KR100821033B1 - 연료전지 스택 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로, 특히 새로운 밀봉 구조를 구비한 연료전지 스택 및 이 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지 스택은 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체와, 연료 또는 산화제의 유동을 위한 유로를 구비하며 막전극집합체에 밀착되는 세퍼레이터와, 세퍼레이터 및 막전극집합체 사이에 적층되는 이층 구조의 밀봉부재를 포함한다.
연료전지, PEFC, 밀봉부재(sealant), 2층 구조, 고무, 실리콘

Description

연료전지 스택 및 그 제조방법{Fuel cell stack and manufacturing method thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 개략적인 사시도.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 채용된 밀봉부재를 설명하기 위한 부분확대 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 운전 압력을 설명하기 위한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 막전극집합체
20 : 세퍼레이터
21 : 안착홈
30a, 30b : 엔드 플레이트
40 : 체결수단
50 : 밀봉부재
100 : 연료전지 스택
본 발명은 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로, 특히 새로운 밀봉 구조를 구비한 연료전지 스택 및 이 연료전지 스택의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 무공해 전력 공급장치로서 차세대 청정 에너지 발전 시스템 중의 하나로 각광받고 있다. 연료전지를 이용한 발전 시스템은 대형 건물의 자가발전기, 전기자동차 전원, 이동 전원(portable power supply) 등으로 이용될 수 있고, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있다. 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되며, 내부 전해질(electrolyte)에 따라, 인산형, 알칼리형, 고분자 전해질형, 직접 메탄올형 및 고체 산화물형으로 구분된다.
전술한 연료전지 중에서 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell: PEMFC)는 고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며 단위면적당 높은 전류밀도를 얻을 수 있고, 게다가 다른 종류의 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고 작동 온도가 낮기 때문에 자동차 등에 전력을 공급하기 위한 이동용 전원, 주택이나 공공건물 등에 전력을 주택이나 공공건물 등에 전력을 공급하기 위한 분산용 전원, 및 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서 그것에 대한 연구가 활발히 추진되고 있다. 그리고 직접 메탄올형 연료전지는 연료 개질기를 사용하지 않고 메탄올과 같은 액상연료를 직접 이용하며 100℃ 미만의 작동온도에서 운전되므로 휴대용이나 소형 전원으로 적합하다는 장점이 있다.
전술한 고분자 전해질형 연료전지는 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 전극들 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA) 복수개를 세퍼레이터(separator)를 게재하여 적층한 스택(stack) 구조로 주로 제작된다. 연료전지 스택 제작시 막전극집합체와 세퍼레이터 사이에는 밀봉부재가 삽입되며, 밀봉부재(sealant)는 세퍼레이터에 설치된 유로를 통해 유동하는 연료 또는 산화제의 누설을 방지하고 외부 공기의 유입을 방지한다.
일반적으로 연료전지 스택은 수지(resin)와 같이 어느 정도의 탄성이 있는 물질을 토출 및 경화, 압착해서 밀폐성을 유지하는 방식이나, 토출 및 압착 후, 경화를 거치는 방식이나, 또는 O-링 타입의 개스킷(gasket)을 이용하는 방식으로 밀봉된다. 하지만, 토출 및 경화, 압착하는 방식은 경화 시간이 오래 걸리며, 균일한 토출 상태를 유지하기 어려운 단점이 있고, 토출 및 압착 후 경화하는 방식은 비교적 두껍게 도포된 밀봉부재가 아직 경화하지 않은 상태에서 스택을 조립해야 하므로 부품들을 제위치에 정밀하게 안착시킬 수 없고 따라서 막전극집합체나 세퍼레이터가 밀봉부재에 의해 오염될 수 있는 단점이 있다. 특히 부품이 오염되는 경우는 부품의 낭비가 증가할 수 있다. 또한 O-링 타입의 개스킷을 이용하는 방식은 개스킷 제작에 한계가 있기 때문에 스택 설계와 제작 공정에서 제약이 따르는 단점이 있다. 따라서 기존의 연료전지 스택은 부품의 소재나 구조상의 이유로 외부 충격에 의해 부품 자체 또는 부품 간에 균열이 쉽게 발생하고 그것에 의해 누설(leakage)이 발생하는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 연료 또는 산화제가 외부로 누설되지 않고 부품을 오염시키지 않는 새로운 구조의 밀봉부재를 구비한 연료전지 스택 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 외부 충격 또는 부품의 균열로 인하여 발생하는 누설의 위험까지도 방지할 수 있는 밀봉부재를 구비한 연료전지 스택 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체; 연료 또는 산화제의 유동을 위한 유로를 구비하며 막전극집합체에 밀착되는 세퍼레이터; 및 세퍼레이터와 막전극집합체 사이에 적층되는 이층 구조의 밀봉부재를 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.
