KR102540439B1 - 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체 - Google Patents

Abstract

연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체가 개시된다. 개시된 본 발명의 예시적인 일 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체는 ⅰ)전해질 막의 양면에 전극 막을 형성하고, 전극 막의 가장자리 부분에 서브 가스켓이 접합된 MEA 시트부와, ⅱ)MEA 시트부의 양면 측에서 MEA 시트부의 가장자리 부분을 사이에 두고 MEA 시트부를 통해 상호 결합되며, MEA 시트부의 가장자리 단을 감싸는 프레임부를 포함할 수 있다.

Description

연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체 {MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR FUEL CELL}

본 발명의 실시 예는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료전지 스택은 연료전지들에 의한 수소와 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 일종의 발전 장치이다. 예를 들면, 연료전지 스택은 연료전지 발전소 또는 공공 주택이나 공장 등에서 전력을 생산하며, 차량, 선박, 기차, 비행기 등에서 전기 모터와 같은 구동원을 구동시키는데 사용하고 있다.

연료전지 스택은 수 백 단위의 연료전지(단위 셀)들이 연속적으로 배열된 전기 발생 집합체이다. 연료전지는 막 전극 어셈블리(MEA: Membrane-Electrode Assembly)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판(세퍼레이터 또는 바이폴라 플레이트)이 배치된 구성으로 이루어진다.

연료전지의 핵심부품인 일 예에 따른 막 전극 어셈블리는 전해질 막(membrane)을 중심으로 양쪽에 전극 막으로서의 수소극과 공기극을 형성한다. 그리고 막 전극 어셈블리는 전극 막 및 전해질 막을 보호하고, 연료전지의 조립성을 확보하기 위한 서브 가스켓을 양면의 전극 막 가장자리 부분에 구비하고 있다.

한편, 상기에서와 같은 이와 같은 연료전지 스택은 소정 체적의 인클로저로 밀봉 처리되며 차량 등에 탑재된다. 인클로저는 외부의 수분 및 먼지 등의 이물질이 연료전지 스택으로 유입되는 것을 차단하며, 연료전지 스택을 보호하는 기능을 한다.

다른 한편, 연료전지 스택은 연료전지에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키며, 부산물로서 수분을 생성하는데, 연료전지의 막 전극 어셈블리 특히, 전극 막의 에지 부분을 통해 미세한 수분을 외부로 유출한다.

