KR100728059B1 - 연료전지용 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트 및 이를이용한 고체 고분자 전해질 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 수지와 도전성 재료의 혼합물을 포함하는 고분자 복합재료로 구성된 기판과 그 기판의 양면을 기준으로 에칭층, 니켈(Ni)코팅층, 팔라듐-니켈(Pd-Ni)코팅층이 쌍으로 존재하여 이루어지는 바이폴라플레이트 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것으로, 이와 같은 바이폴라플레이트를 이용한 연료전지는 연료전지의 경량·고성능화로 제조비용절감, 제조공정과 취급의 용이성 및 가스 침투율을 제거하여 저가이면서 고성능의 효과를 갖는다.

바이폴라플레이트, 연료전지, 전해질, 고분자

Description

연료전지용 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트 및 이를 이용한 고체 고분자 전해질 연료전지{COATED POLYMER COMPOSITE BIPOLARPLATE FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL}

제 1도는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트를 사용한 연료 전지의 개략도.

제 2도는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트 코팅구조를 도시한 개략도.

제 3도는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트의 유로를 도시한 단면도.

제 4도는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트의 제조공정을 도시한 공정도.

제 5도는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트를 사용한 연료 전지의 성능을 도시한 그래프.

* 도면의 주요부호에 대한 설명 *

1 : 바이폴라플레이트(분리판) 2 : 밀봉부(gasket)

3 : 수소측 백금촉매 4 : 산소측 백금촉매

5 : 고분자 전해질막(멤브레인) 7 : 유로

8 : 기판(matrix)층 9 : 에칭층

10 : 니켈(Ni) 코팅층 11 : 팔라듐-니켈(Pd-Ni) 코팅층

본 발명은 열가소성 수지와 도전성 재료의 혼합물을 포함하는 고분자 복합재료로 구성된 기판과 그 기판의 양면을 기준으로 에칭층, 니켈(Ni)코팅층, 팔라듐-니켈(Pd-Ni)코팅층이 쌍으로 존재하여 이루어지는 바이폴라플레이트 및 이를 이용한 연료전지에 관한 것으로, 이와 같은 바이폴라플레이트를 이용한 연료전지는 연료전지의 경량·고성능화로 제조비용절감, 제조공정과 취급의 용이성 및 가스 침투율을 제거하여 저가이면서 고성능의 효과를 갖는다.

고체 고분자 전해질형 연료전지는 고분자 막을 전해질로 사용하여, 누수의 염려가 없고, 충격 흡수가 가능하며, 작동온도가 약 80℃의 상온이므로 별도의 예열기가 필요하지 않다. 그러나, 연료전지의 백금촉매 전극, 전해질 이온교환막, 바이폴라플레이트 등 주요소의 재료 원가 및 제조 공정비가 고가이고, 양산화를 위한 제조공정이 개발되지 않아 제작이 용이하지 않을 뿐만 아니라 제조원가도 높아 대량생산이 어렵고, 특히 연료전지의 상용화를 위해 내충격성, 낮은 작동온도, 안전성, 경량화, 경제성 등을 갖춘 고효율의 연료전지를 개발하여 각 부품의 경량화를 통해 부피가 작고, 경량인 고성능의 연료전지가 필요하며, 이에 따른 각 재료 및 제조 공정의 개발을 통해 제조원가를 낮추어야 한다.

종래 연료전지의 바이폴라플레이트는 다공성 그라파이트(graphite)를 페놀 수지에 함침하여 플레이트를 제작하고, 수소와 산소 가스의 흐름을 유도하기 위한 유로는 기계 가공하였다. 그러나, 그라파이트 플레이트의 경우 기계적 강도가 낮고, 수소 가스 침투성이 높으며, 유로 가공이 어렵고, 연료전지 운전시 깨지기 쉽고, 단위 무게당의 효율을 높이기가 어려워 연료전지 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 그라파이트로 제작된 바이폴라플레이트의 단점인 높은 재료 원가 및 제조 공정 비용, 가스 침투성, 취급의 어려움 등을 해결하면서 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 바이폴라플레이트의 제공을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 다음과 같은 구성에 의해 달성되는 것으로,

열가소성 수지와 도전성 재료의 혼합물을 포함하는 고분자 복합재료로 구성된 기판과 그 기판의 양면을 기준으로 에칭층, 니켈(Ni)코팅층, 팔라듐-니켈(Pd-Ni)코팅층이 쌍으로 존재하여 이루어지는 연료전지용 도전성 재료 코팅 바 이폴라플레이트와, 이를 이용한 고체 고분자 전해질 연료전지를 그 주요 구성으로 한다.

이상의 구성을 도면을 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

이하, 상기한 구성을 도면을 통해 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

이에 앞서 도면을 간략히 살펴보면, 도 1은 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트를 사용한 연료 전지를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트 코팅구조를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트의 유로를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트의 제조공정을 도시한 공정도이고, 도 5는 본 발명에 따른 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트를 사용한 연료 전지의 성능을 도시한 그래프이다.

