KR100793636B1 - 연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템 - Google Patents

연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템 Download PDF

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Abstract

연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템이 개시된다. 전해질 막 및 전해질 막의 양면에 각각 형성되는 한 쌍의 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA); 막-전극 접합체를 개재하여 서로 접합되며, 플라스틱 재질로 이루어지는 한 쌍의 플레이트; 및 플레이트와 막-전극 접합체 사이에 개재되는 집전체를 포함하는 연료전지용 유닛 셀은, 플라스틱 재질의 플레이트를 초음파 진동을 이용하여 접합함으로써, 균일한 압력 분포에 의한 기밀성이 보장되어 연료가 새는 리크(Leakage)의 발생을 억제할 수 있고, 소형화 및 박형화를 구현할 수도 있다.
연료전지, 유닛 셀, 스택, 초음파

Description

연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템{Unit cell for fuel cell, method for manufacturing thereof and fuel cell system}
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 유닛 셀을 나타내는 분해사시도.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 유닛 셀이 접합되기 전을 나타내는 단면도.
도 3은 도 2의 유닛 셀이 접합된 후를 나타내는 단면도.
도 4 및 도 5는 유닛 셀의 접합면을 나타내는 단면도.
도 6은 초음파 접합 공정을 나타내는 사시도.
도 7은 접합면의 접합 전과 후를 나타내는 사진.
도 8은 본 발명의 다른 측면에 따른 유닛 셀 제조방법을 나타내는 순서도.
도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 유닛 셀 제조방법을 나타내는 흐름도.
도 10은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료전지를 나타내는 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 막-전극 접합체 112: 막(membrane)
114: 캐소드(cathode) 전극 120: 애노드(anode) 플레이트
130: 캐소드(cathode) 플레이트 141, 142: 집전체
본 발명은 연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템에 관한 것이다.
DMB, 네비게이션(navigation) 기능 등 다양한 기능이 추가되면서 소형 모바일 기기의 소비 전력이 증가하면서, 리튬이온전지의 에너지 밀도 보다 높은 전원 소스에 대한 요구 증가되고 있다.
현재 연료전지는 발전용, 자동차용, 주거용, 모바일용 등으로 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 그 가운데 소형 연료전지는 핸드폰, PDA, 노트북 등에 리튬이온전지의 대안으로 주목을 받고 있다. 이러한 모바일 기기에 사용되는 연료전지에 대해서는 특히 사이즈가 작아야 한다는 요구가 큰 실정이다.
연료전지의 중요부분인 스택(stack)의 경우, 종래기술에 따르면, 흑연 바이폴라 플레이트(graphite bipolar plate) 사이에 가스켓(gasket)과 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 넣고 여러 장 적층한 다음, 양극에 두꺼운 엔드 플레이트(end plate)를 두고 볼트로 체결하는 방식으로 제작된다.
하지만, 이러한 스택 구조는 흑연 바이폴라 플레이트(graphite bipolar plate)의 강도가 약해 두께를 줄이는데 한계가 있을 뿐만 아니라, 두꺼운 엔드 플레이트를 사용해야 하는 문제가 있다. 또한, 볼트로 체결함으로써 체결압이 막-전 극 접합체 전체에 균일하지 못하고 가스켓 사이로 누설(leakage)이 발생될 가능성이 높은 문제가 있다.
뿐만 아니라, 볼트 체결 시 압력이나 토크에 따라 스택의 성능이 상당히 좌우되기 때문에, 대량 생산 시 재현성이나 반복성이 낮을 것으로 우려되는 문제도 있다.
본 발명은 초음파 접합을 통해, 기밀성이 확보되고, 소형화를 구현할 수 있는 연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전해질 막 및 전해질 막의 양면에 각각 형성되는 한 쌍의 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA); 막-전극 접합체를 개재하여 서로 접합되며, 플라스틱 재질로 이루어지는 한 쌍의 플레이트; 및 플레이트와 막-전극 접합체 사이에 개재되는 집전체를 포함하는 연료전지용 유닛 셀을 제공할 수 있다.
플레이트는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 가운데 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있으며, 플레이트는 초음파 진동을 통하여 접합될 수 있다.
