연료전지용 금속분리판 가스켓 document_id A220623034097

일반적으로 연료전지의 작동 메카니즘은 수소, 천연가스, 메탄올 등과 같은 연료를 애노드에서 산화시켜 전자와 수소이온(양성자)을 생성시키는 것에서 시작한다. 애노드에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통해 캐소드로 이동하고, 애노드에서 생성된 전자는 도선을 통하여 외부의 회로에 공급된다. 캐소드에 도달한 수소이온은 외부 회로를 통하여 캐소드에 도달한 전자 및 외부로부터 공급된 산소와 결합하여 물을 생성한다. 연료전지는 발전 효율이 높고 환경친화적인 차세대 에너지 전환 장치로서 각광받고 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료전지의 종류에 따라 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 그 중 PEMFC는 연료전지의 작동 온도로서는 비교적 낮은 온도인 약 80 내지 120℃에서 작동될 수 있으며, 매우 높은 전력밀도를 가질 수 있기 때문에 자동차용, 가정용 등의 전력원으로서 적용될 수 있다. 이러한 PEMFC에 있어서 작고 가벼우며 저렴한 PEMFC를 얻기 위하여 개선할 필요가 있는 중요 부품 중의 하나가 바로 바이폴라 플레이트(bipolar plate)이다. PEMFC의 주된 구성요소로서는 바이폴라 플레이트, MEA(membrane electrode assembly) 등이 있다. MEA는 연료의 산화가 일어나는 애노드, 산화제의 환원이 일어나는 캐소드, 및 애노드와 캐소드 사이에 위치하는 전해질막을 포함한다. 전해질막은 애노드에서 생성된 수소이온을 캐소드로 전달시키기 위하여 이온전도성을 가지며, 애노드와 캐소드를 전자절연시키기 위한 전자절연성을 갖는다. 당해 기술 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 바이폴라 플레이트는 연료 및 공기가 흐르는 유로(channel)를 구비하고 있으며, MEA 간의 전자이동을 위한 전자전도체 역할을 한다. 따라서, 바이폴라 플레이트는 연료와 산소가 분리될 수 있도록 비다공성이어야 하고, 전기전도성이 우수하여야 하고, 연료전지의 온도 제어를 위한 충분한 열전도도를 가져야 하며, 연료전지를 클램핑(clamping)하는 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도를 가져야 할 뿐만 아니라, 수소이온에 대한 내부식성을 가져야 한다. 종래 PEMFC의 바이폴라 플레이트의 재료로서는 주로 그래파이트 플레이트(graphite plate)가 사용되었으며, 이때 연료 및 공기 유로는 주로 밀링 가공에 의하여 형성되었다. 그래파이트 플레이트는 전기전도성이 좋고 부식이 잘되지 않는 이점을 가지고 있지만, 그래파이트 플레이트 자체의 가격과 밀링 가공비는 바이폴라 플레이트의 높은 가격의 주된 요인으로 작용하고 있다. 게다가, 그래파이트 플레이트는 깨지기 쉽기 때문에 2mm 내지 3mm 이하의 두께로 가공하기가 용이하지 않다. 이러한 그래파이트계 바이폴라 플레이트의 두께로 인하여 수 십 내지 수 백 개의 단위전지(unit cell)로 이루어지는 연료전지 스택(stack)의 크기를 줄이는데는 어려움이 있었다. 바이폴라 플레이트의 가공비와 두께를 줄이기 위한 대안 중의 하나로서, 바이폴라 플레이트의 재료를 금속으로 대체되는 추세이다. 당해 분야에서 잘 알려져 있는 바와 같이, 금속분리판은 그 일면에 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있고, 다른 면에는 냉각유체를 위한 유로가 형성되어 있는 판재이다. 