KR100801596B1 - 친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는친수성 복합재 및 연료 전지용 바이폴라 플레이트 - Google Patents

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Abstract

친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는 친수성 복합재 및 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다. 친수성 무기물 결집체는 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 포함한다.
친수성 무기물 결집체, 하이브리드 입자, 친수성 복합재, 연료 전지, 바이폴라 플레이트

Description

친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는 친수성 복합재 및 연료 전지용 바이폴라 플레이트{HYDROPHILIC INORGANIC AGGREGATE, ITS PREPARATION PROCESS, HYDROPHILIC COMPOSITE MATERIAL AND BIPOLARPLATE FOR FUEL CELL COMPRISING IT}
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체에 포함된 하이브리드 입자의 개략적 모식도이다.
본 발명은 친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법과, 이를 포함하는 친수성 복합재 및 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 보다 향상된 전기 전도도 및 친수성을 가진 바이폴라 플레이트를 제공하기 위해 사용될 수 있는 친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법과, 이러한 친수성 무기물 결집체를 포함하는 친수성 복합재 및 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
연료 전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소계 물질 내에 함유된 수소와 공기 중의 산소 사이에 일어나는 전기 화학 반응에 의해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템으로서 고효율의 청정 에너지 변환 장치이며, 연소 과정 없이 연료 가스와 산화제 가스의 전기 화학 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가진다. 이러한 연료 전지는 높은 에너지 변환 효율 및 오염 물질을 배출하지 않은 친환경 특성 등으로 인해 차세대 에너지원으로 주목받고 있다.
이러한 연료 전지는 수소 이온 분리막이라고도 불리우는 고분자 전해질막의 양 측에 양극 및 음극의 전극이 각각 접합된 막-전극 접합체와, 이러한 막-전극 접합체의 양 측에 각각 적층되는 양극 측 바이폴라 플레이트 및 음극 측 바이폴라 플레이트를 포함할 수 있다.
이러한 연료 전지의 기본적 작동 원리는 다음과 같다.
먼저, 양극 측 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널을 통해 수소를 포함한 연료 가스가 공급된다. 이러한 연료 가스의 수소는 양극 측에서 전자를 빼앗겨 수소 이온으로 된다. 수소 이온은 고분자 전해질막을 통해 음극 측으로 이동하고, 위 수소로부터 분리된 전자는 외부 회로를 통해 역시 음극 측으로 이동한다. 한편, 음극 측 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널을 통해서는 산소를 포함하는 산화제 가스가 공급되는데, 이러한 산소가 위 전자에 의해 환원되어 산소 이온으로 되고, 산소 이온은 위 고분자 전해질막을 통해 음극 측으로 이동한 수소 이온과 반응하여 물로 변환된다. 이 물은 미반응 산화제 가스와 함께 음극 측 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널 출구를 통해 배출된다. 이러한 전기 화학 반응이 계속적으로 일어나는 과정에서, 외부 회로를 통해 전자가 흐르면서 전기가 발생한다.
한편, 이러한 연료 전지에서, 바이폴라 플레이트는 일종의 전기 전도성 플레이트로서 연료 가스와 산화제 가스 및 전기 화학 반응에 의해 생성된 전자나 물 등을 이송하는 역할을 하며, 이와 함께, 전체적인 연료 전지 스택을 지지하는 역할을 한다. 이러한 역할을 위해, 바이폴라 플레이트는 일정 수준 이상의 전기 전도도 및 굴곡 강도를 지녀야 하는 것으로 알려져 있다.
또한, 양극에서 생성된 수소 이온이 고분자 전해질막을 통해 음극 측으로 원활하게 이동하기 위해 수소 이온 자체의 습도가 적정 수준 이상으로 유지될 필요가 있고, 또한, 고분자 전해질막도 적정 수준 이상의 습도가 유지될 필요가 있음이 알려져 있다. 이러한 습도의 유지를 위해 바이폴라 플레이트를 친수화하는 것이 수소 이온 전도도에 유리하게 작용할 수 있다. 그리고, 고분자 전해질막은 열에 약한 단점이 있는데 연료 전지의 작동 온도가 비교적 고온일 경우, 이러한 고온 환경 하에서 고분자 전해질막을 보호하기 위해서도 고분자 전해질막 자체 뿐 아니라 바이폴라 플레이트를 친수화하는 것이 유리하다고 알려져 있다.
