KR100683419B1 - 연료전지용 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로서, 분리판(100)의 본체(101)를 전기화학 반응이 일어나는 액티브영역(110)과, 액티브영역(110)의 외측으로 연료전지의 가스켓과 접촉되는 가스켓접촉영역(120)과, 가스켓접촉영역(120)과 액티브영역(110)의 사이에 전기화학 반응이 일어나지 않는 논액티브영역(130)으로 구획 형성시키고, 각 영역 표면에 선택적으로 부식 방지용 물질을 도포하는 것을 특징으로 한다. 따라서 고가의 부식 방지용 물질을 일부의 영역에만 도포하고도 부식 발생을 억제할 수 있게 됨으로써, 부식을 위한 표면처리 영역의 감소로 제조 단가가 감소되며, 부식 방지 효과가 매우 우수하다.

Description

연료전지용 분리판{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL}

도 1은 종래 일실시예의 연료전지용 단위전지의 구성부품을 도시한 사시도이고,

도 2는 도 1에서의 그래파이터 분리판을 도시한 정면도이고,

도 3a는 도 1에서의 금속재의 분리판을 도시한 것이고,

도 3b는 도 3의 유로를 확대 도시한 부분 발췌도이고,

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이고,

도 5는 일실시예에 따른 도 4의 A-A선 단면도이고,

도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 부식률시험 선도이고,

도 7은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 성능시험 선도이고,

도 8은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 표면을 나타내는 사진이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 분리판 101 : 본체

110 : 액티브영역 120 : 가스켓접촉영역

130 : 논액티브영역 140 : 테프론

150 : 금

본 발명은 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 전기를 생성하는 연료전지에서 사용되는 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물과 연료기체로 인하여 금속재의 분리판에서 발생되는 부식 현상을 개선된 표면처리로 하여 부식의 방지는 물론, 제조 단가를 감소시킨 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

통상 연소는 급격한 산화작용에 따라 반응열로서 열에너지를 얻는 반면에, 연료전지는 전기 화학적인 이온반응에 따라 연료로부터 직접 전기에너지를 얻는 방법이다.

천연가스(메탄), 납사, 메탄올, 석탄가스 등에 다량 함유되어있는 수소와 공기 중의 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기와 열을 동시에 생산하는 고효율 신발전기술로서 물의 전기분해와 반대의 원리이다.

내연기관 발전방식은 항상 가동되는 것이 효율이 좋으나 연료전지식 발전은 필요에 따라 발전할 수가 있고 효율도 크게 변하지 않는다. 크기도 아주 작은 소형에서부터 대형까지 제작할 수가 있기 때문에 수요에 따라 크기를 정해서 필요한 곳에 바로 설치할 수가 있으며 따라서 기존 발전에서 전선을 통해 전기를 보낼 때 생기는 전기의 수송 손실을 줄일 수가 있다. 또한 연료전지는 열에너지를 거치지 않 고 연료의 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 위해 직류로부터 교류로 변환하는 손실 등을 고려하여도 전환효율은 현재의 화력발전보다 높으며, 약 50% 이상의 효율을 기대할 수 있다. 연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 연료전지 등으로 구분된다.

연료전지(Fuel Cell)의 운전온도는 고체 산화물형 연료전지의 경우 약 1000℃, 용융탄산염형 연료전지의 경우 약 650℃, 인산형 연료전지의 경우 약 200℃ 및 고분자 전해질형 연료전지의 경우 약 80℃ 이하이다.

고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 또는 Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC라 함.)는 고분자 전해질(Polymer Electrolyte)을 사용하므로 PEM (Polymer Electrolyte Membrane)방식이라고도 한다. 이러한 PEMFC는 운전온도가 약 80℃ 전후로서 전술한 4가지 유형의 연료전지 중 가장 낮은 온도에서 운전할 수 있으며, 에너지 밀도 및 효율이 높고, 파워의 요구 정도에 따라 출력을 기민하게 변경할 수 있어 신속한 기동 및 정지가 용이하며 환경오염을 일으키지 않는다.

