KR100520850B1 - 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 및 이를 채용한고분자 전해질 연료전지 - Google Patents

유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 및 이를 채용한고분자 전해질 연료전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판은, 유로가 형성된 금속망과 금속판을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서, 상기 유로가 형성된 금속망은 금속선이 직조된 형태의 금속망에 있어서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 이루어져 반응 가스의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판에 있어서, 상기 유로가 형성된 금속망은 하나 또는 둘 이상의 플라스틱 재질 배리어가 일정한 간격을 두고 배치되어 서펜틴 또는 깍지 형태의 기체 유로를 가지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판에 있어서, 상기 유로가 형성된 금속망은 유로가 미리 설계되어 있는 플라스틱 필름을 절단한 후, 상압 내지 5기압, 140℃ 내지 230℃ 온도 조건에서 금속망과 가열 압착시켜 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 채워져 제조되고, 상기 플라스틱은 폴리염화비닐인 것을 특징으로 한다.

Description

유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료전지{Separator using the metal screen with gas flow channel and polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the same}
본 발명은 유로가 형성된 금속망을 이용한 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 금속선이 직조된 형태의 금속망에서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분을 플라스틱 재질로 채워 넣는 방법으로 유로가 미리 형성된 금속망을 준비하고, 이를 이용하여 분리판을 제조함으로써, 기존의 그래파이트 분리판에 비해 박막화가 가능하고, 출력밀도를 높일 수 있으며, 가공이 용이하고, 생산단가가 저렴하여 대량생산이 용이한, 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료전지에 관한 것이다.
수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하고 있는 연료전지로는 고체　고분자　전해질형　연료전지(Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell; SPEFC)와 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell; DMFC)가 있다.
고분자 전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비하여 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 부식 및 전해질 조절이 필요 없으며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한, 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 부피와 무게도 작다. 이러한 특성이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자 전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 상업용 발전, 우주선용 전원, 휴대용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.
고분자 전해질형　연료전지의 기본구조는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 귀금속 촉매가 입혀진 다공질의 공기극(Cathode)과 연료극(Anode)이 존재하고,　외부에　분리판이　위치하는데, 일반적으로 촉매층은 표면적을 최대화화기 위해서　분말 형태의 백금 또는 백금-루테늄이 코팅된 탄소 분말을 이용한다. 고분자　전해질　연료전지용 전극은 발수 처리된 다공성의 탄소 종이 상부에 촉매와 고분자 전해질, 즉 이오노머(ionomer)의 혼합물을 얇게 도포하여 제조하고 촉매층　표면상에 액상 고분자 전해질의 피막을 형성함으로써, 백금촉매와 전해질과의 3상　계면을 형성하는 방법을 이용하고 있다. 촉매를 도포하는 방법으로는 스프레이 코팅법, 여과방법(filtration and deposition), 스크린 프린팅법(screen printing) 등이 사용되고, 이렇게 제조된 연료극과 공기극 사이에 상용 전해질막을 놓은 후 전해질막의 유리전이온도(Tg)이상, 일정 압력 하에서 핫 프레싱하여 MEA를 제조한다. 또한, 전극을 지지하는 동시에 가스 통로를 형성하는 분리판으로 구성되어 있는데, 바이폴라(bipolar)판 또는 유로판으로 불리는 분리판은 한쪽 면에서는 연료극 가스 유로가, 다른 쪽에서는 공기극 가스 유로가 형성되어 있으며, 연료극 쪽으로 연료인 수소가 들어가고, 공기극 쪽으로 산화제인 산소 또는 공기가 유입되어 전극 표면에서 연료가스의 전기화학적 산화와 산화제의 전기화학적 환원에 의하여 전기 에너지가 발생한다.
분리판은 상기와 같이 연료와 산화제를 공급해 주는 통로를 제공해 주는 동시에 연료극에서 생성된 전자를 공기극 쪽으로 전도해 주는 집전역할과 전지운전 중에 생기는 물을 제거해 주는 통로 역할을 하며 MEA를 지지해 주는 본체로써 스택을 이룰 수 있도록 하여준다.
