KR20120019568A - 개선된 전류 집전체를 적용한 직접 메탄올 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인쇄회로기판을 가용한 연료전지에 관한 것으로 펄스 전해법을 이용하여 보호 피막을 형성하여 장기 운전시 안정성을 확보하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은 인쇄회로기판에 잉크 마스크를 이용하여 에칭시켜 특정 패턴을 형성하는 연료전지용 전류집전체 및 유로에 있어, 상기 금속판으로 된 전류집전체에 보호피막을 형성하고자 하는 특정부분을 제외한 나머지 부분에 리소그래피 공정 및 에칭 단계, 상기 형성된 유로 및 전류집전체에 무전해 니켈을 도금하는 단계, 상기 니켈 막에 펄스 전해법으로 금 도금을 하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

Description

개선된 전류 집전체를 적용한 직접 메탄올 연료전지 {Applying an improved current collector for direct methanol fuel cell}

본 발명은 인쇄회로기판을 이용하여 연료전지의 소형화를 이루는데 있어 기존의 전류집전체(Current Collector)의 내구성 저하 현상을 개선하는데 있다. 더욱 상세하게는 전도성인 구리가 입혀진 인쇄회로기판에 포토리소그래피 및 에칭 공정을 실시하여 연료전지의 공기극 및 연료극의 유로와 전류집전체를 동시에 생성함으로써 소형화를 이룰 수 있는 기술에 관한 것으로 전류집전체 상부에 수 마이크론의 금 전착층을 펄스 전해법으로 형성하여 연료전지의 장기성능에 있어 안정성을 증대시키는데 그 목적이 있다.

일반적으로 연료전지는 연료극과 공기극 전해질 막으로 구성된 MEA(membrane electrode assembly)와 연료극 및 공기극에 각각 연료와 공기 공급을 위한 유로와 전류집전체, 그리고 end plate 구성된다.

인쇄회로기판 구리 코팅면에 리소그래피 공정을 통하여 마이크로 유로를 형성하고 그와 동시에 전도성을 가지는 구리를 사용함으로써 전류집전체(Current Collector)를 형성한다.

그 일례로서 도 1에서와 같이 금속판의 다수 부분을 에칭(Etching)시켜 특정 유로를 형성하고 이 유로의 표면 위에 금을 도금하여 채널 및 전류집전체를 생성하는 과정을 살펴보면, 먼저 도1의 (가)에서와 같이 구리가 코팅된 인쇄회로기판(1)에 형성하고자 하는 특정 유로를 제외한 나머지 부분의 인쇄회로기판(1) 부분에 마스킹 잉크가 도포된 필름형태의 마스크(2)를 형성한 후 그 위에 상용 포토레지스트를 열 압착 공법으로 접합시킨다.

그 다음 마스크와 포토레지스트가 형성된 표면위에 250nm의 파장을 가진 자외선(UV) 램프를 조사시켜 포토레지스트를 경화한다.

이 후 인쇄회로기판(1)의 표면을 현상액을 이용하여 경화가 되지 않은 영역을 용해시키고 에칭(Etching)과정을 거쳐 과산화수소로서 상기 경화된 포토레지스트(2)를 용해시켜 제거하게 되면 도 1의 (나)에서와 같이 마스킹 잉크가 도포된 필름(2)이 없는 부분이 식각되어 형성하고자 하는 에칭부(3)가 요철형태로 나타나게 되며, 상기 에칭부(3)의 낮은 전도성과 부식을 억제하기 위하여 에칭을 통하여 드러난 구리 패턴위에 니켈 및 금을 도금한다.

이 때 인쇄회로기판(1)에 형성된 패턴 즉, 에칭부(3)의 표면에 낮은 전도성과 부식을 억제하기 위한 수 마이크론의 얇은 두께의 금 증착부(5)가 형성됨으로써 연료전지의 유로, 전류집전체, 또한 end plate의 동시 제조가 완료된다.

그러나 이와 같은 공정에 의해 제조되는 연료전지용 인쇄회로기판은 무게가 가볍고 간편하며 소형화를 이룰 수 있지만 장시간 연료전지를 운전할 경우 금 증착부의 내부에 발생하는 균열(crack)과 pin hole등에 의한 내식성이 문제로 연료전지의 수명이 단축되는 문제점이 발생하게 된다.

