KR20010037120A - bipolar plate for fuel cell - Google Patents

Abstract

PURPOSE: A separating plate for a fuel cell is provided which improves productivity, airtight property and cell efficiency and makes gas flow smooth. CONSTITUTION: The separating plate for a fuel cell comprises: (i) gas flowing-route(3) which is formed on each side; (ii) manifold(5) which is formed on each edge of the contour; (iii) a gasket(10) which is inserted into the contour of the gas flowing-route(3) and the manifold(5) to tightly seal with the anode and the cathode; (iv) a connecting passage(7) which is open formed in one united body with the gas flowing route(3) between the manifold(5) and the gas flowing-route(3); and (v) a thin plate(9) which is adhered to the open part of the connecting passage(7) to form an even part where the gasket is closely adhered.

Description

연료전지용 분리판{bipolar plate for fuel cell}Separation plate for fuel cell

본 발명은 연료전지의 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매니폴드(manifold)와 가스유로를 연결하는 연결통로를 가스유로와 일체로 형성된 개방구조로 형성하고 그 연결통로의 개방부위에 얇은 금속판을 부착하여 개스킷이 밀착 결합되는 평탄부를 형성하는 구조로 이루어짐으로써 기존 매니폴드와 가스유로를 연결하기 위한 홀(hole)을 형성하는 구조에 비하여 제작성을 향상시킬 수 있도록 하고, 기밀성능이 향상되고 가스의 흐름이 원활하도록 함은 물론 홀 가공에 따른 두께제한을 줄일 수 있게 되므로 전지성능을 향상시킬 수 있도록 하는 연료전지의 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a separator of a fuel cell, and more particularly, a connecting passage connecting a manifold and a gas passage is formed in an open structure integrally formed with the gas passage, and a thin metal plate is formed at an open portion of the connecting passage. By attaching the structure to form a flat portion that the gasket is tightly coupled to the structure to form a hole (hole) for connecting the existing manifold and gas flow path to improve the manufacturability, and the airtight performance is improved The present invention relates to a separator plate of a fuel cell that improves battery performance since the gas flow can be smoothly reduced and thickness limitations due to hole processing can be reduced.

주지된 바와 같이, 연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전 시스템이다. 전기 에너지가 연소 등이 아닌 전기화학반응에 의하여 발생되므로 열효율이 높을 뿐 아니라 환경오염의 생성이 적고 소음 등의 발생이 없다는 장점이 있는 반면, 고온에서 작동하는 데에 따르는 전해질의 증발 및 재료의 열화 등과 같은 단점도 있다.As is well known, a fuel cell is a type of power generation system that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy. Since electric energy is generated by electrochemical reactions rather than combustion, it has the advantage of high thermal efficiency, low generation of environmental pollution and no noise, whereas evaporation of electrolyte and material deterioration due to operating at high temperature There are also disadvantages.

이러한 연료전지는 자동차용 전원, 전력용 발전설비, 항공우주기지의 전원, 해상 또는 해안에 있어서의 무인시설이 전원, 고정 또는 이동무선의 전원, 가정용 전기기구의 전원 또는 레저용 전기기구의 전원 등으로 관심있게 검토되고 있다.Such fuel cells include power for automobiles, power generation facilities, power for aerospace stations, power for unmanned facilities at sea or coast, power for fixed or mobile radios, power for home appliances, or power for leisure electrical appliances. We are interested in reviewing.

연료전지를 전해질형에 따라 분류하면, 200℃ 부근에서 작동하는 인산형 연료전지, 60 ~ 110℃에서 작동하는 알칼리 전해질형 연료전지, 상온 ~ 80 ℃에서 작동하는 고체전해질 연료전지(또는 고분자 전해질 연료전지), 약 500 ~ 700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염 전해질형 연료전지, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물 연료전지 등이 있다.If the fuel cell is classified according to the electrolyte type, the phosphoric acid fuel cell operating at around 200 ° C, the alkaline electrolyte fuel cell operating at 60 to 110 ° C, and the solid electrolyte fuel cell (or polymer electrolyte fuel) operating at room temperature to 80 ° C Battery), a molten carbonate electrolyte fuel cell operating at a high temperature of about 500 to 700 ° C, and a solid oxide fuel cell operating at a high temperature of 1000 ° C or more.

