KR101106924B1 - Stack for fuel cell - Google Patents

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Abstract

본 발명의 연료 전지용 스택은, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 각각 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA), 상기 MEA의 양면에 각각 배치되며, 상기 MEA에 대향하는 일면에 채널이 형성된 세퍼레이터 및 상기 MEA와 상기 세퍼레이터 사이의 공간을 밀봉하도록 상기 MEA가 위치한 영역의 외측 둘레에 배치되는 복수의 개스킷들을 포함하고, 상기 복수의 개스킷들은 제1 압축율을 갖는 제1 개스킷과, 상기 제1 압축율보다 높은 제2 압축율을 갖는 제2 개스킷을 포함한다. The fuel cell stack of the present invention includes a membrane-electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane, respectively disposed on both sides of the MEA, and facing one side of the MEA. A plurality of gaskets disposed around an outer circumference of a region where the MEA is located to seal a space formed between the separator and the MEA and the separator, the plurality of gaskets including a first gasket having a first compression ratio; And a second gasket having a second compression ratio higher than the first compression ratio.

이에 따르면, 본 발명은 압축 특성이 거의 없는 제1 개스킷과 압축 특성이 큰 제2 개스킷의 이중 구조를 도입하여, 제1 개스킷에 의해 가스 확산층의 일정한 면압을 부여하여 연료전지의 높은 성능을 장기간 유지할 수 있고, 제2 개스킷에 의해 연료 전지용 스택를 완벽하게 실링함으로써 연료전지 운전에 있어 가스 및 냉각수 누출을 방지할 수 있는 이점이 있다. 또한, 별도의 구성부품이 추가 없이 개스킷들의 조립이 이루어지므로 연료 전지용 스택의 조립성이 저하되지 않는 이점이 있다. According to the present invention, the present invention introduces a dual structure of a first gasket having almost no compression characteristics and a second gasket having large compression characteristics to impart a constant surface pressure of the gas diffusion layer by the first gasket to maintain high performance of the fuel cell for a long time. It is possible to prevent the leakage of gas and coolant in the fuel cell operation by completely sealing the stack for the fuel cell by the second gasket. In addition, since the assembly of the gaskets without the addition of additional components there is an advantage that the assembly of the fuel cell stack does not deteriorate.

연료 전지용 스택, 개스킷 Stacks, gaskets for fuel cells

Description

연료 전지용 스택{Stack for fuel cell}Stack for fuel cell

본 발명은 연료 전지용 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기를 생성하는 단위셀에서 기밀을 유지하기 위해 설치되는 개스킷(Gasket)을 이중 구조로 개선시킨 연료 전지용 스택에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a stack for a fuel cell, and more particularly, to a stack for a fuel cell in which a gasket installed to maintain airtightness in a unit cell that generates electricity has a dual structure.

연료 전지(Fuel Cell)는 연료의 산화 반응 및 연료와 별도인 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 발전장치로, 예를 들어, 고분자 전해질 연료전지는 수소 이온 교환막 특성을 갖는 고분자 막을 전해질막으로 사용하는 연료전지이다. A fuel cell is a power generation device that generates electrical energy by an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant gas separate from the fuel. For example, a polymer electrolyte fuel cell is a polymer electrolyte having a hydrogen ion exchange membrane characteristic. It is a fuel cell used as a membrane.

이러한 연료전지는 다른 형태의 전지에 비해 효율이 높고, 전류 밀도 및 출력 밀도가 크며, 시동 시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 점 등 여러 장점이 있어 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. These fuel cells have many advantages, such as higher efficiency, higher current density and higher output density, shorter start-up time, and faster response to load changes than other types of batteries. It can be applied to a wide variety of fields such as spacecraft power, mobile power, military power.

이와 같은 연료 전지는 전기에너지를 생성하는 최소 단위인 단위셀을 구비한다. 단위셀은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 이하 'MEA'라 한다), 상기 MEA를 사이에 두고 그 양측에 구비되는 세퍼레이터(Separator), 및 상기 MEA의 가장자리에 위치하면서 한 쌍의 세퍼레이터들 사이의 공간을 기밀하는 개스킷(Gasket)을 포함한다. Such a fuel cell has a unit cell which is a minimum unit for generating electrical energy. The unit cell is a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as 'MEA'), a separator provided on both sides of the MEA, and a pair of separators positioned at the edge of the MEA. Includes a gasket to seal the space of the.

한편, 상기 MEA에는 연료 기체 및 수증기의 통로인 가스확산층이 포함되는데, 가스확산층이 적절하게 압축되었는지 여부 및 면적이 큰 가스확산층에 일정하게 면압이 가해지는지 여부는 연료 전지용 스택의 성능 및 내구성에 영향을 미치고 있고, 이러한 가스확산층의 압축율은 가스확산층 외곽에 배치된 상기 개스킷을 통해 조절된다. On the other hand, the MEA includes a gas diffusion layer which is a passage of fuel gas and water vapor, and whether the gas diffusion layer is properly compressed and whether the surface pressure is uniformly applied to the gas diffusion layer having a large area affects the performance and durability of the fuel cell stack. The compression rate of the gas diffusion layer is controlled through the gasket disposed outside the gas diffusion layer.

하지만, 경도가 높은 하드(Hard)한 물질층으로 이루어진 개스킷을 도입하는 경우, 스택이 체결된 후 개스킷과 세퍼레이터 사이의 미세한 틈새로 가스 및 냉각수가 누출되는 위험성이 내재되어 있어 적용에 한계가 있다. However, in the case of introducing a gasket made of a hard material layer having a high hardness, there is a limit in application since there is a risk of leaking gas and cooling water due to a minute gap between the gasket and the separator after the stack is fastened.

또한, 경도가 낮은 소프트(Soft)한 물질층으로 이루어진 개스킷을 도입하는 경우, 개스킷 재료의 물성으로 인해 가스확산층의 압축율을 원활히 조절할 수 없으며, 개스킷의 높은 신축성으로 인해 고온에서 운전 중에 가스확산층에 가하여지는 압력이 국부적으로 차이가 발생하여 가스확산층에 불균일한 면압이 가해지게 되어 가스확산층의 압축율이 국부적으로 불균일하게 되고, 불균일한 면압으로 인해 가스확산층과 전극 계면에서의 접촉 저항이 증가하게 되어 단위셀의 성능을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다. In addition, in the case of introducing a gasket made of a soft material layer having a low hardness, the compressibility of the gas diffusion layer cannot be smoothly controlled due to the properties of the gasket material, and due to the high elasticity of the gasket, it is applied to the gas diffusion layer during operation at high temperature. The pressure difference occurs locally, resulting in uneven surface pressure applied to the gas diffusion layer, resulting in localized non-uniform compression rate of the gas diffusion layer, and increased contact resistance at the gas diffusion layer and electrode interface due to uneven surface pressure. There is a problem that reduces the performance of.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기를 생성하는 단위셀에서 기밀을 유지하기 위해 설치되는 개스킷(Gasket)을 이중 구조로 개선시킨 연료 전지용 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a stack for a fuel cell in which a gasket installed to maintain airtightness in a unit cell that generates electricity has a dual structure.

