KR101491349B1

KR101491349B1 - 연료전지 스택

Info

Publication number: KR101491349B1
Application number: KR20130140823A
Authority: KR
Inventors: 김종성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-02-06

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판과 가스확산층 사이에 별도의 지지체을 삽입하여, 스택의 셀 성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 분리판과 가스확산층 사이에 다수의 지지라인을 갖는 지지체을 삽입하되, 다수의 지지라인이 채널 유로와 수직방향으로 배열되게 삽입하여, 분리판의 랜드부에 의한 가스확산층의 눌림량을 축소시키는 동시에 채널 유로의 높이를 증대시킬 수 있도록 함으로써, 전극막 접합체에 대한 연료공급성 및 물 배출 성능을 향상시킬 수 있고, 궁국적으로는 스택의 셀 성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택을 제공하고자 한 것이다.

Description

연료전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 분리판과 가스확산층 사이에 별도의 지지체을 삽입하여, 스택의 셀 성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지 자동차에 탑재되는 연료전지 스택은 다수의 연료전지 셀이 적층된 것으로서, 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치를 말한다.

연료전지 스택의 셀 단위 구성을 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.

연료전지 스택의 각 셀 단위 구성 중, 가장 안쪽에는 전극막 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는 바, 이 전극막 접합체(10)는 고분자 전해질막(12)의 양쪽 면에 각각 애노드 및 캐소드극을 위한 촉매층(14)이 도포된 형태로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막 접합체(10)의 바깥 부분, 즉 촉매층(14)의 바깥 부분에 가스확산층(16, GDL : Gas Diffusion Layer)이 위치하고, 가스확산층(16)의 바깥 부분으로 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 채널 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(18, Separator)이 적층된다.

이렇게 상기 연료전지의 단위 셀은 1장의 전극막 접합체와, 2장의 가스확산층과, 2장의 분리판으로 구성되며, 각 단위 셀을 수십에서 수백개 적층함으로써, 원하는 규모의 연료전지 스택을 구성할 수 있다.

한편, 상기 연료전지의 단위 셀을 수십에서 수백개 적층한 후, 가장 양측단부에는 엔드플레이트(20)가 각 단위 셀에 일정한 면압을 제공하며 체결됨으로써, 연료전지 스택의 조립이 완료된다.

따라서, 연료전지 발전에 필요한 연료(공기/수소)가 분리판의 매니폴드를 통하여 채널 유로로 공급된 후, 가스확산층을 거쳐 전극막 접합체로 공급됨으로써, 주지된 바와 같은 전기화학적 반응에 의거 전기를 생성하는 동시에 전기 생성시 발생되는 물과 증기의 외부 배출이 이루어진다.

첨부한 도 2는 종래의 연료전지 셀의 요부를 나타낸 정단면도이고, 도 3은 측단면도로서, 도 2 및 도 3의 (a) 도면은 연료전지 셀의 체결 전(엔드 플레이트에 의하여 일정 면압으로 체결되기 전) 상태를 나타내고, 도 2 및 도 3의 (b) 도면은 연료전지 셀의 체결 후(엔드 플레이트에 의하여 일정 면압으로 체결된 후) 상태를 나타낸다.

상기 분리판(18)은 가스확산층(16)에 밀착되는 랜드부(18-1)와 연료 및 냉각수(물)가 흐르는 채널 유로(18-2)가 반복 형성된 구조로 구비되고, 상기 가스확산층(16)은 다공성 구조의 탄소섬유 접합체로 적용된다.

상기 가스확산층(16)이 수축성을 갖는 다공성의 탄소섬유 접합체로 적용됨에 따라, 도 2의 (b)에서 보듯이 연료전지 셀 체결시 분리판의 랜드부(18-1)가 접촉되는 부분에 눌림 현상이 발생하는 동시에 눌림부의 주변(채널 유로와 대응되는 면)은 오히려 볼록하게 팽창하는 현상이 발생된다.

이러한 눌림 및 팽창 현상으로 인하여, 첫째 분리판의 채널 유로의 높이가 축소되는 동시에 채널 유로의 단면적이 감소하여, 채널 유로를 흐르는 연료 공급압 이 증가하는 문제점이 초래되고, 이로 인하여 보기류(BOP) 소비전력이 증가하는 문제점이 따르게 된다.

