KR102119912B1 - Fuel cell having condensate water eliminating part and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 셀 성능의 저하 없이 셀 내부의 응축수가 효과적으로 제거될 수 있도록 구성되는 연료전지를 제공하는데 주된 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 접합되어 있는 막전극접합체; 막전극접합체의 테두리 부분을 따라 접합되는 서브 가스켓; 막전극접합체에 서브 가스켓을 개재한 상태로 접합되는 기체확산층; 막전극접합체와 서브 가스켓 사이에 개재되고 양면의 전위차에 의해 발열되는 발열부; 및 기체확산층의 바깥면에 적층되어 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판;을 포함하는 연료전지가 개시된다.The present invention relates to a fuel cell, the main purpose of which is to provide a fuel cell configured to effectively remove condensate inside the cell without deteriorating cell performance. In order to achieve the above object, the membrane electrode assembly is a catalyst electrode layer is bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane; A sub gasket joined along the edge portion of the membrane electrode assembly; A gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly with a sub-gasket interposed therebetween; A heating part interposed between the membrane electrode assembly and the sub gasket and heated by a potential difference on both sides; And a separation plate stacked on the outer surface of the gas diffusion layer to provide a reactor body and a cooling water flow path.

Description

응축수 제거용 발열부 가지는 연료전지 및 그 제조 방법{Fuel cell having condensate water eliminating part and method for manufacturing the same}Fuel cell having condensate water removal part and method for manufacturing the same}

본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 셀 성능의 저하 없이 셀 내부의 응축수가 효과적으로 제거될 수 있도록 구성되는 연료전지에 관한 것이다.
The present invention relates to a fuel cell, and more particularly, to a fuel cell configured to effectively remove condensate inside the cell without deteriorating cell performance.

연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다. A fuel cell is a kind of power generation device that converts chemical energy of fuel into electrical energy by reacting electrochemically in a stack without converting it into heat by combustion. It also provides power for industrial, household, and vehicle driving, as well as small electricity/ It can also be applied to power supply of electronic products, especially portable devices.

현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 연료전지 중에서도 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)로도 잘 알려진 양성자 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)가 이용되고 있으며, 이는 다른 형태의 연료전지에 비해 작동온도가 낮고, 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력 밀도가 크고, 시동시간이 짧으며, 부하변화에 대한 응답이 빠른 특성이 있어, 자동차용이나 휴대기기용 전원으로 널리 활용 가능하다.Currently, a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which is also known as a polymer electrolyte membrane fuel cell, is used as a power source for driving a vehicle, which is a different type of fuel. It has lower operating temperature, higher efficiency, higher current density and output density, shorter start-up time, and faster response to load changes compared to batteries, so it can be widely used as a power source for automobiles and mobile devices.

이러한 고분자 전해질막 연료전지는 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막(Polymer Electrolyte Membrane)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(Catalyst Electrode Layer)이 접합된 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly,MEA), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer,GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 체결기구, 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)을 포함하여 구성된다.In the polymer electrolyte membrane fuel cell, a membrane electrode assembly in which electrochemical reactions are performed on both sides of a membrane centered on a polymer electrolyte membrane through which hydrogen ions move (Membrane Electrode Assembly, MEA) ), Gas Diffusion Layer (GDL) that distributes the reactants evenly and transmits generated electrical energy, gaskets and fasteners for maintaining airtightness and proper tightening pressure of the reactants and cooling water, and It comprises a separation plate (Bipolar Plate) for moving the reactants and cooling water.

이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택을 조립할 때, 가장 안쪽에 주요 구성부품인 막전극접합체 및 기체확산층의 조합이 위치하는데, 막전극접합체는 고분자 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 촉매전극층을 가지며, 촉매전극층이 위치한 바깥부분에 기체확산층, 가스켓 등이 적층된다. When assembling a fuel cell stack using such a unit cell configuration, a combination of a membrane electrode assembly and a gas diffusion layer, which are the main components, is located at the innermost side, so that the membrane electrode assembly can react with hydrogen and oxygen on both sides of the polymer electrolyte membrane. It has a catalyst electrode layer coated with a catalyst, and a gas diffusion layer, a gasket, and the like are stacked on the outer portion where the catalyst electrode layer is located.