바람직하게, 밀봉부재의 제1 층 및 제2 층은 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 밀봉부재의 제1 층 및 제2 층은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
상기 밀봉부재의 제1 층은 세퍼레이터측에 위치하며, 밀봉부재의 제2 층의 두께는 제1 층의 두께보다 얇다.
상기 세퍼레이터는 밀봉부재가 안착되는 안착홈을 구비할 수 있다.
상기 연료는 메탄올과 같은 액체상 연료 또는 수소 가스와 같은 기체상 연료를 포함한다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어진 막전극집합체를 준비하는 단계; 연료 또는 산화제의 유동을 위한 유로를 구비하며 막전극집합체에 결합될 세퍼레이터를 준비하는 단계; 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 형성하는 단계; 제1 층 밀봉부재 상에 제2 층 밀봉부재를 도포하는 단계; 및 제2 층 밀봉부재의 경화 전에 세퍼레이터와 막전극집합체를 접합하는 단계를 포함하는 연료전지 스택 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 위치시키는 단계는 반경화 형태의 밀봉부재를 세퍼레이터 상에 도포한 후 경화시키는 공정을 포함할 수 있다. 또한, 상기 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 위치시키는 단계는 경화된 형태의 밀봉부재를 세퍼레이터 상에 놓는 공정을 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터를 준비하는 단계는 제1 층 밀봉부재가 끼워질 안착홈을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터와 막전극집합체를 접합시키는 단계는 막전극집합체의 양면 상에 위치하는 최외측의 한 쌍의 세퍼레이터에 접하도록 엔드 플레이트를 위치시키고 한 쌍의 엔드 플레이트를 체결 수단에 의해 체결하는 공정을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 개략적인 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 막전극 집합체(membrane electrode assembly, MEA, 10), 바이폴라 플레이트(bipolar plate, BP, 20), 두 개의 모노폴라 플레이트(monopolar plates), 한 쌍의 엔드 플레이트(30a, 30b), 후술되는 밀봉부재(gasket), 및 체결수단(50)을 포함하여 이루어진다. 본 실시예에서 BP(20)가 생략되면, 연료전지 스택(100)은 하나의 단위 전지를 구비한 연료전지에 대응될 수 있다.
본 실시예의 연료전지 스택(100)은 스택 제작시 MEA(10) 특히 MEA(10)의 전해질막과 BP(20)와의 사이에 설치되는 밀봉부재가 2층 구조로 형성되는 것을 주된 특징으로 한다. 밀봉부재는 아래에서 상세히 설명될 것이다.
도 2는 도 1의 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 MEA(10)는 애노드 전극(11), 캐소드 전극(12), 및 이들 애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12) 사이에 위치하는 전해질막(13)을 포함한다. 전해질막(13)은 연료 매니폴드(23a, 23b)와 산화제 매니폴드(24a, 24b)의 형성을 위한 개구부를 구비한다.
애노드 전극(11)은 촉매층(catalyst layer), 미세기공층(microporous layer) 및 지지층(backing layer)을 포함하여 이루어질 수 있다. 유사하게, 캐소드 전극(12)도 촉매층, 미세기공층 및 지지층을 포함하여 이루어질 수 있다.
