KR100570765B1 - 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 상기 바이폴라 플레이트는 유로 채널이 형성된 금속 기재; 및 상기 금속 기재에 형성되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함한다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 금속 기재에 탄소 코팅층을 형성시킨 것으로서, 연료 전지 작동시에도 부식이 일어나지 않으므로 장시간 사용이 가능하며 또한 금속 재질을 이용할 수 있어 경제적이다.
연료전지,바이폴라플레이트,탄소코팅,부식
Description
도 1은 본 발명의 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 부식을 방지할 수 있어 전지의 수명 특성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지(Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.
연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지, 용융탄산염 형 연료 전지, 고체 산화물형 연료 전지, 고분자 전해질형 또는 알칼리형 연료 전지 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료 전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전 온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다.
이들 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 연료 전지에 비하여 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮고 아울러 빠른 시동 및 응답 특성을 가지며, 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.
상기와 같은 PEMFC는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택(stack), 개질기(reformer), 연료 탱크 및 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급한다. 개질기는 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키고 그 수소 가스를 스택으로 공급한다. 따라서, 상기 PEMFC는 연료 펌프의 작동으로 연료 탱크 내의 연료를 개질기로 공급하고, 이 개질기에서 연료를 개질하여 수소 가스를 발생시키며, 스택에서 이 수소 가스와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.
상기와 같은 연료 전지 시스템에 있어 전기를 실질적으로 발생시키는 스택은 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly:MEA)와 이의 양면에 밀착하는 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)로 이루어진 단위 셀이 수 개 내지 수십 개로 적층된 구조를 갖는다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전 극과 캐소드 전극이 부착된 구조를 가진다. 이러한 바이폴라 플레이트는 상기 각각의 막/전극 접합체를 분리하고 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과, 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 바이폴라 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급된다. 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 열과 수분을 부수적으로 발생시킨다.
본 발명의 목적은 부식되는 현상을 억제하여 금속 재질로 형성가능하므로 경제적이며, 연료 전지의 수명을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유로 채널이 형성된 금속 기재; 및 상기 금속 기재에 형성되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명은 또한 금속 기재에 유로 채널을 형성하고; 상기 유로 채널이 형성 된 금속 기재에 비정질 탄소 전구체 및 흑연화 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하고; 상기 코팅된 금속 기재를 열처리하는 공정을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트는 금속 기재; 및 상기 금속 기재에 형성되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함하는 것인 연료 전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료 전지에서 다수의 막/전극 접합체를 분리하고, 연료 전지의 반응에 필요한 수소 가스와 산소를 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극으로 공급하는 통로의 역할과 각 막/전극 접합체의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 하는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
이러한 바이폴라 플레이트는 강한 내식성을 가지며, 가스 투과성이 없어야한다. 바이폴라 플레이트로 초기에는 금속을 기계 가공하거나 흑연을 성형 또는 프레스 가공하여 제조하여 사용하였다. 그러나 흑연 바이폴라 플레이트는 유로 채널을 형성하기 위한 가공비가 고가임에 따라 경제적이지 못하며 또한 부서지기 쉽고 다공성이므로 기계 가공시 깨지거나 일정 두께 미만으로 만드는 경우 가스에 대한 투과성을 가지게 되어 바람직하지 않다. 또한 금속 재질은 상술한 흑연의 문제점 은 해결할 수 있으나, 연료 전지에서 산소로 인하여 부식됨에 따라 전지 특성을 열화시키며 수명을 단축시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 바이폴라 플레이트는 유로 채널이 형성된 금속 기재와 이 금속 기재에 코팅되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함한다.
상기 금속 기재로는 스테인레스 스틸(303, 310, 316, 316L, 904L, 알루미늄 합금, 티타늄 또는 그의 합금 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 상기 흑연화 촉매로는 Ni, Fe, Cr, Co, Cu, Ca, Mg, Si, B, Ti, Ga, Ge 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다. 상기 흑연화 촉매의 함량은 탄소 코팅층 전체 중량에 대하여 10 내지 1000ppm이 바람직하다.
상기 탄소 코팅층의 두께는 1000 Å 내지 100 μm 이 바람직하며, 5000 Å 내지 50 μm 이 더욱 바람직하다. 상기 탄소 코팅층의 두께가 1000 Å 미만이 될 경우 코팅층의 핀 홀 같은 미세 구멍이 생겨서 메탈을 보호할 수 가 없으며, 100 μm를 초과하는 경우, 금속과의 열팽창 차이로 인하여 코팅층에 균열이 발생할 수 있어 바람직하지 않다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 바이폴라 플레이트는 금속 기재에 유로 채널을 형성하고, 이 유로 채널이 형성된 금속 기재에 비정질 탄소 전구체 및 흑연화 촉매를 포함하는 조성물을 코팅한다. 상기 비정질 탄소 전구체로는 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알콜 수지, 우레탄 수지, 폴리이미드 수지, 퓨란 수지, 셀룰로즈 수지, 에폭시 수지, 폴리스티렌 수지, 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 타르 또는 저분자량의 중질유를 사용할 수 있다. 상기 조성물에서 상기 비정질 탄소 전구체와 상기 흑연화 촉매의 혼합 비율은 중량비로 99.99 내지 75 : 0.01 내지 25의 비율로 사용하는 것이 바람직하다.
