KR101298195B1 - 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것으로, 상기 분리판은 복수의 통전부, 및 상기 통전부 사이에 개재되는 절연부를 포함하며, 상기 통전부는 탄소계 미립자가 분산된 제1폴리머 매트릭스를 포함하고, 상기 절연부는 절연성 무기 미립자가 분산된 제2폴리머 매트릭스를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 낮은 가스투과도 및 우수한 전기절연성을 갖는 절연부와, 우수한 강도 특성과 전도성을 갖는 통전부를 포함함으로써 연료전지에 적용시 하나의 셀에서 발생하는 전압을 증가시켜 동일한 면적 대비 발생되는 출력을 현저하게 증가시킬 수 있다.

Description

연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND FUEL CELL COMPRISING SAME}
본 발명은 연료전지의 출력특성을 증가시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료전지에 관한 것이다.
에너지 자원의 고갈에 따른 대체에너지에 대한 중요성이 부각됨에 따라 연료전지는 신재생 에너지의 한 분야로 주목 받고 있다. 특히 연료전지는 고효율 및 환경친화적이라는 장점으로 인해 집중 연구되고 있다.
연료전지 시스템의 주요부품인 스택은 적층된 단위 셀들의 집합으로, 하나의 셀은 막 전극 접합체(membrane electrode assembly: MEA)와 분리판(bipolar plate 또는 separator)으로 구성되어 있다.
분리판은 스택 제조시 가장 많은 수량이 사용되고 있으며, 분리판의 형태에 따라 스택의 구조가 결정된다. 분리판은 양극에 수소와 산소를 공급하고, 공급된 가스의 혼합을 방지하며, 전극 반응시 생성된 전자를 이동시키고 양극에서 생성된 물을 밖으로 배출하는 등의 다양한 기능을 수행한다. 이에 따라 분리판은 전자의 이동이 용이하도록 우수한 전도성이 요구되는 동시에 양극에서 생성된 물이 원활하게 배출될 수 있는 표면 특성을 가져야 한다. 또한 양극에 공급되는 가스의 혼합을 방지하기 위해서는 기체투과율 역시 중요하며, 그 외 연료전지의 작동환경 및 운전 조건에 따른 내식성 및 강도 등의 특성 또한 요구된다.
현재 개발 및 상용되고 있는 연료전지 분리판의 소재로는 흑연, 흑연과 수지의 복합재, 또는 스테인리스 스틸이나 알루미늄 등의 금속이 주로 사용되고 있다.
이러한 분리판을 이용하여 제조된 하나의 셀에서 전극반응에 의해 발생하는 전압은 분리판의 재질이나 면적과 상관없이 일정한 반면, 전류는 촉매와 반응하는 면적에 비례하므로 연료전지의 출력은 분리판의 면적에 따라 결정된다고 할 수 있다. 따라서 출력을 높이기 위해서는 연료전지 분리판의 대면적화 역시 필수불가결한 부분이라 할 수 있다. 그러나 대면적화에 따른 성형 및 가공의 어려움, 제조 장비의 대면적화로 인한 비용 증가의 문제점이 있다.
한국특허등록 제0615105호 (2006.08.16 등록) 한국특허등록 제0834607호 (2008.05.27 등록)
본 발명의 목적은 연료전지의 출력특성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 분리판 및 그 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 분리판을 포함하는 연료전지를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예에 따르면 복수의 통전부; 및 상기 통전부들 사이에 개재되는 절연부를 포함하며, 상기 통전부는 탄소계 미립자가 분산된 제1폴리머 매트릭스를 포함하고, 상기 절연부는 절연성 무기 미립자가 분산된 제2폴리머 매트릭스를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
상기 절연성 무기 미립자는 알루미늄옥사이드, 마그네슘옥사이드, 칼슘옥사이드, 이산화티탄, 티탄산바륨, 실리카, 마이카, 탈크, 카올린, 유리분말, 칼슘카보네이트, 석영 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 절연성 무기 미립자는 1 내지 100㎛의 평균입자직경을 갖는 것일 수 있다.
상기 절연성 무기 미립자는 제2폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함될 수 있다.
상기 탄소계 미립자는 탄소 분말, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.
상기 탄소계 미립자는 1 내지 200㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것일 수 있다.
상기 탄소계 미립자는 제1폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함될 수 있다.
