KR20080013283A - Metal separator for fuel cell treated by non-conductivity materials - Google Patents

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KR20080013283A KR1020060074597A KR20060074597A KR20080013283A KR 20080013283 A KR20080013283 A KR 20080013283A KR 1020060074597 A KR1020060074597 A KR 1020060074597A KR 20060074597 A KR20060074597 A KR 20060074597A KR 20080013283 A KR20080013283 A KR 20080013283A
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Abstract

A metal separator for a fuel cell treated with a non-conductive material is provided to allow flow of electricity in a non-surface treated region, thereby preventing corrosion and reducing the manufacturing cost. A metal separator(40) for a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path for supplying reaction gases, comprises: a non-conductive layer formed by surface treating the gas flow path region of the metal separator with a non-conductive material; and a filler portion(120) formed by impregnating a gas diffusion layer(60) stacked on the surface treated metal separator with a filler so as to divide the gas flow path.

Description

비전도성 물질이 처리된 연료전지용 금속분리판{METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL TREATED BY NON-CONDUCTIVITY MATERIALS}Metal separator for fuel cell treated with non-conductive material {METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL TREATED BY NON-CONDUCTIVITY MATERIALS}

도 1은 통상적인 고체 고분자 전해질형 연료전지의 구성을 나타내는 분해 사시도이고,1 is an exploded perspective view showing the configuration of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell,

도 2는 도 1의 고체 고분자 전해질형 연료전지의 분리판을 나타내는 정면도이고,FIG. 2 is a front view illustrating a separator of the solid polymer electrolyte fuel cell of FIG. 1.

도 3은 도 2의 분리판에 기체확산층이 적층되어진 상태를 나타내는 정면도이고,3 is a front view illustrating a state in which a gas diffusion layer is stacked on the separator of FIG. 2,

도 4는 도 2의 분리판의 요부에 대한 상세도이고,Figure 4 is a detailed view of the main portion of the separator of Figure 2,

도 5는 종래의 금속분리판의 전기흐름을 나타내는 개략도이고,Figure 5 is a schematic diagram showing the electrical flow of the conventional metal separator,

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따라 비전도성 물질로 표면처리된 금속분리판에 실리콘이 충진재로서 함침된 기체확산층이 적층되어진 상태를 나타내는 정면도이고,6 is a front view showing a state in which a gas diffusion layer impregnated with silicon as a filler is laminated on a metal separator surface treated with a non-conductive material according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 7은 도 6의 기체확산층을 나타내는 정면도이고,7 is a front view illustrating the gas diffusion layer of FIG. 6,

도 8은 도 6의 금속 분리판의 전기흐름을 나타내는 개략도이고,8 is a schematic view showing the electrical flow of the metal separator of FIG.

도 9은 본 발명에 따른 금속분리판의 부식율 시험결과를 나타내는 그래프이고,9 is a graph showing the test results of the corrosion rate of the metal separator according to the present invention,

도 10는 본 발명의 금속분리판을 이용한 고체 고분자 전해질형 연료전지의 성능 시험결과를 나타내는 그래프이다.10 is a graph showing the performance test results of the solid polymer electrolyte fuel cell using the metal separator of the present invention.

<도면의 주요부에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

20,20a : 체결판 30,30a : 전기집전체20,20a: Fastening plate 30,30a: Electric current collector

40,40a : 분리판 44 : 가스유로40, 40a: Separator 44: Gas flow path

50,50a : 가스켓 60,60a : 기체확산층50,50a: Gasket 60,60a: Gas diffusion layer

70 : 막전극접합체 120 : 충진재부70: membrane electrode assembly 120: filler material

140 : 비전도층140: non-conductive layer

본 발명은 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 발생시키는 연료전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고체 고분자 전해질형 연료전지(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell 또는 PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell)에 연료기체를 공급하고 이동시키며 발생된 전기의 전도체의 역활과 막전극접합체 (Membrane and Electrode Assembly, MEA)를 지지하는 역할을 하고 있는 연료전지용 금속 분리판에 관한 것이다.The present invention relates to a fuel cell that generates electricity by converting chemical energy into electrical energy, and more particularly, a fuel gas in a solid polymer electrolyte fuel cell (PEFC; polymer electrolyte fuel cell or PEMFC; proton exchange membrane fuel cell). The present invention relates to a metal separator plate for fuel cells, which serves to support and move membranes and to support membrane and electrode assembly (MEA).