도 1을 살펴보면, 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트를 사용한 연료 전지로써, 밀봉부(2)에 포함되는 수소측 백금촉매(3)(수소측 전극: 산화극)와 산소측 백금촉매(4)(산소측 전극: 환원극)의 사이에 위치하는 이온 전도성 고분자 막(3)을 전해질로 하여, 바이폴라플레이트(1)를 통해, 연료가스로서 수소(H₂)를 공급하고 산화가스로서 산소(O₂)를 공급하여 전기화학반응으로 전기를 발생시키는 에너지 변환 시스템으로 청정 동력원이다.

본 발명의 바이폴라플레이트(1)는 종래 사용되던 수지가 함침된 그라파이트 재질과는 전혀 다른 물질로서, 그라파이트보다 물리적 특성 및 성형성이 우수한 고분자 복합재료(polymer composite)를 기판(8)으로 사용하고,

상기 바이폴라플레이트(1)의 코팅구조는 도 2에 나타낸 바와 같이, 매트릭스(matrix)로서 고분자 복합재료로 이루어진 기판(8)의 양면에 쌍으로 존재하는 에칭층, 니켈 코팅층, 팔라듐-니켈코팅층을 포함한다.

상기 고분자 복합재료에 사용되는 매트릭스는 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체를 사용하며, 도 3에 도시된 바와 같은 플레이트 유로 가공은 기계 가공뿐만 아니라 압축성형, 사출성형, 압출성형 또는 스템핑 중 선택되는 어느 1종의 방법으로 성형을 통한 유로(7) 가공이 가능하므로 경제성 및 양산성이 우수하다.

상기 열가소성 고분자 소재들은, 연료전지에 사용되는 플레이트의 물리적?화학적 특성을 향상시키기 위해 단일 또는 두 종류 이상 블렌드하여 사용할 수 있으며, 바람직하게는 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌의 4:6 블렌드를 사용한다. 또한, 통상의 보강재 또는 충진재를 포함하여 플레이트 고유 특성을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에서는 바이폴라플레이트(1)의 전기전도도를 향상시키기 위해 카본블랙, 금속분말 등 도전성 재료를 혼합하여 사용한다. 상기 도전성 재료의 사용량은 상기 고분자 수지를 기준으로 30 내지 70 중량% 범위이다.

본 발명에 따르면, 상기 고분자 복합재료 소재의 성형된 기판(8)상에 플레이트의 표면 전기전도도를 증가시키기 위해 Pd 및 Pd/Ni 등과 같은 도전성 금속을 사용하여 도전성 금속층을 코팅하여 바이폴라플레이트(1)를 제조하게 되며, 구체적인 공정은 다음과 같다.

단일 또는 블렌드된 고분자 수지에 도전성 재료를 40중량% 첨가하여 복합 재료를 만든 다음 몰드를 이용하여 플레이트를 성형한다. 성형은 통상의 사출성형에 의해 수행하였으며, 기판(8)의 두께는 2 내지 3 mm 범위이다. 성형된 제품에 대해서 외관형태, 유로 형상, 기포 등을 검사한 후 전기전도도를 높이기 위해 성형품에 도전성 금속을 코팅한다. 바람직하게는 플레이트의 표면 코팅은 유로가 성형되어진 플레이트의 표면을 에칭 공정 등을 이용하여 미세한 다공성 표면으로 만든 다음 다공성 표면 전체에 밀착성이 좋은 금속을 박막 형태로 코팅하여 전도성을 부여한다. 전기전도성, 열전도성을 보강하기 위해 추가로 금속 피막을 코팅할 수도 있으며, 내열성, 내약품성, 내식성이 우수한 금속을 이용하여 최종적으로 금속 피막을 형성시켜 부식에 따른 영향을 최소화시킬 수 있다.

상기 도전성 코팅은 도 4에 도시된 바와 같이,

니켈 코팅층은 5㎛이고, 열팽창 계수의 차이가 작은 두 물질을 사용하여 열팽창률 차이에 의해 생기는 틈을 줄여주기 위해 팔라듐-니켈코팅층은 0.5 ~ 1㎛의 두께를 가지며, 이와 같은 니켈 코팅 및 팔라듐-니켈 코팅의 과정을 다음과 같다.

먼저, 기판을 70 ~ 90℃에서 초음파세척을 하는 단계,

이와 같이 초음파 세척된 기판을 75 ~ 85℃, 0.1A/㎠의 조건에서 일렉트로 클리닝한 후 활성화(R.T)하는 단계;

니켈(Ni)금속이 활성화를 띄는 조건에서 50 ~ 60℃, 50㎃/㎠에서 니켈(Ni)전기 도금하는 단계;

니켈 전기도금을 한 후에 7:3비율을 갖는 팔라듐-니켈(Pd-Ni)도금을 통해, 니켈코팅층 5㎛와 팔라듐-니켈(Pd-Ni) 코팅층 0.5~1㎛의 두께로 코팅한다.

