KR101410477B1 - 연료전지용 분리판 제조방법 - Google Patents

연료전지용 분리판 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매니폴드와 반응면 사이의 반응가스 유입부의 분리판 적층압에 의한 변형을 방지하기 위해 개선된 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 연료전지용 분리판 제조방법에 있어서, (a) 상기 분리판용 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 분리판의 채널부 성형 전 상기 분리판의 매니폴드로부터 채널로 가스의 통로가 되는 개구부의 홀을 가공하는 단계와; (c) 상기 개구부 위에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조 성형을 포함하여 요철구조의 채널을 갖는 분리판 성형하는 단계와; (d) 성형된 상기 분리판의 1면 또는 2면에 고분자 소재의 가스켓을 사출성형하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지용 분리판 제조방법{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매니폴드와 반응면 사이의 반응가스 유입부의 분리판 적층압에 의한 변형을 방지하기 위해 개선된 연료전지용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료(수소 또는 개질 가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 이용하여 전기 화학적으로 전력을 생산하는 장치로서, 외부에서 지속적으로 공급되는 연료와 산화제를 전기 화학 반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
연료전지의 산화제로는 순수 산소나 산소가 다량 함유되어 있는 공기를 이용하며, 연료로는 순수 수소, 탄화수소계 연료(LNG, LPG, CH3OH), 또는 탄화수소계 연료를 개질하여 수소가 다량 함유된 개질 가스를 사용한다.
이러한 연료전지는 크게, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)와, 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell), 및 직접 메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell: DMFC)로 구분될 수 있다.
이 중 고분자 전해질형 연료전지는 스택(stack)이라 불리는 연료전지 본체를 포함하며, 개질기로부터 공급되는 수소 가스와, 공기펌프 또는 팬의 가동에 의해 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다. 여기서 개질기는 연료를 개질하여 이 연료로부터 수소 가스를 발생시키고, 이 수소 가스를 스택으로 공급하는 연료처리장치로서의 기능을 한다.
그리고 직접 산화형 연료전지는 고분자 전해질형 연료전지와 달리, 수소 가스를 사용하지 않고 연료인 알콜류를 직접적으로 공급받아 이 연료 중에 함유된 수소와, 별도로 공급되는 공기의 전기 화학적인 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 구조로서 이루어진다.
또한 직접 메탄올형 연료전지는 직접 산화형 연료전지 중에서 메탄올을 연료로 사용하는 전지를 말한다.
이하에서는 설명의 편의상 고분자 전해질형 연료전지를 위주로 설명한다.
고분자 전해질형 연료전지에 사용되는 막-전극 조립체는 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 양면에 백금족 금속 등의 금속 촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과 이 촉매층의 바깥면에 형성되며 통기성과 전자 도전성을 갖는 가스 확산층으로 구성되며, 가스 확산층은 일반적으로 탄소 종이 또는 탄소 부직포 등으로 이루어진다.
막-전극 조립체의 외측에는 막-전극 조립체를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막-전극 조립체를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 분리판이 설치되어 단위 셀을 형성한다.
분리판은 막-전 극 조립체와 접촉하는 부분에 전극면에 반응 가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다.
유로는 분리판과 별도로 설치될 수도 있지만 분리판의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
복수 개의 단위 셀은 적층 배열되며 단위 셀의 최외측에는 전류를 추출하기 위한 집전판과 그 외곽에 외부와의 절연을 위한 절연판이 차례로 적층되고, 체결판 및 체결수단을 통해서 고정된다.
연료전지에 공급된 연료와 산화제는 막-전극 조립체에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며, 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료전지스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응 가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.
전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀 마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다.
냉각부는 일측에 연료가스 유로를 구비하고 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 분리판과, 일 측에 산화제가스 유로를 구비하고, 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 분리판을 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다.
일반적으로 연료용 분리판과 산화제용 분리판사이에 냉각유로가 구비 되어있는 연료전지에서 매니폴드부로 들어간 유체는 양쪽의 전극판사이의 냉각면쪽으로 우선 구성된 틈으로 일차적으로 진입하여, 각 분리판의 채널 입구쪽의 관통된 홀을 통해 각각의 채널로 분배되는 구조로 되어 있다.
이러한 구성으로 된 분리판의 양쪽면에 가스켓을 구성하며, 이를 적층하고 적정 체결압을 가하여 각 유체의 기밀과 전기전도성을 확보한다.
