KR100633464B1

KR100633464B1 - 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR100633464B1
Application number: KR1020040070196A
Authority: KR
Inventors: 전의식
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2004-09-03
Publication date: 2006-10-13
Also published as: US20060051625A1; KR20060021454A; US7537854B2

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히, 분리판의 절연 및 기밀을 유지하기 위한 것으로 열가소성탄성체를 이용하여 서로 부착하여 연료전지의 스택을 이루는 것으로, 내측에 가스공급을 위한 유로(210)와 메니폴트(220)가 형성되는 전도성의 분리판(200)과; 상기 분리판(200)의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드(220)와 유로(210)가 드러나도록 개구부(111, 121) 및 관통로(112, 122)가 형성되는 결합체(100: 110, 120)와; 상기 일체가 된 각각의 분리판(200)과 결합체(100) 사이에 위치하는 막전극접합체(300)로 이루어지는 다수의 단위전지가 적층되어 구성되어, 연료전지 스택의 구조를 단순화, 경량화 할 수 있어, 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있도록 하는 것이다.

결합체, 열가소성, 스택.

Description

고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법 {Manufacturing method and Polymer electrolyte fuel cell and the stack}

도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 구조를 나타내는 구성도,

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 구성도,

도 3은 본 발명의 결합체와 분리판의 일 실시예를 나타내는 분해사시도,

도 4는 본 발명의 스택의 일 실시예의 분해사시도,

도 5는 본 발명의 연료전지와 스택의 다른 실시예를 나타내는 구성도,

도 6은 결합체와 유로판의 실시예를 나타내는 분해사시도,

도 7은 본 발명의 스택의 다른 실시예의 분해사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 결합체 200 : 분리판

300 : 막전극접합체 400 : 고정부

500 : 유로판

본 발명은 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법에 관한 것으로서 특히, 분리판의 절연 및 기밀을 유지하기 위한 것으로 열가소성탄성체를 이용하여 서로 부착하여 연료전지의 스택을 이루는 것으로, 연료전지 스택의 구조를 단순화, 경량화 할 수 있어, 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있도록 하는 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte fuel cell: PEFC)는 전류밀도가 높고 운전온도가 낮으며, 부식 및 전해질 손실의 염려가 없는 장점을 가지고 있어 군사용이나 우주선의 동력원으로 개발되기 시작하였으나, 현재는 출력밀도가 높고 장치가 간단하며 모듈화가 가능하다는 점을 이용하여 자동차의 동력원이나 이동용 전원으로 응용하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

고분자 전해질 연료전지의 기본 구조는 고분자 전해질 막을 중심으로 양단에 귀금속 촉매인 백금이 입혀진 다공질의 공기극과 연료극이 존재하며, 이들 전극을 지지하는 동시에 가스 통로를 형성하는 전지 프레임으로 구성되어 있다.

연료극 쪽으로 연료인 수소가 들어가고 공기극으로 산화제인 산소 또는 공기가 유입되어 연료가스의 전기 화학적 산화와 산화제의 전기 화학적 환원에 의하여 전기 에너지가 발생한다. 즉, 공기극과 연료극에서 산소의 환원반응 및 수소의 산 화반응이 각각 일어나며, 그 결과 전기와 물이 생성된다.

그리하여, 전지 전체적으로는 수소와 산소가 전지에 도입되어 전기와 열 및 물을 배출하게 된다.

전지의 출력을 높이려면 전지면적을 넓히는 방법과 여러 개의 전지를 연결하는 방법이 있다. 전지의 면적을 넓히면 전지전압은 일정하지만 전지의 출력 전류가 증가하며, 여러 개의 전지를 직렬로 연결하면 전지의 출력 전류는 일정한 반면 전지전압이 높아진다.

이론적으로 두 가지 방법 모두 가능하지만 실제로 전지를 제작할 때에는 두 가지 측면을 모두 고려하여 면적을 적절히 크게 하는 동시에 여러 개의 전지를 적층함으로써 전지 출력을 높이는 방법이 많이 쓰인다.

전지의 적층이란 동일한 크기와 형태를 가진 전지를 서로 직렬로 연결하는 것을 말하며, 첫 번째 전지의 연료극이 두 번째 전지의 공기극과 맞닿도록 한다. 이 경우 보통 첫 번째 전극의 연료극용 전지 프레임과 두 번째 전지의 공기극용 전지 프레임을 각각 제작하지 않고 일체형으로 제작하며 이를 분리판이라 부른다.

분리판의 양쪽에는 가스가 흐르도록 유로가 형성되어 있어 한쪽에는 수소가 한쪽에는 산소가 흐르게 된다.

