KR102570219B1 - 분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 및 수전해 장치에 사용되는 분리판(100) 및 그 제조방법에 관한 것으로, 정면부(10A)와 배면부(10B)를 가지며, 유체를 입구홀(120)에 공급하기 위한 입구 매니폴드(110); 상기 입구 매니폴드(110)로부터 유체가 유입되는 입구홀(120); 상기 입구홀(120)을 통해 유입된 유체가 통과되는 반응면(150); 상기 반응면(150)을 통과한 유체가 배출되는 출구홀(170); 및 상기 출구홀(170)을 통해 배출된 유체를 배출하기 위한 출구 매니폴드(180)를 포함하고, 상기 정면부(10A)와 배면부(10B)가 일체로 구성된 분리판(100) 및 그 제조방법을 제공한다. 하나의 실시형태에 따라서, 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(200)을 이용한 홀 가공을 통해 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통하여 형성되고, 상기 테두리(101)에 형성된 관통홀(102)은 밀봉수단(105)에 의해 밀봉된 구조를 갖는다. 본 발명에 따르면, 적어도 기밀성 및 내압성 등이 향상된다.

Description

분리판 및 그 제조방법 {BIPOLAR PLATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지 및 수전해 장치에 사용되는 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리판의 정면부와 배면부(상판과 하판)를 일체로 구성하고, 유체(반응기체 등)가 유입/배출되는 유체 입구홀/출구홀을 홀 가공을 통해 형성함으로써, 적어도 기밀성 및 내압성 등을 향상시킨 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
석유나 석탄과 같은 화석연료의 고갈과 환경 파괴로 인하여 화석연료의 대체 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 화석연료의 대체 에너지로서 연료전지에 의해 발생되는 에너지나 수전해(물의 전기분해) 장치에 의해 생성된 수소 에너지가 고효율이고, NOx 및 SOx 등의 공해 물질을 배출하지 않으며, 사용되는 연료가 풍부하다는 등의 장점을 가짐으로 인해 주목 받고 있다.
연료전지는 수소나 탄화 수소계(메탄올 등) 등의 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전기에너지로 변환시킨다. 연료전지의 애노드(anode)에서는 연료가스(수소나 메탄올 등)의 산화 반응이 일어나 수소 이온 및 전자가 발생되고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드(cathode)로 이동하며, 캐소드에서는 상기 전해질 막을 통해 전달된 수소 이온과 전자가 산화제(산소나 공기)와 반응하여 물(H2O)이 생성된다.
이와 반대로, 수전해(물의 전기분해) 장치는 물의 산화 환원 반응 중에 발생하는 전자를 이용하여 수소와 산소를 발생시킨다. 수전해 장치의 애노드(anode)에서는 물이 공급되어 전극 촉매 상에 반응하여 산소 이온, 수소 이온 및 전자가 발생하고, 수소 이온은 전해질 막을 통해 캐소드(cathode)로 이동하며, 캐소드에서는 상기 전해질 막을 통과한 수소 이온이 외부회로를 통해 이동된 전자와 결합하여 순수한 수소(H2)가 생성된다. 이러한 수전해 장치의 반응은 연료전지의 역반응이다.
위와 같은 연료전지 및 수전해 장치는 필수 구성요소로서 스택(stack)을 포함하고 있다. 일반적으로, 연료전지 및 수전해 장치를 구성하는 스택은 막-전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)와, 상기 막-전극 접합체(MEA)의 양쪽에 설치된 분리판(Bipolar Plate)과, 상기 막-전극 접합체(MEA)와 분리판의 사이에 설치된 가스킷(Gasket)을 포함한다. 또한, 상기 막-전극 접합체(MEA)는 대부분의 경우 중앙의 전해질막과, 상기 전해질막의 양면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 포함한다. 상기 가스킷은 기밀성을 위한 것으로서, 이는 예를 들어 고무재나 실리콘재 등의 신축성 재질로 구성된다.
