KR20140018457A - 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법 - Google Patents

그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20140018457A
KR20140018457A KR1020120080096A KR20120080096A KR20140018457A KR 20140018457 A KR20140018457 A KR 20140018457A KR 1020120080096 A KR1020120080096 A KR 1020120080096A KR 20120080096 A KR20120080096 A KR 20120080096A KR 20140018457 A KR20140018457 A KR 20140018457A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
flow path
graphite sheet
separator
stamp
fuel cell
Prior art date
Application number
KR1020120080096A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101477190B1 (ko
Inventor
이주형
박태현
장익황
차석원
이윤호
Original Assignee
주식회사 엑스에프씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 엑스에프씨 filed Critical 주식회사 엑스에프씨
Priority to KR1020120080096A priority Critical patent/KR101477190B1/ko
Publication of KR20140018457A publication Critical patent/KR20140018457A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101477190B1 publication Critical patent/KR101477190B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B9/00—Presses specially adapted for particular purposes
    • B30B9/28—Presses specially adapted for particular purposes for forming shaped articles
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 그라파이트 시트를 소재로 하고, 스탬핑 가공에 의해서 유로를 일체로 형성하여 우수한 공정 효율로 전기전도도 및 열전도도가 향상된 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면 분리판의 소재를 그라파이트 소재로 사용하여 전기전도도 및 열전도 등의 물성이 우수한 분리판의 제조가 가능하고, 복잡한 기계가공을 필요로 하지 않고 단순화된 스탬핑 공정으로 유로가 형성된 분리판을 일체로 형성할 수 있어, 공정비용이 저렴하며, 대량생산이 가능하다. 또한, 그라파이트 시트 자체가 고온용 가스켓 또는 실런트로 많이 쓰이는 재질이므로 연료전지의 추가 구성요소를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법{Method for manufacturing separator in fuel cell using graphite sheets as materials}
본 발명은 연료전지용 분리판의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그라파이트 시트를 소재로 하고, 스탬핑 가공에 의해서 유로가 형성된 분리판을 일체로 형성하여 우수한 공정 효율로 전기전도도 및 열전도도가 향상된 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 관한 것이다.
고분자 전해질막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 또는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)는 수소 혹은 메탄올을 각각 전기에너지로 직접 변환할 수 있는 장치로서 친환경 미래 에너지원으로 각광받고 있으며, 특히 DMFC는 현 리튬이온 이차전지를 대체할 차세대 휴대용 전자기기의 전기 저장 장치로 각광받고 있다. 하지만 현재 상용화된 연료전지는 높은 가격으로 인해 널리 대중화되지 못하고 있는데, 이러한 원인 중 하나는 분리판의 높은 가격 때문이다.
분리판은 연료극, 전해질 및 공기극으로 구성된 전극 조립체의 양쪽에 붙어 있으면서 연료인 수소와 산소를 공급해주는 역할과 전류를 수집하는 역할 및 수소와 산소의 직접 접촉시 폭발, 연소 등의 위험성을 방지하는 역할을 수행한다. 따라서, 분리판은 기체투과율이 낮아야 하고, 활발한 전자이동을 위하여 전기전도성이 좋아야 한다. 또한, 분리판에 결합되어 형성되는 가스유로는 각 전극에 수소와 산소를 공급함과 동시에 전해질에 물을 공급하고 반응물인 물을 제거하는 역할을 수행하므로 내부식성이 좋아야 한다.
이와 같이, 양쪽면에 형성된 가스유로를 포함하는 연료전지 분리판은 높은 전기전도성을 가져야 하고, 가벼워야 하며, 기체투과율이 낮아야 하고, 대량생산시 가격경쟁력이 있어야 하며, 부식에 강한 특성을 가질 것을 필요로 하고 있다.
이와 같은 분리판의 재료로 알루미늄, 스테인레스 스틸 등의 메탈을 사용하나, 이와 같은 소재는 기계 가공시 가공비용이 과다하고 사용시 조기부식의 우려가 있다. 또한, 스테인레스 스틸 표면에 부식성에 강한 각종 합금을 코팅하는 방법 등이 있으나, 이와 같은 공정 또한 여전히 작업이 어렵고 비용증가의 원인이 되고 있다.
