KR101270853B1 - 연료전지용 분리판 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판; 상기 분리판의 한쪽면 위에 배치된 집전체; 및 상기 분리판의 웨트시일 영역의 대향하는 양측 단부에 상기 분리판과는 별도로 배치되고, 금속판을 2회 절곡하여 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 상기 집전체를 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 포켓 부재를 포함하는 연료전지용 분리판 조립체에 관한 것이다.

Description

연료전지용 분리판 조립체{A separator assembly for fuel cell}
본 발명은 연료전지용 분리판 조립체에 관한 것이다.
연료전지는 단위 전지와 분리판으로 이루어진 전기 생성 유닛이 복수개 적층된 구조로 이루어진다. 단위 전지는 전해질, 전해질의 일면에 위치하는 양극(공기극) 및 전해질 막의 다른 일면에 위치하는 음극(연료극)으로 구성된다. 양극에 산소를 공급하고 음극에 수소를 공급하면, 양극에서 산소의 환원 반응으로 생성된 산소 이온이 전해질을 지나 음극으로 이동한 후 음극에 공급된 수소와 반응하여 물이 생성된다. 이때 음극에서 생성된 전자가 양극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르며, 단위전지는 이러한 전자 흐름을 이용하여 전기에너지를 생산한다.
연료전지는 200 ℃ 이하에서 운전되는 PEM, PAFC와, 반대로 600 ℃ 이상의 고온에서 작동되는 MCFC, SOFC 등이 있다. 고온에서 작동하는 연료전지는 공급되는 탄화수소가 스택내의 연료극에서 직접 개질되어 수소가 생산, 생산된 수소를 이용하여 전기를 발생시키기도 하지만, 스택 내부에 내부개질기를 개재하여 스택의 발열반응으로 내부개질기를 작동, 수소를 생산하여 연료극에 공급하기도 한다. 연료전지의 작동온도가 600 ℃ 이상의 고온의 경우, 직접 반응에 영향을 미치는 전극, 촉매 등도 중요하지만 이들을 포함하여 공급가스 및 반응가스를 분리시키는 유로의 형상 및 내부개질기를 구성하는 소재 등도 중요한 부분이다.
하지만 연료극, 공기극, 분리판, 유로설계, 내부개질기 등으로 구성된 고온형 연료전지 스택의 내부는 다양한 구성요소들로 복잡하게 설계되어 있고 무엇보다도 고온에서 장시간 운전이 되어야 하므로 보통 이들을 용접하여 연료전지를 제조한다. US 6,372,374 B2에는 플레이트 부재와 제1, 제2, 제3 및 제4 포켓 부재가 플레이트 부재로부터 개별적으로 형성되고, 포켓 부재들은 플레이트 부재에 용접에 의해 결합되는 바이폴라 분리판이 개시되어 있다. 그러나, 용접을 통하여 연료전지의 분리판 및 기타 구성요소들을 제조할 경우, 용접부분에서 약한 부분이 발생하고 부식 등에 의해 연료전지의 성능 및 내구성에 문제를 주기도 한다. 용접을 통하여 제조된 연료전지는 최소 공차를 도출하기가 어렵고 스택시 용접부분 및 평탄도 뒤틀림 등을 최소화하여도 유연성 부족으로 인해 파손되는 등의 문제가 발생할 수 있다. 또한 용접부분의 부식을 방지하기 위해 도금 공정을 수행해야 하는 등의 제조공정이 길어지고 이에 따른 제조 단가가 높아지게 되는 문제가 있다.
한편, 대한민국 등록특허 제10-0731330호는 분리판의 주변부들을 절곡성형으로 측벽부들을 형성시키도록 성형하여 일체형으로 구성함으로써 공급가스의 기밀 향상 및 용접부 등에서 문제가 될 수 있는 내식성 향상 등을 가능하게 하는 용융탄산염 연료전지의 분리판 및 그의 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 특허는 분리판의 절곡 공정으로 인해 평탄도 및 높이 공차를 일정하게 유지할 수 없어 셀 적층시 연료전지가 파손되는 문제가 있다.