상기 분리판은 전기전도성의 재질로 구성되며, 이는 주로 금속재나 탄소재(흑연 등)로 구성된다. 분리판은 전자의 이동 및 스택의 형태 유지 등의 기능을 가지며, 이는 특히 막-전극 접합체(MEA)에 유체(예, 수소, 산소 및 H2O 등의 기체와 냉각수 등)를 균일하게 공급하는 기능을 갖는다. 이를 위해, 분리판에는 유체의 흐름 경로로서 채널(유로)이 형성되어 있다. 예를 들어, 한국 공개특허 제10-2016-0017316호, 한국 공개특허 제10-2019-0130306호 및 한국 등록특허 제10-1092486호 등에는 연료전지용 분리판에 대한 기술이 제시되어 있으며, 한국 등록특허 제10-1327432호 및 한국 등록특허 제10-2123840호 등에는 수전해 장치용 분리판에 대한 기술이 제시되어 있다.
첨부된 도 1은 종래 기술에 따른 분리판의 평면도를 보인 것으로서, 이는 연료전지용 분리판을 예시한 것이다. 그리고 첨부된 도 2는 종래 기술에 따른 분리판의 일부분 절단 사시도로서, 이는 상기 도 1의 "A" 부분에 대한 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 일반적으로 연료전지용 분리판(10)은 입구측(도 1에서, 상측)에 분리판(10)의 외부에서 유입된 유체(예를 들어, 수소, 산소, H2O 등의 반응기체)를 입구홀(12a)(12b)에 공급하기 위한 입구 매니폴드(11a)(11b)와, 상기 입구 매니폴드(11a)(11b)로부터 공급된 유체가 유입되는 입구홀(12a)(12b)이 형성되고, 중앙 영역에는 상기 입구홀(12a)(12b)을 통해 유입된 유체가 통과하면서 반응되는 반응면(15)이 형성되어 있다. 또한, 분리판(10)의 출구측(도 1에서, 하측)에는 상기 반응면(15)을 통과한 유체가 배출되는 출구홀(17a)(17b)과, 상기 출구홀(17a)(17b)을 통해 배출된 유체를 모아 외부로 배출하기 위한 출구 매니폴드(18a)(18b)가 형성되어 있다. 이때, 상기 반응면(15)에는 유체가 흐르는 채널(15a)이 형성되어 있다. 상기 채널(15a)은 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)과 연통된다. 또한, 상기 분리판(10)에는 가스킷(Gasket)이 패킹되는 가스킷 패킹홈(19)이 형성되어 있다. 수전해 장치용 분리판의 경우에도 위와 같다.
한편, 도 2를 참고하면, 분리판(10)은 정면(도 2에서, 앞면)을 형성하는 정면부(10A)(통상, '상판'이라고도 함)와 배면(도 2에서, 뒷면)을 형성하는 배면부(10B)(통상, '하판'이라고도 함)를 갖는다. 이때, 종래 기술에 따른 분리판(10)은 2장이 접합되어 구성된다. 즉, 분리판(10)은 정면부(상판, 10A)를 위한 제1판과 배면부(하판, 10B)를 위한 제2판이 접합되어 하나의 분리판(10)을 형성한다.
보다 구체적으로, 종래 분리판(10)을 제조함에 있어서는 판 형상의 정면부(상판, 10A)와 판 형상의 배면부(하판, 10B)를 각각 별도로 제작한 다음, 용접이나 접착제를 이용하여 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)를 접합시켜 제조하고 있다. 이와 관련하여, 한국 등록특허 제10-0957366호에는 상판과 하판으로 구성된 연료전지 스택의 분리판을 접합하기 위한 접합설비의 지그장치가 제시되어 있으며, 한국 등록특허 제10-0986934호에는 분리판의 상판과 하판을 접합하기 위한 용접장치가 제시되어 있다.
위와 같이 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)를 각각 별도로 제작한 다음, 접합시켜 분리판(10)을 제조하는 주된 이유는 상기 각 입구/출구 매니폴드(11a)(11b)(18a)(18b)와 연통되는 상기 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)을 형성시키기 위함이다. 즉, 도 2를 참고하면, 종래 기술에 따른 분리판(10)의 경우, 상기 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)이 정면부(상판, 10A)에 형성된 반쪽 홈과 배면부(하판, 10B)에 형성된 반쪽 홈이 조합되어 형성된다. 이때, 상기 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)에 형성된 각 반쪽 홈은 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)의 성형 시 금형(mold)의 요철구조에 의해 형성되거나, 레이저 등을 이용한 절삭을 통해 형성된다.
