KR100803196B1 - 연료전지용 실링부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 실링부재에 관하여 개시한다. 개시된 연료전지용 실링부재는 전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)과, 상기 각 전극과 각각 접촉되게 설치되는 도전성 플레이트를 구비하는 연료전지에 있어서, 상기 전해질막은 상기 전극들로부터 노출된 연장부분을 포함하며, 상기 전해질막의 연장부분의 양면과 상기 도전성 플레이트 사이에 형성되어 실링하는 가스켓; 및 상기 가스켓을 덮는 코팅층;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 실링부재{Sealing member for fuel cell}

도 1은 종래의 PEMFC의 단위셀의 구조를 보여주는 분리 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 연료전지의 단위 셀의 일부 분리 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 연료전지의 단위 셀의 일부 분리 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 연료전지의 단위 셀의 일부 분리 단면도이다.

본 발명은 고온용 연료전지에서 사용하는 가스켓 구조에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.

고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell)는 다른 연료전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용범위가 넓은 장점을 가진다.

종래의 PEMFC는, 고분자 전해질막의 건조 문제로 인하여, 주로 100 ℃ 이하의 온도에서, 예를 들면 약 80 ℃에서, 작동되어 왔다. 그러나, 약 100 ℃ 이하의 낮은 작동온도로 인하여, 다음과 같은 문제점이 발생하는 것으로 알려져 있다. 즉, PEMFC의 대표적인 연료인 수소부화가스(hydrogen-rich gas)는 천연가스 또는 메탄올과 같은 유기연료를 개질하여 얻는데, 이러한 수소부화가스는 부산물로서 이산화탄소뿐만 아니라 일산화탄소를 함유한다. 일산화탄소는 캐소드와 애노드에 함유되어 있는 촉매를 피독시키는 경향이 있다. 일산화탄소로 피독된 촉매의 전기화학적 활성은 크게 저하되고 그에 따라 PEMFC의 작동효율 및 수명도 심각하게 감소된다. 주목할 점은, 일산화탄소가 촉매를 피독시키는 경향은 PEMFC의 작동온도가 낮을 수록 심화된다는 것이다.

PEMFC의 작동온도를 약 130 ℃ 이상으로 상승시키면, 일산화탄소에 의한 촉매 피독을 줄일 수 있으며, PEMFC의 온도 제어도 매우 용이하게 되므로 가습장치가 필요없으며, 연료개질기의 소형화 및 냉각장치의 단순화가 가능해지고, 그에 따라, PEMFC 발전 시스템 전체를 소형화할 수 있다.

도 1은 종래의 PEMFC의 단위셀의 구조를 보여주는 분리 단면도이다. 도 1을 참조하면, 전해질막(10)의 양면 상에 애노드전극(20) 및 캐소드전극(30)이 각각 배치된다. 전해질막(10), 애노드전극(20) 및 캐소드전극(30)은 막-전극 어셈블리(membrane-electrode assembly: MEA)를 형성한다. 애노드전극(20) 및 캐소드전극(30) 상에는 각각 도전성 플레이트(40, 50)가 배치된다. 도전성 플레이트(40, 50)에는 각각 유로(41, 51)가 형성되며 상기 유로(41, 51)를 통해서 수소 연료 또는 산화제(공기)가 각각 애노드전극(20) 및 캐소드전극(30)으로 공급된다. 전해질막(10)의 양면에서 전극영역 밖에는 가스켓(22, 32)이 배치되어서 전해질막(10) 및 도전성 플레이트(40, 50) 사이의 밀봉(실링)을 한다. 참조번호 21, 31은 가스켓 지지체로서 가스켓(22, 32)을 지지한다. 상기 가스켓 지지체(21, 31)는 폴리이미드 필름을 통상 사용한다.

