KR100546016B1

KR100546016B1 - 연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를구비한 연료전지

Info

Publication number: KR100546016B1
Application number: KR1020040003363A
Authority: KR
Inventors: 김호석; 홍병선; 신미남
Original assignee: (주)퓨얼셀 파워
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2006-01-25
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: KR20050075817A

Abstract

본 발명은 고분자 전해질형 연료전지 스택에 적용되어 연료전지의 성능향상과 화학적 내구성을 증가시킬 수 있는 연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를 구비한 연료전지에 관한 것이다.

본 발명에 따른 연료전지용 전류집전체는 다수의 매니폴더가 형성되는 매니폴더부와 연료전지의 유체분배층에 대응되는 유체분배층 대응부로 구분되어, 매니폴더부는 내화학성이 우수한 카본호일로 이루어지고 유체분배층 대응부는 금속판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 그리고 이와 같은 전류집전체는 카본호일에 매니폴더를 펀칭하여 형성하고 유체분배층 대응부가 형성될 부분에 개구부를 펀칭가공한 다음 이에 맞도록 금속판을 가공하여 끼워 접합시켜 완성한다.

본 발명에 따른 전류집전체에 의하면, 연료전지 스택 운전 시 매니폴더부는 수분이나 갈바닉 부식환경에 견딜 수 있는 화학적 내구성을 가지게 되며, 유체분배층 대응부에서 매우 균일한 응력분포를 얻을 수 있다.

연료전지, 막전극접합체, 분리판, 엔드 플레이트, 전류집전체, 부식

Description

연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를 구비한 연료전지{CURRENT COLLECTOR IN FUELCELL APPLICATIONS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF, AND FUELCELL CURRENT COLLECTOR MANUFACTURED THEREBY}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지를 도시한 분해 사시도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 일부를 도시한 부분 분해 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전류집전체를 도시한 정면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지의 전류집전체를 도시한 분해 사시도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지의 전류집전체를 도시한 분해 사시도이다.

도 6은 종래의 전류집전체를 적용한 연료전지 운전 후 부식정도를 확인하기 위하여 매니폴더부를 촬영한 사진이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류집전체를 적용한 연료전지 운전 후 부식정도를 확인하기 위하여 매니폴더부를 촬영한 사진이다.

도 8은 종래의 연료전지의 전류집전체를 도시한 정면도이다.

본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 전해질형 연료전지 스택에 적용되어 연료전지의 성능향상과 화학적 내구성을 증가시킬 수 있는 연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를 구비한 연료전지에 관한 것이다.

고분자 전해질형 연료전지(PEFC : Polymer Electrolyte Fuel Cells)는 수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 고분자 전해질형 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 60∼80℃ 정도로 낮은 반면에 높은 전류밀도를 유지할 수 장점이 있다. 이러한 이유로 고분자 전해질형 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있고 가벼운 전지를 만들 수 있어서 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전설비 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

고분자 전해질형 연료전지의 단위전지는 고분자 전해질막, 산화전극 및 환원전극으로 이루어진 막전극접합체(MEA)와, 반응에 사용되는 가스를 전극에 전달하고 반응 생성물을 배출하는 유체분배층(fluid distribution layer), 및 반응가스와 냉각수를 외부로부터 공급하며 산화전극(anode)과 환원전극(cathode)을 분리하는 기능을 하는 도전성 분리판(separator) 등으로 구성된다.

연료전지 스택(stack)은 이러한 막전극접합체와 유체분배층 및 분리판을 필요한 용량만큼 적층하여 구성되며, 적층된 스택은 한 쌍의 전류집전체와 연결바아로 연결된 한 쌍의 엔드 플레이트에 의하여 압력을 제공받으며 각 단위전지가 어긋나거나 미끄러짐 없이 일체형을 이루게 된다. 이 때, 전류집전체는 외부로의 전류통로 역할을 하게 된다.

전기 발생을 위한 반응가스는 스택 외부 배관으로부터 분리판에 형성되어 있는 매니폴드(manifold)를 거쳐 각 단위전지의 분리판 혹은 유체분배층에 형성되어 있는 가스유로를 통해 전극으로 공급된다. 전기화학반응으로 발생하는 열을 제거하기 위한 냉각수는 반응가스와 마찬가지로 스택 외부배관으로부터 분리판에 형성되어 있는 매니폴드를 거쳐 각 단위전지의 분리판에 형성되어 있는 냉각수 유로를 통해 스택 내부로 공급된다.

