KR101316529B1 - 연료전지 스택 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속분리판들의 냉각면이 서로 접촉하는 부위에 별도의 전도성 코팅을 하지 않고도, 두 금속분리판의 접촉부를 통해 원활한 전기 전도성을 확보할 수 있도록 함으로써, 금속분리판의 제조원가 절감을 통한 연료전지스택의 단가 저감이 가능하도록 한다.

Description

연료전지 스택 구조{Fuel Cell Stack Structure}

본 발명은 연료전지 스택 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 각 연료전지셀을 이루는 금속분리판의 구조에 관한 기술이다.

도 1은 종래의 연료전지 스택을 구성하는 연료전지셀들의 적층 상태를 도시한 것으로서, 중앙의 막전극집합체(MEA: Membrane Electrolyte Assembly) 양측면에 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 접합된 3층MEA(500)를 중심으로, 하측에는 연료인 수소를 공급하는 통로를 제공함과 아울러 Anode를 이루는 금속분리판(502)이 배치되고, 상측에는 산화제인 공기를 공급하는 통로를 제공함과 아울러 Cathode를 이루는 금속분리판(502)이 배치되어 단위 연료전지셀(504)을 형성하고, 이러한 연료전지셀(504)들이 다수 중첩되어 연료전지스택을 구성한다.

상기 연료전지셀(504)들의 중첩은 도시된 바와 같이 애노드를 형성하는 금속분리판(502)과 캐소드를 형성하는 금속분리판(502)이 접촉되는 상태로 이루어지는데, 이 두 금속분리판(502) 사이에는 상호간의 굴곡형상을 이용하여 형성되는 통로를 통해 냉각수가 유동할 수 있도록 하고, 두 금속분리판(502)의 접촉된 부분을 통해 발전된 전류의 이동이 이루어지게 된다.

참고로, 상기 금속분리판(502)의 양쪽면 중, 상기 냉각수 통로를 형성하고 상기 접촉부를 형성하는 면을 금속분리판(502)의 냉각면(506)이라 하기로 한다.

상기 금속분리판(502)의 소재로는 스테인레스 스틸이 많이 사용되는데, 이 스테인레스 스틸은 그 표면에 자발적인 부동태 피막이 형성되므로, 표면처리를 하지 않는 경우 그 접촉부의 접촉저항이 커서 시스템의 효율이 저하되므로, 도 1에 도시된 바와 같이 금속분리판(502)의 양면에 귀금속이나 카본 등을 이용하여 전도성 코팅을 하여, 발전된 전류의 이동시 전기적 저항으로 인한 출력 손실을 최소화하고 발열을 줄일 수 있도록 하고 있다.

그러나, 상기한 바와 같이 금속분리판(502)의 표면에 귀금속 등을 사용하여 전도성 코팅을 하는 작업은 금속분리판(502)의 제조원가를 상승시켜서 궁극적으로 연료전지스택의 단가를 크게 상승시키는 요인으로 작용한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 금속분리판들의 냉각면이 서로 접촉하는 부위에 별도의 전도성 코팅을 하지 않고도, 두 금속분리판의 접촉부를 통해 원활한 전기 전도성을 확보할 수 있도록 함으로써, 금속분리판의 제조원가 절감을 통한 연료전지스택의 단가 저감이 가능하도록 한 연료전지 스택 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 연료전지 스택 구조는

적층되어 연료전지스택을 형성하는 금속분리판들의 상호 마주하는 냉각면에는 전기 전도성 확보를 위해 부동태 피막이 제거된 피막제거부가 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택 제작방법은

연료전지셀을 구성하는 금속분리판들의 각 냉각면에 부동태 피막을 제거하여 전기 전도성을 높인 피막제거부를 형성하는 전도성확보단계와;

상기 전도성확보단계에서 형성된 금속분리판들의 각 냉각면이 서로 마주하는 상태로 연료전지스택을 형성하도록 적층하는 적층단계와;

상기 적층된 금속분리판들 사이의 서로 마주하는 피막제거부들이 서로 가압되도록 상기 금속분리판들을 가압하여 조립하는 가압조립단계;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 금속분리판들의 냉각면이 서로 접촉하는 부위에 별도의 전도성 코팅을 하지 않고도, 두 금속분리판의 접촉부를 통해 원활한 전기 전도성을 확보할 수 있도록 함으로써, 금속분리판의 제조원가 절감을 통한 연료전지스택의 단가 저감이 가능하도록 한다.

