KR20070094130A - 연료 전지용 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 형성되는 제1 층과, 상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 형성되는 제2 층을 포함하며, 상기 제2 층은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)에 밀착되는 복수의 리브들과, 상기 막-전극 어셈블리와 이격되게 상기 리브들 사이에 형성되어 반응물을 유통시키는 복수의 채널들을 포함한다.

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Description

연료 전지용 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL STACK WITH THE SAME}

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 도 1에 도시한 전기 생성 유닛의 구성을 구체적으로 나타내 보인 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 대한 연료 전지용 세퍼레이터의 변형예를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막-전극 어셈블리에 밀착되게 배치되는 세퍼레이터에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 연료 전지(Fuel Cell)는 탄화수소 계열의 연료에 함유되어 있는 수소와, 별도로 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 구성된다.

이러한 연료 전지는 크게, 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와, 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell)로 구분될 수 있다.

고분자 전해질형 연료 전지는 스택(stack)이라 불리는 연료 전지 본체(이하에서는, 편의상 "스택" 이라 한다)로서 구성되며, 개질기로부터 공급되는 수소와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

직접 산화형 연료 전지는 고분자 전해질형 연료 전지와 달리, 수소를 사용하지 않고 연료를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 산소의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로 이루어진다.

이와 같은 연료 전지에 있어, 스택은 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly)(MEA)(이하, "MEA"라고 한다)와, 세퍼레이터(separator)(당업계에서는 '바이폴라 플레이트' 라고도 한다.)로 이루어진 단위의 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층되어 구성된다.

상기에서 종래의 연료 전지용 세퍼레이터는 MEA를 사이에 두고 이의 양측면에 배치되며, 수소 또는 연료, 및 산소를 MEA로 공급하는 통로를 가지면서 MEA의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능을 하게 된다.

이를 위해 세퍼레이터는 흑연과 같은 카본 소재 및 고분자 소재를 혼합한 슬러리를 사출 또는 압출 성형하는 방식으로서 제조된다. 여기서, 카본 소재는 세퍼레이터에 전기 전도성을 부여하기 위한 것이며, 고분자 소재는 세퍼레이터에 소정의 강도를 부여하기 위한 것이다.

그런데, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터는, 카본 소재 및 고분자 소재에 의하여 소정의 전기 전도성, 및 강도를 확보하는 반면, 연료 전지의 작용시 MEA의 캐소드 전극에 의한 산소의 환원 반응을 통해 물이 생성되는 바, 이 물을 산소 통로를 통해 원활하게 배출시키지 못하게 된다. 따라서, 종래의 연료 전지용 세퍼레이터는 물이 산소 통로에 정체됨에 따라 산소를 MEA의 캐소드 전극으로 원활하게 공급할 수 없게 되어 결과적으로는 연료 전지의 성능을 저하시키게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 문제점을 감안한 것으로서, 그 목적은 MEA에서 발생되는 물을 용이하게 배출시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 형성되는 제1 층과, 상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 형성되는 제2 층을 포함하며, 상기 제2 층은 막-전극 어셈블리(Membrane- Electrode Assembly: MEA)에 밀착되는 복수의 리브들과, 상기 막-전극 어셈블리와 이격되게 상기 리브들 사이에 형성되어 반응물을 유통시키는 복수의 채널들을 포함한다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 제1 층은 상기 결정성 카본 소재와 상기 친수성 고분자 소재가 혼합된 혼합물이 압연되어 플레이트 타입으로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 제2 층은 상기 결정성 카본 소재와 상기 소수성 고분자 소재가 혼합된 혼합물이 압연되어 플레이트 타입으로서 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 연료 전지용 세퍼레이터는 상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 제2 층이 적층되고 이들이 서로 압연되어 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 채널들의 바닥면이 상기 제1 층의 표면인 것이 바람직하다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터는, 상기 제1 층의 양면에 상기 제2 층이 각각 형성되어 이루어질 수도 있다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 결정성 카본 소재는 흑연으로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 친수성 고분자 소재는 아크릴 계열 소재로서 이루어질 수 있다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서, 상기 소수성 고분자 소재는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 테프론으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛을 포함하며, 상기 세퍼레이터는 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 형성되는 제1 층과, 상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 형성되는 제2 층을 포함한다.

상기 연료 전지 스택에 있어서, 상기 제2 층은 상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 복수의 리브들과, 상기 리브들 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에 이격되면서 연료 또는 산소를 유통시키는 복수의 채널들을 포함할 수 있다.

상기 연료 전지 스택은, 상기 전기 생성 유닛을 복수로 구비하고, 이들 전기 생성 유닛을 연속적으로 배치하여 집합체 구조로서 이루어질 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 연료 전지 스택의 구성을 도시한 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지 스택(100)은 연료와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 셀(cell) 단위의 전기 생성 유닛(10)을 포함하여 구성된다.

