KR20230075533A - 대면적과 자유 곡면을 가진 연료전지용 고효율 양극성 분리판, 및 그 제조방법 - Google Patents

대면적과 자유 곡면을 가진 연료전지용 고효율 양극성 분리판, 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지용 양극성 분리판은 기존에 비해 대면적이므로 적층 횟수가 줄어들고 이에 따라 경량화, 컴팩트화가 가능하며, 연료전지가 설치되는 면과 형합하는 곡면을 가지므로 설계 자유도가 증가하고 모빌리티 자체의 경량화가 가능하고, 여러 개의 유입구와 여러 개의 유출구(Multi Input Multi Output)를 가지므로 수소와 산소의 반응효율을 향상시킬 수 있고 유동 정체 부분의 해소가 가능하다는 장점을 갖는다.

Description

대면적과 자유 곡면을 가진 연료전지용 고효율 양극성 분리판, 및 그 제조방법 {High-efficiency bipolar separator for fuel cell with large area and free-curved surface, and manufacturing methods for the same}
본 발명은 연료전지용 고효율 양극성 분리판에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 기존에 비해 대면적이므로 적층 횟수가 줄어들고 이에 따라 경량화, 컴팩트화가 가능하며, 연료전지가 설치되는 면과 형합하는 곡면을 가지므로 설계 자유도가 증가하고 모빌리티 자체의 경량화가 가능하고, 여러 개의 유입구와 여러 개의 유출구(Multi Input Multi Output)를 가지므로 수소와 산소의 반응 효율을 향상시킬 수 있고 유동 정체 부분의 해소가 가능한, 연료전지용 고효율 양극성 분리판에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은 이러한 연료전지용 고효율 양극성 분리판의 제조방법에 대한 것이기도 하다.
일반적으로, 연료전지용 분리판은 MEA (막-전극접합체), GDL (기체확산층)와 함께 스택을 구성하는 핵심 부품으로서 수소, 산소, 냉각수를 각각 분리하여 MEA 전면에 균일하게 분배 및 공급하며, 전기화학 반응에 의해 생성된 전류를 수집 (Anode) 및 전달 (Cathode)하는 역할을 한다. 뿐만 아니라 다수의 셀 적층 시 MEA 및 GDL과 같이 강성이 없는 부품을 지지해 주는 지지체 역할도 수행한다.
이러한 분리판에 요구되는 특성은 우수한 전기 전도성 및 열전도성, 내식성, 낮은 기체 투과성 등이며 스택 체결 안정성을 위해 치수 정밀도 및 구조적 지지체 역할을 위한 강성 등도 필요하다. 특히 저가화 및 상용화를 위해서는 경량화, Compact화, 저가형 재료 및 제조 공정 단순화가 요구된다.
기존에는 연료전지차용 분리판으로 흑연 또는 흑연복합 분리판을 사용하였으나 2000년대 중반 이후 대부분의 완성차 업체는 아래와 같은 이유로 금속 분리판을 적용하고 있다. 금속 분리판은 흑연 대비 내식성 및 전도성에 다소 취약한 점이 있지만 높은 강도 및 낮은 수소 투과도, 박판화에 따른 부피 및 경량화가 가능해 연료전지차에서는 Compact화 및 충격 강성의 필요 조건을 만족하는 금속계 분리판을 대부분 적용하고 있다.
고분자 전해질막 연료전지 시스템에서 금속 양극성 분리판은 가장 큰 부피와 질량을 차지하는 부품들 중 하나로서 전체 가격의 80%, 전체 무게의 80%, 전체 부피의 30%를 차지한다. 따라서, 연료전지의 경량화 및 컴팩트화를 위해서는 분리판을 개선할 필요가 있다.
한편, 탄소 중립에 대한 전 세계적 공조로 인해 유엔 기후 변화 당사국 총회(COP26, UN Climate Change Conference) 등에서 탄소 중립을 위한 규제가 지속적으로 강화되고 있어 미래형 모빌리티(수소차, UAM, 트램, 드론 등)에 적용가능한 연료전지 부품의 개발 필요성이 대두되고 있다.
