KR20050122452A - 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 0.1 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖고, 금속, 코팅층이 증착되어 있는 금속, 흑연 및 탄소 컴포지트로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되고, 유로 채널이 형성되어 있다.
본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 조절된 표면 거칠기를 갖아 연료 전지의 전지 반응이 원활하게 일어날 수 있다.

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}
[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 구조를 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 0.1 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖고, 금속, 코팅층이 증착되어 있는 금속, 흑연 및 탄소 컴포지트로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되고, 유로 채널이 형성되어 있는 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다.
본 발명은 또한 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 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고, 상기 바이폴라 플레이트는 0.1 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖고, 금속, 코팅층이 증착되어 있는 금속, 흑연 및 탄소 컴포지트로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되고, 유로 채널이 형성되어 있는 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 바이폴라 플레이트의 표면 거칠기(Ra)를 조절하여 이러한 특성을 향상시켰다. 본 명세서에서 표면 거칠기, Ra란 각 피크(바이폴라 플레이트의 표면의 높낮이에 따른 피크)의 산술 평균값을 의미한다.
본 발명의 바이폴라 플레이트의 표면 거칠기(Ra)는 0.1 내지 50㎛가 바람직하고, 1 내지 10 ㎛가 더욱 바람직하다. 표면 거칠기 값을 0.1㎛보다 작게 낮추는 것은 공정상 매우 어렵고 비용이 많이 소요되며, 50㎛보다 크면 점 접촉되는 수가 매우 낮아져서 접촉 저항이 커지게 되어 보다 커다란 체결 압력이 필요하게 된다. 그러나 필요 이상의 체결압은 막/전극 접합체의 기공 구조(pore structure)를 붕괴시켜 막/전극 접합체의 성능 저하를 가져오게 되며 또한 바이폴라 플레이트의 강도도 증가되어야 하므로 바람직하지 않다.
본 발명의 바이폴라 플레이트는 금속, 표면에 코팅층이 증착되어 있는 금속, 그라파이트 또는 카본 복합체로 구성된다. 상기 금속으로는 Al, Cu, Ti 또는 스테인레스 스틸 등을 사용할 수 있으며, 상기 코팅층은 Au, Pt, 이들의 나이트라이드, 보라이드, 옥사이드 또는 폴리피롤, 폴리아닐린과 같은 도전성 폴리머 등을 포함하며, 이들에 특별히 한정되는 것은 아니다.
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 실시예일뿐 본 발명이 하기한 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
표면 거칠기(Ra)가 1㎛인 유로 채널이 형성되어 있고, 스테인레스 스틸 금속 재질의 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
(실시예 2)
표면 거칠기(Ra)가 5㎛인 유로 채널이 형성되어 있고, 그라파이트 재질의 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
(실시예 3)
표면 거칠기(Ra)가 10㎛인 유로 채널이 형성되어 있고, 카본 복합체 재질의 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 3의 바이폴라 플레이트의 접촉 저항을 측정하였다. 접촉 저항(단위 mOhm X cm2)은 도 2에 나타낸 것과 같이 전류 1A를 흘려주며, 이때 나온 전압을 측정하여 측정된 저항값에 전체 시편의 면적을 곱해주어 측정하였다. 이때 압축 응력은 50, 100, 200N/cm2로 변경하면서 측정하였다. 도 2에서, Rc/Cu는 탄소 페이퍼와 구리 플레이트 사이의 저항, Rc/ss는 탄소 페이퍼와 스테인레스 스틸의 저항을 나타낸다.
측정된 접촉 저항을 도 3에 나타내었으며, 도 3에 나타낸 것과 같이, 바이폴라 플레이트의 표면 거칠기가 변화됨에 따라 접촉 저항이 증가함을 알 수 있다. 즉, 표면 거칠기가 증가하면 바이폴라 플레이트와 기체 확산층 층간에 완전 접촉이 되지 않고 실제 점 접촉되는 수가 적어져서 접촉 저항이 커지게 되므로 전도도가 저하되어 전체적인 연료 전지의 성능이 저하되어 바람직하지 않다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 조절된 표면 거칠기를 갖아 연료 전지의 전지 반응이 원활하게 일어날 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 바이폴라 플레이트의 접촉 저항을 측정시 사용된 구조를 개략적으로 나타낸 도면.
도 3은 실시예 1 내지 3의 바이폴라 플레이트의 접촉 저항을 측정하여 나타낸 그래프.

Claims (6)

  1. 0.1 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖고,
    금속, 코팅층이 증착되어 있는 금속, 흑연 및 탄소 컴포지트로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되고, 유로 채널이 형성되어 있는
    연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 표면 거칠기(Ra)는 1 내지 10 ㎛인 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 및 코팅층이 증착되어 있는 금속은 Al, Ti, Cu, Fe, Ni 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  4. 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 유로 채널이 형성된 바이폴라 플레이트를 포함하고,
    상기 바이폴라 플레이트는 0.1 내지 50㎛의 표면 거칠기(Ra)를 갖고, 금속, 코팅층이 증착되어 있는 금속, 흑연 및 탄소 컴포지트로 이루어진 군에서 선택되는 물질로 형성되고, 유로 채널이 형성되어 있는 것인 연료 전지.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 표면 거칠기(Ra)는 1 내지 10㎛인 연료 전지.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 금속 및 코팅층이 증착되어 있는 금속은 Al, Ti, Cu, Fe, Ni 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료 전지.
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