KR20190080615A - 초경량 탄소계 분리판 및 그를 포함하는 연료전지 스택과 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고분자 연료전지의 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판은, 탄소 섬유 직물로 적층 형성된 다층의 구조체; 및 상기 다층 구조체의 각각의 층 사이에 형성되는 고분자 수지층;을 포함한다.

Description

초경량 탄소계 분리판 및 그를 포함하는 연료전지 스택과 그 제조방법{ULTRALIGHT WEIGHT CARBON BASED BIPOLAR PLATE AND FUEL CELL STACK COMPRISING THE SAME AND MANUFACTURING METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 초경량 탄소계 분리판 및 그를 포함하는 연료전지 스택과 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄소 섬유 직물을 포함하여 형성된 연료전지의 분리판과 그를 포함하는 연료전지 스택에 대한 기술이다.
연료전지는 연료의 산화에 의하여 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다. 연료전지는 전지에 이용되는 연료의 종류에 따라 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다. 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용한다. 이러한 PEMFC는 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 빠른 응답특성을 갖는 장점으로 인하여 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용하고자 하는 시도가 활발하게 이루어지고 있다.
종래의 문헌들에 개시되어 있는 PEMFC의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate)들로 구성되어 있다.
PEMFC는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스 확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 개스킷(Gasket)들과 복수 개의 분리판들로 구성되어 있다. 고분자 전해질막은 양극과 음극 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 한다. 양극과 음극의 두 전극들이 고분자 전해질막에 접합되어 있는 것을 막전극 접합체 (Membrane-electrode assembly, MEA)라 한다.
분리판은 막-전극 어셈블리의 양쪽에 배치되어 있고, 양극판(Bipolar plate) 또는 유로판(Flow field plate)으로 부르고도 있는 전기전도성 판이다. 일반적으로 분리판의 한쪽 면에는 양극측 채널(Channel)이 형성되어 있고, 다른 쪽 면에는 음극측 채널이 형성되어 있다. 엔드플레이트들은 구성요소 사이의 접촉저항을 줄이기 위하여 일반적으로 타이로드(Tie rod)를 이용하여 볼팅(Bolting)하게 되어 있으며, 반응기체의 출구, 입구, 냉각수 순환구, 전력의 출력을 위한 커넥터를 갖는다.
한편, PEMFC의 양극에서는 수소의 산화반응에 의하여 수소 양이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생한다. 생성된 수소 양이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 음극으로 이동하게 된다. 음극에서는 수소 양이온, 전자와 산소의 산소환원반응에 의하여 물, 즉 수분이 생성되고, 이러한 전자의 흐름으로부터 전력이 생성된다.
분리판은 전기저항이 낮고, 내화학성(Chemical resistance)과 기계적 물성이 높으며, 수소와 산소의 누설을 방지하기 위하여 가스투과율이 낮아야 한다. 또한, 인접하는 두 분리판들 사이의 전기접촉저항(Electrical contact resistance)이 낮아야 한다.
통상적으로 분리판의 재료로는 흑연(Graphite), 팽창 카본(Expanded carbon), 스테인리스스틸(Stainless steel)등으로 구성되거나 고분자 기지(Polymer matrix)에 카본입자, 흑연입자를 첨가한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다.
기존의 분리판 제조 방법에 따르면 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공을 수행하여 분리판을 제작하였다. 이 경우 스택 전체에서 분리판이 차지하는 비중은, 비용은 40%, 무게에서는 70% 이상을 차지한다.
그라파이트 분리판은 밀링 가공을 통하여 제작하기 때문에 높은 가공비를 갖는 반면, 낮은 밀도로 인하여 가스의 혼합을 막기 어렵다. 따라서 소정 두께 이상으로 형성되어야 하므로 큰 부피를 갖는 문제점이 있었다.
이를 극복하기 위하여 가공성이 용이하고 제조 단가를 낮출 수 있는 금속 분리판과 전도성물질이 포함된 고분자를 혼합한 복합 분리판 및 복합재료를 금속판위에 코팅하는 형태의 분리판 등이 최근 연구 끝에 개발되었다.