반응가스는 외부의 저장용기로부터 전지에 공급되어 전지 매니폴드를 통하여 분리판에 공급되며 분리판을 지나 각각의 전극에 도달되면 전극 표면에서 전기화학 반응을 일으킨다.

이때, 반응가스인 수소와 산소는 각각 연료극과 공기극으로 공급되며 두 기 체가 직접 접촉하면 안 된다. 두 기체가 직접 접촉할 경우 전기화학 반응이 아닌 연소 반응이 일어나 전기는 발생되지 않고 고열만이 발생되어 전지가 파괴된다.

이와 같이 두 기체가 서로 만나 혼합되지 않고 각자의 유로를 따라 흐르도록 하기 위해서는 가스 유로 주위가 기밀성을 유지하도록 해야 한다.

도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지의 구조를 나타내는 구성도로서, 상기와 같은 연료전지 자동차의 동력원으로 사용되는 고분자 전해질 연료전지 스택의 구성부품은, 집전체 및 연료공급통로 역할을 하는 바이폴라 분리판(11)과, 막-전극 접합체(12)와, 연료가스 및 냉각수의 기밀성을 보장하기 위한 가스켓(13)으로 이루어진 단전지(10)를 수집에서 수백장 직렬로 적층하고, 이를 지지하기 위한 엔드 플레이트(21)와 고장력 볼트(22) 및 너트(23)와 같은 고정구(20)로 이루어지는 구조를 가진다.

그러나 상기와 같이, 각각의 단위전지를 수 백장씩 적층하여 구성되는 스택의 구조에서 가스의 기밀성 및 스택을 지지하기 위한 수단으로 가스켓, 엔드 플레이트 및 고정구들을 사용하기 때문에 부품 수가 많고 대량생산에 어려움이 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 결점을 해소하기 위한 것으로, 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 연료전지 스택의 구조를 단순화, 경량화 할 수 있어, 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있도록 하는 고분자 전해질 연료전지와 스택 및 그 제조방법을 제공하고자 한다.

이러한 본 발명은, 내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과; 상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체와; 상기 일체가 된 각각의 분리판과 결합체 사이에 위치하는 막전극접합체로 이루어지는 다수의 단위전지가 적층되어 구성되는 스택을 제공함으로써 달성된다.

또한, 본 발명은, 내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과; 상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체와; 상기 일체가 된 각각의 분리판과 결합체 사이에 위치하는 막전극접합체로 이루어지는 단위전지와; 상기 단위전지가 다수개 적층되어 이루어지는 스택과; 상기 스택의 양측 단부측에 위치하여 스택을 고정시키는 고정부를 포함하여 구성되는 연료전지를 제공함으로써 달성된다.

한편, 그 제조방법으로서, 내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과, 상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체의 사이에 막전극접합체를 적층하고, 이러한 구조를 다수개 반복하여 적층한 후 가열 압착하여, 각각의 분리판에 결합체가 서로 접합되게 함으로써 실링 및 연료전지 스택의 형상을 동시에 이루도록 함으로써 달성된다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예를 나타내는 구성도이고, 도 3은 본 발명의 결합체와 분리판의 일 실시예를 나타내는 분해사시도이며, 도 4는 본 발명의 스택의 일 실시예의 분해사시도로서, 본 발명의 스택은, 내측에 가스공급을 위한 유로(210)와 메니폴트(220)가 형성되는 전도성의 분리판(200)과; 상기 분리판(200)의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드(220)와 유로(210)가 드러나도록 개구부(111, 121) 및 관통로(112, 122)가 형성되는 결합체(100: 110, 120)와; 상기 일체가 된 각각의 분리판(200)과 결합체(100) 사이에 위치하는 막전극접합체(300)로 이루어지는 다수의 단위전지가 적층되어 구성되는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

상기 결합체(100)는 열가소성 탄성체를 이용하여, 절연과 기밀작용을 하게 되며, 그 재질은 PP/EPDM, NBR/PP, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 및 폴리아미드류 등을 사용한다.

상기 결합체(100)의 개구부(111, 121)는 막전극접합체(300)의 공기극과 연료극(미도시)이 일부 관통되는 형상으로 제작하게 된다.

도 3과 도 4에서 도시하는 바와 같이, 상기 결합체(100)는, 상기 분리판(200)의 메니폴드(220)와 유로(210)가 드러나도록 개구부(121) 및 관통로(122)가 형성되며, 주변부를 따라 결합돌기(123)가 형성되는 일측판(120)과; 상기 분리판(200)의 메니폴드(220)와 유로(210)가 드러나도록 개구부(111) 및 관통로(112)가 형성되며, 상기 일측판(120)의 결합돌기(123)가 결합되는 결합홀(113)이 주변부를 따라 형성되는 타측판(110)을 포함하여 구성되며, 상기 분리판(200)의 주변부에도 상기 결합돌기(123)가 관통하는 관통홀(230)이 형성되어, 상기 결합돌기(123)가 결합홀(113)에 결합되어 그 사이에 분리판(200)을 사이에 두고 결합되는 것이다.

