KR101692859B1 - 적층형 연료 전지 분리판 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 연료 전지용 분리판과 연료 전지 - Google Patents

적층형 연료 전지 분리판 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 연료 전지용 분리판과 연료 전지 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 우수한 가스밀폐도, 높은 전기전도도, 고강도 등 연료 전지용 분리판에 요구되는 제반의 물성적 특징이 개선된 연료 전지용 분리판을 제조할 수 있는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법을 제공한다.

Description

적층형 연료 전지 분리판 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 연료 전지용 분리판과 연료 전지{Forming method of stack type seperator for fuel cell and seperator for fuel cell and fuel sell manufactured using the same}
본 발명은 연료 전지 분리판 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 분리판과, 분리판을 구비하는 연료 전지에 관한 것이다.
고분자 전해질을 사용한 연료 전지는 수소를 함유한 연료가스와 공기 등의 산소를 함유한 연료가스를 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력을 발생시키며, 수소 이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질 막, 및 전해질 막의 양면에 배치되는 한 쌍의 전극으로 이루어진다.
연료 전지는 전해질 막 및 전극으로 이루어진 단위 셀을 적층하여 스택(Stack)을 이루며, 각 셀은 막 전극 접합체(membrane electrode assembly: MEA)와 분리판(bipolar plate 또는 separator)으로 구성된다. 분리판은 스택 제조시 가장 많은 수량이 사용되고 있으며, 분리판의 형태에 따라 스택의 구조가 결정된다.
분리판은 음극과 양극에 대해 각각 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 전자 전도성을 가져야 하고, 양극에서 생성된 물이 원활하게 배출될 수 있도록 적절한 표면 특성이 요구된다. 또한 음극 및 양극으로 공급되는 가스의 혼합을 방지하기 위해서는 우수한 가스 밀폐도를 가져야 하며, 그 외 연료 전지의 작동환경과 운전조건에 따른 적절한 내식성 및 강도 특성이 요구된다.
현재 개발 및 상용되고 있는 연료 전지 분리판의 소재로는 흑연, 흑연과 수지의 복합재, 또는 스테인리스 스틸이나 알루미늄 등의 금속 소재가 주로 사용되고 있다. 그러나, 흑연을 사용하여 분리판을 제조하는 경우, 가공이 어렵고 비용 및 시간의 소모가 높으며, 금속 기재의 분리판을 제조하는 경우 가공성 및 치수 정밀도는 좋은 대신 비용 상승과 부식의 위험성이 있다.
한국특허등록 제0808332호(등록일: 2008년02월21일) 한국특허공개 제2009-0072709호(공개일: 2009년07월02일) 한국특허공개 제2012-0093701호(공개일: 2012년 8월 23일)
본 발명의 목적은 우수한 가스밀폐도, 높은 전기전도도, 고강도 등 연료 전지용 분리판에 요구되는 제반의 물성적 특징이 개선되고, 저 비용으로 양산 가능한 연료 전지용 분리판을 제조하기 위한 적층형 연료 전지 분리판 형성방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기한 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 따라 제조된 연료 전지용 분리판 및 이를 포함하는 연료 전지를 제공하는데 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따라, 판상의 프리프레그(Prepreg) 및 유로 디자인에 대해 역상으로 형성되는 성형 플레이트를 복수 개 적층하고, 프리프레그와 성형 플레이트의 적층 구조물을 압착하여 프리프레그에 연료 전지용 유로 구조를 형성하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 의해 달성된다.
여기서, 프리프레그는, 열경화성 수지, 열가소성 수지 및 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
여기서, 프리프레그는, 전도성 충진재를 포함하며, 전도성 충진재는, 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, 카본 나노 링 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
프리프레그는, 60℃ 내지 100℃의 온도로 가열된 상태에서 상기 성형 플레이트와 적층될 수 있다.
또한, 프리프레그는, 열 가소성 수지, 상기 열 경화성 수지 및 상기 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나에 경화제, 흑연 및 경화촉진제 중 적어도 하나를 더 포함하는 혼합 수지일 수 있다.
열 가소성 수지는, PP(PolyPropylene) 또는 PPS(PolyPhenlene Sulfide)일 수 있다.
프리프레그는, 상기 열 가소성 수지 또는 상기 혼합 수지를 시트(Sheet) 타입으로 사출 형성될 수 있다.