애노드 전극(11)과 캐소드 전극(12)의 촉매층은 공급되는 연료 또는 산화제가 화학적으로 빠르게 반응할 수 있도록 반응 촉진 역할을 담당한다. 촉매층은 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 한편으로, 촉매층은 담지체에 담지된 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 및 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 전이금속)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 촉매를 포함할 수 있다. 담지체는 전도성을 가지는 물질이라면 어느 것이라도 좋으나, 탄소 담지체인 것이 바람직하다.
애노드 전극(11) 및 캐소드 전극(12)의 미세기공층은 각 촉매층으로 연료 또는 산화제가 골고루 분산 공급되도록 작용하며, 특히 캐소드측 미세기공층은 캐소드측 촉매층에서 생성된 물을 원활하게 배출할 수 있도록 작용한다. 전술한 각 미세기공층은 각 지지층 상에 코팅된 탄소층(carbon layer)으로 구현될 수 있다. 또한 각 미세기공층은 흑연, 탄소나노튜브(CNT), 플러렌(C60), 활성탄소, 벌칸, 케첸블랙, 카본블랙 및 탄소나노혼(carbon nano horn)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄소물질을 포함할 수 있고, 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(테트라플루오로에틸렌) 및 플로리네이티드 에틸렌-프로필렌으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 바인더를 더 포함할 수 있다.
애노드 전극(11) 및 캐소드 전극(12)의 지지층은 각 촉매층을 지지하는 역할을 하면서 연료, 물, 공기 등의 분산 작용과, 생성된 전기의 집전 작용, 및 각 촉매층 물질의 소실 방지 작용을 한다. 전술한 지지층은 탄소천(carbon cloth), 탄소종이(carbon paper)와 같은 탄소 기재로 구현될 수 있다.
전해질막(13)으로 제작가능한 수소이온 전도성 고분자로는 불소계 고분자, 케톤계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 에스테르계 고분자, 아미드계 고분자, 이미드계 고분자, 설폰계 고분자, 스티렌계 고분자, 탄화수소 고분자 등이 있다. 수소이온 전도성 고분자의 구체적인 예로는 폴리(퍼플루오로설폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 설폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-(m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸) (poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole)), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 폴리이미드, 폴리설폰, 폴리스티렌, 폴리페닐렌 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 전해질막(13)은 수소 이온의 효과적인 통과를 위하여 0.1㎜ 이하의 두께를 갖는 것이 바람직하다.
전해질막(13)의 제조에는 용매를 사용할 수 있는데, 이때 사용가능한 용매로는 에탄올, 이소프로필알코올, n-프로필알코올 및 부틸알코올의 알코올, 물, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸아세트아마이드(DMAc) 및 N-메틸피롤리돈(NMP)로 이루어진 군에서 선택된 단독 및 2종 이상의 혼합용매가 있다.
다시 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 BP(20)는 MEA(10)로 공급되는 수소 등의 연료나 산소 등의 산화제의 통로를 형성하면서 인접 한 단위 전지들을 전기적으로 연결하는 커넥터 역할을 담당한다. 이를 위해 BP(20)의 일면에는 구불구불한 형태의 연료유동유로(21)가 설치되고, 그 타면에는 구불구불한 형태의 산화제유동유로(22)가 설치된다. 연료유동유로(21)와 산화제유동유로(22)는 구불구불한 형태 외에 적용가능한 다양한 모양으로 형성될 수 있고 또한 서로 다른 모양으로 각각 형성될 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 양면에 연료유동유로(21)와 산화제유동유로(22)가 일체로 형성되어 있는 바이폴라 플레이트(20)와 함께 일면에 연료유동유로(21)이 형성되어 있는 제1 모노폴라플레이트(20a)와 일면에 산화제유동유로(22)가 형성되어 있는 제2 모노폴라플레이트(20b)를 포함한다. 제1 모노폴라플레이트(20a)는 연료유동유로(21)가 적층 방향에서 한쪽 최외측에 위치하는 MEA(10)의 애노드 전극(11)과 마주하도록 설치되며, 제2 모노폴라플레이트(20b)는 산화제유동유로(22)가 적층 방향에서 다른쪽 최외측에 위치하는 MEA(10)의 캐소드 전극(12)과 마주하도록 설치된다. 이하의 설명에서는 제1 및 제2 모노폴라플레이트(20a, 20b)에 대하여 별도로 언급하지 않고 BP(20)에 포함된 것으로 가정하고 설명한다. 아울러 이하의 설명에서 BP(20)는 세퍼레이터(separator)로도 언급된다.
