KR20100030697A - 연료전지스택용 엔드플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지스택용 센드위치 타입의 엔드플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면재가 미리 곡률을 갖도록 섬유강화 복합재료로 성형함으로써, 연료전지스택의 양단면 체결시 체결력에 의한 면재의 중앙부 및 모서리부분에 발생되는 굽힘변형이 상쇄되어, 스택에서 항상 고른 면압을 발생시키는 연료전지스택용 엔드플레이트에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 섬유강화 고분자 복합재료로 이루어진 면재를 포함하고, 상기 면재에 미리 곡률을 인가하여 체결 후에도 평면을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트를 제공한다.

엔드플레이트, 섬유강화 복합재료, 비대칭, 적층순서, CLPT 이론

Description

연료전지스택용 엔드플레이트{End Plate for fuel cell stack}

본 발명은 연료전지스택용 센드위치 타입의 엔드플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 면재가 미리 곡률을 갖도록 섬유강화 복합재료로 성형함으로써, 연료전지스택의 양단면 체결시 체결력에 의한 면재의 중앙부 및 모서리부분에 발생되는 굽힘변형이 상쇄되어, 스택에서 항상 고른 면압을 발생시키는 연료전지스택용 엔드플레이트에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells) 혹은 양자교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점이 있다.

연료전지 스택의 구성은 다음과 같다. 가장 안쪽에 주요 구성 부품인 전극막(MEA: Membrane-Electrode Assembly)이 위치하고, 이 전극막은 수소 양 자(Proton)를 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매 층, 즉 캐소드(Cathode) 및 애노드(Anode)로 구성되어 있다.

또한, 상기 전극막의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 가스 확산층(GDL: Gas Diffusion Layer), 가스켓 등이 적층되며, 상기 가스 확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판(Separator)이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지하기 위한 엔드플레이트가 결합된다.

따라서, 연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온 (Proton)과 전자 (Electron)가 발생하며, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동하게 된다.

이 때, 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 산소가 참여하는 전기 화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 전기에너지를 생성하게 된다.

이러한 연료전지 스택에 있어서, 상기 엔드플레이트는 스택 내에서 고른 면압이 유지되도록 각 구성들을 지지하는 기능을 하는 바, 고른 면압을 유지하는 것은 스택 내의 유체의 누설 방지, 셀(Cell)간 전기 접촉저항의 증가 방지와 관련하여 스택 성능을 좌우하는 중요한 인자이다.

기존의 엔드플레이트 체결 방식은 첨부한 도 1에 도시된 바와 같이 연료전지스택(3)의 상하 양면에 배치된 엔드플레이트(1)를 장 볼트(2)를 이용하여 체결하는 방식을 채택한다.

그러나 종래의 엔드플레이트 체결 방식은 매우 높은 체결력(약 30~40 kN)으로 인하여, 엔드플레이트가 굽힘 변형되어, 체결 후에 중앙부위 및 모서리 부위가 벌어져 스택에 고른 면압을 주지 못했다.

이렇게 엔드플레이트의 중앙부분이 벌어지게 되면, 스택의 중앙부의 낮은 면압 부위에서 전기적 접촉저항이 커지고 유체 누설이 발생하게 되는 문제점을 초래한다.

이러한 점을 감안하여, 연료전지 스택의 양단부에 체결되는 엔드플레이트의 안쪽면을 곡면으로 가공하여, 첨부한 도 2에 도시된 바와 같이, 곡면 가공된 면(4)이 체결력에 의한 변형시 평평한 면이 되도록 한 기술이 제안되었으나, 이는 구면 형상을 가공하여야 하므로 비용과 가공시간이 많이 드는 단점이 있다.

또한, 첨부한 도 3에 도시된 바와 같이 엔드플레이트를 열팽창 계수가 다른 이종 복합 재료를 사용하여 제조함으로써, 열팽창 계수의 차이에 따른 휨변형과 체결력에 의한 굽힘 변형이 서로 상쇄되어, 항상 평판 상태를 유지시킬 수 있도록 하는 방법이 제안되었다.

예를 들어 모재(5)로 고분자 재료가 사용되고, 보강재(6)로 금속 재료가 쓰인다고 하면, 이 두 재료를 동시 경화하여 제작했을 때, 보강재(6) 재료 및 크기, 모재(5) 내에서 보강재(6)의 위치에 따라 복합적으로 휨변형이 발생하므로, 이론적으로 휨변형을 예측하기가 힘들다.

즉, 실험적인 방법에 의하여 휨변형을 측정하여 엔드플레이트의 설계에 반영 하여야만 하는 복잡한 과정이 필요하다.

