KR20070092013A - Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same - Google Patents

Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same Download PDF

Info

Publication number
KR20070092013A
KR20070092013A KR1020060021891A KR20060021891A KR20070092013A KR 20070092013 A KR20070092013 A KR 20070092013A KR 1020060021891 A KR1020060021891 A KR 1020060021891A KR 20060021891 A KR20060021891 A KR 20060021891A KR 20070092013 A KR20070092013 A KR 20070092013A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gas diffusion
bipolar plate
diffusion layer
stack
electrode
Prior art date
Application number
KR1020060021891A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
민명기
권호진
최고울
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020060021891A priority Critical patent/KR20070092013A/en
Publication of KR20070092013A publication Critical patent/KR20070092013A/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8605Porous electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8647Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites
    • H01M4/8657Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells consisting of more than one material, e.g. consisting of composites layered
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

A bipolar plate is provided to prevent fluid flow channels from being clogged by a gas diffusion layer during the assembling step of a stack by forming gas diffusion layers on the surfaces of the bipolar plate. A bipolar plate(10) comprises: a main body(12) in which fluid flow channels(12a) are processed on the surface thereof; and a gas diffusion layer(14) which comes in contact with the surface of the main body. A stack for a fuel cell system includes: an electrode-membrane assembly in which a catalyst layer is formed on the surface of an electrolyte membrane; and the bipolar plate in which fluid flow channels(12a) are formed on the surface of the main body facing the electrode-membrane assembly. The gas diffusion layer facing the catalytic layer is provided on the surface of the main body of the bipolar plate.

Description

바이폴라 플레이트 및 이를 구비한 연료전지 시스템용 스택{BIPOLAR PLATE AND STACK FOR THE FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}Bipolar plate and stack for fuel cell system having same {BIPOLAR PLATE AND STACK FOR THE FUEL CELL SYSTEM HAVING THE SAME}

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 bipolar plate 10 according to the present invention includes a main body 12 having a fluid flow channel 12a formed on a surface thereof, and a gas diffusion layer 14 provided on a surface of the main body 12. Have The gas diffusion layer 14 is made of the same or similar material as that of the body 12.

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 main body 12 is as follows. That is, the main body 12 is manufactured by mixing and molding an electrically conductive powder, for example, carbon powder and a polymer resin, preparing the carbon block, and pressing the carbon block to form a channel for fluid flow on the surface thereof. This body 12 is referred to as a composite bipolar plate. However, the material of the main body 12 is not limited thereto, and may be made of metal or graphite.

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 gas diffusion layer 14 is as follows. First, similarly to the manufacturing process of the main body 12, an electrically conductive powder, for example, carbon powder and a polymer resin is mixed and molded to prepare a carbon block. The gas diffusion layer 14 is produced by cutting such a carbon block into a thickness of about 50 to 200 mu m. At this time, in the gas diffusion layer 14, the pores have a size of about 100nm ~ 10㎛. This is to facilitate the supply of the reactants to be supplied to the anode electrode and the cathode electrode of the electrode membrane assembly and the discharge of the product generated therefrom as described below.

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 bipolar plate 10 according to the present invention is manufactured by bonding the gas diffusion layer 14 and the main body 12 produced through the above-described process. In this case, since the gas diffusion layer 14 and the main body 12 use similar or identical polymer resins, the polymer resin is integrated in the bonding process so that the gas diffusion layer 14 is bonded to the surface of the main body 12. As a result, the fluid flow channel formed in the main body 12 is maintained in a good state without clogging caused by the gas diffusion layer 14.

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 stack 100 for a fuel cell system includes an electricity generator 110 generating electricity through a chemical reaction between hydrogen and oxygen, and a pair of end plates provided on both sides of the electricity generator 110. Has 102.

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 end plate 102 provided on one side of the stack 100 includes, but is not limited to, a fuel inlet through which hydrogen-containing fuel flows, and DC electricity generated by the electricity generator 110 inside the stack 100 to the outside. An output terminal for supplying power is provided. The end plate 102 provided on the other side of the stack 100 is provided with an air inlet through which air is introduced and a discharge part for discharging carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 O) to the outside, respectively.

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 electricity generating unit 110 of the stack 100 includes a polymer film 22 and an electrode membrane assembly 20 (MEA; Membrane Electrode Assembly) composed of electrodes 24 provided on both sides of the polymer film 22.

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 polymer membrane 22 has a function of preventing ion permeation of hydrogen-containing fuel together with the function of ion exchange to transfer hydrogen ions generated in the catalyst layer of the anode electrode 24 to the catalyst layer of the cathode electrode 24 as described below. A conductive polymer electrolyte membrane having a thickness of about 50 ~ 200㎛. As the polymer membrane 22, for example, a resin solution such as perfluorinated sulfonic acid is coated on a perfluorofluorofluoride resin film made of perfluoro uroselfonate resin (Nafion) or a porous polytetrafluoroethylene thin film support. And membranes in which cation exchange resins and inorganic silicates are coated on porous membranes and porous non-conductive polymer supports.

