KR101886492B1 - 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 상기 분리판과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 가스확산층은 상기 채널 유로의 중심영역을 기준으로 상기 채널 유로의 좌우측에서 각각 인접한 상기 랜드부의 하부를 향하도록 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 형성되어 기체의 전달경로를 가이드한다.

Description

연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법{Fuel cell stack and fuel cell stack manufacturing method}
본 발명은 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 확산 및 물 배출이 원활하게 이루어지도록 방향성 물결무늬를 갖는 가스확산층을 포함하는 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지 자동차에 탑재되는 연료전지 스택은 다수의 연료전지 셀이 적층된 것으로서, 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치를 말한다.
여기서, 연료전지 스택의 각 셀 단위 구성 중, 가장 안쪽에는 전극막 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하는 바, 이러한 전극막 접합체는 고분자 전해질막의 양쪽 면에 각각 애노드 및 캐소드극을 위한 촉매층이 도포된 형태로 구성되어 있다.
또한, 전극막 접합체의 바깥 부분, 즉 촉매층의 바깥 부분에 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)이 위치하고, 가스확산층의 바깥 부분으로 기체를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 채널 유로가 형성된 분리판(Separator)이 적층된다.
결과적으로, 연료전지의 단위 셀은 1장의 전극막 접합체와, 2장의 가스확산층과, 2장의 분리판으로 구성되며, 각 단위 셀을 수십에서 수백개 적층하여 원하는 규모의 연료전지 스택을 구성할 수 있다.
이러한 연료전지의 단위 셀의 구성 중 가스확산층은 기체가 전극막 접합체로 고르게 전달되도록 해야 함과 동시에, 전극막 접합체에서 발생된 물이 채널 유로를 통해 원할하게 배출되도록 하는 구조를 갖는 것이 중요하다.
대한민국공개특허공보 제10-2015-0126742호(2015.11.13.)
본 발명의 목적은, 가스확산층의 섬유 배열구조가 방향성 물결무늬를 갖도록 함으로써, 채널 유로를 통과하는 기체가 랜드 하부측으로 원활하게 전달되도록 함과 동시에 전극막 접합체에서 발생된 수분이 랜드의 하부측에서 채널 유로로 원활하게 배출되도록 가이드 할 수 있는 연료전지 스택 및 연료전지 스택 제조 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 상기 분리판과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 포함하는 연료전지 스택에 있어서, 상기 가스확산층은 상기 채널 유로의 중심영역을 기준으로 상기 채널 유로의 좌우측에서 각각 인접한 상기 랜드부의 하부를 향하도록 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 형성되어 기체의 전달경로를 가이드 하는 것을 특징으로 한다.
이러한 상기 가스확산층은 상기 전달경로를 따라 상기 전극막 접합체에서 발생된 수분이 상기 채널 유로로 배출되도록 가이드한다.
그리고, 상기 가스확산층은 상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
또한, 상기 가스확산층은 상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
또한, 상기 가스확산층은 상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
또한, 상기 가스확산층은 상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되고, 상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 상기 채널 유로의 입측에서의 기공도가 상기 채널 유로의 출측에서의 기공도 보다 작게 형성된다.
또한, 상기 가스확산층은 상기 분리판과 일체형으로 결합된다.
또한, 상기 가스확산층은 분말의 결합형태로 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 연료전지 스택 제조 방법은 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 상기 분리판과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 결합하는 연료전지 스택 제조 방법에 있어서, 상기 분리판에 대하여 상기 가스확산층을 분말사출 또는 3D 프린트 방식을 통해 일체형으로 결합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 가스확산층의 섬유 배열구조가 방향성 물결무늬를 갖도록 함으로써, 채널 유로를 통과하는 기체가 랜드 하부측으로 원활하게 전달되도록 함과 동시에 전극막 접합체에서 발생된 수분이 랜드의 하부측에서 채널 유로로 원활하게 배출되도록 가이드 할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 가스확산층의 기공도를 차별화하여 연료전지 스택의 가스확산 성능 및 수분 배출 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 두 장의 분리판과, 이러한 분리판과 마주하는 가스확산층을 3D 프린터를 사용하여 일체형으로 제작함으로써, 접촉 저항으로 인해 발생될 수 있는 전압 손실을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 연료 및 수분의 유동경로를 보여주는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5 는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6 은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것을 달성하는 방법은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에 개시되는 실시 예들에 의해 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기술 등이 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 은 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 기체 및 수분의 유동경로를 보여주는 도면이고, 도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 연료전지 스택은 채널 유로(12) 및 랜드부(14)가 반복 형성된 분리판(10)과, 이러한 분리판(10)과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층(20)을 포함한다.
