KR102408556B1

KR102408556B1 - 반응면적이 다른 양성자 교환막 연료 전지의 최적 성능을 얻기 위한 압축 매핑 분석법 및 볼트 설계 방법

Info

Publication number: KR102408556B1
Application number: KR1020210121026A
Authority: KR
Inventors: 최동웅
Original assignee: 동의대학교 산학협력단
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2022-06-13

Abstract

본 발명은 양성자 교환막 연료 전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)의 최적 성능을 얻기 위한 압축 매핑 분석법 및 볼트 체결 설계 방법에 관한 것으로, 본 발명의 볼트 체결 설계 방법은 압축 매핑 분석을 통하여 반응 면적에 따른 PEMFC 최적 조립을 위한 볼트의 크기, 갯수, 위치 및 볼트 체결 토크를 결정하고, 성능, 압축 압력 및 셀 규모 간의 상관 관계에 대한 정보를 제공하여, 산업용 PEMFC 애플리케이션을 위한 대규모 스택을 준비하는데 사용할 수 있는 주요 정보를 제공할 수 있다.

Description

반응면적이 다른 양성자 교환막 연료 전지의 최적 성능을 얻기 위한 압축 매핑 분석법 및 볼트 설계 방법{The methods of compression mapping analysis and bolt design to obtain optimal performance in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with different reaction areas}

본 발명은 양성자 교환막 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)의 최적 성능을 얻기 위한 압축 매핑 분석법 및 볼트 체결 설계 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 양산하고자 하는 반응 면적을 가지는 PEMFC의 볼트 체결 토크에 따른 압축 매핑 데이터 및 전력밀도를 분석하여, 반응 면적에 따른 PEMFC의 최적 성능을 얻기 위한 볼트 체결을 설계하는 방법에 관한 것이다.

최근 과학기술의 발달과 더불어 고용량의 전원에 대한 필요성은 더욱 증대되고 있지만, 기존의 이차전지는 이러한 필요성을 충족시키지 못하고 있으며, 단시간 사용 후 다시 충전해야 하는 번거로움과 수명이 짧다는 단점을 갖고 있다. 이에 대한 해결책으로서, 환경 친화적이며 에너지 밀도가 높고 장수명을 갖는 연료 전지 (fuel cell, FC)가 차세대 전원으로 주목을 받고 있다.

상기 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 양성자 교환막 연료전지 (proton exchange membrane fuel cell, PEMFC), 인산 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융 탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC) 등으로 구분되는데, 상술한 다양한 종류의 연료 전지 중 PEMFC는 다른 연료 전지와 비교하여, 상대적으로 높은 에너지 밀도(약 200 내지 800 Wh/kg), 낮은 작동 온도, 무공해 및 충전 시간을 요구하지 않는 장점으로, 자동차, 가정 및 휴대용 응용 분야에서 상당한 관심을 끌고 있다.

그러나, 상기 PEMFC는 현재 성능을 감안할 때 개발 비용이 상업적으로 사용하기에 너무 고가라는 점에서, 경제성을 개선할 필요성이 있고, 상기 PEMFC의 개발 비용을 낮추되, 성능을 향상시키기 위한 연구가 세계 각국에서 수행되고 있으며, 막대한 자금을 투자하고 있다. 예를 들면, 미국은 1970년대부터 가솔린 차량의 대체를 목표로 수소연료전지차 상용화를 위한 연구를 지원해왔고, 독일에서는 2020 년 90 억 유로(미화 107 억 달러)가 FC 시장에 추가로 투입되었으며, 2018 년에는 중국 산업에서 수소 및 FC 기술을 활성화하기 위해 124 억 달러를 투자했다고 발표한 바 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, PEMFC의 압축 압력과 성능간의 전기화학적 관계에 대한 이해 및 성능 향상을 위한 최적의 내부 압력 간의 관계도 중요하다.

한편, 일련의 연료 전지로 구성된 스택은 차량에 설치할 수 있다. 각 전지의 구성 요소는 가스 누출, 특히 수소의 위험을 완화하기 위해 높은 압축 부하로 연결된다. 다양한 클램핑 레벨은 기체 투과성, 저항 및 다공성과 같은 기체 확산층(GDL)의 전기물리적 특성에 영향을 미칠 수 있다.

상기 GDL은 반응물을 촉매층으로 확산시키고 생성된 전자를 세퍼레이터로 전달하는 전기 전도체 역할을 하고, 발생된 물과 열을 제거하는 통로를 제공하여 전극의 성능과 내구성에 영향을 미치는 바, 높은 가스 투과성, 전기 전도성, 소수성 및 열 안정성을 갖도록 설계하여야 한다.

저 압축의 경우, GDL의 기하학적 형태는 손상 없이 유지할 수 있으나, GDL과 분리판 등의 타 부품 사이의 계면 접촉 저항을 증가시킬 수 있고, 낮은 체결력으로 인해 연료 가스가 누출될 가능성이 있다. 반대로 과 압축의 경우, GDL의 저하와 물질 전달 저항의 증가로 인해 성능이 저하될 수 있다. 따라서, PEMFC의 성능 최적화를 위하여, 압축 압력과 전지 성능에 대해 서로 다른 속성을 가지는 GDL에 관한 수치 연구가 수행되고 있고, 서로 다른 속성을 가지는 다양한 압축 압력(compression pressure, CP) 및 GDL(gas diffusion layer)에 대한 연구도 수행된 바 있다.

