KR100434778B1

KR100434778B1 - 보조유로를 갖는 분리판

Info

Publication number: KR100434778B1
Application number: KR10-2002-0001588A
Authority: KR
Inventors: 오성진; 김호석; 홍병선; 신미남; 양철남; 서용중
Original assignee: (주)퓨얼셀 파워
Priority date: 2002-01-10
Filing date: 2002-01-10
Publication date: 2004-06-07
Also published as: KR20030060669A

Abstract

본 발명은 막전극접합체(MEA)와 분리판을 포함하는 연료전지의 분리판에 유체의 흐름을 유도하는 채널을 형성함에 있어, 유체가 흐르는 주유로와 물이 배출되는 보조유로(모세관)를 미세 가공방법을 사용하여 동시에 구성하는 것으로 이루어져 있으며 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 분리판 및 그 제조방법에 관한 발명이다.

본 발명의 보조유로를 갖는 연료전지 분리판은 건식식각 공정으로 유체가 흐르는 주유로와 별도로 물이 이동할 수 있는 모세관을 형성해서 주유로를 연결하는 보조유로를 구성함으로써, 다양한 운전조건에서 유로의 막힘 없이 유체가 흐를 수 있는 일정한 공간을 확보하며 환원전극에서 생성되는 물을 모세관 현상 및 운동량 차이에 의한 대류와 농도차이에 의한 확산을 통해 원활히 배출시킴으로써 고출력밀도, 고신뢰성 및 안정성을 갖는 연료전지를 제공할 수 있으며, 또한 외부가습설비 및 가스공급설비의 간소화로 인한 저가격, 고효율의 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.

Description

보조유로를 갖는 분리판{A Separator with sub-channeled flow field}

본 발명은 막전극접합체(MEA)와 분리판을 포함하는 연료전지(Fuel Cells)에서 분리판에 연료 및 환원가스(산소,공기)의 흐름을 유도하는 채널을 형성함에 있어 반응가스가 흐르는 주유로와 물이 배출되는 보조유로(모세관)를 미세가공을 통해 함께 구성하여 반응가스가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키며, 환원전극(cathode)에서 생성되는 물을 원활히 배출시킴으로써 고출력밀도, 고신뢰성 및 안정성을 갖는 연료전지의 구현을 목적으로 한다.

최근 급격한 전력 수요 증가 및 화석 에너지 자원의 고갈과 환경 문제가 중요 문제로 대두되고 있으며, 이런 환경 문제와 에너지 수급의 문제를 동시에 해결하는 대안으로, 고효율, 무공해 등의 뚜렷한 장점을 가지고 있는 연료 전지(fuel cells)에 관심이 부각되고 있다.

연료 전지의 종류는 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cells) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cells)와 200℃ 이하의 비교적 저온에서 작동하는 인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cells), 고분자전해질형 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cells) 등이 있다. 그 외에도 고분자 전해질 연료 전지와 달리 메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct MethanolFuel Cells) 등이 있다.

연료전지에서 전기 화학 반응은 두개의 반응, 즉 산화전극(anode)에서의 산화반응과 환원전극(cathode)에서의 환원반응으로 구성된다. 두 전극은 산화 및 환원반응을 촉진시키기 위하여 백금 혹은 백금과 루테늄 금속을 사용한 촉매층을 형성한다. 보통 백금촉매는 사용량을 줄이고 이용률을 높이기 위하여 미세한 카본입자를 촉매 지지체로 사용한다. 반응의 결과 최종 부산물은 전기, 열 및 물이다. 열을 제거하기 위해 냉각과정을 필요로 할 수 있으며, 환원전극(cathode)에서 생성되는 물은 물 및 수증기의 형태인데 일반적으로 환원전극(cathode)쪽으로 환원가스(산소 혹은 공기)를 강하게 흘려서 제거한다.

도 1은 종래 고분자전해질 연료전지 스택의 개략적인 단면을 나타낸 도면이다. 스택의 기본을 이루는 단위전지(101)는 고분자전해질 막(102)에 의하여 분리된 산화전극(anode)(103)과 환원전극(cathode)(104)의 두 전극으로 구성되었고, 이러한 고분자전해질 막 외면의 두 전극(103,104)은 열간압착(hot press)에 의하여 막전극접합체(MEA)를 구성하게 되고 상기의 막전극접합체는 연료인 수소(직접메탄올 연료전지인 경우는 메탄올)와 환원가스인 산소 혹은 공기를 공급하여 주고 산화환원반응에 의하여 생성되는 물을 배출시켜줄 수 있는 유로(105)가 형성된 분리판(106)에 의하여 지지되고 있다. 상기 분리판의 유로(105)를 통하여 공급 또는 배출되는 기체 또는 액체가 유출되지 아니하도록 가스켓(107)이 구성되어 있으며, 상기의 막전극접합체(MEA), 분리판(106) 및 가스켓(107)으로 구성된 단위전지(101)는 요구되는 출력을 얻기 위해 직렬로 적층되며 이들을 고정하는 수단으로 양끝에 동판(copper plate)(108)으로 고정하여 스택이 구성된다.

분리판(106)은 전지 내에 연료(수소,메탄올)와 환원가스(산소,공기)가 서로 섞이지 않도록 하고 두 전극을 전기적으로 연결하는 역할 및 적층된 단위 전지들의 기계적인 지지체 기능을 수행하며, 표면에 형성된 유로를 통해 연료 및 환원가스(산소,공기)가 전극에 균일하게(uniform) 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하는 기능을 수행한다.

