KR102518237B1 - 연료전지용 단위셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 체결시 부품간의 간섭에 의한 구조 강건성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 외측으로 배치되는 분리판과; 상기 막전극접합체와 분리판 사이에 개재되는 다공체를 포함하고, 상기 분리판은 반응영역과 입구측 매니폴드 및 출구측 매니폴드 사이에 요철 형상의 채널이 형성된 확산부가 형성되고, 상기 다공체는 가장자리를 제외한 영역에서 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되고, 가장자리 영역에는 평탄한 형상으로 형성되는 평탄부가 형성되며, 상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판에 형성된 채널의 상단 높이에 대응되는 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 단위셀{UNIT CELL OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 단위셀에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 체결시 부품간의 간섭에 의한 구조 강건성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 단위셀에 관한 것이다.
최근, 석유 자원의 사용으로 인한 환경 오염 문제 해결은 물론, 석유 자원의 고갈에 당면하여 이를 대체 가능한 신재생 에너지원의 연구 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다.
연료전지(Fuel Cell)란, 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와, 외부로부터 공급되는 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치를 말한다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 분류된다.
한편, 고분자 전해질막 연료전지는 기타의 연료전지에 비하여 출력밀도(Power Density) 및 효율이 높고, 낮은 운전 온도에서 작동되며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다는 장점이 있다. 이러한 연유로, 고분자 전해질막 연료전지는 자동차 등의 수송용 전원, 주거환경에 필요한 분산용 전원은 물론, 각종 휴대용 장치의 이동용 전원으로도 다양하게 활용될 수 있다.
연료전지 단위셀은 전해질막과, 전극(즉, 애노드, 캐소드), 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL) 및 분리판(Separator)을 포함한다. 그리고 이러한 연료전지 단위셀들이 적층되어 연료전지 스택을 형성한다.
한편, 근래에는 기체확산층과 분리판이 직접 접촉되면서 분리판의 요철 패턴에 의해 기체확산층이 국부적으로 손상되는 것을 방지하기 위하여 기체확산층과 분리판 사이에 미세 다공 구조를 갖는 다공체를 개재시켜 기체확산층에 작용되는 면압을 균일하게 하여 기체확산층을 보호하면서 반응기체 및 냉각수의 흐름이 반응영역 전체에 고르게 분포되도록 하고 있다.
도 1은 종래의 다공체가 적용된 일반적인 연료전지용 단위셀의 구성을 보여주는 모식도이고, 도 2a는 종래의 일반적인 연료전지용 단위셀에서 다공체와 분리판의 배치 상태를 보여주는 모식도이며, 도 2b는 종래의 일반적인 연료전지용 단위셀의 문제점을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 다공체가 적용된 일반적인 연료전지용 단위셀은 전해질막, 애노드 및 캐소드를 포함하는 막전극접합체(MEA, 10)와; 막전극접합체(10)의 양면에 배치되는 기체확산층(GDL, 20)과; 기체확산층(20)의 외측으로 배치되는 분리판(40)과; 기체확산층(20)과 분리판(40) 사이에 개재되는 다공체(30)를 포함한다.
이때 분리판(40)은 다양한 형태로 형성될 수 있지만 도 1에서의 분리판(40)은 평면형상의 평판(40a)과 요철 형상으로 형성되어 다수의 유로홀 및 유로패턴이 형성된 유로판(40b)이 서로 세트를 이루는 구조를 도시하였다. 또한, 도 1에서는 다공체(30)를 평면형태로 도시하였지만, 구체적으로는 도 2b에 도시된 바와 같이 다공체(30)는 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.
도 2a에 도시된 바와 같이 분리판(40)은 반응영역과 입구측 매니폴드(42) 및 출구측 매니폴드(43) 사이에 요철 형상의 채널이 형성된 확산부(A)가 형성된다. 그리고 다공체(30)는 분리판(40)의 반응영역에 배치된다.
