KR20170003268A - 연료전기 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 리브 및 인접하는 2개의 리브 사이에 위치하며, 연료 또는 반응가스가 유동하기 위한 채널을 포함하며, 상기 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.

Description

연료전기 스택{Fuel cell stack}

본 발명은 연료전지 스택에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(Fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.

수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 스택(1)을 나타내는 단면도이다.

고분자 전해질 연료전지 스택(1)은 고분자 물질로 구성된 전해질막(3)을 중심으로 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층(4)을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(2), 반응 기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(5), 반응 기체들을 가스 확산층(5)으로 공급하고 발생된 물을 배출시키는 분리판(Dipolar Plate)(6, 7), 전해질 막과 분리판 사이에서 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는 가스켓(Gasket)(8)을 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 분리판(6, 7)은 애노드 극 가스 채널(6a)을 갖는 제1 분리판(6)과 캐소드 극 가스 채널(7a)을 갖는 제2 분리판(7)을 포함한다. 또한, 제1 및 제2 분리판(6, 7)은 애노드 극과 캐소드 극에 각각 연료와 산화제를 공급해 주는 통로 역할을 하며, 애노드 극에서 생성된 전자를 전달하는 역할과 함께 전기화학반응에 의해 생긴 물을 제거해 주는 통로 역할을 한다.

또한, 각각의 분리판(6, 7)은 전술한 채널(6a, 7a) 및 가스 확산층(5)과 접촉하는 리브(6b, 7b)를 포함한다.

한편, 캐소드 극에서 산소 환원 반응으로 인하여 생기는 물이 유로 상에 축적되면 반응 기체가 흐르지 않는 정체 영역이 형성되는데, 이는 전극의 효율성을 떨어뜨려 전지 성능 저하의 원인이 된다. 또한, 반응 기체를 공급해주는 채널과 전기화학반응에서 생성된 전자를 외부로 이동시켜주는 리브들 간의 적당한 크기 배합에 의해서 원활한 가스 공급과 전자 이동을 가능하게 하여 전지 성능을 향상시킬 수 있다.

분리판을 구성하는 채널과 리브는 통상 프레스 공정을 통해 형성되므로 최소 폭이 존재하는 제약과 함께 고비용의 문제점이 생기게 된다. 또한, 분리판의 채널과 가스 확산층이 접촉하는 면적은 넓을수록 물질전달에는 유리하나, 연료전지의 반응에 영향을 미치는 전하의 이동경로가 길어지는 문제점이 있다. 또한, 리브와 가스 확산층의 접촉 면적이 넓어지면 전하의 전달 조건이 불리하여 반응 효율이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명은 리브의 폭을 최소화할 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 리브와 가스확산층의 접촉부에서 물질전달이 이루어질 수 있는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

또한, 본 발명은 가스확산층과 분리판의 접촉저항 유지가 용이한 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 리브 및 인접하는 2개의 리브 사이에 위치하며, 연료 또는 반응가스가 유동하기 위한 채널을 포함하며, 상기 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 마련된 제1 가스확산층; 막-전극 접합체의 타면에 마련된 제2 가스확산층; 제1 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제1 리브 및 인접하는 2개의 제1 리브 사이에 위치하며, 반응가스가 유동하기 위한 제1 채널을 포함하며, 상기 제1 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 제1 분리판; 및 제2 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제2 리브 및 인접하는 2개의 제2 리브 사이에 위치하며, 연료가 유동하기 위한 제2 채널을 포함하며, 상기 제2 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 제2 분리판을 포함하는 연료전지 스택이 제공된다.

일 실시태양으로, 제1 분리판과 제2 분리판은, 제1 채널의 길이방향과 제2 채널의 길이방향이 평행하도록 배치된다.

또 다른 실시태양으로, 제1 분리판과 제2 분리판은, 제1 채널의 길이방향과 제2 채널의 길이방향이 직교하도록 배치된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 다음과 같은 효과를 갖는다.