최근에는 이를 해결하기 위하여 그라파이트와 고분자 화합물 등을 중합하여 그라파이트를 프레스 가공하는 기술이 활발히 연구 중이다. 그러나, 그라파이트 복합재의 경우 전기전도도와 열전도가 일반 그라파이트에 비해 떨어지는 단점이 있다.
그라파이트 시트는 98% 이상의 탄소로 구성되어 물질 특성은 그라파이트와 매우 유사하나 유연성이 있어 소성변형이 가능한 물질로서 프레스 가공(스탬핑)이 가능한 장점을 갖고 있다.
이에 따라 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 분리판 소재로서 그라파이트 시트를 사용하고, 스탬핑 프레스 가공에 의해서 전기전도도, 열전도도 등의 물성이 그라파이트 수준으로 향상된 연료전지용 분리판을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
(a) 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 양면에 각각 양극 유로와 음극 유로를 형성하는 단계; 및
(b) 상기 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프는 각각 유로 패턴의 리브 높이가 1-1.5 mm이고, 리브 테이퍼 각이 각각 10-15°구배되도록 테이퍼(Taper) 가공된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계는 80-100 MPa의 압력으로 프레스하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계는 1-2 MPa 압력으로 프레스하여 유로가 형성된 그라파이트 시트 표면의 거칠기를 개선하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 그라파이트 시트의 두께는 3-5 mm일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,
연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
(a) 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 평판 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 양극 유로를 형성하는 단계;
(b) 상기 일면에 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계;
(c) 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 평판 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 음극 유로를 형성하는 단계;
(d) 상기 일면에 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계; 및
(e) 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 결합하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프는 각각 유로 패턴의 리브 높이가 1-1.5 mm이고, 리브 테이퍼 각이 각각 10-15°구배되도록 테이퍼(Taper) 가공된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a) 단계 및 (c) 단계는 각각 독립적으로 80-100 MPa의 압력으로 프레스하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (b) 단계 및 (d) 단계는 1-2 MPa 압력으로 프레스하여 유로가 형성된 그라파이트 시트 표면의 거칠기를 개선하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 그라파이트 시트의 두께는 3-5 mm일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (e) 단계는 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트 사이에 지지층을 포함하여 결합시키고, 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 전기전도층으로 연결시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 지지층은 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 상기 전기전도층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 Au, Cu, Ni, Al, Ag, Fe, Co, Cr 포일 또는 박막 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어져 있을 수 있다.
본 발명에 따르면 분리판의 소재를 그라파이트 시트로 하여 전기전도도 및 열전도 등의 물성이 우수한 분리판의 제조가 가능하고, 복잡한 기계가공을 필요로 하지 않고 단순화된 스탬핑 공정으로 유로가 형성된 분리판을 일체로 형성할 수 있어, 공정비용이 저렴하며, 대량생산이 가능하다. 또한, 그라파이트 시트 자체가 고온용 가스켓 또는 실런트로 많이 쓰이는 재질이므로 연료전지의 추가 구성요소를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명에 따른 양극 유로 패턴이 형성되도록 가공된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성되도록 가공된 스탬프의 이미지이다.
도 1b는 본 발명에 따른 양극 유로 패턴이 형성되도록 가공된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성되도록 가공된 스탬프의 리브 테이퍼 각을 확인하기 위한 단면도로서, 리브 테이퍼 각이 각각 10-15°구배되어 있음을 확인할 수 있다.
도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따라 스탬프를 이용하여 가공된 유로가 형성된 그라파이트 시트의 이미지이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지용 분리판의 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분리판을 채용한 DMFC 시스템의 I-V 곡선이다.
도 5는 본 발명에 따른 분리판을 채용한 DMFC 시스템의 임피던스-플롯이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 그라파이트 시트를 사용하고, 프레스 가공을 통하여 연료전지용 분리판을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 하기 도 3a은 본 발명의 일 구현예에 따라 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판을 제조하는 방법의 공정도이다.
