KR20040004934A - Membrane assembly for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연료전지를 이용하여 전기에너지를 얻는 에너지 발생시스템에 관한 것으로, 특히 연료전지스택의 단위셀을 이루는 멤브레인 조립체를 멤브레인(전해질막과 혼용함)과 양쪽 전극을 분리하여 조립하는 연료전지의 멤브레인 조립체에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an energy generation system that obtains electrical energy using a fuel cell, and more particularly, to a membrane assembly constituting a unit cell of a fuel cell stack, in which a membrane (mixed with an electrolyte membrane) and both electrodes are separated and assembled. It relates to a membrane assembly.
인류가 사용하고 있는 에너지 중 대부분은 화석 연료에서 얻고 있다. 그러나 이러한 화석 연료의 사용은 대기오염 및 산성비, 지구 온난화 등의 환경에 심각한 악영향을 미치고 있으며, 에너지 효율도 낮은 등의 문제점이 있었다.Most of the energy humans are using comes from fossil fuels. However, the use of such fossil fuel has a serious adverse effect on the environment, such as air pollution, acid rain, global warming, and has a problem such as low energy efficiency.
연료전지는 이러한 화석 연료의 대안으로 제시하는 것으로 통상의 전지(2차 전지)와는 달리 음극(anode)에 연료(수소가스나 탄화수소)를, 양극(cathode)에 산소를 외부로부터 공급하여 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진행되어 전기와 열을 발생하는 전지계로서 실제로는 발전장치라고 볼 수 있다.The fuel cell is proposed as an alternative to such fossil fuels. Unlike conventional cells (secondary cells), the fuel cell is supplied with fuel (hydrogen gas or hydrocarbon) to the anode and oxygen to the cathode from the outside to electrolyze water. It is a battery system that generates electricity and heat by undergoing an electrochemical reaction by a reverse reaction, and can be regarded as a power generating device.
연료전지에 의한 발전 방법은 연료의 연소(산화)반응을 거치지 않고 수소와 산소의 전기화학적 반응을 거쳐 반응 전후의 에너지 차를 전기에너지로 직접 변환하는 방법이다.The power generation method using a fuel cell is a method of directly converting an energy difference before and after the reaction into electrical energy through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen without undergoing combustion (oxidation) reaction of the fuel.
연료전지를 전해질의 유형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고분자 전해질 연료전지, 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.If the fuel cell is classified according to the type of electrolyte, the phosphoric acid fuel cell operating at around 200 ° C, the alkaline electrolyte fuel cell operating at 60 to 110 ° C, the polymer electrolyte fuel cell operating at room temperature to 80 ° C, about 500 ~ Molten carbonate electrolyte fuel cells operating at a high temperature of 700 ℃, and solid oxide fuel cells operating at a high temperature of 1000 ℃ or more.
이러한 연료전지는 도 1에서와 같이 통상 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기에너지를 생성하도록 연료극(12)과 공기극(13)을 구비하는 연료전지스택(10)과, 수소를 포함한 수용액 상태의 수소화붕소((BH4), 실제로는 수소화붕소나트륨(NaBH4))을 상기한 연료극(12)에 공급하는 연료공급부(20)와, 산소를 포함한 공기를 상기한 공기극(13)에 공급하는 공기공급부(30)와, 연료전지스택(10)에서 생성하는 전기에너지를 부하에 공급하는 전기에너지 출력부(40)를 포함하고 있다.Such a fuel cell has a fuel cell stack 10 including a fuel electrode 12 and an air electrode 13 so as to generate electric energy by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, as shown in FIG. 1, and an aqueous solution containing hydrogen. A fuel supply unit 20 for supplying boron hydride ((BH 4 ), in fact sodium borohydride (NaBH 4 )) to the anode 12, and air for supplying air containing oxygen to the cathode 13. And a supply unit 30 and an electrical energy output unit 40 for supplying electrical energy generated by the fuel cell stack 10 to the load.
