KR101672087B1 - 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스텍 제조방법 - Google Patents

연료전지용 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스텍 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스텍 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 본 발명은 연료전지에서 음극-전해질-양극으로 이루어진 단위셀을 적층하여 스텍을 제작하는데 있어서 단위셀을 지지하고 단위셀에 가스를 공급하기 위해 필요한 바이폴라 플레이트를 설계함에 있어서, 연료 및 공기의 유로 및 흐름량이 단위 셀 표면에 균일하게 분포될 수 있으면서도 밀봉이 쉽고 두께도 보다 얇게 유지될 수 있는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)의 설계 및 제작 방법 및 이를 이용한 스텍의 제작 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 연료전지 스텍은 단위셀과 바이폴라 플레이트가 교대로 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트는 일면에 공기가 흐르는 다수의 공기 채널 및/또는 타면에 연료가 흐르는 다수의 연료 채널이 존재하며, 상기 채널들은 단위셀의 적층 영역에서, 연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제2 수직 채널들과, 상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들로 연결되며, 상호 연결되는 수직채널들의 두 길이의 합이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스텍 제조방법{bipolar plates for fuel cells and manufacturing method of stack using thereof}
본 발명은 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스텍 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 음극-전해질-양극으로 이루어진 단위셀과 상기 단위셀을 지지하고 단위셀에 가스를 공급하기 위한 바이폴라 플레이트를 교대로 적층하여 연료전지용 스텍을 제작하는데 있어서, 연료 및 공기의 유로 및 흐름량이 단위 셀 표면에 균일하게 분포될 수 있고, 밀봉이 쉽고, 두께가 얇은 새로운 바이폴라 플레이트(bipolar plate)와 이를 이용한 연료전지용 스텍에 관한 것이다.
연료전지는 연료를 산소와 연소하여 생기는 화학적 에너지를 직접 전기로 변환시키는 장치이며, 많은 경우 수소를 연료로서 사용하고 있다.
H2 + O2 →?H2O (전기 및 열 발생)
연료전지는 음극 (연료극, anode), 전해질(electrolyte), 양극(공기극, cathode)으로 구성된 단위 셀을 적층한 스텍에서 양극에는 공기를 음극에는 수소 함유 가스를 공급하면 반응하여 전기와 열이 발생된다.?
단위셀을 대면적화해서 전류를 증대시키고, 단위셀을 적층하여 전압을 올린 상업용 스텍을 제조하게 된다. 상업용 스텍을 제조하기 위한 단위셀의 적층은 단위셀과 단위셀을 지지해주는 바이폴라 플레이트를 번갈아 적층하는 방식으로 이루어진다.
바이폴라플레이트는 단위셀을 기계적으로 지지하고, 이웃한 두 단위셀의 반대극 사이를 전기적으로 연결해주며, 단위셀의 양 전극층에 가스를 골고루 공급해주는 역할을 한다. 따라서, 단위 셀의 제조에 있어서는 각각의 양면 단위셀에 연료와 공기를 분산 공급 및 배출하기 위한 통로 구조, 단위셀의 넓는 전극층에 가스를 골고루 분산시키기 위한 체널 구조, 그리고 단위셀의 반대극 사이와 스텍 내 가스 통로 상의 연료와 공기의 혼합을 막기 위한 밀봉 구조 등이 중요하다.
특히 저온형의 고분자전해질 연료전지 (PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)의 경우, 스텍의 운전 온도가 80oC로 낮고 연료와 공기를 가습해서 공급하기 때문 가스의 분산이 골고루 되지 않으면, 음극 체널에서 물이 응축된다. 응축된 물의 전기 분해로 인한 전위 역전이 발생하면 음극층에서 백금 용출 및 카본지지체 연소가 초래하게 된다. 결국 음극층이 얇아지면서 수명이 급격하게 단축된다.
또한 고온형의 고체산화물 연료전지 (SOFC, solid oxide fuel cell)같은 경우, 전해질 층으로 사용되는 zirconia층의 산소이론 전도도가 750 oC 이상 고온으로 유지되어야 이온전도가 충분히 빨라지는데 이 경우 밀봉 재료로 사용되는 유리계 재료의 연화 온도는 600℃정도부터 시작되어 밀봉이 완벽하게 되지 않으며, 또한 세라믹 박막으로 제조되는 전극 층들은 세라믹의 속성 상 면적의 대형화가 어려우며 열적 기계적 응력에 취약하여 보다 균일한 가스 공급과 보다 완벽한 밀봉 방법이 요구 된다.
기존의 연료전지에서의 스텍 내 가스 통로 및 단위셀 내 가스 체널 형성을 위한 여러 가지 방법 중의 하나는 용융탄산염형 연료전지 (MCFC; molten carbonate fuel cell)나 일부 SOFC 에서 사용되는 방식으로, 가스를 스텍의 적층 방향 옆에서 단위셀에 직접 평행되게 공급 및 배출하는 방식이다. 이 경우, 단위셀 내에서 체널 간 가스 공급량은 비교적 균일해지나 스텍의 양 옆에 대형 manifold가 붙어서 스텍이 부피가 커지는 단점이 존재하고 단위셀 내 음극과 양극 사이 밀봉이 쉽지 않는 단점이 존재한다.