고분자전해질 연료전지 운전 시, 충분히 가습된 연료 및 환원가스(산소,공기)를 공급하는 것이 중요하다. 산화환원반응을 통해 발생한 수소이온이 고분자전해질 막을 통해 이동하려면 적절한 수분에 의해 고분자전해질 막이 수화(hydrated)되어야 한다. 즉 수소이온인 프로톤은 물분자와 결합하여 고분자전해질 막 내에서 SO₃ ^-사슬과 SO₃ ^-사슬을 호핑(hopping)방식으로 이동하며 움직이게 된다. 수화된 고분자전해질 막을 통하여 전자는 이동하지 못하고 이온은 이동한다. 고분자전해질 막의 이온 전도도는 일정범위까지는 물의 함량에 비례하게 되어 물이 부족한 경우에는 막의 이온 전도도가 감소하게 되어 연료전지의 성능을 감소시키게 된다. 그러나 물이 너무 많이 공급되면 반응 3상계면을 형성하는 작은 기공들을 막아서(flooding) 전극 반응 면적을 감소시켜 또 다른 연료전지 성능저하 원인을 제공한다.

고분자전해질 막을 사용하는 연료전지 내부의 물 이동 기구(mechanism)는 다음의 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 일반적으로 수소이온이 산화전극(anode)에서 환원전극(cathode)으로 고분자 전해질막을 통과하면서 수 개의 물분자와 함께 이동하는 전기삼투(electro osmotic drag)현상이 일어난다. 그리고 환원전극(cathode)에서 발생하는 물이 전해질막 양단의 농도구배에 의해 산화전극(anode)으로 이동하는 역확산(back diffusion)이 발생한다. 또한 산화전극(anode) 혹은 환원전극(cathode)에 존재하는 물이 대류와 확산에 의해 연료 혹은 환원가스 흐름 속으로 전달되는 현상이 일어난다. 전기삼투에 의한 물의 이동은 전류밀도가 높아질수록 증가하며, 환원전극(cathode)에서의 역확산은 전류밀도와는 무관하게 막의 두께에 반비례한다. 연료 혹은 환원가스에 의한 물의 이송은 공급되는 연료 혹은 환원가스의 압력, 온도, 가습량 등의 함수이다.

고분자전해질 막에서 산화환원반응에 의해 환원전극(cathode) 쪽에서 생성되는 물은 채널 입구부근에서는 수증기의 형태로 존재하다가 채널의 길이방향을 따라 반응이 진행되면서 점차로 물의 생성이 누적되어 공기의 포화수증기압 이상이 되면 수증기와 물이 동시에 존재하는 2상(two phase)유동을 형성하게 된다. 2상유동 영역에서는 생성된 물방울이 전극을 구성하는 다공성 탄소소재의 기체확산층의 기공을 막게 되어 공기가 전극으로 원활하게 흐르는 것을 방해하게 되며 그 정도가 심한 경우에는 산소나 공기의 흐름을 막아(flooding 현상) 전극의 활성면적을 감소시키게 된다.

종래의 문헌에 의하면(Z.H. Wang, Journal of Power Sources 4094(2000) 1-11) 2상유동이 발생하는 운전조건은 다음의 식을 통해 알 수 있으며, 환원전극(cathode)의 공기가 가습없이 건조한 상태로 공급된다고 가정하면 통상의25㎠의 전극면적으로 구성되는 단위전지에서 0.64A/㎠ 이상의 전류밀도조건에서 2상유동이 시작되는 것으로 알려져 있다.

여기서,: 이상유동이 시작되는 임계전류밀도

: 파라데이 상수(Faraday constant)

: 물의 분자량

: 포화수증기 밀도

: 상대습도

: 고분자 막에서의 물의 정미(net)물질전달계수

(전기삼투, 역확산, 반응가스로의 대류/확산의 함수)

: 채널 길이

: 채널 깊이

: 기체확산층 두께

: 채널 입구속도

: 기체확산층과 유로채널사이의 물질전달계수

: 수증기의 확산계수

: 기공도

2상유동 조건이 되면 물방울들이 공기가 전극으로 원활히 흐르는 것을 방해하며 기체확산층의 기공을 막아서 전극의 활성면적이 줄어들게 되며 이러한 물방울들을 제거하기 위해 추가적으로 공기의 압력을 높이는 등의 방법이 필요하게 되며, 이로 인한 에너지가 소모되기 때문에 연료전지 성능 측면에서 바람직하지 않다. 따라서 2상유동이 발생하는 임계전류밀도는 높을수록 바람직하며 이를 위해 얇은 기체확산층을 사용하고, 기체확산층에서의 수증기의 확산과 유로채널로의 물질전달이 원활하도록 분리판을 설계하는 것이 중요하며, 공급되는 공기의 상대습도와 채널입구의 공기 유입속도를 운전조건에 맞게 제어해야 한다.

상술한 바와 같이 임계전류밀도를 넘어선 고전류 운전조건의 경우, 환원전극(cathode)에는 전기화학반응에 의해 생성되는 물과 전기삼투현상에 의해 산화전극(anode)에서 이동한 물이 과량으로 존재하게 되며 이 과량의 물은 분리판 채널 속을 흐르는 환원가스(산소 혹은 공기)로 일부 증발하여 환원가스를 포화시키며, 증발하지 못한 물은 액체상태로 기체확산층이나 분리판 채널에 존재하게 된다. 기체확산층이나 분리판 채널에 존재하는 과량의 물은 적절한 공학적 기구에 의해 외부로 배출되지 못하면 플러딩(flooding) 현상을 유발시켜 연료전지의 성능이나 신뢰성 측면에서 치명적인 문제가 된다.

상기의 문제점과 관련된 종래의 기술로는 미국특허 제4988583호에서 제시한 종래 분리판의 개략적인 평면을 도 2에 도시하였으며, 도시한 바와 같이 분리판 표면에 단일패스 혹은 2 ~ 3개의 패스를 갖는 사형(serpentine) 유로(201)를 가공하여 채널내부에 존재하는 물방울들을 기체흐름에 의한 강제 대류현상을 이용하여 외부로 배출시키는 방법에 관한 것이다.

