KR20120053394A - 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판 표면에 이온화된 나노 입자를 유도하여 미세돌기를 형성하여서 초소수성을 나타내도록 한 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 분리판 표면에 미세돌기를 형성하기 위한 나노 입자를 방전 전극으로 제공하는 단계; 상기 나노 입자를 방전 전극에 유도한 아크 방전에 의해 이온화하는 단계; 상기 분리판과 방전 전극 사이에 고전압을 인가하여 발생한 전기장에 의해 상기 이온화된 나노 입자를 유도하여 분리판 표면에 부착시키는 단계;를 포함하여 분리판 표면에 나노 입자를 적층하여 소수성 발현을 위한 미세돌기를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법을 제공한다.

Description

연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법{Metal separator for fuel cell and method for treatmenting surface of the same}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리판 표면에 이온화된 나노 입자를 유도하여 미세돌기를 형성하여서 초소수성을 나타내도록 한 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지(Polyer Electrolyte Membrane Fuel Cells)는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시키는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 또한 시동 시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 갖는 장점으로 인하여, 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용될 수 있다.
상기 연료전지 스택의 셀 단위 구성을 살펴보면, 가장 안쪽 위치에는 수소 양이온(Proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고분자 전해질막과, 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(cathode) 및 연료극(anode)을 포함하는 전극막 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)가 위치된다.
또한, 상기 공기극 및 연료극의 바깥 부분에는 가스확산층(GDL: Gas Diffusion Layer) 및 개스킷(Gasket)이 차례로 적층되고, 가스확산층의 바깥 쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로(Flow Field)가 형성된 분리판이 위치하며, 가장 바깥쪽에는 상기한 각 구성들을 지지 고정시키기 위한 엔드 플레이트(End plate)가 결합된다.
따라서, 상기 연료전지 스택의 연료극에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생하게 되고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 공기극으로 이동하게 되어, 상기 공기극에서 연료극으로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기중의 산소가 참여하는 전기화학반응을 통하여 물을 생성하며, 이러한 전자의 흐름으로부터 최종 생성된 전기에너지는 엔드플레이트의 집전판을 통하여 전기에너지를 요구하는 부하로 공급된다.
한편 상기 분리판은, 기체확산층과 직접적으로 접합되는 평평한 부분인 랜드(Land)와, 이 랜드부 사이의 공간으로서 연료인 수소와 공기(산소)의 통로가 되는 채널(Channel)로 구성되어 있고, 수소/공기 등과 같은 반응가스의 공급통로 뿐만 아니라 공기극에서 가스확산층 쪽으로 생성되는 물의 제거통로 기능을 가지고 있으며, 특히 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다.
이러한 분리판은 기계가공으로 제작되는 흑연분리판, 스탬핑 가공으로 제작되는 금속분리판으로 나누어지고, 채널의 단면이 직각으로 형성되거나 사다리꼴(trapezoid) 형태로 형성되며, 각 채널의 표면이 매끄러운 면으로 되어 있기 때문에 실제 반응가스의 흐름은 층류 특성을 나타낸다.
그러나, 층류는 채널의 중심부에 비해 벽면의 유속이 느린 흐름으로서, 액적의 활발한 막 흐름을 유도하지 못하여 가스확산층의 기공에 갖힌(trap) 물을 제거하는데 불리한 단점이 있다.
이러한 점을 해결하기 위한 종래기술로서, KR2010-88346, USP7,250,189, US2010/0035091, USP6,730,238 등의 기술이 제시된 바 있다.
먼저, KR2010-88346 은 연료전지 금속분리판용 크롬질화물 탄화수소박막 제조방법 및 그 제품에 관한 것으로, 반응가스를 챔버 내부에 투입하여 기재 표면을 전처리하고, 챔버 내부에 반응가스를 투입하여 Cr타겟의 아크방전을 수행하는 동시에 아크방전으로 유도된 Cr타겟의 전자를 애노드에 포집하여 반응물의 분해를 촉진하며, 챔버에 반응물로서 탄소화합물과 N2를 투입하고 기재에 바이어스 전압을 인가하여 분해된 탄소화합물과 함께 N2를 기재 표면에 흡착시킴과 아울러, Cr 타겟으로부터 유입되는 금속이온을 함유시켜 기재에 전도성과 내식성의 박막을 형성시키도록 한다(도 4 참조).
