KR100763590B1 - 연료전지의 실링 구조 및 그를 포함하는 연료전지 및 그제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지의 실링 구조는 탄성이 없고 고온에서 안정적인 소재의 제1 가스켓 및 탄성이 있는 소재의 제2 가스켓의 접합으로부터 이루어지는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 고분자 막(101)의 일측에 연료극(양극)(102)이 부착되어 있고 타측에 공기극(음극)(103)이 부착되어 있는 막-전극 접합체(104)의 양 측면 가장자리를 따라 결합돌기 형상을 포함하는 형태의 제1 가스켓(107a)을 접착시킨 후, 분리판(106) 내측면의 상기 제1 가스켓(107a)의 대응 위치에 제2 가스켓(107b)을 성형하고, 상기 막-전극 접합체(104)의 양면으로부터 상기 분리판(106)을 밀착시킬 때, 상기 제1 가스켓(107a)의 결합돌기 형상으로 상기 제2 가스켓(107b)을 눌라 고정됨으로써 실링 구조가 형성된다.

본 발명의 실링 구조는 조립이 용이할 뿐만 아니라, 가스켓의 어긋남으로 인한 실링 구조의 결함을 방지할 수 있다. 또한, 이중 (또는 다중)의 실링 구조로써 연료와 공기의 누설을 완벽히 차단한다. 더불어, 가스켓 재료로 고온 및 고압을 견딜 수 있는 견고한 재료를 사용함으로써 다양한 가스켓 및 막-전극 접합체의 일체형 제작 공정이 가능하다.

연료전지, 실링 구조, 가스켓, 고분자 막, MEA

Description

연료전지의 실링 구조 및 그를 포함하는 연료전지 및 그 제조방법{Sealing structure of fuel cells, fuel cells containing the same and a method for making the sealing structure}

도1은 연료전지의 단위셀을 도시한 것이다.

도2a 내지 도2c는 종래의 연료전지의 실링구조를 도시한 것이다.

도3a는 본 발명의 체결전 연료전지 실링구조를 도시한 것이다.

도3b는 본 발명의 체결후 연료전지 실링구조를 도시한 것이다.

도면 부호에 대한 설명

101: 고분자 막 102: 연료극(양극) 103: 공기극(음극)

104: 막-전극 접합체 105: 유로홈 106: 분리판

107a: 제1가스켓 107b: 제2가스켓

108: 접착제

본 발명은 외부로부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조립시 조립이 용이할 뿐만 아니라 연료와 공기의 누설이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지의 실링 구조에 관한 것이다.

연료전지는 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 이에 대한 기술이 공지되어 있다. 이러한 연료전지는 통상 고분자 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(양극)(ANODE)과 공기극(음극)(CATHODE)이 부착되어 있고, 연료극(양극 또는 산화전극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 공기극(음극 또는 환원전극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

연료전지는 단위셀 또는 단위셀을 적층한 스택형태로 이루어지는데 도1을 참고로 연료전지의 단위셀 형태를 설명하면, 고분자 막(21)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 연료극(양극)(22)과 공기극(음극)(23)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(24)와, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에 밀착되도록 조립되어 연료극(양극)(22)과 공기극(음극)(23)에서 연료가스 및 산소함유가스의 유로(31)를 형성하는 분리판(BIPOLAR PLATE)(25)과, 그 분리판(25)과 고분자 막(21) 사이의 가장자리에 개재되어 연료와 공기의 누설을 차단하는 가스켓(26)과, 상기 분리판(25)의 양측에 배치되어 연료극(양극)(22)과 공기극(음극)(23)의 집전극이 되는 집전판(27)으로 구성되어 있다.

상기 단위셀을 통해서 얻는 전압과 전류의 양에는 한계가 있기 때문에 실제로는 수십 개에서 많게는 수백 개의 단위셀을 적층함으로써 원하는 출력을 얻게 된다. 반응 기체는 매니폴드를 통해 각 단위셀로 공급을 하게 되는데 이때 반응 기체 가 서로 섞이지 않고 각 단위셀로 적절히 공급될 수 있는 기밀 구조를 확보하는 것이 매우 중요하다.

