KR101322127B1

KR101322127B1 - 분리판-집전체 어셈블리, 이를 포함한 연료전지 스택 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR101322127B1
Application number: KR1020120050489A
Authority: KR
Inventors: 전재호
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2013-10-28

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리는 연료전지 스택의 분리판-집전체 어셈블리로써, 유로를 형성하며, 표면에 요철이 형성된 립을 제공하는 분리판 및 상기 요철의 탑부 및 사이드부의 적어도 일부와 접촉하는 집전체를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법은 연료 또는 공기의 이동을 위한 유로 및 상기 유로 사이에 위치하며 일면에 요철이 형성된 립을 성형하는 분리판 제조단계, 제조된 상기 분리판의 립 일면 또는 상기 단위셀에 상기 단위셀에서 생성된 전자를 집전할 수 있는 집전물질을 도포하는 집전물질 도포단계 및 도포된 상기 집전물질을 상기 요철 사이에 채워넣도록, 상기 단위셀과 상기 분리판의 조립에 의해 상기 집전물질을 가압하여 상기 분리판과의 접촉면적을 넓힌 집전체을 형성하는 집전체 형성단계를 더 포함할 수 있다.

Description

분리판-집전체 어셈블리, 이를 포함한 연료전지 스택 및 그 제조방법{Separator-collector assembly, fuel cell stack having thereof and manufacturing method thereof}

본 발명은 분리판-집전체 어셈블리, 이를 포함한 연료전지 스택 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판-집전체 어셈블리의 결합관계를 변형하여 집전능력을 향상시킨 발명에 관한 것이다.

연료전지는 수소를 사용하여 전기를 생산하는데 있어서 가장 효율이 높은 이상적인 에너지 변환장치로 일컬어지고 있으며, 미래 수소사회의 핵심이 되는 기술이 될 것이다. 한편 에너지원과 에너지 저장매체로 화석연료를 사용하는 현 시점에서도 고효율의 친환경적인 에너지전환장치로서의 연료전지는 응용 가능 분야가 다양하고 에너지 절약 및 기타 특수 목적을 위해 현재 세계 각국에서 상용화를 위한 연구가 활발히 진행 중이다.

연료전지(Fuel Cell)는 반응물의 산화, 환원에 의한 화학에너지를 전기에너지로 바꾸어주는 에너지 변환 장치이다. 일반적으로 연료전지는 연료극(Anode)과 공기극(Cathode) 및 상기 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 또는 맴브레인으로 구성된다. 이러한 연료전지는 연료극으로 연료가스가 주입되어 산화되고, 공기극으로 공기가 공급되어 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질 매트릭스 혹은 멤브레인을 통하여 이온이 이동되어 외부 회로를 경유하는 방식으로 작동된다.

이때 연료극에서 생성된 전자가 공기극으로 전달되어 소모되는 과정에서 외부 회로로 전자가 흐르게 되며, 이를 이용하여 전기 에너지를 생산하는 것이다. 따라서 연료전지에서 일어나는 화학반응은 수소와 산소가 만나 물이 되는 반응과 동일하다.

한편 전해질, 공기극 및 연료극으로 이루어진 연료전지를 단위셀이라고 하며, 1개의 단위셀이 생산하는 전기 에너지의 양은 매우 제한적이기 때문에 연료전지를 발전에 활용하기 위해서는 단위셀을 여러 개 쌓아 놓은 형태인 스택 구조의 형성이 불가피하다.

이와 같이 스택 구조를 이루기 위해서는 상기 단위셀을 스택구조로 결합하기 위해 분리판이 사용된다. 분리판은 상기 단위셀에서 생성된 전기를 집전하여 전달하기 위해 각각의 단위셀을 전기적으로 연결시키는 역할도 한다.

한편, 연료전지에서는 상기 단위셀의 집전기능을 향상시키기 위해, 상기 단위셀과 분리판 사이에 별도의 집전체을 삽입하여 사용하기도 한다. 이와 같은 집전체은 상기 단위셀에서 발생한 전기를 집전하여 상기 분리판에 전달하기 때문에, 상기 집전체의 집전성능이 좋을수록 연료전지의 성능이 향상된다.

