KR101869963B1

KR101869963B1 - 복합소재분리판, 그 제조방법 및 이를 포함하는 일체형재생연료전지

Info

Publication number: KR101869963B1
Application number: KR1020160113186A
Authority: KR
Inventors: 정호영; 임민화; 박미정
Original assignee: 전남대학교산학협력단
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2018-06-21
Also published as: KR20180026162A

Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 제조방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 기계적강도 및 전도성이 향상된 일체형재생연료전지용 복합소재분리판, 그 제조방법 및 이를 포함하는 일체형재생연료전지에 관한 것이다.

Description

복합소재분리판, 그 제조방법 및 이를 포함하는 일체형재생연료전지{Separators for fuel cell, method for manufacturing the same and fuel cell comprising the same}

최근, 환경문제, 에너지원의 고갈과 더불어 연료전지 자동차의 실용화와 더불어, 높은 에너지 효율을 가지며 상온에서 작동이 가능하면서도 신뢰성이 있는 고성능 연료전지의 개발이 요구되고 있다.

연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라, 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell, PAFC), 용융탄산염형 연료전지(molten carbonate fuel cell, MCFC), 고체 산화물형 연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC), 고분자 전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 알칼리형 연료전지(alkaline fuel cell, AFC), 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 일체형 재생 연료전지(unitized Regenerative Fuel Cell, URFC) 등으로 분류될 수 있다.

이들 연료전지 중 근래에 사용되고 있는 일체형재생연료전지는 기본적으로 전기를 생성하기 위한 단위전지가 다수개 적층되어 있는 스택(stack)을 갖고 있다. 이러한 스택의 기본 구조는 엔드 플레이트 사이에 적층되어 있는 다수개의 단위전지가 볼트와 너트에 의해 체결되는 구조로 이루어져 있으며, 상기한 단위전지는 전해질막의 양측면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 각각 제공되어 있는 막/전극 어셈블리(membrane electrode assembly, MEA)와, 상기 MEA의 양측에 각각 위치하고 유체 유동용 채널이 형성되어 있는 분리판으로 이루어진다.

분리판의 소재로 이용되기 위해 요구되는 특성으로는 낮은 가격 외에도 우수한 가공성, 우수한 기계적 강도와 높은 전기 전도성, 낮은 밀도와 낮은 기체 투과율, 그리고 화학적인 안정성을 들 수 있다. 이러한 다양한 요구사항을 만족시키는 재료로 현재 탄소와 고분자로 제조한 복합 분리판과, 스테인리스 강을 위주로 한 금속 분리판 개발이 이루어지고 있다.

이러한 분리판의 표면에는 냉각수가 순환되는 냉각수 유로가 정밀하게 복잡하게 구성되는데, 이 냉각수 유로의 제작을 위해 분리판을 일체형으로 제작하지 못하고 상면 및 하면을 각각 가공하여 결합해 사용하고 있다.

종래 복합 분리판은 기계에 의한 가공이나 압축 소결(고체의 가루를 틀 속에 넣고 적당히 가압하여 단단하게 만든 다음 녹는점에 가까운 온도로 가열하여 가루들이 서로 증착하거나 재결정화되어 한 덩어리가 되도록 하는 방법)에 의해 상판 및 하판이 따로 가공되어 상호 결합되었다.

또한 금속 분리판은 프레스 성형(프레스로 가압하여 필요한 모양으로 성형하는 방법)에 의해 가공되어 사용되었다. 그러나 기계 가공의 경우 과다한 공수 때문에 작업 공정이 길어지는 단점이 있고, 압축 소결의 경우 상판 및 하판의 결합 공차가 발생하거나 부분적으로 휘는 문제가 발생하는 경우가 있다. 또한, 프레스 성형의 경우 복잡한 냉각수 유로를 성형하기 위한 금형을 만드는 작업이 쉽지 않고 금속 분리판의 성형시 냉각수 유로가 불완전하게 성형되거나 부분적으로 휘는 문제가 발생하는 경우가 있다. 이러한 문제들에 의해 많은 비용이 발생하게 되고, 상면 및 하면을 따로 제작하여 결합시키므로 결합 부위에 대한 취약성이 우려되기도 한다.

