KR100538053B1 - 향상된 전류집전체 실링구조를 가지는 연료전지 스택 - Google Patents

향상된 전류집전체 실링구조를 가지는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

연료전지 스택을 순환하는 유체에 노출됨으로 인한 전류집전체의 부식을 방지할 수 있도록, 전류집전체의 매니폴드 내에 스페이서와 실링부재를 배치하여, 연료전지유닛 및 엔드플레이트 사이에서 전류집전체는 매니폴드를 통과하는 유체로부터 차단된 상태를 유지한다.

Description

향상된 전류집전체 실링구조를 가지는 연료전지 스택{FUEL CELL STACK HAVING ENHANCED SEALING STRUCTURE FOR A CURRENT COLLECTOR}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 연료전지 스택 내를 순환하는 냉각수 또는 반응가스에 포함된 수분에 의해 전류집전체가 부식되는 것을 방지할 수 있는 전류집전체의 실링구조를 가지는 연료전지 스택에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이 연료전지는 수소 가스와 산소 가스를 이용하여 전기 화학적으로 전기를 생산하는 장치로서, 외부에서 연속적으로 공급되는 연료(즉, 수소) 및 공기(즉, 산소)를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지와 열로 변환시키는 장치이다.
이러한 연료전지는, 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력(electric power)을 생성하게 된다. 산화/환원 전극에는 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 이용한 촉매층이 형성된다.
현재, 연료전지는 대체전원(alternative power source)으로서 다양한 용도로 연구 및 사용되고 있으며, 대표적으로는 고분자형 연료전지를 들 수 있다. 고분자형 연료전지는 출력밀도 및 에너지 전환효율이 높고 80℃ 이하의 낮은 온도에서도 작동 가능하며, 소형화 및 밀폐화가 가능한 등 다양한 장점을 가지고 있다. 때문에, 무공해 자동차, 가정용 발전 시스템, 이동통신장비, 군사용 장비, 의료기기 등 여러 가지 분야에서 대체전원으로 사용되고 있다.
따라서, 이하 본 발명의 배경기술 및 본 발명에 관한 상세한 설명에서는 이러한 고분자형 연료전지를 예로 하여 설명한다. 그러나, 이는 설명과 이해의 편의를 위한 것으로서 본 발명의 기술적 사상이 고분자형 연료전지에 반드시 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 오히려, 수분을 포함하는 반응가스 및 냉각수(coolant) 등 부식성 있는 유체(corrosive fluid)에 전류집전체(current collector)가 노출되어 부식되는 것을 방지할 필요성이 있는 어떠한 연료전지 스택에도 본 발명의 기술적 사상은 적용 가능하다.
고분자형 연료전지에서, 전기 에너지의 출력은 수소이온(즉, 프로톤)이 고분자막(일예로, Nafion™)을 통해 이동되는 정도에 의존하게 된다. 수소이온이 고분자막을 통해 쉽게 이동하기 위해서는, 고분자막이 적당한 수분으로 수화되어야 한다. 따라서, 이러한 고분자막의 수화를 위해, 연료전지의 산화전극과 환원전극으로 입력되는 반응기체를 가습하는 것이 통상적이다. 따라서 연료전지 스택을 순환하는 반응기체에는 다량의 수분이 함유되게 된다.
한편 연료전지 스택은, 전기화학반응에 의해 반응생성물인 전기뿐만 아니라 반응에 따른 열이 발생하게 되므로 냉각이 필요하다. 따라서, 연료전지 스택에는 냉각수(즉, 물)가 항시 순환하게 된다.
이러한 반응기체 및 냉각수는, 엔드플레이트 및 전류집전체를 거쳐 연료전지 스택 내의 단위전지에 걸쳐 형성된 매니폴드들을 통해 연료전지 스택에 유입되게 된다. 이 과정에서 금속성의 전류집전체가 수분에 노출되는 경우에, 전류집전체는 갈바닉 부식(galvanic corrosion)을 당하게 된다. 연료전지 스택의 장시간 운전에 의해 이러한 부식이 심해지면 부식에 의한 부식생성물이 연료전지 스택을 순환하게 된다. 따라서 이러한 경우에는 부식생성물이 연료전지 스택(일예로 스택 내의 촉매)를 오염시키게 되므로, 이는 연료전지 스택의 내구성에 심한 악영향을 끼치게 되는 것이다.
