KR101655509B1

KR101655509B1 - 연료전지용 분리판 조립체 및 이의 제조방법

Info

Publication number: KR101655509B1
Application number: KR1020130162012A
Authority: KR
Inventors: 진상문; 양유창; 백석민
Original assignee: 현대자동차주식회사; 기아자동차주식회사
Priority date: 2013-12-24
Filing date: 2013-12-24
Publication date: 2016-09-07
Also published as: KR20150074341A; CN111740128A; DE102014217910A1; US20170244115A1; CN104733741A; US10347922B2; US20150180053A1

Abstract

본 발명은 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 강성을 구조적으로 증대하여 연료전지 스택의 구조 안정성 및 내구성 등을 향상하고 스택의 양산성을 확보할 수 있는 연료전지용 분리판 조립체 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 애노드 분리판; 캐소드 분리판; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부 사이에 일체로 접합되는 냉각면 프레임; 상기 냉각면 프레임을 개재한 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부를 동시에 감싸도록 형성된 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체를 제공한다.

Description

연료전지용 분리판 조립체 및 이의 제조방법 {Separator assembly for fuel cell and manufacturing method of the same}

본 발명은 연료전지 스택의 구조 안정성 및 내구성 등을 향상하고 스택의 양산성을 확보하기 위한 연료전지용 분리판 조립체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 연료의 산화에 의해 발생되는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 것으로, 탄화수소 계열의 연료를 개질하여 정제되거나 그 외의 방식으로 생산된 수소 또는 탄화수소 계열의 연료와 공기를 직접 연료전지 스택에 공급하여 전기화학적으로 반응시킴으로써 전기 에너지를 발생시키는 것이다.

보통 연료전지 스택은 양극(Anode)과 음극(Cathode), 상기 양극(Anode)과 음극(Cathode) 사이에 개재되는 전해질 막을 포함한 막-전극 접합체(MEA) 및 상기 막-전극 접합체를 분리하는 분리판을 포함한 단위 셀이 복수로 적층된 구조를 가진다.

연료전지 스택용 분리판으로 흑연분리판과 금속분리판 등이 있으며, 금속분리판은 기존 기계가공 또는 분말 성형 공법을 통해 제작되는 흑연분리판에 비해 제작 시간 및 비용을 현저히 저감시킬 수 있는 장점이 있으나 스택의 중량 증가 문제로 인해 금속 소재 두께를 얼마나 박판화할 수 있느냐가 기술 개발의 핵심이다.

그러나 금속분리판은 소재 두께가 축소됨에 따라 분리판 강성 저하 및 스프링 백 증대로 인해 여러 가지 문제가 발생하며, 그중에서도 스택 양산에 절대적인 영향을 미치는 스택 정렬도 저하 및 금속분리판의 불량품 증가의 문제가 있다.

단위 셀이 복수로 적층된 연료전지 스택은 인접한 단위 셀간에 정렬 불량이나 인접한 분리판 간에 정렬 불량 등으로 인한 스택 정렬도 저하가 발생할 수 있는데, 그중에서도 인접한 분리판 간에 정렬 불량으로 인한 스택 정렬도 저하가 가장 큰 문제로 취급되고 있다.

연료전지 스택을 구성하는 단위 셀은 분리판의 박판화에 따라 강성 부족 및 스프링 백 증가로 인해 분리판, MEA, GDL(가스확산층)을 균일하게 적층하는 것이 더욱 난해해지며, 스택 구조와 성능에 가장 큰 영향을 미치는 인접 분리판 간 정렬 불량이 발생할 확률이 증가하게 된다.

또한 연료전지 스택은 반응기체(수소와 공기) 및 냉각수의 기밀을 담당하는 것으로 금속분리판의 양면에 각각 구비되며, 보통 금속분리판에 일체로 사출 성형된다.

그러나 금속분리판이 박판화되면서 사출 압력에 의한 분리판 변형 및 가스켓 버(burr) 발생과 같은 품질 저하 문제를 야기하게 되어 금속분리판의 생산 불량율이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 고안한 것으로서, 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 강성을 구조적으로 증대하여 연료전지 스택의 구조 안정성 및 내구성 등을 향상하고 스택의 양산성을 확보할 수 있는 연료전지용 분리판 조립체 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이에 본 발명에서는, 애노드 분리판; 캐소드 분리판; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부 사이에 일체로 접합되는 냉각면 프레임; 상기 냉각면 프레임을 개재한 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부를 동시에 감싸도록 형성된 가스켓;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체를 제공한다.