본 발명에 따른 분리판의 소재는 그라파이트 시트(Graphite sheet)로서, 박리 그라파이트(Exfoliated graphite) 또는 확장 그라파이트(Expanded graphite)라고 불리우는 것으로서, 그라파이트 시트는 98% 이상의 탄소로 구성되어 물질 특성은 그라파이트와 매우 유사하나 유연성이 있어 소성변형이 가능한 물질로서 프레스 가공(스탬핑)이 가능한 장점을 갖고 있다.
도 3a를 참조하면, 먼저, 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프(10)와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프(20) 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후, 프레스하여 그라파이트 시트 양면에 각각 양극 유로와 음극 유로를 형성한 후, 상기 유로가 형성된 그라파이트 시트(11)를 평판 스탬프(30) 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하여 제조한다.
보다 구체적으로 설명하면, 먼저, 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프(10)와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프(20)를 각각 테이퍼(Taper) 가공하여 제조한다. 스탬프의 테이퍼 가공시에 패턴의 리브 높이는 그라파이트 시트의 두께와 프레스 공정에 따른 그라파이트 시트의 압축율을 고려하여 1-1.5 mm로 한다. 또한, 프레스에 의한 유로 패턴 성형 공정 종료 후에, 유로 패턴이 형성된 그라파이트 시트는 자체 특성에 의해서 이형제를 따로 쓰지 않고도, 프레스에서 쉽게 분리가 가능하나, 보다 원활한 분리를 위하여 하기 도 1b에서 보는 바와 같이, 스탬프의 패턴의 리브 테이퍼 각이 10-15° 구배를 갖도록 한다.
다음으로 상기 테이퍼 가공된 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프(10)와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프(20)를 이용하여 유로 패턴을 형성하는 프레스 공정은 80-100 MPa의 압력으로 프레스한다. 그라파이트 시트 자체가 100 MPa의 압력에서 약 50% 정도 압축되고, 그라파이트 시트의 두께와 스탬프 패턴의 리브 높이 등을 고려할 때, 100 MPa 이상의 압력으로 프레스시 그라파이트 시트의 기계적 안정성이 현저히 떨어지고, 80 MPa 이하의 압력으로 프레스시에는 유로가 용이하게 형성되지 않는다.
다음으로 유로가 형성된 그라파이트 시트(11)를 평판 스탬프(30) 사이에 위치시킨 후 1-2 MPa의 압력으로 프레스하여 표면을 개질한다. 유로 패턴 형성 스탬핑 공정 후 그라파이트 시트를 제거하는 과정에서 벤딩이 일어남에 따라 표면의 손상이 발생하므로 평판 스탬프로 재스탬핑하여 유로가 형성된 그라파이트 시트의 표면 거칠기를 개선한다.
하기 도 3b 내지 도 3c는 본 발명의 다른 일 구현예에 따라 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판을 제조하는 방법의 공정도이다.
도 3b 내지 도 3c를 참조하면, 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프(10)와 평판 스탬프(30) 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 양극 유로를 형성하고, 상기 일면에 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프(30) 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하여 일면에 양극 유로 패턴이 형성된 그라파이트 시트를 수득하고, 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프(20)와 평판 스탬프(30) 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 음극 유로를 형성하고, 상기 일면에 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프(30) 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하여 일면에 음극 유로 패턴이 형성된 그라파이트 시트를 수득한 후, 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트(21)와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트(31)를 표면 압착 결합에 의해서 결합시킨다.
또한, 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트(21)와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트(31)를 결합시에 두 그라파이트 시트 사이에 하기 도 3c에서 보는 바와 같이, 플라스틱과 같은 지지층(32)을 포함시켜서 결합시키고, 지지층 말단에 전기전도층(33)을 형성하여 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트(21)와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트(31)를 연결시킨다.
이와 같이, 본 발명에 따르면 복잡한 기계가공을 필요로 하지 않고 분리판에 유로를 형성하는 과정이 단순화됨으로써, 저렴한 비용으로 대량 생산이 가능하고, 스탬핑 공정에서 그라파이트 시트가 압축되어 전기전도도가 증가되어 분리판으로서 물성이 우수한 그라파이트 시트 분리판의 제조가 가능하다. 따라서, 본 발명에 따라 제조된 분리판은 직접 메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell, DMFC), 고분자 전해질막 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 용융 탄산염용 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC) 등에 유용하게 활용할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않고, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
제조예 1.
