KR20180068699A - 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 유체가 공급되는 공급 매니폴드; 상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드 쪽을 향해 유동하도록 유로를 형성하는 금속 다공체를 포함하며; 상기 금속 다공체는, 복수의 제1 타원형 기공들을 갖고, 상기 제1 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 금속 다공체; 및 복수의 제2 타원형 기공들을 갖고, 상기 제2 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 설치되는 제2 금속 다공체를 구비한다.

Description

연료전지용 분리판 및 그 제조 방법{SEPERATOR FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 스택은, 고분자 전해질막과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 애노드 및 캐소드로 이루어진 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)을 포함한다. 또한, 애노드와 캐소드의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 가스켓이 차례로 적층되고, 가스확산층의 바깥 부분에는 수소 및 공기를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 적층된다.
이러한 연료전지 스택의 애노드에서는 수소의 산화 반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이처럼 생성된 수소이온과 전자는 각각 고분자 전해질막과 분리판을 통하여 캐소드로 이동하게 된다. 그러면, 캐소드에서는 애노드로부터 이동된 수소이온과 전자, 공기 중의 산소가 참여하는 환원 반응이 진행되어 물이 생성됨과 동시에 전자의 흐름에 의한 전기 에너지가 생성된다.
한편, 분리판은, 그 양단부에 각각 공기, 수소 등의 유체가 공급될 수 있는 공급 매니폴드와, 공기, 수소 등의 유체가 배출될 수 있는 배출 매니폴드가 형성되고, 공급 매니폴드와 배출 매니폴드 등 사이의 공간에 공기, 수소 등의 유체가 유동할 수 있는 유로가 형성된다.
이러한 연료전지 스택의 내부에서의 수분의 양 및 분포는, 일반적으로 공기 매니폴드에서 배출 매니폴드 쪽으로 증가한다. 그런데, 연료전지 스택의 내부에 분포된 수분의 양이 적정 수준 이상으로 많을 경우에는 기체확산층, 애노드, 캐소드 등의 기공을 통한 수소와 공기의 이동이 제한된다. 그러면, 수소와 산소의 산화 환원 반응의 제한이 발생함으로써, 연지전지 스택의 유효 반응 면적이 감소되고, 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 떨어진다.
그런데, 종래의 연료전지 스택에는 내부의 수분의 양을 적정 수준으로 유지함과 동시에 수분을 균일하게 분포시킬 수 있는 구성이 마련되지 않았다. 따라서, 종래의 연료전지 스택은, 수소와 산소의 산화 환원 반응이 일어나는 연료전지 스택의 유효 반응 면적이 감소되고, 연료전지 스택의 성능 및 내구성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 연료전지 스택의 반응면에 적정한 양의 수분이 균일하게 분포될 수 있도록 구조를 개선한 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 연료전지용 분리판은, 유체가 공급되는 공급 매니폴드; 상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드; 및 상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드 쪽을 향해 유동하도록 유로를 형성하는 금속 다공체를 포함하며; 상기 금속 다공체는, 복수의 제1 타원형 기공들을 갖고, 상기 제1 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 금속 다공체; 및 복수의 제2 타원형 기공들을 갖고, 상기 제2 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 설치되는 제2 금속 다공체를 구비한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일 양상에 따른 연료전이용 분리판의 제조 방법은, 유체가 공급되는 공급 매니폴드와, 상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드를 포함하며, 상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드를 향해 유동하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서, 제1 타원형 기공들을 갖는 제1 금속 다공체와, 제2 타원형 기공들을 갖는 제2 금속 다공체를 형성하는 금속 다공체 형성 단계; 및 상기 제1 금속 다공체를 상기 제1 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 상기 분리판에 설치하고, 상기 제2 금속 다공체를 상기 제2 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 상기 분리판에 설치하는 금속 다공체 설치 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법은, 연료전지 스택의 반응면의 전체 영역에 걸쳐 적정한 양의 수분을 균일하게 분포시킴으로써, 연료전지 스택의 유효 반응 면적을 증가시키고 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 애노드면을 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 분리판의 캐소드면을 나타내는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 금속 다공체의 제조에 필요한 다공성 고분자 소재의 개념도.