금속 분리판은 스테인리스 스틸(Stainless steel)을 중심으로 개발되고 있으며, 가공성 및 전기전도성 가격 면에서 모두 우수한 경쟁력을 가지고 있다. 그러나 스테인리스 스틸 자체로는 부식특성에 취약하여, 이를 보완하기 위한 방법으로 스테인리스 스틸 표면에 부식특성이 강한 금, 백금, 텅스텐을 코팅하는 방법의 연구가 진행되어 왔으나, 이 또한 고가의 금속을 코팅재로 사용하기 때문에 높은 가공비가 필요하였다. 그리고 복합 분리판은 기존의 문제점으로 제시되던 전기전도성은 우수한 값을 나타내고 있으나 깨지기 쉬운 단점을 가지고 있었다.
따라서, 상술한 문제점들을 해결하기 위한 신개념의 분리판에 대한 수요가 존재하고 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 연구 끝에 도출된 결과물로서, 본 발명의 목적은, 상술한 문제점이 모두 해결되어 우수한 전기 전도성 및 내식성을 보유하면서 준수한 기계적 강도 특성을 나타내는, 탄소 섬유를 이용하여 형성된 다층의 구조체를 포함하는 초경량 탄소계 분리판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판은, 탄소 섬유 직물로 적층 형성된 다층의 구조체; 및 상기 다층 구조체의 각각의 층 사이에 형성되는 고분자 수지층;을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물은, 불칸(Vulcan), 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 아세틸렌블랙(Acetylene Black) 및 케첸블랙(Ketjen Black)으로 이루어진 탄소 담체 군;과 탄소나노튜브, 탄소나노와이어 및 탄소나노로드로 이루어진 탄소 섬유 군;에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다층의 구조체는 하나의 탄소 섬유 직물이 접혀서 형성된 복수 개의 층 구조를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지층은 전도성 물질을 포함하고, 상기 전도성 물질은, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노리본, 탄소나노와이어, 탄소섬유 및 카본블랙으로 이루어진 탄소계 전도성 물질 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 물질은 상기 고분자 수지층의 총 중량 대비 50 중량% 내지 85 중량%로 포함되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층 내에, 상기 탄소 섬유 직물과 이종 소재를 포함하는 탄소 천으로 형성된 층;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층은, 에폭시계 고분자, 페놀계 고분자 또는 둘 다를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층은, N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합된 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 두께가 0.3 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 인장 강도는 100 MPa 이상이고, 전기 전도성은 40 S/cm 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 제조방법은, 고분자 수지 용액을 준비하는 단계; 상기 고분자 수지 용액에 전도성 물질을 혼합하여 전도성 고분자 슬러리를 형성하는 단계; 탄소 섬유 직물의 적어도 일 면 상에 상기 전도성 고분자 슬러리를 도포하는 단계; 상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계; 및 상기 다층 구조를 형성한 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계는, 탄소 섬유 직물로 형성되는 다층 구조의 사이에 상기 탄소 섬유 직물과 다른 소재를 포함하는 탄소 천을 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 압착은, 핫 프레싱 방식에 의해 25 ℃ 내지 80 ℃ 에서, 200 bar 내지 400 bar의 압력으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 건조는, 25 ℃ 내지 120 ℃ 온도에서 8 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 용액을 준비하는 단계는, 유기 용매에서 N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판은, 두께가 0.3 mm 이하이고, 인장 강도는 100 MPa 이상이고, 전기 전도성은 40 S/cm 이상인 것이고, 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법에 의해 제조된 것이다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르는 고분자 연료전지 스택은, 연료 전지 전극; 고분자 전해질막; 기체 확산층; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판을 포함한다.
본 발명의 초경량 탄소계 분리판을 이용할 경우, 우수한 전기 전도성 및 내식성을 보유하면서 준수한 기계적 강도 특성을 나타내는 초경량 탄소계 분리판이 확보되는 효과가 있다.