가장 이상적인 분리판은 전기 전도성, 내부식성, 견고성이 우수하고 얇고 가벼우며 가공성이 좋아야 하는데, 범용적으로 가장 많이 사용되고 있는 분리판의 재질은 그래파이트로써 전기 전도성이 뛰어나며 내부식성이 뛰어나다. 반면에 그래파이트는 깨지기 쉬우므로 취급이 어려워 전지의 조립에 어려움이 있다. 그래파이트는 내부에 기공이 많으므로 밀도가 낮아 경량의 스택 제작이 가능하나, 반응가스의 혼합을 막기 위해 어느 정도 이상의 두께가 요구되어 결과적으로 스택의 부피가 커지게 되는　단점을 가지고 있다. 또한, PEMFC를 상용화하기 위해서는 현재 생산가격을 1/100 이하로 낮춰야 하는데, 그 중 분리판의 가격이 60%로 큰 비중을 차지하고 있으며, 분리판으로 그래파이트를 사용할 경우 재료비뿐만 아니라 많은 가스유로의 가공비가 부가적으로 요구되는 문제점도 있다.
분리판을 제작하기 위한 다른 방법으로는, 탄소와 수지등을 사출 성형함으로써, 합성 분리판을 얻을 수가 있는데, 이 방법은 순수한 그래파이트로 제작된 것보다 경제적이지만, 전기 전도도가 떨어지는 단점이 있다.
앞서 언급한 바와 같이 고분자　전해질형　연료전지를 제작하는데 있어 분리판은 가습된 반응가스의 원활한 공급 및 전기화학 반응에 의해 생성되는 물의 제거가 필수적이고 강도를 유지하면서 가벼워야 한다. 또한, 생성되는 전자를 효율적으로 전달해야 하므로 우수한　전기 전도성을　가져야 하고, 상업화를 위해 가공 및 취급이 용이해야 하며, 값싼 재질을 사용해야 한다.
고분자 전해질 연료전지의 실용화를 위해서는 분리판 가공비 절감을 통하여 경제성을 향상시켜야 하고, 또한 분리판의 두께를 감소시켜 단위부피에 대한 출력 밀도를 제고시켜야 한다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 금속선이 직조된 형태의 금속망에서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분을 플라스틱 재질로 채워 넣는 방법으로 유로가 미리 형성된 금속망을 준비하고, 이를 이용하여 분리판을 제조함으로써, 기존의 그래파이트 분리판에 비해 박막화가 가능하고, 출력밀도를 높일 수 있으며, 가공이 용이하고, 생산단가가 저렴하여 대량생산이 용이한, 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료전지를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판은, 유로가 형성된 금속망과 금속판을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서, 상기 유로가 형성된 금속망은 금속선이 직조된 형태의 금속망에 있어서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 이루어져 반응 가스의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판에 있어서, 상기 유로가 형성된 금속망은 하나 또는 둘 이상의 플라스틱 재질 배리어가 일정한 간격을 두고 배치되어 서펜틴 형태 또는 깍지 형태의 기체 유로를 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판에 있어서, 상기 유로가 형성된 금속망은 유로가 미리 설계되어 있는 플라스틱 필름을 절단한 후, 상압 내지 5기압, 140℃ 내지 230℃ 온도 조건에서 금속망과 가열 압착시켜 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 채워져 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판에 있어서, 상기 플라스틱은 폴리염화비닐인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 고분자 전해질 연료전지는, 상기의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판과 막-전극 접합체, 연료극, 및 공기극이 고온형 점착제로 합체되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 고분자 전해질 연료전지에 있어서, 상기 막-전극 접합체는 폴리에스터 코팅 필름 가스켓을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 사용되는 금속망은 금속선이 직조된 형태이다. 본 발명에 의한 분리판용 금속망의 재료로는 스텐레스스틸 등을 사용할 수 있다. 금속의 경우 전지의 작동시간이 수천 시간으로 길어지면 분리판에 부식이 일어날 수 있는데, 이를 방지하기 위하여 분리판 재료를 티타늄합금 등 내부식성 재료를 사용하거나, 스텐레스스틸 등의 재료 표면에 금, 티타늄나이트라이드(TiN)등의 물질을 코팅하여 사용할 수 있다.
