KR20090123661A - 연료전지용 분리판 및 그의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지용 분리판 및 그의 제조 방법에 관한 것으로 탄소나노튜브를 성장시킨 금속 기판 표면에 페인팅, 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 전도성 첨가제를 포함하는 고분자를 짧은 시간 내에 10 ~ 300㎛로 코팅함으로써, 금속의 부식을 방지하고, 복합재료를 코팅할 때 발생하는 접촉저항을 감소시킬 수 있도록 하는 발명에 관한 것이다.

Description

연료전지용 분리판 및 그의 제조 방법{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell)용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 전도성 고분자 또는 탄소에 고분자 물질을 첨가한 형태인 탄소 복합체를 이용함으로써, 경량화 및 박막화가 가능하고, 부식을 방지할 수 있으며, 나아가 간단한 제조공정으로 제조단가를 저감시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
연료전지는 전기화학반응을 이용하여 수소의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전형 전지이다.
일반적으로 연료극(Anode)을 통하여 공급된 수소는 전극 촉매에 의해 산화되어 수소이온과 전자로 분리된다.
분리된 수소이온은 전해질(Membrane)막을 통해 이동하고, 전자는 외부회로를 통해 공기극(Cathode)으로 이동한 후, 공기극에 유입된 산소와의 환원반응에 의해 물과 전기에너지를 발생시킨다.
이와 같은 연료 전지는 본체, 스택 부재, 연료공급 및 저장관련 부재와 주변 설비 기기들로 구성되는데, 본 발명에서는 연료전지의 핵심이 되는 스택 부재에 관하여 설명하는 것으로 한다.
스택 부재는 전해질막, 전극/촉매, 분리판(bipolar plate) 및 엔드판의 적층 구조로 구성된다. 여기서, 전해질막, 촉매층 및 전극의 집합체를 MEA(Membrane Electrode Assembly)라 하는데 MEA의 구성과 성능이 연료전지의 성능을 좌우하게 된다.
특히, 수소이온의 통로역할을 하는 전해질막은 연료전지의 핵심부품이며, 연료전지는 전해질의 종류에 따라 5가지로 구분된다.
고온에서 작동하는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물용 연료전지(SOFC) 및 비교적 낮은 온도에서 작동하는 인산형 연료전지(AFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DEMFC) 등이 있다.
그 중 고분자를 사용한 연료전지를 고분자 전해질 연료전지(PEMFC : Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, Proton Exchange Membrane Fuel Cell)가 가장 일반적으로 사용되고 있다.
분리판(bipolar plate)은 연료전지의 전극 셀을 구획 짓기 위한 부재로서, 연료가스와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로 확보 및 외부회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로 높은 전기전도성, 내식성 및 열전도성이 필요하고, 반면에 낮은 기체 투과성이 요구된다.
기존의 분리판 제작은 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작 하였다. 이 경우 분리판이 차지하는 비중이 스택 전체에서 비용은 50%, 무게에서는 80% 이상을 차지한다.
그라파이트 분리판은 밀링 가공을 통하여 제작하기 때문에 높은 가공비를 갖는 반면, 낮은 밀도로 인하여 가스의 혼합을 막기 어렵다. 따라서 소정 두께 이상으로 형성되어야 하므로 큰 부피를 갖는 문제점이 있다.
상술한 바와 같이, 그라파이트 분리판은 고비용 및 큰 부피 등의 단점을 가지고 있다. 이를 극복하기 위하여 가공성이 용이하고 제조 단가를 낮출 수 있는 금속분리판과 전도성물질이 포함된 고분자를 혼합한 복합분리판 및 복합재료를 금속판위에 코팅하는 형태의 분리판을 연구하여 개발하고 있다.
금속 분리판은 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 중심으로 개발되고 있으며, 가공성 및 전기전도성 가격 면에서 모두 우수한 경쟁력을 가지고 있다. 그러나 스테인리스 스틸 자체로는 부식특성에 취약하여, 이를 보안하기 위한 방법으로 스테인리스 스틸 표면에 부식특성이 강한 금, 백금, 텅스텐을 코팅하는 방법의 연구가 진행되어 왔으나, 이 또한 고가의 금속을 코팅재로 사용하기 때문에 높은 가공비가 필요하다.
아울러, 복합 분리판은 기존의 문제점으로 제시되던 전기전도성은 우수한 값을 나타내고 있으나 깨지기 쉬운 단점을 가지고 있다.