본 발명에서 제공하는 초경량 탄소계 분리판을 이용할 경우, 0.3 mm 이하의 두께에서도 인장강도 100 MPa 이상의 준수한 기계적 강도를 나타낼 수 있다. 또한, 분리판의 두께를 0.1 mm 수준까지 낮춰서 제작할 수도 있다. 이 경우, 이러한 분리판을 포함하여 제조한 연료전지 스택은 중량의 70 % 정도를 가볍게 할 수 있는 효과가 있고, 부피는 약 65 % 정도를 감소시키고, 연료전지 시스템의 부피는 약 13 % 정도까지 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 구조를 간략하게 나타내는 개략도이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 제조방법의 각 단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 인장 강도 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판 표면의 SEM 사진으로서, 도 4(a)는 고분자 수지를 포함하는 초경량 탄소계 분리판 표면의 SEM 사진이고, 도 4(b)는 전도성 물질을 고분자 수지 내에 포함하는 초경량 탄소계 분리판 표면의 SEM 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 탄소 섬유 직물이 형성된 부분을 촬영한 SEM 사진이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 고분자 수지가 상기 탄소 섬유 직물 표면으로 침투된 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 구조를 간략하게 나타내는 개략도이다.
아래에서는 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 측면에서 제공하는 초경량 탄소계 분리판의 각 구조 및 성분을 상세히 설명한다.
본 발명의 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판은, 탄소 섬유 직물로 적층 형성된 다층의 구조체(110); 및 상기 다층 구조체의 각각의 층 사이에 형성되는 고분자 수지층(130);을 포함한다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에서는 탄소 섬유 직물로 적층된 다층의 구조체를 분리판 내에 포함하는 것을 특징으로 한다.
탄소 섬유 직물은 적층된 복수 개의 층 구조를 형성할 수 있다. 이 때 복수 개의 층 구조는 각각의 층이 가장자리를 통하여 연결된 구조를 형성할 수 있다. 예를 들어, 'ㄷ' 형태, 'ㄹ' 형태, 'ㅌ' 형태 또는 상기 형태 중 하나 이상의 형태들이 조합되어 형성된 구조를 나타낼 수 있다. 상기 탄소 섬유 직물로 적층된 층을 형성할 경우, 전자 전달 경로를 유지하여 높은 전기 전도도를 보이면서 높은 기계적 강도와 낮은 취성을 확보할 수 있는 이점이 있다.
상기 다층의 구조체의 각각의 층 사이에는 고분자 수지로 형성된 층이 구비된다. 상기 고분자 수지층은 적층된 다층의 구조체의 각각의 층 사이사이에 모두 포함될 수 있으며, 일부의 층 사이에만 포함될 수도 있다. 상기 고분자 수지층은 탄소 섬유 직물 및 천과의 결합력을 강화하여 강도를 확보하고 초경량 탄소계 분리판 내부에서 기체 연료의 leaking을 방지하는 역할을 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물은, 불칸(Vulcan), 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 아세틸렌블랙(Acetylene Black) 및 케첸블랙(Ketjen Black)으로 이루어진 탄소 담체 군;과 탄소나노튜브, 탄소나노와이어 및 탄소나노로드로 이루어진 탄소 섬유 군;에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 다층의 구조체는 하나의 탄소 섬유 직물이 접혀서 형성된 복수 개의 층 구조를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지층은 전도성 물질(120)을 포함하고, 상기 전도성 물질은, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노리본, 탄소나노와이어, 탄소섬유 및 카본블랙으로 이루어진 탄소계 전도성 물질 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 전도성 물질은 고분자 수지층 내부에 포함되어 전기 전도성 특성을 향상시키는 역할을 수행하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 물질은 상기 고분자 수지층의 총 중량 대비 50 중량% 내지 85 중량%로 포함되는 것일 수 있다. 이 때, 50 중량 % 미만 포함될 경우 고분자 수지층에 의한 두께의 증가와 전기 전도성의 감소로 분리판으로서의 역할을 할 수 없는 문제가 생길 수 있고, 85 중량%을 초과하여 포함될 경우 고분자 수지의 고른 함침이 불가하고 탄소 섬유 직물 간의 결합력이 약해져 강도가 낮아지며 기체 연료의 leaking이 발생 하는 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층 내에, 상기 탄소 섬유 직물과 이종의 탄소 소재를 포함하는 탄소 천으로 형성된 층;을 더 포함할 수 있다.
상기 탄소 천으로 형성된 층을 더 포함할 경우, 본 발명의 초경량 탄소계 분리판은, 탄소 섬유 직물의 층 - 고분자 수지층 - 탄소 천으로 형성된 층 - 고분자 수지층 - 탄소 섬유 직물의 층으로 형성된 샌드위치 구조를 포함하도록 형성될 수 있다. 상기 탄소 천으로 형성된 층에 포함되는 탄소 소재는 본 발명에서 특별히 한정하지는 않으나, 탄소 섬유 직물의 층에 사용된 탄소 소재와 다른 소재를 포함하는 것일 수 있다.
