KR20100051261A - Hybrid bipolar plate for proton-exchange membrane fuel cell and method thereof - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A hybrid bipolar plate for a proton-exchange membrane fuel cell is provided to enhance the mechanical rigidity of the plate by using nickel and stainless steel as a material, and to improve the efficiency by reducing the contact resistance of the plate. CONSTITUTION: A manufacturing method of a hybrid bipolar plate for a proton-exchange membrane fuel cell comprises the following steps: forming a channel(22) for transporting a fuel to the surface of a coating sheet(20), while welding the coating sheet formed with nickel to one side of a core pate(10) formed with stainless steel; and forming micro structures(24) to distribute the fuel to the floor of the channel by an electrocasting. Another coating sheet is welded to the other side of the core plate.

Description

양자교환막 연료전지용 혼합양극판{HYBRID BIPOLAR PLATE FOR PROTON-EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL AND METHOD THEREOF}HYBRID BIPOLAR PLATE FOR PROTON-EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL AND METHOD THEREOF

본 발명은 양자교환막 연료전지용 혼합양극판(Hybrid Bipolar Plate)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 스테인리스강과 니켈을 소재로 제조되는 양자교환막 연료전지용 양극판에 관한 것이다.The present invention relates to a hybrid bipolar plate for a proton exchange membrane fuel cell, and more particularly, to a bipolar plate for a proton exchange membrane fuel cell made of stainless steel and nickel.

연료전지는 연료의 산화에 의하여 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다. 연료전지는 전지에 이용되는 연료, 즉 알카라인(Alkaline), 인산(Phosphoric Acid), 융융탄산염(Molton Carbonate), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide), 양자교환막 등의 종류에 따라 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다.A fuel cell is an energy converter that directly converts chemical energy generated by oxidation of fuel into electrical energy. Fuel cells are developed in various shapes and structures depending on the type of fuel used in the cells, namely alkaline, phosphoric acid, molten carbonate, solid oxide fuel cells, and proton exchange membranes. It is.

양자교환막 연료전지는 한국등록특허 제10-0745742호, 미국특허 제7,335,436호 등 많은 특허 문헌들에 개시되어 있다. 양자교환막 연료전지의 단위전지는 양극(Anode), 음극(Cathode)과 교환막(Exchange Membrane)으로 구성되어 있다. 교환막은 폴리머(Polymer)로 만들어진 얇은 판에 활성화된 촉매가 코팅(Coating)되어 있다. 교환막은 양극과 음극 사이에 배치되며, 전해질을 격리하여 화학반응을 유도한다. 그리고 양극과 음극의 일측에 제1 챔버(Chamber)와 제2 챔버가 각각 구획되 어 있다. Proton exchange membrane fuel cells are disclosed in many patent documents, such as Korean Patent No. 10-0745742, US Patent No. 7,335,436. The unit cell of the proton exchange membrane fuel cell is composed of an anode, a cathode, and an exchange membrane. The exchange membrane is coated with an activated catalyst on a thin plate made of polymer. The exchange membrane is disposed between the anode and the cathode and insulates the electrolyte to induce a chemical reaction. The first chamber and the second chamber are partitioned on one side of the anode and the cathode, respectively.

원료인 수소(H2)가 제1 챔버에 공급되면, 수소는 촉매와의 반응에 의하여 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다. 수소이온은 교환막을 통과하여 제2 챔버로 이동된 후 재결합된다. 제2 챔버에서 수소와 산소의 반응에 의하여 물이 생성된다. 전자는 교환막을 통과하지 못하여 전류의 형태로 양극으로 이동된 후 음극으로 이동된다. 이때, 전자는 사용이 가능한 전류의 형태로 이동된다. 이와 같은 양자교환막 연료전지는 양자교환막 연료전지의 동작온도는 약 100도 내외이고, 전력수요에 대한 응답도가 빠르며, 비교적 구조가 간단하고, 가벼운 장점을 보유한다. When hydrogen (H 2 ), which is a raw material, is supplied to the first chamber, hydrogen is separated into hydrogen ions (H +) and electrons (e −) by reaction with a catalyst. The hydrogen ions pass through the exchange membrane to the second chamber and then recombine. Water is produced by the reaction of hydrogen and oxygen in the second chamber. The electrons do not pass through the exchange membrane, move to the anode in the form of a current, and then to the cathode. At this time, the electrons are moved in the form of available current. The proton exchange membrane fuel cell has the advantages of operating temperature of the proton exchange membrane fuel cell is about 100 degrees, fast response to power demand, relatively simple structure and light weight.

