KR101698584B1 - 연료전지 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 매니폴드와 유로를 연결하기 위한 연결홀을 용이하게 형성할 수 있으며, 유로에 수소, 공기 또는 산소를 공급하기 위한 연결홀 위에 개스킷이 설치되었을 때 기밀을 완벽하게 유지할 수 있고, 조립시 별도의 장치를 이용하여 분리판과 각 부품들의 위치를 일치시키기 위한 노력을 감소시킬 수 있도록 함을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지 분리판은, 상,하부에 유로가 형성되는 활성면적부와, 상기 활성면적부의 측면에 연결되는 매니폴드를 포함하며,
상기 매니폴드는 상기 활성면적부의 측면에 경사지게 연결되어 상기 활성면적부의 측면이 매니폴드 상에 노출된다.

Description

연료전지 분리판{Fuel Cell Separator}

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지란, 연료인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 연소과정 없이 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다. 이 연료전지는 충전이 필요한 종래 전지와는 달리 수소와 산소를 공급함으로 연속적인 전기 생산이 가능하다.

연료전지는 주로 전해질의 차이에 따라 크게 네 가지 유형으로 나누어진다. 그리고 유형에 따라 작동하는 온도나 출력의 규모 등도 달라지고, 그에 따라 연료전지의 용도도 달라진다. 그러나, 이온이 전해질을 통과하고 교환으로 전극 사이에 전기가 흐른다는 근본 원리는 모두 같다.

연료전지는 고온형과 저온형으로 나누어지고 이들은 다시 두가지 유형으로 나눌 수 있다. 고온형의 연료전지에는 '용융 탄산염형 연료전지(MCFC)'와 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'의 두 가지 유형이 있다. 고온형의 연료전지는 섭씨 500~1,000도라는 고온에서 작동한다. 고온이 되면 화학반응의 속도가 빨라지고 특히 촉매가 필요 없게 된다.

용융 탄산염형 연료전지(MCFC)는 섭씨 650도 전후의 고온에서 작동한다. 전해질에는 탄산염을 녹인 액체(용융 탄산염)을 쓴다. 수소 이외에 천연 가스나 석탄 가스 등을 연료로 쓰는 일도 있다. 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 섭씨 1,000도 부근의 고온에서 작동한다. 전해질에는 고체인 세라믹을 쓴다.

고온형 다음으로 저온형으로 두 가지 유형의 연료전지가 있다. 저온형은 고온형 연료전지에 비해 훨씬 저온(섭씨 200도 이하)에서 작동된다. 저온형의 공통 장점은 시동이 단시간에 된다는 것과 크기를 작게 할 수 있다는 것이다. 여기에는 '인산형 연료전지(PAFC)'와 '고체 고분자형 연료전지(PEFC)'가 있다. '인산형 연료전지(PAFC)는 섭씨 200도 정도에서 작동하며, 전해질에는 인산수용액을 쓴다. '고체 분자형 연료전지(PEFC)는 섭씨 100도 미만이라는 상온에 가까운 온도에서 작동한다. 전재힐에는 수용액이 아니라 수지로 얇은 막을 사용한다.

이러한 연료전지에서 고분자 전해질 연료전지는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 음극과 양극이 부착되어 있는 형태로서, 산화전극 또는 연료극에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가 양극(산화전극 또는 연료극), 음극(환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생하게 된다.

이러한 고분자 전해질 연료전지는 고분자전해질 막과 전극, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다. 특히 양극과 음극의 두 전극을 고분자 전해질 막에 핫-프레싱 방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체(MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자 전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다.

연료전지에서 분리판은 수소와 산소의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 양측면에 가스유로가 각각 형성되어 있고 외곽의 각 모서리에는 수소 및 산소를 각각 공급하기 위한 매니폴드가 형성되어 있으며, 양극과 음극과의 접촉 부위로의 수소 및 산소의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로 및 매니폴드의 외곽으로 판형 개스킷 또는 O-링이 끼워지는 구조로 이루어져 있다.

종래의 연료전지용 분리판에 의하면, 양측면에 가스유로가 각각 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 매니폴드가 형성되며, 상기 가스유로 및 매니폴드의 외곽에 양극 및 음극과의 기밀을 위해 개스킷이 끼워지는 연료전지용 분리판에 있어서, 매니폴드와 가스유로의 사이에 가스유로와 일체로 이루어져 연결통로가 개방 형성되고, 상기 연결통로의 개방부위에 0.1 ~ 0.3mm 두께의 스테인레스 재질, 플라스틱, 복합재료 등의 경질재료로 된 얇은 판이 부착되어 개스킷이 밀착 결합되는 평탄부를 형성한 것을 제시하고 있다.

