KR102518545B1 - 연료전지용 단위 셀 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 연료전지용 단위 셀에 관한 것으로서, 전해질막; 및 상기 전해질막의 양면 중 어느 일면에 각각 배치되는 전극들을 포함하고, 상기 전극들 중 적어도 하나는, 기체 확산층; 상기 기체 확산층과 상기 전해질막 사이에 개재되는 촉매층; 및 상기 기체 확산층을 유동하는 유체가 내부로 유입되거나 상기 내부로 유입된 상기 유체가 상기 기체 확산층으로 배출되도록, 상기 기체 확산층에 각각 내장 배치되는 적어도 하나의 유체 유로들을 포함한다.

Description

연료전지용 단위 셀 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법{UNIT CELL FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING GAS DIFFUSION LAYER FOR FUEL CELL}

본 발명은, 연료전지용 단위 셀 단위 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법에 관한 것이다.

연료전지 스택은, 연료전지 차량의 메인 파워(Main Power) 공급원으로서, 수소와 산소의 산화 환원 반응을 통해 전기를 생성하는 장치이다.

일반적으로, 연료전지 스택은, 막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)와, 막-전극 접합체의 양면에 각각 배치된 분리판들 등을 포함하는 다수의 단위 셀들이 적층되어 구성된다.

막-전극 접합체는, 고분자 전해질막과, 고분자 전해질막의 일면에 배치되는 애노드와, 고분자 전해질막의 타면에 배치되는 캐소드 등을 구비한다. 분리판은, 수소를 애노드에 공급하기 위한 수소 채널과, 공기를 캐소드에 공급하기 위한 공기 채널과, 냉각수를 유동시키기 위한 냉각수 채널 등을 구비한다.

애노드에는 수소 저장 탱크로부터 공급된 고순도의 수소가 분리판의 수소 채널을 통해 유입되고, 캐소드에는 공기 압축기 기타 공기 공급 장치에 의해 공급된 대기 중의 공기가 분리판의 공기 채널을 통해 유입된다. 그러면, 애노드에서는 수소의 산화 반응이 진행되어 수소 이온(Proton)과 전자(Electron)가 생성되고, 이처럼 생성된 수소 이온과 전자는 각각 고분자 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동된다. 또한, 캐소드에서는 애노드로부터 이동된 수소 이온 및 전자와, 공기 공급 장치에 의해 공급된 공기 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어 물이 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다.

한편, 일반적으로, 단위 셀에 분포된 수분의 양은 수소 채널과 공기 채널(이하, '가스 채널'이라고 함)의 상류 측에서 하류 측으로 갈수록 증가된다. 이로 인해, 단위 셀은 가스 채널의 상류 쪽으로 갈수록 건조해지고 가스 채널의 하류 쪽으로 갈수록 습해진다.

그런데, 단위 셀이 적정 수준에 비해 건조해지거나 습해지면, 수소와 공기 등의 반응 가스가 막-전극 접합체를 통과하는 속도가 느려져 단위 셀의 성능이 저하되고, 고분자 전해질막이 손상되어 단위 셀의 내구성이 저하된다. 따라서, 단위 셀의 성능과 내구성을 향상시키기 위해서는, 단위 셀의 전체 영역에 걸쳐 적정량의 수분이 고르게 분포되는 것이 바람직하다. 그런데, 종래의 연료전지용 단위 셀은, 단위 셀에 적정량의 수분을 고르게 분포 가능한 구성을 구비하고 있지 않다는 점에서 문제점이 있다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 단위 셀에 적정량의 수분을 고르게 분포시킬 수 있도록 개선한 연료전지용 단위 셀 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

나아가, 본 발명은, 면압의 저하로 인해 단위 셀을 유동하는 유체가 외부로 누출되지 않도록 개선한 연료전지용 단위 셀 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 연료전지용 단위 셀은, 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 배치되는 전극, 상기 전극의 일면에 배치되는 기체 확산층, 및 상기 기체 확산층을 유동하는 유체가 내부로 유입되거나 상기 내부로 유입된 상기 유체가 상기 기체 확산층으로 배출되도록, 상기 기체 확산층에 각각 내장 배치되는 적어도 하나의 유체 유로들을 포함하고, 상기 유체 유로는 상기 기체 확산층과 상기 유체 유로의 상기 내부를 연통하는 복수의 연통홀들을 구비하고, 상기 연통홀들은 상기 기체 확산층을 유동하는 유체 중 액상의 생성수가 모세관 현상으로 상기 유체 유로의 상기 내부로 유입되게 하는 직경으로 형성될 수 있다.

