KR20160033857A - 연료전지용 분리판 및 그의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함하는 복합층; 및 하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 직물층;의 적층구조를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물이 나이프 코팅(knife coating) 방식에 의해 복합층을 형성하는 단계; 탄소계 섬유가 직조되어 직물층을 형성하는 단계; 및 상기 복합층과 상기 직물층이 핫 프레스 공정에 의해 적층되어 적층구조를 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지용 분리판 및 그의 제조방법{FLOW CHANNEL PLATE FOR FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
연료전지용 분리판 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소 또는 탄화수소 계열 연료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 발전 시스템으로, 연료를 연소시키지 않고 전기화학 반응을 통해 직접 에너지를 얻으므로 발전 효율이 높고 공해가 적어 실용화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 연료전지는 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 구성된다. 또한, 상기 스택은 막-전극 접합체와 분리판(separator)이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막-전극 접합체는 연료의 산화 및 산화제의 환원 반응을 통해 전기를 생성한다.
최근에는 흑연과 고분자 수지의 복합재료를 이용한 분리판이 개발되어 그에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 그러나, 흑연-고분자 복합재료를 이용한 분리판의 경우 휨 특성 등과 같은 기계적 강도가 약해 상용화에 어려움이 있었다. 따라서, 카본섬유, 바늘상 흑연재료, 금속 섬유 등과 같은 도전성 보강재 또는 천연섬유, 고분자 섬유 등과 같은 비전도성 보강재를 첨가하여 기계적 강도를 강화시키고 있다. 그러나, 도전성 보강재는 가격이 비싸 분리판의 제조 단가를 상승시키고, 비도전성 보강재의 경우 분리판의 전체적인 전기전도도를 떨어뜨리며, 금속 섬유의 경우는 부식으로 인한 신뢰성이 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서, 종래의 기술이 갖는 여러 단점을 해결하기 위한 노력이 꾸준하게 이루어지고 있다.
본 발명의 일 구현예는 복합층, 및 직물층의 적층구조를 포함함으로써 높은 전기전도도를 가지고, 향상된 기계적 물성을 구현하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함하는 복합층; 및 하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 직물층;의 적층구조를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
상기 경로는 상기 열가소성 수지 사이사이에 위치할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 복수의 열가소성 수지 입자로부터 형성될 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자의 일부가 탄소계 물질에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자는 폴리에틸렌 입자, 폴리메틸메타크릴레이트 입자, 폴리프로필렌 입자, 불소계 열가소성 수지 입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자의 입자직경이 약 100um 내지 약 200um일 수 있다.
상기 탄소계 물질을 약 1중량% 내지 약 20중량% 포함할 수 있다.
상기 탄소계 물질은 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래파이트, 활성탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 복합층의 두께는 약 200um 내지 약 500um일 수 있다.
상기 탄소계 섬유는 탄소섬유, 그래파이트 섬유, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
상기 직물층은 하나 이상의 탄소계 섬유가 직교하도록 수직방향 또는 수평방향으로 직조된 단일층일 수 있다.
상기 수직방향 또는 수평방향에서 탄소계 섬유 간 간격은 약 1,000um 내지 약 2,000um일 수 있다.
상기 직물층의 두께는 약 200um 내지 약 350um일 수 있다.
상기 연료전지용 분리판의 전기 전도도는 약 100S/cm이상일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에서, 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물이 나이프 코팅(knife coating) 방식에 의해 복합층을 형성하는 단계; 탄소계 섬유가 직조되어 직물층을 형성하는 단계; 및 상기 복합층과 상기 직물층이 핫 프레스 공정에 의해 적층되어 적층구조를 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.
상기 혼합물은 액상의 탄소계 물질이 열가소성 수지 입자를 코팅한 상태일 수 있다.
상기 액상의 탄소계 물질은 탄소계 물질이 용매에 분산된 분산액일 수 있다.
상기 액상의 탄소계 물질의 고형분 함량은 약 1중량% 내지 약 30중량%일 수 있다.
상기 연료전지용 분리판은 향상된 전기전도성과 기계적 물성을 구현하는바, 수소연료 전기분리판 등에 응용될 수 있다.
