KR20030064463A - 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지의 바이폴라 플레이트를 격자상의 작은 셀 단위로 분할하여 각 셀을 통하여 바이폴라 플레이트내에서 위치별 국부적인 연료전지의 성능을 측정할 수 있도록 한, 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그 제조 방법에 관한 것이다

본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트는 일측면에 격자형으로 다수의 사각홈(G)이 형성되고, 측정용 전선 등을 연결하기 위한 다수의 연결공(H)들이 상기 각 사각홈(G)의 저면에 관통형성된 합성수지판(31)과; 합성수지판(31)의 각 사각홈(G) 저면에 밀착되도록 삽입되는 금속판(32)과; 상기 합성수지판(31)의 각 사각홈(G)에 삽입되어 상기 금속판(32)의 상면에 밀착되는 흑연판(33)으로 구성되며, 상기 사각홈(G)에 금속판과 흑연판을 삽입하고, 절연성 충진재로서 틈새를 메워 경화시킨 후 흑연판측 합성수지판의 일측면을 평면가공한 다음 그 면에 가스 유로를 가공하는 방법으로 제작된다.

본 발명의 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트는, 바이폴라 플레이트를 구성하는 각 셀에서 국부적인 연료전지의 전류, 전압, 온도 및 가스 압력 등이 독립적으로 측정되므로써, 최적의 가스 흐름과 온도 분포를 얻을 수 있는 바이폴라 플레이트와 최적의 가스확산층 및 전극-전해질 합성체의 설계에 필수적인 바이폴라 플레이트내에서의 위치별 연료전지 성능에 대한 국부적인 상세한 정보를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그 제조 방법{The grid type bipolar plate for performance testing of fuel cells, and its manufacturing method}

본 발명은 연료전지의 성능 측정을 효율적으로 실시하기 위한 격자형 바이폴라 플레이트와 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 연료전지의 세부적이고 미시적인 성능을 정확히 측정하기 위하여 바이폴라 플레이트를 다수개의 작은 셀로 분할하여 격자형으로 구성한 후, 각 셀에서 나타나는 전류, 전압, 온도 및 가스 압력 등을 독립적으로 측정함으로써 최적의 가스 흐름과 온도 분포에 의해 연료전지의 성능이 최대로 발휘될 수 있도록 바이폴라 플레이트, 가스확산층 및 전극-전해질 합성체(MEA, membrane and electrode assembly) 등의 설계에 핵심 정보들을 제공하여 줄 수 있도록 한, 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술로서 1970년대부터 미국에서 우주선 또는 군사용의 전원 공급용으로 개발된 이래 이를 일반 전원용으로 사용하고자 하는 연구가 활발히 추진되어 왔으며, 현재 미국, 일본과 유럽 등의 선진국에서 그 실용화를 위한 연구와 개발이 활발하게 진행되고 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 및 고분자 연료전지로 분류되고 있으며, 상기 여러 종류의 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(PEMFC,polymer electrolyte membrane fuel cell)는 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식이나 증발의 위험이 없으며, 단위 면적당 높은 전류 밀도를 얻을 수 있기 때문에 타 연료전지에 비해 출력 특성이 월등히 높고, 작동온도가 낮아 현재 자동차 등의 이동용 전원이나 주택, 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자 기기용 소형 전원으로 이용하기 위하여 미국, 일본을 비롯한 유럽 등에서 이에 대한 개발이 활발히 추진되고 있다.

상기와 같이 청정에너지원인 연료전지는 개발 과정에 있고, 현재에도 성능 향상을 위한 많은 연구가 진행되고 있는 만큼 연료전지의 성능 측정을 위한 장치의 중요성도 한층 커지고 있으나, 종래의 성능 측정장치는 주로 거시적인 성능 측정을 위주로 하였기 때문에 위치에 따라 변화되는 전기화학반응의 미시적인 결과에 대한 정확한 정보를 얻을 수 없는 문제가 있었는 바, 작동 온도가 낮고 소형화에 적합한 고분자 전해질 연료전지를 예로 하여 종래의 연료전지 성능 측정 방법을 살펴보면 다음과 같다.

고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 중심을 이루고 있는 연료전지 스택 본체는 고분자 이온교환막(proton-exchange membrane)인 고체 고분자 전해질을 중심으로 그 양면에 양극인 연료극과 음극인 공기극을 열간 가압(hot pressing)으로 접합시킨 단위전지(single cell)로 이루어져 있으며, 이러한 단위전지를 여러 층으로 적층하므로써 수 와트에서 수백 킬로 와트에 이르는 연료전지 발전시스템을 구성하게 된다.

