KR100511160B1 - 고분자전해질형 연료전지 및 그 분리기판의 제조방법 - Google Patents

Abstract

분리기판의 매니폴드구멍의 개구 가장자리부에 버(burr)가 생겨, 가스유로와 매니폴드구멍의 사이의 가스의 유통에 지장을 초래하여, 전지특성을 저하시킨다. 본 발명은, 버에 의한 그러한 결함이 없는 분리기판을 제공하는 것을 목적으로 한다. 분리기판에 있어서의 각 매니폴드구멍의 가스유로측의 개구 가장자리부에, 상기 가스유로와 같거나 그보다 깊은 단차부를 설치한다. 상기의 단차부는, 매니폴드구멍측에서 깊어지도록 경사를 가지는 것이 바람직하다.

Description

고분자전해질형 연료전지 및 그 분리기판의 제조방법{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL AND PRODUCTION METHOD OF SEPARATOR PLATE THEREOF}

본 발명은, 휴대용 전원, 전기자동차용 전원, 가정내 열병합발전 시스템(cog eneration system)등에 사용하는 고체고분자 전해질을 사용한 연료전지, 특히 그 도전성 분리기판(separator plate)에 관한 것이다.

고체고분자 전해질을 사용한 연료전지는, 수소를 함유한 연료가스와 공기 등의 산소를 함유한 산화제가스를 전기·화학적으로 반응시켜, 전력과 열을 동시에 발생시키는 것이다. 이 연료전지는, 기본적으로는, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막, 및 고분자 전해질막을 끼운 한 쌍의 전극으로 이루어진다. 전극은, 백금족 금속촉매를 담지(擔持)한 탄소분말을 주성분으로 하는 촉매층, 및 이 촉매층의 바깥면에 형성된 통풍성과 전자도전성을 함께 가진 확산층으로 이루어진다.

전극에 공급하는 가스가 밖으로 새거나, 두 종류의 가스가 서로 혼합하거나 하지 않도록, 전극의 주위에는 고분자 전해질막을 끼워 가스시일재나 가스켓(gas ket)이 배치된다. 이 시일재나 가스켓은, 전극 및 고분자 전해질막과 일체화하여 미리 조립하여, 이것을 MEA(전해질막·전극접합체)라고 한다. MEA의 바깥측에는, 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성의 분리기판이 배치된다. 분리기판의 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급하고, 생성가스나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로가 형성된다. 가스유로는, 분리기판과 별도로 설치할 수도 있지만, 분리기판의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.

이 가스유로를 구성하는 홈에 가스를 공급하기 위해서, 상기 가스유로를 형성한 분리기판에는, 적층전지에 공통으로 연이어 통하는 가스연통로를 형성하기 위한 관통구멍이 형성된다. 이 구멍은 매니폴드구멍이라고 불린다. 이 매니폴드구멍에 상기 가스유로의 출입구를 연이어 통과시킴으로써, 매니폴드구멍으로부터 직접 가스를 가스유로에 공급할 수가 있다.

연료전지는, 운전중에 발열하기 때문에, 전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서, 냉각수 등으로 냉각할 필요가 있다. 통상, 1∼3 셀(cell)마다 냉각수를 흐르게 하는 냉각부를 분리기판과 분리기판의 사이에 형성한다. 분리기판의 배면 (背面)에 냉각수의 유로를 형성하여 냉각부로 하는 경우가 많다. 이들 MEA와 분리기판 및 냉각부를 교대로 겹쳐 나가며, 10∼200셀을 적층한 후, 집전판(集電板)과 절연판을 개재하여, 끝단판으로 이것을 끼워, 체결 볼트로 양 끝단에서 고정하는 것이 일반적인 적층전지의 구조이다.

이러한 고체고분자형의 연료전지에서는, 분리기판은 도전성이 높고, 또한 기밀성이 높고, 더욱 수소/산소를 산화·환원할 때의 반응에 대하여 높은 내식성을 가질 필요가 있다. 이러한 이유로, 종래의 분리기판은, 통상 유리질 탄소(glassy carbon) 등의 탄소재료로 구성하고, 가스유로도 절삭가공이나 연삭(硏削)에 의해서 제작하고 있었다.

그러나 근래, 종래 사용된 탄소재료 대신에, 팽창흑연이나 흑연과 수지의 복합재료 등을 사용한 성형가공이 가능한 분리기판 제작의 시도가 이루어지고 있다.

종래의 탄소판의 절삭에 의한 방법에서는, 탄소판의 재료비용과 함께, 이것을 절삭하기 위한 비용을 인하(引下)하는 것이 곤란하였다. 또한, 상술한 팽창흑연이나 흑연과 수지의 복합재료를 사용한 방법에 있어서도, 다음과 같은 문제가 있었다. 즉, 금형에 의한 성형에서는, 분리기판의 원료가, 가압(加壓)되었을 때에 상부금형과 하부금형의 사이의 빈틈으로 진입하여, 거기서 냉각되어, 고화(固化)된다. 그 때문에, 튀어나온 부분을 형성한다. 또한, 성형가공후에 금형이나 드릴 등의 가공기기에 의해, 매니폴드구멍을 가공하는 방법에 있어서도, 가공기기와 재료의 사이의 전단력에 의해 늘어짐이 발생한다. 이 튀어나온 부분이나 늘어진 부분을 통상 버(burr)라고 칭하고 있다.