연료전지스택(10)은 다수 개의 단위셀(single cell)을 적층하여 각각의 단위셀(11)을 긴 체결볼트로 관통 조립하는 것으로, 각 단위셀은 전해질막(11)과, 이 전해질막(11)을 사이에 두고 양측에 고온 고압으로 압착하여 일체로 적층하는 연료극(12)과 공기극(13), 그리고 이 연료극(12)과 공기극(13)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(12)과 공기극(13)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(14,15)으로 이루어져 있다. 양쪽 끝 단위셀의 바깥면에는 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(16,17)으로 구성하고 있다.The fuel cell stack 10 stacks a plurality of unit cells and assembles each unit cell 11 with a long fastening bolt. Each unit cell includes an electrolyte membrane 11 and an electrolyte membrane ( 11 and the fuel electrode 12 and the air electrode 13 which are pressed together at high temperature and high pressure on both sides of the fuel electrode 12 and the air electrode 13, and are laminated outside the fuel electrode 12 and the air electrode 13, respectively, so that fuel and air are separated from the fuel electrode ( 12) and a separator (or bipolar plate) 14, 15 for circulating in contact with the cathode 13, respectively. The outer surface of the unit cell at both ends is composed of current collectors 16 and 17 forming current collector electrodes.
전해질막(11)은 H+를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막을 사용하고 있다.The electrolyte membrane 11 uses a membrane made of a polymer that transfers H + , for example, a polymer ion exchange membrane that exhibits electrical conductivity in a wet state.
연료극(12)과 공기극(13)은 한 개의 지지체와 이 지지체의 양측면 전체를 적층하는 한 개의 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소저장합금(MH)계열의 금속을 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.The anode 12 and the cathode 13 are composed of one support layer and one catalyst layer stacking both sides of the support, the support body is formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer is formed of a hydrogen storage alloy (MH) metal. It is preferable to use it by coating.
분리판(14,15)은 도 2에서와 같이 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(12)과 공기극(13)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성하고 있다. 또, 단위셀들 사이에 설치하는 분리판(14,15)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택(10)의 양측 단부에 설치하는 분리판(14,15)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성하고 있다.As shown in FIG. 2, the separators 14 and 15 use a metal material, such as graphite, having good electrical conductivity and high corrosion resistance. Each of the inner surfaces of the separator plates 14 and 15 in contact with the fuel electrode 12 and the air electrode 13 is provided. In the fuel cell, a fuel channel Cf through which fuel passes and an air channel Co through which air passes. In addition, the separation plates 14 and 15 provided between the unit cells have a fuel channel Cf on one side and an air channel Co on the other side, and are installed at both ends of the fuel cell stack 10. The plates 14 and 15 form the fuel passage Cf or the air passage Co only on the inner side surface.
집전판(16,17)은 연료전지스택(10)에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성하고 있다.The current collector plates 16 and 17 are used to finally take out electrical energy from the fuel cell stack 10 and are formed of an electrical conductor such as a copper material used as a normal terminal.
도면중 미설명 부호인 21은 연료공급관, 22는 연료통, 23은 연료펌프, 31은 공기공급관, 32는 공기펌프, M은 멤브레인 조립체이다.In the drawings, 21 is a fuel supply pipe, 22 is a fuel container, 23 is a fuel pump, 31 is an air supply pipe, 32 is an air pump, M is a membrane assembly.
상기와 같은 종래 연료전지스택에 B화합물을 연료로 공급할 때 전기에너지가 발생하는 과정은 다음과 같다.The process of generating electrical energy when supplying the compound B as a fuel to the conventional fuel cell stack as described above is as follows.
즉, 분리판(14,15)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)에 공급한 연료와 공기는 각각 연료극(음극,anode)(12)과 공기극(양극,cathode)(13)을 통과하고, 이 과정에서 연료중의 수소가 공기중의 산소와 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성함과 아울러 두 전극 사이에서 전류를 발생한다.That is, the fuel and air supplied to the fuel passage Cf and the air passage Co of the separators 14 and 15 pass through the anode (anode) 12 and the cathode (cathode) 13, respectively. In this process, hydrogen in the fuel electrochemically reacts with oxygen in the air to generate water, and generates a current between the two electrodes.
