KR20070088888A

KR20070088888A - 연료전지용 바이폴라 플레이트

Info

Publication number: KR20070088888A
Application number: KR1020060018689A
Authority: KR
Inventors: 박선호; 홍창민; 김성준
Original assignee: 제일모직주식회사
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-30
Also published as: KR100801593B1

Abstract

동일한 전도성 충진재의 함침량을 가지고도 보다 우수한 전기 전도도 값을 가질 수 있는 연료전지용 바이폴라 플레이트가 제공된다. 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자 수지 20~40 중량%에 대하여, 높이 대 길이의 비율(L/H)이 7,000~40,000인 전도성 충진재가 60~80 중량%가 함침되어 있는 것을 특징으로 하며, 이때 함침되는 전도성 충진재는 높이 대 길이의 비율(L/H)dl 7,000~40,000인 것이 전체 전도성 충진재 중에서 적어도 70 중량% 이상을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

연료전지, 높이 대 길이, 바이폴라 플레이트, 전도성 충진재, 그라파이트

Description

연료전지용 바이폴라 플레이트{Bipolar plate for fuel cell}

도 1은 연료전지에서 전기의 생성과정 설명을 위한 단위전지의 단면도이다.

도 2는 도 1의 바이폴라 플레이트에 대한 평면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11, 11': 엔드판 12, 12': 바이폴라 플레이트

13, 13': 테프론처리 카본천 14, 14':백금/탄소 촉매층

15, 15'; 나피온 16: 나피온 용액의 건조층

C, C': 가스유로채널

본 발명은 연료전지용 바이폴라 플레이트(Fuel cell bipolar plate)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지에 전도성 충진재를 함침시켜 제조되는 연료전지 바이폴라 플레이트(bypolar plate)에 있어서, 동일한 함침비율을 가지고도 보다 우수한 전기 전도성(Electrical conductivity) 가질 수 있는 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.

연료전지(fuel cell)는 수소(H₂)와 같은 연료가스의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치로서, 연료전지는 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지이며, 종래의 전지와는 달리 외부에서 연료와 공기를 공급받아 연속적으로 전기를 생산한다.

즉, 연료전지는 메탄올이나 천연가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소(H₂)와 공기 중의 산소(O₂)를 연료로 하여 일어나는 전기화학 반응에 의하여 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전시스템으로서 고효율의 청정에너지 변환장치이며, 연소과정 없이 연료가스와 산화제 가스의 전기 화학적인 반응에 의해 생성되는 전기와 그 부산물인 열을 동시에 사용할 수 있다는 특징을 가지고 있다.

이러한 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 크게 150~200℃ 부근에서 작동하는 인산형, 상온 내지 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질형 및 알칼리형, 600~700℃의 고온에서 작동하는 용융탄산염형, 그리고 1000℃ 이상의 고온에서 작동하는 고체산화물형 등의 연료전지로 분류되며, 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해 작동하나, 연료의 종류, 운전온도, 촉매, 및 전해질의 측면에서 서로 다른 점을 가진다.

도 1은 연료전지에서 전기의 생성과정을 설명하기 위한 단위전지의 단면도이 다.

도 1에 도시된 바와 같이 연료전지의 단위전지(unit cell)는, 나피온(Nafion) 용액의 건조층(16)을 중심으로 하여 그 양면에 나피온(Nafion) 시트(15, 15'), 전극이 되는 백금/탄소 촉매층(14, 14'), 테프론 처리 카본천(13, 13'), 바이폴라 플레이트(12, 12'), 금속으로 이루어진 엔드판(11, 11') 등이 일련의 순서로 적층된 구조로 되어 있다.

도 2는 도 1의 바이폴라 플레이트(12, 12')에 대한 평면도이다.

도 1과 도 2를 참조하여 연료전지의 작동원리를 설명하면, 일측의 바이폴라 플레이트(12)의 가스유로채널(C)을 통해 공급되는 연료가스인 수소가스는 양극(14)을 이루는 백금/탄소 촉매와 반응하면서 전자를 빼앗겨 수소 이온이 되고, 이 수소 이온들은 고분자 전해질막(15, 15')과 나피온 용액 건조층(16)을 통과하여 반대편의 음극(14')으로 이동하게 되며, 타측의 바이폴라 플레이트(12')의 가스 유로 채널(C')을 통해 공급되는 산소 가스가 외부 회로를 통해 음극(14')으로 이동해온 전자들에 의해 환원된 산소 이온은 음극(14')으로 이동해온 상기 수소이온(H+)과 반응하여 음극(14') 표면에서 물을 생성시키게 되고, 이 물은 반응하지 않은 여분의 산소 가스와 함께 가스 유로 채널(C')의 출구로 배출되며, 이때 상기 촉매의 반응으로 생성된 전자들이 외부 회로를 따라 흐르게 되면서 전기를 발생시키게 된다.

