KR20070093734A

KR20070093734A - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지

Info

Publication number: KR20070093734A
Application number: KR1020060024013A
Authority: KR
Inventors: 김홍석; 하형태; 안경수; 이동열; 유창우
Original assignee: 엘지마이크론 주식회사
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-19

Abstract

연료전지용 분리판이 제공된다.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 표면의 일면 또는 양면에 요(凹)부인 유로와 철(凸)부인 리브를 구비하며 비저항이 1.0×10^-3mΩ·cm이하인 금속성 지지체;를 포함하며, 상기 유로의 하면 및 측면에는 부식방지층이 적층되어 있고, 상기 리브의 상면에는 전도성 피막층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는데 유로 내의 부식을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 리브 부분의 전도성 및 내부식성을 확보하게 되어 내부식성과 전도성이 우수한 연료전지를 얻을 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지{Seperators for fuel cell and fuel cell comprising the same}

도 1은 통상의 연료전지의 구성도이다.

도 2는 본 발명에 따른 분리판의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 집전체 및 말단 지지체

11: 바이폴라플레이트(bipolar plate) 12: 밀봉부(gasket)

13: 고분자 전해질막 14: 캐소드

15: 애노드 16: 산화가스 유로

17: 연료가스 유로 21: 지지체

22: 부식 방지층 23: 전도성 금속의 피막층

24: 완충층 30: 유로

40: 리브

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유로 내의 부 식을 방지할 수 있을 뿐 아니라 리브(rib)부분의 전도성 및 내부식성을 확보할 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.

연료전지기술은 수소, 메탄올, 천연가스 등 탄화수소 계열의 연료 중에 포함되어 있는 수소와 공기 중의 산소를 전기화학 반응에 의해서 직접 전기에너지로 변환시키는 고효율의 청정 발전기술을 말한다. 이와 같은 연료전지는 발전효율이 높고 환경친화적인 기술로 차세대 에너지로 가능성을 인정받고 있다. 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라, 고분자 전해질막 연료전지(PEMFC:polymer electrolyte membrane fuel cell), 직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct methanol fuel cell), 인산 연료전지(PAFC: phosphoric acid fuel cell), 용융탄산염 연료전지(MCFC: molten carbonate fuel cell), 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell) 등으로 구분한다.

그 중 PMFC를 예로 들어 연료전지에 관해 설명하면 다음과 같다. 상기 PMFC는 전해질이 고분자막이므로 전해액 누수의 염려가 없고 충격흡수가 가능하며 작동온도가 50∼80℃로 비교적 낮은 온도에서 작동될 수 있다는 장점이 있어 자동차용, 가정용으로 사용될 수 있는 가능성이 있다.

도 1에 나타낸 바와 같이 PMFC는 바이폴라 플레이트(bipolar plate)(11), 산화제의 환원이 일어나는 환원전극(cathode)(14), 연료의 산화가 일어나는 산화전극(anode)(15), 환원전극(14)과 산화전극(15)의 사이에 위치하여 산화전극(15)에서 발생한 수소이온(즉, 프로톤)이 환원전극(14) 쪽으로 이동하도록 하는 고분자 전해질막(13) 등으로 구성되는 단위전지가 직렬로 적층되어 고전압(high voltage)를 형 성하게 되는 연료전지이다. 이와 같이 적층된 단위전지들의 양끝에는 전류집전체(Current Collector) 및 엔드플레이트(end plate)(10)가 배치될 수 있다.

상기의 바이폴라 플레이트(11)는 공기가 흐르는 유로(16)와 연료가 흐르는 유로(17)를 구비하고 있어 연료가스 및 환원가스를 분배하고 서로 섞이지 않도록 분리하며, 또한 인접한 단위전지의 산화전극과 환원전극 사이에서 전자의 통로를 제공함으로써 이들을 전기적으로 서로 연결하게 된다. 또한 적층된 단위전지들의 기계적인 지지체 기능을 구비하여야 한다. 이러한 기능을 구비하기 위해 연료와 공기를 분리할 수 있도록 비다공성이어야 하고, 전기전도성이 우수하여야 하며, 충분한 기계적 강도를 가져야 할 뿐만 아니라 수소이온에 대한 내부식성을 가져야 한다.

냉각 플레이트(cooling plate)는 연료전지의 산화환원반응으로 인해 발생하는 열을 제거하기 위한 것으로 그 일면에는 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있고 다른 면에는 냉각유체를 위한 유로가 형성되어 있는 전자전도성 판재이다.

