KR102415844B1 - Separator consisting of lead and Unitized Regenerative Fuel Cell comprising the separator - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 일체형가역연료전지에서 바이폴라 플레이트로 사용하는 metal plate 또는 carbon plate 대신 적용될 수 있는 납으로 구성된 바이폴라플레이트 및 그 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate technology for an integrated reversible fuel cell, and more particularly, it includes a bipolar plate made of lead that can be applied instead of a metal plate or a carbon plate used as a bipolar plate in an existing integrated reversible fuel cell, and the bipolar plate It relates to an integrated reversible fuel cell.

Description

납으로 구성된 바이폴라플레이트 및 그 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지{Separator consisting of lead and Unitized Regenerative Fuel Cell comprising the separator }Bipolar plate composed of lead and an integrated reversible fuel cell comprising the bipolar plate

본 발명은 일체형가역연료전지 바이폴라플레이트 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기존의 일체형가역연료전지에서 바이폴라 플레이트로 사용하는 metal plate 또는 carbon plate 대신 적용될 수 있는 납으로 구성된 바이폴라플레이트 및 그 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지에 관한 것이다.The present invention relates to a bipolar plate technology for an integrated reversible fuel cell, and more specifically, to a bipolar plate made of lead that can be applied instead of a metal plate or carbon plate used as a bipolar plate in an existing integrated reversible fuel cell, and the bipolar plate. It relates to an integrated reversible fuel cell.

지난 수십 년 동안, 연료 전지는 전기를 생성하기 위한 전기 화학에너지 변환 시스템으로서 상당한 주목을 받고 있다. 수많은 유형의 연료 전지 장치 중에서, 일체형가역연료전지(unitized reenerative fuel cell : URFC)는 물 전기 분해 (Electrolyzer : WE) 및 연료 전지(Fuel Cell: FC) 모드에서 작동함으로써 왕복 에너지 변환(2H2O ↔ 4H + + O2 + 4e-)을 제공하기 때문에 에너지효율이 높고 장기 사이클이 가능한 친환경적 수소에너지저장시스템으로서, 높은 에너지 밀도를 갖는 높은 왕복 에너지 변환 효율로 인해 상당한 관심과 관심을 끌었다. In the past few decades, fuel cells have received considerable attention as electrochemical energy conversion systems for generating electricity. Among the numerous types of fuel cell devices, unitized reenerative fuel cells (URFCs) operate in water electrolyzer (WE) and fuel cell (FC) modes to convert reciprocating energy (2H 2 O ↔) 4H + + O 2 + 4e - ) as an eco-friendly hydrogen energy storage system with high energy efficiency and long-term cycle, it has attracted considerable attention and interest due to its high reciprocal energy conversion efficiency with high energy density.

URFC 시스템에서 단위 셀(FC 모드) 작동 동안, 부산물은 온실 가스 방출이 없는 물 (2H2 + O2 → 2H2O)이다. FC 모드의 역반응은 URFC 시스템에서 WE 모드 중에 발생한다. 바이폴라 플레이트는 PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 URFC 시스템에서 가장 중요한 구성 요소 중 하나이며, 단위 셀 장치에서 다기능 구성 요소로 알려져 있다. 다중 스택 URFC 시스템에서 바이폴라 플레이트는 개별 셀을 분리하고 멤브레인 전극 어셈블리를 지지하며 각 셀을 직렬로 부착하는 데 사용된다. 또한, URFC의 단위 셀 작동 동안 전자 수송기 및 연료 분배기로서 중요한 역할을 한다. During unit cell (FC mode) operation in a URFC system, the by-product is water (2H 2 + O 2 → 2H 2 O) with no greenhouse gas emissions. The reverse reaction of FC mode occurs during WE mode in URFC systems. Bipolar plates are one of the most important components in PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) and URFC systems, and are known as multifunctional components in unit cell devices. In multi-stack URFC systems, bipolar plates are used to separate individual cells, support membrane electrode assemblies, and attach each cell in series. It also plays an important role as an electron transporter and fuel distributor during unit cell operation of URFCs.

일반적으로 일체형가역연료전지에서 바이폴라플레이트로 카본 플레이트 또는 금속 플레이트를 사용하고 있으나, 전형적인 탄소 바이폴라 플레이트는 안정성 관련 문제가 있는데, 특히 부식으로 인한 탄소 바이폴라 플레이트의 열화는 WE 모드에서 높은 작동 전위 (>1.5 V) 및/또는 고온의 높은 산성 조건으로 인해 URFC 성능 향상을 위해서는 극복해야하는 주요 문제이다. 이러한 카본플레이트의 단점으로 인해 기존에 알려진 스테인레스 스틸 등으로 구성된 금속플레이트를 사용할 경우 전도도는 향상되나 부식에 약하며 무겁고 원가도 비싸지는 문제점이 있다.In general, carbon plates or metal plates are used as bipolar plates in integrated reversible fuel cells, but typical carbon bipolar plates have stability-related problems. V) and/or high acidic conditions at high temperature are the main problems that must be overcome to improve URFC performance. Due to the disadvantages of the carbon plate, when using a known metal plate made of stainless steel or the like, conductivity is improved, but there is a problem in that it is weak to corrosion, heavy, and expensive.

따라서, 이러한 문제점을 해결할 수 있도록 전도도가 높고, 높은 온도에서도 안정하며 내부식성이 우수하고 기존의 금속플레이트보다 가볍우며 원가도 낮은 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트로 사용되기에 적합한 새로운 구조의 바이폴라플레이트가 개발될 필요가 있었다. Therefore, in order to solve these problems, a bipolar plate with a new structure suitable for use as a bipolar plate for an integrated reversible fuel cell with high conductivity, stability at high temperature, excellent corrosion resistance, light weight than existing metal plates, and low cost was developed. needed to be

대한민국특허공개번호 제10-2008-0109148호Korean Patent Publication No. 10-2008-0109148

본 발명자들은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 일체형가역연료전지 바이폴라플레이트로 Pb metal sheet를 적용하는 기술을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다. As a result of research efforts to solve the above problems, the present inventors have completed the present invention by developing a technology for applying a Pb metal sheet to an integrated reversible fuel cell bipolar plate.

따라서, 본 발명의 목적은 기존 연료전지에서 바이폴라플레이트로 사용되는 metal plate 또는 carbon plate 대신 순수하게 납으로만 구성된 납 금속 시트를 사용함으로서 경량화가 가능하고 유연성이 있어 유로 설계 및 가공이 용이하므로 제조원가가 절감되어 연료전지 시스템의 상업화에 기여할 수 있는 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트 및 그 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지를 제공하는 것이다.Therefore, an object of the present invention is to reduce the weight by using a lead metal sheet made of pure lead instead of a metal plate or carbon plate used as a bipolar plate in an existing fuel cell, and to reduce the manufacturing cost because it is flexible and easy to design and process the flow path. An object of the present invention is to provide a bipolar plate for an integrated reversible fuel cell that can contribute to commercialization of a fuel cell system by reducing the cost and an integrated reversible fuel cell including the bipolar plate.

