KR101878030B1 - 연료전지 장치 - Google Patents

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Abstract

연료전지 장치에 관한 발명이 개시된다. 개시된 연료전지 장치는, 막전극접합체와, 막전극접합체의 단부에 결합되는 접합체결합부와, 접합체결합부의 일측면에 결합되는 제1가스켓부와 접합체결합부의 타측면에 결합되는 제2가스켓부를 포함하는 가스켓부와, 공기가 출입되는 제1유로가 형성되고, 제1가스켓부에 접하는 제1접촉부를 포함하는 제1캐소드분리판과, 공기가 출입되는 제2유로가 형성되고, 제1가스켓부에 접하는 제2접촉부를 포함하는 제2캐소드분리판과, 수소가 출입되는 수소유로가 형성되고, 제2가스켓부에 접하는 애노드분리판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지 장치{FUEL CELL APPARATUS}
본 발명은 연료전지 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 가스 등의 누출을 방지할 수 있는 연료전지 장치에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 장치는 수소와 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다.
구체적으로 연료전지 장치는 산화전극(anode)에서의 산화반응 및 환원전극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전기에너지를 생산하게 된다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제2016-0019746호(2016.02.22 공개, 발명의 명칭: 무기 이온 전도체, 이의 제조 방법 및 연료전지용 전해질 막)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 막전극접합체가 결합되는 접합체결합부와, 가스켓부 사이를 밀폐하여, 수소가스 등이 누출되는 것을 차단할 수 있는 연료전지 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는: 막전극접합체; 상기 막전극접합체의 단부에 결합되는 접합체결합부; 상기 접합체결합부의 일측면에 결합되는 제1가스켓부와, 상기 접합체결합부의 타측면에 결합되는 제2가스켓부를 포함하는 가스켓부; 공기가 출입되는 제1유로가 형성되고, 상기 제1가스켓부에 접하는 제1접촉부를 포함하는 제1캐소드분리판; 공기가 출입되는 제2유로가 형성되고, 상기 제1가스켓부에 접하는 제2접촉부를 포함하는 제2캐소드분리판; 및 수소가 출입되는 수소유로가 형성되고, 상기 제2가스켓부에 접하는 애노드분리판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1접촉부는 복수 개가 구비되어 상기 제1가스켓부의 길이 방향으로 배열되며, 상기 제1캐소드분리판은, 양단부가 이웃하는 상기 제1접촉부에 연결되며, 상기 제1가스켓부와의 사이에 상기 제1유로가 형성되는 제1연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2접촉부는 복수 개가 구비되어 상기 제1가스켓부의 길이 방향으로 배열되며, 상기 제2캐소드분리판은, 양단부가 이웃하는 상기 제2접촉부에 연결되며, 상기 제1가스켓부와의 사이에 상기 제2유로가 형성되는 제2연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1캐소드분리판과, 상기 제2캐소드분리판은 동일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제2캐소드분리판은, 이웃하는 상기 제1접촉부의 사이에 상기 제2접촉부 단부의 연장선이 위치하도록 상기 제1캐소드분리판에 대하여 소정 거리 편위(偏位)되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 상기 제1캐소드분리판과 상기 제2캐소드분리판은 일체로서 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 장치는 막전극접합체가 결합되는 접합체결합부 상에 위치하는 가스켓부를, 제1접촉부와 제2접촉부에서 균일하게 가압하므로, 접합체결합부와 가스켓부 사이의 기밀을 유지하여 수소 가스 등이 누출되는 것을 차단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치에서 캐소드분리판과, 가스켓부 및 막전극접합체를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 연료전지 장치의 실시예를 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로써, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치를 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)는 막전극접합체(100), 접합체결합부(200), 가스켓부(300), 캐소드분리판(400) 및 애노드분리판(500)을 포함하여 연료전지 단위셀을 형성하며, 복수의 단위셀이 적층되어 연료전지스택을 형성하여 전력을 생산, 차량 등의 동력원으로 제공한다.
