KR101294056B1 - 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

연료 전지용 막-전극 어셈블 리가 개시된다. 개시된 연료 전지용 막-전극 어셈블리는 채널들이 형성된 세퍼레이터들 사이에 배치되는 것으로서, 멤브레인-전극층을 사이에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 기체 확산층을 포함하며, 상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하는 멤브레인-전극층이 노출될 수 있다.

Description

연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY AND FUEL CELL STACK OF THE SAME}

본 발명의 예시적인 실시예는 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉 시동성 개선을 위한 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지 시스템은 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템으로서, 모터 구동을 위한 전동력을 발생시키는 차량에 적용되고 있다.

연료 전지 시스템에서는 연료인 수소와 공기 중 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응 부산물로서 열과 물을 배출하게 된다.

연료 전지 자동차에 적용되고 있는 연료 전지 스택(200)은 도 4에서와 같이, 다수의 단위 전지들(110)이 연속적으로 배열/적층되어 구성되는데, 각 단위 전지(110)는 가장 안쪽에 막-전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(120)가 위치하고 있다.

막-전극 어셈블리(120)는 수소 이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 멤브레인의 양면에 수소와 산소(이하에서는 편의 상 "반응 기체" 라고 한다)가 반응할 수 있는 전극층이 도포된 멤브레인-전극층(130)을 구비하고 있다.

또한 멤브레인-전극층(130)의 바깥 부분에는 기체 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(140)이 위치하고, 그 기체 확산층(140)의 바깥쪽에는 반응 기체를 멤브레인-전극층(130)의 전극층으로 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)(151)가 형성된 세퍼레이터(150)가 위치한다.

한편, 상기에서와 같은 기체 확산층(140)은 스택의 체결 시 세퍼레이터(150)와 전극층 사이에 위치하며 반응 기체를 확산시키는 기능을 하며, 세퍼레이터(150)와 전극층이 직접 접촉하지 않도록 하여 전극층의 촉매를 보호하는 역할도 하게 된다.

이러한 기체 확산층(140)은 차량의 냉시동 시 부피가 증가할수록 냉 시동 시간이 느려지는데, 이것은 부피가 증가하면 스택의 전체 열용량이 상승하고, 이에 따라 스택의 온도가 느리게 상승하면서 온도가 천천히 올라가고, 얼음량 또한 증가할 수 있다.

또한, 종래 기술에서는 도 5에서와 같이, 단위 전지들(110)의 체결 시, 기체 확산층(140)이 세퍼레이터(150)의 유로(151)로 침투하여 그 유로(151)가 좁아지게 되어 반응 기체가 유로(151)를 통해 원활하게 유통되지 못할 수도 있다.

본 발명의 실시예들은 기체 확산층의 부피를 줄이는 효과로서 냉 시동성을 개선할 수 있으며, 세퍼레이터의 유로를 확보하여 반응 기체의 유동 단면적을 증대시킬 수 있도록 한 연료 전지용 막-전극 어셈블리 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리는, 채널들이 형성된 세퍼레이터들 사이에 배치되는 것으로서, 멤브레인-전극층을 사이에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 기체 확산층을 포함하며, 상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하는 멤브레인-전극층이 노출될 수 있다.

상기 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서, 상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하며 상기 멤브레인-전극층을 노출하는 노출부와, 상기 채널 외측의 랜드 부분에 밀착되는 밀착부로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀들의 집합체로 이루어지며, 상기 막-전극 어셈블리는 멤브레인-전극층을 사이에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 기체 확산층을 포함하고, 상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하는 멤브레인-전극층이 노출될 수 있다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하며 상기 멤브레인-전극층을 노출하는 노출부와, 상기 채널 외측의 랜드 부분에 밀착되는 밀착부로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예는 막-전극 어셈블리의 기체 확산층에 노출부와 밀착부를 형성하므로 기체 확산층의 부피가 감소하면서 세퍼레이터의 채널에 대한 반응 기체의 유동 단면적을 증대시킬 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 냉 시동 시 전기 발생 집합체의 온도 상승을 빠르게 할 수 있고, 아이스 블로킹을 야기하는 국소부의 얼음량을 줄일 수 있으므로, 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택의 체결 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 연료 전지 스택의 체결 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택을 개략적으로 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료 전지 자동차에 구성되는 것으로, 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 전기 발생 집합체로서 이루어진다.

