KR20060101512A - 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법 - Google Patents

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KR20060101512A
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Abstract

본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법은 소정 크기의 플레이트와, 상기기 플레이트의 양쪽면에 소정의 면적과 깊이를 갖는 안착홈과, 소정 형상의 망으로 형성되어 상기 안착홈에 장착되는 유체 안내망과, 상기 플레이트에 상기 안착홈과 연통되게 형성되어 유체가 유입되는 유입유로와, 상기 플레이트에 상기 안착홈과 연통되게 형성되어 유체가 유출되는 유출유로를 포함하여 구성되고, 또한 바이폴라 플레이트가 특수한 금형 및 가공법에 의해 제작되어, 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배가 균일하게 됨은 물론 유동 저항이 감소되고, 또한 엠이에이와의 반응 유효 면적 및 확산층이 증가되며, 제작이 간단하고 수월하게 될 수 있도록 한 것이다.

Description

연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법{BIPOLAR PLATE OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHODE THEREOF}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로서, 특히 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배를 균일하게 함은 물론 유동 저항을 감소시키고 제작을 간단하게 할 수 있도록 한 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 환경 친화적인 에너지로 기존의 화석 연료를 대체하기 위하여 개발이 진행되고 있다. 상기 연료전지의 기본 구성은, 도 1에 도시한 바와 같이, 전기 화학적 반응이 일어나는 단위 전지(101)가 한 개 또는 한 개 이상으로 결합되는 스택(100)과, 그 스택(100)에 연료가 공급되도록 연결되는 연료 공급유로(200)와, 상기 스택(100)에 공기가 공급되도록 연결되는 공기 공급유로(300)와, 상기 스택(100)에서 반응을 거친 연료와 공기의 부산물이 각각 배출되는 배출라인(400)(500)들을 포함하여 구성된다. 상기 단위 전지(101)는 연료가 유입되는 연료극(ANODE)(도시되지 않음)과, 공기가 유입되는 공기극(CATHODE)(도시되지 않음) 등을 포함하여 구성된다.
이와 같은 연료전지의 작동은 다음과 같다.
먼저, 연료와 공기가 상기 연료 공급유로(200)와 공기 공급유로(300)를 통해 스택(100)의 연료극과 공기극에 각각 공급된다. 상기 연료극에 공급된 연료는 그 연료극에서 전기 화학적 산화 반응이 일어나면서 양이온과 전자 e- 로 이온화되고 그 이온화된 양이온은 전해질을 통해 공기극으로 이동하게 되며 그 전자는 연료극을 통해 이동하게 된다. 상기 공기극으로 이동한 양이온은 그 공기극측으로 공급되는 산소와 전기 화학적 환원 반응을 일으키면서 반응열과 물 등의 부산물을 발생시키게 된다. 이 과정에서 전자의 이동으로 전기에너지가 발생된다. 상기 연료극에서 반응을 거친 연료와 상기 공기극에서 발생되는 물 및 기타 부산물은 상기 배출라인(400)(500)을 통해 각각 배출된다.
이와 같은 연료전지는 사용되는 전해질과 연료 등에 따라 다양한 형태로 분류된다.
한편, 상기 연료전지의 스택(100)을 구성하는 단위 전지는, 도 2에 도시한 바와 같이, 내부에 공기 또는 연료가 유동하는 오픈된 채널(11)이 형성된 두개의 바이폴라 플레이트(10)와 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성되어 상기 두개의 바이폴라 플레이트(10)사이에 위치하는 엠이에이(M.E.A; Membrame Electrode Assembly)(20)로 구성된다. 상기 두개의 바이폴라 플레이트(10)와 그 사이에 위치하는 엠이에이(20)는 별도의 체결수단(30)(31)에 의해 결합된다. 상기 바이폴라 플레이트(10)의 일측 채널(11)과 상기 엠이에이(20)의 한 쪽면에 의해 형성되는 유로는 연료극을 형성하게 되고 그 연료극의 유로를 통해 연료가 유동하면서 산화 반응이 일어나게 된다. 그리고 다른 바이폴라 플레이트(10)의 일측 채널(11)과 상기 엠 이에이(20)의 다른 한 쪽면에 의해 형성되는 유로는 공기극을 형성하게 되고 그 공기극의 유로를 통해 공기가 유동하면서 환원 반응이 일어나게 된다.
