KR20030049805A - 소형 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여제조된 분리판 - Google Patents

소형 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여제조된 분리판 Download PDF

Info

Publication number
KR20030049805A
KR20030049805A KR1020010080124A KR20010080124A KR20030049805A KR 20030049805 A KR20030049805 A KR 20030049805A KR 1020010080124 A KR1020010080124 A KR 1020010080124A KR 20010080124 A KR20010080124 A KR 20010080124A KR 20030049805 A KR20030049805 A KR 20030049805A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
plate
fuel cell
gas
gas distribution
separator
Prior art date
Application number
KR1020010080124A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100429685B1 (ko
Inventor
홍성안
오인환
임태훈
남석우
하흥용
윤성필
한종희
김영천
최형준
Original Assignee
한국과학기술연구원
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 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR10-2001-0080124A priority Critical patent/KR100429685B1/ko
Priority to JP2002261646A priority patent/JP2003197223A/ja
Priority to US10/283,121 priority patent/US20030113608A1/en
Publication of KR20030049805A publication Critical patent/KR20030049805A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100429685B1 publication Critical patent/KR100429685B1/ko

Links

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
    • 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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • 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
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • 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
    • 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
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • 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
    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 소형 연료전지에 사용되는 가스분배판 및 이를 이용한 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스텐레스스틸 등 금속을 모재로 하여 가스흐름 통로가 에칭된 소형 연료전지용 다공성 가스분배판 및 이를 포함하여 제작된 소형 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
본 발명에 의한 소형 연료전지용 다공성 가스분배판을 포함하여 제조된 분리판은 기존의 그래파이트 분리판에 비해 박막화가 가능하고, 동시에 적정수준의 물리적 강도를 유지하여 외부 충격에 의한 파괴 염려가 없다. 또한, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판은 에칭에 의해 형성된 가스 채널의 규격이 균일하여 MEA와 접합시 접촉 저항이 감소되어 연료전지의 성능이 향상된다. 더욱이, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판은 스텐레스스틸 등 금속판을 모재로 사용하여 미세한 가스 채널을 형성시키므로, 에칭 가공시 비용과 노력을 절감시키고, 대량생산에도 용이하다. 따라서, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판을 사용하여 소형 연료전지를 구성할 경우 기존에 비해 출력 밀도, 신뢰성 및 경제성이 향상될 수 있다.

