KR100805989B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택 - Google Patents

연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지용 스택에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은, 입경 0.01~50㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 팽창흑연으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스비투과층; 및 상기 가스비투과층의 일면 또는 양면에 유로 패턴을 갖도록 형성되며, 입경 100~300㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 카본블랙으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스투과층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 가스투과도가 낮아 분리판을 통한 반응 가스의 이동을 방지하고, 막-전극 접합체의 유효반응 면적을 극대화하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.
연료 전지, 분리판, 가스투과층, 가스비투과층

Description

연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택{Separator for fuel cell and stack for fuel cell comprising the same}
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 측단면도이다.
도 2는 본 발명의 연료전지용 분리판을 통해 반응 가스가 막-전극 접합체로 이동하는 경로를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 스택을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
110...가스비투과층 120...가스투과층
130...유로
본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지용 스택에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스투과도가 낮고 막-전극 접합체의 유효반응 면적을 증가시켜 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료전지용 스택에 관한 것이다.
연료전지는 수소 또는 탄화수소 계열 연료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 발전 시스템으로, 연료를 연소시키지 않고 전기화학 반응을 통해 직접 에너지를 얻으므로 발전 효율이 높고 공해가 적어 실용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 연료전지는 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 구성된다. 또한, 상기 스택은 막-전극 접합체와 분리판(separator)이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막-전극 접합체는 연료의 산화 및 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 생성한다.
분리판은 막-전극 접합체에서 생성된 전자를 모으는 집전체로서의 기능을 하고, 연료 공급부 및 산화제 공급부로부터 전달된 연료 및 산화제를 막-전극 접합체로 전달하고 부산물을 배출하며, 각각의 막-전극 접합체를 분리하여 연료와 산화제가 직접적으로 만나는 것을 방지하는 기능을 한다. 따라서, 분리판은 전기전도도가 우수하고 가스투과도가 낮아야 한다. 이와 같은 물성을 만족하는 재료로서 스테인레스, 알루미늄과 같은 금속, 흑연 또는 흑연과 고분자의 복합재료가 주로 사용되는데, 그 중에서도 흑연과 고분자의 복합재료는 산성전해질에서 부식의 문제가 없으며 가공비가 적게 들고 대량 생산에 적합하여 가장 폭넓게 활용되고 있다. 다만, 흑연과 고분자 수지의 복합재료를 이용한 분리판은 수소 및 산소와 같은 반응 가스의 투과도가 높아 이를 보완하는 것이 성능 향상을 위한 가장 중요한 과제 중의 하나로 여겨지고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전기전도도, 가스투과도 및 기계적 강도가 우수하고 제조 단가가 저렴한 연료전지용 분리판 및 이를 포함하여 이루어지는 연료전지용 스택을 제공하는데 있다.
전술한 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 입경 0.01~50㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 팽창흑연으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스비투과층; 및 상기 가스비투과층의 일면 또는 양면에 유로 패턴을 갖도록 형성되며, 입경 100~300㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 카본블랙으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스투과층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
상기 가스비투과층 및 가스투과층에 포함되는 바인더로는 서로 독립적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 페놀수지, 에폭시수지 또는 폴리비닐에스테르가 대표적으로 사용될 수 있다. 한편, 상기 가스비투과층에서의 도전재 및 바인더의 함량은 각각 70~90wt%, 10~30wt%이 바람직하며, 상기 가스투과층에서의 도전재 및 바인더의 함량은 각각 70~90wt%, 10~30wt%이 바람직하다. 또 한, 상기 가스투과층 또는 가스비투과층은 카본섬유, 바늘상 흑연재료, 금속 섬유, 천연섬유 또는 고분자 섬유와 같은 보강재를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 본 발명의 연료전지용 분리판을 포함하여 이루어지는 연료전지용 스택을 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 측단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 연료전지용 분리판은 분리판을 통한 반응 가스의 이동을 방지하기 위해 구비되는 가스비투과층(110)과 막-전극 접합체의 유효반응 면적을 증대시키기 위해 구비되는 가스투과층(120)을 포함하여 이루어진다. 본 실시예에서는 가스비투과층(110)의 양면에 가스투과층(120)이 형성되나, 가스비투과층(110)의 일면에만 가스투과층(120)이 형성되는 것도 가능하며, 이 경우 각각의 막-전극 접합체의 사이에 두 개의 분리판을 삽입하여 스텍을 형성할 수 있다.