또 다른 방법은 스텍 적층 방향으로 단위 셀 edge근처에 연료와 공기의 공급 및 배츨을 위한 관통로를 내고 여기서 단위셀 내 각각의 체널들에 가스를 분산 공급하는 방식인데, 이 경우 작은 크기의 관통로에서 대형 면적의 단위셀로 가스를 분산하기 위한 체널 설계의 특성 상 체널 마다 가스 유로의 길이가 달라서 가스의 균일한 흐름이 불가능하다.
이를 개선하기 위해서, 단위셀 내부의 입구 및 출구 근처에 체널 연결용 corridor를 길게 내고 이를 외부 관통로와 연결하는 방식이 SOFC에서 많이 사용이 되나, 이로 인해 바이폴라플레이트의 두께가 두꺼워지며, 관통로와 corridor 사이에 추가로 밀봉이 요구된다.
이에 따라서, 관통로에서 단위셀 내에 가스를 전 면적 범위에 균일하게 공급하면서도 밀봉도 쉽게 되고, 바이폴라 플레이트의 두께도 얇게 유지될 수가 있으며, 또한 대 면적의 스텍에 적용할 수 있는 방안에 대한 요구가 계속되고 있다.
본원 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연료전지용 스텍에서 단위셀 내 체널 간 배치와 가스 흐름성의 균일성을 가지는 새로운 바이폴라 플레이트의 채널 구조를 제공하는 것이다.
본원 발명에서 해결하고자 하는 과제는 연료전지용 스텍에서 단위셀 내 체널 간 배치와 가스 흐름성의 균일성과 밀봉성을 가지는 새로운 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 연료 전지 스텍을 제공하는 것이다.
본원 발명에서 해결하고자 하는 다른 과제는 바이폴라플레이트간 물리적 합체가 가능하여 하나의 바이폴라 플레이트에 소형 단위셀들을 여러 개 함께 배열하고 적층할 수도 있어서 소형 단위셀로도 대면적의 스택을 제작할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 연료전지용 스텍은 단위셀과바이폴라 플레이트가 교대로 적층되며, 상기 바이폴라 플레이트에는 일면에 공기가 흐르는 다수의 공기 채널과 및/또는 타면에 연료가 흐르는 다수의 연료 채널이 있으며,
상기 채널들은 단위셀의 적층 영역에서,
연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제2 수직 채널들과,
상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들로 연결되며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시에 있어서, 단위 셀 적층 영역의 절반에는 제1 수직채널들이 있으며, 다른 절반에는 제1 수직채널과 동일한 수의 제2 수직채널들이 있으며, 연료 또는 공기의 균일한 분산을 위해서 수직 채널들은 등 간격으로 이격된다. 단위셀 적층 영역에서 수직채널들은 외곽측(에지쪽)에 위치할수록 길이가 길고, 중심부에 위치할 수록 짧으며, 최외곽의 제1 수직채널은 가장 중심부의 제2 수직 채널과 연결되며, 최외곽의 제2 수직 채널은 가장 중심부의 제1 수직채널과 연결된다.
본 발명에 있어서, 상기 두 수직 채널을 연결하는 수평 채널은 하나 이상의 채널로 이루어질 수 있으며, 바람직하게는 수평 채널 사이의 간격이 수직 채널 사이의 간격과 동일하게 되도록 제1 수직채널과 제2 수직 채널을 등 간격으로 이격된 두 개의 수평 채널로 연결하여 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에 있어서, 상기 수직 채널들은 연료가스 또는 공기의 균일한 분배가 이루어질 수 있도록, 동일한 단면적의 채널인 것이 바람직하며, 일 예로 동일한 너비와 깊이로 형성된 직사각형 단면의 홈 형태의 채널이다. 상기 두 수직 채널 사이를 연결하는 두 개의 수평 채널은 동일한 단면적을 가지도록, 수평 채널 홈의 깊이는 수직 채널의 홈의 깊이의 절반을 이루는 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, 상기 단위셀은 중심부에 전해질 플레이트가 있으며, 상기 전해질 플레이트의 양면에는 각각 연료극 층과 공기극이 있으며, 상기 연료극층과 공기극층 위에는 전기를 모으고 가스를 분산할 수 있는 다공성의 GDL (gas diffusion layer) 층이 있다. 상기 전해질 플레이트는 전기적으로는 부도체이나 수소이온 또는 산소이온을 전달할 수 있는 이온 전도성 전해질 층이며, 양면에 부착된 연료극 층과 공기극 층은 전기전도성의 다공성이다. 단위셀은 두께가 대략 1 mm 이하의 얇은 박막의 형태이다.