막-전극 접합체와 집전체 사이에는 전도성 접착층이 개재될 수 있으며, 플레 이트와 막-전극 접합체 사이에는 누설을 방지하는 가스켓이 개재될 수도 있다.
집전체는 연성 절연층과, 연성 절연층의 일면에 형성되는 전도성 도금층을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이 때 전도성 도금층은 금(Au) 또는 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성될 수도 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 한 쌍의 플레이트 사이에 막-전극 접합체(MEA)가 개재되도록, 한 쌍의 플레이트와 막-전극 접합체를 로딩하는 단계; 플레이트가 서로 접합되도록, 플레이트의 소정의 위치에 초음파 진동을 제공하는 단계를 포함하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법을 제공할 수 있다.
플레이트는 플라스틱 재질로 이루어질 수 있으며, 그 예로 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 등을 제시할 수 있다.
플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에, 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 집전체를 개재할 수 있으며, 막-전극 접합체와 집전체 사이에는 전도성 접착층을 형성할 수도 있다.
또한, 플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에, 플레이트와 막-전극 접합체 사이에 가스켓(gasket)을 개재할 수 있다.
한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성될 수 있으며, 한 쌍의 플레이트 중 어느 하나의 소정의 위치에는, 플레이트로부터 돌출된 형상의 융착선이 형성될 수도 있다. 이러한 융착선은 플레이트의 외주연부를 따라 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유닛 셀; 유닛 셀에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부; 유닛 셀에 공기를 공급하는 공기공급부; 및 유닛 셀과 전기적으로 연결되는 회로부를 포함하되, 유닛 셀은, 전해질 막 및 전해질 막의 양면에 각각 형성되는 한 쌍의 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA); 막-전극 접합체를 개재하여 서로 접합되며, 플라스틱 재질로 이루어지는 한 쌍의 플레이트; 및 플레이트와 막-전극 접합체 사이에 개재되는 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다.
유닛 셀은 복수 개로 형성되어 스택을 구성할 수도 있다.
한편, 플레이트는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 가운데 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있으며, 플레이트는 초음파 진동을 통하여 접합될 수 있다.
막-전극 접합체와 집전체 사이에는 전도성 접착층이 개재될 수 있으며, 플레이트와 막-전극 접합체 사이는 누설을 방지하도록 가스켓이 개재될 수도 있다.
한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성될 수 있다.
또한, 집전체는, 연성 절연층과, 연성 절연층의 일면에 형성되는 전도성 도금층을 포함하여 이루어질 수 있으며, 이러한 전도성 도금층은 금(Au) 또는 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지용 유닛 셀, 그 제조방법 및 연료전지 시스템의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 유닛 셀을 나타내는 분해사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 유닛 셀이 접합되기 전을 나타내는 단면도이며, 도 3은 도 2의 유닛 셀이 접합된 후를 나타내는 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 막-전극 접합체(110), 전해질 막(112), 캐소드 전극(114), 애노드 플레이트(120), 연료채널(122), 캐소드 플레이트(130), 공기채널(132), 집전체(141, 142), 홀(141c, 142c), 가스켓(151, 152)이 도시되어 있다.
막-전극 접합체(110)(Membrane Electrode Assembly, MEA)는 전해질 막(112)과, 전해질 막(112)의 양면에 각각 형성되는 캐소드 전극(114) 및 애노드 전극(미도시)으로 이루어질 수 있다. 이러한 막-전극 접합체(110)는 연료를 촉매와 반응시켜 실질적으로 전기를 발생시키는 기능을 수행한다.
직접메탄올(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 연료전지의 경우를 예로 들어 각 전극에서 일어나는 화학반응을 설명하면 다음과 같다.
<반응식 1> 애노드 전극: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e-
<반응식 2> 캐소드 전극(114): (3/2)O2 + 6H+ + 6e- → 3H2O
<반응식 3> 전체 반응: CH3OH + (3/2)O2 → 2H2O + CO2
이상의 반응을 통하여 전기를 발생시키고, 캐소드 전극(114)에서는 물이 발생된다. 앞서 설명한 바와 같이, 이상의 화학반응은 직접메탄올 연료전지의 경우에 일어나는 것이며, 연료전지의 유형에 따라 각 전극에서 발생하는 화학반응이 다양할 수 있음은 물론이다.