본 발명의 다른 목적은 바이폴라 플레이트 표면의 소수성이 높아서 접촉저항이 감소될 수 있고 물질 전달에 유리하며, 효과적으로 전극에 over-flooding되는 수분량을 배출시킬 수 있어 내식성이 뛰어나 장기 운전 시 성능 안정성이 우수하며, 전도도가 높아 계면 저항이 낮고 셀 성능을 높게 유지할 수 있는 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트 및 그 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is that the hydrophobicity of the surface of the bipolar plate can be reduced, so that the contact resistance can be reduced, it is advantageous for mass transfer, and the amount of moisture over-flooding the electrode can be effectively discharged. To provide a bipolar plate for an integrated reversible fuel cell capable of maintaining high cell performance with low interfacial resistance due to high conductivity and an integrated reversible fuel cell including the bipolar plate.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 납으로 구성된 금속플레이트; 및 상기 금속플레이트의 적어도 일면에 형성된 유로;를 포함하는 바이폴라플레이트를 제공한다.In order to achieve the object of the present invention described above, the present invention is a metal plate composed of lead; and a flow path formed on at least one surface of the metal plate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유로가 형성된 금속플레이트 표면에 형성된 금속코팅층;을 더 포함한다. In a preferred embodiment, a metal coating layer formed on the surface of the metal plate on which the flow path is formed; further includes.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속코팅층은 Ag, Pt, Au, Ni, Cr, Sn으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 금속의 산화물, 탄화물, 질화물 중 하나 이상을 포함하여 형성된 것이다. In a preferred embodiment, the metal coating layer is formed including any one selected from the group consisting of Ag, Pt, Au, Ni, Cr, and Sn, or one or more of oxides, carbides, and nitrides of these metals.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속플레이트는 Pb metal sheet이고, 상기 유로는 상기 금속플레이트 두께의 1/4 이상 2/3이하의 깊이를 갖는다.In a preferred embodiment, the metal plate is a Pb metal sheet, and the flow path has a depth of 1/4 or more and 2/3 or less of the thickness of the metal plate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속코팅층의 물 접촉각은 77°이상이다.In a preferred embodiment, the water contact angle of the metal coating layer is 77° or more.

또한, 본 발명은 납 플레이트의 표면을 연마 가공하는 단계; 상기 연마 가공된 납 플레이트의 적어도 일면에 상기 납 플레이트 두께의 1/4 이상 2/3이하의 깊이로 유로를 형성하는 단계; 및 상기 유로가 형성된 납 플레이트를 전처리하는 단계;를 포함하는 바이폴라플레이트 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the steps of polishing the surface of the lead plate; forming a flow path on at least one surface of the polished lead plate to a depth of 1/4 or more and 2/3 or less of the thickness of the lead plate; and pre-treating the lead plate having the flow path formed thereon.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리된 납 플레이트 표면에 금속코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함한다. In a preferred embodiment, forming a metal coating layer on the surface of the pre-treated lead plate; further comprises.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 유로는 써펜틴 구조이다. In a preferred embodiment, the channel is a serpentine structure.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 전처리는 상기 유로가 형성된 납 플레이트를 1차 물세척 단계; 상기 1차 물세척된 납 플레이트를 산성용액에 침지시키는 1차 산처리 단계; 상기 1차 산처리된 납 플레이트를 다른 산성용액에 침지시키는 2차 산처리 단계; 상기 2차 산처리된 납 플레이트를 세척하는 2차 물세척단계; 및 상기 2차 세척된 납 플레이트를 건조시키는 건조단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the pretreatment includes a first water washing step of the lead plate in which the flow path is formed; a first acid treatment step of immersing the first water-washed lead plate in an acidic solution; a secondary acid treatment step of immersing the first acid-treated lead plate in another acidic solution; a secondary water washing step of washing the secondary acid-treated lead plate; and a drying step of drying the second washed lead plate.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 1차 산처리 단계에서 사용되는 산성용액은 옥살산 용액이고, 2차 산처리 단계에서 사용되는 산성용액은 황산 용액이다. In a preferred embodiment, the acidic solution used in the first acid treatment step is an oxalic acid solution, and the acidic solution used in the second acid treatment step is a sulfuric acid solution.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속코팅층을 형성하는 단계는 상기 전처리된 납 플레이트를 코팅용액에 침지시키는 단계; 상기 침지된 납 플레이트에 전장을 인가하여 상기 납 플레이트 표면에 상기 코팅용액에 용해된 금속이온을 전착시켜 금속코팅층을 형성시키는 단계; 및 상기 금속코팅층이 형성된 납 플레이트를 세척 및 건조시키는 후처리단계;를 포함한다. In a preferred embodiment, the step of forming the metal coating layer comprises the steps of immersing the pre-treated lead plate in a coating solution; forming a metal coating layer by electrodepositing metal ions dissolved in the coating solution on the surface of the lead plate by applying an electric field to the immersed lead plate; and a post-treatment step of washing and drying the lead plate on which the metal coating layer is formed.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이폴라플레이트, 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지를 제공한다. In addition, the present invention provides an integrated reversible fuel cell including any one of the above-mentioned bipolar plates or a bipolar plate manufactured by any one of the above-mentioned manufacturing methods.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 바이폴라플레이트는 그 표면에 형성된 코팅층의 두께가 두꺼워질수록 물 접촉각이 커진다. In a preferred embodiment, as the thickness of the coating layer formed on the surface of the bipolar plate increases, the water contact angle increases.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 바이폴라플레이트, 또는 상술된 어느 하나의 제조방법으로 제조된 바이폴라플레이트를 집전판으로 포함하는 이차전지를 제공한다. In addition, the present invention provides a secondary battery including any one of the above-mentioned bipolar plate or the bipolar plate manufactured by any one of the above-described manufacturing methods as a current collector.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 이차전지는 레독스 흐름전지이다.In a preferred embodiment, the secondary battery is a redox flow battery.

상술된 본 발명에 의하면 기존 연료전지에서 바이폴라플레이트로 사용되는 기존 금속 plate 또는 carbon plate 대신 순수하게 납으로만 구성된 납 금속 시트를 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트로 사용함으로써 경량화가 가능하고 유연성이 있어 유로 설계 및 가공이 용이하므로 제조원가가 절감되어 연료전지 시스템의 상업화에 기여할 수 있다.According to the present invention described above, by using a lead metal sheet made of pure lead as a bipolar plate for an integrated reversible fuel cell instead of a conventional metal plate or carbon plate used as a bipolar plate in an existing fuel cell, it is possible to reduce weight and design a flow path due to flexibility. And since it is easy to process, manufacturing costs can be reduced, which can contribute to the commercialization of fuel cell systems.

