KR20070092013A - Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도;1 is a cross-sectional view of a bipolar plate according to the present invention;
도 2는 도 1의 바이폴라 플레이트를 갖는 연료전지 시스템용 스택의 개략도;2 is a schematic view of a stack for a fuel cell system having the bipolar plate of FIG. 1;
도 3은 연료전지 시스템용 스택을 구성하는 전극막 조립체의 3층 구조를 나타낸 도면;3 shows a three-layer structure of an electrode membrane assembly constituting a stack for a fuel cell system;
도 4는 전극막 조립체의 4층 구조를 나타낸 도면;4 shows a four-layer structure of the electrode film assembly;
도 5는 전극막 조립체의 5층 구조를 나타낸 도면;5 shows a five-layer structure of the electrode film assembly;
도 6은 종래 일예에 따른 연료전지의 실시형태를 나타낸 도면;6 shows an embodiment of a fuel cell according to a conventional example;
도 7은 종래 다른 예에 따른 연료전지 유니트의 단면도;7 is a sectional view of a fuel cell unit according to another conventional example;
도 8은 종래 또 다른 예에 따른 양극판 및 MEA로 구성된 조립체의 단면도;8 is a sectional view of an assembly composed of a positive electrode plate and a MEA according to another conventional example;
도 9는 종래 또 다른 예에 따른 바이폴라 플레이트용 가스 확산채널을 나타낸 도면.9 is a view showing a gas diffusion channel for a bipolar plate according to another conventional example.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
10 : 바이폴라 플레이트10 bipolar plate
12 : 본체12: main body
14 : 기체 확산층14 gas diffusion layer
10, 120, 220, 320 : 전극막 조립체10, 120, 220, 320: electrode film assembly
100 : 스택100: stack
110 : 전기 발생부110: electricity generating unit
[특허문헌 1] 일본 공개특허공보 평10-12246호[Patent Document 1] Japanese Unexamined Patent Publication No. 10-12246
[특허문헌 2] 일본 공개특허공보 2003-257469호[Patent Document 2] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2003-257469
[특허문헌 3] 대한민국 공개특허공보 2001-71877호[Patent Document 3] Republic of Korea Patent Publication No. 2001-71877
[특허문헌 4] 미국 특허공보 6,649,297호[Patent Document 4] US Patent Publication No. 6,649,297
본 발명은 기체 확산층이 표면에 제공되어 있는 바이폴라 플레이트를 구비한 연료전지 시스템용 스택에 관한 것이고, 바람직하게 스택의 체결시 체결압에 의해 바이폴라 플레이트에 형성된 채널이 막혀지는 현상을 방지할 수 있도록 표면에 기체 확산층이 제공되어 있는 바이폴라 플레이트를 구비한 연료전지 시스템용 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a stack for a fuel cell system having a bipolar plate having a gas diffusion layer provided on the surface thereof, and preferably a surface for preventing the channel formed in the bipolar plate from being clogged by the fastening pressure when the stack is fastened. The present invention relates to a stack for a fuel cell system having a bipolar plate provided with a gas diffusion layer.
일반적으로 연료전지 시스템은 수소와 산소의 화학적인 반응에 의해 전기에 너지로 바꾸는 발전장치로서, 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 날로 증가되는 지구환경문제를 해결할 수 있는 대안으로서 연구개발되고 있다. 이러한 연료전지 시스템은 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. In general, a fuel cell system is a power generation device that converts electricity into electrical energy by a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and is being researched and developed as an alternative to solve the difficulty of securing power due to the increase in power demand and the increasing global environmental problems. . Such a fuel cell system basically has a stack in which a plurality of unit cells for generating electricity are stacked.
스택은 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 복수개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어진다. 상기 단위전지는 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되어 있는 MEA와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 표면에 가공되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.The stack has a structure in which a plurality of unit cells stacked between end plates are fastened by bolts and nuts. The unit cell includes an MEA having anode and cathode electrodes provided on both sides of an electrolyte membrane, and a separator, that is, a bipolar plate, each having a channel for fluid flow disposed on both sides of the MEA and processed on a surface thereof.
상기 바이폴라 플레이트는 애노드 전극과 캐소드 전극에 수소함유연료와 산소와 같은 반응물들을 각각 공급하면서 애노드 전극과 캐소드 전극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물와 같은 생성물들을 외부로 배출시킨다. 상기 애노드 전극과 캐소드 전극은 전해질막 상에 순차적으로 적층되어 있는 촉매층과 가스확산층(GDL: gas diffusion layer)을 갖는다.The bipolar plate supplies the reactants such as hydrogen-containing fuel and oxygen to the anode electrode and the cathode electrode, respectively, and discharges products such as carbon dioxide and water generated at the anode electrode and the cathode electrode, respectively. The anode electrode and the cathode electrode have a catalyst layer and a gas diffusion layer (GDL) that are sequentially stacked on the electrolyte membrane.
