KR20100027622A

KR20100027622A - 고분자 전해질 막 연료전지

Info

Publication number: KR20100027622A
Application number: KR1020080086613A
Authority: KR
Inventors: 우상국; 유주현; 한인섭; 홍기석
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2008-09-03
Filing date: 2008-09-03
Publication date: 2010-03-11

Abstract

본 발명은 금속에 높은 전기전도성을 갖는 입자를 전기영동법에 의해 코팅함에 의해 금속판의 부식이 완전하게 방지되면서 판과의 접합성이 우수하여 고분자 전해질 막 연료전지용으로 사용될 수 있는 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법은 금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅함을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트는 기재로 사용된 금속의 부식을 방지하기 위하여 특정한 물질로 전기영동에 의하여 코팅을 하여 코팅층을 형성하므로, 금속의 단점인 부식이 완전하게 방지되어 종래의 문제점을 해결할 뿐 아니라, 플레이트의 열처리과정이 불필요하게 되어, 생산비용이 절약되고 열처리과정에서 발생하는 기판의 손실을 예방할 수 있으며 기판과의 코팅력을 높일 수 있어 코팅층이 벗겨지는 문제를 해결하는 우수한 작용효과를 가지는 산업상 유용하게 이용될 수 있는 발명이다.

고분자 전해질, 연료전지, 바이폴라 플레이트, 전기영동, 전기전도성

Description

고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법{Bipolar plate for polymer electrolyte membrane fuel cells and preparing process thereof}

본 발명은 전기영동법에 의한 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법에 관한 것으로, 자세하게는 금속에 높은 전기전도성을 갖는 입자를 전기영동법에 의해 코팅함에 의해 금속판의 부식이 완전하게 방지되면서 판과의 접합성이 우수하여 고분자 전해질 막 연료전지용으로 사용될 수 있는 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 연료 전지(Fuel cell)라 함은 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 지칭하는 것으로, 이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체 산화물 형 연료전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료전지(AFC; alkaline fuel cell) 및 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류된다.

상기한 종류의 연료전지 중 근래에 개발되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell: PEMFC)는 다른 종류의 연료 전지에 비하여 환경적 조건에 부응하는 무방사 전원으로 출력 특성이 탁월하며 작동 온도가 낮을 뿐 아니라 높은 에너지 효율성을 나타내어 자동차와 같은 이동용 전원은 물론, 주택, 공공 건물과 같은 분산용 전원 및 전자기기용과 같은 소형 전원 등 그 응용 범위가 넓은 장점을 가진다.

따라서, 상기와 같은 많은 장점을 갖는 PEMFC는 이동 전원용으로 널리 연구되고 있는데, 이 연료전지는 도 1에 도시하고 있는 바와 같이 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 여러 개 적층되어 있는 스택(stack)을 갖고 있다. 이러한 스택의 기본구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 다수 개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해서 체결된 구조로 이루어지며, 단위전지는 전해질막의 양 측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되어 있는 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly:MEA)와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체 유동용 채널이 형성되어 있는 세퍼레이터, 즉 바이폴라 플레이트로 이루어진다.

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 전 극을 연결시켜 주는 전도체의 역할을 동시에 수행한다. 따라서, 이러한 작용을 하는 바이폴라 플레이트를 통해 애노드 전극에는 수소 가스가 공급되는 반면, 캐소드 전극에는 산소가 공급되고, 이 과정에서 애노드 전극에서는 수소 가스의 산화 반응이 일어나게 되고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원 반응이 일어나게 되며, 이때 생성되는 전자의 이동으로 인해 전기를 발생시키고, 부수적으로 애노드 전극과 캐소드 전극에서 각각 생성되는 이산화탄소와 물을 외부로 배출시키도록 작용한다.

그런데, 상기와 같은 고분자 전해질용 연료전지의 바이폴라 플레이트로는 다공성 그라파이트(graphite)를 페놀 수지에 함침하여 플레이트를 제작하고, 수소와 산소 가스의 흐름을 유도하기 위한 유로는 기계 가공하여 사용하거나 또는 화학적 및 열적 안정성을 이유로 비침투성(Non-porous) 그라파이트가 주로 사용되었다. 그러나, 상기한 종래의 그라파이트 플레이트의 경우 기계적 강도가 낮고, 수소 가스 침투성이 높으며, 유로 가공이 어렵고, 연료전지 운전시 깨지기 쉽고, 단위 무게 당의 효율을 높이기가 어려워 연료전지 대량 생산이 어려워 가공비용이 상대적으로 비싸다는 문제점이 있었다.