따라서, 연료전지의 발전시스템에서는 가스 유로 채널(C, C')의 역할을 하는 바이폴라 플레이트(12, 12')의 성능이 큰 영향을 미치게 되며, 이러한 바이폴라 플레이트(12, 12')는 높은 전기전도성, 기계적 강도, 내부식성, 열적안정성 등의 특 성이 우수하여야 한다.

이러한 바이폴라 플레이트로는 종래에 주로 금속계 바이폴라 플레이트, 탄소계 바이폴라 플레이트가 주로 사용되었으나, 금속계 바이폴라 플레이트의 경우에는 내부식성이 나쁘고, 탄소계 바이폴라 플레이트의 경우에는 높은 제조단가가 문제된다.

이러한 종래의 바이폴라 플레이트들의 문제점을 극복하고자 등장한 것이 열가소성 수지 또는 열경화성 수지를 기지(matrix)로 여기에 전도성 충진재(filler)가 충진되어 전기 전도성을 가지도록 하는 이른바 수지계 바이폴라 플레이트가 최근에 등장하였다.

이러한 수지계 바이폴라 플레이트는 고분자 특유의 내부식성 및 기계적 강도를 가진다는 측면에서 상기의 다른 바이폴라 플레이트에 대한 대안으로서 현재 많은 연구-개발이 진행 중이다.

그러나 수지계 바이폴라 플레이트의 경우, 금속이나 탄소계 바이폴라 플레이트와 비교 시, 전기 전도도가 높지 않다는 단점이 있다. 이에 따라 수지계 바이폴라 플레이트의 전기 전도도를 더 높이고자 많은 연구-개발이 진행 중이다. 수지계 바이폴라 플레이트의 전기 전도도를 향상시키기 위해서 전도성 수지를 사용하거나 전도성 충진재의 함량을 더욱 높이는 방법이 있으나, 전도성 수지의 사용의 경우, 그 효과가 미비하며, 충진재의 함량을 높일 경우, 바이폴라 플레이트의 강도가 떨어져 상품으로서 사용하기 어렵게 될 우려가 있다. 따라서, 동일한 양의 충진재를 함침시키더라도 보다 우수한 전기전도도 값을 가질 수 있는 수지계 연료전지용 바 이폴리 플레이트 조성물에 대한 연구가 필요한 실정이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열가소성수지 혹은 열가소성수지 기지에 전도성 충진재가 충진되는 수지형 바이폴라 플레이트에 있어서, 동일한 비율의 전도성 충진재를 함침시키더라도 높은 전기전도도 및 기계적 강도를 가질 수 있는 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공하는데에 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자 수지 20~40 중량%에 대하여, 높이 대 길이의 비율(L/H)이 7,000~40,000인 전도성 충진재가 60~80 중량%가 함침되어 있는 것을 특징으로 하며, 이때 함침되는 전도성 충진재는 높이 대 길이의 비율(L/H)dl 7,000~40,000인 것이 전체 전도성 충진재 중에서 적어도 70 중량% 이상을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

고분자 수지에 전도성 충진재를 함침(impregnation) 시켜 전체적으로 전기 전도도는 수지형 연료전지용 바이폴라 플레이트에 있어서, 일반적으로 전도성 충진재로 사용되고 있는 물질은 카본 블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브, 탄소나노섬유, 그라파이트 혹은 금속 분말로된 금속성 충진재 등의 물질이 있다.

이 중에서 그라파이트(graphite)는 뛰어난 충진성과 전기 전도성을 가지고 있어서 바이폴라 플레이트 제조에 있어서 충진재로 많이 사용되고 있는 물질이다.

이러한 그라파이트는 천연 그라파이트와 인조 그라파이트 두 종류가 있으며, 두 종류의 그라파이트 모두 판상으로 이루어져 있다.

판상의 형태는 박편(flake), 불규칙한 회전 타원체(irregular spheroids) 혹은 바늘 모양으로서 수 에서 수 십 장의 판이 쌓여진 형태로 존재하며, 이 때 쌓여진 판의 높이 대 판의 길이의 비를 본 발명에서는 L/H라고 정의한다. 즉, 그라파이트 판의 길이가 길고 두께가 얇을 수록, L/H 값은 증가하게 된다.

수지 내에 그라파이트 등의 전도성 충진재를 혼합시킬 경우, 수지-그라파이트 복합체의 전기의 전도는 수지 내에 분포 되어 있는 충진재들 간의 접촉에 의해서 발생하게 된다.