상기 탄소 천으로 형성된 층을 고분자 수지 층 내에 더 포함함으로써, 열압착 및 스택 제조시 접힘 부분의 응력 분산효과로 인해 파단을 방지하여 연료전지 내구성 개선 및 탄소 섬유 분리판의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층은, 에폭시계 고분자, 페놀계 고분자 또는 둘 다를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 층은, N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합된 혼합물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에서 고분자 수지 층의 소재의 선택은 중요한 구성일 수 있다. 상기 N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)의 혼합 비율에서, N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine)의 함량이 부족할 경우에는 경화물의 내 충격성 및 탄소천과의 결합력이 약해지는 문제가 생길 수 있고, 노닐페놀(Nonylphenol)의 함량이 부족할 경우에는 경화속도의 감소와 가교 반응의 제한으로 경화 물성 유지가 어려운 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 두께가 0.3 mm 이하인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 초경량 탄소계 분리판을 얇게 형성하여 저부피 저중량의 연료전지 스택의 제조가 가능하게 하는 효과가 있다. 일 예에 따르면, 상기 초경량 탄소계 분리판은 두께가 0.1 mm 이하인 것일 수 있다. 본 발명에서는 상기 초경량 탄소계 분리판의 두께를 0.1 mm 이하로 형성하더라도 상용화되는 수준의 인장 강도의 구현이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 인장 강도는 100 MPa 이상이고, 전기 전도성은 40 S/cm 이상인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에서는 초경량 탄소계 분리판의 제조방법을 제공한다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 제조방법의 각 단계를 순차적으로 나타낸 순서도이다.
아래에서는 도 2를 참조하여, 초경량 탄소계 분리판의 제조방법의 각 단계에 대해 상세히 설명한다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 제조방법은, 고분자 수지 용액을 준비하는 단계(S10); 상기 고분자 수지 용액에 전도성 물질을 혼합하여 전도성 고분자 슬러리를 형성하는 단계(S20); 탄소 섬유 직물의 적어도 일 면 상에 상기 전도성 고분자 슬러리를 도포하는 단계(S30); 상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계(S40); 및 상기 다층 구조를 형성한 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계(S50);를 포함한다.
다른 일 예에서는, 초경량 탄소계 분리판의 제조방법에 있어서, 상기 S30의 단계와, 상기 S40의 단계의 순서를 바꾸어 실시할 수도 있다. 그 경우 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성한 후, 다층 구조의 사이에 전도성 고분자 슬러리를 도포하는 단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계는, 탄소 섬유 직물로 형성되는 다층 구조의 사이에 상기 탄소 섬유 직물과 다른 소재를 포함하는 탄소 천을 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 압착은, 핫 프레싱 방식에 의해 25 ℃ 내지 120 ℃ 에서, 200 bar 내지 400 bar의 압력으로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에서는 상기 압착에 사용되는 장치에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 다만 압착하는 과정의 온도는 25 ℃ 내지 80 ℃로 유지되는 것이 좋다. 상기 온도가 25 ℃ 미만에서 형성될 경우, 전도성 고분자 슬러리의 기포 제거에 문제가 생길 수 있고, 80 ℃ 초과로 형성될 경우, 고분자 수지의 분해로 인해 경화도가 감소함으로써 강도가 약해지는 문제가 생길 수 있다. 상기 압착의 온도는 바람직하게는 65 ℃ 내지 75 ℃ 로 유지되는 것이 좋다.
본 발명에서 상기 압력을 유지하는 방식에 대해서는 특별히 한정하지 않는다. 다만 압착하는 과정의 압력은 200 bar 내지 400 bar 정도로 유지되는 것이 좋다. 상기 압착이 200 bar 미만에서 형성될 경우, 고분자 수지와 탄소 섬유 천과의 결합력 감소와 전도성 탄소담체군의 전기적 통로가 충분히 제공되지 못함으로 강도 및 전기전도성이 감소하는 문제가 생길 수 있고, 400 bar 초과로 형성될 경우, 고분자 수지가 탄소섬유천 사이에 충분히 함침하지 못하여 강도를 저해하는 문제가 생길 수 있다
상기 압력은 바람직하게는 250 bar 내지 350 bar로 유지되는 것이 좋다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 건조는, 25 ℃ 내지 120 ℃ 온도에서 8 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것일 수 있다.
