KR20120105331A - 내부식성이 향상된 연료전지 스택 - Google Patents

내부식성이 향상된 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부식성이 향상된 연료전지 스택에 관한 것으로서, 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 포함하는 스택 외곽 부위의 부식이 효과적으로 방지될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다. 상기한 목적을 달성하기 위해, 금속분리판의 외곽 부위에 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓 간의 접합면 틈새를 외곽에서 밀봉하는 방수부가 형성되어, 스택 내부로부터의 수증기 및 수분이 상기 방수부에 의해 각 금속분리판의 외곽 절단부위에 접촉되지 않도록 차단되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택이 개시된다.

Description

내부식성이 향상된 연료전지 스택{Fuel cell stack with improved corrosion-resistance}
본 발명은 연료전지 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 포함하는 스택 외곽 부위의 부식이 방지될 수 있는 연료전지 스택에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 연소에 의해 열로 바꾸지 않고 스택 내에서 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이며, 산업용, 가정용 및 차량 구동용 전력을 공급할 뿐만 아니라 소형의 전기/전자제품, 특히 휴대용 장치의 전력 공급에도 적용될 수 있다.
현재 차량 구동을 위한 전력공급원으로는 높은 전력밀도를 갖는 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 형태가 가장 많이 연구되고 있으며, 이는 낮은 작동온도로 인한 빠른 시동시간과 빠른 전력변환 반응시간의 특성을 갖는다.
이러한 고분자 전해질막 연료전지는 도 1에 나타낸 바와 같이 수소이온이 이동하는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 촉매전극이 부착된 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode Assembly)(11), 반응기체들을 고르게 분포시키고 발생된 전기에너지를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)(12), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓(14) 및 체결기구(도시하지 않음), 그리고 반응기체들 및 냉각수를 이동시키는 분리판(Bipolar Plate)(13)을 포함하여 구성된다.
이러한 단위 셀 구성을 이용하여 연료전지 스택(10)을 조립할 때 가장 안쪽에는 주요 구성부품인 막전극접합체(11) 및 기체확산층(12)의 조합이 위치하는데, 이 중 막전극접합체(11)는 고분자 전해질막 양면에 수소(연료)와 산소(산화제)가 반응할 수 있도록 촉매가 도포된 전극, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)를 가지며, 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥부분에 기체확산층(12), 가스켓(14) 등이 적층된다.
한편, 연료전지 스택에서 원가의 상당부분을 차지하고 있는 흑연분리판을 대체하기 위해 금속분리판이 개발된 바 있는데, 이는 원가 절감은 물론 생산속도 증대를 통한 대량 생산을 가능하게 하는 이점을 가진다.
이러한 금속분리판의 재료로서 강, 스테인리스강, 알루미늄 등 다양한 금속 소재가 개발 중이며, 그 중 스테인리스강이 대표적이다.
그러나 금속재료의 단점인 내부식성 열세를 극복하고 전기전도도를 안정적으로 확보할 수 있는 제작 기술이 필요하며, 부식 방지를 위해 귀금속 등의 내부식 코팅을 하기도 한다.
하지만 금속분리판에서 외곽의 절단부위는 부식에 매우 취약하며, 연료전지는 가습된 기체가 내부로 공급되고 전기화학반응의 부산물로 물을 생성하기 때문에 금속분리판이 부식될 수 있는 환경에 항상 노출되어 있다.
차량 외부 환경에 대한 수증기나 먼지, 진동 등으로부터 스택을 보호하기 위해 스택 외부를 감싸는 인클로우져(Enclosure)가 적용되고 있지만, 이는 외부의 부식 요인에 대해서만 스택을 보호할 수 있을 뿐이고, 스택 내부(분리판 채널, 전해질막, 전극, 기체확산층 등)의 물이 뜻하지 않은 조건에 의해 외부로 유출될 경우 인클로우져 내부의 수증기를 외부로 배출하는 것을 억제하여 오히려 금속분리판의 부식을 가속시키는 원인이 될 수 있다.
예컨대, 가스켓 손상에 의해 기밀이 파괴되거나 분리판을 결속하는 체결력이 약해지면 가스켓 틈으로 내부 수증기가 스택 외부로 유출될 수 있고, 이 경우 금속분리판에 심각한 부식이 발생할 수 있다.
분리판의 부식은 안전과 관련되기 때문에 사전에 방지하는 것이 무엇보다 중요하다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 창출된 것으로서, 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 포함하는 스택 외곽 부위의 부식이 효과적으로 방지될 수 있는 연료전지 스택을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 단위 셀이 적층되어 구성되는 연료전지 스택에 있어서, 금속분리판의 외곽 부위에 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓 간의 접합면 틈새를 외곽에서 밀봉하는 방수부가 형성되어, 스택 내부로부터의 수증기 및 수분이 상기 방수부에 의해 각 금속분리판의 외곽 절단부위에 접촉되지 않도록 차단되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택을 제공한다.
바람직한 실시예에서, 상기 방수부는 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓의 외곽부 전체에 방수액을 도포하여 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 덮도록 형성되는 것일 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방수부는 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓의 외곽 전체를 감싸면서 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 덮도록 방수 테이프를 부착하여 형성되는 것일 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 방수부는 이웃한 금속분리판 간에 스택의 체결력에 의해 압착된 상태로 개재되어 막전극접합체 및 기체확산층의 외곽을 둘러싸면서 완전히 밀봉하는 가스켓을 설치하여 형성되는 것일 수 있다.
