KR20070116144A - 폴리머 막 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

쌍극 플레이트(1)는 가스들 중 하나를 위한 제1 분배 채널(111)을 형성하는 홈을 제1 면에 포함하며, 가스들 중 다른 가스를 위한 제2 분배 채널을 형성하는 홈을 제2 면에 포함하고, 그 두께 내에 냉각제의 순환을 위한 내부 채널(122)을 포함하고, 상기 플레이트는 비도전성이며 화학적으로 불활성인 표면을 가지는 구조적 지지체로부터 형성되고, 상기 플레이트는 두께 전체를 관통하며 상기 작업 섹션에서 상기 제1 면과 제2 면 각각을 통해 양 측면에서 돌출되는 핀(10)을 포함하며, 핀은 상기 플레이트의 전체 작업 섹션 상에 분포되어 있다.
쌍극 플레이트, 가스, 분배 채널, 비도전성, 불활성, 작업 섹션

Description

폴리머 막 연료 전지 {Polymer Membrane Fuel Cell}
본 발명은 폴리머 막 연료 전지에 관한 것이다. 특히, 각각의 개별 전기화학 셀 유닛과 다양한 전기화학 셀 유닛 적층체의 양 측면에 설치된 단부 플레이트 사이에 설치된 쌍극 플레이트에 관한 것이다.
연료 전지에 사용된 쌍극 플레이트는 두 개의 매우 다른 기능을 수행한다. 전지에 연료 가스와 산화제 가스, 즉 수소와 공기나 순수한 산소를 공급하는 것이 필요하며, 또한 전지를 냉각시키는 것, 즉 물인 냉각제를 통과시키는 것이 필요하다는 것은 이미 공지된 사항이다. 쌍극 플레이트의 기능 중 하나는 연료 전지의 작동에 필요한 다양한 유체를 이송시키도록 하는 것이다. 또한, 쌍극 플레이트는 전기적 기능도 수행하는데, 즉 양극과 각각의 인접 전기화학 셀 유닛의 양극과 음극 사이에 도전성을 보장한다. 실제로, 연료 전지는 많은 개수의 개별 전기화학 셀 유닛을 직렬로 조립하여 형성되며, 전지의 공칭 전압은 필요한 개수의 개별의 전기화학 셀 유닛을 전기적으로 직렬 연결하여 얻어진다.
이러한 다양한 기능, 즉 유체를 이송하고 전기를 전도시키는 기능으로부터 이러한 쌍극 플레이트를 제조하는데 사용되는 재료가 부합해야 하는 내역이 결정된다. 사용된 재료는 도전성이 매우 높아야 한다. 사용된 재료는 사용된 유체에 불 투과성이며, 이러한 유체에 대해서 매우 높은 화학적 안정성을 나타내어야 한다.
또한, 쌍극 플레이트는 많은 개수의 개별 전기화학 셀 유닛 및 결합된 쌍극 플레이트가 중첩되는 것을 허용하며 타이 로드(tie rod)를 이용하여 단부 플레이트 사이의 압축에 의해 조립체가 보유되는 것을 허용하는 충분한 기계적인 특성을 가져야 한다. 쌍극 플레이트는 이러한 압축을 견디기에 충분한 기계적인 특성을 가져야 한다. 이러한 재료가 높은 도전성을 제공함과 동시에 사용된 유체에 대해 화학적으로 불활성이므로 공통적으로 흑연이 사용된다. 국제 특허 출원 공개 공보 WO 2005/006472호는 이러한 쌍극 플레이트의 가능한 실시예를 개시한다. 다양한 레이어의 두께 공칭을 수용하기 위해 비교적 유연한 흑연 재료로 만들어진 시트를 개재하여 비교적 강성인 두께의 흑연 플레이트를 중첩시켜 형성되는 것을 알 수 있다. 흑연 플레이트는 연료 가스 및 산화제 가스, 즉 수소 및 공기나 순수한 산소를 분배하는데 필요한 채널의 네트워크와, 각각의 쌍극 플레이트에 물인 냉각제를 통과시키도록 하는 채널의 네트워크를 포함한다.
불행하게도, 흑연 쌍극 플레이트를 형성하는데 관련된 강성의 요소는 충격에, 특히 전지를 조립하기 위한 취급 중에 비교적 부서지기 쉽다. 전술된 유연한 흑연 재료로 제조된 레이어는 산업적인 공정에서 특히 가장 취급하기가 어렵다. 이 때문에 이러한 쌍극 플레이트의 제조 가격이 상승하게 된다.