이 버(burr)가, 매니폴드구멍과 가스유로의 연결부분에 발생하면, 버에 의해 가스유로의 단면적이 좁아지기 때문에, 가스유로에의 가스의 공급이 방해되고, 전지특성이 저하한다. 또한, 가스유로 출구측에 생긴 버(burr)는, 전극반응에 의해 생성된 수분이 가스유로내에서 결로(結露)함으로써 형성된 물방울이, 가스유로 외부로 배출되는 것을 방해하여, 가스유로의 막힘이 일어나, 전지특성을 저하시킨다.

상기의 버(burr)에 의한 전지특성의 저하를 방지하기 위해서, 절삭이나 연마에 의해 버를 제거하는 작업이 필요하다. 그러나, 매니폴드구멍과 가스유로와의 연락부분은 형상이 복잡하기 때문에, 버를 제거하는 작업은 고비용이 된다.

본 발명은, 이러한 점을 감안하여, 매니폴드구멍의 개구 가장자리부에 버 (burr)가 생기더라도 가스의 유로와 매니폴드구멍의 사이의 가스의 유통에 지장을 주지 않는 분리기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 또한 매니폴드구멍의 개구 가장자리부의 버를 기계적으로 용이하게 제거할 수 있는 분리기판을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 그러한 분리기판을 구비한 고분자전해질형 연료전지를 제공한다.

본 발명의 고분자 전해질형 연료전지는, 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막을 끼운 한 쌍의 전극으로 이루어지는 복수의 막·전극접합체, 상기 막·전극접합체와 교대로 적층된 복수의 분리기판, 및 상기 한쪽의 전극에 연료가스를 공급·배출하고, 다른 쪽의 전극에 산화제가스를 공급·배출하는 가스공급·배출수단을 구비하고, 상기 가스공급·배출수단이, 상기 막·전극접합체 및 분리기판에 공통으로 형성된 연료가스 및 산화제가스용의 각 한 쌍의 매니폴드구멍, 상기 도전성 분리기판의 상기 한쪽의 전극과 대향하는 면에 상기 연료가스용의 한 쌍의 매니폴드구멍을 연결하도록 형성된 홈으로 이루어지는 연료가스의 유로, 및 상기 도전성 분리기판의 상기 다른 쪽의 전극과 대향하는 면에 상기 산화제가스용의 한 쌍의 매니폴드구멍을 연결하도록 형성된 홈으로 이루어지는 산화제가스의 유로를 포함하고, 상기 분리기판에 있어서의 각 매니폴드구멍의 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부에, 상기 가스의 유로와 같거나 그보다 깊은 단차부를 가진 것을 특징으로 한다.

상기 분리기판의 단차부가, 상기 매니폴드구멍측에서 깊어지도록 경사(ta per)를 가진 것이 바람직하다.

상기 분리기판의 매니폴드구멍은, 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부의 버(burr)가 제거되어 있는 것이 보다 바람직하다.

본 발명은, 흑연분말 및 결합제(binder)를 포함하는 혼합물을 성형하는 제 1 공정, 및 기계가공에 의해 매니폴드구멍을 형성하는 제 2 공정을 가진 연료전지용 분리기판의 제조방법으로서, 제 1 공정에서, 홈으로 이루어지는 가스의 유로와, 상기 매니폴드구멍을 형성하는 위치로부터 상기 가스의 유로의 끝단부에 걸친 부분의 오목부를 성형하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리기판의 제조방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 매니폴드구멍의 개구 가장자리부에 생기는 버(burr)가 가스유로를 좁히는 일이 없게 되어, 연료나 산화제 가스의 흐름에 대한 영향을 억제할 수가 있다. 또한, 발생한 버(burr)의 제거를 용이하게 할 수가 있다. 따라서, 분리기판의 가공에 있어서의 비용을 억제할 수가 있다.

[실시예]

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 여기에 사용하는 구조도는 이해를 쉽게 하기 위한 것이고, 각 요소의 상대적인 크기나 위치관계는 반드시 정확하지는 않다.

실시형태 1

도 1은 본 실시형태의 분리기판의 음극측의 정면도이다. 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선으로 절단한 확대단면도, 도 3은 도 1의 Ⅲ-Ⅲ선으로 절단한 확대단면도이다. 도 4는 분리기판의 입구측 매니폴드구멍 부근의 사시도이다.

