KR20130124071A - 연료 전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료 전지 - Google Patents

연료 전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료 전지 Download PDF

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Abstract

연료전지용 금속 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따르면, 연료전지용 금속 바이폴라 플레이트는, 제1 금속으로 이루어지는 바이폴라 플레이트의 본체; 상기 본체의 표면에 형성된 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로; 및 상기 본체의 표면에 제2 금속으로 코팅되는 코팅층을 포함한다.

Description

연료 전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료 전지{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL AND MEHTOD FOR MANUFACTURING THE SAME, AND FUEL CELL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고전압 및 화학 부식에 대한 내안정성이 매우 우수하며, 전기전도성도 우수하고 생산성도 매우 향상될 수 있는 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
일반적으로, 연료 전지는 메탄올, 에탄올 또는 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템을 지칭하는 것이다.
이러한 연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료 전지(PAFC; phosphoric acid fuel cell), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC; molten carbonate fuel cell), 고체 산화물형 연료 전지(SOFC; solid oxide fuel cell), 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell), 알칼리형 연료 전지(AFC; alkaline fuel cell), 직접 메탄올 연료 전지(DMFC), 일체형 재생 연료 전지(URFC; Unitized Regenerative Fuel Cell) 등으로 분류될 수 있다.
상기한 연료 전지 중 근래에 사용되고 있는 고분자 전해질형 연료 전지는 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 다수개 적층되어 있는 스택(stack)을 갖고 있다. 이러한 스택의 기본 구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 다수개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해 체결되는 구조로 이루어져 있으며, 상기한 단위전지는 전해질막의 양측면에 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 바이폴라 플레이트로 이루어진다.
그런데 종래의 연료 전지 스택용 금속 바이폴라 플레이트의 제조방법은, 바이폴라 플레이드의 표면에 유로 형성을 위한 가공 단계와, 상기 바이폴라 플레이트 표면에 친수성 또는 소수성 코팅층을 도포하는 도포 단계를 포함하고 있다.
이 때, 상기 바이폴라 플레이트는 탄소복합체 또는 티타늄, 스테인레스 스틸, 알루미늄 등과 같은 금속으로 이루어지고, 상기 친수성 또는 소수성 코팅층은 금속 산화물, 무기물, 고분자 물질 등으로 이루어진다.
그러나, 종래의 제조 방법으로 제조되는 금속 바이폴라 플레이트는 단순히 유로가 형성된 금속으로 이루어진 바이폴라 플레이트의 표면에 금속 산화물, 무기물 또는 고분자 물질 등으로 이루어진 친수성 또는 소수성 코팅층을 도포하여 제조하기 때문에 고전압으로 구동시 바이폴라 플레이트의 부식 현상과 산성 분위기에서 작동되는 연료전지의 환경상 유로 내의 금속 표면 부식 현상이 발생되는 문제점을 가지고 있으므로, 연료 전지의 장기 구동시 바이폴라 플레이트의 내구성 저하에 따른 성능 저하를 동반하는 문제점을 가지고 있었다.
특히, 최근 개발되고 있는 일체형 재생 연료 전지는 고분자 전해질 연료 전지보다 혹독한 환경인 고전압에서 구동되는 특성상 종래의 바이폴라 플레이트의 제조 방법으로 제조된 바이폴라 플레이트를 적용하기 곤란한 문제점이 있었다.