Description

소형 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판{Gas- distributing plate for compact fuel cell and separator plate using the said gas-distributing plate}
본 발명은 소형 연료전지에 사용되는 가스분배판 및 이를 이용한 분리판에관한 것으로, 더욱 상세하게는 스텐레스스틸 등 금속을 모재로 하여 가스흐름 통로가 에칭된 소형 연료전지용 다공성 가스분배판 및 이를 포함하여 제작된 소형 연료전지용 분리판에 관한 것이다.
소형 연료전지는 무공해 전원으로서 휴대전화, 무전기, 노트북 컴퓨터 및 기타 배터리를 사용하는 소형 휴대용 전자기기에서 수시로 충전이 필요한 배터리를 대체하거나, 야외에서 배터리를 충전하여 사용할 때 유용하여 전 세계적으로 많은 연구개발이 진행되고 있다. 즉, 소형 연료전지는 연료로 수소 또는 메탄올을 사용할 수 있으며, 연료가 공급되면 즉시 전력을 발생시킬 뿐만 아니라, 연료가 공급되는 한 전력을 계속 발생할 수 있으므로, 장시간 충전이 요구되는 배터리를 대체하거나, 별도의 전원이 없는 곳에서도 기존 배터리를 충전할 수 있는 것이다. 특히 수소는 휴대 가능한 연료인 LPG, 가솔린, 디젤 등의 연료를 소형 개질기를 통하여 얻을 수 있으므로, 일반 연료를 사용하는 휴대용 연료전지도 구성 가능하다.
지금까지 개발된 소형 휴대용 연료전지는 대부분 고분자전해질막 또는 고체산화물막 등 고체 전해질을 사용하고 있으며, 일부 알칼리 수용액 또는 용융탄산염 등 액체전해질을 사용하는 경우도 있다. 본 발명에서 제시하는 분리판은 고체 및 액체 전해질을 사용하는 소형 연료전지 모두에 사용할 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판 및 이를 이용한 분리판은, 저온에서도 운전이 가능하고, 출력 밀도가 높으며, 전지 구성이 비교적 간단한 장점이 있어 최근 연구 개발이 활발히 진행되고 있는 고분자전해질 연료전지에 유용하게 적용될 수 있다.
고분자전해질 연료전지는 기본적으로 고분자 전해질막과 막의 양면에 코팅된 연료극층(anode layer) 및 공기극층(cathode layer), 그리고 이들 전극에 연료 및 공기를 공급해 주는 분리판으로 이루어진다. 전극층이 코팅된 전해질막을 전극-전해질 어셈블리 (membrane-electrode assembly, 이하 MEA)라 칭하며, MEA의 연료극에서는 수소 또는 메탄올이 수소이온(H+)으로 전환되고, 연료극에서 생성된 수소이온은 전해질 막을 통하여 공기극 쪽으로 이동되어, 공기극에 공급되는 공기 중 산소와 반응하여 물을 생성한다. 이 과정에서 연료극에서 생성된 전자가 외부회로를 통하여 공기극으로 전달되어 소모됨으로써 전력이 발생된다. 즉, 고분자전해질 연료전지는 수소와 산소의 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 역할을 하며, 실온에서도 작동이 가능하여 휴대용 연료전지로 적합하다.
실제로 사용되는 고분자전해질 연료전지는 MEA와 분리판 여러 장을 서로 순차적으로 적층함으로써 구성된다. 이 때 분리판은 적층된 각각의 MEA에 수소와 공기가 균일하게 공급되도록 하고, 전기적으로는 MEA를 직렬 연결하는 역할을 한다.
현재 고분자전해질 연료전지용 분리판 재료로는 전기전도도, 무게, 부식 등을 고려하여 그래파이트(graphite)가 가장 많이 사용되고 있다. 즉, 그래파이트 분말을 고온, 고압에서 판형으로 성형한 후 수지를 함침시켜 제작된 두께 2mm 이상의 그래파이트 판을 모재로 하여 이 판의 양면에 기계 가공으로 가스 채널을 형성시키는 분리판 제작방법이 일반적으로 사용된다. 그러나 기계 가공에 의해 분리판을 제작할 경우 가공비가 높을 뿐만 아니라, 가공 시간이 길고, 특히 모재 두께가 3mm이하인 경우에는 기계적 강도가 떨어져 가공이 매우 어려운 단점이 있다.
최근에는 파이버(fiber)로 강화된 두께 1∼2mm의 그래파이트 호일(foil)을 프레스로 압축하여 유로를 형성시킴으로써 분리판 가공비를 절감하고 두께를 감소시키려는 시도가 있었다. 그러나 이러한 분리판 제작방법의 경우에도 유로가 형성된 얇은 그래파이트 분리판의 기계적 강도가 낮아 충격 또는 약간의 큰 힘이 가해질 경우 쉽게 파손되는 단점이 있다. 따라서, 그래파이트 분리판의 두께를 줄이는 데에는 한계가 있으며, 이는 소형 고분자전해질 연료전지의 실용화에 있어서 장애 요인으로 작용하고 있다.
