KR101905971B1 - 연료전지 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 금속발포체의 높은 표면 조도로 인한 막-전극 접합체의 손상을 방지함으로써 종래의 개회로 전압 손실의 문제를 개선할 수 있는 연료전지 및 그 제조 방법을 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 전해질막의 일면에 제1 전극층이 형성되고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층이 형성된 막-전극 접합체; 발포 성형한 금속발포체가 압축된 압축 상태의 발포체로서, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층에 적층되고, 반응기체를 내부 기공을 통해 상기 적어도 하나의 전극층으로 공급하는 금속발포체; 및 상기 금속발포체에 적층되는 분리판;을 포함하는 연료전지, 및 그 제조 방법이 개시된다.

Description

연료전지 및 그 제조 방법{Fuel cell and manufacturing method thereof}

본 발명은 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 개회로 전압 감소 현상을 개선할 수 있는 연료전지 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료 가스와 산화제 가스를 전기화학적으로 반응시켜 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 연료 가스와 산화제 가스의 전기화학 반응을 통하여 전기에너지를 생성하는 복수 개의 셀들로 이루어진다.

이러한 연료전지의 셀에서 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판(Bipolar Plate, BP)을 배치하여 구성될 수 있으며, 분리판에는 반응기체, 즉 연료 가스인 수소와 산화제 가스인 공기(또는 산소)를 막-전극 접합체에 공급하는 반응 유로, 및 냉각수를 유통시키는 냉각 유로가 형성되어 있다.

또한, 막-전극 접합체의 양면에는 반응기체를 확산시키기 위한 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)이 적층되어 있다.

이러한 종래의 연료전지 단위 셀 구성에 대해 좀더 설명하면, 연료전지의 각 단위 셀에서 가장 안쪽에는 주요 구성부품인 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치한다.

이러한 막-전극 접합체는 수소 이온을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이러한 전해질막의 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 해주는 촉매층으로 형성된 제1 전극층과 제2 전극층, 즉 캐소드(Cathode)와 애노드(Anode)를 포함하여 구성된다.

그리고, 막-전극 접합체의 바깥부분, 즉 제1 전극층 및 제2 전극층의 바깥부분에는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)이 적층되고, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체(연료 가스인 수소와 산화제 가스인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로를 형성하는 분리판(Bipolar Plate, BP)이 위치된다.

또한, 이러한 분리판 사이에는 유체의 씰(Seal)을 위한 가스켓 등이 개재되도록 적층되며, 가스켓은 막-전극 접합체 또는 분리판에 일체로 성형된 상태로 제공될 수 있다.

예를 들어, 막-전극 접합체를 중심으로 일측의 분리판을 애노드 분리판, 타측의 분리판을 캐소드 분리판이라 한다면, 막-전극 접합체의 애노드에 접합된 기체확산층과 애노드 분리판 사이의 채널이 연료 가스인 수소가 흐르게 되는 애노드 채널이 된다.

또한, 막-전극 접합체의 캐소드에 접합된 기체확산층과 캐소드 분리판 사이의 채널이 산화제 가스인 공기(또는 산소)가 흐르게 되는 캐소드 채널이 되고, 적층 및 접합된 캐소드 분리판과 애노드 사이의 공간, 즉 이웃한 애노드 채널 사이 및 캐소드 채널 사이의 분리판 랜드부가 형성하는 공간이 냉각수 채널이 된다.

이러한 구성을 단위 셀(Cell)로 하여 복수 개의 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에는 셀들을 지지하기 위한 엔드 플레이트(End Plate)를 결합하며, 엔드 플레이트 사이에 셀들을 적층 배열한 상태로 스택 체결기구를 이용하여 엔드 플레이트와 셀들을 함께 체결해줌으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.

여기서, 각 단위 셀은 운전 시 낮은 전압을 유지하므로 전압을 높이기 위해 수십 ~ 수백 개의 셀들을 직렬로 적층하여 스택 형태로 제작한 뒤 발전장치로 사용하게 된다.

한편, 연료전지의 성능을 극대화시키기 위해서는 분리판의 반응 유로 간격을 조밀하게 하여 기체확산층 및 막-전극 접합체의 면압을 균일하게 하고, 기체확산층이 반응 전면에 걸쳐 일정한 투과성을 지닐 수 있게 해야 한다.

하지만, 분리판의 성형 단계에서 발생하는 각종 불량을 방지하기 위하여 상기와 같이 분리판의 반응 유로(채널) 간격을 줄이는 데에는 한계가 있을 수 있다.