이를 보다 상세히 살펴 보면, 연료극(12)측에서는 연료에서 전기화학적 산화반응인Looking at this in more detail, the anode 12 side is the electrochemical oxidation reaction in the fuel
BH4 -+ 8OH-→BO2 -+ 6H2O + 8e-이 발생하여 전해질막(11)에서는 산화/환원 반응에 의해 생긴 이온을 전달하고,BH4 -+ 8 OH-→ BO2 -+ 6H2O + 8e-Is generated, and the electrolyte membrane 11 transfers ions generated by the oxidation / reduction reaction,
공기극(13)에서는 공급한 공기(산소)의 전기화학적 환원반응인In the cathode 13, an electrochemical reduction reaction of the supplied air (oxygen)
2O2+ 4H2O + 8e-→8OH-이 발생한다.2O2+ 4H2O + 8e-→ 8OH-This happens.
이에 따라 연료극(12)과 공기극(13)의 사이에 기전력이 발생하고, 이 기전력을 다수개의 단위셀을 적층한 연료전지스택(10)의 양단에 설치한 집전판(16,17)을 통하여 출력하며, 집전판(16,17)에서 출력하는 전류는 부하로 공급하는 것이었다.Accordingly, electromotive force is generated between the fuel electrode 12 and the air electrode 13, and the electromotive force is output through current collector plates 16 and 17 provided at both ends of the fuel cell stack 10 in which a plurality of unit cells are stacked. The currents output from the current collector plates 16 and 17 were supplied to the load.
그러나, 상기와 같은 종래 연료전지스택는, 도 2 및 도 3에서와 같이 한 개의 단위셀을 형성하기 위하여는 전해질막(11)과 그 양측면에 배치하는 연료극(12)과 공기극(13)을 고온 고압으로 압착하여 일체로 멤브레인 조립체(M)를 형성하는 것이나, 이는 대면적 멤브레인 조립체를 제작할 경우 그에 맞는 대형 가압장치를 구비하여야 하므로 이에 따른 비용이 증가하는 문제점이 있었다.However, in the conventional fuel cell stack as described above, in order to form one unit cell as shown in FIGS. 2 and 3, the anode 12 and the cathode 13 disposed on both sides of the electrolyte membrane 11 and the cathode 13 are formed at high temperature and high pressure. Compression to form a membrane assembly (M) integrally, but when manufacturing a large-area membrane assembly has to be provided with a large pressurizing device according to it, there is a problem in that the cost increases accordingly.
또, 전해질막(11)과 양쪽 전극(12,13)을 압착하는 과정에서 음극과 양극의 수분 함량 등에 차이가 있을 경우 멤브레인 조립체(M)가 휘어지는 현상이 발생하거나 또는 고온 압착에 따른 전해질막(11)이 변형할 우려도 있었다.In addition, when there is a difference in moisture content between the cathode and the anode in the process of compressing the electrolyte membrane 11 and both electrodes 12 and 13, the membrane assembly M may be bent or an electrolyte membrane may be formed due to high temperature compression. 11) There was a risk of deformation.
또, 이러한 압착공정이 불완전할 경우 조립시에는 전해질막(11)과 양쪽전극(12,13)이 올바로 결합된 것으로 보이나 그 압착력이 부족하여 가동중에 부분적으로 떨어지면서 효율이 저하할 우려가 있었다.In addition, when the crimping process is incomplete, the electrolyte membrane 11 and both electrodes 12 and 13 appear to be correctly coupled during assembly, but the compressive force is insufficient, resulting in a drop in efficiency during partial operation.
또, 조립시나 가동시 일부 멤브레인 조립체(M)의 전해질막(11)이나 전극(12)(13)이 파손되면 그 멤브레인 조립체(M) 전체를 교체하여야 하므로 유지 보수에 소요되는 비용이 가중되는 문제점도 있었다.In addition, when the electrolyte membrane 11 or the electrodes 12 and 13 of the membrane assembly M are damaged during assembly or operation, the entire membrane assembly M needs to be replaced, thereby increasing the cost of maintenance. There was also.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래 연료전지가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 가압장치 없이도 대면적 멤브레인 조립체를 제작할 수 있도록 하여 제조비용을 절감할 수 있는 연료전지의 멤브레인 조립체를 제공하려는데 본 발명의 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a membrane assembly of a fuel cell that can reduce the manufacturing cost by making a large-area membrane assembly without a pressurizing device in view of the problems of the conventional fuel cell as described above. There is a purpose.