이러한 그래파이트 분리판의 단점을 해결하기 위하여 최근에는 금속을 재료를 사용하여 분리판을 제작하는 방법이 일부 시도되고 있다. 금속 제품을 분리판 재료로 사용할 경우 가공이 용이하여 제작 단가가 낮아지며, 분리판의 두께 또한 감소시킬 수 있다. 미국 특허 5,482,792(1996)호 및 5,798,187(1998)호는 가스가 통과할 수 있는 금속 다공체 또는 금속망을 집전 및 가스 채널로 사용하여 이들과 얇은 금속판을 결합하여 분리판을 제작하는 방법을 제시하고 있으며, 이러한 방법으로 분리판의 제작비용 및 두께를 줄일 수 있다고 보고하고 있다. 그러나, 이러한 금속 다공체 또는 금속망의 경우 표면이 불균일하여 MEA와 접촉하는 부분에서 내부 저항이 비교적 크고, 결과적으로 연료전지의 성능이 감소되는 문제점이 있다.
고분자전해질 연료전지의 실용화를 위해서는 분리판 가공비 절감을 통하여 경제성을 향상시켜야 하고, 또한 분리판의 두께를 감소시켜 단위부피에 대한 출력 밀도를 제고시켜야 한다. 특히, 소형 휴대용 연료전지의 경우 대부분의 무게를 차지하는 분리판의 무게를 감소시킴으로써 단위무게에 대한 출력밀도를 향상시킬 수 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 에칭 가공으로 스텐레스스틸 등 금속판에 다공성 가스 채널을 형성시킴으로써, MEA와 분리판의 접촉을 향상시켜 연료전지의 성능을 향상시키고, 적정한 물리적 강도를 유지하면서 박판화가 가능하며, 가공비가 저렴하고 취급이 용이한 소형 연료전지용 가스분배판 및 이를 이용한 소형 연료전지용 금속 분리판을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 소형 연료전지용 분리판의 일실시예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 소형 연료전지용 다공성 가스분배판을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 분리판을 사용하여 제작된 소형 연료전지 스택의 성능을 나타내는 전류-전압 관계를 도시한 것이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1, 3: 가스분배판2: 중간판
4a,4b,5a,5b,14a,14b,15a,15b,24a,24b,25a,25b,144a,155b : 매니폴드
6, 11, 120: 가스 채널7, 130: 구멍
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판은 에칭 가공법에 의해, 직경 2㎜ 이하의 금속판을 관통하는 구멍이 여러 개 형성되되, 금속판의 일면은 평평하고, 이면에만 깊이 0.6㎜ 이하, 폭 2㎜ 이하의 미세한 가스 채널이 2㎜ 이하의 일정한 간격을 두고 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판에 있어서, 프레싱법을 사용하여 미리 금속판을 관통하는 구멍을 형성시킨 후, 상기 다공성 금속판을 에칭 가공하여 금속판의 한쪽 면에만 미세한 가스 채널을 형성시켜 제조될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 분리판은, 상기 다공성 가스분배판을 두께가 0.6mm 이하인 금속 박판에 각각 배치하되, 가스 채널이 형성된 가스분배판의 면을 금속 박판과 각각 접하게 한 후, 가스가 유출되지 않도록 이들 가스분배판, 및 금속 박판들을 서로 결합시켜 제조되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 분리판은, 상기 금속 박판 사이에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 하는 금속성 냉각 유체 분배판을 추가로 설치하고, 가스가 유출되지 않도록 이들 가스분배판, 금속 박판, 및 금속성 냉각 유체 분배판들을 서로 결합시켜 제조될 수 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판은, 에칭 공정을 사용하여 구멍 및 가스 채널을 동시에 가공ㆍ형성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판은, 미리 금속판을 프레싱 가공하여 구멍을 형성시킨 후, 상기 천공판에 미세한 가스 채널을 에칭 가공함으로써 제조될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 의해서 제작된 소형 연료전지용 분리판의 분해도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 분리판은 3개의 요소로 구성되어 있다. 