바람직하게, 상기 기체 확산층에 공급하기 위한 반응 가스 또는 상기 기체 확산층으로부터 배출된 상기 유체를 미리 정해진 이송 방향을 따라 각각 이송하는 복수의 채널들을 구비하며, 상기 기체 확산층의 일면에 배치되는 분리판을 더 포함한다.

바람직하게, 상기 분리판은, 상기 기체 확산층의 일면과 접촉되도록 배치되는 복수의 랜드들을 더 구비하고, 상기 유체 유로들 중 적어도 하나는, 상기 랜드들 중 어느 하나와 상기 촉매층 사이에 위치하도록 배치된다.

바람직하게, 상기 유체 유로들은 각각, 상기 이송 방향을 따라 배치된다.

바람직하게, 상기 유체 유로들은 각각, 상기 채널들의 상류 쪽에 위치한 일측 단부에 형성되는 입구와, 상기 채널들의 하류 쪽에 위치한 타측 단부에 형성되는 출구를 구비한다.

바람직하게, 상기 입구는 상기 출구에 비해 작은 개방 면적을 갖도록 형성된다.

바람직하게, 상기 입구는, 상기 출구에 비해 작은 개방 면적을 갖도록 형성되는 적어도 하나의 연통홀을 갖는다.

바람직하게, 상기 유체 유로들 중 적어도 하나는, 상기 기체 확산층에 천공된 유로홀로 구성된다.

바람직하게, 상기 유체 유로들 중 적어도 하나는, 상기 기체 확산층에 매설된 유로관으로 구성된다.

바람직하게, 상기 유로관은, 상기 기체 확산층과 동일한 재질 또는 중공 사막으로 구성된다.

바람직하게, 상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층과 상기 유체 유로의 상기 내부가 연통되도록 미리 정해진 간격을 두고 형성되는 복수의 연통홀들을 구비한다.

바람직하게, 상기 연통홀들은 각각, 상기 유체 유로의 직경의 0.5배 미만의 직경을 갖는다.

바람직하게, 상기 유체 유로들은 각각, 상기 기체 확산층의 두께의 0.5배 미만의 직경을 갖는다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 양상에 따른 연료전지용 기체 확산층 제조 방법은, (a) 기체 확산층을 형성하는 단계, 및 (b) 상기 기체 확산층과 연통되도록 형성된 적어도 하나의 유체 유로를 상기 기체 확산층에 내장 배치하는 단계를 포함하고, 상기 유체 유로는 상기 기체 확산층과 상기 유체 유로의 내부를 연통하는 복수의 연통홀들을 구비하고, 상기 연통홀들은, 상기 기체 확산층을 유동하는 유체 중 액상의 생성수가 모세관 현상으로 상기 유체 유로의 상기 내부로 유입되게 하는 직경으로 형성될 수 있다.

바람직하게, (c) 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에 수행하며, 상기 기체 확산층을 두께 방향으로 미리 정해진 압력으로 가압한 경우에 상기 기체 확산층이 미리 정해진 기준 압축량 미만만큼 압축되도록, 상기 기체 확산층을 압축 가공하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게, 상기 (c) 단계는, 상기 기체 확산층을 상기 두께 방향으로 미리 정해진 횟수만큼 반복적으로 압축 및 압축 해제하여 수행한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는, 상기 유체 유로를 구성 가능한 유로홀을 상기 기체 확산층에 천공하여 수행한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는, 상기 유체 유로를 구성 가능한 유로관을 상기 기체 확산층에 매설하여 수행한다.

바람직하게, 상기 (b) 단계는, 얼음이 내부에 충전된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 유로관을 해동하거나, 버팀봉이 상기 내부에 삽입된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 버팀봉을 상기 내부로부터 인출하거나, 상기 유로관의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 상기 버팀봉이 상기 내부에 삽입됨과 함께 상기 유로관의 내측면과 상기 버팀봉의 외측면 사이에 상기 얼음이 충전된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 유로관을 해동함과 함께 상기 버팀봉을 상기 내부 공간으로부터 인출하거나, 상기 유로관의 외경에 비해 큰 내경을 갖는 중공봉의 중공에 삽입된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 중공봉을 상기 유로관으로부터 분리하여 수행한다.

바람직하게, 상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층과 상기 내부가 연통되도록 미리 정해진 간격을 두고 형성되는 복수의 연통홀들을 구비한다.

바람직하게, 상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층의 두께의 0.5배 미만의 직경을 갖는다.

본 발명은, 연료전지용 단위 셀 및 연료전지용 기체 확산층 제조 방법에 관한 것으로서, 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 본 발명은, 기체 확산층을 유동하는 반응 기체, 생성수 등의 유체를 기체 확산층에 내장 배치된 유체 유로를 통해 가스 채널의 상류에서 하류 쪽으로 이송하여, 생성수를 신속하게 단위 셀로부터 배출시킴과 함께, 반응 기체를 단위 셀에 균일하게 분포시킬 수 있다.

