KR100821039B1 - 연료전지 스택 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 스택형 연료전지 제작시 부품의 애노드 면과 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 스택은 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어진 막전극집합체와, 애노드 전극에 마주하는 연료 유동유로를 구비하며 애노드 전극에 접촉하는 제1 플레이트와, 캐소드 전극에 마주하는 산화제 유동유로를 구비하며 캐소드 전극에 접촉하는 제2 플레이트를 포함하되, 막전극집합체, 제1 바이폴라 플레이트 및 제2 바이폴라 플레이트가 적층시 일렬로 나열되는 적층방향표시부를 각각 구비하는 것을 특징으로 한다.
연료전지, 스택, 디자인, 적층 방향, 외관, 불량

Description

연료전지 스택 및 그 제조방법{Fuel cell stack and manufacturing method thereof}
도 1은 종래의 연료전지 스택에 대한 개략도.
도 2a는 도 1의 연료전지 스택의 막전극집합체(membrane electrode assembly, MEA)의 애노드 면을 보여주는 평면도.
도 2b는 도 1의 연료전지 스택의 MEA의 캐소드 면을 보여주는 평면도.
도 2c는 도 1의 연료전지 스택의 바이폴라 플레이트(bipolar plate, BP)의 애노드 면을 보여주는 평면도.
도 2d는 도 1의 연료전지 스택의 BP의 캐소드 면을 보여주는 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 개략도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도.
도 5는 도 4의 연료전지 스택의 MEA의 캐소드 면을 보여주는 사시도.
도 6은 도 4의 연료전지 스택의 BP의 애노드 면을 보여주는 사시도.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 연료전지 스택의 변형예에 대한 개략도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 제조방법을 설명하기 위한 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 막전극집합체(MEA) 11 : 애노드 전극
12 : 캐소드 전극 20 : 바이폴라플레이트(BP)
20a, 20b : 모노폴라플레이트 21 : 연료유동유로
22 : 산화제유동유로 23a, 23b : 연료 매니폴드
24a, 24b : 산화제 매니폴드 30a, 30b : 엔드플레이트
40 : 개스킷 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57 : 적층방향표시부
50a, 50b, 50c : 오목형 요철부 50d : 볼록형 요철부
50e, 50f, 50g : 측면 모서리 절단부 60 : 체결수단
100 : 연료전지 스택
본 발명은 스택형 연료전지 제작시 부품의 애노드 면과 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지할 수 있는 연료전지 스택 및 그 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, 사용되는 전해질(electrolyte)에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자 전해질 연료전지(PEFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 등으로 구분된다.
전술한 연료전지들 가운데 고분자 전해질 연료전지는 사용되는 연료에 따라 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell or proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)와 직접 메탄올형 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC)로 구분된다. 고분자 전해질막 연료전지는 고체 고분자를 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 공급하기 위한 분산용 전원, 및 전자기기 등에 전력을 공급하기 위한 소형 전원으로서 그것의 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 전해질 연료전지는, 단일 전지인 경우, 통상 1V 내외의 출력 전압을 가진다. 따라서 1V보다 높은 원하는 전압을 출력하는 연료전지를 제작하기 위해서는 통상 복수개의 단위 전지를 전기적으로 직렬 연결하기 용이한 스택 구조가 많이 이용된다. 연료전지 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극 및 이 전극들 사이에 위치하는 고분자 전해질막으로 이루어지는 막전극집합체(membrane electorde assembly, MEA)를 바이폴라플레이트(bipolar plate, BP)와 교대로 적층하여 제작된 다. 바이폴라플레이트는 세퍼레이터(separator)라고도 불리운다.
하지만, 도 1에 도시한 것과 같은 기존의 연료전지 스택(1)에 있어서 MEA(10)의 애노드 면과 캐소드 면이 도 2a 및 도 2b에 도시한 바와 같이 거의 동일하고, BP(20)의 애노드 면과 캐소드 면이 도 2c 및 도 2d에 도시한 바와 같이 거의 동일하면, 연료전지 스택(1)의 제작시 MEA(10)와 BP(20)의 애노드 면과 캐소드 면을 혼동하여 뒤바꾸어 적층할 수 있는 문제점이 있다. 특히 기존의 연료전지 스택(1)에서는 MEA(10)와 BP(20)를 적층하여 스택을 제작하였을 때, 외관상의 모양을 보고 어느 MEA(10) 및/또는 어느 BP(20)가 뒤바뀌어 적층되었는지 확인하는 것이 불가능하다. 따라서 기존의 연료전지 스택에서는 연료전지 스택의 제작 후 연료 및 산화제를 공급하면서 소정 부하에 대하여 생성되는 전류를 확인하고 스택이 정상적으로 제작되었는지 판단해야 하였으며, 따라서 불량 판정시 스택을 해체하고 다시 조립해야 하는 어려움이 있었다.
