KR20080100898A - 연료전지의 실링부 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 실링 구조를 제공한다. 상기 실링 구조는 막-전극 접합체 일면과 이면 가장자리를 따라 가스켓을 부착하고, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 분리판 일면 가장자리를 따라 상기 가스켓과 대응되는 위치에 요철 형상의 비탄성 가압면을 형성하여, 막-전극 접합체와 분리판 조립 시 상기 가압면에 의해 상기 가스켓이 탄성 변형하면서 상기 가압면과 가스켓이 상호 형합하는 형태로 맞닿아 연속된 하나의 실링 라인을 형성하도록 된 것을 요지로 한다. 본 발명에 따르면, 연료 및 공기의 외부 누출 방지를 위한 이중 또는 그 이상의 다중의 실링이 달성될 수 있다. 또한, 분리판에 일체형으로 실링면을 정밀한 치수로 가공할 수 있고 막-전극 접합체에는 넓고 단순한 모양의 탄성면을 형성함으로써 분리판 밀착 조립 시 가공 오차에 따른 가스켓의 어긋남이 발생하지 않고, 따라서 막-전극 접합체의 손상을 예방할 수 있다.

연료전지, 실링 구조, 가스켓, 고분자 전해질 막, MEA

Description

연료전지의 실링 구조 및 그 실링 구조를 포함하는 연료전지 그리고 그 실링 구조를 이용한 연료전지 실링 방법{Sealing structure of fuel cells, fuel cells containing the same and a method for making the sealing structure}

도1은 종래 일반적인 연료전지 단위 셀의 결합 단면도.

도2a 내지 도2c는 종래의 연료전지의 실링 구조를 도시한 개략 구성도.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 실링 구조를 구비한 연료전지의 조립 전 단면구조를 도시한 도면.

도 3b 내지 도 3c는 도 3a에 도시된 실링 구조를 구비한 연료전지 조립과정 및 조립 후 단면구조를 도시한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

100...막-전극 접합체 102...고분자 전해질 막

104...연료극 106...공기극

120...분리판 122...유로

124...비탄성 가압면 140...가스켓

145...접착제

본 발명은 외부로부터 공급되는 연료와 공기의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성하는 연료전지에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지 조립 후 작동 시 연료 및 공기의 외부 누설을 보다 효과적으로 방지할 수 있도록 한 연료전지의 실링 구조에 관한 것이다.

연료전지는 발전 효율이 높고 환경친화적인 차세대 에너지 전환 장치로서 각광 받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: polymer electrolyte membrane fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지의 종류에 따라, 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다.

그 중 PEMFC는, 연료전지의 작동 온도로서는 낮은 온도인 상온에서부터 200℃까지 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에, 자동차용, 가정용, 휴대용 기기 등의 전력원으로서 적용될 수 있다. 이러한 PEMFC는 복수의 바이폴라 플레이트(bipolar plate; 이하 "분리판"이라 한다)와, 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)가 이루어진 여러개의 단위전지 복수개가 적층되어 하나의 스택(Stack)을 이루며, 스택에 연료가스를 공급하는 라인과, 공기를 공급하는 라인을 포함하고 있다.

이때, 상기 막-전극 접합체는, 연료의 산화가 일어나는 애노드(Anode), 산화제의 환원이 일어나는 캐소드(cathode) 및 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 고분자 막을 포함하며, 고분자 막은, 애노드에서 생성된 수소이온을 캐소드로 전달시키기 위하여 이온전도성을 가지며, 애노드와 캐소드를 전자적으로 절연시키기 위한 전자절연성을 갖는다.

도 1에는 종래 PEMFC를 구성하는 하나의 단위전지 구성을 개략적으로 나타내고 있다. 도 1을 참조하여 상기 단위전지의 구성을 살펴보기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 PEMFC를 구성하는 하나의 단위전지(C)는, 고분자 전해질 막(21)의 일면과 이면에 각각 산화전극과 환원전극을 형성하는 연료극(22, 양극)과 공기극(23, 음극)이 접합되어 하나의 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly; 24)를 이루고, 그 막-전극 접합체(24)의 양측에는 그 일면에 채널 즉, 공기 또는 연료 흐름을 위한 유로(31)가 각각 형성된 분리판(25)이 밀착되고, 그 분리판(25) 바깥측에는 양극과 음극의 집전극이 되는 집전판(27)이 밀착된 구성으로 이루어져 있다.

