KR100726893B1

KR100726893B1 - 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조 및 유로형상, 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지

Info

Publication number: KR100726893B1
Application number: KR1020060003613A
Authority: KR
Inventors: 박정기; 정호영; 조기윤; 성경아; 김완근; 이성남
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2006-01-12
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US7923163B2; US20070160894A1

Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조와 유로 형상 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 새로운 바이폴라 플레이트로 연료 공급 및 집전체 역할을 하는 직접 메탄올 연료전지의 바이폴라 플레이트 유로를 기존 일자형이 아닌 분산형 구조를 사용하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조 및 유로 형상에 관한 것이다.

본 발명은 바이폴라 플레이트에서의 유체 흐름 저항 감소 및 유체와 전극 촉매와의 직접 반응 영역을 증가시켜 줌으로서 연료전지 셀의 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조 및 유로 형상, 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지{Construction and Flow Field Type of Bipolar Plate for Direct Methanol Fuel Cell}

도 1은 실시예로 제작한 바이폴라 플레이트의 개략도

도 2는 비교예로 제작한 바이폴라 플레이트의 개략도

도 3은 실시예와 비교예에 의해 제조된 연료전지 단위셀의 연료 공급 2일 경과 후 30℃에서의 셀 성능을 비교한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 바이폴라 플레이트 2: 주입구

3: 배출구 4: 분산용 배플

5: 도트형 탭 6: 유로

7: 고정용 홀

본 발명은 직접 메탄올 연료전지의 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 직접 메탄올 연료전지 바이폴라 플레이트의 연료 공급을 원활하게 하고 공급된 연료의 분산을 향상시킬 뿐만 아니라 연료와 촉매층간의 반응 영역을 증가시켜 줌으로서 연료전지 셀 성능을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 구조와 유로 형상 및 이를 포함하는 직접 메탄올 연료전지에 관한 것이다.

최근 정보통신 기술의 급속한 발달로 다양한 제품들이 개발되면서 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 개인휴대단말기(PDA), 디지털 카메라, 캠코더 등 휴대용 전자 기기 관련 기술의 급격한 성장이 이루어지고 있다.

이러한 휴대용 전자 기기 관련 기술의 발전은 보다 더 많은 정보를 요구하는 소비자의 기호를 충족시켜 주고자 휴대용 전자 기기의 고기능화로 나타나고 있다.

그러나 이들의 고기능화는 많은 에너지 소모로 장시간 연속 사용이 제약을 받게 되어 결과적으로 이들에게 에너지를 공급해주는 장치가 전자기기 제품의 성능을 좌우하는 핵심 기술 요소가 되고 있다. 이러한 기술적 요구는 미국, 일본 등 많은 선진국들에서 연료전지 관련 기술에 대하여 더욱 활발히 연구, 개발하게 하는 원동력이 되고 있다.

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환해주는 장치로 연료극에서는 연료의 산화 반응이, 산소극에서는 산소의 환원 반응이 일어난다. 연료 전지의 기본 구조는 촉매를 담지한 연료극, 산소극 그리고 두 전극 사이에 전해질 막을 넣고 제조된 막/전극 접합체 및 막/전극 접합체의 양면에 위치한 바이폴라 플레이트 로 구성되어 있다. 막/전극 접합체에서 전극은 탄소 종이나 탄소 천 위에 백금 촉매를 도포하여 촉매를 통한 연료의 산화, 환원 반응을 직접 유도하고, 전해질 막은 촉매 작용에 따라 연료극에서 산소극까지 수소이온을 전달해주는 역할과 연료가 산소와 직접 섞이지 않도록 하는 격막 역할을 담당한다.

또한 바이폴라 플레이트는 상기 막/전극 접합체를 지지하고, 연료로 공급되는 메탄올 및 산소를 각각 음극과 양극으로 공급 및 배출하며, 양극에서 생성된 물을 배출하는 역할을 함과 동시에, 음극에서 생성된 전자를 양극으로 유도하는 집전체 역할을 담당한다.

현재 직접 메탄올 연료전지의 바이폴라 플레이트는 스테인레스 등의 금속이나 부식 및 무게를 개선한 흑연블록(graphite block) 등이 주로 사용되며 유로 형상은 주로 일자형(serpentine type) 구조를 사용하고 있다. 그러나, 일자형 유로 구조는 연료 공급시 유체의 흐름 저항을 증가시켜 유체의 원활한 공급이 불리해져 전극 활성 반응을 저해하게 되므로 연료전지 셀 성능을 저하시킬 수 있다. 따라서 이러한 유체 흐름 저항을 개선하여 향상된 셀 성능을 얻기 위해서 새로운 형태의 유로 형상 및 구조를 갖는 바이폴라 플레이트에 대한 연구 및 개발이 요구된다.

