KR101410478B1 - 연료전지의 분리판과 이를 포함하는 연료전지 및 분리판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매니폴드와 채널의 연결 부위의 친수 및 발수 처리를 통하여 반응가스 유로 내의 응축수를 용이하게 배출할 수 있도록 개선된 고분자 연료전지용 분리판 제조방법이다.
본 발명은 스테인리스 강판을 사용한 연료전지용 분리판에 있어서, (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리하는 단계와; (c) 상기 스테인리스 강판을 압입하여 제1면 또는 제2면으로 함몰된 채널을 갖는 분리판을 성형하는 단계와; (d) 상기 분리판에 성형된 제1면과 제2면을 관통하는 매니폴드를 성형하는 단계;를 포함하되, 상기 분리판에 형성된 출구측 매니폴드와 채널의 연결 부위에 친수 처리 단계에 앞서, 마스킹하여 친수 처리되지 않는 상기 스테인리스 강판의 표면으로 남겨두는 공정을 통하여 발수로 표면 처리하는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지의 분리판과 이를 포함하는 연료전지 및 분리판 제조방법{FUEL CELL AND PEMFC BIPOLAR PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING PEMFC BIPOLAR PLATE}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 매니폴드와 채널의 연결 부위의 친수 및 발수 처리를 통하여 반응가스 유로 내의 응축수를 용이하게 배출할 수 있도록 개선된 연료전지의 분리판과 이를 포함하는 연료 전지 및 분리판 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 막전극 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.

그리고 막전극 조립체의 외측에는 막전극 조립체를 기계적으로 지지함과 동시에 인접하는 막전극 조립체를 서로 전기적으로 접속하기 위한 도전성을 갖는 분리판이 설치되어 단위 셀을 형성한다.

또한 분리판은 막전 극 조립체와 접촉하는 부분에 전극면에 반응가스를 공급하고 잉여가스와 반응 생성물을 운반하기 위한 유로를 형성하고 있다. 상기 유로는 분리판과 별도로 설치될 수도 있지만 분리판의 표면에 홈 형태로 형성되는 것이 일반적이다.

그리고 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 막전극 조립체에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료전지 스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.

또한 전기화학 반응에서 발생한 열을 배출하기 위하여 하나 또는 수개의 단위 셀마다 냉각 매체가 유동하는 냉각부가 설치된다. 상기 냉각부는 일 측에 연료가스 유로를 구비하고, 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 연료용 분리판과, 일측에 산화제가스 유로를 구비하고, 그 반대측에 냉각매체를 위한 냉각유로를 구비한 산화제용 분리판을 서로 부착하는 방법이 많이 사용된다.

일반적으로 고분자 전해질 연료전지는 전해질막에서 수소 이온의 전도성을 향상시키기 위하여 반응가스(연료 및 산화제)를 공급할 때, 일정 수준 이상으로 가습해서 공급한다.

한편, 캐소드 측에서는 전기화학 반응에 의해 서 물이 생성되기 때문에, 반응가스의 노점온도가 연료전지 작동 온도보다 높으면 가스 유로나 전극 내부에서 수증기 응축에 의한 물방울이 발생한다.

이러한 것을 플러딩(flooding) 현상이라고 하는데, 플러딩 현상은 반응가스의 불균일한 유동 및 전극에서 반응가스의 결핍을 유발하여 연료전지의 성능을 저하시키는 원인이 된다.

상기한 플러딩 현상은 캐소드 전극뿐만 아니라 전해질막을 통과해 전달된 물에 의해 애노드 전극에서도 발생할 수 있다. 특히, 애노드 측에서 이러한 응축수에 의한 가스유로 막힘 현상이 발생한 경우에는 연료가스의 결핍을 초래하고, 이것은 전극의 비가역적 손상을 초래하게 된다.

이것은 연료가스가 부족한 상태로 부하전류가 강제로 가해지면 연료가 없는 상태에서 전자와 프로톤을 만들기 위해서 애노드의 촉매를 담지하고 있는 카본이 물과 반응하기 때문이다.

이러한 반응의 결과로 애노드 측 촉매 의 손실이 발생하게 되고 유효전극면적의 감소를 초래하여 연료전지 성능을 저하시킨다.

상기한 플러딩 현상을 방지하고 연료전지 성능을 안정화시키기 위하여 공급하는 반응가스의 노점온도를 연료전지 작동온도보다 상당히 낮게 가습하여 공급하기도 하는데, 이 경우 플러딩 현상은 억제할 수 있지만, 반응가스 입구 부근의 전해질막이 충분히 가습되지 못해 전기화학 반응이 충분히 일어나지 못하며 전해질막의 수명이 단축되는 문제가 발생한다.