상기 연료전지용 분리판 제조방법을 사용함으로써 적은양의 탄소계 물질로 우수한 전기전도도를 가지고, 낮은 수소 투과율을 만족하는 연료전지용 분리판을 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 연료전지용 분리판이 포함하는 복합층을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 2(a)는 종래의 복합층을 도2(b)는 상기 연료전지용 분리판이 포함하는 복합층을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 3은 상기 연료전지용 분리판이 포함하는 직물층을 도식화하여 나타낸 것이다.
도 4는 상기 연료전지용 분리판의 단면을 나타낸 것이다.
도 5는 상기 연료전지용 분리판의 직물층을 광학현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예인 연료전지용 분리판의 제조방법을 도식화하여 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
연료전지용 분리판
본 발명의 일 구현예에서, 열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함하는 복합층; 및 하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 직물층;의 적층구조를 포함하는 연료전지용 분리판을 제공한다.
통상적인 연료전지용 분리판은 연료전지 스택의 구성요소로 수소 또는 산소 등 반응 가스의 공급과 물의 배출통로로서의 기능을 갖고 있으며, 연료전지 스택 내부를 전기적으로 연결시켜준다.
상기 기능을 수행하기 위하여, 통상의 연료전지용 분리판은 우수한 전기전도성, 기계적 물성, 내부식성과 낮은 수소 투과율이 요구되는바, 탄소계 물질과 고분자 수지를 포함하는 복합재를 이용하여 상기 기능을 구현하는 연료전지 분리판을 제조해 왔다.
그러나, 높은 전기전도도를 얻기 위해서는 약 70%이상인 다량의 탄소계 물질이 필요하였으나, 이러한 조건에서는 기계적 강도가 떨어지고 수소 투과율이 높아지는 단점이 있었다.
이에, 상기 연료전지용 분리판은 적은양의 탄소계 물질을 포함하는 복합층과 전도성을 지닌 탄소계 섬유가 직조된 직물층의 적층구조를 포함하여 우수한 전기전도성과 기계적 물성을 구현하고, 낮은 수소 투과율을 가질 수 있다.
도 4는 상기 연료전지용 분리판의 단면을 나타낸 것으로, 도 4를 참고하면 상기 연료전지용 분리판(100)은 복합층(10) 및 직물층(20)의 적층구조를 포함할 수 있다. 상기 복합층(10)은 열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함함으로써, 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 별도로 포함하는 통상의 복합층에 비해 적은량의 탄소계 물질로도 높은 전도도를 가질 수 있고, 우수한 내구성을 구현할 수 있다.
또한, 상기 직물층(20)은 하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 것으로 특정방향으로 높은 전기전도도를 가짐으로써 전기전도성 및 수소 투과율을 향상시킬 수 있다.
나아가, 상기 복합층(10) 및 직물층(20)의 적층구조는 모든 방향으로의 전기전도성이 우수하여 수소연료 전지분리판 등에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예인 연료전지용 분리판이 포함하는 복합층을 도식화하여 나타낸 것이다. 도 1을 참고하면, 상기 복합층은 복수의 열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 경로는 상기 열가소성 수지 사이사이에 위치할 수 있고, 상기 열가소성 수지는 복수의 열가소성 수지 입자로부터 형성될 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자의 일부가 탄소계 물질에 의해 둘러싸일 수 있다. 핫 프레스 공정을 거치기 전에는 탄소계 물질로 전체가 둘러싸인 하나 이상의 열가소성 수지 입자가 존재하나, 핫 프레스 공정을 거침으로써, 상기 열가소성 수지 입자의 일부가 탄소계 물질에 의해 둘러싸일 수 있다.
상기 탄소계 물질은 상기 열가소성 수지 입자 사이로 분포되고, 연결됨으로써 경로를 형성할 수 있다.
예를 들어, 열가소성 수지 입자 형상이 구형인 경우, 상기 탄소계 물질은 상기 입자의 둘레 중 일부에 위치할 수 있고, 상기 둘레에 위치한 탄소계 물질이 연결됨으로써 경로를 형성할 수 있다.
도 2(a)는 종래의 복합층을 도2(b)는 상기 연료전지용 분리판이 포함하는 복합층을 도식화하여 나타낸 것이다. 도 2(a)를 참고하면, 통상적인 연료전지 분리판 제조방법은 고상의 탄소계 물질, 예를 들어 카본분말 및 열가소성 수지 입자를 물리적으로 혼합하는바, 카본분말 및 열가소성 수지 입자가 별도로 각각 존재한다.
