KR20030064789A - 연료 전지 시스템 - Google Patents

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KR20030064789A
KR20030064789A KR10-2003-7006723A KR20037006723A KR20030064789A KR 20030064789 A KR20030064789 A KR 20030064789A KR 20037006723 A KR20037006723 A KR 20037006723A KR 20030064789 A KR20030064789 A KR 20030064789A
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Abstract

본 발명은 연료 전지 시스템에 관한 것이다. 상기 연료 전지 시스템은 각각 적어도 하나의 막전극 어셈블리(MEA) 및 관련 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지로 이루어진 스택을 포함한다. 동작 특성을 개선시키기 위해서, 본 발명에서는 MEA(10, 20)가 바이폴라 플레이트(15; 21, 22)와 함께 자기 지지형 유닛으로서 형성된다. 이러한 형태의 유닛은 PEM 연료 전지, 특히 HT-PEM 연료 전지에 사용되기에 적합하다.

Description

연료 전지 시스템 {FUEL CELL SYSTEM}
상이한 형태의 연료 전지를 포함하는 연료 전지 시스템이 종래 기술에 공지되어 있다. 통상적으로 연료 전지 모듈은 전기적으로 직렬 접속된 유닛을 포함하는 연료 전지의 스택(stack)으로서, 단위 전압을 발생시키는 개별 연료 전지로 형성된다.
개별 연료 전지 유닛의 실질적인 구성 부품은 막전극 어셈블리, 소위 MEA(MembraneElectrodeAssembly)이며, 상기 어셈블리에서 전기 전압을 발생시키기 위한 화학 반응이 이루어진다. 상기 막전극 어셈블리는 각각 두 개의 집전장치 사이에 배치되며, 상기 집전장치는 집전 플레이트 또는 특히 바이폴라 플레이트라고도 표기된다.
상기 바이폴라 플레이트는 두 가지 목적은 가지는데, 즉 집전하는 것과 MEA로 가스를 공급하는 것이다. 첫 번째 목적은 달성하기 위해서 상기 바이폴라 플레이트는 MEA의 전극의 전면에 걸쳐서 상기 전극과 내부 접촉을 이루어야만 한다.두 번째 목적을 달성하기 위해서 상기 바이폴라 플레이트는 전극의 적합한 지점에 연료 가스 및 산화제를 공급하는 가스 공급 채널을 갖는다. 또한 MEA가 냉각될 수 있다. 이를 위해 예컨대 바이폴라 플레이트 내부에 냉각 채널이 형성된다. 그러나 두 개의 바이폴라 플레이트 사이에 스택킹되는 냉각 플레이트 또는 소위 냉각 카드(cooling card)가 제공될 수도 있다.
상기와 같은 구조의 두 실시예가 종래 기술에 공지되어 있다. 한 실시예에서는 MEA, 그리고 바이폴라 플레이트 및 냉각 플레이트가 전지를 한 스택으로 결합시킬 때 단지 교대로 적층되는 분리 유닛을 형성한다. 또다른 실시예에서는 MEA가 바이폴라 플레이트와 함께 콤플릿 유닛-전지라고 표기됨-을 형성하는데, 이때 상기 바이폴라 플레이트가 냉각 플레이트와 교대로 스택킹된다.
상기 두 실시예에서는 바이폴라 플레이트와 개별 전극 간의 내부 접촉은 보장되지 않는다. 통상적으로는 전지가 한 스택으로 결합될 때 바이폴라 플레이트와 MEA와의 내부 접촉을 야기하는 압력을 발생시키기 위한 조치가 실행된다. 이와 같은 조치는 단단한 엔드 플레이트(end plate)의 사용시 실행되는데, 상기 엔드 플레이트 사이에서 MEA 및 바이폴라 플레이트로 구성된 스택이 타이 로드(tie rod)에 의해 함께 가압된다. 이러한 조치, 그리고 특히 스택을 형성하기 위해 실행되는, 개별 연료 전지 유닛과 플레이트의 오프셋없는 레이어링(layering)은 복잡하기 때문에 비용이 많이 든다.
본 발명은 막전극 어셈블리 및 관련 바이폴라 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지로 이루어진 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템에 관한 것이다.
