KR20090013420A - 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법을 개시한다. 본 발명에 따라 연료전지용 분리판은 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 이루어진다. 복합재료층은 탄소섬유강화 복합재료로 형성된다. 탄소섬유강화 복합재료의 기지(matrix)의 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다. 복합재료층은 탄소 단섬유와 고분자 기지가 혼합되어 형성될 수 있다. 고분자 기지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지 중 어느 하나로 형성되거나, 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지가 혼합되어 형성된다.
탄소섬유강화 복합재료, 샌드위치 구조, 탄소 단섬유

Description

연료 전지용 분리판 및 그 제조방법{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 연료와 산소가 분리될 수 있도록 가스 투과율을 낮추고 내부식성을 향상시킬 수 있으며 두께가 얇고 제조가 용이한 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
연료 전지는 발전 효율이 높고 환경친화적인 차세대 에너지 전환 장치로서 각광 받고 있다. 이러한 연료 전지는 수소와 산소의 전기화학 반응에 의해서 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 발전 시스템이다. 연료 전지에는 순수한 수소를 직접 공급할 수도 있고, 메탄올, 에탄올, 천연가스 등과 같은 물질을 개질하여 수소를 공급할 수도 있다.
연료 전지는 수소, 천연가스, 메탄올 등과 같은 연료를 애노드(Anode)에서 산화시켜 전자와 수소이온(양성자)을 생성시킨다. 애노드에서 생성된 수소이온은 전해질막을 통하여 캐소드(Cathode)로 이동하고, 애노드에서 생성된 전자는 도선을 통하여 외부의 회로에 공급된다. 캐소드에 도달한 수소이온은, 외부 회로를 통하여 캐소드에 도달한 전자 및 외부로부터 공급된 산소와 결합하여 물을 생성한다.
연료 전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라서 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 인산 연료 전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell), 용융탄산염 연료 전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물 연료 전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등으로 구분될 수 있다. 이러한 연료 전지의 종류에 따라서 작동온도, 구성 부품의 재질 등이 달라진다. 그 중 분리판과 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly) 등으로 구성된 고분자 전해질막 연료 전지는 비교적 낮은 온도인 약 80~120℃에서 작동될 수 있으며 매우 높은 전력밀도를 가지기 때문에, 자동차용, 가정용 등의 전력원으로서 사용될 수 있다. 이러한 고분자 전해질막 연료 전지의 무게와 크기를 줄이고 안정된 성능을 얻기 위해서는 금속이나 흑연으로 제작된 종래의 분리판(Bipolar plate)의 소재를 개선할 필요가 있다.
분리판은 연료 및 공기가 흐르는 유로(Channel)를 가지고 있으며, 막 전극 접합체 간의 전자이동을 위한 전자 전도체 역할을 한다. 따라서, 분리판은 연료와 산소가 분리될 수 있도록 가스 투과율(Gas Permeability)이 낮아야 하고, 전기전도도가 우수하여야 한다. 또한, 연료 전지의 온도 제어를 위한 충분한 열전도도를 가져야 하고, 연료 전지를 체결하는 기계적 힘을 견딜 정도의 충분한 기계적 강도를 가져야 할 뿐만 아니라, 수소 이온에 대한 내부식성(Corrosion-Resistance)을 가져야 한다.
종래의 고분자 전해질막 연료 전지의 분리판으로는 주로 흑연 분리판 (Graphite Plate)이 사용되며, 흑연 분리판은 전기전도도가 우수하고 부식이 잘 되지 않는 장점을 가지고 있다. 그러나 이 흑연 분리판의 연료 및 공기 유로는 주로 기계 가공에 의하여 형성되므로 가공비가 높으며, 취성을 가지는 단점이 있다. 또한, 흑연 분리판은 파손되기 쉽기 때문에 얇은 두께로 가공하기가 용이하지 않다. 따라서, 수 십 내지 수 백 개의 단위전지(Unit Cell)로 이루어지는 연료 전지의 적층 두께를 줄이는 데는 한계가 있다.
