KR20060058370A - 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지 - Google Patents

연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지 Download PDF

Info

Publication number
KR20060058370A
KR20060058370A KR1020040097382A KR20040097382A KR20060058370A KR 20060058370 A KR20060058370 A KR 20060058370A KR 1020040097382 A KR1020040097382 A KR 1020040097382A KR 20040097382 A KR20040097382 A KR 20040097382A KR 20060058370 A KR20060058370 A KR 20060058370A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
metal
carbide
fuel cell
separator
metal separator
Prior art date
Application number
KR1020040097382A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100669319B1 (ko
Inventor
이종기
권호진
서준원
Original Assignee
삼성에스디아이 주식회사
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 삼성에스디아이 주식회사 filed Critical 삼성에스디아이 주식회사
Priority to KR1020040097382A priority Critical patent/KR100669319B1/ko
Priority to US11/286,151 priority patent/US20060134501A1/en
Priority to JP2005340163A priority patent/JP2006156386A/ja
Publication of KR20060058370A publication Critical patent/KR20060058370A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100669319B1 publication Critical patent/KR100669319B1/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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/0635—Carbides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22—Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30—Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32—Carbides
    • 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
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • 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
    • H01M8/0247—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the form
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유로 채널이 형성되어 있는 금속기재 및 상기 금속기재의 유로 채널이 형성된 면을 덮고 있는 전기 전도성 금속탄화물 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그의 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터는 가볍고 내부식성 및 전기 전도도가 우수하여 연료전지에 사용되기에 적합하고, 특히 증착에 의한 금속 세퍼레이터의 제조방법은 미세한 유로 채널이 형성된 금속기재에도 코팅막의 형성을 가능하게 하여 연료전지의 소형화에 적합하고, 공정이 간편하며, 생산성을 높일 수 있다는 장점이 있다.
연료전지, 세퍼레이터, 바이폴라 플레이트, 금속, 내부식성, 전기전도성, 금속탄화물

