KR20050120515A - 연료전지 분리판용 탄소복합재, 그의 제조방법 및 이를적용한 연료전지 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명의 연료전지 분리판용 탄소복합재는 전도성 충전제로 흑연분말, 결합제로서 고상의 페놀수지, 물성 향상을 위한 첨가제를 건식 혼합하여 균질한 상태로 만든 후, 가열된 금형에 투입하고, 압축 열성형하는 방법으로 제조하며, 종래 방법에 비해 과립자와 같은 중간소재의 제조가 필요 없고, 흑연화 처리도 필요 없이 보다 간단하고 효율적인 방법으로 제조할 수 있다.

Description

연료전지 분리판용 탄소복합재, 그의 제조방법 및 이를 적용한 연료전지 분리판{A carbon composite, method for preparing the same, a fuel cell separator using the carbon composites}

본 발명은 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게 종래의 방법에 비해 과립자와 같은 중간소재의 제조가 필요 없고, 흑연화 처리도 필요 없는 보다 간단하고 효율적인 방법으로 연료전지 분리판을 제조할 수 있는 탄소복합재의 제조방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의해 제조된 연료전지 분리판용 탄소복합재와 이를 적용하여서 된 연료전지 분리판에 관한 것이다.

연료전지에 있어서 분리판은 막전해질 조립체(Membrane Electrolyte Assembly)에 수소와 산소를 공급하고, 여기에서 촉매반응에 의해 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할을 하며, 동시에 각 단위전지 간 절연이 유지될 수 있도록 분리시키는 역할을 수행하는 핵심 부품이다.

연료전지 분리판에는 일정 수준의 기계적 강도와 전기적 전도성, 기체 투과도가 요구된다. 일반적으로 금속성의 분리판이 사용되었으나, 전해질과의 접촉부분에서 부식현상이 심하게 발생하여 연료전지의 성능과 수명을 단축시키는 원인이 되었다.

이에 따라 이러한 환경에서의 부식 저항성이 뛰어난 탄소를 소재로 한 분리판이 대두되기 시작하였다. 그 중 대표적인 것이 흑연이다. 흑연은 내부식성은 물론 우수한 내화학성을 가지고 있으며, 전기 전도도가 금속에 버금갈 만큼 뛰어나 금속 분리판을 대체할 대안으로 부각되었다.

그러나, 흑연의 경우 원하는 형상으로의 가공이 어려워 흑연 자체의 가격보다 가공비가 훨씬 높아지게 되어 결과적으로 전체적인 제조비용을 상승시키는 단점을 갖고 있다. 따라서, 흑연의 높은 내화학성 및 전기 전도도와 같은 장점을 유지하면서 원하는 형상으로 성형할 수 있는 탄소복합재 분리판이 등장하게 되었다.

탄소복합재 분리판은 일반적으로 탄소계의 충전제와 수지계의 결합제를 혼합하여 압축성형 또는 사출성형 방식으로 제조된다. 압축성형은 일정한 모양의 금형에 재료를 투입하고, 프레스를 이용하여 높은 압력을 가해 성형하는 방식이고, 사출성형은 사출기를 이용하여 일정한 형상의 금형에 재료를 주입하여 성형하는 방식이다. 압축성형의 경우 금형비용이 비교적 저렴하여 소량 다품종 생산에 적합한 반면, 사출성형의 경우 소품종 대량생산에 적합한 방식이다.

일본의 카와사키 스틸사(Kawasaki Steel Co.)는 2000년 12월 20일에 공고된 유럽특허 제 1 061 597호에서 흑연화된 메조카본 마이크로비드(graphitized meso-carbon microbeads), 열경화성 또는 열가소성 수지, 흑연분말, 카본블랙, 미세한 탄소섬유 중 일부 또는 전부를 혼합하여 사출 또는 압축성형 후 흑연화 처리를 거쳐 제품을 만드는 방식을 제안하였다.