그러나, 종래 PEMFC에 대한 많은 연구에서는 대부분 반응 면적이 25 cm²인 실험실 규모의 셀이 적용되고 있다. 반응 면적이 증가함에 따라 다양한 변수(압축, 저항, GDL 속성 등)의 영향으로 PEMFC의 성능이 비례적으로 증가하지 않아, 실험실에서 사용되는 셀에서 얻은 데이터는 반응 면적의 상대적인 차이로 인해 연료 전지의 실제 현장 사용에서 얻은 데이터와 비교하기에 어려움이 있다.

상술한 종래 연구들에서, 반응 영역이 상이한 단일 PEMFC의 성능 차이는 논의된 바 없고, 상기 상이한 반응 영역 및 압축 압력(CP) 간의 관계와 이에 따른 선행연구는 진행된 바 없다.

이러한 고찰을 바탕으로, 본 발명자는 반응 면적이 상이한 단일 PEMFC의 압축 압력(CP)을 압축 매핑 방법을 사용하여 분석하고, PEMFC의 셀 규모, 압축 압력(CP) 및 성능의 상관 관계를 분석하여, 본 발명을 완성하였다.

본 발명은 현장에서 활용 가능한 상업용 크기의 연료 전지를 조립하는데 적용될 수 있다.

대한민국 공개특허 제 10-2010-0130785호

본 발명의 일 목적은 양산하고자 하는 반응 면적을 가지는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 토크에 따른 압축 매핑 데이터를 측정하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 전기적 특성을 측정하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 측정된 압축 매핑 데이터 및 단계 2에서 측정된 전기적 특성을 이용하여 단계 1의 PEMFC의 조립을 위한 최적의 볼트 체결 설계를 결정하는 단계(단계 3); 을 포함하는, 반응 면적이 상이한 PEMFC 최적 조립을 위한 볼트 체결 설계 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반응 면적이 20 cm²내지 30 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 12 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 Nm 이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 반응 면적이 45 cm²내지 55 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 16 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 Nm 이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 PEMFC의 애노드 방향의 MEA 및 GDL 사이에 압력 표시 필름을 삽입하고, 볼트를 체결하여 PEMFC를 조립하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 조립된 PEMFC를 분해하여 상기 압력 표시 필름을 회수하고, 색 농도를 측정하여 압축 매핑 데이터를 도출하는 단계(단계 2);를 포함하는, PEMFC의 압축 매핑 데이터의 도출 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 한정되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여,

본 발명은 양산하고자 하는 반응 면적을 가지는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 토크에 따른 압축 매핑 데이터를 측정하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 전기적 특성을 측정하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 측정된 압축 매핑 데이터 및 단계 2에서 측정된 전기적 특성을 이용하여 단계 1의 PEMFC의 조립을 위한 최적의 볼트 체결 설계를 결정하는 단계(단계 3); 을 포함하는, 반응 면적이 상이한 PEMFC 최적 조립을 위한 볼트 체결 설계 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 반응 면적이 20 cm²내지 30 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 12 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 Nm 이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 반응 면적이 45 cm²내지 55 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 16 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 N이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 PEMFC의 애노드 방향의 MEA 및 GDL 사이에 압력 표시 필름을 삽입하고, 볼트를 체결하여 PEMFC를 조립하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 조립된 PEMFC를 분해하여 상기 압력 표시 필름을 회수하고, 색 농도를 측정하여 압축 매핑 데이터를 도출하는 단계(단계 2);를 포함하는, PEMFC의 압축 매핑 데이터의 도출 방법을 제공한다.

본 발명의 볼트 체결 설계 방법은, 압축 매핑 분석을 통하여 반응 면적에 따른 PEMFC 최적 조립을 위한 볼트의 크기, 갯수, 위치 및 볼트 체결 토크를 결정하고, 성능, 압축 압력 및 셀 규모 간의 상관 관계에 대한 정보를 제공할 수 있다. 나아가, 산업용 PEMFC 애플리케이션을 위한 대규모 스택을 준비하는데 사용할 수 있는 주요 정보를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구 범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 조립에 사용된 분리판(BP)의 이미지이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에서 조립된 PEMFC의 앞면(A), 볼트가 체결되는 측면(B) 및 볼트가 체결되는 측면의 반대면(C)의 이미지이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 가스확산층(GDL) 표면의 SEM 이미지이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 비저항 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 내부 압축 압력(CP) 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 압력 표시 필름의 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 3D 압축 매핑 분석 결과이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 2D 압축 매핑 분석 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 분극 곡선을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 분극 및 전력 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 최대 출력 밀도를 비교한 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명의 일 양태는 양산하고자 하는 반응 면적을 가지는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 토크에 따른 압축 매핑 데이터를 측정하는 단계(단계 1); 상기 단계 1의 PEMFC의 볼트 토크에 따른 전기적 특성을 측정하는 단계(단계 2); 및 상기 단계 1에서 측정된 압축 매핑 데이터 및 단계 2에서 측정된 전기적 특성을 이용하여 단계 1의 PEMFC의 조립을 위한 최적의 볼트 체결 설계를 결정하는 단계(단계 3); 을 포함하는, 반응 면적이 상이한 PEMFC 최적 조립을 위한 볼트 체결 설계 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 PEMFC는 하나 이상의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층된 구조이고, 상기 단위 셀은 전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(MEA); 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer; GDL); 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(BP)를 포함하고, 상기 단위 셀이 2 이상인 경우, 상기 단위 셀이 반복하여 연결된 스택(stack) 구조일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 단계 1은, 압력 표시 필름을 이용하여 도출된 압력 데이터를 이용하여 측정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 볼트 체결 설계 방법은 상기 단계 1 이전에 FE-SEM 데이터를 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 볼트 체결 설계 방법은 상기 단계 1 이전에 PEMFC의 볼트 토크에 따른 비저항을 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 볼트 체결 설계 방법은 상기 단계 1 이전에 PEMFC의 볼트 토크에 따른 내부 압축 압력(compression pressure, CP)를 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 단계 3의 볼트 체결 설계는 볼트의 직경, 위치, 갯수 및 토크 중 어느 하나 이상을 설계할 수 있다.

