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KR20170005241A - 연료전지용 채널 프레임 - Google Patents

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KR20170005241A
KR20170005241A KR1020150094244A KR20150094244A KR20170005241A KR 20170005241 A KR20170005241 A KR 20170005241A KR 1020150094244 A KR1020150094244 A KR 1020150094244A KR 20150094244 A KR20150094244 A KR 20150094244A KR 20170005241 A KR20170005241 A KR 20170005241A
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홍보기
정병헌
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현대자동차주식회사
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Abstract

전해질 막, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA)와 상기 막-전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 일체화시키는 연료전지용 채널 프레임에 있어서, 애노드 측 분리판과 캐소드 측 분리판 방향으로 돌출된 적어도 하나의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 채널 프레임 상에서 반응 기체의 입구 또는 출구 유로를 형성하는 연료전지용 채널 프레임이 소개된다.

Description

연료전지용 채널 프레임{Channel frame for fuel cells}
본 발명은 연료전지용 채널 프레임에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체 확산층과 막-전극 접합체를 일체화시키며, 반응기체 유로를 갖는 연료전지용 채널 프레임에 관한 것이다.
최근, 석유 자원의 사용으로 인한 환경 오염 문제 해결은 물론, 석유 자원의 고갈에 당면하여 이를 대체 가능한 신재생 에너지원의 연구 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다.
연료 전지(Fuel Cell)란, 수소와 산소의 화학 반응으로 발생하는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 장치를 말한다. 전체적인 연료 전지의 반응은 물의 전기분해 역반응으로서, 이 반응 과정에서 전기를 비롯하여 열과 물이 생성된다.
연료 전지는 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는데, 연료극(Anode)에서는 수소의 산화반응이, 공기극(Cathode)에서는 산소의 환원반응이 동시에 진행된다.
각 연료 전지는 근본적으로 동일한 작동원리를 갖지만, 해당 연료 전지마다 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질 등의 다양한 조건에 따라 서로 다르게 구분된다.
특히 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 막 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 인산 연료 전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 직접 메탄올 연료 전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC), 용융 탄산염 연료 전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료 전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등으로 분류된다.
고분자 전해질 막 연료 전지는 기타의 연료 전지에 비하여 출력밀도(Power Density) 및 효율이 높고, 낮은 운전 온도에서 작동되며, 빠른 시동 및 응답 특성을 갖는다는 장점이 있다. 이로 인해 고분자 전해질 막 연료 전지는 자동차 등의 이동용 전원, 주거환경에 필요한 분산용 전원은 물론, 각종 휴대용 장치의 소형 전원으로도 다양하게 활용될 수 있다. 연료전지는 전해질 막과 전극(즉, 연료극, 공기극), 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 분리판(Separator) 및 가스켓(Gasket) 등을 포함한다. 그리고 이러한 연료전지 단위전지들이 적층되어 연료전지 스택을 형성한다.
전해질 막에 전극이 부착된 것을 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)라 한다. 막-전극 접합체의 전해질 막으로는 이온전도성 고분자가 주로 이용된며, 이는 이온전도도가 높으며, 가습 조건에서 기계적 강도가 높아야 하며, 기체투과도가 낮고, 열/화학적 안정성이 높은 특징이 있다.
그리고 기체확산층은 분리판 유로로부터 유입되는 수소와 공기를 더욱 미세하게 확산시켜 막-전극 접합체로 공급할 수 있고, 촉매층을 지지할 수 있으며, 촉매층에서 발생한 전자를 분리판으로 이동시킬 수 있고, 또한 생성된 물이 촉매층 밖으로 배출되게 하는 통로 역할을 하는 부재로서, 막-전극 접합체의 상, 하부면에 적층 형성된다.
연료전지 스택의 제작 편의상 막-전극 접합체와 기체확산층의 일체화가 필요하다. 이를 일체화 하지 않고 적층할 경우, 적층 과정에서 자세 안정성이 불안해져 적층 품질이 나빠질 수 있다. 현재 기체확산층과 막-전극 접합체는 열압착 방식으로 단순 접합하고 있다.
