KR20100015669A - 폴리머 전해질 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 바이폴러 플레이트(1)와 폴리머 필름(2)의 적층부를 포함하는 연료 전지로서, 폴리머 필름은 인접하는 바이폴러 플레이트(1)에 대하여 모든 측면 상에 돌출된 립부(3)를 포함하는, 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지, 바이폴러 플레이트, 폴리머 필름, 인서트

Description

폴리머 전해질 연료 전지{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL}
본 발명은 이온 교환 폴리머 박막(ion-exchange polymer membrane)을 갖는 연료 전지(fuel cell)에 관한 것이다.
연료 전지는 전기적으로 직렬 연결된 개별의 전기화학적 전지의 적층부로 구성되며, 각 개별 전지는 일정 전압, 일반적으로 약 1 볼트의 전압을 발생시킨다. 따라서, 적층부에 의해 발생되는 전체 전압은 개별 전압들의 합과 동일하며, 예를 들어, 운송 분야에 사용하고자 하는 연료 전지는 약 100 볼트 또는 수백 볼트이다.
각 개별의 전기화학적 전지는 보통 5개의 층의 중첩(superposition)으로 구성되는데, 일 영역이 이온 교환 박막을 형성하는 폴리머 필름(polymer film)과, 전기화학적 반응을 일으키는데 필요한 화학적 요소, 예를 들어, 백금을 포함하는 2개의 전극과, 이온 교환 박막의 전체 표면 상의 바이폴러 플레이트(bipolar plate)의 네트워크에 의해 수송되는 기체의 균일한 확산을 보장하는 것을 가능하게 만드는 2개의 기체 확산층의 중첩으로 구성된다.
기체의 공급은, 하나의 전지의 애노드 및 인접하는 전지의 캐소드와 접촉하는, 일반적으로 "바이폴러 플레이트"라고 불리는 플레이트에 의해 보장된다. 보통, 바이폴러 플레이트는 전기 전도성 재료로 구성되는데, 이는 하나의 전지로부터 다른 전지로의 전기 전도성을 보장하기 위해 필요하며, 연료 전지는 전기적으로 직렬 연결된 개별의 전기화학적 전지에 의해 형성된다.
특허출원 제WO2005/006472호는 전술한 바에 부합하는 연료 전지를 기술한다. 특히, 개별 전지의 적층부를 도시하는 도 7이 참조될 것이다. 대부분의 통상적인 경우에서와 같이 바이폴러 플레이트의 구성물 재료가 전기 전도체이면, 연료 전지의 보이는 면은 연료 전지가 사용 중일 때 일정한 전압을 갖는다. 적층부의 일측에서, 이러한 전압은 매우 높을 수 있으며, 최대 전압은 연료 전지에 표시되는 전압, 즉, 전형적으로 100 볼트 이상이다. 따라서, 이러한 연료 전지와 우발적으로 접촉하게 되는 모든 위험을 피하기 위해 연료 전지는 캡슐로 둘러싸질 필요가 있다. 이렇게 되면 전지가 단락될 시 전지가 기능을 잃게 되므로, 안전의 목적과 전지의 적합한 기능의 목적 모두를 만족시키게 된다.
본 발명의 목적은, 연료 전지가 캡슐로 둘러싸지지 않을 시 이러한 바이폴러 플레이트와의 전기적 접촉 가능성의 문제점에 대해 또 다른 실질적 해결책을 제공하는 것이며, 또한, 외부 물체와 우발적으로 접촉됨으로써 발생될 수 있는 전지들 간 단락 위험성의 문제점에 대한 해결책을 제공하는 것이다.
출원인은, 연료 전지의 이온 교환부가 배치된 폴리머 필름이 본래 전기적으로 비전도성인 기판을 형성하기 때문에, 바이폴러 플레이트의 연부의 표면에 실질적으로 수직으로 배향된 다수의 립부(lip)를 얻기 위해 폴리머 필름이 바이폴러 플레이트에 대해 돌출되며, 바이폴러 플레이트에 대해 돌출부를 만들어 연료 전지에 전술한 위험과 결점에 대한 제1 레벨의 보호를 제공하는 것을 꾀하였다. 다르게는, 폴리머 필름의 연장에 의해 형성된 립부 대신에, 각 폴리머 필름과 결합된 주연의 강화재를 형성하는 인서트(insert)로서 바이폴러 플레이트에 대해 돌출되는 인서트를 삽입(implant)하는 것이 가능하며, 상기 강화재는 전기 비전도성 재료로 만들어 진다.