잘 알려진 바와 같이, 통상의 연소는 급격한 산화작용에 따라 반응열로서 열에너지를 얻는 반면에, 연료전지(fuel cell)는 전기화학적인 이온반응에 따라 연료및 산화제가 기지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하여 전기를 생성하 는 일종의 발전장치, 즉 천연가스(메탄), 납사, 메탄올, 석탄가스 등에 다량 함유되어있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기와 열을 동시에 생산하는 고효율의 신발전기술로서 물의 전기분해와 반대의 원리라 할 수 있으며, 반응 후 생성되는 물질이 공해물질이 아니고, 기존의 내연기관 발전방식은 항상 가동되는 것이 효율이 좋으나 연료전지식 발전은 필요에 따라 발전할 수가 있기 때문에 효율도 크게 변하지 않으므로, 기존의 내연기관에 비하여 에너지 효율도 높으며, 크기도 아주 작은 소형에서부터 대형까지 제작할 수가 있기 때문에 수요에 따라 크기를 정해서 필요한 곳에 바로 설치할 수가 있으므로 초소형 규모에서 대규모 발전시스템까지 그 적용이 가능하다.As is well known, conventional combustion obtains thermal energy as heat of reaction under rapid oxidation, whereas fuel cells directly convert the chemical energy of fuel and oxidant into electrical energy by electrochemical ionic reactions. High-efficiency shoes that produce electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting hydrogen and oxygen in air, which are contained in natural gas (methane), naphtha, methanol, coal gas, etc. Its principle is the opposite principle to the electrolysis of water. The material produced after the reaction is not a pollutant, and the existing internal combustion engine power generation method is always efficient, but the fuel cell power generation can be generated as needed. Since the efficiency does not change much, the energy efficiency is higher and the size is smaller than the existing internal combustion engine. Since it can be manufactured from small to large size, it can be sized according to demand and installed right where it is needed, so it can be applied from ultra small size to large power generation system.

더구나, 기존 발전에서 전선을 통해 전기를 보낼 때 생기는 전기의 수송 손실을 줄일 수가 있다. 또한 연료전지는 열에너지를 거치지 않고 연료의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 위해 직류로부터 교류로 변환하는 손실 등을 고려하여도 전환효율은 현재의 화력발전보다 높으며, 약 50% 이상의 효율을 기대할 수 있다.In addition, it is possible to reduce the transport loss of electricity generated by sending electricity through electric wires in the existing power generation. In addition, the conversion efficiency is higher than the current thermal power generation, and the efficiency can be expected to be about 50% or more even when considering the loss of converting the chemical energy of the fuel directly from the direct current to the alternating current, without going through the thermal energy. have.

그리고, 크기 및 단위전지를 적층하는 정도에 따라 다양한 용량으로 제작이 가능하며, 이동용 전원 및 전력 수요지내에 설치가 용이하여 전력계통의 운영측면에서도 많은 비용을 절감할 수 있다.In addition, it can be manufactured in various capacities according to the size and the degree of stacking of unit cells, and can be easily installed in a mobile power source and a power demand site, thereby reducing a lot of costs in terms of operation of a power system.

이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라서, 인산형(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell), 고체 고분자 전해질형(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell 또는 PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell)등으로 분류되며, 그 작동온도는 고체산화물형이 약 1,000℃, 용융탄산염형이 약 650℃, 인산형이 약 200℃, 고체 고분자 전해질형이 약 80℃ 전후이다.Such fuel cells may be phosphate (PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell), molten carbonate (MCFC), solid oxide fuel cell (SOFC), or solid polymer electrolyte ( PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell or PEMFC; Proton Exchange Membrane Fuel Cell) and its operating temperature is solid oxide type about 1,000 ℃, molten carbonate type about 650 ℃, phosphoric acid type about 200 ℃, solid polymer electrolyte The mold is about 80 ° C.

이 가운데 고체 고분자 전해질형 연료전지는 고분자 전해질(Polymer Electrolyte)을 사용하므로 PEM (Polymer Electrolyte Membrane)방식이라고도 하며, 전술한 4가지 유형의 연료전지 중 가장 낮은 온도에서 운전할 수 있다.Among them, the solid polymer electrolyte fuel cell uses a polymer electrolyte (Polymer Electrolyte), also called a PEM (Polymer Electrolyte Membrane) method, and can operate at the lowest temperature among the four types of fuel cells described above.

이러한 고체 고분자 전해질형 연료전지는 수소이온교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소(H2)를 함유하는 연료가스와 산소(O2)를 함유하는 산화가스의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생성하므로, 전해액 누출의 염려가 없고, 충격흡수가 가능하며, 작동온도가 50∼80℃ 로 매우 낮으므로 별도의 예열기가 필요하지 않고, 에너지 밀도 및 효율이 높으며, 파워의 요구정도에 따라출력을 기민하게 변경할 수 있어 신속한 기동및 정지가 용이하고, 소형및 경량으로 만들 수 있고, 환경오염을 일으키지 않는다는 점에서, 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전설비등의 다양한 분야에 그 적용이 기대되고 있다. The solid polymer electrolyte fuel cell is a fuel cell using a polymer membrane having hydrogen ion exchange characteristics as an electrolyte, and performs electrochemical reactions between a fuel gas containing hydrogen (H 2 ) and an oxidizing gas containing oxygen (O 2 ). Since electricity is generated, there is no fear of electrolyte leakage, shock absorption is possible, and the operating temperature is very low, such as 50 to 80 ° C., so that no preheater is required, energy density and efficiency are high, and power requirements are met. As the output can be changed quickly, it can be easily started and stopped, made compact and lightweight, and does not cause environmental pollution. Therefore, it can be applied to various fields such as mobile power source, automobile power source, and home cogeneration plant. This is expected.

