WO2012081792A1 - 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조 - Google Patents

연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조 Download PDF

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WO2012081792A1
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conductive material
fuel cell
bipolar plate
membrane
unit
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홍종철
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주식회사 효성
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a bipolar plate of a fuel cell and a stack structure using the same, and more particularly, to a bipolar plate formed on both sides of a membrane / electrode assembly and supplying hydrogen and oxygen gas to an electrode of a membrane / electrode assembly.
  • a fuel cell is a power generation system that converts chemical energy directly into electrical energy without a combustion process by an electrochemical reaction generated by reaction between hydrogen, which is a fuel gas, and oxygen (or air), and generates electricity in a closed system. Unlike its batteries, it is a high efficiency clean energy converter that generates electricity continuously by receiving hydrogen and oxygen from the outside.
  • the final product of the fuel cell that generates electricity using hydrogen and oxygen supplied from the outside is water, heat, and direct current electricity, and is a clean, high efficiency power generation system in which harmful gases such as NOx and SOx are discharged less than 1%.
  • harmful gases such as NOx and SOx are discharged less than 1%.
  • it has been widely studied for practical use as a next-generation energy source because it is much higher than 50% compared to the existing internal combustion engine having an efficiency of 25% or less.
  • the fuel cell which is a high-efficiency clean power generation system, has a phosphoric acid type operating near 150 to 200 ° C, a polymer electrolyte type or an alkaline type operating at room temperature to 100 ° C or lower, and 600 to 700 ° C depending on the type of electrolyte used.
  • Molten carbonate type and solid oxide type fuel cell operating at a high temperature of about 1000 °C are classified into molten carbonate type operating at high temperature, and each fuel cell operates basically on the same principle, but the type of fuel, operating temperature, catalyst and electrolyte According to the above.
  • PEMFCs polymer electrolyte fuel cells
  • the current density per unit area is high, so the output characteristics are much higher than other fuel cells, and the operating temperature is low, and the equipment is easy to maintain and repair, and has a quick start-up and response characteristics.
  • development is being actively promoted.
  • the above-described polymer electrolyte fuel cell basically includes a stack, a reformer, a fuel tank, a fuel pump, and the like to construct a system.
  • the stack forms the body of the fuel cell, and the fuel pump supplies the fuel in the fuel tank to the reformer.
  • the reformer reforms the fuel to generate hydrogen gas and supplies the hydrogen gas to the stack.
  • the polymer electrolyte fuel cell supplies fuel in a fuel tank to a reformer by operation of a fuel pump, and reforms the fuel in the reformer to generate hydrogen gas, and electrochemically reacts the hydrogen gas with oxygen in a stack. Generate energy.
  • the stack that substantially generates electricity includes several to several tens of unit cells including a membrane electrode assembly (MEA) and a bipolar plate that adheres to both surfaces thereof. It has a laminated structure.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween.
  • the bipolar plate separates the respective membrane / electrode assemblies and serves as a passage for supplying hydrogen gas and oxygen required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly, and for each membrane / electrode assembly. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series.
  • the conventional fuel cell uses a method of constructing one cell by inserting one membrane / electrode assembly between two bipolar plates. Since a voltage of about 1 V is generated in one cell, the system operates in a desired voltage range. To do this, a stack of multiple cells must be stacked.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides a bipolar plate of a fuel cell and a stack structure using the same, which can reduce the manufacturing cost and time of a fuel cell stack by reducing the number of stacked cells. It is a task.
  • Another object of the present invention is to make it possible to improve the power conversion efficiency by manufacturing a high voltage stack with a small number of stacked cells.
  • the bipolar plate of the fuel cell according to the present invention is formed on both sides of the membrane electrode assembly, and the bipolar plate for supplying hydrogen and oxygen gas to the electrode of the membrane electrode assembly.
  • a plurality of unit plates made of a conductive material; Separation member of the non-conductive material for electrically separating between each unit plate; And a flow channel formed in communication with each of the unit plates and the separation member disposed on the same plane to supply and discharge the gas.
  • the separating member is preferably made of a polymer material.
  • the unit plate and the separation member is preferably molded integrally.
