KR100986349B1 - 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 스택의 양단에 체결되는 엔드플레이트를 서로 다른 열팽창계수를 갖는 두 가지 재질로 제조하여, 기존에 체결력에 의한 탄성 변형으로 엔드플레이트가 들뜨게 되는 현상을 방지할 수 있도록 한 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 엔드플레이트를 서로 다른 열팽창계수를 갖는 모재와 보강재로 구성하여, 연료전지 스택에 체결함으로써, 열팽창계수에 따른 휨 변형과 체결력에 의한 탄성 변형이 서로 상쇄되어, 항상 평판 상태를 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법을 제공하고자 한 것이다.

연료전지 스택, 엔드플레이트, 탄성 변형, 열팽창계수, 복합재료 모재, 스틸 보강재, 동시 경화

Description

연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법{End plater for fuel cells and method for manufacturing the same}

본 발명은 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택의 양단에 체결되는 엔드플레이트를 서로 다른 열팽창계수를 갖는 두 가지 재질로 구성된 하이브리드 구조로 제조하여, 기존에 체결력에 의한 탄성 변형으로 엔드플레이트 중앙부가 들뜨게 되어 스택에서 고른 면압을 얻기 힘든 현상을 방지할 수 있도록 한 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.

첨부한 도 1을 참도로 연료전지 스택의 각 구성을 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

상기 연료전지 스택에서, 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하는데, 이 전극막(30)은 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층, 즉 캐소드 및 애노드로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막(30)의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되며 위치하고, 상기 가스확산층(40)의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 금속재질의 엔드플레이트(100)가 결합된다.

따라서, 연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드극으로 이동하게 된다.

이때, 캐소드극에서는 애노드극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

이러한 연료전지 스택에 있어서, 상기 엔드플레이트는 스택내에서 고른 면압이 유지되도록 각 구성들을 지지하는 기능을 하는 바, 고른 면압을 유지하는 것은 스택내 유체의 누설 방지, 셀간 전기 접촉저항의 감소와 관련하여 스택 성능을 좌우하는 중요한 인자이다.

기존의 엔드플레이트 체결 방식은 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 양단부에 배치된 엔드플레이트(100)를 장볼트(50: 긴 전선나사)를 이용하여 체결하는 방식을 채택하거나, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 양단부에 배치된 엔드플레이트(100)를 스트립(60: 밴드)을 이용하여 서로 체결하는 방식을 채택하고 있다.

그러나, 종래의 엔드플레이트 체결 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.

상기와 같이 엔드플레이트는 스택의 누설 방지를 위하여 매우 높은 체결력(약3000~4000kgf)으로 체결되는데, 그에 따라 엔드플레이트는 탄성 변형에 의하여 첨부한 도 4에 도시된 바와 같이 변형전에는 수평 상태를 유지하다가 변형후에 중앙부위가 들뜨게 되는 문제점이 있었다.

즉, 엔드플레이트는 체결력에 의한 탄성 변형에 의해 중앙부분이 들뜨게 되면서, 그 체결부(장볼트 체결부위 또는 스트립 체결부위)에서 가까운 가장자리는 높은 면압이 걸리게 되고, 상대적으로 먼 엔드플레이트의 중앙부위는 면압이 작게 걸리는 현상이 발생하였다.

이렇게 엔드플레이트의 중앙부분이 들뜨게 되면, 스택의 중앙부의 낮은 면압 부위에서 전기적 접촉저항이 커지고 유체 누설이 발생하게 되는 문제점 등이 초래된다.

이러한 점을 감안하여, 연료전지 스택의 양단부에 체결되는 엔드플레이트의 안쪽면을 곡면으로 NC 가공하여, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이, NC 가공에 의한 곡면이 탄성변형시 평평한 면이 되도록 한 기술이 제안되었으나, 이는 구면 형상의 NC가공을 위한 비용이 많이 드는 단점이 있고, 엔드 플레이트의 변형 부위에 맞게 가공하는 작업이 매우 어려운 단점이 있다.