도에서 구성요소 2는 중간판(center plate)이다. 중간판은 0.6mm 이하의 얇은 박판에 도 1과 같이 반응 가스가 흐를 수 있도록 가스 매니폴드(14a, 14b, 15a, 및 15b)를 형성시킴으로써 제조된다. 매니폴드(14a 및 14b)를 통하여 연료가 흐르게 되고, 매니폴드(15a 및 15b)를 통하여 공기가 흐르는데, 가스 채널은 위치가 서로 반대가 될 수도 있다. 분리판은 중간판을 중심으로 양쪽에 반응가스가 흐를 수 있도록 가스 채널과 구멍이 동시에 가공된 얇은 가스분배판(1 및 3)을 설치함으로써 제조된다. 이들 두 가스분배판에서 가스 채널 및 구멍의 형태와 크기는 서로 같을 수도있고, 연료전지의 조건에 따라 서로 다를 수도 있다. 가스분배판(1 및 3)을 도 1과 같이 중간판(2)을 중심으로 가스 채널과 구멍이 동시에 가공된 면이 중간판 쪽으로 향하게 하여 가장자리를 용접 혹은 기타의 결합 방법으로 가스가 새지 않도록 기밀성을 유지하게 고정시킨다.
가스의 흐름을, 가스분배판(1)의 경우를 예로 들어 설명하면, 매니폴드(4a)에서 도입된 가스가 가스 채널(6)을 통하여 매니폴드(4b) 쪽으로 흐르다가 구멍(7)을 통하여 가스분배판(1)의 위쪽으로 흘러간다. 가스분배판(1) 위쪽에는 전극이 위치하고 있으므로 구멍을 통과한 가스는 자연스럽게 전극에 공급되게 된다. 이는 가스분배판(3)의 경우도 동일하다. 이와 같이 3장의 얇은 판을 각각 가공한 후 결합하여 하나의 판으로 접합시킴으로써 1개의 분리판이 완성된다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판은 스텐레스스틸을 모재로 사용하므로, 0.3㎜ 내지 0.6㎜ 정도의 천공판 두께로 박판화가 가능하다. 상기 가스분배판과 함께 0.3㎜ 내외의 중간판을 접합하면, 기존의 3㎜ 정도의 두께를 가지는 그래파이트 분리판에 비해 1.5㎜ 이하의 두께로 현저하게 감소된 얇은 분리판의 제작이 가능하다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 가스분배판의 박판화로 분리판의 무게 역시 현저하게 감소시킬 수 있다.
가스분배판(1)의 가공 일실시예를 도 2에 도시하였다. 도 2에서 보는 바와 같이, 0.6mm 정도의 얇은 판에 중간판과 동일한 위치와 형태로 매니폴드(144a 및 155b)를 가공한 후, 매니폴드(155b)로부터 가스가 흐를 수 있도록 가스 채널(120)을 가공한다. 가스 채널(120)을 따라 흐르던 가스가 판을 관통하여 반대편으로 흐를 수 있도록 가스 채널의 중간에 일정한 간격으로 구멍 (130)을 뚫는다.
본 발명에 의한 분리판 재료로 스텐레스스틸 등을 사용할 경우 전지의 작동시간이 수천 시간으로 길어지면 분리판에 부식이 일어날 수 있다. 이를 방지하기 위하여 분리판 재료를 티타늄합금 등 내부식성 재료를 사용하거나, 스텐레스스틸 등의 재료 표면에 금, 티타늄나이트라이드(TiN)등의 물질을 코팅하여 사용할 수 있다.
이하, 실시예 및 제조예를 들어 본 발명의 구성 및 발명효과를 보다 상세하게 설명한다. 아래의 실시예 및 제조예는 본 발명의 내용을 설명하나, 본 발명의 내용이 여기에 한정되지는 않는다.
<실시예 1: 가스분배판 제조>
먼저 0.6mm 두께의 스텐레스스틸 판(면적10cm×10cm)의 한쪽 면에 에칭 가공으로 도 2와 같은 구조의 홈 및 구멍을 형성하였다. 에칭 가공 전 판의 한쪽 면에는 판을 관통하는 구멍이 형성되도록 마스크를 제작하여 부착하였으며, 판의 반대쪽에는 구멍 및 가스 채널이 형성되도록 마스크를 제작하여 부착하였다. 에칭 공정 중 마스크를 부착한 곳 이외의 부분에서 모재가 녹아 도 2와 같은 구조의 가스 채널이 형성된 천공판이 제작되었다. 이 때 구멍은 직경 2mm, 구멍 간 중심 간격은 3mm로 제작하였으며, 도 1과 같이 구멍이 서로 엇갈리는 형태로 제작하였다. 가스 채널은 폭 1.5mm, 깊이 0.3mm로 제작하였으며, 도 2와 같이 서로 엇갈리게 배치된 구멍을 지나도록 하였다.
<실시예 2: 가스분배판 제조>
