KR101254965B1

KR101254965B1 - A Seperator For Fuel Cell

Info

Publication number: KR101254965B1
Application number: KR1020060129829A
Authority: KR
Inventors: 최영재; 김승구; 전중환; 김기철; 전재호; 김도형; 임희천
Original assignee: 한국전력공사; 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2013-04-17
Also published as: KR20080056814A

Abstract

본 발명은 연료전지에 사용되는 분리판에 관한 것으로, 열전쌍(Thermocouple) 설치 공간을 포함하는 바이폴라판; 상기 바이폴라판의 상하부에 위치하여 전극과의 전기적인 연결을 하는 한쌍의 집전체판; 상기 한쌍의 집전체판의 상하부에 위치하여 전극과 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스킹판; 및 한쌍의 전극; 을 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator used in a fuel cell, comprising: a bipolar plate including a thermocouple installation space; A pair of current collector plates positioned at upper and lower portions of the bipolar plate to electrically connect with electrodes; A pair of masking plates positioned above and below the pair of current collector plates to form a seal between the electrodes; And a pair of electrodes; It relates to a separator for a fuel cell comprising a.

본 발명에 의한 연료전지 분리판은 연료전지 스택에서 연료 기체와 공기가 고르게 공급되도록 유로를 제공해주는 동시에 연료 기체와 공기가 서로 섞이는 것을 방지해주면서도, 스택 내부의 온도를 측정하는데 따른 어려움을 용이하게 해결할 수 있다.The fuel cell separator according to the present invention provides a flow path for evenly supplying fuel gas and air from the fuel cell stack, and at the same time prevents mixing of the fuel gas and air with each other, and facilitates the difficulty of measuring the temperature inside the stack. I can solve it.

바이폴라판, 연료전지 스택, 연료전지 분리판 Bipolar Plate, Fuel Cell Stack, Fuel Cell Separator

Description

Separator for Fuel Cell {A Seperator For Fuel Cell}

도1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 분해사시도를 나타낸다.1 is an exploded perspective view showing a separator for a fuel cell according to the present invention.

도2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 구성 요소인 온도 측정용 바이폴라판의 구조를 나타내는 평면도이다.2 is a plan view showing the structure of a bipolar plate for temperature measurement, which is a component of a separator for fuel cells according to the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

100,700: 전극100,700: electrode

200,250,650,600: 마스킹판200,250,650,600: masking board

300,350,500,550: 집전체판 300,350,500,550: current collector

400: 바이폴라판400: bipolar plate

420: 제1 바이폴라판420: first bipolar plate

410,430: 제2 바이폴라판410,430: second bipolar plate

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 두께가 0.4 ~ 0.8mm 범위에 속하는 스테인리스강 박판 소재를 이용하여 용융탄산염 연료전지의 분리판을 제조할 때 연료전지 스택 내부의 온도 측정이 가능하도록 분리판의 바이폴라판(Bipolar Plate)에 열전쌍을 설치한 연료전지용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell, and more particularly, it is possible to measure the temperature inside the fuel cell stack when manufacturing a separator of a molten carbonate fuel cell using a stainless steel sheet material having a thickness in the range of 0.4 to 0.8 mm. The present invention relates to a separator for a fuel cell in which a thermocouple is provided on a bipolar plate of a separator.

연료전지란 치밀한 전해질 층 양쪽에 연료극과 공기극, 두 전극판을 설치하고 여기에 각각 수소를 포함한 연료 기체와 산소를 포함한 공기를 공급하여 전해질층에 이온 전도 현상을 유도시킨 후, 이를 이용하여 전기 화학적으로 연료에 포함된 수소와 공기에 포함된 산소를 반응시켜 연료의 화학에너지로부터 전기를 생산하는 발전장치를 의미한다. A fuel cell is provided with two electrode plates, a fuel electrode and an air electrode, on both sides of a dense electrolyte layer and supplies fuel gas containing hydrogen and air containing oxygen, respectively, to induce ion conduction to the electrolyte layer. This refers to a power generation device that generates electricity from chemical energy of fuel by reacting hydrogen contained in fuel with oxygen contained in air.

연료전지는 에너지 전환 단계가 간단하고 수소를 산화시켜 에너지를 얻는 방식이기 때문에 효율이 우수하면서도 유해한 부산물이 나타나지 않는 무공해 발전장치로 각광받고 있어 다양한 종류의 연료전지에 대하여 현재 활발하게 연구가 진행되고 있다.Since fuel cells have a simple energy conversion step and oxidize hydrogen to obtain energy, they are being spotlighted as high-efficiency, pollution-free power generation devices that do not show harmful by-products. .