막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)(100)는 산소와 공기의 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위한 구성으로, 백금 또는 백금-루테늄 금속 등을 포함하는 촉매층과, 고분자전해질막 등으로 구성된다.
막전극접합체(100)의 상하면에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)(50)이 형성되어 분리판(400, 500)을 통하여 공급되는 반응기체를 막전극접합체(100)로 확산시킨다.
접합체결합부(200)는 막전극접합체(100)를 둘러싸며, 막전극접합체(100)의 단부에 결합되어, 막전극접합체(100)의 위치, 배열 등을 설정할 수 있도록 한다.
가스켓부(300)는 접합체결합부(200)의 양면에 접하여 접합체결합부(200)와, 분리판(400, 500) 사이로 수소 가스 등이 누출되는 것을 방지한다. 본 실시예에서 가스켓부(300)는 제1가스켓부(310)와 제2가스켓부(350)를 포함한다.
제1가스켓부(310)는 캐소드분리판(400)과 접합체결합부(200)의 사이에 위치하여 접합체결합부(200)와의 사이를 밀폐함으로써, 수소 가스 등이 누출되는 것을 방지한다.
본 실시예에서 제1가스켓부(310)는 접합체결합부(200)의 단부에 위치하며, 접합체결합부(200)의 둘레면을 따라 길게 형성된다. 또한, 본 실시예에서 제1가스켓부(310)는 캐소드분리판(400)에 작용하는 하중에 의하여 접합체결합부(200)에 밀착되는 동시에 접합체결합부(200)와 제2가스켓부(350)이 밀착되도록 함으로써, 수소 가스 등이 누출되지 않도록 방지한다.
제2가스켓부(350)는 애노드분리판(500)과 접합체결합부(200)의 사이에 위치하여 접합체결합부(200)와의 사이를 밀폐함으로써 수소 가스 등이 접합체결합부(200)와의 사이로 누출되는 것을 차단한다.
본 실시예에서 제1가스켓부(310)와 제2가스켓부(350)는 동일 형상으로 형성되며, 접합체결합부(200)를 사이에 두고 대칭되게 형성되어, 분리판(400, 500) 등으로부터 전달되는 체결압 등에 의해 접합체결합부(200)에 밀착된다.
캐소드분리판(400)은 제1캐소드분리판(410)과 제2캐소드분리판(450)을 포함하여 공기유로(411, 451)를 통하여 공기가 막전극접합체(100) 등에 전달될 수 있도록 한다.
또한 캐소드분리판(400)은 제1가스켓부(310)를 가압하여 제1가스켓부(310)와 접합체결합부(200) 사이의 기밀이 유지될 수 있도록 한다. 본 실시예에서 캐소드분리판(400)은 제1캐소드분리판(410)과 제2캐소드분리판(450)을 포함한다.
제1캐소드분리판(410)에는 공기가 출입되는 제1유로(411)가 형성되고, 제1가스켓부(310)에 접하는 제1접촉부(413)를 포함하여 제1유로(411)를 통하여 공급되는 공기가 가스확산층(50)을 통해 막전극접합체(100)에 전달되도록 공기의 이동을 안내함과 동시에, 제1접촉부(413)로 제1가스켓부(310)를 가압하여 제1가스켓부(310)와 접합체결합부(200) 사이의 기밀이 유지되도록 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치에서 캐소드분리판과, 가스켓부 및 막전극접합체를 나타내는 도면이다.
도 1 및 4를 참조하면, 본 실시예에서 제1접촉부(413)는 복수 개가 구비되어 제1가스켓부(310)의 길이 방향(도 4 기준 좌우 방향)으로 배열됨으로써, 제1접촉부(413)가 제1가스켓부(310)를 균일하게 가압할 수 있도록 한다.
제1캐소드분리판(410)은 제1연결부(415)를 포함한다. 제1연결부(415)는 양단부가 각각 이웃하는 제1접촉부(413)에 연결되며 제1가스켓부(310)와의 사이에 제1유로(411)를 형성함으로써, 제1가스켓부(310)와의 사이로 공기가 출입할 수 있게 한다.
