KR100488878B1

KR100488878B1 - 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료전지용가스켓

Info

Publication number: KR100488878B1
Application number: KR10-2002-0074823A
Authority: KR
Inventors: 조규택
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2005-05-11
Also published as: KR20040046797A

Abstract

본 발명은 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 가스켓에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고무 재질 중 탄성이 뛰어난 부타디엔 고무를 기본 폴리머로 하여 카본블랙, 커플링제, 및 과산화 가류 메커니즘을 사용함으로써, 종래의 고체 유형의 연료전지용 가스켓과는 다른 액상형 가스켓으로 변경 적용하여 가스켓 자체에 물성을 향상시키고, 신개념의 하이브리드 구조의 가스켓 적용으로 반영구적인 실링(Seal)성을 확보할 수 있는 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료연지용 가스켓에 관한 것이다.

Description

고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료전지용 가스켓{Liquid-phase gasket composition having high performance and a gasket for fuel cell using the same}

본 발명은 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료연지용 가스켓에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고무 재질 중 탄성이 뛰어난 부타디엔 고무를 기본 폴리머로 하여 카본블랙, 커플링제, 및 과산화 가류 메커니즘을 사용함으로써, 종래의 고체 유형의 연료전지용 가스켓과는 다른 액상형 가스켓으로 변경 적용하여 가스켓 자체에 물성을 향상시키고, 신개념의 하이브리드 구조의 가스켓 적용으로 반영구적인 실링(Seal)성을 확보할 수 있는 고성능 액상가스켓 조성물 및 이를 이용한 연료연지용 가스켓에 관한 것이다.

연료전지는 이온의 전달 경로의 역할을 하는 이온교환막, 연료가스의 이온화 및 반응을 촉진시키는 촉매층, 반응가스 및 생성수의 경로 역할을 하는 기체확산층, 그리고 반응가스의 누출(Leak)을 방지하는 가스켓 및 생성 전류의 집전체 역할 및 반응가스의 원할한 공급를 위한 분리판(Bipolar Plate)으로 구성되어 단위전지를 이루고 있으며, 이들 단위전지는 수십 또는 수백 단위를 적층(Stack)하여 원하는 전력을 얻게 된다. 도 1은 일반적인 연료전지 스택 체결 후 구조를 나타낸 것이다.

연료전지의 성능향상을 위해서는, 공급된 연료가스가 손실됨이 없이 전극으로 전달되어야 하며, 특히 연료가스 중 수소의 경우 항시 기밀성이 유지되어 안정성이 확보되어야 한다. 종래의 경우, 도 2와 같이 고체 형태의 고무 가스켓이 적용되어왔으나, 연료전지내부의 가혹한 환경조건, 즉 pH 1 ∼ 2 정도의 산성(Acidic)의 환경조건에서도 물성의 변화가 없어야 하며, 열적 및 화학적 안정성이 높아야 하는 요구조건을 만족하기 위해 불소계통의 고가의 고무가 압축성형(Compression Molding) 방식으로 생산 적용되어 왔다.

그러나, 이 경우 미세한 가공이 어려워 불량율이 증가하며, 분리판 형상 변경때 마다 신규금형을 제작 해야만 하며, 완성된 가스켓과 분리판을 접착해야하는 부가적인 공정이 필요시 되며, 접착시 사용되는 접착액에 의한 성능의 감소 또한 발생된다.

또한, 종래의 액상가스켓의 경우 실리콘 계열의 상온 경화형으로서 완전가류가 이루어지지 않아 물성 및 실링성이 저하되며, 압력이 집중되는곳에 크랙이 발생되어 적용이 어려웠다. 또한 고상가스켓의 경우 현재 대부분 불소고무가 적용되고 있으나, 불소고무의 높은 가격으로 인해 연료전지내 가스켓의 비용 부분이 매우 높으며, 내화학성이나 내환경성은 우수하지만, 물리적 성능, 내구 성능 그리고 탄성이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 가스켓에 적용되어 뛰어난 물성을 나타내기 위해선 뛰어난 탄성을 나타내야 한다.

또한, 종래의 불소 고무의 경우 반응속도를 빨리하기 위해 다양한 종류의 촉진제를 적용으로 인해 배합에 따른 비용상승 뿐만 아니라, 각 촉진제의 분산성 저하로 인해, 제품으로부터 이탈되어 연료전지 전극의 촉매에 치명적인 손상을 가할 수 있다.

