KR20220031376A - 요철 구조를 가지는 분리판을 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요철 구조를 가지는 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 전해질 막, 상기 전해질 막의 양면으로 대향 배치된 양극 층과 음극 층 및 상기 양극 층과 상기 음극 층에 각각 부착되어 가스를 순환시키는 가스 확산층을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체의 가스 확산층에 부착되고, 측면 가장자리에 상기 전해질 막 방향으로 볼록한 요철이 형성되는 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 제공한다.

Description

요철 구조를 가지는 분리판을 포함하는 연료전지 스택{A Fuel cell stack comprising bipolar plate having embossed structure}

본 발명은 요철 구조를 가지는 분리판을 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 또는 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 고분자 연료전지)의 스택에서, 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 둘러싸는 분리판에 요철 구조를 형성함으로써, 별도의 서포터가 없이도 기계적 강도를 가질 수 있도록 하는 연료전지 스택에 관한 것이다.

연료전지는 수소 등의 연료와 산소 등의 공기를 이용하여 전기화학적 반응을 통해 전기 에너지를 생산하는 장치로, 전기를 생성하기 위한 양극, 음극 및 전해질과 여기에 연료와 공기를 공급하고, 전력을 수집할 수 있도록 하는 구조를 포함하는 기본적인 에너지 생산 단위인 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와 이를 분리하기 위한 분리판으로 이루어지는 구조를 연료전지 단위셀이라고 하며, 이와 같은 연료전지 단위셀을 복수로 적층하여 필요한 만큼의 전압을 얻을 수 있도록 한 것을 연료전지 스택(Stack)이라고 한다.

이와 같은 연료전지 기술이 발달해 가면서, 점차 제조 공정을 쉽게 하고, 생산된 연료전지 스택의 수명을 극대화하기 위한 방법이 개발되고 있다. 특히, 연료전지 단위셀을 구성하는 주요 구성품인 분리판의 경우, 주로 금속 또는 카본 복합소재로 제조되는 것이 대부분인데, 금속의 경우 제조가 용이한 장점이 있는 반면, 부식 등의 문제로 인해 내구성이 떨어질 수 있고, 카본 복합소재의 경우는 내부식성이 뛰어나지만, 두께가 두꺼워져 연료전지 스택의 부피가 커지는 단점이 있다.

종래기술인 한국등록특허 제10-0781628호, "흑연 복합재 연료전지 분리판과 그 제조방법"은 카본 복합소재를 이용한 분리판 구조와 그 분리판의 제조 방법을 나타내고 있다. 이와 같이 카본 복합소재를 이용하게 되면, 앞서 설명한 바와 같이, 내부식성이 뛰어난 장점이 있지만, 기계적 압력에 의해 파손될 수 있는 우려가 있어, 기계적 강도를 보강하기 위한 기술이 요구된다.

한국등록특허 제10-0781628호

본 발명은 순수 흑연 소재 또는 카본 복합소재을 이용하면서도 기계적 강도를 높일 수 있는 연료전지 분리판 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 별도의 서포터를 사용하지 않도록 하여 연료전지 스택의 제조공정을 단순화하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 별도의 서포터를 사용하지 않고도 기계적 강도를 높일 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택은 전해질 막, 상기 전해질 막의 양면으로 대향 배치된 양극 층과 음극 층 및 상기 양극 층과 상기 음극 층에 각각 부착되어 가스를 순환시키는 가스 확산층을 포함하는 막전극 접합체 및 상기 막전극 접합체의 가스 확산층에 부착되고, 측면 가장자리에 상기 전해질 막 방향으로 볼록한 요철이 형성되는 분리판을 포함하여 구성될 수 있다.

이 때, 상기 전해질 막은 상기 양극 층 및 상기 음극 층과 상기 가스 확산층보다 넓은 면적을 가지도록 구성되고, 상기 전해질 막에 상기 양극 층 및 음극 층과 상기 가스 확산층이 부착되고, 남은 가장자리에 배치되어 가스 순환을 차단하는 서브 가스켓을 더 포함하고, 상기 분리판에 형성된 요철은 상기 서브 가스켓에 밀착되도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 서브 가스켓은 상기 양극 층 또는 상기 음극 층의 두께와 상기 가스 확산층의 두께의 합의 절반 이하의 두께를 가지도록 구성될 수 있다.

또한, 서브 가스켓은 스택 체결시의 응력에 따른 상기 서브 가스켓의 변형량이 상기 분리판의 허용 가능 변형량을 초과하지 않는 범위의 두께를 가지도록 구성될 수 있다.

