KR20030063070A

KR20030063070A - 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법

Info

Publication number: KR20030063070A
Application number: KR1020020035363A
Authority: KR
Inventors: 히데끼오니시; 류이치사이토
Original assignee: 다이낙스 코포레이션
Priority date: 2002-01-21
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2003-07-28
Also published as: EP1329967A2; US20030137074A1; TW548870B; JP2003217609A; CN1434530A; US6676868B2

Abstract

고강도이며 고유저항치가 적고 열전도율 및 가스 차폐성이 높은 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법을 제공하는 것으로, 소성재료(20)는 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅한 것이고, 금속판(30)은 금속의 표면 및 이면에 도금을 한 것이다. 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 M 내에, 상기 금속판(30)을 배치하고, 이 금속판(30)의 양측에 소성재료(20)를 충전한 후 가열 소성한다.

소성재료(20) 중에는 페놀수지가 균일하게 분산되어 있기 때문에, 제조된 격리판(10)은 균질하게 되고, 그 결과 고강도로 가스 차폐성이 높은 것으로 된다. 또한, 소성에 의하여 연료전지용 격리판(10)의 표면에 산화물이 생기는 일이 없기 때문에 고유저항치가 작다.

Description

고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법 {Method of manufacturing a separator for a polymer electrolyte fuel cell}

본 발명은 고체고분자형 연료전지의 셀에 구성되어져 있는 격리판의 제조방법의 기술분야에 속한다.

고체고분자형 연료전지(이하 "연료전지"라고 한다)는 고분자 전해질막으로 형성되는 전극에 반응가스(수소·산소)를 공급하여 발전하는 장치이다.

도3은 연료전지를 구성하는 최소 유니트인 셀C의 사시도이다.

연료전지의 셀C는 촉매층과 다공지지층으로 부터 되는 2개의 전극E1, E2(애노드 및 캐소드), 전극E1, E2 사이에 삽입되는 전해질D, 및 전극E1, E2의 외측에 배치된 격리판(100)으로 된다. 상기와 같은 구성의 셀C에서는 1개에 관하여 1V 약전압 밖에 얻을 수 없기 때문에, 실제의 연료전지로서는 통상 수십∼수백의 셀 C를 직렬로 적층한 것이 사용되고 있다.

도4는 연료전지에 사용되는 종래의 격리판(100)의 정면도이다.

프레이트 형상의 격리판(100)의 양면에 도4에서 보는 바와 같이 폭 및 깊이가 0.5∼2㎜ 정도의 다수의 홈(120)이 있고, 이 홈(120)은 반응가스의 유로 및 반응에 의하여 발생한 물의 배출로 로서 기능한다. 다수의 셀C가 적층되어서 되는 연료전지에 있어서 상기 격리판(100)은 각 셀C 사이의 칸막이판으로서 뿐만 아니라 홈(120)을 통해서 인접하는 전극E1(또는 E2)에 반응가스를 공급하거나, 반응에 수반하여 발생한 물을 외부로 배출하기 위하여 설계되어 있다.

또한, 격리판(100)은 셀C에서 발생한 전기를 외부로 전달하기 위한 역할도 수행하고 있다. 따라서, 연료전지의 격리판(100)으로서는 전극E1, E2(애노드측, 캐소드측)에 공급되는 반응가스가 혼합되지 않도록 가스 차폐성이 높고, 반응가스에의하여 부식되는 일이 없도록 내식성 내산화성이 우수하고 가볍고 또한 전기전도성을 갖는, 또한, 적층한 각 셀C의 하중에 견딜수 있는 강도를 구비하고 있는 것이 요구되어 진다. 또한, 연료전지를 소형화하기 위하여서는, 격리판을 되도록 얇게 할 필요가 있다.

상기 특성을 만족하는 격리판(100)의 재료로서는, 이전부터 등방성 카본이 사용되고 있다. 등방성 카본을 사용하여 격리판(100)을 제작하기 위해서는, 도5의 개요도에서 도시하는 바와 같이, 전기로 내에서 카본재 R을 2000℃ 이상에서 가열소성한 후{도5(a)참조} 프레이트 형상으로 잘라내고{도5(b)참조}, 그 표면에 엔드밀 등에 의하여 기계적으로 홈을 파는{도5(c)참조} 방법이 있다.

