KR20090128974A - 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

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김병철
이관호
윤순호
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 구성하는 분리판을 복합재료 사이에 금속파이프가 삽입된 구조로 제작함과 함께, 분리판과 접하는 가스켓을 분리판의 수소 및 공기유로를 한정하는 구조로 제작함으로써, 단위셀을 구성하는 분리판간의 접촉저항을 제거하여 연료전지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 내부에는 다수의 냉각수유로가 관통 형성되고, 한쪽 외표면과 다른 한쪽 외표면에서 상기 냉각수유로의 엇갈리는 위치에 수소유로 및 공기유로가 형성된 구조의 채널부; 상기 채널부의 양단에 일체로 형성되며, 각 냉각수 유로와 연통되는 하나의 내부공간을 갖는 도입부와; 상기 도입부의 양단에 일체로 형성되는 매니폴드부로 구성하되, 상기 매니폴드부의 냉각수 입출구 매니폴드와, 상기 도입부의 내부공간 사이를 구분해주는 격판에는 복수개의 냉각수 유출입구가 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법을 제공한다.
연료전지 스택, 분리판, 복합재료, 금속파이프, 냉각수 유로, 가스켓

Description

연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법{Separator for fuel cell stack and method for manufacturing the same}
본 발명은 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료전지 스택을 구성하는 분리판을 복합재료 사이에 금속파이프가 삽입된 구조로 제작함과 함께, 분리판과 접하는 가스켓을 분리판의 수소 및 공기유로를 한정하는 구조로 제작함으로써, 단위셀을 구성하는 분리판간의 접촉저항을 제거하여 연료전지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변환시키는 무공해 발전장치로, 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(Phosphoric Acide Fuel Cell;PAFC)와, 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell;AFC)와, 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrain Fuel Cell;PEMFC)와, 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell;MCFC)와, 고체 산화물형 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell;SOFC)와, 직접메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell;DMFC) 등으로 분류된다.
이러한 연료전지들중에서 고분자 전해질형 연료전지는 전해질이 액체가 아닌 고체 고분자 중합체로써 다른 연료전지와는 구별되는데, 약 50~80℃의 저온에서 동작하고, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높으며, 전류밀도 및 출력밀도가 크고, 시동 시간이 짧아 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점을 가짐에 따라, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용되고 있다.
여기서, 일반적은 고분자 전해질형 연료전지 스택의 구조를 첨부한 도 1을 참조로 살펴보면 다음과 같다.
일반적인 고분자 전해질형 연료전지 스택(10)은 복수의 단위셀(11)이 결합된 것으로서, 각 단위셀(11)의 중심부에는 전극막(Membrane Electrode Assembly;MEA, 12)이 위치한다.
상기 전극막(12)은 수소 양이온(proton)을 이동시킬 수 있는 고체 고분자 전해질막(13)과, 수소와 산소가 반응할 수 있도록 전해질막(13)의 양면에 도포된 촉매층인 연료(수소)극(anode, 14) 및 공기극(cathode, 15)를 포함한다.
또한, 상기 전극막(12)의 외측에는 가스확산층(Gas Diffusion Layer;GDL, 16)과 가스켓(17)이 차례로 적층되고, 가스켓(17)의 외측에는 연료 또는 공기를 공급하고 반응에 의해 생성되는 물을 배출하도록 유로가 형성된 분리판(18)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드플레이트(End plate) 가 결합된다.
이때, 상기 가스켓(17)은 분리판에 형성된 연료 또는 공기유로를 기밀하여, 연료 및 공기가 외부로 새어나가지 않게 하는 기능을 한다.
이와 같은 구성을 포함하는 연료전지 스택의 전기에너지 발생 원리를 간략히 살펴보면, 상기 연료극(14)에서 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 수소이온과 전자는 각각 전해질막(13)과 분리판(18)을 통하여 공기극(15)으로 이동하게 되며, 이후 공기극(15)에서는 수소이온과, 전자와, 공기 중의 산소가 참여하는 전기화학반응이 일어나 물이 생성되고, 연료극(14)과 공기극(15) 사이의 전자의 흐름에 의해 전기에너지가 발생된다.
