KR101410480B1 - 연료전지의 분리판과 이를 포함하는 연료전지 및 분리판 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 용접라인에 형성된 돌출부에서 가스켓이 안정적으로 압축되면서 연료전지스택 내부 유체의 누설을 방지하기 위해 개선한 고분자 연료전지용 분리판 제조방법이다.
본 발명은 스테인리스 강판을 사용한 연료전지용 분리판에 있어서, (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 스테인리스 강판을 압입하여 제1면 또는 제2면으로 함몰된 채널을 갖는 제1분리판 및 제2분리판을 성형하는 단계와; (c) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판에 형성된 제1면과 제2면을 관통하는 개구부를 성형하는 단계와; 상기 제1분리판과 상기 제2분리판을 정렬하여 고정하는 단계와; 상기 제1분리판과 상기 제2분리판의 채널과 매니폴드 외곽 및 채널과 매니폴드 사이, 그리고 상기 매니폴드 사이를 용접하여 접합하는 단계;를 포함하되, 가스켓과 동일한 곳에 위치하는 용접 라인 양측에는 돌출부가 형성되어, 연료전지스택 적층시 상기 돌출부에서 가스켓이 압축되는 고분자 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.

Description

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

본 발명은 연료전지용 분리판 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접라인에 형성된 돌출부에서 가스켓이 안정적으로 압축되면서 연료전지스택 내부 유체의 누설을 방지하기 위해 개선한 연료전지용 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.

상기한 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.

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

분리판은 막전 극 조립체와 접촉하는 부분에 전극면에 반응가스를 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 막전극 조립체에서 전기화학 반응을 통해 물로 변환되며, 이 과정에서 전기와 열을 발생시킨다. 미반응 연료와 산화제는 연료전지스택 외부로 배출되는데, 전기화학 반응에 사용된 반응가스량과 공급 가스량의 비율을 가스 이용률이라고 한다.

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

일반적으로 연료용 분리판과 산화제용 분리판을 서로 부착하기 위하여 사용되는 용접은 공정 중 용접부의 높은 온도를 발생하며, 이로 인해 분리판 소재가 이러한 용접조건에서 충분한 내식성을 확보하지 않는 소재를 적용할 경우 연료전지스택 운전 시 분리판 소재의 부식 문제를 발생시킬 수 있다.

또한 용접면의 비드 형상이 고르지 않거나, 분리판 두께의 변형, 용접면의 접촉성이 양호하지 못할 경우 스택 적층시 가스켓에 손상을 주거나 거친 용접면의 미세한 틈사이로 반응가스 및 냉각유체의 누설이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 분리판 용접 시 부식에 대한 저항성을 보다 안정적으로 확보하고, 용접부위의 거친 면에서 발생할 수 있는 연료 전지 스택 내부 유체의 누설을 안정적으로 방지할 수 있도록 한 고분자 연료전지의 분리판과 이를 포함하는 연료전지 및 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지의 분리판은, 연료전지의 분리판에 있어서, 상기 분리판은 서로 접합되며 각각 대향되는 일면에 반응가스가 이동되는 채널이 형성된 제1분리판과 제2분리판을 포함하고, 상기 제1분리판 또는 제2분리판은 상호 접합되는 용접라인을 따라 돌출 형성되어 분리판 사이에 설치되는 가스켓을 압축하는 돌출부를 포함하고,
그리고, 상기 돌출부는, 용접라인을 따라 연속적으로 형성되되, 용접라인을 사이에 두고 양쪽에서 돌출 형성되고,
또한, 상기 돌출부의 시작점은 상기 제1분리판과 상기 제2분리판이 서로 접하도록 형성된 것을 그 특징으로 한다.

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본 실시예의 연료 전지는 상기 구조의 분리판을 포함할 수 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지용 분리판 제조방법은, (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와; (b) 상기 스테인리스 강판을 압입하여 일면 또는 양면에 함몰된 채널을 갖는 제1분리판 및 제2분리판을 성형하는 단계와; (c) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판을 관통하는 매니폴더를 성형하는 단계와; (d) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판을 정렬하여 고정하는 단계와; (e) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판 사이를 용접하여 접합하는 단계;를 포함하되, 상기 제1분리판과 상기 제2분리판 접합 전에 용접라인을 따라 상기 제1분리판 또는 상기 제2분리판에 돌출부를 형성하는 단계를 더 포함하여, 연료전지스택 적층시 상기 돌출부에서 가스켓이 압축되는 구조일 수 있다.