그러나 종래 기술에 따른 분리판(10)은, 예를 들어 다음과 같은 문제점이 있다.
상기한 바와 같이, 종래에는 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)를 각각 별도로 제작한 다음, 접합시켜 제조함에 따라 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)의 각 제작공정이 진행되고, 이후 용접이나 접착제를 통한 접합공정이 수반되어 분리판(10)의 전체적인 제조 공정수가 많다.
무엇보다, 종래와 같이 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)를 접합하는 경우 완전한 기밀성을 보장하기 어렵고, 장시간이 지난 경우에는 접합강도가 떨어져 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)의 사이에서 기밀성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히, 입구홀(12a)(12b) 및 출구홀(17a)(17b)이 위치한 부분, 즉 상기 반쪽 홈이 접합된 부분에서 기밀성이 취약한 문제점이 있다. 또한, 최근에는 연료전지 및 수전해 장치의 성능 개선을 위해, 높은 압력의 유체(반응기체)가 사용될 수 있는데, 이 경우 고압의 유체(반응기체)에 대한 내압성이 약하여 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)가 접합 계면에서 분리될 수 있는 문제점이 있다.
한국 공개특허 제10-2016-0017316호 한국 공개특허 제10-2019-0130306호 한국 등록특허 제10-1092486호 한국 등록특허 제10-1327432호 한국 등록특허 제10-2123840호 한국 등록특허 제10-0957366호 한국 등록특허 제10-0986934호
이에, 본 발명은 연료전지 및 수전해 장치에 사용되는 분리판으로서, 적어도 기밀성 및 내압성 등이 향상된 분리판 및 그 제조방법을 제공하는 데에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
연료전지 또는 수전해 장치에 사용되는 분리판으로서,
정면부와 배면부를 가지며,
유체를 입구홀에 공급하기 위한 입구 매니폴드;
상기 입구 매니폴드로부터 유체가 유입되는 입구홀;
상기 입구홀을 통해 유입된 유체가 통과되는 반응면;
상기 반응면을 통과한 유체가 배출되는 출구홀; 및
상기 출구홀을 통해 배출된 유체를 배출하기 위한 출구 매니폴드를 포함하고,
상기 정면부와 배면부가 일체로 구성된 분리판을 제공한다.
하나의 실시형태에 따라서, 상기 입구홀 및 출구홀은 홀 가공수단을 이용한 홀 가공을 통해 형성된다. 구체적인 실시형태에 따라서, 상기 입구홀 및 출구홀은 홀 가공수단을 이용한 홀 가공을 통해 분리판 본체의 테두리를 관통하여 형성되고, 상기 테두리에 형성된 관통홀은 밀봉수단에 의해 밀봉될 수 있다.
또한, 본 발명은 연료전지 또는 수전해 장치에 사용되는 분리판의 제조방법으로서,
정면부와 배면부가 일체로 구성되고, 입구 매니폴드와 출구 매니폴드가 형성된 분리판 본체를 준비하는 본체 준비단계;
홀 가공수단을 이용하여 상기 분리판 본체의 테두리를 관통시켜 입구홀 및 출구홀을 형성하는 홀 가공단계; 및
상기 테두리에 형성된 관통홀을 밀봉수단으로 밀봉하는 밀봉단계를 포함하는 분리판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 분리판의 정면부(상판)와 배면부(하판)이 일체로 구성되고, 유체(반응기체 등)가 유입 및 배출되는 입구홀/출구홀이 홀 가공을 통해 형성되어, 적어도 기밀성 및 내압성 등이 향상되는 효과를 갖는다. 또한, 본 발명에 따르면, 정면부(상판)와 배면부(하판)를 각각 별도로 제작하는 제작공정 및 용접이나 접착제를 통한 접합공정이 배제되어, 분리판의 전체적인 제조 공정수가 적어 가격 경쟁력 및 생산성이 향상되는 효과를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판의 평면도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 연료전지용 분리판의 일부분 절단 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 분리판의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따라서 분리판에 입구홀을 형성하고 있는 모습을 보인 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 분리판의 일부분 절단 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 분리판의 일부분 절단 단면도이다.