즉, 연료극으로 공급된 수소는 수소이온(H+)과 전자(electron, e-)로 분해되고, 분해된 수소이온은 전해질을 통과하여 공기극으로 이동하게 되고, 이 공기극에서는 연료극에서 이동해 온 수소이온(H+)과 외부도선을 통하여 이동한 전자 (electron, e-) 및 공기극으로 공급된 산소가 전극에서 만나서 물을 생성함과 동시에 열을 발생시키는 반응을 통하여 전기에너지를 생성하게 된다.
이러한 고분자 전해질형 연료전지 스택(10)에 있어서, 상기 분리판(18)은 각 단위셀(11)을 구분하는 동시에 연료, 공기, 냉각수를 위한 유로를 제공하는 역할을 한다.
그리고, 상기 분리판(18)은 기체의 투과도가 낮고, 단위셀(11)의 형상을 유지할 수 있도록 충분한 구조강도를 가지며, 단위셀(11) 간의 전기 접촉저항을 감소시키는 특성을 가져야 하므로, 상기 분리판(18)의 특성은 연료전지 전체의 성능을 좌우하다 할 수 있다.
한편, 연료전지 스택의 구성중 분리판의 구조를 보면, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이 그 일면 및 타면에는 독립적인 미세 채널 구조인 수소 또는 공기유로(20,22)를 포함하는 채널부(24)가 형성되어 있고, 이 채널부의 양단부에 각각 수소, 공기, 냉각수 공급 및 배출을 위한 매니폴드부(26)가 관통 형성되어 있다.
특히, 분리판과 분리판이 서로 적층 접합되면, 그 사이에 냉각수 유로(28)가 형성된다.
좀 더 상세하게는, 연료전지 스택(10)의 단위셀(11)과 단위셀(11)이 서로 적층되면, 첨부한 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 분리판(18)끼리 적층되는데, 한쪽 분리판(18)의 외측면에 형성된 유로는 공기유로(22)가 되고, 다른 분리판의 외측면에 형성된 유로는 수소유로(20)가 되며, 서로 접합된 사이의 유로는 냉각수 유로(28)가 된다.
이러한 구조를 갖는 종래 고분자 전해질형 연료전지 스택(10)의 분리판(18)은 흑연판에 유로를 기계 가공하거나, 얇은 스테인리스 스틸과 같은 금속을 프레스 성형법으로 가공하거나, 고분자 기지(matrix)에 팽창 카본 입자나 흑연 입자를 섞어 압축 성형(compression molding)하는 방법으로 제작되고 있다.
특히, 연료전지의 분리판은 우수한 전기 전도성 및 구조강도와, 낮은 접촉저항 및 표면저항과, 낮은 기체 투과도와, 내부식성이 요구되는 동시에 연료전지의 상용화를 위하여 대량생산이 가능하고 저렴한 비용으로 제조되어야 한다.
그러나, 종래와 같이 두 장의 분리판을 적층하여 냉각수 유로를 형성하면, 단위셀 사이의 접촉저항, 즉 수소유로를 갖는 연료극쪽 분리판과 공기유로를 갖는 공기극쪽 분리판간의 접촉저항이 존재하게 되어, 전기를 발생시키는 연료전지의 효율이 감소하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 연구된 결과물로서, 핫프레싱 공법을 이용하여 분리판을 제작하되, 장섬유 복합재료 사이에 다수의 냉각수 유로용 금속파이프가 삽입된 일체화 구조로 제작하여, 서로 접촉되는 분리판의 접촉저항을 제거할 수 있고, 또한 분리판과 접하는 가스켓을 분리판의 수소 및 공기유로를 한정하는 구조로 제작함으로써, 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 연료전지 스택 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 구현예는: 내부에는 다수의 냉각수유로가 관통 형성되고, 한쪽 외표면과 다른 한쪽 외표면에서 상기 냉각수유로의 엇갈리는 위치에 수소유로 및 공기유로가 형성된 구조의 채널부; 상기 채널부의 양단에 일체로 형성되며, 각 냉각수 유로와 연통되는 하나의 내부공간을 갖는 도입부와; 상기 도입부의 양단에 일체로 형성되는 매니폴드부로 구성하되, 상기 매니폴드부의 냉각수 입출구 매니폴드와, 상기 도입부의 내부공간 사이를 구분해주 는 격판에는 냉각수 유출입구가 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판을 제공한다.