프레싱 가공에 의하여 미리 직경 2mm의 구멍을 형성시킨 두께 0.7mm의 니켈 천공판(면적10cm×10cm)의 한 쪽 면에만 에칭 가공을 통하여 미세한 가스 채널을 형성하여 가스분배판을 제작하였다. 이 때 가스 채널은 폭은 1mm, 깊이는 0.4mm로 제작하였으며, 도 2와 같이 서로 엇갈리게 배치된 구멍을 지나도록 하였다.
<제조예 1: 소형 연료전지용 분리판 제조>
상기 다공성 가스분배판과 같은 크기로 두께 0.1mm의 스텐레스스틸 박판을 절단하여 중간판을 제작하고, 도 1과 같이 중간판을 중심으로 상기 실시예 1에서 제작된 다공성 가스분배판 두 장을 가스 채널이 중간판에 닿도록 겹친 후 가장자리를 마이크로 교류티그(micro-TIG) 용접을 통하여 결합하여 분리판을 완성하였다.
<제조예 2: 연료전지 스택 제작>
1. MEA 제조
Pt/C 촉매와 테프론 용액을 이소부틸알코올 용매 하에서 혼합한 후 건조하고 열처리하여 촉매 무게를 기준으로 10중량% 테프론이 첨가된 연료전지용 촉매를 제조하였다. 이를 다시 이소부틸알코올 용매 하에서 나피온(Nafion 115) 용액과 혼합하여 잘 분산시킨 후 탄소 종이(carbon paper, Toray) 위에 입혀 0.7mgPt/cm2가 부착된 전극을 제조하였다. 제조된 전극을 Nafion 115 고분자막(DuPont)의 양면에 설치한 후 프레스에서 열 압착하여 MEA를 제작하였다. 이렇게 제작된 MEA의 크기는 100cm2(10cm×10cm) 이었고, 전극 면적은 58cm2(7.6cm×7.6cm) 이었다.
2. 연료전지 스택제작
상기 실시예 2에서 제작된 분리판과 상기 MEA를 차례로 적층하여 단위전지 4개가 적층된 스택을 완성하였다. 완성된 스택을 75oC, 1기압 하에서 운전하면서 전류-전압 특성을 측정하였으며, 그 결과는 도 3에 도시하였다. 이 때 사용된 산화제는 산소였으며, 연료는 수소였다. 제작된 스택은 기존의 그래파이트로 제작된 분리판과 비교할 때 전지 성능은 거의 비슷한 반면 분리판 두께는 1.3mm로 줄일 수 있었으며, 금속망을 사용할 경우에 비해 성능 역시 우수하였다.
본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판에 있어서, 가스 채널은 다양한 가스 흐름 방식으로 제작할 수 있고, 구멍 역시 다양한 형태로 제작할 수 있다.
이상의 방법으로 제작된 분리판은 종래의 그래파이트 분리판의 한계 두께인 3mm 보다 더 얇은 1.5mm 이하로 제작이 가능하며, 재료와 가공 방법을 적절하게 선정함에 따라 그래파이트 분리판보다도 가벼운 분리판의 제작이 가능한 장점이 있다. 또한, MEA의 전극과 접촉하는 분리판 부분이 금속 다공체나 금속망을 사용할 경우에 비해 균일하여 접촉 저항이 감소함에 따른 연료전지의 성능 향상 효과를 기대할 수 있다.
천공판 구멍 크기가 2mm 이하이고, 미세 가스 채널의 깊이가 0.3mm 이하, 폭이 1mm 이하인 다공성 가스분배판을 채용한 분리판과 매니폴드 부분을 합하여 면적이 10cm×10cm 이하인 소형판의 경우, 스텐레스스틸 모재(크기 1m×2m)에 대하여 동시에 여러 개 제조가 가능하다. 또한, 본 발명에 따른 가스분배판의 가스 채널은깊이가 0.6㎜ 이하, 폭이 2㎜ 이하의 미세한 가스 채널이므로 에칭 시간이 많이 소요되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 소형 연료전지용 다공성 가스분배판은 대량생산이 가능하고, 공정시간을 단축시켜 경제성을 확보할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 다공성 가스분배판을 포함하여 제조된 분리판은 기존의 그래파이트 분리판에 비해 박막화가 가능하고, 동시에 적정수준의 물리적 강도를 유지하여 외부 충격에 의한 파괴 염려가 없다. 또한, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판은 에칭에 의해 형성된 가스 채널의 규격이 균일하여 MEA와 접합시 접촉 저항이 감소되어 연료전지의 성능이 향상된다. 더욱이, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판은 스텐레스스틸 등 금속판을 모재로 사용하여 미세한 가스 채널을 형성시키므로, 에칭 가공시 비용과 노력을 절감시키고, 대량생산에도 용이하다.
따라서, 본 발명에 의한 소형 연료전지용 분리판을 사용하여 소형 연료전지를 구성할 경우 기존에 비해 출력 밀도, 신뢰성 및 경제성이 향상될 수 있다.

