KR100985915B1 - 연료전지용 초경량 바이폴라 플레이트 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 연료 유동 유로가 형성된 비 전도성 연료극막; 공기 유동 유로가 형성된 비 전도성 공기극막; 상기 연료극막과 공기극막 사이에 구비되며 상기 연료와 상기 공기가 혼합되지 않도록 분리시키는 비 전도성 분리막; 및 상기 연료극막, 분리막 및 공기극막의 순차적 적층시 상기 연료극막에서 상기 분리막을 거쳐 상기 공기극막으로 전류가 이동되도록 전류 이동 경로를 제공하는 금속부;를 포함하여 구성된 특징이 있으며, 상세하게, 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막 각각은 유리, 바람직하게는 감광성 유리인 특징이 있다.
연료전지, 고분자 전해질, 바이폴라 플레이트, 유로, 감광성 유리, 자외선
Description
본 발명은 연료전지, 상세하게 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 감광성 유리 및 금속을 포함하여 구성되어, 가공성이 매우 뛰어나며, 강도, 열전도도 및 전기전도도가 높고, 가스 침투성이 낮으며, 무게가 극히 가벼운 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
산업발전 및 인구증가에 따라 전 세계적으로 에너지 수요가 급증하고 있는 추세이나, 주 에너지원인 석유/천연가스등은 약 2020년을 기점으로 그 생산량이 점차 감소할 것으로 예측되고 있다. 이러한 화석연료의 고갈과 함께 환경을 오염시키지 않는 대체 청정 에너지원에 대한 연구 개발이 시급한 실정이다.
또한, 1997년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우리나라를 비롯한 119 개국이 비준하였고, 온실가스 배출량 감축의 의무화 및 온실가스 감축 의무 부담이 진행되고 있다.
태양열, 풍력, 수소에너지등의 다양한 천연 자원을 에너지원으로 사용하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 기존 화력발전과는 달리 연소과정이나 기계적 일이 필요 없는 직접 발전 방식으로 열역학적인 제한(Carnot 효율)을 받지 않으며 발전효율이 높고, 대기오염 물질인 녹스(NOx), 황화합물(SOx)등을 배출하지 않고, CO2 배출량을 감소시킬 수 있으며, 작동 소음/진동 또한 극히 미미한 환경 친화적인 에너지 기술인 점, 분산형 전력생산 방식이 가능하고, 100㎾~수십㎿급 규모의 중대형 발전 시스템 분야, 1㎾~10㎾급 규모의 가정용 소형발전 시스템 및 자동차 보조동력원용, 수W∼수㎾급 규모의 이동전원용등 발전 용량을 용이하게 조절 가능한 점등에 의해 연료전지(Fuel Cell) 기술이 대체 청정 에너지로 각광받고 있다.
연료전지는 수소(H2) 등의 연료가스와 산소(O2)를 반응시켜 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로, 일반적으로 연료극과 공기극이 형성되어 있다.
상기 연료극에서는 촉매반응으로 수소 양이온과 전자가 생성되며 여기서 생성된 수소 양이온은 전해질을 통과하여 공기극으로 이동하고, 전자는 외부 회로를 따라 연료극에서 공기극으로 이동하게 된다. 또한, 공기극에서는 전해질을 통과하여 이동해 온 수소 양이온과 외부회로를 따라 이동해 온 전자가 산소와 반응하여 물이 생성된다. 이 때 연료극과 공기극 사이에는 소정의 전위차가 발생한다.
이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류와 작동 온도에 따라 여러 가지로 분류할 수 있지만, 특히 100℃ 이하의 비교적 저온에서 작동되고 수소를 직접 연료로 사용하는 고분자전해질연료전지(PEMFC; Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 자동차용, 가정 발전용, 이동용 전원으로 주목받고 있다.
고분자전해질연료전지는 요구되는 출력을 생성하기 위해 다수개의 단위 셀(Unit Cell)로 구성된 스택(Stack)의 구조를 가지며, 단위셀은 수소 양이온이 이온 전도할 수 있는 고분자전해질, 연료와 공기의 산화 환원 반응을 일으키는 촉매층(Electrode) 및 연료와 공기를 촉매층에 균일하게 공급할 수 있도록 된 가스확산층을 포함하는 막-전극 접합체(MEA; Membrane Electorode Assembly)와 막-전극 접합체의 양측에 배치되고 양측면에 연료와 공기를 공급해주는 소정의 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 구성된다.