상기 건조하는 과정에서 이용되는 방식은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 오븐을 이용할 수 있으며, 그 외의 방법을 사용하는 것도 좋다. 상기 건조되는 온도가 25 ℃ 미만일 경우에는 가교되는 시간이 길어짐에 따라 제조시간이 길어질수 있고, 120 ℃ 초과의 경우에는 고분자 수지의 분해로 인해 강도저하 문제가 생길 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 수지 용액을 준비하는 단계는, 유기 용매에서 N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합하는 것을 포함하는 것일 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 상기 N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)은 5 : 5로 혼합되는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르는 초경량 탄소계 분리판은, 두께가 0.3 mm 이하이고, 인장 강도는 100 MPa 이상이고, 전기 전도성은 40 S/cm 이상인 것이고, 본 발명의 일 실시예에 따르는 제조방법에 의해 제조된 것이다.
일 예에서, 상기 초경량 탄소계 분리판은 두께가 0.1 mm 이하로 형성되는 것일 수도 있다.
본 발명에서 상기 인장 강도는 제조된 초경량 탄소계 분리판의 면적에 비례하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르는 고분자 연료전지 스택은, 연료 전지 전극; 고분자 전해질막; 기체 확산층; 및 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판을 포함한다.
실시예
[실시예 1]
본 발명의 초경량 탄소계 분리판의 실시예로서, 탄소 섬유(Carbon Fiber)로 탄소 섬유 직물을 구성하고, N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 Nonylphenol을 5 : 5의 중량비로 혼합하여 고분자 수지 용액을 제조하여 전도성 고분자 슬러리를 제조하였다.
이 후, 탄소 섬유 직물 상에 전도성 고분자 슬러리를 도포하고, 상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하고, 핫프레싱 기기를 이용하여 70 ℃ 온도에서 300 bar의 압력으로 압착하고 및 60 ℃ 온도에서 12시간 동안 오븐으로 건조하여 본발명에 따르는 초경량 탄소계 분리판을 제조하였다. 이와 같은 방식으로 형성된 초경량 탄소계 분리판은 두께가 0.261 mm 였다.
[실시예 2]
본 발명의 다른 실시예로서, 탄소나노튜브(CNT)로서 탄소 섬유 직물을 구성한 것과 다른 두께(0.102 mm)로 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 조건에서 초경량 탄소계 분리판을 제조하였다.
[실시예 3]
본 발명의 또 다른 실시예로서, 전도성 고분자 물질로서 흑연을 고분자 수지 내에 포함하여 제조한 것을 제외하면 실시예 1과 동일한 조건에서 초경량 탄소계 분리판을 제조하였다.
상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 초경량 탄소계 분리판으로 다양한 물리적인 특징을 실험하고, 그 결과를 아래의 표 1에 기재하였다.
두께(mm) 고분자 수지와 탄소의 중량비
(g/cm2)		 저항
(ρ, Ωcm)		 전기 전도도
(σ, S/cm)		 인장 강도(MPa)
실시예 1 0.261 0.016 0.0223 44.77 117.90
실시예 2 0.102 0.015 0.0114 87.61 101.84
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 인장 강도 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
상기 실시예 1 및 실시예 2에서 제조한 초경량 탄소계 분리판의 인장 강도 실험을 통해, 본 발명에서 제공하는 초경량 탄소계 분리판의 인장 강도가 약 100 MPa 이상으로 형성되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 실시예 1 및 실시예 3에 대해서, SEM 촬영을 통해 미세 조직 및 단면을 관찰하여 본 발명의 초경량 탄소계 분리판이 효과적으로 형성되었는지 관찰하였다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따르는 초경량 탄소계 분리판 표면의 SEM 사진으로서, 도 4(a)는 고분자 수지를 포함하는 초경량 탄소계 분리판 표면(실시예 1)의 SEM 사진이고, 도 4(b)는 전도성 물질을 고분자 수지 내에 포함하는 초경량 탄소계 분리판(실시예 3) 표면의 SEM 사진이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예(실시예 1)에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 탄소 섬유 직물이 형성된 부분을 촬영한 SEM 사진이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예(실시예 1)에 따르는 초경량 탄소계 분리판의 고분자 수지가 상기 탄소 섬유 직물 표면으로 침투된 단면을 촬영한 SEM 사진이다.