Claims (4)

  1. 에칭 가공법에 의해, 직경 2㎜ 이하의 금속판을 관통하는 구멍이 여러 개 형성되되, 금속판의 일면은 평평하고, 이면에만 깊이 0.6㎜ 이하, 폭 2㎜ 이하의 미세한 가스 채널이 2㎜ 이하의 일정한 간격을 두고 형성된 것을 특징으로 하는 소형 연료전지용 다공성 가스분배판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스분배판은 프레싱법을 사용하여 미리 금속판을 관통하는 구멍을 형성시킨 후, 상기 다공성 금속판을 에칭 가공하여 금속판의 한쪽 면에만 미세한 가스 채널을 형성시켜 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 소형 연료전지용 다공성 가스분배판.
  3. 제1항에 의한 상기 가스분배판을 두께가 0.6mm 이하인 금속 박판에 각각 배치하되, 가스 채널이 형성된 가스분배판의 면을 금속 박판과 각각 접하게 한 후, 가스가 유출되지 않도록 이들 가스분배판, 및 금속 박판들을 서로 결합시켜 제조되는 것을 특징으로 하는 소형 연료전지용 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 금속 박판 사이에 냉각 유체가 흐를 수 있도록 하는 금속성 냉각 유체분배판을 추가로 설치하고, 가스가 유출되지 않도록 이들 가스분배판, 금속 박판, 및 금속성 냉각 유체 분배판들을 서로 결합시켜 제조될 수 있는 것을 특징으로 하는 소형 연료전지용 분리판.
KR10-2001-0080124A 2001-12-17 2001-12-17 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판 KR100429685B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0080124A KR100429685B1 (ko) 2001-12-17 2001-12-17 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판
JP2002261646A JP2003197223A (ja) 2001-12-17 2002-09-06 小型燃料電池用多孔性ガス分配板、及びこれを含んで製造された小型燃料電池用分離板
US10/283,121 US20030113608A1 (en) 2001-12-17 2002-10-30 Gas-distributing plate for compact fuel cells and separator plate using the gas-distributing plate

