KR100671425B1

KR100671425B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지

Info

Publication number: KR100671425B1
Application number: KR1020050128859A
Authority: KR
Inventors: 김승구; 전중환; 김기철; 전재호
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원; 한국전력공사
Priority date: 2005-12-23
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2007-01-19
Anticipated expiration: 2025-12-23

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 내측에 제1 관통홀이 형성된 다수의 홀형성부가 마련되고, 상기 다수의 홀형성부는 각각 교호적으로 상방향 또는 하방향으로 돌출된 바이폴라판(bipolar plate)과; 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 제1 관통홀에 대응하는 위치에 형성된 다수의 제2 관통홀이 마련되며, 상기 상방향 또는 하방향으로 돌출된 홀형성부가 각각 상기 다수의 제2 관통홀 중 일부에 삽입되도록 하는 한 쌍의 집전체판(current collector); 및 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 다수의 제2 관통홀에 대응하는 위치에 마련된 다수의 제3 관통홀이 형성되며, 각각 상기 제2 관통홀에 삽입된 상기 홀형성부와 접합하여 상부에 배치된 집전체판 및 하부에 배치된 집전체판이 상기 바이폴라판과의 사이에 개재되도록 하는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 분리판의 내부에 유동하는 작동 기체의 밀봉 성능이 향상된다.

용융탄산염형 연료전지, 분리판, 마스킹판 평탄도

Description

연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

도 1은 종래의 연료전지용 분리판을 나타내는 분해사시도,

도 2a 및 도 2b는 도 1의 연료전지용 분리판을 구성하는 개별 요소를 나타내는 평면도,

도 3은 도 1의 연료전지용 분리판의 설치상태를 나타내는 사시도,

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 나타내는 분해사시도,

도 5a 내지 도 5c는 도 4의 연료전지용 분리판을 구성하는 개별 요소를 나타내는 평면도,

도 6은 도 5a의 일부분을 도시한 확대평면도,

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 일부 구성을 개략적으로 나타낸 측면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200: 연료전지용 분리판 210: 바이폴라판

211, 212: 홀형성부 213: 테두리부

220, 230: 마스킹판 240, 250: 집전체판

260: 공기극 370: 연료극

400: 전해질층

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 접합부의 형상 개선을 통해 전체적인 변형을 최소화한 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로, 연료전지용 분리판, 특히 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)의 스택 조립에 사용되는 금속 분리판(separator, 100)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 수소기체와 공기를 분리하기 위한 바이폴라판(bipolar plate, 110), 기체의 밀봉을 담당하는 한 쌍의 마스킹판(masking plate, 120, 130), 전극과 분리판 간의 전기적 연결을 제공하는 한 쌍의 집전체판(current collector, 140, 150)을 포함한다.

바이폴라판(110)과 상부의 마스킹판(120)은 집전체판(140)을 사이에 두고 상호 용접에 의해 접합된다. 이에 따라, 바이폴라판(110)과 마스킹판(120) 사이에는 집전체판(120)이 개재되도록 하기 위한 여유공간을 필요로 하며, 이를 위해 종래에는 도 1 및 도 2a에 도시된 바와 같이 바이폴라판(110) 측을 평판으로 삼고, 도 1 및 도 2b에 도시된 바와 같이 마스킹판(120) 측의 일부 홀형성부(121)를 바이폴라판(110) 측 방향, 즉 하방향(도 2b에서 지면으로 들어가는 방향)으로 돌출되도록 성형하였다. 돌출된 홀형성부(121)는 바이폴라판(110)의 홀(H1) 둘레에 접합된다.

또한, 도 1 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 마스킹판(120)에는 바이폴라판(110) 방향, 즉 하방향으로 돌출형성된 테두리부(122)가 구비되어 바이폴라판(110) 상면의 테두리에 위치한 용접부(111)에 접합되도록 한다.

바이폴라판(110)과 하부의 마스킹판(130)의 접합 역시, 이와 동일한 방식으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 집전체판(150)의 개재를 위한 여유공간 확보를 위해 마스킹판(130) 측의 일부 홀형성부(131)를 바이폴라판(110) 측 방향, 즉 상방향으로 돌출되도록 성형하였다. 돌출된 홀형성부(131)는 바이폴라판(110)의 홀(H2) 둘레에 접합된다. 또한, 마스킹판(130)에는 바이폴라판(110) 방향, 즉 상방향으로 돌출형성된 테두리부(132)가 구비되어 바이폴라판(110) 하면의 테두리 용접부(111의 반대 측면)에 접합된다.