이에, 본 발명은 연료전지에서 발생할 수 있는 용접부분의 부식으로 인한 연료전지의 성능 및 내구성 저하의 문제점을 해결하고, 종래 공정보다 단순한 공정으로 연료전지를 제조할 수 있으며, 평탄도 및 높이를 일정하게 유지할 수 있는 연료전지용 분리판 조립체를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판; 상기 분리판의 한쪽면 위에 배치된 집전체; 및 상기 분리판의 웨트시일 영역의 대향하는 양측 단부에 상기 분리판과는 별도로 배치되고, 금속판을 2회 절곡하여 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 상기 집전체를 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 포켓 부재를 포함하는 연료전지용 분리판 조립체를 제공한다.
본 발명에 따르면, 포켓 부재의 두께를 제한하여 집전체 스택(stack)을 손쉽게 진행할 수 있고, 용접 공정을 최소화하여 연료전지용 분리판 조립체의 제조공정을 단순화시키고 평탄도 및 높이를 일정하게 유지할 수 있으며 제조비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명은 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판;
상기 분리판의 한쪽면 위에 배치된 집전체; 및
상기 분리판의 웨트시일 영역의 대향하는 양측 단부에 상기 분리판과는 별도로 배치되고, 금속판을 2회 절곡하여 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 상기 집전체를 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 포켓 부재를 포함하는 연료전지용 분리판 조립체를 제공한다.
연료전지는 전해질을 사이에 두고 연료극과 공기극이 배치되는 단위전지들과, 단위전지들 사이에 개재되는 분리판으로 구성되며, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체는 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판의 한쪽면 위에 상기 웨트시일 영역의 대향하는 양측(제1측, 제2측) 단부에 금속판을 2회 절곡한 포켓 부재를 별도로 배치하고, ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 집전체를 둘러싸도록 형성된다. 또한, 상기 분리판의 다른 쪽면에는 대향하는 나머지 양측(제3측, 제4측) 단부에 또 다른 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상의 포켓 부재가 구비되어 집전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이때, 분리판의 양쪽면에 배치된 집전체는 각각 연료극 집전체 및 공기극 집전체일 수 있다(도 2 참조).
상기 포켓 부재는 두께가 0.1∼0.3 ㎜의 스테인리스 스틸을 사용할 수 있고, 프레스 공정 또는 금형 공정을 통해 ㄷ자 형상 또는 역 ㄷ자 형상으로 제조할 수 있다. 상기 두께가 0.1 ㎜ 미만인 경우에는 얇은 두께로 인해 기계적 강도가 약한 문제가 있고, 0.3 ㎜를 초과하는 경우에는 집전체의 스택이 어려운 문제가 있다. 상기 포켓 부재는 프레스 공정 또는 금형 공정을 통해 제조됨으로써 평탄도 및 높이 공차를 일정하게 유지할 수 있어 셀 적층시 연료전지가 파손되는 등의 문제가 발생하지 않는다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체에 있어서 상기 분리판과 상기 포켓 부재의 사이에는 고온형 접착제가 삽입되어 있어 용접 공정을 수행하지 않고 분리판과 접착시킬 수 있다. 상기와 같이 고온형 접착제를 사용함으로써 용접 공정을 최소화하여 연료전지용 분리판 조립체의 제조공정을 단순화하고 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다. 상기 고온형 접착제는 고온 및 고압을 이용하여 밀봉을 유지할 수 있고, 전기 전도성, 고온 부식 방지를 위해 스테인리스 스틸, 니켈 또는 알루미늄 계열의 금속을 포함하거나, 상기 금속들을 기반 물질로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체는 상기 집전체의 전극측과 상기 포켓 부재와의 사이에 전극 보강재를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 보강재는 고온 및 고압에서의 변형을 방지할 수 있고, 고온 내식성이 강한 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체는
상기 연료전지용 분리판 조립체에서 집전체는 연료극 집전체이고,
상기 연료전지용 분리판 조립체는 분리판과 집전체의 사이에 연료를 개질하기 위한 내부개질 챔버를 더 포함하며,
상기 포켓 부재가 상기 집전체와 내부개질 챔버를 둘러싸도록 형성된다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체는 내부개질 챔버 내에 촉매를 코팅하여 개질 반응시켜 연료극에 수소와 이산화탄소를 제공하거나, 메탄올을 별도의 촉매 없이 내부개질 챔버에 직접 주입시켜 연료전지 내부의 고온을 이용한 개질 반응을 통해 수소와 이산화탄소를 제공할 수 있다.