Description

연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지{METAL SEPARATOR FOR FUEL CELL, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND FUEL CELL COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제1구체예를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 2는 접착력 증가용 금속층을 더 포함하는 본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제2구체예를 모식적으로 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 연료전지의 일 예를 도시한 분해 사시도.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 작동시간에 따른 전압특성 그래프.
[산업상 이용분야]
본 발명은 연료전지용 금속 세퍼레이터(또는 바이폴라 플레이트라고도 하며, 이하 '세퍼레이터'라 칭한다.) 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가볍고, 내부식성과 전기전도성이 우수한 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
[종래기술]
연료전지(Fuel Cell)는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 전기를 직접 생산하는 발전시스템으로서, 별도의 충전과정 없이도 외부에서 화학반응물을 공급받아 지속적인 발전이 가능한 특징이 있다.
연료전지의 개념은 18세기 영국에서 처음 제안되었으며, 90년대부터 자동차 등에 적용하기 위한 연구가 계속되어 오다가 근래에 들어 휴대용 기기에 적용 가능한 연료전지의 개발이 가속화되기 시작하였다.
연료전지의 기본적인 구조는 전극과 촉매층, 박막층으로 구성된 전해질-전극 복합체와 세퍼레이터가 교대로 적층되어 있는 구조를 이루고 있다.
상기 세퍼레이터는 연료인 수소와 산소를 전해질-전극 복합체층에 공급해 주는 역할과 전류를 수집하는 역할, 수소와 산소의 직접 접촉으로 인한 폭발, 연소 등의 위험성을 방지하는 역할을 수행하기 때문에 기체투과율은 낮고, 전기 전도성이 좋아야 한다.
현재 세퍼레이터의 재료로는 흑연이 많이 사용되고 있으며, 특히 흑연을 기계적 분쇄법으로 미세화하여 마이크로미터 단위의 크기를 갖는 입자들로 만들고, 이를 고분자 수지에 섞어서 복합재료로 사용하고 있다.
예를 들어, 미국특허 제6,248,467호에서는 20 내지 60 %에 이르는 다량의 흑연을 비닐에스테르 수지에 혼합하여 전도성 세퍼레이터를 제조하였으며, 미국특허 제4,592,968호에서는 40 내지 60 %의 탄화성 수지와 60% 가량의 흑연을 이용하여 복합재료를 제작하였다.
그러나 이들 종래의 방법에서는 원하는 수준의 전기 전도도를 얻기 위해 수십 중량% 이상의 흑연을 사용해야 하기 때문에 세퍼레이터의 재료 자체의 무게 및 점도가 증가하여 교반 및 성형에 어려움이 있으며, 최종 세퍼레이터 복합재료의 강도 및 내구성, 안정성도 바람직한 수준에 이르기 어렵다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 흑연 세퍼레이터를 대체하기 위한 금속 세퍼레이터에 대한 연구가 진행되어 왔다. 금속 세퍼레이터는 에칭에 의한 가공이 가능하며, 가격이 저렴하고, 강도가 우수한 장점을 갖는다. 그러나, 금속 및 합금계 물질을 연료전지용 세퍼레이터로 사용할 경우 일산화탄소, 산소 및 각종 산성 분위기에서 금속의 표면이 부식되고 산화피막을 형성하여 연료전지의 성능 저하가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하고자, 미국특허 제6,649,031호에는 흑연 에멀전과 알루미늄 또는 티타늄 산화물 등을 다층 코팅하여 내식성 세퍼레이터를 제작하는 방법이 기재되어 있으나, 상기 미국특허 제6,649,031호의 다층코팅방법은 공정이 복잡한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 내부식성과 전기 전도도가 우수한 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 연료전지용 금속 세퍼레이터를 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 유로 채널이 형성되어 있는 금속기재 및 상기 금속기재의 유로 채널이 형성된 면을 덮고 있는 전기 전도성 금속탄화물 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제공한다.
본 발명은 또한, 유로 채널이 형성된 금속기재에 전기 전도성 금속탄화물을 증착 또는 슬러리 코팅하는 단계를 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 상기 금속 세퍼레이터를 포함하는 연료전지를 제공한다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터는 크게 두가지의 구체예로 나타낼 수 있다.
도 1은 본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제1구체예를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 상기 도 1에서 보는 바와 같이 본 발명의 제1구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터(20)는 유로 채널(26)이 형성되어 있는 금속기재(25) 및 상기 금속기재의 유로 채널(26)이 형성된 면을 덮고 있는 전기 전도성 금속탄화물 코팅막(27)을 포함한다. 이 때, 상기 금속탄화물 코팅막은 평균 두께가 0.1 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다. 코팅막의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 부식방지효과가 충분하지 못하며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 두께 증가에 따른 더 이상의 장점을 얻을 수 없다.