이와 같이 구성된 연료전지는, 발전이 시작되면 연료극(22, 양극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고, 그 중 수소이온은 전해질 고분자 막(21)을 통해 공기극(23)으로 이동하고 전자는 외부회로를 통해 공기극(23)으로 이동한다. 또한 공기극(음극)쪽에서 공급된 산소이온과 상기 고분자 막(21)을 거쳐 공기극(23) 측으로 이동한 수소이온이 만나 반응생성물(물)이 생성된다. 이 과정에서 상기 전자의 이동으로 인해 전기적인 에너지가 발생되고, 그 에너지는 상기 집전판(27)에 집전되는데, 상기 집전판(27)에 집전된 전기에너지가 전력원으로 사용되는 것이다.

위와 같은 단위전지 즉, 단위 셀을 통해 얻어지는 전압과 전류의 양에는 한계가 있다. 때문에 실제로는 수십 개에서 많게는 수백 개의 단위 셀을 적층시켜 구성된 스택(Stack)을 형성하여 원하는 출력을 얻게 된다. 이러한 스택의 경우 반응 기체 즉, 연료 및 공기는 매니폴드를 통해 각각의 단위 셀로 공급된다. 이때 반응 기체가 서로 섞이지 않고 각 단위 셀로 적절히 공급될 수 있는 기밀 구조를 확보하는 것이 매우 중요하다.

현재 보편적으로 시도되고 있는 연료전지 기밀 유지 방법으로는 도 2a에 도시된 바와 같이 분리판(25)에 탄성을 가진 고분자 소재로서 가스켓(26)을 성형 또는 삽입하여 고분자 막(21) 사이에 기밀성이 유지되도록 한 방법이 주로 이용되고 있다. 하지만 고분자 막(21)은 대단히 얇기 때문에 도 2b에 도시된 바와 같이 조립 시 가스켓(26)의 어긋남으로 인하여 고분자 막(21)이 찢어지는 등의 손상이 발생될 수 있다.

이를 방지하기 위해 도 2c에 도시된 바와 같이 가스켓(26)을 고분자 막(21)에 형성하는 방법이 시도되었다. 이 경우 연료전지의 조립이 매우 용이한 장점이 있으나, 막-전극 접합체에 정밀한 규격의 실(Seal)을 형성시켜야 하므로, 연료전지 막 손상을 최소화 하면서 대량 생산을 하기에는 비용적인 측면이나 과정에서 상당한 제약이 뒤따른다. 그렇기 때문에 연료전지 설계를 다변화 한 다품종 소량 생산에는 한계가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하고자 본 발명은, 연료전지 조립 시 가스켓의 어긋남을 방지하고, 연료전지 설계를 다변화 한 다품종 소량 생산에 적합한 연료전지의 실링 구조 및 그 실링 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 신뢰성 있는 실링 구조를 갖는 연료전지를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

상기한 목적 달성을 위한 본 발명의 일 양태에 따르면, 막-전극 접합체 일면과 이면 가장자리를 따라 가스켓을 부착하고, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 분리판 일면 가장자리를 따라 상기 가스켓과 대응되는 위치에 비탄성 가압면을 형성하여, 막-전극 접합체와 분리판 조립 시 상기 가압면에 의해 상기 가스켓이 탄성 변형되면서 상기 가압면과 가스켓이 상호 형합하도록 된 연료전지의 실링 구조를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 실링 구조를 포함하는 연료전지로서, 양면 가장자리를 따라 가스켓이 부착 설치된 막-전극 접합체; 및 막-전극 접합체 일면과 이면에 밀착 설치되며, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 일면 가장자리를 따라서는 조립 시 상기 가스켓을 가압하여 탄성 변형을 유도하는 비탄성 가압면이 형성된 분리판;을 포함하는 연료전지를 제공한다.

