KR20170132953A - 연료전지 및 그 제조방법 - Google Patents

연료전지 및 그 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20170132953A
KR20170132953A KR1020160063658A KR20160063658A KR20170132953A KR 20170132953 A KR20170132953 A KR 20170132953A KR 1020160063658 A KR1020160063658 A KR 1020160063658A KR 20160063658 A KR20160063658 A KR 20160063658A KR 20170132953 A KR20170132953 A KR 20170132953A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
diffusion layer
gas diffusion
electrode assembly
membrane electrode
separator
Prior art date
Application number
KR1020160063658A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101878034B1 (ko
Inventor
백석민
윤대일
양유창
한국일
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160063658A priority Critical patent/KR101878034B1/ko
Priority to US15/255,422 priority patent/US10826082B2/en
Publication of KR20170132953A publication Critical patent/KR20170132953A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101878034B1 publication Critical patent/KR101878034B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2404—Processes or apparatus for grouping fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1004—Fuel cells with solid electrolytes characterised by membrane-electrode assemblies [MEA]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/56—

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

막전극접합체; 막전극접합체의 일면과 타면에 각각 배치되며, 이격된 지점마다 압력이 가해져 압축된 복수의 압축부가 형성된 기체확산층; 및 기체확산층의 외면에 접촉되며, 기체확산층측으로 돌출된 복수의 랜드부와 랜드부 사이에서 유로를 형성하는 복수의 채널부로 구성되고, 랜드부는 기체확산층의 압축부를 향해 돌출되어 압축부와 접하는 분리판;을 포함하는 연료전지 및 그 제조방법이 소개된다.