또한 스택에 공급되는 반응가스 및 냉각수가 외부로 누출되거나, 서로 섞이는 것을 방지하기 위해서 전극 및 매니폴드 주위에는 가스켓이 배치된다. 연료전지 밀봉을 위한 가스켓으로는 실리콘계, 불소계 혹은 올레핀계 고무나 유리섬유로 강화시킨 실리콘 시트(sheet)나 테프론 시트가 많이 사용된다.

도 8을 참조하면, 종래의 전류집전체(300)는 연료가스 입·출구(310, 360) 매니폴더, 공기 입·출구(330, 340) 매니폴더 그리고 냉각수 입·출구(320, 350) 매니폴더, 외부와의 전류통로 역할을 하는 탭(370)을 포함하여 구성된다. 전류집전체(300)는 통상적으로 스테인레스 강 표면 위에 금 도금을 한 것을 사용하고 있 으며, 스테인레스 표면과 금 도금층의 접착력을 향상시키기 위해 니켈 버퍼층을 첨가하여 사용한다. 이러한 전류집전체(300)는 연료전지 스택 운전 시, 갈바닉 부식환경과 수분을 함유한 연료가스 때문에 장시간 운전할 경우 전류집전체 입·출구 매니폴더 영역의 반응가스와 접촉하는 곳에서 스테인레스와 금 도금층 계면 부식이 발생하며, 부식생성물로 인해 연료전지 스택이 오염되거나, 전류집전체의 전기전도도가 저하되는 등 연료전지 성능이 감소한다.

엔드 플레이트나 전류집전체의 성능을 개선할 목적으로 대한민국 특허공개 제2002-0084186호에서는 루테늄 산화물 및 선택적으로 루테늄 산화물 및 비불화성 금속 산화물을 포함하는 활성 전기촉매재료로 엔드 플레이트나 전류집전체를 코팅하여 사용하는 방법을 개시하고 있으나 활성 전기촉매 재료를 별도의 공정으로 코팅해야 하는 번거로움과 이로 인한 제조단가 상승 등의 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 카본호일과 금속판을 소재로 채택하여 매니폴더 영역과 유체분배층 반응영역에 대응되는 영역을 서로 다른 소재로 제작함으로써, 연료전지 운전 시 계면부식현상을 막을 수 있으며 두께를 줄여 경량화되고 가격이 저렴한 연료전지용 전류집전체와 이의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 연료 및 환원가스(공기, 산소)를 유도하는 전류집전체의 매니폴더 영역에서 발생할 수 있는 계면 부식 현상을 제거함으로써, 고성능, 고신뢰성을 갖는 연료전지를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 연료전지는, 적어도 하나 이상의 단위전지를 적층하여 구비하는 연료전지 스택(stack)으로 이루어지는데, 여기서 상기 단위전지는, 고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA)과; 상기 막전극접합체 양쪽면에서 상기 산화전극 및 환원전극에 각각 인접하도록 배치되는 한 쌍의 유체분배층과; 상기 각각의 유체분배층의 바깥쪽면에 밀착 결합되며, 상기 유체분배층과 대응되는 표면에 다수개의 유로가 형성되어 반응영역을 이루고, 이 반응영역의 주변부에 반응가스의 통로를 이루는 매니폴드(manifold) 영역이 형성되는 한 쌍의 분리판을 포함한다. 그리고 상기 양쪽 최외각에 배치되는 단위전지의 분리판 바깥쪽에 인접하도록 한 쌍의 전류집전체가 배치되며, 이 전류집전체는 상기 분리판을 사이에 두고 유체분배층과 대응되는 유체분배층 대응부와 상기 분리판의 매니폴드 영역에 대응되는 매니폴더부를 포함한다. 이 때, 상기 전류집전체의 매니폴더부는 카본호일(carbon foil)로 이루어지고, 유체분배층 대응부는 금속판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 전류집전체는 유체분배층 대응부로부터 연장되어 외측으로 인출되어 외부와의 전류통로 역할을 하는 인출탭을 구비하며, 이 인출탭은 상기 유체분배층 대응부와 동일한 금속소재로 이루어진다.

