KR101417056B1 - 연료전지 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 분리판의 냉각유로 접촉면간에 평탄도 및 접촉면적 증대를 위하여 전기전도성이 우수한 금속 매개물을 개재하여, 연료전지 분리판의 제작시 및 제작후의 뒤틀어짐에 따른 형상 편차를 보정해줄 수 있도록 한 연료전지 분리판에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 연료전지 분리판의 랜드부 사이에 접촉면적으로 증대시킬 수 있는 메탈 폼을 개재하여, 펀칭시 뒤틀어짐 및, 리코일링, 스프링백 등의 현상으로 인한 형상 편차를 보정해줄 수 있도록 하고, 각 랜드부의 평탄도가 미흡한 부분의 접촉면적을 증대시키는 동시에 냉각유로면에서의 접촉저항을 낮추어 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 분리판을 제공하고자 한 것이다.

연료전지, 분리판, 랜드부, 평탄도, 접촉면적, 냉각유로, 메탈 폼

Description

연료전지 분리판{Separator for fuel cell}

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 분리판의 냉각유로 접촉면간에 평탄도 및 접촉면적 증대를 위하여 전기전도성이 우수한 금속 매개물을 개재하여, 연료전지 분리판의 제작시 및 제작후의 뒤틀어짐 등으로 인한 형상 편차를 보정해줄 수 있도록 한 연료전지 분리판에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지는 수소(H₂)와 산소(O₂)를 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 장치로서, 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 수소이온(H+)이 전달되는 전해질막(electrolyte membrane)을 사이에 두고 수소(H₂)가 공급되는 연료극(anode)과 공기가 공급되는 공기극(cathode)이 배치되고, 연료극 및 공기극의 바깥쪽으로는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer)이 배치된 구조의 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly; MEA)를 포함하고 있다.

또한, 상기 가스확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 적층 구성되는 바, 상기 막-전극 어셈블리와 분리판이 순차적으로 적층된 것을 연료전지스택이라 한다.

따라서, 한쪽의 전극(연료극 혹은 수소극)에는 연료인 수소 혹은 수소가 다량 함유된 혼합가스를 공급하고, 또 다른쪽의 전극(공기극)에는 산소 혹은 산소가 함유된 공기를 공급할 때 발생하는 전기화학반응을 이용하여 전기에너지를 끌어내도록 하고 있다.

즉, 연료극으로 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(electron, e-)로 분해되고, 분해된 수소이온은 전해질을 통과하여 공기극으로 이동하게 되고, 이 공기극에서는 연료극에서 이동해 온 수소이온(H+)과 외부도선을 통하여 이동한 전자 (electron, e-) 및 공기극으로 공급된 산소가 전극에서 만나서 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 통하여 전기에너지를 생성하게 된다.

연료전지 스택의 구성중 분리판의 경우, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 통상 연료전지반응에 의한 열 관리를 위하여 2장의 판을 접착 등의 방법으로 구성하고, 이 분리판의 가운데 부분 공간에 냉각수를 흘려주는 구조로 되어 있다.

이러한 연료전지 분리판에 있어서, 특히 수송용 연료전지의 상용화를 위한 가격저감을 위하여 종래의 흑연소재에 대한 기계가공을 통한 분리판 대신 소재비와 공정비가 저렴한 성형가공의 형태를 취한 분리판 개발이 활발히 이루어지고 있다.

좀 더 구체적으로는, 탄소 분말과 고분자 결합재를 적정 비율로 혼합하여 금형을 통해 분리판을 2장의 판으로 구비한 후, 이를 접착하여 제작하는 흑연성형 분 리판과, 전기전도성이 우수한 금속 판재를 성형하여 사용하는 금속성형 분리판이 제조되고 있다.

물론, 상기 금속성형 분리판의 경우, 모재의 선정형태에 따라 연료전지 반응이 일어나는 부분에 대해 부식을 방지 혹은 지연시키기 위한 내식성 코팅을 하는 것이 많이 알려져 있다.

