KR20090042000A - Fuel cell stack having current collector with an elastic structure - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 전류집전체를 구비한 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성구조를 가짐으로써 체결압력이 증가되어 성능이 향상되고 적절히 조절된 유효면적비율을 가짐으로써 내구성이 개선된 전류집전체를 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell stack having a current collector. More particularly, the present invention relates to a fuel cell stack having an elastic current collector. It relates to a fuel cell stack having a.
최근 휴대용 전자기기 및 무선통신기기의 급격한 보급으로 인해 휴대용 전원 공급장치 및 청정 에너지원으로서 발전용 연료전지의 개발에 많은 관심과 연구가 진행되고 있다. Recently, due to the rapid dissemination of portable electronic devices and wireless communication devices, a lot of interests and researches on the development of a fuel cell for power generation as a portable power supply and a clean energy source.
연료전지는 연료 가스(수소 또는 메탄올)와 산화제(산소 또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 생성되는 에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 새로운 발전시스템이다. A fuel cell is a new power generation system that converts energy generated by electrochemical reaction between fuel gas (hydrogen or methanol) and oxidant (oxygen or air) directly into electrical energy.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지, 용융 탄산염형 연료전지, 고체 산화물형 연료전지, 고분자 전해질형 연료전지, 또는 알칼리형 연료전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원 리에 의해 작동되지만, 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등에서 서로 차이점이 있다. Such fuel cells are classified into phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, polymer electrolyte fuel cells, or alkaline fuel cells, depending on the type of electrolyte used. Each of these fuel cells operates on essentially the same principles, but differs in the type of fuel used, operating temperature, catalyst and electrolyte.
이들 중 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC)는, 연료의 형태에 따라 세분할 경우, 수소를 연료로 사용하는 수소 연료전지, 액상의 메탄올을 산화전극에 공급하여 사용하는 직접 메탄올 연료전지(direct memthanol fuel cell; DMFC)등으로 구분될 수 있다. Among these, a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) is a hydrogen fuel cell that uses hydrogen as a fuel or a direct methanol that supplies liquid methanol to an anode when the fuel cell is subdivided according to the type of fuel. The fuel cell may be classified into a direct memthanol fuel cell (DMFC).
상기 수소 연료전지와 직접 메탄올 연료전지는 상온에서 작동될 수 있고 소형화가 가능하므로, 무공해 전기자동차, 가정용 발전시스템, 이동통신장비, 의료기기, 군사용 장비, 우주사업용 장비, 휴대용 전자기기 등과 같은 다양한 분야의 전력공급원으로 사용될 수 있다. Since the hydrogen fuel cell and the direct methanol fuel cell can be operated at room temperature and can be miniaturized, various fields such as pollution-free electric vehicles, household power generation systems, mobile communication equipment, medical devices, military equipment, space business equipment, portable electronic devices, etc. It can be used as a power source for.
한편, 고분자 전해질형 연료전지의 일종인 모노폴라형(monopolar type) 연료전지는 한 쌍의 엔드플레이트 사이에 복수개의 단위전지를 폭방향으로 나란히 배열한 후에, 각 단위전지를 직렬로 연결하는 방식의 연료전지인데, 특히 이와 같은 적층 방식의 연료전지는 두께와 부피를 크게 줄여 시스템의 박막화가 가능한 잇점이 있다. 또한, 이러한 모노폴라형 연료전지로는 저온 상압의 사용조건에서 휴대용으로 사용하기에 적합한 고분자 전해질 연료전지와 직접 메탄올 연료전지를 함께 적용한 연료전지가 연구되고 있다.Meanwhile, a monopolar type fuel cell, which is a type of polymer electrolyte fuel cell, is a method of connecting each unit cell in series after arranging a plurality of unit cells side by side in a width direction between a pair of end plates. A fuel cell, in particular, such a stacked fuel cell has the advantage that the system can be thinned by greatly reducing the thickness and volume. In addition, as a monopolar fuel cell, a fuel cell including a polymer electrolyte fuel cell and a direct methanol fuel cell suitable for portable use at low temperature and atmospheric pressure has been studied.
도 1은 종래기술에 따른 모노폴라형 연료전지 스택의 단위전지를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a unit cell of a monopolar fuel cell stack according to the prior art.
