KR20230084814A - 연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀 - Google Patents

연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀 Download PDF

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박재만
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Abstract

본 발명은 서브가스켓의 유동을 막으면서 기체확산층의 영구변형을 줄일 수 있는 연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛은 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓이 적용되는 연료전지의 단위셀에 사용되는 기체확산층 유닛으로서, 상기 막전극접합체와 서브가스켓의 표면에 배치되는 기체확산층과; 상기 기체확산층의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 상기 기체확산층과 일체화되면서 상기 서브가스켓과 밀착되는 탄성부재를 포함한다.

Description

연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀{Gas Diffusion Layer unit for fuel cell and Unit cell for fuel cell including same}
본 발명은 연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서브가스켓의 유동을 막으면서 기체확산층의 영구변형을 줄일 수 있는 연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이다.
도 1에서 알 수 있듯이, 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀은 가장 안쪽에 막전극접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치하는데, 이 막전극접합체(10)는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막(11)과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 연료극(12: anode) 및 공기극(13: cathode)으로 구성되어 있다.
또한, 상기 막전극 집합체(10)의 바깥 부분, 즉 연료극(12) 및 공기극(13)이 위치한 바깥 부분에는 한 쌍의 가스확산층(20, GDL: Gas Diffusion Layer)이 적층되고, 상기 가스확산층(20)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판 조립체(30)가 가스켓라인(40)을 사이에 두고 위치된다.
이때 분리판 조립체(30)는 연료극(anode)에 배치되는 애노드 분리판(31)과 공기극(cathode)에 배치되는 캐소드 분리판(32)이 서로 대면되면서 접합되어 이루어진다.
한편, 연료전지 스택은 다수의 단위셀이 적층되어 이루어지는데, 적층되는 단위셀의 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 및 고정시키기 위한 엔드 플레이트(50, End plate)가 결합된다.
이때 어느 하나의 단위셀에 배치되는 애노드 분리판(31)은 그 단위셀에 인접배치되는 다른 단위셀의 캐소드 분리판(32)과 맞대어지도록 배치되어 적층된다.
이에 따라 단위셀의 적층 공정을 원활하게 실시하고, 각 단위셀들의 정렬을 유지하기 위하여 서로 맞대어지도록 배치되는 서로 인접되는 단위셀의 캐소드 분리판(32)과 애노드 분리판(31)을 일체화 시킨 분리판 조립체(30)를 사용하여 단위셀을 구성한다.
그리고, 분리판 조립체(30)를 구성하는 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)은 접합되어 일체화 되면서 매니폴드가 서로 연통되고, 반응영역이 서로 동일한 위치에 배치되도록 유사한 형상으로 구성된다.
한편, 분리판 조립체(30)에서 다수의 매니폴드와 반응영역은 반응가스 또는 냉각수가 유입 또는 배출되거나 유동되는 공간으로서, 기밀을 위하여 그 둘레를 따라 기밀라인이 가스켓(40)에 의해 형성된다.
특히, 애노드 분리판(31) 및 캐소드 분리판(32)은 반응기체인 수소와 공기가 서로 섞이지 않도록 하면서, 막전극접합체(10)를 전기적으로 연결 및 지지함으로써 연료전지 스택의 형태를 유지시키는 역할을 한다.
따라서, 애노드 분리판(31) 및 캐소드 분리판(32)은 반응기체가 서로 혼합되지 않도록 그 구조가 치밀해야 할 뿐만 아니라 전도체 및 지지체의 역할을 위해 전도성이 우수하면서 강도가 우수한 강도를 가져야 한다. 이에, 주로 금속 재질의 분리판이 주로 사용되었다.
또한, 애노드 분리판(31) 및 캐소드 분리판(32)의 반응영역에는 반응기체 및 냉각수가 유동되는 유로를 확보하면서 기체확산층(20)에 지지되기 위하여 랜드(33)와 채널(34)이 형성된다.
한편, 최근에는 막전극접합체(10)의 변형을 방지하면서 제조공정 및 조립공정 시 핸들링을 용이하게 하기 위하여 막전극접합체(10)의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 프레임(이하, "서브가스켓"이라고 지칭함)을 형성시키서 사용하고 있다.
