KR101718593B1

KR101718593B1 - 직접 메탄올 연료전지용 분리판

Info

Publication number: KR101718593B1
Application number: KR1020140191037A
Authority: KR
Inventors: 김종희; 조기훈; 김광민; 서보성
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-12-26
Filing date: 2014-12-26
Publication date: 2017-03-22
Also published as: KR20160082407A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지용 분리판은 연료전지의 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 사이에 적층되어 전극층 사이에 가스유로를 형성하는 분리판으로서, 평판형의 본체와 상기 본체에 적층되어 상기 전극층에 탄성적으로 접촉하는 동시에 가스 유로를 형성하는 복수의 돌기를 갖는 집전체를 포함하며 상기 돌기는 상기 전극층에 접촉되는 돌출부와 상기 돌출부가 형성되는 부분에 대응되는 위치에 형성되는 개방부를 포함한다.

Description

직접 메탄올 연료전지용 분리판{SEPERATOR OF DMFC}

본 발명은 연료전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다공성의 집전체를 채용하여 연료전지 스택 성능을 향상시킬 수 있는 직접 메탄올 연료전지용 분리판에 관한 것이다.

직접 메탄올 연료전지는 도1를 참조로 설명하면 고분자 전해질막(10)과 이 전해질막 양면에 수소와 산소가 반응할 수 있도록 도포된 촉매층인 공기극(12, cathode) 및 연료극(14, anode)으로 이루어진 막전극접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly)을 포함하고, 또한 공기극(12), 연료극(14)이 위치한 바깥 부분에는 가스 확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)(16) 및 가스켓(18)이 차레로 적층되고 가스 확산층의 바깥쪽에는 연료를 공급하고 반응에 의해 발생된 물을 배출하도록 유로로(Flow Field)가 형성된 분리판(20)이 결합되어 하나의 셀 단위를 이루게 된다.

이러한 셀 단위의 연료전지가 다수 적층된 후, 그 가장 바깥쪽에 각 셀 단위의 구성을 고정시키기 위한 엔드 플레이트(30)가 결합된다.

분리판(20)은 연료전지 전극(12, 14)에 각각 연료(수소 또는 개질가스)와 산화제(산소 또는 공기)를 공급하고 전기화학 반응물은 물을 배출하기 위해 유로가 형성되어 있으며 막전극접합체(MEA) 및 가스확산층(16)을 기계적으로 지지하는 기능과 인접한 단위전지와의 전기적 연결 기능을 수행한다. 이러한 분리판(20)은 연료전지의 강한 부식 환경에 견디기 위해 과거 흑연 소재를 일반적으로 사용하였으나 최근에는 제작 비용, 무게 등을 고려하여 내식성이 있는 스테인리스 강을 사용한 금속분리판을 많이 적용하고 있다.

금속분리판(20)은 도2에 도시된 바와 같이, 프레스 공법에 의해 금속분리판의 연료 혹은 산화제가 지나가는 채널부(channel)(24) 및 가스확산층(16)과 맞닿아 전기적 통로 역할을 하는 랜드부(land)(22)로 구성되며 원활한 반응물의 공급과 생성물의 배출을 위해 유료의 형상이 구현된다.

이러한 일반적인 연료전지 셀 구조에 있어서, 분리판(20)의 랜드부(22)가 면압집중에 따라 가스확산층(16)을 과압축하게 되며 가스확산층(16)의 탄소섬유가 전해질막(10)을 찌르는 현상이 발생하여 전해질막(10)의 내구성에 심각한 영향을 줄 수 있고, 분리판(20)의 채널부(24)에서는 면압이 작아지며 접촉저항이 높아져서 열이 많이 발생하므로 전해질막(10)의 건조 현상이 나타나게 되며, 랜드부(22)와 가스확산층 간의 접촉부분은 가스확산층에 대한 과압축이 발생하는 부분이 되어 반응기체 및 생성수의 통로가 제대로 형성되지 않아, 결국 반응기체의 반응성 및 생성된 물 배출성이 저하되어 실제 반응면적의 감소와 함께 배출되지 못한 생성수가 동결하면서 냉시동성에 악영향을 미치는 단점이 있다.