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 발명은 연료전지 및/또는 수전해 장치에 사용되는 분리판으로서, 적어도 기밀성 및 내압성 등이 향상된 분리판 및 그 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 분리판을 포함하는 연료전지용 스택 및 수전해 장치용 스택을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태를 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 실시형태를 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.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 분리판(100)의 정면도이다. 도 4는 본 발명의 실시형태에 따라서 분리판(100)에 입구홀(120)을 형성하고 있는 모습을 보인 사시도로서, 이는 도 3의 "B" 부분에 대한 사시도이다. 도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 분리판의 일부분 절단 사시도로서, 도 3의 "B" 부분에 대한 사시도이다. 또한, 도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 분리판의 일부분 절단 단면도로서, 이는 도 3의 "C" 부분에 대한 단면도이다.
본 발명에서, 유체는 연료전지 및 수전해 장치에서 사용되는 반응물(예를 들어, 연료 및 산화제 등)과 반응에 의해 생성된 생성물로서, 이는 수소, 메탄올, 산소, 공기, 수증기(H2O) 및/또는 냉각수 등을 예로 들 수 있으나, 이에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 분리판(100)은 통상과 같이 판 형상의 분리판 본체(100')를 포함한다. 분리판 본체(100')는 적절한 강도와 전도성을 가지면 좋다. 분리판 본체(100')는, 예를 들어 금속재나 탄소재 등으로 구성될 수 있다. 분리판 본체(100')는, 다른 예를 들어 비전도성의 성형체(예, 수지 성형체)의 표면에 전도성의 물질(예, 금속이나 흑연 등)이 코팅되어 구성될 수 있다. 분리판 본체(100')는, 예를 들어 대략 사각형의 평면 형상을 가질 수 있다. 분리판 본체(100')의 크기(가로 및 세로의 길이)와 두께는 제한되지 않으며, 이는 연료전지나 수전해 장치의 규격(사양) 및/또는 종류 등에 따라 다양한 크기 및/또는 두께를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 분리판(100)은 통상과 같이 입구 매니폴드(110), 입구홀(120), 반응면(150), 출구홀(170) 및 출구 매니폴드(180)를 포함한다. 구체적으로, 상기 분리판 본체(100')의 입구측(도 3에서, 상측)에는 분리판 본체(100')의 외부에서 유입된 유체를 입구홀(120)에 공급하기 위한 입구 매니폴드(110)와, 상기 입구 매니폴드(110)로부터 공급된 유체가 유입되는 입구홀(120)이 형성되고, 상기 분리판 본체(100')의 중앙 영역에는 상기 입구홀(120)을 통해 유입된 유체가 통과하면서 반응되는 반응면(150)이 형성되어 있다. 그리고 상기 분리판 본체(100')의 출구측(도 3에서, 하측)에는 상기 반응면(150)을 통과한 유체가 배출되는 출구홀(170)과, 상기 출구홀(170)을 통해 배출된 유체를 모아 외부로 배출하기 위한 출구 매니폴드(180)가 형성되어 있다.
상기 입구 매니폴드(110)는 유체 유입라인(도시하지 않음)과 연통되며, 이를 통해 스택의 외부에서 유체(연료전지의 경우, 예를 들어 수소나 산소 등의 반응기체)가 유입된다. 상기 출구 매니폴드(180)는 유체 배출라인(도시하지 않음)과 연통되며, 이를 통해 스택의 외부로 유체(연료전지의 경우, 예를 들어 H2O 등의 생성기체)가 배출된다.