도 1은 종래 기술에 의한 연료전지 스택 구조를 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 연료전지 스택 구조를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 연료전지 스택 제작방법을 설명한 순서도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명 실시예의 연료전지스택 구조는 적층되어 연료전지스택을 형성하는 각 금속분리판(1)들의 상호 마주하는 냉각면(3)에는 부동태 피막이 제거되어 전기 전도성이 확보되는 피막제거부(5)를 구비한 구성이다.

즉, 인접한 다른 금속분리판(1)과 함께 냉각수 통로를 형성하는 금속분리판(1)의 냉각면(3)들에 종래의 전도성코팅을 하지 않고, 대신 샌딩 공정이나 화학적 에칭 공정 등을 통해서 이미 자연적으로 형성되어 있던 상기 냉각면(3)의 비전도성 부동태 피막이 제거되면서 그 자리에 도시된 바와 같은 미세한 요철이 형성되면서 전기 전도성이 확보되는 피막제거부(5)를 구비하도록 하는 것이다.

인접한 두 금속분리판(1)들의 피막제거부(5)들은 서로 접촉하는 접촉면(7)을 형성하고, 상기 접촉면(7)을 형성하는 두 피막제거부(5)의 요철들은 서로 맞대어진 상태에서 가압되어 상호간 일체화되는 접촉부(9)가 형성되게 되는데, 이와 같이 형성되는 접촉부(9)는 두 금속분리판(1) 사이의 전기적 저항을 크게 감소시켜서, 종래의 전도성 코팅 없이도 두 금속분리판(1) 사이의 원활한 전류 이동이 가능하게 하는 것이다.

즉, 상기 금속분리판(1)들의 피막제거부(5)들이 서로 마주 접촉하여 형성하는 접촉면(7)에는, 상호간의 요철이 서로 맞대어져서, 미세하게 보면, 공기와의 접촉이 차단되도록 서로 접촉하여 자발적인 부동태 피막의 형성이 억제됨으로써 지속적인 전기 전도성을 유지하는 부분인 접촉부(9)와, 상호 접촉되지 않아 공기와의 접촉에 의해 시간의 경과에 따라 자발적인 부동태 피막이 형성되는 부분인 비접촉부(11)가 형성되는 것이다.

상기 피막제거부(5)는 인접하는 금속분리판(1)의 냉각면(3)과 상호 접촉하는 접촉면(7)에만 형성되도록 할 수 있다. 즉 냉각수 통로를 형성하는 부분은 제외하고, 인접한 다른 금속분리판(1)과 접촉하게 될 부분에만 부분적으로 요철이 형성되도록 하는 것이다.

물론, 상기 피막제거부(5)는 금속분리판(1)의 냉각면(3) 전체에 할 수도 있는데, 이 경우 상기 인접한 다른 금속분리판(1)과 접촉하는 접촉면(7)에는, 본래의 목적대로 인접한 금속분리판(1)과의 사이에 가해지는 강한 압력에 의해, 부동태 피막이 형성되지 않는 접촉부(9)가 형성되지만, 나머지 냉각수통로 등을 형성하는 부분 등과 같이 노출된 부분은 자발적으로 산화되어 다시 부동태 피막이 형성된다.

따라서, 상기 금속분리판(1)은 표면에 산화에 의한 자발적인 부동태화 층이 형성되는 소재로 이루어지는 것이 바람직한 바, 스테인레스 스틸과 같은 재질이 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

또한, 샌딩이나 에칭 등의 가공에 의해 형성되는 상기 금속분리판(1) 요철의 표면조도는 Ra 1~15㎛ 정도로 형성되면, 인접한 다른 금속분리판(1)과의 결합 압력에 의해 원활한 전기 전도성을 가진 접촉부(9)를 안정적으로 형성할 수 있다.

상기 금속분리판(1)의 요철은 샌딩공정이나 에칭에 의해 형성되는 것이 가능하고 바람직한 방법이지만, 이외에도 금속분리판(1) 자체의 비전도성 부동태 피막을 제거하면서 동시에 가압 접촉에 의해 원활한 전기 전도성을 갖출 수 있도록 하는 표면처리 방식이라면, 다른 어떤 방법도 가능할 것이다.

참고로, 상기 금속분리판(1)들의 냉각면(3) 이면의 반응면에는 종래 기술과 같이 전도성 물질로 표면이 처리된다.