여기서, 종래의 금속성형 분리판의 제작 방법을 순서대로 살펴보면 다음과 같다.

첨부한 도 3a에 도시된 바와 같이, 먼저 일정 면적의 메탈 시트(1)를 구비하여, 요철 구조를 갖는 다이(2: die)상에 배열시키며, 그 위에는 다이와 동일한 요철 구조를 갖는 펀치(3)가 배치된다.

이어서, 첨부한 도 3b에 나타낸 바와 같이 상기 펀치(3)의 가압력에 의하여 메탈 시트(1)가 다이(2)상에서 프레싱되어, 요철 구조로 성형 제작된다.

이렇게 제작된 메탈시트 2개를 겹쳐지게 한 후, 그 접촉면을 접착 등의 방법으로 접착시킴으로써, 분리판의 성형 제작이 완료된다.

이렇게 완성된 분리판을 스택에 체결시킨 상태의 구조를 살펴보면, 첨부한 도 5에 도시된 바와 같이 상기 분리판(10)의 제1판(12)은 막-전극 어셈블리의 연료극 또는 공기극쪽을 바라보며 배열되는 바, 오목한 공간을 이루는 제1판의 연료(수소) 또는 공기유로(16)가 연료극 또는 공기극을 바라보며 배열된다.

특히, 상기 제1판(12,14)에 제2판의 접착부 즉, 랜드부(20)가 접착된 상태에서, 제1판(12)과 제2판(14)의 사이 공간은 냉각수 흐름유로로 형성된다.

다시말해서, 상기 제1판(12)과 제2판(14)의 랜드부(20)가 접착되고, 서로 마주보게 되는 제1판(12)과 제2판(14)의 오목한 부분이 냉각수 유로(18)로 형성된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 금속성형 분리판은 다음과 같은 문제점이 있었다.

금형설계와 성형조건에 따라 달라지지만 통상 반응면적이 200 ~ 350㎠에 달하는 넓은 면적을 가지는 금속성형 분리판의 경우, 그 스탬핑 제작시 냉각 분리판을 구성하는 2장의 판 즉, 메탈 시트가 약간씩 뒤틀어지는 현상을 보이고 있다.

이러한 뒤틀림 현상의 원인은 펀치의 가압으로 메탈 시트가 소정의 형상으로 벤딩되면, 1차적으로 벤딩된 부분에서 리코일링(Recoiling: 되튐 현상)이 현상이 발생하고, 벤딩된 부분의 부분적인 두께 감소(Local thinning)와 더불어, 2차적으로 벤딩된 부분에서 스프링 백(Springback: 복원 현상) 현상이 발생되는 것으로부터 기인하고 있다.

특히, 상기 뒤틀림 현상은 분리판의 내구성 저하를 초래하지만, 더 큰 궁극적 문제점은 연료전지 스택의 출력 특성을 저하시키는 점에 있다.

즉, 상기 분리판의 제1 및 제2판간의 접촉면 즉, 랜드부의 전기적 접촉면적이 부족하여, 타펠(Tafel)식으로 표현 가능한 도 4의 연료전지 특성 곡선에서 보듯이, 전류밀도가 증가함에 따라 분리판의 냉각면(유로)에서의 접촉저항이 증가하여 오믹(Ohmic) 분극(저항 손실)이 증가하는 경향을 보이게 되며, 이는 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성이 나빠지는 결과를 초래하게 된다.

참고로, 연료전지 전압은 아래와 같은 수학식 1로 표현된다.

E : 수소 내부에너지

i₀ : 교환 전류 밀도(평형상태에서의 전류 밀도)

i_n : 내부 전류

i_L : 한계 전류 밀도

A : 타펠(Tafel) 기울기

상기한 분리판의 냉각수 유로에서의 접촉저항은 첨부한 도 5에서 나타낸 바와 같이 각 분리판의 랜드부의 평탄도를 얼마만큼 확보하는 가에 따라 달라질 수 있다.