한편, 도 2(b)를 참고하면, 후술할 연료전지 분리판 제조방법에 의해 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하고, 이때, 상기 액상의 탄소계 물질이 열가소성 수지 입자를 코팅함으로써, 상기 복합층은 탄소계 물질로 둘러싸인 하나 이상의 열가소성 수지 입자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 2(a)의 경우 탄소계 물질이 약 70%이상 함유되는 경우만이 높은 전기전도도를 구현할 수 있는 반면, 도 2(b)의 경우 도 2(a)에 비해 상대적으로 적은량의 탄소계 물질로 높은 전기전도도를 구현할 수 있다.
또한, 도 2(b)의 경우, 도 2(a)가 다량의 탄소계 물질을 포함함으로써 기계적 강도가 저하되고 수소 투과율이 높아지는 단점을 보완할 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자는 폴리에틸렌 입자, 폴리메틸메타크릴레이트 입자, 폴리프로필렌 입자, 불소계 열가소성 수지 입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 구형 입자 형태로 제작 가능한 점도가 낮은 열가소성 수지가 유리하다.
구체적으로, 상기 점도는 ASTM D1238 방법에 의해 측정했을 때 용융흐름지수(MI) 값이 12이상인 것이 유리한바, 예를 들어 폴리메틸메타크릴레이트 입자의 경우 230℃에서 3.8Kg의 추를 사용하여 용융흐름지수 값을 측정한 경우, 상기 값은 약 12.3g/10분일 수 있다.
상기 열가소성 수지 입자의 입자직경이 약 100um 내지 약 200um일 수 있다. 상기 '입자직경'은 '평균입자직경'으로 열가소성 수지 입자의 임의 영역에서 측정된 입자직경의 평균 값을 일컫는다. 상기 열가소성 수지 입자의 입자직경이 약 100um 미만인 경우 탄소계 물질이 너무 조밀하게 분포되어 복합층이 부서질 염려가 있고, 약 200um를 초과하는 경우 일정수준 이상의 두께를 구현하는 복합층 제작에 어려움이 있다.
상기 탄소계 물질을 약 1중량% 내지 약 20중량% 포함할 수 있다. 종래에는 약 40중량% 내지 약 70중량%의 탄소계 물질을 함유하는 경우에만 복합층의 전도도가 측정되었으나, 상기 복합층은 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함함으로써 적은량의 탄소계 물질로도 높은 전기전도도를 구현할 수 있다.
상기 탄소계 물질을 약 1중량% 미만으로 포함하는 경우 경로가 형성되지 않아 상기 열가소성 수지끼리 연결되지 않는 문제점이 있고, 약 20중량%를 초과하는 경우에도 전도성이 크게 향상되지 아니하는바, 상기 범위를 유지하는 것이 유리하다.
상기 탄소계 물질은 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래파이트, 활성탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 상기 탄소계 물질은 전기적인 전도성을 띄는 물질로, 일정수준 이상의 표면적을 가진다. 후술할 연료전지용 분리판 제조방법에 의해 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함하는바, 적은양의 탄소계 물질로도 높은 전기전도성을 나타낼 수 있다.
상기 복합층의 두께는 약 200um 내지 약 500um일 수 있다. 상기 복합층의 두께는 상기 열가소성 수지 입자의 입자직경에 의해 조절될 수 있는 것으로, 상기 두께를 유지함으로써 상기 탄소계 물질로 둘러싸인 하나 이상의 열가소성 수지 입자를 포함하는 복합층을 적층함에 있어서 복합층이 결함 없이 제조될 수 있다.
상기 직물층은 하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 것으로, 상기 탄소계 섬유는 탄소섬유, 그래파이트 섬유, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 섬유로 탄소섬유를 사용할 수 있고, 이때, 탄소섬유의 직경은 약 5um 내지 약 10um일 수 있다.
상기 탄소계 섬유는 전기전도성을 가지는 섬유로, 직조되어 특정방향의 전기전도도를 나타낼 수 있고, 상기 복합층과 적층되어 모든방향에서 일정수준 이상의 전기전도성을 구현할 수 있다.
상기 직물층은 하나 이상의 탄소계 섬유가 직교하도록 수직방향 또는 수평방향으로 직조된 단일층일 수 있다.
도 3은 상기 연료전지용 분리판이 포함하는 직물층을 도식화하여 나타낸 것이다. 도 3을 참고하면, 상기 탄소계 섬유는 수직방향 또는 수평방향으로 배열되고, 수직방향으로 배열된 탄소계 섬유와 수평방향으로 배열된 탄소계 섬유가 직교하도록 직조될 수 있다.
