KR101337453B1

KR101337453B1 - 연료전지 분리판 파트

Info

Publication number: KR101337453B1
Application number: KR1020110123091A
Authority: KR
Inventors: 허정무; 이광용; 김정헌
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2011-11-23
Publication date: 2013-12-06
Also published as: KR20130057264A

Abstract

본 발명은 매니폴드와 가스유로의 사이의 연결통로의 개방부위에 밀착 결합하는 분리판 파트의 상부면은 평탄부로 형성하고, 하부면은 가스유로의 요철 형상에 대응하도록 일정한 간격으로 요홈을 갖도록 형성하며, 양쪽 선단은 모재에 형성된 삽입홈에 계합될 수 있도록 돌출부를 설치함으로써 장기 가동시 요철과 요홈의 밀착 결합에 의해 이탈 위험성을 방지할 수 있고, 제작 비용도 절감할 수 있으며, 분리판 후 공정도 감소시켜 전체적인 제작기간도 단축시킬 수 있는 연료전지 분리판 파트를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

Description

연료전지 분리판 파트{Combined parts for fuel cell separator}

본 발명은 연료전지 분리판 파트에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 연료 전지 스택의 장기 가동시 편평한 형태로 접착된 부분의 이탈 방지를 위해서 모재와의 결합 부분을 요철 형상으로 제작하여 더욱 견고하게 결합할 수 있도록 개량한 연료전지 분리판 파트에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지란, 연료인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 연소과정 없이 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다. 이 연료전지는 충전이 필요한 종래 전지와는 달리 수소와 산소를 공급함으로 연속적인 전기 생산이 가능하다.

연료전지는 주로 전해질의 차이에 따라 크게 네 가지 유형으로 나누어진다. 그리고 유형에 따라 작동하는 온도나 출력의 규모 등도 달라지고, 그에 따라 연료전지의 용도도 달라진다. 그러나, 이온이 전해질을 통과하고 교환으로 전극 사이에 전기가 흐른다는 근본 원리는 모두 같다.

연료전지는 고온형과 저온형으로 나누어지고 이들은 다시 두가지 유형으로 나눌 수 있다. 고온형의 연료전지에는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와 고체 산화물형 연료전지(SOFC)의 두 가지 유형이 있다. 고온형의 연료전지는 섭씨 500~1,000도라는 고온에서 작동한다. 고온이 되면 화학반응의 속도가 빨라지고 특히 촉매가 필요 없게 된다.

용융 탄산염형 연료전지(MCFC)는 섭씨 650도 전후의 고온에서 작동한다. 전해질에는 탄산염을 녹인 액체(용융 탄산염)을 쓴다. 수소 이외에 천연 가스나 석탄 가스 등을 연료로 쓰는 일도 있다. 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 섭씨 1,000도 부근의 고온에서 작동한다. 전해질에는 고체인 세라믹을 쓴다.

고온형 다음으로 저온형으로 두 가지 유형의 연료전지가 있다. 저온형은 고온형 연료전지에 비해 훨씬 저온(섭씨 200도 이하)에서 작동된다. 저온형의 공통 장점은 시동이 단시간에 된다는 것과 크기를 작게할 수 있다는 것이다. 여기에는 인산형 연료전지(PAFC)와 고체 고분자형 연료전지(PEFC)가 있다. 인산형 연료전지(PAFC)는 섭씨 200도 정도에서 작동하며, 전해질에는 인산수용액을 쓴다. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)는 섭씨 100도 미만이라는 상온에 가까운 온도에서 작동한다. 전해질에는 수용액이 아니라 수지로 얇은 막을 사용한다.

이러한 연료전지에서 고분자 전해질 연료전지는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 음극과 양극이 부착되어 있는 형태로서, 산화전극 또는 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 양극(산화전극 또는 연료극), 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생하게 된다.

이러한 고분자 전해질 연료전지는 고분자전해질 막과 전극, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 특히 양극과 음극의 두 전극을 고분자 전해질 막에 핫-프레싱 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체(MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자 전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.

연료전지에서 분리판은 수소와 산소의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 양측면에 가스유로가 각각 형성되어 있고 외곽의 각 모서리에는 수소 및 산소를 각각 공급하기 위한 매니폴드가 형성되어 있으며, 양극과 음극과의 접촉 부위로의 수소 및 산소의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로 및 매니폴드의 외곽으로 판형 개스킷 또는 O-링이 끼워지는 구조로 이루어져 있다.

