KR101151012B1

KR101151012B1 - 연료전지 분리판 성형용 소재, 그의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지

Info

Publication number: KR101151012B1
Application number: KR1020100061350A
Authority: KR
Inventors: 이호섭; 김정헌; 임남익; 이광용
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2010-06-28
Filing date: 2010-06-28
Publication date: 2012-05-30
Also published as: CN102299355A; CN102299355B; KR20120000863A

Abstract

본 발명은 열가소성 수지인 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(EPE), 발포 폴리스티렌(EPS) 등을 결합제로 하여 기존과 동등 혹은 그 이상의 전기전도도, 기계적 강도를 가지되 스트레인을 증가시키고, 분리판의 경량화가 가능한 연료전지 분리판 성형용 소재를 제공하는데 그 목적이 있다.

Description

연료전지 분리판 성형용 소재, 그의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지{Material for molding a fuel cell separator, process for preparing the same, a fual cell separator and a fuel cell}

본 발명은 연료전지 분리판 성형용 소재, 그의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지에 관한 것이다.

연료전지는 본체인 스택과 천연가스, 메탄올 등의 원료에서 수소를 개질하는 개질기, 발전된 직류 전기를 교류로 변환하는 직.교류 변환기 등으로 구성되어 있다. 이 중 스택은 수 내지 수십장의 수소 분리판과 공기극 분리판으로 이루어져 있다. 분리판은 스택을 지지하는 지지체이면서 전도성을 가지고 있어야 하기 때문에 기계적 강도와 전기 전도도가 우수해야 한다.

또한 스택 및 시스템의 경량화를 위해서 기계적 강도와 전기전도도 등의 물성은 유지되면서 분리판의 무게나 두께는 감소되어야 하는 필요성이 절실히 제기되고 있다.

현재 연료전지용 분리판 소재로는 금속, 흑연괴, 탄소복합체 등이 사용되고 있다. 하지만 탄소복합체를 제외한 소재의 경우 부식성, 약한 기계적 강도, 중량화 등의 이유로 적용성이 떨어진다. 이에 반해 탄소복합체의 경우 이러한 문제점을 모두 보완할 수 있는 장점을 가지고 있어 각광을 받고 있다.

또한 탄소복합체를 사용할 경우 복잡한 유로 형상을 몰딩할 수 있어 제조비용을 줄여 대량생산을 할 수 있다는 점에서도 큰 이점을 가지고 있다.

탄소복합체에서 사용되는 결합제로는 비닐에스터계, 페놀계, 에폭시계의 열경화성수지와 폴리프로필렌(PP), 불소계고분자(PVDF), 액정고분자(LCP), 폴리페닐렌설파이드(PPS) 등의 열가소성 수지를 사용하고 있다. 그러나, 열경화성 수지를 이용할 경우 수지의 특성상 분리판의 경량화가 어렵다. 반면에 열가소성 수지의 경우 경량화가 쉬울뿐 아니라 사출성형을 통한 대량생산도 용이하여 분리판의 가격저감을 통한 연료전지 상용화에도 큰 도음이 될 것으로 판단된다.

또한, 본 발명은 상기 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 연료전지 분리판 성형용 소재로부터 제조된 연료전지 분리판과 연료전지를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재는 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(Expanded polyethylene: EPE), 발포 폴리스티렌(Expanded polystylene: EPS) 중에서 적어도 하나를 선택하여서 된 결합제, 천연 판상흑연, 팽창흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연 중에서 적어도 둘 이상을 선택하여서 된 흑연복합체, 그리고 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 되는 도전성 충전제를 혼합 및 용융 혼련에 의해서 배합된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법은 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(Expanded polyethylene: EPE), 발포 폴리스티렌(Expanded polystylene: EPS) 중에서 적어도 하나를 선택하여서 된 결합제, 천연 판상흑연, 팽창흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연 중에서 적어도 둘 이상을 선택하여서 된 흑연복합체, 그리고 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 되는 도전성 충전제를 인터널 믹서 또는, 일축(single), 이축(twin), 12축(ring) 압출기에서 혼합 및 용융 혼련하여 파우더 혹은 펠렛 상태로 제조하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 상기에 언급한 방법에 따라 제조된 연료전지 분리판 성형용 소재를 사용하여 성형한 연료전지 분리판과 이러한 분리판을 적용한 연료전지인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재는 열가소성 수지인 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(EPE) 및 발포 폴르스티렌(EPS) 등을 결합제로 하여 기존과 동등 혹은 그 이상의 전기전도도, 기계적 강도를 가지되 스트레인을 증가시키고, 분리판의 경량화가 가능한 효과가 있다.

