KR100744323B1 - 연료전지용 가스켓 - Google Patents

Abstract

한쪽 표면의 일부에 특정 형태를 가지는 금속 전도체가 코팅되며, 상기 금속 전도체는 전극과 접촉하는 부분과 연결 부분 및 외부 도선 접속 부분이 연속적으로 이어지는 전자통로의 패턴을 가지고, 상기 금속 전도체가 코팅된 부분이 전극과 접촉하는 일정 넓이의 영역을 남기고, 대부분의 전극이 연료와 접촉하여 반응할 수 있도록 일부 표면이 천공됨을 특징으로 하는, 연료전지용 가스켓을 제공한다. 상기 가스켓을 사용하여 공기극에 스택 구조물이 없게 제조한 연료전지 스택은 접촉면을 거의 평탄하게 유지할 수 있어서 연료 누설을 최소화하고, 각 접촉부분에서 전자 집전체와 스택 내부 전극 사이의 접촉저항도 최소화할 수 있어서 안정적이고 향상된 성능을 갖는다.

연료전지, 가스켓, 전류 집전체, 스택

Description

연료전지용 가스켓{GASKET FOR FUEL CELL}

도 1은 일반적인 직접메탄올 연료전지의 구조와 발전 원리를 설명하기 위한 개략도

도 2는 일반적인 방법으로 모노폴러(monopolar) 형태 연료전지 스택을 제작하는 경우를 설명하기 위한 단면도

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시 예에 따른 다기능 가스켓을 나타낸 도면

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다기능 가스켓을 사용하여 연료전지 스택을 제작하는 경우를 설명하기 위한 단면도

본 발명은 연료전지(fuel cell)용 가스켓(gasket)에 관한 것으로, 특히 셀(cell) 사이의 전기적 연결 및 셀들을 분리하고 연료의 누설을 방지하는 역할을 하는 다기능 가스켓(gasket)과 그 가스켓을 사용하여 제조할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

화학적으로 안정한 가스켓 표면에 전자 전도성이 우수하고 화학적으로 안정한 금속을 부분적으로 코팅하여 전자 이동 통로의 확보와 연료의 누설 방지를 동시에 행한다.

연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소를 직접 연소시키는 대신에, 이온만 통과시킬 수 있는 전해질을 통하여 이온만이 이동하고 이와 함께 전자가 이동하는 전기화학반응을 일으킴으로써 전기를 발생시키는 고효율의 발전장치를 말한다. 여러 종류의 연료전지가 존재하는데 전해질이 고체상의 고분자인 것을 고분자 전해질 연료전지라고 하며, 연료를 기체인 수소를 사용하지 않고 물과 혼합된 메탄올을 연료로 사용하는 연료전지를 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)라고 한다. 직접 메탄올 연료전지는 에너지밀도가 수소를 연료로 사용하는 경우에 비하여 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮기 때문에 초소형화가 가능한 특징을 갖는다. 이와 같은 장점으로 인하여 1차 및 2차 전지를 대체하기 위한 최적 동력원으로서 직접 메탄올 연료전지가 주목을 받고 있다.

도 1은 일반적인 직접메탄올 연료전지의 구조와 발전 원리를 설명하기 위한 개략도이다.

고분자 전해질 층을 사이에 두고 연료극과 공기극으로 구성된다. 이 두 전극은 탄소 섬유 종이와 같은 다공성의 전도성 촉매 지지체 위에 다공성의 백금/탄소, 백금+루테늄/탄소 등의 촉매 층을 부착시켜 제조된다. 메탄올과 물은 전기화학적으로 반응하여(메탄올은 산화됨) 하기 화학식 1과 같이 음극에서 이산화탄소(CO2), 수소 이온(H+) 및 전자(e-)를 생성한다. 화학식 1과 같이 반응을 통하여 음극에서 생성된 수소 이온은 고분자 전해질을 통과하여 양극으로 이동하여 산소와 반응(보통 공기로부터)하여 하기 화학식 2와 같이 물을 생성한다. 이때 음극에서 생성된 전자들은 외부회로를 통해 양극으로 이동하게 되며, 그 결과 전류의 흐름이 생긴다. 이러한 과정의 전체 반응은 하기 화학식 3과 같이 메탄올과 산소가 반응하여 물과 이산화탄소를 생성한다. 실제 시스템에서 이러한 반응은 전극 내의 백금기초 전극촉매 물질의 존재 하에서 일어난다.

