KR102236530B1 - 연료전지 셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 갖고, 제1 면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 각각 배치된 막-전극 접합체; 제2 면 상에 소정 간격으로 떨어져 배치되는 엔드 플레이트; 애노드 전극 상에 배치된 제1 가스 확산층; 캐소드 전극 상에 배치된 제2 가스 확산층; 제1 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제1 분리판; 및 제2 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제2 분리판을 포함하는 연료전지 셀이 제공된다.

Description

연료전지 셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Fuel cell and Fuel cell stack comprising the same}
본 발명은 연료전지 셀 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 산화제(연료) 및 환원제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래 연료전기 스택(1)을 나타내는 개략도이다.
연료전지 스택(1)은 복수 개의 연료전지 셀(10)을 포함하며, 복수 개의 연료전지 셀은 적층되어 스택을 형성한다.
연료전지 스택(1)는 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(11a)(anode)와 캐소드(11b)(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(11)(Membrane Electrode Assembly, MEA), 전극층 영역 외주에 플라스틱 필름 소재의 열점착 보호필름(17)(subgasket), 반응 가스를 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(12)(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응 가스들을 가스 확산층으로 공급하고, 동일한 역할의 그라파이트(graphite) 및 금속 소재의 분리판(13)(bipolar plate), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(18)(gasket)을 포함할 수 있다.
상기 분리판(13)은 가스확산층(12)과 접촉하는 복수 개의 리브(14) 및 반응가스의 흐름을 안내하는 복수 개의 채널(15)을 포함한다. 또한, 분리판(13)은 내부에 냉각수의 유동을 안내하기 위한 냉각수 채널(16)을 갖는다.
또한, 이온 이동 방향은 막 두께 방향(F)을 따라 이루어진다.
특히, 고분자 전해질 연료전지는 고분자 전해질의 이온전도도 확보를 위하여 연료의 가습이 필요하다. 구체적으로, 수소연료전지는 구동은 수소 가스와 산소(공기) 가스의 산화 환원 반응을 통해 전기 에너지로 전환하는 장치이며, 전기화학적 반응을 위해 반응표면인 촉매층과 이온전도의 매개체인 전해질막에 물(가습)이 반드시 필요하다.
이러한 이유로, 반응물인 수소와 공기의 반응을 위해 가습이 필요하고, 가습기의 용량 저감과 시스템 비용의 저감을 위해 저가습 또는 무가습에서 구동되는 연료전지 기술이 필요하다. 이에 따라, 저가습 환경에서 가습량 확보를 위한 다양한 자가 가습 방식에 대한 기술이 개발되고 있다.
본 발명은 저가습 또는 무가습에서 구동되는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 갖고, 제1 면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 각각 배치된 막-전극 접합체; 제2 면 상에 소정 간격으로 떨어져 배치되는 엔드 플레이트; 애노드 전극 상에 배치된 제1 가스 확산층; 캐소드 전극 상에 배치된 제2 가스 확산층; 제1 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제1 분리판; 및 제2 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제2 분리판을 포함하는 연료전지 셀이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
저가습 또는 무가습에서 구동될 수 있으며, 연료전지 구동 시 무가습 반응물(수소, 산소(공기))의 사용이 가능하다.
특히, 반응물을 무가습 상태에서 주입(dray gas)하고, 연료전지 스택에 필수적으로 공급되어 운용되는 냉각수를 막-전극 접합체(MEA)의 가습 용도로 사용할 수 있는 구조를 갖는다.
이때, 반응물은 무가습 상태로 공급되지만, 막-전극 접합체의 한면이 냉각수에 노출되기 때문에, 종래와 같이 반응물의 도움 없이도, 막-전극 접합체의 가습이 가능해 진다.
또한, 종래에는 가스 투과가 막의 얇은 두께 방향으로 이루어짐에 따라 내구성에 영향을 미쳤지만, 본 발명의 경우, 가스 투과가 막의 면방향을 따라 이루어짐으로써, 거리와 저항이 커지고, 가스 투과도 저감에 의한 OCV 및 내구성이 향상된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 막-전극 접합체를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 셀의 분리 사시도이다.