본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 상기 단위셀에서 전해질 플레이트는 정사각형 형태를 이루며, 상기 에지 부위(또는 테두리 부위)는 연료극층과 공기극층가 존재하지 않아 노출된다.
본 발명에 있어서, 상기 ‘단위셀 적층 영역’은 보다 단위셀이 더 넓은 바이폴라플레이트에 적층된 상태에서, 단위셀과 겹치는 영역(단위셀이 놓이는 위치)을 의미하는 것으로 이해된다.
상기 ‘단위셀 적층영역’은 단위셀 테두리가 적층되는 ‘단위셀 테두리 적층영역’과 단위셀 전극이 적층되는 ‘단위셀 전극 적층 영역’으로 구분되며, 본 발명에서는 다른 기재가 없는 한, ‘단위셀 적층 영역’은 ‘단위셀의 전극 적층 영역’을 의미하는 것으로 이해된다.
‘단위셀 비적층 영역’은 단위셀과 겹치지 않는 영역(단위셀이 놓이지 않는 위치)을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명에 있어서, 상기 관통로는 단위셀 비적층 영역에 존재하며, 바람직하게는 스텍의 부피를 줄이기 위해서 단위셀 테두리 적층 영역에 근접하게 존재한다. 본 발명의 실시에 있어서, 상기 관통로는 바이폴라 플레이트 상의 단위셀 테두리 적층 영역의 테두리 상부에 테두리를 따라 연장되고, 긴변의 길이가 단위셀의 절반에 상응하는 직사각형 형태의 연료 공급 및 공기 배출용 관통로가 각각 존재하며, 테두리 하부에 테두리를 따라 연장되는 직사각형 형태의 공기 공급 및 연료 배출용 관통로가 존재하며, 유입용 관통로와 배출용 관통로가 대각선 위치에 존재한다.
본 발명에 있어서, 상기 단위셀 비적층 영역에 존재하는 관통로와 단위셀 적층 영역에 존재하는 채널은 밀봉 문제를 해결할 수 있도록 터널형 채널에 의해서 연결된다.
본 발명에 실시에 있어서, 상기 바이폴라 플레이트는 관통로에서부터 단위셀 적층 영역까지는 터널 형태를 이루며, 단위셀 적층 영역 내에서는 홈 형태로 이루어진다. 이러한 형태의 바이폴라 플레이트는 채널을 따라서 비적층 영역과 적층 영역에서 홈이 패인 지지 플레이트와, 비적층 영역은 덮혀있고 적층 영역에서는 채널을 따라서 천공되어 있는 채널 플레이트를 겹친 형태로 제조할 수 있다. 상하에 홈이 형성되는 바이폴라 플레이트는 상하에 홈이 있는 지지 플레이트와 상하 채널 플레이트 3가지가 어셈블리 형태로 이루어진다.
본 발명의 바람직한 실시에 있어서, 바이폴라 상의 단위셀이 놓이는 위치의 상부 에지 외곽 부근에 각각 연료 공급 및 공기 배출용 관통로를 생성하고 그리고 하부 에지 외곽 부근에 각각 공기 공급 및 연료 배출용 관통로를 형성시키고, 상기 관통로의 길이를 단위셀 길이의 반에 근접하게 최대한 길게 형성하여 상부 연료 공급용 관통로는 바이폴라 플레이트의 앞면에서 단위셀 내 체널들에 의해 대각선 방향의 하부 연료 배출용 관통로와 연결되며 하부 공기 공급용 관통로는 바이폴라 플레이트의 뒷면에서 대각선 방향의 상부 공기 배출용 관통로와 연결되도록 한다. 상기 가스 연결을 위해 상부 관통로에서는 하부로 수직 방향의 체널들을 등거리로 평행하게 형성하되 바깥 쪽에서 중심으로 갈수록 그 길이를 점진적으로 짧게 하며, 하부 관통로들도 상부와 같은 원리로 수직 체널들을 평행하게 등거리로 생성시킨다. 그 다음 상부 관통로 상의 체널과 하부 대각선 방향 관통로 상의 체널을 연결하되, 가장 바깥 쪽 상부 체널과 가장 안 쪽 하부 체널을 수평방향으로 연결하게 되고, 상부 바깥 쪽 두번 째 체널은 하부의 안쪽 두번 째 체널과 연결하는 방식으로 일대일로 연결되며, 최종적으로는 상부 가장 안쪽 체널이 하부 가장 바깥 쪽 체널과 수평으로 연결되로록 한다. 이렇게 연결 하게 되면 모든 체널의 단면적 모양과 길이가 같게 되어 체널 내 흐름 저항이 같아 지게 된다. 이때 상하부 수직 체널에 연결시키는 수평체널은 수직 체널 하나 당 2개가 동시에 연결하여 단위셀 내 체널 간 거리도 균일해 지게 된다. 이때 관통로 및 단위셀에서의 밀봉 문제를 결하기 위해, 관통로와 단위셀 에지(테두리)까지의 수직 체널에는 두껑을 덮어야 하며 이를 위해서 bipolar plate는 수직 체널이 있는 지지플레이트(support plate)와 상기 support plate 앞뒤 면에 수평 체널이 형성되어 있는 음극 및 양극 쪽 채널 플레이트(channel plate)의 3 piece를 접합하여 최종적으로 하나의 bipolar plate assembly를 구성하게 된다.