둘째, 본 발명은, 미리 압축 가공된 기체 확산층을 단위 셀에 적용함으로써, 기체 확산층의 면압 저하에 따른 연료전지 스택의 체결력 빠짐으로 인해 반응 기체 연료전지 스택의 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 길이 방향에서 바라본 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 폭 방향에서 바라본 단면도.
도 3은 기체 확산층을 압축 가공하는 방법을 설명하기 위한 그래프.
도 4는 도 1에 도시된 유로관의 사시도.
도 5a는 도 4에 도시된 유로관의 입구의 정면도.
도 5b는 도 4에 도시된 유로관의 출구의 정면도.
도 6은 도 2에 도시된 연료전지용 단위 셀에서 유체가 유동하는 양상을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 폭 방향에서 바라본 도면.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 기체 확산층의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 9 내지 도 12는 유로관을 기체 확산층에 내장 배치하는 방법을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 길이 방향에서 바라본 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 폭 방향에서 바라본 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀(1)은, 전해질막(10), 전해질막(10)의 일면에 배치되는 전극(20)과, 전극(20)의 일면에 배치되는 미세 기공층(21)과, 미세 기공층(21)의 일면에 배치되는 기체 확산층(23)과, 기체 확산층(23)에 내장 배치되는 적어도 하나의 유체 유로들(25)과, 기체 확산층(23)의 일면에 배치되는 분리판(30) 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 전극(20), 미세 기공층(21), 기체 확산층(23) 및 분리판(30)은 각각 한 쌍씩 마련되어 전해질막(10)의 양면에 대칭적으로 적층될 수 있고, 기체 확산층들(23) 중 적어도 하나의 기체 확산층(23)에는 적어도 하나의 유체 유로들(25)이 배치될 수 있다. 설명의 편의를 위해 이하에서는, 전극들(20) 중 캐소드에 해당하는 전극(20)(이하, '캐소드 전극(20)'이라고 함)에 유체 유로(25)가 배치되는 경우를 기준으로 연료전지용 단위 셀(1)에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 전해질막(10)은, 통상적인 연료전지 단위 셀(1)에서 사용되는 수소이온전도성 고분자 전해질막(10)으로 구성될 수 있다.

다음으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 캐소드 전극(20)은, 전해질막(10)의 일면에 촉매가 적층되어 형성될 수 있다. 캐소드 전극(20)을 구성 가능한 촉매의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 촉매는, Pt 금속 단독으로 구성되거나, Ru, Os, Cr, Ni, Mn 및 Co의 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속과 Pt의 합금을 포함하여 구성될 수 있다.

이러한 캐소드 전극(20)에서는, 수소 이온 및 전자와, 공기(A) 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어, 생성수(W)가 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 미세 기공층(MPL)(21)은, 캐소드 전극(20)과 기체 확산층(23) 사이에 개재되도록, 기체 확산층(23)을 향한 캐소드 전극(20)의 일면에 배치된다. 이러한 미세 기공층(21)은, 기체 확산층(23)에 비해 작은 기공을 갖는 탄소 지지체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 미세 기공층(21)은, 카본 블랙(Carbon Black), 아세틸렌 블랙 카본(Acetylene Black Carbon), 블랙 펄 카본(Black Pearls Carbon) 등의 탄소 분말과, 폴리테트라플루오로에틸렌 계열의 소수성 물질이 혼합되어 구성될 수 있다. 미세 기공층(21)은 기체 확산층(23)의 일면에 도포되어 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 미세 기공층(21)은, 공기 채널(34)로부터 기체 확산층(23)으로 유입된 공기(A)를 캐소드 전극(20)에 전달하거나, 캐소드 전극(20)에서 전기 생성 반응에 의해 생성된 생성수(W) 및 전기 생성 반응에 참여하지 않은 잔여 공기(A)를 캐소드 전극(20)으로부터 기체 확산층(23)에 전달할 수 있다.

기체 확산층(GDL)(23)은, 기공이 형성된 탄소 지지체로 구성될 수 있다. 예를 들어, 기체 확산층(23)은, 탄소 섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질(Hydrophobic Agent)로 구성될 수 있다. 바람직하게, 기체 확산층(23)은, 탄소섬유 천(Cloth), 탄소섬유 펠트(Felt) 및 탄소섬유 종이(Paper) 등으로 구성될 수 있다.

