KR100424195B1 - 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 분리판의 집전부 내에 배치된 슬롯을 대칭성 있게 이방향 이상의 다방향으로 배치함으로써 분리판의 휨현상을 극복하여 면적의 최대화가 가능하고, 취급이 용이한 연료전지 분리판에 관한 것이다.

본 발명에 따른 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판은, 스텐레스스틸을 모재로 하는 슬롯판과 상기 슬롯판 사이의 내부 중앙부에 배치되는 중간판을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서, 상기 슬롯판에는 가스 및 전류의 흐름 통로인 슬롯이 형성되어 있고, 상기 슬롯은 슬롯판의 소실면에서 한 단변부터 중간판까지 연장되어 소정 길이로 중간판에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편에 의해 형성되며, 양 옆면이 개방된 형태이고, 상기 슬롯은 슬롯판에 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열의 두 방향으로 배치하여 전체적으로 대칭성 있는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판은 종래 분리판의 휨현상을 극복하여 저가로 면적의 최대화가 가능하고, 효과적으로 가스 밀봉이 가능하며, 취급이 용이하여 성능이 우수한 연료전지제조에 적용될 수 있다.

Description

이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판{Fuel cell separator plate comprising bidirectional slot plate}

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 분리판의 집전부 내에 배치된 슬롯을 대칭성 있게 이방향 이상의 다방향으로 배치함으로써 분리판의 휨현상을 극복하여 면적의 최대화가 가능하고, 취급이 용이한 연료전지 분리판에 관한 것이다.

연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)이며, 종래의 화학전지(Battery)와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다.

연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 반응에 의하여 생성되는 전자의 이용으로 설명할 수 있다. 수소는 연료극을 통과하고 산소는 공기극을 통과한다. 수소는 전기 화학적으로 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전극에 전류를 발생시킨다. 전자가 전해질을 통과하면서 직류 전력이 발생하며, 부수적으로 열도 생산된다. 직류 전류는 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 인버터에 의해 교류 전류로 바꾸어 사용된다. 연료전지에서 발생된 열은 개질을 위한 증기를 발생시키거나 냉난방 열로 사용될 수 있으며, 사용되지 않을 경우에는 배기열로 배출된다. 연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 메탄이나 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 순수한 산소는 연료전지의 효율을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기 중에 산소가 많이 포함되어 있으므로 효율은 좀 떨어지지만 공기를 직접 이용한다.

더 구체적으로 설명하면, 천연가스를 이용하는 연료전지는 연료(천연가스, 도시가스)를 개질(reforming, 수소 발생)시켜 전지스택(Cell Stack)의 연료극에 공급하고 동시에 공기도 함께 스택의 공기극에 공급하여 직류(DC)전력을 생산하여, 일반 전기부하에 사용하도록 교류변환기(Inverter)에서 교류(AC)로 변환하여 공급하도록 구성되어 있는, 화학에너지를 바로 고급에너지인 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 또한, 개질기(Reformer)와 전지스택으로부터 폐열을 회수하여 온수를 공급할 수 있는 열병합 발전시스템이라 할 수 있다.

전해질은 한 전극에서 다른 전극으로 특정 이온을 전달해 주는 역할을 한다. 이온전달의 저항을 최소화 해주기 위하여 전해질막은 전극이 접촉되지 않는 범위에서 가능한 얇게 한다. 촉매는 전극의 반응을 향상시킨다. 2개의 전극으로 구성된 단위 셀은 이론적으로 전압을 1.23 볼트(Volt)까지 생성시킬 수 있으나, 실제는 0.7V 정도를 생산한다. 연료전지는 필요한 전압을 위하여 겹층으로 구성한다. 요구되는 출력을 얻기 위해 표준 크기의 스택을 직렬로 연결하여 상용연료전지를 구성한다.

연료전지의 종류로는 인산 연료전지, 알칼리 연료전지, 고분자전해질 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지, 직접메탄올 연료전지를 들 수 있다.

주지와 같이, 연료전지는 전기화학 반응에 의해 반응물(수소와 산소)의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전장치로서 환경 조화성이 우수하고 높은 발전효율이 기대되고 있다.

다시 말해서, 연료전지는 저공해 고효율 에너지원으로서, 도심지에서의 대기 공해를 획기적으로 줄일 수 있다. 연료전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx 등의 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다. 연료전지는 차세대 에너지원으로서, 70년대의 오일쇼크 이래로 선진 각국에서 꾸준히 대체에너지원의 개발에 노력을 경주하여 왔는데, 연료전지는 석유에너지 이외에 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용하여 발전할 수 있다. 따라서, 절대적인 자원이 부족한 우리나라의 현실에서 볼 때, 연료전지는 새로운 시장 잠재력으로 인하여 차세대 동력원으로 주목할만하다. 즉, 연료전지와 관련하여 금속, 전기, 전자, 기계, 제어 산업 및 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장이 창조될 수 있다. 이것은 역시 수십만의 전문직 직업을 창조해 낼 수 있으며, 무역 수지에 엄청난 기여를 할 것이다.