따라서, 상기 집전체의 집전성능을 향상시키기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 일반적으로는 메쉬(mesh) 형태의 집전체이 사용되고 있으나, 이와 같은 메쉬 형태의 집전체은 상기 단위셀과 점접촉하는 등으로 접촉면적이 작아 집전률이 낮은 문제가 있었다.

따라서, 상기 분리판과 상기 집전체의 접촉면적을 넓히는 발명에 대한 연구가 필요하게 되었다.

본 발명의 목적은 연료전지 스택에 사용되는 분리판-집전체 어셈블리의 구조를 변형하여 집전기능을 향상시킨 분리판-집전체 어셈블리, 이를 포함한 연료전지 스택 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리는 연료전지 스택의 분리판-집전체 어셈블리로써, 유로를 형성하며, 표면에 요철이 형성된 립을 제공하는 분리판 및 상기 요철의 탑부 및 사이드부의 적어도 일부와 접촉하는 집전체를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리의 상기 분리판의 상기 요철은 철부의 높이가 상기 집전체의 두께 이하이며, 이웃하는 상기 철부 사이의 간격은 20 ~ 1000 ㎛ 일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리의 상기 요철의 상기 분리판 두께 방향 단면 형상은 사각형, 삼각형, 반원형 또는 사다리꼴형일 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 공기극과 연료극 사이에 전해질막이 배치된 단위셀 및 복수의 상기 단위셀을 연계시키는 상기 분리판-집전체 어셈블리를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 상기 집전체는 상기 공기극과 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법은 연료 또는 공기의 이동을 위한 유로 및 상기 유로 사이에 위치하며 일면에 요철이 형성된 립을 성형하는 분리판 제조단계, 제조된 상기 분리판의 립 일면 또는 상기 단위셀에 상기 단위셀에서 생성된 전자를 집전할 수 있는 집전물질을 도포하는 집전물질 도포단계 및 도포된 상기 집전물질을 상기 요철 사이에 채워넣도록, 상기 단위셀과 상기 분리판의 조립에 의해 상기 집전물질을 가압하여 상기 분리판과의 접촉면적을 넓힌 집전체을 형성하는 집전체 형성단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법의 상기 집전물질은 페로브스카이트형 세라믹 입자와 상기 페로브스카이트형 세라믹 입자의 입경보다 큰 란탄코발타이트 입자를 혼합한 혼합재일 수 있다.

본 발명에 따른 분리판-집전체 어셈블리, 이를 포함한 연료전지 스택은 분리판과 집전체의 결합면적을 넓힐 수 있는 이점이 있다.