상기 전류집전체의 유체분배층 대응부를 이루는 금속판은 스테인레스강(鋼), 황동, 알루미늄, 알루미늄합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 소재로 이루어질 수 있다.

한편, 상기 전류집전체는 매니폴더부를 이루는 카본호일의 두께가 상기 반응영역부를 이루는 금속판의 두께보다 더 두껍게 형성될 수 있으며, 상기 카본호일의 두께가 상기 금속판의 두께보다 10 내지 100㎛ 의 범위 내에서 더 두껍게 형성될 수 있다.

상기 전류집전체의 매니폴더부는 이에 형성된 각각의 매니폴더 외곽을 따라 실링부재가 더욱 형성될 수 있다.

상기 전류집전체의 매니폴더부를 이루는 카본호일은 체적밀도(bulk density)가 1.5 내지 1.8g/㎤ 의 범위에 속하도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 전류집전체의 매니폴더에 대응되는 매니폴더를 구비하면서, 상기 전류집전체의 양쪽면 중 적어도 한쪽면에 인접하여 배치되는 카본호일 판을 더욱 포함하여 이루어질 수 있다. 이 때, 상기 카본호일 판에 형성되는 각각의 매니폴더 외곽을 따라 실링부재가 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 전류집전체 제조방법은, 막전극접합체, 유체분배층 및 분리판을 포함하는 단위전지가 적층되어 이루어지는 연료전지 스택에 적용되는 연료전지용 전류집전체를 제조하는 방법에 있어서, 임의의 두께, 체적밀도(bulk density) 및 크기(가로×세로)를 갖는 카본호일을 준비하는 단계와; 상기 카본호일에 상기 분리판의 매니폴더들과 대응하는 매니폴더를 형성하는 단계와; 상기 카본호일에 상기 분리판을 사이에 두고 유체분배층과 대응되는 부분에 개구부를 형성하는 단계와; 상기 카본호일의 개구부에 맞도록 금속판을 가공 한 다음, 이를 끼워 접합시키는 단계와; 상기 접합된 카본호일과 금속판을 프레스에서 기설정된 압력으로 프레스 하는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 매니폴더를 형성하는 단계는, 상기 분리판의 매니폴더들과 대응하는 카본호일의 부분을 펀칭(punching)가공하여 형성할 수 있으며, 또한 상기 유체분배층 대응부에 개구부를 형성하는 단계는, 상기 유체분배층과 대응하는 카본호일의 부분을 펀칭가공하여 형성할 수 있다.

그리고 상기 카본호일은 두께가 상기 금속판의 두께보다 0.03 내지 0.07㎜의 범위 내에서 더 두껍게 마련되어 서로 접합되어, 상기 프레스 단계에서 함께 프레스된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1을 참조하면, 연료전지 스택(100)의 기본을 이루는 단위전지는 막전극접합체(MEA : Membrane and Electrode Assembly)(120)와 유체분배층(125) 및 분리판(130)을 차례로 적층하는 구조로 되어 있으며, 연료전지의 출력에 따라 스택(100)에 적층되는 셀(cell)의 수, 즉 막전극접합체(120), 유체분배층(125) 및 분리판(130)이 구성하는 단위전지의 수는 결정된다. 연료전지 스택(100)의 적층구조 외측에는 양쪽으로 한 쌍의 전류집전체(150)와 엔드 플레이트(160)가 결합된다.

막전극접합체(120)는 고분자 전해질막(121)에 의하여 분리되는 산화전극(123)과 환원전극(산화전극 반대쪽에 위치)의 두 전극을 구비하고 있으며, 이들 전극들 상에는 유체분배층(125)이 각각 인접하여 배치되면서 덮고 있다. 유체분배층(125)은 대략 사각형상의 평면을 가지며, 전극들을 보호하고 반응에 필요한 수소 및 공기를 전극으로 공급한다.

