) 유동의 특성상 입구측에 인접한 단위셀에 편중되어 들어가는 경향이 있으며 이러한 상황에서는 반응가스의 유속을 증가시켜도 유로를 막고 있는 물을 효율적으로 배출시키지 못하는 문제가 있다.