도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 다공성 고분자 소재를 이용해 제조된 금속 다공체의 사진.
도 6은 금속 다공체의 종류를 설명하기 위한 도면.
도 7은 도 6에 도시된 금속 다공체들의 수분 투과성을 설명하기 위한 도면.
도 8은 도 1 및 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 9는 도 8에 도시된 금속 다공체 형성 방법의 다른 일 예를 설명하기 위한 위한 순서도.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 애노드면을 나타내는 도면.
도 11은 도 10에 도시된 연료전지용 분리판의 캐소드면을 나타내는 도면.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과하고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도면에서 각 구성요소 또는 그 구성요소를 이루는 특정 부분의 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 따라서, 각 구성요소의 크기는 실제크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그러한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 애노드면을 나타내는 도면이며, 도 2는 도 1에 도시된 연료전지용 분리판의 캐소드면을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 분리판(이하, '분리판(1)'이라고 함)은, 유체를 공급하는 공급 매니폴드(10, 20); 유체를 배출하는 배출 매니폴드(30, 40); 및 유체가 공급 매니폴드(10, 20)에서 배출 매니폴드(30, 40) 쪽을 향해 유동하도록 유로를 형성하는 금속 다공체(70, 80)를 포함할 수 있다. 이러한 분리판(1)은, 연료전지용 시스템에 포함된 연료전지용 스택에 설치되어 사용될 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위해 분리판(1)의 일면에는 전극막 접합체의 애노드와 대면하는 애노드면(50)이 마련되고 분리판(1)의 타면에는 전극막 접합체의 캐소드와 대면하는 캐소드면(60)이 마련되는 경우를 예로들어 본 발명을 설명하기로 한다.
먼저, 공급 매니폴드(10, 20)는, 연료전지 스택을 이용해 수소(H2)와 산소(O2)의 산화 환원 반응을 진행하여 전기를 생성하기 위한 유체 즉, 수소(H2)와 공기(A)를 공급하도록 마련된다. 예를 들어, 공급 매니폴드(10, 20)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수소(H2)를 외부로부터 공급하는 수소 공급 매니폴드(10)와, 산소(O2)를 포함하는 공기(A)를 외부로부터 공급하는 공기 공급 매니폴드(20) 등을 구비할 수 있다. 수소 공급 매니폴드(10)는 애노드면(50)에 배치된 후술할 애노드측 금속 다공체(70)에 수소(H2)를 전달할 수 있도록 분리판(10)의 일측에 형성될 수 있다. 이에 대응하여, 공기 공급 매니폴드(20)는 캐소드면(60)에 배치된 후술할 캐소드측 금속 다공체(80)에 공기(A)를 전달할 수 있도록 분리판(10)의 타측에 형성될 수 있다.
다음으로, 배출 매니폴드(30, 40)는, 전극막 접합체를 이용해 수소(H2)와 산소(O2)의 산화 환원 반응을 진행하고 남은 수소(H2)와 공기(A), 및 수소(H2)와 산소(O2)의 산화 환원 반응 시에 발생한 수분(H20)을 배출하도록 마련된다. 예를 들어, 배출 매니폴드(30, 40)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 수소(H2) 및 이에 포함된 수분(H20)을 외부로 배출하는 수소 배출 매니폴드(30)와, 공기(A) 및 이에 포함된 수분(H20)을 외부로 배출하는 공기 배출 매니폴드(40) 등을 포함할 수 있다. 수소 배출 매니폴드(30)는, 애노드면(50)에 배치된 후술할 애노드측 금속 다공체(70)로부터 수소(H2) 및 이에 포함된 수분(H20)을 전달 받을 수 있도록 분리판(1)의 타측에 형성된다. 이에 대응하여, 공기 배출 매니폴드(40)는, 캐소드면(60)에 배치된 후술할 캐소드측 금속 다공체(80)로부터 공기(A) 및 이에 포함된 수분(H20)을 전달 받을 수 있도록 분리판(1)의 일측에 형성된다.