따라서, 이러한 문제점이 없으면서도 기계적 강도가 우수하고 전도도가 향상된 분리판 및 그 제조방법이 개발될 필요성이 대두되고 있다.

본 발명자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 연구 노력한 결과, 분리판의 내부에 금속소재 지지체가 삽입된 복합 분리판 및 그 제조방법을 개발함으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명의 목적은 고분자 및 탄소소재 중 하나 이상으로 이루어진 분리판의 내부에 금속소재 지지체를 삽입하는 구성을 통해 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조를 갖는 복합소재분리판을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 복합소재 분리판의 상판 및 하판을 분리하여 제조하지 않고 일체로 성형할 뿐만 아니라 내부에 금속소재 지지체를 포함하여 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조를 갖는 복합소재분리판 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조의 복합소재분리판을 포함함으로써 우수한 성능을 갖는 일체형재생연료전지를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상술된 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 고분자 및 탄소소재 중 하나 이상으로 형성된 기저층; 상기 기저층 상에 금속소재 지지체를 배치하여 형성되는 지지층; 및 상기 기저층과 동일한 소재로 상기 지지층 상에 형성된 상부층;을 포함하는 복합소재분리판을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체는 상기 기저층과 상기 상부층이 상기 지지층을 관통하여 서로 연결되도록 다공성이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자는 녹는점이 50℃이상인 열가소성수지이고, 상기 탄소소재는 5%이상의 결정성을 갖는 탄소소재이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 기저층 및 상기 상부층은 상기 고분자 및 상기 탄소소재가 1~99:99~1의 중량비로 포함된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체는 상기 기저층두께와 상기 상부층의 두께를 더한 총 두께 이하의 두께를 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 금속소재는 기계적강도가 10MPa 이상이고, 전기전도도가 5S/cm 이상이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 탄소소재는 그라파이트, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 활성탄 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상이다.

또한, 본 발명은 고분자 및 용매를 혼합한 후 가열하여 고분자용융액을 준비하는 단계; 상기 고분자용융액에 탄소소재를 첨가한 후 균일하게 분산시켜 분산액을 준비하는 단계; 상기 분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계; 상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계; 상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계; 상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및 상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는 복합소재분리판 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 고분자 및 용매를 혼합한 후 가열하여 고분자용융액을 준비하는 단계; 상기 고분자용융액으로부터 전구체분말을 얻는 단계; 상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계; 상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계; 상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및 상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는 복합소재분리판 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 탄소소재로부터 전구체분말을 얻는 단계; 상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계; 상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계; 상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및 상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는 복합소재분리판 제조방법을 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 복합소재분리판의 표면에 유로를 형성하는 가공단계를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 1차열압착성형 및 3차열압착성형은 150℃ 내지 250℃로 예열된 성형판에 상기 전구체분말을 올린 후 40 내지 60bar의 압력을 가하여 2분 내지 5분 동안 유지하여 수행된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 2차열압착성형 및 4차열압착성형은 80℃ 내지 100℃의 온도에서 80 내지 120bar의 압력을 가하여 15분 내지 30분 동안 유지하여 수행된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계는 상기 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 고형물질을 분쇄하는 단계;를 포함하여 수행된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체는 다공성 판상구조로서 상기 기저층두께와 상기 상부층의 두께를 더한 총 두께 이하의 두께를 갖는다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 고분자는 녹는점이 50℃이상인 열가소성수지이고, 상기 탄소소재는 10%이상의 결정성을 갖는 탄소소재이다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 분산액은 상기 고분자 및 상기 탄소소재가 1~99 : 99~1의 중량비로 포함된다.