이때 다공체(30)는 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되는데, 다공체(30)의 높이(t2)는 확산부(A)에 형성된 채널의 높이(t1)와 같거나 높은 구조로 형성된다. 그래서 스택 체결 시 다공체(30)에 작용되는 면압이 분리판(40)의 확산부(A)에 작용되는 면압과 같거나 크게 작용된다. 이러한 구조를 통하여 스택 체결시 분리판(40)의 확산부(A)에 침투하는 기체확산층(20)의 양을 줄여 연료전지 반응에 의해 생성되는 물이나 입구측 매니폴드(42)에서 유입되는 응축수의 배출을 원활하게 한다.
하지만, 분리판(40)의 확산부(A)에 형성된 채널(41)과 다공체(30)의 경계는 구조적으로 연속되어 연결되지 않으며, 분리판(40)의 채널(41)이 시작되는 지점의 형상과 다공체의 가장자리 형상에 의해 분리판(40)의 채널(41)과 다공체(30) 사이에는 이격공간(B)이 발생되고, 이렇게 발생된 이격공간(B)은 다공체(30)의 요철 형상 피치보다 커서 스택 체결시 이 이격공간(B)로 침투되는 기체확산층(20)의 양이 다공체(30)의 요철 형상 피치 사이로 침투되는 기체확산층(20)의 양보다 많아지는 문제가 발생하였다.
이렇게 분리판(40)과 다공체(30) 사이 이격공간(B)으로 기체확산층(20)이 과도하게 침투되면서 불연속 구조인 다공체(30)의 가장자리에서 기체확산층(20)이 파단되는 문제가 발생하였다.
등록특허공보 제10-1664035호 (2016.10.04)
본 발명은 연료전지 스택의 체결시 부품간의 간섭에 의한 구조 강건성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 단위셀을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA)와; 상기 막전극접합체의 외측으로 배치되는 분리판과; 상기 막전극접합체와 분리판 사이에 개재되는 다공체를 포함하고, 상기 분리판은 반응영역과 입구측 매니폴드 및 출구측 매니폴드 사이에 요철 형상의 채널이 형성된 확산부가 형성되고, 상기 다공체는 가장자리를 제외한 영역에서 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되고, 가장자리 영역에는 평탄한 형상으로 형성되는 평탄부가 형성되며, 상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판에 형성된 채널의 상단 높이에 대응되는 높이로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판의 채널 상단 지점까지 연장되어 근접되는 것이 바람직하다.
상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판의 채널 상단에 안착되도록 연장되는 것이 바람직하다.
상기 분리판의 채널에는 채널의 최상단 높이보다 낮은 높이를 갖는 안착부가 형성되고, 상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판의 채널에 형성된 안착부에 안착되도록 연장되는 것이 바람직하다.
상기 다공체의 평탄부에는 다공체의 양면을 연통시키는 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되는 것이 바람직하다.
상기 다공체의 평탄부와 분리판의 채널은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부가 형성되는 것이 바람직하다.
상기 막전극접합체의 양면에 배치되는 기체확산층(GDL)을 더 포함한다.
상기 기체확산층은 상기 분리판의 반응영역과 확산부가 형성된 영역에 배치되거나 상기 분리판의 반응영역이 형성된 영역에 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 기체확산층이 상기 분리판의 반응영역이 형성된 영역에 배치되는 경우에, 상기 다공체의 평탄부와 분리판의 채널은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분리판의 확산부에 형성된 채널과 다공체의 가장자리에 형성되는 평탄부의 구조 및 배치를 개선하여 분리판의 채널과 다공체의 가장자리 사이에 이격공간이 최소화 되도록 함에 따라 스택 체결시 기체확산층이 분리판의 채널과 다공체의 가장자리 사이의 공간으로 과도하게 침투되는 것을 방지할 수 있다.