도 2는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 보여주는 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 일반적인 연료전지용 단위셀은 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32) 사이에 막전극접합체(10)를 지지하는 서브가스켓(14)과 한 쌍의 기체확산층(20)이 적층된다.
최근에는 단위셀의 제조 원가를 절감하기 위하여 기체확산층(20) 및 서브가스켓(14)의 크기를 축소하고 있는데, 이러한 기체확산층(20) 및 서브가스켓(14)의 크기 축소로 인해 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)에 형성되는 랜드(31) 중 비탄성체인 서브가스켓(13)을 직접 고정시키는 구조를 갖게된다.
하지만, 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)에 형성되는 랜드(31)는 소재의 특성 및 제조공정의 특성상 공차가 발생하게 되는데, 이러한 랜드(31)의 높이 공차로 인해 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)의 랜드(31)와 서브가스켓(14) 사이가 밀착되지 않고 소정 간격 이격된 갭(G)이 형성되는 문제가 발생하였다.
이렇게 서브가스켓(14)이 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)에 밀착되지 않게 되면서 서브가스켓이 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32) 사이에서 유동되는 현상이 발생하게 되었다. 특히 연료전지 스택의 운전시 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32) 간 압력에 따라 서브가스켓(14)의 유동이 심해지는 문제가 발생하였고, 이에 따라 단위셀의 떨림이 발생하면서 연료전지 스택의 성능 편차가 발생하였다.
또한, 단위셀의 리페어 시 애노드 분리판(31)과 캐소드 분리판(32)에 의해 기체확산층(20)이 반복적으로 압축되는 과정에서 면압이 소실되어 연료전지 스택의 성능이 저하되는 문제가 발생하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 내용은 본 발명에 대한 배경을 이해하기 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
공개특허공보 제10-2020-0029707호 (2020.03.19)
본 발명은 서브가스켓의 유동을 막으면서 기체확산층의 영구변형을 줄일 수 있는 연료전지용 기체확산층 유닛 및 이를 포함하는 연료전지용 단위셀을 제공한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있는 것으로 보아야 할 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛은 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓이 적용되는 연료전지의 단위셀에 사용되는 기체확산층 유닛으로서, 상기 막전극접합체와 서브가스켓의 표면에 배치되는 기체확산층과; 상기 기체확산층의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 상기 기체확산층과 일체화되면서 상기 서브가스켓과 밀착되는 탄성부재를 포함한다.
상기 탄성부재는, 상기 기체확산층의 양면 중 상기 막전극접합체와 서브가스켓에 접촉되는 일면의 가장자리에 구비되어 상기 서브가스켓에 밀착되는 제 1 탄성부재를 포함한다.
상기 탄성부재는, 상기 기체확산층의 양면 중 타면의 가장자리에 구비되어 단위셀을 구성하는 분리판에 밀착되는 제 2 탄성부재를 더 포함한다.
상기 제 2 탄성부재는 분리판의 폭방향 양측 최외곽 영역에 형성되는 미반응영역에 대응되는 지점에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 비전도성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 중력 방향을 기준으로 상대적으로 상부에 배치되는 상부 탄성부재 영역과 상대적으로 하부에 배치되는 하부 탄성부재 영역으로 구분되고, 상기 상부 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며, 상기 하부 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 생성수가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고, 상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며, 상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓과; 상기 막전극접합체와 서브가스켓의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과; 상기 기체확산층의 외측으로 배치되는 한 쌍의 분리판과; 상기 기체확산층의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 상기 기체확산층과 일체화되면서 상기 서브가스켓과 밀착되는 탄성부재를 포함한다.
상기 탄성부재는, 상기 기체확산층의 양면 중 상기 막전극접합체와 서브가스켓에 접촉되는 일면의 가장자리에 구비되어 상기 서브가스켓에 밀착되는 제 1 탄성부재를 포함한다.
상기 탄성부재는, 상기 기체확산층의 양면 중 타면의 가장자리에 구비되어 분리판에 밀착되는 제 2 탄성부재를 더 포함한다.