또한, 미국특허 제 5441819호에서는 수소 혹은 공기의 수증기압을 포화수증기압 보다 낮게 조절하여 산화전극(anode) 혹은 환원전극(cathode)에 축적된 물을 농도구배에 의해 수소 혹은 공기로 흡수시키기 위해, 유로 채널의 길이를 길게 하고 유체가 통과하는 단면적을 변화시키고 이동경로의 마찰계수를 증가시켜 유체가 진행함에 따라 유체의 압력이 떨어지도록 하는 방법에 관한 것이다.

상기 방법들의 문제점은 채널의 길이가 불필요하게 길어지고 물입자의 이송거리도 함께 길어져 압력손실이 증가하며, 채널 내 유속이 빨라 반응기체의 잔류시간이 짧아지므로 유효한 전기 화학 반응을 얻기 위해 과다한 양의 반응기체를 공급해야 한다는 것이다. 또한 다양한 운전조건에서 유체의 압력강하 조절에 실패할 경우, 채널 하류에서는 누적된 물에 의해 공기의 흐름이 정체될 가능성이 크다. 이와같이 과도한 유량의 공기를 공급하여 과량의 물을 처리하는 기술은 반응기체 공급에 필요한 소요동력 및 설비가 복잡하게 되어 연료전지의 소형화 및 상압 조건에서의 운전에 장애요소가 되고 있다.

고분자전해질 연료전지 운전시, 이상적인 조건은 환원전극(cathode)에서 생성된 물이 고분자전해질 막을 수화시키며 스택 내에 존재하는 것이며, 공급되는 산소 또는 공기가 과잉 생산된 물을 증발시키거나 배출시키는 것이다. 더욱 더 바람직한 것은 외부 가습없이 환원전극(cathode)에서 생성된 물만으로 고분자전해질 막의 수분 균형을 유지시키는 것이다.

이상적인 유로는 기체 흐름이 원활하도록 압력손실이 적어야 하며, 전극 반응면적에 걸쳐서 균일한 농도 및 온도 분포를 유지하고, 기체확산층으로 반응기체가 균일하게(uniform) 전달되어야 하며, 산화환원반응으로 생성된 과량의 물이 채널을 통해 빨리 배출되어야 하며, 기체의 잔류시간을 가급적 증가시켜 반응기체의 이용률을 높일 수 있어야 하며, 전극과의 접촉면적이 최적화되어 전기적 저항을 줄일 수 있어야 한다.

본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명이 제시하고자 하는 사상은 막전극접합체(MEA)와 분리판을 포함하는 연료전지의 분리판에 유체의 흐름을 유도하는 채널을 형성함에 있어, 유체가 흐르는 주유로와 물이 배출되는 보조유로(모세관)를 미세 가공방법을 사용하여 동시에 구성하는 것으로, 이를 통해 다양한 운전조건에서 유로의 막힘없이 반응유체가 흐를 수 있는 일정한 공간을 확보하며, 유체가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키고 환원전극(cathode)에서 생성되는 과량의 물을 원활히 배출시킴으로써, 고출력밀도 및 신뢰성을 갖는 연료전지를 제공하는데 본 발명의 목적이 있다.

또한, 본 발명은 전극 반응면적에 걸쳐서 균일한 농도 및 온도 분포를 유지할 수 있는, 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 분리판의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

[도 1] 종래 고분자전해질 연료전지 스택의 개략적인 단면을 나타낸 도면.

[도 2] 종래 분리판의 개략적인 평면을 나타낸 도면.

[도 3] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주유로와 보조유로로 구성된 분리판 유로 형상을 나타낸 도면.

[도 4] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주유로가 직선형 형상으로 구성된 분리판의 개략적인 평면을 나타낸 도면.

[도 5] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분배헤더가 쐐기 형상으로 구성된 분리판의 개략적인 평면을 나타낸 도면.

[도 6] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리판 유로의 개략적인 횡단면을 나타낸 도면.

[도 7] 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실제 제조된 분리판을 나타낸 도면.

