KR20200027352A - 전극막접합체 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 전극막접합체를 제공한다. 전극막접합체는 전해질막, 상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되는 캐소드 촉매전극 및 애노드 촉매전극을 포함하는 촉매전극층, 상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되고, 상기 촉매전극층의 가장자리와 접촉하는 서브 가스켓을 포함하고, 상기 서브 가스켓에는 상기 전해질막의 일부가 노출되도록 상기 서브 가스켓을 관통하는 수분 배출구가 제공된다.
Description
본 발명은 전극막접합체에 관한 것으로, 전해질막에서 발생되는 수분을 제거할 수 있는 수분 배출구를 가진 전극막접합체에 관한 것이다.
연료전지는 반응물로서 수소와 산소를 화학반응 시켜 전기를 생성하는 전기화학장치이다. 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 연료전지에 비하여 전류밀도가 큰 고출력 연료전지이고, 100℃ 이하의 온도 구간에서 구동 가능하고 그 구조가 간단하다. 이와 같은 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력원 외에도 분산형 현지설치용 발전, 군수용 전원, 우주선용 전원 등으로 응용될 수 있는 등 그 응용범위가 매우 다양하다. 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만, 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급 받으므로 배터리와는 달리 충전이 필요 없고 연료가 공급되는 한 계속적으로 전기를 발생시킬 수 있다. 또한, 연료의 연소반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에 기존의 내연기관과 달리 황, 질소산화물 등 유독공해물질의 배출이 없고 이산화탄소 배출량도 획기적으로 줄일 수 있어 저공해, 고효율 차세대 에너지원으로 최근 각광받고 있는 추세이다.
다만, 전기화학적 반응 시에 전해질막에서 수분이 발생되어 연료전지의 성능이 저하될 수 있다. 일반적으로, 촉매전극층 상하부에 배치되는 가스 확산층을 통해 수분이 배출되지만, 전해질막 내부에서 발생된 수분은 전해질막의 표면에 축적되는 문제점이 있다.
본 발명의 기술적 과제는 전해질막과 서브 가스켓 사이에 축적되는 수분을 배출하기 위한 수분 배출구를 포함하는 전극막접합체를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 전극막접합체를 제공한다. 전극막접합체는 전해질막, 상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되는 캐소드 촉매전극 및 애노드 촉매전극을 포함하는 촉매전극층, 상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되고, 상기 촉매전극층의 가장자리와 접촉하는 서브 가스켓을 포함하고, 상기 서브 가스켓에는 상기 전해질막의 일부가 노출되도록 상기 서브 가스켓을 관통하는 수분 배출구가 제공된다.
일 예에 의하여, 상기 수분 배출구는 상기 촉매전극층의 가장자리로부터 이격되어 제공된다.
일 예에 의하여, 상기 서브 가스켓의 상부 및 하부에는 상부 분리판 및 하부 분리판이 배치되고, 상기 상부 분리판 및 상기 하부 분리판 각각에는 분리판 가스 배출구가 제공되고, 분리판 가스 배출구는 상기 수분 배출부보다 상기 촉매전극층 외측에 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 서브 가스켓은 상기 전해질막의 상부에 배치되는 상부 서브 가스켓 및 상기 전해질막의 하부에 배치되는 하부 서브 가스켓을 포함하고, 상기 수분 배출부는 상기 상부 서브 가스켓에 제공되는 상부 수분 배출부 및 상기 하부 서브 가스켓에 제공되는 하부 수분 배출부를 포함하고, 상기 상부 수분 배출부 및 상기 하부 수분 배출부 각각은 복수개로 제공된다.
일 예에 의하여, 상기 상부 수분 배출부 및 상기 하부 수분 배출부는 수직적으로 중첩되지 않도록 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 상부 수분 배출부와 상기 하부 수분 배출부는 비대칭적으로 제공된다.
일 예에 의하여, 상기 상부 수분 배출부와 상기 하부 수분 배출부는 상기 전해질막이 연장되는 방향을 따라 상기 전해질막의 상부 및 하부에 번갈아가며 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 서브 가스켓 상에는 메인 가스켓 및 분리판이 순차적으로 배치되고, 상기 메인 가스켓은 상기 촉매전극층을 향해 연장되는 복수개의 가스켓 돌출부들을 가지고, 상기 가스켓 돌출부들은 상기 메인 가스켓에서 상기 분리판을 향하는 방향과 수직한 방향으로 연장된다.