중력방향을 기준으로 상기 분리판의 상단부와 하단부에는 반응기체가 반응하지 않는 미반응영역이 형성되고, 상기 제 2 탄성부재는 분리판에 형성되는 미반응영역에 대응되는 지점에 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 비전도성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 중력 방향을 기준으로 상대적으로 상부에 배치되는 상부 탄성부재 영역과 상대적으로 하부에 배치되는 하부 탄성부재 영역으로 구분되고, 상기 상부 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며, 상기 하부 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 생성수가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고, 상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며, 상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 탄성부재는 반응기체 중 공기가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고, 상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며, 상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 아래와 같은 효과를 기대할 수 있다.
첫째, 기체확산층의 가장자리에 탄성부재를 일체로 구비하여 기체확산층과 서브가스켓 사이에 탄성부재가 배치됨으로써, 서브가스켓의 유동을 축소시킬 수 있고, 이에 따라 서브가스켓의 유동을 감소시킬 수 있다. 이에 따라 연료전지 스택의 운전시 단위셀의 떨림을 억제할 수 있어 단위셀의 성능 감소량을 최소화하면서 단위셀의 안정성을 증대시킬 수 있다.
둘째, 기체확산층의 가장자리에 탄성부재를 일체로 구비하여 기체확산층과 분리판 사이에 탄성부재가 배치됨으로써, 기체확산층의 영구적 변형을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 단위셀의 리페어 및 재체결시 성능 감소량을 최소화시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 스택의 구성을 보여주는 도면이고,
도 2는 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀을 보여주는 단면도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 보여주는 단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛의 제작과정을 보여주는 도면이며,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛과 분리판의 배치관계를 보여주는 도면이고,
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛을 보여주는 도면이며,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 도 1 및 도 2에 도시된 일반적인 연료전지 스택을 구성하는 단위셀의 구성을 그대로 유지하면서 기체확산층에 탄성부재를 더 부가하여 서브가스켓의 유동을 막으면서 기체확산층의 영구변형을 줄일 수 있도록 하는 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 보여주는 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛의 제작과정을 보여주는 도면이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛과 분리판의 배치관계를 보여주는 도면이고, 도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛을 보여주는 도면이며, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛을 보여주는 도면이다.
도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(100)와; 막전극접합체(100)의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓(130)과; 막전극접합체(100)와 서브가스켓(130)의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(200)과; 기체확산층(200)의 외측으로 배치되는 한 쌍의 분리판(300)을 포함한다.
이때 막전극접합체(100)는 고분자 전해질막(110)과, 이 전해질막(110) 양면에 수소와 공기(산소)가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층(120), 즉 연료극 및 공기극으로 구성된다.
그리고, 서브가스켓(130)은 막전극접합체(100)의 둘레를 둘러싸면서 지지하는 프레임으로서, 이 프레임을 서브 가스켓(130)이라고 칭한다.
또한, 한 쌍의 분리판(300a, 300b) 사이에는 실링을 위한 가스켓(400)이 형성된다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 기체확산층(200)의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 기체확산층(200)과 일체화되면서 서브가스켓(130)과 밀착되는 탄성부재(500)를 더 포함한다.
상기와 같이 구성되는 다수개의 단위셀이 직렬로 연결되어 연료전지 스택을 구성한다.
그래서, 하나의 단위 셀에 구성되는 분리판(300a)은 그에 인접되는 단위셀에 구성되는 분리판(300b)과 서로 대면되어 배치된다.
따라서, 이하의 설명에서는 일반적인 연료전지 스택용 단위셀에 대하여 중복되는 설명은 생략하도록 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 기체확산층 유닛은 단위셀을 구성하는 기체확산층(200)과 탄성부재(500)를 지칭한다.
그래서, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 기체확산층 유닛을 포함하여 구성된다.
부연하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(100)와; 막전극접합체(100)의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓(130)과; 막전극접합체(100)와 서브가스켓(130)의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(200)과; 기체확산층(200)의 외측으로 배치되는 한 쌍의 분리판(300)과; 기체확산층(200)의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 기체확산층(200)과 일체화되면서 서브가스켓(130)과 밀착되는 탄성부재(500)를 포함한다.
여기서, 막전극접합체(100), 서브 가스켓(400) 및 한 쌍의 분리판(300)은 도 2에 도시된 종래의 연료전지 스택을 구성하는 막전극접합체, 서브 가스켓 및 한 쌍의 분리판의 구성을 그대로 유지한다.
