KR102346428B1 - 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연료전지 스택이 형성되기 위해, 상부가 제1 금속 분리판부로, 하부가 제2 금속 분리판부로, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부를 잇는 MEA부가 하나의 단위셀로 적층되고, 이러한 단위셀이 복수 개로 적층될 때, 제1 금속 분리판부의 상면에 제2 금속 분리판부가 적층되는데, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 하부로 돌출되는 제1 그루브부 및 제2 그루브부가 상보적 구조로 구비되는 특징이 있다. 이로 인해, 제1 그루브부에 제2 그루브부가 끼워지는 형태로 적층되어 기밀성이 향상되는 효과가 있다.

Description

기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판{METALLIC BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL STACK WITH IMPROVED AIRTIGHTNESS}
본 발명은 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연료전지 스택이 형성되기 위해, 상부가 제1 금속 분리판부로, 하부가 제2 금속 분리판부로, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부를 잇는 MEA부가 하나의 단위셀로 적층되고, 이러한 단위셀이 복수 개로 적층될 때, 제1 금속 분리판부의 상면에 제2 금속 분리판부가 적층되는데, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 하부로 돌출되는 제1 그루브부 및 제2 그루브부가 상보적 구조로 구비되는 특징이 있다. 이로 인해, 제1 그루브부에 제2 그루브부가 끼워지는 형태로 적층되어 기밀성이 향상되는 효과가 있다.
수소연료전지는 연료극(anode)에서의 산화반응 및 공기극(cathode)에서의 환원반응을 이용하여 전력을 생성한다.
연료극/공기극에는 산화 및 환원 반응을 촉진시키기 위해 촉매 층이 형성되며, 연료극에는 수소가 공급되어 산화반응을 통해 수소 이온과 전자로 분리되고, 공기극에서는 분리된 수소 이온과 산소(공기)가 결합해 물을 형성하게 된다.
통상적으로 하나의 연료전지 스택은 복수 개(일 예로, 400 여개일 수 있다)의 단위셀(unit cell)이 적층되어 형성되게 된다.
연료전지 단위셀은 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착된 전해질층(Membrane Electrode Assembly), 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전자를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL), 반응기체들 및 냉각수의 기밀성과 적정 체결압을 유지하기 위한 가스켓 및 반응기체들 및 냉각수가 이동하는 분리판(Bipolar plate)으로 구성되어 있다.
따라서, 연료극으로 공급된 수소는 전해질막의 양쪽에 구성된 전극층의 촉매에 의해 수소이온(Proton, H+)과 전자(Electron, e-)로 분해되고, 이 중 수소이온만이 선택적으로 양이온교환막인 전해질막을 통과하여 음극으로 전달되며, 동시에 전자는 도체인 기체확산층과 분리판을 통하여 음극으로 전달되게 된다.
공기극에서는 전해질막을 통과하여 공급된 수소이온과 분리판을 통하여 전달된 전자가 공기공급기에 의해 공기극으로 공급된 공기중의 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다.
이때, 수소이온의 이동에 기인하여 발생하는 외부 도선을 통한 전자의 흐름으로 전류가 생성되고, 아울러 물 생성 반응에서 열도 발생하게 되는 것이다.
위와 같이, 분리판은 연료전지의 적층 시, 각각의 단위전지를 분리해주고, 전해질층의 지지체 역할을 하며, 생성된 에너지를 전달하는 전류집전체(current collector)의 역할을 한다.
서술한 역할을 수행하기 위하여, 분리판은 전해질층의 외측에 접합된 기체확산층(GDL)에 접합되는데, 이 분리판은 연료와 공기를 공급할 뿐만 아니라, 연료극 측에서는 수분의 공급통로로, 공기극 측에서는 생성된 물의 제거통로서의 기능을 가지며, 외부회로로 전기를 내보내는 역할 또한 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지 스택의 단위셀 구조를 보여주는 개략도로서, 단위셀은 하부에서부터 연료극 분리판(40), 기체확산층(GDL, 20), 전해질층(MEA, 30), 기체확산층(GDL, 20) 및 공기극 분리판(10) 순으로 적층되어 하나의 단위셀을 이루고, 연료전지 스택은 이러한 단위셀이 복수 개가 반복 적층되어 형성된다.