또한, 본 발명은 상술된 어느 하나의 복합소재분리판 또는 어느 하나의 제조방법으로 제조된 복합소재분리판을 포함하는 일체형재생연료전지를 제공한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 갖는다.

먼저, 본 발명의 복합소재분리판은 고분자 및 탄소소재 중 하나 이상으로 이루어진 분리판의 내부에 금속소재 지지체를 삽입하는 구성을 통해 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조를 갖는다.

또한, 본 발명의 복합소재분리판 제조방법에 의하면 분리판의 상판 및 하판을 분리하여 제조하지 않고 일체로 성형할 뿐만 아니라 내부에 금속소재 지지체를 포함하여 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조를 갖는 복합소재분리판을 제조할 수 있다.

또한, 본 발명의 일체형재생연료전지는 기계적 강도 및 전도도가 향상된 구조의 분리판을 포함함으로써 우수한 성능을 갖는다.

본 발명의 이러한 기술적 효과는 이상에서 언급한 범위만으로 제한되지 않으며, 명시적으로 언급되지 않았더라도 후술되는 발명의 실시를 위한 구체적 내용의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자가 인식할 수 있는 발명의 효과 역시 당연히 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 복합소재분리판에 포함되는 금속소재 지지체의 일구현예를 보여주는 개략도이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에서 얻어진 복합소재분리판 및 비교예에서 얻어진 비교예분리판의 단면을 SEM으로 관찰한 결과사진들이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서 얻어진 복합소재분리판 및 비교예에서 얻어진 비교예분리판의 전도도실험결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에서 얻어진 복합소재분리판 및 비교예에서 얻어진 비교예분리판의 인장강도 결과 그래프이다.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 본 발명을 설명하기 위해 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기술적 특징은 그 내부에 금속소재 지지체를 포함시킴으로써 기계적 강도 및 전도도가 향상된 특성을 갖는 복합소재 분리판 및 그 제조방법에 있다. 즉, 종래 일체형재생연료전지에 포함되는 탄소소재 분리판은 카본이 부식될 수 있을 뿐만 아니라, 이로 인해 전기 전도도가 금속분리판보다 낮아질 수 있는 문제점이 있었기 때문이다.

따라서, 본 발명의 복합소재분리판은 고분자 및 탄소소재 중 하나 이상으로 형성된 기저층; 상기 기저층 상에 금속소재 지지체를 배치하여 형성되는 지지층; 및 상기 기저층과 동일한 소재로 상기 지지층 상에 형성된 상부층;을 포함한다.

여기서, 지지층은 금속소재 지지체에 의해 형성되는데 지지체는 기저층과 상부층이 지지층을 관통하여 서로 연결되도록 다공성을 갖기만 하면 제한되지 않는다. 일 구현예로서 지지체의 다공성은 메쉬형 또는 폼(form)형의 판상 구조를 통해 달성될 수 있는데, 지지체의 다공성을 통해 비표면적을 향상시킬 수 있기 때문이다. 특히, 지지체를 이루는 금속소재는 저항이 0.2Ω 이하일 수 있는데, 일 구현예로서 은, 금, 티타늄, 구리 등을 포함할 수 있을 것이다. 후술하는 실시예에와 같이 지지체는 기계적강도가 10MPa 이상이고, 전기전도도가 5S/cm 이상인 특성을 갖는 메쉬형(격자무늬의 구조) 또는 폼(form)형 구조를 가질 수 있을 것이다.

지지체의 두께는 전체 복합소재분리판의 1/2이하의 두께이므로, 기저층 두께와 상부층 두께를 더한 총 두께 이하일 수 있다. 일 구현예로서 복합소재분리판의 두께가 1mm인 경우 지지체의 두께는 0.5mm이하일 수 있는데, 기계적 강도 및 전도도의 향상을 위한 최소한의 두께는 0.1mm 일 수 있을 것이다.