또, 전해질막과 양쪽 전극을 조립하는 과정에서 휘어지는 현상을 개선할 수 있는 연료전지의 멤브레인 조립체를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a membrane assembly of a fuel cell that can improve the bending phenomenon in the process of assembling the electrolyte membrane and both electrodes.
또, 전해질막과 양쪽 전극의 조립상태를 견고하게 유지할 수 있도록 하는 연료전지의 멤브레인 조립체를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a membrane assembly of a fuel cell that can firmly maintain an assembled state of an electrolyte membrane and both electrodes.
또, 조립시나 가동시 일부 멤브레인 조립체의 전해질막이나 전극이 파손되는 경우 이 파손된 전해질막이나 전극만 따로 분리하여 교체할 수 있도록 하여 유지 보수에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 연료전지의 멤브레인 조립체를 제공하려는데도 본 발명의 목적이 있다.In addition, when the electrolyte membrane or electrode of some membrane assemblies is broken during assembly or operation, only the broken electrolyte membrane or electrode can be separated and replaced, thereby reducing the cost of maintenance. It is an object of the present invention to provide.
도 1은 종래 연료전지의 일례를 보인 계통도.1 is a system diagram showing an example of a conventional fuel cell.
도 2는 종래 연료전지스택의 일례를 보인 분해사시도.Figure 2 is an exploded perspective view showing an example of a conventional fuel cell stack.
도 3은 종래 연료전지스택의 멤브레인 조립체(MEA)를 조립하는 과정을 분해하여 보인 종단면도.Figure 3 is a longitudinal cross-sectional view showing an exploded process of assembling the membrane assembly (MEA) of the conventional fuel cell stack.
도 4는 본 발명 연료전지스택의 일례를 보인 사시도.4 is a perspective view showing an example of the fuel cell stack of the present invention;
도 5는 본 발명 연료전지스택의 멤브레인 조립체(MEA)를 조립하는 과정을 분해하여 보인 종단면도.Figure 5 is a longitudinal cross-sectional view showing an exploded process of assembling the membrane assembly (MEA) of the fuel cell stack of the present invention.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **** Description of symbols for the main parts of the drawing **
110 : 체결볼트 111 : 체결너트110: tightening bolt 111: tightening nut
121 : 전해질막 122 : 연료극121: electrolyte membrane 122: fuel electrode
123 : 공기극 121a,122a,123a : 관통구멍123: air cathode 121a, 122a, 123a: through hole
M : 멤브레인 조립체M: Membrane Assembly
본 발명의 목적을 달성하기 위하여 전해질막과, 이 전해질막을 사이에 두고적층하여 연료와 공기를 각각 접촉하면서 물과 함께 전기를 발생하도록 하는 연료극과 공기극으로 이루어진 연료전지의 멤브레인 조립체에 있어서, 연료극과 공기극을 전해질막의 양측면에 각각 배치한 상태에서 그 연료극과 공기극을 전해질막쪽으로 조이는 적어도 한 개 이상의 체결부재를 이용하여 그 전해질막을 사이에 두고 밀착 고정하여서 된 것을 특징으로 하는 연료전지의 멤브레인 조립체를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention, a membrane assembly of a fuel cell comprising an electrolyte membrane and a fuel electrode and an air electrode which are laminated with an electrolyte membrane interposed therebetween to generate electricity together with water while contacting fuel and air, respectively. Provided is a membrane assembly of a fuel cell, characterized in that the air electrode is disposed on both sides of the electrolyte membrane, and fixedly fixed with the electrolyte membrane therebetween using at least one fastening member for tightening the fuel electrode and the air electrode toward the electrolyte membrane. do.
이하, 본 발명에 의한 연료전지의 멤브레인 조립체를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a membrane assembly of a fuel cell according to the present invention will be described in detail with reference to an embodiment shown in the accompanying drawings.