연료전지를 다양한 형태의 미래형 모빌리티에 적용하기 위해서는 기존의 사각 평판형 병렬 적층식 연료전지 시스템을 해결하여 다양한 미래형 모빌리티의 형상에 맞춘 대면적, 자유곡면 형태의 연료전지 개발이 필요하다. 기존의 사각 평판형 병렬 적층식 연료전지 시스템은 설치장소가 한정되어 있으므로 제품 설계자유도가 낮다는 문제점이 있다. 연료전지가 모빌리티의 외부 곡면에 형합하는 곡면으로 형성된다면 설치 장소를 더 자유롭게 할 수 있고 차지하는 부피도 줄일 수 있을 것이다.
그리고, 만약 기존의 분리판 보다 넓은 대면적 분리판을 제조할 수 있다면 분리판의 적층 횟수를 줄일 수 있으므로 컴팩트화 및 경량화에 유리할 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존에 비해 대면적이므로 적층 횟수가 줄어들고 이에 따라 경량화, 컴팩트화가 가능하며, 연료전지가 설치되는 면과 형합하는 곡면을 가지므로 설계 자유도가 증가하고 모빌리티 자체의 경량화가 가능하며, 여러 개의 유입구와 여러 개의 유출구(Multi Input Multi Output)를 가지므로 수소와 산소의 반응효율을 향상시킬 수 있고 유동 정체 부분의 해소가 가능한, 연료전지용 고효율 양극성 분리판을 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이러한 연료전지용 고효율 양극성 분리판의 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 고효율 양극성 분리판(100)은 연료전지가 설치되는 대상체의 표면과 형합되도록 분리판(100)의 적어도 일부분이 곡면으로 형성된다.
상기 분리판(100)은 두께 0.05~0.2mm의 초박판 금속으로 이루어지고, 프레스 금형으로 성형될 수 있다.
분리판(100)에는 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 유로(15)가 형성되고, 이 유로(15)의 바닥은 곡면으로 성형될 수 있다.
상기 분리판(100)은 적어도 두 곳의 유입구(10a)와 적어도 두 개의 유출구(11a)를 포함하는 것이 바람직하다. 수소와 산소의 반응효율을 향상시키고 유동 정체 부분을 해소하기 위해서 상기 적어도 두 개의 유입구(10a)는 소정 간격으로 이격되고 상기 적어도 두 개의 유출구(11a)는 소정 간격으로 이격된 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면인 분리판 제조방법은 프레스 금형을 이용한다. 구체적으로, 상기 분리판 제조방법은, (a) 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 유로(15)를 초박판 금속에 성형하는 단계; (b) 초박판 금속을 곡면으로 성형하는 단계; 및, (c) 성형된 분리판(100)을 블랭킹하여 초박판 금속에서 분리하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계의 이전에, (b1) 분리판(100)이 곡면으로 성형될 수 있도록 분리판(100)의 외곽 부분 중 분리판(100)을 초박판 금속에 연결하기 위한 연결 부분(9)만 남겨두고 나머지 외곽 부분을 제거하는 단계; 및, (b2) 상기 (b1) 단계 이후에, 가압블록으로 분리판(100)을 가압하여 곡면으로 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (b) 단계에서 분리판(100)은 y 방향으로 소정 곡률의 곡면으로 벤딩되고 x 방향으로는 벤딩되지 않으며, 상기 (b1) 단계에서 연결 부분(9)은 분리판의 y 방향의 중앙 근처에 형성되고 연결 부분(9)을 제외한 나머지 외곽 부분은 제거된다.
그리고, 상기 연결 부분(9)의 바깥쪽 부분(5)이 펀칭되어 관통부(6)가 형성될 수 있다. 관통부(6)는 상기 (b2) 단계의 가압시에 연결 부분(9)의 변형을 돕는다.