또한, 유로를 가지는 분리판을 적용한 연료전지 셀 구조에 있어서는 성형 및 가공의 한계로 인해 유로 피치(채널 폭과 랜드 폭)를 줄이는데 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하고자 반응 유로를 가지는 분리판 대신, 면압을 균등히 분산시키고 반응기체의 확산 및 수분의 배출 성능을 향상시킬 수 있는 다공체 유로를 적용하는 기술이 알려져 있다.

예컨대, 다공체로 형성된 금속발포체를 삽입하는 방법을 적용하는 예가 알려져 있으며, 다공체 유로를 제공하기 위한 금속발포체를 사용할 경우 채널 형태의 유로와 비교하여 유로 피치를 작게 할 수 있는 장점이 있다.

그런데, 금속발포체를 적용하는 연료전지 셀 구조에 있어서는 금속발포체를 제작 초기 상태로 직접 연료전지 셀에 적용하게 되면, 높은 표면 조도로 인해 금속발포체와 직접 맞닿게 되는 부품의 손상을 초래할 수 있다.

또한, 일반적인 연료전지 셀 구조에서는 수백 μm 두께 수준의 기체확산층을 사용하여 막-전극 접합체의 손상을 방지해줄 수 있는 완충 역할을 해줄 수 있는 반면, 수십 μm의 두께인 미세기공층만을 적용한 연료전지 셀 구조에서는 미세기공층 자체가 금속발포체로 인한 막-전극 접합체 손상을 방지할 수 있는 완충 역할을 하기 어렵기 때문에, 막-전극 접합체의 손상으로 인한 개회로 전압 손실이 불가피하다.

또한, 막-전극 접합체의 손상 발생 시 손상된 부위를 통해 기체가 통과하는 크로스-오버(cross-over)로 인하여 전해질막의 내구 저하를 초래할 수도 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0121959호(2015.10.30.)

본 발명의 목적은, 연료전지의 구성 부품 중 금속발포체가 적용됨에 따라 금속발포체의 높은 표면 조도로 인한 막-전극 접합체의 손상을 방지함으로써 종래의 개회로 전압 손실의 문제를 개선할 수 있는 연료전지 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지는 전해질막의 일면에 제1 전극층이 형성되고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층이 형성된 막-전극 접합체; 발포 성형한 금속발포체가 압축된 압축 상태의 발포체로서, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층에 적층되고, 반응기체를 내부 기공을 통해 상기 적어도 하나의 전극층으로 공급하는 금속발포체; 및 상기 금속발포체에 적층되는 분리판;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지는 상기 적어도 하나의 전극층과 상기 압축 상태의 금속발포체 사이에 기체확산층이 더 적층될 수 있다.

이러한 기체확산층은 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)으로 형성될 수 있다.

한편, 상기 압축상태의 금속발포체는 85% 이상의 공극률을 갖도록 압축된 금속발포체일 수 있다.

또한, 상기 압축 상태의 금속발포체와 분리판 사이에 반응기체를 기공을 통해 상기 압축 상태의 금속발포체로 공급하는 별도의 금속발포체가 더 적층될 수 있다.

여기서, 상기 별도의 금속발포체는 상기 압축 상태의 금속발포체에 비해 상대적으로 큰 공극률을 가지는 금속발포체일 수 있다.

또한, 상기 별도의 금속발포체는 발포 성형 후 압축하지 않은 미압축 상태의 금속발포체일 수 있다.

또한, 상기 미압축 상태의 금속발포체는 적어도 90%의 공극률을 가지는 금속발포체일 수 있다.

그리고, 본 발명은 전해질막의 일면에 제1 전극층을 형성하고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층을 형성하여 막-전극 접합체를 구성하는 단계; 금속발포체를 발포 성형한 후 압축하여 압축 상태의 금속발포체를 제작하는 단계; 상기 압축 상태의 금속발포체가 기공을 통해 전극층에 반응기체를 공급할 수 있도록, 상기 압축 상태의 금속발포체를 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층에 적층하는 단계; 및 상기 금속발포체에 분리판을 적층하는 단계;를 포함하는 연료전지의 제조 방법을 제공한다.

여기서, 상기 적어도 하나의 전극층과 상기 압축 상태의 금속발포체 사이에 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)으로 형성된 기체확산층을 더 적층할 수 있다.

