KR101764383B1 - 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재가 유리섬유 부직포에 개재된 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판은 굴곡강도 및 전기전도도가 우수하면서도 저가의 저중량 박판화를 구현함으로써 연료전지용 분리판으로서 상용화가 가능하다.

Description

유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법{Thin bipolar plate for fuel cell containing non-woven glass fiber and manufacturing method thereof}

본 발명은 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분리판의 주재인 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질이 유리섬유 부직포에 개재된 굴곡강도 및 전기전도도가 모두 우수한 연료전지용 박판형 분리판 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지는 그 사용되는 전해질의 종류에 따라 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염형 연료전지(MCFC), 고체산화물형 연료전지(SOFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC) 및 알칼리형 연료전지(AFC) 등으로 분류된다. 이들 각각의 연료전지는 근본적으로 동일한 원리에 의해 작동되지만 사용되는 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 전해질 등이 서로 다르다. 이 중에서 고분자 전해질형 연료전지는 소규모 거치형 발전장비 뿐만 아니라 수송시스템에도 가장 유망한 것으로 알려져 있고, 고분자 전해질막을 포함하는 막 전극 접합체 및 분리판(bipolar plate)이 핵심부라 할 수 있는데, 특히 분리판에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 분리판은 수소와 산소 등의 가스 불투과성과 아울러 기본적으로 전기전도도가 우수하여야 하고, 자동차용 연료전지와 같이 수송용으로 사용할 때는 각종 충격이나 진동에 견딜 수 있도록 높은 기계적 강도를 가져야 한다. 게다가 현재 연료전지 무게의 80% 정도를 차지하는 분리판의 저중량 박판화를 통하여 저가의 공정을 실현하는 것도 중요한 해결과제로 알려져 있다.

이를 위하여 종래에는 평균입경이 일정범위인 흑연입자와 열경화성 수지 또는 비탄소질수지를 배합한 원료를 성형함으로써 탄화공정 및 절삭공정을 거치지 않고도 성형성, 전기전도성 및 기계적 강도가 양호한 고분자 전해질형 연료전지용 분리판을 제조한 바 있으나, 그 원료물질의 배합비에 따라서는 전기전도도와 기계적 강도(굴곡강도) 사이의 트레이드-오프 관계를 개선하는데 한계가 있었다(특허문헌 1, 2).

또한, 분리판의 박판화와 관련된 선행기술로서는 탄소-탄소 이중결합을 여러개 갖는 탄화수소화합물과 엘라스토머 및 탄소질 재료로 이루어진 전도성 경화성 수지 조성물로부터 연료전지용 분리판을 성형한 내용이 공지되어 있으나, 박판형 분리판의 성형재료로 특정의 고분자 수지를 선택해야 하는 단점이 있다(특허문헌 3).

한편, 본 발명자 등은 상기 문제점들을 해결하고자 최근에 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질의 배합비가 상이한 2종의 블렌드를 포함하는 망사형 구조의 연료전지용 분리판을 개발하여 특허로 등록받은바 있으나, 고가의 전도성 탄소재료를 많이 사용하는 경우에는 분리판의 가격 상승으로 인하여 여전히 저가의 공정을 실현하기 어려운 문제점이 있었다(특허문헌 4).

따라서 본 발명자는 가격이 탄소섬유에 비하여 10배 이상 저렴한 유리섬유 부직포를 중앙에 넣고, 여기에 분리판의 주재인 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 흑연을 혼련한 분말을 개재하여 유로를 형성한 분리판을 제조할 수 있으면, 굴곡강도 및 전기전도도가 우수한 상태로 연료전지용 저가의 박판형 분리판을 제공할 수 있음에 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

특허문헌 1. 일본공개특허 특개2001-335695호 특허문헌 2. 한국등록특허 제10-0485285호 특허문헌 3. 한국공개특허 제10-2007-0110531호 특허문헌 4. 한국등록특허 제10-1316006호

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 굴곡강도 및 전기전도도가 우수하면서도 저가의 저중량 박판화를 구현한, 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재가 유리섬유 부직포에 개재된 연료전지용 박판형 분리판을 제공한다.