Description

연료전지 및 그 제조방법 {FUEL CELL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 연료전지의 분리판과 접하는 기체확산층에 미리 가압 후 스택을 체결함으로써 연료전지 스택의 운전 중 발생하는 가압/감압의 반복에 의하더라도 연료전지의 체결력과 가압력을 일정 수준 이상으로 유지함으로써 연료전지의 성능 저하가 방지되도록 하는 연료전지 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지 스택 단위셀은 금속분리판과 기체확산층 및 막전극접합체의 주요 반복부품으로 구성되어 있다. 이중에서도 연료전지 스택 반응부의 구조를 지지하고, 면압 전달/유지를 담당하는 부품은 금속분리판과 기체확산층이다.
연료전지 스택 단위셀은 반복부품이 적층되고 하중이 인가되어서 체결된다. 요철 구조를 갖는 금속분리판의 유로에서 기체확산층과 맞닿는 부위를 랜드라고 하며, 기체확산층과 맞닿지 않으면서 반응기체의 통로가 되는 부위를 채널이라고 한다. 금속분리판의 랜드는 기체확산층과 접촉하여 면압을 전달하며, 채널은 금속분리판/금속분리판 간 접촉하여 면압을 전달한다. 연료전지 스택의 기계적 구조는 이러한 반응면 면압 전달구조와 가스켓에 의해서 유지되며, 반응면의 면압은 다공성 구조를 갖는 기체확산층과 금속분리판 랜드부의 지지구조에 의해서 결정이 된다.
연료전지 스택은 체결 프레스를 이용하여서 일정면압하에 체결이 되나, 스택의 운전 등의 변수에 의해서 내부 면압이 증가하거나 감소할 수 있다. 주요 반복부품인 금속분리판과 기체확산층을 조합하여서 압축 평가(가압 → 감압)한 결과, 반복부품의 특성(영구 압축 발생)에 의해서 가압(스택 고온 운전 시) → 감압(스택 냉각 시) 시에 면압 저하가 발생하였다. 반복적인 반응면 면압의 변동에 따른 반응면 면압 저하는 연료전지 스택 성능 감소에 직접적인 영향을 주는 인자이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
JP 2015-018659 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 연료전지의 분리판과 접하는 기체확산층에 미리 가압을 한 후 스택을 적층/체결함으로써 연료전지의 운전 중에 발생하는 가압/감압의 반복에 의하더라도 연료전지의 체결력과 가압력을 일정 수준 이상으로 유지함으로써 연료전지의 성능 저하가 방지되도록 하는 연료전지 및 그 제조방법을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지는, 막전극접합체; 막전극접합체의 일면과 타면에 각각 배치되며, 이격된 지점마다 압력이 가해져 압축된 복수의 압축부가 형성된 기체확산층; 및 기체확산층의 외면에 접촉되며, 기체확산층측으로 돌출된 복수의 랜드부와 랜드부 사이에서 유로를 형성하는 복수의 채널부로 구성되고, 랜드부는 기체확산층의 압축부를 향해 돌출되어 압축부와 접하는 분리판;을 포함하고, 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀이 복수개 적층된 후 가압되며 체결되고, 셀의 가압시 기체확산층의 압축부는 분리판의 랜드부에 의해 재가압될 수 있다.
기체확산층의 압축부는 기체확산층이 분리판의 랜드부와 접하는 지점에 형성
기체확산층의 압축부는 기체확산층이 분리판과 포개어진 상태에서 분리판에 가해지는 압력을 랜드부를 통해 전달받아 형성될 수 있다.
막전극접합체, 기체확산층 및 분리판은 포개어진 상태에서 압력을 받아 압축부가 형성되고 셀로써 구성되며, 복수의 셀이 적층된 후 다시 재가압되며 체결될 수 있다.
막전극접합체를 기준으로 일면과 타면에 각각 기체확산층이 배치되고 기체확산층의 외측면에 각각 분리판이 배치되며, 양측 기체확산층에 각각 형성되는 압축부는 서로 대칭되는 위치에 형성될 수 있다.
기체확산층의 외측면에 각각 배치된 분리판에 형성된 각각의 랜드부는 서로 대칭되는 위치에 형성되며 각각 마주하는 압축부와 접할 수 있다.
본 발명의 연료전지 제조방법은, 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계; 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판이 포개어진 상태에서 가압함으로써 기체확산층 중 분리판의 랜드부와 접촉되는 부분에 압축된 압축부를 형성하는 단계; 및 가압된 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함한다.
막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 배치하고, 각각의 기체확산층의 외측면에 각각 분리판을 배치할 수 있다.
막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 이격되어 마주하는 양 분리판의 랜드부가 서로 대칭되는 지점에 위치하도록 배치할 수 있다.