미국 특허 제6,379,476호는 표면이 부동태화된 필름으로 코팅된 스테인리스 스틸로 만들어지며 표면에서 돌출된 탄화물 함유물을 가지는 쌍극 플레이트를 제조하는 것을 개시하고 있다. 상기 미국 특허의 출원인에 따르면 개시된 제품은 쌍극 플레이트를 만들기에 충분하게 접촉 저항을 낮게 해야 한다. 그러나, 이러한 해결책이 완전히 흑연으로 제조된 쌍극 플레이트에 대해서 몇 가지 이점, 특히 기계적인 특성에 대한 이점을 갖지만, 구현하기가 어렵고 전기 저항이 특히 높은 것으로 증명되었는데, 특히 연료 전지에 대해서 매우 높은 출력 밀도를 얻기 원할 때 그렇다.
국제 특허 출원 공개 공보 WO 00/05775호는 높은 온도에 대해서 좋은 기계적 강도를 가지므로 산 흔적(acid trace)을 포함할 수 있는 증기나 응축물이 존재하는 산화 분위기에서 좋은 물리 화학적 거동을 갖는 폴리머 재료로 만들어진 쌍극 플레이트 제조 방법을 개시하며, 쌍극 플레이트를 통한 전기 전도는 폴리머 플레이트를 통과하는 금속 실린더에 의해 제공되며, 각각의 폴리머 플레이트의 양 측면에 위치한 전극을 관통하기 위해 각각의 면으로 돌출된다. 상기 공보는 쌍극 플레이트 냉각 문제는 언급하지 않고 있다.
프랑스 특허 출원 제2 836 385호는 비금속 재료로 제조된 연료 및 산화제 가스를 위한 두 개의 분배 플레이트가 서로 이격되어 그 사이에 열 전달 유체의 순환을 위해 채널이 놓인 상기 두 개의 분배 플레이트에 의해 형성된 쌍극 플레이트를 개시한다. 각각의 전기화학 셀 유닛에 의해 형성된 전류의 수집은 비금속 가스 분배 플레이트 상에서 각각의 쌍극 플레이트의 각 측면에 놓인 두 개의 요소에 의해 보장된다. 각각의 요소는 가스가 통과하기에 충분한 구멍을 가진다. 요소들은 각각의 쌍극 플레이트에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 프랑스 특허 출원을 살펴 볼 때, 전기 접속이 제조하기 복잡한 특수한 형태인 것이 명확하다. 일 실시예에 서, 전기 접속은 비금속 가스 분배 플레이트를 서로 이격시키는 구리 중간층에 의해 제공된다. 변형예에서, 이러한 전기 접속을 플레이트의 외측에 제공하는 것이 제안된다. 어떠한 경우든지, 이는 복잡한 부품이 필요하고, 용접이 요구되며, 구조물을 무겁고, 부피가 크며 제조하는데 매우 비용이 많이 들게 한다.
본 발명의 목적은 제조하기 쉽고 연료 전지와 무게와 크기에 비해 매우 높은 출력 레벨을 달성할 수 있으며, 특히 열전달 액체로 냉각이 가능하여 연료 전지를 자동차에 상당히 용이하게 사용할 수 있도록 해주는 쌍극 플레이트 또는 단부 플레이를 위한 구성을 제공하는 것이다.
본 발명은 연료 전지에 사용되는 가스들 중 하나를 확산시키기 위한 막과 접촉하도록 구성된 제1 면 및 상기 제1 면에 대향한 제2 면을 가지는 분배 플레이트는 제공하는 것으로서, 상기 분배 플레이트는 소정의 두께를 가지며, 이온 교환 막에 대향하여 설치되도록 구성된 작업 섹션을 가지고, 가스들 중 하나를 위한 제1 분배 채널을 형성하는 홈을 상기 제1 면에 포함하며, 상기 제1 분배 채널은 상기 제1 면의 전체 작업 섹션 위에 대략 분포되어 있는 분배 플레이트에 있어서, 상기 분배 플레이트는 적어도 표면에 전기를 전도하기 않고 적어도 표면에서 화학적으로 불활성인 구조적 지지체로 형성되며, 상기 분배 플레이트는 구조적 지지체를 관통하는 핀을 포함하며, 상기 제1 면을 통한 상기 핀의 돌출은 상지 제1 채널과 교차하지 않고, 상기 핀은 전기를 전도하는 비금속 재료로 제조되는 것을 특징으로 한다.
