KR20110034230A - 고분자 전해질 연료전지의 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에서 고분자막 구조체의 양측에 각각 설치되는 분리판에 관한 것으로서,

분리판은, 다수의 단위 셀이 적층된 스택 구조의 고분자 전해질 연료전지에서 프로톤(Proton)만 선택적으로 전달시키는 막을 구비한 고분자막 구조체의 양측에 부착되어 단위 셀을 형성하며, 내부식성이 우수한 스테인리스강으로 형성되고, 유로 형성을 위한 기계적 가공 후 표면처리를 하기 전에 가공 표면의 응력 집중부 및 가공 결함이 제거되도록 전해 연마하여 형성한 것을 특징으로 하며,

전해 연마는, 인산 45 wt%, 황산 41 wt%, 증류수 14 wt%로 이루어진 전해액을 이용하여, 70℃, 0.75A/㎠의 전류밀도로 3분 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 유로를 형성하기 위하여 기계 가공을 한 후 전해 연마를 통해 그 표면에서 금속용출이 일어나게 하므로, 분리판의 표면 평활도와 광택도 및 내구성이 향상됨과 아울러 내부식성 향상을 위한 표면처리가 용이해진다.

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Description

고분자 전해질 연료전지의 분리판{Bipolar Plate of Proton Exchange Membrane Fuel Cell}

본 발명은 고분자 전해질 연료전지에서 고분자막 구조체의 양측에 각각 설치되는 분리판에 관한 것으로서, 특히 분리판의 재료로 사용되는 스테인리스강을 표면처리 하기 전에 전해 연마를 통해 기계적 가공에 따른 응력 집중 및 결함을 해소함으로써 표면처리 효과가 향상되도록 한 고분자 전해질 연료전지의 분리판에 관한 것이다.

수소연료전지란, 수소가 가진 화학적에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지 변환장치로서, 작동온도와 전해질의 종류에 따라서 다양하게 분류된다. 그 중에서 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 다른 종류의 연료전지보다 낮은 작동온도와 높은 출력밀도를 가지기 때문에 자동차 및 가정용 연료전지에 적합하다.

통상의 고분자 전해질 연료전지는 도 1에 도시된 바와 같이, 다수의 단위 셀(Cell)들이 적층된 스택(Stack) 구조로 형성되며, 화학 반응을 일으키는 촉매를 포함하며 프로톤(Proton)만 선택적으로 전달시키는 막(Membrane)을 구비한 고분자 막 구조체(10)와, 상기 고분자막 구조체(10)의 양측에 부착되어 단위 셀을 형성하는 분리판(Bipolar Plate, 20)과, 연료와 냉각수의 출입구가 구비되며 스택을 구성하는 여러 개의 단위 셀들을 지지해 주는 엔드 플레이트(End Plate, 30)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 엔드 플레이트(30) 및 바이폴라 플레이트(20)는, 전해질에서의 화학 반응에 따른 영향을 받지 않도록 하기 위하여 고내식성의 흑연복합재료를 이용하여 제작되고 있다. 그런데, 상기 엔드 플레이트(30) 및 바이폴라 플레이트(20)의 재료로 사용되는 흑연복합재료는 가공성이 부족하고 박막화가 어려워 가격 경쟁력이 낮은 단점이 있다. 특히, 연료 전지의 주요한 용도인 자동차에 적용하기에는 기계적 강도와 피로 특성이 취약하여 적용이 곤란하다.

이에 따라 내식성을 유지하고 높은 기계적 강도와 스탬핑 등에 높은 생산성을 기대할 수 있는 금속 기반의 엔드 플레이트 및 바이폴라 플레이트의 개발이 연구되고 있다. 그러나 대부분의 금속은 부식에 취약할 뿐 아니라 알루미늄과 같이 표면에 산화막을 형성한 경우에도 충분한 내부식성을 얻을 수 없는 단점이 있다.