상기 바이폴라 플레이트(10)의 형태, 특히 채널(11)의 형상은 연료 및 공기의 유동시 발생되는 접촉 저항과 유량 분배 등에 영향을 미치게 되며 그 접촉 저항과 유량 분배는 전력 효율에 영향을 미치게 된다. 그리고 상기 바이폴라 플레이트(10)들은 가공을 쉽게 하고 대량 생산이 가능하도록 같은 형태로 형성된다.
종래 기술에 따른 바이폴라 플레이트의 구조는, 제3 도에 도시한 바와 같이, 일정 두께와 사각 형태의 면적을 갖는 플레이트(12)의 모서리에 관통구멍(13)(14)(15)(16)이 각각 형성되어 있다.
*그리고 상기 플레이트(12)의 한 쪽면에 하나의 관통구멍(13)에서 그 관통구멍(13)과 대각선 상에 위치하는 다른 관통구멍(16)을 연결하는 다수개의 채널(11)이 형성되어 있다. 상기 채널(11)은 지그재그 형태로 형성되며 그 단면 형상은, 도 4에 도시한 바와 같이, 일정 폭과 깊이를 갖는 한 쪽이 오픈된 형태로 형성되어 있다. 그리고 상기 플레이트(12)의 다른 한 쪽면에 다른 대각선 상에 있는 두개의 관통구멍(14)(16)을 연결하는 다수개의 채널(11)이 형성되어 있고 그 채널(11)들은 반대 쪽에 형성된 채널(11)들과 같은 형태로 형성되어 있다.
이와 같은 구조의 작용은 다음과 같다. 먼저, 연료와 공기가 한 쪽의 관통구멍(13)(14)으로 각각 유입되고 그 관통구멍(13)(14)으로 각각 유입되는 연료와 공기가 양쪽 채널(11)로 유입된다. 상기 각 채널(11)들로 유입된 연료 또는 공기는 그 채널(11)들을 따라 지그재그로 유동하게 되고 그 채널(11)들을 따라 각각 유동하는 연료와 공기는 반대편 관통구멍(15)(16)을 통해 유출된다. 이와 같은 과정을 거치면서, 연료가 흐르는 쪽의 엠이에이(20)(도2 참조)에서 산화 반응이 일어나고 이와 동시에 공기가 흐르는 엠이에이(20)에서 환원 방응이 일어나게 된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 바이폴라 플레이트는 연료와 공기가 유동하는 채널(11)들의 형상이 지그재그 형태로 형성되어 있어 유량이 어느 정도 균일하게 분배되는 면이 있으나, 연료와 공기가 흐르는 유로가 복잡하고 길게 됨으로써 유동 저항이 커 연료와 공기를 유동시키는 압력 손실이 크게 되고, 또한 제작 시 가공이 복잡하고 곤란하여(어려워) 제작 단가가 비싼 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배를 균일하게 함은 물론 유동 저항을 감소시키고, 또한 제작을 간단하게 할 수 있도록 한 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트와, 상기 플레이트의 양쪽면에 소정의 폭과 길이와 깊이를 갖는 안착홈과, 소정 형상의 망으로 형성되어 상기 안착홈에 장착되는 유체 안내망과, 상기 플레이트에 상기 안착홈과 연통되도록 형성되어 유체가 유입되는 유입유로와, 상기 플레이트에 상기 안착홈과 연통되도록 형성되어 유체가 유출되는 유출유로를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트가 제공된다.
또한, 양쪽면에 소정의 면적과 깊이를 갖는 안착홈이 형성되고 그 안착홈내에 망 형상으로 돌출된 지지망에 의한 내부 유로가 형성된 플레이트가 가공될 수 있는 금형이 제작되는 단계와, 상기 금형으로 플레이트를 성형하는 단계와, 상기 플레이트에 상기 지지망이 형성된 안착홈으로 유체가 유입되도록 유입유로가 가공되는 단계와, 상기 플레이트에 그 안착홈으로 유입된 유체가 유출되도록 유출유로가 가공되는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법이 제공된다.
