KR20040000571A - 연료전지의 패킹구조 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지의 패킹구조는 일측면에 양극(12)이 접착되고 타측면에 음극(13)이 부착된 막-전극 접합체(14)와, 그 막-전극 접합체(14)와의 사이에 유로(15)가 형성되도록 양측에 밀착되는 분리판(16)과, 그 분리판(16)의 외측면에 밀착되는 집전판(18) 및 상기 분리판(16)과 막-전극 접합체(14)의 사이에 개재되는 가스켓(17)으로 구성되는 발전기에서, 상기 가스켓(17)의 단면형상이 양면 외측에 길이방향을 따라 돌출되는 돌출부(100)가 형성되도록 하여 조립시 그 돌출부(100)가 분리판(16)과 막-전극 접합체(14)에 탄력적으로 밀착되도록 함으로써, 조립시 틈새가 발생되는 것이 방지되어, 연료의 누설 및 그로인한 절연이 파괴되는 것이 방지되어 진다.

Description

연료전지의 패킹구조{PACKING STRUCTURE OF FUEL CELL}

본 발명은 외부로 부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 발전시 발전기의 분리판과 막-전극 접합체의 패킹부위에서 연료의 누설이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지 패킹구조에 관한 것이다.

일반적으로, 연료가 가지고 있는 에너지를 직접 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 연료전지에 관한 기술이 공지되어 있으며, 이러한 연료전지는 통상 고분자 전해질을 중심으로 양쪽에 다공질의 양극(ANODE)과 음극(CATHODE)이 부착되어 있고, 양극(산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다.

이와 같은 연료전지에 공급되는 수소는 LNG, LPG, CH₃OH, 가솔린 등의 탄화수소계(CH계열) 연료를 개질기에서 탈황공정→개질반응→수소정제공정을 거쳐 수소(H₂)만을 정제하여 가스형태로 사용하는 PEMFC 시스템과, 고체상태의 BH₄ ^-를 수용액 상태로 만들어 직접 연료로 사용하는 BFC 시스템 등이 소개되고 있다.

상기와 같은 연료전지는 단위셀(UNIT CELL) 또는 그 단위셀(UNIT CELL)을 여러개 적층하여 구성되는 스택(STACK) 형태의 발전기가 구비되는데, 그 단위셀은 전해질 막의 양면에 양극과 음극이 부착된 막-전극접합체를 중심으로 양측에 연료와 공기가 흐르는 유로가 형성될 수 있도록 그라파이트 재질의 분리판이 밀착되어 볼트로 조립되어 있으며, 그와 같이 조립되어 있는 분리판과 막-전극 접합체의 사이에는 연료 또는 공기의 누설을 방지할 수 있도록 고무재질의 가스켓으로 패킹이 되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 연료전지에서는 발전기의 분리판과 전해질막의 사이에 개재되는 가스켓이 평평한 단면형상을 가지는 있어서, 발전기의 조립시 볼트에 가해지는 힘에 차이에 의하여 부분적으로 쉽게 틈새가 발생이되고, 그 틈새에 의하여 기밀이 파괴되어 연료의 누설이 발생되는데, 그와 같이 연료의 누설이 발생되는 경우에 정상적인 파워가 발생되지 않을뿐 아니라, 누설된 연료로 인하여 안전사고가 발생될 우려가 있는 문제점을 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 본 발명의 목적은 기밀이 확실하게 유지되어 연료의 누설이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 한 연료전지의 패킹구조를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 패킹구조를 가지는 연료전지의 개략구성도.

도 2는 본 발명에 따른 단일셀의 종단면도.

도 3은 본 발명에 따른 패킹구조의 일실시예를 보인 사시도.

도 4는 도 3의 A-A'절취 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 패킹구조의 다른실시예를 보인 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 패킹구조의 또다른실시예를 보인 단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 발전기 11 : 전해질 막

12 : 양극 13 : 음극

14 : 막-전극 접합체 15 : 유로

16 : 분리판 17 : 가스켓

18 : 집전판 100 : 돌출부

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질 막의 일측면에 수용액 상태의 BH₄ ^-가 공급이되는 양극이 부착되고 타측면에 공기가 공급이되는 음극이부착되는 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 상기 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 밀착고정되는 분리판과, 그 분리판과 막-전극 접합체의 사이의 가장자리에 개재되어 기밀을 유지하는 가스켓 및 상기 분리판의 외측면에 밀착되어 전기를 집전하는 집전판으로 구성되는 발전기를 구비한 연료전지에 있어서,

상기 가스켓의 단면 양측에는 밀착시 탄력적으로 밀착되어 기밀이 유지될 수 있도록 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조가 제공된다.