  • a powder of a conductive material for forming the unit plate and a powder of a non-conductive material for forming the separation member are separately injected into a mold by using a fine powder supply device, and then compressed in a thermal fusion method.
  • the conductive material for forming the unit plate and the non-conductive material for forming the separation member may be manufactured by pressing in a state of being injected into a mold after caustic molding through a drying process.
  • the conductive material for forming the unit plate is first injected into the mold, and the non-conductive material for forming the separation member is secondly injected into the space formed by the movement of the mold core, and then the mold is pressed. It may be configured to be manufactured.
  • the non-conductive material for forming the separation member is made of a polymer resin (resin) and additives for improving the flowability and thermal expansion rate
  • the conductive material for forming the unit plate is conductive to the non-conductive material It is preferable to consist of the component which the carbon substance mixed.
  • a stack structure of a fuel cell includes: a membrane / electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode attached thereto with an electrolyte membrane interposed therebetween; And bipolar plates formed on both sides of the membrane / electrode assembly to supply hydrogen and oxygen gas to the electrodes of the membrane / electrode assembly.
  • the bipolar plate may include a plurality of unit plates made of a conductive material; Separation member of the non-conductive material for electrically separating between each unit plate; And a flow channel formed in communication with each of the unit plates and the separation member disposed on the same plane to supply and discharge the gas.
  • the stack structure of the fuel cell according to the present invention includes a membrane / electrode assembly having an anode electrode and a cathode electrode interposed therebetween, and a bipolar plate alternately supplying hydrogen and oxygen gas to the membrane / electrode assembly. Stacked,
  • the bipolar plate may include a plurality of unit plates made of a conductive material; Separation member of the non-conductive material for electrically separating between each unit plate; It may be configured to be in communication with each of the unit plate and the separation member disposed on the same plane, the flow channel for supplying and discharging the gas.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a bipolar plate structure of a fuel cell according to the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a structure in which bipolar plates of a fuel cell according to the present invention are stacked.
  • 3 to 5 is a schematic view showing a bipolar plate manufacturing method of a fuel cell according to the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 are perspective views showing a stack structure of a fuel cell according to the present invention.
  • the fuel cell stack according to the present invention has a structure in which a membrane / electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) and a bipolar plate in close contact with both surfaces thereof are sequentially stacked.
  • the membrane / electrode assembly has a structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween.
  • the bipolar plate separates each membrane / electrode assembly, and serves as a passage for supplying hydrogen and oxygen gas required for the reaction of the fuel cell to the anode electrode and the cathode electrode of the membrane / electrode assembly, and each membrane / electrode assembly. It simultaneously serves as a conductor that connects the anode and cathode electrodes in series.
  • hydrogen gas is supplied to the anode electrode through the bipolar plate, while oxygen is supplied to the cathode electrode.
  • an oxidation reaction of hydrogen gas occurs at an anode electrode, and a reduction reaction of oxygen occurs at a cathode electrode, thereby generating electricity due to the movement of electrons generated, and additionally generating heat and moisture.
  • the bipolar plate of the fuel cell is made of a conductive material through which electricity can flow because a flow channel for supplying fuel and air is formed and also serves as a movement path for electrons generated from the electrode.
  • a bipolar plate may be manufactured by forming a flow channel on a substrate made of a conductive material, such as a graphite plate or a metal plate, or by molding a graphite composite material or a metal plate as a conductor using a molding mold having a flow channel formed therein. do.
  • a conductive material such as a graphite plate or a metal plate
  • the bipolar plate according to the present invention may be manufactured using a conductive metal material such as stainless steel, aluminum, titanium, or copper.
  • FIG. 1 shows a bipolar plate structure of a fuel cell according to the present invention
  • FIG. 2 shows a stacked structure of the bipolar plate.
  • a bipolar plate 10 of a fuel cell includes a vision for electrically separating a plurality of unit plates 12 made of a conductive material and each unit plate 12. And a flow channel (not shown) formed in communication with the separating member 14 of the conductive material, and each unit plate 12 and the separating member 14 disposed on the same plane to supply and discharge gas. Is done.
  • the plurality of unit plates 12 are arranged on the same plane and electrically separated from each other, but have a structure in which flow channel channels communicate with each other. That is, the bipolar plate 10 according to the present invention is divided into a plurality of unit plates 12 that are electrically separated from each other, unlike the common bipolar plate, while sharing the flow channel for gas movement in the same plane as the general bipolar plate. It is made of a structure.
