KR101084074B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents

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Abstract

연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에서 막-전극 접합체들에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터와, 세퍼레이터에 일체형으로 구비되는 개스킷을 포함한다. 세퍼레이터는 제1 관통홀을 형성하는 애노드 세퍼레이터와, 애노드 세퍼레이터에 밀착되며 제2 관통홀을 형성하는 캐소드 세퍼레이터를 포함한다. 개스킷은 제1 관통홀 및 제2 관통홀에 충진되어 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터를 관통하는 관통부와, 관통부와 연결되며 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터의 외면에서 그 두께만큼 돌출 형성되는 밀봉부를 포함한다.

Description

연료 전지 스택 {FUEL CELL STACK}
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 세퍼레이터와 개스킷을 구비한 연료 전지 스택에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료(탄화수소계 연료, 순수 수소, 또는 수소가 풍부한 개질 가스)와 산화제(공기 또는 순수 산소)의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택을 포함한다. 직접 산화형 연료 전지는 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 사용하며, 고분자 전해질형 연료 전지는 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 사용한다.
연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하는 복수의 세퍼레이터를 포함한다. 각각의 세퍼레이터는 막-전극 접합체를 기구적으로 지지함과 동시에 이웃한 막-전극 접합체를 전기적으로 연결시키는 기능을 한다. 하나의 막-전극 접합체와 이의 양쪽에 위치하는 세퍼레이터가 하나의 단위 셀을 구성한다.
막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일측에 위치하는 애노드 전극과, 전해질막의 반대편 일측에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다. 애노드 전극과 접하는 세퍼레이터는 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 연료 채널을 형성하고, 캐소드 전극과 접하는 세퍼레이터는 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 채널을 형성한다.
막-전극 접합체와 세퍼레이터 사이에는 개스킷(gasket)이 설치되어 막-전극 접합체와 세퍼레이터간 기밀을 유지시킨다. 이로써 연료 전지 스택으로 공급된 연료 및 산화제가 외부로 누출되지 않고, 세퍼레이터에 형성된 연료 매니폴드와 산화제 매니폴드간 유체 누설을 방지할 수 있다.
개스킷은 사출 성형 방식으로 제작되며, 연료 전지 스택 제조 과정에서 막-전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 배치된다. 그런데 연료 전지 스택을 대량 생산하는 과정에서 복수의 막-전극 접합체와 복수의 세퍼레이터 사이로 복수의 개스킷을 반복 적층하는 작업이 요구되므로 생산성이 낮아지고, 제조에 소요되는 시간이 증가하는 문제점이 있다.
본 발명은 세퍼레이터와 개스킷의 구조를 개선하여 연료 전지 스택을 제조하는 과정에서 생산성을 높이고 조립 시간을 단축할 수 있는 세퍼레이터 및 이를 이용한 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 복수의 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체들 사이에서 막-전극 접합체들에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터와, 세퍼레이터에 구비된 개스킷을 포함한다. 세퍼레이터는 제1 관통홀을 형성하는 애노드 세퍼레이터와, 애노드 세퍼레이터에 밀착되며 제2 관통홀을 형성하는 캐소드 세퍼레이터를 포함한다. 개스킷은 제1 관통홀 및 제2 관통홀에 충진되어 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터를 관통하는 관통부와, 관통부와 연결되며 애노드 세퍼레이터 및 캐소드 세퍼레이터의 외면에서 그 두께만큼 돌출 형성되는 밀봉부를 포함한다.
밀봉부는 애노드 세퍼레이터의 외면에 위치하는 애노드 밀봉부와, 캐소드 세퍼레이터의 외면에 위치하는 캐소드 밀봉부를 포함하며, 관통부와 애노드 밀봉부 및 캐소드 밀봉부는 일체로 형성될 수 있다. 관통부와 애노드 밀봉부 및 캐소드 밀봉부는 액상 고무 주입법에 의해 일체로 형성될 수 있다.