또한, 상기 발포 성형한 금속발포체를 기 설정된 압축량에 따라 압축하여 85% 이상의 공극률을 가지는 압축 상태의 금속발포체로 제작할 수 있다.

또한, 상기 압축 상태의 금속발포체와 분리판 사이에 반응기체를 기공을 통해 상기 압축 상태의 금속발포체로 공급하는 별도의 금속발포체를 더 적층할 수 있다.

여기서, 상기 별도의 금속발포체는 상기 압축 상태의 금속발포체에 비해 상대적으로 큰 공극률을 가지는 금속발포체일 수 있다.

또한, 상기 별도의 금속발포체는 발포 성형 후 압축하지 않은 미압축 상태의 금속발포체일 수 있다.

또한, 상기 미압축 상태의 금속발포체는 적어도 90%의 공극률을 가지는 금속발포체일 수 있다.

이로써, 본 발명은, 연료전지의 구성 부품 중 압축 상태의 금속발포체가 적용됨에 따라 종래의 금속발포체가 가지는 높은 표면 조도로 인한 막-전극 접합체의 손상을 방지할 수 있으며, 개회로 전압 손실의 문제를 개선할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 종래의 기체확산층을 대신하여 미세기공층(MPL)이 사용됨에 따라 연료전지 스택의 제작 원가를 절감할 수 있는 한편, 연료전지 스택의 부피 저감 및 출력 밀도 증가의 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 셀의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 셀에 대한 개회로 전압을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 셀의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 셀에 대한 개회로 전압을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.

그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 셀의 구조를 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지 셀에 대한 개회로 전압을 보여주는 도면이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지에서는, 단위 셀 구성에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 전해질막(100)의 일면에 제1 전극층이 형성되고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층이 형성된 막-전극 접합체; 발포 성형한 금속발포체가 압축된 압축 상태의 발포체로서, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층(200)에 적층되고, 반응기체를 내부 기공을 통해 상기 적어도 하나의 전극층으로 공급하는 금속발포체(500); 및 상기 금속발포체(500)에 적층되는 분리판(300);을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 구성에서 상기 적어도 하나의 전극층(200)과 상기 압축 상태의 금속발포체(500) 사이에 기체확산층이 더 적층될 수 있고, 바람직하게는 상기 기체확산층은 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)(400)으로 형성될 수 있다.

즉, 제1 전극층 및 제2 전극층의 바깥부분에 적층되던 종래의 일반적인 기체확산층을 대신하여 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)(400)을 적층하는 것이며, 이러한 미세기공층(400)과 분리판(300) 사이에 금속발포체(500)가 적층되는 것이다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지에서는 상기 압축 상태의 금속발포체(500)와 분리판(300) 사이에 반응 유로를 제공하는 별도의 금속발포체(600)가 추가로 적층 개재될 수 있다.

이때, 분리판(300)에서는 유로가 삭제되고, 상기 별도의 금속발포체(600)의 바깥쪽 표면 전체가 상기 분리판(300)의 표면에 균일하게 접합 및 밀착될 수 있도록, 상기 금속발포체(600)의 표면에 접합되는 분리판의 표면은 평탄한 면으로 이루어질 수 있다.

이하, 본 발명에서는 상기 압축 상태의 발포체(500)를 제1 금속발포체라 칭하며, 상기 별도의 추가적인 금속발포체(600)를 제2 금속발포체라 칭하기로 한다.

이에 따라 제1 실시예에 따른 연료전지에서는 미세기공층(400)과 분리판(300) 사이에 제1 금속발포체(500)와 제2 금속발포체(600)가 차례로 적층 개재된 구성을 나타내게 된다.

이 경우, 종래의 일반적인 기체확산층을 미세기공층(400)이 대신하므로 연료전지 제작에 따른 원가 절감이 가능해지고, 개회로 전압 발생의 문제를 개선할 수 있게 된다.

또한, 연료전지 셀의 구성에서 반응기체의 확산 및 수분의 배출 성능을 향상시키도록 하는 다공체로 형성된 금속발포체가 적용될 수 있는데, 만일 상기와 같은 금속발포체를 발포 성형 후 압축하지 않은 제작 초기 상태(미압축 상태)로 직접 연료전지 셀에 적용하게 되면, 금속발포체의 높은 표면 조도로 인해 금속발포체와 맞닿게 되는 부품의 손상을 초래할 수 있다.

