KR102585572B1 - Membrane electrode assembly having metal ball grid array type current collecting and pressurized structure and frel cell stack including the same - Google Patents
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Abstract
다공성 금속층과 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포의 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택은 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 일면 상에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된 제1 바이폴라 분리판; 및 상기 막전극 접합체의 타면 상에 적층된 제2 바이폴라 분리판;을 포함하며, 상기 막전극 접합체는 셀 접합용 다공성 금속층을 포함하고, 상기 제1 바이폴라 분리판을 분리판 접합용 다공성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.By joining the porous metal layer and the membrane electrode assembly in a metal ball grid array method, not only can the uniformity of the current distribution of the membrane electrode assembly be improved, but also the porosity through the application of the porous metal layer can be stacked in a pressurized structure. Disclosed is a membrane electrode assembly having a metal ball grid array type current collection and pressurization structure that can be designed, and a fuel cell stack thereof.
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to the present invention includes a membrane electrode assembly; A first bipolar separator bonded to one surface of the membrane electrode assembly using a metal ball grid array method; and a second bipolar separator plate laminated on the other side of the membrane electrode assembly, wherein the membrane electrode assembly includes a porous metal layer for cell bonding, and the first bipolar separator includes a porous metal layer for bonding the separator plate. It is characterized by:
Description
본 발명은 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성 금속층과 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포의 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도 조절에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure in a metal ball grid array method and a fuel cell stack thereof. More specifically, the porous metal layer and the membrane electrode assembly are joined in a metal ball grid array method, Not only can it improve the uniformity of current distribution of the membrane electrode assembly, but it also has a metal ball grid array-type current collection and pressurization structure that can be designed as a pressurized structure by controlling porosity through the application of a porous metal layer. It relates to a membrane electrode assembly and its fuel cell stack.
연료전지는 수소나 천연가스 등의 연료를 산소와 반응시켜 전기를 생산하는 장치로서 높은 효율과 무공해, 무소 음 등의 특성을 인하여 미래의 주요한 에너지 기술의 하나이다.A fuel cell is a device that produces electricity by reacting fuel such as hydrogen or natural gas with oxygen. It is one of the major energy technologies of the future due to its characteristics such as high efficiency, pollution-free, and noise-free.
특히, 고체산화물 연료전지는 전기화학적 에너지 변환장치로서, 고체 전해질과 그 양면에 위치한 공기극 및 연료극으로 이루어진다. 공기극에서는 산소의 환원 반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여 다시 연료극에 공급된 수소와 반응함으로써 물을 생성하게 되고, 이 때, 연료극에서는 전자가 생성되고 공기극에서는 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하면 전기가 흐르게 되는 것이다.In particular, a solid oxide fuel cell is an electrochemical energy conversion device that consists of a solid electrolyte and an air electrode and an anode located on both sides of the solid electrolyte. At the air electrode, oxygen ions generated by the reduction reaction of oxygen move to the anode through the electrolyte and react with the hydrogen supplied to the anode to produce water. At this time, electrons are generated at the anode and electrons are consumed at the air electrode. When two electrodes are connected to each other, electricity flows.
그러나, 공기극, 전해질 및 연료극을 기본으로 하는 막전극 접합체 하나에서 발생하는 전력은 상당히 작기 때문에, 여러 개의 단위 전지를 스택하여 연료전지를 구성함으로써 상당량의 전력을 출력시킬 수 있게 되고, 나아가 다양한 발전 시스템 분야에 적용할 수 있게 된다.However, since the power generated from a single membrane electrode assembly based on an air electrode, an electrolyte, and a fuel electrode is quite small, a considerable amount of power can be output by stacking several unit cells to form a fuel cell, and furthermore, various power generation systems. It can be applied to any field.
이러한 스택을 위해서, 하나의 막전극 접합체의 공기극과 다른 막전극 접합체의 연료극은 전기적으로 연결되어야 할 필요가 있으며, 이를 위해 분리판이 사용된다.For this stack, the air electrode of one membrane electrode assembly and the fuel electrode of the other membrane electrode assembly need to be electrically connected, and a separator plate is used for this purpose.
관련 선행 문헌으로는 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0125759호(2011.11.22. 공개)가 있으며, 상기 문헌에는 탄소 나노 재료를 이용한 연료전지용 막전극접합체 및 이의 제조방법이 기재되어 있다.Related prior literature includes Korean Patent Publication No. 10-2011-0125759 (published on November 22, 2011), which describes a membrane electrode assembly for fuel cells using carbon nanomaterials and a method of manufacturing the same.
본 발명의 목적은 다공성 금속층과 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포의 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도 조절에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택을 제공하는 것이다.The purpose of the present invention is to not only improve the uniformity of current distribution of the membrane electrode assembly by bonding the porous metal layer and the membrane electrode assembly using a metal ball grid array method, but also to control porosity through the application of the porous metal layer. To provide a membrane electrode assembly and a fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure that can be designed as a pressurized stack.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택은 막전극 접합체; 상기 막전극 접합체의 일면 상에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된 제1 바이폴라 분리판; 및 상기 막전극 접합체의 타면 상에 적층된 제2 바이폴라 분리판;을 포함하며, 상기 막전극 접합체는 셀 접합용 다공성 금속층을 포함하고, 상기 제1 바이폴라 분리판을 분리판 접합용 다공성 금속층을 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention includes a membrane electrode assembly; A first bipolar separator bonded to one surface of the membrane electrode assembly using a metal ball grid array method; and a second bipolar separator plate laminated on the other side of the membrane electrode assembly, wherein the membrane electrode assembly includes a porous metal layer for cell bonding, and the first bipolar separator includes a porous metal layer for bonding the separator plate. It is characterized by:
상기 막전극 접합체는 적어도 하나 이상이 적층된다.At least one membrane electrode assembly is stacked.