또한, 기체확산층의 바깥쪽에는 반응기체(연료인 수소와 산화제인 산소 또는 공기)를 공급하고 냉각수가 통과하는 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치된다. In addition, on the outside of the gas diffusion layer, a separation plate is formed in which a flow path through which the reactor gas (hydrogen as fuel and oxygen or air as oxidant) is supplied and the cooling water passes is formed.

이러한 구성을 단위 셀로 하여 복수의 단위 셀을 적층한 뒤 가장 바깥쪽에 집전판(Current Collector) 및 절연판, 적층 셀들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End Plate)를 결합하는데, 엔드플레이트 사이에 셀들을 반복 적층하여 체결함으로써 연료전지 스택을 구성하게 된다.Using this configuration as a unit cell, a plurality of unit cells are stacked, and then the outermost collector plate, the insulating plate, and the end plate for supporting the stacked cells are combined on the outermost side, and cells are repeatedly stacked between the end plates. By fastening, the fuel cell stack is constructed.

상기 고분자 전해질 연료전지에서 전극은 애노드(Anode)('연료극' 또는 '산화극'이라고도 함)와 캐소드(Cathode)('공기극' 또는 '환원극'이라고도 함)로 구분되며, 애노드와 캐소드 사이에 수소 이온 전도성의 고분자 전해질막이 위치된다.In the polymer electrolyte fuel cell, the electrode is divided into an anode (also referred to as an'anode' or'anode') and a cathode (also referred to as an'air electrode' or'reduction electrode'), between the anode and the cathode. A polymer electrolyte membrane of hydrogen ion conductivity is located.

여기서, 전기화학 반응을 일으키는 애노드, 캐소드의 전극은 촉매전극층뿐만 아니라 기체확산층을 포함하는 의미가 될 수 있으며, 기체확산층은 전기화학 반응에 의해 생성된 전류를 외부의 전기회로와 연결하는 역할을 한다. Here, the anode and cathode electrodes that cause the electrochemical reaction may be meant to include a gas diffusion layer as well as a catalyst electrode layer, and the gas diffusion layer serves to connect the current generated by the electrochemical reaction with an external electrical circuit. .

한편, 연료전지의 운전 중에 운전 조건에 따라 셀 내부의 애노드와 캐소드 측에 수증기 응축으로 인한 응축수가 발생하고, 이러한 응축수는 공기나 수소의 유로를 막아 셀간 언밸런스를 형성하여 셀 성능의 저하를 야기한다.On the other hand, during operation of the fuel cell, condensed water is generated due to water vapor condensation on the anode and cathode sides of the cell according to the operating conditions, and the condensed water blocks the flow path of air or hydrogen to form an unbalance between the cells, leading to a decrease in cell performance. .

특히, 연료전지의 저온 및 저전류 운전 영역에서 셀 내부의 물 고임 현상으로 인해 셀 전압 빠짐 현상이 발생할 수 있다.Particularly, in the low temperature and low current operation region of the fuel cell, a cell voltage drop phenomenon may occur due to water accumulation in the cell.

따라서, 셀 전압 빠짐 현상을 방지하고 연료전지의 내구 수명 및 성능을 향상시키기 위해서는 셀 내부의 응축수를 제거해야 한다.Therefore, in order to prevent the cell voltage drop phenomenon and improve the endurance life and performance of the fuel cell, it is necessary to remove condensate inside the cell.

셀 내부의 응축수를 제거하기 위한 방법 중 하나로, 종래의 경우 셀 내부에 발열수단을 적용하는 기술이 알려져 있으며, 발열수단의 예로 발열 전도성 고분자 물질이 이용되고 있다. As one of the methods for removing condensate inside the cell, a technique of applying a heating means inside the cell is known in the prior art, and an exothermic conductive polymer material is used as an example of the heating means.

도 1은 발열 전도성 고분자 물질을 적용한 단위 셀의 단면 구성을 도시한 개략도로서, 고분자 전해질막(11)의 양면에 촉매전극층(12)이 접합되어 있는 막전극접합체(MEA)(10), 기체확산층(GDL)(20), 그리고 기체확산층(20)의 바깥면에 적층되어 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판(30)이 도시되어 있다.1 is a schematic view showing a cross-sectional configuration of a unit cell to which a heat-conducting polymer material is applied, a membrane electrode assembly (MEA) 10 in which a catalyst electrode layer 12 is bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane 11, a gas diffusion layer (GDL) 20, and the separation plate 30 is stacked on the outer surface of the gas diffusion layer 20 to provide a reactor body and a cooling water flow path.