유체유동용 채널이 형성되어 있는 바이폴라 플레이트의 표면에 상기 기체 확산층이 대면하고 있는 상태에서, 볼트와 너트를 체결하여 스택을 조립하게 된다.In the state where the gas diffusion layer faces the surface of the bipolar plate on which the fluid flow channel is formed, the bolt and the nut are fastened to assemble the stack.
그러나, 이러한 체결과정에서 상기 기체 확산층이 바이폴라 플레이트의 유체유동용 채널을 막아 버리는 경우에는 수소함유연료와 산소와 같은 반응물들의 공급과 이산화탄소와 물와 같은 생성물들의 배출이 방해받게 된다. 이에 의해서 연료전지 시스템의 발전효율이 저하된다.However, when the gas diffusion layer blocks the fluid flow channel of the bipolar plate in this fastening process, the supply of reactants such as hydrogen fuel and oxygen and the discharge of products such as carbon dioxide and water are hindered. As a result, the power generation efficiency of the fuel cell system is lowered.
일본 공개특허공보 평10-12246호(특허문헌 1)에는 고체 고분자 전해질막과, 이것을 협지하는 가스 확산전극으로 되는 막전극 복합체 및 베이스 판의 양면에 가스 분리부를 구성하는 복수의 볼록기를 가지는 가스 분리판과 집전체를 겸한 바이폴라 플레이트가 개시되어 있고, 상기 복수의 볼록기가 유동성이 우수한 폴리머인 열가소성 수지의 사출성형에 의하여 형성되어 있다.(도 6 참조)Japanese Patent Laid-Open No. 10-12246 (Patent Document 1) discloses a gas separation having a solid polymer electrolyte membrane, a membrane electrode composite serving as a gas diffusion electrode sandwiching it, and a plurality of convex groups forming gas separation portions on both surfaces of the base plate. A bipolar plate which also serves as a plate and a current collector is disclosed, and the plurality of convex groups are formed by injection molding of a thermoplastic resin which is a polymer having excellent fluidity (see FIG. 6).
일본 공개특허공보 2003-257469호(특허문헌 2)에는 전극막 조립체와, 반응층과, 가스 공급층과, 도전성 바이폴라 플레이트와, 개스킷을 구비한 단위전지가 개시되어 있다.(도 7 참조)Japanese Patent Laid-Open No. 2003-257469 (Patent Document 2) discloses a unit cell including an electrode membrane assembly, a reaction layer, a gas supply layer, a conductive bipolar plate, and a gasket. (See FIG. 7).
대한민국 공개특허공보 2001-71877호(특허문헌 3)에는 씰과 가스확산층들 사이의 간격들이 회피될 수 있도록 가스확산층보다 씰링비드를 높게 위치한 양극판과 MEA로 구성된 조립체가 개시되어 있다.(도 8 참조)Korean Laid-Open Patent Publication No. 2001-71877 (Patent Document 3) discloses an assembly composed of a positive electrode plate and a MEA positioned with a sealing bead higher than the gas diffusion layer so that the gaps between the seal and the gas diffusion layers are avoided. )
미국 특허공보 6,649,297호(특허문헌 4)에는 채널의 형태를 볼록 사변형 구조로 한 바이폴라 플레이트가 개시되어 있다.(도 9 참조)U.S. Patent No. 6,649,297 (Patent Document 4) discloses a bipolar plate having a convex quadrilateral structure in the form of a channel (see Fig. 9).
그러나, 상술된 특허문헌들에 있어서, 스택의 조립과정에서 가스 확산층에 의해서 바이폴라 플레이트에 형성되어 있는 채널이 막혀지는 현상을 근본적으로 방지하기 위한 구조는 개시되어 있지 않는다.However, in the above-mentioned patent documents, a structure for fundamentally preventing the phenomenon in which the channel formed in the bipolar plate is blocked by the gas diffusion layer in the assembly process of the stack is not disclosed.