따라서, 종래 기술에서는 막 전극 어셈블리의 에지 부분에 유출되는 수분이 인클로저의 내부에 습기 형태로 발현됨에 따라, 연료전지 스택을 구성하는 엔드 플레이트, 체결수단 등의 부식을 가속화시킬 수 있다. 이러한 부식의 가속화는 연료전지 스택의 절연 저항을 약화시키는 등 스택 의 내구성을 저하시키는 요인으로 작용하고 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 전해질 막과 전극 막의 에지 부분으로 수분이 유출되는 것을 간단한 구성으로 완전 차단할 수 있도록 한 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체는, ⅰ)전해질 막의 양면에 전극 막을 형성하고, 상기 전극 막의 가장자리 부분에 서브 가스켓이 접합된 MEA 시트부와, ⅱ)상기 MEA 시트부의 양면 측에서 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 사이에 두고 상기 MEA 시트부를 통해 상호 결합되며, 상기 MEA 시트부의 가장자리 단을 감싸는 프레임부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 프레임부는 상호 분리된 상태로 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 부분 및 다른 일면 가장자리 부분을 지지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 프레임부는 돌기와 홀을 포함하는 결합수단을 통해 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 상호 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 프레임부는 상기 MEA 시트부의 일면 측에 배치되며, 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 단부를 지지하는 제1 프레임과, 상기 MEA 시트부의 다른 일면 측에 배치되고, 상기 제1 프레임과 결합되며, 상기 MEA 시트부의 다른 일면 가장자리 단부를 지지하는 제2 프레임을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 프레임은 가장자리 단 내측에서 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 단부를 지지하는 제1 지지 단차를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제2 프레임은 가장자리 단 내측에서 상기 MEA 시트부의 다른 일면 가장자리 단부를 지지하는 제2 지지 단차를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 지지 단차 및 제2 지지 단차는 상기 제1 및 제2 프레임의 상호 결합으로 합쳐지며 상기 상기 MEA 시트부의 가장자리 단을 밀봉하는 밀봉 단으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 프레임에는 설정된 간격으로 이격된 결합 돌기들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제2 프레임에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 통하여 상기 결합 돌기와 결합하는 결합 홀들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분에는 상기 결합 돌기가 끼워지는 관통 홀들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 결합 돌기는 상기 제2 프레임의 내측 면과 마주하는 상기 제1 프레임의 내측 면에 돌출되게 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 결합 돌기에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 상기 제2 프레임의 외측 면을 지지하는 후크 단이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 결합 돌기에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 연료전지 분리판에 구비된 제1 정렬 홈에 끼워지는 제1 정렬 돌기가 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 프레임에는 연료전지 분리판에 구비된 제2 정렬 돌기가 끼워지는 제2 정렬 홈들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 프레임에는 상기 제1 지지 단차의 외측에 제1 밀착 면이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제2 프레임에는 상기 제2 지지 단차의 외측에 상기 제1 밀착 면과 밀착하는 제2 밀착 면이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제1 밀착 면에는 수밀 돌기들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 제2 밀착 면에는 상기 수밀 돌기들과 결합하는 결합 홈들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 MEA 시트부에서 상기 서브 가스켓은 필름 형태로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 프레임부는 상기 서브 가스켓 보다 강성이 큰 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리프로필렌(PP), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 연료전지 스택의 운전 시, 연료전지를 구성하는 MEA 시트부의 가장자리 단으로부터 유출되는 수분을 밀봉 단을 통해 원천적으로 차단할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택 내부의 일정한 습도 유지가 능하여 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있고, 수분이 MEA 시트부의 가장자리 단으로부터 인클로저의 내부로 유출되는 것을 차단함으로써 연료전지 스택의 금속 단품류 등이 수분에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있고, 그 부식으로 인한 연료전지 스택의 절연 저항 저하를 방지할 수 있다.

그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 결합 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 일부 확대 단면 구성도이다.
도4 는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 결합 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)는 연료인 수소와 산화제인 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 연료전지(1)에 구성될 수 있다.

예를 들면, 상기 연료전지(1)는 고분자 전해질 막을 사용한 것으로, 다수 매로 적층되어 연료전지 스택으로 구성되는 바, 연료전지 스택은 연료전지 차량에 장착되며, 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 발생되는 전기 에너지로서 구동 모터(전기 모터 라고도 함) 등을 구동시킬 수 있다.

여기서, 상기 연료전지(1)들은 다수 매로 적층 및 가압되고, 엔드 플레이트와 같은 엔드 구조물과 체결수단을 통해 체결되면서 연료전지 스택으로 구성된다. 상기 연료전지 스택은 인클로저로 밀봉 처리되며 차량에 장착될 수 있다.

상기한 바와 같은 연료전지(1)는 본 발명의 실시 예에 따른 막 전극 어셈블리 구조체(100)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판(3)이 배치되는 단위 셀로 구비된다.

이하에서의"단"은 어느 한쪽의 끝으로 정의할 수 있고,"단부"는 그 끝을 포함하는 일정 부분으로 정의할 수 있다. 그리고 이하에서는 도면을 기준으로 서로 마주하는 면을 내측 면이라고 하고, 그 내측 면에 반대되는 면을 외측 면이라고 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)는 연료전지(1)에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 과정에 생성되는 수분이 에지 부분으로 유출되는 것을 차단할 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)는 기본적으로, MEA 시트부(10)와 프레임부(30)를 포함하며, 이를 구성 별로 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 일부 확대 단면 구성도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에서 상기 MEA 시트부(10)는 전해질 막(11)의 양면에 전극 촉매층으로서의 전극 막(13)을 형성하고, 전해질 막(11) 양측 면의 전극 막(13) 가장자리 부분에 서브 가스켓(15)이 접합된 시트 형태로 구비된다.