한편, 본 발명과 관련된 연료전지용 유로에 관한 종래 기술로써 일자형(serpentine type) 유로를 갖는 바이폴라 플레이트에 대한 미국 특허(제 4,988,583호, 제 5,521,018호 및 제 6,358,642호)와 연구결과(Journal of Power Sources 114 (2003) 54, Atul Kumar, R.G. Reddy)등이 발표되었다. 그러나, 이들은 일자형(serpentine type) 유로 구조를 기본으로 한 연료 공급 형태로서 연료 공급시 유체 흐름 저항 증가를 피할 수 없게 되고 그로 인해 연료의 원활한 공급이 불리해져 연료전지 셀 성능이 감소하는 현상이 나타났다. 따라서 연료전지 성능 향상을 위한 바이폴라 플레이트의 구조 및 유로 형상에 대한 연구 및 개발이 절실히 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 직접 메탄올 연료전지의 바이폴라 플레이트의 연료 공급을 원활하게 하고 공급된 연료의 분산 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 연료와 촉매층간의 반응 영역을 증가시켜 줌으로서 연료전지 셀 성능을 향상시키고자 함에 있다.

본 발명에서 직접 메탄올 연료전지의 기본 구성은 촉매를 담지한 양극, 음극 그리고 두 전극 사이에 전해질 막을 넣고 제조된 막/전극 접합체 및 막/전극 접합체의 양면에 위치한 바이폴라 플레이트로 구성된다.

본 발명을 위하여 새로이 도입된 바이폴라 플레이트(1)는 새로운 형태의 연료 공급 구조와 유체의 최적 분산을 위한 유로 형태를 갖도록 제조하였다. 바이폴라 플레이트의 유체 입구 및 출구는 동일한 형상으로 제조하며 유체가 전극에 고르게 분산될 수 있도록 유체 주입구(2)에 삼각형 모양의 배플(baffle)(4)을 설치하여 전극의 일정 부분마다 동일한 양의 유체가 흐르면서 분산될 수 있는 구조로 설계하였다. 또한 유체 주입구 중앙에 설치한 배플은 유체가 중앙의 일직선상으로 흐르는 채널링(channelling) 현상을 억제하도록 하기 위하여 설치하였다. 따라서 유체는 주입구를 통하여 주입된 후 각각의 삼각형 모양의 배플을 통과하면서 전극에 전개될 때 일정한 양이 흐르도록 설계되었고, 또한 삼각형 모양의 배플을 통과한 유체는 전극에 전개되면서 유체 흐름의 더욱 효율적인 분산과 분포를 위하여 기존의 일자형(serpentine type) 유로가 아닌 분산형의 도트형(dot type) 탭(5)을 설치하였다. 도트형 탭은 유체가 유입되어 충돌시 유체의 흐름을 이분하게 되고 주입구에서 배출구(3)까지 지속적인 유체의 이분은 전극내에서 유체의 고른 분산 분포를 얻게 한다. 이들 도트형 탭의 크기는 직경이 0.5∼5mm로 제작하였으며, 각각의 도트형 탭간의 간격은 유체의 흐름을 효과적으로 분산시킬 수 있도록 0.5∼10mm로 제작하였다. 또한 이들 도트형 탭은 기존 일자형 유로의 꺾임부분에서 형성되는 흐름 저항으로 인한 유체의 정체 현상 및 그로 인한 효율적인 전극 반응을 방해하는 문제를 개선하도록 유체의 흐름 저항이 최소화되도록 제작하였다. 그러나 이러한 도트형 탭은 본 발명의 바람직한 실시를 위해 가능한 형상을 예시한 것일 뿐, 도트형, 마름모형, 사각형, 원뿔형, 역삼각형 등 동일한 효과를 발생시키는 유로를 형성하는 한, 반드시 상기 도트형 탭으로 한정을 요하는 것은 아니다.

상기에서 설명하였듯이, 유체 배출구(3)도 주입구와 동일하게 삼각형 모양의 배플을 통과한 후 배출구를 통하여 유체가 배출되도록 제작하였으며 단지 그 위치만 서로 대칭되도록 제작하였다.

본 발명에 사용한 바이폴라 플레이트는 집전판으로서의 역할도 담당하므로 전기 전도성 및 내식성이 우수한 카본 플레이트로 제작하지만 이는 본 발명의 바람 직한 실시를 위해 가능한 재질을 예시한 것일 뿐 티타늄, 스테인레스, 황동, 은 등 동일한 요구 성능이 만족되는 한, 반드시 상기 예로 한정을 요하는 것은 아니다.