이러한 막-전극 접합체(110)는 한 쌍을 이루는 분리판, 즉 플레이트(120, 130)에 의해 커버될 수 있다. 본 실시예에서는 캐소드 전극(114) 측을 커버하는 분리판을 캐소드 플레이트(130)라 칭하고, 애노드 전극 측을 커버하는 분리판은 애노드 플레이트(120)라 칭하도록 한다.
이러한 애노드 플레이트(120)는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 애노드 플레이트(120)를 플라스틱 재질로 형성함으로써, 소형화 및 경량화를 구현할 수 있다. 이로써, 본 실시예에 따른 유닛 셀이 적층되는 구조인 스택의 단위 부피당 혹은 단위 무게당 많은 출력을 낼 수 있고, 연료전지 시스템 전체의 에너지 밀도(Wh/L 혹은 Wh/kg)를 높일 수도 있다.
한편, 애노드 플레이트(120)에는 연료채널(122)이 형성되어, 막-전극 접합 체(110)의 애노드 전극(미도시)에 연료를 공급할 수 있다.
애노드 플레이트(120)를 플라스틱 재질로 형성하는 경우, 전극에서 발생하는 전하를 집전하는 집전체(141)를 구비할 수 있다. 집전체(141)는 애노드 전극에서 발생하는 전하가 회로부를 거쳐 캐소드 전극(114)으로 이동할 수 있도록 하는 수단이다.
한편, 애노드 플레이트(120)로부터 애노드 전극에 연료가 공급될 수 있도록, 집전체(141)에는 애노드 플레이트(120)에 형성된 연료채널(122)에 상응하는 홀(141c)이 형성될 수 있다.
이러한 집전체(141)는 연성 절연층(141a)과, 연성 절연층(141a)의 일면에 형성되는 전도성 도금층(미도시)으로 이루어질 수 있다. 폴리이미드(PI)와 같은 연성 절연층(141a)을 이용함으로써 본 실시예에 따른 유닛 셀의 박형화 및 회로부(미도시)와의 연결을 효과적으로 구현할 수 있다.
연성 절연층(141a)의 일면에 형성되는 전도성 도금층(미도시)은, 전기 전도성이 우수한 금 또는 구리를 주된 재료로 하여 이루어질 수 있다. 이러한 집전체(141)를 통하여, 애노드 전극에서 발생되는 전하가 회로부를 거쳐 캐소드 전극(114)으로 이동할 수 있게 된다.
한편, 막-전극 접합체(110)의 애노드 전극과 집전체(141) 사이에는 전도성 접착층(미도시)이 개재될 수 있다. 이러한 전도성 접착층(미도시)을 애노드 전극과 집전체(141) 사이에 개재함으로써, 이들 사이의 접촉저항을 줄일 수 있다.
이 외에도, 상술한 구조의 집전체(141) 대신에, 한쪽 면에는 전도성 접착 층(conductive adhesive, 미도시)이 구비되고, 다른 쪽 면에는 전도성 금속막(conductive metal foil)이 구비되는 전도성 접착 금속막(conductive adhesive metal foil)을 이용할 수도 있다.
다른 한편, 애노드 플레이트(120)와 막-전극 접합체(110) 사이에는 연료의 누설을 방지하는 가스켓(151)(gasket)이 개재될 수도 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전극이 전해질 막(112)의 면으로부터 돌출되는 형상을 갖는 경우, 전극과 전해질 막(112)에 의해 단차가 형성될 수 있고, 이러한 단차에 의해, 막-전극 접합체(110)와 애노드 플레이트(120)가 긴밀하게 접속되지 못할 염려가 있기 때문이다. 따라서, 가스켓(151)에는 전극의 형상에 상응하는 오목부 또는 개구부가 형성되는 것이 좋다. 도 1 및 도 2에는 전극의 형상에 상응하는 개구부가 형성된 가스켓(151)이 도시되어 있다.
캐소드 플레이트(130)는 막-전극 접합체(110)의 캐소드 전극(114) 측을 커버하는 분리판으로서, 상술한 애노드 플레이트(120)와 같이 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 캐소드 플레이트(130)에는 공기채널(132)이 형성되어, 막-전극 접합체(110)의 캐소드 전극(114)에 공기를 공급할 수 있다.
