KR100651216B1 - 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 상세하게는 연료를 공급하는 연료극 매니폴드의 입구와 출구만을 구비하고 있고, 산화제를 공급하는 공기극 유로와 냉각 매체를 공급하는 유로는 별도의 매니폴드를 구비하지 않고 외부에서 가습된 공기를 바이폴라 플레이트의 단면 방향의 터널을 통하여 직접 유입하게 함으로써 산화제 공급 역할과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

이와 같은 연료전지용 바이폴라 플레이트는 한 장의 바이폴라 플레이트로 연료 공급, 산화제 공급, 냉각 역할 등을 동시에 수행 할 수 있으며, 이는 사출 성형 방법으로 바이폴라 플레이트를 제조함으로써 제공될 수 있다

바이폴라 플레이트, 연료전지, 기체유로, 매니폴드

Description

냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트{Bipolar plate used in proton exchange membrane fuel cells having cooling channels}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 연료공급 유로의 부분 상세도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 산화제 공급 및 냉각 역할 유로의 부분 상세도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 측면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바이폴라 플레이트의 매니폴드를 포함하는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 ---- 바이폴라 플레이트 12 ---- 중심선

13 ---- 연료공급 기체유로 14 ---- 연료공급 매니폴드

15 ---- 산화제 공급 및 냉각공기 공급 기체유로

16 ---- 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널

17 ---- 기체 유로의 연결부분

본 발명은 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료를 공급하는 연료극 매니폴드의 입구와 출구만을 구비하고 있고, 산화제를 공급하는 공기극 유로와 냉각 매체를 공급하는 유로는 별도의 매니폴드를 구비하지 않고 외부에서 가습된 공기를 바이폴라 플레이트의 단면 방향의 터널을 통하여 직접 유입되게 함으로써 산화제 공급 역할과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

연료전지는 물의 전기분해에 착안하여 그 반대 원리를 적용한 것으로 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 직접 전기에너지를 생성하는 일종의 발전 장치로서 순수 수소뿐 아니라 메탄올, 천연 가스 등 수소를 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있는 유용한 장치이다.

그리고 연료전지는 수소를 연료로 사용하기 때문에 NO_x나 SO_x와 같은 유해가스의 배출이 거의 없어서 환경문제를 해결 할 수 있는 동시에 기존의 에너지 변환 방식에 비하여 높은 에너지 효율을 얻을 수 있으며, 분산용 현지 설치용 발전 시스템, 무공해 차량의 동력원, 이동용 전원 등 용도에 따라 다양한 크기와 용량으로 제작될 수 있기 때문에 대체 청정 에너지원으로 주목 받고 있는 차세대 에너지 발전장치이다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 그리고 고체산화물 연료전지(SOFC) 등과 고분자 전해질 연료전지와 원리는 같으나 메탄올을 직접 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)가 있다.

그 중 고분자 전해질 연료전지는 액체가 아닌 수소 이온 교환 특성을 갖는 고체 고분자막을 전해질로 사용하기 때문에 전해질에 의한 부식과 증발의 위험이 없고, 다른 종류의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮기 때문에 구조가 간단하고 빠른 시동과 응답특성을 가지며, 우수한 내구성을 지니고 있는 동시에 전류 밀도 및 출력 밀도가 높고 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자동차 동력원, 분산용 전원, 이동용 전원 등 다양한 분야에 응용이 가능하여 가장 활발히 연구되고 있다. 고분자 전해질 연료전지로 전기를 생산할 수 있는 기본 구성은 단위전지이고, 단위전지를 구성하는 핵심요소에는 분리판, 막 전극 접합체, 기체확산층 등이 있다.

일반적으로 단위전지로는 전압이 매우 낮아서 원하는 출력을 얻을 수 없기 때문에 용도에 맞게 원하는 출력을 얻기 위해서 여러 개의 단위전지를 직렬로 연결하는데 이것을 스택이라고 하며, 셀을 연결시키는 대표적인 방법은 산화제 공급 분리판의 한쪽에 다른 셀의 연료 공급 분리판을 연결시키는 바이폴라 플레이트이다.