상기 막전극 접합체는 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층의 상면에 형성된 캐소드층; 상기 고체 전해질층의 하면에 형성된 애노드층; 및 상기 고체 전해질층, 캐소드층 및 애노드층을 지지하는 셀 프레임;을 포함한다.The membrane electrode assembly includes a solid electrolyte layer; A cathode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer; An anode layer formed on the lower surface of the solid electrolyte layer; and a cell frame supporting the solid electrolyte layer, cathode layer, and anode layer.
상기 막전극 접합체는 상기 애노드층의 하면에 형성된 메탈 그리드 코팅층; 및 상기 애노드층 및 메탈 그리드 코팅층의 하면에 배치되어, 상기 애노드층 및 메탈 그리드 코팅층에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된 상기 셀 접합용 다공성 금속층;을 더 포함한다.The membrane electrode assembly includes a metal grid coating layer formed on the lower surface of the anode layer; and a porous metal layer for cell bonding disposed on a lower surface of the anode layer and the metal grid coating layer and bonded to the anode layer and the metal grid coating layer in a metal ball grid array method.
상기 메탈 그리드 코팅층은 상기 애노드층의 하면 상에서 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 격자 형태의 일체형 구조로 형성된다.The metal grid coating layer is formed as an integrated structure in the form of a grid along a first direction and a second direction intersecting the first direction on the lower surface of the anode layer.
상기 메탈 그리드 코팅층은 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 1종 이상의 물질로 형성된다.The metal grid coating layer is formed of one or more materials selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al).
상기 셀 접합용 다공성 금속층은 전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금 및 철 합금 중 어느 하나의 재질로 형성된다.The porous metal layer for cell bonding has a porosity of 50% to 99% of the total volume and is made of any one of nickel, iron, nickel alloy, and iron alloy.
상기 제1 바이폴라 분리판은 제1 캐소드 분리판; 상기 제1 캐소드 분리판 상부에 배치된 제1 애노드 분리판; 및 상기 제1 캐소드 분리판 하부에 배치되어, 상기 막전극 접합체에 접합되는 상기 분리판 접합용 다공성 금속층;을 포함한다.The first bipolar separator includes a first cathode separator; a first anode separator disposed on the first cathode separator; and a porous metal layer for joining the separator plate, which is disposed below the first cathode separator plate and bonded to the membrane electrode assembly.
상기 분리판 접합용 다공성 금속층은 전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금 및 철 합금 중 어느 하나의 재질로 형성된다.The porous metal layer for joining the separator plate has a porosity of 50% to 99% of the total volume and is made of any one of nickel, iron, nickel alloy, and iron alloy.
상기 제1 바이폴라 분리판은 상기 제1 캐소드 분리판과 분리판 접합용 다공성 금속층이 일정한 간격으로 이격되도록 배치되어, 상기 제1 캐소드 분리판과 분리판 접합용 다공성 금속층의 사이에 제1 빈 공간을 구비한다.The first bipolar separator is arranged so that the first cathode separator plate and the porous metal layer for bonding the separator plate are spaced apart at regular intervals, creating a first empty space between the first cathode separator plate and the porous metal layer for bonding the separator plate. Equipped with
상기 분리판 접합용 다공성 금속층과 캐소드층은, 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나를 이용하여 접합된다.The porous metal layer for joining the separator plate and the cathode layer are joined using at least one of brazing, welding, and soldering.
상기 제2 바이폴라 분리판은 제2 캐소드 분리판; 및 상기 제2 캐소드 분리판 상부에 부착된 제2 애노드 분리판;을 포함한다.The second bipolar separator includes a second cathode separator; and a second anode separator attached to the top of the second cathode separator.
상기 제2 바이폴라 분리판은 상기 제2 애노드 분리판과 셀 접합용 다공성 금속층이 일정한 간격으로 이격되도록 배치되어, 상기 제2 애노드 분리판과 셀 접합용 다공성 금속층의 사이에 제2 빈 공간을 구비한다.The second bipolar separator is arranged so that the second anode separator plate and the porous metal layer for cell bonding are spaced apart at regular intervals, and a second empty space is provided between the second anode separator plate and the porous metal layer for cell bonding. .
상기 셀 접합용 다공성 금속층과 애노드층은, 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나를 이용하여 접합된다.The porous metal layer for cell joining and the anode layer are joined using at least one of brazing, welding, and soldering.
상기 연료전지 스택은 SOFC 또는 SOEC로 이용된다.The fuel cell stack is used as SOFC or SOEC.
본 발명에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 제1 바이폴라 분리판 및 막전극 접합체, 그리고 셀 접합용 다공성 금속층 및 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 각각 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포(Current distribution)의 균일성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.The membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array according to the present invention include a first bipolar separator and a membrane electrode assembly, and a porous metal layer for cell bonding and a membrane electrode assembly comprising a metal ball grid. By being individually joined in an array manner, there is a structural advantage of improving the uniformity of current distribution of the membrane electrode assembly.
아울러, 본 발명에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 셀 접합용 다공성 금속층 및 분리판 접합용 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도 조절에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 구조적인 이점을 갖는다.In addition, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to the present invention are pressurized by controlling porosity through the application of a porous metal layer for cell bonding and a porous metal layer for separator bonding. It has the structural advantage of being able to design a stack in a type structure.