도 2는 본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제2구체예를 모식적으로 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터(21)는 상기 제1구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터의 전기 전도성 금속탄화물 코팅막(27)과 상기 금속기재(25)의 유로 채널(26)이 형성된 면 사이에 접착력 증가를 위하여 접착력 증가용 금속층(28)을 더 포함한다.
이 때, 상기 접착력 증가용 금속층(28)은 평균 두께가 10 Å 내지 10000 Å인 것이 바람직하다. 상기 접착력 증가용 금속층의 평균 두께가 10 Å 미만인 경우에는 접착력이 충분하지 못하며, 10000 Å를 초과하는 경우에는 더 이상의 접착력 증가의 효과가 나타나지 않는다.
상기 제2구체예의 접착력 증가용 금속층(28)에 사용되는 금속의 바람직한 예로는 티타늄, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속, 또는 2종 이상의 금속의 합금 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 크롬이 가장 바람직하다. 크롬의 산화물은 다른 금속 산화물에 비하여 전기전도도가 우수하기 때문에 접촉력 증가의 효과와 산화물 형성 후에도 전기전도도 저하를 막을 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터(20, 21)에 최종 형성되는 유로 채널(26)은 필요에 따라 다양한 모양으로 성형 가공될 수 있으나, 깊이가 2000 ㎛이하 인 것이 바람직하고, 400 내지 1000 ㎛인 것이 더 바람직하다. 또한, 상기 유로채널은 폭이 3000 ㎛이하인 것이 바람직하고, 500 내지 1500 ㎛인 것이 더 바람직하다. 깊이가 2000 ㎛를 초과하거나, 폭이 3000 ㎛를 초과하는 경우에는 연료전지의 소형화가 어려워진다.
또한, 상기 연료전지용 금속 세퍼레이터에 포함되는 전기 전도성 금속탄화물은 내부식성과 전기 전도도가 우수한 금속탄화물이다.
상기 금속탄화물은 16 μA/cm2 이하의 부식성을 가지는 것이 바람직하며, 10 μA/cm2 이하의 부식성을 가지는 것이 더 바람직하고, 부식성이 0 μA/cm2 인 것이 가장 바람직하다. 상기 부식성을 나타내는 수치는 금속의 부식과정에서 발생하는 전류의 양을 나타내는 것으로서, 부식성이 0인 경우에는 금속의 부식이 발생하지 않으므로, 가장 바람직하며, 부식성이 16 μA/cm2 를 초과하는 경우에는 전기전도도가 떨어지게 되어 바람직하지 않다.
상기 금속탄화물은 또한, 100 S/cm 이상의 전기 전도도를 가지는 것이 바람직하며, 200 S/cm 이상의 전기 전도도를 가지는 것이 더 바람직하고, 200 S/cm 내지 105 S/cm의 전기 전도도를 가지는 것이 가장 바람직하다. 금속탄화물의 전기 전도도가 100 S/cm 미만인 경우에는 연료전지용 금속 세퍼레이터로서 성능을 발휘하지 못한다.
상기와 같은 물성을 갖는 금속탄화물의 바람직한 예로는 탄화티타늄(TiC), 탄화지르코늄(ZrC), 탄화하프늄(HfC), 탄화바나듐(VC), 탄화니오븀(NbC), 탄화탄탈륨(TaC) 또는 탄화텅스텐(WC) 등이 있고, 이들 중에서 하나 또는 둘 이상을 혼합물인 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속탄화물과 함께 본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터를 이루는 금속기재는 통상적으로 금속 세퍼레이터에 사용되는 금속을 포함하는 금속기재이며, 바람직하게는 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연, 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 포함하는 금속기재이다.
본 발명의 제1구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터(20)는 유로 채널(26)이 형성된 금속기재(25)에 전기 전도성 금속탄화물 코팅막(27)을 증착 또는 슬러리 코팅하여 제조할 수 있다.
이 때, 상기 전기 전도성 금속탄화물 코팅막은 평균 두께가 0.1 내지 100 ㎛가 되도록 하는 것이 바람직하다. 코팅막의 두께가 0.1 ㎛ 미만인 경우에는 부식방지효과가 충분하지 못하며, 100 ㎛를 초과하는 경우에는 두께 증가에 따른 더 이상의 장점을 얻을 수 없다.
상기 증착은 통상적인 증착 방법을 모두 사용할 수 있으며, 바람직하게는 스퍼터링, 열증발, 전자선증발, 플라즈마기상증착법(PECVD), 물리기상증착법(PVD) 또는 화학기상증착법(CVD) 등에서 선택되는 하나의 방법을 사용할 수 있으며, 또한 두가지 이상의 방법을 순차적으로 사용할 수도 있다.
또한, 상기 슬러리 코팅법은 통상적인 습식 코팅에 사용되는 유기용매와 바 인더를 이용하는 슬러리 코팅법을 사용할 수 있으며, 상기 습식코팅방법은 통상적으로 잘 알려진 기술이므로, 본 발명에서는 상세한 설명을 생략한다.