기체 확산층(23)은, 전해질막(10), 캐소드 전극(20) 등을 물리적으로 지지할 수 있다. 즉, 기체 확산층(23)은, 전해질막(10), 캐소드 전극(20) 등에 대한 물리적 지지체로 기능하는 것이다. 또한, 기체 확산층(23)은, 기공을 통해, 후술할 분리판(30)의 공기 채널(34)을 유동하는 공기(A)를 캐소드 전극(20)에 전달하거나, 캐소드 전극(20)에서의 전기 생성 반응에 참여하지 않은 잔여 공기(A) 및 캐소드 전극(20)에서 생성된 생성수(W)를 공기 채널(34)에 전달할 수 있다.

이러한 기체 확산층(23)은, 기체 확산층(23)을 단위 셀(1)의 두께 방향으로 미리 정해진 압력으로 가압한 경우에 미리 정해진 기준 압축량(β) 미만만큼만 압축되도록, 압축 가공될 수 있다. 일반적으로 기체 확산층은 소정의 탄성을 가지므로, 기체 확산층을 두께 방향으로 가압하여 압축시킨 후 가압 해제하면 기체 확산층은 다시 탄성 복원된다. 다만, 가압에 의해 기체 확산층의 내부 구조가 변형됨으로 인해, 두께 방향으로 가압 및 가압 해제된 기체 확산층의 두께는 원상태로 회복되지 못하고 소정량만큼 줄어든다. 이로 인해, 도 3에 도시된 바와 같이, 제조 완료된 원상태의 기체 확산층을 미리 정해진 압력으로 반복적으로 가압 및 가압 해제하면, 기체 확산층의 두께와, 가압으로 인한 기체 확산층의 압축량은 점진적으로 감소된다. 또한, 전술한 가압 및 가압 해제를 소정의 횟수만큼 반복하면, 기체 확산층의 내부 구조가 일정해짐으로써, 기체 확산층의 두께와, 가압으로 인한 기체 확산층의 압축량은 일정해진다. 이로 인해, 도 3에 도시된 바와 같이, 제조 완료된 직후의 기체 확산층은 상대적으로 두꺼운 두께와 상대적으로 많은 압축량(α)을 가질 수 있고, 내부 구조가 일정해지도록 반복적으로 가압 및 가압 해제된 기체 확산층은 상대적으로 얇은 두께와 상대적으로 작은 압축량(β)을 가질 수 있다.

기체 확산층(23)은, 위와 같이 제조 완료된 원상태의 기체 확산층을 미리 정해진 압력으로 미리 정해진 횟수만큼 반복적으로 가압 및 가압 해제하여 형성한 기체 확산층(이하, '압축 가공된 기체 확산층'이라고 함)인 것이 바람직하다. 이처럼 압축 가공된 기체 확산층(23)을 단위 셀(1)에 적용하면, 기체 확산층(23)의 두께 변화로 인해 분리판(30)과 기체 확산층(23) 사이의 접촉 저항이 증가하여 단위 셀(1)의 성능이 감소하거나 가스켓(미도시)의 기밀이 저하되어 공기(A) 및 냉각수가 외부로 누출되는 것을 방지할 수 있고, 기체 확산층(23)에 내장 배치되는 유체 유로들(25)의 형상을 일정하게 유지할 수 있다.

유체 유로들(25)은 각각, 기체 확산층(23)을 유동하는 유체(A, W)가 유체 유로(25)의 내부로 유입되거나, 유체 유로(25)의 내부로 유입된 유체(A, W)가 기체 확산층(23)으로 배출되도록 마련된다. 기체 확산층(23)을 유동하는 유체(A, W)는, 후술할 분리판(30)의 공기 채널(34)로부터 유입된 공기(A)와, 미세 기공층(21)으로부터 유입된 생성수(W) 및 잔여 공기(A) 등을 포함할 수 있다. 이러한 유체 유로들(25)에 대한 더욱 자세한 내용은 후술하기로 한다.

다음으로, 분리판(30)은, 통상적인 연료전지용 단위 셀의 분리판과 동일한 구성을 갖는다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 분리판(30)은, 분리판(30)을 향한 기체 확산층(23)의 일면과 접촉되도록 미리 정해진 간격을 두고 형성되는 랜드들(32)과, 외부의 공기 공급 장치로부터 공급된 공기(A)를 미리 정해진 이송 방향으로 이송 가능하도록 미리 정해진 간격을 두고 형성되는 공기 채널들(34)을 구비할 수 있다. 공기(A)의 이송 방향은 분리판(30)의 길이 방향인 것인 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 경우에, 랜드들(32)과 공기 채널들(34)은 분리판(30)의 폭 방향을 따라 교대로 배치될 수 있다.

도 4는 도 1에 도시된 유로관의 사시도이고, 도 5a는 도 4에 도시된 유로관의 입구의 정면도이며, 도 5b는 도 4에 도시된 유로관의 출구의 정면도이다.