일 예에 의하여, 상기 수분 배출부는 서로 인접하는 상기 가스켓 돌출부들 사이에 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 분리판 상에는 집전체가 제공되고, 상기 집전체에는 산소 매니폴드, 수소 매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 제공되고, 평면적인 관점에서, 상기 수분 배출부는 상기 산소 매니폴드와 상기 촉매전극층 사이 및 상기 수소 매니폴드와 상기 촉매전극층 사이에 배치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전해질막을 노출시키도록 제공된 수분 배출구를 통해 전해질막과 서브 가스켓 사이에 수포가 발생되는 것을 방지할 수 있고, 전해질막 내부 또는 표면에서 생성되는 수분을 외부로 배출시킬 수 있다. 이를 통해, 연료전지의 성능 및 내구성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극막접합체를 나타내는 평면도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메인 가스켓을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 A-A' 로 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메인 가스켓을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시 예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함되는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전극막접합체를 나타내는 평면도이고, 도 2는 도 1의 A-A' 로 절단한 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 전극막접합체(1)는 전해질막(50), 촉매전극층(100), 서브 가스켓(200), 메인 가스켓(300), 분리판(400) 및 집전체(500)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 전극막접합체(1)는 수소이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)일 수 있다. 전극막접합체(1)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시킴으로서 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
전해질막(50)은 수소 이온 만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막일 수 있다. 전해질막(50)은 연료전지 내에서 전자 차단막인 동시에 수소 이온 전도체의 역할을 할 수 있다.
촉매전극층(100)은 전해질막(50)의 상부 및 하부에 배치될 수 있다. 촉매 전극층(100)은 전해질막(50)의 상부에 배치되는 캐소드(cathode) 촉매전극(100a) 및 전해질막(50)의 하부에 배치되는 애노드(anode) 촉매전극(100b)을 포함할 수 있다. 애노드 촉매전극(100b)은 연료로서의 수소를 산화 반응시켜 전자와 수소 이온으로 분리시킬 수 있다. 분리된 수소 이온은 전해질막(50)에 의해 캐소드 촉매전극(100a)으로 이동될 수 있다. 캐소드 촉매전극(100a)은 애노드 촉매전극(100b)으로부터 전달받은 전자 및 수소이온을 산소와 환원 반응시켜 수분 및 열을 생성하는 역할을 할 수 있다.
서브 가스켓(200)은 전해질막(50)의 상부에 배치되는 상부 서브 가스켓(200a) 및 전해질막(50)의 하부에 배치되는 하부 서브 가스켓(200b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브 가스켓(200)은 PET(Polyethylene terephthalate), PEN(Poly Ethylene terephthalate), PI(Polymide) 및 PP(PolyPropylene)의 고분자 물질 및/또는 고분자 물질을 코팅한 물질일 수 있다. 서브 가스켓(200)은 촉매전극층(100)의 가장자리와 접촉하고, 촉매전극층(100)을 외부로 노출시키도록 배치될 수 있다. 즉, 상부 서브 가스켓(200a)의 일부는 캐소드 촉매전극(100a)의 상면의 가장자리 부분과 접촉할 수 있고, 하부 서브 가스켓(200b)의 일부는 애노드 촉매전극(100b)의 상면의 가장자리 부분과 접촉할 수 있다. 평면적인 관점에서, 서브 가스켓(200)은 촉매전극층(100)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
서브 가스켓(200)에는 수분 배출구(205)가 제공될 수 있다. 수분 배출구(205)는 서브 가스켓(200)을 관통할 수 있고, 수분 배출구(205)에 의해 전해질막(50)을 노출할 수 있다. 수분 배출구(205)는 촉매전극층(100)의 가장자리와 이격되도록 제공될 수 있다. 수분 배출구(205)는 전기화학 반응 시에 전해질막(50)에서 생성된 수분을 배출시킬 수 있다. 전해질막(50)을 통해 생성된 수분은 촉매전극층(100) 상부에서 가스 확산층(250)을 통해 외부로 배출되는 것이 일반적이나, 친수성 성질을 가지는 전해질막(50) 내에서 전해질막(50)이 연장되는 방향으로 수분이 이동할 수 있다. 만약, 수분이 전해질막(50) 내부에서 수평으로 이동하게 되면 서브 가스켓(200)으로 덮여있는 부분까지 침투하게 되는데 서브 가스켓(200)과 전해질막(50) 사이 공극이 존재하게 되면 공극의 내부에 수분이 침투하여 적체되는 문제가 발생한다. 결과적으로, 되는데 서브 가스켓(200)과 전해질막(50) 사이에 수분 축적에 의한 팽윤현상에 발생해 서브 가스켓(200)과 전해질막(50) 간의 계면접합력을 약화시키고, 팽윤현상에 의해 팽창된 기포에 의해 산소와 수소 입출입이 원할하지 않아 연료전지의 성능을 저하시키는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출구(205)는 서브 가스켓(200)을 관통하도록 제공되어 서브 가스켓(200)과 전해질막(50) 사이에 존재하는 수분을 외부로 배출시키는 역할을 할 수 있다.