이때, 연료극 분리판(40) 및 공기극 분리판(10)은 판넬 형상이 길이 방향으로 연장되는데, 소정의 간격마다 절곡되어 홈을 형성하면서 연장되어진다.
또한, 연료극 분리판(40) 및 공기극 분리판(10)에 형성되는 홈의 구간이 동일하고, 상호 반대 방향으로 홈이 형성되게 된다.
이에 따라, 연료전지 스택으로 형성되기 위해, 하나의 단위셀이 반복적으로 적층되는 과정에서, 공기극 분리판(10)의 상면에서 연료극 분리판(40)의 하면이 맞닿으면서 연료극 분리판(40) 및 공기극 분리판(10)의 홈이 서로 맞닿아 중공부를 형성하여 냉각수가 흐르는 냉각수 유로가 생성된다.
따라서, 이 냉각수 유로를 통해 냉각수가 공급되어 전해질층(30)의 공기극 및 연료극과 열 교환함으로써, 스택을 한계 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있다.
그러나, 연료전지 스택으로 형성되기 위해, 하나의 단위셀이 반복적으로 적층되는 과정에서, 공기극 분리판(10) 및 연료극 분리판(40)의 홈이 서로 맞닿아 중공부를 형성하도록 하기 위해 공기극 분리판(10) 및 연료극 분리판(40)의 복수 개의 홈이 서로 일치되도록 위치시키는데 작업시간이 지연되는 단점이 있다.
또한, 공기극 분리판(10) 및 연료극 분리판(40)에서 홈이 형성되지 않는 부분이 평면으로 서로 맞닿는 구조에 있어서, 오차로 인해 벌어질 경우, 냉각수가 냉각수의 유로에서 이탈되어 냉각수가 누수되는 문제가 있다.
또한, 도 2와 같이, 종래에는 연료전지 스택 제작 시, 수소와 공기 및 냉각수의 기밀성을 확보하기 위해 전해질층(30), 연료극 분리판(40) 및 공기극 분리판(10)의 가장자리에 각각 고무가스켓(rubber gasket, 50)을 사출/경화시켜 접합하는 방법을 주로 사용하였다(도 2에는 공기극 분리판(10)의 가장자리를 따라 고무가스켓(50)이 결합되는 구조만이 도시되었지만, 공기극 분리판(10), 전해질층(30) 및 연료극 분리판(40)의 가장자리에 각각 결합되어 내부의 냉각수, 수소 및 공기를 차단한다).
그러나, 연료전지 스택으로 제작하기 위해, 하나의 단위셀을 복수개로, 약 400여개씩의 전해질층(30), 연료극 분리판(40) 및 공기극 분리판(10)을 순서대로 약 총 1200여번 적층하고, 고무가스켓(50)을 끼움 결합하는 작업에서, 연료극 분리판(40), 공기극 분리판(10) 및 전해질층(30)이 일직선상으로 적층되기 위한 미세 조정 작업으로 작업자의 작업시간이 오래 걸려 생산 효율성이 저하되는 문제가 있다. 또한, 고무가스켓 특성 상 수명이 짧아 일부 파열 시 냉각 수가 누수되는 문제점도 있다.
이에 따라, 연료전지 스택을 제작하기 위해 복수개의 단위셀을 적층하기 위해 냉각수의 누수를 방지하고, 작업자의 결합 작업을 용이하게 하는 분리판의 개발이 필요한 실정이다.
