KR101380401B1 - 연료전지용 복합분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 복합분리판에 관한 발명으로서 기계적 강도가 우수하고 전기전도도가 우수하며, 접촉저항과 기체투과성이 낮으며, 밀도가 낮아 제품의 경량화에 기여하는 연료전지용 복합분리판에 관한 발명이다.
또한 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판은 금속지지체 및 전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 금속지지체의 내부에 충진된 금속분말 페이스트를 포함하는 것에 관한 발명이다.

Description

연료전지용 복합분리판{Hybrid bipolar plate for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 복합분리판에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 기계적 강도, 전기전도도, 밀도, 기체투과율, 접촉저항 등이 향상된 연료전지용 복합분리판에 관한 것이다.

고분자전해질 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 작동온도가 낮고, 전류밀도 및 출력밀도가 높으며, 시동시간이 짧은 동시에 부화변화에 대한 응답특성이 빠르다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며, 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 다양한 분야에 적용이 가능하여, 현재 연료전지 자동차, 가정용 발전 및 휴대기기용 전원으로 집중적으로 연구개발이 진행되어 여러 가지 시제품이 발표되고 있으며, 일부는 시운전이 진행 중이다. 이러한 고분자 전해질 연료전지의 상용화는 현재 KW 당 수천불인 스택 가격을 어느 정도로 낮출 수 있는가에 달려있다고 할 수 있다. 현재 기술로 연료전지의 가격을 부품별로 분석하면 분리판이 전체 스택 가격의 50% 정도로 가장 높은 비중을 차지하고, 전해질이 18%, 촉매가 15%, 기체 확산층으로 사용되는 탄소재료가 6% 정도를 차지한다. 따라서 고분자전해질 연료전지 스택의 가격을 낮추기 위해서는 스택 비용의 50%를 차지하는 분리판의 가격을 낮추는 것이 반드시 필요하다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 분리판의 재질은 그라파이트로써, 전기전도성과 내부식성이 뛰어나고 밀도가 낮아 경량의 스택 제작이 가능하다. 그러나 그라파이트는 기공이 많아 가스 투과도가 높으므로 반응가스의 혼합을 막기 위해 레진의 함침과 함께 일정한 두께가 요구되며 결과적으로 스택의 부피가 커지게 된다. 또한 깨어지기 쉽고, 성형시 기계가공을 거쳐야 하므로 제조가격이 비싸며 대량생산이 어려운 단점이 있다. 하지만 이러한 그라파이트를 대체할 저가의 분리판 소재가 현재 부족하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은

그라파이트 분리판보다 저가의 연료전지용 복합분리판으로서 가공성, 기계적 강도, 전기전도성, 접촉저항 등이 우수하며, 밀도와 기체 투과율이 낮은 연료전지용 복합분리판을 제공하는 것이다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 연료전지용 복합분리판은 금속지지체와 전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 금속지지체의 내부에 충진된 금속분말 페이스트를 포함한다. 또한 상기 금속지지체는 상기 금속분말 페이스트가 충진된 관통홀이 포함된 것을 특징으로 한다. 또한 상기 관통홀에 충진된 상기 금속분말 페이스트는 두께가 0.45~0.55mm인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 관통홀은 복수개인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 금속분말은 은, 백금, 니켈 또는 구리로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 금속지지체는 알루미늄, 마그네슘 또는 스테인리스 스틸로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 충진된 금속분말 페이스트의 적어도 일면에 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층이 형성된 것을 특징으로 한다. 또한 상기 고분자수지는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 또는 폴리메틸 메타크릴레이트로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층은 그라파이트 55~65부피%와 고분자 수지 35~45부피%가 혼합되어 이루어진 것을 특징으로 한다. 또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층은 그 두께가 0.25~0.35mm인 것을 특징으로 한다. 또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층의 적어도 일면에 탄소시트(carbon sheet) 또는 탄소포일(carbon foil)로서 하나 이상의 층이 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 복합분리판은 분리판 소재로서 이용되기 위해 요구되는 조건인 저비용의 생산비 이외에도 가공성, 기계적 강도, 전기전도성, 접촉저항 등이 우수하며, 밀도와 기체 투과율이 낮은 것으로서 생산단가가 저렴하며 품질이 우수한 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판의 금속지지체의 상면을 도시한 그림이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 복합분리판의 단면을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판을 찍은 사진이다.
도 4는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 굽힘강도를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 전기전도성을 나타낸 그래프이다.
도 6은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 접촉저항을 나타낸 그래프이다.
도 7은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 기체투과성을 나타낸 그래프이다.
도 8은 실시예 1-1 내지 실시예 1-3 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 밀도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 그라파이트와 고분자수지의 양에 따라 실시예 2, 실시예 3 및 실시예 4의 상태를 찍은 사진이다.

