KR20120001553A - 표면처리에 의한 연료전지 분리판의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연료전지 분리판을 제공하는 단계; 및 상기 연료전지 분리판을 할로겐으로 표면처리하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판의 제조방법, 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 할로겐을 이용한 표면처리에 의한 편리하고 단순한 방법으로 연료전지 분리판을 제조함으로써, 연료전지 분리판의 전지 특성, 및 물리적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 표면처리 과정은 탄소질 연료전지 분리판에 대하여 제한 없이 적용될 수 있으므로, 종래 이용되었던 탄소복합재 연료전지 분리판의 성능 향상에도 유용하게 이용될 수 있다.

Description

표면처리에 의한 연료전지 분리판의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판{MANUFACTURING METHOD OF SEPARATOR FOR FUEL CELL USING SURFACE TREATMENT AND SEPARATOR FOR FUEL CELL MANUFACTURED BY THE SAME}
본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 할로겐을 이용한 표면처리에 의하여 전지 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판에 관한 것이다.
연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 변환시키는 장치로서, 단위전지가 수십, 수백 개 적층된 스택으로 형성되며, 단위전지는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA) 및 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)로 이루어진다.
연료전지 분리판은 막전극 접합체 양쪽에 설치되며, 막전극 접합체에 수소 및 산소를 공급하고, 촉매 반응에 의하여 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할을 하고, 각 단위전지를 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 연료전지 분리판에 대해서는 고전기전도도, 고강도, 경량성, 내화학성, 고청정성, 치수 정밀도, 경제성 등의 특성이 요구되고 있다.
종래 연료전지 분리판으로는, 높은 전기전도도 및 우수한 화학적 안정성을 갖는 흑연(graphite)이 이용되었다. 그러나, 흑연을 이용한 연료전지 분리판은 성형에 있어서 초고온 공정을 필요로 하여, 제조비용이 높아져 양산이 곤란하고, 파티클 발생으로 인한 물성 저하의 문제점을 갖고 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 단순 프레싱 공정에 의하여 제조비용을 절감할 수 있는 흑연 분말과 폴리머의 소결체인 복합재를 이용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 흑연과 폴리머의 소결체의 경우, 전기전도도가 낮다는 문제점을 갖고 있으며, 이러한 문제를 해결하고자 흑연의 함량을 높일 경우에는 성형성이 나빠지고 강도가 저하되는 문제점을 갖고 있다.
또한, 다른 대안으로, 표면에 내화학성 코팅을 갖는 금속판을 이용하는 것이 제안되었으나, 금속 고유의 고중량으로 인하여 적층시 하중에 대한 부담이 있으며, 내산화성 및 내부식성 문제를 갖고 있다.
따라서, 더욱 향상된 전지 특성, 및 물리적/화학적 특성을 갖는 연료전지 분리판에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 종래 이용되었던 흑연재나 수지 복합재 등의 연료전지 분리판에 대하여 용이하고 효율적으로 적용될 수 있으며, 전지 특성을 더욱 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판의 제조방법 및 이에 의하여 제조된 연료전지 분리판을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 연료전지 분리판을 제공하는 단계; 및 상기 연료전지 분리판을 할로겐으로 표면처리하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 방법에 의하여 제조된 연료전지 분리판을 제공한다.
본 발명에 따르면 할로겐을 이용한 표면처리에 의한 편리하고 단순한 방법으로 연료전지 분리판을 제조함으로써, 연료전지 분리판의 전지 특성, 및 물리적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 표면처리 과정은 흑연재, 수지 탄소복합재 등의 연료전지 분리판에 대하여 제한 없이 적용될 수 있으므로, 종래 이용되었던 연료전지 분리판의 성능 향상에도 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 실시예 2에 따른 상온 무가습 조건에서의 전지특성 평가결과를 나타내는 그래프.
도 2는 실시예 2에 따른 80℃ 가습 조건에서의 전지특성 평가결과를 나타내는 그래프.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판의 제조방법은 연료전지 분리판을 제공하는 단계; 및 상기 연료전지 분리판을 할로겐으로 표면처리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지 제조방법은 연료전지 분리판 표면을 할로겐으로 표면처리하는 것을 특징으로 하므로, 다양한 재질, 예를 들어, 종래 이용되었던 흑연재나 수지 결합 탄소복합재 등으로 형성된 연료전지 분리판에 대하여 용이하게 적용될 수 있다.
일 실시예에서, 연료전지 분리판은 흑연으로 형성될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 연료전지 분리판은 탄소계 충진제, 첨가제 및 수지 결합제를 포함하는 탄소복합재로 형성될 수 있다.
탄소계 충진제 또는 첨가제는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 코크스, 탄소, 카본 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라핀(graphene) 및 그라핀 옥사이드(graphene oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
수지 결합제는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지일 수 있다.