상기 반응면(150)에는 유체가 흐르는 채널(152)이 형성되어 있다. 상기 채널(152)은 입구홀(120) 및 출구홀(170)과 연통된다. 상기 채널(152)은, 유체가 통과될 수 있는 유로를 형성하는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 다양한 패턴(pattern)을 가질 수 있다. 상기 채널(152)은 분리판 본체(100')의 대략 중앙 영역에 수직선, 수평선, 대각선 및/또는 곡선 등으로부터 선택된 하나 이상이 조합되어 다양한 패턴으로 형성될 수 있다. 아울러, 상기 채널(152)은 반응면(150)에 복수개로 형성될 수 있다. 이러한 채널(152)은, 예를 들어 통상과 같은 패턴을 가질 수 있으며, 도 3에서는 채널(152)을 약식(略式)으로 표현하였다.
또한, 상기 분리판 본체(100')에는 가스킷(Gasket)이 패킹되는 가스킷 패킹홈(190)이 형성될 수 있다. 이러한 가스킷 패킹홈(190)은 입구 매니폴드(110) 및 출구 매니폴드(180)의 주위, 및/또는 반응면(150)의 주위에 다양한 형상 및 깊이를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 반응면(150)은 스택의 규격(크기), 스택의 형태, 스택의 종류 및/또는 분리판(100)의 설치 위치에 따라 분리판(100)의 한 면 또는 양면에 형성될 수 있다. 즉, 상기 채널(152)은 분리판 본체(100')의 앞면에만 형성되거나, 앞뒷면 모두에 형성될 수 있다. 예를 들어, 스택의 말단에 설치되는 분리판(100)의 경우에는 분리판 본체(100')의 한 면(앞면)에만 반응면(150)이 형성될 수 있고, 스택의 중간에 설치되는 분리판(100)의 경우에는 분리판 본체(100')의 양면(앞뒷면) 모두에 반응면(150)이 형성될 수 있다.
상기 입구측 구성요소(110)(120) 및 출구측 구성요소(170)(180)는 반응면(150)과 대응되는 개수로 형성될 수 있으며, 이들은 분리판 본체(100')에 각각 1개 또는 2개 이상 형성될 수 있다. 도 3은 입구측 구성요소(110)(120) 및 출구측 구성요소(170)(180)가 각각 2개씩 형성된 모습을 예시한 것이다. 이 경우, 분리판 본체(100')는 2개의 반응면(150)을 포함하되, 앞면에는 제1반응면(150)(150a)이 형성되고, 뒷면에는 제2반응면(도시하지 않음)이 형성되어, 냉각수 유로가 없는 오픈 캐소드(open cathode) 형태의 스택을 형성할 수 있다. 이때, 연료전지의 경우를 예로 들면, 제1입구 매니폴드(110)(110a)와 제1입구홀(120)(120a)을 통해 연료(반응기체)로서 H2가 유입되어 제1반응면(150)(150a)을 통과하고, 상기 제1반응면(150)(150a)을 통과하면서 생성된 H2O는 제1출구홀(170)(170a) 및 제1출구 매니폴드(180)(180a)를 통해 배출될 수 있다. 또한, 제2입구 매니폴드(110)(110b)와 제2입구홀(120)(120b)을 통해 산화제로서 O2가 유입되어 제2반응면(도시하지 않음)을 통과한 다음, 제2출구홀(170)(170b) 및 제2출구 매니폴드(180)(180b)를 통해 배출될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 상기 분리판 본체(100')는 정면(도 4 및 도 5에서, 앞면)을 형성하는 정면부(10A)와 배면(도 4 및 도 5에서, 뒷면)을 형성하는 배면부(10B)를 갖는다. 이때, 본 발명에 따라서, 상기 정면부(10A)와 배면부(10B)는 일체로 구성된다. 구체적으로, 본 발명에 따른 분리판(100)은, 종래와 같이 정면부(10A)와 배면부(10B)가 2장의 판(상판과 하판)으로 각각 별도로 제작된 다음, 용접이나 접착제 등에 의해 접합되지 않고, 분리판 본체(100')의 성형 시 정면부(상판, 10A)와 배면부(하판, 10B)가 한 번의 성형을 통해 일체로 구성된다. 본 발명에서, 「정면부(10A)와 배면부(10B)가 일체로 구성된 것」이란, 분리판(100)이 2장(상판과 하판)의 접합을 통해 구성되지 않고, 일체 성형을 통해 1장(상/하판의 일체)으로 구성된 것을 의미한다.