＜도면의 주요 부분에 대한 설명＞

301: 분리판

302: 주유로

303: 보조유로

309: 분배헤더

상술한 목적들을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면에 따르면, 전기 화학 반응에 의하여 전류를 발생하는 연료전지의 분리판에 있어서, 반응 유체가 흐르는주유로와 별도로 물이 이동할 수 있는 모세관을 형성해서 주유로를 연결하는 보조유로를 구성함으로써, 다양한 운전조건에서 유로의 막힘 없이 반응 유체가 흐를 수 있는 일정한 공간을 확보하며 산화환원반응에 필요한 반응 유체가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키고 환원전극(cathode)에서 생성되는 물을 모세관 현상 및 운동량 차이에 의한 대류와 농도차이에 의한 확산을 통해 원활히 배출시킬 수 있도록, 분리판에 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판이 제공된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로는 물결무늬(corrugated) 형상을 하는 채널이 평행하게 반복되어 이루어지고, 보조유로는 수백마이크로미터 이하의 미세한 직선 채널이 바둑판 형태로 격자를 이루어 구성되며 각각의 보조유로는 주유로와 서로 연결되어 물이 이동하는 모세관 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로는 직선형 채널이 평행하게 반복되고 보조유로는 수백마이크로미터 이하의 미세한 직선 채널이 주유로와 수직한 방향으로, 주기적으로 반복하여 구성되며 각각의 보조유로는 주유로와 서로 연결되어 물이 이동하는 모세관 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로 채널의 횡단면은 사다리꼴 형상(shape)이며 채널의 편평한(flat) 바닥면과 측면이 이루는 각도는 주유로를 흐르는 유체가 전극 쪽으로 대류 및 확산이 용이하도록 90도이상 135도이하인 것을특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 보조유로 채널의 횡단면은 사다리꼴 형상(shape)이며 채널의 편평한(flat) 바닥면과 측면벽이 이루는 각도는 보조유로를 흐르는 유체가 모세관 기능을 수행하기 용이하도록 90도이상 135도이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 분리판의 두께가 2mm이하인 것을 특징으로 하고 상기 보조유로의 폭(width)이 10㎛이상 500㎛이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판을 제공하며, 상기 보조유로의 깊이(depth)는 10㎛이상 1000㎛이하가 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로의 폭과 보조유로의 폭의 비가 3:1이상 15:1이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판을 제공하며, 상기 주유로의 깊이와 보조유로의 깊이의 비는 1:1이상 4:1이하가 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 분리판을 제조하는 단계는, 분리판 소재의 판 위에 유로 형상 마스크(mask) 패턴(pattern)을 형성하는 단계, 상기 마스크 패턴된 판 위에 선택적으로 건식식각을 수행하는 단계, 상기 유로 형상이 제조된 판의 마스크 패턴을 제거, 세척 그리고 건조하여 분리판을 제조하는 단계를 포함하되, 상기 분리판의 일측면에 유로가 형성된 구조이거나 양측면에 유로가 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 마스크 패턴된 판 위에 선택적으로 건식식각을 수행하는 단계는, 샌드 블러스터 장비를 이용하여 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법이 제공되며, 상기 샌드블러스터 장비를 사용하여 식각하는 채널과 랜드의 폭(width)과 깊이(depth)가 수백 마이크로미터 단위인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 분리판의 유로 채널로 반응가스를 분배하기 위한 분배헤더의 형상이 쐐기형이고 매니폴드에서 멀어질수록 분배헤더의 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법이 제공된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 제조된 분리판이 제공된다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 상기에 기재된 방법으로 제조된 분리판을 포함한 것을 특징으로 하는 단위전지, 연료전지 스택, 연료전지시스템 또는 센서 등이 제공될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 먼저 발명의 이해를 돕기 위하여 고분자전해질 연료전지의 흑연소재 분리판을 중심으로 설명하겠으나, 본 발명이 상기 고분자전해질 연료전지에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 주유로와 보조유로가 함께 구성된 분리판을 포함하는 연료전지에 있어서 연료가 기체인 고분자전해질 연료전지(PEFC)와 연료가 액체(메탄올)인 직접메탄올 연료전지(DMFC)에도 사용할 수 있으며, 전해질이 고체인 고체산화물 연료전지(SOFC)에서도 유사한 가공 공정을 적용해 사용할 수 있음은 물론이며, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 의한 주유로와 보조유로가 함께 구성된 분리판을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 당연하다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 주유로와 보조유로 구성된 분리판 유로 형상을 나타낸 도면이다. 분리판(301)은 전기적 접촉저항이 작고 내부식성이 강한 흑연 및 복합탄소계 소재를 사용하며, 건식식각 공정을 통해 분리판 양쪽에 각각 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)에 연료와 환원가스(산소 혹은 공기)를 공급하는 주유로(302)와 수분조절을 위한 모세관 형태의 보조유로(303)가 구성되어 있으며, 스택 외부와의 가스교환을 위해 연료공급매니폴드(304)와 연료배출매니폴드(305), 공기공급매니폴드(306), 공기배출매니폴드(307)가 각각 구성되어 있다. 주유로의 폭은 100 ~ 3000㎛의 범위이며 바람직하게는 500 ~ 1000㎛의 범위이다. 주유로의 깊이는 80 ~ 1000㎛의 범위이며 바람직하게는 400 ~ 600㎛의 범위이다. 보조유로의 폭은 10 ~ 500㎛의 범위이며 바람직하게는 100 ~ 250㎛의 범위이다. 보조유로의 깊이는 10 ~ 1000㎛범위이며 바람직하게는 100 ~ 500㎛의 범위이다. 주유로와 보조유로의 폭의 비는 3:1 ~ 15:1의 범위이며 바람직하게는 5:1 ~ 8:1의 범위이다. 주유로와 보조유로의 깊이의 비는 1:1~4:1의 범위이며 바람직하게는 1:1 ~ 1.5:1위 범위이다. 유로와 유로 사이는 기체확산층과 접촉을 이루는 랜드(308)로 구성되어 있으며 주유로(302)의 폭과 랜드(308)의 폭의 비는 1:1에서2:1의 범위를 갖는다. 종래의 분리판 소재로는 흑연 및 복합탄소계 소재를 사용하는데 기계가공(machining)시 재료의 한계와 절삭공구상의 문제로 유로의 최소 폭이 1mm 정도이며 흑연의 취성에 의해 분리판의 두께도 2.5 ~ 3mm 정도로 제한 되어 있다. 금형을 이용하여 압축성형 및 사출성형으로 분리판을 제조 시에도 성형의 한계로 유로의 폭은 1mm이상이 되며 두께도 기계가공 시와 마찬가지로 2.5 ~ 3mm가 한계이다. 그러나 본 발명은 마스크(mask) 패턴(pattern) 공정과 건식식각 공정을 사용하여 흑연 및 탄소복합계 소재에서도 800㎛이하의 미세 유로 패턴의 가공이 가능하며 분리판의 두께도 2mm 이하로 줄일 수 있다.