본 발명의 연료 전지용 스택은, 전해질막과 상기 전해질막의 양면에 각각 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA), 상기 MEA의 양면에 각각 배치되며, 상기 MEA에 대향하는 일면에 채널이 형성된 세퍼레이터 및 상기 MEA와 상기 세퍼레이터 사이의 공간을 밀봉하도록 상기 MEA가 위치한 영역의 외측 둘레에 배치되는 복수의 개스킷들을 포함하고, 상기 복수의 개스킷들은 제1 압축율을 갖는 제1 개스킷과, 상기 제1 압축율보다 높은 제2 압축율을 갖는 제2 개스킷을 포함하되, 상기 제1 개스킷은 상기 세퍼레이터의 외측 변을 따라 배치되며, 상기 제2 개스킷은 상기 세퍼레이터의 매니폴드와 상기 막-전극 어셈블리의 가스확산층에 대응하는 위치 및 형태로 형성된 관통구멍을 제외하고 상기 가스확산층과 상기 제1 개스킷 사이의 공간을 충진하도록 되어 있다. The fuel cell stack of the present invention includes a membrane-electrode assembly (MEA) including an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode positioned on both sides of the electrolyte membrane, respectively disposed on both sides of the MEA, and facing one side of the MEA. A plurality of gaskets disposed around an outer circumference of a region where the MEA is located to seal a space formed between the separator and the MEA and the separator, the plurality of gaskets including a first gasket having a first compression ratio; And a second gasket having a second compression ratio higher than the first compression ratio, wherein the first gasket is disposed along an outer side of the separator, and the second gasket includes a manifold of the separator and the membrane-electrode assembly. Between the gas diffusion layer and the first gasket except for a through hole formed in a position and shape corresponding to the gas diffusion layer. It is intended to fill the space.

또한, 상기 제1 개스킷은 상기 제2 개스킷의 외측 둘레에 배치될 수 있다. In addition, the first gasket may be disposed around an outer circumference of the second gasket.

또한, 상기 제1 압축율은 0 초과 2% 이하일 수 있다. In addition, the first compression ratio may be greater than 0 and less than or equal to 2%.

또한, 상기 제2 압축율은 25~30%일 수 있다. In addition, the second compression ratio may be 25 to 30%.

또한, 상기 제1 개스킷과 상기 제2 개스킷은 서로 밀착되어 일체로 형성될 수 있다. In addition, the first gasket and the second gasket may be integrally formed in close contact with each other.

또한, 상기 제1 개스킷의 압축 전 스택방향 두께는 상기 제2 개스킷의 스택방향 두께의 70~75% 일 수 있다. In addition, the stack direction thickness of the first gasket before compression may be 70 to 75% of the stack direction thickness of the second gasket.

또한, 상기 복수의 개스킷들과 상기 전해질막 사이에 배치되는 막 보호 레이어를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a membrane protective layer disposed between the plurality of gaskets and the electrolyte membrane.

본 발명에 따른 연료 전지용 스택에서는, 압축 특성이 거의 없는 제1 개스킷과 압축 특성이 큰 제2 개스킷의 이중 구조를 도입하여, 제1 개스킷에 의해 가스 확산층의 일정한 면압을 부여하여 연료전지의 높은 성능을 장기간 유지할 수 있고, 제2 개스킷에 의해 연료 전지용 스택을 완벽하게 실링함으로써 연료전지 운전에 있어 가스 및 냉각수 누출을 방지할 수 있는 이점이 있다. In the fuel cell stack according to the present invention, a dual structure of a first gasket having almost no compression characteristics and a second gasket having large compression characteristics is introduced, and a constant surface pressure of the gas diffusion layer is given by the first gasket to provide high performance of the fuel cell. Can be maintained for a long time and the gas gasket can be prevented from leaking in the fuel cell operation by completely sealing the stack for the fuel cell by the second gasket.

또한, 별도의 구성부품이 추가 없이 개스킷들의 조립이 이루어지므로 연료 전지용 스택의 조립성이 저하되지 않는 이점이 있다. In addition, since the assembly of the gaskets without the addition of additional components there is an advantage that the assembly of the fuel cell stack does not deteriorate.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 애노드 세퍼레이터를 나타낸 사시도, 도 3은 도 1에 도시된 MEA의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a perspective view of a stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of the anode separator shown in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the MEA shown in FIG. 1.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 연료와 산화제를 공급받아서, 연료의 산화 반응과 산화제 가스의 환원 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위셀(110)을 포함한다. 여기서, 연료는 메탄올, 에탄올과 같은 알코올계 연료가 사용되고, 산화제 가스는 일반적으로 공기가 사용된다. As shown in FIG. 1, the stack 100 for a fuel cell of the present embodiment includes a unit cell 110 that receives electric fuel and an oxidant, and generates electrical energy by an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of an oxidant gas. . Here, alcohol-based fuels such as methanol and ethanol are used as the fuel, and air is generally used as the oxidant gas.

단위셀(110)은 전기를 발생시키는 최소 단위로서, 원하는 출력의 전기를 생 산하기 위하여 단위셀(110)들이 수 개 내지 수십 개가 순차적으로 적층되어 연료전지용 스택(Stack)(100)을 구성한다. 연료전지용 스택(100)의 최외측에는 엔드 플레이트(101)가 결합된다. The unit cell 110 is a minimum unit for generating electricity, and in order to generate electricity of a desired output, several to several tens of unit cells 110 are sequentially stacked to form a stack 100 for a fuel cell. . An end plate 101 is coupled to the outermost side of the fuel cell stack 100.

단위셀(110)은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, 이하 'MEA'라 함, 130)와, MEA(130)의 양면에 각각 배치되는 세퍼레이터(120, 140)를 포함한다. The unit cell 110 includes a membrane electrode assembly (hereinafter referred to as MEA 130) and separators 120 and 140 disposed on both surfaces of the MEA 130, respectively.

도 3을 참조하면, MEA(130)에는 전해질막(130a)과 전해질막(130a)의 양면에 각각 위치하는 애노드 전극(130b) 및 캐소드 전극(130c)이 구비된다. Referring to FIG. 3, the MEA 130 includes an anode electrode 130b and a cathode electrode 130c positioned on both surfaces of the electrolyte membrane 130a and the electrolyte membrane 130a, respectively.

또한, MEA(130)는 연료 기체 및 수증기의 통로인 가스확산층(131)을 더 포함한다. 가스확산층(131)의 재료는 카본 페이퍼, 카본 천 등이며, 전기 전도성, 다공성 및 신축성을 가진다. In addition, the MEA 130 further includes a gas diffusion layer 131 which is a passage of fuel gas and water vapor. The material of the gas diffusion layer 131 is carbon paper, carbon cloth, or the like, and has electrical conductivity, porosity, and elasticity.

여기서, 가스확산층(131)의 압축율은 10~50%인 것이 바람직하며, 20~35%인 것이 더욱 바람직하다. Here, the compression rate of the gas diffusion layer 131 is preferably 10 to 50%, more preferably 20 to 35%.