상기 제1 및 제2 폴리머 매트릭스는 열경화성 수지를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 폴리머 매트릭스는 에폭시 수지, 멜라민수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 규소 수지, 페놀 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 열가소성 수지를 포함할 수 있다.
상기 분리판은 상기 통전부와 절연부를 36:1 내지 7:3의 중량비로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 구현예에 따르면 열경화성 수지, 절연성 무기 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 절연부 형성용 조성물, 및 열경화성 수지, 탄소계 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 통전부 형성용 조성물을 각각 제조하는 단계; 그리고 상기 절연부 형성용 조성물 및 통전부 형성용 조성물을 동시에 압축 성형하는 단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 열경화성 수지 및 경화제는 고상의 입자일 수 있다.
상기 절연부 형성용 조성물의 제조단계는, 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제을 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 분쇄한 후 절연성 무기 미립자와 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 절연성 무기 미립자는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함될 수 있다.
상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 경화제는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 30 내지 70중량부로 포함될 수 있다.
상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 경화촉진제는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 8중량부로 포함될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면 상기 분리판을 포함하는 연료전지를 제공한다.
기타 본 발명의 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 낮은 가스투과도 및 우수한 전기절연성을 갖는 절연부와, 우수한 강도 특성과 전도성을 갖는 통전부를 포함함으로써, 연료전지에 적용시 하나의 셀에서 발생하는 전압을 증가시킬 수 있으며, 그 결과로 동일한 면적 대비 발생되는 출력을 현저하게 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판의 구조도이다.
도 4는 실시예 1에서 제조된 연료전지용 분리판의 표면의 일부를 촬영한 사진이다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 연료전지용 분리판의 전기전도도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1 내지 3에서 제조된 연료전지용 분리판의 굴곡강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명은 연료전지용 분리판의 일부분을 절연소재와 수지의 복합재를 사용하여 성형, 제조함으로써, 하나의 셀에서 발생하는 전압을 증가시켜 동일한 면적 대비 발생하는 연료전지의 출력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판은 복수의 통전부, 및 상기 통전부들 사이에 개재되는 절연부를 포함하며, 상기 통전부는 탄소계 미립자가 분산된 제1폴리머 매트릭스를 포함하고, 상기 절연부는 절연성 무기 미립자가 분산된 제2폴리머 매트릭스를 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판의 구조도이다. 도 1은 본 발명을 설명하기 위한 일 예일 뿐, 본 발명이 상기 도 1에 한정되는 것은 아니다.
이하 도 1을 참조하여 설명하면, 상기 연료전지용 분리판(10)은 복수의 통전부(11), 및 상기 통전부들 사이에 개재되는 절연부(12)를 포함한다.
상기 절연부(12)는 열경화성 수지의 가교 결합에 의해 형성된 제2폴리머 매트릭스(12b)와 상기 제2폴리머 매트릭스(12b)에 분산되어 존재하는 절연성 무기 미립자(12a)를 포함한다.
상기 제2폴리머 매트릭스를 형성하는 제2폴리머는 폴리머 매트릭스를 형성하는 동시에 바인더의 역할한다. 상기 제2폴리머로는 열경화성 수지를 사용할 수 있으며, 구체적으로는 에폭시 수지, 멜라민수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 규소 수지, 페놀 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
상기 절연성 무기 미립자(12a)로는 절연성, 내식성, 낮은 기체 투과도와 성형성, 강도 및 주변부와의 접착성 등의 물성을 고려하여 선택, 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용가능한 절연성 무기 미립자(12a)로는 알루미늄옥사이드(Al2O3), 마그네슘옥사이드, 칼슘옥사이드, 이산화티탄, 티탄산바륨 등의 금속산화물; 실리카(silica), 마이카(mica), 탈크(talc), 카올린(kaolin), 유리분말(glass powder), 칼슘카보네이트(CaCO3), 석영(quartz) 등의 무기 입자; 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 절연성 무기 미립자(12a)의 입자 크기는 용도 및 특성에 따라 적절히 조절할 수 있는데, 구체적으로는 1 내지 100㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는 25 내지 75㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것이 좋다.
상기 절연성 무기 미립자(12a)는 제2폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 절연성 무기 미립자의 함량이 10중량부 미만이면 성형이 용이하지 못하여 바람직하지 않고, 1000중량부를 초과하면 기체투과성이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 100 내지 500중량부로 포함되는 것이 좋다.
