KR100836417B1 - 연료전지스택의 막전극접합체 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 운전중에 발생할 수 있는 MEA의 국부적인 손상을 방지함으로써 연료전지 스택의 내구성능을 증대시키고 부가적으로 전체 출력특성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 전해질막을 사이에 두고 공기극 및 수소극이 부착된 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 있어서,

상기 전해질막의 상면 및 하면에 접착되는 공기극 및 수소극의 양끝단면이 서로 엇갈리게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 막전극접합체 구조를 제공한다.

MEA, GDL, 가스켓

Description

연료전지스택의 막전극접합체 구조{Structure for Membrane Electrode Assembly of fuel cell stack}

도 1은 연료전지시스템의 구성을 설명하기 위한 개략도이고,

도 2는 도 1의 연료전지스택의 구성을 개략적으로 나타내는 구성도이고,

도 3은 종래의 MEA의 구조를 나타내는 개략도이고,

도 4a 및 도 4b는 상기와 같이 전해질막이 국부적으로 찢어지는 전해질막의 파괴형태를 나타내는 이미지이고,

도 5는 연료전지의 손실형태를 나타내는 그래프이고,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택의 막전극접합체 구조이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20,30 : 전해질막 11,21,31 : 전극/촉매

12,22,32 : MEA 13,23,33 : GDL

14,24,34 : 가스켓 25,35 : 서브가스켓

26,36 : 분리판

본 발명은 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 운전중에 발생할 수 있는 MEA의 국부적인 손상을 방지함으로써 연료전지 스택의 내구성능을 증대시키고 부가적으로 전체 출력특성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

상기 연료전지시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.

도 2는 연료전지스택의 구성을 나타내는 개략도로서, 연료전지스택은 수소이온이 이동하는 전해질막(10)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전 극/촉매층(11)이 부착된 3L MEA(Membrane Electrode Assembly)(12)와, 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(13), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(14) 및 체결기구와, 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(16)으로 구성되어 있다.

상기 고체 고분자 전해질형 연료전지에서는 수소가 양극(Anode, “연료극”이라고도 함)으로 공급되고, 산소(공기)는 음극(Cathode, “공기극” 혹은 “산소극”이라고도 함)으로 공급된다.

양극으로 공급된 수소는 전해질막(10)의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H⁺)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온(Proton, H⁺)만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막(10)을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자(Electron, e-)는 도체인 기체확산층(13)과 분리판(Separator)을 통하여 음극으로 전달된다.

상기 음극에서는 전해질막(10)을 통하여 공급된 수소이온과 분리판(16)을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 음극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.

이때 일어나는 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 부수적으로 발생하게 된다.

이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 전극반응을 나타내면 아래의 반응식과 같다.

[연료극에서의 반응] 2H₂ → 4H+ + 4e-

[공기극에서의 반응] O₂ + 4H⁺ + 4e- → 2H₂O

[전체반응] 2H₂ + O₂ → 2H₂O + 전기에너지 + 열에너지

상기와 같은 고체 고분자 전해질형 연료전지의 성능을 향상시키는 방법에 대해서는 다양한 회사 혹은 연구기관들에서 다양한 형태로 연구 및 개발이 진행되고 있다.

종래의 MEA는 도 3에 도시한 바와 같이 수소이온이 이동하는 전해질막(Membrane)(20)을 중심으로 양쪽에 수소극과 공기극을 형성하기 위해 탄소로 구성된 담지체에 백금촉매가 담지된 촉매와, 전해질막과 동일한 구성성분을 갖는 이오노모와, 전해질막의 전극도포용 슬러리를 제조하기 위한 유기용매, 및 촉매의 슬러리제조과정 중의 응집을 방지하기 위한 분산제 등으로 제조된 슬러리를 전해질막 또는 기체확산층에 도포하여 건조 혹은 열간 압착시켜 형성시킨 전극(Electrode)(21) 및 전해질막(20)을 보호하고 연료전지 스택의 조립성을 확보하기 위한 서브가스켓(25)을 포함한다.

이러한 구조의 MEA는 연료전지시스템의 운전중에 도 1의 수소 재순환기를 통해 스택에서 사용된 후 남은 잔류수소와 수소탱크에서 공급된 새로운 수소가 연료전지스택의 수소극으로 공급된다.

이때 수소 재순환에 있어서 스택에서 소모되고 남은 잔류수소에는 공기극에서 연료전지 반응에 의해 생성된 수분이 농도차로 인한 확산에 의해 전해질막을 통해 수소극쪽으로 이동하는 백 디퓨전(Back Diffusion) 현상이 발생함에 따라 과량으로 함유되게 된다.