또한, 종래 가스켓의 경우 가스켓으로 고무 자체만 적용되어 시간이 경과함에 따라 고무의 영구변형이 심화되고, 따라서 반발탄성이 감소하여 내구 실링성이 부족하였다.

따라서, 본 발명은 종래 문제점을 해결하기 위하여, 종래의 고체 유형의 연료전지용 가스켓을 액상형 가스켓으로 변경 적용하는 기술로서, 신규재질을 개발 및 적용하여 가스켓 자체에 물성을 향상시키며, 신개념의 하이브리드 구조 가스켓 적용으로 반영구적인 실링(Seal)성을 확보할 수 있는 고성능 액상가스켓 조성물을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

또한 본 발명의 다른 목적은 상기 고성능 액상가스켓 조성물을 이용하여 성능이 매수한 우수한 연료전지용 가스켓을 제공하는 것이다.

본 발명은 부타디엔 100 중량부에 대하여,

카본블랙 40 ∼ 43 중량부, 폴리에틸렌 글리콜 0.5 ∼ 0.8 중량부, 커플링제 4 ∼ 6 중량부, 퍼옥사이드계 가류제 0.7 ∼ 1.2 중량부, 파라핀계 오일 23 ∼ 28 중량부 및 실리카계 충진제 2 ∼ 5 중량부가 함유되어 있는 액상가스켓 조성물을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 스페이서의 상하를 상기 기재의 액상 가스켓 조성물로 이중 도포하여 이루어진 연료전지용 가스켓을 포함한다.

이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 기존의 고체 형태의 가스켓을 대체할수 있는 고성능의 액상 가스켓용 재질 개발을 추진하여 기존의 문제점을 해결하고자, 새로운 재질의 조성으로 이루어진 액상의 가스켓 조성물을 이용하면 뛰어난 실링성으로 누출 방지효과가 크고 영구변형이 거의 없이 물성이 매우 우수한 고성능 액상가스켓 조성물을 그 특징으로 한다.

액상가스켓이 우수한 실링(Seal)성을 발휘하기 위해서는, 먼저 재질자체의 물성이 뛰어나야 하며, 도포시 일정한 레벨링(Leveling)성을 유지하도록 하여 도포높이가 항상 일정해야 한다. 즉, 최적의 도포조건이 설정되어야 하며, 또한 연료전지 스택에 적용시 단위 전지간에 간격차이 없이 항시 일정한 실링갭(Seal Gap)을 나타내도록 하는 구조가 되어야 한다.

따라서, 본 발명에서는 먼저 액상가스켓의 재질 자체의 물성향상을 위해 고성능 재질을 개발하였다.

그리하여 본 발명은 고무재질 중 가장 탄성이 뛰어난 부타디엔(1,4-butadiene) 고무를 기본 폴리머(BASE POLYMER)로 사용한다. 특히 고분자 사슬 내에 결정형 구조가 작을수록 탄성이 뛰어나므로, 본 발명에서는 시스(cis)의 함량이 작은 부타디엔(27.5%)을 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 액상 가스켓 조성물은 재질자체의 부드러운 특성을 유지하고 재질의 히스테리시스 향상을 위해 보강제로서 카본블랙을 부타디엔 100 중량부에 대하여 40 ∼ 43 중량부 사용한다. 바람직하게는, 카본블랙 중 입자경이 매우 큰(70∼90 ㎛) SRF(SEMI-REINFORCING FURNACE)를 사용한다. 또한, 본 발명은 보강성 향상을 위해 보강성이 매우강한 HAF(HIGH ABRASION FURNACE)를 소량 사용할 수 있다. 특히, 상기 SRF의 함량은 기본 폴리머로 사용하는 부타디엔 100 중량부에 대하여 27 ∼ 32 중량부(PHR)로 사용하는 것이 바람직하다. 또한, HAF는 부타디엔 100 중량부에 대하여 8 ∼ 13 중량부(PHR)로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 보강성이 강한 카본블랙의 경우 입자경이 매우 작으며(30 ∼ 40 ㎛), 따라서 재질에 분산되기는 매우 어렵다. 그러므로, 본 발명은 분산성 향상을 위해 폴리에틸렌글리콜(PEG)을 사용한다. 상기 폴리에틸렌글리콜은 부타디엔 100 중량부에 대하여 0.5 ∼ 0.8 중량부(PHR)로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 액상가스켓 조성물은 상온 도포시 압출성이 우수해야 하며, 도포후 형상 또한 우수해야 한다. 이를 위해, 본 발명은 표면활성도가 매우 높은 실리카계 충진제를 치수 안정제의 용도로 사용한다. 상기 실리카계 충진제는 부타디엔 100 중량부에 대하여 2 ∼ 5 중량부(PHR)로 사용하는 것이 바람직하다.