본 발명은 상기된 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 스택의 조립과정에서 애노드 전극 또는 캐소드 전극을 구성하고 있는 기체 확 산층에 의해서 바이폴라 플레이트의 유체유동용 채널이 막히는 현상을 방지하기 위하여 표면에 기체 확산층이 제공되어 있는 바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템용 스택을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the conventional problems as described above, in order to prevent the fluid flow channel of the bipolar plate is blocked by the gas diffusion layer constituting the anode electrode or the cathode electrode in the stack assembly process. It is an object of the present invention to provide a bipolar plate having a gas diffusion layer on its surface and a stack for a fuel cell system having the same.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트는 그 표면에 유체유동용 채널이 가공되어 있고, 상기 표면에는 기체 확산층이 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, according to the present invention, the bipolar plate is characterized in that the fluid flow channel is processed on the surface, the gas diffusion layer is provided on the surface.
상기 기체 확산층에는 100nm~10㎛ 크기의 기공이 형성되어 있고, 상기 기체 확산층은 50~200㎛의 두께를 갖는다. 상기 기체 확산층은 카본 소재 재질로 이루어진다.Pores having a size of 100 nm to 10 μm are formed in the gas diffusion layer, and the gas diffusion layer has a thickness of 50 to 200 μm. The gas diffusion layer is made of a carbon material.
또한, 본 발명에 따른 연료전지 시스템용 스택은 전해질막 표면에 촉매층이 형성되어 있는 전극막 조립체와, 상기 전극막 조립체에 대면하는 표면에 유체유동용 채널이 가공되어 있는 바이폴라 플레이트로 이루어지고, 상기 바이폴라 플레이트의 표면에는 기체 확산층이 제공되어 있는 것을 특징으로 한다.In addition, the stack for a fuel cell system according to the present invention comprises an electrode membrane assembly having a catalyst layer formed on the surface of an electrolyte membrane, and a bipolar plate having a fluid flow channel formed on a surface facing the electrode membrane assembly. The surface of the plate is characterized in that the gas diffusion layer is provided.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도이고, 도 2는 도 1의 바이폴라 플레이트를 갖는 연료전지 시스템용 스택의 개략도이고, 도 3은 연료전지 시스템용 스택을 구성하는 전극막 조립체의 3층 구조를 나타내고, 도 4는 전극막 조립체의 4층 구조를 나타내고, 도 5는 전극막 조립체의 5층 구조를 나타낸다.1 is a cross-sectional view of a bipolar plate according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a stack for a fuel cell system having the bipolar plate of FIG. 1, and FIG. 3 is a three-layer structure of an electrode membrane assembly constituting the stack for a fuel cell system. 4 shows a four-layer structure of the electrode film assembly, and FIG. 5 shows a five-layer structure of the electrode film assembly.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)는 표면에 유체유동용 채널(12a)가 형성되어 있는 본체(12)와, 본체(12)의 표면에 제공되어 있는 기체 확산층(14)을 갖는다. 기체 확산층(14)은 본체(12)의 재질과 동일하거나 유사한 재질로 제작된다.Referring to FIG. 1, a
본체(12)의 제작과정은 다음과 같다. 즉, 전기전도성 분말, 예를 들어 카본 분말과 고분자수지를 혼합하고 성형하여 카본 블록으로 준비하고, 상기 카본 블록을 프레스 가공하여 유체유동용 채널을 그 표면에 형성함으로써 본체(12)가 제작된다. 이러한 본체(12)는 복합 바이폴라 플레이트(composite bipolar plate)로 언급된다. 그러나, 본체(12)의 소재는 이에 한정되지 않고 금속이나 그라파이트로도 이루어질 수 있다.The manufacturing process of the