이에 본 발명자들은 상기 종래기술들의 문제점을 해결하기 위해 예의 연구 노력한 결과, 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판을 제공할 수 있음을 확인하여 본 발명을 완성하였다.

일반적으로 연료전지용 분리판은 MEA (막-전극접합체)가 분리판 양쪽 (Anode, Cathode 접합면)에 위치하여 반응가스가 유로를 통해 이동한다. 그리고 외부 도선을 통해 전자가 이동하여 전기를 발생시킨다. 또한 연료전지용 복합분리판은 전극지지체의 양쪽에 위치하면서 전지에서 발생되는 전류를 이동시켜주는 역할을 함으로써 전기를 전도할 수 있는 특성이 좋아야 한다.

하기 도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판의 금속지지체(110)를 도시한 것이다. 상기 금속지지체(110)에는 관통홀(111)이 포함 될 수 있다. 상기 관통홀(111)은 그 개수에 특별한 제한이 있는 것은 아니나 하나 이상이 상기 금속지지체(110)에 포함될 수 있다.

하기 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판의 단면을 도시한 그림이다. 하기 도 2와 같은 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판은 상기 금속지지체(110)을 포함한다. 또한 상기 금속지지체(110)는 바람직하게는 알루미늄, 마그네슘, 스테인리스 스틸 및 이들 각각의 합금으로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 상기 금속지지체(110)로서 상기 알루미늄, 마그네슘, 스테인리스 스틸 및 이들 각각의 합금으로 이루어지는 군 중에서 어느 하나 이상을 선택하게 되면, 기계적 강도 및 전기전도도가 우수한 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능하며, 연료전지에서 사용되는 기체가 분리판의 외부로 유출되지 않게 낮은 기체투과율을 달성하게 된다. 또한 상기 금속지지체(110)로서 더욱 바람직하게는 알루미늄 또는 마그네슘을 선택하게 되면 밀도가 낮은 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능하게 되어, 연료전지용 분리판으로서 유리한 특성인 경량의 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능하게 된다.

상기 금속지지체(110)에는 금속지지체의 내부에 충진된 금속분말 페이스트(120)를 포함할 수 있다. 상기 금속분말은 상기 복합분리판의 전기전도성 및 열전도성을 향상시키는 물질이면 특별한 제한 없이 선택될 수 있으나, 바람직하게는 은, 백금, 니켈 또는 구리로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다. 또한 상기 금속분말의 크기는 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 10nm 내지 100㎛일 수 있다. 또한 상기 페이스트란 금속분말의 취급을 용이하게 하기 위해 풀모양으로 변형된 것을 말한다. 상기 금속분말을 페이스트로 하는 이유는 연료전지 내부에서 발생하는 열을 외부로 방출하기 위해서이다. 즉, 페이스트로 함으로써 우수한 열전도도를 달성하게 됨에 반하여, 페이스트 하지 않게 되면 열전도도가 현저하게 떨어지게 된다. 또한 상기 페이스트는 바람직하게는 금속분말 55 내지 65중량%와 도전성필러 35 내지 45중량%가 혼합되어 이루어질 수 있다. 상기 금속분말을 55중량% 미만으로 혼합하게 되면 충분한 전기전도도를 기대하기 어려우며, 또한 65중량%를 초과하게 되면 적절한 점도 및 우수한 열전도도를 달성하기 어렵다. 또한 상기 도전성필러는 바람직하게는 1-Methoxy-2Propanol로 이루어질 수 있다. 또한 상기 금속분말의 점도는 300~500 포이즈(poise)인 것이 바람직하다. 상기 금속분말 페이스트(120)를 상기 금속지지체(110)에 충진하게 되면 상기 복합분리판의 전기전도성을 보다 향상시킬 수 있다.