본 발명에서는 상기 금속망에 유로가 미리 설계된 플라스틱 재질을 적용함으로써, 유로가 형성된 금속망을 준비하였고, 이 유로가 형성된 금속망은 반응가스의 유로를 제공하면서, 운전 중 생성되는 전자를 집전하여 금속판으로 보내주는 역할을 한다. 반응가스의 유입구와 유출구는 대각선 방향에 위치하고, 반응가스인 수소와 산소는 서로 향류 흐름으로 공급된다.
도 1(a)는 본 발명의 일실시예에 따라 금속망 자체만으로 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다. 도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라스틱 재질의 배리어가 배치되어 서펜틴 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다. 도 1(c)는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 플라스틱 재질의 배리어가 배치되어 깍지 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다. 본 발명에 의한 분리판은 도 1(a), 도 1(b) 및 도 1(c)에 도시된 것과 같은 유로가 형성된 금속망과 금속판 2개의 요소를 고온형 점착제로 결합시켜 구성된다.
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: 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 제조>
플라스틱 재질을 이용하여 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판은, 금속망(SUS 316, 300㎛)에 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분을 실리콘 고무로 채우거나, 유로가 미리 설계되어 있는 폴리염화비닐(PVC) 필름(9cm×5.5cm, 300㎛)을 절단한 후, 2atm, 180℃로 가열 압착하여 채워 넣어 제조된다. 이렇게 PVC 필름을 절단하여 금속망 위에 올린 뒤 가열 압착하여 채워 넣을 때, 사용되는 필름의 두께는 금속망과 같다.
본 실시예에서는 도 1(a)와 같이 금속망 자체가 유로가 되도록 설계된 PVC필름을 이용하여 전극과 접촉하는 부분 이외의 테두리 안 매니폴드 부분을 유로가 형성된 금속망을 제조한 후, 이 금속망과 금속판(AISI 316, 600㎛)을 PVC 필름과 같은 형태로 절단한 고온형 점착제(10㎛)로 접착하여 분리판을 완성하였다.
<실시예 2: 서펜틴 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 제조>
도 1(b)와 같이 일정한 간격을 두고 4개의 배리어를 교대로 배치하여 서펜틴(serpentine) 형태의 유로를 형성하도록 미리 설계된 PVC 필름을, 실시예 1에서와 같은 방법으로 금속망에 채워 넣어 유로가 형성된 금속망을 제조한 후, 이 금속망과 금속판(AISI 316, 600㎛)을 PVC 필름과 같은 형태로 절단한 고온형 점착제(10㎛)로 접착하여 분리판을 완성하였다.
<실시예 3: 깍지 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판 제조>
도 1(c)와 같이 'ㄱ'자로 꺽인 배리어를 이어서 배치하여 깍지(interdigitated) 형태의 유로를 형성하도록 미리 설계된 PVC 필름을, 실시예 1에서와 같은 방법으로 금속망을 채워 넣어 유로가 형성된 금속망을 제조한 후, 이 금속망을 금속판(AISI 316, 600㎛)을 PVC 필름과 같은 형태로 절단한 고온형 점착제(10㎛)로 접착하여 분리하여 분리판을 완성하였다.
<제조예 1 및 2: 단위 전지 제작>
1. 고분자 전해질 막의 세척
고분자 전해질 막으로는 듀퐁의 나피온 115가 사용되었다. 나피온은 퍼플로로설포닉 액시드(perfluorosulfonic acid)계열의 고분자 물질로, 운전 및 보관시 안정한 상태를 유지하기 위하여, SO3 -에 Na+를 치환하여 판매된다. 이를 전해질로 사용하기 위해서는 막 표면의 유기물질을 제거하고 H+형태로 이온 교환을 하여야 한다. 그 과정은 다음과 같다.
먼저 전해질 막을 초순수에 담가 85℃에서 1시간동안 2회 처리 한 다음, 5wt% 과산화수소 수용액으로 85℃에서 1시간동안 세척하여 불순물을 제거하였다. 이후 다시 초순수로 85℃에서 30분 동안 2회 처리하여 주고, 85℃에서 0.5M 황산 수용액으로 1시간동안 두어 SO3 -에 붙어있는 Na+를 H+로 치환하여 주었다. 전해질 막에 잔존하는 황산을 제거하기 위해 85℃의 초순수로 3회 세척하였고, 이렇게 처리된 전해질 막을 증류수에 보관하여 사용하였다.