여기서, 가스확산층(20)은 채널 유로(12)의 중심영역을 기준으로 채널 유로(12)의 좌우측에서 각각 인접한 랜드부(14)의 하부를 향하도록 소정의 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 형성되어 기체의 전달경로(A)를 가이드 한다.
즉, 가스확산층(20)은 수축성을 갖는 다공성 탄소 섬유접합체로 형성되는데, 이러한 탄성 섬유접합체는 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 제작되기 때문에, 채널 유로(12)를 통과하는 기체가 도 1에 도시된 화살표 방향과 같이 채널 유로(12)의 좌우측에서 각각 인접한 랜드부(14)의 하부를 향하도록 대각선 방향으로 이동하여 전극막 접합체로 전달되도록 한다.
일반적으로, 가스확산층(20)은 본 실시예에서와 같이 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 제작되는 것은 아니며, 그에 따라 채널 유로(12)를 통과하는 기체가 가스확산층(20)을 따라 이동하여 전극막 접합체로 전달되는 경우, 랜드부(14)의 하부 영역은 채널 유로(12)의 하부 영역에 비하여 상대적으로 기체가 원활하게 이동하지 못하게 된다.
따라서, 본 실시예에 따른 가스확산층(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 방향성 물결무늬를 가지는 패턴구조로 형성되어 전극막 접합체로 전달되는 기체의 전달경로(A)를 가이드 함으로써, 채널 유로(12)를 통과하는 가스가 랜드부(14)의 하부 영역을 향하여 원활하게 이동할 수 있도록 한다.
또한, 가스확산층(20)은 상기와 같은 전달경로(A)를 따라 전극막 접합체에서 발생된 수분이 채널 유로(12)로 배출되도록 가이드할 수 있다.
다시 말해, 접극막 접합체에서는 전기화학 반응 시 수분이 발생하게 되는데, 상기와 같이 발생된 수분은 기체가 촉매층으로 전달되는 것을 방해하기 때문에, 가스확산층(20)을 따라 이동하여 채널 유로(12) 측으로 배출되도록 해야 한다.
이러한 수분 배출의 경우, 일반적인 가스확산층(20)에서는 연료전지 스택의 구조적인 특성상 채널 유로(12)의 하부 영역에 비해 상대적으로 랜드부(14)의 하부 영역으로는 수분 배출이 원활하게 이루어지지 못하게 된다.
이를 위해, 본 실시예에서는 전술된 바와 같이 가스확산층(20)이 방향성 물결무늬를 가지는 섬유 배열구조를 가지게 하여 전달경로(A)를 형성함으로써, 전달경로(A)를 따라 수분이 채널 유로(12) 측으로 배출되도록 한다.
여기서, 전달경로(A)는 도 1 내지 도 2의 화살표 방향을 따르도록 형성되며, 가스확산층(20)은 상기와 같은 전달경로(A)를 따라 기체와 수분이 서로 반대되는 방향으로 이동하도록 가이드 할 수 있기 때문에, 랜드부(14) 하부로의 기체 공급 및 랜드부(14) 하부로부터의 수분 배출이 원활하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 가스확산층(20)은 분말의 결합형태로 이루어지는 것으로 분리판(10)과 일체형으로 결합된다.
즉, 가스확산층(20)은 서로 마주하는 애노도 및 캐소드의 채널 유로(12) 및 냉각수 유로(16)가 형성되도록 하는 한 쌍의 분리판(10)을 일체형으로 결합한 후, 이러한 분리판(10)의 상하부에 일체형으로 결합되어 하나의 연료전지 단위 셀이 형성되도록 한다.