도 4는 본 발명 연료전지스택의 일례를 보인 사시도이고, 도 5는 본 발명 연료전지스택의 멤브레인 조립체(MEA)를 조립하는 과정을 분해하여 보인 종단면도이다.Figure 4 is a perspective view showing an example of the fuel cell stack of the present invention, Figure 5 is a longitudinal cross-sectional view showing an exploded process of assembling the membrane assembly (MEA) of the fuel cell stack of the present invention.
이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 연료전지스택은 다수 개의 단위셀(single cell)을 차례대로 적층한 후에 이를 긴 체결볼트로 조여 각각의 단위셀이 서로 밀착하도록 조립한 것이다.As shown in the drawing, the fuel cell stack according to the present invention is assembled by stacking a plurality of unit cells one by one and tightening them with a long fastening bolt so that each unit cell is in close contact with each other.
체결볼트(110)는 그 일단이 후술할 관통구멍 보다 넓은 머리부를 형성하는 반면 타단은 체결너트를 체결할 나사부를 형성한다.The fastening bolt 110 has a head portion wider than a through hole to be described later, while the other end forms a screw portion for fastening the fastening nut.
각 단위셀은 전해질막(121)과, 이 전해질막(121)을 사이에 두고 양측에 적층하여 전해질막(121`)과 함께 멤브레인 조립체(M)를 이루는 연료극(122)과 공기극(123), 그리고 이 연료극(122)과 공기극(123)의 외측에 적층하여 각각 연료와 공기가 연료극(122)과 공기극(123)에 각각 접촉하면서 순환할 수 있도록 하는 분리판(separator, 또는 bipolar plate)(124,125)과, 양측 분리판(124,125)의 외측에 각각 적층하여 집전전극을 형성하는 집전판(current collector)(미도시)으로 구성한다.Each unit cell has an electrolyte membrane 121, a fuel electrode 122, an air electrode 123, which are stacked on both sides with the electrolyte membrane 121 therebetween to form a membrane assembly M together with the electrolyte membrane 121 ′, And a separator or bipolar plate 124 and 125 stacked on the outer side of the anode 122 and the cathode 123 to allow the fuel and air to circulate while contacting the anode 122 and the cathode 123, respectively. ) And a current collector (not shown) which is formed on the outer side of both side separation plates 124 and 125 to form current collecting electrodes.
전해질막(121)은 H+를 전달하는 고분자 재질의 막, 예컨대 습윤(濕潤) 상태에서 전기전도성을 띠는 고분자 이온교환막으로 이루어지고, 전해질막(121)의 가장자리에는 상기한 체결볼트(110)가 통과할 수 있도록 관통구멍(121a)을 형성한다.The electrolyte membrane 121 is made of a polymer membrane which transfers H + , for example, a polymer ion exchange membrane having electrical conductivity in a wet state, and the fastening bolt 110 is formed at the edge of the electrolyte membrane 121. The through-hole 121a is formed to allow passage.
연료극(122)과 공기극(122)은 지지체와 이 지지체의 양측면에 적층하는 촉매층으로 이루어진다.The anode 122 and the cathode 122 are composed of a support and a catalyst layer laminated on both sides of the support.
연료극(122)과 공기극(123)은 한 개의 지지체와 이 지지체의 양측면 전체를 적층하는 한 개의 촉매층으로 구성하되 지지체는 금속성의 니켈폼으로 형성하고, 촉매층은 수소저장합금(MH)계열의 금속을 코팅하여 사용하는 것이 바람직하다.The anode 122 and the cathode 123 are composed of one support and one catalyst layer stacking the both sides of the support, the support being formed of metallic nickel foam, and the catalyst layer being formed of a hydrogen storage alloy (MH) -based metal. It is preferable to use it by coating.
또, 각 지지체의 가장자리에는 상기한 전해질막(121)의 관통구멍(121a)에 대응하도록 구비하여 체결볼트(110)가 역시 통과하도록 하는 관통구멍(122a)(123a)을 형성한다.In addition, through holes 122a and 123a are formed at the edges of each support so as to correspond to the through holes 121a of the electrolyte membrane 121 so that the fastening bolts 110 can also pass through.