본 발명은 연료전지 스택의 구성 요소들 중 분리판에 관한 것으로서, 막 전극 접합체의 양쪽에 붙어 있으면서 연료인 수소와 산화제인 산소의 공급, 전자의 이동 통로, 생성된 수분의 배출 통로, 막 전극 접합체의 지지체 등의 역할을 하며, 분리판은 강도가 충분함과 동시에 가볍고 얇아야 하고, 내부식성, 내화학성, 낮은 기체투과도, 높은 전기전도도 등의 특성을 갖추어야 한다.

종래의 분리판에는 연료 공급 분리판과 산화제 공급 분리판이 있고, 각각 연료 공급 유로와 산화제 공급 유로가 형성되어 있으며, 연료 공급 분리판의 이면 또는 산화제 공급 분리판의 이면 또는 모든 분리판의 이면에는 냉각수 공급 유로가 형성되어 있다.

따라서, 종래의 분리판으로 연료 전지 스택을 제작하기 위해서는 서로 다른 두 장의 분리판이 필요하였고, 이것은 스택 제작 시 분리판이 약간씩 어긋나는 경우가 발생하기 때문에 밀봉 문제 및 벤딩에 의한 크랙이 발생하며, 스택의 부피를 감소시키기 위해서 분리판의 두께를 줄일 경우에는 강도가 약해지는 문제점 등이 발생하게 되며, 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 두 장의 분리판을 접착하여 하나의 분리판으로 만드는 연구도 진행되고 있다.

또한, 종래의 분리판은 주로 기계 가공이 용이하고 물성이 좋은 흑연을 많이 사용하지만 가공 비용이 많이 들고 가공 시간도 오래 걸리기 때문에 제조비용이 높아지는 단점이 있으며 최근에는 성형을 이용하여 분리판을 제조함으로써 시간과 비용을 줄이는 연구가 진행되고 있다.

이에 본 발명은 종래와 같이 두 장의 분리판을 이용하여 스택을 제조할 때의 단점인 밀봉 및 벤딩, 강도 감소 등의 문제점을 해결하고, 연료공급 분리판과 산화제 공급 분리판의 제조를 위하여 두 조의 금형을 제작해야 하는 문제를 해결하기 위한 것으로 사출성형에 의하여 한 장의 바이폴라 플레이트로 연료 공급, 산화제 공급, 냉각 역할을 하도록 하고, 또 성형 시 한 조의 금형만을 제작함으로써 제조 비용을 낮추고 생산성도 향상시킬 수 있는 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명의 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트는 한쪽 면에는 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 다수개의 U자형의 연료공급을 위한 기체유로와 연료극 매니폴드의 입구와 출구를 구비하고 있으며, 반대쪽 면에는 별도의 매니폴드를 포함하지 않으면서 직선형태의 산화제 공급 및 냉각공기공급을 위한 기체유로가 형성되어 있고, 단면 방향으로 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 다수개의 터널이 형성되어 있어 이를 통하여 가습된 공기가 직접 유입되어 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행하도록 된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 통하여 다음과 같이 자세히 설명한다.

첨부 도면 중 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트의 부분 상세도로서, 도 1에 도시된 바이폴라 플레이트(11)는 그의 중심선(12)을 기준으로 좌우 대칭인 다수개의 U자 형태의 연료공급 기체유로(13)가 형성되어 있고, 입구와 출구를 구성하는 연료공급 매니폴드(14)로 이루어져 있다.

상기 바이폴라 플레이트(11)의 연료 공급 매니폴드(14)는 기체의 유동 방향에 따라 입구와 출구의 위치가 서로 바뀔 수 있으며, 연료공급 기체유로(13)는 연 료전지 스택의 용량에 따라 단일 유로 또는 다수개의 유로를 형성할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지 바이폴라 플레이트의 다른 한 면의 부분 상세도로서, 도 2에 도시된 바이폴라 플레이트(11)의 횡 방향으로 별도의 매니폴드를 포함하지 않는 직선형태의 유로가 형성되어져 있다. 이 유로는 산화제 공급 및 냉각공기 공급 기체유로(15)이다.

첨부 도면에서 도 3은 상기 바이폴라 플레이트(11)의 측면도로서, 단면 방향으로 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 다수개의 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널(16)이 형성되어 있다.