이러한 문제를 개선하기 위해 종래기술로써 미국공개특허 2009/0155665 A1에는 가스확산층의 접촉저항을 개선하고, 가스확산성과 반응성을 향상시키고자, 평평한 구조의 분리판에 메쉬 혹은 계단형 콜렉터가 형성된 구조가 개시되어 있으며, 국제공개특허 03/061042에는 평평한 분리판에 메쉬형태의 확산층이 소결과정으로 접합된 구조가 개시되어 있다. 또한 한국공개특허 2011-0062360에는 분리판과 기체확산층 사이에 메쉬를 삽입하는 구조가 개시되어 있다.

그러나, 이러한 종래기술들은 단순 매쉬 등의 삽입에 의한 것으로 가격의 증가 요인이 있으며 분리판 간의 전자 이동을 획기적으로 개선하는데 어려운 단점이 있다.

미국공개특허 US 2009/0155665 A1 (2009.06.18) 국제공개특허 WO 03/061042 A2 (2003.07.24) 한국공개특허 2011-0062360 (2011.06.10)

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기존 프레스 성형공법에 의해 직선형태의 금속분리판 채널부와 랜드부를 갖는 분리판을 사용하지 않고 다공성 스테인리스강 집천체를 사용하여 전기 접점부를 증가시켜 셀 내부저항을 감소시키고, 가스확산층의 함몰방지를 통한 연료전지의 차압을 감소시키며, 연료전지 스택 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 구조를 갖는 연료전지용 분리판을 제공하는 데 있다.

위 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지용 분리판은 연료전지의 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 사이에 적층되어 전극층 사이에 가스유로를 형성하는 분리판으로서, 평판형의 본체와 상기 본체에 적층되어 상기 전극층에 탄성적으로 접촉하는 동시에 가스 유로를 형성하는 복수의 돌기를 갖는 집전체를 포함하며 상기 돌기는 상기 전극층에 접촉되는 돌출부와 상기 돌출부가 형성되는 부분에 대응되는 위치에 형성되는 개방부를 포함한다.

상기 돌출부는 원형 또는 각형형태일 수 잇다.

상기 분리판은 집전체-본체-집전체로 적층되고 그 두께가 0.05~0.15mm 일 수 있다.

상기 집전체는 중량% C:0.02 이하, N:0.02 이하, Si:0.4 이하, Mn:0.2 이하, P:0.04 이하, S:0.02 이하, Cr:25.0~32.0, Cu:2.0 이하 ,Ni:0.8이하, Ti:0.5 이하, Nb:0.5 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하고 V:1.5% 이하, W:2.0% 이하, La:1.0% 이하, Zr:1.0% 이하, B:0.1% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 함유된 페라이트계 스테인리스강일 수 있다.

본 발명에 의한 연료전지용 분리판에 따르면 종래의 직선형태의 채널부와 랜드부를 갖는 분리판을 사용하지 않고 다공성 스테인리스강 집전체를 사용하여 전기 접점부를 증가시켜 셀 내부저항을 감소시키고, 가스확산층의 함몰방지를 통한 연료전지 차압을 감소시키며, 연료전지 스택 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 구조를 갖는 연료전지용 분리판을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 종래 프레스 성형공법에 의한 직선형태의 분리판을 대체하여 다수의 접접이 형성된 다공성 스테인리스 재질의 집전체를 사용함으로써 전자의 흐름을 개선하여 접촉저항을 획기적으로 감소시킬 수 잇는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 직접메탄올 연료전지의 단위셀의 적층된 모습을 나타낸 단면도이다.
도 2는 종래의 직접메탄올 연료전지용 분리판이 적용된 연료전지의 단위셀을 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 직접메탄올 연료전지용 분리판이 적용된 연료전지의 단위셀을 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 집전체를 나타낸 사진이다.
도 5는 접촉압력에 따른 접촉압력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 연료전지의 성능시험 결과를 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 연료전지용 분리판에 대하여 설명하기로 한다.