기체 확산층(14)의 제작과정은 다음과 같다. 먼저, 본체(12)의 제작과정과 마찬가지로, 전기전도성 분말, 예를 들어 카본 분말과 고분자수지를 혼합하고 성형하여 카본 블록의 형태로 준비된다. 이러한 카본 블록을 약 50~200㎛ 정도의 두께로 절단함으로써 기체 확산층(14)이 제작된다. 이때, 기체 확산층(14)에 있어서, 기공은 약 100nm~10㎛ 정도의 크기를 갖는다. 이는 하기에 설명되는 바와 같이 전극막 조립체의 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하고자 하는 반응물의 공급과 이들로부터 발생되는 생성물의 배출을 용이하게 하기 위함이다. The manufacturing process of the
상술된 과정을 통해서 제작된 기체 확산층(14)과 본체(12)를 접합시킴으로써 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)가 제작된다. 이때, 기체 확산층(14)과 본 체(12)는 유사하거나 동일한 고분자수지를 사용하므로, 접합과정에서 상기 고분자 수지가 일체화되어 기체 확산층(14)은 본체(12)의 표면에 접합하게 된다. 그 결과, 본체(12)에 형성되어 있는 유체유동용 채널은 기체 확산층(14)에 의한 막힘현상없이 양호한 상태로 유지된다.The
도 2를 참조하면, 연료전지 시스템용 스택(100)은 수소와 산소의 화학반응을 통해서 전기를 생성하는 전기 발생부(110)와, 전기 발생부(110)의 양측에 제공된 한 쌍의 엔드 플레이트(102)를 갖는다.Referring to FIG. 2, the
스택(100)의 일측에 제공된 엔드 플레이트(102)는 이에 한정되지는 않지만 수소함유연료가 유입되는 연료 유입부와, 스택(100) 내부의 전기 발생부(110)에서 발생되는 D.C 전기를 외부로 급전하기 위한 출력단자가 제공된다. 스택(100)의 타측에 제공된 엔드 플레이트(102)에는 공기가 유입되는 공기 유입부와, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)을 각각 외부로 배출하기 위한 배출부가 제공된다.The
스택(100)의 전기 발생부(110)에는 고분자막(22)과, 고분자막(22)의 양측에 제공된 전극(24)으로 이루어진 전극막 조립체(20)(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 갖는다. The
고분자막(22)은 하기에 설명하는 바와 같이 애노드 전극(24)의 촉매층에서 발생된 수소이온을 캐소드 전극(24)의 촉매층에 전달하는 이온교환의 기능과 함께 수소함유연료의 투과를 방지하는 기능을 갖는 전도성 고분자 전해질막으로서 약 50~200㎛ 정도의 두께를 갖는다. 이러한 고분자막(22)으로서는 예를 들어 퍼플루 오로셀포네이트 수지(Nafion)로 제조된 과불화불소산 수지막, 다공성 폴리테트라플루오로에틸렌 박막 지지체에 과불화설폰산(perfluorinated sulfonic acid) 등의 수지용액이 코팅되어 있는 막, 다공성의 비전도성 고분자 지지체에 양이온 교환수지 및 무기 실리케이트가 피복되어 있는 막 등이 사용된다.The
전극막 조립체(20)의 전극(24)은 고분자막(22) 위에 촉매물질을 도포시킴으로써 제조되며, 이러한 전극(24)은 수소함유연료에 함유된 수소가스를 산화시켜 수소이온(H+)과 전자(e-)를 발생시키면서 이러한 산화과정의 부산물로 생성되는 이산화탄소를 외부로 배출시키는 애노드 전극과, 산소와 수소이온의 화학반응이 이루어지면서 이러한 화학반응결과 생성되는 물을 외부로 배출시키는 캐소드 전극으로 구분된다. The
전극막 조립체는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 적층구조에 따라서 3층 구조, 4층 구조 및 5층 구조 등으로 구분될 수 있다. 먼저, 도 3을 참조하면, 전극막 조립체(120)는 고분자막(122)과, 고분자막(122)의 양측면에 형성된 촉매층(124)으로 이루어진 3층 구조를 가질 수 있다. 도 4를 참조하면, 전극막 조립체(220)는 고분자막(222)과, 고분자막(222)의 양측면에 형성된 촉매층(224)과, 적어도 하나의 촉매층(224) 상에 형성된 카본층(226)을 갖는 4층 구조로 이루어진다. 또한, 도 5를 참조하면, 전극막 조립체(320)는 고분자막(322)과, 고분자막(322)의 양측면에 형성된 촉매층(324)과, 촉매층(224) 상에 형성된 카본층(326)을 갖는 5층 구조로 이루어진다. As shown in FIGS. 3 to 5, the electrode membrane assembly may be classified into a three-layer structure, a four-layer structure, and a five-layer structure according to the stacked structure. First, referring to FIG. 3, the
이때, 4층 구조 및 5층 구조의 전극막 조립체에 있어서, 카본층(226, 326)에는 미세한 기공, 예를 들어 100nm 미만의 크기를 갖는 기공이 제공된다. At this time, in the electrode film assembly having a four-layer structure and a five-layer structure, the carbon layers 226 and 326 are provided with fine pores, for example, pores having a size of less than 100 nm.