본 발명에 따른 분리판은 기존에 비해 대면적이므로 적층 횟수가 줄어들고 이에 따라 연료전지의 경량화, 컴팩트화가 가능하며, 연료전지가 설치되는 면과 형합하는 곡면을 가지므로 설계 자유도가 증가하고 모빌리티 자체의 경량화가 가능하며, 여러 개의 유입구와 여러 개의 유출구(Multi Input Multi Output)를 가지므로 수소와 산소의 반응효율을 향상시킬 수 있고 유동 정체 부분의 해소가 가능하다.
그리고, 본 발명에 따른 분리판의 제조방법은 곡면을 갖는 금속 분리판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 고효율 양극성 분리판을 보여주는 사시도.
도 2는 도 1의 분리판을 이용하여 제조된 연료전지를 보여주는 사시도.
도 3은 도 1의 분리판이 곡면으로 성형되기 전의 상태를 보여주는 평면도.
도 4는 분리판 제조공정 중의 일부를 보여주는 평면도.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 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 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 고효율 양극성 분리판을 보여주는 사시도이고 도 2는 상기 분리판을 이용해서 제조된 연료전지를 보여주는 사시도이다. 도 1~2는 발명의 이해를 돕기 위한 것으로서, 본 발명의 기술적 사상이 구현된 일 예에 불과하다. 본 발명의 기술적 사상은 기존에 비해 대면적이고 자유 곡면을 가진 분리판에 대한 것으로서, 본 발명은 여러 형태의 분리판으로 구현될 수 있다.
상기 분리판(100)은 반응가스가 유입되는 유입 매니폴드(10)와 유입구(10a), 반응가스가 배출되는 유출 매니폴드(11)와 유출구(11a), 반응가스 유로(15, 채널)과, 냉각수 매니폴더(17)(18)를 구비한다. 냉각수 유로(냉각수 채널)은 뒷면에 형성된다.
분리판(100)은 프레스 금형으로 금속판을 가공하여 제조될 수 있다. 금속 분리판은 두께 0.05~0.2mm 바람직하게는 초박판(0.08~0.1mm)의 스테인리스 스틸 또는 Ti, Al 등을 프레스 가공하여 제조된 것일 수 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
분리판(100)은 연료전지가 설치되는 면과 형합하도록 적어도 일부분이 곡면으로 형성될 수 있다. 그리고, 도 2에 나타난 바와 같이, 이러한 분리판(100)을 이용하여 제조된 연료전지도 상기 설치 면과 형합하도록 적어도 일부분이 곡면으로 형성될 수 있다.
도면에 도시된 분리판(100)은 y축 방향으로 일정한 곡률 반경을 갖는 곡면으로 형성되고 x축 방향으로는 직선 상태(평판)를 유지한다. 그리고, 분리판(100)은 z축 방향으로 적층된다.
한편, 분리판(100)은 y축 방향으로 직선 상태(평판)를 유지하고 x축 방향으로 일정한 곡률 반경을 갖는 곡면으로 형성되거나 x, y축 방향으로 일정한 곡률 반경을 갖는 곡면으로 형성될 수도 있다.
곡면을 갖는 분리판(100)은 설치되는 면과 형합하도록 연료전지의 설치 자유도를 높일 수 있다. 이에 비해, 기존의 분리판은 평판 형태로만 제조되었으므로 이를 이용한 연료전지도 큐빅 형태로 제조되었고, 이 연료전지는 부피가 커서 미래형 모빌리티(드론, UAM, 수소차 등)에 장착 자유도가 떨어진다. 예를 들어, 드론은 본체가 협소하여 장착이 불가능하므로 하부 또는 상부에 별도의 어태치먼트를 사용하여 부착하고 있고, 수소차는 운전석 좌석 하부 또는 본넷 엔진룸 등 특정 여유공간에 설치할 수 밖에 없는 제약이 있었다.
아울러, 분리판(100)은 기존 분리판에 비해 대면적을 갖는다.
