KR20210096953A - 연료전지 분리판 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련하는 단계, 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드를 마련하는 단계 및 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법을 제공한다.

Description

연료전지 분리판 제조방법 {Manufacturing method of fuel cell bipolar plate}
본 발명은 연료전지 분리판의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소 또는 탄화수소 계열 원료와 산소로 대표되는 산화제의 전기화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 에너지원으로서, 미래를 대비하는 가장 유망한 청정 에너지원 중의 하나로 최근 주목 받고 있다.
이러한 연료전지는 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 이루어진다. 또한, 이 스택은 막전극조립체(Membrane Electrode Assembly)와 분리판(Separator)이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막전극조립체는 연료의 산화 및 환원제의 환원 반응을 통해 전기를 생성한다.
다양한 방식의 연료전지 중, 고분자 전해질용 연료전지는 비교적 낮은 작동 온도와 스택의 소형화 가능성으로 수소용 전력원으로 활발이 연구되고 있으며, 현재 실용화 가능성이 높다고 평가받고 있다. 이러한 고분자 전해질형 연료전지는 그 내부에 여러 셀들의 연결이 포함되는데, 이러한 셀과 셀 간의 전기적인 연결은 분리판 또는 바이폴라플레이트(bipolar plate)에 의해 이루어지게 된다.
분리판은 연료전지 스택에서 각 전지를 분리하고 있는 전도성 판으로, 인접한 두 전지에서 한 전지에서는 연료극판으로 다른 한 전지에서는 공기극판으로 기능한다. 분리판은 연료가스와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로, 높은 전기 전도성, 내식성, 열전도성과 함께 낮은 기체 투과성이 요구된다.
분리판은 주로 수지 함침 흑연판, 탄소복합체판, 금속판 등으로 제작 되어지는데, 상기 분리판에는 유체의 흐름을 돕기 위해 유로가 형성되어 있다. 또한 분리판은 전지에서 발생된 열을 연료전지 스택 전체에 분배하는 역할도 수행하게 되는데, 과도하게 발생된 열은 공랭식 혹은 수냉식 열 교환을 통해 회수되어 버려지거나 사용할 수 있다.
지금까지 개발된 분리판 종류는 수지 함침 흑연판, 탄소복합체 분리판 및 금속 분리판으로 구분할 수 있다.
이 중 수지 함침 흑연판은 흑연판에 수지(Resin)를 함침하여 기계 가공을 통해 기체 유로를 형성시킨 연료전지용 분리판이다. 전기 및 열전도성이 매우 높고, 부식에 매우 강하기 때문에 연료전지 연구개발 초기 단계부터 주로 사용되어 지고 있다.
그러나, 수지 함침 흑연판은 흑연 분리판은 얇은 흑연판을 밀링 기계가공하여 성형하므로 제작시간 및 비용이 과다하게 소요되고, 충격에 의한 파손 가능성 큰 문제점이 있다.
금속 분리판은 금속(주로 스테인리스 스틸)을 가공/주물/몰딩 함으로써 제작 되어지며, 전기 및 열전도성은 매우 높으나, 내부식성이 약한 단점이 있다.
한편, 금속 분리판은 내부식성을 위해 금속 자체에 부식을 막아주는 코팅이 필요하게 되는데, 이러한 코팅작업에 의해서 작업 시간이 길어질 뿐 아니라 제작 단가가 올라가고 코팅재에 의해 전기 전도성이 떨어지는 단점이 있다.
탄소 복합체 분리판은 탄소와 수지를 섞은 상태에서 몰딩을 통해 분리판을 제작한 연료전지용 분리판으로, 수지함침 흑연판에 비해 다소 전기 전도성 및 열전도성이 낮아질 수 있는데, 수지의 선정 및 몰딩 방법의 최적화를 통해 수지 함침 흑연판과 유사한 수준의 연료전지 성능을 구현시켜야 하는 문제가 있다.
또한, 탄소 복합체 분리판은 탄소와 레진을 섞어서 분리판을 제작하기 때문에 몰딩시 작업 시간이 길어지며, 압축 또는 사출성형을 위하여 고분자를 고열로 용융시켜야 하며, 분리판 제작 이후 채널 형성을 위한 별도의 트리밍 공정이 필요해 공정이 과도하고 비용이 증가하는 문제가 있다.
특히, 이러한 분리판의 표면에는 냉각수가 순환되는 냉각수 유로가 정밀하고 복잡하게 구성되는데, 이 냉각수 유로의 제작을 위해 분리판을 일체형으로 제작하기 어려운 문제가 있다.