상기 분리판(200)과 결합체(100)의 결합은 서로 가열 압착함으로써 결합되게 되는데, 상기와 같이, 결합돌기(123)와 결합홀(113)이 결합되어 가열 압착에 의하여 서로 견고하게 결합되므로, 종래의 고장력 볼트와 같이 스택 결합을 위하여 큰 힘을 필요로 하지 않게 된다.

한편, 상기 분리판(200)과 결합체(100)의 서로 부착되는 표면에는 그라인딩 또는 샌드 블라스팅 등의 물리적 처리를 하거나, 에칭 등의 화학적 처리를 함으로써, 기밀성능을 향상시키는 것이 바람직하다.

상기와 같이, 단위전지가 다수개 적층되어 이루어지는 스택을 원하는 개수만큼 적층하게 되며, 상기 스택의 양측 단부측에 위치하여 스택을 고정시키는 고정부(400)를 구성하여 연료전지를 이루게 되는 것이다.

상기 고정부(400)는, 스택의 양측단부에 위치하는 엔드플레이트(430)와; 상기 양측의 엔드플레이트(430)를 서로 연결하는 볼트(410)와; 상기 볼트(410)를 고 정시키는 너트(420)를 포함하여 구성된다.

도 5는 본 발명의 연료전지와 스택의 다른 실시예를 나타내는 구성도이고, 도 6은 결합체와 유로판의 실시예를 나타내는 분해사시도이며, 도 7은 본 발명의 스택의 다른 실시예의 분해사시도로서, 본 발명은, 내측에 사각의 개구부(111, 121)와, 그 주변에 관통로(112, 122)가 형성되며, 일측판(110)과 타측판(120)이 결합돌기(123)와 결합홀(113)에 의하여 서로 결합되어 형성되는 다수개의 결합체(100)와; 상기 결합체(100)의 일측판(110)과 타측판(120) 사이에 상기 개구부(111, 121)측에 위치하여 함께 결합되며, 유로(510)가 형성되는 전도성의 유로판(500)과; 상기 결합체(100)의 사이에 위치하는 막전극접합체(300)를 포함하여 구성되어, 상기 막전극접합체(300)를 결합체(100)의 사이에 위치시켜 서로 가열 압착하여 제작하는 것을 그 기술상의 특징으로 한다.

즉, 본 실시예에서는 전해질의 분리판 대신에 유로가 형성되는 유로판(500)을 결합체(100)의 개구부(111, 121)측에 위치하도록 하여, 결합체(100)가 유로판(500)을 감싸는 형태로 제작되는 것이다.

도 7에서 도시하는 바와 같이, 결합체(100)와 유로판(500)은 일체로 형성이 되게 되며, 이와 같이, 일체로 형성된 결합체(100) 사이에 막전극접합체(300)를 위치시켜 서로 결합하여 스택 및 연료전지를 이루게 되는 것이다.

본 실시예에서는, 도 5에서와 같이, 상기 결합체(100)가 상기 유로판(500) 및 막전극접합체(300)를 모두 감싸는 형태로 제작이 되므로, 가장 외측단의 유로판 (600)이 엔드플레이트의 역할을 하게 됨으로써, 연료전지를 이루는데 별도의 고정부가 필요하지 않게 되어, 종래의 엔드플레이트와 볼트 및 너트 등의 구성을 배제할 수 있다.

이하, 상기 도 2 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 작용 및 효과를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 상기와 같이, 전도성 재질로 형성되어 집전체 및 연료공급통로의 역할을 하는 분리판(200)의 기밀성을 보장하기 위한 가스켓을 사용하는 대신에, 열가소성탄성체로 형성되는 결합체(100)를 이용하여, 분리판(200)을 양측에서 가열 압착하여 형성하거나, 또는 유로만이 형성된 유로판(500)을 외측에서 감싸는 형태로 가열 압착하여 형성함으로써, 별도의 큰 힘이 필요한 고정부를 필요로 하지 않도록 하는 것이다.