이와 같은 상기 KR2010-88346 은 진공 플라즈마에 의해 분리판에 코팅 균일도를 높인 내식 전도막을 형성하나, 액적의 적심각이 90 ~ 110°의 중간 각도로서 채널을 흐르는 액적 제거가 어렵고, 고가의 진공챔버 및 고순도의 반응가스 공급설비를 필요로 하며, 또한 진공챔버의 크기에 따라 생산량과 품질이 제한되는 단점이 있다.
USP7,250,189 은 전기화학적 고분자 도금과 비슷한 방식으로 전도성 고분자를 탄소 표면에 치환 코팅하고 있으나, 전기화학적 고분자 도금은 기재 소재 및 도금액 내 모너머(monomer) 농도에 예민하여 기재 및 도금액 산포에 따라 균일 코팅이 어렵다.
US2010/0035091 및 USP6,730,238 은 탄소 기재에 활성기를 전처리하고 이를 치환하는 극성기를 상압 플라즈마를 이용하여 처리하며 폴리머 작용기 또는 전기장의 보조 수단으로 친수 작용기를 부착하고 있으나, 공정에 사용하는 가스 화학종에 의존하여 코팅막이 형성되므로, 가스 종이 제한되고, 0.1mmt 이하로 성형한 금속분리판의 경우 플라즈마에 의한 부식 발생시 구멍 등의 불량이 발생할 우려가 있다(도 5 및 도 6 참조).
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 단속 전류로 유도된 고전압을 이용하여 이온화한 나노 입자를 분리판 표면에 부착시켜 소수성을 부여하는 미세돌기를 형성하여서 액적 제거 능력을 향상한 연료전지용 분리판 및 그 표면처리방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 분리판 표면에 미세돌기를 형성하기 위한 나노 입자를 방전 전극으로 제공하는 단계; 상기 나노 입자를 방전 전극에 유도한 아크 방전에 의해 이온화하는 단계; 상기 분리판과 방전 전극 사이에 고전압을 인가하여 발생한 전기장에 의해 상기 이온화된 나노 입자를 유도하여 분리판 표면에 부착시키는 단계;를 포함하여 분리판 표면에 나노 입자를 적층하여 소수성 발현을 위한 미세돌기를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법을 제공한다.
바람직하게, 상기 방전 전극에 아크 방전을 유도하기 위하여, 방전 전극에 연결된 직류전원과 더불어 캐패시터의 축전 전류 단속을 위해 스위치를 온(on)하여 순간적으로 고전압을 유도하여 방전 전극에 인가한다.
그리고, 상기 나노 입자를 방전 전극으로 제공하기 위하여, 나노분말을 일정방향으로 불어주기 위한 팬을 회전시켜 나노분말을 방전 전극 측으로 블로윙한다.
또는, 상기 나노 입자를 방전 전극으로 제공하기 위하여, 콜로이드 용액에 초음파 발생기를 통해 초음파 진동을 가하여 증기화하여 방전 전극 측으로 증발시킨다.
본 발명은 분리판 표면의 친소수 성질 제어를 위해 친수 작용기를 부착하는 대신, 분리판 표면에 미세돌기를 형성하여 분리판 채널에 초소수성을 부여하여서 연료전지 셀의 액적 제거 능력을 향상시킨다.
종래기술에 의한 공정이 복잡하고 고가인 반면, 본 발명에 의한 공정은 간단한 유도 방전 및 전기장을 이용하여 극미세 입자를 이온화하고 이를 분리판에 부착하는 등 염가의 단순한 프로세스를 통해 연꽃잎 효과를 얻을 수 있으며, 더불어 종래기술의 고순도 가스 공급 및 제어와 같은 복잡한 공정의 삭제 및 비용 절감이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 분리판의 표면 처리 공정을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분리판의 표면 처리 공정을 개략적으로 나타낸 도면
도 3a는 본 발명의 표면처리방법에 의해 채널 표면에 미세돌기를 형성한 분리판을 나타낸 모식도
도 3b는 본 발명의 표면처리방법에 의해 분리판 표면에 형성된 미세돌기를 나타낸 예시도
도 4 내지 도 6은 종래기술에 따른 연료전지용 분리판의 표면 처리 공정을 개략적으로 나타낸 도면
이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 연료전지용 분리판 표면에 나노 크기의 분말 돌기를 형성하여 연꽃잎 효과(초소수성)를 발현하도록 함으로써 연료전지 셀의 액적을 효과적으로 제거할 수 있도록 한다.