상기한 플러딩 현상을 해소하기 위한 다른 방법으로는, 분리판의 유로에서 반응가스의 유속을 빠르게 하여 응축된 물을 배출시키는 방법이 있다.

하지만, 이 경우에는 필요 이상의 반응가스를 연료전지로 공급해야 하기 때문에 가스 이용률이 낮아지고 반응가스를 공급하기 위한 송풍기 혹은 팬의 기생전력(parasitic power)이 크게 증가하는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 매니폴드와 채널 사이에 존재하는 응축수를 원활히 배출할 수 있도록 한 연료전지의 분리판 이를 포함하는 연료 전지 및 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지의 분리판은, 연료전지의 분리판에 있어서, 상기 분리판은 일면 또는 양면에 함몰 형성되어 반응가스가 이동되는 채널과, 상기 채널로 연결되어 반응가스를 공급하는 입구 매니폴드, 상기 채널에 연결되어 반응가스가 배출되는 출구 매니폴드를 포함하고,
상기 채널은, 입구 매니폴드와 연결되는 부위가 친수 처리된 구조이고, 출구 매니폴드와 연결되는 부위가 발수 처리된 구조이며,
그리고, 상기 채널의 친수 처리 부위는 입구 매니폴드에서 채널로 갈수록 단면적이 점차 감소하고, 상기 채널의 발수 처리 부위는 채널에서 출구 매니폴드로 갈수록 단면적이 점차 증가하는 것을 그 특징으로 한다.

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상기 분리판은 스테인리스 강판으로 이루어질 수 있다.

본 실시예의 연료전지는 상기 구조의 분리판을 포함할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 분리판 제조방법은, (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리하는 단계와; (c) 상기 스테인리스 강판을 압입하여 일면 또는 양면에 함몰된 채널을 갖는 분리판을 성형하는 단계와; (d) 상기 분리판을 관통하는 매니폴드를 성형하는 단계;를 포함하되, 상기 분리판에 형성된 출구측 매니폴드와 채널의 연결 부위에 친수 처리 단계에 앞서, 마스킹하여 친수 처리되지 않는 상기 스테인리스 강판의 표면으로 남겨두는 공정을 통하여 발수로 표면 처리하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (a)에서, 상기 스테인리스 강판의 조성물은, 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: 0.8이하, Ti: 0.5 이하, Nb: 0.5 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어진다.

그리고 상기 분리판에서 입구측 반응가스가 이동하는 단면적은 매니폴드에서 채널로 이동하면서 감소하고, 상기 분리판에서 출구측 반응가스가 이동하는 단면적은 채널에서 매니폴드로 이동하면서 증가한다.

또한 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리는, (A) 10∼20중량% 황산수용액에서 50∼75℃의 온도로 산세정하여 제1 부동태 피막을 제거하는 단계와; (B) 상기 스테인리스 강판을 수세하는 단계와; (C) 상기 스테인리스 강판을 10∼20중량% 질산과, 1∼10중량% 불산의 혼산에서 40∼60℃의 온도로 부동태화 처리하여 상기 제2 부동태 피막을 형성하는 단계;를 포함하여 된다.

그리고 상기 부동태 피막의 두께는 2∼4.5㎚로 형성되고, Cr/Fe 산화물비가 1.5㎚ 이내의 영역 내에서 1.5 이상이며, Cr(OH)3/Cr산화물 분포도가 1㎚ 영역 내에서 0∼0.7의 비로 확보된다.

또한 상기 채널 단면적이 좁은 곳에서 넓은 곳으로 연결될 때 모세관 현상에 의해 채녈 표면이 친수인 경우, 물방울은 채널 단면적이 좁은 곳으로 이동하며, 채널 표면이 발수인 경우 물방울은 채널 단면적이 넓은 곳으로 이동한다.

그리고 반응가스가 유입되는 입구 부위에서는 상기 채널의 단면적이 작아지게 되며, 해당 위치에서는 상기 분리판의 표면을 친수로 처리하고, 반응가스가 배출되는 출구 부위에서는 상기 채널의 단면적이 커지고, 해당 위치에서는 분리판 표면을 발수로 처리한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 매니폴드에서 채널로 연결되는 입구 부분에서는 단면적이 감소하게되는 형상으로 분리판 표면이 친수성을 갖게 되며, 이로 인하여 응축수가 채널 내부로 원활하게 이동하고, 채널에서 매니폴드로 연결되는 출구 부분에서는 단면적이 증가하게 되는 형상으로 분리판 표면이 발수성을 갖게 되며, 이에 따라 응축수가 매니폴드 측으로 원활하게 배출될 수 있어, 플러딩 현상을 개선하여 발전 성능의 저하 없이 안정적으로 전기 에너지를 생산할 수 있다.