이러한 수분은 액적의 형태로 존재하게 되고, 수소의 재순환양이 많을 경우에는 연료전지 스택의 상부에 위치한 수소 재순환기로 유입된 후 다시 스택으로 리턴되고, 이렇게 유입된 수소중의 액적상태의 수분은 100여개의 셀로 구성된 모듈에서 공용분배기와 인접한 셀들에 대해 수소극쪽으로 유입되는 문제점을 갖는다.

이와같이 공용분배기에 인접한 셀들의 수소극쪽으로 유입된 액적은 연료전지스택의 출력상태에서 연료전지 반응이 일어나는 MEA의 반응면적 내부로 수소를 공급하는 분리판의 수소극 유로의 일부를 차단하게 되어 전체 반응면적에서 수소가 부분적으로 부족한 조건을 형성하게 된다.

따라서, 이러한 수소 부족 현상으로 연료전지 반응중에서 공기극쪽의 MEA 전극에 위치한 백금촉매담지체인 탄소를 부식시키게 되어 연료전지 스택의 출력저하 및 내구성능 저하를 유발시킨다.

또한 이러한 액적들은 전해질막과 전극의 접합부와, 전해질막과 (전해질막 보호 및 MEA 조립성을 확보하기 위한)보호필름 사이에 노출된 수소입구의 전해질막 부분을 수분이 많이 함유된 상태로 노출되게 하여 막의 기계적 강도를 저하시키게 된다.

이는 연료전지 스택의 운전중에 수소극의 응축된 수분 및 공기극에서 농도차 에 의해 수소극으로 확산된 질소를 제거하기 위한 퍼지과정중에 발생하는 수소극의 압력변동에 따른 기계적피로로 인해 내구성능을 떨어뜨려서 국부적인 막의 핀 홀(Pin Hole) 손상을 일으켜서 최종적으로는 수소입구의 전해질막이 국부적으로 찢어지는 현상을 유발하게 된다.

한편, 수소 재순환기를 이용하지 않을 경우에는 백 디퓨전 현상에 의해 공기극에서 수소극으로 이동한 수분은 스택에서 소모된 잔류수소내에 과량으로 존재하게 되어 액적이 형성되고, 이러한 액적들의 일부는 스택외부로 유출되나 수소의 유속에 휩쓸리지 않을 정도로 질량이 큰 액적들은 자중에 의해 분리판의 수소 출구측으로 모이게 되고, 이렇게 모인 액적들은 결국 위에서 언급한 바와 같이 분리판의 수소극 유로의 일부를 차단하게 되어 전체 반응면적에서 부분적으로 수소가 부족한 조건을 형성하게 되고, 이러한 수소 부족에 의해 연료전지 반응중에서 공기극쪽의 MEA 전극에 위치한 백금촉매담지체인 탄소를 부식시키게 되어 연료전지 스택의 출력저하 및 내구성능 저하를 유발시킨다.

이와 동시에 상기 액적들은 전해질막과 전극의 접합부와 전해질막과 (전해질막 보호 및 MEA 조립성을 확보하기 위한)보호필름 사이에 노출된 수소출구의 전해질막 부분을 수분이 많이 함유된 상태로 노출되게 하여, 막의 기계적 강도를 저하시키게 되므로, 연료전지 스택의 운전중에 수소극의 응축된 수분 및 공기극에서 농도차에 의해 수소극으로 확산된 질소를 제거하기 위한 퍼지과정 중에 발생하는 수소극의 압력변동에 따른 기계적피로로 인해 내구성능을 떨어뜨리고, 국부적인 막의 핀 홀 손상을 일으켜서 최종적으로는 수소출구의 전해질막이 국부적으로 찢어지는 현상을 유발하게 된다.

도 4a 및 도 4b는 상기와 같이 전해질막이 국부적으로 찢어지는 전해질막의 파괴형태를 나타내는 이미지로서, 도 4a는 수소 재순환시 수소 입구부를 나타내고, 도 4b는 수소 재순환이 없을 경우에 수소 출구부를 나타낸다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기체확산층의 크기는 동일하고 서브가스켓과의 경계면에서 공기극의 전극이 수소극의 전극과 엇갈리게 배치되면서 공기극의 전극면적이 수소극보다 크게 구성됨으로써, 전체 반응량을 증대시킴으로써 연료전지스택의 출력특성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지스택의 막전극접합체 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전해질막을 사이에 두고 공기극 및 수소극이 부착된 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 있어서,

상기 전해질막의 상면 및 하면에 접착되는 공기극 및 수소극의 양끝단면이 서로 엇갈리게 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직한 구현예로서, 상기 공기극의 반응면적은 수소극의 반응면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 전해질막의 양단부를 보호하기 위한 서브가 스켓의 끝단면은 서로 엇갈리게 위치한 공기극 및 수소극의 양끝단면과 대응되도록 서로 엇갈리는 구조로 설치된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 서브가스켓 및 전극의 상하부에는 기체확산층이 동일한 면적으로 부착되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 5는 연료전지의 손실형태를 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지스택의 막전극접합체 구조이다.