도 1에는 통상적인 고체 고분자 전해질형 연료전지에 대한 구성도를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 종래의 고체 고분자 전해질형 연료전지는 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 백금촉매 전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA; Membrane and Electrode Assembly)(70)와, 막전극접합체(70) 양쪽면의 전극에 각각 접합되어 반응에 사용되는 가스를 전극에 전달하는 한쌍의 기체확산층(GDL; Gas Diffusion Layer(60, 60a) 및 각각의 기체확산층(60, 60a)의 바깥쪽면에 밀착 결합되어 반응가스를 공급하는 한 쌍의 도전성 분리판(separator)(40, 40a)을 포함한다. 1 is a block diagram of a conventional solid polymer electrolyte fuel cell. As shown, the conventional solid polymer electrolyte fuel cell includes a membrane electrode assembly (MEA; Membrane and Electrode Assembly) 70 formed of a polymer electrolyte membrane and platinum catalyst electrodes formed on both sides thereof, and a membrane electrode assembly ( 70) A pair of Gas Diffusion Layers (GDL) 60 and 60a, which are bonded to the electrodes on both sides and transfer the gas used for the reaction, to the outer surfaces of the respective Gas Diffusion layers 60 and 60a. It includes a pair of conductive separators (40, 40a) coupled to supply the reaction gas.

이상의 막전극접합체(70, 70a), 기체확산층(60, 60a) 및 분리판(40, 40a)으로 단위전지(cell)가 구성되며, 단위전지가 복수개 적층되어 스택(stack)을 이루게 되는데, 스택의 적층구조 외측에는 양쪽으로 한 쌍의 전기집전체(current collector)(30, 30a)와 체결판(end plate)(20, 20a)이 결합된다.The unit cell is composed of the membrane electrode assemblies 70 and 70a, the gas diffusion layers 60 and 60a, and the separators 40 and 40a, and a plurality of unit cells are stacked to form a stack. A pair of current collectors 30 and 30a and end plates 20 and 20a are coupled to both sides of the stack structure outside.

이와 같이 단위전지가 연속적으로 연결되어 적층된 구조의 연료전지에 있어서, 기체확산층(60, 60a)은 전극과 분리판(40, 40a)사이에서 전기적 연결의 역할도 수행하며, 이때 적절한 압력하에서 수축되어 접촉저항이 최소화되도록 하며, 분리판(40, 40a)은 전지내부에서 연료기체가 서로 혼합되지 않도록 차단하는 역할을 한다.In the fuel cell having a structure in which unit cells are continuously connected and stacked as described above, the gas diffusion layers 60 and 60a also play a role of electrical connection between the electrodes and the separators 40 and 40a, and shrink under a suitable pressure. The contact resistance is minimized, and the separating plates 40 and 40a serve to block the fuel gas from mixing with each other in the battery.

전기집전체(30, 30a)는 외부부하와 연결되어 막전극접합체(70)에서 발생된 전기를 방전하는 역할을 한다.The current collectors 30 and 30a are connected to external loads to discharge electricity generated from the membrane electrode assembly 70.

체결판(20, 20a)은 연료전지 스택에 체결압력을 가하기 위해 사용되며, 균일한 압력을 제공할 수 있도록 일정 두께 이상의 것이 사용된다.The fastening plates 20 and 20a are used to apply a fastening pressure to the fuel cell stack, and a fastening plate 20 and 20a may be used to provide a uniform pressure.

덧붙여, 막전극접합체(70)와 분리판(40, 40a)의 사이에는 반응가스의 누설을 방지하기 위한 가스켓(gasket)(50, 50a)이 구비된다.In addition, gaskets 50 and 50a are provided between the membrane electrode assembly 70 and the separators 40 and 40a to prevent leakage of the reaction gas.

한편, 도 2에 전술한 분리판에 대한 정면도를 나타낸다.2 is a front view of the above-mentioned separator plate.