특히, 막 전극 어셈블리와 접촉하는 분리판의 랜드부는 기체확산층(GDL)에 의해 그 접촉저항 증가의 영향은 거의 없으나, 냉각면을 구성하는 부분의 랜드부는 그 평탄도가 접촉을 하기에 충분하지 않은 경우 연료전지 반응에서 전류밀도 증가에 따른 분리판의 내부저항 증가에 따라 연료전지 셀 혹은 스택의 성능이 저하되는 문제점을 있다.

이러한 냉각유로를 갖는 분리판의 구성에 대한 문제점은 금속성형 분리판 뿐만아니라, 흑연성형 분리판의 경우에도 흑연분말의 충진밀도, 충진상태, 금형 정밀 도 및 공정의 영향에 따라 그 정도는 다르지만 유사한 변형의 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 연료전지 분리판의 제작시 각 분리판의 랜드부 사이에 접촉면적으로 증대시킬 수 있는 메탈 폼을 개재하여, 펀칭시 뒤틀어짐 및, 리코일링, 스프링백 등의 현상으로 인한 형상 편차를 보정해줄 수 있도록 한 연료전지 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 연료전지 분리판의 제작시 각 분리판의 랜드부 사이에 랜드부의 평탄도를 높일 수 있는 메탈 폼을 개재하여, 랜드부의 평탄도가 미흡한 부분의 접촉면적을 증대시키는 동시에 그 접촉저항을 낮추어 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성을 향상시킬 수 있도록 한 점에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 랜드(Land)부 및 냉각수 유로를 갖는 제1판 및 제2판을 포함하는 연료전지 분리판에 있어서, 상기 제1 및 제2판의 랜드부 사이에 평탄도 및 접촉면적을 높일 수 있는 전기전도성의 금속 매개물이 삽입 부착된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속 매개물은 미리 성형 제작된 전기전도성의 메탈 폼(Metal Foam)으로서, 상기 메탈 폼의 일면은 상기 제1판의 랜드부 형상과 매칭되게(matching) 형성되고, 상기 메탈 폼의 타면은 상기 제2판의 랜드부 형상과 매칭되게(matching) 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 금속 매개물은 메탈 페이스트(Matal Paste)를 제1 및 제2판의 랜드부에 도포하고, 이 메탈 페이스트를 상기 제1판과 제2판의 랜드부 사이에서 경화시킨 것임을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 금속 매개물은 메탈 페이스트를 제1 및 제2판의 랜드부에 도포하고, 이 메탈 페이스트를 상기 제1판과 제2판의 랜드부 사이에서 상온 혹은 열처리로 경화시킨 것임을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.

연료전지 분리판의 제작시 각 분리판의 랜드부 사이에 접촉면적으로 증대시킬 수 있는 메탈 폼 또는 메탈 페이스트 등의 금속 매개물을 개재하여, 분리판 제작을 위한 펀칭 공정시 뒤틀어짐 및, 리코일링, 스프링백 등의 현상으로 발생한 형상 편차를 보정해줄 수 있다.

또한, 분리판의 제1 및 제2판의 각 랜드부간 접촉면적이 충분하게 되어, 연료전지 반응에서 전류밀도 증가에 따른 분리판의 냉각유로면에서의 접촉저항이 감소하여 오믹(ohmic) 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있고, 결국 연료전지 셀 혹은 스택의 성능이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지 분리판의 제1판 및 제2판의 접촉면 즉, 평평하게 형성된 랜드부간의 접촉면적으로 증대시켜, 제작시 각종 외부요인(펀칭시 뒤틀어짐 및, 리코일링, 스프링백 등의 현상)으로 인한 형상 편차를 보정해줄 수 있고, 접촉저항을 낮추어 연료전지셀 혹은 스택의 출력특성을 향상시킬 수 있도록 각 분리판의 랜드부 사이에 전기전도성이 우수한 메탈 폼 또는 메탈 페이스트와 같은 금속 매개물을 개재시킨 점에 주안점이 있다.

