KR20120005183A - 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사출성형 공정과 압축성형 공정 2가지를 조합하여 각각의 장점만을 활용함으로 기존의 문제점을 해결한 연료전지 분리판의 제조방법으로서, 압축성형 공정에서의 문제점인 유로구조에 따른 소재 충전량 차이를 해결하기 위해 사출성형을 통하여 유로가 없는 시트형태의 평판을 성형하여 이를 압축성형 예비성형물로 이용한다.
사출성형에서는 복잡한 유로 성형시 고유동성의 필요로 인해 도전성필러 함량을 충분히 증가시키지 못하므로 분리판의 도전성 향상이 어렵지만, 복잡한 유로 성형이 아닌 평판형 성형시에는 유로성형보다 유동성을 충분히 확보할 수 있어 박판화에도 유리할 뿐만 아니라 상대적으로 도전성필러 함량을 증가시킬 수 있으므로 분리판의 도전성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 사출성형을 통해 제조된 박판 평판형 예비성형물을 압축성형 소재로 사용하면 유로 구조에 따른 소재 충전량 차이가 없어 균일한 물성을 얻을 수 있고 분리판의 박판화에도 상대적으로 유리해지는 장점이 있다.

Description

연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지{Process for preparing a fuel cell separator and a fual cell containing the separator}

본 발명은 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법과 이로부터 제조된 연료전지에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 사출성형 공정과 압축성형 공정 2가지를 조합하여 각각의 장점만을 활용하되, 압축성형 공정에서는 일반형보다는 박판화에 유리한 파판형을 선택하고, 파판형 압축성형 공정에서의 문제점인 유로구조에 따른 소재 충전량 차이를 해결하기 위해 사출성형을 통하여 유로가 없는 시트 형태의 평판을 성형하여 이를 압축성형 예비성형물(preform)로 이용하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법에 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 있다. 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.

여기에서, 분리판의 전기전도도 향상을 위해 도전성 필러의 함량을 증가시키면 전기전도도는 증가하지만, 그만큼 소재의 유동성이 저하되어 분리판 성형 및 박판화성형에 불리하게 작용한다. 따라서 분리판 소재의 도전성 필러 함량은 보통 상충관계인 전기전도도와 유동성뿐만 아니라 성형공정도 고려하여 최적함량을 결정하게 된다.

성형공정은 일반적으로 압축성형과 사출성형으로 구분된다.

압축성형의 경우, 일반적으로 분말상태의 소재를 고온의 금형에 채운 뒤 가압성형한다. 이때, 도1의 일반형에서와 같이 일반적인 유로/금형 형태에서는 유로가 있는 부분과 없는 부분에 따른 성형압력의 차이가 발생하여 특정 부분의 강도 저하 및 기체투과도의 불리함을 야기하게 되고, 기체투과도를 만족시키기 위해서 두께 감소의 한계도 있게 된다. 뿐만 아니라 유로 구조상 박판화에 상당히 불리하다. 이에 대한 보완책으로 파판형에서와 같이 유로구조를 파판형태로 하여 박판화에 유리하도록 하는 기술들이 개발/이용되고 있어 일반형 보다는 박판화에 유리하다.

그러나, 이 경우에는 분리판 소재 충전 시, 도 1의 파판형에서와 같이 유로 위치에 따라 실제적인 소재 충전량이 달라지게 된다. 즉, 음각 유로부분의 소재 충전량이 양각유로부분의 소재 충전량보다 많아지게 된다. 이 상태에서 상금형이 가압되면 소재 충전량이 상대적으로 적은 부분이 성형압력도 상대적으로 덜 받게 되어 일반형과 동일하게 그 부분의 강도 저하 및 기체투과도의 불리함을 야기하게 된다.

