KR20040069548A - 그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용분리판과 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라파이트 포일을 천공한 후 압착하여 만들어지는 고분자 전해질 연료전지용 분리판과 그 제조 방법에 대한 것이다.

본 발명의 분리판은, 한 장의 그라파이트 포일을 천공하여 얻어지는 다수의 그라파이트 체널벽들로 구성된 가스유로형성부재(21)와; 가스유로형성부재(21)의 저면에 상면이 압착에 의해 접합되는 베이스판(22)으로 이루어지며, 한장의 그라파이트 포일(20)로부터 가스유로형성부재(21)를 천공에 의해 분리하는 단계(100)와; 상기 가스유로형성부재(21)를 다른 그라파이트 포일인 베이스판(22)의 상면에 적층하는 단계(200)와; 적층된 상기 가스유로형성부재(21)와 베이스판(22)에 50~100kgf/cm²의 압력을 가하여 가스유로형성부재(21)를 베이스판(22)의 상면에 접합시키는 단계(300)를 통하여 만들어지며, 상기와 같이 그라파이트 포일을 천공하여 제조함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

본 발명 고분자 전해질 연료전지용 분리판의 제조 방법은 연료전지의 성능을 떨어뜨리지 않으면서 분리판의 가공 비용과 시간이 획기적으로 감소시켜 전체적인 연료전지의 제조원가를 낮출 수 있는 장점이 있다.

Description

그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용 분리판과 그 제조 방법{The separator made of graphite foils for polymer electolyte membrane fuel cell, and fabricating method of it}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에 반응물을 공급해 주는 분리판과 그 제조 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 그라파이트 포일을 천공하여 가스 유로를 형성하는 채널벽들을 상기 그라파이트 포일로부터 분리한 후, 분리된 채널벽들을 천공되지 않은 다른 그라파이트 포일의 표면에 적층한 후 가압에 의해 상기 채널벽들을 그라파이트 포일의 표면에 접합시켜 분리판을 제조하므로써, 탄소판을 기계가공한 종래 분리판의 성능을 거의 떨어뜨리지 않으면서 분리판의 가공 비용과 가공 시간을 획기적으로 줄일 수 있도록 한 고분자 전해질 연료전지용 분리판과 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 연료전지는 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 같은 고분자 전해질 연료전지 발전시스템의 중심을 이루고 있는 연료전지 스택 본체는 고분자 이온교환막인 고체 고분자 전해질을 중심으로 그 양면에 양극인 연료극과 음극인 공기극을 열간 가압하여 접합시킨 다수의 단위전지로 이루어져 있으며, 이러한 단위전지를 여러 층으로 적층하므로써 수 와트에서 수백 킬로 와트에 이르는 연료전지 발전시스템을 구성하게 된다.

고분자 연료전지의 본체를 구성하는 단위전지에서 전기의 생성과정을, 종래 고분자 전해질 단위전지의 단면을 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'), 분리판(12)(12'), 금속으로 이루어진 엔드판(11) 등이 일련의 순서로 적층된 구조로서, 일측 분리판(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 된다.

그리고, 타측 분리판(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 분리판의 유로를 통한 반응가스의 원할하고 균일한 공급 여부가 전극에서의 전기화학 반응 속도, 즉 발전 특성에 큰 영향을 미치게 되며, 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 기존의 분리판은 대체로 2가지 방식으로 제조되고 있는 바, 우선 탄소판의 기계가공이 그 하나이고, 또 다른 하나는 고분자 충진재와 탄소 분말 또는 섬유를 혼합하여 가열후 압축 성형 하는 방식이다.

그러나, 상기 탄소판를 기계 가공하는 경우에는 복잡한 가스 유로를 정밀하게 가공하기 위한 가공 비용이 과다하게 증가하고 가공 시간이 많이 소요되는 문제점들이 있으며, 압축 성형의 경우에는 제조 단가나 가공 시간 측면에서 상기 기계 가공보다 유리하나 연료전지의 성능에 큰 영향을 미치는 분리판의 전기 전도도가 탄소판에 비하여 1/10 이하로 낮아 연료전지의 성능을 떨어뜨리게 되는 문제가 있다.

또한, 기계 가공의 경우 가공 정밀도가 우수하고 탄소판을 사용하기 때문에전기 전도도가 우수하여 연료전지의 성능에는 유리하나, 가공 비용이 높고 가공시간이 많이 소요되는 문제가 있으며, 압축 성형의 경우는 제조 단가가 낮고 가공 시간이 수분 밖에 걸리지 않는 등 여러 면에서 상기 기계가공에 비하여 유리하나, 연료전지의 성능에 큰 영향을 미치는 분리판의 전기전도도가 탄소판에 비해 수분의 일 이하이기 때문에 연료전지의 성능이 떨어지게 되고, 압축성형을 위한 고가의 전용 장비가 필요한 문제가 있다.