또한, 전해질 막의 일측면에 수소가스가 공급이되는 양극이 부착되고 타측면에 공기가 공급이되는 음극이 부착되는 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 상기 수소가스와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 밀착고정되는 분리판과, 그 분리판과 막-전극 접합체의 사이의 가장자리에 개재되어 기밀을 유지하는 가스켓과, 상기 분리판의 외측면에 밀착되어 전기를 집전하는 집전판으로 구성되는 발전기를 구비한 연료전지에 있어서,

상기 가스켓의 단면 양측에는 밀착시 탄력적으로 밀착되어 기밀이 유지될 수 있도록 돌출부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조가 제공된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 연료전지의 패킹구조를 첨부된 도면의 실시예를 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 패킹구조가 구비된 연료전지를 보인 개략구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 단일셀의 종단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 패킹구조의 일실시예를 보인 사시도이고, 도 4는 도 3의 A-A'절취 단면도이다.

도시된 바와 같이, 연료전지(1)의 전체 구성은 전기를 발생하는 발전기(10)의 일측에 수용액 상태의 BH₄ ^-를 저장하기 위한 연료탱크(20)가 구비되어 있는데, 그 연료탱크(20)와 발전기(10)의 양극에는 연료공급라인(30)과 연료회수라인(40)으로 연결되어 있으며, 그 연료공급라인(30)에는 연료를 펌핑하기 위한 연료펌프(50)가 설치되어 있다.

그리고, 상기 발전기(10)의 음극에는 공기공급라인(60)과 공기배출라인(70)이 설치되어 있는데, 그 공기공급라인(60)에는 공급되는 공기를 펌핑하기 위한 공기펌프(80)가 설치되어 있다.

상기 발전기(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전해질 막(11)의 양측에 가스를 확산시키기 위한 양극(12)과 음극(13)이 접합되어 이루어진 막-전극 접합체(MEA:MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY)(14)와, 그 막-전극 접합체(14)의 양측에 밀착되도록 조립되어 양극(12)과 음극(13)에서 수용액 상태의 BH₄ ^-및 공기의 유로(15)를 형성하는 분리판(SEPARATOR)(16)과, 그 분리판(16)과 상기 막-전극 접합체(14) 사이의 가장자리에 개재되어 기밀을 유지하는 가스켓(17)과, 상기 분리판(16)의 외측에 밀착고정되어 양극(12)과 음극(13)의 집전극이 되는 집전판(18)으로 구성된 단일 셀(UNIT CELL)구조로 되어 있다.

상기 막-전극 접합체(14)의 전해질 막(11)은 고분자재료로 이루어진 이온교환막으로서 대표적으로 상품화된 전해질막(11)으로는 듀폰사의 Nafion막이 있으며 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할을 하게 되고, 양극(12)과 음극(13)은 백금(Pt) 촉매층을 지지하는 지지체로서 다공성 탄소지(CARBON PAPER) 혹은 탄소천(CARBON CLOTH)이 전해질 막(11)의 양측에 접합된 구조로 되어 있다.

상기 분리판(16)은 치밀질의 카본 플레이트에 의해 형성되어 있고, 내측면에는 상기 막-전극 접합체(14)의 양측면에 밀착시 유로(15)가 형성될 수 있도록 복수개의 유로홈(16a)들이 형성되어 있다.

상기 가스켓(17)은 고무재질로 되어 있고, 대략 "ㅁ"자 형상으로 되어 있으며, 일정간격을 두고 관통형성되어 있는 다수개의 볼트공(17a)들이 형성되어 있고, 단면형상은 양측에 막-전극 접합체(14)와 분리판(16)이 밀착될때 탄력적으로 밀착되도록 원호형으로 돌출부(100)가 형성되어 있다.

도 5는 가스켓 단면형상의 다른 실시예를 보인 것으로, 돌출부(100)가 삼각형으로 돌출 형성되어있고, 도 6은 가스켓 단면형성의 또다른 실시예를 보인 것으로, 돌출부(100)가 사각형으로 돌출 형성되어 있다. 즉, 상기의 실시예들에서 보인 것처럼 일정하게 돌출시켜서 탄력적으로 밀착될 수 있는 형태라면 어떤 형태든지 가능할 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 패킹구조를 구비한 연료전지의 작용효과를 설명한다.

조작자가 연료전지(1)의 스위치를 조작하면 전자제어부(미도시)에서 미리 설정된 제어 프로그램에 따라 연료펌프(50)를 동작시켜서 연료탱크(50)에 저장되어 있는 수용액 상태의 BH₄ ^-를 연료공급라인(30)을 통하여 발전기(10)의 양극에 공급함과 동시에 공기펌프(80)를 동작시켜서 공기공급라인(60)을 통하여 발전기(10)의 음극으로 공기가 공급되도록 한다.