또한, 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트와, 상기 플레이트의 양쪽면의 소정 영역에 걸쳐 다수개의 격자 홈들이 형성됨에 의해 격자 돌기 형상들이 형성된 유로영역과, 상기 플레이트의 일측에 상기 유로영역의 격자 홈들사이와 연통되도록 형성되어 유체가 유입되는 유입유로와, 상기 플레이트의 일측에 상기 유로영역의 격자 홈들사이를 거친 유체가 유출되는 유출유로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트가 제공된다.
또한, 일정 두께와 면적을 갖는 플레이트가 제작되는 제1 단계와, 상기 플레이트의 양쪽면에 격자 돌기들에 의해 격자 홈들이 형성되도록 기계 가공이 되는 제2 단계와, 상기 플레이트에 상기 격자 홈들과 연통되도록 유입유로 및 유출유로가 가공되는 제3 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법이 제공된다.
또한, 일정 두께와 면적을 가지며 그 가운데의 일정 영역에 일정 폭과 길이를 갖도록 프레싱되어 양쪽면으로 형성된 다수개의 산과 골로 이루어진 다수개의 유로가 구비된 플레이트와; 상기 플레이트의 양쪽면 테두리에 각각 부착되어 상기 플레이트의 유로들과 함께 내부 유로를 형성함과 아울러 그 유로들로 유체가 유입되고 유출되는 유입 유로 및 유출 유로를 형성하는 실링부재를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트가 제공된다.
또한, 플레이트를 일정 크기로 절단하는 제1 단계와, 그 절단된 플레이트의 양쪽면에 유체가 흐르는 다수개의 유로가 형성되게 프레스 가공되는 제2 단계와, 상기 프레스 가공된 플레이트의 테두리에 실링부재가 결합되는 제3 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법이 제공된다.
도 1은 종래 연료전지 시스템을 도시한 구성도.
도 2는 종래 연료전지 스택의 일부분을 분해하여 도시한 사시도.
도 3은 종래 연료전지의 바이폴라 플레이트를 도시한 평면도.
도 4는 도 3의 AB 단면도.
도 5는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제1 실시예를 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제1 실시예를 부분 분해하여 도시한 사시도.
도 7은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제작방법의 제1 실시예를 도시한 순서.
도 8은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제1 실시예가 포함된 스택의 분해 사시도.
도 9는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제1 실시예의 작용상태를 도시한 평면도.
도 10,11은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제2 실시예를 도시한 평면도 및 정단면도.
도 12는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제2 실시예를 도시한 순서도.
도 13은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제2 실시예의 작용상태를 도시한 평면도.
도 14,15는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제3 실시예를 도시한 평면도와 단면도.
도 16은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제3 실시예를 도시한 순서도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>(번역시 생략)
40,50,60 ; 플레이트 41 ; 안착홈
42 ; 유체 안내망 43,54,63 : 유입유로
44,55,64 ; 유출유로 51 : 격자 홈
52 ; 격자 돌기 53 ; 유로영역
65 ; 실링부재 62a; 유입 완충유로
62b; 유출 완충유로 62c; 연결유로
[발명의 실시를 위한 최선의 형태]
이하, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트를 첨부도면에 도시된 실시예들에 의거하여 상세하게 설명한다.
먼저, 본 발명 연료전지의 바이폴라 플레이트의 제1 실시예를 설명한다.
도 5는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제1 실시예를 도시한 평면도이고, 도 6은 부분 분해 사시도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트는 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트(40)와, 상기 플레이트(40)의 양쪽면에 소정의 폭과 길이와 깊이를 갖는 안착홈(41)과, 소정 형상의 망으로 형성되어 상기 안착홈(41)에 장착되는 유체 안내망(42)과, 상기 플레이트(40)에 상기 안착홈(41)과 연통되도록 형성되어 유체가 유입되는 유입유로(43)와, 상기 플레이트(40)에 상기 안착홈(41)과 연통되도록 형성되어 유체가 유출되는 유출유로(44)를 포함하여 구성된다.