이러한 연료전지에서 연료와 산화제로서 수소와 산소를 사용하는 수소산소 연료전지의 단위전지는 전해질과 기체확산전극인 양극 및 음극으로 구성되어 있은 바, 이러한 단위전지는 분리판을 단위전지 간의 양극과 음극사이에 개재되어 복수로 적층됨으로써 전지를 형성하게 된다. 양극으로 수소가 공급되어 기체확산전극을 통과하면서 백금계 촉매에 의해 수소 양이온과 전자로 분리되고, 수소 양이온은 산소가 공급되는 음극으로 전해질을 통하여 이동한다. 역시 기체확산전극으로 된 음극(3)에서는 외부 회로를 통하여 양극에서 발생한 전자가 전달되고 산소가 공급되는데, 수소 양이온과 산소가 전기 화학적으로 반응하여 물이 생성된다. 이때 양극과 음극을 연결하는 외부 전선으로 전자가 흐르게 되면서 전기를 발생시키게 되는 것이다.In such a fuel cell, a unit cell of a hydrogen-oxygen fuel cell using hydrogen and oxygen as a fuel and an oxidant is composed of an anode and a cathode, which are electrolytes and gas diffusion electrodes. A battery is formed by stacking a plurality of batteries interposed therebetween. Hydrogen is supplied to the anode and passed through the gas diffusion electrode to be separated into hydrogen cations and electrons by a platinum-based catalyst, and the hydrogen cations move through the electrolyte to the cathode supplied with oxygen. In the cathode 3, which is also a gas diffusion electrode, electrons generated from the anode are transferred and oxygen is supplied through an external circuit, and hydrogen cations and oxygen are electrochemically reacted to generate water. At this time, electrons flow to an external wire connecting the anode and the cathode to generate electricity.

이와 같이 연료전지의 전기발생 과정에서 도 1에 도시되는 바와 같이, 분리판(101)은 수소와 산소의 흐름을 각각 분리시켜 제공하도록 양측면에 가스유로(103)가 각각 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 수소 및 산소를 각각 공급하기 위한 매니폴드(105)가 형성되며, 양극 및 음극과의 접촉부위로의 수소 및 산소의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로(103) 및 매니폴드(105)의 외곽으로 판형 개스킷(110) 또는 O-링이 끼워지는 구조로 이루어져 있다.As shown in FIG. 1 in the electricity generation process of the fuel cell, the gas flow passage 103 is formed on both sides to provide separate flows of hydrogen and oxygen, respectively, as shown in FIG. A manifold 105 for supplying hydrogen and oxygen, respectively, is formed therein, and the gas flow path 103 and the manifold to prevent leakage of hydrogen and oxygen to the contact portion with the anode and the cathode as well as to prevent mixing with each other. The outer surface of the fold 105 consists of a plate-shaped gasket 110 or O-ring is fitted.

그런데, 상술한 바와 같은 종래 연료전지용 분리판(101)은 매니폴드(105)와 가스유로(103) 사이에 개스킷(110)이 끼워지도록 평탄부를 형성해야 하기 때문에 내부에 매니폴드(105)와 가스유로(103)를 연결하는 연결홀(107)을 가공해야 하는 문제점이 있다.However, the conventional fuel cell separation plate 101 as described above has to form a flat portion so that the gasket 110 is fitted between the manifold 105 and the gas flow path 103. There is a problem in that the connection hole 107 for connecting the flow path 103 must be processed.

즉, 분리판(101)에 연결홀(107)을 가공하기 위해서는 매니폴드(105)와 가스유로(103)의 B부에만 드릴 등으로 가공할 수 없으므로 외곽으로부터 기초홀(109)을 형성하면서 매니폴드(105)를 거쳐 연속적으로 연결홀(107)을 가공해야 하는 번거로움이 있으며, 그 기초홀(109)은 연결홀(107)을 가공후 대기와 차단하기 위해 밀봉부재(108)로 밀봉해야 하는 문제점이 있다.That is, in order to process the connecting hole 107 in the separating plate 101, only the B portion of the manifold 105 and the gas flow path 103 cannot be processed with a drill or the like, so that the base hole 109 is formed from the outside. There is a hassle to process the connection hole 107 continuously through the fold 105, the base hole 109 must be sealed with a sealing member 108 to block the connection hole 107 from the atmosphere after processing. There is a problem.