상기 가스비투과층(110)은 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는데, 상기 도전재로는 천연흑연, 인조흑연 또는 팽창흑연이 사용될 수 있으며, 바인더로는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 페놀수지, 에폭시수지 또는 폴리비닐에스테르가 대표적으로 사용될 수 있다. 도전재의 입경은 0.01~50㎛인 것이 바람직한데, 한편, 가스비투과층(110)에 있어서, 도전재의 입경이 상기 상한을 초과하는 경우는 가스투과성이 높아져 가스비투과층으로서의 기능을 할 수 없고, 상기 하한에 미달하는 경우는 전기전도성이 지나치게 낮아져 바람직하지 못하다. 도전재 및 바인더의 함량은 전기전도성 및 기계적 강도를 고려할 때 각각 70~90wt%, 10~30wt%인 것이 바람직하다.
상기 가스투과층(120)에는 유로(130)가 형성되며, 가스투과층(120)은 반응 가스가 통과할 수 있도록 다공성으로 형성된다. 본 발명의 연료전지용 분리판을 통해 반응 가스가 막-전극 접합체로 이동하는 경로를 모식적으로 나타낸 도 2에 도시된 바와 같이, 가스투과층(120)을 이와 같이 형성하므로써 반응가스를 유로(130)를 통해서(화살표 A) 뿐만 아니라 가스투과층(120)의 유로가 형성되지 않은 부분을 통해서도(화살표 B) 막-전극 접합체(140)로 전달될 수 있으며, 이를 통해 막-전극 접합체(140)의 유효반응 면적을 극대화시킬 수 있다.
이와 같이 가스투과층(120)은 가스비투과층(110)과 달리 반응 가스가 통과할 수 있도록 형성되어야 하므로, 기공도를 고려하여 입경 100~300㎛의 천연흑연, 인조흑연 또는 카본블랙이 도전재로 사용된다. 도전재의 입경이 상기 수치 범위의 상한을 초과하면 가스투과성이 지나치게 높아지며, 상기 하한에 미달하면 충분한 전기전도성을 갖지 못하여 바람직하지 않다. 바인더로는 가스비투과층(110)에서와 마찬가지로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 페놀수지, 에폭시수지 또는 폴리비닐에스테르가 대표적으로 사용될 수 있다. 한편, 가스투과층(120)에 있어서, 도전재 및 바인더의 함량은 전기전도성 및 기계적 강도를 고려할 때 각각 70~90wt%, 10~30wt%인 것이 바람직하다.
또한, 상기 가스비투과층(110)과 가스투과층(120)은 도전재 및 바인더 외에 기계적 강도 향상을 위해 카본섬유, 바늘상 흑연재료, 금속 섬유, 천연섬유 또는 고분자 섬유와 같은 보강재를 더 포함하여 이루어질 수 있다.(질문: 보강재와 관련한 상기 문단은 발명자님께서 제안하신 "
다음으로, 전술한 바와 같은 연료전지용 분리판을 포함하여 이루어지는 본 발명의 연료전지용 스택에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 스택을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 연료전지용 스택(300)은 최외곽에 앤드 플레이트(370)가 위치하며, 그 사이로 막-전극 접합체(310)와 분리판(330a, 330b)이 순차적으로 적층되는 구조를 갖는다.
막-전극 접합체(310)는 연료의 산화 반응과 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 발생시키는 부분으로 전해질 막(311), 전해질 막의 양면에 위치하는 애노드 촉매층(313) 및 캐소드 촉매층(315), 그리고 애노드 촉매층(313) 및 캐소드 촉매층(315)에 접하며 형성되는 가스확산층(gas diffusion layer)(317a, 317b)을 포함하여 이루어진다.
상기 막-전극 접합체(310)에 있어서, 상기 애노드 촉매층(313)은 연료의 산화 반응이 일어나는 곳으로, 연료전지의 애노드 촉매층에 통상적으로 사용되는 촉매가 모두 사용될 수 있다. 주로 백금계 촉매가 사용되며, 백금계 촉매의 대표적 예로 백금, 루테늄, 오스뮴, 백금-루테늄 합금, 백금-오스뮴 합금, 백금-팔라듐 합금 또는 백금-전이금속 합금 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 2종 이상을 혼합하여 사용될 수 있다. 한편, 상기 백금-전이금속 합금에서의 전이금속은, Ga, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나의 원소로 이루어진 단일금속 또는 둘 이상으로 이루어진 전이금속합금을 나타낸다.
