KR20180069957A - 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180069957A
KR20180069957A KR1020160171587A KR20160171587A KR20180069957A KR 20180069957 A KR20180069957 A KR 20180069957A KR 1020160171587 A KR1020160171587 A KR 1020160171587A KR 20160171587 A KR20160171587 A KR 20160171587A KR 20180069957 A KR20180069957 A KR 20180069957A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
inlet manifold
manifold
outlet manifold
plasma
separator
Prior art date
Application number
KR1020160171587A
Other languages
English (en)
Inventor
윤대일
양유창
Original Assignee
현대자동차주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020160171587A priority Critical patent/KR20180069957A/ko
Publication of KR20180069957A publication Critical patent/KR20180069957A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/087—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy
    • B01J19/088—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electric or magnetic energy giving rise to electric discharges
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023—Porous and characterised by the material
    • H01M8/0232—Metals or alloys
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/56—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 표면의 친수화 정도를 점진적으로 변화시켜 생성수의 배출이 원활하게 이루어지도록 하는 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 분리판의 표면은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

연료전지용 분리판 및 그 제조 방법{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면의 친수화 정도를 점진적으로 변화시켜 생성수의 배출이 원활하게 이루어지도록 하는 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료가 가지고 있는 화학 에너지를 스택 내에서 전기 화학적으로 반응시켜 전기 에너지로 변환하는 일종의 발전장치로서, 산업용, 가정용 및 차량의 구동 전력을 공급할 뿐만 아니라 휴대용 장치와 같은 소형 전자 제품의 전력공급에 사용될 수 있으며, 최근 고효율의 청정 에너지원으로 점차 그 사용영역이 확대되고 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 분해 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 연료전기의 단위셀(10)은 전해질막과 그 양면에 각각 배치되는 전극으로 구성된 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA, 12)와 막전극 접합체(12)의 전극에 각각 접합되어 반응기체의 확산을 돕는 한 쌍의 기체 확산층(Gas Diffusion Layer, GDL, 14) 및 각각의 기체 확산층(14)에 밀착결합되어 반응기체를 공급하는 분리판(16)을 포함한다.
이때, 분리판(16)은 반응기체인 수소와 산소가 서로 섞이지 않도록 하면서, 막전극 접합체(12)를 전기적으로 연결 및 지지함으로써, 연료전지 스택의 형태를 유지시키는 역활을 한다.
따라서, 분리판(16)은 반응기체가 서로 혼합되지 않도록 그 구조가 치밀해야 할 뿐만 아니라 전도체 및 지지체의 역할을 위해 전도성이 우수하면서 강도가 우수한 강도를 가져야 한다. 이에, 주로 금속 재질의 분리판(16)이 주로 사용되었다.
한편, 분리판(16)은 반응기체가 유동되는 유로 역할을 하기도 하지만, 연료전지 작동 중 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 물(이하, '생성수'라고 함)이 연료전지 스택의 외부로 배출되도록 하는 유로의 역할을 하기도 한다.
만약, 분리판(16)에서 생성수가 원활하게 배출되지 않고 적체되면 국부적으로 반응기체의 확산 및 배출을 방해하여 농도분극(concentration polarization) 증가로 연료전지 성능 및 효율을 저하시키는 원인이 된다. 또한, 동절기의 경우 생성수 동결로 인한 부품의 내구 손상 및 연료전지 시스템의 고장을 유발할 수 있다.
또한, 분리판(16)은 표면을 구성하는 소재의 특성에 따라 부분적으로 친수성 혹은 소수성의 젖음 특성(wettability)을 갖는다. 또한, 분리판(16) 제작 공정 중 사용되는 각종 오일류(성형유, 가스켓 이형제 등)에 의한 표면 오염은 분리판(16) 젖음성을 더욱 불균일하게 하여 생성수의 배출을 방해하며, 이로 인해 유로에 적체된 액적은 유로를 통한 반응기체의 확산 및 분배를 막아 셀 성능 및 운전 안정성을 저하시킨다.