이에 의해, 단위셀에서 생성된 전자의 집전을 위한 더 넓은 전자의 이동통로를 확보할 수 있어 분리판-집전체 어셈블리의 집전성능을 향상시키는 동시에 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 스택 제조방법은 분리판과 집전체의 결합면적을 넓힐 수 있는 제조방법을 제시할 수 있는 이점이 있다. 즉, 분리판 상의 요철 내에 집전체이 공간 없이 끼워져 결합할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 분리판-집전체 어셈블리를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 분리판-집전체 어셈블리의 분리판에 형성된 요철형상의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예인 연료전지 스택을 도시한 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예인 연료전지 스택 제조방법의 제1실시예를 도시한 공정도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 연료전지 스택 제조방법의 제2실시예를 도시한 공정도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예인 분리판-집전체 어셈블리(1)를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 2는 도 1의 A 부분을 확대하여 개략적으로 도시한 단면도로써, 도 2의 (a)는 분리판(10)과 집전체(20)을 분해하여 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 상기 분리판(10)과 상기 집전체(20)가 완전히 밀착되어 접촉된 것을 도시한 것이며, 도 2의 (c)는 상기 분리판(10)과 상기 집전체(20)가 일부만이 접촉된 것을 도시한 것이다. 또한, 도 3은 본 발명의 일 실시예인 분리판-집전체 어셈블리(1)의 분리판(10)에 형성된 요철(13)형상의 다른 실시예를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리(1)는 연료전지 스택의 분리판-집전체 어셈블리로써, 유로(11)를 형성하며, 표면에 요철(13)이 형성된 립(12)을 제공하는 분리판(10) 및 상기 요철(13)의 탑부(13a) 및 사이드부(13b)의 적어도 일부와 접촉하는 집전체(20)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리(1)의 상기 집전체(20)는 페로브스카이트형 세라믹 입자와 상기 페로브스카이트형 세라믹 입자의 입경보다 큰 란탄코발타이트 입자를 혼합한 세라믹을 소재로 형성되며, 상기 분리판(10)의 상기 요철(13)은 철부의 높이(13c)가 상기 집전체(20)의 두께 이하이며, 이웃하는 상기 철부 사이의 간격(13d)은 20 ~ 1000 ㎛ 일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판-집전체 어셈블리(1)의 상기 요철(13)의 상기 분리판(10) 두께 방향(Y) 단면 형상은 사각형, 삼각형, 반원형 또는 사다리꼴형일 수 있다.

상기 집전체(20)는 연료전지 스택의 공기극(2b), 연료극(2a) 및 전해질막(2c)으로 구성된 단위셀(2) 및 분리판(10)과 직접적으로 접촉하여, 상기 단위셀(2)에서 생성된 전자를 집전하여 상기 분리판(10)으로 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 집전체(20)는 전기전도성의 소재를 사용하여 형성할 수 있다. 즉, 상기 집전체(20)는 전도성의 세라믹을 소재로 하거나, 금속을 소재로 형성될 수 있다.

상기 집전체(20) 소재의 일 실시예로써, 미세한 ABO3형 페로브스카이트형 세라믹 입자가 상대적으로 큰 입경을 갖는 란탄코발타이트(LaCoO3)입자 와 혼합된 혼합재가 사용될 수 있다. 바람직하게는 큰 입경을 갖는 란탄코발타이트(LaCoO3)입자 주위에 미세한 ABO3형 페로브스카이트형 세라믹 입자가 감싸고 있는 이른바 심지구조(cored structure)를 이루는 소재를 사용할 수 있다. 이러한 혼합재는 먼저 질산염을 물에 용해하여 질산염수용액을 제조한 다음, 이 질산염 수용액에 구연산과 란탄코발타이트 분말을 혼합하고 가열하여 제조할 수 있다. 다만, 상기 집전체(20)의 소재는 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 단위셀(2)에서 발생한 전자를 집전하고 상기 분리판(10)의 요철(13)에 끼워져 결합할 수 있는 소재라면 본 발명에 포함된다.

상기 집전체(20)는 후술할 분리판(10)의 요철(13)에 대응하는 형상의 접촉면(21)을 제공할 수 있다. 이는 상기 분리판(10)의 요철(13)에 상기 접촉면(21)이 끼워져 상기 분리판(10)과 상기 집전체(20)을 접촉시키는 역할을 할 수 있다.

상기 접촉면(21)은 기계가공, 레이저가공 등에 의해 성형할 수 있으나, 미세한 상기 요철(13)에 대응하는 형상을 성형하기에는 코팅에 의한 방법이 바람직하다. 즉, 상기 집전체(20)는 유동성이 있는 집전물질(33)이 상기 분리판(10) 또는 단위셀(2) 상에 분사된 후에 상기 분리판(10)과 상기 단위셀(2)의 결합에 의한 압축력(Compressive Pressure: CP)에 의해 상기 분리판(10)의 상기 요철(13) 사이에 끼워져 결합할 수 있게 된다. 이에 의해, 상기 집전체(20)이 상기 요철(13) 사이에 끼워진 상태로 유동성을 상실하여 고정되면, 상기 집전체(20)는 상기 요철(13)에 대응하는 형상을 가질 수 있게 된다. 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