주유로는 채널이 평행하게 반복되는 평행유로들로 구성이 되며 각 채널은 분배헤더(309)와 연결되고 분배헤더는 매니폴드(306,307)와 연결되어 스택 외부의 반응가스 공급 및 배기 기구와 연결되어 작동하게 된다. 주유로 채널의 형상은 도 3과 같이 물결무늬(corrugated shape)형상이거나 혹은 도 4의 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직선 채널(402) 형상을 가질 수 있으며, 보조유로(303,403)는 미세한 크기의 모세관이 격자형으로 반복되어 이루어지며 각각의 보조유로는 이웃한 주유로와 연결되어 구성된다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리판 분배헤더가 쐐기 형상으로 구성된 분리판의 개략적인 평면을 나타낸 도면이다. 분배헤더(501,502)는 각 채널(503)로 반응 유체를 균일하게 분배시키기 위해 필요하며, 보다 균일한 유량의 분배를 위해 성능이 향상된 분배헤더가 필요하다. 이를 위해서 본 발명에서 제시하는 분배헤더는 채널의 폭보다 1배이상 5배이하의 넓은 폭을 갖도록 구성되며, 그형상은 직사각형 분배헤더(502) 혹은 보다 원활한 분배를 위하여 매니폴드(510)에서 멀어지는 방향으로 폭이 좁아지는 쐐기형 분배헤더(501)으로 구성될 수 있다. 쐐기형 분배헤더(501)는 매니폴드에서 멀어질수록 유동저항이 증가하게 되어 일반적인 직사각형 분배헤더(502)에서 발생하였던, 채널과 매니폴드와의 거리에 비례하여 채널 내부의 유량이 증가하였던 문제를 해소하고, 각 채널로 균일한 유량의 반응가스가 공급될 수 있도록 한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 분리판 유로의 개략적인 횡단면을 나타낸 도면이다. 주유로 혹은 보조유로에 사용할 수 있는 채널의 횡단면(600) 형상(shape)은 사다리꼴 형상이며 채널 바닥의 편평한(flat) 면(601)과 측면(602)를 포함한다. 주유로에 있어서 채널 바닥면(603)과 측면(602)이 이루는 각도(604)가 증가하면 반응가스가 랜드(605) 방향으로 확산에 의해 이동하기가 유리하지만, 상기의 각도가 너무 크면, 랜드(605)가 전극과 접촉하는 면적이 좁아져서 전기적 저항이 증가할 수 있다. 주유로에 있어서 바람직한 각도(604)는 90도 이상 135도 이하의 범위이다. 보조유로에 있어서 채널 바닥면(603)과 측면(602)이 이루는 각도(604)가 작은 채널이 보다 큰 모세관 작용을 제공함을 알 수 있다. 상기 각도(604)가 너무 크면 보조유로의 모세관 기능에 악영향을 줄 수 있다. 보조유로에 있어서 바람직한 각도(604)는 주유로에서와 마찬가지로 90도 이상 135도 이하의 범위이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 실제 제조된 분리판을 나타낸 도면이다. 실제 제작된 분리판에서 물결무늬형 주유로의 폭은1000㎛, 깊이는 500㎛이고 보조유로의 폭은 180㎛, 깊이는 400㎛ 이었다.

본발명이 제시하는 보조유로를 갖는 분리판의 환원전극(cathode)쪽의 공기흐름은, 공기공급매니폴드(306)을 통해 유입된 공기는 분배헤더(309)에서 각각의 주유로(302)로 균일하게 분배되고, 주유로를 지나는 공기는 농도에 의한 확산작용 및 운동량변화에 의한 대류작용으로 기체확산층으로 전파되어 산화환원반응을 거치게 되고 반응에 참가하고 남은 공기들은 주유로(302)를 거쳐 분배헤더(309)를 지나 공기배출매니폴드(307)를 통해 스택 외부로 배출된다. 막전극접합체(MEA)에서 생성된 물의 일부는 수증기 형태로 공기에 흡수되며 다른 일부는 물방울형태로 주유로를 흐르는 공기와 함께 이동하여 외부로 배출된다. 보조유로를 통과하는 공기에 포함되어 있는 수증기 중 일부는 모세관 응축 현상에 의해 미량의 물방울로 보조유로 내부에 형성된다. 미세한 크기의 보조유로는 주유로에 존재하는 물을 모세관 현상에 의해 끌어당기게 되고 이를 통해 물방울들이 주유로의 공기흐름을 차단하는 것을 방지할 수 있어서 반응에 필요한 공기의 흐름을 원활히 해주는 역할을 한다. 또한 각각의 보조유로는 이웃한 주유로들을 서로 연결시켜주는 다리역할을 하기 때문에 국부적으로 주유로의 어느 부분의 물농도가 높아지거나 낮아지면 농도구배에 의한 확산이 보조유로를 통해 이루어짐으로써 국부적으로 불균일한 물분포를 해소시켜주는 기능을 한다.

주지하는 바와 같이 보조유로의 모세관 압력은 물의 표면장력과 접촉각, 보조유로 폭의 함수이며 이들 상관 관계는 다음의 식으로 기술할 수 있다.