다음으로, 금속 다공체(70, 80)는, 수소(H2) 및 공기(A)와 이에 포함된 수분(H20)의 유로를 형성할 수 있도록 마련된다. 예를 들어, 금속 다공체(70, 80)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 애노드면(50)에 배치되는 애노드측 금속 다공체(70)와, 캐소드면(60)에 배치되는 캐소드측 금속 다공체(80)를 구비할 수 있다.
애노드측 금속 다공체(70)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 타원형 기공들(72)을 갖고, 제1 타원형 기공들(72)의 장축(73)과 수소(H2)의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 애노드측 금속 다공체(71)와, 복수의 제2 타원형 기공들(75)을 갖고, 제2 타원형 기공들(75)의 장축(76)과 수소(H2)의 유동 방향이 수직을 이루도록 설치되는 제2 애노드측 금속 다공체(74)를 구비할 수 있다. 여기서, 수소(H2)의 유동 방향이란, 수소 공급 매니폴드(10)로부터 공급된 수소(H2) 및 이에 포함된 수분(H20)이 수소 배출 매니폴드(30)에 도달하도록 애노드측 금속 다공체(70)를 가로질러 통과하는 방향을 말한다.
제1 애노드측 금속 다공체(71)는 수소 공급 매니폴드(10)와 제2 애노드측 금속 다공체(74) 사이에 위치하도록 애노드면(50)에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 대응하여, 제2 애노드측 금속 다공체(74)는 제1 애노드측 금속 다공체(71)와 수소 배출 매니폴드(30) 사이에 위치하도록 애노드면(50)에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 애노드측 금속 다공체(70)에 의하면, 수소 공급 매니폴드(10)를 통해 공급된 수소(H2) 및 이에 포함된 수분(H20)은 제1 애노드측 금속 다공체(71)와 제2 애노드측 금속 다공체(72)를 순차적으로 통과한 후 수소 배출 매니폴드(30)를 통해 배출된다.
캐소드측 금속 다공체(80)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 제1 타원형 기공들(82)을 갖고, 제1 타원형 기공들(82)의 장축(83)과 공기(A)의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 캐소드측 금속 다공체(81)와, 복수의 제2 타원형 기공들(85)을 갖고, 제2 타원형 기공들(85)의 장축(86)과 공기(A)의 유동 방향이 수직을 이루도록 설치되는 제2 캐소드측 금속 다공체(84)를 구비할 수 있다. 여기서, 공기(A)의 유동 방향이란, 공기 공급 매니폴드(20)로부터 공급된 공기(A) 및 이에 포함된 수분(H20)이 공기 배출 매니폴드(40)에 도달하도록 캐소드측 금속 다공체(80)를 가로질러 통과하는 방향을 말한다.
제1 캐소드측 금속 다공체(81)는 공기 공급 매니폴드(20)와 제2 캐소드측 금속 다공체(84) 사이에 위치하도록 캐소드면(60)에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 대응하여, 제2 캐소드측 금속 다공체(84)는 제1 캐소드측 금속 다공체(81)와 공기 배출 매니폴드(40) 사이에 위치하도록 캐소드면(60)에 설치되는 것이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 캐소드측 금속 다공체(80)에 의하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 공기 공급 매니폴드(20)를 통해 공급된 공기(A) 및 이에 포함된 수분(H20)은 제1 캐소드측 금속 다공체(81)와 제2 캐소드측 금속 다공체(84)를 순차적으로 통과한 후 공기 배출 매니폴드(40)를 통해 배출된다.
도 3은 도 1에 도시된 금속 다공체의 제조에 필요한 다공성 고분자 소재의 개념도이며, 도 4 및 도 5는 도 2에 도시된 다공성 고분자 소재를 이용해 제조된 금속 다공체의 사진이며, 도 6은 금속 다공체의 종류를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 도 6에 도시된 금속 다공체들의 수분 투과성을 설명하기 위한 도면이다.
