KR20020056185A

KR20020056185A - 연료전지의 스택 실링구조

Info

Publication number: KR20020056185A
Application number: KR1020000085498A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-07-10

Abstract

본 발명은 연료전지의 스택 실링구조에 관한 것으로, 본 발명은 절해질막의 양측에 연료극과 공기극이 각각 구비되고, 그 연료극측과 공기극측에 유로가 구비된 세퍼레이터가 각각 구비되어 이루어진 단위 전지가 다수개 적층된 단위 전지 적층체가 구비된 연료전지의 스택에서, 상기 단위 전지를 구성하는 세퍼레이터들에 절연 및 실링 기능을 하는 절연겸용 실링재가 코팅되도록 구성하여 전기화학반응에 공급되는 유체 및 그 반응에 의해 생성되는 부산물의 누설을 방지할 뿐만 아니라 타 부품으로의 전기적 절연을 이루게 됨으로써 가스 누설로 인한 폭발 및 전기 누설에 대한 안전성을 도모하게 되고, 또한 가공 처리를 간단하게 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 스택 실링구조{STRUCTURE FOR SEALING STACK OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지의 스택 실링구조에 관한 것으로, 특히 전기화학반응에 공급되는 유체 및 그 반응에 의해 생성되는 유체의 누설을 방지할 뿐만 아니라 전기화학반응에서 발생되는 전기의 누설을 방지할 수 있도록 한 연료전지의 스택 실링구조에 관한 것이다.

현재 건물에서 사용하고 있는 전기에너지는 발전소에서 화력이나 수력 등에 의해 발전을 일으켜 발생되는 것이다. 그런데 현재 사용 중인 전기에너지를 발전소에서 얻기 위하여 발전소에서 기름이나 석탄을 연소시켜 그 열에너지를 전기에너지로 변환시켜 전기에너지를 얻게 되므로 사용되는 연료 에너지에 비해 발전 효율이 매우 낮다. 또한, 기름이나 석탄 등의 연료 에너지를 연소시키면서 발생되는 오염 물질에 의해 환경 오염을 유발시키게 된다.

따라서, 근래에는 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라 환경 친화적으로 전기에너지를 발생시키는 연료전지가 개발되고 있다. 상기 연료전지는 외부로부터 연속적으로 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 발전시키는 장치이다. 이와 같은 연료전지는 연료를 공급받아 수소가스를 발생시키는 개질기와 그 개질기에서 발생되는 수소가스와 별도로 공급되는 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 발생시키는 스택으로 구성되는 형태와, 또한 연료와 물과 산소가 스택으로 바로 공급되어 그 연료에서 공급되는 수소와 산소의전기화학반응으로 스택에서 전기와 열을 발생시키는 형태 등이 있다.

도 1은 상기 스택의 일예를 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 상기 스택은 테두리부분에 다수개의 관통구멍(11)이 구비된 두개의 앤드 플레이트(10)사이에 단위 전지(U)가 다수개 적층된 상태로 위치하고 그 두개의 앤드 플레이트(10)의 관통구멍(11)에 각각 소정의 길이를 갖는 볼트(20)가 관통 삽입되며 그 다수개의 볼트(20)에 너트(30)가 각각 체결되어 이루어진다.

상기 단위 전지(U)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 소정의 면적을 갖는 전해질막(41)의 양측면에 각각 전극을 구성하는 코팅막(42)(43)이 도포된 엠이에이(MEA; Membrane Electrode Assembly)(40)와, 소정의 면적을 가지며 그 양측면 또는 일측면에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 형성되어 상기 엠이에이(40)의 양측에 각각 위치하는 세퍼레이터(50)(60)를 포함하여 구성된다. 이와 같은 단위 전지(U)의 구성은 일측 세퍼레이터(50)의 유로홈(F)에 수소가스(H₂)(또는 연료)가 공급되며 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(40)의 코팅막(42)이 연료극(Anode; 일명, 산화전극)이 된다. 그리고 타측 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)에 공기가 공급되며 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(40)의 코팅막(43)이 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)이 된다.