도 4는 상기 연료공급 매니폴드(14)를 포함하는 상기 바이폴라 플레이트(11)의 단면도로서, 연료공급 매니폴드(14)에서 연료공급 기체유로(13)를 연결하는 부분(17)의 유동의 흐름을 좋게 하기 위하여 약간의 각도, 예를 들면 약 1 내지 3도정도 경사져 있다.

다음에서 상기한 바와 같은 구성을 갖는 바이폴라 플레이트(11)에 대한 사출성형에 의한 성형방법을 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 바이폴라 플레이트(11)는 레진과 흑연분말을 혼합하여 원료를 제조한 후 사출 성형기를 이용하여 바이폴라 플레이트를 제조하였고, 바이폴라 플레이트(11)의 전체 크기는 85.4mm X 120.2mm이고, 연료공급 기체유로(13)의 크기는 61.4mm X 82.2mm이며, 폭과 깊이는 각각 1.6mm, 0.8mm, 리브의 폭은 1mm이다.

그리고 산화제 및 냉각공기 공급 기체유로(15)의 폭과 깊이는 각각 3mm, 2mm이고, 리브의 폭은 1.4mm이며, 도 3에서 산화제 공급 및 냉각공기 공급 터널 (16) 의 폭은 1.2mm이다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 제시한 방법으로 제작한 바이폴라 플레이트로 제조한 연료전지 스택은 종래의 연료전지 스택과 비교하여 밀봉에 더 유리하고, 체결에 의한 벤딩을 감소시키고, 강도를 유지할 수 있으며, 무게가 가볍고, 부피가 더 작으며, 시간과 비용을 감소시킴으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의해 제조된 연료전지 바이폴라 플레이트은 종래의 두 장의 분리판으로 구성된 셀을 연결하여 연료전지 스택을 제작하는 것과 비교하여, 단일 바이폴라 플레이트로 셀을 구성하기 때문에 금형을 제작하는 비용과 바이폴라 플레이트를 성형하는 시간 등을 줄일 수 있고, 그로 인해 생산성도 크게 향상시킬 수 있다.

기체의 출입을 담당하는 종래의 매니폴드는 연료, 산화제, 냉각수 등 각각의 입·출구가 필요하여 분리판의 면적이 넓어야 했고, 두 장의 분리판으로 셀을 구성하기 때문에 두께 또한 줄일 수 없는 한계가 있었다.

본 발명에 의해 제조된 연료전지 바이폴라 플레이트을 적용하면 종래에 사용한 형태의 분리판과 동일한 기체 유로 면적과 비교하여 연료 공급 매니폴드만을 구비함으로써 분리판의 전체 면적은 약 18%를 감소시킬 수 있고, 두 장의 분리판으로 셀을 구성할 때의 분리판의 두께에 대하여 각 셀 당 약 26%의 두께를 감소시킴으로써 전제적으로 약 39%의 부피를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

따라서, 연료전지 스택을 제작할 때 부피를 줄일 수 있으므로 공간의 효율성이 향상되어 생산성 향상이 기대된다.

Claims (4)

1. 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서, 한쪽 면에는 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 다수개의 U자형의 연료공급을 위한 기체유로(13)와 연료극 매니폴드의 입구와 출구(14)를 구비하고 있으며, 반대쪽 면에는 별도의 매니폴드를 포함하지 않으면서 직선형태의 산화제 공급 및 냉각공기공급을 위한 기체유로(15)가 형성되어 있고, 단면 방향으로 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행할 수 있는 다수개의 터널(16)이 형성되어 있어 이를 통하여 가습된 공기가 직접 유입되어 산화제 공급과 냉각 역할을 동시에 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.
2. 제 1항에 있어서, 상기 연료공급 매니폴드(14)에서 연료공급 기체유로(13)를 연결하는 부분(17)의 유동의 흐름을 좋게 하기 위하여 약 1 내지 3도 정도의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.
3. 제 1항에 있어서, 상기 연료공급 매니폴드(14)는 기체의 유동 방향에 따라 입구와 출구의 위치가 서로 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.
4. 제 1항에 있어서, 상기 연료공급 기체유로(13)는 연료전지 스택의 용량에 따라 단일 유로 또는 다수개의 유로인 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 포함된 고분자 전해질 연료전지용 바이폴라 플레이트.

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