따라서, 수분에의 노출에 의한 전류집전체의 부식을 방지하는 방안은 여러모로 연구되고 있다.
단순한 예로는, 전류집전체의 표면을 내식성이 뛰어난 소재로 도금하는 것을 들 수 있다. 일예로, 전류집전체를 알루미늄(Al) 또는 스테인레스(stainless steel) 소재로 만들고, 그 표면을 금(Au)으로 도금하는 것이다. 그런데, 이러한 방식에 의하면, 전류집전체의 생산공정, 결과적으로 연료전지 스택의 생산공정에 도금 공정이 포함되게 되므로, 연료전지 스택의 생산성이 저하되게 된다. 뿐만 아니라, 도금을 위해 금과 같은 고가의 재료가 사용되므로, 연료전지 스택의 생산비용이 증가되게 된다.
전류집전체의 부식을 방지하기 위한 다른 방안으로는, 한국특허공개공보 제2003-0003560호에 기재된 바와 같이, 사출성형을 통해 엔드플레이트 내에 전류집전체를 삽입함으로써 전류집전체가 반응가스 및 냉각수와 접하지 않게 하는 방식도 시도되고 있다.
그러나 이 방식은 비전도성 엔드플레이트 내에 전도성 전류집전체를 사출성형을 통해 삽입하여야 하므로 사출성형을 위한 고가의 금형이 요구된다. 한편 사출성형시 사출물의 수축 및 변형에 의해 삽입된 전류집전체가 변형되기 쉽고, 사출성형 후에는 전류집전체와 사출물과의 평탄도를 맞추기 위한 2차 가공이 요구된다.
또한, 전류집전체를 사출물에 삽입할 경우, 사출물과 전류집전체가 맞닿는 부분은 부식방지 및 기밀유지가 되나, 전류집전체와 분리판이 맞닿는 부분은 별도도 부식방지 및 기밀유지를 위한 구성이 요구된다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전류집전체의 수분에의 노출을 효율적으로 차단할 수 있는 전류집전체의 실링구조를 가지는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 일예의 연료전지 스택은,
반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛;
상기 연료전지유닛의 전류를 집전하고, 상기 연료전지유닛을 순환하는 유체를 소통시키기 위한 매니폴드가 형성된 전류집전체;
상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트;
상기 전류집전체의 매니폴드 내에 배치되는 스페이서;
상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에 배치되는 절연재(insulator);
상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 엔드플레이트와 상기 스페이서 사이를 밀봉하는 제1실링부재; 및
상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이를 밀봉하는 제2실링부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 실링부재의 탄성력은 상기 스페이서 및 상기 연료전지유닛의 강성보다 낮은 것이 바람직하다.
상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는, 고무 실런트 (rubber sealant)인 것이 바람직하다.
상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는 고무재질의 오-링(O-ring)인 것으로 할 수 있다.
상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇은 것이 바람직하다.
상기 스페이서는 비금속 비전도성 재질(nonmetal nonconductive material)로 형성된 것이 바람직하다.
상기 스페이서는 플라스틱인 것이 바람직하다.
상기 플라스틱의 내열온도는 120℃ 이상인 것이 바람직하다.
상기 플라스틱은 테프론 계열 또는 에폭시 계열인 것이 바람직하다.
상기 전류집전체는, 그 표면이 비도금(nonplated) 상태인 것이 바람직하다.
상기 전류집전체는, 그 표면이 구리, 구리합금, 스테인레스, 타이타늄, 또는 알루미늄 소재의 재질로 형성될 수 있다.
이러한 여러 가지 특징을 종합할 때,
상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되고;
상기 스페이서의 두께는, 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되며;
상기 스페이서는, 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 플라스틱으로 형성되며;
상기 전류집전체는, 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 다른 예의 연료전지 스택은,
반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛의 전류를 집전하는 전류집전체, 및 상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트가 순차적으로 배열된 연료전지 스택으로서,
상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트 각각에는 하나 이상의 매니폴드가 관통 형성되고;
상기 전류집전체의 매니폴드는 상기 연료전지유닛의 매니폴드 및 상기 엔드플레이트의 매니폴드보다 큰 규격으로 형성되고;
상기 전류집전체의 매니폴드 내에 스페이서가 배치되며;
상기 스페이서와 상기 엔드플레이트 사이, 및 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이는 각각 실링부재로 밀봉되는 것을 특징으로 한다.