이러한 원리로 제작되어진 bipolar plate aseembly는 관통로에서 단위셀의 왼쪽 반 쪽 면에서 하부로 연료가스가 균일하게 흐르되 초기에는 뚜껑이 있는 터널 형태의 체널로 흐르다 단위셀 내에서는 음극면에 노출되게 흐르게 되고 그 다음 수평으로 연결된 2개의 체널을 통해 오른 쪽 반 쪽 면의 해당 수직 체널로 연결되어 단위셀의 음극층에 노출되어 흐르다 단위셀을 벗어나면 다시 내부 터널로 들어가서 배출용 관통로로 배출된다. 공기도 마찬가지로 bipolar plate 의 뒷면 (양극면)에서 하부 관통로에 상부 방향으로 연결된 수직체널을 거치고 그 다음 이와 연결된 수평체널, 다시 이와 연결된 수직체널을 거쳐 상부 관통로로 배출된다.
따라서 단위셀 상에서 체널들이 균일하게 분포하고, 또한 각 체널 내부에서의 가스 흐름 저항이 동일하여 단위셀 상에서 가스의 균일한 흐름 분포를 보장하며, 또한 단위셀 edge 및 관통구 주위의 밀봉 부위가 별도의channel plate로 덮혀 있어서 그 위에서 밀봉을 쉽게 할 수 있으며, 또한 이미 관통구에서 각각의 체널로 가스가 분산되었기 때문에 체널 단면적을 크게 할 필요가 없어서 bipolar plate를 얇게 유지할 수 있다.
이러한 방식을 이용해서, bipolar plate는 4개, 8개, 12개 등 4의 배수로 이루어진 복수 개의 bipolar plate를 하나로 합체하고 이웃한 같은 관통로를 합치는 것이 가능하며, 여기에 소형 단위셀들을 반복 나열하여 배치할 수가 있어서 단위셀의 대형화가 어려운 SOFC 같은 경우 소형 단위셀로도 대면적의 스텍 제작이 가능하다.
본 발명은 일 측면에서, 단위셀 비적층 영역과 단위셀 적층영역으로 구분되고,
상기 단위셀 비적층 영역에 연료의 유입용 관통홀, 연료 배출용 관통홀, 공기 유입용 관통홀 및 공기 배출용 관통홀과, 상기 바이폴라 플레이트의 일면에 단위셀 비적층 영역의 연료 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 연료 배출용 관통홀로 연결되는 다수의 연료 흐름채널과, 상기 바이폴라 플레이트의 타면에 단위셀 비적층 영역의 공기 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 공기 배출용 관통홀을 연결되는 다수의 공기채널을 가지며,
상기 채널들은 단위셀 적층 영역에,
연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결되며 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결되고 길이가 상이한 제2 수직 채널들과,
상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들을 포함하며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 각각의 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명은 또 다른 일 측면에서, 단위셀 비적층 영역과 다수의 단위셀 적층영역들로 구분되고, 상기 단위셀 비적층 영역에 다수의 연료의 유입용 관통홀, 연료 배출용 관통홀, 공기 유입용 관통홀 및 공기 배출용 관통홀들이 있으며, 상기 단위셀 적층 영역에서 일면에는 단위셀 비적층 영역의 연료 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 연료 배출용 관통홀로 연결되는 다수의 연료 흐름채널이 있으며, 상기 단위셀 적층 영역에서 타면에는 단위셀 비적층 영역의 공기 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 공기 배출용 관통홀을 연결되는 다수의 공기채널이 있으며,
상기 채널들은 단위셀 적층 영역에서, 연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결되며 길이가 상이한 제1 수직 채널들과, 연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결되고 길이가 상이한 제2 수직 채널들과, 상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들을 포함하며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 각각의 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 대면적 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명에서 제안된 연료전지용 bipolar plate의 설계 방법에 의하면, 본 발명에서 제안된bipolar plate와 단위셀을 적층 시 단위셀의 전 면적에 걸쳐서 연료 및 공기의 흐름의 균일성을 보장하면서도 단위셀 및 스텍 관통로의 밀봉이 쉽고 동시에 bipolar plate의 두께도 얇게 유지할 수가 있는 방법을 제시하며, 또한 상기 bipolar plate는 4개의 배수 개를 하나의 bipolar plate에 합체하고 복수 개의 셀들을 해당 bipolar plate에 나열 배치한 후 다시 스텍으로 적층할 수가 있어서 소형의 단위셀로 대면적의 스텍을 제작할 수 있는 방법도 함께 제공한다.