상기 고분자 연료전지의 본체를 구성하는 단위전지에서 전기의 생성과정을,종래 고분자 전해질 단위전지의 단면을 개략적으로 보인 도 1의 모식도에 의거하여 살펴보면 다음과 같다.

단위전지는, 나피온 용액의 건조층(16)을 중심으로 하여 그 양면에 나피온 쉬트(15)(15'), 전극이 되는 백금/탄소 촉매층(14)(14'), 테프론 처리 카본천(13)(13'), 바이폴라 플레이트(12)(12'), 금속으로 이루어진 엔드판(11)(11') 등이 일련의 순서로 적층된 구조이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 일측 바이폴라 플레이트(12)의 가스 유로 채널(C)을 통해 공급되는 연료 가스인 수소 가스는 양극(14)을 이루는 백금/탄소 촉매와 반응하면서 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 고분자 전해질막(15)(15')과 나피온 용액 건조층(16)을 통과하여 반대편의 음극(14')으로 이동하게 되며, 타측 바이폴라 플레이트(12')의 가스 유로 채널(C')을 통해 공급되는 산소 가스가 외부 회로를 통해 음극(14')으로 이동해 온 전자들에 의해 환원된 산소 이온은 음극(14')으로 이동해 온 상기 수소 이온과 반응하여 음극(14') 표면에서 물을 생성시키게 되고, 이 물은 반응하지 않은 여분의 산소 가스와 함께 가스 유로 채널(C')의 출구로 배출된다.

이때, 상기 촉매 반응으로 생성된 전자들이 외부 회로를 따라 흐르게 되면서 전기를 발생하게 된다.

따라서, 고분자 전해질 연료전지의 발전시스템에서는 전기화학 반응이 일어나게 되는 전극의 성능이 연료전지의 발전 특성에 큰 영향을 미치게 되며, 높은 전기화학적 반응 활성을 갖는 전극을 얻기 위해서는 상기 전극을 이루는 백금/탄소촉매의 전기적 연속성, 얇은 수막이 형성된 전극 기공을 통한 산소나 수소 가스의 원활한 이동성 및 상기 백금/탄소 촉매를 향한 수소 이온의 신속한 이동성 등이 만족되어야 한다.

그리고, 상기 백금/탄소 촉매로 이루어진 촉매층인 전극의 두께를 되도록 얇고 균일하도록 하여야 가스 이온과의 접촉 저항 및 물질 전달 저항이 최소화될 수 있으며, 수소의 산화 반응이 산소의 환원 반응보다 휠씬 빠르기 때문에 양극의 촉매량을 음극보다 적게 사용하여야 한다.

상기와 같이 전기화학 반응이 일어나는 연료전지의 성능을 검사하기 위하여 종래에는 양극과 음극 사이의 전압과 전류 밀도 등을 측정하였다.

따라서, 연료전지 전체의 성능 측정은 가능하였으나, 바이폴라 플레이트에는 가스 유로가 형성되어 가스가 지속적으로 흐르게 되는 바, 바이폴라 플레이트내에서의 위치에 따라 달라질 수 있는 국부적이고도 미시적인 연료전지의 성능 변화를 파악할 수 없었기 때문에 바이폴라 플레이트내에서 가스 유로나 촉매 분포가 갖는 국부적인 문제점을 파악할 수가 없었다.

즉, 연료전지의 성능 최적화에 필요한 바이폴라 플레이트내에서의 위치에 따른 국부적인 연료전지의 성능 특성에 대한 측정이 불가하였기 때문에, 가스 유로에서의 가스흐름, 발열반응에 따른 온도 분포 및 반응 속도가 바이폴라 플레이트내에서 위치에 따라 어떻게 변화하는가에 대한 정확한 정보가 부족하였으며, 결과적으로 바이폴라 플레이트, 전극-전해질 합성체, 가스 확산층 등 각 구성 요소에 대한 효과적인 최적화 개발이 어려웠을 뿐 아니라, 어떠한 요소가 연료전지의 전체 성능향상에 걸림돌이 되는지를 직접적으로 파악하기 어려운 문제가 있었다.

본 발명은 연료전지의 성능을 측정하고 개선하기 위하여 연료전지의 전체적인 성능을 측정한 종래의 측정 장치나 방법이 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 연료전지의 전체적인 성능 뿐 아니라 하나의 연료전지 셀을 구성하는 바이폴라 플레이트내에서의 위치에 따른 국부적인 연료전지의 성능 측정을 가능하도록 하여 연료전지의 각 구성 요소별 성능 최적화가 가능하며, 바이폴라 플레이트내에서의 위치에 따른 가스의 압력, 전압, 전류 및 온도 등을 각각 실시간으로 정확하게 평가할 수 있도록 하여 바이폴라 플레이트, 가스 확산층, 전극 등 연료전지의 각 구성 요소들을 최적 상태로 유지시킬 수 있도록 하므로써, 결국 연료전지 전체가 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 하여 줄 수 있는, 연료전지의 부분적인 성능 측정이 가능한 연료전지 성능 측정용 바이폴라 플레이트 및 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 고분자 전해질 연료전지의 단면 모식도.