제1 관통홀과 제2 관통홀은 같은 위치에서 같은 크기로 형성될 수 있다. 애노드 밀봉부와 캐소드 밀봉부는 제1 관통홀 및 제2 관통홀의 직경보다 큰 폭을 가질 수 있다.
애노드 세퍼레이터는 외면의 유효 영역에 연료 채널을 형성하고, 캐소드 세퍼레이터는 외면의 유효 영역에 산화제 채널을 형성하며, 제1 관통홀과 제2 관통홀은 유효 영역의 외측에서 유효 영역의 가장자리를 따라 서로간 거리를 두고 위치할 수 있다. 애노드 밀봉부와 캐소드 밀봉부는 각각 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 덮으면서 유효 영역을 둘러싸는 폐곡선 모양으로 형성될 수 있다.
애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터는 유효 영역의 외측에 연료 매니폴드와 산화제 매니폴드를 형성하고, 제1 관통홀과 제2 관통홀은 연료 매니폴드의 가장자리 및 산화제 매니폴드의 가장자리를 따라 서로간 거리를 두고 위치할 수 있다. 애노드 밀봉부와 캐소드 밀봉부는 각각 제1 관통홀 및 제2 관통홀을 덮으면서 연료 매니폴드와 산화제 매니폴드를 둘러싸는 폐곡선 모양으로 형성될 수 있다.
애노드 밀봉부와 캐소드 밀봉부는 각각 유효 영역을 둘러싸는 큰 폐곡선에 연료 매니폴드와 산화제 매니폴드를 둘러싸는 작은 폐곡선이 접하는 모양으로 형성될 수 있다.
애노드 밀봉부의 바닥면 전체는 애노드 세퍼레이터의 외면과 면접촉을 하고, 캐소드 밀봉부의 바닥면 전체는 캐소드 세퍼레이터의 외면과 면접촉을 할 수 있다.
애노드 세퍼레이터는 내면에 연료 매니폴드와 연료 채널을 연결하는 연결 채널을 형성하고, 캐소드 세퍼레이터는 내면에 산화제 매니폴드와 산화제 채널을 연결하는 연결 채널을 형성할 수 있다.
애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터는 서로 접하는 내면에 냉각 채널을 형성할 수 있다. 애노드 세퍼레이터와 캐소드 세퍼레이터는 개스킷에 의해 가조립되어 서로에 대해 위치가 어긋나지 않도록 정렬될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 개스킷을 세퍼레이터에 일체로 형성함으로써 연료 전지 스택을 제조하는 과정에서 개스킷을 막-전극 접합체와 세퍼레이터 사이에 적층하는 단계를 생략할 수 있다. 즉, 막-전극 접합체들 사이에 개스킷이 일체화된 세퍼레이터를 적층하는 과정만으로 연료 전지 스택을 조립할 수 있다. 따라서 연료 전지 스택을 제조하는 과정에서 생산성을 높이고 조립 시간을 단축시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터와 개스킷의 분해 사시도이다.
도 5a는 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 5b는 도 2의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 5c는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 6과 도 7은 개스킷의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 개략도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예의 연료 전지 스택(100)은 복수의 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체들(10) 사이에서 막-전극 접합체들(10)에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터(20)와, 세퍼레이터(20)에 일체형으로 구비된 개스킷(30)을 포함한다. 하나의 막-전극 접합체(10)와 이의 양측에 위치하는 2개의 세퍼레이터(20)가 전기 에너지를 생성하는 하나의 단위 셀을 구성한다.
막-전극 접합체(10)는 연료와 산화제를 제공받으며, 연료와 산화제의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 세퍼레이터(20)는 막-전극 접합체(10)의 일측에 연료 채널(21)을 형성하고, 막-전극 접합체(10)의 반대편 일측에 산화제 채널(22)을 형성하여 막-전극 접합체(10)로 연료와 산화제를 공급한다. 세퍼레이터(20)는 기구적 강도가 약한 막-전극 접합체(10)를 가압하여 막-전극 접합체(10)를 지지하며, 막-전극 접합체들(10)을 전기적으로 연결시킨다.