상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌술피드, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 에폭시 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 폴리카르보디이미드 수지, 퍼퍼릴알콜 수지, 및 알키드 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 전도성 탄소물질은 천연흑연, 인조흑연, 팽창흑연, 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 무정형 탄소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 특징으로 한다.

상기 전도성 탄소물질은 평균입경이 10~50 ㎛의 분말상인 것을 특징으로 한다.

상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질의 중량비는 10~30 : 70~90인 것을 특징으로 한다.

상기 연료전지용 박판형 분리판은 이형제를 더욱 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 유리섬유 부직포는 그 두께가 0.1~1 mm인 메쉬형의 것을 특징으로 한다.

상기 박판형 분리판은 그 두께가 1.2~1.5 mm인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 I) 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재를 혼련하는 단계; II) 상기 혼련된 주재를 유리섬유 부직포가 중앙에 놓인 금형에 투입하고 가압하여 시트를 성형하는 단계; 및 III) 상기 시트를 유로가 형성된 금형에 투입하고 압축성형하는 단계;를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법을 제공한다.

상기 유리섬유 부직포는 그 메쉬의 폭이 1~10 mm인 것으로 상기 I) 단계에서 혼련된 주재가 서로 관통하여 배합되는 것을 특징으로 한다.

상기 III) 단계의 금형은 스탬핑 가공에 의하여 오목부와 볼록부를 갖는 물결 모양의 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 III) 단계의 압축성형은 1,000~2,000 kgf/cm²의 압력, 150~170℃의 온도에서 1~5분 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판은 굴곡강도 및 전기전도도가 우수하면서도 저가의 저중량 박판화를 구현함으로써 연료전지용 분리판으로서 상용화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2로부터 제조된 분리판의 굴곡강도를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명의 실시예 1, 2 및 비교예 1, 2로부터 제조된 분리판의 전기전도도를 나타낸 그래프.

이하에서는 본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판 및 그 제조방법에 관하여 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재가 유리섬유 부직포에 개재된 연료전지용 박판형 분리판을 제공한다.

종래에는 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 주재로서 특정의 고분자수지, 그 중에서도 주로 열경화성 수지를 주로 사용하여 성형하였으나, 본 발명에서는 이러한 주재를 유리섬유 부직포에 개재시키는 방법으로 박판형 분리판을 제조할 수 있었으므로, 본 발명에서는 범용성의 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 모두 사용할 수 있다.

즉, 상기 열가소성 수지로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리아미드, 폴리이미드, 폴리카보네이트, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리에테르술폰, 폴리에테르에테르케톤, 폴리페닐렌술피드, 및 폴리벤즈이미다졸로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것이라면 제한 없이 사용할 수 있다.

또한, 상기 열경화성 수지로서는 페놀 수지, 에폭시 수지, 우레아 수지, 멜라민 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 폴리카르보디이미드 수지, 퍼퍼릴알콜 수지, 및 알키드 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수 있는데, 통상 연료전지용 분리판의 제작에 많이 사용되는 페놀 수지를 더욱 바람직하게 사용할 수 있다.

또한, 상기 전도성 탄소물질은 전도성을 나타내는 탄소재료라면 특별한 한정없이 사용할 수 있으나, 그 중에서도 입수가 용이하고 가격이 저렴한 흑연이 바람직하며, 흑연의 종류에 구애받지 않고 사용할 수 있는바, 천연흑연, 인조흑연 또는 팽창흑연 중에서 어느 것이나 사용가능하고, 그 밖에도 카본블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 무정형 탄소, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나의 것을 사용할 수도 있다.

이때, 상기 전도성 탄소물질은 평균입경이 10~50 ㎛의 분말상인 것이 열가소성 수지 또는 열경화성 수지와 균일하게 혼합될 수 있어 바람직하다.