이어서, 얻어진 생성물을 열처리한다. 이 열처리 공정은 2000 내지 3000℃의 온도에서 비활성 분위기나 공기 분위기 하에서 실시한다. 이러한 열처리 공정에 따라 비정질 탄소 전구체는 비정질과 결정질의 중간상인 준결정질 탄소 구조로 전환되어, 최종 코팅층은 준결정질 탄소와 흑연화 촉매가 잔존하게 된다.
본 발명의 바이폴라 플레이트는 연료 전지에 유용하게 사용할 수 있으며, 도 1에 애노드(3), 캐소드(5), 고분자 전해질막(7) 및 바이폴라 플레이트(9)를 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타내었다. 상기 애노드(3) 및 캐소드(5)는 전기화학 반응에 참여하는 금속 촉매가 탄소에 지지되어 있는 촉매층을 포함한다. 상기 연료 전지에서 수소 또는 연료는 애노드(3)에 공급되고 산소는 캐소드(5)에 공급되어 애노드와 캐소드의 전기화학 반응에 의하여 전기를 생성시킨다. 즉 애노드(3)에서 유기 연료의 산화 반응이 일어나고 캐소드(5)에서 산소의 환원 반응이 일어나 두 전극간의 전압차를 발생시킨다.
상기 고분자 전해질막은 양성자-전도성 중합체 물질, 즉 이오노머(ionomer)로 이루어지며, 일반적으로 설폰산 그룹을 포함하는 테트라플루오로에틸렌과 플루오로비닐에테르 공중합체, 탈불소화된 황화 폴리에테르케톤, 아릴 케톤 또는 폴리벤즈이미다졸 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로 상기 고분자 전해질막은 10 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
도 1에 나타낸 구조물을 적층하여 스택을 제조한 후, 이를 두 개의 엔드 플레이트(end plate) 사이에 삽입하여 연료 전지를 제조할 수 있다. 연료 전지는 이 분야의 통상의 기술에 의하여 용이하게 제조될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸 기재에 폴리비닐알콜 수지 및 Ni 흑연화 촉매를 90 : 10 중량비로 포함하는 조성물을 코팅하고, 2500℃에서 열처리하여 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
(비교예 1)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸을 바이폴라 플레이트로 사용하였다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 금속 기재에 탄소 코팅층을 형성시킨 것으로서, 연료 전지 작동시에도 부식이 일어나지 않으므로 장시간 사용이 가능하며 또한 금속 재질을 이용할 수 있어 경제적이다.
Claims (10)
- 유로 채널이 형성된 금속 기재; 및상기 금속 기재에 형성되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흑연화 촉매는 Ni, Fe, Cr, Co, Cu, Ca, Mg, Si, B, Ti, Ga, Ge 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
- 제 1 항에 있어서, 상기 흑연화 촉매는 상기 탄소 코팅층 전체 중량에 대하여 10 내지 1000ppm의 양으로 포함되는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
- 제 1 항에 있어서, 상기 금속 기재는 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
- 금속 기재에 유로 채널을 형성하고;상기 유로 채널이 형성된 금속 기재에 비정질 탄소 전구체 및 흑연화 촉매를 포함하는 조성물을 코팅하고;상기 코팅된 금속 기재를 열처리하는공정을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 비정질 탄소 전구체는 페놀 수지, 나프탈렌 수지, 폴리비닐알콜 수지, 우레탄 수지, 폴리이미드 수지, 퓨란 수지, 셀룰로즈 수지, 에폭시 수지, 폴리스티렌 수지, 석탄계 핏치, 석유계 핏치, 타르 및 저분자량의 중질유로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 열처리 공정은 2000 내지 3000℃에서 실시하는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법.
- 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 적어도 하나 이상의 막/전극 접합체; 및 상기 막/전극 접합체의 애노드와 캐소드 전극 중 어느 하나에 접촉하여 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고,상기 바이폴라 플레이트는 금속 기재; 및 상기 금속 기재에 형성되고, 준결정질 탄소 및 흑연화 촉매를 포함하는 탄소 코팅층을 포함하는 것인 연료 전지.
- 제 8 항에 있어서, 상기 흑연화 촉매는 Ni, Fe, Cr, Co, Cu, Ca, Mg, Si, B, Ti, Ga, Ge 및 Al으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
- 제 8 항에 있어서, 상기 금속 기재는 스테인레스 스틸, 알루미늄 합금, 티타늄 및 티타늄 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
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