물론, 연료 전지의 단부에 사용된 분배 플레이트에 대해서 하나의 가스 분배 채널만 설명되었지만, 본 발명은 인접하고 상기 쌍극 플레이트에 의해 전기적으로 직렬로 커플링된 두 개의 전기화학 셀 유닛 사이에 삽입된 쌍극 플레이트에 관한 것이기도 하다. 이러한 경우, 본 발명은 쌍극 플레이트를 형성하는 분배 플레이트에까지 확장되며, 이때 제2 면은 연료 전지에 의해 사용되는 가스들 중 다른 가스를 확산시키기 위한 막과 접촉하게 되며, 제2 면은 가스들 중 다른 가스를 위한 제2 분배 채널을 형성하는 홈을 포함하고, 상기 제2 분배 채널은 제2 면에서 전체 작업 섹션 위로 대략 분포된다.
유리하게, 분배 플레이트의 냉각을 보장하기 위해서, 본 발명을 따른 분배 플레이트는, 특히 쌍극 플레이트를 형성할 때 전체 작업 섹션을 대략 덮는 구성을 가지지만 냉각제 순환을 위해서 상기 작업 섹션의 제1 면 또는 제2 면 중 어느 면에서도 돌출되지 않는 내측 채널을 그 두께에 포함한다.
그러므로, 본 발명은 분배 플레이트에서, 특히 쌍극 플레이트에서 한편으로는 유체를 이송하는 기능과 다른 한편으로는 전기를 전달하는 기능을 분리하는 것을 제안한다. 구조적 지지체에 있어서, 본 발명은 적어도 표면에서, 좀 더 상세하게는 사용된 유체와 접촉하는 표면에서 화학적으로 불활성이거나 사용된 유체에 대해서 화학적으로 불활성 상태가 되는 재료를 선택할 수 있게 한다. 실제로, 재료의 표면은 변형을 일으키는 수소, 산소, 물 또는 채널에서 이송되는 기타 물질에 의해 공격받지 않는 것이 중요하며, 특히, 작동 중인 연료 전지의 가혹한 조건에 대해서 표면 상에서 불활성으로 유지되는 것이 중요하다. 또한, 구조적 지지체에 있어서, 적어도 표면 상에서 비도전성이거나 도전성이 현격히 떨어지도록 선택된다. 이는 특히 냉각된 쌍극 플레이트에서 냉각제와 접촉하는 모든 표면에서 유리하다. 이는 냉각제가 비도전성일 필요가 없게 한다.
구조적 지지체에 대해서 선택된 재료의 기계적인 특성은 제조 공정과 작동 중에 발생하는 기계적인 응력에 적합하다. 적어도 표면에서 비도전성이기 위해서, 전체 부피에 걸쳐 플라스틱 등의 전기적으로 비도전성인 재료를 채용하는 것이 가능하다. 그러나, 특히 쌍극 플레이트를 제조하는데 있어서 열 전도성을 최적화하기 위해서, 금속 재료가 선택되며, 이러한 금속 재료는 비도전성을 가지며 화학적으로 충분히 불활성인 표면을 갖는 요구 조건에 부합하기 위해 적절하게 처리된다.
특히 쌍극 형태에서 분배 플레이트의 전기적인 작동에 필요한 도전성은 플레이트의 두께를 관통하고 바람직하게 전체 표면에 대해서 분포되는 도전성 재료로 만들어진 충분한 개수의 핀에 의해 제공된다. 그러므로, 핀은 흑연, 카본 블랙으로 고충전된 폴리머 및 짧은 카본 블랙 섬유로 충전된 폴리머를 포함하는 그룹으로부터 선택되는 재료로 제조된다. 상기 그룹은 예를 들어 제조 공정이 두 개의 연속적인 사출 성형 작업을 필요로 하는 표면 상에서 금속 분말이 없는 조건에서 금속 분말로 충전된 폴리머를 포함한다.
예를 들어, 두 개의 중첩된 분배 플레이트로 만들어진 쌍극 플레이트가 제조되지만 이에 제한되지는 않는다. 이러한 분배 플레이트들 중 하나는 가스들 중 하나를 이송하기 위한 채널을 포함하며, 이러한 분배 플레이트들 중 다른 분배 플레이트는 면들 중 하나에서 가스들 중 다른 가스를 이송하기 위한 채널과, 그 면들 중 다른 면을 통과하는 냉각제를 위해 구성된 채널을 포함한다. 분배 플레이트는 냉각제를 위한 채널을 중심에 위치시켜 중첩되므로, "내부 채널(inner channel)"이라 칭한다.