리브의 폭을 최소화할 수 있고, 리브의 압력에 의해 영향을 받는 가스 확산층의 면적을 최소화할 수 있다. 일 실시태양으로, 리브와 가스 확산층은 면접촉이 아닌 선접촉의 구조를 가질 수 있다. 또한, 리브들 사이의 간격을 최소화할 수 있고, 전하전달 저항을 감소시킬 수 있고, 연료전지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 리브에 관통홀이 마련되며, 이에 따라 리브와 가스확산층의 접촉부에서 물질전달이 이루어질 수 있다.

또한, 분리판이 탄성/반발력을 갖는 절곡 구조를 가짐에 따라 가스확산층과 분리판의 접촉저항 유지가 용이하다.

도 1은 일반적인 연료전지 스택을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택을 나타내는 단면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 연료전지 스택을 구성하는 분리판의 요부 사시도들이다.
도 5 및 도 6은 분리판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념도들이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(100)을 나타내는 단면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명과 관련된 연료전지 스택(100)을 구성하는 분리판(140, 240)의 요부 사시도들이다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(100)은 막-전극 접합체(110)와 가스 확산층(120, 130) 및 분리판(140, 150)을 포함한다.

막-전극 접합체(110)는 고분자 물질로 구성된 전해질막(111)과 전해질막(111)의 일면에 마련된 애노드 전극층(112) 및 전해질막(111)의 타면에 마련된 캐소드 전극층(113)을 포함한다. 도 2를 참조하면, 전해질막(111)의 양면에 각각 애노드 전극층(112)과 캐소드 전극층(113)이 마련된다. 전술한 바와 같이, 연료전지 스택(100)에서는, 막-전극 어셈블리와 가스 확산층 및 분리판이 차례로 배치된다.

상기 가스 확산층(예를 들어, 120)은 막-전극 어셈블리(110)의 일면에 마련된다. 상기 가스 확산층(120)은 분리판(140)을 통해 연료전지 스택(100) 내부로 유동하는 연료 또는 반응가스를 막-전극 어셈블리(110)에 전달하고, 전기화학반응으로 발생한 유체를 다시 배출 채널로 이동하게 하는 유체의 확산을 담당하고 있다.

도 3을 참조하면, 상기 분리판(예를 들어, 140)은 가스 확산층(120)과 접촉하도록 배치된 복수 개의 리브(142) 및 인접하는 2개의 리브(142) 사이에 위치하며, 연료 또는 반응가스가 유동하기 위한 채널(141)을 포함한다. 상기 채널(141)은 채널을 유동하는 연료 또는 반응가스가 가스 확산층(120)으로 확산될 수 있도록 가스 확산층(120)을 향하여 개방된 구조를 갖는다.

본 문서에서, “연료 또는 반응가스가 유동하기 위한” 채널이라 함은, 채널이 길게 연장된 방향을 따라 연료 또는 반응가스가 유동하는 것을 반드시 의미하는 것은 아니다. 구체적으로, 연료 또는 반응가스가 유동한다는 의미는, 가스확산층과 접촉하는 리브와 채널을 구분하기 위한 채널의 기능을 나타낸다. 연료전지 스택(100)에서, 연료 또는 반응가스는, 분리판(140)에서 난류형성 및 접촉면적 확대를 위하여, 인접하는 2개의 채널(141)을 관통하는 방향을 따라 유동하도록 공급될 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 연료 또는 반응 가스는, 채널(141)들에 형성된 관통홀(141)을 통해, 리브의 폭 방향 또는 채널의 폭 방향을 따라, 인접하는 2개의 채널(141)을 관통하는 방향을 따라 유동하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 리브(142)에는 복수 개의 관통홀(143)이 형성된다. 또한, 리브(142)는 가스 확산층(120)과 접촉하기 위한 접촉부가 곡면으로 형성될 수 있다. 일 실시태양으로, 접촉부는 가스 확산층(120)을 향하여 돌출된 볼록면으로 형성될 수 있다. 이와 같은 접촉부의 구성에 따라, 분리판(140)은 리브(142)가 가스확산층(120)과 선접촉하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 곡면 구조를 통해 리브(142)와 가스 확산층(120)이 접촉 시 탄성/반발력 구조를 가질 수도 있다. 또한, 볼록면에는 복수 개의 관통홀(143)이 마련될 수 있다. 상기 관통홀(143)을 통해 리브 상에서 형성되는 물이 쉽게 배출될 수 있도록 하여 플러딩(flooding)을 감소시킬 수 있다. 또한, 리브(142)와 가스 확산층(120)의 접촉부에서도 물질 전달이 용이해지고, 이에 따라 연료전지 스택(100)의 효율이 상승하게 된다.

