KR100786368B1 - 연료전지 스택용 단위전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택용 단위전지를 개시한다. 본 발명에 따르면, 상하로 상호 마주보게 배치된 분리판들; 분리판들 사이에 배치되며, 전해질 막의 상하면에 전극이 각각 형성된 막-전극 어셈블리; 막-전극 어셈블리의 상하면에 배치된 가스 확산층들; 및 분리판들 사이에서 이들에 압착되어 가스 확산층들로 공급된 가스의 누출을 방지하는 것으로, 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들의 둘레를 따라 감싸도록 사출 성형되어 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들에 일체화된 개스킷;을 구비한다.

Description

연료전지 스택용 단위전지{Unit cell for fuel cell stack}
도 1은 종래에 따른 연료전지 스택용 단위전지의 일 예를 도시한 분해 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 단위전지에 대한 분해 사시도.
도 3은 도 2에 대한 단면도.
도 4a 내지 도 4d는 도 3에 도시된 연료전지 스택용 단위전지의 제조방법을 설명하기 위한 도면.
〈도면의 주요 부호에 대한 간단한 설명〉
110..막-전극 어셈블리 120..가스 확산층
130..분리판 140..개스킷
본 발명은 연료전지 스택용 단위전지에 관한 것으로, 실링 특성을 향상시키고, 조립 공수를 줄일 수 있는 연료전지 스택용 단위전지에 관한 것이다.
연료전지는 연료 및 공기의 화학에너지를 전기화학적 반응에 의해 전기 및 열로 직접 변환시키는 장치로서, 기존의 발전 기술과는 달리 연소 과정이나 터빈 등과 같은 구동 장치가 없으므로, 효율이 높을 뿐만 아니라 환경 문제를 유발하지 않는 신개념의 발전 기술이다.
연료전지의 작동원리를 간단히 살펴보면, 산화 전극에 연료 가스, 예컨대 수소 가스가 공급되어 전기화학적 산화반응이 일어나면, 수소 이온과 전자로 이온화되면서 산화된다. 이렇게 이온화된 수소 이온은 전해질 막을 통하여 환원 전극으로 이동하게 되고, 전자는 외부 회로를 통하여 환원 전극으로 이동한다. 이때, 환원 전극으로 이동한 수소 이온은 환원 전극에 공급되는 공기 등에 포함된 산소와 전기화학적으로 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 되고, 외부 회로를 통해 이동하는 전자는 전류를 발생시켜 전력으로 이용된다.
이러한 연료전지는 다양한 형태가 있는데, 주로 사용되고 있는 한가지 형태가 양자교환막(PEM; Proton Exchange Membrane)을 이용한 PEM 연료전지이다. PEM 연료전지는 간단하고 콤팩트한 연료전지로서, 내구성이 강하고 상온과 크게 다르지 않은 온도에서 작동하며, 연료, 공기, 냉매의 공급에 복잡한 제한이 필요 없기 때문에 자동차용으로 가장 많이 연구되고 있다.
현재 하나의 연료전지로는 비교적 낮은 전류를 얻을 수 있는 수준이므로, 자동차 모터 등을 구동할 수 있는 소정의 전류를 얻기 위하여, 다수의 연료전지를 연결하여 구성한 연료전지 스택이 주로 사용된다. 즉, 연료전지 스택은 연료전지를 각 단위전지로 하여 다수의 단위전지를 적층한 구성으로 이루어진다.
도 1은 종래에 따른 연료전지 스택용 단위전지의 일 예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 연료전지 스택용 단위전지(10)는, 고분자 전해질 막의 양면에 산화 전극과 환원 전극이 각각 형성된 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 11)와, 막-전극 어셈블리(11)의 양면에 각각 배치된 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, 12)들과, 가스 확산층(12)들의 각 외면에 배치된 분리판(13)들을 기본적으로 구비하고 있다.
그리고, 단위전지(10)는, 가스 확산층(12)을 통해 전극들로 전달되는 반응 가스의 누출을 방지하기 위해 개스킷(gasket, 14)들을 구비하고 있다. 여기서, 개스킷(14)은 도시된 바에 따르면, 분리판(13)들의 각 내측 면에 결합하고 있는데, 이를 위해, 종래에 따르면, 고무 재료를 압축 성형하여 별도로 개스킷(14)을 제조한 후 분리판(13)의 홈(13a)에 끼우는 방법이나, 각 홈(13a)에 상온 경화형 실리콘을 디스펜싱하여 개스킷(14)을 형성하는 방법이 주로 이용되고 있다.