연료 전지 스택(100)은 직접 산화형으로서 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료(메탄올, 에탄올, 액화석유가스, 액화천연가스, 가솔린, 및 부탄 가스 등)를 연료로 제공받을 수 있다. 다른 한편으로, 연료 전지 스택(100)은 고분자 전해질형으로서 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료로부터 개질기에 의해 크랙킹된 수소 또는 수소 리치 가스를 연료로 제공받을 수 있다. 연료 전지 스택(100)은 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 순수한 산소를 제공받거나, 산소를 함유한 외부 공기를 그대로 제공받을 수 있다.
연료 전지 스택(100)의 최외곽에는 연료 전지 스택(100)을 일체로 고정시키는 한 쌍의 엔드 플레이트(40)가 설치된다. 어느 하나의 엔드 플레이트(40)에는 연료 전지 스택(100)으로 연료를 공급하는 연료 주입구(41), 산화제를 공급하는 산화제 주입구(42), 미반응 연료를 배출하는 연료 배출구(43), 및 수분과 미반응 공기를 배출하는 산화제 배출구(44)가 형성될 수 있다.
도 1에서는 하나의 엔드 플레이트(40)에 2개의 주입구(41, 42)와 2개의 배출구(43, 44)가 모두 형성된 경우를 도시하였으나, 어느 하나의 엔드 플레이트(40)에 연료 주입구(41)와 산화제 주입구(42)가 형성되고, 다른 하나의 엔드 플레이트(40)에 연료 배출구(43)와 산화제 배출구(44)가 형성되는 구성도 가능하다.
도 3은 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 3을 참고하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성되는 애노드 전극(12)과, 전해질막(11)의 반대측 일면에 형성되는 캐소드 전극(13)과, 전해질막(11)의 가장자리에 고정된 지지 필름(14)을 포함한다.
애노드 전극(12)은 연료를 공급받는 부분으로서 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(121)과, 촉매층(121)을 덮는 가스 확산층(122)을 포함한다. 캐소드 전극(13)은 산화제를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산화제 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(131)과, 촉매층(131)을 덮는 가스 확산층(132)을 포함한다. 전해질막(11)은 애노드 전극(12)의 촉매층(121)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(13)의 촉매층(131)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다.
애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)은 전해질막(11)보다 작은 면적으로 형성되며, 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)이 형성되지 않은 전해질막(11)의 가장자리에 지지 필름(14)이 고정된다. 지지 필름(14)은 수분 흡수에 따른 전해질막(11)의 팽창과 주름 발생을 억제하며, 세퍼레이터(20)와의 기구적인 체결을 가능하게 한다. 지지 필름(14)에는 연료 통과를 위한 연료 매니폴드(45, 도 2 참조) 및 산화제 통과를 위한 산화제 매니폴드(46, 도 2 참조)가 형성된다.
지지 필름(14)이 위치하는 막-전극 접합체(10)의 가장자리 두께는 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)이 형성된 막-전극 접합체(10)의 중앙부 두께보다 작다.
다시 도 1과 도 2를 참고하면, 2개의 막-전극 접합체(10) 사이에 위치하는 세퍼레이터(20)는 애노드 전극(12)과 마주하는 애노드 세퍼레이터(210) 및 캐소드 전극(13)과 마주하는 캐소드 세퍼레이터(220)로 구분될 수 있다. 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 2개의 연료 매니폴드(45)와 2개의 산화제 매니폴드(46)를 형성한다.