유로는, 열 가소성 수지 또는 상기 혼합 수지와 상기 성형 플레이트를, 130℃ 내지 250℃의 온도 분위기에서 1분 내지 60분 동안 1 Ton 내지 10 Ton의 압력을 가해 형성할 수 있다.
프리프레그는, 시트(Sheet) 타입으로 형성되며, 0.3mm 내지 0.5mm의 두께를 가질 수 있다.
또한, 성형 플레이트는, 250℃의 내열온도를 만족하는 열 경화성 수지일 수 있다.
상기한 적층형 연료 전지 분리판 형성방법은 이차전지의 분리판에 적용하여 연료 전지용 분리판을 형성할 수 있다.
또한, 상기한 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 따라 제조된 분리판을 연료 전지에 수납하여 연료 전지를 구성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 우수한 가스밀폐도와 함께 높은 전기전도도, 고 강도 특성을 갖는 연료 전지용 분리판을 판상으로 적층하는 스택 공정으로 금형 제작에 따른 비용을 낮추고, 금형으로 표현하기 곤란한 유로를 정밀하게 구현할 수 있다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 대한 개념도를 도시한다.
도 4와 도 5는 실시예에 따른 분리판 형성방법을 적용하여 연료 전지의 유로를 구현하는 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 대한 개념도를 도시한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 적층형 연료 전지 분리판 형성방법(이하, "분리판 형성방법"이라 한다)은, 판상의 프리프레그(Prepreg)(100)의 양단에 성형 플레이트(110, 120)를 적층하고 성형 플레이트(110, 120)와 프리프레그(100)를 적층한 상태에서 D1 방향과 D2 방향으로 압착하여 프리프레그(100)의 양면(S1, S2)에 연료 전지용 유로를 형성한다. 프리프레그(100)는 열 가소성 수지, 열 경화성 수지, 또는 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되어 이용될 수 있으며, 특성 향상 또는 변경을 위해 경화제나 경화촉진제와 같은 첨가제가 함입될 수 있다.
프리프레그(100)로 성형 플레이트(110, 120)가 함침되도록 하기 위해, 프리프레그(100)는 반경화상태일 필요가 있다. 이를 위해, 프리프레그(100)는 60℃ 내지 100℃의 온도로 가열되거나, 가온될 수 있는데, 이는 프리프레그(100)의 양면(S1, S2)에 배치되는 성형 플레이트(110, 120)의 요철 구조가 프리프레그(100) 내측으로 용이하게 함침되도록 하는데 따른다.
프리프레그(100)는 반경화 상태의 시트(Sheet) 또는 판상 구조를 가지며, 판상 구조의 양면(S1, S2)에는 요철 구조를 갖는 성형 플레이트(110, 120)가 배치되고, 성형 플레이트(110, 120)가 반경화 상태인 프리프레그(100)의 양면(S1, S2)을 도 2에 도시된 바와 같이 가압하면 프리프레그(100)의 양면은 성형 플레이트(110, 120)에 의해 함침되고, 이후, 도 3에 도시된 바와 같이, 프리프레그(100)는 성형 플레이트(110, 120)에 형성된 요철 구조와 역상을 갖는 요철 구조가 표면에 형성되어 연료 전지의 유로를 형성할 수 있다.
프리프레그(100)가 성형 플레이트(110, 120)에 의해 함침되도록 하기 위해, 프리프레그(100)는 60℃ 내지 100℃의 온도로 가열 또는 가온될 수 있는데, 프리프레그(100)에 함침되는 성형 플레이트(110, 120)는 60℃ 내지 100℃의 온도 분위기에서 프리프레그(100)에 압력을 가하며 함침되어야 하므로, 이보다 더 높은 온도에서 그 형상이 변형되지 않아야 한다. 따라서, 성형 플레이트(110, 120)는 프리프레그(100)의 온도 대비 2배 내지 3배 높은 200℃ 또는 그 이상의 온도에서 변형되지 않는 재질일 필요가 있다. 프리프레그(100)는 60℃ 내지 100℃의 분위기에서 함침 가능한 열 가소성 수지, 열 경화성 수지 또는 엔지니어링 플라스틱으로 구성될 수 있는데, 연료 전지의 전기적 특성을 위해, 전도성 충진재가 함유될 수 있다. 전도성 충진재는 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, 카본 나노 링 또는 이들의 혼합물 중 적어도 하나가 이용될 수 있다.