상기 분리판(10)은 상기 단위셀(2)에 연료 또는 공기를 상기 단위셀(2)에 제공하는 역할을 한다. 즉, 상기 분리판(10)에는 상기 연료 또는 공기가 이동할 수 있는 유로(11)가 형성되어 외부에서 유입된 연료 또는 공기를 상기 유로(11)를 통하여 분배하여 상기 단위셀(2)에 제공하게 된다. 다만, 본 발명의 분리판-집전체 어셈블리(1)는 주로 상기 공기극(2b)의 전자를 집전하기 위해 상기 단위셀(2)과 접촉시키는 것이 바람직하므로, 상기 유로(11)는 주로 가스유로인 것이 바람직하다.한편, 상기 유로(11)는 분리판(10) 소재에 기계가공, 에칭가공 등에 의해 성형될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

상기 분리판(10)은 상기 집전체(20)에서 집전된 전자를 외부로 방출해야 하므로 전기전도성의 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 일례로써, 페라이트계 스테인리스나 Fe-Ni합금 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

또한, 상기 분리판(10)은 상기 유로(11) 사이에 위치하여 각각의 유로(11)들을 구분하는 립(12)이 형성될 수 있다.

상기 립(12)의 일면에는 요철(13)이 형성될 수 있는데, 이는 상기 집전체(20)과의 결합면적을 넓혀주는 역할을 한다. 이에 의해, 상기 단위셀(2)에서 생성된 전자의 집전을 위한 더 넓은 전자의 이동통로를 확보할 수 있어 상기 분리판-집전체 어셈블리(1)의 집전성능을 향상시키는 동시에 연료전지 스택의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

즉, 상기 집전체(20)과 상기 분리판(10)의 결합면적을 넓힘에 따라, 연료전지 스택의 성능지표에 영향을 주는 면비저항(Area Specific Resistance: ASR)값이 감소하고, 전류의 흐름이 다양해지기 때문에 전류제한저항(Constriction Resistance) 값이 감소하여, 연료전지 스택의 성능을 증가시킬 수 있는 것이다.

즉, 상기 분리판(10)은 상기 요철(13)의 수평한 부분인 탑부(13a)의 일부 및 상기 요철(13)의 수직한 부분인 사이드부(13b)의 일부를 상기 집전체(20)와 접촉시켜 접촉면적을 넓힐 수 있다. 상기 탑부(13b)는 상기 요철(13)의 철(凸)부의 수평한 면 또는 요(凹)부의 수평한 면일 수 있다.

또한, 상기 분리판(10)은 상기 집전체(20)가 상기 요철(13)에 침투하여 끼워져 접촉하는 경우에도 상기 요철(13)의 상기 사이드부(13b) 및 상기 철(凸)부의 수평한 면에만 접촉하는 등으로 상기 집전체(20)와 상기 요철(13)의 일부에만 접촉될 수 있다. 다만, 상기 집전체(20)와 상기 분리판(10)의 접촉면적을 최대한 넓힐 수 있도록, 상기 집전체(20)를 상기 요철(13)의 상기 사이드부(13b), 상기 철(凸)부의 수평한 면 및 상기 요(凹)부의 수평한 면 모두에 접촉시키는 것이 바람직하다.

한편, 상기 철부의 높이(13c)는 상기 집전체(20)의 두께 이하로 형성하는 것이 바람직하다. 이는 상기 집전체(20)이 압축력(CP)에 의해 가압되어 상기 분리판(10)에 결합하는 경우에 상기 철부 보다 상기 집전체(20)의 두께가 더 작으면, 상기 철부에 의해 상기 집전체(20)이 관통되기 때문에 집전체(20)의 성능저하를 가져올 수 있기 때문이다.

