KR101741603B1 - Ultralight fuel cell stack with metallic flow plates - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 어셈블리 및 초경량 연료전지 스택에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인항공기나 휴대용 전원용 동력장치로 사용될 수 있는 초경량 연료전지 어셈블리 및 초경량 연료전지 스택에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 초경략 금속성 양극판을 사용하여 연료전지 스택의 기존의 그라파이트로 양극판(bipolar plate)이 형성된 연료전지에 비해 더욱 가볍고 부피가 작으며, 작은 공간에서 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으며, 외부에 장착된 냉각팬을 제어하여 연료전지의 온도를 제어할 수 있다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell assembly and an ultra light fuel cell stack, and more particularly, to an ultra light fuel cell assembly and an ultra light fuel cell stack which can be used as a power unit for a unmanned airplane or a portable power source.
In accordance with the present invention, it is possible to provide a fuel cell stack that is lighter, less bulky, has a higher energy density in a smaller space, and has an outer diameter smaller than that of a conventional bipolar plate formed of graphite, So that the temperature of the fuel cell can be controlled.

Description

금속 유로판을 가진 초경량 연료전지{Ultralight fuel cell stack with metallic flow plates}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an ultra-

본 발명은 금속 유로판을 가진 초경량 연료전지에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무인항공기나 휴대용 전원용 동력장치로 사용될 수 있는 금속 유로판을 가진 초경량 연료전지에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an ultra light fuel cell having a metal flow path plate, and more particularly, to an ultra light fuel cell having a metal flow path plate which can be used as a power unit for an unmanned airplane or a portable power source.

고분자전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell(SPEFC), solid polymer fuel cell(SPFC), polymer electrolyte fuel cell(PEFC), 또는 proton-exchange membrane fuel cell(PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮은 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 수소 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 그러나 고분자전해질 연료전지는 낮은 온도에서 작동되므로 폐열을 활용할 수 없고 고온에서 작동되는 개질기와 연계하기가 어렵다는 문제점이 있으며 전극촉매로 Pt를 사용하기 때문에 반응기체 내에서의 CO 허용치가 낮고 제조비용을 줄이기 위해서 촉매 함침량을 크게 낮추어야 하는 한다는 어려움이 있다. 또한 전해질로 사용하는 고분자막의 값이 매우 비싸고 운전 중에 고분자막의 수분함량 조절이 어렵다는 단점이 있다.
A polymer electrolyte fuel cell (FEP) is a fuel cell that uses a polymer membrane with hydrogen ion exchange properties as an electrolyte. The fuel cell is a solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), a solid polymer fuel cell (SPFC) fuel cell (PEMFC). A polymer electrolyte fuel cell having a lower operating temperature than other types of fuel cells has a high efficiency, a high current density and a high output density, a short startup time and a fast response characteristic to a load change. Especially, since the polymer membrane is used as the electrolyte, there is no electrolyte loss, and it is possible to apply the hydrogen reformer, which is an established technology, and is less sensitive to the change of the reaction gas pressure. In addition, the design is simple, easy to manufacture, and various materials can be used for the fuel cell body material, and the volume and weight are smaller than those of a phosphoric acid fuel cell having the same principle of operation. In addition to these characteristics, the polymer electrolyte fuel cell can be applied to a wide variety of fields such as power source for non-polluting vehicles, locally installed power generation, space power, mobile power, and military power. However, since the polymer electrolyte fuel cell operates at a low temperature, it can not utilize waste heat and is difficult to be connected with a reformer operated at a high temperature. Since the Pt is used as the electrode catalyst, the CO tolerance in the reaction gas is low, It is difficult to reduce the amount of catalyst impregnated. Also, the polymer membrane used as an electrolyte is very expensive and it is difficult to control the moisture content of the polymer membrane during operation.

고분자전해질 연료전지는 원래 1960 년대에 Gemini 우주선과 같이 특수 목적으로 사용되었으나, 1980 년대 말에 이르러 무공해 차량의 동력원으로 활용될 것이 기대됨에 따라 다시 활기를 찾게 되어 현재 전세계적으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다. 특히 Green Round (기후변화협약)를 통한 CO2의 총량 규제, 저공해 자동차 의무 판매를 통한 자동차 배기가스의 규제 등이 임박해 옴에 따라 각국의 자동차 회사들은 연료전지 자동차와 같은 무공해 자동차의 개발이 급박하게 되었다. 연료전지 자동차는 환경친화성, 연료효율성 및 연료공급 편리성을 겸비한 자동차로서 차세대 자동차 중에서도 가장 실용화의 가능성이 큰 것으로 평가되고 있다. 또한 자동차용 연료전지 시스템이 실용화될 경우 자동차로 인한 환경오염과 에너지 소비문제를 완화시켜 줄 수 있을 뿐만 아니라 건물 및 일부지역의 현지설치형 소규모 발전, 잠수함 및 이동통신 등과 같은 군수용 발전에 곧바로 활용될 수 있다.
Polymer electrolyte fuel cells were originally used for special purposes such as the Gemini spacecraft in the 1960s, but by the end of the 1980s it was expected to be used as a power source for pollution-free vehicles. It is progressing. Especially, the regulation of the total amount of CO2 through the Green Round (Climate Change Convention) and the regulation of the automobile exhaust gas through the compulsory sale of the low pollution automobile have become imminent, and automobile companies of each country have become urgent to develop pollution-free vehicles such as fuel cell cars. Fuel cell vehicles are considered to have the greatest practical potential among next-generation automobiles as they have environmental friendliness, fuel efficiency, and convenience of fuel supply. In addition, if the fuel cell system for automobiles is put into practical use, it can alleviate environmental pollution and energy consumption caused by automobiles, and can be utilized immediately for military power generation such as small-scale power generation in a building or a local area, submarine and mobile communication have.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)의 단위전지는 주로 과불소화 술폰산 고분자(perfluorinated sulfonic acid polymer)인 양성자 전도성 고분자 전해질을 중심으로 하여 연료극(anode)과 공기극(cathode)으로 구성된다. 세부구조는 고분자전해질 막에 촉매층(catalyst layer, CL)이 코팅되어있는 촉매코팅 전해질 막(catalyst coated membrane, CCM), 수소 및 산소가스를 전극촉매에 고루 분산시켜주는 가스확산층(gas diffusion layer, GDL) 및 미세기공층(micro-porous layer, MPL), 고분자 전해질 연료전지(PEFC) 스택(stack)에서 연료극(anode), 공기극(cathode)들을 분리하는 분리판(bipolar plate, BP) 등으로 구성되어 있다.
A unit cell of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is composed of an anode and a cathode mainly composed of a proton conductive polymer electrolyte, which is a perfluorinated sulfonic acid polymer. The detailed structure includes a catalyst coated membrane (CCM) in which a catalyst layer (CL) is coated on a polymer electrolyte membrane, a gas diffusion layer (GDL) for uniformly dispersing hydrogen and oxygen gas in the electrode catalyst, A microporous layer (MPL), a bipolar plate (BP) separating the anode and cathode from the stack of PEFC stacks, and the like. have.

