KR102442514B1

KR102442514B1 - 연료전지 성능 테스트용 pemfc 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법

Info

Publication number: KR102442514B1
Application number: KR1020220028187A
Authority: KR
Inventors: 장권영; 정욱; 박재형; 김태훈
Original assignee: 주식회사 시너지
Priority date: 2022-03-04
Filing date: 2022-03-04
Publication date: 2022-09-14
Also published as: KR20230131080A; KR20230131079A; KR20230131075A; KR20230131076A; KR20230131077A; KR20230131078A

Abstract

본 발명은 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수지를 분리판 형태로 3D 프린팅 한 뒤, 구리를 도금하여 전도성을 띄는 시편으로 제작하여 사전에 연료전지 성능을 테스트할 수 있는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법{Method for manufacturing PEMFC bipolar plate and unit cell test piece for testing efficiency of the fuel cell}

석탄이나 원유 등 화석자원의 고갈과 이산화탄소의 배출에 따른 지구온난화 등의 이유로 친환경적인 발전장치인 연료전지가 차세대 에너지원으로 많은 관심을 받고 있으며, 그 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 특히, 드론(Drone) 등의 무인기나 자동차 등에는 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)가 많이 적용되고 있다. 연료전지의 대부분은 수소와 산소를 이용하고 있으며, 수소는 연료극을 통과하고, 산소는 공기극을 통과한다. 연료전지는 일반적인 연소기관에 비해 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없으며, 그 크기와 용량을 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로, 연료전지는 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA)와 분리막(또는 분리판, Separator, Bipolar plate)을 포함한다. 막-전극 접합체는 중앙의 분리판과, 상기 분리판의 양면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 포함한다. 분리판은 막-전극 접합체에 가스(수소 및 산소)를 균일하게 공급하는 기능을 가지며, 이를 위해 분리판의 일면에는 가스(수소 및 산소)가 통과되는 유로(channel)가 형성되어 있다.

구체적으로, 연료전지는 막-전극 접합체와 막-전극 접합체의 양쪽에 설치된 분리판을 포함하며, 이를 유닛 셀(Unit cell, 단위 셀)이라 한다. 이러한 단위셀은 가정용의 경우 수십 내지 수백개, 자동차의 경우 수백개 이상을 적층하여 연료전지 스택(Fuel cell stack)을 형성한다.

여기서 분리판은 전류가 흘러가는 통로 역할을 하므로, 낮은 표면저항 값을 가져야 하며, 반응 가스(수소, 산소 또는 공기)의 공급과 물의 배출통로로서의 기능을 가지므로, 쉽게 다양한 통로를 제작하는 것이 가능해야 한다. 또한 각 가스의 혼합방지를 위해 공기투과도가 낮아야 하며, 원활한 열관리 및 우수한 내부식성을 지녀야 한다. 뿐만 아니라, 제한된 공간 또는 작은 공간(ex; 자동차, 휴대기기 등등)에 연료전지를 사용하기 위해서 한 스택 안에 수백 ~ 수천 개 사용되는 분리판은 얇으면서도 높은 강도를 가져야 한다.

기존의 상업화된 흑연(Graphite, 그라파이트) 분리판은 고내식성 및 양호한 전기전도성을 가지고 있으나, 기계적 충격이나 진동에 약해 일정 이상의 두께를 유지해야 하므로, 고비용의 문제점이 있다.

또한, 종래의 분리판의 유로는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 구체적으로 앤드밀 가공은 유로 형상에 맞춰 앤드밀이 이동하며 가공하므로, 가공 공구에 의한 기계적 절삭 방식으로 생산성 내지 효율이 나쁘다. 유차 분사 가공은 건식 필름 코팅 후 마스크를 형성하고 노광하여 건식 식각(샌드블라스트, 샷 피닝, 초음파 식각 등)으로 패턴 제거 후 세척하여 완성되며, 공정 단계가 복잡하여 생산 효율 낮다. 스탭핑 가공은 스탬퍼를 이용하는 가공방법으로, 생산 효율 높지만 스탬핑 금형과 레진간 소착 발생으로 상용화가 불가능하다. 마지막으로 유로 가공된 금형을 활용한 분리판 성형 기술이 있으며, 효율을 높을 수 있으나 제품 균일도 확보가 어렵고, 금형 비용이 높고, 금형 손상도 잦아 고비용의 문제가 있다.