이에, 체결 후에도 안쪽 면이 벌어지지 않고 평판 상태를 유지하는 엔드플레이트의 용이한 제조방법이 요구된다. 또한, 현재 사용되는 금속으로 제조된 모노코크(Monocoque) 형태의 엔드플레이트의 경우에는 무겁고, 열손실이 큰 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 섬유강화 복합재료를 비대칭으로 적층시켜 3차원 곡률을 갖는 면재를 만들거나, 비대칭으로 적층된 복합재료를 곡률을 갖는 금형 내에서 성형하여 원하는 곡률을 갖는 면재를 제조함으로써, 가볍고 열손실이 작을 뿐만 아니라, 고른 면압을 유지할 수 있도록 한 연료전지스택용 엔드플레이트를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적은 샌드위치 타입의 연료전지스택용 엔드플레이트에 있어서,

섬유강화 고분자 복합재료로 이루어진 면재를 포함하고, 상기 면재에 미리 곡률을 인가하여 체결 후에도 평면을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트에 의해 달성된다.

바람직하게는, 상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 비대칭적으로 적층하여 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 한다.

바람직한 일구현예로서, 상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 대칭적으로 적층한 후, 곡률이 있는 금형 내에서 진공백 성형, 압축 성형 및 수지 이송 성형 중 선택된 어느 하나의 방법에 의해 성형되어 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 한다.

한편, 실제 체결력에 의한 굽힘변형량과 면재의 곡률 사이에 차이가 발생하 는 경우, 상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 비대칭적으로 적층한 후, 곡률이 있는 금형 내에서 성형되어 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 복합재료는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중 하나 이상이 하이브리드 형태로 이루어진다.

이에 따라 본 발명에 따른 연료전지스택용 엔드플레이트에 의하면, 섬유강화 복합재료를 이용하여 면재에 미리 곡률을 인가함으로써, 가볍고 열손실이 작을 뿐 아니라, 고른 면압이 유지되도록 스택을 지지할 수 있으며, 이에 스택내 유체의 누설, 셀간 전기 접촉저항의 증가 등을 방지하여, 연료전지 스택 성능을 최적으로 유지시키게 된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

복합재료는 두 가지 이상의 성질이 서로 다른 물질이 거시적으로 혼합되어 있으면서도 각 성분이 원래의 성질을 가지고 있는 재료를 가리킨다. 복합재료를 이용하는 측면에서 볼 때, 장섬유 강화 형태의 복합재료는 일반적으로 높은 비강성, 높은 비강도, 높은 감쇠 및 열적 특성을 가지기 때문에 가장 적합하다고 할 수 있다.

일반적으로 모든 방향에 대해 기계적 물성이 동일한 금속재료와는 달리, 장섬유 강화 복합재료는 섬유방향(0;X축을 기준으로 0도)과 섬유에 수직인 방향(90;X축을 기준으로 90도)에 따라 강성 및 강도, 열팽창계수, 열전도도 등 기계적 물성이 다르게 나타난다. 예를 들어, 일방향 고강성 탄소 에폭시 복합재료(URN 300, SK chemical, Korea)의 경우, 방향에 따른 기계적 물성을 요약하면 표 1과 같다. 이때, α는 열팽창계수이다.

장섬유 보강 복합재료는 기지가 일부 경화된(B-staged) 상태로 섬유와 혼합되어 있는 프리프레그 형태를 적층하여 진공백 성형이나 압축성형 공정을 통해 제작된다. 이러한 프리프레그의 적층순서 및 적층각도에 따라 복합재료의 기계적 성질이 차이가 나게 되는데, 이러한 성질은 CLPT (Classical Laminated Plate Theory)에 의해 계산 될 수 있다[D.G. Lee, N.P. Suh, “Axiomatic design and fabrication of composite structures”, Oxford, 2006.].

즉, 복합재료는 일반적으로 고온(125~155°C)에서 경화 및 성형되므로 경화 온도(고온)와 사용 환경 온도(예; 상온)의 차이에 의해 비대칭적으로 적층된 복합 적층판은 열팽창계수의 이방성에 의하여 곡률이 발생하는 것으로 요약된다.

이러한 내용을 참조하여, 도 5는 본 발명에 따른 샌드위치 타입 엔드플레이트의 곡률을 가지는 복합재료 면재(10)의 제조 방법을 설명하고 있다.

보다 상세하게는, 도 5에 도시된 바와 같이 곡률을 가지는 샌드위치 타입의엔드플레이트 면재(10)는 프리프레그를 적층하여 곡률을 가지는 금형(60)에서 압축성형 또는 진공백 성형을 통하여 제작될 수 있다. 엔드플레이트 면재(10)로서 요구되는 강성에 맞추어 복합재료 프리프레그(Prepreg)를 적층하여 제작하면, 프리프레그가 비대칭적으로 적층된 경우, 열팽창계수에 의하여 발생하는 곡률과 금형의 곡률이 더해져, 최종적으로 면재(10)의 곡률이 결정되며, 프리프레그가 대칭적으로 적층된 경우, 금형의 곡률은 면재(10)의 곡률로 결정된다. 복합 적층판의 휨정도는 복합재료 섬유의 종류, 직조방법, 수지의 종류 등과 같은 프리프레그의 물성과 프리프레그의 적층 순서, 적층수, 적층각 그리고 금형의 곡률에 관계가 있다.