분리판(40, 40a)은 막전극접합체(70)의 전극으로 반응가스를 이동시키기 위 해 산화반응이 일어나는 음극면(anode)과 환원반응이 일어나는 양극면(cathode)에 기체가 이동할 수 있도록 기체확산층(60, 60a)과 결합되는 표면에 다수개의 가스유로(flow channel)(44)가 나란히 형성되며, 이와 같이 양면으로 유로를 가지는 형태이기 때문에 일명 바이폴라 플레이트(bipolar plate)라고 한다. 한 면만 유로가 있는 것은 모노 플레이트(monopolar plate)라고 하며 단위전지를 구성한다. 가스입구(42)를 통해 유입되는 반응가스는 가스유로(44)를 통해 흐른 다음 가스출구(46)를 통해 배출되게 된다. Separation plates 40 and 40a allow gas to move to the anode side where the oxidation reaction occurs and the cathode side where the reduction reaction occurs to move the reaction gas to the electrode of the membrane electrode assembly 70. A plurality of flow channels 44 are formed side by side on the surfaces coupled with the diffusion layers 60 and 60a and are called bipolar plates because they have flow paths on both sides. The one-sided flow path is called a monopolar plate and constitutes a unit cell. The reaction gas flowing through the gas inlet 42 flows through the gas passage 44 and then is discharged through the gas outlet 46.

이러한 분리판(40, 40a)에는 단위전지를 적층하여 스택으로 제조시 가스유로(44)등의 위치가 일치되도록 맞추는데 사용되는 기준구멍인 가이드홀(48)이 다수개 형성되어 있으며, 반응가스인 수소가스와 산소가스가 서로 섞이지 않도록 차단함과 아울러, 막전극접합체(70)를 전기적으로 연결하고, 막전극접합체(70)을 지지하여 연료전지의 형태가 유지되도록 하는 기능을 한다.In the separation plates 40 and 40a, a plurality of guide holes 48, which are used to match the positions of the gas flow paths 44 and the like when the unit cells are stacked and stacked to form a stack, are formed. In addition to blocking hydrogen gas and oxygen gas from mixing with each other, the membrane electrode assembly 70 is electrically connected, and the membrane electrode assembly 70 is supported to maintain the shape of the fuel cell.

따라서, 이러한 지지체의 역할을 수행하기 위해 스택에 필요한 체결압에 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖추어야 하며, 두 가스가 혼합되지 않을 만큼의 치밀한 구조를 지녀야 하며, 전도체의 역할을 위해 전기전도성이 우수하여야 한다. 이에 따라, 분리판(40, 40a)의 소재로는 전기전도성과 화학안정성이 우수한 흑연(graphite)이 주로 이용되고 있으며, 통상 기계가공을 통해 제작되고 있다. 즉, 다공성 흑연을 열경화성수지인 페놀수지에 함침하여 기공을 막아 판상 형태로 만든 다음, 가스유로(44)등을 CNC 가공하여 제조하고 있다.Therefore, in order to perform the role of the support, it must have mechanical strength that can withstand the clamping pressure required for the stack, have a compact structure such that the two gases cannot be mixed, and have excellent electrical conductivity for the role of the conductor. . Accordingly, graphite, which has excellent electrical conductivity and chemical stability, is mainly used as a material of the separators 40 and 40a, and is usually manufactured by machining. That is, the porous graphite is impregnated with a phenol resin, which is a thermosetting resin, to prevent pores into a plate shape, and then the gas flow path 44 is manufactured by CNC machining.

그러나, 흑연은 소재가 매우 고가이고, 물리적 특성상 기계적 강도가 낮으 며, 함침기술 축적의 미흡으로 가스침투성이 높고, 가스유로(44)의 가공이 난이하며, 제조공정이 복잡할 뿐만 아니라 내부에 기공이 많아 그 제조 및 연료전지로의 사용시 깨지기 쉽다는 단점이 있다.However, graphite has a very expensive material, low mechanical strength due to its physical properties, high gas permeability due to insufficient accumulation of impregnation technology, difficulty in processing the gas flow path 44, and complicated manufacturing process, as well as pores therein. There are many disadvantages in that they are fragile when manufactured and used as fuel cells.

그리고, 내부 기공으로 인해 반응가스의 혼합을 차단하기 위해서는 일정 이상의 두께가 요구되고, 기공을 막기 위해 페놀수지와 같은 고분자물질이 첨가되므로, 결국 무게와 부피가 증가되게 되어 단위 무게당 또는 단위 부피당 효율과 출력이 낮다는 단점이 있다.In order to block the mixing of the reaction gas due to the internal pores, a certain thickness or more is required, and a polymer material such as phenol resin is added to block the pores, so that the weight and the volume are increased to increase efficiency per unit weight or per unit volume. The disadvantage is that the output is low.

이와 같이, 흑연은 높은 재료원가 및 제조공정 비용, 높은 가스침투성, 취급의 난이성 등으로 인하여 연료전지의 성능을 향상시키는데 한계를 지니고 있다.As such, graphite has limitations in improving the performance of fuel cells due to high material cost, manufacturing process cost, high gas permeability, and difficulty in handling.