둘째, 가스확산층이 랜드부에 의하여 눌림에 따라, 눌림부(채널 유로의 연료 유동 방향과 평행하게 배열)의 공극 크기가 작아져 연료공급성 약화 및 물 고임 현상이 발생하는 문제점이 초래되고, 이로 인하여 전극막 접합체의 전기 생성을 위한 성능 감소 및 내구성 악화 현상이 발생하는 문제점이 따르게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 분리판과 가스확산층 사이에 다수의 지지라인을 갖는 지지체을 삽입하되, 다수의 지지라인이 채널 유로와 수직방향으로 배열되게 삽입하여, 분리판의 랜드부에 의한 가스확산층의 눌림량을 축소시키는 동시에 채널 유로의 높이를 증대시킬 수 있도록 함으로써, 전극막 접합체에 대한 연료공급성 및 물 배출 성능을 향상시킬 수 있고, 궁국적으로는 스택의 셀 성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있도록 한 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은: 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 분리판과 접하면서 연료를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 분리판과 가스확산층 사이에 가스확산층의 눌림 현상을 방지하는 다수의 지지라인을 갖는 지지체를 삽입 배치하되, 다수의 지지라인이 분리판의 채널 유로와 수직 배열되게 삽입 배치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다.

바람직하게는, 상기 지지체는 분리판과 동일 재질을 이용하여 타발 금형에 의하여 일체로 제작된 것임을 특징으로 한다.

특히, 상기 지지체의 각 지지라인의 양단부에는 채널 유로의 폭에 비하여 작은 폭을 갖는 연결라인이 수직 배열을 이루며 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 지지체는 스택의 전체 단위 셀 중, 엔드 플레이트와 인접한 단위 셀의 분리판과 가스확산층 사이에 삽입 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 지지체의 지지라인 폭은 분리판의 랜드부 폭과 동등하게 설정되는 동시에 지지라인 간의 간격은 분리판의 채널 유로 폭과 동등한 수준으로 설정된 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 분리판과 가스확산층 사이에 다수의 지지라인을 갖는 지지체을 삽입하여 다수의 지지라인이 채널 유로와 수직방향으로 배열되도록 함으로써, 일정한 면압 작용시 분리판의 랜드부에 의한 가압력을 지지라인에서 받쳐주며 지지해줌으로써, 랜드부에 의한 가스확산층의 눌림을 최소화시킬 수 있다.

또한, 분리판의 채널 유로 바닥면을 이루는 가스확산층 위에 지지체의 지지라인이 지나가는 동시에 지지라인에 의하여 가스확산층이 눌림에 따라, 채널 유로의 높이 및 단면적을 증대시킬 수 있는 장점을 얻을 수 있다.

또한, 채널 유로의 높이 및 단면적 증대를 통하여, 채널 유로를 통하여 전극막 접합체에 대해 공급되는 연료공급성을 향상시킬 수 있고, 전극막 접합체에서 전기 생성 반응시 발생되는 물의 외부 배출 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 각 단위 셀 유로의 압력 손실을 개선함으로서, 보기류(BOP) 소비 전력을 축소할 수 있다.

도 1은 연료전지의 단위 셀 구성을 나타낸 개략도,
도 2 및 도 3은 종래의 연료전지 셀의 요부를 나타낸 정단면도 및 측단면도,
도 4는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판과 가스확산층 사이에 지지체가 배치됨을 나타낸 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판과 가스확산층 사이에 지지체가 배치됨을 나타낸 요부 평면도,
도 6은 도 5의 A-A 선을 취한 정단면도,
도 7은 도 5의 B-B 선을 취한 측단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1을 참조로 전술한 바와 같이, 연료전지 스택의 단위 셀은 애노드 및 캐소드극을 위한 촉매층(14)이 양쪽에 도포된 전극막 접합체(10)와, 각 촉매층(14)의 바깥 부분에 적층되는 가스확산층(16)과, 각 가스확산층(16)의 바깥 부분에 적층되는 분리판(18)을 포함한다.