KR 10-0821389 B1
본 발명은 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판에 관한 것이다. 보다 상세하게는 연료전지 스택이 형성되기 위해, 상부가 제1 금속 분리판부로, 하부가 제2 금속 분리판부로, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부를 잇는 MEA부가 하나의 단위셀로 적층되고, 이러한 단위셀이 복수 개로 적층될 때, 제1 금속 분리판부의 상면에 제2 금속 분리판부가 적층되는데, 제1 금속 분리판부 및 제2 금속 분리판부에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 하부로 돌출되는 제1 그루브부 및 제2 그루브부가 상보적 구조로 구비되는 특징이 있다. 이로 인해, 제1 그루브부에 제2 그루브부가 끼워지는 형태로 적층되어 기밀성이 향상되는 효과가 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판은 판넬 형상의 제1 금속 분리판부; 판넬 형상의 제2 금속 분리판부; 상기 제1 금속 분리판부 및 상기 제2 금속 분리판부의 사이에 위치하되, 전기화학반응이 일어나는 전극 촉매층이 부착된 MEA부; 및 상기 MEA부의 상면 및 하면에 결합되는 GDL부;를 포함하고, 상기 제1 금속 분리판부는 하부를 향하여 절곡되는 제1 그루브부를 구비하고, 상기 제2 금속 분리판부는 하부를 향하여 절곡되는 제2 그루브부를 구비하되, 상부에서 하부를 향하여 상기 제1 금속 분리판부, 상기 GDL부, 상기 MEA부, 상기 GDL부 및 상기 제2 금속 분리판부 순으로 적층되는 것을 하나의 단위셀이라 할 경우, 상기 단위셀은 복수 개가 수직 방향으로 적층될 때, 상기 제1 금속 분리판부의 상면에 상기 제2 금속 분리판부의 하면이 맞닿고, 상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부는 상보적 구조로, 수직 방향으로 동일 선상에 위치되어 상기 제1 그루브부가 상기 제2 그루브부에 삽입되는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 금속 분리판부 및 상기 제2 금속 분리판부는, 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되는 복수 개의 제1 홈 및 제2 홈을 각각 구비하되, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상호 맞닿아 중공부를 구비하는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 라운드 처리된 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부의 사이는 접착층이 도포되는 것이다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부는 동일한 방향으로 돌출 형성되고, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상호 반대방향으로 돌출 형성되는 것이다.
본 발명의 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판에 의하면 제1 금속 분리판부에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제1 그루브부 및 제2 금속 분리판부에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제2 그루브부가 구비되어 제1 그루브부에 제2 그루브부가 상보적 구조로 끼워져 결합되는 구조로, 종래의 분리판의 적층 시, 들뜨거나 벌어지는 문제를 해결할 수 있는 효과가 있다.
이로 인해, 종래의 분리판 사이 마다 고무 가스켓의 결합 작업을 위해, 수직 방향으로 일정한 라인이 형성되도록 하는 작업으로 작업 시간이 지연되었던 점을 제1 그루브부에 제2 그루브부를 끼워넣는 작업만으로 일정한 라인으로 결합되어 작업 편의가 향상되고, 밀착력 및 기밀성이 증대되어 진동과 충격에도 구조적 안정감이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 연료전지 스택의 분해 사시도이다.
도 2는 종래의 공기극 분리판에 고무가스켓이 결합된 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 연료전지 스택의 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 제1 금속분리판 및 제2 금속분리판의 제1 그루브부 및 제2 그루브부의 결합 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 제1 그루브부 및 제2 그루브부의 결합 단면도의 다른 실시 예의 단면도이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
이하에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다. "길이 방향"이란, 도 3을 기준으로 x축 방향이며, "폭 방향"이란, 도 3을 기준으로 y축 방향이며, "수직 방향"이란, 도 3을 기준으로 z축 방향이다. 또한, "상부"란, 수직 방향에서 위쪽 방향을 의미하고, "하부"란 수직 방향에서 아래쪽 방향을 의미한다.
본 발명에 의한 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판은 제1 금속 분리판부(100), 제2 금속 분리판부(200), MEA부(300), GDL부(400) 및 냉각수 유로부(500)를 포함한다.
먼저, 연료전지 스택을 형성하기 위해, 제1 금속 분리판부(100), 제2 금속 분리판부(200), MEA부(300) GDL부(400) 및 냉각수 유로부(500)가 결합되는 구조를 설명하도록 한다.