도 1은 단위 셀의 평면도이다,
도 2는 단위 셀의 저면도이다.
도 3은 단위 셀의 단면도이다.
도 4는 바이폴라플레이트의 지지 플레이트 평면도이다.
도 5는 바이폴라플레이트의 채널 플레이트 평면도이다.
도 6은 지지 플레이트와 채널플레이트가 겹쳐진 바이폴라플레이트의 평면도이다.
도 7은 바이폴라플레이트의 지지 플레이트 저면도이다.
도 8은 바이폴라플레이트의 채널 플레이트 저면도이다.
도 9는 지지 플레이트와 채널플레이트가 겹쳐진 바이폴라플레이트의 저면도이다.
도 10은 도 6에서 선분 BB’에 따른 단면도이다.
도 11은 도 6에서 선분 CC’에 따른 단면도이다.
도 12는 도 6에서 선분 DD’에 따른 단면도이다.
도 13은 스텍 적층을 위한 하부 엔드 플레이트의 저면도이다.
도 14는 스텍 적층을 위한 상부 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 15는 스텍 적층을 위한 하부 엔드 플레이트의 평면도이다
도 16은 도 15에서 단위셀 테두리 적층영역에 밀봉재가 위치된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 17은 도 16에서 밀봉재 위에 단위셀을 적층하고, 단위셀 비적층 영역과 단위셀 테두리 적층영역에 밀봉재가 전극 높이까지 채워진 상태를 나타내는 평면도이다.
도 18은 도 17에서 바이폴라 플레이트가 적층된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 19는 4개의 단위 셀이 하나의 바이폴라플레이트에 배치된 상태의 평면도이다.
도 20은 4 개의 단위 셀이 하나의 바이폴라플레이트에 배치된 상태의 저면도이다.

본 발명의 원리를 보다 상세하게 설명하기 위해서 구체적으로 도면을 통한 예시를 통해 본 발명을 설명하기로 하나 본 발명이 하기 도면들의 예에 국한 되는 것은 아니다.
도1내지 도 3은 예로 전해질 지지체 (4) 형식의 단위 셀 (1)을 나타낸 것으로 나중 단위셀 적층의 절차를 간소화하기 위해 편리 상 단위셀의 음극층 (3) 및 양극층 (5)에 각각 gas diffusion layer (7, 8)을 미리 부착시켜 나타내었다. 도 4내지 도 9는 본 발명의 bipolar plate (17)의 설계 및 제작 원리를 나타낸 것으로, 도 4는 중심 support plate (11)의 앞 면 (음극 면) (12)을 나타낸 것으로, 상부 왼쪽에 연료 공급용 관통로 (21) 및 대각선 방향 하부에 연료 배출용 관통로 (22)가 배치되고 하부 왼쪽에 공기 도입용 관통로 (23) 및 대각선의 상부 오른 쪽에 공기 배출용 관통로 (24)를 배치하되, 하나의 관통로에서 단위셀 내 존재하는 체널들의 50%를 연결할 수가 있도록 길이 방향으로 길게 형성되게 된다. 상기 연료도입용 관통로 (21)에 수직 체널들 (31)을 하부 단위셀 안으로 형성시키되 바깥에서 중심으로 갈수록 그 길이는 점점 짧아지며, 마찬가지로 하부 연료배출용 관통로 (22)에 수직 체널들 (32)을 단위셀 내로 형성시키되 바깥에서 중심으로 갈수록 그 길이는 점점 짧아지게 한다. 도 5에 도4의 support plate (11)의 음극면 (21)에 접합하게 될 예정인 음극용 channel plate (15)에 형성한 channel opening이 나와 있으며, 연료도입용 수직용 channel opening (33)들과 연료배출용 수직용 channel opening (34)들은 단위셀 (52) 내부에만 형성이 되어 있으며, 그외 수평으로 체널 opening (35)들이 추가로 형성되어 있다. 도6에 도4와 도5를 최종적으로 접합하여 밀봉한 후의 bipolar plate (17)의 앞면 (18)의 평면도가 나타나 있으며, 여기서 보면 왼쪽의 연료도입용 체널들은 (31) 체널 하나 당 각각 2개의 수평체널들 (35)에 의해 오른쪽의 연료배출용 체널들 (32)과 연결되어 진다. 관통로 (21, 22)와 단위셀 (1)의 edge (52) 까지는 밀봉제가 적치되어야 할 부분이라서 체널이 표면에 노출되지 않고 하부에 터널 형태 (37, 38)로 존재하게 된다. 도 6에서 보면 각각의 체널은 그 길이가 같고 유체 흐름 저항도 같다는 것을 알 수가 있고, 이렇게 하여 모든 체널에서의 유체 흐름의 균일성이 보장되는 방법이 제공될 수가 있다. 또한 본 발명에서는 관통로에서 이미 모든 연료가 각각의 체널로 분산 공급되기 때문 각 체널의 단면적은 클 필요가 없어서 체널 깊이를 1mm 이하로 유지할 수가 있고 덩달아 bipolar plate 두께도 3 mm이하로의 제작도 가능하다.
