KR100834057B1

KR100834057B1 - 연료전지 분리판 사출성형용 소재, 그로부터 제조된연료전지 분리판 및 연료전지

Info

Publication number: KR100834057B1
Application number: KR1020070057749A
Authority: KR
Inventors: 이호섭; 김정헌
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2007-06-13
Filing date: 2007-06-13
Publication date: 2008-06-02

Abstract

본 발명에 따른 연료전지 분리판 성형용 소재는 열가소성 수지는, 특히 고온 내열성과 동시에 저온에서도 상온 때와 거의 다름없는 특성을 유지하며, 넓은 온도범위에 걸쳐 뛰어난 치수 안정성 및 내화학성을 갖는 폴리페닐렌설파이드(PPS)와 다른 열가소성 수지에 비하여 가격이 싸고 낮은 밀도를 가지는 폴리프로필렌(PP)에 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 사용하고, 블렌드물에 전도성 충전제를 함침시킴으로써 높은 전기 전도도와 굴곡강도, 낮은 기체투과율을 갖는 특징이 있다.

연료전지, 분리판, 소재, 폴리페닐렌설파이드, 폴리프로필렌, 무수말레이산

Description

연료전지 분리판 사출성형용 소재, 그로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지{Material for preparing fuel cell separator, fuel cell separator and fuel cell}

도 1은 본 발명의 실시예(발명 분리판)와 비교예(기존 분리판)에 대한 굴곡강도를 측정 및 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명의 실시예(발명 분리판)와 비교예(기존 분리판)에 대한 전기전도도를 측정 및 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예(발명 분리판)와 비교예(기존 분리판)에 대한 기체투과도를 측정 및 비교하여 나타낸 그래프이다.

본 발명은 연료전지 분리판 사출성형용 소재, 그로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 결합제로서 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌의 블렌드물에 상용화제로 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH), 전도성 충전제로서 흑연분말, 카본블랙 등을 선택 사용하여서 제조되는 높은 전기 전도도와 굴곡강도, 낮은 기체투과율을 갖는 연료전지 분리판 사 출성형용 소재, 그로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지(fuel cell)는 수소(H₂)와 같은 연료가스의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지이며, 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급받아 연속적으로 전기를 생산한다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체 산화물형 등의 연료전지로 분류되며, 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 및 전해질의 측면에서 서로 다른 점을 가진다.

연료전지의 핵심인 스택은 막전해질 조립체(Membrane electrode assembly)와 분리판(bipolar plate)으로 이루어져 있다. 이 중 분리판은 수소와 산소를 공급하고, 촉매반응에 의해 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할을 하며, 동시에 수소와 산소 가스가 분리판 간 유입이 없도록 분리시키는 역할을 수행하는 핵심 부품이다. 연료전지 분리판이 가져야 할 물리적 특성에는 굴곡강도, 인장강도, 가스투과도, 전기 전도도와 같은 항목들이 있다.

이러한 연료전지용 분리판은 종래에 주로 금속 분리판 및 흑연 분리판이 주로 사용되었다. 금속 분리판의 경우에는 전해질과의 접촉부분에서 부식현상이 심 하게 발생하여 연료전지의 성능과 수명을 단축시키는 원인이 되었고, 흑연 분리판의 경우에는 낮은 기계적 강도와 높은 가공 비용으로 인한 전체 제조비용을 증가시키는 단점이 있었다.

따라서, 흑연의 높은 전기 전도도와 내화학성의 장점을 유지하면서 원하는 형상으로 성형할 수 있는 탄소 복합재 분리판이 등장하게 되었다.

탄소복합재 분리판에 사용되는 결합제로 비닐에스터계, 페놀계, 에폭시계의 열경화성 수지와 폴리프로필렌(PP), 불소계고분자(PVDF), 액정고분자(LCP)등의 열가소성 수지 등을 이용하고 있다.

열경화성 수지는 우수한 기계적물성과 내화학성 및 낮은 기체투과율 등의 특징을 가지고 있지만, 성형공정이 복잡하고 대량생산이 어려운 반면 열가소성 수지는 사출성형이 가능해 대량생산이 가능하다는 장점을 가지고 있어 상기의 다른 분리판에 대한 대안으로서 현재 많은 연구개발이 진행 중에 있다.