상기 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
상기 스페이서는 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 합성수지로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 전류집전체는 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 또는 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것이 바람직하다.
이러한 여러 가지 특징을 종합할 때, 본 발명의 다른 예의 연료전지 스택에서,
상기 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되고;
상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되며;
상기 스페이서는 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 플라스틱으로 형성되며;
상기 전류집전체는 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것이 바람직하다.
상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에는 그 사이를 전기적으로 절연하기 위한 절연재(insulator)가 배치되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 또다른 예의 연료전지 스택은,
반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛의 전류를 집전하는 전류집전체, 및 상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트가 순차적으로 배열된 연료전지 스택으로서,
상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트 각각에는 하나 이상의 매니폴드가 관통 형성되고;
상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트와는 별개로 형성되어 상기 엔드플레이트 및 연료전지유닛에 밀착됨으로써, 상기 매니폴드를 통과하는 유체와 상기 전류집전체의 접촉을 차단하는 실링유닛을 포함하는 것으로 할 수 있다.
상기 실링유닛은,
상기 전류집전체의 매니폴드 내에 배치되는 스페이서;
상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 엔드플레이트와 상기 스페이서 사이를 밀봉하는 제1실링부재; 및
상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이를 밀봉하는 제2실링부재를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에는 절연재(insulator)가 배치되는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택은, 적층된 복수개의 단위전지(160)(unit cell)로 구성되는 연료전지유닛(150)(fuel cell unit)을 포함한다. 상기 연료전지유닛(150)은, 주지하는 바와 같이, 반응기체의 전기 화학적 반응에 의해 전류를 발생한다.
상기 연료전지유닛(150)의 전후에는 전류집전체(110)(current collector)와 엔드플레이트(120)(end plate)가 연결된다. 상기 전류집전체(110)는 연료전지유닛(150)에서 발생된 전기를 집전하여 외부에 공급한다. 상기 엔드플레이트(120)는, 상기 연료전지유닛(150)과 상기 전류집전체(110)를 설정된 체결압력으로 체결하여, 연료전지 스택을 결합하는 역할을 한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택 내에는, 연료전지유닛(150), 전류집전체(110), 및 엔드플레이트(120)가 순차적으로 배열되게 된다.
연료전지유닛(150)에 포함된 각 단위전지(160)는 막전극접합체(161)(membrane electrode assembly; MEA)의 전후에 유체분배층(162)이 결합되고, 상기 유체분배층(162)이 결합된 막전극접합체(161) 전후로 분리판(164)(separator)이 형성된다. 이러한 구조의 단위전지(160)들이 다수개 적층됨으로써 연료전지유닛(150)를 형성하게 되는 것이다.
상기 엔드플레이트(120)에는 연료전지 스택 내부로 반응가스 등을 공급 및 배출하기 위하여 다수의 연결구(170)가 형성된다. 이러한 연결구(170)들은, 일예로, 수소공급구, 냉각수공급구, 공기공급구, 공기배출구, 냉각수배출구, 수소배출구를 포함하는 것으로 할 수 있다. 이하에서는, 설명과 이해의 편의상, 이러한 연결구(170)들을 엔드플레이트(120)의 매니폴드(manifold)라 칭하기로 한다.
상기 엔드플레이트(120)의 연결구(170)들과 각각 연결됨으로써 수소, 냉각수, 공기를 공급받고 배출할 수 있도록, 단위전지(160)에는 매니폴드들(175)이 형성된다. 이러한 매니폴드들(175)은, 엔드플레이트(120)의 연결구(170)들에 대응되도록, 수소공급용 매니폴드, 냉각수공급용 매니폴드, 공기공급용 매니폴드, 공기배출용 매니폴드, 냉각수배출용 매니폴드, 수소배출용 매니폴드를 포함하는 것으로 할 수 있다.
이러한 엔드플레이트(120)의 연결구(170)들 및 연료전지유닛(150)의 매니폴드(175)를 통해, 반응가스(즉, 공기 및 수소) 그리고 냉각수가 연료전지 스택에 공급/배출될 수 있게 된다.