연료 채널(21)은 애노드 세퍼레이터(210) 외면의 유효 영역에 배치되며, 유효 영역의 외측에 위치한 2개의 연료 매니폴드(45)와 연결된다. 산화제 채널(22)은 캐소드 세퍼레이터(220) 외면의 유효 영역에 배치되고, 유효 영역의 외측에 위치한 2개의 산화제 매니폴드(46)와 연결된다. 여기서, 유효 영역은 막-전극 접합체(10) 가운데 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)이 형성된 영역으로 정의되며, 지지 필름(14)은 유효 영역의 외측에 위치한다.
연료 주입구(41)로 공급된 연료는 연료 주입구(41)와 이어진 어느 하나의 연료 매니폴드(45)를 통해 애노드 세퍼레이터들(210)의 연료 채널(21)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 애노드 전극(12)으로 동시에 공급된다. 산화제 주입구(42)로 공급된 산화제는 산화제 주입구(42)와 이어진 어느 하나의 산화제 매니폴드(46)를 통해 캐소드 세퍼레이터들(220)의 산화제 채널(22)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 캐소드 전극(13)으로 동시에 공급된다. 이로써 막-전극 접합체(10)에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지가 생성된다.
그리고 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 연료는 반대편 연료 매니폴드(45)를 거쳐 연료 배출구(43)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 전기화학적 반응의 부산물로서 발생한 수분은 반대편 산화제 매니폴드(46)를 거쳐 산화제 배출구(44)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다.
개스킷(30)은 애노드 세퍼레이터(210) 및 캐소드 세퍼레이터(220)를 관통하면서 양 세퍼레이터(210, 220)에 일체형으로 구비된다. 따라서 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 도전성 레진과 같은 접착제를 이용하여 일체로 접합되는 대신, 개스킷(30)에 의해 가조립되어 서로 정렬된다. 개스킷(30)은 불소계 고무, 실리콘계 고무, 및 에틸렌 프로필렌 고무와 같은 고무 소재로 형성되며, 소정의 탄성을 가진다.
도 4는 도 2에 도시한 세퍼레이터와 개스킷의 분해 사시도이고, 도 5a 내지 도 5c는 각각 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선과 Ⅱ-Ⅱ선 및 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4 내지 도 5c를 참고하면, 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 유효 영역(쇄선으로 도시)의 외측에서 유효 영역의 가장자리를 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 관통홀(23, 24)과, 연료 매니폴드(45) 및 산화제 매니폴드(46)의 외측에 위치하는 복수의 관통홀(23, 24)을 형성한다. 애노드 세퍼레이터(210)의 제1 관통홀(23)과 캐소드 세퍼레이터(220)의 제2 관통홀(24)은 정확히 같은 위치에서 같은 크기로 형성된다.
양 세퍼레이터(210, 220)에 형성된 제1 관통홀(23) 및 제2 관통홀(24)의 위치, 개수, 크기, 및 모양 등은 도 4에 도시한 예에 한정되지 않으며 다양하게 변형 가능하다.
개스킷(30)은 관통부(31)와 애노드 밀봉부(32) 및 캐소드 밀봉부(33)를 포함한다. 관통부(31)는 제1 관통홀(23)과 제2 관통홀(24)을 채우도록 형성되어 양 세퍼레이터(210, 220)를 관통한다. 애노드 밀봉부(32)는 관통부(31)와 연결되며 애노드 세퍼레이터(210)의 외면에서 소정 두께로 돌출 형성된다. 캐소드 밀봉부(33)는 관통부(31)와 연결되며 캐소드 세퍼레이터(220)의 외면에서 소정 두께로 돌출 형성된다. 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33) 및 관통부(31)는 다음에 설명하는 액상 고무 주입법에 의해 모두 일체로 형성된다.
애노드 밀봉부(32)는 애노드 세퍼레이터(210)의 외면에서 연료 채널(21)을 둘러싸는 큰 폐곡선 모양으로 형성되며, 또한 2개의 연료 매니폴드(45)와 2개의 산화제 매니폴드(46)를 둘러싸는 4개의 작은 폐곡선이 큰 폐곡선에 접하는 모양으로 형성된다. 애노드 밀봉부(32)는 일정한 두께로 일정한 폭을 갖도록 형성된다.