압축부를 형성하는 단계에서 가하는 압력은 재가압하며 체결하는 단계에서 기체확산층에 가해지는 압력의 2배 이상일 수 있다.
압축부를 형성하는 단계에서 하는 압력은 기체확산층의 소성변형이 시작되는 압력 이상일 수 있다.
본 발명의 또 다른 연료전지 제조방법은, 기체확산층의 이격된 지점마다 압력을 가해 복수의 압축부를 압축 성형하는 단계; 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하여 셀을 형성하며, 기체확산층의 압축부와 분리판의 랜드부가 접하도록 배치하는 단계; 및 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 연료전지 제조방법은 기체확산층 중 분리판의 랜드부와 접하는 부분에 1차적으로 압력을 가하여 압축함으로써 기체확산층에 복수의 압축부를 형성하고, 압축부가 형성된 기체확산층, 막전극접합체, 분리판을 포개어 셀을 형성하고, 복수의 셀을 적층한 후 2차적으로 가압하며 체결함으로써 연료전지를 제조할 수 있다.
본 발명의 에 따르면, 연료전지의 분리판과 접하는 기체확산층에 미리 가압을 해 둔 상태에서 스택을 체결함으로써 연료전지의 운용중에 발생하는 가압/감압의 반복에 의하더라도 연료전지의 체결력과 가압력을 일정 수준 이상으로 유지함으로써 연료전지의 성능 저하가 방지되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단면을 나타낸 도면.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 종래의 연료전지의 압축시험 결과를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 도면.
도 5 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 순서도.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단면을 나타낸 도면이고, 도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 종래의 연료전지의 압축시험 결과를 나타낸 그래프이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 연료전지는, 막전극접합체(100); 막전극접합체(100)의 일면과 타면에 각각 배치되며, 이격된 지점마다 압력이 가해져 압축된 복수의 압축부(220)가 형성된 기체확산층(200); 및 기체확산층(200)의 외면에 접촉되며, 기체확산층(200)측으로 돌출된 복수의 랜드부(420)와 랜드부(420) 사이에서 유로를 형성하는 복수의 채널부(440)로 구성되고, 랜드부(420)는 기체확산층(200)의 압축부(220)를 향해 돌출되어 압축부(220)와 접하는 분리판(400);을 포함하고, 막전극접합체(100), 기체확산층(200) 및 분리판(400)으로 구성된 셀이 복수개 적층된 후 가압되며 체결되고, 셀의 가압시 기체확산층(200)의 압축부(220)는 분리판(400)의 랜드부(420)에 의해 재가압될 수 있다.
연료전지는 체결 프레스 등을 이용하여 일정 면압하에 체결이 되나, 연료전지의 운전 등의 변수에 의해서 내부 면압이 반복적으로 증가하거나 감소할 수 있다. 주요 압력 반복 부품인 분리판(400)과 기체확산층(200)을 조합하여서 압축 평가(가압 → 감압)한 결과, 반복 부품의 특성(영구 압축 발생)에 의해서 가압(스택 고온 운전 시) → 감압(스택 냉각 시)시에 영구적인 면압의 저하가 발생됨을 알 수 있다. 이러한 반복적인 반응면 면압의 변동에 따른 반응면 면압의 영구적인 저하는 연료전지 스택의 성능 감소에 직접적인 영향을 주는 인자이다.
연료전지 스택의 주요 반복부품인 금속분리판(400)/기체확산층(200) 조합은 연료전지 운전조건을 모사한 반복적인 가압/감압 평가 시 압축 면압 감소가 발생하며, 이는 반복부품의 접촉저항 증가를 일으켜 시스템 효율을 저하시킨다. 이에 본 발명에서는 기체확산층(200)과 금속분리판(400)의 랜드부(420)가 맞닿는 위치에 선택적인 압축을 하여서 스택의 반응면 면압 저하를 최소화할 수 있는 기체확산층(200) 선택 압축 방안을 제안한다.
반응부의 압축은 스택 적층 전 단위셀(분리판(400) 1SET + MEA 1EA + GDL) 기밀검수 공정에서 구현이 가능하며, 각 셀별로 균일한 압력 인가가 가능하다. 반복부품이 적용된 단위셀의 단품별 위치 정렬은 분리판(400) 간 접합과 정렬기준홀/카트리지 기준점을 적용하여 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 단면을 나타낸 도면으로서, 본 발명에 따른 연료전지는 복수의 단위 셀이 적층된 것이며, 각 셀은 막전극접합체(100)(MEA), 기체확산층(200)(GDL), 분리판(400)으로 구성된다. 이 중 압축력에 가장 영향을 미치는 인자인 기체확산층(200)과 분리판(400) 간의 압축력 저하는 방지하기 위해 기체확산층(200)에 먼저 압축을 수행한 후 최종적으로 셀을 체결하며 압력을 가함으로써 반복적인 가압/감압시에도 기체확산층(200)의 변위 변화가 최소화되도록 함으로써 일정한 가압력을 장시간 유지토록 하는 것이다.