또한, 본 발명에 의하면 바이폴라 플레이트 표면의 소수성이 높아서 접촉저항이 감소될 수 있고 물질 전달에 유리하며, 효과적으로 전극에 over-flooding되는 수분량을 배출시킬 수 있어 내식성이 뛰어나 장기 운전 시 성능 안정성이 우수하며, 전도도가 높아 계면 저항이 낮고 셀 성능을 높게 유지할 수 있다. In addition, according to the present invention, the hydrophobicity of the surface of the bipolar plate is high, so that the contact resistance can be reduced, it is advantageous for mass transfer, and it is possible to effectively discharge the amount of moisture over-flooding the electrode, so it has excellent corrosion resistance and excellent performance stability during long-term operation. , high conductivity, low interfacial resistance, and high cell performance.

본 발명의 이러한 기술적 효과는 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.This technical effect of the present invention is not limited only to the range mentioned above, and even if not explicitly mentioned, the effect of the invention that can be recognized by a person of ordinary skill in the art from the description of the specific content for the implementation of the invention to be described later is also of course included

도 1은 공지된 연료전지용 분리판과 이를 기반으로 한 스택구조에 대한 개략분리사시도이다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에 따른 일체형재생연료전지용 바이폴라플레이트의 설계도이고 도 2b는 도 2a에 도시된 유로를 갖는 바이폴라플레이트의 일 구현예에 따른 종단면도의 일부를 도시한 것이며, 도 2c는 도 2a에 도시된 유로를 갖는 바이폴라플레이트의 다른 구현예에 따른 종단면도의 일부를 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 실시예들에 따른 납으로 구성된 Pb 바이폴라플레이트와 Pb 바이폴라플레이트에 은코팅층이 형성된 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 XRD 스펙트럼이고, 도 3b는 XPS스펙트럼이다.
도 4a는 본 발명의 실시예들에 따른 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 SEM 현미경 사진 이미지(a-e) 및 EDAX 원소 맵핑 분석결과(f-h)이고, 도 4b는 EDAX 스펙트럼이다.
도 5에서 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 물접촉각을 나타낸 것이고, (c)는 측정된 데이터를 비교한 그래프이다.
도 6에서 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 실시예들에 따른 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 CV 분석 결과를 나타낸 것이고, (c)는 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 부식테스트 측정결과를 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic exploded perspective view of a known separator for a fuel cell and a stack structure based thereon.
2A is a design diagram of a bipolar plate for an integrated regenerative fuel cell according to embodiments of the present invention, and FIG. 2B is a partial longitudinal cross-sectional view of the bipolar plate having a flow path shown in FIG. 2A, and FIG. 2C. shows a part of a longitudinal cross-sectional view according to another embodiment of a bipolar plate having a flow path shown in FIG. 2A .
3A is an XRD spectrum of a Pb bipolar plate made of lead and an Ag-Pb bipolar plate in which a silver coating layer is formed on the Pb bipolar plate, and FIG. 3B is an XPS spectrum according to embodiments of the present invention.
4A is an SEM micrograph image (ae) and EDAX element mapping analysis result (fh) of a Pb bipolar plate and an Ag-Pb bipolar plate according to embodiments of the present invention, and FIG. 4B is an EDAX spectrum.
5, (a) and (b) respectively show the water contact angles of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate according to the embodiments of the present invention, and (c) is a graph comparing the measured data.
6, (a) and (b) show the CV analysis results of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate according to the embodiments of the present invention, respectively, (c) is the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate It is a graph showing the measurement result of the corrosion test of

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, and includes one or more other features or It should be understood that the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof does not preclude the possibility of addition.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may also be referred to as a first component.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical and scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in the present invention, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. does not

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings and preferred embodiments.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Like reference numbers used to describe the invention throughout the specification refer to like elements.

본 발명의 기술적 특징은 기존 연료전지에서 바이폴라플레이트로 사용되는 metal plate 또는 carbon plate 대신 순수하게 납으로만 구성된 납 금속 시트를 일체형가역연료전지용 바이폴라플레이트로 사용한 것에 있다. 즉, 황산 전해액 속에서 잘 견딜 수 있는 납(Pb) 플레이트를 바이폴라플레이트로 사용함으로써 산성 전해질 용액에서의 강한 내식성과 카본플레이트에서 일어나는 corrosion을 방지할 수 있으며, 내구성향상은 물론 기계적강도와 유로 설계 및 가공이 용이한 유연성을 얻을 수 있기 때문이다. 더욱이 바이폴라 플레이트 표면의 소수성이 높아서 접촉저항이 감소될 수 있고 물질 전달에 유리하며, 효과적으로 전극에 over-flooding되는 수분량을 배출시킬 수 있어 내식성이 뛰어나 장기 운전 시 성능 안정성이 우수하며, 전도도가 높아 계면 저항이 낮고 셀 성능을 높게 유지할 수 있다. A technical feature of the present invention is that a lead metal sheet made of pure lead is used as a bipolar plate for an integrated reversible fuel cell instead of a metal plate or carbon plate used as a bipolar plate in an existing fuel cell. In other words, by using a lead (Pb) plate that can withstand well in sulfuric acid electrolyte as a bipolar plate, strong corrosion resistance in acid electrolyte solution and corrosion occurring in carbon plate can be prevented. It is because the flexibility which is easy to process can be acquired. Moreover, due to the high hydrophobicity of the bipolar plate surface, contact resistance can be reduced and it is advantageous for mass transfer, and it can effectively discharge the amount of over-flooding moisture in the electrode, so it has excellent corrosion resistance, excellent performance stability during long-term operation, and high conductivity The resistance is low and the cell performance can be kept high.

따라서, 본 발명의 바이폴라플레이트는 납으로 구성된 금속플레이트; 및 상기 금속플레이트의 적어도 일면에 형성된 유로;를 포함한다. 여기서, 금속플레이트는 두께 2T MEA와 동일한 활성 면적을 갖는 납 금속플레이트이기만 하면 제한되지 않으나, 일 구현예로서 1T의 Pb metal sheet일 수 있다. 바이폴라플레이트에 형성되는 유로는 상기 금속플레이트 두께의 1/4 이상 2/3이하의 깊이를 갖도록 구현될 수 있는데 일 구현예로서 도 2a에 도시된 바와 같이 써펜틴 구조를 가질 수 있을 것이다. Accordingly, the bipolar plate of the present invention includes a metal plate made of lead; and a flow path formed on at least one surface of the metal plate. Here, the metal plate is not limited as long as it is a lead metal plate having the same active area as the thickness of 2T MEA, but may be a 1T Pb metal sheet as an embodiment. The flow path formed in the bipolar plate may be implemented to have a depth of 1/4 or more and 2/3 or less of the thickness of the metal plate, and may have a serpentine structure as shown in FIG. 2A as an embodiment.

