KR20060014169A

KR20060014169A - Separator for a fuel cell system

Info

Publication number: KR20060014169A
Application number: KR1020040062762A
Authority: KR
Inventors: 안상열; 최영민
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-15

Abstract

본 발명은 연료전지 용 분리판에 관한 것으로써, 특히, 분리판의 일면에 애노드측 및 캐소드측 기체유로가 형성되고, 이 분리판은 반으로 접히며, 접혀진 사이에 냉각수 유로가 형성되어 있으며 탄성과 기밀성을 가지는 비공성의 고분자 수지판이 장착됨으로써, 두 장의 금속 분리판을 서로 부착하기 위한 기존의 용접에 의한 금속판 휨 현상을 줄일 수 있고, 또한 고분자 수지판이 금속판 사이의 가스켓 역할을 하여 금속판 사이의 리크 발생률을 상당히 줄일 수 있는 연료전지 용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for fuel cells, and in particular, an anode side and a cathode side gas flow path are formed on one surface of the separator plate, and the separator plate is folded in half, and a cooling water flow path is formed between the folded plates and is elastic. By mounting a non-porous polymer resin plate having airtightness and airtightness, it is possible to reduce the warpage of the metal plate by the conventional welding for attaching the two metal separator plates to each other, and also the polymer resin plate acts as a gasket between the metal plates to leak between the metal plates. The present invention relates to a separator for a fuel cell that can significantly reduce the generation rate.

Description

Separator for a fuel cell system

도 1은 종래의 연료전지 용 분리판을 도시한 개략도.1 is a schematic view showing a conventional separator for fuel cells.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 용 분리판을 도시한 개략도.2 is a schematic view showing a separator for a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

100 : 애노드측 분리판 200 : 캐소드측 분리판100: anode side separator 200: cathode side separator

300 : 애노드측 기체유로 400 : 냉각수 유로300: anode side gas flow path 400: cooling water flow path

500 : 캐소드측 기체유로 600 : 고분자 수지판500: cathode gas path 600: polymer resin plate

본 발명은 연료전지 용 분리판에 관한 것으로써, 특히, 분리판의 일면에 애노드측 및 캐소드측 기체유로가 형성된 금속판을 기계적인 힘으로 반으로 접어, 접혀진 사이에 냉각수 유로가 형성된 고분자 수지판을 장착하여 제조하는 연료전지 용 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell, and in particular, a metal plate having an anode side and a cathode side gas flow path formed on one surface of the separator plate in half by mechanical force, and a polymer resin plate having a coolant flow path formed therebetween. It relates to a separator for a fuel cell manufactured by mounting.

일반적으로, 연료전지는 연료인 수소와 산화제인 공기 중의 산소의 전기ㆍ화학적 반응에 의하여 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이 다.In general, a fuel cell is an energy conversion device that converts chemical energy into electrical energy by an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel and oxygen in air as an oxidant.

이러한, 연료전지 스택의 구조로써, 한국 공개특허 공개번호 제 2003-0018078호의 공보에 제시되어 있다. 이 공보에 따르면, 연료전지 셀 어셈블리는 전기를 생산하는 단위전지가 적층된 구조로 되어 있고, 각 단위전지는 전극과 막으로 구성된 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, 이하 MEA)와 분리판 등으로 구성된다. 또한, 각 단위전지에는 연료기체인 수소, 산화제인 산소, 냉각을 위한 냉각수가 별도로 공급되는 바, 분리판에 수소 및 산소가 흐를 수 있는 홈 형태의 수소 및 산소 유로가 각각 일면과 그 타면에 형성되어 있고, 그 내부에 냉각수 유로가 형성되어 있다.As a structure of such a fuel cell stack, it is disclosed in Korean Unexamined Patent Publication No. 2003-0018078. According to this publication, a fuel cell assembly has a structure in which unit cells for generating electricity are stacked, and each unit cell includes a membrane-electrode assembly (MEA), a separator, and the like composed of electrodes and membranes. It consists of. In addition, each unit cell is separately supplied with hydrogen as fuel gas, oxygen as oxidant, and cooling water for cooling, and grooves of hydrogen and oxygen flow paths through which hydrogen and oxygen can flow are formed on one side and the other side, respectively. And a cooling water flow path is formed therein.

한편, 연료전지 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는 기본적으로 MEA와 분리판(separator)으로 구성된다. PEMFC의 애노드측에는 가습된 수소 또는 개질 수소를 공급하고, 캐소드측에는 가습된 산소 또는 공기를 공급하여 상온에서부터 90??의 온도범위에서 운전한다. 이 때, 연료전지 효율에 의해 50% 정도는 전기에너지와 물을 생성하고, 나머지는 열로 방출된다.Meanwhile, among the fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) basically consists of a MEA and a separator. Humidified hydrogen or reformed hydrogen is supplied to the anode side of the PEMFC, and humidified oxygen or air is supplied to the cathode side to operate in a temperature range of 90 ° from room temperature. At this time, the fuel cell efficiency generates about 50% of electric energy and water, and the rest is released as heat.