또한, 연료전지의 운전 조건에 따라 반응기체는 연료전지 효율을 고려하여 다양한 유량으로 각 단위셀(10)에 유입된다. 분리판(16)의 유로 상에 액적이 발생된 경우, 고전류 영역 운전 시 고유량의 기체는 유로 상의 액적을 밀어낼 뿐만 아니라 액적을 넘어 유동이 가능하나, 저전류 영역에서는 저유량/저압으로 인해 액적의 pinning force를 이겨내지 못하고, 유로 내에서 원활하게 유동하지 못하는 단점이 있다. 그래서 분리판에 생성된 생성수(액적)의 배출성은 저전류 운전 영역에서 특히 중요하다.
등록특허 제10-1395419호 (2014.05.08)
본 발명은 표면의 친수화 정도를 점진적으로 변화시켜 생성수의 배출이 원활하게 이루어지도록 하는 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 분리판의 표면은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 분리판 표면의 접촉각은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
입구 매니폴드 측의 최대 접촉각은 90 ~ 100°이고, 출구 매니폴드 측의 최소 접촉각은 30°이하인 것이 바람직하다.
상기 분리판 표면의 접촉각 히스테리시스 값은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 한다.
입구 매니폴드 측의 접촉각 히스테리시스 최대값은 40 ~ 50°이고, 출구 매니폴드 측의 접촉각 히스테리시스 최소값은 15°이하인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판은 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판으로서, 상기 분리판의 표면은 반응기체가 유동되는 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지용 분리판의 제조방법은 반응기체가 공급되는 일측의 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 타측의 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판을 준비하는 준비단계와; 준비된 분리판의 표면을 처리하여 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성하는 처리단계를 포함한다.
상기 처리단계는 준비된 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되, 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 플라즈마 처리량이 증가되도록 실시하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 처리단계는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 연속적으로 이동시키면서 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되, 플라즈마 발생기에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 동일하게 한 상태에서 플라즈마 발생기의 이동 속도를 점진적으로 늦추는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 처리단계는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 연속적으로 이동시키면서 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되, 플라즈마 발생기의 이동 속도를 일정하게 한 상태에서 플라즈마 발생기에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 점진적으로 높이는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 처리단계는 준비된 분리판의 표면에 친수성 물질을 코팅하되, 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 친수성 물질의 코팅량이 많아지도록 하는 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 처리단계는 친수성 물질을 포함하는 코팅 용액에 분리판을 침지코팅하여 분리판의 표면에 친수성 물질을 코팅하되, 코팅 용액에 출구 매니폴드가 형성된 분리판의 타측부터 침지시켜서 입구 매니폴드가 형성된 분리판의 일측까지 연속적으로 침지시킨 다음, 입구 매니폴드가 형성된 분리판의 일측부터 코팅 용액에서 인출시켜서 출구 매니폴드가 형성된 분리판의 타측까지 연속적으로 인출시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분리판의 표면을 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성함에 따라 분리판의 유로에서 발생되는 생성수가 출구 매니폴드 방향으로 이동하면서 액적화 되지 않고 원활하게 배출될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 연료전지 단위셀의 단면을 보여주는 분해 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 구성도이며,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 방법을 보여주는 모식도이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하는 경우에 처리속도에 따른 친수정도를 보여주는 그래프이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 방법을 보여주는 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 보여주는 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 일측으로 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드(110)가 형성되고, 타측으로 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드(120)가 형성된다. 그리고 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(120) 사이는 반응기체 및 생성수가 유동되는 유로부(130)가 형성된다.
본 발명은 분리판(100) 표면의 친수화 정도, 정확하게는 분리판(100)에 형성된 유로부(130) 표면의 친수화 정도를 개선하는 것을 주요 기술사상으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리판(100)은 유로부(130)의 표면이 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된다. 즉, 분리판(100)은 유로부(130)의 표면이 반응기체가 유동되는 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된다.