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판이 채용된 연료전지 스택의 부분적인 단면도이다. 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 집전체를 나타낸 사진이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판(100)은 연료전지의 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 사이에 적층되어 전극층(12, 14) 사이에 가스유로를 형성한다. 이러한 분리판은 평판형의 본체(120)와 집전체(110)를 포함한다.

평판형의 본체(120)는 반응 공기극(12)과 연료극(14)의 분리역할을 수행하는 것으로 두께 0.1 mm 이하로 연료전지 환경에서 고내식성과 고전도성을 확보한 소재를 사용하는 것이 바람직하다. 일반적으로 금속제의 박판으로 제조될 수 있으며 특히 스테인리스 박판을 사용하는 것이 바람직하다. 또한 금속제의 박판으로는 금도금 등의 방수처리를 한 강판 등을 채용할 수 있으며, 금속제의 박판 대신에 카본과 같은 도전성을 가지는 비금속재료를 사용하여 제조할 수 도 있다.

평판형의 본체(120)는 거의 정방형의 평판형으로 형성되어 있으며 그 모서리부분에 가스도입구(미도시)와 가스도출구(미도시)가 각각 2개씩 형성되어 가스 통로를 제공할 수 있게 된다. 가스도입구는 연료전지 스택의 외부로부터 공급된 연료가스 또는 산화제 가스를 단셀내에 도입하는 동시에, 적층된 다른 단셀에 대해 연료 가스 또는 산화제 가스를 유통시킬 수 있다, 가스도출구는 단셀내에 도입된 가스 중에 MEA에서 미반응의 가스를 외부에 배출하는 동시에 적층된 다른 단셀로부터 미반응의 가스를 유통시킨다.

집전체(110)는 전극층에 탄성적으로 접촉하는 동시에 가스 유로를 형성하는 돌기를 포함하고 이러한 돌기는 전극층에 접촉되는 돌출부(111)와 돌출부가 형성되는 부분에 대응되는 위치에 형성되는 개방부(112)를 포함한다.

돌출부(111)는 최초 평판형의 집전체를 슬롯(slot)형태의 홀(hole)을 펀칭에 의해 성형한 구조되어 있어 유로 채널내에 원활한 가스 공급이 이루어진다. 다수의 돌기에 형성된 돌출부(111)에 의해 집전체(110)와 가스확산층(16)과의 접촉이 확보된 구조로 되어있어 집전체(110)를 포함하는 연료전지 셀을 체결시에 낮은 접촉저항을 확보함과 동시에 가스확산층(16)의 함몰을 방지할 수 있는 구조이다. 펀칭된 부분은 가스유로가 형성될 수 있도록 개방부(112)가 형성된다.

또한, 집전체에 형성된 슬롯형태의 돌출부는 미세하게 많이 형성될수록 많은 점점이 이루어지게 되어 전자 흐름을 개선시켜 접촉저항을 획기적으로 감소시킬수 있다. 돌기는 집전체의 면에 일정한 간격으로 배치될 수 있으며, 각 열 마다 돌출부(111)를 지그재그로 도출시켜 형성할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예 따른 연료전지용 분리판은 집천체(110)-본체(120)-집전체(110) 순으로 배치되어 단위셀에 적용될 수 있다.