전술한 BP(20)는 흑연, 카본(carbon), 내식성이 우수한 물질이 표면 코팅된 금속, 또는 내식성이 강한 합금 등의 재료를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들면, 본 발명은 스테인리스(stainless) 강의 표면에 도전성 금속 미립자가 부동태피박을 뚫고 돌출된 구조의 스테인리스 강 BP 부품을 이용할 수 있다.
전술한 MEA(10) 및 BP(20)의 적층 구조는 연료유동을 위한 연료 매니폴 드(31a, 31b)와 산화제유동을 위한 산화제 매니폴드(32a, 32b)를 구비한다. 이를 위해, 각각의 MEA(10) 및 각각의 BP(20)는 연료 매니폴드(31a, 31b)와 산화제 매니폴드(32a, 32b) 형성을 위한 개구부를 구비한다. 연료 매니폴드(31a, 31b)는 BP(20)의 연료유동유로(21)에 연결되고, 산화제 매니폴드(32a, 32b)는 BP(20)의 산화제유동유로(22)에 연결된다.
다시 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택은 MEA(10)와 BP(20)의 적층 구조에서 한쪽 최외측 BP(20a)의 타면에 위치하는 제1 엔드플레이트(30a)와 다른쪽 최외측 BP(20b)의 타면에 위치하는 제2 엔드플레이트(30b)를 포함한다. 제1 엔드플레이트(30a) 및 제2 엔드플레이트(30b)에는 연료 매니폴드(23a, 23b)에 각각 연결되는 유입공(31a)과 유출공(31b) 그리고 산화제 매니폴드(24a, 24b)에 각각 연결되는 유입공(32a)과 유출공(32b)이 형성된다. 제1 엔드플레이트(30a) 및 제2 엔드플레이트(30b)는 체결수단(50)에 의해 가해지는 압력을 분배하여 스택의 적층 방향과 적층 반대방향에서 스택 양면에 거의 균일한 체결압을 제공한다. 체결수단(50)은 금속띠, 볼트와 너트 등의 수단이 이용될 수 있다.
전술한 제1 엔드플레이트(30a) 및 제2 엔드플레이트(30b)는 열 경화성 및 열 가소성 수지에 유리 필러(filler)를 섞어 사용한 재료나 앞서 설명한 제1 및 제2 모노폴라플레이트(20a, 20b)와 단일 몸체로 PPS(polyphenylene sulfide)에 의해 구현된 부품이 사용될 수 있다. 한편 연료유동을 위한 유입공(31a)과 유출공(31b) 및 산화제유동을 위한 유입공(32a)과 유출공(32b)은 한 쌍의 엔드플레이트(30a)를 관통하도록 형성되는 방식 이외에 스택 구조의 측면에 형성될 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 MEA(10)와 BP(20)와의 사이에 위치하며 연료 흐름을 관장하는 MEA(10)의 확산층을 밀봉하기 위한 밀봉부재(gasket, 40)을 포함한다. 밀봉부재(40)은 애노드 전극(11) 또는 캐소드 전극(12)이 형성되어 있는 MEA(10)의 액티브 영역, BP(20)의 연료유동유로(21) 또는 산화제유동유로(22)가 형성되어 있는 영역, 연료 매니폴드(23a, 23b)가 형성되어 있는 영역, 및 산화제 매니폴드(24a, 24b)가 형성되어 있는 영역에 대응하는 개구부(41)를 구비한다. 전술한 밀봉부재(40)는 탄성이 우수하고 열 사이클에 대한 응력의 유지력이 우수한 재료로 이루어지며, 특히 견고한 밀폐성 확보를 위하여 2층 구조로 형성된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 채용된 밀봉부재를 설명하기 위한 부분확대 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 밀봉부재(40)는 2층 구조로 이루어지며, 제1 층 밀봉부재(40a)는 세퍼레이터(20)에 접합되고, 제2 층 밀봉부재(40b)는 전해질막(13)에 접합된다. 