상기 금속지지체(110)에는 상기 금속분말 페이스트(120)가 충진된 관통홀(111)이 포함되어 이루어질 수 있다. 상기 관통홀에 충진된 금속분말 페이스트의 두께는 특별한 제한이 있는 것은 아니나 0.45~0.55mm인 것이 바람직하다. 상기 관통홀(111)에 충진된 금속분말 페이스트의 두께가 0.55mm 초과하는 경우에는 상대적으로 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층의 표면이 고르게 분포되지 않아 효율이 감소하게 되며, 반대로 0.45mm를 미만인 경우에는 우수한 전기전도성을 부여하기 위한 목적으로 관통홀(111)에 충진되는 금속분말 페이스트(120)로서의 충분한 역할을 기대할 수 없는 문제가 있어 바람직하지 않다.

상기 충진된 금속분말 페이스트(120)의 적어도 일면에는 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)이 형성될 수 있으며, 바람직하게는 금속분말 페이스트(120)의 양면에 형성되는 것일 수 있다. 상기 그라파이트로 인해 상기 연료전지용 복합분리판의 열전도성을 보다 더 향상시킬 수 있다. 또한 상기 그라파이트로 인해 상기 연료전지용 복합분리판의 내부식성이 보다 향상된다. 또한 상기 금속분말 페이스트의 적어도 일면에 형성된 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)은 상기 금속지지체(110)와 함께 융착되어 형성될 수 있는 것으로서, 연료전지용 분리판으로서 그라파이트 단일판을 선택한 경우보다 그 부피가 현저하게 줄어들게 되어 그라파이트 단일판에 비해 보다 유리한 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능하게 된다.

또한 상기 고분자수지는 연료전지용 복합분리판에 전기전도성을 부여하기 위한 물질이면 특별히 제한되는 것은 아니나, 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 또는 폴리메틸 메타크릴레이트로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상일 수 있다.

또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)은 바람직하게는 그라파이트

55~65부피%와 고분자 수지 35~45 부피%가 혼합되어 이루어질 수 있다. 상기 그라파이트가 65부피%를 초과하여 혼합되면 믹싱이 이루어지지 않아 금속지지체와의 완벽한 융착을 기대하기 어렵다. 또한 상기 그라파이트가 55부피% 미만으로 혼합되면 믹싱은 잘 이루어지나, 점성이 없어 묽어지게 되고 이에 따라 성형 자체가 이루어지지 않음으로 인해 역시 완벽한 융착을 기대하기 어렵다는 문제가 있어 바람직하지 않다.

또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)의 두께가 특별히 제한되는 것은 아니지만, 그 두께가 0.25~0.35mm인 것이 바람직하다. 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)의 두께가 0.35mm를 초과하는 경우는 상대적으로 탄소시트 층(140)의 두께가 얇아져야 하므로 우수한 부식 저항성을 기대하기 어렵고, 반대로 그 두께가 0.25mm 미만인 경우에는 우수한 열전도성을 달성하기 위한 목적인 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)의 역할을 기대하기 어렵다는 문제가 있어 바람직하지 않다.

또한 상기 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층(130)의 적어도 일면에 부식을 막고 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판의 우수한 전기전도성 및 열전도성을 유지하기 위해 바람직하게는 탄소시트(carbon sheet) 또는 탄소포일(carbon foil) 중에서 하나 이상의 층(140)이 형성될 수 있다.

이하 본 발명을 바람직한 실시예를 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

실시예

실시예 1-1; 알루미늄 금속지지체의 제작

알루미늄을 가지고 연료전지용 복합분리판에 사용할 금속지지체를 제작하였으며, 도 1에서는 본 실시예 1-1에 따른 금속지지체의 상면을 도시하였다.

실시예 1-2; 마그네슘 금속지지체의 제작

마그네슘을 가지고 연료전지용 복합분리판에 사용할 금속지지체를 제작하였으며, 본 실시예에 따른 금속지지체는 도 1의 금속지지체와 동일한 형상으로 제작되었다.

실시예 1-3; 스테인리스 스틸 금속지지체의 제작

스테인리스 스틸을 가지고 연료전지용 복합분리판에 사용할 금속지지체를 제작하였으며, 본 실시예에 따른 금속지지체는 도 1의 금속지지체와 동일한 형상으로 제작되었다.

