KR101201814B1 - 연료 전지 스택 - Google Patents
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Abstract
연료 전지 스택은 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일면에 형성된 애노드 전극과, 전해질막의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극과, 캐소드 전극 중 산화제가 처음 도입되는 산화제 입구 영역에 제공되어 산화제 입구 영역을 보호하는 보호층을 포함한다.
Description
본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 막-전극 접합체의 열화를 방지하는 구조에 관한 것이다.
연료 전지 시스템은 연료(탄화수소계 연료, 순수 수소, 또는 수소가 풍부한 개질 가스)와 산화제(공기 또는 순수 산소)의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성하는 연료 전지 스택을 포함한다. 직접 산화형 연료 전지는 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료를 사용하며, 고분자 전해질형 연료 전지는 순수 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 사용한다.
연료 전지 스택은 복수의 막-전극 접합체(membrane-electrode assembly; MEA)와, 막-전극 접합체들 사이에 위치하는 복수의 세퍼레이터를 포함한다.
막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일면에 위치하는 애노드 전극과, 전해질막의 다른 일면에 위치하는 캐소드 전극을 포함한다. 애노드 전극과 접하는 세퍼레이터는 애노드 전극으로 연료를 공급하기 위한 연료 채널을 형성하고, 캐소드 전극과 접하는 세퍼레이터는 캐소드 전극으로 산화제를 공급하기 위한 산화제 채널을 형성한다.
연료 전지 스택에 공급되는 산화제가 무가습 또는 저가습 상태일 때 캐소드 전극 가운데 산화제가 처음 주입되는 영역, 즉 세퍼레이터에 구비된 산화제 입구 매니폴드와 가장 가까운 영역은 매우 건조한 상태로 운전이 된다. 건조한 상태는 막-전극 접합체의 운전 중 발생한 라디칼이 막-전극 접합체 내에 오래 존재할 수 있는 조건을 만들어 막-전극 접합체가 열화에 취약해지도록 한다.
특히 캐소드 전극 가운데 산화제 입구 매니폴드와 가까운 영역은 산화제의 유량과 압력이 다른 영역보다 높기 때문에 캐소드 전극의 촉매층 열화를 심화시킨다. 한번 시작된 열화는 추가적인 열화를 유도하므로 막-전극 접합체의 열화가 가속화된다.
본 발명은 막-전극 접합체의 초기 열화를 억제하여 추가 열화 및 열화 가속화 현상을 방지할 수 있는 연료 전지 스택을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은 막-전극 접합체와, 막-전극 접합체의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함한다. 막-전극 접합체는 전해질막과, 전해질막의 일면에 형성된 애노드 전극과, 전해질막의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극과, 캐소드 전극 중 산화제가 처음 도입되는 산화제 입구 영역에 제공되어 산화제 입구 영역을 보호하는 보호층을 포함한다.
캐소드 전극은 촉매층과, 촉매층을 덮는 가스 확산층을 포함하고, 보호층은 촉매층과 가스 확산층 사이에 위치할 수 있다.
애노드 전극과 캐소드 전극은 전해질막보다 작은 크기로 형성되고, 막-전극 접합체는 전해질막의 가장자리에 고정된 지지 필름을 더욱 포함할 수 있다. 지지 필름은 산화제 입구 매니폴드와 산화제 출구 매니폴드를 형성하며, 산화제 입구 영역은 산화제 입구 매니폴드와 가장 가까운 영역으로 정의될 수 있다.
세퍼레이터는 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 채널을 형성하며, 보호층은 산화제 채널의 폭과 같거나 이보다 큰 폭을 가지면서 산화제 채널의 길이 방향과 나란하게 형성될 수 있다.
보호층은 필름과 개스킷 중 어느 하나로 형성될 수 있다. 보호층은 점착층을 구비하여 캐소드 전극에 부착될 수 있다. 다른 한편으로, 지지 필름의 일부가 산화제 입구 영역으로 연장되어 보호층과 지지 필름이 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 보호층이 캐소드 전극의 산화제 입구 영역을 덮어 보호함에 따라 건조한 산화제 투입으로 인한 캐소드 전극의 초기 열화를 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서 막-전극 접합체의 열화 불량을 방지하고, 연료 전지 스택의 사용 수명을 늘릴 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료 전지 스택의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 중 하나의 막-전극 접합체와 2개의 세퍼레이터를 나타낸 분해 사시도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 본 실시예의 연료 전지 스택(100)은 복수의 막-전극 접합체(10)와, 막-전극 접합체들(10) 사이에서 막-전극 접합체들(10)에 밀착 배치되는 복수의 세퍼레이터(20)를 포함한다. 하나의 막-전극 접합체(10)와 이의 양측에 위치하는 2개의 세퍼레이터(20)가 전기 에너지를 생성하는 하나의 단위 셀을 구성한다.