특히, 리튬(Li), 포타슘(K), 소듐(Na) 탄산염의 혼합물, 또는 여기에 소량의 탄산화물이나 산화물이 첨가제로 들어간 탄산염의 혼합물을 녹는점 이상의 500℃ 이상에서 용융시켜 전해질 물질로 사용하는 연료전지를 용융탄산염형 연료전 지(MCFC)라고 한다. 이러한 MCFC는 액체 상태의 물질을 전해질로 사용하기 때문에 전해질을 고정시킬 필요가 있다. 이를 위하여 다공성 구조를 가진 알루미나(Al₂O₃), 혹은 리튬 알루미네이트(LiAlO₂) 재질의 매트릭스 기공에 모세관압을 이용하여 전해질을 함침시켜 사용하는 것이 일반적이다. In particular, a mixture of lithium (Li), potassium (K), sodium (Na) carbonate, or a mixture of carbonate containing a small amount of carbonate or oxide as an additive is melted at a melting point of 500 ° C. or higher to be used as an electrolyte material. The fuel cell is called a molten carbonate fuel cell (MCFC). Since MCFC uses a liquid substance as an electrolyte, it is necessary to fix the electrolyte. To this end, it is common to use an alumina (Al ₂ O ₃ ) having a porous structure or lithium aluminate (LiAlO ₂ ) matrix pores to impregnate the electrolyte using capillary pressure.

즉, MCFC 작동 온도에서 용융된 전해질은 매트릭스 기공에 함침되어 전해질/매트릭스 복합체를 형성하고, 이들 전해질/매트릭스 복합체 양쪽에 각각 니켈 재질의 연료극판 및 공기극판이 설치되어 연료전지의 기본 단위인 단위 전지를 형성한다. 다수의 단위 전지를 연료전지용 분리판을 사이에 두고 적층하여 제조한 것이 연료전지 스택이다.In other words, the electrolyte melted at the MCFC operating temperature is impregnated into the matrix pores to form an electrolyte / matrix composite, and both of the electrolyte / matrix composites are provided with nickel anode plates and cathode plates, respectively, and are unit cells that are the basic units of a fuel cell. To form. A fuel cell stack is manufactured by stacking a plurality of unit cells with a separator for a fuel cell interposed therebetween.

이러한 연료전지 스택을 전처리하거나 운전하는 경우, 스택의 내부 온도를 측정하고 이를 참고하여 연료전지 스택의 운전 조건을 조절하는 것은 연료전지 이용에 있어서 매우 중요하다. 특히, 연료전지 스택 내부의 온도를 측정하기 위해서는 스택 구성 요소들의 내부 및 사이에 온도 측정을 위한 열전쌍을 설치하여 온도를 측정할 수 있어야 된다. When pre-processing or operating such a fuel cell stack, it is very important to measure the internal temperature of the stack and to adjust the operating conditions of the fuel cell stack with reference thereto. In particular, in order to measure the temperature inside the fuel cell stack, it is necessary to install a thermocouple for temperature measurement within and between the stack components to measure the temperature.

연료전지 스택을 구성하는 각 구성요소, 예를 들어 전극, 전해질 및 매트릭스의 온도 측정을 위한 열전쌍의 설치는, 이들 구성 요소의 제조 단계에서부터 열 전쌍을 설치해야 할 것이 필요하다. 그러나 상기 구성 요소들의 설치는 슬러리 제조, 탈포, 성형, 건조, 소결 단계 등의 복잡한 공정들을 거치므로 열전쌍을 설치하기에는 기술적인 어려움이 있는 것이 현실이다. The installation of thermocouples for measuring the temperature of each component constituting the fuel cell stack, for example, the electrode, the electrolyte and the matrix, requires the installation of the thermocouple from the stage of manufacture of these components. However, since the installation of the components go through complicated processes such as slurry production, defoaming, molding, drying, and sintering, there is a technical difficulty in installing a thermocouple.

특히, 용융탄산염 연료전지의 분리판은 성형, 코팅, 열처리 및 용접 등의 제조 단계를 거쳐 제조되며 두께가 0.4 ~ 0.8mm 범위에 속하는 스테인리스강 박판 소재가 이용되므로 열전쌍을 설치할 공간이 없고 열전쌍을 설치하는데 어려움이 있다. In particular, the separator plate of the molten carbonate fuel cell is manufactured through manufacturing steps such as molding, coating, heat treatment and welding, and a stainless steel sheet material having a thickness of 0.4 to 0.8 mm is used, so there is no space for installing a thermocouple and a thermocouple is installed. There is a difficulty.