본 발명은 탄소나노튜브를 성장시킨 금속 기판 표면에 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하여 전도성 첨가제를 가지는 고분자를 코팅하여 금속의 부식을 방지하고, 복합재료를 코팅할 때 발생하는 접촉저항을 탄소나노튜브로 인하여 감소시킬 수 있도록 하는 연료전지용 분리판 및 그의 제조 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 금속 판재의 제 1 면에 형성되며 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로와 상기 금속 판재의 제 2 면에 형성되며 상기 제 1 면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로를 포함하는 기판과, 상기 기판의 전면에 구비되는 탄소나노튜브층 및 상기 탄소나노튜브층 상부에 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물로 구비되는 복합체층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 구비되는 것을 특징으로 하고, 상기 기판은 1.5 내지 3mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브층은 1 내지 20㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하고, 상기 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드, 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제는 상기 복합체에 혼합되어 상기 탄소나노튜브층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브, 은이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물의 총 질량을 기준으로 상기 전도성 첨가제는 30 ~ 50중량%가 포함되고, 상기 고분자는 50 ~ 70중량%가 포함되는 것을 특징으로 하고, 상기 복합체층은 10 내지 300 ㎛ 이하의 두께로 구비되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법은 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 있어서, 금속 판재의 제 1 면에 형성되며 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로와 상기 금속 판재의 제 2 면에 형성되며 상기 제 1 면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로를 포함하는 기판을 형성하는 단계와, 상기 기판의 전면에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브층을 형성하는 단계 및 상기 탄소나노튜브층 상부에 고분자 및 전도성 첨가제를 혼합시킨 복합체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 기판은 1.5 내지 3mm의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 탄소나노튜브층을 형 성하는 단계는 화학기상 증착방법을 10분 내지 60분 동안 수행하여 상기 기판 표면에 상기 탄소나노튜브를 1 내지 20㎛의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하고, 상기 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드, 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 고분자는 90 내지 200℃에서 내열성을 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제는 상기 복합체에 혼합되어 상기 탄소나노튜브층과 전기적으로 연결되도록 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브, 은이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 복합체층은 페인팅, 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 하는 것을 특징으로 하고, 상기 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물의 총 질량을 기준으로 상기 전도성 첨가제는 30 ~ 50중량%를 혼합하고, 상기 고분자는 50 ~ 70중량%가 혼합하는 것을 특징으로 하고, 상기 복합체층은 10 내지 300 ㎛ 이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하고, 상기 연료전지용 분리판은 접촉저항이 10 내지 100mΩcm2 이 되도록 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지용 분리판을 금속 기판으로 사용하기 때문에 기계적 충격에 강하며, 표면이 전도성 고분자로 코팅 되어있어 부식특성에 강하다. 이때 금속판의 두께는 3mm 이하의 두께로 조절하여 스택에 사용이 가능 하도록 하며, 전력 밀도를 증가시킬 수 있다. 또한, 페인팅, 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법을 이용하기 때문에 대량 생산이 가능 하므로 제조 원가 절감 및 수율을 향상시킬 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명은 고분자 전해질 연료전지용 분리판을 탄소나노튜브가 성장된 금속 기판으로 사용하고, 탄소나노튜브층 표면에 스크린 코팅 방법을 이용하여 전도성 고분자 복합층을 형성함으로써, 접촉저항이 발생하지 않는 분리판을 제조 한다.
이하 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면도이다.
도 1을 참조하면, 연료전지용 분리판의 본체가 되는 기판(100)은 스테인리스 재질의 금속 판재로 구비된다. 이때 판재의 전면과 배면을 각각 제 1 면과 제 2 면으로 정의하기로 하고, 도시된 면을 제 1 면으로 한다.
제 1 면에는 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상(120)이 형성되는데, 양각 패턴에 의해서 형성되는 리세스 부분이 공기 또는 수소가스 유로가 된다. 즉, 요철형상(120)이 양각 패턴이 되면 그 사이의 영역이 공기 또는 수소가스 유로가 되고, 요철형상(120) 음각 패턴이 되면 그 부분이 공기 또는 수소가스 유로가 되는 것이다.
그리고, 제 1 면의 배면이 되는 제 2 면에는 양각-음각 패턴의 요철형상(120)에 대응되도록 반대의 음각-양각 패턴이 교대로 배치되고, 이들에 의해 형성되는 리세스 부분이 냉각수 유로(미도시)가 된다.
즉, 공기 또는 수소가스 유로는 금속 판재를 프레스 스탬핑(press stmaping) 가공하여 형성하며, 일반적으로 이렇게 형성된 금속 판재 두 장을 준비하고, 이들의 제 2 면이 서로 마주 보는 형태로 밀착시킴으로써, 연료전지용 분리판으로 사용한다.