전기화학반응은 고분자전해질 막에서 일어나며, 예를 들어, 연료극에서는 수소가 산화(Hydrogen oxidation reaction, HOR)하여 2개의 수소이온, 2개의 전자가 발생하고 공기극에서는 전해질 막을 통하여 이동되어온 수소이온과 외부회로를 통하여 이동되어온 전자가 산소를 환원시켜 물이 되는 전극 반응에 의하여 전기를 발생시킨다.
The electrochemical reaction takes place in a polymer electrolyte membrane. For example, in a fuel electrode, two hydrogen ions and two electrons are generated by a hydrogen oxidation reaction (HOR), and hydrogen ions, which have been transferred through the electrolyte membrane in the air electrode, The electrons that have been transferred through the electrode generate electricity by an electrode reaction that reduces oxygen to water.

종래기술의 연료전지 스택은 그라파이트(Graphite) 재질의 양극판(bipolar plate)를 사용해서 각각의 단위 셀들을 직렬로 연결하여 하나의 스택(stack)를 만들어야 했다. 그러나 그라파이트(Graphite) 재료의 연료전지 스택의 무게 제약으로 인해서 운용시간에 제약을 받고 있으면, 이를 해결하기 위해서 기존의 연료전지 스택에 비해서 더욱 경량회되면서 높은 에너지 밀도를 가지는 혁신적인 연료전지 스택 개발 기술이 필요하다.
The fuel cell stack of the prior art had to make a stack by connecting each unit cell in series by using a bipolar plate made of a graphite material. However, in order to solve this problem, when the operation time is limited due to the weight restriction of the fuel cell stack of the graphite material, an innovative fuel cell stack development technology having a higher energy density and lighter weight than the conventional fuel cell stack need.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 무인항공기나 휴대전원용 동력장치로 사용 가능한 금속 유로판을 가진 초경량 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.
It is an object of the present invention to provide an ultra light fuel cell having a metal flow path plate that can be used as a power unit for an unmanned airplane or a portable power source.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 경량화된 양극판(bipolar plate)을 적용시켜 연료전지 스택의 운행에 필요한 추가적인 보조설비를 최소화 시키는 금속 유로판을 가진 초경량 연료전지를 제공하는데 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide an ultra light fuel cell having a metal flow path plate that minimizes additional auxiliary equipment necessary for operating a fuel cell stack by applying a lightweight bipolar plate.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명은, 판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되는 음극분리판, 상기 음극분리판과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket), 상기 음극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층, 판형 부재로 일면에 공기공급 유로가 형성되는 양극분리판, 상기 양극분리판과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket), 상기 양극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층, 상기 음극확산층 및 상기 양극확산층의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층을 포함하며, 상기 음극 분리판, 음극 개스킷, 음극확산층, 멤브레인 층, 양극확산층, 양극 개스킷 및 양극 분리판을 관통하여 형성되는 연료가스 이동부를 포함하는 초경량 연료전지 어셈블리를 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a cathode separator having a plate-shaped member and a fuel gas supply passage formed on one surface thereof, A negative electrode diffusion layer formed to face the negative electrode gasket and adapted to transfer the fuel gas, a positive electrode separator having a plate-shaped member and an air supply passage formed on one surface thereof, A cathode gasket formed to face the plate and preventing the fuel gas from flowing out to the outside, a cathode diffusion layer formed to face the anode gasket and configured to transfer oxygen, a cathode diffusion layer formed between the anode diffusion layer and the anode diffusion layer And includes a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction of the fuel gas and a reduction reaction of oxygen occur Provides a lightweight fuel cell assembly comprising a membrane comprising a layer, and the cathode bipolar plate, an anode gasket, the anode diffusion layer, the membrane layer, the anode diffusion layer, the fuel gas moves is formed through the anode gasket, and anode separating plate parts.

상기 음극분리판 및 양극분리판은, 금속이 포함된 섬유질로 형성되며, 기체가 투과되지 않도록 형성될 수 있다.상기 연료가스 이동부는, 유입구가 상기 연료전지 어셈블리의 일단 일측에 형성되며, 배출구는 상기 연료전지 어셈블리의 타단 타측에 형성될 수 있다.The anode separator plate and the anode separator plate may be formed of a metal-containing fiber and may be formed so that gas is not transmitted through the anode separator plate. The fuel gas moving unit may include an inlet port formed at one end of the fuel cell assembly, And may be formed on the other end of the fuel cell assembly.

상기 음극분리판은, 상기 연료가스 공급유로가 음극분리판의 수직방향 및 수평방향으로 형성되며, 상기 유입구로부터 상기 배출구에 연결될 수 있다.In the cathode separator, the fuel gas supply passage may be formed in the vertical direction and the horizontal direction of the cathode separator, and may be connected to the outlet from the inlet.

상기 양극분리판은, 상기 공기공급 유로가 상기 연료가스 공급유로와 수평한 방향으로 형성되며, 상기 양극분리판의 일측에 공기 유입구가 형성되고 타측에 공기 배출구가 형성될 수 있다.The anode separator may be formed such that the air supply passage is formed in a direction parallel to the fuel gas supply passage, an air inlet is formed on one side of the anode separator, and an air outlet is formed on the other side.

상기 음극분리판 및 상기 양극분리판은, 상기 연료가스 공급유로와 공기공급 유로가 동일선상의 위치에 형성될 수 있다.The cathode separator plate and the anode separator plate may be formed at the same position of the fuel gas supply passage and the air supply passage.

상기 양극분리판은, 상기 양극분리판의 일면 및 타면은 볼록부 및 오목부가 번갈아 형성되며, 상기 양극분리판의 일면의 볼록부는 상기 양극분리판의 타면의 오목부와 대응되며, 상기 양극분리판의 일면은 공기공급 유로이며 상기 양극분리판의 타면은 냉각유로일 수 있다.
The positive electrode separator plate has a structure in which convex portions and concave portions are alternately formed on one surface and the other surface of the positive electrode separator plate, the convex portions on one surface of the positive electrode separator plate correspond to the concave portions on the other surface of the positive electrode separator plate, One side of the anode separator may be an air supply channel and the other side of the anode separator may be a cooling channel.

상기 음극분리판은, 상기 연료가스 공급유로의 돌출부가 상기 음극확산층과 접촉하도록 형성될 수 있다.
The cathode separator plate may be formed such that a protruding portion of the fuel gas supply passage is in contact with the cathode diffusion layer.