또한, 스택(100)은 인접하는 전극막 조립체(20)의 사이에 대면하는 상태로 개재되어 수소와 산소를 전극막 조립체(20)의 애노드 전극(24)과 캐소드 전극(24)에 각각 공급하는 바이폴라 플레이트(10)를 포함한다. 이때, 스택(100)에는 전극막 조립체(20)와 그 양측에 위치하는 바이폴라 플레이트(10)로 구성된 단위전지가 복수개 제공되어 전기 발생부(110)를 형성한다.In addition, the
인접하는 전극막 조립체(20) 사이에 개재되어 있는 바이폴라 플레이트(10)는 상술된 바와 같이 유체유동용 채널(12a)이 형성되어 있는 본체(12)와, 본체(12)의 표면에 제공된 기체 확산층(12)을 갖는다. 유체유동용 채널은 스택(100) 내부에서 수소함유연료를 애노드 전극(24)에 공급하기 위한 연료공급유로와, 산소를 캐소드 전극(24)에 공급하기 위한 산소공급유로로 구분될 수 있다.As described above, the
이 후에, 도시되어 있지 않은 볼트와 너트의 체결작업을 통해서 엔드 플레이트(102) 사이에 전기 발생부(110)를 견고하게 체결시킴으로써 스택(100)을 조립하게 된다. 이때, 상술된 바와 같이 바이폴라 플레이트(10)의 본체(12)에 형성되어 있는 유체유동용 채널(12a)은 기체 확산층(14)에 의한 막힘현상없이 양호한 상태로 제공되어 있으므로, 조립된 스택(100)에 있어서 연료공급유로 및 산소공급유로는 유체유동이 양호한 상태로 유지된다.Thereafter, the
본 발명의 실시예에 따르면, 바이폴라 플레이트 본체(12)에 형성된 유체유동용 채널(12a)은 대면하게 되는 전극의 종류에 따라서 소수성 처리 또는 친수성 처 리된다. 예를 들어, 하나의 채널, 즉 애노드 전극(24)에 대면하는 연료공급유로는 소수성 처리되어 수소함유연료가 애노드 전극(24)의 촉매층(24)으로 용이하게 이동함으로써 애노드 전극(24)에서 부산물로 생성되는 이산화탄소는 상기 연료공급유로를 통해서 용이하게 배출된다. 한편, 다른 하나의 채널, 즉 캐소드 전극(24)에 대면하는 산소공급유로를 친수성 처리함으로써, 캐소드 전극(24)에서 부산물로 생성되는 물은 캐소드 전극(24)으로부터 본체(12a)의 유체유동용 채널(12a)로 용이하게 이동하면서 외부로 배출된다.According to the embodiment of the present invention, the
이하, 본 발명에 따른 연료전지 시스템의 작동에 대하여 설명한다.Hereinafter, the operation of the fuel cell system according to the present invention will be described.
연료 공급부(미도시)로부터 공급되는 수소함유연료는 스택(100)에서 바이폴라 플레이트(10)의 연료공급유로와 기체 확산층(14)을 통해서 전기 발생부(110) 특히 전극막 조립체(20)의 애노드 전극(24)에 용이하게 공급된다. 산소 공급부(미도시)로부터 공급되는 산소는 스택(100)에서 바이폴라 플레이트(10)의 산소공급유로와 기체 확산층(14)을 통해서 전기 발생부(110) 특히 전극막 조립체(20)의 캐소드 전극(24)에 공급된다.Hydrogen-containing fuel supplied from a fuel supply unit (not shown) is supplied through the fuel supply passage of the
애노드 전극(24)에서의 수소산화반응에 의해서 수소이온과 이산화탄소가 생성되며 이때 수소이온은 고분자막(22)을 통해서 캐소드 전극(24)으로 이동하고 이산화탄소는 바이폴라 플레이트(10)의 기체 확산층(14)과 상기 연료공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 캐소드 전극(24)에서의 산소환원반응에 의해서 생성되는 물은 캐소드 전극(24)으로부터 바이폴라 플레이트(10) 측으로 용이하게 이동한 후에 기체 확산층(14)과 상기 수소공급유로를 통해서 외부로 배출된다. 한편, 애노드 전극(24)에서 생성되는 전자가 캐소드 전극(24)으로 이동함으로써 전기가 생성된다. 이때, 전기 발생부(110)의 개별적인 단위전지에서 생성되는 전기는 전기통전이 가능하게 서로 연결되어 있는 바이폴라 플레이트(10)를 경유하여 엔드 플레이트(102)에 제공된 출력단자를 통해서 외부 부하로 급전된다.Hydrogen ions and carbon dioxide are produced by the hydrogen oxidation reaction at the
본 발명에 따르면, 바이폴라 플레이트의 표면에 기체 확산층을 형성함으로써 스택의 조립과정에서 기체 확산층에 의해 바이폴라 플레이트에 형성된 유체유동용 채널이 막히는 현상을 방지하여 연료전지 시스템의 발전효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, by forming a gas diffusion layer on the surface of the bipolar plate it is possible to prevent the fluid flow channel formed in the bipolar plate is blocked by the gas diffusion layer during assembly of the stack to improve the power generation efficiency of the fuel cell system.
Claims (14)
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