상술한 바와 같이 고분자전해질연료전지는 에너지 출력과 용량을 제어하기 위해 막-전극 접합체와 바이폴라 플레이트를 반복적으로 적층시켜 직렬 또는 병렬로 연결한 스택(Stack)구조를 가지며, 이러한 스택은 막-전극 접합체와 바이폴라 플레이트가 반복적으로 적층되고 양 단부에 금속이나 플라스틱재의 판이 설치되며 이 판에 볼트와 너트가 체결되어 양측에서 일정한 압력으로 가압하여 밀착된 구조를 갖는다.
고분자전해질연료전지에 구비되는 바이폴라 플레이트는 연료전지 스택에서 수소와 같은 연료와 공기(산소)를 반응 영역에 고르게 분포시키며, 단위 셀간 전기를 전달해주는 중요한 요소 부품이며, 이에 따라 높은 전기전도도와 열전도도, 적절한 기계적 강도, 내부식성, 열안정성 등이 요구된다.
그러나, 통상적으로 전체 연료전지 스택 내 바이폴라 플레이트가 차지하는 중량 비중은 80% 이상이고 두께 비중은 85% 이상이기 때문에 동일 출력시 연료전지 의 소형화 경량화를 위해서는 바이폴라 플레이트의 중량과 부피를 줄이는 것이 필수적이다.
통상적으로 바이폴라 플레이트는 금속재, 흑연 또는 고분자 수지가 혼합된 복합재가 사용되고 있다.
가장 흔히 사용되는 흑연(탄소계) 바이폴라 플레이트의 경우, 열전도도, 전기전도도 및 내식성이 우수하나, 기계적 강도 약한 문제점이 있다. 비록 경량화에 적합하게 물질 밀도가 낮음에도 불구하고, 기계적 강도 및 가공성이 나쁘고 더 나아가 유체의 침투성이 높아 수 mm이상으로 두껍게 제작될 수밖에 없고 유체 유동 채널의 크기가 제한적이다.
흑연 다음으로 주로 사용되는 금속계 바이폴라 플레이트의 경우, 전기전도도 및 열전도도 및 기계적 강도가 우수하고 기체 침투 문제로부터 자유로우나, 화학적 안정성이 낮은 문제점이 있으며, 표면 산화막에 의해 전기 저항이 높아지는 문제점이 있다. 또한, 소형화 경량화 측면에서 금속의 높은 밀도는 필연적으로 연료전지 셀의 무게를 증가시키게 된다.
복합재료계 바이폴라 플레이트의 경우, 내부식성이 금속보다 우수하나, 전기전도도 및 열전도도 특성과 가공성 및 기계적 강도 특성을 동시에 구현하기 어려운 문제점이 있다.
상술한 문제점들을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연료전지에 요구되는 강도, 열전도도, 전기전도도, 화학적 안정성, 가스침투성을 만족하며 무게 및 부피가 획기적으로 감소된 바이폴라 플레이트를 제공하는 것이며, 저단가 및 단순한 공정으로 제조되어 초미세 가공성을 갖는 바이폴라 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 연료 유동 유로가 형성된 비 전도성 연료극막; 공기 유동 유로가 형성된 비 전도성 공기극막; 상기 연료극막과 공기극막 사이에 구비되며 상기 연료와 상기 공기가 혼합되지 않도록 분리시키는 비 전도성 분리막; 및 상기 연료극막, 분리막 및 공기극막의 순차적 적층시 상기 연료극막에서 상기 분리막을 거쳐 상기 공기극막으로 전류가 이동되도록 전류 이동 경로를 제공하는 금속부;를 포함하여 구성된 특징이 있다.
이때, 상기 연료전지는 고분자 전해질 연료전지인 것이 바람직하다.
상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 연료전지의 바이폴라 플레이트에 요구되는 강도, 열전도도, 화학적 안정성, 가스침투성, 가공성, 접합성, 경량성을 만족하는 비 전도성 물질로 구성되며, 상기 금속부는 이러한 비 전도성 물질로 구성된 막간(연료극막, 분리막, 및 공기극막간) 전류 이동 경로를 제공하는 특징이 있다.
강도, 열전도도 및 화학적 안정성이 높고, 가스 침투성이 낮으며, 매우 우수 한 가공성을 가지며, 막간(연료극막, 분리막, 및 공기극막간) 접합이 용이하고, 극히 가벼운 바이폴라 플레이트를 위해, 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 각각 유리인 특징이 있으며, 바람직하게 감광성 유리(photosensitive glass), 보다 바람직하게 감광성 결정화 유리인 특징이 있다.
