KR102581912B1 - Pem 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 애노드(Anode) 분리판, 캐소드(Cathode) 분리판, 애노드 분리판과 캐소드 분리판 사이에 위치하고, 내부에서 이온교환 과정이 이루어지는 일체형 가스켓(Gasket)-막전극접합체(MEA), 애노드 분리판과 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하고, 애노드 분리판에 수소를 공급하는 애노드 수소공급채널 및 캐소드 분리판과 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하는 다공성 분리판을 포함하는 연료전지 싱글 셀(Single cell)에 대한 발명이다. 일체형 가스켓-막전극접합체와 다공성 분리판을 연료전지 내부 구조에 도입함으로써, 반응 기체의 기밀성, 이온교환 반응의 효율, 유지보수의 편의성을 증대시키는 발명이다.

Description

PEM 연료전지 {PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL}
본 개시는 PEM 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일체형 가스켓(Gasket)-막전극접합체(MEA) 및 다공성 분리판을 포함하는 PEM 연료전지에 관한 것이다.
최근에는 석유, 석탄 등의 연소를 통한 에너지 확보의 환경 오염 문제가 대두되자, 환경에 부정적 영향을 초래하지 않으며, 지속 가능한 형태의 에너지 확보 방안에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
특히, 수소와 산소를 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 연료전지에 대한 관심도가 높아지고 있다. 이러한 연료전지는 환경에 부정적 영향을 초래하는 유해 물질을 배출하지 않고, 반응의 결과물로 물을 배출한다는 점에 있어서, 지속 가능한 형태의 에너지 확보 방안의 대표적 사례로 볼 수 있다.
이와 같은 연료전지는, 수소 분자가 수소이온 및 전자로 분리되는 애노드(Anode) 분리판, 산소 분자가 전자와 만나게 되는 캐소드(Cathode) 분리판, 이온교환 반응이 일어나는 이온교환막 등으로 이루어져 있다.
종래의 연료전지는, 연료전지 내부로 유입되는 수소와 산소가 적층된 연료전지 구성 부재들 사이의 틈을 통해 바깥으로 새어나가는 문제점이 있었고, 이로 인핸 효율 저하 문제점이 있었다. 또한, 캐소드 분리판의 산소 유로의 형상으로 인해 산소 유로를 통해 유입된 산소가 연료전지의 단면 전반에 걸쳐 고른 면압을 받지 못하여 산소의 공급이 원활하지 않거나 연료전지 내부 구조에 따른 효율 저하에 대한 문제점이 있었다.
본 개시는 상술한 문제를 개선하기 위해 고안된 것으로, 본 개시의 목적은 연료전지의 구성요소인 가스켓과 막전극접합체를 일체형으로 구성하여 수소 및 산소의 기밀성을 높이고, 캐소드 분리판과 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 다공성 분리판을 도입하여 산소 공급의 균일성, 원활성을 증대시키고, 내부 구조에 따른 반응 조건을 개선하여 연료전지의 효율 증대 효과를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 실시 예에 따른 PEM 연료전지는, 애노드 분리판, 캐소드 분리판, 상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판 사이에 위치하고, 내부에서 이온교환 과정이 이루어지는 일체형 가스켓-막전극접합체, 상기 애노드 분리판과 상기 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하고, 상기 애노드 분리판에 수소를 공급하는 애노드 수소공급채널 및 상기 캐소드 분리판과 상기 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하는 다공성 분리판을 포함하는 연료전지 싱글 셀(Single cell)을 포함할 수 있다.
한편, 상기 연료전지 싱글 셀은 상기 연료전지 싱글 셀의 양 끝단에 결합되어, 상기 애노드 분리판, 상기 애노드 수소공급채널, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체, 상기 다공성 분리판, 상기 캐소드 분리판을 밀착시키는 원형 가스켓을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 애노드 분리판은, 평행하게 배치된 복수의 수소 유로를 가질 수고, 상기 캐소드 분리판은, 평행하게 배치된 복수의 산소 유로를 가질 수 있고, 상기 애노드 수소공급채널의 수소공급관의 일부가 상기 애노드 분리판에 연결될 수 있다.