따라서, 상기한 바와 같이 비전도성 부동태 피막을 제거하고 대신 요철을 형성한 금속분리판(1)을 사용하여 연료전지스택을 구성하는 방법은, 연료전지셀을 구성하는 금속분리판(1)들의 각 냉각면(3)에 부동태 피막을 제거하여 전기 전도성을 높인 피막제거부(5)를 형성하는 전도성확보단계(S10)와; 상기 전도성확보단계(S10)에서 형성된 금속분리판(1)들의 각 냉각면(3)이 서로 마주하는 상태로 연료전지스택을 형성하도록 적층하는 적층단계(S20)와; 상기 적층된 금속분리판(1)들 사이의 서로 마주하는 피막제거부(5)들이 서로 가압되도록 상기 금속분리판(1)들을 가압하여 조립하는 가압조립단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 구조와 방법으로 연료전지스택을 제작하면, 종래와 같이 금속분리판(1)의 양쪽면에 모두 귀금속 등을 사용한 전도성 코팅을 하는 경우에 비하여, 금속분리판(1) 자체를 제작하는 비용이 절감됨에 의해 궁극적으로 연료전지스택의 제조단가를 저감시킬 수 있게 된다.

1; 금속분리판
3; 냉각면
5; 피막제거부
7; 접촉면
9; 접촉부
11; 비접촉부
S10; 전도성확보단계
S20; 적층단계
S30; 가압조립단계

Claims (9)

1. 적층되어 연료전지스택을 형성하는 금속분리판(1)들의 상호 마주하는 냉각면(3)에는 전기 전도성 확보를 위해 부동태 피막이 제거된 피막제거부(5)가 구비되며, 상기 피막제거부(5)는 상기 금속분리판(1)들의 마주하는 냉각면(3)의 상호간 접촉면(7)에만 국부적으로 형성되고; 나머지 부분은 부동태 피막이 유지되는 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 피막제거부(5)는 부동태 피막이 제거됨에 따라 형성되는 다수의 미세한 요철로 이루어지고;
   인접한 두 금속분리판(1)들의 서로 접촉된 두 피막제거부(5)가 형성하는 접촉면(7)에는, 상호간의 요철이 서로 맞대어져서, 공기와의 접촉이 차단되도록 서로 접촉하여 자발적인 부동태 피막의 형성이 억제됨으로써 지속적인 전기 전도성을 유지하는 부분인 접촉부(9)와, 상호 접촉되지 않아 공기와의 접촉에 의해 시간의 경과에 따라 자발적인 부동태 피막이 형성되는 부분인 비접촉부(11)가 형성되는 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속분리판(1)들의 냉각면(3) 이면의 반응면에는 전도성 물질로 표면이 처리된 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 피막제거부(5)는 샌딩이나 화학적 에칭에 의해 금속분리판(1)의 자발적인 부동태 피막이 제거되어 형성된 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 피막제거부(5)는 샌딩이나 화학적 에칭에 의해 금속분리판(1)의 자발적인 부동태 피막이 제거됨에 따라 형성되는 다수의 미세한 요철로 이루어지며;
   상기 요철은 인접하는 금속분리판(1)들의 냉각면(3) 사이의 상호 접촉면(7)에만 형성된 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 요철의 표면조도는 Ra 1~15㎛인 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 금속분리판(1)의 냉각면(3)에 형성된 피막제거부(5)는 인접하는 다른 금속분리판(1)의 냉각면(3)에 형성된 피막제거부(5)와 맞대어진 상태에서 가압 접촉된 상태로 조립된 것
   을 특징으로 하는 연료전지 스택 구조.
9. 연료전지셀을 구성하는 금속분리판(1)들의 각 냉각면(3)에 부동태 피막을 제거하여 전기 전도성을 높인 피막제거부(5)를 형성하는 전도성확보단계(S10)와;
   상기 전도성확보단계(S10)에서 형성된 금속분리판(1)들의 각 냉각면(3)이 서로 마주하는 상태로 연료전지스택을 형성하도록 적층하는 적층단계(S20)와;
   상기 적층된 금속분리판(1)들 사이의 서로 마주하는 피막제거부(5)들이 서로 가압되도록 상기 금속분리판(1)들을 가압하여 조립하는 가압조립단계(S30);
   를 포함하여 구성되고,
   상기 피막제거부(5)는 상기 금속분리판(1)들의 마주하는 냉각면(3)의 상호간 접촉면(7)에만 국부적으로 형성되고; 나머지 부분은 부동태 피막이 유지되는 구조인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택 제작방법.

Images