그에 따라, 연료전지 셀 구조에서 수백 μm 두께 수준을 가지는 기체확산층을 사용하여 막-전극 접합체의 손상을 방지해줄 수 있는 완충 역할을 하도록 할 수 있으나, 이 경우 기체확산층의 두꺼워진 두께로 인하여 연료전지 스택의 부피가 커지게 되고, 결국에는 연료전지 스택의 출력 밀도가 감소되는 원인으로 작용할 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 종래의 연료전지 셀을 구성하는 일반적인 기체확산층을 대신하여, 상대적으로 종래의 기체확산층 보다 얇은 두께로 형성된, 즉 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층을 적용함으로써, 연료전지 스택의 부피 저감에 따른 연료전지 스택의 출력 밀도를 증가시킬 수 있고, 종래와 같은 고가의 기체확산층을 삭제할 수 있어 연료전지 스택 제작에 요구되는 원가를 절감할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 발포 성형 후 기 설정된 두께 범위를 따르도록 압축된 압축 상태의 제1 금속발포체(500)와, 제1 반응기체와 제2 반응기체 중 하나를 내부 기공을 통해 제1 금속발포층(500)으로 공급하는 제2 금속발포체(600)를, 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층과 분리판(300) 사이에 순차적으로 적층되도록 한다.

여기서, 상기 제1 금속발포체(500)는 발포 성형한 후 압축하여 제작한 압축 상태의 발포체로서, 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층(200)에 적층될 수 있고, 이때 전극층(200)과의 사이에 상기 미세기공층(400)을 개재한 상태로 적층될 수 있다.

이러한 제1 금속발포체(500)는 기공을 통해 반응기체를 미세기공층(400) 및 전극층(200)에 공급하게 된다.

이때, 내부 기공이 반응기체의 유로, 즉 반응 유로로서 제공되어 상기 내부 기공을 통해 반응기체를 제1 금속발포체(500)에 공급하는 제2 금속발포체(600)는 압축이 이루어지지 않은 미압축 금속발포체가 될 수 있다.

만일, 제1 반응기체 또는 제2 반응기체가 수직 및 수평방향으로 분배 및 공급될 수 있도록 압축이 이루어지지 않은 초기 상태의 금속발포체, 즉 미압축 상태의 금속발포체인 제2 금속발포체(600)만을 미세기공층(400)과 분리판(300) 사이에 적층하게 되면, 제2 금속발포체(600)의 높은 표면 조도로 인하여 막-전극 접합체 및 미세기공층(400)에 손상이 발생될 수 있다.

따라서, 본 실시예에서는 제2 금속발포체(600)와 미세기공층(400) 사이에 발포 성형한 초기 상태의 금속발포체를 프레스 혹은 롤러 등으로 압축한 압축 상태의 제1 금속발포체(500)를 적층하여 개재한다.

이때, 제1 금속발포체(500)는 최대로 압축된 두께, 즉 탄성 복원력이 발생하지 않는 수준의 최소 두께를 가지도록 최대로 압축한 완전 압축 상태의 금속발포체가 될 수 있다.

즉, 제1 금속발포체(500)는 발포 성형한 후 기공의 붕괴가 이루어지도록 두께방향으로 압축하여 제작된 압축 상태의 금속발포체로서, 압축 시 기공의 붕괴로 인한 두께 변화가 더 이상 나타나지 않는 상태가 될 때까지 압축하여, 붕괴된 평면 상의 기공들이 두께방향으로 서로 연결되어 기체로 유로를 형성하고 있는 완전 압축 상태의 금속발포체가 될 수 있는 것이다.

상기와 같이 완전 압축 상태의 제1 금속발포체(500)에서는 기공의 두께방향 구조가 완전히 붕괴되어 있게 되며, 붕괴된 평면 상의 기공들이 두께방향으로 서로 연결되어, 이 기공들을 통해 반응기체가 수직방향, 즉 금속발포체의 두께방향으로만 통과할 수 있게 된다.

이러한 제1 금속발포체(500)를 미세기공층(400)에 적층함으로써, 미압축 상태의 금속발포체인 제2 금속발포체(600)의 표면이 상기 미세기공층(400)의 표면에 직접적으로 밀착되지 않도록 한다.

상기 제1 금속발포체(500)는 압축 상태이므로 압축하지 않은 미압축 상태의 제2 금속발포체(600)에 비해 표면이 거칠지 않고 상대적으로 매끄러우므로 미세기공층(400)에 밀착 및 적층되어 접촉된 상태가 되더라도 미세기공층(400) 및 막-전극 접합체의 손상이 방지될 수 있게 된다.