사출성형의 경우, 분말상태의 소재를 직접 가압하는 압축성형과 달리 용융상태의 소재를 금형에 사출하여 성형하는 방식이므로 압축성형 방식에서와 같이 유로가 없는 부분의 성형성 저하, 강도 저하, 기체투과도의 불리함 등의 문제가 없다. 그러나, 복잡한 유로가 있는 분리판 사출성형시 소재의 유동성이 매우 중요한 인자이며, 유동성은 소재의 도전성필러 함량과 밀접한 관계가 있어 소재의 도전성필러 함량이 증가하면 유동성은 저하되고 도전성은 증가한다. 따라서 사출성형에서는 성형에 유리한 유동성을 확보하기 위하여 소재의 도전성 필러를 충분히 증가시키지 않고 적절한 수준에서 결정하게 되므로 결국 사출성형 분리판의 도전성이 압축성형 분리판의 도전성보다 일반적으로 낮다.

본 발명은 사출성형 공정과 압축성형 공정 2가지를 조합하여 각각의 장점만을 활용하고 평판형 예비성형물과 파판형 유로 성형을 통하여 기존의 문제점을 해결하고자 하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법으로서, 사출성형을 통하여 유로가 없는 시트형태로 하고, 이를 압축성형 예비성형물로 이용함으로써 압축성형 공정에서의 문제점인 유로구조에 따른 소재 충전량 차이를 해결하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법은,

결합제 및 도전성 필러를 2 : 8 내지 1 : 9의 비율로 혼합하여 압출된 소재를 사출성형공정을 통하여 0.5 내지 1.5mm두께를 갖는 시트형태의 연료전지 탄소복합체 분리판용 평판형 예비성형물을 성형하는 단계;

상기 성형된 예비성형물을 상기 결합제의 융점 이상으로 예열된 압축성형기를 통해 가압하지 않은 상태에서 용융시킨 후에 파판형 유로가 형성되도록 가압 성형하는 단계; 및

상기 가압된 파판형 유로 분리판을 결합제의 융점 미만으로 냉각되도록 상기 압축성형기를 냉각시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 사출성형 및 압축성형공정에서 성형 사이클 타임을 줄이기 위해 열매체 및 전기히터를 이용한 급속 가열 및 냉각 시스템을 적용하는 것을 특징으로 하며, 상기 평판형 예비성형물의 성형은 사출성형 공정 대신에T-다이를 이용한 압출공정을 적용하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에서 상기 압축성형 금형의 유로는 물결모양과 같은 파판형 유로인 것을 특징으로 하며, 상기 압축성형 금형의 유로는 매니폴드, 가스켓 홈, 접착제 도포라인을 동시에 성형할 수 있도록 만들어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 방법으로 제조된 연료전지 탄소 복합체 분리판을 포함하여서 되는 연료 전지인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여 제조된 연료전지용 탄소복합체 분리판은, 압축성형 시 유로위치에 따른 균일한 소재 충전과 그에 따른 균일한 성형압력을 유도하여 강도가 향상되고, 균일해지게 되므로 상대적으로 박판화에 유리해지는 효과가 있다.

즉, 사출성형에서는 복잡한 유로 성형시 고유동성의 필요로 인해 도전성필러 함량을 충분히 증가시키지 못하므로 분리판의 도전성 향상이 어렵지만, 복잡한 유로 성형이 아닌 평판형 성형시에는 유로성형보다 유동성을 충분히 확보할 수 있어 박판화에도 유리할 뿐만 아니라 상대적으로 도전성필러 함량을 증가시킬 수 있으므로 분리판의 도전성을 향상시킬 수 있다. 이와 같이, 사출성형을 통해 제조된 박판 평판형 예비성형물을 압축성형 소재로 사용하면 유로 구조에 따른 소재 충전량 차이가 없어 균일한 물성을 얻을 수 있고 분리판의 박판화에도 상대적으로 유리해지는 장점이 있다.

도 1은 종래의 일반형과 파판형의 연료전지 탄소복합체 분리판의 압축성형공정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 사출성형을 통한 평판형 예비성형물의 제조와 압축성형공정을 통한 파판형 분리판의 제조공정을 나타낸 도면이다.
도 3는 본 발명의 실시예와 비교예에 따른 탄소 복합체 분리판의 굴곡강도와 굴곡강도 편차를 나타낸 그래프이다.
도 4은 본 발명의 실시예와 비교예 따른 탄소 복합체 분리판 제품 간의 무게 편차를 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명의 실시예와 비교예 따른 탄소 복합체 분리판 제품 간의 두께 편차를 나타낸 그래프이다.