또한, 상기 철부 사이의 간격(13d) 또는 상기 요부 사이의 간격은 20 ~ 1000 ㎛인 것이 바람직하다. 이는 상기 간격이 20㎛ 이하가 되면 집전체(20)을 구성하는 집전물질(33)이 상기 철부 사이의 공간에 침적(deposition)되어 효율적인 결합 목적을 달성할 수 없기 때문이다. 또한 상기 간격이 1000㎛ 이상이 되면 상기 요철(13)이 없는 경우와 비교하여 집전성능의 향상 정도가 미미하여 상기 요철(13)의 구성 목적에서 벗어나기 때문이다.

상기 요철(13)은 일반적으로 상기 분리판(10) 두께방향(Y) 단면이 사각형인 것이 바람직하다. 이는 미세한 상기 요철(13)을 성형할 때 상기 요철(13)의 상기 분리판(10) 두께방향(Y) 단면이 사각형 형상을 성형하기가 다른 형상에 비하여 용이하기 때문이다. 다만, 상기 요철(13)의 상기 분리판(10) 두께방향(Y) 단면의 형상은 삼각형, 반원형 또는 사다리꼴형의 경우도 가능하고, 상기 분리판(10)과 상기 집전체(20)을 접촉면적을 넓히며 결합할 수 있다면 본 발명에 포함될 수 있다.

상기 분리판(10)의 요철(13)은 다양한 방법으로 성형될 수 있으며, 이에 대한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예인 연료전지 스택을 도시한 분해사시도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 공기극(2b)과 연료극(2a) 사이에 전해질막이 배치된 단위셀 및 복수의 상기 단위셀을 연계시키는 상기 분리판-집전체 어셈블리를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택의 상기 집전체(20)는 상기 공기극(2b)과 결합될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지 스택은 공기극(2b)과 연료극(2a) 사이에 전해질막(2c)이 배치된 단위셀(2) 및 상기 단위셀(2)의 양면에 배치되는 상기 분리판-집전체 어셈블리(1)를 포함할 수 있다.

여기서 단위셀(2)은 산소 이온 전도성을 갖는 전해질막(2c)과 그 양면에 위치한 캐소드로서의 공기극(2b) 및 애노드로서의 연료극(2a) 전극의 조립체로 형성된다.

상기 분리판(10)에는 공기극(2b) 가스채널과 연료극(2a) 가스채널이 형성되어 있으며, 공기극(2b) 가스채널에는 외부로부터 공기가 공급되어 흐르며, 연료극(2a) 가스채널로부터는 수소함유 연료가 흐른다. 연료극(2a) 및 공기극(2b) 가스채널을 통과한 가스(공기 혹은 수소함유 연료)는 각각 연료극(2a) 및 공기극(2b)으로 공급된다.

본 발명의 분리판-집전체 어셈블리(1)는 상기 단위셀(2)의 양면에 배치될 수 있다. 이에 의해, 상기 분리판-집전체 어셈블리(1)로 유입하는 연료 또는 공기를 상기 단위셀(2)로 공급할 수 있으며, 동시에 상기 단위셀(2)에서 생성된 전자를 집전하여 외부에 전달하는 역할을 할 수 있다. 다만, 전자의 집전이 주로 필요한 부분은 공기극(2b)으로써, 상기 집전체(20)는 상기 공기극(2b)에 접촉시킬 수 있도록 상기 단위셀(2)과 상기 분리판-집전체 어셈블리(1)를 결합하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 연료전지 스택은 복수의 단위셀(2)을 적층하는 스택형식으로 조합할 수 있다. 즉, 복수의 상기 단위셀(2)을 직렬 또는 병렬로 연결시키도록, 상기 분리판-집전체 어셈블리(1)는 상기 단위셀(2)과 접촉하며, 복수의 상기 단위셀(2)을 연계시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예인 연료전지 스택 제조방법의 제1실시예를 도시한 공정도이고, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예인 연료전지 스택 제조방법의 제2실시예를 도시한 공정도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법은 연료 또는 공기의 이동을 위한 유로(11) 및 상기 유로(11) 사이에 위치하며 일면에 요철(13)이 형성된 립(12)을 성형하는 분리판 제조단계(S1), 제조된 상기 분리판(10)의 립(12) 일면에 단위셀(2)에서 생성된 전자를 집전할 수 있는 집전물질(33)을 도포하는 집전물질 도포단계(S2) 및 도포된 상기 집전물질(33)을 상기 요철(13) 사이에 채워넣도록, 단위셀(2)과 상기 분리판(10)의 조립에 의해 상기 집전물질(33)을 가압하여 상기 분리판(10)과 접촉면적을 넓힌 집전체(20)을 형성하는 집전체 형성단계(S3)를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 연료전지 스택 제조방법의 상기 집전물질(33)은 페로브스카이트형 세라믹 입자와 상기 페로브스카이트형 세라믹 입자의 입경보다 큰 란탄코발타이트 입자를 혼합한 혼합재일 수 있다.

