KR20150067695A - 연료전지용 알루미늄 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 알루미늄판; 결합제층; 및 환원 산화 그래핀층이 순차적으로 적층된 연료전지용 알루미늄 분리판에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 알루미늄의 높은 가공성, 낮은 기체/액체 투과율, 낮은 밀도와 높은 전기전도도의 장점을 이용할 수 있면서, 동시에 알루미늄의 부식저항성을 향상시키기 위해 표면에 그래핀층을 코팅한 연료전지용 알루미늄 분리판을 제공할 수 있으며, 또한 결합제층의 사용으로 알루미늄과 환원 산화 그래핀층의 결합성능이 개선된 알루미늄 분리판을 제공할 수 있다.

Description

연료전지용 알루미늄 분리판{ALUMINIUM BIPOLAR PLATES FOR FUEL CELL}

본 발명은 연료전지용 알루미늄 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기전도도와 부식 저항성을 높이기 위하여 환원 산화 그래핀(reduced graphene)으로 표면을 코팅한 알루미늄 분리판에 관한 것이다.

현재 연료전지 시장이 빠른 속도로 성장 중에 있으며, 특히 이동수단의 동력원으로 주목받고 있다.

연료전지에서 분리판은 반응가스를 공급하고, 생성수를 배출시키며, 전기를 이동시키는 주요 역할뿐 아니라, 셀스택을 지지하고 반응열을 배출하는 등의 부가적인 기능을 수행해야 한다. 이와 같은 분리판의 여러 기능으로 인해 전기화학적, 기계적 및 물리적 특성들이 다양하게 요구된다.

전기전도성과 열전도성이 높은 동시에 내부식성 등 높은 화학적 안정성이 필요하다. 또한 냉매나 기체에 대한 밀폐성이 우수해야 하며 스택을 지지하는 역할을 하므로 기계적 강도가 높아야 한다.

이러한 여러 요구 물성들과 함께 저 제조비용과 높은 양산성을 또한 필요로 한다. 1kW급 가정용 연료전지 시스템 제작을 위해서는 5080장 정도로 많은 수의 분리판이 소요되므로 저 제조비용과 고양산성은 상용화를 위해 필수적이다.

고분자연료전지의 연구개발 단계에 주로 사용되어 온 흑연판 기계가공 분리판은 가공비가 과다하고 양산성이 낮아 상용화 단계에서는 적용이 어렵다. 따라서 연료전지의 상용화를 위해서는 제조비가 저렴하고 양산성이 높은 몰딩방식으로 분리판을 대량 생산할 수 있어야 한다.

몰딩방식으로는 탄소복합체 성형 분리판과 금속재 스탬핑 분리판이 적용 가능하다.

금속분리판은 부식에 의한 촉매 오염이나 계면 전기저항 증대의 단점이 있음에도 경박단소와 양산성의 장점이 크므로 자동차용 등 주로 이동형 연료전지용으로 개발되고 있다.

반면 탄소복합체 분리판은 높은 화학적 안정성으로 인해 수명이 길고, 연료전지 작동 환경에서의 내구성이 우수하므로 주로 건물용 연료전지에 적용되고 있다.

따라서 연료전지의 경량화는 핵심 기술 과제 중 하나이며, 연료전지 무게의 70%를 담당하는 분리판의 경량화가 시급한 과제이다. 현재 상용 연료전지의 분리판은 흑연(graphite)을 적층하는 방식으로 제조되고 있지만, 흑연은 가공성이 좋지 않아 가격이 비싸며, 액체와 기체가 투과되는 특징으로 셀과 셀을 완벽하게 분리하기 어려운 단점을 지니고 있어, 이를 가공성이 좋고 투과도가 없는 금속 소재로 대체하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 현재 (주)현대자동차에서 주로 기술 개발중인 대체 소재는 스테인리스강(stainless steel)인데, 무거운 무게와 흑연 대비 좋지 않은 부식저항성, 낮은 전기전도도 등이 단점으로 부각되고 있다.

한국등록특허공보 제10-1191865호 한국공개특허공보 제10-2013-0074342호 한국공개특허공보 제10-2013-0093762호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 알루미늄의 높은 가공성, 낮은 기체/액체 투과율, 낮은 밀도와 높은 전기전도도의 장점을 이용할 수 있는 연료전지용 알루미늄 분리판을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 알루미늄의 부식저항성을 향상시키기 위해 표면에 환원 산화 그래핀층을 코팅한 연료전지용 알루미늄 분리판을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 알루미늄과 환원 산화 그래핀층의 결합성능을 높이기 위하여 결합제층을 형성시킨 알루미늄 분리판을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로, 알루미늄판; 결합제층; 및 환원 산화 그래핀층이 순차적으로 적층된 연료전지용 알루미늄 분리판을 제공한다.