이를 위하여, 먼저 분리판(11) 표면에 미세돌기를 형성하기 위한 극미세 나노 입자를 방전 전극(13)으로 제공한다.
본 발명의 일실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 용기에 담긴 나노분말을 일정방향으로 불어주기 위한 팬(12)을 회전시켜 나노분말을 블로윙(blowing)하여 방전 전극(13) 측으로 보내고, 이와 동시에 방전 전극(13)에 아크 방전을 유도하여 방전 전극(13)을 통과하는 나노분말을 이온화한다.
상기 방전 전극(13)은 뾰족한 탐침(14)과, 다수의 원형 공극을 가지는 판형 전극(15)으로 이루어지며, 이 방전 전극(13)에 아크 방전을 유도하기 위해 직류전원(V1)과 캐패시터(C1) 그리고 전류 단속을 위한 스위치(SW1)를 직렬 연결한다.
이러한 방전 전극(13)은 상기 스위치(SW1)가 오프(off)되어 방전 전극(13)으로의 전원공급이 단절된 상태에서 상기 스위치(SW1)를 온(on)하여 전류 흐름이 가능하도록 단속(혹은 스위칭)하면, 직류전원(V1)은 물론이고 캐패시터(C1)에 축전된 전류가 갑자기 공급되면서 순간적으로 고전압이 유도 및 인가되어 탐침(14)과 판형 전극(15) 사이에 아크 방전이 발생하게 된다.
여기서, 상기 캐패시터(C1)는 스위치(SW1)를 온(on)하기 전까지는 직류전원(V1)에 의해 축전 완료된 상태를 유지한다.
이와 같이 방전 전극(13)에 아크 방전을 유도하고 상기 방전 전극(13)에 나노분말을 통과시킴으로써 이온화하여 나노 하전 입자를 생성하게 된다.
이렇게 생성한 나노 하전 입자(혹은 이온화된 나노 입자)를 분리판(11) 표면에 적층하여 초소수성을 나타낼 수 있는 미세돌기를 형성한다.
이를 위해, 표면에 미세돌기를 형성하고자 하는 분리판(11)과 상기 방전 전극(13) 간에 도 1과 같이 직류전원(V2)을 이용하여 고전압의 직류전압을 인가한다.
그럼, 인가된 고전압에 의해 발생한 전기장의 강한 전기력을 통해 상기 나노 하전 입자를 유도하여 분리판(11) 표면에 적층 및 부착하여서 초소수성 발현을 위한 미세돌기를 형성하게 된다.
이와 같이 본 발명의 표면처리 공정은, 종래와 같이 플라즈마 형성을 위한 고순도 반응가스를 사용하지 않고 대신, 나노분말을 고압 방전으로 이온화하고 고전압을 인가하여서 분리판(11) 표면에 부착하므로, 상온 상압의 챔버(16) 내에서 수행 가능하다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에서는, 분리판(11) 표면에 미세돌기를 형성하기 위한 나노 입자를 제공하기 위해 친수성의 콜로이드 용액을 사용한다.
이를 위해, 도 2에 도시된 바와 같이, 상온 상압의 챔버(16) 내에서 용기에 담긴 콜로이드 용액에 초음파 발생기(17)를 통해 초음파 진동을 가하여 증기화한다.
증기화된 콜로이드 용액이 증발되어 상부의 방전 전극(13) 측으로 제공되면, 전류 단속을 위한 스위치(SW1)를 온 하여 직류전원(V1)과 더불어 캐패시터(C1)의 축전 전류에 의해 상기 방전 전극(13)에 순간적으로 고전압을 유도 및 인가하여 아크 방전을 유도하고, 이를 통해 증기상의 콜로이드 용액을 이온화하여 나노 크기의 콜로이드 하전 입자를 생성한다.