상기 종래기술에 의하면 연료전지용 분리판은 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로가 가스유로와 일체로 형성된 개방구조로 이루어짐으로써 기존과 같은 홀의 가공이 필요 없고, 프레스 성형 또는 사출성형을 할 수 있어 제작공정이 간소하며, 가스의 흐름 원활성, 기밀성을 향상시킬 수 있음은 몰론 홀의 가공에 따른 두께 제한을 줄일 수 있게 되어 궁극적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있다고 기재되어 있으나, 상기 연결통로의 개방부위에 스테인레스 재질, 플라스틱, 복합재료 등의 경질재료로 된 얇은 판을 부착하여 개스킷이 밀착 결합할 수 있도록 평탄부를 형성하는 것은 연료전지의 장기 가동시 이탈할 위험성이 항시 존재한다는 문제점이 있다.

또한 이종의 재질로 결합되기 때문에 가스 기밀성에 대한 위험이 항상 존재하는 문제점이 수반된다.

공개특허공보 제10-2001-0037120호(2001.05.07)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 매니폴드와 유로를 연결하기 위한 연결홀을 용이하게 형성할 수 있도록 한 연료전지 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 유로에 수소, 공기 또는 산소를 공급하기 위한 연결홀 위에 개스킷이 설치되었을 때 기밀을 완벽하게 유지할 수 있는 구조를 갖는 연료전지 분리판을 제공하는 데에도 있다.

그리고, 스택 조립시 별도의 추가적인 장치를 이용하여 분리판과 각 부품들의 위치를 일치시키기 위한 노력을 감소시킬 수 있도록 한 연료전지 분리판을 제공하는 데에도 있다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판은, 상,하부에 유로가 형성되는 활성면적부와, 상기 활성면적부의 측면과 연결되는 매니폴드를 포함하며,

상기 매니폴드는 상기 활성면적부의 측면에 경사지게 연결되어 상기 활성면적부의 측면이 매니폴드 상에 노출된다.

그리고, 상기 활성면적부의 일측 하부에 상기 활성면적부의 하부에 형성된 유로와 연결되면서 상기 매니폴드 상에 노출되는 하부 연결홀이 형성되고,

상기 활성면적부의 타측 하부에는 상기 하부 연결홀과 대칭되며 상기 활성면적부의 상부에 형성된 유로와 연결되면서 상기 매니폴드 상에 노출되는 상부 연결홀이 형성된다.

또한, 상기 매니폴드의 상부에서 활성면적부의 외부를 향해 수평 방향으로 연장되는 안착부를 더 포함한다. 그리고, 안착부와 활성면적부가 경사부를 사이에 두고 두께방향으로 높이 차이가 나게 형성되고, 하부 연결홀과 상부 연결홀은 공구에 의해 매니폴드를 통해 활성면적부의 측면에 가공 형성될 수 있게 되어 있다.

그리고, 상기 다수개로 적층되는 연료전지용 분리판을 가압하기 위한 가압판을 더 포함한다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판은, 종래와 같이 연결통로의 개방부위에 얇은 판을 부착할 필요가 없어 얇은 판과 개스킷 사이에서 발생할 수 있는 누설을 원천적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.

또한, 매니폴드상에 활성면적부의 측면이 노출되어 있어, 드릴 등을 통해 활성면적부에 하부 연결홀과 상부 연결홀을 용이하게 형성하여 유로와 연결되도록 할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 본 발명에 따른 연료전지 분리판은 종래와 같이 연료전지 분리판의 최외곽부를 포함하여 유로 유입구까지 드릴로 가공하지 않아도 되기 때문에 가공성이 향상되며, 하부 연결홀과 상부 연결홀 위에 개스킷이 설치되었을 때 기밀을 완벽하게 유지할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 연료전지 분리판은, 종래의 연료전지 분리판 처럼 최외곽부를 포함하여 유로 유입구까지 드릴로 가공하는 것이 아니라 활성면적부의 측면에 연결홀을 바로 형성할 수 있기 때문에 연결홀의 깊이가 종래보다 2배에서 3배 이상 짧아 불량률이 크게 줄어드는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 U형 또는 역 사다리꼴 형상으로 형성하므로서, 연료전지 분리판을 MEA 및 개스킷과 적층하여 스택을 제조할 경우 연료전지 분리판들은 아래에 위치된 또 다른 연료전지 분리판의 내부에 포개진 상태로 적층되며, 안착부 또한 아래 위치된 또 다른 안착부에 개스킷을 매개로 하여 안착되기 때문에 어떠한 추가적인 장치 없이도 용이하게 적층될 수 있으며, 적층된 연료전지 분리판에서 슬립이 발생되지 않는 효과가 있다.

도1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 사시도.
도2는 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 평면도.
도3은 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 단면도.
도4는 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 MEA로 구성된 연료전지의 스택 구조를 도시한 단면도.