도 1에서와 같이 응축수 제거를 위해 막전극접합체(MEA)(10)나 기체확산층(GDL)(20)의 표면 전체에 발열성의 전도성 고분자 물질(21)을 코팅하고, 셀 내부의 전위차에 의해 전도성 고분자 물질(21)이 발열되도록 하고 있다.As shown in FIG. 1, the exothermic conductive polymer material 21 is coated on the entire surface of the membrane electrode assembly (MEA) 10 or the gas diffusion layer (GDL) 20 to remove condensate, and is conductive by the potential difference inside the cell. The polymer material 21 is allowed to generate heat.

그러나, 막전극접합체(10) 또는 기체확산층(20) 전체에 발열 전도성 고분자 물질(21)을 코팅하여 셀을 구성하는 경우 막 저항 증가로 인해 셀 성능이 저하될 우려가 있고, 특히 기체확산층(20)의 기공 구조를 변화시키는 문제점이 있다.However, when forming a cell by coating the heat-conducting polymer material 21 on the entire membrane electrode assembly 10 or the gas diffusion layer 20, there is a fear that cell performance may be deteriorated due to an increase in the film resistance, particularly the gas diffusion layer 20 ) Has a problem of changing the pore structure.

또한, 셀의 주요 구성요소인 막전극접합체(10) 또는 기체확산층(20)의 표면 전체에 발열 전도성 고분자 물질(21)을 코팅할 때 셀 성능에 코팅이 직접적으로 영향을 미치게 되므로 코팅시 최적의 양을 사용하여 담지체에 혼합해야 하는 등 제조상의 어려움이 있다.
In addition, when coating the exothermic conductive polymer material 21 on the entire surface of the membrane electrode assembly 10 or the gas diffusion layer 20, which is a main component of the cell, the coating directly affects the cell performance. There are manufacturing difficulties, such as the need to mix with the carrier using the amount.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로서, 셀 성능의 저하 없이 셀 내부의 응축수가 효과적으로 제거될 수 있도록 구성되는 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been created to solve the above problems, and an object thereof is to provide a fuel cell configured to effectively remove condensate inside the cell without deteriorating cell performance.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태에 따르면, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 접합되어 있는 막전극접합체; 막전극접합체의 테두리 부분을 따라 접합되는 서브 가스켓; 막전극접합체에 서브 가스켓을 개재한 상태로 접합되는 기체확산층; 막전극접합체와 서브 가스켓 사이에 개재되고 양면의 전위차에 의해 발열되는 발열부; 및 기체확산층의 바깥면에 적층되어 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판;을 포함하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지를 제공한다.In order to achieve the above object, according to an aspect of the present invention, the membrane electrode assembly is a catalyst electrode layer is bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane; A sub gasket joined along the edge portion of the membrane electrode assembly; A gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly with a sub-gasket interposed therebetween; A heating part interposed between the membrane electrode assembly and the sub gasket and heated by a potential difference on both sides; And it is laminated on the outer surface of the gas diffusion layer to provide a fuel cell having a heating element for removing condensate, including; a separation plate for providing a reactor body and a cooling water flow path.

그리고, 본 발명의 다른 양태에 따르면, 고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 접합되어 있는 막전극접합체를 제공하는 단계; 막전극접합체의 테두리 부분을 따라 양면의 전위차에 의해 발열되는 발열부가 개재되도록 하여 서브 가스켓을 접합하는 단계; 막전극접합체에 서브 가스켓을 개재한 상태로 기체확산층을 접합하는 단계; 및 기체확산층 바깥면에 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판을 적층하는 단계;를 포함하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지의 제조 방법을 제공한다.
And, according to another aspect of the invention, providing a membrane electrode assembly having a catalyst electrode layer is bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane; Bonding a sub gasket by interposing a heating portion heated by a potential difference on both sides along an edge portion of the membrane electrode assembly; Bonding the gas diffusion layer to the membrane electrode assembly with a sub-gasket interposed therebetween; And stacking a separation plate providing a reactor body and a cooling water flow path on the outer surface of the gas diffusion layer. The present invention provides a method of manufacturing a fuel cell having a heating unit for removing condensate.

