KR100728833B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

연료전지용 분리판 Download PDF

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김기철
전재호
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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 다수의 관통홀이 배열 형성되고, 상기 관통홀을 포함한 소정의 접합영역과 상기 관통홀을 포함하지 않는 비접합영역으로 구분되고, 상기 접합영역에 상부 및 하부로 돌출 형성된 다수의 돌기부를 포함하는 바이폴라판(bipolar plate)과; 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 비접합영역 상에 배치되는 복수의 집전체판(current collector); 및 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 바이폴라판과의 사이에 상기 집전체판을 수용하고, 상기 접합영역의 돌기부와 접합되는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 소재의 감소를 통한 전체 중량의 감소 및 집전체판의 두께 변화에 대한 대응이 용이한 연료전지용 분리판을 얻을 수 있다.
연료전지, 소재 절약형 분리판, 집전체판

Description

연료전지용 분리판{SEPARATOR FOR FUEL CELL}
도 1은 종래의 연료전지용 분리판을 나타내는 분해 사시도,
도 2는 도 1의 연료전지용 분리판의 구성요소인 집전체판을 나타내는 평면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 분해 사시도,
도 4는 도 3의 연료전지용 분리판의 구성요소인 바이폴라판을 나타내는 평면도,
도 5는 도 3의 연료전지용 분리판의 구성요소인 집전체판을 나타내는 평면도,
도 6은 도 3의 연료전지용 분리판의 구성요소인 집전체판의 다른 실시예를 나타내는 평면도,
도 7은 도 3의 연료전지용 분리판의 설치 상태를 나타내는 부분 측단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
200: 연료전지용 분리판 210: 바이폴라판
211: 돌기부 220, 230: 마스킹판
221, 231: 공간부 240, 250: 집전체판
241, 251: 스페이서 260, 270: 전극
400: 전해질층
본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중량 감소 및 집전체판의 두께에 변화에 따른 대응이 용이한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
일반적으로, 연료전지란 치밀한 전해질 층 양쪽에 위치한 두 전극판인 연료극과 공기극에 각각 연료 기체와 산화제인 공기를 공급함으로써 전해질층에 유도된 이온 전도현상을 이용하여 전기를 생산하는 전기화학적인 발전장치를 말한다. 연료전지는 에너지 전환 단계가 간단하고 원리적으로 수소를 산화시켜 에너지를 얻기 때문에 고효율, 무공해 발전장치로 평가받고 있다.
연료전지는 사용되는 전해질에 따라 여러 가지 종류로 분류되는데 그 중에서도 리튬, 포타슘, 소듐 탄산염의 혼합물, 혹은 여기에 소량의 첨가제가 들어간 탄산염의 혼합물을 녹는점 이상의 온도에서 용융시켜 전해질 물질로 사용하는 연료전지가 용융탄산염형 연료전지(MCFC)이다.
MCFC는 액체상태의 물질을 전해질로 사용하기 때문에 전해질을 고정시키기 위해서 다공성 구조를 가진 알루미나(Al2O3), 혹은 리튬 알루미네이트(LiAlO2) 재질의 매트릭스의 기공에 모세관압을 이용하여 전해질을 함침 시켜 연료전지를 구성하게 되며, 이들 전해질/매트릭스 복합체는 전해질 역할 뿐 아니라 스택을 구성하는 분리판 사이에서 기체가 정해진 경로로만 흘러가고 외부로 유출되지 않게끔 하는 기체 밀봉재로써의 역할도 함께 수행한다.
한편 스택을 구성하는 각각의 단위전지에 기체를 배분해주는 매니폴드 구조는 크게 내부 매니폴드와 외부 매니폴드로 구분되는데, 외부 매니폴드 방식은 스택 외부에서 기체가 분배되어 각각의 단위전지에 공급되는 형태로써 구조가 단순하다는 장점이 있지만 다양한 유로 형성에 제약이 있는 반면 내부 매니폴드방식은 스택 내부에서 기체를 분배하여 각각의 단위전지에 공급되는 형태로써 구조가 복잡하지만 다양한 유로를 형성할 수 있다.