도 1을 참조하면, 상기 모노폴라형 연료전지 스택의 단위전지는 막전극접합 체(10)(membrane electrode assembly; MEA), 막전극접합체 보호용 가스켓(20), 산화전극 연료공급부 가스켓(22), 환원전극 연료공급부 가스켓(24), 산화전극 전류집전체(32), 환원전극 전류집전체(34)), 산화전극 엔드플레이트(42) 및 환원전극 엔드플레이트(44)를 구비한다.Referring to FIG. 1, the unit cell of the monopolar fuel cell stack includes a membrane electrode assembly (MEA), a membrane electrode
막전극접합체(10)는 고분자 전해질 막(미도시)을 사이에 두고 산화전극(미도시)과 환원전극(미도시)이 밀착되게 배치된 구조를 갖는다. 막전극접합체(10)에서는 반응연료와 산화제가 전기화학적으로 반응함으로써 전류를 발생시킨다.The
막전극접합체 보호용 가스켓(20)은 막전극접합체(10)의 가장자리, 즉 고분자 전해질 막의 가장자리 상에 배치되어, 연료로 이용되는 기체 또는 액체가 상기 전해질 막을 통해 외부로 유출되지 않도록 하는 역할과 막전극접합체(10)의 전극들이 깨지지 않도록 보호하는 역할을 수행한다.The membrane electrode assembly
산화전극 전류집전체(32)는 막전극접합체(10)의 일면 상에 배치되고 환원전극 전류집전체(34)는 막전극접합체(10)의 타면상에 배치되어, 막전극접합체(10)에서 발생한 전류를 모아 외부의 회로로 전달하는 역할을 수행한다.The anode
산화전극 연료공급부 가스켓(22) 및 환원전극 연료공급부 가스켓(24)은 각각 산화전극 전류집전체(32) 및 환원전극 전류집전체(34)의 가장자리 상에 배치되어, 연료의 주입과 배출을 원활하게 하는 통로를 형성하고 연료가 외부로 유출되는 것을 방지한다. 또한, 이러한 연료공급부 가스켓(22, 24)은 전류집전체(32, 34)의 관통홀(미도시) 부분을 덮지 않는 범위 내에서 그 배치 위치가 적절히 선택되는 것이 바람직하다.The anode
산화전극 엔드플레이트(42) 및 환원전극 엔드플레이트(44)는 각 연료공급부 가스켓(22, 24) 상에 각각 배치된다. The
또한 각 엔드플레이트(42, 44)의 가장자리 부분을 관통하도록 연료전지 체결용 나사(50)가 체결되어, 연료전지 스택의 형성을 완성하고 그 체결압력을 증가시키는 역할을 수행한다. In addition, the fuel
도 2는 도 1에서 막전극접합체(10), 전류집전체(30), 및 엔드플레이트(40) 만을 발췌하여 도시한 도면이다. 이 경우, 전류집전체(30)는 도 1의 산화전극 전류집전체(32) 또는 환원전극 전류집전체(34)일 수 있고, 엔드플레이트(40)는 도 1의 산화전극 엔드플레이트(42) 또는 환원전극 엔드플레이트(44)일 수 있다.FIG. 2 is a diagram illustrating only the
도 2를 참조하면, 전류집전체(30)는 스트라이프(stripe) 형상의 두께방향 종단면 및 횡단면을 갖는다. 즉, 전류집전체(30)의 평면은 완전히 평평하다. 도 2와 같은 평평한 평면을 갖는 전류집전체(30)에서는 체결압력이 증가되는 요인이 있을 수 없다. Referring to FIG. 2, the
따라서, 상기와 같은 구성을 갖는 모노폴라형 연료전지 스택은 일반적으로 엔드플레이트(40)의 두께 및 너비, 나사(50)의 크기 및 개수를 증가시킴으로써 그 체결압력을 증가시킬 수 있다. 상기 체결압력이 작을 경우에는 막전극접합체(10)와 전류집전체(30) 사이에 전기저항이 발생하여 전기의 손실이 있을 수 있고, 또한 액체 및 가스가 외부로 유출되는 문제가 발생할 수 있다. Therefore, the monopolar fuel cell stack having the above configuration can generally increase its fastening pressure by increasing the thickness and width of the
또한, 이러한 모노폴라형 고분자 전해질 연료전지는 휴대용으로 사용되기 때문에 부피의 제약을 받게 된다. 따라서, 작은 부피를 가지면서도 충분한 체결압력 에 의해 최대의 성능을 낼 수 있는 것이 관건이다. In addition, such a monopolar polymer electrolyte fuel cell is limited in volume because it is used in a portable manner. Therefore, the key is to be able to achieve maximum performance with sufficient fastening pressure while having a small volume.
연료전지의 체결압력을 높이기 위한 방법으로서, 종래에는 나사의 크기나 개수를 증가시킴으로써 압력부위를 넓히는 방법과 엔드플레이트의 두께를 증가시킴으로써 압력부위를 넓히 방법이 있다. 그러나, 이러한 방법들은 연료전지를 휴대용으로 사용할 때 그 부피를 증가시키는 단점을 초래하므로 채용하기에 적합하지 않다.As a method for increasing the clamping pressure of a fuel cell, there are conventionally a method of widening the pressure area by increasing the size or number of screws and a method of widening the pressure area by increasing the thickness of the end plate. However, these methods are not suitable for adoption because of the disadvantage of increasing their volume when using a fuel cell in a portable manner.
한편, 가장자리의 폭을 줄여 연료전지의 전체 부피를 줄이기 위한 방안으로서, 접착형태의 체결 방식을 도입하는 기술도 있다(대한민국공개특허 제2006-0023501호). 그러나, 이러한 접착 형태의 체결 방식은 막전극접합체에 충분한 면압(즉, 체결압)을 제공하지 못하는 문제점이 있다. On the other hand, as a way to reduce the overall volume of the fuel cell by reducing the width of the edge, there is also a technique for introducing an adhesive type fastening method (Korea Patent Publication No. 2006-0023501). However, this type of bonding method has a problem in that it does not provide sufficient surface pressure (ie, clamping pressure) to the membrane electrode assembly.
본 발명은 탄성구조를 갖는 전류집전체를 구비함으로써 체결압력이 증가되어 성능이 향상될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a fuel cell stack in which a fastening pressure is increased by improving the performance by providing a current collector having an elastic structure.