하기 도 2a 내지 도 2b에 도시된 바와 같은 양면에 양극 유로 및 음극 유로가 일체로 형성된 분리판을 제조할 목적으로 하기 도 1a에 도시된 스탬프를 사용하였으며, 스탬프는 각각 EFOY Pro 1200TM의 분리판의 유로 형상과 동일하게 양극 유로 패턴 및 음극 유로 패턴을 형성할 수 있도록 재질로 스테인레스 스틸을 사용하여 제조되었고, 크기 8.5 cm × 9 cm, 유로 패턴의 리브 높이가 1.1 mm, 리브 테이퍼 각을 15°로 하여 테이퍼 가공되었다. 또한, 스탬프의 가장자리는 스탬핑 후에 유로와 전체 분리판에서 정확한 위치를 맞추기 위하여 0.5 mm 높이의 턱을 처리하였다. 스탬핑 공정 이후에, 그라파이트 시트의 원활한 제거를 위해서 리브 테이퍼 각을 15° 정도로 구배를 주었다.
그라파이트 시트는 SGL사의 Sigraflex® standard L20010C(두께, 2 mm)와 L30010C (두께, 3mm)를 구입하여 사용하였으며, 이는 그라파이트와 동일한 원자구조를 가지며 그라파이트를 박리하여 겹겹이 쌓은 구조의 그라파이트 시트 특성상 가로방향 전기전도도와 열전도도는 그라파이트와 동일하고 수직방향 전기, 열전도도는 약 10배 차이가 난다.
상기 그라파이트 시트를 9.5 cm × 9 cm 크기로 자른 후에, 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로가 형성된 스탬프 사이에 위치시키고, 유압 프레스를 이용하여 프레스 압력을 80 MPa로 하여 프레스 가공하였으며, 이후 양면에 유로가 형성된 그라파이트 시트를 분리하였다. 그라파이트 시트 자체의 특성에 의해서 별도의 이형제를 쓰지 않고도, 프레스에서 성형된 분리판을 쉽게 분리할 수 있다.
이후, 상기 스탬핑 공정 이후에 그라파이트를 스탬프에서 제거하는 과정에서 벤딩이 일어남에 따라서 표면의 손상이 발생할 수 있는데, 이러한 표면의 거칠기를 개선하여 실링을 향상시키기 위하여 다음의 재스탬핑 공정을 수행하였다. 재스탬핑 공정은 상하부 모두 평판 스탬프 사이에 상기 양면에 유로가 형성된 그라파이트 시트를 위치시키고 프레스 압력을 2 MPa로 하여 재스탬핑하였다. 이후, 가장자리를 커팅하고, 입출구 부분을 구현하여 그라파이트 시트 양면에 유로 패턴이 형성된 분리판을 제조하였다.
하기 도 2a 내지 도 2b는 상기 제조예 1에 따라 제조된 그라파이트 시트의 양면에 유로가 일체로 형성된 분리판의 이미지를 보여주고 있다.
도 2a 내지 도 2b에서 보는 바와 같이, 그라파이트 시트의 유연성으로 인하여 그라파이트 시트의 압축과 더불어 립의 벽면을 보면 물질의 소성변형이 일어났음을 알 수 있다. 이는 일반 금속 재질의 프레스 가공시 나타나는 소성변형과 유사한 특성으로서 그라파이트 시트의 우수한 스탬핑 가공성을 가짐을 알 수 있다.
또한, 그라파이트 시트는 상기 스탬핑 공정에서 압축률이 높아짐에 따라 전기전도도가 증가하는 성질을 갖는다. 따라서 프레스 가공을 통하여 저가 생산을 구현하면서 전기전도도를 높여 연료전지 분리판으로서 물성이 우수한 그라파이트 시트 분리판의 제조가 가능하다.
또한, 그라파이트 시트의 또 다른 장점은 가스켓으로서의 역할을 할 수 있다는 점이다. 원래 그라파이트 시트나 포일은 고온용 가스켓 또는 실런트로 많이 쓰이는 재질이므로 이를 연료전지의 분리판으로 적용할 경우 연료전지의 구성요소를 줄일 수 있는 효과가 있다.