이러한 막-전극 접합체와 기체확산층 간의 적층 품질 불량은, 연료전지의 성능 및 내구성을 저해하며, 심지어 불량 제품으로 분류되어 사용 및 공급이 제한되기도 한다. 따라서, 이에 대한 개선책이 절실히 필요한 실정이다.
또한, 분리판에 기체 입구 및 출구 유로 가스켓을 사출 성형시에 분리판 변형으로 인하여 불량이 발생하는 문제점이 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2012-0042563 A
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 막-전극 접합체(MEA)와 기체확산층(GDL)이 일체화되며, 반응 기체의 입구 및 출구 유로를 포함하는 연료전지용 채널 프레임을 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 채널 프레임은, 전해질 막, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA)와 상기 막-전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 일체화시키는 연료전지용 채널 프레임에 있어서, 애노드 측 분리판과 캐소드 측 분리판 방향으로 돌출된 적어도 하나의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 채널 프레임 상에서 반응 기체의 입구 또는 출구 유로를 형성할 수 있다.
상기 채널 프레임은 압출 성형, 사출 성형 또는 가공 성형으로 제조될 수 있다.
상기 채널 프레임은 액정 고분자(LCP), 금속 또는 세라믹 물질로 형성될 수 있다.
상기 돌출부의 상하 방향 두께는 상기 채널 프레임과 상기 애노드 측 분리판 사이 및 상기 채널 프레임과 상기 캐소드 측 분리판 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 상기 애노드 측 분리판, 캐소드 측 분리판 및 채널 프레임 사이를 씰링하는 가스켓의 압축 이전의 상하 방향 두께보다 작을 수 있다.
상기 돌출부의 상하 방향 두께는 상기 채널 프레임과 상기 애노드 측 분리판 사이 및 상기 채널 프레임과 상기 캐소드 측 분리판 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 상기 애노드 측 분리판, 캐소드 측 분리판 및 채널 프레임 사이를 씰링하는 가스켓의 압축 이후의 상하 방향 두께와 동일할 수 있다.
상기 채널 프레임은 상기 막-전극 접합체와 기체확산층이 적층된 일체의 양측면에 각각 위치된 접합부 및 접합부로부터 외측으로 연장된 연장부로 구성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 연장부 상에서 돌출 형성될 수 있다.
상기 돌출부는 상기 애노드 측 분리판 또는 상기 캐소드 측 분리판 방향의 단부에서 복수의 돌기로 분기될 수 있다.
막-전극 접합체(MEA)와 기체확산층(GDL)을 일체화시킬 때 사출 성형 방식을 이용함에 따라 조립성과 취급성이 용이해지며, 막-전극 접합체의 망실률을 제로화시킬 수 있어 원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있으며, 일체화 생산 효율을 높이고, 제조 불량률을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 기체 입구 및 출구 부 유로 가스켓 사출 성형시 발생할 수 있는 분리판 변형 문제를 해결할 수 있고, 분리판/가스켓 일체화 제품의 품질향상과 일체화 생산효율을 높일 수 있다.
또한, 반응 기체 유로를 갖는 채널 프레임을 적용함에 따라 연료전지 스택 체결시 압축하중에 의한 가스켓의 과도한 압축을 방지할 수 있다.
또한, 연료전지 스택의 체결 및 기밀 내구성을 증대시킬 수 있다.
또한, 연료전지 제작 공정을 축소할 수 있어 생산 라인을 단순화시키고, 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 사출을 자동화시켜 정밀하게 진행함에 따라 불량률을 저감시키고, 대량 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 프레임 구조를 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 프레임을 포함하는 연료전지 단위전지의 내부를 간략히 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출부를 갖는 채널 프레임을 구비하는 연료전지의 애노드 측 및 캐소드 측 평면도이다.