제2캐소드분리판(450)에는 공기가 출입되는 제2유로(451)가 형성되고, 제1가스켓부(310)에 접하는 제2접촉부(453)를 포함하여 제2유로(451)를 통하여 공급되는 공기가 가스확산층(50)을 통해 막전극접합체(100)에 전달되도록 공기의 이동을 안내한다.
제2캐소드분리판(450)은 제2연결부(455)를 포함한다. 제2연결부(455)는 양단부가 각각 이웃하는 제2접촉부(453)에 연결되며 제1가스켓부(310)와의 사이에 제2유로(451)를 형성함으로써, 제1가스켓부(310)와의 사이로 공기가 출입할 수 있게 한다.
또한, 제2캐소드분리판(450)은 제2접촉부(453)로 제2가스켓부(350)를 가압하여 제2가스켓부(350)와 접합체결합부(200) 사이의 기밀이 유지되도록 한다.
본 실시예에서 제2접촉부(453)는 복수 개가 구비되어 제1가스켓부(310)의 길이 방향으로 배열되며, 제2캐소드분리판(450)은 양단부가 이웃하는 제2접촉부(453)에 연결되며 제1가스켓부(310)와의 사이에 제2유로(451)가 형성되는 제2연결부(455)를 더 포함한다.
본 실시예에서 제2캐소드분리판(450)은 이웃하는 제1접촉부(413)의 사이에 제2접촉부(453)의 단부의 연장선이 위치하도록, 제1캐소드분리판(410)에 대하여 소정 거리 편위(偏位)된다.
이웃하는 제1접촉부(413)의 사이에 제2접촉부(453)의 단부가 위치하는 경우, 공기 등의 유로를 확보하기 위하여 이격된 이웃하는 제1접촉부(413) 사이의 거리(d1)보다 좁은 간격(d3)으로 제1접촉부(413)와 제2접촉부(453)가 배치된다.
이에 따라 이웃하는 제1접촉부(413)와 대략 중심 부위에서 제1가스켓부(310)와, 접합체결합부(200) 사이에 작용하는 하중이, 제1접촉부(413)가 위치하는 부위에서 제1가스켓부(310)와 접합체결합부(200) 사이에 작용하는 하중 대비 설정비율 이상으로 차이 나는 것을 방지할 수 있다.
결국, 가스켓부(300)와 접합체결합부(200) 사이의 체결압을 유지하여, 가스켓부(300)와 접합체결합부(200) 사이로 수소 가스 등이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 제1캐소드분리판(410)과 제2캐소드분리판(450)은 금속 재질을 포함하여 이루어지며, 동일 형상으로 형성되고, 일체로서 형성되어 부품의 개수 및 조립 공정 수를 줄일 수 있다.
또한, 본 실시예에서 캐소드분리판(450)은 가스켓부(300)의 폭 방향으로 배열되어 가스확산층(50)을 막전극접합체(100) 측으로 가압함으로써, 가스켓부(300)와 접합체결합부(200)의 체결압을 유지하는 것뿐만 아니라, 가스확산층(50)과 막전극접합체(100)를 밀착시켜 반응 가스의 확산 정도를 향상시킬 수 있다.
애노드분리판(500)에는 수소 가스가 출입되는 수소유로(501)가 형성되고 제2가스켓부(350)에 접함으로써, 수소 가스를 가스확산층(50)을 통해 막전극접합체(100)로 전달하는 것과 동시에, 제2가스켓부(350)와 접합체결합부(200)를 밀착시켜, 제2가스켓부(350)와 접합체결합부(200) 사이로 수소 가스 등이 누출되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 장치(1)의 작동원리 및 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 실시예에서 연료전지 장치(1)는 연료로서의 수소 가스 및 산화제 가스로서의 산소를 포함하는 공기를 제공받아, 수소와 산소의 전기 화학 반응을 통해 전기 에너지를 발생시킨다.