본 발명은 종래의 직류 도금 방법은 장시간 도금을 하는 동안 전극에서 발생되는 수소기체와 용액내의 농도구배로 인하여 발생되는 분극현상은 피할 수 없으며 피복력 및 균일전착성 (throwing power) 등이 저조한 단점을 지니고 있다. 그리고 일반적으로 금 도금은 철강의 피로 강도를 저하시키고 수소흡장에 의한 취성을 일으키는 현상이 현저하다. 이에 따라 발생되는 증착부의 물성치의 한계를 펄스 전해법을 도입함으로써 인쇄회로기판 가용 연료전지 전지집전체의 내식성 강화를 위한 전착층의 특성을 향상시키고자 하였다. 전류집전체의 내구성을 확보 하여 장기 수명을 가질 수 있도록 하는 펄스 전해 도금법을 이용한 전류집전체의 전착층을 형성방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 인쇄회로기판을 가용한 전류집전체에 있어 금 증착증의 내구성을 향상하기 위하여 구리 패턴위에 니켈을 무전해 도금하는 단계, 상기의 과정에서 형성된 니켈 층의 상부에 펄스 전해 도금법을 이용하여 interrupted current를 사용함으로 인해 current on시간 current off시간, 평균 전류 밀도의 변수를 독립적으로 변화시켜 금 증착층을 형성하는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 인쇄회로기판을 가용한 연료전지의 전류집전체 형성에 있어 구리 패턴 위에 내구성 향상을 위한 수 마이크론 두께의 금 전착증 형성시 펄스 전해 도금법을 적용한다. 펄스 전해 도금은 도금 시 고갈된 이온이 current off 시기동안 도금표면층으로 재확산 할 수 있는 기회를 주어 높은 전류 밀도에서도 전착을 가능하게 한다. 이로 인하여 평활하고 미세한 결정립상의 전착층을 형성하고 조밀하며 기공이 적다. 또한 높은 전도도를 가지며 수소 취성이 감소되는 장점이 있다. 이와 같이 내부응력 및 균열이 적은 전착층 형성할 수 있어 연료전지의 장기 운전 시 연료나 공기에 의한 부식을 억제하여 내구성의 안정화를 기대할 수 있다.

도 1은 인쇄회로기판을 가용한 연료전지 유로 및 전류집전체를 단면도.
도 2는 본 발명에 사용되는 전류집전체 보호피막 형성장치의 구조도.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 건축용 금속재 장식판의 보호피막 형성 공정도.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 동박이 형성되어 있는 인쇄회로기판(1) 에칭부(3)에 도금된 금 증착부(5)이며, 증착부(5)의 형성 방법은 다음과 같다. 본 발명에 사용된 펄스 전해 도금의 도금조의 구성은 도 2와 같다. 도금조는 PVC로 제작하였으며, 도금용액의 비산을 막기 위하여 유리 덮개를 만들어 차단하였다. Temperature controller는 도금시 도금욕의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 설치하였다. 도금하기 전에 도금욕 농도를 균일하게 하기 위해 30분간 교반을 실시하였다. Pulse current power supply(이하 PCPS)는 펄스파형의 전류를 공급하기 위해 사용되었으며 PCPS의 일반적인 block diagram은 도 3과 같다.

본 발명에 사용된 PCPS의 pulse period변화는 0.001ms에서 10sec까지 실시하였으며 최대 전류용량은 0.1A에서 10A까지 하였다.

이러한 조건에서 도 3 내지 도 6에 의해 도 1에서와 같은 과정에 의해 완성된

인쇄회로기판이 가용된 연료전지용 전류집전체 및 유로가 형성된 연료전지 end plate를 펄스 전해법을 이용하여 금 전착증을 형성시킨다. 이와 같은 방법으로 제조된 수 마이크론의 금 전착층은 결정립이 미세화 되는데 이는 새로운 핵 형성 위치가 많기 때문이다. 이 결과 미세한 결정립이 형성되고, 큰 입자나 colummar 입자를 갖는 전착층은 제거되고 전착층내의 기공도 감소된다. 또한 금 전착층 전의 니켈 전착층의 표면에 존재하는 음극피막을 파괴하여 전착층의 밀착성을 개선할 수 있다. 이 특성은 전처리 없이 도금을 가능하게 한다. 도금시 음극에서 발생한 수소가 모재내로 침입하여 고강도등의 경우 모재에 심각한 수소취성효과를 나타내는 데 반해 펄스 도금시에는 pulse off시기 동안 수소가 bulk 용액으로 재확산해 나감으로서 수소흡장량을 상당히 줄 일수 있다.

따라서 펄스 전해 도금법에 의한 인쇄회로기판 가용 연료전지의 전류집전체의 금 전착층 제조는 평활하고 미세한 결정립상의 전착층을 형성하고 조밀하며 기공이 적다. 또한 높은 전도도를 가지며 수소 취성이 감소되는 장점이 있다. 이와 같이 내부응력 및 균열이 적은 전착층 형성할 수 있어 연료전지의 장기 운전 시 연료나 공기에 의한 부식을 억제 하여 내구성의 안정화를 기대할 수 있다.

없음

Claims (3)

1. 연료가 흐르는 패턴을 동박이 입혀진 인쇄회로기판을 리소그래피공정을 통하여 구현하고 동박 표면을 니켈도금과 금도금을 통하여 이루어진 마이크로 연료전지 제조 단계
   
2. 제 1항에 있어서 상기의 동박이 입혀진 인쇄회로기판을 마이크로 연료전지의 소재로 하여 다양한 패턴을 형성한 인쇄회로기판을 기초로 한 마이크로 연료전지 스택
   
3. 계면저항 저하 및 내구성 향상을 위한 내식성 금속의 도금 방법

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