KR20060023501A

KR20060023501A - 소형 고분자전해질연료전지

Info

Publication number: KR20060023501A
Application number: KR1020040073220A
Authority: KR
Inventors: 박권필; 조규진; 김태희; 이정훈
Original assignee: 박권필; 조규진; 김태희; 이정훈
Priority date: 2004-09-09
Filing date: 2004-09-09
Publication date: 2006-03-14

Abstract

금속이나 실리콘대신 기판을 플라스틱을 사용한 소형 고분자전해질 연료전지를 개발하였다. 플라스틱에 스퍼터링 등에 의해 금속을 코팅해 플라스틱판이 집전체 역할을 하면서 또 플라스틱에 유로를 형성시켜 보통 그래파이트 재료로 만드는 분리판 역할도 하게 하였다. 플라스틱은 유연성이 있어 사용하기 편리한 점이 있으나 이 성질 때문에 외부에서 압력을 가해 연료전지 요소 간 접합이 어려운 점이 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 접착제를 사용하였는데 접착제 성분과 전도성 성분을 혼합하지 않고 분리해 사용하는 방법으로 전도성과 접착성을 동시에 살릴 수 있었다. 그리고 NaBH₄를 솜에 혼합 후 압착해 만든 펠릿에 물을 주사해 가수분해방법으로 수소를 공급하는 방법 등을 특징으로 하는 발명이다.

고분자전해질연료전지, 소형, 접합 방법, 폴리이미드, 플라스틱, 금속코팅, NaBH4 펠릿

Description

소형 고분자전해질연료전지{Mniature Proton Exchange Membrane Fuel Cells}

도 1은 소형 고분자전해질연료전지의 측면도.

도 2는 소형 고분자전해질연료전지의 분해 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 소형 고분자전해질연료전지의 단면도.

도 4는 본 발명에 따라 제조된 소형 고분자전해질의 성능을 나타내는 전류-전압 · 전류-전력곡선 그래프.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호 설명〉

10 : 양극 판

11 : 음극 판

12 : MEA

13 : NaBH₄ 펠릿

14 : Gasket

15 : 은 선

20 : 유로

21 : 공기 투입구

30 : 금속 코팅

31 : 전극

32 : Silver Paste

33 : 접착제

무선통신기기의 기능이 다양해지면서 리튬이온전지 등의 2차전지로는 에너지를 충분히 공급할 수 없는 현상이 나타나고 있다. 차세대 이동통신기기나 랩탑컴퓨터, PDA 등을 사용하기 위해서 에너지밀도가 500Wh/kg 이상인 에너지 공급 장치의 개발이 시급한 상태다. 이를 만족시킬 수 있는 것은 연료전지로 판명돼 소형연료전지에 대한 연구가 최근에 매우 활발하게 진행되고 있다. 여러 종류의 연료전지중에서 저온 상압의 휴대용으로 운전하기에 적합한 고분자전해질연료전지(PEMFC)와 직접메탄올연료전지(DMFC)가 소형연료전지로써 연구개발대상이 되고 있다. 소형연료전지가 기본적으로 갖춰야 할 조건은

1) 높은 에너지 밀도와 출력 밀도. 2) 작동온도와 작동압력이 낮음.

3) 저가($5/W이하). 4) 안전하고 긴 수명(2년 이상) 등이다.

소형 연료전지의 단위전지를 구성하는 분리판, 집전체, end plate등의 재질은 보통 스테인레스 스틸, 구리, 그래파이트 등으로 이뤄져 있고, 실리콘 연료전지라고 명칭하기도 하는 소형연료전지는 실리콘 기판에 반도체의 식각공정을 이용해 유로를 형성시키고 박막증착기술들을 이용해 MEA(Membrane and Electrode Assembly)를 만든다.

본 발명은 금속이나 그래파이트, 실리콘 들 대신 플라스틱을 사용해 소형연료전지를 제작함으로써 에너지 밀도를 향상시키고 비용도 절감하면서 유연성이 있어 사용하기에 편리한 소형연료전지를 제조하는 방법에 관한 발명이다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과정의 소형 고분자전해질 연료전지 제조방법을 제공한다.