또한, 본 발명에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 제1 및 제2 바이폴라 분리판과 막전극 접합체의 사이에 제1 및 제2 빈 공간이 구비됨과 더불어, 다공체 재질로 이루어진 셀 접합용 다공성 금속층과 분리판 접합용 다공성 금속층의 기공도 조절에 의해 막전극 접합체로 공급되는 기체 유량이 증가할 수록 가압이 이루어지게 된다.In addition, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to the present invention include first and second empty spaces between the first and second bipolar separators and the membrane electrode assembly. In addition to this, pressurization is achieved as the gas flow rate supplied to the membrane electrode assembly increases by controlling the porosity of the porous metal layer for cell bonding and the porous metal layer for separator bonding made of a porous material.
이 결과, 본 발명에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 셀 접합용 다공성 금속층과 분리판 접합용 다공성 금속층의 기공도 조절과 더불어, 제1 및 제2 빈 공간의 설계에 의해 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능하므로, 캐소드층에서 발생하는 잔여 공기의 스택 외부 방출을 유도하는 것이 가능해져 스택의 열 관리가 용이해질 수 있게 된다.As a result, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to the present invention adjust the porosity of the porous metal layer for cell bonding and the porous metal layer for separator bonding, and the first And since it is possible to design the stack as a pressurized structure by designing the second empty space, it is possible to induce the discharge of residual air generated in the cathode layer to the outside of the stack, making heat management of the stack easier.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 단면도.
도 2는 막전극 접합체의 캐소드층을 나타낸 평면도.
도 3은 막전극 접합체의 애노드층을 나타낸 평면도.
도 4는 도 1의 막전극 접합체를 확대하여 나타낸 단면도.
도 5는 막전극 접합체의 배면을 나타낸 실측 사진.
도 6은 막전극 접합체의 캐소드층을 구체적으로 나타낸 평면도.
도 7은 막전극 접합체의 애노드층을 구체적으로 나타낸 평면도.
도 8은 도 1의 제1 바이폴라 분리판을 확대하여 나타낸 단면도.
도 9는 도 8의 제1 애노드 분리판 및 제1 캐소드 분리판을 나타낸 평면도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도.1 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a plan view showing the cathode layer of the membrane electrode assembly.
Figure 3 is a plan view showing the anode layer of the membrane electrode assembly.
Figure 4 is an enlarged cross-sectional view of the membrane electrode assembly of Figure 1.
Figure 5 is a measured photograph showing the back of the membrane electrode assembly.
Figure 6 is a plan view specifically showing the cathode layer of the membrane electrode assembly.
Figure 7 is a plan view specifically showing the anode layer of the membrane electrode assembly.
Figure 8 is an enlarged cross-sectional view of the first bipolar separator of Figure 1.
FIG. 9 is a plan view showing the first anode separator and the first cathode separator of FIG. 8.
Figure 10 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention.
Figure 11 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.The advantages and features of the present invention and methods for achieving them will become clear by referring to the embodiments described in detail below along with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and will be implemented in various different forms. The present embodiments only serve to ensure that the disclosure of the present invention is complete and that common knowledge in the technical field to which the present invention pertains is provided. It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, a membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array method and a fuel cell stack thereof according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail as follows.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 단면도이고, 도 2는 막전극 접합체의 캐소드층을 나타낸 평면도이고, 도 3은 막전극 접합체의 애노드층을 나타낸 평면도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a plan view showing the cathode layer of the membrane electrode assembly. , Figure 3 is a plan view showing the anode layer of the membrane electrode assembly.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(100)은 막전극 접합체(120), 제1 바이폴라 분리판(140) 및 제2 바이폴라 분리판(160)을 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 3, the
막전극 접합체(120)는 고체 전해질층(121), 캐소드층(122), 애노드층(123), 셀 프레임(124)을 포함한다. 또한, 막전극 접합체(120)는 메탈 그리드 코팅층(125) 및 셀 접합용 다공성 금속층(126)을 더 포함할 수 있다. 이러한 막전극 접합체(120)는 적어도 하나 이상이 적층될 수 있다.The
제1 바이폴라 분리판(140)은 막전극 접합체(120)의 일면 상에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다. 이러한 제1 바이폴라 분리판(140)은 제1 캐소드 분리판(142), 제1 애노드 분리판(144) 및 분리판 접합용 다공성 금속층(146)을 포함한다.The first
메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합하기 위해, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)는 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나가 이용된다. 이에 따라, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)는 제1 접속 부재(182)를 매개로 접합된다. 즉, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)는 제1 바이폴라 분리판(140)의 분리판 접합용 다공성 금속층(146)과 막전극 접합체(120)의 최상부에 배치된 캐소드층(122) 상호 간이 제1 접속 부재(182)를 매개로 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다.To join the first
이와 마찬가지로, 셀 접합용 다공성 금속층(126)은 막전극 접합체(120)의 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)과 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다. 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합하기 위해, 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 막전극 접합체(120)의 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)은 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나가 이용된다. 이에 따라, 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 막전극 접합체(120)의 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)은 제2 접속 부재(184)를 매개로 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다.Likewise, the
제2 바이폴라 분리판(160)은 막전극 접합체(120)의 타면 상에 적층된다. 이러한 제2 바이폴라 분리판(160)은 제2 캐소드 분리판(162) 및 제2 애노드 분리판(164)을 포함한다.The second
전술한 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 제1 바이폴라 분리판 및 막전극 접합체, 그리고 셀 접합용 다공성 금속층 및 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 각각 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포(Current distribution)의 균일성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.The membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to the above-described embodiment of the present invention include a first bipolar separator and a membrane electrode assembly, and a porous metal layer and membrane electrode for cell bonding. By joining each assembly in a metal ball grid array method, there is a structural advantage of improving the uniformity of current distribution of the membrane electrode assembly.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 셀 접합용 다공성 금속층 및 분리판 접합용 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도의 조절에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 구조적인 이점을 갖는다.In addition, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention have improved porosity through the application of a porous metal layer for cell bonding and a porous metal layer for separator bonding. It has the structural advantage of being able to design a stack in a pressurized structure by adjusting it.