이에 본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 연료전지 스택의 제작시 MEA와 BP의 애노드 면과 캐소드 면을 혼동하지 않고 적층 작업을 쉽게 할 수 있는 연료전지 스택 및 그 제작방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막 으로 이루어진 막전극집합체; 애노드 전극에 마주하는 연료 유동유로를 구비하며 애노드 전극에 접촉하는 제1 플레이트; 및 캐소드 전극에 마주하는 산화제 유동유로를 구비하며 캐소드 전극에 접촉하는 제2 플레이트를 포함하되, 막전극집합체, 제1 바이폴라 플레이트 및 제2 바이폴라 플레이트는 적층시 일렬로 배열되는 적층방향표시부를 각각 구비하는 연료전지 스택을 제공한다.
바람직하게, 상기 적층방향표시부는 막전극집합체, 제1 바이폴라 플레이트 및 제2 바이폴라 플레이트의 적층시 일렬로 배열되도록 같은 위치에 설치되는 것이 바람직하다. 상기 적층방향표시부는 오목 형태의 요철부, 볼록 형태의 요철부, 및 오목과 볼록 조합 형태의 요철부 중 어느 하나 또는 둘 이상의 측면 요철부를 포함한다. 상기 측면 요철부는 연료전지 스택의 두 개 이상의 측면에 설치될 수 있다.
상기 적층방향표시부는 측면 모서리 절단부를 포함한다. 상기 측면 모시리 절단부는 상기 연료전지 스택의 인접한 두 개 또는 세 개의 측면 모서리에 설치될 수 있다.
상기 연료전지 스택은 막전극집합체와 제1 플레이트와의 사이에 삽입되는 제1 개스킷 및 막전극집합체와 제2 플레이트와의 사이에 삽입되는 제2 개스킷을 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택은 제1 플레이트의 연료 유동유로와 제2 플레이트의 산화제 유동유로가 양면에 노출되도록 일체로 제작된 바이폴라 플레이트를 더 포함할 수 있다. 상기 연료전지 스택은 바이폴라 플레이트와 막전극집합체와의 사이에 삽입되는 또 다른 개스킷을 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택은 제1 플레이트의 타면과 제2 플레이트의 타면에 각각 접촉하며 서로 마주하여 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택은 한 쌍의 엔드 플레이트의 서로 마주하는 방향으로 일정한 두 힘이 유지되도록 한 쌍의 엔드 플레이트를 누르는 체결수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지며 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성되는 막전극집합체를 준비하는 단계; 일면에 연료 유동유로가 형성되고 측면에 제2 적층방향표시부가 형성되는 제1 플레이트와, 일면에 산화제 유동유로가 형성되고 측면에 제3 적층방향표시부가 형성되는 제2 플레이트를 준비하는 단계; 및 제1, 제2 및 제3 적층방향표시부들이 일렬로 나열되도록 막전극집합체, 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 적층하는 단계를 포함하는 연료전지 스택 제조방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성된 막전극집합체를 준비하는 단계는 연속공정을 통해 막전극집합체로 제작되는 전해질막의 가장자리를 일정 간격으로 펀칭하여 오목 형태의 요철부를 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 측면에 제2 및 제3 적층방향표시부를 각각 구비한 상기 제1 및 제2 플레이트를 준비하는 단계는 제1 및 제2 플레이트의 측면의 일부분을 연마하여 제1 및 제2 플레이트 각각의 측면에 오목 형태의 요철부를 형성하는 공정을 포함한다. 상기 막전극집합체의 요철부와 제1 및 제2 플레이트의 요철부는 하나의 측면에 두 개 이상이 설치되거나 두 개 이상의 측면에 설치될 수 있다.