이를 위해 기체확산층(200)은 막전극접합체(100)의 일면과 타면에 각각 배치되며, 이격된 지점마다 압력이 가해져 압축된 복수의 압축부(220)가 형성된다. 그리고 분리판(400)은 기체확산층(200)의 외면에 접촉되며, 기체확산층(200)측으로 돌출된 복수의 랜드부(420)와 랜드부(420) 사이에서 유로를 형성하는 복수의 채널부(440)로 구성된다. 랜드부(420)는 기체확산층(200)과 접하며 가압력을 유지하는 역할을 하고, 채널부(440)는 반응기체와 냉각수가 유통되는 유로를 제공하도록 한다. 분리판(400)의 랜드부(420)는 기체확산층(200)의 압축부(220)를 향해 돌출되어 압축부(220)와 접하도록 한다.
그리고 최종적으로 연료전지는 막전극접합체(100), 기체확산층(200) 및 분리판(400)으로 구성된 셀이 복수개 적층된 후 가압되며 체결되고, 셀의 가압시 기체확산층(200)의 압축부(220)는 분리판(400)의 랜드부(420)에 의해 재가압될 수 있다.
기체확산층(200)은 공극이 형성된 구조와 재질로 이루어지는데, 이러한 재질의 특성에 따라 압축시 탄성변형을 보이다가 일정 압력 이상부터 소성변형을 동반하게 된다. 그리고 소성변형시에는 복구가 불가능하여 기체확산층(200) 자체의 두께가 얇아지는 것이고, 그에 따라 전체적인 연료전지 스택의 체결압이 유지되지 못하는 것이다. 따라서, 이러한 기체확산층(200)을 미리 압축하여 어느 정도의 소성변형을 유발시키고, 그 후 조립하여 체결하도록 함으로써 추후 발생되는 연료전지 가동상의 가압 조건에서도 추가적인 소성변형이 일어나는 정도를 최소화할 수 있게 되는 것이다.
도 2 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지와 종래의 연료전지의 압축시험 결과를 나타낸 그래프로서, 도 2의 경우 기체확산층(200)을 미리 가압하지 않고 초기상태로 적층 후 바로 가압/체결한 경우를 나타낸다. 기체확산층(200)과 분리판(400)을 적층 한 후 0.4 MPa로 압축하고 다시 압력을 해제할 경우 기체확산층(200)의 소성변형으로 인해 두께의 차이인 변위차가 발생하는 것을 볼 수 있다. 도 3의 경우는 1 MPa 수준으로 가압하여 기체확산층(200)에 압축부(220)를 형성한 후 적층된 기체확산층(200)과 분리판(400)에 0.4 MPa로 압축하고 다시 압력을 해제할 경우를 나타낸다. 도 3의 그래프를 도 2와 비교하면 알 수 있듯이, 미리 기체확산층(200)에 압축부(220)를 형성해둘 경우에는 연료전지의 사용상 가압조건이 발생하더라도 소성변형의 발생 정도가 줄어들고 그 결과 변위의 차이가 감소되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 기체확산층(200)의 압축부(220)는 기체확산층(200)이 분리판(400)의 랜드부(420)와 접하는 지점에 형성되도록 한다. 즉, 연료전지의 가압력은 분리판(400)의 랜드부(420)와 기체확산층(200)의 접하는 지점에서 발생되는 것이기 때문에 이 부분을 미리 가압하여 압축부(220)를 형성함으로써 이 부분의 추가적인 소성변형을 방지하는 것이다.
그리고 기체확산층(200)의 압축부(220)는 기체확산층(200)이 분리판(400)과 포개어진 상태에서 분리판(400)에 가해지는 압력을 랜드부(420)를 통해 전달받아 형성될 수 있다. 이 경우에는 기체확산층(200)과 분리판(400)이 포개진 상태에서 압축부(220)를 형성하는 것이어서 정확히 랜드부(420)가 접하는 지점에 압축부(220)도 형성될 수 있도록 하는 것이다. 즉, 공정상의 이점이 있는 것이다. 압축부(220)를 형성한 후에는 분리판(400)과 기체확산층(200)을 분리하지 않고 그대로 셀을 적층하여 체결함으로서 압축부(220)와 랜드부(420)의 결합위치를 정확히 일치시킬 수 있게 되는 것이다.
한편, 막전극접합체(100), 기체확산층(200) 및 분리판(400)은 포개어진 상태에서 압력을 받아 압축부(220)가 형성되고 셀로써 구성되며, 복수의 셀이 적층된 후 다시 재가압되며 체결될 수 있다.
구체적으로, 막전극접합체(100)를 기준으로 일면과 타면에 각각 기체확산층(200)이 배치되고 기체확산층(200)의 외측면에 각각 분리판(400)이 배치되며, 양측 기체확산층(200)에 각각 형성되는 압축부(220)는 서로 대칭되는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 기체확산층(200)의 외측면에 각각 배치된 분리판(400)에 형성된 각각의 랜드부(420)는 서로 대칭되는 위치에 형성되며 각각 마주하는 압축부(220)와 접할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 제조하는 과정을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 제조방법의 순서도이다.