마찬가지 원리로 공기의 도입 및 배출을 위해 도7에 support plate의 뒷면 (18)에서의 공기 도입 및 배출용 수직 체널 (41, 42)들의 설계 원리, 도8에 cathode channel plate (16)에서의 수직 방향 channel opening (43, 44)들 및 수직 체널 연결을 위한 수평 방향 channel opening들의 형성 원리가 나타나 있다. 따라서 상기 bipolar는 도10내지 12에서 보는 것처럼 중앙의 support plate (11)에 앞면과 뒷면에 각각 음극용 channel plate및 양극용 channel plate를 물리적으로 접합하여야 사용이 가능하다. 일반적으로 graphite를 bipolar plate로 사용하는PEMFC의 경우는 접착제로 접착이 가능하나, 고온의 SOFC는 금속판을 사용하기 때문 각각의 체널 형성 후 3장을 접합하여 plate간 밀봉이 되기 위해서는 diffusion bonding이나 high energy beam welding등의 기술이 사용되어야 한다.
도13과 도 14에는 단위셀과 bipolar를 사용하여 스텍으로 적층하는데 필요한 스텍 양단의 end plate를 제작하는 도면을 보여준다. 여기서는 최종 조립된 스텍의 하부로 연료와 공기가 공급되고 또한 배출되는 경우를 나타내었다.
이러한 경우에는 도 13에서 나타난 스텍의 하부에 놓이는 bottom end plate의 상부 면에는 도 15와 같은 bipolar plate 면이 형성되어 있어야 하고, 이와는 반대로 도 14에 나타난 스텍의 상부에 놓이는 최종 top end plate의 하부면에는 도9와 같은 양극면에 해당하는 bipolar plate 면에 형성되어 있어야 한다.
도15 내지 도 18에서는 발명에서 예시된 상기 bipolat plate, bottom end plate, top end plate를 이용하여 단위셀과 스텍을 제작하기 위한 절차가 예시가 되어 있다.
먼저 15에서 보는 것처럼 bottom end plate(71)를 놓고 그 위 상부면 (73)에 단위 셀 (1) 상의 전해질이 노출된 edge 부위에 전해질과 음극용 gas diffusion layer 사이 두께와 상응하는 두께의 밀봉제 (61)를 도 16에서처럼 놓고, 그 다음 단위셀 (1)과 밀봉재 (62)를 상단 gas diffusion layer 두께 부분까지 도 17에서처럼 채운 후 다시 그 위에 bipolar plate를 도 18에서처럼 적층하게 되며, 추가 적층을 위해서는 상기 도 16-17-18의 과정을 반복한다. 마지막 단위셀의 적층을 위해서는 도 16-17까지만 수행하고 여기에 최종적으로 top end plate(75)를 적치하면 스텍이 완성되게 된다.
도19 내지 도 20은 본 발명의 bipolar plate 4개를 하나의 판으로 합체한 경우를 나타낸 것으로, 연료 배츨용 관통로 (22)을 제외하고는 도입용 관통로 (21)는 크게 하나로 통일되고 공기 도입 (23) 및 배출용 관통로 (24)는 4개에서 2개로 줄어든다. 따라서 상기 bipolar plate에는 4개의 단위셀을 한꺼번에 나열하여 5에서와 같은 원리로 적층하여 면적을 셀 면적을 증가 시킬 수가 있다. 이러한 나열형 bipolar plate는 따라서 8개, 12개, 16개 등 4의 배수로 합체가 가능하며, 필요 시 쉽게 보다 대 면적의 스텍 제작이 가능한 수단을 제공한다.
이러한 합체형 스텍에서 하부에서 연료 및 공기의 공급 및 배출을 하나의 배관을 통해 하기 위해서는 하부면에는 관통로만 형성되고 채널이 형성되지 않고 상부면에만 도 19와 같은 채널이 형성된 별도의 bottom end plate block가 제작하고 난 후 여기에 스텍 제작을 위한 각 단위셀 영역에 도 15-18의 과정의 적층이 이루어지고, 최종적으로 하부면에 도 20과 같은 채널이 형성되고, 상부에는 채널과 관통로가 없는 적층하고, 최종적으로 plate 간 접합 및 밀봉 과정을 거쳐서 제작하게 된다.