또한 본 발명에서는, 애노드 분리판과 캐소드 분리판 중 선택된 어느 하나의 분리판의 내표면 가장자리부에 냉각면 프레임을 사출 성형하는 제1과정; 상기 냉각면 프레임 위에 다른 하나의 분리판을 적층하고 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 접합하는 제2과정; 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 외표면 가장자리부를 동시에 감싸는 가스켓을 사출 성형하는 제3과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법을 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제3과정에서는 가스켓이 사출 성형되는 동시에 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 외표면 가장자리부에 접합되며, 상기 제1과정에서 애노드 분리판과 캐소드 분리판 중 냉각면 프레임이 사출 성형되지 않는 다른 하나의 분리판의 냉각면 가장자리부에는 접착제를 도포한다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 상기 냉각면 프레임은 고분자 수지재로 이루어지고 상기 고분자 수지재로는 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 리퀴드 크리스탈 폴리머(liquid crystal polymer, LCP) 중 선택된 어느 하나가 사용되며, 상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판으로는 각각 박판형의 금속분리판이 사용가능하다.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용함으로써 스택 정렬도를 향상시켜 연료전지 스택의 구조 안정성 증가 및 셀 성능 향상, 셀 간 성능 편차 감소 등이 가능하며, 이에 연료전지 스택의 양산성을 확보할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체의 구성을 설명하기 위한 도면
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판 조립체의 제조 공정을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 정렬도 측정 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 정렬 편차 분석 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 구조 안정성 평가 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 단위 셀 성능 평가 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면

이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 분리판 조립체는 애노드 분리판(10), 캐소드 분리판(20), 냉각면 프레임(30), 및 가스켓(40)으로 구성된다.

상기 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)은 각각 금속 재료로 이루어진 박판형의 금속분리판으로서, 각각 중앙부(11,21)에는 반복적으로 굽어진 소정 형상의 벤딩 구조를 가지며 상기 중앙부(11,21)의 외곽에 일체로 형성되는 가장자리부(12,22)에는 평판 구조를 갖는다.

상기 냉각면 프레임(30)은 고분자 수지재로 성형된 것으로 애노드 분리판(10)의 내표면(냉각면) 또는 캐소드 분리판(20)의 내표면(냉각면)에 사출 성형되며, 특히 선택된 분리판(10 또는 20)의 가장자리부(12 또는 22)에 성형된다.

여기서 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)의 접합시 각 분리판(10,20)이 서로 마주하는 일면은 냉각면(내표면)이고 상기 냉각면의 반대편은 반응면(외표면)이 된다.

그리고 상기 가스켓(40)은 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)의 외표면(반응면) 가장자리부(12,22)를 동시에 감싸도록 성형된 것으로 분리판(10,20)의 가장자리부(12,22)에 'ㄷ'형 단면을 가지게 형성되며, 구체적으로 애노드 분리판(10)의 반응면과 캐소드 분리판(20)의 반응면 및 상기 분리판(10,20) 사이에 개재된 냉각면 프레임(30)의 일측면(바깥측 측면)을 밀착하여 감싸게 된다.

다시 말해, 상기 가스켓(40)은 냉각면 프레임(30)이 개재된 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)의 가장자리부(12,22)를 동시에 감싸도록 형성됨으로써 분리판(10,20)과 냉각면 프레임(30) 사이에 테두리(edge)를 밀폐시키게 된다.

이렇게 일체화시킨 구조의 분리판 조립체는 냉각수 및 반응가스(수소 및 공기)의 기밀을 확보함은 물론 분리판의 강성을 구조적으로 증대하게 된다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 분리판 조립체는 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)을 준비하는 과정, 어느 하나의 분리판의 내표면(냉각면)에 냉각면 프레임(30)을 사출 성형하는 과정, 및 두 분리판(10,20)의 외표면 가장자리부(12,22)에 일체형의 가스켓(40)을 사출 성형하는 등을 통해 제작 가능하다.

먼저 박판형의 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)을 각각 제작하여 준비한 뒤, 애노드 분리판(10)(또는 캐소드 분리판)의 내표면 가장자리부(12)에 접착제를 도포하고 캐소드 분리판(20)(혹은 애노드 분리판)의 내표면 가장자리부(22)에 프라이머를 도포한다.

상기 접착제 및 프라이머는 일반적으로 연료전지 스택의 제조시 사용되는 접착제 및 프라이머를 사용할 수 있다.

가스켓(40)의 접착을 위해 애노드 분리판(10)의 외표면(반응면) 가장자리부(12)와 캐소드 분리판(20)의 외표면(반응면) 가장자리부(22)에도 접착제를 도포할 수 있으나, 가스켓(40)은 사출 성형과 동시에 두 분리판(10,20)의 외표면에 일체로 접합되므로 가스켓(40)의 접착을 위해 분리판(10,20)의 외표면(반응면) 가장자리부(12,22)에 접착제를 도포하는 과정은 생략가능하다.