이 분리기판(10)은, 인조흑연분말, 섬유상 그래파이트(graphite), 및 열경화성 페놀수지의 혼연물(混練物)을 금형으로 성형한 것으로, 각 한 쌍의 산화제가스의 매니폴드구멍(11a, 11b), 연료가스의 매니폴드구멍(12a, 12b), 및 냉각수의 매니폴드구멍(13a, 13b)을 가진다. 분리기판(10)은, 음극측에는, 매니폴드구멍(11a와 11b)을 연결하는 산화제가스의 유로(14)를 더욱 가진다. 이 가스유로(14)는, 병행한 홈에 의해 형성되고, 따라서 병행하는 가스유로사이에는 리브(rib)(15)가 형성되어 있다. 분리기판(10)은, 이면(裏面)에는, 연료가스의 매니폴드구멍(12a와 12b)을 연결하는 가스유로 또는 냉각수의 매니폴드구멍(13a와 13b)을 연결하는 냉각수의 유로를 가진다.

본 실시형태의 분리기판(10)은, 각 매니폴드구멍의 둘레가장자리부에, 가스유로 또는 냉각수의 유로의 깊이와 같거나 그보다 약간 깊은 단차부를 설치한 점이 종래예와 다르다. 이하에서는, 매니폴드구멍(11a)에 대하여 설명하지만, 다른 매니폴드구멍에 있어서도 같은 구조를 가진다.

매니폴드구멍(11a)의 음극측의 둘레가장자리부에 단차부(16)가 형성되어 있다. 이 단차부는, 가스유로(14)의 입구측의 깊이와 같거나 그보다 약간 깊게 하여 놓는다. 매니폴드구멍(11a)의 음극측의 둘레가장자리부에는, 버(17)가 형성되어 있다. 도면에서는, 매니폴드구멍(11a)의 음극측의 둘레가장자리부에만 버(burr)를 나타내고 있으며, 다른 부분에 형성된 버는 생략하고 있다.

이 실시형태의 분리기판은, 상기한 바와 같이, 산화제가스의 매니폴드구멍 (11a)과 가스유로(14)와의 사이에 단차부(16)가 형성되고, 이에 따라 구멍(11a)의 개구 가장자리부는 한 단 낮은 위치에 있다. 그 때문에, 구멍(11a)의 개구가장자리부에 버(burr)(17)가 생기더라도 가스유로(14)로의 산화제가스의 공급에 지장을 주는 일은 거의 없어진다. 매니폴드구멍(11b)의 개구가장자리부에, 마찬가지로 단차부를 형성함으로써, 가스유로(14)로부터 매니폴드구멍(11b)으로의 가스 및 생성물의 배출에 지장을 주는 일도 거의 없어진다.

또한, 단차부(16)를 설치함으로써, 매니폴드구멍(11a)과 가스유로(14)는, 단차부를 통해 연결된다. 그리고, 단차부(16)에 있어서는, 리브(15)에 해당하는 것이 없기 때문에, 버(17)를 자동기기에 의해 연마하여 제거하는 것도 용이하다.

이상의 이점(利點)은, 도 2 및 도 3에 해당하는 종래 예를 나타낸 도 13 및 도 14와의 대비로 명백할 것이다. 종래예의 분리기판(50)은, 산화제가스의 매니폴드구멍(51)이 직접 가스유로(54)에 연결되어 있다. 그 때문에, 가스유로사이에 형성되는 리브(55)의 끝단부가 구멍(51)에 임하여 있고, 따라서 구멍(51)의 개구가장자리부에는 리브(55)의 끝단면에 연속해 있는 버(56)가 형성된다. 이 버(56)는, 도 14로부터 명백하듯이, 구멍(51)으로부터 가스유로(54)로의 가스의 공급 및 가스유로(54)측에서 구멍(51)측으로의 가스 및 생성수의 배출에 지장을 초래한다.

본 발명에 의하면, 이러한 지장이 해소된다. 본 발명은, 특히, 가스유로가 병행하는 복수의 홈으로 구성되는 경우에 유효하다.

도 5는 본 실시형태의 분리기판의 성형 후, 매니폴드구멍 펀칭전의 단면을 나타내고, 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분으로 절단한 확대단면도이다.

본 실시형태의 분리기판은, 도 5에 나타낸 바와 같이, 매니폴드구멍을 형성하고자 하는 부분에, 매니폴드구멍보다 한 둘레 큰 오목부(11)를 가지도록 프레스성형하고, 이어서 매니폴드구멍을 가공함으로써 도 2와 같아진다. 도 5에 있어서, 점선으로 나타낸 부분에 매니폴드구멍이 형성된다.

여기서, 단차부(16)의 폭, 즉 리브(15)의 끝단면과 매니폴드구멍(11a)과의 거리 t는 0.O1mm 이상이면, 생긴 버(burr)의 영향을 없애는 효과는 충분히 다한다 할 수 있다. t는 O.1mm 이상인 것이 보다 바람직하다. 매니폴드구멍의 안지름이나 연료전지 스택의 소형화의 관점에서, t는 2mm 이하인 것이 바람직하다.

실시형태 2

도 6은 본 실시형태의 분리기판의 제조공정을 나타내고, 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도를 나타내고 있다. 도 6(a)는 성형 후, 도 6(b)는 더욱 매니폴드구멍을 뚫은 후를 각각 나타내고 있다.