이 과정에서 종래기술에 의하면, 연료전지 스택을 순환하는 유체(즉, 반응가스 및 냉각수)의 수분이 전도성 재질의 전류집전체(110)에 접촉함으로써 전류집전체(110)의 부식이 초래될 수 있는 것이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택에서, 전류집전체가 연료전지 스택을 순환하는 유체에 포함된 수분에 노출되는 것을 방지하기 위한, 전류집전체의 밀봉구조에 관해 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 엔드플레이트 및 전류집전체 부분(도 1의 도면번호100 참조)을 도시한 사시도이다.
그리고, 도 3은 도 2의 분해사시도이며, 도 4는 도 2의 A방향에서 바라본 정면도이다.
도 5는 도 4의 V-V선에 의한 단면도이고, 도 6은 도 5의 B부분의 확대도면이며, 도 7은 도 6의 분해도면이다.
엔드플레이트(120), 전류집전체(110), 그리고 연료전지유닛(150)의 적층구조, 그리고 이러한 적층구조에 스페이서(230)(spacer)가 배치되는 연결관계는 도 5,6,7에 상세히 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 연료전지유닛(150), 전류집전체(110), 및 엔드플레이트(120) 각각에는 하나 이상의 매니폴드(175,115,170)가 관통 형성된다.
연료전지유닛(150)을 순환하는 유체(즉, 반응가스 및 냉각수)는 엔드플레이트(120)의 매니폴드(170), 전류집전체(110)의 매니폴드(115) 및 연료전지유닛(150)의 매니폴드(175)를 통해 연료전지유닛(150)내에 공급되고 또 연료전지유닛(150)으로부터 배출되게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 더욱 명백하게는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전류집전체의 매니폴드(115)는 상기 연료전지유닛의 매니폴드(175) 및 상기 엔드플레이트의 매니폴드(170)보다 큰 규격으로 형성된다.
이와 같이 큰 규격으로 형성된 전류집전체의 매니폴드(115) 내에는 스페이서(230)가 배치된다.
도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 엔드플레이트(120)와 상기 스페이서(230) 사이에는 제1실링부재(210)(first sealing member)가 배치된다. 그리고 상기 스페이서(230)와 상기 연료전지유닛(150) 사이, 보다 구체적으로 스페이서(230)와 연료전지유닛(150)의 말단 분리판(650) 사이에는 제2실링부재(220)(second sealing member)가 각각 배치된다.
상기 엔드플레이트(120)의 체결력에 의해, 상기 제1실링부재(210)는 상기 엔드플레이트(120)와 상기 스페이서(230) 사이를 밀봉하게 되고, 상기 제2실링부재(220)는, 상기 스페이서(230)와 상기 연료전지유닛(150) 사이를 밀봉하게 되는 것이다.
도 6 및 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 엔드플레이트(120)와 상기 전류집전체(110) 사이에는 절연재(240)(insulator)가 배치되어 이들 사이를 절연하게 된다. 따라서, 상기 엔드플레이트(120)가 금속성(즉, 전도성) 재질로 이루어지는 경우라도 전류집전체(110)와는 절연되게 되고, 따라서 엔드플레이트(120)의 충분한 강성을 확보할 수 있게 된다.
상기 제1,2실링부재(210,220) 중 하나 이상의 실링부재는, 고무 실런트(rubber sealant)로 형성된다. 또는, 상기 제1,2실링부재(210,220) 중 하나 이상의 실링부재는 고무재질의 오-링(O-ring)으로 형성된 것으로 할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에서, 상기 제1,2실링부재(210,220)는 모두 고무 실런트로 구성할 수 있으며, 반대로 모두 오-링으로 구성할 수 있다. 또는, 상기 제1,2실링부재(210,220) 중 어느 하나의 실링부재는 고무 실런트로, 그리고 다른 실링부재는 오-링으로 구성할 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 엔드플레이트(120)에 실링부재용 홈(610)이 형성되어 이 홈(610)에 제1실링부재(210)가 수용되고, 제2실링부재(220)는 스페이서(230)와 연료전지유닛(150)의 마주한 면들 사이에 배치되는 것으로 하였으나, 본 발명의 보호범위가 여기에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 연료전지의 말단 분리판(650) 및/또는 스페이서(230)가 충분히 두꺼운 상태라면, 여기에도 홈이 형성되어 제2실링부재를 수용하는 것도 가능하다.
