KR102099461B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR102099461B1
KR102099461B1 KR1020170056272A KR20170056272A KR102099461B1 KR 102099461 B1 KR102099461 B1 KR 102099461B1 KR 1020170056272 A KR1020170056272 A KR 1020170056272A KR 20170056272 A KR20170056272 A KR 20170056272A KR 102099461 B1 KR102099461 B1 KR 102099461B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
channel
fuel cell
membrane
channels
electrode assembly
Prior art date
Application number
KR1020170056272A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180122150A (ko
Inventor
나일채
구영모
유승을
Original Assignee
주식회사 씨엔엘에너지
한국자동차연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 씨엔엘에너지, 한국자동차연구원 filed Critical 주식회사 씨엔엘에너지
Priority to KR1020170056272A priority Critical patent/KR102099461B1/ko
Publication of KR20180122150A publication Critical patent/KR20180122150A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102099461B1 publication Critical patent/KR102099461B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0234—Carbonaceous material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0267—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors having heating or cooling means, e.g. heaters or coolant flow channels
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0273—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes with sealing or supporting means in the form of a frame
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/521—

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다. 본 발명은, 가스가 통과되는 복수의 채널을 가지는 채널부; 상기 채널부의 일측에 형성되고, 가스가 유입되는 입구부; 및 상기 채널부의 타측에 형성되고, 가스가 배출되는 출구부를 포함하고, 상기 채널부는 8개 이상의 채널을 가지는 연료전지용 분리판, 및 이를 포함하는 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 분리판을 통과하는 가스와 막-전극 접합체 간의 접촉 효율(반응성)이 증가되어 연료전지의 적어도 전기적 성능이 향상된다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 {BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 하나의 실시 형태에 따라서 연료전지용 분리판의 구조적 개선을 통해 연료전지의 적어도 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
연료전지는 수소나 탄화수소계 등의 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 연료전지의 대부분은 수소와 산소를 이용하고 있으며, 수소는 연료극을 통과하고, 산소는 공기극을 통과한다. 연료전지는 일반적인 연소기관에 비해 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없으며, 그 크기와 용량을 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있다.
일반적으로, 연료전지는 막-전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와 분리판(Bipolar Plate)을 포함한다. 막-전극 접합체(MEA)는 중앙의 분리막(통상, 전해질막)과, 상기 분리막의 양면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 포함한다. 분리판은 금속재나 전기전도성의 탄소재 등으로 구성된다. 분리판은 막-전극 접합체(MEA)에 가스(수소 및 산소)를 균일하게 공급하는 기능을 갖는다. 이를 위해, 분리판의 표면에는 가스(수소 및 산소)가 통과하는 채널(channel)이 형성되어 있다. 또한, 분리판은 전자의 이동 및/또는 연료전지의 형태 유지 등의 기능을 갖는다.
도 18은 종래의 일반적인 연료전지를 보인 분리 사시도이다. 도 18을 참조하면, 연료전지는 막-전극 접합체(MEA)(40)와, 상기 막-전극 접합체(MEA)(40)의 양쪽에 설치된 분리판(20)(20')을 포함한다. 일반적으로, 연료전지는 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20')을 하나의 단위 셀(unit cell)로 하여, 이러한 단위 셀을 1개 또는 대부분은 복수개로 적층하여 스택(stack)을 형성한다.
또한, 상기 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20')의 사이에는 가스킷(Gasket)(30)(30')이 설치되며, 상기 분리판(20)(20')의 외측에서는 엔드 플레이트(End plate)(10)(10')가 결합된다. 가스킷(30)(30')은 고무 등의 탄성재로서, 이는 분리판(20)(20')의 채널(channel)에 흐르는 가스(수소 및 산소)의 누출을 차단한다. 또한, 연료전지는 집전판(도 18에는 도시되어 있지 않음)을 포함하며, 이러한 집전판은 주로 분리판(20)(20')과 엔드 플레이트(10)(10')의 사이에 설치된다.
상기 구성요소들은 엔드 플레이트(10)(10')의 외측에서 볼트 등의 체결구(51)를 이용한 체결을 통해 결합된다. 체결구(51)의 체결 시에는 절연성의 부스(booth)(52)가 삽입된다. 이러한 체결 결합을 통해 스택이 형성되며, 대부분의 연료전지는 이러한 스택을 직렬 및/또는 병렬로 복수개 연결하여 사용한다.
연료전지는 상기 각 구성요소들의 재질이나 구조적 특성은 물론, 가스 상태 및 결합 인자(스택 결합력 등) 등에 의해 그 성능이 좌우된다. 예를 들어, 막-전극 접합체(MEA)(40)의 재질, 분리판(20)(20')을 통과하는 가스의 유량, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20') 간의 이격 거리 등은 연료전지의 전기적 성능에 큰 영향을 미친다. 이때, 가스의 유량은 분리판(20)(20')의 채널 구조가 관여하며, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20') 간의 이격 거리는 스택 결합 시의 체결압이 관여한다.
예를 들어, 대한민국 공개특허번호 제10-2016-0075442호에는 분리막(전해질막)의 표면 개질을 통해 연료전지의 성능을 향상시키고자 하는 기술이 제시되어 있다. 또한, 대한민국 등록특허번호 제10-1092486호, 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0134583호, 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0142797호 및 대한민국 공개특허번호 제10-2016-0017316호 등에는 분리판 채널 유로의 변경을 통해 가스(수소와 산소)의 균일한 흐름을 유도하여 연료전지의 성능을 향상시키고자 하는 기술이 제시되어 있다.
분리판(20)(20')의 채널 내에서 가스(수소와 산소)의 균일한 흐름은 연료전지의 전기적 성능에 영향을 미칠 수 있다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 분리판(20)(20')의 채널을 통과하는 가스와 막-전극 접합체(MEA)(40) 간의 접촉 효율(접촉 면적)이다. 즉, 가스와 막-전극 접합체(MEA)(40) 간의 접촉 효율이 증가할수록 반응성이 좋아지고, 이에 따라 연료전지의 전기적 성능이 향상될 수 있다.
그러나 종래에는 분리판(20)(20')을 통과하는 가스와 막-전극 접합체(MEA)(40) 간의 접촉 효율을 증가시키기 위한 기술적 수단을 강구하지 못하여, 분리판(20)(20')의 크기 대비 연료전지의 전기적 성능이 낮은 문제점이 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20') 간의 이격 거리도 연료전지의 성능에 영향을 미친다. 이때, 볼트 등의 체결구(51)를 이용한 스택 결합 시, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20')이 적정 거리로 유지되는 경우에 양호한 전기적 성능을 갖는다. 즉, 체결압이 강하거나 약하여 이격 거리가 작거나 큰 경우에는 성능이 떨어지며, 적정 거리(최적 거리)를 유지하는 경우에 최적의 전기적 성능을 가질 수 있다.
그러나 종래의 경우, 볼트 등의 체결구(51)를 이용한 스택 결합 시, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20') 간의 적정 거리를 유지하기 위한 기술적 수단을 강구하지 못하여, 연료전지의 최적 성능을 구현하기 어렵다. 또한, 막-전극 접합체(MEA)(40)와 분리판(20)(20') 간의 적정 거리(최적 거리)는 체결구(51)를 풀거나 조이는 반복적인 조작에 의해 도모되어 스택 결합 공정이 불편하고 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허번호 제10-2016-0075442호 대한민국 등록특허번호 제10-1092486호 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0134583호 대한민국 공개특허번호 제10-2015-0142797호 대한민국 공개특허번호 제10-2016-0017316호
이에, 본 발명은 개선된 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
구체적으로, 본 발명은 하나의 실시 형태에 따라서, 연료전지용 분리판의 구조적 개선을 통해 연료전지의 적어도 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 스택 결합 시, 막-전극 접합체(MEA)와 분리판 간이 적정 거리(최적 거리)를 유지할 수 있게 하여 연료전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있고, 스택 결합 공정을 간편하게 진행할 수 있는 연료전지용 간격 조절 부재(체결압 조절 부재) 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
이에 더하여, 본 발명은 엔드 플레이트의 구조적 개선을 통해 방열성을 향상시켜 연료전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 엔드 플레이트 및 이를 포함하는 연료전지를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
가스가 통과되는 채널부;
상기 채널부의 일측에 형성되고, 가스가 유입되는 입구부; 및
상기 채널부의 타측에 형성되고, 가스가 배출되는 출구부를 포함하고,
상기 채널부는 복수의 채널을 가지는 연료전지용 분리판을 제공한다. 상기 채널은 8개 이상이다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 본 발명에 따른 분리판은 탄소재이고, 상기 채널부는 8개 내지 10개의 채널을 갖는다. 또한, 본 발명에 따른 분리판은 사각판 형상을 가지는 탄소재의 본체를 포함하되, 상기 본체의 일측에는 상기 입구부가 형성되고, 상기 입구부의 대각선 방향의 타측에는 상기 출구부가 형성되어 있으며, 상기 채널부는 입구부와 출구부의 사이에 형성된 복수의 굴곡점에서 굴곡된 지그재그 형태의 굴곡 패턴을 갖는다. 아울러, 상기 채널부는 입구부에서 시작하여 출구부까지 연속되어 있다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 입구부는 가스 입구공과, 상기 가스 입구공으로부터 분기된 복수의 입구 분기공을 포함한다. 그리고 상기 복수의 입구 분기공은 상기 채널부의 채널 개수와 동일하며, 상기 각 입구 분기공은 서로 대응되는 각 채널과 연통된다.