분리판(130)은 유체분배층(125)의 바깥쪽면에 밀착 결합되며, 상기 유체분배층(125)과 대응되는 표면에 다수개의 유로(132)가 형성된다. 분리판(130)의 유로(132)는 유체분배층(125)과 결합하여 수소유로 또는 공기유로를 형성하면서 반응영역을 이루게 되며, 이 반응영역의 주변부에 반응가스 등의 통로를 이루는 매니폴드 영역이 형성된다. 상기 반응영역의 유로(132)는 매니폴드 영역의 매니폴드(140)와 연결되어 스택(100) 외부로부터 반응가스 등을 공급받게 된다.

분리판(130)은 연료전지 내에 수소와 공기가 서로 섞이지 않도록 하고 막전극접합체(120)를 전기적으로 연결하는 역할을 하며, 적층된 단위전지들의 기계적인 지지체의 기능을 수행한다. 또한 반응기체가 전극에 골고루 흘러가도록 하고 적절한 수분 관리를 통해 막이 건조되지 않도록 하며 환원전극에서 생성되는 물을 배출시키는 기능을 한다.

도 2를 참조하면, 전류집전체(150)는 상기 분리판(130)의 매니폴더(140)와 연통되는 매니폴더를 구비하고 있는데, 구체적으로는 연료가스 입·출구 매니폴더(161, 166), 공기 입·출구 매니폴더(163, 164) 및 냉각수 입·출구 매니폴더(162, 165)가 형성된다. 따라서 전류집전체(150)는 상기 매니폴더들(161, 162, 163, 164, 165, 166)을 포함하는 매니폴더부(156)와, 상기 유체분배층(125)에 대응되는 유체분배층 대응부(151)로 구분될 수 있으며, 또한 유체분배층 대응부(151)로부터 연장되어 외측으로 인출되어 외부와의 전류통로 역할을 하는 인출탭(153)을 포함한다. 유체분배층(125)은 분리판(130)의 유로(132)와 결합하여 반응영역을 이루게 되므로, 전류집전체(150)의 유체분배층 대응부(151)는 결국 상기 분리판(130)의 반응영역과 대응된다.

한편, 본 실시예에서 전류집전체(150)의 매니폴더부(156)는 카본호일(carbon foil)로 이루어지고, 유체분배층 대응부(151)는 금속판으로 이루어진다. 유체분배층 대응부(151)로부터 연장되는 인출탭(153)도 유체분배층 대응부(151)와 마찬가지로 금속판으로 이루어진다.

상기 전류집전체(150)의 매니폴더부(156)를 이루는 카본호일은 연료전지 스택(100) 체결 시 균일한 압력을 전달하면서도 커다란 변형이 없어야 하고, 또한 전기전도성이 우수하여야 하므로 체적밀도(bulk density)가 1.5 내지 1.8g/㎤의 범위에 속하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 체적밀도가 1.5g/㎤ 미만일 경우에는 연료전지 스택 체결 시 전류집전체(150)의 두께가 심하게 변형되어 반응가스의 누설(leak)이나 접촉저항의 증가 등의 문제점이 있고, 1.8g/㎤ 초과일 경우에는 카본호일의 제조원가가 상승하는 문제점이 있다. 이와 같은 카본호일은 화학적 내구성이 우수하여 전류집전체(150)의 매니폴더부(156)에 적용될 경우 연료전지 운전 시 계면 부식현상 등이 발생하지 않는다.

상기 전류집전체(150)의 유체분배층 대응부(151)를 이루는 금속판은 스테인 레스강(鋼), 황동(Cu-Zn Alloy), 알루미늄, 알루미늄합금 등의 소재로 된 것을 사용하거나 상기의 금속판 위에 접촉저항을 줄이기 위해 금 도금을 행하여 사용한다.

전류집전체(150)에 있어서, 상기 카본호일의 두께를 금속판의 두께보다 더 두껍게 형성함으로써 반응가스의 통로가 되는 매니폴더부(156)의 실링(sealing) 안전성을 더욱 더 높일 수 있으며, 연료전지 스택 체결 시의 압력으로 카본호일과 금속판의 두께가 동일한 전류집전체(150)를 용이하게 제조할 수 있다.

매니폴더부(156)를 이루는 카본호일의 두께는 유체분배층 대응부(151)를 이루는 금속판의 두께보다 10 내지 100㎛의 범위 내에서 더 두껍게 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 10 내지 50㎛의 범위 내에서 카본호일의 두께가 금속판의 두께보다 더 두껍게 형성되는 것이다.