도 5에 도시된 본 발명의 연료전지 제조방법은, 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계; 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판이 포개어진 상태에서 가압함으로써 기체확산층 중 분리판의 랜드부와 접촉되는 부분에 압축된 압축부를 형성하는 단계; 및 가압된 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함한다.
막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 배치하고, 각각의 기체확산층의 외측면에 각각 분리판을 배치할 수 있다. 그리고 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 이격되어 마주하는 양 분리판의 랜드부가 서로 대칭되는 지점에 위치하도록 배치할 수 있다. 그에 따라 양측에 마주보게 배치된 기체확산층은 동일한 지점에서 가압을 받기 때문에 전체적인 압력이 대칭구조로 작용하여 뒤틀리지 않고 안정적으로 체결력을 받을 수 있게 된다.
또한, 압축부를 형성하는 과정은 도 4와 같이 양측에 금형을 두고 금형을 프레스함으로서 분리판의 랜드부를 통해 기체확산층의 압축부가 형성되도록 할 수 있다. 그리고 이러한 금형의 압축력은 셀의 비반응부를 제외하고 반응부에만 가해지도록 함이 바람직하다.
한편, 압축부를 형성하는 단계에서 가하는 압력은 재가압하며 체결하는 단계에서 기체확산층에 가해지는 압력의 2배 이상일 수 있다.
구체적으로, 반응기체/냉각수가 입출하는 매니폴드부 + 가스켓 기밀부가 합쳐진 비반응부를 제외한 단위셀의 반응부에 스택 체결 시의 압력 조건(0.4~0.6 MPa)과 스택 운전 시의 스택 온도 상승과 반응기체/냉각수 유입 압력에 의한 반응면 면압 상승을 고려하여 0.9 MPa ~ 1.1 MPa의 압력을 인가하여 압축부를 형성한다. 이는 체결시에 기체확산층에 가해지는 압력인 0.4~0.6 MPa의 약 2배에 해당하는 것으로서, 가해지는 면압의 하한치는 스택 운전조건에 의한 반응면 면압 상승을 고려하여 0.9 MPa 초과 범위를 설정하였으며, 상한치는 반복부품의 성능저하(ex. 기체확산층 기체투과도 저하)가 발생하지 않는 범위에서 1.1 MPa 미만으로 설정하였다.
그리고, 압축부를 형성하는 단계에서 하는 압력은 기체확산층의 소성변형이 시작되는 압력 이상일 수 있다. 즉, 최소한 기체확산층이 소성변형을 시작하는 압력보다는 큰 압력으로 가압하여 압축부를 형성함으로서 추후 체결된 연료전지 상태에서의 기체확산층의 추가적인 소성변형을 방지하기 위함이다.
한편, 도 6의 본 발명의 또 다른 연료전지 제조방법은, 기체확산층의 이격된 지점마다 압력을 가해 복수의 압축부를 압축 성형하는 단계; 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하여 셀을 형성하며, 기체확산층의 압축부와 분리판의 랜드부가 접하도록 배치하는 단계; 및 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함한다. 이 경우에는 먼저 기체확산층에 별도의 공정을 통하여 압축부를 형성하고, 그 후 분리판과 적층하는 방안인데, 이 경우에는 압축부의 형성이 좀 더 균일하게 이루어질 수 있는 장점이 있지만, 적층시에는 랜드부와 압축부가 정확히 일치되도록 정렬을 함에 있어 유의해야 할 것이다.
본 발명은 반응기체 및 냉각수의 분배와 기밀을 위한 비반응부와, 화학 반응에 의해 전자가 발생하는 반응부로 구성되어지는 연료전지 셀 구조에 있어서 확산부에 위치하는 금속분리판과 기체확산층이 접촉하는 부위에 선택적인 압축을 함으로써 단위셀 반응면 압축 평가 시 가압/감압에 따른 면압 Hysteresis가 없이 일정한 면압이 유지되는 것을 특징으로 한다. 그리고 선택 압축 시 반응면에 가하는 면압은 스택 체결 조건에서 반응면에 가해지는 면압의 2배 수준이 적절하다. 본 발명의 실시예는 체결조건에서의 반응면 면압이 0.4~0.55 MPa이었으며, 단위셀을 구성하는 반복부품의 과압축으로 인한 성능저하와 스택 운전 조건에서의 면압 상승을 고려한 선택압축 면압 즉, 압축부 성형에 있어 가해지는 면압은 0.9 MPa ~ 1.1 MPa영역이 적절하다.
본 발명의 에 따르면, 연료전지의 분리판과 접하는 기체확산층에 미리 가압을 해 둔 상태에서 스택을 체결함으로써 연료전지의 운용중에 발생하는 가압/감압의 반복에 의하더라도 연료전지의 체결력과 가압력을 일정 수준 이상으로 유지함으로써 연료전지의 성능 저하가 방지되도록 할 수 있다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 막전극접합체 200 : 기체확산층
220 : 압축부 400 : 분리판
420 : 랜드부