본 발명의 일 양태는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)을 제조함에 있어서, 상기 PEMFC의 반응 면적은 20 cm²내지 30 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 12 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 Nm 이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 반응 면적은 22.5 cm² 내지 27.5 cm², 예를 들면, 50 cm²일 수 있고, 사용되는 볼트의 개수는 6 개 내지 10 개, 예를 들면, 6 개 내지 8 개일 수 있고, 상기 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 6 Nm, 예를 들면, 2.8 Nm 내지 5.7 Nm일 수 있다.

본 발명의 일 양태는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)을 제조함에 있어서, 상기 PEMFC의 면적은 45 cm²내지 55 cm²이고, 사용되는 볼트의 개수는 4 개 내지 16 개, 나사 외경은 6 mm 내지 16 mm 및 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 8 Nm 이고, 상기 볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 반응 면적은 47.5 cm²내지 52.5 cm², 예를 들면, 50 cm²일 수 있고, 사용되는 볼트의 개수는 6 개 내지 14 개, 예를 들면, 8 개 내지 12 개일 수 있고, 상기 볼트 체결 토크는 2 Nm 내지 6 Nm, 예를 들면, 5 Nm 내지 6 Nm일 수 있다.

본 발명의 일 양태는 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)을 포함하는 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)에 있어서, 상기 PEMFC의 애노드 방향의 MEA 및 GDL 사이에 압력 표시 필름을 삽입하고, 볼트를 체결하여 PEMFC를 조립하는 단계(단계 1); 및 상기 단계 1에서 조립된 PEMFC를 분해하여 상기 압력 표시 필름을 회수하고, 색 농도를 측정하여 압축 매핑 데이터를 도출하는 단계(단계 2);를 포함하는, PEMFC의 압축 매핑 데이터의 도출 방법을 제공한다. 본 발명의 일 실시예에서, 상기 PEMFC는 하나 이상의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(EP) 사이에 적층된 구조이고, 상기 단위 셀은 전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(MEA); 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer; GDL); 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(BP)를 포함하고, 상기 단위 셀이 2 이상인 경우, 상기 단위 셀이 반복하여 연결된 스택(stack) 구조일 수 있다.

본 발명의 압축 매핑 데이터의 도출 방법은 하기 실시예에서 구체적으로 설명하도록 한다.

실시예

실시예 1. PEMFC의 준비

전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA), 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL), 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(bipolar plate, BP)을 포함하는 구조의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(End plate, EP) 사이에 적층된 반응면적이 상이한 두 종류의 PEMFC를 제조하였다.

구체적으로, MEA(Membrane electrode assembly)는 PRIMEA 시리즈 5710 MEA(50.8 μm, 공칭두께(2 mil))를 이용하였고, 상기 MEA의 양쪽 측면에 배치된 애노드 및 캐소드 각 면에 0.4 mg/cm²의 백금(Pt)이 로딩된 반응 면적이 25 cm² 및 50 cm²인 셀 A 및 셀 B를 제작하였다.

미세 다공층을 포함하는 탄소천(Carbel CL, 406 μm(16mil)) 기반 가스 확산층(GDL, Gas diffusion layer) 및 가스 누설을 방지하기 위해 측정된 두께가 254 μm(10 mil)인 비압축성 소재 제품(Electrolock Inc.)를 적용하였다. 이때, 두께는 표면의 9 국부점을 측정하여 평균값을 구하였다.

동일한 흑연 성분으로 제조되나, 상이한 사이즈 및 구조의 두 종류 분리판(bipolar plate, BP)을 이용하였다. 구체적으로, 30 개의 채널과 3 개의 동일한 간격의 랜드를 가지고, 가스 입구에서 출구까지 약 0.5 m의 총길이를 가지는 분리판(bipolar plate, BP)은 셀 A에 이용되었고, 44 개의 채널과 4 개의 동일한 간격의 랜드를 가지고, 가스 입구에서 출구까지 약 0.76 m의 길이를 가지는 분리판은 셀 B에 이용되었다. 각각의 분리판의 이미지를 도 1에 도시하였다.

도 2는 조립된 셀 A 및 셀 B의 앞면(A), 볼트가 체결되는 측면(B) 및 볼트가 체결되는 측면의 반대면(C)의 이미지이다.

상기 도 2를 참조하면, 상기 셀 A 및 셀 B에 11 mm(11M)의 육각볼트(hex bolt) 8 개가 각각 PEMFC의 엔드 플레이트(End plate, EP) 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리 인근에 각각 2 개씩 위치하여 체결되는 것을 확인할 수 있다.

실시예 2. GDL 표면 분석

상기 실시예 1에서 준비된 셀 A 및 셀 B 의 8 개의 볼트 각각에 8.46 Nm의 토크를 인가하여 압축 압력을 가하고, 압축 압력이 가해지기 전 및 압축 압력이 가해진 후 셀 A 및 셀 B에 포함된 GDL의 미세 구조 및 형태를 전계 방출 주사 전자 현미경(FE-SEM, FEI-Quanta 200 FEG)을 사용하여 분석하였다.