캐소드분리판(400)에 공급되는 공기는 제1유로(411) 및 제2유로(451)에 의하여 이동이 안내되어 가스확산층(50)을 통해 막전극접합체(100)로 전달된다. 또한, 애노드분리판(500)에 전달되는 수소 가스는 수소유로(501)에 의하여 이동이 안내되어 가스확산층(50)을 통해 막전극접합체(100)로 전달된다.
본 실시예에서 캐소드분리판(400)과, 애노드분리판(500)은 각각 제1가스켓부(310)와 제2가스켓부(350)를 접합체결합부(200) 측으로 가압함으로써, 가스켓부(300)와 접합체결합부(200)를 밀착시켜, 수소 가스 등이 누출되는 것을 방지한다.
특히, 본 실시예에서 캐소드분리판(400)은 제1접촉부(413)와 제2접촉부(453)가 제1가스켓부(310)에 접하여 제1가스켓부(310)에 체결압을 전달하는데, 이러한 제1접촉부(413)와 제2접촉부(453)는 어긋나게 배열된다.
즉, 유로의 확보 등을 위하여 이웃하는 상호 이격되어 있는 제1접촉부(413)의 사이에, 제2접촉부(453)의 단부의 연장선이 위치하도록 함으로써, 제1가스켓부(310)에 체결압이 균일하게 작용하도록 한다.
이로써, 본 실시예에서 연료전지 장치(1)는 가스켓부(300)를 복수의 제1접촉부(413)와 제2접촉부(453)로 가압하므로, 가스켓부(300)와 접합체결합부(200) 사이의 기밀을 유지, 수소 가스 등이 누출되는 것을 차단할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1: 연료전지 장치 100: 막전극접합체
200: 접합체결합부 300: 가스켓부
310: 제1가스켓부 350: 제2가스켓부
400: 캐소드분리판 410: 제1캐소드분리판
411: 제1유로 413: 제1접촉부
415: 제1연결부 450: 제2캐소드분리판
451: 제2유로 453: 제2접촉부
455: 제2연결부 500: 애노드분리판
501: 수소유로

Claims (6)

  1. 막전극접합체;
    상기 막전극접합체의 단부에 결합되는 접합체결합부;
    상기 접합체결합부의 일측면에 결합되는 제1가스켓부와, 상기 접합체결합부의 타측면에 결합되는 제2가스켓부를 포함하는 가스켓부;
    공기가 출입되는 제1유로가 형성되고, 상기 제1가스켓부에 접하는 제1접촉부를 포함하는 제1캐소드분리판;
    공기가 출입되는 제2유로가 형성되고, 상기 제1가스켓부에 접하는 제2접촉부를 포함하는 제2캐소드분리판; 및
    수소가 출입되는 수소유로가 형성되고, 상기 제2가스켓부에 접하는 애노드분리판;을 포함하고,
    상기 제2캐소드분리판은, 이웃하는 상기 제1접촉부의 사이에 상기 제2접촉부 단부의 연장선이 위치하도록 상기 제1캐소드분리판에 대하여 소정 거리 편위(偏位)되고,
    상기 제1캐소드분리판과 상기 제2캐소드분리판은 일체로서 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1접촉부는 복수 개가 구비되어 상기 제1가스켓부의 길이 방향으로 배열되며,
    상기 제1캐소드분리판은, 양단부가 이웃하는 상기 제1접촉부에 연결되며, 상기 제1가스켓부와의 사이에 상기 제1유로가 형성되는 제1연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2접촉부는 복수 개가 구비되어 상기 제1가스켓부의 길이 방향으로 배열되며,
    상기 제2캐소드분리판은, 양단부가 이웃하는 상기 제2접촉부에 연결되며, 상기 제1가스켓부와의 사이에 상기 제2유로가 형성되는 제2연결부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1캐소드분리판과, 상기 제2캐소드분리판은 동일 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
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