필요한 경우 유로가 형성된 금속플레이트 표면에 형성된 금속코팅층;을 더 포함할 수 있다. 금속코팅층은 Ag, Pt, Au, Ni, Cr, Sn으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 금속의 산화물, 탄화물, 질화물 중 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있는데, 코팅층의 두께가 두꺼워지면 바이폴라플레이트 표면의 소수성 즉 물 접촉각의 크기는 향상될 수 있다. 일 구현예로서, 금속코팅층이 형성된 경우 바이폴라플레이트 표면의 물 접촉각은 적어도 납으로 구성된 바이폴라플레이트의 물 접촉각인 77°이상으로서 필요한 경우 90°이상으로 형성될 수 있다. 한편, 물 접촉각은 바이폴라플레이트 재료와 물 분자 간의 상호 작용을 보장하는 데 중요한데, 바이폴라플레이트의 높은 수분 흡착은 URFC 단위 전지 성능을 크게 변화시킬 수 있다. 즉, 바이폴라 플레이트에 더 많은 양의 물 분자가 존재하면 전극 성능에 영향을 미치고 연료 분배를 감소시키며 전체 전기 화학적 성능을 저하시키는 것과 같은 몇 가지 문제가 발생할 뿐만 아니라 가장 중요한 것은 바이폴라 플레이트 표면에 물 분자의 흡착율이 높아지면 분해(부식)속도를 상당히 증가시킬 수 있으며, 이는 URFC 시스템의 주요 단점이 되기 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 금속코팅층을 사용하여 그 표면이 소수성을 갖도록 개질하고 금속코팅층의 두께를 조절함으로써 바이폴라 플레이트 표면상에서 물 분자의 축적을 효과적으로 제어 할 수 있다.If necessary, a metal coating layer formed on the surface of the metal plate on which the flow path is formed; may further include. The metal coating layer may be formed including any one selected from the group consisting of Ag, Pt, Au, Ni, Cr, Sn, or one or more of oxides, carbides, and nitrides of these metals. When the thickness of the coating layer becomes thick, the bipolar plate The hydrophobicity of the surface, that is, the magnitude of the water contact angle can be improved. As an embodiment, when the metal coating layer is formed, the water contact angle on the surface of the bipolar plate is at least 77°, which is the water contact angle of the bipolar plate made of lead, and may be formed to be 90° or more if necessary. On the other hand, the water contact angle is important to ensure the interaction between the bipolar plate material and water molecules, and the high water adsorption of the bipolar plate can significantly change the URFC unit cell performance. In other words, the presence of a higher amount of water molecules on the bipolar plate not only affects the electrode performance, reduces fuel distribution, and causes several problems such as lowering the overall electrochemical performance, but most importantly, water molecules on the surface of the bipolar plate If the adsorption rate of URFC is high, the decomposition (corrosion) rate can be significantly increased, which is a major disadvantage of the URFC system. Therefore, in the present invention, the accumulation of water molecules on the bipolar plate surface can be effectively controlled by modifying the surface to have hydrophobicity using the metal coating layer and controlling the thickness of the metal coating layer.

이러한 특성을 이용하여 본 발명의 바이폴라플레이트는 레독스 흐름전지 등 충방전 과정 중, 전장이 인가되는 시스템인 이차전지 분야에도 집전판 역할을 효과적으로 수행할 수 있다. By using these characteristics, the bipolar plate of the present invention can effectively perform the role of a current collector in a secondary battery field, which is a system to which an electric field is applied during a charging/discharging process such as a redox flow battery.

또한, 본 발명의 바이폴라플레이트 제조방법은 납 플레이트의 표면을 연마 가공하는 단계; 상기 연마 가공된 납 플레이트의 적어도 일면에 상기 납 플레이트 두께의 1/2이상 2/3이하의 깊이로 유로를 형성하는 단계; 및 상기 유로가 형성된 납 플레이트를 전처리하는 단계;를 포함한다. 필요한 경우 상기 전처리된 납 플레이트 표면에 금속코팅층을 형성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, the bipolar plate manufacturing method of the present invention comprises the steps of polishing the surface of the lead plate; forming a flow path on at least one surface of the polished lead plate to a depth of 1/2 or more and 2/3 or less of the thickness of the lead plate; and pre-treating the lead plate on which the flow path is formed. If necessary, forming a metal coating layer on the surface of the pre-treated lead plate; may further include.

여기서, 전처리는 상기 유로가 형성된 납 플레이트를 1차 물세척 단계; 상기 1차 물세척된 납 플레이트를 산성용액에 침지시키는 1차 산처리 단계; 상기 1차 산처리된 납 플레이트를 다른 산성용액에 침지시키는 2차 산처리 단계; 상기 2차 산처리된 납 플레이트를 세척하는 2차 물세척단계; 및 상기 2차 세척된 납 플레이트를 건조시키는 건조단계;를 포함하는데, 일 구현예로서 상기 1차 산처리 단계에서 사용되는 산성용액은 옥살산 용액이고, 2차 산처리 단계에서 사용되는 산성용액은 황산 용액일 수 있다.Here, the pre-treatment is a first water washing step of the lead plate formed with the flow path; a first acid treatment step of immersing the first water-washed lead plate in an acidic solution; a secondary acid treatment step of immersing the first acid-treated lead plate in another acidic solution; a secondary water washing step of washing the secondary acid-treated lead plate; and a drying step of drying the second washed lead plate; as an embodiment, the acidic solution used in the first acid treatment step is an oxalic acid solution, and the acidic solution used in the second acid treatment step is sulfuric acid It may be a solution.

금속코팅층을 형성하는 단계는 상기 전처리된 납 플레이트를 코팅용액에 침지시키는 단계; 상기 침지된 납 플레이트에 전장을 인가하여 상기 납 플레이트 표면에 상기 코팅용액에 용해된 금속이온을 전착시켜 금속코팅층을 형성시키는 단계; 및 상기 금속코팅층이 형성된 납 플레이트를 세척 및 건조시키는 후처리단계;를 포함할 수 있다.Forming the metal coating layer may include immersing the pretreated lead plate in a coating solution; forming a metal coating layer by electrodepositing metal ions dissolved in the coating solution on the surface of the lead plate by applying an electric field to the immersed lead plate; and a post-treatment step of washing and drying the lead plate on which the metal coating layer is formed.

또한, 본 발명의 일체형가역연료전지는 상술된 바와 같이 납 금속플레이트 또는 금속코팅층이 형성된 납 금속플레이트를 바이폴라플레이트로 포함할 수 있는데, 이와 같이 바이폴라플레이트로 납금속플레이트를 사용하게 되면 일체형가역연료전지 제조시 카본 플레이트를 제조하기 위해 필요한 컴파운딩을 제조할 필요가 없으며, 유연하고 가공성이 좋아 다른 금속플레이트를 사용할 때보다 가볍고 내식성이 강하며 유로판 설계 공정을 단순화할 수 있어 경제성이 우수하다.In addition, the integrated reversible fuel cell of the present invention may include, as a bipolar plate, a lead metal plate or a lead metal plate having a metal coating layer formed thereon as described above. There is no need to manufacture the compounding required to manufacture the carbon plate during manufacturing, and it has excellent flexibility and workability, so it is lighter than other metal plates and has strong corrosion resistance, and it is economical because it can simplify the flow path plate design process.

