KR20100006221A

KR20100006221A - 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템

Info

Publication number: KR20100006221A
Application number: KR1020080066352A
Authority: KR
Inventors: 김성한; 장재혁; 크레이그 미씨; 차혜연
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-19
Also published as: KR101016445B1; US20100009231A1; JP2010021135A; JP5127770B2

Abstract

스택 및 이를 이용한 연료전지 발전시스템이 개시된다. 수소를 연료로 공급 받아 공기 중 산소와 반응하여 전기에너지를 생산하는 연료전지의 스택에 있어서, 전해질막과 전해질막의 양면에 결합한 한 쌍의 전극을 포함하는 전극막 조립체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly); 및 전극막 조립체의 양면에 형성된 한 쌍의 전류 집전체를 포함하며, 전류 집전체는 절연성 폴리머 필름; 및 폴리머 필름과 상기 전극막 조립체 사이에 개재되는 도전성 접착층을 포함하는 스택은 도전성 접착층이 형성된 전류 집전체를 이용함으로써, 연료전지의 전류 집전체와 전극막 조립체와의 결합 구조를 견고하게 하여 신뢰성 있는 전류 집전이 가능하고, 연료 및 공기의 공급이 원활하도록 개구부를 형성함으로써 소형화가 가능하다.

연료전지, 전류 집전체, 도전성 접착제

Description

스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템{Stack and fuel cell power generation system having the same}

본 발명은 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지 발전시스템은 메탄올 등의 수소함유연료와 공기 등의 산화제 가스를 가스확산전극에서 전기화학적으로 반응시켜 전기를 생성하는 발전시스템이다. 이는 전력수요 증가에 따른 전원확보의 어려움과 화석 에너지의 사용에 따른 지구환경문제를 해결하기 위한 미래의 청정 에너지원으로서 각광을 받고 있다.

연료전지 발전시스템은 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 복수 개 적층되어 있는 스택을 갖고 있다. 스택의 기본구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 복수 개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어진다. 단위전지는 전해질막의 양측면에 연료극과 공기극이 각각 제공되어 있는 전극막 조립체(MEA)와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체유동용 채널이 형성되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.

상기 바이폴라 플레이트는 연료극과 공기극에 수소함유연료와 산소를 각각 공급하면서 연료극과 공기극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물을 외부로 배출시키도록 작용한다.

이때, 전극막 조립체에서 발생되는 전기를 집전하기 위한 전류 집전체가 단위전지의 양측 최단부에 위치하는 바이폴라 플레이트(이하, '최외각 바이폴라 플레이트'라 함)와 엔드 플레이트 사이에 제공된다. 전류 집전체는 전기를 집전하는 기능뿐만 아니라 볼트와 너트의 체결 시 최외각 플레이트의 취성을 보강하기 위하여 제공된다.

최근에는 전류 집전체를 플렉서블(flexible) 타입으로 형성하여 이용하는데, 이 경우 리지드(rigid)한 타입에 비해 변형이 쉬우므로 스택(stack)의 적층구조에서 층간 접속의 신뢰도가 떨어지는 문제가 생긴다.

본 발명은 도전성 접착층이 형성된 전류 집전체를 이용하여 견고한 적층 구조를 형성함으로써 신뢰성 있는 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수소를 연료로 공급 받아 공기 중 산소와 반응 하여 전기에너지를 생산하는 연료전지의 스택에 있어서, 전해질막과 전해질막의 양면에 결합한 한 쌍의 전극을 포함하는 전극막 조립체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly); 및 전극막 조립체의 양면에 형성된 한 쌍의 전류 집전체를 포함하며, 전류 집전체는 절연성 폴리머 필름; 및 폴리머 필름과 상기 전극막 조립체 사이에 개재되는 도전성 접착층을 포함하는 스택이 제공된다.

도전성 접착층은 접착성 에폭시 및 금속 파우더 또는 금속 와이어 중 적어도 하나가 포함될 수 있다. 폴리머 필름은 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어질 수 있다.

전류 집전체는 폴리머 필름과 상기 도전성 접착층 사이에 개재되는 금속패드를 더 포함할 수 있고, 금속패드는 금(Au)을 포함하는 재질로 형성될 수 있다.

전극은 복수의 단위전극으로 구성되어 있고, 금속패드는 단위전극의 형상에 상응하여 복수의 단위패드로 구성될 수 있고, 단위패드에는 각각 전류 집전체의 바깥쪽으로 돌출된 단자가 형성될 수 있다.