  • Each of the unit plates 12 separates the membrane / electrode assembly 20, and supplies hydrogen and oxygen gas required for the reaction of the fuel cell to the electrodes of the membrane / electrode assembly 20, similar to a conventional bipolar plate.
  • the membrane serves as a conductor that connects the electrodes of each membrane / electrode assembly 20 in series.
  • each unit plate 12 is made of a graphite material or a metal plate component of a conductive material.
  • each of the unit plate 12 according to the present invention performs the same action as the conventional general bipolar plate. Therefore, when the four unit plates 12 are arranged by the separating member 14 of the non-conductive material on the same plane, it may have the same effect as the four fuel cell unit cells are formed side by side.
  • the separating member 14 is made of a non-conductive material as an element for electrically separating the unit plate 12 on the same plane, for example, may be made of a non-conductive polymer material.
  • the separating member 14 is formed with a flow channel channel in communication with the adjacent unit plate 12.
  • each unit plate 12 is not only arranged to be separated from each other due to the separating member 14 but also electrically separated, but the flow channel for supplying and discharging gas is separated from the unit plate 12 and the separating member ( Are formed continuously along 14).
  • the separating member 14 electrically separating the unit plate 12 may be electrically insulated, the separating members 14 may be connected to each other.
  • the bipolar plate 10 has a cross-shaped separation member 14 formed on the same plane, and is formed around the separation member 14.
  • the two unit plates 12 may be separated from each other, where each unit plate 12 is electrically separated from each other, and each unit plate 12 and the separating member 14 have a structure in which channel channels are in communication with each other. Is done.
  • a single cell is formed by inserting one membrane / electrode assembly between two bipolar plates.
  • a voltage of about 1 V is generated, so that the system can
  • a stack of a plurality of cells must be stacked to fabricate a stack, which increases manufacturing costs and inefficient use of space.
  • a fuel cell with a higher voltage can be obtained even with a smaller number of stacked cells.
  • the fuel cell is manufactured using the bipolar plate 10 divided into four unit plates 12 as shown in FIG. 1, four times the voltage can be obtained even when stacked in the same number of cells.
  • the manufacturing cost of the fuel cell stack is reduced and the number of stacked cells is reduced.
  • a high voltage stack can be implemented, thereby increasing the efficiency of the PCS (power converter).
  • the bipolar plate 10 is preferably configured such that the unit plate 12 and the separating member 14 is integrally molded.
  • 3 to 5 schematically illustrate a bipolar plate manufacturing method of a fuel cell according to the present invention.
  • the powder of the unit plate 12 and the separating member 14 are separately injected into the mold 30 using a fine powder supply device. It is then prepared by compression.
  • a powder of conductive material for forming the unit plate 12 and a powder of non-conductive material for forming the separating member 14 are formed by using a fine powder supply device (not shown). 30) and inject separately. That is, the powder of the conductive material and the powder of the non-conductive material are separately injected into the mold 30 so as not to be mixed with each other. Thereafter, when the powder in the mold 30 is compressed in a thermal atmosphere of a furnace, the bipolar plate 10 formed of the unit plate 12 and the separating member 14 is formed while the interfaces of the powder are fused with each other by heat. .
  • the bipolar plate manufacturing method according to the second embodiment of the present invention is to fabricate the unit plate 12 and the separating member material 14 by pressing them in a mold 40. .
  • the bipolar plate manufacturing method according to the third embodiment of the present invention is manufactured by injecting the unit plate 12 and the separating member 14 into the mold 50 and then pressing them. .
  • the conductive material for forming the unit plate 12 is first injected into the mold 50.
  • the core 56 is located at the center so that the conductive material is not filled.
  • the bipolar plate according to the present invention is formed by pressing the mold 50. do.
  • the conductive material having low fluidity is first injected into the mold 50 through the first injection cylinder 52. Thereafter, the non-conductive material having high fluidity is secondarily injected through the second injection cylinder 54 into the empty space at the center portion formed by moving the core 56 of the mold.