첨부한 도 6은 본 발명의 연료전지 분리판에 대한 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 분리판은 2장의 메탈 시트, 즉 제1 및 제2판을 펀칭 공정에 의하여 요철 구조로 제작 구비된다.

전술한 바와 같이, 상기 분리판(10)을 연료전지 스택에 체결시킨 후의 구조를 보면, 상기 분리판(10)의 제1판(12)에 형성된 연료(수소) 또는 공기유로(16)가 연료극 또는 공기극을 바라보며 배열되고, 상기 제1판(12)과 제2판(14)의 랜드부(20)가 서로 접착된 상태에서 제1판(12)과 제2판(14)의 서로 마주보는 오목한 부분이 냉각수 유로(18)로 형성된다.

보다 상세하게는, 상기 분리판(10)은 연료 또는 공기 유로(16)와 냉각수 유로(18)를 갖는 제1판(12)과, 연료 또는 공기유로(16)와 냉각수 유로(18)를 갖는 제2판(14)으로 구성되며, 상기 제1판(12)과 제2판(14)의 냉각수가 지나가는 냉각수 유로(18)를 서로 마주 보게 하는 동시에 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)를 접합, 혹은 접착, 혹은 가스켓을 통한 기밀 등의 방법에 의해 결합시키게 된다.

상기 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)는 펀칭 공정에 의하여 평평하게 형성되지만, 이 랜드부(20)의 양끝단부는 절곡된 곡면을 이루기 때문에, 결국 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)간의 접촉면적이 그 양끝단부에서 부족하게 된다.

또한, 펀칭 공정시 제1 및 제2판(12,14)의 벤딩된 부분에서 리코일링 및 스프링 백 현상이 발생하여, 제1 및 제2판(12,14)의 뒤틀림 현상을 초래하고, 이에 제1 및 제2판(12,14)의 각 랜드부(20)의 평평한 부분끼리도 잘 밀착되지 않아 접촉면적이 충분하지 않게 된다.

이렇게 상기 제1 및 제2판(12,14)의 각 랜드부(20)가 갖는 평탄도가 접촉을 하기에 충분하지 않은 경우, 연료전지 반응에서 전류밀도 증가에 따른 분리판(10)의 내부저항 증가에 따라 연료전지 셀 혹은 스택의 성능이 저하되는 문제점을 있고, 연료전지반응이 국부적으로 집중되어 온도 및 수분 분포의 불균일을 심화하여 연료전지 셀 혹은 스택의 내구성능 저하를 가속화시킬 수 있다.

이에, 본 발명은 상기 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)간의 접촉면적을 증대시킬 수 있도록 상기 제1 및 제2판(12,14)으로 구분되는 분리판(10)을 연료전지 스택에 체결할 때, 상기 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20) 사이에 미리 제작된 메 탈 폼(22)을 삽입시킨다.

상기 메탈 폼(22)은 전기전도성이 우수한 소재(예: 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 아연금속 혹은 금속합금)를 이용하여 미리 성형 제작된 것으로서, 이 메탈 폼(22)의 일면은 상기 제1판(12)의 랜드부(20) 형상과 동일하게 즉 매칭되게 형성되고, 상기 메탈 폼(22)의 타면은 상기 제2판(14)의 랜드부(20) 형상과 동일하게 즉 매칭되게 형성된다.

따라서, 상기 메탈 폼(22)의 양표면은 제1판(12)의 랜드부(20) 형상과 제2판(14)의 랜드부(20) 형상대로 미리 제작된 형상을 갖기 때문에, 상기 메탈 폼(22)의 일면에 제1판(12)의 랜드부(20)가 완전하게 밀착될 수 있고, 또한 상기 메탈 폼(22)의 타면에 제2판(14)의 랜드부(20)가 완접하게 밀착될 수 있게 되어, 결국 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)간 접촉면적을 극대화시킬 수 있다.