또한, 일본필라공업㈜(Nippon Pillar Packing)는 2002년 1월 2일에 공고된 유럽특허 제 1 168 473호에서 결합제, 탄소 충전제 분말, 단섬유를 혼합하여 직경 0.03 내지 5 mm의 과립자로 성형한 후 분리판 형태로 성형하는 방법을 제안하였다.

본 발명은 전도성 충전제로 침상 또는 판상의 천연 및 인조 흑연분말과, 결합제로서 고상의 변성 및 미변성 페놀수지, 물성 향상을 위한 첨가제로서 카본블랙, 아세틸 블랙, 탄소/금속/유기 단섬유 등을 혼합한 후, 100 내지 1,000 kg/㎠의 압력을 30 내지 1,800초 동안 가해 성형하여 완제품을 제조함으로써 유럽특허 제 1 168 473호에서의 과립자와 같은 중간소재의 제조가 필요 없고, 유럽특허 제 1 061 597호에서의 흑연화 처리도 필요 없는 보다 간단하고 효율적인 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

본 발명에 의한 연료전지 분리판용 탄소복합재는 전도성 충전제로 5 내지 200㎛의 입자크기를 갖는 침상 또는 판상의 천연 및 인조 흑연분말 70 내지 95중량％, 결합제로서 고상의 변성 및 미변성 페놀수지 5 내지 30중량％, 물성 향상을 위한 첨가제로서 카본블랙, 아세틸블랙, 길이가 3 mm 이하인 탄소섬유, 금속섬유, 유기섬유를 상기 흑연분말의 30중량％ 이하로 건식 혼합하여 균질한 상태로 만든 후, 100 내지 250℃로 가열된 금형에 투입하고, 100 내지 1,000 kg/㎠의 압력을 30 내지 1,800초 동안 가해 성형하여서 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조된 연료전지 분리판용 탄소복합재인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 방법으로 제조된 탄소복합재를 적용하여서 되는 연료전지 분리판인 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 충전제 및 결합제로서 각각 흑연분말과 페놀수지를 주원료로 하여 압축 열성형에 의해 연료전지 분리판용 탄소복합재를 제조하는 방법, 이 방법으로 제조된 연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이 방법으로 제조된 탄소복합재를 적용하여서 된 연료전지 분리판을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에서 사용하는 충전제는 탄소복합재에 전기 전도로를 부여하기 위한 것으로, 침상 또는 판상의 천연 및 인조 흑연분말을 사용한다. 이 흑연분말의 입자크기는 5 내지 200 ㎛가 바람직하고, 흑연의 순도가 높을수록 뛰어난 전기 전도도와 내화학성을 나타내게 된다. 이 충전제의 사용량은 70 내지 95중량％가 바람직하다.

특히 본 발명에서와 같이 침상 또는 판상의 흑연분말을 사용하는 경우에는 구상 흑연분말을 사용하는 것에 비해 전기 전도도가 약 20％ 정도 향상시킬 수 있고, 기체 투과도는 1/1000 이하로 낮게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에서 결합제는 충전제인 흑연분말을 결합시켜 탄소복합재에 기계적 강도를 부여하기 위한 것으로, 고상의 페놀수지를 사용한다. 특히 페놀수지는 변성 및 미변성 수지 모두 사용이 가능하다. 상기 결합제의 사용량으로는 5 내지 30중량％가 바람직하다.

본 발명에 의하면, 상기한 바와 같이 고상의 페놀수지를 사용할 경우 건식혼합이 가능하고, 과립자로의 성형이 필요 없게 되며, 습식 혼합방식에 비해 장비, 시간, 비용 측면에서 상당한 이점이 있다.