  • the conductive material is a mixture of a conductive carbon material (carbon black, graphite, CNT, etc.) with a nonconductive material, and may be used by mixing a polymer resin such as a nonconductive material with an adhesive.
  • the nonconductive material may use only polymer resin, but may be used by mixing an additive such as a lubricant or silica to improve flowability and thermal expansion rate.
  • FIG. 6 and 7 show a stack structure of a fuel cell according to the present invention, respectively.
  • the fuel cell stack structure according to the first embodiment of the present invention has a unit cell structure including a membrane / electrode assembly 20 and a pair of bipolar plates 10.
  • the membrane / electrode assembly 20 has a conventional structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween.
  • the bipolar plate 10 is formed on both surfaces of the membrane / electrode assembly 20 to supply hydrogen and oxygen gas to the electrodes of the membrane / electrode assembly 20, and is made of a conductive material as described above.
  • the fuel cell stack structure according to the second embodiment of the present invention is a structure in which the membrane / electrode assembly 20 and the bipolar plate 10 are alternately stacked, that is, unit cells are continuously stacked. It consists of a laminated structure.
  • the membrane / electrode assembly 20 has a conventional structure in which an anode electrode and a cathode electrode are attached with an electrolyte membrane interposed therebetween.
  • the bipolar plate 10 is formed on both surfaces of the membrane / electrode assembly 20 to supply hydrogen and oxygen gas to the electrodes of the membrane / electrode assembly 20, and is made of a conductive material as described above.
  • the bipolar plate of the fuel cell and the stack structure using the same it is possible to drastically reduce the production cost and time of the fuel cell stack, and to improve the power conversion efficiency by manufacturing a high voltage stack with a small number of stacked cells. It becomes possible.

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Abstract

본 발명은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)의 양면에 형성되어, 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트에 있어서, 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트; 각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재; 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 연료전지 스택의 제작 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 적은 적층 셀 수로 고전압 스택을 제작함으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Description

연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조
본 발명은 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 막/전극 접합체의 양면에 형성되어 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트에 대해, 비전도성 재질의 분리부재에 의해 전도성 재질의 단위 플레이트가 동일 평면상에서 복수로 분리되는 구조로 이루어지게 함으로써, 연료전지 스택의 제작 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 적은 적층 셀 수로 고전압 스택을 제작함으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있게 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조에 관한 것이다.
수요량에 비해 생산량이 현저히 줄어든 석유 에너지는 심각한 자연 환경 문제를 일으킬 뿐 아니라 매장량이 유한하기 때문에, 최근에는 대체에너지에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중 수소에너지를 사용하는 연료전지는 현재의 내연 기관에 비하여 열효율이 높을 뿐 아니라 생성물 또한 청정하여 환경 친화적인 우수한 대체에너지로 각광받고 있다.
연료전지는 연료가스인 수소와 산화가스인 산소(또는 공기)가 반응하면서 일어나는 전기화학적 반응에 의하여 연소 과정 없이 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서, 폐쇄계 내에서 전기를 생산하게 되는 기존의 전지와 달리 외부로부터 수소와 산소를 공급받아 연속적으로 전기를 생산하는 고효율의 청정 에너지 변환장치이다.
상기와 같이 외부에서 공급되는 수소와 산소를 사용하여 전기를 생산하는 연료전지의 최종 생성물질은 물과 열 및 직류 전기로서, NOx, SOx 등의 유해 가스 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이기 때문에 환경 오염을 상당 부분 줄일 수 있을 뿐 아니라, 효율이 25% 이하인 기존의 내연기관에 비하여 50% 이상으로 매우 높아 차세대 에너지원으로 실용화하기 위하여 널리 연구되고 있다.
그리고, 고효율의 청정 발전 시스템인 연료전지는, 사용되는 전해질의 종류에 따라, 150∼200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 또는 알칼리형, 600∼700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형 및 1000℃ 정도의 고온에서 작동하는 고체산화물형 연료전지 등으로 크게 분류되며, 각 연료전지는 기본적으로 동일한 원리에 의해서 작동하나 연료의 종류, 운전 온도, 촉매 및 전해질에 따라 상기와 같이 구분된다.