플레이트를 위한 구조적 지지체는 플라스틱이거나, 사용된 유체의 화학적 공격에 불활성 상태가 되는 알루미늄으로 만들어질 수 있다. 실제로, 알루미늄 플레이트를 부동태화시키는 것이 공지되어 있으며, 이러한 부동태화 코팅으로 인해 산화 알루미늄이 형성되므로 알루미늄이 비도전성이 되는 것은 잘 알려진 사실이다.
각각의 분배 플레이트는 조립 전에 천공되거나, 제조된 쌍극 플레이트가 조립 후에 채널이 통과하지 않는 영역에서 매우 직경이 작은 다수의 구멍들로 천공될 수 있다. 그러므로, 도전성 재료로 만들어진 핀은 이러한 구멍들로 삽입될 수 있다. 제1 채널 및 제2 채널의 구성과 내부 채널의 구성으로 인해 작업 섹션에서 구멍에 제조될 수 있도록 하는 영역이 남게 되어, 이러한 구멍들이 전체 작업 섹션 상으로 분포되어 연료 전지가 전달하는 최대 전류 강도를 고려할 때 충분한 누적 섹션을 형성하도록 배치하는 것이 필요하다. 구멍의 단면이 예를 들어 사각형이나 타원형 등과 같이 원형 이외의 형상일 수 있으며, 다양한 구멍의 단면은 다양한 형상을 갖거나 다른 직경이나 치수를 가질 수 있다는 것을 알 수 있다.
핀에 사용된 재료는 특정한 기계적 성질이 없는 흑연일 수 있다. 그러나, 그 단부가 사용된 가스와 접촉하고, 각각의 전기화학 셀 유닛의 확산 막과 접촉하여 변경되는 물과 접촉하게 되므로 유체를 향한 양호한 화학적 둔감성을 갖는데 유용하며, 이는 금속 재료를 특별하게 처리하지 않고는 얻을 수 없다.
하기 상세한 설명은 쌍극 플레이트를 상세하게 개시한다. 물론, 전술된 바와 같이, 본 발명은 쌍극 플레이트에 제한되지 않으며, 개별 셀 유닛의 적층체의 양 측면에 위치된 분배 플레이트에까지 확장된다. 단부에서 분배 플레이트는 후술된 제1 분배 플레이트에 매우 유사한데, 각각의 단부에서 연료 전지에 의해 사용된 두 개의 가스 중 하나만 확산시키는데만 필요하며, 내부 냉각 채널을 제공하기 위해 통상적으로 무의미하기 때문이다.
본 발명은 첨부된 도면에 도시된 한가지 실시예의 상세한 설명으로 인해 더 잘 이해될 수 있다.
도1은 본 발명을 따른 쌍극 플레이트의 다양한 구성적 요소를 도시하는 확대도이다.
도2는 조립되었을 때를 도시하는 본 발명을 따른 쌍극 플레이트를 도시한다.
도3은 일 실시예로부터의 구조적 지지체를 도시한다.
도4는 상기 실시예의 핀을 사출 성형하기 위한 장치를 도시한다.
도5는 도4의 사출 성형 장치에 사용되는 카운터 몰드를 도시한다.
도6은 상기 실시예를 따른 쌍극 플레이트를 도시한다.
도1은 제1 분배 플레이트(11)와 제2 분배 플레이트(12)를 조립하여 형성된 쌍극 플레이트(1; bipolar plate)를 도시한다. 쌍극 플레이트(1)는 전기화학 셀 유닛(2)을 형성하는 요소들과 조합된다. 개별의 전기화학 셀 유닛(2)(이 유닛이 없으면 본 발명이 제한됨)은 통상적으로 현재 5개의 레이어를 중첩시켜 형성되는데, 하나의 이온 교환 폴리머 막과, 전기화학 반응을 시작하는데 필요한 화학 성분인 예를 들어 플래티늄 등을 포함하는 두 개의 전극과, 이온 교환 막 표면 전체에 대해서 쌍극 플레이트의 네트워크에 의해 이송된 가스의 균질 확산을 제공할 수 있도록 하는 두 개의 가스 확산 레이어이다. 연료 전지의 작업 섹션(S)에 대응하는 표면, 즉 전기를 발생시킬 수 있는 전기화학 반응 위치인 영역이라고 할 수 있는 상기 표면이 도1의 전기화학 셀 유닛(2)에 위치되어 있다.