연료전지 분리판 형성방법은 특히 제한되지 않으며, 당업계에 공지된 방법 및 추후 개발될 방법 중에서 적합한 방법을 선택하여 이용할 수 있다.
일 실시예에서, 연료전지 분리판은 흑연 등의 탄소계 충진제, 페놀 수지 등의 수지 결합제, 및/또는 첨가제를 균일하게 혼합한 후, 연료전지 분리판 유로가 새겨진 금형 내에 충전하고, 압축성형하고, 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 혼합은 흑연 분말 70~95중량%, 페놀 수지 5~30중량%, 및 물성 향상을 위한 첨가제 적당량을 첨가하여 이루어질 수 있다.
압축성형시 성형 압력은 100~1000㎏/㎠, 바람직하게는 200~300㎏/㎠일 수 있다.
경화 온도는 100~200℃의 범위, 바람직하게는 150~180℃의 범위일 수 있다.
다른 일 실시예에서, 연료전지 분리판은 코크스 등의 충진제, 페놀 수지 등의 수지 결합제, 및 그라핀 또는 그라핀 옥사이드 등의 첨가제를 균일하게 혼합한 후, 열풍건조하고, 연료전지 분리판 유로가 새겨진 금형 내에 충전하여 성형하고, 열처리하여 탄화시킴으로써 형성될 수 있다.
예를 들어, 코크스 75~95중량%, 페놀 수지 5~25중량%를 혼합하고, 이 혼합물 전체 중량을 기준으로 그라핀 또는 그라핀 옥사이드 0.5~10중량%를 혼합하고, 80~90℃의 온도에서 열풍건조한다.
이후 금형 내에 충전하여 약 2000㎏f/㎠의 압력, 약 180℃의 온도에서 압축성형하고, 1100~1250℃에서 0.5~5시간 동안 열처리하여 탄화시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 흑연재, 또는 탄소복합재로 형성된 연료전지 분리판의 표면처리에 이용되는 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드 또는 그 혼합물일 수 있다.
이와 같이, 연료전지 분리판을 할로겐으로 표면처리함으로써, 할로겐의 가교결합에 의하여 표면 구조가 치밀화되어, 연료전지 분리판의 전지 특성, 및 물리적/화학적 특성을 향상시킬 수 있다.
할로겐에 의한 표면처리의 일 실시예는 상기 연료전지 분리판을 할로겐 용액에 침지시키거나, 또는 상기 연료전지 분리판 표면에 할로겐 용액을 코팅하는 단계; 및 열풍건조하는 단계를 포함한다.
할로겐 용액은 할로겐의 수용액, 또는 할로겐의 알코올 용액일 수 있다. 예를 들어, 불소, 염소, 브롬, 또는 그 혼합물의 수용액, 또는 요오드의 알코올 용액을 이용할 수 있다.
이와 같은 할로겐 용액의 농도는 0.001중량% ~ 1중량%인 것이 바람직하고, 0.01 ~ 0.05중량%인 것이 더욱 바람직하다. 농도가 0.001중량% 미만인 경우에는 할로겐 표면처리에 의한 전지특성 향상의 효과를 발휘하기 곤란하고, 농도가 1중량% 를 초과하는 경우에는 더 이상의 전지특성 향상의 효과를 기대하기 어렵고, 오히려 물성이 저하될 우려가 있다.
침지시간은 6~12시간인 것이 바람직하다. 침지시간이 6시간 미만인 경우에는 표면처리가 불충분하게 이루어질 수 있고, 12시간을 초과하는 경우에는 더 이상의 효과 향상을 기대하기 어렵다.
코팅방법은 당업계에 공지된 방법 중 공정 조건에 따라 적합한 것을 선택하여 이용할 수 있다.
이후, 열풍건조 단계는 90~100℃에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열풍건조 온도가 90℃ 미만인 경우에는 연료전지 분리판 표면의 할로겐을 고정화시키기 어려울 수 있고, 100℃를 초과하는 경우에는 오히려 물성 저하의 우려가 있다.
본 발명의 다른 일 실시예는 이와 같은 제조방법에 의하여 제조된 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명에 따른 연료전지 분리판은 할로겐 표면처리에 의하여 편리하고 용이한 방법으로 전지특성, 및 물리적/화학적 특성이 향상될 수 있다.