또한, 본 발명은, 상기 본 발명에 따른 분리판을 포함하는 연료전지를 포함한다. 본 발명에 따른 연료전지는, 막-전극 접합체, 상기 막-전극 접합체의 양쪽에 설치된 한 쌍의 분리판, 상기 막-전극 접합체와 분리판의 사이에 설치된 한 쌍의 가스킷, 및 상기 분리판의 외측에 설치된 한 쌍의 엔드 플레이트를 포함한다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 본 발명에 따른 연료전지는, 상기 막-전극 접합체와 분리판의 사이에 설치되고, 상기 막-전극 접합체와 분리판 간의 거리를 조절하는 간격 조절 부재를 더 포함한다. 하나의 예시에서, 상기 간격 조절 부재는 가스킷의 외곽에 설치된다.
또한, 바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 엔드 플레이트는 플레이트 본체, 상기 플레이트 본체에 형성되고 방열팬이 설치되는 팬 설치홈, 및 상기 플레이트 본체에 형성되고 상기 방열팬을 통해 흡입된 냉각 공기가 통과되는 복수의 방열유로를 포함한다. 아울러, 상기 방열유로는 팬 설치홈에 형성된 제1방열유로와, 상기 제1방열유로와 연통되고 상기 팬 설치홈의 주위에 형성된 제2방열유로를 포함한다. 이때, 상기 제1방열유로 및 제2방열유로 중에서, 적어도 제2방열유로는 플레이트 본체의 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향 중에서 2개 이상의 방향으로 형성되되, 각 방향에서 복수열로 형성된 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 개선된 연료전지용 분리판 및 연료전지가 제공된다.
본 발명의 하나의 실시 형태에 따르면, 분리판을 통과하는 가스와 막-전극 접합체(MEA) 간의 접촉 효율(반응성)이 증가되어 연료전지의 적어도 전기적 성능이 향상되는 효과를 갖는다.
또한, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 스택 결합 시 간격 조절 부재에 의해 막-전극 접합체(MEA)와 분리판 간이 적정 거리(최적 거리)로 유지되어 연료전지의 전기적 성능이 향상되고, 스택 결합 공정이 간편한 효과를 갖는다. 부가적으로, 각 스택들의 막-전극 접합체(MEA)와 분리판이 균일한 적정 거리(최적 거리)를 유지하여 스택들 간에 성능 편차없이 동일한 성능을 가져 신뢰성을 확보할 수 있다.
아울러, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 엔드 플레이트에 형성된 방열유로에 의해 방열성이 향상되어 연료전지의 전기적 성능 및 신뢰성 등이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지의 분리 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 형태에 따른 분리판의 정면 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 형태에 따른 분리판의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 형태에 따른 분리판의 요부 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 형태에 따른 분리판의 배면 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 형태에 따른 분리판의 요부 절단 사시도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지의 일부 구성을 보인 분리 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지의 일부 구성을 보인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지를 구성하는 집전판의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지용 엔드 플레이트 유닛의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지용 엔드 플레이트의 평면도이다.
도 12는 본 발명의 실시예 및 비교예에서 사용된 분리판의 평면(정면) 모습이다.
도 13은 본 발명의 실시예에서 사용된 분리판의 요부 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시예에서 사용된 분리판, 가스킷 및 간격 조절 부재의 적층체를 보인 사진이다.
도 15 내지 도 17은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 연료전지 스택의 전기적 성능 평가 결과를 보인 그래프이다.
도 18은 종래 기술에 따른 연료전지의 분리 사시도이다.
본 발명에서 사용되는 용어 "및/또는"은 전후에 나열한 구성요소들 중에서 적어도 하나 이상을 포함하는 의미로 사용된다. 본 발명에서 사용되는 용어 "하나 이상"은 하나 또는 둘 이상의 복수를 의미한다. 본 발명에서 "제1", "제2", "일측" 및 "타측" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되며, 각 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 발명에서 사용되는 용어 "상에 형성", "일측(타측)에 형성", "상에 설치", 및 "일측(타측)에 설치" 등은, 당해 구성요소들이 직접 접하여 적층 형성(설치)되는 것만을 의미하는 것은 아니고, 당해 구성요소들 간의 사이에 다른 구성요소가 더 형성(설치)되어 있는 의미를 포함한다. 예를 들어, "상에 형성된다", "상에 설치된다" 라는 것은, 제1구성요소에 제2구성요소가 직접 접하여 형성(설치)되는 의미는 물론, 상기 제1구성요소와 제2구성요소의 사이에 제3구성요소가 더 형성(설치)될 수 있는 의미를 포함한다.
본 발명에서 사용되는 용어 '형성', '연결', '설치', '결합' 및 '체결' 등은, 두 개의 부재가 착탈(결합과 분리)이 가능하게 결합된 것은 물론, 일체 구조의 의미를 포함한다. 구체적으로, 본 발명에서 사용되는 용어 '연결', '설치', '결합' 및 '체결' 등은, 예를 들어 강제 끼움 방식(억지 끼움 방식); 홈과 돌기를 이용한 끼움 방식; 및 나사, 볼트, 피스, 리벳 등의 체결 부재를 이용한 체결 방식 등을 통하여, 두 개의 부재가 결합과 분리가 가능하도록 결합되는 것은 물론 용접, 접착제 및/또는 일체적 성형 등을 통하여 두 개의 부재가 결합된 후, 분리가 불가능하게 구성된 의미를 포함한다. 또한, 상기 '형성'이나 '설치'의 경우에는 별도의 결합력 없이 두 개의 부재가 적층(안착)되어 있는 의미도 포함한다.
첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 도시한 것으로, 이는 단지 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공된다. 첨부된 도면에서, 각 구성요소의 영역을 명확하게 표현하기 위해 두께는 확대하여 나타낸 것일 수 있고, 도면에 나타낸 두께, 크기 및 비율 등에 의해 본 발명의 기술적 범위가 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 제1형태에 따라서, 가스와 막-전극 접합체(MEA) 간의 접촉 효율(반응성)이 증가되어 연료전지의 전기적 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판(200)을 제공한다. 또한, 본 발명은 제2형태에 따라서, 상기 본 발명의 연료전지용 분리판(200)을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 제3형태에 따라서, 분리판(200)과 막-전극 접합체(MEA)(100)가 적정 거리(최적 거리)로 유지되게 하여, 연료전지의 전기적 성능 및 스택 결합 공정을 개선시킬 수 있는 연료전지용 간격 조절 부재(320)를 제공한다. 또한, 본 발명은 제4형태에 따라서, 상기 본 발명의 연료전지용 간격 조절 부재(320)를 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명은 제5형태에 따라서, 방열성이 향상되어 연료전지의 전기적 성능 등을 개선시킬 수 있는 연료전지용 엔드 플레이트(510), 및 이를 포함하는 엔드 플레이트 유닛(500)을 제공한다. 또한, 본 발명은 제6형태에 따라서, 상기 엔드 플레이트(510) 및/또는 엔드 플레이트 유닛(500)을 포함하는 연료전지를 제공한다.
본 발명에서 사용되는 용어 "전기적 성능"은 연료전지의 전류 밀도, 파워 밀도, 에너지 밀도 및 저항 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상을 의미한다. 예를 들어, "전기적 성능이 향상된다(개선된다)."라는 것은 "연료전지의 전류 밀도, 파워 밀도, 에너지 밀도 및 저항 등으로부터 선택된 적어도 하나 이상이 향상된다(개선된다)."라는 것을 의미한다. 또한, 본 발명에서, 가스는 연료전지의 원료 가스로서, 이는 예를 들어 수소 등의 연료 가스이거나, 산소(또는 공기) 등의 산화제 가스이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태를 설명한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지의 설명을 통해, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판(200), 연료전지용 간격 조절 부재(320), 연료전지용 엔드 플레이트(510), 엔드 플레이트 유닛(500) 및 이들을 포함하는 연료전지를 함께 설명한다.
도 1에는 본 발명의 실시 형태에 따른 연료전지의 분리 사시도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지는 막-전극 접합체(100)(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막-전극 접합체(100)의 양쪽에 설치된 한 쌍의 분리판(200)(Bipolar Plate)과, 상기 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 설치된 한 쌍의 가스킷(310)(Gasket)과, 상기 분리판(200)의 외측에 설치된 한 쌍의 엔드 플레이트(510)(End plate)를 포함한다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 본 발명에 따른 연료전지는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 설치되어 간격을 조절(유지)하는 한 쌍의 간격 조절 부재(320)를 더 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지는 한 쌍의 집전판(400)을 더 포함할 수 있다. 상기 집전판(400)은, 예를 들어 분리판(200)과 엔드 플레이트(510)의 사이에 설치될 수 있다.
도 1에 보인 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지는 중앙의 막-전극 접합체(100)를 기준으로 하여, 상기 막-전극 접합체(100)의 양측에 가스킷(310), 간격 조절 부재(320), 분리판(200), 집전판(400) 및 엔드 플레이트(510)가 각각 한 쌍으로 순차적으로 배열, 설치된 스택을 포함할 수 있다. 또한, 상기 엔드 플레이트(510)에는 방열팬(520)이 설치될 수 있다. 이때, 본 발명에 따른 연료전지는 상기 막-전극 접합체(100), 가스킷(310), 간격 조절 부재(320) 및 분리판(300)으로 구성된 적층체를 하나의 단위 셀(unit cell)로 하여, 이러한 단위 셀을 복수단으로 포함하고, 최외측에는 엔드 플레이트(510)가 체결될 수 있다.
상기 구성요소들은 엔드 플레이트(510)의 외측에서 체결부재(600)를 이용한 체결을 통해 스택이 형성될 수 있으며, 본 발명에 따른 연료전지는 이러한 스택이 직렬 및/또는 병렬로 복수개 연결될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 연료전지는 상기 구성요소들 이외에 가스 공급부, 냉각 장치 및/또는 가습 장치 등을 더 포함하여 모듈화될 수 있으며, 이들은 통상적인 것을 사용할 수 있다. 이하, 상기 각 구성요소들의 구체적인 실시 형태를 설명하면 다음과 같다.