상기 플레이트(40)는 일정 두께를 갖는 사각 형태로 형성되며 그 사각 형태의 플레이트(40) 양쪽면에 안착홈(41)이 각각 형성되고 그 안착홈(41)은 일정 깊이를 갖는 사각 형태로 형성된다. 상기 플레이트(40)는 스테인레스 재질이다. 상기 플레이트(40) 및 안착홈(41)은 사각 형태 이외의 형태로 형성될 수 있다.
상기 유체 안내망(42)은 상기 플레이트의 안착홈(41)에 삽입되도록 그 안착홈(41)의 면적보다 작은 사각 형태의 망으로 형성되며, 그 두께는 상기 안착홈(41) 의 깊이보다 작거나 같게 형성된다.
상기 유입유로(43)는 한 개 또는 한 개 이상의 관통구멍으로 형성되며 상기 플레이트(40)의 옆면 일측에 형성된다. 상기 유출유로(44)는 한 개 또는 한 개 이상의 관통구멍으로 형성되며 상기 유입유로(43)가 위치하는 반대편 옆면에 위치하게 되고 그 유입유로(43)의 대각선에 위치하게 형성된다.
이어, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법의 제1 실시예를 설명한다.
도 7은 본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법의 제1 실시예를 도시한 순서도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법은 먼저, 양쪽면에 소정의 면적과 깊이를 갖는 안착홈이 형성되고 그 안착홈내에 망 형상으로 돌출된 지지망에 의한 내부 유로가 형성된 플레이트가 가공될 수 있는 금형이 제작된다. 이어, 상기 금형으로 플레이트가 성형되는 단계가 진행된다. 이때, 상기 플레이트는 일정 두께를 갖는 사각 형태의 양면에 일정 깊이를 갖는 사각 형태의 안착홈이 형성되고 그 안착홈 내에 유로가 형성되도록 망 형상으로 돌출된 지지망이 형성된다. 상기 지지망은 다양한 형태로 변형시킬 수 있다.
그 다음 상기 플레이트에 상기 지지망이 형성된 안착홈으로 유체가 유입되도록 유입유로가 가공되는 단계가 진행되고 이어 상기 플레이트에 그 안착홈으로 유입된 유체가 유출되도록 유출유로가 가공되는 단계가 진행된다. 상기 유입유로와 유출유로는 한 개 또는 한 개 이상의 관통구멍 또는 오픈된 홈 형태로 가공된다.
*이하, 본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트의 제1 실시예 및 그 제작방법의 제1 실시예에 대한 작용을 설명한다.
먼저, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트들은 연료전지의 스택을 구성하게 된다. 즉, 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 바이폴라 플레이트(BP)사이에 엠이에이(M)가 각각 위치한 상태에서 그 바이폴라 플레이트(BP)들과 엠이에이(M)들이 결합수단(미도시)에 의해 결합되어 연료전지의 스택을 구성된다. 이때, 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성된 안착홈(41) 및 그 내부에 위치하는 유체 안내망(42)과 상기 엠이에이(M)의 한 쪽면에 의해 연료가 유동하는 유로를 형성하게 되고, 그 엠이에이(M)의 다른 한 쪽면과 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 대면되는 다른 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성되는 안착홈(41)과 그 내부에 위치하는 유체 안내망(42)에 의해 공기가 유동하는 유로를 형성하게 된다.
상기 구조에서, 연료가 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 유입유로(43)로 유입되면, 도 9에 도시한 바와 같이, 그 유입유로(43)로 유입되는 연료는 안착홈(41)으로 유입된다. 그리고 상기 안착홈(41)으로 유입된 연료는 그 안착홈(41)내에 위치하는 유로 안내망(42)에 의해 안착홈(41) 전체로 퍼지면서 유동하게 되고 그 연료는 상기 유출유로(44)를 통해 외부로 유출된다.
상기 과정에서, 안착홈(41)내에 위치하는 유체 안내망(42)이 그 안착홈(41)내로 유입되는 연료를 전체적으로 퍼지도록 안내 유로 역할을 하게 될 뿐만 아니라 유속을 적절히 조절하게 되어 확산층 역할을 하게 된다. 이때, 상기 유체 안내망(42)의 조밀도(Mesh size)에 의해 분배 및 압력을 조절할 수 있다. 한편, 상기 유체 안내망(42)이 망으로 형성되어 바이폴라 플레이트(BP)와 접촉되는 엠이에이(M)와의 접촉 면적을 상대적으로 줄이게 되어 연료와 엠이에이(M)와의 유효 접촉 면적이 증가된다.