상기 채널부와, 도입부와, 매니폴드부는 복합재료에 의하여 일체로 성형되며, 상기 복합재료는 열경화성 및 가소성 수지를 기지로 하는 탄소섬유 프리프레그, 또는 전도성의 탄소섬유, 카본 블랙, 흑연 입자, 금속 입자가 함유하는 폴리머중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
상기 채널부의 냉각수 유로내에는 금속 파이프, 복합재료 파이프, PVC 파이프중 선택된 어느 하나인 중공형 부재가 삽입된 것을 특징으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구현예는: 원하는 분리판의 크기에 맞게 재단된 반경화 상태인 두 장의 복합재료를 구비하는 단계와; 다수의 중공형 부재를 상기 두 장의 복합재료 사이에 배열하면서 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 하형에 안착시키는 단계와; 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 상형을 상기 하형쪽으로 하강시켜, 상기 두 장의 복합재료를 일체가 되도록 압착 경화시키는 고온 가압 성형 단계와; 상기 복합재료의 양표면에 각각 수소 및 공기유로가 형성되는 동시에 그 내부의 중공형 부재가 냉각수 유로로 형성된 구조로 제작된 분리판을 탈형시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 구현예는: 원하는 분리판의 크기에 맞게 재단된 반경화 상태인 두 장의 복합재료를 구비하는 단계와; 냉각수 유로 형성을 위한 다수의 인서트를 상기 두 장의 복합재료 사이에 배열하면서 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 하형에 안착시키는 단계와; 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 상형을 상기 하형쪽으로 하강시켜, 상기 두 장의 복합재료를 일체가 되도록 압착 경화시키는 고온 가압 성형 단계와; 상기 인서트가 삽입된 상태에서, 복합재료의 양표면에 각각 수소 및 공기유로가 형성된 분리판을 탈형시키는 단계와; 상기 복합재료 내부의 인서트를 제거하여 냉각수 유로를 형성하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법을 제공한다.
상기 인서트는 특정 용매에 용해되거나 분해되는 물질로 제작되거나, 녹는점이 200℃ 이하인 물질로 제작된 것을 특징으로 한다.
상기 인서트를 특정 용매에 용해되거나 분해되는 물질로 채택한 경우, 상기 가압 성형 단계후, 별도로 인서트를 용매로 용해시키거가 분해시켜 제거하는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.
상기 인서트를 녹는점이 200℃ 이하인 물질로 채택한 경우, 상기 고온 가압 성형 단계시 녹아서 제거되는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공할 수 있다.
분리판을 구성하는 채널부와 도입부와 매니폴드부를 복합재료를 이용하여 일체로 성형 제작하되, 채널부를 양표면에 각각 수소 및 공기유로가 형성되는 동시에 그 내부에 파이프 형태의 냉각수유로가 형성된 구조로 제작하고, 매니폴드부와 채널부간의 수소유로 및 공기유로를 가스켓으로 기밀하여 한정해줌으로써, 종래와 같이 두 장의 분리판을 적층하여 냉각수 유로를 형성함에 따라 발생하는 단위셀 사이의 접촉저항, 즉 수소유로를 갖는 연료극쪽 분리판과 공기유로를 갖는 공기극쪽 분리판간의 접촉저항이 제거되어 전기를 발생시키는 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 분리판을 구성하는 채널부와 도입부와 매니폴드부를 복합재료를 이용한 단일 공정으로 제조함으로써, 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하여 연료전지 상용화에 기여할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명은 두 장의 분리판을 적층하여 그 사이에 냉각수 유로를 형성함에 따라, 단위셀 사이의 접촉저항, 즉 수소유로를 갖는 연료극쪽 분리판과 공기유로를 갖는 공기극쪽 분리판간의 접촉저항이 존재하게 되어, 전기를 발생시키는 연료전지의 효율이 감소하는 문제점을 해결하고자, 복합재료를 이용한 판의 한쪽 표면과 다른 한쪽 표면에 각각 수소유로 및 공기유로를 형성함과 함께 그 내부에 파이프 형태의 냉각수유로를 형성하여 접촉저항을 제거할 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.