도 3은 연료전지 스택의 단위셀 구조의 단면도이다.
도 3과 같이, 수직 방향으로 하부에서부터 상부를 향하여 제2 금속 분리판부(200), GDL부(400), MEA부(300), GDL부(400) 및 제1 금속 분리판부(100)가 겹겹이 적층되어 하나의 단위셀(10)을 형성하게 된다.
또한, 하나의 단위셀(10)이 복수 개로 적층되어 연료전지 스택으로 형성된다.
이를 위해, 서술한 바와 같이, 하나의 단위셀(10)의 상부는 제1 금속 분리판부(100)으로, 하부는 제2 금속 분리판부(200)로 이루어지는데, 제1 금속 분리판부(100)의 상면에 제2 금속 분리판부(200)의 하면이 맞닿도록 하나의 단위셀(10)이 반복적으로 적층되는 것이 바람직하다.
여기서, MEA부(300)는 수소이온이 이동하는 전해질막을 중심으로 막의 양쪽에 전기화학반응이 일어나는 전극/촉매층이 부착되고, GDL부(400)는 반응기체들을 고르게 분포하고 발생된 전기를 전달하는 역할을 수행하는 기체확산층으로 종래 역할과 동일하고, 제1 금속 분리판부(100) 및 제2 금속 분리판부(200) 역시, 연료전지의 적층 시 각각의 단위전지를 분리해주고, MEA부(300)의 지지체 역할을 하며, 생성된 에너지를 전달하는 전류집전체의 역할로 종래와 동일하다.
따라서, 배경기술에서 전술한바와 같이, 연료전지 스택은 위와 같은 구조로 결합되어 수소이온과 전자가 통과하여 산소와 만나 물을 생성하고, 열을 발생시킬 수 있다(중복 설명을 방지하기 위해 간략하게 서술하였다).
또한, 도 3과 같이, 제1 금속 분리판부(100) 및 제2 금속 분리판부(200)는 각각 복수 개의 홈을 구비하여 냉각수 유로를 형성할 수 있다.
상세하게, 제1 금속 분리판부(100)는 소정의 두께를 지니는 판넬 형상으로 형성되는데, 수직방향으로 절곡되는 제1 홈(110)이 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 복수 개가 구비된다.
다시 말해, 제1 홈(110)은 폭 방향으로 연장되면서 상부를 향하여 절곡(수직방향으로 세 번 절곡)되는 형상으로 형성된다.
제2 금속 분리판부(200)도 마찬가지로, 소정의 두께를 지니는 판넬 형상으로, 제2 홈(210)이 하부를 향하여 절곡(수직방향으로 세 번 절곡)되는 형상으로 형성된다.
이와 같이, 제1 홈(110) 및 제2 홈(210)은 제1 금속 분리판부(100) 및 제2 금속 분리판부(200)에서 소정의 간격이 이격되어 복수 개로 형성되어 서로 맞닿는 것이 바람직하다.
즉, 하나의 단위셀(10)이 수직 방향으로 복수 개가 적층되어 연료전지 스택으로 형성되기 위해, 제1 금속 분리판부(100)의 상부에 제2 금속 분리판부(200)가 적층되는데, 제1 홈(110) 및 제2 홈(210)이 수직 방향으로 동일 선상에 위치되어 중공부의 공간이 형성되게 된다.
따라서, 제1 홈(110) 및 제2 홈(210)이 맞닿아 생성된 공간으로, 냉각수가 흐르는 냉각수 유로부(500)가 생성되어 냉각수가 냉각수 유로부(500)를 따라 흐르게 된다.
이때, 제1 금속 분리판부(100)에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제1 홈(110)의 간에 제1 그루브부(120)가 구비되고, 제2 금속 분리판부(200)도 마찬가지로 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제2 홈(210)의 간에 제2 그루브부(220)가 구비되는 것이 바람직하다.
이를 상세하게 설명하기 위해 도 4를 참조하도록 한다.
도 4는 도 3의 'A'의 확대도이다.