대면적 분리판(100)의 면적은 활성면적 기준으로 600cm2 이상이고 바람직하게는 1000cm2 이상이며 가장 바람직하게는 1200cm2 이상이지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 분리판(100)이 대면적을 가지면, 적층되는 횟수를 줄일 수 있으므로 연료전지의 경량화와 컴팩트화에 도움이 된다. 그런데, 활성면적이 600cm2 보다 작으면 이러한 효과가 떨어질 수 있다.
분리판(100)이 대면적이고 자유곡면(설치되는 면과 형합하는 곡면)을 갖는다면 연료전지를 경량화, 컴팩트화시킬 수 있으므로 드론 케이스, 비행기의 날개, 캐빈의 루프, 후드 등의 대면적 커버류의 하부에 장착이 가능해지므로 그 만큼 설계 자유도가 증가한다. 상기 자유 곡면은 프레스 금형을 이용한 연속 성형 공정으로 제작될 수 있다.
바람직하게, 분리판(100)은 여러 개의 유입 매니폴드(10)와, 여러 개의 유출 매니폴드(11), 및 여러 개의 냉각수 매니폴드(17)(18)를 갖는다. 각각의 유입 매니폴드(10)에는 유입구(10a)가 형성되고 각각의 유출 매니폴더(11)에는 유출구(11a)가 형성되므로, 분리판(100)의 유로에는 가스 정체 부분이 최소화되고, 이에 따라 가스 반응을 효율적으로 할 수 있다.
바람직하게, 분리판(100)은 수소와 산소의 반응효율을 향상시키고 유동 정체 부분을 해소하기 위해서 이웃하는 유입구(10a)는 소정 간격으로 이격되도록 배치되고 이웃하는 유출구(11a)는 소정 간격으로 이격되도록 배치된다. 그리고, 상기 유로는 곡면을 따라 형성되므로 유로의 바닥이 곡면을 형성할 수 있다.
이에 비해, 기존의 분리판은 유입구와 유출구를 하나씩만 갖고 있었으므로 가스가 정체되는 부분이 있었다.
바람직하게, 다수 개의 유입구(10a)와 유출구(11a)는 직사각형 분리판(100)의 서로 마주보는 변(예를 들어 서로 마주보는 두 개의 장변)에 위치할 수 있다. 아울러, 특정한 유입구(10a)를 통해 유입된 반응가스는 특정한 유출구(11a)를 통해서만 배출되고 다른 유출구(11a)를 통해서는 배출되지 아니할 수 있다.
상술한 바와 같이, 분리판(100)의 곡면은 프레스 금형으로 제조될 수 있다. 도 4는 분리판(100)의 제조 공정 중 곡면 성형공정만을 보여준다. 도 4에서 붉은 선은 분리판(100)을 나타내는 것으로서, 제조 공정 중에 금속판에 분리판(100)이 구현되어 있지는 않지만 분리판(100)에 해당되는 위치를 알기 쉽도록 하기 위해 가상으로 도시하였다.
아울러, 도 4에서 빗금친 부분(해칭된 부분)은 해당 공정에서 펀칭으로 제거되는 부분을 나타낸다.
도 1에 나타난 바와 같이, 분리판(100)은 y축 방향으로 곡률 반경을 갖고(즉, y축 방향으로 곡면으로 성형되고) x축 방향으로는 직선(즉, x축 방향으로는 평판임)으로 성형되는 바, 분리판(100)의 외곽 중에서 분리판(100)의 양측에 x축 방향의 연결 부분(9)만을 남겨두고 나머지 외곽 부분을 제거하는 것이 바람직하다. 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 4에 나타난 바와 같이, ① 공정에서는 분리판(100)의 상측 외곽 부분(도 4에서 상측의 외곽 부분, 2)을 제거하고, ② 공정에서는 분리판(100)의 하측 외곽 부분(3)을 제거하며, ③ 공정에서 정중앙 부분(4)의 외곽을 제거하고, ④ 공정에서 연결 부분(9)의 바깥쪽 부분(5)을 제거하여 관통부(6)를 형성한다. ⑤ 공정에서 곡면 가공을 할 수 있다. 상기 곡면 가공은 가압블록(도면에 미도시)으로 초박판을 가압하여 이루어질 수도 있다.