실험예
독일 Smart Fuel Cell사에서 상용화한 DMFC 시스템인 EFOY Pro 1200TM을 구입하여 이를 기준으로 본 발명에 따른 상기 제조예 1의 그라파이트 시트 분리판에 대한 성능을 비교하였으며, 막전극 조립체(Membrane Electrode Assembly, MEA) 역시 EFOY Pro 1200TM에 사용된 것을 그대로 사용하여 성능 비교를 진행하였다.
실험은 EFOY Pro 1200TM이 동작하는 환경과 동일한 환경으로 하여 수행하였다. 메탄올은 1 M과 2 M의 메탄올 수용액을 구성하여 각각 공급하였으며 55 ℃로 가열하여 공급하였다. 메탄올 수용액과 가습되지 않은 상압의 공기를 각각 셀당 5 mLPM, 0.5 L/min으로 공급하였으며 메탄올 펌프는 EFOY Pro 1200에 사용된 KNF-FLODOS사의 NF10DC를 재사용하였다. 전류-전압(I-V) 측정은 기꾸수이 사의 KFM2150시스템을 사용하여 측정하였으며 5 A로 30 분간 활성화시킨 후 스텝 전류를 20 초에 1 A씩 증전시키는 방식으로 측정하였다. I-V 곡선을 얻은 후에는 다시 셀을 안정화시켜서 동일한 기기로 임피던스를 측정하였다. 임피던스는 20 kHz에서 0.2 Hz까지 측정하였으며 사인 형태의 인가 전류를 전체 전류의 5 %의 진폭을 주어 가하였다.
하기 도 4에 그 결과를 나타내었으며, 하기 도 4에서 보는 바와 같이, EFOY 그라파이트 분리판(도 4, graphite)을 사용했을 경우보다 본 발명에 따른 그라파이트 시트 분리판(도 4, grafoil)을 사용했을 경우에 약 10% 높은 2.5 W의 성능을 보였다.
또한, 하기 도 5에 나타난 impedance plot에서도 EFOY 그라파이트 분리판(도 5, G_5A, G_10A)을 사용했을 경우보다 본 발명에 따른 그라파이트 시트 분리판(도 4, GS_5A, GS_10A)을 사용했을 경우에 보다 향상된 전기 저항 특성을 나타내었다.

Claims (13)

  1. 연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
    (a) 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 양면에 각각 양극 유로와 음극 유로를 형성하는 단계; 및
    (b) 상기 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프는 각각 유로 패턴의 리브 높이가 1-1.5 mm이고, 리브 테이퍼 각이 10-15°구배되도록 테이퍼(Taper) 가공된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 80-100 MPa의 압력으로 프레스하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 1-2 MPa 압력으로 프레스하여 유로가 형성된 그라파이트 시트 표면의 거칠기를 개선하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 두께는 3-5 mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  6. 연료전지용 분리판의 제조방법에 있어서,
    (a) 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 평판 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 양극 유로를 형성하는 단계;
    (b) 상기 일면에 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계;
    (c) 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 평판 스탬프 사이에 그라파이트 시트를 위치시킨 후 프레스하여 그라파이트 시트 일면에 음극 유로를 형성하는 단계;
    (d) 상기 일면에 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 평판 스탬프 사이에 위치시킨 후 프레스하여 표면을 개질하는 단계; 및
    (e) 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 결합하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 양극 유로 패턴이 형성된 스탬프와 음극 유로 패턴이 형성된 스탬프는 각각 유로 패턴의 리브 높이가 1-1.5 mm이고, 리브 테이퍼 각이 10-15°구배되도록 테이퍼(Taper) 가공된 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (a) 단계 및 (c) 단계는 각각 독립적으로 80-100 MPa의 압력으로 프레스하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계 및 (d) 단계는 1-2 MPa 압력으로 프레스하여 유로가 형성된 그라파이트 시트 표면의 거칠기를 개선하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 그라파이트 시트의 두께는 3-5 mm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  11. 제 6 항에 있어서,
    상기 (e) 단계는 상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트 사이에 지지층을 포함하여 결합시키고,
    상기 양극 유로가 형성된 그라파이트 시트와 음극 유로가 형성된 그라파이트 시트를 전기전도층으로 연결시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 지지층은 플라스틱 소재로 이루어져 있고, 상기 전기전도층은 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리아세틸렌 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 중에서 선택되는 1종 이상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 전기전도층은 Au, Cu, Ni, Al, Ag, Fe, Co 및 Cr 중에서 선택되는 금속으로 이루어진 포일 또는 박막으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판의 제조방법.