한편, 일반적으로 종래 연료전지용 분리판은 고분자 수지와 흑연 입자를 혼합하여 성형되었는바, 굴곡강도의 보강을 위하여 고분자 수지가 많이 배합되면 굴곡강도는 우수하지만 전기전도도 및 열전도도가 떨어지는 경향이 있고, 박판형 분리판을 채택한 연료전지를 작동할 때는 열을 이기지 못해 터지는 경우도 가끔 발생하였다. 반면, 흑연 입자와 같은 전도성 탄소물질이 많이 배합되면 전기전도도와 열전도도는 우수하지만 굴곡강도가 떨어져 외부충격이나 진동시 부서지거나 균열이 생겨 수소나 산소가 새는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명에서는 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질의 중량비를 10~30 : 70~90 범위에서 조절함으로써 굴곡강도와 전기전도도의 트레이드-오프 관계를 개선할 수 있다.

또한, 상기 주재는 필요에 따라 실리콘 오일과 같은 이형제를 더욱 포함할 수도 있다.

또한, 상기 유리섬유 부직포는 그 두께가 0.1~1 mm인 메쉬형의 것의 바람직한바, 유리섬유 부직포의 두께가 0.1 mm미만이면 분리판의 굴곡강도를 비롯한 기계적 물성이 떨어질 우려가 있고, 유리섬유 부직포의 두께가 1 mm를 초과하면 박판형의 분리판을 제조하기 어렵다.

아울러 본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판은 그 두께가 1.2~1.5 mm인 것이 실질적으로 연료전지용 분리판으로서 저가의 저중량 박판화를 구현할 수 있어 바람직하다.

또한, 본 발명은 I) 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재를 혼련하는 단계; II) 상기 혼련된 주재를 유리섬유 부직포가 중앙에 놓인 금형에 투입하고 가압하여 시트를 성형하는 단계; 및 III) 상기 시트를 유로가 형성된 금형에 투입하고 압축성형하는 단계;를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법을 제공한다.

상기 I) 단계와 관련한 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질, 그리고 이들의 배합비에 관해서는 상술한바와 같고, 분리판의 주재로서 상기 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질 이외에 필요에 따라 유리섬유 등의 보강재와 실리콘 오일과 같은 이형제를 첨가할 수도 있다.

그리고 상기 II) 단계의 유리섬유 부직포는 그 두께가 0.1~1 mm인 메쉬형의 것을 특징으로 하는바, 상기 II) 단계를 통하여 시트를 성형할 때, 혼련된 분말상의 주재를 반 정도만 먼저 금형에 투입하고, 이어서 유리섬유 부직포를 금형의 중앙에 놓은 다음, 다시 나머지 혼련된 분말상의 주재 반 정도를 투입하여 열없이 단지 압력만으로 가압하여 시트를 형성한다. 분리판의 궁극적인 두께는 상기 II) 단계를 거치는 동안에 결정될 수 있는 만큼 상기 II) 단계로부터 형성되는 시트의 두께를 적절하게 조절함으로써 양산과정에서 분리판의 두께 편차를 줄일 수 있다.

또한, 상기 II) 단계의 유리섬유 부직포의 메쉬는 그 하나의 폭이 1~10 mm인 것이 바람직한데, 그 폭이 1 mm 미만이면 상기 I) 단계에서 혼련된 주재가 서로 관통하여 배합되기 어렵고, 그 폭이 10 mm를 초과하면 혼련된 주재가 균일하게 유리섬유 부직포에 개재되지 않을 수도 있다.

그리고 상기 III) 단계의 금형은 스탬핑 가공에 의하여 오목부와 볼록부를 갖는 물결 모양의 유로가 형성된 것을 사용함으로써 더 우수한 성능의 분리판을 제조할 수 있다.

마지막으로, 상기 III) 단계의 압축성형시 두께 편차가 발생하는 단점을 피하기 위하여 1,000~2,000 kgf/cm²의 압력, 150~170℃의 온도에서 1~5분 동안 압착 및 가온을 수행함으로써 본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판을 얻는다.

이하 구체적인 실시예 및 비교예를 상세히 설명한다.