음극 반응

양극 반응

전체 반응

직접 메탄올 연료전지 작동시 한 셀(cell)은 전압이 0.2 ~ 0.4V 정도로 낮기 때문에 다양한 응용을 위해서는 여러 셀을 직렬로 연결하여 원하는 전압을 출력하도록 하는데, 이처럼 개개의 셀들을 연결하여 하나의 구조로 만든 것을 스택이라 한다.

상기한 스택을 구성하는 여러 개의 셀들을 전기적으로 연결하기 위해서는 별도의 선이나 기판이 필요하다. 이는 스택의 구조를 복잡하게 만들고 부피와 질량의 증가를 수반한다는 단점을 가진다. 또한, 도선을 이용하게 되면 구조상 전극과의 접촉이나 전해질 고분자막(polymer membrane)의 손상 등이 문제가 되어 전체 성능 감소의 원인이 되기도 한다. 또한, 액체를 연료로 사용하기 위해서는 상기 액체의 누설을 방지하기 위해 별도의 실링(sealing)이 필요한데, 기존의 도선을 이용한 경우는 도선 자체의 두께로 인하여 면밀한 밀봉이 어려운 단점이 있다.

도 2는 일반적인 방법으로 모노폴러 형태의 연료전지 스택을 제작하는 경우를 설명하기 위한 단면도이다.

도시된 연료전지 스택은 공기극(양극)과 연료극(음극) 각각의 스택 구조물들 사이에 전해질막 - 전극 조합체와 전자(전류) 집전체 그리고 가스켓을 구비한다.

도시된 경우는 별도의 전자(전류) 집전체 30을 이용한 경우로, 그 자체의 두께 때문에 필연적으로 고르지 못한 면을 가지는 스택이 제작되며, 이로 인해서 액상인 연료의 누설 확률이 높았다. 또한, 방법에 따라서는 전자(전류) 집전체 30을 설치할 때 고분자 전해질 막에 물리적인 손상을 주는 경우도 있어서 더욱 누설의 확률이 높아진다. 또한, 스택 전체 성능에 큰 영향을 미치는, 전극 40과 전자(전류) 집전체 30과의 접촉 문제를 해결하기 위해서 외부의 스택 구조물 10을 이용하여 물리적으로 눌러주어야 하는데, 그에 따른 부피의 증가 역시 필연적이다.

이러한 문제들은 연료전지 스택의 동작을 불안정하게 하며, 성능을 떨어뜨리는 요인이 되는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 안정적이고 향상된 성능을 갖는 연료전지용 가스켓 을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 제1발명은 연료전지용 가스켓의 한쪽 표면의 일부에 각 셀별로 금속 전도체가 코팅되고, 상기 금속 전도체의 코팅은 전극과 접촉하는 부분, 연결 부분 및 외부 도선 접속 부분이 연속적으로 이어지는 전자통로의 패턴을 가지며, 금속 전도체가 전극과 접촉하는 일정 넓이의 영역을 남기고, 대부분의 전극이 연료와 접촉하여 반응할 수 있도록 일부 표면이 천공됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3a 및 도 3b는 4개의 셀을 최단 거리의 직렬로 연결하는 전자통로의 패턴을 가진, 본 발명의 실시 예에 따른 다기능 가스켓을 나타낸 것으로, 도 3a가 연료극이라고 가정할 경우 도 3b는 공기극이 된다.

외부 도선이 연결되는 부분 및 연결부들이 향하고 있는 방향이 다르다는 점을 제외하고 기본적인 구조는 동일한바, 도 3a를 예로 들어 그 구조를 설명하면 다음과 같다.

참조부호 60은 가스켓을 나타낸다. 참조부호 70은 가스켓 60을 천공한 부분들 #1, #2, #3을 나타낸다. 도시된 바에 따르면, 참조부호를 기재하지는 않았으나 수평 방향으로 상기와 동일한 형태로 세 곳이 더 천공되어 있다. 즉, 도시된 가스켓은 네 개의 셀을 갖는 연료전지 스택을 만드는 경우를 가정한 것이다.

가스켓 60에서 천공된 부분들 #1, #2, #3 사이의 영역 및 그로부터 외부 쪽으로 끝단에 이르기까지의 영역에 해당하는 가스켓 위에는 금속 전도체 80이 코팅된다.

참조부호 L은 도시하지 않은 전해질막 - 전극 조합체(membrane electrode assembly)가 덮이는 부분을 나타낸다.