여기서,: 보조유로에서의 모세관압력

: 물의 표면장력계수

: 접촉각

: 보조유로의 폭

상술한 식에서 알 수 있듯이, 보조유로의 폭과 분리판의 친수 혹은 발수처리를 통해 접촉각을 조절하면 보조유로에 모세관 현상으로 물이 이송되는 양의 정도를 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 보조유로를 갖는 분리판을 적용할 수 있는 바람직한 일 실시예로는, 저전류 운전조건에서 주로 운전하는 연료전지(정치형 연료전지 등)의 경우, 유입되는 공기의 유량이 많지 않고 주로 주유로를 통해 흐르게 되며, 보조유로에는 약간의 응축된 물이 존재하게 되는데, 보조유로의 폭을 줄이고 분리판의 발수처리를 통해 접촉각을 크게 하면 보조유로 내부의 물을 막전극접합체(MEA) 쪽으로 확산시킬 수 있으며, 확산을 통해 이송된 물은 고분자전해질 막의 수분유지에 사용되어 외부 가습량을 줄일 수 있으며, 불필요한 수분이 배출되지 않도록 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 보조유로를 갖는 분리판을 적용할 수 있는 바람직한 일 실시예로서, 고전류 운전조건에서 주로 운전하는 연료전지(자동차용 연료전지 등)의 경우, 유입되는 공기의 유량이 많으며, 전기 화학 반응 및 전기 삼투 현상에 의해 생성되는 과량의 물이 막전극접합체(MEA) 및 보조유로에 존재하며, 주유로에도 2상(two phase)유동 형태로 수증기와 물방울이 함께 존재하며 공기의 유동을 형성한다. 이러한 운전조건에서는 보조유로의 폭을 조금 넓히고 분리판의 친수처리를 통해 접촉각을 줄이면 막전극접합체(MEA)에 과량으로 존재하는 물은 보조유로로 이송되고, 보조유로 내부의 물은 주유로를 흐르는 기체가 충분한 운동량을 갖고 있기 때문에 이러한 운동량의 차이에 의한 대류와 물농도 차이에 의한 확산을 통해 주유로로 전달되어 외부로 배출되어진다. 이때 보조유로와 연결된 이웃하는 두개의 주유로는 서로 운동량의 차이를 갖기 위해 도3에 도시되어 있는 것과 마찬가지로 물결모양의 형상을 갖는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 보조유로를 갖는 분리판의 또 다른 장점은 각 채널에서의 물분포의 불균일성을 해소할 수 있다는 것이다. 분배헤더를 지나 각 주유로를 통해 유입되는 기체의 유량은 완벽하게(perfect) 균일할 수 없으므로 각각의 유로에서 반응기체의 산화환원반응 정도가 완벽하게(perfect) 균일하지 않으며 이에 따라 각각의 주유로에 존재하는 물의 함량에도 많고 적음이 발생한다. 어느 한 채널에 과량의 물이 존재하면 기체의 흐름을 방해하게 되며 결국은 기체의 흐름은 정체되고 과량의 물방울들이 기체확산층의 기공을 막는 플러딩(flooding)현상을 유발하게 되는데, 본 발명에서 제시하는 보조유로는 물이 많이 존재하는 주유로와 그렇지 않은 주유로의 연결다리 역할을 수행하므로써 물이 스스로 농도구배에 의해 이동하여 국부적인 물분포의 불균일을 해소할 수 있다.

본 발명에 의한 보조유로를 갖는 분리판의 또 다른 장점은 보조유로에는 모세관 현상에 의해 물이 존재하고 있어서, 연료전지의 빈번한 기동, 정지 운전조건에서도 항상 고분자 전해질 막의 수분을 일정하게 유지할 수 있으며, 가습조건 미비로 인한 기동실패나 지연의 문제점을 해결하여 보다 신뢰성 있고 안정적인 연료전지 시스템을 제공할 수 있으며, 특히 2차전지 대체용으로 주목을 받고 있는 직접 메탄올 연료전지의 산화전극에, 본 발명의 보조유로를 포함하는 분리판을 적용할 경우에는 연료로 공급되는 액체 메탄올이 주유로와 보조유로 사이의 모세관 압력 차이에 의해 능동적으로 이송되는 효과를 기대할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명이 제시하는 모세관으로 구현된 보조유로를 통해 고분자전해질 연료전지의 수분을 관리하는 사상은 모세관의 크기가 500㎛이하의 범위에서 구현이 가능하나, 분리판을 제조하는 종래의 방법인 기계가공(machining)이나 성형을 하여서는 모세관 크기를 500㎛이하의 범위에서 제작할 수 없었다. 따라서 본 발명에서는 분리판을 건식식각하는 방법을 사용하여 모세관 형태의 보조유로를 갖는 연료전지 분리판을 제조한다.

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 보조유로를 갖는 분리판 제조공정을 단계별로 설명하면 다음과 같다.

제1 단계에서 분리판 소재의 판 위에 유로 형상 마스크(mask) 패턴(pattern)을 형성한다. 제2 단계에서 마스크 패턴된 판을 선택적으로 건식식각을 수행하여 유로 형상을 가공하고, 제3 단계에서 유로 형상이 제조된 판의 마스크 패턴을 제거, 세척 그리고 건조하여 보조유로를 갖는 분리판을 제조한다. 여기서 분리판을제조하는 방법은 두가지로 나누어지는데, 첫째 분리판 일측면에 유로가 형성된 모노폴라 구조로 분리판을 제조하는 방법과, 둘째 분리판 양측면에 유로가 형성된 바이폴라 구조로 분리판을 제조하는 방법이 있다. 물론 바이폴라 구조로 제조된 분리판은 일측면에 제1 단계, 제2 단계 그리고 제3 단계를 순차적으로 진행하여 유로 형상을 형성한 다음, 유로가 형성된 면에 보호층을 코팅한 후, 분리판 다른측면에 다시 제1 단계, 제2 단계 그리고 제3 단계를 순차적으로 진행하여 제조한다.

상기의 분리판 소재로는 흑연 및 복합탄소계 소재이거나 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 합금 등이 있다.

또한, 제1 단계에서 분리판 소재의 판 위에 유로 형상 마스크 패턴을 형성하는 단계는, 분리판 소재의 판을 건식 필름으로 코팅하는 단계, 상기 코팅된 판을 노광하는 단계, 분무형 현상기에서 상기 판의 건식 필름을 현상하는 단계를 더 포함한다.

또한, 제2 단계에서 마스크 패턴된 소재의 판을 선택적으로 건식식각을 수행하는 단계는, 샌드블러스터(sand bluster) 장비를 이용하여 식각을 수행할 수 있으며, 상기 샌드블러스터 장비를 사용하여 식각하는 채널과 랜드의 폭(width)과 깊이(depth)가 수백 마이크로미터 단위인 것을 특징으로 한다.

이하, 상기 보조유로를 갖는 분리판을 흑연판으로 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.