또한, 내부개질 챔버에서의 흡입구(inlet)와 배출구(outlet)의 형태는 연료극에 공급되는 연료 가스(수소 및 이산화탄소)의 흐름 방향이 공기극에 공급되는 공기 및 이산화탄소의 흐름 방향과 교차하는 교차흐름(cross flow) 형태뿐 아니라, 공기극에 공급되는 공기 및 이산화탄소의 흐름 방향이 동일한 평행흐름(parallel flow) 행태일 수 있으므로, 특정형태로 제한되는 것은 아니다.
상기 내부개질 챔버는 두께가 0.05∼0.2 ㎜인 스테인리스 스틸로 형성될 수 있고, 상기 내부개질 챔버와 상기 분리판의 사이에 고온형 접착제가 삽입되어 있다. 상기 두께가 0.05 ㎜ 미만인 경우에는 얇은 두께로 인해 기계적 강도가 저하되는 문제가 있고, 0.2 ㎜를 초과하는 경우에는 내부개질 챔버의 유연성이 감소하여 셀 적층시 연료전지가 파손되는 문제가 있다.
상기 고온형 접착제는 고온 및 고압을 이용하여 밀봉을 유지할 수 있고, 전기 전도성, 고온 부식 방지를 위해 스테인리스 스틸, 니켈 또는 알루미늄 계열의 금속을 포함하거나, 상기 금속들을 기반 물질로 사용할 수 있다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 실시예들에 의해 한정하려는 것은 아니다. 또한, 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 연료전지용 분리판 조립체(100)는 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판(110); 상기 분리판 위에 배치된 집전체(120); 및 상기 분리판(110)의 웨트시일 영역의 대향하는 양측 단부에 상기 분리판과는 별도로 배치되고, 금속판을 2회 절곡하여 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 상기 집전체(120)를 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 포켓 부재(130)를 포함한다. 상기 포켓 부재(130)는 두께가 0.1∼0.3 ㎜의 스테인리스 스틸을 사용할 수 있고, 접거나 금형을 통해 ㄷ자 형상 또는 역 ㄷ자 형상으로 제조할 수 있다. 도 1에서의 a는 분리판(110)과 상기 포켓 부재(130)의 사이에 삽입되어 용접 공정을 수행하지 않고 분리판(110)과 접착시킬 수 있는 고온형 접착제가 삽입되는 부분을 나타낸 것이다. 또한, 상기 집전체(120)의 전극측과 상기 포켓 부재(130)와의 사이에 전극 보강재(140)를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 보강재(140)는 고온 및 고압에서의 변형을 방지할 수 있고, 고온 내식성이 강한 스테인리스 스틸 금속으로 제조될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 사시도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 연료전지용 분리판 조립체(200)는 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판(210)의 한쪽면 위에 상기 웨트시일 영역의 대향하는 양측(제1측, 제3측) 단부에 금속판을 2회 절곡한 별도의 연료극 포켓 부재(220)를 배치하고, ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 연료극 집전체를 둘러싸도록 형성된다. 도 2에 집전체는 도시하지 않았다. 또한, 상기 분리판(210)의 다른 쪽면에는 대향하는 나머지 양측(제2측, 제4측) 단부에 또 다른 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상의 공기극 포켓 부재(230)가 구비되어 공기극 집전체를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 또한, 연료극 집전체의 전극측과 연료극 포켓 부재(220) 및 공기극 집전체와 공기극 포켓 부재(230)의 사이에 전극 보강재(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 보강재는 고온 및 고압에서의 변형을 방지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 