말단 지지체(end plate)는 그 일면에만 연료 또는 산화제를 위한 유로가 형성되어 있는 전자전도성 판재로서 적층된 단위전지들의 양끝에 부착된다.

상기의 말단 지지체, 냉각 플레이트는 분리판의 역할을 하며 모두 유로가 형성되어 있고 전자전도성을 갖는다는 점에서 상술한 바이폴라 플레이트와 공통의 특성을 가질 필요가 있으므로 후술하는 바이폴라 플레이트에 관한 사항은 모두 말단 지지체와 냉각플레이트에도 적용될 수 있다. 또한 바이폴라 플레이트, 말단 지지 체, 냉각 플레이트를 포괄하여 모두 넓은 의미의 분리판으로 칭할 수 있으며, 이하에서는 상기 3가지의 구성요소를 "분리판"으로 통칭한다.

종래 바이폴라 플레이트의 재료로는 전기전도성이 좋고 부식이 잘 되지 않는 이점이 있는 그래파이트(graphite)가 주로 사용되었으며 연료 및 공기 유로는 주로 밀링(milling) 가공에 의하여 형성되었다. 그러나 그래파이트 플레이트는 자체 가격이 높을 뿐 아니라 밀링가공비용이 고가라는 문제점이 있었고 약한 강도로 인해 가공이 용이하지 않다는 문제점이 있었다.

그래파이트(graphite)로 된 바이폴라 플레이트(bipolar plate)의 단점을 극복하기 위해 바이폴라 플레이트의 재료를 금속으로 대체하려는 시도가 행해져 왔다. 금속은 바이폴라 플레이트로서 필요한 물성을 대부분 갖고 재료비와 가공비가 저렴하지만, 금속제 바이폴라 플레이트의 경우 연료전지 내부의 산성 환경에서 금속이 부식되고 그에 따라 막오염이 발생하고 접촉저항이 증가하는 문제점이 있었다.

상기의 단점을 극복하기 위해 내부식성 표면 코팅을 적용하는 방법 등이 연구되고 있다. 그러나 이러한 전도성 고분자로 표면 코팅한 경우 연료전지용 분리판의 수명과 전도성 측면에서 기존의 그래파이트 플레이트(graphite plate)에 미치지 못한다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 첫 번째 기술적 과제는 내부식성 및 전도성이 우수한 연료전지용 분리판을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 두 번째 기술적 과제는 상기 분리판을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 첫 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,

표면의 일면 또는 양면에 요(凹)부인 유로와 철(凸)부인 리브가 구비되어 있으며 비저항이 1.0×10^-3mΩ·cm이하인 금속성 지지체;를 포함하며, 상기 유로의 하면 및 측면에는 부식방지층이 적층되어 있고, 상기 리브의 상면에는 전도성 피막층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 부식방지층은 패릴렌(parylene)으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전도성 피막층은 전도성 금속으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 전도성 금속은 금(Au), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물로 구성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전도성 피막층과 금속성 지지체 사이에는 완충층(buffer layer)을 더 구비할 수 있다.

또한 상기 완충층은 니켈(Ni)로 이루어진 것일 수 있다.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여, 상기 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지를 제공한다.

이하에서는, 본 발명의 연료전지용 분리판을 도면을 통하여 상세히 설명한다.

이미 언급한 바와 같이, 본 발명에서 분리판이라는 용어는 바이폴라 플레이트(bipolar plate), 말단 지지체(end plate) 및 냉각 플레이트(cooling plate)를 포함하는 의미이다. 또한 본 발명의 연료전지용 분리판은 연료전지의 형식에 구애받지 않고 연료전지에 있어 분리판의 역할을 하며 유로가 형성된 모든 연료전지에 사용하는 판재에 적용할 수 있는 것이다.

본 발명은 도 2에 나타낸 것과 같이 금속성 재료로 구성되고 유로(30) 및 리브(40)를 구비한 지지체(21)를 포함하며; 상기 유로(30)의 하면 및 측면에 부식방지층(22)이 적층되어 있고 상기 리브(40)의 상면에 전도성 피막층(23)이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판을 제공한다.