도 1은 바이폴라 플레이트와 클램핑된 막전극 어셈블리의 사시도이고,
도 2는 집전면을 갖는 두 개의 개별 막전극의 부분 영역에 대한 단면도이고, 상기 두 개의 막전극 사이에 자기 지지형을 형성하기 위한 집전면이 삽입되며,
도 3은 도 2에 따른 막전극 어셈블리를 갖는 다수의 스택킹된 연료 전지를 도시하고, 이때 외부 프레임 및 안정성을 높이기 위한 수단이 존재한다.
도 2는 도 3으로부터 절단된 부분을 도시한다. 동일한 부품 또는 동일한 기능을 가진 부품은 동일한 도면 부호를 갖는다. 도면들은 하기 텍스트에서 부분적으로는 공통적으로 기술된다.
따라서 본 발명의 목적은 간소화된 구조의 연료 전지 시스템용 연료 전지 유닛을 제조하는데 있다.
본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1항의 특징부에 의해 달성된다. 개선예는 종속항에 제시된다.
본 발명에 의해 막전극 어셈블리 및 관련 바이폴라 플레이트를 포함하는 자기 지지형(self-supporting) 유닛이 제조된다. 따라서 연료 전지 시스템용 콤플릿 스택의 구조는 간소화된다.
본 발명에서 상기 자기 지지형 유닛은 바이폴라 플레이트와 싱글 MEA의 클램핑에 의해 형성될 수 있다. 또한 두 개의 MEA가 중간 부품으로서의 집전 플레이트의 적합한 연결 기술에 의해 자기 지지형 유닛으로 형성될 수도 있다.
본 발명에서는 바이폴라 플레이트를 평행하게 배치된 웨브 형태로 디자인함으로써 충분한 압력이 보장되는데, 상기 웨브는 막전극 어셈블리 위에 탄성적으로 놓인다. 막전극 어셈블리와의 전기적 접촉을 위해 상기 웨브는 MEA의 전극과 접속된다. 적합한 접착 기술에 의해, 막에 대한 개선된 전기 접속을 달성하기 위해서 막 위에는 접착 포인트가 있고 상기 접착 포인트에 웨브가 접착된다.
본 발명에서는 종래와 마찬가지로 다수의 MEA가 하나의 스택을 바람직하게 형성할 수 있다. 이러한 경우에 본 발명은 처음부터 안정성을 보장한다. 그러나 전체 스택이 외부 프레임 내에 고정될 수 있으며, 상기 프레임 내부에는 매체 및 전기적 공급 수단이 배치된다.
본 발명은 소위 PEM 연료 전지에 사용된다. 본 발명은 특히 HT-PEM 연료 전지에서 장점을 제공한다. 왜냐하면 이 경우에 라인 메커니즘의 동작 온도가 비교적 높을 때 막의 전도 메커니즘이 물의 영향을 받지 않으며 생산수(product water)가 가스 형태로 스택을 떠나기 때문이다. 이로 인해 공기 중으로 향한 MEA의 측면에는 가스 공급 채널이 필요없고, 바이폴라 플레이트는 평행한 웨브의 형태로 형성될 수 있으므로, 전지의 자체 호흡이 가능해진다.
본 발명의 추가적인 세부사항 및 장점들은 청구항과 연관된 실시예를 도시하는 하기의 도면 설명에서 제시된다.
도면에서 개별 막전극 어셈블리는 10 또는 20으로 표기된다. 소위 MEA(MembraneElectrodeAssembly)로 표기된 각각의 어셈블리는 적합한 중합체 막으로 이루어지며, 상기 중합체 막의 양 측면에는 촉매 재료 및 금속 전극이 제공된다. 이러한 타입의 MEA(10 또는 20)는 종래 기술에 공지되어 있고 연료 전지, 특히 소위 PEM(PolymerElectrolyteMembrane) 연료 전지의 코어를 형성한다. 이러한 다수의 MEA가 하나의 연료 전지 스택을 형성하기 위해 결합된다.
도 1에서 싱글 MEA(여기서는 더 자세히 설명되지 않음)는 도면 부호 10으로 표기된다. MEA(10)의 한 측면에는 바이폴라 플레이트(15)가 제공되고, 상기 바이폴라 플레이트(15)는 가스 공급 채널(16) 및 냉각 채널(17)을 갖는다.