이러한 구조를 가지는 분리판(100)에 의하면, 상부의 마스킹판(120)에 형성되어 바이폴라판(110)에 접합되지 않은 관통홀(123)을 통해 상부 집전체판(140)으로 공기 및 이산화탄소를 포함하는 작동기체가 유입되고, 하부의 마스킹판(130)에 형성되어 바이폴라판(110)에 접합되지 않은 관통홀(133)을 통해 하부 집전체판(150)으로 수소기체를 포함하는 작동기체가 유입된다.

이상과 같은 구조 및 작동방식을 가지는 분리판(100)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 다수로 적층 구비됨으로써 상하로 이웃하는 분리판(100)의 하면과 상면 간에 반대 전극이 형성되도록 한다.

그러나, 이상에서 설명한 종래의 분리판(100)에 의하면, 집전체판(140)의 수용을 위해 마스킹판(120)에 일방향으로만 돌출된 홀형성부(121)가 구비됨에 따라, 마스킹판(120)의 성형 시 굴곡이 발생한다는 문제가 있었다.

따라서, 이러한 마스킹판(120)을 이용하여 분리판(100)을 제작할 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 마스킹판(120)과 집전체판(140) 사이에 틈새(C)가 발생하여 마스킹판(120)의 접합을 통한 밀봉 성능이 저하된다는 문제가 발생한다. 분리판(100)의 밀봉 성능이 저하되는 경우에는, 일반적인 고온 운전 상태에서 수소기체의 누출로 인해 화재가 발생하여 이를 포함하는 연료전지 전체가 손상된다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 내부에 유동하는 작동 기체의 밀봉 성능이 향상된 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 내측에 제1 관통홀이 형성된 다수의 홀형성부가 마련되고, 상기 다수의 홀형성부는 각각 교호적으로 상방향 또는 하방향으로 돌출된 바이폴라판(bipolar plate)과; 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 제1 관통홀에 대응하는 위치에 형성된 다수의 제2 관통홀이 마련되며, 상기 상방향 또는 하방향으로 돌출된 홀형성부가 각각 상기 다수의 제2 관통홀 중 일부에 삽입되도록 하는 한 쌍의 집전체판(current collector); 및 상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 다수의 제2 관통홀에 대응하는 위치에 마련된 다수의 제3 관통홀이 형성되며, 각각 상기 제2 관통홀에 삽입된 상기 홀형성부와 접합하여 상부에 배치된 집전체판 및 하부에 배치된 집전체판이 상기 바이폴라 판과의 사이에 개재되도록 하는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

여기서, 상기 바이폴라판은, 상기 다수의 홀형성부가 상기 집전체판의 두께에 해당하는 높이만큼 상방향 또는 하방향으로 돌출 형성되도록 할 수도 있다.

그리고, 상기 바이폴라판은 상기 한 쌍의 마스킹판에 접합되도록 각각 상방향 및 하방향으로 돌출된 복수의 테두리부가 형성되도록 할 수도 있다.

이 경우, 상기 복수의 테두리부 중 내측에 형성된 테두리부는 해당 테두리부의 내측과 연결되는 적어도 하나의 통기구가 마련되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 상기 연료전지용 분리판을 구비하는 연료전지를 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지에 관한 것으로서, 특히 본 발명은 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 스택 조립에 유용하게 적용될 수 있다. 이하에서는, 이러한 용융탄산염형 연료전지를 전제로 하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 분리판(200)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 수소기체와 공기를 분리하기 위한 바이폴라판(210), 기체의 밀봉을 담당하는 한 쌍의 마스킹판(220, 230), 전극과 분리판 간 전기적 연결을 제공하는 한 쌍의 집전체판(240, 250)을 포함한다.

본 발명은, 분리판(200)의 밀봉 성능을 향상시키기 위해, 기본적으로 마스킹 판(220, 230)에는 변형을 가하지 않고, 바이폴라판(210)에만 모든 필요한 변형을 가하도록 하는 데 주안점을 두고 있다.

바이폴라판(210)은, 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 내측에 2줄로 배열된 다수의 제1관통홀(G1, G2)이 형성된다. 제1관통홀(G1, G2)은 바이폴라판(210)의 양측 장변부에 나란히 배열되도록 형성된다. 제1관통홀(G1, G2)의 둘레로는 각각 상방향 또는 하방향으로 돌출된 홀형성부(211, 212)가 이루어져 있다. 따라서, 각각의 홀형성부(211, 212)는 상호 교호적으로 상방향(211의 경우) 또는 하방향(212의 경우)으로 돌출된다. 상하 교호적으로 돌출되는 홀형성부(211, 212)는 프레스 가공 등에 의해 성형할 수 있다.