이러한 구성을 갖는 단위전지(10)는 다음과 같은 조립 과정을 거쳐 조립된다. 먼저, 분리판(13)들의 각 홈(13a)에 개스킷(14)을 끼우거나 형성해 둔다. 그 다음, 어느 하나의 분리판(13)에 가스 확산층(12), 막-전극 어셈블리(11), 가스 확산층(12) 순으로 쌓는다. 그 다음, 다른 분리판(13)을 덮은 후 분리판(13)들 사이를 체결하여 조립을 완료한다.
그런데, 전술한 종래에 따르면, 분리판(13)들의 각 홈(13a)에 개스킷(14)을 끼우거나 형성해 두어야 하므로, 이에 따른 조립 공수가 다소 많아질 수 있다. 그 리고, 개스킷(14)이 각각의 분리판(13)에 마련됨에 따라, 어느 하나의 분리판(13)에 마련된 개스킷(14)과 다른 분리판(13)에 마련된 개스킷(14) 사이의 위치가 정렬되지 않은 상태로, 분리판(13)들 사이가 조립될 가능성이 있다. 이 경우, 분리판(13)들 사이가 조립된 상태에서 개스킷(14)들에 가해지는 힘이 불균형을 이룸에 따라, 개스킷(14)들과 분리판(13)들 사이에 간극이 발생하여 실링 특성이 저하됨으로써, 반응가스의 누출이 발생하는 문제가 있을 수 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 개스킷을 막-전극 어셈블리 및 가스 확산층에 일체화시킴으로써, 조립 공수를 줄일 수 있으며, 개스킷의 실링 특성을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택용 단위전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지 스택용 단위전지는, 상하로 상호 마주보게 배치된 분리판들; 상기 분리판들 사이에 배치되며, 전해질 막의 상하면에 전극이 각각 형성된 막-전극 어셈블리; 상기 막-전극 어셈블리의 상하면에 배치된 가스 확산층들; 및 상기 분리판들 사이에서 이들에 압착되어 상기 가스 확산층들로 공급된 가스의 누출을 방지하는 것으로, 상기 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들의 둘레를 따라 감싸도록 사출 성형되어 상기 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들에 일체화된 개스킷;을 구비한다.
삭제
이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택용 단위전지를 상세히 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 스택용 단위전지는, 다수 개로 적층되어 연료전지 스택을 구성하는 어느 하나의 단위전지에 해당하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택용 단위전지에 대한 분해 사시도이며, 도 3은 도 2에 대한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 연료전지 스택용 단위전지(100)는, 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 110)를 사이에 두고 상하로 상호 마주보게 배치된 분리판(130)들과, 막-전극 어셈블리(110)의 양면에 배치된 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, 120)들, 및 분리판(130)들 사이에 개재된 개스킷(gasket, 140)을 포함하여 구성된다.
막-전극 어셈블리(110)는 전해질 막의 상하면에 전극이 각각 형성된 구성을 갖는다. 여기서, 전해질 막의 상하면 중 어느 한 면에 형성된 전극은 산화 전극의 역할을 수행하며, 다른 면에 형성된 전극은 환원 전극의 역할을 수행한다. 산화 전극은 수소 가스 또는 연료 가스(이하 산화 가스라 함)를 공급받아서 산화시켜 수소 이온과 전자를 생성함으로써, 생성된 수소 이온이 전해질 막을 통하여 환원 전극으로 이동하게 하고, 전자는 외부 회로를 통하여 환원 전극으로 이동하게 한다. 이때, 외부 회로를 통해 이동하는 전자는 그 흐름으로 인해 전기 에너지를 발생시키게 된다.
그리고, 환원 전극은 산소 가스 또는 산소(이하 환원 가스라 함)가 포함된 공기를 공급받아서 상기 산화 전극으로부터 전해질 막을 통해 이동한 수소 이온을 환원시켜 반응열과 물을 발생시키게 한다. 이러한 산화 전극과 환원 전극에는 산화 반응과 환원 반응을 촉진할 수 있게 촉매가 더 포함될 수 있다. 전해질 막은 고분자 전해질 막으로 이루어질 수 있으며, 전술한 바와 같이 산화 전극에서 생성된 수소 이온을 환원 전극으로 이동시키는 이온 교환을 가능하게 한다.