상기 가스켓(22, 32)은 과불소 고무로 제조되는 데, 이 과불소 고무는 매우 고가이며, 이를 가스켓 지지체(21, 31) 위에 성형하기 위해 고자의 금형이 필요하다. 또한, 가스켓 지지체(21, 31)로 사용되는 폴리이미드 필름은 유연성이 거의 없으며 따라서 도 1에서 표시한 화살표로 표시한 것처럼 연료가 전해질막(10)과 가스켓 지지체(21, 31) 사이를 통과하여 크로스오버를 방지하기가 어렵다. 상기 전해질막(10)에는 이온 전도성을 주기 위해 액상의 산(acid)을 함침하는데, 이 산은 연료전지 반응 중에 외부로 흘러나올 가능성이 있다. 이렇게 흘러나온 산은 도전성 플레이트(40, 50)에 형성된 유로(41, 51)와 가스 메니폴드(미도시)에 설치된 금속 브 리지 피스(bridge piece, 미도시)에 침적되거나 부식을 일으킬 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저가이면서도 실링특성을 개선한 연료전지용 실링부재를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 연료전지용 실링부재는:

전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)과, 상기 각 전극과 각각 접촉되게 설치되는 도전성 플레이트를 구비하는 연료전지에 있어서,

상기 전해질막은 상기 전극들로부터 노출된 연장부분을 포함하며, 상기 전해질막의 연장부분의 양면과 상기 도전성 플레이트 사이에 형성되어 실링하는 가스켓을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 국면에 따르면,

상기 가스켓은 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 제조된다.

본 발명에 따르면, 상기 가스켓은 내산성이며, 열분해온도가 230 ℃ 이상이다.

본 발명에 따르면, 상기 가스켓은 탄성이 25 탄 델타(tan delta) 이하이다.

본 발명에 따르면, 상기 가스켓은 상기 연장부분의 양면과 상기 연장부분의 측면을 일체로 덮는다.

본 발명의 다른 국면에 따르면, 상기 가스켓을 덮는 코팅층을 더 구비한다.

본 발명에 따르면, 상기 코팅층은 상기 전해질막과 동일한 성분이며, 벤족사진 또는 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole: PBI)로 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 코팅층은 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 제조될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 코팅층은 상기 연장부분의 양면과 상기 연장부분의 측면을 덮는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고온용 연료전지 시스템을 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 수 십 ~ 수 백의 단위 셀이 적층된 연료전지의 단위 셀의 일부 단면도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 고온용 연료전지의 단위 셀은 전해질막(110)의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)을 구비한다. 각 전극(120, 130)의 상부에는 도전성 플레이트(140, 150)가 설치된다. 도전성 플레이트(140, 150)에는 연료, 즉 기체 상태의 수소 또는 산화제로서의 공기를 해당 전극(120, 130)에 공급하는 유로(141, 151)가 각각 형성되어 있다.

상기 전해질막(110)은 상기 전극들(120, 130)로부터 노출된 연장부분이 있으며, 전해질막(110)의 연장부분의 양면에는 각각 가스켓(122, 132)이 설치된다.

상기 가스켓(122, 132)은 내산성을 가지며, 열분해 온도가 230 ℃ 이상이다. 또한, 탄성은 25 탄젠트 델타(tangent delta) 이하이다. 여기서 탄젠트 델타는 수지의 기계적 특성을 나타내며, 저장되는 탄성계수에 대한 손실되는 탄성계수의 비를 가리킨다.

상기 가스켓(122, 132)은 고온, 예컨대 130 ℃ 이상에서 사용할 수 있는 고온용으로서, 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 등으로 제조될 수 있다.

도 2에서는 가스켓(122, 132)이 연장부분의 양면에만 설치되어 있으나 반드시 이에 한정하는 것은 아니다. 예컨대, 가스켓이 연장부분의 양면과 연장부분의 측면을 일체로 덮도록 설치될 수도 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 수 십 ~ 수 백의 단위 셀이 적층된 연료전지의 단위 셀의 일부 단면도이며, 제1 실시예의 구성요소와 실질적으로 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 사용하고 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 고온용 연료전지의 단위 셀은 전해질막(110)의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극(120) 및 캐소드 전극(130)을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)을 구비한다. 각 전극(120, 130)의 상부에는 도전성 플레이트(140, 150)가 설치된다. 도전성 플레이트(140, 150)에는 연료, 즉 기체 상태의 수소 또는 산화제로서의 공기를 해당 전극(120, 130)에 공급하는 유로(141, 151)가 각각 형성되어 있다.