다만, 이러한 제1,2실링부재(210,220)의 탄성력은, 상기 스페이서(230) 및 상기 연료전지유닛(150)의 강성보다는 낮은 것이 필요하다. 연료전지 스택의 체결력에 의해 스페이서(230) 및 연료전지유닛(150)은 변형되지 않고, 제1,2실링부재(210,220)의 변형에 의해 연료전지유닛(150)-스페이서(230)-엔드플레이트(120) 들이 서로 밀착되어 밀봉되어야 하기 때문이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 스페이서(230)의 두께(t1)는 상기 전류집전체(110)의 두께(t2) 이하로 형성된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에서 상기 스페이서(230)의 두께(t1)는 상기 전류집전체(110)의 두께(t2)보다 0~500μm 얇게 형성된다. 따라서, 연료전지유닛(150), 전류집전체(110), 그리고 엔드플레이트(120)가 엔드플레이트(120)의 체결력에 의해 체결된 경우에, 스페이서(230)의 전측 또는 후측에는 틈새(clearance)가 생기게 되고, 이 전후 틈새에서 제1,2실링부재(210,220)가 밀착되어 밀봉역할을 하게 되는 것이다.
상기 스페이서(230)는 비금속 비전도성 재질(nonmetal nonconductive material)로 형성된다. 이러한 스페이서(230)는 산(acid)이나 알칼리(base)에 강한 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 스페이서(230)는 내산성(acid-resistive) 및 내알칼리성(base-resistive) 재질로 형성되는 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에서 상기 스페이서(230)는 플라스틱(plastic)으로 형성된다. 상기 스페이서(230)가 비금속 비전도성 재질로 형성되므로, 스페이서(230)는 갈바닉 부식에 저항력을 갖추게 된다.
통상적인 고분자형 연료전지의 작동온도가 약 120℃ 이하의 낮은 온도라는 점을 고려하면, 상기 스페이서(230)는 0~120℃의 작동온도에서 내구성을 갖추는 것이 필요하다. 즉, 상기 스페이서(230)의 재질로 사용되는 플라스틱은 그 내열온도가 120℃ 이상인 것이 바람직하다.
이러한 정도의 내열온도를 갖출 수 있도록, 그리고 통상적인 실링부재(즉, 오-링 또는 고무 실런트)보다 충분히 강한 강성을 가질 수 있도록, 본 발명의 실시예에서 상기 스페이서(230)는 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 플라스틱으로 제조된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택에서, 상기 스페이서(230) 및 상기 제1,2실링부재(210,220)가 결합된 구성은, 전류집전체의 매니폴드(115)를 통과하는 유체와 전류집전체(110)의 접촉을 차단하는 실링유닛으로 이해될 수 있다. 전술한 설명에서 명백한 바와 같이, 이러한 실링유닛은, 상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트(120)와는 별개로 형성된다. 또한 이러한 실링유닛은, 상기 엔드플레이트(120)의 체결력에 의해 상기 엔드플레이트(120) 및 연료전지유닛(150)에 밀착됨으로써, 전류집전체의 매니폴드(115)를 통과하는 유체와 전류집전체(110)의 접촉을 차단하게 되는 것이다.
이와 같이, 전류집전체(110)는 그 매니폴드(115)를 통과하는 유치에 노출되지 않으므로, 이러한 전류집전체(110)는 부식방지를 위한 별도의 금(Au)/백금(Pt) 도금과정의 필요성이 감소되게 된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택에서 상기 전류집전체(110)는, 그 표면이 도금되지 아니한 비도금 상태로 구성된다. 더욱 구체적으로, 본 발명의 실시예에서 전류집전체(110)는, 구리, 구리합금(일예로, 황동), 또는 스테인레스 소재의 재질로 형성되고, 따라서, 그 표면까지 구리, 구리합금(일예로, 황동), 스테인레스, 타이타늄, 또는 알루미늄 소재로 형성된 것으로 한다.
이러한 구조의 연료전지 스택은, 매우 단순한 공정에 의해 제조될 수 있으므로 그 생산성이 뛰어나다.