또한, 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(200)을 이용한 홀 가공(천공)을 통해 형성된다. 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)의 개수는 특별히 제한되지 않으며, 이들(120)(170)은 홀 가공(천공)을 통해 각각 복수개로 형성될 수 있다. 구체적인 실시형태에 따라서, 상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 홀 가공수단(200)을 이용한 홀 가공에 의해 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통하여 형성된다. 이때, 홀 가공에 의해 상기 테두리(101)에는 관통홀(102)이 형성되는데, 상기 관통홀(102)은 밀봉수단(105)에 의해 밀봉된다. 이러한 홀 가공 및 밀봉에 대해서는 아래의 제조방법을 통해 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 실시형태에 따라서, 분리판(100)은 상기 반응면(150)을 제외한 표면에 절연 코팅층(도시하지 않음)이 형성될 수 있다. 상기 절연 코팅층은 절연성을 가지는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 이는 바람직하게는 산성 및/또는 알칼리성 용액에서 절연성을 가지는 것이면 좋다. 상기 절연 코팅층은, 예를 들어 불소계, 실리콘계, 고무계, 아크릴계, 네오프렌계, 부타디엔계 및/또는 이들의 공중합체 등으로부터 선택된 하나 이상을 포함하는 절연성 조성물이 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 절연 코팅층은, 구체적인 예를 들어 폴리페닐렌설파이드, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 고무계 수지, 네오프렌, 폴리아릴레이트, 폴리메틸메틸아크릴레이트, 폴리아크릴로니트릴 및/또는 폴리아크릴로니트릴-부타디엔스타이렌 공중합체 등을 포함하는 절연성 조성물을 이용할 수 있다.
또한, 상기 절연 코팅층은, 예를 들어 마스킹(masking) 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 분리판 본체(100')의 반응면(150)에 마스크(mask)를 부착한 다음, 상기 절연성 조성물을 분리판 본체(100')에 분사 코팅 및/또는 함침 코팅하여 절연 코팅층을 형성할 수 있다. 이러한 마스킹에 의해, 반응면(150)을 제외한 표면에 절연 코팅층이 형성될 수 있다. 이와 같은 절연 코팅층이 형성된 경우, 예를 들어 누설 전류 등의 전기적 특성이 개선된다.
한편, 본 발명에 따른 분리판(100)의 제조방법은, 분리판 본체(100')를 준비하는 본체 준비단계; 홀 가공수단(200)을 이용하여 상기 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통시켜 입구홀(120) 및 출구홀(170)을 형성하는 홀 가공단계; 및 상기 테두리(101)에 형성된 관통홀(102)을 밀봉수단(105)으로 밀봉하는 밀봉단계를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 분리판(100)의 제조방법은, 상기 반응면(150)을 제외한 분리판 본체(100')의 표면에 절연 코팅층을 형성하는 코팅 단계를 더 포함할 수 있다. 각 단계별 실시형태를 설명하면 다음과 같다.
[1] 본체 준비단계
상기 본체 준비단계에서는 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(180)가 형성된 분리판 본체(100')를 준비한다. 분리판 본체(100')는 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(180) 이외에 본체(100')의 한 면 또는 양면에 반응면(150)이 형성된 것일 수 있다. 분리판 본체(100')는 금속재나 탄소재 등의 재질을 사용하여, 예를 들어 사출 및/또는 압출을 통해 성형될 수 있다. 이때, 분리판 본체(100')는 상/하판의 2장으로 구분되지 않으며, 이는 정면부(10A)와 배면부(10B)가 일체 구조를 가지는 1장으로 구성된다.