그러나 반드시 2장의 금속 판재가 필요한 것은 아니며, 도시된 기판(100) 한 장을 연료 전지용 분리판이 될 수 있으므로, 이하에서는 한 장을 기준으로 설명하는 것으로 한다.
본 발명에 상기한 바와 같이 형성된 기판과, 기판 표면에 구비되는 탄소나노 튜브층 및 탄소나노튜브층 상부에 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물로 구비되는 복합체층을 포함한다.
여기서, 기판은 스테인리스 스틸(Stainless steel), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 구비되는 것이 바람직하다. 그리고 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드(Polyamideimide; PAI), 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드(Polyphenyleneoxide; PPO), 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 그리고 첨가제는 카본블랙(Carbon black), 그라파이트(Graphite), 카본파이버, 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 은이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 사용 하는 것이 바람직하다. 이때, 가장 좋은 특성을 나타내는 기판, 고분자 및 전도성 첨가제의 종류는 하기 [표 1]과 같이 정리할 수 있다.
[표 1] 기판, 고분자 및 첨가제의 예시
Figure 112008038315956-PAT00001
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 스크린 코팅방법 및 이를 이용하여 제조된 분리판의 단면을 도시한 개략도들로, 상기 도 1의 A-A'의 방향을 따른 단면을 도시한 것이다.
도 2a를 참조하면, 연료 전지용 분리판의 본체가 되는 전도성 기판(200)을 형성한다. 이때, 기판(200)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 형성하는 것이 바람직하며, 1.5 내지 3mm의 두께를 갖도록 형성한다.
여기서, 기판(200)은 양각 패턴(220) 및 음각 패턴(230)이 교대로 배치되는 형태로 형성된다. 여기서, 기판(200)의 상부(제1면)를 기준으로 할 때 음각 패턴(230)이 공기 또는 수소 가스 유로가 된다. 유로를 통하여 연료 전지 내에 공기 또는 수소 가스가 공급되고, 전기발생 공정에서 형성되는 물이 배출된다. 유로가 증가할수록 연료 전지의 효율이 증가하므로 상기 도 1에서와 같이 기판의 표면에 가능한 많은 양각 패턴(220) 및 음각 패턴(230)이 형성되도록 한다. 그리고, 상부에 형성되는 양각 패턴(220) 및 음각 패턴(230)에 의해서 배면(제2면)에 정의되는 리세스 부분(240)은 연료전지의 냉각수 유로가 된다. 이와 같이 기판(200)은 가스 및 물에 노출되므로 쉽게 산화하여 부식되는 문제가 발생할 수 있다.
따라서 다음에는, 기판(200)의 전체 표면에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브층(250)을 형성한다. 이때, 탄소나노튜브층(250)은 화학기상 증착방법을 10분 내지 60분 동안 수행하여 형성하는 것이 바람직하며, 1 내지 20㎛의 두께로 성 장시킨다.
이와 같이, 탄소나노튜브층(250)을 형성하는 경우 후속의 공정에서 복합체층을 형성하면서 발생하는 접촉저항을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 접촉저항이 현저하게 감소되면, 복합체층과 금속판 사이의 접착력이 증가하게 된다.
도 2b를 참조하면, 탄소나노튜브층(250) 상부에 고분자 및 전도성 첨가제를 혼합시킨 복합체층(280)을 형성한다. 이때, 복합체층(280)은 고분자 및 전도성 첨가제를 혼합시킨 복합물질(260)을 이용하여 형성하는데, 전도성 첨가제는 복합물질(260)의 총 질량을 기준으로 30 ~ 50중량%를 혼합하고, 고분자는 50 ~ 70중량%를 혼합하는 것이 바람직하다.
다음에는, 복합물질(260)을 형성한다. 이때, 페인팅, 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법 중 선택된 어느 하나를 수행하는 성형 장치(270)를 이용하여 복합체층(280)을 10 내지 300 ㎛ 이하의 두께로 형성하며, 더 바람직하게는 200 ㎛ 이하의 두께로 형성한다.
여기서, 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드, 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고, 연료전지에서 발생하는 열에 의해서 분리판이 약해지는 것을 방지하기 위하여 고분자는 90 내지 200℃ 에서 내열성을 갖는 물질을 선택하는 것이 좋다.
다음으로, 전도성 첨가제는 탄소나노튜브층(120)과 전기적으로 연결되도록 형성하는 것이며, 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브, 은이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 전도성 첨가제를 카본블랙으로 사용할 경우 그에 대한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
실시예 1
고분자로 폴리아미드이미드(Polyamideimide; PAI)를 사용하며, 전도성 첨가제로 카본블랙(carbon black)을 사용한다.