또한 본 발명은, 상기 실링 구조를 이용한 연료전지의 실링 방법으로서, 고 분자 막 일면과 이면에 연료극과 공기극이 각각 부착된 막-전극 접합체의 양면 가장자리를 따라 가스켓을 설치하는 단계; 가스켓과 대응되는 위치의 상기 막-전극 접합체와 대면하는 분리판 일면 가장자리를 따라 비탄성 가압면을 성형하는 단계; 막-전극 접합체 양면에 비탄성 가압면을 갖는 상기 분리판을 밀착시키는 단계; 및 비탄성 가압면의 가압에 의해 가스켓이 탄성 변형되면서 상기 비탄성 가압면과 가스켓이 상호 형합하도록 막-전극 접합체와 분리판을 조립하는 조립단계;를 포함하는 연료전지 실링 방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 실링 구조를 구비한 연료전지의 조립 전 단면구조를 도시한 것이며, 도 3b는 도 3a에 도시된 실링 구조를 구비한 연료전지의 조립 후 단면구조를 도시한 것이다.

도시된 도면을 참조하면, 고분자 전해질 막(102)의 일면과 이면에 각각 산화전극과 환원전극을 형성하는 연료극(104, 양극)과 공기극(106, 음극)이 접합되어 하나의 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly; 100)를 이룬다. 상기 막-전극 접합체(100)의 양측에는 그 일면에 채널 즉, 공기 또는 연료 흐름을 위한 유로(122)가 각각 형성된 분리판(120)이 밀착되고, 분리판(120) 바깥측에는 양극과 음극의 집전극이 되는 집전판(미도시)이 밀착되어 하나의 단위전지를 이룬다. 이와 동시에 상기 막-전극 접합체(100)와 분리판(120) 사이로는 연료 및 공기누출 차단 을 위한 실링 구조가 마련된다.

본 발명에 적용된 상기 실링 구조는 상기 막-전극 접합체 일면과 이면 가장자리를 따라 설치된 가스켓(140)과, 상기 가스켓(140)과 대응되는 위치의 상기 막-전극 접합체(100)와 대면하는 분리판(120) 일면 가장자리를 따라 형성된 비탄성 가압면(124)을 포함한다. 상기 가스켓(140)은 실리콘 또는 내부식 연성 고무(Rubber)과 같이 외력에 대해 용이한 변형성을 갖는 탄성 재질이고, 비탄성 가압면(124)은 분리판(120)에 형성된 관계로 금속 또는 카본 및 경질의 고분자 합성수지 재질로 이루어져 탄성을 갖지 않는다. 따라서 막-전극 접합체(100)와 분리판(120) 조립을 위해 상호 밀착 시 상기 비탄성 가압면(124)에 의해 상기 가스켓(140)이 탄성 변형되면서 상기 가압면(124)과 가스켓(140)은 상호 형합하는 형태로 긴밀히 접한다(도 3b참조).

여기서, 상기 가스켓(140)은 고온 경화성을 갖는 접착제(145)에 의해 막-전극 접합체 접착될 수 있으며, 다르게 고온 고압의 열 융착을 통해 막-전극 접합체에 직접 접착될 수 있다. 그리고 비탄성 가압면(124)은 바람직하게 도면에서와 같이 연속된 곡선상(미도시) 또는 직선상 파형의 요철 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 연속된 파형의 요철 형상에 의해 막-전극 접합체(100)와 분리판(120) 밀착 시 도면과 같이 연료 및 공기의 외부 누출 방지를 위한 이중 또는 그 이상의 다중의 실링이 달성될 수 있고, 밀착 조립 시 가스켓의 어긋남이 발생하지 않는다. 또한 기존의 면 가스켓을 이용한 실링 방법과는 달리 요철을 가진 좁은 실링면을 이용함으로서 연료전지 조립 시 보다 적은 체결 압력으로도 높은 실링면압을 얻을 수 있다. 결과적으로 연료전지 체결을 보다 용이하게 하면서 신뢰성 높은 밀봉 구조를 달성할 수 있게 된다.