양자교환막 연료전지의 단위전지는 그 출력이 약하기 때문에 복수의 단위전지들을 직렬로 연결하여 스택(Stack)으로 구성하고 있다. 양자교환막 연료전지 스택은 양극, 음극과 교환막의 막-전극 접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 한 쌍의 양극판(Bipolar Plate)들 사이에 설치되어 구성되고 있다. 양극판은 그 일면 또는 양면에 연료의 이동 통로를 형성하는 채널(Channel)과 연료의 균등한 분배를 위한 마이크로 지형(Micro-feature)을 갖는다. 또한, 양극판은 막-전극 접합체에 연료를 확산시키는 기능과 전류가 이동하는 통로의 기능을 갖는다. Since the unit cell of the proton exchange membrane fuel cell has a weak output, a plurality of unit cells are connected in series to form a stack. In the proton exchange membrane fuel cell stack, a membrane-electrode assembly (MEA) of an anode, a cathode, and an exchange membrane is provided between a pair of bipolar plates. The bipolar plate has a channel that forms a flow passage of fuel on one or both surfaces thereof and a micro-feature for even distribution of fuel. In addition, the positive electrode plate has a function of diffusing fuel into the membrane-electrode assembly and a function of passage of current.

한편, 양극판은 탄소복합재를 소재로 제조되고 있으며, 채널과 마이크로 지형은 전기주조(Electroforming)에 의하여 제조되고 있다. 그러나 전기주조는 생산비가 높은 단점이 있다. 탄소복합재의 양극판에서는 채널과 마이크로 지형에 화학적 잔류물이 많이 남아 높은 접촉 저항이 발생되므로, 양자교환막 연료전지의 성능 이 저하되는 문제가 있다. On the other hand, the anode plate is made of a carbon composite material, and the channel and the micro topography are manufactured by electroforming. However, electric casting has a disadvantage of high production cost. In the positive electrode plate of the carbon composite material, many chemical residues remain in the channel and the micro topography, resulting in high contact resistance, thereby degrading the performance of the proton exchange membrane fuel cell.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 스테인리스강과 니켈을 소재로 제조되어 기계적 강성이 보장되면서도 박막 및 경량으로 제조할 수 있는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.The present invention has been made to solve various problems of the prior art as described above, an object of the present invention is to produce a thin film and light weight while being made of stainless steel and nickel as a material, while ensuring mechanical rigidity The present invention provides a mixed positive electrode plate for a battery and a method of manufacturing the same.

본 발명의 다른 목적은 화학적 잔류물이 최소화되어 성능을 향상시킬 수 있는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a mixed anode plate for a proton exchange membrane fuel cell and a method of manufacturing the same, which can minimize the chemical residue and improve performance.

본 발명의 또 다른 목적은 전기주조가 단순화되어 생산비를 크게 절감할 수 있는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판 및 그 제조 방법을 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a mixed anode plate for a proton exchange membrane fuel cell and a method of manufacturing the same, which can greatly reduce production costs by simplifying electric casting.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 스테인리스강으로 이루어진 코어판의 일면에 니켈로 이루어진 피복시트를 압연에 의하여 접합하면서 피복시트의 표면에 연료의 이동을 위한 채널을 형성하는 단계와; 채널의 바닥에 상기 연료의 분배를 위한 복수의 마이크로 지형들을 전기주조에 의하여 형성하는 단계로 이루어지는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 제조 방법에 있다.A feature of the present invention for achieving the above object is the step of forming a channel for the movement of fuel on the surface of the coating sheet while bonding the coating sheet made of nickel to one surface of the core plate made of stainless steel by rolling; A method of manufacturing a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell, comprising forming a plurality of micro topography for distribution of the fuel at the bottom of a channel by electroforming.

또한, 코어판의 타면에 다른 하나의 피복시트를 더 접합하고, 코어판은 453 스테인리스강으로 이루어지며, 피복시트는 니켈 201로 이루어지는 것에 있다.Another coating sheet is further bonded to the other surface of the core plate, the core plate is made of 453 stainless steel, and the coating sheet is made of nickel 201.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings.