즉, 먼저, 엔드플레이트(120) 상에 형성된 실링부재용 홈(610)에 제1실링부재를 도포 또는 배치한다. 그리고 엔드플레이트(120) 위에 절연재(240)(insulator)와 전류집전체(110)를 배치하고, 전류집전체의 매니폴드(115) 내에 스페이서(230)를 배치한다. 그리고 스페이서(230) 상에 제2실링부재(220)를 도포 또는 배치한다.
다음으로는, 전류집전체(110) 위에 단위전지(160)들을 차곡차곡 적층한 후, 반대측 전류집전체와 엔드플레이트를 적층한다. 그런 후 연료전지 양단의 엔드플레이트를 체결볼트(도시하지 않음)로 체결하여 체결력을 가함으로써 연료전지 스택이 완성되게 된다.
스택 양단의 엔드플레이트(120)의 체결력에 의해, 엔드플레이트(120)와 스페이서(230) 사이에 위치한 제1실링부재(210)는 압축 응력을 받게 되고, 따라서 엔드플레이트(120)와 스페이서(230) 사이는 제1실링부재(210)에 의해 기밀상태가 유지되게 된다.
또한, 스택 양단의 엔드플레이트(120)의 체결력에 의해, 스페이서(230)와 연료전지유닛(150) 사이에 위치한 제2실링부재(220)도 압축 응력을 받게 되고, 따라서, 스페이서(230)와 연료전지유닛(150) 사이는 제2실링부재(220)에 의해 기밀상태가 유지되게 된다.
결국, 전류집전체(110)의 관점에서는, 엔드플레이트 쪽 그리고 연료전지유닛 쪽 어느 쪽에서도, 매니폴드를 통과하는 유체에 노출되지 않게 된다. 따라서 이러한 구조에 의하여 전류집전체(110)는 갈바닉 부식에서 해방될 수 있게 되는 것이다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
이와 같은 구조의 연료전지 스택의 전류집전체의 부식방지 효과를 시험으로 확인해보았다.
이러한 시험은, 본 발명의 실시예에 따른 전류집전체의 실링구조를 채용한 경우와, 그렇지 않은 경우에 관해, 연료전지 스택을 200시간 가동한 후의 전류집전체의 부식상태를 비교한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용하지 않은 연료전지 스택은, 활성면적이 280cm2, 산화전극과 환원전극 각각에 0.4mgPt/cm2의 촉매가 담지된 상태이며, 고분자막으로는 Dupont사의 N112막(두께 50μm)을 사용한 60셀로 구성된 스택을 사용하였다.
본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용한 연료전지 스택은, 활성면적이 120cm2, 산화전극과 환원전극 각각에 0.4mgPt/cm2의 촉매가 담지된 상태이며, 고분자막으로는 Dupont사의 N112막(두께 50μm)을 사용한 60셀로 구성된 스택을 사용하였다.
양자의 연료전지 스택의 시험조건에 있어 활성면적에 차이가 있으나, 이는 단순히 시험대상의 준비를 위해 우연히 발생된 차일 뿐으로서, 이러한 차이가 부식정도에 영향을 미치지 않을 것임은 당업자에게 자명하다.
본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용하지 않은 경우, 시험결과의 부식상태는 도 8의 (a)에, 그리고 본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용한 경우 시험결과의 부식상태는 도 8의 (b)에 도시하였다.
도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용하지 않은 경우, 반응기체/냉각수에 노출된 전류집전체는 심하게 부식된 상태로 나타났다. 반대로, 본 발명의 실시예에 따른 실링구조를 채용한 경우에는, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 200시간 이상의 연료전지 스택 가동에도 부식이 전혀 발생되지 않았다.
또한, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 기밀성 시험결과를 아래 표1에 정리하였다. 시험조건은, 반응가스 기밀시험(Air to Fuel, Fuel to Air, Air to Water, Fuel to Water)의 경우 0.5bar의 압력을 적용하였고, 외부 기밀시험(External Leak Test)의 경우 2.0bar의 압력을 적용하였다.