일반적으로 PEMFC는 막전극 접합체와 막전극 접합체의 양면에 중첩되어있는 전도성 물질의 분리판으로 이루어져 있으며, 단위전지를 적층하여 구성된 형태로 사용된다. 특히, 단위전지가 연속적으로 연결되어 적층된 구조의 연료전지에 있어서, 전지와 전지 사이를 전기적으로 연결시켜주는 역할과 전지 내부에서 연료기체가 서로 혼합되지 않도록 차단하는 역할을 하는 부분을 분리판이라 일컫는다.

분리판은 연료기체를 이동시키는 역할을 하기 위하여 분리판은 산화반응이 일어나는 양극면(anode)과 환원반응이 일어나는 음극면(cathode)에 기체가 이동할 수 있는 유로(flow channel)가 형성되어 있다. 양면으로 유로를 가지는 형태이기 때문에 일명 분리판(bipolar plate)라고 한다. 한 면만 유로가 있는 것은 모노 플레이트(monopolar plate)라고 하며 단위전지를 구성한다. 분리판은 여러 개가 적층되어 스택(stack)을 구성한다.

분리판은 연료기체의 이동 외에 막전극 접합의 지지체로 이용된다. 지지체의 역할을 수행하기 위해서는 스택에 필요한 체결압에 견딜 수 있는 기계적 강도를 갖추어야 하며, 전기를 이동시키는 전도체의 역할을 하므로 내화학성이 우수한 소재로 되어있어야 한다.

따라서 도 1은 종래 일실시예의 연료전지용 단위전지의 구성부품을 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1에서의 그래파이터 분리판을 도시한 정면도이고, 도 3a는 도 1에서의 금속재의 분리판을 도시한 것이다.

일반적으로 연료전지는 스택과 스택을 구성하는 단위전지(1)로 구성되어지며, 수소기체가 흐르는 부위를 음극측이라고 하고, 공기 또는 산소가 흐르는 부위를 양극측이라고 한다.

도 1에 도시된 것과 같이, 음극측 구성 요소는 단위전지를 체결하기 위한 앤드 플레이트(end plate:2)와, 전기를 방전하는 전기집전체(3)와, 연료기체를 흐르게 하는 분리판(4), 그리고 기체의 누설을 방지하는 가스켓(5), 연료기체를 촉매가 있는 전극으로 이동시켜주는 기체확산층(6)으로 구성되어 있으며 수소기체를 수소 이온으로 분리시키는 백금촉매와 분리된 수소이온을 양극측으로 이동시키는 이온전도성 전해질막으로 형성되어 있는 막전극접합체(7)로 구분되어진다. 양극측 구성요소는 공기나 산소기체를 전극으로 이동시키는 기체확산층(6a), 가스켓(5a), 분리판(4a), 전기집전체(3a), end plate(2a)로 구성되어있다.

도 2에 도시된 분리판(4)은 단위전지(1) 제작의 용이성을 위하여 가이드홀(8)이 형성 되어있으며 연료기체 흐름은 기체입구(9)를 통하여 유입되어 유로(10)를 지나 기체출구(11)를 통하여 배출된다.

그리고 이러한 구성의 분리판(4)은 화학안정성과 전기전도성이 우수한 고가의 graphite를 사용하고 있으며 일반적으로 CNC 가공을 통하여 제작되어진다.

그러나 그래파이트 소재를 이용한 분리판(4)은 단가가 높고 기계적 강도가 낮은 단점이 있다. 따라서 요즘에는 그래파이터 소재를 대체하기 위하여 금속소재인 SUS, Fe계 등을 모재로 한 금속재의 분리판이 개발되고 있다. 특히, 금속재의 분리판은 그래파이터 분리판에 비하여 많은 장점을 가지고 있지만, 전기화학 반응에 의한 부식 현상이 발생되어 기술적인 접근에 어려움을 겪고 있다.

