KR101423614B1 - 연료전지용 막전극접합체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 막전극접합체에 관한 것으로, 전해질막(11)을 보호하기 위한 보조 가스켓(21)을 가스 확산층(17,19)까지 확장 형성하여, 상기 보조 가스켓(21)과 가스 확산층(17,19)의 경계 부위가 겹쳐지게 한다.
따라서, 얇은 전해질막을 적용하더라도 연료전지의 내구성 향상이 보장되어 연료전지의 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

연료전지용 막전극접합체{Membrane electrode assembly for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 막전극 접합체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체의 차압 내구성을 증대시키기 위한 연료전지용 막전극 접합체에 관한 것이다.

연료전지는 산화에 의해서 생성되는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다.

연료전지는 연료극과 공기극에 각각 수소와 공기가 공급되어 전해질과 반응하여 이온을 형성하고, 이 이온이 전기화학반응을 일으켜 물을 형성하는 과정에서 전기를 발생시키는 구조를 갖는다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지, 용융 탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류된다.

고분자전해질 연료전지는 작동온도가 낮고 효율이 높으며 전류밀도 및 출력밀도가 높으며 시동시간 및 연료주입시간이 짧으며 부하변화에 대한 응답이 빠른 특징을 갖는다.

또한, 고분자전해질 연료전지는 다양한 범위의 출력을 낼 수 있어 휴대용에서부터 분산형 발전까지 응용분야가 다양하다.

이러한 고분자전해질 연료전지는 연료극, 공기극 및 연료극과 공기극 사이에 위치하는 고분자전해질막으로 이루어진 막전극 접합체(MEA:Membrane Electrode assembly), 전기전도체의 역할을 하며 연료 또는 산화제 가스가 전극과 접하면서 흐르도록 유로를 구비하고 있는 바이폴라판(bypolar plate) 또는 모노폴라판(monopolar plate)으로 이루어진 분리판을 포함하는 구조를 갖는다.

그런데, 막전극 접합체는 과도한 차압이나 특정 부위에 압력이 반복적으로 가해질때 기계적 강도가 약화되어 고분자전해질막이 얇아지거나 찢어지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.

전해질막에 미세한 구멍이나 찢김 현상이 발생하면 연료가스의 크로스오버(crossover)가 발생하고, 크로스오버는 국부적인 촉매 연소반응으로 열점을 형성하여 연료전지의 갑작스런 고장을 유발하게 된다.

이에 전해질막의 두께를 두껍게 하여 특정 부위의 반복적인 압력에도 전해질막의 찢김 현상이 방지되게 할 수 있으나, 전해질막의 두께가 두꺼워지면 연료전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 고분자전해질 연료전지용 막전극접합체의 차압 내구성을 증대시키되 전해질막의 손상이 방지되게 그 구조를 개선하여 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있도록 한 연료전지용 막전극 접합체를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 전해질막을 보호하기 위한 보조 가스켓을 가스 확산층까지 확장 형성하여, 상기 보조 가스켓과 가스 확산층의 경계 부위가 겹쳐지게 한다.

상기 보조 가스켓의 확장 부위는 가스 출구 및 입구, 그리고 상기 가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위이다.

상기 보조 가스켓의 확장 부위는 상기 가스 확산층 내부로 삽입되어 상기 가스 확산층과 상기 전해질막의 양측으로 배치된 촉매층 사이에 배치된다.

상기 보조 가스켓의 확장 부위는 가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위의 경우 상기 막전극접합체를 지지하는 분리판의 유로 형성 부분을 덮지 않는 범위에서 확장된다.

상기 보조 가스켓의 확장 부위는 가스 출구 및 입구에 해당되는 부위의 경우 상기 막전극접합체를 지지하는 분리판의 유로 형성 부분을 일부 덮는 범위에서 확장된다.

상기 보조 가스켓의 두께는 상기 가스 확산층 두께 대비 5~10%이다.

본 발명은 전해질막을 보호하기 위한 보조 가스켓을 가스 확산층까지 확장 형성하여, 상기 보조 가스켓과 가스 확산층의 경계 부위가 겹쳐지게 하므로, 얇은 전해질막을 적용하더라도 연료전지의 내구성 향상이 보장되어 연료전지의 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

이와 같이, 막전극접합체의 찢겨짐을 방지함으로써 연료전지 스택의 내구성능을 증대시키고 부가적으로 연료전지의 전체 출력 특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 보조 가스켓의 바람직한 실시예를 보인 도.
도 2는 도 1의 a 및 b 부분을 보인 단면도.
도 3은 도 1의 c 및 d 부분을 보인 단면도.
도 4는 본 발명과 대비하기 위한 비교예의 막전극접합체를 보인 단면도.
도 5는 도 4의 비교예를 단전지로 구성한 도.
도 6은 도 5의 단전지의 차압 누출을 실험한 결과를 보인 그래프.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예를 단전지로 구성하고 단전지의 차압 누출을 실험한 결과를 보인 그래프.