특히, 기존의 공지된 연료전지의 분리판 구조에 관하여, 복수개의 박판을 통합하는 방법으로 분리판의 숫자를 감소시키려는 노력이 있었으나, 이와 같이 분리판을 통합할 경우에는 내부에 열전쌍을 설치하는 것은 더욱 어려워지며, 따라서 연료전지의 내부 온도를 측정하기가 매우 불편하다는 단점이 있다.In particular, with respect to the known separator structure of a fuel cell, efforts have been made to reduce the number of separators by integrating a plurality of thin plates. It becomes more difficult, and therefore has a disadvantage that it is very inconvenient to measure the internal temperature of the fuel cell.

또한 연료전지 스택의 전극-분리판 및 전극-매트릭스와 같이 구성 요소들 사이 공간에 열전쌍을 설치하려면 반응 가스가 연료전지 스택의 외부로 누출되지 않도록 해야 하는데, 이러한 누출을 막는 것 역시 기술적인 어려움이 있어 연료전지 내부의 온도를 측정하기 위하여 열전쌍을 설치하는 방법에는 제조 방법 상의 문제점이 있었다. In addition, installing thermocouples in the spaces between the components, such as the electrode-separator and the electrode-matrix of the fuel cell stack, requires that reactive gases do not leak out of the fuel cell stack. There is a problem in the manufacturing method of the method of installing the thermocouple to measure the temperature inside the fuel cell.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 두께가 0.4 ~ 0.8mm 범위에 속하는 스테인리스강 박판 소재를 이용하여 용융탄산염 연료전지의 분리판을 제조할 때 연료전지 분리판의 바이폴라판에 열전쌍이 설치되도록 분리판을 제작함으로써 반응 가스의 외부 누출 및 별도의 온도 측정을 위한 구성 요소의 추가 없이 연료전지 스택의 내부 온도를 측정할 수 있는 연료전지용 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve this problem, the thermocouple is produced in the bipolar plate of the fuel cell separator plate when manufacturing the separator plate of molten carbonate fuel cell using a thin stainless steel sheet material in the range of 0.4 ~ 0.8mm. It is an object of the present invention to provide a separator for a fuel cell that can measure the internal temperature of a fuel cell stack by manufacturing a separator to be installed, without external leakage of a reaction gas and adding a component for measuring a separate temperature.

본 발명은,The present invention,

열전쌍(Thermocouple) 설치 공간을 포함하는 바이폴라판; Bipolar plates including thermocouple installation spaces;

상기 바이폴라판의 상하부에 위치하여 전극과의 전기적인 연결을 하는 한쌍의 집전체판; A pair of current collector plates positioned at upper and lower portions of the bipolar plate to electrically connect with electrodes;

상기 한쌍의 집전체판의 상하부에 위치하여 전극과 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스킹판; 및 A pair of masking plates positioned above and below the pair of current collector plates to form a seal between the electrodes; And

한쌍의 전극; 을 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다.A pair of electrodes; It relates to a separator for a fuel cell comprising a.

나아가 본 발명은,Further,

열전쌍(Thermocouple) 설치 공간을 포함하는 바이폴라판;Bipolar plates including thermocouple installation spaces;

상기 바이폴라판의 상하부에 위치하며, 전극과의 전기적인 연결을 하는 한쌍 의 집전체판 및 상기 집전체부에 접합된 마스킹판을 포함하는 한쌍의 집전체부; 및A pair of current collectors positioned on upper and lower portions of the bipolar plate and including a pair of current collector plates electrically connected to electrodes and a masking plate bonded to the current collectors; And

한쌍의 전극; 을 포함하는 연료전지용 분리판에 관한 것이다. A pair of electrodes; It relates to a separator for a fuel cell comprising a.

본 발명의 연료전지용 분리판은, 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 방지하는 바이폴라판, 전극과 전극 사이에서 밀봉을 형성하는 한 쌍의 마스킹판 및 전극과의 전기적인 연결을 하는 한쌍의 집전체부로 이루어지거나 집전체부와 마스킹판이 통합된 한쌍의 마스킹판을 포함한다. The separator for fuel cells of the present invention comprises a bipolar plate for preventing mixing of fuel gas and air, a pair of masking plates for forming a seal between the electrode and the electrode, and a pair of current collectors for electrical connection with the electrodes. It includes a pair of masking plate built or integrated with the current collector and the masking plate.