수분 배출구(205)는 상부 서브 가스켓(200a)에 제공되는 상부 수분 배출구(205a) 및 하부 서브 가스켓(200b)에 제공되는 하부 수분 배출구(205b)를 포함할 수 있다. 상부 수분 배출구(205a) 및 하부 수분 배출구(205b)는 각각 복수개로 제공될 수 있다. 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)는 수직적으로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다.
캐소드 촉매전극(100a) 및 애노드 촉매전극(100b) 상에는 가스 확산층(250)이 배치될 수 있다. 가스 확산층(250)은 캐소드 촉매전극(100a) 및 애노드 촉매전극(100b) 상에 제공되는 서브 가스켓(200)과 접촉할 수 있다. 가스 확산층(250)은 서브 가스켓(200) 상에 배치되어 촉매전극층(100)과 직접 접촉되지 않도록 배치될 수 있다. 가스 확산층(250)은 높은 다공도를 갖는 다공성 매질로 구성되어 반응 가스와 생성물인 물이 용이하게 통과되도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 가스 확산층(250)은 탄소섬유 및 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 계열의 소수성 물질일 수 있다.
메인 가스켓(300)은 서브 가스켓(200)과 분리판(400) 사이에 배치되어 분리판(400)을 지지하는 역할을 할 수 있다. 메인 가스켓(300)은 촉매전극층(100)을 향해 연장되는 복수개의 가스켓 돌출부들(310)을 가질 수 있다. 가스켓 돌출부들(310)은 메인 가스켓(300)에서 분리판(400)을 향하는 방향과 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 평면적인 관점에서(도 1 참조), 서로 인접하는 2개의 가스켓 돌출부들(310) 사이에는 수분 배출구(205)가 배치될 수 있다. 즉, 복수개의 가스켓 돌출부들(310) 사이에 복수개의 수분 배출구(205)가 배치될 수 있다. 또한, 서로 인접하는 2개의 가스켓 돌출부들(310) 사이에는 분리판 가스 배출구(405)가 배치될 수 있다. 분리판 가스 배출구(405)는 수분 배출구(205)과 메인 가스켓(300) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 수분 배출구(205)는 분리판 가스 배출구(405)에 비해 촉매전극층(100)과 인접하도록 배치될 수 있다. 즉, 분리판 가스 배출구(405)는 수분 배출부(205)보다 촉매전극층(100)의 외측에 배치될 수 있다. 수분 배출구(205)는 분리판 가스 배출구(405)과 인접하게 배치될 수 있다.