따라서 복합체의 전기 전도성을 증가시키기 위해서는 충진재의 접촉을 증가시켜야 하는데, 충진재의 접촉을 증가시키기 위해서는 우선 충진재의 함침량을 증가시키는 방법이 있으나, 수지 고유의 특성상 충진재의 함침량은 일정한 한계(고분자 수지에 대하여 최대 40부피% 정도)가 있고, 또한 충진재 함량을 증가시킬수록 복합체의 강도가 저하되는 단점이 있다.

복합체의 전기 전도성을 향상시키기 위한 두 번째 방법으로는 충진재의 형태 를 변화시키는 방법이 있는데, 이는 같은 질량의 물체는 구형이 될 수록 표면적이 감소하고, 실 형태와 같이 한 쪽 방향으로 길게 늘릴 수록 표면적은 증가하게 되는 원리를 이용한 것이다.

복합체 내에 포함되어 있는 충진재의 높이 대 길이비, 즉 L/H 값을 증가시키게 되면 충진재의 표면적이 증가하면서 상대적으로 충진재가 서로 접촉하게 될 확률이 높아지게 된다.

이것은 복합체 내에 전기가 통하는 길을 만들어 주게 되어 결론적으로 전도성의 증가를 가져오게 된다.

그라파이트는 전기 전도성에 있어서 이방성(anisotropy; 異方性)을 띄는데, 즉 그라파이트 판의 길이 방향의 전도성이 두께 방향의 전도성 보다 더 높다.

또한 같은 질량의 그라파이트라 하더라도, 위에서 전술한 바와 같이 높이 대 길이비(L/H) 값이 증가함에 따라서 그라파이트의 표면적이 증가하게 되며, 이에 따라 그라파이트가 접촉하게 될 확률이 증가하게 되어 결과적으로 수지-그라파이트 복합체의 전기 전도성이 높아지게 된다.

이 방법이 바로 본 발명에서 제시하고자 하는 동일한 충진재 함침량으로 더 높은 전기 전도성을 가지게 하는 방법이다.

본 발명에서는 충진재의 L/H 값을 증가시켜 동일한 그라파이트 함량에서 더 높은 전기 전도성을 가지는 수지-그라파이트계 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제조한다.

본 발명에서 사용되는 연료전지용 바이폴라 플레이트의 조성물은 열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자 수지에 대하여, 일정비 이상의 높이 대 길이의 비율(L/H)을 가지는 전도성 충진재가 60~80 중량%가 함침되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 사용된 고분자 수지는 열경화성 수지와 열가소성 수지 모두 무방하며 사용된 고분자 수지는 양은 전체 조성물에 있어서 20~40 중량%를 포함한다.

고분자 수지의 구체적인 예로는 에폭시수지, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 스티렌 부타디엔 공중합체, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 액정 폴리머, 폴리비닐리덴, 플로라이드, 폴리페닐렌 설파이드 중에서 선택되는 1종 이상을 사용하는 것이 바람직하나, 이외에도 다른 열경화성 또는 열가소성 수지 모두가 사용가능하다.

전도성 충진재는 앞서 설명한 바와 같이 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트, 금속성 충진재중 선택되는 하나 이상 어느 것을 사용하여도 무방하지만, 그라파이트를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 전도성 충진재의 높이 대 길이비(L/H)는 7,000~40,000의 것이 사용되는데, 다만 일반적으로 전도성 충진재의 제조에 있어서 높이 대 길이비율의 목표치를 7,000이상으로 하더라도 일정부분 높이 대 길이의 비율이 7,000이사의 것들이 포함되는 경우가 일반적이므로, 본 발명에서는 고분자 수지에 함침된 전도성 충진재를 높이 대 길이비(L/H)가 7,000 이상, 바람직하게는 7,000~40,000인 것들의 비율이 적어도 70 중량% 이상인 전도성 충진재를 사용한다.

또한, 본 발명에 사용된 전도성 충진재의 함침비율은 상기 고분자 수지 20~40 중량%에 대하여, 60~80 중량%를 함침 시키는 것이 바람직하다.

다만, 본 발명에서 제시하는 연료전지 바이폴라 플레이트용 조성물에는 전도성 충진재의 함침율을 높여주거나 기타 다른 목적의 첨가제들이 포함될 수 있으나, 이로 인해 본 발명의 권리범위에 대한 해석이 제한되어서는 아니된다.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트에 의할 경우 매우 높은 전기전도도를 가진다는 것을 구체적인 실시예 및 비교예들을 들어 설명한다. 다만, 여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략한다.