위와 같이 분리판(1)은 타원형 기공들(72, 75, 82, 85)을 갖는 금속 다공체(71, 74, 81, 84)에 의해 수소(H2) 및 공기(A)와 이에 포함된 수분(H20)의 유로가 형성되도록 구성된다. 이처럼 금속 다공체(71, 74, 81, 84)를 형성하는 방법은 특별히 한정되지 않는다.
예를 들어, 타원형 기공들(72, 75, 82, 85)을 갖는 금속 다공체(71, 74, 81, 84)는, 다공성 고분자 소재(90)에 증착된 금속 소재(110, 120)로부터 다공성 고분자 소재(90)를 제거한 후, 금속 소재(110, 120) 중 타원형 기공들(122)이 형성된 구간(120)을 선택적으로 분리하여 형성할 수 있다. 다공성 고분자 소재(90)와 금속 소재(110, 120)는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 다공자 고분자 소재(90)는 폴리우레탄 폼일 수 있고, 금속 소재(110, 120)는 Ni, Cu, Al 중 어느 하나일 수 있다.
일반적으로 다공성 고분자 소재(90)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 기공들(92)이 형성된 영역과 타원형 기공들(94)이 형성된 영역을 구비할 수 있다. 따라서, 이러한 다공성 고분자 소재(90)를 깎아 길게 연장된 다공성 고분자 스트립(100)을 형성하면, 도 3에 도시된 바와 같이, 원형 기공들(102)이 형성된 구간과 타원형 기공들(104)이 형성된 구간이 반복적으로 나타난다.
이러한 다공성 고분자 스트립(100)에 금속 소재(110, 120)를 증착한 후 금속 소재(110, 120)로부터 다공성 고분자 스트립(100)을 제거함으로써 금속 소재(110, 120)에 기공들(112, 122)을 형성할 수 있다. 다공성 고분자 스트립(100)의 제거 방법은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 다공성 고분자 스트립(100)은 열처리를 통해 금속 소재(110, 120)로부터 제거할 수 있다. 금속 소재(110, 120)에 형성된 기공들(112, 122)은, 다공성 고분자 스트립(100)의 기공들(102, 104)과 대응하는 형상을 갖는다. 예를 들어, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 원형 기공들(102)이 형성된 다공성 고분자 스트립(100)의 일 구간에 증착되었던 금속 소재(110, 120)의 일 구간(110)에는 원형 기공들(112)이 형성되고, 타원형 기공들(104)이 형성된 다공성 고분자 스트립(100)의 타 구간에 증착되었던 금속 소재(110, 120)의 타 구간(120)에는 타원형 기공들(122)이 형성된다.
이처럼 원형 기공들(112)이 형성된 금속 소재(110, 120)의 일 구간(110)과 타원형 기공들(122)이 형성된 금속 소재(110, 120)의 타 구간(120)을 각각 분리함으로써, 도 6(a) 내지 도 6(c)에 도시된 바와 같이, 원형 기공들(132)을 갖는 금속 다공체(CASE 1)(130)와, 타원형 기공들(142)을 갖고 타원형 기공들(142)의 장축(144)과 수분(H20)의 유동 방향이 수직을 이루도록 배치된 금속 다공체(CASE 2)(140)와, 타원형 기공들(152)을 갖고 타원형 기공들(152)의 장축(154)과 수분(H20)의 유동 방향이 평행을 이루도록 배치된 금속 다공체(CASE 3)(150)를 형성할 수 있다. 이러한 금속 다공체들(130, 140, 50)이 설치된 연료전지 스택의 중/고전류 영역에서의 성능은 기공(132, 142, 152)의 형상과 배치 양상에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, CASE 1 및 CASE 2에 따른 금속 다공체들(130, 140)이 설치된 연료전지 스택의 중/고전류 영역에서의 성능은 거의 유사하지만, CAS3 3에 따른 금속 다공체(150)가 설치된 연료전지 스택의 중/고전류 영역에서의 성능은 CASE 1 및 CASE 2에 따른 금속 다공체들(130, 140)에 비해 상대적으로 낮다. 그런데, 일반적으로 연료전지 스택의 중/고전류 영역에서의 성능 저하는 주로 금속 다공체에 분포된 수분량의 증가에 따른 물넘침(flooding)에 의한 것이다. 따라서, CASE 1 및 CASE에 따른 금속 다공체(130, 140)는 상대적으로 물 배출성이 높고, CASE 3에 따른 금속 다공체(150)는 상대적으로 물 배출성이 낮다고 볼 수 있다.