[1] 막-전극 접합체(MEA)
막-전극 접합체(100)(MEA)는 특별히 제한되지 않으며, 이는 예를 들어 통상과 같이 구성될 수 있다. 막-전극 접합체(100)는, 예를 들어 중앙의 분리막(110)과, 상기 분리막(110)의 양면에 형성된 한 쌍의 촉매층(120)을 포함한다.(도 8 참조) 이때, 통상과 같이, 분리막(110)을 기준으로 일측은 연료극 촉매층(120)으로 구성되고, 타측은 공기극 촉매층(120)으로 구성될 수 있다.
상기 분리막(110)은, 예를 들어 고분자 전해질막으로 구성될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 불소계 술폰산 고분자 수지 등로부터 제조된 고체 고분자 전해질막으로 구성될 수 있다. 상기 촉매층(120)은, 예를 들어 촉매를 담지한 담체를 포함할 수 있다. 상기 촉매층(120)은, 구체적인 예를 들어 백금 등을 담지한 카본 입자와, 상기 카본 입자의 접착을 위한 재료(수지 등)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 막-전극 접합체(100)는 분리판(200)으로부터 공급된 가스를 확산시키는 한 쌍의 가스확산층(130)을 더 포함할 수 있다. 가스확산층(130)은 촉매층(120) 상에 소정의 두께로 형성되며, 분리막(110)을 기준으로 일측은 연료극 가스확산층(130)이며, 타측은 공기극 가스확산층(130)이다. 이러한 가스확산층(130)은 가스 투과성과 함께 전도성을 가질 수 있으며, 이는 예를 들어 카본 페이퍼(carbon paper)나 카본 패브릭(carbon fabrics) 등의 카본 시트로부터 선택될 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[2] 분리판(200)
분리판(200)은 적절한 강도와 전도성을 가지면 좋다. 본 발명에서, 전도성은 전기 전도성을 의미한다. 분리판(200)은, 예를 들어 금속재나 탄소재 등으로 구성될 수 있다. 분리판(200)은, 다른 예를 들어 비전도성 재질(예, 수지 성형체)의 표면에 전도성의 물질(예, 금속)이 코팅되어 구성될 수 있다. 분리판(200)은, 바람직하게는 탄소재로서, 이는 예를 들어 그라파이트(graphite) 등의 탄소재로 구성될 수 있다.
도 2 내지 도 6에는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 분리판(200)이 도시되어 있다. 도 2는 분리판(200)의 정면 사시도이고, 도 3은 분리판(200)의 정면도(평면도)이며, 도 4는 분리판(200)의 요부 단면도이다. 그리고 도 5는 분리판(200)의 배면 사시도이고, 도 6은 분리판(200)의 요부 절단 사시도로서, 이는 입구부(210)와 출구부(230)의 절단 사시도를 보인 것이다.
상기 분리판(200)은, 예를 들어 사각형의 평면 형상을 갖는다. 분리판(200)의 크기(가로 및 세로의 길이)와 두께는 제한되지 않으며, 이는 연료전지의 규격(사양) 등에 따라 통상의 크기 및/또는 두께를 가질 수 있다. 분리판(200)은 채널부(220)와, 상기 채널부(220)의 일측에 형성된 입구부(210)와, 상기 채널부(220)의 타측에 형성된 출구부(230)를 포함한다.
하나의 실시 형태에 따라서, 상기 분리판(200)은 사각판 형상을 가지는 탄소재의 본체(201)를 포함하되, 상기 본체(201)에는 가스가 유입되는 입구부(210), 가스가 통과되는 채널부(220) 및 가스가 배출되는 출구부(230)가 형성되어 있다. 구체적으로, 본체(101)의 일측에는 입구부(210)가 형성되어 있고, 상기 입구부(210)의 대각선 방향의 타측에는 출구부(230)가 형성되어 있다. 그리고 입구부(210)와 출구부(230)는 채널부(220)를 통해 연통되어 있다. 입구부(210)와 출구부(230)는 본체(201)의 두께 방향으로 관통된 구조로 형성되어 있으며, 채널부(220)는 본체(201)의 표면, 즉 분리판(200)의 정면에 소정 깊이로 형성되어 있다. 본 발명에서, 정면은 막-전극 접합체(100)와 마주하는 면을 의미한다.
상기 채널부(220)는 복수의 채널(222)을 포함한다. 채널(222)은, 가스가 통과되는 유로로서, 이는 예를 들어 "ㄷ"자형, "U"자형 및/또는 "C"자형 등의 단면 형상을 가질 수 있다. 채널(222)의 폭(너비)과 깊이는 제한되지 않는다. 채널(222)은, 예를 들어 0.05mm 내지 1.5mm의 폭(너비)과, 예를 들어 0.1㎛ 내지 5㎛의 깊이를 가질 수 있다.
또한, 상기 채널(222)과 채널(222) 간의 사이에는 간벽(224)이 형성되어 있다. 입구부(210)를 통해 유입된 가스는 채널부(220)의 각 채널(222)들로 분배되어 각 채널(222)들을 따라 흐른 다음, 출구부(230)를 통해 배출된다. 가스는 각 채널(222)들을 통과하는 과정에서 막-전극 접합체(100)로 공급된다. 이때, 주지된 바와 같이, 연료극의 분리판(200)에는 연료로서 수소나 탄화수소계 등의 연료 가스가 통과되고, 공기극의 분리판(200)에는 산화제로서 산소나 공기 등이 통과된다.
상기 채널부(220)는 굴곡 패턴을 가지며, 이는 또한 연속적이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 채널부(220)는 입구부(210)와 출구부(230)의 사이에 형성된 복수의 굴곡점(225)을 갖는다. 채널부(220)는 입구부(210)에서 시작하여 복수의 굴곡점(225)에서 90도(angle) 각도로 복수회 골곡(절곡)된 지그재그 형태의 굴곡 패턴을 갖는다. 또한, 채널부(220)는 입구부(210)에서 시작하여 출구부(230)까지 연속되어 있다. 즉, 각 채널(222)들은 입구부(210)에서 시작하여 복수의 굴곡점(225)에서 지그재그 형태로 굴곡되면서 출구부(230)까지 연속되어 있다. 이에 따라, 입구부(210)로 유입된 가스는 각 채널(222)들을 따라 지그재그 형태로 채널부(220)를 통과한 다음 입구부(210)의 대각선 방향에 형성된 출구부(230)로 배출된다.
본 발명에 따라서, 상기 채널부(220)는 복수의 채널(222)을 포함한다. 채널부(220)는 구체적으로 적어도 8개 이상의 채널(222)을 포함한다. 또한, 채널부(220)는 적어도 7개 이상의 간벽(224)을 포함한다. 구체적으로, 분리판(200)은 적어도 8개 이상의 채널(222)과, 각 채널(222)을 구획하는 적어도 7개 이상의 간벽(224)을 포함한다. 즉, 채널부(220)는, 가스가 통과되는 제1, 제2, 제3 ㆍㆍㆍ 제n채널(222)과, 각 채널(222) 간의 사이에 형성된 제1, 제2, 제3 ㆍㆍㆍ 제n-1간벽(224)를 포함하며, 여기서 n는 8 이상의 정수이다. 이러한 채널(222)들은, 예를 들어 레이저(Laser) 및/또는 전자빔(Electron Beam) 등을 이용한 절삭 가공을 통해 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 위와 같이 적어도 8개 이상의 채널(222)을 포함하여 채널 유효면적이 증가된다. 이에 따라, 분리판(200)을 통과하는 가스와 막-전극 접합체(100) 간의 접촉 효율(접촉 면적)이 증가되고 반응성이 향상되어 연료전지의 적어도 전기적 성능이 향상된다. 본 발명에서, 「채널 유효면적」은 막-전극 접합체(100)와 마주하는 채널(222)의 전체 면적에 해당하는 것으로서, 이는 구체적으로 각 채널(122)들이 가지고 있는 평면적을 모두 합한 전체 평면적이다. 즉, 본 발명에서, 채널 유효면적은 아래의 수학식에 따른다.
[수학식]
ST = S x n (여기서, S = W x L이다.)
상기 수학식에서, ST는 채널 유효면적이고, S는 막-전극 접합체(100)와 마주하는 각 채널(222)의 면적이며, n은 채널(222)의 개수이다. 즉, S는 채널(222) 1개의 평면적으로서, 상기 수학식에서 W는 채널(222)의 폭(너비)이고, L은 입구부(210)에서부터 출구부(230)에까지 해당하는 채널(222)의 총 길이이다. 또한, 상기 W는 막-전극 접합체(100)와 접하는 쪽의 채널(222)의 폭(너비)로서, 이는 구체적으로 도 4에 표시한 바와 같다. 부연하여, 상기 W는 채널(222)의 최상측(막-전극 접합체(100)와 접하는 쪽)의 폭(너비)이다.
상기 채널 유효면적을 증가시키기 위해, 분리판(200)의 표면 전체에 걸쳐 채널부(220)를 형성하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 그러나 가스킷(310)의 설치 및 가스확산층(130)의 규격(크기) 등을 고려하여, 채널부(220)는 분리판(200)의 표면 전체에 형성할 수 없고, 이는 일반적으로 분리판(200)의 중앙 영역, 즉 도 3에서 P로 표시한 영역에 형성하고 있다. 즉, 가스킷(310)이 밀착 설치되어야 하는 영역과 가스확산층(130)의 규격(크기) 등을 고려하여, 채널부(220)는 본체(201)의 가장자리 영역(도 3에서, P 영역의 주변)은 남겨두고 중앙 영역(P 영역)에 형성되고 있다. 본 발명에서는 상기 중앙 영역(도 3에서, P 영역)을 채널 형성 영역(P)이라 한다.