이때, 상기 가스켓은, 금속분리판과 막전극접합체 사이, 또는 금속분리판과 기체확산층 사이에 개재되어 압착된 상태로 기밀을 유지하는 제1기밀부와; 상기 제1기밀부와 일체로 형성되어 각 금속분리판 사이에서 압착된 상태로 제1기밀부, 막전극접합체 및 기체확산층의 외곽을 둘러싸면서 밀봉하는 제2기밀부;를 포함하여 구성되는 것일 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 연료전지 스택에서는 스택 및 금속분리판의 외곽 부위에 형성한 방수부가 각 금속분리판의 외곽 절단부위 등 부식이 쉽게 발생할 수 있는 부위를 스택 작동 중 발생하는 내부 수증기 및 가습된 반응기체의 수증기로부터 차단하므로 스택 부식이 효과적으로 방지되는 이점이 있다.
도 1은 통상의 연료전지 스택을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이다.
도 5는 도 4의 실시예에서 금속분리판 및 가스켓을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 금속분리판을 사용한 연료전지 스택에 관한 것으로서, 스택 작동 중 발생하는 내부 수증기 및 수분을 차단하여 금속분리판의 부식을 효과적으로 방지할 수 있는 스택 외곽 부식 방지 구조를 갖는 점에 주된 특징이 있는 것이다.
이러한 부식 방지 구조는 금속분리판의 외곽 절단부위에서 발생할 수 있는 부식을 방지하기 위한 것으로, 내부 수증기 및 수분이 외부로 누설될 수 있는 부분을 방수수단으로 밀봉하여 구성되며, 금속분리판의 외곽 절단부위에 내부 수증기 및 수분이 접촉되지 않도록 차단하는 역할을 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택을 도시한 구성도이다.
이하, 본 발명의 각 실시예에 대해 상세히 설명하기로 하며, 각 실시예는 스택 내부의 수증기 및 수분이 외부로 누설될 수 있는 부분, 즉 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓의 접합면 틈새를 밀봉할 수 있는 구조의 방수부를 금속분리판의 외곽 부위에 형성한 공통된 특징을 가진다.
우선, 도 2의 실시예는 다수의 셀로 적층된 연료전지 스택(10)의 외곽 부위에 금속분리판(13), 막전극접합체(11), 기체확산층(12), 가스켓(14)의 접합면 틈새를 전체적으로 밀봉할 수 있도록 상기 방수수단으로서 방수액을 도포하여 스택(10) 및 금속분리판(13) 외곽으로 방수부(21a)를 형성한 것이며, 이를 통해 스택(10) 내부에서 발생한 수증기 및 가습 기체의 수분이 외부로 누설되지 않도록 하는 밀봉 구조를 형성하게 된다.
상기 방수액은 스택(10)의 외곽 부위에서 금속분리판(13), 막전극접합체(11), 기체확산층(12), 가스켓(14)의 외곽부 전체에 각 금속분리판(13)의 외곽 절단부위를 덮도록 도포된다.
또한 도 3의 실시예는 연료전지 스택(10)의 외곽 부위에 금속분리판(13), 막전극접합체(11), 기체확산층(12), 가스켓(14)의 접합면 틈새를 전체적으로 밀봉할 수 있도록 상기 방수수단으로서 방수 테이프를 부착하여 스택(10) 및 금속분리판(13) 외곽으로 방수부(21b)를 형성한 것이며, 이를 통해 스택(10) 내부에서 발생한 수증기 및 가습 기체의 수분이 외부로 누설되지 않도록 하는 밀봉 구조를 형성하게 된다.
상기 방수 테이프는 스택(10)의 외곽 부위에서 금속분리판(13), 막전극접합체(11), 기체확산층(12), 가스켓(14)의 외곽 전체를 감싸면서 각 금속분리판(13)의 외곽 절단부위를 덮도록 부착된다.
상기와 같은 밀봉 구조는 스택(10) 조립 후에 방수액을 도포하거나 방수 테이프를 부착하여 스택 외곽 부위, 특히 각 금속분리판(13)의 외곽 부위에 직접 방수부(21a,21b)를 형성하여 구성되며, 이 방수부(21a,21b)는 스택 구성부 간의 접합면, 즉 금속분리판(13), 막전극접합체(11), 기체확산층(12), 가스켓(14) 간의 접합면 틈새를 외곽에서 완전히 밀봉하게 된다.
상기 방수액과 방수 테이프는 전도성이 낮고 스택 외곽에 형성된 반복부품간의 틈 사이로 바람직한 충진이 가능한 특성을 갖는 것을 사용하며, 예컨대 방수액으로는 고무 아스팔트계, 아크릴 고무계, 클로로프렌 고무계, 폴리이소시아테이크, 폴리올, 가교제를 주원료로 하는 우레탄 고무계, 폴리에스테르 수지, 고분자 시멘트 무기질 복합제 등이 사용될 수 있고, 방수 테이프로는 일면에 접착성이 있는 테이프, 고분자성 접착제가 일면에 도포된 필름, 액체형 고분자 접착제, 및 이의 등가 물질 중에 적어도 하나 이상으로 이루어진 것이 사용될 수 있다.
여기서, 액체형 고분자 접착제로는 열가소성 접착제(Thermoplastic adhesive), 열경화성 접착제(thermosetting adhesive) 엘라스토머릭 접착제(elastomeric adhesive), 및 이의 등가 물질 중에 적어도 하나 이상이 점도를 조절하여 사용될 수 있다.
또한 도 4의 실시예는 금속분리판(13)과 막전극접합체(11) 사이, 또는 금속분리판(13)과 기체확산층(12) 사이에 개재되는 기존 가스켓(14)의 형상을 변경하여 이를 방수수단으로 사용한 것이다.
즉, 방수수단으로서 기존 형상을 개선한 가스켓(14)을 사용하여 이웃한 금속분리판(13) 사이의 공간에서 막전극접합체(11) 및 기체확산층(12)의 외곽 부위를 완전히 밀봉하는 방수부(21c)를 형성한 것에 특징이 있다.
상기 가스켓(14)은 분리판(13)과 막전극접합체(11) 사이, 또는 분리판(13)과 기체확산층(12) 사이에 개재되어 셀 적층시 스택의 체결력에 의해 압착된 상태로 기밀을 유지하는 제1기밀부(14a)와; 상기 제1기밀부(14a)와 일체로 형성되어 이웃한 분리판(13) 사이의 공간에서 압착되어 제1기밀부(14a), 막전극접합체(11) 및 기체확산층(12)의 외곽을 밀봉하도록 형성된 제2기밀부(14b)를 포함하여 구성된다.
여기서, 각 분리판(13)에 설치된 가스켓(14)의 제2기밀부(14b)는 이웃한 분리판에 접합된 가스켓의 제2기밀부와 직접 밀착되어 1차 기밀 구조인 상기 제1기밀부(14a)의 외측에서 제1기밀부(14a), 막전극접합체(11) 및 기체확산층(12)의 외곽을 둘러싸면서 2차 밀봉하는 구조를 형성한다.
이러한 구조에서 제1기밀부(14a)는 분리판(11)과 막전극접합체(11) 또는 기체확산층(12)과의 사이에서 주로 기체의 기밀을 유지하는 역할을 하며, 분리판(13)의 적층시 이웃한 가스켓(14)의 제2기밀부(14b)들이 직접 밀착된 상태일 때 이 밀착된 상태의 제2기밀부(14b)들은 외곽의 기밀을 유지하는 역할을 하게 된다.
도 5는 도 4의 실시예에서 금속분리판 및 가스켓을 도시한 도면으로, 이는 적층 전 상태의 금속분리판(13) 및 가스켓(14)을 도시한 것이다.
이와 같이 가스켓(14)의 형상을 개선하는 경우, 이들이 방수수단으로서 스택 외곽의 방수부(21c)를 형성하게 되어 방수액이나 방수 테이프 등을 이용한 별도의 외부 방수처리가 불필요하게 되고, 이는 공정 축소, 작업성 및 생산성 향상 등을 가능하게 한다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 연료전지 스택 11 : 막전극접합체
12 : 기체확산층 13 : 금속분리판
14 : 가스켓 14a : 제1기밀부
14b : 제2기밀부 21a, 21b, 21c : 방수부