막-전극 접합체(10)는 연료와 산화제를 제공받으며, 연료와 산화제의 전기 화학적 반응을 이용하여 전기 에너지를 생성한다. 막-전극 접합체(10)의 일측에 위치하는 세퍼레이터(20)는 연료 공급을 위한 연료 채널(21)을 형성하고, 막-전극 접합체(10)의 다른 일측에 위치하는 세퍼레이터(20)는 산화제 공급을 위한 산화제 채널(22)을 형성한다. 세퍼레이터(20)는 기구적 강도가 약한 막-전극 접합체(10)를 가압하여 막-전극 접합체(10)를 지지하며, 막-전극 접합체들(10)을 전기적으로 연결시킨다.
연료 전지 스택(100)은 액체 또는 기체 상태의 탄화수소계 연료(메탄올, 에탄올, 액화석유가스, 액화천연가스, 가솔린, 및 부탄가스 등)를 제공받거나, 탄화수소계 연료로부터 개질기에 의해 크랙킹된 수소 또는 수소가 풍부한 개질 가스를 연료로 제공받을 수 있다. 연료 전지 스택(100)은 산화제로서 별도의 저장 수단에 저장된 순수한 산소를 제공받거나, 산소를 함유한 외부 공기를 그대로 제공받을 수 있다.
연료 전지 스택(100)의 최외곽에는 연료 전지 스택(100)을 일체로 고정시키는 한 쌍의 엔드 플레이트(30)가 구비된다. 어느 하나의 엔드 플레이트(30)에 연료를 공급하는 연료 주입구(31), 산화제를 공급하는 산화제 주입구(32), 미반응 연료를 배출하는 연료 배출구(33), 및 수분과 미반응 공기를 배출하는 산화제 배출구(34)가 형성될 수 있다.
도 1에서는 하나의 엔드 플레이트(30)에 2개의 주입구(31, 32)와 2개의 배출구(33, 34)가 모두 형성된 경우를 도시하였으나, 어느 하나의 엔드 플레이트(30)에 연료 주입구(31)와 산화제 주입구(32)가 형성되고, 다른 하나의 엔드 플레이트(30)에 연료 배출구(33)와 산화제 배출구(34)가 형성되는 구성도 가능하다.
도 3은 도 2의 Ⅰ-Ⅰ선을 따라 절개한 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 2와 도 3을 참고하면, 막-전극 접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)의 일면에 형성된 애노드 전극(12)과, 전해질막(11)의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극(13)과, 전해질막(11)의 가장자리에 고정된 지지 필름(14)과, 캐소드 전극(13) 중 산화제가 처음 도입되는 영역에 위치하는 보호층(15)을 포함한다.
애노드 전극(12)은 연료를 공급받는 부분으로서 산화 반응에 의해 연료 중의 수소를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층(121)과, 촉매층(121)을 덮는 가스 확산층(122)을 포함한다. 캐소드 전극(13)은 산화제를 공급받는 부분으로서 환원 반응에 의해 산화제 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층(131)과, 촉매층(131)을 덮는 가스 확산층(132)을 포함한다.
전해질막(11)은 애노드 전극(12)에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극(13)으로 이동시키는 이온 교환 기능을 가진다. 애노드 전극(12)과 캐소드 전극(13)은 전해질막(11)보다 작은 크기로 형성되며, 전해질막(11)의 가장자리에 지지 필름(14)이 부착된다. 지지 필름(14)은 수분 흡수에 따른 전해질막(11)의 팽창과 주름 발생을 억제하고, 세퍼레이터(20)와의 기구적인 체결을 가능하게 한다.
세퍼레이터(20)는 애노드 전극(12)과 마주하는 애노드 세퍼레이터(210) 및 캐소드 전극(13)과 마주하는 캐소드 세퍼레이터(220)로 구분될 수 있다. 연료 채널(21)은 애노드 세퍼레이터(210)에 형성되고, 산화제 채널(22)은 캐소드 세퍼레이터(220)에 형성된다. 애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220)는 일체로 접합될 수 있으며, 이를 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라 한다.
애노드 세퍼레이터(210)와 캐소드 세퍼레이터(220) 및 막-전극 접합체(10)의 지지 필름(14)은 연료 통과를 위한 2개의 연료 매니폴드(41)와 산화제 통과를 위한 2개의 산화제 매니폴드(42)를 공통으로 형성한다. 연료 채널(21)은 2개의 연료 매니폴드(41)에 연결되고, 산화제 채널(22)은 2개의 산화제 매니폴드(42)에 연결된다.