이에 따라, 새로운 유로에 대한 연료전지의 성능 테스트를 할 경우, 고비용이 드는 흑연 분리판을 대신하여 경제적으로 분리판 및 유닛 셀을 테스트 할 수 있는 기술이 필요하다.

종래기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0432523호 “연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그제조 방법”이 기재되어 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 수지를 분리판 형태로 3D 프린팅 한 뒤, 구리를 도금하여 전도성을 띄는 시편으로 제작하여 사전에 연료전지 성능을 테스트할 수 있는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법은 수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력하여 분리판 성형체를 제조하는 분리판성형단계; 상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 오목부를 형성하는 오목부형성단계; 상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하는 접착물도포단계; 상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 상기 전도성 접착물이 도포된 분리판 성형체의 표면을 연마하는 연마단계 및 상기 연마단계를 거친 분리판 성형체 표면에 구리 금속을 도금하여 구리도금층을 형성하는 구리도금단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 오목부형성단계는, 스프레이(spray), 정전 스프레이(electrostatic spray), 스크린 프린팅(screen printing), 붓칠(brushing), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 주입(pouring), 드립핑(dripping) 중 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 접착물도포단계는, 상기 전도성 접착물 100중량부에 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상을 포함하는 탄소나노물질 0.5 내지 4중량부를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구리도금단계는, 구리염 및 구리전극판을 이용하여 전기도금을 하되, 저항값에 따라 구리도금층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구리염은, 황산구리, 염화구리, 산화구리, 메탄설폰산구리, 피로린산구리 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지는, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수지는, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성된 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함하는 복합재료인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가지고, 상기 구리도금단계를 마친 분리판 성형체는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편은 상기 제조방법에 의해 제조되는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 있어서, 수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력된 분리판 성형체; 상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 형성된 오목부; 상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하고, 상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 표면을 연마하여 형성된 접착부 및 상기 접착부가 형성된 분리판 성형체에 구리 금속을 도금하여 형성된 구리도금층을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 유닛 셀 시편은 상기 제조방법에 의해 제조되는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법은 흑연 분리판을 제작하기 전 문제사항을 사전에 파악할 수 있다.

또한, 흑연 분리판을 테스트하는 것보다 저렴하여 경제적 이익이 발생할 수 있다.

또한, 흑연 분리판 이외에도 전기전도성 부품의 구조적 형상 연구시 경제성을 향상시킬 수 있다.

또한, 규격화된 유닛 셀 테스트 장비와 체결을 위해 전도성 구조물을 제작하여 테스트 장비의 범용성을 높일 수 있다.

또한, 위에서 언급된 본 발명의 실시 예에 따른 효과는 기재된 내용에만 한정되지 않고, 명세서 및 도면으로부터 예측 가능한 모든 효과를 더 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법의 순서도.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

또한, 이하의 설명에서는 특별한 언급이 없는 한 도 1을 기준으로 전면을 향하는 방향을 '전방'이라 하고, 그 반대 방향을 '후방'이라 한다. 이에 따라 '좌측', '우측', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 상기 전방 및 후방을 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법의 순서도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법은 분리판성형단계(S1), 오목부형성단계(S2), 접착물도포단계(S3), 연마단계(S4) 및 구리도금단계(S5)를 포함할 수 있다.

분리판성형단계(S1)는 수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력하여 분리판 성형체(10)를 제조할 수 있다. 분리판성형단계(S1)는 3D 프린터를 사용하여 분리판 성형체(10)를 제조하므로, 미세한 유로를 형성할 수 있다. 종래의 금형으로 유로를 형성하는 방식은 재현성이 낮으며 미세한 유로는 형성하기 어렵다는 단점이 있다.

여기서, 수지는 ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)일 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술분야에서 3D 프린터 장치로 분리판 성형체(10)를 제조할 수 있는 열가소성 수지는 모두 사용 가능하다.

