KR20040098709A - 연료전지용 바이폴라 플레이트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이폴라 플레이트의 연료쪽 채널을 "ㄹ"자 형태로 양분하고 또한 바이폴라 플레이트의 재질을 실버 에폭시수지등 전도성이 강한 물질을 도포한 플라스틱 또는 파이버 글라스등으로 대체시킨 바이폴라 플레이트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트는 플라스틱, 파이버 글라스로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재료상에 전도성이 양호한 에폭시수지가 도포된 것을 특징으로 한다.
그리고, 플라스틱 또는 파이버 글래스상에 실버 에폭시수지를 도포하여 형성된 본 발명에 따른 바이폴라 플래이트는 기계적 강도가 크고 가공성이 뛰어나며 가격이 저렴하다는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 상기 바이폴라 플레이트상에 "ㄹ"자형이 서로 대향하는 유로를 형성하여 연료의 흐름을 원할하게 공급할 수 있고, 따라서 바이폴라 플레이트의 크기를 축소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 바이폴라 플레이트{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL}
본 발명은 직접 메탄올 연료전지에 사용되는 바이폴라 플레이트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 바이폴라 플레이트의 연료쪽 채널을 "ㄹ"자 형태로 양분하고 또한 바이폴라 플레이트의 재질을 실버 에폭시수지등 전도성이 강한 물질을 도포한 플라스틱 또는 파이버 글라스등으로 대체시킨 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
연료전지(Fuel Cell)는 메탄올이나 천연가스 등의 탄화수소 계열의 연료중에 포함되어 있는 수소와 공기중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술로서 1970년대에 미국에서 우주선의 전원공급용으로 개발된 것을 일반 전원용으로 사용하고자 하는 연구가 추진되어 왔으며, 현재 미국과 일본 등의 선진국에서는 그 실용화를 위한 개발이 활발하게 진행되고 있다.
한편, 연료전지는 사용되는 연료의 종류에 따라 기체형 연료전지와 액체형 연료전지로 구분되며, 전해질의 종류에 따라서는 크게 알칼리형, 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형 및 고체고분자 전해질형 등으로 분류된다.
일반적으로 수소를 연료로 사용하는 기체형 연료전지는 에너지 밀도가 크다는 장점을 지니고 있으나, 수소가스의 취급에 주의를 요하고 연료가스인 수소가스를 생산하기 위하여 메탄이나 메탄올 등을 이용한 연료개질 장치등의 부대설비를 필요로 하는 문제점이 있다.
이에 반해 액체를 연료로 사용하는 액체형 연료전지는 기체형에 비해 에너지 밀도는 낮으나 연료의 취급이 용이하고 운전온도가 낮으며 특히 연료개질 장치를 필요로 하지 않는다는 특성때문에 소형, 이동용 전원으로서 적합한 시스템으로 알려져 있다.
따라서, 액체형 연료전지의 장점때문에 액체형 연료전지의 대표적인 일 형태인 직접 메탄올 연료전지(DMFC)에 대한 많은 연구가 수행되어 오고 있다.
직접 메탄올 연료전지는 메탄올의 산화반응이 일어나는 연료극 반응과 산소의 환원반응이 일어나는 공기극 반응으로부터 얻어지는 기전력의 힘이 발전의 근간을 이루며, 이때 연료극과 공기극에서 일어나는 반응은 아래와 같다.
연료극: CH3OH + H2O ----→ CO2+ H++ 6e-Ea = 0.04V
공기극: 3/2O2+ 6H++ 6e-----→ 3H2O Ec = 1.23V
전체반응: CH3OH + 3/2O2----→ CO2+ 3H2O Ecell = 1.19V
상기의 연료극과 공기극에서 일어나는 반응에서 알 수 있듯이, 연료극에서는 액상인 메탄올(CH3OH)과 물(H2O)이 고상인 전극과 반응하는 2상 반응(2 phase reaction)이기 때문에 친수성이 강한 전극이 요구되고 있다. 한편, 공기극에서는 수소이온(H+)과 산소(O2)가 반응하여 생선된 물(H2O)과 공기중의 산소(O2) 및 전극 촉매층이 3상(3 phase)으로 존재하고, 반응의 결과로 생성된 물이 빨리 외부로 배출되어야 하기 때문에 소수성이 강한 전극이 요구된다.
직접 메탄올 연료전지는 단위전지의 발생전압이 1V 내외로써 필요한 고전압을 발생시키기 위해서는 여러장의 단위전지를 적층하고 전기적으로는 직렬로 연결하여 목적하는 전압을 얻도록 되어 있다. 이때 각 단위전지에 연료 및 공기를 공급하고 발생된 전기를 집전하기 위해 적층한 셀의 수량만큼의 유로(Flow Field)와 집전판인 바이폴라 플레이트(Bipolar Plate)가 사용된다. 이때 유로는 금속성 망상체(Metal Mesh)등을 사용하기도 하나, 일반적으로는 전기 전도성이 있고 기체의 밀폐가 가능한 일정 두께 이상의 바이폴라 플레이트 재료로 사용되는 흑연블록(Graphite Block)에 채널을 가공하여 새겨 넣은 구조를 사용한다.