여기서, 상기 전해질 막(11)의 일면에 형성되는 전극 막(13)은 애노드 전극층으로 구비될 수 있고, 전해질 막(11)의 다른 일면에 형성되는 전극 막(13)은 캐소드 전극층으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 서브 가스켓(15)은 연료전지(1)들이 적층된 연료전지 스택에서 연료전지(1)들 사이 즉, 분리판(3)과 전극 막(13)의 가장자리 부분 사이를 실링하며, 연료전지(1)들의 조립성을 확보하기 위한 것이다. 이러한 서브 가스켓(15)은 필름 형태로 구비되며, 전극 막(13)의 가장자리 부분에 열 융착 방식으로 접합될 수 있다.

이하에서 언급되는 상기 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분은 전극 막(13)의 가장자리 부분에 서브 가스켓(15)이 접합된 부분으로 정의할 수 있다. 그리고, 이하에서는 상기 MEA 시트부(10)의 양면 가장자리 부분에 대응하는 상관 파트의 대응 면을 내측 면이라 하고, 그 내측 면에 반대되는 면을 외측 면이라고 한다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 프레임부(30)는 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 감싸며 그 가장자리 단을 밀봉하기 위한 것이다. 더 나아가, 상기 프레임부(30)는 MEA 시트부(10)에서 수소와 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 생성된 수분이 MEA 시트부(10)의 에지 부분으로 유출되는 것을 차단하기 위한 것이다.

상기 프레임부(30)는 MEA 시트부(10)의 양면 측에서 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 사이에 두고 그 MEA 시트부(10)를 통해 상호 결합되며, MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 감싸며 밀봉할 수 있다.

상기 프레임부(30)는 상호 분리된 상태로 MEA 시트부(10)의 일면 가장자리 부분 및 다른 일면 가장자리 부분을 지지하고, 돌기와 홀을 포함하는 결합수단을 통해 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 관통하여 상호 결합될 수 있다.

이러한 프레임부(30)는 상호 분리 및 결합 가능한 제1 프레임(31)과 제2 프레임(41)을 포함한다. 여기서, 상기 프레임부(30)는 절연성을 지니며 서브 가스켓(15) 보다 강성이 큰 플라스틱 소재로 이루어진다.

예를 들면, 상기 프레임부(30)의 플라스틱 소재는 폴리프로필렌(PP), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다.

상기 제1 프레임(31)은 MEA 시트부(10)의 일면 가장자리 부분을 제외한 부분을 개방하는 사각 틀 형태로 구비된다. 상기 제1 프레임(31)은 MEA 시트부(10)의 일면 측에 배치된다. 상기 제1 프레임(31)은 내측 면을 통해 MEA 시트부(10)의 일면 가장자리 단부를 지지할 수 있다.

그리고, 상기 제2 프레임(41)은 MEA 시트부(10)의 다른 일면 가장자리 부분을 제외한 부분을 개방하는 사각 틀 형태로 구비된다. 상기 제2 프레임(41)은 MEA 시트부(10)의 다른 일면 측에 배치되고, MEA 시트부(10)를 통하여 제1 프레임(31)과 결합될 수 있다. 상기 제2 프레임(41)은 내측 면을 통해 MEA 시트부(10)의 다른 일면 가장자리 단부를 지지할 수 있다.

이를 위해 상기 제1 프레임(31)은 내측 면의 가장자리 단 내측에서 MEA 시트부(10)의 일면 가장자리 단부를 지지하는 제1 지지 단차(33)를 형성하고 있다. 그리고 상기 제2 프레임(41)은 내측 면의 가장자리 단 내측에서 MEA 시트부(10)의 다른 일면 가장자리 단부를 지지하는 제2 지지 단차(43)를 형성하고 있다.