제1 분배 플레이트(11)와, 제2 분배 플레이트(12)와, 전기화학 유닛(2)은 일측에 비교적 단면이 큰 세 개의 개구(31, 32, 33)를 가지는 영역을 포함하며, 또한 대향측에 비교적 단면이 큰 세 개의 개구(34, 35, 36)를 가지는 다른 영역을 포함한다. 모든 개구(31)는 하나의 분배 플레이트(11)에서 다른 분배 플레이트(12)로, 그리고 분배 플레이트(11)와 분배 플레이트(12)에서 전기화학 셀 유닛(2)으로 정렬된다. 유사하게, 개구(32, 33, 34, 35, 36)도 각각 하나의 분배 플레이트(11)에서 다른 분배 플레이트(12)로, 그리고 분배 플레이트(11)와 분배 플레이트(12)에서 전기화학 셀 유닛(2)으로 정렬된다. 개구(31, 33) 셋트는 가스들 중 하나를 이송하기 위한 매니폴드를 각각 형성하는데, 개구(31, 33) 중 일부 개구(예를 들어 31)는 수소를 이송하고, 다른 개구(예를 들어 33)는 산소를 이송한다. 개구(34, 36) 셋트는 각각 가스들 중 하나의 복귀를 위한 매니폴드를 형성하는데, 개구(34, 36)들 중 일부 개구(예를 들어 34)는 연료 전지에 의해 소비되지 않은 수소의 복귀를 보장하며, 다른 개구(예를 들어 36)는 연료 전지에 의해 소비되지 않은 산소의 복귀 를 보장한다. 모든 개구(32)는 냉각제를 이송하는 매니폴드를 형성하고, 모든 개구(35)는 연료 전지의 온도를 제어하는데 사용된 냉각제의 복귀를 보장하는 매니폴드를 형성한다.
제1 분배 플레이트(11)의 면(11ℓ)들 중 하나는 제1 분배 플레이트(11)의 작업 섹션(S) 전체에 대해서 연료 전지에 의해 사용되는 두 개의 가스들 중 하나를 분배하기 위해 구성된 제1 분배 채널(111)을 포함한다. 제1 분배 채널(111)은 제1 분배 플레이트(11)의 두께를 관통하는 오리피스(111a)에서 시작하여, 역시 제1 분배 플레이트(11)를 관통하는 오리피스(111b)에서 끝난다.
제2 분배 플레이트(12)의 면(12ℓ)들 중 하나는 제2 분배 플레이트(12)의 작업 섹션(S) 전체에 대해서 연료 전지의 온도를 제어하는데 사용되는 냉각제를 분배하기 위해 구성된 내부 채널(122)을 포함한다. 오리피스(111a)는 면(12ℓ) 내로 절결된 채널 섹션(111c)의 단부와 정렬되어 상기 채널(111c)과 소통한다. 오리피스(111b)는 동일한 면(12ℓ) 내로 절결된 채널 섹션(111d)의 단부와 정렬되어 상기 채널(111d)과 소통한다. 이러한 채널 섹션(111c, 111d) 각각은 개구(31, 34)와 소통한다. 이로 인해 제1 분배 채널(111)과 해당 매니폴드 사이에 소통이 이루어진다.
도1에는 도시되지 않았지만 이러면 면들 중 다른 면(12r)에서 제2 플레이트(12)는 제2 분배 채널[121; 도시되지는 않았지만 분배 채널(111)과 유사하며 제2 분배 플레이트(12)의 작업 섹션 전체에 대해서 연료 전지에 의해 사용된 두 개의 가스 중 다른 가스를 분배하도록 구성됨]을 포함한다. 제2 분배 플레이트(12)의 개구(33, 36)는 각각 채널 섹션(121c) 및 채널 섹션(121d)과 소통하는데, 이들 모두는 면(12ℓ) 내로 절결된다. 채널 섹션(121c, 121d) 각각은 제2 패널(121)을 해당 매니폴드와 접촉시키기 위해 제2 분배 플레이트(12)의 두께를 관통하는 오리피스(도1에는 미도시)에서 종료된다.
제1 분배 플레이트(11)와 제2 분배 플레이트(12)는 많은 개수의 구멍(3)을 포함하는 것을 알 수 있다. 제1 분배 플레이트(11)에 만들어진 구멍(3)과 제2 분배 플레이트(12)에 만들어진 구멍(3)은 정렬되어 있다. 구멍(3)은 제1 분배 플레이트(11)와 제2 분배 플레이트(12)에 구성된 채널(111, 121, 122) 중 어떠한 채널과도 교차하지 않도록 제조되는 것을 알 수 있다.