따라서, 이러한 그라파이트 바이폴라 플레이트의 문제점을 해결하기 위해 금속, 폴리머, 세라믹 등으로 대체 사용이 제안되고 있으나, 폴리머 또는 세라믹의 경우는 전기전도도가 낮다는 결정적인 단점을 가지고 있어, 이들 중 특히 금속이 가장 유망한 대체 물질로 여겨지고 있다. 그러나, 상기 금속의 경우에 있어서는 고분자 전해질형 연료 전지 환경 하에서 산화, 즉 그 표면 상에 부식 및 공기 형성 산화물에 의한 높은 계면 접촉 저항을 나타낸다는 문제점이 있었으며, 이러한 문제 점을 해결하기 위하여 코팅 등의 방법이 제안되어 있으나 만족할 만한 해결책으로 되지는 못한다는 문제점이 여전히 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 그라파이트로 제작된 바이폴라 플레이트의 단점인 높은 재료 원가 및 제조 공정 비용, 가스 침투성, 취급의 어려움 등을 해결하면서 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 조성의 바이폴라 플레이트의 제공을 그 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 높은 재료 원가 및 제조 공정 비용, 가스 침투성, 취급의 어려움 등을 갖는 그라파이트 대신 금속을 사용하면서도 금속의 고분자 전해질형 연료 전지 환경 하에서 산화를 방지하여 종래의 문제점을 해결한 고분자 전해질 막 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 우수한 특성을 갖는 고분자 전해질 막 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 용이하게 제조할 수 있는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기한 우수한 특성을 갖는 고분자 전해질 막 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 이용한 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법은;

금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구성에 따르면, 상기 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질은 CNT, TiN 또는 CrN임을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트는;

금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅하여 제조된 것임을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 고분자 전해질 막 연료전지는;

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 금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅하여 제조된 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트임을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플 레이트는 기재로 사용된 금속의 부식을 방지하기 위하여 특정한 물질로 전기영동에 의하여 코팅을 하여 코팅층을 형성하므로, 금속의 단점인 부식이 완전하게 방지되어 종래의 문제점을 해결할 뿐 아니라, 본 발명에서는 코팅을 위해 전기영동법을 사용하므로 종래의 다른 방법에 따른 코팅시 필수공정인 열처리과정이 불필요하게 되어, 생산비용이 절약되고 열처리과정에서 발생하는 기판의 손실을 예방할 수 있으며 기판과의 코팅력을 높일 수 있어 코팅층이 벗겨지는 문제를 해결하는 우수한 작용효과를 가지는 산업상 유용하게 이용될 수 있는 발명이다.

이하, 본 발명을 보다 자세하게 설명한다.

본 발명에 따라 플레이트 상에 코팅되는 물질의 하나인 TiN은 특히 높은 전기적 및 열적 전도성과 우수한 부식 저항성을 가진다. 따라서, 고분자 전해질형 연료전지의 바이폴라 플레이트로서 TiN-코팅 스테인레스 스틸을 사용하는 것이 제안되었다. 특히, TiN-코팅 스테인레스 스틸이 그라파이트에 필적할 만한 계면 접촉 저항과 물 접촉 각을 가진다는 것이 보고되어 있다. 또한, 물리적 기상증착법(physical vapor deposition(PVD))에 의한 TiN-코팅 스테인레스 스틸은 극성화 저항성을 감소하고 부식 전류 밀도를 낮춘다고 보고되어 있다. 그러나, 이 방법에 의한 TiN-코팅은 국소적인 부식을 초래할 수 있는 핀 홀과 같은 결함을 가지고 있는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 단점을 해결하기 위하여 전기영동법을 사용함 을 특징으로 하는데, 이러한 전기영동 증착법은 세라믹체가 DC 전기장에 의해 안정한 콜로이드 서스펜션으로부터 직접적으로 형성되어 지는 콜로이달 공정이다. 이 전기영동법의 이점은 복잡한 형상을 갖는 전도체 표면 상에 코팅을 용이하게 하고, 코팅 두께의 조절이 용이하고 비용이 저렴하다는 이점이 있다. 본 발명에 따라 스테인레스 스틸에 전기영동 증착법에 의해 TiN 나노 입자로 코팅하므로서, 부식을 완전하게 방지할 수 있을 뿐 아니라, 코팅 공정 후 열처리과정이 불필요하게 되어 제조공정이 단순하게 된다.