이러한 SEM 사진을 통해 본 발명의 탄소 섬유 직물로 적층 형성된 다층의 구조체 사이에 고분자 수지층이 효과적으로 형성되어 본 발명에서 제공하는 초경량 탄소계 분리판이 효과적으로 제작되었음을 확인할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (17)

  1. 탄소 섬유 직물로 적층 형성된 다층의 구조체; 및
    상기 다층 구조체의 각각의 층 사이에 형성되는 고분자 수지층;을 포함하는,
    초경량 탄소계 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 직물은, 불칸(Vulcan), 카본블랙(Carbon Black), 그래파이트 카본(Graphite carbon), 아세틸렌블랙(Acetylene Black) 및 케첸블랙(Ketjen Black)으로 이루어진 탄소 담체 군;과 탄소나노튜브, 탄소나노와이어 및 탄소나노로드로 이루어진 탄소 섬유 군;에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다층의 구조체는 하나의 탄소 섬유 직물이 접혀서 형성된 복수 개의층 구조를 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지층은 전도성 물질을 포함하고,
    상기 전도성 물질은, 그래핀, 탄소나노튜브, 탄소나노리본, 탄소나노와이어, 탄소섬유 및 카본블랙으로 이루어진 탄소계 전도성 물질 군에서 선택된 하나 이상을 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 물질은 상기 고분자 수지층의 총 중량 대비 50 중량% 내지 85 중량%로 포함되는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 층 내에, 상기 탄소 섬유 직물과 이종 소재를 포함하는 탄소 천으로 형성된 층;을 더 포함하는,
    초경량 탄소계 분리판.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 층은, 에폭시계 고분자, 페놀계 고분자 또는 둘 다를 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 수지 층은, N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합된 혼합물을 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 두께가 0.3 mm 이하인 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 초경량 탄소계 분리판 전체의 인장 강도는 100 MPa 이상이고,
    전기 전도성은 40 S/cm 이상인 것인,
    초경량 탄소계 분리판.
  11. 고분자 수지 용액을 준비하는 단계;
    상기 고분자 수지 용액에 전도성 물질을 혼합하여 전도성 고분자 슬러리를 형성하는 단계;
    탄소 섬유 직물의 적어도 일 면 상에 상기 전도성 고분자 슬러리를 도포하는 단계;
    상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 다층 구조를 형성한 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계;를 포함하는,
    초경량 탄소계 분리판의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 직물을 접어 다층 구조를 형성하는 단계는,
    탄소 섬유 직물로 형성되는 다층 구조의 사이에 상기 탄소 섬유 직물과 다른 소재를 포함하는 탄소 천을 삽입하는 단계를 포함하는,
    초경량 탄소계 분리판의 제조방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 압착은,
    핫 프레싱 방식에 의해 25 ℃ 내지 80 ℃ 에서, 200 bar 내지 400 bar의 압력으로 수행되는 것인,
    초경량 탄소계 분리판의 제조방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 탄소 섬유 직물을 압착하고 건조하는 단계의 상기 건조는,
    25 ℃ 내지 120 ℃ 온도에서 8 시간 내지 20 시간 동안 수행되는 것인,
    초경량 탄소계 분리판의 제조방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 고분자 수지 용액을 준비하는 단계는,
    유기 용매에서 N-아미노에틸파이퍼라진(N-(aminoethyl)piperazine) 및 노닐페놀(Nonylphenol)을 4: 6 내지 6: 4의 중량비로 혼합하는 것을 포함하는 것인,
    초경량 탄소계 분리판의 제조방법.
  16. 두께가 0.3 mm 이하이고, 인장 강도는 100 MPa 이상이고, 전기 전도성은 40 S/cm 이상인,
    제11항 내지 제15항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조된,
    초경량 탄소계 분리판.
  17. 연료 전지 전극;
    고분자 전해질막;
    기체 확산층; 및
    제16항의 초경량 탄소계 분리판을 포함하는,
    고분자 연료전지 스택(stack).
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