가스확산층(131)은 압축이 되지 않을 경우 원래의 목적인 가스(연료, 공기)를 MEA(130)의 전극(130b,130c)에 원활하게 전달하여 전극 성능을 높일 수 있고, 전기화학 반응에 의해 생성된 물의 배출을 원활하게 할 수 있지만, 연료 전지용 스택(100) 내에서 압축하지 않으면 가스확산층(131)과 전극(130b,130c)층 간의 계면저항이 높아지게 된다. When the gas diffusion layer 131 is not compressed, the gas (fuel, air), which is the original purpose, may be smoothly transferred to the electrodes 130b and 130c of the MEA 130 to increase electrode performance, and may be generated by an electrochemical reaction. Although the discharged water can be smoothly discharged, the interface resistance between the gas diffusion layer 131 and the electrodes 130b and 130c becomes high unless compressed in the fuel cell stack 100.

따라서, 가스확산층(131)의 압축율은 가스 유/출입 및 계면저항과 반비례 관계이므로 이를 고려하여 적당한 압축이 필요하며, 본 발명에서는 이러한 목적을 달 성하기 위해 가스확산층(131)의 압축율을 상기와 같이 10~50%, 바람직하게는 20~35%으로 제한한다. 가스확산층(131)의 압축정도는 후술할 개스킷들(151,152)을 통해 조정된다.Therefore, since the compression ratio of the gas diffusion layer 131 is inversely related to the gas flow / exit and interface resistance, proper compression is necessary in consideration of this, and in the present invention, the compression ratio of the gas diffusion layer 131 is determined in order to achieve such an object. As a limit to 10 to 50%, preferably 20 to 35%. The degree of compression of the gas diffusion layer 131 is adjusted through the gaskets 151 and 152 to be described later.

애노드 전극(130b)은 연료를 산화 반응시켜, 전자와 수소 이온으로 분리시킨다. 그리고, 전해질막(130a)은 수소 이온을 캐소드 전극(130c)으로 이동시키고, 캐소드 전극(130c)은 수소 이온을 산화제 가스와 환원 반응시킨다. The anode electrode 130b oxidizes fuel to separate electrons and hydrogen ions. The electrolyte membrane 130a moves the hydrogen ions to the cathode electrode 130c, and the cathode electrode 130c reduces the hydrogen ions with the oxidant gas.

한편, 세퍼레이터(120, 140)는 플레이트 형상이고, 제1 세퍼레이터(120)는 캐소드 세퍼레이터로서, MEA(130)의 캐소드 전극(130c)측을 향하는 일면에 채널이 형성된다. 제2 세퍼레이터(140)는 애노드 세퍼레이터로서, MEA(130)의 애노드 전극(130b)측을 향하는 일면에 채널이 형성된다. Meanwhile, the separators 120 and 140 have a plate shape, and the first separator 120 is a cathode separator, and a channel is formed on one surface of the MEA 130 facing the cathode electrode 130c side. The second separator 140 is an anode separator, and a channel is formed on one surface of the MEA 130 facing the anode electrode 130b side.

제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(140)는 동일한 형상이므로, 아래에서는 제2 세퍼레이터(140)에 대해서만 설명하도록 한다. Since the first separator 120 and the second separator 140 have the same shape, only the second separator 140 will be described below.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 세퍼레이터(140)는 그 일면에 채널(141)이 형성되고, 상기 채널(141)을 따라 연료가 유동한다. 채널(141)이 형성되는 영역은 도 2의 점선 영역(142)이며, 도 1에 도시된 MEA(130)와 대면하는 영역이다. 채널(141)은 격벽(143)에 의해 여러 개로 나누어진다. Referring to FIG. 2, in the separator 140 of this embodiment, a channel 141 is formed on one surface thereof, and fuel flows along the channel 141. The region where the channel 141 is formed is a dotted line region 142 of FIG. 2 and faces an MEA 130 shown in FIG. 1. The channel 141 is divided into a plurality of partitions 143.

세퍼레이터(140)는 채널(141)이 형성되는 영역의 외측에 매니폴드(144, 145)가 관통되게 형성된다. 연료 전지용 스택(100)은 다수 개의 세퍼레이터(120, 140)들이 적층된 구조이므로, 매니폴드(144, 145)는 하나의 유로 역할을 한다. 제1 매니폴드(144)를 통해 연료가 유입되고, 제2 매니폴드(145)를 통해 미반응된 연료가 배출된다. The separator 140 is formed such that the manifolds 144 and 145 penetrate outside the region where the channel 141 is formed. Since the stack 100 for the fuel cell has a structure in which a plurality of separators 120 and 140 are stacked, the manifolds 144 and 145 serve as one flow path. Fuel is introduced through the first manifold 144 and unreacted fuel is discharged through the second manifold 145.

본 실시예에서는 세퍼레이터(140)에 연료가 유입되는 제1 매니폴드(144)와 미반응된 연료가 배출되는 제2 매니폴드(145)가 하나씩 구비하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 하나의 세퍼레이터에 다수 개의 매니폴드가 형성될 수도 있다. In the present exemplary embodiment, the first manifold 144 into which the fuel is introduced into the separator 140 and the second manifold 145 into which the unreacted fuel is discharged are provided, but the present invention is not limited thereto. In addition, a plurality of manifolds may be formed in one separator.

도 4는 도 1에 도시된 애노드 세퍼레이터와 개스킷들을 나타낸 분해 사시도이고, 도 5는 도 1에 도시된 연료 전지용 스택의 적층 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시된 연료 전지용 스택의 단위셀 상부와 하부에서 압력이 가해진 경우 연료 전지용 스택의 적층 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.4 is an exploded perspective view illustrating the anode separator and the gaskets shown in FIG. 1, FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a stacked state of the stack for the fuel cell illustrated in FIG. 1, and FIG. 6 is a stack for the fuel cell illustrated in FIG. 5. When the pressure is applied to the upper and lower unit cells of the cross-sectional view schematically showing the stacking state of the fuel cell stack.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 MEA(130)가 위치한 영역의 외측 둘레에 배치되어, MEA(130)와 한 쌍의 세퍼레이터(120, 140)들 사이의 공간을 밀봉하는 복수의 개스킷들(151, 152)을 포함한다. As shown in Figs. 4 and 5, the fuel cell stack 100 of this embodiment is disposed around the outer periphery of the area where the MEA 130 is located, so that the MEA 130 and the pair of separators 120 and 140 are located. It includes a plurality of gaskets (151, 152) sealing the space between.

도 4를 참조하면, 복수의 개스킷들(151, 152)은 세퍼레이터(120, 140)에 밀착될 수 있는 시트 타입으로 형성되고, 세퍼레이터(120, 140)의 채널(141)이 형성된 영역의 외측 둘레에 배치된다. Referring to FIG. 4, the plurality of gaskets 151 and 152 are formed in a sheet type that can be in close contact with the separators 120 and 140, and the outer circumference of the region where the channel 141 of the separators 120 and 140 is formed. Is placed on.