도 3은 셀 A 및 셀 B의 GDL 표면의 SEM 이미지이다. 구체적으로, 도 2의 D), E) 및 F)는 각각 A), B) 및 C)의 3 배 확대 이미지에 해당한다.

상기 도 3을 참조하면, 압축 압력이 가해지지 않은 GDL(A, D)과 비교하여, 셀 A 및 셀 B의 GDL 표면에서 균열 및 손상된 탄소 섬유를 확인할 수 있었다.

탄소천 기반 GDL은 탄소 섬유로 구성된 묶음으로 짜여진 거대 다공성 기질(macroporous substrate)층 및 상기 거대 다공성 기질층 상에 카본 블랙이 조밀하게 코팅된 미세 다공성층(microporous layer, MPL)의 이중층으로 구성되고, 셀이 볼트 토크에 의해 압축되면 상기 GDL의 거대 다공성 기질층이 분리판의 리브와 접촉하는 동시에 분리판의 채널에 인접하게 된다. 상기 셀에 가해지는 압축 압력이 계속해서 증가하면, 상기 거대 다공성 기질층은 리브에 의해 점차적으로 눌려지고, 과도한 압축이 발생하면 상기 거대 다공성 기질층의 탄소 섬유가 갈라지기 시작하여, 결국, GDL의 손상이 발생한다.

상기 도 3을 참조하면, 셀 A의 GDL 표면이 셀 B의 GDL 표면에 비하여 더 심하게 파손된 것을 확인할 수 있고, 이로써, 셀 A가 셀 B와 비교하여, 단위 면적당 더 높은 내부 압축 압력을 받는 것을 확인할 수 있었다.

실시예 3. 비저항(Resistivity) 측정

1 개의 가스켓, 1 개의 GDL 및 MEA 대신 상기 MEA와 동일한 두께의 서브 가스켓 1 개를 각 PEMFC를 클램핑할 때 삽입하였다. 셀 A 및 셀 B 의 8 개의 볼트 각각에 인가되는 토크를 1.69 Nm, 2.82 Nm, 5.65 Nm, 8.46 Nm 및 11.3 Nm로 점차 증가시키고, 각 토크에 대해 저항(resistance)을 측정하고, 측정 값을 Potentiostat 모델(Princeton Applied Research, EG&G 283)에 연결하여 전송하였다. 보다 정확한 값을 얻기 위해 멀티미터(Keithley 2100)를 사용하였다.

셀 A 및 셀 B 각각에 0 mA, 10 mA, 20 mA, 30 mA, 40 mA 및 50 mA의 전류를 인가하여 전압에 대한 해당 데이터를 수득하고, 하기 식 1로 표시되는 옴의 법칙을 이용하여 저항 및 비저항를 계산하였다:

[식 1]

상기 식에서, ρ 는 비저항(resistivity), R은 저항(resistance), L은 전하 흐름에 대한 평행한 길이 또는 판 두께이고, A는 전하 흐름에 수직인 단면적이다.

도 4는 1.69 Nm 내지 11.30 Nm의 다양한 토크에서 셀 A 및 셀 B 각각의 비저항 곡선을 나타낸 그래프이다. 이때, 총 비저항은 개별 구성 요소의 오믹 (ohmic) 및 접촉(contact) 비저항의 합이다.

상기 도 4를 참조하면, 전반적으로 셀 B의 비저항이 셀 A의 비저항 보다 높았고, 셀 A 및 셀 B 모두 인가 토크가 1.69 Nm에서 5.65 Nm로 증가하면 비저항 값이 급격히 감소하고, 결과적으로, 인가 토크가 5.65 Nm보다 큰 값으로 증가한 후 두 셀의 비저항이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

구체적으로, 인가 토크가 증가함에 따라, 상기 셀 B의 경우, 비저항이 1.21 mΩ에서 0.68 mΩ로 감소한 후, 인가 토크가 11.30 Nm일 때, 0.70 mΩ로 증가하였고, 셀 A의 경우, 인가 토크가 5.65 Nm일 때, 비저항이 0.60 mΩ에서 최소값인 0.16 mΩ로 감소하였고, 인가 토크가 5.65 Nm 이상이 되었을 때, 0.26 mΩ로 증가하였다.

인가 토크가 5.65 Nm 이상일 때의 비저항의 증가는 과도한 압축력으로 인하여 GDL이 손상되는 것으로 설명할 수 있는데, 셀 B에 비해 셀 A의 압축 값이 더 높아, GDL이 압축력에 의해 기하학적으로 수정된 것으로 보인다. 이러한 효과는 연료 전지 작동 중 물질 전달 및 접촉 저항을 증가시킬 수 있다.

낮은 압축 응력은 오믹 및 접촉 비저항을 증가시키나, 연료 전지 내부를 손상시키지 않고, 기하학적 형태를 유지할 수 있는 장점이 있다. 연료 전지 동작 중 수소 가스의 누출 가능성은 증가되고, 이로 인해 성능이 저하되고 위험한 작동 상황이 발생할 수 있으나, 과도한 압축은 손상된 GDL의 다공성과 기공 크기를 감소시키고, 투과성과 확산성에 영향을 미칠 수 있다.