물론, 필요하다면 연료 전지는 통상 행해지는 바와 같이 캡슐로 둘러싸질 수도 있으나, 립부에 의한 보호는 매우 유용한 제1 레벨의 보호를 제공하고, 특히, 연료 전지에 전류가 흐르는(live) 동안 조작자가 연료 전지에 가까이 가야 하는 정비 작업 시에 유용하다. 또한, 본 발명에 의해 제공되는 연료 전지 보호는 신뢰성을 향상시키는 데에 유용할 수 있다.
따라서, 본 발명은, 이온 교환 박막을 형성하는 영역을 포함하는 폴리머 필름과 유체 분배 플레이트(fluid distribution plate)의 적층부를 포함하고, 각 폴리머 필름은 개별 전지를 형성하기 위해 2개의 유체 분배 플레이트들 사이에 개재되는, 연료전지에 있어서, 적어도 임의의 개별 전지의 레벨에서 연료 전지는 전기적 비전도성 재료로 만들어진 돌출 립부를 포함하고, 상기 돌출 립부는 인접하는 유체 분배 플레이트의 적어도 일 단부에 대해 돌출되는 것을 특징으로 하는, 연료 전지를 제공한다.
이하에 기술되는 모든 다른 실시예에서, 각 돌출 립부는 폴리머 필름과 결합된다. 그러나, 이는 어떠한 경우에서도 제한되지 않으며, 돌출 립부는 분배 플레이트와 결합될 수도 있다.
본 발명은 첨부하는 도면과 함께 예시된 실시예의 상세한 설명에 의해 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지의 제1 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 2는 상기 제1 실시예에 대해 임의의 물체가 가까이 갔을 때를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지의 제2 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 4는 상기 제2 실시예에 대해 임의의 물체가 가까이 갔을 때를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료 전지의 제3 실시예를 도시하는 개략도이다.
도 1은 연료 전지를 형성하는 조립체의 부분으로서, 외부에서 접근하기 쉬운 연부(10)를 갖는 바이폴러 플레이트(1) 및 폴리머 필름(2)을 도시한다. 전기화학적 전지는 (이것은 모든 면에서 본 발명을 제한하지 않음) 보통 5개의 층의 중첩으로 형성되는데, 5개의 층에는, 폴리머 필름(2) 상에 형성된 이온 교환 폴리머 박막과, 예를 들어, 백금과 같은 전기화학적 반응을 일으키는 데 필요한 화학적 요소를 포함하는 전극으로서 박막의 양측에 증착된 코팅(coating)에 의해 형성되는 2개의 전극과, 이온 교환 박막을 형성하는 전체 표면 상의 바이폴러 플레이트(1)의 네트워크에 의해 수송되는 기체의 균일한 확산을 보장하는 것을 가능하게 하는 2개의 기체 확산층(gas diffusion layer)이 있다.
바이폴러 플레이트(1)의 두께는 "e"와 동일하다. 제1 실시예(도 1 및 도 2)에 도시된 바와 같이 각 폴리머 필름(2)의 연장부는 바이폴러 플레이트(1)에 대해 일정 값 만큼 돌출된 돌출 립부(overhanging lip: 3)를 형성하며, 상기 일정 값은 도면 상에서 "d"와 같다.
바이폴러 플레이트(1)는 사실상 유체 분배 플레이트이다. 유체 분배 플레이트는 적층부의 각 단부에 있는 것을 제외하고는 각각 하나의 전지의 애노드 및 인접 전지의 캐소드와 접촉하기 때문에 바이폴러 플레이트라고 언급된다.