이에 대해서는, 이하 첨부된 도면들을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.This will be described in more detail with reference to the attached drawings below.
도 4는 도 1의 막전극 접합체를 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 5는 막전극 접합체의 배면을 나타낸 실측 사진으로, 도 1과 연계하여 설명하도록 한다.FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of the membrane electrode assembly of FIG. 1, and FIG. 5 is an actual photograph showing the rear of the membrane electrode assembly, which will be described in conjunction with FIG. 1.
도 1, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 막전극 접합체(120)는 고체 전해질층(121), 캐소드층(122), 애노드층(123), 메탈 그리드 코팅층(125), 셀 접합용 다공성 금속층(126) 및 셀 프레임(124)을 포함한다.As shown in FIGS. 1, 4, and 5, the
고체 전해질층(121)은 가스를 투과시키지 않아야 하며, 전자전도성은 없으나 산소이온 전도성은 높아야 한다. 이를 위해, 고체 전해질층(121)은 란타늄-스트론튬-갈륨-마그네슘 산화물(LSGM), 지르코니아(ZrO2)계 산화물, 세리아(CeO2)계 산화물 등에서 선택된 1종 이상의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
캐소드층(122)은 고체 전해질층(121)의 상면에 형성된다. 이러한 캐소드층(122)은 사마리움-스트론튬-코발트 산화물(Samarium strontium cobalt oxide: SSC), 란타늄-스트론튬-망간 산화물(LSM), 란타늄-스트론튬-코발트 산화물(LSC), 란타늄-스트로튬-코발트-철 산화물(LSCF), 바륨-스트론튬-코발트-철 산화물(BSCF) 등에서 선택된 1종 이상의 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
애노드층(123)은 고체 전해질층(121)의 하면에 형성된다. 이러한 애노드층(123)은 니켈-철 합금, 니켈 및 안정화 지르코니아(Stabilized Zirconia)의 복합체 재질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이러한 애노드층(123)에서는 산소가 전자를 받아 산소이온으로 되어 고체 전해질층(121)을 통과하고, 캐소드층(122)에서는 산소이온이 전자를 방출하고 수소가스와 반응하여 수증기가 형성된다.The
도면으로 도시하지는 않았지만, 고체 전해질층(121)과 애노드층(123) 사이에는 버퍼층(미도시)이 더 형성되어 있을 수 있다. 이러한 버퍼층은 고체 전해질층(121)과 애노드층(123) 간의 이온 확산이 발생하는 것을 원천적으로 방지하는 역할을 한다.Although not shown in the drawing, a buffer layer (not shown) may be further formed between the
메탈 그리드 코팅층(125)은 애노드층(123)의 하면에 형성된다. 이때, 메탈 그리드 코팅층(125)은 전기전도성이 우수한 금속 물질로 이루어지며, 격자 구조로 설계되어 집전 효율을 향상시키는 역할을 한다. 이를 위해, 메탈 그리드 코팅층(125)은 전기전도성이 우수한 금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 1종 이상의 금속 물질로 형성되는 것이 바람직하다.The metal
이러한 메탈 그리드 코팅층(125)은 애노드층(123)의 하면 상에서 제1 방향 및 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 격자 형태의 일체형 구조로 형성되는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 메탈 그리드 코팅층(125)은 제1 방향을 따라 복수개가 평행하게 이격 배치되는 제1 메탈 그리드 패턴(125a)과 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수개가 평행하게 이격 배치되는 제2 메탈 그리드 패턴(125b)을 포함한다.It is more preferable that the metal
셀 접합용 다공성 금속층(126)은 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)의 하면에 배치되어, 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다.The
여기서, 셀 접합용 다공성 금속층(126)은 전기전도성이 우수한 3차원 다공성 구조로 이루어진다. 이를 위해, 셀 접합용 다공성 금속층(126)은 전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 등에서 선택된 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.Here, the
메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합하기 위해, 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)은 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나가 이용된다. 이에 따라, 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 애노드층(123) 및 메탈 그리드 코팅층(125)은 제2 접속 부재(184)를 매개로 접합된다. 이때, 제2 접속 부재(184)는 금, 구리, 철, 니켈 및 알루미늄 중 1종 이상을 포함하는 금속 페이스트 또는 금속 물질이 이용된다.To join the cell joining
이와 같이, 본 발명에서는 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 막전극 접합체(120)가 금속 페이스트를 솔더링시키거나, 금속 물질을 브레이징 또는 용접 처리하여 형성되는 제2 접속 부재(184)를 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 막전극 접합체(120) 간의 접합이 견고해 우수한 접합력을 발휘할 수 있으면서, 제2 접속 부재(184)의 형성 위치를 일정한 간격으로 이격되도록 배치시키는 것이 가능해질 수 있게 된다.As such, in the present invention, the
이 결과, 본 발명은 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 막전극 접합체(120)가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체(120)의 전류 분포(Current distribution)의 균일성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.As a result, the present invention improves the uniformity of the current distribution of the
셀 프레임(124)은 고체 전해질층(121), 캐소드층(122) 및 애노드층(123)을 지지한다. 이를 위해, 셀 프레임(124)은 고체 전해질층(121), 캐소드층(122) 및 애노드층(123)을 안정적으로 탑재하기 위해 단턱을 구비하는 사각테 형상을 가질 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The
도 6은 막전극 접합체의 캐소드층을 구체적으로 나타낸 평면도이고, 도 7은 막전극 접합체의 애노드층을 구체적으로 나타낸 평면도로, 이를 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.FIG. 6 is a plan view specifically showing the cathode layer of the membrane electrode assembly, and FIG. 7 is a plan view specifically showing the anode layer of the membrane electrode assembly, which will be described in more detail with reference to this.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 막전극 접합체(120)의 캐소드층(122)과 애노드층(123)은 사각테 형상을 갖는 셀 프레임(124) 상에 안착되어 상호 간이 적층된다.As shown in FIGS. 6 and 7 , the