위와 같은 실링 구조를 형성함에 있어서는 우선, 고분자 전해질 막(102) 일면과 이면에 연료극(104)과 공기극(106)이 각각 부착되어 이루어진 막-전극 접합체(100)의 양면 가장자리를 따라 가스켓(140)을 부착한다. 가스켓(140)은 접착제(145)를 이용해 막-전극 접합체 일면에 접착시킬 수 있으며, 다르게 고온 고압의 열 융착을 통해 막-전극 접합체에 직접 접착될 수 있다. 접착제(145)를 이용하는 경우에는 고온 경화성을 갖는 접착제를 이용함이 바람직하며, 접착의 견고함을 높이기 위해서는 압착 공정이 병행될 수 있다.

아울러, 상기 가스켓(140)과 대응되는 위치의 막-전극 접합체(100)와 대면하는 분리판(120) 일면 가장자리를 따라 비탄성 가압면(124)을 성형한다. 비탄성 가압면(124)은 분리판의 기계 가공이나 주물 또는 사출 성형 시 이에 일체형으로 형성할 수 있으며, 다르게 분리판 성형 후 별도의 세이퍼 작업을 통해 요철 형태로 형성할 수 있다.

다음으로, 위와 같은 공정을 통해 가스켓(140)을 구비한 막-전극 접합체(100)를 사이에 두고 한 쌍의 분리판(120)을 밀착시킨다. 이때 분리판(120)에 형성된 비탄성 가압면(124) 및 유로(122)가 상기 막-전극 접합체(100)와 서로 마주하도록 한 상태에서 한 쌍의 분리판(120)을 막-전극 접착체(145)에 밀착시킨다.

위와 같은 상태에서 볼트와 같은 체결부재를 이용하여 막-전극 접합체(100)와 분리판(120)을 견고히 조립한다. 이 과정에서 상기 비탄성 가압면(124)에 의해 상기 가스켓(140)이 눌림과 동시에 탄성 변형되면서 상기 가압면(124)과 가스켓(140)은 도 3b와 같이 상호 형합하는 형태로 맞닿아 연속된 하나의 실링 라인을 형성하게 된다. 즉, 상기 결합으로 비탄성 가압면(124)의 요철 형상과 가스켓(140)은 도면과 같은 이중의 실링 구조를 이루게 되는 것이다.

상기한 본 발명의 실시예에 따르면, 취급이 힘든 연료전지 고분자 전해질 막에 실링을 위한 정교한 구조를 형성하는 대신 단순한 평판 패턴의 실링 부재를 부착하여 실링 구조를 구현하고 있다. 이에 따라, 실링 구현을 위한 제품의 제작이 매우 용이하고, 결과적으로는 대량 생산 및 다품종 소량 생산에 적합하다.

더욱이, 유로 형성을 위해 정교한 기계가공이 요구되는 분리판에 요철 형태의 비탄성 가압면이 형성된다. 때문에 분리판 기계가공 시 동일 공정에 가압면을 추가 가공하는 공정만으로 실링을 구현할 수 있어 제품 가공에 있어 매우 유리하다.

또한, 도면의 예시에서와 같이 가장 바람직한 실시예의 경우 다중의 요철 형상을 가진 실링 라인 형성으로 인하여 연료와 공기의 혼합 또는 외부 누출을 완벽히 차단할 수 있는 다중의 차단구조 구현이 가능하다. 더욱이 정교한 치수를 가지는 실링 라인을 비탄성의 단단한 재질에서 구현하여 형상의 변형 가능성을 최소화 하고, 탄성면은 비교적 넓은 면적을 활용하여 재료의 특성 변형에 민감도를 떨어뜨림으로써 연료전지의 조립과 해체에 따르는 반복된 사용에도 높은 실링 효과가 지속적으로 발휘될 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 비탄성 가압면에 의한 가스켓의 탄성 변형을 이용하여 실링을 구현함으로써, 연료전지 조립 시 기존과 같이 가스켓의 어긋남으로 인한 고분자 전해질 막의 손상을 방지할 수 있다.