여기서, 상기 제1 지지 단차(33)는 제1 프레임(31)의 내측 면의 가장자리 단 내측 부분이 외측 부분 보다 얇은 두께를 가지며 형성될 수 있고, 상기 제2 지지 단차(43)는 제2 프레임(41)의 내측 면의 가장자리 단 내측 부분이 외측 부분 보다 얇은 두께를 가지며 형성될 수 있다.

더 나아가, 상기 제1 지지 단차(33) 및 제2 지지 단차(43)는 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 내측 면이 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 사이에 두고 그 MEA 시트부(10)를 통해 상호 결합으로 합쳐지며 MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 밀봉하는 밀봉 단(53)으로 구비될 수 있다.

그리고, 상기 제1 프레임(31)의 내측 면에는 제1 지지 단차(33)의 외측 즉, 상기 내측 면의 외측 부분에 제1 밀착 면(35)이 형성되고, 제2 프레임(41)의 내측 면에는 제2 지지 단차(43)의 외측 즉, 상기 내측 면의 외측 부분에 제1 밀착 면(35)과 밀착하는 제2 밀착 면(45)이 형성된다.

한편, 본 발명의 실시 예에 의한 상기 제1 및 제2 프레임(31, 41)은 위에서 언급한 바 있듯이 이들을 상호 결합하기 위한 돌기와 홀의 결합수단을 포함하고 있다.

상기 결합수단은 제1 프레임(31)의 내측 면에 설정된 간격으로 이격되게 돌출 형성되는 복수 개의 결합 돌기(37)들을 포함한다. 그리고 상기 결합수단은 제2 프레임(41)에 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 통하여 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)가 결합되는 결합 홀(47)들을 포함한다.

더 나아가, 상기 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분에는 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 내측 면 사이에서 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)들이 끼워지는 관통 홀(17)이 형성된다.

이하에서는 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)의 조립 과정 및 작용을 앞서 개시한 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 본 발명의 실시 예에서는 전해질 막(11)을 사이에 두고 이의 양 측면에 전극 막(13)이 형성되고, 그 양 측면의 전극 막(13) 가장자리 부분에 서브 가스켓(15)이 접합된 MEA 시트부(10)를 제공한다. 그리고, 본 발명의 실시 예에서는 사각 틀 형태의 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 제공한다.

여기서, 상기 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분에는 관통 홀(17)들이 형성되어 있고, 제1 프레임(31)에는 관통 홀(17)들에 대응하는 결합 돌기(37)들이 형성되어 있으며, 제2 프레임(41)에는 결합 돌기(37)들에 대응하는 결합 홀(47)들이 형성되어 있다.

본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 제1 지지 단차(33) 및 제2 지지 단차(43) 사이에 MEA 시트부(10)의 가장자리 단부를 두고, 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 가압한다. 여기서, 상기 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)들, MEA 시트부(10)의 관통 홀(17)들 및 제2 프레임(41)의 결합 홀(47)들은 상호 일치된 상태에 있다.

이에, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)들이 MEA 시트부(10)의 관통 홀(17)들을 관통하여 제2 프레임(41)의 결합 홀(47)들에 끼워지며, MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 사이에 두고 그 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분에 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 상호 결합할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분에 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 상호 결합함으로, 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 제1 및 제2 지지 단차(33, 43)가 서로 합쳐진 밀봉 단(53)을 통하여 MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 밀봉할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 프레임(31)의 제1 밀착 면(35)과 제2 프레임(41)의 제2 밀착 면(45)은 상호 밀착되며 상기한 밀봉 단(53)을 형성할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 상기에서와 같은 일련의 과정을 통하여 MEA 시트부(10)의 양면 가장자리 부분에 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 결합한 막 전극 어셈블리 구조체(100)를 조립할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서는 상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판(3)을 배치하여 연료전지(1)를 구성할 수 있다.