제2 개스킷(152)에는 세퍼레이터(120, 140)의 매니폴드(144, 145)에 대응하여 제1 관통구멍(152a, 152b)이 형성되고, 도 2의 점선 영역(142) 및 MEA(130) 영역에 대응하는 제2 관통구멍(152c)이 내측에 형성된다. In the second gasket 152, first through holes 152a and 152b are formed to correspond to the manifolds 144 and 145 of the separators 120 and 140, and the dotted line region 142 and the MEA 130 of FIG. 2 are formed. The second through hole 152c corresponding to the region is formed inside.

본 실시예에서는 제1 관통구멍(152a, 152b)과 제2 관통구멍(152c)이 제2 개스킷(152)에 형성된 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 제1 관통구멍 및 제2 관통구멍이 제1 개스킷(151)에 형성될 수 있고, 상기 관통구멍들(150a, 150b, 150c) 중 일부가 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152) 중 어느 하나에 형성시키도록 다양하게 설계를 변경할 수 있다. In the present exemplary embodiment, the first through holes 152a and 152b and the second through hole 152c are described as being formed in the second gasket 152. However, the present invention is not limited thereto, and the first through holes and the second through holes are not limited thereto. A hole may be formed in the first gasket 151, and a part of the through holes 150a, 150b, and 150c may be variously formed in one of the first gasket 151 and the second gasket 152. You can change the design.

상기와 같이 구성된 본 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 다수 개의 단위셀(110)들이 적층되고, MEA(130)는 제2 관통구멍(152c)에 위치한다. 그리고, 연료는 매니폴드(144, 145)를 통해 유입되거나 배출된다.In the fuel cell stack 100 of the present embodiment configured as described above, a plurality of unit cells 110 are stacked, and the MEA 130 is located in the second through hole 152c. Fuel is then introduced or discharged through the manifolds 144 and 145.

도 5를 참조하면, 본 실시예의 제2 개스킷(152)는 MEA(130)가 위치한 영역의 외측 둘레에 배치되고, 제1 개스킷(151)은 제2 개스킷(152)의 외측 둘레에 배치되어 제2 개스킷(152)과 수평으로 나란히 배치된다. Referring to FIG. 5, the second gasket 152 of the present exemplary embodiment is disposed around the outer circumference of the region where the MEA 130 is located, and the first gasket 151 is disposed around the outer circumference of the second gasket 152. The two gaskets 152 are arranged in parallel with each other.

도 5에 도시된 바와 같은 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)로 이루어진 이중 가스킷 구조는 그 내부가 원형, 사각형, 삼각형, 타원형 등 어떠한 형상을 가져도 무방하다. As shown in FIG. 5, the double gasket structure including the first gasket 151 and the second gasket 152 may have any shape such as a circle, a rectangle, a triangle, and an oval.

한편, 본 발명의 복수의 개스킷들(151,152)은 세퍼레이터(120, 140) 사이의 공간을 밀봉하기 위해서 각각 일정량의 압축율을 갖고, 특히 상기 복수의 개스킷들은 서로 다른 압축율을 갖는 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)으로 구분된다. Meanwhile, the plurality of gaskets 151 and 152 of the present invention each have a certain amount of compression ratio in order to seal the space between the separators 120 and 140, and in particular, the plurality of gaskets have different compression ratios. And a second gasket 152.

여기서, 제1 개스킷(151)의 압축율을 제1 압축율이라고 하고, 제2 개스킷(152)의 압축율을 제2 압축율이라고 할 때, 상기 제2 압축율은 상기 제1 압축율보다 높다. 즉, 본 실시예의 복수의 개스킷들(151, 152)은 경도(硬度)와 압축율이 서로 상이한 소재로 제작된다. Here, when the compression rate of the first gasket 151 is called a first compression rate and the compression rate of the second gasket 152 is called a second compression rate, the second compression rate is higher than the first compression rate. That is, the gaskets 151 and 152 of the present embodiment are made of a material having different hardness and compression ratio.

제1 개스킷(151)은 경도가 높고 압축율이 낮은 하드(Hard) 물질층으로 이루어지고, 제2 개스킷(152)은 하드 물질층에 비해 상대적으로 경도가 낮고 압축율이 높은 소프트(Soft) 물질층으로 이루어진다. The first gasket 151 is made of a hard material layer having a high hardness and a low compression rate, and the second gasket 152 is a soft material layer having a relatively low hardness and a high compression rate compared to the hard material layer. Is done.

여기서, 하드 물질층은 금속(metal), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET ; Polyethylen terephthalate), 폴리에틸렌나프텔레이트(PEN ; Polyethylene naphthelate) 소재로 제작되고, 소프트 물질층은 테프론(Teflon), 폴리테트라플루오르 에틸렌(PTFE ; Polytetrafluoro ethylene), 에틸렌프로필렌 고무(EPDM ; Ethylene propylene rubber) 소재로 제작되며, 압축율이 높아 세퍼레이터(120, 140)들의 체결력에 의해 압축된다. Here, the hard material layer is made of metal, polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthelate (PEN) material, and the soft material layer is Teflon, polytetrafluoroethylene ( It is made of PTFE (Polytetrafluoro ethylene) and ethylene propylene rubber (EPDM) and has a high compression ratio and is compressed by the clamping force of the separators 120 and 140.

상기 제1 압축율은 제1 개스킷(151)의 압축을 최소화하기 위하여 0 인 것이 이상적이지만, 소재의 특성를 고려하여 2% 이하로 제한한다. The first compression ratio is ideally 0 to minimize the compression of the first gasket 151, but limited to 2% or less in consideration of the properties of the material.

상기 제2 압축율은 소재 선정의 다양성을 위해서 10~50%가 바람직하며, 실링 및 내구성을 고려하면 25~30% 인 것이 더욱 바람직하다. The second compression ratio is preferably 10 to 50% for variety of material selection, and more preferably 25 to 30% in consideration of sealing and durability.

한편, 제2 개스킷(152)이 원래 두께(t2)에서 25~30% 정도 두께가 감소했을 경우, 실링능력이 우수할 뿐만 아니라, 압축에 의한 소재의 내구성이 우수하므로 이를 고려하여, 제1 개스킷(151)의 압축 전 스택방향 두께(t1)는 제2 개스킷(152)의 스택방향 두께(t2)의 70~75%로 설정한다. On the other hand, when the second gasket 152 is reduced in thickness by about 25 to 30% from the original thickness (t 2 ), not only the sealing ability is excellent, but also the durability of the material by compression is considered in consideration of this, The stack direction thickness t 1 before compression of the gasket 151 is set to 70 to 75% of the stack direction thickness t 2 of the second gasket 152.

도 6을 참조하면, 도 5의 구조를 갖은 이중 개스킷 구조에서 일정 압력을 가했을 경우 복수의 개스킷들(151, 152)은 압축되는 과정에서 세퍼레이터(120, 140)에 밀착된다. Referring to FIG. 6, when a predetermined pressure is applied in the double gasket structure having the structure of FIG. 5, the plurality of gaskets 151 and 152 may be in close contact with the separators 120 and 140 in the compression process.