상기 캐소드 촉매층(315)은 산화제의 환원 반응이 일어나는 곳으로, 연료전지의 캐소드 촉매층에 통상적으로 사용되는 촉매가 모두 사용될 수 있다. 캐소드 촉매층(315)에도 상기 애노드 촉매층(313)에서 사용되는 백금계 촉매들이 동일하게 사용될 수 있다.
상기 전해질 막(311)은 애노드 촉매층(313)에서 연료의 산화로 발생한 수소 이온을 캐소드 촉매층(315)으로 전달하고, 애노드 촉매층(313)과 캐소드 촉매층(315)을 분리하여 이들 사이에 연료 또는 산화제가 유입되는 것을 막는 기능을 하는 것으로, 연료전지의 전해질 막에 통상적으로 사용되는 이온 전달 물질들이 모두 사용될 수 있다. 대표적인 예로는 측쇄에 설폰산기, 카르복실산기, 인산기, 포스포닌산기 및 이들의 유도체 등의 이온 교환기를 갖고 있는 고분자 수지를 들 수 있으며, 이러한 고분자 수지로 플루오르계 고분자, 벤즈이미다졸계 고분자, 폴리이미드계 고분자, 폴리에테르이미드계 고분자, 폴리페닐렌설파이드계 고분자, 폴리술폰계 고분자, 폴리에테르술폰계 고분자, 폴리에테르케톤계 고분자, 폴리에테르-에테르케톤계 고분자 또는 폴리페닐퀴녹살린계 고분자 등이 사용될 수 있다.
상기 가스확산층(gas diffusion layer)(317a, 317b)은 분리판(330)으로부터 전달된 연료 또는 산화제를 애노드/캐소드 촉매층(313/315)으로 전달하는 기능을 하는 것으로, 가스확산층(317a, 317b)에 통상적으로 사용되는 도전성 기재가 모두 사용될 수 있다. 대표적인 예로 탄소 천(carbon cloth), 탄소 페이퍼(carbon paper) 및 탄소 펠트(carbon felt)를 들 수 있다.
상기 막-전극 접합체는 애노드/캐소드 촉매층(313/315)과 가스확산층(317a, 317b)에서의 연료 또는 산화제의 누출을 막기 위해 애노드/캐소드 촉매층(313/315) 및 가스확산층(317a, 317b)의 가장자리에 가스켓(350)을 더 구비할 수 있다. 다만, 이는 하나의 실시예에 불과할 뿐 이외의 다양한 방법으로 연료 또는 산화제의 누출을 방지할 수 있다.
상기 앤드 플레이트(370)는 스택의 최외곽에 위치하여 하나 또는 적층된 수 개의 전기발생부를 체결하며, 연료 및 산화제의 유입을 위한 유입구와 부산물의 배출을 위한 배출구를 구비한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 연료전지용 스택은 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부와 함께 연료전지를 구성한다.
이상에서 설명된 본 발명의 최적 실시예들이 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 당업자에게 본 발명을 상세히 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위해 사용된 것이 아니다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 가스투과도가 낮아 분리판을 통한 반응 가스의 이동을 방지하고, 막-전극 접합체의 유효반응 면적을 극대화하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 입경 0.01~50㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 팽창흑연으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스비투과층; 및
    상기 가스비투과층의 일면 또는 양면에 유로 패턴을 갖도록 형성되며, 입경 100~300㎛의 천연흑연, 인조흑연 및 카본블랙으로 이루어지는 군에서 선택되는 도전재와 바인더를 포함하여 이루어지는 가스투과층;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스비투과층 및 가스투과층에 포함되는 바인더는 서로 독립적으로 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, 페놀수지, 에폭시수지 및 폴리비닐에스테르로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스비투과층에서의 도전재 및 바인더의 함량은 각각 70~90wt%, 10~30wt%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스투과층에서의 도전재 및 바인더의 함량은 각각 70~90wt%, 10~30wt%인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스투과층 또는 가스비투과층은 카본섬유, 바늘상 흑연재료, 금속 섬유, 천연섬유 및 고분자 섬유로 이루어진 군에서 선택되는 보강재를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 제1항 내지 제5항 중 선택된 어느 한 항에 따르는 연료전지용 분리판을 포함하여 이루어지는 연료전지용 스택.
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