상기 분리판 제조단계(S1)는 연료 또는 공기를 상기 단위셀(2)에 제공하기 위한 유로(11) 및 립(12)을 형성하는 단계 및 상기 립(12)에 요철(13)을 형성하는 단계를 제공할 수 있다.

상기 연료 또는 공기를 상기 단위셀(2)에 제공하기 위한 유로(11) 및 립(12)을 형성하는 단계는 전기전도성 물질의 소재에 기계가공, 에칭가공, 레이저 가공 등에 의해 상기 유로(11), 립(12) 및 요철(13)을 성형하는 방법 등이 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 립(12)에 요철(13)을 형성하는 단계는 PVD(Physical Vapor Deposition) 같은 건식코팅, 전기도금, 전주도금(Electroforming), 미세가공, 드라이에칭, 습식에칭, 레이저 가공 등 다양한 방법이 있다. 다만, 상기 유로(11), 립(12) 및 요철(13)을 성형할 수 있는 방법이라면 본 발명에 포함된다. 이를 위해, 상기 분리판(10) 상에는 성형부(31)가 위치하여 상기 유로(11) 또는 상기 요철(13)을 성형할 수 있다.

상기 집전물질 도포단계(S2)는 상기 분리판(10)의 립(12) 상에 상기 단위셀(2)에서 생성한 전자를 집전할 수 있는 전기전도성의 물질을 도포하는 단계이다. 이를 위해, 상기 분리판(10) 상에는 상기 집전물질(33)을 도포할 수 있는 집전물질 분사부(32)가 위치할 수 있다.

다만, 상기 집전물질(33)은 상기 단위셀(2) 상에 도포된 후에 상기 분리판(10)과 결합될 수도 있으나, 상기 분리판(10) 상에 도포되어 상기 단위셀(2)과 결합하는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 가리개 없이도 상기 유로(33) 상에 상기 집전물질(33)이 도포되는 것을 방지할 수 있으며, 기존 설비를 이용할 수 있는 이점이 있다.

도 5의 (b)는 상기 단위셀(2)에 상기 집전물질(33)을 분사하는 공정을 도시하였으며, 도 6의 (b)는 상기 분리판(10)에 상기 집전물질(33)을 분사하는 공정을 도시하였다. 즉, 연료전지 스택 제조방법에서 상기 집전물질 도포단계(S2)는 도 5의 (b) 및 도 6의 (b)의 방법 중 적어도 하나의 방법으로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 집전물질(33)이 도포될 필요 없는 상기 유로(11)는 가리개로 가리고 상기 집전물질(33)을 도포할 수도 있다. 그러나, 공정의 단순화를 위해 가리개로 가리지 않고 상기 집전물질(33)을 도포하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 집전물질 도포단계(S2)에서는 도포된 상기 집전물질(33)을 평탄화하는 단계를 포함할 수 있다. 다만, 상기 평탄화단계를 포함하지 않아도 본 발명에 포함된다.