유체 유로들(25)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 유체 유로들(25)은 각각, 기체 확산층(23)에 매설된 유로관(27)으로 구성될 수 있다. 유로관들(27)은 공기(A)의 이송 방향 즉, 분리판(30)의 길이 방향을 따라 기체 확산층(23)에 매설되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 유로관들(27) 중 적어도 하나는, 분리판(30)의 랜드들(32) 중 어느 하나와 전해질막(10) 사이에 위치하도록 기체 확산층(23)에 매설되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

유로관들(27)은 각각, 기체 확산층(23)과 동일한 탄소 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 유로관들(27)은 각각, 탄소 튜브로 형성될 수 있다.

유로관들(27)의 직경은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 유로관(27)은 기체 확산층(23)의 두께의 0.5배 미만의 직경을 가질 수 있다. 그러면, 도 2에 도시된 바와 같이, 기체 확산층(23)에 유로관(27)을 2층 이상 배치할 수 있다.

유로관(27)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 유로관들(27)은 각각, 일측 단부에 위치한 입구(27a)와, 일측 단부와 반대되는 타측 단부에 위치한 출구(27b)와, 유로관(27)의 원주에 천공되는 복수의 연통홀들(27c) 등을 구비할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 유로관(27)의 일측 단부는 공기 채널(34)의 상류(34a) 쪽에 위치한 유로관(27)의 단부를 말하고, 유로관(27)의 타측 단부는 공기 채널(34)의 하류(34b) 쪽에 위치한 유로관(27)의 단부를 말한다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 입구(27a)는 출구(27b)에 비해 작은 개방 면적을 갖도록 형성된다. 입구(27a)의 형성 개수는 특별히 한정되지 않으며, 각각의 유로관(27)의 일측 단부에는 적어도 하나의 입구(27a)가 형성될 수 있다. 유로관(27)의 일측 단부에 복수의 입구들(27a)이 형성되는 경우에, 입구들(27a)은 입구들(27a)의 개방 면적의 합이 출구(27b)의 개방 면적에 비해 작도록 형성된다.

연통홀들(27c)은 유로관(27)의 내부와 외부가 연통되도록 유로관(27)의 외주에 미리 정해진 간격을 천공될 수 있다.

연통홀들(27c)의 직경은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 연통홀들(27c)은 유체관(28)의 직경의 0.5배 미만의 직경을 가질 수 있다. 그러면, 4개 이상의 연통홀들(27c)을 유로관(27)의 원주 방향을 따라 동일 선상에 위치하도록 형성할 수 있다. 더욱 바람직하게, 연통홀들(27c)은, 연통홀(27c)에서 모세관 현상이 일어날 수 있는 직경을 가질 수 있다. 그러면, 기체 확산층(23)의 유동하는 유체(A, W) 중 액상을 갖는 생성수(W)는 모세관 현상에 의해 연통홀들(27c)을 용이하게 통과할 수 있고, 기체 확산층(23)을 유동하는 유체(A, W) 중 기상을 갖는 공기(A) 등의 기체는 상대적으로 연통홀들(27c)을 통과하기 어렵게 된다.

이하에서는, 도 6을 참조하여, 단위 셀(1)에서 공기(A)와 생성수(W)가 유동하는 양상을 설명하기로 한다.

도 6에 도시된 바와 같이, 공기 채널(34)의 상류(34a)에는 공기 공급 장치로부터 공급된 공기(A)가 유입된다. 공기(A)는 공기 채널(34)을 따라 공기 채널(34)를 하류(34b)를 향해 유동하다가 기체 확산층(23)으로 유입된다. 기체 확산층(23)으로 유입된 공기(A)는 미세 기공층(21)을 통해 캐소드 전극(20)으로 유입되고, 캐소드 전극(20)에서는 수소 이온 및 전자와, 공기(A) 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어, 생성수(W)가 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다. 캐소드 전극(20)에서 생성된 생성수(W)와, 환원 반응에 참여하지 않는 잔여 공기(A)는, 미세 기공층(21)을 통해 기체 확산층(23)으로 유입된다. 미세 기공층(21)을 통해 기체 확산층(23)으로 유입된 생성수(W)와 잔여 공기(A)는, 공기 채널(34)로 배출되어 공기 채널(34)의 하류(34b)를 향해 유동하다가 단위 셀(1)의 외부로 안내된다.

