KR20150121937A - 연료 전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 막-전극 접합체; 동일 평면 상에 형성되고, 상기 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성된 반응 가스 유입로를 포함하는 분리판; 및 지지체를 둘러싼 탄성체로 형성되며 상기 막-전극 접합체와 분리판 사이에 배치되되, 상기 반응 가스 유입로의 상기 개방부를 실링하고 상기 반응 가스 유입로를 확보하도록 지지하는, 가스켓;을 구비하므로써, 가스 유입로에서 반응 가스의 누출 및 누수가 없는 연료전지 스택에 관한 것이다.

Description

연료 전지 스택{FUEL CELL STACK}

본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 반응 가스가 가장 효과적으로 유입될 수 있으면서도 유입되는 반응 가스의 누출을 방지할 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 시스템으로서, NO_x 및 SO_x 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점으로 인해 특히 주목 받고 있다.

연료전지는 탄화 수소 계열의 연료를 개질하여 정제된 수소 또는 탄화수소 계열의 연료와 공기 또는 산소를 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 것이다.

연료전지에 있어서, 전기를 발생시키는 가장 기본적인 단위는 막-전극 접합체(MEA)로서, 이는 전해질막과 전해질막 양면에 형성되는 양극(Anode)과 음극(Cathode)으로 구성된다.

연료전지 스택은 상기 막-전극 접합체(MEA)의 양 측에 분리판이 배치되고, 막-전극 접합체와 분리판 사이에는 가스켓이 개재된 단위 셀이 복수로 적층된 구조를 가지는 것이다.

구체적으로는, 연료전지 스택으로 공급된 산소(공기)와 연료(수소)가 분리판의 매니폴더를 통해 분배되어 가스 유입로를 통과해 각 단위 셀의 반응부로 들어가 반응이 일어난다. 종래에는 도 1과 같이, 가스 유입 입구를 탄성 소재의 가스켓을 막-전극 접합체의 전해질막에 붙여 실링(sealing)을 하였으나, 탄성 소재와 전해질 막(박막의 고분자 막)은 잘 휘어지는 성질을 가지고 있는데, 분리판의 가스 유입 입구 부분에서 전해질 막과 탄성 소재가 유입로 부분으로 휘어져 밀폐 상태가 해제 되고 가스가 누출되는 문제 점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위해 미국특허 제6,232,008호는 3차원적 구조의 반응 가스 유입로 구조를 갖는 연료 전지 스택을 개시하였다. 도 2에는 미국특허 제6,232,008호의 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.

도 2를 참고하면, 반응 가스 매니폴드(미도시)에서 유입된 반응 가스는 3차원 구조를 갖는 반응 가스 유입로(101)를 통해 막-전극 접합체의 어느 한 전극(310)이 있는 부분으로 주입된다. 그리고 가스켓(200a, 200b)는 막-전극 접합체의 전해질막(300)을 압착하여 고정시킨다. 미국특허 제6,232,008호는 분리판에 형성되는 반응 가스 유입로(101)를 가스켓(200a, 200b)이 맞닿는 부분 전체에 형성하지 않고 3차원 구조의 휘어지는 유입로 구조를 형성함으로써, 가스켓(200a, 200b)이 맞닿는 분리판 부분 중에서 반응 가스 유입로(101)가 형성되지 않는 부분은 가스켓(200a, 200b)을 온전히 지지하도록 하여, 가스켓에 의한 밀폐 상태가 해제되지 않도록 하였다.

하지만, 미국특허 제6,232,008호는 반응 가스 유입로를 3차원 구조로 형성하여야 하므로 분리판의 제조 공정 및 구성이 복잡하다.

미국특허 제6,232,008호

본 발명은 3차원 구성이 아니면서도 가스 유입로에서 가스의 누출 및 누수가 없는 연료전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은 막-전극 접합체; 동일 평면 상에 형성되고, 상기 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성된 반응 가스 유입로를 포함하는 분리판; 및 지지체를 둘러싼 탄성체로 형성되며 상기 막-전극 접합체와 분리판 사이에 배치되되, 상기 반응 가스 유입로의 상기 개방부를 실링하고 상기 반응 가스 유입로를 확보하도록 지지하는, 가스켓;을 구비하는 연료 전지 스택을 제공한다.