가스켓에서 요구되는 가장 큰 성능은 항상 실링성이 유지되어야 한다. 즉, 초기 및 내구 실링성이 좋아야 하는데, 초기성능은 재질의 탄성이 우수할수록 좋으며, 내구성은 영구변형률이 작을수록 우수하게 된다. 따라서 가스켓이 뛰어난 영구변형성을 나타내기 위해선 가류밀도가 높아야 한다. 이를 위해, 본 발명에서는 커플링제를 사용한다. 바람직하게는, 본 발명은 커플링제로 5000 ∼ 6000의 저분자량을 가지는 1,2-폴리부타디엔을 사용하여 가류밀도를 높일 수 있다. 상기 커플링제는 부타디엔 100 중량부에 대하여 4 ∼ 6 중량부(PHR)로 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 액상 가스켓 조성물은 오일류로 종래 나프텐계(naphtenic) 오일을 사용하지 않고, 파라핀계 오일을 23 ∼ 28 중량부로 사용한다.

또한, 연료전지용 가스켓 개발에서 가장 중요시 해야할 점은 재질내에 황성분의 제거이다. 즉, 연료전지는 수소이온과 산소의 전기화학적 반응에 의해 전력을 얻는 메커니즘으로 구성되어 있어, 만약 가스켓에서 황성분이 이탈되어 전극에 유입될경우 수소이온과 산소의 전기화학적 반응에 큰 영향을 미칠 뿐만아니라, 전극상에 촉매로 사용되는 백금에 치명적인 손상을 미치게 된다. 따라서 본 발명에서는 기존의 황을 사용하는 가류 메커니즘을 사용하는 대신, 과산화 가류 메커니즘을 적용하는 특징이 있다. 상기 과산화 가류 메커니즘에 사용되는 가류제로는 벤조일 퍼옥사이드(BENZOYL PEROXIDE) 및 디큐밀 퍼옥사이드(DICUMYL PEROXIDE)를 혼합사용하는 것이 바람직하다. 분해반응이 빠른 벤조일 퍼옥사이드(분자량 : 242)는 부타디엔 100 중량부에 대하여 0.1 ∼ 0.2 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 반응속도가 중간정도인 디큐밀퍼옥사이드(분자량 : 270)는 부타디엔 100 중량부에 대하여 0.7 ∼ 0.9 중량부로 사용하는 것이 바람직하다. 일례를 들면, 벤조일 퍼옥사이드 0.2 중량부 및 디큐밀 퍼옥사이드 0.8 중량부를 사용하여 반응 속도를 150 ℃, 3분에서 가류는 90%가 된다.

또한, 본 발명에서는 새로운 개념을 도입하여 단위전지의 셀(CELL)간격을 유지할 수 있는 연료전지용 가스켓을 제공한다. 즉, 본 발명은 스페이서(spacer)의 상하를 상기의 액상 가스켓 조성물로 이중 도포하여 이루어진 연료전지용 가스켓을 제조한다.

본 발명은 분리판과 분리판 사이의 간격을 일정하게 하기 위해 폴리에스테르 필름(Polyester Film)(두께: 0.3 ∼ 0.4 mm, 경도 쇼어(Shore) D 45)을 도 3과 같이 도입 적용하여 스페이서(Spacer)의 역할을 하게하여 분리판사이의 간격을 항시 일정하게 하는 특징이 있다.

이때, 상기 액상 가스켓의 도포는 높이 0.3 ∼ 0.35 mm, 두께 0.15 ∼ 0.2 mm로 실시되는 것이 바람직하다. 바람직한 일례로, 본 발명은 스페이서의 상하를 액상 가스켓으로 이중 라인으로 높이 0.3mm, 두께 0.2mm로 도포하여 가스켓을 제조할 수 있다. 또한, 토출 압력 300 psi에서 직경이 1/8인 니들(Needle)을 사용하여 도 4a 및 4b와 같이 윗면에 도포된 가스켓은 분리판을, 아래면에 도포된 가스켓은 이온교환막을 이중으로 실링하게 되어 기체가 외곽으로 누출되지 않도록 한다.