이에 따라, 본 발명의 연료전지에서는 서브 가스켓의 접합시 초저항 페이스트 물질을 적용하여 초저항 페이스트 물질로 형성된 부분이 셀 내부의 전위차에 의해 발열되도록 함으로써, 셀 내부의 응축수를 효과적으로 제거할 수 있고, 셀 전압 빠짐 현상 방지 및 안정적인 냉시동성 확보에 기여할 수 있게 된다. Accordingly, in the fuel cell of the present invention, when the sub-gasket is joined, the super-resistive paste material is applied to heat the portion formed of the super-resistive paste material by the potential difference inside the cell, thereby effectively removing the condensate inside the cell, It is possible to contribute to preventing a cell voltage drop phenomenon and securing stable cold startability.

특히, 막전극접합체 및 기체확산층의 반응영역 바깥쪽에 위치하는 서브 가스켓에 발열성 초저항 페이스트 물질을 적용함으로써, 발열 부분이 기체확산층 및 전극의 반응영역과 접촉하지 않아 응축수 제거를 위한 발열 기능은 제공하면서도 셀 성능 저하를 초래하지 않는다. In particular, by applying an exothermic super-resistive paste material to the sub-gasket located outside the reaction region of the membrane electrode assembly and the gas diffusion layer, the heating portion does not contact the reaction region of the gas diffusion layer and the electrode, thereby providing a heating function for removing condensate However, it does not cause a decrease in cell performance.

또한, 막전극접합체(MEA) 또는 기체확산층(GDL) 표면 전체에 발열 전도성 고분자 물질을 코팅하던 종래의 구성에 비해 발열 부분의 위치가 셀 성능 저하에 상관없는 부분이므로 연료전지의 제조가 용이해지고, 서브 가스켓 접착시 초저항 페이스트 물질이 접착제로 이용되는 이점이 있다.
In addition, compared to a conventional configuration in which a heat-conducting polymer material is coated on the entire surface of a membrane electrode assembly (MEA) or a gas diffusion layer (GDL), the position of the heat generating portion is a part irrespective of deterioration in cell performance. There is an advantage in that the super-resistive paste material is used as an adhesive when bonding the sub gasket.

도 1은 종래의 발열 전도성 고분자 물질을 적용한 셀의 단면 구성을 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 셀의 단면 구성을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명에서 초저항 페이스트 물질을 이용하여 서브가스켓과 막전극접합체가 접합됨을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지에서 발열부의 발열 상태를 설명하기 위한 도면이다.1 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a cell to which a conventional heat-conducting polymer material is applied.
2 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of a fuel cell according to the present invention.
3 is a view for explaining that the sub-gasket and the membrane electrode assembly are bonded using the super-resistive paste material in the present invention.
4 is a view for explaining the heating state of the heating unit in the fuel cell according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains may easily practice.

본 발명은 셀 성능의 저하 없이 셀 내부의 응축수가 효과적으로 제거될 수 있는 연료전지를 제공하고자 하는 것으로, 막전극접합체나 기체확산층 전체에 발열성 고분자 물질을 코팅하는 것 대신 서브 가스켓에 초저항 페이스트를 적용하여 발열부를 구성하는 점에 주된 특징이 있는 것이다. The present invention is to provide a fuel cell capable of effectively removing condensed water inside a cell without deteriorating cell performance, instead of coating a pyrogenic polymer material over the entire membrane electrode assembly or gas diffusion layer, a super-resistive paste is applied to the sub gasket. The main characteristic is that it is applied to constitute a heating unit.

도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 셀 단면 구성을 도시한 개략도로서, 연료전지 스택의 단위 셀 구성을 나타내고 있으며, 도시된 구성의 셀들을 적층하여 연료전지 스택을 구성하게 된다. 2 is a schematic diagram showing a cell cross-sectional configuration of a fuel cell according to the present invention, showing a unit cell configuration of a fuel cell stack, and stacking cells of the illustrated configuration to form a fuel cell stack.