한편, 연료전지 스택의 애노드, 캐소드 등의 반응면에 적정 수준에 비해 많은 양의 수분(H20)이 분포된 경우에는, 반응면과 기체 확산층의 기공을 통한 수소(H2) 또는 공기(A)의 이동이 제한됨으로써 수소(H2)와 산소(O2)의 산화 환원 반응이 제한된다. 그러면, 수소(H2)와 산소(O2)의 산화 환원 반응이 일어나는 연료전지 스택의 유효 반응 면적은 감소된다.
또한, 연료전지 스택의 반응면에 적정 수준에 비해 적은 양의 수분이 분포된 경우에는, 전극막 접합체의 전해질막의 수소 이온 전달 속도가 저하되어 연료전지 스택의 성능이 저하되고, 전해질막에 손상이 발생하여 연료전지 스택의 내구성이 저하된다.
그런데, 일반적으로 연료전지 스택의 반응면에 분포된 수분(H20)의 양은 유체가 공급되는 공급 매니폴드에서 유체가 배출되는 배출 매니폴드 쪽으로 갈수록 증가된다. 그러므로, 전술한 수분 과도 또는 수분 부족으로 인한 악 영향을 해소하기 위해서는, 공급 매니폴드와 인접한 반응면의 일 영역에 분포되는 수분(H20)의 양은 증가시키고, 배출 매니폴드와 인접한 반응면의 타 영역에 분포되는 수분(H20)의 양은 줄이는 것이 바람직하다.
이를 해결하기 위하여 분리판(1)은, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 공급 매니폴드(10, 20)와 인접한 영역에는 제1 타원형 기공들(72, 82)의 장축(73, 83)이 유체의 유동 방향과 평행을 이루도록 제1 금속 다공체(71, 81)를 설치하고, 배출 매니폴드(30, 40)와 인접한 영역에는 제2 타원형 기공들(75, 85)의 장축(76, 86)이 유체의 유동 방향과 수직을 이루도록 제2 금속 다공체(74, 84)를 설치한다. 여기서, 제1 금속 다공체(71, 81)는 전술한 CASE 3에 따른 금속 다공체(150)와 대응하고, 제2 금속 다공체(74, 84)는 전술한 CASE 2에 따른 금속 다공체(140)와 대응한다.
이처럼 제1 금속 다공체(71, 81)와 제2 금속 다공체(74, 84)를 설치하면, 공급 매니폴드(10, 20)와 인접한 반응면의 일 영역에 분포되는 수분(H20)의 양은 제1 금속 다공체(71, 81)에 의해 상대적으로 증가되고, 배출 매니폴드(30, 40)와 인접한 반응면의 타 영역에 분포되는 수분(H20)의 양은 제2 금속 다공체(74, 84)에 의해 상대적으로 감소된다. 이를 통해 분리판(1)은, 반응면의 전체 영역에 걸쳐 적정한 양의 수분(H20)을 균일하게 분포시킴으로써, 연료전지 스택의 유효 반응 면적을 증가시키고 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 8은 도 1 및 도 2에 도시된 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이며, 도 9는 도 8에 도시된 금속 다공체 형성 방법의 다른 일 예를 설명하기 위한 위한 순서도이다.
분리판(1)의 제조 방법은, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 타원형 기공들(72, 82)을 갖는 제1 금속 다공체(71, 81)와, 제2 타원형 기공들(75, 85)을 갖는 제2 금속 다공체(74, 84)를 형성하는 금속 다공체 형성 단계(S 10); 제1 금속 다공체(71, 81)를 제1 타원형 기공들(72, 82)의 장축(73, 83)과 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 분리판(10)에 설치하고, 제2 금속 다공체(74, 84)를 제2 타원형 기공들(75, 85)의 장축(76, 86)과 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 분리판(1)에 설치하는 금속 다공체 설치 단계(S 20)를 포함할 수 있다.