또한, 프리프레그(100)는 성형 플레이트(110, 120)에 의해 함침된 이후, 그 형성이 변형되지 않도록 신속히 경화될 필요가 있는데, 이를 위해, 프리프레그(100)에는 경화제 또는 경화 촉진제를 추가로 함입할 수 있다. 즉, 프리프레그(100)는 열 가소성 수지, 열 경화성 수지, 또는 엔지니어링 플라스틱에 전도성을 부여하기 위한 전도성 충진재를 함입하거나, 경화제 또는 경화촉진제가 함입될 수 있으며, 본 명세서에서 전도성 충진재, 경화제, 또는 경화 촉진재가 함입된 프리프레그(100)를 "혼합 수지"라고 지칭할 수 있다.
프리프레그(100)가 열 가소성 수지, 또는 열 경화성 수지에 경화제, 경화촉진제 또는 전도성 충진재가 함입된 혼합 수지인 경우, 프리프레그(100)는 성형 플레이트(110, 120)와 적층될 때, 사출기에 의해 사출 형성될 수 있다.
프리프레그(100)가 열 가소성 수지 또는 그에 준하는 혼합 수지일 때, 성형 플레이트(110, 120)와 적층되도록 사출 시, 열 경화성 수지(또는 그에 준하는 혼합 수지)는 130℃ 내지 250℃의 온도 분위기에서 사출될 수 있는데, 이때의 사출 조건으로는, 1분 내지 60분 동안 1 Ton 내지 10 Ton의 압력일 수 있다.
한편, 프리프레그(100)에 형성되는 연료 전지의 유로는 0.3mm 내지 4mm의 지름(또는 두께)으로 형성될 수 있다. 유로의 지름(또는 두께)에 따라 프리프레그(100)의 두께가 결정될 수 있다. 생산하는 연료 전지의 크기나 용량 또는 전기적 특성에 따라 유로의 두께는 상이할 수 있으나, 프리프레그(100)의 두께 대비 유로의 두께는 1/3 내지 1/2의 범위일 수 있다. 이러한 범위에 따라, 프리프레그(100)의 양면(S1, S2)에 성형 플레이트(110, 120)가 압착되더라도 프리프레그(100)가 압착에 의해 분리되거나 끊어지지 않도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 3을 통해 설명된 바와 같이, 시트(Sheet) 형상의 프리프레그(100)와, 프리프레그(100)의 양면(S1, S2)을 향해서만 요철 구조를 갖는 성형 플레이트(110, 120)를 적층하여 스택 구조를 형성하는 것은 3차원 구조로 금형을 형성하는 기존의 방법 대비 유로의 정밀도가 향상된다. 3차원 구조로 금형을 형성하는 경우, 복잡한 유로를 구현하면서 크랙(Crack)이 발생하거나 치수에 편차가 발생하거나, 복잡한 구조에서 미성형 영역이 발생할 수 있으며, 금형 구조가 복잡한 만큼 금형 비용도 고가로 형성된다. 또한, 금형 전문가가 금형을 디자인하면서 실제로 구현이 곤란한 영역에 대해 설계변경을 요구할 수도 있다. 그러나, 실시예에 따른 분리판 형성방법은 판상의 프리프레그(100)와 요철 면을 갖는 판상의 성형 플레이트를 적층하여 스택구조를 쌓으면 되므로 3차원 금형을 이용하지 않아도 되며, 연료 전지의 유로를 정밀하게 형성하면서도 낮은 금형비용, 세밀한 유로 디자인이 가능해진다. 만일 분리판에 형성되는 연료 전지의 유로에 결함이 발생하여 새로이 디자인해야 할 경우, 기존에는 3차원 금형을 새로 설계하고, 테스트하여야 하나, 실시예에 따른 분리판 형성방법은 프리프레그(100)와 성형 플레이트(110, 120)를 새로이 적층하면 되므로 분리판, 및 유로의 설계와 디자인이 매우 간단하고 빠르게 처리될 수 있다.
도 4와 도 5는 실시예에 따른 분리판 형성방법을 적용하여 연료 전지의 유로를 구현하는 일 예에 대한 참조도면을 도시한다.