본 발명은 고전압 및 화학 부식에 대한 내안정성이 매우 우수하며, 연료 전지의 장기 구동시 바이폴라 플레이트의 내구성 저하를 방지하여 성능 저하를 방지할 수 있는 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서,
제1 금속으로 이루어지는 바이폴라 플레이트의 본체;
상기 본체의 표면에 형성된 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로; 및
상기 본체의 표면에 제2 금속으로 코팅되는 코팅층을 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트가 제공될 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 이종의 금속으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 의 금속 중에서 선택되는 하나의 금속으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속은 전기화학 증착법에 의하여 상기 본체의 표면에 코팅될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법에 있어서,
제1 금속으로 이루어진 바이폴라 플레이트의 본체를 준비하는 준비 단계;
상기 본체의 표면에 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로를 형성하는 유로 형성단계;
상기 본체의 표면 부식을 유도할 수 있도록 상기 본체의 표면 코팅 처리를 위한 전처리 단계; 및
제2 금속으로 상기 본체의 표면 코팅을 위한 전기화학 증착 단계를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법이 제공될 수 있다.
이 때, 상기 전처리 단계는 상기 본체의 표면을 그라인딩(grinding)하는 그라인딩 단계;
상기 그라인딩 단계 후 상기 본체의 표면을 폴리싱(polishing)하는 폴리싱 단계; 및
상기 폴리싱 단계 후 상기 본체의 표면을 다듬질하는 다듬질 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전처리 단계는 상기 다듬질 단계 후 상기 본체를 제1 온도로 유지되는 제1 산성 용액에서 1차 함침 시간 동안 1차 함침하는 제1 함침 단계; 및
상기 제1 함침 단계 후 상기 본체를 제2 온도로 유지되는 제2 산성 용액에서 2차 함침 시간 동안 2차 함침하는 제2 함침 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전처리 단계는 상기 제2 함침 단계 후 상기 본체를 제3 온도로 유지되는 세척 용액으로 세척하는 제3 온도 세척 단계; 및
상기 제3 온도 세척 단계 후 상기 본체를 상온으로 유지되는 세척 용액으로 적어도 1회 이상 세척하는 상온 세척 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제1 산성 용액은 옥살산(oxalic acid) 또는 아세트산 용액으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 옥살산 용액의 농도(순도가 98%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 80% 이하이며,
상기 아세트산 용액의 농도(순도가 99.7%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 60~100% 범위 내일 수 있다.
이 때, 상기 제2 산성 용액은 진한 황산 또는 질산 용액으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 진한 황산 용액의 농도(순도가 96%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 40% 이상이며,
상기 질산 용액의 농도(순도가 70%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 70~100% 범위 내일 수 있다.
이 때, 상기 세척 용액은 이온이 없는 초순수물(DI WATER; Deionized water)로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 1차 함침 시간은 1시간 내지 10시간 범위에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 2차 함침 시간은 대략 10초 내지 5분 범위에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 제1 온도, 상기 제2 온도, 상기 제3 온도는 60℃ 내지 100℃ 범위에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 전기화학 증착 단계는, 일정한 용량의 비이커에서 제2 금속 전극을 카운터(counter) 전극으로 하고, Hg/HgCl 전극을 레퍼런스(reference) 전극으로 하고, 제1 금속의 본체를 워킹(working) 전극으로 하여 3 전극 시스템을 구성하는 3 전극 시스템 구성 단계;
상기 3전극 시스템이 구성된 비이커에 제2 금속 전구체(precursor) 용액을 투입하는 용액 투입 단계; 및
상기 워킹 전극인 상기 제1 금속의 본체에 전기화학 증착 유도 시간 동안 전기화학 증착 유도 전류를 인가하여 전기화학 증착을 유도하는 전기화학 증착 유도 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 전기화학 증착 단계는, 상기 전기화학 증착 유도 단계 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체를 일정한 온도 이상의 용액에 담그고 일정한 시간 동안 유지하는 유지 단계;
상기 유지 단계 후 상기 비이커의 온도를 상온으로 냉각하는 냉각 단계; 및
상기 냉각 단계 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체를 상기 비이커로부터 꺼낸 후 건조하는 건조 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속 전구체 용액은 백금 전구체(H2PtCl6) 용액, 질산은(AgNO3) 용액, 금 전구체(HAuCl4) 용액에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 용액으로 이루어질 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속 전구체 용액의 농도는 1~3g dm-3 범위 내에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속 전구체 용액의 온도는 60℃~100℃ 범위 내에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 제2 금속 전구체 용액의 수소 이온 농도(PH)는 2 이하로 설정될 수 있다.