상기 셀 A 및 셀 B의 저항 테스트를 통하여, i) 대규모 셀은 낮은 압축률과 높은 오믹 및 접촉 비저항으로 인해 성능이 저하될 확률이 높고, ii) 5.65 Nm 이상의 토크에서 가해진 압력이 셀 A 및 셀 B 모두에서 과압을 생성할 수 있다는 것을 유추할 수 있었다. 이러한 결과는 상기 GDL 표면 분석 결과와 일치하였다.

실시예 4. 내부 압축 테스트

셀 A 및 셀 B의 압력 분포 차이를 확인하기 위하여 압력 범위가 193 kPa 내지 586 kPa인 'Ultra Low' 압력 측정 필름(Pressurex)을 사용하였다.

PEMFC 조립 시, 애노드 방향의 MEA와 GDL 사이에 상기 필름을 삽입하고, 8 개의 볼트 각각에 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm의 토크를 인가하였다. 10 분 후, 상기 압력 측정 필름의 도너 시트의 적색 잉크가 억셉터 시트의 필름에 완전히 전사되면, 상기 PEMFC를 분해하고, 억셉터 시트의 국부적인 압력 분포를 나타내는 적색 강도를 Sensor Products에서 제조한 농도계로 확인하고, Point Scan 프로그램을 이용하여, 밀도 값을 내부 압력 값으로 변환하였다.

- 내부 압축 압력(CP) 변화 측정

내부 압축 압력(CP)은 규칙적인 10 포인트 간격으로 5 행 각각에 대하여 측정하였고, 셀 A 및 셀 B의 서로 다른 인가 토크에 해당하는 내부 압축 압력(CP)의 변화 그래프를 도 5에 도시하였다. 이때, 상기 내부 압축 압력(CP) 값은 50 포인트의 평균값이다.

상기 도 5를 참조하면, 인가 토크가 2.82 Nm에서 8.46 Nm로 증가하였을 때 셀 A의 내부 압축 압력은 435 kPa에서 485 kPa로 증가한 반면, 셀 B의 경우 동일한 토크 증가에 대해 내부 압력이 359 kPa에서 430 kPa로 증가하는 것을 확인할 수 있었고, 전체적으로 셀 B가 셀 A보다 내부 압축 압력이 낮은 것을 확인할 수 있었다.

상기 셀 A 및 셀 B 모두 동일한 구성의 8 개의 볼트로 체결된 바, 상기 결과로 인하여, 셀 B를 고정하는데 사용된 8 개의 볼트는 셀 A의 볼트와 비교하여 반응 면적이 더 크고, 셀 B에서 각각의 볼트 당 압축되는 단위 면적이 더 넓다는 것을 알 수 있었다. 따라서, 모든 볼트 체결 토크에서 셀 B의 압축 압력 값은 셀 A 보다 낮을 것을 예상할 수 있었다.

- 압력 표시 필름 확인

인가 토크가 5.65 Nm일 때, 셀 A 및 셀 B 내부에 삽입된 압력 표시 필름을 도 6에 도시하였다. 이때, 각각의 압력 표시 필름은 셀 A 및 셀 B의 내부 압축 압력 분포를 나타내고, 상기 압력 표시 필름의 적색이 강할 수록 해당 영역이 더 많은 압력을 받고 있음을 의미하고, 적색 영역은 분리판(BP)의 리브 영역을, 백색 영역은 분리판(BP)의 채널 영역을 나타낸다.

상기 도 6을 참조하면, 셀 B의 필름 색상이 셀 A의 필름 색상에 비해 더 밝은 것을 확인할 수 있었고, 이는 셀 B가 셀 A와 비교하여, 더 낮은 압축 압력을 받았음을 의미한다. 이러한 특징은 중앙 영역에서 명확하게 구별되는데, 상술한 비저항 측정 및 내부 압축 압력(CP) 변화 실험결과에 따라, 낮은 중앙 압축 압력은 높은 접촉 저항 및 낮은 내부 압축 압력을 유발하는 것을 예상할 수 있었다.

- 압축 매핑 분석

셀 A 및 셀 B의 내부 압력 분포가 어떻게 형성되고 변화하는지 이해하기 위하여, 인가 토크 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm에서의 압축 매핑을 측정하였다.

도 7 및 도 8은 셀 A 및 셀 B의 각각의 압력 표시 필름의 50 포인트 반응 영역을 샘플링으로 계산하여 도출된 3D 및 2D 압축 매핑 결과이다. 구체적으로, 상기 도 7 및 도 8 각각의 A), B) 및 C)는 셀 A의 압축 매핑 결과이고, D), E) 및 F)는 셀 B의 압축 매핑 결과이다.

상기 도 7 및 도 8을 참조하면, 동일한 토크 증가에 대한 셀 A 및 셀 B의 다른 패턴을 명확하게 확인할 수 있는데, 구체적으로, 셀 A의 경우, 중심 압축 압력이 가장자리 압축 압력보다 큰 반면, 셀 B의 경우, 압축 압력이 반대 패턴을 형성하여, 중심 반응 영역을 상대적으로 사용하지 못하는 현상을 관찰할 수 있었다.