상기의 금속성 지지체(21)로는 SUS, Al, Cu, Ti 등 비저항이 1.0×10^-3mΩ·cm이하인 금속 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있는데, 상기 비저항이 1.0×10^-3mΩ·cm를 초과하게 되면, 전도도가 낮기 때문에 바람직하지 않다. 금속성 지지체는 가공이 용이하여 그래파이트 소재가 갖지 못하는 장점을 갖는다. 상기의 금속성 지지체에는 원하는 형태의 플로우 필드(flow field)가 형성되어 있어 금속성 지지체 자체가 연료전지용 분리판의 역할을 수행한다. 또한 플로우 필드는 다양한 형태의 유로패턴(channel pattern)을 가질 수 있다.

상기 부식방지층(22)은 패릴렌(parylene) 즉, 폴리파라크실렌(poly-para- xylene)으로 코팅된 것으로 금속성 지지체가 부식되는 것을 막아줄 수 있다.

상기 전도성 피막층(23)은 전기 전도도가 높으며 내부식성이 강한 재질인 한 특별한 제한없이 사용될 수 있으며, 예를 들어 전도성 금속을 사용할 수 있는데 내부식성을 고려할 때에 귀금속 물질, 즉 금, 백금 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있다.

금속성 지지체(21)는 자체적으로 전기전도도가 높으므로 유로(30) 부분에 내부식층을 형성하여 곧바로 사용할 수도 있지만 상기 리브(40) 부분의 상면에 전도성 피막층(23)을 형성하는 이유는 산성환경인 연료전지의 유로(30) 내부에서 액 또는 H₂가 넘치는 경우에는 리브(40) 부분에서의 막 오염이 발생하고 접촉저항이 증가할 염려가 있기 때문에 전도성과 내부식성이 확보된 전도성 피막층(23)을 리브(40) 부분에 적층함으로써 상기와 같은 문제점을 극복하고자 하는 것이다.

상기의 완충층(24)은 전도성 피막층(23)을 형성하는 물질이 어떤 재질인지 여부에 따라 선택적으로 적층될 수 있는데, 상기 완충층(24)의 역할은 지지체(21)와 전도성 피막층(23) 간의 접착력을 향상시키는 것이며, 이러한 특징을 가지는 한 특별한 제한 없이 사용될 수 있는데, 예를 들어, 지지체(21)로서 스테인레스 재질을 사용하고, 전도성 피막층(23)으로 금을 사용하는 경우에는 완충층(24)으로서 니켈(Ni)을 사용할 수 있다.

본 발명의 연료전지용 분리판의 부식방지층(22) 및 전도성 피막층(23)의 형성방법은 이하와 같다.

우선 유로(30)가 형성된 금속성 지지체(21) 상에 마스크(mask)를 이용하여 패릴렌(parylene)을 일반 코팅방법 등으로 유로(30)부분에 1∼5㎛의 두께로 적층할 수 있다. 상기 적층방법은 화학기상증착 또는 물리기상증착 등 통상의 증착방법을 채택하거나 통상적인 코팅방법을 이용할 수 있다.

그 후 전도성 피막층(23)을 전해도금법, 무전해도금법, 펄스이용도금법 등 통상의 일반적 도금법이나 마스크를 이용한 CVD, PVD 등의 진공증착법을 적용하여 적층할 수 있다.

완충층(24)은 상기 전도성 피막층(23)의 하부에 형성시킬 수 있는데 지지체(21) 상에 진공증착법 등을 적용하여 1∼5㎛의 두께로 도금한 후 상기 전도성 피막층(23)을 적층한다.

본 발명에 따른 연료전지는 상기 본 발명에 따라 제조된 바이폴라 플레이트(bipolar plate), 말단 지지체(end plate) 또는 냉각 플레이트(cooling plate)를 사용하여 통상적인 제조방법에 따라 제조할 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만 본 발명이 이에 의해 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

지지체층의 물질이 스테인리스강의 일종인 SUS 904L로 이루어진 바이폴라플레이트를 준비하였다. SUS 904L 금속기판의 표면에 마스크패턴(mask pattern)공정을 거친 후 샌드블러스터(sand bluster)장치를 사용하여 건식식각함으로써 채널의 깊이가 500㎛인 유로를 형성하였다. 다음으로, 상기 유로가 형성된 지지체에 마스크패턴을 이용한 PVD 법을 통해 패릴렌(parylene)을 3㎛ 두께로 코팅하고, 150℃ ,1torr에서 건조하였다. 상기 패릴렌 코팅은 약 170℃의 진공상태에서, p-크실렌의 이량체(dimer: N,C,D Type)를 기화시킨 다음, 상기 기화된 기체를 약 680℃∼700℃의 열분해 영역으로 이동시켜, 고온에 의해서 반응성이 큰 p-크실렌의 단량체 (Monomer)로 열분해 (0.5 Torr)시키고, 챔버내에서 긴 체인형태의 중합체로 재구성되어 모든 표면 위에 진공 증착시켰다. 이후, 초음파세척기를 사용하여 상기 마스크패턴을 아세톤 용액에서 제거한 후, 펄스도금법을 사용하여 리브 부분을 금 도금하여 3㎛ 두께의 전도성 피막층을 형성하였다.

