KR101041697B1

KR101041697B1 - 연료전지 분리판 성형재료 및 이로부터 제조된 연료전지 분리판

Info

Publication number: KR101041697B1
Application number: KR1020080116445A
Authority: KR
Inventors: 임남익; 이광용; 김정헌; 이호섭; 류승훈
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2011-06-14
Also published as: CN101740743A; CN101740743B; US20100129695A1; KR20100057411A; EP2192644A2; JP2010123564A; EP2192644A3; EP2192644B1; JP5623036B2

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판 성형재료 및 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창흑연과 판상흑연 및 구상흑연을 혼합한 흑연복합체를 포함하며, 전기전도성과 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판 성형 재료 및 연료전지 분리판에 관한 것이다.

연료전지 분리판 성형 재료, 팽창흑연, 일반흑연

Description

연료전지 분리판 성형재료 및 이로부터 제조된 연료전지 분리판{Molding material for fuel cell separator and fuel cell separator prepared therefrom}

본 발명은 연료전지 분리판 성형 재료 및 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 팽창흑연과 판상흑연 및 구상흑연을 혼합한 흑연복합체에 카본블랙과 수지를 포함하여, 전기전도성과 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판 성형 재료 및 연료전지 분리판에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지란, 연료인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 연소과정 없이 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치로, 충전이 필요한 종래 전지와는 달리 수소와 산소를 공급함으로 연속적인 전기 생산이 가능하다. 연료전지의 핵심부품인 스택을 구성하고 있는 것이 막 전해질 조립체(membrane electronic assembly)와 분리판(bipolar plate)이다. 이 중 분리판은 수소 및 산소 공급, 촉매반응에 의해 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할, 각 단위전지 간 절연 유지를 위한 분리 역할을 수행하게 된다.

이러한 연료전지용 분리판은 보통 수지에 흑연 및 카본블랙과 같은 도전성 충전 재를 배합/충전하여 연료 전지용 분리판을 제조하게 된다. 이때 분리판의 도전성을 향상시키기 위해 도전성 충전재의 함량을 증가(수지 함량 감소)시키게 되는데, 너무 많이 증가시킬 경우 소재의 유동성 저하로 인해 성형성이 불량해질 뿐만 아니라 기계적 강도가 감소하여 연료전지 스택 체결 시 분리판 간 접촉저항을 줄이기 위한 체결압력 증가로 인해 분리판이 파손되기 쉬운 문제점이 있다.

때문에 도전성 향상을 위해 도전성 충전재의 함량을 증가시킬 경우 발생하는 문제점들을 해결하기 위하여 도전성 충전재의 함량을 증가시키지 않고도 도전성을 향상시킬 수 있는 방법들이 연구되고 있다. 그러한 방법 중에 하나로, 기존에 사용하던 일반 흑연을 흑연 결정의 c축 방향으로 팽창시킨 팽창흑연의 적용이 시도되어 팽창흑연과 수지의 혼합으로 이루어진 분리판이 개발되고 있다.

하지만 상기와 같이 제조된 분리판의 경우 일반흑연에 의해 제조된 분리판보다 도전성은 향상되지만 기계적 강도가 현저하게 감소하여 연료전지 스택 체결시 분리판이 쉽게 파손되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 특성이 다른 수종의 흑연을 적절한 비율로 혼합하여 사용함으로써 연료전지 분리판의 전기전도성과 기계적 물성을 동시에 향상시킬 수 있도록 하는 연료전지 분리판 성형 재료를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 본 발명의 재료로 성형제작된 연료전지 분리판 및 이러한 분리판을 구비하는 연료전지를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

팽창흑연 및 일반흑연을 1:9 내지 6:4의 중량비로 혼합한 흑연복합체 50 내지 95중량%,

카본블랙, 탄소 섬유 및 탄소나노튜브로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상 0.1 내지 10중량% 및

열가소성 또는 열경화성 수지 4 내지 50중량%를 포함하는 연료전지 분리판 성형 재료에 관한 것이다.

상기 흑연복합체의 일반흑연은, 판상흑연과 구상흑연을 9:1 내지 5:5로 혼합하여 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양상들은 본 발명의 연료전지 분리판 성형 재료로 제작된 연 료전지 분리판 및 이러한 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지에 관한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 연료전지 분리판 성형 재료에 의하면, 특성이 다른 수종의 흑연을 적절한 비율로 혼합하여 재료를 형성함으로써 연료전지 분리판의 기계적 강도가 향상됨은 물론, 표면의 전기 전도도가 향상되는 우수한 효과가 있다.

이하에서 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형 재료는 흑연복합체와, 카본블랙 및 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 혼합하여 형성된다.