한편, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체는, 수소 기체가 확산되는 제1 가스 확산층, 산소 기체가 확산되는 제2 가스 확산층, 상기 제1 가스 확산층과 상기 제2 가스 확산층 사이에 위치하고, 이온교환 과정이 이루어지는 이온 교환막, 상기 이온 교환막과 상기 제1 가스 확산층 사이에 위치하는 제1 가스켓 및 상기 이온 교환막과 상기 제2 가스 확산층 사이에 위치하는 제2 가스켓을 포함할 수 있다.
한편, 상기 제1 가스켓 및 상기 제2 가스켓은, 중심부에 상기 이온교환막이 끼워져 결합될 수 있도록 상기 이온교환막과 동일한 형상의 구멍을 포함할 수 있고, 상기 이온교환막이 끼워진 상태에서 서로 맞물려 결합할 수 있는 형상으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 다공성 분리판은, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면이 넓을수록 더 넓은 면적의 다공으로 이루어질 수 있고, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면이 좁을수록 더 좁은 면적의 다공으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 다공성 분리판은, 상기 애노드 분리판 및 상기 캐소드 분리판의 크기와 동일한 크기를 가질 수 있다.
한편, 상기 다공성 분리판은, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면보다 넓은 면적을 가질 수 있다.
한편, 상기 다공성 분리판은, 상기 일체형-막전극접합체와 결합되어 일체형으로 이루어질 수 있다.
한편, 복수의 상기 연료전지 싱글 셀이 적층된 형태로 이루어져 연료전지 스택(Stack)을 구성할 수 있다.
한편, 상기 연료전지 스택은, 상기 적층된 복수의 연료전지 싱글 셀의 양 끝단에 집전판, 절연판 및 끝판을 더 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 일체형 가스켓-막전극접합체를 도입함으로써, 수소 기체와 산소 기체가 밖으로 새어나가는 것을 방지할 수 있다. 또한, 이온교환 과정이 이루어지는 막전극접합체에 문제가 발생한 경우, 별도의 세부적인 분해 작업 없이 일체형 가스켓-막전극접합체를 교환함으로써 유지보수의 편의성을 증대시킬 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따른 다공성 분리판을 도입함으로써, 캐소드 분리판이 일체형 가스켓-막전극접합체와 맞닿아 작용하는 면압이 고르게 분포하도록 할 수 있다. 다공성 분리판은 캐소드 분리판의 산소 기체 유로와 함께 산소 기체 혼합 유로를 구성할 수 있고, 이온교환 반응에서 발생하는 물을 외부로 배출시키는 통로 역할을 할 수 있다. 다공에 수분이 맺혀 연료전지 내부의 습도를 높게 유지함으로써 적합한 이온교환 반응 조건을 유지할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 애노드 분리판을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 캐소드 분리판을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체의 구성을 분해하여 측면에서 바라본 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체를 도시한 사시도이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 다공성 분리판을 도시한 사시도이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 다공성 분리판의 전면과 다공 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 캐소드 분리판과 일체형 가스켓-막전극접합체 및 그 사이에 배치된 다공성 분리판의 측면을 확대하여 도시한 부분 확대도이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 원형 가스켓을 도시한 사시도이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 사시도 및 측면도이다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 스택을 도시한 사시도이다.
본 실시 예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 본 개시의 실시 예의 다양한 변경(modifications), 균등물(equivalents), 및/또는 대체물(alternatives)을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다.
본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
덧붙여, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 개시의 기술적 사상의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시 예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 개시의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 권리범위를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 개시에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
본 개시에서, "A 또는 B," "A 또는/및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는/및 B 중 하나 또는 그 이상"등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, "A 또는 B," "A 및 B 중 적어도 하나," 또는 "A 또는 B 중 적어도 하나"는, (1) 적어도 하나의 A를 포함, (2) 적어도 하나의 B를 포함, 또는 (3) 적어도 하나의 A 및 적어도 하나의 B 모두를 포함하는 경우를 모두 지칭할 수 있다.
본 개시에서 사용된 "제1," "제2," "첫째," 또는 "둘째,"등의 표현들은 다양한 구성요소들을, 순서 및/또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성요소들을 한정하지 않는다.