여기서, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)는 비결정성의 스틸렌계 열가소성 수지로, 내열성, 내충격성, 가공성, 강성, 유동성 등이 뛰어나며, 치수안정성, 성형가공성, 내약품성 등의 제반특성도 매우 뛰어나다. 초기에는 ABS는 NBR과 AS 수지를 혼합한 브렌드형이 대부분 이었으나, 최근 폴리부타디엔에 스틸렌, 아크릴로 모노머를 그래프트중합 시키는 방법이 많이 사용된다.

또한, 수지는 분리판 성형체(10)의 기계적 물성을 향상시키기 위해 탄소나노물질이 함유된 복합재료를 사용할 수 있다. 일반적으로 3D 프린터용에 사용되는 수지는 인장강도가 낮다는 단점이 있어, 분리판 시편에 적용하기 위해서는 강도를 향상시킬 필요가 있다. 구체적으로 연료전지 성능 평가에 사용되는 시편은 여러 차례 평가를 실시할 수 있고, 시편을 평가한 뒤 보관하여 안정성을 평가하기 위해 재평가 할 수 있다. 이때, 분리판에 형성된 유로를 포함하여 분리판의 형태가 유지되는 것은 중요하다.

이를 해결하기 위해, 본 발명에 사용되는 수지는 탄소나노물질을 포함할 수 있다. 수지는 ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 ABS 100중량부 기준으로, 탄소나노물질 3 내지 4중량부를 포함할 수 있다.

여기서, 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 탄소나노물질의 함량이 1중량부 미만일 경우, 탄소나노물질에 의한 기계적 물성 향상 효과가 미미할 수 있고, 5중량부 초과일 경우, 탄소나노물질이 뭉쳐진 부분이 발생하여 기계적 물성이 저하될 수 있다.

오목부형성단계(S2)는 분리판 성형체(10)의 표면에 아세톤을 도포하여 오목부(20)를 형성할 수 있다. 오목부형성단계(S2)는 ABS가 아세톤에 녹는 성질을 이용하여 도 3에 도시한 바와 같이 분리판 성형체(10) 표면에 랜덤한 오목부(20)를 만들 수 있다.

오목부형성단계(S2)는 스프레이(Spray), 정전 스프레이(Electrostatic spray), 스크린 프린팅(Screen printing), 붓칠(Brushing), 슬롯 다이 캐스팅(Slot die casting), 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 주입(Pouring), 드립핑(Dripping) 중 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정하지는 않는다.

도 4를 참조하면, 접착물도포단계(S3)는 오목부(20)가 형성된 분리판 성형체(10)에 전도성 접착물(A)을 도포할 수 있다. 여기서, 전도성 접착물(A)은 본 발명의 기술분야에서 수지도금 전 사용되는 통상적인 접착물은 모두 사용가능하다.

접착물도포단계(S3)는 후공정에 의해 생성될 구리도금층(40)과의 밀착력을 향상시키기 위해 전도성 접착물(A)에 탄소나노물질을 혼합할 수 있다. 여기서, 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

구체적으로, 접착물도포단계(S3)는 전도성 접착물(A) 100중량부에 탄소나노물질 0.5 내지 4중량부를 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 전도성 접착물(A)에서 탄소나노물질의 양이 0.5중량부 미만일 경우, 도금 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있고, 4중량부 초과일 경우, 도금 밀착력 효과에 비해 탄소나노물질의 소모량이 많고 탄소나노물질이 뭉쳐 도포가 잘 안될 수 있다. 가장 바람직하게는 탄소나노물질의 함량은 1.5 내지 3중량부일 수 있다.

도 5를 참조하면, 연마단계(S4)는 오목부(20)에만 전도성 접착물(A)이 잔류하도록 전도성 접착물(A)이 도포된 분리판 성형체(10)의 표면을 연마할 수 있다. 연마단계(S4)는 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용하는 연마방식은 모두 적용가능하다.

구체적으로, 연마단계(S4)는 분리판 성형체(10)의 표면을 연마포로 버핑을 실시하여 연마할 수 있다. 이에 따라, 연마단계(S4)는 오목부(20) 내부에만 전도성 접착물(A)이 남게되어 접착부(30)를 형성할 수 있다.