또한, 상기 제2 구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터(21)는, 상기 제1구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터의 금속탄화물 코팅막(27)과 금속기재(25)의 접착성을 증가시키기 위해서, 상기 증착 또는 슬러리 코팅을 하기 전에 접착력 증가용 금속층(28)을 코팅하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 접착력 증가용 금속층(28)은 통상적인 증착법 또는 슬러리 코팅법으로 코팅할 수 있으며, 평균 두께가 10 Å 내지 10000 Å이 되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 접착력 증가용 금속층의 평균 두께가 10 Å 미만인 경우에는 접착력이 충분하지 못하며, 10000 Å을 초과하는 경우에는 더 이상의 접착력 증가의 효과가 나타나지 않는다.
상기 접착력 증가용 금속층(28)에 사용되는 금속의 바람직한 예로는 티타늄, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속, 또는 2종 이상의 금속의 합금 등을 들 수 있으며, 그 중에서도 크롬이 가장 바람직하다.
상기 제1구체예 내지 제2구체예에 따른 연료전지용 금속 세퍼레이터에 사용되는 전기 전도성 금속탄화물은 내부식성과 전기 전도도가 우수한 금속탄화물을 사용할 수 있다.
상기 금속탄화물은 16 μA/cm2 이하의 부식성을 가지는 것이 바람직하며, 10 μA/cm2 이하의 부식성을 가지는 것이 더 바람직하고, 부식성이 0 μA/cm2 인 것이 가장 바람직하다. 상기 부식성을 나타내는 수치는 금속의 부식과정에서 발생하는 전류의 양을 나타내는 것으로서, 부식성이 0인 경우에는 금속의 부식이 발생하지 않으므로, 가장 바람직하며, 부식성이 16 μA/cm2 를 초과하는 경우에는 전기전도도가 떨어지게 되어 바람직하지 않다.
상기 금속탄화물은 또한, 100 S/cm 이상의 전기 전도도을 가지는 것이 바람직하며, 200 S/cm 이상의 전기 전도도를 가지는 것이 더 바람직하고, 200 S/cm 내지 105 S/cm의 전기 전도도를 가지는 것이 가장 바람직하다. 금속탄화물의 전기 전도도가 100 S/cm 미만인 경우에는 연료전지용 금속 세퍼레이터로서 성능을 발휘하지 못한다.
상기와 같은 물성을 갖는 금속탄화물의 바람직한 예로는 탄화티타늄(TiC), 탄화지르코늄(ZrC), 탄화하프늄(HfC), 탄화바나듐(VC), 탄화니오븀(NbC), 탄화탄탈륨(TaC) 또는 탄화텅스텐(WC) 등이 있으며, 이들 중에서 하나 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
상기 연료전지용 금속 세퍼레이터에 사용되는 금속기재로는 일반적으로 금속 세퍼레이터의 재료로 사용되는 금속기재를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연, 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 포함하는 금속기재를 사용할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터는 어느 특정 구조의 연료전지에 국한되지 아니하고, 다양한 형태의 연료전지에 사용될 수 있으며, 바람직하게는 고분자전해질형 연료전지(PEMFC) 또는 직접메탄올형 연료전지(DMFC)에 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 연료전지의 일예를 도시한 분해 사시도이다. 다만, 본 발명의 연료전지가 상기 도 3의 형태로만 한정되는 것은 아니다.
도 3을 참고하면, 본 발명의 연료전지(1)는 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리(10), 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 상기 금속 세퍼레이터(20, 21)를 포함한다.
상기 막-전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)는 연료 중에 존재하는 수소와 공기 중의 산소를 산화/환원시키며 전기를 발생시키는 부분에 해당하며, 상기 세퍼레이터는 연료와 공기를 상기 막-전극 어셈블리로 공급하는 역할을 한다.
상기 막-전극 어셈블리는 연료전지용 전해질막, 상기 전해질막의 일면에 형성되는 캐소드 촉매층, 상기 전해질막의 다른 일면에 형성되는 애노드 촉매층, 상기 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층의 바깥면에 접하여 형성되는 기체확산층 GDL:gas diffusion layer)을 포함하는 것이 바람직하며, 필요에 따라서, 캐소드 촉매층 및 애노드 촉매층과 기체확산층 사이에 미세기공층(MPL:microporous layer))을 더 포함할 수도 있다.
상기 막-전극 어셈블리는 양측면을 이루는 애노드 전극과 캐소드 전극 사이 에 전해질막이 개재된 구조를 가진다.
애노드 전극은 세퍼레이터를 통해 수소 기체를 공급받는 부분으로, 산화 반응에 의해 수소 기체를 전자와 수소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 수소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층(GDL:Gas Diffusion Layer)으로 구성된다.
또한 캐소드 전극은 세퍼레이터를 통해 공기를 공급받는 부분으로, 환원 반응에 의해 공기 중의 산소를 전자와 산소 이온으로 변환시키는 촉매층과, 전자와 산소 이온의 원활한 이동을 위한 기체 확산층으로 구성된다. 그리고 전해질막은 두께가 50~200㎛인 고체 폴리머 전해질로서, 애노드 전극의 촉매층에서 생성된 수소 이온을 캐소드 전극의 촉매층으로 이동시키는 이온 교환의 기능을 가진다.