먼저, 폴리아미드이미드(Polyamideimide; PAI)를 분쇄기를 이용하여 분말 형태로 제조한 후 NMP(N-methylpyrrolidone)용액에 용해시킨 후 카본블랙(carbon black)을 첨가하여 복합체층 형성용 코팅용액을 제조 한다. 이때, 카본블랙 및 폴리아미드이미드의 총 중량을 기준으로 카본 블랙을 30 ~ 50중량% 폴리아미드이미드를 50 ~ 70중량% 혼합하는 것이 바람직하다.
여기서, 카본 블랙의 첨가량이 증가 할수록 접촉저항은 낮아지지만, 점도가 낮아져 코팅이 잘 되지 않을 수 있으므로, 혼합비율을 상술한 바와 같이 결정하는 것은 중요하다. 또한, 고분자의 입자가 작을수록 용액에 잘 용해되므로 입자 크기가 작은 분말 형태를 사용하는 것이 중요하다. 혼합 온도는 상온에서 수행하고, 60 ~ 120분 동안 혼합하는 것이 바람직하다.
코팅 용액의 점도는 NMP(N-methylpyrrolidone)의 양으로 조절한다. 페인팅 또는 스크린 코팅 방법을 이용할 경우 페인팅 방법은 35000 ~ 50000cP, 스크린 코팅 방법은 10000 ~ 30000cP로 점도를 조절하면 코팅 특성이 향상되고 시간을 절약할 수 있다. 그 외에, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법에 따라 코팅 용액의 점도를 다르게 조절하면 생산량을 증가시킬 수 있다.
그 다음에는, 불산(HF)으로 표면처리한 스테인리스 스틸(SUS304)표면에 탄소나노튜브층을 형성하고, 탄소나노튜브층 상부에 상기 제조한 코팅 용액으로 스크린 프린팅하여 복합체층을 형성한다.
실시예 2
실시예 1에서 제조한 코팅 용액에서 카본 블랙의 양을 감소시키고, 그 외의 모든 공정은 동일하게 실시한다.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 카본블랙이 10중량% 첨가된 분리판의 전자현미경 사진이고, 도 4는 본 발명에 따라 제작된 카본블랙이 30중량% 첨가된 분리판의 전자현미경 사진이다.
카본블랙이 소량 첨가된 시편은 우수한 부식 특성을 가지나, 높은 접촉저항을 가져 분리판으로 사용할 수 없다. 반면에 30 중량% 첨가된 시편(도 4)의 경우 부식 특성은 표면상태로 인하여 증가하였으나 낮은 접촉저항을 보이고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 코팅 시 소량의 카본블랙만 사용할 경우 높은 전기전도도를 가져 사용이 불가능 한데, 그 결과를 이하 도 5 및 도 6에서 설명하는 것으로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 부식측정을 도시한 그래프이다.
도 5를 참조하면, 초(SEC)당 0.6V의 전압(Potential, E)이 형성되는 공기극(Cathode) 구간에서 상기 실시예 1과 같이 카본블랙 30중량% 및 폴리아미드이미드 70중량%를 코팅한(CB 30wt% - PAI 70wt% coating) 그래프가 316 Steel 그래프 보다 -0.1V와 0.6V 사이에서 낮은 전류 밀도(Current density)를 갖는 것으로 나타나므로, 실시예 1의 경우 높은 부식 저항을 가짐을 알 수 있다.
여기서, 부식 저항은 316 Steel 표면이 산성전해질에 노출되는 경우 표면의 철만 선택적으로 부식/용출되어 Cr-rich 표면을 만들게 되고, 이 표면의 Cr이 치밀한 Cr2O3로 산화되어 비활성층(passive layer)을 형성하고, 저항의 원인으로 작용하기 때문에 증가하는 것다. 이러한 비활성층(passive layer)은 산성분위기에서 잘 형성되기 때문에 연료전지의 구조상 전해질막과 직접 접촉하는 가스켓과 전극 사이의 공간에서 가장 빈번하게 발생하게 된다. 또한 산소와의 산화반응이 일어나는 공기극(Cathode)쪽에서 많이 발생하여 성능 저하의 원인으로 작용하게 되며 내구성을 떨어뜨리는 결과를 초래하게 된다. 그러나, 실시예 1의 경우와 같이 본 발명에 따른 분리판은 상기 316 Steel의 경우와 같은 문제가 발생하지 않는다. 아울러, 상기 도 2a에서 설명한 본 발명에 따른 분리판의 접촉저항특성은 이하 도 6을 통하여 확 인할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 접촉저항을 도시한 그래프이다.