본 발명의 다른 목적은 적절히 조절된 유효면적비율을 갖는 전류집전체를 구비함으로써 내구성이 개선될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a fuel cell stack in which durability can be improved by providing a current collector having an appropriately adjusted effective area ratio.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은,The present invention to solve the above problems,
서로 이격되어 대향되게 배치된 한쌍의 엔드플레이트;A pair of end plates spaced apart from each other;
상기 한쌍의 엔드플레이트 사이에 배치된 것으로 반응연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생시키는 적어도 하나의 전류발생부; 및 상기 전류발생부에 밀착되게 배치되어 상기 전류발생부의 전류를 집전하는 적어도 하나의 전류집전체를 구비하고,At least one current generator disposed between the pair of end plates to generate a current by an electrochemical reaction between a reaction fuel and an oxidant; And at least one current collector disposed in close contact with the current generator to collect current from the current generator,
상기 전류집전체는 탄성구조를 갖는 연료전지 스택를 제공한다.The current collector provides a fuel cell stack having an elastic structure.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 상기 전류집전체가 굴곡형이고, 그 볼록부가 상기 전류발생부와 대향되게 배치된다.According to one embodiment of the invention, the current collector is bent, the convex portion is disposed opposite the current generating portion.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 전류집전체의 두께방향 일단면이 아치형, 캡형, 또는 웨이브형이다.According to another embodiment of the present invention, one end surface in the thickness direction of the current collector is arcuate, cap, or wave.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류집전체의 두께방향 일단면이 단차를 가지며, 그 돌출부가 상기 전류발생부와 대향되게 배치된다.According to another embodiment of the present invention, one end surface of the current collector in the thickness direction has a step, and the protrusion is disposed to face the current generator.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류발생부의 유효면적비율이 20 내지 50%이다.According to another embodiment of the present invention, the effective area ratio of the current generating unit is 20 to 50%.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류집전체의 재질이 0.1 내지 1V, 바람직하게는 0 내지 1V의 전위 범위내에서 전기화학적으로 안정하며 탄성을 갖는 금속 또는 금속합금이다.According to another embodiment of the invention, the material of the current collector is an electrochemically stable metal or metal alloy within the potential range of 0.1 to 1V, preferably 0 to 1V.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류집전체의 두께가 0.1 내지 2mm이다.According to another embodiment of the invention, the thickness of the current collector is 0.1 to 2mm.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류발생부는 고분자 전해질 막과 그 양쪽면에 각각 밀착 배치된 산화전극 및 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA)를 구비한다.According to another embodiment of the present invention, the current generator includes a membrane electrode assembly (MEA) including a polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode disposed in close contact with both surfaces thereof.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류발생부가 상기 엔드플레이트의 폭방향으로 나란히 배치되고 이들 사이는 서로 전기적으로 직렬 연결된다.According to another embodiment of the present invention, the current generators are arranged side by side in the width direction of the end plate and between them are electrically connected in series.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 상기 전류발생부와 상기 전류집전체 사이에는 바이폴라 플레이트가 더 배치되고, 상기 전류집전체는 상기 바이폴라 플레이트에 밀착되게 배치되어 상기 전류발생부의 전류를 집전한다.According to another embodiment of the present invention, a bipolar plate is further disposed between the current generator and the current collector, the current collector is disposed in close contact with the bipolar plate to collect the current of the current generator.
본 발명에 의하면, 탄성구조를 갖는 전류집전체를 구비함으로써 체결압력이 증가되어 성능이 향상될 수 있는 연료전지 스택이 제공될 수 있다.According to the present invention, by providing a current collector having an elastic structure, a fuel cell stack can be provided in which a fastening pressure is increased and performance can be improved.
또한 본 발명에 의하면, 적절히 조절된 유효면적비율을 갖는 전류집전체를 구비함으로써 내구성이 개선될 수 있는 연료전지 스택이 제공될 수 있다.In addition, according to the present invention, a fuel cell stack capable of improving durability by providing a current collector having an appropriately adjusted effective area ratio can be provided.
이어서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 연료전지 스택에 관하여 상세히 설명한다. Next, a fuel cell stack according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 모노폴라형 연료전지 스택의 단위전지를 도 2에 대응되게 도시한 도면이다.3 is a view illustrating a unit cell of a monopolar fuel cell stack according to an embodiment of the present invention in correspondence with FIG. 2.
도 3을 참조하면, 본 발명의 한 구현예에 따른 연료전지 스택은 막전극접합체(100), 전류집전체(130), 및 엔드플레이트(140)를 구비한다.Referring to FIG. 3, a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention includes a
본 구현예에서는 넓은 면적을 갖는 엔드플레이트(140) 상에 복수개의 막전극접합체(100)와, 이들 모두를 덮도록 넓은 면적을 갖는 하나의 전류집전체(130) 또는 상기 막전극접합체(100) 각각을 덮는 복수개의 전류집전체(130)가 엔트플레이트(140)의 폭방향으로 나란히 배치된다. 또한, 막전극접합체(100), 전류집전체(130), 및 엔드플레이트(140)는 체결 나사(150)에 의해 체결된다. 상기와 같은 배치구조를 갖는 연료전지 스택을 모노폴라형 연료전지 스택이라고 한다.In the present embodiment, a plurality of membrane electrode assemblies 100 and a
막전극접합체(100)는 반응연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전류를 발생시키는 전류발생부의 1종으로서, 고분자 전해질 막(미도시)과 그 양쪽면에 각각 밀착 배치된 산화전극(미도시) 및 환원전극(미도시)을 포함한다. 이러한 막전극접합체(100) 대신에 다른 다양한 종류의 전류발생부가 채용될 수 있다.The
전류집전체(130)는 탄성구조를 갖는다. 구체적으로, 본 구현예에서 전류집전체(130)는 굴곡형상을 가지는데, 도 3에 도시된 바와 같이, 두께방향의 일단면이 아치형상을 갖도록 휘어져 있으며 그 볼록부(C)가 막전극접합체(100)와 대향되게 배치된다. The
또한, 전류집전체(130)의 재질은 탄성을 갖는 금속 또는 금속합금이며, 상기 금속 또는 금속합금으로는 0.1 내지 1V, 바람직하게는 0 내지 1V의 전위 범위내에서 전기화학적으로 안정한 백금, 티타늄, 금, 니켈, 또는 이들의 합금 등이 바람직하다. 즉, 반응연료(수소) 또는 산화제(산소)가 0 내지 1V의 전위 범위내에서 산화되거나 환원되므로, 전류집전체(13)는 상기 전위 범위내에서 전기화학적으로 안정하여야 한다.In addition, the material of the
또한 본 구현예에서, 전류집전체(13)의 두께는 0.1 내지 2mm인 것이 바람직하다. In addition, in this embodiment, the thickness of the current collector 13 is preferably 0.1 to 2mm.