여기서, 연료는 연료 전지 스택(100)이 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성되는 경우, 메탄올, 에탄올 등과 같은 알코올류 액체 연료를 포함할 수 있으며, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 탄화수소 계열의 액화 가스 연료를 포함할 수 있다.

그리고, 연료는 연료 전지 스택(100)이 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식으로 구성되는 경우, 수소 가스 또는 당 업계에서 리포머(Reformer) 라고 하는 개질 장치를 통해 상기한 액체 연료 또는 액화 가스 연료로부터 생성된 수소 성분의 개질 가스를 포함할 수도 있다.

또한, 상기 산화제는 별도의 저장 탱크에 저장된 산소 가스일 수 있고, 자연 그대로의 공기일 수도 있다.

본 실시예에 의한 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 발생 집합체의 전극 촉매층(이하에서는 "막-전극 어셈블리" 라고 한다) 부피를 줄여 냉 시동 시 전기 발생 집합체의 온도 상승을 빠르게 할 수 있으며, 아이스 블로킹을 야기하는 국소부의 얼음량을 줄일 수 있고, 반응 기체의 유로가 좁아지는 현상을 방지할 수 있는 구조로 이루어진다.

상기 연료 전지 스택(100)에 있어, 전기 발생 집합체는 기본적으로 다수 개의 단위 셀들(11)을 연속적으로 배열한 스택 어셈블리로서 구성된다.

단위 셀들(11)은 연료 및 산화제의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 단위의 연료 전지로서, 상술한 바 있는 연료에 따라 고분자 전해질형 연료 전지로 이루어질 수 있으며, 직접 산화형 연료 전지로 이루어질 수도 있다.

상기 단위 셀들(11)은 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)(20)와, 막-전극 어셈블리(20)를 중심에 두고 이의 양측에 각각 밀착되게 배치되는 세퍼레이터(31)를 포함한다.

이 때, 단위 셀들(11)은 막-전극 어셈블리(20)의 양측면 가장자리와 세퍼레이터(31) 사이에 가스켓이 개재되어 이들 막-전극 어셈블리(20)와 세퍼레이터(31) 사이의 기밀을 유지할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 막-전극 어셈블리(20)는 도 1과 함께 도 2를 참조하여 뒤에서 더욱 자세하게 설명될 것이다.

상기 세퍼레이터(31)는 도전성을 지닌 플레이트 형태로서 이루어지며, 막-전극 어셈블리(20)에 밀착되는 일면에 연료 및 산화제와 같은 반응 기체를 유동시키기 위한 채널들(CH)을 형성하고 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 막-전극 어셈블리를 개략적으로 도시한 평면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 상기 막-전극 어셈블리(20)는 멤브레인을 사이에 두고 이의 양측 면에 애노드 전극층 및 캐소드 전극층이 각각 형성된 멤브레인-전극층(21)과, 멤브레인-전극층(21)의 양측 면에 각각 형성되는 애노드 및 캐소드 기체 확산층(Gas Diffusion Layer: GDL)(23)을 포함한다.

여기서, 상기 멤브레인-전극층(21)의 애노드 전극층은 세퍼레이터(31)의 채널들(CH)을 통해 공급되는 연료를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시키고, 멤브레인은 수소 이온을 캐소드 전극층으로 이동시키는 기능을 하게 된다.

상기 멤브레인-전극층(21)의 캐소드 전극층은 애노드 전극층으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 세퍼레이터(31)의 채널들(CH)을 통해 제공받은 산화제를 환원 반응시켜 수분과 열을 생성한다.