이 때, 가스확산층(131)이 제1 개스킷(151)의 두께(t1)만큼 압축되고, 제1 개스킷(151)은 원래의 두께(t1)를 거의 유지하며, 제2 개스킷(152)은 제1 개스킷(151)의 두께(t1) 만큼 수축하여, 제1 개스킷(151)과 가스확산층(131)의 틈새 부분을 메우게 된다. At this time, the gas diffusion layer 131 is compressed by the thickness t 1 of the first gasket 151, the first gasket 151 substantially maintains the original thickness t 1 , and the second gasket 152. Is contracted by the thickness t 1 of the first gasket 151 to fill the gap between the first gasket 151 and the gas diffusion layer 131.

이 경우, 가스 확산층(131)의 전면이 하드 물질층으로 이루어진 제1 개스킷(151)에 의해 지지를 받게 되어 일정한 두께와 일정한 면압을 전극(130b,130c)에 전달할 수 있고, 소프트 물질층으로 이루어진 제2 개스킷(152)는 제1 개스킷(151)과 가스확산층(131) 사이의 틈새를 메워 완벽한 실링이 이루어지도록 한다.
다시 말해, 제1 개스킷(151)은 도 4에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(140)의 외곽을 둘러싸도록 세퍼레이터(140)의 외측 변을 따라 일정한 두께를 유지하면서 동일한 형태로 형성되며, 제2 개스킷(152)은 스택(100) 조립시 제1 개스킷(151)과 가스확산층(131) 사이에 형성되는 공간을 충진하도록 형성되는 바, 제2 개스킷(152)은 세퍼레이터(140)의 매니폴드(144,145) 및 MEA(130)의 가스확산층(131)과 각각 대응하는 위치에, 대응하는 형태로 제1 관통구멍(152a, 152b)과 제2 관통구멍(152c)이 개방되어, 가스확산층(131)은 물론 매니폴드(144,145)를 통해 유/출입되는 가스의 누출을 방지한다.
In this case, the entire surface of the gas diffusion layer 131 is supported by the first gasket 151 made of a hard material layer to transmit a predetermined thickness and a constant surface pressure to the electrodes 130b and 130c, and made of a soft material layer. The second gasket 152 fills the gap between the first gasket 151 and the gas diffusion layer 131 to achieve a perfect sealing.
In other words, as shown in FIG. 4, the first gasket 151 is formed in the same shape while maintaining a constant thickness along the outer side of the separator 140 so as to surround the outside of the separator 140. 152 is formed to fill the space formed between the first gasket 151 and the gas diffusion layer 131 when the stack 100 is assembled, the second gasket 152 is a manifold (144,145) of the separator 140 ) And the first through holes 152a and 152b and the second through hole 152c are opened at positions corresponding to the gas diffusion layers 131 of the MEA 130 and the gas diffusion layers 131, respectively. Of course, to prevent the leakage of gas flowing in / out through the manifold (144,145).

따라서, 본 발명에 의하면 제1 개스킷(151)에 의해 가스 확산층의 일정한 면압을 부여하여 연료전지의 높은 성능을 장기간 유지할 수 있고, 제2 개스킷(152)에 의해 연료 전지용 스택(100)를 완벽하게 실링함으로써 연료전지 운전에 있어 가스 및 냉각수 누출을 방지할 수 있는 효과가 도출된다. Therefore, according to the present invention, the first gasket 151 can impart a constant surface pressure of the gas diffusion layer to maintain high performance of the fuel cell for a long time, and the fuel cell stack 100 can be perfectly formed by the second gasket 152. Sealing has the effect of preventing gas and cooling water leakage in fuel cell operation.

구체적으로, 경도가 높은 하드(Hard)한 물질층으로만 이루어진 개스킷을 도입하게 되면, 연료 전지용 스택이 체결된 후 개스킷과 세퍼레이터 사이의 미세한 틈새로 가스 및 냉각수가 누출되는 위험성이 있지만, 본 발명에 의하면 소프트 물질층으로 이루어진 제2 개스킷이 제1 개스킷 내측에 구비됨으로 인해 개스킷과 가 스확산층 사이 및 개스킷과 세퍼레이터 사이의 미세한 틈새가 잘 메워져 실링의 효과를 극대화할 수 있으므로, 스택이 체결된 후 가스 및 냉각수의 누출 위험성은 감소하는 이점이 있다. Specifically, when a gasket composed of only a hard material layer having a high hardness is introduced, there is a risk of leaking gas and cooling water through a minute gap between the gasket and the separator after the stack for the fuel cell is fastened. According to the present invention, since the second gasket made of the soft material layer is provided inside the first gasket, the gap between the gasket and the gas diffusion layer and the gasket and the separator can be filled well to maximize the sealing effect. And the risk of leakage of cooling water is advantageous.

또한, 경도가 낮은 소프트(Soft)한 물질층으로만 이루어진 개스킷을 도입하게 되면, 개스킷 재료의 물성으로 인해 가스확산층의 압축율을 원활히 조절할 수 없으며, 개스킷의 높은 신축성으로 인해 고온에서 운전 중에 가스확산층에 가하여지는 압력이 국부적으로 차이가 발생하여 가스확산층에 불균일한 면압이 가해지게 되고, 그로 인해 가스확산층과 전극 계면에서의 접촉 저항이 증가하게 되어 단위셀의 성능을 떨어뜨리게 되는 문제점이 있다. In addition, when a gasket composed of a soft material layer having low hardness is introduced, the compressibility of the gas diffusion layer cannot be smoothly controlled due to the properties of the gasket material, and the high elasticity of the gasket prevents the gas diffusion layer from operating at high temperatures. There is a problem in that the pressure applied locally causes a nonuniform surface pressure to be applied to the gas diffusion layer, thereby increasing the contact resistance at the gas diffusion layer and the electrode interface, thereby degrading the performance of the unit cell.

하지만, 본 발명에서는 MEA(130)의 가스확산층(131)의 적절한 압축 및 큰 면적의 가스확산층에 가해지는 면압은 연료 전지용 스택의 성능 및 내구성에 영향을 미치는 점을 고려하여 이러한 가스확산층(131)의 압축정도를 제1 개스킷(151)을 통해 조절할 수 있다. However, in the present invention, the gas diffusion layer 131 in consideration of the proper compression of the gas diffusion layer 131 of the MEA 130 and the surface pressure applied to the gas diffusion layer having a large area affects the performance and durability of the fuel cell stack. The degree of compression can be adjusted through the first gasket 151.

즉, 본 발명에 의하면 하드한 물질층으로 이루어진 제1 개스킷이 제2 개스킷 외측에 구비됨으로 인해 가스확산층을 제1 개스킷 고유의 두께만큼 압축할 수 있으므로 제1 개스킷의 두께 조절을 통하여 상기 가스확산층을 원하는 만큼 압축할 수 있게 된다. That is, according to the present invention, since the first gasket made of a hard material layer is provided on the outside of the second gasket, the gas diffusion layer may be compressed by the thickness of the first gasket, and thus the gas diffusion layer may be controlled by adjusting the thickness of the first gasket. You can compress as much as you want.

