KR101060800B1 - 일체형 연료전지 분리판의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기유로-냉각유로-연료유로를 일체형으로 형성하여 고분자 전해질 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지에 적용되는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명 일체형 연료전지 분리판의 제조방법에 의하면, 별도의 가스켓 제작공정 및 분리판 결합공정이 필요없이 하나의 분리판에 공기유로-냉각유로-연료유로가 형성되기 때문에 제조시간 및 제조장비의 효율성을 향상되는 장점이 있으며, 냉각유로에 흐르는 가스나 액체의 밀폐성이 강화되는 효과가 있다.
연료전지 분리판, 냉각유로, 흑연복합체, 왁스

Description

일체형 연료전지 분리판의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR FUEL CELL SEPERATOR}
본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기유로-냉각유로-연료유로를 일체형으로 형성하여 고분자 전해질 연료전지 및 직접 메탄올 연료전지에 적용되는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지는 물 이외에는 배출물이 전혀 없는 친환경 발전 장치일 뿐만아니라 효율도 매우 높아서 주목을 받고 있다. 이러한 연료전지의 구성은 크게 스택, 개질기, 전력변환기로 구성되는데 그중 스택이 장치의 중추적인 역할을 한다. 스택은 수내지 수십장의 셀(cell)로 이루어져 있는데, 각 셀은 분리판과 막 전해질 조립체(Membrane-electrolyte assembly: MEA)로 구성된다.
분리판은 막 전해질 조립체를 기준으로 수소극과 공기극으로 구분 되는데, 스택을 지지하는 지지체로서의 역할을 위해 기계적 강도가 우수해야 하며, 동시에 전기적 특성을 가져야 하는 등 연료전지 시스템에서 기술력이 크게 요구되는 부품 중 하나이다.
도 1은 종래의 연료전지 분리판을 나타낸 단면도이다.
종래의 연료전지 분리판을 살펴보면 2장의 분리판 하나의 전극으로 제조되어 사용되고 있는데, 제1분리판(1)의 윗면은 공기유로(1a)가 형성되고 아랫면은 냉각유로(4)가 형성되고, 제2분리판(2)의 윗면은 냉각유로(4)가 아랫면은 연료유로(2a)가 형성되어 상기 제1분리판(1) 및 제2분리판(2)을 결합하여 공기유로(1a)-냉각유로(4)-연료유로(2a)로 구성되어 하나의 전극으로 형성하였다.
상기와 같이 형성된 냉각유로(4)에는 연료전지 구동시에 전극면의 냉각을 위해 기체 또는 용액이 흐르게 되는데, 이때 제1분리판(1)과 제2분리판(2) 사이의 밀폐성이 요구되기 때문에 별도의 가스켓(3)이나 접착제 등이 요구되는 문제점이 있다.
이러한 기존의 연료전지 분리판을 제조하기 위해서는 하나의 전극 구성을 위해 2개의 분리판을 제조하기 위한 2개의 금형 세트가 요구되고, 하나의 성형기를 사용하면 금형 세트를 교체하면서 분리판을 제조하는 단점이 있다. 그리고 많은 성형기를 사용할 경우에도 성형기 2대가 하나의 전극을 구성하기 때문에 공기유로-냉각유로-연료유로를 동시에 성형하여 제조하는 방법에 비해 매우 비효율적이다. 특히, 탄소복합체 분리판을 성형시간이 금속분리판의 제조시간보다 길기 때문에 생산성 측면에서도 항상 문제가 되어 왔다.
또한, 기존의 방법에는 냉각유로의 밀폐를 위해 가스켓의 설계, 가스켓 제조를 위한 금형 제작 및 가스켓 제작이 독립적으로 이루어지기 때문에 추가적인 전문성 과 비용이 요구되며, 스택의 조립과정에서도 냉각유로에 가스켓을 적층하기 때문에 많은 스택조립 시간이 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 1장의 분리판에 공기유로-냉각유로-연료유로를 일체형으로 형성하여 냉각유로의 밀폐성 및 분리판의 생산성을 향상시킬 수 있는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 제조방법에 의해 제작되어 일체형으로 형성된 연료전지 분리판 및 이러한 분리판을 구비하는 연료전지 스택을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,
냉각유로 형상재를 형성하는 단계, 분리판의 재료가 되는 흑연복합체를 형성하는 단계, 분리판을 성형하는 단계, 분리판의 경화 및 냉각유로 형상재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
상기 형상재는 왁스를 성형하여 제조할 수 있다.