부가하여, 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널을 통해 전기적으로 극성화된 연료 가스를 이송하는 경우, 이러한 연료 가스와 극성의 물 그리고 바이폴라 플레이트를 이루는 고분자로부터의 잔류 이오노머(Ionomer) 등이 서로 엉기어 유로 흐름 저항이 높아지는 물 뭉침(Water slugs)현상이 발생할 수 있다. 또한, 이러한 물뭉침 현상으로 인해 침전물이 형성되어 궁극적으로 유로 막힘 문제가 발생할 수도 있다. 그런데, 바이폴라 플레이트의 친수화를 통해 가스 유로 채널 표면에 얇은 물-필름을 형성시켜 위 물 뭉침 현상을 억제할 수도 있다. 또, 친수화된 바이폴라 플레이트는 양극 측에서 수소 이온과 함께 이동해온 수분이 음극 면에 물방울 형태로 맺혀 산화제 가스의 흐름을 방해하는 물방울 효과도 억제할 수 있고, 상술한 물-필름 효과를 일으켜 음극 측 바이폴라 플레이트의 가스 유로 채널을 통한 물의 배출도 원활히 할 수 있다.
이러한 여러 가지 기술적 이점 때문에, 바이폴라 플레이트의 친수화를 위한 여러 가지 시도 및 연구가 이루어진 바 있다. 이러한 시도 중에 친수성 무기물을 단순히 바이폴라 플레이트에 첨가한 예가 있다. 그런데, 이러한 경우 무기물이 첨가됨에 따라 전기 전도도가 저하될 수 있다. 또한 카본블랙의 표면을 친수성 유기물인 술폰산 등으로 개질하여 바이폴라 플레이트에 사용한 예도 있다. 그러나, 이러한 바이폴라 플레이트에서는, 산화, 환원 반응이 연속적으로 발생하는 연료 전지 내부에서 상기 친수성 유기물이 화학적으로 안정하게 유지되기 어렵다. 따라서, 시간이 지남에 따라 위 친수성 유기물이 카본블랙에서 분리되거나 화학적으로 변화되어 바이폴라 플레이트의 친수성 또는 전기 전도도가 저하될 수 있다.
이에 본 발명은 바이폴라 플레이트의 전기 전도도 및 친수성을 안정적으로 향상시킬 수 있게 하는 친수성 무기물 결집체 및 이의 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 친수성 무기물 결집체를 포함하는 친수성 복합재를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 친수성 무기물 결집체를 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따라, 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 포함하는 친수성 무기물 결집체가 제공된다.
이러한 친수성 무기물 결집체에서, 상기 친수성 무기물은 지르코늄 디옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 실리콘 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 카본블랙 입자는 상기 친수성 무기물 입자의 1/500 ~ 1/10의 입경을 가질 수 있다.
다른 구현예에 따라, 친수성 무기물 입자의 표면에서 카본블랙 입자에 물리적 힘을 가하여 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조하는 단계를 포함하는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법이 제공된다.
이러한 친수성 무기물 결집체의 제조 방법에서, 상기 친수성 무기물 입자 및 카본블랙 입자를 입자 하이브리드 방법으로 처리해 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조할 수 있다.
또 다른 구현예에 따라, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 수지 바인더와, 전도성 필러와, 상기 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체를 포함하는 친수성 복합재가 제공된다.
이러한 친수성 복합재는 상기 수지 바인더의 1 ~ 45 중량%와, 상기 전도성 필러의 50 ~ 98 중량%와, 상기 친수성 무기물 결집체의 0.5 ~ 45 중량%를 포함할 수 있다.