본 발명은 열가소성 수지, 특히 고온 내열성과 동시에 저온에서도 상온 때와 거의 다름없는 특성을 유지하며, 넓은 온도범위에 걸쳐 뛰어난 치수 안정성 및 내화학성을 갖는 폴리페닐렌설파이드(PPS)와 다른 열가소성 수지에 비하여 가격이 싸고 낮은 밀도를 가지는 폴리프로필렌(PP)에 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 사용하고, 블렌드물에 전도성 충전제를 함침시킴으로써 높은 전기 전도도와 굴곡강도, 낮은 기체투과율을 갖는 연료전지 분리판 사출성형용 열가소성 소재를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한, 본 발명은 상기 연료전지용 분리판 사출성형용 열가소성 소재로부터 제조된 연료전지 분리판과 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

이와 같은 기술적인 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 사출성형용 소재는 결합제로서 용융지수가 20 이상인 열가소성 수지 중 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌을 사용하며, 폴리프로필렌을 폴리페닐렌설파이드 대비 0.01 내지 100중량부 블렌드하고, 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 결합제 대비 0.01 내지 100중량부 사용하며, 전도성 충전제로서 흑연분말, 카본블랙, 카본섬유, 금속충전제, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 탄소나노와이어 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 결합제 대비 200 내지 1800중량부를 인터널 믹서 내지 이축 압출기를 이용하여 혼련하고 분쇄 및 조립화 하여서 제조하는 것을 특징으로 한다

이와 같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

본 발명의 연료전지 분리판 사출성형용 열가소성 소재는 결합제로서 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌의 블렌드물에 상용화제로 무수말레이산이 그래프트 된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 사용하고, 전도성 충전제로서 흑연분말, 카본블랙, 카본섬유, 금속충전제, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 중 에서 적어도 하나 이상을 선택 사용하여 제조를 한다.

본 발명에서는, 전도성 충전제의 함침율을 높이기 위하여 결합제로서 사용되는 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌은 용융지수가 20 이상인 것이 바람직하며, 결합제 내에 폴리프로필렌은 폴리페닐렌설파이드 대비 0.01 내지 100중량부를 사용할 수 있다.

상용화제로 사용되는 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)은 무수말레이산의 그래프트 비율이 0.01 내지 20 중량부가 그래프트된 것이 바람직하며, 폴리페닐렌설파이드에 폴리프로필렌을 제외하고 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)만을 사용하여도 무방하며, 함량은 결합제 대비 질량비로 0.01 내지 100중량부로 첨가하는 것이 바람직하다.

상용화제가 결합제 대비 100중량부를 초과할 경우에는 주 결합제로 사용되는 폴리페닐렌설파이드의 우수한 기계적, 고온 내열성과 동시에 저온에서도 상온때와 거의 다름없는 특성을 저해할 수 있고, 0.01중량부 미만일 경우에는 결합제로 사용되는 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌의 상용성이 떨어져 두 고분자 사이의 계면 접착력 저하로 인한 가스투과특성의 저하를 초래할 수 있다.

상기 제조공정에서 전도성 충전제로는 흑연분말, 카본블랙, 카본섬유, 금속충전제, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어 중 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 함량은 결합제대비 200 내지 1800 중량부가 바람직하다.

상기 전도성 충전제에서 흑연분말은 판상형의 팽창 흑연을 사용하는 것이 바람직한 바, 이는 구상 흑연에 비해 전도성이 높으며, 제품 성형시 기체투과율이 낮은 특징이 있다. 특히 흑연분말은 다양하게 사용될 수 있지만 비표면적이 1 내지 200㎡/g 의 범위의 크기를 가지는 것을 사용하는 것이 좋다.

상기 카본블랙은 평균입자크기가 10 내지 100 nm인 것을 선택하여 사용하는 것이 바람직하고, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 혹은 다중벽 나노튜브 형태로서, 그 자체 혹은 pH 4 이하의 한 가지 혹은 그 이상의 종류로 이루어진 강산으로 개질하여 산소를 포함하는 작용기가 도입되어 있는 것을 사용한다.