이하, 본 발명을 하나의 바람직한 실시형태에 의해 보다 자세하게 설명하지만, 본 발명의 범주가 여기에 한정되는 것이 아님은 물론이다.

실시예

바이폴라 플레이트의 기본 재질로는 두께 6mm 가로 세로 각각 80mm의 정사각형의 것으로 제작된 스테인레스 스틸을 사용하였다. 이 스테인레스 스틸을 양극공사행(serpentine flow) 필드로 바이폴라 플레이트로 가공하였다. 활성 전극 영역은 50 X 50mm²이다. 표면은 다이아몬드 연마제로 연마 가공하고 15분 동안 핵산에서 초음파로 세정하였다.

스테인레스 스틸의 표면 상에 TiN 코팅은 전기영동 증착법에 의해 수행하였다. 현탁액의 조성은 200ml의 2-프로판올 내에 0.064 질량%의 TiN 나노입자와 결합제로 0.24 질량%의 유화된 스틸렌-부타디엔 러버(styrene.butadiene rubber; SBR, M = 110,000 - 260,000 g mol^-1, Zeon)로 구성하였다. 제조된 현탁액은 10분 동안 초음파로 균질화하였다. 500V의 일정한 전압하에서 전기영동 증착 처리를 DC 전원을 사용하여 제어하였다. 이때 증착 시간은 30초로 하였다. 트랜스미션 전자 현미경 관찰로 초음파로 처리된 현탁 상태에 있는 TiN 나노 입자와 SBR에 대해 수행하였으며, 이렇게 하여 전기영동법에 의해 스테인레스 스틸 상에 TiN 코팅 바이폴라 플레이트를 제조하였다.

실험예

상기 실시예에 따라 얻어진 스테인레스 스틸 상에 TiN이 코팅된 바이폴라 플레이트와 비코팅 스테인레스 스틸의 평가를 위해, 시뮬레이트된 고분자 전해질형 연료전지 환경 및 단일 전지 조작으로 300 시간까지 극성화반응 시험을 통해 수행하였다.

그 결과 본 발명에 따라 얻어진 TiN 코팅 바이폴라 플레이트 일반적으로 요구되는 <16 ㎂cm^-2의 부식율을 만족하여 우수한 항 부식성을 가짐을 확인할 수 있었다. 또한, 연료 전지용 바이폴라 플레이트로서 스테인레스 스틸의 계면 전도성을 개선하기 위해 본 발명에 따라 스테인레스 스틸이 바인더로 탄성의 스틸렌-부타디엔 러버로 TiN 나노 입자에 의해 전기영동 증착법을 통해 도포된, TiN-코팅 바이폴라 플레이트는 높은 전도성의 TiN 나노입자에 의해 바이폴라 플레이트와 가스 확산층 간의 보다 양호한 접촉에 기인하여 ICR 값을 유의성 있게 낮추고, 비록 카본 페 이퍼로 스테인레스 스틸과의 조합은 그 나쁜 접합에 기인하여 연료 전지 작동에 적절하지 않다는 것이 잘 알려져 있지만, 이러한 문제점은 본 발명에 따른 탄성 SBR로 TiN 나노입자 코팅을 채용함에 의해 해결되어 질 수 있었으며, 이 개선된 특성은 결론적으로 연료전지 수행성에 있어서의 개선을 가져와, TiN 나노입자-도포 스테인레스 스틸 바이폴라 플레이트는 연료전지 바이폴라 플레이트로 우수하게 사용될 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료 전지의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims

금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅함을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법.
제 1항에 있어서, 상기 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질은 CNT, TiN 또는 CrN임을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법.
금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅하여 제조된 것임을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트.
서로 대향하여 위치한 애노드 및 캐소드 전극, 및 상기 애노드와 캐소드 전 극 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 금속 재질의 플레이트 상에 전기전도성 폴리머와 상온에서 높은 전기전도성을 갖는 입자의 물질을 혼합하여 폴리머 위에 접착시킨 후 전기영동법에 의하여 원하는 기판에 코팅하여 제조된 고분자 전해질 막 연료전지용 바이폴라 플레이트임을 특징으로 하는 고분자 전해질 막 연료전지.