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 electrode 24 of the electrode membrane assembly 20 is manufactured by applying a catalyst material on the polymer membrane 22, and the electrode 24 oxidizes hydrogen gas contained in the hydrogen-containing fuel to oxidize hydrogen ions (H + ) and electrons. (e -) to the produced water such chemical reaction results as such the anode electrode of the carbon dioxide produced as a by-product discharged to the outside of the oxidation process and the chemical reaction of oxygen and hydrogen ions are conducted while generating a cathode electrode for discharging to the outside Are distinguished.

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 electrode membrane assembly 120 may have a three-layer structure including a polymer membrane 122 and a catalyst layer 124 formed on both sides of the polymer membrane 122. Referring to FIG. 4, the electrode membrane assembly 220 includes a polymer membrane 222, a catalyst layer 224 formed on both sides of the polymer membrane 222, and a carbon layer 226 formed on at least one catalyst layer 224. It consists of a four-layer structure. In addition, referring to FIG. 5, the electrode membrane assembly 320 includes a polymer layer 322, a catalyst layer 324 formed on both sides of the polymer membrane 322, and a carbon layer 326 formed on the catalyst layer 224. It consists of a layer structure.

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 stack 100 is disposed to face each other between adjacent electrode film assemblies 20 to supply hydrogen and oxygen to the anode electrode 24 and the cathode electrode 24 of the electrode film assembly 20, respectively. Bipolar plate 10. In this case, the stack 100 is provided with a plurality of unit cells including the electrode film assembly 20 and the bipolar plates 10 positioned at both sides thereof to form the electricity generating unit 110.

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 bipolar plate 10 interposed between the adjacent electrode membrane assemblies 20 includes a main body 12 in which a fluid flow channel 12a is formed, and a gas diffusion layer provided on the surface of the main body 12. 12) The fluid flow channel may be divided into a fuel supply channel for supplying hydrogen-containing fuel to the anode electrode 24 and an oxygen supply channel for supplying oxygen to the cathode electrode 24 in the stack 100.

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 stack 100 is assembled by firmly fastening the electricity generating unit 110 between the end plates 102 through the fastening operation of the bolt and nut (not shown). At this time, as described above, the fluid flow channel 12a formed in the main body 12 of the bipolar plate 10 is provided in a good state without the blockage caused by the gas diffusion layer 14, and thus the assembled stack 100 In the fuel supply passage and the oxygen supply passage, the fluid flow is maintained in a good state.

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 fluid flow channel 12a formed in the bipolar plate body 12 is hydrophobicized or hydrophilic treated according to the type of the electrode facing. For example, one channel, i.e., the fuel supply passage facing the anode electrode 24, is hydrophobic so that hydrogen-containing fuel easily moves to the catalyst layer 24 of the anode electrode 24, thereby producing a by-product at the anode electrode 24. The carbon dioxide generated by is easily discharged through the fuel supply passage. On the other hand, by hydrophilic treatment of the other channel, that is, the oxygen supply passage facing the cathode electrode 24, the water generated as a by-product from the cathode electrode 24 is a channel for fluid flow of the body 12a from the cathode electrode 24 It is discharged to the outside while easily moving to 12a.

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 bipolar plate 10 and the gas diffusion layer 14 in the stack 100 to the anode of the electric generator 110, in particular the electrode membrane assembly 20. It is easily supplied to the electrode 24. Oxygen supplied from an oxygen supply unit (not shown) passes through the oxygen supply passage of the bipolar plate 10 and the gas diffusion layer 14 in the stack 100, and thus the cathode electrode of the electrode generator assembly 20, in particular, the electrode membrane assembly 20. 24).

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 anode electrode 24, wherein the hydrogen ions move to the cathode electrode 24 through the polymer membrane 22 and the carbon dioxide is a gas diffusion layer 14 of the bipolar plate 10. And discharged to the outside through the fuel supply passage. Water generated by the oxygen reduction reaction at the cathode electrode 24 is easily moved from the cathode electrode 24 to the bipolar plate 10 side and then discharged to the outside through the gas diffusion layer 14 and the hydrogen supply passage. On the other hand, electricity is generated by electrons generated at the anode electrode 24 moving to the cathode electrode 24. At this time, the electricity generated from the individual unit cells of the electricity generating unit 110 is fed to the external load through the output terminal provided to the end plate 102 via the bipolar plate 10 which is connected to each other so that the electricity can be connected to each other. .