이에 따라 스택 체결시 기체확산층이 분리판과 다공체 사이의 공간으로 과도하게 침투되어 기체확산층이 파단되는 방지할 수 있다.
도 1은 종래의 다공체가 적용된 일반적인 연료전지용 단위셀의 구성을 보여주는 모식도이고,
도 2a는 종래의 일반적인 연료전지용 단위셀에서 다공체와 분리판의 배치 상태를 보여주는 모식도이며,
도 2b는 종래의 일반적인 연료전지용 단위셀의 문제점을 보여주는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 보여주는 도면이며,
도 4 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 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.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 보여주는 도면이다. 도 3에서는 설명의 편의를 위하여 막전극접합체를 기준으로 일면에 배치되는 기체확산층, 다공체 및 분리판만을 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 단위셀은 막전극접합체(MEA, 100)와; 상기 막전극접합체(100)의 외측으로 배치되는 분리판(400)과; 상기 막전극접합체(100)와 분리판(400) 사이에 개재되는 다공체(300)를 포함한다.
막전극접합체(100)는 전해질막을 기준으로 양면에 각각 애노드 및 캐소드가 배치되어 이루어진다.
분리판(400)은 양측으로 입구측 매니폴드와 출구측 매니폴드가 형성되고, 중앙영역에는 막전극접합체(100)가 배치되는 위치에 대응되는 반응영역이 형성되며, 입구측 매니폴드 및 출구측 매니폴드 사이에 요철 형상의 채널이 형성된 확산부가 형성된다. 이때 확산부에 형성된 채널(410)은 소정의 높이로 형성된다.
한편, 상기 막전극접합체(100)의 양면, 즉 막전극접합체(100)와 다공체(300) 사이에는 기체확산층(GDL, 200)이 배치된다.
이때 기체확산층(200)은 분리판(400)의 반응영역과 확산부가 형성된 영역에 배치되거나 상기 기체확산층(200)은 분리판의 확산부가 형성된 영역에는 배치되지 않고 분리판(400)의 반응영역이 형성된 영역에만 배치될 수 있다.
다공체(300)는 Metal/Carbon foam, Wire mesh, 성형 다공부재 등과 같은 전도성 다공형상의 미세 기공 구조를 가진 부재로 구성되며, 이와 같은 부재들이 면압을 균일하게 분포시키는 기능을 한다. 특히, 다공체(300)는 가장자리를 제외한 영역에서 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되고, 가장자리 영역에는 평탄한 형상으로 형성되는 평탄부(310)가 형성된다.
본 발명은 분리판(400)의 확산부에 형성된 채널(410)과 다공체(300)의 평탄부(310)의 구조 및 배치를 개선하여 그 사이 간격을 최소화함으로써 스택 체결시 기체확산층(200)이 분리판(400)과 다공체(300) 사이의 공간으로 과도하게 침투되면서 발생되는 문제를 해결하는데 그 기술사상이 있다.
특히, 도 3에 도시된 바와 같이 본 실시예에서는 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널(410) 상단 지점까지 연장되어 근접된다.
부연하자면, 다공체(300)는 그 하단이 분리판(400)의 반응영역에 안착되고, 다공체(300)의 가장자리에 형성된 평탄부(310)는 그 높이를 분리판(400)의 채널(410) 상단 높이와 대응되는 높이로 조절한다. 바람직하게는 분리판(400)의 채널(410) 최상단 높이와 다공체(300)의 평탄부(310) 하단 높이를 동일하게 조절하거나 분리판(400)의 채널 최상단 높이와 다공체(300)의 평탄부(310) 상단 높이 동일하게 조절한다. 다만, 이때 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널(410)에 접하거나 최대한 근접시켜 분리판(400)의 채널(410)과 다공체(300) 사이의 공간을 최소화시키는 것이 바람직하다.