이는, 각 볼트에 해당하는 단위 면적의 차이로 설명할 수 있는데, 셀 B의 볼트 토크 형태 압축 압력은 셀 A 보다 더 넓은 영역을 커버해야 하므로, 셀 A와 동일한 볼트 크기 및 체결 토크에 의한 압축 압력은 중앙에 도달하기 어려울 것을 예상할 수 있었다. 반대로, 셀 A의 볼트 체결 토크에 의한 압축 압력은 비교적 쉽게 중앙 영역에 도달할 수 있고, 그 결과 셀 A에서 사용된 볼트의 볼트 체결 토크에서 얻은 각 힘이 중앙 영역에서 오버랩 되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 셀 B는 특히 반응 영역의 중심 근처에서 셀 A보다 덜 균일하고 더 낮은 압축 압력을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

도 7을 참조하면, 최적의 압력 분포는 셀 A(도 7의 A)에서 2.82 Nm 및 셀 B(도 7의 E)에서 5.65 Nm인 것을 확인할 수 있었다. 도 7의 A) 내지 C)의 셀 A 및 도 7의 E) 내지 F)의 셀 B 에서 압축 압력이 증가함에 따라, 중앙의 일부 국부적인 부분에 집중되어 피라미드 모양(적색 원)이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

후술하는 전기적 성능 실험에서, 각 셀의 가장 높은 성능은 셀 A에서 2.82 Nm, 셀 B에서 5.65 Nm로 나타나는 것을 확인(도 10 참조) 할 수 있는데, 상기 압축 압력 매핑 및 성능 분석을 통해 높은 압축 압력에서 피라미드 모양의 집중된 국부 기둥이 형성되기 전에 셀 A 및 B에서 가장 높은 성능을 보인 공통점을 찾을 수 있었다.

구체적으로, 인가 토크가 셀 A에서 2.82 Nm에서 5.65 Nm로, 셀 B에서 5.65 Nm에서 8.46 Nm으로 증가했을 때 피라미드 모양의 일부 국부 기둥이 만들어졌으며, 기둥의 형성은 압축 압력이 고르지 않게 집중되었음을 나타낸다. 이는 GDL의 손상을 가속화하고 연료 가스를 균일하게 공급하고 수로의 물을 관리하기 어렵게 만들 수 있다. 결국 두 셀 모두의 성능 저하에 영향을 미칠 수 있게 된다.

실시예 5. 전기적 특성 실험

셀 A 및 셀 B 각각의 성능은 Scribner Associate Inc.에서 제조한 테스트 스테이션에서 테스트되었다.

연료로 순수한 수소(H₂) 가스를 사용하고 산화제로 압축 공기를 사용하였다. 수소 가스 및 압축 공기는 각각 애노드 및 캐소드에 가해졌고, 수소 가스 1.3 및 압축 공기 2.0의 화학량론적 비율에 해당하는 유량이 사용되었다.

애노드 및 캐소드 각각의 가스 온도 및 습도는 애노드 및 캐소드의 가습 온도 및 상대 습도(RH)가 유지되는 물이 채워진 탱크를 통한 가스의 흐름에 의해 제어되었다(애노드: 73 ℃, RH 75 %; 캐소드: 49 ℃, RH 25 %).

연료 전지의 온도는 80 ℃로 유지하였고, 양 측 작동 압력은 101 kPa(1 atm)을 사용하였다. 분극 곡선을 얻기 전에 연료 전지가 정상 상태를 달성할 수 있도록 약 16 시간 동안 컨디셔닝 프로그램을 작동하였고, 이후, 컴퓨터 프로그램을 이용하여 전기화학적 성능을 테스트 하였다. 테스트 동안 유속은 테스트 스테이션 소프트웨어에 의해 자동으로 조정되어 각 셀 전압에서 1.3 및 2.0의 화학량론적 비율을 유지하였다. 셀 전압을 OCV에서 0.4 V로 무작위로 변경하고, 결과적인 전류 밀도를 기록하였다. 이 프로세스는 편광 곡선에 대한 데이터를 생성하였다.

도 9는 인가 토크 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm에 대한 분극 곡선 결과를 나타내는 그래프이다.

상기 도 9를 참조하면, 셀 A의 경우 0.6 V의 분극은 인가 토크 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm에서 각각 818 mA/cm², 776 mA/cm²및 699 mA/cm²의 전류 밀도를 생성하고, 셀 B의 경우 동일한 토크에 대해 각각 646 mA/cm², 684 mA/cm² 및 555 mA/cm²의 전류 밀도가 표시되는 것을 확인할 수 있었다.

셀 A의 분극 곡선은 셀 B의 분극 곡선보다 높았는데, 이러한 결과는 도 7 및 8에 표시된 각각의 셀의 압력 분포와 관련이 있으며, 이는 동일한 인가 토크에서 셀 A의 전반적인 낮은 비저항으로 설명될 수 있다(도 4 참조).

셀 A 및 셀 B 모두 인가 토크 2.82 Nm에서 불안정한 곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있는데, 이러한 결과는 GDL과 분리판 사이 또는 GDL과 촉매층 사이 공간에 불충분한 압력으로 제거되지 않은 잔류 수분이 GDL의 기공을 차단하는 것이 원인이 될 수 있다.

따라서, 상기 셀 A 및 셀 B의 최적의 볼트 토크로 2.82 Nm 이상을 결정할 수 있었다.

실시예 6. 최적 볼트 토크 결정

상기 성능 결과를 요약하여, 각 셀의 최적 볼트 토크를 결정하였다.

도 10은 각각 셀 A와 셀 B에서 분극 및 전력 밀도(power density)에 대한 인가 토크의 영향을 보여준다.

도 10의 A)를 참조하면, 셀 A의 경우, 인가 토크가 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm로 증가 함에 따라, 최대 출력 밀도가 각각 586 mW/cm², 578 mW/cm² 및 547 mW/cm²인 것을 확인할 수 있었다.