여기에서, 분리판(또는 양극판, bipolar plate)은 PEMFC의 MEA에 가습된 반응기체를 공급하고 생성된 물을 배수하며, 전기화학반응 중에 생성된 전자를 애노드측에서 캐소드측로 운반하는 역할을 한다.Here, a separator (or bipolar plate) supplies a humidified reactor to the MEA of the PEMFC, drains the water generated, and transports electrons generated during the electrochemical reaction from the anode side to the cathode side. .

이러한 역할을 하는 분리판은 도 1에 도시한 바와 같이, 애노드측 기체유로(30)가 형성된 애노드측 분리판(10)과, 캐소드측 기체유로(50)가 형성된 캐소드측 분리판(20)의 2장의 분리판 사이에 연료전지 스택의 운전온도 조절을 위한 냉각수 유로(40)를 형성시키고 이를 합체하여 제조한다. 분리판(10,20)의 소재로는 그라파이트(graphite) 또는 금속(metal) 등이 대표적으로 사용되고 있다. 현재 제조비용절감을 위해서 금속분리판을 사용하는 경우가 많은데 금속 분리판의 경우 금속판에 프레싱(pressing)이나 에칭(etching)방법을 이용하여 제조하고 이를 이용하여 냉각판을 제조할 경우 2장을 용접하거나 접착제를 이용하여 제조한다.As shown in FIG. 1, the separator having such a role includes an anode side separator 10 having an anode side gas passage 30 and a cathode side separator 20 having a cathode side gas passage 50 formed therein. A cooling water flow path 40 for forming an operating temperature of the fuel cell stack is formed between two separation plates and manufactured by incorporating them. Graphite or metal is typically used as the material of the separators 10 and 20. Metal separators are often used to reduce manufacturing costs. In the case of metal separators, they are manufactured by pressing or etching on metal plates, and welding two sheets when manufacturing cold plates using them. Or by using an adhesive.

그러나, 전술한 구성의 분리판은 다음과 같은 문제가 있다.However, the separator of the above-described configuration has the following problems.

기체유로를 프레싱법이나 에칭법에 의하여 형성시킨 금속 분리판 2장을 이용하여 냉각판을 만들 때 용접 또는 접착제를 이용하여 붙여서 제조하게 되는데, 이때 용접법을 이용할 경우 잡착성은 좋으나 열구배에 의한 금속 분리판의 열변형이 일어나 휨 현상이 발생하여 MEA와의 면접착성이 좋지 않아 연료전지의 성능이 낮아지게 된다.When the gas flow path is made by using a metal separation plate formed by pressing or etching method, it is manufactured by attaching it by welding or adhesive when making a cooling plate. Thermal deformation of the plate causes warpage, resulting in poor adhesion to the MEA, resulting in poor fuel cell performance.

또한, 접착제를 이용하여 냉각판을 제조할 경우에는 장기 사용 시 접착제의 열화가 쉽게 일어나 리크(leak) 발생률이 높아 이를 통해 냉각수가 유출되면 연료전지간의 합선이 일어나 연료전지의 성능이 급격히 떨어지게 된다.In addition, when manufacturing the cooling plate using the adhesive, the adhesive deteriorates easily during long-term use, and a high incidence of leaks is generated. Accordingly, when the coolant flows out, short circuits between the fuel cells occur, thereby rapidly deteriorating the performance of the fuel cell.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속 분리판 면에 대해서 기존의 용접에 의한 금속판 휨 현상을 줄일 수 있고, 금속판 사이의 리크 발생률을 상당히 줄일 수 있는 연료전지 용 분리판을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and provides a separation plate for a fuel cell that can reduce the warpage of a metal plate due to conventional welding on a metal separator plate surface and can significantly reduce the incidence of leaks between the metal plates. It is.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 용 분리판은 연료전지 용 분리판에 있어서, 상기 분리판의 일면에 애노드측 및 캐소드측 기체유로가 형성되고, 상기 분리판은 반으로 접히며, 접혀진 사이에 냉각수 유로가 형성된 탄성과 기밀성을 겸비한 비공성 고분자 수지판이 장착된다. 이러한 고분자 수지판이 금속판 사이의 가스켓 역할을 하여 냉각수가 유출되는 것을 방지할 수 있다.In the fuel cell separator of the present invention for achieving the above object, in the fuel cell separator, an anode side and a cathode side gas passage are formed on one surface of the separator plate, and the separator plate is folded in half. A non-porous polymer resin plate having elasticity and airtightness, in which a cooling water flow path is formed between the two, is mounted. The polymer resin plate serves as a gasket between the metal plates to prevent the cooling water from leaking out.