그리고, 취급이 힘든 연료전지 고분자 전해질 막에 실링을 위한 정교한 구조를 형성하는 대신 단순한 평판 패턴의 실링 부재를 부착하여 실링 구조를 구현함에 따라, 실링 구현을 위한 제품의 제작이 매우 용이하고, 따라서 대량 생산 및 다품종 소량 생산에 매우 유리하다.

또한, 연속된 요철 형상을 가진 실링 라인 형성으로 인하여, 연료와 공기의 혼합 또는 외부 누출을 완벽히 차단할 수 있는 다중의 차단구조 구현이 가능하고, 기존의 면 가스켓을 이용한 실링 방법과는 달리 실링면을 좁고 정교하게 가공하여 비교적 낮은 연료전지 체결압에서도 높은 실링면압을 얻을 수 있어 기밀성을 획기적으로 높일 수 있다. 결과적으로 연료전지의 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (11)

1. 막-전극 접합체(MEA)와, 이 막-전극 접합체에 밀착 고정되는 분리판 사이로 연료 및 공기가 누설되는 것을 차단하기 위한 것으로,

   상기 막-전극 접합체 일면과 이면 가장자리를 따라 설치된 가스켓과, 상기 가스켓과 대응되는 위치의 상기 막-전극 접합체와 대면하는 분리판 일면 가장자리를 따라 형성된 비탄성 가압면을 포함하는 연료전지의 실링 구조.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가스켓은 탄성소재로 이루어져, 막-전극 접합체와 분리판 조립 시 상기 비탄성 가압면에 의해 탄성 변형되면서 상기 가압면과 형합되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 가스켓은, 실리콘 또는 탄성을 갖는 내부식성 고무인 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가스켓은, 고온 경화성을 갖는 접착제에 의해 막-전극 접합체 접착되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
5. 제 3 항에서,

   상기 가스켓은, 열 융착을 통해 막-전극 접합체에 접착되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
6. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   비탄성 가압면은, 연속된 곡선상 파형의 요철면인 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

   비탄성 가압면은, 연속된 직선상 파형의 요철면인 것을 특징으로 하는 연료전지의 실링 구조.
8. 양면 가장자리를 따라 가스켓이 부착 설치된 막-전극 접합체; 및

   막-전극 접합체 일면과 이면에 밀착 설치되며, 상기 막-전극 접합체와 대면하는 일면 가장자리를 따라서는 조립 시 상기 가스켓을 가압하여 탄성 변형을 유도하는 비탄성 가압면이 형성된 분리판;을 포함하는 연료전지.
9. 고분자 막 일면과 이면에 연료극과 공기극이 각각 부착되어 이루어진 막-전극 접합체의 양면 가장자리를 따라 가스켓을 설치하는 단계;

   가스켓과 대응되는 위치의 상기 막-전극 접합체와 대면하는 분리판 일면 가장자리를 따라 비탄성 가압면을 성형하는 단계;

   막-전극 접합체 양면에 비탄성 가압면을 갖는 상기 분리판을 밀착시키는 단계; 및

   비탄성 가압면의 가압에 의해 가스켓이 탄성 변형되면서 상기 비탄성 가압면과 가스켓이 상호 형합하도록 막-전극 접합체와 분리판을 조립하는 조립단계;를 포함하는 연료전지 실링 방법.
10. 제 9 항에서,

    상기 가스켓은, 고온 경화성을 갖는 접착제를 이용하여 막-전극 접합체에 접착시킨 후 압착 공정에서 압착시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 실링 방법.
11. 제 9 항에서,

    상기 가스켓은, 열 융착과정을 통해 막-전극 접합체에 접착시킨 것을 특징으로 하는 연료전지 실링 방법.

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