이때 기존의 흑연 분리판의 경우 분리판 자체의 강성으로 체결압으로 인한 분리판 변형이 없으나, 박판성형으로 제작된 금속 분리판의 경우, 유체가 유입되기 위해 가스켓이 없는 부분과, 그 반대면인 전극면의 가스켓이 있는 부분에서 체결압으로 인해 유체 유입부 분리판의 변형이 쉽게 이루어지는 구조가 된다.
이러한 변형이 발생할 경우 각 셀의 분리판의 불규칙한 변형으로 인해 각 셀의 성능편차를 발생시키는 원인이 되며, 또한 유체의 입출구의 통로가 작아지게 되는 것이므로 유체 공급장치에 부하를 주게되어 전체적인 시스템 효율감소를 발생시키는 원인이 된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 매니폴드와 반응면 사이의 반응가스 유입부의 분리판 적층압에 의한 변형을 방지하도록 한 연료전지용 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
연료 또는 산화제 통로가 되는 매니폴드; 상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제를 막-전극 조립체에 공급하는 요철구조의 채널; 상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제가 상기 채널쪽으로 유입될 수 있도록 분리판의 양면에 형성된 가스켓을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 매니폴드와 상기 채널을 연결하는 개구부를 포함하고, 상기 개구부는 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조로 형성되며, 상기 돌출부는 상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제가 통과할 수 있는 홀을 포함한다.
상기 가스켓 중 전극면에 형성된 가스켓은 상기 매니폴드와 채널을 분리시키고 상기 개구부로부터 상기 채널사이에 통로를 구성하도록 채널의 정렬방향으로 배치될 수 있다.
상기 가스켓 중 냉각면에 형성된 가스켓은 상기 개구부와 상기 채널을 분리시키고 상기 매니폴드로부터 상기 개구부로 통로를 구성하도록 채널의 정렬방향으로 배치될 수 있다.
본 발명의 연료전지용 분리판 제조방법은, 연료전지용 분리판 제조방법에 있어서, (a) 상기 분리판용 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 분리판의 채널부 성형 전 상기 분리판의 매니폴드로부터 채널로 가스의 통로가 되는 개구부의 홀을 가공하는 단계와; (c) 상기 개구부 위에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조 성형을 포함하여 요철구조의 채널을 갖는 분리판 성형하는 단계와; (d) 성형된 상기 분리판의 1면 또는 2면에 고분자 소재의 가스켓을 사출성형하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 단계 (a)에서, 상기 분리판용 스테인리스 강판은, 상기 중량%로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 페라이트계 스테인리스 강판이다.
상기 단계 (a)에서, 상기 분리판용 스테인리스 강판은, 중량%로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 두께 0.08mm~0.25mm인 페라이트계 스테인리스 극박 강판이다.
그리고 상기 매니폴드와 유로 채널 사이에 있는 가스의 통로인 개구부가 선 가공되고, 상기 개구부를 포함하여 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조를 채널의 정렬방향으로 반복되게 형성한다.
또한 상기 분리판의 전극면 쪽에서 상기 매니폴드와 상기 개구부 사이의 가스켓은, 상기 매니폴드와 상기 채널을 분리시키는 가스켓을 형성하고, 상기 개구부와 상기 채널 사이는 상기 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여, 상기 개구부로부터 상기 채널로의 통로를 형성한다.
또한 상기 분리판의 냉각면 쪽에서 상기 매니폴드와 상기 개구부 사이의 가스켓은, 상기 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여 상기 매니폴드로부터 상기 개구부로의 통로를 형성하고, 상기 개구부와 상기 채널 사이는 상기 개구부와 상기 채널을 분리시키는 구조의 가스켓을 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 매니폴드와 유로 채널 사이의 유체의 이동통로가 되는 개구부에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조 형상을 만듦으로써, 분리판 적층시 상하의 요철부가 맞닿아 서로 지지구조가 되어 개구부를 사이에 두고 있는 가스켓의 부재공간에서의 분리판의 변형을 방지할 수 있으며, 셀의 눌림량을 결정하는 구조가 되어 눌림량의 편차로 인해 생기는 셀간의 성능편차를 개선할 수 있다.
