KR102159484B1 - 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트; 매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및 각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며, 적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장된 분리판이 제공된다.

Description

분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택{Separator, and Fuel cell stack comprising the same}
본 발명은 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(fuel cell)는 연료와 산화제의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 에너지 변환 장치이며, 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전이 가능한 장점이 있다.
수소 이온을 투과시킬 수 있는 고분자막을 전해질로 사용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 다른 형태의 연료전지에 비해 낮은 약 100℃ 이하의 작동온도를 가지며, 에너지 전환 효율과 출력밀도가 높고 응답특성이 빠른 장점이 있다. 뿐만 아니라, 소형화가 가능하기 때문에 휴대용, 차량용 및 가정용 전원장치로 제공될 수 있다.
도 1은 연료전지 스택을 나타내는 개략 단면도이다.
도 1을 참조하면, 고분자 전해질 연료전지 스택(1)은 고분자 물질로 구성된 전해질막을 중심으로 애노드(anode)와 캐소드(cathode)가 각각 도포되어 형성된 전극층을 구비하는 막-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)(10), 반응 기체들을 반응 영역 전체에 걸쳐 고르게 분포시키고, 애노드 전극의 산화반응에 의해 발생된 전자를 캐소드 전극 쪽으로 전달하는 역할의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(20), 반응 기체들을 가스 확산층으로 공급하고, 전기화학반응에 의해 발생된 물을 외부로 배출시키는 분리판(bipolar plate)(30, 100), 분리판 또는 막-전극 접합체의 반응 영역 외주에 배치되어 반응 기체 및 냉각수의 누출을 방지하는, 탄성을 갖는 고무 소재의 가스켓(gasket)(130)을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 분리판을 나타내는 개략도들로서, 구체적으로, 도 3은 플레이트(110)를 나타내고, 도 4는 다공체(120)를 나타내며, 도 5는 플레이트(110)에 다공체(120)가 접합된 상태를 나타낸다.
연료전지 스택(1) 제작에 있어서, 스택 부피를 줄이기 위하여 금속 분리판(100)이 사용되고 있으며, 금속 분리판(100)은 얇은 금속판에 일반적으로 스탬핑(stamping) 공정으로 유로(채널부)를 형성하는데, 기존의 유로가 가지는 플러딩(flooding)의 문제를 해결하기 위해 가스 확산 성능 및 물배출 성능을 향상시킨 3차원 형상의 다공체(120)가 사용된다. 상기 다공체(120)는 유로부를 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 갖는다.
이러한 다공체(120)는 일반적으로 평판형 플레이트(110)에 결합되어 분리판(100)을 구성하게 된다.
상기 플레이트(110)는 중앙부에 다공체(120)가 장착되는 장착홈(111) 및 양측 가장자리에 다공체(120) 측으로 반응 가스(연료와 공기) 및 냉각수가 공급 및 배출되는 매니폴드(112, 113, 114)를 갖는다.
또한, 다공체(120) 측으로 반응 가스(연료 또는 공기)를 공급하거나, 다공체(120)를 통과한 반응 가스를 배출시키기 위한 복수 개의 분배홀을 갖는다.
이러한 다공체(120) 역시 플레이트(110)와 마찬가지로 얇은 금속판을 이용해 제작하며, 제작된 다공체(120)를 유로부로 사용하기 위해 유로가 형성되지 않은 플레이트(110)에 접합한다. 또한, 플레이트(110)와 다공체(120)는 모두 금속이기 때문에, 일반적인 부착 방법으로 용접이 사용된다.
구체적으로 다공체(120)는 유로부(121) 및 유로부(121)의 가장자리에 마련된 장착부(122)를 포함하며, 상기 장착부(122)는, 다공체(120)가 장착홈(111)에 안착 시, 플레이트(110)와 복수 개의 지점(123)에서 용접된다.
한편, 용접 시, 용접 에너지와 열에 의해 분리판(100)에 구멍이 생길 수 있으며, 손상을 입은 용접 부분(123)의 내식성이 저하되어, 연료전지 운전 중에, 부식되어 구멍이 생길 수 있다. 이러한 구멍은 반응가스의 누설(leak)을 발생시켜 연료전기 스택의 심각한 문제를 초래할 수 있다.
또한, 용접에 의해서 손상을 입은 표면에는 연료전지 운전 시 산분위기에 의해 부식이 발생할 수 있고, 이로 인해 이온이 용출될 수 있다. 용출된 이온은 막-전극 접합체(MEA) 성능의 하락을 초래한다.
또한, 플레이트(110)와 다공체(120)가 정위치에 정렬되지 않은 상태에서 용접 시, 분리판(100) 또는 다공체(120)가 휠 수 있다.