기저층 및 상부층은 각각 고분자단독으로 형성되거나, 탄소소재만으로 형성되거나 고분자 및 탄소소재가 일정비율로 혼합되어 형성될 수 있는데, 고분자 및 탄소소재가 일정비율로 혼합되는 경우 고분자 및 탄소소재는 1~99:99~1의 중량비로 포함될 수 있다. 탄소소재의 함량이 많아지면 전도도는 높아지지만 내구성이 낮아지거나 기계적 강도가 떨어지는 문제가 있을 수 있고, 고분자의 함량이 많아지면 전도도가 떨어지는 문제가 발생할 수 있지만 기계적 강도가 올라가고 열 압착시에 성형이 유리한 장점이 있다.

이 때, 고분자는 녹는점이 50℃이상인 열가소성수지기만 하면 제한되지 않으나, 일구현예로서, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등의 열가소성 수지로 구성된 그룹에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.

탄소소재는 5%이상의 결정성을 갖기만 하면 공지된 모든 탄소소재가 사용될 수 있는데, 일구현예로서 그라파이트, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 활성탄, 탄소섬유 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상일 수 있으며, 직경 10μm 이하의 분말 형태로 사용될 수 있다. 필요한 경우 탄소소재의 결정성 향상을 위해 초음파처리 또는 열처리한 탄소소재를 사용할 수 있는데, 초음파처리는 15~25kHz에서 2~4시간 동안 수행될 수 있고, 열처리는 900 내지 1100℃에서 수행될 수 있다. 특히 탄소소재로 그라파이트와 카본블랙을 혼합하여 사용하는 조합은 카본블랙의 입자가 작아서 그라파이트 입자 사이에 위치하여 비표면적을 증가시키고 이로 인해 전기전도도를 향상시킬 수 있는 특징이 있다.

다음으로, 본 발명의 복합소재분리판 제조방법은 기저층 및 상부층을 고분자 및 탄소소재를 일정비율로 혼합하여 형성하거나, 고분자단독으로 형성하거나 탄소소재만으로 형성하는지 여부에 따라 3가지 방법으로 수행될 수 있다.

먼저, 기저층 및 상부층을 고분자 및 탄소소재를 일정비율로 혼합하여 형성하는 복합소재분리판 제조방법은 고분자 및 용매를 혼합한 후 가열하여 고분자용융액을 준비하는 단계; 상기 고분자용융액에 탄소소재를 첨가한 후 균일하게 분산시켜 분산액을 준비하는 단계; 상기 분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계; 상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계; 상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계; 상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및 상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함한다.

고분자용융액을 준비하는 단계는 고분자와 용매를 넣고 고분자의 녹는점 이상으로 가열하면서 완전히 용융시켜 수행될 수 있다. 고분자용융액에 포함되는 용매는 고분자를 용해시킬 수 있기만 하면 공지된 모든 용매가 사용될 수 있는데, 후술하는 실시예에서는 1,2-dichlorobenzene이 사용되었다.

분산액을 준비하는 단계는 고분자용융액에 탄소소재를 고분자:탄소소재가 6~9 : 4~1의 중량비로 포함되도록 첨가한 후 교반하여 수행될 수 있으며, 고분자와 탄소소재가 균질하게 분산된 분산액을 얻을 수 있다.

분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계는 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 고형물질을 분쇄하는 단계;를 포함하여 수행되는데, 용매를 제거하는 단계는 용매가 휘발성이면 상온에서 분산액을 일정시간 두는 것만으로 용매가 제거될 수 있지만, 용매가 휘발성이 아닌 경우에는 필터로 용매를 제거하고 건조시켜서 수행될 수도 있을 것이다. 용매가 제거된 고형물질은 압축소결에 적합한 입자크기를 갖도록 분쇄되는데 그라인더를 이용하여 1909nm 입자크기를 갖도록 분쇄될 수 있다.

1차 열압착성형 및 3차 열압착성형은 150℃ 내지 250℃로 예열된 성형판에 상기 전구체분말을 올린 후 40 내지 60bar의 압력을 가하여 2분 내지 5분 동안 유지하여 수행될 수 있다.