상기 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리의 애노드 전극과 캐소드 전극을 직렬로 연결시켜 주는 전도체의 기능을 가진다. 또한, 상기 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리의 산화/환원 반응에 필요한 수소 기체와 공기를 애노드 전극과 캐소드 전극에 공급하는 통로의 기능도 가진다. 이를 위해, 세퍼레이터의 표면에는 막-전극 어셈블리의 산화/환원 반응에 필요한 가스를 공급하는 유로 채널이 형성된다.
보다 구체적으로, 상기한 세퍼레이터는 막-전극 어셈블리를 사이에 두고 그 양측에 각각 배치되어 막-전극 어셈블리의 애노드 전극 및 캐소드 전극에 밀착된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 기재한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
(탄화텅스텐(WC) 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 탄화텅스텐(WC)를 스퍼터링하여 30 ㎛ 두께의 WC 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 폴리(퍼플루오로술폰산) 고분자 전해질막의 양면에 백금 촉매를 포함하는 전극이 형성된 연료전지용 막-전극 어셈블리를 준비하고, 상기 연료전지용 금속 세퍼레이터를 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치하고 조립하여 연료전지를 제조하였다.
실시예 2
(탄화티타늄(TiC) 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 탄화티타늄(TiC)를 스퍼터링하여 30㎛ 두께의 TiC 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
실시예 3
(탄화지르코늄(ZrC) 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 ZrC를 스퍼터링하여 30 ㎛ 두께의 ZrC 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
실시예 4
(탄화하프늄(HfC) 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 HfC를 스퍼터링하여 30 ㎛ 두께의 HfC 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
실시예 5
(탄화텅스텐(WC) 코팅막과 접착력 증가용 금속층을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 크롬을 스퍼터링하여 평균 두께 100 Å의 접착력 증가용 금속층을 형성시킨 후, 탄화텅스텐(WC)을 30 ㎛ 두께로 스퍼터링하여, WC 코팅막과 접착력 증가용 금속층이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
실시예 6
(탄화텅스텐(WC) 슬러리 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
폴리비닐리덴폴로라이드(PVdF) 3.5 g, N-메틸피롤리돈(NMP) 481.5 g, 및 탄화텅스텐(WC) 50 g을 혼합하여 코팅용 슬러리를 제조하고, 상기 코팅용 슬러리를 유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 도포한 후, 건조하여 100 ㎛ 두께의 WC 슬러리 코팅막이 형성된 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
실시예 7
(탄화텅스텐(WC) 슬러리 코팅막과 접착력 증가용 금속층을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 유로 채널이 형성된 면에 크롬을 스퍼터링하여 두께 100 Å의 접착력 증가용 금속층을 형성시킨 후, 폴리비닐리덴폴로라이드(PVdF) 3.5 g, N-메틸피롤리돈(NMP) 481.5 g, 및 탄화텅스텐(WC) 50 g을 혼합하여 코팅용 슬러리를 제조하고, 상기 코팅용 슬러리를 스테인레스 스틸(316L) 금속기재의 접착력 증가용 금속층의 위에 도포한 후, 건조하여 100 ㎛ 두께의 WC 슬러리 코팅막과 100 Å 두께의 접착력 증가용 금속층을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터를 제조하였다.
또한, 상기 제조된 금속 세퍼레이터를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
비교예 1
(연료전지용 스테인레스 스틸 세퍼레이터)
유로 채널이 형성된 연료전지용 스테인레스 스틸(316L) 금속기재를 세퍼레이터로 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지를 제조하였다.
상기 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조된 연료전지의 작동시간에 따른 전압특성을 측정하였으며, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 보는 바와 같이 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 연료전지용 금속 세퍼레이터는 내부식성 및 전기 전도도가 우수하여, 이를 포함하는 연료전지는 작동시간에 따른 전압 유지 효과가 우수함을 알 수 있다.
본 발명의 연료전지용 금속 세퍼레이터는 가볍고, 내부식성 및 전기 전도도가 우수하여 연료전지에 사용되기에 적합하고, 특히 증착에 의한 금속 세퍼레이터의 제조방법은 미세한 유로 채널이 형성된 금속기재에도 코팅막의 형성을 가능하게 하여 연료전지의 소형화에 적합하고, 공정이 간편하며, 생산성을 높일 수 있다는 장점이 있다.