상기 통전부(11)는 열경화성 수지의 가교 결합에 의해 형성된 제1폴리머 매트릭스(11b), 및 상기 제1폴리머 매트릭스(11b)에 분산되어 존재하는 탄소계 미립자(11a)를 포함한다. 또한, 상기 통전부(11)와 막-전극 어셈블리와 접하는 면에는 유로 채널(미도시)이 형성되어 있다.
상기 제1폴리머 매트릭스(11b)를 구성하는 제1폴리머로는 열경화성 수지를 사용할 수 있으며, 상기 열경화성 수지는 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 탄소계 미립자(11a)로는 탄소 분말, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 수퍼 P, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼(carbon nano-horn), 카본 나노 링(carbon nano ring) 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 사용할 수 있다.
또한 상기 탄소계 미립자(11a)는 1 내지 200㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것이 바람직하다. 탄소계 미립자의 입자 크기가 200㎛를 초과하면 성형 및 밀폐에 불리하다. 보다 바람직하게는 1 내지 100㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것이 좋다.
또한, 상기 탄소계 미립자(11a)는 제1폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 탄소계 미립자의 함량이 10중량부 미만이면 성형이 용이하지 못하여 바람직하지 않고, 1000중량부를 초과하면 기체투과성이 떨어질 수 있으므로 바람직하지 않다. 보다 바람직하게는 100 내지 500중량부로 포함되는 것이 좋다.
도 1에서는 4개의 통전부(11)에 사이에 절연부(12)가 십자가 형상으로 개재되어 있는 분리판이 개시되어 있으나, 통전부(11)의 수 및 절연부(12)의 형태는 특별히 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 본 발명에 따른 분리판은 연료전지의 규모 등을 고려하여 둘 이상의 통전부를 포함할 수 있다. 또한 상기 절연부는 상기 통전부 사이에 필름 형태로 개재될 수도 있고, 십자가 형태, 우물 정(#)자 형태 등의 다양한 채널 형상을 가질 수도 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지용 분리판의 모식도이다. 본 발명에 따른 연료전지용 분리판(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 3개의 통전부(21) 사이에 두개의 필름 형상의 절연부(22)가 개재되어 있는 구조를 가질 수도 있고, 도 3에 도시된 바와 같이 9개의 통전부(31) 사이에 절연부(32)가 우물 정자 형태로 개재되어 있는 구조를 가질 수도 있다.
본 발명에 따른 분리판은 통전부의 범위가 넓을수록 촉매와 반응하는 면적이 증가하여 연료전지의 출력을 높일 수 있는 반면, 통전부의 범위가 지나치게 넓고 절연부의 면적이 지나치게 작은 경우 성형의 어려움으로 인해 절연효과가 나타나지 않을 수도 있다. 따라서 상기 통전부와 절연부를 36:1 내지 7:3의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 함량비 범위를 벗어나 통전부에 대한 절연부의 함량이 지나치게 높으면 통전 면적이 감소하여 바람직하지 않고, 통전부에 대한 절연부의 함량이 지나치게 낮으면 절연부 포함에 따른 효과가 나타나지 않을 수 있다.
상기와 같은 구조를 갖는 연료전지용 분리판은, 열경화성 수지, 절연성 무기 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 절연부 형성용 조성물과, 열경화성 수지, 탄소계 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 통전부 형성용 조성물을 제조하는 단계; 그리고 상기 절연부 형성용 조성물 및 통전부 형성용 조성물을 동시에 압축 성형하는 단계를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법에 의해 제조될 수 있다.
이하 각 단계별로 설명하면, 먼저, 열경화성 수지, 절연성 무기 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 절연부 형성용 조성물 및 열경화성 수지, 탄소계 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 통전부 형성용 조성물을 각각 제조한다.
상기 절연성 형성용 조성물은 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제의 혼합물을 절연성 무기 미립자와 혼합하여 제조한다.
상기 혼합 공정은 건식 혼합 또는 습식(액상) 혼합 등의 통상의 방법으로 실시될 수 있으며, 공정의 용이성 면에서 건식 혼합 공정으로 실시하는 것이 바람직하다. 이에 따라 상기 열경화성 수지 및 경화제로는 고상의 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한 상기 절연성 무기 미립자와의 혼합에 앞서 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제의 혼합물에 대해 분쇄공정을 선택적으로 더 실시할 수 있다.