실시예 1Example 1

다음과 같은 방법으로 도 2a에 도시된 설계도를 갖고 도 2b에 도시된 구조의 단면도를 갖는 Pb 바이폴라플레이트를 제조하였다.A Pb bipolar plate having a design diagram shown in FIG. 2A and a cross-sectional view of the structure shown in FIG. 2B was manufactured in the following manner.

1. 연마 가공하는 단계1. Abrasive processing step

1mm 두께의 Pb 플레이트 (면적 10x10 cm2)의 표면을 연마 가공하였다.The surface of a 1 mm thick Pb plate (area 10x10 cm 2 ) was polished.

2. 유로를 형성하는 단계2. Forming a flow path

연마 가공된 Pb 플레이트 표면에 써펜틴 구조의 유로를 깊이 0.6mm로 가공하고, 라운드 가공 처리하였다.A serpentine structure flow path was processed to a depth of 0.6 mm on the surface of the polished Pb plate, and round processing was performed.

3. 전처리하는 단계3. Preprocessing Steps

유로가 형성된 Pb 플레이트를 60도 물로 30분간 세척하고, 60도 옥살산 조건에서 30분간 침지시켰다. 이후, 다시 60도 5M 황산 용액에 30분간 처리한 후, 마지막으로 60도 물로 세척하여 건조하여 Pb 바이폴라플레이트를 제조하였다.The Pb plate in which the flow path was formed was washed with water at 60°C for 30 minutes, and immersed in oxalic acid conditions at 60°C for 30 minutes. Thereafter, after treatment in 5M sulfuric acid solution at 60°C for 30 minutes, and finally washed with water at 60°C and dried, a Pb bipolar plate was prepared.

실시예 2Example 2

실시예1에서 준비된 Pb 바이폴라플레이트를 다음과 같이 처리하여 도 2a에 도시된 설계도를 갖고 도 2c에 도시된 구조의 단면도를 갖는 Ag-Pb 바이폴라플레이트를 제조하였다.The Pb bipolar plate prepared in Example 1 was treated as follows to prepare an Ag-Pb bipolar plate having a schematic diagram shown in FIG. 2A and a cross-sectional view of the structure shown in FIG. 2C.

Pb 바이폴라플레이트를 Ag 전구체 용액(AgNO3 용액)에 침지시키고, 침지된 상태에서 양쪽 가장자리에 전장(5mA/cm2))을 인가하여 Pb 바이폴라플레이트 표면에 Ag를 전착시켰다. 이후, 표면에 Ag 코팅층이 형성된 플레이트를 세척 후 건조시켜 Ag-Pb 바이폴라플레이트를 제조하였다.The Pb bipolar plate was immersed in an Ag precursor solution (AgNO 3 solution), and an electric field (5 mA/cm 2 )) was applied to both edges in the immersed state to electrodeposit Ag on the surface of the Pb bipolar plate. Thereafter, the Ag-Pb bipolar plate was prepared by washing and drying the plate on which the Ag coating layer was formed.

실험예 1Experimental Example 1

실시예1에서 얻어진 Pb 바이폴라플레이트 및 실시예2에서 얻어진 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 결정구조를 X선 회절법 (XRD, Bruker Advance D8 회절 계 사용)으로 분석하고, X-선 광전자 분광법 (XPS, MultiLab 2000)을 사용하여 XPS를 수행하여 각 샘플의 화학적 조성 및 상태를 조사 한 후 그 결과를 각각 도 3a 및 도 3b에 나타내었다. The crystal structures of the Pb bipolar plate obtained in Example 1 and the Ag-Pb bipolar plate obtained in Example 2 were analyzed by X-ray diffraction method (XRD, using a Bruker Advance D8 diffractometer), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, MultiLab) 2000) to investigate the chemical composition and state of each sample by performing XPS, and the results are shown in FIGS. 3A and 3B, respectively.

도 3a는 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 XRD 스펙트럼을 보여준다. Pb 바이폴라플레이트의 경우, 회절 피크 (2θ)는 31.33 °, 36.32 °, 52.29 °, 62.24 °, 65.33 ° 및 77.17 °에서 관찰되었으며, 이는 (111), (200), (220), (311), (222) 및 (400)의 반사 격자 평면과 관련이 있다. 따라서, Pb 바이폴라플레이트 회절 피크는 면심 입방 (FCC) 결정 구조 (JCPDS 카드 번호 : 02-0799)에 해당하는 것이 확인되었다. 보다 흥미롭게도, 피크 강도 거동은 도 3a에 도시 된 바와 같이 Pb 바이폴라플레이트 표면상에 Ag를 코팅 한 후에 변화되었다. Ag-Pb 바이폴라플레이트에서 Pb 회절 피크가 상당히 최소화 된 것으로 관찰되었다. 대신에, 더 높은 강도를 갖는 Ag의 새로운 추가 회절 피크를 관찰했는데 이것은 Pb 바이폴라플레이트 표면에 Ag 층이 균일하게 코팅되어 있기 때문이다. Ag의 회절 피크 (2θ)는 38.22 °, 44.41 °, 64.56 ° 및 77.46 °에서 관찰되었으며, 이는 각각 (111), (200), (220) 및 (311)의 반사 격자면에 해당한다. Ag의 회절 피크는 FCC 구조 (JCPDS 카드 번호 : 04-0783)에 해당한다. 또한, 강도가 작은 Pb 회절 피크는 Pb 바이폴라플레이트의 FCC 구조에 해당한다. Pb 피크의 감소된 회절 강도는 Pb 바이폴라플레이트의 표면상의 Ag 층의 피복으로 인한 것으로 보인다. 따라서, XRD 분석으로부터 Pb 기판 상에 Ag 층의 성공적인 코팅이 확인 될 수 있었다.Figure 3a shows the XRD spectra of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate. For the Pb bipolar plate, the diffraction peaks (2θ) were observed at 31.33°, 36.32°, 52.29°, 62.24°, 65.33° and 77.17°, which are (111), (200), (220), (311), (222) and (400) with respect to the reflection grating plane. Therefore, it was confirmed that the Pb bipolar plate diffraction peak corresponds to a face-centered cubic (FCC) crystal structure (JCPDS card number: 02-0799). More interestingly, the peak intensity behavior was changed after coating Ag on the Pb bipolar plate surface as shown in Fig. 3a. It was observed that the Pb diffraction peak was significantly minimized in the Ag-Pb bipolar plate. Instead, a new additional diffraction peak of Ag with higher intensity was observed because the Ag layer was uniformly coated on the surface of the Pb bipolar plate. The diffraction peaks (2θ) of Ag were observed at 38.22°, 44.41°, 64.56° and 77.46°, which correspond to the reflection grating planes of (111), (200), (220) and (311), respectively. The diffraction peak of Ag corresponds to the FCC structure (JCPDS card number: 04-0783). In addition, the low intensity Pb diffraction peak corresponds to the FCC structure of the Pb bipolar plate. The reduced diffraction intensity of the Pb peak appears to be due to the coating of the Ag layer on the surface of the Pb bipolar plate. Therefore, the successful coating of the Ag layer on the Pb substrate could be confirmed from the XRD analysis.