이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

도1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 사시도이고, 도2는 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 평면도이며, 도3은 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 도시한 단면도이고, 도4는 본 발명에 따른 연료전지 분리판과 MEA로 구성된 연료전지의 스택 구조를 도시한 단면도이다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판(1)은 사출 및 압축성형으로 제조된다. 사출성형은 주로 열가소성 소재(PP, PPS, LCP 등)와 흑연을 혼합하여 펠렛화 한 다음 사출성형기를 통해 사출하여 제조한다. 압축성형은 주로 열경화성 소재(페놀, 에폭시, 비닐에스터 등)를 압축성형기에서 압축하여 제조한다.

구체적으로 본 발명의 연료전지 분리판(1)은 PP(polypropylene), PMMA(polymethylmethacrylate), 흑연 분말, 카본블랙을 twin screw extruder를 이용하여 펠렛 형태로 제조하였다. 제조된 펠렛을 U형 또는 역 사다리꼴 형상의 연료전지 분리판(1)을 제조할 수 있는 사출금형을 사출기에 장착하여 사출성형하여 제조한다. 이때 PP 및 PMMA가 10 ~ 40%, 흑연 분말 및 카본블랙 60 ~ 90%의 조성을 갖게 하였다.

페놀 및 에폭시 resin 10 ~ 40%, 흑연 분말 및 카본블랙 분말 60 ~ 90%를 혼합하여 sheet로 제조한다. 이때, 제조된 흑연/resin 복합체 sheet는 반경화 상태로 제조되며, 반경화 흑연/resin 복합체 sheet를 U형 연료전지 분리판(1)을 제조할 수 있는 압축금형에 넣어 150 ~ 200℃, 5 ~ 600s의 조건에서 성형한다.

페놀 및 에폭시 resin 10 ~ 40%, 흑연 분말 및 카본블랙 분말 60 ~ 90%를 혼합하여 흑연/resin 복합체 분말로 제조한다. 제조된 흑연/resin 복합체 분말을 60 ~ 100℃, 5 ~ 100s 압축성형하여 반경화 흑연/resin 복합체 sheet를 제조한다. 이를 도 2의 U형 연료전지 분리판(1)을 제조할 수 있는 압축금형에 넣어 150 ~ 200℃, 5 ~ 600s의 조건에서 성형하여 제조한다.

이와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 따른 연료전지용 분리판(1)은 활성면적부(10)와, 매니폴드(20)를 포함한다. 본 발명은 다수개가 적층되는 구조로 이루어지며 상기 활성면적부(10)의 사이에 연료전지를 위치시킨 다음 전기화학적 반응을 통해 전기를 발전하게 된다.

부가적으로, 본 발명은 다양한 종류의 연료전지에서 전기에너지를 발전할 수 있다. 상기 연료전지는 '용융 탄산염형 연료전지(MCFC)와 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)와 '인산형 연료전지(PAFA)'와 '고체 분자형 연료전지(PEFC)' 등이 적용될 수 있다.

한편, 상기 활성면적부(10)의 상,하부에는 지그재그 형상의 유로(101,102)가 표면으로 개방되며, 상기 매니폴드(20)는 상기 활성면적부(10)의 측면에 대칭 연결된다.

이때, 상기 매니폴드(20)는 상기 활성면적부(10)의 측면에 경사지게 연결되어 본 발명의 연료전지 분리판(1)을 측면에서 바라봤을 때 상기 활성면적부(10)의 측면은 매니폴드(20)상에 노출된다.

그리고, 상기 매니폴드(20) 상에 노출된 활성면적부(10)의 일측 하부에는 상기 활성면적부(10)의 하부에 형성된 유로(102)와 연결되는 하부 연결홀(103)이 형성되며, 상기 매니폴드(20) 상에 노출된 활성면적부(10)의 타측 상부에는 상기 하부 연결홀(103)과 대칭되고 상기 활성면적부(10)의 상부에 형성된 유로(101)와 연결되는 상부 연결홀(104)이 형성되며, 상기 하부 연결홀(103)과 상부 연결홀(104)은 드릴 등의 타공장치를 통해 형성될 수 있다.

즉, 본 발명은 상기 활성면적부(10)의 측면에 매니폴드(20)를 경사지게 연결하여 상기 활성면적부(10)의 측면이 외부로 노출되도록 하므로서, 드릴 등을 통해 상기 활성면적부(10)의 하부 연결홀(103)과 상부 연결홀(104)을 용이하게 형성할 수 있다.

이에 따라 본 발명의 연료전지 분리판(1)은 종래와 같이 연료전지 분리판의 최외곽부를 포함하여 유로 유입구까지 드릴로 가공하지 않아도 되기 때문에 가공성이 향상되며, 상기 하부 연결홀(103)과 상부 연결홀(104) 위에 개스킷(50)이 설치되었을 때 기밀을 완벽하게 유지할 수 있다.