그리고, 상기 기체 확산층(23)은 연료를 멤브레인-전극층(21)의 애노드 전극층으로 확산시키고, 산화제를 캐소드 전극층으로 확산시키며, 세퍼레이터(31)를 전기적으로 연결하는 전기 전도체로서의 기능을 하게 된다.

본 발명의 실시예에서, 상기 기체 확산층(23)은 각 세퍼레이터(31)의 채널(CH)에 대응하는 멤브레인-전극층(21)이 노출되는 구조로 이루어진다.

이러한 기체 확산층(23)은 각 세퍼레이터(31)의 채널(CH)에 대응하며 멤브레인-전극층(21)을 노출하는 노출부(41)와, 채널(CH) 외측의 랜드 부분(LD)에 밀착되는 밀착부(43)를 포함한다.

상기 노출부(41)는 막-전극 어셈블리(20)의 평면을 기준할 때, 세퍼레이터(31)의 채널(CH)에 대응하는 멤브레인-전극층(21)의 일 부분을 외부로 노출시키는 천공부로 정의될 수 있다.

상기 밀착부(43)는 세퍼레이터(31)의 채널들(CH) 사이인 리브로서의 랜드 부분(LD)에 밀착되는 것으로, 노출부(41) 사이의 리브 부분으로 정의될 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 다수의 단위 셀들(11)이 도 3에서와 같이 일정 압력으로 체결되는 바, 막-전극 어셈블리(20)가 세퍼레이터(31)에 의해 압착된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 기체 확산층(23)에 세퍼레이터(31)의 채널(CH)에 대응하는 멤브레인-전극층(21)의 일 부분을 외부로 노출시키는 노출부(41)를 형성하므로, 전체 기체 확산층(23)의 부피가 줄어드는 결과를 가져오며, 세퍼레이터(31)의 채널(CH) 영역으로 기체 확산층(23)이 침투하지 않게 된다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)에 의하면, 막-전극 어셈블리(20)의 기체 확산층(23)에 노출부(41)와 밀착부(43)를 형성하므로 기체 확산층(23)의 부피가 감소하면서 세퍼레이터(31)의 채널(CH)에 대한 반응 기체의 유동 단면적을 증대시킬 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 냉 시동 시 전기 발생 집합체의 온도 상승을 빠르게 할 수 있고, 아이스 블로킹을 야기하는 국소부의 얼음량을 줄일 수 있으므로, 결과적으로는 적용 차량의 냉 시동성을 향상시킬 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 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.

11... 단위 셀 20... 막-전극 어셈블리(MEA)
21... 멤브레인-전극층 23... 기체 확산층(GDL)
31... 세퍼레이터 41... 노출부
43... 밀착부 CH... 채널
LD... 랜드 부분

Claims (4)

1. 채널들이 형성된 세퍼레이터들 사이에 배치되는 연료 전지용 막-전극 어셈블리에 있어서,
   멤브레인-전극층을 사이에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 기체 확산층을 포함하며,
   상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하는 멤브레인-전극층을 노출하도록 형성되되, 상기 채널에 대응하며 상기 멤브레인-전극층을 노출하는 노출부와, 상기 채널 외측의 랜드 부분에 밀착되는 밀착부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리.
2. 삭제
3. 막-전극 어셈블리와, 상기 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 이의 양측에 배치되는 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀들의 집합체로서,
   상기 막-전극 어셈블리는 멤브레인-전극층을 사이에 두고 이의 양측면에 각각 형성되는 기체 확산층을 포함하며,
   상기 기체 확산층은 상기 채널에 대응하는 멤브레인-전극층을 노출하도록 형성되되, 상기 채널에 대응하며 상기 멤브레인-전극층을 노출하는 노출부와, 상기 채널 외측의 랜드 부분에 밀착되는 밀착부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지 스택.
4. 삭제

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