캐소드 밀봉부(33)는 캐소드 세퍼레이터(220)의 외면에서 산화제 채널(22)을 둘러싸는 큰 폐곡선 모양으로 형성되며, 또한 2개의 연료 매니폴드(45)와 2개의 산화제 매니폴드(46)를 둘러싸는 4개의 작은 폐곡선이 큰 폐곡선에 접하는 모양으로 형성된다. 캐소드 밀봉부(33)는 일정한 두께로 일정한 폭을 가지며, 애노드 밀봉부(32)와 같은 모양으로 형성된다.
애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)는 관통홀(23, 24)과 중첩되어 세퍼레이터(20)의 두께 방향을 따라 관통부(31)와 이어진다. 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)의 폭은 관통부(31)의 직경(관통부가 원형이 아닌 경우에는 관통부의 폭)보다 크게 형성되어 관통부(31) 전체를 커버한다.
따라서 개스킷(30)의 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)는 연료 채널(21), 산화제 채널(22), 연료 매니폴드(45), 및 산화제 매니폴드(46)를 둘러싸 이를 밀봉한다. 또한, 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)는 연료 매니폴드(45)와 연료 채널(21)을 흐르는 연료, 및 산화제 매니폴드(46)와 산화제 채널(22)을 흐르는 산화제가 연료 전지 스택(100)의 외부로 누출되지 않도록 한다.
이때, 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 개스킷(30) 배치를 위한 홈을 형성하지 않으며, 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)는 각각 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)의 바깥으로 그 두께만큼 돌출된다. 이로써 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)는 세퍼레이터(20)의 두께 방향을 따라 압력이 가해질 때 양옆으로 퍼질 수 있으므로 변형이 자유롭다.
개스킷(30)은 한 쌍의 엔드 플레이트(40, 도 1 참조)를 가압하여 연료 전지 스택(100)을 결합시키는 과정에서 압력을 받는다. 즉, 한 쌍의 엔드 플레이트(40) 사이에 복수의 막-전극 접합체(10)와 복수의 세퍼레이터(20)를 배치하고, 볼트와 같은 체결 수단을 이용하여 한 쌍의 엔드 플레이트(40)를 가압할 때 세퍼레이터(20)의 두께 방향을 따라 개스킷(30)에 압력이 가해진다.
만일 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)가 개스킷(30) 배치를 위한 홈을 형성하는 경우, 홈에 안착된 개스킷에 과도한 힘이 가해지면 고무 재질의 개스킷이 압력에 의해 변형되면서 홈 바깥으로 넘칠 수 있다. 그러면 막-전극 접합체(10)와 세퍼레이터(20) 사이에 틈이 발생하므로 막-전극 접합체(10)와 세퍼레이터(20) 사이가 기밀되지 않아 연료 또는 산화제가 누출될 수 있다.
그러나 본 실시예의 연료 전지 스택에서는 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33)가 홈에 안착되지 않고 세퍼레이터(20) 바깥으로 돌출 형성됨에 따라, 압력에 의해 변형될 때 자유롭게 양옆으로 퍼질 수 있으므로 막-전극 접합체(10)와 세퍼레이터(20) 사이의 기밀을 확실하게 유지시킬 수 있다.
또한, 애노드 밀봉부(32)의 바닥면 전체는 애노드 세퍼레이터(210)와 면접촉하고, 캐소드 밀봉부(33)의 바닥면 전체는 캐소드 세퍼레이터(220)와 면접촉을 할 수 있다. 즉, 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 애노드 밀봉부(32) 및 캐소드 밀봉부(33)와 접하는 영역에 어떠한 홈도 형성하지 않는다.
