KR101887778B1 - 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지용 분리판은 가장자리에 돌출된 결합돌기가 형성된 분리 플레이트; 및 상기 결합돌기가 삽입 고정되는 결합공이 형성되어 상기 분리 플레이트 평면에 결합되고, 반응가스가 유동되는 유로를 제공하는 다공체;를 포함한다.

Description

연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀{SEPARATOR FOR FEUL CELL AND UNIT CELL OF FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀에 관한 것으로, 보다 상세하게는 결합돌기를 이용하여 다공체를 포함하는 연료전지용 분리판의 조립을 용이하게 하고, 서로 인접하는 분리판에 각각 결합돌기 및 결합홈을 형성하여 연료전지 단위셀의 적층성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 종래 일반적인 연료전지 스택을 보여주는 분해 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 일반적인 연료전기 스택은 전해질막과 그 양면에 각각 배치되는 전극으로 구성된 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA, 4)와 막전극 접합체의 전극에 각각 접합되어 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 가스 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL, 6) 및 각각의 가스 확산층에 밀착결합되어 반응기체를 공급하는 분리판(8) 및 반응기체의 누설을 방지하는 가스켓(8a)을 포함한다.
이때, 분리판(8)은 반응기체인 수소와 산소가 서로 섞이지 않도록 하면서, 막전극 접합체(4)를 전기적으로 연결 및 지지함으로써, 연료전지 스택의 형태를 유지시키는 역활을 한다.
따라서, 분리판(8)은 반응기체가 서로 혼합되지 않도록 그 구조가 치밀해야 할 뿐만 아니라 전도체 및 지지체의 역할을 위해 전도성이 우수하면서 강도가 우수한 강도를 가져야 한다. 이에, 주로 금속 재질의 분리판(8)이 주로 사용되었다.
이때, 막전극 접합체(4)와 가스 확산층(6)과 가스켓(8a) 및 분리판(8)으로 구성되는 하나의 단위셀(2)에서 발생되는 전압은 낮기 때문에, 필요로 하는 전압에 따라 다수 개를 적층하여 사용하게 된다.
그러나 이처럼 많은 단위셀(2)을 적층하는 경우 분리판(8)이 균일한 면압을 유지하지 못하여 국부적인 변형이 발생되거나 실링을 유지하지 못하는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 종래 적층된 복수의 분리판(8)을 고정시키기 위해 점 용접 또는 레이저 용접 등의 방식을 사용하였는데, 용접부의 내식성이 낮아 부식 우려가 있으며 용접부는 주변에 비해 강도가 낮아져 크랙 등이 발생되는 문제점을 가지고 있었다.
특히, 분리판(8)의 두께가 0.1㎜ 이하인 경우, 용접시 압력에 의해 변형 등을 유발하고, 적층성이 저하되는 문제점을 가지고 있었다.
종래 분리판(8)의 적층성을 향상시키기 위한 기술로 분리판(8)의 양 측에 끼워 맞춤이 가능한 요철을 형성하여 적층성을 향상시키는 기술 등이 개발되었다. 그러나 상기와 같은 방법은 요철이 끼워 맞춤형태를 형성하기 위한 높이 확보가 필수적이며, 0.1㎜ 이하의 분리판(8)은 요철을 끼워 맞추기 위한 프레스 작업시 변형 또는 크랙 등 분리판(8)의 손상을 유발하는 문제점을 가지고 있었다.
상기한 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 2013-0057716 A (2013.06.03)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 분리판과 다공체의 결합을 용이하게 하여 조립시간을 단축하고 내식성 저하를 방지할 수 있는 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀을 제공한다.
또한, 분리판의 두께를 감소시켜 연료전지의 부피 및 무게를 줄일 수 있는 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀을 제공한다.
또한, 인접하는 연료전지 단위셀 간 적층성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 연료전지 단위셀을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른, 연료전지용 분리판은 가장자리에 돌출된 결합돌기가 형성된 분리 플레이트; 및 상기 결합돌기가 삽입 고정되는 결합공이 형성되어 상기 분리 플레이트 평면에 결합되고, 반응가스가 유동되는 유로를 제공하는 다공체;를 포함한다.