초 미세 가공을 포함한 더욱 우수한 가공성을 가지기 위해 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 각각 자외선에 감광하는 감광성 유리인 특징이 있다.
상기 연료극막, 분리막 및 공기극막의 순차적인 적층시 막간의 전류이동 경로를 제공하는 상기 금속부는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막을 관통하는 하나 이상의 전도성 금속 로드인 특징이 있다.
이때, 상기 금속 로드는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막의 가장자리 영역, 즉 상기 유로가 형성되지 않은 영역을 관통하는 것이 바람직하며, 구비되는 상기 금속 로드의 수는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막의 형상에 따라 결정되는 것이 바람직하다. 일 예로, 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막이 전체적으로 사각의 형상인 경우, 사각형의 네 가장자리 각각을 관통하도록 4개의 금속 로드가 구비되는 것이 바람직하다.
상기 연료극막, 분리막 및 공기극막의 순차적인 적층시 막간의 전류이동 경로를 제공하는 상기 금속부는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막 각각의 표면에 증착된 금속 증착층인 특징이 있다.
상기 바이폴라 플레이트는 상기 연료극막, 분리막 및 공기극막이 순차적으로 적층 및 열접합된 단위체 및 상기 금속부, 바람직하게는 상기 금속 로드를 포함하 여 구성되는 특징이 있으며, 상기 바이폴라 플레이트는 상기 단위체의 표면에 구비된 금속 증착층을 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다. 바람직하게 상기 금속부는 상기 금속 로드 및 상기 단위체 표면에 구비된 금속 증착층으로 구성된다.
상기 단위체의 상부 및 하부 표면 각각에 구비된 금속 증착층은 연료전지를 구성하는 막-전극 복합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)에서 발생하는 전자를 효과적으로 모아(collecting) 상기 금속 로드를 통해 막간(연료극막, 분리막, 및 공기극막간) 이동되도록 한다.
상기 금속 로드 또는 상기 금속 증착층의 금속은 전기전도도, 제조비용, 증착 및 성형의 용이함, 화학적 안정성, 유리와의 계면접합특성, 및 낮은 금속 밀도의 측면에서 은, 금, 백금, 니켈, 크롬, 티타늄 및 알루미늄 군에서 하나 이상 선택된 물질인 것이 바람직하다.
상기 연료극막 또는 공기극막의 유로는 연료극막 또는 공기극막의 원재인 감광성 유리판에 마스크 패턴에 의해 선택적으로 광이 조사된 영역이 제거되어 유로가 형성된 특징이 있다.
상세하게, 상기 유로는 열처리에 의해 상기 광의 조사 영역을 재결정(recrystallization)시킨 후 상기 재결정된 영역을 식각(etching)하여 형성되거나, 상기 광 조사 영역을 바로 식각하여 형성되는 특징이 있다. 상기 식각은 불산(HF)를 포함하는 에칭 용액에 의한 습식 식각인 특징이 있다.
상기 유로를 형성하기 위해 조사되는 광은 자외선인 특징이 있으며, 상기 원재인 감광성 유리판은 자외선 감광되는 유리판인 특징이 있다.
상기 유로는 상기 원재인 감광성 유리판의 두께 방향으로 관통된 유로인 특징이 있다.
상기 분리막은 냉각 유체의 유로가 구비된 특징이 있으며, 상세하게, 상기 연료극막에 구비된 연료 유동 유로의 일 측을 밀폐하는 상부 분리막; 냉각 유체 유로의 격벽이 형성된 냉각 유로막; 상기 공기극막에 구비된 공기 유동 유로의 일 측을 밀폐하는 하부 분리막;을 포함하여 구성되어, 바람직하게 상기 상부 분리막, 냉각 유로막, 및 하부 분리막이 순차적으로 적층되어 열결합된 구조이다.
상기 상부 분리막은 상기 연료 유동 유로와 상기 냉각 유체 유로를 물리적으로 분리하며, 상기 하부 분리막은 상기 공기 유동 유로와 상기 냉각 유체 유로를 물리적으로 분리한다.
