KR20050030765A - 연료전지용 바이폴러 플레이트 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지의 캐소드와 애노드중 어느 하나에 대향하여 접촉하고 있고, 내부에 기체의 유로 채널이 형성되어 있는 바이폴러 플레이트에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 내지 70%를 차지하고, 상기 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소성분이 분산되어 있는 고분자로 성형된 것이고, 상기 탄소성분은 XRD 회절 분석에 의한 d002 값이 3.4 Å 보다 크고 비표면적이 4m2/g 이상인 연료전지용 바이폴러 플레이트를 제공한다.

Description

연료전지용 바이폴러 플레이트{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL}
[산업상 이용 분야]
본 발명은 연료전지용 바이폴러 플레이트에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기체 접촉 면적을 최적화함으로써 기체 공급 효율을 높이고 이로써 전기에너지 변환율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 바이폴러 플레이트에 관한 것이다.
[종래 기술]
연료 전지는 전기화학 전지로서 연료산화 반응에 의한 자유 에너지 변화가 전기 에너지로 변환되는 것이다. 연료전지의 명칭은 사용되는 전해질에 따라 붙여지고 있는데, 현재 상용화되고 있는 연료전지는 인산형 연료전지, 용융탄산염 형 연료전지가 있다. 근래 고효율의 전지로 개발이 진행되고 있는 고분자 전해질형 연료전지의 개략도는 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 고체 고분자 전해질형 연료전지(1)는 서로 대향하여 설치되는 애노드(5)와 캐소드(6) 전극, 양 전극 사이에 개재되어 있는 고분자 전해질막(4)으로 이루어져 있다. 이러한 단위 전지는 가스 통로 수단을 설치한 바이폴러 플레이트(bipolar plate)를 이용하여 적층되어 있다. 이 연료전지는 수소 또는 연료를 애노드(5)로 공급하고 산소를 캐소드(6)에 공급되어 애노드와 캐소드의 전기화학반응에 의하여 전기를 생성시킨다.
상기 고분자 전해질형 연료전지의 전해질로는 이온 교환막의 관능기를 가지는 성분으로서 불소-함유 고분자를 골격으로 하고 술폰산기, 카르본산기, 인산기, 아인산기 등의 관능기를 가진다. 이와 같은 고분자 전해질막으로서 Dow 사나 Dupon 사의 퍼플루오로 카본술폰산막(NafionTM)과 같은 불소계 전해질막이 화학적 안정성이 우수하고, 높은 이온전도도와 뛰어난 기계적 물성을 가지므로 널리 사용되고 있다.
연료전지의 캐소드와 애노드 전극 사이에 형성되는 전압은 일반적으로 약 0.7V이다. 그 결과 실용적인 전압(예를 들어 10V 내지 100V)을 생성시키기 위해서는 많은 연료전지를 직렬로 접속할 필요가 있다. 또한 연료전지의 집합체를 연료전지 스택(stack)이라고 부른다. 인접하는 연료전지를 스택으로서 접속하는 바람직한 방법은 바이폴러 플레이트로 분리하는 것이다. 바이폴러 플레이트는 인접하는 연료전지의 캐소드와 애노드 사이의 양호한 전기적 접속을 제공한다. 연료전지의 캐소드에 가스통로 수단을 제공하는 바이폴러 플레이트는 강한 내식성을 가지며, 가스 투과성이 없어야 하고, 기체가 원활히 촉매층(애노드와 캐소드)에 확산될 수 있도록 할 수 있어야 한다.
본 발명은 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매층으로의 기체 공급 효율을 높여 연료전지의 전기에너지 변환율을 향상시킬 수 있는 바이폴러 플레이트를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지를 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 연료전지의 캐소드와 애노드중 어느 하나에 대향하여 접촉하고 있고, 내부에 기체의 유로 채널이 형성되어 있는 바이폴러 플레이트에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 내지 70%를 차지하고, 상기 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소성분이 분산되어 있는고분자로 성형된 것이고, 상기 탄소성분은 XRD 회절 분석에 의한 d002 값이 3.4 Å 보다 크고, 비표면적이 4m2/g 이상인 연료전지용 바이폴러 플레이트를 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 바이폴러 플레이트를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본발명의 연료전지용 바이폴러 플레이트는 연료전지의 캐소드와 애노드중 어느 하나에 대향하여 접촉하고 있고, 내부에 기체의 유로 채널이 형성되어 있으며, 상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 내지 70%, 바람직하게는 50%를 초과하고 60% 이하인 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 바람직한 바이폴러 플레이트의 평면도를 도시한 도 2에서 보는 바와 같이 상기 기체와의 접촉면적은 기체와 접촉하는 유로의 2차원적 면적(membrane과 접촉하는 면적), 즉 반응면적을 의미한다. 상기 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 미만인 경우에는 기체 확산이 어려운 문제가 있고 70%를 초과하는 경우에는 전자전도성에 문제가 있어 바람직하지 않다.
또한 본 발명의 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소성분이 분산되어 있는 고분자로 성형된 것이고, 상기 탄소성분은 XRD 회절 분석에 의한 d002 값이 3.4 Å 보다 크고, 비표면적이 4m2/g 이상의 범위에 있으며, 바람직하게는 70 m2/g 이상의 범위에 있다. 상기 도전성 탄소의 바람직한 예로는 Vulcan XC-72(비표면적 180m2/g), 아세틸렌 블랙(비표면적 70m2/g) 등이 있다. 상기 탄소성분은 바이폴러 플레이트의 전자전도도를 향상시킬 수 있다.
고분자에 분산된 도전성 탄소의 함량은 바이폴러 플레이트 전체 함량에 대하여 5 내지 45 중량%인 것이 바람직하다. 도전성 탄소의 함량이 5중량% 미만이면 전자전도성이 떨어지고 45중량%를 초과하면 기체의 투과성이 좋아져서 스택 제작시 기체가 누출될 가능성이 있다.
바이폴러 플레이트의 성형에 사용되는 고분자로는 불소계 수지, 페놀 수지, 폴리벤족사진 등이사용될 수 있으며, 상기 불소계 수지의 구체적인 예로는 폴리테트라플루오로에틸렌 (PTFE), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF) 등이 있다.
본 발명의 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소와 고분자의 혼합물을 일정한 기체유로가 설계, 제작되어있는 금형에 투입하여 압축 성형이나 사출 성형한 뒤 건조하여 제조할 수 있다. 또한 금형을 사용하지 않고 도전성 탄소와 고분자의 혼합물을 바이폴러 플레이트의 외형대로 가공하여 건조하고 절삭가공을 통해 기체 유로를 제작하는 절삭 가공법으로도 제조할 수도 있다.
본 발명의 바이폴러 플레이트는 애노드와 캐소드에서 전기화학 반응이 효율적으로 일어날 수 있도록 각 전극의 촉매층에 기체가 원활히 확산될 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기한 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 및 비교예)
도전성 탄소로 Vulcan XC-72R 20g과 폴리벤족사진 고분자 80g을 혼합하고 10시간 동안 상온에서 균일하게 혼합되도록 교반하여 탄소와 고분자의 혼합물을 얻었다. 이 혼합물을 기체유로가 설계, 제작되어있는 금형을 이용하여 압축 성형한 뒤 건조하여 바이폴러 플레이트를 제조했다. 기체 유로 설계시에는 원활한 기체 공급과 전극으로의 기체 확산이 잘 되도록 기체확산층과 접촉하는 바이폴러 플레이트의 면적이 전체면적의 30, 45, 60, 및 75%가 되도록 기체 유로를 설계하였다. 바이폴러 플레이트를 사용하여 테스트 셀을 제작하였다. 바이폴러 플레이트의 기체와의 접촉면적 비율에 따른 전지 성능을 평가하여 하기 표 1에 기재하였다.
표 1: 바이폴러 플레이트의 전체 면적에 대한 기체 접촉면적의 비율에 따른 전지 성능평가
면적비율(%) 전류밀도(vs. 0.7V)
30 326 mA/cm2
45 575 mA/cm2
60 605 mA/cm2
75 390 mA/cm2
표 1에 기재된 바와 같이 상기 면적비율이 45% 및 60%인 바이폴러 플레이트를 포함하는 셀이 면적비율이 30% 및 75%인 바이폴러 플레이트를 포함하는 셀에 비하여 전류밀도가 우수한 것으로 나타났다.
본 발명에서 연료전지용 바이폴러 플레이트는 애노드와 캐소드에 공급되는 기체 공급효율이 우수하고 기체 확산성이 우수하여 결과적으로 연료전지의 전기에너지 변환율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 고분자 전해질형 연료전지의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 제조된 바이폴러 플레이트를 개략적으로 도시한 평면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 연료전지 2: 애노드 기체 확산층
3: 캐소드 기체 확산층 4: 전해질
5: 애노드 6: 캐소드
11: 바이폴러 플레이트 12: 기체와의 접촉면적
13: 기체 유로