특히, 상기와 같은 여러 종류 연료전지들 중에서 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는, 고체인 고분자를 전해질로 사용하기 때문에 전해질 관리가 용이하고, 전해질에 의한 부식이나 전해질이 증발되는 문제가 없으며, 단위 면적당 전류밀도가 높아 타 연료전지에 비하여 출력 특성이 월등히 높은 동시에 작동 온도가 낮을 뿐 아니라, 설비 유지 및 보수가 간편하고 빠른 시동 및 응답 특성을 가지고 있어 자동차용 등과 같은 이동용 전원이나, 주택과 공공 건물 등의 분산용 전원 및 전자기기용 소형 전원으로 이용하기 위하여 개발이 활발히 추진되고 있다.
상기와 같은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 상기 고분자 전해질 연료전지는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
상기와 같은 고분자 전해질 연료전지에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly: MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다.
이러한 바이폴라 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할, 그리고 각각의 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
한편, 종래의 연료전지는 두 장의 바이폴라 플레이트 사이에 막/전극 접합체 1개를 삽입하여 1셀을 구성하는 방식을 사용하였으며, 1셀에서는 약 1V의 전압이 발생하기 때문에 원하는 전압 범위에서 시스템이 운전되기 위해서는 다수의 셀을 적층해서 스택을 제작해야 한다.
반면, 연료전지 스택의 제작 비용을 줄이기 위해서는 스택에 적층되는 셀의 수를 줄이고 대면적으로 제작해서 바이폴라 플레이트와 막/전극 접합체의 제조 비용을 줄여야 한다.
그런데 대면적 바이폴라 플레이트를 제작하여 셀 수를 줄일 경우, 셀의 면적이 증가하고 셀 수가 감소하기 때문에 저전압/고전류 스택이 되며, 저전압/고전류 스택의 경우에는 PCS(전력변환기)의 효율이 낮아지게 되는 문제점이 있다.
또한 저전압/고전류인 경우 PCS의 효율은 떨어지면서 가격은 상승하는 문제점이 있고, 변환 효율로 인해 스택의 최소 전압 한계가 있어서 대면적으로 개발하는데에도 한계 있다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 적층되는 셀의 수를 줄여서 연료전지 스택의 제작 비용과 시간을 줄일 수 있는 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조를 제공하는 것을 주요한 해결 과제로 한다.
또한 본 발명은, 적은 적층 셀 수로 고전압 스택을 제작함으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있게 하는 것을 또 다른 해결 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트는, 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)의 양면에 형성되어, 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트에 있어서, 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트; 각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재; 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 분리부재는 고분자 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 상기 단위 플레이트와 분리부재는 일체로 성형되는 것이 바람직하다.
즉, 미세 분말 공급장치를 이용하여 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재질의 분말과, 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재질의 분말을 몰드 내에 구분하여 주입한 후, 압축에 의해 열 융착 방식으로 제조될 수 있다.
또는 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료와, 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료를 건조 과정을 통해 가성형 한 후, 금형에 주입한 상태에서 압착하는 방식으로 제조될 수도 있다.
또한 금형 내부에 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료를 1차 사출하고, 금형 코어의 이동으로 형성된 공간에 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료를 2차 사출한 후, 금형을 압착하는 방식으로 제조되도록 구성될 수도 있다.
여기서, 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료는 고분자 레진(resin)과, 흐름성 및 열팽창률을 개선하기 위한 첨가제로 이루어지고, 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료는 상기 비전도성 재료에 도전성 카본 물질이 혼합된 성분으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 연료전지의 스택 구조는, 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 막/전극 접합체와; 상기 막/전극 접합체의 양면에 형성되어, 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트;를 포함하고,
상기 바이폴라 플레이트는, 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트; 각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재; 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 연료전지의 스택 구조는, 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 막/전극 접합체와, 상기 막/전극 접합체에 수소와 산소 가스를 공급하는 바이폴라 플레이트가 번갈아가면서 연속적으로 적층되고,
상기 바이폴라 플레이트는, 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트; 각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재; 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;을 포함하도록 구성될 수도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 구조를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트가 적층된 구조를 나타내는 사시도.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 제조방법을 나타내는 개략도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 연료전지의 스택 구조를 나타내는 사시도.
이하, 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조에 대한 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연료전지 스택은, 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)가 연속적으로 적층되는 구조로 이루어진다. 여기서, 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 구조로 이루어진다.