분리판(124,125)은 전기전도성이 양호하고 내식성이 강한 그라파이트(graphite)와 같은 금속물질을 사용하는 것으로, 연료극(122)과 공기극(123)에 접촉하는 각각의 내측면에는 연료가 통과하는 연료유로(fuel channel)(Cf)와 공기가 통과하는 공기유로(air channel)(Co)를 형성한다. 또, 단위셀들 사이에 설치하는 분리판(124,125)은 일 측은 연료유로(Cf)를, 타측에는 공기유로(Co)를 형성하고, 연료전지스택의 양측 단부에 설치하는 분리판(124,125)은 내측면에만 연료유로(Cf) 또는 공기유로(Co)를 형성한다.The separators 124 and 125 use a metal material such as graphite having good electrical conductivity and high corrosion resistance, and a fuel oil passage through which fuel passes through each inner surface of the separator 122 and the cathode 123. A fuel channel Cf and an air channel Co through which air passes are formed. In addition, the separator plates 124 and 125 provided between the unit cells form a fuel channel Cf on one side and an air channel Co on the other side, and the separator plates 124 and 125 provided on both ends of the fuel cell stack. The fuel passage Cf or the air passage Co is formed only on the inner side surface.
또, 분리판(124)(125)의 가장자리에도 상기 전해질막(121)의 관통구멍(121a)과 각 전극(122)(123)의 지지체에 구비한 관통구멍(122a)(123a)에 대응하는 위치에 상기한 체결볼트(110)가 역시 통과하도록 하는 관통구멍(124a)(125a)을 형성한다.In addition, the edges of the separation plates 124 and 125 correspond to the through holes 121a of the electrolyte membrane 121 and the through holes 122a and 123a provided in the support of the electrodes 122 and 123, respectively. Through holes 124a and 125a are formed to allow the fastening bolt 110 to pass through at the position.
또, 분리판(124)(125)과 이에 접하는 연료극(122) 및 공기극(123) 사이에는 분리판(124)(125)의 연료유로(Cf)와 공기유로(Co) 외곽부위를 실링할 수 있도록 사각띠 모양의 실링부재(미도시)를 개재한다. 이 실링부재(미도시)에도 상기한 체결볼트가 통과할 수 있도록 관통구멍을 형성한다.In addition, between the separator plates 124 and 125, and the fuel electrode 122 and the air electrode 123, which are in contact with the separator plates 124, 125, an outer portion of the fuel channel Cf and the air channel Co of the separator plates 124 and 125 may be sealed. A rectangular band-shaped sealing member (not shown) is interposed therebetween. The sealing member (not shown) also forms a through hole so that the fastening bolt can pass therethrough.
집전판(미도시)은 연료전지스택에서 최종적으로 전기에너지를 취출하기 위한 것으로 통상적인 터미널로서 사용하는 구리재질 등의 전기전도체로 형성한다.The current collector plate (not shown) is used for finally extracting electrical energy from the fuel cell stack, and is formed of an electrical conductor such as a copper material used as a conventional terminal.
또, 집전판의 가장자리에도 상기 전해질막(121)의 관통구멍(121a)과 전극(122)(123) 지지체의 관통구멍(122a)(123a) 그리고 분리판(124)(125)의 관통구멍(124a)(125a)에 대응하는 위치에 상기한 체결볼트(110)가 역시 통과하도록 하는 관통구멍(미도시)을 형성한다.The through holes 121a of the electrolyte membrane 121, the through holes 122a and 123a of the support of the electrodes 122 and 123, and the through holes of the separators 124 and 125 are also formed at the edges of the current collector plate. A through hole (not shown) is formed at a position corresponding to 124a and 125a to allow the fastening bolt 110 to pass therethrough.
도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.In the drawings, the same reference numerals are given to the same parts as in the prior art.
도면중 미설명 부호인 111은 체결너트이다.Reference numeral 111 in the figure denotes a fastening nut.