또한, 위와 같이 분리판(200)의 중앙 영역, 즉 채널 형성 영역(P)에 채널부(220)를 형성하되, 채널 유효면적을 증가시키기 위해, 채널(222)의 수를 아주 적게 형성하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 예를 들어, 채널(222) 수가 1개인 경우, 채널 유효면적은 최대가 될 수 있다. 그러나 이 경우, 채널(222)의 폭이 너무 넓어 가스가 채널(222) 내에서 편심되는 현상(한쪽으로 치우쳐 흐르는 현상)이 발생되어 막-전극 접합체(100)와의 접촉 효율(반응성)이 떨어진다.
이에, 분리판(200)의 중앙 영역, 즉 채널 형성 영역(P)에 채널부(220)를 형성하되, 본 발명에 따라서 8개 이상의 채널(222)을 형성하는 경우, 채널 유효면적과 편심 현상이 효과적으로 개선된다. 즉, 종래 분리판의 채널 수는 대부분 2 ~ 3개인 것에 비해, 본 발명에 따라서 8개 이상의 채널(222)을 형성하는 경우, 채널 유효면적이 급격히 증가한다. 이와 함께 편심 현상이 없고, 막-전극 접합체(100)의 전체 면에 걸쳐 가스가 균일하게 접촉하여 반응성이 증가된다. 이에 따라, 예를 들어 전류 밀도 및 파워 밀도 등의 전기적 성능이 향상된다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 채널부(220)는 8 ~ 10개의 채널(222)을 포함하며, 최적으로는 9개의 채널(222)을 포함할 수 있다. 도면에서는 9개의 채널(222)이 지그재그 형태로 형성된 모습을 도시하였다. 이때, 본 발명에 따르면, 8개 ~ 10개의 채널(222)이 형성된 경우, 전류 밀도 및 파워 밀도 등에서 현저한 개선능을 보이며, 분리판(200)의 제조 과정에서 불량률이 적다. 이는 하기의 실시예에 의해 확인될 수 있다.
한편, 채널(222) 수가 많아질수록 채널 유효면적이 증가되어 전기적 성능이 향상될 수 있지만, 채널(222) 수가 많다고 하여 그만큼 전기적 성능이 크게 향상되는 것은 아니며, 이 경우에는 채널(222)의 형성 공정(절삭 가공)에 어려움이 따른다. 본 발명의 실험적 고찰에 따르면, 특히 분리판(200)의 재질이 그라파이트(graphite) 등의 탄소재인 경우에 그러하다. 구체적으로, 그라파이트 탄소재의 분리판(200)에 10개를 초과한 개수로 채널(222)을 형성하는 경우, 적어도 채널(222) 수 11개에서부터는 간벽(224)에 균열이 발생되거나 깨짐 현상이 일부 발생되어 불량률이 많고, 채널(222) 수 12개에서부터는 간벽(224)의 깨짐 현상이 심하여 실질적으로 가공이 어렵다. 이에 따라, 분리판(200)의 개질로서 그라파이트 등의 탄소재를 사용하는 경우, 채널 유효면적 및 가공성(균열이나 깨짐 방지) 등을 고려하여, 채널(222) 수는 8 ~ 10개가 바람직하다.
예시적인 구현예에 따라서, 상기 채널부(220)는 8개 이상의 채널(222)을 포함하고, 상기 수학식에 의한 채널 유효면적이 약 14.5㎠ 이상인 것이 좋다. 이러한 채널 유효면적에서 전류 밀도 및 파워 밀도 등에서 현저한 개선능을 보일 수 있다. 상기 채널부(220)는, 구체적인 예를 들어 약 14.5㎠ 내지 17.5㎠의 채널 유효면적을 가질 수 있다.
또한, 상기 채널부(220)의 전체 평면적 중에서 채널 유효면적이 차지하는 비율은 70% 이상이 될 수 있으며, 구체적인 예를 들어 70% ~ 90%, 또는 75% ~ 90%가 될 수 있다. 여기서, 채널부(220)의 전체 평면적은 채널 유효면적과 간벽(224)의 전체 평면적을 합한 값이다. 그리고 채널 유효면적은 앞서 정의한 바와 같고, 상기 간벽(224)의 전체 평면적은 채널(222)들의 사이에 형성된 각 간벽(224)들의 평면적(상부 표면의 면적)을 합한 값이다.
또한, 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 입구부(210)는 가스 입구공(211)과, 상기 가스 입구공(211)으로부터 분기된 복수의 입구 분기공(212)을 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 도 5 및 도 6에 보인 바와 같이, 상기 가스 입구공(211)은 1개로서, 이는 소정의 체적(공간)을 갖는다. 그리고 상기 입구 분기공(212)은 8개 이상(바람직하게는, 8 ~ 10개)으로서, 이는 상기 채널부(220)에 형성된 채널(222)의 개수와 동일하다. 가스 입구공(211)에는 가스 주입기(도시하지 않음)가 결합되어 가스가 주입된다. 또한, 상기 각 입구 분기공(212)은 서로 대응되는 각 채널(222)과 연통된다. 이에 따라, 가스 입구공(211)으로 주입된 가스는 복수의 각 입구 분기공(212)으로 분기(분배)된 다음, 각 입구 분기공(212)과 연통된 복수의 각 채널(222)로 공급된다.
위와 같이, 상기 입구부(210)가 가스 입구공(211)과 복수의 입구 분기공(212)을 포함하는 경우, 가스의 흐름성이 개선된다. 구체적으로, 가스 입구공(211)으로 주입된 가스는 초기에 와류(eddy flow)를 가질 수 있으나, 이는 소정의 체적(공간)을 가지는 가스 입구공(211) 내에서 체류된 다음, 이후 복수의 입구 분기공(212)으로 분기(분배)되면서 흐름이 완화되어 균일한 흐름의 층류(laminar flow)로 전환될 수 있다. 이에 따라, 각 채널(222)로 공급된 가스는 한쪽으로 편심되지 않음은 물론, 균일하고 평평한 층류 흐름을 가져 막-전극 접합체(100)와의 접촉 효율(반응성)이 향상된다.
아울러, 상기 출구부(230)의 경우에도 복수의 출구 분기공(232)을 포함할 수 있다. 즉, 상기 출구부(230)는 1개의 가스 출구공(231)과, 상기 가스 출구공(231)으로부터 분기된 복수의 출구 분기공(232)을 포함할 수 있다. 출구 분기공(232)은 8개 이상(바람직하게는 8 ~ 10개)으로서, 상기 채널부(220)에 형성된 채널(222)의 개수와 동일하다. 가스 출구공(231)에는 가스 배출기(도시하지 않음)가 결합되어 가스가 외부로 배출된다. 또한, 각 출구 분기공(232)들은 서로 대응되는 각 채널(222)들과 연통된다. 이에 따라, 복수의 각 채널(222)을 통과한 가스는 각 채널(222)과 연통된 복수의 각 출구 분기공(232)로 유입된 다음, 소정의 체적(공간)을 가지는 가스 출구공(231)에서 합류되어 균일한 흐름으로 배출된다. 이와 같이, 출구부(230)가 가스 출구공(231)과 복수의 출구 분기공(232)을 포함하는 경우, 가스의 흐름성이 개선된다. 즉, 각 채널(222)을 통과한 가스는 각 출구 분기공(232)에서 가스 배출공(231)으로 합류되는 과정에서 와류를 형성하지 않고 균일한 흐름으로 배출된다.
[3] 가스킷(310)
가스킷(310)은 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 한 쌍으로 설치되며, 이는 가스의 누출을 방지(차단)한다. 가스킷(310)은 가스 실링성을 가지는 것이면 좋다. 도 7을 참조하면, 가스킷(310)은 사각형의 형상을 가지며, 이는 예를 들어 고무재 및/또는 실리콘재 등의 탄성체로 구성될 수 있다. 가스킷(310)은 분리판(200)의 가장자리 영역, 즉 채널부(220)의 외곽에 설치된다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 분리판(200)은 채널부(220)의 외곽에 형성된 패킹홈(250)을 포함하고, 상기 가스킷(310)은 이러한 패킹홈(250)에 패킹되어 설치되는 것이 좋다. 이러한 패킹 구조는 가스 실링성에 유리함은 물론, 분리판(200)과 가스킷(310)의 결합력에서도 바람직하다. 또한, 도 7에 보인 바와 같이, 상기 가스킷(310)은 사각 환형(環形)의 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 가스킷(310)은 중앙에 사각형 모양의 사각 구멍이 형성된 사각 환형(環形)의 형상을 가질 수 있다.
[4] 간격 조절 부재(320)
앞서 언급한 바와 같이, 연료전지의 성능은 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 이격 거리에 영향을 받는다. 즉, 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)이 적정 거리(최적 거리)로 유지되는 경우, 전기적 성능이 향상된다. 이를 위한 기술적 수단으로서, 본 발명에 따른 연료전지는 간격 조절 부재(320)를 포함한다. 상기 간격 조절 부재(320)는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)을 적정 거리(최적 거리)로 유지시켜 전기적 성능을 향상시키며, 이는 또한 연료전지의 스택 결합 공정을 개선한다.
상기 간격 조절 부재(320)는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 한 쌍으로 설치된다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 간격 조절 부재(320)는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 설치되되, 이는 상기 가스킷(310)의 외곽에 설치된다. 참고로, 도 7 및 도 8은 연료극 쪽의 적층체를 보인 것이다. 반대쪽의 공기극에도 동일한 적층 구조를 갖는다. 즉, 도 8에서, 막-전극 접합체(100)의 상부에도 가스킷(310), 간격 조절 부재(320) 및 분리판(200)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다.