도시된 바와 같이, 수소 이온이 이동하는 고분자 전해질막(11)을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극층(12)이 접합된 막전극접합체(MEA)(10), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL)(20), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 서브 가스켓(22), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키기 위한 유로를 제공하는 분리판(30)을 포함한다.As shown, the membrane electrode assembly (MEA) 10 in which the electrochemical reaction occurs on both sides of the membrane around the polymer electrolyte membrane 11 through which hydrogen ions move is evenly distributed (MEA) 10, and evenly distribute the reactants And a gas diffusion layer (GDL) 20 serving to transmit generated electrical energy, a sub gasket 22 for maintaining airtightness and proper tightening pressure of the reactants and cooling water, and moving the reactants and cooling water It includes a separation plate 30 that provides a flow path for.

여기서, 촉매전극층(12)은 고분자 전해질막(11)의 양면에 형성되며, 기체확산층(20)은 고분자 전해질막(11)의 양면에 위치한 각 촉매전극층(12) 위에 적층된다. Here, the catalyst electrode layer 12 is formed on both sides of the polymer electrolyte membrane 11, and the gas diffusion layer 20 is stacked on each catalyst electrode layer 12 located on both sides of the polymer electrolyte membrane 11.

또한, 서브 가스켓(22)은 막전극접합체(10)의 양면 테두리 부분과 기체확산층(20)의 테두리 부분 사이에 개재되어 기밀을 유지하는 구성부로서, 본 발명에서는 서브 가스켓(22)과 막전극접합체(10) 사이에 셀 내부의 전위차에 의해 발열될 수 있는 발열부(23)가 개재된다.In addition, the sub gasket 22 is interposed between the edge portions of both sides of the membrane electrode assembly 10 and the edge portion of the gas diffusion layer 20 to maintain airtightness. In the present invention, the sub gasket 22 and the membrane electrode Between the bonding bodies 10, a heating portion 23 that can be generated by a potential difference inside the cell is interposed.

도 3은 본 발명에서 초저항 페이스트 물질을 이용하여 막전극접합체(10)와 서브 가스켓(22)이 접합됨을 설명하기 위한 도면으로서, 상기 발열부(23)는 초저항 페이스트 물질을 도포하여 형성되는 것으로, 서브 가스켓(22) 또는 막전극접합체(10)의 테두리 부분에 초저항 페이스트 물질을 도포한 뒤 서브 가스켓(22)을 막전극접합체(10)의 테두리 부분을 따라 접합한다.3 is a view for explaining that the membrane electrode assembly 10 and the sub-gasket 22 are bonded using the super-resistive paste material in the present invention, wherein the heating part 23 is formed by applying the super-resistive paste material. That is, after applying the super-resistive paste material to the edge portion of the sub-gasket 22 or the membrane electrode assembly 10, the sub-gasket 22 is bonded along the edge portion of the membrane electrode assembly 10.

이어 막전극접합체(10)와의 사이에 서브 가스켓(22)이 개재되도록 하여 기체확산층(20)을 접합한다.Subsequently, the gas diffusion layer 20 is bonded by allowing the sub gasket 22 to be interposed between the membrane electrode assembly 10.

바람직하게는 상기 초저항 페이스트 물질은 은(Ag) 분말이 함유된 고분자 액상 물질이 될 수 있으며, 은 분말이 함유된 고분자 액상 물질을 제조한 뒤, 서브 가스켓(22)을 접합할 때 서브 가스켓(22) 또는 막전극접합체(10)의 테두리 부분에 상기 고분자 액상 물질을 도포한다.Preferably, the super-resistance paste material may be a polymer liquid material containing silver (Ag) powder, and after manufacturing the polymer liquid material containing silver powder, the sub gasket ( 22) Alternatively, the polymer liquid material is applied to the edge portion of the membrane electrode assembly 10.

이때, 은 분말이 함유된 고분자 액상 물질은 서브 가스켓(22)의 접합을 위한 접착제로 사용할 수 있다.At this time, the polymer liquid material containing silver powder may be used as an adhesive for bonding the sub gasket 22.