2차열압착성형 및 4차열압착성형은 80℃ 내지 100℃의 온도에서 80 내지 120bar의 압력을 가하여 15분 내지 30분 동안 유지하여 수행될 수 있다.

1차 내지 4차 열압착수행 후 얻어진 기저층, 전구체플레이트 및 복합소재플레이트는 다음 단계를 수행하기 전에 상온까지 냉각될 수 있다. 이러한 냉각과정 후 다음 단계의 열압착성형이 진행되어야 플레이트의 기계적 강도를 보다 향상시킬 수 있기 때문이다.

한편, 상술된 공정을 거쳐 1회 이상의 강화단계가 수행되어 얻어진 복합소재분리판이 일체형재생연료전지로 사용되는 경우, 일체형재생연료전지에 적합한 기설계된 유로가 복합소재분리판의 표면에 형성되는 가공단계가 더 수행될 수 있다.

가공단계는 공지된 모든 방법으로 수행될 수 있는데, 일 구현예로서 하나의 몰드판에 0.5T 폭을 가진 유로를 가공한 뒤 복합소재분리판 제조시에 사용하여 열압착한다.

한편, 기저층 및 상부층을 고분자 단독으로 형성하는 복합소재분리판 제조방법은 상술된 방법에서 분산액을 준비하는 단계가 생략되고 전구체분말을 얻는 단계가 고분자용융액으로부터 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 고형물질을 분쇄하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 제외하면 상술된 제조방법과 동일하다. 여기서, 용매를 제거하는 단계는 용매가 휘발성이면 상온에서 고분자용융액을 일정시간 두는 것만으로 용매가 제거될 수 있지만, 용매가 휘발성이 아닌 경우에는 필터로 용매를 제거하고 건조시켜서 수행될 수도 있을 것이다. 용매가 제거된 고형물질은 압축소결에 적합한 입자크기를 갖도록 분쇄되는데 그라인더를 이용하여 1000nm~2000nm 입자크기를 갖도록 분쇄될 수 있다.

또한, 기저층 및 상부층을 탄소소재 단독으로 형성하는 복합소재분리판 제조방법 또한 상술된 방법에서 고분자용융액을 준비하는 단계 및 분산액을 준비하는 단계를 생략하고, 전구체분말을 얻는 단계를 탄소소재를 원하는 조성 및 크기의 입자로 준비하는 단계를 수행하여 진행하는 것을 제외하면 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

상술된 방법으로 제조된 본 발명의 복합소재분리판은 내부에 다공성 금속소재 지지판을 포함함으로써 종래 탄소소재분리판과 비교하여 기계적 강도는 10MPa 이상, 전도도는 30S/cm 이상 높은 특성을 나타낸다.

그 결과, 본 발명의 복합소재분리판을 포함하는 일체형재생연료전지는 포함되는 복합소재분리판의 내구성 및 전도도 향상으로 인해 장기성능이 향상될 수 있을 것이다.

실시예 1

1. 고분자용융액을 준비하는 단계

폴리프로필렌 10g을 1,2-dichlorobenzene 20g에 넣고 150℃에서 완전히 용융시켜 고분자용융액을 준비하였다.

2. 분산액을 준비하는 단계

탄소소재 그라파이트분말과 카본블랙분말을 1:1 비율로 준비한 후, 고분자용융액에 포함된 폴리프로필렌(P):탄소소재(C)의 중량비가 17:83이 되도록 탄소소재를 첨가한 후 교반기에서 2시간 동안 교반하여 완전히 분산된 분산액을 준비하였다.

3. 전구체분말을 얻는 단계

분산액을 상온에서 2시간동안 거치하여 용매인 1,2-dichlorobenzene을 완전히 제거한 다음, 그라인더를 이용하여 용매제거 후 얻어진 고형물질을 직경 931nm 를 갖도록 분쇄하였다.