실시예 2;

상기 실시예 1-1, 1-2 및 1-3에 의해 제작된 금속지지체 내부 관통홀 부분에 비중이 2.23g/cc이며, 점도가 300~500 poise이고, 평균입도가 10㎛인 은(silver) 분말 60중량%와 도전성필러로서 1- Methoxy-2Propanol 40중량%가 혼합여여 제조된 은 페이스트(silver paste)를 넣고 100℃에서 5시간 동안 건조시켰다. 건조 후 그라파이트와 폴리프로필렌 레진 파우더를 약 60:40부피% 내외의 비율로 혼합하여 180℃, 50분, 10MPa의 조건에서 규격에 맞게 제작된 몰드에 핫프레스기를 이용하여 1차 성형하였다. 그 후 20분이 지나고 1차 성형된 표면에 규격에 맞게 절단된 탄소시트(carbon sheet)를 접합시켜 180℃, 30분, 3MPa의 조건으로 핫프레스기를 이용하여 2차 성형을 하였으며, 이를 약 20분 후 상온에서 분리하였다. 이러한 본 실시예에 따른 연료전지용 복합분리판의 제조공정을 하기 표 1에 나타냈고, 이렇게 제작된 연료전지용 복합분리판의 단면을 하기 도 2에 나타냈다. 또한 이렇게 최종 제작된 연료전지용 복합분리판을 하기 도 3에 나타냈다.

구분	제조공정
1단계	금속지지층의 제작(알루미늄, 마그네슘, 스테인리스 스틸)
2단계	금속분말 페이스트 충진(100℃, 5시간)
3단계	그라파이트가 혼합된 고분자수지층 형성(그라파이트:고분자수지=약60:40부피%, 180℃, 50분, 10MPa)
4단계	탄소시트층 형성(180℃, 30분, 3MPa)
5단계	연료전지용 복합분리판 완성

실시예 3;

상기 그라파이트와 상기 고분자수지를 약 70:30부피% 내외로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 연료전지용 복합분리판을 제조하였다.

실시예 4;

상기 그라파이트와 상기 고분자수지를 약 50:50부피% 내외로 혼합한 것을 제외하고는 상기 실시예 2와 동일한 방법으로 연료전지용 복합분리판을 제조하였다.

비교예

품질이 우수한 연료전지용 복합분리판의 조건으로서 미국 에너지부(Department of Energy, DOE)에서 최소한의 조건을 제시하였으며, 이의 구체적인 특성 및 조건은 하기 표 2에 나타냈다. 또한 하기 표 2에 따른 최소한의 조건 및 특성을 가지는 연료전지용 복합분리판을 제작하여 본 비교예로 하였다.

물성(property)	단위(unit)	수치(value)
굽힘강도(Flexural strength)	MPa	> 59
전기전도성(Electrical conductivity)	S/㎝	> 100
접촉저항(Contact resistance)	mΩ㎠	< 20
수소 투과성(Hydrogen permeability)	㎤/㎠·s	< 2×10-6
밀도(Density)	g/㎤	< 5

상기 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 미국 에너지부 DOE에서는 연료전지용 복합분리판에 있어서, 굽힘강도는 59MPa보다 큰 것이 유리하며, 전기전도성은 100 S/㎝보다 큰 것이 유리하고, 또한 접촉저항은 20 mΩ㎠보다 작은 것이 유리하며, 또한 수소투과성, 즉 기체투과성은 2×10-6보다 작은 것이 유리하고, 또한 밀도는 5 g/㎤보다 작은 것이 유리한 것으로서, 우수한 연료전지용 복합분리판에 있어서 최소한의 조건 및 특성을 제시하였다. 그리하여 본 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판은 굽힘강도는 59MPa이고, 전기전도성은 100 S/㎝이며, 접촉저항은 20 mΩ㎠이고, 기체투과성은 2×10-6이며, 밀도는 5 g/㎤의 물성을 갖는 연료전지용 복합분리판이다.

실험예

< 실험예 1; 굽힘강도 측정>

실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판을 가지고 길이, 넓이, 두께가 각각 40㎜, 40㎜, 1.5㎜인 시편을 제작하였다. 그리고 이러한 각각의 시편을 만능시험기(Instron-4468)을 이용하여 일정한 변형률 속도(1㎜/min)로 굽힘강도를 측정하였다. 이의 결과는 하기 도 4에 나타냈다.