또한, 이러한 친수성 복합재에서, 상기 열가소성 수지는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있고, 상기 열경화성 수지는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 전도성 필러는 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 탄소계 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다.
다른 구현예에 따라, 상기 또 다른 구현예에 따른 친수성 복합재로 제조되는 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다.
또 다른 구현예에 따라, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 수지 기재와, 상기 수지 기재 내에 분산되어 있는 전도성 필러와, 상기 수지 기재 내에 분산되어 있는 상기 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체를 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다.
기타 본 발명의 실시 형태들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면에 포함되어 있다.
이하, 첨부 도면을 참고로 본 발명의 구체적인 구현예를 당업자가 자명하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명에 대한 예시로 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체에 포함된 하이브리드 입자의 개략적 모식도이다.
이러한 친수성 무기물 결집체는 친수성 무기물 입자(100) 표면에 카본블랙 입자(110)가 매립된 하이브리드 입자를 포함한다.
이때, 상기 도 1에서 친수성 무기물 입자(100) 표면에 카본블랙 입자(110)가 매립된 하나의 형태를 예시하였지만, 카본블랙 입자(110)가 이러한 형태로만 매립되는 것은 아니며 카본블랙 입자의 형태 및 종류에 따라 다양한 형태로 매립되어 하이브리드 입자를 이룰 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 카본블랙 입자는 친수성 무기물 입자 표면에 부분적 또는 전체적으로 코팅된 형태로 매립될 수 있고, 기타 다양한 형태로 매립될 수 있다.
한편, 상기 친수성 무기물 결집체는 기본적으로 친수성 무기물 입자(100) 표면에 전기 전도성을 띄는 카본블랙 입자(110)가 매립된 하이브리드 입자를 포함함에 따라, 예를 들어, 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 포함되어 이의 전기 전도도를 저하시키지 않고도 친수성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 카본블랙 입자(110)가 친수성 무기물 입자(100) 표면에 매립되어 단단히 결합될 수 있고, 산화, 환원 반응에 의한 영향이 비교적 작은 상기 친수성 무기물 입자(100)가 연료 전지 내부에서도 화학적으로 안정하게 유지될 수 있다. 따라서, 이러한 친수성 무기물 결집체를 사용하여, 예를 들어, 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 전기 전도도 및 친수성을 안정적으로 향상시킬 수 있다.
상기 친수성 무기물 결집체에서, 상기 친수성 무기물은 지르코늄 디옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 실리콘 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함할 수 있다. 다만, 상기 친수성 무기물 결집체에서 사용 가능한 친수성 무기물의 종류가 이에 한정되는 것은 아니며, 친수성을 띄고 화학적으로 비교적 높은 안정성을 가진 것으로 알려진 임의의 무기물을 제한없이 사용할 수 있다.
또한, 상기 카본블랙 입자(110)는 친수성 무기물 입자(100) 표면에 매립되어야 하므로, 친수성 무기물 입자(100)보다 작은 입경을 가질 수 있다. 바람직하게는, 상기 카본블랙 입자(110)는 친수성 무기물 입자(100)의 1/10 이하의 입경을 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는, 친수성 무기물 입자(100)의 1/500 ~ 1/10의 입경 을 가질 수 있다. 또한, 상기 친수성 무기물 입자는, 예를 들어, 10nm ~100μm의 입경을 가질 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 친수성 무기물 입자의 표면에서 카본블랙 입자에 물리적 힘을 가하여 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조하는 단계를 포함하는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법이 제공된다.
이러한 친수성 무기물 결집체의 제조 방법에서, 상기 친수성 무기물 입자 및 카본블랙 입자를 입자 하이브리드 방법으로 처리해 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조할 수 있다. 상기 입자 하이브리드 방법은 친수성 무기물 입자 표면에 물리적 압착력 또는 전단력을 가해 상기 카본블랙 입자를 상기 친수성 무기물 입자 표면에 매립시키는 방법이다. 이러한 입자 하이브리드 방법에는, 예를 들어, 미국 특허 공보 제 6,892,475 호에 개시된 기류를 이용한 입자 하이브리드 방법 또는 미국 특허 공보 제 4,789,105 호에 개시된 블래이드(Blade)를 이용한 입자 하이브리드 방법 등이 있다. 위 미국 특허 공보들에는 각각의 입자 하이브리드 방법을 실시하는 구체적 방법 및 장치가 개시되어 있다. 즉, 이렇게 공지된 입자 하이브리드 방법을 사용해 상기 친수성 무기물 입자의 표면에 카본블랙 입자가 매립된 상기 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체가 제조될 수 있다.