두 방향으로 배열된 섬유가 90°가 되도록 직조됨으로써, 상기 직물층은 특정방향으로 높은 전도도를 가질 수 있고, 상기 특정방향 외의 다른 방향에서는 전기전도도를 띄지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 탄소계 섬유의 직조 대각선 방향에서는 약 50s/cm 내지 약 300s/cm(평균 약 150s/cm)의 높은 전기전도도를 가지는 반면, 직조 방향(수직 또는 수평 방향)에서는 약 10s/cm의 낮은 전기전도도를 나타내며, 이외의 방향에서는 전도성이 거의 없다.
상기 직물층은 특정방향에서만 높은 전도도를 가지지만, 상기 복합층과 적층구조를 형성함으로써 모든 방향에서 약 100S/cm이상의 전기전도도를 가질 수 있다.
상기 수직방향 또는 수평방향에서 탄소계 섬유 간 간격은 약 1,000um 내지 약 2,000um일 수 있다. 도 3을 참고하면, 수직방향에서 탄소계 섬유 간 간격(a)과 수평방향에서 탄소계 섬유 간 간격(b)은 동일할 수 있다.
상기 간격(a,b)이 동일함으로써 균일한 전자 이동 경로를 형성할 수 있다는 점에서 유리하며, 구체적으로 상기 간격이 약 1,000um 미만인 경우 직조물 제조공정이 어려우므로 공정비용이 증가할 우려가 있고, 약 2,000um를 초과하는 경우 수직방향과 수평방향의 탄소계 섬유간 연결이 촘촘하지 않아 전도성이 떨어질 우려가 있다.
상기 직물층의 두께는 약 200um 내지 약 350um일 수 있다. 상기 직물층의 두께는 상기 탄소계 섬유의 직경, 섬유 다발에 포함된 탄소계 섬유의 개수, 탄소계 섬유의 밀도 등에 의해 조절될 수 있는 것으로, 상기 범위를 유지함으로써 높은 전기전도도를 얻을 수 있다.
도 5는 상기 연료전지용 분리판의 직물층을 광학현미경으로 촬영하여 나타낸 것이다. 구체적으로, 상기 직물층을 수직방향으로 절단하여, 그 단면을 광학 현미경으로 관찰한 것이다.
상기 연료전지용 분리판(100)의 전기 전도도는 약 100S/cm이상일 수 있다. 상기 연료전지용 분리판은 복합층 및 직물층의 적층구조를 포함하는바, 모든 방향에서의 전기전도성을 가질 수 있으며 약 100S/cm 내지 약 150S/cm의 전기전도도를 구현할 수 있다.
연료전지용 분리판 제조방법
본 발명의 다른 구현예는 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 상기 혼합물이 나이프 코팅(knife coating) 방식에 의해 복합층을 형성하는 단계; 탄소계 섬유가 직조되어 직물층을 형성하는 단계; 및 상기 복합층과 상기 직물층이 핫 프레스 공정에 의해 적층되어 적층구조를 형성하는 단계;를 포함하는 연료전지용 분리판 제조방법을 제공한다.
통상적인 연료전지용 분리판은 고상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하여 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자가 물리적으로 결합된 형태인 복합층을 제조하였으나, 이 경우 다량의 탄소계 물질을 사용하여야 한다는 점, 다량의 탄소계 물질로 인해 기계적 물성 및 내구성이 저하된다는 점에서 문제점이 있었다.
이에, 상기 연료전지용 분리판 제조방법은 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합함으로써, 탄소계 물질이 열가소성 수지 입자를 코팅함으로써 적은량의 탄소계 물질을 사용함에도 물구하고 전기전도성을 극대화하고, 기계적 물성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 구현예인 연료전지용 분리판의 제조방법을 도식화 하여 나타낸 것으로, 상기 연료전지용 분리판 제조방법은 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자의 혼합물 형성과정, 상기 혼합물이 나이프 코팅공정에 의해 복합층을 형성하는 과정, 상기 복합층이 핫프레스 공정에 의해 상기 직물층과 적층구조를 형성하는 과정을 포함할 수 있다.