전류집전체(150)의 매니폴더부(156)를 이루는 각 매니폴더들(161, 162, 163, 164, 165, 166)에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 외곽을 따라 실링부재(157)가 배치된다. 이러한 실링부재(157)는 실링 가스켓으로 이루어질 수 있다. 실링부재(157)를 배치함으로써 각 매니폴더(161, 162, 163, 164, 165, 166)들을 통해 전달되는 반응가스 등의 기밀을 유지할 수 있다.

이하에서는 도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연료전지의 전류집전체를 제조하는 방법을 설명한다.

연료전지용 전류집전체를 제조하기 위하여, 먼저 소정의 두께, 체적밀도, 크 기(가로×세로)를 갖는 카본호일을 준비한다. 일례로 두께(t_c) 1㎜, 체적밀도 1.8g/㎤, 크기 140㎜×250㎜ 의 카본호일을 준비할 수 있다.

준비된 카본호일에, 도 4에 도시된 바와 같이, 유체통로인 매니폴더들(161, 162, 163, 164, 165, 166)을 형성하고, 유체분배층 대응부(151) 및 탭(153)이 끼워질 수 있는 개구부(168)를 형성한다. 매니폴더들(161, 162, 163, 164, 165, 166)과 상기 유체분배층 대응부(151) 및 탭(153)에 대응되는 개구부(168)는 펀칭(punching)가공을 통해 형성할 수 있다.

다음으로, 유체분배층 대응부(151) 및 탭(153)의 형상에 따라 이루어지는 금속판을 준비하여, 상기 가공된 카본호일에 끼워 접합시킨다. 이 때, 상기 금속판의 측면과 가공된 카본호일 개구부(168)의 대응 측면을 접착제로 접합시킬 수 있다.

여기서 상기 카본호일의 두께(t_c)는 상기 금속판의 두께(t_m)보다 0.03 내지 0.07㎜의 범위 내에서 더 두꺼운 소재를 채택하여 상기와 같이 가공하여 각각을 접착제로 측면을 접합시킨 다음, 접합된 카본호일과 금속판을 소정의 압력으로 프레스(press)하여 전류집전체(150)를 완성한다. 일례로 두께(t_c) 1㎜인 카본호일에 두께(t_m) 0.95㎜인 금속판을 적용하여 100kg/㎠ 압력으로 프레스할 수 있다. 이와 같이 매니폴더부(156)와 유체분배층 대응부(151)의 두께를 다르게 가공한 다음 프레스하여 제작함으로써 제조단계에서 카본호일과 금속판의 두께 편차에 따른 제조공정 불량률을 제거할 수 있어, 제조방법이 용이하고 재현성이 우수한 연료전지용 전 류집전체를 제공할 수 있다.

이렇게 프레스하여 완성된 전류집전체(150)에서, 카본호일로 이루어지는 매니폴더부(156)는 금속판으로 이루어지는 유체분배층 대응부(151)와 동일한 두께를 가지도록 제작할 수 있을 뿐만 아니라, 매니폴더부(156)가 유체분배층 대응부(151)보다 10 내지 100㎛ 의 범위 내에서 더 두껍게 형성되도록 제작할 수도 있다.

본 실시예에 따른 전류집전체는 3층의 어셈블리 구조로 이루어진 것으로, 앞서 설명한 실시예의 전류집전체(150)의 양쪽으로 한쌍의 카본호일 판(257, 258)이 인접하여 배치되면서 하나의 전류집전체 어셈블리(250)를 구성한다.

전류집전체(150)는 앞서 설명한 바와 마찬가지로, 다수의 매니폴더들을 구비하며 카본호일로 이루어지는 매니폴더부(156)와 금속판으로 이루어지며 인출탭(153)을 구비하고 있는 유체분배층 대응부(151)가 서로 접합되어 형성된다.

이러한 전류집전체(150)의 양쪽면에 인접 배치되는 카본호일 판(257, 258)은 전체가 카본호일로 이루어지며, 상기 전류집전체(150)에 형성된 매니폴더들과 각각 통하는 매니폴더(260, 270)가 또한 형성된다. 그리고 이들 각 매니폴더들(260, 270)의 외곽을 따라서는 실링 가스켓(261, 271)이 형성되어 매니폴더(260, 270)를 통해 전달되는 반응가스 등의 기밀을 유지할 수 있다.