본 발명은 용접 없이 다공체와 플레이트를 접합할 수 있는 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트; 매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및 각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며, 적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장된 분리판이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트; 매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및 각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며, 적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장되고, 적어도 하나의 연장부는 다공체를 덮지 않도록 연장된 분리판이 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 막-전극 접합체; 막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며, 상기 분리판은, 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트; 매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및 각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며, 적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장된 연료전지 스택이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택은 다음과 같은 효과를 갖는다.
분리판에 가스켓 성형 시, 가스켓이 접착성으로, 별도의 용접 없이 다공체와 플레이트를 접합할 수 있다.
또한, 분리판 제조 시, 용접 공정을 제거함으로써, 용접에 의해 발생할 수 있는 불량 요소의 발생을 방지할 수 있다.
또한, 분리판 제조 시, 용접 공정을 제거함으로써, 공정 시간 및 비용을 개선할 수 있다.
도 1은 연료전지 스택을 나타내는 개략 단면도이다.
도 2 내지 도 4는 종래 분리판을 나타내는 개략도들이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예와 관련된 분리판을 나타내는 개략도들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 5 내지 도 9은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 분리판(200)을 나타내는 개략도들이다. 도 5은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 분리판(200)을 구성하는 다공체(220)를 나타내고, 도 6은 도 5의 요부 사시도이며, 도 7은 플레이트(210)에 다공체(220)가 안착된 상태를 나타내고, 도 8는 분리판(200)에 가스켓(230)이 성형된 상태를 나타내며, 도 9은 도 8의 요부 사시도이다.
전술한 바와 같이, 연료전지 스택(1)은 막-전극 접합체(10), 막-전극 접합체(10)의 일면에 배치된 가스 확산층(20) 및 적어도 일부 영역에서 가스 확산층(20)과 접촉하도록 배치된 분리판(200)을 포함한다.
분리판(200)은 플레이트(210), 다공체(220) 및 가스켓(230)을 포함한다. 상기 플레이트(200)는 도 2 내지 도 5를 통해 설명한 다공체(120)를 장착하기 위한 플레이트(110)와 동일하다. 다만, 다공체(220) 및 가스켓(230)은 도 2 내지 도 4를 통해 설명한 다공체(120) 및 가스켓(130)와 각각 상이하므로, 이러한 차이점을 중심으로 이하 설명한다.
분리판(200)은 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트(210)를 포함한다. 또한, 분리판(200)은 다공체(120)를 포함하며, 다공체(120)는 매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착된다. 또한, 분리판(200)은 각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트(210)에 마련되고, 상기 다공체(220) 측으로 연장된 복수 개의 연장부(231)를 갖는 가스켓(230)을 포함한다.
분리판(200)은 실링(sealing)을 위해 분리판(200) 상에 가스켓(230) 성형 공정을 거치게 된다. 가스켓(230)은 탄성 복원력이 우수한 실리콘계, 불소계 등을 사용하는데, 금속재질의 분리판(100)의 경우 가스켓(230)을 위치시키기 위한 홈 형성이 어렵고, 고무 재질의 가스켓(230)을 접착시키기 어렵기 때문에, 액상 고무 소재를 도포, 사출하여 금속 분리판(100) 표면에서 경화하여 접착시키는 방법이 사용된다.
이와 같은 방법으로, 가스켓(230)은 금형을 이용하여 분리판(200)에 직접 사출하여 경화하거나, 디스펜서로 도포 후 열 또는 UV로 경화하는 방식으로 제조된다. 즉, 상기한 방식에 의하면, 가스켓(230) 성형 시, 가스켓(230)은 분리판(200) 표면에 접착성을 갖는다.
이때, 상기 가스켓(230) 성형 시의 접착성을 이용하여, 다공체(220)를 플레이트(210)에 접합할 수 있도록, 가스켓(230)의 적어도 하나의 연장부(231)는 다공체(220)의 일부 영역을 덮도록 연장된다.
다공체(220)는 복수 개의 유동홀이 형성된 채널 영역(221) 및 채널 영역(221)의 가장자리에 위치하며, 유동홀이 형성되지 않은 장착 영역(222)을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 연장부(231)는 장착 영역(222)을 덮도록 연장될 수 있다.
특히, 다공체(220)의 장착 영역(222)은, 장착홈 내에 위치하는 제1 영역(222a) 및 제1 영역(222a)으로부터 연장되어 장착홈 외부에 위치하는 제2 영역(222b)을 포함할 수 있다. 이때, 적어도 하나의 연장부(231)는 제2 영역(222b)을 덮도록 연장될 수 있다. 즉, 연장부(231)는 장착홈을 벗어난 장착 영역을 덮도록 연장될 수 있다.