다음, 프라이머가 도포된 캐소드 분리판(20)(혹은 애노드 분리판)의 내표면 가장자리부(22)에 냉각수의 기밀을 수행하기 위한 냉각면 프레임(30)을 사출 성형한다.

상기 냉각면 프레임(30)의 재료로는 일반적인 연료전지용 가스켓 재료(불소, 실리콘, EPDM 등)에 비해 탄성력이 거의 없는 플라스틱 등의 고분자 수지재를 이용하며, 구체적으로는 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 리퀴드 크리스탈 폴리머(liquid crystal polymer, LCP) 등의 플라스틱류 등으로 이루어진 군 중에서 선택된 하나의 수지재를 사용하거나, 또는 이러한 수지재 성분을 함유한 접착 시트 등을 사용한다.

상기 냉각면 프레임(30)의 재료로 상기의 수지재 성분을 함유한 접착 시트를 사용하는 경우 상기 접착 시트를 일정 크기 및 두께로 재단하여 냉각면 프레임(30)을 성형할 수 있다.

프라이머가 도포된 분리판(20)의 냉각면 가장자리부(22)에 성형된 냉각면 프레임(30)은 사출 성형과 동시에 캐소드 분리판(20)(혹은 애노드 분리판)의 냉각면 가장자리부(22)에 접합되며, 이후 접착제가 도포된 애노드 분리판(10)(혹은 캐소드 분리판)의 가장자리부(12)가 적층됨으로써 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20) 사이에 일체로 접합되어진다.

상기 냉각면 프레임(30)을 두 분리판(10,20) 사이에 접합시 접착제를 이용한 접합방법 외에 라미네이트 가공, 레이저 접합, 열융착 등의 접합방법을 이용할 수 있다.

계속해서, 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)의 외표면 가장자리부(12,22)에 가스켓(40)을 사출 성형한다.

냉각면 프레임(30)을 일체로 개재한 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)을 인서트 사출금형 내에 투입한 뒤 가스켓 재료를 금형 내에 사출하여 가스켓(40)을 성형한다.

가스켓(40)은 애노드 분리판(10)의 외표면 가장자리부(12)와 캐소드 분리판(20)의 외표면 가장자리부(22) 및 냉각면 프레임(30)의 일측면을 감싸는 형태로 성형되며, 이러한 가스켓(40)의 사출 성형과 동시에 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)에의 접합이 이루어진다.

즉, 가스켓(40)을 사출 성형하는 동시에 가스켓(40)이 애노드 분리판(10) 및 캐소드 분리판(20)의 외표면 가장자리부(12,22)에 일체로 접합되어지며, 따라서 가스켓(40)을 성형한 이후 분리판(10,20)에 접합하는 별도의 접합 공정을 생략할 수 있다.

또한 상기 가스켓(40)을 냉각면 프레임(30)이 개재된 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20)의 가장자리부(12,22)에 성형함과 동시에 각 분리판(10,20)과 냉각면 프레임(30) 사이에 테두리(edge)가 밀폐되게 된다.

상기 가스켓 재료로는 탄성을 갖는 불소, 실리콘, EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer) 등 중에서 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.

그리고 이때 냉각면 프레임(30)은 인서트 금형 내에서 두 분리판(10,20)을 지지하여 구조적으로 분리판(10,20)의 강성을 증대하는 역할을 하게 되며, 이로써 분리판(10,20)의 스프링 백 등을 저감하여 분리판의 변형 및 가스켓의 버(burr) 발생 등을 방지할 수 있게 된다.

본 발명에서는 고분자 수지재로 이루어진 냉각면 프레임(30)을 애노드 분리판(10)과 캐소드 분리판(20) 사이에 일체화하여 성형함으로써 냉각수의 기밀 및 분리판의 강성을 확보할 수 있게 되며, 냉각면 프레임(30)이 박판형 분리판(10,20)을 지지하게 되어 제품 불량률을 대폭 절감하게 된다.

아울러 냉각면 프레임(30)의 제작으로 인해 발생하는 추가 비용은 전체적인 사출 공정(분리판 조립체를 제작하는데 필요한 사출 공정)의 축소로 인해 상쇄 가능하다.

한편, 상기한 바와 같이 제조한 연료전지 스택용 분리판 조립체에 대한 각종 평가를 수행해본 결과 도 3 내지 6과 같은 결과를 얻었다.

도 3 내지 6은 본 발명에 따른 분리판 조립체의 적용 효과를 종래 대비 평가한 결과를 나타낸 것으로, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 정렬도 측정 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 정렬 편차 분석 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 구조 안정성 평가 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 단위 셀 성능 평가 결과를 종래의 스택과 비교하여 나타낸 도면이다.