도 6은 막-전극 접합체의 다양한 실시예를 나타내는 개략도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 셀 및 이를 포함하는 연료전기 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(100)을 나타내는 개략도이고, 도 4는 도 3에 도시된 막-전극 접합체(210)를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 셀(200)의 분리 사시도이다.
또한, 도 6은 막-전극 접합체의 다양한 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 연료전지 스택(100)은 복수 개의 연료전지 셀(200)을 포함한다.
연료전지 셀(200)은 막-전극 접합체(210), 엔드 플레이트(240), 제1 가스 확산층(221), 제2 가스확산층(222), 제1 분리판(231) 및 제2 분리판(232)을 포함한다.
구체적으로, 연료전지 셀(200)은 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 갖고, 제1 면에 애노드 전극(211) 및 캐소드 전극(212)이 각각 배치된 막-전극 접합체(210)를 포함한다. 또한, 연료전지 셀(200)은 막-전극 접합체(210)의 제2 면 상에 소정 간격으로 떨어져 배치되는 엔드 플레이트(240)를 포함한다. 냉각수 누수를 방지하는 가스켓(260)에 의해 상기 엔드 플레이트(240) 및 막-전극 접합체(210)의 제2 면 사이에 소정 공간부(S)가 형성되고, 막-전극 접합체(210)의 제2 면은 상기 공간부(S)로 노출된다.
또한, 연료전지 셀(200)은 애노드 전극(211) 상에 배치된 제1 가스 확산층(221) 및 캐소드 전극(212) 상에 배치된 제2 가스 확산층(222)를 포함한다. 즉, 제1 가스 확산층(221) 및 제2 가스 확산층(222)은 모두 막-전극 접합체(210)의 제1 면 상에 배치된다.
또한, 연료전지 셀(200)은 제1 가스 확산층(221) 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제1 분리판(231) 및 제2 가스 확산층(222) 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제2 분리판(232)을 포함한다. 제1 및 제2 분리판(231, 232)는 각각의 가스 확산층에 접촉하는 복수 개의 리브 및 반응가스가 유동하는 복수 개의 유동 채널을 갖는다. 또한, 제1 및 제2 분리판(231, 232)는 내부에 냉각수의 유동을 안내하기 위한 냉각수 채널을 가질 수 있다.
이러한 구조에서, 이온 이동 방향은 막-전극 접합체(210)의 면 방향(F)이다.
또한, 엔드 플레이트(240)와 막-전극 접합체(210)의 제2 면 사이 공간으로 냉각수가 공급될 수 있다. 이에 따라, 막-전극 접합체(210)의 제2 면은 냉각수에 노출되며, 가습이 이루어지게 된다. 또한, 어느 한 연료전지 셀(200)의 엔드 플레이트(240)는 인접하여 적층된 다른 연료전지 셀의 제1 및 제2 분리판과 접촉된다. 이때, 엔드 플레이트(240)를 매개로, 인접한 연료전지 셀의 제1 및 제2 분리판의 냉각이 이루어진다.
즉, 막-전극 접합체(210)의 제2 면과 엔드 플레이트(240) 사이 공간으로 냉각수를 공급함으로써, 연료전지 셀(200)의 냉각 및 막-전극 접합체로의 가습이 동시에 이루어질 수 있다.
또한, 엔드 플레이트(240)와 막-전극 접합체(210)의 제2 면 사이 공간에는 냉각수의 흐름을 안내하기 위한 채널 부재가 배치될 수 있다. 이때, 채널 부재는 메쉬 부재(250)를 포함할 수 있다.
또한, 연료전지 셀(200)은 제1 가스 확산층(221) 및 제2 가스 확산층(222)을 개별적으로 실링하기 위한 하나 이상의 제1 가스켓(270)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 가스 확산층(221) 및 제2 가스 확산층(222)을 개별적으로 실링하기 위하여, 제1 가스켓(270)은 제1 가스 확산층(221)이 수용되는 제1 개구부(271) 및 제2 가스 확산층(222)이 수용되는 제2 개구부(272)를 포함할 수 있다.