그리고 전극면 쪽에서 MEA의 서브 가스켓의 처짐으로 개구부의 일부를 막거나, 개구부에서 채널로 가는 공간이 줄어드는 현상의 셀 성능을 저하시키는 원인을 방지하여, 우로 입출구부 단면적의 감소로 인한 유체공급장치의 부하를 줄여 시스템 전체 성능 효율을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법에 적용된 스테인리스 강판 제조 공정을 순차적으로 나타내 보인 공정도이다.
도 2는 본 발명에 적용된 연료전지스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 분리판 조립체의 정면도이다.
도 4는 도 3의 분리판 조립체의 분해 사시도이다.
도 5는 기존의 스택의 매니폴드부 단면도이다..
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법에 적용된 개선된 개구부와 요철구조를 나타내 보인 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법은, 분리판용 스테인리스 강판을 준비한다.(단계 110)
상기 분리판의 채널부 성형 전 상기 분리판의 매니폴드로부터 채널로 가스의 통로가 되는 개구부의 홀을 가공한다.(단계 120)
이어서, 상기 개구부 위에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조 성형을 포함하여 요철구조의 채널을 갖는 분리판 성형한다.(단계 130)
이렇게 성형된 상기 분리판의 1면 또는 2면에 고분자 소재의 가스켓을 사출성형한다.(단계 140)
상기 단계 110에서, 상기 분리판용 스테인리스 강판은, 상기 중량%(wt%)로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 페라이트계 스테인리스 강판이다.
상기 단계 (a)에서, 분리판용 스테인리스 강판의 다른 실시예로, 분리판용 스테인리스 강판은, 중량%로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 두께 0.08mm~0.25mm인 페라이트계 스테인리스 극박 강판이다.
그리고 후술하는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 매니폴드와 유로 채널 사이에 있는 가스의 통로인 개구부가 선 가공되고, 상기 개구부를 포함하여 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조를 채널의 정렬방향으로 반복되게 형성한다.
또한 상기 분리판의 전극면 쪽에서 매니폴드와 개구부 사이의 가스켓은, 상기 매니폴드와 상기 채널을 분리시키는 가스켓을 형성하고, 개구부와 채널 사이는 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여, 개구부로부터 채널로의 통로를 형성한다.
그리고 상기 분리판의 냉각면 쪽에서 매니폴드와 개구부 사이의 가스켓은, 상기 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여 매니폴드로부터 개구부로의 통로를 형성하고, 상기 개구부와 상기 채널 사이는 개구부와 채널을 분리시키는 구조의 가스켓을 형성한다.
이하에서는 상기한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법을 보다 구체적인 실시예를 설명한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 고분자 연료전지 내 작동환경 하에서 적절한 내식성을 확보하기 위해 높은 Cr을 함유하고 있는 스테인리스 강판이다.
그리고 스테인리스 강판의 조성범위와, 그 한정이유를 더욱 상세히 설명한다. 아울러, 이하에서 설명되는 %는 모두 중량%이다.
C와 N는 강 중에서 Cr 탄질화물을 형성하며, 그 결과 Cr이 결핍된 층의 내식성이 저하되므로, 양 원소는 낮을수록 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하로 그 조성비를 제한한다.
Si는 탈산에 유효한 원소이나 인성 및 성형성을 억제하므로, 본 발명에서는 Si의 조성비를 0.4% 이하로 제한한다.
Mn은 탈산을 증가시키는 원소이나, 개재물인 MnS는 내식성을 감소시키므로, 본 발명에서는 Mn의 조성비를 0.2% 이하로 제한한다.
P는 내식성뿐만 아니라 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 P의 조성비를 0.04% 이하로 제한한다.
S은 MnS를 형성하며, 이러한 MnS은 부식의 기점이 되어 내식성을 감소시키므로, 본 발명에서는 이를 고려하여 S의 조성비를 0.02% 이하로 제한한다.
Cr은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 Cr의 조성비를 25 내지 32%로 제한한다.
Cu는 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 과량 첨가시 Cu의 용출로 인하여 연료전지의 성능이 저하 및 성형성이 저하될 수 있다. 본 발명에서는 이를 고려하여 Cu의 조성비를 0 내지 2%이하의 범위로 제한한다.