하기 도 4에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3의 금속지지체를 가지고 제작한 연료전지용 복합분리판의 경우 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 경우보다 굽힘강도가 4배 이상 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 1-3의 금속지지체를 가지고 제작한 연료전지용 복합분리판의 경우는 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판보다 6배 이상 굽힘강도가 향상되는 것으로 확인되었다. 이렇게 굽힘강도가 우수함은 기계적 강도가 기존의 연료전지용 복합분리판보다 우수함을 의미하는 것이며, 이는 기계적 강도를 금속지지체 부분에서 담당하게 하여 기존의 그라파이트를 활용한 연료전지용 분리판의 깨어지기 쉬운 단점을 해결한 것이라고 할 것이다.

< 실험예 2; 전기전도성 측정>

실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 전기전도성을 측정하였다. 이때 4-point-probe 기법으로 표면 저항측정기(Milli-ohmmeter)를 이용하여 측정하였다. 이의 결과는 하기 도 5에 나타냈다.

하기 도 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1-1, 실시예 1-2 및 실시예 1-3의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 연료전지용 복합분리판이 비교예에 따라 제작한 연료전지용 복합분리판의 경우보다 3.5배 이상 향상된 전기전도성을 보이는 것으로 확인되었다.

< 실험예 3; 접촉저항 측정>

실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 접촉저항을 측정하였다. 이때 4-point-probe 기법으로 표면 저항측정기(Milli-ohmmeter)를 이용하여 측정하였다. 또한 정확한 평가를 위해 동일한 압력으로 측정하였다. 상기 표면 저항측정기는 양쪽의 지그를 이용하여 시편을 물릴 수 있고, 각각의 지그에서는 전류를 흘려주고 이때 발생하는 전압을 측정하여 저항을 계산하는 방식으로 시편의 저항을 측정할 수 있는 장비이다. 이러한 실험의 결과는 하기 도 6에 나타냈다.

하기 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1-3의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제조된 연료전지용 복합분리판의 경우 비교예의 경우보다 접촉저항이 낮은 것으로 확인되었고, 이는 실시예 1-3의 경우가 비교예의 경우보다 접촉저항이 우수한 연료전지용 복합분리판 임을 의미하는 것이다. 또한 실시예 1-1의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제조된 연료전지용 복합분리판의 경우는 비교예의 경우와 동등한 접촉저항을 가지는 것으로 확인되었다. 또한 실시예 1-2의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제조된 연료전지용 복합분리판의 경우는 비교예 보다 조금 높은 접촉저항을 가지나 그 차이가 그리 크지 않는 것으로서 어느 정도 비교예에 비등한 접촉저항을 가지는 것으로 확인되었다. 이는 그라파이트 단일판보다 낮은 생산 단가에도 비슷한 접촉저항을 가지는 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능함을 의미한다.

< 실험예 4; 기체투과성 측정>

실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 가스투과성을 만능재료시험기(Instron-4468)를 가지고 측정하였다. 온도는 상온에서 실시하였으며, 피드(feed) 부분의 압력은 2 bar 부근에서 유지하였으며, 퍼미에이트(permeate) 부분은 0.2토르(torr) 미만의 진공을 유지하였다. 이러한 기체투과성 실험의 측정 결과는 하기 도 7에 나타냈다.

하기 도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판이 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판에 비해 그 기체투과성을 현저히 낮추는 것임이 확인되었다. 이는 분리판을 통한 기체의 이탈을 막아 보다 향상된 성능의 연료전지 제공을 가능하게 하는 것으로서 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 연료전지용 복합분리판이 비교예의 연료전지용 복합분리판에 비해 보다 우수한 연료전지용 복합분리판이라 할 것이다.

< 실험예 5; 밀도 측정>

실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 각각의 금속지지체를 가지고 실시예 2에 따라 제작한 각각의 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판으로서 길이, 넓이, 두께가 각각 40㎜, 40㎜, 1.5㎜인 시편을 가지고 이의 부피를 측정하였다. 또한 무게는 전자저울을 이용하여 측정하였다. 그리하여 실시예 1-1, 실시예 1-2, 실시예 1-3에 따른 연료전지용 복합분리판 및 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판의 밀도를 측정하였다. 측정한 결과는 하기 도 8에 나타냈다.

하기 도 8에 나타난 바와 같이 상기 실시예 1-3에 따른 연료전지용 복합분리판의 경우 비교예에 따른 연료전지용 복합분리판보다 그 밀도가 조금 높기는 하나 그 차이가 크지 않고 비등한 정도로서 그라파이트 단일판보다 낮은 생산단가에도 비슷한 밀도를 보이는 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능함을 의미한다. 또한 상기 실시예 1-1 및 실시예 1-2에 따른 연료전지용 복합분리판의 경우는 상기 비교예의 경우와 비교하여 그 밀도가 절반 이상으로 줄어든 연료전지용 복합분리판 임이 확인되었다. 이렇게 밀도가 낮은 경우 보다 경량화된 연료전지용 복합분리판의 제공이 가능함을 의미한다.