한국공개특허제10-2001-0037120호의 연료전지용 분리판에 의하면, 도 1과 2에 예시한 바와 같이 양측면에 가스유로(3)가 각각 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 매니폴드(5)가 형성되며, 상기 가스유로(3) 및 매니폴드(5)의 외곽에 양극 및 음극과의 기밀을 위해 개스킷(10)이 끼워지는 연료전지용 분리판(1)에 있어서, 매니폴드(5)와 가스유로(3)의 사이에 가스유로(3)와 일체로 이루어져 연결통로(7)가 개방 형성되고, 상기 연결통로(7)의 개방부위에 0.1 ~ 0.3mm 두께의 스테인레스 재질, 플라스틱, 복합재료 등의 경질재료로 된 얇은 판(9)이 부착되어 개스킷(10)이 밀착 결합되는 평탄부를 형성한 것을 소개하고 있다.

상기 공개특허에 의하면, 연료전지용 분리판은 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로가 가스유로와 일체로 형성된 개방구조로 이루어짐으로써 기존과 같은 홀의 가공이 필요없고, 프레스 성형 또는 사출성형을 할 수 있어 제작공정이 간소하며, 가스의 흐름 원활성, 기밀성을 향상시킬 수 있음은 몰론 홀의 가공에 따른 두께 제한을 줄일 수 있게 되어 궁극적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있다고 하였다.

그러나, 상기 연결통로의 개방부위에 스테인레스 재질, 플라스틱, 복합재료 등의 경질재료로 된 얇은 판을 부착하여 개스킷이 밀착 결합할 수 있도록 평탄부를 형성하는 것은 연료전지의 장기 가동시 이탈할 위험성이 항시 존재한다는 단점이 있다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로 연료전지 분리판에서, 매니폴드와 가스유로의 사이의 연결통로의 개방부위에 밀착 결합하는 분리판 파트의 상부면은 평탄부로 형성하고, 하부면은 가스유로의 요철 형상에 대응하도록 일정한 간격으로 요홈을 갖도록 형성하며, 양쪽 선단은 모재에 형성된 삽입홈에 계합될 수 있도록 돌출부를 설치함으로써 장기 가동시 요철과 요홈의 밀착 결합에 의해 이탈 위험성을 방지할 수 있고, 제작 비용도 절감할 수 있으며, 분리판 후 공정도 감소시켜 전체적인 제작기간도 단축시킬 수 있는 연료전지 분리판 파트를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 파트는 매니폴트와 가스유로 간의 연결통로의 개방부위에 밀착 결합하는 분리판 파트의 상부면은 평탄부로 형성하고, 그의 하부면은 가스유로의 요철 형상에 대응하도록 일정한 간격으로 요홈을 갖도록 형성하며, 양쪽 선단은 모재에 형성된 삽입홈에 계합될 수 있도록 돌출부를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료 전지 분리판 파트는 플라스틱, 복합재료 또는 금속 재질로 제작하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지 분리판 파트는 매니폴드와 가스유로의 사이의 연결통로의 개방부위에 밀착 결합할 수 있도록 하부면을 가스유로의 요철 형상에 대응하도록 일정한 간격으로 요홈을 갖도록 형성하고, 양쪽 선단은 모재에 형성된 삽입홈에 견고하게 계합될 수 있도록 돌출부가 설치되어 있으므로 인하여 장기 가동시 요철과 요홈의 밀착 결합에 의해 이탈 위험성을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래의 연료전지용 분리판의 요부를 나타낸 발췌 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 분리판에서 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로와 금속판의 결합구조를 보인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 연료전지용 분리판 모재의 요부를 발췌하여 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3의 분리판 모재에서 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로에 결합되는 분리판 파트의 사시도이다.
도 5는 도 4의 분리판 파트가 분리판 모재에 계합된 구성을 보여주기 위한 사시도이다.
도 6은 도 5의 분리판 파트가 계합된 상태에서 개스킷이 설치된 상태를 나타내는 사시도이다.

이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 연료전지용 분리판 모재(20)의 요부를 발췌하여 나타낸 사시도로서, 분리판 모재(20)는 장방형의 예를 들면 글랙시카본판을 절삭가공한 것으로 그 짧은 변측에 산화제용 매니폴드(21)가 형성되어 있고, 긴 변측에는 냉각수를 도입하는 냉각수용의 매니폴드(도면에 도시하지 않음), 연료가스를 도입하는 연료가스용 매니폴드(도면에 도시하지 않음)가 형성되어 있으며, 산화제 가스용 매니폴드(21)를 연결하는 직선형상의 복수의 홈에 의해 가스유로(22)가 형성되어 있다.

가스유로(22)는 산화제와 연료가스의 흐름을 각각 분리시켜 제공할 수 있도록 양측면에 지그재그 형상으로 표면에 개방되어 있고, 양극 및 음극과의 접촉부위로의 연료가스 및 산화제 가스의 누출을 방지하고 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로(22) 및 매니폴드(21)의 외곽으로 개스킷이 끼워지는 구조로 이루어져 있다.