Claims (20)

  1. 유로 채널이 형성되어 있는 금속기재 및 상기 금속기재의 유로 채널이 형성된 면을 덮고 있는 전기 전도성 금속탄화물 코팅막을 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속탄화물 코팅막은 평균 두께가 0.1 내지 100 ㎛인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 금속탄화물 코팅막과 상기 금속기재의 유로 채널이 형성된 면 사이에 접착력 증가용 금속층을 더 포함하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  4. 제3항에 있어서, 상기 접착력 증가용 금속층은 평균 두께가 10 내지 10000Å인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  5. 제3항에 있어서, 상기 접착력 증가용 금속층은 티타늄, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 유로 채널은 깊이가 2000 ㎛이하인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유로 채널은 깊이가 400 내지 1000 ㎛인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 유로 채널은 폭이 3000 ㎛ 이하인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  9. 제1항에 있어서, 상기 유로 채널은 폭이 500 내지 1500 ㎛ 이하인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 금속탄화물은 전기 전도도가 100 S/cm이상인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전기 전도성 금속탄화물은 부식성이 16 μA/cm2 이하인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  12. 제1항에 있어서, 상기 금속탄화물은 탄화티타늄(TiC), 탄화지르코늄(ZrC), 탄화하프늄(HfC), 탄화바나듐(VC), 탄화니오븀(NbC), 탄화탄탈륨(TaC) 및 탄화텅스텐(WC)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 전기 전도성 금속탄화물인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  13. 제1항에 있어서, 상기 금속기재는 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연, 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 포함하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터.
  14. 유로 채널이 형성된 금속기재에 전기 전도성 금속탄화물을 증착 또는 슬러리 코팅하는 단계를 포함하는 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 증착 또는 슬러리 코팅하기 전에 접착력 증가용 금속층을 코팅하는 단계를 더 포함하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 접착력 증가용 금속층은 티타늄, 코발트, 니켈, 몰리브덴, 및 크롬으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금으로 코팅하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  17. 제14항에 있어서, 상기 금속탄화물은 탄화티타늄(TiC), 탄화지르코늄(ZrC), 탄화하프늄(HfC), 탄화바나듐(VC), 탄화니오븀(NbC), 탄화탄탈륨(TaC) 및 탄화텅스 텐(WC)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 전기 전도성 금속탄화물인 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  18. 제14항에 있어서, 상기 증착은 스퍼터링, 열증발, 전자선증발, 플라즈마기상증착법(PECVD), 물리기상증착법(PVD) 및 화학기상증착법(CVD)으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 증착법으로 실시하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  19. 제14항에 있어서, 상기 금속기재는 알루미늄, 티타늄, 니오븀, 크롬, 주석, 몰리브덴, 아연, 및 스테인레스 스틸로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 금속 또는 2종 이상의 금속의 합금을 포함하는 것인 연료전지용 금속 세퍼레이터의 제조방법.
  20. 고분자 전해질막과 상기 고분자 전해질막의 양면에 배치되는 연료전지용 전극을 포함하는 막-전극 어셈블리, 및 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 배치되는 제1항의 금속 세퍼레이터를 포함하는 연료전지.
KR1020040097382A 2004-11-25 2004-11-25 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지 KR100669319B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040097382A KR100669319B1 (ko) 2004-11-25 2004-11-25 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지
US11/286,151 US20060134501A1 (en) 2004-11-25 2005-11-23 Separator for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell stack comprising the same
JP2005340163A JP2006156386A (ja) 2004-11-25 2005-11-25 燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法とこれを含む燃料電池スタック