이때, 상방향 또는 하방향으로 돌출형성된 홀형성부(211, 212)는 각각 상하 마스킹판(220, 230)과의 사이에 집전체판(240, 250)을 수용할 수 있도록, 상기 집전체판(240, 250)의 두께에 해당하는 높이로 돌출 형성되도록 한다.

또한, 바이폴라판(210)에는 상부 및 하부의 집전체판(240, 250)에 각각 접합하도록 상부 및 하부로 돌출된 복수의 테두리부(213)가 형성된다. 물론, 이때에도 상기 복수의 테두리부(213)는 각각 상기 홀형성부(211, 212)와 같은 높이를 가지도록 성형되어야 한다.

상부 및 하부의 접전체판(240, 250)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 바이폴라판(210)의 상부 및 하부에 각각 배치되어, 각각 바이폴라판(210)의 제1관통홀(G1, G2)에 대응하는 위치에 형성되는 다수의 제2관통홀(240H, 250H)이 마련된다. 이때, 예를 들면, 상부의 집전체판(240)에 있어서, 바이폴라판(210)의 상방향으로 돌출되 는 홀형성부(211)에 대응되는 제2관통홀(240H)은 상기 홀형성부(211)를 수용하기에 충분한 크기를 가지도록 한다. 하부의 집전체판(250)에 대해서도 이상의 상부의 집전체판(240)의 경우와 동일한 방식으로 제2관통홀(250H)이 형성된다.

상부 및 하부의 마스킹판(220, 230)은, 각각 도 5b 및 도 5c에 도시된 바와 같이, 단순한 평판의 형상을 가지도록 성형된다. 그리고, 이때에는, 상부의 마스킹판(220)을 예로 들어 설명하면, 상부로 돌출된 바이폴라판(210)의 홀형성부(211)에 대해서는 작은 크기의 제3관통홀(220H1)이 형성되고, 하부로 돌출된 홀형성부(212)에 대해서는 큰 크기의 제3관통홀(220H2)이 형성된다. 따라서, 상부 마스킹판(220)은 상기 작은 크기의 제3관통홀(220H1)의 둘레부위가 상기 상부로 돌출된 홀형성부(211)와 접합하게 된다. 하부의 마스킹판(230)은 상기 상부의 경우와 반대의 접합 관계를 가진다.

마스킹판(220, 230)과 바이폴라판(210) 간의 접합은 용접 또는 블레이징 등의 방법에 의해 이루어질 수 있다.

결과적으로, 도 4에서, 상부의 마스킹판(220)의 크기가 큰 제3관통홀(220H2)을 통과하는 기체는 상부의 집전체판(240)으로 스며들게 되며, 크기가 큰 제3관통홀(220H2)은 집전체판(240)을 통해 상호간에 연통됨을 알 수 있다. 반대로, 상부의 마스킹판(220)의 크기가 작은 제3관통홀(220H1)을 통과하는 기체는 바이폴라판(210)의 상부로 돌출된 홀형성부(211)와 접합된 관계로 상부의 집전체판(240)에 스며들지 못하고, 대신에 바이폴라판(210)을 통과한 후 하부의 집전체판(250)으로 스며들게 된다.

한편, 도 4 및 도 5a에 도시된 바와 같이, 바이폴라판(210)은 각각 상부의 마스킹판(220)과 하부의 마스킹판(230)에 접합하도록 복수의 테두리부(213)가 상방향 및 하방향으로 돌출 형성된다. 복수의 테두리부(213)는, 홀형성부(211, 212)와 같이, 마스킹판(220, 230)과의 사이에 집전체판(240, 250)을 수용할 수 있도록 집전체판(240, 250)의 두께에 해당하는 높이를 가진다. 테두리부(213)에 의해 집전체판(240, 250)에 스며드는 기체가 분리판(200)의 측방향 외부로 새어나가는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 바이폴라판(210)에 형성된 상기 테두리부(213)의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다. 상부의 마스킹판(도 4의 220)은 외측의 상방향으로 돌출된 테두리부(213a)에 접합하고, 하부의 마스킹판(도 4의 230)은 내측의 하방향(도 6에서는 지면으로 들어가는 방향)으로 돌출된 테두리부(213b)에 접합한다. 그리고, 도면에서 최내측에 형성된 테두리부(213c)는 바이폴라판(210)의 내측과 연결되는 통기구(h)가 형성되어, 마스킹판(220)과의 용접시 테두리부(213b)에 의해 형성되는 내부 그루브(g)에 존재하던 공기가 팽창하여 용접 부위가 터지는 것을 방지할 수 있다.