또한 본 발명은, 판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되는 음극분리판, 상기 음극분리판과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket), 상기 음극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층, 판형 부재로 일면에 공기공급 유로가 형성되는 양극분리판, 상기 양극분리판과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket), 상기 양극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층, 상기 음극확산층 및 상기 양극확산층의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층을 포함하며, 상기 음극 분리판, 음극 개스킷, 음극확산층, 멤브레인 층, 양극확산층, 양극 개스킷 및 양극 분리판을 관통하여 형성되는 연료가스 이동부를 포함하는 초경량 연료전지 어셈블리가 적어도 두 개 이상 적층되어 형성되며, 상기 음극분리판에 산소를 공급함과 동시에 상기 음극분리판을 냉각시키기 위한 냉각팬을 더 포함하는 초경량 연료전지 스택을 제공한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a fuel cell system including a negative electrode plate having a plate-like member and a fuel gas supply passage formed on one surface thereof, 1. A fuel cell comprising: a cathode gasket; a cathode diffusion layer formed to face the cathode gasket, a cathode diffusion layer for transferring the fuel gas; a cathode separator having an air supply passage formed on a surface thereof; A cathode gasket for preventing fuel gas from flowing out to the outside, a cathode diffusion layer formed to face the cathode gasket, a cathode diffusion layer for transferring oxygen, a cathode diffusion layer disposed between the cathode diffusion layer and the anode diffusion layer, A membrane layer comprising a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction of oxygen and a reduction reaction of oxygen occur, Wherein at least two lightweight fuel cell assemblies are stacked on one another and include a fuel gas moving part formed through the anode separator, the cathode gasket, the cathode diffusion layer, the membrane layer, the anode diffusion layer, the anode gasket and the anode separator, And a cooling fan for supplying oxygen to the plate and cooling the cathode separator.

본 발명에 따르면, 초경략 금속성 양극판을 사용하여 연료전지 스택의 기존의 그라파이트로 양극판(bipolar plate)이 형성된 연료전지에 비해 더욱 가볍고 부피가 작으며, 작은 공간에서 높은 에너지 밀도를 가질 수 있으며, 외부에 장착된 냉각팬을 제어하여 연료전지의 온도를 제어할 수 있다.
In accordance with the present invention, it is possible to provide a fuel cell stack that is lighter, less bulky, has a higher energy density in a smaller space, and has an outer diameter smaller than that of a conventional bipolar plate formed of graphite, So that the temperature of the fuel cell can be controlled.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 조립도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 양극분리판의 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 양극분리판의 확대도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 음극분리판의 정면도이다.
도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 양극분리판의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 일부를 간략화한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 스택의 조립도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 스택의 사시도이다.1 is an assembled view of an ultra light fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
2 is a front view of a cathode separator of an ultra lightweight fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
3 is an enlarged view of a cathode separator of an ultra light fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
4 is a front view of a cathode separator of an ultra lightweight fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
5 is a side view of a cathode separator of an ultra light fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
6 is a simplified side view of a portion of an ultra light fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.
7 is an assembled view of an ultra light fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
8 is a perspective view of an ultra light fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 초경량 연료전지 어셈블리 및 초경량 연료전지 스택에 대해 상세하게 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
Hereinafter, an ultra light fuel cell assembly and an ultra light fuel cell stack according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The structure and operation of the present invention shown in the drawings and described by the drawings are described as at least one embodiment, and the technical ideas and the core structure and operation of the present invention are not limited thereby.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당해 기술분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.
Although the terms used in the present invention have been selected in consideration of the functions of the present invention, it is possible to use general terms that are currently widely used, but this may vary depending on the intention or custom of a person skilled in the art or the emergence of new technology. Also, in certain cases, there may be a term selected arbitrarily by the applicant, in which case the meaning thereof will be described in detail in the description of the corresponding invention. Therefore, it is to be understood that the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term rather than the name of the term, and on the contents of the present invention throughout.

또한, 연료전지 어셈블리(assembly)은 연료전지의 단위 셀(cell)을 의미하는 것으로, 연료전지 어셈블리를 다수 결합하여 연료전지 스택(stack)이 형성되는 것으로, 이는 연료전지의 하위개념임을 밝혀두고자 한다.
Also, the fuel cell assembly means a unit cell of a fuel cell, and a fuel cell stack is formed by combining a plurality of fuel cell assemblies, which is a sub-concept of the fuel cell. do.

본 발명은, 판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되는 음극분리판, 상기 음극분리판과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket), 상기 음극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층, 판형 부재로 일면에 공기공급 유로가 형성되는 양극분리판, 상기 양극분리판과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket), 상기 양극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층, 상기 음극확산층 및 상기 양극확산층의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층을 포함하며, 상기 음극 분리판, 음극 개스킷, 음극확산층, 멤브레인 층, 양극확산층, 양극 개스킷 및 양극 분리판을 관통하여 형성되는 연료가스 이동부를 포함하는 초경량 연료전지 어셈블리를 제공한다.
The present invention relates to a fuel cell system comprising a cathode separator plate having a plate-shaped member and a fuel gas supply passage formed on one surface thereof, a cathode electrode formed to face the anode separator plate, A negative electrode diffusion layer formed to face the negative electrode gasket, a negative electrode diffusion layer for transmitting the fuel gas, a positive electrode separator plate having an air supply passage formed on a surface thereof by a plate member, A cathode gasket for preventing gas from flowing out to the outside, a cathode diffusion layer formed to face the cathode gasket, a cathode diffusion layer for transferring oxygen, a cathode diffusion layer and a cathode diffusion layer, And a membrane layer comprising a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction and a reduction reaction of oxygen occur, Separating plate, a cathode gasket, a cathode diffusion layer, and provides a lightweight fuel cell assembly comprising a membrane layer, a cathode diffusion layer, the fuel gas moves is formed through the anode gasket, and anode separating plate parts.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초경량 연료전지 어셈블리를 더욱 상세하게 설명한다.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, an ultra light fuel cell assembly according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리의 조립도이다.1 is an assembled view of an ultra light fuel cell assembly according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 어셈블리(10)는 음극 분리판(100), 음극 개스킷(200), 음극확산층(300), 멤브레인 층(400), 양극확산층(500), 양극 개스킷(600) 및 양극 분리판(700)을 포함할 수 있다.1, an ultra light fuel cell assembly 10 according to an embodiment of the present invention includes a cathode separator 100, a cathode gasket 200, a cathode diffusion layer 300, a membrane layer 400, a cathode diffusion layer 500, an anode gasket 600, and a bipolar plate 700.