특히, 자동차용 연료전지의 경우에는 일반 전력공급용에 비해 내충격성, 안전성, 경량화 및 경제성 등이 요구되므로, 이 점을 감안하면 더더욱 그 사용이 제한되게 된다.In particular, in the case of fuel cells for automobiles, impact resistance, safety, weight reduction, and economical efficiency are required as compared to general power supply, and thus the use of the fuel cell is further limited.

이러한 흑연의 한계를 극복하고자 여러 방법들이 시도되었는데, 그 중 재질을 SUS, Fe계 등과 같은 금속으로 바꾸려는 시도들이 있었다.Various methods have been attempted to overcome the limitations of graphite, among which there have been attempts to change the material into a metal such as SUS, Fe-based.

금속의 경우에는 흑연에 비해 가공성이 우수하여 제조비용을 줄일 수 있으며, 기계적 강도가 충분하고, 높은 밀도로 인해 반응가스의 혼합을 막기 위해 요구되는 두께를 줄일 수 있으며, 결국 무게와 부피를 작게 할 수 있어 단위 무게당 또는 단위 부피당 효율과 출력을 향상시킬 수 있다.In the case of metal, it is possible to reduce the manufacturing cost due to excellent workability compared with graphite, sufficient mechanical strength, and high density to reduce the thickness required to prevent the reaction gas from mixing, resulting in smaller weight and volume. This can improve efficiency and output per unit weight or per unit volume.

도 3에는 분리판 유로(44)에 비하여 조금 큰 형태로 디자인된 기체확산층(60)이 적층된 금속 분리판(40)을 도시하고 있다.3 illustrates a metal separator 40 in which a gas diffusion layer 60 designed in a slightly larger form than the separator passage 44 is stacked.

기체확산층(60, 60a)과 결합되는 금속 분리판(40, 40a)의 부분은 반응이 일어나는 반응영역을 이루며, 반응영역의 외곽에는 비반응영역이 형성되는데, 비반응영역에는 가스켓(50, 50a)이 밀착 결합된다.The portions of the metal separation plates 40 and 40a which are combined with the gas diffusion layers 60 and 60a form a reaction zone in which the reaction takes place, and a non-reaction zone is formed outside the reaction zone, and the gasket 50 and 50a is located in the non-reaction zone. ) Is tightly coupled.

반응영역은 가스유로(44)를 전체적으로 덮으며, 가스유로(44)는 도 4에 도시된 바와 같이, 함몰된 골(44a)과 이 골(44a)의 양측으로 돌출 형성되는 산(44b)으로 구성된다.The reaction zone covers the gas flow passage 44 as a whole, and the gas flow passage 44 is formed with a recessed valley 44a and a mountain 44b protruding to both sides of the valley 44a, as shown in FIG. It is composed.

한편, 막전극접합체(70)에서 생성된 전기는 도 5에 도시된 바와 같이 기체확산층(60, 60a)을 통과하여 기체확산층(60, 60a)과 맞닿아 있는 가스유로(44)의 산(44b) 부분을 통해 금속 분리판(40, 40a)으로 전달된 다음, 전기집전체(30, 30a)로 전달되어 방전이 이루어지게 된다.Meanwhile, the electricity generated in the membrane electrode assembly 70 passes through the gas diffusion layers 60 and 60a and contacts the gas diffusion layers 60 and 60a as shown in FIG. 5. After being transferred to the metal separation plates 40 and 40a through the part, the electric current is transferred to the electrical current collectors 30 and 30a to be discharged.

따라서, 금속 분리판(40, 40a)에서 내식성과 함께 전기전도성이 요구되는 부분은 가스유로(44)의 산(44b)에 해당하며, 이 부분을 개념상 전도성영역(ECA ; Electrical Conductive Area)으로 하고, 가스유로(44)의 골(44a) 부분은 내식성만 요구되고 전기전도성은 요구되지 않으므로, 이 부분을 개념상 비전도성영역(ENCA ; Electrical Non-Conductive Area)으로 한다.Accordingly, the portion of the metal separators 40 and 40a that requires electrical conductivity along with corrosion resistance corresponds to the acid 44b of the gas flow path 44, which is conceptually referred to as an electrically conductive area (ECA). In addition, since the valley 44a portion of the gas flow path 44 requires only corrosion resistance and no electrical conductivity, this portion is conceptually referred to as an electrical non-conductive area (ENCA).

이와 같은 금속소재의 분리판(40, 40a)은 흑연에 비해 비용과 두께 등을 줄일 수 있는 반면, 내식성이 좋지 못하여 장시간 운전시 부식(corrosion)이 발생될 수 있는데, 이러한 부식현상의 발생에 따라 금속이온이 고분자 전해질막내로 침투하여 수소이온의 이동을 방해하게 됨으로써 연료전지의 성능을 저하시킬 우려가 있다.Such a separator plate 40, 40a of the metal material can reduce the cost and thickness, etc., compared with graphite, but the corrosion resistance is not good, it can cause corrosion (corrosion) during long time operation, depending on the occurrence of such corrosion phenomenon Since metal ions penetrate into the polymer electrolyte membrane and interfere with the movement of hydrogen ions, there is a concern that the performance of the fuel cell may be degraded.