도 3a에서의 금속재의 분리판(40)은, 유로(42)가 형성되는 본체 상에 기체확산층(44)을 얹혀놓은 형태를 가진다.

그런데, 이 또한 금속재의 분리판(40)에서는 유로에서 물과 연료기체가 존재하고 전극부위에서는 산화, 환원반응이 활발히 이루어지고, 이러한 조건하에서 대부분의 금속소재는 부식이 발생되어 금속이온이 녹아나오게 되며 녹아나온 금속이온은 전해질막의 활성점을 피독시켜 이온전도성을 점차적으로 감소시키는 요인이 된다. 따라서 이러한 금속이온의 용출을 방지하기 위하여 표면을 내부식성 물질로 처리한다. 현재로는 내부식성 물질로 금소재가 사용되어지며 이 경우엔 장시간 운전이 가능한 것으로 알려져 있다. 특히, 금 소재를 이용하여 표면처리시에 분리판내 유로가 형성되어있는 부분과 분리판과 기체확산층이 맞닿은 부분을 내부식성 물질로 처리하여야 한다. 즉 분리판에서 가스켓과 맞닿는 부분을 제외한 모든 부위에 표면처리를 하여야 함으로 많은 양의 금 소재가 소모되어 고가의 그래파이터에 비하여 단가를 크게 감소시키지 못하는 단점이 있었다. 그리고 도 3b에 나타내어진 유로(42)의 산(42a)과 골(42b)이 만나는 부위 및 골의 모서리 부위에서 부식현상이 발생하는 취약점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 결점을 해소시키기 위하여 안출된 것으로, 금속분리판의 표면 영역을 전기화학반응이 일어나는 영역과 전기화학반응이 일어나지 않는 영역, 그리고 가스켓과 접촉영역으로 구획 설계하고, 각 영역에 전기적인 특성과 물에 의한 부식을 방지할 수 있는 소재를 선택적으로 표면 처리함으로써, 부식을 위한 표면처리 영역의 감소로 제조 단가가 감소되며, 부식 방지 효과가 우수한 연료전지용 분리판을 제공하고자 하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 연료전지용 분리판에 있어서, 분리판의 본체를, 전기화학 반응이 일어나는 액티브영역과, 액티브영역의 외측으로 연료전지의 가스켓과 접촉되는 가스켓접촉영역과, 가스켓접촉영역과 액티브영역의 사이에 전기화학 반응이 일어나지 않는 논액티브영역으로 구획 형성시키고, 각 영역 표면에 부식 방지용 물질을 도포하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시 예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 정면도이고, 도 5는 일실시예에 따른 도 4의 A-A선 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 부식률시험 선도이고, 도 7은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 성능시험 선도이고, 도 8은 본 발명에 따른 방법으로 제조된 금속재 분리판의 표면을 나타내는 사진이다.

도 4에 도시된 바와 같이 연료전지용 분리판(100)은, 본체(101)가 기체확산층과 맞닿아 산화, 환원반응이 일어나는 액티브영역(Active Area:110)과, 가스켓(도 1에 도시: 5)과 본체(101)가 맞닿게 되는 가스켓접촉영역(Contact Gasket Area:120)과, 산화, 환원반응은 일어나지 않으나 액티브영역(110)과 가스켓접촉영역(120)의 사이에 위치되는 논액티브영역(Non Active Area:130)으로 구획되도록 설계하였다.

위와 같은 분리판(100)은 도 5에서와 같이, 바람직한 일실시예로 경량 금속인 알루미늄을 소재로 하는 본체(101)를, 액타브영역(110)과 가스켓접촉영역(120) 에 산화 및 환원반응에 강한 내부식성 물질인 테프론{PTFE(polytetrafluoroethylen):140}을 이용하여 표면처리 하였으며, 산화 및 환원반응에 강하고 전기적인 특성을 가진 금(Au:150)을 논액티브영역(130)에 표면 처리하였다. 여기서 테프론(140)의 물질에 한정하지 않고 고분자 및 세라믹 등과 같은 전도성 및 비전도성 물질로도 표면 처리가 가능하다.