연료전지의 단위셀은, 전기화학 반응이 일어나는 연료극(anode) 및 공기극(cathode)과, 연료가스와 산화가스를 해당 전극으로 공급하기 위한 유로를 형성하는 분리판과, 해당 전극에서 발생된 전하를 포집하는 집전판과, 두 전극 사이에서 특정 이온만 이동시키는 역할을 하는 전해질판으로 이루어진다.

본 발명은 상기의 구성요소 가운데 분리판에 관한 것으로서, 분리판의 주된역할은 스택 내 각 단위전지의 연료극과 공기극에 수소 및 공기를 공급하는 동시에 단위전지들을 전기적으로 직렬 연결해주는 것이다. 따라서, 분리판에는 가스공급 통로와 전류 집전 및 연결 통로가 형성되어야 한다. 또한 분리판은 연료전지의 공기극 산화분위기와 연료극 환원분위기에 모두 안정해야 하고, 각 연료가스의 혼합을 방지할 수 있도록 치밀해야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다.

연료전지 분리판으로는 일반적으로 가스통로가 형성된 두께 3mm 이상의 금속판, 그래파이트판, 또는 세라믹판이 사용되며, 가스 통로 위에 집전판이 배치되어 전극으로부터 생성되는 전류를 수집한다. 분리판의 가스통로는 일반적으로 기계가공, 에칭 및 프레싱 공정을 통하여 형성된다. 최근에는 대량 생산에 적합하도록 집전판과 가스통로가 결합된 슬롯판을 제작하여 분리판에 적용하는 사례가 증가하고 있다. 본 발명은 새로운 슬롯판의 형상에 관한 것이다.

도 1a는 종래 기술에 따른 연료전지 분리판용 일방향성 슬롯판의 슬롯 배열도이고, 도 1b는 상기 종래 기술에 따른 연료전지 분리판용 일방향성 슬롯판의 부분 단면도이다.

그러나, 이러한 종래의 분리판은, 동일한 슬롯의 일방향 배치로 인하여 판의 면적이 조금만 넓어져도 휨현상이 나타나고, 특히 면적이 증가될수록 휨현상도 현저해지므로 분리판의 면적을 확장시키는 데 한계가 있고, 더욱이 고온에서의 소결 등으로 인하여 장시간의 운전시에 슬롯 구조가 변형되고, 결과적으로 기체의 밀봉에 효과적이지 못한 단점이 있다. 즉, 이러한 휨현상은 물리적인 반응면적(분리판 면적)을 감소시킬 뿐만 아니라, 전극과 전해질과의 접촉을 불량하게 하여 연료전지의 성능을 감소시킨다.

특히 고온 및 부식성이 강한 전해질을 사용하는 연료전지의 경우에는 연료전지의 장시간 운전을 위해서는 전극, 전류집전판, 분리판 등의 전극 요소들이 구조적으로 안정해야 한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 분리판의 휨현상을 극복하여 저가로 면적의 최대화가 가능하고, 효과적으로 가스 밀봉이 가능하며, 취급이 용이한 연료전지 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1a는 종래 기술에 따른 연료전지 분리판용 일방향성 슬롯판의 정면도이다.

도 1b는 종래 기술에 따른 연료전지 분리판용 일방향성 슬롯판의 부분 단면도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 이방향성 슬롯판의 정면도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 이방향성 슬롯판의 부분 단면도이다.

도 3은 도 2a에 도시된 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 이방향성 슬롯판의 사시도이다.

도 4a는 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 정면도이다.

도 4b는 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1 : 슬롯판

1a : 소실면 1b : 연장편

2 : 집전부 3 : 매니폴드부 (마스크판)

4 :매니폴드 구멍 5 : 중간판

6 : 전극부

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판은, 스텐레스스틸을 모재로 하는 슬롯판(1)과 상기 슬롯판(1) 사이의 내부 중앙부에 배치되는 중간판(5)을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서, 상기 슬롯판(1)에는 가스 및 전류의 흐름 통로인 슬롯이 형성되어 있고, 상기 슬롯은 슬롯판(1)의 소실면(1a)에서 한 단변부터 중간판(5)까지 연장되어 소정 길이로 중간판(5)에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편(1b)에 의해 형성되며, 양 옆면이 개방된 형태이고, 상기 슬롯은 슬롯판(1)에 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열의 두 방향으로 배치하여 전체적으로 대칭성 있는 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

한편, 분리판의 매니폴드 부분도 내부식성이 강한 스텐레스스틸로 제작된다.