도 2 및 도 3을 추가적으로 참조하면, 음극 분리판(100)은 판형 부재로 형성될 수 있으며, 일면에 연료가스 공급유로(110)가 형성된다. 음극 분리판(100)은 연료가스 이동부(110)을 포함하며, 상기 연료가스 이동부(110)는 음극 분리판(100)의 상부 일측에 형성된 유입구(120a) 및 음극 분리판(100)의 하부 타측에 형성된 배출구(120b)로 구성된다. 이때, 상기 연료가스(예를 들어, 수소)는 유입구(120a)로 유입되어 연료가스 공급유로(110)를 통해 이동하며 배출구(120b)로 배출될 수 있다. 상기 연료가스 공급유로(110)는 음극분리판(100)의 수직방향 및 수평방향으로 형성되며, 이와 같은 구성은 상기 연료가스가 음극확산층(300)과 최대한 오래 접촉될 수 있도록 한다. 2 and 3, the cathode separator plate 100 may be formed of a plate-like member, and a fuel gas supply passage 110 is formed on one surface thereof. The cathode separator 100 includes a fuel gas moving unit 110 and the fuel gas moving unit 110 includes an inlet 120a and a cathode separator 100 formed on one side of the cathode separator 100, And an outlet 120b formed on the other side of the lower portion. At this time, the fuel gas (for example, hydrogen) may flow into the inlet 120a, move through the fuel gas supply passage 110, and be discharged to the outlet 120b. The fuel gas supply passage 110 is formed in the vertical direction and the horizontal direction of the cathode separator plate 100. This configuration allows the fuel gas to be in contact with the cathode diffusion layer 300 for as long as possible.

기존의 음극 분리판(100)은 그라파이트(Graphite)를 사용하여 제작되었으나, 본 발명은 상기 그라파이트(Graphite)를 대체하고자, 초경량의 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 대체하였으며, 이는 금속이 포함된 섬유질일 수 있으며, 특히 기체의 투과성이 낮은 재료로 형성될 수 있다. The conventional negative electrode separator plate 100 is manufactured using graphite. However, in order to replace the graphite, the present invention has been replaced by a light bipolar plate. And may be formed of a material having low gas permeability.

상기와 같은 음극 분리판(100)의 구성은 내열성 및 강도가 더욱 보강되어 열 수축이 작고 고내열성 및 고강도 특성을 지니며, 매우 단순하고 간편한 공정으로 제조 가능하다.
The structure of the cathode separator plate 100 as described above is further improved in heat resistance and strength to have small heat shrinkage, high heat resistance and high strength characteristics, and can be manufactured by a very simple and simple process.

음극 개스킷(200)은 음극 분리판(100)과 음극확산층(300)사이에 형성되어, 유입구(120a), 배출구(120b) 및 연료가스 공급유로(110)에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 밀봉부재로, 유체에 침해되지 않음과 동시에　압력　및 온도에 대하여 탄성, 유연성을 가져야 하며, 강도를 잃지 않는 치밀한 재질이 사용될 수 있다. 또한, 연료가스 공급유로(110)의 돌출부(111)는 수소입자로부터 전자를 끌어내기 용이하도록 구성하기 위해 음극확산층(300)에 접촉될 수 있도록 형성되는 것이 바람직하다. The cathode gasket 200 is formed between the cathode separator 100 and the cathode diffusion layer 300 so that the fuel gas flowing into the inlet 120a, the outlet 120b and the fuel gas supply passage 110 flows out It is necessary to have elasticity and flexibility against pressure and temperature as well as being not infiltrated by fluid, and a dense material which does not lose strength can be used. The projecting portion 111 of the fuel gas supply passage 110 is preferably formed so as to be able to contact the cathode diffusion layer 300 in order to facilitate the drawing of electrons from the hydrogen particles.

음극확산층(300), 멤브레인 층(400) 및 양극확산층(500)은 양극 개스킷(600) 및 양극 분리판(700)을 설명한 후에 더욱 상세하게 설명한다.The cathode diffusion layer 300, the membrane layer 400 and the anode diffusion layer 500 will be described in more detail after the explanation of the anode gasket 600 and the anode separator 700.

도 4 및 도 5를 추가적으로 참조하면, 양극 분리판(700)은 사각형의 판형 부재로 일면에 공기공급 유로(710)가 형성된다. 양극 분리판(700)의 형상은 음극 분리판(100)과 유사하게 연료가스 공급유로(110)를 포함하며, 상기 연료가스 이동부(120)는 양극 분리판(700)의 상부 일측에 형성된 유입구(120a) 및 양극 분리판(700)의 하부 타측에 형성된 배출구(120b)로 구성된다. 상기 연료가스 이동부(120)는 연료가스가 연료가스 공급유로(110)로 이동시키기 위한 구성일 수 있다.4 and 5, the anode separator plate 700 is a rectangular plate-shaped member and an air supply passage 710 is formed on one side. The anode separator 700 has a shape similar to that of the anode separator 100 and includes a fuel gas supply passage 110. The fuel gas moving part 120 includes an inlet port And a discharge port 120b formed on the other side of the lower portion of the anode separator plate 700. [ The fuel gas moving unit 120 may be configured to move the fuel gas to the fuel gas supply passage 110.

양극 분리판(700)의 일면은 공기공급 유로(710)가 형성되어 있으며, 양극 분리판(700)의 타면은 초경량 연료전지 어셈블리(10)의 냉각을 위한 냉각유로(720)가 형성된다. 상기 양극분리판(700)의 일면 및 타면은 볼록부 및 오목부가 번갈아 형성되며, 상기 양극분리판(700)의 일면의 볼록부는 상기 양극분리판(700)의 타면의 오목부와 대응되며, 상기 양극분리판의 일면은 공기공급 유로(710)이며 상기 양극분리판의 타면은 냉각유로(720)로 형성된다.One side of the anode separator 700 is formed with an air supply passage 710 and the other side of the anode separator 700 is formed with a cooling channel 720 for cooling the ultra lightweight fuel cell assembly 10. One surface and the other surface of the anode separator 700 are alternately formed with convex portions and concave portions. The convex portion of one surface of the separator plate 700 corresponds to the concave portion of the other surface of the separator plate 700, One surface of the anode separator is an air supply passage 710 and the other surface of the anode separator is formed of a cooling passage 720.

이에 따라, 초경량 연료전지 어셈블리(10)의 외부서 유입된 공기는 공기공급 유로(710) 및 냉각유로(720)로 동시에 유입될 수 있도록 구성된다. 또한, 상기 공기공급 유로(710) 및 냉각유로(720)는 연료가스 공급유로(110)와 연결되지 않도록 연료가스 공급유로(110)와 평행하게 양극 분리판(700)의 가로방향으로 형성된다. 상기와 같은 구성은 공기공급 유로(710)로 유입되는 공기의 저항을 감소시켜 연료전지의 효율을 증가시킬 수 있다. 그리고 또한, 외부 공기가 공기공급 유로(710) 및 냉각유로(720)로 동시에 유입되어 공기공급과 동시에 양극 분리판(700)의 냉각이 가능하다. Accordingly, the air introduced from the outside of the ultra light fuel cell assembly 10 can be simultaneously introduced into the air supply passage 710 and the cooling passage 720. The air supply passage 710 and the cooling passage 720 are formed in the lateral direction of the anode separator plate 700 in parallel with the fuel gas supply passage 110 so as not to be connected to the fuel gas supply passage 110. Such a configuration can reduce the resistance of the air flowing into the air supply passage 710 and increase the efficiency of the fuel cell. Further, outside air is simultaneously introduced into the air supply passage 710 and the cooling passage 720, and the anode separator plate 700 can be cooled simultaneously with the air supply.