특히 본 발명은 상기 바이폴라판의 내부에 열전쌍을 설치하여 분리판에서의 온도 측정이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다. 이를 위하여 상기 바이폴라판은 열전쌍을 설치할 수 있는 공간을 확보하여 분리판 내부에서 온도 측정이 가능하도록 함과 동시에, 내부의 가스가 원활하게 흐를 수 있도록 상부 및 하부로 돌출된 슬롯형 가스 유로를 교호(交互)적으로 배치하여야 할 것이 요구된다.In particular, the present invention is characterized in that the thermocouple is installed inside the bipolar plate to measure the temperature at the separator. To this end, the bipolar plate secures a space in which the thermocouple can be installed to allow temperature measurement within the separator plate, and alternately slots gas passages protruding upward and downward to smoothly flow the gas therein. Iii) it is required to be arranged.

나아가, 열전쌍이 설치된 상기 온도 측정용 바이폴라판은 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 방지하고 연료전지 스택에서의 반응가스가 외부로 누출되는 것을 방지할 것이 요구된다. 이를 위하여 기존의 연료전지에서 바이폴라판을 1개만 사용했던 것과는 대조적으로, 열전쌍이 설치되는 바이폴라판(제1 바이폴라판)의 상하부에 추가적으로 별도의 바이폴라판(제2 바이폴라판)을 상호 용접하여 형성된 바이폴라판을 제공한다.Furthermore, the temperature measuring bipolar plate in which the thermocouple is installed is required to prevent mixing of fuel gas and air and to prevent leakage of reaction gas from the fuel cell stack to the outside. For this purpose, in contrast to the conventional use of only one bipolar plate in a fuel cell, a bipolar plate formed by mutually welding an additional bipolar plate (second bipolar plate) on the upper and lower portions of the bipolar plate (first bipolar plate) in which the thermocouple is installed. Provide the edition.

이하 본 발명 및 그 구체적인 실시예를 첨부된 도면과 비교하여 보다 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 권리범위는 후술할 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.Hereinafter, the present invention and its specific embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the scope of the present invention is not limited to the embodiments to be described below and the accompanying drawings, and various permutations, modifications, and changes are possible without departing from the technical spirit of the present invention. It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

본 발명에 의한 연료전지용 분리판의 구조는 본 발명의 연료전지용 분리판을 나타내는 도1의 분해사시도에서 상세히 나타난다.The structure of the fuel cell separator according to the present invention is shown in detail in an exploded perspective view of FIG. 1 showing the fuel cell separator of the present invention.

도1에 따르면, 본 발명의 연료전지용 분리판은 열전쌍을 포함하면서 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 막아주는 역할을 하는 바이폴라판(400), 한쌍의 전극(100,700), 상기 한쌍의 전극들 사이에서 밀봉을 형성시키는 한 쌍의 마스킹판(200,600), 상기 한쌍의 전극들과의 전기적인 연결을 형성하는 한 쌍의 집전체판(300,350,500,550)들로 이루어진 집전체부로 구성된다. According to FIG. 1, a separator for a fuel cell of the present invention includes a thermocouple and a bipolar plate 400, a pair of electrodes 100 and 700, which serve to prevent mixing of fuel gas and air, and a seal between the pair of electrodes. A pair of masking plates (200, 600) for forming a, and a current collector portion consisting of a pair of collector plates (300, 350, 500, 550) to form an electrical connection with the pair of electrodes.

나아가 본 발명의 연료전지용 분리판은 연료전지용 분리판은 열전쌍을 포함하면서 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 막아주는 바이폴라판(400), 한쌍의 전극(100,700), 상기 집전체부와 상기 마스킹판이 통합된 한쌍의 마스킹판(250,450)으로 구성된 연료전지용 분리판으로 구성될 수도 있다. Furthermore, the separator for fuel cell of the present invention includes a bipolar plate 400, a pair of electrodes 100 and 700, a current collector portion and the masking plate integrated with the fuel cell separator including a thermocouple to prevent mixing of fuel gas and air. It may also be configured as a separator for fuel cells composed of a pair of masking plates 250 and 450.

이러한 연료전지용 분리판의 구성은 당해 업계에 종사하는 사람이라면 마스킹판과 집전체판이 분리된 형태 또는 통합된 형태를 필요에 따라 각각 취사선택하여 제조 및 사용할 수 있을 것이다.Such a fuel cell separator may be manufactured and used by a person in the art who separately selects or integrates a masking plate and a current collector plate as needed.

도2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 주요 구성 요소인 바이폴라판를 나타내는 평면도이다.2 is a plan view illustrating a bipolar plate as a main component of a separator for a fuel cell according to the present invention.