그래서 연료전지의 운전시 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 생성된 생성수가 분리판(100)을 통하여 출구 매니폴드(120) 방향으로 배출되는 경우에, 생성수가 액적상태로 커지지 않고 원활하게 배출되도록 한다. 통상적으로 생성수는 입구 매니폴드(110)에서 유입되는 반응기체의 유동 압력에 의해 출구 매니폴드(120)를 통하여 외부로 배출된다. 하지만, 분리판(100) 표면의 친수화 정도가 균일하지 않아 국부적(localized)으로 주변에 비하여 친수화 정도가 낮은 영역에서 생성수를 액적의 형태로 적체시키며, 해당 유로는 반응기체의 흐름이 배제되어 셀 성능에 기여하지 못한다.
따라서, 본 발명에서 분리판(100) 표면의 친수화 정도는 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(120) 방향을 양분하여 양측의 친수화 정도를 구분하거나, 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 친수화 정도를 계단식으로 높이는 것이 아니라, 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 친수화 정도를 점진적(gradual)으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 한다.
그래서 연료전지의 운전 중 발생된 생성수가 출구 매니폴드(120) 방향으로 이동되는 동안 분리판(100)의 표면이 점진적으로 친수화 정도가 높아지기 때문에 생성수가 액적상태로 점점 커지지 않고 분리판(100)의 표면에서 퍼지면서 원활하게 배출되는 것이다.
이를 위하여 본 발명에서는 상기 분리판(100) 표면의 접촉각을 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 점진적으로 작아지도록 형성한다.
예를 들어 연료전지 작동 시 최소 유량과 액적의 pinning force를 고려하여 생성수를 원활히 이동시켜 외부로 배출시킬 수 있도록 분리판(100) 표면의 접촉각은 입구 매니폴드(110) 측의 최대 접촉각(θ1)은 90 ~ 100°이고, 출구 매니폴드(120) 측의 최소 접촉각(θ3)은 30°이하인 것이 바람직하고, 입구 매니폴드(110) 측과 출구 매니폴드(120) 측의 사이는 점진적으로 접촉각(θ2)이 작아지는 것이 바람직하다(θ1 〉θ2 〉θ3). 여기서, 접촉각(θ1, θ2, θ3)은 삼상(고체=분리판, 액체=생성수, 기체=대기) 계면에서 액체를 포함한 쪽의 각도를 의미한다.
한편, 다른 측면으로 생성수의 원활한 배출을 위하여 분리판(100) 표면의 접촉각 히스테리시스 값은 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 점진적으로 작아지는 것이 바람직하다. 예를 들어 입구 매니폴드(110) 측의 접촉각 히스테리시스 최대값은 40 ~ 50°이고, 출구 매니폴드(120) 측의 접촉각 히스테리시스 최소값은 15°이하인 것이 바람직하다. 여기서 접촉각 히스테리시스는 물방울을 떨어뜨린 후, 액체 주입 시 계면이 움직이기 직전의 접촉각(전진각, advancing angle)에서 액체의 양을 감소시킴에 따라 계면이 움직이기 직전의 접촉각(후진각, receding angle)을 뺀 값으로서, 전진각은 소수성에 민감하고, 후진각은 친수성에 민감하다.
다음으로, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 제조방법은 크게 반응기체가 공급되는 일측의 입구 매니폴드(110)와 잉여 반응기체가 배출되는 타측의 출구 매니폴드(120)가 형성된 연료전지용 분리판(100)을 준비하는 준비단계와; 준비된 분리판(100)의 표면을 처리하여 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성하는 처리단계를 포함한다.
준비단계는 금속재질을 이용하여 분리판(100)을 마련하는 단계로서, 일측으로 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드(110)가 형성되고, 타측으로 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드(120)가 형성되며, 입구 매니폴드(110)와 출구 매니폴드(120) 사이는 반응기체 및 생성수가 유동되는 유로부(130)가 형성되는 분리판(100)을 프레스 성형에 의해 마련한다. 물론 분리판(100)은 제시된 방법에 의해서 마련되는 것에 한정되지 않고 금속재질을 활용하여 다양한 방법에 의해서 마련할 수 있을 것이다.