분리판의 재료가 스텐레스스틸인 경우에 있어서, 종래와 같이 슬롯이 일방향성으로 배치되어 제조된 슬롯판은 그 자체의 무게중량 및 방향성으로 인하여 둥그렇게 말리면서 휘는 현상을 보이고, 이러한 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판은 가공, 제조하기에도 용이하지 않을 뿐만 아니라, 고온 상태하에서 장시간 지속된 작동에 의해 분리판의 변형을 유발한다. 이러한 변형에 의해 전극과 전류집전판들이 상호 분리되는 등의 현상이 나타남으로써, 전기전도도 저하 등의 결함이 나타나게 되고, 특히 가스 기밀성의 파괴로 인한 연료가스인 양극가스와 산화가스인 음극가스의 혼합에 의해 내구성이 급격히 저하되는 문제가 나타난다.

이러한 문제를 방지하기 위한 한 방법으로, 본 발명에서는 가스 흐름 통로인 슬롯을 평평한 판에 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열의 두 방향으로 배치하여 전체적으로 대칭성 있는 형상을 가지는 슬롯판을 제조하여 연료전지 분리판에 적용하였다.

한편, 슬롯판의 소재로 내식성 합금을 적용하거나, 스텐레스스틸의 표면에 내식성 물질이 코팅된 소재가 적용되기도 한다. 연료극 슬롯판의 경우에는 수증기가 많은 분위기를 접하고 있으므로 스텐레스스틸에 니켈을 전기도금법, 무전해도금법 등을 사용하여 코팅한다. 또한, 공기극 슬롯판은 고온에서 사용하는 경우 표면의 안정성을 확보하기 위하여 딥코팅법, 스프레이코팅법 등으로 세라믹 물질을 코팅하여 사용하기도 한다.

또한, 분리판의 매니폴드 부분에도 내식성 막을 형성시켜 사용하는데, 매니폴드 부분에서 스텐레스스틸에 대한 내식성 금속의 코팅방법으로는 전기도금법, 용융도금법, 확산 침투법, 용사법 등이 적용되고 있으며, 코팅소재로는 알루미늄을 주성분으로 하는 합금이 적용된다.

연료전지의 적합한 재료는 극심한 분위기 차이와 다양한 구성요소와의 반응성 문제 때문에 상당히 국한되어 있다. 현재 평판형 연료전지의 경우 분리판이 차지하는 비중(가격, 부피, 무게 등)이 크기 때문에, 다양한 재료에 대한 검증이 이루어지고 있다.

이하, 실시예 및 제조예를 들어 본 발명의 구성 및 발명효과를 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실시예 및 제조예는 본 발명의 내용을 설명하나, 본 발명의 내용이 여기에 한정되지는 않는다.

<실시예 1: 슬롯판 제작 >

금형가공에 의하여 두께 0.3mm의 스텐레스스틸 판에 도 2와 같은 이방향성 슬롯을 형성하였다. 이 때 금형은 서로 엇갈리는 두 줄의 슬롯을 한번의 프레싱 가공에 의하여 형성시킬 수 있도록 제작하였으며, 연속 프레싱 공정을 사용하여 폭 40cm, 길이 100cm의 슬롯판이 제작 가능하도록 하였다. 슬롯은 5mm×1.5mm 크기의 직사각형 홈 아래 연장편을 거쳐 약 2mm 길이의 평면부가 제작되도록 하였으며, 슬롯의 높이는 모재 두께를 포함하여 1.3mm가 되도록 금형을 가공하였다.

한편, 상기 실시예 1과 같은 두께의 스텐레스스틸 판에 도 1과 같은 기존 방식의 일방향성 슬롯을 높이 1.3mm되게 금형 가공을 통하여 제작한 결과 슬롯판이 둥그렇게 말려 다루기에 용이하지 아니하였다.

<실시예 2-4: 슬롯판 제작>

상기 실시예 1과 같은 방법으로 슬롯의 높이가 모재 두께를 포함하여 각각 1.0mm(실시예 2), 1.6mm(실시예 3), 1.9mm(실시예 4)가 되도록 이방향성 슬롯판을 제작하였다.

<실시예 5: 이방향성 슬롯판을 이용한 분리판 제작>

상기 실시예 1에서 준비된 이방향성 슬롯판을 두께 0.3mm의 스텐레스스틸 중간판 양면에 배치하고, 두께 0.3mm의 스텐레스스틸을 금형가공한 마스크판(매니폴드판)을 슬롯판 외부에 겹쳐 중간판과 교류티그(TIG) 용접하여 전체적으로 분리판의 모양이 도 4와 같이 되게 제작하였다. 용접하기 전 연료극 슬롯판의 표면에는 전기도금에 의하여 두께 30㎛의 니켈 막을 코팅하였으며, 마스크판 표면에는 확산 침투법에 의하여 두께 30㎛의 알루미늄 막을 형성하였다.