본 발명의 분리판 모재(20)에 의하면, 매니폴드(21)와 가스유로(22) 사이에는 연결통로(23)가 개방되게 형성되어 있고 연결통로(23)의 좌우측의 분리판 모재(20) 자체에는 후술하겠지만 분리판 파트(30)의 양쪽 선단에 끼워맞추어질 수 있는 삽입홈(24)이 각각 형성되어 있다.

도 4는 도 3의 분리판 모재에서 매니폴드(21)와 가스유로(22)를 연결하는 연결통로(23)에 결합되는 분리판 파트(30)의 사시도를 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 분리판 파트(30)은 앞서 기술한 분리판 모재(20)의 연결통로(23)에 대해 가스의 누출을 방지하고 서로 혼합되는 것을 방지하기 위하여 제공하게 되는 개스킷을 위한 평판부를 제공하기 위한 덮개로서, 그의 상부표면(31)은 평탄하게 구성되어 있고, 그의 하부면은 연결통로(23)의 가스유로(22)의 분리판 모재 부분(상대적으로 돌출된 구조물)에 대응하도록 오목한 요홈(32)이 일정한 간격으로 가스유로의 간격과 동일한 간격으로 배치되어 있다.

그리고 분리판 파트(30)의 하부면에서 양쪽 선단에는 앞서 기술한 분리판 모재(20)의 연결통로(23)의 양쪽 끝부분에 형성되어 있는 삽입홈(24)에 끼워맞추어질 수 있는 돌출부(33)가 각각 형성되어 있다.

본 발명에서 연료전지 분리판 파트는 플라스틱, 복합재료 또는 금속 재질로 제작할 수 있다.

첨부 도면 중 도 5는 도 4의 분리판 파트(30)가 분리판 모재(20)에 계합된 구성을 보여주기 위한 사시도로서, 분리판 파트(30)의 요홈(32)이 연결통로(23)에 위치하는 가스유로(22)의 분리판 모재(20) 부분에 계합되며, 양쪽 선단의 돌출부(33)가 삽입홈(24)에 끼워맞추어져 있고, 그의 상부표면(31)은 평탄한 구조를 이루게 된다.

상기 분리판 파트(30)의 요홈(32)과 밀착되는 연결통로(23)의 가스유로(22)의 분리판 모재 부분은 서로 요철과 요홈에 의해 끼워맞추어지는 형식으로 계합하거나 필요에 따라서는 접착제를 도포하여 밀착시킬 수 있으며, 전체적으로 분리판 파트는 분리판 모재와의 결합시 접착제를 이용할 수 있다.

도 6은 도 5의 분리판 파트가 계합된 상태에서 개스킷(34)이 설치된 상태를 나타내는 사시도로서, 본 발명의 분리판 파트(30)에 의해 그의 상부 표면이 평탄한 구조를 이루게 됨으로써 개스킷(34)이 밀착되게 부착될 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 분리판 모재(20)는 다수로 적층되는 단위전지에 끼워져 연료전지를 형성할 경우 분리판 모재(20)의 일측에 형성된 가스유로(22), 연결통로(23) 및 매니폴드(21)로는 양극과 사이에 두고 수소가 흐르도록 하고 타측으로는 음극과 사이를 두고 산소 또는 공기가 흐르도록 함으로써 전기 발생을 유도하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 구현예들을 들어 본 발명에 대해 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변경 또는 변형될 수 있음을 당업자에게 자명하므로 이러한 모든 변경 및 변형예들도 본 발명의 보호범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

20 ---- 분리판 모재
21 ---- 매니폴드
22 ---- 가스유로
23 ---- 연결통로
24 ---- 삽입홈
30 ---- 분리판 파트
31 ---- 상부표면
32 ---- 요홈
33 ---- 돌출부
34 ---- 개스킷

Claims

매니폴드와 가스유로 간의 연결통로의 개방부위에 밀착 결합하는 분리판 파트의 상부면이 평탄부로 형성되어 있는 연료전지 분리판에 있어서, 상기 분리판 파트의 하부면은 가스유로의 요철 형상에 대응하도록 일정한 간격으로 요홈을 갖도록 형성되어 있으며, 그의 양쪽 선단은 모재에 형성된 삽입홈에 계합될 수 있도록 돌출부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 파트.
제 1항에 있어서, 상기 연료 전지 분리판 파트는 플라스틱, 복합재료 또는 금속 재질로 제작하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 분리판 파트.
제 1항에 있어서, 상기 분리판 파트의 요홈과 가스유로의 요철면은 접착제를 이용하여 계합하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 분리판 파트.