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2001-0080124A KR100429685B1 (ko) 2001-12-17 2001-12-17 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20030049805A true KR20030049805A (ko) 2003-06-25
KR100429685B1 KR100429685B1 (ko) 2004-05-03

Family

ID=19717127

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2001-0080124A KR100429685B1 (ko) 2001-12-17 2001-12-17 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20030113608A1 (ko)
JP (1) JP2003197223A (ko)
KR (1) KR100429685B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7960071B2 (en) 2004-03-23 2011-06-14 Korea Institute Of Science And Technology Separator for fuel cell using a metal plate coated with titanium nitride, method for manufacturing the same, and polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the separator
KR20120032634A (ko) * 2010-09-29 2012-04-06 한국전력공사 접합공정을 이용한 고체산화물 연료전지 스택의 분리판
WO2017074006A1 (ko) * 2015-10-30 2017-05-04 주식회사 엘지화학 채널 플레이트의 제조장치 및 제조방법
KR102285116B1 (ko) * 2020-10-30 2021-08-04 주식회사 에프씨엠티 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조방법

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3894109B2 (ja) * 2002-11-28 2007-03-14 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP2007505998A (ja) * 2003-09-22 2007-03-15 ハイドロジェニクス コーポレイション 電解槽セルの配置
JP4696545B2 (ja) 2004-12-08 2011-06-08 トヨタ自動車株式会社 燃料電池
JP2006294404A (ja) * 2005-04-11 2006-10-26 Toyota Auto Body Co Ltd 燃料電池用セパレータ
JP4756905B2 (ja) * 2005-05-10 2011-08-24 日新製鋼株式会社 固体酸化物型燃料電池セパレータ材
JP2007194074A (ja) * 2006-01-19 2007-08-02 Toyota Motor Corp 燃料電池
CA2633575C (en) * 2006-01-19 2011-11-15 Kazunori Shibata Fuel cell having separator with distributed inlets for reactive gas or water
JP4899546B2 (ja) * 2006-03-13 2012-03-21 トヨタ自動車株式会社 セパレータ、および、燃料電池
JP4312257B2 (ja) * 2006-06-21 2009-08-12 パナソニック株式会社 燃料電池
DE102015005220A1 (de) * 2015-04-23 2016-10-27 Forschungszentrum Jülich GmbH Verfahren zur Ermittlung von Überspannungen in Brennstoffzellen
USD844562S1 (en) 2016-10-05 2019-04-02 General Electric Company Fuel cell
CN110284135B (zh) * 2019-07-30 2020-06-19 燕山大学 一种组合式强化分料器翻板及其制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60241658A (ja) * 1984-05-16 1985-11-30 Agency Of Ind Science & Technol 燃料電池のセパレ−タの製造方法
JPS61216257A (ja) * 1985-03-22 1986-09-25 Hitachi Ltd 燃料電池用セパレ−タ
JPH01140559A (ja) * 1987-11-27 1989-06-01 Hitachi Ltd 燃料電池
JPH05174846A (ja) * 1991-06-29 1993-07-13 Tonen Corp 固体電解質型燃料電池
JPH05178846A (ja) * 1991-12-26 1993-07-20 Teijin Chem Ltd 新規な（メタ）アクリル酸エステル化合物
IT1270878B (it) * 1993-04-30 1997-05-13 Permelec Spa Nora Migliorata cella elettrochimica utilizzante membrane a scambio ionico e piatti bipolari metallici
KR980001800A (ko) * 1996-06-19 1998-03-30 이대원 에칭가공된 연료전지분리판
US5798187A (en) * 1996-09-27 1998-08-25 The Regents Of The University Of California Fuel cell with metal screen flow-field
US5976726A (en) * 1997-05-01 1999-11-02 Ballard Power Systems Inc. Electrochemical cell with fluid distribution layer having integral sealing capability

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7960071B2 (en) 2004-03-23 2011-06-14 Korea Institute Of Science And Technology Separator for fuel cell using a metal plate coated with titanium nitride, method for manufacturing the same, and polymer electrolyte membrane fuel cell comprising the separator
KR20120032634A (ko) * 2010-09-29 2012-04-06 한국전력공사 접합공정을 이용한 고체산화물 연료전지 스택의 분리판
WO2017074006A1 (ko) * 2015-10-30 2017-05-04 주식회사 엘지화학 채널 플레이트의 제조장치 및 제조방법
US10714765B2 (en) 2015-10-30 2020-07-14 Lg Chem, Ltd. Manufacturing apparatus and method for channel plate
KR102285116B1 (ko) * 2020-10-30 2021-08-04 주식회사 에프씨엠티 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2003197223A (ja) 2003-07-11
US20030113608A1 (en) 2003-06-19
KR100429685B1 (ko) 2004-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6261711B1 (en) Sealing system for fuel cells
KR100429685B1 (ko) 소형 고분자 전해질 연료전지용 다공성 가스분배판, 및 이를 포함하여 제조된 분리판
US7951506B2 (en) Bipolar plate and direct liquid feed fuel cell stack
US20020192537A1 (en) Metallic layer component for use in a direct oxidation fuel cell
US20060115708A1 (en) Fuel cell casing and fuel cell
WO2003096447A1 (en) Fuel cell stack having an improved pressure plate and current collector
US20040121215A1 (en) Fuel cell
KR100649737B1 (ko) 박판 다층 형 수소 연료전지
JP5235581B2 (ja) 燃料電池セパレータ
KR20100033618A (ko) 전류집전체 및 연료전지용 스택
KR100546016B1 (ko) 연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를구비한 연료전지
US20070172717A1 (en) Fuel cell device
US7465514B2 (en) Electrochemical energy source and electronic device incorporating such an energy source
KR20090042000A (ko) 탄성구조를 갖는 전류집전체를 구비한 연료전지 스택
KR20070036501A (ko) 연료전지 시스템 및 이에 사용하기 위한 스택
JP2004234981A (ja) 燃料電池用容器および燃料電池
JP2006107898A (ja) 平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ
US7241525B2 (en) Fuel cell layer with reactor frame
JP5002898B2 (ja) 膜電極接合体、燃料電池セル、及び燃料電池装置
JP3894878B2 (ja) 燃料電池用容器および燃料電池
WO2004047211A1 (fr) Ensemble electrode a membrane pour piles a combustible et son procede de fabrication
KR101406670B1 (ko) 집전체유닛 및 이를 포함한 연료전지
Bonta et al. Micro fuel cell technologies, advancements, and challenges
JP2024056240A (ja) 電気化学反応セルスタック
JP4397324B2 (ja) 燃料電池

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20090331

Year of fee payment: 6

LAPS Lapse due to unpaid annual fee