본 발명에 따라 제조된 연료전지 분리판은 도 4a에서 보는 바와 같이, 연료극과 공기극이 배치되는 중앙의 집전부(2)와, 집전부(2)의 외곽에 위치하여 연료가스와 산화가스의 누출을 방지하는 매니폴드부(3)로 이루어지며, 매니폴드부(3)에는 연료가스와 산화가스를 해당 전극으로 공급하기 위한 매니폴드 구멍(4)이 형성된다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판의 내부구조는 도 4b에서 보는 바와 같이, 매니폴드부(3)와 전극(6)의 바로 아래에 배치된 슬롯판(1)에 의해 가스 및 전류 흐름 통로인 슬롯이 형성되고, 내부 중앙부에는 중간판(5)이 배치된다.

슬롯판(1)에 형성된 대략 직사각형의 소실면(1a)에서 한 단변부터 센터판(5)까지 연장되어 소정 길이로 센터판(5)에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편(1b)에 의해 개별의 슬롯이 형성된다.

가스 흐름 통로인 이러한 슬롯은 도 2b에 나타낸 바와 같이, 슬롯판(1)에서 전극부 전체에 대칭성 있는 형상으로, 바람직하게는 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열로 가공·배치되어 슬롯판 전체적으로 대칭적인 중량감을 유지시킨다.

이와 같은 구조로 된 분리판에서, 집전부(2) 및 매니폴드부(3)는 휨현상 없이 구조적으로 안정하게 되어 있으므로, 가스의 밀봉효율도 높게 된다. 따라서, 스택으로부터의 자체 하중과 고온에서의 소결 등으로 인하여 장시간의 운전시에도 슬롯판이 변형되는 것을 방지할 수 있다. 그러므로, 고온 작동시 변형에 의해 전지의 성능이 저하되는 것을 최소화하여 전지 성능이 극대화되는 것이다.

<실시예 6: 분리판을 이용한 스택 제작>

상기 실시예 5로부터 제조된 도 4와 같은 분리판을 사용하여 용융탄산염 연료전지 스택을 구성하고 성능 실험을 실시하였다. 스택은 전극유효면적이 500cm²인 40단의 단위셀로 구성되었으며, 전극이 장착된 분리판, 전해질, 및 전해질을 담지하는 역할을 하는 매트릭스로 이루어진 전해질 매트릭스판을 순차적으로 쌓아 스택을 완성하였다. 스택이 완성된 후 스택을 연료전지 성능측정 장치에 장착하고, 용융탄산염 연료전지의 작동온도인 650℃까지 전처리를 수행한 후, 650℃, 1기압에서 스택의 성능을 측정하였다, 그 결과 전류 75A에서 전압은 32V로 스택 출력은 2.4kW를 나타내었으며, 이는 스택의 표준 성능에 해당하여 이방향성 슬롯판을 사용하는 경우 스택 구성에 안정성이 있음을 확인하였다.

본 발명에 의한 연료전지 분리판은 다방향성, 바람직하게는 이방향성으로 가스 흐름 통로인 슬롯을 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열로 배치하여 대칭성 있는 형상을 가지므로, 슬롯판이 전체적으로 매우 평탄하게 형성되어 있고, 휨현상이 없어 취급하기에 매우 용이하며, 가스 밀봉이 효과적이다. 따라서, 반응면적(분리판 면적)이 확장되고, 그 결과 성능이 우수하고 내구성이 강한 연료전지를 얻을 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 열사이클에 견디고, 가공성이 양호한 연료전지 분리판의 제조가 가능하다.

즉, 본 발명에 따른 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판은 종래 분리판의 휨현상을 극복하여 저가로 면적의 최대화가 가능하고, 효과적으로 가스 밀봉이 가능하며, 취급이 용이하여 성능이 우수한 연료전지제조에 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. 스텐레스스틸을 모재로 하는 슬롯판(1)과 상기 슬롯판(1) 사이의 내부 중앙부에 배치되는 중간판(5)을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서,

   상기 슬롯판(1)에는 가스 및 전류의 흐름 통로인 슬롯이 형성되어 있고,

   상기 슬롯은 슬롯판(1)의 소실면(1a)에서 한 단변부터 중간판(5)까지 연장되어 소정 길이로 중간판(5)에 밀접한 후 다른 단변으로 연장되는 연장편(1b)에 의해 형성되며, 양 옆면이 개방된 형태이고,

   상기 슬롯은 슬롯판(1)에 일정한 간격을 두고 교대로 횡열 및 종열의 두 방향으로 배치하여 전체적으로 대칭성 있는 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 이방향성 슬롯판을 이용한 연료전지 분리판.
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