본 발명의 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법은 사출성형공정을 통하여 시트형태의 연료전지 탄소복합체 분리판용 평판형 예비성형물을 성형하는 단계; 및 상기 성형된 예비성형물을 압축성형 금형을 통해 파판형 유로가 형성되도록 가압 성형하는 단계로 이루어진다.

즉, 본 발명의 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법은, 도2에 예시한 바와 같이 사출성형 공정과 압축성형 공정 2가지를 조합하여 각각의 장점만을 활용한 것으로, 예컨대 기존의 분말소재 투입을 통한 압축성형 공정에서의 문제점인 유로구조에 따른 소재 충전량 차이를 해결하기 위해 사출성형을 통하여 유로가 없는 시트 형태의 평판을 성형하여 이를 압축성형 예비성형물(preform)로 이용하되 압축성형 공정에서는 일반형 유로보다는 박판화에 유리한 파판형 유로를 선택하여 성형하는 것을 특징으로 한다.

그러나 단순히 상기와 같이 사출성형과 압축성형의 장점만을 조합하여 이루어질 수 있는 것이 아니며, 사출성형과 압축성형의 조합으로 인해 각 공정의 특성에 따라 가열 및 냉각 온도 조건, 소재의 결합제와 도전성 필러의 함량, 분리판의 두께 조절 등이 적절하게 선정되어져야 본 발명이 달성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 사출성형에서는 복잡한 유로 성형시 고유동성의 필요로 인해 도전성필러 함량을 충분히 증가시키지 못하므로 분리판의 도전성 향상이 어렵지만, 복잡한 유로 성형이 아닌 평판형 성형시에는 유로성형보다 유동성을 충분히 확보할 수 있어 박판화에도 유리할 뿐만 아니라 상대적으로 도전성필러 함량을 증가시킬 수 있으므로 분리판의 도전성을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 사출성형을 통해 제조된 박판 평판형 예비성형물을 압축성형 소재로 사용하면 유로 구조에 따른 소재 충전량 차이가 없어 균일한 물성을 얻을 수 있고 분리판의 박판화에도 상대적으로 유리해지게 된다.

본 발명에서 사출성형을 통한 평판형 예비성형물 제조 시, 사출금형의 가열 온도와 냉각 온도 설정이 매우 중요하다. 예비성형물을 더 얇게 성형하기 위해서는 사출 금형의 온도를 결합제의 융점 이상으로 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명에서는 융점이 165℃인 폴리프로필렌을 결합제로 사용할 경우에는 사출금형의 온도를 165℃~170℃로 유지하는 것이 바람직하다.

사출 후 취출을 위한 금형 냉각온도는 예비성형물의 온도가 결합제의 융점보다 약간만 낮은 온도로 냉각될 수 있도록 설정하여, 취출이 가능한 범위 내에서 예비성형물의 온도를 가능한 높게 유지시켜 압축성형 공정에서 용융시간이 단축되도록 하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 결합제의 융점을 고려하여 예비성형물의 온도가 160℃ 가량으로 냉각되어 취출될 수 있도록 금형의 냉각온도를 설정한다.

예비성형물의 두께는 0.5mm 내지 1.5mm가 바람직하다. 0.5mm 두께 이하로 성형될 경우에는 파판형태로 압축성형 시 두께가 너무 얇아져 강도가 취약할 수 있으며, 1.5mm두께 이상으로 성형될 경우에는 박판화의 의미를 잃게 된다. 또한, 사출을 통하여 성형되는 평판형 예비성형물의 두께는 압축성형을 통하여 제조되는 최종 파판형 분리판의 원하는 두께보다 약 30%정도 두꺼워야 한다. 이는 평판형태의 예비성형물이 파판형태의 유로로 성형될 때 그만큼 면적이 넓어져야 하므로 상대적으로 두께가 얇아지기 때문이다.