본 실시형태의 분리기판은, 도 6(a)와 같이, 매니폴드구멍을 형성하고자 하는 부분에, 매니폴드구멍보다 한 둘레 큰 오목부(20)를 갖도록 프레스성형하고, 이어서, 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 금형에 의해 천공하여 매니폴드구멍을 형성함으로써 제조된다. 성형시에, 오목부(20)와 함께, 매니폴드구멍을 천공하는 위치에는, 단면이 V자형인 홈(24, 25)을 형성하고 있다. 이것을 금형으로 천공함으로써, 매니폴드구멍(21a)이 형성된다. 구멍의 펀칭시에 형성된 버(27 및 29)도 표시되어 있다.

본 실시형태에서는, 구멍(21a)과 가스유로(14)를 연결하는 단차부(26)는, 구멍(21a)의 가장자리부측이 낮아지도록 하는 경사(taper)가 되어 있기 때문에, 가스 및 생성수의 이동이 보다 용이해진다.

본 실시형태에서는, 분리기판의 성형체가, 금형으로 천공하여 매니폴드구멍 (21a)을 형성하고자 하는 부분에 홈(25)을 갖기 때문에, 실시형태 1에 비하여 가공성이 우수하다.

실시형태 3

도 7은 본 실시형태의 분리기판의 제조공정을 나타내고, 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도를 나타내고 있다. 도 7(a)는 성형 후, 도 7(b)는 매니폴드구멍을 뚫은 후를 각각 나타내고 있다.

본 실시형태의 분리기판은, 도 7(a)와 같이, 매니폴드구멍을 형성하고자 하는 부분의 양면에, 매니폴드구멍보다 한 둘레 큰 오목부(30 및 32)를 갖도록 프레스성형하고, 이어서, 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 금형에 의해 천공하여 매니폴드구멍(31a)을 형성함으로써 제조된다. 구멍의 펀칭시에 형성된 버가 참조번호 37 및 39로 표시되어 있다.

실시형태 4

도 8은 본 실시형태의 분리기판의 제조공정을 나타내며, 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도를 나타내고 있다. 도 8(a)는 성형 후, 도 8(b)는 더욱 매니폴드구멍을 뚫은 후를 각각 나타내고 있다.

본 실시형태의 분리기판은, 도 8(a)와 같이, 매니폴드구멍을 형성하고자 하는 부분의 양면에, 매니폴드구멍보다 한 둘레 큰 오목부(40 및 42)를 갖도록 프레스성형하고, 이어서, 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 금형에 의해 뚫어 매니폴드구멍 (41a)을 형성함으로써 제조된다. 오목부(40 및 42)는, 측벽부는 개방부측이 넓어지도록 경사져 있기 때문에, 구멍(41a)의 개구 가장자리부에는 양면에 경사진 단차부(46 및 48)가 형성된다. 구멍(41a)의 펀칭시에 형성된 버가 참조번호 47 및 49로 표시되어 있다.

도 9는 본 실시형태의 변형예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내고, 도 1에 있어서의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도를 나타내고 있다. 도 9(a)는 성형 후, 도 9(b)는 더욱 매니폴드구멍을 뚫은 후를 각각 나타내고 있다. 도 9에 나타낸 예에서는, 매니폴드구멍을 형성하고자 하는 부분의 한 면, 즉 음극측의 면에, 매니폴드구멍보다 한 둘레 큰 오목부(40)를 갖도록 프레스성형하고, 이어서, 금형에 의해 뚫어 매니폴드구멍(41a)을 형성한다.

본 실시형태에서는, 경사진 단차부(46)가 가스의 유로(14)보다도 큰 깊이를 가지고 있다. 이에 따라, 발생한 버(47)가 가스유로(14)에 미치는 영향을 실시형태 1에 비하여 작게 할 수가 있다. 또한, 단차부(46 및 48)에 경사를 설치하였기 때문에, 성형체의 성형형(成形型)으로부터의 이형성(離型性)도 향상한다. 또한, 매니폴드구멍을 형성하는 부분의 두께를 얇게 함으로써, 구멍을 뚫는 가공을 용이하게 할 수가 있다.

이상의 실시형태에 있어서는, 산화제가스의 입구측의 매니폴드구멍에 대하여 설명하였지만, 출구측의 매니폴드구멍에 대해서도 마찬가지로 적용할 수가 있다. 또한, 단차부(16, 26, 36, 46) 등은, 매니폴드구멍의 개구 가장자리부 전체에 설치하였지만, 가스유로에 연결되는 부분에만 설치하여도 좋다. 도 10은 그러한 분리기판의 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도를 나타내고 있다.

또한, 연료가스의 매니폴드구멍에서는, 분리기판의 양극(anode)측에 형성되는 가스유로와 연결되는 부분에, 또한 냉각수의 매니폴드구멍에서는 냉각수의 유로와 연결되는 부분에, 각각 상기의 산화제가스의 매니폴드구멍에 채용한 것과 같은 구조를 적용할 수가 있다. 한편, 도 1에서는, 연료가스 및 냉각수의 매니폴드구멍의 부분에, 산화제가스의 매니폴드구멍과 같은 단차부를 설치하고 있지만, 이들 부분에는 단차부는 반드시 필요하지는 않다.