그러나, 소성후의 등방성 카본은 경도가 높고 취성이 있기 때문에 잘라내고 또는 홈 가공시에 시간이 걸린다고 하는 문제가 있다.

그래서, 카본분말에 바인더로서 페놀수지의 조립분(造粒粉)을 혼합하여 소성재료를 조제하고, 그 소성재료를 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에 충전한 후, 열판 프레스에 의하여 소성하는 방법이 있고, 이 방법에 의하면 카본분말의 소성과 홈 형성을 동시에 행할 수 있다는 이점이 있다.

그러나, 가열소성의 과정에서 페놀수지에서 물이 발생하기 때문에 소성후의 카본부재 내에는 물로 인한 기포가 생기고, 가스 차폐성이 손상 당한다. 그렇기 때문에 이 방법에서는 소성 후에 기포를 막는 처리를 강구하지 않으면 아니 되고, 가공의 시간이 걸린다고 하는 문제점이 있다.

그래서, 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에 금속판을 설치하고, 이 금속판의 양측에 카본분말과 페놀수지의 조립분(造粒粉)을 혼합하여 소성재료를 충전한 후, 열판 프레스에 의하여 소성하여 금속판과 카본부재를 일체화하는 방법이 있다.

이 방법에 의하여 제조된 격리판은 카본부재로 금속판이 사이에 낀 구조로 되어 있다. 그 때문에 소성후의 카본부재 내에 페놀수지에 기인하는 기포가 발생하여도, 중심부분에 설치된 금속판에 의하여 격리판의 표면측과 이면측이 연통되지 않고, 전체로서 가스 차폐성이 손상 당하는 일이 없다.

그러나, 상기 방법에 의하면, 금속판의 종류에 의하여 소성후의 카본부재의 표면에 전기 전도성이 낮은 산화물이 생긴다는 문제가 있다. 또한, 금속판과 카본분말의 열팽창률의 차에 의해, 금속판과 카본부재의 경계면에서 접합력이 약하고, 양자가 박리(剝離)되기 쉽다는 문제도 있다.

또한, 소성재료는 카본분말에 페놀수지의 조립분(造粒粉)을 혼합한 것이기 때문에, 전체로서 불균일 하게 되기 쉽다.

이와 같은 소성재료에 의하면, 바인더로서 필요한 양보다 많은 페놀수지 조립분(造粒粉)을 첨가하지 않으면 아니 되고, 그 결과 페놀수지에 의한 다수의 기포가 발생할 뿐만 아니라 소성후의 카본부재의 두께가 두껍고 전기저항도 크게 된다고 하는 문제를 갖고 있다.

또한, 소성재료가 불균일 하면 소성후의 카본부재의 품질이 저하된다.

또한, 홈의 형상에 따라 형틀 분리가 어렵고 금형으로부터 소성 후의 카본부재를 어렵다는 점도 있다.

도 1은 본 발명의 제1발명에 의한 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법의 공정의 설명도,

도 2는 도1의 제조방법에 있어서 소성공정을 보여주는 단면도,

도 3은 연료전지를 구성하는 최소 유니트인 셀의 사시도,

도 4는 연료전지에 사용되는 격리판의 정면도,

도 5는 등방성 카본을 사용하는 종래의 격리판의 제조방법의 공정을 (a) (b) (c)의 순서로 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고체고분자형 연료전지용 격리판 12 : 홈

20 : 소성재료 30, 30' : 금속판

32 : 금속분말 M : 금형

본 발명은, 첫째로 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에 표면과 이면에 도금이 된 금속판을 배치하고, 이 금속판의 양측에, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료를 충전하고, 이 소성재료를 대기중에서 가열소성 하는 것에 의하여 이 소성재료를 금속판과 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법에 의하여,

또한, 둘째는, 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에, 도금이 없는 금속판을 배치하고, 이 금속판의 양측에 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료를 충전하고, 이 소성재료를 진공 중에서 가열소성 하는 것에 의하여 이 소성재료를 금속판과 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법에 의하여,

또한, 셋째는, 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료, 금속분말, 상기 소성재료의 순으로 충전하고, 이 소성재료와 금속분말을 진공 중에서 가열소성 하는 것에 의하여 양자를 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법에 의하여, 상기의 과제를 해결했다.