상기 셀 A에서, 인가 토크가 2.82 Nm인 경우, 다른 인가 토크보다 출력 밀도가 높고, 높은 접촉 저항에도, 높은 투자율 및 GDL의 최소 손상으로 가장 좋은 조건을 유지하는 것을 확인할 수 있었고, 상기 인가 토크 2.82 Nm에서, 반응 가스를 촉매층에 더 균일하게 분배하고, 층과 분리판 사이의 전자 경로를 제공하고, 전기화학 반응을 위한 향상된 질량 수송으로 이어지게 되어, 성능이 가장 좋을 것을 예상할 수 있었다. 이러한 발견에 기초하여, 손상되지 않은 GDL로부터의 높은 질량 수송의 이점이 높은 접촉 저항의 단점보다 우세한 것을 확인할 수 있었다.

반면, 셀 A에서, 관찰된 가장 낮은 성능의 출력 밀도는 8.46 Nm의 인가 토크에서 547 mW/cm²였는데, 높은 압축 압력은 압축된 GDL에 영향을 주어 초기 총 두께를 줄이고, 이는 새로운 GDL의 초기 특성에서 총 기공 부피의 손실, 감소된 투과성 및 변형된 기공 크기 분포를 나타낸다. 이러한 요소는 연료 가스에 대한 투과성에 영향을 미치며, 그 중 일부는 기하학적 형태의 심각한 변화와 함께 GDL을 통과하지 못하고 이후 우회되게 되었고, 전기화학적 반응을 위한 물질 수송이 감소되었고 더 높은 물질 전달 과전위가 유도된다. 따라서, 최대 출력 밀도가 인가 토크 2.82 Nm일 때, 586 mW/cm²에서 547 mW/cm²로 저하된 것으로 보이고, 8.46 Nm 인가 토크에서 더 낮은 접촉 저항의 이점이 GDL에서 관찰된 변형의 단점보다 우세하다는 결론을 내릴 수 있었다.

도 10의 B)를 참조하면, 상기 셀 B의 경우, 인가 토크가 2.82 Nm, 5.65 Nm 및 8.46 Nm로 증가 함에 따라, 최대 전력 밀도는 각각 500 mW/cm², 513 mW/cm² 및 470 mW/cm²인 것을 확인할 수 있었다.

셀 B의 경우 5.65 Nm 인가 토크에서의 출력 밀도가 가장 큰 출력 밀도를 산출하였고, 2.82 Nm에서 5.65 Nm로 인가 토크가 증가하였을 때, 성능이 향상되었으나, 8.46 Nm의 인가 토크로 추가 압축이 발생하여, 성능이 감소한 것을 확인할 수 있었다.

상기 셀 B는 셀 A와 달리 2.82 Nm가 아닌 5.65 Nm의 토크에서 더 나은 성능을 얻었고, 이러한 서로 다른 결과는 셀 A와 셀 B에서 압축 압력(CP)을 받는 반응 영역에 대해 볼록형과 오목형의 기하학적 매핑 형태가 다른 것으로 유추할 수 있었다. 구체적으로, 셀 A에서는 볼록한 형태의 압축 매핑 형태가 관찰되었으나, 셀 B에서는 압축 압력이 거의 중앙으로 전달되지 않고, 목표하는 압축 압력에 도달하지 못하여, 가장자리가 중앙보다 더 많은 압력을 받았으며, 오목한 형태의 압축 매핑 형태를 관찰할 수 있었다(도 7 참조).

셀 A 및 셀 B에 대한 상기 실시예 3 내지 5에서의 실험 결과를 하기의 표 1에 도시하였다:

[표 1]

상기 표 1을 참조하면, 셀 A에서 인가 토크 범위가 2.82 Nm 내지 5.65 Nm인 경우 균일한 압력 분포, 최소화된 접촉, 전기적 및 물질 수송 저항으로 최고 및 안정적인 성능을 위한 최적의 볼트 토크로 설정될 수 있음을 알 수 있었다. 2.82 Nm의 토크는 고 전류밀도 범위에서 불안정한 전력 밀도의 원인 제거의 필요성으로 배제되었다. 압축 압력(CP)는 5.65 Nm에서 일부 국부적인 중앙 영역에 집중되기 시작하며, 이 조건에서 불균일한 압력분포는 GDL의 손상을 가속화하고 성능 저하를 유발할 것으로 예상되었다.

셀 B의 경우, 인가 토크 5.65 Nm에서, 상대적으로 균일한 압력 분포 및 낮은 저항을 보이는 바, 최적의 볼트 토크는 5.65 Nm인 것으로 확인되었다.

도 11은 셀 A 및 셀 B의 볼트 토크에 따른 최대 출력 밀도를 비교한 그래프이다.

상기 도 11은 볼트의 크기 및 갯수와 함께 볼트 토크에 의해 생성된 압축 매핑을 비교하고, 셀 A와 셀 B의 성능을 비교하는데 활용할 수 있다. 또한, 최적의 성능을 얻기 위한 PEMFC 성능 개선에 요구되는 볼트의 크기, 갯수, 위치 및 볼트 토크에 대한 정보를 제공할 수 있다.

본 실시예에서, 동일한 크기의 볼트 8 개가 적용된 셀 A 및 셀 B를 비교하면, 전반적으로 반응 면적이 50 cm²인 셀 B가 반응 면적이 25 cm²인 셀 A에 비하여 성능이 낮은 것을 확인할 수 있다.