이 구성에 의하면, 금속 분리판 면에 대해서 기존의 용접에 의한 금속판 휨 현상을 줄일 수 있다.According to this structure, the metal plate bending phenomenon by the existing welding with respect to the metal separator plate surface can be reduced.

또한, 금속판 사이의 리크 발생률을 상당히 줄일 수 있다.In addition, the incidence of leaks between the metal plates can be significantly reduced.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 연료전지 용 분리판의 제조 방법에 있어서, 분리판의 일면에 애노드측과 캐소드측 기체유로를 형성시키는 단계; 상기 분리판을 반으로 접는 단계; 상기 접혀진 사이에 냉각수 유로가 형성된 탄성과 기밀성을 겸비한 비공성 고분자 수지판을 장착하는 단계로 이루어진다.According to another embodiment of the present invention, a method of manufacturing a separator for a fuel cell, the method comprising: forming an anode side and a cathode side gas passage on one surface of the separator plate; Folding the separator in half; Comprising the step of mounting the non-porous polymer resin plate having both the elasticity and airtightness formed with the cooling water flow path between the folded.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

참고적으로, 이하에서 설명될 본 발명의 구성들 중 종래기술과 동일한 구성에 대해서는 전술한 종래기술을 참조하기로 하고 별도의 상세한 설명은 생략한다.For reference, among the configurations of the present invention to be described below, the same configuration as the prior art will be referred to the above-described prior art, and a detailed description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지 용 분리판을 도시한 개략도이다.2 is a schematic view showing a separator for a fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 연료전지 용 분리판은 일면에는 애노드측 및 캐소드측 기체유로(300,500)가 형성되어 있다. As shown in FIG. 2, the anode side and cathode side gas passages 300 and 500 are formed on one surface of the separator plate for a fuel cell of this embodiment.

이러한 분리판은 주로 금속 박판(스테인리스 또는 알루미늄)이며, 금속 박판 일면에 프레싱이나 에칭하여 애노드측 및 캐소드측 기체유로(300,500)를 형성시킨다.The separator is mainly a metal thin plate (stainless steel or aluminum), and is pressed or etched on one surface of the metal thin plate to form an anode side and a cathode side gas flow path (300, 500).

이렇게 형성된 분리판을 프레싱하여 반으로 접은 후, 그 사이에 고분자 수지판(600)을 장착시킨다.The separator formed in this way is pressed and folded in half, and then the polymer resin plate 600 is mounted therebetween.

고분자 수지판(600)에는 냉각수 유로(400)가 형성되어 있다.The cooling water flow path 400 is formed in the polymer resin plate 600.

여기서, 분리판의 양면에 프레싱이나 에칭하여 기체유로와 냉각수 유로를 형성시키면, 고분자 수지판에는 냉각수 유로를 형성시키지 않아도 됨은 물론이다.Here, if the gas flow path and the cooling water flow path are formed by pressing or etching on both sides of the separation plate, it is of course not necessary to form the cooling water flow path in the polymer resin plate.

또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 분리판 양면을 에칭하고, 고분자 수지판(600)에도 냉각수 유로(400)를 형성시킬 수 있다.In addition, as shown in FIG. 2, both surfaces of the separation plate may be etched, and the cooling water flow path 400 may also be formed in the polymer resin plate 600.

한편, 상기 기술된 본 발명의 분리판에 형성된 애노드측 및 캐소드측 기체유로(300,500) 및 냉각수 유로(400)와 관련된 작동 메커니즘은 상기 종래기술에서 제시한 한국 공개특허 공개번호 제 2003-0018078호의 공보에 상세하게 기술되어 있으므로, 상기 제시된 공보를 참조하기로 하고 본 발명의 특징적인 작용효과만 한정하여 설명하기로 한다.On the other hand, the operation mechanism associated with the anode side and cathode side gas flow path (300,500) and the cooling water flow path 400 formed in the separator of the present invention described above is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2003-0018078. Since it is described in detail in the above, reference is made to the publications set out above, and only the characteristic working effects of the present invention will be described.

이하, 전술한 구성을 갖는 본 실시예의 작용을 설명한다.The operation of this embodiment having the above-described configuration will be described below.