상기와 같은 구조를 갖는 연료전지 스택은, 스택 체결시, 체결 나사(150)를 조여주게 되면 체결 나사(150)가 엔드플레이트(140)를 막전극접합체(100) 쪽으로 밀어주고 엔드플레이트(140)는 다시 전류집전체(130)의 가장자리 부분을 같은 방향으로 밀어주게 된다. 계속해서 체결 나사(150)를 더욱 조여주게 되면 전류집전체(130)의 가장자리 부분에 가해지는 압력이 증가하고 이 압력이 결국 전류집전체(130)의 볼록부(C)에까지 전달되어 상기 볼록부(C)가 탄성력에 의해 점진적으로 곧게 펴지게 된다. 이와 같이 전류집전체(130)의 볼록부(C)가 곧게 펴지면서 이 볼록부(C)와 맞닿는 막전극접합체(100)의 표면에는 상당한 압력이 가해지게 되고, 이로 인해 연료전지 스택의 체결압력이 증가되어 스택 내의 전기저항이 충분히 낮아지게 됨으로써 원하는 크기의 전력밀도를 얻을 수 있다. 이와 같이 탄성구조를 갖는 전류집전체(130)를 제작함으로써, 엔드플레이트(140)의 두께를 두껍게 형성하지 않아도 원하는 체결압력을 얻어 성능 향상이 가능하고 또한 연료전지 스택의 박막화를 달성할 수 있다.In the fuel cell stack having the above structure, when the stack is fastened, the
도 4는 도 3의 전류집전체 및 이를 대체할 수 있는 다른 다양한 형태의 전류집전체를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating the current collector of FIG. 3 and other various types of current collectors that may replace the current collector.
도 4의 (a)는 두께방향 일단면이 아치형, (b)와(c)는 캡(cap)형, 그리고 (e)는 웨이브(wave)형인 전류집전체를 도시하고 있다. 도 4의 (a)의 전류집전체는 특별한 가공기술 없이도 평평한 평면을 갖는 전류집전체를 손쉽게 구부려서 사용할 수 있는 잇점이 있다.Fig. 4 (a) shows a current collector having one end surface in an arcuate direction in thickness, caps (b) and (c), and caps (e). The current collector of FIG. 4 (a) has an advantage of being able to bend and use a current collector having a flat plane without any special processing technique.
도 4의 (b), (c), (e)의 전류집전체는 휘어진 각도의 변화가 도 4의 (a)의 전류집전체에 비해 크지 않아 작업상 편리한 잇점이 있다. 또한 이들 각 경우에, 평탄부(F)의 두께(tF)가 0.1 내지 2mm이고, 볼록부(C)의 두께(tC)가 0.01 내지 1mm인 것이 바람직하다. 상기 두께들(tF, tC)이 상기 범위를 벗어나게 되면 원하는 체결압력을 얻기가 어렵거나 박막화를 달성할 수 없으므로 바람직하지 않다. 또한, 평탄부(F)의 두께(tF)와 볼록부(C)의 두께(tC) 차이가 상기 범위로부터 도출될 수 있는 수치 범위를 벗어나게 되면 스택 체결시 완벽한 기밀이 유지되지 않아 반응연료가 누출되기 쉬우므로 바람직하지 않다.The current collectors of FIGS. 4 (b), 4 (c) and 4 (e) have a merit in that the change in the bending angle is not large compared to the current collector of FIG. In each of these cases, the thickness t F of the flat portion F is preferably 0.1 to 2 mm, and the thickness t C of the convex portion C is preferably 0.01 to 1 mm. When the thicknesses t F and t C deviate from the above ranges, it is not preferable because it is difficult to obtain a desired clamping pressure or a thin film cannot be achieved. Further, when the thickness (t C) difference between the flat portion (F) The thickness (t F) and the convex portion (C) of causing a departure from the value range that can be derived from the above-described range because the perfect airtight during stack fastening not holding the reaction fuel Is not preferable because it is easy to leak.
또한, 도 4의 (d)는 두께방향 일단면이 단차를 가지는 전류집전체를 도시하고 있다. 이 경우, 전류집전체의 돌출부(P)가 막전극접합체와 대향되게 배치된다. 또한 이 경우, 전류집전체는 평탄부(F)의 두께(tF)가 0.1 내지 2mm이고, 돌출부(P) 의 두께(tP)가 0.01 내지 1mm인 것이 바람직하다. 상기 두께들(tF, tP)이 상기 범위를 벗어나게 되면 충분한 체결압력을 얻기가 어렵거나 박막화를 달성할 수 없으므로 바람직하지 않다. 또한, 평탄부(F)의 두께(tF)와 돌출부(P)의 두께(tP) 차이가 상기 범위로부터 도출될 수 있는 수치범위를 벗어나게 되면 스택 체결시 완벽한 기밀이 유지되지 않아 반응연료가 누출되기 쉬우므로 바람직하지 않다.4 (d) shows a current collector having one step in the thickness direction end surface. In this case, the protrusion P of the current collector is disposed to face the membrane electrode assembly. In this case, the current collector preferably has a thickness t F of the flat portion F of 0.1 to 2 mm and a thickness t P of the protrusion P to be 0.01 to 1 mm. When the thicknesses t F and t P deviate from the above ranges, it is not preferable because sufficient fastening pressure is difficult to obtain or thinning cannot be achieved. Further, when the thickness (t P) difference between the flat portion (F) The thickness (t F) with the projection (P) for causing a departure from the numerical range which can be derived from the scope stack tightening when complete confidentiality is not being maintained the reaction of fuel It is not preferable because it is easy to leak.