[2] 홀 가공단계
홀 가공수단(200)을 이용하여 입구홀(120) 및 출구홀(170)을 홀 가공(천공)을 통해 형성한다. 도 4 및 도 5를 참고하면, 홀 가공은 홀 가공수단(200)의 홀 가공 툴(220)을 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통시켜 입구홀(120) 및 출구홀(170)을 형성한다. 보다 구체적으로, 홀 가공은 홀 가공수단(200)의 홀 가공 툴(220)을 분리판 본체(100')의 측면(101')에 위치시킨 다음, 홀 가공수단(200)을 작동시켜 상기 홀 가공 툴(220)이 테두리(101)를 천공하여 관통되게 한다. 이때, 테두리(101)에는 관통홀(102)이 형성된다. 이후, 홀 가공 툴(220)이 입구 매니폴드(110)를 통과되게 한 다음, 해당 위치에 입구홀(120)을 형성시킬 수 있다. 위와 동일한 방법으로 홀 가공 툴(220)이 테두리(101)를 관통하고, 이후 출구 매니폴드(170)를 통과되게 한 다음, 해당 위치에 출구홀(170)을 형성시킬 수 있다.
상기 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 위와 같은 홀 가공을 통해 각각 복수개로 형성될 수 있다. 또한, 홀 가공 과정에서 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 채널(152)과 연통될 수 있다. 이때, 상기 입구홀(120)은 입구 연통홀(140)(도 3 및 도 6 참고)을 통해 채널(152)과 연통되고, 상기 출구홀(170)은 출구 연통홀(160)(도 3 참고)을 통해 채널(152)과 연통될 수 있다.
본 발명에서, 상기 홀 가공수단(200)은 홀을 가공할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 구체적으로, 본 발명에서 상기 홀 가공수단(200)은 분리판 본체(100')의 측면(101')에서 테두리(101)를 관통시켜 관통홀(102)을 형성시킨 다음, 입구홀(120) 및 출구홀(170)을 형성(천공)시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 홀 가공수단(200)은, 예를 들어 홀 가공 툴(220)이 회전되어 홀을 형성하는 홀 가공장치(천공기)를 포함할 수 있으며, 일례로 드릴(전동 드릴 등)을 포함할 수 있다.
[3] 밀봉단계
상기 홀 가공에 의해 분리판 본체(100')의 테두리(101)에는 관통홀(102)이 형성되어 있다. 상기 관통홀(102)을 밀봉수단(105)으로 밀봉한다. 이러한 밀봉에 의해, 입구/출구 매니폴드(110)(170) 내의 유체가 관통홀(102)을 통해 유출되는 것이 방지된다.
상기 밀봉수단(105)은 관통홀(102)을 밀봉시킬 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않는다. 상기 밀봉수단(105)은 수지재, 섬유재, 금속재, 탄소재 및/또는 세라믹재 등으로부터 선택될 수 있다. 상기 밀봉은, 예를 들어 고무계 수지, 실리콘계 수지 및/또는 합성수지 폼 등의 패킹재를 관통홀(102)에 패킹하는 방법; 상기 관통홀(102)을 용접하여 밀봉시키는 방법; 및/또는 체결구(나사 등)를 관통홀(102)에 삽입, 체결하여 밀봉시키는 방법 등을 예로 들 수 있으나, 이들에 의해 한정되는 것은 아니다. 하나의 예시에서, 상기 밀봉은 밀봉수단(105)으로서 체결구(나사 등)와 패킹재(예를 들어, 실리콘계 등)를 사용하되, 먼저 상기 관통홀(102)에 패킹재(예를 들어, 실리콘계 등)를 삽입한 다음, 상기 패킹재 상에서 체결구(나사 등)를 가압 체결하는 방법으로 진행하여 밀봉할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 분리판(100)은 연료전지 및 수전해 장치의 스택을 구성한다. 이때, 본 발명에 따른 분리판(100)은 통상과 같이 막-전극 접합체(MEA ; Membrane Electrode Assembly)의 한 면 또는 양면에 적층되어 스택을 형성할 수 있다. 막-전극 접합체(MEA)와 분리판(100)의 사이에는 가스킷이 개재될 수 있으며, 상기 가스킷은 분리판(100)에 형성된 가스킷 패킹홈(190)에 삽입되어 패킹될 수 있다.