먼저, 금속 다공체 형성 단계(S 10)는, 다공성 고분자 스트립(100)에 금속 소재(110, 120)를 증착하는 증착 단계(S 11)와, 금속 소재(110, 120)로부터 다공성 고분자 스트립(100)을 제거하는 다공성 고분자 스트립 제거 단계(S 12)와, 금속 소재(110, 120) 중 타원형 기공들(122)이 형성된 구간(120)을 분리하여 제1 금속 다공체(71, 81)와 제2 금속 다공체(74, 84)를 각각 형성하는 금속 다공체 분리 단계(S 13)를 포함할 수 있다.
다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 9에 도시된 바와 같이, 금속 다공체 형성 단계(S 10)는, 다공성 고분자 스트립(100) 중 타원형 기공들(104)이 형성된 일 구간을 분리하는 다공성 고분자 스트립 분리 단계(S 14)와, 다공성 고분자 스트립(100)의 일 구간에 금속 속재(120)를 증착하는 증착 단계(S 15)와, 금속 소재(120)로부터 다공성 소분자 스트립(100)의 일 구간을 제거하는 다공성 고분자 스트립 제거 단계(S 16)와, 금속 소재(120)를 분리하여 제1 금속 다공체(71, 81)와 제2 금속 다공체(74, 84)를 형성하는 금속 다공체 분리 단계(S 17)를 포함할 수 있다.
이후에, 금속 다공체 설치 단계(S 20)는, 제1 금속 다공체(71, 81)를 공급 매니폴드(10, 20)와 제2 금속 다공체(74, 84) 사이에 위치하도록 설치함과 함께, 제2 금속 다공체(74, 84)를 제1 금속 다공체(71, 81)와 배출 매니폴드(30, 40) 사이에 위치하도록 설치하여 수행할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 애노드면을 나타내는 도면이며, 도 11은 도 10에 도시된 연료전지용 분리판의 캐소드면을 나타내는 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 분리판(이하, '분리판(2)'이라고 함)은, 금속 다공체의 구조가 변경되었다는 점에서, 전술한 분리판(1)과 차이점을 갖는다. 이러한 분리판(2)은, 연료전지 시스템에 포함된 연료전지 스택에 설치되어 사용될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 애노드측 금속 다공체(160)는, 복수의 타원형 기공들(162)을 갖고, 타원형 기공들(162)의 장축(163)과 수소(H2)의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 애노드측 금속 다공체(161)와, 복수의 원형 기공들(165)을 갖는 제2 애노드측 금속 다공체(164)를 구비할 수 있다. 여기서, 제1 애노드측 금속 다공체(161)는 전술한 CASE 3에 따른 금속 다공체(150)와 대응하고, 제2 애노드측 금속 다공체(164)는 전술한 CASE 1에 따른 금속 다공체(130)와 대응한다.
제1 애노드측 금속 다공체(161)는 수소 공급 매니폴드(10)와 제2 애노드측 금속 다공체(164) 사이에 위치하도록 애노드면(50)에 설치될 수 있다. 제2 애노드측 금속 다공체(164)는 제1 애노드측 금속 다공체(161)와 수소 배출 매니폴드(30) 사이에 위치하도록 애노드면(50)에 설치될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 캐소드측 금속 다공체(170)는, 복수의 타원형 기공들(172)을 갖고, 타원형 기공들(172)의 장축(173)과 공기(A)의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 캐소드측 금속 다공체(171)와, 복수의 원형 기공들(175)을 갖는 제2 캐소드측 금속 다공체(174)를 구비할 수 있다. 여기서, 제1 캐소드측 금속 다공체(171)는 전술한 CASE 3에 따른 금속 다공체(150)와 대응하고, 제2 캐소드측 금속 다공체(174)는 전술한 CASE 1에 따른 금속 다공체(130)와 대응한다.