더 자세히 설명하면, 발포 성형 후 초기 상태의 금속발포체를 상기와 같이 완전히 압축시키게 되면 그 금속발포체의 표면 조도가 고르게 될 수 있는데, 상기와 같은 완전 압축 상태의 제1 금속발포체(500)를 통해 미세기공층(400)과 제2 금속발포체(600)가 직접적으로 접촉 및 적층되는 것을 막을 수 있기 때문에, 제2 금속발포체(600)의 높은 표면 조도로 인해 막-전극 접합체 및 미세기공층(400)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

여기서, 제1 금속발포체(500)는 완전 압축된 상태로 적층되기 때문에, 기공의 내부를 통과하는 제1 반응기체 또는 제2 반응기체가 수직방향, 즉 금속발포체(500)의 두께방향을 따라서만 미세기공층(400)으로 공급될 수 있다.

결과적으로, 본 실시예에서는 연료전지 셀의 구성에서 완전 압축 상태의 제1 금속발포체(500)를 적용함에 따라 제2 금속발포체(600)의 높은 표면 조도로 인한 막-전극 접합체 및 미세기공층(400)의 손상을 방지할 수 있기 때문에, 도 2에 도시된 바와 같이 종래의 연료전지 셀에 비하여 높은 개회로 전압을 가지도록 할 수 있다.

이하, 도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 셀의 구조를 보여주는 도면이고, 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지 셀에 대한 개회로 전압을 보여주는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지는, 단위 셀 구성에 있어서, 초기 상태의 금속발포체, 즉 발포 성형한 후의 미압축 금속발포체를 기 설정된 압축량에 따라 두께방향으로 압축하여 소정의 공극률을 가지도록 제작한 뒤 이렇게 제작한 압축 상태의 금속발포체(700)를 연료전지 셀을 구성하는 분리판(300)과 미세기공층(400) 사이에 적층한 구조를 가진다.

여기서, 전해질막(100)과 전극층(200)으로 형성된 막-전극 접합체와, 분리판(300) 및 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층에 대해서는 전술한 제1 실시예와 차이가 없으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지에서, 금속발포체(700)는 미세기공층(400)에 밀착되도록 적층되며, 기 설정된 공극률을 가지도록 압축되어, 압축된 상태에서 내부 기공을 통해 제1 반응기체 또는 제2 반응기체를 미세기공층(400)으로 공급하고, 이로써 제1 반응기체 또는 제2 반응기체가 미세기공층(400)을 통해 막-전극 접합체의 촉매층을 형성하는 전극층, 즉 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층(200)에 공급되도록 한다.

본 발명에 따른 제1 실시예와 제2 실시예의 연료전지에서 모두 발포 성형 후 압축된 압축 상태의 금속발포체가 사용되고 있으나, 제2 실시예에 따른 연료전지의 금속발포체(700)는, 제1 실시예의 완전 압축 상태의 제1 금속발포체(500)와 달리, 일부 압축된 상태의 금속발포체이다.

즉, 제2 실시예의 금속발포체(700)는 기 설정된 두께 및 공극률을 유지하도록 정해진 압축량만큼 일부 압축된 상태에서 기공 내부를 통과하는 제1 반응기체 또는 제2 반응기체가 수직방향(즉, 발포체의 두께방향) 및 수평방향(즉, 발포체의 길이방향)으로 분배 및 공급될 수 있도록 되어 있으며, 이때 압축에 의해 약 85% 이상의 공극률을 가지도록 제작될 수 있다.

바람직하게는, 금속발포체(700)는 압축에 의해 약 85% ~ 90%의 공극률을 가지도록 제작될 수 있으며, 과다 압축하여 공극률을 85% 미만으로 할 경우, 내부 기공을 통해 반응기체의 출입 및 통과에 어려움이 있게 되어 연료전지 성능이 저하되는 문제점이 있게 된다.

또한, 금속발포체(700)가 압축 상태에서 공극률 90%를 초과하도록 하는 경우, 발명의 목적 달성이 어렵고, 압축된 금속발포체의 사용에 따른 원하는 효과를 얻을 수 없다.

즉, 공극률 90% 초과 시, 금속발포체(700)의 표면이 과다하게 거칠어지므로, 결국 높은 표면 조도로 인해 금속발포체와 직접 맞닿게 되는 부품의 손상을 초래할 수 있고, 이 경우 개회로 전압 손실의 문제가 여전히 발생할 수 있다.