Ni은 일부 접촉저항을 감소시키는 역할을 하나, 과량 첨가시 Ni 용출 및 성형성이 저하될 수 있다. 본 발명에서는 이를 고려하여 Ni의 조성비를 0.8% 이하로 제한한다.
Ti와 Nb는 강 중의 C, N을 탄질화물로 형성하는 데 유효한 원소이나, 인성을 저하시키므로, 본 발명에서는 이를 고려하여 각각의 조성비를 0.5% 이하로 제한한다.
본 발명에 따른 스테인리스 간판은 잉곳 캐스팅 또는 연속주조 공정을 통해 생산된 소재를 통상의 열간압연과 냉간압연 공정을 거쳐 연료전지 분리판의 용도에 적합한 두께의 박판 형태로 가공하여 제공하게 된다.
도 1은 상기한 스테인리스 강판을 이용한 분리판을 제조하는 순서도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조방법에 적용되는 스테인리스 강판은, 잉곳 캐스팅 또는 연속주조 공정을 통해, 생산된 소재를 통상의 열간압연과, 냉간압연 공정을 거쳐, 연료전지 분리판의 용도에 적합한 두께의 박판 형태로 가공하여 제공하게 된다.
도 2는 본 발명에 적용되는 연료전지스택을 도시한 분해 사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 적용되는 연료전지스택(100)은, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생산하는 셀(cell) 단위의 전기 생성부(30)를 포함하여 구성된다.
각각의 전기 생성부(30)는 전기를 발생시키는 단위 셀을 의미하며, 연료와 산화제 중의 산소를 산화/환원시키는 막-전극 조립체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 반응 가스인 연료와 산화제를 막-전극 조립체(31)로 공급하기 위해 제작된 분리판 조립체(32)를 포함한다.
도 3은 상기 분리판 조립체(32)의 정면도가 도시되어 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 분리판 조립체(32)는 막-전극 조립체(31)를 향하는 일면에 연료 유로(51)가 형성되며, 상기 일면의 배면에는 산화제 유로(52)가 형성된다. 이러한 연료 유로(51)와 산화제 유로(52)는 복수 개의 채널들로 나누어지며, 상기 반응가스 유로의 배면에 형성되는 공간으로 냉각매체 유로(53)를 형성하게 되며, 상기 조립체(32)는 막-전극 조립체(31)를 사이에 두고 밀착 배치되어 상기 전기 생성부(30)를 구성한다.
이와 같은 전기 생성부(30)를 복수로 구비하고, 이들 전기 생성부(30)를 연속적으로 배치함으로써 전기 생성부 (30)의 적층 구조에 의한 연료전지스택(100)을 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지스택(100)은 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 상기 연료전지스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrode Membrane Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
대안으로서 연료전지스택(100)에 사용되는 연료는 메탄올, 에탄올, LPG, LNG, 가솔린, 부탄 가스 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료를 포함할 수 있다. 이 경우, 연료전지스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.
연료전지스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.
막-전극 조립체(31)는 고체 폴리머 전해질로 형성된 고분자 전해질막과 고분자 전해질막의 양면에 배치된 애노드 전극과 캐소드 전극을 포함한다.
이 때 분리판 조립체(32)의 연료 유로(51)가 형성된 면은 막-전극 조립체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(52)가 형성된 면은 막-전극 조립체(31)의 캐소드 전극 측에 배치된다.
그리고 전해질막은 애노드 전극에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극으로 이동시켜, 캐소드 전극의 산소와 결합되어 물을 생성시키는 이온 교환을 가능하게 한다.
이와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써, 연료전지스택(100)을 구성하게 되며, 연료전지스택(100)의 제일 외각에는 연료전지스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.
또한 일측 엔드 플레이트(60)에는 산화제를 연료전지스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 주입구(62)와 연료를 연료전지스택(100)으로 공급하기 위한 연료 주입구(64), 냉각 매체를 주입하기 위한 냉각매체 주입구(63)가 형성되고 애노드 전극에서 반응하고 남은 미반응 연료를 배출시키기 위한 연료 배출구(67) 및 캐소드 전극에서 수소와 산소의 결합 반응에 의해 생성된 수분과 미반응 공기를 배출시키기 위한 산화제 배출구(69)와 냉각 매체가 배출되는 냉각매체 배출구(68)가 형성된다.