연료 주입구(31)로 공급된 연료는 연료 주입구(31)와 이어진 어느 하나의 연료 매니폴드(41)를 통해 애노드 세퍼레이터들(210)의 연료 채널(21)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 애노드 전극(12)으로 동시에 공급된다. 산화제 주입구(32)로 공급된 산화제는 산화제 주입구(32)와 이어진 어느 하나의 산화제 매니폴드(42)를 통해 캐소드 세퍼레이터들(220)의 산화제 채널(22)로 분산되어 막-전극 접합체들(10)의 캐소드 전극(13)으로 동시에 공급된다. 이로써 막-전극 접합체(10)에서 연료와 산화제의 전기화학적 반응에 의해 전기 에너지가 생성된다.
그리고 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 연료는 반대편 연료 매니폴드(41)를 거쳐 연료 배출구(33)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다. 막-전극 접합체들(10)의 전기화학적 반응에 사용되지 못한 미반응 산화제 및 전기화학적 반응의 부산물로서 발생한 수분은 반대편 산화제 매니폴드(42)를 거쳐 산화제 배출구(34)를 통해 연료 전지 스택(100)의 외부로 배출된다.
연료 전지 스택(100)에 공급되는 산화제는 무가습 상태이므로 캐소드 전극(13) 가운데 산화제가 처음 도입되는 영역은 매우 건조하다. 반면, 캐소드 전극(13) 중 산화제가 처음 도입되는 영역을 제외한 나머지 영역에서는 전기 화학적 반응의 부산물로서 수분이 발생하므로 가습 상태를 유지한다.
편의상 산화제가 공급되는 어느 하나의 산화제 매니폴드(42), 즉 산화제 입구 매니폴드와 가장 가깝게 위치하여 산화제 채널(22)을 통해 산화제를 처음 제공받는 영역을 '산화제 입구 영역'이라 한다. 보호층(15)은 캐소드 전극(13) 중 산화제 입구 영역에 제공되어 산화제 입구 영역을 보호한다.
보호층(15)은 얇은 두께를 가지는 필름 또는 개스킷으로 이루어지며, 고분자, 세라믹, 또는 고분자-세라믹 복합체 등으로 제조될 수 있다. 보호층(15)은 캐소드 전극(13)의 촉매층(131)과 가스 확산층(132) 사이에 위치하고, 적어도 일면에 점착층(도시하지 않음)을 구비하여 캐소드 전극(13)에 견고하게 부착된다. 보호층(15)은 촉매층(131)의 산화제 입구 영역이 산화제 채널(22)과 접하지 않도록 이들을 분리시켜 산화제 채널(22)에 공급된 산화제가 촉매층(131)의 산화제 입구 영역에 제공되지 않도록 한다.
이와 같이 보호층(15)은 캐소드 전극(13)의 산화제 입구 영역에 건조한 산화제가 공급되는 것을 차단하여 캐소드 전극(13)의 초기 열화를 효과적으로 억제한다. 즉, 보호층(15)이 촉매층의 건조한 산화제 입구 영역을 덮어 보호함에 따라 라디칼 발생과 이에 따른 초기 열화를 억제할 수 있다. 따라서 초기 열화로 인한 막-전극 접합체(10)의 추가 열화 및 열화 가속 현상을 미연에 방지할 수 있다.
캐소드 전극(13)은 보호층(15)으로 인해 산화제 입구 영역에서 전기 반응이 일어나지 않으므로 전기 에너지 생성에 기여하는 면적이 감소하게 된다. 그러나 이로 인한 전력 손실보다는 산화제 입구 영역의 열화가 더 큰 불량 요인이라 할 수 있으므로, 산화제 입구 영역의 열화를 억제하는 것이 더욱 중요하다.
보호층(15)의 형상과 크기는 특정한 예에 한정되지 않고 캐소드 전극(13)의 건조한 부위를 덮어 보호할 수 있는 정도이면 모두 적용 가능하다. 예를 들어, 보호층(15)은 복수의 홈을 포함하는 산화제 채널(22)의 폭(W, 도 2 참조)와 같거나 이보다 큰 폭을 가지면서 산화제 채널(22)의 길이 방향과 나란한 장변을 가지는 직사각 모양으로 형성될 수 있다.