실시형태 5

본 실시형태에서는, 상기와 같은 매니폴드구멍을 가진 분리기판과 막·전극접합체(MEA)를 적층하여 구성되는 연료전지 스택의 매니폴드에 대하여 설명한다.

여기서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 한쪽 면에 산화제가스의 유로를 가진 분리기판(10)이, 배면에 연료가스의 유로를 가지고 있으며, 음극측 분리기판과 양극측 분리기판을 겸하는 단일의 분리기판을 사용한 예를 나타낸다.

도 11은 분리기판(10)의 양극측의 정면도이다. 분리기판(10)의 양극측에는, 매니폴드구멍(12a와 12b)을 연결하도록 연료가스의 유로(4)를 갖는다. 5는 유로 (4)를 구획하는 리브(rib)를 나타낸다. 매니폴드구멍(12a 및 12b)의 개구부의 주위에는, 가스유로(4)와 같은 깊이의 단차부(6)를 가진다.

도 12는, 상기의 분리기판(10)과 MEA를 교대로 적층한 연료전지 스택의 일부를 도 1의 XⅡ-XⅡ선으로 절단한 단면도로 표시하고 있다. 1은 고분자 전해질막, 상기 막을 끼운 음극 및 양극, 및 상기 전극의 바깥둘레 가장자리부에 있어서 고분자 전해질막을 끼운 가스켓으로 이루어지는 MEA를 나타낸다. 연료전지 스택에 있어서의 산화제가스의 매니폴드는, 분리기판(1O)의 매니폴드구멍(11a)과 MEA의 매니폴드구멍으로 구성된다. 그리고, 매니폴드구멍(11a)은, 음극측 및 양극측에 각각 단차부(16 및 8)를 갖기 때문에, 지름이 작은 부분과, 지름이 큰 부분을 가진다. 따라서, 화살표 A1로 나타내는 산화제가스가 직선형상으로 흐르는 매니폴드는, 지름이 작은 부분(D1)과 지름이 큰 부분(D2)으로 구성된다. A2는 A1로부터 분기하여 각 셀의 가스유로(14)에 흐르는 산화제가스를 나타내고, A3은 음극의 생성물 및 잉여가스를 포함하는 배출가스의 흐름을 나타낸다.

종래의 연료전지에 있어서는, A1이 흐르는 매니폴드는 지름이 같은 구멍으로 구성되어 있다.

연료전지 스택의 입구에서 매니폴드내로 유입한 산화제가스는, 화살표 A1로 나타내는 직선형상의 흐름과, 이것과 수직인 방향의, 분리기판(10)에 형성된 가스유로(14)로 분기하는 흐름의, 두개의 흐름을 가진다. 매니폴드내에서의 가스의 유속이 균일하면, 각각의 MEA에 공급되는 가스의 양은 균일해지지만, 실제로는 매니폴드내를 진행함에 따라서 가스유로(14)에 흘러 들어오는 만큼의 가스를 잃게 되기 때문에, 가스의 유량이 작아지게 된다. 그 때문에, 종래와 같이 매니폴드내의 등가(等價)지름이 균일한 경우, 반응가스의 입구의 가까이에서는 유속이 빨라지고, 출구측에서는 유속이 느려진다. 이러한 유속의 변화에 의해, 각 셀의 가스유로 (14)에 흘러 들어오는 산화제가스의 양에 불균형이 발생한다.

한편, 도 12와 같이, 매니폴드내에 큰 지름부(D2)와 작은 지름부(D1)를 형성하면, 큰 지름부에서는 산화제가스의 유속을 급격히 저하시키는 것이 가능하고, 매니폴드내에 복수 존재하는 큰 지름부에서의 유속의 불균형을 압축할 수가 있다. 그리고, 이 큰 지름부(D2)에 가스유로(14)와의 연결구를 설치함으로써, 가스유로 (14)에 흘러 들어오는 가스량의 불균형을 저감할 수가 있다. 따라서, 안정된 운전을 할 수 있는 연료전지 스택을 제공할 수가 있다.

상기한 바와 같이 매니폴드의 큰 지름부(D2)와 작은 지름부(D1)의 등가지름의 차를, 큰 지름부(D2)에 있어서 반응가스의 유속을 실질적으로 저하시킬 수 있는 정도로 함으로써, 매니폴드내에 있는 복수의 가스유로 근방을 흐르는 반응가스의 압력손실 분포를 작게 할 수가 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명한다.

실시예 1

우선, 촉매층을 가진 전극의 작성방법을 설명한다. 아세틸렌블랙분말에, 평균입자지름이 약 30Å인 백금입자를 25중량% 담지(擔持)시켰다. 이것을 전극의 촉매로 하였다. 이 촉매분말을 이소프로판올에 분산시키고, 여기에 퍼플루오르카본술폰산분말의 에틸알콜분산액을 혼합하여 촉매 페이스트를 얻었다.