본 발명의 바이폴라 플레이트는 연료전지에 요구되는 강도, 열전도도, 전기전도도, 화학적 안정성, 가스침투성을 만족하며 무게 및 부피를 획기적으로 감소시킬 수 있으며, 간단한 공정으로 초 미세 구조의 유로, 고도한 복잡성을 갖는 유로가 구비될 수 있으며, 초소형/초경량 연료전지 단위 셀의 구현이 가능한 장점이 있다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바이폴라 플레이트를 상세히 설명 한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
하기의 설명에서 본 발명의 비전도성 공기극막, 비전도성 분리막, 비전도성 연료극막을 구성하는 비전도성물질은 본 발명의 특징에 따라 전기전도도를 고려하지 않고, 순수하게 화학적 반응성, 강도, 가공의 용이함, 저 밀도, 가스 침투성, 접합성등 연료전지용 바이폴라 플레이트에 요구되는 물리적 성질을 만족시키는 비전도성 물질이 사용되며, 이러한 본 발명의 특징에 의해, 본 발명의 다른 특징인 금속부가 구비되어, 최종적으로 바이폴라 플레이트에 요구되는 전기전도도 또한 충족시키는 특징적 구조를 갖는다.
화학적 반응성, 강도, 가공의 용이함, 저 밀도, 가스 침투성, 접합성 측면에서 본 발명의 비전도성 공기극막, 비전도성 분리막, 비전도성 연료극막을 구성하는 비전도성물질은 유리, 상세하게는 나트륨석회유리, 칼륨석회유리, 납유리, 바륨 유리, 규산 유리, 붕규산 유리 또는 인산염 유리이다.
본 발명은 초 미세구조 패터닝 및 가공의 용이성 측면에서 본 발명의 비전도 성 공기극막, 비전도성 분리막, 비전도성 연료극막을 구성하는 비전도성물질이 감광성 유리인 또 다른 특징적 구성을 가지며, 이에 따라 본 발명의 바이폴라 플레이트의 가공성 및 가공 결과물이 반도체의 포토 리쏘그라피와 유사한 성능 및 효과를 얻을 수 있다.
하기의 도면들을 기반으로 본원 발명의 특징적 구성을 보다 명확히 하기 위해 감광성 유리가 공기극막, 분리막, 및 연료극막을 구성하는 물질인 경우를 상술한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 일 분해 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지용 바이폴라 플레이트는 수소를 포함하는 연료의 유동 유로가 형성된 비 전도성 연료극막(30), 산소를 함유하는 공기의 유동 유로가 형성된 비 전도성 공기극막(10), 상기 연료극막(30)과 공기극막(10) 사이에 구비는 비 전도성 분리막(20) 및 상기 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 막간 전류 이동 경로를 형성하는 금속부(60)를 포함하여 구성된다.
도 1의 도시예는 금속부(60)가 상기 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)을 관통하는 금속 로드(60)인 예이다. 상기 금속 로드(60)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 공기극막(10) 또는 연료극막(30)에 형성된 유로에 영향을 미치지 않도록 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 가장자리를 관통하는 것이 바람직하다.
상기 금속 로드(60)는 높은 전기전도도, 화학적 안정성, 가공의 용이성, 산화 피막 형성 억제 특성을 가지며, 흑연과 유사한 정도의 낮은 물질 밀도를 갖는 은, 금, 백금, 니켈, 크롬, 티타늄 및 알루미늄 군에서 하나 이상 선택된 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따라 상기 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)이 순차적으로 적층되고, 막간을 관통하는 금속 로드(60)가 구비된 본 발명의 바이폴라 플레이트(4000)의 일 사시도이다.
본원 발명에 따른 바이폴라 플레이트(4000)는 막-전극 접합체(MEA; Membrane Electorode Assembly, 도 3의 MEA)와 교번되어 결합함으로써 연료 전지 스택(도 3의 Fuel Cell Stack)을 구성하는 특징이 있다.
비 전도성 재료로 구성되는 상기 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)은 유리, 바람직하게는 감광성 유리, 보다 바람직하게 감광성 결정화 유리인 특징이 있다.
본 발명의 바람직한 비 전도성 재료인 상기 감광성 유리는 감광성 금속원소가 이온 상태로 함유된 유리이며, 광의 조사(광의 조사 이후 수행되는 열처리를 포함)에 의해 물질 특성 또는 결정 특성이 달라지는 유리이다. 상기 감광성 금속 원소는 Cu, Ag, Au, Se, Cd, Cs, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Co, Ti, Ce, Mo, W 및 U군에서 하나 이상 선택된 원소이며, 상기 감광성 유리는 유리를 구성하는 주물질을 기준으로 나트륨석회유리, 칼륨석회유리, 납유리, 바륨 유리, 규산 유리, 붕규산 유리 또는 인산염 유리일 수 있으며, 일 예로, SiO2를 주물질로 LiO2, Li2O3, K2O, Al2O3, Na2O, ZnO, Sb2O3, Ag2O 및 CeO2 군에서 하나 이상 선택된 첨가물질을 더 함유하는 통상의 감광성 유리이다.