도 1 내지 4는 본 발명에 따른 실시예과 비교예 1에서 제조한 연료전지 분리판에 대한 전기전도도와 굴곡강도, 스트레인 밀도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재에서 결합제로는 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(EPE), 발포 폴리스티렌(EPS) 중에서 어느 하나를 선택하여 사용하며, 이들은 연료전지 분리판으로 적용하는데 있어 내화학성, 내열성, 기계적 강도 등의 물성이 뛰어나고, 충전제와의 혼련성 및 분산성이 뛰어나다. 이들의 팽창도(발포도)는 일반 상용 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리스티렌(PS)의 1.1 내지 45배까지 발포된 것을 사용하는 것이 바람직하며, 첨가되는 조성비는 결합제, 흑연복합체 및 충전제 전체 혼합물에서 5 내지 45중량%로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 결합제로는 발포 폴리프로필렌을 선택하여 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재에서 흑연복합체로는 입자크기가 0.005 내지 0.25mm 크기를 갖는 천연 판상흑연, 팽창흑연, 인조 판상흑연, 인조 구형흑연 중에서 적어도 둘 이상을 선택하여 사용할 수 있으며, 그 조성비는 결합제, 흑연복합체 및 충전제의 전체 혼합물에서 1 내 80중량%로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 연료전지 분리판 성형용 소재에서 도전성 충전제는 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 사용할 수 있으며, 그 조성비는 결합제, 흑연복합체 및 충전제의 전체 혼합물에서 0.01 내지 15중량%로 하는 것이 바람직하다. 이들 도전성 충전제의 표면적은 200 내지 1300㎡/g인 것을 선택하여 사용하는 것이 분리판의 전도성을 증가시키는데 적합하고, 이중에서 가장 바람직하기로는 카본블랙이다.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법은, 상기 결합재, 흑연복합체 및 충전제를 공급부가 서로 다른 각각의 피더(feeder)를 통해서 인터널 믹서(internal mixer) 혹은, 일축, 이축 또는 12축의 압출기에 투입한 후 상기 소재를 혼합한다.

이때, 결합제의 내, 외부 기공으로 흑연복합체와 충전제가 끼워들어가기 쉽게 하기 위해서 일반적으로 0.005 내지 0.5mm인 기공의 크기보다 작은 크기의 흑연복합체와 충전제를 먼저 공급하고, 이후에 기공의 크기보다 큰 크기의 흑연복합체를 혼합하는 방식으로 진행한다.

여기서, 팽창된 결합제들이 다시 수축되어 기공이 사라지지 않도록 인터널 믹서 또는 압출기의 구간별로 온도를 조절하는 것이 매우 중요하다.

예컨대, 인터널 믹서를 사용하는 경우 베치(batch)형태로 소재가 제조되므로 스크류 및 배럴의 전체 온도를 사용하는 결합제의 용융 온도 보다 10℃ 이하에서 혼합을 진행하기 시작하여 천천히 결합제 용융온도 이상으로 온도를 올려가며 제조를 하는 것이 바람직하다.

만일 압출기를 사용할 경우에는, 결합제가 공급되는 구간부터 흑연복합체와 충전제가 공급되는 구간까지의 온도는 인터널 믹서를 사용할 때와 동등하게 결합제의 용융 온도 보다 10℃ 이하를 유지하고 이후부터 흑연복합체가 공급되는 구간까지는 용융 온도 이상에서 각 구간별로, 예를 들면 2 내지 5구간별로 5 내지 100℃까지 증가시켜 제조하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 방법으로 제조된 소재 혼합물을 파우더 혹은 펠렛 형태로 프레스 성형 또는 사출 성형하여 분리판을 제조할 수 있다.

이하 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 1

발포 폴리프로필렌(EPP) 19중량%, 판상흑연 58.5중량%, 팽창흑연 19.5중량%, 전도성 카본블랙 3중량%를 성형기를 사용하여 혼련하여서 압축 프레스를 이용하여 연료전지 분리판 성형용 소재를 100 X 100 X 2 mm의 크기로 제조하였다.

여기서, 발포 폴리폴리프로필렌으로는 3배로 팽창된 것을 사용하였으며(팽창전을 1로 봄), 판상흑연과 팽창흑연은 평균입도가 70㎛가 되는 것을 사용하였다. 그리고 전도성 카본블랙은 800㎥인 것을 사용하였다.

비교예 1

상기 실시예 1에서 결합제로서 일반 폴르프로필렌을 사용하는 것 외에는 상기 실시예 1과 동일하게 실시하여 연료전지 분리판 성형용 소재를 제조하되 하였다.