이러한 셀 프레임(124)에는 공기 및 연료를 공급하기 위한 공기 순환 홀(T) 및 연료 순환 홀(F)이 각각 배치되어 있다. 또한, 셀 프레임(124)에는 제1 및 제2 바이폴라 분리판(도 1의 140, 160)과 나사 결합으로 결합시키기 위한 체결 홀(H)이 더 구비되어 있을 수 있다.In this
한편, 도 8은 도 1의 제1 바이폴라 분리판을 확대하여 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8의 제1 애노드 분리판 및 제1 캐소드 분리판을 나타낸 평면도로, 도 1과 연계하여 설명하도록 한다.Meanwhile, FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the first bipolar separator of FIG. 1, and FIG. 9 is a plan view showing the first anode separator and the first cathode separator of FIG. 8, which will be described in connection with FIG. 1. .
도 1, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 바이폴라 분리판(140)은 제1 캐소드 분리판(142)과, 제1 캐소드 분리판(142) 상부에 배치된 제1 애노드 분리판(144)과, 제1 캐소드 분리판(142) 하부에 배치되어, 막전극 접합체(120)에 접합되는 분리판 접합용 다공성 금속층(146)을 포함한다.As shown in FIGS. 1, 8, and 9, the first
여기서, 분리판 접합용 다공성 금속층(146)은 전기전도성이 우수한 3차원 다공성 구조로 이루어진다. 이를 위해, 분리판 접합용 다공성 금속층(146)은 전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금, 철 합금 등에서 선택된 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.Here, the
이때, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)는 브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나를 이용하여 접합된다. 이에 따라, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)는 제1 접속 부재(182)를 매개로 접합된다. 즉, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)은 제1 바이폴라 분리판(140)의 분리판 접합용 다공성 금속층(146)과 막전극 접합체(120)의 최상부에 배치된 캐소드층(122) 상호 간이 제1 접속 부재(182)를 매개로 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된다. 이때, 제1 접속 부재(182)는 금, 구리, 철, 니켈 및 알루미늄 중 1종 이상을 포함하는 금속 페이스트 또는 금속 물질이 이용된다.At this time, the first
이와 같이, 본 발명에서는 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)가 금속 페이스트를 솔더링시키거나, 금속 물질을 브레이징 또는 용접 처리하여 형성되는 제1 접속 부재(182)를 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120) 간의 접합이 견고해 우수한 접합력을 발휘할 수 있으면서, 제1 접속 부재(182)의 형성 위치를 일정한 간격으로 이격되도록 배치시키는 것이 가능해질 수 있게 된다.As such, in the present invention, the first
이 결과, 본 발명은 제1 바이폴라 분리판(140)과 막전극 접합체(120)가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체(120)의 전류 분포(Current distribution)의 균일성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.As a result, the present invention improves the uniformity of the current distribution of the
아울러, 제1 바이폴라 분리판(140)은 제1 캐소드 분리판(142)과 분리판 접합용 다공성 금속층(160)이 일정한 간격으로 이격되도록 배치된다. 이에 따라, 제1 캐소드 분리판(142)과 분리판 접합용 다공성 금속층(146)의 사이에 제1 빈 공간(E1)을 구비하다.In addition, the first
또한, 제2 바이폴라 분리판(160)은 제2 캐소드 분리판(162)과, 제2 캐소드 분리판(162) 상부에 부착된 제2 애노드 분리판(164)을 포함한다. 이때, 제2 바이폴라 분리판(160)은 제2 애노드 분리판(164)과 막전극 접합체(120)의 셀 접합용 다공성 금속층(126)이 일정한 간격으로 이격되도록 배치된다. 이에 따라, 제2 애노드 분리판(164)과 셀 접합용 다공성 금속층(126)의 사이에 제2 빈 공간(E2)을 구비한다.Additionally, the second
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택(100)은 제1 캐소드 분리판(142)과 분리판 접합용 다공성 금속층(146) 사이에 제1 빈 공간(E1)이 구비되고, 제2 애노드 분리판(164)과 셀 접합용 다공성 금속층(126)의 사이에 제2 빈 공간(E2)이 구비된다.As such, the membrane electrode assembly and its
즉, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택(100)은 제1 및 제2 바이폴라 분리판(140, 160)과 막전극 접합체(120)의 사이에 제1 및 제2 빈 공간(E1, E2)이 구비됨과 더불어, 다공체 재질로 이루어진 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 분리판 접합용 다공성 금속층(146)의 기공도 조절에 의해 막전극 접합체(120)로 공급되는 기체 유량이 증가할 수록 가압이 이루어지게 된다.That is, the membrane electrode assembly and its
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택(100)은 셀 접합용 다공성 금속층(126)과 분리판 접합용 다공성 금속층(146)의 기공도 조절과 더불어, 제1 및 제2 빈 공간(E1, E2)의 설계에 의해 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능하므로, 캐소드층(122)에서 발생하는 잔여 공기의 스택 외부 방출을 유도하는 것이 가능해져 스택의 열 관리가 용이해질 수 있게 된다.As a result, the membrane electrode assembly and its
한편, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도이다.Meanwhile, Figure 10 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressure type structure according to an embodiment of the present invention.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(200)은 고체산화물을 전해질로 사용하는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지로 사용하기 위한 연료전지 스택을 나타내고 있다.As shown in FIG. 10, the fuel cell stack 200 including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention is a SOFC using solid oxide as an electrolyte. (Solid Oxide Fuel Cell) Represents a fuel cell stack for use as a fuel cell.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(200)은 막전극 접합체(220)가 복수개로 스택된 상태로 제1 및 제2 바이폴라 분리판(240, 260)과 결합된다.At this time, the fuel cell stack 200 including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention is prepared with a plurality of membrane electrode assemblies 220 stacked. It is combined with the first and second bipolar separation plates (240, 260).
