KR20090129704A - 연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법, 그로부터제조된 연료전지 분리판 및 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법, 이를 적용한 연료전지 분리판과 연료전지를 제공하기 위한 것으로, 본 발명은 수지와 카본블랙을 미리 혼합하여 만든 카본블랙 마스터배치를 연료전지 분리판 소재를 제조하는데 적용하여 카본블랙의 분산성을 향상시키고, 더 나아가 전기전도도가 우수한 연료전지 분리판과 연료전지를 제조하기 위한 것이다.

연료전지, 분리판, 카본블랙, 마스터배치, 압출 혼합

Description

연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법, 그로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지{Process for preparing separator material for a fuel cell having high electrical conductivity, separator for a fuel cell and feul cell}

본 발명은 연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법, 그로부터 제조된 연료전지 분리판 및 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 수지와 카본블랙을 미리 혼합하여 만든 카본블랙 마스터배치를 연료전지 분리판 소재를 제조하는데 적용하여 카본블랙의 분산성을 향상시키고, 더 나아가 전기전도도가 우수한 연료전지 분리판 소재를 제조하는 방법과, 상기 방법으로 제조한 연료전지용 분리판 및 연료전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료전지란, 연료인 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 연소과정 없이 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다. 연료전지의 핵심인 스택을 구성하고 있는 것이 막전해질 조립체(membrane electronic assembly)와 분리판(bipolar plate)이다. 이 중 분리판은 수소 및 산소 공급, 촉매반응에 의해 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할, 각 단위전지 간 절연 유지를 위한 분리 역할을 수행하게 된다.

이러한 연료전지용 분리판에 요구되는 물성에는 전기 전도도, 강도, 가스투과도 등이 있으며 이 중 연료전지의 핵심 역할과 관련된 전기 전도도가 가장 중요하다고 할 수 있으며, 이러한 전기 전도도를 증가시키기 위해 수지에 흑연 및 카본블랙과 같은 도전성 필러를 충전하여 연료 전지용 분리판을 제조하고 있다.

분리판 성형에 이용되는 소재의 혼합/제조 시 전기 전도도를 향상시키기 위한 도전성 필러로써 흑연 및 카본블랙 등을 충전하게 되며 보통은 카본블랙, 수지, 흑연 및 첨가제들이 거의 같은 시기에 함께 첨가/혼합된다. 예를 들어, 열가소성 분리판 소재 혼합의 경우 보통 압출 공정을 통해 이루어지는데 이때 투입되는 수지, 카본블랙, 흑연, 첨가제들이 1차 압출 공정에서 투입/혼합되어 분리판 소재를 제조하게 되고, 이렇게 혼합 제조된 소재를 통해 압축 및 사출 성형 등으로 분리판을 성형 제조하게 된다.

그런데 카본블랙은 흑연보다 수지와의 상용성이 좋지 않아 기존 기술과 같은 정도의 혼합으로는 충분히 분산되기 어렵다. 카본블랙의 불균일한 분산성으로 전기 저항을 감소시킬 수 있다고 알려져 있으므로 카본블랙의 분산성을 향상시키게 되면 전기 전도도 또한 더 향상시킬 수 있게 된다.

이에 본 발명은 연료 전지용 분리판의 전기 전도도를 향상시키기 위해 균일 분산이 어려운 카본블랙의 분산성을 향상시키는 것을 기술적 과제로 한다.

즉, 본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 수지와 카본블랙 을 미리 혼합하여 만든 카본블랙 마스터배치를 연료전지 분리판 소재를 제조하는데 적용하여 카본블랙의 분산성을 향상시키고, 더 나아가 전기전도도가 우수한 연료전지 분리판과 연료전지를 제조하는 것을 그 목적으로 한다.