도 5는 도 3의 전류집전체에 다양한 크기 및 형상의 관통홀이 형성된 경우를 도시한 평면도이다. 5 is a plan view illustrating a case where through holes of various sizes and shapes are formed in the current collector of FIG. 3.
도 5를 참조하면, 도 5의 (a)에는 원형의 관통홀(h1)이 형성되어 있는 전류집전체(130-1), (b)에는 크기가 작은 정사각형의 관통홀(h2)이 형성되어 있는 전류집전체(130-2), (c)에는 크기가 큰 정사각형의 관통홀(h3)이 형성되어 있는 전류집전체(130-3)가 각각 도시되어 있다. 여기서, 관통홀(h1, h2, h3)의 형상은 중요하지 않으며 관통홀(h1, h2, h3)의 면적이 반응연료 등의 연료 공급에 대한 효율성 측면에서 중요한 의의를 가진다.Referring to FIG. 5, a current collector 130-1 having a circular through hole h1 is formed in FIG. 5A, and a small square through hole h2 is formed in (b). The current collectors 130-2 and (c) which show the current collector 130-3 in which the large square through-hole h3 is formed are shown, respectively. Here, the shape of the through holes h1, h2, and h3 is not important, and the area of the through holes h1, h2, and h3 has an important meaning in terms of efficiency for supplying fuel such as reaction fuel.
도 5의 (a), (b), 및 (c)에서 관통홀(h1, h2, h3)의 전체 면적에 따라 전류집전체(130-1, 130-2, 130-3)의 효율적인 연료공급통로의 면적비율(이하, 전류발생부의 유효면적비율이라고 함)이 달라질 수 있다. Efficient fuel supply of the current collectors 130-1, 130-2 and 130-3 according to the total area of the through holes h1, h2 and h3 in FIGS. 5A, 5B and 5C The area ratio of the passage (hereinafter referred to as the effective area ratio of the current generating unit) may vary.
상기 유효면적비율은 하기 수학식 1에 의하여 구할 수 있다.The effective area ratio can be obtained by
[수학식 1] [Equation 1]
전류발생부의 유효면적비율(%) = 전류집전체에 형성된 관통홀의 전체 면적/Effective area ratio (%) of current generating part = total area of through-hole formed in current collector /
전류발생부의 전체 면적 X 100Total area of current
한편, 전류집전체에는 전류발생부와 맞닿는 실질적인 집전면적과 연료를 공급할 수 있는 연료공급 통로의 면적(즉, 유효면적)이 존재한다.On the other hand, the current collector has a substantial current collecting area in contact with the current generating unit and an area of the fuel supply passage capable of supplying fuel (ie, an effective area).
효율적인 연료공급과 연료전지 스택의 내구성을 확보하기 위해서는, 최적의 유효면적비율과 집전면적비율을 가져야 한다. In order to ensure efficient fuel supply and durability of the fuel cell stack, it is necessary to have an optimum effective area ratio and a current collector area ratio.
상기 유효면적비율과 집전면적비율의 관계를 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.The relationship between the effective area ratio and the current collector area ratio may be expressed by
[수학식 2] [Equation 2]
집전면적비율(%) = 100-유효면적비율Current area ratio (%) = 100-effective area ratio
본 구현예에서 전류집전체는 하기와 같은 3가지 역할을 동시에 수행한다. 즉, 첫째, 전류를 집전하는 전류집전체 본연의 역할과, 둘째, 전류집전체의 형태 변형을 통하여, 스택 체결시, 체결압력을 증가시켜 전류발생부(즉, 막전극접합체)와 전류집전체 사이에서 접촉시 발생하는 전기저항을 최소화함으로써 연료전지 스택의 성능을 증가시키는 역할과, 셋째, 효율적인 연료공급을 통하여 연료전지 스택의 내구성을 확보하는 역할을 수행한다. In the present embodiment, the current collector plays the following three roles at the same time. That is, first, the role of the current collector to collect current, and second, through the shape deformation of the current collector, when tightening the stack, the clamping pressure is increased to increase the current generator (ie, membrane electrode assembly) and the current collector. The role of increasing the performance of the fuel cell stack by minimizing the electrical resistance generated during contact between the third, and third, to ensure the durability of the fuel cell stack through efficient fuel supply.
본 발명의 연료전지 스택은, 수소 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC), 또는 인산염 연료전지(PAFC) 등에 다양하게 적용될 수 있으며, 특히 수소 연료전지 및 직접메탄올 연료전지를 채용한 상온 작동 연료전지에 더욱 유리하게 적용될 수 있다. The fuel cell stack of the present invention can be variously applied to a hydrogen fuel cell (PEMFC), a direct methanol fuel cell (DMFC), or a phosphate fuel cell (PAFC), and in particular, a room temperature employing a hydrogen fuel cell and a direct methanol fuel cell. It can be applied more advantageously to the operating fuel cell.