수소연료전지에서 분리판의 비중은 계속 증가하고 있는 실정으로서, 연료전지에서 분리판이 차지하는 비용 역시 증가하고 있는 실정이므로, 분리판 제작시 시간과 비용을 절감할 수 있는 연구가 필요한 실정이다.
한국공개특허공보 2016-0113186
본 발명은 연료전지 분리판 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련하는 단계, 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드를 마련하는 단계 및 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드 내부에서 핫 프레스 공법에 의해 고온 압축함으로써, 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 용이하게 제작할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 탄소 복합재 평판을 열가소성 수지에 탄소 재료 및 전도성 나노물질이 혼합된 형태로 제작하기 때문에, 핫 프레스 공법에 의해 분리판 제작시 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 재사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재 평판을 이용하기 때문에, 불량 발생시에도 재사용이 가능하므로, 시간과 비용의 절감 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법에 의해 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 모식도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법에 의해 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 모식도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법은 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련하는 단계, 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드를 마련하는 단계 및 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판을 제조하기 위하여 우선, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련한다.
상기 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 반경화 시트 상태의 프리프레그 형태로 제작될 수도 있으며, 완전 경화시킨 형태로 제작될 수도 있다.
구체적으로, 상기 탄소복합재 평판은 열가소성 수지를 베이스로 하여, 탄소 소재 및 전도성 나노물질로 강화된 반경화 시트 상태의 프리프레그 형태를 갖도록 제작될 수 있다.
상기 탄소복합재 평판을 프리프레그 형태로 제작할 경우, 통상의 방법으로 제작될 수 있으며, PE 필름 등의 이형필름이 감겨진 롤(roll)에서 이형필름을 연속적으로 공급하며, 이형필름 위로 시트 형상의 탄소 소재 및 전도성 나노 물질을 연속 투입하여 적층하고, 이어 열가소성 수지를 함침시킨다.
다음으로, 소정 온도로 가열함으로써, 반경화 상태의 프리프레그 형태로 제작할 수 있으며, 롤 형태로 사용할 수 있다.
다른 방법으로서는, 상기 탄소복합재 평판은 열가소성 수지에 탄소 소재 및 전도성 나노물질을 투입하여 완전 경화시킨 형태를 갖도록 제작될 수 있다.
상기 탄소복합재 평판이 완전 경화 형태로 제작될 경우에는, 열가소성 수지에 탄소 소재 및 전도성 나노물질을 투입한 이후 150 ℃ 내지 250 ℃ 정도의 온도에서 완전 경화시켜 제작할 수 있다.
열가소성 수지로 제작된 탄소복합재 평판은 후술하는 바와 같이, 종래의 열경화성 프리프레그와 달리 재사용이 가능하고, 완전 경화 이후에도 소정의 열을 가할 경우, 추가의 가공이 가능하기 때문에, 분리판 제조시 시간과 비용이 절감되는 효과가 있다.
상기 탄소 소재는 일반적으로 사용되는 탄소 재료가 적용될 수 있으며, 이중에서도 보강성 및 가공성 면에서 흑연이 바람직할 수 있다. 또, 상기 흑연은 천연 흑연 또는 합성 흑연일 수 있으며, 상기 합성 흑연은 구상 또는 팽창 흑연일 수 있다.
상기 전도성 나노물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀, 흑연 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상일 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 전도성 나노물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 그래핀, 흑연일 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다.
상기 전도성 나노물질은 입자형, 판형, 인편상 등 그 형상이 특별히 한정되는 것은 아니지만, 1 내지 200 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는 입자인 것이 바람직하다. 전도성 나노물질의 평균 입자 직경이 1 ㎛ 미만이면 전도성 나노물질끼리의 응집 우려가 있고, 전도성 나노물질의 평균 입자 크기가 200 ㎛를 초과하면 성형 및 기체 밀폐도가 저하될 우려가 있다.
상기 전도성 나노물질의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 탄소복합재 100 wt%에 대하여, 40 내지 60 wt%의 함량으로 포함될 수 있다.
상기 열가소성 수지는 특별히 제한되지 않으며, 폴리알킬렌 (예를 들면, 폴리프로필렌(Polypropylene, PP), 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 등), 불소계 중합체(예를 들면, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene Fluoride, PVDF) 등), 아크릴 중합체(예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA) 등), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리에테르에테르케톤(Poly ether ether ketone) 또는 폴리에테르설폰(Polyether sulfone) 등일 수 있다.
상기 열가소성 수지의 함량은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 탄소복합재 100 wt%에 대하여, 10 내지 30 wt%의 함량으로 포함될 수 있다.