이에 따라, 제1 실시예에서와 같이 제1 금속발포체(500) 및 제2 금속발포체(600)의 순차적인 적층을 통해 제2 금속발포체(600)로 인한 연료전지 셀 부품의 손상을 방지하는 것이 아니라, 제2 실시예에서는 발포 성형 후 완전 압축 상태가 아닌 소정의 압축량으로 압축하여 정해진 두께와 공극률을 유지하면서 표면 조도를 고르게 한 금속발포체(700)만을 사용하여 연료전지 셀 부품의 손상을 방지할 수 있다.

즉, 금속발포체(700)는 약 85% 이상의 공극률을 가지도록 초기 상태의 금속발포체를 압축하여 표면 조도가 가공될 수 있도록 하고, 이와 같이 압축 가공된 금속발포체(700)를 분리판(300)과 미세기공층(400) 사이에 적층함으로써, 금속발포체(700)의 표면 조도로 인하여 연료전지 셀의 부품 손상이 발생하는 것을 방지하는 것이다.

그에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지에서는 소정의 공극률을 가지도록 압축 가공된 금속발포체를 적용함으로써, 초기 상태의 금속발포체가 가지는 높은 표면 조도로 인해 막-전극 접합체 및 미세기공층(400)에 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있기 때문에, 도 4에 도시된 바와 같이 종래의 연료전지 셀에 비하여 높은 개회로 전압을 가지도록 할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 제조 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 순차적으로 보여주는 순서도이다.

먼저, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 전해질막(100)의 양면에 전극층, 즉 제1 전극층과 제2 전극층을 형성하여 막-전극 접합체를 구성한다(S100).

이후, 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층(200)에 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층을 적층할 수 있는데, 예를 들면 제1 전극층과 제2 전극층 모두에 각각 미세기공층(400)을 적층할 수 있다(S200).

일반적인 연료전지 셀 구조에서는 제1 전극층 및 제2 전극층에 두께가 두꺼운 종래의 기체확산층을 적층하였으나, 이러한 기체확산층은 그 두께로 인해 연료전지 스택의 부피가 커지는 원인이 될 수 있고, 결국 연료전지 스택의 출력 밀도를 저하시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 실시예에서는 종래의 두꺼운 기체확산층을 삭제하고, 그 대신 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층을 적층한다.

다음으로, 압축 상태의 금속발포체를 적층함에 있어서, 발포 성형 후 초기 상태의 금속발포체를 최소 두께가 되도록 두께방향으로 최대한 압축한 완전 압축 상태의 제1 금속발포체(500)를 준비하고, 상기와 같이 압축되어 표면 조도가 고르게 형성된 제1 금속발포체(500)를 미세기공층(400)의 표면에 적층한다(S310).

여기서, 기 설정된 최소 두께는 두께방향으로의 압축 시 기공의 두께방향 구조 붕괴로 인한 두께 변화가 더 이상 나타나지 않을 때까지 완전히 압축된 상태의 발포체 두께를 의미하는 것으로, 상기와 같이 두께 변화가 더 이상 나타나지 않는 최소의 두께가 되도록 프레스 혹은 롤러 등으로 완전 압축 성형한 발포체의 두께를 의미하는 것이며, 초기 상태의 금속발포체가 완전 압축되어 탄성 복원력이 발생되지 않도록 하는 두께이다.

이러한 금속발포체의 완전 압축은 높은 표면 조도를 가지는 초기 상태의 금속발포체를 압축하여 그 금속발포체의 표면 조도가 고르게 나타날 수 있도록 하기 위하여 실시된다.

이어서, 초기 상태의 금속발포체, 즉 본 발명의 제1 실시예에서 전술된 미압축 상태의 제2 금속발포체(600)를 제1 금속발포체(500)에 적층시킨다(S320).

이때, 제2 금속발포체(600)는 약 90% 이상의 공극률을 가지는 미압축된 초기 상태의 금속발포체로서, 붕괴되지 않은 내부 기공을 통해 수직방향(발포체 두께방향)과 수평방향(발포체 길이방향)으로 반응기체를 제1 금속발포체(500)를 향해 원활히 분배 및 공급할 수 있다.

바람직하게는, 미압축 상태의 제2 금속발포체(600)로서 90% ~ 97%의 공극률을 가지는 금속발포체를 발포 성형하여 사용할 수 있다.