기밀성 시험결과
기밀성 시험 항목 허용한계 시험결과
External Leak Test 0.25 bar/min < 0.25
Air to Fuel Leak Test 1ml/min per cell <1
Fuel to Air Leak Test 1ml/min per cell <1
Air to water Leak Test 0.62ml/min per cell 0
Fuel to Water Leak Test 1ml/min per cell 0
상기 기밀성 시험결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택은, 높은 압력에서도 안정된 기밀상태를 유지할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 의한 전류집전체의 실링구조를 갖춘 연료전지 스택에 의하면, 다양한 장점을 얻을 수 있게 된다.
먼저, 본 발명의 실시예에 의하면, 전류집전체가 갈바닉 부식되는 것을 효율적으로 방지할 수 있으므로, 연료전지 스택의 내구성이 향상될 수 있다. 뿐만 아니라, 연료전지유닛(즉, 그 분리판)과 전류집전체 사이의 통전을 위한 면접촉은 충분한 기밀유지가 된 상태로 유지될 수 있으므로, 연료전지 스택의 내구성이 더욱 향상된다.
특히, 전류집전체의 부식이 방지되므로, 종래기술에 의한 연료전지 스택에서 발생되는 전류집전체의 금속이온의 용출을 방지할 수 있다. 전류집전체에서 용출된 금속이온은 막전극접합체(MEA)의 촉매를 오염시키므로, 연료전지 스택의 장기간 운전하는 경우 그 내구성에 큰 손상이 생긴다는 점을 고려하면, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 내구성 향상효과는 당업자가 자명하게 이해할 수 있다.
더욱이, 이와 같이 내구성이 향상된 연료전지 스택을 매우 단순한 공정으로 생산할 수 있는 구조이므로, 그 생산성이 뛰어나다.
스페이서의 두께는 전류집전체의 두께와 같거나 이보다 약간 얇아 고무 실런트 등의 밀봉부재를 이용하여 기밀을 유지하게 된다. 따라서, 전류집전체의 두께에 있어 미소한 설계변경이 있는 경우에도 이러한 미소한 두께변화는 밀봉부재의 탄성으로 흡수될 수 있다. 뿐만 아니라, 전류집전체의 두께를 상당폭 변경하는 경우에도, 단지 스페이서의 두께만을 조절함으로써 전류집전체의 기밀성을 충분히 확보할 수 있다. 따라서, 이러한 실링구조는 다양한 설계조건에 적합한 연료전지 스택을 간단한 설계변경으로 생산할 수 있게 되는 장점이 있는 것이다.
특히, 전류집전체와 엔드플레이트는 절연재로 절연되므로, 엔드플레이트는 다양한 재질로 구현될 수 있다.
뿐만 아니라, 종래에는 전류집전체의 부식방지 및 연료전지유닛과의 전기전도성 향상을 위해 전류집전체의 표면은 금(Au) 또는 백금(Pt)의 고가의 재료도 도금해왔으나, 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택은 이러한 도금공정 없이도 충분한 부식방지 효과 및 연료전지 유닛과의 전기전도성을 갖추게 된다. 따라서, 구리(Cu), 구리합금(일예로, 황동(Brass)), 스테인레스, 알루미늄, 타이타늄 등 산업계에서 널리 사용되고 있는 저가의 고전도성 재질만으로 전류집전체를 제조할 수 있게 된다. 특히, 그 표면처리가 불필요하게 되므로, 연료전지 스택의 제조원가를 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 그 생산성도 향상할 수 있게 된다.
또한, 전류집전체와 엔드플레이트는 절연재로 절연되므로, 전도성 소재이건 비전도성 소재이건 무관하게 엔드플레이트의 재질로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면 전류집전체의 두께를 대폭 줄일 수 있으므로, 전류집전체의 무게를 삭감에 의해 연료전지 스택의 무게에 대한 출력(kW/kg) 및 부피에 대한 출력(kW/Liter)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 엔드플레이트 및 전류집전체 부분을 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2의 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 A방향에서 바라본 정면도이다.
도 5는 도 4의 V-V선에 의한 단면도이다.
도 6은 도 5의 B부분의 확대도이다.
도 7은 도 6의 분해도면이다.
도 8은 종래기술 및 본 발명의 실시예에 의한 연료전지 스택의 부식시험 결과를 설명하기 위한 도면이다.