이에, 연료전지 스택의 분리판과 접촉하는 엔드플레이트의 안쪽면이 체결후에도 들뜨지 않고 평판 상태를 유지하도록 하는 대책안이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 엔드플레이트를 서로 다른 열팽창계수를 갖는 복합재료 모재와 스틸 보강재로 구성하여, 연료전지 스택에 체결함으로써, 열팽창계수에 따른 휨 변형과 체결력에 의한 탄성 변형이 서로 상쇄되어, 항상 평판 상태를 유지시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 엔드플레이트 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 서로 다른 열팽창계수를 갖는 모재와 단일 또는 복수개의 보강재로 구성하여, 엔드플레이트로 체결되기 전에 휨이 발생된 형태를 유지하고, 엔드플레이트로 체결된 후 평판 형태로 변형되도록 한 것을 하이브리드 구조의 연료전지 스택용 엔드플레이트를 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 모재는 복합재료이고, 상기 보강재는 스틸 보강 재로서, 상기 복수개의 스틸 보강재가 상기 복합재료 모재의 길이방향을 따라 복합재료 모재의 내부에 일정 간격을 이루며 내재된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 복합재료 모재의 열팽창계수는 10㎛/m℃ (GEP215 Glass Fabric, SK-Chemical, Korea 기준) 이고, 상기 스틸 보강재의 열팽창계수는 16.5㎛/m℃ (SUS316L 기준)인 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예로서, 복합재료 모재내에 복수개의 스틸 보강재를 삽입하여, 동시 경화를 위한 금형내에서 125℃로 고온 경화시킴으로써, 평판 형태로 성형되는 단계와; 경화후, 상온인 25℃에서 냉각시킴으로써, 상기 엔드 플레이트가 서로 다른 열팽창계수를 갖는 복합재료 모재와 스틸 보강재의 재료 특성에 따라 휨이 발생한 형태로 제작되는 단계; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트 제조 방법을 제공한다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따르면 엔드플레이트 단면에 대하여 비대칭으로 배치된 보강재는 제조시의 온도변화, 연료전지 작동 중 온도 변화에 의하여 엔드플레이트에 휨변형을 유도하며 최종적으로 체결력에 의한 탄성변형과 연료전지 작동온도에서의 열변형이 중첩된 상태에서 엔드플레이트 형상이 평판 형상을 유지할 수 있도록 하면 스택에서 고른 면압을 유지할 수 있게 된다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

서로 다른 열팽창계수를 갖는 복합재료 모재와 스틸 보강재를 이용하여 엔드플레이트를 제작하여 연료전지 스택에 체결함으로써, 열팽창계수에 따른 휨 변형과 체결력에 의한 탄성 변형이 서로 상쇄되어, 엔드플레이트를 항상 평판 상태를 유지시킬 수 있고, 이에 스택에 대한 고른 면압을 유지하여 스택내 유체의 누설 방지, 셀간 전기 접촉저항의 감소 등을 방지하여 연료전지 스택 성능을 최적으로 유지시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 엔드플레이트 구조를 설명하는 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 엔드플레이트 구조를 설명하는 단면도이다.

본 발명에 따른 연료전지 스택용 엔드플레이트(100)는 서로 다른 열팽창계수를 갖는 모재(10)와 복수개의 보강재(20)로 구성되어, 연료전지 스택에 체결된 후, 상온인 25℃에서 서로 다른 열팽창계수(CTE : Coefficient of Thermal Expansion)로 인하여 중앙부분이 안쪽으로 테두리 부분이 바깥쪽으로 휘어지도록 한 것이다.

보다 상세하게는, 본 발명의 엔드플레이트(100)는 소정 면적의 복합재료 모재(10)와, 이 복합재료 모재(20)의 내부에 그 길이방향을 따라 내재되는 복수개의 스틸 보강재(20)로 구성되며, 이때 상기 복합재료 모재(10)는 열팽창계수가 10㎛/m℃인 것을, 상기 스틸 보강재(20)는 열팽창계수가 16.5㎛/m℃인 것을 적용한다.

물론, 상기 복합재료 모재(10)와 스틸 보강재(20)의 실질적인 재료는 연료전지 스택을 구성하는데 여러가지 최선의 재료를 사용하며, 본 발명에서는 그 재료에 국한되지 않고, 단지 서로간의 열팽창계수가 다르면 된다.

여기서, 본 발명의 엔드플레이트를 제작하는 방법을 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

본 발명의 엔드플레이트(100)는 복합재료 모재(10)를 125℃ 정도의 온도에서 경화시켜 제작하되, 스틸 보강재(20)를 내부에 삽입하여 동시 경화시키는 방법으로 제작한다.

먼저, 복합재료 모재(10)를 프리프레그 적층하되, 그 내부에 복수개의 스틸 보강재(20)를 삽입하여, 125℃의 고온에서 경화시킴으로써, 평판 형태로 성형 완료되며, 이후 상온인 25℃에서 냉각시킨다.

이렇게 복합재료 모재(10)와 스틸 보강재(20)로 이루어진 하이브리드형 엔드플레이트(100)를 경화시킨 후, 상온 25℃에서 냉각시키면 서로 다른 열팽창계수를 갖는 재료 특성에 따라 휨이 발생하고, 이때 스틸 보강재의 위치 또는 복합재료의 종류 등을 달리 선택함에 따라 그 휨 정도를 조절할 수 있다.