또한, 분리판은 카본을 포함하는 소재로 구성될 수 있다.

본 발명에 따르면 카본 복합소재를 이용하면서도 기계적 강도를 높일 수 있는 연료전지 분리판 구조를 제공할 수 있다.

본 발명에 따르면 별도의 서포터를 사용하지 않도록 하여 연료전지 스택의 제조공정을 단순화할 수 있다.

본 발명에 따르면 별도의 서포터를 사용하지 않고도 기계적 강도를 높일 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 서포터를 이용하는 연료전지 스택 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 구조를 나타내는 도면이다
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 구조에서 분리판에 형성되는 요철 구조를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 또한 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 구체적인 수치는 실시예에 불과하며 이에 의하여 발명의 범위가 제한되지 아니한다.

이하, 본 발명에 따른 연료전지 스택에 대한 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 기본적으로 고분자 이온교환막을 전해질로 이용하는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell 또는 Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; 고분자 연료전지)를 중심으로 이루어져 있으며, 분리판은 카본 복합소재을 이용하는 것으로 설명되어 있다. 이와 같은 한정은 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 나타내기 위한 것으로 반드시 이와 같이 한정되어야 하는 것은 아니다.

도 1은 종래 기술에 따른 서포터를 이용하는 연료전지 스택 구조를 나타내는 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 고분자 연료전지와 같은 연료전지의 스택은 전해질 막(101)의 양면으로 양극 층(Anode, 102)과 음극 층(Cathode, 103)이 대향 배치되어 있으며, 양극 층(102)과 음극 층(103)에 부착되어 가스를 순환시키는 가스 확산층(GDL; Gas Diffusion Layer, 104, 105)을 포함하여, 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)를 구성한다.

이와 같이 구성된 막전극 접합체가 복수개 적층되어 원하는 전압을 생성하기 위한 연료전지 스택을 구성하는데, 하나의 막전극 접합체와 다른 막전극 접합체 사이를 분리하기 위하여 분리판(121, 122)이 존재한다. 막전극 접합체에 포함되는 가스 확산층(104, 105)에는 연료(수소)와 공기(산소)가 각각 순환되어야 하는데, 다른 막전극 접합체와의 사이에서 이와 같은 연료 및 공기를 구분하지 못한다면, 전기 생산이 제대로 이루어질 수 없다.

또한, 측면 방향으로도 연료 또는 공기의 누출을 방지하기 위한 구성이 필요한데, 서브 가스켓(111 내지 114)은 이와 같이 측면으로 연료 또는 공기가 누출되는 것을 방지하기 위한 구성이다. 그런데, 연료전지 스택을 제조하기 위해서는 이와 같은 연료전지 스택 구조를 복수개 적층하고 압력을 가하여 결합시키게 되는데, 이 때, 측면 부분이 압력을 지탱할 수 있을 정도의 기계적 강도를 가지지 못하면 크랙이 발생되고 제품의 불량 등으로 이어질 수 있다.

따라서, 도 1에 도시된 종래의 연료전지 스택 구조에서는 서포터(115 내지 118) 구조를 서브 가스켓(111 내지 114)에 부착하고, 이 서포터(115 내지 118)에 분리판(121 및 122)을 부착함으로써, 연료전지 스택 제조 과정에서 받게 되는 압력을 견딜 수 있는 기계적 강도를 제공할 수 있도록 하였다.

그러나, 이와 같이 서포터(115 내지 118)를 이용하는 것은 제조 과정에서 더 많은 작업공정이 소요되게 만들며, 제품의 원가도 상승하는 문제점을 가져올 수 있다. 하지만, 서포터(115 내지 118) 구조를 이용하지 않는 경우, 금속 분리판의 경우에는 분리판의 가장자리에 압력을 받게 되어도, 휘어질 뿐 크랙이 발생되거나 파손되는 문제가 발생되지 않을 수 있으나, 카본을 포함하는 소재(순수 흑연소재 또는 카본 복합소재)의 분리판의 경우에는 분리판에 크랙이 발생되고 파손되는 문제가 생길 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 이와 같이 별도의 서포터(115 내지 118)를 이용하지 않고도 스택 체결시 강한 내구성을 가질 수 있도록 하는 분리판 구조와 이와 같은 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 제시한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 구조를 나타내는 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택은 전해질 막(101), 상기 전해질 막(101)의 양면으로 대향 배치된 양극 층(102)과 음극 층(103) 및 상기 양극 층(102)과 음극 층(103)에 각각 부착되어 가스를 순환시키는 가스 확산층(104, 105)을 포함하는 막전극 접합체와, 막전극 접합체의 가스 확산층(104, 105)에 부착되는 분리판(121, 122)을 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 가스 순환을 차단하기 위해 가장자리에 서브 가스켓(111 내지 114)이 포함될 수 있다.