Claims (13)

  1. 막전극접합체;
    막전극접합체의 일면과 타면에 각각 배치되며, 이격된 지점마다 압력이 가해져 압축된 복수의 압축부가 형성된 기체확산층; 및
    기체확산층의 외면에 접촉되며, 기체확산층측으로 돌출된 복수의 랜드부와 랜드부 사이에서 유로를 형성하는 복수의 채널부로 구성되고, 랜드부는 기체확산층의 압축부를 향해 돌출되어 압축부와 접하는 분리판;을 포함하고,
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀이 복수개 적층된 후 가압되며 체결되고, 셀의 가압시 기체확산층의 압축부는 분리판의 랜드부에 의해 재가압되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 청구항 1에 있어서,
    기체확산층의 압축부는 기체확산층이 분리판의 랜드부와 접하는 지점에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 청구항 1에 있어서,
    기체확산층의 압축부는 기체확산층이 분리판과 포개어진 상태에서 분리판에 가해지는 압력을 랜드부를 통해 전달받아 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  4. 청구항 3에 있어서,
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판은 포개어진 상태에서 압력을 받아 압축부가 형성되고 셀로써 구성되며, 복수의 셀이 적층된 후 다시 재가압되며 체결된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 청구항 1에 있어서,
    막전극접합체를 기준으로 일면과 타면에 각각 기체확산층이 배치되고 기체확산층의 외측면에 각각 분리판이 배치되며, 양측 기체확산층에 각각 형성되는 압축부는 서로 대칭되는 위치에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 청구항 5에 있어서,
    기체확산층의 외측면에 각각 배치된 분리판에 형성된 각각의 랜드부는 서로 대칭되는 위치에 형성되며 각각 마주하는 압축부와 접하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계;
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판이 포개어진 상태에서 가압함으로써 기체확산층 중 분리판의 랜드부와 접촉되는 부분에 압축된 압축부를 형성하는 단계; 및
    가압된 막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함하는 연료전지 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 막전극접합체의 양면에 각각 기체확산층을 배치하고, 각각의 기체확산층의 외측면에 각각 분리판을 배치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하는 단계에서는 이격되어 마주하는 양 분리판의 랜드부가 서로 대칭되는 지점에 위치하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
  10. 청구항 7에 있어서,
    압축부를 형성하는 단계에서 가하는 압력은 재가압하며 체결하는 단계에서 기체확산층에 가해지는 압력의 2배 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    압축부를 형성하는 단계에서 하는 압력은 기체확산층의 소성변형이 시작되는 압력 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 제조방법.
  12. 기체확산층의 이격된 지점마다 압력을 가해 복수의 압축부를 압축 성형하는 단계;
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판을 배치하여 셀을 형성하며, 기체확산층의 압축부와 분리판의 랜드부가 접하도록 배치하는 단계; 및
    막전극접합체, 기체확산층 및 분리판으로 구성된 셀을 복수개 적층한 후 재가압하며 체결하는 단계;를 포함하는 연료전지 제조방법.
  13. 기체확산층 중 분리판의 랜드부와 접하는 부분에 1차적으로 압력을 가하여 압축함으로써 기체확산층에 복수의 압축부를 형성하고, 압축부가 형성된 기체확산층, 막전극접합체, 분리판을 포개어 셀을 형성하고, 복수의 셀을 적층한 후 2차적으로 가압하며 체결함으로써 연료전지를 제조하는 연료전지 제조방법.