상기 분쇄공정을 통해 열경화성 수지 및 경화제의 입자 크기를 절연성 무기 미립자의 입자크기와 동등 수준의 크기가 되도록 조절함으로써 보다 균질한 혼합이 가능하고 또한 성형 시의 빠른 경화 반응을 유도할 수 있다.
상기 절연부 형성용 조성물의 제조시 사용되는 열경화성 수지 및 절연성 무기 미립자의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 동일하다.
상기 경화제로는 통상 열경화성 수지의 경화를 위해 사용되는 것이라면 특별한 제한없이 사용할 수 있으며, 구체적으로는 아민계 화합물, 디아민계 화합물, 폴리아민계 화합물, 폴리아미드계 화합물 또는 페놀 수지 등을 사용할 수 있다.
상기 경화제는 절연부 형성용 열경화성 수지 100중량부에 대하여 30 내지 70중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 경화제의 함량이 30중량부 미만이면 미반응 열경화성 수지가 생길 수 있으므로 바람직하지 않고, 70중량부를 초과하면 경화제 일부가 미반응 할 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 경화촉진제는 수지의 경화시간을 단축시키는 역할을 하는 것으로, 구체적으로 트리페닐포스핀(triphenylphosphine: TPP) 디아미노디페닐술폰(diaminodiphenylsulfone: DDS), 제3차아민, 이미다졸계 등의 염기성 화합물을 사용할 수 있다.
상기 경화촉진제는 절연부 형성용 열경화성 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 8중량부로 포함되는 것이 바람직하다. 경화촉진제의 함량이 0.5중량부 미만이면 가사시간이 길어져 작업에는 용이하나 경화속도가 느리므로 성형시간이 길어져 바람직하지 않고, 8중량부를 초과하면 가사시간이 짧아 경화속도가 빨라져 성형이 어려워지므로 바람직하지 않다.
상기 절연부 형성용 조성물과 별도로 열경화성 수지, 탄소계 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 혼합하여 통전부 형성용 조성물을 제조한다.
상기 혼합 공정은 앞서 절연부 형성용 조성물 제조시와 동일하게 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제의 혼합 후, 탄소계 미립자와 혼합하는 방법으로 실시할 수 있다. 상기 혼합 공정은 건식 또는 습식(액상) 혼합 방법으로 실시할 수 있으며, 습식 혼합을 하는 경우 용제로는 아세톤 등의 유기 용매를 사용할 수 있다.
또한, 탄소계 미립자와의 혼합에 앞서 열경화성 수지 및 경화제가 탄소계 미립자와 유사한 입자크기를 갖도록 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제의 혼합물에 대한 분쇄 공정을 선택적으로 더 실시할 수 있다.
상기 열경화성 수지 및 탄소계 미립자의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 동일하며, 상기 경화제 및 경화촉진제의 구체적인 종류 및 함량은 절연부 형성용 조성물의 제조에서 설명한 바와 동일하다.
상기 절연부 형성용 조성물 및 통전부 형성용 조성물은 연료전지용 분리판의 성능 향상 및 제조 공정시의 용이함 등 그 목적에 따라 첨가제를 더 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제조된 절연부 형성용 조성물 및 통전부 형성용 조성물을 동시에 압축 성형기에 넣고 압축 성형하여 연료전지용 분리판을 제조한다.
상기 압축 성형 공정은 통상의 방법에 따라 실시할 수 있으며, 바람직하게는 130 내지 170℃의 온도에서 10 내지 200 kg/cm2의 압력을 가하여 실시할 수 있다.
압축성형시 온도 및 압력이 상기 범위를 벗어날 경우 성형 및 경화에 바람직하지 않다.
또한 상기 압축 성형 공정에 의해 연료전지용 분리판에 유로채널이 동시에 형성된다.
상기와 같은 제조방법에 의해 제조된 연료전지용 분리판은 낮은 가스투과도 및 우수한 전기절연성을 갖는 절연부와, 우수한 강도 특성과 전도성을 갖는 통전부를 포함함으로써, 연료전지에 적용시 하나의 셀에서 발생하는 전압을 증가시켜 동일한 면적 대비 발생되는 출력을 현저하게 증가시킬 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 또 다른 일 구현예에 따르면 상기 분리판을 포함하는 연료전지를 제공한다.