집전체(110) 및 분리판(120) 소재 두께는 스택의 경량화 차원에서 0.2mm 이하가 되어야 하며, 바람직하게는 소재의 성형시 발생하는 파단을 고려하여 0.05mm에서 0.15mm 두께가 바람직하다. 집전체(110)는 본 발명에서는 slot형태의 돌출부(111)를 갖은 구조로 되었으며 전기 접점 및 균일한 가스 확산을 위하여 돌출부(111)의 크기가 미세하고 간격이 좁게 설정하는 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 일 실시예 따른 연료전지용 분리판에서의 집전체 또는 평판형 본체는 중량퍼센트(wt%)로 C:0.02% 이하, N:0.02% 이하, Si:0.4% 이하, Mn:0.2% 이하, P:0.04% 이하, S:0.02% 이하, Cr:25.0~32.0%, Cu:2.0% 이하 ,Ni:0.8%b이하, Ti:0.5% 이하, Nb:0.5% 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하고 V:1.5% 이하, W:2.0% 이하, La:1.0% 이하, Zr:1.0% 이하, B:0.1% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 함유된 페라이트계 스테인리스강이 사용될 수 있다. 이러한 조성의 페라이트계 스테인리스강을 집전체로 사용하는 경우에는 내식성이 우수하고 접촉저항을 낮출 수 있게 된다.

이하 분리판의 집전체 또는 평판형 본체에 사용되는 페라이트계 스테인리스강의 성분계의 한정이유를 상세하게 설명한다.

C와 N는 강 중에서 Cr 탄질화물을 형성하며, 그 결과 Cr이 결핍된 층의 내식성이 저하되므로, 양 원소는 낮을수록 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 C:0.02%이하, N:0.02%이하로 그 조성비를 제한한다.

Si는 탈산에 유효한 원소이나 인성 및 성형성을 억제하므로, 본 발명에서는 Si의 조성비를 0.4% 이하로 제한한다.

Mn은 탈산을 증가시키는 원소이나, 개재물인 MnS는 내식성을 감소시키므로, 본 발명에서는 Mn의 조성비를 0.2%이하로 제한한다.

P는 내식성뿐만 아니라 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 P의 조성비를 0.04% 이하로 제한한다.

S은 MnS를 형성하며, 이러한 MnS은 부식의 기점이 되어 내식성을 감소시키므로, 본 발명에서는 이를 고려하여 S의 조성비를 0.02% 이하로 제한한다.

Cr은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 인성을 감소시키므로, 본 발명에서는 Cr의 조성비를 25.0 ~ 32.0%로 제한한다.

Mo는 작동되는 환경 분위기에서 내식성을 증가시키는 역할을 하나, 과잉첨가시 인성을 감소시키는 효과 및 경제성에서 열위하다. 따라서 본 발명에서는 기본적으로 Mo를 첨가하지 않는다. 이와 같이 Mo를 첨가하지 않는 경우에도 본 발명이 원하는 효과를 얻을 수 있다. 다만 내식성 개선이 특히 필요한 경우에는 Mo를 추가로 첨가하는 것도 가능하다. 이 경우 그 함량은 5% 이하의 범위로 한정하는 것이 바람직하다.

Ni은 일부 접촉저항을 감소시키는 역할을 하나, 과량 첨가시 Ni 용출 및 성형성이 저하될 수 있다. 본 발명에서는 이를 고려하여 Ni의 조성비를 0.8% 이하로 제한한다.

Ti와 Nb는 강 중의 C, N을 탄질화물로 형성하는 데 유효한 원소이나 인성을 저하시키므로, 본 발명에서는 이를 고려하여 각각의 조성비를 0.5% 이하로 제한한다.

V은 연료전지가 작동되는 산성 분위기에서 내식성을 증가시키나, 과잉 첨가시 이온이 용출되어 전지의 성능이

저하될 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 이를 고려하여 V의 조성비를 1.5% 이하로 제한한다.

이하 구체적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 보다 자세하게 설명한다.

다음 표1의 조성으로 된 두께 0.1mm의 스테인리스 강판을 사용하여 집전체 및 평판형의 본체를 제조하였다. 이때 집전체는 도4와 같은 형상으로 제조하고 전극 유효 면적 100 ㎠를 제조하였다.