본 실시예에서는 이와 같은 전기 생성 유닛(10)을 복수로 구비하고, 이들 전기 생성 유닛(10)을 연속적으로 배치함으로써 전기 생성 유닛(10)의 집합체 구조에 의한 스택(100)을 형성할 수 있다.

이러한 연료 전지 스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 전기 생성 유닛(10)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

대안으로서, 본 발명에 따른 연료 전지 스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking) 된 수소를 연료로서 사용할 수도 있다. 이 경우 상기 연료 전지 스택(100)은 전기 생성 유닛(10)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

그리고 본 발명에 의한 연료 전지 스택(100)은 연료와 반응하는 산소로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.

이와 같은 연료 전지 스택(100)에 있어, 전기 생성 유닛(10)은 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode assembly: MEA)(이하, 'MEA'라고 한다.)(20)를 중심에 두고 이의 양면에 세퍼레이터(Separator)(당업계에서는 "바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)"라고 한다.)(30)를 밀착되게 배치하여 구성될 수 있다.

MEA(20)는 일면에 애노드 전극을 형성하고, 다른 일면에 캐소드 전극(도시하지 않음)을 형성하며, 이들 두 전극 사이에 전해질막(도시하지 않음)을 형성하는 구조로서 이루어진다. 여기서, 애노드 전극은 연료를 전자와 수소 이온으로 분리시키며, 전해질막은 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시키고, 캐소드 전극은 애노드 전극측으로부터 받은 전자, 수소 이온, 및 별도로 제공되는 산소를 반응시켜 수분과 열을 발생시키는 기능을 하게 된다.

도 2는 도 1에 도시한 전기 생성 유닛의 구성을 구체적으로 나타내 보인 분해 사시도이다.

도면을 참고하면, 본 실시예에 의한 전기 생성 유닛(10)에 있어, 세퍼레이터(30)는 MEA(20)를 중심에 두고 이 MEA(20)의 양측면에 밀착되게 배치된다. 이러한 세퍼레이터(30)는 MEA(20)의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체로서의 기능 외에, MEA(20)의 애노드 전극으로 연료를 분산 공급하고 캐소드 전극으로 산소를 분산 공급하는 기능을 하게 된다.

이를 위해 각 세퍼레이터(30)는 MEA(20)에 밀착되는 일면에 연료 또는 산소를 유통시키기 위한 복수의 채널들(31)을 형성하고 있는 바, 이러한 채널들(31)은 세퍼레이터(30)의 일면에 임의의 간격을 두고 직선 상태로 돌출되게 형성되는 리브들(33) 사이의 공간으로서 구성될 수 있다. 즉, 채널들(31)은 MEA(20)에 이격되는 이격 부분을 의미하며, 리브들(33)은 MEA(20)에 밀착되는 밀착 부분을 의미한다. 바람직하게, 채널들(31)은 MEA(20)와 마주하는 세퍼레이터(30)의 일면에 임의의 간 격을 두고 직선 상태로 배치되며 이의 양단을 교호적으로 연결하여 사행(蛇行: meander)의 형상으로서 형성되고 있다.

본 실시예에 따르면, 각 세퍼레이터(30)는 도 3에 도시한 바와 같이 결정성 카본 소재에 친수성 고분자 소재가 함침된 플레이트 타입의 제1 층(35)과, 제1 층(35)의 적어도 일면에 형성되면서 결정성 카본 소재에 소수성 고분자 소재가 함침된 제2 층(37)을 포함하여 구성된다. 여기서, 결정성 카본 소재는 통상적으로 전기 전도성을 지닌 흑연을 포함할 수 있다.

상기에서, 각 세퍼레이터(30)는 제2 층(37)이 제1 층(35)의 일면에 형성되며, 제2 층(37)에 언급한 바 있는 채널들(31) 및 리브들(33)을 형성하고 있는 단면(單面) 구조로서 이루어진다.

대안으로서, 각 세퍼레이터(30)는 도 4에 도시한 바와 같이 제2 층(37)이 제1 층(35)의 양면에 각각 형성되며, 각각의 제2 층(37)에 상기한 채널들(31) 및 리브들(33)을 형성하고 있는 양면(兩面) 구조로서 이루어질 수도 있다.

이러한 세퍼레이터(30), 특히 MEA(20)의 캐소드 전극에 밀착되는 세퍼레이터(30)에 있어, 제1 층(35)은 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재를 슬러리 상태로 혼합하고, 이 슬러리를 일정한 두께의 플레이트 형태로 압연 또는 압착시키는 방식으로서 형성될 수 있다. 그리고 제2 층(37)은 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재를 슬러리 상태로 혼합하고, 이 슬러리를 일정한 두께의 플레이트 형태로 압연 또는 압착시키는 방식으로서 형성될 수 있다.