또한, 도 7에 보인 바와 같이, 상기 간격 조절 부재(320)는 사각 환형(環形)의 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 상기 간격 조절 부재(320)는 중앙에 사각형 모양의 사각 구멍이 형성된 사각 환형(環形)의 형상을 가질 수 있다. 이러한 간격 조절 부재(320)의 사각 구멍에는 상기 가스킷(310)과 채널부(220)가 위치된다. 그리고 도 8을 참고하면, 상기 간격 조절 부재(320)의 두께는 가스킷(310)의 두께보다 작다.
본 발명에서, 상기 간격 조절 부재(320)는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 거리를 적절하게 조절하는 부재로서, 이는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 간격을 적정 거리(최적 거리)로 유지시킨다. 이러한 의미에서, 상기 간격 조절 부재(320)는 간격 유지 부재로 표현될 수 있다.
상기 막-전극 접합체(100), 가스킷(310), 간격 조절 부재(320), 분리판(200), 집전판(400) 및 엔드 플레이트(510)를 포함하는 적층체는 채결부재(600)를 이용한 체결을 통해 스택 결합을 형성한다. 채결부재(600)의 체결 시에 체결압이 가해지면, 가스킷(310)은 수축되고 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 간격은 점점 좁아진다. 이때, 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)가 임의의 거리(적정 거리)를 유지하면, 간격 조절 부재(320)는 과잉 체결압이 가해져도 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 간격이 좁아지는 것을 방지하여 적정 거리(최적 거리)를 유지시킨다. 하나의 예시에서, 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 적정 거리는 간격 조절 부재(320)의 두께 및/또는 압축률(탄성력) 등를 통해 조절될 수 있다.
본 발명에서, 상기 간격 조절 부재(320)는 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 적정 거리를 조절(유지)할 수 있으면 특별히 제한되지 않는다. 간격 조절 부재(320)는 압축률(수축률)을 갖지 않거나, 압축률(수축률)을 갖는다 하더라도 가스킷(310)보다 낮은 압축률을 가지는 것으로부터 선택된다. 예를 들어, 간격 조절 부재(320)는 초기의 체결압에 의해 압축되다가 어느 정도 이상의 과잉 체결압이 더 가해지면 압축되지 않거나 압축률이 현저히 낮아져 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 간격이 좁아지는 것을 방지(간격 유지)할 수 있는 것으로부터 선택될 수 있다.
예시적인 구현예에 따라서, 상기 간격 조절 부재(320)는 60 in.Ibf 이상으로 가압시, 40% 이하의 압축률, 바람직하게는 35% 이하의 압축률, 또는 30% 이하의 압축률을 가질 수 있다. 구체적인 예를 들어, 간격 조절 부재(320)는 60 in.Ibf 이상의 체결압으로 가압 시, 2% 내지 40%의 압축률을 가지는 것으로부터 선택될 수 있으며, 바람직하게는 5% 내지 35%의 압축률, 또는 10% 내지 30%의 압축률 가지는 것으로부터 선택될 수 있다. 이때, 간격 조절 부재(320)의 압축률이 너무 낮은 경우(예를 들어, 2% 미만)에는 스택 결합 시에 막-전극 접합체(100) 및/또는 분리판(200)에 손상을 주거나 실링성에서 바람직하지 않을 수 있다. 또한, 간격 조절 부재(320)의 압축률이 너무 높은 경우(예를 들어, 40% 초과)에는 이의 사용에 따른 효과(간격 조절 등)가 미미할 수 있다.
본 발명에서, 체결압은 연료전지의 스택 결합 시에 가해지는 힘(또는 압력)으로서, 이는 당업계에서 통용되는 토크(torque) 또는 토크압(torque pressure)을 의미할 수 있다. 또한, 본 발명에서 사용되고 있는 단위 「in.Ibf」은 당업계에서 통용되고 있는 체결압 단위(inch Ibf)로서, 이는 예를 들어 연료전지의 스택 결합 시에 통상적으로 사용되고 있는 토크 렌치(torque wrench)의 눈금값이다.
도 8을 참조하면, 상기 간격 조절 부재(320)는, 예를 들어 1층 이상의 기재 시트(322)를 포함할 수 있다. 상기 기재 시트(322)는, 예를 들어 섬유(fiber) 및/또는 펄프(pulp) 등으로부터 제조된 것으로부터 선택될 수 있다. 기재 시트(322)는, 구체적인 예를 들어 섬유로부터 제조된 직포(직물) 및/또는 부직포 등을 사용할 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 간격 조절 부재(320)는 기재 시트(322)와, 상기 기재 시트(322) 상에 형성된 수지층(324)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 수지층(324)은 수지의 코팅이나 함침 등을 통해 기재 시트(322)의 양면에 형성될 수 있다. 수지층(324)은 기재 시트(322)의 보호 및/또는 형태 유지 등을 부여할 수 있으면 좋다. 또한, 수지층(324)은 소정의 가스 실링성을 가지면 좋다. 수지층(324)은 특별히 한정하는 것은 아니지만, 이는 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)(통상, 테프론), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌(PE) 및/또는 폴리프로필렌(PP) 등의 수지를 포함할 수 있다.
위와 같은 간격 조절 부재(320)는 적어도 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.
먼저, 상기한 바와 같이, 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간이 적정 거리(최적 거리)로 유지되게 하여 연료전지의 전기적 성능을 향상시킨다. 또한, 연료전지의 스택 결합 공정을 개선한다. 즉, 적정 거리(최적 거리)의 유지를 위해 체결부재(600)를 풀거나 조이는 반복적인 조작을 하지 않더라도 간격 조절 부재(320)에 의해 적정 거리(최적 거리)로 유지되어 스택 결합 시의 불편함이 해소되고 스택 결합 과정에서의 시간이 많이 소요되지 않는다.
부가적으로, 신뢰성을 확보한다. 즉, 상기 간격 조절 부재(320)를 통해, 각 스택들의 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)이 균일하게 적정 거리(최적 거리)를 유지되게 할 수 있다. 이에 따라, 각 스택들 간에 편차없이 동일한 성능을 갖게 할 수 있어, 연료전지 스택 제품 간의 신뢰성을 확보할 수 있다.
아울러, 가스 실링성이 향상될 수 있다. 즉, 상기 간격 조절 부재(320)가 실링성의 수지층(324)를 포함하거나, 소정의 탄성력을 가지는 경우, 상기 가스킷(310)에 의해 1차적으로 실링되고, 상기 간격 조절 부재(320)에 의해 2차적으로 실링되어 가스 실링성이 향상될 수 있다. 이러한 점에서, 상기 간격 조절 부재(320)는 서브가스킷(Sub-gasket)으로 표현될 수 있다.
[5] 집전판(400)
도 9에는 집전판(400)이 도시되어 있다. 집전판(400)은, 예를 들어 사각형의 본체부(410)와, 상기 본체부(410)의 상단 일측에 형성된 단자부(420)를 포함할 수 있다. 또한, 집전판(400)은, 예를 들어 분리판(200)과 엔드 플레이트(510)의 사이에 설치되어 체결부재(600)를 통해 결합된다. 도 9에서, 도면부호 415는 엔드 플레이트(510)에 설치된 연결부재(513)가 삽입되는 삽입공이다.
상기 집전판(400)은 전도성을 가지는 것이면 좋으며, 이는 예를 들어 전도성의 금속재이거나, 비전도성 재질의 표면에 전도성의 물질(예, 금속)이 코팅되어 구성될 수 있다. 집전판(400)은, 구체적인 예를 들어 구리(Cu), 아연(Zn), 알루미늄(Al), 철(Fe), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 및/또는 이들의 합금 등으로부터 선택될 수 있다. 합금의 예로는 황동이나 스테인레스 스틸(SUS) 등을 들 수 있다.
바람직한 실시 형태에 따라서, 상기 집전판(400)은 표면에 백금(Pt)이 도금된 것이 좋다. 집전판(400)은, 구체적으로 황동 등을 베이스 모재(401)로 하되, 상기 모재(401)의 표면에 형성된 백금 도금층(402)을 포함하는 것이 좋다. 이와 같이, 백금(Pt)이 도금된 경우, 상기 백금(Pt)에 의해 전도성이 향상됨은 물론 부식 방지능이 향상되어 본 발명에 바람직하다.
[6] 엔드 플레이트(510) 및 엔드 플레이트 유닛(500)
엔드 플레이트 유닛(500)은 엔드 플레이트(510)와, 상기 엔드 플레이트(510)의 일측에 설치된 방열팬(520)을 포함한다. 또한, 상기 엔드 플레이트(510)는 본 발명에 따라서 복수의 방열유로(515)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 방열유로(515)에 의해 방열성이 향상되어, 엔드 플레이트(510)의 냉각 효율이 개선된다.
도 10 및 도 11에는 상기 엔드 플레이트(510)와 엔드 플레이트 유닛(500)의 예시적인 실시 형태가 도시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 엔드 플레이트(510)는 플레이트 본체(511)와, 방열팬(520)이 설치되는 팬 설치홈(512)과, 냉각 공기가 흐르는 복수의 방열유로(515)를 포함한다. 상기 플레이트 본체(511)는, 예를 들어 사각판 형상을 가지는 금속재로 구성된다.
상기 팬 설치홈(512)은 플레이트 본체(511)의 일면에 형성되되, 이는 플레이트 본체(511)의 거의 중앙에 위치하여 소정 깊이로 형성된다. 팬 설치홈(512)에는 플레이트 본체(511)의 냉각을 위한 방열팬(520)이 설치된다. 방열팬(520)은, 예를 들어 나사 등의 체결구(530)를 통해 플레이트 본체(511)에 결합된다.