현재 보편적으로 시도되고 있는 연료전지 기밀 유지 방법으로 도2a에 도시된 바와 같이 분리판(25)에 탄성을 가진 고분자 소재로서 가스켓(26)을 성형 또는 삽입하여 고분자 막(21) 사이에 기밀을 유지하도록 하고 있다.

그러나 고분자 막(21)은 대단히 얇기 때문에 도2b에 도시된 바와 같이 가스켓(26)의 어긋남이 발생하여 고분자 막(21)이 찢어지거나 반응 기체가 누출되는 등의 문제점이 발생한다.

이를 막기 위해 도2c에 도시된 바와 같이 가스켓(26)을 고분자 막(21)에 형성하는 방법이 시도되었다.

그러나 가스켓의 성형을 위해서는 대부분 300도에 가까운 고온이 필요하며, 저온 성형 방법이 개발되고 있는 상황이긴 하지만 재료 선택 및 방법이 매우 제한적이고, 가스켓 형성과정에서 비롯되는 휘발성 물질에 의한 촉매의 오염 등의 문제가 있는 것이어서, 현실적으로 고분자 막과의 일체형 가스켓 제조는 용이하지 않다.

더구나, 이와 같은 제작 방법의 범위에 들면서 동시에 연료전지 운전의 특징인 산성 분위기, 고온, 다습한 환경에서 내구성을 발휘하는 가스켓의 선정은 극히 드물거나 많은 비용이 필요한 것이다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은 연료전지의 기밀 유지시 가스 켓의 어긋남을 방지하고, 각 부품들의 조립이 용이하게 하며, 조립 후에는 기밀성이 향상되도록 하는데 적합한 연료전지의 실링 구조 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 신뢰성 있는 일체형의 가스켓 및 막-전극 접합체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고분자 막의 일 측면에 연료가 공급이 되어 전기적인 산화가 일어나는 연료극(양극)이 부착되고 타 측면에 공기가 공급되어 전기적인 환원이 일어나는 공기극(음극)이 부착되는 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양측에 상기 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 밀착 고정되는 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서, 탄성 계수가 크고 고온에서 안정적인 소재의 제1 가스켓 및 제 1 가스켓의 소재에 비해 탄성 계수가 작은 소재의 제2 가스켓의 접합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 실링 구조를 제공한다. 특히, 본 발명의 연료전지 실링 구조는 막-전극 접합체 양 측면에 구비된 탄성계수가 크고 고온에서 안정적인 소재의 가스켓(제1 가스켓) 및 분리판에 구비된 탄성계수가 작은 소재의 가스켓(제2 가스켓)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

막-전극 접합체에서 가스켓이 직접 구비되는 부분은 고분자 막일 수 있다.

상기 제1 가스켓은 별도로 성형된 후 막-전극 접합체 또는 고분자 막의 양 측면 단부에 부착되고, 상기 제1 가스켓과 대응하는 분리판의 내측면 단부에는 제2 가스켓을 성형한다. 이후 막 전극 접합체와 분리판의 조립시 제1 가스켓이 제2 가스켓을 눌러 실링 라인(제1가스켓과 제2가스켓이 맞닿아 있는 부분)이 형성되면 분리판과 막-전극 접합체 사이에서 기밀을 유지하는 실링 구조가 형성되는 것이다.

상기 제1 가스켓의 소재는 탄성이 있는 제2 가스켓과의 결합을 통해 실링 구조를 형성할 수 있는 탄성계수가 큰 것을 사용한다. 더불어 고분자 막과의 접착 과정에서 내구성과 안정성이 있는 것으로 고온 및 고압의 접착 방법을 적용할 수 있는 소재이어야 한다. 예를 들면, 금속, 열경화성 고분자 재료, 테플론 등이다. 그러나, 이에 한정되는 것이 아니고, 상술한 바와 같은 성질을 만족하는 것이라면 기술의 개발에 따른 적절한 신소재도 포함될 수 있다.