또한, 본 구현예에서는 연료전지 스택으로서 모노폴라형만을 예로 들어 설명 하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 특징은 바이폴라형 연료전지 스택에도 동일하게 적용될 수 있다. 바이폴라형 연료 전지 스택은, 여기에서는 비록 도시되지 않았지만, 전류발생부와 전류집전체 사이에 배치된 바이폴라 플레이트를 더 구비하고, 상기 전류집전체는 상기 바이폴라 플레이트에 밀착되게 배치되어 상기 전류발생부의 전류를 집전한다. In addition, the embodiment has been described using only a monopolar type as a fuel cell stack, but the present invention is not limited thereto, and the technical features of the present invention may be equally applied to a bipolar fuel cell stack. Although not shown here, the bipolar fuel cell stack further includes a bipolar plate disposed between the current generator and the current collector, and the current collector is disposed in close contact with the bipolar plate so as to provide a current in the current generator. To collect.
이하 실시예를 들어 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 하기 실시예로만 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in detail with reference to the following Examples. However, the present invention is not limited only to the following examples.
실시예Example
제조예 1: 막전극접합체(MEA)의 제조 Preparation Example 1 Preparation of Membrane Electrode Assembly (MEA)
CCG(catalyst coated GDL)방법을 이용하여 하기와 같이 막전극접합체(MEA)를 제조하였다. 즉, 카본 페이퍼(SGL10BC)의 일면상에 카본나노튜브에 담지된 Pt촉매와 소량의 나피온을 포함하는 촉매슬러리를 스프레이법을 이용하여 Pt함량이 0.4mg/cm2 ~ 0.8mg/cm2의 범위가 되도록 도포함으로써 산화전극 및 환원전극을 각각 제조하였다. Nafionㄾ 고분자 전해질 115로 형성된 전해질 막의 일면 및 타면에 상기에서 얻어진 촉매층이 도포된 산화전극 및 환원전극을 각각 배치하고 핫프레싱(hot pressing)하여 막전극접합체를 얻었다. A membrane electrode assembly (MEA) was prepared by using a catalyst coated GDL method as follows. That is, Pt content of 0.4mg / cm 2 ~ 0.8mg / cm 2 by spraying the catalyst slurry containing Pt catalyst and a small amount of Nafion supported on carbon nanotubes on one surface of carbon paper (SGL10BC) The anode and the cathode were respectively prepared by coating to the extent. On one side and the other side of the electrolyte membrane formed of Nafion® polymer electrolyte 115, the anode and the cathode coated with the catalyst layer obtained above were disposed and hot pressed to obtain a membrane electrode assembly.
실시예 1: 연료전지 스택의 단위전지(1) 제조Example 1 Manufacture of
엔드플레이트로는 두께 0.5cm, 크기 6×6cm2인 아크릴 수지를 사용하였다. 상기 엔드플레이트에는, 연료의 주입과 배출을 원활하게 하기 위하여, 직경 2.5mm인 관통홀을 형성하였다. 전류집전체로는 두께 0.5cm, 크기 6×6cm2인 SUS 316L 재질을 사용하였다. 또한, 상기 전류집전체는, 도 4의 (a)에 도시된 것과 같이, 그 두께방향 일단면을 아치형으로 형성하였다. 막전극접합체로는 두께 800㎛, 크기 3×3cm2인 상기 제조예 1에서 제조한 막전극접합체를 사용하였다.As the end plate, an acrylic resin having a thickness of 0.5 cm and a size of 6 × 6 cm 2 was used. In the end plate, a through hole having a diameter of 2.5 mm was formed in order to smoothly inject and discharge fuel. As a current collector, a SUS 316L material having a thickness of 0.5 cm and a size of 6 × 6 cm 2 was used. In addition, the current collector, as shown in Fig. 4 (a), one end surface in the thickness direction is formed in an arc shape. As the membrane electrode assembly, a membrane electrode assembly prepared in Preparation Example 1 having a thickness of 800 μm and a size of 3 × 3 cm 2 was used.
또한, 상기 전류집전체에는, 도 5의 (a)에 도시된 것과 같은, 원형의 관통홀을 복수개 형성하여 유효면적비율을 36%로 조절하였다. 또한, 연료공급부와 막전극접합체에 사용한 가스켓으로는 두께 350㎛인 레드 글라스 실리콘을 사용하였다. 상기와 같은 구성요소를 도 3과 같이 적층하여 단위전지(1)를 제조하였다. In the current collector, a plurality of circular through holes, as shown in FIG. 5A, were formed, and the effective area ratio was adjusted to 36%. As the gasket used for the fuel supply unit and the membrane electrode assembly, red glass silicon having a thickness of 350 µm was used. The
실시예 2: 연료전지 스택의 단위전지(2) 제조Example 2: Fabrication of
유효면적비율을 24%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 단위전지(2)를 제조하였다.The
실시예 3: 연료전지 스택의 단위전지(3) 제조 Example 3: Production of
전류집전체에, 도 5의 (b)에 도시된 것과 같은, 크기가 작은 정사각형의 관통홀을 복수개 형성하여 유효면적비율을 45%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 단위전지(3)를 제조하였다. In the same manner as in Example 1, except that the effective area ratio was adjusted to 45% by forming a plurality of small square through-holes as shown in (b) of FIG. 5 in the current collector. The
실시예 4: 연료전지 스택의 단위전지(4) 제조 Example 4: Fabrication of
전류집전체에, 도 5의 (b)에 도시된 것과 같은, 크기가 작은 정사각형의 관통홀을 복수개 형성하여 유효면적비율을 55%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1에 서와 동일한 방법으로 단위전지(4)를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that the effective area ratio was adjusted to 55% by forming a plurality of small square through-holes as shown in (b) of FIG. 5 in the current collector. The
실시예 5: 연료전지 스택의 단위전지(5) 제조Example 5: Fabrication of unit cell 5 of fuel cell stack
전류집전체에, 도 5의 (c)에 도시된 것과 같은, 크기가 큰 정사각형의 관통홀을 복수개 형성하여 유효면적비율을 72%로 조절한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 단위전지(5)를 제조하였다.In the same manner as in Example 1, except that the effective area ratio was adjusted to 72% by forming a plurality of large square through-holes as shown in (c) of FIG. 5 in the current collector. The battery 5 was produced.