즉, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예는, 내측에 가스공급을 위한 메니폴트(220)와 유로(210)가 형성되는 전도성의 분리판(200)과, 상기 분리판(200)의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드(220)와 유로(210)가 드러나도록 개구부(111, 121) 및 관통로(112, 122)가 형성되는 결합체(100)의 사이에 막전극접합체(300)를 적층하고, 이러한 구조를 다수개 반복하여 적층한 후 가열 압착하여, 각각의 분리판(200)에 결합체(100)가 서로 접합되게 함으로써 실링 및 연료전지 스택의 형상을 동시에 이루도록 하는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예의 제작은 상기 분리판(200) 대신에 유로판(500)을 이용하는 것 으로 그 제작방법은 기본적으로 동일하다.

상기와 같은 가열 압착 작업시 스택을 가열챔버에 넣은 후 고온 압착하게 되며, 상기 가열 압착시, 가열 매체로서 상기 결합체(100)에 열선을 삽입하여 가열하게 된다.

이때, 분리판(200)의 유로에 냉각수를 흘려줌으로써, 막전극접합체(300)의 열손상을 방지할 수 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명의 범위는 상기의 도면이나 실시예에 한정되지 않는다.

이상과 같은 본 발명은 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 열가소성탄성체를 서로 결합하여 스택을 이루도록 함으로써, 엔드플레이트 및 고정기구의 사용을 배제할 수 있고, 따라서, 연료전지 스택의 구조를 단순화, 경량화 할 수 있어, 공정을 단순화하고 비용을 절감할 수 있도록 하는 효과가 있는 것이다.

Claims

내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과;

상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체와;

상기 일체가 된 각각의 분리판과 결합체 사이에 위치하는 막전극접합체로 이루어지는 다수의 단위전지가 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
제 1항에 있어서, 상기 결합체는 열가소성 탄성체를 이용하여, 절연과 기밀작용을 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
제 1항에 있어서, 상기 결합체는,

상기 분리판의 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되며, 주변부를 따라 결합돌기가 형성되는 일측판과;

상기 분리판의 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되며, 상기 일측판의 결합돌기가 결합되는 결합홀이 주변부를 따라 형성되는 타측판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
제 3항에 있어서, 상기 분리판의 주변부에는 상기 결합돌기가 관통하는 관통홀이 형성되어,

상기 결합체의 일측판의 결합돌기가 분리판의 관통홀을 관통하여 상기 결합체의 타측판의 결합홀에 결합되어, 분리판과 결합체가 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
제 1항에 있어서, 상기 분리판과 결합체의 결합은 서로 가열 압착함으로써 결합되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
제 1항에 있어서, 상기 분리판과 결합체의 서로 부착되는 표면에는 그라인딩 또는 샌드 블라스팅 등의 물리적 처리를 하거나, 에칭 등의 화학적 처리를 함으로써, 기밀성능을 향상시키는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 스택.
내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과; 상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체와; 상기 일체가 된 각각의 분리판과 결합체 사이에 위치하는 막전극접합체로 이루어지는 단위전지와;

상기 단위전지가 다수개 적층되어 이루어지는 스택과;

상기 스택의 양측 단부측에 위치하여 스택을 고정시키는 고정부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지.
제 7항에 있어서, 상기 고정부는,

상기 스택의 양측단부에 위치하는 엔드플레이트와;

상기 양측의 엔드플레이트를 서로 연결하는 볼트와;

상기 볼트를 고정시키는 너트를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지.
내측에 사각의 개구부와, 그 주변에 관통로가 형성되며, 일측판과 타측판이 결합돌기와 결합홀에 의하여 서로 결합되어 형성되는 다수개의 결합체와;

상기 결합체의 일측판과 타측판 사이에 상기 개구부측에 위치하여 함께 결합되며, 유로가 형성되는 전도성의 유로판과;

상기 결합체의 사이에 위치하는 막전극접합체를 포함하여 구성되어,

상기 막전극접합체를 결합체의 사이에 위치시켜 서로 가열 압착하여 제작하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지.
내측에 가스공급을 위한 메니폴트와 유로가 형성되는 전도성의 분리판과, 상기 분리판의 양측면에 구성되어 서로 부착되며, 내측에 상기 메니폴드와 유로가 드러나도록 개구부 및 관통로가 형성되는 결합체의 사이에 막전극접합체를 적층하고, 이러한 구조를 다수개 반복하여 적층한 후 가열 압착하여, 각각의 분리판에 결합체가 서로 접합되게 함으로써 실링 및 연료전지 스택의 형상을 동시에 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 제작방법.
제 10항에 있어서, 상기 가열 압착시, 가열 매체로서 상기 결합체에 열선을 삽입하여 가열하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 제작방법.
제 10항에 있어서, 상기 가열 압착시, 분리판의 유로에 냉각수를 흘려줌으로써, 막전극접합체의 열손상을 방지하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지 제작방법.