또한, 스탬핑 공정을 통하여, 제1 영역(222a)과 제2 영역(222b)은 높이 차이를 갖도록 단차질 수 있다. 이때, 제1 영역(222a)과 제2 영역(222b)의 높이 차이(h)는 장착 홈의 깊이와 동일할 수 있다.
상기 단차를 이용하여 제2 영역(222b)을 장착 홈 외부에 안착시키고, 제1 영역(222a)을 장착 홈 내부에 안착되도록 함으로써, 다공체(220)를 장착 홈에 정위치 시킬 수 있다.
다공체(220)를 정위치시키고, 가스켓(230)을 성형시킴으로써, 가스켓(230)의 접착력으로, 다공체(220)를 플레이트(210)에 접합시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 분리판(300)을 나타내는 개략도들이다.
도 10을 참조하면, 분리판(300)은 플레이트(310), 다공체(320) 및 가스켓(330)을 포함한다.
플레이트(310)는 도 5 내지 도 9를 통해 설명한 플레이트(210)와 동일하다. 다만, 다공체(220) 및 가스켓(230)에서만 일부 차이를 갖는다.
다공체(320)는 채널 영역과 장착 영역을 포함하지만, 장착 영역은 모두 플레이트의 장착 홈 내에 위치하도록 마련된다.
또한, 가스켓(330)의 적어도 하나의 연장부(331)는 다공체의 일부 영역(장착 영역)을 덮도록 연장되고, 적어도 하나의 연장부(332)는 다공체를 덮지 않도록 연장될 수 있다. 구체적으로, 가스켓(330)의 적어도 하나의 연장부(331)는 장착 홈 내에 위치한 다공체(320)의 장착 영역을 덮도록 연장되어야 가스켓으로 다공체(320)를 접합할 수 있다. 이때, 복수 개의 연장부 모두 장착 영역까지 연장되어 다공체의 장착 영역을 덮을 수도 있지만, 일부 연장부(332)는 장착 영역을 덮지 않을 수 있다.
특히 디스펜서로 가스켓(330) 성형 시, 노광, 열 등으로 가스켓을 경화할 수 있고, 다공체의 장착부의 두께는 장착홈의 깊이보다 낮으므로, 디스펜서의 위치를 그만큼 낮게 조정할 필요가 있으며, 다공체 장착부와 부착되는 부분(연장부)의 두께를 낮출 수 있다. 다공체의 장착영역에 부착되는 연장부는 실링 기능이 아닌 부착 기능을 수행하므로, 실링에 영향이 없도록 하는 것이 바람직하며, 이러한 점은 각 실시예에서 모두 동일하다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100, 200: 연료전지용 분리판
110, 210: 플레이트
120, 220: 다공체
130, 230: 가스켓

Claims (8)

  1. 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트;
    매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및
    각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며,
    적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장되며,
    다공체는 유동홀이 형성된 채널 영역 및 채널 영역의 가장자리에 위치하며, 유동홀이 형성되지 않은 장착 영역을 포함하고,
    다공체의 장착 영역은, 장착홈 내에 위치하는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 연장되어 장착홈 외부에 위치하는 제2 영역을 포함하며,
    적어도 하나의 연장부는 장착홈을 벗어난 장착 영역을 덮도록 연장된 분리판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    제1 영역과 제2 영역은 높이 차이를 갖도록 단차진 분리판.
  5. 제 4 항에 있어서,
    제1 영역과 제2 영역의 높이 차이는 장착 홈의 깊이와 동일한 분리판.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 막-전극 접합체;
    막-전극 접합체의 일면에 배치된 가스 확산층; 및
    적어도 일부 영역에서 가스 확산층과 접촉하도록 배치된 분리판을 포함하며,
    상기 분리판은, 중앙부에 위치한 장착홈 및 양 측 가장자리에 위치한 복수 개의 매니폴드를 갖는 플레이트;
    매니폴드로 유입된 유체가 통과하기 위한 유동 채널을 형성하기 위한 복수 개의 유동홀을 가지며, 상기 장착홈에 안착되는 다공체; 및
    각각의 매니폴드를 둘러싸도록 플레이트에 마련되고, 상기 다공체 측으로 연장된 복수 개의 연장부를 갖는 가스켓을 포함하며,
    적어도 하나의 연장부는 다공체의 일부 영역을 덮도록 연장되며,
    다공체는 유동홀이 형성된 채널 영역 및 채널 영역의 가장자리에 위치하며, 유동홀이 형성되지 않은 장착 영역을 포함하고,
    다공체의 장착 영역은, 장착홈 내에 위치하는 제1 영역 및 제1 영역으로부터 연장되어 장착홈 외부에 위치하는 제2 영역을 포함하며,
    적어도 하나의 연장부는 장착홈을 벗어난 장착 영역을 덮도록 연장된 연료전지 스택.
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