이와 관련하여 개별 연료 전지 유닛이 공지되어 있다. 종래 기술에 따르면 이러한 형태의 다수의 유닛이 한 스택을 형성하기 위해 적층되고 엔드 플레이트를 갖는다. 또한 상기 유닛은 적합한 연결 및 콤팩트한 모듈이 제조되도록 타이 로드에 의해 클램핑된다. 상기와 같은 구조를 전문 기술 용어로 연료 전지 스택이라고 하며, 줄여서 "스택"이라고도 한다.
도 1에는 MEA(10) 및 바이폴라 플레이트(15)를 기계적으로 클램핑하기 위해 금속 프레임(1)이 존재하며, 상기 금속 프레임(1)은 양 부분을 둘러싸고 MEA의 자유 측면에서 서로 간격을 두고 배치된 평행한 웨브(5)를 갖는다. 개별 웨브(5)에 의해 전기적 접촉이 제공되고 MEA(10) 및 바이폴라 플레이트(15)로 형성된 유닛에 충분한 압력이 가해진다. 전기적 절연을 위해서 금속 프레임의 내측에 바이폴라 플레이트(15)에 대한 절연 수단(8)이 설치된다. 따라서 특히 개별 웨브(5)가 바로 다음의 연료 전지의 바이폴라 플레이트와 접촉될 수 있다.
도 2에서 두 개의 MEA(20 및 20') 사이에는 웨이브 형태의 두 개의 금속 부품(21, 22)으로 형성된 기계적 구조가 존재하는데, 상기 부품(21, 22)은 웨이브의 피크 부분에서 서로 연결된다. 상기 웨이브형 부품(21 및 22)은리베팅(riveting), 납땜 또는 용접에 의해, 또는 선택적으로 접착에 의해 연결될 수 있다. 경우에 따라서는 상기 부품(21, 22)의 외부 영역에서 고정이 실행될 경우에도 간단한 스택킹이 충분히 이루어질 수 있다.
상기 웨이브형 부품(21 및 22)을 아래위로 연결해서, 상기 부품을 MEA(20 또는 20')의 전극에 고정함으로써 집전 플레이트의 한 측면이 냉각 채널(24) 및 가스 공급 채널(26)로 형성되는데, 상기 채널들은 연료 전지 유닛을 작동시키기 위해 필요하다. 이러한 방식으로 바이폴라 플레이트의 기능이 구현된다.
따라서 도 2에 따른 구조에서도 마찬가지로 기계적으로 안정된 구조의 유닛이 형성된다. 이러한 구조가 두 개의 MEA 사이에 존재하기 때문에, 안정화 특성(stability property)이 두 개의 MEA(20 및 20')으로 전달될 수 있다. MEA(20 또는 20')의 각각 다른 측면에는 -도 1에 상응하여- 소수의 평행한 웨브(25)가 존재하며, 상기 웨브(25)는 MEA(20 및 20')의 전극과 기계/전기적으로 연결된다. 이러한 목적을 위해서는 특히 전도성 접착제가 적합하다.
이 경우 적합한 접착 기술에 의해 MEA(20 및 20')는 안정적인 기계적 스페이스와 접착될 수 있다. 그러나 상기 MEA(20 및 20')는 탄성적인 웨브를 갖는 두 개의 바이폴라 플레이트에 의해 상기 스페이서에 가압될 수도 있다. 상기 두 경우에서 실제에 있어서 상당한 장점들을 야기하는 자기 지지형 연료 전지 유닛이 형성된다.
그러나 도 2에 도시된 바와 같이 반드시 스페이서의 양 측면에 MEA(20 또는 20')가 고정될 필요는 없다. 단 한 측면에만 MEA(20)가 제공될 수 있으며, 이때상기 MEA(20)는 탄성적인 웨브에 의해 스페이서에 대해 가압된다.
도 3에서는 도 2에 상응하는 다수의 유닛이 외부 프레임(30)과 함께 스택킹됨으로써, 콤플릿 연료 전지 시스템이 형성된다. 이를 위해 바람직하게는 안정화 강화 조치가 실행될 수 있다. 즉 개별 유닛을 수용하기 위한 내측 그루우브를 갖는 외부 클래스프(clasp)(35)가 제공된다. 물론 상기 외부 프레임(30)은 단지 밀봉 기능 및 전류 전달 기능만을 갖는다. 종래 기술에서와는 달리, 지지 부재 및 클램핑 부재로서의 외부 프레임(30)은 필요하지 않다.