다만, 이러한 입자 하이브리드 방법에 제한되지 않고, 물리적 힘을 가해 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자를 매립시킬 수 있는 임의의 공지된 방법으 로 상기 친수성 무기물 결집체를 제조할 수도 있다.
한편, 상술한 방법으로 제조된 친수성 무기물 결집체의 구성은 이미 일 구현예에 관하여 상술한 바 있으므로, 이에 관한 설명은 생략하기로 한다.
발명의 또 다른 구현예에 따르면, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 수지 바인더와, 전도성 필러와, 상술한 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체를 포함하는 친수성 복합재가 제공된다.
이러한 친수성 복합재는 전도성 필러와 함께 상기 친수성 무기물 결집체를 포함한다. 따라서, 연료 전지용 바이폴라 플레이트로 제조되어 충분한 전기 전도성을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 친수성 복합재가 상기 친수성 무기물 결집체를 포함함에 따라 상기 연료 전지용 바이폴라 플레이트로 제조되어 그 전기 전도도의 저하없이 친수성을 향상시킬 수 있다. 그리고, 상술한 친수성 무기물 결집체는 산화, 환원 반응이 연속적으로 발생하는 연료 전지 내에서도 화학적으로 안정하게 유지될 수 있으므로, 상기 친수성 복합재를 사용해 전기 전도도 및 친수성이 안정적으로 향상된 연료 전지용 바이폴라 플레이트를 제공할 수 있다.
이러한 친수성 복합재는 상기 수지 바인더의 1 ~ 45 중량%와, 상기 전도성 필러의 50 ~ 98 중량%와, 상기 친수성 무기물 결집체의 0.5 ~ 45 중량%를 포함할 수 있다. 상기 친수성 복합재가 각각의 구성 성분을 이러한 함량 범위로 포함함에 따라 전기 전도도 및 친수성 등의 제반 특성이 바람직한 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공될 수 있다.
또한, 상기 친수성 복합재에서, 상기 열가소성 수지로는 폴리비닐리덴 플로 라이드, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있고, 상기 열경화성 수지로는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지를 사용할 수 있다. 다만, 상기 친수성 복합재에서 사용 가능한 열가소성 수지 또는 열경화성 수지의 종류가 이에 제한되지는 않으며, 기타 연료 전지용 바이폴라 플레이트의 수지 기재 등에 사용 가능한 것으로 알려진 임의의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지가 사용될 수 있다.
그리고, 상기 전도성 필러는 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 요구되는 기본적인 전기 전도도(예를 들어, 75 ~ 100 S/cm의 전기 전도도)를 부여하기 위한 성분으로서, 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 사용 가능한 것으로 알려진 임의의 전도성 필러, 예를 들어, 카본계 전도성 필러나 금속성 필러 등을 제한없이 사용할 수 있다. 또한, 상기 카본계 전도성 필러로는, 예를 들어, 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 탄소계 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 사용할 수 있다.
한편, 발명의 다른 구현예에 따라, 상기 또 다른 구현예에 따른 친수성 복합재로 제조되는 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다. 이러한 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지로 형성된 수지 기재를 포함하고, 이러한 수지 기재 내에 전도성 필러와 상기 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체가 분산되어 있는 형태를 띌 수 있다.