연결 부분(9)은 곡면 가공시 상대적으로 변위가 작은 부분인 중앙 근처에 형성되므로 정밀한 가공이 가능하다. 곡면 가공시, 관통부(6)는 연결 부분(9)의 변형이 용이하게 이루어지도록 돕는다.
한편, 위에서는 y축 방향으로 곡률 반경을 갖고 x축 방향으로는 직선(평판)으로 성형되는 경우를 설명하였으나 x축 방향으로 곡률 반경을 갖고 y축 방향으로는 직선(평판)으로 성형되는 경우도 위와 동일한 원리로 곡면을 성형할 수 있을 것이다. 나아가, x, y축 방향으로 모두 곡면으로 성형하는 경우도 위 원리를 이용하여 변형이 작게 발생하는 부분에 연결 부분을 형성할 수 있다.

Claims (6)

  1. 연료전지가 설치되는 대상체의 표면과 형합되도록 분리판(100)의 적어도 일부분이 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고효율 양극성 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리판(100)은 두께 0.05~0.2mm의 초박판 금속으로 이루어지고, 프레스 금형으로 성형된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고효율 양극성 분리판.
  3. 제2항에 있어서,
    분리판(100)에는 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 유로(15)가 형성되고, 이 유로(15)의 바닥은 곡면으로 성형된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고효율 양극성 분리판.
  4. 제3항에 있어서,
    분리판(100)은 적어도 두 개의 유입구(10a)와 적어도 두 개의 유출구(11a)를 포함하고,
    수소와 산소의 반응효율을 향상시키고 유동 정체 부분을 해소하기 위해서 상기 적어도 두 개의 유입구(10a)는 소정 간격으로 이격되고 상기 적어도 두 개의 유출구(11a)는 소정 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고효율 양극성 분리판.
  5. 프레스 금형을 이용하여 연료전지용 양극성 분리판을 제조하는 방법에 있어서,
    (a) 반응가스 또는 냉각수가 흐르는 유로(15)를 초박판 금속에 성형하는 단계;
    (b) 초박판 금속을 곡면으로 성형하는 단계; 및,
    (c) 성형된 분리판(100)을 블랭킹하여 초박판 금속에서 분리하는 단계;를 포함하고,
    상기 (b) 단계의 이전에,
    (b1) 분리판(100)이 곡면으로 성형될 수 있도록 분리판(100)의 외곽 부분 중 분리판(100)을 초박판 금속에 연결하기 위한 연결 부분(9)만 남겨두고 나머지 외곽 부분을 제거하는 단계; 및
    (b2) 상기 (b1) 단계 이후에, 가압블록으로 분리판(100)을 가압하여 곡면으로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 고효율 양극성 분리판의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 분리판(100)은 y 방향으로 소정 곡률의 곡면으로 벤딩되고 x 방향으로는 벤딩되지 않으며,
    상기 (b1) 단계에서 연결 부분(9)은 분리판의 y 방향의 중앙 근처에 형성되고 연결 부분(9)을 제외한 나머지 외곽 부분은 제거되며, 상기 연결 부분(9)의 바깥쪽 부분이 펀칭되어 관통부(6)가 형성되고,
    관통부(6)는 상기 (b2) 단계의 가압시에 연결 부분(9)의 변형을 돕는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 고효율 양극성 분리판의 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05166523A (ja) * 1991-12-12 1993-07-02 Tokyo Gas Co Ltd 平板状固体電解質型燃料電池
KR20120077116A (ko) * 2010-12-30 2012-07-10 대우조선해양 주식회사 금속판재의 곡면 성형장치 및 그 성형방법
KR101321125B1 (ko) * 2012-05-08 2013-10-23 부산대학교 산학협력단 미세채널을 가진 대면적 초박막 금속분리판의 제조장치 및 이의 제조방법

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