구체적으로, 제1 층 밀봉부재(40a)는 전해질막(13)과 BP(20)와의 사이에 위치하며 연료 또는 산화제가 통과하는 MEA(10)의 확산층을 적절히 밀봉할 수 있는 형태를 구비한다. 제1 층 밀봉부재(40a)의 재료로는 고무나 고분자를 이용한 재료 예컨대, 에틸렌프로필렌 고무(EPDM), 실리콘, 실리콘계 고무, 아크릴계 고무, TPE(thermoplastic elastomer) 등이 사용가능하다. 제2 층 밀봉부재(40b)는 BP(20)에 부착되어 있는 제1 층 밀봉부재(40a) 상부에 위치하며, 제1 층 밀봉부재(40a)가 부착되어 있는 BP(20)와 MEA의 전해질막(13)을 접합하는 데 사용된다. 제2 층 밀봉부재(40b)는 밀폐성 확보를 위해 먼저 세퍼레이터(20)에 접합된 제1 층 밀봉부재(40a)와 MEA(10)의 전해질막(13)과의 접착제 역할을 한다. 이와 같은 이유로 제2 층 밀봉부재(40b)의 평균 두께는 제1 층 밀봉부재(40a)의 평균 두께보다 얇은 것이 바람직하다. 제2 층 밀봉부재(40b)의 재료로는 고무, 아크릴계, 실리콘계 재료 등이 사용가능하다.
한편 제1 층 밀봉부재(40a)의 용이한 정렬을 위하여 본 발명의 세퍼레이터(20)는 안착홈(21)을 구비할 수 있다. 안착홈(21)은 제1 층 밀봉부재(40a)가 원하는 위치에 배치되도록 세퍼레이터(20)의 대응 표면에서 소정 개수의 홈이나 슬롯(slot) 또는 제1 층 밀봉부재(40a)에 대응하는 패턴의 오목부로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법의 순서도이다.
도 4를 참조하여 본 발명의 연료전지 스택 제조방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어진 막전극집합체(MEA)를 준비한다(S10). 그리고 연료 또는 산화제의 유동을 위한 유로를 구비한 세퍼레이터를 준비한다(S20). 본 단계는 제1 층 밀봉부재가 끼워질 안착홈을 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 세퍼레이터에 사용가능한 재료로는 흑연, 카본(carbon), 내식성이 우수한 물질이 표면 코팅된 금속, 또는 내식성이 강한 합금 등이 있다.
다음, 준비된 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 고정시킨다(S30). 본 단계는 반경화 상태의 밀봉부재를 세퍼레이터 상에 도포한 후 열, 자외선 등의 방식으로 경화시키는 공정을 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 본 단계는 경화된 형태의 밀봉부재를 안착홈이나 접착 테이프를 이용하여 세퍼레이터 상에 올려놓는 공정을 포함할 수 있다. 제1 층 밀봉부재에 사용가능한 재료로는 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 아크릴계 고무 등이 있다.
다음, 제1 층 밀봉부재 상에 제2 층 밀봉부재를 도포한다(S40). 제2 층 밀봉부재에 사용가능한 재료로는 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 아크릴계 고무 등이 있다. 제2 층 밀봉부재는 제1 층 밀봉부재와 동일한 재료를 사용하거나 다른 재료를 사용할 수 있다.