이러한 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 일 구현예에 따른 친수성 무기물 결집체가 균일하게 분산됨에 따라, 전기 전도도의 저하없이 바람직한 친수성을 띌 수 있다. 이러한 친수성은 상기 친수성 무기물 결집체 주위에 미세한 공극이 형성되기 때문인 것으로 보인다. 또한, 상기 친수성 무기물 결집체의 화학적 안정성 때문에 이러한 전기 전도도 및 친수성이 안정적으로 유지될 수 있다. 따라서, 상기 연료 전지용 바이폴라 플레이트는 보다 향상된 전기 전도도 및 친수성을 나타내며, 이러한 전기 전도도 및 친수성이 안정적으로 유지될 수 있다.
상기 연료 전지용 바이폴라 플레이트는, 수지계 바이폴라 플레이트의 통상적인 제조 방법에 따라, 상기 친수성 복합재에 열을 가해 수지 바인더를 경화시킴으로서 제조될 수 있다. 또한, 이러한 바이폴라 플레이트의 제조 과정에서는, 예를 들어, 핫 프레스를 사용할 수 있다.
한편, 상기 연료 전지용 바이폴라 플레이트에 포함될 수 있는 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 전도성 필러 등에 대해서는, 이미 또 다른 구현예에 따른 친수성 복합재에 관하여 상술한 바 있으므로, 이에 관한 설명은 생략하기로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
이하의 열가소성 수지, 전도성 필러 및 친수성 무기물 결집체를 하기 표 1 및 2에 기재된 함량으로 사용하여, 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 7에 따른 바 이폴라 플레이트를 각각 제조하였다.
(1) 열가소성 수지
바이폴라 플레이트의 수지 기재를 형성하기 위해 열가소성 수지의 일종인 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide; PPS)를 사용하였다. 이러한 PPS로는 Chevron Phillips Chemical 사제 Ryton PR-11을 사용하였으며, 315.5℃의 온도 및 질소 분위기에서 측정한 영점도(Zero viscosity)는 300[P]이었다.
(2) 전도성 필러
바이폴라 플레이트의 탄소계 전도성 필러로서 평균 입경이 100μm인 인공 그라파이트를 사용하였다.
(3) 친수성 무기물 결집체
마이크로 사이즈의 티타늄 디옥사이드 입자[J. Phys. Chem. 98 (1994) 1366에 기재된 방법에 따라 티타늄 테트라이소프로폭사이드의 조절된 가수 분해를 통해 얻어진 것, 평균 입경 : 5.3μm]의 표면에 나노 사이즈의 카본블랙 입자[ASTM D3037-89 측정법에 의해 표면적이 70m2/g이고, 초음파 방사기에서 초음파를 10분 가한 후의 평균 입경이 35nm인 것]가 매립된 하이브리드 입자를 포함하는 친수성 무기물 결집체를 사용하였다.
이러한 하이브리드 입자의 제조에는 미국 특허 공보 제 6,892,475 호에 개시된 입자 하이브리드 방법이 이용되었다.
상기 (1) ~ (3)의 각 구성 성분을 하기 표 1 및 2에 기재된 함량으로 혼합하여 친수성 복합재를 제조하였다(다만, 비교예 2 내지 4에서는 친수성 무기물 입자 표면에 매립되지 않은 일반적인 카본블랙이 사용되었고, 비교예 5 내지 7에서는 티타늄 디옥사이드가 단독으로 사용되었다.). 이러한 친수성 복합재의 제조에는 하케(HAAKE) 믹서가 사용되었다. 이어서, 핫프레스를 사용하여 이들 각각의 친수성 복합재로부터 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 7의 바이폴라 플레이트를 제조하였다.
이들 바이폴라 플레이트의 전기 전도도는 4-핀 프루브(4-pins probe) 방법으로 측정하였고, 친수성은 함수율(Water uptake, W)을 측정해 평가하였다. 함수율은, 각각의 바이폴라 플레이트 샘플을 80℃ 오븐에서 12 시간 동안 건조하여 측정한 무게(W1)와, 25℃ 물 속에 바이폴라 플레이트 샘플을 8 시간 담근 후의 무게 (W2)의 중량 차이를 초기 중량(W1)으로 나눈 중량%로 측정하였다 [W(%) = 100(W2-W1)/W1]. 이렇게 측정된 각각의 바이폴라 플레이트의 전기 전도도 및 함수율을 하기 표 1 및 2에 표시하였다.