본 발명에 있어서, 상기 단계 (a)에서, 상기 스테인리스 강판의 조성물은, 중량%(wt%)로, C: 0 초과~0.02% 이하, N: 0 초과~0.02% 이하, Si: 0 초과~0.4% 이하, Mn: 0 초과~0.2% 이하, P: 0 초과~0.04% 이하, S: 0 초과~0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0 초과~0.8% 이하, Ti: 0 초과~0.5% 이하, Nb: 0 초과~0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어지고,

Mo를 미첨가한 스테인리스 강판의 조성에 V: 0~1.5%, W: 0~2.0%, La: 0~1.0%, Zr: 0~1.0%, B: 0~0.1%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 함유된다.

그리고 상기 스테인리스 강판의 조성물은, Mo: 0 초과 ∼5% 이하를 더 포함하여 된다.

또한 상기 돌출부 중에서 분리판 조립체의 내측에 형성되는 돌출부는 단속적으로 이루어지고, 상기 돌출부의 시작점은 연료전지스택 체결 상태에서 상기 제1분리판과 상기 제2분리판이 서로 접촉하고 있는 상태를 유지하고 있다.

그리고 상기 가스켓은 상기 연료전지용 분리판 조립체와 별도로 적층되고, 상기 분리판 조립체는 상기 가스켓과 오버몰딩을 통하여 일체화될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 개선된 페라이트계 스테인리스 소재의 스테인리스 강판을 사용하여, 용접 시에도 부식에 대한 저항성을 확보하며, 용접면의 양측 또는 일측의 돌출부에서 가스켓이 압축되고, 이로 인하여 안정적으로 연료전지스택 내부 유체의 누설을 방지 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 분리판 소재 용접 후 단면 형상이다.
도 2는 본 발명이 적용된 연료전지스택의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 분리판 조립체의 정면도이다.
도 4는 도 3의 분해 사시도이다.
도 5의 (a) 및 (b)는 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 접착하여 분리판 조립체를 만들기 위한 용접 라인과 연료전지스택 제작시 위치하는 가스켓을 나타내 보인 정면도이다.
도 6은 도 4에서 AA선을 따라 절개하여 나타내 보인 단면도이다.

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

본 발명에 따른 고분자 연료전지 분리판 제조방법은, 우선, 페라이트계 스테인리스강을 준비한다.(단계 110)

본 발명에 따른 고분자 연료전지 분리판 제조방법에 적용된 스테인리스 강재(또는 강판)는, 용접시에도 내부식성이 우수하다.

상기한 스테인리스강의 조성물은, 중량%(wt%)로, C: 0 초과~0.02% 이하, N: 0 초과~0.02% 이하, Si: 0 초과~0.4% 이하, Mn: 0 초과~0.2% 이하, P: 0 초과~0.04% 이하, S: 0 초과~0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0 초과~0.8% 이하, Ti: 0 초과~0.5% 이하, Nb: 0 초과~0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소로 이루어지고 Mo를 미첨가한 스테인리스강의 조성에 V: 0~1.5%, W: 0~2.0%, La: 0~1.0%, Zr: 0~1.0%, B: 0~0.1%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 함유된다.

또한 상기한 조성물은, Mo: 0 초과 ∼5% 이하를 더 포함하여 된다.

이러한 조성을 가지는 스테인리스강을 제강정련연속주조에 의해 생산된 주편을 열간압연, 소둔, 산세, 냉간압연, 광휘소둔 혹은 연속소둔산세공정을 통하여 냉연제품을 제조한다.

이하, 본 발명의 조성범위와 그 한정이유를 더욱 상세히 설명하며, 설명 중 기재된 %는 중량 퍼센트(wt%)이다.

C와 N는 강 중에서 Cr 탄질화물을 형성하며, 그 결과 Cr이 결핍된 층의 내식성이 저하되므로, 양 원소는 낮을수록 바람직하다. 따라서 본 발명에서는 용접부의 내식성을 확보하기 위하여 C: 0.02% 이하, N: 0.02% 이하로, 그 조성비를 제한한다.

Si는 탈산에 유효한 원소이나, 용접부의 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 용접부의 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 P의 조성비를 0.04% 이하로 제한한다.