시트 압출 공정을 통하여 시트 형태의 예비성형물을 제조하는 방법도 있으나, 높은 압력으로 충전되어 결합력이 강하고 치수정밀도가 높은 시트를 얻을 수 있는 사출성형공정과 달리, 낮은 압력으로 압출되어 갈라짐이 육안으로도 보일 정도로 시트의 결합력이 약하고, 예비성형물의 치수정밀도가 매우 낮아 이로 인해 성형 분리판의 두께 정밀도가 저하되는 단점이 있으므로 사출성형 공정을 통한 평판형 예비성형물 제조가 바람직하다.

상기와 같이 사출성형을 통해 제조된 평판형 예비성형물을 바로 압축성형기 금형의 상금형과 하금형 사이에 넣고 용융시키는데 이때 금형의 온도는 예비성형물 결합제의 융점 이상으로 예열되어 있어야 한다. 예비성형물을 일정 시간동안 용융시킨 후, 압력을 가하여 파판형 분리판으로 압축성형하고 충분한 압력을 가한 후 바로 금형을 냉각시키고 취출한다. 이때, 예비성형물을 압축성형기 금형에 넣고 충분히 용융되기 전에 바로 압축하게 되면 예비성형물이 파판형 금형 사이에서 깨지거나 부서지면서 압축된다. 이를 최대한 방지하기 위해서는 예비성형물을 압축 성형기의 상금형과 하금형 사이에 넣고 압력은 가하지 않은 상태로 충분히 용융시킨 후 압력을 가해야 한다.

사출성형을 통해 제조된 평판형 예비성형물의 압축성형 시, 예비성형물의 용융/냉각 과정을 거쳐야 하므로 금형의 가열/냉각으로 인해 성형 주기가 길어지게 된다. 따라서, 성형 시간을 단축하기 위해 압축성형 공정에 열매체 및 전기히터를 이용한 급속 가열/냉각 시스템을 적용하여 성형 주기를 단축한다. 압축성형 금형의 유로는 박판화를 위해 물결모양과 같은 파판형 유로로 하는 것이 바람직하고, 그 외에 매니폴드, 가스켓 홈, 접착제 도포 라인 등이 동시 성형될 수 있도록 만들어진 것이 바람직하다.

상기와 같은 과정을 거쳐 제조되는 파판형 분리판의 소재는, 흑연 및 카본블랙으로 이루어진 도전성 필러의 함량이 80중량% 내지 90중량%이어야 한다. 즉, 유동성 및 도전성 모두를 확보할 수 있도록 결합제와 도전성 필러의 비가 2:8 내지 1:9 가 되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에서 결합제로의 종류로는, 열가소성 수지로는 폴리프로필렌(PP)외에 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌 술페이드(PPS), 액정 폴리머(Liquid Crystalline Polymer: LCP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리에테르 술폰(PEI) 중 1종 또는 2종 이상의 화합물을 선택하여 사용한다.

이상과 같은 본 발명을 다음의 실시예를 통하여 상세히 설명하며, 본 발명이 다음 실시예에 의하여 한정되지 않음을 명확히 한다.

실시예

압출공정을 통해 열가소성 수지인 폴리프로필렌(Polypropylene:PP) 20중량%와 흑연 및 카본블랙으로 이루어진 도전성 필러 80중량%를 혼합하여 펠렛상태의 연료전지 분리판 소재를 제조하였다. 제조된 소재를 사출성형 공정을 통하여 0.8mm 두께의 평판형 예비성형물을 성형 제조하고, 이렇게 제조된 예비성형물을 파판 유로 형태의 압축성형기 금형에 넣고 고온가압 성형하여 파판형 분리판을 성형하였다.

비교예 1

압출공정을 통해 열가소성 수지인 폴리프로필렌(Polypropylene:PP) 20중량%와 흑연 및 카본블랙으로 이루어진 도전성 필러 80중량%를 혼합하여 펠렛상태의 연료전지 분리판 소재를 제조하였다. 제조된 펠렛상태의 소재를 분쇄기를 통하여 분말상태로 분쇄하여 파판 유로 형태의 압축성형기 금형에 넣고 고온가압 성형하여 파판형 분리판을 성형하였다.