제1 그루브부(120)는 하부를 향하여 반원 형상으로 절곡(구부러져) 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 그루브부(220)도 제1 그루브부(120)의 형상과 동일하도록 반원 형상으로 절곡(구부러져) 형성되는 것이 바람직하다.
도 4와 같이, 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)는 수직 방향으로 동일 선상에서, 상보적 구조로 치합되도록 형성된다.
즉, 하나의 단위셀(10)이 수직 방향으로 복수 개가 적층되어 연료전지 스택으로 형성되기 위해, 제1 금속 분리판부(100)의 상부에 제2 금속 분리판부(200)가 적층되는데, 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 삽입되는 끼움 구조가 형성된다.
종래에 다수의 금속 분리판의 적층 시, 적층 오차로 인해 다수의 금속 분리판이 들뜨거나 벌어져 무너지는 문제점이 존재하였다.
그러나, 본 발명에서는 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 끼워지는 구조로, 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 제2 금속 분리판부(200)가 제1 금속 분리판부(100)에 밀착되도록 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 끼워져 종래의 들뜨거나 벌어지는 문제를 해결할 수 있게 된다.
또한, 종래의 연료전지 스택의 산소, 수소 및 냉각수의 밀봉을 위해 적층 시, 가장자리에 고무 가스켓을 결합하는데, 복수 개의 단위셀을 수직방향을 기준으로 일정한 라인으로 적층하기 어려워 작업 시간이 오래 걸리는 문제를 보완할 수 있다.
즉, 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)를 끼워 결합하는 구조를 통해 손쉽게 제1 금속 분리판부(100) 및 제2 금속 분리판부(200)이 일정한 라인으로 형성되도록 적층할 수 있어 작업자의 작업 편의를 도모할 수 있다.
이에 따라, 제1 금속 분리판부(100)의 상부에 제2 금속 분리판부(200)이 결합될 때, 밀착력 및 기밀성이 증대되어 연료전지 내부나 외부에서 발생하는 진동과 충격에도 구조적 안정감이 향상될 수 있다.
또한, 제1 금속 분리판부(100) 및 제2 금속 분리판부(200)의 적층 시, 제1 홈(110) 및 제2 홈(210)이 맞닿아 냉각수 유로부(500)를 형성할 때, 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 끼워 삽입되는 구조가 아닌, 평평한 평면 형상으로 서로 맞닿아 적층된다면 종래의 들뜨거나 벌어지는 문제로 냉각수가 누수되는 점을 미연에 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 4와 같이, 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 끼워지는 형태로 적층 될 때, 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)의 사이에 접착층(600)이 도포되는 것이 바람직하다.
본 발명에서 접착층(600)은 에폭시 접착제일 수 있으나, 어느 한 종류에 한정되지 않고, 해당분야에 지식 가진 자에 의해 적절히 사용되어질 수 있다. 이에 따라, 제1 금속 분리판(100) 및 제2 금속 분리판(200)의 접착력이 향상되어 기밀성이 증대되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속 분리판의 다른 실시예로 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)가 도 5와 같이 실시될 수 있다.
즉, 제1 금속 분리판부(100)에서 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제1 홈(110)의 간에 두 개의 제1 그루브부(120)가 소정의 간격이 이격되어 구비되고, 제2 금속 분리판부(200)도 마찬가지로 폭 방향으로 소정의 간격이 이격되어 형성되는 제2 홈(210)의 간에 두 개의 제2 그루브부(220)가 소정의 간격이 이격되어 구비되는 것이 바람직하다.
따라서, 서술한 바와 같이, 제1 그루브부(120)에 제2 그루브부(220)가 상보적 구조로 끼워지는 구조를 형성하여 기밀성 및 밀봉도 등의 서술한 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.
상기 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)는 상보적 구조로 끼워지는 구조를 형성하며, 상기 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)는 기밀성 및 밀봉도를 높이기 위해, 접착층(600)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 접착층(600)은 상보적 구조에 의한 결합력의 상승 효과를 높이기 위한 것이다. 또한, 본 발명의 접착층(600)을 구성하는 접착 조성물은 우수한 성형성으로 인해, 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)의 상보적 구조 간에 고르게 도포되어 접착력 향상과 더불어 기밀성 및 밀봉도를 높일 수 있다.
