KR20020057082A

KR20020057082A - 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조

Info

Publication number: KR20020057082A
Application number: KR1020000087334A
Authority: KR
Inventors: 윤홍식; 김인규; 김혁덕; 박일권; 박명석; 이성환; 이명호; 황용준
Original assignee: 구자홍; 엘지전자주식회사
Priority date: 2000-12-30
Filing date: 2000-12-30
Publication date: 2002-07-11

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조에 관한 것으로, 본 발명은 소정의 면적을 갖도록 형성되어 수소이온이 이동하는 전해질막부와 그 전해질막부의 양측면에 걸쳐 각각 형성되는 연료극 및 공기극과, 상기 전해질막부의 테두리에 소정의 면적을 갖도록 연장 형성되는 비전해질 테두리부를 구비하도록 구성하여 고가인 전해질막의 사용을 감소시킴으로써 제작 단가를 줄이고 아울러 실링 역할을 할 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지 스택의 막전극 접합체 구조{MEMBRANE ELECTRODE ASSEMBLY FOR STACK OF FUEL CELL}

본 발명은 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조에 관한 것으로, 특히 단위 전지의 제작 단가를 줄일 뿐만 아니라 실링 역할을 할 수 있도록 한 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조에 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 산소의 전기화학반응으로 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 소정의 면적으로 도포된 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)(40)와, 소정의 면적을 가지며 그 양측면 또는 일측면에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 형성되어 상기 막전극 접합체(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 막전극 접합체(40)의 코팅막(42)이 연료극(Anode; 일명, 산화전극)이 된다. 그리고 타측 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)에 공기가 공급되며 아울러 그와 접촉되는 막전극 접합체(40)의 코팅막(43)이 공기극(Cathode; 일명, 환원전극)이 된다.

미설명 부호 70은 패킹이다.

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 전기화학적 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.

한편, 상기 단위 전지의 막전극 접합체(40)를 구성하는 전해질막(41)은, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 세퍼레이터(50)(60)의 크기와 상응하게 형성됨과 아울러 그 가운데 부분의 양측면이 연료극(42)과 공기극(43)을 이루는 코팅막 영역(41a)이고 그 가장자리 부분은 비코팅막 영역(41b)으로 이루어진다. 그리고 상기 단위 전지(U)의 조립시 연료극(42)과 공기극(43)이 양쪽 세퍼레이터의 유로홈(F) 영역에 각각 접촉되고 상기 전해질막(41)의 비코팅막 영역(41b)이 상기 양쪽 세퍼레이터(50)(60)의 가장자리에 접촉된다. 그리고 상기 세퍼레이터(50)(60)와 막전극 접합체(40)사이에 유체의 누설을 방지하는 패킹(70)이 삽입되어 그 패킹(70)이 유체의 누설을 방지하게 될 뿐만 아니라 및 막전극 접합체(40)를 고정시켜 주게된다.

그러나 상기한 바와 같은 막전극 접합체(40)는 수소이온을 연료극(42)에서 공기극(43)으로 이동시키는 전해질막(41)이 고가이어서 제작비가 매우 고가인 단점이 있다.

상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 단위 전지의 제작 단가를 줄일 뿐만 아니라 실링 역할을 할 수 있도록 한 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조를 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 상기 단위 전지를 구성하는 막전극 접합체의 평면도,

도 5는 본 발명의 연료전지 스택 막전극 접합체가 구비된 단위 전지의 정면도,

도 6은 본 발명의 연료전지 스택의 막전극 접합체의 평면도,

도 7은 본 발명의 연료전지 스택의 막전극 접합체를 구성하는 전해질막부와 비전해질 테두리부의 결합상태를 도시한 사시도,

도 8은 본 발명의 연료전지 스택 막전극 접합체가 구비된 단위 전지의 부분 정면도.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

81 ; 전해질막부 82 ; 연료극

83 ; 공기극 84 ; 비전해질 테두리부

상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 소정의 면적을 갖도록 형성되어 수소이온이 이동하는 전해질막부와 그 전해질막부의 양측면에 걸쳐 각각 형성되는 연료극 및 공기극과, 상기 전해질막부의 테두리에 소정의 면적을 갖도록 연장 형성되는 비전해질 테두리부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조가 제공된다.

이하, 본 발명의 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조를 첨부도면에 도시한 실시예에 따라 설명하면 다음과 같다.

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 단위 전지(U)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 소정 형상의 면적을 갖도록 형성되며 양측에 전극을 형성하는 코팅막이 구비된 막전극 접합체(80)와 소정의 면적을 갖도록 형성되며 그 내부에 유체가 유동하는 유로홈(F)이 구비되어 상기 막전극 접합체(80)의 양측면에 각각 위치하는 세퍼레이터(50)(60)를 포함하여 구성된다.

상기 막전극 접합체는, 도 6에 도시한 바와 같이, 소정의 면적을 갖도록 형성되어 수소이온이 이동하는 전해질막부(81)와 그 전해질막부(81)의 양측면 전체에 걸쳐 각각 전극을 이루는 코팅막으로 형성되는 연료극(82) 및 공기극(83)과, 상기 전해질막부(81)의 테두리에 소정의 면적을 갖도록 연장 형성되는 비전해질 테두리부(84)를 구비하여 이루어진다. 상기 비전해질 테두리부(84)는 상기 세퍼레이터(50)(60)의 크기와 상응하는 크기로 형성되며 그 내부에 상기 전해질막부(81)의 크기와 상응하는 장착구멍(H)이 형성되어 이루어진다.