상기 방열유로(515)에는 방열팬(520)으로부터 흡입된 외부의 냉각 공기가 통과된다. 상기 냉각 공기는, 바람직하게는 플레이트 본체(511)의 거의 전체 영역을 통과하여 플레이트 본체(511)를 냉각시키는 것이 바람직하다. 이를 위해, 방열유로(515)는 플레이트 본체(511)의 거의 전체 영역에 형성된다. 바람직한 실시 형태에 따라서, 방열유로(515)는 팬 설치홈(512)에 형성된 제1방열유로(515-1)와, 상기 제1방열유로(515-1)와 연통되고 팬 설치홈(512)의 주위 영역에 형성된 제2방열유로(515-2)를 포함한다. 이때, 도 10 및 도 11에 보인 바와 같이, 제1방열유로(515-1)는 개구형(open type)의 유로로 구성된다. 그리고 이러한 제1방열유로(515-1) 상에 방열팬(520)이 밀착, 설치된다.
또한, 상기 제2방열유로(515-2)는 냉각 효율을 위해 폐쇄형(closed type)의 유로로 구성된다. 제2방열유로(515-2)는 플레이트 본체(511)의 거의 전체 영역에 형성된다. 구체적으로, 제2방열유로(515-2)는 플레이트 본체(511)의 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향 중에서 적어도 2개 방향 이상으로 형성되되, 각 방향에서 복수열로 형성된다. 제2방열유로(515-2)는, 바람직하게는 도 10 및 도 11에 보인 바와 같이, 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향의 3개 방향 모두에 형성되되, 가로 방향으로도 복수열, 세로 방향으로도 복수열, 대각선 방향으로도 복수열로 형성되는 것이 좋다. 예를 들어, 각 방향으로 2개 내지 10개의 복수열로 형성될 수 있다. 도면에서는 각 방향으로 5개의 복수열로 형성된 모습을 예시하였다.
아울러, 상기 제2방열유로(515-2)는 적어도 대각선 방향에는 형성되는 것이다. 플레이트 본체(511)가 사각판 형상인 경우, 위와 같이 적어도 대각선 방향에는 제2방열유로(515-2)가 형성되면 냉각 효율에 유리할 수 있다. 이때, 상기 플레이트 본체(511)의 모서리에는 경사면(511a)이 형성되고, 대각선 방향의 제2방열유로(515-2)는 상기 경사면(511a)에서 외부와 노출될 수 있다. 부가적으로, 상기 제1방열유로(515-1)의 경우에도 팬 설치홈(512)에 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향의 3개 방향으로 형성되되, 각 방향에서 복수열로 형성된다.
따라서, 방열팬(520)을 통해 흡입된 냉각 공기는 제1방열유로(515-1)(515)로 유입된 다음, 상기 제1방열유로(515-1)(515)와 연통된 제2방열유로(515-2)(515)를 통과하면서 플레이트 본체(511)를 냉각시킨 후 외부로 배출된다. 이때, 냉각 공기는 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향의 각 방향에 복수열로 형성된 제2방열유로(515-2)(515)를 따라 플레이트 본체(511)의 거의 전체 영역을 통과한다. 이에 따라, 플레이트 본체(511)는 각 방향에 복수열로 형성된 제2방열유로(515-2)(515)를 통해 신속히 냉각될 수 있다.
또한, 상기 플레이트 본체(511)에는 연결부재(513)가 설치될 수 있다. 상기 연결부재(513)에는 나사산이 형성된 나사홀(S)이 형성될 수 있다. 이러한 연결부재(513)를 통해 연료전지 스택이 복수개 연결되거나, 가스 공급부 등이 연결될 수 있다.
상기 방열팬(520)은 특별히 제한되지 않으며, 이는 외부의 냉각 공기를 흡입할 수 있으면 좋다. 방열팬(520)은 일반 산업분야에서 널리 사용되고 있는 흡입팬(suction fan)으로부터 선택될 수 있다. 도 10을 참조하면, 예시적인 구현예에 따라서 방열팬(520)은 케이스(521)와, 상기 케이스(521)의 내부에 장착된 회전 팬(522)과, 케이스(521)의 일측에 결합되어 회전 팬(522)을 보호하는 보호 프레임(523)과, 상기 회전 팬(522)을 회전시키는 모터(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
[7] 체결부재(600)
체결부재(600)는 엔드 플레이트(510)의 외측에서 삽입 결합되어, 상기 구성요소들(100)(200)(310)(320)(400)(510)의 결합력을 제공한다. 체결부재(600)는 특별히 제한되지 않으며, 이는 당업계에서 통상적으로 사용되고 있는 것으로부터 선택될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 체결부재(600)는, 예를 들어 볼트(bolt) 등의 체결구(610)와, 상기 체결구(610)의 말단에 결합되는 너트(nut) 등의 마감구(620)를 포함할 수 있다. 또한, 체결부재(600)는 상기 체결구(610)가 비절연성인 경우, 절연성을 위한 부스(booth)(630)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되어 있으나 설명되지 않은 부분, 예를 들어 원형의 구멍은 각 구성요소 간을 결합시키기 위한 것, 가스 주입/배출을 위한 것, 반응에 필요한 열을 공급하기 위한 것, 냉각수나 냉각가스의 주입/배출을 위한 것, 및/또는 전선을 연결하기 위한 것(예를 들어, 집전판(400)의 단자부(420)에 형성된 구멍) 등이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따르면, 상기 채널부(220)에 형성된 8개 이상(바람직하게는 8 ~ 10개)의 채널(222)을 포함하여 연료전지의 전기적 성능이 향상된다. 구체적으로, 전술한 바와 같이, 적어도 8개 이상(바람직하게는 8 ~ 10개)의 채널(222)에 의해 채널 유효면적과 편심 현상이 개선되어, 예를 들어 전류 밀도 및 파워 밀도 등의 전기적 성능이 향상된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 간격 조절 부재(320)에 의해 스택 결합 시 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간이 적정 거리(최적 거리)로 유지되어 연료전지의 전기적 성능이 향상되고, 스택 결합 공정의 간편화가 구현된다. 아울러, 각 스택들의 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)이 균일한 적정 거리(최적 거리)를 유지하여 스택들 간에 성능 편차없이 동일한 성능을 가져 신뢰성을 확보한다.
부가적으로, 상기 엔드 플레이트(510)에 형성된 복수의 방열유로(515)에 의해 방열성이 향상된다. 이에 따라, 엔드 플레이트(510)의 냉각 효율이 개선되어 연료전지의 전기적 성능 및 신뢰성 등이 향상된다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예를 예시한다. 하기의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 하기의 비교예들은 종래 기술을 의미하는 것이 아니며, 이는 단지 실시예들과의 비교를 위해 제공된다.
[실시예 1]
그라파이트 재질의 탄소재에 레이저 가공을 통해 입구부에서 출구부까지 채널을 연속적으로 형성하되, 9개의 채널을 형성한 것을 분리판(도 13 및 도 14의 사진 참조)으로 사용하여 연료전지 스택을 제조하였다. 이때, 막-전극 접합체와 분리판의 사이에는 가스킷과 함께 간격 조절 부재(서브가스킷)를 설치하고, 분리판의 외측에 집전판과 엔드 플레이트를 적층한 후, 토크 렌치를 이용하여 60 in.Ibf의 체결압(토크 = 토크 렌치의 눈금값)으로 볼트를 결합하여 스택을 형성하였다.
상기 막-전극 접합체는 통상의 것으로서, 고분자 전해질막의 양면에 백금 촉매층과 카본 페이퍼의 가스확산층이 형성된 것을 사용하였다. 또한, 상기 가스킷과 간격 조절 부재는 도 14에 보인 사진과 같다. 이때, 상기 간격 조절 부재는 섬유 시트(폴리프로필렌 섬유)의 양면에 수지층을 형성한 것(도 14의 사진 참조)으로서, 이는 구체적으로 섬유 시트를 폴리테트라플루오르에틸렌(테프론)에 함침, 코팅한 것을 사용하였다.
[비교예 1]
상기 실시예 1과 비교하여, 입구부에서 출구부까지 5개의 채널을 연속적으로 형성한 분리판을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 연료전지 스택을 제조하였다. 또한, 실시예 1과 동일하게 막-전극 접합체와 분리판의 사이에는 가스킷과 함께 간격 조절 부재를 설치하고, 분리판의 외측에 집전판과 엔드플레이트를 적층한 후, 토크 렌치를 이용하여 60 in.Ibf의 체결압(토크 = 토크 렌치의 눈금값)으로 볼트를 결합하여 스택을 형성하였다.
첨부된 도 12에는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 분리판의 평면(정면) 모습을 나타내었다. 그리고 첨부된 도 13은 상기 실시예 1에서 사용된 분리판의 요부 사진을 보인 것이고, 첨부된 도 14는 상기 실시예 1에서 사용된 분리판, 가스킷 및 간격 조절 부재의 적층체를 보인 사진이다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 사용된 분리판에 대하여, 채널 총길이와 채널 유효면적을 평가하고, 그 결과를 하기 [표 1]에 나타내었다. 하기 [표 1]에서, 채널 유효면적은 각 채널들이 가지고 있는 평면적을 모두 합한 전체 평면적으로서, 이는 채널 1개의 평면적 x 채널 수이다. 그리고 하기 [표 1]에서, 채널 총길이는 각 채널들의 길이를 모두 합한 것이다.
또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지 스택에 대하여 전압별 전류 밀도(Current Density)와 파워 밀도(Power Density)를 평가하고, 그 결과를 첨부된 도 15에 그래프로 나타내었다. 그리고 하기 [표 2]는 상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 연료전지 스택의 0.7V와 0.6V에서의 전류 밀도(Current Density)를 보인 것이다.