여기서, 제1 및 제2 바이폴라 분리판(240, 260)과 복수의 막전극 접합체(220)는 체결 홀(H)을 통해 나사 결합될 수 있다. 아울러, 제1 및 제2 바이폴라 분리판(240, 260)과 복수의 막전극 접합체(220)는 공기 순환 홀(T) 및 연료 순환 홀(F)을 통해 막전극 접합체(220)의 고체 전해질층, 캐소드층 및 애노드층으로 공기 및 연료를 공급하게 된다.Here, the first and second bipolar separator plates 240 and 260 and the plurality of membrane electrode assemblies 220 may be screwed together through fastening holes (H). In addition, the first and second bipolar separators 240 and 260 and the plurality of membrane electrode assemblies 220 are connected to the solid electrolyte layer of the membrane electrode assembly 220 through the air circulation hole (T) and the fuel circulation hole (F). , air and fuel are supplied to the cathode layer and anode layer.
또한, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택을 나타낸 분해 사시도이다.In addition, Figure 11 is an exploded perspective view showing a fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressure type structure according to another embodiment of the present invention.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(300)은 고체산화물 연료전지와 역방향으로 작동하는 SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell) 연료전지로 사용하기 위한 연료전지 스택을 나타내고 있다.As shown in FIG. 11, the fuel cell stack 300 including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to another embodiment of the present invention operates in the opposite direction to the solid oxide fuel cell. It shows a fuel cell stack for use as a SOEC (Solid Oxide Electrolysis Cell) fuel cell.
이때, 본 발명의 다른 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(300)은 막전극 접합체(320)가 복수개로 스택된 상태로 제1 및 제2 바이폴라 분리판(340, 360)과 결합된다.At this time, the fuel cell stack 300 including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to another embodiment of the present invention is prepared with a plurality of membrane electrode assemblies 320 stacked. It is combined with the first and second bipolar separation plates (340, 360).
여기서, 제1 및 제2 바이폴라 분리판(340, 360)과 복수의 막전극 접합체(320)는 체결 홀(H)을 통해 나사 결합될 수 있다. 아울러, 제1 및 제2 바이폴라 분리판(340, 360)과 복수의 막전극 접합체(320)는 공기 순환 홀(T) 및 연료 순환 홀(F)을 통해 막전극 접합체(320)의 고체 전해질층, 캐소드층 및 애노드층으로 공기 및 연료를 공급하게 된다.Here, the first and second bipolar separator plates 340 and 360 and the plurality of membrane electrode assemblies 320 may be screwed together through fastening holes (H). In addition, the first and second bipolar separators 340 and 360 and the plurality of membrane electrode assemblies 320 are connected to the solid electrolyte layer of the membrane electrode assembly 320 through the air circulation hole (T) and the fuel circulation hole (F). , air and fuel are supplied to the cathode layer and anode layer.
본 발명의 다른 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택(300)은 고체산화물 연료전지와 역방향으로 작동하여 이산화탄소 배출 없이 물에서 고효율의 그린수소를 생산하게 된다.The fuel cell stack 300, which includes a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to another embodiment of the present invention, operates in the reverse direction of a solid oxide fuel cell to achieve high efficiency in water without carbon dioxide emissions. Green hydrogen will be produced.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 제1 바이폴라 분리판 및 막전극 접합체, 그리고 셀 접합용 다공성 금속층 및 막전극 접합체가 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 각각 접합되는 것에 의해, 막전극 접합체의 전류 분포(Current distribution)의 균일성을 향상시킬 수 있는 구조적인 이점을 갖는다.As seen so far, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention include a first bipolar separator, a membrane electrode assembly, and a porous cell bonding structure. By bonding the metal layer and the membrane electrode assembly together in a metal ball grid array method, there is a structural advantage of improving the uniformity of current distribution of the membrane electrode assembly.