금속판의 애노드측 기체유로(300)에는 가습된 수소 또는 개질 수소가 통과하고, 캐소드 기체유로(500)에는 가습된 산소 또는 공기가 각각 통과하면서, 연료전지의 MEA에 반응기체와 물을 공급한다.Humidified hydrogen or reformed hydrogen passes through the anode-side gas flow path 300 of the metal plate, and humidified oxygen or air passes through the cathode gas flow path 500, respectively, to supply the reactant body and water to the MEA of the fuel cell.

이렇게, 반응기체와 물을 공급하여, 전기화학반응에 의해 생성된 전자는 애 노드측(100)과 캐소드측(200)으로 전도되고, 과잉의 물은 미반응 기체에 의해 제거되도록 하는 통로를 통과하게 된다.In this way, by supplying the reactor gas and water, electrons generated by the electrochemical reaction are conducted to the anode side 100 and the cathode side 200, and the excess water passes through the passage to be removed by the unreacted gas Done.

한편, 50% 정도의 연료전지 효율 때문에 방출되는 열은 냉각수 유로(400)가 형성된 고분자 수지판(600)에 냉각수가 통과하면서 열교환이 일어나 제거된다.On the other hand, the heat released due to the fuel cell efficiency of about 50% is removed by the heat exchange as the cooling water passes through the polymer resin plate 600, the cooling water flow path 400 is formed.

이렇게, 금속 분리판을 프레싱하여 반을 접어 그 사이에 냉각수 유로(400)가 형성된 탄성과 기밀성을 겸비한 비공성 고분자 수지판(600)을 장착하는 방식으로 제조하기 때문에, 금속 분리판 면에 대해서 기존의 용접에 의한 금속판 휨 현상을 줄일 수 있다.In this way, by pressing the metal separator plate and folding it in half, it is manufactured by mounting the non-porous polymer resin plate 600 having elasticity and airtightness having a cooling water flow path 400 therebetween. The bending of the metal plate due to welding can be reduced.

또한, 1개의 금속판을 반으로 접어 애노드측(100)과 캐소드측(200)으로 사용하고, 그 사이에 냉각수 유로(400)가 형성된 고분자 수지판(600)을 이용하기 때문에, 이러한 고분자 수지판(600)이 금속판 사이의 가스켓 역할을 하여 냉각수가 유출되는 것을 방지할 수 있어서 금속판 사이의 리크(leak) 발생률을 상당히 줄일 수 있다.In addition, since one polymer plate is folded in half to be used as the anode side 100 and the cathode side 200, and the polymer resin plate 600 having the cooling water flow path 400 formed therebetween, such a polymer resin plate ( 600 may serve as a gasket between the metal plates to prevent the coolant from leaking, thereby significantly reducing the leak rate between the metal plates.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.As described above, although described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art various modifications of the present invention without departing from the spirit and scope of the invention described in the claims below. Or it may be modified.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 연료전지 용 분리판에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다. According to the separator for a fuel cell of the present invention as described above, there are the following effects.

분리판의 일면에 애노드측 및 캐소드 기체유로가 형성되고, 이 분리판은 반으로 접히며, 접혀진 사이에 냉각수 유로가 형성되도록 고분자 수지판이 장착됨으로써, 금속 분리판 면에 대해서 기존의 용접에 의한 금속판 휨 현상을 줄일 수 있다.An anode side and a cathode gas flow path are formed on one side of the separation plate, and the separation plate is folded in half, and a polymer resin plate is mounted to form a cooling water flow path between the folded plates. The warpage phenomenon can be reduced.

또한, 1개의 금속판을 반으로 접어 애노드측과 캐소드측으로 사용하고, 그 사이에 냉각수 유로가 형성된 탄성과 기밀성을 겸비한 비공성 고분자 수지판을 이용하기 때문에, 이러한 고분자 수지판이 금속판 사이의 가스켓 역할을 하여 금속판 사이의 리크 발생률을 상당히 줄일 수 있다.In addition, since one metal plate is folded in half and used as an anode side and a cathode side, and a nonporous polymer resin plate having elasticity and airtightness having a cooling water flow path therebetween is used, such a polymer resin plate serves as a gasket between the metal plates. The incidence of leaks between the metal plates can be significantly reduced.

Claims

In the separator for fuel cell,

An anode side and a cathode side gas flow path are formed on one surface of the separation plate,

The separator plate is folded in half, the separator plate for fuel cells, characterized in that the non-porous polymer resin plate having a elasticity and airtightness is formed between the folded and the cooling water flow path.

In the method of manufacturing a separator for a fuel cell,

Forming an anode side and a cathode side gas passage on one surface of the separation plate;

Folding the separator in half;

A method of manufacturing a separator for a fuel cell, characterized in that the step of mounting a non-porous polymer resin plate having both elasticity and airtightness formed with a cooling water flow path between the folded.