상기 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성된 막전극집합체를 준비하는 단계는 전해질막의 측면 모서리를 절단하여 모서리 절개부를 형성하는 공정을 포함한다. 상기 측면에 제2 및 제3 적층방향표시부를 각각 구비한 상기 제1 및 제2 플레이트를 준비하는 단계는 제1 및 제2 플레이트의 측면 모서리를 절단 또는 연마하여 모서리 절개부를 형성하는 공정을 포함할 수 있다. 상기 막전극집합체, 제1 및 제2 플레이트의 모서리 절개부는 막전극집합체, 제1 및 제2 플레이트의 인접한 두 개 또는 세 개의 측면 모서리에 형성될 수 있다.
상기 연료전지 스택 제조방법은 막전극집합체와 제1 플레이트와의 사이에 제1 개스킷을 위치시키며 막전극집합체와 제2 플레이트와의 사이에 제2 개스킷을 위치시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지 스택 제조방법은 제1 플레이트의 타면에 제1 엔드 플레이트를 위치시키고 제2 플레이트의 타면에 제2 엔드 플레이트를 위치시키는 단계; 및 제1 및 제2 엔드 플레이트를 체결수단에 의해 일정 힘으로 체결하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 개략도이다.
도 3을 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, 20a, 20b), 한 쌍의 엔드 플레이트(30a, 30b), 및 적층방향표시부(50)를 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)와 BP(20)의 애노드 면과 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지하기 위한 적층방향표시부(50)를 구비하는 것을 주된 특징으로 한다. 적층방향표시부(50)는 MEA(10), BP(20), 모노폴라 플레이트(20a, 20b), 및 한 쌍의 엔드 플레이트(30a, 30b)의 각 측면에 오목 형태의 요철부로 형성되며, 적층시 일렬로 배열되도록 같은 위치에 설치되어 있다. 한편 본 실시예에서와 같이 적층방향표시부(50)가 하나의 요철부로 형성되는 경우, 정상 적층 상태와 뒤집힌 적층 상태와의 명확한 구별을 위하여 적층방향표시부(50)는 그것이 설치되는 스택(100)의 측면 중앙부를 제외한 나머지 측면 부분에 설치되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 분해 사시도이다. 그리고 도 5는 도 4의 연료전지 스택의 MEA의 캐소드 면을 보여주는 사시도이고, 도 6은 도 4의 연료전지 스택의 BP의 애노드 면을 보여주는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 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. 또한, 전해질막(13)은 스택 제작시 애노드 전극(11)이 형성되어 있는 애노드 면과 캐소드 전극(12)가 형성되어 있는 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되지 않도록 적층방향을 표시하는 적층방향표시부(53, 55)를 구비한다. 적층방향표시부(53, 55)는 하나의 오목 형태의 요철부로 구현되어 있다.
전술한 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.
도 4 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)의 BP(20)는 MEA(10)로 공급되는 수소 등의 연료나 산소 등의 산화제의 통로를 형성하면서 인접한 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 발명의 BP(20)는 스택 제작시 연료유동유로(21)가 형성되어 있는 애노드 면과 산화제유동유로(22)가 형성되어 있는 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지하기 위한 적층방향표시부(52, 54, 56)를 구비한다. 적층방향표시부(52, 54, 56)는 바이폴라 플레이트(20)의 한쪽 측면에 오목 형태의 요철부로 형성되어 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 양면에 연료유동유로(21)와 산화제 유동유로(22)가 일체로 형성되어 있는 바이폴라 플레이트(20)와 함께 일면에 연료유동유로(21)이 형성되어 있는 모노폴라플레이트(20a)와 일면에 산화제유동유로(22)가 형성되어 있는 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. 또한 본 발명의 제1 및 제2 모노폴라플레이트(20a, 20b)는 스택 제작시 애노드 면 또는 캐소드 면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지하기 위한 적층방향표시부(52, 56)를 구비한다. 적층방향표시부(52, 56)는 제1 및 제2 모노폴라 플레이트(20a, 20b)의 한쪽 측면에 오목 형태의 요철부로 각각 형성되어 있다.
이하의 설명에서는 제1 및 제2 모노폴라플레이트(20a, 20b)에 대하여 별도로 언급하지 않고 BP(20)에 포함된 것으로 가정하고 설명한다.