1. 단위셀(Unit cell)
3. 음극층(Anode)
4. 전해질 지지체(Electrolyte)
5. 양극층(Cathode)
7. 음극층 가스 분산층(Gas diffusion layer for the anode)
8. 양극층 가스 분산층(Gas diffusion layer for the cathode)
11. 지지 플레이트(Support plate with vertical channels)
12. 지지 플레이트의 전면(Front (anode) face of the support plate)
13. 지지 플레이트의 배면(Rear (cathode) face of the support plate)
15. 음극용 채널 플레이트(Channel plate for anode side)
16. 양극용 채널 플레이트(Channel plate for cathode side)
17. 바이폴라 플레이트(Bipolar plate assembly)
18. 바이폴라 플레이트 전면(Front (anode) face of bipolar plate)
19. 바이폴라 플레이트 배면(Rear (cathode) face of the bipolar plate)
21. 연료 공급용 관통로(Common tunnel for fuel in)
22. 연료 배출용 관통로(Common tunnel for fuel out)
23. 공기 공급용 관통로(Common tunnel for air in)
24. 공기 배출용 관통로(Common tunnel for air out)
31. 연료 공급용 수직채널 (Vertical channels for fuel entering)
32. 연료 배출용 수직채널(Vertical channels for fuel leaving)
33. 연료 도입용 수직채널 오프닝(Vertical channel openings for fuel entering in the anode channel plate)
34. 연료 배출용 수직채널 오프닝(Vertical channel openings for fuel leaving in the anode channel plate)
35. 수평 연료 채널 오프닝(Horizontal channels that connect a vertical channel of fuel entering with that of fuel leaving)
37. 연료 도입 터널(Tunnels of fuel entering beneath the anode channel plate)
38. 연료 배출 터널(Tunnels of fuel leaving beneath the anode channel plate)
41. 공기 도입용 수직채널(Vertical channels for air entering)
42. 공기 배출용 수직채널(Vertical channels for fuel leaving)
43. 공기 도입용 수직 채널 오프닝(Vertical channel openings for air entering in the cathode channel plate)
44. 공기 배출용 수직 채널 오프닝(Vertical channel openings for air leaving in the cathode channel plate)
45. 수평 공기 채널 오프닝(Horizontal channels that connect a vertical
channel of air entering with that of air leaving)
47. 공기 도입 터널(Tunnels of air entering beneath the cathode channel plate)
48. 공기 배출 터널(Tunnels of air entering beneath the cathode channel plate)
52. 단위셀 에지(Edge of the cell)
61. 밀봉재(Sealant around the edge of the anode current collector)
62. 밀봉재(Sealant around the edges of the unit cell, cathode current collector and corridors)
71. 하부 엔드 플레이드(Bottom end plate in the stack)
72. 하부 엔드 플레이트 저면(Real face of the bottom end plate)
73. 하부 엔드 플레이트 평면(Front face of the bottom end plate)
75. 상부 엔드 플레이트(Top end plate in the stack)
76. 상부 엔드 플레이트 평면(Front face of the top end plate)
77. 4개의 단위셀용 바이폴라플레이트(Bipolar plate for arraying 4 cells)

Claims (18)

  1. 단위셀과 바이폴라 플레이트가 교대로 적층된 연료전지용 스텍에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 테두리의 단위셀 비적층 영역과 중심부의 단위셀 적층 영역으로 구분되고,
    상기 단위셀 비적층 영역에 테두리를 따라서 길게 연장되는 연료 유입용 관통홀, 연료 배출용 관통홀, 공기 유입용 관통홀, 및 공기 배출용 관통홀을 가지며,
    상기 바이폴라 플레이트에는 일면에 공기가 흐르는 다수의 공기 채널과 및/또는 타면에 연료가 흐르는 다수의 연료 채널이 있으며,
    상기 채널들은 단위셀 적층 영역에서,
    연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
    연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결된 길이가 상이한 제2 수직 채널들과,
    상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들로 연결되며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일하며,
    상기 공기 채널 또는 연료 채널들은 관통홀에서 단위셀 적층 영역까지지는 터널형 채널이며, 단위셀 적층 영역까지는 홈 채널인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 셀 적층 영역의 절반에는 제1 수직채널들이 있으며, 다른 절반에는 제1 수직채널과 동일한 수의 제2 수직채널들이 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수직 채널들은 등 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단위셀 적층 영역에서 수직채널들은 외곽측에 위치할수록 길이가 길고, 중심부에 위치할 수록 짧으며, 최외곽의 제1 수직채널은 가장 중심부의 제2 수직 채널과 연결되며, 최외곽의 제2 수직 채널은 가장 중심부의 제1 수직채널과 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  5. 제1항에 있어서, 제1 수직채널과 제2 수직채널을 연결하는 수평 채널은 2개의 수평채널로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스텍.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수직채널들은 동일한 단면적의 채널인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  7. 제5항에 있어서, 상기 수평 채널 홈의 깊이는 수직 채널의 홈의 깊이의 절반인 것을 특징으로 하는 연료전지용 스텍.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 단위셀 비적층 영역과 단위셀 테두리 적층영역은 밀봉재로 밀봉되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 스텍.