다음, 제2 층 밀봉부재의 경화 전에 세퍼레이터와 막전극집합체를 접합한다(S50). 본 단계는 막전극집합체의 양면 상에 위치하는 최외측 세퍼레이터들에 한 쌍의 엔드 플레이트를 위치시키고 체결 수단으로 앞서 준비된 스택 구조를 체결하는 공정을 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 운전 압력을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 본 발명의 밀봉부재를 구비한 연료전지 스택(P1)과 기존의 1층 구조의 밀봉부재를 구비한 연료전지 스택(P2)을 비교하여 실험하였다. 스택의 밀봉(sealing) 특성을 측정하기 위하여 실제로 압력을 가하면서 두 스택의 내부 압력을 측정한 결과 기존의 연료전지 스택(P2)은 내부 압력이 30㎪에서 누설이 발생하기 시작했으나 본 발명의 연료전지 스택(P1)은 45㎪에서 누설이 발생하기 시작하였다. 실험 결과에서와 같이, 본 발명에서 제안한 밀봉부재의 구조와 공정을 이용하면 연료전지 스택의 밀봉 특성이 30% 이상 향상될 수 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 연료전지 스택에 밀폐성 및 안정성을 향상시킨 장 점을 가진다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그것들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정해지는 것이 아니고 특허청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정해져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 연료전지 스택의 밀폐성을 향상시킴으로써 연료와 산화제의 누출 및 혼합을 방지할 수 있다. 또한 메탄올 용액과 같은 액체 연료뿐 아니라 수소 가스와 같은 기체 연료에 대해서도 밀폐성을 확보할 수 있다. 아울러, 외부 충격이나 부품의 균열로 인한 밀봉부재의 손상으로 인하여 누설이 발생할 위험도 감소시킬 수 있다.

Claims (17)

  1. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체;
    연료 또는 산화제의 유동을 위한 유로를 구비하며 상기 막전극집합체에 밀착되는 세퍼레이터; 및
    상기 세퍼레이터와 상기 막전극집합체 사이에 적층되는 이층 구조의 밀봉부재를 포함하는 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉부재의 제1 층 및 제2 층은 동일한 물질로 이루어지는 연료전지 스택.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉부재의 제1 층 및 제2 층은 서로 다른 물질로 이루어지는 연료전지 스택.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밀봉부재의 제1 층은 상기 세퍼레이터측에 위치하며 상기 밀봉부재의 제2 층의 두께는 상기 제1 층의 두께보다 얇은 연료전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀봉부재의 제1 층은 탄성을 갖는 재료로 이루어지는 연료전지 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄성을 갖는 재료는 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 및 아크릴계 고무 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 연료전지 스택.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 밀봉부재의 제2 층은 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 및 아크릴계 고무 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 연료전지 스택.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터는 상기 밀봉부재가 안착되는 안착홈을 구비하는 연료전지 스택.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료는 액체상 연료 또는 기체상 연료를 포함하는 연료전지 스택 제조 방법.
  10. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어진 막전극집합체를 준비하는 단계;
    연료 및 산화제 중 어느 하나 또는 둘의 유동을 위한 유로를 구비한 세퍼레이터를 준비하는 단계;
    상기 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 형성하는 단계;
    상기 제1 층 밀봉부재 상에 제2 층 밀봉부재를 도포하는 단계; 및
    상기 제2 층 밀봉부재의 경화 전에 상기 세퍼레이터와 상기 막전극집합체를 접합하는 단계를 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 위치시키는 단계는 반경화 형태의 밀봉부재를 상기 세퍼레이터 상에 도포한 후 경화시키는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터 상에 제1 층 밀봉부재를 위치시키는 단계는 경화된 형태의 밀봉부재를 상기 세퍼레이터 상에 놓는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터를 준비하는 단계는 상기 제1 층 밀봉부재가 끼워질 안착홈을 형성하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 층 밀봉부재는 탄성을 갖는 재료로 이루어지는 연료전지 스택 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 탄성을 갖는 재료는 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 및 아크릴계 고무 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 층 밀봉부재는 에틸렌프로필렌 고무, 실리콘, 실리콘계 고무, 및 아크릴계 고무 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 세퍼레이터와 상기 막전극집합체를 접합시키는 단계는 상기 막전극집합 체의 양면 상에 위치하는 한 쌍의 세퍼레이터에 접하도록 엔드 플레이트를 위치시키고 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 체결 수단에 의해 체결하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
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