실시예 2

완충층으로서 3㎛ 두께의 Ni층을 상기 전도성 피막층의 하부에 적층한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

실시예 3

전도성 피막층으로서 금 대신에 백금을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

비교예 1

지지체의 재질로서 SUS 904L를 사용하고 전도성 피막층 및 부식방지층을 적 층하지 않은채로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

비교예 2

지지체의 재질로서 알루미늄을 사용하고 전도성 피막층 및 부식방지층을 적층하지 않은채로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

비교예 3

지지체의 재질로서 구리를 사용하고 전도성 피막층 및 부식방지층을 적층하지 않은채로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

비교예 4

지지체의 재질로서 티타늄을 사용하고 전도성 피막층 및 부식방지층을 적층하지 않은채로 바이폴라플레이트를 제조하였다.

시험예

내부식성 평가

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼4에서 제조된 바이폴라플레이트의 유로의 내부식성을 평가하기 위하여, 동전위법(Tafel Method)에 의한 부식전류밀도를 측정하였다. 상기 동전위법의 기포를 공급하면서 실시하였으며 그 결과를 하기 표 1에 도시하였다.

시험예 2

전도성 평가

상기 실시예 1∼3 및 비교예 1∼4에서 제조된 바이폴라플레이트의 리브 상면의 전도성을 평가하기 위하여, 4-포인트 탐침법(4-point probe method)를 이용하여 비저항을 측정하였다.

	리브 상면의 비저항 (mΩ·cm)	유로의 부식전류밀도 (A/cm²)
실시예 1	3.85 x 10^-5	4.89 x 10^-8
실시예 2	3.85 x 10^-5	4.89 x 10^-8
실시예 3	9.52 x 10^-4	4.89 x 10^-8
비교예 1	1.10 x 10^-4	4.56 x 10^-5
비교예 2	3.82 x 10^-5	3.47 x 10^-4
비교예 3	3.85 x 10^-5	1.24 x 10^-2
비교예 4	4.90 x 10^-5	6.34 x 10^-5

상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 바이폴라플레이트의 경우 리브 상면의 비저항이 3.85 x 10^-5mΩ·cm으로서 10^-3 mΩ·cm 이하이기 때문에 전기 전도성이 우수하며, 유로의 부식전류밀도가 4.89 x 10^-8A/cm²으로서 10^-6 A/cm²이하이기 때문에 내부식성 또한 매우 우수하다는 것을 알 수 있다. 그러나, 비교예의 경우를 살펴보면 전도성은 우수하지만 유로의 부식전류밀도가 모두 10^-5 A/cm²이상이기 때문에 내부식성이 열악하다는 것을 확인할 수 있다.

상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 연료전지용 분리판(바이폴라 플레이트, 말단 지지체, 냉각 플레이트)은 제조가 용이하며 유로의 부식전류밀도가 현저히 감소하게 되어 내부식성이 향상될 뿐만 아니라 리브 부분의 전도성 또한 우수하기 때문에 전체적으로 본 발명에 따른 연료전지의 성능 및 수명을 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.

Claims

표면의 일면 또는 양면에 요(凹)부인 유로와 철(凸)부인 리브가 구비되어 있으며 비저항이 1.0×10^-3mΩ·cm이하인 금속성 지지체;를 포함하며,

상기 유로의 하면 및 측면에는 부식방지층이 적층되어 있고, 상기 리브의 상면에는 전도성 피막층이 적층되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항에 있어서, 상기 연료전지용 분리판은 바이폴라 플레이트, 냉각 플레이트 및 말단 지지체로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항에 있어서, 상기 부식방지층은 패릴렌으로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항에 있어서, 상기 전도성 피막층은 전도성 금속으로 이루어진 것 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항에 있어서, 상기 전도성 금속은 금(Au), 백금(Pt) 또는 이들의 혼합물인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항에 있어서, 상기 전도성 피막층과 금속성 지지체 사이에 완충층을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 6항에 있어서, 상기 완충층은 니켈(Ni)로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 연료전지용 분리판을 포함하는 연료전지.