그리고, 이상과 같은 분리판(100)이 다수 적층 형성되는 경우에는, 2 종류의 기체가 서로 다른 관통홀을 통해, 한 종류의 기체, 예를 들면 공기와 이산화탄소는 상부 마스킹판(220)의 일부 제2관통홀(220H2)로부터 상부 집전체판(240)에 스며들고 이후 바이폴라판(210)을 통과하여 분리판(200)의 아래에 이웃하는 분리판(도면 미도시)에 진입하여 동일한 방식으로 해당 상부 마스킹판으로부터 해당 상부 집전체판으로 스며들게 된다. 또한, 다른 종류의 기체, 예를 들면 수소기체는 상부 마 스킹판(220)의 일부 제2관통홀(220H1)을 통해 바이폴라판(210)을 단순히 통과한 후 하부 집전체판(250)에 스며들게 되고 다시 분리판(200)의 아래에 이웃하는 분리판(도면 미도시)에 진입하여 동일한 방식으로 해당 하부 집전체판(도면 미도시)에 스며들게 된다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지(10)의 일부 구성을 나타내는 측면도이다. 연료전지(10)는 다수의 적층 구비된 분리판(200, 300)을 포함한다. 이웃하는 분리판(200, 300) 간에는 전해질층(400)이 형성되어 있으며, 각 분리판(200, 300)에는 상면 및 하면에 각각 공기극(260)과 연료극(370)이 마련되어 있다. 분리판(200)은 바이폴라판(210)을 사이에 두고 하부의 마스킹판(230)과 집전체판(250)을 통해 유입되는 수소(H₂)와 전해질로부터 전달되는 탄산이온(CO₃ ^2-)의 화학반응에 의해 연료극(270)을 통해 상부에 마련된 분리판(200)의 공기극(260)으로 전자(e^-)를 전달한다. 결과적으로, 연료전지(10)는 다수의 적층된 분리판(200, 300)의 최상단의 공기극과 최하단의 연료극이 양 극을 구성하는 하나의 전지가 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 및 이를 구비한 연료전지에 의하면, 바이폴라판에 마련되어 각기 교호적으로 상방향 및 하방향으로 돌출된 홀형성부에 의해 상기 바이폴라판과 마스킹판의 접합이 이루어짐에 따라, 마스킹판의 변형으로 인한 틈새의 발생을 방지할 수 있다. 이에 따라, 분리판 내부에 유동하는 작동 기체의 밀봉 성능이 향상된다. 또한, 상기 홀형성부는 바이폴라 판에 교호적으로 상방향 및 하방향으로 돌출되도록 성형됨으로써 변형상의 상하 균형이 이루어져 바이폴라판의 전 부분에 걸쳐 비교적 균일한 평탄도를 유지할 수 있다.

Claims

내측에 제1 관통홀이 형성된 다수의 홀형성부가 마련되고, 상기 다수의 홀형성부는 각각 교호적으로 상방향 또는 하방향으로 돌출된 바이폴라판(bipolar plate)과;

상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 제1 관통홀에 대응하는 위치에 형성된 다수의 제2 관통홀이 마련되며, 상기 상방향 또는 하방향으로 돌출된 홀형성부가 각각 상기 다수의 제2 관통홀 중 일부에 삽입되도록 하는 한 쌍의 집전체판(current collector); 및

상기 바이폴라판의 상부 및 하부에 배치되고 상기 다수의 제2 관통홀에 대응하는 위치에 마련된 다수의 제3 관통홀이 형성되며, 각각 상기 제2 관통홀에 삽입된 상기 홀형성부와 접합하여 상부에 배치된 집전체판 및 하부에 배치된 집전체판이 상기 바이폴라판과의 사이에 개재되도록 하는 한 쌍의 마스킹판(masking plate)을 포함하는 연료전지용 분리판.
제1항에 있어서,

상기 바이폴라판은, 상기 다수의 홀형성부가 상기 집전체판의 두께에 해당하는 높이만큼 상방향 또는 하방향으로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제1항에 있어서,

상기 바이폴라판은 상기 한 쌍의 마스킹판에 접합되도록 각각 상방향 및 하방향으로 돌출된 복수의 테두리부가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제3항에 있어서,

상기 복수의 테두리부 중 내측에 형성된 테두리부는 해당 테두리부의 내측과 연결되는 적어도 하나의 통기구가 마련된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 연료전지용 분리판을 구비하는 연료전지.