본 발명은 연료전지 스택의 밀폐 상태를 안정적으로 유지하면서도 간단한 반응 가스 유입로 구조를 가짐으로써 생산성 및 경제성이 우수하다.

또한 본 발명은 연료 누출 위험이 큰 연료 입구의 실링 효과를 증대시켜 반응 가스 및 냉각수의 유출로 인한 사고 및 연료 전지의 고장 및 불량을 방지하는 효과가 있다.

기존 3차원으로 구성된 가스 유입로 구조에서 발생하는 유체의 불균일한 흐름 및 복잡한 유동으로 인한 높은 차압이 본 발명의 간단한 가스 유입로 구조에서는 낮아지게 된다.

가스 유입 구조의 단순화는 분리판 생산에 복잡도를 낮추어 생산 속도를 높이고, 불량률을 현저하게 낮출 수 있다.

도 1은 종래 기술의 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 종래 기술의 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서 가스켓이 분리판에 대하여 배치되는 위치를 개략적으로 나타낸 도면이다.

본 발명은 막-전극 접합체; 동일 평면 상에 형성되고, 상기 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성된 반응 가스 유입로를 포함하는 분리판; 및 지지체를 둘러싼 탄성체로 형성되며 상기 막-전극 접합체와 분리판 사이에 배치되되, 상기 반응 가스 유입로의 상기 개방부를 실링하고 상기 반응 가스 유입로를 확보하도록 지지하는, 가스켓;을 구비하는 연료 전지 스택에 관한 것이다.

이하 본 발명을 도면을 참고하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 전술한 발명의 내용과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예로서 연료 전지 스택의 반응 가스 유입로 부분의 개략적인 종단면도가 도시되어 있으며, 도 4에는 개략적인 횡단면도가 도시되어 있다.

본 발명의 연료 전지 스택은 전극(310, 320)과 그 양측에 형성된 전해질막(300)으로 구성되는 막-전극 접합체, 상기 막-전극 접합체의 양 측에서 막-전극 접합체를 고정하는 가스켓(210a, 210b), 상기 가스켓의 막-전극 접합체가 접촉하는 면의 반대면에 배치되는 분리판(110a, 110b)을 포함한다.

분리판(110a, 110b)은 반응 가스인 연료 가스와 산화제 가스가 서로 혼합되지 않도록 차단하고, 막-전극 접합체를 전기적으로 연결하고, 막-전극 접합체를 지지하여 연료 전지의 형태가 유지되도록 하는 기능을 한다.

분리판(110a, 110b)은 반응 가스 및 냉각수를 유입시키기 위한 단수 또는 복수의 반응 가스 유입 매니폴드를 그 외곽부에 구비하며(냉각수만을 별도로 유입할 수 있는 냉각수 유입 매니폴드가 별도로 구비될 수도 있음), 반응 가스 유입 매니폴드로부터 막-전극 접합체로 반응 가스를 투입하기 위한 반응 가스 유입로(111)를 구비한다. 도 3에는 한 쪽 전극(310)에 반응 가스를 투입하는 반응 가스 유입로(111)만 도시되었으나, 다른 쪽 전극(320)에 반응 가스를 투입하는 제2의 반응 유입로는 반드시 같은 편에 형성될 필요는 없으므로 도 3에는 도시되지 않았다.

본 발명에 따른 반응 가스 유입로(111)는 분리판의 동일 평면 상에 형성된다. 바람직하게는, 반응 가스 유입로(111)는 분리판(110a, 110b)의 두께 방향으로 휘어짐 없이 유로 전체가 분리판(110a, 110b)을 기준으로 동일 높이에 형성될 수도 있다. 반응 가스 유입로(111)는 동일 평면 상에 형성된다면, 유로의 형태는 곡선 형태, 지그재그(사행) 형태, 직선 형태 등 특별한 제한 없이 형성될 수 있으며, 바람직하게는 실질적인 직선 형태로 형성될 수 있다. 반응 가스 유입로(111)가 동일 평면 상에 형성되면 반응 가스의 유입이 더욱 용이해져서 압력 조절이 쉬워지므로 연료 전지의 운전이 보다 용이해진다. 또한, 분리판의 제조가 간단해지므로 생산성 및 경제성이 상승하게 된다.