어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어((operatively or communicatively) coupled with/to)" 있다거나 "접속되어(connected to)" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)를 통하여 연결될 수 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소(예: 제1 구성요소)가 다른 구성요소(예: 제2 구성요소)에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 어떤 구성요소와 다른 구성요소 사이에 다른 구성요소(예: 제3 구성요소)가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 개시에서 사용된 표현 "~하도록 구성된(또는 설정된)(configured to)"은 상황에 따라, 예를 들면, "~에 적합한(suitable for)," "~하는 능력을 가지는(having the capacity to)," "~하도록 설계된(designed to)," "~하도록 변경된(adapted to)," "~하도록 만들어진(made to)," 또는 "~를 할 수 있는(capable of)"과 바꾸어 사용될 수 있다. 용어 "~하도록 구성된(또는 설정된)"은 하드웨어적으로 "특별히 설계된(specifically designed to)" 것만을 반드시 의미하지 않을 수 있다.
대신, 어떤 상황에서는, "~하도록 구성된 장치"라는 표현은, 그 장치가 다른 장치 또는 부품들과 함께 "~할 수 있는" 것을 의미할 수 있다.
한편, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시에 따른 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 1을 참조하면, 애노드(Anode)에 수소 기체를 공급하는 애노드 분리판(110)과 캐소드(Cathode)에 산소 기체를 공급하는 캐소드 분리판(120)은 연료전지 싱글 셀의 양 끝에 배치될 수 있다. 애노드 분리판(110)과 캐소드 분리판(120) 사이에 애노드 분리판에 수소 기체를 공급하는 애노드 수소공급채널(140), 내부에서 이온교환과정이 일어나는 일체형 가스켓-막전극접합체(130), 연료전지 내부로 유입된 산소 기체가 통과하게 되는 다공성 분리판(150)이 배치될 수 있다.
여기서, 애노드 수소공급채널(140)은 일체형 가스켓-막전극접합체(130)와 애도드 분리판(110) 사이에 위치할 수 있고, 다공성 분리판(150)은 일체형 가스켓-막전극접합체(130)와 캐소드 분리판(120) 사이에 배치될 수 있다.
일체형 가스켓-막전극접합체는 구체적으로, 수소 기체가 확산되는 제1 가스 확산층(130-1), 제1 가스켓(130-4), 이온교환 과정이 이루어지는 이온교환막(130-3), 제2 가스켓(130-5), 산소 기체가 확산되는 제2 가스 확산층(130-2)이 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시 예에 따른 연료전지 싱글 셀은, 위 각 부재들이 적층된 상태에서, 각 부재들의 단면의 상단과 하단 위치한 구멍을 통해 결합되는 원형 가스켓(160)을 포함할 수 있다. 적층된 연료전지 각 부재들은 원형 가스켓을 통해 더욱 강하게 밀착된 상태로 고정되고, 연료전지 내부로 유입되는 수소 기체와 산소 기체가 외부로 유출되지 않도록 한다.
이하에서, 도 2 내지 11을 통해 연료전지 싱글 셀을 구성하는 각 부재들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 애노드 분리판(110)을 도시한 사시도이다.
애노드 분리판(110)은 수소 기체가 원활하게 공급되고 확산되어 반응이 이루어질 수 있도록, 표면에 수소 기체의 유로(110-2)를 포함할 수 있다. 수소 기체의 유로(110-2)는 수소 기체가 원활하게 공급될 수 있도록 평행하게 배치된 복수의 직선 유로 일 수 있다. 수소 기체 유로(110-2)는 도 2에 도시된 바와 같이 세로 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있지만, 이에 국한되지 않고, 가로 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있다. 또한, 수소 기체 유로(110-2)는 가로 또는 세로가 아닌 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있다. 또한, 수소 기체가 원활하게 공급될 수 있도록, 복수의 수소 기체 유로(110-2)는 평행한 복수의 유로 중간 지점이 뚫려 연결된 형태로 이루어질 수 있다.
수소 기체 유로(110-2)의 단면은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형 등의 모양으로 이루어질 수 있다.
다만, 이에 국한되지 않고 수소 기체의 원활한 유동을 위해 적합한 구조와 단면으로 구성될 수 있다.
애노드 분리판(110)은 다른 부재들과 함께 적층되어 연료전지 싱글 셀을 구성할 수 있도록, 일정한 형태를 갖는 프레임(110-1)을 포함할 수 있으며, 애노드 분리판(110)은 수소 기체의 유로(110-2)가 배치된 곳을 제외한 프레임(110-1) 상단과 하단 부분에 원형 가스켓(160)이 결합될 수 있는 구멍(110-3)을 포함할 수 있다. 다만, 원형 가스켓(160)이 원형이 아닌 타원형, 다각형 등의 모양을 갖는 경우, 원형 가스켓(160)이 끼워지는 구멍에 크기도 이에 대응되는 모양을 가질 수 있다.