여기서, 본 발명의 분리판 제조 방법에 대한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 분리판 제작 방법을 설명하는 사시도이고, 5는 본 발명에 따른 분리판을 나타내는 평면도이다.
먼저, 원하는 분리판의 크기에 맞게 재단된 반경화 상태인 두 장의 복합재료(30)를 구비하는 바, 분리판의 두께에 따라 각 장의 복합재료(30)는 원재료가 여러장 겹쳐진 것으로 구비될 수 있다.
상기 복합재료(30)는 열경화성 및 가소성 수지를 기지로 하는 탄소섬유 프리프레그를 사용하거나, 또는 전도성의 탄소섬유, 카본 블랙, 흑연 입자, 금속 입자를 함유하는 폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 상기 두 장의 복합재료(30) 사이에 배열되는 다수의 중공형 부재(32)를 구비하는 바, 이 중공형 부재(32)는 주사 바늘과 같은 미세 직경의 금속 파이프를 사용하는 것이 바람직하고, 그 밖에 복합재료 파이프, PVC 파이프 등도 사용 가능하다.
이렇게 복합재료(30) 및 중공형 부재(32)를 구비한 상태에서, 이들을 핫프레스에 배치시킨다.
상기 핫프레스의 상형(34) 표면은 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)이 형성되고, 하형(36) 표면에도 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)이 형성된다.
예를 들어, 상기 핫프레스의 상형(34) 표면에 형성된 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)이 수소유로 형성용 요철구간으로 선택되면, 반대로 상기 하 형(36) 표면에 형성된 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)이 공기유로 형성용 요철구간으로 선택된다.
이에, 상기 두 장의 복합재료(30) 및 그 사이에 등간격으로 배열된 다수의 중공형 부재(32)를 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)을 갖는 핫프레스의 하형(36)에 안착시킨다.
다음으로, 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)을 갖는 핫프레스의 상형(34)을 상기 하형(36)쪽으로 하강시켜, 상기 두 장의 복합재료(30)를 고온 가압으로 성형한다.
이때, 반경화 상태이었던 두 장의 복합재료(30)는 상기와 같은 고온 가압에 의하여 압착되는 동시에 경화되면서 서로 일체가 된다.
따라서, 상기 복합재료(30)의 양표면에 각각 요홈 구조의 수소 및 공기유로(20,22)가 형성되고, 동시에 그 내부의 삽입된 중공형 부재(32)의 내부공간이 냉각수 유로(28)가 되는 구조의 분리판(18)이 완성된다.
여기서, 본 발명의 분리판 제조 방법에 대한 다른 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 일 실시예와 같이 원하는 분리판의 크기에 맞게 재단된 반경화 상태인 두 장의 복합재료를 구비한다.
이때, 상기 두 장의 복합재료(30) 사이에는 일 실시예와 달리, 냉각수 유로 형성을 위한 다수의 인서트(40)가 배열된다.
상기 인서트(40)는 용매(물)속에서 녹는 셀룰로오스와 같이 특정 용매에 용 해되거나 분해되는 물질로 제작되거나, 또는 녹는점이 200℃ 이하인 물질(황황(Sulfur), 열가소성 폴리머, 금속)로 제작된 것을 사용한다.
이에, 상기 두 장의 복합재료(30) 사이에 냉각수유로 형성을 위한 다수의 인서트(40)를 등간격으로 배열하면서, 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)을 갖는 핫프레스의 하형(36)에 안착시킨다.