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)

표면에 유체유동용 채널이 가공되어 있는 본체와,The main body with a fluid flow channel on its surface, 상기 본체의 표면에 접촉하고 있는 기체 확산층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.A bipolar plate comprising a gas diffusion layer in contact with the surface of the main body. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체 확산층에는 100nm~10㎛ 크기의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.The gas diffusion layer is a bipolar plate, characterized in that the pores of 100nm ~ 10㎛ size is formed. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체 확산층은 50~200㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.The gas diffusion layer is a bipolar plate, characterized in that having a thickness of 50 ~ 200㎛. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체 확산층은 카본 소재 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.The gas diffusion layer is a bipolar plate, characterized in that made of a carbon material. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 기체 확산층은 상기 본체와 동일 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.The gas diffusion layer is a bipolar plate, characterized in that made of the same material as the main body. 전해질막 표면에 촉매층이 형성되어 있는 전극막 조립체와;An electrode membrane assembly having a catalyst layer formed on the surface of the electrolyte membrane; 상기 전극막 조립체에 대면하는 표면에 유체유동용 채널이 가공되어 있는 본체를 갖는 바이폴라 플레이트로 이루어지고, It consists of a bipolar plate having a body in which a fluid flow channel is processed on the surface facing the electrode membrane assembly, 상기 바이폴라 플레이트의 본체의 표면에는 상기 촉매층에 대면하는 기체 확산층이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The gas diffusion layer facing the catalyst layer is provided on the surface of the body of the bipolar plate, the fuel cell system stack. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 기체 확산층에는 100nm~10㎛ 크기의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The gas diffusion layer is a stack for a fuel cell system, characterized in that the pores of 100nm ~ 10㎛ size is formed. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 기체 확산층은 50~200㎛의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The gas diffusion layer is a stack for a fuel cell system, characterized in that having a thickness of 50 ~ 200㎛. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 기체 확산층은 카본 소재 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The gas diffusion layer is a stack for a fuel cell system, characterized in that made of a carbon material. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 기체 확산층은 상기 본체와 동일 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The gas diffusion layer is a stack for a fuel cell system, characterized in that made of the same material as the main body. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 적어도 하나의 상기 촉매층과 기체 확산층 사이에 개재되어 있는 카본층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.And a carbon layer interposed between the at least one catalyst layer and the gas diffusion layer. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 촉매층과 기체 확산층 사이에 개재되어 있는 카본층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.And a carbon layer interposed between the catalyst layer and the gas diffusion layer. 제11항 또는 제12항에 있어서,The method according to claim 11 or 12, wherein 상기 카본층에는 미세크기의 기공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The carbon layer is a stack for a fuel cell system, characterized in that the fine size pores are formed. 제14항에 있어서,The method of claim 14, 상기 기체 확산층에 형성되어 있는 기공은 상기 카본층에 형성되어 있는 기공보다 큰 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템용 스택.The pores formed in the gas diffusion layer is larger than the pores formed in the carbon layer.
KR1020060021891A 2006-03-08 2006-03-08 Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same KR20070092013A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060021891A KR20070092013A (en) 2006-03-08 2006-03-08 Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020060021891A KR20070092013A (en) 2006-03-08 2006-03-08 Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070092013A true KR20070092013A (en) 2007-09-12

Family

ID=38689601

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020060021891A KR20070092013A (en) 2006-03-08 2006-03-08 Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20070092013A (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6890680B2 (en) Modified diffusion layer for use in a fuel cell system
USRE41577E1 (en) High power density fuel cell stack using micro structured components
CN105452534B (en) Hydrogen refines increasing apparatus
US7569301B2 (en) Fuel cell
US7695845B2 (en) Fuel cell
US9194048B2 (en) Electrochemical device
US7951284B2 (en) Electrolysis apparatus, electrochemical reaction membrane apparatus, porous electrical conductor, and production method thereof
US8691060B2 (en) Water electrolysis apparatus
US20050186464A1 (en) Fuel cell
JP2001522522A (en) Polymer electrolyte membrane fuel cell with fluid distribution layer having integral sealing function
WO1994011912A1 (en) Fuel cell fluid flow field plate with discontinuous fluid flow channels
US8679305B2 (en) High-pressure hydrogen producing apparatus
KR20190104548A (en) Fuel Cell Stack with Bipolar Plate / Seal Assembly and Bipolar Plate / Seal Assembly
KR20180115266A (en) A positive electrode plate including an asymmetric sealing section, and a fuel cell stack
US9660275B2 (en) Fuel cell including gas flow path layer
JP2893238B2 (en) Water electrolyzer using polymer electrolyte membrane
US7824817B2 (en) Fuel cell
EP2736108B1 (en) Gasket for fuel cell
JP2007087728A (en) Laminate, method of manufacturing it, as well as fuel cell
US7135249B2 (en) Fuel cell separator, fuel cell using the separator, and method of producing the separator
WO2002091506A9 (en) Flow field plates and a method for forming a seal between them
KR20070092013A (en) Bipolar plate and stack for the fuel cell system having the same
JPH06333582A (en) Solid polyelectrolyte fuel cell
JP2004311056A (en) Fuel cell stack
JP2005310705A (en) Fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E601 Decision to refuse application