도 3은 상기 단위 전지(U)를 개념적으로 도시한 것으로, 이를 참조하여 작용을 설명하면, 먼저 수소가스(H₂) 또는 연료가 연료극(42)측의 유로홈(F)에 공급됨과 동시에 상기 공기극(43)측의 유로홈(F)에 공기가 공급되면 상기 연료극(42)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다.그 이온화된 수소 이온은 전해질막(41)을 통해 반대편 공기극(43)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(42)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(43)으로 이동한 수소이온은 공기극(43)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

상기 다수개의 단위 전지(U)가 적층되어 이루어지는 스택에 각 단위 전지(U)의 연료극(42)으로 연료를 공급하는 연료공급패스(P)와 공기극(43)으로 공기를 공급하는 공기공급패스(Q)가 각각 형성되며 그 연료공급패스(P) 및 공기공급패스(Q)로 연료와 공기가 공급되면 각 단위 전지의 연료극(42)측에 위치하는 세퍼레이터(50)의 유로홈(F)과 공기극(43)측에 위치하는 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)으로 각각 연료와 공기가 각각 유입되면서 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응이 일어나게 된다. 그리고 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응 후 생성되는 부산물들은 상기 연료공급패스(P)와 공기공급패스(Q)를 통해 배출되며 아울러 각 단위 전지(U)에서 발생되는 전기에너지는 별도의 라인을 통해 합쳐져 출력된다.

한편, 상기 스택에서 연료공급패스(P)와 공기공급패스(Q)로 연료와 공기가 각각 공급되어 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응을 일으키고 부산물로 배출되는 과정에서 각 단위 전지(U)의 세퍼레이터(50)와 세퍼레이터(60)사이에서 유체의 누설이 발생하게 우려가 있고 만일 유체가 누설될 경우 폭발을 일으키게 되어 위험을 초래하게 된다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 전기화학반응에 공급되는 유체 및 그 반응에 의해 생성되는 유체의 누설을 방지할 뿐만 아니라 전기화학반응에서 발생되는 전기의 누설을 방지할 수 있도록 한 연료전지의 스택 실링구조를 제공함에 있다.

도 1은 일반적인 스택의 일예를 도시한 정면도,

도 2는 상기 스택을 구성하는 단위 전지를 분해하여 도시한 정면도,

도 3은 상기 단위 전지의 작동상태를 약호로 도시한 자유도,

도 4는 본 발명의 스택 실링구조가 구비된 연료전지 스택의 정면도,

도 6은 본 발명의 연료전지 스택의 단위 전지를 구성하는 세퍼레이터의 정면도,

도 7은 본 발명의 스택 실링구조를 부분 확대한 정면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

41 ; 전해질막 42 ; 연료극

43 ; 공기극 80,90 ; 세퍼레이터

U ; 단위 전지 S ; 절연겸용 실링재

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 절해질막의 양측에 연료극과 공기극이 각각 구비되고, 그 연료극측과 공기극측에 유로가 구비된 세퍼레이터가 각각 구비되어 이루어진 단위 전지가 다수개 적층된 단위 전지 적층체가 구비된 연료전지의 스택에 있어서, 상기 단위 전지를 구성하는 세퍼레이터들에 절연 및 실링 기능을 하는 절연겸용 실링재가 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 실링구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 연료전지 스택 실링구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 연료전지 스택 실링구조의 일실시예가 구비된 스택을 도시한 것으로, 이에 도시한 바와 같이, 먼저 상기 연료전지 스택은 소정의 면적과 두께를 가지며 그 가장자리에 다수개의 관통구멍(11)이 구비된 두개의 앤드 플레이트(10)사이에 단위 전지(U)가 다수개 적층된 상태로 위치하고 그 두개의 앤드 플레이트(10)의 관통구멍(11)에 소정의 길이를 갖는 볼트(20)가 각각 관통 삽입되며 그 다수개의 볼트(20)에 다수개의 단위 전지(U)가 고정 결합되도록 너트(30)가 각각 체결되어 이루어진다.

그리고 상기 스택을 구성하는 각 단위 전지(U)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 소정의 면적을 갖는 전해질막(41)의 양측면에 전극을 구성하는 코팅막(42)(43)이 소정 면적으로 각각 도포된 엠이에이(40)의 양측면에 소정 형상의 세퍼레이터(80)(90)가 각각 위치하게 된다. 즉, 상기 엠이에이(40)의 일측 코팅막(42)측에 하나의 세퍼레이터(80)가 위치하고 또한 상기 엠이에이(40)의 타측 코팅막(43)측에 다른 하나의 세퍼레이터(90)가 위치하게 된다.