다만, 기체확산층(200)의 가장자리 중 소정의 영역에 탄성부재(500)를 일체화시킨다.
이때 탄성부재(500)는 기체확산층(200)의 양면 중 막전극접합체(100)와 서브가스켓(130)에 접촉되는 일면의 가장자리에 구비되어 서브가스켓(130)에 밀착되는 제 1 탄성부재(510)와, 기체확산층(200)의 양면 중 타면의 가장자리에 구비되어 분리판(300)에 밀착되는 제 2 탄성부재(520)로 이루어진다.
탄성부재(500)는 기체확산층(200)과 일체로 형성되는 것이 바람직하다.
도 4a는 제 1 탄성부재와 제 2 탄성부재의 열 압착 전을 보여주는 도면이고, 도 4b는 제 1 탄성부재와 제 2 탄성부재의 열 압착 후를 보여주는 도면이다.
도 4a와 같이 기체확산층(200)에 제 1 탄성부재(510)와 제 2 탄성부재(520)를 일체화하기 위하여 기체확산층(200)의 가장자리에서 기체확산층(200)의 일면과 타면에 각각 제 1 탄성부재(510)와 제 2 탄성부재(520)를 대향되도록 배치시킨다.
그리고, 제 1 탄성부재(510)와 제 2 탄성부재(520)를 열 압착시키면 제 1 탄성부재(510)와 제 2 탄성부재(520)가 기체확산층(200)의 가장자리 형상에 대응되는 형상으로 압착되면서 제 1 탄성부재(510)와 제 2 탄성부재(520)가 일체화되면서 동시에 기체확산층(200)과도 일체화된다.
물론 탄성부재(500)가 제 1 탄성부재(510)만으로 형성되는 영역에서는 제 1 탄성부재(510)와 기체확산층(200)의 열 압착만으로 제 1 탄성부재(510)와 기체확산층(200)을 일체화시킨다.
이렇게 기체확산층(200)과 탄성부재(500)를 일체화된 기체확산층 유닛은 서브가스켓(130)으로 둘러싸여서 지지되는 막전극접합체(100)와 분리판(300) 사이에 배치된다.
그래서, 제 1 탄성부재(510)는 기체확산층(200)과 서브가스켓(130) 사이에 배치되도록 하여 서브가스켓(130)이 떨리는 것과 같은 유동을 억제시킨다. 이에 따라 제 1 탄성부재(510)는 가급적 기체확산층(200)이 서브가스켓(130)과 대면되는 가장자리에서 모든 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 물론 제 1 탄성부재(510)는 기체확산층(200)이 서브가스켓(130)과 대면되는 가장자리에서 모든 영역에 형성되는 것으로 한정되는 것이 아니라 단위셀의 구조 및 기체확산층(200)과 서브가스켓(130)의 형상에 따라 소정의 영역에서 분할되어 형성될 수 있을 것이다.
또한, 제 2 탄성부재(520)는 기체확산층(200)과 분리판(300) 사이에 배치되도록 하여 서브가스켓(130)이 분리판(300)의 압착에 의해 영구적인 변형이 발생하는 것을 방지시킨다. 이에 따라 제 2 탄성부재(520)도 제 1 탄성부재(510)와 마찬가지로 가급적 기체확산층(200)이 분리판(300)과 대면되는 가장자리에서 모든 영역에 형성되는 것이 바람직하다. 하지만, 기체확산층(200)과 분리판(300) 사이에서 유동되는 반응기체 및 생성수의 원활한 유동을 위하여 제 2 탄성부재(520)는 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 분리판(300)에 형성되는 미반응영역(NR)에 형성되는 것이 바람직하다.
여기서 미반응영역(NR)은 중력방향을 기준으로 분리판(300)의 상단부와 하단부에서 반응기체가 반응하지 않는 영역을 의미한다.
부연하자면, 도 6a에서 ①-①선은 1 탄성부재(500)와 제 2 탄성부재(520)로 탄성부재(500)가 형성되는 영역의 단면에 해당되고, 도 6a에서 ②-②선은 1 탄성부재(500)로만 탄성부재(500)가 형성되는 영역의 단면에 해당된다. 그래서, 도 6b는 기체확산층 유닛을 보여주는 분해사시도이고, 도 6c는 ①-①선에 해당되는 단면을 보여주는 도면이고, 도 6d는 ②-②선에 해당되는 단면을 보여주는 도면이다.