도 4와 도 5를 참조하면, 실시예에 따른 분리판 형성방법은, 상단과 하단에 마련되는 종단 플레이트(EP)(51, 52) 사이에 복수의 프리프레그(101, 102, 103, 104, 105, 106)과 복수의 성형 플레이트(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)가 교번되게 적층되는 구조를 나타낸다. 도 4에서 프리프레그(101)의 상측에는 성형 플레이트(111)가 배치되고, 하측에는 성형 플레이트(112)가 배치되는 것이 예시되고 있는데, 유로의 구조상 성형 플레이트(111)나 성형 플레이트(112) 중 필요없는 것이 있을 경우, 생략될 수 있다.
도 4에 도시된 형태로 프리프레그(101 내지 106)와 성형 플레이트(111 내지 117)가 교대로 적층되면, 종단 플레이트(51, 52) 사이에 스택 구조로 적층된 프리프레그(101 내지 106)와 성형 플레이트(111 내지 117)는 챔버(미도시) 내에서 60℃ 내지 180℃ 분위기에서 5분 내지 240분 동안 1 Ton 내지 10 Ton의 압력하에서 압착되고, 압착이 종료된 후, 도 5에 도시된 바와 같이, 프리프레그(101 내지 106)의 상면과 하면에는 성형 플레이트(111 내지 117)의 요철 구조가 역상으로 새겨지면서 유로(121, 122, 123, 124, 125, 126)가 형성되는 것을 볼 수 있다.
도 4에서 참조부호 "113"과 참조부호 "114"는 연료 전지를 구성하는 두 전극형성을 위해 마련되는 것으로서, 각각 AMP(Anode Middle Plate) 및 CMP(Cathod Middle Plate)에 대응할 수 있다. 도 4에서, AMP 형성을 위한 성형 플레이트(113)와 CMP 형성을 위한 성형 플레이트(114)가 프리프레그(102 내지 104)와 압착되면, 종단 플레이트(51, 52) 사이에 AMP 플레이트(113), CMP 플레이트(114)가 배열되고, 나머지 성형 플레이트(111, 112, 115, 116, 117)는 연료 전지의 유로 형성에 이용된다. 이러한 적층 구조가 압착되면 도 5에 도시된 바와 같이 AMP 전극, CMP 전극이 함께 배열된 연료 전지 구조를 형성할 수 있다.
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.
100 : 프리프레그(Prepreg) 110, 120 : 성형 플레이트

Claims (12)

  1. 판상의 프리프레그(Prepreg) 및 유로 디자인에 대해 역상으로 형성되는 성형 플레이트를 복수 개 적층하고,
    상기 프리프레그와 상기 성형 플레이트의 적층 구조물을 130℃ 내지 250℃의 온도 분위기에서 1분 내지 60분 동안 1 Ton 내지 10 Ton의 압력으로 압착하여 상기 프리프레그에 연료 전지용 유로 구조를 형성하며,
    상기 유로 구조의 두께는, 상기 프리프레그의 두께대비 1/3 내지 1/2인 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지분리판 형성방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    열경화성 수지, 열가소성 수지 및 엔지니어링 플라스틱으로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    전도성 충진재를 포함하며, 상기 전도성 충진재는, 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, 카본 나노 링 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    60℃ 내지 100℃의 온도로 가열된 상태에서 상기 성형 플레이트와 적층되는 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    열 가소성 수지, 열 경화성 수지 및 엔지니어링 플라스틱 중 어느 하나에 경화제, 흑연 및 경화촉진제 중 적어도 하나를 더 포함하는 혼합 수지인 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열 가소성 수지는,
    PP(PolyPropylene) 또는 PPS(PolyPhenlene Sulfide)인 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    상기 열 가소성 수지 또는 상기 혼합 수지를 시트(Sheet) 타입으로 사출 형성하는 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그는,
    시트(Sheet) 타입으로 형성되며, 0.3mm 내지 0.5mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 성형 플레이트는,
    250℃의 내열온도를 만족하는 열 경화성 수지인 것을 특징으로 하는 적층형 연료 전지 분리판 형성방법.
  11. 제1항에 따른 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 의해 제조한 연료 전지용 분리판.
  12. 제1항에 따른 적층형 연료 전지 분리판 형성방법에 의해 제조한 연료 전지용 분리판을 구비하는 연료 전지.
KR1020140175550A 2014-12-09 2014-12-09 적층형 연료 전지 분리판 형성방법 및 이를 이용하여 제조된 연료 전지용 분리판과 연료 전지 KR101692859B1 (ko)

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