한편, 바깥치수 16cm ×20cm, 두께 360㎛의 카본부직포{도오레(주)제, TGP-H-120}에, 불소수지의 수성 디스퍼젼{다이킨고교(주)제, 네오프론 ND1}을 함침한 후, 이것을 건조하여, 400℃로 30분 가열함으로써, 발수성을 부여하였다. 이 카본부직포의 한쪽 면에, 상기의 촉매페이스트를 스크린인쇄법을 사용하여 도포하여, 촉매층을 형성하였다. 이 때, 촉매층의 일부는, 탄소부직포 속에 메워 넣어져 있다. 이렇게 해서 작성한 촉매층 부착 탄소부직포를 전극으로 하였다. 전극중에 포함되는 백금량은 0.5㎎/㎠, 퍼플루오르카본술폰산의 양은 1.2㎎/㎠가 되도록 하였다.

다음에, 바깥치수가 20cm ×32cm의 프로톤전도성 고분자 전해질막의 안팎양면에, 한 쌍의 전극을 촉매층이 전해질막에 접하도록 핫프레스로 접합하여, 이것을 전해질막·전극접합체(MEA)로 하였다. 여기서는, 프로톤전도성 고분자 전해질로서, 퍼플루오르카본술폰산을 50㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.

다음에, 도전성 분리기판에 대하여 설명한다.

우선, 평균입자지름이 약 10㎛의 인조흑연분말{닛뽄고쿠엔(주)제 고순도흑연 ACB} 50중량부, 평균지름 50㎛이고, 평균길이 0.5㎜의 섬유상 그래파이트{라이온(주)제 케첸블랙 EC600JD} 30중량부, 및 열경화성 페놀수지{스미토모 베크라이트(주)제 스미라이트레진 PR-51107} 20중량부의 혼합물을 압출혼연기로 혼연(混練)하여, 이 혼연된 분말을 가스유로용 홈과 냉각수유로용 홈 및 목적으로 하는 매니폴드구멍을 성형하기 위한 가공을 실시한 금형에 투입하여, 핫 프레스하였다. 핫 프레스의 조건은, 금형온도 15O℃, 압력 100㎏/㎠로 1O분간으로 하였다. 얻어진 분리기판은, 바깥치수가 20cm ×32cm, 두께가 1.3mm, 가스유로 및 냉각수유로의 깊이가 0.5mm이었다. 여기에 사용한 금형은, 열간금형용 합금공구의 SKD8로부터 만들어진 것으로, 상기의 유로부분은, 홈폭 1.5mm ±5㎛, 홈깊이 0.5mm ± 5㎛, 피치 3mm ± 5㎛, 분리기판 두께부 1.3mm이고 평면도 10㎛, 표면연마도는 최대표면거칠기 0.8S의 조건으로 가공된 것이다.

이렇게 해서 도 1에 나타낸 바와 같은 구조의 분리기판을 작성하였다. 여기서, 도 2 및 도 3에 17로 나타내는 버(burr)는, 높이가 0.01mm∼0.20 mm이었다. 매니폴드구멍의 둘레 가장자리부에 형성된 단차부(16)의 폭은 1.0mm이었다. 이러한 분리기판을 참조번호 1A로 한다. 분리기판(1A)의 매니폴드구멍의 둘레 가장자리부에 발생한 버(burr)를 연마기에 의해 제거하였다. 그에 따라, 상기 버의 높이를 O.01mm 이하로 하였다. 이것을 1B로 한다.

또한, 비교예로서, 상기와 같은 가스유로형상으로, 매니폴드구멍의 단면형상이 도 13과 같이 되는 금형을 사용하여, 상기와 같은 재료 및 프레스조건으로 분리기판을 작성하였다. 도 14의 참조번호 56으로 나타낸 바와 같이, 매니폴드구멍 (51)의 개구부 둘레 가장자리부에 발생한 버는, 높이가 0.01mm∼O.10mm 이었다. 이것을 비교예 A로 한다. 또한, 상기 방법으로 작성한 분리기판의 매니폴드부분에 발생한 버(burr)를 연마하여 제거하였다. 이 때, 버가 발생한 부분의 형상이 복잡하여 자동기기에 의한 연마를 할 수 없기 때문에, 줄을 사용하여 수작업에 의한 가공을 하였다. 그에 따라, 상기 버의 높이를 O.01mm 이하로 하였다. 이것을 비교예 B로 한다.

다음에, 작성한 MEA의 수소이온 전도성 고분자 전해질막에, 냉각수와 연료가스 및 산화제가스의 매니폴드구멍을 형성하였다. 이들 구멍은 도 1에 나타낸 분리기판과 같은 위치에서 같은 크기로 하였다.