비교예 2

압출공정을 통해 열가소성 수지인 폴리프로필렌(Polypropylene:PP) 20중량%와 도전성 필러 80중량%를 혼합하여 펠렛상태의 연료전지 분리판 소재를 제조하였다. 제조된 펠렛상태의 소재를 분쇄기를 통하여 분말상태로 분쇄하여 이것을 일반유로형태의 압축성형기 금형에 넣고 고온가압 성형하여 분리판을 성형하였다.

본 발명에 의하여 제조된 연료전지용 분리판은, 압축성형 시 유로위치에 따른 균일한 소재 충전과 그에 따른 균일한 성형압력을 유도하여 강도가 향상되고 균일해지게 되므로 상대적으로 박판화에 유리해지게 된다. 상기한 실시예 및 비교예를 통한 본 발명에 대한 효과를 도 3 내지 도 5에 나타내었다.

도 3 내지 도 5에서 볼 수 있듯이, 비교예를 통해 제조된 분리판보다 실시예를 통해 제조된 분리판의 굴곡강도가 향상되고, 굴곡강도 편차가 감소하였다. 강도는 보통, 강한 부분보다 약한 부분에 의해 결정되기 때문에 위치별 불균일한 성형압력을 받게 되면 낮은 압력을 받은 부분이 강도를 결정하게 된다. 그러나 본 발명의 실시예에 의한 방법은, 위치별 균일한 성형압력을 가할 수 있어 강도가 향상되고 그에 따라 더 얇은 분리판을 성형하기에 유리해진다. 또한 사출성형에 의하여 예비성형물을 제조하여 압축성형에 투입하는 것이 압축성형에서 분말상태의 소재를 공급하는 것 보다 제품 간 무게편차를 줄일 수 있어 결국 제품 간 두께편차도 감소하게 된다. 이와 같이, 본 발명을 통하여 분리판의 굴곡강도가 향상되고 굴곡강도 편차가 감소하여 분리판의 박판화에 유리하고 무게편차 및 두께편차를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 결합제 및 도전성 필러를 2 : 8 내지 1 : 9의 비율로 혼합하여 압출된 소재를 사출성형공정을 통하여 0.5 내지 1.5mm두께를 갖는 시트형태의 연료전지 탄소복합체 분리판용 평판형 예비성형물을 성형하는 단계;
   상기 성형된 예비성형물을 상기 결합제의 융점 이상으로 예열된 압축성형기를 통해 가압하지 않은 상태에서 용융시킨 후에 파판형 유로가 형성되도록 가압 성형하는 단계; 및
   상기 가압된 파판형 유로 분리판을 결합제의 융점 미만으로 냉각되도록 상기 압축성형기를 냉각시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 사출성형 및 압축성형공정에서 성형 사이클 타임을 줄이기 위해 열매체 및 전기히터를 이용한 급속 가열 및 냉각 시스템을 적용하는 것을 특징으로 하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 결합제의 종류로는, 열가소성 수지로 폴리프로필렌(PP), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐리덴 플로라이드(PVDF), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트(PC), 폴리페닐렌 술페이드(PPS), 액정 폴리머(Liquid Crystalline Polymer: LCP), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리이미드(PI), 폴리에테르 술폰(PEI) 중 1종 또는 2종 이상의 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 평판형 예비성형물의 성형을 사출성형 대신 T-다이를 이용한 압출공정을 적용하여서 되는 것을 특징으로 하는 제조방법.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 압축성형 금형의 유로는 매니폴드, 가스켓 홈, 접착제 도포라인을 동시에 성형할 수 있도록 만들어진 것을 특징으로 하는 연료전지 탄소복합체 분리판의 제조방법.
6. 청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 항에 따라 제조된 연료전지 탄소복합체 분리판을 포함하는 연료 전지.
   

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