이하, 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of a mixed cathode plate for a proton exchange membrane fuel cell and a method of manufacturing the same according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1 내지 도 3을 참조하면, 양자교환막 연료전지용 혼합양극판은 코어판(Core Plate: 10)과 피복시트(Cladding Sheet: 20)로 구성되어 있다. 코어판(10)은 두께 약 0.4mm의 스테인리스강(Stainless Steel)으로 구성되며, 보다 바람직하게는 453 SS(453 Stainless Steel)로 구성된다. 피복시트(20)는 두께 약 0.05mm의 니켈(Ni)로 구성되며, 보다 바람직하게는 니켈 201(Ni 201)로 구성된다. First, referring to FIGS. 1 to 3, a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell includes a core plate 10 and a cladding sheet 20. The core plate 10 is made of stainless steel having a thickness of about 0.4 mm, and more preferably made of 453 SS (453 Stainless Steel). The covering sheet 20 is made of nickel (Ni) having a thickness of about 0.05 mm, and more preferably made of nickel 201 (Ni 201).

스테인리스강의 코어판(10)과 니켈의 피복시트(20)는 압연에 의하여 접합되어 있다. 피복시트(20)의 표면에 연료의 이동을 위한 채널(22)과 연료의 분배를 위한 복수의 마이크로 지형(24)들이 형성되어 있다. The core plate 10 of stainless steel and the coating sheet 20 of nickel are joined by rolling. On the surface of the covering sheet 20, a channel 22 for the movement of fuel and a plurality of micro terrains 24 for the distribution of fuel are formed.

본 발명의 혼합양극판은 스테인리스강의 코어판(10)과 니켈의 피복시트(20)의 압연에 의하여 그 두께를 매우 얇게 제조할 수 있으며, 기계적 강성을 보장할 수 있다. 또한, 본 발명의 혼합양극판은 열전도율이 높으며, 재사용이 가능한 장점을 보유한다. 특히, 채널(22)과 마이크로 지형(24)들에 화학적 잔류물이 남지 않게 되어 접촉 저항이 방지되므로, 양자교환막 연료전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다. The mixed positive electrode plate of the present invention can be manufactured very thin by the rolling of the core plate 10 of stainless steel and the coating sheet 20 of nickel, and can ensure mechanical rigidity. In addition, the mixed positive electrode plate of the present invention has a high thermal conductivity and has the advantage of being reusable. In particular, since chemical residues are not left in the channels 22 and the micro terrains 24 so that contact resistance is prevented, the performance of the proton exchange membrane fuel cell can be greatly improved.

지금부터는, 이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판에 대한 제조 방법을 설명한다.The manufacturing method for the mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention having such a configuration will now be described.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 스테인리스강의 코어판(10)의 일면에 니켈의 피복시트(20)를 중첩한 후, 코어판(10)과 피복시트(20)를 압연에 의하여 접합하면서 피복시트(20)의 표면에 채널(22)을 형성한다. 스테인리스강의 코어판(10)은 두께 약 0.4mm와 니켈의 피복시트(20)는 두께 약 0.05mm로 압연된다. 따라서 본 발명의 혼합양극판은 기계적 강성이 보장되면서도 얇게 제조되므로, 양자교환막 연료전지를 소형화 및 경량화하여 제작할 수 있다. Referring to FIGS. 4A and 4B, after covering the nickel coating sheet 20 on one surface of the core plate 10 of stainless steel, the coating sheet is joined by rolling the core plate 10 and the coating sheet 20 by rolling. The channel 22 is formed on the surface of 20. The stainless steel core plate 10 is rolled to a thickness of about 0.4 mm and the nickel coated sheet 20 to a thickness of about 0.05 mm. Therefore, since the mixed positive electrode plate of the present invention is manufactured to be thin while ensuring mechanical rigidity, the proton exchange membrane fuel cell can be manufactured by miniaturizing and reducing the weight.

다음으로, 도 1 내지 도 3을 다시 참조하면, 채널(22)의 바닥면에 복수의 마이크로 지형(24)들을 전기주조에 의하여 형성한다. 마이크로 지형(24)들 각각의 최대폭은 약 0.025mm, 최소폭은 약 0.015mm로 형성될 수 있다. Next, referring again to FIGS. 1 to 3, a plurality of micro terrains 24 are formed on the bottom surface of the channel 22 by electroforming. Each of the micro terrains 24 may have a maximum width of about 0.025 mm and a minimum width of about 0.015 mm.