즉, 고분자 전해질막에서의 이온전도도를 증가시키기 위해서 보통 반응가스는 물을 가습시킨 상태에서 분리판(40, 40a)의 가스유로(44)를 통해 공급되게 되므로, 이에 따라 가스유로(44)에는 반응가스와 물이 존재하고, 막전극접합체(70)의 전극에서는 산화와 환원반응이 활발히 일어나므로, 막전극접합체(70)에서 방생된 전기가 기체확산층(60)을 통하여 가스유로(44)를 통하여 흐르므로서 금속소재는 부식되어 금속이온이 녹아 나오게 되며 녹아 나온 금속이온은 고분자 전해질막의 활성점을 피독시켜 이온전도성을 점차적으로 감소시키는 요인으로 작용하게 된다.That is, in order to increase the ionic conductivity in the polymer electrolyte membrane, the reaction gas is usually supplied through the gas passage 44 of the separator 40 and 40a in a state where water is humidified. Reaction gas and water are present, and since the oxidation and reduction reactions occur actively at the electrodes of the membrane electrode assembly 70, electricity generated from the membrane electrode assembly 70 passes through the gas diffusion layer 60 through the gas diffusion layer 60. As it flows through, the metal material is corroded to melt the metal ions, and the melted metal ions poison the active sites of the polymer electrolyte membrane to gradually reduce the ion conductivity.

이를 해소하고자, 금속이온의 용출을 방지하고 내식성을 향상시키기 위해 금속의 표면에 내식성 및 고전도성의 금(Au)과 같은 귀금속을 박막형태로 도금(coating)하여 사용하고 있는데, 이에 따라 추가 비용이 발생되고 있다. 즉, 분리판(40, 40a)내의 가스유로(44)가 형성되어 있는 부분과 기체확산층(60, 60a)이 맞닿는 부분, 즉 가스켓(50, 50a)이 밀착되는 부분을 제외한 모든 부분에 Au, Ti, Ti-N, Cr-N 등을 표면처리하여 사용하였지만, 이러한 표면처리물질과 처리방법 역시 고가이므로, 대용량 금속분리판의 제조단가가 거의 표면처리 물질에 좌우되는 바, 가격적인 경쟁력을 확보할 수 없는 문제가 있었다.In order to solve this problem, in order to prevent the elution of metal ions and to improve the corrosion resistance, the metal surface is coated with a noble metal such as gold (Au), which has high corrosion resistance and high conductivity. It is occurring. That is, Au, all parts except the part where the gas flow path 44 is formed in the separator plates 40 and 40a and the parts in which the gas diffusion layers 60 and 60a abut, that is, the parts in which the gaskets 50 and 50a are in close contact with each other. Surface treatment of Ti, Ti-N, Cr-N, etc. was used, but since these surface treatment materials and treatment methods are also expensive, the manufacturing cost of the large-capacity metal separator plate is almost dependent on the surface treatment material, thereby securing a competitive price. There was a problem that could not be done.

본 발명은 이에 따라 안출된 것으로, 그 목적은 부식을 방지하면서 저렴하게 제조할 수 있는 연료전지용 금속분리판을 제공하는 것이다.The present invention has been devised accordingly, and its object is to provide a metal separator plate for fuel cells that can be manufactured at low cost while preventing corrosion.

이를 위해, 본원은 반응가스를 공급하기 위한 가스유로를 구비하는 고체 고분자 전해질형 연료전지용 금속분리판에 있어서, 상기 금속분리판의 가스유로부분 에는 비전도성물질로 표면처리한 비전도층을 형성하고, 상기 표면처리된 금속분리판상에 적층되는 기체확산층에는 상기 가스유로부분의 비전도층을 구획하도록 충진재가 함침되어 충진재부를 형성한 것을 특징으로 한다.To this end, the present application in the metal separator plate for a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas passage for supplying a reaction gas, the non-conductive layer surface-treated with a non-conductive material in the gas passage portion of the metal separator plate The gas diffusion layer laminated on the surface-treated metal separator plate is characterized in that the filler is impregnated to partition the non-conductive layer of the gas flow path portion to form the filler portion.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 종래와 동일한 구성에는 동일한 도면부호를 병기하여 표시하였고 설명의 편의상 상세한 설명을 생략하였다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the same configuration as the prior art, the same reference numerals are denoted with the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted for convenience of description.