이 때, 상기 전기화학 증착 유도 시간은 1초~3600초 범위 내에서 설정될 수 있다.
이 때, 상기 전기화학 증착 유도 전류는 0.1 ~ 1000 mA/cm2 범위 내에서 설정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 상기한 연료전지용 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지는 상기한 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법에 의하여 제조된 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 고전압 및 화학 부식에 대한 내안정성이 매우 우수하며, 전기전도성도 우수하고 생산성도 매우 향상될 수 있다.
특히, 바이폴라 플레이트의 표면에 이종의 금속을 전기화학 증착에 의하여 코팅함으로써, 바이폴라 플레이트의 표면에서 산화층과 같은 부동태 피막 형성을 방지하고, 고전압에서 부식을 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 개략적인 단면도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 바이폴라 플레이트(10)는, 제1 금속으로 이루어지는 바이폴라 플레이트의 본체(100);
상기 본체(100)의 표면에 형성된 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로(200); 및
상기 본체(100)의 표면에 제2 금속으로 코팅되는 코팅층(300)을 포함한다.
상기 제1 금속은 예컨대, 티타늄(Ti), 스테인레스 스틸, 알루미늄(Al) 등으로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 이종의 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 금속은 예컨대, 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 귀금속이나, 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 등의 금속 중에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 금속으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 금속은 전기화학 증착법에 의하여 상기 유로(200)가 형성된 상기 본체(100)의 표면(110)에 코팅될 수 있다. 또한, 상기 제2 금속은 전기화학 증착법에 의하여 상기 유로(200)가 형성되지 않은 상기 본체(110)의 표면(120)에도 코팅될 수 있다.
본 발명의 일시예에 따른 연료전지는 상기한 연료전지용 바이폴라 플레이트(10)를 포함할 수 있다.
또한, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법은, 제1 금속으로 이루어진 바이폴라 플레이트의 본체(100)를 준비하는 준비 단계(S10);
상기 본체(100)의 표면에 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로(200)를 형성하는 유로 형성단계(S20);
상기 본체(100)의 표면 부식을 유도할 수 있도록 상기 본체(100)의 표면 코팅 처리를 위한 전처리 단계(S30); 및
제2 금속으로 상기 본체(100)의 표면 코팅을 위한 전기화학 증착 단계(S40)를 포함할 수 있다.
상기 전처리 단계(S30)는 상기 본체(100)의 표면을 그라인딩(grinding)하는 그라인딩 단계(S31);
상기 그라인딩 단계(S31) 후 상기 본체(100)의 표면을 폴리싱(polishing)하는 폴리싱 단계(S32); 및
상기 폴리싱 단계(S32) 후 상기 본체(100)의 표면을 다듬질하는 다듬질 단계(S33)를 포함할 수 있다.
여기서, 그라인딩은 본체의 표면을 갈아서 그 표면을 평활하게 연삭한다는 의미이며, 폴리싱은 본체의 표면을 연마하여 표면에 광택을 낸다는 의미로서 사용한다.
상기 그라인딩 단계(S31)에서 상기 본체(100)의 표면은 센드 페이퍼(sand paper) 등으로 그라인딩(grinding) 될 수 있다.
상기 폴리싱 단계(S32)에서 상기 본체(100)의 표면은 알루미나 파우더(50nm) 등으로 폴리싱 될 수 있다.
상기 다듬질 단계(S33)에서 상기 본체(100)의 표면은 융 등으로 다듬질 될 수 있다.
