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
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
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
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
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
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
여기서, 가스확산층(131)의 압축율은 10~50%인 것이 바람직하며, 20~35%인 것이 더욱 바람직하다. Here, the compression rate of the
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
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
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
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
제1 세퍼레이터(120)와 제2 세퍼레이터(140)는 동일한 형상이므로, 아래에서는 제2 세퍼레이터(140)에 대해서만 설명하도록 한다. Since the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
In other words, as shown in FIG. 4, the
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Meanwhile, although the
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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
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
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
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
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
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
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
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
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
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