반응 가스 유입로(111)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 분리판(110a)의 일면에 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성된다. 분리판(110a)은 반응 가스 유입로(111)를 형성하기 위한 홈이 형성된 면이 가스켓(210a)과 접하게 된다. 그에 따라 홈의 상기 개방부는 가스켓(210a)에 의해 실링되며, 그에 따라 반응 가스 유입로(111)를 통해 유입되는 반응 가스가 누출없이 이송될 수 있다.

가스켓(210a, 210b)은 분리판(110a, 110b)과 막-전극 접합체 사이에서 반응 가스 및 냉각수의 기밀성과 적정한 결합을 유지한다. 특히 분리판(110a)에 형성된 홈의 개방부를 실링시켜 반응 가스 유입로(111)를 실링하고 상기 반응 가스 유입로를 확보하도록 지지한다.

본 발명에 따른 가스켓(210a, 210b)은 지지체(212a, 212b)와 상기 지지체를 둘러싸는 탄성체(211a, 211b)를 포함한다.

탄성체(211a, 211b)는 지지체(212a, 212b)를 둘러쌈으로써 가스켓(210a, 210b)의 외주부를 형성하고, 탄성이 요구되는 밀폐나 고정 등의 기능을 직접 담당한다.

구체적으로, 탄성체(211a, 211b)는 탄성을 가지고 분리판(110a, 110b) 및 막-전극 접합체의 전해질막과 직접 접촉하게 되어 스택 형성 시 가해지는 소정 압력에 의해 분리판(110a, 110b) 및 전해질막을 직접 압박하여 고정하고, 반응 가스 등의 누출을 방지하는 기능을 한다. 또한 분리판(110a)에 형성된 홈의 개방부를 실링시켜 반응 가스 유입로(111)를 실링하게 된다.

탄성체(211a, 211b)는 당분야에서 사용되는 소재가 특별한 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들면, 합성 고무, 고무재, 실리콘 등을 사용할 수 있다.

또한 지지체(212a, 212b)는 탄성체(211a, 211b)를 지지하는 기능을 한다. 그에 따라, 본 발명에 따른 분리판(110a, 110b)에 생성된 반응 가스 유입로(111)가 가스켓(210a)과 맞닿아 있더라도 종래 고무 소재로만 형성된 가스켓과는 달리 가스켓의 반응 가스 유입로 방향으로의 과도한 휘어짐 및 반응 가스의 누출이 발생하지 않는다. 이러한 측면에서, 지지체(212a, 212b)는 가스켓(210a, 210b)의 형태를 유지하고 탄성체(211a, 211b)의 과도한 휘어짐이나 압축을 방지하도록 적절한 강성을 갖는다.

이와 같이 강성을 갖는 지지체(212a, 212b)는 스택 운전시 발생되는 열과 압력을 견디며 스택의 모든 셀에 동일한 압력을 부여해 압축율 변동을 최소화할 수 있다. 또한 상기 지지체(212a, 212b)는 장기 운전시 열과 압력에 의한 탄성체(211a, 211b)의 열화현상의 영향을 감소시켜 스택 내구성을 증가시킬 수도 있다.

반면에 기존 고무 가스켓은 고유의 특성 때문에 다루기가 쉽지 않지만 상기 지지체(212a, 212b)가 내부에 삽입된 본 발명에 따른 가스켓(210a, 210b)은 쉽게 휘지 않으므로 다루기 쉽고 별도의 가스켓 고정공정이 필요하지 않으므로 공정시간 단축 및 생산성 향상에 기여할 수 있다.

본 발명에 따른 지지체(212a, 212b)는 탄성체(211a, 211b)의 과도한 휘어짐이나 압축을 방지하도록 적절한 강성 갖는 소재라면 특별한 제한 없이 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 금속, 세라믹, 고분자 등을 각각 단독으로 또는 2종 이상 혼합하여 제조될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 지지체(212a, 212b)의 강도는 특별히 제한되지는 않으며, 예를 들면 20kPa 이상의 굽힘강도를 갖게 되면 탄성체(211a, 211b)의 과도한 휘어짐이나 압축을 효과적으로 방지할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 굽힘 강도는 클수록 바람직하므로, 그 상한은 특별히 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 가스켓(210a, 210b)의 치수 안정성 측면에서 20% 압축율을 가져야하며 이를 위해 지지체(212a, 212b)는 200㎛ ±10㎛, 탄성체(211a, 211b)는 80㎛ ±20㎛ 이내의 치수를 적용하는 것이 바람직하다.