상기 보조유로를 갖는 분리판을 제조하기 위해 흑연판(두께:1.5mm, 평균비중: 1.93g/cc)을 8cm x 8cm 크기로 준비한다. 상기의 흑연판을 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃, 20분 동안 건조하여 수분을 제거한다. 건조된 흑연판을 120℃에서 10분 동안 예열한 후, 래미네이터(laminator)장비를 사용하여 두께가 100㎛인 건식필름(dry film: BF410)을 코팅한다. 래미네이터 공정 과정에서 상부 롤러 온도는 60℃ 정도, 하부롤러 온도는 55℃ 정도이며 롤링속도는 0.2cm/sec 정도로 하는 것이 바람직하다.

분리판의 미세유로 형상이 패턴된 포토마스크(photo mask)나 필름 마스크(film mask)를 사용하여 노광기나 마스크 얼라이너(mask aligner)에서 20mW/㎠ 정도의 에너지 밀도로 약 6-8초 동안 노광한다. 건식필름이 코팅된 흑연판을 현상하기 위해 분무형 현상기에서 현상액(10-30% Na₂CO₃용액)을 노즐을 통하여 약 40초 동안 분무하면서 현상한다. 분무형 현상기의 공정 조건은 현상액 온도 23℃ 정도, 분무 압력 2.8Kg/㎠ 정도, 노즐 이동 속도는 0.8cm/sec 정도로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 현상한 후, 오븐에서 100℃ 정도에서 약 2분 동안 베이크(bake)를 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 마스크(mask) 패턴(pattern) 공정을 거친 흑연판을 샌드블러스터(sand bluster)장비(BPS-4040LS, ALPS Engineering사)를 사용하여 유로의 깊이(depth)가 약 500㎛ 정도 되도록 식각(etch)한다. 샌드블러스터 공정 조건에서 기판 이동 속도는 약 30mm/분 정도, 노즐 이동 속도는 약 10m/분 정도이고, 노즐 분출압력은 약 3.4kg/㎠ 이며 기판과 노즐사이의 거리는 약 60mm 정도인 것이 바람직하며, 연마제는 SiC(#500)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 미세 식각 공정을 거친 흑연판에 부착된 건식필름을 제거하기 위해 초음파세척기를 사용하여 상기 흑연판을 아세톤 용액에서 세척하여 건식필름을 제거한 후, 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃ 정도에서 약 20분 동안 건조하여 수분을 제거함이 바람직하다.

분리판의 양측면에 미세유로를 형성하는 경우에는, 우선 상기에 기재된 제조공정과 조건으로, 순차적으로 흑연판 일측면에 유로 형상을 제조한 후, 래미네이터(laminator)장비를 사용하여 유로가 형성된 흑연판 면에 보호층인 두께가 50㎛인 건식필름(dry film: BF405)을 코팅한다. 주유로와 보조유로가 가공된 면에 보호층을 코팅한 후, 상기 흑연판 일측면에 유로 형상을 제조하는 공정과 조건으로, 순차적으로 주유로와 보조유로가 가공된 흑연판 다른측면에 유로 형상을 제조하여 바이폴라 구조의 분리판을 제조하는 것이 바람직하다.

상기 보조유로를 갖는 분리판을 제조하기 위해 수지(Resin)가 함유된 복합탄소계 소재을 사용하여 분리판을 제조할 수도 있으며 아래에 상세히 설명하기로 한다.

탄소/수지 복합체(composite)(두께:2mm, 평균비중: 1.97g/cc) 판을 8cm x 8cm 크기로 준비한다. 상기의 탄소/수지 복합체 판을 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃, 20분 동안 건조하여 수분을 제거한다. 건조된 탄소/수지 복합체 판을 120℃에서 10분 동안 예열한 후, 래미네이터(laminator) 장비를 사용하여 두께가 100㎛인 건식필름(dry film: BF410)을 코팅한다. 래미네이터 공정 과정에서 상부 롤러 온도는 60℃ 정도, 하부롤러 온도는 55℃ 정도이며 롤링 속도는 0.1cm/sec 정도로 하는 것이 바람직하다.

분리판의 유로 형상이 패턴된 포토마스크(photo mask)나 필름 마스크(film mask)를 사용하여 노광기나 마스크 얼라이너(mask aligner)에서 20mW/㎠ 정도의 에너지 밀도로 약 8-10초 동안 노광한다. 건식필름이 코팅된 탄소/수지 복합체 판을 현상하기 위해 분무형 현상기에서 현상액(10-30% Na₂CO₃용액)을 노즐을 통하여 약 45초 동안 분무하면서 현상한다. 분무형 현상기의 공정 조건은 현상액 온도 23℃ 정도, 분무 압력 2.8Kg/㎠ 정도, 노즐 이동 속도는 0.8cm/sec 정도로 하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 현상한 후, 오븐에서 100℃ 정도에서 약 2분 동안 베이크(bake)를 실시하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 마스크(mask) 패턴(pattern) 공정을 거친 탄소/수지 복합체 판을 샌드블러스터(sand bluster)장비(BPS-4040LS, ALPS Engineering사)를 사용하여 유로의 깊이(depth)가 약 500㎛ 정도 되도록 식각(etch)한다. 샌드블러스터 공정 조건에서 기판 이동 속도는 약 30mm/분 정도, 노즐 이동 속도는 약 20m/분 정도이고, 노즐 분출압력은 약 2.1kg/㎠ 이며 기판과 노즐사이의 거리는 약 60mm 정도인 것이 바람직하며, 연마제는 SiC(#500)를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 건식식각 공정을 거친 탄소/수지 복합체 판에 부착된 건식필름을 제거하기 위해 초음파세척기를 사용하여 상기 탄소/수지 복합체 판을 아세톤 용액에서 세척하여 건식필름을 제거한 후, 세정기에서 탈이온수로 약 10분 동안 세정한 후, 건조기에서 120℃ 정도에서 약 20분 동안 건조하여 수분을 제거함이 바람직하다.