상세하게는, 상기 연료전지는 연료와 산화제의 전기화학적 반응을 통하여 전기를 생성시키는 스택, 연료를 상기 전기 발생부로 공급하는 연료 공급부, 및 산화제를 상기 전기 발생부로 공급하는 산화제 공급부를 포함하고, 상기 스택은 서로 대향하여 위치하는 애노드 전극과 캐소드 전극, 및 상기 애노드 전극과 캐소드 전극 사이에 위치한 고분자 전해질막을 포함하는 막-전극 어셈블리; 그리고 상기 막-전극 어셈블리의 양면에 위치하는 세퍼레이터를 포함하는 단위 셀을 적어도 하나 이상 포함한다.
상기 연료전지의 각 구성부는 통상의 연료전지의 구성에 의하므로 그 구체적인 기재는 생략한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
제조예 : 연료전지용 분리판의 제조
( 실시예 1)
열경화성 수지로서 에폭시 수지의 고상 입자 100중량부에 대하여, 경화제로서 페놀 수지 60중량부 및 경화촉진제로서 TPP 3중량부를 혼합기에서 건식 혼합한 후 분쇄기를 이용하여 50㎛ 이상의 입자크기를 갖도록 분쇄하였다. 결과로 수득된 혼합 분쇄물을 절연성 무기 미립자로서 평균입자크기 50㎛의 Al2O3 400 중량부와 건식 혼합하여 절연부 형성용 조성물을 제조하였다.
상기와 별도로 열경화성 수지로서 에폭시 수지의 고상 입자 100중량부에 대하여 경화제로서 페놀 수지 60중량부 및 경화촉진제로서 TPP 3중량부를 용제로서 아세톤 200중량부를 이용하여 교반기에서 교반한 후, 탄소계 미립자로서 입자크기 20 내지 100㎛의 흑연 500중량부와 니더를 이용하여 혼합 및 건조하여 통전부 형성용 조성물을 제조하였다.
상기에서 제조된 절연부 형성용 조성물 25중량부 및 통전부 형성용 조성물 75중량부를 성형기에 동시 투입한 후 150℃의 온도에서 압축성형하여 2개의 통전부 사이에 절연부가 필름 형태로 개재된 두께 0.5 내지 3mm의 연료전지용 분리판을 제조하였다.
( 실시예 2 및 3)
상기 실시예 1에서 절연성 무기 미립자로서 Al2O3 대신에 실리카 샌드 및 유리 분말을 각각 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1에서와 동일한 방법으로 실시하여 연료전지용 분리판을 제조하였다.
( 비교예 1)
열경화성 수지로서 에폭시 수지의 고상 입자 100중량부에 대하여 경화제로서 페놀 수지 60중량부 및 경화촉진제로서 TPP 3중량부를 용제로서 아세톤 200중량부를 이용하여 교반기에서 교반한 후, 탄소계 미립자로서 평균입자크기 20 내지 100㎛의 흑연 500중량부와 니더를 이용하여 혼합 및 건조한 후 150℃의 온도에서 압축 성형하여 두께 0.5 내지 3mm의 연료전지용 분리판을 제조하였다.
시험예 1: 연료전지용 분리판의 물성 평가
상기 실시예 1에서 제조된 연료전지용 분리판의 표면을 관찰하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 바와 같이, 절연성 무기 미립자를 포함하는 절연부가 도전성 탄소재료를 포함하는 통전부 사이에 필름 형태로 형성되어 있음을 확인할 수 있었다.
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 연료전지용 분리판에 대해 전기전도도 및 굴곡강도를 측정하였다.
전기전도도의 경우 4 포인트 프로브(4 point probe)에 의해 측정된 저항값들을 이용하여 평균 전기전도도를 평가했으며, 굴곡강도는 ASTM D790에 의해 측정하였다. 그 결과를 도 5 및 도 6에 각각 나타내었다.
도 5는 실시예 1에서 제조된 연료전지용 분리판의 전기전도도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이고, 도 6은 실시예 1 내지 3에서 제조된 연료전지용 분리판의 굴곡강도를 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
실험결과, 도 5에 나타난 바와 같이 실시예 1에서 제조된 연료전지용 분리판의 전기 전도도 측정 결과, 분리판 가운데 부분의 절연부에서는 전기가 흐르지 않음을 확인하였으며, 절연부를 제외한 통전부에서의 전기 전도도는 비교예 1의 분리판과 동등 수준인 것으로 나타났다. 또한, 도 6에 나타난 바와 같이 절연성 무기 미립자의 종류를 달리하여 제조된 실시예 1 내지 3의 분리판은 비교예 1의 분리판에 비해 동등 수준 이상의 우수한 굴곡 강도를 나타내었다.