전해질 막(101), 양극 층(102) 및 음극 층(103)은 연료전지에서 사용되는 일반적인 구성이 적용될 수 있으며, 전해질 막(101)을 구성하는 소재나 양극 층(102) 및 음극 층(103)의 소재나 촉매에 의하여 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

또한 가스 확산층(104, 105)은 수소와 산소를 각각 통과시켜, 양극 층(102)과 음극 층(103)에서 화학 반응을 일으킬 수 있도록 한다. 이와 같은 전해질 막(101), 양극 층(102)과 음극 층(103), 가스 확산층(104, 105)을 포함하여 전기를 생산할 수 있는 가장 최소의 단위 구조를 막전극 접합체(MEA)라고 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 막전극 접합체(MEA)는 복수개 적층되어 연료전지 스택을 구성하게 되는데, 연료전지 스택의 인접한 단위셀 사이의 연료 또는 공기의 혼합을 방지하기 위하여 분리판(121, 122)이 필요하다.

본 발명의 분리판(121, 122)은 도면에 도시된 것과 같이, 가스 확산층(104, 105)에 부착되면서, 측면 가장자리에 중앙의 전해질 막(101) 방향으로 볼록하게 요철이 형성된다.

상기 전해질 막(101) 방향으로 볼록하게 형성되는 요철 구조는 도 1에서 설명한 종래 기술에 따르는 연료전지 스택 구조에서 서포터(115 내지 118)가 지탱하던 영역을 커버하여, 서포터(115 내지 118)가 없이도 기계적 강도를 유지할 수 있도록 한다.

상기 요철 구조는 도면에 도시된 것과 같이 수직 방향으로 형성될 수도 있으나, 반드시 수직으로 형성될 필요는 없으며, 경사를 가지도록 구성되는 것도 가능하다. 어떤 형태로든지, 막전극 접합체의 가스 확산층(104, 105)에 부착되는 부분에 비하여 전해질 막(101) 방향으로 볼록한 형태를 가지도록 구성되어, 스택 체결을 위한 압력이 주어질 때, 가장자리 부분에서 크랙 등이 발생되는 것을 방지할 수 있도록 하면 족하다.

이와 같은 구조를 위하여, 상기 전해질 막(101)은 상기 양극 층(102)과 음극 층(103) 및 상기 가스 확산층(104, 105)에 비하여 넓은 면적을 가지도록 구성되고, 상기 전해질 막(101)에 양극 층(102)과 음극 층(103) 및 상기 가스 확산층(104, 105)이 부착되고 남은 가장자리 부분에 배치되어 가스 순환을 차단하는 서브 가스켓(111 내지 114)을 포함할 수 있다.

서브 가스켓(111 내지 114)은 도 1에서 설명한 바와 같이, 측면 방향으로 가스 등이 누출되지 않도록 차단하는 역할을 하는데, 이를 위하여, 상기 전해질 막(101)에 밀착되고, 상기 분리판(121, 122)의 요철에 밀착되도록 구성될 수 있다. 만일 밀착되지 않고 공간이 생기게 되면, 연료 또는 가스 등이 누출되어 전기 에너지 생산이 제대로 이루어지지 않을 수 있다.

이 때, 상기 서브 가스켓(111 내지 114)의 두께는 상기 양극 층(102) 또는 음극 층(103)의 두께와 상기 가스 확산층(104, 105)의 두께의 합의 절반 이하로 구성될 수 있다. 일반적으로 서브 가스켓(111 내지 114)은 가스의 누출을 방지하기 위하여 고무 등의 탄성을 가지는 소재로 구성될 수 있는데, 서브 가스켓(111 내지 114)의 두께가 너무 두껍게 되면 스택 체결을 위한 압력이 주어질 때에 탄성으로 인한 두께 변화가 커지게 되고, 분리판(121, 122)의 변형이 심해져 카본을 포함하는 소재로 이루어진 분리판의 경우 크랙이나 파손이 발생될 수 있다.