이어서, 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간(38)을 갖는 핫프레스의 상형(34)을 상기 하형(36)쪽으로 하강시켜, 두 장의 복합재료를 고온 가압시킴으로써, 반경화 상태이었던 두 장의 복합재료(30)는 서로 압착되는 동시에 경화되면서 일체가 된다.
따라서, 상기 복합재료(30)의 양표면에 각각 수소 및 공기유로(20,22)가 형성되는 동시에 그 내부에 인서트(40)가 내재된 구조의 분리판이 일단 완성된다.
연이어, 상기 복합재료(30) 내부의 인서트(40)를 제거하는 공정을 통하여 그 제거된 자리를 냉각수 유로(28)로 형성해줌으로써, 최종적으로 분리판(18)이 완성된다.
상기 인서트(40)를 제거하는 방법은 특정 용매에 용해되거나 분해되는 물질로 채택한 경우, 예를 들어 인서트를 셀룰로오스로 제작한 경우 물로 녹여주면 되고, 상기 인서트를 녹는점이 200℃ 이하인 물질로 채택한 경우에는 상기 고온 가압 성형 단계시 그대로 녹아서 제거된다.
이와 같이 하여, 복합재료(30)내의 인서트(40)가 제거된 부분에 중공의 냉각수 유로(28)가 형성되고, 양표면에 각각 수소 및 공기유로(20,22)가 요홈 구조로 형성된 분리판(18)이 완성된다.
한편, 상기와 같은 각 실시예에 따라 제조된 분리판은 냉각수 유로, 공기유로, 수소유로를 포함하는 채널부에 대하여 설명하였지만, 이 채널부(24)의 양단에는 동일한 복합재료에 의하여 도입부(50)와 매니폴드부(26)가 일체로 성형되는 바, 이를 첨부한 도 6 내지 도 8을 참조로 설명하면 다음과 같다.
상기 도입부(50)는 채널부(24)의 양단에 일체로 형성되며, 채널부(24)의 각 냉각수 유로(28)와 연통되는 하나의 내부공간(52)을 갖는다.
상기 하나의 내부공간(52)을 형성하는 방법은 멘드럴(미도시됨)을 성형전에 삽입한 후, 성형후 제거하면 그 제거된 부분이 빈공간이 되며, 이 빈공간이 상기 냉각수 유로(28)와 연통하는 하나의 내부공간(52)이 된다.
상기 도입부(50)의 양단에는 매니폴드부(26)가 일체로 형성되는데, 한쪽의 매니폴드부는 공기 흡입 매니폴드(26a)와 냉각수 입구 매니폴드(26b)와 수소 흡입 매니폴드(26c)가 각각 관통 형성되고, 다른 한쪽의 매니폴드부에는 공기 배기 매니폴드(26d)와 냉각수 출구 매니폴드(26e)와 수소 배기 매니폴드(26f)가 각각 관통 형성된다.
여기서, 상기 매니폴드부(26)의 냉각수 입출구 매니폴드(26b,26e)와, 상기 도입부(50)의 내부공간(52) 사이를 구분해주는 격판(54)에는 복수개의 냉각수 유출입구(56,58)가 관통 형성된다.
따라서, 상기 분리판(18)의 채널부(24)에 형성된 냉각수 유로(28)는 상기 도입부(50)의 하나의 내부공간(52)과 연통되는 상태가 되고, 또한 상기 격판(54)에 형성된 복수개의 냉각수 유출입구(56,58)를 통해서 상기 도입부(50)의 하나의 내부공간(52)과 상기 매니폴드부(26)의 냉각수 입출구 매니폴드(26b,26e)가 서로 연통되는 상태가 된다.
이에 따라, 매니폴드부(26)의 냉각수 입구 매니폴드(26b)→ 일측 격판(54)에 형성된 복수개의 냉각수 유입구(56)→ 일측 도입부(50)내의 하나의 내부공간(52)→ 채널부(24)의 냉각수유로(28: 예를들어, 금속파이프)→ 타측 도입부(50)내의 하나의 내부공간(52)→ 타측 격판(54)에 형성된 복수개의 냉각수 유출구(58)→ 매니폴드부(26)의 냉각수 출구 매니폴드(26e)의 순서로 냉각수가 흐르게 된다.