또한, 상기 양극 분리판(700)은 음극 분리판(100)과 마찬가지로 그라파이트(Graphite)를 대체하고자, 초경량의 바이폴라 플레이트(bipolar plate)로 대체하였으며, 이는 금속이 포함된 섬유질일 수 있으며, 특히 기체의 투과성이 낮은 재료로 형성될 수 있다.
The anode separator 700 is replaced with a light bipolar plate to replace the graphite in the same manner as the cathode separator 100. The cathode separator 700 may be a fiber containing a metal, May be formed of a material having low permeability.

상기와 같은 양극 분리판(700)의 구성은 내열성 및 강도가 더욱 보강되어 열 수축이 작고 고내열성 및 고강도 특성을 지니며, 매우 단순하고 간편한 공정으로 제조 가능하다.The structure of the cathode separator 700 as described above can be manufactured by a very simple and simple process having heat resistance and strength further strengthened, small heat shrinkage, high heat resistance and high strength characteristics.

양극 분리판(700)의 연료가스 공급유로(110)가 형성된 면에 상기 연료가스 공급유로(110)로 이동하는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(600)이 형성된다. 양극 개스킷(600)은 연료가스 공급유로(110)에 흐르는 상기 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하는 밀봉부재로, 유체에 침해되지 않음과 동시에　압력　및 온도에 대하여 탄성, 유연성을 가져야 하며, 강도를 잃지 않는 치밀한 재질이 사용될 수 있다.The anode gasket 600 is formed on the surface of the anode separator 700 on which the fuel gas supply passage 110 is formed to prevent the fuel gas moving to the fuel gas supply passage 110 from flowing out. The anode gasket 600 is a sealing member for preventing the fuel gas flowing in the fuel gas supply passage 110 from flowing out to the outside. The anode gasket 600 must not be infiltrated by the fluid, but must have elasticity and flexibility with respect to pressure and temperature. A dense material can be used.

도 6을 추가적으로 참조하면, 음극확산층(300), 멤브레인 층(400) 및 양극확산층(500)은 음극 분리판(100) 및 양극 분리판(700) 사이에 차례로 적층되어 형성된다. 6, the cathode diffusion layer 300, the membrane layer 400, and the anode diffusion layer 500 are sequentially stacked between the cathode separator 100 and the anode separator 700.

음극확산층(300) 및 양극확산층(500)은 멤브레인 층(400)으로 연료가스 및 산화제를 확산시켜 멤브레인 층(400)으로 연료가스 및 산화제가 쉽게 접근할 수 있는 역할을 한다. 상기 음극확산층(300) 및 양극확산층(500)로는 도전성 기재를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로 탄소 페이퍼(carbon paper), 탄소 천(carbon cloth), 탄소 펠트(carbonfelt) 또는 금속천(섬유 상태의 금속천으로 구성된 다공성의 필름 또는 고분자 섬유로 형성된 천의 표면에 금속필름이 형성된 것을 말함)이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The cathode diffusion layer 300 and the anode diffusion layer 500 diffuse the fuel gas and the oxidant into the membrane layer 400 to facilitate the access of the fuel gas and the oxidant to the membrane layer 400. As the cathode diffusion layer 300 and the anode diffusion layer 500, a conductive substrate may be used. As a representative example thereof, a metal film is formed on the surface of a cloth formed of a porous film or polymer fiber composed of carbon paper, carbon cloth, carbon felt, or metal cloth ) May be used, but the present invention is not limited thereto.

또한 상기 음극확산층(300) 및 양극확산층(500)은 불소 계열 수지로 발수 처리한 것을 사용하는 것이 연료 전지의 구동시 발생되는 물에 의하여 반응물 확산 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있어 바람직하다. 상기 불소 계열 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드, 폴리헥사플루오로프로필렌, 폴리퍼플루오로알킬비닐에테르, 폴리퍼플루오로술포닐플루오라이드알콕시비닐 에테르, 플루오리네이티드 에틸렌 프로필렌(Fluorinated ethylenepropylene), 폴리클로로트리플루오로에틸렌 또는 이들의 코폴리머를 사용할 수 있다.The negative electrode diffusion layer 300 and the positive electrode diffusion layer 500 are preferably water repellent with a fluorine-based resin because it is possible to prevent the reactant diffusion efficiency from being lowered due to water generated when the fuel cell is driven. Examples of the fluorine-based resin include polytetrafluoroethylene, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, polyperfluoroalkyl vinyl ether, polyperfluorosulfonyl fluoride alkoxyvinyl ether, fluorinated ethylene propylene ( Fluorinated ethylenepropylene), polychlorotrifluoroethylene, or copolymers thereof.

상기 멤브레인 층(400)은 CCM(Catalyst Coated Membrane)일 수 있으며, 상기 음극확산층(300)과 양극확산층(500) 사이에 형성되고, 상기 수소의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 부분이다. The membrane layer 400 may be a catalyst coated membrane (CCM), and is formed between the cathode diffusion layer 300 and the anode diffusion layer 500, and is a part where the oxidation reaction of hydrogen and the reduction reaction of oxygen occur.

상기 멤브레인 층(400)은 수소 이온 전도성이 우수한 고분자를 사용할 수 있다. 그 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다.The membrane layer 400 may be formed of a polymer having excellent hydrogen ion conductivity. As a typical example thereof, any polymer resin having a cation-exchange group selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group and a derivative thereof in the side chain can be used.

바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(mphenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸), 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있다.Preferable examples include fluorine-based polymers, benzimidazole-based polymers, polyimide-based polymers, polyetherimide-based polymers, polyphenylene sulfide-based polymers, polysulfone-based polymers, polyether sulfone-based polymers, polyether ketone- - ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and copolymers thereof. More preferred are hydrogen-ion conductive polymers such as poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarbons Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, dehydrofluorinated sulfated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'- A proton conductive polymer selected from the group consisting of poly (2,2 '- (mphenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) It can be used.