바람직하게 상기 흑연복합체 50 내지 95 중량%, 상기 카본블랙, 탄소섬유 및 탄소나노튜브로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상 0.1 내지 10 중량% 및 상기 열가소성 주지 또는 열경화성 수지 4 내지 50 중량%를 포함한다.

상기 흑연복합체는 팽창흑연과 팽창시키지 않은 일반흑연을 혼합하여 형성하는데, 도전성 향상을 위해 팽창흑연만을 사용할 경우에는 연료전지 분리판의 기계적 강도가 저하되는 문제점이 있기 때문에 기계적 강도 저하를 방지하기 위하여 팽창흑연과 일반흑연을 혼합하며, 바람직하게는 상기 팽창흑연과 일반흑연을 1:9 내지 6:4 중량비로 혼합한다.

상기 일반흑연은 도전성 향상을 위해 입자 크기가 작은 구상흑연과, 입자 크기가 상대적으로 큰 판상흑연을 배합하여 형성되는데, 바람직하게는 상기 판상흑연과 구상흑연을 9:1 내지 6:4로 배합하여 형성한다.

여기서 입자크기가 작은 구상흑연을 채택한 이유는 입자가 작아짐으로 인한 유동성 저하를 방지하기 위함이다.

한편, 상기 흑연복합체의 평균 입자 크기는, 상기 팽창흑연이 20 내지 200μm, 상기 일반흑연의 판상흑연이 20 내지 200μm, 상기 구상흑연이 5내지 80μm의 크기를 갖는다.

상기 카본블랙은 상기 일반흑연을 혼합함에 따라 팽창흑연에 비하여 도전성이 저하되는 것을 보상해 주기 위하여 혼합되어, 도전성 향상 및 기계적 강도를 향상시는데, 경우에 따라서는 상기 카본블랙 대신에 탄소섬유 또는 탄소나노튜브가 사용될 수 있다.

상기 수지로는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 또는 이들의 혼합수지가 사용될 수 있는데, 상기 열가소성 수지는, 폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리테닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 액정고분자(Liquid Crystalline Polymer), 폴리에테르에테르케톤(Poly ether ether ketone), 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리에테르설폰(Polyether sulfone)으로 이루어진 군에서 선택되는 중 1종 또는 2종 이상을 포함할 수 있다.

상기 열경화성 수지는 에폭시수지와 페놀수지 중에서 선택되는1종 또는 이들의 혼합수지를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 본 발명의 재료에 의해서 제작된 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 분리판은 성형 재료를 사출성형 또는 압축성형하여 제조된다. 상기 연료전지 분리판의 일측에는 공기유로가 형성되고 타측에는 연료유로가 형성되며, 중앙에 냉각유로가 형성되어 하나의 전극을 형성함으로써 각 유로를 통해 가스가 흐르고 전극의 가스확산층으로 이동하여 촉매층에서 전기화학반응이 일어난다.

본 발명의 또 다른 양상은 본 발명의 재료에 의해서 제조된 연료전지 분리판을 구비한 연료전지에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지의 구조는 특별히 제한되지 않는다. 일례로, 본 발명의 연료전지는 수소의 산화반응으로 수소이온과 전자가 생성되는 산화전극과, 공기의 환원반응으로 물이 생성되는 환원전극과, 수소전극에서 발생한 수소이온은 환원전극으로 전달하는 전해질로 구성된다. 산화전극과 환원전극의 사이에 전해질층을 위치시킨 형태를 막-전극 어셈블리(MEA)라고 지칭하며, 이 막-전극 어셈블리가 분리판과 분리판 사이에 위치하여 단위전지를 구성한다. 연료전지에서 전기화학반응에 의하여 발생한 전류는 전기도체인 분리판을 통하여 흐르게 되며, 마지막으로 그 분리판에서 전기를 뽑아내어 사용하게 된다. 또한 전기화학반응에 의해 생성된 물은 분리판의 유로를 통하여 외부로 배출된다.

이하에서는 구체적인 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 이는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아 니다.

실시예

평균 입자 사이즈가 70μm 인 판상흑연과 평균 입자 사이즈가 20μm인 구상흑연을 3:1 중량비로 혼합한 흑연에 평균 입자 사이즈가 170μm인 팽창 흑연을 3:1 중량비로 혼합하여 건식 믹서로 혼합하였다. 상기와 같이 혼합된 흑연과 카본블랙 및 열가소성 수지인 폴리프로필렌 수지를 각각 75중량%, 2중량%, 23중량%로 압출기에서 혼합하여 펠렛 상태로 제조하였다. 이와 같이 제조된 펠렛 상태의 분리판 소재를 사출기를 통해 사출 성형하여 분리판을 제조하였다. 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 측정하여 하기 표1 및 도 1에 나타내었다.