또한, 채널(141)의 바닥면과 측면은, 각각 적어도 일부가 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 채널(141)의 바닥면과 측면에는, 복수 개의 관통홀(143)이 마련될 수 있다. 또한, 채널(141)은 적어도 일부영역이 가스 확산층(120)에서 채널(141)의 바닥면 측을 향하여 채널(141)의 폭(w)이 증가하도록 마련될 수 있다. 상기와 같은 구조를 통해, 인접하는 2개의 리브(142) 사이의 간격을 최소화시킬 수 있다. 또한, 채널(141)은 적어도 일부영역이 가스확산층(120)에서 채널(141)의 바닥면 측을 향하여 채널(141)의 폭(w)이 증가 후 감소하도록 마련될 수 있다. 또한, 분리판(140)은 인접하는 2개의 리브(142) 사이의 간격이 채널(141)의 최대 폭보다 작게 마련될 수 있다. 또한, 복수 개의 채널(141) 및 복수 개의 리브(142)는 동일한 방향을 따라 길게 연장되도록 각각 형성된다.

도 4를 참조하면, 분리판(240)은 복수 개의 리브(242)와 복수 개의 채널(241)을 가지며, 상기 리브(242)에는 복수 개의 관통홀(243)이 마련되고, 상기 채널(241)에는 복수 개의 관통홀(243)이 마련될 수 있다. 여기서 채널(241)의 바닥면과 리브(242)의 접촉부는 각각 평행하게 마련될 수 있다. 또한, 리브(242)의 접촉부로부터 채널(241)의 바닥면까지 채널(241)의 폭(w)이 증가하도록 마련될 수 있다.

한편, 도 3 및 도 4에는 일부 채널 및 리브에만 관통홀이 형성된 경우가 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것이고, 관통홀은 각각의 채널 및 리브에 마련될 수 있다.

도 5 및 도 6은 분리판을 제조하는 방법을 설명하기 위한 개념도들이다.

도 3 및 도 4를 통해 상기와 같은 분리판(140, 240)은 리브(142, 242) 및 채널(141, 241)이 단일 플레이트(M)의 구부러짐에 의하여 형성될 수 있다.

도 5를 참조하면, 복수 개의 관통홀을 갖는 금속 플레이트(M)가 롤러(200)를 통해 금형(300) 내부로 공급될 수 있다. 예를 들어, 금속 플레이트(M)는 좌에서 우로 롤러(200)로 공급되고, 롤러(200)는 상하로 이동하면서 금속 플레이트(M)를 구부림으로써 채널과 리브를 갖는 분리판(140)을 제조할 수 있다.

도 6을 참조하면, 도 5에서 제조된 분리판(140)의 상부와 하부에 배치된 금형(300)에 압력을 가함으로써 분리판(340)의 형상을 다양하게 변형시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예와 관련된 연료전지 스택(100)은 막-전극 접합체(110)와 막-전극 접합체(110)의 일면(애노드 전극층 112)에 마련된 제1 가스 확산층(120) 및 막-전극 접합체(110)의 타면(캐소드 전극층 113)에 마련된 제2 가스확산층(130)을 포함한다.