분리판(400)은 연료 또는 공기가 흐르는 유로를 제공하여 촉매전극층(100)과 전해질막(50)을 향해 연료 또는 공기를 제공할 수 있다. 또한, 분리판(400)은 전기화학반응 후에 생성된 물 등의 생성물을 외부로 배출하는 역할을 수행할 수 있다. 분리판(400)은 가스 확산층(250) 상에 배치될 수 있고, 상부 서브 가스켓(200a) 및 하부 서브 가스켓(200b) 상에 각각 제공될 수 있다. 분리판(400)에는 연료 또는 공기가 유입 또는 배출될 수 있도록 분리판 가스 배출구(405)가 제공될 수 있다. 분리판 가스 배출구(405)는 상부 서브 가스켓(200a) 상에 배치되는 상부 분리판 가스 배출구(405a) 및 하부 서브 가스켓(200b) 상에 배치되는 하부 분리판 가스 배출구(405b)를 포함할 수 있다. 분리판 가스 배출구(405)는 서로 인접하는 2개의 가스켓 돌출부들(310) 사이에 배치될 수 있다.
집전체(500)는 분리판(400) 상에 배치될 수 있다. 집전체(500)는 상부 서브 가스켓(200a) 및 하부 서브 가스켓(200b) 상에 각각 제공될 수 있다. 집전체(500)에는 연료 또는 공기가 촉매전극층(100)과 전해질막(50)으로 공급되도록 매니폴드(550)가 제공될 수 있다. 매니폴드(550)는 산소가 공급되는 산소 매니폴드(520), 냉각수가 공급되는 냉각수 매니폴드(530) 및 수소가 공급되는 수소 매니폴드(540)를 포함할 수 있다. 산소 매니폴드(520), 냉각수 매니폴드(530) 및 수소 매니폴드(540)는 서로 이격되어 배치될 수 있고, 평면적으로 촉매전극층(100)과 이격되도록 배치될 수 있다. 평면적인 관점에서, 산소 매니폴드(520), 냉각수 매니폴드(530) 및 수소 매니폴드(540)는 가스켓 돌출부들(310)이 연장되는 방향과 수직하는 방향으로 배치될 수 있다. 이 때, 평면적인 관점에서 수분 배출구(205)는 산소 매니폴드(520)와 촉매전극층(100) 사이 및 수소 매니폴드(540)와 촉매전극층(100) 사이에 배치될 수 있다. 다만, 수분 배출구(205)는 냉각수 매니폴드(530)와 촉매전극층(100) 사이에는 배치되지 않을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 수분 배출구(205)는 분리판(400)에 배치된 분리판 가스 배출구(405)를 통해 수분 배출이 원활하도록 분리판 가스 배출구(405)와 인접하게 배치될 수 있다. 또한, 수분 배출구(205)는 전해질막(50)을 노출시키도록 서브 가스켓(200)을 관통하도록 형성되므로 전해질막(50) 내부 기공을 통하여 이동하는 수분이 특정 지역에 적체되는 현상을 방지할 수 있다. 즉, 수분 배출구(205)를 통해 전해질막(50)과 서브 가스켓(200) 사이에 수포가 발생되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 수분 배출구(205)는 상부 서브 가스켓(200a) 및 하부 서브 가스켓(200b)에 각각 제공되므로 전해질막(50)의 상부 및 하부에서 생성되는 수분을 원활하게 배출시킬 수 있다. 이를 통해, 연료전지의 성능 및 내구성이 향상될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 전해질막(50)의 상부면(50a)을 노출시키는 상부 수분 배출부(205a) 및 전해질막(50)의 하부면(50b)을 노출시키는 하부 수분 배출부(205b)가 제공될 수 있다. 상부 수분 배출구(205a)는 전해질막(50)의 상부면(50a)과 상부 서브 가스켓(200a) 사이에 적체되는 수분을 배출시킬 수 있고, 하부 수분 배출구(205b)는 전해질막(50)의 하부면(50b)과 하부 서브 가스켓(200b) 사이에 적체되는 수분을 배출시킬 수 있다. 수분 배출구들(205a, 205b)의 단면은 사각형, 원형, 삼각형 등 다양한 형상으로 이루어질 수 있다.