본 발명은 소성재료 중에 페놀수지가 균일하게 분산되고 바인더로서 필요한최저량의 페놀수지를 첨가하여도 좋으므로, 제조된 격리판은 균질하고 고강도의 것으로 된다.

가열소성 시에 금속판이 산화하지 않기 때문에 제조된 격리판 표면에 전기전도성이 낮은 산화물이 생기는 일이 없다.

[발명의 실시 형태]

본 발명의 제1발명인, 표면에 도금이 된 금속판과, 페놀수지를 코팅한 카본분말로 이루어지는 소성재료를 사용하여 격리판을 제조하는 방법에 관하여 설명한다.

도1은, 본 발명의 제1발명에 의한 격리판을 제조하는 방법에 관하여 설명하기 위한 흐름도, 제2도는 가열소성의 상태를 보여주는 단면도이다.

먼저, 비교적 비중이 적은 경량금속(일례로서 알루미늄)을 판 형상으로 성형하고, 그 표면 및 이면에 에칭처리, 산처리(酸處理), 및 아연피막처리를 시행한 후, 열팽창률이 카본과 동일한 정도로 산화하기 어려운 금속을 도금하여 금속판(30)을 제작한다.

한편, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 소성재료(20)를 조제한다.

이어서, 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 M 내에, 상기 도금 된 금속판(30)을 배치하고, 이 금속판(30)의 양측에, 상기 소성재료를 충전하여 대기중에서 소성한다(도2참조).

그 결과 소성재료(20)는 금속판(30)과 일체화되고 또한, 표면에 홈이 형성된다. 이 경우 금속판(30)의 표면에는 산화하기 어려운 금속이 도금되어 있기 때문에, 대기중에서 가열되여도 산화하지 않는다. 그렇기 때문에, 제조된 격리판(10) 표면에 전기 전도성이 낮은 산화물이 생기는 일이 없다.

이와 같이 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅한 소성재료(20)에 의하면, 종래의 소성재료와 같이 카본분말에 페놀수지의 조립분(造粒粉)을 혼합시킬 필요가 없을 뿐만 아니라, 종래의 소성재료와 비교하여 소성재료 중에 페놀수지가 균일하게 분산되어 있다.

그렇기 때문에, 간단하게 균질한 카본부재를 형성할 수 있슴과 동시에 소성후에 금형 M으로 부터 취출이 쉽고, 보다 얇은 격리판(10)을 제조할 수 있다. 또한, 카본분말 표면에 코팅된 페놀수지는, 바인더로서 충분한 양이기 때문에 여분의 페놀수지를 첨가할 필요가 없다. 그 결과, 카본분말의 금형 M으로의 충전성이 향상되어 소성후의 성형밀도가 높게 되고 카본부재의 강도가 향상됨과 동시에 페놀수지에 기인하는 기포의 발생도 저감되기 때문에 가스 차폐성도 향상된다.

다음으로, 본 발명의 제2발명인, 도금이 없는 금속판과 페놀수지를 코팅한 카본분말로 이루어지는 소성재료를 사용하여 격리판을 제조하는 방법에 관하여 설명한다.

이 방법에서는, 도금이 없는 금속판(30')을 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 M 내에 배치하고, 이 금속판(30')의 양측에 제1발명에서 사용한 것과 동일한 소성재료(20)를 충전하여 진공 중에서 소성한다. 이 방법에 의하면, 가열처리는 진공 중에서 행하여지기 때문에 금속판(30')의 표면에 도금을 하지 않아도금속판(30')이 산화하는 일은 없다.

다음으로, 본 발명의 제3발명인, 페놀수지를 코팅한 카본분말로 이루어지는 소성재료와 금속분말을 사용하여 격리판을 제조하는 방법에 관하여 설명한다.

이 방법에서는, 홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 M 내에 소성재료(20)와 금속분말(32)을 충전하고 공기 중에서 소성한다.

소성재료(20)와 금속분말(32)을 금형 M 내에 충전할 시에, 금속분말(32)의 양측을 소성재료(20)로 피복하도록 한다. 즉 금형 M의 폭방향으로 소성재료(20), 금속분말(32), 소성재료(20)의 순으로 충전한다. 소성시에 금속분말(32)이 용융하기 때문에 제1발명 및 제2발명의 금속판 (30, 30')과 동일한 효과가 얻어진다. 또한, 가열처리는 진공 중에서 행하여지기 때문에 금속분말(32)의 산화는 없다. 즉, 상기 제2발명 및 제3발명에 있어서 페놀수지를 코팅한 카본분말로 이루어지는 소성재료(20)의 효과는 제1발명의 것과 동일하다.