또한, 연료전지 스택(100)은 제1 가스 확산층(120)과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제1 리브 및 인접하는 2개의 제1 리브 사이에 위치하며, 반응가스가 유동하기 위한 제1 채널을 포함하는 제1 분리판(140)을 포함한다. 여기서 제1 분리판(140)의 제1 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된다.

또한, 연료전지 스택(100)은 제2 가스확산층(130)과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제2 리브 및 인접하는 2개의 제2 리브 사이에 위치하며, 연료가 유동하기 위한 제2 채널을 포함하는 제2 분리판(150)을 포함한다. 여기서, 상기 제2 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된다.

또한, 상기 연료전지 스택(100)은 제1 분리판(140)을 둘러싸도록 배치되는 제1 플레이트(160) 및 제1 플레이트(160)의 가장자리에 배치되는 가스켓(180)을 포함한다. 제1 분리판(140)과 제1 가스 확산층(120)은 제1 플레이트(160) 및 가스켓(180)에 의하여 밀봉될 수 있다. 또한, 제1 분리판(140)은 제1 가스 확산층(120)과 제1 플레이트(160) 사이에서 탄성/반발력을 지니도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 연료전지 스택(100)은 제2 분리판(150)을 둘러싸도록 배치되는 제2 플레이트(170) 및 제2 플레이트(170)의 가장자리에 배치되는 가스켓(180)을 포함한다. 제2 분리판(150)과 제2 가스 확산층(130)은 제2 플레이트(170) 및 가스켓(180)에 의하여 밀봉될 수 있다. 또한, 제2 분리판(150)은 제2 가스 확산층(130)과 제2 플레이트(170) 사이에서 탄성/반발력을 지니도록 배치될 수 있다.

일 실시태양에서, 제1 분리판(140)과 제2 분리판(150)은, 제1 채널의 길이방향과 제2 채널의 길이방향이 평행하도록 배치될 수도 있고, 또 다른 태양에서, 제1 분리판(140)과 제2 분리판(150)은, 제1 채널의 길이방향과 제2 채널의 길이방향이 직교하도록 배치될 수도 있다. 한편, 반응기체의 공급 및 배출 구조를 고려하면, 제1 분리판(140)과 제2 분리판(150)이 직교하도록 배열되는 것이 유리할 수도 있다.

한편, 상기 제1 분리판(140) 및 제2 분리판(150)은 수소극 측에 배치되는 분리판과 산소극 측에 배치되는 분리판을 구분하기 위한 것으로, 제1 분리판(140) 및 제2 분리판(150)은 도 3 및 도 4를 통해 미리 설명한 분리판(140, 240)과 동일한 구조를 갖는다.

예를 들어, 제1 및 제2 리브 중 적어도 하나의 리브는 가스확산층과 접촉하기 위한 접촉부가 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 접촉부는 가스확산층을 향하여 돌출된 볼록면으로 형성될 수 있다. 또한, 볼록면에는 복수 개의 관통홀이 마련될 수 있다.

또한, 제1 및 제2 채널의 바닥면과 측면은, 각각 적어도 일부가 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 채널 중 적어도 하나의 채널은, 적어도 일부영역이 가스확산층에서 바닥면 측을 향하여 채널의 폭이 증가하도록 마련될 수 있다.