또한, 연료전지의 분리판(101)은 전기전도성과 내식성을 동시에 갖춘 카본계 소재 또는 금속계 소재를 사용하는 것이 바람직하지만, 연결홀(107)의 가공으로 인해 흑연판재 소재만을 소재로 사용하게 되므로 가공속도가 느리게 되어 작업성을 저하시키게 되는 문제점이 있다.In addition, the separator 101 of the fuel cell is preferably made of a carbon-based material or a metal-based material having both electrical conductivity and corrosion resistance. However, only the graphite plate material is used as the material due to the processing of the connection hole 107. There is a problem that the speed is slowed to lower workability.

그리고, 연결홀(107) 가공으로 인해 분리판(101)의 두께를 5mm 이하로는 제조할 수 없으므로, 보통 분리판(101)이 다량 사용되는 연료전지에서 5mm 이하로는 줄일 수 없는 분리판(101)의 두께로 인해 전지 출력밀도의 상승, 무게 및 부피의 줄임 등을 기대할 수 없는 문제점이 있다.In addition, since the thickness of the separator 101 may not be manufactured to 5 mm or less due to the processing of the connection hole 107, the separator 101 may not be reduced to 5 mm or less in a fuel cell in which a large amount of the separator 101 is used. Due to the thickness of 101), there is a problem in that an increase in battery output density, a reduction in weight and volume, etc. cannot be expected.

더욱이, 기초홀(109)의 밀봉부위의 불량 등으로 가스누출을 초래하여 전지성능을 저하시키게 되는 문제점이 있다.In addition, there is a problem in that battery leakage is caused due to a gas leak due to defects in the sealing portion of the base hole 109 and the like.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로를 가스유로와 일체로 형성된 개방구조로 형성함으로써 홀을 형성하는 구조에 비하여 제작성을 향상시킬 수 있도록 함은 물론 기밀성능이 향상되고 가스의 흐름이 원활하도록 하며 전체 두께제한을 줄일 수 있도록 하여 전지성능을 향상시킬 수 있도록 하는 연료전지용 분리판을 제공하는 데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, by improving the manufacturability compared to the structure of forming a hole by forming a connecting passage connecting the manifold and the gas flow passage in an open structure integrally formed with the gas flow passage. In addition, the purpose of the present invention is to provide a separator for fuel cells, which improves airtight performance, improves gas flow, and reduces overall thickness limit, thereby improving battery performance.

도 1은 종래 연료전지용 분리판의 요부를 보인 발췌 사시도.1 is a perspective view showing the main portion of a conventional separator for fuel cells.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 요부를 보인 발췌 사시도.Figure 2 is a perspective view showing the main portion of the separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3은 도 2에 도시된 분리판에서 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로와 금속판의 결합구조를 보인 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view showing a coupling structure of the metal plate and the connecting passage connecting the manifold and the gas flow path in the separator shown in FIG.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

1 : 분리판 3 : 가스유로1: Separator 3: Gas flow path

5 : 매니폴드 7 : 연결통로5: Manifold 7: Connection passage

9 : 금속판 10 : 개스킷9: metal plate 10: gasket

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 양측면에 가스유로가 각각 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 대칭방향으로 서로 짝을 지어 각각의 가스를 공급하기 위한 매니폴드가 형성되며, 가스유로 및 매니폴드의 외곽에 양극 및 음극과의 기밀을 위해 개스킷이 끼워지는 연료전지용 분리판에 있어서, 매니폴드와 가스유로의 사이에 가스유로와 일체로 이루어지는 연결통로가 개방 형성되고, 그 연결통로의 개방부위에는 얇은 금속판이 부착되어 개스킷이 밀착 결합되는 평탄부를 형성하는 연료전지용 분리판을 제공하고자 하는 것이다.The present invention for achieving the above object is a gas flow path is formed on each side of each side, each edge of the outer manifold for supplying the respective gas is formed in a pair of symmetrical directions, the gas flow path and the manifold In the separator for fuel cell in which a gasket is fitted for airtightness between the positive electrode and the negative electrode, a connecting passage integrally formed with the gas passage is formed between the manifold and the gas passage, and an opening portion of the connecting passage is formed. It is an object of the present invention to provide a separator plate for a fuel cell in which a thin metal plate is attached to form a flat portion in which a gasket is tightly coupled.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in more detail based on the accompanying drawings.