< 실험예 6; 그라파이트와 고분자수지 부피%의 차이에 따른 효과 측정>

상기 실시예 2에 따라 제조한 연료전지용 복합분리판과 실시예 3 및 실시예 4에 따른 연료전지용 복합분리판을 가지고 그라파이트와 고분자수지의 부피% 차이에 따른 효과를 측정하는 실험을 진행하였다. 즉, 각각의 경우에 따른 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층을 비교하는 실험을 진행하였다. 이의 결과는 하기 도 9에 나타냈다.

하기 도 9에서 확인할 수 있는 바와 같이 실시예 2와 같이 그라파이트와 고분자수지의 부피%를 약 60:40부피% 내외로 한 경우에는 연료전지용 복합분리판에 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층이 특별한 문제 없이 금속지지체와 결착되는 것을

도 9(a)에서 확인할 수 있었다. 하지만, 그 부피%를 약 70:30부피% 내외로 한 실시예 3의 경우는 금속지지체에 고분자수지가 혼합된 그라파이트 층이 완벽하게 결착되지 않은 것을 도 9(b)에서 확인할 수 있었다. 이는 그라파이트의 함량이 너무 높아 믹싱이 제대로 이루어지지 않음에 따른 것이다. 또한 그라파이트와 고분자수지의 부피%를 약 50:50부피% 내외로 한 실시예 4의 경우에 있어서도 금속지지체에 그 결착이 원활하게 이루어지지 않는 것이 도 9(c)에서 확인되었다. 이것은 실시예 3과는 달리 믹싱은 잘 되었지만 점성이 너무 묽어 성형 자체가 되지 않음에 따른 결과로 확인되었다. 그리하여 상기 실시예 2와 같이 그 부피%를 약 60:40부피% 내외로 하는 것이 보다 금속지지체와의 결착을 확실하게 해주는 수치범위 임이 확인되었다.

이러한 상기 실험들을 통하여 본 발명에 따른 연료전지용 복합분리판은 낮은 생산단가에도 기계적 강도가 향상되며, 전기전도도가 우수하고, 접촉저항이 우수하며, 기체투과성이 낮고, 밀도가 낮아 경량의 연료전지 제공이 가능한 우수한 연료전지용 복합분리판 임을 확인하였다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 첨부된 특허 청구 범위에 속하는 것은 당연하다.

110: 금속지지체, 120; 금속분말 페이스트, 130: 고분자수지가 혼합된 그라파이트층, 140: 탄소시트 층

Claims (14)

1. 알루미늄, 마그네슘, 스테인리스 스틸 및 이들 각각의 합금으로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 금속지지체;
   전기전도성을 향상시키기 위하여 상기 금속지지체의 내부에 충진된 금속분말 페이스트; 및
   상기 충진된 금속분말 페이스트의 적어도 일면에 형성된 그라파이트층;을 포함하며,
   상기 금속지지체는 상기 금속분말 페이스트가 충진된 하나 이상의 관통홀을 포함하고,
   상기 금속분말 페이스트는 금속분말 55 ~ 65중량% 및 1-메톡시-2-프로판올 35 ~ 45 중량%를 포함하며,
   상기 그라파이트층은 그라파이트 55~65부피% 및 폴리프로필렌, 폴리카보네이트 또는 폴리메틸 메타크릴레이트로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상의 고분자수지 35 ~ 45부피%를 포함하고,
   상기 그라파이트 층은 두께가 0.25 ~ 0.35mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 금속분말 페이스트는 점도가 300~500 포이즈(poise)인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 관통홀에 충진된 상기 금속분말 페이스트는 두께가 0.45 ~ 0.55mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 금속분말은 은, 백금, 니켈 또는 구리로 이루어지는 군 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
   
9. 제 1항에 있어서,
   상기 금속지지체는 스테인리스 스틸인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
   
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 제 1항에 있어서,
    상기 그라파이트 층의 적어도 일면에 탄소시트(carbon sheet) 또는 탄소포일(carbon foil)로서 하나 이상의 층이 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합분리판.
    
    

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