캐소드 플레이트(130)를 플라스틱 재질로 형성하는 경우, 별도의 집전체(142)를 구비할 수 있음은 상술한 애노드 플레이트(120)의 경우와 같다. 집전체(142)는 애노드 전극에서 발생하는 전하가 회로부(미도시)를 거쳐 캐소드 전극(114)으로 이동할 수 있도록 하는 수단이다. 이러한 집전체(142)에 대한 설명은 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
뿐만 아니라, 막-전극 접합체(110)의 캐소드 전극(114)과 집전체(142) 사이에도 마찰저항을 감소시키기 위하여 전도성 접착층(미도시)을 개재할 수 있다.
또한, 캐소드 플레이트(130)와 막-전극 접합체(110) 사이에 연료의 누설을 방지하는 가스켓(gasket, 152)을 개재할 수도 있다. 이에 대한 구체적인 설명은, 애노드 전극 및 애노드 플레이트(120)의 경우와 동일하므로 생략하도록 한다.
한편, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)는 서로 초음파 진동을 이용하여 접합될 수 있다. 초음파 진동을 이용한 접합이 효과적으로 이루어질 수 있도록, 캐소드 플레이트(130) 또는 애노드 플레이트(120)에는 날카로운 팁을 가진, 돌출된 형상의 융착선(136)이 형성될 수 있다.
도 6은 초음파 접합 공정을 나타내는 사시도로서, 초음파 접합장치(160a, 160b)를 이용하여 두 개의 판(161, 162)에 초음파 진동을 제공하는 모습을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)를 맞대어 놓고, 초음파 접합장치(160a, 160b)를 이용하여, 융착선(136)이 형성된 위치의 상하에서 초음파 진동을 가하면서 압력을 제공하면, 융착선(136)과 이와 맞닿는 면이 녹아서 서로 접합될 수 있다. 이러한 접합을 통하여 기밀성이 보장되고, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120) 사이의 접합강도 또한 보장될 수 있다.
도 7은 접합면의 접합 전과 후를 나타내는 사진으로서, 도 7을 참조하면, 초음파 진동에 의해 융착선과 그 인접부분이 녹아, 한 쌍의 플레이트가 서로 접합된 모습을 확인할 수 있다.
캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120) 사이의 보다 기밀한 접합을 위하여, 융착선(136)은 캐소드 플레이트(130) 또는 애노드 플레이트(120)의 외주연부를 따라 형성될 수 있다. 융착선이 플레이트의 외주연부를 따라 형성되도록 하고, 이 융착선이 형성된 부분에 초음파 진동을 가하면, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120) 전체에 기밀한 접합을 구현할 수 있게 된다.
또한, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)의 외주연부에는 각각 단턱(124, 134)이 형성되어 서로 맞물리는 구조를 이룰 수 있다. 이러한 단턱(124, 134)에 의해 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)를 접합함에 있어 정렬을 수월하게 할 수 있으며, 접합의 신뢰도 또한 향상시킬 수 있게 된다.
단턱은 도 4에 도시된 바와 같이 한 번 형성될 수도 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 두 번 형성될 수도 있다. 이러한 구조는 설계상의 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
이상에서 본 발명의 일 측면에 따른 연료전지용 유닛 셀의 구조에 대해 설명하였으며, 이하에서는 도 8 및 도 9를 참조하여 본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 유닛 셀의 제조방법에 대해 설명하도록 하며, 설명의 편의를 위해 도 1 내지 도 7 또한 함께 참조하도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 측면에 따른 유닛 셀 제조방법을 나타내는 순서도이고, 도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 유닛 셀 제조방법을 나타내는 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 막-전극 접합체(110), 전해질 막(112), 캐소드 전극(114), 애노드 플레이트(120), 연료채널(122), 캐소드 플레이트(130), 공기채널(132), 집전체(141, 142), 홀(141c, 142c), 가스켓(151, 152)이 도시되어 있다.
먼저, 한 쌍의 플레이트 사이에 막-전극 접합체(MEA)가 개재되도록, 한 쌍의 플레이트와 막-전극 접합체를 로딩한다(S10).
막-전극 접합체(110)는 전해질 막(112)과, 전해질 막(112)의 양면에 각각 형성되는 캐소드 전극(114) 및 애노드 전극(미도시)으로 이루어질 수 있으며, 연료를 촉매와 반응시켜 실질적으로 전기를 발생시키는 기능을 수행한다.