이하, 본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체(MEA:Membrane Electrode as sembly)(10)는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 전해질막(11)을 보호하기 위한 보조 가스켓(21)을 가스 확산층(17,19)까지 확장 형성하여, 보조 가스켓(21)과 가스 확산층(17,19)의 경계 부위가 겹쳐지게 하는데 특징이 있다.

이는 전해질막(11)에 직접적인 충격이 가해지지 않고 보조 가스켓(21)에 압력이 가해지도록 함으로써 전해질막(11)이 얇아지거나 찢기는 현상을 방지한다.

막전극접합체(10)는 연료전지에서 실제 전기화학 반응이 발생하는 부분으로 연료전지의 성능을 좌우한다. 그리고, 막전극접합체의 가장 중요한 기술적 지표는 단위면적당 출력성능 및 내구성이다. 이에 막전극접합체의 구조를 개선하여 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있도록 한다.

도 1 내지 3를 참조하면, 막전극접합체(10)는 전해질막(11)과, 전해질막(11)에 접합된 연료극 및 공기극의 촉매층(13,15)과, 촉매층(13,15) 양측으로 배치되는 가스 확산층(17,19)과 가스 확산층(17,19)과 경계 부위가 겹쳐지게 배치되는 보조 가스켓(21)을 포함한다.

전해질막(11)은 고분자전해질막으로 전해질이 고체상태에서 이온의 이동에 의하여 전류를 통할 수 있는 물질이다. 전해질막(11)은 수화된 연료기체 또는 액체와 산화제 기체를 분리하는 역할을 수행한다.

촉매층(13,15)은 수소의 산화반응과 산소의 환원반응의 속도를 증가시켜 출력밀도를 높이기 위해 구비된다. 촉매층은 예를 들어, 백금 촉매층 또는 백금-루테늄 합금 촉매층이 사용할 수 있다.

촉매층(13,15)은 백금 촉매가 붙은 탄소를 전해질막에 직접 고정시켜 형성할 수도 있고, 촉매를 전해질막(11)에 롤러나 스프레이를 이용하여 도포하여 형성할 수도 있다.

가스 확산층(17,19)은 막전극접합체(10)의 가장 바깥부분과 아래에서 설명될 분리판 사이에 위치하여 물리적으로 촉매층(13,15)을 지지하고 있는 부분이다. 가스 확산층(17,19)은 분리판(23,25)의 유로(27,29)를 통해 연료전지 내부로 유입된 유체를 촉매층(13,15)에 전달하고, 화학반응으로 생성된 유체를 다시 분리판(23,25)의 유로로 이동하게 하는 유체의 확산을 담당하며, 전기화학 반응에 의해 발생한 전자를 분리판(23,25)에 전달해 주는 기능을 한다.

가스 확산층(17,19)은 다공성 물질이 사용되며 반응기체 중에 포함되어 있는 수분이 기공을 막는 현상을 방지하기 위해 예를 들어, PTFE로 함침할 수 있다.

보조 가스켓(21)은 전해질막(11)을 보호하고 유체(기체 또는 액체)의 외부 누설이나 혼합을 방지하는 역할을 한다. 보조 가스켓(21)은 전해질막(11)의 가장자리를 감싸도록 배치되되, 가스 확산층(17,19)의 일부분까지 확장 형성하여, 보조 가스켓(21)과 가스 확산층(17,19)의 경계 부위가 겹쳐지게 하는데 특징이 있다.

보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)는 가스 출구 및 입구(a,b), 그리고 가스확산층의 양측면(c,d)에 해당되는 부위이다.

전해질막(11)은 가스 출구 및 입구 부위가 압력(차압)에 특히 취약하고, 가스 출구 및 입구 부위와 가까울수록 이러한 압력의 영향에 의해 전해질막(11)의 찢김 현상이 자주 발생한다.

이에 보조 가스켓(21)의 가스 출구 및 입구(a,b) 부위와 대응되는 부위와 양 측면(c,d) 부위를 확장 형성하여 차압이 발생하더라도 전해질막(11)에 직접적으로 충격이 가해지지 않도록 한다.