상기와 같은 본 발명 연료전지의 연료전지스택을 조립하는 과정은 다음과 같다.The process of assembling the fuel cell stack of the fuel cell of the present invention as described above is as follows.
즉, 전해질막(121)을 사이에 두고 그 양측에 연료극(122)과 공기극(123)을 배치한 다음 연료극(122)과 공기극(123)의 바깥면에 각각 연료유로(Cf)와 공기유로(Co)를 구비한 연료극(122)과 공기극(123)을 배치하는 일련의 과정을 반복함으로써 다수 개의 단위셀을 차례대로 적층한다.That is, the fuel electrode 122 and the air electrode 123 are disposed on both sides with the electrolyte membrane 121 interposed therebetween, and then the fuel flow path Cf and the air flow path are respectively provided on the outer surfaces of the fuel electrode 122 and the air electrode 123. A plurality of unit cells are sequentially stacked by repeating a series of processes in which the anode 122 having the Co) and the cathode 123 are disposed.
이후, 양쪽 단위셀의 바깥면에 집전판(미도시)을 대고 상기한 각 전해질막(121)과 연료극(122)과 공기극(123) 그리고 분리판(124)(125)과 집전판(미도시)에 일렬로 형성한 관통구멍(121a)(122a)(123a)(124a)(125a)(미도시)을 긴 체결볼트(110)로 통과한 후 한 쪽은 체결볼트(110)의 머리부로 압착하고 다른 한 쪽은 체결너트(111)를 끼워 그 체결볼트(110)가 맞은 편 집전판을 강하게 압착하도록 돌려 체결한다.Then, each of the electrolyte membrane 121, the fuel electrode 122, the cathode 123, the separator plates 124, 125 and the collector plate (not shown) are placed on the outer surface of both unit cells. After passing through holes 121a, 122a, 123a, 124a, 125a (not shown) formed in a row in a long fastening bolt 110, one side is crimped to the head of the fastening bolt 110 And the other side is fastened by tightening the fastening nut (111) so that the fastening bolt 110 is pressed against the opposite collector plate.
이때, 각 분리판(124)(125)과 이에 접하는 연료극(122)이나 공기극(123) 사이에는 실링부재(미도시)를 끼워 체결볼트(110)로 체결하는 과정에서 실링부재가 적정하게 압축되면서 연료와 공기의 누설을 차단하도록 하는 것이 바람직하다.At this time, the sealing member is properly compressed in the process of fastening the sealing member (not shown) between the separator plate 124, 125 and the fuel electrode 122 or the air electrode 123 in contact with the fastening bolt 110. It is desirable to prevent leakage of fuel and air.
이렇게 하여, 대면적 멤브레인 조립체를 제작할 때 별도의 가압장치를 구비할 필요가 없음에 따라 생산비용을 절감할 수 있다.In this way, the production cost can be reduced as there is no need to provide a separate pressurization device when manufacturing a large area membrane assembly.
또, 멤브레인 조립체를 제작할 때 전해질막과 전극을 단순히 밀착한 상태에서 체결볼트로 조여 조립함에 따라 별도의 압축공정을 수행할 필요가 없고, 이에 따라 연료극과 공기극의 수분함량이 다르더라도 이로 인해 멤브레인 조립체가 휘어질 우려를 미연에 방지할 수 있다.In addition, when fabricating the membrane assembly, it is not necessary to perform a separate compression process by tightening the electrolyte membrane and the electrode by simply tightening the fastening bolts in close contact with each other. The risk of warping can be prevented.
또, 전해질막을 높은 온도로 가열할 필요가 없어 고온에 의한 전해질막의 변형 역시 미연에 방지할 수 있다.In addition, since the electrolyte membrane does not need to be heated to a high temperature, deformation of the electrolyte membrane due to high temperature can also be prevented in advance.
또, 체결작업이 불균일하거나 불충분한 경우에는 전해질막과 양쪽 전극이 벌어짐에 따라 체결작업시 이를 체크하여 체결강도를 균일하고 충분하게 조절할 수있어 연료전지스택의 효율 저하를 미연에 방지할 수 있다.In addition, when the fastening operation is uneven or insufficient, as the electrolyte membrane and both electrodes are opened, it is checked during the fastening operation to uniformly and sufficiently adjust the fastening strength, thereby preventing the efficiency of the fuel cell stack in advance.