또한, 이러한 수소 이온 전도성 고분자의 수소 이온 전도성기에서 H를 Na, K, Li, Cs 또는 테트라부틸암모늄으로 치환할 수도 있다. 측쇄 말단의 이온 교환기에서 H를 Na으로 치환하는 경우에는 촉매 조성물 제조시 NaOH를, 테트라부틸암모늄을 사용하는 경우에는 테트라부틸암모늄 하이드록사이드를 사용하여 치환하며, K, Li 또는 Cs도 적절한 화합물을 사용하여 치환할 수 있다. 이 치환 방법은 당해 분야에 널리 알려진 내용이므로 본 명세서에서 자세한 설명은 생략하기로 한다.Further, H may be replaced with Na, K, Li, Cs or tetrabutylammonium in the proton conductive group of the proton conductive polymer. In the case of replacing H with Na in the ion exchange group at the side chain terminal, NaOH is used in the preparation of the catalyst composition and tetrabutylammonium hydroxide is used in the case of using tetrabutylammonium. K, Li or Cs is also appropriately substituted . ≪ / RTI > Since this substitution method is well known in the art, a detailed description thereof will be omitted in this specification.

또한, 상기 멤브레인 층(400)은 촉매층(Catalyst Layer)을 포함할 수 있으며, 상기 촉매층(미도시)은 관련 반응(연료의 산화 및 산화제의 환원)을 촉매적으로 도와주는 촉매를 포함한다.In addition, the membrane layer 400 may include a catalyst layer, and the catalyst layer (not shown) may include a catalyst that catalyzes the reaction (oxidation of the fuel and reduction of the oxidant).

상기 촉매로는 연료 전지의 반응에 참여하여, 촉매로 사용 가능한 것은 어떠한 것도 사용할 수 있으며, 그 대표적인 예로 백금계 촉매를 사용할 수 있다. 상기 백금계 촉매로는 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금, 백금-M 합금(M은 Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 전이 금속) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 Pt, Pt/Ru, Pt/W, Pt/Ni, Pt/Sn, Pt/Mo, Pt/Pd, Pt/Fe, Pt/Cr, Pt/Co, Pt/Ru/W, Pt/Ru/Mo, Pt/Ru/V, Pt/Fe/Co, Pt/Ru/Rh/Ni, Pt/Ru/Sn/W, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.As the catalyst, any catalyst which can be used as a catalyst in the reaction of the fuel cell can be used. As a typical example thereof, a platinum catalyst can be used. As the platinum-based catalyst, platinum, ruthenium, osmium, platinum-ruthenium alloy, platinum-osmium alloy, platinum-palladium alloy, platinum-M alloy (M is Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, A transition metal selected from the group consisting of Cu, Zn, Sn, Mo, W, Rh, and combinations thereof), and combinations thereof, more preferably Pt, Pt / Ru, Pt / Co, Pt / Ru / W, Pt / Ru / Mo, Pt / Ru / V, Pt / W, Pt / Ni, Pt / Sn, Pt / Pt / Fe / Co, Pt / Ru / Rh / Ni, Pt / Ru / Sn / W and combinations thereof.

또한 이러한 금속 촉매는 금속 촉매 자체(black)로 사용할 수도 있고, 담체에 담지시켜 사용할 수 도 있다. 이 담체로는 흑연, 덴카 블랙, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 볼 또는 활성 탄소 등의 탄소계 물질을 사용할 수도 있고, 또는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아 등의 무기물 미립자를 사용할 수도 있으나, 일반적으로 탄소계 물질이 사용되고 있다.The metal catalyst may be used as a metal catalyst (black) or may be supported on a carrier. Examples of the carrier include carbonaceous materials such as graphite, denka black, ketjen black, acetylene black, carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon nanowires, carbon nanoballs, or activated carbon, or alumina, silica, zirconia, Titania, or the like may be used, but carbon-based materials are generally used.

상기 촉매층(미도시)은 또한 촉매층의 접착력 향상 및 수소 이온의 전달을 위하여 바인더 수지를 더 포함할 수 있다.The catalyst layer (not shown) may further include a binder resin for improving adhesion of the catalyst layer and transferring hydrogen ions.

상기 바인더 수지로는 수소 이온 전도성을 갖는 고분자 수지를 사용하는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 측쇄에 술폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체로 이루어진 군에서 선택되는 양이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지는 모두 사용할 수 있다. 바람직하게는 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌술파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자, 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 사용할 수 있고, 보다 바람직하게는 폴리(퍼플루오로술폰산), 폴리(퍼플루오로카르복실산), 술폰산기를 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르의 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤, 폴리(2,2'-m-페닐렌)-5,5'-바이벤즈이미다졸(poly(2,2'-(m-phenylene)-5,5'-bibenzimidazole), 폴리(2,5-벤즈이미다졸) 및 이들의 공중합체로 이루어진 군에서 선택되는 수소 이온 전도성 고분자를 포함하는 것을 사용할 수 있다.As the binder resin, it is preferable to use a polymer resin having hydrogen ion conductivity. More preferably, a cation exchanger selected from the group consisting of a sulfonic acid group, a carboxylic acid group, a phosphoric acid group, a phosphonic acid group, Any polymer resin may be used. Preferable examples include fluorine-based polymers, benzimidazole polymers, polyimide polymers, polyetherimide polymers, polyphenylene sulfide polymers, polysulfone polymers, polyether sulfone polymers, - ether ketone-based polymers, polyphenylquinoxaline-based polymers, and copolymers thereof. More preferred are hydrogen-ion conductive polymers such as poly (perfluorosulfonic acid), poly (perfluorocarbons Copolymers of tetrafluoroethylene and fluorovinyl ethers containing sulfonic acid groups, dehydrofluorinated sulfated polyether ketones, aryl ketones, poly (2,2'-m-phenylene) -5,5'- Wherein the polymer is selected from the group consisting of poly (2,2'- (m-phenylene) -5,5'-bibenzimidazole), poly (2,5-benzimidazole) Polymer It can be used to include.

상기 바인더 수지는 단일물 또는 혼합물 형태로 사용가능하며, 또한 선택적으로 고분자 전해질 막과의 접착력을 보다 향상시킬 목적으로 비전도성 화합물과 함께 사용될 수도 있다. 그 사용량은 사용 목적에 적합하도록 조절하여 사용하는 것이 바람직하다.The binder resin may be used singly or in the form of a mixture, and may optionally be used together with a nonconductive compound for the purpose of further improving the adhesion to the polymer electrolyte membrane. It is preferable to adjust the amount thereof to suit the purpose of use.

상기 비전도성 화합물로는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 테트라 플루오로에틸렌-헥사플루오르프로필렌 공중합체(FEP), 테트라플루오로에틸렌-퍼플루오로 알킬비닐에테르 공중합체(PFA), 에틸렌/테트라플루오로에틸렌(ethylene/tetrafluoroethylene(ETFE)), 에틸렌클로로트리플루오로-에틸렌 공중합체(ECTFE), 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌의 코폴리머(PVdF-HFP), 도데실벤젠술폰산, 소르비톨(Sorbitol) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것이 보다 바람직하다.
Examples of the nonconductive compound include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), ethylene / tetrafluoro (PVdF-HFP), dodecyltrimethoxysilane (DMSO), ethylene tetrafluoroethylene (ETFE), ethylene chlorotrifluoroethylene copolymer (ECTFE), polyvinylidene fluoride, polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer Silbenzenesulfonic acid, sorbitol, and a combination thereof.