살펴본 바와 같이, 본 발명에 의하면, 상기와 같이 하드(Hard)한 물질층으로만 이루어진 개스킷과 소프트(Soft)한 물질층으로만 이루어진 개스킷이 가진 한계를 극복하면서도, 상기 각각의 개스킷이 지닌 장점을 안정적으로 발휘할 수 있게 된다. As described above, the present invention overcomes the limitations of the gasket composed only of the hard material layer and the gasket composed only of the soft material layer, and has the advantages of the respective gaskets. It can be stably exhibited.

한편, 본 발명의 제1 개스킷(151)은 제2 개스킷(152)의 외측 둘레에 배치되어 제2 개스킷(152)과 수평으로 나란히 배치된다. On the other hand, the first gasket 151 of the present invention is disposed around the outer periphery of the second gasket 152 and is disposed parallel to the second gasket 152 in a horizontal direction.

상기 구조를 제1 개스킷(151) 상부 또는 하부에 얇은 제2 개스킷(152)을 구비한 수직 구조와 비교해보면, 이러한 수직 구조는 상부 또는 하부에 도입된 제2 개스킷(152)을 이루는 소프트한 물질층의 특성상 연료 전지용 스택(100) 체결 후 세퍼레이터(120, 140) 채널 최외곽부에 국부적으로 균일한 힘이 주어지지 않을 경우 압축율이 틀어져서 세퍼레이터(120, 140) 채널 상부에 적층되는 MEA(130)에 고른 면압을 줄 수 없게 되고, 그로 인해 MEA(130)와 세퍼레이터(120, 140) 간 접촉 저항이 증가하게 되어 스택 성능을 떨어뜨리는 치명적인 문제가 발생한다. Compared to the vertical structure having a thin second gasket 152 above or below the first gasket 151, this vertical structure constitutes the soft material of the second gasket 152 introduced above or below. Due to the nature of the layer, if the local uniform force is not applied to the outermost part of the separators 120 and 140 after fastening the stack 100 for the fuel cell, the compression ratio is turned and the MEA 130 stacked on the separator 120 and 140 channels. It is impossible to give a uniform surface pressure to), thereby increasing the contact resistance between the MEA (130) and the separator (120, 140), causing a fatal problem that degrades the stack performance.

뿐만 아니라, 제1 개스킷(151) 상부 또는 하부에 제2 개스킷(152)을 도입하기 위하여 추가적 설비를 구축하여야 하므로 생산 단가가 상승하고, 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)이 상하로 적층되어 일체형으로 구비되면, 오랜 연료전지 운전 조건에서 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152) 간의 신축성 차이로 인해 틈이 생겨 연료전지 장시간 운전시 가스 및 냉각수가 누출된다. In addition, since additional equipment must be built in order to introduce the second gasket 152 on the upper or lower portion of the first gasket 151, the production cost increases, and the first gasket 151 and the second gasket 152 move upward and downward. When stacked and integrally provided, the gap is generated due to the difference in elasticity between the first gasket 151 and the second gasket 152 under long fuel cell operating conditions, and gas and cooling water leak during long time operation of the fuel cell.

또한, 불균일한 압력에도 일정한 두께를 유지하기 위해서는 제1 개스킷(151) 상부 또는 하부에 배치되는 제2 개스킷(152)의 두께가 대략적으로 10㎛ 이하로 맞춰야 하는데, 이 경우 10㎛ 두께에서 10% 두께 공차를 맞추기 위해서는 실제 1㎛ 간 두께를 조절해야 하는 매우 힘든 공정이 뒤따르는 문제가 있다. In addition, in order to maintain a constant thickness even under non-uniform pressure, the thickness of the second gasket 152 disposed above or below the first gasket 151 should be approximately 10 μm or less, in this case 10% at a thickness of 10 μm. In order to meet the thickness tolerance, there is a problem that is followed by a very difficult process of adjusting the thickness between 1 μm.

반면, 본 발명과 같이 제1 개스킷(151)을 제2 개스킷(152)의 외측 둘레에 배 치하여 제2 개스킷(152)과 수평으로 나란히 배치시킨 구조에서는, 제2 개스킷(152)를 이루는 소프트한 물질층의 두께를 압축전 기준으로 200~350㎛ 두께로 맞추면 되므로 개스킷의 제작이 매우 용이하고, 별도의 구성부품이 추가 없이 개스킷들의 조립이 이루어지므로 연료 전지용 스택의 조립성이 저하되지 않는 이점이 있다. On the other hand, in the structure in which the first gasket 151 is disposed around the outer circumference of the second gasket 152 and arranged horizontally parallel to the second gasket 152 as in the present invention, the software forming the second gasket 152 is soft. It is easy to manufacture the gasket by adjusting the thickness of one material layer to a thickness of 200 to 350 μm before compression, and the assembly of the fuel cell stack does not deteriorate because the gaskets are assembled without additional components. There is this.

또한 상기 구조에 의하면, 세퍼레이터(120,140) 최외곽에 제1 개스킷(151)을 도입함으로써 불균일한 면압을 방지하여 가스확산층에 일정한 면압을 유지함으로써 MEA(130)와 세퍼레이터(120,140) 간 접촉 저항이 증가하는 것을 방지하고 가스확산층(131)을 보호할 수 있다. According to the above structure, the contact resistance between the MEA 130 and the separators 120 and 140 is increased by introducing a first gasket 151 at the outermost of the separators 120 and 140 to prevent non-uniform surface pressure and maintaining a constant surface pressure in the gas diffusion layer. Can be prevented and the gas diffusion layer 131 can be protected.

또한, 제1 개스킷(151)의 내측에 제2 개스킷(152)를 도입함으로써 매니폴드(144,145)에서 채널(141)로 가스 유입 혹은 배출 시 세퍼레이터 사이로 가스가 누출되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 본 발명은 세퍼레이터의 매니폴드(144,145) 또는 매니폴드(144,145)와 채널(141) 사이에서 가스 누출이 발생하므로, 실링 능력이 있는 제2 개스킷(152)을 내측에 먼저 구비하도록 하는 구조인 것이다.
한편, 도 5 및 도 6에는 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)이 별도로 제작되고 배치되어 있지만, 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)이 서로 밀착되어 일체로 형성될 수 있다.
In addition, by introducing the second gasket 152 inside the first gasket 151, the gas may be prevented from leaking between the separators when the gas is introduced into or discharged from the manifolds 144 and 145 to the channel 141. That is, in the present invention, since gas leakage occurs between the manifolds 144 and 145 of the separator or between the manifolds 144 and 145 and the channel 141, a second gasket 152 having a sealing ability is provided to the inside first. will be.
Meanwhile, although the first gasket 151 and the second gasket 152 are separately manufactured and arranged in FIGS. 5 and 6, the first gasket 151 and the second gasket 152 may be formed in close contact with each other to be integrally formed. Can be.