도 2는 본 고안의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(1)의 요부를 발췌한 것으로서, 이 분리판(1)은 수소와 산소의 흐름을 각각 분리시켜 제공할 수 있도록 양측면에 지그재그 형상의 가스유로(3)가 표면으로 개방 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 대칭방향으로 서로 짝을 지어 수소 및 산소를 각각 분리하여 공급하기 위한 매니폴드(5)가 형성되며, 양극 및 음극과의 접촉부위로의 수소 및 산소의 누출을 방지함은 물론 서로 혼합되는 것을 방지하기 위해 가스유로(3) 및 매니폴드(5)의 외곽으로 개스킷(10)이 끼워지는 구조로 이루어진다.Figure 2 is an extract of the main portion of the fuel cell separator 1 according to an embodiment of the present invention, the separator 1 is a zigzag gas on both sides to provide a separate flow of hydrogen and oxygen, respectively A flow path 3 is open to the surface, and each corner of the outer edge is formed in a symmetrical direction and a manifold 5 for separating and supplying hydrogen and oxygen, respectively, in contact with the anode and the cathode. The gasket 10 is fitted to the outside of the gas flow path 3 and the manifold 5 to prevent the leakage of hydrogen and oxygen, as well as to prevent mixing with each other.

그리고, 매니폴드(5)와 가스유로(3)의 사이에는 가스유로(3)와 일체로 이루어져 연결통로(7)가 개방 형성되고, 연결통로(7)의 개방부위에는 0.1~0.3mm 두께의 스테인리스 재질로 이루어진 얇은 금속판(9)이 부착되어 개스킷(10)이 밀착 결합되는 평탄부를 형성하게 된다.In addition, between the manifold 5 and the gas flow passage 3 is formed integrally with the gas flow passage 3, the connection passage 7 is formed open, the open portion of the connection passage 7 of 0.1 ~ 0.3mm thickness A thin metal plate 9 made of stainless material is attached to form a flat portion in which the gasket 10 is tightly coupled.

도 3은 분리판(1)에서 매니폴드(5)와 가스유로(3)를 연결하는 연결통로(7)와 금속판(9)의 결합구조를 상세하게 나타내는 단면도이다.3 is a cross-sectional view showing in detail the coupling structure of the connecting passage 7 and the metal plate 9 for connecting the manifold 5 and the gas flow passage 3 in the separating plate 1.

이와 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 분리판(1)이 다수로 적층되는 단위전지에 끼워져 연료전지를 형성할 경우 분리판(1)의 일측에 형성된 가스유로(3)와 연결통로(7) 및 매니폴드(5)로는 양극과 사이에 두고 수소가 흐르도록 하고, 타측으로는 음극과 사이를 두고 산소 또는 공기가 흐르도록 함으로써 전기 발생을 유도하게 된다.According to the present invention configured as described above, the gas flow passage 3 and the connection passage 7 formed on one side of the separation plate 1 when the fuel cell is formed by inserting a plurality of separator plates 1 into a unit cell stacked thereon. Hydrogen flows between the anode and the manifold 5, and oxygen or air flows between the cathode and the other side to induce electricity generation.

그리고, 매니폴드(5)와 가스유로(3)를 연결하는 연결통로(7)는 기존과 같이 홀구조로 형성되지 않고 가스유로(3)가 연장 형성되는 표면 개방구조로 형성됨으로써 유연성 흑연(flexible graphite) 또는 금속 호일(metal foil)을 사용하여 프레스 성형할 수 있게 됨은 물론, 열경화성 수지-흑연 또는 열가소성 수지-흑연 복합재료로 사출성형 할 수 있게 된다.In addition, the connecting passage 7 connecting the manifold 5 and the gas flow passage 3 is not formed in a hole structure as in the conventional art but is formed in a surface open structure in which the gas flow passage 3 is formed to be flexible. Press molding can be performed using graphite or metal foil, as well as injection molding into a thermosetting resin-graphite or a thermoplastic resin-graphite composite material.

