KR20050105784A - 고체 고분자 전해질 연료전지용 고분자 복합재료바이폴라플레이트 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로, 본 발명에 따라 연료전지에 바이폴라플레이트로서, 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 것을 사용하는 경우 경량·고성능화로, 비용 저감, 제조공정 및 취급의 용이성, 가스 침투율 제로(zero)를 통한 저가·고성능 연료전지 제작을 가능하게 한다.

Description

고체 고분자 전해질 연료전지용 고분자 복합재료 바이폴라플레이트{POLYMER COMPOSITE BIPOLARPLATE FOR PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL}

본 발명은 새로운 재질의 바이폴라플레이트 및 이를 포함하는 고체 고분자 전해질형 연료전지에 관한 것으로, 특히 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 바이폴라플레이트에 관한 것이다.

고체 고분자 전해질형 연료전지는 도 1에 그 구성을 나타낸 바와 같이 백금 촉매 전극(6,8)(수소측 전극: 산화극, 산소측 전극: 환원극)과 이온 전도성 고분자 막(5)을 전해질로 하여 연료가스로서 예를 들면 수소(7)가스를 공급하고 산화가스로서 산소(9)를 공급하여 전기화학반응으로 전기를 발생시키는 에너지 변환 시스템으로 전력 공급용은 물론 무공해 전기자동차의 엔진으로도 주목받고 있는 연료전지이다.

고체 고분자 전해질형 연료전지는 전해질이 고분자 막이므로 전해액 누수의 염려가 없고, 충격 흡수가 가능하며, 작동온도가 50 ∼ 80℃의 상온이므로, 별도의 예열기가 필요하지 않다. 그러나, 이러한 장점에도 불구하고, 연료전지의 백금촉매 전극, 전해질 이온교환 막, 바이폴라플레이트 등 주 요소의 재료 원가 및 제조 공정비가 고가이고 양산화되지 않아 제작이 용이하지 않을 뿐 아니라 제조원가도 높아 대량생산이 어렵다. 특히 자동차용 연료전지는 일반 전력 공급용 연료전지에 비해 내충격성, 작동온도, 안전성, 경량화, 경제성 등이 더욱 요구되므로 이러한 조건을 충족하고자 고효율의 연료전지를 개발하여 각 부품의 경량화를 통해 부피가 작고, 경량인 고성능의 연료전지가 필요하다. 따라서 각 재료 및 제조 공정의 개발을 통해 제조원가를 낮추어야 할 필요가 있다.

연료전지의 개발에 있어서 현재 바이폴라플레이트는, 다공성 그라파이트(graphite)를 열경화성 수지인 페놀 수지에 함침하여 그라파이트의 기공을 막아 플레이트로 만든 다음 수소/산소 가스의 흐름을 유도하기 위한 유로를 기계가공하여 사용하고 있다. 그러나, 그라파이트의 물리적 특성상 기계적 강도가 낮고, 함침 기술 축적의 미흡으로 수소 가스 침투성이 높으며, 유로 가공이 어렵고, 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 연료전지 운전시 깨지기 쉽고, 단위 무게당의 효율을 높이기가 어려워 연료전지 대량 생산의 걸림돌이 되고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 기존 그라파이트 바이폴라플레이트가 지니고 있는 단점인 높은 재료 원가 및 제조 공정 비용, 높은 가스 침투성, 취급의 어려움 등을 해결하여 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 바이폴라플레이트를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 열가소성 수지와 도전성 재료의 혼합물을 포함하는 고분자 복합재료로 구성되고 가스 유로를 구비한 기판 및 상기 기판의 일면 또는 양면에 코팅된 도전성 금속층을 포함하는, 고체 고분자 전해질형 연료전지용 바이폴라플레이트 및 이를 포함하는 고체 고분자 전해질 형 연료전지를 제공한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명의 바이폴라플레이트는 기존에 사용되었던 그라파이트 재질과는 전혀 다른 물질로서, 그라파이트 보다 물리적 특성 및 성형성이 우수한 고분자 복합재료(polymer composite)를 사용함을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 바이폴라플레이트의 구조를 개략적으로 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 바이폴라플레이트는 매트릭스(matrix)로서 고분자 복합재료로 이루어진 기판층(11) 및 그 양면에 코팅층(10)을 포함한다.

본 발명에서 상기 고분자 복합재료에 사용되는 매트릭스 고분자로는 PA(폴리아미드), PP(폴리프로필렌), PC(폴리카보네이트), ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체), ABS/PC 등과 같은 열가소성 수지를 사용할 수 있으며, 이러한 열가소성 수지는 플레이트 유로 가공에 있어 기계 가공뿐만 아니라 압축성형, 사출성형, 압출성형, 스템핑 등의 다양한 방법으로 성형을 통한 유로 가공이 가능하므로 경제성 및 양산성이 우수하다.