이렇게 생성한 콜로이드 하전 입자는 분리판(11)과 방전 전극(13) 간에 인가한 고전압 전기장에 의해 분리판(11) 표면에 강하게 부착되어 분리판(11) 채널 표면에 미세돌기를 형성하게 된다.
다시 말해, 분리판(11)과 방전 전극(13) 사이에 인가된 고전압에 의한 전기장(전기력)의 작용 방향에 의해 나노 크기의 하전 입자가 강하게 유도되어 분리판(11) 채널 표면에 부착되어서 초소수성을 발현하는 미세돌기를 형성하게 된다.
도 3a는 본 발명의 표면처리방법에 의해 채널 표면에 미세돌기를 형성한 분리판을 나타낸 모식도이고, 도 3b는 본 발명의 표면처리방법에 의해 분리판 표면에 형성된 미세돌기를 나타낸 예시도이다.
상기와 같이 본 발명은 단속 전류를 이용하여 유도된 고전압으로부터 방전을 유도하여 나노 입자를 이온화하고, 이를 분리판 주변에 생성한 전기장에 의해 분리판 표면에 적층하여서, 초소수성을 갖도록 하여 연료전지 셀의 액적 제거 능력을 향상시킬 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 표면처리 공정을 통해 분리판 채널 표면에 오돌토돌하게 요철 구조의 미세돌기를 형성하여, 분리판 채널 표면에 액적이 퍼지지 않고 물방울 형태로 맺히게 하여 연꽃잎 효과를 발현함으로써, 액적의 활발한 흐름을 유도하여 가스확산층의 기공에 갖힌(trap) 물을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 표면처리방법으로 제조한 연료전지용 분리판의 경우, 분리판 채널의 액적(물방울)을 블로윙을 통해 용이하게 제거할 수 있고, 이로 인해 대면적 분리판의 대량 코팅에 유리하게 된다.
또한, 종래기술은 고순도 반응가스를 이용하는 진공 및 상압 플라즈마에 의한 표면처리로 인해 생산공정이 복잡하고 이를 위해 진공 플라즈마 설비 등을 이용하는 고비용의 프로세스인 반면, 본 발명은 저가의 전압인가장치와 방전 전극을 이용하여 간단한 아크 방전 및 전기장을 유도하여 나노 입자를 이온화하고 이를 분리판에 부착하는 염가의 단순한 프로세스를 통해 액적 제거에 유리한 이점을 얻을 수 있다.
11 : 분리판
12 : 팬
13 : 방전 전극
14 : 탐침
15 : 전극
16 : 챔버
17 : 초음파 발생기

Claims (5)

  1. 분리판 표면에 미세돌기를 형성하기 위한 나노 입자를 방전 전극으로 제공하는 단계;
    상기 나노 입자를 방전 전극에 유도한 아크 방전에 의해 이온화하는 단계;
    상기 분리판과 방전 전극 사이에 고전압을 인가하여 발생한 전기장에 의해 상기 이온화된 나노 입자를 유도하여 분리판 표면에 부착시키는 단계;
    를 포함하여 분리판 표면에 나노 입자를 적층하여 소수성 발현을 위한 미세돌기를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 방전 전극에 아크 방전을 유도하기 위하여, 방전 전극에 연결된 직류전원과 더불어 캐패시터의 축전 전류 단속을 위해 스위치를 온(on)하여 순간적으로 고전압을 유도하여 방전 전극에 인가하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자를 방전 전극으로 제공하기 위하여, 나노분말을 일정방향으로 불어주기 위한 팬을 회전시켜 나노분말을 방전 전극 측으로 블로윙하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 입자를 방전 전극으로 제공하기 위하여, 콜로이드 용액에 초음파 발생기를 통해 초음파 진동을 가하여 증기화하여 방전 전극 측으로 증발시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 표면처리방법.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항의 방법에 의해 표면처리된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
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