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 매니폴드(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 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 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. 또한, 제1 및 제2 엔드플레이트(30a, 30b)는 스택 제작시 일면과 타면이 뒤바뀌어 적층되는 것을 방지하기 위한 적층방향표시부(51, 57)를 구비한다. 적층방향표시부(51, 57)는 제1 및 제2 엔드플레이트(30a, 30b)의 한쪽 측면에 오목 형태의 요철부로 각각 형성되어 있다.
제1 엔드플레이트(30a) 및 제2 엔드플레이트(30b)는 열 경화성 및 열 소성 수지에 유리 필러를 섞어 사용한 재료나 앞서 설명한 제1 및 제2 모노폴라플레이트(20a, 20b)와 단일 몸체로 PPS(polyphenylene sulfide)에 의해 구현될 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.
또한 제1 엔드플레이트(30a) 및 제2 엔드플레이트(30b)는 스택의 적층 방향과 적층 반대방향에서 스택 구조의 양면에 거의 균일한 체결압이 가해지도록 체결 수단에 의해 마주하여 눌려진다.(도 7e 참조).
본 실시예에 따른 연료전지 스택(100)은 MEA(10)와 BP(20) 사이에 위치하며 연료 흐름을 관장하는 MEA(10)의 확산층을 밀봉하는 개스킷(gasket, 40)을 포함한다. 개스킷(40)은 MEA(10)의 애노드 전극(11) 또는 캐소드 전극(12)이 형성되어 있는 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.
개스킷(40)은 탄성이 우수하고 열 사이클에 대한 응력의 유지력이 우수한 재료로서, 고무, 아크릴계, 실리콘계 재료나 TPE(thermoplastic elastomer), 금속 등의 재료가 이용될 수 있다. 한편 본 실시예에서는 개스킷(40)이 외부로 노출되지 않는다고 가정하고 적층방향표시부를 형성하지 않았지만, 개스킷(40)이 스택 외표면에 노출되는 경우, 물론 개스킷(40)에도 적층방향표시부를 형성할 수 있으며, 형성되는 적층방향표시부는 스택 제작시 다른 부품의 적층방향표시부와 일렬로 배열되도록 위치하는 것이 바람직하다.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 연료전지 스택의 변형예에 대한 개략도이다.
본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 7a에 도시한 바와 같이 스택의 일측면에 형성된 두 개의 적층방향표시부(50a, 50b)를 구비하거나, 도 7b에 도시한 바와 같이 스택의 두 개의 측면에 각각 형성된 두 개의 적층방향표시부(50a, 50c)를 구비할 수 있다. 도 7b의 경우, MEA 또는 BP가 뒤집혀졌을 때 동일한 모양을 갖는 것을 방지하기 위하여 두 개의 적층방향표시부(50a, 50c)는 어긋나게 배치되는 것이 바 람직하다. 전술한 적층방향표시부(50a, 50b, 50c)는 오목 형태의 요철부로 구현되어 있다. 두 개 이상의 측면에 적층방향표시부를 형성하는 경우, 적층방향표시부는 MEA 또는 BP의 정상 적층 상태와 뒤집힌 적층 상태를 외관상으로 쉽게 구분할 수 있는 위치에 설치되는 것이 바람직하다.
또한 본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 7c에 도시한 바와 같이 스택의 일측면에 형성된 하나의 적층방향표시부(50c) 및 또 다른 일측면에 형성된 하나의 적층방향표시부(50d)를 구비할 수 있다. 본 변형예에서 적층방향표시부(50c)는 오목 형태의 요철부로 구현되어 있고 또 다른 적층방향표시부(50d)는 볼록 형태의 요철부로 구현되어 있다.
또한, 본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 7d에 도시한 바와 같이 적층방향표시부로서 측면 모서리 절단부(50e)를 구비할 수 있다. 측면 모서리 절단부(50e)는 평면상에서 대략 직사각형 모양을 갖는 MEA와 BP의 모서리를 일정 부분 절단한 것으로, 그것은 앞서 설명한 요철부 형태의 적층방향표시부의 경우와 유사하게 MEA 또는 BP가 뒤집힌 상태로 스택이 제작되었을 때 제작 오류를 외관상으로 쉽게 확인할 수 있도록 작용한다.