또한, 상기 전처리 단계(S30)는 상기 다듬질 단계(S33) 후 상기 본체(100)의 표면 부식을 1차적으로 유도하기 위하여 상기 본체(100)를 제1 온도로 유지되는 제1 산성 용액에서 1차 함침 시간 동안 1차 함침하는 제1 함침 단계(S34); 및
상기 본체(100)의 표면 부식을 2차적으로 유도하기 위하여 상기 제1 함침 단계(S34) 후 상기 본체(100)를 제2 온도로 유지되는 제2 산성 용액에서 2차 함침 시간 동안 2차 함침하는 제2 함침 단계(S35)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전처리 단계(S30)는 상기 제2 함침 단계(S35) 후 상기 본체(100)를 제3 온도로 유지되는 세척 용액으로 세척하는 제3 온도 세척 단계(S36); 및
상기 제3 온도 세척 단계(S36) 후 상기 본체(100)를 상온으로 유지되는 세척 용액으로 적어도 1회 이상 세척하는 상온 세척 단계(S37)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 산성 용액은 옥살산(oxalic acid) 용액 또는 아세트산 용액 등으로 이루어질 수 있다.
상기 옥살산 용액의 농도(순도가 98%인 경우)는 상기 본체(100)의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 80% 이하일 수 있으며, 바람직하게는 40% 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 20% 이하일 수 있다.
또한, 아세트산 용액의 농도(순도가 99.7%인 경우)는 상기 본체(100)의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 60~100% 범위 내일 수 있다.
상기 제2 산성 용액은 진한 황산 용액 또는 질산 용액 등으로 이루어질 수 있다.
상기 진한 황산 용액의 농도(순도가 96% 인 경우)는 상기 본체(100)의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 40% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 70% 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 90% 이상일 수 있다.
또한, 상기 질산 용액의 농도(순도가 70%인 경우)는 상기 본체(100)의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 70~100% 범위 내일 수 있다.
상기 세척 용액은 이온이 없는 초순수물(DI WATER; Deionized water)로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 1차 함침 시간은 대략 1시간 내지 10시간 범위에서 설정될 수 있으며, 보다 바람직하게는 5시간으로 설정될 수 있다.
상기 2차 함침 시간은 대략 10초 내지 5분 범위에서 설정될 수 있으며, 보다 바람직하게는 1분으로 설정될 수 있다.
상기 제1 온도, 상기 제2 온도, 상기 제3 온도는 대략 60℃ 내지 100℃ 범위에서 설정될 수 있으며, 바람직하게는 90℃로 설정될 수 있다.
또한, 상기 전기화학 증착 단계(S40)는, 일정한 용량의 비이커에서 제2 금속 전극을 카운터(counter) 전극으로 하고, Hg/HgCl 전극을 레퍼런스(reference) 전극으로 하고, 제1 금속의 본체를 워킹(working) 전극으로 하여 퍼텐쇼스탯(potentiostat)에 고정하여 3 전극 시스템을 구성하는 시스템 구성 단계(S41);
상기 3전극 시스템이 구성된 비이커에 제2 금속 전구체(precursor) 용액을 투입하는 용액 투입 단계(S42); 및
상기 워킹 전극인 상기 제1 금속의 본체(100)에 전기화학 증착 유도 시간 동안 전기화학 증착 유도 전류를 인가하여 전기화학 증착을 유도하는 전기화학 증착 유도 단계(S43)를 포함할 수 있다.
상기 제2 금속 전구체 용액은 백금 전구체(H2PtCl6) 용액, 질산은(AgNO3) 용액, 금 전구체(HAuCl4) 용액 등에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 용액으로 이루어질 수 있다.
상기 제2 금속 전구체 용액의 농도는 1~3g dm-3 범위 내에서 설정될 수 있으며, 바람직하게는 1.8g dm-3의 농도로 설정될 수 있다.