이에 따라, 상기 제1 및 제2판(12,14)의 각 랜드부(20)간 접촉면적이 충분하게 되어, 연료전지 반응에서 전류밀도 증가에 따른 분리판(10)의 냉각유로면에서의 접촉저항이 감소하여 오믹(ohmic) 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있고, 결국 연료전지 셀 혹은 스택의 성능이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

첨부한 도 7은 본 발명의 연료전지 분리판에 대한 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 다른 실시예는 메탈 폼이 아닌 메탈 페이스트를 분리판의 제1 및 제2판 사이에 개재시킨 점에 특징이 있다.

상기 제1 및 제2판(12,14)의 각 랜드부(20) 표면에 메탈 페이스트(24: Metal paste), 바람직하게는 전기전도성이 우수한 실버 페이스트(Silver Paste)를 페인팅(Painting) 또는 도팅(Dotting) 등의 방법으로 도포하고, 이 메탈 페이스트(24)를 상기 제1판(12)과 제2판(14)의 랜드부(20) 사이에서 상온 경화시키게 된다.

이에, 경화후의 메탈 페이스트(24) 양표면은 제1판(12)의 랜드부(20) 형상과 제2판(14)의 랜드부(20) 형상을 갖게 되므로, 상기 메탈 페이스트(24)의 일면에 제1판(12)의 랜드부(20)가 완전하게 밀착될 수 있고, 또한 상기 메탈 페이스트(24)의 타면에 제2판(14)의 랜드부(20)가 완전하게 밀착될 수 있게 되어, 결국 제1 및 제2판(12,14)의 랜드부(20)간 접촉면적을 극대화시킬 수 있다.

이렇게 메탈 페이스트를 적용한 경우도 일 실시예와 같이, 상기 제1 및 제2판(12,14)의 각 랜드부(20)간 접촉면적이 충분하게 되어, 연료전지 반응에서 전류밀도 증가에 따른 분리판의 냉각유로면에서의 접촉저항이 감소하여 오믹(ohmic) 저항이 증가되는 것을 방지할 수 있고, 결국 연료전지 셀 혹은 스택의 성능이 저하되는 현상을 방지할 수 있다.

도 1은 연료전지 스택의 구성도,

도 2는 연료전지 분리판의 구조도,

도 3a는 종래의 연료전지 분리판의 제작을 위한 구성도,

도 3b는 종래의 연료전지 분리판의 제작 방법을 설명하는 구조도,

도 4는 연료전지 특성 곡선을 나타내는 그래프,

도 5는 종래의 연료전지 분리판이 스택의 일구성으로 체결된 상태를 나타내는 단면사시도,

도 6은 본 발명의 연료전지 분리판에 대한 일 실시예를 나타내는 단면도,

도 7은 본 발명의 연료전지 분리판에 대한 다른 실시예를 나타내는 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분리판 12 : 제1판

14 : 제2판 16 : 연료 또는 공기유로

18 : 냉각수 유로 20 : 랜드부

22 : 메탈 폼 24 : 메탈 페이스트

Claims (4)

1. 랜드부 및 냉각수 유로를 갖는 제1판 및 제2판을 포함하는 연료전지 분리판에 있어서,

   상기 제1 및 제2판의 랜드부 사이에 평탄도 및 접촉면적을 높일 수 있는 전기전도성의 금속 매개물을 삽입 부착하되,

   상기 금속 매개물은 미리 성형 제작된 전기전도성의 메탈 폼으로서, 상기 메탈 폼의 일면은 상기 제1판의 랜드부 형상과 매칭되게 형성되고, 상기 메탈 폼의 타면은 상기 제2판의 랜드부 형상과 매칭되게 형성된 것임을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
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