또한 상기 카본섬유, 금속충전제, 탄소나노섬유, 탄소나노와이어는 비표면적이 0.1 내지 1000m²/g 의 범위의 크기를 가지는 것을 사용하는 것이 좋다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 사출성형용 소재를 제조하는 방법으로는 인터널 믹서와 이축 압출기를 이용하여 제조를 하되 이축 압출기를 이용하는데 있어서, 폴리페닐렌설파이드 수지는 1차 호퍼 단계에서 주입하고, 폴리프로필렌 및 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)는 1차 혹은 2차 호퍼 단계 중 적어도 하나 이상의 단계에서 분산하여 주입하며, 상기 전도성 충전제는 1차 내지 3차 호퍼 단계 중 적어도 하나 이상의 단계에서 분산하여 주입할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

실시예

결합제로서 폴리페닐렌설파이드(A) 와, 폴리프로필렌(B) 를 (A)대비 100 중량부를 사용하고, 전도성 충전제로서 팽창흑연 (A)대비 1600 중량부 및 카본블랙 100중량부를 사용하고, 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 상용화제로 (A) + (B) 중량부에 대하여 50중량부를 혼련하여 연료전지 분리판 사출성형용 소재를 제조하였다. .

상기 결합제, 상용화제, 흑연분말, 카본블랙의 균질한 혼련을 위하여 용융점 20℃이상에 인터널 배치 믹서를 사용하여 혼련을 하고, 혼련된 소재를 분쇄하여 압축성형하는 방법으로 연료전지 분리판 시제품(발명 분리판)을 제작하였다.

비교예

상기 실시예에서 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 사용하지 않는 것 이외에는 상기 실시예와 동일하게 실시하여 연료전지 분리판 시제품(기존 분리판)을 제작하였다.

첨부 도면 중 도 1 내지 3은 본 발명의 실시예(발명 분리판)와 종래예인 비교예(기존 분리판)에 대한 3가지 주요 물성, 즉, 굴곡강도(도 1), 전기 전도도(도 2), 기체 투과도(도 3)를 측정하여 비교한 그래프이다.

도 1과 도 2로부터 실시예(발명 분리판)는 비교예(기존 분리판)에 비해 굴곡 강도와 전기 전도도가 훨씬 우수함을 알 수 있다.

도 3으로부터 기체투과도가 실시예(발명 분리판)의 경우가 비교예(기존 분리판) 보다 현저하게 감소하는 것을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 한정하여 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 따라서 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 응용할 수 있고, 이러한 응용도 하기 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 바탕으로 하는 한 본 발명의 권리범위에 속하게 됨은 당연하다 할 것이다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 사출성형용 소재는 열가소성 수지, 특히 고온 내열성과 동시에 저온에서도 상온 때와 거의 다름없는 특성을 유지하며, 넓은 온도범위에 걸쳐 뛰어난 치수 안정성 및 내화학성을 갖는 폴리페닐렌설파이드(PPS)와 다른 열가소성 수지에 비하여 가격이 싸고 낮은 밀도를 가지는 폴리프로필렌(PP)에 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 사용하고, 블렌드물에 전도성 충전제를 함침시킴으로써 높은 전기 전도도와 굴곡강도, 낮은 기체투과율을 갖는 효과가 있다.

Claims

결합제로서 용융지수가 20 이상인 열가소성 수지 중 폴리페닐렌설파이드와 폴리프로필렌을 사용하며, 폴리페닐렌설파이드에 폴리프로필렌을 폴리페닐렌설파이드 대비 0.01 내지 100중량부 블렌드하고, 상용화제로서 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌(PP-g-MAH)을 결합제대비 0.01 내지 100중량부 사용하며, 전도성 충전제로서 흑연분말, 카본블랙, 카본섬유, 금속충전제, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 탄소나노와이어 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 결합제대비 200 내지 1800중량부를 인터널 믹서 내지 이축 압출기를 이용하여 혼련하고 분쇄 및 조립화 하여서 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 사출성형용 소재.
제 1항에 있어서, 상기 무수말레이산이 그래프트된 폴리프로필렌 (PP-g-MAH)은 무수말레이산의 그래프트비율이 0.01 내지 20중량부가 그래프트된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 사출성형용 소재.
제 1항에 있어서, 상기 흑연분말은 판상형 구조로서 비표면적이 1 내지 200 ㎡/g의 크기를 가지며, 상기 카본블랙은 평균입자크기가 10 내지 100 nm이고, 상기 탄소나노튜브는 단일벽 혹은 다중벽 나노튜브 형태로서, 그 자체 혹은 pH 4 이하의 한 가지 혹은 그 이상의 종류로 이루어진 강산으로 개질하여 산소를 포함하는 작용기가 도입되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 사출성형용 소재.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 하나의 항에 따라 제조된 연료전지 분리판 사출성형용 소재로 만들어진 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제 4항에 따라 제조된 연료전지 분리판을 적용하여서 되는 것을 특징으로 하는 연료전지.