한편, 고분자 전해질 연료전지의 작동환경에서는 황산수용액이 발생할 수 있기 때문에, 상기 엔드 플레이트(30) 및 분리판(20)은 우수한 내부식성을 가지는 재료로 제작하고 있다. 상기 엔드 플레이트(30) 및 분리판(20)을 제작할 때 주로 사용되는 흑연복합재료는 가공성이 부족하고 박막화가 어려워 가격 경쟁력이 낮은 단 점이 있다. 특히, 연료 전지의 주요한 용도인 자동차에 적용하기에는 기계적 강도와 피로 특성이 취약하여 적용이 곤란하다.

이에 따라 내식성을 유지하고 높은 기계적 강도와 스탬핑 등에 높은 생산성을 기대할 수 있도록 금속을 기반으로 하는 엔드 플레이트 및 분리판의 개발이 연구되고 있다. 그러나 대부분의 금속은 부식에 취약할 뿐 아니라 알루미늄과 같이 표면에 산화막을 형성한 경우에도 충분한 내부식성을 얻을 수 없는 단점이 있다.

특히, 상기 분리판(20)은, 연료와 가스가 통과할 수 있는 다수의 유로를 형성해야 하기 때문에 CNC 밀링과 같은 가공기구로 구멍을 천공하는 등 기계적 가공을 요구한다. 그런데, 이러한 기계적 가공은 가공 표면에 미세한 응력 집중부가 다수 형성되도록 함과 아울러 가공 결함을 야기하게 되고, 이들 응력 집중부 및 가공결함으로 인하여 고분자 전해질 연료전지를 장시간 사용할 때 내구성의 문제를 일으키게 된다.

다시 말해서, 종래의 고분자 전해질 연료전지의 분리판은 유로가 형성되도록 기계적 가공을 하게 되므로 가공 표면에 응력 집중부 및 가공 결함이 형성되어, 장시간 사용시 내구성에 문제가 발생할 수 있다.

본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 고분자 전해질 연료전지의 분리판을 표면처리 하기 전에 기계 가공으로 인한 응력 집중을 해소하고 가공 결함을 제거함으로써 내구성이 개선됨과 아울러 내부식성 향상을 위한 표면처리가 잘 이루어지도록 한 고분자 전해질 연료전지의 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판은, 다수의 단위 셀이 적층된 스택 구조의 고분자 전해질 연료전지에서 프로톤만 선택적으로 전달시키는 막을 구비한 고분자막 구조체의 양측에 부착되어 단위 셀을 형성하며, 내부식성이 우수한 스테인리스 강으로 형성되고, 유로 형성을 위한 기계적 가공 후 표면처리를 하기 전에 가공 표면의 응력 집중부 및 가공 결함이 제거되도록 전해 연마하여 형성한 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판에 따르면, 상기 전해 연마는, 인산 45 wt%, 황산 41 wt%, 증류수 14 wt%로 이루어진 전해액을 이용하여, 70℃, 0.75A/㎠의 전류밀도로 3분 동안 실시하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판에 따르면, 상기 전해 연마는 기계적 연마 후에 실시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판은, 유로를 형성하기 위하여 기계 가공을 한 후 전해 연마를 통해 그 표면에서 금속용출이 일어나게 하므로, 분리 판의 표면 평활도와 광택도 및 내구성이 향상됨과 아울러 내부식성 향상을 위한 표면처리가 용이해지는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 엔드 플레이트용 스테인리스강의 표면처리 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판의 전해 연마 전후의 표면 형상이 도시된 참고도이다.

본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판은, 다수의 단위 셀이 적층된 스택 구조의 고분자 전해질 연료전지에서 프로톤만 선택적으로 전달시키는 막을 구비한 고분자막 구조체의 양측에 부착되어 단위 셀을 형성하는 것으로, 내부식성이 우수한 스테인리스 강으로 형성되며, 유로 형성을 위한 기계적 가공 후 표면처리를 하기 전에 가공 표면의 응력 집중부 및 가공 결함이 제거되도록 전해 연마하여 형성한다.

상기한 스테인리스강은 박막의 부식층을 이용하여 내부를 보호하는 고내식성의 재료로서, 황산 수용액이 발생할 수 있는 고분자 전해질 연료전지의 작동환경에서도 사용이 가능하다. 이러한 스테인리스강은 그 조성에 따라 STS 304, STS 316L 등으로 분류되고 있으며, 몰리브덴(Mo)의 함유 여부에 의해 304 등급과 316L 등급이 구분되고 있다.