애노드 분리판(110)의 프레임(110-1)은 도 2에 도시된 바와 같이 직사각형 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되지 않고 원형, 타원형, 다각형의 형태로 이루어질 수 있다.
여기서, 애노드 분리판(110)에 수소 기체를 공급하는 애노드 수소공급채널(140)이 애노드 분리판(110)의 수소 기체 유로(110-2)가 배치된 곳을 제외한 프레임(110-1)의 상단과 하단에 배치되어 결합될 수 있다. 애노드 수소공급채널(140)은 수소 기체의 통로 역할을 하며, 애노드 수소공급채널(140)의 일부 유로가 애노드 분리판(110)의 수소 기체 유로(110-2)에 연결되어 수소 기체가 애노드 분리판으로 공급되도록 구성될 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 캐소드 분리판(120)을 도시한 사시도이다.
캐소드 분리판(120)은 산소 기체가 원활하게 공급되고 확산되어 반응이 이루어질 수 있도록, 표면에 산소 기체의 유로(120-2)를 포함할 수 있다. 산소 기체의 유로(120-2)는 산소 기체가 원활하게 공급될 수 있도록 평행하게 배치된 복수의 직선 유로 일 수 있다. 산소 기체 유로(120-2)는 도 3에 도시된 바와 같이 가로 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있지만, 이에 국한되지 않고, 세로 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있다. 또한, 산소 기체 유로(120-2)는 가로 또는 세로가 아닌 방향으로 평행한 복수의 유로로 이루어질 수 있다. 또한, 산소 기체가 원활하게 공급될 수 있도록, 복수의 산소 기체 유로(120-2)는 평행한 복수의 유로 중간 지점이 뚫려 연결된 형태로 이루어질 수 있다.
산소 기체 유로(120-2)의 단면은 정사각형, 직사각형, 원형, 타원형 등의 모양으로 이루어질 수 있다.
다만, 이에 국한되지 않고 산소 기체의 원활한 유동을 위해 적합한 구조와 단면으로 구성될 수 있다.
캐소드 분리판(120)은 다른 부재들과 함께 적층되어 연료전지 싱글 셀을 구성할 수 있도록, 일정한 형태를 갖는 프레임(120-1)을 포함할 수 있으며, 캐소드 분리판(120)은 산소 기체의 유로(120-2)가 배치된 곳을 제외한 프레임(120-1) 상단과 하단 부분에 원형 가스켓(160)이 결합될 수 있는 구멍(120-3)을 포함할 수 있다. 다만, 원형 가스켓(160)이 원형이 아닌 타원형, 다각형 등의 모양을 갖는 경우, 원형 가스켓(160)이 끼워지는 구멍에 크기도 이에 대응되는 모양을 가질 수 있다.
캐소드 분리판(120)의 프레임(120-1)은 도 2에 도시된 바와 같이 직사각형 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 국한되지 않고 원형, 타원형, 다각형의 형태로 이루어질 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 4를 참조하면, 일체형 가스켓-막전극접합체는 제1 가스 확산층(130-1), 제1 가스켓(130-4), 이온교환막(130-3), 제2 가스켓(130-5), 제2 가스 확산층(130-2)이 적층된 구조로 이루어질 수 있다.
제1 가스 확산층(130-1)과 제2 가스 확산층(130-2)이 일체형 가스켓-막전극접합체의 가장 바깥 쪽에 위치하며, 제1 가스 확산층(130-1)을 통해 외부에서 유입된 수소 기체가 확산되고, 제2 가스 확산층(130-2)를 통해 외부에서 유입된 산소 기체가 확산될 수 있다. 이와 같이 제1 가스 확산층(130-1)과 제2 가스 확산층(130-2)은 수소 기체와 산소 기체가 확산되어 반응이 일어나는 이온교환막(130-3)으로 이동할 수 있도록 하는 역할을 한다.
이온교환막(130-3)은 전자는 통과할 수 없으며, 수소 이온만 통과할 수 있도록 할 수 있다. 도 4를 참조하면, 제1 가스 확산층(130-1), 제1 가스켓(130-4), 이온교환막(130-3), 제2 가스켓(130-5), 제2 가스 확산층(130-2)이 순서대로 적층된 형태를 갖는 일체형 가스켓-막전극접합체의 중심부에서 수소이온이 이온교환막(130-3)을 통과하여 산소기체 및 전자와 결합하여 물과 열을 발생시키면서, 전기 에너지를 생산할 수 있다.