그리고 각 분할된 영역(110, 120, 130)에 부식성 물질을 도포하는 방법에 있어서, 액티브영역(110)과 가스켓접촉영역(120) 그리고 논액티브영역(130)의 전부에 테프론(140)으로 표면 처리할 수도 있으며, 분리판(100)의 본체(101)를 금(150)과 같은 전도성 소재로 제작하고, 논액티브영역(130)에만 테프론(140)으로 표면 처리할 수도 있다.

그리고 또 다른 실시예로서, 금속소재로 제작된 본체(101)의 액티브영역(110)과, 가스켓접촉영역(120) 그리고 논액티브영역(130)에 금(150)과 같은 전도성물질로 전부 표면처리할 수도 있으며, 액티브영역(110)과 가스켓접촉영역(120)을 제외한 논액티브영역(130)에 테프론(140)으로 표면 처리하게 된다.

또한, 본체(101)를 테프론(140)의 소재로 제작하고, 논액티브영역(130)에 금(150)과 같은 전도성물질로 표면 처리하게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 작용을 바람직한 일실시예를 들어 설명하면 다음과 같다.

전기 전도도를 유지하는 가운데 부식발생이 되지 않아야 하는 분리판(100)은, 대략 두께가 2mm정도의 알루미늄 소재의 본체(101)에 가스켓(5)과 분리판(100) 이 맞닿은 가스켓접촉영역(120)에 테프론(140)으로 표면처리 하였으며, 연료전지에서 발생된 전기가 흐르는 부분인 논액티브영역(130)에는 금(Au:150)으로 표면처리 하고, 전기화학반응이 일어나는 액티브영역(110, 유로의 골과 산)에는 테프론(140)으로 표면 처리하였다.

이와 같이 구성된 금속재의 분리판(100)에서는 종래에 분리판의 전면으로 금(150)을 이용하여 표면처리 했던 형태에서 논액티브영역(130)의 부위만 금(150) 물질로 표면처리 함으로써 종래의 표면처리 방법에 비하여 금(150)의 사용량을 현저히 감소시킬 수 있다. 대략 반응면적이 25 ㎠인 가로 7 ㎝, 세로 7 ㎝ 분리판(100)의 경우 전체표면적은 74.4 ㎠이며 가스켓접촉영역(120)의 표면적은 19.84 ㎠, 논액티브영역(130)의 표면적은 4.16 ㎠, 액티브영역(110)의 표면적은 50.4 ㎠이다. 즉, 본 발명에 의한 금(150)소재의 분리판(100)은 금 표면처리 면적을 74.4 ㎠에서 4.16 ㎠으로 약 95%만큼 금의 사용량을 감소시킬 수 있었다.

도 6은 본 발명에 따른 분리판(100)의 논액티브영역(130)과 표면 처리되지 않은 알루미늄의 부식시험을 한 결과이다. 부식조건은 2 M H2SO4에 2 ppm의 HF를 첨가하여 70℃에서 시험 한 것이다. 도시된 것과 같이, 분리판(100)의 논액티브영역(130)은 미국 에너지성(DOE: Department of Energy)에서 발표한 분리판 부식률 16 μA/㎠ 이하(2010년 목표치) 보다 우수한 1.38 μA/㎠를 얻을 수 있었다.

또한, 도 7은 본 발명에 의한 분리판(100)을 이용한 성능분석을 한 결과이다. 단위전지 운전온도 70℃, 0.6V 조건에서 전력밀도 0.421 W/㎠의 결과를 얻었다.

그리고 도 8은 분리판(100)의 성능분석 후 액티브영역(110)과 논액티브영역(130)의 표면을 광학현미경으로 찍은 것이며 성능시험 후 표면에 부식현상은 나타나지 않았다.

한편, 가스켓접촉영역(120) 및 액티브영역(110)에는 테프론(140) 뿐만 아니라 내부식 물질의 비전도성 고분자, 전도성 고분자, 전도성 세라믹, 비전도성 세라믹 등을 이용하여 표면처리가 가능하므로 사용조건에 따라 제조단가를 저감시킬 수 있으며 분리판(100)의 특성 조절이 가능하다.