상기 연료전지(1)들은 연속적으로 적층(배열)되며, 가압된 상태로 체결수단을 통해 체결되며, 전기 발생 집합체로서의 연료전지 스택으로 구성될 수 있다. 그리고 상기 연료전지 스택은 인클로저에 의해 밀봉 처리되며, 연료전지 차량의 차체에 장착될 수 있다. 이와 같은 연료전지 스택은 연료전지(1)들에 의한 수소와 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키며, 부산물로서 물을 생성한다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(100)에 의하면, MEA 시트부(10)의 가장자리 부분에 제1 및 제2 프레임(31, 41)을 결합한 구조를 통해 이들 프레임(31, 41)의 밀봉 단(53)에 의하여 MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 밀봉할 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택의 운전 시, 연료전지(1)를 구성하는 MEA 시트부(10)의 가장자리 단으로부터 유출되는 수분을 밀봉 단(53)을 통해 원천적으로 차단할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 연료전지 스택 내부의 일정한 습도 유지가 능하여 연료전지 스택의 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에서는 수분이 MEA 시트부(10)의 가장자리 단으로부터 인클로저의 내부로 유출되는 것을 차단함으로써, 연료전지 스택의 금속 단품류 등이 수분에 의해 부식되는 것을 방지할 수 있고, 그 부식으로 인한 연료전지 스택의 절연 저항 저하를 방지할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시 예에서는 필름 형태의 서브 가스켓(15)이 접합된 MEA 시트(10)의 가장자리 부분에 플라스틱 소재의 프레임부(30)를 결합하여 막 전극 어셈블리의 강성을 보강함과 아울러 프레임부(30)를 연료전지(1)들의 적층 기준부로 활용함으로써, 연료전지(1)들의 적층 정렬도를 향상시킬 수 있다.

도4 는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(200)는 전기 실시 예의 구조를 기본으로 하면서, 제2 프레임(41)과 결합하는 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)에 후크 단(61)이 형성된 프레임부(30)를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 후크 단(61)은 결합 돌기(37)의 결합 단 가장자리 부분에 일체로 형성된다. 상기 후크 단(61)은 결합 가장자리 단에 플랜지 후크 형태로 형성된다.

상기 후크 단(61)은, 결합 돌기(37)들이 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 관통하여 제2 프레임(41)의 결합 홀(47)들에 결합되는 때, 결합 홀(47)들을 관통하며 탄성 변형되면서 제2 프레임(41)의 외측 면을 지지한다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 프레임(41)의 결합 홀(47)에 결합되는 결합 돌기(37)와 함께 그 결합 돌기(37)의 후크 단(61)을 통하여 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 결합 강성을 증대시킴으로써, MEA 시트부(10) 가장자리 단의 밀봉 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(200)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(300)는 전기 실시 예의 구조를 기본으로 하면서, 연료전지들의 적층 정렬도를 향상시키기 위한 돌기와 홈이 제1 프레임(31)에 형성된 프레임부(30)를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 프레임부(30)는 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37)들에 형성되는 제1 정렬 돌기(71)를 포함한다. 상기 제1 정렬 돌기(71)는 결합 돌기(37)들의 결합 단 면에 일체로 형성된다. 상기 제1 정렬 돌기(71)는 연료전지들의 적층 시, 연료전지 분리판(3)에 구비된 제1 정렬 홈(5)에 끼워진다.

여기서, 상기 제1 정렬 돌기(71)는, 결합 돌기(37)들이 MEA 시트부(10)의 가장자리 부분을 관통하여 제2 프레임(41)의 결합 홀(47)들에 결합되는 때, 결합 홀(47)들을 관통하여 제2 프레임(41)의 외측 면으로 돌출되게 구비된다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 상기 프레임부(30)는 결합 돌기(37)들에 대응하는 제1 프레임(31)의 외측 면에 형성되는 제2 정렬 홈(72)을 포함한다. 상기 제2 정렬 홈(72)은 연료전지들의 적층 시, 연료전지 분리판(3)에 구비된 제2 정렬 돌기(6)에 끼워진다.