보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)는 가스 확산층(17,19) 내부로 삽입되어 가스 확산층(17,19)과 상기 전해질막(11)의 양측으로 배치된 촉매층(13,15) 사이에 배치된다. 보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)가 가스 확산층(17,19)과 촉매층(13,15) 사이에 배치되게 하는 것은 보조 가스켓(21)을 전해질막(11)에 밀착 배치하여 압력에 의한 충격이 전해질막(11)에 직접적으로 가해지지 않도록 하기 위함이다.

만약, 보조 가스켓(21)의 확장 부위가 가스 확산층(17,19)을 감싸도록 배치하는 경우 밀폐력이 약해 압력에 의한 충격이 전해질막(11)에 직접적으로 가해지는 것을 방지하기 어렵다.

보조 가스켓(21)은 막전극접합체(10)를 지지하는 분리판(23,25)의 유로(27,29) 형성 부분을 덮지 않는 범위에서 가스 확산층(17,19)으로 확장된다.

보다 정확하게는, 보조 가스켓(21)의 확장 부위는 가스 확산층(17,19)의 양측면에 해당되는 부위(도 1의 c,d)의 경우 막전극접합체(10)를 지지하는 분리판(23,25)의 유로 형성 부분을 덮지 않는 범위에서 확장되고, 가스 출구 및 입구에 해당되는 부위(도 1의 a,b)의 경우 가스 출구 및 입구와 연결된 막전극접합체(10)를 지지하는 분리판(23,25)의 유로 형성 부분을 일부 덮는 범위에서 확장된다.

막전극접합체(10)의 양측으로는 막전극접합체(10)를 기계적으로 고정하기 위한 한 쌍의 분리판(23,25)이 배치되며, 분리판(23,25)에는 유체의 흐름을 돕기 위한 유로(27,29)가 형성되어 있다. 유로(27,29)는 연료전지로 공급되는 연료와 산화물이 촉매층(13,15)과 잘 접촉할 수 있도록 분리판(23,25)에 형성한 유체의 이동통로로, 보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)가 분리판(23,25)의 유로(27,29) 형성 부분을 덮게 되면 연료와 산화물이 촉매층(13,15)과 잘 접촉되지 않아 전기화학 반응이 원활하지 않을 수 있다.

보조 가스켓(21)의 두께는 가스 확산층(17,19) 두께 대비 5~10%인 것이 바람직하다. 보조 가스켓(21)의 두께가 가스 확산층(17,19) 두께 대비 5% 미만이면 전해질막(11)을 보호하기 위한 보조 가스켓(21)의 역할을 충분히 수행하기 어렵고, 10%를 초과하면 막전극접합체(10)의 불균일한 두께 편차로 인하여 가스 확산층(17,19)이 파손될 수 있다.

막전극접합체에서 가스 확산층의 두께는 대략 0.2~0.5mm이고, 전해질막의 두께는 대략 0.05~0.1mm 이다.

참고로, 본 실시예의 경우, 보조 가스켓(21)은 양 측면 부위에 비해 특히 압력(차압)에 취약한 가스 출구 및 입구(a,b) 부위를 더 많이 확장하여 막전극접합체(10)의 차압 내구성을 증대시킨다. 여기서, 분리판(23,25)은 막전극접합체의 구성요소는 아니나 설명의 편의를 위해 추가하였다.

이러한 구조를 갖는 본 발명의 작용을 설명한다.

본 발명에 의한 연료전지용 막전극접합체(10)는, 보조 가스켓(21)을 가스 확산층(17,19)까지 확장 형성하되, 보조 가스켓(21)의 확장 부위를 가스 확산층(17,19) 내부로 삽입하고, 확장 부위(21a)를 분리판(23,25)의 유로(27,29) 형성 부분을 덮지 않는 범위로 제한한다.

특히, 보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)는 압력(차압)에 특히 취약한 가스 출구 및 입구(a,b), 그리고 가스 확산층의 양측면(c,d)에 해당되는 부위로 한다.

이에 차압 또는 특정 부위의 반복적인 충격이 가해지더라도 전해질막(11)에 직접적인 충격이 전달되지 않으므로 전해질막(11)의 손상이 방지된다. 또한, 확장 부위(21a)가 분리판(23,25)의 유로(27,29) 형성 부분을 덮지 않음으로 인해 연료전지로 공급되는 연료와 산화물이 촉매층(13,15)과 잘 접촉하여 전기화학 반응도 원활하다.

또한, 보조 가스켓(21)의 확장으로 인해 얇은 전해질막(11)을 적용하더라도 연료전지의 내구성 향상이 보장되므로 연료전지의 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예와 다른 비교예를 대비하여 상세히 설명하고자 한다.그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<비교예>

전해질막(111)을 보호하기 위한 보조 가스켓(121)과 가스 확산층(117,119)의 경계 부위가 겹쳐지지 않고 서로 맞닿아 있다.