또한, 홀구조를 형성하지 않게 됨으로써 분리판(1)의 제작 두께에 큰 제한이 없어 약 2mm의 두께로도 분리판(1)을 제작할 수 있게 된다.In addition, since the hole structure is not formed, the manufacturing thickness of the separating plate 1 is not particularly limited, and the separating plate 1 can be manufactured even with a thickness of about 2 mm.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 매니폴드와 가스유로를 연결하는 연결통로가 가스유로와 일체로 형성된 개방구조로 이루어짐으로써 기존과 같은 홀의 가공이 필요 없게 된다.As described above, the separator for fuel cell according to the present invention has a connection structure connecting the manifold and the gas flow passage to have an open structure integrally formed with the gas flow passage, thereby eliminating the need for processing holes as before.

따라서, 본 발명은 전기전도성과 내식성 등이 우수한 다양한 소재를 이용하여 프레스성형 또는 사출성형 할 수 있게 되므로 제작공정이 간소화됨은 물론 번거로운 홀의 가공공정 및 밀봉공정이 없어짐에 따라 대량생산이 가능해진다.Therefore, the present invention can be press-molded or injection-molded using a variety of materials excellent in electrical conductivity and corrosion resistance, thereby simplifying the manufacturing process and eliminating cumbersome hole processing and sealing processes, thereby enabling mass production.

또한, 본 발명은 가스유로와 연결통로가 동일 구조로 형성됨으로써 가스의 흐름이 원활해지고, 밀봉부위가 없어지므로 가스 기밀성이 향상되며, 홀의 가공삭제에 따른 분리판 두께를 상당히 줄일 수 있게 됨으로써 전지의 무게 및 부피를 최소화할 수 있게 됨은 물론 전지의 출력밀도를 향상시킬 수 있게 되어 결과적으로 전지의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.In addition, according to the present invention, the gas flow path and the connection path are formed in the same structure, so that the flow of gas is smooth, and the sealing portion is eliminated, thereby improving gas tightness and significantly reducing the thickness of the separator plate due to the deletion of holes. The weight and volume can be minimized, as well as the power density of the battery can be improved, and as a result, the performance of the battery can be improved.

본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, those skilled in the art will recognize that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the appended claims. Anyone can easily know.

Claims (2)

양측면에 가스유로(3)가 각각 형성되고, 외곽의 각 모서리에는 매니폴드(5)가 형성되며, 상기 가스유로(3) 및 매니폴드(5)의 외곽에 양극 및 음극과의 기밀을 위해 개스킷(10)이 끼워지는 연료전지용 분리판(1)에 있어서,Gas passages 3 are formed on both sides, and manifolds 5 are formed at each corner of the outer side, and gaskets for airtightness between the gas passages 3 and the manifolds 5 for airtightness with the positive electrode and the negative electrode. In the fuel cell separator (1) in which (10) is fitted, 상기 매니폴드(5)와 상기 가스유로(3)의 사이에 상기 가스유로(3)와 일체로 이루어져 연결통로(7)가 개방 형성되고, 상기 연결통로(7)의 개방부위에 얇은 판(9)이 부착되어 상기 개스킷(10)이 밀착 결합되는 평탄부를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.A connection passage 7 is formed between the manifold 5 and the gas passage 3 integrally with the gas passage 3 to open, and a thin plate 9 is formed at the opening of the connection passage 7. ) Is attached to form a flat portion to which the gasket 10 is tightly coupled. 제1 항에 있어서, 상기 판(9)은 금속판은 0.1~0.3mm 두께의 스테인리스 재질로 이루어지거나 플라스틱, 복합재료 등의 경질재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.2. The separator plate according to claim 1, wherein the plate (9) is made of a stainless steel material having a thickness of 0.1 to 0.3 mm or a hard material such as plastic or composite material.