도 1은 본 발명의 연료전지 분리판 조립체 제조 과정이다.
도 2는 본 발명의 분리판이 적용된 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 분리판 조립체의 정면도이다.
도 4는 도 3의 분리판 조립체의 분해 사시도이다.
도 5는 채널 단면적이 변하는 형상에서의 채널 표면 성질에 따른 물방울의 이동 방향을 나타내 보인 설명도이다.
도 6은 반응가스 매니폴드와 반응가스 유로가 연결되는 부위를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 고분자 연료전지용 분리판 제조방법은, 우선, 페라이트계 스테인리스 강판을 준비한다.(단계 110)

한편, 본 발명에 따라 제조된 연료전지용 분리판은, 고분자 연료전지 내 작동환경 하에서 적절한 내식성을 확보하기 위해 Cr 함유가 많은 스테인리스 강판이다.

상기 페라이트계 스테인리스 강판의 조성물은, 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 원소를 포함하여 이루어진다.

상기한 페라이트계 스테인리스 강판의 조성물의 조성범위 및 한정 이유를 상세히 설명한다. 이하 설명에서 기재된 %는 중량%(wt%)이다.

우선, 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.

Mo는 작동되는 환경 분위기에서 내식성을 증가시키는 역할을 하나, 과잉첨가시 인성을 감소시키는 효과 및 경제성에서 열위하다. 따라서 본 발명에서는 기본적으로 Mo를 첨가하지 않는다.

이와 같이 Mo를 첨가하지 않는 경우에도 본 발명이 원하는 효과를 얻을 수 있다. 다만, 내식성 개선이 특히 필요한 경우에는 Mo를 추가로 첨가하는 것도 가능하다. 이 경우 그 함량은 5% 이하의 범위로 제한하는 것이 바람직하다.

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.

이어서, 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리한다.(단계 120)

그리고 상기 스테인리스 강판을 압입하여 일면 또는 양면에 함몰된 채널을 갖는 분리판을 성형한다.(단계 130)

이어서, 상기 분리판을 관통하는 매니폴드를 성형하고, 연료전지용 분리판을 성형한다.(단계 140)

한편, 상기 분리판에 형성된 출구측 매니폴드와 채널의 연결 부위에 친수 처리 단계에 앞서, 마스킹하여 친수 처리되지 않는 상기 스테인리스 강판의 표면으로 남겨두는 공정을 통하여 발수로 표면 처리한다.

그리고 상기 분리판에서 입구측 반응가스가 이동하는 단면적은 매니폴드에서 채널로 이동하면서 감소한다.

또한 상기 분리판에서 출구측 반응가스가 이동하는 단면적은 채널에서 매니폴드로 이동하면서 증가한다.

그리고 상기 단계 120에서, 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리는, 10∼20중량% 황산수용액에서 50∼75℃의 온도로 산세정하여 광휘소둔 혹은 소둔·산세에 의하여 형성된 표면의 제1 부동태 피막을 제거한다.(단계 121)

이어서, 상기 스테인리스 강판을 수세한다.(단계 123)

또한 상기 스테인리스 강판을, 10∼20중량% 질산과, 1∼10중량% 불산의 혼산에서 40∼60℃의 온도로 부동태화 처리하여 제2 부동태 피막을 형성한다.(단계 125)

이때 상기 제2 부동태 피막의 두께는 2~4.5㎚ 형성되고, Cr/Fe 산화물비가 1.5㎚ 이내의 영역 내에서 1.5 이상이며, Cr(OH)3/Cr 산화물 분포도가 1㎚ 영역 내에서 0∼0.7의 비로 확보된다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 고분자 연료전지용 분리판 제조방법의 실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 스테인리스 강판의 제조 순서도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 고분자 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 막전극 조립체(Membrane Electrode assembly: MEA)(31) 및, 반응가스인 연료와 산화제를 막전극 조립체(31)로 공급하기 위해 제작된 분리판 조립체(32)를 포함한다.

도 3은 상기 분리판 조립체(32)이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 분리판 조립체(32)는 막전극 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 막전극 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 발명이 적용되는 연료전지스택(100)은, 통상적인 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹(cracking)된 수소를 연료로서 사용할 수 있다. 이 경우 연료전지스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지(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 본 발명에 따른 연료전지스택(100)은 전기 생성부(30)에 의한 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반응을 통해 전기 에너지를 발생시키는 직접 산화형 연료 전지(Direct Oxidation Fuel Cell) 방식으로서 구성될 수 있다.

그리고 연료전지스택(100)은 연료와 반응하는 산화제로서 별도의 저장수단에 저장된 순수한 산소를 사용할 수 있으며, 산소를 함유하고 있는 공기를 그대로 사용할 수도 있다.

막전극 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 막전극 조립체(31)의 애노드 전극 측에 배치되고, 산화제 유로(52)가 형성된 면은 막전극 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.