KR1020160063658A 2016-05-24 2016-05-24 연료전지 및 그 제조방법 KR101878034B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160063658A KR101878034B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 연료전지 및 그 제조방법
US15/255,422 US10826082B2 (en) 2016-05-24 2016-09-02 Fuel cell and method for producing the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160063658A KR101878034B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 연료전지 및 그 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20170132953A true KR20170132953A (ko) 2017-12-05
KR101878034B1 KR101878034B1 (ko) 2018-07-16

Family

ID=60419013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160063658A KR101878034B1 (ko) 2016-05-24 2016-05-24 연료전지 및 그 제조방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10826082B2 (ko)
KR (1) KR101878034B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102579354B1 (ko) * 2018-05-14 2023-09-18 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110044051A (ko) * 2009-10-22 2011-04-28 한국에너지기술연구원 소형 연료전지 스택 체결 방법
KR20110062552A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층
KR20120036695A (ko) * 2010-10-08 2012-04-18 현대자동차주식회사 연료전지 스택 체결 방법
JP2015018659A (ja) 2013-07-10 2015-01-29 日産自動車株式会社 燃料電池

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100525974B1 (ko) * 2002-08-07 2005-11-03 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤 연료전지
US20040157111A1 (en) * 2002-11-28 2004-08-12 Shigeru Sakamoto Fuel cell
WO2004102722A2 (en) * 2003-05-09 2004-11-25 Foamex L.P. Gas diffusion layer having carbon particle mixture
JP4333246B2 (ja) * 2003-08-28 2009-09-16 日産自動車株式会社 燃料電池システム
EP2131433A1 (de) * 2008-06-05 2009-12-09 Reinz-Dichtungs-Gmbh Elektrochemische Zelle und Verfahren zur ihrer Herstellung
JP2010225477A (ja) 2009-03-24 2010-10-07 Toyota Motor Corp 燃料電池
KR20130030116A (ko) * 2011-09-16 2013-03-26 삼성에스디아이 주식회사 막전극 조립체 및 연료전지 스택
KR20130085327A (ko) 2012-01-19 2013-07-29 삼성전자주식회사 연료전지용 스택 및 이를 채용한 연료 전지
JP6056964B2 (ja) * 2013-04-15 2017-01-11 日産自動車株式会社 燃料電池の製造方法及び製造装置
US10270120B2 (en) * 2016-01-19 2019-04-23 GM Global Technology Operations LLC Fuel cell stack assembly-compression system

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20110044051A (ko) * 2009-10-22 2011-04-28 한국에너지기술연구원 소형 연료전지 스택 체결 방법
KR20110062552A (ko) * 2009-12-03 2011-06-10 현대자동차주식회사 연료전지용 기체확산층
KR20120036695A (ko) * 2010-10-08 2012-04-18 현대자동차주식회사 연료전지 스택 체결 방법
JP2015018659A (ja) 2013-07-10 2015-01-29 日産自動車株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
US10826082B2 (en) 2020-11-03
US20170346105A1 (en) 2017-11-30
KR101878034B1 (ko) 2018-07-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4742043B2 (ja) 一体化シールを有する膜電極アセンブリ
US11380909B2 (en) Method of manufacturing separator
US9470314B2 (en) Rubber gasket for fuel cell
US11302931B2 (en) Method of manufacturing separator assembly used for fuel cell
CN105283988A (zh) 燃料电池的密封构造
KR101913058B1 (ko) 연료 전지용 전극 구조체, 금속 세퍼레이터, 상기 연료 전지용 전극 구조체와 금속 세퍼레이터를 사용한 연료 전지 셀 및 상기 연료 전지용 전극 구조체 제작 용 금형
KR101878034B1 (ko) 연료전지 및 그 제조방법
US20170244115A1 (en) Separator assembly for fuel cell and method of manufacturing the same
EP1923943A1 (en) Component for constituting fuel cell
US10511034B2 (en) Gasket for fuel battery
JP6265067B2 (ja) 燃料電池スタックの製造方法
JP4581702B2 (ja) 燃料電池
JP5979174B2 (ja) 燃料電池および燃料電池スタックの製造方法
JP4337394B2 (ja) 燃料電池
WO2020161668A1 (en) Fuel cell stack with compression means
WO2021261166A1 (ja) 燃料電池
EP2936604B1 (en) Fuel cell stack assembly and method of assembly
WO2018011948A1 (ja) 燃料電池スタック
US20110159398A1 (en) Low compressive load seal design for solid polymer electrolyte fuel cell
JP2009004308A (ja) 燃料電池
US20210020976A1 (en) Unit cell for a fuel cell and a method for manufacturing a unit cell for a fuel cell
US11437633B2 (en) Fuel cell seal structure
WO2021019974A1 (ja) 燃料電池セル及び燃料電池セルの製造方法
US8415076B2 (en) Gas diffusion layer preconditioning for improved performance and operational stability of PEM fuel cells

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right