한편, 본 실시예에서는 탄성부재(500)를 형성하는 소재를 이원화시켜서 단위셀 내부의 영역별 수분 분포를 균일하게 유지할 수 있도록 한다.
예를 들어 탄성부재(500)는 중력 방향을 기준으로 상대적으로 상부에 배치되는 상부 탄성부재 영역(511, 521)과 상대적으로 하부에 배치되는 하부 탄성부재 영역(512, 522)으로 구분될 수 있다.
이때 상부 탄성부재 영역(511, 521)과 하부 탄성부재 영역(512, 522)은 물리적으로 직접 분할하여 서로 다른 소재의 탄성소재를 사용하여 형성할 수 있고, 상부 탄성부재 영역(511, 521)과 하부 탄성부재 영역(512, 522)이 물리적으로 연결되지만 해당영역으로 서로 다른 소재의 탄성소재를 사출하여 형성할 수 있을 것이다. 본 실시예에서는 제작을 용이하게 하기 위하여 상부 탄성부재 영역(511, 521)과 하부 탄성부재 영역(512, 522)을 물리적으로 분리하여 제작하였다.
이때 상부 탄성부재 영역은(511, 521) 친수성 처리된 탄성소재로 형성하여 해당 영역에서 생성수가 장시간 체류될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 하부 탄성부재 영역(512, 522)은 소수성 탄성소재로 형성하여 해당 영역에서 생성수가 체류하지 않고 바로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상대적으로 건조한 단위셀의 상부영역에서 생성수의 체류시간을 늘리고, 상대적으로 습한 단위셀의 하부영역에서 생성수의 체류시간을 줄임으로써 단위셀의 영역별 수분 분포를 균일하게 유지시킬 수 있다.
한편, 고전류 밀도의 출력을 주로 하는 운전모드에서는 반응기체의 유동량 또는 유속이 많고 빠르기 때문에 생성수의 체류가 중력의 영향보다 반응기체의 유동량 및 유속의 영향이 크다.
이에 따라, 탄성부재(500)는 반응기체 중 공기가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역(501)과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역(502)으로 구분될 수 있다.
여기서, 상류지점과 하류지점은 생성수가 유동되는 방향을 기준으로 구분하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상류지점과 하류지점은 반응기체 중 공기가 유동되는 방향을 따라 구분할 수 있을 것이다.
이때 상류 탄성부재 영역(501)과 하류 탄성부재 영역(502)도 마찬가지로 물리적으로 직접 분할하여 서로 다른 소재의 탄성소재를 사용하여 형성할 수 있고, 상류 탄성부재 영역(501)과 하류 탄성부재 영역(502)이 물리적으로 연결되지만 해당영역으로 서로 다른 소재의 탄성소재를 사출하여 형성할 수 있을 것이다. 본 실시예에서는 제작을 용이하게 하기 위하여 상류 탄성부재 영역(501)과 하류 탄성부재 영역(502)을 물리적으로 분리하여 제작하였다.
이때 상류 탄성부재 영역(501)은 친수성 처리된 탄성소재로 형성하여 해당 영역에서 생성수가 장시간 체류될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 하류 탄성부재 영역(502)은 소수성 탄성소재로 형성하여 해당 영역에서 생성수가 체류하지 않고 바로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라 상대적으로 건조한 단위셀의 상부영역에서 생성수의 체류시간을 늘리고, 상대적으로 습한 단위셀의 하부영역에서 생성수의 체류시간을 줄임으로써 단위셀의 영역별 수분 분포를 균일하게 유지시킬 수 있다.
한편, 탄성부재(500)는 비전도성 탄성소재로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고, 탄성부재(500)는 전술된 바와 같이 친수성 처리된 탄성소재와 소수성 탄성소재를 구분하여 적용하는 것이 바람직하다.