이러한 한 쌍의 분리판(10) 및 가스확산층(20)의 일체형 결합은 3D 프린터를 사용하여 이루어지며, 일반적으로 한 쌍의 분리판(10)이 가스켓을 사이에 두고 면압에 의해 조립되어 냉각수 유로(16)를 형성하는 것과 달리 가스켓과 면압 없이 3D 프린터를 이용하여 형태가 유지되도록 하는 하나의 일체형 연료전지 단위 셀이 제작되도록 한다.
여기서, 3D 프린터를 통해 일체형으로 제작하는 구체적인 공정은 공지된 기술이므로 본 실시예에서는 그에 따른 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
결과적으로, 상기와 같은 연료전지 단위 셀 제작 시 금형으로 제작하는 한계를 넘어 자유로운 형태의 유로가 형성되게 할 수 있으며, 또한 3D 프린터를 이용하여 일체형으로 제작하기 때문에 접촉 저항으로 인하여 발생될 수 있는 전압 손실을 효과적으로 방지할 수 있다.
이하, 도 3 은 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 가스확산층(20)은 랜드부(14)의 하부에서의 기공도가 채널 유로(12)의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
이는, 채널 유로(12)를 통과하는 기체가 가스확산층(20)을 통과하여 연료극 접합체로 전달됨에 있어서, 랜드부(14) 하부영역에서의 가스확산층(20)의 기공도가 채널 유로(12) 하부영역에서의 가스확산층(20)의 기공도 보다 크게 형성되도록 함으로써, 채널 유로(12)를 통과하는 기체가 랜드부(14)의 하부영역으로 원활하게 이동할 수 있도록 하기 위함이다.
만일, 채널 유로(12) 하부영역에서의 가스확산층(20)의 기공도와 랜드부(14) 하부영역에서의 기공도가 동일한 경우, 랜드부(14) 하부영역은 랜드부(14)에 의해 가려지기 때문에 채널 유로(12) 하부영역에 비하여 상대적으로 기체의 전달이 원활하게 이루어지지 못할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 채널 유로(12) 하부영역과 랜드부(14) 하부영역에 대하여 가스확산층(20)이 기공도 차이를 가지도록 함으로써, 전극막 접합체로 기체가 고르게 분포되어 전달되게 할 수 있다.
이하, 도 4 는 본 발명의 제3실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 가스확산층(20)은 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역에서의 기공도가 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
이는, 전극막 접합체에서 배출되는 수분이 가스확산층(20)을 통과하여 채널 유로(12)로 전달됨에 있어서, 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도가 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역으로 갈수록 점진적으로 커지도록 함으로써, 기공도 차이에 의해 전극막 접합체에서 배출되는 수분이 채널 유로(12)로 원활하게 이동할 수 있도록 하기 위함이다.
만일, 가스확산층(20)의 기공도가 모두 동일한 경우, 전극막 접합체에서 배출되는 수분은 채널 유로(12)로 배출될 수 있으나, 배출 성능에 있어서 원활한 수분 배출이 이루어지지 못할 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도와 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기와 같이 서로 달라지도록 함으로써, 기공도 차이에 의해 배출되는 수분이 채널 유로(12)로 원활하게 배출되게 할 수 있다.
이하, 도 5 는 본 발명의 제4실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 가스확산층(20)은 랜드부(14)의 하부에서 기공도가 채널 유로(12)의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역에서의 기공도가 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성된다.
이는, 전술된 제2실시예 및 제3실시예의 형태를 결합하여 가스확산층(20)을 제작한 것으로, 결과적으로는 상기와 같은 가스확산층(20)의 기공도 차이에 의해 기체가 전극막 접합체로 공급되는 경우 랜드부(14) 하부영역으로 원활하게 기체가 전달되도록 함과 동시에 전극막 접합체에서 배출되는 수분이 효과적으로 채널 유로(12)로 배출되게 할 수 있다.
이하, 도 6 은 본 발명의 제5실시예에 따른 연료전지 스택에 대한 가스확산층의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 가스확산층(20)은 랜드부(14)의 하부에서 기공도가 채널 유로(12)의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되고, 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역에서의 기공도가 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 채널 유로(12)의 입측에서의 기공도가 채널 유로(12)의 출측에서의 기공도 보다 작게 형성된다.