또한, 상기, 음극확산층(300), 멤브레인 층(400) 및 양극확산층(500)과 접촉되는 음극 분리판(100) 및 양극 분리판(700)은 연료가스 공급유로(110)와 공기공급 유로(710)이 동일선상의 위치에 정렬된다. 이는 연료가스와 산소의 반응 효율을 더욱 증가시킬 수 있다.
The cathode separator plate 100 and the anode separator plate 700 which are in contact with the cathode diffusion layer 300, the membrane layer 400 and the anode diffusion layer 500 are connected to the fuel gas supply passage 110 and the air supply passage 710 are aligned in a collinear position. This can further increase the reaction efficiency of the fuel gas and oxygen.

본 발명은, 판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되는 음극분리판, 상기 음극분리판과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket), 상기 음극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층, 판형 부재로 일면에 공기공급 유로가 형성되는 양극분리판, 상기 양극분리판과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket), 상기 양극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층, 상기 음극확산층 및 상기 양극확산층의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층;을 포함하며, 상기 음극분리판, 음극 개스킷, 음극확산층, 양극분리판, 양극 개스킷, 멤브레인 층은 연료가스 이동부를 포함하는 초경량 연료전지 어셈블리가 적어도 두 개 이상 적층되어 형성되며, 상기 음극분리판에 산소를 공급함과 동시에 상기 음극분리판을 냉각시키기 위한 냉각팬을 더 포함하는 초경량 연료전지 스택을 제안한다.
The present invention relates to a fuel cell system comprising a cathode separator plate having a plate-shaped member and a fuel gas supply passage formed on one surface thereof, a cathode electrode formed to face the anode separator plate, A negative electrode diffusion layer formed to face the negative electrode gasket, a negative electrode diffusion layer for transmitting the fuel gas, a positive electrode separator plate having an air supply passage formed on a surface thereof by a plate member, A cathode gasket for preventing gas from flowing out to the outside, a cathode diffusion layer formed to face the cathode gasket, a cathode diffusion layer for transferring oxygen, a cathode diffusion layer and a cathode diffusion layer, And a membrane layer including a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction and a reduction reaction of oxygen occur, At least two super lightweight fuel cell assemblies including a fuel cell, a pole separator, a cathode gasket, a cathode diffusion layer, a cathode separator, an anode gasket, and a membrane layer are stacked, And a cooling fan for cooling the negative electrode separator.

이하, 도 7 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 스택을 더욱 상세하게 설명한다.
Hereinafter, an ultra light fuel cell stack according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. 7 to 8. FIG.

도 7 은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 스택의 조립도이며, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 초경량 연료전지 스택의 사시도이다.FIG. 7 is an assembled view of an ultra light fuel cell stack according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a perspective view of an ultra light fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.

도 7 및 도 8을 참조하면, 초경량 연료전지 스택(20)은 내부 구성요소로 판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로(110)가 형성되는 음극분리판(100), 상기 음극분리판(100)과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket, 200), 상기 음극 개스킷(200)과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층(300), 판형 부재로 일면에 공기공급 유로(710)가 형성되는 양극분리판(700), 상기 양극분리판(700)과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket, 600), 상기 양극 개스킷(600)과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층(500), 상기 음극확산층(100) 및 상기 양극확산층(500)의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층(400);을 포함하며, 상기 음극 분리판(100), 음극 개스킷(200), 음극확산층(300), 멤브레인 층(400), 양극확산층(500), 양극 개스킷(600) 및 양극 분리판(700)은 연료가스 공급유로(110)가 형성된 초경량 연료전지 어셈블리(10)를 적어도 두 개 이상 연결시킨 형태이다. 상기 초경량 연료전지 어셈블리(10)에 관한 설명은 전술하였으므로, 상세한 설명은 생략하도록 한다.7 and 8, the light-weight fuel cell stack 20 includes a cathode separator 100, a cathode separator 100, a fuel gas supply passage 110, A cathode gasket 200 formed to face the cathode gasket 200 to prevent the fuel gas flowing into the fuel gas supply channel from flowing out to the outside, A cathode diffusion layer 300 for supplying the fuel gas to the outside and a cathode diffusion layer 700 for forming an air supply channel 710 on one side of the anode diffusion layer 700, A cathode diffusion layer 500 formed to face the cathode gasket 600 and configured to transfer oxygen and a cathode diffusion layer 500 formed between the anode diffusion layer 100 and the anode diffusion layer 500, Of the fuel gas A cathode gasket 200, a cathode diffusion layer 300, a membrane layer 400, and a membrane layer 400 including a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction and a reduction reaction of oxygen occur, The anode diffusion layer 500, the anode gasket 600 and the anode separator 700 are formed by connecting at least two lightweight fuel cell assemblies 10 in which the fuel gas supply passages 110 are formed. Since the description of the light weight fuel cell assembly 10 has been described above, a detailed description thereof will be omitted.

초경량 연료전지 스택(20)은 초경량 연료전지 어셈블리(10)를 다수 연결하여 모듈화 시키는 고정부재(800) 및 상기 고정부재(800)에 고정되어 각각의 초경량 연료전지 어셈블리(10) 내부의 공기공급 유로(710) 및 냉각유로(720)에 공기를 공급하기 위한 냉각팬(900)을 더 포함하여 형성된다. The light weight fuel cell stack 20 includes a fixing member 800 for modularizing a plurality of lightweight fuel cell assemblies 10 and a fixing member 800 for fixing the lightweight fuel cell assemblies 10, And a cooling fan 900 for supplying air to the cooling channel 710 and the cooling channel 720.

상기 냉각팬(900)은 공기가 공기공급 유로(710) 및 냉각유로(720)로 유입되는 유량을 제어할 수 있으며, 이를 통해 초경량 연료전지 스택(20)의 효율을 더욱 증가시킬 수 있으며, 기존의 그라파이트로 양극판(bipolar plate)이 형성된 연료전지에 비해 더욱 가볍고 부피가 작으며, 작은 공간에서 높은 에너지 밀도를 가질 수 있다. 또한, 음극분리판(100) 및 양극 분리판(700)은 압착의 방법으로 쉽게 생산이 가능하며 조립이 쉬워 무인 항공기나 휴대용 전원공급용으로 사용이 가능하다.
The cooling fan 900 can control the flow rate of air flowing into the air supply path 710 and the cooling path 720. The efficiency of the ultra light fuel cell stack 20 can be further increased, The graphite is lighter, smaller in volume, and higher in energy density than a fuel cell having a bipolar plate. Also, the cathode separator 100 and the anode separator 700 can be easily manufactured by a compression method and are easy to assemble, so that they can be used for an unmanned airplane or a portable power supply.