따라서, 막 전극 어셈블리 구조체(300)를 사이에 두고 이의 양측에 분리판(3)을 배치한 연료전지들의 적층 시, 한 막 전극 어셈블리 구조체(300)의 제1 프레임(31)의 제1 정렬 돌기(71)는 연료전지 분리판(3)의 제1 정렬 홈(5)에 끼워진다. 그리고, 연료전지 분리판(3)의 제2 정렬 돌기(6)는 이웃하는 막 전극 어셈블리 구조체(300)의 제1 프레임(31)의 제2 정렬 홈(72)에 끼워진다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 제1 프레임(31)의 제1 정렬 돌기(71) 및 제2 정렬 홈(72) 그리고 연료전지 분리판(3)의 제1 정렬 홈(5) 및 제2 정렬 돌기(6)의 결합을 통하여 연료전지들을 적층할 수 있으므로, 연료전지들의 적층 정렬도를 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(300)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체를 도시한 단면 구성도이다. 도면에서 전기 실시 예의 구성과 동일한 구성에 대해서는 전기 실시 예에서의 도면부호와 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(400)는 전기 실시 예의 구조를 기본으로 하면서, MEA 시트부(10)의 가장자리 단에서 유출되는 수분의 수밀 성능을 향상시키기 위한 돌기와 홈이 형성된 프레임부(30)를 구성할 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 상기 프레임부(30)는 전기 실시 예에서 언급한 바 있는 제1 프레임(31)의 제1 밀착 면(35)에 형성되는 수밀 돌기(81)들을 포함하고 있다. 상기 수밀 돌기(81)들은 제1 밀착 면(35)에서 제2 프레임(41)의 제2 밀착 면(45) 측으로 돌출되게 형성된다.

그리고, 본 발명의 실시 예에서 상기 프레임부(30)는 수밀 돌기(81)들에 대응하여 제2 프레임(41)의 제2 밀착 면(45)에 형성되는 결합 홈(82)들을 포함한다. 상기 결합 홈(82)들은 제1 프레임(31)의 수밀 돌기(81)들과 결합한다.

본 발명의 실시 예에서 상기 제1 프레임(31)의 결합 돌기(37) 및 제2 프레임(41))의 결합 홀(47)을 통한 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 결합 시, 수밀 돌기(81)들이 결합 홈(82)들에 결합됨과 동시에 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 제1 및 제2 밀착 면(35, 45)은 서로 밀착된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 상기 제1 및 제2 프레임(31, 41)의 결합 시, 제1 및 제2 밀착 면(35, 45)이 상호 밀착되면서 수밀 돌기(81)들이 결합 홈(82)들에 결합됨에 따라, MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 통해 유출되는 수분의 외부 누출을 밀봉 단(53)과 함께 차단할 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 MEA 시트부(10)의 가장자리 단을 통해 유출되는 수분이 제1 및 제2 프레임(31, 41) 사이의 밀봉 단(53)을 통해 누출되더라도 제1 및 제2 밀착 면(35, 45) 사이에서의 수밀 돌기(81)들과 결합 홈(82)들의 결합에 의해 제1 및 제2 밀착 면(35, 45) 사이로 누출되는 수분을 차단할 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 제1 및 제2 프레임(31, 41)에 밀봉 단(53) 및 수밀 돌기(81)들과 결합 홈(82)들의 결합 구조를 포함하므로, MEA 시트부(10)의 가장자리 단에서 유출되는 수분의 수밀 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체(400)의 나머지 구성 및 작용 효과는 전기 실시 예와 같으므로, 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

1: 연료전지 3: 분리판
5: 제1 정렬 홈 6: 제2 정렬 돌기
10: MEA 시트부 11: 전해질 막
13: 전극 막 15: 서브 가스켓
17: 관통 홀 30: 프레임부
31: 제1 프레임 33: 제1 지지 단차
35: 제1 밀착 면 37: 결합 돌기
41: 제2 프레임 43: 제2 지지 단차
45: 제2 밀착 면 47: 결합 홀
53: 밀봉 단 61: 후크 단
71: 제1 정렬 돌기 72: 제2 정렬 홈
81: 수밀 돌기 82: 결합 홈
100, 200, 300, 400: 막 전극 어셈블리 구조체