탄소/수지 복합체(composite) 소재를 사용하여 분리판의 양측면에 유로를 형성하는 경우에는, 우선 상기에 기재된 탄소/수지 복합체 판에 유로 형상을 제조하는 공정과 조건으로, 순차적으로 탄소/수지 복합체 판 일측면에 유로 형상을 제조한 후, 래미네이터(laminator)장비를 사용하여 주유로와 보조유로가 형성된 탄소/수지 복합체 판 면에 보호층인 두께가 50㎛인 건식필름(dry film: BF405)을 코팅한다. 상기 유로가 가공된 면에 보호층을 코팅한 후, 상기 탄소/수지 복합체 판 일측면에 유로 형상을 제조하는 공정과 조건으로, 순차적으로 주유로와 보조유로가 제조된 탄소/수지 복합체 판 다른측면에 유로 형상을 제조하여 바이폴라 구조의 분리판을 제조하는 것이 바람직하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전기 화학 반응에 의하여 전류를 발생하는 연료전지에 사용되는 종래의 분리판은 고분자전해질 막의 수분유지와 환원전극(cathode)에서 생성되는 물의 배출을 위해 과도한 양의 공기를 공급하거나 많은 양의 외부가습 조건이 요구되며, 불필요한 마찰저항을 갖는 사형(serpentine type) 형태의 긴 유로형상 갖고 있으나 본 발명의 보조유로를 갖는 연료전지 분리판은 샌드블러스터 식각공정으로 반응 유체가 흐르는 주유로와 별도로 물이 이동할 수 있는 모세관을 형성해서 주유로를 연결하는 보조유로를 구성함으로써, 다양한 운전조건에서 유로의 막힘 없이 반응유체가 흐를 수 있는 일정한 공간을 확보하며, 반응 유체가 촉매층으로 확산되는 것을 촉진시키고 고분자전해질 막의 수분을 적절히 유지시키며 음극에서 생성되는 물을 모세관 현상 및 운동량 차이에 의한 대류와 농도차이에 의한 확산을 통해 원활히 배출시킴으로써 고출력밀도, 신뢰성 및 안정성을 갖는 연료전지를 제공할 수 있다.

또한 연료전지에서 필요로하는 외부가습설비 및 가스공급설비 등을 간소화시켜 저가격, 고효율의 연료전지 시스템을 구성할 수 있다.

Claims

전기 화학 반응에 의하여 전류를 발생하는 연료전지의 분리판에 있어서,

표면에 주(主)유로와, 이보다 가늘게 모세관을 형성하여 상기 주유로를 연결하는 보조유로가 함께 구비되고,

상기 주유로는 물결무늬(corrugated) 형상을 갖는 채널이 주기적으로 나란히 반복되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
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제1항에 있어서, 주유로 채널의 측면과 바닥면이 이루는 각도가 90도 이상 135도 이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로는 일정크기와 형상을 갖는 채널이 바둑판 형태로 반복되는 격자형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제6항에 있어서, 보조유로의 형상은 채널이 직선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제6항에 있어서, 보조유로의 형상은 채널이 물결무늬(corrugated)형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로 채널의 측면과 바닥면이 이루는 각도가 90도 이상 135도 이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 분리판의 두께가 2mm이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로의 폭(width)이 10㎛이상 500㎛이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로의 폭(width)이 100㎛이상 250㎛이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로의 깊이(depth)가 10㎛이상 1000㎛이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 보조유로의 깊이(depth)가 100㎛이상 500㎛이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 주유로의 폭과 보조유로의 폭의 비가 3:1이상 15:1이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 주유로의 폭과 보조유로의 폭의 비가 5:1이상 8:1이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 주유로의 깊이와 보조유로의 깊이의 비가 1:1이상 4:1이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
제1항에 있어서, 주유로의 깊이와 보조유로의 깊이의 비가 1:1이상 1.5:1이하인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
주유로와 보조유로를 함께 구성하는 연료전지의 분리판을 제조하는 방법에 있어서,

분리판 소재의 판 위에 유로 형상 마스크(mask) 패턴(pattern)을 형성하는 단계;

상기 마스크 패턴된 판을 선택적으로 건식식각을 수행하는 단계;

상기 유로 형상이 제조된 판의 마스크 패턴을 제거, 세척 그리고 건조하여 분리판을 제조하는 단계를 포함하되,

상기 분리판의 일측면에 유로가 형성된 구조이거나 양측면에 유로가 형성된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따르는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법.
제19항에 있어서, 분리판 소재의 판은 흑연 및 복합탄소계 소재이거나 알루미늄 금속, 알루미늄 합금, 스테인레스, 실리콘 웨이퍼, 실리콘 합금 중 하나인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법.
제19항에 있어서, 분리판 소재의 판 위에 유로 형상 마스크 패턴을 형성하는 단계는,

분리판 소재의 판을 건식 필름으로 코팅하는 단계;

상기 코팅된 판을 노광하는 단계;

분무형 현상기에서 상기 판의 건식 필름을 현상하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법.
제19항에 있어서, 마스크 패턴된 판을 선택적으로 건식식각을 수행하는 단계는, 샌드 블러스터 장비를 이용하여 식각을 수행하는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법.
제19항에 있어서, 상기 샌드블러스터 장비를 사용하여 식각하는 채널과 랜드의 폭(width)과 깊이(depth)가 수백 마이크로미터 단위인 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판 제조방법.
제1항에 있어서, 주유로와 보조유로를 함께 구성하는 분리판의 유로 채널로 반응가스를 분배하기 위한 분배헤더의 형상이 쐐기형이고 매니폴드에서 멀어질수록 분배헤더의 폭이 좁아지는 것을 특징으로 하는 보조유로를 갖는 분리판.
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제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 단위전지.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지시스템.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.