구분

C

Si

Mn

P

S

Al

Cr

Ni

Cu

Ti

Nb

Mo

기타

N

성분
(wt%)

0.004

0.124

0.121

<0.003

0.037

30.10

0.12

-

0.051

0.24

-

0.4V

0.008

발명예는 상기와 같은 분리판을 사용하였고 비교예로는 종래의 채널과 랜드로 형성되어 있는 분리판을 사용하여 연료전지의 특성을 측정하였다.

도 5는 접촉압력에 따른 접촉압력의 변화를 나타낸 그래프이다. 비교예는 종래의 분리판을 2배를 적층시켰으며, 발명예는 집전체 2매와 분리판 1매를 적층하여 측정한 것이다. 측정된 접촉저항의 변화를 비교한 결과 본 발명에 따른 분리판이 전기접점의 증가로 인하여 접촉저항이 낮아짐을 확인 할 수 있었다.

도6은 직접메탄올 연료전지의 성능시험 결과를 나타낸 그래프이다. MEA는 Nafion 115를 막을 이용하였고, 연료극과 공기극의 촉매로는 PtRu/C (HISPEC 12100, Johnson Matthey)와 Pt/C (HISPEC 13100, Johnson Matthey)를 각각 사용하였다. 연료극과 공기극의 GDL은 Toray TGP 060 (Toray Co., Japan)에 5 wt%의 PTFE 처리한 것과 25BC (SGL,Germany) 카본 페이퍼를 각각 사용하였다. Pt 담지량은 각각 연료극에 1.8 mg cm-2, 공기극에 1.6 mg cm-2으로 하였다. 단위전지의 성능은 1 M의 메탄올 수용액과 공기를 공급하여 60 ℃에서 평가하였다. 연료극 분극은 단위전지 성능 측정 조건과 같이 1 M의 메탄올 수용액과 60 ℃의 분위기에서 측정하였다. 도 6에 보는 바와 같이 본 발명의 전기 접점부 증가에 의한 분리판의 접촉저항 감소로 셀 내부저항의 감소 효과가 있음을 전압/전류의 기울기로부터 확인할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변경된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10:전해질막 12: 공기극
14: 연료극 16:가스확산층
100:분리판 110: 집전체
120: 본체 111: 돌출부
112: 개방부

Claims

연료전지의 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)의 사이에 적층되어 전극층 사이에 가스유로를 형성하는 분리판으로서,
평판형의 본체와 상기 본체에 적층되어 상기 전극층에 탄성적으로 접촉하는 동시에 가스 유로를 형성하는 복수의 돌기를 갖는 집전체를 포함하며
상기 돌기는 상기 전극층에 접촉되는 돌출부와 상기 돌출부가 형성되는 부분에 대응되는 위치에 형성되는 개방부를 포함하고, 상기 돌출부에는 슬롯 형태의 홀(hole)이 형성되고, 상기 돌출부는 지그재그로 돌출 형성된 것을 특징으로 하는, 직접메탄올 연료전지용 분리판.
청구항1에 있어서,
상기 돌출부는 원형 또는 각형형태인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 분리판.
청구항1에 있어서,
상기 분리판은 집전체-본체-집전체로 적층되고 그 두께가 0.05~0.15mm인 것을 특징으로 하는 직접 메탄올 연료전지용 분리판.
청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,
상기 집전체는 중량% C:0.02 이하, N:0.02 이하, Si:0.4 이하, Mn:0.2 이하, P:0.04 이하, S:0.02 이하, Cr:25.0~32.0, Cu:2.0 이하 ,Ni:0.8이하, Ti:0.5 이하, Nb:0.5 이하, 잔부 Fe 및 불가피하게 함유되는 불순물을 포함하고
V:1.5% 이하, W:2.0% 이하, La:1.0% 이하, Zr:1.0% 이하, B:0.1% 이하로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 원소가 더 함유된 페라이트계 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 직접메탄올 연료전지용 분리판.