상기 흑연복합체는 팽창흑연과 페놀 또는 에폭시 열경화성 수지를 혼합하거나, 팽창흑연의 일부를 인조흑연으로 대체하여 열경화성 수지와 혼합된 흑연복합체일 수 있다.
상기 분리판을 성형하는 단계는 흑연복합체의 사이에 냉각유로 형상재를 적층하여 압축성형 할 수 있다.
본 발명의 다른 양상들은 본 발명의 일체형 연료전지 분리판 제조방법을 이용하여 제작된 연료전지 분리판 및 이러한 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지 스택에 관한 것이다.
상기한 바와 같이 본 발명 일체형 연료전지 분리판의 제조방법에 의하면, 별도의 가스켓 제작공정 및 분리판 결합공정이 필요없이 하나의 분리판에 공기유로-냉각유로-연료유로가 형성되기 때문에 제조시간 및 제조장비의 효율성을 향상되는 장점이 있으며, 냉각유로에 흐르는 가스나 액체의 밀폐성이 강화되는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의해 제조된 일체형 연료전지 분리판으로 스택을 형성하는 경우에도 조립시간이 단축되어 스택의 생산성이 향상되는 우수한 효과가 있다.
이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명 일체형 연료전지 분리판의 제조방법은, 냉각유로 형상재를 형성하는 단계, 분리판의 재료가 되는 흑연복합체를 형성하는 단계, 분리판을 성형하는 단계, 분리판의 경화 및 냉각유로 형상재를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 일체형 연료전지 분리판의 제조단계를 나타내는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 일체형 연료전지 분리판의 제조공정을 나타내는 모식도이다.
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명 일체형 연료전지 분리판의 제조방법은 냉각유로 형상재 형성단계(S100), 흑연복합체 형성단계(S200), 분리판 성형단계(S300) 및 분리판 경화 및 냉각유로 형상재 제거단계(S400)를 포함한다.
먼저 냉각유로 형상재(10)의 형성단계(S100)는 분리판(100)의 냉각유로(120)를 형성하기 위한 것으로서, 왁스를 성형하여 형성하는데, 왁스를 성형하는 방법은 특별히 제한하지 않으며 왁스를 녹여 사출성형하거나 판상의 왁스를 압축성형, 주조 등 본 발명이 속하는 분야에서 알려진 임의의 방법이 사용될 수 있다.
여기서, 상기 냉각유로 형상재(10)를 형성하는 왁스는 파라핀, 마이크로크리스탈린(microcrystalline), 카나우바(carnauba) 왁스가 적용되거나, PE, PP 왁스가 적용될 수 있다.
흑연복합체(20) 형성 단계(S200)는 연료전지 분리판의 재료가 되는 흑연복합체(20)를 혼합하는 단계로서, 팽창흑연과 열경화성 수지를 혼합하거나, 팽창흑연의 일부를 인조흑연으로 대체하여 열경화성 수지와 혼합하여 형성된다. 한편, 열경화성 수지로는 페놀 또는 에폭시 수지가 사용될 수 있다.
분리판 성형단계(S300)는 상기 냉각유로 형상재(10)와 상기 흑연복합체(20)를 압축성형하여 연료전지 분리판(100)을 성형하는 단계로서, 압축성형기(30)에 구비되는 연료유로금형(30b)에 일정한 두께로 흑연복합체(20)를 충진하고 상기 냉각 유로 형상재(10)를 적층한 후, 다시 흑연복합체(20)를 적층하여, 상기 압축성형기(30)의 공기유로금형(30a)로 압축하여 성형한다. 이때에는 0~100℃의 온도범위에서 압축성형한다.