도 4a 내지 도 9b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 채널 프레임을 갖는 연료전지 단위전지의 체결 전, 후의 내부를 도시한 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 프레임 구조를 간략히 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 채널 프레임을 포함하는 연료전지 단위셀의 내부를 간략히 도시한 도면이다. 도 3a 내지 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 돌출부를 갖는 채널 프레임을 구비하는 연료전지의 애노드 측 및 캐소드 측 평면도이다. 도 4a 내지 도 9b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 채널 프레임을 갖는 연료전지 단위전지의 스택으로의 체결 전, 후(압축 이전과 압축 이후)의 내부를 도시한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 채널 프레임은 전해질 막(111), 애노드 전극(112) 및 캐소드 전극(113)을 포함하는 막-전극 접합체(110, MEA)와 막-전극 접합체(110)의 양면에 결합된 기체확산층(120, 130, GDL)을 일체화시키는 연료전지용 채널 프레임으로서, 애노드 측 분리판(410)과 캐소드 측 분리판(420) 방향으로 돌출된 적어도 하나의 돌출부(210, 220)를 포함할 수 있다.
채널 프레임(10)은 압출 성형, 사출 성형 또는 가공 성형으로 제조될 수 있고, 액정 고분자(LCP), 금속 물질 또는 세라믹 물질 중 적어도 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
돌출부(210, 220)의 상하 방향 두께(도면에서 y방향의 두께)는 채널 프레임(10)과 애노드 측 분리판(410) 사이 및 채널 프레임(10)과 캐소드 측 분리판(420) 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 애노드 측 분리판(410), 캐소드 측 분리판(420) 및 채널 프레임(10) 사이를 씰링하는 가스켓(310, 320)의 압축 이전의 상하 방향 두께보다 작거나 같을 수 있다.
또한, 돌출부(210, 220)의 상하 방향 두께는 채널 프레임(10)과 애노드 측 분리판(410) 사이 및 채널 프레임(10)과 캐소드 측 분리판(420) 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 애노드 측 분리판(410), 캐소드 측 분리판(420) 및 채널 프레임(10) 사이를 씰링하는 가스켓(310, 320)의 압축 이후의 상하 방향 두께와 동일할 수 있다.
즉, 돌출부(210, 220)의 상하방향 두께에 따라서, 연료전지 스택 제조시 가스켓(310, 320)에 가해지는 압축력이 조절될 수 있다. 따라서, 연료전지 스택 체결시 압축 하중에 의해 가스켓이 과도하게 압축되는 것을 방지할 수 있다. 압축 하중이 가해졌을 때, 애노드 측 분리판(410)과 캐소드 측 분리판(420) 사이의 거리는 돌출부(210, 220)의 상하 방향 두께에 의존하게 되며, 이에 따라 가스켓(310, 320)의 두께도 돌출부(210, 220)의 상하 방향 두께에 의존하게 된다. 결과적으로, 돌출부(210, 220)의 두께에 따라 가스켓(310, 320)에 가해질 수 있는 압축력이 변화하게 되어, 돌출부(210, 220)의 상하 방향 두께와 가스켓(310, 320)의 상하 방향 두께가 동일하게 된다.
돌출부(210, 220)는, 애노드 측 분리판(410) 방향으로 돌출된 적어도 하나의 제1 돌출부(210)와 캐소드 측 분리판(420) 방향으로 돌출된 적어도 하나의 제2 돌출부(220)를 포함하며, 제1 돌출부(210) 및 제2 돌출부(220)의 형상은 동일하다. 제1 돌출부(210)와 제2 돌출부(220)는 복수일 수 있다.
채널 프레임(10)은 막-전극 접합체(110)와 기체확산층(120, 130)이 적층된 일체(100)의 양측면에 각각 위치된 접합부(a) 및 접합부(a)로부터 외측으로 연장된 연장부(b)로 구성될 수 있고, 돌출부(210, 220)는 연장부(b) 상에서 돌출 형성될 수 있다.
즉, 막-전극 접합체(110)와 기체확산층(120, 130)이 적층된 일체(100)의 반응기체 입구부 및 출구부에 위치하며, 일체(100)를 중심으로 연장되어 형성된 서로 다른 두께의 돌기부를 포함할 수 있다. 채널 프레임(10)은 막-전극 접합체(110)와 기체확산층(120, 130)을 일체로 하도록 외곽에서 이들을 고정시키며, 상하방향 두께는 외곽 측에서 더 얇을 수 있다.