도 6에는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따라 비전도성물질이 표면처리된 고체 고분자 전해질형 연료전지용 금속 분리판을 나타내고 있다.Figure 6 shows a metal separator plate for a solid polymer electrolyte fuel cell surface-treated with a non-conductive material in accordance with a preferred embodiment of the present invention.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 비전도성물질로 표면처리된 금 속분리판(40)은 그 가스유로(44)부분에 비전도성물질로 표면처리한 비전도층(140)이 형성된다. 비전도성물질로는 고체고분자수지(PTFE : Poly Tetra Fluor Ethylene), 고분자, 세라믹 등이 바람직하다.As shown, in the metal separation plate 40 surface-treated with a non-conductive material according to the present invention, a non-conductive layer 140 surface-treated with a non-conductive material is formed in the gas passage 44. As the non-conductive material, a solid polymer resin (PTFE: Poly Tetra Fluor Ethylene), a polymer, a ceramic, and the like are preferable.

이와 같이 표면처리된 본 발명의 금속분리판(40)상에는 기체확산층(60)이 적층된다. 기체확산층(60)은 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 페놀, 실리콘, 폴리프로필렌 등으로 이루어진 충진재(filler)가 함침되어, 가스유로(44)부분의 비전도층(140)을 구획하도록 내부에 충진재부(120)를 정사각형으로 형성함에 따라, 이 충진재부(120)에 의해 가스유로(44)에 존재하는 물이 표면처리되지 않은 부분, 즉 가스유로(44)이외의 부분으로 흐르는 것을 차단한다.The gas diffusion layer 60 is laminated on the surface of the metal separator plate 40 of the present invention. As shown in FIGS. 6 and 7, the gas diffusion layer 60 is impregnated with a filler made of phenol, silicon, polypropylene, or the like, to partition the non-conductive layer 140 of the gas flow path 44. As the filler part 120 is formed in a square shape, the filler part 120 prevents water present in the gas flow passage 44 from flowing to a portion that is not surface treated, that is, a portion other than the gas flow passage 44. do.

이하, 이상과 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 금속분리판(40)에 대 해 보다 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the metal separation plate 40 according to the preferred embodiment of the present invention as described above will be described in more detail.

본 실시예에서의 금속분리판(40, 40a)은 모재로 알루미늄(Al)을 이용하며, 가스유로(44)가 형성된 3mm 정도의 알루미늄판상에 우선 중간층으로 니켈(Ni)이 도금되고, 이 도금층상에 고분자수지인 PTFE를 스프레이(spray)방식으로 도포하고 약 250℃ 정도에서 경화시켜 PTFE의 비전도층(140)을 코팅하여, PTFE/Al 분리판(40)을 제작하게 된다.In the present embodiment, the metal separation plates 40 and 40a use aluminum (Al) as the base material, and nickel (Ni) is first plated as an intermediate layer on an aluminum plate of about 3 mm on which the gas flow path 44 is formed. PTFE, which is a polymer resin, is coated on the surface and cured at about 250 ° C. to coat the non-conductive layer 140 of PTFE, thereby producing a PTFE / Al separation plate 40.

한편, 기체확산층(60)에는 가스켓(50)과 같은 소재인 실리콘을 충진재로하여 내부에 충진재부(120)를 형성한다.On the other hand, in the gas diffusion layer 60, the filler 120 is formed therein using silicon, which is the same material as the gasket 50, as the filler.

이어서, PTFE의 비전도층(140)이 코팅된 금속 분리판(40)상에 충진재부(120)가 형성된 기체확산층(60)을 적층하게 되어, 충진재부(120)가 가스유로(44)를 구획한다.Subsequently, the gas diffusion layer 60 in which the filler part 120 is formed is laminated on the metal separator plate 40 coated with the PTFE non-conductive layer 140, so that the filler part 120 opens the gas flow path 44. Compartment.

이상과 같이 제조된 금속 분리판(40, 40a)은 그 표면에 저가의 비전도성 물질이 처리되어 부식현상이 발생되지 않으며 도 8에 도시된 바와 같이 표면처리가 되지 않은 부분으로 전기가 통하게 된다.The metal separators 40 and 40a manufactured as described above are treated with a low-cost non-conductive material on the surface thereof so that corrosion does not occur and electricity is transferred to a portion which is not surface-treated as shown in FIG. 8.

도 9는 본 발명의 금속분리판을 이용하여 부식발생 정도를 측정한 결과를 나타내는 그래프로서, 본 발명의 형태로 제조된 금속분리판을 0시간, 24시간, 48시간 부식시험한 결과 부식현상은 발생되지 않았다.9 is a graph showing the result of measuring the degree of corrosion occurrence using the metal separator of the present invention, the corrosion of the metal separator produced in the form of the present invention for 0 hours, 24 hours, 48 hours It did not occur.