공기(A)와 생성수(W) 등의 유체(A, W)는 기체 확산층(23)과 유로관(27) 사이의 농도차에 의해, 기체 확산층(23)에서 유로관(27)의 내부로 유입되거나 유로관(27)의 내부에서 기체 확산층(23)으로 배출될 수 있다. 기체 확산층(23)이 유로관(27)의 내부에 비해 농도가 높은 경우에, 기체 확산층(23)을 유동하는 유체(A, W)는 입구들(27a)과 연통홀들(27c)을 통해 유로관(27)의 내부로 유입될 수 있다. 유로관(27)의 내부가 기체 확산층(23)에 비해 농도가 높은 경우에, 유로관(27)의 내부를 유동하는 유체(A, W)는 연통홀들(27c)과 출구(27b)를 통해 기체 확산층(23)으로 배출될 수 있다. 전술한 바와 같이, 연통홀들(27c)은 모세관 현상이 발생하도록 미리 정해진 직경을 가지므로, 유체(A, W) 중 액상을 갖는 생성수(W)가 연통홀들(27c)을 통해 주로 유로관(27)의 내부로 유입되거나 유로관(27)의 내부로부터 배출될 수 있다.

일반적으로, 공기 채널(34)의 압력은 공기 채널(34)의 상류(34a)에서 하류(34b) 쪽으로 갈수록 점진적으로 낮아진다. 이로 인해, 입구들(27a)과 연통홀들(27c)을 통해 유로관(27)의 내부에 작용하는 압력은 유로관(27)의 일측 단부에서 유로관(27)의 타측 단부 쪽으로 갈수록 점진적으로 낮아진다. 그러면, 유로관(27)의 내부에 유입된 유체(A, W)는 유로관(27)에 작용하는 압력에 의해 유로관(27)의 일측 단부에서 타측 단부 쪽으로 이송될 수 있다. 이를 통해, 유로관(27)은, 기체 확산층(23)에 분포된 생성수(W)를 단위 셀(1)로부터 신속하게 배출될 수 있도록 유로관(27)의 일측 단부에서 타측 단부 쪽으로 이송함으로써, 생성수가(W)가 기체 확산층(23)에 과다 분포되는 플러딩(flooding) 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 유로관(27)은, 기체 확산층(23)에 분포된 공기(A)를 공기(A)의 농도가 높은 유로관(27)의 일측 단부에서 공기(A)의 농도가 낮은 유로관(27)의 타측 단부 쪽으로 이송함으로써, 공기(A)를 기체 확산층(23)에 균일하게 분포시킬 수 있다.

또한, 기체 확산층(23)의 전체 영역 중 분리판(30)의 랜드들(32)과 전해질막(10) 사이에 위치한 기체 확산층(23)의 일 영역에 위치한 생성수(W)는, 랜드들(32)에 의해 가로막혀 공기 채널들(34)에 원활하게 유입될 수 없다. 따라서, 분리판(30)의 랜드들(32)과 전해질막(10) 사이에 위치한 기체 확산층(23)의 일 영역은, 기체 확산층(23)의 타 영역에 비해 빈번하게 과습윤해질 수 있다. 그런데, 유로관들(27) 중 적어도 일부의 유로관들(27)이 분리판(30)의 랜드들(32)과 전해질막(10) 사이에 배치되므로, 이러한 유로관들(27)을 통해 분리판(30)의 랜드들(32)과 전해질막(10) 사이에 위치한 기체 확산층(23)의 일 영역이 과습윤해지는 것을 방지할 수 있다.

한편, 유로관들(27)은, 유체(A, W)가 유로관들(27)에 유입되거나 유로관들(27)로부터 배출될 수 있도록, 연통홀들(27c)을 구비하는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 유로관들(27)은, 유로관들(27) 내외부의 농도차에 의해 유체(A, W)가 유로관들(27)에 유입되거나 유로관들(27)로부터 배출되는 중공 사막으로 구성될 수도 있다.

또한, 유로관들(27)의 일측 단부에는 입구(27a)가 형성되고, 유로관들(27)의 타측 단부에는 출구(27b)가 형성되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 유로관들(27)의 일측 단부는 유체(A, W)가 통과할 수 없도록 폐쇄되고, 유로관들(27)의 타측 단부에만 출구(27b)가 형성될 수도 있다. 유로관들(27)의 일측 단부에 입구(27a)가 형성되는 경우에는 입구(27a)에 작용하는 압력에 의해 유로관들(27)의 내부에 유입된 생성수(W)가 유로관들(27)의 타측 단부를 향해 신속하게 이송될 수 있다. 이에 반해, 유로관들(27)의 일측 단부를 폐쇄하는 경우에는 공기(A)가 입구(27a)를 통해 유로관들(27)의 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀을 단위 셀의 폭 방향에서 바라본 도면이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 단위 셀(2)은, 유체 유로들(25)의 구조가 변경되었다는 점에서, 전술한 연료전지용 단위 셀(1)과 차이점을 갖는다.