도 3b는 Pb 바이폴라플레이트와 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 XPS 스펙트럼을 보여준다. Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 고해상도 디컨 볼루션 XPS 스펙트럼이 각각도 S1 및 S2에 도시되어있다. Pb 바이폴라플레이트의 기록된 XPS 스펙트럼에서, 142.4 및 137.4 eV의 결합 에너지에서 가장 지배적 인 피크가 관찰되었으며, 이는 각각 Pb 4f5 / 2 및 Pb 4f7 / 2의 Pb 4f 피크에 해당한다. Pb 바이폴라 플레이트 상에 Ag 층을 코팅 한 후, 142.4 및 137.4 eV에서 관찰 된 Pb 피크의 강도는 상당히 감소되었다. Pb 피크 강도의 이러한 감소는 주로 Pb 표면상에 다른 물질의 두꺼운 코팅층의 존재에 기인한다. 368 및 374 eV의 결합에너지에서 관찰 된 2 개의 새로운 우세한 피크는 각각 Ag 3d5 / 2 및 Ag 3d3 / 2에 해당하며 Ag에 기인한다. Ag-Pb 바이폴라 플레이트의 XPS 스펙트럼에서, Ag 3d의 피크 강도는 Pb 4f의 피크 강도보다 훨씬 높다. 이것은 Pb 표면에 Ag 층이 존재하기 때문인 것으로 보인다. 따라서 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 XPS 결과는 Pb 바이폴라플레이트 표면에 Ag가 균일하게 코팅되었음을 보여준다. Figure 3b shows the XPS spectra of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate. The high-resolution deconvolution XPS spectra of the Pb bipolar plate and Ag-Pb bipolar plate are shown in Figs. S1 and S2, respectively. In the recorded XPS spectra of the Pb bipolar plate, the most dominant peaks were observed at binding energies of 142.4 and 137.4 eV, which correspond to the Pb 4f peaks of Pb 4f5/2 and Pb 4f7/2, respectively. After coating the Ag layer on the Pb bipolar plate, the intensity of the observed Pb peaks at 142.4 and 137.4 eV was significantly reduced. This decrease in Pb peak intensity is mainly due to the presence of a thick coating layer of other materials on the Pb surface. The two new predominant peaks observed at binding energies of 368 and 374 eV correspond to Ag 3d5/2 and Ag 3d3/2, respectively, and are attributed to Ag. In the XPS spectrum of Ag-Pb bipolar plate, the peak intensity of Ag 3d is much higher than that of Pb 4f. This appears to be due to the presence of an Ag layer on the Pb surface. Therefore, the XPS results of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate show that Ag was uniformly coated on the surface of the Pb bipolar plate.

실험예 2Experimental Example 2

실시예1에서 얻어진 Pb 바이폴라플레이트 및 실시예2에서 얻어진 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 표면 형태 및 표면상에 코팅된 코팅층의 존재를 SEM 및 EDAX 분석을 사용하여 분석 하고 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 여기서 바이폴라 플레이트의 표면 형태는 주사 전자 현미경 (SEM, HITACHI, SU-70)을 사용하여 분석되었다. 에너지 분산 형 X-선 분광법 (EDAX) 원소 분석 데이터 및 맵핑을 사용하여 표면 코팅의 존재를 추가로 확인 하였다. The surface morphology of the Pb bipolar plate obtained in Example 1 and the Ag-Pb bipolar plate obtained in Example 2 and the presence of a coating layer coated on the surface were analyzed using SEM and EDAX analysis, and the results are shown in FIGS. 4a and 4b. indicated. Here, the surface morphology of the bipolar plate was analyzed using a scanning electron microscope (SEM, HITACHI, SU-70). Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDAX) elemental analysis data and mapping were used to further confirm the presence of surface coatings.

Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 SEM 현미경 사진 이미지 및 EDAX 매핑 프로파일은 각각 도 4a 및 도 4b의 (a-c) 및 (d-i)에 도시되어있다. SEM 이전에, 바이폴라플레이트의 표면을 세정하여 불순물을 제거 하였다. 도 4a의 (a-c)에 도시된 바와 같이, Pb 요소만이 맵핑 프로파일에서 관찰되었다; 이는 소스 재료가 Pb임을 확인해 준다. 대조적으로, Pb-Ag 바이폴라 플레이트 상에 Ag 층을 코팅 한 후, 매끄러운 표면이 도 4a의 (d) 및 (e)에 도시 된 바와 같이 관찰되었다. 또한, EDAX 원소 맵핑 분석을 Ag-Pb 바이폴라 플레이트에서 수행하였고, 상응하는 결과를 도 4a의 (f-h)에 나타내었다. 도 4a의 (g) 및 (h)로부터, Ag는 궁극적으로 균질 코팅층으로서 Pb 바이폴라플레이트의 전체 표면에 나타나는 것이 명백하다. 이 코팅된 층으로 인해, 표면에서 많은 Pb가 관찰되지 않는다. 또한, EDAX 패턴 분석을 수행한 결과인 도 4b의 (i) 및 (j)는 각각 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag 코팅 된 Pb 바이폴라플레이트의 EDAX 스펙트럼을 보여준다. 도 4b의 (i)에서 가장 많이 관찰 된 원소 피크는 Pb 금속 때문이다. 하지만 이 피크는 도 4b의 (j)에 도시 된 바와 같이 Pb 바이폴라플레이트의 표면에 Ag를 코팅 한 후에 상당히 억제되었다. 대부분의 피크의 공존은 Pb 및 Ag 원소에 해당하는데, 이것은 Pb 바이폴라플레이트 표면에 Ag가 균일하고 효과적으로 코팅되었음을 확인시켜준다. The SEM micrograph images and EDAX mapping profiles of the Pb bipolar plate and Ag-Pb bipolar plate are shown in Figs. 4a and 4b (a-c) and (d-i), respectively. Prior to SEM, the surface of the bipolar plate was cleaned to remove impurities. As shown in (a-c) of Fig. 4a, only Pb elements were observed in the mapping profile; This confirms that the source material is Pb. In contrast, after coating the Ag layer on the Pb-Ag bipolar plate, a smooth surface was observed as shown in Fig. 4a(d) and (e). In addition, EDAX element mapping analysis was performed on Ag-Pb bipolar plates, and the corresponding results are shown in Fig. 4a (f-h). From (g) and (h) of Fig. 4a, it is clear that Ag ultimately appears on the entire surface of the Pb bipolar plate as a homogeneous coating layer. Due to this coated layer, not much Pb is observed on the surface. In addition, (i) and (j) of Fig. 4b, which is the result of EDAX pattern analysis, shows the EDAX spectra of the Pb bipolar plate and the Ag-coated Pb bipolar plate, respectively. The most observed elemental peak in Fig. 4b(i) is due to the Pb metal. However, this peak was significantly suppressed after coating Ag on the surface of the Pb bipolar plate as shown in Fig. 4b(j). The coexistence of most of the peaks corresponds to Pb and Ag elements, confirming that Ag was uniformly and effectively coated on the surface of the Pb bipolar plate.