즉, 접착 조성물의 성형성이 떨어지는 경우, 고른 두께로 도포되지 않게 되고, 이때 제1 그루브부(120) 및 제2 그루브부(220)간의 결합이 이루어지게 되면, 일부 들뜸 현상이 발생할 수 있어 기밀성 및 밀봉도에 영향을 미칠 수 있다.
상기 접착층(600)은 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 화합물; 에폭시 경화제, 페녹시 수지 및 무기 충전제를 포함한다:
[화학식 1]
Figure 112020053166298-pat00001
여기서,
n은 1 내지 10의 정수이다.
상기 에폭시 화합물은 에폭시기 이외에, 노보난 기를 추가로 포함하고 있어 내열성이 우수하고, 접착성을 높일 수 있다.
상기 에폭시 경화제는 구체적으로, 에폭시 경화제로서는, 아민계 경화제, 구아니딘계 경화제, 이미다졸계 경화제, 페놀계 경화제 및 산무수물계 경화제를 이용할 수 있으며, 보다 구체적으로 질소 원자를 함유하는 페놀계 경화제를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 페녹시 수지는 상온에서 접착제 조성물을 고체 상태로 유지하기 위한 성막 보조를 목적으로 하여 사용되는 것으로, 구체적으로 노볼락형 페녹시 수지, 나프탈렌형 페녹시 수지, 비페닐형 페녹시 수지 등을 들 수 있다. 이들은 단독으로 사용해도 되고, 복수를 조합시켜 사용해도 된다. 페녹시 수지의 중량 평균 분자량은 30,000 내지 70,000인 것이 바람직하다. 이들 페녹시 수지는 상온에서 접착제 조성물을 고체 상태로 유지하기 위해서 사용된다. 또, 반응에 의해 예기치 않는 경화가 발생하는 것을 방지하기 위해서, 페녹시 수지로서는 미변성의 것이 보다 바람직하다.
상기 무기 충전제는 구체적으로 실리카, 알루미나, 탈크, 마이카, 세리사이트, 수산화마그네슘 등을 사용할 수 있으나, 바람직하게는 탈크를 사용할 수 있다. 상기 무기 충전제를 접착층의 1 구성 성분으로 사용함에 따라, 기밀성 및 밀동도를 향상시킬 수 있다.
상기 접착층(600)은 바람직하게 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 화합물을 포함하며, 상기 에폭시 화합물 100 중량부에 대하여, 에폭시 경화제 1 내지 5 중량부, 페녹시 수지 10 내지 50 중량부 및 무기 충전제 1 내지 5 중량부로 포함한다. 상기 범위에 의하는 경우, 우수한 기밀성, 밀봉도 및 접착성을 나타낼 수 있다.
제조예
접착 조성물의 제조
하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 화합물; 4,4'-디아미노디페닐 설폰; 중량 평균 분자량이 50,000인 트리아진 구조 함유 페놀 노볼락 수지; 및 탈크를 혼합하여 접착 조성물을 제조하였다. 상기 접착 조성물의 함량 비율은 하기 표 2와 같다. 상기 페놀 노블락 수지, 탈크 및 4,4'-디아미노디페닐 설폰는 구매하여 이용하였으며, 화학식 1로 표시되는 에폭시 화합물도 구매하여 이용하였고, 중량 평균 분자량은 8,800 내지 22,000이다.
접착 조성물의 함량 비율은 하기 표 1과 같다.
[화학식 1]
Figure 112020053166298-pat00002
여기서,
n은 10의 정수이다.