본 발명은 종래 고분자 전해질 연료전지용 분리판과 그 제조 방법들이 가지고 있던 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 기계 가공에 의해 만들어진 분리판에 비하여 떨어지지 않는 성능을 가지면서 가공 비용이 현저히 감소될 뿐 아니라, 가공 방법이 단순하여 가공 시간을 획기적으로 단축시키므로써 분리판과 연료전지의 제조 생산성을 향상시킬 수 있는 분리판과 그 제조 방법을 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

도 1은 종래 고분자 전해질 연료전지의 단면 모식도.

도 2는 본 발명 일실시예 분리판을 보인 것으로,

(가)는 평면도이고,

(나)는 A-A선 단면도이고,

(다)는 측면도이다.

도 3은 본 발명 일실시예 분리판의 제조 단계를 보인 것으로,

(가)는 분리사시도이고,

(나)는 결합사시도이다.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11,11'. 엔드판 2,12,12'. 분리판

13,13'. 탄소천 14,14'. 촉매층(전극)

15,15'. 나피온 쉬트 16. 나피온 용액 건조층

20. 그라파이트 포일 21. 가스유로형성부재

22. 베이스판(그라파이트 포일)

본 발명의 상기 목적은 그라파이트 포일(foil)에 의하여 달성된다.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지용 분리판은 두 장의 그라파이트 포일로부터 만들어지는 바, 한 장의 그라파이트 포일을 천공하여 가스 유로 구조를 형성시키게 되는 채널벽들을 상기 그라파이트 포일로부터 분리한 후, 천공되어 분리된 그라파이트 채널벽들을 다른 한 장의 그라파이트 포일 상면에 부착시키는 방법으로 제조된다.

즉, 가스 유로가 음각된 형태로 형성된 종래 분리판을, 분리판의 두께 방향을 따라 가스 유로가 형성된 부분과 가스 유로가 형성되지 않은 부분의 두 부분으로 각각 분리하여 각각 준비한 후, 두 부분을 적층하여 압착결합시키므로써 두 부분이 하나로 일체화된 분리판을 만듦에 본 발명 방법의 기술적 특징이 있다.

이때, 가스 유로가 형성되는 부분과 가스 유로가 형성되지 않는 부분의 결합은 압착에 의한 표면간 접합에 의해 이루어지는 바, 다수의 가스 채널들로 이루어진 가스 유로 구조를 형성시키게 되는 각 가스 채널벽들은 판상의 그라파이트 포일을 천공하여 얻어지며, 천공에 의해 분리된 상기 채널벽들을 천공되지 않은 다른 그라파이트 포일의 표면에 적층한 상태에서 적정한 압력을 가하여 각 채널벽의 저면과 포일의 상면이 접합되도록 함으로써 본 발명의 분리판이 완성된다.

상기와 같이 본 발명의 분리판은 두께 방향을 따라 두 부분으로 구분되는 바, 가스 유로를 형성하는 가스 채널벽들로 구성되는 부분을 '가스유로형성부재', 상기 가스유로형성부재의 저면이 접합되는 판상의 그라파이트 포일을 '베이스판'이라 하기로 한다.

이와 같이, 본 발명의 분리판에 사용되는 상기 그라파이트 포일은, 고분자 충진재와 탄소 분말 또는 섬유를 혼합하여 가열 및 압축 성형된 종래 분리판의 재질 보다 전기전도도가 높을 뿐 아니라, 분리판의 또 다른 재질인 탄소판과 거의 대등한 수준의 전기전도도를 갖기 때문에 연료전지의 성능을 떨어뜨리지 않는 재질로서, 그 밀도는 약 1.8~2g/cm³의 탄소판 보다 다소 낮은 0.8~1.5g/cm³이다.

그리고, 본 발명의 분리판에 사용되는 상기 그라파이트 포일의 두께는 0.5~1.0mm가 바람직한 바, 이와 같이 그라파이트 포일의 두께를 한정하는 것은, 그 두께가 0.5mm에 미치지 못하면 형체를 유지하기 위한 강성이 부족한 동시에 형성되는 가스 유로의 깊이가 낮아 흐를 수 있는 가스량이 적을 뿐 아니라, 가스 흐름이 원활하지 못하게 되고, 그 두께가 1.0mm를 초과하게 되면 그라파이트 포일의 강성이 필요 이상 증가하여 천공되는 채널벽이 손상되기 쉬어 건전한 가스 유로를 형성시킬 수 없게 되기 때문이다.

또한, 천공 작업에 의해 그라파이트 포일로부터 분리되는 가스유로형성부재를, 천공되지 않은 다른 그라파이트 포일인 베이스판의 표면에 압착결합시킬 때 부여되는 적정 압착압력은 50~100kgf/cm²으로서, 가스유로형성부재와 베이스판의 압착접합 압력은 분리판의 불량 발생과 매우 깊은 관계를 갖는다.