비교예 1

구상흑연을 첨가하지 않고 판상흑연과 팽창흑연을 3:1중량비로 혼합한 흑연 75중량%에 카본블랙 2중량%, 열가소성 수지인 폴리프로필렌 23중량%를 혼합한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하여 분리판을 제조하였다. 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 측정하여 하기 표1 및 도 1에 나타내었다.

비교예 2

구상흑연과 카본블랙을 첨가하지 않고 판상흑연과 팽창흑연만을 3:1로 혼합한 흑연 77중량%에 열가소성 수지인 폴리프로필렌 23중량% 혼합한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하여 분리판을 제조하였다. 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 측정하여 하기 표1 및 도 1에 나타내었다.

비교예 3

판상흑연, 구상흑연, 카본블랙을 첨가하여 혼합하지 않고 팽창흑연만을 사용하고 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 각각 77중량%, 23중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하여 분리판을 제조하였다. 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 측정하여 하기 표1 및 도 1에 나타내었다.

비교예 4

팽창흑연, 구상흑연, 카본블랙을 첨가하여 혼합하지 않고 일반 판상흑연만을 사용하고 열가소성 수지인 폴리프로필렌과 각각 77중량%, 23중량%로 혼합한 것을 제외하고는 실시예와 동일하게 실시하여 분리판을 제조하였다. 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 측정하여 하기 표1 및 도 1에 나타내었다.

[물성평가방법]

*굴곡강도

ASTM D 790-03 시험조건에 의거, 두께가 1.6mm 이하인 경우에 해당하는

50.8mm * 12.7mm 인 시편으로 span 25.4mm로 측정하였다.

*표면전기전도도

four-point probe 면저항 측정에 의한 것이며 측정 장비 규정에 의거

50mm * 50mm 시편을 이용하였다. 시편의 두께는 sheet resistance 및

표면 전기전도도 환산시 환산식에 변수로 입력되며 두께에 따라 보정계수

역시 다르게 환산된다.

상기 표 1 및 도 1의 결과를 통해서 확인되는 바와같이, 팽창흑연만을 적용하여 제조된 비교예 3의 경우 팽창시키지 않은 판상흑연만을 적용한 비교예 4보다 표면 전기 전도도는 우수하지만 굴곡강도가 급격히 저하된다. 이와 같은 굴곡강도 저하를 방지하기 위해 판상흑연과 팽창흑연을 혼합한 비교예 2에서 굴곡강도를 어느 정도 향상시켰으나 표면 전기 전도도가 다시 저하된다. 이에 따라 판상흑연과 팽창흑연의 혼합에 카본블랙을 추가 혼합한 비교예 1에서 저하된 표면 전기 전도도를 다시 회복시킬 수 있었다. 실시예에서는 입자가 판상흑연에 비해 상대적으로 작은 흑연을 배합함으로써 표면 전기 전도도가 향상되었으며, 카본블랙 첨가로 인해 저하된 유동성을 회복시키기 위해 입자 형태는 구상 형태인 흑연을 선택하였다. 이로써 실시예를 통해 기계적 강도 향상과 함께 표면 전기 전도도를 급격히 향상시킬 수 있었다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 참고로 본 발명에 대해서 상세하게 설명하였으나, 이들은 단지 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에서 수득된 분리판의 굴곡강도 및 표면 전기 전도도를 나타낸 그래프이다.

Claims

팽창흑연 및 일반흑연을 1:9 내지 6:4의 중량비로 혼합한 흑연복합체 50 내지 95 중량%,

카본블랙, 탄소 섬유 및 탄소나노튜브로 구성되는 군에서 선택되는 1종 이상 0.1 내지 10 중량% 및

열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 4 내지 49 중량%를 포함하며,

상기 흑연복합체의 일반흑연은, 판상흑연과 구상흑연을 9:1 내지 5:5로 혼합하여 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형 재료.
삭제
청구항 1에 있어서,

상기 흑연복합체는, 평균 입자 크기가 20 내지 200μm인 팽창흑연, 평균 입자 크기가 20 내지 200μm인 판상흑연, 평균 입자 크기가 5내지 80μm인 구상흑연을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형 재료.
청구항 1에 있어서,

상기 열가소성 수지는,

폴리프로필렌(Polypropylene), 폴리에틸렌(Polyethylene), 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride), 폴리메틸메타크릴레이트(Poly methyl methacrylate), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 액정고분자(Liquid Crystalline Polymer), 폴리에테르에트레케톤(Poly ether ether ketone), 폴리이미드(Polyimide) 및 폴리에테르설폰(Polyether sulfone)으로 이루어진 군에서 선택되는 중 1종 또는 2종 이상이고,

상기 열경화성 수지는 에폭시수지와 페놀수지 중에서 선택되는1종 또는 2종이상의 혼합수지인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 재료.
청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 중 어느 하나의 항의 연료전지 분리판 성형용 소재를 성형하여 제작된 연료전지 분리판.
청구항 5의 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지.