그리고 본 발명의 분리판(100)의 기본 개념은 모재가 전도성 금속인 Cu, Ni, Ti, SUS 등에 모두 적용이 가능하므로 적용범위와 환경에 따라서 선택적으로 분리판(100)의 제작이 가능하다.

또, 금속재의 분리판(100)의 제조단가는 약 $30/kW이므로 $3000/kW 정도하는 graphite를 대체가능하며 단가가 저렴한 Fe계를 이용할 경우에는 제조단가를 더욱 감소시킬 수 있다.

더욱이 본 발명의 분리판(100)은 자동차용 연료전지뿐만 아니라 이동용, 가정용 및 발전용 연료전지 등에서도 적용이 가능하며 모재를 비전도성 물질인 고분자소재를 이용할 경우 단가와 부피를 최소화하여 휴대용 연료전지에도 사용이 가능하다.

이처럼, 본 발명은 종래의 연료전지에서 사용되어지는 고가의 그래파이터 모재의 분리판을 대체하기 위하여 경량의 내부식성 금속재의 분리판(100)으로 설계한 것으로서, 특히 금속분리판에서 발생되어지는 부식현상을 방지하기 위하여 분리판 과 기체확산층이 맞닿은 부위를 액티브영역(110), 논액티브영역(130)으로 설계하고 분리판과 가스켓이 맞닿는 부위를 가스켓접촉영역(120)으로 설계하여 기존의 부식발생 가능면적을 1/17 이하로 감소시켜 제조단가 감소 및 내부식성이 우수한 분리판을 제조하고자 하는 것이다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시 예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 연료전지용 분리판은, 표면영역을 전기화학반응이 일어나는 영역과 전기화학반응이 일어나지 않는 영역, 그리고 가스켓과 접촉영역으로 구획 설계하고, 각 영역에 전기적인 특성과 물에 의한 부식을 방지할 수 있는 소재를 선택적으로 표면 처리함으로써, 부식을 위한 표면처리 영역의 감소로 제조 단가가 감소되며, 부식 방지 효과가 매우 우수하다.

Claims (7)

1. 연료전지용 분리판에 있어서,

   상기 분리판의 본체를,

   전기화학 반응이 일어나는 액티브영역과,

   상기 액티브영역의 외측으로 상기 연료전지의 가스켓과 접촉되는 가스켓접촉영역과,

   상기 가스켓접촉영역과 상기 액티브영역의 사이에 전기화학 반응이 일어나지 않는 논액티브영역으로 구획 형성시키고,

   상기 각 영역 표면에 부식 방지용 물질을 도포하는 연료전지용 분리판.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판은,

   상기 액티브영역에 금과 같은 전도성물질로 표면처리하고,

   상기 가스켓접촉영역에 금과 같은 전도성물질로 표면처리하며,

   상기 논액티브영역에 금과 같은 전도성물질로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판은,

   상기 액티브영역에 금과 같은 전도성물질로 표면처리하고,

   상기 가스켓접촉영역에 금과 같은 전도성물질로 표면처리하며,

   상기 논액티브영역에 산화와 환원에 강한 내부식성 물질인 테프론으로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판의 본체를 테프론 소재로 제작하며, 상기 논액티브영역에 금과 같은 전도성물질로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판은,

   상기 액티브영역에 테프론으로 표면처리하고,

   상기 가스켓접촉영역에 테프론으로 표면처리하며,

   상기 논액티브영역에 테프론으로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판은,

   상기 액티브영역에 테프론으로 표면처리하고,

   상기 가스켓접촉영역에 테프론으로 표면처리하며,

   상기 논액티브영역에 금과 같은 전도성물질로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 분리판의 본체를 금과 같은 전도성 소재로 제작하며, 상기 논액티브영역에 테프론으로 표면 처리하는 연료전지용 분리판.

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