한편, 상기 활성면적부(10)의 측면에 매니폴드(20)가 경사지게 연결됨으로 인해 본 발명의 연료전지 분리판(1)을 정면에서 바라본 단면형상은 U 형상 또는 역 사다리꼴 형상으로 형성된다. 그리고, 상기 매니폴드(20)의 상부에는 활성면적부(10)의 외부를 향해 수평 방향으로 연장되는 안착부(30)가 더 형성된다.

이와 같은 구조를 갖는 연료전지 분리판(1)들을 MEA(Membrane-Electrode Assembly '이하 MEA라 함') 및 개스킷(50)과 적층하여 스택을 제조할 경우, 연료전지 분리판(1)들은 아래에 위치된 또 다른 연료전지 분리판91)의 내부에 포개진 상태로 적층되며, 상기 안착부(30) 또한 아래 위치된 또 다른 안착부(30)에 개스킷(50)을 매개로 하여 안착되기 때문에 어떠한 추가적인 장치 없이도 다수개의 연료전지 분리판(1)을 용이하게 적층할 수 있으며, 적층된 연료전지 분리판91)에서 슬립이 발생되지 않는 이점이 있다.

일 예로, 상기와 같이 연료전지 분리판(1)들을 MEA(60) 및 개스킷(50)과 적층한 상태에서 상기 하부 연결홀(103)을 통해 MEA(60)의 상부에 수소를 공급하고 상부 연결홀(104)을 통해 MEA(60)의 하부에 산소 또는 공기를 공급하여 전기화학적 반응을 통해 전기를 발전할 수 있다.

부가적으로, 상기 유로(101,102)의 외주면 및 안착부(30)에는 개스킷(50)이 설치되어 양극 및 음극과의 접촉되는 부분으로 수소 및 산소가 혼합되거나 누출되는 것을 차단할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 MEA(60) 및 개스킷(50)과 적층된 연료전지 분리판(1)을 가압하여 스택을 제작하기 위한 가압판(40)을 더 포함한다.

구체적으로, 상기 가압판(40)은 두개가 한 조를 이루어 하나의 가압판(40)은 상기 적층된 연료전지 분리판(1)들 중 최하부에 위치된 연료전지 분리판(1)의 하부에 위치되고 또 다른 가압판(40)은 최상부에 위치된 연료전지 분리판(1)의 상부에 위치된다.

이 상태에서 상기 연료전지 분리판(1)의 최상부에 위치된 가압판(40)을 하강시키고 연료전지 분리판(1)의 최하부에 위치된 가압판(40)을 상승시키면 상기 적층된 연료전지 분리판(1)들은 상기 가압판(40)들의 사이에서 가압되며, 이로 인해 상기 연료전지 분리판(1)들의 내부에는 균일한 압력이 가해져 MEA(60)를 통해 전기를 발전할 수 있다.

이때, 상기 연료전지 분리판(1)의 최상부에 위치된 가압판(40)과 연료전지 분리판(1)의 최하부에 위치된 가압판(40)의 가장자리에는 로드(70)를 수직설치하여 상기 가압판(40)이 로드(70)를 따라 상,하 방향으로 이동되면서 연료전지 분리판(1)을 가압하도록 할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

1 : 연료전지 분리판 10 : 활성면적부
101,102 : 유로 103 : 하부 연결홀
104 : 상부 연결홀 30 : 안착부
40 : 가압판 50 : 개스킷
60 : MEA 70 : 로드

Claims (4)

1. 상 하부에 유로를 구비하는 활성면적부가 형성되는 평탄부와, 상기 활성면적부의 측면에 연결되는 매니폴드가 형성되는 경사부와, 상기 경사부의 상단에서 상기 활성면적부의 외측으로 향해 수평방향으로 연장되는 안착부를 포함하고, 상기 평탄부와 상기 경사부와 상기 안착부가 하나의 판으로 형성되는 연료전지 분리판으로서,
   상기 안착부와 상기 활성면적부는 상기 경사부에 의해 두께방향으로 높이 차이가 나게 형성되고,
   상기 활성면적부의 일측 하부에 상기 활성면적부의 하부에 형성된 유로와 연결되면서 상기 매니폴드 상에 노출되는 하부 연결홀이 형성되고,
   상기 활성면적부의 타측 상부에는 상기 하부 연결홀과 대칭되며 상기 활성면적부의 상부에 형성된 유로와 연결되면서 상기 매니폴드 상에 노출되는 상부 연결홀이 형성되어,
   상기 하부 연결홀과 상기 상부 연결홀은 공구에 의해 상기 매니폴드를 통해 활성면적부의 측면에 가공 형성될 수 있게 된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에서,
   상기 다수개로 적층되는 연료전지 분리판을 가압하기 위한 가압판
   을 더 포함하는 연료전지 분리판.

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