각 바이폴러 플레이트(1)는 등전위선을 형성한다. 하나의 바이폴러 플레이트로부터 다음 바이폴러 플레이트로의 전압차는 약 1 볼트이다. 연료 전지가 작동 중일 때 대부분의 통상의 경우에 바이폴러 플레이트 재료(그래파이트, 강철 등)가 전기 전도성이라면 바이폴러 플레이트의 연부(10)에 전류가 흐를 수 있다(live). 돌출 립부(3)의 세트는 바이폴러 플레이트와 연부(10)와의 임의의 접촉을 훨씬 어렵게 만드는 일종의 기계적 장벽을 형성한다. 특히, 하나의 바이폴러 플레이트와 인접 바이폴러 플레이트 사이에 전기 전도성 통로를 생성하면서, 바이폴러 플레이트의 두께보다 큰 크기를 갖는 전도성의 외부 물체는 우발적으로 침투하지 못한다. 바람직하게는, 본 청구범위 중 하나에 따른 연료 전지는 각 폴리머 필름의 레벨에 돌출 립부를 포함한다.
각 폴리머 필름의 레벨에 돌출 립부가 있건 없건, 연료 전지는 전체 주연부 상에 립부를 구비하는 것이 아니라 조작자에 의해 접촉될 위험이나 외부 물체에 의해 단락될 위험이 높아 절연 강화가 필요한 곳에만 구비할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 연료 전지의 상부면과 측부면은 보호되지만 내부면은 그렇지 않다.
요약하자면, 돌출 립부는 유체 분배 플레이트의 주연부에 대해 돌출되는데, 유체 분배 플레이트의 주연부에서는 바이폴러 플레이트의 연부와 접촉하는 것을 방지하는 것이 필요하며, 즉, 연료 전지의 측부면을 보호하는 것이 필요하다.
보통, 필름(2)에 사용되는 폴리머 재료는 가요성이라고 알려져 있다. 이는, 도 2에서 물체(4)(또는 조작자의 손가락)가 연료 전지에 다가가면 가요성 폴리머 필름(2)의 립부(3), 즉, 바이폴러 플레이트(1)에 대해 돌출된 부분이 절곡되게 한다. 바람직하게는, 각 폴리머 필름은 각 바이폴러 플레이트(1)의 두께 "e"보다 큰 값 "d" 만큼 돌출된다. 이러한 방식으로 폴리머 필름(2)의 립부(3)가 각 바이폴러 플레이트(1)의 연부(10) 위로 절곡될 시 상기 립부(3)는 연부(10)를 완전히 덮는다.
연료 전지가 작동할 때 연료 전지에 누군가 손 또는 공구를 올려 놓더라도 자동적으로 전기 비전도성 장벽을 형성할 것이다. 따라서, 조작자와 바이폴러 플레이트 사이의 전기적 접촉 또는 공구와 2개의 인접 바이폴러 플레이트 사이의 전기적 접촉의 위험성은 급격히 낮아진다.
또한, 각 가요성 폴리머 필름(2)의 이러한 립부(3)의 존재는 하나의 바이폴러 플레이트(1)와 인접 바이폴러 플레이트(1) 사이의 누설로(leakage path)를 연장시킨다. 또한, 이는 2개의 인접 바이폴러 플레이트 사이의 전기 절연성을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 돌출 립부의 다른 실시예, 특히 후술되는 실시예로 확장된다.
다르게는, 돌출 립부는 전기 비전도성 재료로 만들어진 하나 이상의 인서 트(6)(도 3 및 도 5 참조)로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 인서트(6)는 수지/유리 섬유 형태(resin/glass fibre type)와 같은 복합 재료로 만들어지거나, 상당히 강성인 폴리머로 만들어진다. 이러한 경우에도(도 4 참조) 전술한 전기적 보호가 제공된다.