본 실시예에 따른 전류집전체 어셈블리(250)를 제조하기 위하여, 먼저 전류집전체(150)를 준비한다. 이 전류집전체(150)의 제조방법은 상기에서 설명하였으 므로 여기서는 생략한다.

다음으로, 전류집전체(150)의 외부 테두리와 형상이 일치하도록 한 쌍의 카본호일 판(257, 258)을 가공한다. 일례로 두께 1㎜, 체적밀도 1.8g/㎤ 의 카본호일 판이 사용될 수 있다.

가공된 카본호일 판(257, 258)에 상기 전류집전체(150)의 매니폴더들과 대응되는 부분에 매니폴더(260, 270)를 펀칭가공하고, 각각의 매니폴더(260, 270)의 외곽을 따라 반응가스의 누설(leak)을 방지하기 위해 실링 가스켓(261, 271)을 배치한다.

다음으로, 이렇게 준비된 한 쌍의 카본호일 판(257, 258)을 전류집전체(150)의 양쪽 면에 매니폴더들이 연통되도록 인접 배치하여 3층 구조의 전류집전체 어셈블리(250)를 완성한다. 이와 같은 3층 구조의 전류집전체 어셈블리(250)는 카본호일 판(257, 258)이 전류집전체 제조공정에서 발생할 수 있는 각각의 판의 두께 편차를 수용하여 대량생산 시 수율을 안정적으로 높일 수 있다.

상기에서는 전류집전체(150)의 양쪽면에 각각 인접하여 배치되는 카본호일 판(257, 258)을 실시예로 설명하였으나, 양쪽면 중 어느 하나에만 카본호일 판이 인접하여 배치되어 전류집전체 어셈블리를 형성할 수도 있다.

[실험예]

종래의 전류집전체와 본 발명의 실시예에 따른 전류집전체에 대하여 동일한 조건으로 운전한 다음 각각의 매니폴더부에서의 부식정도를 관찰하여 도 6 및 도 7에 나타내었다.

즉 황동(Cu-Zn Alloy)에 금 도금한 금속판으로만 제작된 종래의 전류집전체를 연료전지 스택에 장착하여 300㎃/㎠의 전류밀도에서 150시간 운전 후에 촬영한 사진을 도 6에 나타내었으며, 본 발명에 따른 전류집전체를 연료전지 스택에 장착하여 마찬가지로 300㎃/㎠의 전류밀도에서 150시간 운전 후 촬영한 사진을 도 7에 나타내었다.

도 6에 나타난 바와 같이, 종래 전류집전체에 있어 반응가스의 통로인 매니폴더 주변에 부식이 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 반면에, 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전류집전체에 있어 반응가스의 통로인 매니폴더 부분이 화학적으로 안정한 카본호일로 이루어져 있기 때문에 물질파괴와 접촉저항 증가현상을 일으키는 부식현상이 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 연료전지용 전류집전체에 의하면, 수분이 함유된 반응가스나 냉각수와 같은 유체의 통로 역할을 하는 매니폴더부는 카본호일로 이루어지고 유체분배층 대응부는 금속판으로 이루어지는 구조를 가짐으로써, 화학적 내구성이 우수할 뿐만 아니라 흑연 또는 탄소소재로 이루어지는 분리판과의 계면저항이 거의 없어 우수한 전기전도성을 얻을 수 있다.

또한 연료전지용 전류집전체의 소재로 카본호일과 금속판을 사용함으로써 저비용화 및 경량화를 달성할 수 있다.