상기 세퍼레이터들은, 도 6에 도시한 바와 같이, 일정 두께와 소정의 면적을 갖도록 형성되며 그 모서리에 연료공급패스(P)와 공기공급패스(Q)를 형성하는 다수개의 유로공(a)(b)이 각각 관통 형성되고 그 일측면에 두개의 유로공(a)을 연결하는 소정 형상의 유로홈(F)이 형성되며 그 타측면에 두개의 유로공(b)을 연결하는 소정 형상의 유로홈(F)이 형성되어 이루어진다. 그리고 상기 세퍼레이터(80)(90)에 절연 및 실링 기능을 하는 절연겸용 실링재(S)가 코팅된다. 상기 절연겸용 실링재(S)는 테프론 코팅된 테프론 코팅막으로 이루어진다. 상기 절연겸용 실링재의 변형예로 우레탄 코팅된 우레탄 코팅막으로 이루어진다. 상기 절연겸용 실링재는 세퍼레이터의 가장자리에 걸쳐 코팅됨이 바람직하다.

상기 단위 전지(U)를 구성하는 엠이에이(40)와 그 양측면에 각각 위치하는 세퍼레이터(80)(90)는 그 단위 전지(U)가 다수개 적층된 상태에서 상기 볼트(20)와 너트(30)에 의해 체결됨에 의해 서로 밀착된 상태가 된다. 이때, 상기 엠이에이(40)와 세퍼레이터(80)(90)는, 도 7에 도시한 바와 같이, 서로 교번된 상태로 위치하면서 서로 밀착되어 그 세퍼레이터(80)(90)에 코팅된 절연겸용 실링재(S)에 의해 절연 및 실링된다.

한편, 상기 단위 전지(U)는 일측 세퍼레이터(80)의 유로홈(F)에 연료(또는, 수소가스)가 공급되며 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(40)의 코팅막(42)이 연료극(Anode; 일명, 산화전극)이 된다. 그리고 타측 세퍼레이터(90)의 유로홈(F)에 공기가 공급되며 아울러 그와 접촉되는 엠이에이(40)의 코팅막(43)이 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)이 된다.

이하, 본 발명의 연료전지 스택 실링구조의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 스택의 연료공급패스(P)와 공기공급패스(Q)로 각각 연료와 공기가 공급되면 그 공급되는 연료과 공기는 각 단위 전지의 연료극(42)측 세퍼레이터(80)의 유로홈(F)과 공기극(43)측 세퍼레이터(90)의 유로홈(F)으로 각각 연료와 공기가 각각 유입되면서 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응이 일어나게 된다. 그리고 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응 후 생성되는 부산물들은 상기 연료공급패스(P)와 공기공급패스(Q)를 통해 배출되며 아울러 각 단위 전지(U)에서 발생되는 전기에너지는 별도의 라인을 통해 합쳐져 출력된다.

상기 단위 전지(U)에서의 작용을 설명하면, 먼저 연료극(42)측에 공급되는 연료에 의해 연료극(42)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 전해질막(41)을 통해 반대편 공기극(43)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(42)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(43)으로 이동한 수소이온은 공기극(43)으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

이때, 상기 스택을 구성하는 각 단위 전지(U)의 세퍼레이터(80)(90)가 절연겸용 실링재(S)로 코팅되어 있으므로 그 코팅막을 이루고 있는 절연겸용 실링재(S)에 의해 상기 연료공급패스(P) 및 공기공급패스(Q)를 통해 단위 전지(U)로 각각 공급되는 연료 및 공기의 누설을 방지하게 될 뿐만 아니라 각 단위 전지(U)에서 전기화학반응을 일으키면서 발생되는 부산물의 누설을 방지하게 되고 아울러 전기의 누설을 방지하게 된다. 또한 본 발명은 세퍼레이터(80)(90)의 가장자리를 절연겸용 실링재(S)를 코팅 처리함에 의해 제작하게 되므로 가공이 간단하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 스택 실링구조는 전기화학반응에 공급되는 유체 및 그 반응에 의해 생성되는 부산물의 누설을 방지하게 될 뿐만 아니라 타 부품으로의 전기적 절연이 이루어지게 됨으로써 가스 누설로 인한 폭발 및 전기 누설에 대한 안전성을 도모하게 되고, 또한 가공 처리가 간단하여 대량 생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims

절해질막의 양측에 연료극과 공기극이 각각 구비되고, 그 연료극측과 공기극측에 유로가 구비된 세퍼레이터가 각각 구비되어 이루어진 단위 전지가 다수개 적층된 단위 전지 적층체가 구비된 연료전지의 스택에 있어서, 상기 단위 전지를 구성하는 세퍼레이터들에 절연 및 실링 기능을 하는 절연겸용 실링재가 코팅된 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 실링구조.
제1항에 있어서, 상기 절연겸용 실링재는 테프론 코팅막인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 실링구조.
제1항에 있어서, 상기 절연겸용 실링재는 우레탄 코팅막인 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 실링구조.