Claims (13)

1. 전해질 막의 양면에 전극 막을 형성하고, 상기 전극 막의 가장자리 부분에 서브 가스켓이 접합된 MEA 시트부; 및
   상기 MEA 시트부의 양면 측에서 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 사이에 두고 상기 MEA 시트부를 통해 상호 결합되며, 상기 MEA 시트부의 가장자리 단을 감싸는 프레임부;를 포함하고,
   상기 프레임부는, 상기 MEA 시트부의 일면 측에 배치되어 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 단부를 지지하는 제1 프레임과, 상기 MEA 시트부의 다른 일면 측에 배치되고 상기 제1 프레임과 결합되어 상기 MEA 시트부의 다른 일면 가장자리 단부를 지지하는 제2 프레임을 포함하며,
   상기 제2 프레임에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하는 상기 제1 프레임의 결합 돌기와 결합하는 결합 홀들이 형성되고,
   서로 결합된 상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임은 상기 MEA시트부의 양측에 각각 배치되는 분리판의 사이에 구비되되, 양측에 각각 배치된 분리판 중 일측의 분리판이 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 각각에 밀착되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 프레임부는,
   상호 분리된 상태로 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 부분 및 다른 일면 가장자리 부분을 지지하고,
   돌기와 홀을 포함하는 결합수단을 통해 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 프레임은 가장자리 단 내측에서 상기 MEA 시트부의 일면 가장자리 단부를 지지하는 제1 지지 단차를 형성하고,
   상기 제2 프레임은 가장자리 단 내측에서 상기 MEA 시트부의 다른 일면 가장자리 단부를 지지하는 제2 지지 단차를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 제1 지지 단차 및 제2 지지 단차는,
   상기 제1 및 제2 프레임의 상호 결합으로 합쳐지며 상기 상기 MEA 시트부의 가장자리 단을 밀봉하는 밀봉 단으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 프레임에는 설정된 간격으로 이격된 결합 돌기들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 MEA 시트부의 가장자리 부분에는 상기 결합 돌기가 끼워지는 관통 홀들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
8. 제6 항에 있어서,
   상기 결합 돌기는 상기 제2 프레임의 내측 면과 마주하는 상기 제1 프레임의 내측 면에 돌출되게 형성되며,
   상기 결합 돌기에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 상기 제2 프레임의 외측 면을 지지하는 후크 단이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
9. 제6 항에 있어서,
   상기 결합 돌기에는 상기 MEA 시트부의 가장자리 부분을 관통하여 연료전지 분리판에 구비된 제1 정렬 홈에 끼워지는 제1 정렬 돌기가 형성되고,
   상기 제1 프레임에는 연료전지 분리판에 구비된 제2 정렬 돌기가 끼워지는 제2 정렬 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
10. 제4 항에 있어서,
    상기 제1 프레임에는 상기 제1 지지 단차의 외측에 제1 밀착 면이 형성되고,
    상기 제2 프레임에는 상기 제2 지지 단차의 외측에 상기 제1 밀착 면과 밀착하는 제2 밀착 면이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 밀착 면에는 수밀 돌기들이 형성되고,
    상기 제2 밀착 면에는 상기 수밀 돌기들과 결합하는 결합 홈들이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
12. 제1 항에 있어서,
    상기 MEA 시트부에서 상기 서브 가스켓은 필름 형태로 구비되며,
    상기 프레임부는 상기 서브 가스켓 보다 강성이 큰 플라스틱 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 플라스틱은 폴리프로필렌(PP), 폴리프로필렌테레프탈레이트(PPT), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 및 나일론(Nylon) 중에서 선택되는 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 막 전극 어셈블리 구조체.

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