비교예 1: 연료전지 스택의 단위전지(6) 제조 Comparative Example 1: Fabrication of
전류집전체로서, 도 2에 도시된 것과 같은, 스트라이프 형상의 단면들을 갖는 전류집전체를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1에서와 동일한 방법으로 단위전지(6)를 제조하였다.As the current collector, a
평가시험Evaluation
상기 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 단위전지(1),(6)에 대한 성능시험과 내구성 시험을 실시하여 성능시험 결과를 도 6a 및 도 6b에 나타내고, 연료 지속성 시험 결과를 도 7에 나타내었다. 또한, 실시예 1~5에 대하여 유효면적비율 변화에 따른 내구성 시험을 실시하여 그 결과를 하기 표 1 및 도 8에 나타내었다.The performance test and durability test of the unit cells (1) and (6) manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 are carried out, and the results of the performance test are shown in FIGS. 6A and 6B, and the fuel persistence test results are shown in FIG. 7. Indicated. In addition, Examples 1 to 5 were subjected to a durability test according to the effective area ratio change, and the results are shown in Table 1 and FIG. 8.
<성능시험><Performance test>
성능시험 조건은 다음과 같았다. 즉, 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 단위전지(1),(6) 각각에 상온하에서 H2 100cc/min, O2 100cc/min의 속도로 연료공급을 실시하면서 전류밀도(current density)에 따른 전압(cell voltage)을 측정하여 그 결과를 도 6a에 나타내었다. Performance test conditions were as follows. That is, while supplying fuel to the
도 6a를 참조하면, 전류밀도의 증가에 따른 전압 강하의 정도는 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우 보다 작은 것으로 나타나 실시예 1의 단위전지(1)의 성능이 비교예 1의 단위전지(6)의 성능 보다 우수하다는 사실을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6A, the degree of the voltage drop according to the increase of the current density was found to be smaller than that of Comparative Example 1 in the case of Example 1, so that the performance of the
또한, 도 6b는 도 6a의 전류밀도와 전압에 의해 산출된 전력밀도를 다시 도시한 것이다. 6B again shows the power density calculated by the current density and voltage of FIG. 6A.
도 6b를 참조하면, 전류밀도의 증가에 따른 전력밀도 증가의 정도는 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우 보다 큰 것으로 나타나 실시예 1의 단위전지(1)의 성능이 비교예 1의 단위전지(6)의 성능 보다 우수하다는 사실을 또 다시 확인할 수 있다.Referring to FIG. 6B, the degree of power density increase according to the increase of the current density is shown to be greater in the case of Example 1 than in the case of Comparative Example 1, so that the performance of the
상기와 같은 성능시험 결과는, 전기가 막전극접합체에서 전류집전체까지 전달되는 과정에 있어서 실시예 1의 경우에는 비교예 1의 경우 보다 전기저항이 감소하게 되어 전류특성이 향상되었기 때문인 것으로 판단된다. The result of the above performance test, in the process of transferring electricity from the membrane electrode assembly to the current collector, in the case of Example 1 is due to the electrical resistance is reduced than in the case of Comparative Example 1 is improved current characteristics .
<연료 지속성 시험-유효면적비율 고정><Fuel Persistence Test-Fixed Effective Area Ratio>
연료 지속성 시험 조건은 다음과 같았다. 즉 먼저, 실시예 1과 비교예 1에서 제조한 단위전지(1),(6) 각각에 소량의 물을 공급한 후, 태양전지(또는 power supply)를 이용하여 300mA의 전류를 인가함으로써 물을 전기분해한 다음, 발생하는 수소와 산소를 각각 15cc, 7.5cc의 부피 만큼 포집하였다. 다음에, 포집한 수소와 산소를 상기 단위전지(1),(6)에 공급하여 이들 연료(수소, 산소)가 전부 소모될 때까지 시간에 따른 전력 변화를 측정하는 실험을 실시하였다. 이 경우, 단위전지(1)(실시예 1)의 전압을 0.65V로 일정하게 유지하였고, 단위전지(6)(비교예 1)의 전압을 0.60V로 일정하게 유지하였다. 그 결과를 도 7에 나타내었다. Fuel persistence test conditions were as follows. That is, first, a small amount of water is supplied to each of the
도 7을 참조하면, 0.65V의 전압으로 유지한 실시예 1의 경우가 0.60V로 유지한 비교예 1의 경우 보다 오히려 더 높은 전력을 나타내었고, 2분가량 운전한 결과 전력의 드롭(drop)현상이 실시예 1의 경우가 비교예 1의 경우 보다 오히려 덜 감소한 것으로 나타났다. 즉, 비교예 1의 단위전지(6)는 전기저항이 커짐에 따라서 전기출력이 크게 떨어지는 결과를 나타내었다. Referring to FIG. 7, the power of Example 1 maintained at a voltage of 0.65V was higher than that of Comparative Example 1 maintained at 0.60V, and the power was dropped as a result of operating for about 2 minutes. The phenomenon was found to be less reduced in the case of Example 1 than in the case of Comparative Example 1. That is, the
본 연료 지속성 시험에서 실시예 1의 단위전지(1) 성능이 비교예 1의 단위전지(6) 성능에 비해 약 41% 이상 향상된 것으로 나타났다. 이러한 결과는, 전기가 막전극접합체에서 전류집전체까지 전달되는 과정에 있어서 실시예 1의 경우에는 비교예 1의 경우 보다 전기저항이 감소하게 됨으로써 전류특성이 향상되었기 때문인 것으로 판단된다.In this fuel persistence test, the performance of the
<내구성시험-유효면적비율 변화><Durability test-effective area ratio change>