다음으로, 본 발명에 의한 연료전지용 격리판의 제조방법 및 이 방법에 의하여 제조된 연료전지용 격리판에 대하여 구체적인 실시예를 들어 설명한다.

이하의 실시예에서 사용한 금속판은, 0.3㎜의 알루미늄판, 티타늄판, 마그네슘판의 표면을 에칭하고, 산처리 및 아연피막처리를 한 후, 소정의 금속을 도금한 것이다. 즉 도금 두께는 5㎛이다. 또한, 금속분말로서는, 알루미늄, 티타늄, 마그네슘을 분무법에 의하여 각각 평균 입자직경 100㎛으로 한 것이 사용 가능하다. 소성재료로서는 입자직경이 75㎛ 이하의 인조흑연입자의 표면에 페놀수지를 코팅한것을 사용했다.

이하의 실시예에서 제작한 격리판은, 도4에 도시한 것과 동일형상의 것이다.

이 격리판은 세로100㎜, 가로100㎜, 두께 2㎜이고, 그 표면 및 이면의 중심부분에는 세로50㎜, 가로50㎜의 범위로 도4에 도시한 것과 같은 홈이 형성되어 있다.

실시예1에서 사용한 금속판은, 상기 알루미늄판 표면에 무전해 니켈-인 도금을 한 것이다. 이 금속판을 금형내에 배치하고, 금속판의 양측에 상기 소성재료를 충전한 후 대기중에서 온도 160℃, 압력 30MPa의 조건하에서 20분간 소성하여, 도4에 도시한 것과 같은 격리판을 제작했다.

실시예2에서 사용한 금속판은, 상기 알루미늄판 표면에 니켈도금을 한 것이다.

실시예3에서 사용한 금속판은, 상기 알루미늄판 표면에 금도금을 한 것이다.

실시예4에서 사용한 금속판은, 상기 알루미늄판 표면에 백금도금을 한 것이다.

실시예5에서 사용한 금속판은, 상기 티타늄 표면에 니켈-인 도금을 한 것이다.

실시예6에서 사용한 금속판은, 상기 마그네슘 표면에 니켈-인 도금을 한 것이다.

실시예2 부터 실시예6은 상기 각 금속판 및 소성재료를 사용하여, 실시예1과 동일한 조건으로 도4에 도시한 것과 같은 격리판을 각각 제작했다.

다음으로, 실시예7 에서는 도금을 하지 않은 알루미늄판을 사용했다.

이 금속판과 상기 소성재료를 금형에 넣고 진공 중에서 온도 160℃, 압력 30MPa의 조건하에서 20분간 소성하여, 도4에 도시한 것과 같은 격리판을 제작했다.

실시예8에서는 도금을 하지 않은 알루미늄판을 사용했다.

금형내에 소성재료, 알루미늄 금속분말, 소성재료의 순으로 충전하고 진공 중에서 온도 160℃, 압력 30MPa의 조건하에서 20분간 소성하여, 도4에 도시한 것과 같은 격리판을 제작했다.

실시예의 격리판을 비교하기 위하여 등방성 카본을 세로100㎜, 가로100㎜, 두께 2㎜의 판상으로 하고, 그 표면 및 이면의 세로50㎜, 가로50㎜의 범위로 엔드밀 가공으로 홈을 형성한 종래의 격리판을 제작하여 그것을 비교하였다. 상기 실시예1 부터 8 까지의 격리판 및 비교예의 격리판에 관하여 고유저항치, 열전도율, 굽힘강도, 및 가스투과계수를 측정하여 측정결과를 표1에 보인다.