그리고 상기 바이폴라 플레이트는 각각의 막/전극 접합체를 분리하고, 연료 전지의 반응에 필요한 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할, 그리고 각각의 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다.
따라서, 바이폴라 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
이처럼, 연료전지의 바이폴라 플레이트는 연료 및 공기를 공급하는 유로 채널이 형성되고, 또한 전극에서 발생하는 전자의 이동 통로 역할도 하기 때문에 전기가 흐를 수 있는 전도체 재질로 제작하게 된다.
예를 들어, 흑연판이나 금속판 등의 전도체 재질의 기판에 기계 가공을 통하여 유로 채널을 형성하거나, 또는 유로 채널이 형성된 성형 몰드를 사용하여 전도체인 흑연복합소재나 금속판을 성형하여 바이폴라 플레이트를 제작하게 된다.
이외에도, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 또는 구리 등의 전도체 금속 재질을 이용하여 제작할 수도 있다.
그리고 도 1에는 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 구조가 도시되어 있고, 도 2에는 상기 바이폴라 플레이트의 적층된 구조가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트(10)는, 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트(12)와, 각각의 단위 플레이트(12) 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재(14), 그리고 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)에 연통 형성되어 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널(도시 생략)을 포함하는 구조로 이루어진다.
상기 복수의 단위 플레이트(12)는 동일 평면상에 배치되어 상호 전기적으로 분리되지만, 유로 채널이 상호 연통되는 구조로 이루어진다. 즉, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)는, 일반적인 바이폴라 플레이트와 마찬가지로 동일 평면상에서는 가스 이동을 위한 유로 채널을 공유하는 반면, 일반적인 바이폴라 플레이트와 달리 전기적으로 분리되는 복수의 단위 플레이트(12)로 구분되는 구조로 이루어진다.
이러한 단위 플레이트(12) 각각은 종래의 일반적인 바이폴라 플레이트와 마찬가지로, 막/전극 접합체(20)를 분리하고, 연료 전지의 반응에 필요한 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체(20)의 전극으로 공급하며, 각 막/전극 접합체(20)의 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행하게 된다. 이를 위해, 각각의 단위 플레이트(12)는 전도성 재질의 흑연소재 혹은 금속판 성분으로 이루어진다.
한편, 본 발명에 따른 단위 플레이트(12) 각각은 종래의 일반적인 바이폴라 플레이트와 동일한 작용을 수행한다. 따라서 동일 평면상에서 비전도성 재질의 분리부재(14)에 의해 4개의 단위 플레이트(12)가 배치되면, 결국 4개의 연료전지 단위 셀이 나란히 형성되는 것과 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
그리고 상기 분리부재(14)는, 동일 평면상의 단위 플레이트(12)를 전기적으로 분리시키기 위한 요소로서 비전도성 재질로 이루어지는데, 예를 들어 비전도성 고분자 재질로 이루어질 수 있다. 또한 상기 분리부재(14)에는 인접하는 단위 플레이트(12)와 연통되는 유로 채널이 형성된다.
따라서 각각의 단위 플레이트(12)는 상기 분리부재(14)로 인해 상호 분리되어 배치될 뿐만 아니라 전기적으로도 분리되고, 다만 가스의 공급 및 배출을 위한 유로 채널은 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)를 따라 연속적으로 형성된다. 그리고 단위 플레이트(12)를 전기적으로 분리시키는 상기 분리부재(14)는 전기적으로 절연체이므로 상호 연결되어도 무방하다.
예를 들어, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)는, 동일 평면상에 십자형 구조의 분리부재(14)가 형성되고, 상기 분리부재(14) 주위로 4개의 단위 플레이트(12)가 분리되는 구조로 이루어질 수 있고, 여기서 각각의 단위 플레이트(12)는 상호 전기적으로 분리되며, 각 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)에는 유로 채널이 상호 연통되는 구조로 이루어진다.
한편, 종래의 연료전지 스택에서는 두 장의 바이폴라 플레이트 사이에 막/전극 접합체 1개를 삽입하여 1셀을 구성하는 방식을 사용하였으며, 1셀에서는 약 1V의 전압이 발생하기 때문에 원하는 전압 범위에서 시스템이 운전되기 위해서는 다수의 셀을 적층해서 스택을 제작해야 하기 때문에, 제조비용이 증가하고 공간 이용이 비효율적으로 이루어진다는 문제점이 있었다.