한편, 애노드 세퍼레이터(210)의 내면과 캐소드 세퍼레이터(220)의 내면에는 냉각 채널(43)이 형성될 수 있다. 냉각 채널(43)은 도시하지 않은 송풍부와 연결되며, 송풍부의 흡입력에 의해 외부 공기가 냉각 채널(43)로 유입된다. 따라서 외부 공기와 연료 전지 스택(100)의 열 교환으로 연료 전지 스택(100)의 온도를 낮출 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료 전지 스택 중 막-전극 접합체의 단면도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예의 연료 전지 스택은 지지 필름(141)의 일부를 캐소드 전극(13) 촉매층(131)의 산화제 입구 영역 위로 연장시켜 보호층(151)을 지지 필름(141)과 일체로 형성한 것을 제외하고 전술한 제1 실시예의 연료 전지 스택과 동일한 구성으로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용한다.
제1 실시예에서 지지 필름(14)은 가운데가 빈 액자 모양으로 형성되나, 제2 실시예에서 지지 필름(141)은 캐소드 전극(13)의 산화제 입구 영역에 대응하는 추가 부위를 형성하여 이 추가 부위가 보호층(151)이 되도록 한다. 보호층(151)과 지지 필름(141)을 일체로 형성한 제2 실시예에서는 보호층(151) 제조 공정과 보호층(151) 부착 공정을 생략할 수 있으므로 연료 전지 스택의 생산성을 높일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 연료 전지 스택 10: 막-전극 접합체
11: 전해질막 12: 애노드 전극
13: 캐소드 전극 14, 141: 지지 필름
15, 151: 보호층 20: 세퍼레이터
210: 애노드 세퍼레이터 21: 연료 채널
220: 캐소드 세퍼레이터 22: 산화제 채널
30: 엔드 플레이트 31: 연료 주입구
32: 산화제 주입구 33: 연료 배출구
34: 산화제 배출구 41: 연료 매니폴드
42: 산화제 매니폴드
11: 전해질막 12: 애노드 전극
13: 캐소드 전극 14, 141: 지지 필름
15, 151: 보호층 20: 세퍼레이터
210: 애노드 세퍼레이터 21: 연료 채널
220: 캐소드 세퍼레이터 22: 산화제 채널
30: 엔드 플레이트 31: 연료 주입구
32: 산화제 주입구 33: 연료 배출구
34: 산화제 배출구 41: 연료 매니폴드
42: 산화제 매니폴드
Claims (8)
- 막-전극 접합체와, 상기 막-전극 접합체의 양측에 밀착 배치되는 세퍼레이터를 포함하며,
상기 막-전극 접합체는,
전해질막;
상기 전해질막의 일면에 형성된 애노드 전극;
상기 전해질막의 반대측 일면에 형성된 캐소드 전극; 및
상기 캐소드 전극 중 산화제가 처음 도입되는 산화제 매니폴드에 인접하는 산화제 입구 영역에 제공되어 상기 산화제 입구 영역을 보호하는 보호층
을 포함하며,
상기 캐소드 전극은 촉매층과, 상기 촉매층을 덮는 가스 확산층을 포함하고,
상기 보호층은 상기 산화제 입구 영역에 대응하여 상기 촉매층과 상기 가스 확산층 사이에 위치하며,
상기 애노드 전극과 상기 캐소드 전극은 상기 전해질막보다 작은 크기로 형성되고,
상기 막-전극 접합체는 상기 전해질막의 가장자리를 수용하여 그 양면에 고정된 지지 필름을 더욱 포함하며,
상기 지지 필름의 내측단은 상기 촉매층과 상기 가스 확산층 및 상기 보호층의 단부에 맞닿는 연료 전지 스택. - 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 지지 필름은 산화제 입구 매니폴드와 산화제 출구 매니폴드를 형성하고, 상기 산화제 입구 영역은 상기 산화제 입구 매니폴드와 가장 가까운 영역인 연료 전지 스택. - 제1항에 있어서,
상기 세퍼레이터는 상기 캐소드 전극을 향한 일면에 산화제 채널을 형성하고, 상기 보호층은 상기 산화제 채널의 폭과 같거나 이보다 큰 폭을 가지면서 상기 산화제 채널의 길이 방향과 나란하게 형성되는 연료 전지 스택. - 제1항, 제4항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보호층은 필름과 개스킷 중 어느 하나로 형성되는 연료 전지 스택. - 제6항에 있어서,
상기 보호층은 점착층을 구비하여 상기 캐소드 전극에 부착되는 연료 전지 스택. - 제1항에 있어서,
상기 지지 필름의 일부가 상기 산화제 입구 영역으로 연장되어 상기 보호층과 상기 지지 필름이 일체로 형성되는 연료 전지 스택.
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