이렇게 해서 작성한 동일종류의 분리기판 2장으로 MEA 시트를 끼워 단전지 (單電池)로 하였다. 이러한 단전지를 2셀마다 냉각부를 설치하여 100셀 적층하여 전지 스택을 작성하였다. 냉각부는, 한쪽 면에 산화제가스의 유로를 가지며, 다른 쪽 면에 연료가스의 유로를 가진 단일의 분리기판 대신에, 한쪽 면에 산화제가스의 유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수의 유로를 가진 음극측 분리기판과, 한쪽 면에 연료가스의 유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수의 유로를 가진 양극측 분리기판을 냉각수의 유로를 가진 면을 마주 보게 하여 접합한 복합 분리기판을 삽입하여 형성하였다. 이 전지 스택의 양 끝단부에는, 스테인리스강제의 집전판(集電板), 전기절연재료제의 절연판, 및 끝단판을 포개어, 양 끝단판을 체결 로드로 결합하였다. 이 때의 체결압은 분리기판의 면적당 15kgf/cm²로 하였다.

이와 같이 제작한 실시예 및 비교예의 고분자 전해질형 연료전지를 80℃로 유지하여, 양극측에 75℃의 노점(露点)이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 음극측에 65℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 각각 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무(無)부하시에는, 96V의 전지개방전압을 얻었다. 이들 전지를 연료이용율 85%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.7A/cm²의 조건으로 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 계측하였다. 그 결과, 실시예 1A, 1B 및 비교예 B의 분리기를 사용한 전지는, 모두 8000시간 이상에 걸쳐 약 14kW(62V-224A)의 전지출력을 유지하는 것이 확인되었다. 비교예 A의 분리기판을 사용한 전지는, 연속운전을 하면, 초기 1∼3시간 정도는 약 12.8kW(57V-224A)의 전지출력을 유지하였지만, 그 후는, 전지의 전압이 변동을 시작하여, 전지에 지나친 누설에 의한 플러딩 (flooding)현상이 확인되었다. 더욱 3∼5시간 경과후 이후는, 100셀 중 적어도 1셀 이상의 발전전압이 0V 이하까지 변동하게 되어, 운전을 계속하는 것이 불가능해졌다.

실시예 2

본 실시예에서는, 매니폴드구멍 이외에는 실시예 1과 같이 하여 분리기판을 작성하였다. 도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 프레스성형 후에 금형에 의해 뚫어 형성한 매니폴드구멍(21a)의 음극측의 개구 가장자리부에는, 버(27)가 발생하였다. 버의 높이는 0.01mm∼0.20mm이었다. 이 분리기판을 2A로 한다. 또한, 상기 방법으로 작성한 분리기판의 매니폴드구멍 부분에 발생한 버를 연마기에 의해 제거하였다. 그에 따라, 상기 버의 높이를 0.01mm 이하로 하였다. 이 분리기판을 2B로 한다.

이들 분리기판을 사용하여 실시예 1과 같은 고분자 전해질형 연료전지를 조립하여, 실시예 1과 동일 조건으로 작동시켰다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무부하시에는, 96V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 연속발전시험에서는, 2A, 2B의 분리기판을 사용한 전지는, 모두 8000시간 이상에 걸쳐 약14kW(62V-224A)의 전지출력을 유지하는 것이 확인되었다. 또한, 버 연마에 의해 매니폴드구멍의 개구 가장자리부의 단면이 구면(球面)이 된 경우에 대해서도 같은 전지특성을 얻을 수 있는 것이 확인되었다.

실시예 3

본 실시예에서는, 매니폴드구멍 이외에는 실시예 1과 같이 하여 분리기판을 작성하였다. 도 7(b)에 나타낸 바와 같이, 프레스성형 후에 금형에 의해 뚫어 형성한 매니폴드구멍(31a)의 음극측의 개구 가장자리부에는, 버(37)가 발생하였다. 버의 높이는 0.01mm∼0.20mm 이었다. 이 분리기판을 3A로 한다. 또한, 상기 방법으로 작성한 분리기판의 매니폴드구멍 부분에 발생한 버(burr)를 연마기에 의해 제거하였다. 그에 따라, 상기 버의 높이를 O.01mm 이하로 하였다. 이 분리기판을 3B로 한다.

이들 분리기판을 사용하여 실시예 1과 같은 고분자 전해질형 연료전지를 조립하여, 실시예 1과 동일조건으로 작동시켰다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무부하시에는, 96V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 연속발전시험에서는, 3A, 3B의 분리기판을 사용한 전지는, 모두 8000시간 이상에 걸쳐 약14kW(62V-224A)의 전지출력을 유지하는 것이 확인되었다.

실시예 4

본 실시예에서는, 매니폴드구멍 이외에는 실시예 1과 같이 하여 분리기판을 작성하였다. 도 8(b)에 나타낸 바와 같이, 프레스성형 후에 금형에 의해 뚫어 형성한 매니폴드구멍(41a)의 음극측의 개구 가장자리부에는, 버(47)가 발생하였다. 버의 높이는 0.01mm∼0.20mm 이었다. 이 분리기판을 4A로 한다. 또한, 상기 방법으로 작성한 분리기판의 매니폴드구멍 부분에 발생한 버(burr)를 연마기에 의해 제거하였다. 그에 따라, 상기 버의 높이를 0.01mm 이하로 하였다. 이 분리기판을 4B로 한다.