Claims (8)

  1. 연료전지의 캐소드와 애노드중 어느 하나에 대향하여 접촉하고 있고, 내부에 기체의 유로 채널이 형성되어 있는 바이폴러 플레이트에 있어서,
    상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 내지 70%를 차지하고, 상기 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소성분이 분산되어 있는 고분자로 성형된 것이고, 상기 탄소성분은 XRD 회절 분석에 의한 d002 값이 3.4 Å 보다 크고, 비표면적이 4m2/g 이상인 연료전지용 바이폴러 플레이트.
  2. 제1항에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 50%를 초과하고 60% 미만인 연료전지용 바이폴러 플레이트.
  3. 제1항에 있어서, 상기 고분자에 분산된 도전성 탄소의 함량은 바이폴러 플레이트 전체 함량에 대하여 5 내지 45 중량%인 연료전지용 바이폴러 플레이트.
  4. 제1항에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 성형에 사용되는 고분자는 불소계 수지, 페놀수지, 및 폴리벤족사진으로 이루어진 군에서 선택되는 것인연료전지용 바이폴러 플레이트.
  5. 캐소드, 애노드 및 상기 애노드와 캐소드 사이에 존재하는 전해질을 포함하는 다수의 전극군(membrane electrode assembly) 및 상기 캐소드와 애노드중 어느 하나에 대향하여 접촉하고 있고, 내부에 기체의 유로 채널이 형성되어 있는 상기 전극군 사이에 바이폴러 플레이트를 포함하고,
    상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 40% 내지 70%를 차지하고, 상기 바이폴러 플레이트는 도전성 탄소성분이 분산되어 있는 고분자로 성형된 것이고, 상기 탄소성분은 XRD 회절 분석에 의한 d002 값이 3.4 Å 보다 크고, 비표면적이 4m2/g 이상인 연료전지.
  6. 제5항에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 유로 채널의 기체와의 접촉면적이 바이폴러 플레이트 면적의 50%를 초과하고 60% 미만인 연료전지.
  7. 제5항에 있어서, 상기 고분자에 분산된 도전성 탄소의 함량은 바이폴러 플레이트 전체 함량에 대하여 5 내지 45 중량%인 연료전지.
  8. 제5항에 있어서, 상기 바이폴러 플레이트의 성형에 사용되는 고분자는 불소계 수지, 페놀수지, 및 폴리벤족사진으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지.
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