이러한 전해질 막과 전극들을 구비한 막-전극 어셈블리(110)는 그 양측 가장자리에 관통 홀이 다수 형성된다. 상기 관통 홀은 후술할 분리판(130)들에 각각 형성된 관통 홀과 연통이 됨으로써, 산화 가스와 환원 가스의 공급을 위한 가스 공급로(150)들을 한정하게 된다.
분리판(130)들은 도전성 소재로 각각 이루어지며, 바이폴라(bipolar) 플레이트라고도 한다. 이러한 분리판(130)들은 다수의 단위전지들이 적층되어 구성된 연료전지 스택에 있어서 인접한 단위전지들 사이를 전기적으로 연결하는 역할을 수행하기도 한다.
그리고, 분리판(130)들은 막-전극 어셈블리(110)를 향한 내측 면에 홈 형상의 가스 유로(131)가 각각 형성된다. 여기서, 산화 전극에 마주한 가스 유로는 산화 가스를 공급하기 위한 가스 공급로와 도시되어 있지는 않지만 연통이 되어, 산화 전극으로 산화 가스를 공급한다. 그리고, 환원 전극에 마주한 가스 유로는 환원 가스를 공급하기 위한 가스 공급로와 도시되어 있지는 않지만 연통이 되어, 환원 전극으로 환원 가스를 공급한다. 한편, 가스 유로(131)는 도시된 바에 한정되지 않고 다양한 형태로 형성될 수 있다.
가스 확산층(120)들은 막-전극 어셈블리(110)의 상하 양면에 하나씩 나뉘어 배치된다. 여기서, 가스 확산층(120)들 중 하나는 산화 전극에 대응되게 형성됨으로써 공급받은 산화 가스를 산화 전극으로 용이하게 확산시키는 역할을 하며, 다른 하나는 환원 전극에 대응되게 형성됨으로써 공급받은 환원 가스를 환원 전극으로 용이하게 확산시키는 역할을 한다.
개스킷(140)은 도 3에 도시된 바와 같이, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들의 둘레를 따라 이들을 감싸도록 형성된다. 즉, 개스킷(140)은 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들의 측면과 상하면에 걸쳐 형성됨으로써, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들과 일체화된 구조로 이루어진다.
이러한 개스킷(140)은 분리판(130)들 사이가 조립된 상태에서, 상측에 위치한 가스 확산층(120)과 분리판(130) 사이와, 하측에 위치한 가스 확산층(120)과 분리판(130) 사이에서 각각 압착됨으로써, 기밀을 유지할 수 있게 되는 것이다. 따라서, 개스킷(140)은 가스 공급로(150)들과 가스 유로(131)들을 거쳐 가스 확산 층(120)들로 공급되는 산화 가스와 환원 가스의 누출을 방지하여 단위전지(100)의 효율을 높이고 안전을 확보할 수 있게 될 뿐 아니라, 단위전지(100) 내에서 전기화학 반응으로 발생하는 부산물의 누출을 방지할 수 있게 된다.
상기 개스킷(140)은 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들과 일체화된 구조로 이루어지도록, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들에 사출 성형되어 형성될 수 있다. 여기서, 개스킷(140)은 각종 고무 소재, 바람직하게는 실리콘계 불소 고무 소재로 이루어질 수 있다. 실리콘계 불소 고무 소재는 사출 성형이 용이한 실리콘계 고무와, 단위전지(100)가 강산을 띠는 경우 실리콘계 고무가 가수 분해됨에 따라 촉매 피독 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 불소를 함유한 소재이다.
이처럼 본 실시예에 따르면, 개스킷(140)이 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들과 일체화됨에 따라, 도 1에 도시된 종래와 비교할 때 분리판들의 각 홈에 개스킷을 끼우는 과정이 생략될 수 있는바, 조립 공수가 절감될 수 있다.
뿐만 아니라, 본 실시예에 따르면, 개스킷(140)이 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들의 둘레를 따라 감싸도록 형성됨에 따라, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들과 일체화된 개스킷(140)을 사이에 두고 분리판(130)들을 체결하여 조립하는 과정에서, 상측에 위치한 분리판(130)에 대응되는 상측 부위와, 하측에 위치한 분리판(130)과 대응되는 하측 부위 사이의 위치가 항시 정렬된 상태에 있을 수 있다. 따라서, 분리판(130)들 사이가 조립된 상태에서, 개스킷(140)의 상측 및 하측에 힘이 고르게 가해져 개스킷(140)이 분리판(130)들에 각 각 압착될 수 있는바, 개스킷(140)의 실링 효과가 충분히 발휘되고 향상될 수 있다.