특히, 상기 분리판(18)은 채널 유로(18-2) 및 랜드부(18-1)가 반복 형성된 구조로 구비되어, 스택 체결시의 일정한 면압에 의하여 가스확산층(16)에 말착된다.

실질적으로는, 상기 분리판(18)의 랜드부(18-1)가 가스확산층(16)에 밀착되고, 채널 유로(18-2)는 가스확산층(16)을 바닥면으로 하여 연료가 흐르는 공간이 된다.

이때, 상기 분리판(18)이 가스확산층(16)에 밀착될 때, 전술한 바와 같이 가스확산층(16)의 랜드부(18-1)와 접한 부분이 랜드부(18-1)에 의하여 눌리는 동시에 눌림시 반력에 의하여 채널 유로(18-2)의 바닥을 이루는 부분이 볼록하게 팽창되는 문제점이 있다.

여기서, 본 발명에 따른 연료전지 스택에 가스확산층의 눌림 방지를 위한 지지체가 삽입된 구조를 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 연료전지 스택의 분리판과 가스확산층 사이에 지지체가 배치됨을 나타낸 사시도 및 평면도이다.

본 발명에 따르면, 상기 분리판(18)이 가스확산층(16)에 밀착 체결되기 전, 분리판(18)과 가스확산층(16) 사이에 가스확산층의 눌림 현상을 방지하기 위한 지지체(30)가 삽입 배치된다.

상기 지지체(30)는 분리판(18)의 채널 유로(18-2)와 수직 배열을 이루는 다수의 지지라인(32)과, 각 지지라인(32)를 일체로 연결하기 위하여 각 지지라인(32)의 양단부에 지지라인(32)과 수직 배열을 이루며 일체로 형성되는 연결라인(34)으로 구성된다.

상기 지지체(30)는 분리판(18)과 같이 일정 강도를 갖는 동일한 재질을 이용하여 타발 금형에 의하여 일체로 제작된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 그 밖에 가스확산층(16) 위에 지지되어 분리판(18)의 랜드부(18-1)에 의하여 가스확산층(16)이 눌리는 것을 차단 내지 최소화시킬 수 있는 어떠한 금속 재질도 적용 가능하다.

따라서, 상기 지지체(30)가 분리판(18)과 가스확산층(16) 사이에 삽입 배치되면, 다수의 지지라인(32)은 분리판(18)의 채널 유로(18-2)와 수직 배열을 이루고, 또한 랜드부(18-1)의 길이방향과도 수직 배열을 이루게 된다.

이때, 상기 지지체(30)의 각 지지라인(32)의 양단부에 연결된 연결라인(34)은 분리판(18)의 채널 유로(18-2) 또는 랜드부(18-1)와 평행한 배열을 이루게 되므로, 채널 유로(18-2)를 흐르는 연료의 흐름성을 방지하고자 채널 유로(18-2)의 폭에 비하여 작은 폭으로 형성되도록 하고, 또한 랜드부(18-1)에 의하여 덮혀지도록 랜드부(18-1)의 폭보다 작은 폭으로 형성되도록 한다.

또한, 상기 지지체(30)의 각 지지라인(32)의 폭은 가스확산층(16)의 눌림을 방지하기 위한 최적 폭으로 설정하되, 분리판(18)의 랜드부(18-1) 폭과 동등한 수준의 폭으로 형성되도록 한다.

또한, 상기 지지체(30)의 각 지지라인(32) 간의 간격도 가스확산층(16)의 눌림을 방지하기 위한 최적 간격으로 설정하되, 분리판(18)의 채널 유로(18-2) 폭과 동등한 수준의 간격으로 형성되도록 한다.

따라서, 상기와 같이 연료전지 셀에서 가스확산층(16)과 분리판(18) 사이에 지지체(30)를 삽입 배치하되, 각 지지라인(32)이 분리판(18)의 채널 유로(18-2) 및 랜드부(18-1)의 길이방향과 수직 배열을 이루도록 삽입 배치함으로써, 가스확산층(16)의 눌림량을 최소화시키는 동시에 채널 유로(18-2)의 높이 및 단면적을 증대시킬 수 있다.