그리고, 돌출부(210, 220)는 형성된 단차보다 일체(100)에서 먼 쪽에 위치할 수 있다. 또한, 도 6a와 도 6b에 도시된 바와 같이 돌출부(210, 220)는 애노드 측 분리판(410) 또는 캐소드 측 분리판(420) 방향의 단부에서 복수의 돌기로 분기될 수도 있다. 이에 따라 유로의 구조 안정성을 높일 수 있다. 한편, 도 7a와 7b, 8a와 8b, 9a와 9의 경우 돌출부(210, 220)의 형상에 관한 다양한 실시예를 나타낸다. 도 7a와 7b 실시예의 경우 돌출부(210, 220)를 직사각의 두 파트로 나누어 그 사이에 유로를 추가 형성하거나 혹은 하나의 돌출부이며 단부가 볼록한 곡면의 형상이 되도록 할 수 있다. 도 8a와 8b 실시예의 경우 접합부(a)에도 추가적으로 돌출부(210, 220)를 형성하여 접합부(a)를 좀 더 안정적으로 지지하는 것이 가능하고, 도 9a와 9b 실시예의 경우와 같이 접합부(a)로부터 외측으로 연장된 연장부(b)와의 사이가 완만한 경사부로 연결되도록 하며 동시에 그 경사진 부분에 돌출부(210, 220)가 형성되도록 할 수도 있다.
결과적으로, 돌출부들(210, 220)은 연료전지의 반응 기체의 입구 및 출구 유로를 형성한다. 또한, 연료전지의 기밀 내구성을 더 증대시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 채널 프레임 100 : 일체
110 : 막-전극 접합체 120, 130 : 기체확산층
210, 220 : 돌출부 310, 320 : 가스켓
410 : 애노드 측 분리판 420 : 캐소드 측 분리판

Claims (10)

  1. 전해질 막, 애노드 전극, 및 캐소드 전극을 포함하는 막-전극 접합체(MEA)와 상기 막-전극 접합체의 양면에 결합된 기체확산층(GDL)을 일체화시키는 연료전지용 채널 프레임에 있어서,
    애노드 측 분리판과 캐소드 측 분리판 방향으로 돌출된 적어도 하나의 돌출부를 포함하고, 돌출부는 채널 프레임 상에서 반응 기체의 입구 또는 출구 유로를 형성하는,
    연료전지용 채널 프레임.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 채널 프레임은 압출 성형, 사출 성형 또는 가공 성형으로 제조되는,
    연료전지용 채널 프레임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 채널 프레임은 액정 고분자(LCP), 금속 또는 세라믹 물질로 형성되는,
    연료전지용 채널 프레임.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 상하 방향 두께는 상기 채널 프레임과 상기 애노드 측 분리판 사이 및 상기 채널 프레임과 상기 캐소드 측 분리판 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 상기 애노드 측 분리판, 캐소드 측 분리판 및 채널 프레임 사이를 씰링하는 가스켓의 압축 이전의 상하 방향 두께보다 작은 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 채널 프레임.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부의 상하 방향 두께는 상기 채널 프레임과 상기 애노드 측 분리판 사이 및 상기 채널 프레임과 상기 캐소드 측 분리판 사이에 위치되어, 상하 방향의 압축에 의해 상기 애노드 측 분리판, 캐소드 측 분리판 및 채널 프레임 사이를 씰링하는 가스켓의 압축 이후의 상하 방향 두께와 동일한 것을 특징으로 하는,
    연료전지용 채널 프레임.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 채널 프레임은 상기 막-전극 접합체와 기체확산층이 적층된 일체의 양측면에 각각 위치된 접합부 및 접합부로부터 외측으로 연장된 연장부로 구성된,
    연료전지용 채널 프레임.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 연장부 상에서 돌출 형성된,
    연료전지용 채널 프레임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 애노드 측 분리판 또는 상기 캐소드 측 분리판 방향의 단부에서 복수의 돌기로 분기되는,
    연료전지용 채널 프레임.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 애노드 측 돌출부와 상기 캐소드 측 돌출부의 형상이 서로 상이한,
    연료전지용 채널 프레임.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 입구측 돌출부와 상기 출구측 돌출부의 형상이 서로 상이한,
    연료전지용 채널 프레임.
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