(실시예 1) 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조

페놀 수지 15 중량부 및 평균입경 20 μm의 흑연 85 중량부로 이루어진 주재를 혼련하였다. 상기 혼련된 주재를 유리섬유 부직포(메쉬의 폭 5 mm)가 중앙에 놓인 금형에 투입하고 가열 없이 가압하는 것만으로 시트를 성형하였다. 상기 성형된 시트를 유로가 형성된 금형에 투입하고 1,000 kgf/cm²의 압력으로 155℃에서 180초 동안 압축성형하여 두께 1.5 mm인 연료전지용 박판형 분리판을 제조하였다.

(실시예 2) 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조

페놀 수지 20 중량부 및 평균입경 20 μm의 흑연 80 중량부를 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 두께 1.5 mm인 연료전지용 박판형 분리판을 제조하였다.

(비교예 1) 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 연료전지용 분리판의 제조

실시예 1에 따라 혼련된 주재를 유리섬유 부직포가 포함되지 않은 금형에 투입하는 과정을 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 연료전지용 분리판을 제조하였다.

(비교예 2) 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 연료전지용 분리판의 제조

실시예 2에 따라 혼련된 주재를 유리섬유 부직포가 포함되지 않은 금형에 투입하는 과정을 수행한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 연료전지용 분리판을 제조하였다.

도 1 및 2에는 본 발명의 실시예 1, 2 내지 비교예 1, 2로부터 제조된 분리판의 굴곡강도와 전기전도도를 각각 그래프로 나타내었다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 실시예 1, 2로부터 제조된 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판은 비교예 1, 2로부터 제조된 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 통상의 연료전지용 분리판에 비하여 굴곡강도가 2배 이상 훨씬 우수한 것을 확인할 수 있다. 아울러 도 2로부터는 본 발명의 실시예 1, 2로부터 제조된 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 전기전도도가 비교예 1, 2에 비하여 동등한 정도의 것임을 알 수 있는바, 본 발명으로부터 제조된 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질이 유리섬유 부직포에 개재된 연료전지용 박판형 분리판은 유리섬유 부직포를 포함하지 않는 통상의 연료전지용 분리판과 비교하여, 뛰어난 전기전도도를 유지하면서도 굴곡강도가 2배 이상 현저히 향상된 기계적 물성을 갖는 것을 확인할 수 있다.

그러므로 본 발명에 따른 유리섬유 부직포를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판은 굴곡강도 및 전기전도도가 우수하면서도 저가의 저중량 박판화를 구현함으로써 연료전지용 분리판으로서 상용화가 가능하다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. I) 열가소성 수지 또는 열경화성 수지, 및 전도성 탄소물질을 함유하는 주재를 혼련하는 단계;
   II) 상기 혼련된 주재를 유리섬유 부직포가 중앙에 놓인 금형에 투입하고 가압하여 시트를 성형하는 단계; 및
   III) 상기 시트를 유로가 형성된 금형에 투입하고 압축성형하는 단계;를 포함하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법으로서,
   상기 유리섬유 부직포는 두께가 0.1~1 mm인 메쉬형의 것이고, 상기 메쉬는 그 폭이 1~10 mm인 것으로 상기 I) 단계에서 혼련된 주재가 서로 관통하여 배합되며, 상기 II) 단계를 통하여 시트를 성형할 때, 혼련된 분말상의 주재를 반 정도만 먼저 금형에 투입하고, 이어서 유리섬유 부직포를 금형의 중앙에 놓은 다음, 다시 나머지 혼련된 분말상의 주재 반 정도를 투입하여 열없이 단지 압력만으로 가압하여 시트를 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법
10. 삭제
11. 제9항에 있어서, 상기 III) 단계의 금형은 스탬핑 가공에 의하여 오목부와 볼록부를 갖는 물결 모양의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법.
12. 제9항에 있어서, 상기 III) 단계의 압축성형은 1,000~2,000 kgf/cm²의 압력, 150~170℃의 온도에서 1~5분 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 박판형 분리판의 제조방법.

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