특징적으로 상기 감광성 유리는 자외선 감광성을 갖는 유리이며, 바람직하게 상기 감광성 유리는 감광젖빛유리, 감광결정화유리를 포함하는 화학절삭가공용 감광유리이다.
상기 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)을 구성하는 감광성 유리감광성 유리는 기체 침투성이 흑연에 비해 월등히 낮으므로 자체만으로 기체들의 혼합 및 누출을 방지할 수 있다. 또한, 반도체 리쏘그라피와 유사한 광 조사 및 식각(etching)을 통해 매우 미세하고 복잡한 유로를 형성할 수 있다. 유리 자체의 강도가 흑연에 비해 월등히 우수하고, 유로 및 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 두께를 임의적으로 조절할 수 있으며, 고분자전해질 연료전지의 작동 온도 범위에서 열적 화학적으로 매우 안정하고, 물질 밀도가 흑연과 유사한 매우 낮은 밀도를 갖는 특징을 갖는다.
상술한 본 발명의 바이폴라 플레이트의 특징에 의해 초 경량, 초 소형 연료전지가 구현될 수 있으며, 연료전지 스택의 동력밀도를 향상시킬 수 있다.
비록 유리, 바람직하게는 감광유리가 연료전지용 바이폴라 플레이트에 요구되는 물리적/화학적 특성을 만족하는 우수한 물질이나, 흑연에 비해 전기 전도도(electrical conductivity)가 크게 못 미치는 절연성 물질이다. 본 발명은 이러한 전기전도도를 해결하기 위한 특징적 구성으로 막간 전류이동경로를 형성시키는 상기 금속부가 구비되는 특징이 있다.
하기의 표 1은 통상의 바이폴라 플레이트로 사용되는 흑연과 본원 발명의 바 이폴라 플레이트의 무게, 부피 및 전기전도도를 정리 비교한 표이다.
(표 1)
| Mass (g) |
Volume(mm) (wㅧhㅧt) |
Electrical conductivity (Ωㅧm)-1 |
|
| Graphite | 24 | 57ㅧ60ㅧ4.5 | 3ㅧ104~ 2ㅧ105 |
| Photosensitive glass |
4.7 | 44ㅧ44ㅧ1.6 | 3.8ㅧ107(Al) |
본원 발명의 특징적 구성인 감광성 유리, 바람직하게 자외선에 감광하는 감광성 유리에 의해 도 4에 도시한 바와 같이 반도체 리쏘그라피와 유사한 간단한 공정을 통해 초 미세 유로를 포함한 고도로 복잡한 형상의 미세 구조가 공기극막(10), 분리막(20) 또는 연료극막(30)에 구비될 수 있다.
상세하게, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 공기극막(10), 분리막(20) 또는 연료극막(30)의 원재인 감광성 유리판(200)에 가공하고자 하는 패턴을 갖는 마스크(100)를 위치시키고 상기 패턴에 따라 선택적으로 상기 감광성 유리판(200)에 광이 조사되도록 한다. 이후, 광이 조사된 영역이 재결정화(201) 되도록 열처리를 수행하고, 습식 에칭에 의해 재결정화된 영역을 선택적으로 제거하는 공정을 통해 상기 유리판(200)에 유로를 포함하는 미세 구조(301)를 형성시킬 수 있다.
이에 의해 상기 공기극막(10), 분리막(20) 또는 연료극막(30)은 유로를 포함하는 미세 구조(301) 및 광이 조사되지 않은 영역의 유리로 구성된다.
상기 광은 초미세 가공이 가능한 자외선인 것이 바람직하며, 상기 유리판의 두께는 제조하고자하는 연료 전지 스택의 출력 및 그 용도를 고려하여 결정되어야 하나, 초 경량 바이폴라 플레이트의 실질적 일 예로 0.1 mm에서 2 mm 사이인 것이 바람직하다. 상기 열처리 온도는 감광성 유리 물질에 따라 적절히 조절되어야 하나, 실질적 일 예로 500 ℃ 에서 600 ℃ 에서 수행될 수 있다.