도 7을 참조하면, 유체 유로들(25)은 기체 확산층(23)에 분리판(10)의 길이 방향을 따라 천공된 유로홀(29)로 구성될 수 있다. 이러한 유로홀들(29)에 의하면, 기체 확산층(23)과 유로홀(29)의 내부의 농도차에 의해, 기체 확산층(23)을 유동하는 유체(A, W)가 유로홀(29)의 내부로 유입되거나, 유로홀(29)을 유동하는 유체(A, W)가 기체 확산층(23) 배출될 수 있다. 따라서, 유로홀들(29)은, 각각의 유로홀(29)의 내부로 유입된 유체(A, W)를 각각의 유로홀(29)의 일측 단부에서 각각의 유로홀(29)의 타측 단부 쪽으로 이송하여, 기체 확산층(23)에 플러딩 현상이 발생하는 것을 방지함과 함께, 공기(A)를 기체 확산층(23)에 균일하게 분포시킬 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 기체 확산층의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 9 내지 도 12는 유로관을 기체 확산층에 내장 배치하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 연료전지용 기체 확산층의 제조 방법은, 기체 확산층(23)을 형성하는 단계(S 10)와, 기체 확산층(23)을 두께 방향으로 미리 정해진 압력으로 가압한 경우에 기체 확산층(23)이 미리 정해진 기준 압축량(β) 미만만큼 압축되도록, 기체 확산층(23)을 압축 가공하는 단계(S 20)와, 기체 확산층(23)에 적어도 하나의 유체 유로(25)를 내장 배치하는 단계(S 30) 등을 포함할 수 있다.

S 10 단계는, 일반적인 연료전지용 단위 셀에 적용되는 기체 확산층과 동일한 구성을 갖도록, 기체 확산층(23)을 형성하여 수행할 수 있다.

S 20 단계는, S 10 단계에 형성된 기체 확산층(23)을, 기체 확산층(23)의 내부 구조가 일정해지도록 미리 정해진 압력으로 미리 정해진 횟수만큼 반복적으로 가압 및 가압 해제하여 수행할 수 있다.

S 30 단계에서 유체 유로들(25)을 기체 확산층(23)에 내장 배치하는 방법은 특별히 한정되지 않는다.

예를 들어, S 30 단계는, 유체 유로(25)를 구성 가능한 유로홀(29)을 기체 확산층(23)에 천공하여 수행할 수 있다.

예를 들어, S 30 단계는, 유체 유로(25)를 구성 가능한 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설하여 수행할 수 있다. 유로관(27)에는 기체 확산층(23)과 유로관(27)의 내부를 연통 가능한 입구(27a), 연통홀들(27c) 및 출구(27b) 등이 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 유로관(27)은, 기체 확산층(23)에 2층 이상의 유로관(27)을 내장 배치 가능하도록 기체 확산층(23)의 두께의 0.5배 미만의 직경을 갖는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이러한 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설할 때에는, 입구(27a), 연통홀들(27c) 및 출구(27b)를 통해 기체 확산층(23)의 조각과 같은 이물질이 유로관(27)의 내부로 유입되는 것을 차단하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 얼음(I)이 내부에 충전된 상태인 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설한 후, 얼음(I)이 녹도록 유로관(27)을 해동할 수 있다.

예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 유로관(27)의 내경과 비슷한 외경을 갖는 버팀봉(S1)이 내부에 삽입된 상태인 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설한 후, 버팀봉(S1)을 유로관(27)의 내부로부터 인출할 수 있다.

예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 유로관(27)의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 버팀봉(S2)이 내부에 삽입됨과 함께 유로관(27)의 내측면과 버팀봉(S2)의 외측면 사이에 얼음(I)이 충전된 상태인 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설한 후, 얼음(I)이 녹도록 유로관(27)을 해동함과 함께 버팀봉(S2)을 유로관(27)의 내부로부터 인출할 수 있다.

예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 유로관(27)의 외경에 비해 큰 내경을 갖는 중공봉(S3)의 중공(H)에 삽입된 상태인 유로관(27)을 기체 확산층(23)에 매설한 후, 중공봉(S3)을 유로관(27)으로부터 분리할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 연료전지용 단위 셀
10 : 전해질막
20 : 전극
21 : 미세 기공층
23 : 기체 확산층
25 : 유체 유로
27 : 유로관
27a : 입구
27b : 출구
27c : 연통홀
29 : 유로홀
30 : 분리판
32 : 랜드
34 : 공기 채널
W : 생성수
A : 공기
A, W : 유체

Claims (21)