ADD1 ADD2 ADD3 ADD4 ADD5
에폭시 화합물 100 100 100 100 100
경화제 0.5 1 3 5 7
페녹시 수지 5 10 30 50 70
무기 충전제 0.5 1 3 5 7
(단위 중량부)
실험예
성형성 및 접착력 평가
제1 금속 분리판부와 같이 하부를 향하여 절곡되는 제1 그루브부의 형상을 포함하는 제1 금속판 및 상기 제1 그루브부와 상보적으로 결합할 수 있는 형상의 제2 그루브부를 포함하는 제2 금속판을 제조하고, 상기 제1 금속판의 제1 그루브부에 상기 접착제 조성물을 도포한 후 제2 금속판을 결합시켰다.
제1 금속판에 접착 조성물을 도포한 후, 육안으로 균일 도포 여부를 확인하였으며, 결합시킨 후 제2 금속판을 20gf/cm의 힘으로 당겨 접착력을 평가하였다.
평가 결가는 육안 평가하여 고르게 도포 시, O로 표시하고, 불균일한 경우 X로 표시하였으며, 접착력 정도 역시, 분리되면 X로 표시하고, 분리되지 않으면 O로 표시하였다. 실험 결과는 하기 표 2와 같다.
ADD1 ADD2 ADD3 ADD4 ADD5
성형성 X O O O X
접착력 X O O O X
상기 실험 결과 본 발명의 접착 조성물을 이용하는 경우, 고르게 접착층을 형성하여, 우수한 접착력을 나타냄을 실험을 통해 확인하였다.
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.
100 : 제1 금속 분리판부, 110 : 제1 홈,
120 : 제1 그루브부, 200 : 제2 금속 분리판부,
210 : 제2 홈, 220 : 제2 그루브부,
300 : MEA부, 400 : GDL부,
500 : 냉각수 유로부, 600 : 접착층.

Claims (5)

  1. 판넬 형상의 제1 금속 분리판부;
    판넬 형상의 제2 금속 분리판부;
    상기 제1 금속 분리판부 및 상기 제2 금속 분리판부의 사이에 위치하되, 전기화학반응이 일어나는 전극 촉매층이 부착된 MEA부; 및
    상기 MEA부의 상면 및 하면에 결합되는 GDL부;를 포함하고,
    상기 제1 금속 분리판부는 하부를 향하여 절곡되는 제1 그루브부를 구비하고,
    상기 제2 금속 분리판부는 하부를 향하여 절곡되는 제2 그루브부를 구비하되,
    상부에서 하부를 향하여 상기 제1 금속 분리판부, 상기 GDL부, 상기 MEA부, 상기 GDL부 및 상기 제2 금속 분리판부 순으로 적층되는 것을 하나의 단위셀이라 할 경우,
    상기 단위셀은 복수 개가 수직 방향으로 적층될 때, 상기 제1 금속 분리판부의 상면에 상기 제2 금속 분리판부의 하면이 맞닿고,
    상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부는 상보적 구조로, 수직 방향으로 동일 선상에 위치되어 상기 제1 그루브부가 상기 제2 그루브부에 삽입되고,
    상기 제1 금속 분리판부 및 상기 제2 금속 분리판부는,
    폭 방향으로 소정의 간격이 이격되는 복수 개의 제1 홈 및 제2 홈을 각각 구비하되,
    상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상호 맞닿아 중공부를 구비하고,
    상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 라운드 처리되고,
    상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부의 사이는 접착층이 도포되고,
    상기 제1 그루브부 및 상기 제2 그루브부는 동일한 방향으로 돌출 형성되고, 상기 제1 홈 및 상기 제2 홈은 상호 반대방향으로 돌출 형성되고,
    상기 접착층은 접착 조성물을 이용하여 형성되되,
    상기 접착 조성물은 하기 화학식 1로 표시되는 에폭시 화합물; 에폭시 경화제; 페녹시 수지 및 무기 충전제를 포함하며,
    상기 에폭시 화합물 100 중량부에 대하여, 에폭시 경화제 1 내지 5 중량부, 페녹시 수지 10 내지 50 중량부 및 무기 충전제 1 내지 5 중량부로 포함하는
    기밀성이 향상된 연료전지 스택의 금속분리판:
    [화학식 1]
    Figure 112021139548096-pat00008

    여기서, n은 10의 정수이다.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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