2. MEA 제조
전극에서 촉매 물질로는 카본 블랙 담체 (불칸(Vulcan) XC-72R, 캐봇(Cabot))에 20wt% Pt가 담지된 Pt/C 분말(일렉트로켐 또는 E-텍크)을 사용하였고, 촉매 지지체로는 발수성을 주기 위해 PTFE(Polytetrafluorethylene)를 20wt% 함유한 탄소종이(TGPH-060)를 사용하였다. 전극 제조용 잉크는 Pt/C와 나피온 용액을 이소프로필 알코올(IPA)에 분산시켜 제조하였으며, 균일한 분산을 위해 초음파 처리를 하였다. 이렇게 하여 제조된 촉매 잉크를 에어 브러쉬 건을 이용하여 탄소 종이 위에 코팅을 하였고, 그 위에 IPA로 희석시킨 이오노모를 추가로 촉매 표면위에 도포하여 산화극과 환원극의 촉매층을 형성시켰으며, 촉매의 Pt 적재량은 산화극, 환원극 모두 0.4mg/㎠으로 하였다. 제조된 산화극, 환원극 전극을 미리 전처리된 나피온 115 고분자 전해질막 양쪽에 놓은 후 가열 압착하여 MEA를 제조하였다. 이 때 온도는 140℃, 압력은 200atm, 접합시간은 90초로 하였다.
단위전지 운전시 반응가스로 사용되는 수소와 산소는 각각의 지정된 통로를 통해서만 흘러야 하며 전지 밖으로 유출되거나 전지 내부에서 서로의 통로를 벗어나 다른 곳으로 흐르거나 서로 혼합되어서는 안된다. 이와 같이 가스가 지정된 통로를 제외한 곳으로 흐르는 것을 방지하기 위하여 가스켓(Gasket)을 사용하였다.
가스켓은 보통의 경우 고무나 신축성 재료를 얇은 판형으로 제작하여 사용하는데 이 경우 씰링(sealing) 면적이 넓어지거나 적층수가 많아지면, 가스켓이 불균일하게 압착됨으로써 가스가 누출되는 경향이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 본 발명에서는 두께　편차가　없고　내열도 및 기계적 물성, 치수안정성이 뛰어난 폴리에스터(PET) 코팅 필름을 사용하였다.
가스켓의 재료는 0℃이상　200℃ 이하에서 견디며 전기 화학적으로 안정한 동시에 전기적으로 부도체인 물질, 예를 들면 고분자, 고무류, 석면 등이 될 수 있다. 본 발명에 사용된 PET 코팅 필름은 가스누출을 방지하는 가스켓 역할과 동시에 지지체로서 고분자 전해질막 또는 MEA의 전극이 금속망에 의해 찢겨지는 것을 막는 역할도 한다. 또한, 운전 중 가습된 가스에 의해 전해질막이 팽창되어 유입구와 유출구를 막아 반응가스의 공급을 방해할 수 있는데, PET 필름을 코팅하여 전해질막을 고정시킴으로써 이같은 현상을 막을 수 있었다.
도 2는 PET 코팅 필름 가스켓을 채용한 MEA의 제조 공정을 도시한 것이다.
PET 코팅 필름의 두께가 너무 두꺼우면, 전극과 스크린이 접촉하지 못해 내부저항이 커져 전지의 성능에 크게 영향을 준다. 반대로 너무 얇으면, 지지체로써의 역할을 할 수가 없어 전극이 손상되어 스크린 유로를 막아 마찬가지로 성능에 영향을 준다. 150㎛ 두께의 필름일 경우 40mΩ, 100㎛ 필름일 경우 30mΩ의 큰 내부 저항을 나타내고, 30㎛ 필름일 경우에는 전극이 손상되었으며, 50㎛ 필름일 경우에 16mΩ의 적당한 내부저항값을 보였다.
3. 단위전지 구성
유로가 형성된 금속망과 MEA, 금속망과 금속판을 합체하기 위해 양면에 이형제가 합제 되어 있는 고온형 점착제(10㎛)를 사용하였다.