특히 내부 매니폴드 방식은 스택 내부에서 기체 밀봉이 형성되는 면적이 상대적으로 넓기 때문에 매니폴드 내에서 기체 유로를 제공할 공간을 확보해 주면서 전해질/매트릭스 복합체가 기체 밀봉재로써 효과적으로 작용하기 위해서는 기체 밀봉이 형성되는 분리판 밀봉 부위를 기계적으로 지지해주는 특별한 구조가 요구된다.
주로 스테인레스강 소재로 만들어지는 MCFC 분리판은 스택에서 스택을 구성하는 각 단위전지에 연료 기체와 공기가 고르게 공급되도록 유로를 제공해주는 동시에 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 막아주는 한편, 공급되는 기체가 원하지 않 는 곳으로 누출되는 것을 막기 위한 기체밀봉을 형성하고 각 단위전지를 전기적으로 직렬 연결시켜주는 역할을 하는 구성요소이기 때문에 복잡한 기계적 구조를 가지게 된다.
따라서 이들 각각의 기능을 효과적으로 수행하기 위해, 도 1에서와 같이, 연료전지용 분리판(100)은 몇 개의 단위부품을 조립하여 제작하게 된다. 일반적으로 분리판(100)은 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 막아주는 바이폴라판(110), 공기극(160)과 연료극(170)에서 밀봉을 형성하는 2장의 마스킹판(120, 130), 그리고 상하 적층되는 분리판(100) 간 전극(160, 170 참조) 사이에 전기적인 연결을 형성하는 2장의 집전체판(140, 150)으로 구성되며 내부매니폴드형 분리판의 경우에는 바이폴라판(110), 마스킹판(120, 130) 및 집전체판(140, 150)에 복수의 기체를 분배해 주는 역할을 하는 매니폴드(manifold)를 형성하기 위해 관통홀(H)이 형성되어 있다.
종래에 사용되는 대부분의 내부매니폴드형 MCFC 분리판은 바이폴라판(110) 상부 및 하부에 집전체판(140, 150)을 사이에 두고 마스킹판(120, 130)을 용접하여 제작되고 있는데, 집전체판(140, 150)은 전극(160, 170)과의 전기적 연결을 확보하는 외에도 단위전지 내에서 전극(160, 170)의 전면에 기체를 고르게 분포시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 분리판(100)에 가해지는 면압을 흡수하여 기체 밀봉 효과를 향상시키고, 이와 동시에 전극(160, 170)과 이에 접촉하는 외부 전해질(도 7의 참조) 사이의 전기적 접촉을 향상시키는 용수철 역할도 수행할 수 있도록 하기 위해 쉴디드 슬롯(shielded slot) 구조를 가지고 있다.
종래의 MCFC 분리판(100)은 대부분, 도 2a에 도시된 바와 같이, 쉴디드 슬롯 구조를 가진 집전체판(140)이 마스킹판(120)과 바이폴라판(110) 사이에 형성된 공간을 모두 채우고 있는 구조이다. 한편 MCFC 분리판(100)에서는, 마스킹판(120)의 공간부(121)를 통해 수용되는 전극(160)이, 전해질(도 7의 참조, 전극(160) 상면에 접촉됨)과 전극(160) 사이의 전기적 접촉을 향상시키기 위해서, 마스킹판(120)보다 100㎛ 가량 높게 튀어나오도록 하는 관입 구조를 형성하여야만 한다. 그러나, 기존의 MCFC 분리판(100)에서는 마스킹판(120)과 바이폴라판(110) 사이의 공간을 모두 집전체판(140)이 메우고 있기 때문에 전극(160)의 관입 정도를 조절하는 방법은 오직 마스킹판(120) 소재의 두께를 조절하는 방법 외에 없으므로, 이러한 문제가 소재 절감을 통한 MCFC 경제성 확보 측면에서 장애로 작용하여 왔다. 예를 들면, 일반적으로 사용되는 두께 800 ㎛ 가량의 전극(160)을 사용하기 위해서는 마스킹판(120)의 두께가 700 ㎛ 이어야 한다. 따라서, MCFC 분리판(100)의 제작 단가를 떨어뜨리기 위해서는 이러한 분리판(120)의 무게를 줄일 수 있는 개선된 구조에 대한 요구가 제기되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은, 소재의 감소를 통한 전체 중량의 감소 및 집전체판의 두께 변화에 대한 대응이 용이한 연료전지용 분리판을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 연료전지용 분리판에 있어서, 다수의 관통홀이 배열 형성되고, 상기 관통홀을 포함한 소정의 접합영역과 상기 관통홀을 포함하지 않는 비접합영역으로 구분되고, 상기 접합영역에 상부 및 하부로 돌출 형 성된 다수의 돌기부를 포함하는 바이폴라판(bipolar plate)과; 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 비접합영역 상에 배치되는 복수의 집전체판(current collector); 및 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 바이폴라판과의 사이에 상기 집전체판을 수용하고, 상기 접합영역의 돌기부와 접합되는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
여기서, 상기 바이폴라판의 돌기부는 상기 집전체판의 두께에 따라 돌출 높이가 결정되도록 할 수도 있다.