여기서, 제1 가스 확산층(130-1)과 이온교환막(130-3) 사이에 촉매 층(미도시)이 배치될 수 있고, 제2 가스 확산층(130-2)과 이온교환막(130-3) 사이에 촉매 층(미도시)이 배치될 수 있다. 촉매 층은 Ni, Pt, Ag, 고분자 전해질, 바인더(Binder) 등으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 국한되지 않고, 이온교환 과정이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 다른 화합물로 이루어질 수 있다.
제1 가스 확산층(130-1)과 이온교환막(130-3) 사이에 제1 가스켓(130-4)이 배치될 수 있고, 제2 가스 확산층(130-2)과 이온교환막(130-3) 사이에 제2 가스켓(130-5)이 배치될 수 있다.
제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)은 제1 가스 확산층(130-1), 이온교환막(130-3), 제2 가스 확산층(130-2)이 안정적으로 결합될 수 있도록 하는 지지대 역할을 수행할 수 있고, 수소 기체와 산소 기체가 연료전지 바깥으로 새어나가지 않도록 밀봉하는 역할을 수행할 수 있다.
제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)은 합성 수지, 고무, 세라믹, 금속 등으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 국한되지 않고, 내열성, 기계적 강도가 우수한 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
제1 가스켓(130-4)은 프레임의 상단과 하단에 구멍이 뚫려 제2 가스켓(130-5)의 상단과 하단 부분과 끼워져 결합되도록 이루어질 수 있다. 도 4를 참조하면 이 구멍은 제1 가스켓(130-4)의 상단과 하단에 각각 프레임 형태를 따라 직사각형 형태로 이루어져 있지만, 이에 국한되지 않고, 제2 가스켓(130-5)의 상단 및 하단 부분과 끼워져 결합할 수 있도록 원형, 타원형, 정사각형, 다각형 등의 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 가스켓(130-4)은 중심 부분에 얇은 테두리 형태의 프레임을 제외하고 구멍이 뚫려 있어, 제1 가스 확산층(130-1)과 이온교환막(130-3)이 인접하여 배치될 수 있도록 할 수 있다.
제2 가스켓(130-5)은 프레임의 상단과 하단 부분이 제1 가스켓(130-4)의 상단과 하단 부분에 뚫린 직사각형 모양과 끼워질 수 있도록 그에 대응되는 형태를 가질 수 있다. 이에 더해, 제2 가스켓(130-5)의 상단과 하단에 각각 원형 가스켓(160)이 결합할 수 있도록 하는 구멍이 뚫려 있을 수 있다. 다만, 원형 가스켓(160)이 원형이 아닌 타원형, 다각형 등의 모양을 갖는 경우, 원형 가스켓(160)이 끼워지는 구멍에 크기도 이에 대응되는 모양을 가질 수 있다.
제2 가스켓(130-5)의 중심 부분에는 구멍이 뚫려 있어, 제2 가스 확산층(130-2)과 이온교환막(130-3)이 인접하여 배치되고, 제2 가스 확산층(130-2)과 이온교환막(130-3)이 제2 가스켓(130-5)의 중심 부분의 구멍에 끼워져 결합되도록 구성될 수 있다.
일체형 가스켓-막전극접합체(130)는 제1 가스 확산층(130-1), 제1 가스켓(130-4), 이온교환막(130-3), 제2 가스켓(130-5), 제2 가스 확산층(130-2)이 적층 구조로 압착되어 일체형으로 결합된 형태로 이루어질 수 있다.
이러한 일체형 가스켓-막전극접합체(130)는 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5) 사이에 이온교환막(130-3)을 배치한 상태에서 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 프레임 상단과 하단부가 끼워져 결합되고, 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 중심부 구멍에 이온교환막(130-3)이 끼워져 결합될 수 있다. 또한, 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 중심부 구멍에 제1 가스 확산층(130-1) 및 제2 가스 확산층(130-2)이 끼워져 결합될 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 구성을 분해하여 측면에서 바라본 도면이다.
도 5를 참조하면, 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 중심부 구멍에 제1 가스 확산층(130-1), 이온교환막(130-3), 제2 가스 확산층(130-2)이 끼워져 결합될 수 있도록 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 가로, 세로 길이가 제1 가스 확산층(130-1), 이온교환막(130-3), 제2 가스 확산층(130-2)의 가로, 세로 길이 보다 큰 값을 가지도록 할 수 있다.