상기 셀 B의 사용 가능한 반응 영역을 확장하기 위해 높은 볼트 토크를 적용하면, 중앙 부분의 여러 국부적인 지점에서 압축 압력이 강화되어 GDL의 손상 및 성능 저하를 유발할 수 있어, 반응 면적이 큰 셀에서 성능을 향상시키기 위해서는 더 높은 볼트 토크를 가하여 압축 압력을 향상시키는 것보다 볼트 크기 및 갯수를 고려하여 압축 압력을 향상시키는 것이 바람직할 수 있다. 적절한 크기의 볼트는 볼트 토크에 의해 제공되는 압축 압력이 셀의 중심영역까지 확장되는데 도움이 될 수 있고, 적절한 수의 볼트 갯수는 압축력이 셀의 중심에 균일하게 전달될 수 있도록 한다.

구체적인 본 발명의 실시예에서, 상기 셀 B는 엔드 플레이트(End plate, EP)의 상, 하, 좌 및 우에 각각 3 개의 볼트, 총 12 개의 볼트를 사용하여, 성능을 향상시 킬 수 있고, 이러한 방식으로, 셀 B의 성능을 셀 A와 유사하게 만들 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA) 및 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL)을 포함하는 PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)의 볼트 체결 설계 방법에 있어서,
상기 PEMFC의 MEA 및 GDL 사이에 압력 표시 필름을 삽입하고, 볼트를 체결하여 PEMFC를 조립하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 조립된 PEMFC를 분해하여 상기 압력 표시 필름을 회수하고, 회수된 압력 표시 필름의 색 농도로부터 PEMFC 내부 압축 압력의 고저에 따라 기하학적 형태가 상이한 3D 압축 매핑 데이터를 도출하고 분석하는 단계(단계 2); 및
상기 단계 2에서 수득한 분석 데이터를 통하여, 볼트의 토크, 나사 외경 및 갯수 중 어느 하나 이상의 정보를 포함하는 볼트 체결 설계를 결정하는 단계(단계 3);를 포함하고,
상기 단계 2에서 수득한 3D 압축 매핑 데이터에서 내부 압축 압력이 500 kPa을 초과하는 볼록 형태의 기하하적 부분이 존재할 경우, 단위 면적당 압축압력을 조절하는 볼트 토크, 나사 외경 및 갯수 중 어느 하나 이상을 감소시킨 다음, 상기 단계 1 내지 단계 2를 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하고,
상기 단계 2에서 수득한 3D 압축 매핑 데이터에서 내부 압축 압력이 350 kPa 미만인 오목 형태의 기하학적 부분이 존재할 경우, 단위 면적당 압축압력을 조절하는 볼트 토크, 나사 외경 및 갯수 중 어느 하나 이상을 증가시킨 다음, 상기 단계 1 내지 단계 2를 반복하여 실시하는 것을 특징으로 하고,
상기 단계 2에서 수득한 3D 압축 매핑 데이터의 내부 압축 압력이 350 kPa 내지 500 kPa인 경우, 상기 단계 3을 실시하는 것을 특징으로 하는, PEMFC의 볼트 체결 설계 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 PEMFC는 하나 이상의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(End plate, EP) 사이에 적층된 구조이고,
상기 단위 셀은 전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL); 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(bipolar plate, BP)을 포함하고,
상기 단위 셀이 2 이상인 경우, 상기 단위 셀이 반복하여 연결된 스택(stack) 구조인 것을 특징으로 하는, PEMFC의 볼트 체결 설계 방법.
반응 면적이 25 cm²인 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법에 있어서,
제 1 항의 PEMFC의 볼트 체결 설계 방법을 이용하여,
사용되는 볼트의 개수는 6 개 내지 8 개, 나사 외경은 10 mm 내지 12 mm 및 볼트 체결 토크는 2.8 Nm 내지 5.7 Nm이고,
볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치하는 볼트 체결 설계를 결정하는 것을 특징으로 하는,
반응 면적이 25 cm²인 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 PEMFC는 하나 이상의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(End plate, EP) 사이에 적층된 구조이고,
상기 단위 셀은 전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL); 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(bipolar plate, BP)을 포함하고,
상기 단위 셀이 2 이상인 경우, 상기 단위 셀이 반복하여 연결된 스택(stack) 구조인 것을 특징으로 하는, PEMFC의 볼트 체결 방법.
반응 면적이 50 cm²인 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법에 있어서,
제 1 항의 PEMFC의 볼트 체결 설계 방법을 이용하여,
사용되는 볼트의 개수는 8 개 내지 12 개, 나사 외경은 8 mm 내지 14 mm 및 볼트 체결 토크는 5.0 Nm 내지 6.0 Nm이고,
볼트의 위치는 엔드 플레이트 면의 상, 하, 좌 및 우 모서리와 평행하게 일정 간격을 유지하도록 배치하는 볼트 체결 설계를 결정하는 것을 특징으로 하는,
반응 면적이 50 cm²인 PEMFC(proton excahnge membrane fuel cell)의 볼트 체결 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 PEMFC는 하나 이상의 단위 셀이 두 개의 엔드 플레이트(End plate, EP) 사이에 적층된 구조이고,
상기 단위 셀은 전해질막 양쪽 측면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치된 막-전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA); 상기 애노드 및 캐소드 외측에 각각 배치된 가스 확산층(gas diffusion layer, GDL); 및 상기 각각의 가스 확산측 외측에 각각 배치된 분리판(bipolar plate, BP)을 포함하고,
상기 단위 셀이 2 이상인 경우, 상기 단위 셀이 반복하여 연결된 스택(stack) 구조인 것을 특징으로 하는, PEMFC의 볼트 체결 방법.
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