또한, 공기도 상기한 바와 같은 과정을 거쳐 유동하게 된다.
본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법은 금형으로 플레이트를 대량으로 제작이 가능하게 된다. 즉, 위에서 설명한 망 형상의 지지망이 구비된 플레이트를 금형으로 생산하고 그 후가공으로 유입유로 및 유출유로를 가공하여 바이폴라 플레이트를 제작하게 되어 제작이 간단하고 수월하게 된다.
다음, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제2 실시예를 설명한다.
도 10은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제2 실시예를 도시한 평면도이고, 도 11은 정단면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트는 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트(50)와, 상기 플레이트(50)의 양쪽면의 소정 영역에 걸쳐 다수개의 격자 홈(51)들이 형성됨에 의해 격자 돌기(52)들이 형성된 유로영역(53)과, 상기 플레이트(50)의 일측에 상기 유로영역(53)의 격자 홈(51)들사이와 연통되도록 형성되어 유체가 유입되는 유입유로(54)와, 상기 플레이트(50)의 일측에 상기 유로영역(53)의 격자 홈(51)들사이를 거친 유체가 유출되는 유출유로(55)를 포함하여 구성된다.
상기 플레이트(50)는 일정 두께를 갖는 사각 형태로 형성된다. 상기 유로영역(53)은 상기 플레이트(50)의 양쪽면에 사각 형태의 면적을 갖게 각각 형성된다. 상기 플레이트(50) 및 유로영역(53)은 사각 형태 이외의 형태로 형성될 수 있다.
상기 격자 돌기(52)들은 사각뿔 형상으로 형성되며 그 사각뿔 형상의 격자 돌기(52)들에 의해 그사이에 격자 홈(51)들이 각각 형성된다. 상기 격자 돌기(52)들은 삼각뿔 형상으로 형성될 수 있다.
상기 격자 돌기(52)들은 규칙적으로 배열된다. 다른 변형된 형태로 상기 격자 돌기(52)들이 불규칙적으로 배열될 수 있다.
상기 유입유로(54)와 유출유로(55)는 상기 플레이트(50)의 일측에 일정 폭과 깊이를 갖는 오픈된 형태로 각각 형성된다. 또한 상기 유입유로(54)와 유출유로(55)는 한 개 또는 한 개 이상의 관통구멍으로 형성될 수 있다.
본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트는 스테인레스 재질이다.
이어, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제2 실시예를 설명한다.
도 12는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제2 실시예를 도시한 순서도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법은 먼저, 일정 두께와 면적을 갖는 플레이트가 제작되는 제1 단계가 진행된다. 그리고 상기 플레이트의 양쪽면에 격자 돌기들에 의해 격자 홈들이 형성되도록 기계 가공이 되는 제2 단계가 진행된다. 상기 제2 단계는 상기 플레이트의 양쪽면에 각각 격 자 돌기들이 형성되도록 스크래칭되는 단계와, 상기 스크래칭된 플레이트의 양쪽면이 그라인딩되는 단계를 포함하여 진행된다. 상기 스크래칭에 의해 형성되는 격자 돌기들은 사각뿔 형상이며, 그 사각뿔 형상 이외의 형상으로 형성될 수 있다. 상기 스크래칭에 의해 격자 돌기들 사이에 격자 홈들이 형성되며 그 격자 홈들은 유체가 유동하는 유로를 형성하게 된다. 상기 그라인딩은 스크래칭 후 발생되는 버(BURR)를 제거할 뿐만 아니라 날카로운 격자 돌기들 끝을 완만하게 가공하게 된다.
그리고 상기 플레이트에 상기 격자 홈들과 연통되도록 유입유로 및 유출유로가 가공되는 제3 단계가 포함되어 진행된다.
이하, 본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트의 제2 실시예 및 그 제작방법의 제2 실시예의 작용을 설명한다.
본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트들은 상기 제1 실시예에서 설명한 바와 같이 연료전지의 스택을 구성하게 된다. 이때, 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성된 유로영역(53)과 엠이에이(M)의 한 쪽면에 의해 연료가 유동하는 유로를 형성하게 되고, 그 엠이에이(M)의 다른 한 쪽면과 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 대면되는 다른 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성되는 유로영역(53)에 의해 공기가 유동하는 유로를 형성하게 된다.