상기 분리 플레이트 및 다공체는, 가장자리 양측에 각각 적어도 한 쌍의 상기 결합돌기 및 결합공이 서로 대향하게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 결합공은, 슬릿(slit)형상으로 형성되되, 단축의 길이는 상기 결합돌기의 직경에 대응되는 너비를 갖도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 서로 대향하게 배치된 상기 결합공은 그 장축이 서로 수직하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 결합돌기는, 그 단부의 직경이 상기 결합공의 단축의 길이보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분리 플레이트는, 상기 다공체와 결합시, 스프링 백으로 인한 변형량을 흡수하여 평탄도를 확보할 수 있도록 상기 결합돌기가 상기 결합공의 장축 방향으로 유동 가능하게 결합된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분리 플레이트는, 그 평면에 부착되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 고정돌기는 가스켓에 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀은 복수 개가 적층되어 연료전지를 구성하는 연료전지 단위셀로서, 양 측면에 배치되는 한 쌍의 분리판을 포함하되, 인접하는 상기 연료전지 단위셀 간 결합이 용이하도록 한 쌍의 상기 분리판 중 선택된 하나에 고정돌기가 돌출 형성되고, 선택되지 않은 나머지 분리판에 상기 고정돌기가 삽입되어 고정될 수 있도록 음각된 고정홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 고정돌기 및 고정홈은 복수 개로 마련되고, 상기 고정홈은 상기 고정돌기가 삽입된 상태로 이동될 수 있도록 슬릿(slit) 형상으로 형성된 것이 바람직하다.
이때, 서로 대향하게 배치되는 상기 고정홈은 장축이 서로 수직하도록 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고정돌기는 단부로 갈수록 그 직경이 증가되도록 형성되고, 상기 고정홈은 상기 고정돌기의 단면에 대응되도록 상기 고정돌기가 삽입되는 방향으로 그 폭이 점차 증가되도록 형성된 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 단위셀 조립시 다공체와 분리판의 정렬을 용이하게 함으로써, 조립성을 향상시키고 고정을 위한 별도의 용접공정을 생략할 수 있어 내식성이 저하되는 것을 방지하고 조립시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 분리판의 두께를 감소시키더라도, 연료전지 단위셀 조립과정에서 변형 및 손상 발생을 최소화할 수 있고, 나아가 연료전지의 부피 및 무게를 감소시켜 차량의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 일반적인 연료전지 스택을 보여주는 분해 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합돌기와 결합공의 결합을 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 보여주는 도면이며,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정홈을 설명하기 위한 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정돌기와 고정홈의 결합을 설명하기 위한 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 결합돌기와 결합공의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(10)은 가장자리에 결합돌기(110)가 형성된 분리 플레이트(100)와 결합돌기(110)가 삽입 고정될 수 있도록 결합공(210)이 형성되어 분리 플레이트(100) 평면에 결합된 다공체(200)를 포함한다.
분리 플레이트(100)는 금속재질의 평판 형상으로 형성되며, 다공체(200)는 금속 폼(Metal Foam), 탄소 폼(Carbon Foam) 및 와이어 메쉬(Wire Mesh) 등과 같은 미세 기공구조를 갖는 전도성 재질로 형성되어 분리 플레이트의 평면에 결합되어 반응가스가 유동되는 유로를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공체(200)는 프레스 공법을 이용하여 금속 박판에 미세 홀(Hole) 등 다공 구조와 채널을 형성하여 3차원 미세 다공 구조체를 형성하는 방식으로 제조될 수 있다.
상기와 같이 마련된 다공체(200)는 결합돌기(110)와 결합공(210)을 매개로 분리 플레이트(100)의 평면에 일체로 고정되며, 가스 확산층(GDL, 6)을 균일하게 압축시켜 면압을 분산시킴으로써 전기저항을 최소화하여 연료전지의 성능을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 종래 용접방식으로 고정시 용접부의 내식성 저하 및 용접부의 미세 크랙 등으로 인한 기밀성 저하를 방지할 수 있고, 일정 기간간격으로 용접부를 교체 및 관리할 필요가 없어 관리비용을 절감시킬 수 있으며, 분리판(10)의 변형을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
특히, 분리 플레이트(100)의 두께를 0.1㎜ 이하로 형성하더라도 다공체(200)를 고정하기 위한 별도의 용접공정을 필요로 하지 않아 변형 등 손상으로 인한 적층성 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 플레이트(100) 및 다공체(200)는 적어도 한 쌍의 결합돌기(110) 및 결합공(210)이 서로 대향하게 배치되는 것을 특징으로 할 수 있는데, 그 이유는 하나의 결합돌기(110) 및 결합공(210)으로 분리 플레이트(100) 및 다공체(200)를 결합하는 경우 결합부위를 중심으로 회전되는 등 문제점이 있기 때문에 그 위치를 고정하기 위해서는 적어도 한 쌍의 결합부가 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 다공체(210)는 일 방향으로 연장된 슬릿(Slit) 형상을 갖도록 형성되되, 결합공(210)의 단축(B)의 길이가 결합돌기(110)의 직경에 대응되는 너비를 갖도록 형성되는 것이 바람직하다.