즉, 첨부한 도 6의 단면도에서 보듯이, 분리판(18)의 랜드부(18-1)와 직교되는 방향을 따라 가스확산층(16) 위에 지지라인(32)이 배치된 상태이므로, 지지라인(32)이 랜드부(18-1)을 받쳐주면서 가스확산층(16)을 보호하는 상태가 되어, 일정한 면압에 의한 체결력이 랜드부(18-1)에 작용하더라도 지지라인(32)에 의하여 가스확산층(16)의 눌림 현상이 차단 내지 최소화될 수 있다.

다시 말해서, 가스확산층(16)이 눌리는 면이 지지체(30)의 지지라인(32) 및 랜드부(18-1)에 의하여 증가되어, 면압에 의한 체결력이 랜드부(18-1)에 집중되지 않고, 지지라인(32)으로 분산되므로, 가스확산층(16)의 눌림 현상을 차단 내지 눌림량을 최소화시킬 수 있다.

또한, 상기 지지체(30)의 지지라인(32)이 채널 유로(18-1)와 교차되면서 채널 유로(18-1)의 바닥면을 이루는 가스확산층(16)을 지나가게 되는 바, 첨부한 도 7의 단면도에서 보듯이 일정한 면압에 의한 스택 체결력이 랜드부(18-1)를 통하여 채널 유로(18-2)내의 지지라인(32)에도 전달되므로, 지지라인(32)이 가스확산층(16)을 누르면서 가스확산층(16)내로 진입되어진다.

이렇게 채널 유로(18-2)내의 바닥면을 지나가는 지지라인(32)이 가스확산층(16)내로 진입됨에 따라, 채널 유로(18-2)의 높이가 증가하는 동시에 단면적이 증가되어진다.

따라서, 분리판(18)의 채널 유로(18-2)의 단면적이 증가함으로써, 채널 유로(18-2)를 흐르는 연료의 연료공급 흐름성을 향상시킬 수 있고, 또한 전기 생성을 위한 반응시 생성되는 물이 단면적이 증대된 채널 유로(18-2)를 통하여 외부로 용이하게 배출되는 물 배출 성능을 향상시킬 수 있으며, 궁국적으로는 연료전지 셀 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.

한편, 상기 지지체(30)는 스택의 전체 단위 셀 중, 엔드 플레이트와 인접한 단위 셀의 분리판(18)과 가스확산층(16) 사이에 삽입 배치하는 것이 바람직하며, 그 이유는 엔드 플레이트와 인접한 셀들이 엔드 플레이트에 의한 체결력을 많이 받게 되어 가스확산층 눌림 현상이 심할 수 있고, 또한 전기 생성 반응시 물이 많이 발생하기 때문이다.

10 : 전극막 접합체
12 : 전해질막
14 : 촉매층
16 : 가스확산층
18 : 분리판
18-1 : 랜드부
18-2 : 채널 유로
20 : 엔드플레이트
30 : 지지체
32 : 지지라인
34 : 연결라인

Claims

채널 유로(18-2) 및 랜드부(18-1)가 반복 형성된 분리판(18)과, 분리판(18)과 접하면서 연료를 전극막 접합체(10)로 전달하는 가스확산층(16)을 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
상기 분리판(18)과 가스확산층(16) 사이에 가스확산층의 눌림 현상을 방지하는 다수의 지지라인(32)을 갖는 지지체(30)를 삽입 배치하되, 다수의 지지라인(32)이 분리판(18)의 채널 유로(18-2)와 수직 배열되게 삽입 배치하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 지지체(30)는 분리판(18)과 동일 재질을 이용하여 타발 금형에 의하여 일체로 제작된 것임을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 지지체(30)의 각 지지라인(32)의 양단부에는 채널 유로(18-2)의 폭에 비하여 작은 폭을 갖는 연결라인(34)이 수직 배열을 이루며 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 지지체(30)는 스택의 전체 단위 셀 중, 엔드 플레이트와 인접한 단위 셀의 분리판(18)과 가스확산층(16) 사이에 삽입 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
청구항 1에 있어서,
상기 지지체(30)의 지지라인(32) 폭은 분리판(18)의 랜드부(18-1) 폭과 동등하게 설정되는 동시에 지지라인(32) 간의 간격은 분리판(18)의 채널 유로(18-2) 폭과 동등한 수준으로 설정된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.