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제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152)을 서로 밀착시켜 일체로 형성하게 되면, 제2 개스킷(152)이 팽창하더라도 제1 개스킷(151)과 제2 개스킷(152) 사이에 갭이 발생하지 않게 되어, 실링 능력이 더욱 향상될 수 있다. When the first gasket 151 and the second gasket 152 are brought into close contact with each other and integrally formed, a gap occurs between the first gasket 151 and the second gasket 152 even when the second gasket 152 is expanded. By doing so, the sealing ability can be further improved.

본 실시예의 연료 전지용 스택(100)은 복수의 개스킷들(151, 152)과 전해질 막(130a) 사이에 배치되는 막 보호 레이어(Membrane protecting layer)(160)를 더 포함할 수 있다. The fuel cell stack 100 of the present embodiment may further include a membrane protecting layer 160 disposed between the plurality of gaskets 151 and 152 and the electrolyte membrane 130a.

막 보호 레이어(160)를 전해질막(130a)의 상하부에 배치함으로써, 고분자 전해질로 이루어진 전해질막(130a)의 외부 노출을 방지하여 막을 보호할 수 있다. 또한, 전해질막(130a)의 팽윤 팽창(swelling expansion)을 방지하고 전해질막(130a)이 일정수준의 강도를 확보할 수 있게 된다. By disposing the membrane protective layer 160 above and below the electrolyte membrane 130a, the membrane may be protected by preventing external exposure of the electrolyte membrane 130a made of a polymer electrolyte. In addition, swelling expansion of the electrolyte membrane 130a may be prevented and the electrolyte membrane 130a may secure a certain level of strength.

이하에서는, 상술한 본 발명의 연료 전지용 스택에 관한 실시예와 비교예를 대비하여 설명하기로 한다.Hereinafter, it will be described in contrast to the embodiment and the comparative example of the above-described stack for a fuel cell of the present invention.

먼저, 280㎛ 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름을 목형을 이용하여 컷팅하여 제1 개스킷(151)을 준비하고, 400㎛ 두께의 열가소성 고무로 에틸렌프로필렌 고무(EPDM) 시트를 목형을 이용하여 컷팅하여 제2 가스킷(152)을 준비한다.First, a 280 μm-thick polyethylene terephthalate (PET) film is cut using a wooden mold to prepare a first gasket 151, and a 400 μm thick thermoplastic rubber is used to cut an ethylene propylene rubber (EPDM) sheet using a wooden mold. To prepare a second gasket 152.

상기 컷팅된 제2 개스킷(152)을 세퍼레이터(120, 140)의 채널 외곽부분에 위치에 맞게 장착하고, 제2 개스킷(152)의 외곽에 스프레이 접착제가 도포된 제1 개스킷(151)을 장착한다. The cut second gasket 152 is mounted at a position outside the channel of the separators 120 and 140 at a position, and a first gasket 151 coated with spray adhesive is mounted on the outside of the second gasket 152. .

이후, 제1 및 제2 개스킷이 장착된 세퍼레이터(120, 140)의 채널 부분에 MEA(130)의 가스 확산층(131)을 장착하여 세퍼레이터(120, 140), 제1 개스킷, 제2 개스킷 및 가스 확산층(131)을 일체형으로 완성하고, 상기 일체형을 순차적으로 적층하여 수십 셀의 스택을 완성한다. Thereafter, the gas diffusion layers 131 of the MEA 130 are mounted on the channel portions of the separators 120 and 140 on which the first and second gaskets are mounted, thereby separating the separators 120 and 140, the first gasket, the second gasket, and the gas. The diffusion layer 131 is completed in one piece, and the integrated pieces are sequentially stacked to complete a stack of tens of cells.

이에 비해, 비교예는 복수의 개스킷들이 아닌, 하나의 개스킷을 이용하였고, 상기 개스킷은 400㎛ 두께의 열가소성 고무로 에틸렌프로필렌 고무(EPDM) 시트를 목형을 이용하여 컷팅하여 제조하였으며, 이는 본 실시예의 제2 개스킷과 동일한 것이다. In comparison, the comparative example used one gasket, not a plurality of gaskets, and the gasket was manufactured by cutting an ethylene propylene rubber (EPDM) sheet by using a wooden mold with a 400 μm thick thermoplastic rubber, It is the same as the second gasket.

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제작된 연료전지의 전압-전류 성능을 나타내는 그래프이다. 7 is a graph showing the voltage-current performance of the fuel cell produced by the examples and comparative examples of the present invention.

여기서, 상기 연료전지 성능 평가 조건은 다음과 같다. 상기 실시예 및 비교예에서 얻어진 연료전지용 스택의 온도(스택 출구 온도 기준): 65℃, 냉각수: 2.5 LPM(Liter/Minute), 연료 이용율: 80%, 공기 이용율: 60%, 공급되는 연료가스(수소)의 상대습도(애노드 상대 가습): 95%, 공급되는 산화제 가스의 상대습도(캐소드 상대 가습): 95% 조건에서 평가 하였다. 여기서, 상기 상대습도는 모두 스택 출구 온도를 기준으로 하였다. Here, the fuel cell performance evaluation conditions are as follows. Temperature (based on stack outlet temperature) of the fuel cell stack obtained in the above examples and comparative examples: 65 ° C., cooling water: 2.5 LPM (Liter / Minute), fuel utilization rate: 80%, air utilization rate: 60%, fuel gas supplied ( Relative humidity of hydrogen) (anode relative humidification): 95%, relative humidity of the supplied oxidant gas (cathode relative humidification): evaluated at 95%. Here, the relative humidity was all based on the stack outlet temperature.

도 7을 참조하면, 실시예의 경우 특정 영역의 전류값에 대응하는 스택 평균 전압(V)이 비교예에 비해 높음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, in the case of the embodiment, it is confirmed that the stack average voltage V corresponding to the current value of the specific region is higher than that of the comparative example.

그 이유는 비교예의 경우, 개스킷 재료가 소프트한 물질층이므로 그 물성으로 인해 가스확산층(131)의 압축율을 원활히 조절할 수 없으며, 개스킷의 높은 신축성으로 인해 고온 운전 중에 가스확산층(131)에 가하여지는 압력에 국부적인 차이가 발생하였기 때문이다. 그로 인해 가스확산층(131)에 가해지는 면압이 불균일해지고 가스확산층(131)과 전극 계면에서의 접촉 저항이 증가하여 단위셀의 성능이 떨어지게 되었다. The reason for this is that in the comparative example, since the gasket material is a soft material layer, the compressibility of the gas diffusion layer 131 cannot be smoothly controlled due to its physical properties, and the pressure applied to the gas diffusion layer 131 during high temperature operation due to the high elasticity of the gasket. This is because of local differences. As a result, the surface pressure applied to the gas diffusion layer 131 becomes uneven, and the contact resistance at the interface between the gas diffusion layer 131 and the electrode increases, thereby degrading the performance of the unit cell.