여기서, 발포 성형 후의 공극률 90% 미만으로 제2 금속발포체(600)를 제작하여 사용할 경우, 제2금속발포체(600)의 내부 기공이 반응기체를 공급하는 유로로 이용될 때 너무 낮은 공극률로 인하여 반응기체의 공급이 원활히 이루어질 수 없고, 이는 결국 연료전지의 성능 저하를 초래하는바, 바람직하지 않다.

또한, 제2 금속발포체(600)로서 발포 성형 후 압축하지 않은 초기 발포체를 사용함에 있어서, 압축하지 않은 상태의 금속발포체는 압축 상태에 비해 두께가 두꺼우므로, 강도를 만족하면서도 원하는 얇은 두께로 제2 금속발포체를 제조해야 한다.

그러나, 금속발포체 및 그 제조 공정의 특성상 금속발포체를 발포 성형함에 있어서 압축을 가하지 않은 초기 발포체의 공극률을 97%보다 크게 하여 제조하는 것은 어렵고, 97%보다 크게 하더라도 강도 측면에서 미흡하여 연료전지에 적용하기 어렵게 된다.

이러한 제2 금속발포체(600)는 높은 표면 조도를 가지기 때문에 미세기공층(400)에 직접 적층할 경우 막-전극 접합체 및 미세기공층(400)의 손상을 발생시킬 수 있으나, 본 실시예에서와 같이 압축 성형된 제1 금속발포체(500)의 적층을 통해 상기와 같은 문제를 미연에 방지할 수 있으며, 그에 따라 종래의 연료전지 셀에 비하여 높은 개회로 전압을 가지도록 할 수 있다.

이어 상기와 같이 제2 금속발포체(600)를 적층한 후에는 상기 적층된 제2금속발포체(600)의 표면에 분리판(300)을 적층하여 연료전지 셀을 구성한다(S400).

다음으로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 방법을 설명하면, 도 6에 도시된 바와 같이, 전해질막(100)의 양면에 전극층, 즉 제1 전극층과 제2 전극층을 형성하여 막-전극 접합체를 구성한다(S100).

이후, 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층(200)에 미세기공층(400)으로 형성된 기체확산층을 적층할 수 있는데, 예를 들면 제1 전극층과 제2 전극층 모두에 각각 미세기공층(400)을 적층할 수 있다(S200).

다음으로, 발포 성형 후 압축하여 약 85% 이상의 공극률을 가지는 압축 상태의 금속발포체(700)를 제작하고, 미세기공층(400)에 상기 압축 상태의 금속발포체(700)를 밀착시켜 적층한다(S300).

마지막으로, 압축 상태의 금속발포체(700)의 표면에 분리판(300)을 적층하여 연료전지 셀을 구성한다(S400).

이와 같이 하여, 본 발명은, 연료전지 셀의 구성 부품 중, 종래의 일반적인 기체확산층과 반응 유로를 갖는 분리판을 대신하여, 미세기공층으로 형성된 기체확산층과 반응 유로를 제공하는 금속발포체, 반응 유로가 미형성된 분리판을 적용하고, 특히 발포 성형 후 압축된 압축 상태의 금속발포체를 적용함에 따라 미압축 금속발포체 사용으로 인한 막-전극 접합체의 손상을 방지할 수 있도록 구성됨으로써, 종래의 개회로 전압 손실의 문제를 개선할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 상기와 같이 종래의 두껍고 고가인 기체확산층을 대신하여 미세기공층을 사용할 수 있게 됨에 따라 연료전지 스택의 제작 원가를 절감시킬 수 있는 한편, 연료전지 스택의 부피 또한 저감시킬 수 있기 때문에, 연료전지 스택의 출력 밀도를 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다.

이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.

100 : 전해질막 200 : 전극층
300 : 분리판 400 : 미세기공층(기체확산층)
500 : 제1 금속발포체 600 : 제2 금속발포체
700 : 금속발포체

Claims (24)