<실시예 1>

고분자 수지로서 폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 30 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H)가 7,000 이상인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(스위스 TIMCAL 사의 KS 150 grade) 70 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<실시예 2>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 30 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 10,000 이상인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(독일 SGL 사의 expanded graphite) 70 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<실시예 3>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 20 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 7,000 이상인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(스위스 TIMCAL 사의 KS 150 grade) 80 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<실시예 4>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 20 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 10,000 이상인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(독일 SGL 사의 expanded graphite) 80 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<비교예 1>

폴리프로필렌 30 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 5,000 이하인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(스위스 TIMCAL 사의 KS 75 grade) 70 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<비교예 2>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 20 중량%, 전도성 충진재로서 높 이 대 길이비(L/H) 값이 90∼120인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(일본 Showa Denko 사의 UF-G5 grade) 80 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<비교예 3>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 20 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 1,800 이하인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(일본 Showa Denko 사의 UF-G10 grade) 80 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<비교예 4>

폴리프로필렌 20 중량%, 전도성 충진재로서 값이 3,000 이하인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(일본 Showa Denko 사의 UF-G30 grade) 80 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

<비교예 5>

폴리프로필렌(삼성토탈사의 BI 970 grade) 10 중량%, 전도성 충진재로서 높이 대 길이비(L/H) 값이 7,000 이상인 그라파이트가 총 충진재 중 약 70 중량% 포함된 그라파이트(스위스 TIMCAL 사의 KS 150 grade) 90 중량%를 혼련하여 바이폴라 플레이트를 제조한다.

상기의 실시예들 및 비교예들에 의해 제조된 바이폴라 플레이트의 전기전도도를 ASTM D257의 방법에 의해 측정하였으며, 그 결과를 표 1에 나타내었다.

일반적으로 연료전지에 사용되는 바이폴라 플레이트를 상업적으로 이용하기 위해서는 50 S/cm 이상의 전기전도도와 30 MPa 이상의 굴곡강도를 가져야 한다.

그러나, 비교예 1 내지 비교예 4는 50 S/cm 이하의 전기 전도도 값을 나타낸다. 또한 비교예 5는 100 S/cm 이상의 전기전도도를 나타내지만 굴곡강도가 30 MPa 이하로서 상업적으로 이용이 불가능하다.

이에 비해, 실시예 1 내지 실시예 4의 전기 전도도 값을 비교해 보면, 높이 대 길이비(L/H) 값이 7,000 이상일 경우, 비교예와 동일한 함량의 그라파이트를 혼련하였음에도 불구하고, 실시예 모두 상업적으로 dl용 가능한 수준인 50 S/cm를 상회하는 전기 전도도 값을 나타내었으며, 굴곡강도 또한 30 MPa 이상의 값을 나타내었다.

특히, 실시예 2와 실시예 4의 경우에서와 같이 높이 대 길이비(L/H) 값이 10,000 이상인 그라파이트를 사용 시, 다른 실시예들에 비해 보다 높은 전기 전도도를 나타냄을 알 수 있다.

이상 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

본 발명의 실시예에 따른 연료전지 바이폴라 플레이트에 의하면 동일한 조건 이라고 하더라도 높이 대 길이비(L/H) 값을 증가시킨 충진재를 함침시켜 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제조하는 경우 상업적으로 이용가능한 수준 이상의 강도를 가지면서도 전기전도도 또한 대폭 증가하게 된다.

Claims

열가소성 수지 또는 열경화성 수지 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 고분자 수지에, 높이 대 길이의 비율(L/H)이 7,000~40,000인 전도성 충진재가 함침되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제 1 항에 있어서,

상기 고분자 수지의 함량은 20~40 중량%이고, 상기 전도성 충진재의 함침량은 60~80 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라 플레이트.
제 1 항에 있어서,

상기 전도성 충진재는 높이 대 길이(L/H)의 비가 7,000~40,000 인 것이 전체 전도성 충진재 중에서 적어도 70 중량% 이상 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전도성 충진재는 카본블랙, 카본섬유, 탄소나노튜브, 그라파이트, 금속성충진재 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 바이폴라 플레이트.
제 1 항에 있어서,

상기 고분자 수지는 에폭시수지, 폴리이미드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스티렌, 스틸렌 부타디엔 공중합체, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 액정 폴리머, 폴리비닐리덴 플로라이드, 폴리페닐렌 설파이드 중에서 선택되는 1종이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라 플레이트.
제 1 항에 있어서,

상기 고분자 수지의 함량은 20~40 중량%이고, 상기 전도성 충진재의 함침량은 60~80 중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지 바이폴라 플레이트.