그리고, 상기 집전체판의 외측 표면에 부착되는 전극판을 더 포함하고, 상기 집전체판은 전극판의 두께에 따라 치수가 결정되는 쉴디드 슬롯(shielded slot) 구조를 가지도록 할 수도 있다.
또한, 상기 집전체판의 외측 표면에 부착되는 전극판을 더 포함하고, 상기 집전체판은 상기 전극판과의 사이에 소정 두께의 스페이서를 구비하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 접합영역은 상기 바이폴라판의 길이방향의 양측단부에 마련되고, 상기 비접합영역은 상기 바이폴라판의 길이방향의 중간부에 마련되도록 할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(200)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 막아주는 바이폴라판(210), 공기극(260)과 연 료극(270)에서 밀봉을 형성하는 2장의 마스킹판(220, 230), 그리고 적층된 분리판(200)의 전극(260, 270 참조)과의 사이에 전기적인 연결을 형성하는 2장의 집전체판(240, 250)을 포함한다.
내부매니폴드형 분리판의 경우에는 바이폴라판(210) 및 마스킹판(220, 230) 에 각 단위전지로 기체를 분배해 주는 역할을 하는 매니폴드를 형성하기 위해 관통홀(H)이 형성되어 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(200)의 설명에 있어서 상기 종래기술과 중복되는 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
연료전지용 분리판(200)은, 마스킹판(220)을 지지하던 종래의 집전체판(도 1의 140 참조)의 크기를 축소하고, 그 대신 바이폴라판(210)에 상방향 및 하방향 양쪽으로 다수의 돌기부(211)를 돌출 형성하는 방식을 통해 연료전지용 분리판(200)에 필요한 구성요소들을 형성 및 조립한다.
즉, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 바이폴라판(210)의 길이방향의 양측단부에 마련된 접합영역(A)에는 상방향 및 하방향 양쪽으로 돌출되도록 성형된 다수의 돌기부(211)가 형성되어 마스킹판(220, 230)을 지지하고 있다.
이에 따라 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 집전체판(240, 250)은 도 1과 도 2에 도시된 기존의 집전체판(140, 150)보다 적은 면적으로 제작될 수 있어 분리판(200)에 사용되는 소재를 절약할 수 있다.
바이폴라판(210)의 길이방향의 중간부에는 비접합영역(B)이 마련된다. 비접합영역(B)에는 상면 및 하면에 각각 집전체판(240, 250)이 수용되며, 집전체판 (240, 250)은 다시 마스킹판(220, 230)의 내측에 형성된 공간부(221, 231)에 수용된다.
따라서, 바이폴라판(210) 및 이의 일측면에 위치하는 집전체판(예를 들면, 240)은 각각 마스킹판(220)과 전극(260)을 독립적으로 지지하게 되므로, 전극(260)이 마스킹판(220)의 내측 공간부(221)로 관입되는 정도는 오직 집전체판(240)의 높이에 의해서 결정되도록 할 수 있으며, 따라서 마스킹판(220)의 두께는 이에 영향을 미치지 않도록 할 수 있다. 즉, 마스킹판(220)의 소재로서 박판의 사용이 가능해짐에 따라 전체적으로 연료전지용 분리판(200)의 경제성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 마스킹판(220)은 집전체판(240)의 두께에 무관하게 항상 일정한 두께의 박판으로 마련하고, 대신에 바이폴라판(210)의 접합영역(A)에 형성되는 돌기부(211)의 돌출 높이는 상기 집전체판(240)의 두께에 따라 적절한 높이를 가지도록 성형 제작하도록 한다. 즉, 두꺼운 집전체판(240)에 대해서는 돌출 높이가 높은 돌기부(211)를 형성하고, 얇은 집전체판(240)에 대해서는 돌출 높이가 낮은 돌기부(211)를 형성하도록 한다.