상기 제1 분리판(231) 및 제2 분리판(232)은 전기 전도성을 가지며, 제1 분리판(231)과 제2 분리판(232)을 전기적으로 절연시키기 위하여, 연료전지 셀(200)은 제1 분리판(231) 및 제2 분리판(232) 사이에 배치된 절연 부재(280)를 추가로 포함할 수 있다. 상기 절연 부재(280)는 아크릴, 폴리카보네이트, 테프론, 및 폴리비닐클로라이드 등의 플라스틱 계열 소재를 포함하며, 상지 절연 부재(280)는 엔드 플레이트(240)와 동일 소재로, 일체로 형성될 수도 있다.
또한, 연료전지 셀(200)은 엔드 플레이트(240)와 막-전극 접합체(210)의 제2 면 사이에 배치되는 제2 가스켓(260)을 추가로 포함할 수 있다. 제2 가스켓(260)은 중앙영역에 개구부를 가질 수 있고, 상기 개구부에는 전술한 메쉬 부재(250)가 삽입될 수 있다.
또한, 엔드 플레이트(240)는 절연 엔드 플레이트로서, 전기 절연성을 가질 수 있다. 엔드 플레이트(240)는, 아크릴, 폴리카보네이트, 테프론, 및 폴리비닐클로라이드 등의 플라스틱 계열 소재로 형성될 수 있고, 상기 엔드 플렝이트(240)는 절연 부재(280)와 동일 소재로, 일체로 형성될 수도 있다.
도 6을 참조하면, 막-전극 접합체(210, 210', 210")에서 애노드 전극(211, 211', 211") 및 캐소드 전극(221, 221', 221")은 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 연료전지 스택
200: 연료전지 셀
210: 막-전극 접합체

Claims (10)

  1. 제1 면 및 제1 면과 반대방향의 제2 면을 갖고, 제1 면에 애노드 전극 및 캐소드 전극이 각각 배치된 막-전극 접합체;
    제2 면 상에 소정 간격으로 떨어져 배치되는 엔드 플레이트;
    애노드 전극 상에 배치된 제1 가스 확산층;
    캐소드 전극 상에 배치된 제2 가스 확산층;
    제1 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제1 분리판;
    제2 가스 확산층 상에 배치되며, 복수 개의 유동 채널을 갖는 제2 분리판; 및
    제1 분리판 및 제2 분리판 사이에 배치된 절연 부재를 포함하며,
    제1 가스확산층 및 제2 가스확산층은 개별적으로 실링되고,
    이온 이동 방향은 막-전극 접합체의 면 방향인 연료전지 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    엔드 플레이트와 막-전극 접합체의 제2 면 사이 공간으로 냉각수가 공급되는 연료전지 셀.
  3. 제 2 항에 있어서,
    엔드 플레이트와 막-전극 접합체의 제2 면 사이 공간에는 냉각수의 흐름을 안내하기 위한 채널 부재가 배치된 연료전지 셀.
  4. 제 3 항에 있어서,
    채널 부재는 메쉬 부재를 포함하는 연료전지 셀.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제1 가스 확산층 및 제2 가스 확산층을 개별적으로 실링하기 위한 하나 이상의 제1 가스켓을 포함하는 연료전지 셀.
  6. 제 1 항에 있어서,
    제1 가스 확산층이 수용되는 제1 개구부 및 제2 가스 확산층이 수용되는 제2 개구부를 포함하는 제1 가스켓을 포함하는 연료전지 셀.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    엔드 플레이트와 막-전극 접합체의 제2 면 사이에 배치되는 제2 가스켓을 추가로 포함하는 연료전지 셀.
  9. 제 1 항에 있어서,
    엔드 플레이트는 전기 절연성을 갖는 연료전지 셀.
  10. 제 1 항에 따른 연료전지 셀을 포함하는 연료전지 스택.
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