도1에서는 각각의 구멍(3)으로 들어가도록 구성된 핀(10)을 볼 수 있다. 이러한 핀들은 예를 들어 흑연으로 제조된 작은 실린더로 형성될 수 있다. 가스 분배 채널이나 냉각제 순환을 위해 만들어진 내부 채널을 전혀 교차하지 않으면서 분배 플레이트의 표면에 예를 들어 수 백개의 많은 구멍을 만들 수가 있다. 이러한 각각의 구멍의 단면은 예를 들어 약 1㎟이다. 그러므로, 모든 핀들의 누적된 단면으로 인해서 연료 전지에서 발생된 것과 같은 높은 작동 전류를 통과시킬 수 있음을 알 수 있다.
도2는 도1에 도시된 여러가지의 요소[분배 플레이트(11, 12)와 핀(10)]를 조립한 후인 본 발명을 따른 쌍극 플레이트(1)를 도시한다. 이러한 조립은 예를 들어 분배 플레이트를 서로 접합시킨 다음, 핀(10)을 가압 끼움시켜서 핀들 사이의 분배 채널 간의 양호한 씰링을 보장하며 내측 채널에 대해서는 가스가 혼합되지 않 도록 면(11ℓ, 11r)들 사이의 양호한 씰링을 보장한다. 핀(10)은 작업 섹션에서 상기 각각의 제1 면과 제2 면 양 측에서 돌출된다.
이러한 쌍극 플레이트의 각각의 면(11ℓ,11r)은 인접한 전기화학 셀 유닛(2)의 확산 레이어들 중 하나와 협동할 수 있다. 도2는 하나의 전기화학 셀 유닛(2)과 결합된 두께(x)를 갖는 쌍극 플레이트(1)를 도시한다. 많은 개수의 전기화학 셀 유닛(2)이 쌍극 플레이트(1) 삽입으로 중첩되며, (쌍극이 아닌) 단순한 분배 플레이가 단부에 놓여 연료 전지를 형성한다.
그러므로, 본 발명 덕분에, 연료 전지의 작업 응력은 전달하지 않으면서 쌍극 플레이트의 제조를 자동화하기에 충분한 기계적인 특성을 가지는 재료를 기본 구성 재료로 선택할 수 있다. 실제로, 이러한 자동화는 공정상 로봇을 취급하며, 이러한 취급이 베이스 플레이트 구성 재료의 견고성 때문에 예방 조치가 거의 필요하지 않을 경우, 자동 생산을 수행하는 것은 더 단순하고, 좀 더 견고하며 더욱 경제적이다. 이러한 제1 실시예에서, 각각의 개별 플레이트는 구조적 지지체를 형성하는 단일 블럭으로부터 제조된다. 구조적 지지체는 플라스틱으로 제조되거나, 바람직하게 열 교환을 촉진시키기 위해 비도전성 표면의 요구를 충족시키면서 화학적 불활성을 개선시키기 위해 표면에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 덮혀 양극 처리된 알루미늄으로 제조될 수 있다.
하나의 전기화학 셀 유닛(2)에서 다른 전기화학 셀 유닛으로의 전기 전도는 핀(10)에 의해 제공되며, 핀의 단부(10ℓ)들 중 하나를 도2에서 쌍극 플레이트(1)의 면(11ℓ)에서 볼 수 있다. 작업 섹션(S)에 대해서 감소된 표면으로 전기 기능 이 집중되어 있어서 지나치게 높은 전류 밀도에 도달하지 않고도 작동 전류를 전달할 수 있다. 그러므로, 사용된 플레이트의 표면의 적은 부분, 즉 통상적으로 전제 작업 섹션의 10% 이하인 적은 부분에 도전성 부품이 집중되어 있어서 특별한 어려움 없이 분배 채널과 내부 채널의 구성을 배열할 수 있다.
도3에 전면이 도시된 본 발명의 일 변형예가 설명될 것이다. 이러한 변형예에서, 핀(10A, 도4 참조)은 사출 성형 가능한 재료로 제조되며, 분배 플레이트는 핀과 동일한 재료로 제조된 표면 레이어를 제1 면의 측면에 포함한다. 표면 레이어는 핀을 제조하는 것과 동일한 사출 성형 작업으로 구조적 지지체에 오버 몰딩되어 표면 레이어와 핀이 전기 전도를 촉진시키는 연속적인 매체를 형성한다.
핀(그리고 전술된 예시에서 표면 레이어)을 사출 성형하기 위해서, 카본 블랙, 및 폴리비닐리덴 플루오라이드 PVDF 등의 열경화성 또는 열가소성 플루오로폴리머를 주 성분으로 하는 페이스트를 사용할 수 있다. 카본과 폴리머의 양은 카본 블랙의 적어도 70 중량%이며, 바람직하게는 80 중량%이고, 나머지는 폴리머이다. 카본의 양은 핀의 표면 전기 저항에 충분하도록 가능한 낮을 수 있다. 내식성이며 쉽게 압출 및 사출 성형될 수 있는 필요한 접합제를 폴리머 자체가 제공해야 한다.