분리판 경화 및 냉각유로 형상재 제거단계(S400)는 분리판 성형단계(S300)를 완료한 분리판을 후경화시키고 내부의 냉각유로 형상재(10)를 제거하여 일체형 연료전지 분리판(100)을 완성하는 단계로서, 100~200℃의 온도범위에서 분리판을 경화시키면서 냉각유로(120)에 채워진 냉각유로 형상재를 가압하여 배출시켜 제거한다.
여기서, 상기 냉각유로 형상재(10)를 형성하는 왁스는 40~200℃ 사이에서 녹기 때문에 100~200℃의 온도범위에서 분리판을 경화시킬때에 녹게되며, 상기 냉각유로(120)의 일측에서 일정한 압력을 가압하게 되면 타측으로 배출되게 된다.
이때 배출된 왁스는 냉각유로 형상재 형성단계(S100)로 투입되어 재활용될 수 있다.
한편, 냉각유로 형상재(10)로 파라핀, 마이크로크리스탈린(microcrystalline), 카나우바(carnauba) 왁스가 적용된 경우에는 100℃ 이하에서 대부분 제거되며, PE 및 PP왁스를 적용한 경우에는 100~200℃의 온도에서 제거된다.
여기서, PE 및 PP왁스를 적용할 경우에는 상기 냉각유로(120) 내부에서 코팅층을 형성할 수 있기 때문에 상기 냉각유로(120)의 밀폐성이 강화된다.
상기와 같은 제조단계를 거쳐서 완성된 일체형 연료전지 분리판(100)은 공기 유로(110), 냉각유로(120) 및 연료유로(130)가 일체형으로 형성되기 때문에 생산성의 향상은 물론 냉각유로(130)의 밀폐성이 강화되는 장점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 양상은 본 발명에 의해 제조된 일체형 연료전지 분리판을 구비한 연료전지 스택에 관한 것이다. 본 발명의 연료전지 스택의 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 가스이동로를 통하여 외부로 배출된다.
이하에서는 구체적인 실시예와 비교예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 다만, 이는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
먼저 냉각유로 형상주물을 제작하여 그 안에 파라핀, microcrystalline, carnauba 왁스를 녹여 냉각유로 형상재를 제조한다. 흑연복합물은 팽창흑연과 인조흑연을 80%이상으로 구성하고, 수지를 20%이하로 균일하게 혼합하여 제조한다. 흑연복합물을 연료유로 금형에 일정한 두께로 투입한 다음, 제조된 냉각유로 형상재를 올려놓았다. 냉각유로 형상재 위에 다시 흑연복합물을 공기유로 금형 아래에 일정한 두께로 투입하여 상온에서 압축하였다. 압축된 일체형 성형품을 150℃로 유지된 오븐에 넣고 경화시키면서, 냉각유로에 채워진 왁스를 가압하여 냉각유로 밖으로 배출시켜 일체형 연료전지 분리판을 제조하였다.
실시예 2.
먼저 냉각유로 형상주물을 제작하여 그 안에 파라핀, microcrystalline, carnauba 왁스를 녹여 냉각유로 형상재를 제조한다. 흑연복합물은 팽창흑연을 80%이상으로 구성하고, 수지를 20%이하로 균일하게 혼합하여 제조한다. 흑연복합물을 연료유로 금형에 일정한 두께로 투입한 다음, 제조된 냉각유로 형상재를 올려놓았다. 냉각유로 형상재 위에 다시 흑연복합물을 공기유로 금형 아래에 일정한 두께로 투입하여 상온에서 압축하였다. 압축된 일체형 성형품을 150℃로 유지된 오븐에 넣고 경화시키면서, 냉각유로에 채워진 왁스를 가압하여 냉각유로 밖으로 배출시켜 일체형 연료전지 분리판을 제조하였다.
실시예 3.