이와 같이, 본 발명의 가스켓은 영구변형이 거의 없는 고체의 폴리에스터 필름울 스페이서로 적용하여 항상 실링갭(Seal Gap)을 일정하게 유지하고, 액상 가스켓 고무를 스페이서의 상하에 적용하여 스페이서와 분리판사이의 실링성을 확보하는 구조, 즉 플라스틱과 고무의 하이드브리드(Hybrid) 구조를 적용하여 뛰어난 실링성을 얻을 수 있다. 따라서, 이를 적용한 연료전지의 경우도 역시 우수한 성능을 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명을 다음의 실시예 및 비교예를 통하여 상세히 설명하겠는바, 본 발명이 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 및 비교예 1

다음 표 1과 같은 조성과 함량으로 가스켓 조성물을 제조하였다.

실험예 1

상기 표 1과 같은 조성으로 제조된 실시예 1의 액상 가스켓 및 비교예 1의 고체형 가스켓 조성물에 대하여 통상적인 방법으로 물성을 측정하였고, 그 결과를 다음 표 2에 나타내었다. 이때, 경도는 5초후 값을 기록하였고, 인장강도, 신율 및 인열강도는 속도 500 mm/min의 조건으로 측정하였다. 또한, 노화특성은 70℃×72hr 노화후 측정하였고, 부피변화율은 압력 50kgf/㎠이고 70℃×72hr의 노화 조건으로 측정하였으며, 압축영규변형율 역시 70℃×72hr 노화조건에서 측정하였다.

실험예 2

상기 표 1과 같은 조성으로 제조된 실시예 1의 액상 가스켓 및 비교예 1의 고체형 가스켓 조성물에 대하여 누수 시험(leak test)을 하였고, 그 결과를 다음 표 3에 나타내었다. 이때, 1시간 후 가압은 3 kgf/㎠이었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 기존의 고체형태의 가스켓을 대체할수 있는 고성능의 액상 가스켓용 재질을 개발 및 적용함으로써, 금형제작의 불필요 및 가류시간 단축으로 가스켓 제작 비용 및 생산시간을 단축할 수 있다. 또한, 새로운 가류 시스템 적용으로 가스켓에 의한 연료전지 성능저하 가능성을 제거할 수 있으며, 롯트(Lot)별 물성편차를 제거하여 품질의 안정성을 확보하고, 스페이서(Spacer)와 고무의 복합적 구조 적용으로 가스켓의 반영구적인 실링성을 확보할 수 있다. 더욱이, 가스켓 제작후 분리판상에 접착을 하는 부가적인 공정을 제거하여 스택(Stack) 체결 공정의 단순화 및 접착액에 의한 성능을 감소시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 연료전지 스택 체결 후의 구조를 나타낸 것이다.

도 2는 종래 고체형의 가스켓을 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 액상가스켓 조성물을 적용한 가스켓 구조를 나타낸 것이다.

도 4a는 연료전지 구성부품을 나타낸 것이고,

도 4b는 연료전지의 스텍 체결도를 나타낸 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 가스켓 2: 분리판

3: 분리막 전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly, MEA)+기체 확산 매체(Gas Diffusion Media, GDM)

4: 가스유로 5: 기체확산층

6: 촉매전극 7: 이온교환막

Claims

부타디엔 100 중량부에 대하여,

카본블랙 40 ∼ 43 중량부, 폴리에틸렌 글리콜 0.5 ∼ 0.8 중량부, 커플링제 4 ∼ 6 중량부, 퍼옥사이드계 가류제 0.7 ∼ 1.2 중량부, 파라핀계 오일 23 ∼ 28 중량부 및 실리카계 충진제 2 ∼ 5 중량부가 함유되어 있는 것임을 특징으로 하는 액상가스켓 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 커플링제가 1,2-폴리부타디엔인 것을 특징으로 하는 액상가스켓 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 퍼옥사이드계 가류제가 벤조일 퍼옥사이드(BENZOYL PEROXIDE) 및 디큐밀 퍼옥사이드(DICUMYL PEROXIDE)의 혼합물인 것을 특징으로 액상가스켓 조성물.
스페이서의 상하를 제1항의 액상 가스켓 조성물로 이중 도포하여 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
제 4 항에 있어서, 상기 스페이서가 두께 0.3 ∼ 0.4 mm의 폴리에스테르 필름인 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.
제 4 항에 있어서, 상기 도포는 높이 0.3 ∼ 0.35 mm, 두께 0.15 ∼ 2 mm로 실시되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 가스켓.