< 분리판의 채널 총 길이 및 채널 유효 면적 >
비 고 채널 수 채널 총길이
[㎝]		 채널 유효면적
[㎠]
비교예 1
 5개 248.96 12.46
실시예 1
 9개 315.22 15.74
< 연료전지 스택의 전기적 성능 평가 결과 >
비고 분리판의
채널 수		 간격 조절 부재 체결압
[in.Ibf]		 전류 밀도(@ 0.7V)
[mA/㎠]		 전류 밀도(@ 0.6V)
[mA/㎠]
비교예 1
 5개 있음 60 681 1,362
실시예 1
 9개 있음 60 915 1,870
먼저, 상기 [표 1]에 보인 바와 같이, 실시예 1(채널 수 9개)의 경우, 채널 총길이가 비교예 1(채널 수 5개)보다 증가됨을 알 수 있었다. 특히, 실시예 1(채널 수 9개)의 경우, 채널 유효면적이 15.74㎠로서 12.46㎠인 비교예 1(채널 수 5개)보다 약 26.3%가 증가됨을 알 수 있었다.
이에 따라, 첨부된 도 15 및 상기 [표 2]에 보인 바와 같이, 실시예 1에 따른 연료전지가 전류 밀도 및 파워 밀도의 전기적 성능에서 현저히 높게 평가됨을 알 수 있었다. 예를 들어, 0.6V에서의 전류 밀도의 경우, 실시예 1에 따른 연료전지는 1,870 mA/㎠로서 비교예 1의 1,362 mA/㎠보다 약 37.3%로 향상되어 월등히 높은 전기적 성능을 가짐을 알 수 있었다.
[실시예 2 ~ 6]
상기 실시예 1과 대비하여, 8개의 연속적인 채널을 형성한 것을 분리판으로 사용하여 연료전지 스택을 제조하였다. 또한, 막-전극 접합체와 분리판의 사이에는 가스킷만을 설치(간격 조절 부재는 설치하지 않음)하고, 토크 렌치를 이용하여 스택을 결합시키되, 각 실시예(2 ~ 6)에 따라 체결압(토크 = 토크 렌치의 눈금값)을 달리하였다.
상기 실시예 2 ~ 6에 따른 연료전지 스택에 대하여 0.7V와 0.6V에서의 전류 밀도를 평가하고, 그 결과를 하기 [표 3]에 나타내었다.
< 연료전지 스택의 체결압별 전기적 성능 평가 결과 >
비 고 분리판의
채널 수		 간격 조절 부재 체결압
[in.Ibf]		 전류 밀도(@ 0.7V)
[mA/㎠]		 전류 밀도(@ 0.6V)
[mA/㎠]
실시예 2
 8개 없음 10 633 1,241
실시예 3
 8개 없음 20 775 1,576
실시예 4
 8개 없음 30 807 1,683
실시예 5
 8개 없음 60 896 1,836
실시예 6
 8개 없음 80 844 1,790
[실시예 7 및 8]
상기 실시예 1(60 in.Ibf)과 대비하여, 토크 렌치를 이용한 스택 결합 시, 체결압을 40 in.Ibf(실시예 7)와 80 in.Ibf(실시예 8)로 달리한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 연료전지 스택을 제조하였다.
상기 실시예 7 및 8에 따른 연료전지 스택에 대하여, 전압별 전류 밀도와 파워 밀도를 평가하고, 그 결과를 첨부된 도 16에 그래프로 나타내었다. 그리고 하기 [표 4]는 상기 실시예 7 및 8에 따른 연료전지 스택의 0.7V와 0.6V에서의 전류 밀도를 보인 것이다. 또한, 하기 [표 4]에는 상기 실시예 1에 따른 연료전지 스택의 전류 밀도를 함께 나타내었다.
< 연료전지 스택의 체결압별 전기적 성능 평가 결과 >
비 고 분리판의
채널 수		 간격 조절 부재 체결압
[in.Ibf]		 전류 밀도(@ 0.7V)
[mA/㎠]		 전류 밀도(@ 0.6V)
[mA/㎠]
실시예 1
 9개 있음 60 915 1,870
실시예 7
 9개 있음 40 908 1,865
실시예 8
 9개 있음 80 912 1,868
먼저, 상기 [표 3]에 보인 바와 같이, 간격 조절 부재를 설치하지 않는 경우(실시예 2 ~ 6), 성능 변화가 매우 심하게 나타남을 알 수 있었다. 즉, 실시예 2 내지 실시예 6을 대비하여 보면, 체결압의 변화에 따라 연료전지의 전류 밀도 및 파워 밀도에 심한 차이가 발생함을 알 수 있었다. 또한, 체결압이 높을수록 성능이 증가하다가 60 in.Ibf의 체결압에서 가장 좋은 성능을 보였으며, 80 in.Ibf에서와 같이 체결압이 너무 높아지면 성능이 감소하는 경향을 보였다.
이에 반하여, 상기 [표 4]에 보인 바와 같이, 간격 조절 부재를 설치한 경우(실시예 1, 실시예 7 ~ 8)에는 체결압의 변화에 따른 성능 변화가 크게 나타나지 않음을 알 수 있었다. 즉, 실시예 1(60 in.Ibf), 실시예 7(40 in.Ibf) 및 실시예 8(80 in.Ibf)를 대비하여 보면, 체결압을 크게 달리하였음에도 불구하고 연료전지의 전류 밀도 및 파워 밀도는 거의 차이가 없음을 알 수 있었다.
[비교예 2 및 3]
상기 비교예 1과 대비하여, 간격 조절 부재의 두께(압축률)를 달리한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하여 연료전지 스택을 제조하였다. 구체적으로, 간격 조절 부재를 구성함에 있어서, 섬유 시트의 양면에 수지층을 코팅, 형성하되, 각 비교예에 따라 수지층의 코팅 두께를 변화시켜 간격 조절 부재의 두께(압축률)를 달리하였다.
상기 비교예 2 및 3에 따른 연료전지 스택에 대하여, 전압별 전류 밀도와 파워 밀도를 평가하고, 그 결과를 첨부된 도 17에 그래프로 나타내었다. 그리고 하기 [표 5]는 상기 비교예 2 및 3에 따른 연료전지 스택의 전류 밀도(0.7V 및 0.6V)와 간격 조절 부재의 압축률(Compression)를 보인 것이다. 또한, 하기 [표 5]에는 상기 비교예 1에 따른 연료전지 스택의 전류 밀도와 간격 조절 부재의 압축률을 함께 나타내었다. 이때, 하기 [표 5]에서, 압축률은 간격 조절 부재의 초기 두께(체결 전)와 60 in.Ibf의 체결압으로 체결한 후의 두께를 이용하여 계산된 두께 감소율(%)이다.
< 간격 조절 부재의 압축률에 따른 연료전지 스택의 전기적 성능 평가 결과 >
비고 분리판의
채널 수		 간격 조절 부재의
압축률		 체결압
[in.Ibf]		 전류 밀도(@ 0.7V)
[mA/㎠]		 전류 밀도(@ 0.6V)
[mA/㎠]
비교예 2
 5개 약 20% 60 614 1,320
비교예 1
 5개 약 30% 60 681 1,362
비교예 3
 5개 약 40% 60 579 1,132
상기 [표 5]에 보인 바와 같이, 간격 조절 부재의 압축률에 따라 전기적 성능이 달라짐을 알 수 있었으며, 60 in.Ibf의 체결압으로 스택 결합 시에는 약 30%의 압축률에서 가장 양호한 결과를 보임을 알 수 있었다.
한편, 하기 [표 6]은 분리판의 채널 수에 따른 전기적 성능의 평가 결과를 보인 것이다. 하기 [표 6]에서, 비교예 4는 채널 수가 7개인 분리판을 사용한 것이다. 그리고 하기 [표 6]에서, 비교예 5는 분리판에 11개의 채널을 형성해 본 것이나, 이는 채널 간벽들의 일부에 균일과 약간의 깨짐이 발생되어 전기적 성능을 평가하기 어려웠다.
< 분리판의 채널 수에 따른 연료전지 스택의 전기적 성능 평가 결과 >
비 고 분리판의
채널 수		 간격 조절 부재 체결압
[in.Ibf]		 전류 밀도(@ 0.7V)
[mA/㎠]		 전류 밀도(@ 0.6V)
[mA/㎠]
비교예 1
 5개 있음 60 681 1,362
비교예 4
 7개 없음 60 712 1,424
실시예 5
 8개 없음 60 896 1,836
실시예 1
 9개 있음 60 915 1,870
실시예 9
 10개 없음 60 904 1,845
비교예 5
 11개 채널 간벽에 균열과 깨짐 발생
상기 [표 6]에 보인 바와 같이, 분리판의 채널 수는 5개나 7개에 비해, 8개 이상에서 전기적 성능이 크게 개선됨을 알 수 있었다. 특히, 0.6V에서의 전류 밀도를 보면, 채널 수 8개에서 급격히 증가함을 알 수 있었다. 그리고 상기 실시예들에서는 채널 수 9개에서 가장 우수한 성능을 보였다.
또한, 분리판의 재질로서 그라파이트의 탄소재를 사용하는 경우, 분리판에 11개의 채널을 형성한 경우에는 채널 간벽에 균열과 깨짐이 발생(가공 어려움)되었다. 이에 따라, 분리판을 탄소재로 사용하는 경우에는 10개 이하의 채널 수가 적당함을 알 수 있었다. 아울러, 간격 조절 부재가 설치한 경우가 그렇지 않은 경우보다 우수한 결과를 보였다.
이상의 실시예 및 비교예를 통해 확인되는 바와 같이, 8개 이상의 채널에서 전기적 성능이 현저히 개선됨을 알 수 있다. 또한, 분리판의 재질로서 그라파이트 등의 탄소재를 사용하는 경우에는 전기적 성능과 가공성 등을 고려하여 8개 ~ 10개가 바람직하며, 보다 바람직하게는 9개임을 알 수 있다.