아울러, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 셀 접합용 다공성 금속층 및 분리판 접합용 다공성 금속층의 적용을 통한 기공도 조절에 의하여 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능한 구조적인 이점을 갖는다.In addition, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention control porosity through the application of a porous metal layer for cell bonding and a porous metal layer for separator bonding. It has the structural advantage of being able to design a stack with a pressurized structure.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 제1 및 제2 바이폴라 분리판과 막전극 접합체의 사이에 제1 및 제2 빈 공간이 구비됨과 더불어, 다공체 재질로 이루어진 셀 접합용 다공성 금속층과 분리판 접합용 다공성 금속층의 기공도 조절에 의해 막전극 접합체로 공급되는 기체 유량이 증가할 수록 가압이 이루어지게 된다.In addition, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a metal ball grid array current collection and pressurization structure according to an embodiment of the present invention have first and second bipolar separators between the first and second bipolar separators and the membrane electrode assembly. 2 In addition to providing an empty space, pressurization occurs as the gas flow rate supplied to the membrane electrode assembly increases by controlling the porosity of the porous metal layer for cell bonding and the porous metal layer for separator bonding made of porous material.
이 결과, 본 발명의 실시예에 따른 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체 및 그 연료전지 스택은 셀 접합용 다공성 금속층과 분리판 접합용 다공성 금속층의 기공도 조절과 더불어, 제1 및 제2 빈 공간의 설계에 의해 가압형 구조로 스택 설계하는 것이 가능하므로, 캐소드층에서 발생하는 잔여 공기의 스택 외부 방출을 유도하는 것이 가능해져 스택의 열 관리가 용이해질 수 있게 된다.As a result, the membrane electrode assembly and its fuel cell stack having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array according to an embodiment of the present invention adjust the porosity of the porous metal layer for cell bonding and the porous metal layer for separator bonding. , Since it is possible to design the stack as a pressurized structure by designing the first and second empty spaces, it is possible to induce the discharge of residual air generated in the cathode layer to the outside of the stack, making heat management of the stack easier. .
이상에서는 본 발명의 실시예를 중심으로 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 기술자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형은 본 발명이 제공하는 기술 사상의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다.Although the above description focuses on the embodiments of the present invention, various changes or modifications can be made at the level of a person skilled in the art in the technical field to which the present invention pertains. These changes and modifications can be said to belong to the present invention as long as they do not depart from the scope of the technical idea provided by the present invention. Therefore, the scope of rights of the present invention should be determined by the claims described below.
100 : 연료전지 스택 120 : 막전극 접합체
121 : 고체 전해질층 122 : 캐소드층
123 : 애노드층 124 : 셀 프레임
125 : 메탈 그리드 코팅층 126 : 셀 접합용 다공성 금속층
140 : 제1 바이폴라 분리판 142 : 제1 캐소드 분리판
144 : 제1 애노드 분리판 146 : 분리판 접합용 다공성 금속층
160 : 제2 바이폴라 분리판 162 : 제2 캐소드 분리판
164 : 제2 애노드 분리판 182, 184 : 제1 및 제2 접속 부재
E1, E2 : 제1 및 제2 빈 공간100: fuel cell stack 120: membrane electrode assembly
121: solid electrolyte layer 122: cathode layer
123: anode layer 124: cell frame
125: Metal grid coating layer 126: Porous metal layer for cell bonding
140: first bipolar separator 142: first cathode separator
144: First anode separator plate 146: Porous metal layer for bonding separator plates
160: second bipolar separator 162: second cathode separator
164: second
E1, E2: first and second empty spaces
Claims (15)
상기 막전극 접합체의 일면 상에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된 제1 바이폴라 분리판; 및
상기 막전극 접합체의 타면 상에 적층된 제2 바이폴라 분리판;을 포함하며,
상기 막전극 접합체는 셀 접합용 다공성 금속층을 포함하고, 상기 제1 바이폴라 분리판은 분리판 접합용 다공성 금속층을 포함하며,
상기 막전극 접합체는 고체 전해질층; 상기 고체 전해질층의 상면에 형성된 캐소드층; 상기 고체 전해질층의 하면에 형성된 애노드층; 상기 고체 전해질층, 캐소드층 및 애노드층을 지지하는 셀 프레임; 상기 애노드층의 하면에 형성된 메탈 그리드 코팅층; 및 상기 애노드층 및 메탈 그리드 코팅층의 하면에 배치되어, 상기 애노드층 및 메탈 그리드 코팅층에 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합된 상기 셀 접합용 다공성 금속층;을 포함하고,
상기 메탈 그리드 코팅층은 상기 애노드층의 하면 상에서 제1 방향 및 상기 제1 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 격자 형태의 일체형 구조로 형성되고,
상기 제1 바이폴라 분리판과 막전극 접합체는 제1 바이폴라 분리판의 분리판 접합용 다공성 금속층과 막전극 접합체의 최상부에 배치된 캐소드층 상호 간이 제1 접속 부재를 매개로 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되고,
상기 셀 접합용 다공성 금속층과 막전극 접합체의 애노드층 및 메탈 그리드 코팅층은 제2 접속 부재를 매개로 메탈 볼그리드 어레이 방식으로 접합되는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
Membrane electrode conjugate;
A first bipolar separator bonded to one surface of the membrane electrode assembly using a metal ball grid array method; and
It includes a second bipolar separator plate laminated on the other side of the membrane electrode assembly,
The membrane electrode assembly includes a porous metal layer for cell bonding, and the first bipolar separator includes a porous metal layer for bonding the separator plates,
The membrane electrode assembly includes a solid electrolyte layer; A cathode layer formed on the upper surface of the solid electrolyte layer; An anode layer formed on the lower surface of the solid electrolyte layer; A cell frame supporting the solid electrolyte layer, cathode layer, and anode layer; A metal grid coating layer formed on the lower surface of the anode layer; And a porous metal layer for cell bonding disposed on the lower surface of the anode layer and the metal grid coating layer and bonded to the anode layer and the metal grid coating layer in a metal ball grid array method,
The metal grid coating layer is formed as an integrated structure in the form of a grid along a first direction and a second direction intersecting the first direction on the lower surface of the anode layer,
The first bipolar separator and the membrane electrode assembly are joined in a metal ball grid array manner through a first connection member between the porous metal layer for bonding the separator of the first bipolar separator and the cathode layer disposed on the top of the membrane electrode assembly. become,
The porous metal layer for cell bonding, the anode layer of the membrane electrode assembly, and the metal grid coating layer have a metal ball grid array current collection and pressing structure, characterized in that they are joined in a metal ball grid array method through a second connection member. A fuel cell stack including a membrane electrode assembly.
