KR20050120257A

KR20050120257A - 연료전지용 탄소복합재 분리판

Info

Publication number: KR20050120257A
Application number: KR1020040045540A
Authority: KR
Inventors: 김정헌
Original assignee: 한국타이어 주식회사
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2005-12-22
Also published as: JP2006004906A; EP1615281A1; CN1710731A; US20050282055A1

Abstract

본 발명은 탄소 복합재 분리판의 성형시 분리판 내부에 전기 전도도가 높으면서도 가스투과율을 완전히 막을 수 있는 소재로 된 판재를 삽입하여 분리판 소재 혹은 공정의 잘못된 설정이나 제조된 분리판에 존재할 수 있는 각종 결함에 의해 야기되어질 수 있는 가스투과도 증가 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지용 탄소복합재 분리판을 제공하기 위한 것이다.

Description

연료전지용 탄소복합재 분리판{Carbon composite separator for fuel cell}

본 발명은 연료전지용 탄소복합재 분리판에 관한 것이다. 더욱 상세하게 본 발명은 탄소 복합재 분리판의 성형시 분리판 내부에 전기 전도도가 높으면서도 가스투과율을 완전히 막을 수 있는 소재로 된 판재를 삽입하여 분리판 소재 혹은 공정의 잘못된 설정이나 제조된 분리판에 존재할 수 있는 각종 결함에 의해 야기되어질 수 있는 가스투과도 증가 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지용 탄소복합재 분리판에 관한 것이다.

연료전지 시스템의 핵심인 연료전지 스택(stack)은 도 1에 예시한 바와 같이 부호 11로 나타낸 전극집합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)와 부호 12로 나타낸 바이플라 플레이트라고 불리우는 분리판(separator)으로 이루어져 있다. 분리판(12)은 전극집합체(11)에서 생성되어지는 전자를 모으는 집전체의 역할을 수행함과 동시에 반응기체인 수소와 산소의 이동 통로의 역할을 한다. 즉, 분리판(12)의 양면에서 각각 수소와 산소가 유로(13)를 통해 흐르게 되고, 이들 반응가스는 전극 접합체(11)의 촉매층과 반응하여 전기를 생산하게 된다.

분리판이 반응가스의 이동 통로로서 우수한 성능을 나타내려면 분리판 자체의 가스투과도가 가능한 한 낮아야 한다.

즉, 탄소복합재를 소재로 하여 제조되어지는 분리판의 경우, 가스투과도는 대략 1 ×10^-5 ㎤/㎠/sec 이하가 되어야 분리판으로서의 역할을 수행할 수 있다. 하지만, 탄소복합재의 소재나 제조 공정이 잘못 선정되는 경우, 이 보다 높은 가스투과도를 나타내어 스택 작동 효율을 심각하게 떨어뜨릴 수 있다.

특히, 분리판 내부에 기공(pore), 수축(Shrinkage)이나 구멍(hole) 등의 결함이 존재할 경우에는 가스투과도 수치가 과도하게 증대되어 연료전지 스택에 화재가 발생하거나 전극접합체가 완전히 손상되어 버리는 치명적인 문제가 발생하게 된다.

또한, 이러한 가스투과도의 증대에 따른 위험성을 우려하여 분리판을 과도하게 두껍게 설계함으로써 스택의 무게나 부피를 불필요하게 증가시키는 문제점도 발생되었다.

이에 본 발명은 탄소 복합재 분리판의 성형시 분리판 내부에 전기 전도도가 높으면서도 가스투과율을 완전히 막을 수 있는 소재로 된 판재를 삽입하여 분리판 소재 혹은 공정의 잘못된 설정이나 제조된 분리판에 존재할 수 있는 각종 결함에 의해 야기되어질 수 있는 가스투과도 증가 현상을 원천적으로 방지할 수 있는 연료전지용 탄소복합재 분리판을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 연료전지용 탄소복합재 분리판은 가스투과도를 낮추거나 원천적으로 방지하기 위하여, 전기전도도가 높으면서도 가스 투과성이 없는 소재로 된 판재가 삽입되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기에서 전기 전도도가 높으면서 가스 투과성이 없는 소재는 임의의 금속 또는 금속 합금을 사용할 수 있으며, 구체적으로는 알루미늄, 구리, 철, 티타늄, 납, 아연, 주석 또는 이들을 적용한 합금 재질의 판재가 바람직하다.

상기에서 전기전도도가 높으면서도 가스투과성이 없는 소재의 판재 두께는 0.001 내지 2mm가 바람직하다.

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 연료전지용 탄소복합재 분리판(14)은 도 2의 종래의 분리판(12)에 비하여 전기전도도가 높으면서도 가스투과를 완전히 막을 수 있는 소재의 판재(15)가 도 3에 나타낸 바와 같이 삽입된 분리판으로, 이렇게 성형함으로써 가스투과도를 낮출 수 있고 , 이로 인하여 발생될 수 있는 앞에서 기술한 문제점을 원천적으로 방지할 수 있는 특징이 있다.

일반적으로 탄소복합재 분리판은 전도성 첨가물인 흑연 분말과 이들을 고정시켜 형태를 유지시켜 주는 역할의 고분자 물질을 혼합한 후, 최종적인 분리판 모양을 갖는 몰드에 주입하여 성형하게 된다. 이때, 성형하는 방식으로는 압축성형 또는 사출성형 방식을 이용하게 되는데 적절한 열과 압력을 가하여 소재 중의 고분자 물질을 경화시킴으로써 원하는 형상의 분리판을 제조하게 된다.