여기서, 랜드부(14)의 하부에서 기공도가 채널 유로(12)의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되고, 랜드부(14) 및 채널 유로(12)와 마주하는 영역에서의 기공도가 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되는 가스확산층(20)의 특징은 전술된 제4실시예와 동일하므로, 본 실시예에서는 그에 따른 상세한 설명을 생략하기로 한다.
한편, 본 실시예에 따른 가스확산층(20)은 채널 유로(12)의 입측에서의 기공도가 채널 유로(12)의 출측에서의 기공도 보다 작게 형성되는데, 이는 도 6의 (a)에서와 같이 기체가 공급되는 채널 유로(12)의 입측에서는 기체의 농도가 높고, 출측에서는 길이방향을 따라 기체가 이동하면서 농도가 상대적으로 낮기 때문이다.
그에 따라, 채널 유로(12)에서 가스확산층(20)으로 전달되는 기체의 농도 또한 입측에서 출측으로 갈수록 낮아지기 때문에, 이를 해소하기 위하여 본 실시예에 따른 가스확산층(20)은 전술된 바와 같이 기공도 차이를 가지도록 함으로써, 기체가 입측에서는 빠르게 이동하여 상대적으로 균일한 농도를 가진 기체가 출측까지 효과적으로 이동하며 전극막 접합체로 전달되게 할 수 있다.
본 발명은, 가스확산층의 섬유 배열구조가 방향성 물결무늬를 갖도록 함으로써, 채널 유로를 통과하는 기체가 랜드 하부측으로 원활하게 전달되도록 함과 동시에 전극막 접합체에서 발생된 수분이 랜드의 하부측에서 채널 유로로 원활하게 배출되도록 가이드 할 수 있는 효과를 갖는다.
그리고, 본 발명은 가스확산층의 기공도를 차별화하여 연료전지 스택의 가스확산 성능 및 수분 배출 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명은 두 장의 분리판과, 이러한 분리판과 마주하는 가스확산층을 3D 프린터를 사용하여 일체형으로 제작함으로써, 접촉 저항으로 인해 발생될 수 있는 전압 손실을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.
이상의 본 발명은 도면에 도시된 실시 예(들)를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형이 이루어질 수 있으며, 상기 설명된 실시예(들)의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해여야 할 것이다.
10 : 분리판 12 : 채널 유로
14 : 랜드부 16 : 냉각수 유로
20 : 가스확산층 A : 전달경로

Claims (9)

  1. 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 상기 분리판과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 포함하는 연료전지 스택에 있어서,
    상기 가스확산층은 상기 채널 유로의 중심영역을 기준으로 상기 채널 유로의 좌우측에 인접한 상기 랜드부의 하부를 향하도록 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 형성되어 상기 채널 유로를 통과하는 기체가 상기 랜드부의 하부 영역을 향하여 대각선 방향으로 이동할 수 있도록 기체의 전달경로를 가이드 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 전달경로를 따라 상기 전극막 접합체에서 발생된 수분이 상기 채널 유로로 배출되도록 가이드 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 랜드부의 하부에서의 기공도가 상기 채널 유로의 하부에서의 기공도 보다 크게 형성되고, 상기 랜드부 및 상기 채널 유로와 마주하는 영역에서의 기공도가 상기 전극막 접합체와 마주하는 영역에서의 기공도 보다 크게 형성되며, 상기 채널 유로의 입측에서의 기공도가 상기 채널 유로의 출측에서의 기공도 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    상기 분리판과 일체형으로 결합되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스확산층은,
    분말의 결합형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
  9. 채널 유로 및 랜드부가 반복 형성된 분리판과, 상기 분리판과 접하면서 기체를 전극막 접합체로 전달하는 가스확산층을 결합하는 연료전지 스택 제조 방법에 있어서,
    상기 분리판에 대하여 상기 가스확산층을 분말사출 또는 3D 프린트 방식을 통해 일체형으로 결합되도록 하며,
    상기 가스확산층은 상기 채널 유로의 중심영역을 기준으로 상기 채널 유로의 좌우측에 인접한 상기 랜드부의 하부를 향하도록 방향성을 가지는 섬유 배열구조로 형성되어 상기 채널 유로를 통과하는 기체가 상기 랜드부의 하부 영역을 향하여 대각선 방향으로 이동할 수 있도록 기체의 전달경로를 가이드 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제조 방법.
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