여기서, 전극(260)의 마스킹판(220) 공간부(221)로의 관입 정도는 전극(260)의 두께에 알맞도록 집전체판(240)에 형성되는 쉴디드 슬롯(shielded slot)의 치수를 조절하거나, 집전체판(240) 둘레에 적당한 두께의 스페이서(도 6의 241)를 접합하여 구비함으로써 조절할 수도 있다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 집전체판(240, 250)의 상면 또는 하면의 둘레에 소정 높이의 스페이서(241, 251)를 마련함으로써 집전체판(240, 250)과 전극(260, 270) 간의 간격을 조절할 수 있다.
이상에서, 바이폴라판(210) 및 집전체판(240)은 서로 독립적으로 각각 마스킹판(220) 및 전극(260)을 지지하는 역할을 하기 때문에, 마스킹판(220)의 지지에 효과적인 기하학적 구조와 전극(260)의 지지에 효과적인 기하학적 구조를 바이폴라판(210)과 집전체판(240)에 도입할 수 있으므로, 집전체판(240) 내부에 유동하는 기체의 밀봉 및 집전체판(240)과 전극(260) 간의 전기적 접촉에 대한 성능을 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(200)의 설치상태를 나타내는 측면도이다. 연료전지용 분리판은 이웃하는 분리판(200, 300) 간에 전해질층(400)이 형성되어 있으며, 각 분리판(200, 300)에는 상면 및 하면에 각각 공기극(260)과 연료극(370)으로 이루어진 한 쌍의 전극이 마련되어 있다. 분리판(200)은 바이폴라판(210)을 사이에 두고 하부의 마스킹판(230)과 집전체판(250)을 통해 유입되는 수소(H2)와 전해질로부터 전달되는 탄산이온(CO3 2-)의 화학반응에 의해 연료극(270)을 통해 상부에 마련된 분리판(200)의 공기극(260)으로 전자를 전달한다. 결과적으로, 다수의 적층된 분리판에서 최상단의 공기극과 최하단의 연료극이 양 극을 구성하여 하나의 전지가 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판에 의하면, 바이폴라판에 돌기부가 형성된 접합영역과 내측의 비접합영역을 형성함으로써, 집전체판의 두께와 무관하게 박판의 마스킹판을 사용할 수 있을 뿐 아니라 상기 비접합영 역에 한정된 크기의 집전체판을 구비토록 함으로써 전체적으로 소재의 감소 및 중량의 감소를 달성할 수 있다. 또한, 집전체판의 두께에 알맞게 상기 돌기부의 돌출 높이를 형성할 수 있어 집전체판에 대한 대응성이 향상된다.

Claims (5)

  1. 연료전지용 분리판에 있어서,
    다수의 관통홀이 배열 형성되고, 상기 관통홀을 포함한 접합영역과 상기 관통홀을 포함하지 않는 비접합영역으로 구분되고, 상기 접합영역에 상부 및 하부로 돌출 형성된 다수의 돌기부를 포함하는 바이폴라판(bipolar plate)과;
    상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 비접합영역 상에 배치되는 복수의 집전체판(current collector); 및
    상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 마련되어 상기 바이폴라판과의 사이에 상기 집전체판을 수용하고, 상기 접합영역의 돌기부와 접합되는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 바이폴라판의 돌기부는 상기 집전체판의 두께에 따라 돌출 높이가 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집전체판의 외측 표면에 부착되는 전극판을 더 포함하고,
    상기 집전체판은 전극판의 두께에 따라 치수가 결정되는 쉴디드 슬롯(shielded slot) 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마스킹판은 내측에 공간부가 형성되며,
    상기 마스킹판의 공간부에 관입되어 상기 집전체판의 외측 표면에 부착되는 전극판을 더 포함하고,
    상기 집전체판은 상기 전극판과의 사이에, 상기 전극판의 두께에서 상기 전극판이 상기 마스킹판의 공간부로 관입되는 두께를 뺀 만큼의 두께를 갖는 스페이서를 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 접합영역은 상기 바이폴라판의 길이방향의 양측단부에 마련되고, 상기 비접합영역은 상기 바이폴라판의 길이방향의 중간부에 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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