도 4의 예에서는 유리판의 두께를 관통하는 미세 구조가 형성되는 예를 도시하였으나, 식각 시간등을 제어하여 유리판의 일정 두께까지만 식각되도록 하여, 유리판의 표면 요철(음각에 의한 요철)과 같은 미세 구조 또한 형성될 수 있다.
또한, 도 4의 예에서 감광성 결정화 유리와 같이 광 조사에 의해 선택적 에칭 특성(재결정화와 같은)을 갖는 경우에는 열처리를 하지 않고 바로 습식 식각하여 광이 조사된 영역을 제거할 수도 있다.
도 5는 도 4와 같은 광의 조사 및 식각에 의해 제조된 본원 발명의 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 일 단면도이다.
본원 발명의 공기극막(10)은 두께 방향으로 관통된 공기 유동 유로(12), 금속 로드가 구비되는 관통 기공(13) 및 감광성 유리(11)를 포함하여 구성되며, 막-전극 접합체(MEA; Membrane Electorode Assembly, 도 3의 MEA)와 본원 발명의 바이폴라 플레이트를 결합시키는 결합 부재(일예로 볼트 및 너트)의 경로를 제공하는 결합 기공(14)을 포함한다.
상기 결합 기공(14)에 구비되는 결합 부재는 단위 셀을 구성하는 요소들을 결합 및 고정함과 동시에 다수개의 단위 셀들을 결합 및 고정시킨다.
본원 발명의 연료극막(30)은 두께 방향으로 관통된 연료 유동 유로(32), 상 기 공기극막(10)의 관통 기공(13)과 대응되는 위치에 형성되어 동일한 금속 로드가 구비되는 관통 기공(33) 및 감광성 유리(31)를 포함하여 구성되며, 공기극막(10)의 결합 기공(13)과 대응되는 위치에 형성되어 상기 결합 부재의 경로를 제공하는 결합 기공(33)을 포함한다.
본원 발명의 분리막(20)은 상기 공기극막(10)의 관통 기공(13)과 대응되는 위치에 형성되어 동일한 금속 로드가 구비되는 관통 기공(23), 상기 공기극막(10)의 결합 기공(13)과 대응되는 위치에 형성된 결합 기공(23) 및 감광성 유리(21)를 포함하여 구성되며, 상기 공기극막(10)의 공기 유동 경로(12)와 상기 연료극막(30)의 연료 유동 경로(32)가 감광성 유리(21)에 의해 물리적으로 분리되는 구조를 갖는다.
도 4와 같은 광의 조사 및 식각에 의해 도 5와 같은 구조를 갖도록 제조된 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)은 순차적으로 적층되어 열처리에 의해 각 막(10, 20 및 30)이 열결합되어 도 6과 같은 단위체(1000)를 형성하는 것이 바람직하다.
순차적으로 적층된 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 열결합은 유리전이온도(감광성 유리11, 21, 31의 유리전이온도임)이상의 열처리에 의한 접합인 것이 바람직하며, 실질적인 일 예로 500 ℃ 이상의 열처리를 통한 열결합일 수 있다.
이에 따라 상기 단위체(1000)는 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 감광성 유리, 분리막(20)에 의해 물리적으로 분리된 연료 유동 유로(32)와 공기 유동 유로(12), 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 관통 기공(23)이 결합되어 단일한 금속 로드가 구비되는 관통 기공(40), 및 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 결합 기공(23)이 결합되어 단일한 결합 부재가 구비되는 결합 기공(50)을 갖는다.
도 7에 도시한 바와 같이 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(2000)는 상기 단위체(1000) 및 상기 관통기공(40)에 구비되는 금속 로드(60)를 포함하여 구성되며, 상기 금속 로드는 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 막간 및 스택을 구성하는 연료 전지 셀간 전류 이동 경로를 제공하며, 외부회로와의 전기적 연결을 제공한다.
상기 금속 로드(60)의 최단 면적은 제조하고자하는 연료 전지 스택의 출력,제조하고자 하는 연료 전지 단위 셀의 디멘젼(dimension) 및 연료전지의 용도를 고려하여 결정되어야 하나, 바이폴라 플레이트의 부피 감소 및 안정적인 전류이동 경로의 제공 측면에서 상기 금속 로드(60)는 100μm2 에서 5000mm2의 단면적을 갖는 것이 바람직하다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 금속부가 금속 로드(60)인 경우를 도시한 것이며, 도 8 내지 도 9는 상기 금속부가 금속 증착층(71, 72, 73, 및 70)인 경우를 도시한 것이다.
