KR100864681B1 - 연료전지 분리판 제조용 소재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 수지를 결합제로 하여 높은 전기 전도도와 강도, 낮은 가스 투과도를 가지며 대량생산과 리사이클이 용이한 연료전지 분리판 제조용 소재를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 연료전지 분리판 제조용 소재는 결합제로서 폴리프로필렌(PP), 상용화제로서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 충전제로서 흑연분말과 카본블랙을 기본 구성 조성물로 하며, 이를 이축 압출기를 이용하여 폴리프로필렌(PP)와 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 용융 및 혼련하고, 서로 다른 공급부를 통해서 공급된 흑연 분말과 카본블랙을 혼련하고, 압출한 후 펠릿형태로 제조를 한다.

연료전지, 분리판, 열가소성 수지, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 흑연분말, 카본블랙

Description

연료전지 분리판 제조용 소재{Material for preparing fuel cell separator}

도 1은 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조한 분리판 제조용 소재를 사출 장치를 이용하여 사출 성형한 성형품의 표면을 촬영한 사진이다.

도 2는 실시예 1에 따른 소재와의 비교 평가를 위하여 흑연 99중량% 이상의 흑연분리판을 같은 조건에서 테스트한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명은 연료전지 분리판 제조용 소재에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 열가소성 수지를 결합제로 하여 높은 전기 전도도와 강도, 낮은 가스 투과도를 가지며 대량생산과 리사이클이 용이한 연료전지 분리판 제조용 소재에 관한 것이다.

연료전지는 본체인 스택과 천연가스, 메탄올 등의 원료에서 수소를 개질하는 개질기(Reformer), 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 직·교류 변환기(Inverter) 등으로 구성되어 있다. 이 중 연료전지의 중추적인 기능은 스택에서 하게 되는데, 스택은 수 내지 수십 장의 전기화학적 셀(Cell)로 이루어져 있다. 여기서 각 셀은 막전극 어셈블리(Membrane Electrode Assembly: MEA)에 의해 수소극과 공기극으로 나뉘게 되는데 분리판이 그 역할을 담당한다.

현재 연료전지용 분리판 소재로는 금속, 흑연괴, 탄소복합재 등이 고려되고 있다. 하지만 금속과 흑연괴의 분리판의 경우 각각 부식성, 약한 기계적 강도 등의 이유로 실용성이 떨어지는 것으로 입증되었다. 이에 반해 탄소복합재의 경우 금속 분리판의 문제점인 부식성과 흑연괴의 약한 기계적 강도를 모두 보완하고 있어 각광을 받고 있다. 또한 탄소 복합재를 사용할 경우 복잡한 분리판 유로 형상을 몰딩으로 제조할 수 있어 분리판 제조비용을 줄이고 대량 생산에 적합하다.

탄소복합재는 결합제로 비닐에스터계, 페놀계, 에폭시계의 열 경화성 수지와 폴리프로필렌(PP), 불소계고분자(PVDF), 액정고분자(LCP), PPS(Polyphenylene Sulfide) 등의 열가소성 수지를 사용하고 있다.

열경화성 수지는 우수한 기계적 물성과 내화학성, 내열성, 기체 차단효과 등의 특징을 가지고 있지만 제조공정 및 성형공정이 복잡하고, 경화과정에서 유해가스 등의 발생으로 환경문제가 야기되고 있다. 또한 제품성형 사이클타임(5분 이상) 길기 때문에 소량의 다품종 생산에 적합하다.

반면 열가소성 수지를 이용한 복합소재의 제조 및 성형공정은 열경화성 수지를 이용할 경우보다 복잡하지 않으며, 제품성형 시 사이클타임도 1분 이내로 짧아 소 품종 대량생산이 가능하다. 이를 통해 기본에 연료전지 분야에서 제기되어 왔던 가격적인 측면의 문제 해결에 보다 더 근접할 수 있는 방식이다.