먼저 냉각유로 형상주물을 제작하여 그 안에 PE, PP 왁스를 녹여 냉각유로 형상재를 제조한다. 흑연복합물은 팽창흑연과 인조흑연을 80%이상으로 구성하고, 수지를 20%이하로 균일하게 혼합하여 제조한다. 흑연복합물을 연료유로 금형에 일정한 두께로 투입한 다음, 제조된 냉각유로 형상재를 올려놓았다. 냉각유로 형상재 위에 다시 흑연복합물을 공기유로 금형 아래에 일정한 두께로 투입하여 상온에서 압축하였다. 압축된 일체형 성형품을 150℃로 유지된 오븐에 넣고 경화시키면서, 냉각유로에 채워진 왁스를 가압하여 냉각유로 밖으로 배출시켜 일체형 연료전지 분리판을 제조하였다.
비교예 1.
흑연복합물은 인조흑연을 80% 이상으로 구성하고, 수지를 20% 이하로 균일하게 혼합하여 제조한다. 제조된 흑연복합물을 연료유로 금형과 냉각유로 금형 사이에 일정한 두께로 투입한 다음 150℃ 이상의 온도에서 압축성형하여 연료유로-냉각유로 분리판을 제조한다. 그리고 흑연복합물을 공기유로 금형과 냉각유로 금형 사이에 일정한 두께로 투입한 다음 150℃ 이상의 온도에서 압축성형하여 공기유로-냉각유로 분리판을 제조한다. 밀폐특성을 확인하기 위해 연료유로-냉각유로와 공기유로-냉각유로 사이에 가스켓을 삽입하여 하나의 전극으로 구성하였다.
실시예 1 내지 3을 통해 형성된 일체형 연료전지 분리판과 비교예 1을 통해 형성된 연료전지 분리판의 밀폐특성을 표 1에 나타내었다.
Figure 112008077954509-pat00001
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 종래의 연료전지 분리판을 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 일체형 연료전지 분리판의 제조단계를 나타내는 순서도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 일체형 연료전지 분리판의 제조를 나타내는 모식도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 냉각유로 형상재 20 : 흑연복합체
30 : 압축성형기 30a : 공기유로금형
30b : 연료유로금형 100 : 일체형 연료전지 분리판
110 : 공기유로 120 : 냉각유로
130 : 연료유로

Claims (8)

  1. 냉각유로 형상재를 형성하는 단계;
    분리판의 재료가 되는 흑연복합체를 형성하는 단계;
    분리판을 성형하는 단계; 및
    분리판의 경화 및 냉각유로 형상재를 제거하는 단계를 포함하며;
    상기 분리판 경화 및 냉각유로 형상재를 제거하는 단계는 압축성형된 분리판을 150~200℃의 온도범위에서 경화시키면서 냉각유로에 채워진 냉각유로 형상재를 가압하여 배출시켜 제거하는 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각유로 형상재를 형성하는 단계의 냉각유로 형상재는 파라핀, 마이크로크리스탈린(microcrystalline), 카나우바(carnauba), PE, PP 왁스로 구성되는 군에서 선택되는 왁스를 성형하여 형성된 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 흑연복합체 형성단계의 흑연복합체는 팽창흑연과 열경화성 수지를 혼합하거나, 팽창흑연의 일부를 인조흑연으로 대체하여 열경화성 수지와 혼합하여 형성하되, 상기 열경화성 수지는 페놀 또는 에폭시 수지인 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 분리판을 성형하는 단계는 흑연복합체의 사이에 냉각유로 형상재를 적층하여 0~100℃의 온도범위에서 압축성형하는 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 냉각유로 형상재 제거단계에서 배출된 왁스를 상기 냉각유로 형상재 형성단계로 이동되어 사용되도록 하는 재활용단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 일체형 연료전지 분리판의 제조방법.
  7. 청구항 1 내지 청구항 4 및 청구항 6 중 어느 하나의 항의 제조방법을 이용하여 제작된 일체형 연료전지 분리판.
  8. 청구항 7의 연료전지 분리판을 구비하는 연료전지 스택.
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