이때, 소수성 탄성소재는 EPDM과 같은 비전도성 탄성소재가 사용될 수 있고, 친수성 처리된 탄성소재로는 EPDM과 같은 소수성 탄성소재의 표면에 HMDSO 고분자 박막 코팅처리를 하여 사용될 수 있을 것이다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 막전극접합체(MEA) 14: 서브 가스켓
20: 기체확산층(GDL) 21: EGA
30: 분리판 조립체 31: 애노드 분리판
32: 랜드 33: 채널
31a: 수소 유입유로 31b: 지지돌기
32: 캐소드 분리판 32a: 공기 유입유로
40: 가스켓 41: 외측 기밀라인
42: 내측 기밀라인 50: 엔드플레이트
100: 막전극전합체(MEA) 110: 전해질막
120: 촉매층 130: 서브가스켓
200: 기체확산층(GDL) 300: 분리판
400: 가스켓 500: 탄성부재
510: 제 1 탄성부재 511: 상부 탄성부재 영역
512: 하부 탄성부재 영역 520: 제 2 탄성부재
521: 상부 탄성부재 영역 522: 하부 탄성부재 영역
501: 상류 탄성부재 영역 502: 하류 탄성부재 영역

Claims (15)

  1. 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓이 적용되는 연료전지의 단위셀에 사용되는 기체확산층 유닛으로서,
    상기 막전극접합체와 서브가스켓의 표면에 배치되는 기체확산층과;
    상기 기체확산층의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 상기 기체확산층과 일체화되면서 상기 서브가스켓과 밀착되는 탄성부재를 포함하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    상기 기체확산층의 양면 중 상기 막전극접합체와 서브가스켓에 접촉되는 일면의 가장자리에 구비되어 상기 서브가스켓에 밀착되는 제 1 탄성부재를 포함하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    상기 기체확산층의 양면 중 타면의 가장자리에 구비되어 단위셀을 구성하는 분리판에 밀착되는 제 2 탄성부재를 더 포함하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 2 탄성부재는 분리판의 폭방향 양측 최외곽 영역에 형성되는 미반응영역에 대응되는 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성부재는 비전도성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성부재는 중력 방향을 기준으로 상대적으로 상부에 배치되는 상부 탄성부재 영역과 상대적으로 하부에 배치되는 하부 탄성부재 영역으로 구분되고,
    상기 상부 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며,
    상기 하부 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 탄성부재는 생성수가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고,
    상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며,
    상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  8. 막전극접합체(MEA)와;
    상기 막전극접합체의 가장자리를 둘러싸서 지지하는 서브가스켓과;
    상기 막전극접합체와 서브가스켓의 양면으로 배치되는 한 쌍의 기체확산층(GDL)과;
    상기 기체확산층의 외측으로 배치되는 한 쌍의 분리판과;
    상기 기체확산층의 가장자리 중 적어도 소정의 영역에 구비되어 상기 기체확산층과 일체화되면서 상기 서브가스켓과 밀착되는 탄성부재를 포함하는 연료전지용 단위셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    상기 기체확산층의 양면 중 상기 막전극접합체와 서브가스켓에 접촉되는 일면의 가장자리에 구비되어 상기 서브가스켓에 밀착되는 제 1 탄성부재를 포함하는 연료전지용 단위셀.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    상기 기체확산층의 양면 중 타면의 가장자리에 구비되어 분리판에 밀착되는 제 2 탄성부재를 더 포함하는 연료전지용 단위셀.
  11. 청구항 10에 있어서,
    중력방향을 기준으로 상기 분리판의 상단부와 하단부에는 반응기체가 반응하지 않는 미반응영역이 형성되고,
    상기 제 2 탄성부재는 분리판에 형성되는 미반응영역에 대응되는 지점에 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀 .
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는 비전도성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 기체확산층 유닛.
  13. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는 중력 방향을 기준으로 상대적으로 상부에 배치되는 상부 탄성부재 영역과 상대적으로 하부에 배치되는 하부 탄성부재 영역으로 구분되고,
    상기 상부 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며,
    상기 하부 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  14. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는 생성수가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고,
    상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며,
    상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  15. 청구항 8에 있어서,
    상기 탄성부재는 반응기체 중 공기가 유동되는 방향을 기준으로 상대적으로 상류지점에 배치되는 상류 탄성부재 영역과 상대적으로 하류지점에 배치되는 하류 탄성부재 영역으로 구분되고,
    상기 상류 탄성부재 영역은 친수성 처리된 탄성소재로 형성되며,
    상기 하류 탄성부재 영역은 소수성 탄성소재로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
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