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법은, 수지에 카본블랙을 압출 혼합 공정 또는 배치 혼합 공정에 의해 혼합하며, 이때 카본블랙 마스터 배치 중량 대비 17 ~ 24중량%의 카본블랙을 혼합하여 카본블랙 마스터배치를 제조하는 단계; 상기 카본블랙 마스터 배치 제조 시 카본블랙의 분산성 향상을 더욱 증대시키기 위해 필러 분산제를 0.5 ~ 2중량% 첨가하는 단계; 및 상기 단계에서 제조된 카본블랙 마스터 배치와 70~85중량%의 흑연을 압출 혼합 공정 또는 배치 혼합 공정에 의해 혼합하되 혼합단계 및 성형단계에서의 윤활 특성을 부여하기 위해 윤활제를 첨가해 주는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 연료전지용 분리판 소재의 제조방법은 카본블랙의 분산성을 향상시키기 위하여 첨부 도면 중 도 1에 나타낸 바와 같은 카본블랙 마스터배치를 제조하여 적용하는 것으로, 연료전지 분리판의 가장 중요한 물성 중 하나인 전기 전도도를 향상시킬 수 있어 연료전지의 전력 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.

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

본 발명에 따른 연료전지용 고전도성 분리판 소재의 제조방법에서, 첫번째 혼합 단계는, 수지에 카본블랙만을 압출 공정 또는 배치 혼합 공정에 의해 용융 혼합하며 이때 필러 분산제를 0.5~2중량% 첨가하여 카본블랙이 수지에 보다 균일하게 분산되도록 하기 위한 카본블랙 마스터배치 제조 공정이다.

보통, 소재의 70~85중량% 이상을 차지하는 흑연 및 첨가제들이 보통 카본블랙과 동시에 혼합되는 종래기술에서는 카본블랙이 균일하게 분산되기 어렵다. 그러나, 수지에 17 ~ 24중량%의 카본블랙만을 혼합하는 카본블랙 마스터배치 제조 시에는 카본블랙이 보다 균일하게 분산될 수 있다.

여기서, 혼합되는 카본블랙의 중량은 2차 혼합(카본블랙 마스터배치와 흑연 및 첨가제 혼합)까지 완료하였을 때 제조하고자 하는 분리판 소재의 최종 배합비가 되도록 계산하여 배합해야 하며, 제조하고자 하는 분리판 소재의 최종 배합비가 달라지게 되면 카본블랙 마스터배치의 카본블랙 함량 역시 변화시켜 제조하여 원하는 최종 분리판의 배합비를 제조할 수 있다.

두번째 혼합 단계로, 이와 같이 제조된 카본블랙 마스터배치와 흑연을 용융 혼합한다. 이때는 첫번째 혼합 단계와 달리 필러(카본블랙, 흑연)의 고충전(70 ~ 80중량%)으로 인해 혼합단계 및 사출성형단계에서 소재의 흐름성을 향상시킬 필요가 있으므로 폴리프로필렌 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 아마이드 왁스와 같은 왁스 윤활제를 0.1~2중량%, 가량 첨가하여, 혼합 단계에서의 소재 흐름성 및 사출 성형에서의 성형성을 개선하는 것이 바람직하다. 이와 같은 두번째 혼합 단계에서 카본 블랙을 2차 혼합이 이루어지므로 더 균일한 분산을 하게 되어 첨부 도면 중 도 2에 나타낸 바와 같이 이와 같은 방법으로 제조된 분리판의 전기 전도도가 향상된 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 연료전지용 고전도성 분리판 소재는 상기와 같은 방법으로 제조된 소재를 성형하여서 제조하며, 상기 연료전지용 분리판을 적용하여서 연료전지를 제조할 수 있다.

이상과 같은 본 발명을 실시예를 통하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같으며, 본 발명은 다음의 실시예에 명시된 방법 및 배합비에 한정되지 않음을 명확히 한다.