도 6을 참조하면, 구리도금단계(S5)는 연마단계(S4)를 거친 분리판 성형체(10) 표면에 구리 금속을 도금하여 구리도금층(40)을 형성할 수 있다.

구리도금단계(S5)는 구리염 및 구리전극판을 이용하여 전기도금을 하되, 저항값에 따라 구리도금층의 두께를 조절할 수 있다.

여기서 전기도금은 전기분해의 원리를 이용하여 물체의 표면을 다른 금속의 얇은 막으로 덮어씌우는 것을 말하며, 도금액에 담긴 양극과 음극 사이에 직류전기를 연결하여 실시한다. 이때 음극은 도금할 물체(모재)이며 도금액에는 코팅될 금속(전착금속)을 이온으로 포함하는 용액을 사용한다. 이온화 경향이 작고 반응성이 낮아 안정적인 물질인 은, 금, 구리, 니켈 등이 전기도금에 주로 사용되는 금속들이다.

도금액에 사용되는 구리염은 황산구리, 염화구리, 산화구리, 메탄설폰산구리, 피로린산구리 중 하나를 선택하여 사용될 수 있다. 도금액은 전도염, 착화제, 산화방지제, 안정제 및 광택제를 더 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술분야에서 도금액으로 사용하는 모든 첨가제들은 모두 사용 가능하다.

또한, 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 두께가 20㎛ 미만일 경우, 전도성 효과가 미미하여 연료전지 성능 평가가 어려울 수 있고, 80㎛ 초과일 경우, 구리도금에 사용되는 구리의 양만 늘어나 시편 제작비용이 늘어날 수 있다.

구리도금단계(S5)를 마친 분리판 성형체(10)는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가질 수 있다. 가장 바람직하게는 1.0 내지 1.2㎜의 두께를 가질 수 있다.

이때, 분리판 성형체(10)가 두께가 0.7㎜ 미만일 경우, 강도가 약해질 수 있고, 1.7㎜ 초과일 경우, 박형화에 바람직하지 않을 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 제조방법으로 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편을 제공할 수 있다. 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편은 종래의 흑연으로 제작된 시편과 유사한 연료전지 성능이 나오므로 종래의 시편을 대체할 수 있다.

이에, 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편흑연 분리판을 제작하기 전 문제사항을 사전에 파악할 수 있다.

이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.

[실시예]

[실시예 1]

ABS 펠렛 100중량부에 탄소나노섬유 4중량부를 혼합한 후, 압출기를 사용하여 수지를 제조하였다. 상기 수지를 사용하고 FDM 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다.

[실시예 2]

ABS 펠렛 100중량부에 탄소나노섬유 4중량부를 혼합한 후, 압출기를 사용하여 수지를 제조하였다. 상기 수지를 사용하고 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다. 제조된 분리판 성형체의 표면을 스프레이(Spray)를 사용하여 랜덤한 오목부를 생성하였다. 그 다음, 전도성 접착물을 도포하고 연마포로 버핑하여 오목부를 제외한 분리판 성형체의 표면을 연마하였다. 마지막으로 황산구리 및 구리전극판을 이용하고 양극과 음극 사이에 20 mA/㎠ 의 직류 전류 밀도를 인가하여 50 내지 60㎛가 될 때까지 구리 전기도금을 실시하여 1.0 내지 1.2㎜의 분리판 시편을 제조하였다.

[실시예 3]

전도성 접착물 100중량부에 탄소나노튜브 2중량부를 혼합하여 도포한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 분리판 시편을 제조하였다.

[비교예 1]

ABS 펠렛을 사용하고 FDM 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다.

[비교예 2]

종래의 방식대로 흑연으로 PEMFC 분리판 시편을 제작하였다.