Claims (5)

  1. 단위 셀이 적층되어 구성되는 연료전지 스택에 있어서,
    금속분리판의 외곽 부위에 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓 간의 접합면 틈새를 외곽에서 밀봉하는 방수부가 형성되어, 스택 내부로부터의 수증기 및 수분이 상기 방수부에 의해 각 금속분리판의 외곽 절단부위에 접촉되지 않도록 차단되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방수부는 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓의 외곽부 전체에 방수액을 도포하여 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 덮도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 방수부는 금속분리판, 막전극접합체, 기체확산층, 가스켓의 외곽 전체를 감싸면서 각 금속분리판의 외곽 절단부위를 덮도록 방수 테이프를 부착하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 방수부는 이웃한 금속분리판 간에 스택의 체결력에 의해 압착된 상태로 개재되어 막전극접합체 및 기체확산층의 외곽을 둘러싸면서 완전히 밀봉하는 가스켓을 설치하여 형성되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스켓은,
    금속분리판과 막전극접합체 사이, 또는 금속분리판과 기체확산층 사이에 개재되어 압착된 상태로 기밀을 유지하는 제1기밀부와;
    상기 제1기밀부와 일체로 형성되어 각 금속분리판 사이에서 압착된 상태로 제1기밀부, 막전극접합체 및 기체확산층의 외곽을 둘러싸면서 밀봉하는 제2기밀부;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 내부식성이 향상된 연료전지 스택.


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