한 쌍의 플레이트(120, 130)는 막-전극 접합체(110)를 커버하는 것으로서, 앞서 설명한 바와 같이, 캐소드 전극(114) 측을 커버하는 분리판을 캐소드 플레이트(130)라 칭하고, 애노드 전극(미도시) 측을 커버하는 분리판은 애노드 플레이트(120)라 칭하도록 한다. 이러한 플레이트에 연료 및 공기의 공급을 위한 연료채널(122)과 공기채널(132)이 형성될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다. 이러한 모습이 도 9의 (a)에 도시되어 있다.
다음으로, 플레이트가 서로 접합되도록 플레이트의 소정의 위치에 초음파 진동을 제공한다(S20). 초음파 진동을 제공함과 아울러 소정의 압력을 함께 공급함으로써 애노드 플레이트(120)와 캐소드 플레이트(130)가 서로 접합시킬 수 있다. 초음파 진동에 의해 플레이트가 서로 접합된 모습이 도 9의 (b)에 도시되어 있다.
초음파 진동을 이용한 접합이 효과적으로 이루어질 수 있도록, 캐소드 플레이트(130) 또는 애노드 플레이트(120)에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 날카로운 팁 을 가진, 돌출된 형상의 융착선(136)이 형성될 수 있다. 또한, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120) 사이의 보다 기밀한 접합을 위하여, 융착선(136)은 캐소드 플레이트(130) 또는 애노드 플레이트(120)의 외주연부를 따라 형성될 수 있다. 이러한 융착선(136)에 대한 설명은 상술한 바와 같으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)의 외주연부에는 각각 단턱(124, 134)이 형성되어 서로 맞물리는 구조를 이룰 수 있다. 이러한 단턱(124, 134)에 의해 캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)를 접합함에 있어 정렬을 수월하게 할 수 있으며, 접합의 신뢰도 또한 향상시킬 수 있게 된다.
캐소드 플레이트(130)와 애노드 플레이트(120)는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK)과 같은 플라스틱 재질로 이루어질 수 있다. 플레이트를 플라스틱 재질로 형성함으로써, 소형화 및 경량화를 구현할 수 있으며, 초음파 진동을 이용한 접합을 함에 있어 소요되는 에너지를 최소화할 수도 있다.
이처럼, 플레이트를 플라스틱 재질로 형성하는 경우, 막-전극 접합체(110)의 전극에서 발생하는 전하를 집전하는 집전체(141, 142)를 구비하도록, 플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에, 플레이트와 막-전극 접합체(110) 사이에 집전체(141, 142)를 개재할 수 있다. 집전체(141, 142)는 애노드 전극(미도시)에서 발생하는 전하가 회로부를 거쳐 캐소드 전극(114)으로 이동할 수 있도록 하는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 집전체(141, 142)에 대한 설명은 상술한 바와 같으므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
또한, 플레이트를 접합하기 전에, 막-전극 접합체(110)와 집전체(141, 142) 사이에 전도성 접착층(미도시)을 개재할 수 있다. 이러한 전도성 접착층(미도시)을 애노드 전극(미도시)과 집전체(141, 142) 사이에 개재함으로써, 이들 사이의 접촉저항을 줄일 수 있다.
다른 한편, 연료의 누설을 방지하기 위하여, 플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에, 플레이트와 막-전극 접합체(110) 사이에 가스켓(gasket, 151, 152)을 개재할 수도 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 전극이 전해질 막(112)의 면으로부터 돌출되는 형상을 갖는 경우, 전극과 전해질 막(112)에 의해 단차가 형성될 수 있고, 이러한 단차에 의해, 막-전극 접합체(110)와 애노드 플레이트(120)가 긴밀하게 접속되지 못할 염려가 있기 때문이다.
이상에서 설명한 연료전지용 유닛 셀을 이용하여, 이를 구비하는 연료전지 시스템을 제공할 수 있다. 도 10은 본 발명의 또 다른 측면에 따른 연료전지를 나타내는 개략도이다. 도 10을 참조하면, 유닛 셀(210), 연료공급부(220), 공기공급부(230), 회로부(240)가 도시되어 있다.