이때, 모재(10)와 보강재에는 폴리머, 복합재료, 금속 등의 다양한 재료가 사용될 수 있으며 선택된 재료의 종류에 따라 사출성형, 프레스 성형, 반응사출성형 (RIM, Reaction Injection Molding), RTM (Resin Transfer Molding) 등 다양한 제조 공법이 적용될 수 있다. 단, 모재와 보강재는 다른 열팽창계수를 가져야 하며 제조시 온도와 연료전지 작동시 온도차를 고려하여 재료의 선택과 설계를 하여야 한다.

이와 같이 제조된 본 발명의 엔드플레이트가 평판 상태를 지속적으로 유지하는 작용을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 8은 본 발명에 따른 엔드플레이트의 평판 유지 작용을 설명하는 단면도이다.

본 발명의 엔드플레이트(100), 즉 복합재료 모재(10)의 내부에 그 길이방향을 따라 복수개의 스틸 보강재(20)가 내재된 엔드플레이트를 연료전지 스택의 양단부에 기존과 같이 장볼트 또는 밴드 등을 이용하여 체결시킨다.

이때, 엔드플레이트(100)는 높은 장력(약3000~4000kgf)으로 체결되는데, 그에 따른 탄성 변형에 의하여 중앙부위가 들뜨게 되고, 이와 동시에 상온인 25℃ 정도에서 상기 엔드플레이트(100)는 복합재료 모재(10)와 스틸 보강재(20)의 서로 다른 열팽창계수(CTE : Coefficient of Thermal Expansion)로 인하여 중앙부분이 안쪽으로 테두리 부분이 바깥쪽으로 휘어지게 되어, 엔드플레이트(100)의 중앙부분이 탄성 변형으로 들뜨게 되는 것을 막아주는 상쇄작용을 하게 된다.

따라서, 본 발명의 엔드플레이트는 스택내에서 고른 면압이 유지되도록 각 구성들을 고르게 지지할 수 있고, 이에 전체적으로 고른 면압을 유지하여 스택내 유체의 누설 방지, 셀간 전기 접촉저항의 감소 등을 방지하여, 연료전지 스택 성능을 최적으로 유지시키게 된다.

도 1은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도,

도 2 및 도 3은 기존의 연료전지 스택의 엔드플레이트 체결 방식을 설명하는 개략도,

도 4는 기존에 엔드플레이트의 체결력에 따른 탄성 변형을 설명하는 데이터,

도 5는 엔드플레이트의 탄성 변형을 감안하여, 기존에 엔드플레이트의 내표면을 곡면을 NC 가공한 것을 설명하는 개략도,

도 6은 본 발명에 따른 엔드플레이트 구조를 설명하는 사시도,

도 7은 본 발명에 따른 엔드플레이트 구조를 설명하는 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 엔드플레이트의 평판 유지 작용을 설명하는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 복합재료 모재 20 : 스틸 보강재

30 : 전극막 40 : 가스확산층

50 : 장볼트 60 : 스트립

100 : 엔드플레이트

Claims (4)

1. 연료전지 스택용 엔드플레이트에 있어서,

   서로 다른 열팽창계수를 갖는 모재와 단일 또는 복수개의 보강재로 구성하여, 엔드플레이트로 체결되기 전에 휨이 발생된 형태를 유지하고, 엔드플레이트로 체결된 후 평판 형태로 변형되도록 한 것을 하이브리드 구조의 연료전지 스택용 엔드플레이트.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 모재는 복합재료이고, 상기 보강재는 스틸 보강재로서, 상기 복수개의 스틸 보강재가 상기 복합재료 모재의 길이방향을 따라 복합재료 모재의 내부에 일정 간격을 이루며 내재된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 복합재료 모재의 열팽창계수는 10㎛/m℃이고, 상기 스틸 보강재의 열팽창계수는 16.5㎛/m℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트.
4. 연료전지 스택용 엔드플레이트 제조 방법에 있어서,

   복합재료 모재내에 복수개의 스틸 보강재를 삽입하여, 동시 경화를 위한 금형내에서 125℃로 고온 경화시킴으로써, 평판 형태로 성형되는 단계와;

   경화후, 상온인 25℃에서 냉각시킴으로써, 상기 엔드 플레이트가 서로 다른 열팽창계수를 갖는 복합재료 모재와 스틸 보강재의 재료 특성에 따라 휨이 발생한 형태로 제작되는 단계;

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 엔드플레이트 제조 방법.

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