S은 MnS를 형성하며, 이러한 MnS은 부식의 기점이 되어 내식성을 감소시키는 원소 이외에 용접부 입계편석에 의한 취화를 나타내므로, 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 연료전지 작동되는 환경 분위기에서 내식성을 증가시키는 역할을 하나, 고가의 소재로 상용화에 적합하지 않아 본 발명에서는 기본적으로 Mo를 첨가하지 않는다. 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 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 원소이고 입계예민화 방지를 위해 유효하나 과잉 첨가시 인성을 저하시키므로, 본 발명에서는 이를 고려하여 각각의 조성비를 0.5% 이하로 제한한다.

이 외에도, 1 종 또는 2 종 이상의 V, W, La, Zr 및 B가 첨가될 수 있으며, 이들의 조성비는 다음과 같다.

V은 용접부의 내식성을 증가시키나, 과잉 첨가시 용접부 인능이 저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이를 고려하여 V의 조성비를 0.1~1.5%로 제한한다.

W은 용접부의 내식성을 증가시키나, 과잉 첨가 시 인성을 저하시킨다. 따라서, 본 발명에서는 이를 고려하여 W의 조성비를 0.1~2.0%로 제한한다.

La은 강 중에서 용접부의 인성을 증가시키나, 과잉 첨가시 노즐 클로깅(clogging) 등의 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명에서는 이를 고려하여 La의 조성비를 0.0005~1.0%로 제한한다.

Zr은 용접부의 내식성을 증가시키지만, 과잉 첨가 시 표면결함을 유발하므로, 본 발명에서는 Zr의 조성비를 0.0005~1.0%로 제한한다.

B는 강 중에서 질화물을 형성하고, 입계예민화를 개선하지만 과잉 첨가 시 표면결함을 유발하므로, 본 발명에서는 B의 조성비를 0.0005~0.1%로 제한한다.

본 발명에 적용된 스테인리스강의 조성과 제조된 박판소재의 용접부 내식성을 평가한 결과는 [표 1]에 나타내었다.

강종	C	Si	Mn	P	S	Al	Cr	Ni	Cu	Ti	Nb	Mo	기타	N	용접부부식
발명예1	0.006	0.303	0.14	<0.003	<0.002	0.027	28.55	0.181	0.412	0.041	0.241	3.19	□	0.009	부식없음
발명예2	0.008	0.341	0.146	<0.003	<0.002	0.039	30.66	0.181	0.442	0.041	0.245	2.03	0.0013La	0.012	부식없음
발명예3	0.008	0.263	0.145	<0.003	<0.002	0.055	29.68	0.184	0.429	0.051	0.243	2	0.002Zr	0.008	부식없음
발명예4	0.007	0.24	0.151	<0.003	<0.002	0.041	30.42	0.185	0.964	0.05	0.247	2.03	□	0.009	부식없음
발명예5	0.009	0.267	0.148	<0.003	<0.002	0.04	30.75	0.183	0.455	0.049	0.243	2.03	0.363V	0.009	부식없음
발명예6	0.005	0.162	0.152	0.003	<0.003	0.046	29.96	0.747	0.957	0.052	0.26	2	□	0.005	부식없음
발명예7	0.006	0.126	0.15	<0.003	<0.003	0.043	30.16	0.1	0.97	0.05	0.25		□	0.009	부식없음
발명예8	0.008	0.11	0.151	<0.003	<0.003	0.083	30.19	0.11	0.98	0.056	0.26		0.37W	0.009	부식없음
발명예9	0.004	0.124	0.121	<0.003	<0.003	0.037	30.1	0.12		0.051	0.24		0.4V	0.008	부식없음
발명예10	0.005	0.113	0.143	<0.003	<0.003	0.035	30.11	0.11		0.05	0.25			0.009	부식없음
발명예11	0.007	0.128	0.128	<0.003	<0.003	0.041	3.01		0.97	0.05	0.25		0.4V	0.0090.009	부식없음
발명예12	0.006	0.111	0.137	<0.003	<0.003	0.025	30		0.98	0.056	0.26			0.009	부식없음
비교예	0.008	0.4	0.34	0.003<	<0.002	0.003	19.33	0.14	0.45		0.43	0.01	□0.98V	0.008	국부부식

한편, 본 발명의 출원인은, 레이저 출력 350W에서 용접속도 10m/분, Ar 보호가스 유량 20Liter/분을 사용하여 [표 1]의 0.2 mm 두께의 소재들에 대하여 분리판 2매 겹치기 레이저 용접을 실시하여 분리판 용접부 평가용 시험편을 제작하였다.