고분자　전해질형　연료전지의 작동온도는 보통 0℃∼100℃이므로, 각각의　구성부품들을　합체하기　위해 쓰인 고온형 점착제는 이 온도 범위에서도 접착능력을 잃지 않음으로써 연료극과 공기극의 가스유출을 완전히 막아야 한다.
PET 필름이 코팅된 MEA와 연료극, 공기극, 및 실시예 1, 2 및 실시예 3에서 준비된 금속망을 이용한 분리판을 고온형 점착제로 합체하여 단위전지를 완성하였다(각각 제조예 1 및 제조예 2).
도 3은 본 발명에 따라 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 PEMFC의 단위전지를 구성하기 위한 전체 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용하여 제조된 단위전지의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 폴리카보네이트로 제작된 프레임을 장착하여 상기 실시예 1에서 제조된 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용하여 제조된 단위 전지의 공기극측 내부를 관찰한 것이다.
반응가스의 공급과 배출을 원활히 하기 위해, 도 1(a)에서와 같이 상부와 하부에 기체 분배를 할 수 있는 채널을 형성한 금속망형 분리판을 채용한 단위전지를 운전한 결과, 도 5에서 보는 바와 같이, 전기화학 반응에 의해 생성되는 물과 가습되어 공급되는 물이 가스 유로 내의 일부분에서 잘 제거되지 않고 범람되는 현상(flooding)이 관찰되었다. 이는 반응면적의 1/3의 면적을 물이 차지하고 있으므로, 물질전달 저항이 증가하여 전체적으로 전지의 성능을 감소하게 하는 원인이 됨을 알 수 있다.
반면에 도 1(b)와 같이, 서펜틴 형태의 유로가 형성된 금속망형 분리막을 채용한 단위전지의 경우, 반응가스의 공급과 생성물의 배출이 좀 더 효율적이었다. 한편, 도 1(c)와 같은 깍지 형태의 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 단위전지의 경우 반응가스 공급과 생성물의 배출이 매우 효율적이었다.
<실험예 1>
상기 제조예에서 제조된 단위전지의 성능을 측정하기 위한 실험을 실시하였다.
전지의 운전 온도는 80℃, 반응가스의 유량은 화학량론(stoichiometry)적으로 수소 1.5, 산소의 3 배로 가하였으며, 운전 압력은 상압으로 하였다. 전지의 성능은 일렉트로닉 로더(Deagil electronics, EL 500P)를 이용하여 전지의 전압과 전류 측정을 통해 구하였다.
도 6은 금속망 자체만으로 유로를 형성한 분리판(제조예 1)을 사용한 경우와 서펜틴 형태로 유로를 형성한 분리판(제조예 2)을 사용한 경우의 단위전지 성능을 비교한 그래프이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 유로를 서펜틴으로 제작한 경우에는 장시간동안 안정한 성능을 보였으며, 0.6V에서 0.4W/㎠의 높은 성능을 보였다.
도 7은 종래의 그래파이트를 채용한 단위전지와 본 발명에 따라 제조된 서펜틴 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판으로 제조된 단위전지의 성능을 비교한 결과이다. 도 7에서 그래파이트로 제작된 단위전지에 비해 금속망형 단위전지의 성능이 다소 떨어지는 것은 전극, 즉 탄소종이와의 접촉저항 때문이다. 금속 표면에 존재하는 산화막의 영향 때문에, 그래파이트 보다 스테인레스 계열인 금속망의 접촉 저항이 더 크게 된다. 그러나, 이 산화막은 접촉저항을 증가시키는 반면 단위전지의 장기운전시 부식으로부터 금속을 보호해 주는 것으로 알려져 있다.
한편, 본 발명에 따라 제조된 깍지 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판으로 제조된 단위전지는 0.6 V에서 0.5 W/㎠의 높은 성능을 장시간동안 안정하게 보여주었다.