[실험예 1] 기계적 물성 평가

분리판 성형체의 기계적 물성을 평가하기 위해 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 분리판 성형체의 기계적 물성을 평가하였다. 시편은 동시에 5개씩 10개를 만들어 인장강도와 탄성율을 평가하였고 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1
인장강도(MPa)	60.74	49.57
탄성율(MPa)	2621.88	2417.04

표 1에서 나타나듯이, 실시예 1은 비교예 1보다 인장강도 및 탄성율이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.구체적으로, 실시예 1은 탄소나노물질을 포함하고 있어 기계적 물성이 향상된 것으로 판단된다.

[실험예 2] 도금 밀착력 평가

분리판 성형체의 도금 밀착력을 평가하기 위해 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 분리판 성형체의 전면부를 10㎜ 폭의 흠집을 내고 Pull Gage를 이용하여 수직 방향으로 80㎜ 가량 박리하면서 얻어진 강도 값을 N/cm 단위로 표시하였다. 시험 횟수는 시편당 3회 실시하여 그 평균값을 도금 밀착력 값으로 하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 2	실시예 3
도금 밀착력	8	12

표 2에서 나타나듯이, 실시예 3은 비교예 2보다 도금 밀착력이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.구체적으로, 실시예 3은 전도성 접착물에 탄소나노물질(탄소나노튜브)을 포함하고 있어 도금 밀착력이 향상된 것으로 판단된다.

[실험예 3] 유닛 셀의 성능 평가

실시예 3 및 비교예 2에 의해 제조된 분리판 시편을 사용하여 유닛 셀의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.

성능 평가 조건은 연료극의 경우 가습기 온도를 71℃, 라인 히터 온도를 81℃, 이슬점 온도를 64.3℃로 하고, 공기극의 경우 가습기 온도를 69℃, 라인 히터 온도를 79℃, 이슬점 온도를 64.5℃로 하여 측정하였으며, 이들 모두 상대 습도 100%에서 정전류 모드(Constant Current mode)로 성능을 평가하였다.

	실시예 3	비교예 2
Current Density(A/㎝)	0.5	0.5
Cell Voltage(V)	0.663	0.6824

표 3에서 나타나듯이, 실시예 3과 비교예 2는 유사한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 제조방법으로 제조된 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 유닛 셀 시편은 기존의 시편을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

10 : 분리판 성형체
20 : 오목부
30 : 접착부
40 : 구리도금층
A : 전도성 접착물

Claims

수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력하여 분리판 성형체를 제조하는 분리판성형단계;
상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 오목부를 형성하는 오목부형성단계;
상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하는 접착물도포단계;
상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 상기 전도성 접착물이 도포된 분리판 성형체의 표면을 연마하는 연마단계 및
상기 연마단계를 거친 분리판 성형체 표면에 구리 금속을 도금하여 구리도금층을 형성하는 구리도금단계를 포함하고,
상기 수지는,
ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성된 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함하는 복합재료이고,
상기 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가지고,
상기 구리도금단계를 마친 분리판 성형체는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가지며,
상기 연마단계에서는,
상기 분리판 성형체의 표면을 연마포로 버핑하여 연마하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 오목부형성단계는,
스프레이(spray), 정전 스프레이(electrostatic spray), 스크린 프린팅(screen printing), 붓칠(brushing), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 주입(pouring), 드립핑(dripping) 중 하나를 포함하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 접착물도포단계는,
상기 전도성 접착물 100중량부에 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상을 포함하는 탄소나노물질 0.5 내지 4중량부를 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 구리도금단계는,
구리염 및 구리전극판을 이용하여 전기도금을 하되, 저항값에 따라 구리도금층의 두께를 조절하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 구리염은,
황산구리, 염화구리, 산화구리, 메탄설폰산구리, 피로린산구리 중 하나를 선택하여 사용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법.
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제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 있어서,
수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력된 분리판 성형체;
상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 형성된 오목부;
상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하고, 상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 표면을 연마하여 형성된 접착부 및
상기 접착부가 형성된 분리판 성형체에 구리 금속을 도금하여 형성된 구리도금층을 포함하고,
상기 수지는,
ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성된 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함하는 복합재료이고,
상기 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가지고,
상기 구리도금단계를 마친 분리판 성형체는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가지며,
상기 접착부는,
상기 분리판 성형체의 표면을 연마포로 버핑하여 연마하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편.
제9항에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 유닛 셀 시편.