측면 모서리 절단부(50e)는 스택의 두 개 또는 세 개의 측면 모서리에 형성될 수 있다. 예를 들면 본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 7e에 도시한 바와 같이 대략 직육면체 형태의 스택의 네 측면을 잇는 네 개의 측면 모서리 중 세 개의 측면 모서리에 각각 측면 모서리 절단부(50e, 50f, 50g)를 구비할 수 있다. 이 경우, 남은 하나의 측면 모서리 즉 절단되지 않은 측면 모서리가 적층방향표시부 역할을 담당하게 된다.
한편 위의 실시예에서 언급하지는 않았지만, 본 발명의 연료전지 스택(100)은 도 7e에 도시한 바와 같이 MEA와 BP 및 엔드 플레이트를 체결하기 위한 체결수단(60)을 구비한다. 체결수단(60)은 소정 압력으로 스택 부품을 체결한다. 그리고 체결수단(60)은 스택(100)을 관통하는 볼트(61)와 너트(62)로 구현될 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 스택의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 8을 참조하여 본 발명의 연료전지 스택 제조방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 애노드 전극, 캐소드 전극 및 이들 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지며 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성된 막전극집합체(MEA)를 준비한다(S10).
그리고 일면에 연료 유동유로가 형성되고 측면에 제2 적층방향표시부가 형성되는 제1 플레이트와, 일면에 산화제 유동유로가 형성되고 측면에 제3 적층방향표시부가 형성되는 제2 플레이트를 준비한다(S20). 여기서 제1 플레이트와 제2 플레이트는 한 쌍의 모노폴라플레이트에 해당된다.
다음, 제1, 제2 및 제3 적층방향표시부들이 일렬로 나열되도록 막전극집합체, 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 적층한다(S30). 이 경우는 단일 연료전지로 구성된 연료전지 스택에 관한 것이다. 만일 원하는 전압을 얻기 위하여 복수의 단위전지를 적층하는 경우, MEA와 BP를 원하는 개수만큼 추가로 삽입할 수 있다.
상기 적층 단계(S30)에서, 막전극집합체와 제1 플레이트와의 사이에 제1 개스킷을 삽입하고, 막전극집합체와 제2 플레이트와의 사이에 제2 개스킷을 삽입할 수 있다. 또한, MEA와 BP가 추가로 설치되는 경우, 바이폴라플레이트와 막전극집합체 사이에도 개스킷을 추가로 삽입할 수 있다.
다음, 제1 플레이트의 타면에 제1 엔드 플레이트를 위치시키고 제2 플레이트의 타면에 제2 엔드 플레이트를 위치시킨 후, 제1 및 제2 엔드 플레이트를 체결수단에 의해 일정 힘으로 체결한다(S40).
전술한 본 발명에 의하면, 스택 제작 중에 MEA나 BP가 뒤집혀져서 적층된 것을 외관상으로 쉽게 확인할 수 있어 스택 제작상의 오류 없이 스택을 쉽게 제작할 수 있다. 아울러 본 발명은 연료전지 스택의 제작시 MEA와 BP의 애노드 면과 캐소드 면을 뒤집어서 적층하는 제작상의 오류를 방지할 수 있어 완제품 스택의 불량을 줄이는 장점을 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 제조 공정에 있어서 완제품 스택의 출력 전류 확인을 통해 애노드 면과 캐소드 면이 뒤바뀌어 제작되었음을 판정하지 않고 완제품 스택의 외관상의 모양을 보고 애노드 면과 캐 소드 면이 뒤바뀌었음을 확인할 수 있으므로, 애노드 면과 캐소드 면을 바꿔어 적층(stacking)하는 제작상의 오류를 방지할 수 있다. 아울러, 불량 판정 스택의 반복 스택 작업으로 인하여 완제품 스택 성능에 악영향이 미치는 것을 방지할 수 있고, 제작상의 오류로 인한 스택 불량률을 상당히 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (20)

  1. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어진 막전극집합체;
    상기 애노드 전극에 마주하는 연료 유동유로를 구비하며 상기 애노드 전극에 접촉하는 제1 플레이트; 및
    상기 캐소드 전극에 마주하는 산화제 유동유로를 구비하며 상기 캐소드 전극에 접촉하는 제2 플레이트를 포함하되,
    상기 막전극집합체, 상기 제1 바이폴라 플레이트 및 상기 제2 바이폴라 플레이트는 적층시 일렬로 배열되는 적층방향표시부를 각각 구비하는 연료전지 스택.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층방향표시부는 오목 형태의 요철부, 볼록 형태의 요철부, 및 오목과 볼록 조합 형태의 요철부 중 어느 하나의 측면 요철부를 포함하는 연료전지 스택.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 측면 요철부는 상기 연료전지 스택의 두 개 이상의 측면에 설치되는 연료전지 스택.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 측면 요철부는 하나의 측면에 두 개 이상이 설치되는 연료전지 스택.