KR101065375B1 - 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지 Download PDF

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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 유로 채널에 형성된 소수성 코팅층을 포함한다.상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 유로 채널에만 소수성 코팅층이 형성되어 있어 캐소드에서 발생되는 물을 용이하게 배출할 수 있으므로 연료 전지의 전지 반응이 원활하게 일어날 수 있다.
연료전지,바이폴라플레이트,소수성코팅

Description

연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL, METHOD OF PREPARING SAME AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
도 1은 본 발명의 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 비교예 1의 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지의 전지 특성을 나타낸 그래프.
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료 전지용 바이폴라 플레이트, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물 배출이 용이한 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 구조 를 갖는다. 상기 막/전극 접합체는 고분자 전해질막을 사이에 두고 애노드 전극과 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 연료 전지 작동시 발생될 수 있는 물 배출이 용이한 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 유로 채널에 형성된 소수성 코팅층을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명은 또한 서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노 드와 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 유로 채널에 형성된 소수성 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. 또한, 연료 전지 작동 중 캐소드에서 형성되는 물을 잘 배출할 수 있어야 한다.본 발명에서는 물 배출이 잘 일어나도록 바이폴라 플레이트의 유로 채널에만 소수성 코팅층을 형성하였다. 즉, 본 발명의 바이폴라 플레이트는 유로 채널이 형성된 금속 기재와 상기 유로 채널에 형성된 소수성 코팅층을 포함한다.
상기 금속 기재로는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 또는 구리 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 소수성 코팅층은 불소계 수지 조성물을 유로 채널이 형성된 금속 기재에서 유로 채널 부분에만 코팅하여 형성한다. 상기 불소계 수지로는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드, FEP(폴리-테트라플루오로에틸렌-코-헥사 플루오로프로필렌)를 사용할 수 있으며, 상기 불소계 수지 조성물에서 용매로는 N-메틸피롤리돈, 디메틸아세트아마이드 또는 소수성기와 친수성기를 동시에 갖는 계면활성제를 이용해 물에 분산시켜 에멀젼상태로 사용할 수 있다. 상기 코팅 공정은 유로 채널 부분만 선택적으로 불소계 수지 조성물로 코팅할 수 있으면 어떠한 방법을 사용하여도 무방하다.
상기 소수성 코팅층의 최적 두께는 1 내지 100㎛ 정도가 적당하며 코팅층이 1㎛ 미만으로 너무 얇으면 연료 전지의 작동 및 정지에 따라 발생하는 온도 변화에 의해 열팽창 및 수축에 의해 피로를 받아 코팅층이 벗겨질 우려가 있고, 100㎛를 초과하면 바이폴러 플레이트의 두께가 너무 두꺼워질 우려가 있다.
상술한 구성을 갖는 본 발명의 바이폴라 플레이트는 유로 채널 부분에만 소수성 코팅층이 형성되어 있고, 막 전극 접합체와 접촉하는 바이폴라 플레이트 부분에는 소수성 코팅층이 형성되어 있지 않으므로, 연료 전지 작동시 발생되는 물을 효과적으로 배출시킬 수 있으면서, 연료 전지의 물성을 저하시키지는 않는다.
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)
폴리테트라플루오로에틸렌 불소계 수지 조성물을 유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸 기재에서, 상기 유로 채널 부분에만 코팅하여 바이폴라 플레이트를 제조하였다. 이 결과를 아래 비교예 1과 비교하여 도 2에 나타내었다.
(실시예 2)
불소계 수지를 폴리비닐리덴플루오라이드 수지를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
(비교예 1)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸을 바이폴라 플레이트로 사용하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1의 바이폴라 플레이트를 이용한 연료 전지의 전류 및 전압을 측정한 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 것과 같이 실시예 1의 유로 채널 부분에만 소수성 코팅층이 형성되는 있는 바이폴라 플레이트를 이용한 연료 전지의 전류 및 전압이 비교예 1보다 향상되었음을 알 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 유로 채널 부분에만 소수성 코팅층이 형성되어 있어 캐소드에서 발생되는 물을 용이하게 배출할 수 있으므로 연료 전지의 전지 반응이 원활하게 일어날 수 있다.

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  5. 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 바이폴라 플레이트를 포함하고, 이 바이폴라 플레이트는 유로 채널이 형성되어 있으며,
    상기 바이폴라 플레이트는 금속 기재; 및 상기 유로 채널에 형성된 소수성 코팅층을 포함하고, 상기 유로 채널은 상기 막/전극 접합체와 접촉하지 않는 것인 연료 전지.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 소수성 코팅층은 불소계 수지를 포함하는 것인 연료 전지.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 불소계 수지는 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리비닐리덴플루오라이드 및 FEP(폴리-테트라플루오로에틸렌-코-헥사플루오로프로필렌)로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 금속 기재는 스테인레스 스틸, 알루미늄, 티타늄 및 구리로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
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