상기와 같이 발전기(10)에 공급되는 수용액상태의 BH₄ ^-는 일측의 유로(15)를 따라 흐르며 막-전극 접합체(14)의 양극(12) 전면에 확산이 되어 전기화학적 산화가 진행되고, 공기는 타측의 유로(15)를 따라 흐르며 막-전극 접합체(14)의 음극(13) 전면에 확산되어 산소의 전기화학적 환원이 일어나며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생되는데, 이때 발생되는 전기를 집전판(18)에서 집전하여 에너지원으로 사용하게 된다.

이때의 반응식은 다음과 같다.

Anode : BH₄ ^-+ 8OH^-→BO₂ ^-+ 6H₂O + 8e^-E₀= 1.24 V

Cathode : 2O₂+ 4H₂O + 8e^-→BOH^-E₀= 0.4 V

Total : BH₄ ^-+ 2O₂→2H₂O + BO₂E₀= 1.64 V

그리고, 상기와 같이 발전이 이루어지는 발전기(10)는 분리판(16)과 막-전극 접합체(14)의 사이에 개재되는 가스켓(17)의 단면형상이 외측으로 돌출되도록 돌출부(100)가 형성되어 있어서, 조립시 분리판(16)와 막-전극 접합체(14)에 탄력적으로 밀착되므로 틈새가 발생되지 않게 되어 기밀이 확실하게 유지된다.

상기의 실시예에서는 양극(12)에 공급하는 연료로 수용액 상태의 BH₄ ^-를 이용하는 연료전지(1)에 관련해 설명하였으나, 꼭 그에 한정하는 것은 아니고, 수소가스를 직접 양극에 공급하여 발전을 하는 연료전지에서도 동일한 형태의 가스켓을 적용하는 경우에 동일한 효과가 발생될 수 있을 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 연료전지의 패킹구조는 일측면에 양극이 접착되고 타측면에 음극이 부착된 막-전극 접합체와, 그 막전극 접합체와의 사이에 유로가 형성되도록 양측에 밀착되는 분리판과, 그 분리판의 외측면에 밀착되는 집전판 및 상기 분리판과 막-전극 접합체의 사이에 개재되는 가스켓으로 구성되는 발전기에서, 상기 가스켓의 단면형상이 외측면에 돌출되는 돌출부가 형성되도록 하여 조립시 양면이 분리판과 막-전극 접합체에 탄력적으로 밀착되도록 함으로써, 연료가 누설되어 비정상적인 발전이 되는 것을 방지함과 아울러 연료의 누설로 발생될 수 있는 안전사고를 미연에 방지하는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 전해질 막의 일측면에 수용액 상태의 BH₄ ^-가 공급이되어 확산되는 양극이 부착되고 타측면에 공기가 공급되어 확산되는 음극이 부착되어 있는 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 상기 수용액 상태의 BH₄ ^-와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 밀착고정되는 분리판과, 그 분리판과 막-전극 접합체의 사이의 가장자리에 개재되어 기밀을 유지하는 가스켓 및 상기 분리판의 외측면에 밀착되어 전기를 집전하는 집전판으로 구성되는 발전기를 구비한 연료전지에 있어서,

   상기 가스켓의 단면 양측에는 밀착시 탄력적으로 밀착되어 기밀이 유지될 수 있도록 길이방향을 따라 돌출형성되는 돌출부를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부는 원호형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부는 삼각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
4. 제 1항에 있어서, 상기 돌출부는 사각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
5. 전해질 막의 일측면에 수소가스가 공급되어 확산되는 양극이 부착되고 타측면에 공기가 공급되어 확산되는 음극이 부착되어 있는 막-전극 접합체와, 그 막-전극 접합체의 양측에 상기 수소가스와 공기가 흐르는 유로가 형성되도록 밀착고정되는 분리판과, 그 분리판과 막-전극 접합체의 사이의 가장자리에 개재되어 기밀을 유지하는 가스켓과, 상기 분리판의 외측면에 밀착되어 전기를 집전하는 집전판으로 구성되는 발전기를 구비한 연료전지에 있어서,

   상기 가스켓의 단면 양측에는 밀착시 탄력적으로 밀착되어 기밀이 유지될 수 있도록 길이방향으로 따라 돌출형성되는 돌출부를 구비한 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
6. 제 5항에 있어서, 상기 돌출부는 원호형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
7. 제 5항에 있어서, 상기 돌출부는 삼각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 패킹구조.
8. 제 5항에 있어서, 상기 돌출부는 사각형으로 형성되는 것을 특징으로 하는연료전지의 패킹구조.