분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택을 제조한 뒤 변위센서를 이용하여 스택 외곽을 스캐닝하여 스택 정렬도를 측정한 결과를 도 3에 나타내었으며, 또한 스택을 구성하는 각 셀의 외곽 스캐닝 값을 인접한 분리판 및 인접한 셀 간 편차값으로 도 4에 나타내었다.

도 3에 보이듯이, 본 발명에 따른 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택 대비 단위 셀 간에 간격이 거의 비슷하여 정렬도가 우수한 것을 확인할 수 있었다.

도 4에 보이듯이, 본 발명에 따른 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택 대비 인접한 분리판 간 편차 및 인접한 셀 간 편차가 감소됨을 확인할 수 있었다.

또한 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택에 하중(스택 면적의 50%를 가압함)을 인가한 뒤 분리판들(분리판 매니폴드)의 함몰 하중을 측정하여 연료전지 스택의 구조 안정성을 평가한 결과를 도 5에 나타내었다. 이때 가장 취약한 것으로 나타낸 분리판들(분리판 매니폴드)의 함몰 하중을 이용하여 구조 안정성을 평가하였다.

도 5에 보이듯이, 본 발명에 따른 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택 대비 함몰 하중이 크게 측정됨을 확인할 수 있었다.

참고로, 상기 함몰 하중은 그 값이 클수록 연료전지 스택의 구조 안정성이 향상됨을 나타낸다.

또한 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 단위 셀의 성능을 측정한 결과를 도 6에 나타내었다.

도 6에 보이듯이, 본 발명에 따른 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택 대비 셀 성능이 향상됨과 더불어 셀 간 성능 편차가 크게 감소함을 확인할 수 있었다.

상기한 바와 같이 본 발명의 분리판 조립체에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1. 분리판의 강성 증대로 분리판 소재의 박판화가 가능하고, 이에 가스켓 사출성을 향상할 수 있다.

2. 연료전지 스택의 제조시 조립 적층수 감소로 연료전지 스택의 제작 시간 단축 및 정렬도 향상이 가능하다.

기존 연료전지 스택의 적층 공정은 "(애노드 분리판 + 캐소드 분리판 + MEA/GDL)*셀수"로 계산되고, 본 발명에 따른 분리판 조립체를 이용한 연료전지 스택의 적층 공정은 "(분리판 조리체 + MEA/GDL)* 셀수"로 계산된다.

따라서 기존 공정 대비 조립 공수 및 제조 시간이 절감 가능하고, 적층 공정시 사용하는 장비의 난이도 감소로 투자비 절감도 가능하게 된다.

3. 스택 정렬도 향상을 통한 연료전지 스택의 구조 안정성 증가 및 셀 성능 향상, 셀 간 성능 편차 감소가 가능하다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 애노드 분리판
11 : 중앙부
12 : 가장자리부
20 : 캐소드 분리판
21 : 중앙부
22 : 가장자리부
30 : 냉각면 프레임
40 : 가스켓

Claims

애노드 분리판;
캐소드 분리판;
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부 사이에 일체로 접합되는 냉각면 프레임;
상기 냉각면 프레임을 개재한 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 가장자리부를 동시에 감싸도록 형성된 가스켓;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 냉각면 프레임은 고분자 수지재로 이루어지며, 상기 고분자 수지재로는 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 리퀴드 크리스탈 폴리머(liquid crystal polymer, LCP) 중 선택된 어느 하나가 사용된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체.
청구항 1에 있어서,
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판은 각각 박판형의 금속분리판인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체.
애노드 분리판과 캐소드 분리판 중 선택된 어느 하나의 분리판의 내표면 가장자리부에 냉각면 프레임을 사출 성형하는 제1과정;
상기 냉각면 프레임 위에 다른 하나의 분리판을 적층하고 애노드 분리판과 캐소드 분리판을 접합하는 제2과정;
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 외표면 가장자리부를 동시에 감싸는 가스켓을 사출 성형하는 제3과정;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 제3과정에서는 가스켓이 사출 성형되는 동시에 애노드 분리판과 캐소드 분리판의 외표면 가장자리부에 접합되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 제1과정에서 애노드 분리판과 캐소드 분리판 중 냉각면 프레임이 사출 성형되지 않는 다른 하나의 분리판의 내표면 가장자리부에는 접착제를 도포하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 냉각면 프레임은 고분자 수지재로 이루어지며, 상기 고분자 수지재로는 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP), 리퀴드 크리스탈 폴리머(liquid crystal polymer, LCP) 중 선택된 어느 하나가 사용된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법.
청구항 4에 있어서,
상기 애노드 분리판과 캐소드 분리판은 각각 박판형의 금속분리판인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 조립체의 제조방법.