전류 집전체에는 복수의 개구부가 형성될 수 있고, 전류 집전체의 외측에 형성되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함할 수 있다.

연료가 공급되는 측의 엔드 플레이트는 서펜타인(serpentine)형상의 슬릿이 형성되어 있고, 연료가 공급되는 측의 전류 집전체의 개구부는 슬릿에 상응하는 형상으로 할 수 있다.

한편, 공기가 공급되는 측의 엔드 플레이트는 공기가 통과 할 수 있는 홀이 형성되어 있고, 공기가 공급되는 측의 전류 집전체의 개구부는 홀에 상응하는 형상 일 수 있다. 홀은 사각형인 것을 특징으로 하며, 홀은 전극의 면적대비 홀의 총 면적 비율이 65%로 할 수 있다.

전류 집전체와 전극막 조립체의 사이에 개재되어, 전류 집전체와 전극막 조립체 사이를 밀폐하는 가스켓(gasket)을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 수소를 연료로 공급 받아 공기 중 산소와 반응하여 전기에너지를 생산하는 연료전지 스택; 스택에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부; 및 스택에 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하는 연료전지 발전시스템에서, 연료전지 스택은, 전해질막과 전해질막의 양면에 결합한 한 쌍의 전극을 포함하는 전극막 조립체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly); 전극막 조립체의 양면에 형성된 한 쌍의 전류 집전체를 포함하고, 전류 집전체는 절연성 폴리머 필름; 폴리머 필름의 전극막 조립체를 향하는 면에 형성된 도전성 접착층을 포함하는 연료전지 발전시스템이 제공된다.

한편, 공기가 공급되는 측의 엔드 플레이트는 공기가 통과 할 수 있는 홀이 형성되어 있고, 공기가 공급되는 측의 전류 집전체의 개구부는 홀에 상응하는 형상일 수 있다. 홀은 사각형인 것을 특징으로 하며, 홀은 전극의 면적대비 홀의 총 면적 비율이 65%로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 도전성 접착층이 형성된 전류 집전체를 이용함으로써, 연료전지의 전류 집전체와 전극막 조립체와의 결합 구조를 견고하게 하여 신뢰성 있는 전류 집전이 가능하고, 연료 및 공기의 공급이 원활하도록 개구부를 형성함으로써 연료전지 발전 시스템의 소형화가 가능하다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 따른 스택 및 이를 구비한 연료전지 발전시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 적층구조의 일 실시예를 나타낸 분해도이다. 도 1을 참조하면, 전극막 조립체(10, MEA: Membrane Electrode Assembly), 가스켓(20, Gasket), 전류 집전체(30, 40) 및 엔드 플레이트(50,60)가 도시되어 있다.

전극막 조립체(10)를 중심으로 양측에 각각 가스켓(20), 전류집전체(30,40), 엔드 플레이트(50,60)가 순차적으로 위치한다. 전극막 조립체(10)는 실질적으로 연료를 이용하여 전기를 발생시키고, 가스켓(20)은 연료 및 공기의 누출을 방지해주는 역할을 하며, 전류 집전체(30,40)는 전극막 조립체(10)에서 생성된 전기를 집전하는 역할을 한다. 엔드 플레이트(50,60)는 스택(100) 구조의 최 외각에서 스택(100)에 압력을 가해 스택의 적층 구조를 완성한다. 각 부재와 관련하여 상세한 설명은 이하 도 2 내지 도 9를 참고하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 전극막 조립체를 나타낸 평면도이고, 도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 전극막 조립체를 나타낸 측면도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면 전해질막(12) 및 단위전극(14, 16)이 도시되어 있다. 전극막 조립체(10)는 연료를 촉매와 반응시켜 실질적으로 전기를 발생시키는 역할을 수행하며, 선택적 수소이온 투과특성을 갖는 전해질막(12)과 전해질 층의 양 측에 제공된 한 쌍의 전극, 즉 연료극과 공기극으로 이루어진다.

수소를 연료로 이용하는 고체산화물연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 연료전지의 경우를 예로 들어 각 전극에서 일어나는 화학반응을 설명하면 다음과 같다.

<반응식 1> 연료극: H₂ → 2H⁺ + 2e^-

<반응식 2> 공기극: (1/2)O₂ + 2H⁺ + 2e^- → H₂O

<반응식 3> 전체 반응: H₂ + (1/2)O₂ → H₂O

이상의 반응을 통하여 전기를 발생시키고, 공기극에서는 물이 발생된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이상의 화학반응은 수소를 연료로 이용한 고체산화물 연료전지의 경우에 일어나는 것이며, 연료전지의 유형에 따라 각 전극에서 발생하는 화학반응이 다양할 수 있음은 물론이다.