도3에 제1 분배 플레이트(11A, 도6 참조)의 일부를 형성하도록 구성된 구조적 지지체(110A)가 도시되었다. 이러한 구조적 지지체는 양극화 처리된 알루미늄 시트로 형성된다. 구조적 지지체(110A)는 비교적 단면이 큰 세 개의 개구(31A, 32A, 33A)를 가지는 영역을 일 측에 포함하고, 역시 비교적 단면이 큰 세 개의 개구(34A, 35A, 36A)를 가지는 또 다른 영역을 대향 측에 포함한다. 제1 예시에서, 개구(31A, 32A, 33A, 34A, 35A, 36A) 셋트는 가스를 이송하고 방출하기 위한 매니폴드를 형성한다.
구조적 지지체(110A)는 제1 분배 플레이트(11A)의 두께를 관통하는 오리피스(111aA)를 포함하며, 역시 제1 분배 플레이트(11A)를 관통하는 오리피스(111bA)를 포함한다. 이러한 오리피스(111aA, 111bA)는 분배 채널의 시작점 및 종료점이며, 이는 추후의 설명으로 더 잘 이해될 것이다.
구조적 지지체(110A)도 다수의 구멍(3A)을 포함한다. 전술된 개구, 오리피스 및 구멍은 예를 들어 펀칭으로 제조된다. 펀칭 후에, 알루미늄 시트는 모든 엣지[개구(31A, 32A, 33A, 34A, 35A, 36A), 오리피스(111aA, 111bA) 및 구멍(3A)]에 대해서 뿐만 아니라 가스와 냉각제를 위한 매니폴드 부분을 형성하는 표면을 포함하여 우수한 화학적 비민감성을 가지며 그와 동시에 표면에서 비도전성이 되기 위해 양극 처리되며, 비도전성이 되는 특징은 특히 유리한데 전기를 전도하는 냉각제를 이용할 수 있는 가능성을 열어주기 때문이다. 물론, 표면에서 비도전성의 특징은 구멍(3A)에 대해서는 특별한 이점이 없지만 별다른 피해는 주지 않는다.
도4에 도시된 바와 같이, 사출 성형 도구(4)는 특정 개수의 사출 성형 원추부(42)가 구비된 헤드(41)를 포함한다. 주입 램(43)과 카운터 몰드(44)도 도시되었다. 구조적 지지체(110A)와 구조적 지지체(120A)가 주입 헤드(41)와 카운터 몰드(44) 사이에 장착된다. 이러한 구조적 지지체(110A, 120A)는 각각 분배 플레이의 부분, 즉 제1 분배 플레이트(11A)와 제2 분배 플레이트(12A)를 각각 형성한다. 제1 예시적인 실시예에서 설명한 바와 같이, 제2 분배 플레이트(12A)는 제2 분배 플레이트(12A)의 작업 섹션(S) 전체에 대해서 연료 전지의 온도를 조절하는데 사용되는 냉각제를 분배하도록 구성된 내부 채널(122A)을 포함한다. 본 명세서에서 제시된 두 개의 변형예에서 공통되는 실시예의 모든 자세한 사항은 반복 설명되지 않을 것이다.
도5에 도시된 바와 같이 카운터 몰드(44)는 분배 플레이트(11A)에 형성될 분배 채널(111A)의 반대 형상을 형성하는 리브(45)를 포함한다. 특히, 구조적 지지체(110A)의 오리피스(111aA, 111bA)에 결합되도록 구성된 돌기(46)가 도시되었다. 각각의 주입시에 과도한 재료를 방출하도록 유용하게 위치된 오리피스(47)도 도시되었다.
도6은 전술된 사출 성형의 결과인 분배 플레이트(11A)의 상태를 도시한다. 구조적 지지체(110A)와 오버 몰딩된 표면 레이어(114A)를 볼 수 있다. 도4에서, 구조적 지지체(110A)에 오버 몰딩된 표면 레이어(114A)와 구조적 지지체(120A)에 오버 몰딩된 표면 레이어(124A)가 도시되었다. 상기 구조적 지지체의 표면(1100A)에 의해 형성된 오리피스(111aA, 111bA)와 분배 채널(111A)이 도시되었으며, 상기 분배 채널의 측면(1140A)은 상기 표면 레이어에 의해 형성된다. 그런 다음, 분배 플레이트 조립체가 균일한 두께를 갖도록 표면 레이어 상에 구조적 지지체의 주연부 위로 전기적으로 비도전성이며 화학적으로 불활성인 재료를 오버 몰딩시키는 것이 바람직하다.