이를 위해 연료 매니폴드(45)와 연료 채널(21)은 애노드 세퍼레이터(210)의 내면에 형성된 연결 채널(25, 도 5b 참조)에 의해 연결되고, 산화제 매니폴드(46)와 산화제 채널(22)은 캐소드 세퍼레이터(220)의 내면에 형성된 연결 채널(26, 도 5b 참조)에 의해 연결될 수 있다. 연결 채널(25)은 연료 매니폴드(45) 또는 산화제 매니폴드(46)로부터 유효 영역을 향해 연장된 수평부(251, 261)와, 수평부(251, 261)로부터 양 세퍼레이터(210, 220)의 두께 방향을 따라 연장되어 연료 채널(21) 또는 산화제 채널(22)과 연통하는 수직부(252, 262)로 이루어진다.
따라서 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 유효 영역과 연료 매니폴드(45) 사이 및 유효 영역과 산화제 매니폴드(46) 사이를 평탄한 면으로 형성하여 양 세퍼레이터(210, 220)와 개스킷(30)을 밀착시킴에 따라 개스킷(30)의 기밀 효과를 높일 수 있다.
한편, 애노드 세퍼레이터(210)의 내면과 캐소드 세퍼레이터(220)의 내면에는 냉각 채널(27)이 형성될 수 있다. 냉각 채널(27)은 도시하지 않은 송풍부와 연결되며, 송풍부의 흡입력에 의해 외부 공기가 냉각 채널(27)로 유입된다. 따라서 외부 공기와 연료 전지 스택(100)의 열 교환으로 연료 전지 스택(100)의 온도를 낮출 수 있다.
다음으로, 개스킷(30)의 제조 방법에 대해 설명한다.
도 6과 도 7은 개스킷의 제조 방법을 설명하기 위해 도시한 개략도이다. 도 6과 도 7에서는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 절개한 세퍼레이터의 단면을 나타내었다.
도 6을 참고하면, 복수의 관통홀(23, 24)이 형성된 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)를 준비하고, 양 세퍼레이터(210, 220)를 적층한 후 개스킷 주입 장치(50) 내부에 설치한다. 개스킷 주입 장치(50)는 상부 지지체(51)와 하부 지지체(52)를 포함하며, 상부 지지체(51)의 내부와 하부 지지체(52)의 내부에는 애노드 밀봉부(32) 및 캐소드 밀봉부(33)의 형상에 대응하는 오목한 유로(53)가 형성된다. 이 유로(53)는 상부 지지체(51)와 하부 지지체(52)에 설치된 개스킷 주입 노즐(54)과 연결된다.
도 7을 참고하면, 개스킷 주입 노즐(54)을 통해 상부 지지체(51)의 유로(53) 및 하부 지지체(52)의 유로(53)에 액상 고무를 주입한다. 액상 고무는 액상 불소계 고무, 액상 실리콘계 고무, 및 액상 에틸렌 프로필렌 고무 중 어느 하나일 수 있다. 따라서 상부 지지체(51)의 유로(53)와 하부 지지체(52)의 유로(53) 및 양 세퍼레이터(210, 220)에 형성된 관통홀(23, 24)에 액상 고무가 채워지며, 채워진 액상 고무를 경화시켜 개스킷(30)을 완성한다.
애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 개스킷(30)에 의해 가조립되며, 서로에 대해 위치가 틀어지지 않도록 정렬된다. 즉, 종래에는 도전성 레진과 같은 접착제를 이용하여 양 세퍼레이터를 접합하였으나, 본 실시예의 세퍼레이터(20)는 서로 접합되는 일 없이 개스킷(30)에 의해 위치가 틀어지지 않을 정도로만 정렬된 상태를 유지하며 조립된다.
이후 양 세퍼레이터(210, 220)는 한 쌍의 엔드 플레이트(40)를 가압할 때 발생하는 압력에 의해 밀착되어 견고하게 조립된다. 개스킷(30)의 애노드 밀봉부(32)와 캐소드 밀봉부(33) 또한 압력을 받아 그 두께가 작아지도록 변형되는데, 이러한 개스킷(30) 변형에 의해 막-전극 접합체(10)의 애노드 전극(12)은 연료 채널(21)에 밀착되고, 캐소드 전극(13)은 산화제 채널(22)에 밀착될 수 있다.