상기 제1 가스켓은 연료나 공기의 누설이 차단되도록 결합돌기를 포함하는 형태인 것이 바람직하다. 상기 결합돌기는 하나 이상일 수 있다. 결합돌기의 수에 따라 이중(2개의 결합돌기를 구비하는 경우) 또는 다중(3개 이상의 결합돌기를 구비하는 경우)의 밀봉이 이루어진다. 또한, 제1가스켓이 이러한 결합돌기 형상을 포함하는 것은 종래 실링 구조 형성시 빈번히 발생하던 가스켓의 어긋남을 방지할 수 있다는 장점이 있는 것이다. 따라서, 본 발명은 그러한 가스켓의 어긋남으로 인한 연료전지 조립의 곤란함 및 가스 누출이라는 구조적 취약점을 극복할 수 있게 한다.

상기 제1 가스켓은 접착에 의해 막-전극 접합체의 측면에 구비된다.

이때 접착에는 접착제를 사용한다. 접착제는 일반적으로 상온에서 굳는 제품은 고온(약 100℃ 내지 200℃)에서 녹거나 약해지고 고온에서 굳는 제품은 저온( 상온 또는 연료전지의 운전 온도인 60℃ 내지 80℃)은 물론 고온에서도 견고하게 접착 성능을 유지한다. 본 발명에서는 제1가스켓의 소재로서 탄성이 없는 견고한 재질, 고온 및 고압에서 안정한 재질을 사용함으로써 종래 고무 가스켓의 경우 고온에서의 접착제 응고 과정을 거치지 못하는 한계로 인해 사용될 수밖에 없었던 상온 응고형 접착제에 한정되지 않고 다양한 접착제를 사용할 수 있다. 즉, 200℃ 내지 300℃의 온도에서 응고되는 것, 초음파와 같은 특정한 가공을 통해 접착되는 것 등 접착제의 종류에 제한 없이 사용할 수 있게 된다.

본 발명의 제1가스켓은 내구성 및 안정성이 충분한 소재를 선택하여 사용하므로 가스켓의 접착 부분에만 국부적으로 가열 또는 기타 접착 공정을 통하여 종래에는 불가능했던 접착 공정이나 방법을 선택할 수 있다.

또한, 제1가스켓의 접착공정에는 가스켓과 막에 접착의 견고함을 높이기 위한 압착 공정을 수행할 수 있다. 가스켓은 상당히 경박, 단소하기 때문에 종래 고무 소재의 경우에는 압착 공정을 할 때 형태가 유지되지 못하고 찢어지거나 파손된다. 그러나 본 발명에서는 상술한 바와 같이 견고한 소재의 제1가스켓을 사용함으로써 압착 공정을 현실적으로 실현할 수 있게 되는 것이다.

상기 제2 가스켓은 상기 제1 가스켓에 비해 탄성계수가 작은 소재를 사용한다. 제2 가스켓은 실질적으로 실링구조가 형성되는 부분으로 바람직하게 실리콘이 사용된다. 그러나, 이에 한정되지 않고 견고한 소재의 제1가스켓과 함께 실링 구조를 이룰 수 있을 정도의 탄성을 지니고 있는 소재라면 모두 가능하다.

상기 제2 가스켓은 분리판에 직접 성형될 수 있다.

고온에서도 견딜 수 있는 금속 또는 열경화성 고분자 재료를 이용한 제1 가스켓의 결합돌기 형상을 막-전극 접합체의 양 측면에 부착하고 맞은 편 분리판에 탄성이 있는 가스켓 소재를 형성함으로써 밀봉 기능을 달성할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 실링 구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명한다.

도3a은 본 발명에 따른 실링 구조를 가지는 연료전지의 일 실시예를 보인 분해사시도이고, 도3b는 도3a의 조립 측면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실링 구조를 가지는 연료전지는 고분자 막(101)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 연료극(양극)(102)과 공기극(음극)(103)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(104)의 양측에 연료극(양극)(102)과 공기극(음극)(103)의 외측면에 수소 연료 및 공기가 흐를 수 있는 유로가 형성되도록 분리판(106)이 밀착되고, 그 분리판(106)과 상기 막-전극 접합체(104) 사이 대응면의 단부에는 기밀을 유지하는 가스켓(107a, 107b)이 개재되어 있다.