상기와 같이 구성된 연료전지 스택용 단위전지(100)를 제조하는 방법을 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 막-전극 어셈블리(110)를 마련한 다음, 마련된 막-전극 어셈블리(110)의 상하면에 대응되게 가스 확산층(120)들을 배치한다. 여기서, 막-전극 어셈블리(110)는 전해질 막의 상하면에 전극을 각각 형성한 것으로, 가스 확산층(120)들과 함께 미리 마련해둔 것이다. 이러한 막-전극 어셈블리(110)의 각 전극에 대응되도록, 가스 확산층(120)들을 하나씩 나뉘어 배치한다.
그 다음, 도 4b에 도시된 바와 같이, 가스 확산층(120)들과 막-전극 어셈블리(110)의 둘레를 따라 감싸도록 개스킷(140)을 형성하여 이들에 일체화시킨다. 여기서, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들의 측면과 상하면에 걸쳐 액상 사출 성형기를 이용하여 액상 고무 소재로서 개스킷(140)을 형성한다. 액상 고무 소재로는 사출 성형이 용이하고 촉매 피독 현상이 방지될 수 있는 실리콘계 액상 불소 고무 소재가 이용되는 것이 바람직하다.
이렇게 개스킷(140)을 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들과 미리 일체화시켜 두게 되면, 추후 수행되는 조립 공정을 단순화시킬 수 있게 된다. 뿐만 아니라, 분리판(130)들 사이를 조립하는 과정에서, 개스킷(140)에 있어 분리판(130)들에 각각 대응되는 부위들 사이의 위치가 항시 정렬된 상태로 있게 되므로, 후술하겠지만 분리판(130)들 사이가 조립된 상태에서 실링 효과가 충분히 발휘 될 수 있다.
그 다음, 도 4c에 도시된 바와 같이, 막-전극 어셈블리(110)와 가스 확산층(120)들에 일체화된 개스킷(140)을 분리판(130)들 사이에 배치한다. 여기서, 분리판(130)들은 도전성 소재로 이루어지며, 적어도 일 측면에 소정 패턴으로 이루어진 홈 형상의 가스 유로(131)를 형성하여 미리 마련해둔 것이다.
그 다음, 도 4d에 도시된 바와 같이, 분리판(130)들 사이를 도시하지는 않았지만 나사 체결 등에 의해 체결하여 조립한다. 여기서, 분리판들(130) 사이를 조립한 상태에서는, 개스킷(140)의 상측 및 하측 부위가 분리판(130)들에 각각 압착된 상태를 유지하도록 함으로써, 기밀을 유지할 수 있게 한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따르면, 개스킷이 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들에 일체화됨에 따라, 종래에 분리판들의 각 홈에 개스킷을 끼우는 구조에 비해 조립 공수가 절감될 수 있다. 그리고, 개스킷이 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들의 둘레를 따라 감싸도록 형성됨에 따라, 개스킷을 사이에 두고 분리판들을 체결하여 조립하는 과정에서, 개스킷에 있어 분리판들에 각각 대응되는 부위들 사이의 위치가 항시 정렬될 수 있다. 따라서, 분리판들 사이가 조립된 상태에서, 개스킷의 상측 및 하측에 힘이 고르게 가해져 개스킷이 분리판들에 각각 압착될 수 있는바, 개스킷의 실링 효과가 충분히 발휘되고 향상될 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다 양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 상하로 상호 마주보게 배치된 분리판들과, 상기 분리판들 사이에 배치되며, 전해질 막의 상하면에 전극이 각각 형성된 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리의 상하면에 배치된 가스 확산층들과, 상기 분리판들 사이에서 이들에 압착되어 상기 가스 확산층들로 공급된 가스의 누출을 방지하는 개스킷을 구비하는 연료전지 스택용 단위전지에 있어서,
    상기 개스킷은 상기 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들의 둘레를 따라 감싸도록 사출 성형되어, 상기 막-전극 어셈블리와 가스 확산층들에 일체화된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 단위전지.
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  3. 삭제
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