기존에 사용되었던 바이폴라판은 1개의 박판으로 이루어졌지만, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서의 바이폴라판(400)은 3매의 동일한 형상을 가진 바이폴라판(410,420,430)이 용접으로 접합되어 있다. 3매의 상기 바이폴라판 중 중간에 위치하는 제1 바이폴라판(420)은 열전쌍이 설치되는 온도 측정용도를 가지며, 나머지 두 개의 제2 바이폴라판(410, 430)은 각 단위 전지에 연료 기체와 공기가 고르게 공급되도록 유로를 제공해주는 동시에 연료 기체와 공기가 섞이는 것을 방지해주는 역할을 하는 바이폴라판이다. Conventionally used bipolar plate is made of one thin plate, as shown in Figure 2, bipolar plate 400 in the present invention is a bipolar plate (410, 420, 430) having the same shape of the three sheets are joined by welding. The first bipolar plate 420 positioned in the middle of the three bipolar plates has a temperature measuring purpose in which a thermocouple is installed, and the remaining two second bipolar plates 410 and 430 have fuel gas and air in each unit cell. It is a bipolar plate that provides a flow path for even supply of gas and prevents the mixing of fuel gas and air.

열전쌍은 상기 온도 측정용 제1 바이폴라판(420)에 설치된다. 상기 온도 측정용 제1 바이폴라판에는 열전쌍을 설치할 공간(H)이 마련된다. 상기 열전쌍의 크기는 0.4 ~ 0.8mm 범위에 속하는 스테인리스강 박판 소재의 두께를 초과하지 않는 열전쌍을 이용하는 것이 바람직하며, 온도 측정용 제1 바이폴라판은 열전쌍을 설치 할 위치에 박판을 절단하는 여러 방법, 예를 들어 레이저 절단 방법 또는 화학적으로 에칭하는 방법에 의해 열전쌍이 위치할 수 있는 공간을 형성한다. The thermocouple is installed on the temperature measuring first bipolar plate 420. The first bipolar plate for temperature measurement is provided with a space H for installing a thermocouple. The size of the thermocouple is preferably to use a thermocouple not exceeding the thickness of the stainless steel sheet material in the range of 0.4 ~ 0.8mm, the first bipolar plate for temperature measurement various methods for cutting the thin plate in the position to install the thermocouple, For example, a space in which the thermocouple can be located is formed by a laser cutting method or a chemical etching method.

상기 제1 바이폴라판에 설치된 여러 열전쌍들은 설치 공간(H)을 따라 설치된 후 스택의 외부에 연결하기 위해 마련된 공간(I)을 통해 외부의 데이터 수집 장치와 연결된다. 외부의 데이터 수집 장치는 상기 열전쌍을 통해 수집된 데이터를 바탕으로 연료전지 내부의 온도를 측정할 수 있게 된다.Several thermocouples installed in the first bipolar plate are installed along the installation space H and then connected to an external data collection device through a space I provided for connection to the outside of the stack. The external data collection device can measure the temperature inside the fuel cell based on the data collected through the thermocouple.

Claims

Bipolar plates including thermocouple installation spaces;

A pair of current collector plates positioned at upper and lower portions of the bipolar plate to electrically connect with electrodes;

A pair of masking plates positioned above and below the pair of current collector plates to form a seal between the electrodes; And

A pair of electrodes; Separation plate for a fuel cell comprising a.

The bipolar plate of claim 1, wherein the bipolar plate is bonded to upper and lower portions of the first bipolar plate including a thermocouple installation space and the second bipolar plate to prevent mixing of fuel gas and air in a fuel cell. Separation plate for a fuel cell comprising a.

Bipolar plates including thermocouple installation spaces;

A pair of current collectors positioned on upper and lower portions of the bipolar plate and including a pair of current collector plates electrically connected to electrodes and a masking plate bonded to the current collectors; And

A pair of electrodes; Separation plate for a fuel cell comprising a.

The bipolar plate of claim 3, wherein the bipolar plate is bonded to upper and lower portions of the first bipolar plate including a thermocouple installation space and the second bipolar plate to prevent mixing of fuel gas and air in a fuel cell. Separation plate for a fuel cell comprising a.

The separator of claim 2 or 4, wherein the thermocouple installation space of the first bipolar plate is generated by a laser cutting method or a chemical etching method.

The separator for fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the separator for fuel cell includes a thermocouple in the bipolar plate.

The fuel cell of claim 6, further comprising a separator for the fuel cell.