종래, 분리 플레이트(100)와 다공체(200) 결합시 점 용접 등의 방식 등을 이용하여 양 단을 고정시킨 경우, 분리 플레이트(100)와 다공체(200) 결합시 분리 플레이트(100)와 다공체(200)의 너비 또는 폭 차이로 인하여 비교적 넓은 너비 또는 폭을 갖는 분리 플레이트(100) 또는 다공체(200)의 중심에 들뜸 현상이 발생될 수 있다.
이러한 들뜸 현상은 분리 플레이트(100) 및 다공체(200)의 평탄도 확보를 어렵게 하여 면압 불균일 등으로 인한 성능 및 내구성 저하를 유발하며, 나아가 연료전지 스택의 조립을 어렵게 하고 성능을 저하시키는 문제점을 가지고 있었다.
이에, 본 발명의 일 실시예에 따른 다공체(200)는 결합공(210)이 슬릿 형상으로 형성되어 결합돌기(110)가 결합공(210)에 삽입되어 결합된 상태에서 결합공(210)의 장축(A) 방향으로 장축(A)의 길이만큼 유동 가능함으로써, 분리 플레이트(100)와 다공체(200) 결합시 스프링 백으로 인한 변형량을 흡수하여 들뜸 현상이 발생되는 것을 방지함으로써 분리 플레이트(100) 및 다공체(200)의 평탄도를 확보할 수 있어 연료전지 스택의 조립성 및 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 다공체(200)의 양단에 서로 대향하게 배치되는 다공체(210)는 그 장축(A)이 서로 수직하도록 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 사각 평판 형상의 다공체(200) 및 분리 플레이트(100)의 수직 방향 모두 즉, 폭 방향 및 길이 방향 모두 변형을 방지할 수 있어야 하기 때문이다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 결합돌기(110)는 돌출된 단부의 직경(C)이 다공체(210)의 단축(B)의 길이보다 크게 형성되는 것이 바람직한데, 그 이유는 결합공(210) 내부로 삽입된 결합돌기(110)가 결합공(210)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판(10)은 그 평면의 테두리에 부착되는 가스켓(120)을 더 포함하고, 이때, 결합돌기(110)가 가스켓(120)에서 연장되어 상방으로 돌출 형성된다. 이에, 다공체(200)의 평면에 고정된 가스켓(120)에 형성된 결합돌기(110)가 분리 플레이트(100)의 다공체(210)에 삽입 고정됨으로써, 분리 플레이트(100)와 다공체(200)가 일체로 결합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀을 보여주는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정홈을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정돌기와 고정홈의 결합을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 단위셀(1)은 복수 개가 적층되어 연료전지를 구성하는 연료전지 단위셀로서, 막전극 접합체(MEA, 4)와 막전극 접합체(MEA, 4)의 양면에 부착되는 한 쌍의 가스 확산층(GDL, 6) 및 한 쌍의 분리판(10)을 포함한다.
이때, 앞서 설명한 분리 플레이트(100)와 다공체(200)의 결합구조와 마찬가지로 인접하는 분리판(10)과 적층성이 향상될 수 있도록, 한 쌍의 분리판(10) 중 선택된 하나의 분리판(10)에는 고정돌기(11)가 돌출 형성되고, 선택되지 않은 나머지 하나의 분리판(10)에는 고정돌기(11)가 삽입 고정되는 고정홈(12)이 형성된다.