상기 열가소성 고분자 소재들은, 연료전지에 사용되는 플레이트의 물리적·화학적 특성을 향상시키기 위해 단일 또는 두 종류 이상 블렌드하여 사용할 수 있으며, 통상의 보강재 또는 충진재 등을 적절량 포함함으로써 플레이트 고유 특성을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에서는 바이폴라플레이트의 전도도(bulk conductivity)를 향상시키기 위해 상기 열가소성 수지에 도전성 재료, 예를 들면 카본 블랙, 금속 분말, 탄소섬유, 전도성 고분자 등을 혼합하여 사용한다. 상기 도전성 재료의 사용량은 상기 열가소성 수지를 기준으로 30 내지 70 중량% 범위이다.

본 발명에 따르면, 상기 고분자 복합재료 소재의 성형된 기판 상에 플레이트의 표면전도도(surface conductivity)를 증가시키기 위해 Au, Cu, Ni, Pd, Pd/Ni, Ru 등과 같은 도전성 금속을 사용하여 도전성 금속층을 코팅하여 바이폴라플레이트를 제조하게 되며, 구체적인 공정은 다음과 같다.

단일 또는 블렌드된 열가소성 수지에 도전성 재료를 적절량 첨가하여 열가소성 수지 복합 재료를 만든 다음 플레이트 유로 형상이 가공된 몰드(mold)를 이용하여 성형한다. 성형은 통상의 압축성형, 사출성형, 압출성형, 스템핑 등에 의해 수행할 수 있으며, 기판의 두께는 대략 2 내지 3 mm 범위일 수 있다. 이어서, 성형된 제품에 대해서 수지 충진 상태, 외관형태, 유로 형상, 기포 등을 검사한 후 표면전도도를 높이기 위해 성형품에 도전성 금속을 표면코팅한다. 바람직하게는 플레이트의 표면 코팅은 가스 유로가 성형되어진 플레이트의 표면을 에칭 공정 등을 이용하여 미세한 다공성 표면으로 만든 다음 다공성 표면 전체에 밀착성이 좋은 금속을 박막 형태로 코팅하여 전도성을 부여한다. 전기전도성, 열전도성을 보강하기 위해 추가로 금속 피막을 코팅할 수도 있으며, 내열성, 내약품성, 내식성이 우수한 금속을 이용하여 최종적으로 금속 피막을 형성시켜 부식에 따른 영향을 최소화시킬 수 있다.

상기 도전성 금속 코팅은 통상의 증착, 전해 코팅, 무전해 코팅, 디핑(dipping), 이온코팅 방법 등에 의해 수행할 수 있으며, 코팅층은 각각 약 1∼50㎛ 두께 범위를 가질 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따라 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 바이폴라플레이트는 경량이면서도 연료전지에 사용시 성능이 우수하고, 비용 저감, 제조공정 및 취급의 용이성, 가스 침투율 제로(zero) 등의 잇점이 있어 저가·고성능 연료전지 제작을 가능하게 한다.

이하, 본 발명의 한 실시태양을 참고로 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.

실시예

기재 수지로서의 ABS/PC 수지 100 중량부에 도전성 재료(카본블랙)를 70 중량부 첨가하여 열가소성 수지 복합 재료를 준비하였다. 이 복합재료에, 플레이트 유로가 형성된 몰드를 이용하여 유로 깊이 1 mm, 폭 1mm의 가스 유로를 가진 두께 약 2 mm의 복합 고분자 재료 기판을 사출성형법에 의해 제작하였다.

도 3에서 보듯이, 상기 성형된 기판(11)의 화학적으로 에칭시켜 기판 표면상에 에칭된 층(14)을 형성시킨 후, 그 위에 무전해법 또는 전해법에 의해, 니켈 코팅층(15), 구리 코팅층(16), 니켈 코팅층(17) 및 팔라듐-니켈 코팅층(18)을 각각 10㎛, 20㎛, 5㎛ 및 1~1.5㎛의 두께로 코팅하였다.

상기와 같이하여 제작된 복합 고분자 재료 바이폴라플레이트의 물리적 및 기계적 물성을 그라파이트 재질과 비교하여 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4로부터, 기존의 그라파이트 플레이트는 쉽게 깨지는 반면 본 발명에 따른 고분자 복합재료 플레이트는 유연성이 있음을 알 수 있으며, 따라서, 본 발명에 따른 바이폴라플레이트는 연료전지를 제작하는데 있어 압력이 가해져도 깨지지 않고 형태를 유지하여 취급이 용이하며, 연료전지 제작 후 진동 등의 외부 환경에 쉽게 영향 받지 않고 연료전지의 전극/전해질 접합체를 보호하는 기능이 우수함을 알 수 있다.