일방향 탄소 섬유 보강 에폭시 프리프레그 (URN 300, SK Chemical, Korea)를 예로 들어보면 다음과 같다. 프리프레그 적층판을 경화시키면 복합재료의 경화온도와 연료전지의 작동시 온도 차이에 의해 휨이 발생하게 되는데, 표 1의 값을 이용하여 CLPT 프로그램을 적층순서에 따라 x, y 방향으로의 강성 및 곡률을 구해보면, 표 2와 같다.

이때, 경화온도와 작동온도 차이는 45 °C이고, κ는 곡률이다.

표 2에서 0은 섬유방향이고, 90은 섬유수직방향이다.

그리고, [90/0/90/0/90]_S 에서 대괄호는 가장 아래에 위치한 복합재료를 섬유수직방향으로 배치하고, 그 위에 복합재료를 섬유방향으로 배치하고, 이러한 방식으로 각각의 복합재료를 아래서부터 섬유수직방향→섬유방향→섬유수직방향→섬유방향→섬유수직방향으로 이루어지고, 가운데의 섬유수직방향을 기준으로 위아래가 대칭임을 알 수 있다. 아래첨자 S는 Symetry의 약자이며, 복합재료가 대칭으로 적층됨을 표시한다.

또한, 아래 첨자 t는 total의 약자이고, [90/0]_5t 는 90/0/90/0/90/0/90/0/90/0로, 섬유수직방향과 섬유방향으로 번갈아가면서 5번 반복하여 적층되며, 이때 가운데 중심선을 기준으로 위 아래가 서로 대칭이 되지 않으므로 비대칭적으로 복합재료가 적층된다.

90 다음에 아래첨자 4는 층(layer)를 뜻한다. 따라서, [90₄/0]_5t 는 90/90/90/90/90/0, 총 5개층으로 가운데 중심선을 기준으로 위 아래가 서로 비대칭으로 적층됨을 의미한다.

위의 표에서 예로 든 경우, 대칭적으로 적층된 탄소 에폭시 복합재료는 곡률이 x, y 방향 모두 0이 되지만, 비대칭적으로 적층된 탄소 에폭시 복합재료는 x, y 방향에 따라 곡률이 존재하며 그 부호가 다름을 알 수 있다. 이때, 곡률의 부호가 반대인 경우 휨의 방향이 반대임을 의미한다.

이에 따라 비대칭으로 적층된 복합재료를 곡률을 가지지 않는 금형을 사용하여 성형하여 도 6, 7과 같이 x-z, y-z 평면에서 휨이 발생하여, 3차원 형상의 말안장을 뒤집은 모양이 된다.

그러나 복합재료 적층판의 강성과 곡률은 서로 분리된 값이 아니기 때문에, 프리프레그의 적층순서와 적층각도를 조절하여 원하는 강성과 곡률을 모두 얻는 것은 어렵다. 원하는 강성값이 정해짐에 따라, 면재(10)의 열팽창계수의 차에 의한 곡률도 정해지므로, 실제 체결력에 의한 굽힘변형량과 면재(10)의 곡률 사이에 차이가 생기는 경우가 있다. 이 때에는, 복합 적층판을 곡률을 가지는 금형으로 성형하여 원하는 곡률을 가지는 면재(10)를 제조할 수 있다. 즉, 금형의 곡률반경은 다음식과 같이 계산될 수 있다.

금형의 곡률반경 = 실제 체결력에 의한 굽힘변형(곡률반경) - 복합재료 적층판의 열팽창계수 차에 의한 곡률반경

또한, 미리 곡률이 존재하도록 제작되는 복합 적층판은 한가지 재료가 아닌 여러가지 재료를 사용하여서 제작될 수 있다. 예를 들어, 일방향 탄소 에폭시 복합재료와 일방향 유리 에폭시 복합재료, 혹은 아라미드 에폭시 복합재료가 하이브리드(Hybrid) 형태로 적용될 수 있다.

보통 일방향 유리 에폭시 복합재료의 섬유방향 열팽창계수가 탄소 에폭시 복 합재료에 비해 크기 때문에, 탄소 에폭시 복합재료만을 사용했을 때보다, 표 3과 같이 더 큰 곡률을 얻을 수 있다. 이 때도 마찬가지로 면재(10)의 강성을 얻은 후, 모자라는 곡률 반경은 곡률을 가지는 금형을 통해 면재(10)를 성형함으로써, 설계가 가능하다.