본 발명에 따르면, 적어도 기밀성 및 내압성 등이 향상된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 분리판(100)은 정면부(10A)와 배면부(10B)가 접합되어 구성되지 않고, 정면부(10A)와 배면부(10B)가 일체로 구성되어 기밀성이 보장된다. 또한, 일체로 구성됨으로 인하여, 고압의 유체(반응기체)가 사용되는 경우에도 높은 내압성을 가져 정면부(10A)와 배면부(10B)가 분리되는 우려가 없다.
본 발명은 정면부(10A)와 배면부(10B)를 별도로 제작하여 접합하지 않고, 정면부(10A)와 배면부(10B)를 일체로 구성하되, 유체(반응기체)의 유입 및 배출을 위한 입구홀(120) 및 출구홀(170)은 분리판 본체(100')의 측면(101')에서 홀 가공(천공)을 통해 형성함으로써, 적어도 기밀성 및 내압성 등을 개선하였다는 점과, 유체가 통과되는 유로는 홀 가공을 통해 형성하였다는 점에서 기술적 의의가 있다. 부가적으로, 본 발명에 따르면, 정면부(10A)와 배면부(10B)를 각각 별도로 제작하는 제작공정(종래의 상판 및 하판의 제작공정) 및 접합공정(종래의 용접이나 접착제 등을 이용한 상/하판의 접합공정)이 배제되어, 분리판(100)의 전체적인 제조 공정수가 적어 가격 경쟁력 및 생산성이 향상될 수 있다.
100 : 분리판 100' : 분리판 본체
110 : 입구 매니폴드 120 : 입구홀
140 : 입구 연통홀 150 : 반응면
160 : 출구 연통홀 170 : 출구홀
180 : 출구 매니폴드 190 : 가스킷 패킹홈

Claims (5)

  1. 정면부(10A)와 배면부(10B)를 가지며, 유체를 입구홀(120)에 공급하기 위한 입구측의 입구 매니폴드(110), 상기 입구 매니폴드(110)로부터 공급된 유체가 유입되는 입구홀(120), 상기 입구홀(120)을 통해 유입된 유체가 통과되는 중앙 영역의 반응면(150), 상기 반응면(150)을 통과한 유체가 배출되는 출구홀(170) 및 상기 출구홀(170)을 통해 배출된 유체를 배출하기 위한 출구측의 출구 매니폴드(180)를 포함하고, 연료전지 또는 수전해 장치에 사용되는 분리판(100)의 제조방법에 있어서,
    금속재나 탄소재로 구성된 전도성의 분리판 본체(100')를 준비하되, 상기 정면부(10A)와 배면부(10B)가 2장(상판과 하판)의 접합을 통해 구성되지 않고 일체 구조의 1장으로 구성되고, 입구측의 입구 매니폴드(110)와, 중앙 영역의 반응면(150)과, 출구측의 출구 매니폴드(180)가 형성된 분리판 본체(100')를 준비하는 본체 준비단계;
    홀 가공수단(200)을 이용하여 상기 분리판 본체(100')의 테두리(101)를 관통시켜 입구홀(120) 및 출구홀(170)을 형성하는 홀 가공단계;
    상기 테두리(101)에 형성된 관통홀(102)을 밀봉수단(105)으로 밀봉하는 밀봉단계; 및
    상기 분리판 본체(100')의 반응면(150)에 마스크(mask)를 부착한 다음, 상기 분리판 본체(100')에 절연성 조성물을 코팅하여, 상기 반응면(150)을 제외한 분리판 본체(100')의 표면에 절연 코팅층을 형성하는 코팅 단계를 포함하고,
    상기 밀봉단계에서는, 상기 밀봉수단(105)으로서 패킹재와 체결구를 사용하되, 상기 관통홀(102)에 패킹재를 삽입한 다음, 상기 패킹재 상에서 체결구를 가압 체결하여, 상기 관통홀(102)에 패킹재와 체결구를 삽입, 체결하는 방법으로 밀봉하는 것을 특징으로 하는 분리판(100)의 제조방법.
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