본 발명에서 첨가제는 탄소복합제의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시키기 위한 것으로 카본블랙, 아세틸블랙 및 길이가 3 mm 이하의 탄소섬유, 유기섬유, 금속섬유를 사용할 수 있다. 첨가제의 함량은 상기 흑연분말의 30중량％ 이하로 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서와 같이 카본블랙과 아세틸블랙을 첨가할 경우에는 전기 전도도가 50％ 이상 향상되는 효과가 있다.

상기 충전제, 결합제 및 첨가제를 혼합하는 방법은 먼저, 충전제인 천연 및 인조 흑연분말, 결합제인 고상의 변성 및 미변성 페놀수지, 물성 향상을 위한 첨가제로서 카본블랙, 아세틸블랙, 길이가 3 mm 이하인 탄소섬유, 금속섬유, 유기섬유를 상기에 언급한 바와 같은 적절한 비율로 건식 혼합하여 균질한 상태로 만든다. 다음에 이들 원료의 혼합물을 100 내지 250℃로 가열된 금형에 투입하고, 30 내지 1,800초 간 100 내지 1,000 kg/㎠의 압력을 가하여 성형한 후 금형에서 배출시키면 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재를 얻을 수 있다.

상기와 같은 방법으로 제조된 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재는 다음 표1과 같은 물성을 갖는다.

밀도(g/㎤)	전기 전도도(S/㎝)	굽힘 강도(Mpa)	기체 투과도(㎤/㎠/S)
2.01	94.19	55.43	2.28×10-10

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법은 유럽특허 제 1 168 473호에서의 과립자와 같은 중간소재의 제조가 필요 없고, 유럽특허 제 1 061 597호에서의 흡연화 처리도 필요 없는 보다 간단하고 효율적인 방법이다.

특히, 본 발명에서는 침상 또는 판상의 흑연분말을 사용함으로써 구상 흑연분말을 사용하는 것에 비해 전기 전도도를 약 20％ 정도 향상시킬 수 있고, 기체투과도도 1/1000 이하로 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 고상의 페놀수지를 사용할 경우 건식혼합이 가능하고, 과립자로의 성형이 필요 없게 되며, 습식혼합방식에 비해 장비, 시간, 비용 측면에서 상당한 이점이 있다.

또한, 카본블랙, 아세틸블랙 및 길이 3mm 이하의 탄소섬유, 유기섬유, 금속섬유 등을 탄소복합재의 전기 전도도 및 기계적 물성 등을 향상시키기 위해 첨가하게 되는데, 특히 카본블랙 또는 아세틸블랙을 첨가할 경우 전기 전도도가 50％ 이상 향상되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 전도성 충전제로 흑연분말, 결합제로서 고상의 페놀수지, 물성 향상을 위한 첨가제를 건식 혼합하여 균질한 상태로 만든 후, 가열된 금형에 투입하고, 압축 열성형하여서 제조하여서 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 흑연분말은 입자 크기가 5 내지 200㎛인 침상 또는 판상의 천연 및 인조 흑연분말로서, 그 사용량은 70 내지 95중량％의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재.
3. 제 1항에 있어서, 상기 페놀수지는 고상의 변성 및 미변성 페놀수지이고, 사용량은 5 내지 30중량％의 범위인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재.
4. 제 1항에 있어서, 상기 첨가제는 카본블랙, 아세틸블랙, 길이가 3 mm 이하인 탄소섬유, 금속섬유, 유기섬유를 사용하며, 사용량은 상기 흑연분말의 30중량％ 이하로 하여서 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재.
5. 제 1항에 있어서, 상기 혼합방법은 원료를 건식 혼합하여 균질한 상태로 만든 후, 100 내지 250℃로 가열된 금형에 투입하고, 100 내지 1,000 kg/㎠의 압력을 30 내지 1,800초 동안 가해 성형하여서 되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재.
6. 제 1항 내지 제 5항에 따른 방법에 의해 제조된 연료전지 분리판용 탄소복합재.
7. 제 6항에 따라 제조된 연료전지 분리판용 탄소복합재를 적용하여서 된 연료전지 분리판.