316L 등급의 스테인리스강은, 그 조성이 C: 0.024 wt%, Cr: 16.83 wt%, Ni: 10.62 wt%, Mo: 2.07 wt%, Mn: 1.13 wt%, Si: 0.56 wt%, P: 0.028 wt%, S: 0.004 wt% 와 잔부가 철(Fe) 및 불가피한 불순물로 이루어진 것으로, 304 등급의 스테인리스강에 비해 내식성이 우수한 특징이 있다. 그리고 316L 등급의 스테인리스강은 우수한 가공성과 낮은 가격의 장점을 가진다.

여기서, 상기 전해 연마는, 인산 45 wt%, 황산 41 wt%, 증류수 14 wt%로 이루어진 전해액을 이용하며, 상기 전해액의 온도를 70℃로 유지한 상태에서 0.75A/㎠의 전류밀도로 전류를 3분 동안 공급하여 실시한다. 그리고, 상기 전해 연마를 하기 전에 기계적 연마를 하는 것이 더 바람직하다. 이는 전해 연마를 통해 응력 집중을 해소하고 가공 결함을 해소할 수도 있지만 전해 연마에 따라 전력이 소모되는 단점을 해소하기 위한 것으로, 기계적 연마를 통해 응력 집중이나 가공 결함을 쉽게 제거할 수 있다.

기계적 연마는, 사포 등급을 #100, #200, #320, #800, #1200, #2000 순으로 상향시키면서 순차 연마하는 방식으로 이루어지며, 기계적 연마가 끝나면 20~35℃의 아세톤 용액에서 초음파 세척기를 이용하여 15분 동안 세척한다.

일반적으로 분리판의 표면을 기계적으로 연마하게 되면, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이 그 표면에는 다수의 스크래치 형상이 존재하게 된다. 그러나 본 발명과 같이 기계적 연마 후에 전해 연마를 실시하면 도 2의 (b)와 같이 결함으로 작용할 수 있는 스크래치가 거의 완전히 제거된다. 따라서, 상기 분리판의 내구성이 향상될 것으로 판단되며, 가공 결함이나 응력 집중부가 존재하는 경우에 비해 표면처 리가 훨씬 용이하게 된다.

그리고 상기한 전해 연마가 끝나면 전해액을 제거하기 위한 세척을 실시한다. 즉, 60~80℃의 온수에 20~40초 동안 담근 후 13~35℃의 사용하지 않은 전해액 또는 묽은 질산수용액에 20~40초 동안 담근다. 그리고 다시 60~80℃의 온수에 20~40초 동안 담근 후, 최종적으로 20~35℃의 아세톤 용액에서 초음파 세척기를 이용하여 15분 동안 세척하는 것이다. 이에 따라 상기 분리판에 남아 있는 전해액이 완전히 제거된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 일반적인 고분자 전해질 연료전지가 도시된 구성도.

도 2는 본 발명의 고분자 전해질 연료전지의 분리판의 전해 연마 전후의 표면 형상이 도시된 참고도.

Claims (3)

1. 다수의 단위 셀이 적층된 스택 구조의 고분자 전해질 연료전지에서 프로톤(Proton)만 선택적으로 전달시키는 막을 구비한 고분자막 구조체의 양측에 부착되어 단위 셀을 형성하며,

   내부식성이 우수한 스테인리스 강으로 형성되고, 유로 형성을 위한 기계적 가공 후 표면처리를 하기 전에 가공 표면의 응력 집중부 및 가공 결함이 제거되도록 전해 연마하여 형성한 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 분리판.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전해 연마는, 인산 45 wt%, 황산 41 wt%, 증류수 14 wt%로 이루어진 전해액을 이용하여, 70℃, 0.75A/㎠의 전류밀도로 3분 동안 실시하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 분리판.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전해 연마는 기계적 연마 후에 실시하는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료전지의 분리판.

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