바이폴라 플레이트는 연료전지 반응에 필요한 산화가스와 연료가 양면으로공급되는 통로의 역할과 각 단위 전지의 양극과 음극을 직렬로 연결시켜주는 전도체의 역할을 동시에 수행하게 되는 사각판상의 카본판이다.
한편, 바이폴라 플레이트는 약 3mm 정도의 두께를 갖는 팽창 그래파이트(expanded graphite sheet)로 이루어지고, 한쪽 면에는 연료로서의 수소기체가 유동하기 위한 유로가 형성되고, 다른쪽 면에서는 산화로서의 산소기체가 유동하기 위한 유로가 형성된다. 바이폴라 플레이트는 카본 플레이트로도 제조되는데, 그래파이트 시이트나 카본 플레이트는 거의 순수한 탄소성분으로 제조되기 때문에 약한 기계적 강도가 문제점으로 지적되어 왔다.
연료전지용 바이폴라 플레이트로 사용되는 카본 플레이트나 팽창 그래파이트 시이트는 기계적 강도가 약하기 때문에 가공하기에 용이하지 않고, 가공시간이 오래 걸리며, 쉽게 파손되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 기계적 강도가 약하고 가공하기가 용이하지 않은 카본 플레이트나 팽창 그래파이트 등의 바이폴라 플레이트 재료를 실버 에폭시수지 등의 전도성이 강한 물질을 도포한 플라스틱이나 파이버 글래스등의 재료로 대체하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 종래 연료가스등의 통로인 유로의 형상을 "ㄹ"자형으로 형성함으로서 연료등이 원활하게 공급되도록하여 연료전지의 효율을 높이는데 또 다른 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트상에 형성된 "ㄹ"자형 유로를 나타내는 평면도이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 플라스틱, 파이버 글라스로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재료상에 전도성이 양호한 에폭시수지가 도포된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트가 제공된다.
또한, 본 발명은 플라스틱, 파이버 글라스로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재료를 제공하는 단계,
상기 재료상에 전도성이 양호한 에폭시수지를 도포하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제조방법을 제공한다.
이하 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명의 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트의 사시도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명의 바이폴라 플레이트는 플라스틱 또는 파이버 글래스(10)상에 전도성이 강한 물질인 에폭시수지(13) 등이 도포된 플레이트상에 유로(15, flow field)가 형성된 구조로 되어 있다. 상기 플라스틱 또는 파이버 글래스는 기계적 강도가 크고, 사출성형이 가능하여 원하는 형상으로 용이하게 제작할 수 있다. 본 발명의 바이폴라 플레이트는 플라스틱 또는 파이버 글래스상에 전기적 전도성이 강한 에폭시수지등을 도포하여 형성한 것이기 때문에 종래 바이폴라 플레이트의 재료로 일반적으로 사용되던 그래파이트와 비교하여 보면 기계적 강도, 성형성 및 가격의 측면에서 현저하게 향상되었다. 한편, 상기 에폭시수지는 실버 에폭시수지(silver epoxy resin)인 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명에 따른 직접 메탄올 연료전지용 바이폴라 플레이트상에 형성된 "ㄹ"자형 유로(15)를 나타내는 평면도이다. 본 발명은 바이폴라 플레이트를 형성하는 재질을 기계적 강도가 크고, 가공성이 우수한 재료로 대체한 것뿐만 아니라 연료극에 연료를 효율적으로 공급하기 위해 바이폴라 플레이트상에 형성되는 유로의 형상을 "ㄹ"자형이 서로 대향하도록 하였다. 이와 같이 유로의 형상을 "ㄹ"자형이 서로 대향이 되도록 형성함으로서 연료의 흐름을 빠르게 하여 결과적으로 연료극에 연료의 공급을 원활하게 함으로서 연료전지의 효율을 제고할 수 있게 되었다. 따라서, 연료전지 형성에 필요한 바이폴라 플레이트의 크기를 축소할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
플라스틱 또는 파이버 글래스상에 실버 에폭시수지를 도포하여 형성된 본 발명에 따른 바이폴라 플래이트는 기계적 강도가 크고 가공성이 뛰어나며 가격이 저렴하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 상기 바이폴라 플레이트상에 "ㄹ"자형이 서로 대향하는 유로를 형성하여 연료의 흐름을 원할하게 공급할 수 있고, 따라서 바이폴라 플레이트의 크기를 축소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (5)

  1. 직접 메탄올 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 있어서,
    플라스틱, 파이버 글라스로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재료상에 전도성이 양호한 에폭시수지가 도포된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에폭시수지는 실버 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 바이폴라 플레이트상의 연료가 공급되는 유로는 "ㄹ"자형이 서로 대향하도록 형성된 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트.
  4. 직접 메탄올 연료 전지용 바이폴라 플레이트 제조방법에 있어서,
    플라스틱, 파이버 글라스로 이루어진 군에서 선택된 하나의 재료를 제공하는 단계,
    상기 재료상에 전도성이 양호한 에폭시수지를 도포하는 단계,
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 에폭시수지는 실버 에폭시수지인 것을 특징으로 하는 바이폴라 플레이트 제조방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100748304B1 (ko) * 2005-08-31 2007-08-09 삼성에스디아이 주식회사 연료전지 시스템 및 이에 사용하기 위한 바이폴라플레이트와 단위전지

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