제1 캐소드측 금속 다공체(171)는 공기 공급 매니폴드(20)와 제2 캐소드측 금속 다공체(174) 사이에 위치하도록 캐소드면(60)에 설치될 수 있다. 제2 캐소드측 금속 다공체(174)는 제1 캐소드측 금속 다공체(171)와 공기 배출 매니폴드(40) 사이에 위치하도록 캐소드면(60)에 설치될 수 있다.
전술한 바와 같이, 원형 기공들(132)을 갖는 CASE 1에 따른 금속 다공체(130)는 타원형 기공들(152)을 갖고 타원형 기공들(152)의 장축(154)이 유체의 유동 방향과 수직을 이루도록 배치된 CASE 3에 따른 금속 다공체(150)와 거의 유사한 수분 투과성을 갖는다. 따라서, 분리판(2)은, 전술한 분리판(1)과 같이, 연료전지 스택의 반응면에 적정량의 수분(H20)을 균일하게 분포시킴으로써, 연료전지 스택의 유효 반응 면적을 증가시키고 연료전지 스택의 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 연료전지용 분리판의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
분리판(2)의 제조 방법은, 도 12에 도시된 바와 같이, 타원형 기공들(162, 172)을 갖는 제1 금속 다공체(161, 171)와, 원형 기공들(165, 175)을 갖는 제2 금속 다공체(164, 174)를 형성하는 금속 다공체 형성 단계(S 110); 및 제1 금속 다공체(161, 171)와 제2 금속 다공체(164, 174)를 각각 분리판(20)에 설치하는 금속 다공체 설치 단계(S 120)를 포함할 수 있다.
먼저, 금속 다공체 형성 단계(S 110)는, 다공성 고분자 스트립(100)에 금속 소재(110, 120)를 증착하는 증착 단계(S 112)와, 금속 소재(110, 120)로부터 다공성 고분자 스트립(100)을 제거하는 다공성 고분자 스트립 제거 단계(S 114)와, 금속 소재(110, 120) 중 타원형 기공들(122)이 형성된 구간(120)과 원형 기공들(112)이 형성된 구간(110)을 개별적으로 분리하여 제1 금속 다공체(161, 171)와 제2 금속 다공체(164, 174)를 각각 형성하는 금속 다공체 분리 단계(S 120)를 포함할 수 있다.
다음으로, 금속 다공체 설치 단계(S 120)는, 제1 금속 다공체(161, 171)를 공급 매니폴드(10, 20)와 제2 금속 다공체(164, 174) 사이에 위치하되 타원형 기공들(162, 172)의 장축(163, 173)이 유체의 유동 방향과 평행을 이루도록 설치함과 함께, 제2 금속 다공체(164, 174)를 제1 금속 다공체(161, 171)와 배출 매니폴드(30, 40) 사이에 위치하도록 설치하여 수행할 수 있다.