플라스틱판에 도면 2와 같이 양극(10)과 음극(11)판을 제조한 후 hot pressing 한 MEA(12)를 두 판 사이에 넣고 전도성 접착제에 의해 접합한다. 플라스틱 전체 두께는 0.5-2.0mm이고 유로(fluid channel; 20)와 연료실은 깊이 1-2mm, 유료(20)간 간격은 1-3mm 유로(20)길이는 10-30mm다. 전류를 집전하고 MEA(12)와 플라스틱 간에 저항을 최소화하기 위해 금속을 스퍼터링(30)등에 의해 플라스틱에 코팅한다. 금속 코팅(30) 후 금속과 플라스틱 간에 접착력을 향상시키기 위해 열처리한다. MEA(12)와 플라스틱의 접합은 외부에서 볼트 · 너트나 공기압 등에 의한 압력에 의하지 않고 개발한 접착제 방법을 이용하였다. 접착력과 전기전도성을 동시에 갖는 전도성 접착제를 이용하려고 하였으나 상품화된 전도성 접착제는 전도도는 10S/cm이상으로 비교적 만족스러우나 접착력이 약한 문제점이 있었다. 접착제와 전도성성분을 균일하게 혼합하는 방법에 의해서는 접착력과 전도성 두 가지를 모두 만족시킬 수는 없어 도면3과 같은 방법을 사용하였다. 못을 박아 두 개의 판을 접 합시키듯이 접착성분(33)을 전극(31)과 플라스틱(20)사이의 몇군데에만 넣고 나머지 부분은 접착성분의 두께에 맞춰 전기 전도성 성분(32)을 채우면 작은 양의 접착제에 의해서도 접착력이 충분하고 전도성 감소도 거의 없게 된다. 접착성분이 전류 흐름 중간 중간에 위치하지만 전류는 플라스틱(20) 바로 위의 연속적으로 연결된 금속 코팅층(30)에 의해 전달될 수 있기 때문에 전도도에 큰 영향을 주지 않는다. 접착제성분(33)과 전도성성분(32)을 모두 작게 바르면 가스 확산층을 이 성분들에 의해 막지 않고 또 이 성분들이 많이 유입된 부분에서는 촉매층까지도 덮을 수 있어 이 성분들을 작게 사용하는 것이 물질전달과 반응속도 측면에서 효과적이다.

NaBH₄의 가수분해 반응에 의해 생성되는 수소를 양극 쪽(10)에 유입하고 음극(11)의 산소는 음극의 가스 확산층과 공기를 직접 접촉하게 하여 공급한다. NaBH₄ 분말을 솜과 혼합해 몰드에 넣고 압력을 가해 두께 0.5-1mm의 펠릿(13)을 만들어 연료실에 넣고 밀봉한 상태에서 외부에서 주사기로 일정량의 물을 NaBH₄ 펠릿(13)에 주입해 가수분해 반응이 진행되게 한다. NaBH₄ 펠릿(13)은 사용 후 꺼내고 새로운 연료를 교체가 쉽게 연료실의 테두리를 열고 닫을 수 있게 설계 제작하고 MEA부분(12)은 가스켓(14)을 이용해 가스가 새지 않게 하고 테두리는 에폭시접착제(33)를 이용해 양극 쪽(10)과 음극 쪽(11)을 결합시킨다.

이하 실시 예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.

[실시 예]

플라스틱으로 폴리이미드(polyimid)를 이용해 소형 고분자전해질 연료전지를 제작하였다. 폴리이미드 필름 전체 두께는 3.5mm이고 유로(20)와 연료실은 깊이는 1.2m, 유로(20)간 간격은 2mm 유로(20)길이는 26mm다. 전류를 집전하고 MEA(12)와 폴리이미드 간에 저항을 최소화하기 위해 금을 스퍼터링(20) 해 폴리이미드에 코팅하였다. 금 코팅 후 금과 폴리이미드 간에 접착력을 향상시키기 위해 200℃에서 1시간 열처리하였다. MEA(12)와 폴리이미드(20)의 접착은 하나의 유로(20)에 에폭시(33) 3포인트와 은 페이스트(silver paste; 32)를 이용해 발명의 구성부분에서 설명한 방법에 따라 수행했다. 전극은 E-Tek전극(Pt 0.4mg/cm²)을 고분자 전해질 막은 Nafion 117를 사용하였다. 전극과 막은 110℃에서 2분간 1000kPa로 hot pressing 하였다. 도면 4는 온도 22℃에서 NaBH₄ 펠릿(13)의 가수분해 반응에 의한 수소 공급과 공기접촉상태에서 단위전지 성능을 나타냈다. 개회로 전위는 0.81V이고 최대 출력은 V에서 20mW/cm²을 보이고 있다.

본 발명의 소형 고분자전해질연료전지 제조에 플라스틱을 이용함으로써 에너지밀도를 향상시키고 제조원가를 감소시키며 사용하기 편리한 소형 연료전지제조가 가능한데 이 방법은 소형 직접메탄올연료전지(DMFC)제조에도 적용될 수 있다. 그리고 본 발명의 연료공급 방법은 연속적이 아닌 batch 반응기 형태라 할 수 있고 어떻게 보면 2차 전지와 비슷하다고 할 수 있으나 충전시간이 빠르고 에너지 밀도가 높아서 2차전지의 단점을 보완할 수 있는 효과가 있다.

Claims

소형 고분자전해질 연료전지 제조과정에 집전체, 분리판, 유로를 형성하는 기판을 플라스틱을 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 고분자전해질 연료전지 제조방법.
상기 1항의 발명에서 플라스틱에 전기전도성을 주기 위해 금속으로 플라스틱을 코팅하는 것과 전극과 플라스틱의 접착을 접착제 성분과 전기전도성 성분을 이용하데 이들 성분을 혼합하지 않고 분리하여 접합시켜 높은 접착력과 높은 전도성을 동시에 얻는 것을 특징으로 하는 소형 고분자전해질연료전지 제조방법.
상기 1항의 발명에서 NaBH₄를 솜과 혼합해 만든 펠릿에 적당한 양의 물을 가해 NaBH₄ 가수분해반응으로 수소연료를 공급하는 것을 특징으로 하는 소형 고분자전해질연료전지 제조방법.