종래의 흑연 분리판의 단점들을 보완하기 위하여 분리판으로 사용하기 적합하고 재료비와 제조비용이 매우 저렴한 금속판을 사용할 수 있으나, 연료 전지 내부의 산성 환경에서는 금속이 쉽게 부식되고, 전기 저항(Electrical Resistance)이 큰 산화피막이 형성되기 쉽다. 금속 분리판의 부식은 분리판 자체의 결함을 유발시킬 뿐만 아니라, 금속 이온의 전해질막으로의 확산에 의한 촉매와 전해질의 이온 흡착현상을 일으킨다. 촉매가 이온에 의해서 흡착되면 촉매의 활성이 저하되고, 전해질이 이온에 의해서 흡착되면 전해질의 수소 이온 전도도가 저하된다. 이에 따라 연료 전지의 성능도 저하된다. 또한, 부식된 금속이 소실됨으로써 분리판과 막 전극 접합체 사이의 접촉이 불량해지고, 전기 저항이 증가하여 연료 전지의 성능이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점들을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 본 발명의 목적은, 가스 투과율이 낮고 내부식성 및 전기전도도가 우수하여 연료 전지의 성능을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기계적 강도가 우수하여 국부적인 소성변형이 발생하지 않고 얇은 두께로 제조가 용이한 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따른 연료전지용 분리판은, 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다. 복합재료층은 탄소섬유강화 복합재료로 형성된다. 탄소섬유강화 복합재료는 다수개의 프리프레그 형태로 이루어지거나 탄소섬유층에 수지를 함침시킨 형태로 적층된다. 이때, 탄소섬유강화 복합재료의 기지 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다.
다른 구성으로, 복합재료층은 탄소 단섬유와 고분자 기지가 혼합되어 형성될 수 있다. 이때, 고분자 기지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지 중 어느 하나로 형성되거나, 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지가 혼합되어 형성될 수 있다.
금속박막층은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 관점에 따른 연료 전지용 분리판의 제조방법은, 오토클레이브를 이용한 진공백 성형법 또는 핫프레스를 이용한 압축성형법에 의해서 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 성형하는 것을 특징으로 한다. 복합재료층은 탄소섬유강화 복합재료 프리프레그를 다수개로 적층하고, 프리프레그의 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가 지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다.
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법에 의하면, 분리판을 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 형성함으로써 가스 투과율을 낮추고 내부식성 및 전기전도도를 향상시켜 연료 전지의 성능이 향상되도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법에 의하면, 분리판을 탄소섬유강화 복합재료로 형성함으로써 기계적 강도를 향상시켜 국부적인 소성변형이 발생하지 않도록 하고, 얇은 두께로 제조를 용이하게 할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판 및 그 제조방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 관점에 따른 연료 전지용 분리판은 도 1 내지 도 4에 도시되어 있다. 도 1은 본 발명의 일 관점에 따른 연료 전지용 분리판이 성형되기 전의 상태를 나타낸 단면도이다. 도 1을 참조하면, 복합재료층(12)은 기계적 강도 및 강성이 우수한 탄소섬유강화 복합재료로 형성되어, 얇은 두께로 제조할 수 있다. 복합재료층의 사이에는 금속박막층(14)이 개재된다. 이와 같이 복합재료층(12)-금속박막 층(14)-복합재료층(12)의 샌드위치 구조로 이루어진 분리판은 유로의 형상대로 제작된 금형(M)에 의해서 성형되게 된다.
도 2는 본 발명의 일 관점에 따른 연료 전지용 분리판의 제 1 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 2를 참조하면, 분리판은 복합재료층(22)-금속박막층(24)-복합재료층(22)의 샌드위치 구조로 이루어진다. 이때, 복합재료층(22)은 탄소섬유강화 복합재료로 형성된다. 탄소섬유 강화 복합재료의 기지 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다. 금속박막층(24)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 이루어진다.