도 2는 종래 바이폴라 플레이트의 평면도.

도 3은 본 발명 일실시예 바이폴라 플레이트의 분리 사시도.

도 4는 본 발명 일실시예 바이폴라 플레이트의 평면도.

도 5는 본 발명 바이폴라 플레이트 제조 공정도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

3. 본 발명 바이폴라 플레이트

11. 앤드판 12. 바이폴라 플레이트

13. 탄소천 14. 촉매층(전극)

15. 나피온 쉬트 16. 나피온 용액 건조층

31. 합성수지판 32. 금속판

33. 흑연판

본 발명의 상기 목적은 전기적으로 분리된 다수의 셀들로 구성된 격자형 바이폴라 플레이트에 의하여 달성된다.

본 발명의 상기 격자형 바이폴라 플레이트는 하나의 바이폴라 플레이트를 전기적으로 분리된 다수의 셀들로 구성함에 그 기술적 특징이 있으며, 다수의 각 셀을 통하여 각각의 온도, 전류, 전압 및 가스 압력 등을 개별적으로 측정하므로써 바이폴라 플레이트내에서의 위치별 국부적인 연료전지의 성능에 대한 정보와 그에 따른 연료전지의 전체적인 성능까지 파악할 수 있게 된다.

본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트는 절연체이며 강도가 강한 합성수지판의 일측면에 바둑판과 같은 격자형 홈들을 가공한 후, 각 홈들에 금속판과 흑연판을 삽입하는 형태로 만들어지며, 각 홈마다 성능 측정을 위한 각종 측정용 전선들이 개별적으로 연결되므로써 하나의 바이폴라 플레이트를 다수의 부분으로 구분하여 바이폴라 플레이트내에서의 위치별 연료전지의 국부적인 성능을 개별적으로 실시간 측정할 수 있게 된다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 고안의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 3에 본 발명 격자형 바이폴라 플레이트의 분리 사시도를, 도 4에 정면도를 도시하였다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트(3)는 바둑판과 같이 일측면에 격자형으로 다수의 사각홈(G)이 형성되고, 전류, 전압, 온도 및 가스 압력 등을 측정하기 위한 측정용 전선과 열전대 및 압력 측정 튜브 등을 연결하기 위한 다수의 연결공(H)들이 상기 각 사각홈(G)의 저면으로부터 타측면으로 관통된 합성수지판(31)과; 상기 합성수지판(31)의 각 사각홈(G) 저면에 밀착되도록 삽입되는 금속판(32)과; 상기 합성수지판(31)의 각 사각홈(G)에 삽입되어 금속판(32)의 상면에 밀착되며 상면에 가스 유로(C'")가 형성된 흑연판(33)으로 구성된다.

이때, 상기 다수의 작은 흑연판(33)들이 종래 연료전지의 바이폴라 플레이트(도 1의 12,12') 역할을, 다수의 작은 금속판(32)들이 종래 연료전지의 엔드판(도 1의 11,11') 역할을 수행하게 되며, 합성수지판(31)은 다수의 금속판(32)들 및 흑연판(33)들의 지지체 역할을 하게 되는 것이다.

그리고, 상기 금속판(32)은 도전성이 우수한 재료를 사용하여야 하는 바, 일반적으로 전기 재료로 널리 사용되는 구리판을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트(3)의 제조 공정도를 도시한 도 5에 의거하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.

전기적으로 절연체이며 적절한 강도를 갖고, 고분자 연료전지의 작동 온도인 100℃ 이하의 온도에서 열에 안정적인 동시에 산에 대하여 내부식성을 가진 합성수지판(31)의 일측면에 격자형으로 구획된 형태를 따라 다수의 사각홈(G)들을 가공하는 단계(100)와;

상기 합성수지판(31)의 일측면에 형성된 각 사각홈(G)의 저면으로부터 합성수지판(31)의 타측면을 관통하는 다수의 연결공(H)들을 가공하는 단계(200)와;

상기 합성수지판의 각 사각홈(G)에 작은 금속판(32)을 각각 삽입한 후 전류, 전압 및 온도 측정을 위한 측정선과 열전대 등을 상기 연결공(H)들을 통하여 각 금속판(32)에 연결하는 단계(300)와;