전기를 발생시키기 위하여, 하나의 유닛 셀(210)만을 이용할 수도 있으나, 효율을 높이기 위하여 유닛 셀(210)을 반복적으로 적층한 구조의 스택(미도시)을 이용할 수 있다.
연료공급부(220)는 스택, 즉 유닛 셀에 연료를 공급하고, 공기공급부(220)는 스택에 공기를 공급하는 기능을 수행한다. 회로부(240)는 스택의 집전체와 전기적으로 연결되어, 스택에서 발생하는 전하가 이동할 수 있는 채널로서의 기능을 수행할 수 있다.
본 실시예에 따른 연료전지 시스템에 이용되는 유닛 셀의 구조 및 그 제조방법은 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 초음파 접합을 이용함으로써, 균일한 압력 분포에 의한 기밀성이 보장되어 연료가 새는 리크(Leakage)의 발생을 억제할 수 있고, 소형화 및 박형화를 구현할 수도 있다.

Claims (26)

  1. 전해질 막 및 상기 전해질 막의 양면에 각각 형성되는 한 쌍의 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA);
    상기 막-전극 접합체를 개재하여 서로 접합되며, 플라스틱 재질로 이루어지는 한 쌍의 플레이트; 및
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되는 집전체를 포함하는 연료전지용 유닛 셀.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 가운데 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트는 초음파 진동을 통하여 접합된 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 상기 집전체 사이에 개재되는 전도성 접착층을 더 포함하는 연료전지용 유닛 셀.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되어, 누설을 방지하는 가스켓(gasket)을 더 포함하는 연료전지용 유닛 셀.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 집전체는,
    연성 절연층과, 상기 연성 절연층의 일면에 형성되는 전도성 도금층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 유닛 셀.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전도성 도금층은 금(Au) 또는 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유닛 셀.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀.
  9. 한 쌍의 플레이트 사이에 막-전극 접합체(MEA)가 개재되도록, 상기 한 쌍의 플레이트와 상기 막-전극 접합체를 로딩하는 단계;
    상기 플레이트가 서로 접합되도록, 상기 플레이트의 소정의 위치에 초음파 진동을 제공하는 단계를 포함하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트는 플라스틱 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케 톤(PEEK) 가운데 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에,
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 집전체를 개재하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 상기 집전체 사이에 전도성 접착층을 형성하는 단계를 더 포함하는 유닛 셀 제조방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 플레이트에 초음파 진동을 제공하기 전에,
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에, 가스켓(gasket)을 개재하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 한 쌍의 플레이트 중 어느 하나의 상기 소정의 위치에는, 상기 플레이트로부터 돌출된 형상의 융착선이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 융착선은 상기 플레이트의 외주연부를 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유닛 셀 제조방법.
  18. 유닛 셀;
    상기 유닛 셀에 수소를 포함한 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 유닛 셀에 공기를 공급하는 공기공급부; 및
    상기 유닛 셀과 전기적으로 연결되는 회로부를 포함하되,
    상기 유닛 셀은,
    전해질 막 및 상기 전해질 막의 양면에 각각 형성되는 한 쌍의 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA);
    상기 막-전극 접합체를 개재하여 서로 접합되며, 플라스틱 재질로 이루어지는 한 쌍의 플레이트; 및
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되는 집전체를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 유닛 셀은 복수 개인 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 플레이트는 폴리카보네이트, 아세탈, 아크릴, 폴리에테르에테르케톤(PEEK) 가운데 적어도 하나를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 플레이트는 초음파 진동을 통하여 접합된 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  22. 제18항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체와 상기 집전체 사이에 개재되는 전도성 접착층을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  23. 제18항에 있어서,
    상기 플레이트와 상기 막-전극 접합체 사이에 개재되어, 누설을 방지하는 가스켓(gasket)을 더 포함하는 연료전지 시스템.
  24. 제18항에 있어서,
    상기 한 쌍의 플레이트의 외주연부에는, 서로 맞물리는 단턱이 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  25. 제18항에 있어서,
    상기 집전체는,
    연성 절연층과, 상기 연성 절연층의 일면에 형성되는 전도성 도금층을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
  26. 제18항에 있어서,
    상기 전도성 도금층은 금(Au) 또는 구리(Cu) 중 적어도 하나를 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 시스템.
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