본 발명에 사용한 백금 촉매는 백금 블랙 촉매, 바람직하기로는 탄소에 60％ 미만 담지된 백금 촉매, 더 바람직하기로는 탄소에 40％ 미만 담지된 백금 촉매, 보다 바람직하기로는 탄소에 20％ 미만 담지된 백금 촉매를 사용할 수 있다. 본 발명에 사용한 백금 촉매의 촉매독 방지를 위한 촉매는 루테늄(Ru)을 포함하는 1/1 백금/루테늄(Ru) 촉매를 사용할 수 있다. 대표적인 상품명으로는 E-TEK, VULCAN, KETJEN 등이 있다.

본 발명에 사용한 기체 확산층(Gas Diffusion Layer)은 전기 전도성이며 유체 흐름이 원활한 탄소 화이바(Carbon fiber)를 사용할 수 있고, 바람직하기로는 탄소 천(Carbon cloth)이나 탄소 종이(Carbon paper)를 사용할 수 있으며 대표적인 상품으로는 Toray Carbon Paper(Toray사)가 있다. 본 발명에 사용한 기체 확산층은 사용에 앞서 유체 흐름을 원활하게 해주기 위해 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 같은 소수성 층(hydrophobic layer)을 코팅하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 전극은 상기 백금 촉매(70∼99중량％)를 나피온 바인더(1∼30중량％)와 혼합하여 분산 용매(DMAc)에 분산시킨 후 탄소 화이바에 도포하여 제조하였다.

본 발명에 사용한 고분자 전해질 막은 산성 과불화 고분자 또는 그 염이며, 대표적인 상품으로는 나피온(Nafion, DuPont), 플레미온(Flemion, Asahi), 아시플렉스(Aciplex, Asahi), 다우(Dow, Dow Chemical) 등을 사용할 수 있다. 이들 고분 자들은 주사슬이 불화수소계열 고분자로 이루어져 있어서 기계적 물성, 열적 안정성, 내화학성 등이 우수하다. 곁사슬도 불화수소계열 고분자로 이루어져 있으며 사슬 말단에는 술폰산기(sulfonic acid group)를 포함하고 있다. 본 발명에 사용한 고분자 전해질 막의 당량은 1200(mg/Eq) 또는 그 미만이고 바람직하기로는 1100(mg/Eq) 또는 그 미만이다. 본 발명에 사용한 고분자 전해질 막의 두께는 무가습 상태에서 50㎛ 또는 그 미만이며 바람직하기로는 130㎛ 또는 그 미만이며 가장 바람직하기로는 180㎛ 또는 그 미만이다.

본 발명에서 직접 메탄올 연료전지를 위한 막/전극 접합체는 상기 고분자 전해질 막을 사이에 두고 상기 전극을 양쪽에 마주보게 하여 고정한 후 프레스로 일정온도와 압력 및 일정시간으로 열 가압하여 제조하였다. 본 발명에서 열 가압 프레스의 온도는 150℃ 또는 그 미만이며, 바람직하기로는 130℃ 또는 그 미만이며, 가장 바람직하기로는 110℃ 또는 그 미만으로 적용할 수 있다. 본 발명에서 열 가압 프레스의 압력은 2000psi 또는 그 미만이며, 바람직하기로는 1000psi 또는 그 미만이며, 가장 바람직하기로는 800psi 또는 그 미만으로 적용할 수 있다. 본 발명에서 열 가압 프레스의 가압 시간은 10분 또는 그 미만이며, 바람직하기로는 5분 또는 그 미만이며, 가장 바람직하기로는 3분 또는 그 미만이다.

본 발명의 보다 확실한 이해를 돕기 위해 상기 제조 단계가 보다 구체화된 바람직한 실시예를 통해, 본 발명에서 제시한 새로운 바이폴라 플레이트를 도입한 연료전지의 구성 및 조립에 관한 내용을 상세히 설명하기로 한다. 다만 이들 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시되는 것일 뿐 본 발명의 권리 범위가 이 들 실시예에 한정되어지는 것으로 해석되어서는 아니된다.

<실시예 1> 양극 촉매 잉크 제조

백금 촉매(E-TEK)는 양극의 일례로 백금 블랙 촉매를 사용하였으며, 이들을 전극 바인더인 나피온 용액 5중량％와 혼합하여 전극 바인더의 함량이 5중량％가 되도록 하였다. 이들을 물과 알코올의 혼합 용액에 넣고 교반하여 분산시킨 후 촉매 잉크를 제조하였다.