	고유저항μΩㆍ㎝	열전도율kj/mㆍhㆍ℃	굽힘강도MPa	가스투과계수X10^-6cc/㎝ㆍsecㆍatm
실시예1	800	520	75	0.2
실시예2	750	540	70	0.1
실시예3	850	500	65	0.2
실시예4	920	480	60	0.2
실시예5	950	470	80	0.1
실시예6	830	500	77	0.1
실시예7	900	480	55	0.1
실시예8	750	500	70	0.2
비교예	1000	460	50	1.0

즉, 고유저항치는 흑연소재의 물리특성측정방법(JISR7222)에 의해, 열전도율은 레이저플래시법에 의해, 굽힘강도는 경질 플라스틱 굽힘강도 시험방법(JISK7203)에 의해, 가스투과계수는 플라스틱 필름 및 시트의 기체투과시험방법(JISK7126)에 의해, 각각 측정했다.

표 1에 보인바와 같이, 본 발명의 방법에 의하여 제조된 격리판은, 종래의 격리판과 비교하여 고유 저항치가 작고 열전도율 및 굽힘강도가 높고 가스투과계수가 낮다. 그래서 이 격리판을 사용하면 셀에서 발생한 전력 및 열을 효율 좋게 외부로 전달할 수 있을 뿐만 아니라, 애노드측 및 캐소드측에 공급된 반응가스가 혼합되기 어렵다.

본 발명 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법에 의하면 바인더인 페놀수지를 카본분말 표면에 코팅한 것에 의해 소성재료 중에 페놀수지를 균일하게 분산시키는 것이 가능하다. 그 결과 소성후의 카본부재는 균일한 것으로 되고, 또한, 소성재료 중에 페놀수지를 필요 이상으로 첨가하지 않아도 좋으므로 소성후의 카본부재중의 기공의 발생이 저감되어 카본부재가 고강도로 되고 보다 얇은 격리판을 제작하는 것이 가능하다는 효과를 낳는다.

금속판의 표면에 산화하기 어려운 금속을 도금하여 놓으면 소성재료와 같이 소성시에 금속판이 산화하지 않는다. 또한, 청구항3 및 청구항5와 같이 진공 중에서 소성하면 표면에 도금을 하지 않는 금속판이나 금속분말을 사용한 경우에도 금속판 및 금속분말이 산화하지 않는다. 그렇기 때문에, 제조된 격리판의 표면에 전기전도성이 낮은 산화물이 생기는 일이 없다.

본 발명의 방법에 의하여 제조된 격리판은 고강도이기 때문에 다수의 셀을적층하여 사용할 수가 있다. 또한, 고유저항치가 작기 때문에 셀에서 발생한 전력을 효율 좋게 외부로 전달할 수가 있다. 더욱이, 가스 차폐성이 우수하기 때문에 애노드측 및 캐소드측에 공급된 반응가스가 혼합되기 어렵다. 또한, 열전도율이 높기 때문에 셀에서 발생한 열을 효율 좋게 방산시키는 것이 가능하다.

Claims

홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에 표면과 이면에 도금이 된 금속판을 배치하고, 상기 금속판의 양측에, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료를 충전하고, 상기 소성재료를 대기중에서 가열소성 하는 것에 의하여, 상기 소성재료를 금속판과 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.
제 1항에 있어서, 상기 금속판이 알루미늄판, 마그네슘판, 티타늄판의 어느 것 중 하나 또는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄의 어느 것 중 하나의 합금판에 니켈-인도금, 니켈도금, 금도금, 또는 백금도금이 된 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.
홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에, 도금이 없는 금속판을 배치하고, 상기 금속판의 양측에, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료를 충전하고, 상기 소성재료를 진공 중에서 가열소성 하는 것에 의하여 상기 소성재료를 금속판과 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.
제 3항에 있어서, 상기 금속판이 알루미늄판, 마그네슘판, 티타늄판의 어느 것 중 하나 또는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄의 어느 것 중 하나의 합금판 인 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.
홈 형상의 요철(凹凸)을 갖는 금형 내에, 카본분말 표면에 페놀수지를 코팅하여 되는 소성재료, 금속분말, 상기 소성재료의 순으로 충전하고, 상기 소성재료와 금속분말을 진공 중에서 가열소성 하는 것에 의하여 양자를 일체화하고, 또한, 표면에 홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.
제 5항에 있어서, 상기 금속분말이 알루미늄, 마그네슘, 티타늄의 어느 것 중 하나 또는 알루미늄, 마그네슘, 티타늄의 어느 것 중 하나의 합금으로 되는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료전지용 격리판의 제조방법.