상기 초저항 페이스트 물질은 서브 가스켓(22)의 접합 후 경화되어 발열부(23)를 구성하게 되는데, 초저항 페이스트 물질이 막전극접합체(10)의 촉매전극층(12)과 기체확산층(20)의 유효 영역, 즉 전기화학 반응이 일어나는 반응영역과는 접촉하지 않으므로 셀 성능의 저하에는 전혀 영향을 미치지 않게 된다.The super-resistance paste material is cured after bonding of the sub-gasket 22 to form a heating unit 23, wherein the super-resistance paste material is formed of the catalyst electrode layer 12 and the gas diffusion layer 20 of the membrane electrode assembly 10. Since it does not contact the effective region, that is, the reaction region in which the electrochemical reaction occurs, it does not affect the degradation of cell performance at all.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지에서 발열부의 발열 상태를 설명하기 위한 도면으로서, 도시된 바와 같이 막전극접합체(10)와 서브 가스켓(22) 사이에 발열 특성의 초저항 페이스트 물질로 형성된 발열부(23)가 위치된다.4 is a view for explaining the heating state of the heating unit in the fuel cell according to the present invention, as shown, the heating unit formed of a super-resistance paste material having a heating characteristic between the membrane electrode assembly 10 and the sub gasket 22 23 is located.

상기 발열부(23)는 높은 저항값을 가지므로 양면 간에 전위차가 발생할 경우 전기에너지가 열에너지로 변환되면서 발열하게 된다.Since the heating unit 23 has a high resistance value, when an electric potential difference occurs between both surfaces, the electric energy is converted into thermal energy to generate heat.

이러한 발열로 인해 셀 내부의 응축수가 제거될 수 있으며, 특히 셀 성능 저하 없이 응축수 제거 효과를 기대할 수 있고, 냉시동시 응축수 제거 효과로 인해 셀 전압 빠짐 현상 방지 및 안정적인 냉시동성 확보에 기여할 수 있게 된다. The condensate inside the cell can be removed due to the heat generation, in particular, the effect of removing condensate can be expected without deteriorating the cell performance, and the condensate removal effect during cold start can prevent the cell voltage drop phenomenon and contribute to securing stable cold startability.

또한, 막전극접합체(MEA) 또는 기체확산층(GDL) 표면 전체에 발열 전도성 고분자 물질을 코팅하던 종래의 구성에 비해 발열부의 위치가 셀 성능 저하에 상관없는 부분이므로 제조가 용이해지고, 서브 가스켓 접착시 초저항 페이스트 물질이 접착제로 이용될 수 있는 이점이 있다.In addition, compared to the conventional configuration in which the heat-conducting polymer material is coated on the entire surface of the membrane electrode assembly (MEA) or gas diffusion layer (GDL), the position of the heat-generating portion is a part irrelevant to the deterioration of cell performance, making manufacturing easier and when sub-gasket bonding There is an advantage that the super-resistive paste material can be used as an adhesive.

이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
As described above in detail with respect to embodiments of the present invention, the scope of rights of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims. The form is also included in the scope of the present invention.

10 : 막전극접합체 11 : 고분자 전해질막
12 : 촉매전극층 20 : 기체확산층
22 : 서브 가스켓 23 : 발열부
30 : 분리판10: membrane electrode assembly 11: polymer electrolyte membrane
12: catalyst electrode layer 20: gas diffusion layer
22: sub gasket 23: heating section
30: separation plate

Claims (7)