그리고 상기 분리판 조립체(32)는, 그 양면에 홈과 같은 채널 형상의 반응가스 유로가 형성되어, 이런 반응가스 유로를 통해 반응가스가 유입된다. 여기서 반응가스 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 막전극 조립체(31)를 향하는 일면에 연료 유로(51)가 형성되고, 이런 연료 유로(51)로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입되며, 캐소드 분리판(34)은 막전극 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 반응가스 유로의 배면에 형성되는 공간을 냉각매체 유로(53)로 활용 할 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.

그리고 상기 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.

또한 상기 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, 상기 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 상기 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.

또한 상기 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.

그리고 도 5는 관의 단면적이 변하는 부위에서 표면상태에 따른 물의 이동 방향을 나타내 보인 도면이다.

도 5를 참조하면, 채널 단면적이 좁은 곳에서 넓은 곳으로 연결될 때 모세관 현상에 의해 채녈 표면이 친수인 경우 물방울은 채널 단면적이 좁은 곳으로 이동하며, 반대로 채널 표면이 발수인 경우 물방울은 채널 단면적이 넓은 곳으로 이동하게 된다.

또한 도 6은 반응가스 매니폴드와 반응가스 유로가 연결되는 부위를 도시한 도면이다.

본 발명에서는 반응가스가 유입되는 입구 부위에서는 채널의 단면적이 작아지게 되며, 해당 위치에서는 분리판의 표면을 친수로 처리하게 된다.

또한 반응가스가 배출되는 출구 부위에서는 채널의 단면적이 커지고 해당 위치에서는 분리판 표면을 발수로 처리한다.

이와 같이 본 실시예에서는 외부에서 가습된 반응가스가 연료전지스택 내부로 유입되어 매니폴드를 통해 반응가스 유로로 이동할 때, 반응가스 내에서 응축된 물방울을 반응가스 유로 내부로 원활하게 이동시키고, 전기화학 반응 후 생성된 물방울을 반응가스 유로에서 매니폴드로 원활하게 배출하여, 압력강하의 증가를 최소화하여 안정적인 연료전지스택의 운전이 가능하도록 한다.

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.

100 : 연료 전지 스택 30 : 전기 생성부
31 : 막전극 어셈블리 32 : 금속분리판 어셈블리
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
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 (11)

1. 연료전지의 분리판에 있어서,
   상기 분리판은 일면 또는 양면에 함몰 형성되어 반응가스가 이동되는 채널과, 상기 채널로 연결되어 반응가스를 공급하는 입구 매니폴드, 상기 채널에 연결되어 반응가스가 배출되는 출구 매니폴드를 포함하고,
   상기 채널은, 입구 매니폴드와 연결되는 부위가 친수 처리된 구조이고,
   출구 매니폴드와 연결되는 부위가 발수 처리된 구조이며,
   그리고, 상기 채널의 친수 처리 부위는 입구 매니폴드에서 채널로 갈수록 단면적이 점차 감소하고,
   또한, 상기 채널의 발수 처리 부위는 채널에서 출구 매니폴드로 갈수록 단면적이 점차 증가하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 분리판은 스테인리스 강판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
6. 제1항에 있어서,
   상기 분리판은 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 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
7. 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지.
8. (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와;
   (b) 상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리하는 단계와;
   (c) 상기 스테인리스 강판의 일면 또는 양면에 함몰된 채널을 갖는 분리판을 성형하는 단계와;
   (d) 상기 분리판에 매니폴드를 관통 성형하는 단계;를 포함하고,
   (e) 상기 친수 처리 단계 전에 상기 분리판의 출구쪽 매니폴드와 채널의 연결 부위를 마스킹하는 단계를 포함하여,
   상기 분리판의 출구쪽 매니폴드와 채널의 연결 부위는 친수 처리되지 않고 발수 표면으로 남기는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 단계 (a)에서, 상기 스테인리스 강판의 조성물은,
   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 원소를 포함하는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법.
10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 스테인리스 강판의 표면을 친수로 처리하는 단계는,
    (A) 10∼20중량% 황산수용액에서 50∼75℃의 온도로 산세정하여 제1 부동태 피막을 제거하는 단계와;
    (B) 상기 스테인리스 강판을 수세하는 단계와;
    (C) 상기 스테인리스 강판을 10∼20중량% 질산과, 1∼10중량% 불산의 혼산에서 40∼60℃의 온도로 부동태화 처리하여 제2 부동태 피막을 형성하는 단계;를 포함하는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 부동태 피막의 두께는 2∼4.5㎚로 형성되고, Cr/Fe 산화물비가 1.5㎚ 이내의 영역 내에서 1.5 이상이며, Cr(OH)3/Cr산화물 분포도가 1㎚ 영역 내에서 0∼0.7의 비로 확보되는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법.

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