도 1은 [표 1]에서 발명예 10의 용접 후 단면 형상이다.

용접부 내식성 평가는 70℃, 1M 황산 +2 ppm F 용액에서 3500시간 동안 침지하여 이들 국부적인 부식이나 부식 생성물을 육안으로 관찰하였다. 개발강에 대해서는 용접부의 국부적인 부식이나 부식 생성물을 관찰할 수 없었으나, 비교강재는 국부적인 부식이 심하게 발생함을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이 제조된 스테인리스 강판을 압입하여 일면 또는 양면으로 함몰된 채널을 갖는 제1분리판 및 제2분리판(후술하는 33,34)을 성형한다.(단계 120)

그리고 상기 제1분리판과 제2분리판을 관통하는 개구부(매니폴드)를 성형하여, 연료전지용 분리판을 성형한다.(단계 130)

매니폴드는 제1분리판과 제2분리판에 각각 성형하여 분리판으로 성형하거나 분리판으로 성형 후 매니폴드를 성형할 수 있다.

이어서, 상기 제1분리판과 제2분리판을 정렬하여 고정한다.(단계 140)

또한 도 5의 (a) 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1분리판과 제2분리판을 용접하여 접합한다.(단계 150)

제1분리판과 제2분리판의 용접부위는 예를 들어, 매니폴드 외곽 또는 채널과 매니폴드 사이 또는 상기 매니폴드 사이일 수 있다.

그리고 후술하는 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 가스켓(301)과 동일한 곳에 위치하는 용접라인(245)에는 가스켓(301)쪽으로 돌출되는 돌출부(80)가 형성되어, 연료전지스택 적층시 가스켓(301)을 압축하는 구조로 되어 있다. 상기 돌출부(80) 용접라인을 따라 연속적으로 이루어진다.

또한 상기 돌출부의 시작점(81)은 연료전지스택 체결 상태에서 제1분리판과 제2분리판이 서로 접촉하고 있는 상태를 유지하고 있다.

상기 돌출부(80)는 용접부위를 사이에 두고 양쪽에서 돌출 형성되어 용접부위 양 옆을 감싸는 형태로 형성된다. 상기 돌출부(80)의 형성 높이는 가스켓의 두께와 가스켓을 가압하는 정도에 따라 다양하게 설정할 수 있다.

상기 가스켓은 연료전지용 분리판 조립체와 별도로 적층된다.

상기 분리판 조립체는 가스켓과 오버몰딩을 통하여 일체화된다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연료전지스택을 도시한 분해 사시도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 분리판에 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 3에 도시된 바와 같이, 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.

그리고 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 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 본 발명에 따른 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.

또한 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.

위와 같은 복수의 전기 생성부(30)가 연속적으로 배치됨으로써 연료전지스택(100)을 구성하게 되며, 연료전지스택(100)의 최 외각에는 연료전지스택(100)을 일체로 고정하는 엔드 플레이트(60)가 설치된다.

일측 엔드 플레이트(60)에는 산화제를 연료전지스택(100)으로 공급하기 위한 산화제 주입구(62)와 연료를 연료전지스택(100)으로 공급하기 위한 연료 주입구(64)와, 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.

또한 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 나타내 보인 것이며, 도 5는 애노드 분리판(33)과 캐소드 분리판(34)을 접착하여 상기 분리판 조립체(32)를 만들기 위한 용접 라인(245)과 가스켓(301)을 점선으로 나타내었다.

상기 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.

그리고 상기 분리판 조립체(32)는 애노드 분리판(33)과 캐소드 분리판(34)을 접합하고, 이로 인하여 반응가스 유로의 배면에 형성되는 공간을 냉각매체 유로(53)로 활용 할 수 있으며, 이에 따라 전기 에너지와 함께 발생되는 반응열을 제거한다.

이어서, 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.

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.

또한 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.

상기한 본 발명에 따른 실시예의 작용에 대하여 설명한다.