이에 본 발명은 열가소성 수지의 특징을 활용하여 상업적으로 이용 가능한 연료전지 분리판 소재를 제공하기 위한 것으로, 열가소성 수지를 결합제로 하여 높 은 전기 전도도와 강도, 낮은 가스 투과도를 가지며 대량생산과 리사이클이 용이한 연료전지 분리판 제조용 소재를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적인 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 제조용 소재는, 용융지수가 230℃, 2160g의 하중에서 30 ~ 1000인 고유동성을 갖는 결합제로서 폴리프로필렌(PP)을 전체 조성물을 기준으로 5 ~ 50중량%, 용융지수가 5 ~ 300이고 카보닐기(Carbonyl group)가 붙은 상용화제로서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 상기 폴리프로필렌 질량대비 0.01 ~ 1배, 0.005 내지 0.25 mm의 크기를 갖는 충전제로서 흑연분말 30 ~ 94.94중량%, 표면적이 200㎡/g 이하, 표면적이 200 ~ 1300 ㎡/g인 전도성의 카본블랙 0.01 ~ 30중량%을 이축 압출기(Twin Screw Extruder)에서 용융 및 혼련한 후, 펠릿화하여서 제조되는 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 발명에서 연료전지 분리판 제조용 소재의 기본적인 구성 조성물은 결합제로서 폴리프로필렌(PP), 상용화제로서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 충전제로 서 흑연분말과 카본블랙으로 이루어져 있다. 본 발명의 연료전지 분리판 제조용 소재는 상기한 바와 같은 결합제, 상용화제, 충전제로 이루어진 기본적인 구성 조성물을 이축 압출기를 이용하여 폴리프로필렌(PP)와 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 용융 및 혼련하고, 서로 다른 공급부를 통해서 공급된 흑연 분말과 카본블랙을 혼련하고, 압출한 후 펠릿형태로 제조를 한다.

본 발명의 연료전지 분리판은 상기한 바와 같은 펠릿형태의 연료전지 분리판 제조용 소재를 사출 성형하여서 제조할 수 있다.

본 발명의 연료전지 분리판 제조용 소재의 기본적인 구성 조성물 중에서 결합제로 사용하는 폴리프로필렌(PP)은 상업적으로 사용이 용이하고, 충전제와의 혼련성과 분산성이 뛰어나다. 상기 폴리프로필렌(PP)는 용융지수(Melt flow index)가 230℃, 2160g에서 30 ~ 1000인 고 유동성의 것을 사용하는 것이 바람직하며, 전체 연료전지 분리판 제조용 소재 전체 조성물을 기준으로 해서 5 내지 50중량%를 첨가하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 충전제로 사용하는 흑연분말은 그 형태와 크기가 용도와 특성에 따라 달라질 수 있는데, 크기는 0.005 내지 0.25mm의 것을 사용하는 것이 바람직하고, 상기에서 정의한 전체 조성물을 기준으로 해서 30 내지 94.94중량%를 첨가하는 것이 좋다. 본 발명에서는 흑연분말로는 천연판상흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연, 팽창흑연 및 팽창 가능한 판상흑연 중에서 적어도 하나를 선택 사용할 수 있는데, 그 중에서도 연료전지용 분리판용으로 적용 가능하나, 전도성 증가를 위해서는 벗겨짐(Exfoliation)이 많고, 수지의 삽입(Intercalation)이 용이한 판상형 흑연분말을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

본 발명에서 충전제로 사용하는 카본블랙은 일반적으로 표면적이 200㎡/g 이하인 것 중에서 더 높은 전도도를 위해 표면적이 200 내지는 1300㎡/g인 전도성 카본블랙을 사용하는 것이 바람직하며, 함량은 상기에 정의한 전체 조성물을 기준으로 해서 0.01 내지 30중량%를 포함하도록 하는 것이 좋다. 상기 카본블랙 외에 카본섬유, 카본나노튜브, 금속성 충전제 등을 선택적으로 사용할 수 있다. 본 발명에서 카본블랙은 분말형태로 사용되나 혼련성 및 분산성 향상을 위하여 상기의 함량이 포함된 마스터 뱃치를 제조하여 사용할 수 있다.

본 발명에서 폴리프로필렌(PP)와 더불어 흑연분말과의 혼련을 용이하게 하고, 충진제 투입량의 증가로 인해 저하될 수 있는 기계적 강도를 보완하기 위한 상용화제로서 용융지수가 5 내지 300인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 사용할 수 있으며, 그 함량은 상기 폴리프로필렌(PP) 질량대비 0.01 ~ 1배로 첨가하는 것이 바람직하다. 만일 폴리프로필렌(PP) 질량대비 1배를 초과할 경우에는 전체 조성물의 열적 안정성을 저하시킬 뿐 아니라 분리판으로 적용이 불가능하게 되므로 상기한 바와 같이 1배가 초과하지 않도록 첨가하여 혼련하는 것이 바람직하다.