또한, 제1 가스켓(130-4)과 제2 가스켓(130-5)의 중심부 구멍에 제1 가스 확산층(130-1), 이온교환막(130-3), 제2 가스 확산층(130-2)이 끼워져 결합될 수 있도록, 제1 가스 확산층(130-1), 이온교환막(130-3), 제2 가스 확산층(130-2)의 가로, 세로 길이 및 단면적이 모두 동일하거나, 실질적으로 큰 차이가 없도록 이루어질 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 일체형 가스켓-막전극접합체(130)를 도시한 사시도이다.
도 6을 참조하면, 제2 가스 확산층(130-2)은 제2 가스켓(130-5)의 중심부에 끼워져 결합될 수 있다. 제2 가스켓(130-5)은 제1 가스켓(130-4)과 맞닿아 결합되어 가스켓-막전극접합체가 일체형이 될 수 있도록 구성될 수 있다. 도 6에는 도시되지 않았지만, 제1 가스 확산층(130-1)은 제1 가스켓(130-4)의 중심부에 끼워져 결합될 수 있다.
이와 같이 가스켓-막전극접합체가 일체형으로 이루어져, 수소 기체와 산소 기체가 바깥으로 새어나가는 현상을 방지할 수 있으며, 유지 보수의 경우에도, 1 가스 확산층(130-1), 제1 가스켓(130-4), 이온교환막(130-3), 제2 가스켓(130-5), 제2 가스 확산층(130-2)을 따로 교환하지 않고 일체형 가스켓-막전극접합체(130)를 교환함으로써, 용이한 유지 보수가 가능하다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 다공성 분리판(150)을 도시한 사시도이다.
도 7을 참조하면, 다공성 분리판(150)은 프레임(150-1), 다공부(150-2), 원형 가스켓(160)이 결합될 수 있는 구멍(150-3)으로 이루어질 수 있다.
프레임(150-1)은 연료전지의 다른 적층 부재들과 맞닿아 결합될 수 있고, 다공성 분리판을 지지하는 역할을 수행할 수 있으며, 프레임(150-1)의 상단과 하단 부분에 원형 가스켓(160)이 끼워져 결합할 수 있는 구멍(150-3)을 포함할 수 있다. 다만, 원형 가스켓(160)이 원형이 아닌 타원형, 다각형 등의 모양을 갖는 경우, 원형 가스켓(160)이 끼워지는 구멍에 크기도 이에 대응되는 모양을 가질 수 있다.
다공성 분리판(150)의 프레임(150-1)의 바깥 부분의 가로 및 세로 길이는 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 제1 가스켓(130-4) 및 제2 가스켓(130-5)의 프레임의 바깥 부분의 가로 및 세로 길이와 동일한 값을 가질 수 있다. 이 경우, 다공성 분리판(150)과 일체형 가스켓-막전극접합체(130)가 어긋남 없이 보다 안정적으로 결합될 수 있고, 연료전지 싱글 셀 단면 전체에 걸쳐 고르게 면압이 작용하게 할 수 있다.
다공부(150-2)는 미세한 크기의 수 많은 다공으로 이루어질 수 있다. 다공부(150-2)는 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 제2 가스 확산층(130-2)과 인접할 수 있으며, 다공부(150-2)를 통해 산소 기체가 확산되어 통과된다.
다공부(150-2)의 총 면적은 인접하여 배치되는 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 제2 가스 확산층(130-2)의 면적보다 크거나 같은 것으로 이루어질 수 있다. 따라서, 캐소드 분리판(120)과 제2 가스 확산층(130-2) 사이에 배치된 다공성 분리판(150)이 산소 기체의 공급을 방해하지 않고 원활하게 하는 역할을 수행할 수 있다.
다공성 분리판(150)의 다공부(150-2)는 캐소드 분리판(120)의 산소 기체 유로(120-2)와 함께 산소 기체가 공급되는 혼합 유로의 역할을 수행할 수 있다. 캐소드 분리판(120)의 평행하게 배치된 복수의 산소 기체 유로(120-2)를 각각 공급되는 산소 기체가 다공성 분리판(150)의 다공부(150-2)를 통과하면서 혼합 되고 분리되면서 산소 기체가 연료전지 싱글 셀 단면의 전체 부분에 걸쳐 고르게 확산되도록 할 수 있다.