도 3a의 연료극 가스켓과 도 3b의 공기극 가스켓은 전해질막 - 전극 조합체를 사이에 두고 겹쳐지게 되는데, 상기 참조부호 L로 표시된 부분의 위쪽에 있는 세 연결부들은 실제로 접촉된다. 즉, 도 3a의 80A와 도 3b의 82A, 80B와 82B, 80C와 82C가 각각 실제로 접촉되어 직렬 연결이 되는 구조를 가진다.

참조부호 80D와 82D는 각각 서로 상반되게 + 혹은 -의 외부 도선이 연결되는 부분이다.

천공된 부분들 #1, #2, #3은 금속 전도체 80이 연료와 접촉하여 도 1에 나타낸 원리로 반응할 수 있도록 하기 위한 것이다.

천공된 부분들 #1, #2, #3 사이에 있는, 금속 전도체 80으로 코팅된 부분의 모양이 'ㅗ'인데, 'ㅡ' 부분은 가스켓 60의 형상을 유지하는 지지대로서의 역할을 고려한 것이다. 다시 말해서, 가스켓 60 위에 금속 전도체 80으로 코팅할 때 그 모양은 제한적이지 않다. 단, 효율적인 측면을 고려하여 전체 코팅 면적을 어느 정도로 할 것인지는 미리 계산해보아야 한다.

상기와 같은 구조로 코팅을 하게 되면, 모양 'ㅗ' 중에서 'ㅣ' 부분이 전극(전술한 전해질막 - 전극 조합체에 있는 전극)에 접촉되는 부분은 전술한 도 2의 전자집전체 30이 전극 40에 접촉되는 부분보다 훨씬 길다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 연료전지 스택을 제작하는 경우를 설명하기 위한 단면도로서, 도시된 형태는 두 개의 셀을 가지는 경우를 가정한 것이다.

연료극에 접하는 스택 구조물 10 위에 가스켓 65가 있고, 상기 가스켓 65와 다른 가스켓 60 사이에 전해질막 - 전극 조합체 50, 40이 있다.

상기 가스켓들의 70, 74는 사용하는 개개 전극 셀의 형태에 맞추어 제단(천공)되고, 그 한쪽 표면(도시된 바에 따르면, 전해질막 - 전극 조합체 50, 40을 향하는 쪽 표면)에 전자통로의 패턴을 가지게 금속 전도체를 코팅한 것이다.

이렇게 제작된 한 장의 가스켓 60은 공기극에 다른 한 장의 가스켓 65는 연료극에 접합시킨다. 이때 전해질막-전극 조합체 50, 40의 전해질막 50은 연결부의 금속 전도체 사이(예: 도 3a의 80A와 도 3b의 82A 등)의 접촉을 막지 않아야 한다. 이를 위해 본 실시예에서 사용된 전해질막 50의 세로 길이는 L로서, 가스켓 60의 세로 길이보다 짧다. 이렇게 형성된 회로를 통하여 전극의 연료극에서 생성된 전자는 상기 금속 전도체들을 통하여 연결되어 있는 공기극으로 전달되어 전체적으로 전극 셀이 직렬 연결을 이루며 전기를 생산해낸다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 가스켓 상에 전기 전도도가 높고 화학적으로 안정한 금속을 코팅하여 회로가 형성되도록 함으로써 전자의 이동 통로를 확보하는 동시에 메탄올의 누설을 방지할 수 있으므로 도 2에 도시된 가스켓과 달리 다기능 가스켓이라 할 수 있다. 다시 말해서, 도 2에 도시된 단순 가스켓과 달리 금속 전도체를 코팅함으로써 전자 집전체의 역할도 포함하는 것[가스켓-전자(전류) 집전체 일체형]이다.

이처럼 코팅은 셀들 사이에 회로가 형성되고 단락이 일어나지 않도록 해야 하는데, 그 두께는 전도성 향상이 큰 범위인 1~100미크론(micron) 정도가 적당하다. 또한, 그 방법은 가스켓 재료를 손상시키지 않는 방법이어야 하며, 코팅 후 바람직하지 않은 잔류물을 남기지 않는 방법이어야 한다. 스퍼터링(sputtering), 진공증착-응축(evaporation-condensation) 등이 적당하며 습식 코팅은 잔류물을 남기므로 적당하지 않다.