도 5에 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판에 대한 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 스테인리스강의 코어판(10)의 일면과 타면에 니켈의 피복시트(20, 30)들이 각각 압연에 의하여 접합되어 있다. 피복시트(30)의 채널(32), 마이크로 지형(미도시)들은 피복시트(20)의 채널(22), 마이크로 지형(24)들과 동일하게 구성되어 있다. 코어판(10)이 두개의 피복시트(20, 30)들 사이에 개재되어 있는 샌드위치구조의 혼합양극판은 두개의 막-전극 접합체 사이에 설치되어 연료전지 스택을 구성한다. 5 shows another embodiment of a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention. Referring to FIG. 3, nickel coated sheets 20 and 30 are joined to one surface and the other surface of the core plate 10 of stainless steel by rolling, respectively. The channels 32 and micro terrains (not shown) of the cover sheet 30 are configured in the same manner as the channels 22 and micro terrains 24 of the cover sheet 20. A sandwiched mixed positive electrode plate having a core plate 10 interposed between two cover sheets 20 and 30 is provided between two membrane-electrode assemblies to constitute a fuel cell stack.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다. The embodiments described above are merely to describe preferred embodiments of the present invention, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, those skilled in the art within the spirit and claims of the present invention It will be understood that various changes, modifications, or substitutions may be made thereto, and such embodiments are to be understood as being within the scope of the present invention.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판 및 그 제조 방법에 의하면, 스테인리스강과 니켈을 소재로 제조되어 기계적 강성이 보장되면서도 박막 및 경량으로 제조할 수 있다. 또한, 화학적 잔류물에 의한 접촉 저항이 감소되어 성능을 향상시킬 수 있으며, 전기주조가 단순화되어 생산비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the mixed cathode plate for a proton exchange membrane fuel cell and the method for manufacturing the same according to the present invention, stainless steel and nickel may be manufactured as a material, and thus, the mechanical rigidity may be ensured, and the thin film and the weight thereof may be manufactured. In addition, the contact resistance due to chemical residues can be reduced to improve performance, and the electrical casting is simplified, thereby greatly reducing the production cost.

도 1은 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 구성을 나타낸 사시도, 1 is a perspective view showing the configuration of a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention;

도 2는 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 구성을 나타낸 정면도,2 is a front view showing the configuration of a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention;

도 3은 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 구성을 나타낸 단면도,3 is a cross-sectional view showing the configuration of a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention;

도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판에서 압연공정을 설명하기 위하여 나타낸 단면도, 4A and 4B are cross-sectional views illustrating a rolling process in a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention;

도 5는 본 발명에 따른 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 다른 예를 나타낸 사시도이다. 5 is a perspective view showing another example of a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to the present invention.

♣도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명♣♣ Explanation of symbols for the main parts of the drawing

10: 코어판 20, 30: 피복시트10: core plate 20, 30: covering sheet

22, 32: 채널 24: 마이크로 지형 22, 32: Channel 24: Micro Terrain

Claims (4)

스테인리스강으로 이루어진 코어판의 일면에 니켈로 이루어진 피복시트를 압연에 의하여 접합하면서 상기 피복시트의 표면에 연료의 이동을 위한 채널을 형성하는 단계와;Bonding a cover sheet made of nickel to one surface of the core plate made of stainless steel by rolling to form a channel for movement of fuel on the surface of the cover sheet; 상기 채널의 바닥에 상기 연료의 분배를 위한 복수의 마이크로 지형들을 전기주조에 의하여 형성하는 단계로 이루어지는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 제조 방법.And forming a plurality of micro topography for the distribution of the fuel at the bottom of the channel by electroforming. 제 1 항에 있어서, 상기 코어판의 타면에 다른 하나의 피복시트를 더 접합하는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 제조 방법.The method of manufacturing a mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell according to claim 1, wherein another coating sheet is further bonded to the other surface of the core plate. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 코어판은 453 스테인리스강으로 이루어지며, 상기 피복시트는 니켈 201로 이루어지는 양자교환막 연료전지용 혼합양극판의 제조 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the core plate is made of 453 stainless steel, and the coating sheet is made of nickel 201. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항의 제조방법에 의하여 제조된 양자교환막 연료전지용 혼합양극판.A mixed positive electrode plate for a proton exchange membrane fuel cell manufactured by the method according to any one of claims 1 to 3.
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