나타낸 단면도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 연료전지용 분리판 조립체(300)는 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판(310)의 한쪽면 위에 상기 웨트시일 영역의 대향하는 양측(제1측, 제3측) 단부에 금속판을 2회 절곡한 별도의 연료극 포켓 부재(330)를 배치하고, ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 연료극 집전체(320)를 둘러싸도록 형성된다. 또한, 연료극 집전체(320)의 전극측과 연료극 포켓 부재(330)의 사이에 전극 보강재(340)를 더 포함할 수 있다. 상기 전극 보강재(340)는 고온 및 고압에서의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체(300)는 분리판(310)과 연료극 집전체(320)의 사이에 연료를 개질하기 위한 내부개질 챔버(350)를 더 포함하며, 상기 내부개질 챔버(350)는 두께가 0.05∼0.2 ㎜의 스테인리스 스틸을 사용할 수 있다. 상기 연료극 포켓 부재(330)는 상기 연료극 집전체(320)와 내부개질 챔버(350)를 둘러싸도록 형성된다.
100, 200, 300: 연료전지용 분리판 조립체
110, 210, 310: 분리판
120: 집전체 130: 포켓 부재
140, 340: 전극 보강재
220: 연료극 포켓부재 230: 공기극 포켓 부재
320: 연료극 집전체 330: 연료극 포켓 부재
350: 내부개질 챔버

Claims (10)

  1. 중앙부의 활성영역과 주변부의 웨트시일 영역을 포함하는 판형의 분리판;
    상기 분리판의 한쪽면 위에 배치된 집전체; 및
    상기 분리판의 웨트시일 영역의 대향하는 양측 단부에 상기 분리판과는 별도로 배치되고, 금속판을 2회 절곡하여 ㄷ자 형상 및 역 ㄷ자 형상으로 상기 집전체를 둘러싸도록 형성된 한 쌍의 포켓 부재를 포함하는 연료전지용 분리판 조립체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 포켓 부재는 두께가 0.1∼0.3 ㎜의 스테인리스 스틸인 연료전지용 분리판 조립체.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 포켓 부재는 프레스 공정 또는 금형 공정으로 형성되는 연료전지용 분리판 조립체.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판과 상기 포켓 부재의 사이에 고온형 접착제가 삽입되어 있는 연료전지용 분리판 조립체.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전체의 전극측과 상기 포켓 부재와의 사이에 전극 보강재를 더 포함하는 연료전지용 분리판 조립체.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 전극 보강재는 스테인리스 스틸을 포함하는 연료전지용 분리판 조립체.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 집전체는 연료극 집전체이고,
    상기 분리판과 집전체의 사이에 연료를 개질하기 위한 내부개질 챔버를 더 포함하며,
    상기 포켓 부재가 상기 집전체와 내부개질 챔버를 둘러싸도록 형성된 연료전지용 분리판 조립체.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 내부개질 챔버는 두께가 0.05∼0.2 ㎜의 스테인리스 스틸인 연료전지용 분리판 조립체.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 내부개질 챔버와 상기 분리판의 사이에 고온형 접착제가 삽입되어 있는 연료전지용 분리판 조립체.
  10. 청구항 4 또는 청구항 9에 있어서,
    상기 고온형 접착제는 스테인리스 스틸, 니켈 또는 알루미늄 계열의 금속을 포함하는 연료전지용 분리판 조립체.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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