<실시예 2> 음극 촉매 잉크 제조

백금 촉매(E-TEK)는 음극의 일례로서 백금/루테늄(1/1) 혼합 촉매를 사용하였으며, 이들을 전극 바인더인 나피온 용액 5중량％에 혼합하여 전극 바인더의 함량이 15중량％가 되도록 하였다. 이들을 물과 알코올의 혼합 용액에 넣고 교반하여 분산시킨 후 촉매 잉크를 제조하였다.

<실시예 3> 양극 제조

상기 실시예1로 제조된 촉매 잉크를 PTFE가 처리된 탄소 종이(Carbon paper) 위에 0.1∼5mg/cm²의 양으로 도포한다. 촉매가 도포된 탄소 종이를 오븐에 넣고 50∼80℃에서 1∼10분 동안 건조하여 양극을 제조하였다.

<실시예 4> 음극 제조

상기 실시예2로 제조된 촉매 잉크를 PTFE가 처리된 탄소 종이 위에 0.1∼5 mg/cm²의 양으로 도포한다. 촉매가 도포된 탄소 종이를 오븐에 넣고 50∼80℃에서 1∼10분 동안 건조하여 음극을 제조하였다.

<실시예 5> 막/전극 접합체 제조

상기 실시예 3과 실시예 4로 준비한 양극과 음극 전극 사이에 나피온 고분자 전해질 막을 놓고 열가압 프레스를 통하여 막/전극 접합체를 제조하였다. 이 때 열가압 프레스의 온도는 100∼150℃에서 800∼2,000psi로 가압한 상태에서 1∼10분간 유지하였다.

<실시예 6> 막/전극 접합체와 새로운 형태의 바이폴라 플레이트 체결을 통한 단위 연료전지 조립

상기 실시예 5로 준비한 막/전극 접합체 양면에 각각 도 1과 같이 제작한 바이폴라 플레이트를 체결하여 단위 연료전지를 구성한다.

<비교예> 막/전극 접합체와 기존 바이폴라 플레이트 체결을 통한 단위 연료전지 조립

상기 실시예 5로 준비한 막/전극 접합체 양면에 각각 도 2와 같이 제작한 기 존의 일자형(serpentine type) 유로를 갖는 바이폴라 플레이트를 체결하여 단위 연료전지를 구성한다.

<시험예> 막/전극 접합체의 성능 시험

상기 실시예 6과 같이 새로운 형태의 바이폴라 플레이트가 도입된 연료전지와 상기 비교예 1과 같이 기존 바이폴라 플레이트가 도입된 연료전지의 단위 셀 성능을 측정하기 위하여 연료 공급 2일 경과 후에 방전기(Electric Load)로 방전하여 전류밀도에 따른 전압의 변화를 측정하고 그 결과를 도 3에 나타내었다. 이 때 셀 운용 조건은 30℃이었으며, 메탄올(농도 0.1∼10M) 공급량은 0.3∼10cc/min, 산소 또는 공기 공급량은 100∼1000cc/min으로 유지하도록 운전하였다.

도 3에서 알 수 있듯이 본 발명의 바이폴라 플레이트가 도입된 연료전지가 기존 바이폴라 플레이트가 도입된 연료전지에 비해 그 특성이 우수함을 알 수 있었다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명에서 새로이 개발된 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트를 도입하여 연료전지에 연료 공급을 원활하게 하고 공급된 연료의 분산 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 연료의 흐름 저항을 감소시켜 연료와 촉매층간의 반응 영역을 증가시켜 줌으로써 연료전지 단위셀 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims

바이폴라 플레이트를 포함하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서, 바이폴라 플레이트의 유입 및 출구의 구조는 삼각형 모양의 배플을 설치하여 유체의 흐름을 고르게 분산시킬 수 있도록 함을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트.
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바이폴라 플레이트를 포함하는 직접 메탄올 연료전지에 있어서, 바이폴라 플레이트 유입 및 출구의 삼각형 모양의 배플에서 전극에 전개되는 유로가 분산형 구조인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제 4항에 있어서, 분산형 구조의 유로는 도트형, 마름모형, 사각형, 원뿔형 또는 역삼각형 중에서 선택된 어느 하나의 형태를 탭으로 구성하는 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제5항에 있어서, 분산형 구조의 유로가 도트형 탭인 바이폴라 플레이트의 탭의 크기는 직경이 0.5∼5mm, 높이는 0.01∼10mm임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트
제5항에 있어서, 분산형 구조의 유로가 도트형 탭인 바이폴라 플레이트의 탭간의 간격은 0.5∼10mm임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트
제 4항에 있어서, 바이폴라 플레이트의 재질은 집전판으로서의 역할을 포함하기 위하여 전기 전도성 및 내식성이 우수한 재질임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제4항에 있어서, 바이폴라 플레이트의 재질은 흑연 블록, 티타늄, 스테인레스, 황동 또는 은 중에서 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트.