도 10은 본 발명에 따른 금속 분리판을 가지는 연료전지의 성능시험 결과에 대한 그래프이다.10 is a graph of a performance test result of a fuel cell having a metal separator according to the present invention.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 금속 분리판을 가지는 연료전지는 종래에 흑 연으로 제조된 분리판을 사용한 것에 비하여 성능이 조금 낮게 측정되었지만 가격적인 면에서 약 30배정도 감소시킬 수 있었으며 분리판 무게를 감소시킬 수 있어 부피당, 제조단가당 에너지밀도는 크게 향상시킬 수 있음을 나타내었다.Referring to this, the fuel cell having a metal separator according to the present invention was slightly lower in performance compared to the conventional separator made of graphite, but was able to reduce the weight of the separator by about 30 times. It can be reduced, the energy density per volume, manufacturing unit cost has been shown to be greatly improved.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따라 비전도성물질로 표면처리된 고체 고분자 전해질형 연료전지용 금속 분리판을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것으로, 예를 들어, 비전도성영역(ENCA)에 사용되는 고분자수지로는 비전도성 및 전도성 모두가 무방하게 사용될 수 있으며, 더구나 비전도성 물질, 전도성 고분자 및 비전도성 물질과 전도성 물질의 혼합물, 또는 전도성 고분자와 전도성 물질의 혼합물 또는 비전도성물질과 전도성 카본을 혼합한 소재를 사용할 수도 있음은 물론이며, 고분자수지를 대체하여 비전도성 및 전도성의 세라믹이 사용될 수도 있을 것이고, 그리고, 모재로 경량인 알루미늄뿐만 아니라 전도성금속인 Cu, Ni, Ti, SUS 등이 모두 이용될 수 있을 것이므로, 사용조건에 따라 모재와 코팅소재를 선택적으로 이용함에 따라 제조원가를 더욱 절감하고 금속 분리판의 특성을 적절히 조절할 수도 있는 바, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is just one embodiment for carrying out the metal separator plate for a solid polymer electrolyte fuel cell surface-treated with a non-conductive material according to the present invention, the present invention is not limited to the above embodiment, For example, as the polymer resin used in the non-conductive region (ENCA), both non-conductive and conductive materials can be used without limitation. It is also possible to use a mixture of materials or a mixture of non-conductive materials and conductive carbon, as well as a polymer resin may be used to replace the non-conductive and conductive ceramics. Phosphorus Cu, Ni, Ti, SUS, etc. may all be used, depending on the conditions of use By selectively using the material and the coating material can further reduce the manufacturing cost and appropriately adjust the characteristics of the metal separator plate, as claimed in the following claims without departing from the gist of the present invention Anyone skilled in the art will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의해 비전도성물질로 표면처리된 고체 고분자 전해질형 연료전지용 금속 분리판은 전기가 흐르는 가스유로를 저렴한 비전도성물질로 코팅함으로서 전기를 표면처리하지 않은 부분으로 흐르게 하여 부식을 방지하면서도 단가를 저감시키는 효과를 가진다.As described above, the metal separator plate for a solid polymer electrolyte fuel cell surface-treated with a non-conductive material according to the present invention is coated with an inexpensive non-conductive material through a gas flow through which electricity flows to an untreated surface portion. It has the effect of reducing the unit cost while preventing corrosion.

Claims (3)

반응가스를 공급하기 위한 가스유로를 구비하는 고체 고분자 전해질형 연료전지용 금속분리판에 있어서,In the metal separator plate for a solid polymer electrolyte fuel cell having a gas flow path for supplying a reaction gas, 상기 금속분리판의 가스유로부분에는 비전도성물질로 표면처리한 비전도층을 형성하고,In the gas flow path portion of the metal separation plate to form a non-conductive layer surface-treated with a non-conductive material, 상기 표면처리된 금속분리판상에 적층되는 기체확산층에는 충진재가 함침되어 상기 가스유로의 비전도층을 구획하도록 충진재부를 형성한 것을 특징으로 하는 비전도성물질로 표면처리된 연료전지용 금속분리판.The gas diffusion layer laminated on the surface-treated metal separator plate impregnated with a filler to form a filler portion to partition the non-conductive layer of the gas flow path. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비전도성물질은 PTFE, 고분자, 세라믹중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비전도성 물질로 표면처리된 비전도성물질로 표면처리된 연료전지용 금속분리판.The non-conductive material is a metal separation plate for a fuel cell surface-treated with a non-conductive material surface-treated with a non-conductive material, characterized in that any one of PTFE, polymer, ceramic. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 충진재는 페놀, 실리콘, 폴리프로필렌 등으로 이루어진 것을 특징으로 하는 비전도성 물질로 표면처리된 연료전지용 금속분리판.The filler is a metal separation plate for a fuel cell surface-treated with a non-conductive material, characterized in that consisting of phenol, silicon, polypropylene.
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