전극은 전해질막(12)을 중심으로 연료극 한 개와 공기극 한 개로 구성될 수 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 복수의 단위전극(14,16)으로 구성 가능하다. 연료극의 단위전극(14), 공기극의 단위전극(16) 및 전해질막(12)으로 구성된 단위셀(18)은 독립된 전지의 역할을 할 수 있다. 평판형 연료전지 스택에서는 한 평면을 여러 개의 단위셀(18)로 나누어 각 단위셀(18)을 직렬로 연결하여 전체 연료전지의 전위차를 높일 수 있다. 이러한 단위셀(18) 구조는 전체 스택 구조에 영향을 미쳐, 도 1에 도시된 바와 같이 단위셀(18)의 모양에 따라, 전류 집전체(30,40), 가스켓(20), 엔드 플레이트(50,60)의 형상이 결정된다.

다음으로 도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 전류 집전체를 나타낸 평면도이고, 도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 스택 의 일 실시예에 있어서, 연료극 측 전류 집전체를 나타낸 평면도이며, 도 6는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 전류 집전체를 나타낸 측면도이다. 도 4 내지 도 6을 참조하면, 폴리머 필름(32), 금속패드(34), 단자(35,45), 도전성 접착층(36) 및 개구부(38, 48)가 도시되어 있다.

전류 집전체(30,40)는 전극막 조립체(도1의 10)에서 생성된 전기에너지를 모으는 장치로서, 전극막 조립체(도 1의 10)의 연료극과 공기극 각각에 결합하여 적층구조를 형성한다.

전류 집전체(30,40)는 도 6에 도시된 바와 같은 층상 구조를 가지며, 절연성 폴리머 수지(32)를 기저층으로 하여, 금속패드(34)가 코팅되고 그 위에 도전성 접착층(36)이 형성된다.

폴리머 수지(32)는 플렉서블(flexible)한 재질이 이용될 수 있는데, 예를 들면 폴리이미드(polyimide)와 같이 내화학성이 좋고 내열온도가 상대적으로 높은 폴리머 수지가 있다.

도전성 접착층(36)은 메탈 파우더(metal powder) 또는 메탈 와이어(metal wire)가 접착성 에폭시와 섞인 도전성 접착제(conductive adhesive)를 도포하여 형성할 수 있다. 메탈 파우더나 메탈 와이어는 니켈(Ni)이나 은(Ag)을 포함할 수 있고, 접착력과 전기 전도도를 고려하여 다양한 비율로 에폭시와 조합할 수 있다.

도전성 접착층(36) 자체만으로도 전류가 흐를 수 있으므로, 전류 집전체(30,40)의 기능을 할 수 있으나, 보다 더 신뢰도 있는 전류 집전체(30,40)의 구현을 위해 도 5에 도시된 바와 같이 폴리머 수지(32) 위에 전기 전도성이 높은 금 속패드(34)를 형성하고 금속패드(34) 위에 도전성 접착층(36)을 형성할 수 있다.

금속패드(34)는 금(Au)과 같이 전기 전도성이 높은 물질을 코팅하여 형성할 수 있다. 금속패드(34)는 도면에 도시된 것과 같이 복수개의 단위패드(31,41)로 구성할 수 있다. 각 단위패드(31,41)간에는 절연성 폴리머 수지(32)로 구획 된다.

단위패드(31,41)간에 연결하는 단자(35,45)를 돌출되는 모양으로 형성할 수 있다. 연료극 측 전류 집전체(30)와 공기극 측 전류 집전체(40)를 전극막 조립체(도 2의 10)를 개재하여 마주보고 적층하면 대칭되는 위치의 공기극 측 단자(35)와 연료극 측 단자(45)가 서로 겹치게 되어, 이웃하는 단위셀(도 2의 18) 간에 직렬로 연결이 된다.

공기극 측 전류 집전체(30)는 전극막 조립체(도 1의 10)에 공기를 공급할 수 있도록 개구부(38)가 형성될 수 있다. 개구부(38)의 크기와 모양은 공기극 측 엔드 플레이트(50)의 홀(58)의 크기와 관련이 있으므로, 이후 설명할 엔드 플레이트(50)에서 구체적으로 살펴보기로 한다.