상기 전해질막(110)은 상기 전극들(120, 130)로부터 노출된 연장부분이 있으며, 이 연장부분에 MEA 및 도전성 플레이트(140, 150)을 밀봉하는 실링부재가 설치된다. 전해질막(110)의 연장부분의 양면에는 각각 가스켓(122, 132)이 설치되며, 연장부분 상에는 가스켓(122, 132)을 덮는 코팅층(124, 134)이 각각 형성된다. 상기 코팅층(124, 134)은 분리되어 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 연장부분의 양면에서 각각 가스켓(122, 132)을 덮으며, 동시에 연장부분의 측면을 함께 덮도록 일체형으로 된 코팅층(도 4의 224 참조)으로 형성될 수도 있다.

상기 가스켓(122, 132)은 고온, 예컨대 130 ℃ 이상에서 사용할 수 있는 고온용으로서, 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 등으로 제조될 수 있다.

상기 코팅층(124, 134)는 벤족사진(benzoxazine) 또는 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole: PBI)로 형성될 수 있다. 코팅층(124, 134)는 전해질막(110)과 동일한 물질로 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 실링부재를 제조하는 방법을 도 2를 참조하여 설명한다.

먼저, 유리판(미도시) 위에 고온용 전해질막(110)을 고정한다.

이어서, 전해질막(110)의 가스켓 형성위치에 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 중 어느 하나를 도포한다. 상기 유리판을 오븐에 넣고 120 ℃에서 1시간 가열하여 상기 가스켓용 물질을 열경화하여 가스켓, 예컨대 애노드전극측 가스켓(122)을 형성한다.

이어서, 상기 전해질막(110)과 동일한 물질인 벤족사진 또는 PBI를 전해질막(110) 상에서 가스켓(122)를 덮도록 코팅하여 코팅층(124)를 형성한다. 상기 유리판을 110 ℃에서 1시간 열처리하여 코팅층(124)에 포함된 용매(예컨대 DMAc)를 제거한다. 이어서, 오븐온도를 25 ℃로 낮춘후, 오븐으로부터 유리판을 꺼내서 전해질막(110) 상에서 애노드전극(120)측 실링부재를 완성한다.

상기 유리판에 형성된 전해질막(110)을 뒤집어서 상술한 설명과 동일하게 캐소드전극(130)측 실링부재(132, 134)를 완성한다.

본 발명의 제1실시예에 따른 실링부재는 250 ℃ 에서도 안정하며, 또한 재료비가 비교적 저가이므로 경제성이 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 실링부재는 상기 전해질막(110)에 함침된 액상의 산(acid)이 외부로 흘러나오는 것을 억제함으로써 도전성 플레이트의 유로(141, 151)와 금속 브리지 피스(bridge piece, 미도시)에서 산에 의한 침적이나 부식을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 실링부재가 적용되는 수 십 ~ 수 백의 단위 셀이 적층된 연료전지의 단위 셀의 일부 단면도이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 고온용 연료전지의 단위 셀은 전해질막(210)의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극(220) 및 캐소드 전극(230)을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(membrane electrode assembly: MEA)을 구비한다. 각 전극(220,30)의 상부에는 도전성 플레이트(240, 250)가 설치된다. 도전성 플레이트(240, 250)에는 연료, 즉 기체 상태의 수소 또는 산화제로서의 공기를 해당 전극(220, 230)에 공급하는 유로(241, 251)가 각각 형성되어 있다.

상기 전해질막(210)은 상기 전극들(220, 230)로부터 노출된 연장부분이 있으며, 이 연장부분에 MEA 및 도전성 플레이트(240, 250)을 밀봉하는 실링부재가 설치된다. 전해질막(210)의 연장부분의 양면에는 각각 가스켓(222, 232)이 설치되며, 연장부분 상에는 가스켓(222, 232)과 연장부분의 측면을 덮는 코팅층(224)이 형성된다.

상기 코팅층(224)은 일체형으로 형성되어 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 연장부분의 양면에서 각각 가스켓(222, 232)을 덮는 두개의 분리된 코팅층(도 3의 124, 134 참조)으로 형성될 수도 있다.

상기 가스켓(222, 232)은 고온, 예컨대 130 ℃ 이상에서 사용할 수 있는 고온용으로서, 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 등으로 제조될 수 있다.