10: 초경량 연료전지 어셈블리
20: 초경량 연료전지 스택
100: 음극분리판
110: 연료가스 공급유로
120: 연료가스 이동부
200: 음극 개스킷(gasket)
300: 음극확산층
400: 멤브레인 층
500: 양극확산층
600: 양극 개스킷(gasket)
700: 양극분리판
710: 공기공급 유로
720: 냉각유로
800: 고정부재
900: 냉각팬10: Ultra light fuel cell assembly
20: Ultra light fuel cell stack
100: cathode separator plate
110: fuel gas supply passage
120: fuel gas moving part
200: cathode gasket
300: cathode diffusion layer
400: Membrane layer
500: positive electrode diffusion layer
600: anode gasket
700: anode separator plate
710: Air supply line
720:
800: Fixing member
900: Cooling fan

Claims (10)

판형 부재로 일면에 연료가스 공급유로가 형성되는 음극분리판;
상기 음극분리판과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스 공급유로에 유입되는 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 음극 개스킷(gasket);
상기 음극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 상기 연료가스를 전달시키기 위한 음극확산층;
판형 부재로 일면에 공기공급 유로가 형성되며, 타면에 냉각유로가 형성되는 양극분리판;
상기 양극분리판의 일측에 형성된 공기 유입구;
상기 양극분리판의 타측에 형성된 공기 배출구;
상기 양극분리판과 대향하도록 형성되며, 연료가스가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 양극 개스킷(gasket);
상기 양극 개스킷과 대향하도록 형성되며, 산소를 전달시키기 위한 양극확산층;
상기 음극확산층 및 상기 양극확산층의 사이에 위치하며, 상기 연료가스의 산화반응과 상기 산소의 환원반응이 일어나는 고분자 전해질 막을 포함하는 멤브레인 층; 및
상기 음극 분리판, 음극 개스킷, 음극확산층, 멤브레인 층, 양극확산층, 양극 개스킷 및 양극 분리판을 관통하여 형성되는 연료가스 이동부;를 포함하고,
상기 음극분리판 및 양극분리판은, 금속이 포함된 섬유질로 형성되며, 기체가 투과되지 않고,
상기 양극 개스킷은, 상기 양극 분리판 및 상기 양극확산층 사이에 형성되고, 상기 연료가스 이동부를 둘러싼 영역에 배치됨으로써 상기 양극 개스킷을 관통하여 형성되는 연료가스 이동부를 외부로부터 밀봉하는 것을 특징으로 하는 연료전지 어셈블리.
A cathode separator having a plate-shaped member and a fuel gas supply passage formed on one surface thereof;
A negative electrode gasket formed to face the negative electrode separator and preventing the fuel gas flowing into the fuel gas supply passage from flowing out to the outside;
A negative electrode diffusion layer formed to face the negative electrode gasket and configured to transfer the fuel gas;
A bipolar member having an air supply passage formed on one surface thereof and a cooling passage formed on the other surface thereof;
An air inlet formed on one side of the anode separator;
An air outlet formed on the other side of the anode separator;
A cathode gasket formed to face the anode separator plate and preventing fuel gas from flowing out to the outside;
A cathode diffusion layer formed opposite to the anode gasket for transferring oxygen;
A membrane layer disposed between the cathode diffusion layer and the anode diffusion layer and including a polymer electrolyte membrane in which an oxidation reaction of the fuel gas and a reduction reaction of the oxygen occur; And
And a fuel gas moving part formed through the cathode separator, the cathode gasket, the cathode diffusion layer, the membrane layer, the anode diffusion layer, the anode gasket, and the anode separator,
The negative electrode separator plate and the positive electrode separator plate are made of a fiber containing a metal,
Wherein the anode gasket is formed between the anode separator and the anode diffusion layer and is disposed in a region surrounding the fuel gas moving portion to thereby seal the fuel gas moving portion formed through the cathode gasket from the outside. assembly.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 연료가스 이동부는,
유입구가 상기 연료전지 어셈블리의 일단 일측에 형성되며, 배출구는 상기 연료전지 어셈블리의 타단 타측에 형성되는 연료전지 어셈블리.

The method according to claim 1,
Wherein the fuel gas moving unit includes:
Wherein an inlet is formed at one end of the fuel cell assembly and an outlet is formed at the other end of the fuel cell assembly.

제 3항에 있어서,
상기 음극분리판은,
상기 연료가스 공급유로가 음극분리판의 수직방향 및 수평방향으로 형성되며, 상기 유입구로부터 상기 배출구에 연결되는 연료전지 어셈블리.



The method of claim 3,
Wherein the negative electrode separator comprises:
Wherein the fuel gas supply passage is formed in the vertical direction and the horizontal direction of the cathode separator plate, and is connected from the inlet to the outlet.



삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 음극분리판 및 상기 양극분리판은,
상기 연료가스 공급유로와 공기공급 유로가 동일선상의 위치에 형성되는 연료전지 어셈블리.
The method according to claim 1,
The negative electrode separator plate and the positive electrode separator plate,
Wherein the fuel gas supply passage and the air supply passage are formed at the same line position.
제 1항에 있어서,
상기 양극분리판은,
상기 양극분리판의 일면 및 타면은 볼록부 및 오목부가 번갈아 형성되며, 상기 양극분리판의 일면의 볼록부는 상기 양극분리판의 타면의 오목부와 대응되며, 상기 양극분리판의 일면은 공기공급 유로이며 상기 양극분리판의 타면은 냉각유로인 것을 특징으로 하는 연료전지 어셈블리.
The method according to claim 1,
Wherein the anode separator comprises:
Wherein one surface and the other surface of the anode separator plate are alternately formed with convex portions and concave portions, the convex portion of one surface of the separator plate corresponds to the concave portion of the other surface of the separator plate, And the other surface of the anode separator is a cooling channel.
제 1항에 있어서,
상기 음극분리판은,
상기 연료가스 공급유로의 돌출부가 상기 음극확산층과 접촉하도록 형성되는 연료전지 어셈블리.
The method according to claim 1,
Wherein the negative electrode separator comprises:
And a protrusion of the fuel gas supply passage is formed to be in contact with the negative electrode diffusion layer.
제 1항의 연료전지 어셈블리가 적어도 두 개 이상 적층되어 형성되는 연료전지 스택.
The fuel cell stack according to claim 1, wherein at least two or more fuel cell assemblies are stacked.
제 1항에 있어서, 상기 양극 분리판의 공기 유입구가 형성된 일측에 배치된 냉각팬을 더 포함하는 연료전지 어셈블리.

The fuel cell assembly according to claim 1, further comprising a cooling fan disposed on one side of the anode separator plate where the air inlet is formed.

Images