또한, 제1 분리판(140) 및 제2 분리판(150) 중 하나의 분리판은, 인접하는 2개의 리브 사이의 간격이 채널의 최대 폭보다 작게 마련될 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 연료전지 스택
110: 막-전극 졸비체
120: 제1 가스 확산층
130: 제2 가스 확산층
140: 제1 분리판
150: 제2 분리판

Claims (20)

1. 막-전극 접합체;
   막-전극 접합체의 일면에 마련된 가스 확산층; 및
   가스 확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 리브 및 인접하는 2개의 리브 사이에 위치하며, 연료 또는 반응가스가 유동하기 위한 채널을 포함하며, 상기 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 분리판을 포함하는 연료전지 스택.
2. 제 1 항에 있어서,
   리브는 가스 확산층과 접촉하기 위한 접촉부가 곡면으로 형성된 연료전지 스택.
3. 제 2 항에 있어서,
   접촉부는 가스 확산층을 향하여 돌출된 볼록면으로 형성된 연료전지 스택.
4. 제 3 항에 있어서,
   볼록면에는 복수 개의 관통홀이 마련된 연료전지 스택.
5. 제 3 항에 있어서,
   분리판은 리브가 가스확산층과 선접촉하도록 마련된 연료전지 스택.
6. 제 1 항에 있어서,
   채널의 바닥면과 측면은, 각각 적어도 일부가 곡면으로 형성된 연료전지 스택.
7. 제 6 항에 있어서,
   채널의 바닥면과 측면에는, 복수 개의 관통홀이 마련된 연료전지 스택.
8. 제 6 항에 있어서,
   채널은 적어도 일부영역이 가스확산층에서 바닥면 측을 향하여 채널의 폭이 증가하도록 마련된 연료전지 스택.
9. 제 8 항에 있어서,
   채널은 적어도 일부영역이 가스확산층에서 바닥면 측을 향하여 채널의 폭이 증가 후 감소하도록 마련된 연료전지 스택.
10. 제 1 항에 있어서,
    분리판은 인접하는 2개의 리브 사이의 간격이 채널의 최대 폭보다 작게 마련된 연료전지 스택.
11. 제 1 항에 있어서,
    채널의 바닥면과 리브의 접촉부는 평행하게 마련되고,
    리브의 접촉부로부터 채널의 바닥면까지 채널의 폭이 증가하도록 마련된 연료전지 스택.
12. 제 1 항에 있어서,
    분리판은 리브 및 채널이 단일 플레이트의 구부러짐에 의하여 형성된 연료전지 스택.
13. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 마련된 제1 가스확산층;
    막-전극 접합체의 타면에 마련된 제2 가스확산층;
    제1 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제1 리브 및 인접하는 2개의 제1 리브 사이에 위치하며, 반응가스가 유동하기 위한 제1 채널을 포함하며, 상기 제1 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 제1 분리판; 및
    제2 가스확산층과 접촉하도록 배치된 복수 개의 제2 리브 및 인접하는 2개의 제2 리브 사이에 위치하며, 연료가 유동하기 위한 제2 채널을 포함하며, 상기 제2 리브에는 복수 개의 관통홀이 형성된 제2 분리판 포함하는 연료전지 스택.
14. 제 13 항에 있어서,
    제1 및 제2 리브 중 적어도 하나의 리브는 가스확산층과 접촉하기 위한 접촉부가 곡면으로 형성된 연료전지 스택.
15. 제 14 항에 있어서,
    접촉부는 가스확산층을 향하여 돌출된 볼록면으로 형성된 연료전지 스택.
16. 제 15 항에 있어서,
    볼록면에는 복수 개의 관통홀이 마련된 연료전지 스택.
17. 제 13 항에 있어서,
    채널의 바닥면과 측면은, 각각 적어도 일부가 곡면으로 형성된 연료전지 스택.
18. 제 17 항에 있어서,
    채널의 바닥면과 측면에는, 복수 개의 관통홀이 마련된 연료전지 스택.
19. 제 13 항에 있어서,
    제1 및 제2 채널 중 적어도 하나의 채널은, 적어도 일부영역이 가스확산층에서 바닥면 측을 향하여 채널의 폭이 증가하도록 마련된 연료전지 스택.
20. 제 19 항에 있어서,
    제1 분리판 및 제2 분리판 중 하나의 분리판은, 인접하는 2개의 리브 사이의 간격이 채널의 최대 폭보다 작게 마련된 연료전지 스택.

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