그러나 본 발명에 의하면, 적은 적층 셀 수로도 종래에 비해 고전압의 연료전지를 얻을 수 있게 된다. 예를 들어, 도 1과 같이 4개의 단위 플레이트(12)로 구분되는 바이폴라 플레이트(10)를 이용하여 연료전지를 제작하게 되면, 종래와 동일한 셀 수로 적층되어도 4배의 전압을 얻을 수 있게 된다.
따라서 본 발명과 같이 동일 평면상에서 복수의 단위 플레이트(12)로 이루어지는 바이폴라 플레이트(10)를 이용하여 연료전지 스택을 구성하면, 종래에 비해 연료전지 스택의 제조 비용이 줄어들고, 적층되는 셀 수가 감소하기 때문에 고전압 스택을 구현할 수 있어서 PCS(전력변환기)의 효율이 높아지는 효과를 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(10)는 상기 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)가 일체로 성형되도록 구성되는 것이 바람직하다.
도 3 내지 도 5에는 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 제조방법이 개략적으로 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제조방법은, 미세 분말 공급장치를 이용하여 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)의 분말을 몰드(30) 내에 구분하여 주입한 후 압축시켜서 제조하는 것이다.
더욱 상세하게는, 미세 분말 공급장치(도시 생략)를 이용하여 상기 단위 플레이트(12)를 형성하기 위한 전도성 재질의 분말과, 상기 분리부재(14)를 형성하기 위한 비전도성 재질의 분말을 몰드(30) 내에 구분하여 주입한다. 즉, 전도성 재질의 분말과 비전도성 재질의 분말을 서로 혼입되지 않도록 몰드(30) 내에 분리하여 주입한다. 이후, 몰드(30) 내의 분말을 로(furnace)의 열적 분위기에서 압축시키면, 분말의 계면들이 서로 열에 의해 융착되면서 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)로 이루어지는 바이폴라 플레이트(10)가 형성된다.
그리고 도 4를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제조방법은, 단위 플레이트(12)와 분리부재 재료(14)를 가성형 한 후, 금형(40)에서 압착하여 제조하는 것이다.
더욱 상세하게는, 상기 단위 플레이트(12)를 형성하기 위한 전도성 재료와, 상기 분리부재(14)를 형성하기 위한 비전도성 재료에 대한 건조 과정을 거치면, 용매가 증발하면서 약한 결합력으로 전도성 재료와 비전도성 재료가 임시 결합되는 가성형 공정이 이루어진다. 이후, 상기 가성형 된 바이폴라 플레이트(10) 재료를 금형(40)에 주입한 상태에서 압착함으로써 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트가 형성된다.
그리고 도 5를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 바이폴라 플레이트 제조방법은, 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)를 금형(50)에 차례로 사출한 후 압착하는 방식으로 제조되는 것이다.
더욱 상세하게는, 상기 단위 플레이트(12)를 형성하기 위한 전도성 재료를 금형(50) 내부에 1차 사출한다. 이때, 중심부에는 코어(56)가 위치하고 있어서 전도성 재료가 채워지지 않게 된다. 그리고 코어(56)를 후퇴 이동시켜서 형성된 중심부의 빈 공간에 상기 분리부재(14)를 형성하기 위한 비전도성 재료를 2차 사출한 후, 금형(50)을 압착함으로써 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트가 형성된다.
일반적으로 전도성 재료는 비전도성 재료에 비해 유동성이 현저히 떨어지므로, 제1 사출 실린더(52)를 통해 유동성이 낮은 전도성 재료를 우선적으로 금형(50) 내에 1차 사출한다. 이후, 금형의 코어(56)를 이동시킴으로써 형성되는 중심부의 빈 공간에, 제2 사출 실린더(54)를 통해 유동성이 높은 비전도성 재료를 2차 사출한다.