그리고 처리단계는 분리판(100)의 표면을 점진적으로 친수처리하는 방법으로서 본 발명에서는 상압 플라즈마 처리 및 친수성 물질 코팅과 같은 두가지 방법으로 친수처리를 구현하였다.
먼저, 상압 플라즈마 처리에 의해 분리판(100)의 표면을 처리하는 처리단계에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 방법을 보여주는 모식도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하는 경우에 처리속도에 따른 친수정도를 보여주는 그래프이다.
도 3에 도시된 바와 같이 분리판이 준비되면 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기(200)를 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 연속적으로 이동시키면서 분리판(100)의 표면을 플라즈마 처리한다. 이때 분리판(100)의 열적 손상을 방지하기 위하여 저온 플라즈마를 이용한다.
이렇게 분리판(100)의 표면을 플라즈마 처리하면 반응성이 강한 N2 라디칼(radical)에 의해 유기 오염물을 활성화(N2 * + C → N2 + C*) 시키고, 산소 라디칼에 의해 COx의 형태로 제거(C* + xO* → COx)하며, 분리판의 표면에 친수성 관능기(-OH, R'COOH, etc.)를 형성하여 친수화 처리하는 것이다.
한편, 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성하기 위하여 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 점진적으로 플라즈마 처리량이 증가되도록 프라즈마 처리를 실시한다.
이렇게 플라즈마 처리량을 증가시키는 방법은 플라즈마의 조사속도를 제어하는 방법과 플라즈마의 강도를 제어하는 방법이 있다.
먼저, 플라즈마의 조사속도를 제어하는 방법을 이용한다면, 플라즈마 발생기(200)에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 동일하게 한 상태에서 플라즈마 발생기(200)의 이동 속도를 점진적으로 늦출 수 있다.
예를 들어 플라즈마의 조사속도를 도 4a와 같이 일정하게 늦추거나 도 4b와 같이 입구 매니폴드(110) 측에서 출구 매니폴드(120) 측으로 향할수록 늦추는 속도를 감소하면서 늦춤으로써 분리판(100)의 표면을 입구 매니폴드(110) 측에서 출구 매니폴드(120) 측으로 향할수록 친수화 정도를 높일 수 있고, 이에 따라 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.
다음으로, 플라즈마의 강도를 제어하는 방법을 이용한다면, 플라즈마 발생기(200)의 이동 속도를 일정하게 한 상태에서 입구 매니폴드(110) 측에서 출구 매니폴드(120) 측으로 향할수록 플라즈마 발생기(200)에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 점진적으로 높일 수 있다. 그래서 분리판(100)의 표면을 입구 매니폴드(110) 측에서 출구 매니폴드(120) 측으로 향할수록 친수화 정도를 높일 수 있고, 이에 따라 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.
한편, 친수성 물질 코팅에 의해 분리판의 표면을 처리하는 처리단계에 대하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 방법을 보여주는 모식도이다.
도 5에 도시된 바와 같이 분리판이 준비되면 친수성 물질을 포함하는 코팅 용액(310)에 분리판(100)을 침지코팅하여 분리판(100)의 표면에 친수성 물질을 코팅하여 분리판의 표면을 처리한다.
부연하자면, 연료전지 작동 환경에서 OH(hydroxyl)기를 형성시킴으로써 표면을 친수화할 수 있는 알칼리토류(alkaline earth, e.g. Ba, Ca, etc.) 금속 원소를 포함하고 있는 코팅 용액(310)에 분리판(100)을 침지코팅(dip-coating)하고 250℃ 이상 온도에서 열처리함으로써 분리판(100)의 표면을 친수화 처리하는 하는 것이다.