상기와 같이 상기 제2 금속 전구체 용액의 농도를 1~3g dm-3 범위 내에서 설정하는 이유는, 1.0 g dm-3 이하의 낮은 농도의 제2 금속 전구체 용액에서 전기화학 증착을 진행할 경우, 일정한 두께(1 ㎛ 기준) 이상 전기화학 증착을 진행하기 위해서 1시간 이상 실험 조건을 유지해야 하기 때문에 그 만큼 경제성이 떨어지며, 또한 3.0 g dm-3 이상의 높은 농도의 제2 금속 전구체 용액에서 전기화학 증착을 진행할 경우 국부적으로 전기화학 증착이 과도하게 진행되면서 타이타늄 금속 플레이트의 일부는 전기화학 증착되지 않고 타이타늄 표면이 그대로 드러나게 되는 경향이 발생하고, 더불어 드러난 타이타늄 금속 부분은 물 또는 공기와의 접촉 산화 과정에서 저항 증가 및 전도도 저하로 이어질 수 있으며, 동시에 방향성을 갖는 침상형 덴드라이트 결정 형태로 전기화학 증착이 진행될 수 있는데 이는 연료전지의 고분자 전해질을 손상시킬 가능성이 있기 때문이다.
또한, 상기 제2 금속 전구체 용액의 온도는 60℃~100℃ 범위 내에서 설정될 수 있으며, 바람직하게는 90℃로 설정될 수 있다.
상기와 같이 상기 제2 금속 전구체의 용액의 온도 범위를 설정하는 이유는, 60℃ 이하의 저온에서 실험을 진행할 경우 전구체 용액으로부터 금속의 전기화학 증착 속도가 느리게 되는 문제점이 발생되며, 또한, 100℃ 이상의 고온에서는 전구체 용액으로부터 물의 증발 속도가 빨라 균일한 용액 농도를 유지하기 어려워 일정한 전착 조건을 설정할 수 없기 때문이다. 따라서, 높은 온도에서 전기화학 증착이 진행되어야 하지만 용액의 증발이 빠르게 진행되는 것은 막아야 하므로 90℃에서 전착 실험을 진행하는 것이 바람직하다.
상기 제2 금속 전구체 용액의 수소 이온 농도(PH)는 2 이하로 설정될 수 있으며, 바람직하게는 1 이하로 설정될 수 있다. 상기와 같이 상기 제2 금속 전구체 용액의 수소 이온 농도(PH)는 2 이하로 설정하는 이유는, pH 조건이 2 이상인 경우 전류 효율이 저하되고, 전구체 용액으로부터 금속이 석출될 수 있기 때문이다.
또한, 상기 전기화학 증착 단계(S40)는, 상기 전기화학 증착 유도 단계(S43) 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체(100)를 일정한 온도 이상의 용액에 담그고 일정한 시간 동안 유지하는 유지 단계(S44);
상기 유지 단계 후 상기 비이커의 온도를 상온으로 냉각하는 냉각 단계(S45); 및
상기 냉각 단계(S45) 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체(100)를 상기 비이커로부터 꺼낸 후 건조하는 건조 단계(S46)를 포함할 수 있다.
상기 유지 단계에서 사용되는 용액은 이온이 없는 초순수물로 이루어질 수 있으며, 상기 용액은 60℃~100℃ 범위 내의 온도로 가열될 수 있으며, 90℃로 가열되는 것이 바람직하다.
상기 본체는 상기 용액 중에 1시간~10시간 범위 내의 시간 동안 담긴 상태로 유지되며, 바람직하게는 6시간 동안 담긴 상태로 유지될 수 있다.
또한, 본 발명의 일시예에 따른 연료전지는 상기한 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법에 의하여 제조된 연료전지용 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다.
[실시예 1]
연료전지용 바이폴라 플레이트의 본체의 제1 금속으로서 티타늄(Ti)을 사용하고, 본체의 표면에 코팅되는 제2 금속으로서 백금(Pt)을 사용하고, 상기 제2 금속 전구체 용액으로서 백금 전구체(H2PtCl6) 용액을 사용한 경우를 예로서 설명한다.