상기 혼합물은 액상의 탄소계 물질이 열가소성 수지 입자를 코팅한 상태일 수 있다. 상기 액상의 탄소계 물질은 탄소계 물질이 용매에 분산된 분산액일 수 있고, 상기 용매에 분산된 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자가 혼합하고, 상기 열가소성 수지 입자 표면을 탄소계 물질이 둘러싸게 됨으로써, 열가소성 수지 입자가 탄소계 물질로 코팅될 수 있다.
상기 용매는 에틸알콜, 이소프로필 알콜, 에틸 아세테이트, 아세토니트릴, 테트라하이드로푸란, 아세톤, 및 이들의 조합으로 형성된 군으로부터 선택된 하나 이상을 사용할 수 있다.
구체적으로, 상기 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자의 혼합물이 나이프 코팅공정에 의해 복합층을 형성하고, 약 60°C에서 30분간 건조하여 상기 분산액의 용매를 증발하게 할 수 있다.
상기 액상의 탄소계 물질의 고형분 함량은 약 1중량% 내지 약 30중량%, 구체적으로 약 15중량% 내지 약 20중량% 일 수 있다.
상기 액상의 탄소계 물질을 사용함으로써 통상적으로 사용한 고상의 탄소계 물질에 비해 적은양의 탄소계 물질을 사용할 수 있는바, 상기 액상의 탄소계 물질의 고형분 함량이 상기 범위를 유지하는 것이 나이프 코팅 공정에 적합하다. 상기 탄소계 물질의 고형분 함량이 1중량% 미만일 경우 코팅 후 건조 과정에서 다량의 액상이 증발하므로 복합층의 두께를 조절하기가 어려우며, 상기 탄소계 물질의 고형분 함량이 20중량%를 초과하는 경우 액상의 점도가 높아 깨끗한 코팅이 어려울 수 있다.
상기 핫프레스 공정은 약 200℃ 내지 약 230℃의 온도, 및 약 2MPa 내지 약 10MPa의 압력에서 약 5분 내지 약 15분의 시간동안 수행될 수 있다. 핫프레스 공정은 가열, 가압의 단계를 거치는 것으로, 상기 복합층과 직물층을 가열, 가압하여 합지함으로써 적층구조를 포함하는 연료전지용 분리판을 제조할 수 있다.
상기 범위의 온도, 및 압력을 유지하는 것이 열가소성 수지의 유동성을 보장하여 복합층의 두께 조절을 할 수 있다는 점에서 유리하며, 상기 범위의 시간내로 공정을 진행함으로써 복합층과 직물층의 적층을 용이하게 구현할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하며, 이로서 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
< 실시예 및 비교예 >
실시예
입자직경이 100um인 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 입자를 탄소나노튜브(CNT)와 그래파이트 나노플레이트(GNP)가 이소프로필알콜(IPA)에 분산되어 있는 액상의 탄소계 물질과 혼합하였고, 상기 액상의 탄소계 물질이 상기 PMMA입자에 고르게 코팅된 혼합물을 형성하였다. 이때, 상기 액상의 탄소계 물질의 고형분 함량은 20중량%이다.
상기 혼합물을 나이프 코팅 방식에 의해 두께가 500um인 복합층을 제조하였고, 60℃에서 30분간 건조하여 상기 IPA용매를 증발시켰다.
또한, 두께가 300um이고 탄소섬유가 직조된 직물층을 준비하였고, 상기 직물층에, 복합층을 적층한 후, 핫 프레스로 230℃에서, 4톤의 압력으로, 5분 동안 눌러주어 연료전지용 분리판을 제조하였다.
비교예 1
직물층을 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 연료전지용 분리판을 제조하였다.
비교예 2
복합층을 적층한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 연료전지용 분리판을 제조하였다.
비교예 3
입자직경이 100um인 PMMA 입자와 카본분말을 볼밀 방식에 의해 혼합하여 혼합물을 형성한 후(이때, 카본분말 함량은 20중량%임) 복합층을 제조한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일하게 연료전지용 분리판을 제조하였다.
< 실험예 > - 연료전지용 분리판의 전기전도도 측정
상기 실시예 및 비교예의 면적, 두께를 4-point probe 장비에 입력하고 측정된 저항값을 환산하여 상기 실시예 및 비교예의 전기전도도를 측정하였다.