URFC의 성능이 바이폴라 플레이트의 표면 특성과도 관련이 있음을 고려하면,본 발명의 Ag-Pb 바이폴라플레이트가 URFC 시스템에서 왕복 에너지 변환 동안 발생하는 전기 화학적 반응에 유리할 수 있음을 확인할 수 있다.Considering that the performance of the URFC is also related to the surface properties of the bipolar plate, it can be confirmed that the Ag-Pb bipolar plate of the present invention can be advantageous for the electrochemical reaction occurring during the reciprocal energy conversion in the URFC system.

실험예 3Experimental Example 3

실시예1에서 얻어진 Pb 바이폴라플레이트 및 실시예2에서 얻어진 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 표면을 대상으로 GSA-X 기기 (SurfaceTech Co., Ltd., Korea)를 사용하여 물 접촉각을 측정 하고 그 결과를 도 5에 나타내었다.The water contact angle was measured using a GSA-X instrument (SurfaceTech Co., Ltd., Korea) on the surfaces of the Pb bipolar plate obtained in Example 1 and the Ag-Pb bipolar plate obtained in Example 2, and the results are shown. 5 is shown.

도 5에서 (a)는 Pb 바이폴라플레이트 표면의 물 접촉각이고 (b)는 Ag-Pb 바이폴라플레이트 표면의 물 접촉각이며, (c)는 Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 데이터를 비교한 것이다. (a)에 도시 된 바와 같이, 물방울은 Pb 바이폴라플레이트의 표면에 부착된다. 그러나, Ag-Pb 바이폴라플레이트의 표면에서의 수분 흡착 거동은 도 5 (b)에서 관찰된 바와 같이 Pb 바이폴라플레이트의 물 흡착 거동과 상당히 달랐으며, 이는 접촉각의 증가를 나타낸다. 바이폴라플레이트 재료의 식별된 물 접촉각 데이터는 도 5에 도시되어 있으며, Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 대응하는 물 접촉각 값은 각각 77.83° 및 92.21° 인 것으로 관찰되었다. 이것은 Pb 바이폴라플레이트의 표면에 Ag을 코팅함으로써 Pb 바이폴라플레이트의 물 접촉각이 상당히 개선 될 수 있음을 증명한다. 높은 물 접촉각은 내식성의 향상 등 많은 장점을 제공한다. 또한, Ag-Pb 바이폴라플레이트의 물 접촉각은 Pb 바이폴라플레이트의 표면상에 형성되는 Ag의 코팅두께를 증가시키면 증가되는 것으로 관찰되었다. 따라서, Pb 바이폴라플레이트 표면에 형성되는 금속코팅층의 종류, 두께 및 프로세스를 변화시킴으로써 물 접촉각을 변화시킬 수 있으므로 필요하다면 바이폴라플레이트 표면의 소수성을 원하는 대로 제어할 수 있다. 특히 바이폴라플레이트 표면의 소수성이 증가되면 연료 전지 운전 중 물 배출에 용이하게 작용될 수 있으므로 이러한 소수성 제어기능은 우수한 특성을 갖는 바이폴라플레이트를 제조하기에 유리할 수 있다. In FIG. 5, (a) is the water contact angle of the Pb bipolar plate surface, (b) is the water contact angle of the Ag-Pb bipolar plate surface, and (c) is a comparison of the data of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate. As shown in (a), water droplets adhere to the surface of the Pb bipolar plate. However, the water adsorption behavior on the surface of the Ag-Pb bipolar plate was significantly different from the water adsorption behavior of the Pb bipolar plate as observed in Fig. 5(b), indicating an increase in the contact angle. The identified water contact angle data of the bipolar plate material are shown in Figure 5, and the corresponding water contact angle values of the Pb bipolar plate and Ag-Pb bipolar plate were observed to be 77.83° and 92.21°, respectively. This proves that the water contact angle of the Pb bipolar plate can be significantly improved by coating Ag on the surface of the Pb bipolar plate. A high water contact angle offers many advantages, including improved corrosion resistance. In addition, it was observed that the water contact angle of the Ag-Pb bipolar plate was increased when the coating thickness of Ag formed on the surface of the Pb bipolar plate was increased. Therefore, the water contact angle can be changed by changing the type, thickness, and process of the metal coating layer formed on the surface of the Pb bipolar plate, so that, if necessary, the hydrophobicity of the surface of the bipolar plate can be controlled as desired. In particular, when the hydrophobicity of the surface of the bipolar plate is increased, it can easily act on the discharge of water during fuel cell operation.

실험예 4Experimental Example 4

실시예1에서 얻어진 Pb 바이폴라플레이트 및 실시예2에서 얻어진 Ag-Pb 바이폴라플레이트를 대상으로 CV 및 부식 시험을 Bio-logic Science 기기를 사용하여 다음과 같이 분석되었고 그 결과는 도 6a 내지 도 6c에 나타내었다. 카운터, 기준 및 작업 전극으로서 3 개의 전극 : Pt 와이어, Hg/ Hg2SO4 및 Pb 바이폴라플레이트 또는 Ag-Pb 바이폴라플레이트로 구성된 전기 화학 시스템의 성능을 각각 분석 하였다. 활성 표면적이 1㎠ 인 각 바이폴라플레이트의 CV를 0 내지 -1.2 V 및 0 내지 1.2 V의 0.5 M H2SO4 용액에서 5 mV / s의 스캔 속도로 측정 하였다. 부식은 URFC 작동 조건 하에서 2 mV/s의 스캔 속도로 3 ppm의 HF 농도를 갖는 0.5 M H2SO4 용액에서 분석되었다.The CV and corrosion tests of the Pb bipolar plate obtained in Example 1 and the Ag-Pb bipolar plate obtained in Example 2 were analyzed as follows using a Bio-logic Science instrument, and the results are shown in FIGS. 6a to 6c it was The performance of the electrochemical system composed of three electrodes as counter, reference and working electrodes: Pt wire, Hg/Hg 2 SO 4 and Pb bipolar plate or Ag-Pb bipolar plate was respectively analyzed. The CV of each bipolar plate with an active surface area of 1 cm 2 was measured at a scan rate of 5 mV/s in 0.5 MH 2 SO 4 solutions of 0 to -1.2 V and 0 to 1.2 V. Corrosion was analyzed in a 0.5 M H2SO4 solution with a HF concentration of 3 ppm at a scan rate of 2 mV/s under URFC operating conditions.