고체 고분자 전해질형 연료전지는 그 이론전압이 1.23V이며, 부하의 양 및 전기저항손실이 발생하는 형태와 양에 따라서 그 성능과 효율이 좌우된다.

보다 상세하게는, 도 2의 각 구성부품이 연료전지 스택의 형태로 적층되어 있을 때, 각각의 셀(단위전지)을 구성하는 구성단품에서 발생가능한 전기저항 손실들의 누적량이 최소화 되는 형태로 연료전지스택의 구성단품을 개발하여야 함을 의미한다.

이는 연료전지 스택을 구성하는 각각의 개별단위전지가 반응기체들 및 냉각수의 기밀에 필요한 기밀성능을 유지함과 동시에 전기적으로 잘 접촉하고 있어야 할 뿐만 아니라, 전기화학반응이 일어나는 개별단위전지에서 도 5에 도시한 바와 같은 산소환원반응 전기저항손실이나 수소산화반응 전기저항손실 및 물질이동저항을 최소화하는 것에 따라 성능과 효율이 향상됨을 의미한다.

본 발명의 일실시예에 따른 MEA(32)의 구조는 공기극(31b)과 수소극(31a)에서 전극이 도포/접착된 부분을 엇갈리게 하고, 공기극(31b)의 전극면적을 수소 극(31a)의 전극면적보다 크게 하며, 스택이 조립되는 체결압력을 일정하게 유지할 수 있도록 기체확산층(33)의 크기는 동일하게 하는 구조를 가지게 한다.

종래와 같이 전해질막의 상면과 하면에 각각 접착되는 수소극과 공기극의 부분이 동일한 면적으로 동일 선상에 있게되면, 전해질막의 상하부에 스트레스가 가해지는 면이 일치하여 강도면에서 그 일치하는 면이 더욱 취약해지므로 수소극의 입구부가 찢어지는 손상을 입게 된다.

이를 보완하기 위해 본 발명은 전해질막과 접착되는 수소극 및 공기극의 양끝단면의 위치를 엇갈리게 함으로써, 종래의 수소극의 입구부에서 손상을 줄일 수 있게 된다.

따라서, 연료전지 스택 운전중에 스택으로 공급되는 반응기체들 혹은 외부로 배출되는 잔류기체들에 과포화되어 응축된 액적이 전극/전해질막의 접합부에 노출된 전해질막(30)에 누적되므로, 수화된 전해질막(30)이 연료전지시스템의 연비향상 및 셀의 수소극(31a)에 공급된 수소에 존재하는 공기극(31b)으로부터의 농도차에 의해 확산된 수분 및 질소가스를 제거하기 위한 퍼징(Purging) 과정 중에서 발생하는 수소(31a)극과 공기극(31b)의 압력변화에 따른 국부적인 전해질막의 손상을 방지하여 내구성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 종래와 같은 연료전지의 MEA 구조의 경우에 수소극에서 수소이온으로 이온화되는 산화반응속도는 공기극에서 전해질막을 통해 수소이온과, GDL 및 분리판을 통해 전자를 전달받아 산소가 반응하는 환원반응속도(율속반응속도)보다 상대적으로 빠르므로, 전체반응속도가 느려지게 된다.

이를 개선하기 위해 본 발명은 공기극(31b)의 반응면적을 수소보다 크게 함으로써, 전체 반응속도 및 전체 반응량을 증대시켜 연료전지 스택의 출력특성을 향상시키는 효과를 가져오도록 하였다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 의하면, 기체확산층의 크기는 동일하고 서브가스켓과의 경계면에서 공기극의 전극이 수소극의 전극과 엇갈리게 배치되면서 공기극의 전극면적이 수소극보다 크게 구성됨으로써, 전체 반응량을 증대시킴으로써 연료전지스택의 출력특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (4)

1. 전해질막을 사이에 두고 공기극 및 수소극이 부착된 연료전지스택의 막전극접합체 구조에 있어서,

   상기 전해질막의 상면 및 하면에 접착되는 공기극 및 수소극의 양끝단면이 서로 엇갈리게 위치하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 막전극접합체 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 공기극의 반응면적은 수소극의 반응면적보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 막전극접합체 구조.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 전해질막의 양단부를 보호하기 위한 서브가스켓의 끝단면은 서로 엇갈리게 위치한 공기극 및 수소극의 양끝단면과 대응되도록 서로 엇갈리는 구조로 설치된 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 막전극접합체 구조.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 서브가스켓 및 전극의 상하부에는 기체확산층이 동일한 면적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 연료전지스택의 막전극접합체 구조.

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