따라서 서브 가스켓(111 내지 114)은 전극 층(양극 층(102) 또는 음극 층(103))의 두께와 가스 확산층(104, 105)의 두께의 합의 절반을 넘지 않도록 구성하고, 상기 서브 가스켓(111 내지 114)이 차지하는 두께를 제외한 나머지 두께만큼을 상기 분리판에 형성된 볼록한 요철이 차지하도록 함으로써, 체결 압력으로 인한 변형이나 파손의 위험을 최소화하고, 가스의 누출을 방지하면서도, 제조 공정을 손쉽게 구성할 수 있다.

또한, 서브 가스켓(111 내지 114)은 스택 체결시의 응력에 따른 상기 서브 가스켓(111 내지 114)의 변형량이 상기 분리판의 허용 가능 변형량을 초과하지 않는 범위의 두께를 가지도록 구성될 수 있다. 상기 상술한 바와 같이, 서브 가스켓(111 내지 114)은 탄성을 가지는 소재로 구성되는데, 소재가 가지는 탄성계수에 따라서, 동일한 응력이 제공될 때, 변형되는 변형량이 차이가 발생될 수 있다. 상기 변형량은 스택 체결시의 응력에 따라 수직 방향으로 상기 서브 가스켓(111 내지 114)이 변형되는 양을 길이 단위로 나타낸 것일 수 있으며, 상기 서브 가스켓(111 내지 114)의 두께가 두꺼워질수록 동일한 응력에 대한 변형량은 증가하게 된다.

상기 서브 가스켓(111 내지 114)의 두께가 두꺼워져서 변형량이 늘어나게 되면, 상기 분리판(121, 122)이 파손될 수 있으므로, 상기 분리판(121, 122)이 파손되지 않는 범위(허용 가능한 변형량) 내에서 상기 변형량이 결정되도록 상기 서브 가스켓(111 내지 114)의 두께를 결정해야 한다. 결정되는 두께는 서브 가스켓(111 내지 114)의 소재, 분리판(121, 122)의 소재 등에 따라 달라질 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택 구조에서 분리판에 형성되는 요철 구조를 도시한 도면이다.

앞서 도 2에서 설명한 바와 같이, 서브 가스켓(111)의 두께가 너무 두껍게 되면 탄성으로 인한 두께의 변화 폭이 커지게 되고, 이와 같은 변형으로 인해 분리판(121)의 파손 등이 발생될 수 있다.

따라서, 도면에 도시된 양극 층(102)과 가스 확산층(104)의 두께의 합의 절반 이하로 서브 가스켓(111)의 두께가 형성되도록 하고, 이 두께의 합 중, 서브 가스켓(111)이 차지하는 두께를 제외한 나머지 두께만큼을 분리판(121)에 형성된 요철 부분이 차지하도록 한 것이다.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.

101: 전해질 막
102: 양극 층 103: 음극 층
104, 105: 가스 확산층 111-114: 서브 가스켓
115-118: 서포터 121, 122: 분리판

Claims (5)

1. 전해질 막;
   상기 전해질 막의 양면으로 대향 배치된 양극 층과 음극 층 및
   상기 양극 층과 상기 음극 층에 각각 부착되어 가스를 순환시키는 가스 확산층
   을 포함하는 막전극 접합체 및
   상기 막전극 접합체의 가스 확산층에 부착되고, 측면 가장자리에 상기 전해질 막 방향으로 볼록한 요철이 형성되는 분리판
   을 포함하는 연료전지 스택.
2. 제1항에 있어서,
   상기 전해질 막은 상기 양극 층 및 상기 음극 층과 상기 가스 확산층보다 넓은 면적을 가지도록 구성되고,
   상기 전해질 막에 상기 양극 층 및 음극 층과 상기 가스 확산층이 부착되고, 남은 가장자리에 배치되어 가스 순환을 차단하는 서브 가스켓
   을 더 포함하고,
   상기 분리판에 형성된 요철은 상기 서브 가스켓에 밀착되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택.
3. 제2항에 있어서,
   상기 서브 가스켓은
   상기 양극 층 또는 상기 음극 층의 두께와 상기 가스 확산층의 두께의 합의 절반 이하의 두께를 가지도록 구성되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택.
4. 제3항에 있어서,
   상기 서브 가스켓은
   스택 체결시의 응력에 따른 상기 서브 가스켓의 변형량이 상기 분리판의 허용 가능 변형량을 초과하지 않는 범위의 두께를 가지도록 구성되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택.
5. 제1항에 있어서,
   상기 분리판은
   카본을 포함하는 소재로 구성되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택.

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