[표 1]
Figure 112006094723915-pat00001
1) 친수성 무기물 결집체 A - 카본블랙 입자 : 티타늄 디옥사이드 입자 = 1 : 1 중량비
2) 친수성 무기물 결집체 B - 카본블랙 입자 : 티타늄 디옥사이드 입자 = 1 : 2 중량비
[표 2]
Figure 112006094723915-pat00002
상기 표 1 및 표 2를 참조하면, 실시예 1 내지 6에서는 소정의 친수성 무기물 결집체가 포함됨에 따라, 전기 전도도의 저하가 거의 없으면서도 친수성이 향상됨이 확인되었다. 또한, 표 1 및 표 2의 비교예 5 내지 7을 참조하면, 티타늄 디옥사이드와 같은 친수성 무기물 단독으로 포함시킨 경우에 비해서도, 상기 실시예 1 내지 6에서 전기 전도도의 저하가 작으면서, 보다 향상된 친수성을 나타냄이 확인되었다.
본 발명에 따르면, 보다 향상된 전기 전도도 및 친수성을 나타내는 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공될 수 있다. 또한, 이러한 연료 전지용 바이폴라 플 레이트는 이렇게 향상된 전기 전도도 및 친수성을 안정적으로 유지할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 보다 향상된 제반 특성을 가진 연료 전지용 바이폴라 플레이트가 제공되어 우수한 연료 전지의 제공이 가능케 된다.

Claims (15)

  1. 친수성 무기물 입자 표면에 상기 친수성 무기물 입자의 1/500~1/10의 입경을 가지는 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 포함하는 친수성 무기물 결집체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 친수성 무기물은 지르코늄 디옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 실리콘 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 친수성 무기물 결집체.
  3. 삭제
  4. 친수성 무기물 입자의 표면에서 카본블랙 입자에 물리적 힘을 가하여 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조하는 단계를 포함하는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 친수성 무기물 입자 및 카본블랙 입자를 입자 하이브리드 방법으로 처리해 상기 친수성 무기물 입자 표면에 카본블랙 입자가 매립된 하이브리드 입자를 제조하는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 친수성 무기물은 지르코늄 디옥사이드, 티타늄 디옥사이드, 실리콘 디옥사이드 및 알루미늄 옥사이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 카본블랙 입자는 상기 친수성 무기물 입자의 1/500 ~ 1/10의 입경을 가지고 있는 친수성 무기물 결집체의 제조 방법.
  8. 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 수지 바인더와, 전도성 필러와, 제 1 항에 의한 친수성 무기물 결집체를 포함하는 친수성 복합재.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 수지 바인더의 1 ~ 45 중량%와, 상기 전도성 필러의 50 ~ 98 중량%와, 상기 친수성 무기물 결집체의 0.5 ~ 45 중량%를 포함하는 친수성 복합재.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 열경화성 수지는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지를 포함하는 친수성 복합재.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 전도성 필러는 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 탄소계 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 친수성 복합재.
  12. 제 8 항에 의한 친수성 복합재로 제조되는 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  13. 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 포함하는 수지 기재와, 상기 수지 기재 내에 분산되어 있는 전도성 필러와, 상기 수지 기재 내에 분산되어 있는 제 1 항에 의한 친수성 무기물 결집체를 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 열가소성 수지는 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리카보네이트, 나일론, 폴리테트라플루오로에틸렌, 폴리우레탄, 폴리에스테르, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 및 폴리페닐렌 설파이드로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하고, 상기 열경화성 수지는 에폭시계 수지 또는 페놀계 수지를 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 전도성 필러는 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브 및 그라파이트로 이루어진 그룹에서 선택된 하나의 탄소계 물질 또는 둘 이상의 혼합물을 포함하는 연료 전지용 바이폴라 플레이트.
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