본체로서 티타늄 플레이트(98.9% purity, 7.5cmⅩ7.5cmⅩ1.2cm)를 센드 페이퍼로 그라인딩한 후, 알루미나 파우더(50nm)로 폴리싱(polishing)하고 융으로 마무리 다듬질한다.
그리고, 티타늄 플레이트를 90℃로 유지되는 옥살산(oxalic acid) 용액(농도 15%)에서 5시간 함침한 후, 90℃로 유지되는 진한 황산 용액(농도 96%)에서 1분간 함침한다.
상기 티타늄 플레이트를 90℃로 유지되는 초순수물에서 세척한 후, 상온으로 유지되는 초순수물에서 2~3회 세척한다.
또한, 2리터 용량의 비이커에서 백금 전극을 카운터 전극으로 하고, Hg/HgCl 전극을 레퍼런스 전극으로 하고, 티타늄 플레이트를 워킹 전극으로 하여 퍼텐쇼스탯에 고정하여 3 전극 시스템을 구성한다.
그리고, 백금 전구체(H2PtCl6) 용액을 3전극 시스템이 구성된 비이커에 넣는다. 이 때, 백금 전구체(H2PtCl6) 용액의 농도는 1.8 g dm-3으로 설정한다.
또한, 전기화학 증착 과정에서 백금 전구체(H2PtCl6) 용액의 온도는 90℃, 수소 이온 농도(PH)는 1 이하로 관리한다.
가공 전극인 티타늄 플레이트에 일정한 시간(1초~3600초) 동안 일정한 전류 (0.1 ~ 1000 mA/cm2)를 인가하여 전기화학 증착을 유도한다.
그리고, 전기화학 증착 완료 후 백금이 전착된 티타늄 플레이트를 뜨거운 초순수물(DI water)에 담근 상태로 6시간 유지한 후, 비이커의 온도를 상온으로 냉각하고, 백금이 전착된 티타늄 플레이트를 비이커로부터 꺼내어 건조한다.
[실시예 2]
상기 실시예 1에서 전구체 용액으로 백금 용액 대신 은 용액 (AgNO3)을 사용한 것을 제외하고 동일한 과정과 방법으로 진행한다.
[실시예 3]
상기 실시예 1에서 전구체 용액으로 백금 용액 대신 금 용액 (HAuCl4)을 사용한 것을 제외하고 동일한 과정과 방법으로 진행한다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10: 연료전지용 바이폴라 플레이트
100: 본체 110, 120: 표면
200: 유로 300: 코팅층
S10: 준비 단계 S20: 유로 형성 단계
S30: 전처리 단계 S40: 전기화학 증착 단계

Claims (26)

  1. 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서,
    제1 금속으로 이루어지는 바이폴라 플레이트의 본체;
    상기 본체의 표면에 형성된 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로; 및
    상기 본체의 표면에 제2 금속으로 코팅되는 코팅층
    을 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 금속은 상기 제1 금속과 이종의 금속으로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 금속은 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 구리(Cu), 크롬(Cr), 니켈(Ni) 의 금속 중에서 선택되는 하나의 금속으로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 금속은 전기화학 증착법에 의하여 상기 본체의 표면에 코팅되는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
  5. 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법에 있어서,
    제1 금속으로 이루어진 바이폴라 플레이트의 본체를 준비하는 준비 단계;
    상기 본체의 표면에 유체가 흐르기 위한 복수개의 유로를 형성하는 유로 형성단계;
    상기 본체의 표면 부식을 유도할 수 있도록 상기 본체의 표면 코팅 처리를 위한 전처리 단계; 및
    제2 금속으로 상기 본체의 표면 코팅을 위한 전기화학 증착 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전처리 단계는 상기 본체의 표면을 그라인딩(grinding)하는 그라인딩 단계;
    상기 그라인딩 단계 후 상기 본체의 표면을 폴리싱(polishing)하는 폴리싱 단계; 및
    상기 폴리싱 단계 후 상기 본체의 표면을 다듬질하는 다듬질 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전처리 단계는 상기 다듬질 단계 후 상기 본체를 제1 온도로 유지되는 제1 산성 용액에서 1차 함침 시간 동안 1차 함침하는 제1 함침 단계;
    상기 제1 함침 단계 후 상기 본체를 제2 온도로 유지되는 제2 산성 용액에서 2차 함침 시간 동안 2차 함침하는 제2 함침 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전처리 단계는 상기 제2 함침 단계 후 상기 본체를 제3 온도로 유지되는 세척 용액으로 세척하는 제3 온도 세척 단계; 및