이에 비해 본 발명의 실시예의 경우, 이중 구조의 개스킷을 사용함으로써 MEA(130)의 가스확산층(131)이 적절히 압축되고, 가스확산층(131)과 전극 사이에 가해지는 면압을 균일하도록 하여 연료 전지용 스택의 성능을 향상시켰다. In contrast, in the case of the embodiment of the present invention, the gas diffusion layer 131 of the MEA 130 is properly compressed by using a dual structure gasket so that the surface pressure applied between the gas diffusion layer 131 and the electrode is uniform so as to stack the fuel cell stack. The performance of the was improved.

도 8은 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제작된 연료전지의 단기 정전류 운전조건에서 전압강하 정도(Voltage Decay Ratio)를 나타내는 그래프이다. FIG. 8 is a graph showing a voltage decay ratio under a short-term constant current operating condition of a fuel cell manufactured by Examples and Comparative Examples of the present invention.

여기서, 본 실험의 성능 평가 조건은 상기 성능 평가 조건과 동일하며, 정전류 43(A)에서 단기간 전압강하 정도를 측정하여 내구성을 테스트하였다. Here, the performance evaluation conditions of the present experiment was the same as the performance evaluation conditions, and the durability was tested by measuring the degree of voltage drop in the constant current 43 (A).

도 8로부터 이중 개스킷 구조로 인한 장기 성능 향상 효과를 관찰해보면, 제2 개스킷만을 사용한 비교예는 시간이 지남에 따라 스택전압이 급격하게 감소하고 그 감소 정도도 불규칙한 것을 확인할 수 있다. Observing the long-term performance improvement effect of the double gasket structure from FIG. 8, it can be seen that in the comparative example using only the second gasket, the stack voltage drastically decreases with time and the degree of reduction is irregular.

이에 비해 실시예는 초기 성능도 뛰어날 뿐 만 아니라, 시간에 따른 성능 감소도 적어 비교예에 비해 내구성이 현저히 향상된 것을 확인할 수 있다.On the other hand, the embodiment not only has excellent initial performance, but also shows a significant improvement in durability compared to the comparative example due to a decrease in performance over time.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 스택의 사시도,1 is a perspective view of a stack for a fuel cell according to an embodiment of the present invention;

도 2는 도 1에 도시된 애노드 세퍼레이터를 나타낸 사시도, FIG. 2 is a perspective view of the anode separator shown in FIG. 1;

도 3은 도 1에 도시된 MEA의 단면을 개략적으로 나타낸 단면도,3 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the MEA shown in FIG. 1;

도 4는 도 1에 도시된 애노드 세퍼레이터와 개스킷들을 나타낸 분해 사시도, 4 is an exploded perspective view illustrating the anode separator and the gaskets shown in FIG. 1;

도 5는 도 1에 도시된 연료 전지용 스택의 적층 상태를 개략적으로 나타낸 단면도, FIG. 5 is a cross-sectional view schematically illustrating a stacked state of the stack for the fuel cell illustrated in FIG. 1;

도 6은 도 5에 도시된 연료 전지용 스택의 단위셀 상부와 하부에서 압력이 가해진 경우 연료 전지용 스택의 적층 상태를 개략적으로 나타낸 단면도,FIG. 6 is a cross-sectional view schematically illustrating a stacking state of a fuel cell stack when pressure is applied to upper and lower unit cells of the fuel cell stack shown in FIG. 5;

도 7은 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제작된 연료전지의 전압-전류 성능을 나타내는 그래프,7 is a graph showing the voltage-current performance of the fuel cell produced by the embodiment and the comparative example of the present invention,

도 8은 본 발명의 실시예와 비교예에 의해 제작된 연료전지의 단기 정전류 운전조건에서 전압강하 정도(Vlotage Decay Ratio)를 나타내는 그래프이다.8 is a graph showing the degree of voltage drop (Vlotage Decay Ratio) in the short-term constant current operating conditions of the fuel cell produced by the embodiment and the comparative example of the present invention.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 간단한 설명>BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig.

100: 연료 전지용 스택 110: 단위셀100: fuel cell stack 110: unit cell

120, 140 : 세퍼레이터 130: 막-전극 어셈블리(MEA)120, 140: separator 130: membrane-electrode assembly (MEA)

151: 제1 개스킷 152: 제2 개스킷151: first gasket 152: second gasket

Claims (7)

전해질막과 상기 전해질막의 양면에 각각 위치하는 애노드 전극 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리(MEA); A membrane-electrode assembly (MEA) comprising an electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode respectively positioned on both surfaces of the electrolyte membrane; 상기 MEA의 양면에 각각 배치되며, 상기 MEA에 대향하는 일면에 채널이 형성된 세퍼레이터; 및 Separators disposed on both sides of the MEA and having channels formed on one surface of the MEA opposite to each other; And 상기 MEA와 상기 세퍼레이터 사이의 공간을 밀봉하도록 상기 MEA가 위치한 영역의 외측 둘레에 배치되는 복수의 개스킷들을 포함하고, A plurality of gaskets disposed around an outer circumference of an area in which the MEA is located to seal a space between the MEA and the separator, 상기 복수의 개스킷들은 제1 압축율을 갖는 제1 개스킷과, 상기 제1 압축율보다 높은 제2 압축율을 갖는 제2 개스킷을 포함하되,The gaskets include a first gasket having a first compression ratio and a second gasket having a second compression ratio higher than the first compression ratio. 상기 제1 개스킷은 상기 세퍼레이터의 외측 변을 따라 배치되며, 상기 제2 개스킷은 상기 세퍼레이터의 매니폴드와 상기 막-전극 어셈블리의 가스확산층에 대응하는 위치 및 형태로 형성된 관통구멍을 제외하고 상기 가스확산층과 상기 제1 개스킷 사이의 공간을 충진하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택. The first gasket is disposed along an outer side of the separator, and the second gasket has a gas diffusion layer except for through holes formed in positions and shapes corresponding to the gas diffusion layer of the separator and the manifold of the separator. And filling the space between the first gasket and the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제1 개스킷은 상기 제2 개스킷의 외측 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택. And the first gasket is disposed around an outer circumference of the second gasket. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제1 압축율은 0 초과 2% 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택.The first compression ratio is greater than 0 and 2% or less, the stack for a fuel cell. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제2 압축율은 25~30%인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택.The second compression ratio is a fuel cell stack, characterized in that 25 to 30%. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제1 개스킷과 상기 제2 개스킷은 서로 밀착되어 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택.The first gasket and the second gasket are in close contact with each other formed integrally with the fuel cell stack. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 제1 개스킷의 압축 전 스택방향 두께는 상기 제2 개스킷의 스택방향 두께의 70~75% 인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택.The stack direction thickness of the first gasket before compression is 70 to 75% of the stack direction thickness of the second gasket. 청구항 1에 있어서, The method according to claim 1, 상기 복수의 개스킷들과 상기 전해질막 사이에 배치되는 막 보호 레이어를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스택.And a membrane protection layer disposed between the plurality of gaskets and the electrolyte membrane.
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