여기서, 본 실시예에서 다공체(300)의 평탄부(310)가 형성되는 '가장자리'라 함은 다공체(300)의 테두리를 따라 형성되는 모든 영역을 의미하지만, 본 실시예에서의 분리판(400)에 형성되는 확산부에 대향되는 영역을 의미한다. 물론 본 실시예에서는 평탄부(310)를 분리판(400)의 확산부에 대향되는 영역에 형성하였지만, 평탄부(310)를 분리판(400)의 확산부에 대향되는 영역을 포함하여 다공체(300)의 테두리를 따라 형성되는 모든 영역에 형성할 수 있을 것이다.
한편, 분리판(400)의 확산부에 형성된 채널(410)과 다공체(300)의 평탄부(310)의 구조 및 배치는 다양하게 변경되어 구현될 수 있다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 단위셀을 보여주는 도면이다.
먼저, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 실시예와 마찬가지로 막전극접합체(100)와; 상기 막전극접합체(100)의 양면에 배치되는 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외측으로 배치되며 채널(410)이 형성된 확산부를 갖는 분리판(400)과; 상기 기체확산층(200)과 분리판(400) 사이에 개재되고 가장자리에 평탄부(310)가 형성되는 다공체(300)를 포함한다.
그래서, 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널(410) 상단에 안착되도록 연장된다.
부연하자면, 다공체(300)는 그 하단이 분리판(400)의 반응영역에 안착되고, 다공체(300)의 가장자리에 형성된 평탄부(310)는 그 높이를 분리판(400)의 채널(410) 상단 높이와 대응되는 높이로 조절한다. 바람직하게는 분리판(400)의 채널(410) 최상단 높이와 다공체(300)의 평탄부(310) 하단 높이를 동일하게 조절한다. 그래서 다공체(300)에 형성된 평탄부(310)의 단부가 분리판(400)의 채널(410) 상단에 안착되도록 한다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 실시예와 마찬가지로 막전극접합체(100)와; 상기 막전극접합체(100)의 양면에 배치되는 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외측으로 배치되며 채널(410)이 형성된 확산부를 갖는 분리판(400)과; 상기 기체확산층(200)과 분리판(400) 사이에 개재되고 가장자리에 평탄부(310)가 형성되는 다공체(300)를 포함한다.
이때 분리판(400)의 채널(410)에는 채널(410)의 최상단 높이보다 낮은 높이를 갖는 안착부(411)가 형성된다. 그래서, 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널에 형성된 안착부(411)에 안착되도록 연장된다. 여기서, 안착부(411)는 채널(410)의 상단에서 다공체(300)의 평탄부(310) 형상에 대응되는 형상으로 함몰되는 형태로 형성된다.
부연하자면, 다공체(300)는 그 하단이 분리판(400)의 반응영역에 안착되고, 다공체(300)의 가장자리에 형성된 평탄부(310)는 그 높이를 분리판(400)의 채널(410)에 형성된 안착부(411)의 높이와 대응되는 높이로 조절한다. 바람직하게는 분리판(400)의 채널(410)에 형성된 안착부(411)의 최상단 높이와 다공체(300)의 평탄부(310) 하단 높이를 동일하게 조절한다. 그래서 다공체(300)에 형성된 평탄부(310)의 단부가 분리판(400)의 채널(410)에 형성된 안착부(411)의 상단에 안착되도록 한다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 실시예와 마찬가지로 막전극접합체(100)와; 상기 막전극접합체(100)의 양면에 배치되는 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외측으로 배치되며 채널(410)이 형성된 확산부를 갖는 분리판(400)과; 상기 기체확산층(200)과 분리판(400) 사이에 개재되고 가장자리에 평탄부(310)가 형성되는 다공체(300)를 포함한다.