분리판 조립체(32)는 그 양면에 홈과 같은 채널 형상의 반응 가스 유로가 형성되어, 이런 반응 가스 유로를 통해 반응 가스가 유입된다. 여기서 반응 가스 유로라 함은 산화제 유로(52)와 연료 유로(51)를 포함하는 개념이다.
도 4는 상기 분리판 조립체(32)를 구성하는 애노드 분리판(33)과 캐소드 분리판 (34)을 나타내며, 상기 분리판 조립체(32)를 구성하기 위하여 용접 혹은 가스켓 등을 활용할 수 있다.
애노드 분리판(33)은 막-전극 조립체(31)를 향하는 일면에 연료 유로(51)가 형성되고, 이런 연료 유로(51)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입되며, 캐소드 분리판(34)은 막-전극 조립체(31)를 향하는 일면에 산화제 유로(52)가 형성되고, 이런 산화제 유로(52)로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다.
분리판 조립체(32)는 상기 애노드 분리판(33)과 캐소드 분리판(34)을 정렬하고 이로 인하여 반응 가스 유로의 배면에 형성되는 공간을 냉각매체 유로(53)로 활용할 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.
아래에서는 분리판 조립체(32)의 구조에 대해 보다 자세하게 설명한다.
분리판 조립체(32)에는 산화제 주입구(62)와 연통되는 산화제 입구 매니폴드(241)가 일측 코너에 형성되며, 이런 산화제 입구 매니폴드(241)는 산화제 유로(52)로 연결된다.
그리고, 분리판 조립체(32)에는 산화제 배출구(69)와 연통되는 산화제 출구 매니폴드(246)가 상기 일측 코너와 대각선으로 마주하는 타측 코너에 형성되며, 이런 산화제 출구 매니폴드(246)도 산화제 유로(50)에 연결된다.
이와 같은 구조로 인해 산화제 입구 매니폴드(241)를 통해 공급되는 산화제 가스는 산화제 유로(52)로 유입되고, 산화제 유로(52)로부터 산화제 출구 매니폴드(246)로 배출된다.
마찬가지로, 분리판 조립체(32)에는 연료 주입구(64)와 연통되는 연료 입구 매니폴드(243)가 일측 코너에 형성되며, 이런 연료 입구 매니폴드(243)는 연료 유로(51)로 연결된다.
그리고, 분리판 조립체(32)에는 연료 배출구(67)와 연통되는 연료 출구 매니폴드(248)가 상기 일측 코너와 대각선으로 마주하는 타측 코너에 형성되며, 이런 연료 출구 매니폴드(248)도 연료 유로(51)에 연결된다.
이와 같은 구조로 인해 연료 입구 매니폴드(243)를 통해 공급되는 연료 가스는 연료 유로(51)로 유입되고, 연료 유로(51)로부터 연료 출구 매니폴드(248)로 배출된다.
냉각매체 주입구(63)와 연통되는 냉각매체 매니폴드(242)는 분리판 조립체(32)의 중앙에 형성되며, 냉각매체 입구 매니폴드(242)는 냉각매체 유로(53)로 연결된다.
그리고, 분리판 조립체(32)에는 냉각매체 배출구(68)와 연통되는 냉각매체 출구 매니폴드(247)가 상기 중앙과 대각선으로 마주하는 타측 중앙에 형성되며, 이런 냉각매체 출구 매니폴드(247)도 냉각매체 유로(53)에 연결된다.
이와 같은 구조로 인해 냉각매체 입구 매니폴드(242)를 통해 공급되는 냉각매체는 냉각매체 유로(53)로 유입되고, 냉각매체 유로(53)로부터 냉각매체 출구 매니폴드(247)로 배출된다.
한편, 도 5는 기존의 분리판 매니폴드부의 단면이며 유로 구성도면이다..
도 5에 도시된 바와 같이, 요철구조로 되어 있는 채널부(A)에 비해 평면에 홀 가공으로 되어 있는 매니폴드부(B)는 외력에 의한 변형에 취약한 구조로 되어 있으며, 특히 매니폴드부(B) 내측, 유로 입구 부분의 손상은 연료전지 셀의 심각한 성능저하의 원인이 될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명이 적용된 개구부와 요철구조의 사시도이다.