도 8의 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 구성은 도 5를 기반으로 상술한 구조와 유사하나, 각 막(10, 20, 30)에 관통 기공(13, 23, 33)이 구비되 지 않으며, 각 막(10, 20, 30)을 구성하는 감광성 유리(11, 21, 31) 표면에 금속 증착층(71, 72, 73)이 구비되는 특징이 있다.
바람직하게, 상기 금속 증착층은 상기 공기극막(10)의 표면 전체, 상기 분리막(20)의 표면 전체, 상기 연료극막(30)의 표면 전체에 구비되는 것이 바람직하다.
상기 금속 증착층(71, 72, 73)은 은, 금, 백금, 니켈, 크롬, 티타늄 및 알루미늄 군에서 하나 이상 선택된 물질인 것이 바람직하며, 통상의 전자 빔(E-beam) 증착기, 스퍼터기(sputter), 열적/물리적 증발기(evaporator)등을 이용하여 증착이 수행될 수 있다.
상기 금속 증착층(71, 72, 73)은 상술한 금속 로드와 같이 막간, 연료 전지 셀간, 연료전지 셀과 외부 회로간 전류 이동 경로를 제공하며, 막-전극 접합체에서 발생하는 전자를 효과적으로 모을 수 있는 장점이 있다.
면저항, 내구성 및 본 발명의 특징에 의해 바이폴라 플레이트에 구비되는 초 미세 구조의 유지 측면에서 상기 금속 증착층(71, 72, 73)의 두께는 10 nm에서 100 μm 인 것이 바람직하다.
도 8과 같이 금속부가 금속 증착층인 경우에도 막간(10, 20, 30) 열결합에 의해 도 9와 같은 단위체 구조를 갖는 것이 바람직하다.
도 10은 상기 도 6을 기반으로 상술한 단위체(1000)의 표면에 금속 증착층(80)이 구비된 경우를 도시한 것으로, 상기 금속 증착층(80)은 은, 금, 백금, 니켈, 크롬, 티타늄 및 알루미늄 군에서 하나 이상 선택된 물질인 것이 바람직하며, 면저항, 내구성 및 본 발명의 특징에 의해 바이폴라 플레이트에 구비되는 초 미세 구조의 유지 측면에서 상기 단위체(1000)에 구비되는 금속 증착층의 두께는 10 nm에서 100 μm 인 것이 바람직하며, 이때, 단위체(1000) 표면 전체에 금속 증착층(80)이 구비된 것이 바람직하다.
도 11은 본 발명의 바람직한 바이폴라 플레이트(4000)의 일 단면도로, 단위체(1000)의 표면에 구비된 금속 증착층(80) 및 금속 로드(60)가 금속부를 구성하며, 이러한 구조에 의해 바이폴라 플레이트(4000)가 막-전극 접합체에서 발생하는 전자를 효과적으로 모음과 동시에 안정적으로 공기극막(10), 분리막(20) 및 연료극막(30)의 막간 및 스택을 구성하는 연료 전지 셀간 전류 이동 경로를 제공하며, 외부회로와의 전기적 연결을 제공한다.
도 12는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트 구성요소 중 상술한 단위체(1000)의 광학 사진으로, 도 12 단위체의 좌/우 양 측면에 구비된 관통 기공(도 12의 electrode site)에 본원 발명에 따른 금속 로드가 구비되게 된다.
도 13은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 구성 요소 중 분리막(20)의 다른 예이며, 상세하게는 상기 연료극막(30)에 구비된 연료 유동 유로(32)와 공기극막(10)에 구비된 공기 유동 유로(12)를 분리시킴과 동시에 냉각 유체의 유로(25)가 구비된 분리막(20)의 일 예이다.
도 13(a)에 도시된 바와 같이 상기 분리막(20)은 상기 연료극막(30)에 구비된 연료 유동 유로(32)의 일 측을 밀폐하는 상부 분리막(20(i)); 냉각 유체 유로의 격벽(21'(ii))이 형성된 냉각 유로막(20(ii)); 상기 공기극막(10)에 구비된 공기 유동 유로(12)의 일 측을 밀폐하는 하부 분리막(20(iii));을 포함하여 구성되어, 바람직하게 도 13(b)와 같이 상기 상부 분리막(20(i)), 냉각 유로막(20(ii)), 및 하부 분리막(20(iii))이 순차적으로 적층되어 열결합된 구조이다.