상기 집전물질(33)로는 미세한 ABO3형 페로브스카이트형 세라믹 입자가 상대적으로 큰 입경을 갖는 란탄코발타이트(LaCoO3)입자 와 혼합된 혼합재가 사용될 수 있다. 바람직하게는 큰 입경을 갖는 란탄코발타이트(LaCoO3)입자 주위에 미세한 ABO3형 페로브스카이트형 세라믹 입자가 감싸고 있는 이른바 심지구조(cored structure)를 이루는 소재를 사용할 수 있다.

상기 집전체(20) 형성단계(S3)는 상기 집전물질 도포단계(S2)에서 도포된 집전물질(33)을 상기 분리판(10)에 접촉면적을 넓히며 접촉할 수 있도록 형성하는 단계이다. 이를 위해, 상기 단위셀(2)과 상기 분리판(10)을 조립하는 경우에 상기 분리판(10)에 상기 집전물질(33)이 도포되었다면, 상기 단위셀(2)이 상기 분리판(10)에 도포된 집전물질(33)을 압축력(CP)에 의해 가압하게 되어 상기 분리판(10)의 요철(13) 사이에 완전히 채워지지 않고 존재하던 상기 집전물질(33)이 완전히 채우며 상기 집전체(20)을 형성할 수 있게 된다.

한편, 상기 단위셀(2)에 집전물질(33)이 도포되었다면, 상기 단위셀(2)에 도포된 상기 집전물질(33)을 상기 분리판(10)이 압축력(CP)에 의해 가압하게 되어, 상기 분리판(10)의 요철(13) 사이에 상기 집전물질(33)이 채워지게 된다.

또한, 연료전지 스택의 가동 중에 고온의 열이 발생하면, 상기 집전물질(33)의 유동성이 증가하여 상기 분리판(10)과 상기 집전체(20)의 접촉을 더 공고히 할 수 있는 효과도 예상할 수 있다.

1 : 분리판-집전체 어셈블리 2 : 단위셀
10: 분리판 11: 유로
12: 립 13: 요철
13a: 탑부 13b: 사이드부
13c: 철부높이 13d: 철부 간격
20: 집전체 21: 접촉면
31: 성형부 32: 집전물질 분사부
33: 집전물질

Claims

연료전지 스택의 분리판-집전체 어셈블리에 있어서,
유로를 형성하며, 표면에 요철이 형성된 립을 제공하는 분리판; 및
상기 요철의 탑부 및 사이드부의 적어도 일부와 접촉하는 집전체를 포함하는 분리판-집전체 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 분리판의 상기 요철은 철부의 높이가 상기 집전체의 두께 이하이며, 이웃하는 상기 철부 사이의 간격은 20 ~ 1000 ㎛ 인 분리판-집전체 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 요철의 상기 분리판 두께 방향 단면 형상은 사각형, 삼각형, 반원형 또는 사다리꼴형인 분리판-집전체 어셈블리.
공기극과 연료극 사이에 전해질막이 배치된 단위셀; 및
복수의 상기 단위셀을 연계시키는 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 분리판-집전체 어셈블리를 포함하는 연료전지 스택.
제4항에 있어서,
상기 집전체는 상기 공기극과 결합되어 있는 연료전지 스택.
연료 또는 공기의 이동을 위한 유로 및 상기 유로 사이에 위치하며 일면에 요철이 형성된 립을 성형하는 분리판 제조단계;
제조된 상기 분리판의 립 일면 또는 단위셀에 상기 단위셀에서 생성된 전자를 집전할 수 있는 집전물질을 도포하는 집전물질 도포단계; 및
도포된 상기 집전물질을 상기 요철 사이에 채워넣도록, 상기 단위셀과 상기 분리판의 조립에 의해 상기 집전물질을 가압하여 상기 분리판과의 접촉면적을 넓힌 집전체을 형성하는 집전체 형성단계를 더 포함하는 연료전지 스택 제조방법.
제6항에 있어서,
상기 집전물질은 페로브스카이트형 세라믹 입자와 상기 페로브스카이트형 세라믹 입자의 입경보다 큰 란탄코발타이트 입자를 혼합한 혼합재인 연료전지 스택 제조방법.