실시예

흑연 75중량%, 카본블랙 5중량% 및 수지로서 폴리프로필렌 20중량%로 구성된 열가소성 분리판을 제조하기 위하여, 첫번째 단계로서 압출 공정을 통해서 수지와 카본블랙을 먼저 혼합하여 카본블랙 마스터 배치를 제조하되, 수지 80중량%와 카본블랙 20중량%를 혼합하였다. 제조하고자 하는 최종 분리판의 조성이 흑연 75중량%, 카본블랙 5중량% 및 폴리프로필렌 수지 20중량%이므로, 흑연을 혼합해 주는 2차 혼합단계에서 흑연 75중량%와 카본블랙 마스터배치를 혼합하였을 때 상기한 최종 분리판의 조성이 되도록 하려면 카본블랙 마스터배치는 수지와 카본블랙의 함량이 각각 80중량%, 20중량%가 계산된다.

또한, 이 혼합단계에서 소수성으로 인해 분산이 어려운 카본블랙의 분산성을 향상시키기 위해 0.5 ~ 2중량%의 필러 분산제를 흑연에 첨가하는 것이 바람직하 며, 이와 같은 방법으로 카본블랙 마스터배치를 펠렛화하여 제조하였다.

두번째 단계로, 상기와 같이 제조된 카본블랙 마스터배치 펠렛을 다시 압출 공정을 통해 흑연과 용융 혼합하였다. 이때의 배합비는 카본블랙 마스터배치 25중량%와 흑연 75중량%로 하면 최종 분리판의 조성인 흑연 75중량%, 카본블랙 5중량% 및 폴리프로필렌 수지 20중량%가 된다. 또한, 이때 필러(카본블랙, 흑연)의 고함량(75중량%)으로 인해 혼합단계의 소재 흐름성과 사출성형에서의 성형성을 개선하기 위해 왁스 윤활제를 1중량% 첨가하였다.

이와 같이 두번째 단계를 거쳐 흑연 75중량%, 카본블랙 5중량% 및 수지 20중량% 인 열가소성 분리판 소재를 제조하였고, 사출 성형을 통해 최종 제품인 분리판을 성형하였다.

비교예

상기 실시예와 동일한 소재 및 동일한 배합비로 실시하였으나 첫번째 단계인 카본블랙 마스터배치 제조를 실시하지 않았다.

즉, 실시예의 두번째 단계에서 카본블랙 마스터배치 대신 수지와 카본블랙을 혼합하여 결과적으로 흑연 75중량%, 카본블랙 5중량%, 수지 20중량%를 한번에 압출 혼합하여 열가소성 분리판 소재를 제조하였고 실시예와 동일하게 분리판을 성형하였다.

첨부 도면 중 도 2는 실시예의 분리판과 비교예의 분리판의 전기전도도를 비교한 그래프이다. 비교예의 분리판의 전기 전도도에 비해 실시예의 분리판이 약 10 S/cm 증가되었음을 알 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 카본블랙마스터배치를 촬영한 사진이다.

도 2는 첨부 도면 중 도 2는 실시예의 분리판과 비교예의 분리판의 전기전도도를 비교한 그래프이다.

Claims (4)

1. 수지와 카본블랙을 압출식 또는 배치식에 의해 용융 혼합하여 카본블랙 마스터배치의 총 중량 기준 17~24중량%의 전도성 카본블랙을 포함하는 카본블랙 마스터 배치를 제조하는 단계 :

   상기 단계에서 카본블랙의 분산성을 향상시키기 위해 필러 분산제를 0.5~2중량% 첨가하는 단계;

   제조된 카본블랙 마스터 배치와 흑연 70~85중량%를 압출식 또는 배치식으로 용융 혼합하는 단계;

   상기 용융 혼합 단계에서 혼합 단계의 소재 흐름성 및 사출 성형성 개선을 위해 왁스 윤활제를 0.1~2중량% 첨가하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 소재의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 카본 블랙 마스터배치와 상기 흑연의 용융 혼합시 첨가되는 왁스 윤활제가 폴리프로필렌 왁스, 폴리에틸렌 왁스 또는 아마이드 왁스인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 소재의 제조방법.
3. 청구항 1 또는 2의 연료 전지용 분리판 소재를 적용하여서 제조된 것을 특징으로 하는 연료 전지용 분리판.
4. 청구항 3에 따른 연료 전지용 분리판을 적용하여서 제조된 것을 특징으로 하는 연료 전지.

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