본 발명의 실링 구조를 형성하기 위하여 상기 막-전극 접합체(104) 또는 고분자 막(101)의 양 측면 가장자리에 제1 가스켓(107a)을 접착시킨다. 제1 가스켓(107a)은 금속 또는 열경화성 고분자 재료의 견고한 소재로써, 일정 두께와 높이의 돌출부인 결합돌기 형상을 포함한다. 이러한 결합돌기 형상에 의해 연료 또는 공기가 외측으로 누설되지 않도록 이중의 실링이 달성되며, 가스켓의 어긋남이 방지되는 것이다.

막-전극 접합체(104)와 제1 가스켓(107a)의 접착에는 고온에서 응고하거나 내구성이 충분한 접착제(108)를 사용하고 아울러 더욱 견고한 접착을 위해 압착 공정이 병행될 수 있다.

상기 분리판(106)은 치밀질의 카본 플레이트로 된 사각 판재로 되어 있는데, 내측면에는 상기 막-전극 접합체(104)의 양측면에 밀착시 유로가 형성될 수 있도록 복수 개의 유로홈(105)들이 형성되어 있다.

상기 분리판(106)의 내측면에는 유로홈(105)이 형성된 부위의 외측 즉, 내측면 단부에 일정 폭과 깊이로 홈이 형성되어 있다. 상기 홈은 도3a에 도시된 바와 같이 제2가스켓이 성형되는 공간이며, 연료전지의 조립 후에는 도3b에 도시된 바와 같이 본 발명의 실링 구조가 존재하는 공간이 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지를 조립할 때는 막-전극 접합체(104)의 양 측면에 제1 가스켓(107a)을 접착시킨다. 다음으로 분리판(106)의 홈에 제2 가스켓(107b)을 사이에 두고 상기 막-전극 접합체(104)의 양측면으로부터 분리판(106)을 밀착시킨다. 상기 제2가스켓(107b)은 분리판(106)의 홈에 직접 성형된 것일 수 있다. 상기 분리판(106)을 막-전극 접합체(104)에 밀착시킬 때는 유로홈(105)이 형성된 내측면이 서로 마주보도록 밀착시킨다.

이때 막-전극 접합체(104) 측면에 접착된 경화성 소재의 제1 가스켓(107a)의 결합돌기 형상은 분리판(106) 내측면 홈에 삽입되거나 내측면에 성형된 탄성력 있는 소재의 제2 가스켓(107b)과 맞닿아 눌러 실링 라인이 형성되도록 결합된다. 이와 같은 결합으로 제1 가스켓(107a)의 결합돌기 형상과 제2 가스켓(107b)은 도3b 에 도시된 바와 같이 이중의 실링 구조를 이루게 된다.

이러한 실링 구조는 연료전지의 내측 유로(105)에 공급되어 연료극(양극)(102)과 공기극(음극)(103)으로 확산되는 수소 연료 및 공기를 이중으로 차단하여 연료와 공기의 혼합 또는 외부로의 누설을 완벽히 방지할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 실링 구조는 일측면에 연료극(양극)이 접착되고 타측면에 공기극(음극)이 부착된 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체와의 사이에 유로가 형성되도록 양측에 밀착되는 분리판 및 상기 막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되는 가스켓으로 구성되는 연료전지에서, 상기 분리판 내측면에 단부를 따라 일정 깊이의 홈을 형성하고, 상기 막-전극 접합체에 결합돌기 형상을 포함하는 형태의 가스켓을 구비하여, 연료전지의 조립시 막-전극 접합체 가스켓의 결합돌기 형상이 막-전극 접합체와 분리판 사이에 개재되는 가스켓과 맞닿아 누르는 것으로 실링이 완성되도록 하여 연료전지의 조립이 용이하게 이루어질 뿐만 아니라, 종래 가스켓의 어긋남으로 인한 실링 구조상의 결함을 방지할 수 있다. 또한 이중의 실링 효과로 연료와 공기의 누설이 차단되는 장점이 있다.

또한 본 발명의 막-전극 접합체에 접착되는 가스켓으로는 금속 또는 열경화성 고분자 재료를 사용함으로써 접착의 충분한 신뢰성을 위한 일체형 막-전극 접합체의 제작 공정이 가능하다.