이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1, 2 : 연료전지용 분리판
10 : 수소 공급 매니폴드
20 : 공기 공급 매니폴드
30 : 수소 배출 매니폴드
40 : 공기 공급 매니폴드
50 : 애노드면
60 : 캐소드면
70 : 애노드측 금속 다공체
71 : 제1 애노드측 금속 다공체
74 : 제2 애노드측 금속 다공체
80 : 캐소드측 금속 다공체
81 : 제1 캐소드측 금속 다공체
84 : 제2 캐소드측 금속 다공체
90 : 다공질 고분자 소재
100 : 다공질 고분자 스트립
110, 120 : 금속 소재
130, 140, 150 : 금속 다공체
160 : 애노드측 금속 다공체
161 : 제1 애노드측 금속 다공체
164 : 제2 애노드측 금속 다공체
170 : 캐소드측 금속 다공체
171 : 제1 캐소드측 금속 다공체
174 : 제2 캐소드측 금속 다공체

Claims (10)

  1. 유체가 공급되는 공급 매니폴드;
    상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드; 및
    상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드 쪽을 향해 유동하도록 유로를 형성하는 금속 다공체를 포함하며;
    상기 금속 다공체는,
    복수의 제1 타원형 기공들을 갖고, 상기 제1 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 금속 다공체; 및
    복수의 제2 타원형 기공들을 갖고, 상기 제2 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 설치되는 제2 금속 다공체를 구비하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 금속 다공체는 상기 공급 매니폴드와 상기 제2 금속 다공체 사이에 설치되며,
    상기 제2 금속 다공체는 상기 제1 금속 다공체와 상기 배출 매니폴드 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 유체가 공급되는 공급 매니폴드;
    상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드; 및
    상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드 쪽을 향해 유동하도록 유로를 형성하는 금속 다공체를 포함하며;
    상기 금속 다공체는,
    복수의 타원형 기공들을 갖고, 상기 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 설치되는 제1 금속 다공체; 및
    복수의 원형 기공들을 갖는 제2 금속 다공체를 구비하는 연료전지용 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 금속 다공체는 상기 공급 매니폴드와 상기 제2 금속 다공체 사이에 설치되며,
    상기 제2 금속 다공체는 상기 제1 금속 다공체와 상기 배출 매니폴드 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 유체가 공급되는 공급 매니폴드와, 상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드를 포함하며, 상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드를 향해 유동하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서,
    (a) 제1 타원형 기공들을 갖는 제1 금속 다공체와, 제2 타원형 기공들을 갖는 제2 금속 다공체를 형성하는 금속 다공체 형성 단계; 및
    (b) 상기 제1 금속 다공체를 상기 제1 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 평행을 이루도록 상기 분리판에 설치하고, 상기 제2 금속 다공체를 상기 제2 타원형 기공들의 장축과 상기 유체의 유동 방향이 수직을 이루도록 상기 분리판에 설치하는 금속 다공체 설치 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 다공성 고분자 소재에 금속 소재를 증착하는 증착 단계;
    (a2) 상기 금속 소재로부터 상기 다공성 고분자 소재를 제거하는 다공성 고분자 소재 제거 단계;
    (a3) 상기 금속 소재 중 타원형 기공들이 형성된 구간을 분리하여 상기 제1 금속 다공체와 상기 제2 금속 다공체를 각각 형성하는 금속 다공체 분리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제1 금속 다공체를 상기 공급 매니폴드와 상기 제2 금속 다공체 사이에 위치하도록 설치함과 함께, 상기 제2 금속 다공체를 상기 제1 금속 다공체와 상기 배출 매니폴드 사이에 위치하도록 설치하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
  8. 유체가 공급되는 공급 매니폴드와, 상기 유체가 배출되는 배출 매니폴드를 포함하며, 상기 유체가 상기 공급 매니폴드에서 상기 배출 매니폴드를 향해 유동하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서,
    (a) 타원형 기공들을 갖는 제1 금속 다공체와, 원형 기공들을 갖는 제2 금속 다공체를 형성하는 금속 다공체 형성 단계; 및
    (b) 상기 제1 금속 다공체와 상기 제2 금속 다공체를 각각 상기 분리판에 설치하는 금속 다공체 설치 단계를 포함하며,
    상기 (b) 단계는, 상기 제1 금속 다공체를 상기 타원형 기공들의 장축이 상기 유체의 유동 방향과 평행을 이루도록 설치하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    다공성 고분자 소재에 금속 소재를 증착하는 증착 단계;
    상기 금속 소재로부터 상기 다공성 고분자 소재를 제거하는 다공성 고분자 소재 제거 단계;
    상기 금속 소재 중 상기 타원형 기공들이 형성된 구간과 상기 원형 기공들이 형성된 구간을 개별적으로 분리하여 상기 제1 금속 다공체와 상기 제2 금속 다공체를 각각 형성하는 금속 다공체 분리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제1 금속 다공체를 상기 공급 매니폴드와 상기 제2 금속 다공체 사이에 위치하도록 설치함과 함께, 상기 제2 금속 다공체를 상기 제1 금속 다공체와 상기 배출 매니폴드 사이에 위치하도록 설치하여 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조 방법.
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