부가적으로, 체결압의 변화에 따라 성능 편차가 발생되나, 간격 조절 부재를 설치한 경우(실시예 1, 7 및 8)에는 체결압이 달라져도 성능 변화가 거의 없어 신뢰성을 확보할 수 있음을 알 수 있다. 아울러, 간격 조절 부재의 압축률에 따라 성능이 달라지고, 적절한 압축률을 가지는 경우에, 예를 들어 60 in.Ibf의 체결압에서는 30%의 압축률을 가지는 경우에 우수한 전기적 성능을 가짐을 알 수 있다.
100 : 막-전극 접합체 110 : 분리막
120 : 촉매층 130 : 가스확산층
200 : 분리판 210 : 입구부
220 : 채널부 222 : 채널
230 : 출구부 250 : 패킹홈
310 : 가스킷 320 : 간격 조절 부재
400 : 집전판 500 : 엔드 플레이트 유닛
510 : 엔드 플레이트 511 : 엔드 플레이트 본체
512 : 팬 설치홈 515 : 방열유로
520 : 방열팬 600 : 체결부재

Claims (15)

  1. 막-전극 접합체(100);
    상기 막-전극 접합체(100)의 양쪽에 설치된 한 쌍의 분리판(200);
    상기 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 설치된 한 쌍의 가스킷(310);
    상기 분리판(200)의 외측에 설치된 한 쌍의 엔드 플레이트(510); 및
    상기 엔드 플레이트(510)의 외측에서 체결되어, 상기 막-전극 접합체(100), 분리판(200), 가스킷(310) 및 엔드 플레이트(510)를 결합시키는 체결부재(600)를 포함하는 연료전지에 있어서,
    상기 연료전지는,
    상기 막-전극 접합체(100)와 분리판(200)의 사이에 설치되고, 상기 막-전극 접합체(100)와 분리판(200) 간의 간격을 조절하는 간격 조절 부재(320)를 포함하고,
    상기 분리판(200)은,
    가스가 통과되는 채널부(220);
    상기 채널부(220)의 일측에 형성되고, 가스가 유입되는 입구부(210); 및
    상기 채널부(220)의 타측에 형성되고, 가스가 배출되는 출구부(230)를 포함하되,
    상기 채널부(220)는 복수의 채널(222)을 포함하며,
    상기 간격 조절 부재(320)는, 상기 가스킷(310)보다 낮은 압축률을 가지되, 60 in.Ibf 이상의 체결압으로 가압 시, 2% 내지 40%의 압축률을 가지며,
    상기 간격 조절 부재(320)의 두께는 가스킷(310)의 두께보다 작은 것을 특징으로 하는 연료전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 입구부(210)는,
    가스 입구공(211); 및
    상기 가스 입구공(211)으로부터 분기된 복수의 입구 분기공(212)을 포함하고,
    상기 복수의 입구 분기공(212)은 상기 채널부(220)의 채널(222) 개수와 동일하며, 상기 각 입구 분기공(212)은 서로 대응되는 각 채널(222)과 연통된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스킷(310)은 채널부(220)의 외곽에 설치되고,
    상기 간격 조절 부재(320)는 가스킷(310)의 외곽에 설치되며,
    상기 채널부(220)는 8개 이상의 채널(222)과, 상기 채널(222) 간의 사이에 형성된 7개 이상의 간벽(224)을 포함하되,
    아래의 수학식에 의한 채널 유효면적이 14.5㎠ 이상이고,
    아래의 수학식에 의한 채널 유효면적과 간벽(224)의 전체 평면적을 합한 채널부(220)의 전체 평면적 중에서, 상기 채널 유효면적이 차지하는 비율은 70% 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지:
    [수학식]
    ST = S x n (여기서, S = W x L이다.)
    상기 수학식에서,
    ST : 채널 유효면적이고,
    S : 막-전극 접합체(100)와 마주하는 각 채널(222)의 면적이며,
    n : 채널(222)의 개수이고,
    W : 채널(222)의 폭(너비)이며,
    L : 입구부(210)에서부터 출구부(230)까지의 채널(222) 길이이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분리판(200)은 사각판 형상의 본체(201)를 포함하되,
    상기 본체(201)의 일측에는 상기 입구부(210)가 형성되고, 상기 입구부(210)의 대각선 방향의 타측에는 상기 출구부(230)가 형성되어 있으며,
    상기 채널부(220)는 입구부(210)와 출구부(230)의 사이에 형성된 복수의 굴곡점(225)에서 굴곡된 지그재그 형태의 굴곡 패턴을 가지되, 상기 입구부(210)에서 시작하여 출구부(230)까지 연속되어 있고,
    상기 본체(201)는 탄소재이며,
    상기 채널부(220)는 복수의 채널(222)과, 상기 채널(222) 간의 사이에 형성된 간벽(224)을 포함하되,
    상기 채널(222)은 8개 내지 10개인 것을 특징으로 하는 연료전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 간격 조절 부재(320)는,
    기재 시트(322); 및
    상기 기재 시트(322) 상에 형성된 수지층(324)을 포함하고,
    상기 간격 조절 부재(320)는 60 in.Ibf 이상의 체결압으로 가압 시, 10% 내지 30%의 압축률을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 플레이트(510)에는 냉각을 위한 방열팬(520)이 설치되고,
    상기 엔드 플레이트(510)는,
    플레이트 본체(511);
    상기 플레이트 본체(511)에 형성되고, 상기 방열팬(520)이 설치되는 팬 설치홈(512); 및
    상기 플레이트 본체(511)에 형성되고, 상기 방열팬(520)을 통해 흡입된 냉각 공기가 통과되는 복수의 방열유로(515)를 포함하며,
    상기 방열유로(515)는,
    상기 팬 설치홈(512)에 형성된 제1방열유로(515-1); 및
    상기 제1방열유로(515-1)와 연통되고, 상기 팬 설치홈(512)의 주위에 형성된 제2방열유로(515-2)를 포함하며,
    상기 제1방열유로(515-1)는 개구형(open type)의 유로로 구성되고,
    상기 제2방열유로(515-2)는 폐쇄형(closed type)의 유로로 구성되며,
    상기 제2방열유로(515-2)는 플레이트 본체(511)의 가로 방향, 세로 방향 및 대각선 방향으로 형성되되, 각 방향에서 2개 내지 10개의 복수열로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
KR1020170056272A 2017-05-02 2017-05-02 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 KR102099461B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170056272A KR102099461B1 (ko) 2017-05-02 2017-05-02 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170056272A KR102099461B1 (ko) 2017-05-02 2017-05-02 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180122150A KR20180122150A (ko) 2018-11-12
KR102099461B1 true KR102099461B1 (ko) 2020-04-09

Family

ID=64398125

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170056272A KR102099461B1 (ko) 2017-05-02 2017-05-02 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102099461B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005276508A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
KR100683419B1 (ko) * 2005-03-08 2007-02-20 자동차부품연구원 연료전지용 분리판
JP2008027744A (ja) * 2006-07-21 2008-02-07 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
US20080057372A1 (en) * 2004-10-06 2008-03-06 Stefan Sommer End Plate for a Fuel Cell Stack
JP2008123751A (ja) * 2006-11-09 2008-05-29 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2016131085A (ja) * 2015-01-14 2016-07-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池とその製造方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101092486B1 (ko) 2009-07-21 2011-12-13 고등기술연구원연구조합 연료전지용 분리판
KR20110020186A (ko) 2009-08-21 2011-03-02 한양대학교 산학협력단 고분자 전해질형 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 고분자 전해질형 연료 전지 시스템
KR101728206B1 (ko) 2014-05-22 2017-04-18 주식회사 엘지화학 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
KR20150142797A (ko) 2014-06-11 2015-12-23 현대자동차주식회사 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 셀
KR101636613B1 (ko) 2014-08-04 2016-07-06 고려대학교 산학협력단 연료전지용 분리판 및 이를 갖는 고온형 고분자 전해질 연료전지

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005276508A (ja) * 2004-03-23 2005-10-06 Mitsubishi Electric Corp 燃料電池
US20080057372A1 (en) * 2004-10-06 2008-03-06 Stefan Sommer End Plate for a Fuel Cell Stack
KR100683419B1 (ko) * 2005-03-08 2007-02-20 자동차부품연구원 연료전지용 분리판
JP2008027744A (ja) * 2006-07-21 2008-02-07 Honda Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2008123751A (ja) * 2006-11-09 2008-05-29 Honda Motor Co Ltd 燃料電池
JP2016131085A (ja) * 2015-01-14 2016-07-21 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 燃料電池とその製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180122150A (ko) 2018-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7781122B2 (en) Bipolar plate with cross-linked channels
US10727511B2 (en) Fuel cell
US7632589B2 (en) Fuel-cell stack and fuel cell
US7736785B2 (en) Fuel cell
US8911917B2 (en) Fuel cell
US8846269B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same
JP7308208B2 (ja) 改善された流体流れ設計を伴う電気化学セル
US20140329168A1 (en) Hybrid bipolar plate assembly for fuel cells
US9748583B2 (en) Flow field plate for improved coolant flow
EP1514322A2 (en) Electrochemical cell and bipolar assembly for an electrochemical cell
EP2533336B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US10826097B2 (en) Fuel cell
US20110165493A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and fuel cell stack comprising the same
JP2007172953A (ja) 燃料電池
JP5130688B2 (ja) 燃料電池用セパレータ
US20040157111A1 (en) Fuel cell
KR102099461B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지
JP2006260810A (ja) 固体高分子電解質形燃料電池
EP1411570A2 (en) Fuel cell and operation method thereof
EP4207396A1 (en) Solid polymer electrolyte fuel cell stack
US20080171250A1 (en) Fuel cell
KR100758773B1 (ko) 고분자 전해질형 연료전지
KR101220866B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지용 분리판 및 이것을 이용한 고분자 연료전지
KR102063060B1 (ko) 연료전지 스택
KR101926454B1 (ko) 연료전지 분리판 및 이를 갖는 연료전지 스택

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right