구체적으로, 상기 4-point probe 장비는 4개의 probe가 5mm 간격으로 일렬로 배열된 형태이며, 바깥쪽 2개의 probe 사이에 전류를 흘려주고 안쪽 2개의 probe 사이에서 전압을 측정하여 상기 실시예 및 비교예 시편의 저항값을 환산하여 전기전도도를 구할 수 있다. 이때, 상기 측정된 전기전도도는 시편의 크기 및 형태에 따라 달라질 수 있으므로, 실시예 및 비교예의 시편을 동일한 크기와 형태로 제작하여 실험하였다.
구조 복합층 혼합방식 복합층 탄소계 물질 함량(중량%) 전기전도도
(S/cm)
실시예 복합층 유 직물층 유 액상 혼합 20 100
비교예1 복합층 유 직물층 무 액상 혼합 20 0.9
비교예2 복합층 무 직물층 유 - - 10
비교예3 복합층 유 직물층 유 고상 혼합 20 0.01
열가소성 수지 입자와 액상의 탄소계 물질을 혼합하여 형성된 복합층을 포함하는 실시예의 전기전도도는 100S/cm으로 측정된 반면, 열가소성 수지 입자와 고상의 탄소계 물질을 혼합하여 형성된 복합층을 포함하는 비교예 3의 전기전도도는 0.01S/cm 이었는바, 같은양의 탄소계 물질을 함유함에도 불구하고 실시예가 비교예 3에 비해 높은 전기전도도를 구현할 수 있음을 알 수 있었다.
구체적으로, 비교예 1은 직물층을 제외하고, 비교예 2는 복합층을 제외한 연료전지용 분리판으로 실시예에 비해 낮은 전기전도도를 나타내었는바, 복합층과 직물층의 적층구조를 포함한 실시예가 가장 높은 전기전도성을 구현함을 확인하였다.
100: 연료전지 분리판
10: 복합층, 20: 직물층
a: 수평방향에서의 탄소계 섬유간 간격
b: 수직방향에서의 탄소계 섬유간 간격

Claims (18)

  1. 열가소성 수지와 탄소계 물질이 서로 연결되어 형성된 경로를 포함하는 복합층; 및
    하나 이상의 탄소계 섬유가 직조된 직물층;의 적층구조를 포함하는
    연료전지용 분리판.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 경로는 상기 열가소성 수지 사이사이에 위치하는
    연료전지용 분리판.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 복수의 열가소성 수지 입자로부터 형성되는
    연료전지용 분리판.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자의 일부가 탄소계 물질에 의해 둘러싸인
    연료전지용 분리판.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자는 폴리에틸렌 입자, 폴리메틸메타크릴레이트 입자, 폴리프로필렌 입자, 불소계 열가소성 수지 입자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    연료전지용 분리판.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 열가소성 수지 입자의 입자직경이 100um 내지 200um인
    연료전지용 분리판.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 물질을 1중량% 내지 20중량% 포함하는
    연료전지용 분리판.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 물질은 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래파이트, 활성탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    연료전지용 분리판.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 복합층의 두께는 200um 내지 500um인
    연료전지용 분리판.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소계 섬유는 탄소섬유, 그래파이트 섬유, 탄소나노섬유 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상인
    연료전지용 분리판.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 직물층은 하나 이상의 탄소계 섬유가 직교하도록 수직방향 또는 수평방향으로 직조된 단일층인
    연료전지용 분리판.
  12. 제 11항에 있어서
    상기 수직방향 또는 수평방향에서 탄소계 섬유 간 간격은 1,000um 내지 2,000um인
    연료전지용 분리판.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 직물층의 두께는 200um 내지 350um인
    연료전지용 분리판.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지용 분리판의 전기 전도도는 100S/cm이상인
    연료전지용 분리판.
  15. 액상의 탄소계 물질과 열가소성 수지 입자를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계;
    상기 혼합물이 나이프 코팅(knife coating) 방식에 의해 복합층을 형성하는 단계;
    탄소계 섬유가 직조되어 직물층을 형성하는 단계; 및
    상기 복합층과 상기 직물층이 핫 프레스 공정에 의해 적층되어 적층구조를 형성하는 단계;를 포함하는
    연료전지용 분리판 제조방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 혼합물은 액상의 탄소계 물질이 열가소성 수지 입자를 코팅한 상태인
    연료전지용 분리판 제조방법.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 액상의 탄소계 물질은 탄소계 물질이 용매에 분산된 분산액인
    연료전지용 분리판 제조방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 액상의 탄소계 물질의 고형분 함량은 1중량% 내지 30중량%인
    연료전지용 분리판 제조방법.
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