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020040097382A KR100669319B1 (ko) 2004-11-25 2004-11-25 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060058370A true KR20060058370A (ko) 2006-05-30
KR100669319B1 KR100669319B1 (ko) 2007-01-15

Family

ID=37153453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020040097382A KR100669319B1 (ko) 2004-11-25 2004-11-25 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100669319B1 (ko)

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100765605B1 (ko) * 2006-03-23 2007-10-09 김수경 연료전지 분리판의 제조방법
KR100832402B1 (ko) * 2007-06-11 2008-05-26 주식회사 포스코 고체산화물 연료전지용 분리판 및 그 제조방법
KR101225940B1 (ko) * 2007-11-21 2013-01-24 탄탈린 에이/에스 연성 및 내부식성 표면 층을 갖는 물체
KR101372645B1 (ko) * 2011-06-03 2014-03-11 현대하이스코 주식회사 연료전지용 금속 분리판 제조 방법
CN106920977A (zh) * 2017-04-19 2017-07-04 大连交通大学 ITO/Nb复合改性的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101073619B1 (ko) 2009-06-01 2011-10-14 재단법인 구미전자정보기술원 전기화학 셀용 유무기 복합 분리막 및 이를 포함하는 전기화학 셀

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4656683B2 (ja) * 1999-09-02 2011-03-23 パナソニック株式会社 高分子電解質型燃料電池
JP2002025579A (ja) * 2000-07-12 2002-01-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 高分子電解質型燃料電池
JP2004031166A (ja) * 2002-06-26 2004-01-29 Kansai Paint Co Ltd 燃料電池金属セパレーター用電着塗料組成物

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100765605B1 (ko) * 2006-03-23 2007-10-09 김수경 연료전지 분리판의 제조방법
KR100832402B1 (ko) * 2007-06-11 2008-05-26 주식회사 포스코 고체산화물 연료전지용 분리판 및 그 제조방법
KR101225940B1 (ko) * 2007-11-21 2013-01-24 탄탈린 에이/에스 연성 및 내부식성 표면 층을 갖는 물체
KR101372645B1 (ko) * 2011-06-03 2014-03-11 현대하이스코 주식회사 연료전지용 금속 분리판 제조 방법
CN106920977A (zh) * 2017-04-19 2017-07-04 大连交通大学 ITO/Nb复合改性的聚合物电解质膜燃料电池金属双极板及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR100669319B1 (ko) 2007-01-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20060134501A1 (en) Separator for fuel cell, method for preparing the same, and fuel cell stack comprising the same
JP4637007B2 (ja) 燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法
US10135077B2 (en) Corrosion resistant metal bipolar plate for a PEMFC including a radical scavenger
US6753036B2 (en) Method for fabrication of electrodes
KR100658675B1 (ko) 연료전지용 전극, 이를 포함하는 연료전지 및 연료전지용전극의 제조방법
EP2604717B1 (en) Conductive member, manufacturing method therefor, separator for fuel cell, and solid polymer fuel cell
KR20020062725A (ko) 고분자 전해질형 연료전지
US9979028B2 (en) Conformal thin film of precious metal on a support
CN101136480A (zh) 燃料电池用膜电极组件,其制备方法及燃料电池***
US8785080B2 (en) Passivated metallic bipolar plates and a method for producing the same
US7364814B2 (en) Separator of a fuel cell and a manufacturing method thereof
KR101022153B1 (ko) 연료전지용 분리판 및 그의 제조 방법
KR20100127577A (ko) 그라핀이 코팅된 연료전지용 분리판 및 이의 제조방법
KR20050094573A (ko) 질화티타늄을 코팅한 금속을 이용한 연료 전지용 분리판,그 제조 방법 및 상기 분리판을 포함하는 고분자 전해질연료 전지
KR100669319B1 (ko) 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지
US7741243B2 (en) Production method of catalyst layer
US8518606B2 (en) Catalyst thin layer and method for fabricating the same
WO2009118991A1 (en) Fuel cell separator
KR100669373B1 (ko) 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지
CN104868140A (zh) 减轻燃料电池电极非理想操作腐蚀的层设计
KR100669318B1 (ko) 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지
JP2003187817A (ja) 燃料電池用セパレータ
WO2013042429A1 (ja) 固体高分子形燃料電池
US11223051B2 (en) Laminated catalyst, electrode, membrane electrode assembly, electrochemical cell, stack, fuel cell and water electrolysis reversible device, vehicle, and flying object
KR20100128361A (ko) 티타늄 질산화물이 코팅된 연료전지용 분리판, 이의 제조 방법

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
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121221

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20131220

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141211

Year of fee payment: 9

LAPS Lapse due to unpaid annual fee