상기 구조에서, 연료가 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 유입유로(54)로 유입되면, 도 13에 도시한 바와 같이, 그 유입유로(54)로 유입되는 연료는 유로영역(53)을 형성하는 격자 홈(51)들에 의해 형성되는 유로를 통해 유로영역(53) 전체를 통해 유동하게 되고 그 연료는 상기 유출유로(55)를 통해 외부로 유출된다.
상기 과정에서, 유로영역(53)에 형성된 격자 돌기(52)들에 의해 형성된 격자 홈(51)에 의해 작고 균일한 유로 망(flow path net)이 형성되어 연료가 전체적으로 퍼지게 하는 역할을 하게 될 뿐만 아니라 확산층 역할을 하게 된다. 이때, 상기 유로영역(53)에 형성된 격자 돌기(52)들에 의해 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 접촉되는 엠이에이(M)와의 접촉면적을 상대적으로 줄이게 되어 연료와 엠이에이(M)와의 유효 접촉 면적이 증가된다.
또한, 공기도 상기한 바와 같은 과정을 거쳐 유동하게 된다.
본 발명의 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법은 일정 두께와 사각형태를 갖는 플레이트의 양쪽면에 롤러 등으로 기계 가공되고 유입유로와 유출유로가 가공되어 제작되므로 제작이 간단하고 수월하게 된다.
도 14는 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트의 제3 실시예를 도시한 평면도이고, 도 15는 정단면도이다.
이에 도시한 바와 같이, 상기 연료전지의 바이폴라 플레이트는 일정 두께와 면적을 가지며 그 가운데의 일정 영역에 일정 폭과 길이를 갖도록 프레싱되어 양쪽면으로 형성된 다수개의 산과 골로 이루어진 다수개의 유로(61)가 구비된 플레이트(60)와, 상기 플레이트(60)의 양쪽면 테두리에 각각 부착되어 상기 플레이트의 유로(61)들과 함께 유로(62a)(62b)(62c)를 형성함과 아울러 그 유로(61)(62a)(62b)(62c)들로 유체가 유입되고 유출되는 유입 유로(63) 및 유출 유로(64)를 형성하는 실링부재(65)로 구성된다.
상기 플레이트(60)는 사각 형태의 박판으로 형성되며, 그 사각 박판의 내부 일정 영역에 유로(61)들이 형성된다. 상기 유로(61)들은 그 플레이트(60)의 양쪽면에 산과 골 형태로 형성되며 또한 일정 간격을 두고 형성된다. 상기 유로(61)들은 플레이트(60)를 프레싱함에 의해 그 플레이트(60)의 양쪽면에 각각 형성되며 그 유로(61)들의 깊이는 일정하게 형성된다.
상기 실링부재(65)는 일정 폭을 갖는 사각 형태로 형성되며 그 두께는 상기 유로(61)를 형성하는 산의 높이와 같게 형성되고 크기는 상기 플레이트(60)의 크기와 같게 형성된다. 상기 유로를 형성하는 산과 산의 높이는 2.5mm 정도 된다.
상기 실링부재(65)의 일측에 유체가 유입되는 유입유로(63)가 형성되고 그 맞은 편에 유체가 유출되는 유출유로(64)가 형성된다.
상기 실링부재(65)에 의해 형성되는 내부 유로는 상기 플레이트의 유로(61)들로 유체를 분배하는 유입 완충 유로(62a)와, 상기 플레이트의 유로(61)들을 거친 유체가 모여 상기 유출유로(64)로 흐르는 유출 완충유로(62b)와, 상기 유입 완충유로(62a)와 유출 완충유로(62b)를 연결하는 연결 유로(62c)로 이루어진다.
이어, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제3 실시예를 설명한다.
도 16은 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법의 제3 실시예를 도시한 순서도이다.