다공성 분리판(150)의 다공부(150-2)는 일체형 가스켓-막전극접합체(130)에서 이온교환과정의 결과로 발생한 물이 원활하게 배출될 수 있도록 하면서, 수 많은 다공(150-4)에 수분이 맺히게 할 수 있어, 연료전지 싱글 셀 내부 습도를 높게 유지하여 이온교환 반응이 일어날 수 있는 최적의 조건을 유지되도록 할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 다공성 분리판(150)의 전면과 다공 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
다공부(150-2)는 미세한 크기의 다공(150-4)으로 이루어질 수 있다. 다공(150-4)의 직경은 나노에서 마이크로 단위로 구성될 수 있으며, 도 8에서 도시한 바와 같이, 원형의 모양을 가질 수 있으며, 이외에도 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 등 다각형으로 이루어질 수 있다.
다공(150-4)의 크기와 모양은 상술한 실시 예에 국한되지 않고 산소 기체가 전체 면에 고르게 확산되어 통과할 수 있도록 하는 크기와 모양으로 구성될 수 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 캐소드 분리판(120)과 일체형 가스켓-막전극접합체(130) 및 그 사이에 배치된 다공성 분리판(150)의 측면을 확대하여 도시한 부분 확대도이다.
도 9를 참조하면, 다공성 분리판(150)은 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 제2 가스 확산층(130-2)와 인접하여 배치될 수 있으며, 반대쪽 면에 캐소드 분리판(120)의 산소 기체 유로(120-2)와 인접하여 배치될 수 있다.
산소 기체가 공급되는 통로와 벽으로 이루어진 산소 기체 유로(120-2)가 일체형 가스켓-막전극접합체(130)에 인접하여 배치되는 경우, 산소 기체 유로(120-2)의 벽 부분이 맞닿아 있는 부분만 더 큰 압력을 받게 되므로, 일체형 가스켓-막전극접합체(130)의 단면 전체에 걸친 고른 면압이 작용할 수 없다. 반면, 도 9와 같이 다공성 분리판(150)이 캐소드 분리판(120)과 일체형 가스켓-막전극접합체(150)의 사이에 배치되면, 캐소드 분리판(120)의 산소 기체 유로(120-2)의 벽 부분이 일체형 가스켓-막전극접합체(130)에 작용하는 압력이 다공성 분리판(150)을 통해 고르게 분산될 수 있어, 이온교환 반응이 전체 면적에 걸쳐 고르게 이루어지도록 할 수 있고, 연료전지 싱글 셀의 전기 에너지 생산 효율이 증대될 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 원형 가스켓을 도시한 사시도이다.
본 개시의 일 실시 예에 따른 연료전지 싱글 셀은, 위 각 부재들이 적층된 상태에서, 각 부재들의 단면의 상단과 하단 위치한 구멍을 통해 결합되는 원형 가스켓(160)을 포함할 수 있다. 적층된 연료전지 각 부재들은 원형 가스켓을 통해 더욱 강하게 밀착된 상태로 고정되고, 연료전지 내부로 유입되는 수소 기체가 외부로 유출되지 않도록 한다.
원형 가스켓(160)은 도 10에 도시된 바와 같이 원형의 링(Ring) 구조를 가질 수 있으나, 이에 국한되지 않고, 단면이 타원형, 다각형인 경우를 포함할 수 있다.
원형 가스켓(160)은 합성 수지, 고무, 세라믹, 금속 등으로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 국한되지 않고, 내열성, 기계적 강도가 우수한 다양한 재질로 이루어질 수 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 싱글 셀의 사시도 및 측면도이다.
연료전지 싱글 셀은 가장 바깥 쪽에 애노드 분리판(110)과 캐소드 분리판(120)이 배치된 상태로 이루어질 수 있으며, 애노드 분리판(110)과 캐소드 분리판(120) 사이에 애노드 수소공급채널(140), 일체형 가스켓-막전극접합체(130), 다공성 분리판(150)을 포함할 수 있다. 또한, 원형 가스켓(160)이 각 부재들의 상단과 하단에 끼워지는 형태로 결합되어 각 부재들이 적층된 구조로 밀착되어 결합될 수 있다.
도 12는 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 스택(1200)의 구성을 도시한 분해 사시도이다.