도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 반응가스의 입, 출구가 되는 매니폴드부(B)와 채널부 사이의 개구부(C)에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조를 형성하여, 분리판 적층시 상하판이 맞닿아 서로 지지구조(320)를 이루어, 적층압으로 인한 분리판 변형과 셀 눌림량의 편차로 인한 셀간 성능편차를 줄일 수 있으며, MEA의 처짐으로 인한 유체 이동통로의 면적감소로 인한 셀 성능 저하를 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
30 : 전기 생성부 31 : 막-전극 조립체
32 : 분리판 조립체 33 : 애노드 분리판
34 : 캐소드 분리판 51 : 연료 유로
52 : 산화제 유로 53 : 냉각매체 유로
60 : 앤드 플레이트 62 : 산화제 주입구
63 : 냉각매체 주입구 64 : 연료 주입구
67 : 연료 배출구 68 : 냉각매체 배출구
69 : 산화제 배출구 100 : 연료전지스택
241 : 산화제 입구 매니폴드 246 : 산화제 출구 매니폴드
243 : 연료 입구 매니폴드 248 : 연료 출구 매니폴드
242 : 냉각매체 입구 매니폴드 247 : 냉각매체 출구 매니폴드
301 : 가스켓

Claims (9)

  1. 연료 또는 산화제 통로가 되는 매니폴드;
    상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제를 막-전극 조립체에 공급하는 요철구조의 채널;
    상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제가 상기 채널쪽으로 유입될 수 있도록 분리판의 양면에 형성된 가스켓을 포함하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 매니폴드와 상기 채널을 연결하는 개구부를 포함하고,
    상기 개구부는 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조로 형성되며,
    상기 돌출부는 상기 매니폴드에서 투입된 연료 또는 산화제가 통과할 수 있는 홀을 포함하되,
    상기 가스켓 중 전극면에 형성된 가스켓은 상기 매니폴드와 채널을 분리시키고 상기 개구부로부터 상기 채널 사이에 통로를 구성하도록 채널의 정렬방향으로 배치되고,
    그리고 상기 가스켓 중 냉각면에 형성된 가스켓은 상기 개구부와 상기 채널을 분리시키고 상기 매니폴드로부터 상기 개구부로 통로를 구성하도록 채널의 정렬방향으로 배치된 연료전지용 분리판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 연료전지용 분리판 제조방법에 있어서,
    (a) 상기 분리판용 스테인리스 강판을 준비하는 단계와;
    (b) 상기 분리판의 채널부 성형 전 상기 분리판의 매니폴드로부터 채널로 가스의 통로가 되는 개구부의 홀을 가공하는 단계와;
    (c) 상기 개구부 위에 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조 성형을 포함하여 요철구조의 채널을 갖는 분리판 성형하는 단계와;
    (d) 성형된 상기 분리판의 1면 또는 2면에 고분자 소재의 가스켓을 사출성형하는 단계;를 포함하되,
    상기 매니폴드와 유로 채널 사이에 있는 가스의 통로인 개구부가 선 가공되고, 상기 개구부를 포함하여 내측으로 함몰된 함몰부와 외측으로 돌출된 돌출부가 반복적으로 형성된 요철구조를 채널의 정렬방향으로 반복되게 형성하며,
    그리고, 상기 분리판의 전극면 쪽에서 상기 매니폴드와 상기 개구부 사이의 가스켓은, 상기 매니폴드와 상기 채널을 분리시키는 가스켓을 형성하고,
    상기 개구부와 상기 채널 사이는 상기 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여, 상기 개구부로부터 상기 채널로의 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 분리판용 스테인리스 강판은,
    중량%로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 페라이트계 스테인리스 강판인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 단계 (a)에서, 상기 분리판용 스테인리스 강판은,
    중량%로, C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하, Si: 0.4% 이하, Mn: 0.2% 이하, P: 0.04% 이하, S: 0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0.8% 이하, Ti: 0.5% 이하, Nb: 0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진 두께 0.08mm~0.25mm인 페라이트계 스테인리스 극박 강판인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제4항에 있어서,
    상기 분리판의 냉각면 쪽에서 상기 매니폴드와 상기 개구부 사이의 가스켓은, 상기 채널의 정렬방향으로 다수의 독립된 가스켓을 배치하여 상기 매니폴드로부터 상기 개구부로의 통로를 형성하고,
    상기 개구부와 상기 채널 사이는 상기 개구부와 상기 채널을 분리시키는 구조의 가스켓을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
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