또, 조립시나 가동시 일부 멤브레인 조립체의 전해질막이나 전극이 파손되면 이 파손된 전해질막이나 전극만 따로 분리하여 교체할 수 있으므로 유지 보수에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.In addition, when the electrolyte membrane or electrodes of some membrane assemblies are broken during assembly or operation, only the broken electrolyte membrane or electrodes can be separated and replaced separately, thereby reducing the cost of maintenance.
또, 전해질막과 전극을 분리 가능하게 조립함에 따라 전극을 필요에 따라 다양하게 조절할 수 있다.In addition, as the electrolyte membrane and the electrode are detachably assembled, the electrode can be variously adjusted as necessary.
한편, 전해질막과 연료극과 공기극 그리고 양쪽 분리판과 집전판은 전술한 일실시예에서와 같이 체결구멍을 형성하여 체결볼트와 체결너트로 체결할 수 있으나, 경우에 따라서는 도면으로 제시하지는 않았지만 상기한 전해질막과 연료극과 공기극 그리고 양쪽 분리판과 집전판을 벨트나 클램프 등으로 한데 묶어 체결할 수도 있다.Meanwhile, the electrolyte membrane, the anode, the cathode, and both the separator and the collector plate may be fastened with a fastening bolt and a fastening nut by forming a fastening hole as in the above-described embodiment, but in some cases, although not shown in the drawing, One electrolyte membrane, the anode, the cathode, and both the separator and the collector may be bundled together using a belt or clamp.
본 발명에 의한 연료전지의 멤브레인 조립체는, 연료극과 공기극을 전해질막의 양측면에 각각 배치한 상태에서 그 연료극과 공기극을 전해질막쪽으로 조이는 적어도 한 개 이상의 체결부재를 이용하여 그 전해질막을 사이에 두고 밀착 고정하여 구성함으로써, 대면적 멤브레인 조립체를 제작할 때 별도의 가압장치를 구비할 필요가 없음에 따라 생산비용을 절감할 수 있다.In the membrane assembly of a fuel cell according to the present invention, the fuel electrode and the air electrode are disposed on both sides of the electrolyte membrane, and the membrane assembly is tightly fixed with the electrolyte membrane interposed therebetween by using at least one fastening member for tightening the fuel electrode and the air electrode toward the electrolyte membrane. In this way, it is not necessary to provide a separate pressurizing device when manufacturing a large-area membrane assembly, thereby reducing the production cost.
또, 멤브레인 조립체를 제작할 때 별도의 압축공정을 수행할 필요가 없어 연료극과 공기극의 수분함량이 다르더라도 이로 인해 멤브레인 조립체가 휘어질 우려를 미연에 방지할 수 있다.In addition, it is not necessary to perform a separate compression process when manufacturing the membrane assembly, even if the moisture content of the anode and the cathode is different, this can prevent the possibility of bending the membrane assembly in advance.
또, 고온에 의한 전해질막의 변형 역시 미연에 방지할 수 있고, 체결작업시 체결강도를 균일하게 조절할 수 있어 연료전지스택의 효율 저하를 미연에 방지할 수 있다.In addition, deformation of the electrolyte membrane due to high temperature can be prevented in advance, and the fastening strength can be uniformly adjusted during the fastening operation, thereby preventing the efficiency of the fuel cell stack from being lowered.
또, 조립시나 가동시 일부 멤브레인 조립체가 파손하면 그 파손한 부위만 분리하여 교체할 수 있으므로 유지 보수에 소요되는 비용을 줄일 수 있다.In addition, when some membrane assemblies are broken during assembly or operation, only the damaged parts can be separated and replaced, thereby reducing the cost of maintenance.
또, 전해질막과 전극을 분리 가능하게 조립함에 따라 전극을 필요에 따라 다양하게 조절할 수 있다.In addition, as the electrolyte membrane and the electrode are detachably assembled, the electrode can be variously adjusted as necessary.
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