이는 구동시 열팽창 계수의 차이에 의해 코팅층이 파괴되는 것을 방지하기 위해 중가 코팅층을 사용해야 하기 때문에 니켈(Ni)을 도금한 후 팔라듐-니켈(Pd-Ni) 합금을 도금한다. 두께가 증가하면 전도성 및 효율을 저하시킨다.

이상과 같이, 본 발명에 따라 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 바이폴라플레이트는 경량이면서도 연료전지에 사용시 성능이 우수하고, 비용절감, 제조공정 및 취급의 용이성, 가스 침투율 제로 등의 이점이 있어 저가·고성능 연료전지 제작을 가능하게 한다.

이하, 본 발명의 한 실시 태양을 참고로 본 발명을 더욱 구체적으로 살펴보도록 한다.

실시 예

기재 수지로서 폴리카보네이트와 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌의 4:6블렌 드된 고분자 수지에 도전성 재료를 40 중량% 첨가하여 고분자 복합 재료를 준비하였다. 이 복합재료는 몰드를 이용하여 유로 깊이 1 mm, 폭 1 mm의 가스 유로를 성형함으로써, 표면에 도 3에 도시한 바와 같이, 유로가 형성된 두께 약 2 mm의 복합 고분자 재료 기판(8)을 제작하고,

도 2에 도시된 바와 같이 상기 성형된 기판(8)의 양면에 무전해법 또는 전해법으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 초음파세척(80℃) → Electro cleaning(80℃, 0.1A/㎠) → 활성화(R.T) → Ni전기도금(57℃, 50㎃/㎠) → Pd-Ni(7:3)도금 제조공정에 따른, 니켈 코팅층(10) 및 팔라듐-니켈 코팅층(11)을 각각 5㎛ 및 0.5~1㎛의 두께로 코팅한다.

상기와 같이 제작된 복합 고분자 재료 바이폴라플레이트의 연료전지 성능 결과는 도 5에 도시된 바와 같다.

본 발명에 따른 고분자 재료 바이폴라플레이트는 기존의 그라파이트 플레이트가 쉽게 깨지고, 가스침투율이 높은 것과는 달리, 유연성이 있고 단단하지 않아 취급이 용이하며, 연료전지를 조립에 있어 압력이 가해져도 쉽게 깨지지 않고 형태를 유지하며, 연료전지 제작 후 진동 등의 외부 환경에 쉽게 영향받지 않고 연료전지의 전극/전해질 접합체를 보호하는 기능이 우수함을 알 수 있고,

또한, 상기와 같이 제작된 바이폴라플레이트 두 장 사이에 고체 고분자 전해질 막으로서 나피온(듀퐁사 제품)을 이용하여, 전극(E-Tek사 제품)과 고온 가압성형하여 전극/전해질 접합체를 얻으며, 연료전지 성능시험을 수행하였다.

고분자 재료 바이폴라플레이트를 이용한 연료전지 성능평가는 25 ㎠의 단위 전지를 제작하여 실시하였다. 단위전지의 성능평가는 전극/전해질 접합체를 이용하여 단위전지를 제작하여 셀 온도 80℃에서 수소측과 산소측의 가스 압력을 1 기압으로 유지하여 실시하였다.

이와 같이, 본 발명에 따른 고분자 복합재 바이폴라플레이트가 단위 중량에 대한 성능이 우수하며, 물리적 특성이 우수하면서 전도도를 유지할 수 있는 장점으로부터 본 발명의 바이폴라플레이트를 이용한 연료전지는 그 성능이 매우 우수함을 알 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따라 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합하여, 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 바이폴라플레이트는 경량·고성능화로, 비용 절감, 제조공정 및 취급의 용이성 및 가스 침투율 제로를 통한 저가·고성능 연료전지의 제공효과를 갖는다.

Claims (8)

1. 열가소성 고분자 수지와 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 이루어지고, 가스 유로(7)가 성형된 기판(8)과 그 기판(8)의 양면에 무전해법 또는 전해법으로 에칭층(9), 니켈 코팅층(10), 팔라듐-니켈코팅층(11)이 쌍으로 이루는 것에 있어서,

   상기 니켈 코팅층(10) 및 팔라듐-니켈 코팅층(11)은 기판을 70 ~ 90℃에서 초음파세척하고, 이와 같이 초음파 세척된 기판을 75 ~ 85℃, 0.1A/㎠의 조건에서 일렉트로 클리닝한 후 활성화(R.T)하고, 니켈(Ni)금속이 활성화를 띠는 조건에서 50 ~ 60℃, 50㎃/㎠에서 니켈(Ni)전기 도금을 하고, 그 니켈 전기도금을 한 후에 7:3비율을 갖는 팔라듐-니켈(Pd-Ni)도금을 통해, 니켈코팅층 5㎛와 팔라듐-니켈(Pd-Ni) 코팅층이 0.5~1㎛의 두께로 코팅됨을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료전지용 도전성 재료 코팅 바이폴라플레이트.
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