상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)는 전해질막(50)의 상하부에 각각 제공되고, 서로 비대칭적으로 배치될 수 있다. 일 예로, 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)는 수직적으로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 즉, 가로 방향으로 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)가 교대로 배치될 수 있다. 가로 방향은 상부 서브 가스켓(200a)에서 하부 서브 가스켓(200b)을 향하는 방향과 수직하는 방향을 의미한다. 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)가 서로 비대칭적으로 배치됨에 따라, 전해질막(50)의 상부면(50a)과 하부면(50b) 각각에서 발생되는 수분이 이동하는 경로를 달리하여 수분 배출이 더욱 효율적으로 이루어질 수 있다. 또한, 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)가 비대칭적으로 배치됨에 따라, 노출된 전해질막(50)을 통해 가스가 출입되는 문제점을 방지할 수 있다. 즉, 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)가 수직적으로 중첩되도록 배치된다면, 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b) 중 어느 하나의 배출구로 수분은 배출되나 다른 하나의 배출구를 통해서는 수분이 배출되지 않을 수 있다. 이 때, 수분이 배출되지 않는 배출구를 향해 가스가 유입될 수 있으나, 본 발명의 실시예에 따르면 상부 수분 배출구(205a)와 하부 수분 배출구(205b)가 수직적으로 중첩되지 않고 비대칭적으로 배치되어 배출구를 통해 가스가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 경로를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서는 설명의 편의를 위해 전해질막(50)의 상부에 배치된 구성들로 수분이 배출되는 경로를 설명하도록 한다. 전해질막(50)의 하부를 통해 수분이 배출되는 경로는 전해질막(50)의 상부를 통해 수분이 배출되는 경로와 유사할 수 있다.
도 4를 참조하면, 전해질막(50) 내부의 전기화학적 반응에 의해 수분이 발생될 수 있다. 일반적으로, 전해질막(50)에서 발생된 수분은 가스 확산층(250)을 통해 상부 분리판 가스 배출구(405a)로 이동하여 외부로 배출될 수 있다. 다만, 전해질막(50)에서 발생된 수분 중 일부는 전해질막(50) 내부에서 수평으로 이동하여 상부 서브 가스켓(200a)과 전해질막(50)이 접하는 부분까지 이동하게 된다. 상부 서브 가스켓(200a)에 제공된 상부 수분 배출구(205a)를 통해 수분은 상부 분리판 가스 배출구(405a)로 이동하여 배출될 수 있다. 이 때, 수분 배출이 용이하도록 상부 수분 배출구(205a)와 상부 분리판 가스 배출구(405a)는 인접하게 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 메인 가스켓을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 메인 가스켓(300)은 집전체(500)에 형성된 산소 매니폴드(520), 냉각수 매니폴드(530) 및 수소 매니폴드(540) 각각을 통해 유입되는 산소, 냉각수 및 수소가 이동하는 통로들(420, 430, 440)을 포함할 수 있다. 통로들(420, 430, 440)은 산소가 이동하는 통로인 제1 통로(420), 냉각수가 이동하는 토로인 제2 통로(430) 및 수소가 이동하는 통로인 제3 통로(440)를 포함할 수 있다.
메인 가스켓(300)은 일 방향으로 연장하는 가스켓 돌출부들(310)을 포함할 수 있다. 가스켓 돌출부들(310)은 복수개로 제공될 수 있고, 복수개의 가스켓 돌출부들(310) 중 서로 인접하는 임의의 2개의 가스켓 돌출부들(310) 사이에는 수분 배출구(205)가 배치될 수 있다. 수분 배출부(205)는 서브 가스켓(200)을 관통하도록 형성될 수 있다. 이 때, 수분 배출부(205)는 2개의 가스켓 돌출부들(310)에 의해 정의되는 공간 내에 배치될 수 있다.