Claims (12)

1. 고분자 막(101)과, 상기 고분자 막(101)의 일 측면에 부착되며 연료가 공급되어 전기적인 산화가 일어나는 연료극(양극)(102) 및 상기 고분자 막(101)의 타 측면에 부착되며 공기가 공급되어 전기적인 환원이 일어나는 공기극(음극)(103)을 포함하는 막-전극 접합체(104) 및 상기 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 상기 막-전극 접합체(104)의 양측에 밀착 고정되는 분리판(106)으로 이루어지는 연료전지의 실링구조에 있어서,

   상기 분리판(106)의 내측면 단부에는 홈이 형성되며,

   상기 막-전극 접합체(104)의 양 측면 단부에 결합된 제1 가스켓(107a);과 상기 분리판(106)의 내측면 단부에 결합되며, 상기 제1 가스켓(107a)의 구성 소재에 비해 탄성 계수가 큰 소재로 이루어진 제2 가스켓(107b);이 제1 가스켓(107a)과 대응되는 위치에 형성되어,

   상기 막-전극 접합체(104)와 상기 분리판(106)이 밀착 고정될 때, 상기 제1 가스켓(107a)과 제2 가스켓(107b)이 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1 가스켓(107a)의 상면에는 상기 제2 가스켓(107b)과 접촉되는 결합돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 가스켓(107a)의 재료는 금속, 열경화성 고분자 재료, 테플론으로 이루어지는 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상기 제2 가스켓(107b)의 재료는 실리콘인 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
9. 고분자 막(101)의 일 측면에 연료가 공급이 되어 전기적인 산화가 일어나는 연료극(양극)(102)이 부착되고 타 측면에 공기가 공급되어 전기적인 환원이 일어나는 공기극(음극)(103)이 부착되는 막-전극 접합체(104)에 있어서,

   돌출 형태의 결합돌기를 포함하는 형태의 가스켓(107a)이 상기 막-전극 접합체(104)의 양 측면 단부에 접착되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막-전극 접합체.
10. 고분자 막(101)과, 상기 고분자 막(101)의 일 측면에 부착되며 연료가 공급되어 전기적인 산화가 일어나는 연료극(양극)(102) 및 상기 고분자 막(101)의 타 측면에 부착되며 공기가 공급되어 전기적인 환원이 일어나는 공기극(음극)(103)을 포함하는 막-전극 접합체(104) 및 상기 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 상기 막-전극 접합체(104)의 양측에 밀착 고정되는 분리판(106)으로 이루어지는 연료전지에 있어서,

    상기 분리판(106)의 내측면 단부에는 홈이 형성되며,

    상기 막-전극 접합체(104)의 양 측면 단부에 결합된 제1 가스켓(107a);과 상기 분리판(106)의 내측면 단부에 결합되며, 상기 제1 가스켓(107a)의 구성 소재에 비해 탄성 계수가 큰 소재로 이루어진 제2 가스켓(107b);이 제1 가스켓(107a)과 대응되는 위치에 형성되어 상기 제1 가스켓(107a)과 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지
11. 고분자 막(101)의 일측에 연료극(양극)(102)이 부착되어 있고 타측에 공기극(음극)(103)이 부착되어 있는 막-전극 접합체(104)의 양 측면 단부에 결합돌기를 포함하는 형태의 제1 가스켓(107a)을 접착하는 단계;

    분리판(106)의 내측면 중, 상기 제1 가스켓(107a)에 대응되는 위치에 제2 가스켓(107b)을 성형하는 단계;

    상기 막-전극 접합체(104)의 양면으로부터 상기 분리판(106)을 밀착시키는 동시에, 상기 제1 가스켓(107a)의 결합돌기 형상이 상기 제2 가스켓(107b)을 눌러 고정시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 실링 구조의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,

    상기 막-전극 접합체(104)와 제1 가스켓(107a)의 접착 단계는 상기 막-전극 접합체(104)에 제1 가스켓을 압착시키는 공정과 병행하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 실링 구조의 제조방법.

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