도 5의 (a) 및 (b) 그리고 도 6에 도시된 바와 같이, 연료전지스택(100) 제작 시 막전극 조립체(31)와 분리판 조립체(32) 사이에 가스켓(301)을 배치한 후 적정한 체결 하중을 가하며, 이를 통해 분리판 조립체(32)의 용접 라인(245) 양측에 형성된 돌출부(80) 상단과 가스켓(301)에서 일정 면압을 유지하도록 한다.

또한 상기 돌출부(80)의 형상이 시작되는 상기 돌출부 시작점(81)은 분리판 조립체(32)에서 서로 맞붙는 구조를 이루고 있다.

이로 인하여 상기 가스켓(301)은 상기 용접 라인(245)의 거친 면을 회피하여 각 반응가스와 냉각매체(coolant)의 혼합 및 연료전지스택(100) 외부로의 누출을 안정적으로 방지 할 수 있으며, 상기 돌출부(80)의 구조를 통하여 가스켓(301)으로부터 전달되는 하중을 지지 할 수 있다.

한편, 상기한 실시예와는 다른 실시예를 설명하면, 도면에는 도시하지 않았으나, 가스켓은 분리판 조립체에 오버몰딩을 통하여 일체화하여, 연료전지스택 제작 시 별도의 가스켓 배치 작업을 줄일 수 있다.

따라서 연료전지스택 제작 작업이 간편해지며, 가스켓을 보다 정확한 위치에 안정적으로 배치시켜 셀간 면압 편차 등을 줄일 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 : 막전극 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 80 : 돌출부
81 : 돌출부 시작점 100 : 연료전지스택
241 : 산화제 입구 매니폴드 245 : 용접라인
246 : 산화제 출구 매니폴드 243 : 연료 입구 매니폴드
248 : 연료 출구 매니폴드 242 : 냉각매체 입구 매니폴드
247 : 냉각매체 출구 매니폴드 301 : 가스켓
311 : 멤브레인 312 : GDL

Claims (9)

1. 연료전지의 분리판에 있어서,
   상기 분리판은 서로 접합되며 각각 대향되는 일면에 반응가스가 이동되는 채널이 형성된 제1분리판과 제2분리판을 포함하고,
   상기 제1분리판 또는 제2분리판은 상호 접합되는 용접라인을 따라 돌출 형성되어 분리판 사이에 설치되는 가스켓을 압축하는 돌출부를 포함하고,
   그리고, 상기 돌출부는, 용접라인을 따라 연속적으로 형성되되, 용접라인을 사이에 두고 양쪽에서 돌출 형성되고,
   또한, 상기 돌출부의 시작점은 상기 제1분리판과 상기 제2분리판이 서로 접하도록 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항의 분리판을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지.
6. (a) 스테인리스 강판을 준비하는 단계와;
   (b) 상기 스테인리스 강판의 일면 또는 양면에 함몰된 채널을 갖는 제1분리판 및 제2분리판을 성형하는 단계와;
   (c) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판에 매니폴드를 관통 성형하는 단계와;
   (d) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판을 정렬하여 고정하는 단계와;
   (e) 상기 제1분리판과 상기 제2분리판 사이를 용접하여 접합하는 단계;를 포함하되,
   상기 제1분리판과 상기 제2분리판 접합 전에 용접라인을 따라 상기 제1분리판 또는 상기 제2분리판에 돌출부를 형성하는 단계를 더 포함하여, 연료전지스택 적층시 상기 돌출부에서 가스켓이 압축되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 제조방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 단계 (a)에서, 상기 스테인리스 강판의 조성물은,
   중량%(wt%)로, C: 0 초과~0.02% 이하, N: 0 초과~0.02% 이하, Si: 0 초과~0.4% 이하, Mn: 0 초과~0.2% 이하, P: 0 초과~0.04% 이하, S: 0 초과~0.02% 이하, Cr: 25.0~32.0%, Cu: 0~2.0% ,Ni: 0 초과~0.8% 이하, Ti: 0 초과~0.5% 이하, Nb: 0 초과~0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 원소를 포함하고,
   Mo를 미첨가한 스테인리스 강판의 조성에 V: 0~1.5%, W: 0~2.0%, La: 0~1.0%, Zr: 0~1.0%, B: 0~0.1%로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 제조방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 스테인리스 강판의 조성물은, Mo 이 0 초과 ∼5% 이하로 더 포함된 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 제조방법.
9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 분리판은 상기 가스켓과 오버몰딩을 통하여 일체화되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 분리판 제조방법.

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