여기서 본 발명에 따른 분리판에 가스켓이 밀착되는 구조를 살펴보면 다음과 같다.
첨부한 도 9 내지 15는 본 발명의 분리판에 각각 수소측 가스켓 및 공기측 가스켓이 밀착 결합되는 상태를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따른 분리판(18)이 스택으로 조립되면, 분리판(18)의 일면에 형성된 요홈 구조의 수소유로(20)와 그 반대면에 형성된 요홈 구조의 공기유로(22)에는 각각 수소측 가스켓(60)과 공기측 가스켓(62)이 밀착되어, 실질적인 밀폐 구조의 수소유로 및 공기유로를 형성하게 된다.
상기 수소측 가스켓(60)과 공기측 가스켓(62)의 양측단부에는 상기 분리판(18)의 공기 흡입 매니폴드(26a)와 냉각수 입구 매니폴드(26b)와 수소 흡입 매니폴드(26c)와 각각 일치하는 관통구들이 형성되거나, 상기 분리판(18)의 공기 배기 매니폴드(26d)와 냉각수 출구 매니폴드(26e)와 수소 배기 매니폴드(26f)와 각각 일 치하는 관통구들이 형성된다.
이때, 상기 수소측 가스켓(60)의 관통구중 상기 분리판(18)의 수소 흡입 매니폴드(26f)와 수소 배기 매니폴드(26c)와 일치하는 관통구(60a,60b)를 상기 도입부(50)쪽으로 개방시킴으로써, 수소의 흐름은 수소 흡입 매니폴드(26c)→ 관통구(60a)→ 일측 도입부(50) 표면→ 채널부(24)의 수소유로(20)→ 타측 도입부(50) 표면→ 관통구(60b)→ 수소 배기 매니폴드(26f)의 순서로 흐르게 된다.
또한, 상기 공기측 가스켓(62)의 관통구중 상기 분리판(18)의 공기 흡입 매니폴드(26a)와 공기 배기 매니폴드(26d)와 일치하는 관통구(62a,62b)를 상기 도입부(50)쪽으로 개방시킴으로써, 공기의 흐름은 공기 흡입 매니폴드(26a)→ 관통구(62a)→ 일측 도입부(50) 표면→ 채널부(24)의 공기유로(22)→ 타측 도입부(50) 표면→ 관통구(62b)→ 공기 배기 매니폴드(26d)의 순서로 흐르게 된다.
이와 같이, 수소 및 공기측 가스켓(60,62)의 구조를 개선하여, 본 발명에 따른 분리판(18)에 적층시키면, 실질적인 밀폐 구조의 수소유로 및 공기유로가 용이하게 형성되어진다.