    상기 제3 온도 세척 단계 후 상기 본체를 상온으로 유지되는 세척 용액으로 적어도 1회 이상 세척하는 상온 세척 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 산성 용액은 옥살산(oxalic acid) 또는 아세트산 용액으로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 옥살산 용액의 농도(순도가 98%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 80% 이하이며,
    상기 아세트산 용액의 농도(순도가 99.7%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 1차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 60~100% 범위 내인 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 제2 산성 용액은 진한 황산 또는 질산 용액으로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진한 황산 용액의 농도(순도가 96%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 40% 이상이며,
    상기 질산 용액의 농도(순도가 70%인 경우)는 상기 본체의 표면 부식을 2차적으로 용이하게 유도할 수 있도록 70~100% 범위 내인 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 세척 용액은 이온이 없는 초순수물(DI WATER; Deionized water)로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 1차 함침 시간은 1시간 내지 10시간 범위에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  15. 제7항에 있어서,
    상기 2차 함침 시간은 10초 내지 5분 범위에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  16. 제8항에 있어서,
    상기 제1 온도, 상기 제2 온도, 상기 제3 온도는 60℃ 내지 100℃ 범위에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  17. 제5항에 있어서,
    상기 전기화학 증착 단계는, 일정한 용량의 비이커에서 제2 금속 전극을 카운터(counter) 전극으로 하고, Hg/HgCl 전극을 레퍼런스(reference) 전극으로 하고, 제1 금속의 본체를 워킹(working) 전극으로 하여 3 전극 시스템을 구성하는 3 전극 시스템 구성 단계;
    상기 3전극 시스템이 구성된 비이커에 제2 금속 전구체(precursor) 용액을 투입하는 용액 투입 단계;
    상기 워킹 전극인 상기 제1 금속의 본체에 전기화학 증착 유도 시간 동안 전기화학 증착 유도 전류를 인가하여 전기화학 증착을 유도하는 전기화학 증착 유도 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 전기화학 증착 단계는, 상기 전기화학 증착 유도 단계 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체를 일정한 온도 이상의 용액에 담그고 일정한 시간 동안 유지하는 유지 단계;
    상기 유지 단계 후 상기 비이커의 온도를 상온으로 냉각하는 냉각 단계; 및
    상기 냉각 단계 후 상기 제2 금속이 전기화학 증착된 상기 본체를 상기 비이커로부터 꺼낸 후 건조하는 건조 단계
    를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 제2 금속 전구체 용액은 백금 전구체(H2PtCl6) 용액, 질산은(AgNO3) 용액, 금 전구체(HAuCl4) 용액에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 용액으로 이루어지는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2 금속 전구체 용액의 농도는 1~3 g dm-3 범위 내에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 제2 금속 전구체 용액의 온도는 60℃~100℃ 범위 내에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  22. 제19항에 있어서,
    상기 제2 금속 전구체 용액의 수소 이온 농도(PH)는 2 이하로 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 전기화학 증착 유도 시간은 1초~3600초 범위 내에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 전기화학 증착 유도 전류는 0.1 ~ 1000 mA/cm2 범위 내에서 설정되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  25. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료전지.
  26. 제5항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법에 의하여 제조된 연료전지용 바이폴라 플레이트를 포함하는 연료전지.
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