이와 같이 개스킷(30)을 세퍼레이터(20)에 일체로 형성함에 따라 연료 전지 스택(100)을 제조하는 과정에서 개스킷(30)을 막-전극 접합체(10)와 세퍼레이터(20) 사이에 적층하는 단계를 생략할 수 있다. 즉, 막-전극 접합체들(10) 사이에 개스킷(30)이 일체화된 세퍼레이터(20)를 적층하는 과정만으로 연료 전지 스택(100)을 조립할 수 있다. 따라서 연료 전지 스택(100)을 제조하는 과정에서 생산성을 높이고 조립 시간을 단축시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 연료 전지 스택 10: 막-전극 접합체
20: 세퍼레이터 30: 개스킷
40: 엔드 플레이트 210: 애노드 세퍼레이터
220: 캐소드 세퍼레이터 23, 24: 관통홀
31: 관통부 32: 애노드 밀봉부
33: 캐소드 밀봉부

Claims (14)

  1. 복수의 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체들 사이에서 상기 막-전극 접합체들에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터, 및 상기 세퍼레이터에 구비된 개스킷을 포함하며,
    상기 세퍼레이터는 제1 관통홀을 형성하는 애노드 세퍼레이터와, 상기 애노드 세퍼레이터에 밀착되며 제2 관통홀을 형성하는 캐소드 세퍼레이터를 포함하고,
    상기 개스킷은 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀에 충진되어 상기 애노드 세퍼레이터와 상기 캐소드 세퍼레이터를 관통하는 관통부와, 상기 관통부와 연결되며 상기 애노드 세퍼레이터 및 상기 캐소드 세퍼레이터의 외면에서 그 두께만큼 돌출 형성되는 밀봉부를 포함하는 연료 전지 스택.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 밀봉부는 상기 애노드 세퍼레이터의 외면에 위치하는 애노드 밀봉부 및 상기 캐소드 세퍼레이터의 외면에 위치하는 캐소드 밀봉부를 포함하며,
    상기 관통부와 상기 애노드 밀봉부 및 상기 캐소드 밀봉부는 일체로 형성되는 연료 전지 스택.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 관통부와 상기 애노드 밀봉부 및 상기 캐소드 밀봉부는 액상 고무 주입법에 의해 일체로 형성되는 연료 전지 스택.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 관통홀과 상기 제2 관통홀은 같은 위치에서 같은 크기로 형성되는 연료 전지 스택.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 애노드 밀봉부와 상기 캐소드 밀봉부는 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀의 직경보다 큰 폭을 가지는 연료 전지 스택.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 애노드 세퍼레이터는 외면의 유효 영역에 연료 채널을 형성하고, 상기 캐소드 세퍼레이터는 외면의 유효 영역에 산화제 채널을 형성하며,
    상기 제1 관통홀과 상기 제2 관통홀은 상기 유효 영역의 외측에서 상기 유효 영역의 가장자리를 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 연료 전지 스택.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 애노드 밀봉부와 상기 캐소드 밀봉부는 각각 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 덮으면서 상기 유효 영역을 둘러싸는 폐곡선 모양으로 형성되는 연료 전지 스택.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 애노드 세퍼레이터와 상기 캐소드 세퍼레이터는 상기 유효 영역의 외측에 연료 매니폴드와 산화제 매니폴드를 형성하고,
    상기 제1 관통홀과 상기 제2 관통홀은 상기 연료 매니폴드의 가장자리 및 상기 산화제 매니폴드의 가장자리를 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 연료 전지 스택.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 밀봉부와 상기 캐소드 밀봉부는 각각 상기 제1 관통홀 및 상기 제2 관통홀을 덮으면서 상기 연료 매니폴드와 상기 산화제 매니폴드를 둘러싸는 폐곡선 모양으로 형성되는 연료 전지 스택.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 밀봉부와 상기 캐소드 밀봉부는 각각 상기 유효 영역을 둘러싸는 큰 폐곡선에 상기 연료 매니폴드와 상기 산화제 매니폴드를 둘러싸는 작은 폐곡선이 접하는 모양으로 형성되는 연료 전지 스택.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 애노드 밀봉부의 바닥면 전체는 상기 애노드 세퍼레이터의 외면과 면접촉을 하고, 상기 캐소드 밀봉부의 바닥면 전체는 상기 캐소드 세퍼레이터의 외면과 면접촉을 하는 연료 전지 스택.