1. 전해질막의 일면에 제1 전극층이 형성되고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층이 형성된 막-전극 접합체;
   발포 성형한 금속발포체가 두께방향으로 압축된 압축 상태의 발포체로서, 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층에 적층되고, 반응기체를 내부 기공을 통해 상기 적어도 하나의 전극층으로 공급하는 금속발포체; 및
   상기 금속발포체에 적층되는 분리판;을 포함하고,
   상기 막-전극 접합체가 상기 압축 상태의 금속발포체에서 상기 분리판과는 반대쪽에 적층되며,
   상기 적어도 하나의 전극층과 상기 압축 상태의 금속발포체 사이에 기체확산층이 더 적층되고,
   상기 기체확산층은 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)으로 형성되며,
   상기 압축 상태의 금속발포체는 기공의 붕괴가 이루어지도록 두께방향으로 압축된 것으로서, 기공의 붕괴로 인한 두께 변화가 더 이상 나타나지 않는 상태가 될 때까지 압축되어, 상기 붕괴된 기공들이 두께방향으로 서로 연결되어 기체 유로를 형성하고 있는 완전 압축 상태의 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축상태의 금속발포체는 85% 이상의 공극률을 갖도록 압축된 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 압축 상태의 금속발포체와 분리판 사이에 반응기체를 기공을 통해 상기 압축 상태의 금속발포체로 공급하는 별도의 금속발포체가 더 적층된 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 5에 있어서,
   상기 별도의 금속발포체는 상기 압축 상태의 금속발포체에 비해 상대적으로 큰 공극률을 가지는 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
9. 청구항 5에 있어서,
   상기 별도의 금속발포체는 발포 성형 후 압축하지 않은 미압축 상태의 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체는 적어도 90%의 공극률을 가지는 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
11. 삭제
12. 청구항 5에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체의 표면 전체가 균일하게 상기 분리판의 표면에 접합 및 밀착될 수 있도록 상기 접합되는 분리판의 표면은 평탄한 면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
13. 청구항 1에 있어서,
    상기 압축 상태의 금속발포체의 표면 전체가 균일하게 상기 분리판의 표면에 접합 및 밀착될 수 있도록 상기 접합되는 분리판의 표면은 평탄한 면으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지.
    
14. 전해질막의 일면에 제1 전극층을 형성하고 상기 전해질막의 타면에 제2 전극층을 형성하여 막-전극 접합체를 구성하는 단계;
    금속발포체를 발포 성형한 후 두께방향으로 압축하여 압축 상태의 금속발포체를 제작하는 단계;
    상기 압축 상태의 금속발포체가 기공을 통해 전극층에 반응기체를 공급할 수 있도록, 상기 압축 상태의 금속발포체를 상기 제1 전극층과 제2 전극층 중 적어도 하나의 전극층에 적층하는 단계; 및
    상기 금속발포체에 분리판을 적층하는 단계;를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 전극층과 상기 압축 상태의 금속발포체 사이에 미세기공층(Micro Porous Layer, MPL)으로 형성된 기체확산층을 더 적층하며,
    상기 압축 상태의 금속발포체는 기공의 붕괴가 이루어지도록 두께방향으로 압축하여 제작하고, 기공의 붕괴로 인한 두께 변화가 더 이상 나타나지 않는 상태가 될 때까지 두께방향으로 압축하여, 상기 붕괴된 기공들이 두께방향으로 서로 연결되어 기체 유로를 형성하고 있는 완전 압축 상태로 제작하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
15. 삭제
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 발포 성형한 금속발포체를 기 설정된 압축량에 따라 압축하여 85% 이상의 공극률을 가지는 압축 상태의 금속발포체로 제작하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
17. 청구항 14에 있어서,
    상기 압축 상태의 금속발포체와 분리판 사이에 반응기체를 기공을 통해 상기 압축 상태의 금속발포체로 공급하는 별도의 금속발포체를 더 적층하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
18. 삭제
19. 청구항 17에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체는 상기 압축 상태의 금속발포체에 비해 상대적으로 큰 공극률을 가지는 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
20. 청구항 17에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체는 발포 성형 후 압축하지 않은 미압축 상태의 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
21. 청구항 17에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체는 적어도 90%의 공극률을 가지는 금속발포체인 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
22. 삭제
23. 청구항 17에 있어서,
    상기 별도의 금속발포체의 표면 전체가 균일하게 상기 분리판의 표면에 접합 및 밀착될 수 있도록 상기 별도의 금속발포체와 접합되는 표면이 평탄한 면으로 이루어진 분리판을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.
    
24. 청구항 14에 있어서,
    상기 압축 상태의 금속발포체의 표면 전체가 균일하게 상기 분리판의 표면에 접합 및 밀착될 수 있도록 상기 압축 상태의 금속발포체와 접합되는 표면이 평탄한 면으로 이루어진 분리판을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 제조 방법.

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