KR1020120080096A 2012-07-23 2012-07-23 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법 KR101477190B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120080096A KR101477190B1 (ko) 2012-07-23 2012-07-23 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120080096A KR101477190B1 (ko) 2012-07-23 2012-07-23 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20140018457A true KR20140018457A (ko) 2014-02-13
KR101477190B1 KR101477190B1 (ko) 2014-12-29

Family

ID=50266453

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120080096A KR101477190B1 (ko) 2012-07-23 2012-07-23 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101477190B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114171755A (zh) * 2021-10-20 2022-03-11 海卓动力(上海)能源科技有限公司 一种燃料电池双极板及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101934459B1 (ko) * 2016-11-25 2019-01-02 에이스산업 주식회사 그라파이트 시트를 포함하는 박판형 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2470250C (en) * 2001-12-27 2010-05-04 Hitachi Chemical Company, Ltd. Separator for fuel cell
KR100676560B1 (ko) * 2006-02-17 2007-01-30 엘에스전선 주식회사 연료전지용 분리판 및 이를 이용한 연료 전지용 스택

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114171755A (zh) * 2021-10-20 2022-03-11 海卓动力(上海)能源科技有限公司 一种燃料电池双极板及其制备方法
CN114171755B (zh) * 2021-10-20 2023-08-18 海卓动力(上海)能源科技有限公司 一种燃料电池双极板及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101477190B1 (ko) 2014-12-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chang et al. Bendable polymer electrolyte fuel cell using highly flexible Ag nanowire percolation network current collectors
CN103178275B (zh) 双极板与燃料电池
JP6863129B2 (ja) 燃料電池用セパレータの製造方法
KR101385729B1 (ko) 막전극 접합체와 그 제조 방법 및 연료전지
KR101620155B1 (ko) 연료전지 셀 및 그 제조 방법
JPWO2011045889A1 (ja) 燃料電池及びその製造方法
CN104157895A (zh) 聚合物电解质膜燃料电池轻型电堆及其制造方法
CN104711634A (zh) 一种固态聚合物电解质水电解池的扩散层及其制备方法和应用
WO2008094374A3 (en) Micro fuel cell having macroporous metal current collectors
CN112838232A (zh) 一种全通孔金属纤维烧结体燃料电池双极板及燃料电池堆
KR101173059B1 (ko) 고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판 및 이의 제조방법
KR101477190B1 (ko) 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법
KR20100030709A (ko) 연료전지 스택용 분리판
KR20140113939A (ko) 양성자 교환막용 다공성 전극
Jung et al. Metallic Bipolar Plate Fabrication Process of Fuel Cell by Rubber Pad Forming and its Performance Evaluation
KR101743924B1 (ko) 탄소섬유 펠트 일체형 전지용 분리판 및 그 제조 방법
WO2017016061A1 (zh) 用于空气冷却型质子交换膜燃料电池的阴极板
KR100783843B1 (ko) 연료전지 분리판
CN105428671B (zh) 一种高功率密度pemfc电堆
KR100546016B1 (ko) 연료전지용 전류집전체와 그 제조방법, 그리고 이를구비한 연료전지
JP2008147155A (ja) 燃料電池用金属分離板の製造方法
CN205355156U (zh) 一种高功率密度pemfc电堆
TWI792667B (zh) 電化學燃料電池雙極板製備方法
JP2005243401A (ja) セパレータ及びそれを用いたダイレクトメタノール型燃料電池
Park et al. Fabrication of bipolar plates based on graphite sheet via stamping method

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
LAPS Lapse due to unpaid annual fee