연료극 측 전류 집전체(40)는 전극막 조립체(도 1의 10)에 연료인 수소를 공급할 수 있도록 개구부(48)가 형성되어 있어야 한다. 개구부(48)의 크기와 모양은 연료극 측 엔드 플레이트(60)의 슬릿(68)형상과 관련이 있으므로, 이후 설명할 엔드 플레이트(60)에서 구체적으로 살펴보기로 한다.

다음으로 도 7 내지 도 9를 참조하여, 엔드 플레이트에 대해 살펴보도록 한다. 도 7은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 엔드 플레이트를 나타낸 평면도이고, 도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 엔드 플레이트의 홀 형상 및 개구율에 따른 스택의 성능을 비교한 그래프이고, 도 9은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 연료극 측 엔드 플레이트를 나타낸 평면도이다.

엔드 플레이트(50,60)는 전류 집전체(도 1의 30,40)의 바깥쪽에 즉, 스택 구조의 최외각에서 스택의 적층 구조에 적절한 압력으로 눌러주는 역할을 하므로, 휨이 적어야 하고, 전기적인 쇼트 현상을 방지하기 위해 절연 처리가 되어 있어야 한다. 따라서, 엔드 플레이트(50,60)는 알루미늄과 같은 가벼운 금속을 이용할 수 있으나 쇼트를 막기 위해 산화막을 형성하거나 테플론 코팅 등으로 전기적인 절연 처리를 할 수 있다.

도 7을 참조하면 공기극 측 엔드 플레이트(50)에 형성되어 있는 홀(58)이 도시되어 있다. 상기 전극막 조립체에서 산소가 필요하므로 산소를 제공하기 위해 공기극에 공기를 주입하는데 인공적인 펌프를 이용하는 방법은 연료전지의 부피가 커지게 되고, 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

이에 평판형 스택 구조에서는 적절한 홀(58)을 형성하여 대기중의 공기가 주입될 수 있도록 하여 산소를 공급하는 방법을 이용한다. 홀(58)은 대기중의 공기를 공기극에 제공하는 역할을 하므로, 적정한 형상과, 개구율로 형성할 필요가 있다. 개구율이란, 전극막 조립체의 공기극(도 3의 16)의 크기 대비 홀(58)의 크기를 의미한다.

도 8의 그래프를 참조하면, 홀(58)의 형상에 따라 최대 전력이 차이가 난다. 삼각형의 홀이 원형과 사각형의 홀 보다 얻을 수 있는 최대 전력은 작고, 원형의 경우 최대 전력을 얻을 수 있는 개구율이 작아 공기극에서 발생한 물이 빠져나가기 어렵다는 문제가 있어, 사각형의 홀이 효율적이다. 또한, 사각형의 경우 65% 정도에서 최대 전력을 얻을 수 있으므로, 전극막 조립체의 공기극(도 3의 16)의 크기 대비 홀(58)의 크기, 즉 개구율이 65%가 되도록 하는 것이 효율적이다.

공기극 측 전류 집전체(도 4의 30)의 개구부(도 4의 38)도 홀(58)의 형상과 크기에 상응하도록 형성할 수 있다.

도 9를 참조하면, 연료극 측 엔드 플레이트(60)에는 서펜타인(serpentine)형상의 슬릿(68)이 형성되어 있다. 서펜타인(serpentine)형상이란, 도면에 도시된 바와 같이 구불구불하게 꺾여져 있는 형상을 의미한다. 서펜타인 형상의 슬릿(68)을 이용하면, 연료 공급홀(64)을 통해 공급되는 연료를 단위셀(도 2의 18) 각각에 균일하게 공급이 가능하다.

이러한 슬릿(68)을 따라 연료가 이동하므로 그에 상응하는 위치에 연료극 측 전류 집전체(도 6의 40)의 개구부(도 6의 48)가 형성될 수 있다. 개구부의 형상은 슬릿과 같이 서펜타인 형상일 수 있으나, 플렉시블한 재질로 형성된 전류 집전체(도 6의 40)의 경우 고정의 문제가 있으므로, 도 6에 도시된 바와 같이, 꺾이는 부분은 개구부(도 6의 48)를 형성하지 아니하고 긴 개구부(도6의 48)를 평행하게 형성하는 것도 가능하다.