상기 막전극 접합체는
적어도 하나 이상이 적층된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to paragraph 1,
The membrane electrode assembly is
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array type current collection and pressurization structure, characterized in that at least one layer is stacked.
상기 메탈 그리드 코팅층은
금(Au), 은(Ag), 구리(Cu) 및 알루미늄(Al) 중 선택된 1종 이상의 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to paragraph 1,
The metal grid coating layer is
A membrane electrode assembly having a metal ball grid array type current collection and pressurization structure, characterized in that it is formed of one or more materials selected from gold (Au), silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al). Fuel cell stack.
상기 셀 접합용 다공성 금속층은
전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금 및 철 합금 중 어느 하나의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to paragraph 1,
The porous metal layer for cell bonding is
A membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array type, which has a porosity of 50% to 99% of the total volume and is made of any one of nickel, iron, nickel alloy, and iron alloy. A fuel cell stack comprising:
상기 제1 바이폴라 분리판은
제1 캐소드 분리판;
상기 제1 캐소드 분리판 상부에 배치된 제1 애노드 분리판; 및
상기 제1 캐소드 분리판 하부에 배치되어, 상기 막전극 접합체에 접합되는 상기 분리판 접합용 다공성 금속층;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to paragraph 1,
The first bipolar separator plate is
First cathode separator plate;
a first anode separator disposed on the first cathode separator; and
a porous metal layer for bonding the separator plate disposed below the first cathode separator plate and bonded to the membrane electrode assembly;
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array type current collection and pressurization structure.
상기 분리판 접합용 다공성 금속층은
전체 부피 대비 50% ~ 99%의 기공률을 가지며, 니켈, 철, 니켈 합금 및 철 합금 중 어느 하나의 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to clause 8,
The porous metal layer for joining the separator plate is
A membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array type, which has a porosity of 50% to 99% of the total volume and is made of any one of nickel, iron, nickel alloy, and iron alloy. A fuel cell stack comprising:
상기 제1 바이폴라 분리판은
상기 제1 캐소드 분리판과 분리판 접합용 다공성 금속층이 일정한 간격으로 이격되도록 배치되어,
상기 제1 캐소드 분리판과 분리판 접합용 다공성 금속층의 사이에 제1 빈 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to clause 8,
The first bipolar separator plate is
The first cathode separator plate and the porous metal layer for bonding the separator plate are arranged to be spaced apart at regular intervals,
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure, characterized in that it has a first empty space between the first cathode separator plate and the porous metal layer for bonding the separator plate.
상기 분리판 접합용 다공성 금속층과 캐소드층은,
브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나를 이용하여 접합된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to clause 8,
The porous metal layer and cathode layer for bonding the separator plate are,
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array method, characterized in that it is joined using at least one of brazing, welding, and soldering.
상기 제2 바이폴라 분리판은
제2 캐소드 분리판; 및
상기 제2 캐소드 분리판 상부에 부착된 제2 애노드 분리판;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to paragraph 1,
The second bipolar separator plate is
second cathode separator plate; and
a second anode separator attached to the top of the second cathode separator;
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array type current collection and pressurization structure.
상기 제2 바이폴라 분리판은
상기 제2 애노드 분리판과 셀 접합용 다공성 금속층이 일정한 간격으로 이격되도록 배치되어,
상기 제2 애노드 분리판과 셀 접합용 다공성 금속층의 사이에 제2 빈 공간을 구비하는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to clause 12,
The second bipolar separator plate is
The second anode separator and the porous metal layer for cell bonding are arranged to be spaced apart at regular intervals,
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure, characterized in that it has a second empty space between the second anode separator and the porous metal layer for cell bonding.
상기 셀 접합용 다공성 금속층과 애노드층은,
브레이징, 용접 및 솔더링 중 적어도 하나를 이용하여 접합된 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.
According to clause 12,
The porous metal layer and anode layer for cell bonding are,
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a current collecting and pressurizing structure of a metal ball grid array method, characterized in that it is joined using at least one of brazing, welding, and soldering.
상기 연료전지 스택은
SOFC 또는 SOEC로 이용되는 것을 특징으로 하는 메탈 볼그리드 어레이 방식의 집전 및 가압형 구조를 갖는 막전극 접합체를 포함하는 연료전지 스택.According to paragraph 1,
The fuel cell stack is
A fuel cell stack including a membrane electrode assembly having a metal ball grid array current collection and pressurization structure used as a SOFC or SOEC.
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- 2022-11-04 KR KR1020220145745A patent/KR102585572B1/en active IP Right Grant
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |