KR100778634B1 - 연료 전지, 연료 전지용 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택 - Google Patents

연료 전지, 연료 전지용 분리판 및 이를 구비하는 연료전지 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 반응 가스 유입부의 변형을 방지하는 구조를 구비하는 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다.
본 발명은 매니폴드 및 반응가스 채널을 구비하는 금속 분리판에 있어서, 매니폴드와 채널 사이에 형성되는 돌출개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 돌출개구가 금속 분리판의 변형을 방지하여 반응 가스를 안정적으로 반응가스 채널로 유출입할 수 있다.

Description

연료 전지, 연료 전지용 분리판 및 이를 구비하는 연료 전지 스택{FUEL CELL, FUEL CELL SEPERATOR IN THE SAME AND FUEL CELL STACK INCLUDING THE SAME}
도 1은 종래의 금속 분리판을 도시한 도면이다.
도 2 및 도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판의 반응가스 면 및 냉각수 면을 각각 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부의 단면을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 스택의 일부를 절단한 사시도이다.
본 발명은 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 반응 가스 유입부의 변형을 방지하는 구조를 구비하는 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다.
연료전지란, 일반적으로 수소와 산소의 산화, 환원반응을 이용하여 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 장치이다. 음극(anode)에서 수소가 산화되어 수 소 이온과 전자로 분리되고, 수소 이온은 전해질을 통해 양극(cathode)으로 이동한다. 이때, 전자는 회로를 통해 양극으로 이동한다. 양극에서 수소 이온, 전자 및 산소가 반응하여 물이 되는 환원반응이 일어난다.
연료전지는 여러 부품으로 구성되는데 먼저 전기화학 반응이 일어나는 MEA(막-전극 집합체)와 반응가스를 MEA 표면으로 고르게 분산시켜주는 다공성 매체인 GDL 그리고 MEA와 GDL을 지지해주며, 반응가스와 냉각수의 수송 및 생성된 전기를 수집하여 전달하는 분리판이 그것이다. 이런 부품들을 수십, 수백 개로 쌓은 것이 연료전지 스택이 된다. 연료전지의 발전용량은 MEA의 반응면적과 스택의 적층량에 비례하여 커지게 된다. 연료전지 발전시 MEA와 GDL, 분리판의 각 면으로 수소와 산소 그리고 냉각수가 계속 공급되어 흐르게 되는데 각각의 반응가스와 냉각수가 서로 섞이지 않도록 기밀성을 확보하는 것은 연료전지 시스템 운전에 있어서 가장 중요한 부분 중 하나이다.
대부분의 고분자 전해질 연료전지에서는 분리판의 양쪽면에 가스켓을 설치하여 기밀구조를 확보하는 방식을 채택하고 있는데 가스켓을 설치하여 기밀성을 확보하는 경우 기밀성 향상과 전기전도성 향상을 위하여 연료전지 스텍에 수기압의 체결압을 가하게 된다. 이러한 하중이 가해질 때 기존 흑연 분리판의 경우 GDL과 가스켓에서 대부분의 변형이 일어나면서 기밀성과 전기전도성을 확보하게 되나, 박판성형으로 제작된 금속계 분리판의 경우 수기압의 체결압에서 가스켓의 변형과 함께 금속분리판의 형상도 함께 변형되게 된다. 특히 반응가스 및 냉각수가 유입되는 부부의 경우 가스켓이 존재하는 부분과 유체가 지나가야하는 부분에서의 지지구조의 부재로 인하여, 변형이 쉽게 이루어지는 구조가 된다.
이러한 변형이 발생할 경우 반응가스와 냉각수의 원할한 유입이 어렵게 되어 주변 장치, 특히 블로어나 펌프에 많은 부하를 가하게 되어 시스템의 효율이 저하되게 된다.
도 1은 금속 분리판을 구비하는 종래의 연료전지 스택의 일부를 도시한 것이다. 막-전극 접합체(3)의 양면에 각각 연료가스 및 환원가스의 반응가스가 흐르고, 금속 분리판(1)이 단위 셀을 연결하여 연료전지 스택을 쌓을 수 있도록 연료가스, 환원가스 및 냉각수가 섞이지 않도록 분리한다. 가스켓(2)이 반응가스 및 냉각수가 누출되지 않도록 밀봉하는 역할을 한다. 흑연계 분리판과는 달리 박판 성형으로 제작된 금속 분리판(1)의 경우 반응가스와 냉각수 간의 기밀성을 확보하기 위해서 반응가스 매니폴드에서 반응가스 채널 내부로 반응가스 유입구조가 복잡해질 수밖에 없다.
특히 가스켓 구조에 따라 스텍 체결시 높은 체결압에 의해, 가스 유입부(4)의 변형으로 인해, 반응가스가 유출입할 수 있는 공간이 좁아지게 된다. 따라서 반응가스 유동의 저항이 커지게 되며, 반응가스 채널 내부의 반응가스의 압력이 강하하게 된다. 따라서 전체 연료전지 시스템의 출력이 떨어지게 되는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 미국 특허공개공보 20040219410에는 변형이 발생되는 부분에 변형 방지를 위한 별도의 가스켓을 도포하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 가스켓에 의한 지지는 하중에 의한 압축을 완전히 배제할 수 없으며, 별도의 가스켓이 이탈되어 반응 가수 유입부를 가로막는 경우 반응 가스가 유입될 때 저항이 더욱 커질 수 있다.
또한 미국 특허공개공보 US2001266911에는 금속판을 부착하여 공간의 변형을 최소화하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 금속 분리판에 다른 금속 분리판을 장착하는 것은 어렵기 때문에 금속 분리판의 제조 공정이 복잡해지는 단점이 있다. 또한 별도로 금속판이 추가됨에 따라 스택의 무게가 증가하여 연료전지 시스템이 장착된 장치에 부하가 커지게 된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 연료전지 스택 체결시 체결압에 의해 금속 분리판에 변형이 발생하는 것을 방지하는 구조를 구비하는 연료전지용 금속 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 변형 방지부를 구비하는 금속 분리판과 금속 분리판을 밀봉하는 가스켓을 구비하는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 금속 분리판의 변형을 방지하기 위해, 별도의 지지 부재를 더 포함하는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 변형 방지 구조를 구비하는 금속 분리판, 가스켓 및 막-전극 접합체를 일정한 순서로 복수 개 적층한 연료 전지 스택을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 매니폴드 및 반응가스 채널을 구비하는 금속 분리판에 있어서, 매니폴드와 채널 사이에 형성되는 돌출개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분 리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 돌출개구가 금속 분리판의 변형을 방지하여 반응 가스를 안정적으로 반응가스 채널로 유출입할 수 있다.
또한 본 발명은 돌출개구가 금속 분리판의 일측으로 돌출된 제1 개구 및 타측으로 돌출된 제2 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 금속 분리판의 변형을 방지하는 것과 더불어 가스 유입 통로를 넓힐 수 있다.
또한 본 발명은 돌출개구가 반응가스 흐름과 법선 방향으로 다수 개 형성된 것을 특징으로 하는 금속 분리판을 제공한다. 이러한 구성을 통해, 하나의 돌출개구보다 금속 분리판의 변형 방지 및 지지 효과를 높일 수 있다.
또한 본 발명은 매니폴드와 채널 사이에 형성되는 돌출개구를 포함하는 금속 분리판 및 금속 분리판을 밀봉하는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 금속 분리판의 돌출개구는 반응가스 흐름과 법선 방향으로 다수 개 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 금속 분리판의 돌출개구가 간격을 두고 형성된 다수 개로 이루어지고, 돌출개구 사이 간격에 설치되는 추가의 지지 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. 이러한 구성을 통해, 반응 가스가 유입되는 부분의 변형을 더욱 안정적으로 지지할 수 있다. 또한 추가의 지지 부재는 반응 가스 유동을 가스 채널쪽으로 안내하는 역할도 한다.
바람직하게는 추가의 지지 부재가 가스켓과 경도가 다른 수지 재질로 이루어 지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. 특히 추가의 지지 부재가 특히 가스켓과 다른 경도를 가진 수지로 만들어지면 가스켓이 변형되는 것에 대한 저항성을 높일 수 있다.
또한 본 발명은 금속 분리판이 돌출 형성된 하나 이상의 가스켓 고정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다. 가스켓 고정부는 일면으로 돌출 형성된 하나로 이루어질 수도 있고, 일면으로 돌출 형성된 다수 개 또는 일면 및 타면으로 각각 돌출 형성된 다수 개로 이루어질 수도 있다. 이러한 구성을 통해, 가스켓이 원래의 위치에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 가스켓이 금속 분리판의 형태에 맞추어 미리 제조된 고형의 가스켓 및 금속 분리판에 직접 사출 성형하여 제조된 가스켓 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지를 제공한다.
또한 본 발명은 복수 개의 막 전극 접합체, 막 전극 접합체의 양면에 위치하며, 반응가스 매니폴드 및 반응가스 채널 사이에 위치하는 돌출개구를 구비하는 복수 개의 금속 분리판 및 금속 분리판에 장착되어 반응 가스 매니폴드, 냉각수 매니폴드, 반응 가스 채널 및 냉각수 채널을 각각 밀봉하는 복수 개의 가스켓을 적층한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택을 제공한다. 이러한 구성을 통해 스택 체결시 가스 유입부의 변형을 방지하여 반응 가스가 반응 가스 채널로 유출입될 수 있는 충분한 공간을 확보할 수 있다. 따라서 연료 전지 시스템 작동 시 반응 가스의 압력 강하량을 감소시켜, 전체 연료 전지 시스템의 효율을 높일 수 있다.
본 발명은 반응가스 및 냉각수가 각각 흐르는 반응가스 면 및 냉각수 면, 반 응가스 및 냉각수가 각각 유출입할 수 있는 매니폴드, 반응가스 면에 형성되며, 반응가스를 안내하는 반응가스 채널, 냉각수 면에 형성되며, 냉각수를 안내하는 냉각수 채널, 반응가스 면에서 반응가스 매니폴드 및 반응가스 채널 사이에 위치하며, 돌출개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 금속 분리판, 이를 구비하는 연료 전지 및 스택을 제공한다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 금속 분리판의 반응가스면 및 냉각수 면을 각각 도시한 도면이다. 금속 분리판은 반응가스 매니폴드(111, 112, 113, 114), 냉각수 매니폴드(115, 116), 반응가스 채널(120), 냉각수 채널(160), 돌출개구(130), 추가의 지지 부재(140) 및 가스켓 고정부(150)을 구비한다. 또한 금속 분리판은 반응가스 매니폴드(111, 112, 113, 114), 냉각수 매니폴드(115, 116), 반응가스 채널(120) 및 냉각수 채널(160)을 밀봉하는 가스켓(G)이 장착된다.
도 2을 참조하면, 반응가스는 반응가스 매니폴드(111), 반응가스 채널 입구(121), 반응가스 채널(120), 반응가스 채널 출구(122) 및 반응가스 매니폴드(112)를 순서대로 따라 흐르며, 반응가스 채널(120)을 지나는 동안 막 전극 접합체(미도시)에서 산화 또는 환원 반응을 한다. 반응가스 매니폴드(111, 112)와 반응가스 채널 입구(121) 및 출구(122) 사이에는 반응가스 유입을 위한 공간, 즉 가스 유입부가 형성되어 있다. 가스 유입부에서 상기한 문제점, 즉 스택 체결시 변형이 발생하여 원활한 가스 유출입이 어려워지는 문제점이 발생한다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 반응가스 매니폴드(111, 112)와 반응가스 채널(120) 사이의 공간에 돌출개구(130)를 형성하였다. 금속 분리판(100)은 돌출개구(130)의 돌출에 의해서 변형이 방지되며, 개구를 통해 반응가스가 반응가스 채널(120)로 유입된다. 돌출개구(130)는 금속 분리판(100)의 일부가 선형으로 절개되고, 절개된 부분과 그 주변부가 일측으로 돌출되어 형성된다. 돌출개구(130)는 금속 분리판(100)의 채널(120, 160) 형성방법과 같이 프레스 공정에 의해 형성될 수 있다.
돌출개구(130)는 반응가스 면으로 돌출되는 제1 개구(131)로 이루어질 수 있으며, 더욱 바람직하게는 반응가스 면으로 돌출되는 제1 개구(131) 및 냉각수 면으로 돌출되는 제2 개구(132)로 이루어질 수 있다. 제1 개구(131)과 제2 개구(132)의 사이 부분은 절개되어 있다. 도 4를 참조하면, 돌출개구(130)는 제1 개구(131) 및 제2 개구(132)로 이루어지면, 제1 개구(131)로만 이루어지는 때에 비해, 반응가스가 유입되는 공간이 넓어지며, 금속 분리판(100)의 양면이 모두 돌출부를 구비하므로 금속 분리판(100)의 변형을 더욱 효과적으로 방지할 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 돌출개구(130)는 반응가스 매니폴드(111, 112) 및 반응가스 채널(120) 사이에서의 반응가스 흐름과 법선 방향으로 다수 개 형성되는 것이 더욱 바람직하다. 돌출개구(130)가 하나만 형성된 때에 비해, 금속 분리판(100)의 체결압에 대한 저항성을 향상시킬 수 있다. 또한, 돌출개구(130)가 일체로 형성된 때에 비해, 후술할 추가의 지지 부재(140)를 설치하기 용이하다.
추가의 지지 부재(140)는 다수 개의 돌출개구(130) 사이의 간격에 설치된다. 추가의 지지 부재(140)는 돌출개구(130)에 의해 완벽하게 변형을 방지할 수 없는 부분의 변형을 방지할 수 있다. 또한 추가의 지지 부재(140)는 반응가스를 반응가스 채널(120)쪽으로 안내하는 역할도 한다.
더욱 바람직하게는 추가의 지지 부재(140)는 가스켓(G)과 다른 경도를 가지는 수지 재질로 이루어진다. 스택 체결 시 높은 체결압에 의해 금속 분리판(100)뿐만 아니라 가스켓(G) 역시 변형이 일어날 수 있다. 이때, 추가의 지지 부재(140)가 가스켓(G)과 다른 경도를 가지면, 추가의 지지 부재(140)와 가스켓(G)의 변형량이 서로 다르다. 따라서 가스켓(G)의 변형에 대해 저항성을 높일 수 있다.
또한,도 3을 참조하면, 추가의 지지 부재(140)는 금속 분리판(100) 내로 유입되지 않는 다른 반응가스의 반응가스 매니폴드(113, 114)와 냉각수 채널(160) 사이에도 설치될 수 있다. 금속 분리판(100)의 냉각수 면에서 반응가스 매니폴드(113, 114)를 밀봉하는 가스켓(G)의 내부에 설치된다. 이 경우, 반응가스를 반응가스 채널(미도시)로 안내하는 역할은 하지 않으며, 가스켓(G)의 변형에 대해 저항성을 높이는 역할만 한다.
가스켓(G)은 금속 분리판(100)의 매니폴드(111, 112, 113, 114) 및 채널(120, 160)의 형태에 맞추어 미리 제조된 고형의 가스켓(G)을 금속 분리판(100)에 부착할 수 있다. 또한, 사출 성형법을 이용하여, 금속 분리판(100)에 직접 도포하여 제조할 수도 있다. 사출 성형법을 이용하여 가스켓(G)을 제조하는 경우, 추가의 지지 부재(140)도 사출 성형법을 이용하여 제조하면 별도의 부착 방법 및 부착 공정을 필요로 하지 않아, 연료전지를 제조하는 데 필요한 시간이 단축될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 금속 분리판(100)은 가스켓(G)과 가스켓(G) 사이 에 가스켓 고정부(150)를 구비한다. 반응가스 면으로 돌출된 가스켓 고정부(151)와 냉각수 면으로 돌출된 가스켓 고정부(152)를 구비하여, 반응가스 면에 장착된 가스켓(G)과 냉각수 면에 장착된 가스켓(G) 모두의 이탈을 방지할 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 가스켓 고정부(150)도 채널(120, 160) 및 돌출개구(130)와 같이, 프레스 형성될 수 있다.