즉, 압착접합시의 압력이 50kgf/cm²에 미치지 못하면 베이스판의 표면에 대한 가스유로형성부재의 압착결합력이 적어 사용 중 가스유로형성부재가 베이스판으로부터 분리되거나, 가스유로형성부재의 저면과 베이스판 상면 사이의 접합이 불완전하여 틈새가 발생될 수 있고, 그 틈새를 통하여 가스가 스며들므로써 가스의 정상적인 흐름이 방해되어 연료전지의 성능이 저하될 수 있다.

그리고, 상기 압력이 100kg/cm²을 초과하게 되면 과도한 압착압력에 의해 가스유로형성부재나 베이스판에 크랙이 발생되거나, 필요 이상의 압착력 부여에 의해 에너지가 불필요하게 소모될 수 있다.

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

도 2에 본 발명 분리판의 평면도와 단면도 및 측면도를, 도 3에 분리판의 제조 방법을 보인 분리 사시도와 결합 사시도를 도시하였으며, 평면도를 도시한 상기 도 2-(가)의 해칭처리는 단면을 표시한 것이 아니라 서로 적층된 가스유로형성부재와 베이스판이 쉽게 구별되도록 하는 동시에, 천공직후 서로 분리된 상태인 각 채널벽을 구별하기 위해서이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용 분리판(2)은, 한 장의 그라파이트 포일에서 천공되어 분리되며, 가스 유로를 구성하는 각 가스 채널(C)을 형성시키는 측벽의 역할을 하게 되는 다수의 그라파이트 체널벽(21A)(21B)(21C)들로 구성된 가스유로형성부재(21)와; 가스유로형성부재(21)의 저면에 상면이 압착에 의해 고정결합되는 판상의 그라파이트 포일인 베이스판(22)으로 이루어진다.

즉, 본 발명의 분리판은 상기 베이스판(22)의 상면에 다수 채널벽(21A)(21B)(212C)들로 구성된 가스유로형성부재(21)가 적층된 구조를 갖게 되고, 따라서 상기 베이스판(22)의 상면과 두 채널벽의 상호 대향하는 두 측면에 의해 둘러 싸이게 되는 공간이 형성되는 바, 이 공간이 가스 유로를 이루는 각 가스 채널(C)이 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 분리판(2)의 제조 단계를 살펴보면 다음과같다.

한장의 그라파이트 포일(20)로부터 다수의 채널벽(21A)(21B)(212C)들을 천공에 의해 분리하는 단계(100)와;

상기 다수의 그라파이트 체널벽(21A)(21B)(21C)들로 구성된 가스유로형성부재(21)를 천공되지 않은 다른 그라파이트 포일인 베이스판(22)의 상면에 적층하는 단계(200)와;

적층된 상기 가스유로형성부재(21)와 베이스판(22)에 50~100kgf/cm²의 압력을 가하여 가스유로형성부재(21)를 베이스판(22)의 상면에 접합시키는 단계(300)로 이루어지며, 그라파이트 포일을 천공하며 채널벽들을 분리함에 본 발명 방법의 기술적 특징이 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 연료전지용 분리판의 제조 방법은 종래의 기계가공이나 압축 성형 방법에 비하여 연료전지의 성능을 떨어뜨리지 않으면서 분리판의 가공 비용과 시간이 획기적으로 감소되어 전체적인 연료전지의 제조원가를 낮출 수 있게 된다.

그리고, 본 발명의 방법은 채널벽이 단순한 천공 작업에 의해 만들어지기 때문에 분리판의 대량 생산에 더욱 적합할 뿐 아니라 가스 유로의 치수정밀도도 향상될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (3)

1. 연료전지에 사용되는 분리판에 있어서, 한 장의 그라파이트 포일에서 천공되어 분리되며 가스 유로를 구성하는 각 가스 채널(C)을 형성시키는 측벽의 역할을 하게 되는 다수의 그라파이트 체널벽(21A)(21B)(21C)들로 구성된 가스유로형성부재(21)와;

   상기 가스유로형성부재(21)의 저면에 상면이 압착에 의해 고정결합되는 판상의 그라파이트 포일인 베이스판(22)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용 분리판.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가스유로형성부재(21)와 베이스판(22)을 이루는 그라파이트 포일의 두께는 0.5~1.0mm인 것을 특징으로 하는 그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용 분리판.
3. 한장의 그라파이트 포일(20)로부터 다수의 채널벽들로 구성된 가스유로형성부재(21)를 천공에 의해 분리하는 단계(100)와;

   상기 가스유로형성부재(21)를 천공되지 않은 다른 그라파이트 포일인 베이스판(22)의 상면에 적층하는 단계(200)와;

   적층된 상기 가스유로형성부재(21)와 베이스판(22)에 50~100kgf/cm²의 압력을 가하여 가스유로형성부재(21)를 베이스판(22)의 상면에 접합시키는 단계(300)를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 그라파이트 포일로 만들어진 고분자 전해질 연료전지용 분리판의 제조 방법.