가스켓의 재료는 전기 전도성이 없는 부도체여야 하며, 메탄올 또는 코팅된 금속과 반응성이 없는 것이어야 한다. 그리고 연료의 누설을 방지하기 위해 다공성이 아닌 치밀한 재료여야 한다. 바람직하게는, 실리콘, 탄화수소 및 탄화 플로린을 기초로 하는 고분자 종류가 적당하다. 상기 탄화 플로린을 기초물질로 하는 고분자 가스켓은 테프론(Teflon), 바이톤(Viton), 부나(Buna) 등을 포함한다.

코팅을 하는 금속의 종류는 금(gold), 백금(platinum), 은(silver) 등의 산화물이 잘 생성되지 않는 귀금속 종류나 티타늄(titanium), 탄탈늄(tantalum), 지르코늄(zirconium) 등과 같은 내부식성 금속이 적당하다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 금속 전도체를 코팅하여 가스켓 위에 회로를 형성하면, 별도의 도선이나 기판을 사용한 기존의 스택에 비해 스택의 구조가 간단해지며, 스택의 부피와 질량 또한 감소하게 된다. 특히, 본 발명의 경우(도 4)는 종래의 경우(도 2)와 달리 공기극에서 스택 구조물을 이용하여 강제적으로 전극 및 전자(전류) 집전체를 눌러줄 필요가 없으므로 부피 및 질량 측면에서 더 유리하다. 또한, 본 발명과 같이 공기극에 스택 구조물이 없으면 생성된 수분의 제거가 용이하다는 장점도 있다. 또한, 본 발명에 따른 스택은 대부분의 접촉면을 매우 평탄하게 유지할 수 있어서 연료의 누설을 최소화할 수 있다. 또한, 평탄하고 일정한 각각의 접촉부분에서는 전자(전류) 집전체와 스택 내부의 전극 사이의 접촉저항 역시 최소화할 수 있다. 결론적으로, 실링(sealing) 및 전류집전체 역할을 동시에 하는 본 발명의 다기능 가스켓을 사용하면 안정적이고 향상된 성능을 갖는 연료전지 스택을 제작할 수 있다.

Claims (17)

1. 한쪽 표면의 일부에 각 셀별로 금속 전도체가 코팅되고, 상기 금속 전도체의 코팅은 전극과 접촉하는 부분과 연결 부분 및 외부 도선 접속 부분이 연속적으로 이어지는 전자통로의 패턴을 가지며, 상기 금속 전도체가 코팅된 부분이 상기 전극과 접촉하는 일정 넓이의 영역을 남기고, 대부분의 전극이 연료와 접촉하여 반응할 수 있도록 일부 표면이 천공됨을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
2. 제1항에 있어서,

   상기 연결 부분은 반대의 극(연료극 혹은 공기극)을 가지는 다른 가스켓에 있는, 대응되는 셀의 금속 전도체 중 연결 부분과 접촉되어 전체 셀들의 직렬 연결을 이루기 위한 것임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
3. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 금임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
4. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 백금임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
5. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 은임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
6. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 타이타늄임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
7. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 탄탈늄임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
8. 제1항에 있어서, 상기 코팅되는 금속은 지르코늄임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
9. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 스퍼터링으로 실시함을 특징으로 하는 연료전 지용 가스켓.
10. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 진공증착-응축으로 실시함을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
11. 제1항에 있어서, 상기 코팅은 전해도금법으로 실시함을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
12. 제1항에 있어서, 상기 코팅의 두께는 1 ∼ 100 미크론임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
13. 제1항에 있어서, 상기 가스켓은 실리콘, 탄화수소 및 탄화 플로린을 기초로 하는 고분자 물질임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
14. 제13항에 있어서, 상기 탄화 플로린을 기초물질로 하는 고분자 물질의 가스 켓은 테프론(Teflon), 바이톤(Viton), 부나(Buna) 등을 포함을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
15. 제1항에 있어서, 상기 가스켓의 두께는 50 미크론 ∼ 1밀리미터임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
16. 제2항에 있어서,

    상기 가스켓을 덮는 전해질막을 더 포함하며,

    상기 가스켓의 임의의 금속 전도체의 연결 부분이 상기 다른 가스켓의 대응되는 금속 전도체의 연결 부분과 접촉되어 전체 셀들이 직렬 연결을 이룰 수 있도록 상기 전해질막의 길이가 상기 가스켓의 길이보다 짧음을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
17. 제2항에 있어서,

    상기 가스켓의 외부 도선 접속 부분과 상기 다른 가스켓의 외부 도선 접속 부분은 각각 서로 상반되게 + 혹은 -의 외부 도선이 접속되는 부분임을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.

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