도 2에 의해 설명된 자기 지지형 구조에서는 개별 유닛이 각각 12cm의 높이 및 폭, 그리고 1cm의 깊이나 두께를 가질 수 있다. 이 경우 10 내지 20cm의 높이 및 폭, 그리고 0.5 내지 2cm의 깊이나 두께에서 편차가 발생할 수도 있다. 개별 유닛으로 형성된 연료 전지 스택은 냉각기의 형태에 따라 형성될 수 있다.
이미 언급한 바와 같이 도시된 장치는 PEM 연료 전지를 스택킹하는데 적합하고, 이러한 방식으로 제조된 스택은 실제에 맞는 연료 전지 모듈로서 사용하기에 적합하다. 그러나 이러한 장치는 특히 HT-PEM(HighTemperaturePolymerElectrolyteMembrane) 연료 전지에서 사용되기에 적합하며, 상기 연료 전지의 동작 온도는 특히 60℃ 내지 300℃의 압력에 따라 PEM 연료 전지의 작업 온도 보다 높다.
상기 HT-PEM 연료 전지는 주어진 온도 범위 내에서, 즉 T ≥100℃의 기준 압력에서, 특히 120℃ 내지 200℃에서 바람직하게는 물의 영향을 받지 않고 동작한다. 이 때문에, 이러한 목적으로 사용될 수 있는 개별 막전극 어셈블리(MEA)가 특정 막을 필요로 하고, 상기 특정 막은 자체 해리(self-dissociating) 및/또는 자동 양성자 교환(autoprotolytic) 전해질을 함유한다. 이와 같이 온도에 대한 저항성을 갖는 MEA의 기계적 감도로 인해 통상적으로 특별한 조치가 실행되어야만 하는데, 이는 관련 바이폴라 플레이트와 MEA가 자기 지지형 유닛으로서 형성됨으로써 보장된다.

Claims (13)

  1. 막전극 어셈블리(MEA) 및 관련 바이폴라 플레이트를 포함하는 적어도 하나의 연료 전지로 이루어진 적어도 하나의 연료 전지 모듈을 갖는 연료 전지 시스템에 있어서,
    상기 막전극 어셈블리(10, 20)가 상기 바이폴라 플레이트(5, 15; 21, 22)와 함께 자기 지지형 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    싱글 막전극 어셈블리(10) 및 싱글 바이폴라 플레이트(15)가 기계적으로 클램핑되어 자기 지지형 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 기계적 클램핑을 위한 수단이 금속 프레임(1)이고, 상기 금속 프레임(1)은 상기 바이폴라 플레이트(15)에 대한 전기적 절연을 위한 절연 수단(8)을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 금속 프레임(1)은 상기 바이폴라 플레이트(15)와 전극을 포함하는 막전극 어셈블리(10) 간의 클램핑을 위한 충분한 압력을 보장하기 위해 웨브(5)를 갖는것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 다수의 연료 전지가 하나의 연료 전지 스택을 형성하고, 상기 두 개의 막전극 어셈블리(20, 20')가 그들 사이에 놓인 집전 플레이트(21, 22)와 기계/전기적으로 연결되어 자기 지지형 유닛을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 막전극 어셈블리(20, 20')의 자유 측면이 전류 획득을 위한 웨브(25)를 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관련 바이폴라 플레이트(15; 21, 22)를 포함하는 다수의 막전극 어셈블리(10; 20, 20',...)가 하나의 연료 전지 스택을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택이 외부 프레임(30) 내에 고정되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 스택이 냉각기의 형태에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별적인 자기 지지형 유닛이 10 내지 20cm의 높이 및 폭, 바람직하게는 대략 12cm의 높이 및 폭, 그리고 0.5 내지 2cm의 깊이나 두께, 특히 대략 1cm의 깊이나 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈이 PEM 연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연료 전지 모듈이 적어도 하나의 HT-PEM 연료 전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 HT-PEM 연료 전지의 상기 막전극 어셈블리(10, 20)가 자체 해리 및/또는 자동 양성자 교환 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 시스템.
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