고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 접합되어 있는 막전극접합체;
막전극접합체에서 전기화학 반응이 일어나는 촉매전극층 부분인 반응영역과 중첩되지 않게 상기 반응영역 바깥쪽의 테두리 부분을 따라서만 접합되는 서브 가스켓;
막전극접합체에 서브 가스켓을 개재한 상태로 접합되는 기체확산층;
막전극접합체와 서브 가스켓 사이에 개재되어 상기 반응영역 바깥쪽의 영역에만 배치되고 양면의 전위차에 의해 발열되는 발열부; 및
기체확산층의 바깥면에 적층되어 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판;
을 포함하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지.
A membrane electrode assembly in which a catalyst electrode layer is bonded to both sides of a polymer electrolyte membrane;
A sub gasket that is joined only along the edge portion outside the reaction region so as not to overlap with the reaction region, which is the portion of the catalyst electrode layer in which the electrochemical reaction occurs in the membrane electrode assembly;
A gas diffusion layer bonded to the membrane electrode assembly with a sub-gasket interposed therebetween;
A heating element interposed between the membrane electrode assembly and the sub-gasket and disposed only in the region outside the reaction region and generating heat by a potential difference on both sides; And
A separation plate stacked on the outer surface of the gas diffusion layer to provide a reactor body and a cooling water flow path;
A fuel cell having a heating portion for removing condensate, including.
청구항 1에 있어서,
상기 발열부는 전위차에 의해 발열 가능한 저항값을 가지는 페이스트 물질을 서브 가스켓 또는 막전극접합체의 테두리 부분에 도포하여 형성되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지.
The method according to claim 1,
The heat generating unit is a fuel cell having a heating unit for removing condensed water, characterized in that it is formed by applying a paste material having a resistance value capable of generating heat by a potential difference to a sub-gasket or an edge portion of a membrane electrode assembly.
청구항 2에 있어서,
상기 페이스트 물질은 은(Ag) 분말을 함유한 액상 고분자 물질이고,
상기 발열부는 은 분말을 함유한 액상 고분자 물질이 도포된 후 경화되어 형성되는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지.
The method according to claim 2,
The paste material is a liquid polymer material containing silver (Ag) powder,
The heating unit is a fuel cell having a heating unit for removing condensed water, characterized in that it is formed by curing after the liquid polymer material containing silver powder is applied.
고분자 전해질막의 양면에 촉매전극층이 접합되어 있는 막전극접합체를 제공하는 단계;
막전극접합체에서 전기화학 반응이 일어나는 촉매전극층 부분인 반응영역과 중첩되지 않게 상기 반응영역 바깥쪽의 테두리 부분을 따라서만 양면의 전위차에 의해 발열되는 발열부가 개재되도록 하여 서브 가스켓을 접합하는 단계;
막전극접합체에 서브 가스켓을 개재한 상태로 기체확산층을 접합하는 단계; 및
기체확산층 바깥면에 반응기체 및 냉각수 유로를 제공하는 분리판을 적층하는 단계;
를 포함하고, 상기 발열부가 막전극접합체와 서브 가스켓 사이에서 상기 반응영역 바깥쪽의 영역에만 배치되도록 제조하는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지의 제조 방법.
Providing a membrane electrode assembly in which a catalyst electrode layer is bonded to both surfaces of a polymer electrolyte membrane;
Bonding the sub-gasket by interposing an exothermic portion generated by the potential difference on both sides only along the edge portion outside the reaction region so as not to overlap the reaction region, which is the portion of the catalytic electrode layer, in which the electrochemical reaction occurs in the membrane electrode assembly;
Bonding the gas diffusion layer to the membrane electrode assembly with a sub-gasket interposed therebetween; And
Stacking a separation plate providing a reactor body and a cooling water flow path on the outer surface of the gas diffusion layer;
The method of manufacturing a fuel cell having a heating unit for removing condensed water, comprising: manufacturing the heating unit to be disposed only in an area outside the reaction region between the membrane electrode assembly and the sub-gasket.
청구항 4에 있어서,
상기 발열부는 전위차에 의해 발열 가능한 저항값을 가지는 페이스트 물질을 서브 가스켓 또는 막전극접합체의 테두리 부분에 도포한 후 서브 가스켓을 막전극접합체의 테두리 부분에 접합하여 형성하는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지의 제조 방법.
The method according to claim 4,
The heating portion is formed by applying a paste material having a resistance value capable of generating heat by a potential difference to the edge portion of the sub-gasket or membrane electrode assembly, and then forming the sub-gasket by bonding it to the edge portion of the membrane electrode assembly. Method of manufacturing a fuel cell having wealth.
청구항 5에 있어서,
상기 페이스트 물질을 이용하여 서브 가스켓을 막전극접합체에 접착하는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지의 제조 방법.
The method according to claim 5,
A method of manufacturing a fuel cell having a heating portion for removing condensed water, wherein the sub gasket is adhered to the membrane electrode assembly using the paste material.
청구항 5 또는 청구항 6에 있어서,
상기 페이스트 물질은 은(Ag) 분말을 함유한 액상 고분자 물질이고,
상기 액상 고분자 물질이 경화되어 발열부가 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 응축수 제거용 발열부를 가지는 연료전지의 제조 방법.

The method according to claim 5 or 6,
The paste material is a liquid polymer material containing silver (Ag) powder,
Method for manufacturing a fuel cell having a heating unit for removing condensate, characterized in that the liquid polymer material is cured to form a heating unit.

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