도 13은 본 개시의 일 실시 예에 따른, 연료전지 스택(1200)을 도시한 사시도이다.
도 12 및 13을 참조하면, 복수의 연료전지 싱글 셀(100)이 적층 구조로 결합되고, 양 끝단에 집전판(1210), 절연체(1220), 끝판(1230)이 결합되어 하나의 연료전지 스택을 구성할 수 있다.
끝판(1230)은 연료전지 스택(1200)을 외부 충격으로부터 보호하기 위해 연료전지 싱글 셀(100)의 단면보다 큰 단면의 넓이를 가질 수 있으며, 강도가 높은 소재로 이루어질 수 있다.
도 12 및 13에 도시된 바와 같이 복수의 연료전지 싱글 셀(100)을 적층하여 연료전지 스택(1200)을 구성하는 경우, 연료전지 내부에 문제가 발생했을 경우, 문제가 발생한 연료전지 싱글 셀(100)만을 교환하여 유지보수의 편의성을 향상시킬 수 있다.
100: 연료전지 싱글 셀
110: 애노드 분리판
120: 캐소드 분리판
130: 일체형 가스켓-막전극접합체
140: 애노드 수소공급채널
150: 다공성 분리판
160: 원형 가스켓

Claims (11)

  1. 애노드(Anode) 분리판;
    캐소드(Cathode) 분리판;
    상기 애노드 분리판과 상기 캐소드 분리판 사이에 위치하고, 내부에서 이온교환 과정이 이루어지는 일체형 가스켓(Gasket)-막전극접합체(MEA);
    상기 애노드 분리판과 상기 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하고, 상기 애노드 분리판에 수소를 공급하는 애노드 수소공급채널;
    상기 캐소드 분리판과 상기 일체형 가스켓-막전극접합체 사이에 위치하는 다공성 분리판; 및
    양 끝단에 결합되어, 상기 애노드 분리판, 상기 애노드 수소공급채널, 상기 일체형 가스켓-막전극접합체, 상기 다공성 분리판, 상기 캐소드 분리판을 밀착시키는 원형 가스켓;을 포함하며,
    상기 애노드 분리판은 평행하게 배치된 복수의 수소 유로를 가지고,
    상기 캐소드 분리판은 평행하게 배치된 복수의 산소 유로를 가지고,
    상기 애노드 수소공급채널의 수소공급관의 일부가 상기 애노드 분리판에 연결되어 있으며,
    상기 다공성 분리판은,
    상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면이 넓을수록 더 넓은 면적의 다공으로 이루어지고,
    상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면이 좁을수록 더 좁은 면적의 다공으로 이루어진 연료전지 싱글 셀(Single cell).
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일체형 가스켓-막전극접합체는,
    수소 기체가 확산되는 제1 가스 확산층;
    산소 기체가 확산되는 제2 가스 확산층;
    상기 제1 가스 확산층과 상기 제2 가스 확산층 사이에 위치하고, 이온교환 과정이 이루어지는 이온 교환막;
    상기 이온 교환막과 상기 제1 가스 확산층 사이에 위치하는 제1 가스켓;및
    상기 이온 교환막과 상기 제2 가스 확산층 사이에 위치하는 제2 가스켓;을 포함하는, 연료전지 싱글 셀.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 가스켓 및 상기 제2 가스켓은,
    중심부에 상기 이온교환막이 끼워져 결합될 수 있도록 상기 이온교환막과 동일한 형상의 구멍을 포함하고,
    상기 이온교환막이 끼워진 상태에서 서로 맞물려 결합할 수 있는 형상으로 이루어진 연료전지 싱글 셀.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 분리판은,
    상기 애노드 분리판 및 상기 캐소드 분리판의 크기와 동일한 크기를 갖는 연료전지 싱글 셀.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다공성 분리판은,
    상기 일체형 가스켓-막전극접합체의 단면보다 넓은 면적을 갖는 연료전지 싱글 셀.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 분리판은,
    상기 일체형 가스켓-막전극접합체와 결합되어 일체형으로 이루어진, 연료전지 싱글 셀.
  10. 복수의 상기 제1항의 연료전지 싱글 셀이 적층된 형태로 이루어진 연료전지 스택(Stack).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 적층된 복수의 연료전지 싱글 셀의 양 끝단에 집전판, 절연판 및 끝판을 더 포함하는, 연료전지 스택.
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