또한, 상기 결합체층은 산화 알루미늄의 표면을 친수성으로 개질하고 산화 알루미늄과 산화 그래핀 사이의 수소 결합을 유도할 수 있도록 OH-기를 가진 친수성 폴리머인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 친수성 폴리머는 폴리비닐알콜(PVA)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 결합체층의 두께는 1nm ~ 50㎛의 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 환원 산화 그래핀층의 두께는 0.35nm ~ 100nm 의 범위인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 결합체층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 환원 산화 그래핀층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 결합체 층과 결합하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 알루미늄의 높은 가공성, 낮은 기체/액체 투과율, 낮은 밀도와 높은 전기전도도의 장점을 이용할 수 있면서, 동시에 알루미늄의 부식저항성을 향상시키기 위해 표면에 환원 산화 그래핀층을 코팅한 연료전지용 알루미늄 분리판을 제공할 수 있으며, 또한 결합제층의 사용으로 알루미늄과 그래핀층의 결합성능이 개선된 알루미늄 분리판을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일시예에 따른 알루미늄 분리판의 단면의 구조를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 초기 산화 그래핀의 리만선 분광 특성을 나타내는 도표.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 그래핀이 코팅되지 않은 알루미늄 분리판의 전기전도도를 나타내는 도표.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 그래핀이 코팅되지 않은 알루미늄 분리판의 부식특성을 나타내는 도표.

본 발명은, 알루미늄판; 결합제층; 및 환원 산화 그래핀층이 순차적으로 적층된 연료전지용 알루미늄 분리판에 관한 것이다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

그래핀은 흑연을 뜻하는 그래파이트(graphite)와 탄소 2중결합을 뜻하는 -ene가 결합된 용어이다. 그래핀은 탄소가 6각형 벌집 모양으로 되어 겹겹이 쌓여있는데, 그래핀은 흑연에서 가장 얇게 한겹을 떼어낸 것이라고 생각하면 된다. 2004년 안드레 가임 교수와 콘스탄틴 노보셀로프 교수가 그래핀을 투명테이프를 이용한 간단한 방법으로 발견하였다. 그래핀은 다이아몬드, 흑연, 탄소 나노튜브와 탄소동소체이다. 그래핀의 특징을 살펴보면 전자이동도는 200,000cm/Vs로 저항이 엄청 낮아 반도체로 주로 쓰이는 단결정 실리콘보다 100배 이상 전자를 빠르게 이동시킬 수 있고 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통한다. 빡빡한 탄소결합 구조를 갖고 있는 그래핀의 강도는 강철보다 200배 이상 강한 1100GPa며 최고의 열전도성을 가진 다이아몬드보다도 2배 이상, 구리나 알루미늄 보다 10배 이상인 500W/mK의 열전도성을 갖고 있다. 이러한 특성들 때문에 그래핀은 차세대 신소재라 평가받으면서 꿈의 신소재라고 불리고 있다.

연료전지 분리판은 MEA, GDL과 함께 단위전지를 구성하는 연료전지의 핵심부품으로서, 수소, 산소, 냉각수를 각각 분리하여 MEA 전면적에 균일하게 분배 및 공급하는 역할을 한다, 전기화학 반응에 의해 생성되는 전류를 수집(anode) 및 전달(cathode)하며, 강성이 없는 MEA와 GDL을 구조적으로 지지하는 기능을 한다.

분리판에 요구되는 특성은 성능면에서 우수한 전기전도성, 열전도성, 내식성, 낮은 기체 투과성이 요구되며, 기능면에서 스택 체결 안정성을 위한 치수 정밀도, 구조적 지지를 위한 강성이 요구되고, 경제적인 면에서 경량화, 콤펙트(compact)화, 재료비 및 공정비의 저가화가 요구된다.

분리판을 제조하는데 사용되는 소재로는 흑연 및 금속 등이 있으며, 이 중 흑연은 기계가공이나, 사출/압축성형법에 의하여 제조되며, 금속은 전해연마/프레스성형법에 의하여 제조된다.

흑연 분리판의 사용시 화학적 및 전기화학적으로 우수한 안정성을 가지는 장점이 있는 반면에, 낮은 강도에 의한 자동차 운행 중 파단 가능성이 높은 점 및 높은 수소 가스 투과율로 인하여 분리판의 두께가 증가하게 됨으로써 부피당 출력 밀도의 개선에 한계가 있다는 단점이 있다.

분리판으로 금속을 사용하는 경우, 스템핑 등의 대량 생산 공정에 적용이 가능하기 때문에, 분리판 연료전지 상용화 가능성이 증대된다는 점, 높은 강도 및 낮은 수소가스 투과율로 인하여 분리판의 두께를 감소할 수 있어, 부피당 출력 밀도를 획기적으로 향상할 수 있다는 점과 같은 장점이 있고, 단점으로는 내식성 및 전기전도성이 좋지 않기 때문에 이를 향상시킬 추가 방안이 필요하며, 이것은 표면 코팅 기술 등으로부터 해결할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 금속 분리판을 이용하는 기술로서, 특히 알루미늄을 분리판으로 적용하는 기술에 관한 것이다.