종래 바이톤의 열분해 온도가 약 200 ℃인 것에 비해 본발명의 가스켓 재료는 열분해온도는 230도 이상으로 고온 작동시 적용가능하며 기존 가스켓인 바이톤과 거의 동일한 탄성력을 지닌 tan delta: <25 을 가지며, 인산,황산과 같은 물질 액체전해질에 대해 내산성을 가져 인산이 도핑된 고온 작동 연료전지에 적용가능한 것이 특징이다.

상기 코팅층(224)은 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 로 형성될 수 있다. 코팅층(224)은 가스켓(222, 232)을 덮으면서 도 1에 화살표로 표 시된 내부실량 불량에 따른 연료의 크로스오버를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 실링부재를 제조하는 방법을 도 4를 참조하여 설명한다.

먼저, 유리판(미도시) 위에 고온용 전해질막(210)을 고정한다.

이어서, 전해질막(210)의 가스켓 형성위치에 가스켓(222)을 고정한다.

에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지 중 적어도 어느 하나 이상을 DMSO, NMP, DMF 등의 용매와 혼합하여 혼합액을 만든다.

주사기로 상기 혼합액을 가스켓(222)의 상부와 측면부 및 전해질막(210)의 연장부분와 측면부를 도포한다.

상기 유리판을 오븐에 넣고 120 ℃에서 1시간 가열하여 상기 혼합액을 열경화하여 코팅층, 예컨대 애노드전극측 코팅층(224)을 형성한다.

이어서, 오븐온도를 25 ℃로 낮춘후, 오븐으로부터 유리판을 꺼내서 전해질막(210) 상에서 애노드전극(220)측 실링부재를 완성한다.

상기 유리판에 형성된 전해질막(210)을 뒤집어서 상술한 설명과 동일하게 캐소드전극(230)측 실링부재(232, 224)를 완성한다. 이때 연장부분의 측면에도 코팅층(224)를 함께 형성할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 실링부재를 구비한 단위셀과 도 1의 실링부재를 구비한 단위셀의 가스 누수실험을 하였다.

가스 누수실험을 위해서 단위셀의 온도를 150 ℃로 올린 후, 연료출구를 플러그로 막고 연료입구로 5 kPa 압력으로 질소가스를 채운 후, 시간경과에 따른 압력강하를 체크하였다. 그 결과, 종래 발명의 단위셀은 4분 경과시 압력강하가 시작되었으나, 본 발명의 제2 실시에에 따른 단위셀은 20 분이 경과해도 압력강하가 일어나지 않았다. 이는 본 발명에 따른 실링부재가 종래발명의 실링부재보다 단위셀을 고온에서 밀봉하는 성능이 더 우수한 것을 보여준다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 실링부재는 그 밀봉효과가 양호하며, 또한 사용하는 재질이 저가이므로 경제적이다. 또한, 본 발명에 따른 실링부재는 전해질막으로부터 용해되는 액상의 산(acid)에 의한 침적이나 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 가스켓 지지체를 제거함으로써 부품수를 줄일 수 있다.

본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 전해질막의 양면에 각각 마련되는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 구비하는 멤브레인 전극 어셈블리(MEA)과, 상기 각 전극과 각각 접촉되게 설치되는 도전성 플레이트 사이를 밀봉하는 연료전지용 실링부재에 있어서,

   상기 전해질막은 상기 전극들로부터 노출된 연장부분을 포함하며, 상기 전해질막의 연장부분의 양면과 상기 도전성 플레이트 사이에 형성되어 실링하는 가스켓; 및

   상기 가스켓을 덮는 코팅층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 실링부재.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 코팅층은 상기 전해질막과 동일한 성분인 것을 특징으로 하는 연료전지용 실링부재.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 코팅층은 벤족사진 또는 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole: PBI)로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 실링부재.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 코팅층은 에폭시 수지, 페놀수지, 우레아 수지, 실리콘 수지로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 어느 하나의 물질로 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지용 실링부재.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 코팅층은 상기 연장부분의 양면과 상기 연장부분의 측면을 덮는 것을 특징으로 하는 연료전지용 실링부재.
11. 제 6 항 내지 제 10 항 중 선택된 어느 한 항에 있어서,

    상기 연료전지용 실링부재를 구비한 연료전지.

Images