이들 분리기판을 사용하여 실시예 1과 같은 고분자 전해질형 연료전지를 조립하여, 실시예 1과 동일조건으로 작동시켰다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무부하시에는, 96V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 연속발전시험에서는, 4A, 4B의 분리기판을 사용한 전지는, 모두 8000시간 이상에 걸쳐 약 14kW(62V-224A)의 전지출력을 유지하는 것이 확인되었다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 절삭이나 연삭(硏削)에 비해서 비용이 낮은 성형가공이 가능한, 팽창흑연이나 흑연과 수지의 복합재료 등을 사용한 분리기제작에 있어서, 가공의 과정에서 발생한 버(burr)의 제거공정을 필요로 하지 않고, 또는 자동기기에 의한 버(burr)의 제거를 가능하게 하여, 대량생산시에 대폭적인 비용저감을 도모할 수 있다.

본 발명에 의하면, 매니폴드구멍의 개구 가장자리부에 생기는 버(burr)가 가스유로를 좁히는 일이 없게 되어, 연료나 산화제 가스의 흐름에 대한 영향을 억제할 수가 있다. 또한, 발생한 버(burr)의 제거를 용이하게 할 수가 있다. 따라서, 분리기판의 가공에 있어서의 비용을 억제할 수가 있다.

도 1은, 본 발명의 일 실시예에 있어서의 분리기판의 음극(cathode)측의 정면도이다.

도 2는, 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선의 확대단면도이다.

도 3은, 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선의 확대단면도이다.

도 4는, 상기 분리기판의 산화제가스의 입구측 매니폴드구멍 부근의 사시도이다.

도 5는, 상기 분리기판의 매니폴드구멍 천공 전의 도 1의 Ⅱ-Ⅱ 선의 확대단면도이다.

도 6은, 본 발명의 다른 실시예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

도 7은, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

도 8은, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

도 9는, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

도 10은, 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서의 분리기판의 제조공정을 나타내는 단면도이다.

도 11은, 도 1의 분리기판의 배면도이다.

도 12는, 연료전지 스택의 도 1의 XⅡ-XⅡ선의 확대단면도이다.

도 13은, 종래의 분리기판의 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도이다.

도 14는, 종래의 분리기판의 도 1의 Ⅲ-Ⅲ 선에 상당하는 부분에서 절단한 확대단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 분리기판

11a,11b : 산화제가스의 매니폴드구멍

12a,12b : 연료가스의 매니폴드구멍

13a,13b : 냉각수의 매니폴드구멍

14 : 가스유로 15 : 리브

16 : 단차부 17 : 버(burr)

Claims (6)

1. 고분자 전해질막 및 상기 고분자 전해질막을 끼운 한 쌍의 전극으로 이루어지는 복수의 막·전극접합체, 상기 막·전극접합체와 교대로 적층되며, 한쪽면에는 음극측 분리기판을 가지고 다른쪽면에는 양극측 분리기판을 가진 복수의 분리기판, 및 상기 한쪽 전극에 연료가스를 공급·배출하고, 다른 쪽 전극에 산화제가스를 공급·배출하는 가스공급·배출수단을 구비하고,

   상기 가스공급·배출수단이, 상기 막·전극접합체 및 분리기판에 공통으로 형성된 연료가스 및 산화제가스용의 각 한 쌍의 매니폴드구멍, 상기 도전성 분리기판의 상기 한쪽의 전극과 대향하는 면에 상기 연료가스용의 한 쌍의 매니폴드구멍을 연결하도록 형성된 홈으로 이루어지는 연료가스의 유로, 및 상기 도전성 분리기판의 상기 다른 쪽의 전극과 대향하는 면에 상기 산화제가스용의 한 쌍의 매니폴드구멍을 연결하도록 형성된 홈으로 이루어지는 산화제가스의 유로를 포함하고,

   상기 분리기판에 있어서의 지름이 작은 부분(D1)과 지름이 큰 부분(D2)로 구성되는 각 매니폴드구멍의 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부에, 상기 가스의 유로보다 깊은 단차부를 가진 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 분리기판의 단차부가, 상기 매니폴드구멍측에서 깊어지도록 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 분리기판의 매니폴드구멍은, 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부의 버가 제거되어 있는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질형 연료전지.
4. 흑연분말 및 결합제를 포함하는 혼합물을 성형하는 제 1 공정, 및 기계가공에 의해 매니폴드구멍을 형성하는 제 2 공정을 가지는 연료전지용 분리기판의 제조방법으로서,

   제 1 공정에서, 홈으로 이루어진 가스의 유로와, 상기 매니폴드구멍을 형성하는 위치로부터 상기 가스의 유로의 끝단부에 걸친 부분의 오목부를 성형하고,

   제 2 공정에서, 지름이 작은 부분(D1)과 지름이 큰 부분(D2)으로 구성되는 각 매니폴드구멍의 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부에, 상기 가스의 유로보다 깊은 단차부를 성형하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리기판의 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 분리기판의 단차부가, 상기 매니폴드구멍측에서 깊어지도록 경사를 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리기판의 제조방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 분리기판의 매니폴드구멍은, 상기 가스의 유로측의 개구 가장자리부의 버가 제거되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리기판의 제조방법.