다음으로, 도 10은 본 발명의 일 측면에 따른 가스켓(gasket)을 나타낸 평면도이다. 가스켓(20)은 스택 구조에 있어서 필수 구성요소는 아니나, 효율적인 전기 발생을 위해서 도 1에 도시된 바와 같이 전극막 조립체(10)와 전류 집전체(30,40) 사이에 개재할 수 있다. 가스켓은(20) 스택에서 연료나 공기가 새지 않도록 밀폐하는 역할을 하므로 탄성을 가지고 있는 소재, 예를 들면 테프론(Teflon), PFA (perfluoroalkoxy) 과 같은 내화학성이 좋으면서 탄성을 가지는 재료가 적당하다. 가스켓(20)은 완벽한 밀폐구조를 위해서 도 10에 도시된 바와 같이 전류 집전체(40)의 금속패드가 형성되지 아니한 부분(도 6 참조)은 전부 가스켓(20)으로 가릴 수 있는 형상으로 하여 단차에 의한 틈이 생기는 것을 방지할 수 있다.

도 2 내지 도 10을 이용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 스택의 각 층상 구조를 살펴보았다. 공기극 측 엔드 플레이트(50)의 홀(58)을 통해서 공기가 들어가 공기극에 산소가 공급되고, 연료극 측의 엔드 플레이트(60)의 연료 공급홀(64)을 통해 주입된 연료가 슬릿(68)을 따라 이동하며 연료극에 수소를 공급되어, 전극막 접합체(10)에서 전기에너지가 생산된다. 생성된 전기에너지는 전류 집합체(30,40)를 통해 집전될 수 있다.

이상에서 설명한 스택을 이용하여, 이를 구비하는 연료전지 발전시스템을 제공할 수 있다. 도 11은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 발전시스템의 개략도 이고, 스택(100), 연료공급부(200), 공기공급부(300)가 도시되어 있다. 연료공급부(200)는 스택(100)에 수소를 포함한 연료를 공급하고, 공기공급부(300)는 스택(100)에 산소를 공급하는 기능을 수행한다.

연료공급부(200)는 연료전지의 연료가 되는 수소를 공급하는 역할을 하며, 수조 저장탱크와 같이 직접적으로 수소를 공급하는 것도 가능하나, 수소발생장치일 수 있다. 수소발생장치는 이온화 경향이 다른 전극과 전해질 수용액을 구비하며, 금속의 산화반응을 통해 얻은 전자를 이용해 물로부터 수소를 발생시킨다.

공기 공급부(300)는 연료전지에 산소를 공급하는 역할을 하므로 공기를 스택에 주입하는 펌프 등이 이용될 수 있다. 다만, 본 실시예에서는 별도의 공기 공급장치가 없더라도 산소가 공급될 수 있으므로, 생략 가능하다. 연료전지 발전시스템에 이용되는 스택(100)의 구조는 전술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 적층구조의 일 실시예를 나타낸 분해도.

도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 전극막 조립체를 나타낸 평면도.

도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 전극막 조립체를 나타낸 측면도.

도 4는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 전류 집전체를 나타낸 평면도.

도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 연료극 측 전류 집전체를 나타낸 평면도.

도 6은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 전류 집전체를 나타낸 측면도.

도7은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 엔드 플레이트를 나타낸 평면도.

도 8은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 공기극 측 엔드 플레이트의 홀 형상 및 개구율에 따른 스택의 성능을 비교한 그래프.

도 9는 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 연료극 측 엔드 플레이트를 나타낸 평면도.

도 10은 본 발명의 일 측면에 따른 스택의 일 실시예에 있어서, 가스켓을 나 타낸 평면도.

도 11은 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지 발전시스템을 나타낸 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 전극막 조립체 12: 전해질막

14, 16: 단위전극 18: 단위셀

20: 가스켓(gasket)

30, 40: 전류 집전체 31, 41: 단위패드

32: 폴리머 필름 34: 금속패드

35, 45: 단자 36: 도전성 접착층

38, 48: 개구부 50, 60: 엔드 플레이트

58: 홀 64: 연료 공급홀

68: 슬릿 100: 스택

200: 연료 공급부 300: 공기 공급부

Claims

수소를 연료로 공급 받아 공기 중 산소와 반응하여 전기에너지를 생산하는 연료전지의 스택에 있어서,

전해질막과 상기 전해질막의 양면에 결합된 한 쌍의 전극을 포함하는 전극막 조립체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly); 및

상기 전극막 조립체의 양면에 형성된 한 쌍의 전류 집전체를 포함하며,

상기 전류 집전체는,

절연성 폴리머 필름; 및

상기 폴리머 필름과 상기 전극막 조립체 사이에 개재되는 도전성 접착층을 포함하는 스택.
제1항에 있어서,

상기 도전성 접착층은,

접착성 에폭시; 및

금속 파우더 또는 금속 와이어 중 적어도 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 스택.
제1항에 있어서,