상기와 같이 분리판으로서 알루미늄을 사용하는 경우에 알루미늄의 낮은 부식저항성 및 전기전도도를 향상시키기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 적층된 코팅구조를 가진것을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 금속 분리판은 알루미늄; 결합제층; 및 그래핀층이 순차적으로 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예로서 상기 결합체층은 산화 알루미늄의 표면을 친수성으로 개질하고 산화 알루미늄과 산화 그래핀 사이의 수소 결합을 유도할 수 있도록 할 수 있는 OH-기를 가진 친수성 폴리머를 사용할 수 있다. 일실시예로서 상기 폴리머는 폴리비닐알콜(PVA)을 사용할 수 있다.

상기 결합체층의 두께는 1nm ~ 50㎛의 범위로 형성하는데, 산화 알루미늄과 산화 그래핀의 치환기의 중간에서 수소결합을 형성시키고, 알루미늄의 표면을 친수성으로 개질하는 역할을 수행할 수 있다면, 하나의 분자층만으로도 본 발명의 목적을 달성할 수 있기 때문에, 1nm 이상이면 괜찮다. 그러나 결합체 층이 50㎛를 초과하는 경우 분리판의 전기전도도 및 열전도도를 저하시킬 수 있기 때문에 바람직하지 못하다.

상기 환원 산화 그래핀층의 두께는 0.35nm ~ 100 nm 이하의 범위로 형성하는데, 최소 한 층의 환원 산화 그래핀에서부터 최대 수십 층의 환원 산화 그래핀으로 구성될 수 있으므로 0.35nm 이상이면 된다. 환원 산화 그래핀 층의 두께가 100nm를 초과하는 경우, 그래핀보다는 그라파이트의 특성을 주로 나타내어, 부식저항성, 전기전도도 및 열전도도의 성능이 저하되기 때문에 바람직하지 못하다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 결합체층은 본 발명이 속하는 기술분야에서 금속 표면 코팅방법으로 사용되는 종래 기술을 사용할 수 있으며, 용액 상태에서 진행되는 것을 특징으로 하는 공정, 예컨대, 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 진행되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 환원 산화 그래핀층을 결합체층에 결합시키는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 금속 표면 코팅방법으로 사용되는 종래 기술을 사용할 수 있으며, 용액 상태에서 진행되는 것을 특징으로 하는 공정, 예컨대, 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 진행되는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일시예에 따른 알루미늄 분리판의 단면의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 알루미늄 분리판은 알루미늄판의 표면에 결합제층으로 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)을 사용하였으며, 그 상부에 산화 그래핀층이 코팅된 구조로 형성되어 있다. 알루미늄 플레이트에 산화 그래핀을 코팅하여 전기전도도와 부식 저항성을 높인 실험을 위하여, 알루미늄 분리판과 산화 그래핀층 간의 결합을 돕기 위해 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol)을 중간에 코팅시켰다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판의 표면을 촬영한 주사전자현미경 사진이다.

SEM 분석을 통해 알루미늄 분리판에 코팅된 환원 산화 그래핀층이 존재함을 관찰할 수 있었다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 초기 산화 그래핀의 리만선 분광 특성을 나타내는 도표이다.

도 3의 Raman 분석을 통해 초기 산화 그래핀이 환원되었음을 확인하였다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 그래핀이 코팅되지 않은 알루미늄 분리판의 전기전도도를 나타내는 도표이다.

Probe station으로 전기 저항을 측정하여 환원된 산화 그래핀이 코팅된 알루미늄 플레이트의 저항이 순 알루미늄 플레이트의 저항보다 낮음을 확인하였다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환원 산화 그래핀층 및 결합체층으로 코팅된 알루미늄 분리판과 그래핀이 코팅되지 않은 알루미늄 분리판의 부식특성을 나타내는 도표이다.

부식저항성 테스트를 통해 순수한 알루미늄 분리판보다 환원된 산화 그래핀이 코팅된 알루미늄 분리판의 부식 저항성이 약 100배 가량 증가되었음을 확인하였다.

Claims (7)

1. 알루미늄판;
   결합제층;및
   환원 산화 그래핀층
   이 순차적으로 적층된 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 결합체층은 산화 알루미늄의 표면을 친수성으로 개질하고 산화 알루미늄과 산화 그래핀 사이의 수소 결합을 유도할 수 있도록 OH-기를 가진 친수성 폴리머인 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 친수성 폴리머는 폴리비닐알콜(PVA)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 결합체층의 두께는 1nm ~ 50㎛의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 환원 산화 그래핀층의 두께는 0.35nm ~ 100nm 의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
   상기 결합체층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 하나의 방법으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.
   
7. 제1항 내지 제5항에 있어서,
   상기 환원 산화 그래핀층은 스핀코팅법, 딥코팅법, 스프레이 코팅, 롤투롤 코팅, 스크린 프린팅 중 어느 하나의 방법으로 결합체 층과 결합하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 알루미늄 분리판.

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