이에 도시한 바와 같이, 본 발명의 연료전지 바이폴라 플레이트 제작방법은 일정 두께와 면적을 갖는 금속판을 일정 크기로 절단하여 기본 플레이트(60)를 제작하는 단계가 진행되고 그 기본 플레이트(60)의 양쪽면에 유체가 흐르는 다수개의 유로(61)가 형성되게 프레스 가공되는 단계가 진행된다. 상기 기본 금속판(60)은 사각 형태로 형성된다.
상기 기본 플레이트의 유로(61)들은 일정 길이를 갖는 직선 형태로 가공되며 그 유로(61)에 의해 형성되는 산의 높이는 일정하다. 상기 기본 플레이트(60)의 유로 단면은 파형이나 사각형 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
상기 프레스 가공된 기본 플레이트(60)의 테두리에 실링부재(65)가 결합되는 제3 단계가 진행된다. 상기 실링부재(65)는 일정 폭과 두께를 갖는 사각 형태의 링 형상으로 형성되며 그 실링부재(65)가 상기 기본 플레이트(60)의 가장 자리에 결합되어 그 기본 플레이트(60)의 내측을 감싸 내부에 유로(62a)(62b)(62c)가 형성된다. 상기 실링부재에 유입유로(63) 및 유출유로(64)가 형성된다. 상기 유입유로(63)와 유출유로(64)는 실링부재(65)의 일부를 절개하여 형성될 수 있다.
이하, 상기 연료전지의 바이폴라 플레이트와 그 제작방법의 작용을 설명한다.
상기 연료전지 바이폴라 플레이트들은 제1 실시예에서 설명한 바와 같이, 연료전지의 스택을 구성하게 된다. 이때, 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성된 직선 유로(61)의 골들과 엠이에이(M)의 한 쪽면에 의해 연료가 유동하는 유로를 형성하게 되고, 그 엠이에이(M)의 다른 한 쪽면과 상기 바이폴라 플레이트(BP)와 대면되는 다른 바이폴라 플레이트(BP)의 한 쪽면에 형성된 직선 유로(61)의 골들에 의해 공기가 유동하는 유로를 형성하게 된다.
상기 구조에서, 연료가 상기 바이폴라 플레이트(BP)의 유입유로(63)로 유입 되면 그 유입유로(63)로 유입되는 연료는 유로들, 즉 유입 완충유로(62a), 연결 유로(62c) 및 유로(61) 그리고 유출 완충유로(62b)을 통해 유동하게 되고 그 연료는 상기 유출유로(64)를 통해 외부로 유출된다. 또한, 공기도 상기한 바와 같은 과정을 거쳐 유동하게 된다.
그리고 본 발명은 금속판을 프레스 가공하여 제작하게 되어 제작이 간단하고 간편하게 된다. 아울러 바이폴라 플레이트의 두께를 감소시키게 되어 스택의 크기 및 무게를 경감시키게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 그 제작방법은 연료전지의 연료극과 공기극을 각각 흐르는 연료와 공기의 유량 분배가 균일하게 됨은 물론 엠이에이와의 반응 유효 면적이 증가되고 확산층이 커지게 되어 전력 효율을 높이게 되며, 연료와 공기의 유동 저항이 감소되어 그 연료와 공기의 유동을 발생시키는 압력의 손실, 즉 펌핑력을 줄이게 되며, 제작이 간단하고 수월하게 되어 제작 단가가 대폭 감소됨은 물론 대량생산이 가능하게 되는 효과가 있다.