상기 상부 분리막(20(i))은 상기 연료 유동 유로(32)와 상기 냉각 유체 유로(25)를 물리적으로 분리하며, 상기 하부 분리막(20(iii))은 상기 공기 유동 유로(12)와 상기 냉각 유체 유로(25)를 물리적으로 분리한다.
상부 분리막(20(i)), 냉각 유로막(20(ii)), 및 하부 분리막(20(iii))은 각각 도 4를 기반으로 상술한 마스크를 이용한 자외선 노광, 선택적으로 수행될 수 있는 열처리, 및 노광된 영역의 부분적 에칭에 의해 제조되는 특징이 있으며, 이에 의해 상기 분리막(20)에 구비되는 냉각 유체의 유로 또한 매우 미세한 격벽 구조를 가질 수 있으며, 매우 미세한 유로가 구비될 수 있으며, 유로의 형상 또한 고도로 복잡한 형상이 구비될 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 분해 사시도 예이며,
도 2는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 사시도 예이며,
도 3은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트가 구비되는 연료 전지 스택의 일 예이며,
도 4는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트에 구비되는 연료극막, 공기극막 및 분리막의 제조 공정을 도시한 공정도 예이며,
도 5는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트에 구비되는 연료극막, 공기극막 및 분리막의 구조를 도시한 단면도 예이며,
도 6은 본 발명에 따른 단위체의 단면도 예이며,
도 7은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 단면도 예이며,
도 8은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 금속 증착층이 구비된 연료극막, 공기극막 및 분리막의 구조를 도시한 단면도의 예이며,
도 9는 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 단면도의 다른 예이며,
도 10은 본 발명에 따른 금속 증착층이 구비된 단위체의 단면도 예이며,
도 11은 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트를 도시한 단면도의 또 다른 예이며,
도 12는 본 발명에 따른 일 단위체의 광학 사진이며,
도 13은 본 발명에 따른 분리막의 다른 예이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 공기극막 20 : 분리막
30 : 연료극막 60 : 금속 로드
70, 80 : 금속 증착층 12 : 공기 유동 유로
32 : 연료 유동 유로 11, 21, 31 : 감광성 유리
25 : 냉각 유체 유로
Claims (14)
- 연료 유동 유로가 형성된 비 전도성 연료극막;공기 유동 유로가 형성된 비 전도성 공기극막;상기 연료극막과 공기극막 사이에 구비되며 상기 연료와 상기 공기가 혼합되지 않도록 분리시키는 비 전도성 분리막; 및상기 연료극막, 분리막 및 공기극막의 순차적 적층시 상기 연료극막에서 상기 분리막을 거쳐 상기 공기극막으로 전류가 이동되도록 전류 이동 경로를 제공하는 금속부;를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
- 제 1항에 있어서,상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 각각 유리인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 2항에 있어서,상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 각각 감광성 유리(photosensitive glass)인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 2항에 있어서,상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 각각 감광성 결정화 유리인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 3항에 있어서,상기 연료극막, 공기극막 및 분리막은 자외선에 감광하는 감광성 유리인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 2항에 있어서,상기 금속부는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막을 관통하는 하나 이상의 전도성 금속 로드인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 2항에 있어서,상기 금속부는 상기 연료극막, 공기극막 및 분리막 각각의 표면에 증착된 금속 증착층인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 2항에 있어서,상기 바이폴라 플레이트는 상기 연료극막, 분리막 및 공기극막이 순차적으로 적층 및 열접합된 단위체 및 상기 금속부를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 8항에 있어서,상기 바이폴라 플레이트는 상기 단위체의 표면에 구비된 금속 증착층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 6항, 제 7항 또는 제 9항에 있어서,상기 금속은 은, 금, 백금, 니켈, 크롬, 티타늄 및 알루미늄군에서 하나 이상 선택된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 5항에 있어서,상기 연료극막 또는 공기극막의 원재인 감광성 유리판에 마스크 패턴에 의해 선택적으로 광이 조사된 영역이 제거되어 상기 연료극막 또는 공기극막의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 11항에 있어서,상기 유로는 상기 감광성 유리판의 두께 방향으로 관통된 유로인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 11항에 있어서,상기 유로는 열처리에 의해 상기 광의 조사 영역을 재결정(recrystallization)시킨 후, 상기 재결정된 영역을 식각(etching)하여 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
- 제 13항에 있어서,상기 분리막은 냉각 유체의 유로가 구비된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
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