도 1은 연료전지 스택의 구성들을 설명하기 위한 개략적 단면도,
도 2는 종래의 분리판 구조를 설명하는 도면,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 분리판 제작 방법을 설명하는 사시도,
도 5는 본 발명에 따른 분리판을 나타내는 평면도,
도 6은 본 발명에 따른 분리판을 나타내는 도 5의 A-A선 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 분리판을 나타내는 도 5의 B-B선 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 분리판을 나타내는 도 5의 C-C선 단면도,
도 9는 본 발명에 따른 분리판의 일면 및 타면에 수소측 가스켓 및 공기측 가스켓이 각각 밀착된 상태를 나타내는 사시도,
도 10은 본 발명에 따른 분리판의 일면에 수소측 가스켓이 밀착된 상태를 나타내는 평면도,
도 11은 본 발명에 따른 분리판의 일면에 공기측 가스켓이 밀착된 상태를 나타내는 평면도,
도 12는 본 발명에 따른 분리판과 수소측 가스켓과 공기측 가스켓이 서로 밀착된 상태를 나타내는 평면도,
도 13은 도 12의 D-D선 단면도,
도 14는 도 12의 E-E선 단면도,
도 15은 도 12의 F-F선 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 연료전지 스택 11 : 단위셀
12 : 전극막 13 : 전해질막
14 : 연료극 15 : 공기극
16 : 가스확산층 17 : 가스켓
18 : 분리판 20 : 수소유로
22 : 공기유로 24 : 채널부
26 : 매니폴드부 26a : 공기 흡입 매니폴드
26b : 냉각수 입구 매니폴드 26c : 수소 흡입 매니폴드
26d : 공기 배기 매니폴드 26e : 냉각수 출구 매니폴드
26f : 수소 배기 매니폴드 28 : 냉각수유로
30 : 복합재료 32 : 중공형 부재
34 : 상형 36 : 하형
38 : 수소 또는 공기유로 형성용 요철구간
40 : 인서트 50 : 도입부
52 : 내부공간 54 : 격판
56 : 냉각수 유입구 58 : 냉각수 유출구
60 : 수소측 가스켓 62 : 공기측 가스켓
60a,60b,62a,62b : 관통구

Claims (8)

  1. 내부에는 다수의 냉각수유로가 관통 형성되고, 한쪽 외표면과 다른 한쪽 외표면에서 상기 냉각수유로의 엇갈리는 위치에 수소유로 및 공기유로가 형성된 구조의 채널부;
    상기 채널부의 양단에 일체로 형성되며, 각 냉각수 유로와 연통되는 하나의 내부공간을 갖는 도입부와;
    상기 도입부의 양단에 일체로 형성되는 매니폴드부로 구성하되,
    상기 매니폴드부의 냉각수 입출구 매니폴드와, 상기 도입부의 내부공간 사이를 구분해주는 격판에는 냉각수 유출입구가 관통 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 채널부와, 도입부와, 매니폴드부는 복합재료에 의하여 일체로 성형되며, 상기 복합재료는 열경화성 및 가소성 수지를 기지로 하는 탄소섬유 프리프레그, 또는 전도성의 탄소섬유, 카본 블랙, 흑연 입자, 금속 입자가 함유된 폴리머인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 채널부의 냉각수 유로내에는 중공형 부재가 삽입된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 중공형 부재는 금속 파이프, 복합재료 파이프, PVC 파이프중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판.
  5. 원하는 분리판의 크기에 맞게 재단된 반경화 상태인 두 장의 복합재료를 구비하는 단계와;
    다수의 중공형 부재를 상기 두 장의 복합재료 사이에 배열하면서 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 하형에 안착시키거나, 냉각수 유로 형성을 위한 다수의 인서트를 상기 두 장의 복합재료 사이에 배열하면서 수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 하형에 안착시키는 단계;
    수소 또는 공기유로 형성용 요철 표면을 갖는 핫프레스의 상형을 상기 하형쪽으로 하강시켜, 상기 두 장의 복합재료를 일체가 되도록 압착 경화시키는 고온 가압 성형 단계;
    상기 복합재료의 양표면에 각각 수소 및 공기유로가 형성되는 동시에 그 내부의 중공형 부재가 냉각수 유로로 형성된 구조로 제작된 분리판, 또는 상기 인서트가 삽입된 상태에서, 복합재료의 양표면에 각각 수소 및 공기유로가 형성된 분리판을 탈형시키는 단계;
    상기 복합재료 내부의 인서트를 제거하여 냉각수 유로를 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 인서트는 특정 용매에 용해되거나 분해되는 물질로 제작되거나, 녹는점이 200℃ 이하인 물질로 제작된 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법.
  7. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 인서트를 특정 용매에 용해되거나 분해되는 물질로 채택한 경우, 상기 가압 성형 단계후, 별도로 인서트를 용매로 용해시키거가 분해시켜 제거하는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법.
  8. 청구항 5 또는 청구항 6에 있어서, 상기 인서트를 녹는점이 200℃ 이하인 물질로 채택한 경우, 상기 고온 가압 성형 단계시 녹아서 제거되는 것을 특징으로 하는 연료전지 스택용 분리판 제조 방법.
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