1. 전해질막;
   상기 전해질막의 일면에 배치되는 전극;
   상기 전극의 일면에 배치되는 기체 확산층; 및
   상기 기체 확산층을 유동하는 유체가 내부로 유입되거나 상기 내부로 유입된 상기 유체가 상기 기체 확산층으로 배출되도록, 상기 기체 확산층에 각각 내장 배치되는 적어도 하나의 유체 유로들을 포함하고,
   상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층과 상기 유체 유로의 상기 내부를 연통하는 복수의 연통홀들을 구비하고,
   상기 연통홀들은, 상기 기체 확산층을 유동하는 유체 중 액상의 생성수가 모세관 현상으로 상기 유체 유로의 상기 내부로 유입되게 하는 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 기체 확산층에 공급하기 위한 반응 가스 또는 상기 기체 확산층으로부터 배출된 상기 유체를 미리 정해진 이송 방향을 따라 각각 이송하는 복수의 채널들을 구비하며, 상기 기체 확산층의 일면에 배치되는 분리판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
3. 제2항에 있어서,
   상기 분리판은, 상기 기체 확산층의 일면과 접촉되도록 배치되는 복수의 랜드들을 더 구비하고,
   상기 유체 유로들 중 적어도 하나는, 상기 랜드들 중 어느 하나와 상기 전극 사이에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
4. 제2항에 있어서,
   상기 유체 유로들은 각각, 상기 이송 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
5. 제4항에 있어서,
   상기 유체 유로들은 각각, 상기 채널들의 상류 쪽에 위치한 일측 단부에 형성되는 입구와, 상기 채널들의 하류 쪽에 위치한 타측 단부에 형성되는 출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
6. 제5항에 있어서,
   상기 입구는 상기 출구에 비해 작은 개방 면적을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
7. 제6항에 있어서,
   상기 입구는, 상기 출구에 비해 작은 개방 면적을 갖도록 형성되는 적어도 하나의 홀을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 유체 유로들 중 적어도 하나는, 상기 기체 확산층에 매설된 유로관으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
10. 제9항에 있어서,
    상기 유로관은, 상기 기체 확산층과 동일한 재질 또는 중공 사막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
11. 삭제
12. 제1항에 있어서,
    상기 연통홀들은 각각, 상기 유체 유로의 직경의 0.5배 미만의 직경을 갖는 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
13. 제1항에 있어서,
    상기 유체 유로들은 각각, 상기 기체 확산층의 두께의 0.5배 미만의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위 셀.
14. (a) 기체 확산층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 기체 확산층과 연통되도록 형성된 적어도 하나의 유체 유로를 상기 기체 확산층에 내장 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층과 상기 유체 유로의 내부를 연통하는 복수의 연통홀들을 구비하고,
    상기 연통홀들은, 상기 기체 확산층을 유동하는 유체 중 액상의 생성수가 모세관 현상으로 상기 유체 유로의 상기 내부로 유입되게 하는 직경으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.
15. 제14항에 있어서,
    (c) 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에 수행하며, 상기 기체 확산층을 두께 방향으로 미리 정해진 압력으로 가압한 경우에 상기 기체 확산층이 미리 정해진 기준 압축량 미만만큼 압축되도록, 상기 기체 확산층을 압축 가공하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.
16. 제15항에 있어서,
    상기 (c) 단계는, 상기 기체 확산층을 상기 두께 방향으로 미리 정해진 횟수만큼 반복적으로 압축 및 압축 해제하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.
17. 삭제
18. 제14항에 있어서,
    상기 (b) 단계는, 상기 유체 유로를 구성 가능한 유로관을 상기 기체 확산층에 매설하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.
19. (a) 기체 확산층을 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 기체 확산층과 연통되도록 형성된 적어도 하나의 유체 유로를 상기 기체 확산층에 내장 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 (b) 단계는, 상기 유체 유로를 구성 가능한 유로관을 상기 기체 확산층에 매설하여 수행하고,
    상기 (b) 단계는, 얼음이 내부에 충전된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 유로관을 해동하거나, 버팀봉이 상기 내부에 삽입된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 버팀봉을 상기 내부로부터 인출하거나, 상기 유로관의 내경에 비해 작은 외경을 갖는 상기 버팀봉이 상기 내부에 삽입됨과 함께 상기 유로관의 내측면과 상기 버팀봉의 외측면 사이에 상기 얼음이 충전된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 유로관을 해동함과 함께 상기 버팀봉을 상기 내부로부터 인출하거나, 상기 유로관의 외경에 비해 큰 내경을 갖는 중공봉의 중공에 삽입된 상태인 상기 유로관을 상기 기체 확산층에 매설한 후 상기 중공봉을 상기 유로관으로부터 분리하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.
20. 삭제
21. 제14항에 있어서,
    상기 유체 유로는, 상기 기체 확산층의 두께의 0.5배 미만의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체 확산층 제조 방법.

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