본 발명에 따른 도 3에 나타낸 바와 같이 판재(15)가 삽입된 연료전지용 고밀폐성 경량 분리판을 제조하기 위해서는 압축성형이나 사출성형 몰드에 소재의 주입시 분리판 중간에 전기전도성 판재를 위치시킨 후 경화를 진행시켜 원하는 형상으로 제조할 수 있다.

분리판(14)의 중간에 위치하게 될 전기전도도가 높으면서 가스투과를 완전히 막을 수 있는 판재(15)로는 임의의 금속 또는 금속합금을 사용할 수 있는데, 구체적으로는 알루미늄, 구리, 철, 티타늄, 납, 아연, 주석 또는 이들을 적용한 합금 등을 사용할 수 있다. 그리고, 적용하고자 하는 판재의 두께는 0.001 내지 2mm의 두께를 갖는 것이 바람직하다.

사용하는 판재의 재질과 두께는 얻고자 하는 효과에 따라 달리 선택하여 사용할 수 있다. 즉, 가스투과 방지만을 위한다면 얇은 박판의 금속을 사용할 수 있는 반면, 분리판 전체의 강도를 증대시켜 얇고 가벼운 형상의 분리판을 제조하기 원한다면 보다 강하고 두꺼운 판재를 선택하여 사용할 수 있다.

연료전지 스택의 운전 조건은 고온과 산성이므로 제조된 분리판의 표면으로 금속성의 판재가 노출되는 것은 방지해야 한다. 그 이유는 운전 중 녹아 나오는 금속이온이 전극접합체를 이루는 촉매나 이온 전도막의 성능을 급속히 저하시킬 수 있기 때문이다.

한편, 판재의 선택시 표면이 부식, 산화 또는 오염된 것은 피하는 것이 좋은데, 그 이유는 탄소복합재와의 계면에서의 전기 전도성이나 결합력을 낮추어 역효과를 가져올 수 있기 때문이다.

이와 같은 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예 및 비교예

다음 표 1에서와 같이 최종 두께가 4mm인 탄소복합재 분리판을 압축성형 방식을 이용하여 시제품(비교예)과 두께가 1mm인 황동판을 중간에 삽입한 구조의 시제품(실시예)을 각각 제작하였다. 그리고, 전기 전도도와 인강강도 및 가스투과도에 대해 비교실험을 실시하였다.

상기 황동판으로는 일반적인 스트립 타입의 33％ 질량비의 아연이 구리에 첨가된 소재를 사용하였다.

표 1

구분	비교예	실시예
전기 전도도(S/cm, in-plane)	94	97
인장강도(MPa)	30	110
가스투과도(㎤/㎠/sec 상온)	1×10^-6	0

상기 표에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 분리판(실시예)의 가스투과도는 전혀 측정되지 않을 정도의 우수한 결과를 보임을 알 수 있다. 이는 본 발명에서 1차적으로 목적하는 바와 같이 원천적인 가스투과의 방지가 이루어졌음을 확인할 수 있는 것이다.

전기전도도의 경우, 본 발명의 분리판(실시예)은 비교예에 비해 오차 범위 내에서 거의 유사한 값을 보임을 알 수 있다. 이로부터 전도성 판재의 삽입이 적어도 in-plane 전도도에는 영향을 거의 미치지 않음을 알 수 있다.

상기 표에서는 나타나 있지 않지만, through-plane 전도도에 있어서는 전기전도성 측면에서 절대적으로 유리한 금속판이 삽입되어졌으므로 보다 유리한 결과가 나올 것으로 예측된다.

본 발명의 분리판은 상기와 같이 가스투과를 원천적으로 방지하여 투과도 증가를 미연에 방지하기 위한 설계상의 불필요한 두께 증가를 피할 수 있다.

또한, 상기 표에서와 같이 삽입된 금속판의 강도가 높아 뼈대의 역할을 하므로 분리판 전체의 강도를 증대시켜 종래의 방식보다 얇으면서도 동일한 강도를 갖는 분리판을 제작할 수 있으며, 스택 제작시나 사용 중에 순간적인 하중 증가에 의한 크랙이나 파손을 방지할 수 있는 잇점이 있다.

또한, 매우 가벼운 분리판을 제조하기 위하여 탄소복합재 내에 미세한 기포가 다량으로 분포한 다공질 복합소재를 적용하더라도 중간에 위치한 금속판이 가스투과를 원천적으로 봉쇄하므로 경량의 다공성 분리판을 제조할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 전기 전도도가 높으면서도 가스투과를 완전히 막을 수 있는 소재의 판재가 삽입된 탄소복합재 분리판으로서 가스투과를 완전히 방지하여 분리판 소재 혹은 공정의 잘못된 설정이나 제조된 분리판에 존재할 수 있는 각종 결함에 의한 가스투과도 증가현상을 원천적으로 방지할 수 있다.

도 1은 통상적인 연료전지 스택의 개략적인 단면도이다.

도 2는 종래의 일반적인 연료전지용 탄소복합재 분리판의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 탄소복합재 분리판의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11 ---- 전극집합체 12,14 ---- 분리판

13 ---- 유로 15 ---- 판재

Claims

가스투과도를 낮추거나 원천적으로 방지하기 위하여, 전기전도도가 높으면서도 가스 투과성이 없는 소재로 된 판재가 삽입되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합재 분리판.
제 1항에 있어서, 상기에서 전기 전도도가 높으면서 가스 투과성이 없는 소재는 임의의 금속 또는 금속 합금으로서, 알루미늄, 구리, 철, 티타늄, 납, 아연, 주석 또는 이들을 적용한 합금 재질로 제조한 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합재 분리판.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기에서 전기전도도가 높으면서도 가스투과성이 없는 소재의 판재 두께는 0.001 내지 2mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 탄소복합재 분리판.