상기 비전해질 테두리부(84)의 일예로 소정의 면적을 가지며 그 내부에 상기 전해질막부(81)가 접합되도록 그 전해질막부(81)의 크기와 상응하는 장착구멍이 구비된 박판 수지물로 이루어진다.

상기 비전해질 테두리부(84)를 이루는 박판 수지물과 상기 전해질막부(81)가 결합되는 구조는, 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 박판 수지물(b)을 사각 액자 형태로 형성된 두 장의 수지물막(a)을 구성하고 그 두 장의 수지물막(a)사이에 상기 전해질막부(81)가 삽입되되 그 수지물막(a)의 내측 가장자리와 상기 전해질막부(81)의가장자리가 겹쳐진 상태에서 두 장의 수지물막(a)을 접합하여 전해질막부(81)와 결합하게 된다. 이때, 접합된 두 장의 수지물막(a)이 비전해질 테두리부(84)인 박판 수지물(b)을 이루게 된다.

상기 단위 전지(U)를 구성하는 상기 막전극 접합체(40)와 그 양측면에 각각 위치하는 세퍼레이터(50)(60)는 그 단위 전지(U)가 다수개 적층된 상태에서 상기 볼트(20)와 너트(30)에 의해 체결됨에 의해 서로 밀착된 상태가 된다. 이때, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 막전극 접합체(80)의 연료극(82)에 세퍼레이터(50)의 유로홈(F)이 접촉됨과 아울러 그 막전극 접합체(80)의 비전해질 테두리부(84)에 세퍼레이터(50)의 가장자리에 접촉되고, 상기 막전극 접합체(80)의 공기극(83)에 다른 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)이 접촉됨과 아울러 그 막전극 접합체(80)의 비전해질 테두리부(84)에 세퍼레이터(60)의 가장자리가 접촉된다.

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(50)의 유로홈(F)과 공기극(83)측 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)으로 각각 유입되며 그 연료극(82)측 세퍼레이터(50)의 유로홈(F)으로 유입된 연료는 막전극 접합체(80)의 연료극(82)에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 수소이온 H⁺과 전자 e^-로 이온화되면서 산화된다. 그 이온화된 수소 이온은 상기 막전극 접합체(80)의 전해질막부(81)를 통해 반대편 공기극(83)으로 이동하게 되고 아울러 전자는 연료극(82)을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극(83)으로 이동한 수소이온은 상기 막전극접합체(80)의 공기극(83)측에 위치하는 세퍼레이터(60)의 유로홈(F)으로 공급되는 산소와 상기 막전극 접합체(80)의 공기극(83)에서 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물을 포함한 부산물을 발생시키게 됨과 아울러 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다.

상기 각 단위 전지에서 발생되는 전기에너지는 합쳐져 별도의 라인을 통해 출력되고 아울러 반응열 및 부산물도 별도의 각각 배출된다.

상기 스택을 구성하는 각 단위 전지(U)의 막전극 접합체(80)가 전해질막부(81)와 비전해질 테두리부(84)로 이루어져 그 전해질막부(81)로 수소이온이 이동하게 되고 아울러 그 비전해질 테두리부(84)가 양측에 각각 위치하는 세퍼레이터(50)(60)의 가장자리에 밀착됨으로써 상기 비전해질 테두리부(84)가 지지역할을 하게 될 뿐만 아니라 실링 및 절연 기능을 하게 되어 유체의 누설을 방지하게 된다.

또한, 상기 막전극 접합체(80)를 전해질막부(81)와 비전해질 테두리부(84)로 구획하여 구성하게 되므로 고가인 전해질막의 사용량을 줄이게 된다. 즉, 종래의 막전극 접합체(40)은 연료극이나 공기극 부분을 포함한 전체를 전해질막으로 형성하게 되어 고가인 전해질막의 사용량이 많게 되지만, 본 발명의 막전극 접합체(80)는 전해질막부(81)와 비전해질 테두리부(84)를 분리하여 구성하게 되므로 전해질막의 사용량이 상대적으로 줄어들게 된다. 그리고 별도의 패킹을 사용하지 않고 실링이 가능하게 되어 부품수를 감소시키게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조는 전기화학반응에 공급되는 유체 및 그 반응에 의해 생성되는 부산물의 누설을 방지하게 됨으로써 가스 누설로 인한 폭발에 대한 안전성을 도모하게 될 뿐만 아니라 고가인 전해질막의 사용을 줄이게 됨으로써 제작 단가를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims

소정의 면적을 갖도록 형성되어 수소이온이 이동하는 전해질막부와 그 전해질막부의 양측면에 걸쳐 각각 형성되는 연료극 및 공기극과, 상기 전해질막부의 테두리에 소정의 면적을 갖도록 연장 형성되는 비전해질 테두리부를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조.
제1항에 있어서, 상기 비전해질 테두리부는 소정의 면적을 갖는 박판 수지물로 그 내부에 상기 전해질막부가 접합되도록 그 전해질막부의 크기와 상응하는 장착구멍이 형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택의 막전극 접합체 구조.