시험예 2: 연료전지 성능 평가
상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 분리판을 적층하여 스택을 제조하고, 제조된 스택에 대해 출력특성을 평가하였다.
상기의 스택에서는 GORE사의 막-전극 어셈블리를 사용하였으며, 막-전극 어셈블리의 양쪽에 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1에서 제조된 분리판을 각각 위치시킨 후 체결하여 스택을 제조하였다. 제조된 스택을 연료전지 성능시험장치(Hydrogenic사)에 장착하고, 60 내지 80℃의 조건하에서 수소를 음극쪽에, 공기를 양극쪽에 각각 공급하여 연료전지의 성능을 측정하였다.
그 결과, 실시예 1 내지 3의 분리판을 포함하는 스택은 비교예 1의 분리판을 포함하는 스택에 비해 평균 1.04배 증가된 출력특성을 나타내었다. 이 같은 실험 결과로부터 본 발명에 따른 실시예 1 내지 3의 분리판은 절연부를 포함하고 있음에도 불구하고, 연료전지 적용시 출력특성을 개선시킴을 확인할 수 있었다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
10, 20, 30 : 연료전지용 분리판
11, 21, 31 : 통전부
11a : 탄소계 미립자
11b : 제1폴리머 매트릭스
12, 22, 32 : 절연부
12a : 절연성 무기 미립자
12b : 제2폴리머 매트릭스

Claims (17)

  1. 복수의 통전부; 및
    상기 통전부 사이에 개재되는 절연부를 포함하며,
    상기 통전부는 탄소계 미립자가 분산된 제1폴리머 매트릭스를 포함하고,
    상기 절연부는 절연성 무기 미립자가 분산된 제2폴리머 매트릭스를 포함하는 것인 연료전지용 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 무기 미립자는 알루미늄옥사이드, 마그네슘옥사이드, 칼슘옥사이드, 이산화티탄, 티탄산바륨, 실리카, 마이카, 탈크, 카올린, 유리분말, 칼슘카보네이트, 석영 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 무기 미립자는 1 내지 100㎛의 평균입자직경을 갖는 것인 연료전지용 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 절연성 무기 미립자는 제2폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것인 연료전지용 분리판.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 미립자는 탄소 분말, 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 활성 탄소, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 미립자는 1 내지 200㎛의 평균 입자 직경을 갖는 것인 연료전지용 분리판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 미립자는 제1폴리머 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것인 연료전지용 분리판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 폴리머 매트릭스는 열경화성 수지를 포함하는 것인 연료전지용 분리판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 폴리머 매트릭스는 에폭시 수지, 멜라민수지, 우레아 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 알키드 수지, 규소 수지, 페놀 수지, 폴리우레탄 수지 및 폴리이미드 수지로 이루어진 군에서 선택되는 것인 연료전지용 분리판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 분리판은 상기 통전부와 절연부를 36:1 내지 7:3의 중량비로 포함하는 것인 연료전지용 분리판.
  11. 열경화성 수지, 절연성 무기 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 절연부 형성용 조성물, 및 열경화성 수지, 탄소계 미립자, 경화제 및 경화촉진제를 포함하는 통전부 형성용 조성물을 각각 제조하는 단계; 그리고
    상기 절연부 형성용 조성물 및 통전부 형성용 조성물을 동시에 압축 성형하는 단계
    를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 열경화성 수지 및 경화제는 고상의 입자인 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 절연부 형성용 조성물의 제조 단계는 열경화성 수지, 경화제 및 경화촉진제를 혼합하여 혼합물을 제조하는 단계 및 상기 혼합물을 분쇄한 후 절연성 무기 미립자와 혼합하는 단계를 포함하는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 절연성 무기 미립자는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 10 내지 1000중량부로 포함되는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 경화제는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 30 내지 70중량부로 포함되는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 절연부 형성용 조성물에 있어서, 상기 경화촉진제는 열경화성 수지 100중량부에 대하여 0.5 내지 8중량부로 포함되는 것인 연료전지용 분리판의 제조방법.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 분리판을 포함하는 연료전지.
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