또한, 상기와 같이 제작된 바이폴라플레이트 두 장 사이에 고체 고분자 전해질막으로서 나피온(Nafion, 듀퐁사 제품)을 이용하여, 이를 전극(E-Tek사 제품)과 가압성형하여 전극/전해질 접합체를 얻었으며, 이 전극/전해질 접합체로 연료전지 성능시험을 다음과 같이 수행하였다.

연료전지 구성요소인 바이폴라플레이트의 성능평가는 본 발명에 따른 고분자 복합재료 및 그라파이트를 이용하여 유효면적 25 cm², 50 cm² 의 단위전지를 제작하여 성능시험을 실시하였다. 단위전지의 성능평가는 전극/전해질 접합체를 이용하여 단위전지를 제작하여 셀(cell)측은 50 내지 80℃, 산화극[H₂]측은 60 내지 90℃, 환원극[O₂]측은 55 내지 85℃로 온도를 제어하고, 수소측과 산소측의 가스 압력을 1 내지 5기압으로 유지하는 조건에서 실시하였다. 또한, 단위중량당 성능은 가습온도를, 수소측을 10℃, 산소측을 5℃로 셀 온도 보다 높게 설정하여 측정하였다. 상기 측정 결과를 도 5a 및 5b에 나타내었다.

도 5로부터, 본 발명에 따른 복합재 바이폴라플레이트는 단위 중량에 대한 성능이 기존의 그라파이트 플레이트에 비해 우수하며, 물리적 특성이 우수하면서 전도도를 유지할 수 있는 장점이 있음을 알 수 있다. 이로부터 본 발명에 따른 바이폴라플레이트는 연료전지 성능이 매우 우수함을 알 수 있다.

본 발명에 따라 열가소성 수지에 도전성 재료를 혼합한 고분자 복합재료로 구성된 기판에 도전성 금속이 코팅된 구조를 가진 바이폴라플레이트는 경량·고성능화로, 비용 저감, 제조공정 및 취급의 용이성, 가스 침투율 제로(zero)를 통한 저가·고성능 연료전지 제작을 가능하게 한다.

도 1은 통상의 연료전지의 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 바이폴라플레이트의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이며,

도 3은 도 2에서 기판 표면코팅층의 상세도이고,

도 4는 본 발명에 따른 바이폴라플레이트의 기계적 물성을 종래 기술에 따른 그라파이트 재질과 비교하여 나타낸 그래프이고,

도 5a 및 5b는 본 발명에 따른 바이폴라플레이트를 사용한 경우 및 종래 기술에 따른 바이폴라플레이트를 사용한 경우의 연료 전지의 성능을 보여주는 그래프이다.

<도면의 부호에 대한 간략한 설명>

1: 말단 지지체(end plate) 2: 집전체(current collector)

3: 바이폴라플레이트(분리판) 4: 밀봉부(gasket)

5: 고분자 전해질막(멤브레인) 6: 환원극(cathode)

7: 연료(H₂) 가스 유로 8: 산화극(anode)

9: 산화(O₂) 가스 유로 10: 코팅층

11: 기판(matrix)층 14: 에칭층(etched layer)

15, 17: 니켈(Ni) 코팅층 16: 구리(Cu) 코팅층

18: Pd-Ni 코팅층

Claims (8)

1. 열가소성 수지와 도전성 재료의 혼합물을 포함하는 고분자 복합재료로 구성되고 가스 유로를 구비한 기판(matrix) 및 상기 기판의 일면 또는 양면에 코팅된 도전성 금속층을 포함하는, 고체 고분자 전해질형 연료전지용 바이폴라플레이트(bipolarplate).
2. 제 1 항에 있어서,

   열가소성 수지가 PA(폴리아미드), PP(폴리프로필렌), PC(폴리카보네이트), ABS(아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 공중합체), ABS/PC 또는 이들의 블렌드임을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
3. 제 1 항에 있어서,

   도전성 재료가 카본 블랙, 금속 분말, 탄소섬유, 전도성 고분자 또는 이들의 혼합물임을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
4. 제 1 항에 있어서,

   도전성 재료가 열가소성 수지를 기준으로 30 내지 70 중량% 범위의 양으로 사용됨을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
5. 제 1 항에 있어서,

   기판이 2 내지 3 mm 범위의 두께를 가짐을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
6. 제 1 항에 있어서,

   도전성 금속층이 Au, Cu, Ni, Pd, Pd/Ni 및 Ru으로 이루어진 군 중에서 선택된 금속으로 한 층 이상 형성된 것임을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
7. 제 1 항에 있어서,

   도전성 금속층이 1∼50 ㎛ 범위의 두께를 가짐을 특징으로 하는 바이폴라플레이트.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 바이폴라플레이트를 포함하는 고체 고분자 전해질형 연료전지.