수분 배출부(205)는 제1 통로(420) 및 제3 통로(440)와 인접하게 배치된 가스켓 돌출부들(310)에 의해 정의된 공간에 배치될 수 있다. 수분 배출부(205)는 제2 통로(430)에서 일 방향으로 연장되는 가스켓 돌출부들(310) 사이에는 배치되지 않을 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수분 배출부를 통해 수분이 배출되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전기화학반응을 통해 전해질막(50)에서 생성된 수분은 전해질막(50) 내부에서 이동하게 되면 서브 가스켓(200a, 200b)과 접하는 부분까지 침투될 수 있다. 이 때, 서브 가스켓(200a, 200b)과 전해질막(50) 사이 공극이 존재하게 되면 공극 내부에 수분이 침투하여 적체되는 문제가 발생된다. 결과적으로, 수분축적에 의한 팽윤현상에 의해 서브 가스켓(200a, 200b)과 전해질막(50) 간 계면접합력을 약화되고, 팽창된 기포에 의해 산소와 수소 입출입이 원할하지 않게 되어 전극막접합체의 성능이 저하되는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 확산 원리에 의해 수분은 이동경로가 형성된 수분 배출구(205a)로 집중될 수 있다. 수분 배출구(205a)를 통해 전극막접합체 외부로 유출된 수분은 인접한 분리판 가스 배출구(도 2의 405a)로 이동하여 안정적으로 외부로 유출될 수 있다. 전해질막(50)을 노출시키는 수분 배출구(205a)를 통해 전해질막(50)과 서브 가스켓(200a, 200b) 사이의 수분 축적에 의한 팽윤현상이 억제될 수 있고, 전극막접합체로의 산소/수소 출입이 원할해져 연료전지의 성능이 유지되고 내구성이 향상될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
Claims (10)
- 전해질막;
상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되는 캐소드 촉매전극 및 애노드 촉매전극을 포함하는 촉매전극층;
상기 전해질막의 상부 및 하부에 배치되고, 상기 촉매전극층의 가장자리와 접촉하는 서브 가스켓을 포함하고,
상기 서브 가스켓에는 상기 전해질막의 일부가 노출되도록 상기 서브 가스켓을 관통하는 수분 배출구가 제공되는,
전극막접합체. - 제1 항에 있어서,
상기 수분 배출구는 상기 촉매전극층의 가장자리로부터 이격되어 제공되는,
전극막접합체. - 제1 항에 있어서,
상기 서브 가스켓의 상부 및 하부에는 상부 분리판 및 하부 분리판이 배치되고,
상기 상부 분리판 및 상기 하부 분리판 각각에는 분리판 가스 배출구가 제공되고,
상기 분리판 가스 배출구는 상기 수분 배출부보다 상기 촉매전극층 외측에 배치되는,
전극막접합체. - 제1 항에 있어서,
상기 서브 가스켓은 상기 전해질막의 상부에 배치되는 상부 서브 가스켓 및 상기 전해질막의 하부에 배치되는 하부 서브 가스켓을 포함하고,
상기 수분 배출부는 상기 상부 서브 가스켓에 제공되는 상부 수분 배출부 및 상기 하부 서브 가스켓에 제공되는 하부 수분 배출부를 포함하고,
상기 상부 수분 배출부 및 상기 하부 수분 배출부 각각은 복수개로 제공되는,
전극막접합체. - 제4 항에 있어서,
상기 상부 수분 배출부 및 상기 하부 수분 배출부는 수직적으로 중첩되지 않도록 배치되는,
전극막접합체. - 제4 항에 있어서,
상기 상부 수분 배출부와 상기 하부 수분 배출부는 비대칭적으로 제공되는,
전극막접합체. - 제4 항에 있어서,
상기 상부 수분 배출부와 상기 하부 수분 배출부는 상기 전해질막이 연장되는 방향을 따라 상기 전해질막의 상부 및 하부에 번갈아가며 배치되는,
전극막접합체. - 제1 항에 있어서,
상기 서브 가스켓 상에는 메인 가스켓 및 분리판이 순차적으로 배치되고,
상기 메인 가스켓은 상기 촉매전극층을 향해 연장되는 복수개의 가스켓 돌출부들을 가지고,
상기 가스켓 돌출부들은 상기 메인 가스켓에서 상기 분리판을 향하는 방향과 수직한 방향으로 연장되는,
전극막접합체. - 제8 항에 있어서,
상기 수분 배출부는 서로 인접하는 상기 가스켓 돌출부들 사이에 배치되는,
전극막접합체. - 제8 항에 있어서,
상기 분리판 상에는 집전체가 제공되고,
상기 집전체에는 산소 매니폴드, 수소 매니폴드 및 냉각수 매니폴드가 제공되고,
평면적인 관점에서, 상기 수분 배출부는 상기 산소 매니폴드와 상기 촉매전극층 사이 및 상기 수소 매니폴드와 상기 촉매전극층 사이에 배치되는,
전극막접합체.
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