4. 기저층을 형성시키는 단계(1차열압착성형)

몰드판을 200℃에서 예열작업을 한 다음 전구체분말을 올려서 50bar압력을 주어 3분간 유지시켜 0.5mm두께의 기저층을 형성하였다.

5. 전구체플레이트를 형성시키는 단계(2차열압착성형)

형성된 기저층을 꺼내어 상온까지 냉각시킨 후 다시 몰드판에 넣은 다음 기저층 상에 지지체로서 은메쉬(두께: 0.2mm,직경 : 10mm)를 배치한 후 80~100℃의 온도가 유지되도록 하면서 100bar의 압력을 가한 후 20분간 유지시켜 기저층과 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성하였다. 여기서, 상기 은메쉬는 도 1에 도시된 바와 같은 격자무늬의 구조를 갖는다.

6. 복합소재플레이트를 형성하는 단계(3차열압착성형)

형성된 전구체플레이트를 꺼내어 상온까지 냉각시킨 후 다시 몰드판에 넣은 다음 전구체플레이트의 지지층 상에 전구체분말을 올려서 200℃, 50bar압력을 가한 다음 3분간 유지시켜 0.5mm두께의 상부층을 형성하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 두께 1T짜리 복합소재플레이트를 형성하였다.

7. 강화단계(4차열압착성형)

복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 형성된 복합소재플레이트를 꺼내어 상온까지 냉각시킨 후 다시 몰드판에 넣은 다음 80~100℃의 온도가 유지되도록 하면서 100bar의 압력을 가한 후 20분간 유지시켜 강화단계를 수행한 다음, 다시 동일한 방법으로 강화단계를 다시 수행하여 복합소재분리판1(P:C=17:83-은메쉬)을 제조하였다.

실시예 2

고분자용액에 포함된 폴리프로필렌(P):탄소소재(C)의 중량비가 50:50인 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 복합소재분리판2(P:C=50:50-은메쉬)을 얻었다.

실시예 3

고분자용액에 포함된 폴리프로필렌(P):탄소소재(C)의 중량비가 30:70인 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법을 수행하여 복합소재분리판3(P:C=30:70-은메쉬)을 얻었다.

비교예 1

지지체를 포함하지 않도록 전구체플레이트를 형성시키는 단계를 수행하지 않은 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 비교예분리판1(P:C=17:83)을 얻었다.

비교예 2

지지체를 포함하지 않도록 전구체플레이트를 형성시키는 단계를 수행하지 않고, 탄소소재로 사용된 그라파이트분말 중 5중량%를 카본블랙으로 대체한 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 비교예분리판2(P:C=17:83(C.B 5%))을 얻었다.

비교예 3

지지체를 포함하지 않도록 전구체플레이트를 형성시키는 단계를 수행하지 않고, 고분자용액에 포함된 폴리프로필렌(P):탄소소재(C)의 중량비가 50:50인 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 비교예분리판3(P:C=50:50)을 얻었다.

비교예 4

지지체를 포함하지 않도록 전구체플레이트를 형성시키는 단계를 수행하지 않고, 고분자용액에 포함된 폴리프로필렌(P):탄소소재(C)의 중량비가 30:70인 것을 제외하면 실시예1과 동일한 방법으로 비교예분리판4(P:C=30:70)을 얻었다.

실험예 1

실시예1에서 얻어진 복합소재분리판1(P:C=17:83), 비교예분리판1(P:C= 17:83) 및 비교예분리판2(P:C=50:50)의 단면을 SEM으로 관찰하고 SEM사진을 도 2a 내지 도 2c에 각각 도시하였다.

도 2a에 도시된 바와 같이 내부에 포함된 은메쉬를 확인할 수 있다. 도2b 및 도 2c에 도시된 바와 같이 고분자의 양이 많을수록 분리판의 단면이 깨끗함을 확인할 수 있다.