Pb 바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 CV 성능은 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같아. 도 6a에 나타난 것처럼 Pb 바이폴라플레이트에서 강력한 산화 환원 반응이 관찰되었으므로 효율적인 전기 화학 반응의 가능성이 확인되었다. Pb 바이폴라플레이트에서 산화 (Pb에서 PbSO4로) 및 환원(PbSO4에서 Pb로)과 같은 Pb의 산화 및 환원 피크는 Ag-Pb 바이폴라플레이트에서는 Ag의 존재로 인해 Pb 바이폴라플레이트에서보다 훨씬 낮았다. The CV performance of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate is as shown in Figs. 6a and 6b. As shown in Fig. 6a, a strong redox reaction was observed in the Pb bipolar plate, thus confirming the possibility of an efficient electrochemical reaction. The oxidation and reduction peaks of Pb such as oxidation (Pb to PbSO 4 ) and reduction (PbSO 4 to Pb) in the Pb bipolar plate were much lower in the Ag-Pb bipolar plate than in the Pb bipolar plate due to the presence of Ag.

바이폴라플레이트 재료의 전기 화학적 안정성 성능을 더 이해하기 위해 부식 테스트를 실시했으며, 도 6c는 Pb바이폴라플레이트 및 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 부식 테스트 결과를 비교 한 것이다. Pb 바이폴라플레이트의 내부식성은 Ag-Pb 바이폴라플레이트보다 감소했는데, Pb 바이폴라플레이트 표면에 Ag을 코팅한 Ag-Pb 바이폴라플레이트의 부식이 현저히 감소한 것으로 나타났다. 이것은 Pb 바이폴라플레이트 표면에 형성된 금속코팅층이 Pb 바이폴라플레이트의 내식성을 향상시켜 전체적으로 바이폴라플레이트의 안정성을 향상시킬 수 있음을 보여준다. In order to further understand the electrochemical stability performance of the bipolar plate material, a corrosion test was performed, and Fig. 6c compares the corrosion test results of the Pb bipolar plate and the Ag-Pb bipolar plate. The corrosion resistance of the Pb bipolar plate was reduced compared to that of the Ag-Pb bipolar plate, and the corrosion of the Ag-Pb bipolar plate coated with Ag on the surface of the Pb bipolar plate was significantly reduced. This shows that the metal coating layer formed on the surface of the Pb bipolar plate can improve the corrosion resistance of the Pb bipolar plate, thereby improving the overall stability of the bipolar plate.

실험예 5Experimental Example 5

실시예1에서 얻어진 Pb 바이폴라플레이트(Metal plate)와 탄소 소재 바이폴라플레이트의 부식성을 비교 분석하고자 Corrosion test를 다음과 같이 실시하였다. 상기 Corrosion test는 삼전극을 이용하여 실험예4와 동일한 방법을 사용하여 -1.5V ~ 2.0V에서 평가를 진행하며, 전해액은 0.5M의 H2SO4에서 시험 평가를 진행하였다.In order to compare and analyze the corrosion properties of the Pb bipolar plate obtained in Example 1 and the carbon material bipolar plate, a corrosion test was performed as follows. The corrosion test was performed at -1.5V to 2.0V using the same method as in Experimental Example 4 using three electrodes, and the electrolyte was tested and evaluated in 0.5M H 2 SO 4 .

평가결과, 탄소소재 바이폴라플레이트(Carbon plate)의 부식 전류밀도(Icorr)는 3.22 ㎂/cm2 지만, Pb 바이폴라플레이트(Metal plate)는 0.202 ㎂/cm2 로 부식 전류밀도가 낮았다. As a result of the evaluation, the corrosion current density (I corr ) of the carbon bipolar plate was 3.22 μA/cm 2 , but the Pb bipolar plate (metal plate) had a low corrosion current density of 0.202 μA/cm 2 .

따라서, 본 발명에 따른 Pb 바이폴라플레이트(Metal plate) 또한 Ag-Pb 바이폴라플레이트보다 성능이 약간 낮지만 URFC 바이폴라플레이트로 적합할 것으로 보인다.(DOE target ; 1.00 ㎂/cm2 이하)Therefore, the Pb bipolar plate according to the present invention also has slightly lower performance than the Ag-Pb bipolar plate, but it seems to be suitable as a URFC bipolar plate. (DOE target; 1.00 μA/cm 2 or less)

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.Although the present invention has been illustrated and described with reference to preferred embodiments as described above, it is not limited to the above-described embodiments, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains within the scope not departing from the spirit of the present invention Various changes and modifications will be possible.

100 : Pb 바이폴라플레이트/Ag-Pb 바이폴라플레이트
110 : 납 금속플레이트 120 : 유로
130 : 금속코팅층
100: Pb bipolar plate / Ag-Pb bipolar plate
110: lead metal plate 120: euro
130: metal coating layer

Claims (15)

납으로 구성된 금속플레이트; 상기 금속플레이트의 적어도 일면에 형성된 유로; 및 상기 유로가 형성된 금속플레이트 표면에 형성된 금속코팅층;을 포함하는데,
상기 금속플레이트는 Pb metal sheet이고,
상기 유로는 상기 금속플레이트 두께의 1/4 이상 2/3이하의 깊이를 갖도록 형성되며,
상기 금속코팅층의 물 접촉각은 90°이상이고,
상기 금속코팅층의 두께가 두꺼워질수록 물 접촉각이 커지는 것을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
metal plate made of lead; a flow path formed on at least one surface of the metal plate; and a metal coating layer formed on the surface of the metal plate on which the flow path is formed.
The metal plate is a Pb metal sheet,
The flow path is formed to have a depth of 1/4 or more and 2/3 or less of the thickness of the metal plate,
The water contact angle of the metal coating layer is 90° or more,
As the thickness of the metal coating layer increases, the water contact angle increases.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 금속코팅층은 Ag, Pt, Au, Ni, Cr, Sn으로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나 또는 이들 금속의 산화물, 탄화물, 질화물 중 하나 이상을 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
The method of claim 1,
The metal coating layer is any one selected from the group consisting of Ag, Pt, Au, Ni, Cr, Sn, or a bipolar plate characterized in that it is formed including at least one of oxides, carbides, and nitrides of these metals.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항 또는 제 3 항의 바이폴라플레이트를 포함하는 일체형가역연료전지. An integrated reversible fuel cell comprising the bipolar plate of claim 1 or 3. 삭제delete 제 1 항 또는 제 3 항의 바이폴라플레이트를 집전판으로 포함하는 이차전지.
A secondary battery comprising the bipolar plate of claim 1 or 3 as a current collector.
제 14 항에 있어서,
상기 이차전지는 레독스 흐름전지인 것을 특징으로 하는 이차전지.
15. The method of claim 14,
The secondary battery is a secondary battery, characterized in that the redox flow battery.
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