Claims

적어도 하나 이상의 단위전지를 구비하는 연료전지 스택(stack)에 있어서,

상기 단위전지는,

고분자 전해질막과 그 양쪽면에 각각 형성되는 산화전극과 환원전극을 포함하는 막전극접합체(MEA);

상기 막전극접합체 양쪽면에서 상기 산화전극 및 환원전극에 각각 인접하도록 배치되는 한 쌍의 유체분배층;

상기 각각의 유체분배층의 바깥쪽면에 밀착 결합되며, 상기 유체분배층과 대응되는 표면에 다수개의 유로가 형성되어 반응영역을 이루고, 이 반응영역의 주변부에 반응가스의 통로를 이루는 매니폴드(manifold) 영역이 형성되는 한 쌍의 분리판을 포함하고,

상기 양쪽 최외각에 배치되는 단위전지의 분리판 바깥쪽에 인접하도록 한 쌍이 배치되며, 상기 분리판을 사이에 두고 유체분배층과 대응되는 유체분배층 대응부와 상기 분리판의 매니폴드 영역에 대응되는 매니폴더부를 포함하는 전류집전체를 포함하며,

상기 전류집전체의 매니폴더부가 카본호일(carbon foil)로 이루어지고 상기 전류집전체의 유체분배층 대응부가 금속판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 전류집전체는 유체분배층 대응부로부터 연장되어 외측으로 인출되어 외부와의 전류통로 역할을 하는 인출탭을 구비하며,

상기 인출탭은 상기 유체분배층 대응부와 동일한 금속소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 1 항에 있어서,

상기 금속판은 스테인레스강(鋼), 황동, 알루미늄, 알루미늄합금으로 이루어지는 군에서 선택되는 소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 1 항에 있어서,

상기 전류집전체는 매니폴더부를 이루는 카본호일의 두께가 상기 반응영역부를 이루는 금속판의 두께보다 더 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 5 항에 있어서,

상기 카본호일의 두께는 상기 금속판의 두께보다 10 내지 100㎛ 의 범위 내에서 더 두껍게 형성되는 연료전지.
제 6 항에 있어서,

상기 카본호일의 두께는 상기 금속판의 두께보다 10 내지 50㎛ 의 범위 내에서 더 두껍게 형성되는 연료전지.
제 1 항에 있어서,

상기 전류집전체의 매니폴더부는 이에 형성된 각각의 매니폴더 외곽을 따라 실링부재가 더욱 형성된 카본호일로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 1 항에 있어서,

상기 전류집전체의 매니폴더부를 이루는 카본호일은 체적밀도(bulk density)가 1.5 내지 1.8g/㎤ 의 범위에 속하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 1 항에 있어서,

상기 전류집전체의 매니폴더에 대응되는 매니폴더를 구비하면서, 상기 전류집전체의 양쪽면 중 적어도 한쪽면에 인접하여 배치되는 카본호일 판을 더욱 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지.
제 10 항에 있어서,

상기 카본호일 판에 형성되는 각각의 매니폴더 외곽을 따라 실링부재가 형성 되는 것을 특징으로 하는 연료전지.
막전극접합체, 유체분배층 및 분리판을 포함하는 단위전지가 적층되어 이루어지는 연료전지 스택에 적용되는 연료전지용 전류집전체를 제조하는 방법에 있어서,

임의의 두께, 체적밀도(bulk density) 및 크기(가로×세로)를 갖는 카본호일을 준비하는 단계;

상기 카본호일에 상기 분리판의 매니폴더들과 대응하는 매니폴더를 형성하는 단계;

상기 카본호일에 상기 분리판을 사이에 두고 유체분배층과 대응되는 부분에 개구부를 형성하는 단계;

상기 카본호일의 개구부에 맞도록 금속판을 가공한 다음, 이를 끼워 접합시키는 단계;

상기 접합된 카본호일과 금속판을 프레스에서 기설정된 압력으로 프레스 하는 단계

를 포함하는 것을 특징하는 연료전지용 전류집전체 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 매니폴더를 형성하는 단계와 상기 유체분배층 대응부에 개구부를 형성하는 단계는 각각,

상기 분리판의 매니폴더들과 대응하는 카본호일의 부분을 펀칭(punching)가공하고, 상기 유체분배층과 대응하는 카본호일의 부분을 펀칭가공하여 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전류집전체 제조방법.
제 12 항에 있어서,

상기 카본호일은 두께가 상기 금속판의 두께보다 0.03 내지 0.07㎜의 범위 내에서 더 두껍게 마련되어 서로 접합되어, 상기 프레스 단계에서 함께 프레스되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전류집전체 제조방법.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 전류집전체.
제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 제조되는 연료전지용 전류집전체를 포함하는 연료전지.