이에, 인접하는 분리판(10)과의 적층성을 향상시킴으로써, 연료전지 스택의 조립을 용이하게 하여 제조시간을 단축시키고 생산성을 향상시킬 수 있으며, 연료전지 단위셀(1)의 변형을 최소화하여 연료전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정돌기(11) 및 고정홈(12)은 상기 결합돌기(110) 및 다공체(210)과 마찬가지로 복수 개로 마련되고, 고정홈(12)이 슬릿 형상으로 마련되어 고정돌기(11)가 고정홈(12)에 삽입된 상대로 일정 영역 이동될 수 있도록 형성된다.
또한, 서로 대향하게 배치되는 고정홈(12)은 장축이 서로 수직하도록 형성됨으로써, 연료전지 단위셀(1)의 변형을 방지할 수 있으며, 연료전지 단위셀(1)의 적층성을 향상시킬 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 일 실시에에 따른 고정돌기(11)는 돌출 방향으로 단부로 갈수록 그 직경이 증가되고, 이때 고정홈(12)은 고정돌기(11)의 단면에 대응되는 형상으로 고정돌기(11)가 삽입되는 방향으로 그 폭이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.
이에, 인접하는 연료전지 단위셀(1) 간 결합시 고정홈(12)에 결합된 고정돌기(11)의 이탈을 방지하여 연료전지 단위셀(1)의 결합력 및 적층성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 분리판 11: 고정돌기
12: 고정홈 100: 분리 플레이트
110: 결합돌기 120: 가스켓
200: 다공체 210: 결합공

Claims (11)

  1. 연료전지용 분리판으로서,
    가장자리에 돌출된 결합돌기가 형성된 분리 플레이트; 및
    상기 결합돌기가 삽입 고정되는 결합공이 형성되어 상기 분리 플레이트 평면에 결합되고, 반응가스가 유동되는 유로를 제공하는 다공체;를 포함하고,
    상기 분리 플레이트 및 다공체는, 가장자리 양측에 각각 적어도 한 쌍의 상기 결합돌기 및 결합공이 서로 대향하게 형성되며, 상기 결합돌기는 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 결합공은 상기 결합돌기가 삽입되어 이동될 수 있도록 슬릿(slit)형상으로 형성되되, 단축의 길이는 상기 결합돌기의 직경에 대응되는 너비를 갖도록 형성되며, 서로 대향하게 배치된 상기 결합공은 그 장축이 서로 수직하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 연료전지용 분리판.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 결합돌기는,
    그 단부의 직경이 상기 결합공의 단축의 길이보다 큰 것을 특징으로 하는, 연료전지용 분리판.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 분리 플레이트는,
    상기 다공체와 결합시, 스프링 백으로 인한 변형량을 흡수하여 평탄도를 확보할 수 있도록 상기 결합돌기가 상기 결합공의 장축 방향으로 유동 가능하게 결합된 것을 특징으로 하는, 연료전지용 분리판.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리 플레이트는,
    그 평면에 부착되는 가스켓을 더 포함하고, 상기 결합돌기는 가스켓에 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지용 분리판.
  8. 복수 개가 적층되어 연료전지를 구성하는 연료전지 단위셀로서,
    양 측면에 배치되는 한 쌍의 분리판을 포함하되, 인접하는 상기 연료전지 단위셀 간 결합이 용이하도록 한 쌍의 상기 분리판 중 선택된 하나에 고정돌기가 돌출 형성되고, 선택되지 않은 나머지 분리판에 상기 고정돌기가 삽입되어 고정될 수 있도록 음각된 고정홈이 형성된 것을 특징으로 하고,
    상기 고정돌기 및 고정홈은 복수 개로 마련되되, 상기 고정돌기는 원기둥 형상으로 마련되고, 상기 상기 고정홈은 상기 고정돌기가 삽입된 상태로 이동될 수 있도록 슬릿(slit) 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
  9. 삭제
  10. 청구항 8에 있어서,
    서로 대향하게 배치되는 상기 고정홈은 장축이 서로 수직하도록 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 고정돌기는 단부로 갈수록 그 직경이 증가되도록 형성되고, 상기 고정홈은 상기 고정돌기의 단면에 대응되도록 상기 고정돌기가 삽입되는 방향으로 그 폭이 점차 증가되도록 형성된 것을 특징으로 하는, 연료전지 단위셀.
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