도 5에는 분리판(110a)과 가스켓(210a)의 개략적인 배치도가 도시되어 있다. 가스켓(210a)은 막-전극 접합체의 전극(310)이 배치되는 분리판의 채널부(130)의 바깥쪽 둘레 부분에 배치되어, 막-전극 접합체에서 연장된 전해질막(300)과 분리판(110a) 사이에 개재될 수 있다. 이 때, 분리판(110a)에 형성된 반응 가스 유입로(111)용 홈은 가스켓(210a)에 의해 홈 개방부가 실링된다.

본 발명의 일 구현예에 있어서, 필요에 따라 가스켓(210a) 내부의 지지체(212a)는 반응 가스 유입로(111)를 확보하도록 지지하기에 필요한 부분에만 구비될 수도 있다. 예를 들어, 반응 가스 유입로(111)가 형성된 부분에만 지지체(212a)를 구비할 수도 있다.

막-전극 접합체는 양극(Anode)(310), 음극(Cathode)(320), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막(300)을 포함한다. 막-전극 접합체는 당분야에서 사용되는 것이 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 막-전극 접합체에서 전해질막(300) 중 전극(310, 320)이 형성되지 않은 외곽부가 가스켓(210a, 210b)에 의해 압박되어 고정된다.

본 발명의 또 다른 일 실시예로서, 분리판(110a, 110b)의 반응 가스 배출로도 본 발명의 반응 가스 유입로와 같은 구조를 가질 수 있다.

구체적인 예시로서 도 5를 참고하면, 반응 가스 유입로(111)를 통해 유입된 반응 가스는 채널부(130)를 통과한 후, 반응 가스 배출로(112)를 통해 배출되어 반응 가스 배출 매니폴드(122)를 통해 스택 외부로 방출된다.

이 때, 반응 가스 배출로(112)는 동일 평면 상에 상기 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성되어 분리판(110a)에 구비될 수 있다. 반응 가스 배출로(112)는 동일 평면 상에 형성된다면, 유로의 형태는 곡선 형태, 지그재그(사행) 형태, 직선 형태 등 특별한 제한 없이 형성될 수 있으며, 바람직하게는 실질적인 직선 형태로 형성될 수 있다. 또한, 가스켓(210a)은 상기 반응 가스 배출로를 형성하는 홈 상기 개방부를 실링하고 상기 반응 가스 배출로를 확보하도록 지지하여, 반응 가스 배출로에서의 가스 누출 및 누수를 방지할 수 있다.

상기와 같은 구성을 포함하는 본 발명의 연료 전지 스택은 스택에 연료를 공급하는 연료 공급부, 스택에 산화제를 공급하는 산화제 공급부 등을 더 구비하여 연료 전지 시스템으로서 작동될 수 있다.

300: 전해질막 310, 320: 전극
200a, 200b, 210a, 210b: 가스켓
212a, 212b: 지지체 211a, 211b: 탄성체
100a, 100b, 110a, 110b: 분리판
121: 반응 가스 유입 매니폴드 101, 111: 반응 가스 유입로
130: 반응 가스 채널부
122: 반응 가스 배출 매니폴드 112: 반응 가스 배출로

Claims (1)

1. 막-전극 접합체;
   동일 평면 상에 형성되고, 상기 막-전극 접합체 측으로 개방된 개방부를 구비하는 홈 형태로 형성된 반응 가스 유입로를 포함하는 분리판; 및
   지지체를 둘러싼 탄성체로 형성되며 상기 막-전극 접합체와 분리판 사이에 배치되되, 상기 반응 가스 유입로의 상기 개방부를 실링하고 상기 반응 가스 유입로를 확보하도록 지지하는, 가스켓;
   을 구비하는 연료 전지 스택.
   

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