도 3은 이온 교환 박막을 형성하는 화학적으로 활성화된 영역의 양측에 기체 확산층(7)을 구비한 폴리머 필름(2)를 도시한다. 바이폴러 플레이트(미도시)는 기체 확산층과 동일한 표면 위로 연장된다. 도시된 바와 같이, 폴리머 필름(2)의 연장부 양측 상에 인서트(6)가 존재하며, 인서트(6)는 가요성 폴리머, 또는, 강성 폴리머, 또는, 복합 재료로 만들어진다. 인서트(6)는 도면에 도시된 바와 같이 인접한 기체 확산층(7)의 단부와 결합할 수 있고, 또는, 인접 기체 확산층(7)의 단부와 접촉(flush)만 할 수 있다. 기체 확산층(7)은 약간의 초과 두께(overthickness)를 가져 인서트(6)와 정렬되도록 쑤셔 넣어질(squash) 수 있는 조성을 갖는다. 도 3 및 도 4에 도시된 조립체는 강성 립부(3B)를 형성하고, 강성 립부(3B)는 기체 확산층에 대해 돌출되어 인접 바이폴러 플레이트에 대해 돌출된다. 립부(3B)는 조성적인 면에서 보았을 때 물체(4)가 연료 전지에 다가올 시 절곡되지 않는다. 다르게는 폴리머 필름(2)의 일측 상에만 인서트(6)가 삽입될 수 있다.
도 5에 도시된 다른 실시예는 폴리머 필름(2)이 기체 확산층(7)에 대해 돌출되지 않는다는 점에서 전술한 실시예와 다르다. 이 실시예에서는 인서트(6)가 폴리머 필름(2)에서 연장된다. 인서트(6)는 도 5에 도시된 바와 같이 인접한 기체 확산층(7)의 단부와 필연적으로 결합된다. 제조 상의 이유로 인서트는 폴리머 필 름(2)의 주연부 상에 부가된다. 다른 실시예로서 인서트(6)를 폴리머 필름(2)의 일측에만 삽입시킬 수도 있다. 도 5에 도시된 조립체는 강성 립부(3C)를 형성하고, 강성 립부(3C)는 기체 확산층에 대해 돌출되어 인접 바이폴러 플레이트에 대해 돌출되며, 물체가 연료 전지에 다가올 시 절곡되지 않는다.
또한, 상기 마지막 두 실시예에서, 인서트(6)는 바람직하게는 폴리머 필름(2)를 둘러싸는 프레임(frame)을 형성하여 립부(3B 및 3C)의 강성에 도움을 준다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 일정 방식으로 돌출된 립부는 외측의 바이폴러 플레이트를 절연시키고, 립부가 가요성일 시 각 바이폴러 플레이트의 자유단부를 덮을 수 있으며, 따라서, 매우 효과적인 전기 절연을 제공한다. 2개의 인접한 바이폴러 플레이트들 사이의 단락에 관한 안전성이 개선되며 감전사의 위험이 크게 감소된다.

Claims (9)

  1. 이온 교환 박막을 형성하는 영역을 포함하는 폴리머 필름(2)과 유체 분배 플레이트의 적층부를 포함하고, 각 폴리머 필름은 개별 전지를 형성하기 위해 2개의 유체 분배 플레이트들 사이에 개재되는, 연료전지에 있어서,
    적어도 특정한 개별 전지의 레벨에서 연료 전지는 전기적 비전도성 재료로 만들어진 돌출 립부(3)를 포함하고, 상기 돌출 립부(3)는 인접하는 유체 분배 플레이트의 적어도 일 단부에 대해 돌출되는 것을 특징으로 하는
    연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    각 돌출 립부(3)는 폴리머 필름과 결합하는
    연료 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    적어도 특정한 폴리머 필름의 레벨에서 립부는 인접하는 유체 분배 플레이트의 전체 주연부에 대해 돌출하는
    연료 전지.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    각 돌출 립부는 폴리머 필름의 연장부에 의해 형성되는
    연료 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    각 폴리머 필름은 가요성인
    연료 전지.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    각 돌출 립부는 전기 비전도성 재료로 만들어진 인서트에 의해 형성되는
    연료 전지.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 폴리머 필름에 돌출 립부를 포함하는
    연료 전지.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    각 립부는 인접하는 유체 분배 플레이트의 두께 "e"보다 큰 길이 "d" 만큼 인접 분배 플레이트에 대해 돌출하는
    연료 전지.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    적층부의 각 단부에 있는 유체 분배 플레이트를 제외한 유체 분배 플레이트는 바이폴러 플레이트(1)를 형성하는
    연료 전지.
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