따라서, 본 실시예에 의한 세퍼레이터(30)는 제1 층(35)의 일면 또는 양면에 제2 층(37)을 적층한 상태에서 이들을 압연 또는 압축시키는 방식으로서 형성될 수 있다. 여기서, 세퍼레이터(30)의 채널들(31) 및 리브들(33)은 통상적인 에칭 방식에 의해 제2 층(37)에 형성될 수 있다. 이 때, 채널들(31)은 에칭 방식에 의해 제2 층(37)에 형성됨에 따라, 이 채널들(31)의 바닥면이 제1 층(35)의 표면으로서 형성되며, 채널들(31)의 벽면이 리브들(33)의 표면으로서 형성된다.

이상에서와 같이, 결정성 카본 소재에 친수성 고분자 소재를 함침시켜 제1 층(35)을 형성하는 이유는, 결정성 카본 소재에 의하여 소정의 전기 전도성을 지니면서 친수성 고분자 소재에 의하여 전체 세퍼레이터(30)에 일정 강도를 부여함은 물론 MEA(20)의 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응에 의해 발생되는 물을 채널들(31)의 바닥면에 흡착시켜 이 물에 소정의 응력을 제공하기 위함이다. 이 때, 친수성 고분자 소재는 물을 용이하게 흡착할 수 있는 고유한 화학적 성질을 가지는 바, 본 실시예에서는 아크릴레이트, 메타아크릴레이트 등과 같은 아크릴 계열의 고분자 소재를 예로 들 수 있다.

그리고, 결정성 카본 소재에 소수성 고분자 소재를 함침시켜 제2 층(37)을 형성하는 이유는, 결정성 카본 소재에 의하여 소정의 전기 전도성을 지니면서 소수성 고분자 소재에 의하여 전체 세퍼레이터(30)에 일정 강도를 부여함은 물론, MEA(20)의 캐소드 전극에서 산소의 환원 반응에 의해 발생되는 물이 채널들(31)의 벽면 즉, 리브들(33)의 표면을 따라 채널들(31)의 바닥면 쪽으로 쉽게 밀려 내려가게 하기 위함이다. 이 때, 소수성 고분자 소재는 물과의 친화성이 적은 고유한 화학적 성질을 가지는 바, 본 실시예에서는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 테프론 등을 예로 들 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 이루어진 제1 층에 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 이루어진 제2 층을 형성하고 이 제2 층에 채널들과 리브들을 형성하는 세퍼레이터를 구성함에 따라, 친수성 고분자 소재와 소수성 고분자 소재의 고유한 화학적 성질에 의해 MEA에서 발생되는 물을 용이하게 배출시킬 수 있게 된다. 따라서, 세퍼레이터에 대한 산소의 원활한 공급이 이루어지면서 연료 전지의 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (12)

1. 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 형성되는 제1 층; 및

   상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 형성되는 제2 층

   을 포함하며,

   상기 제2 층은, 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)에 밀착되는 복수의 리브들과, 상기 막-전극 어셈블리와 이격되게 상기 리브들 사이에 형성되어 반응물을 유통시키는 복수의 채널들을 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 층은 상기 결정성 카본 소재와 상기 친수성 고분자 소재가 혼합된 혼합물이 압연되어 플레이트 타입으로 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 제2 층은 상기 결정성 카본 소재와 상기 소수성 고분자 소재가 혼합된 혼합물이 압연되어 플레이트 타입으로 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
4. 제3 항에 있어서,

   상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 제2 층이 적층되고 이들이 서로 압연되어 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
5. 제1 항에 있어서,

   상기 채널들의 바닥면이 상기 제1 층의 표면인 연료 전지용 세퍼레이터.
6. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 층의 양면에 상기 제2 층이 각각 형성되어 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
7. 제1 항에 있어서,

   상기 결정성 카본 소재가 흑연으로서 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
8. 제1 항에 있어서,

   상기 친수성 고분자 소재가 아크릴 계열로서 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
9. 제1 항에 있어서,

   상기 소수성 고분자 소재가 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 테프론으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 어느 하나인 연료 전지용 세퍼레이터.
10. 막-전극 어셈블리(Membrane-Electrode Assembly: MEA)를 중심에 두고 이의 양측에 세퍼레이터를 밀착되게 배치하여 구성되는 전기 생성 유닛

    을 포함하며,

    상기 세퍼레이터는, 결정성 카본 소재와 친수성 고분자 소재로서 형성되는 제1 층과, 상기 제1 층의 적어도 일면에 상기 결정성 카본 소재와 소수성 고분자 소재로서 형성되는 제2 층을 포함하는 연료 전지 스택.
11. 제10 항에 있어서,

    상기 제2 층은,

    상기 막-전극 어셈블리에 밀착되는 복수의 리브들과, 상기 리브들 사이에 형성되어 상기 막-전극 어셈블리에 이격되면서 연료 또는 산소를 유통시키는 복수의 채널들을 포함하는 연료 전지 스택.
12. 제10 항에 있어서,

    상기 전기 생성 유닛을 복수로 구비하고, 이들 전기 생성 유닛을 연속적으로 배치하여 집합체 구조로서 이루어지는 연료 전지 스택.

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