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 애노드 세퍼레이터는 내면에 상기 연료 매니폴드와 상기 연료 채널을 연결하는 연결 채널을 형성하고, 상기 캐소드 세퍼레이터는 내면에 상기 산화제 매니폴드와 상기 산화제 채널을 연결하는 연결 채널을 형성하는 연료 전지 스택.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 세퍼레이터와 상기 캐소드 세퍼레이터는 서로 접하는 내면에 냉각 채널을 형성하는 연료 전지 스택.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 애노드 세퍼레이터와 상기 캐소드 세퍼레이터는 상기 개스킷에 의해 가조립되어 서로에 대해 위치가 어긋나지 않도록 정렬되는 연료 전지 스택.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109980245A (zh) * 2019-03-22 2019-07-05 苏州钧峰新能源科技有限公司 一种直接甲醇燃料电池中双极板与膜电极的密封方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130196253A1 (en) * 2012-01-31 2013-08-01 Delphi Technologies, Inc. Fuel cell stack having interlocking features to enhance adhesion of glass seal to sealing surfaces
FR2996361B1 (fr) * 2012-10-03 2017-02-17 Air Liquide Dispositif d'etancheite pour pile a combustible, cellule et une pile a combustible comprenant un tel dispositif
DE102013021537A1 (de) * 2013-12-18 2015-06-18 Daimler Ag Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle und Brennstoffzelle
FR3050874B1 (fr) * 2016-05-02 2018-05-18 Safran Aircraft Engines Ensemble pour cellule de pile a combustible

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100387244B1 (ko) 2001-03-16 2003-06-12 삼성전자주식회사 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩
KR100751881B1 (ko) 2006-09-06 2007-08-23 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 스택
KR100830980B1 (ko) 2007-05-28 2008-05-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 스택

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU3234200A (en) * 1999-03-10 2000-09-28 Flexfab Horizons International, Inc. Fuel cell gasket assembly and method of assembling fuel cells
DE10250434A1 (de) * 2002-10-30 2004-05-13 Ab Skf Modul für eine Brennstoffzellenanordnung
CN1536698B (zh) * 2003-04-02 2010-12-15 松下电器产业株式会社 燃料电池用电解质膜结构、mea结构及燃料电池
JP4502135B2 (ja) * 2003-07-08 2010-07-14 Ｎｏｋ株式会社 燃料電池用セパレータ
KR20070112367A (ko) * 2005-10-17 2007-11-23 다이니폰 인사츠 가부시키가이샤 고분자 전해질형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100387244B1 (ko) 2001-03-16 2003-06-12 삼성전자주식회사 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩
KR100751881B1 (ko) 2006-09-06 2007-08-23 (주)퓨얼셀 파워 연료전지 스택
KR100830980B1 (ko) 2007-05-28 2008-05-20 삼성에스디아이 주식회사 연료 전지용 스택

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109980245A (zh) * 2019-03-22 2019-07-05 苏州钧峰新能源科技有限公司 一种直接甲醇燃料电池中双极板与膜电极的密封方法
CN109980245B (zh) * 2019-03-22 2021-10-29 苏州钧峰新能源科技有限公司 一种直接甲醇燃料电池中双极板与膜电极的密封方法

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