실시예 1~5에서 제조한 단위전지(1)~(5)에 대하여 상기 연료 지속성 시험 조건과 동일한 조건으로 연료 지속성 시험을 실시하였다. 다만, 공급된 연료가 전부 소모된 후에는 소량의 물을 다시 전기분해하고, 이에 의해 얻어진 연료를 상기 단위전지들 각각에 상기에서 정해진 부피만큼 재공급하여 전기를 발생시키는 시험을 수행함으로써 상기 연료 지속성 시험을 여러 번 반복하였다. 출력되는 전력이 거의 일정한 값으로 유지되어야 한다는 전제조건하에서 시험 반복 가능 회수를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다. 이러한 내구성시험은 유효면적비율의 변화에 따른 단위전지의 내구성 변화를 관찰하기 위한 것이다. The fuel sustainability test was performed on the
참고로, 유효면적비율이 36%인 실시예 1의 단위전지(1)에 대하여 상기 내구성 시험을 실시한 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8을 참조하면, 실시예 1의 경우에는 상기 내구성 시험을 46회 반복할 수 있음을 알 수 있다.For reference, the results of the above durability test on the
또한 상기 표 1을 참조하면, 유효면적비율이 36%, 24%, 45%, 55%, 72%일 때 시험 반복 가능 회수가 각각 46회, 32회, 34회, 22회, 6회인 것으로 나타났다다. 즉, 이러한 결과로부터 유효면적비율이 50%이하인 경우에 내구성이 상대적으로 양호하다는 사실을 알 수 있으며, 50%를 초과할 경우에는 집전면적비율이 줄어듦에 따라 실제 전기저항이 커져서 내구성이 악화된다는 사실을 알 수 있다. 유효면적비율이 36%인 실시예 1의 경우와, 72%인 실시예 5의 경우를 비교해 볼 때 실시의 1의 경우가 실시예 5의 경우에 비해 내구성이 800% 증가된 결과를 나타내었다. In addition, referring to Table 1, when the effective area ratio is 36%, 24%, 45%, 55%, 72%, the number of test repeatable times was 46, 32, 34, 22, and 6 times, respectively. All. In other words, it can be seen that the durability is relatively good when the effective area ratio is less than 50%, and when the effective area ratio is greater than 50%, as the current collector area ratio decreases, the durability becomes worse due to the increase in the actual electrical resistance. It can be seen. Comparing the case of Example 1 having an effective area ratio of 36% with the case of Example 5 having 72%, the case of Example 1 showed an 800% increase in durability compared to the case of Example 5.
이상에서 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다. Although preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, this is merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Could be. Therefore, the protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.
도 1은 종래기술에 따른 모노폴라형 연료전지 스택의 단위전지를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a unit cell of a monopolar fuel cell stack according to the prior art.
도 2는 도 1에서 막전극접합체, 산화전극 전류집전체, 및 산화전극 엔드플레이트 만을 발췌하여 도시한 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating only the membrane electrode assembly, the anode current collector, and the anode end plate in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 모노폴라형 연료전지 스택의 단위전지를 도 2에 대응되게 도시한 도면이다.3 is a view illustrating a unit cell of a monopolar fuel cell stack according to an embodiment of the present invention in correspondence with FIG. 2.
도 4는 도 3의 전류집전체 및 이를 대체할 수 있는 다른 다양한 형태의 전류집전체를 도시한 단면도이다.4 is a cross-sectional view illustrating the current collector of FIG. 3 and other various types of current collectors that may replace the current collector.
도 5는 도 3의 전류집전체에 다양한 크기 및 형상의 관통홀이 형성된 경우를 도시한 평면도이다.5 is a plan view illustrating a case where through holes of various sizes and shapes are formed in the current collector of FIG. 3.
도 6a 및 도 6b는 실시예 1 및 비교예 1의 단위전지의 성능 시험 결과를 비교형식으로 나타낸 그래프이다.6A and 6B are graphs illustrating performance test results of unit cells of Example 1 and Comparative Example 1 in a comparative format.
도 7은 실시예 1 및 비교예 1의 단위전지의 연료 지속성 시험 결과를 비교형식으로 나타낸 그래프이다.FIG. 7 is a graph illustrating fuel sustain test results of unit cells of Example 1 and Comparative Example 1 in a comparative format. FIG.
도 8은 실시예 1의 단위전지에 대한 유효면적비율에 따른 내구성 시험 결과를 비교형식으로 나타낸 그래프이다. 8 is a graph showing the durability test results according to the effective area ratio for the unit cell of Example 1 in a comparative form.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10, 100: 막전극접합체 20: 막전극접합체 보호용 가스켓10, 100: membrane electrode assembly 20: membrane electrode assembly protective gasket
22: 산화전극 연료공급부 가스켓 24: 환원전극 연료공급부 가스켓 22: anode fuel supply gasket 24: cathode fuel supply gasket
30, 130: 전류집전체 32: 산화전극 전류집전체30, 130 current collector 32: anode current collector
34: 환원전극 전류집전체 40, 140: 엔드플레이트34: cathode
42: 산화전극 엔드플레이트 44: 환원전극 엔드플레이트 42: anode end plate 44: cathode end plate
50, 150: 체결 나사 h1, h2, h3: 관통홀50, 150: fastening screw h1, h2, h3: through hole
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