이때 분리판(100)을 코팅할 코팅 용액은 증류수(DI water)나 에탄올(ethyl alcohol)을 용매로 하고 적어도 1개 이상의 알칼리토류 금속 원소를 포함하여 한다. 이를 위하여 알칼리토류 금속 이온(Ba2 +, Ca2 +, etc.) 1 ~ 5 at%를 포함하는 질산염, 아세트산염 등을 용매에 녹이고, 금속재질의 분리판(100) 표면을 음(-)으로 대전(negative charge)시킬 수 있도록 적정량의 암모니아 수(ammonium hydroxide)를 혼입하여 pH를 8이상으로 높여준다.
한편, 입구 매니폴드(110)측에서 출구 매니폴드(120)측 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성하기 위하여 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 점진적으로 친수성 물질의 코팅량이 많아지도록 침지코팅을 실시한다.
예를 들어 입구 매니폴드(110)에서 출구 매니폴드(120) 방향으로 점진적으로 친수성 물질의 코팅량이 많아지도록 하기 위해서는 용기(300)에 담긴 코팅 용액(310)에 출구 매니폴드(120)가 형성된 분리판(100)의 타측부터 침지시켜서 입구 매니폴드(110)가 형성된 분리판의 일측까지 연속적(일정 속도)으로 침지시킨다. 그리고 입구 매니폴드(110)가 형성된 분리판(100)의 일측부터 코팅 용액에서 인출시켜서 출구 매니폴드(120)가 형성된 분리판(100)의 타측까지 연속적으로(일정 속도) 인출시킨다.
그러면, 분리판(100)의 표면에 점착되는 알칼리토류 금속 이온의 양이 입구 매니폴드 측에서 출구 매니폴드 측으로 향할수록 많아진다. 이러한 알칼리토류 금속 이온은 열처리를 통해 산화물(BaO, CaO, etc.)이 되고, 연료전지 작동환경에서 OH기를 형성시킴으로써 표면을 친수화시킬 수 있다.
이에 따라 입구 매니폴드(110) 측에서 출구 매니폴드(120) 측으로 향할수록 친수화 정도를 높일 수 있고, 이에 따라 생성수의 배출을 원활하게 할 수 있다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 단위 셀 12:막전극 접합체
14: 기체 확산층 16: 분리판
100: 분리판 110: 입구 매니폴드
120: 출구 매니폴드 130: 유로부
200: 플라즈사 발생기 300: 용기
310: 코팅 용액

Claims (12)

  1. 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판으로서,
    상기 분리판의 표면은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판 표면의 접촉각은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 청구항 2에 있어서,
    입구 매니폴드 측의 최대 접촉각은 90 ~ 100°이고, 출구 매니폴드 측의 최소 접촉각은 30°이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분리판 표면의 접촉각 히스테리시스 값은 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 작아지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 청구항 4에 있어서,
    입구 매니폴드 측의 접촉각 히스테리시스 최대값은 40 ~ 50°이고, 출구 매니폴드 측의 접촉각 히스테리시스 최소값은 15°이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 반응기체가 공급되는 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판으로서,
    상기 분리판의 표면은 반응기체가 유동되는 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 반응기체가 공급되는 일측의 입구 매니폴드와 잉여 반응기체가 배출되는 타측의 출구 매니폴드가 형성된 연료전지용 분리판을 준비하는 준비단계와;
    준비된 분리판의 표면을 처리하여 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 친수화 정도가 점진적으로 높아지게 형성하는 처리단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 처리단계는 준비된 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되,
    입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 플라즈마 처리량이 증가되도록 실시하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 처리단계는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 연속적으로 이동시키면서 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되,
    플라즈마 발생기에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 동일하게 한 상태에서 플라즈마 발생기의 이동 속도를 점진적으로 늦추는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 처리단계는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생기를 입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 연속적으로 이동시키면서 분리판의 표면을 플라즈마 처리하되,
    플라즈마 발생기의 이동 속도를 일정하게 한 상태에서 플라즈마 발생기에서 발생시키는 플라즈마의 강도를 점진적으로 높이는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 처리단계는 준비된 분리판의 표면에 친수성 물질을 코팅하되,