  11. 연료전지 스텍용 바이폴라 플레이트에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트는 테두리의 단위셀 비적층 영역과 중심부의 단위셀 적층영역으로 구분되고,
    상기 단위셀 비적층 영역에 테두리를 따라서 길게 연장되는 연료 유입용 관통홀, 연료 배출용 관통홀, 공기 유입용 관통홀 및 공기 배출용 관통홀을 가지며,
    상기 바이폴라 플레이트의 일면에 단위셀 비적층 영역의 연료 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 연료 배출용 관통홀로 연결되는 다수의 연료 채널과,
    상기 바이폴라 플레이트의 타면에 단위셀 비적층 영역의 공기 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 공기 배출용 관통홀을 연결되는 다수의 공기채널을 가지며,
    상기 채널들은 단위셀 적층 영역에,
    연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결되며 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
    연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결되고 길이가 상이한 제2 수직 채널들과,
    상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들을 포함하며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 각각의 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일하며,
    상기 공기 채널 또는 연료 채널들은 관통홀에서 단위셀 적층 영역까지는 터널형 채널이며, 단위셀 적층영역에서는 홈 채널인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  12. 삭제
  13. 제11항에 있어서, 상기 단위 셀 적층 영역의 절반에는 외곽측에 위치할수록 길이가 길고, 중심부에 위치할 수록 짧은 다수의 제1 수직채널들이 등간격으로 존재하고, 상기 단위셀 적층 영역의 나머지 절반에는 외곽측에 위치할수록 길이가 길고, 중심부에 위치할 수록 짧은 다수의 제2 수직채널들이 등간격으로 존재하고,
    최외곽의 제1 수직채널과 중심부의 제2 수직 채널이 차례로 수평채널에 의해 차례로 연결되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  14. 제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 단위셀 적층 영역에서 제1 수직채널과 제2 수직채널을 연결하는 수평 채널은 2개의 수평채널로 이루어진 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단위셀 적층 영역에서 수직 채널들은 단면적이 동일하며, 상기 수평 채널들의 단면적은 수직채널들의 절반인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  16. 제11항에 있어서, 상기 바이폴라플레이트는
    상기 관통홀에 상응하는 관통홀들과 수직 채널들에 상응하는 홈들이 있는 지지플레이트와,
    상기 관통홀에 상응하는 관통홀들과 단위셀 적층 영역의 공기흐름용 수직채널들과 수평 채널들에 상응하는 개구가 있는 공기흐름용 채널 플레이트와, 및
    상기 관통홀에 상응하는 관통홀들과 단위셀 적층 영역의 연료흐름용 수직채널들과 수평 채널들에 상응하는 개구가 있는 연료흐름용 채널 플레이트가 적층된 어셈블리인 것을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
  17. 테두리의 단위셀 비적층 영역과 중심부의 다수의 단위셀 적층영역들로 구분되고,
    상기 단위셀 비적층 영역에는 테두리를 따라서 연장되는 연료 유입용 관통홀과 상기 연료 유입용 관통홀로부터 단위셀 적층영역의 연료 흐름 채널로 연결되는 다수의 연료 유입용 터널, 연료 배출용 관통홀과 단위셀 적층 영역의 연료 흐름 채널에서 상기 연료 배출용 관통홀까지 연결되는 다수의 연료 배출용 터널, 공기 유입용 관통홀과 상기 공기 유입용 관통홀로부터 단위셀 적층영역의 공기 흐름 채널로 연결되는 다수의 공기 유입용 터널 및 공기 배출용 관통홀과 단위셀 적층 영역의 연료 흐름 채널에서 상기 공기 배출용 관통홀까지 연결되는 다수의 공기 배출용 터널이 있으며,
    상기 단위셀 적층 영역에서 일면에는 단위셀 비적층 영역의 연료 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 연료 배출용 관통홀로 연결되는 다수의 연료 흐름채널이 있으며,
    상기 단위셀 적층 영역에서 타면에는 단위셀 비적층 영역의 공기 유입용 관통홀에서부터 단위셀 적층 영역을 지나 단위셀 비적층 영역의 공기 배출용 관통홀을 연결되는 다수의 공기채널이 있으며,
    상기 채널들은 단위셀 적층 영역에,
    연료 또는 공기의 유입용 관통로와 연결되며 길이가 상이한 제1 수직 채널들과
    연료 또는 공기의 유출용 관통로와 연결되고 길이가 상이한 제2 수직 채널들과,
    상기 제1 수직 채널들과 제2 수직 채널들을 각각 연결하는 수평 채널들을 포함하며, 상기 수평채널에 의해서 연결된 수직채널들은 각각의 제1 수직채널과 제2 수직 채널의 길이의 합들이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  18. 제17항에 있어서, 하나의 관통로가 2 이상의 단위셀의 채널에 연결되는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
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