이때 다공체(300)의 평탄부(310)에는 다공체(300)의 양면을 연통시키는 적어도 하나 이상의 관통홀(311)이 형성된다. 그래서, 반응 기체가 막전극접합체(100) 측으로 확산되는 일부의 경로를 막는 것을 방지할 수 있다. 또한, 막전극접합체(100)에서 생성되거나 입구측 매니폴드를 통하여 유입된 응축수(W)가 다공체(300)의 평탄부(310)에 잔류되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 실시예와 마찬가지로 막전극접합체(100)와; 상기 막전극접합체(100)의 양면에 배치되는 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외측으로 배치되며 채널(410)이 형성된 확산부를 갖는 분리판(400)과; 상기 기체확산층(200)과 분리판(400) 사이에 개재되고 가장자리에 평탄부(310)가 형성되는 다공체(300)를 포함한다.
그래서, 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널(410) 상단까지 연장되어 그 상단에 안착된다. 이때 다공체(300)의 평탄부(310)와 분리판(400)의 채널(410)은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부(500)를 형성하여 그 결합력을 향상시킬 수 있다.
그리고 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명의 변경예에 따른 연료전지용 단위셀은 전술된 실시예와 마찬가지로 막전극접합체(100)와; 상기 막전극접합체(100)의 양면에 배치되는 기체확산층(200)과; 상기 기체확산층(200)의 외측으로 배치되며 채널(410)이 형성된 확산부를 갖는 분리판(400)과; 상기 기체확산층(200)과 분리판(400) 사이에 개재되고 가장자리에 평탄부(310)가 형성되는 다공체(300)를 포함한다.
다만, 이때 기체확산층(200)은 분리판(300)의 반응영역이 형성되는 영역에만 배치된다. 그리고 다공체(300)의 평탄부(310)가 분리판(400)의 채널(410) 상단까지 연장되어 그 상단에 안착된다. 이때 다공체(300)의 평탄부(310)와 분리판(400)의 채널(410)은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부(500)를 형성하여 그 결합력을 향상시킬 수 있다. 이렇게 용접부(500)을 다공체(300)의 평탄부(310)와 분리판(400)의 채널(410)에 형성하는 경우에 기체확산층(200)이 간섭되지 않기 때문에 용접부(500)을 형성하는 용접작업을 수월하게 실시할 수 있다.
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.
100: 막전극접합체(MEA) 200: 기체확산층
300: 다공체 310: 평탄부
311: 관통홀 400: 분리판
410: 채널 411: 안착부
500: 용접부 A: 확산부

Claims (9)

  1. 막전극접합체(MEA)와;
    상기 막전극접합체의 외측으로 배치되는 분리판과;
    상기 막전극접합체와 분리판 사이에 개재되는 다공체를 포함하고,
    상기 분리판은 반응영역과 입구측 매니폴드 및 출구측 매니폴드 사이에 요철 형상의 채널이 형성된 확산부가 형성되고,
    상기 다공체는 가장자리를 제외한 영역에서 소정의 높이를 갖는 요철 형상으로 형성되고, 가장자리 영역에는 평탄한 형상으로 형성되는 평탄부가 형성되며,
    상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판에 형성된 채널의 상단 높이에 대응되는 높이로 형성되고,
    상기 분리판의 채널에는 채널의 최상단 높이보다 낮은 높이를 갖는 안착부가 형성되고,
    상기 다공체의 평탄부가 상기 분리판의 채널에 형성된 안착부에 안착되도록 연장되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공체의 평탄부에는 다공체의 양면을 연통시키는 적어도 하나 이상의 관통홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 다공체의 평탄부와 분리판의 채널은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 막전극접합체의 양면에 배치되는 기체확산층(GDL)을 더 포함하는 연료전지용 단위셀.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 기체확산층은 상기 분리판의 반응영역과 확산부가 형성된 영역에 배치되거나 상기 분리판의 반응영역이 형성된 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기체확산층이 상기 분리판의 반응영역이 형성된 영역에 배치되는 경우에,
    상기 다공체의 평탄부와 분리판의 채널은 적어도 한 지점 이상에 상호 간을 용접한 용접부가 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 단위셀.
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