도 6에 나타낸 그래프와 같이 접촉저항(Contact resistance; mΩ㎠)은 카본블랙의 첨가량(Carbon Black contcnts; 중량%)이 증가 할수록 감소하였다. 또한, 탄소나노튜브를 성장 시킨 후 코팅한 경우(-▲-; PAI coating after CNT deposited SS)가 탄소나노튜브를 성장 시키지 않고 코팅한 경우(-●-; PAI coating)보다 더 낮은 접촉저항을 가짐을 알 수 있었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 고분자 전해질 연료전지용 분리판은 기계적 충격에 견딜 수 있도록 금속 기판으로 사용하며, 표면에 전도성 고분자를 코팅하여 부식특성에 강해지도록 한다. 또한, 전도성 첨가제인 카본 블랙은 50wt% 이하로 첨가하고 페인팅 방법을 이용하여 복합체층을 코팅함으로써, 코팅층의 두께를 종래 기술 보다 매우 얇게 형성할 수 있다. 따라서, 낮은 접촉저항을 가지도록 하고, 짧은 시간에 많이 제조 할 수 있어 생산량을 증가시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 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 면에 서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 도시한 평면도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 스크린 코팅방법 및 이를 이용하여 제조된 분리판의 단면을 도시한 개략도들.
도 3은 본 발명에 따라 제작된 카본블랙이 10 중량% 첨가된 분리판의 전자현미경 사진.
도 4는 본 발명에 따라 제작된 카본블랙이 30 중량% 첨가된 분리판의 전자현미경 사진.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 부식측정을 도시한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 접촉저항을 도시한 그래프.

Claims (21)

  1. 금속 판재의 제 1 면에 형성되며 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로와 상기 금속 판재의 제 2 면에 형성되며 상기 제 1 면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로를 포함하는 기판;
    상기 기판의 전면에 구비되는 탄소나노튜브층; 및
    상기 탄소나노튜브층 상부에 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물로 구비되는 복합체층을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판은 1.5 내지 3mm의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브층은 1 내지 20㎛의 두께로 형성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드, 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제는 상기 복합체에 혼합되어 상기 탄소나노튜브층과 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브, 은 이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물의 총 질량을 기준으로 상기 전도성 첨가제는 30 ~ 50중량%가 포함되고, 상기 고분자는 50 ~ 70중량%가 포함되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복합체층은 10 내지 300 ㎛ 이하의 두께로 구비되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.
  10. 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 있어서,
    금속 판재의 제 1 면에 형성되며 양각-음각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 공기 또는 수소가스 유로와 상기 금속 판재의 제 2 면에 형성되며 상기 제 1 면의 요철형상에 대응되는 음각-양각 패턴이 교대로 배치되는 요철형상의 냉각수 유로를 포함하는 기판을 형성하는 단계;
    상기 기판의 전면에 탄소나노튜브를 성장시켜 탄소나노튜브층을 형성하는 단계; 및
    상기 탄소나노튜브층 상부에 고분자 및 전도성 첨가제를 혼합시킨 복합체층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 및 이들 중 하나 이상을 포함하는 전도성 금속으로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 기판은 1.5 내지 3mm의 두께를 갖도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄소나노튜브층을 형성하는 단계는 화학기상 증착방법을 10분 내지 60분 동안 수행하여 상기 기판 표면에 상기 탄소나노튜브를 1 내지 20㎛의 두께로 성장시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 고분자는 에폭시 수지, 페놀수지, 푸란수지, 비닐에스테르, 폴리프로필렌, 폴리아미드 이미드, 폴리비닐리덴플르오라이드, 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리아닐린(Polyaniline) 및 폴리피롤(Polypyrrole) 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 고분자는 90 내지 200℃에서 내열성을 갖는 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판 제조 방법.
  16. 제 10 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제는 상기 복합체에 혼합되어 상기 탄소나노튜브층과 전기적으로 연결되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  17. 제 10 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브, 은이 코팅된 구리 중 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합체층은 페인팅, 스크린 코팅, 디핑(dipping) 또는 테이프 캐스팅(tape casting) 방법 중 선택된 어느 하나를 이용하여 형성하는 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  19. 제 10 항에 있어서,
    상기 전도성 첨가제 및 고분자의 혼합물의 총 질량을 기준으로 상기 전도성 첨가제는 30 ~ 50중량%를 혼합하고, 상기 고분자는 50 ~ 70중량%가 혼합하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 복합체층은 10 내지 300 ㎛ 이하의 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
  21. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지용 분리판은 접촉저항이 10 내지 100mΩcm2 이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조방법.
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