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

실시예 1

용융지수가 230℃, 2160g의 하중에서 60인 호남석유화학사제의 폴리프로필렌(PP) 10중량%, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 7중량%을 먼저 용융 및 혼련하고, 미국의 ASBURY사의 판상흑연의 흑연분말 78중량%, Akzo Novel사제의 상품명 Kenjenblack 600J의 전도성 카본블랙 5중량%를 다른 공급부를 통해서 공급하여 함께 이축 압출기에서 혼련하고, 압출한 후 펠릿형태로 연료전지 분리판 제조용 소재를 제조하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 카본블랙은 사용하지 않고, 폴리프로필렌(PP)을 15중량%, 흑연분말은 85중량%만을 사용하여 이축 압출기에서 혼련하고, 압출한 후 펠릿형태로 연료전지 분리판 제조용 소재를 제조하였다.

상기 실시예 1과 비교예 1에서 각각 제조한 분리판 제조용 소재를 사출 장치(Injection machine)를 이용하여 사출 성형한 성형품의 표면을 사진으로 촬영한 사진은 도 1과 같으며, 도 1에서 (a)는 수소판이고, (b)는 공기 냉각판이다. 이들 모두를 육안으로 확인해 본 결과 사출성형품의 표면 상태가 깨끗한 형태로 성형되었음을 알 수 있었다.

상기 성형된 분리판을 ASTM F84와 ASTM D790 방법에 따라 각각 전기전도도와 굴곡강도를 측정하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.

[표 1]

구분	실시예 1	비교예 1
전기전도도(S/㎝)	54.11	2.648
굴곡강도(Mpa)	35.3	39

상기 표 1에 의하면, 결합제인 폴리프로필렌(PP)와 상용화제인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 충전제인 흑연분말과 전도성 카본블랙의 구성성분으로 이루어 진 본 발명의 실시예 1에 따른 연료전지 분리판 제조용 소재가 폴리프로필렌(PP)와 충전제인 흑연분말로만 이루어진 비교예 1에 따른 연료전지 분리판 제조용 소재에 비해 월등한 전도도를 나타내면서 강도 저하가 미약한 것으로 나타났다.

상기 실시예 1 및 비교예 1에 따른 소재의 연료전지 분리판으로서의 적용 가능성을 확인하기 위하여 단위 전지 데스트를 실시하였다. 실시예에 따른 소재와의 비교 평가를 위하여 흑연 99중량% 이상의 흑연분리판을 같은 조건에서 테스트하였다. 그 결과를 도 2에 나타내었다.

도 2에 의하면, 본 발명의 실시예 따른 소재의 출력이 흑연 99중량%의 소재의 출력과 실제 시용 영역인 0.6 ~ 0.8V 영역에서 유사하게 나타나는 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 제조용 소재는 열가소성 수지, 그 중 상업적으로 사용 가능한 폴리프로필렌(PP)과 소량의 전도성 카본블랙 등에 의해 제조된 소재가 실제 분리판으로 적용 가능한 물성을 가지면서 대량 생산을 위한 사출 성형이 가능하다는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 용융지수가 230℃, 2160g의 하중에서 30 ~ 1000인 고유동성을 갖는 결합제로서 폴리프로필렌(PP)을 전체 조성물을 기준으로 5 ~ 50중량%, 용융지수가 5 ~ 300이고 카보닐기가 붙은 상용화제로서 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 상기 폴리프로필렌 질량대비 0.01 ~ 1배, 0.005 내지 0.25 mm의 크기를 갖는 충전제로서 흑연분말 30 ~ 94.94중량%, 표면적이 200㎡/g 이하, 표면적이 200 ~ 1300 ㎡/g인 전도성의 카본블랙 0.01 ~ 30중량%을 이축 압출기에서 용융 및 혼련한 후, 펠릿화하여서 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조용 소재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 흑연분말은 천연판상흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연, 팽창흑연 및 팽창 가능한 판상흑연 중에서 적어도 하나를 선택 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 제조용 소재.
3. 제 1항에 따른 연료전지 분리판 제조용 소재를 성형하여서 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
4. 제 3항에 따른 연료전지 분리판으로부터 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지.

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