마지막으로, 전술된 본 발명의 두 가지 변형예에 대한 매우 흥미로운 이점이 설명될 것이다. 쌍극 플레이트의 도전성 부분이 어떠한 채널과도 교차하지 않기 때문에, 특히 냉각제가 유동하고 있는 내부 채널과 교차하지 않기 때문에, 더이상 유체 시스템에 의해 접지할 필요가 없다. 그러므로, 벌크로부터 절연할 필요가 없거나, 비도전성 유체를 냉각제로 사용할 필요가 없다. 내연 기관을 냉각시키는데 사용되는 것과 같은 종래의 물/글리콜 혼합물이 완벽하게 적합하다.

Claims (12)

  1. 연료 전지에 의해 사용되는 가스들 중 하나를 확산시키기 위한 막과 접촉하도록 구성된 제1 면(11ℓ), 및 상기 제1 면(11ℓ)에 대향한 제2 면(11r)을 가지는 분배 플레이트(11)로서, 상기 분배 플레이트는 소정의 두께를 가지고, 이온 교환 막에 대향하게 설치되도록 구성된 작업 섹션(S)을 가지며, 가스들 중 하나를 위한 제1 분배 채널(111)을 형성하는 홈을 제1 면에 포함하며,
    상기 제1 분배 채널은 대략 상기 제1 면의 전체 작업 섹션 상에 분포되어 있는 분배 플레이트에 있어서,
    상기 분배 플레이트는 적어도 표면 상에서 전기를 전도하지 않으며 적어도 표면 상에서 화학적으로 불활성인 구조적 지지체로부터 형성되며,
    상기 분배 플레이트는 구조적 지지체를 관통하는 핀(10)을 포함하며, 상기 제1 면을 통한 핀의 돌출은 상기 제1 채널과 교차하지 않고, 상기 핀은 전기를 전도하는 비금속 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 분배 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 핀은 흑연, 카본 블랙으로 고충전된 폴리머, 및 짧은 카본 블랙 섬유로 충전된 폴리머를 포함하는 그룹으로부터 선택된 재료로 제조되는 분배 플레이트.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구조적 지지체는 전기를 전도하지 않는 재료로 제조되는 분배 플레이트.
  4. 제3항에 있어서, 구조적 지지체 재료는 플라스틱인 분배 플레이트.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 구조적 지지체 재료는 표면이 부동태화된 알루미늄인 분배 플레이트.
  6. 제1항에 있어서, 핀은 사출 성형 가능한 재료로 제조되는 분배 플레이트.
  7. 제6항에 있어서, 핀은 사출 성형 가능한 재료로 제조되며, 핀과 동일한 재료로 제조된 표면 레이어를 제1 면의 측면에 포함하고, 상기 제1 분배 채널의 하부는 상기 구조적 지지체의 표면에 의해 형성되며, 상기 제1 분배 채널의 측면은 상기 표면 레이어에 의해 형성되는 분배 플레이트.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀(10)은 작업 섹션에서 상기 제1 면과 제2 면 각각의 양 측면으로부터 돌출되는 분배 플레이트.
  9. 제1항에 있어서, 연료 전지에 의해 사용되는 가스들 중 다른 가스를 확산시키기 위한 막과 접촉하도록 구성된 제2 면(12r) 상에 가스들 중 다른 가스를 위한 제2 분배 채널(121)을 형성하는 홈을 포함하는 쌍극 플레이트(1)를 형성하고, 상기 제2 분배 채널은 제2 면에서 전체 작업 섹션 상으로 대략 분포되어 있는 분배 플레이트.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전체 작업 섹션을 대략 덮는 구성을 가지며 상기 작업 섹션에서 제1 면이나 제2 면에서도 돌출되지 않는 내부 채널(122)을 두께 내에 포함하며, 상기 내부 채널은 냉각제의 순환을 위해 제공되는 분배 플레이트.
  11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 제1 분배 플레이트(11), 및 상기 두께에 중첩된 제2 분배 플레이트(12)를 포함하며, 상기 제1 채널(111)은 제1 분배 플레이트 상에 구성되며, 상기 제2 채널과 내부 채널(122)은 제2 분배 플레이트 상에 구성되는 것을 특징으로 하는 분배 플레이트.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 핀은 전체 작업 섹션 상에 분포되어 있는 분배 플레이트.
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