실험예 2

실시예1에서 얻어진 복합소재분리판1(P:C=17:83-은메쉬), 실시예2에서 얻어진 복합소재분리판2(P:C=50:50-은메쉬), 비교예분리판1(P:C=17:83), 비교예분리판2(P:C=17:83(C.B 5%)) 및 비교예분리판3(P:C=50:50)의 전도도를 다음과 같이 측정하고 그 결과를 표 1 및 도 3에 도시하였다.

전도도 측정은 4-point probe type 장치를 이용하였고, 표면 저항(Ω)을 측정한 다음 이를 σ(전도도)=T(두께)/R(저항)XA(면적) 공식을 통해 전도도(S/cm)로 변환하였다.

구분	conductivity(S/㎝)
복합소재분리판1(P:C=17:83-은메쉬)	46.62
복합소재분리판2(P:C=50:50-은메쉬)	10.10
비교예분리판1(P:C=17:83)	19.07
비교예분리판2(P:C=17:83(C.B 5%))	33.33
비교예분리판3(P:C=50:50)	4.76

표 1 및 도 3으로부터 탄소소재의 함량이 많을수록 전도도가 높지만 탄소소재의 함량이 동일하더라도 그라파이트만 사용한 것보다 그라파이트와 카본블랙의 혼합물이 사용되면 전도도가 더 높은 것을 알 수 있다. 특히, 고분자 및 탄소소재가 함량비가 동일한 조건에서 본 발명과 같이 지지체로 은메쉬가 포함되면 전기전도도가 2배 이상 현저하게 향상되는 것을 알 수 있다.

실험예 3

실시예3에서 얻어진 복합소재분리판3(P:C=30:70-은메쉬) 및 비교예4에서 얻어진 비교예분리판4(P:C=30:70)를 대상으로 다음과 같이 인장강도 실험을 수행하고 그 결과를 도 4a 및 도 4b에 나타내었다. 인장강도는 금속인장강도시험기를 사용하였고, 플레이트시험편의 두께와 너비를 측정한 다음 시험편 양끝을 기계에 고정시켜 일정 속도로 잡아당기면서 측정한다.

도 3a에 도시된 바와 같이 Ag mesh가 포함된 복합소재분리판3(P:C=30:70-은메쉬)의 경우 인장강도가 10.3 Mpa로 확인되었지만, 도 3b에 도시된 바와 같이 Ag mesh가 포함되지 않은 비교예분리판4(P:C=30:70)은 1.5 Mpa로 확인되어 Ag mesh가 포함된 복합소재분리판3(P:C=30:70-은메쉬)의 인장강도가 거의 10배 정도 높은 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명과 같이 분리판 내부에 지지체로 은매쉬를 포함시키게 되면 기계적강도가 증가하는 것을 알 수 있다.

상술된 실험결과들은 본 발명의 복합소재분리판이 전도도가 우수할 뿐만 아니라 기계적 강도 또한 현저히 우수한 것을 보여주므로, 일체형재생연료전지에 본 발명의 복합소재분리판을 사용하게 되면 셀 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 장기 운전 성능 역시 향상될 수 있음이 예측될 수 있다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