Claims (20)

  1. 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트(40)와;
    상기 플레이트(40)의 양쪽면에 소정의 폭과 길이와 깊이를 갖는 안착홈(41)과;
    소정 형상의 망으로 형성되어 상기 안착홈(41)에 장착되는 유체 안내망(42)과;
    상기 플레이트(40)에 상기 안착홈(41)과 연통되게 형성되어 유체가 유입되는 유입유로(43)와;
    상기 플레이트(40)에 상기 안착홈(41)과 연통되게 형성되어 유체가 유출되는 유출유로(44)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 안착홈(41)은 사각 형태로 형성되고 상기 유체 안내망(42)은 상기 안착홈(41)의 크기 보다 작거나 같은 사각 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 안내망(42)의 두께는 상기 안착홈(41)의 깊이보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 유입유로(43)와 유출유로(44)는 한 개 또는 한 개 이상의 관통구멍으로 형성되며 상기 플레이트의 옆면에 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라 플레이트.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 유입유로(43)와 유출유로(44)는 서로 대각선 방향에 각각 위치하게 되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트(40)는 스테인레스 재질인 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  7. 양쪽면에 소정의 면적과 깊이를 갖는 안착홈이 형성되고 그 안착홈내에 망 형상으로 돌출된 지지망에 의한 내부 유로가 형성된 플레이트가 가공될 수 있는 금형이 제작되는 단계와;
    상기 금형으로 플레이트를 성형하는 단계와;
    상기 플레이트에 상기 지지망이 형성된 안착홈으로 유체가 유입되도록 유입유로가 가공되는 단계와;
    상기 플레이트에 그 안착홈으로 유입된 유체가 유출되도록 유출유로가 가공되는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  8. 소정의 두께와 면적을 갖도록 형성된 플레이트(50)와;
    상기 플레이트(50)의 양쪽면의 소정 영역에 걸쳐 다수개의 격자 홈(51)들이 형성됨에 의해 격자 돌기(52) 형상들이 형성된 유로영역(53)과;
    상기 플레이트(50)의 일측에 상기 유로영역(53)의 격자 홈(51)들사이와 연통되도록 형성되어 유체가 유입되는 유입유로(54)와;
    상기 플레이트(50)의 일측에 상기 유로영역(53)의 격자 홈(51)들사이를 거친 유체가 유출되는 유출유로(55)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 격자 돌기(52)들은 사각뿔 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 격자 돌기(52)들은 규칙적으로 배열된 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 유입유로(54)와 유출유로(55)는 상기 플레이트(50)의 일측에 일정 폭과 깊이를 갖는 오픈된 형태로 각각 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  12. 제 8 항에 있어서, 상기 플레이트(50)는 스테인레스 재질인 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  13. 일정 두께와 면적을 갖는 플레이트가 제작되는 제1 단계와;
    상기 플레이트의 양쪽면에 격자 돌기 형상들에 의해 격자 홈들이 형성되도록 기계 가공이 되는 제2 단계와;
    상기 플레이트에 상기 격자 홈들과 연통되도록 유입유로 및 유출유로가 가공되는 제3 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 단계는 상기 플레이트의 양쪽면에 각각 격자 돌기들이 형성되도록 스크래칭되는 단계와, 상기 스크래칭된 플레이트의 양쪽면이 그라인딩되는 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  15. 일정 두께와 면적을 가지며 그 가운데의 일정 영역에 일정 폭과 길이를 갖도록 프레싱되어 양쪽면으로 형성된 다수개의 산과 골로 이루어진 다수개의 유로(61)가 구비된 플레이트(60)와; 상기 플레이트(60)의 양쪽면 테두리에 각각 부착되어 상기 플레이트의 유로(61)들과 함께 내부 유로를 형성함과 아울러 그 유로들로 유체가 유입되고 유출되는 유입 유로(63) 및 유출 유로(64)를 형성하는 실링부재(65)를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 내부 유로는 상기 플레이트의 유로들로 유체를 분배하는 유입 완충 유로(62a)와, 상기 플레이트의 유로(61)들을 거친 유체가 모여 상기 유출 유로(64)로 흐르는 유출 완충유로(62b)와, 상기 유입 완충유로(62a)와 유출 완충유로(62b)를 연결하는 연결 유로(62c)로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  17. 플레이트를 일정 크기로 절단하는 제1 단계와;
    그 절단된 플레이트의 양쪽면에 유체가 흐르는 다수개의 유로가 형성되게 프레스 가공되는 제2 단계와;
    상기 프레스 가공된 플레이트의 테두리에 실링부재가 결합되는 제3 단계를 포함하여 진행됨을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 제2 단계에서 상기 유로들에 의해 형성되는 산의 높이는 일정하게 형성되게 가공되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  19. 제 17 항에 있어서, 상기 제2 단계에서 상기 유로들은 일정 길이를 갖는 직선 형태로 가공된 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 제3 단계에서 상기 실링부재(65)는 플레이트(60)의 내측에 유로를 형성하게 내부를 감싸도록 결합된 것을 특징으로 연료전지의 바이폴라 플레이트 제작방법.
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