한편, 연료전지 스택(Stack)은 막전극접합체와 가스확산층 및 분리판을 필요한 용량만큼 적층하여 구성된 것으로서, 외부에서 적절한 압력을 제공하는 장치를 통해 각 단위전지가 어긋나거나 미끄러짐 없이 일체형을 이루는 조립체로 되어 있다. 상기 막전극접합체와 분리판의 상부 및 하부에는 각각 반응에 필요한 수소 및 공기와, 반응열을 냉각하기 위한 냉각수를 공급하거나 배출하기 위한 다수의 매니폴드가 형성되어 있으며, 수소, 공기 및 냉각수는 스택 외부배관을 통해 분리판의 매니폴드를 거쳐서 각 단위전지의 분리판에 형성되어 있는 가스유로를 통해 전극으로 공급된다. 이때, 수소와 공기가 반응하는 반응영역 및 각 매니폴드로부터 수소, 공기 및 냉각수가 누설되는 것을 방지하기 위한 실링수단이 포함되어야 하는데, 연료전지의 경우 그 특성상 운전 및 정지가 자주 반복되며, 운전 중에는 화학반응으로 인한 열이 발생되기 때문에 팽창 및 수축이 빈번하게 일어나게 된다. 따라서, 연료전지용 실링 구조는 잦은 팽창 및 수축이 일어나는 경우에도 밀폐성을 유지해야 하며, 팽창 및 수축 과정에서 연료전지의 각 구성요소에 발생하는 응력분포가 가능한 한 균일해야 피로로 인한 파괴를 방지할 수 있어야 한다. 이를 위해서 전극 및 매니폴드 주위에는 가스켓이 배치된다. 가스켓은 탄성 복원력이 우수하면서 부드러운 성질을 갖는 실리콘계, 불소계 혹은 올레핀계로서 탄성을 갖는 고무 재료를 주로 사용한다. 고무 재료의 가스켓 제조방법은 금형을 사용하여 O-링 형태로 만드는 방법과 디스펜서를 사용하여 제조하는 방법 등이 있다. 금속분리판은 원소재 두께 0.1∼0.2mm의 금속 박판을 이용한 스탬핑 등의 성형공법에 의해 제작되며, 적층시 균일한 면압을 유지하지 못하면 국부적인 변형으로 실링을 유지할 수 없다. 이러한 것을 방지하기 위해 복잡한 실링 구조로 스택 적층성을 개선하려 하고 있다. 금속분리판에 적용되는 가스켓은 흑연과는 달리 가스켓을 위치시키기 위한 홈 성형이 불가능하고, 금속면에 고상 고무 재질을 접착하기가 힘들기 때문에 액상 고무소재를 도포, 사출하여 금속분리판 표면에서 경화/접착시키는 방법이 일반적으로 적용된다. 여기에서 금속분리판 외곽 테두리부에 위치하는 가스켓(10)은, 도 3에 도시한 바와 같이, 반응면/냉각면 위에 독립적으로 존재하는 형태(a), 또는 분리판(11)의 반응면/냉각면을 함께 감싸는 형태(a) 등이 사용된다(일본공개특허 평07-065847호, 한국등록실용 제0383221호, 일본공개특허 제2002-231264호). (a)의 형태는 박판 금속 소재의 외곽 테두리가 날카로와 작업자가 상처를 입을 수도 있고, 스택을 적층했을 때 스택 외곽부가 금속 박판 상태로 조밀하게 존재하여 금속 조각 등에 의한 셀 간 단락의 위험이 매우 커진다. 또한, 흑연 소재 분리판과는 달리 금속분리판의 테두리는 취급시 작은 충격에 휘어지는 등 변형이 생길 수 있기 때문에 셀 간 단락의 위험이 매우 높다. (b)의 형태는 위와 같은 단점을 보완할 수 있는 형태이다. 하지만, 가스켓 성형 금형(12)은 (c) 형태의 가스켓을 성형할 때와 같이 가스켓 좌우 금속면을 잡아줄 수 없고, 한쪽만 잡아주는 형태가 된다(d). 일반적으로 복잡한 유로가 형성되는 대면적 금속분리판의 프레스 성형시 전체적인 스프링백 현상에 의한 뒤틀림을 완벽히 제거하는 것이 힘들고(테두리부에 변형 존재 가능), 금속분리판 취급시 충격으로 외곽 테두리 부분에 의도하지 않은 변형이 생길 경우 (b) 형태로 가스켓을 성형할 때 금속분리판의 반응면/냉각면의 가스켓 높이가 설계값 대비 달라질 수 있고(e), 가스켓의 압축 길이가 달라져서 스택의 기밀이 불가능해진다(일반적으로 연료전지 스택 체결시 가스켓 수축 높이는 원래 높이 대비 0.1mm 이하로 매우 작음). 또한, 액상 고무의 사출 압력에 의해 분리판의 변형이 발생할 수도 있다.