    입구 매니폴드에서 출구 매니폴드 방향으로 점진적으로 친수성 물질의 코팅량이 많아지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 처리단계는 친수성 물질을 포함하는 코팅 용액에 분리판을 침지코팅하여 분리판의 표면에 친수성 물질을 코팅하되,
    코팅 용액에 출구 매니폴드가 형성된 분리판의 타측부터 침지시켜서 입구 매니폴드가 형성된 분리판의 일측까지 연속적으로 침지시킨 다음, 입구 매니폴드가 형성된 분리판의 일측부터 코팅 용액에서 인출시켜서 출구 매니폴드가 형성된 분리판의 타측까지 연속적으로 인출시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
KR1020160171587A 2016-12-15 2016-12-15 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법 KR20180069957A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160171587A KR20180069957A (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160171587A KR20180069957A (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20180069957A true KR20180069957A (ko) 2018-06-26

Family

ID=62788526

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160171587A KR20180069957A (ko) 2016-12-15 2016-12-15 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20180069957A (ko)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101395419B1 (ko) 2012-06-05 2014-05-15 현대하이스코 주식회사 반응면에서의 습기 제거력이 우수한 연료전지용 분리판 제조 방법

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101395419B1 (ko) 2012-06-05 2014-05-15 현대하이스코 주식회사 반응면에서의 습기 제거력이 우수한 연료전지용 분리판 제조 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8277623B2 (en) Conductive diamond electrode and ozone generator using the same
CN101009385B (zh) 用于pem燃料电池的超亲水微孔导电涂层
DE112006002140B4 (de) Hydrophile Beschichtung für Brennstoffzellen-Bipolarplatte und Verfahren zur Herstellung derselben
US9059470B2 (en) Method of preparing cathode for fuel having two kinds of water-repellency
US10790170B2 (en) Device and method for continuous production of porous silicon layers
CN101375442A (zh) 具有包括纳米颗粒的涂层的燃料电池部件
KR101395419B1 (ko) 반응면에서의 습기 제거력이 우수한 연료전지용 분리판 제조 방법
WO2006031368A1 (en) Method of treating composite plates
JP2009529213A (ja) 燃料電池の電極
WO2006065571A2 (en) Fuel cell conditioning layer
CN101060177A (zh) 具有气相沉积的碳氟聚合物的扩散介质
WO2006082995A1 (ja) 燃料電池の製造方法及び燃料電池の製造装置
KR20180069957A (ko) 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법
US20040258975A1 (en) Fuel cell component with lyophilic surface
CN108269957B (zh) 具有高浸润性、高热稳定性的锂电池隔膜及其制备方法
DE112006002141B4 (de) Verfahren zum Aufbringen einer hydrophilen Beschichtung auf Brennstoffzellen-Bipolarplatten
US20120122018A1 (en) Fuel cell separator and method for surface treatment of the same
KR100593309B1 (ko) 연료전지 제조 장치, 상기 연료전지 제조 장치를 이용한연료전지의 제조 방법, 연료전지의 제조 방법, 상기 제조방법에 의해 제조된 연료전지를 구비하는 전자 기기 및상기 제조 방법에 의해 제조된 연료전지를 구비하는 자동차
KR100615937B1 (ko) 연료 전지의 제조 방법
US20230187777A1 (en) Jig for surface treatment of a separator and a separator for a fuel cell manufactured by same
WO2022201484A1 (ja) 燃料電池のエージング方法
JP2010053400A (ja) 電解装置用多孔質導電体の製造方法
US20150318527A1 (en) Plasma treatment of an electrochemical membrane
US20220123324A1 (en) Electrode for vanadium redox flow battery and method for manufacturing same
CN117962291A (zh) 一种等离子体制备非对称润湿性Janus膜的装置与方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right