고분자 및 탄소소재 중 하나 이상으로 형성된 기저층;
상기 기저층 상에 금속소재 지지체를 배치하여 형성되는 지지층; 및
상기 기저층과 동일한 소재로 상기 지지층 상에 형성된 상부층;을 포함하는데,
상기 지지체는 상기 기저층과 상기 상부층이 상기 지지층을 관통하여 서로 연결될 수 있는 다공성 판상구조로서, 상기 지지체를 관통하여 연결되는 상기 기저층 및 상부층에 의해 전체적으로 감싸져서 내부에 형성되고,
상기 기저층 및 상부층은 그 표면이 고분자로 코팅된 탄소소재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 고분자는 녹는점이 50℃이상인 열가소성수지이고, 상기 탄소소재는 3%이상의 결정성을 갖는 탄소소재인 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
제 1 항에 있어서,
상기 기저층 및 상기 상부층은 상기 고분자 및 상기 탄소소재가 1~99:99~1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
제 1 항에 있어서,
상기 지지체는 상기 기저층두께와 상기 상부층의 두께를 더한 총 두께 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
제 1 항에 있어서,
상기 금속소재는 기계적강도가 10MPa 이상이고, 전기전도도가 5S/cm 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 탄소소재는 그라파이트, 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀, 활성탄 및 이들의 조합 중 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 복합소재분리판.
고분자 및 용매를 혼합한 후 가열하여 고분자용융액을 준비하는 단계;
상기 고분자용융액에 탄소소재를 첨가한 후 균일하게 분산시켜 분산액을 준비하는 단계;
상기 분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계;
상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계;
상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계;
상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및
상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는데,
상기 지지체는 상기 기저층과 상기 상부층이 상기 지지층을 관통하여 서로 연결될 수 있는 다공성 판상구조로서, 상기 지지체를 관통하여 연결되는 상기 기저층 및 상부층에 의해 전체적으로 감싸져서 내부에 형성되고,
상기 기저층 및 상부층을 형성하는 상기 전구체분말은 그 표면이 고분자로 코팅된 탄소소재인 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
고분자 및 용매를 혼합한 후 가열하여 고분자용융액을 준비하는 단계;
상기 고분자용융액으로부터 전구체분말을 얻는 단계;
상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계;
상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계;
상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및
상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는데,
상기 지지체는 상기 기저층과 상기 상부층이 상기 지지층을 관통하여 서로 연결될 수 있는 다공성 판상구조로서, 상기 지지체를 관통하여 연결되는 상기 기저층 및 상부층에 의해 전체적으로 감싸져서 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
탄소소재로부터 전구체분말을 얻는 단계;
상기 전구체분말을 1차열압착성형하여 기저층을 형성시키는 단계;
상기 기저층 상에 지지체를 배치한 후 2차열압착성형하여 기저층 및 지지층이 형성된 전구체플레이트를 형성시키는 단계;
상기 전구체플레이트의 지지층 상에 상기 전구체분말을 배치한 후 3차열압착성형하여 기저층, 지지층 및 상부층이 형성된 복합소재플레이트를 형성하는 단계; 및
상기 복합소재플레이트의 기계적 강도를 높이기 위해 1회 이상의 4차열압착성형을 수행하는 강화단계;를 포함하는데,
상기 지지체는 상기 기저층과 상기 상부층이 상기 지지층을 관통하여 서로 연결될 수 있는 다공성 판상구조로서, 상기 지지체를 관통하여 연결되는 상기 기저층 및 상부층에 의해 전체적으로 감싸져서 내부에 형성되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복합소재분리판의 표면에 유로를 형성하는 가공단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 1차열압착성형 및 3차열압착성형은 150℃ 내지 250℃로 예열된 성형판에 상기 전구체분말을 올린 후 40 내지 60bar의 압력을 가하여 2분 내지 5분 동안 유지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 2차열압착성형 및 4차열압착성형은 80℃ 내지 100℃의 온도에서 80 내지 120bar의 압력을 가하여 15분 내지 30분 동안 유지하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 분산액으로부터 전구체분말을 얻는 단계는 상기 분산액으로부터 용매를 제거하는 단계; 및 용매가 제거된 고형물질을 분쇄하는 단계;를 포함하여 수행되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 지지체는 상기 기저층두께와 상기 상부층의 두께를 더한 총 두께 이하의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 고분자는 녹는점이 50℃ 이상인 열가소성수지이고, 상기 탄소소재는 10%이상의 결정성을 갖는 탄소소재인 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 11 항에 있어서,
상기 분산액은 상기 고분자 및 상기 탄소소재가 1~99 : 99~1의 중량비로 포함되는 것을 특징으로 하는 복합소재분리판 제조방법.
제 1 항, 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 복합소재분리판 또는 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된 복합소재분리판을 포함하는 일체형재생연료전지.