[ 실시예 ]
이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1: 할로겐 표면처리된 연료전지 분리판 제조
콜타르 피치(coal tar pitch; 연화점(S.P.): 100~120℃, 석탄화값(coking value): 48%, 비중 1.2)를 질소 분위기하에서, 125rpm으로 교반하면서 400~500℃로 1~3시간 동안 열처리하여, 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스를 형성하였다. 이 코크스 85중량%에 페놀 수지 15중량%를 배합하고, 그라핀 옥사이드를 혼합하여, 볼밀을 이용하여 분쇄 혼합하였다. 다음으로 혼합물을 80~90℃로 열풍건조하여, 혼합물을 제조하였다. 연료전지 분리판 유로가 새겨진 금형 내에 상기 혼합물을 충전하여, 2000㎏f/㎠의 압력 및 180℃의 온도 조건에서 가압성형하고, 튜브 전기로에서, 1℃/min의 속도로 승온한 후, 1100℃에서 1시간 동안 유지하여 탄화함으로써 탄소복합재를 제조하였으며, 이를 이용하여 연료전지 분리판을 형성하였다.
알코올에 요오드를 첨가하고, 60rpm으로 12~24시간 동안 교반하여 0.05중량% 농도의 요오드의 알코올 용액을 제조하였다. 이 용액에, 상기에서 형성된 연료전지 분리판을 6~12시간 동안 침지하였다. 이후 90~100℃에서 열풍건조함으로써, 할로겐 표면처리된 연료전지 분리판을 제조하였다.
실시예 2: 할로겐 표면처리된 연료전지 분리판의 성능평가
상기 실시예 1에서 제조된 할로겐 표면처리 연료전지 분리판의 성능을 평가하기 위하여, 할로겐 표면처리를 제외하고 상기 실시예 1과 동일하게 제조된 그라핀 옥사이드 복합재 연료전지 분리판, 및 종래 일반적인 흑연재 연료전지 분리판에 대하여 상온 무가습 조건 및 80℃ 가습조건에서 전지특성을 평가하여 각각 도 1 및 2에 나타낸다.
도 1 및 2에서, Graphene oxide composite(surface treatment)는 상기 실시예 1에서 제조한 할로겐 표면처리된 그라핀 옥사이드 복합재 연료전지 분리판, graphite는 종래의 일반적인 흑연재 연료전지 분리판, 및 graphene oxide composite는 할로겐 표면처리를 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 제조된 그라핀 옥사이드 복합재 연료전지 분리판을 나타낸다.
도 1 및 2로부터 본 발명에 따른 할로겐 표면처리된 연료전지 분리판이 종래 일반적인 흑연재 연료전지 분리판, 또는 할로겐 표면처리되지 않은 연료전지 분리판에 비하여 각 조건에서 전지특성이 향상됨을 확인할 수 있다. 이러한 연료전지 분리판의 전지 특성, 및 물리적/화학적 특성을 향상은 할로겐에 의한 표면처리에 의하여 가교결합이 형성됨으로써, 연료전지 분리판의 표면구조가 치밀화되는 것에 기인하는 것으로 판단된다.
본 발명은 탄소질 연료전지 분리판의 전지 특성 향상을 위한 표면처리 방법으로서 연료전지 분리판 제조에 유용하게 적용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 연료전지 분리판을 제공하는 단계; 및
    상기 연료전지 분리판을 할로겐으로 표면처리하는 단계를 포함하는
    연료전지 분리판의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 할로겐은 불소, 염소, 브롬, 요오드 또는 그 혼합물인
    연료전지 분리판의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 표면처리 단계는,
    상기 연료전지 분리판을 할로겐 용액에 침지시키거나, 또는 상기 연료전지 분리판 표면에 할로겐 용액을 코팅하는 단계; 및
    열풍건조하는 단계를 포함하는
    연료전지 분리판의 제조방법.

  4. 제3항에 있어서,
    상기 할로겐 용액은 할로겐의 수용액 또는 알코올 용액인
    연료전지 분리판의 제조방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 할로겐 용액의 농도는 0.001 ~ 1중량%인
    연료전지 분리판의 제조방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 침지 시간은 6~12시간의 범위인
    연료전지 분리판의 제조방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 열풍건조 단계는 90~100℃에서 이루어지는
    연료전지 분리판의 제조방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 분리판은 흑연으로 이루어지는
    연료전지 분리판의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 연료전지 분리판은 탄소계 충진제 및 수지 결합제를 포함하는 탄소복합재로 이루어지는
    연료전지 분리판의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탄소계 충진제는 천연 흑연, 인조 흑연, 팽창 흑연, 코크스, 탄소, 카본 블랙, 탄소섬유, 탄소나노튜브, 그라핀(graphene) 및 그라핀 옥사이드(graphene oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상이며,
    상기 수지 결합제는 열가소성 수지 또는 열경화성 수지인
    연료전지 분리판의 제조방법.

  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 연료전지 분리판.
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JP2003123780A (ja) * 2001-10-19 2003-04-25 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用セパレータとその製法
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