상기 폴리머 필름은 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 스택.
제1항에 있어서,

상기 폴리머 필름과 상기 도전성 접착층 사이에 개재되는 금속패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스택.
제4항에 있어서,

상기 금속패드는 금(Au)을 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
제4항에 있어서,

상기 전극은 복수의 단위전극으로 구성되어 있고,

상기 금속패드는 상기 단위전극의 형상에 상응하여 복수의 단위패드로 구성된 것을 특징으로 하는 스택.
제6항에 있어서,

상기 단위패드에는 각각 상기 전류 집전체의 바깥쪽으로 돌출된 단자가 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
제1항에 있어서,

상기 전류 집전체에는 복수의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 스택.
제8항에 있어서,

상기 전류 집전체의 외측에 형성되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 스택.
제9항에 있어서,

연료가 공급되는 측의 상기 엔드 플레이트는 서펜타인(serpentine)형상의 슬릿이 형성되어 있고,

연료가 공급되는 측의 상기 전류 집전체의 개구부는 상기 슬릿에 상응하는 형상인 것을 특징으로 하는 스택.
제9항에 있어서,

공기가 공급되는 측의 상기 엔드 플레이트는 공기가 통과 할 수 있는 홀이 형성되어 있고,

공기가 공급되는 측의 상기 전류 집전체의 개구부는 상기 홀에 상응하는 형상인 것을 특징으로 하는 스택.
제11항에 있어서,

상기 홀은 사각형인 것을 특징으로 하는 스택.
제1항에 있어서,

상기 전류 집전체와 상기 전극막 조립체의 사이에 개재되어, 상기 전류 집전체와 상기 전극막 조립체 사이를 밀폐하는 가스켓(gasket)을 더 포함하는 스택.
수소를 연료로 공급 받아 공기 중 산소와 반응하여 전기에너지를 생산하는 연료전지 스택;

상기 스택에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부; 및

상기 스택에 공기를 공급하는 공기공급부를 포함하는 연료전지 발전시스템으로서,

상기 연료전지 스택은,

전해질막과 상기 전해질막의 양면에 결합한 한 쌍의 전극을 포함하는 전극막 조립체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly); 및

상기 전극막 조립체의 양면에 형성된 한 쌍의 전류 집전체를 포함하며,

상기 전류 집전체는,

절연성 폴리머 필름; 및

상기 폴리머 필름과 상기 전극막 조립체 사이에 개재되는 도전성 접착층을 포함하는 연료전지 발전시스템.
제14항에 있어서,

상기 도전성 접착층은

접착성 에폭시; 및

금속 파우더 또는 금속 와이어 중 적어도 하나가 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제14항에 있어서,,

상기 폴리머 필름은 플렉서블(flexible)한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제14항에 있어서,

상기 폴리머 필름과 상기 도전성 접착층 사이에 개재되는 금속패드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제17항에 있어서,

상기 금속패드는 금(Au)을 포함하는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제17항에 있어서,

상기 전극은 복수의 단위전극으로 구성되어 있고,

상기 금속패드는 상기 단위전극의 형상에 상응하여 복수의 단위패드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제19항에 있어서,

상기 단위패드에는 각각 상기 전류 집전체의 바깥쪽으로 돌출된 단자가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제14항에 있어서,

상기 전류 집전체에는 복수의 개구부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제21항에 있어서,

상기 전류 집전체의 외측에 형성되는 한 쌍의 엔드 플레이트를 더 포함하는 연료전지 발전시스템.
제22항에 있어서,

연료가 공급되는 측의 상기 엔드 플레이트는 서펜타인(serpentine)형상의 슬릿이 형성되어 있고,

연료가 공급되는 측의 상기 전류 집전체의 개구부는 상기 슬릿에 상응하는 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제22항에 있어서,

공기가 공급되는 측의 상기 엔드 플레이트는 공기가 통과 할 수 있는 홀이 형성되어 있고,

공기가 공급되는 측의 상기 전류 집전체의 개구부는 상기 홀에 상응하는 형상인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제22항에 있어서,

상기 홀은 사각형인 것을 특징으로 하는 연료전지 발전시스템.
제13항에 있어서,

상기 전류 집전체와 상기 전극막 조립체의 사이에 개재되어, 상기 전류 집전체와 상기 전극막 조립체 사이를 밀폐하는 가스켓을 더 포함하는 연료전지 발전시스템.