[90₂/0₃]_2t(CE) 는 탄소 에폭시 복합재료의 적층순서이고, [90₂/0₃]_t(CE)[90₂/0₃]_t(GE) 는 탄소 에폭시 복합재료와 유리 에폭시 복합재료의 적층순서를 나타낸다.

도 8에서와 같이 유리 에폭시 복합재료와 탄소 에폭시 복합재료를 사용하여 제작한 면재(20)의 경우, x, y 방향의 곡률의 부호가 같기 때문에 중앙이 오목한 3차원 곡률형상을 이루게 됨을 알 수 있다.

이와 같이 제조된 본 발명의 엔드플레이트가 평판 상태를 지속적으로 유지하는 작용을 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 엔드플레이트(100), 즉 곡률이 있는 복합재료 면재(10)가 적용된 샌드위치 타입의 엔드플레이트를 연료전지 스택의 양단부에 기존과 같이 장볼트 또는 밴드 등을 이용하여 체결시킨다.

이때, 엔드플레이트(100)는 높은 장력(약 30~40 kN)으로 체결되는데, 체결하는 부분에 따라 체결력에 의한 굽힙변형으로 발생하는 엔드플레이트의 3차원 형상이 다르게 된다.

예를 들면, 체결하는 부분이 중앙 모서리 부분에 한정되어 있는 경우, 중앙부위나 모서리 부분이 벌어지게 되고, 엔드플레이트의 네 모서리를 체결하는 경우, 중앙 부위가 벌어지게 된다.

도 9를 참조하면, 전자의 경우에는 미리 3차원 형태의 말안장 형태로 제조된 면재(10)를, 후자의 경우에는 3차원의 오목한 형상으로 제조된 면재(20)를 사용하면, 엔드플레이트가 굽힘 변형으로 벌어지게 되는 것을 막아주는 상쇄작용을 하게 된다.

아래의 그래프는 계산을 통해 x-z 평면에 미리 곡률이 있도록 한 샌드위치 타입의 엔드플레이트와 그렇지 않은 샌드위치 타입의 엔드플레이트에 대해서 유한요소해석을 수행한 결과이며, 미리 휨변형을 준 샌드위치 타입의 엔드플레이트가 보다 더 고른 압력(두께 방향)을 스택에 주고 있음을 확인할 수 있다.

따라서, 본 발명의 3차원 곡률을 가지는 샌드위치 타입의 엔드플레이트는 가볍고, 열손실이 작을 뿐 아니라, 고른 면압이 유지되도록 스택을 지지할 수 있으며, 이에 스택내 유체의 누설, 셀간 전기 접촉저항의 증가 등을 방지하여, 연료전지 스택 성능을 최적으로 유지시키게 된다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

도 1은 기존 연료전지 체결시 중앙 부분이 벌어지는 현상을 설명하는 개략도,

도 2 및 도 3은 고른 스택 면압을 주기 위한 대안으로 제시된 엔드플레이트의 개략도,

도 4는 체결 후, 말안장 형태로 변형된 종래의 엔드플레이트를 나타내는 사시도,

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 비대칭적으로 적층된 복합재료 판이 곡률이 있는 금형에서 성형되어 원하는 강성과 곡률을 가지도록 성형하는 방법을 설명하기 위한 개략도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따라 비대칭적으로 적층된 복합재료가 잔류 열 변형에 의하여 곡률을 가지는 엔드플레이트의 개략도,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 엔드플레이트의 면재를 나타내는 사시도,

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 엔드플레이트 면재를 나타내는 사시도,

도 9는 본 발명에 따라 3차원 곡률을 가지는 샌드위치 타입의 면재가 체결된 후, 스택과 맞닿는 부분이 평탄해지는 원리를 보여주는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20 : 면재 11 : 금형

Claims (5)

1. 샌드위치 타입의 연료전지스택용 엔드플레이트에 있어서,

   섬유강화 고분자 복합재료로 이루어진 면재를 포함하고, 상기 면재에 미리 곡률을 인가하여 체결 후에도 평면을 유지하는 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 비대칭적으로 적층하여 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 대칭적으로 적층한 후, 곡률이 있는 금형 내에서 진공백 성형, 압축 성형 및 수지 이송 성형 중 선택된 어느 하나의 방법에 의해 성형되어 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 면재는 복합재료 내의 강화 섬유를 비대칭적으로 적층한 후, 곡률이 있는 금형 내에서 성형되어 2차원 또는 3차원 형상의 열잔류 휨이 발생하도록 제조된 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트.
5. 청구항 2 내지 청구항 4에 있어서,

   상기 복합재료는 탄소섬유, 유리섬유 및 아라미드 섬유 중 하나 이상이 하이브리드 형태로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지스택용 엔드플레이트.

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