Claims (22)

  1. 반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛;
    상기 연료전지유닛의 전류를 집전하고, 상기 연료전지유닛을 순환하는 유체를 소통시키기 위한 매니폴드가 형성된 전류집전체;
    상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트;
    상기 전류집전체의 매니폴드 내에 배치되는 스페이서;
    상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에 배치되는 절연재(insulator);
    상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 엔드플레이트와 상기 스페이서 사이를 밀봉하는 제1실링부재; 및
    상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이를 밀봉하는 제2실링부재를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제1항에서,
    상기 실링부재의 탄성력은 상기 스페이서 및 상기 연료전지유닛의 강성보다 낮은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 제1항에서,
    상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는, 고무 실런트 (rubber sealant)인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 제1항에서,
    상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는 고무재질의 오-링(O-ring)인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 제1항에서,
    상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇은 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 제1항에서,
    상기 스페이서는 비금속 비전도성 재질(nonmetal nonconductive material)로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 제6항에서,
    상기 스페이서는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 제7항에서,
    상기 플라스틱의 내열온도는 120℃ 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 제7항에서,
    상기 플라스틱은 테프론 계열 또는 에폭시 계열인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  10. 제1항에서,
    상기 전류집전체는, 그 표면이 비도금(nonplated) 상태인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  11. 제10항에서,
    상기 전류집전체는, 그 표면이 구리, 구리합금, 스테인레스, 타이타늄, 또는 알루미늄 소재의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  12. 제1항에서,
    상기 제1,2실링부재 중 하나 이상의 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되고;
    상기 스페이서의 두께는, 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되며;
    상기 스페이서는, 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 플라스틱으로 형성되며;
    상기 전류집전체는, 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  13. 반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛의 전류를 집전하는 전류집전체, 및 상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트가 순차적으로 배열된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트 각각에는 하나 이상의 매니폴드가 관통 형성되고;
    상기 전류집전체의 매니폴드는 상기 연료전지유닛의 매니폴드 및 상기 엔드플레이트의 매니폴드보다 큰 규격으로 형성되고;
    상기 전류집전체의 매니폴드 내에 스페이서가 배치되며;
    상기 스페이서와 상기 엔드플레이트 사이, 및 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이는 각각 실링부재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  14. 제13항에서,
    상기 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  15. 제13항에서,
    상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  16. 제13항에서,
    상기 스페이서는 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 합성수지로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  17. 제13항에서,
    상기 전류집전체는 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 또는 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  18. 제14항에서,
    상기 실링부재는, 고무 실런트 또는 고무재질의 오-링으로 형성되고;
    상기 스페이서의 두께는 상기 전류집전체의 두께와 같거나 얇게 형성되며;
    상기 스페이서는 비전도성 재질로서 테프론 계열 또는 에폭시 계열의 플라스틱으로 형성되며;
    상기 전류집전체는 그 표면이 비도금 상태로서 구리, 구리합금, 또는 스테인레스, 알루미늄, 또는 타이타늄 소재의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  19. 제13항 내지 제18항에서,
    상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에는 그 사이를 전기적으로 절연하기 위한 절연재(insulator)가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  20. 반응기체의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생하는 연료전지유닛, 상기 연료전지유닛의 전류를 집전하는 전류집전체, 및 상기 연료전지유닛과 상기 전류집전체를 설정된 체결력에 의해 결합하기 위한 엔드플레이트가 순차적으로 배열된 연료전지 스택에 있어서,
    상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트 각각에는 하나 이상의 매니폴드가 관통 형성되고;
    상기 연료전지유닛, 전류집전체, 및 엔드플레이트와는 별개로 형성되어 상기 엔드플레이트 및 연료전지유닛에 밀착됨으로써, 상기 매니폴드를 통과하는 유체와 상기 전류집전체의 접촉을 차단하는 실링유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  21. 제20항에서,
    상기 실링유닛은,
    상기 전류집전체의 매니폴드 내에 배치되는 스페이서;
    상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 엔드플레이트와 상기 스페이서 사이를 밀봉하는 제1실링부재; 및
    상기 엔드플레이트의 체결력에 의해 상기 스페이서와 상기 연료전지유닛 사이를 밀봉하는 제2실링부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  22. 제20항 또는 제21항에서,
    상기 엔드플레이트와 상기 전류집전체 사이에는 절연재(insulator)가 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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