상기 합성수지판의 각 사각홈(G)에 삽입된 금속판(32)위에 작은 흑연판(33)이 밀착되도록 흑연판(33)을 상기 각 사각홈(G)에 삽입하는 단계(400)와;

상기 합성수지판의 각 사각홈(G)과 금속판(32) 및 흑연판(33) 사이의 틈새에 절연성 충진채를 채운 후 경화시키는 단계(500)와;

절연성 충진재의 경화에 의해 금속판(32)과 흑연판(33)이 고정된 합성수지판(31)의 흑연판(33)측 면을 평면가공하는 단계(600)와;

상기 합성수지판(31)의 평면가공면에 가스가 흐르는 통로인 가스 유로(C'")를 가공하는 단계(700)로 이루어진다.

따라서, 본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트(3)는 상호 밀착적층된 한 장씩의 금속판(32)과 흑연판(33)이 하나의 셀을 구성하게 되고, 연결공(H)을 통하여 금속판(32)에 연결되는 전압, 전류, 온도 및 가스 압력 측정 장치에 의해 다수의 셀에서 측정되는 연료전지의 국부적인 성능을 실시간으로 정확하게 측정이 가능하게 되며, 그 측정 결과에 의해 연료전지의 국부적인 문제점들을 파악할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 격자형 바이폴라 플레이트는 연료전지의 성능 측정을 국부적으로 동시에 실시하기 위하여 다수의 작은 셀로 분할되고, 각 셀에서의 전류, 전압, 온도 및 가스 압력 등이 독립적으로 측정되므로써, 최적의 가스 흐름과 온도 분포를 얻을 수 있는 바이폴라 플레이트와 최적의 가스확산층 및 전극-전해질 합성체의 설계에 필수적인 바이폴라 플레이트내에서의 위치별 연료전지 성능에 대한 국부적으로 상세한 정보를 얻을 수 있도록 하여 주는 장점이 있다.

그리고, 연료전지의 성능이 위치별로 파악되기 때문에 연료전지를 구성하는 각 구성 요소에 대한 국부적인 성능 개선이 가능하여 연료전지 성능 개선에 필요한 개발비를 절감할 수 있으며, 국부적인 성능 측정치의 통합에 의한 연료전지 전체의 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 일측면에 가스 유로가 형성된 연료전지의 바이폴라 플레이트에 있어서, 일측면에 격자형으로 다수의 사각홈(G)이 형성되고, 전류, 전압, 온도 및 가스 압력 등을 측정하기 위한 측정용 전선과 열전대 및 압력 측정 튜브 등을 연결하기 위한 다수의 연결공(H)들이 상기 각 사각홈(G)의 저면으로부터 타측면으로 관통되어 형성된 합성수지판(31)과;

   상기 합성수지판(31)의 각 사각홈(G) 저면에 밀착되도록 삽입되는 금속판(32)과;

   상기 합성수지판(31)의 각 사각홈(G)에 삽입되고 금속판(32)의 상면에 밀착되는 흑연판(33)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 합성수지판(31)은 절연체이며 100℃ 이하의 온도에서 열에 안정적인 동시에 산에 대하여 내부식성 재질인 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 금속판(32)은 구리로 이루어진 것을 특징으로 하는연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트.
4. 합성수지판(31)의 일측면에 격자형으로 구획된 형태를 따라 다수의 사각홈(G)들을 가공하는 단계(100)와;

   상기 합성수지판(31)의 일측면에 형성된 각 사각홈(G)의 저면으로부터 합성수지판(31)의 타측면을 관통하는 다수의 연결공(H)들을 가공하는 단계(200)와;

   상기 합성수지판의 각 사각홈(G)에 금속판(32)을 삽입한 후 전류, 전압 및 온도 측정을 위한 측정선과 열전대 등을 상기 연결공(H)을 통하여 각 금속판(32)에 연결하는 단계(300)와;

   상기 합성수지판의 각 사각홈(G)에 삽입된 금속판(32)위에 작은 흑연판(33)이 밀착되도록 흑연판(33)을 상기 각 사각홈(G)에 삽입하는 단계(400)와;

   상기 합성수지판의 각 사각홈(G)과 금속판(32) 및 흑연판(33) 사이의 틈새에 절연성 충진채를 채운 후 경화시키는 단계(500)와;

   상기 절연성 충진재의 경화에 의해 금속판(32)과 흑연판(33)이 사각홈(G)내에 밀착 고정된 합성수지판(31)의 흑연판(33)측 면을 평면가공하는 단계(600)와;

   상기 합성수지판(31)의 평면가공면에 가스가 흐르는 통로인 가스 유로(C'")를 가공하는 단계(700)로 이루어짐을 특징으로 하는 연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트의 제조 방법.