본 발명의 유로가 형성된 분리판은 다양한 형태의 유로를 가질 수 있는데, 예컨대 실시예 2에서는 배리어가 일정한 간격을 두고 교대로 반복배치됨으로써, 서펜틴 형태의 유로를 형성하고, 실시예 3 에서는 'ㄱ' 자로 꺽인 배리어를 이어서 배치하여 깍지 형태의 유로를 형성하였으나, 일정한 기체유로를 형성할 수 있다면, 배리어의 수, 모양, 배치위치, 배치각도에 특별한 제한이 있는 것은 아니다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판은, 금속선이 직조된 형태의 금속망에서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분을 플라스틱 재질로 채워 넣는 방법으로 유로가 미리 형성된 금속망을 준비하고, 이를 이용하여 분리판을 제조함으로써, 기존의 그래파이트 분리판에 비해 박막화가 가능하고, 출력밀도를 높일 수 있으며, 동시에 적정수준의 물리적 강도를 유지하여 외부 충격에 의한 파괴 염려가 없다. 더욱이, 본 발명에 의한 연료전지용 분리판은 PVC 필름 등 플라스틱 재질의 필름에 유로를 설계하므로, 가공이 용이하고, 유료 형성을 위한 비용과 노력을 절감시키며, 값싼 재료의 이용으로 제작단가가 낮아 대량생산에도 용이하다.
본 발명에 의한 연료전지용 분리판은 금속망과 두께가 같은 PVC 필름 등 플라스틱 재질을 절단하여 금속망 위에 올린 뒤 가열 압착하여 채워 넣어 제조될 수 있므로, 플라스틱 재질에 어떤 형태든지 원하는 데로 미리 설계함으로써, 금속망 내부에 원하는 유로를 형성할 수 있을 뿐만 아니라 반응유효면적도 확보할 수 있다.
비록 상기에서 본 발명은 실시예 및 도시된 도면을 중심으로 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
도 1(a)는 본 발명의 일실시예에 따라 금속망 자체만으로 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다.
도 1(b)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라스틱 재질의 배리어가 배치되어 서펜틴(serpentine) 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다.
도 1(c)는 본 발명의 다른 실시예에 따라 플라스틱 재질의 배리어가 배치되어 깍지(interdigitated) 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에서 사용되는 폴리에스터(PET) 코팅 필름 가스켓을 채용한 막-전극 접합체(Membrane Ｅlectrode Ａssembly; MEA)의 제조 공정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따라 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel Cell; PEMFC)의 단위전지를 구성하기 위한 전체 제조 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따라 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용하여 제조된 단위전지의 단면도를 나타낸 것이다.
도 5는 폴리카보네이트로 제작된 프레임을 장착하여 본 발명의 일실시예에서 제조된 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용하여 제조된 단위 전지의 공기극측 내부를 관찰한 것이다.
도 6은 금속망 자체만으로 유로가 형성된 금속망형 분리판을 사용한 경우와 서펜틴 형태로 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판을 사용한 경우의 단위전지 성능을 비교한 그래프이다.
도 7은 종래의 그래파이트를 채용한 단위전지와 본 발명에 따라 제조된 서펜틴 형태의 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판으로 제조된 단위전지의 성능을 비교한 결과이다.

Claims (6)

  1. 유로가 형성된 금속망과 금속판을 포함하여 구성되는 연료전지용 분리판으로서,
    상기 유로가 형성된 금속망은 금속선이 직조된 형태의 금속망에 있어서 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 이루어져 반응 가스의 유로가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유로가 형성된 금속망은 하나 또는 둘 이상의 플라스틱 재질 배리어가 일정한 간격을 두고 배치되어 서펜틴 형태 또는 깍지 형태의 기체 유로를 가지는 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 유로가 형성된 금속망은 유로가 미리 설계되어 있는 플라스틱 필름을 절단한 후, 상압 내지 5기압, 140℃ 내지 230℃ 온도 조건에서 금속망과 가열 압착시켜 가스분배 부분 및 반응/생성 가스의 유로가 되는 부분을 제외한 나머지 부분이 플라스틱 재질로 채워져 제조되는 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라스틱은 폴리염화비닐인 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판.
  5. 제1항 내지 제4항에 기재된 유로가 형성된 금속망을 이용한 분리판과 막-전극 접합체, 연료극, 및 공기극이 고온형 점착제로 합체되어 구성되는 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 고분자 전해질 연료전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 막-전극 접합체는 폴리에스터 코팅 필름 가스켓을 가지는 것을 특징으로 하는 유로가 형성된 금속망형 분리판을 채용한 고분자 전해질 연료전지.
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