<실시예>

보조 가스켓(21)을 가스 확산층(17,19)까지 확장 형성하되, 보조 가스켓(21)의 확장 부위(21a)를 가스 확산층(17,19) 내부로 삽입하고, 확장 부위(21a)를 분리판(23,25)의 유로(27,29) 형성 부분을 덮지 않는 범위로 제한하였다.

그리고, 보조 가스켓(21)은 분리판(23,25)에 형성된 가스 입출구(A,B) 부위(가스가 들어와서 MEA에 닿는 부위)를 막는 형태이다.(도 2 및 도 3의 ℓ선 참조)

<실험1>

비교예를 단전지로 구성하고 아래 표 1의 시험 조건으로 차압 내구성을 실험 하였으며, 단전지의 구성 및 실험 결과는 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다.

차압 내구성 실험 후 막전극접합체의 파손부위를 확인하기 위해 버블 맵퍼(Bubble mapper)라는 시험용 지그를 사용하였다.

예를 들어, 버블 맵퍼(Bubble mapper)라는 시험용 지그 내에 막전극 접합체를 고정하고, 막전극 접합체가 고정된 지그 전체를 물에 담근 후 어느 한 방향에 가스를 흘려주면 막전극접합체의 전해질막의 찢어진 부위로 버블이 발생하는데 이를 통해 막전극 접합체의 파손 위치를 찾는 방법을 채용하였다.

참고로, 단전지는 분리판으로 막전극접합체를 고정하여 하나의 단전지가 구성된다.(1:가스 확산층, 2:촉매층 ,3:전해질막, 4:촉매층, 5: 가스 확산층, A,B:분리판)

구분	시험 조건(Condirion)	차압 내구성 실험 결과
압력(Pressure)	A/C=0/0.5atm	1500시간 후 단전지에 차압 누출이 발생함
반응물질(Reactant)	Nitrogen(dry)
온도(Temperature)	25℃

실험 결과, 가스 출구 및 입구, 그리고 가스 출구 및 입구와 가까운 가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위로 갈수록 압력의 영향으로 인해 전해질막의 찢김 현상이 발견되었다. 그리고, 1500시간 후 단전지에 차압 누출이 발생하였다.

<실험2>

실시예를 단전지로 구성하고 상기한 표 1의 시험 조건으로 차압 내구성을 실험하였으며, 그 실험 결과는 도 7 및 도 8에 도시되어 있다. 도 7은 차압 내구성 실험 초기이고, 도 8은 차압 내구성 실험 8000시간 후의 결과 그래프이다.

실험 초기 및 8000시간 후에도 차압 누출이 거의 발생하지 않았고 전해질막의 찢김 현상이 발견되지 않았다.

이를 통해 두꺼운 전해질막을 사용하지 않고 보조 가스켓을 이용하여 특정 부위만을 보완한 얇은 전해질막을 적용하여도 기계적 강도가 유지됨을 알 수 있다. 따라서, 기계적 강도와 성능을 모두 만족시킬 수 있는 막전극 접합체를 제조할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 첨부한 특허청구 범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.

10:막전극접합체 11:전해질막
13,15:촉매층 17,19:가스 확산층
21:보조 가스켓 21a:보조 가스켓 확장 부위
23,25:분리판 27,29:유로
A,B:가스 입출구

Claims (6)

1. 전해질막을 보호하기 위한 보조 가스켓을 가스 확산층까지 확장 형성하여,
   상기 보조 가스켓은 상기 가스 확산층의 경계 부위와 겹쳐지는 확장 부위를 가지며,
   상기 보조 가스켓의 확장 부위는 가스 출구 및 입구, 그리고 상기 가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위이며,
   상기 보조 가스켓의 확장 부위에서 가스 출구 및 입구에 해당되는 부위는,
   상기 가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위보다 더 확장되어 막전극접합체를 지지하는 분리판의 유로 형성 부분을 일부 덮는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 가스켓의 확장 부위는 상기 가스 확산층 내부로 삽입되어 상기 가스 확산층과 상기 전해질막의 양측으로 배치된 촉매층 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체.
4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서,
   상기 보조 가스켓의 확장 부위는,
   가스 확산층의 양측면에 해당되는 부위의 경우 상기 막전극접합체를 지지하는 분리판의 유로 형성 부분을 덮지 않는 범위에서 확장되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 보조 가스켓의 두께는 상기 가스 확산층 두께 대비 5~10%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 막전극접합체.

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