도 3은 본 발명의 일 관점에 따른 연료 전지용 분리판의 제 2 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 3을 참조하면, 분리판은 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 이루어진다. 이때, 복합재료층은 장섬유와 고분자 기지가 혼합되어 성형된 다수개의 복합재료 프리프레그(32) 또는 수지를 함침시킨 탄소섬유층이 적층되어 형성된다. 복합재료의 섬유는 탄소섬유인 것이 바람직하다. 복합재료 프리프레그(32)의 내부와 표면에는 전술한 제 1 실시예와 마찬가지로, 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다. 금속박막층(34)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 이루어진다.
도 4는 본 발명의 일 관점에 따른 연료 전지용 분리판의 제 3 실시예를 나타낸 단면도이다. 도 4를 참조하면, 분리판은 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 이루어진다. 이때, 복합재료층은 탄소 단섬유(42)와 고분자 기지(44)가 혼합되어 형성된다. 고분자 기지(44)는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지 중 어느 하나로 형성되거나 혼합되어 형성된다. 이에 따라 탄소 단섬유들(42) 간의 접촉을 향상시키고 전기전도도를 높이기 위해서는 섬유의 부피를 증가시켜야 한다. 금속박막층(46)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 이루어진다.
한편, 본 발명의 다른 관점에 따른 연료 전지용 분리판의 제조방법에 대해서 설명하면 다음과 같다. 도 1과 도 2를 참조하면, 분리판을 복합재료층(22)-금속박막층(24)-복합재료층(22)의 샌드위치 구조로 형성한다. 이 분리판(10)을 오토클레이브를 이용한 진공백 성형법 또는 핫프레스를 이용한 압축성형법으로 성형한다. 이때, 복합재료층(22)은 탄소섬유강화 복합재료로 형성하고, 금속박막층(24)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 형성한다. 오토클레이브를 이용한 진공백 성형법과 핫프레스를 이용한 압축성형법은 주지 관용의 기술이므로 여기에서의 상세한 설명은 생략한다.
다른 방법으로, 복합재료층은 도 3에 도시된 바와 같이 탄소섬유강화 복합재료 프리프레그(32)를 다수개로 적층하여 형성할 수 있다. 이때, 프리프레그(32)의 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가 지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시킨다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예들 및 첨부된 도면들에 의해서 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형, 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판이 성형되기 전의 상태를 나타낸 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판의 제 1 실시예를 나타낸 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판의 제 2 실시예를 나타낸 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 연료 전지용 분리판의 제 3 실시예를 나타낸 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
12 : 복합재료층 14 : 금속박막층
22 : 복합재료층 24 : 금속박막층
32 : 복합재료 프리프레그 34 : 금속박막층
42 : 탄소 단섬유 44 : 고분자 기지
46 : 금속박막층 M : 금형

Claims (9)

  1. 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재료층은 탄소섬유강화 복합재료로 형성되는 연료 전지용 분리판.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄소섬유강화 복합재료는 다수개의 프리프레그 또는 수지를 함침시킨 탄소섬유층 형태로 이루어져 적층되는 연료 전지용 분리판.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 탄소섬유강화 복합재료의 기지 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시키는 연료 전지용 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합재료층은 탄소 단섬유와 고분자 기지가 혼합되어 형성되는 연료 전 지용 분리판.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지 중 어느 하나로 형성되거나 에폭시 수지, 폴리에스터 수지, 페놀 수지가 혼합되어 형성되는 연료 전지용 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속박막층은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리, 은 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 중 어느 하나로 이루어지는 연료 전지용 분리판.
  8. 오토클레이브를 이용한 진공백 성형법 또는 핫프레스를 이용한 압축성형법에 의해서 복합재료층-금속박막층-복합재료층의 샌드위치 구조로 성형하는 연료 전지용 분리판의 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복합재료층은 탄소섬유강화 복합재료 프리프레그를 다수개로 적층하고, 상기 프리프레그의 내부와 표면에는 탄소 분말, 탄소 나노 튜브 또는 104 S/m 이상의 전기전도도를 가지는 금속 분말을 첨가하여 전기전도도를 향상시키는 연료 전지 용 분리판의 제조방법.
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