전도성 재료는 비전도성 재료에 도전성 카본 물질(카본블랙, 흑연, CNT 등)을 혼합한 것으로서, 비전도성 재료와 같은 고분자 레진(resin)을 접착제로 혼합하여 사용할 수 있다. 그리고 비전도성 재료는 고분자 레진만을 사용할 수도 있지만, 흐름성 및 열팽창률을 개선하기 위해서 윤활제나 실리카(silica) 등의 첨가제를 혼합하여 사용할 수도 있다.
다음에는 상기와 같이 구성되는 바이폴라 플레이트를 이용하여 제조되는 연료전지 스택 구조에 대해 살펴본다.
도 6 및 도 7에는 본 발명에 따른 연료전지의 스택 구조가 각각 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 연료전지 스택 구조는, 막/전극 접합체(20)와 한 쌍의 바이폴라 플레이트(10)를 포함하는 단위 셀 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 막/전극 접합체(20)는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착되는 통상적인 구조로 이루어진다.
그리고 상기 바이폴라 플레이트(10)는, 상기 막/전극 접합체(20)의 양면에 형성되어 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체(20)의 전극으로 공급하는 것으로써, 전술한 바와 같이 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트(12)와, 각각의 단위 플레이트(12) 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재(14), 그리고 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)에 연통 형성되어 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널을 포함하는 구조로 이루어진다.
그리고 도 7을 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 연료전지 스택 구조는, 막/전극 접합체(20)와 바이폴라 플레이트(10)가 번갈아가면서 연속적으로 적층되는 구조, 즉 단위 셀이 연속적으로 적층된 구조로 이루어진다.
여기서, 상기 막/전극 접합체(20)는 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착되는 통상적인 구조로 이루어진다.
그리고 상기 바이폴라 플레이트(10)는, 상기 막/전극 접합체(20)의 양면에 형성되어 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체(20)의 전극으로 공급하는 것으로써, 전술한 바와 같이 전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트(12)와, 각각의 단위 플레이트(12) 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재(14), 그리고 동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트(12)와 분리부재(14)에 연통 형성되어 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널을 포함하는 구조로 이루어진다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시 예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명에 따른 연료전지의 바이폴라 플레이트 및 이를 이용한 스택 구조에 의하면, 연료전지 스택의 제작 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있고, 또한 적은 적층 셀 수로 고전압 스택을 제작함으로써 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

Claims (9)

  1. 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)의 양면에 형성되어, 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트에 있어서,
    전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트;
    각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재;
    동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리부재는 고분자 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위 플레이트와 분리부재는 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  4. 제3항에 있어서,
    미세 분말 공급장치를 이용하여 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재질의 분말과, 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재질의 분말을 몰드 내에 구분하여 주입한 후, 압축에 의해 열 융착 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료와, 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료를 건조 과정을 통해 가성형 한 후, 금형에 주입한 상태에서 압착하는 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  6. 제3항에 있어서,
    금형 내부에 상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료를 1차 사출하고, 금형 코어의 이동으로 형성된 공간에 상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료를 2차 사출한 후, 금형을 압착하는 방식으로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 분리부재를 형성하기 위한 비전도성 재료는 고분자 레진(resin)과, 흐름성 및 열팽창률을 개선하기 위한 첨가제로 이루어지고,
    상기 단위 플레이트를 형성하기 위한 전도성 재료는 상기 비전도성 재료에 도전성 카본 물질이 혼합된 성분으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지의 바이폴라 플레이트.
  8. 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 막/전극 접합체와;
    상기 막/전극 접합체의 양면에 형성되어, 수소와 산소 가스를 막/전극 접합체의 전극으로 공급하는 바이폴라 플레이트;를 포함하고,
    상기 바이폴라 플레이트는,
    전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트;
    각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재;
    동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
  9. 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 캐소드 전극이 부착된 막/전극 접합체와, 상기 막/전극 접합체에 수소와 산소 가스를 공급하는 바이폴라 플레이트가 번갈아가면서 연속적으로 적층되고,
    상기 바이폴라 플레이트는,
    전도성 재질로 이루어지는 복수의 단위 플레이트;
    각각의 단위 플레이트 사이를 전기적으로 분리시키는 비전도성 재질의 분리부재;
    동일 평면상에 배치된 각 단위 플레이트와 분리부재에 연통 형성되어, 가스의 공급 및 배출이 이루어지는 유로 채널;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지의 스택 구조.
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