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층방향표시부는 측면 모서리 절단부를 포함하는 연료전지 스택.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 측면 모시리 절단부는 상기 연료전지 스택의 인접한 두 개 또는 세 개의 측면 모서리에 설치되는 연료전지 스택.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 막전극집합체와 상기 제1 플레이트와의 사이에 삽입되는 제1 개스킷 및 상기 막전극집합체와 상기 제2 플레이트와의 사이에 삽입되는 제2 개스킷을 더 포함하는 연료전지 스택.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 상기 연료 유동유로와 상기 제2 플레이트의 상기 산화제 유동유로가 양면에 노출되도록 일체로 제작된 바이폴라 플레이트를 더 포함하는 연료전지 스택.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트와 상기 막전극집합체와의 사이에 삽입되는 또 다른 개스킷을 더 포함하는 연료전지 스택.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 타면과 상기 제2 플레이트의 타면에 각각 접촉하며 서로 마주하여 위치하는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 연료전지 스택.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 엔드 플레이트의 서로 마주하는 방향으로 일정한 두 힘이 유지되도록 상기 한 쌍의 엔드 플레이트를 누르는 체결수단을 더 포함하는 연료전지 스택.
  12. 애노드 전극, 캐소드 전극 및 상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극 사이에 위치하는 전해질막으로 이루어지며 상기 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성되는 막전극집합체를 준비하는 단계;
    일면에 연료 유동유로가 형성되고 측면에 제2 적층방향표시부가 형성되는 제1 플레이트와, 일면에 산화제 유동유로가 형성되고 측면에 제3 적층방향표시부가 형성되는 제2 플레이트를 준비하는 단계; 및
    상기 제1, 제2 및 제3 적층방향표시부들이 일렬로 배열되도록 상기 막전극집합체, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트를 적층하는 단계를 포함하는 연료 전지 스택 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성된 막전극집합체를 준비하는 단계는 연속공정을 통해 상기 막전극집합체로 제작되는 상기 전해질막의 가장자리를 일정 간격으로 펀칭하여 오목 형태의 요철부를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 측면에 제2 및 제3 적층방향표시부를 각각 구비한 상기 제1 및 제2 플레이트를 준비하는 단계는 상기 제1 및 제2 플레이트의 측면의 일부분을 연마하여 상기 제1 및 제2 플레이트 각각의 측면에 오목 형태의 요철부를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 막전극집합체의 상기 요철부와 상기 제1 및 제2 플레이트의 요철부는 하나의 측면에 두 개 이상이 설치되거나 두 개 이상의 측면에 각각 설치되는 연료전지 스택 제조방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 전해질막의 측면에 제1 적층방향표시부가 형성된 막전극집합체를 준비하는 단계는 상기 전해질막의 측면 모서리를 절단하여 모서리 절개부를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 측면에 제2 및 제3 적층방향표시부를 각각 구비한 상기 제1 및 제2 플레이트를 준비하는 단계는 상기 제1 및 제2 플레이트의 측면 모서리를 절단 또는 연마하여 모서리 절개부를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 막전극집합체, 상기 제1 및 제2 플레이트의 상기 모서리 절개부는 상기 막전극집합체, 상기 제1 및 제2 플레이트의 인접한 두 개 또는 세 개의 측면 모서리에 형성되는 연료전지 스택 제조방법.
  19. 제 12 항에 있어서,
    상기 막전극집합체와 상기 제1 플레이트와의 사이에 제1 개스킷을 위치시키며 상기 막전극집합체와 상기 제2 플레이트와의 사이에 제2 개스킷을 위치시키는 단계를 더 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제1 플레이트의 타면에 제1 엔드 플레이트를 위치시키고 상기 제2 플레이트의 타면에 제2 엔드 플레이트를 위치시키는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 엔드 플레이트를 체결수단에 의해 일정 힘으로 체결하는 단계를 더 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
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