상기 실시예 1과 비교예 1로부터 성형된 분리판의 전기전도도(ASTM F84)와 굴곡강도(ASTM D790), 스트레인(ASTM D790), 밀도를 측정하였으며, 그 결과 도 1 ~ 4와 같이 발포 폴리프로필렌을 사용한 경우 전기전도도와 굴곡강도는 동등 이상이며, 밀도가 감소(경량화)하는 것으로 나타났다. 또한 동일한 굴곡강도에서 발포 폴리프로필렌을 사용한 경우 스트레인이 증가하는 것으로 보아 분리판 두께 감소에도 가능성이 큰 것으로 나타났다.

Claims

연료전지 분리판 성형용 소재에 있어서, 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(Expanded polyethylene: EPE), 발포 폴리스티렌(Expanded polystylene: EPS) 중에서 적어도 하나를 선택하여서 된 결합제, 천연 판상흑연, 팽창흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연 중에서 적어도 둘 이상을 선택하여서 된 흑연복합체, 그리고 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 되는 도전성 충전제를 혼합 및 용융 혼련에 의해서 배합된 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재.
제1항에 있어서, 상기 결합제는 팽창도가 일반 상용 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴르스티렌에 비해 1.1 내지 45배까지 발포된 것이며, 그 조성비는 결합체, 흑연복합체 및 충전제 전체 혼합물을 기준으로 해서 5 내지 45중량%로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재.
제1항에 있어서, 상기 흑연 복합체는 입자크기가 0.005 내지 0.25 mm의 크기를 가지며, 그 조성비는 결합체, 흑연복합체, 충전제 전체 혼합물에서 1 내지 80중량%로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재.
제1항에 있어서, 상기 도전성 충전제는 그 조성비를 결합체, 흑연복합체, 충전제 전체 혼합물에서 0.01 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재.
연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법에 있어서, 발포 폴리프로필렌(EPP), 발포 폴리에틸렌(Expanded polyethylene: EPE), 발포 폴리스티렌(Expanded polystylene: EPS) 중에서 적어도 하나를 선택하여서 된 결합제, 천연 판상흑연, 팽창흑연, 인조판상흑연, 인조구형흑연 중에서 적어도 둘 이상을 선택하여서 된 흑연복합체, 그리고 카본블랙, 카본파이버, 카본나노튜브 중에서 적어도 하나 이상을 선택하여서 되는 도전성 충전제를 인터널 믹서 또는 압출기에서 혼합 및 용융 혼련하여 파우더 혹은 펠렛 상태로 제조하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 소재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 결합제는 팽창도가 일반 상용 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴르스티렌에 비해 1.1 내지 45배까지 발포된 것이며, 그 조성비는 결합체, 흑연복합체 및 충전제 전체 혼합물을 기준으로 해서 5 내지 45중량%로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 흑연 복합체는 입자크기가 0.005 내지 0.25 mm의 크기를 가지며, 그 조성비는 결합체, 흑연복합체, 충전제 전체 혼합물에서 1 내지 80중량%로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 도전성 충전제는 그 조성비를 결합체, 흑연복합체, 충전제 전체 혼합물에서 0.01 내지 15중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법.
제5항에 있어서, 상기 결합제, 흑연복합체 및 충전제는 공급부가 서로 다른 각각의 피더를 통해서 상기 인터널 믹서 또는 압출기에 투입하되 결합제에 대해 0.005 내지 0.5mm의 기공의 크기보다 작은 크기의 흑연복합체와 충전제를 먼저 공급하고 그 이후에 기공의 크기보다 큰 크기의 다른 흑연복합체를 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법.
제5항 또는 제9항에 있어서, 상기 인터널 믹서를 사용할 경우에는, 상기 결합제가 공급되는 구간부터 흑연복합체와 충전제가 공급되는 구간까지의 온도는 결합제의 용융 온도 보다 10℃ 이하를 유지하고 혼합을 진행하면서 천천히 용융온도 이상으로 온도를 상승시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재의 제조방법.
제5항 또는 제9항에 있어서, 상기 압출기를 사용할 경우에는, 상기 결합제가 공급되는 구간부터 흑연복합체와 충전제가 공급되는 구간까지의 온도는 결합제의 용융 온도 보다 10℃ 이하를 유지하고 이후부터 흑연복합체가 공급되는 구간까지는 용융온도 이상에서 각 구간 별로 5 내지 100℃까지 증가시키는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 성형용 소재.
제5항에 따라 제조된 연료전지 분리판 성형용 소재를 사용하여서 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
제12항에 따라 제조된 연료전지 분리판을 채용하여서 되는 것을 특징으로 하는 되는 연료전지.