또한 본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 가스켓(G)은 각 매니폴드(111, 112, 113, 114, 115, 116)와 각 채널(120, 160)을 밀봉하는 가스켓(G)이 각각 분리되어 형성된다. 따라서 도 2를 참조하면, 반응가스 면에서 매니폴드(111, 112)와 돌출개구(130) 사이에 2중 밀봉이 행해진다. 또한 도 3을 참조하면, 돌출개구(130)와 냉각수 채널(160) 사이에도 2중 밀봉이 행해진다. 따라서 반응가스 및 냉각수의 기밀성을 더욱 향상시킬 수 있다. 도 4를 참조하면, 냉각수 면과 반응가스 면에서 각각 2중 밀봉이 이루어지는 것을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 돌출개구를 구비하는 금속 분리판을 포함하는 연료전지 스택을 도시한 것이다. 반응가스가 반응가스 매니폴드(111)를 통해 반응가스 저장 탱크(미도시)로부터 유입되어 흐른다. 반응가스는 반응가스 매니폴드(111)를 따라 흐르면서, 하나의 단위 셀로부터 이웃하는 단위 셀로 흐르는 동시에, 단위 셀의 금속 분리판(100)을 따라 흐르게 된다. 금속 분리판(100)에 부착된 추가의 지지 부재(140)에 의해 반응가스가 돌출개구(130)로 안내된다. 반응가스는 돌출개구(130)에 의해 확보된 공간을 통해 반응가스 채널(120)로 흐른다.
본 발명이 제공하는 금속 분리판, 연료전지 및 연료전지 스택은 반응가스가 유출입하는 공간의 변형을 방지하는 구조를 구비하여 반응가스의 유동 저항을 저감하여 압력 강하량을 감소시킬 수 있다.
또한 본 발명의 금속 분리판, 연료전지 및 연료전지 스택은 냉각수 부분과 반응가스 부분 모두 2중 밀봉을 할 수 있어, 기밀성을 향상시켜 연료전지 시스템의 안정성 및 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 금속 분리판, 연료전지 및 연료전지 스택은 가스켓 고정부를 구비하여, 높은 체결압에 의해 가스켓이 변형되며 원래 위치에서 이탈하는 것을 방지할 수 있다.
또한 본 발명의 금속 분리판, 연료전지 및 연료전지 스택은 추가의 지지 부재를 구비하여, 금속 분리판의 변형을 더욱 확실히 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 가스켓의 변형에 저항성을 높일 수 있다.

Claims (10)

  1. 매니폴드 및 반응가스 채널을 구비하는 금속 분리판에 있어서,
    매니폴드와 채널 사이에 형성되는 돌출개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    돌출개구는, 금속 분리판의 일측으로 돌출된 제1 개구 및 타측으로 돌출된 제2 개구를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    돌출개구는, 반응가스 흐름과 법선 방향으로 다수 개 형성된 것을 특징으로 하는 금속 분리판.
  4. 매니폴드와 채널 사이에 형성되는 돌출개구를 포함하는 금속 분리판; 및
    금속 분리판을 밀봉하는 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제 4 항에 있어서,
    금속 분리판의 돌출개구는, 반응가스 흐름과 법선 방향으로 다수 개 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제 4 항에 있어서,
    금속 분리판의 돌출개구는, 간격을 두고 형성된 다수 개로 이루어지고,
    돌출개구 사이 간격에 설치되는 추가의 지지 부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 제 6 항에 있어서,
    추가의 지지 부재는, 가스켓과 경도가 다른 수지 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  8. 제 4 항에 있어서,
    금속 분리판은, 돌출 형성된 하나 이상의 가스켓 고정부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  9. 제 4 항에 있어서,
    가스켓은, 금속 분리판의 형태에 맞추어 미리 제조된 고형의 가스켓 및 금속 분리판에 직접 사출 성형하여 제조된 가스켓 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  10. 복수 개의 막 전극 접합체;
    막 전극 접합체의 양면에 위치하며, 반응가스 매니폴드 및 반응가스 채널 사이에 위치하는 돌출개구를 구비하는 복수 개의 금속 분리판; 및
    금속 분리판에 장착되어 반응 가스 매니폴드, 냉각수 매니폴드, 반응 가스 채널 및 냉각수 채널을 각각 밀봉하는 복수 개의 가스켓;을 적층한 것을 특징으로 하는 연료전지 스택.
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