다음으로, 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드를 마련하는 단계가 수행된다.
상기 연료전지 분리판 성형용 몰드의 상부 및 하부 내측에는 양각의 채널 패턴이 형성될 수 있으며, 다음 단계로서, 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련한다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드의 상부 및 하부 내측에 양각의 채널 패턴을 미리 형성하고, 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 핫 프레스 또는 마이크로웨이브 성형 공정 등에 의해 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제작할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에서는 상기 탄소복합재 평판이 열가소성 수지를 포함하여 제작되기 때문에, 낮은 온도에서도 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제작할 수 있으며, 열가소성 수지의 특성으로 인해 종래 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그와 달리 재사용이 가능한 장점이 있다.
상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 핫 프레스 공법으로 수행될 수 있다.
상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계가 핫 프레스 공법으로 수행될 경우, 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄소복합재 평판이 열가소성 수지를 포함하여 제작되기 때문에, 상기 열가소성 수지가 경화될 수 있는 온도와 압력만 제공되면, 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제작할 수 있기 때문에, 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계가 50 ℃ 미만에서 수행될 경우, 미경화로 인하여 불량이 발생할 수 있다.
상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 150 ℃의 온도를 초과하여 수행될 수도 있으나, 고온에서 수행할 경우 고비용이 발생할 수 있으며, 분리판의 치수 변형의 문제가 생길 수 있어, 150 ℃ 이하의 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.
핫프레스 공법에서 인가되는 압력은 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 500 kg/cm2 ~ 30,000 kg/cm2 조건에서 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 마이크로웨이브 공법으로 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 상기 탄소복합재 평판이 열가소성 수지를 포함하여 제작되기 때문에, 연료전지 분리판 제작시 고온 및 과도한 압력이 요구되는 것이 아니므로, 마이크로웨이브 공법으로 수행될 수도 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 종래 열경화성 수지를 포함하는 프리프레그와 달리 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재를 이용하여 연료전지 분리판을 제조하기 때문에, 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계가 마이크로웨이브 공법으로 수행될 수 있다는 점에 특징이 있다.
상기 마이크로웨이브 공법은 2000 MHz 이상의 마이크로웨이브(전자기파)를 조사하여, 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재가 경화되며, 상기 마이크로웨이브에 의해 상기 열가소성 수지의 화학 반응을 유도하여 경화가 일어나게 된다.
특히, 자기 공명 흡수에 의한 자체 발열로 인하여, 상기 열가소성 수지의 화학 반응을 유도하며, 이로써 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재가 경화되며, 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제작할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태와 같이, 상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계가 마이크로웨이브 공법으로 수행될 경우, 고온 및 고압 공정이 필요하지 않아 시간과 비용 절감의 효과가 있다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드 내부에서 핫 프레스 공법 또는 마이크로웨이브 공법에 의해 고온 압축함으로써, 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 용이하게 제작할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 탄소 복합재 평판을 열가소성 수지에 탄소 재료 및 전도성 나노물질이 혼합된 형태로 제작하기 때문에, 핫 프레스 공법 또는 마이크로웨이브 공법에 의해 분리판 제작시 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 재사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재 평판을 이용하기 때문에, 불량 발생시에도 재사용이 가능하므로, 시간과 비용의 절감 효과가 있다.
도 2는 도 1의 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법에 의해 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 연료전지 분리판 제조방법에 의해 제조된 연료전지 분리판(100)은 탄소복합재 평판을 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널(110)이 일체로 형성된 구조를 갖는다.
즉, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드 내부에서 핫 프레스 공법 또는 마이크로웨이브 공법에 의해 고온 압축함으로써, 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 용이하게 제작할 수 있다.
특히, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 탄소 복합재 평판을 열가소성 수지에 탄소 재료 및 전도성 나노물질이 혼합된 형태로 제작하기 때문에, 핫 프레스 공법 또는 마이크로웨이브 공법에 의해 분리판 제작시 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 재사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재 평판을 이용하기 때문에, 불량 발생시에도 재사용이 가능하므로, 시간과 비용의 절감 효과가 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따라 본 발명을 보다 구체적으로 설명하나 이에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태에 따른 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제조하기 위하여 우선, 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련한다.
구체적으로, 탄소 소재로서, 탄소 섬유 10 wt%, 전도성 나노물질로서, 탄소나노튜브 60wt%의 혼합재를 폴리프로필렌 재질 열가소성 수지 필름 30 wt%에 함침시킨 후 탄소 복합재 평판을 마련하였다.
다음으로, 상부 금형과 하부 금형 내측에 양각의 채널 패턴이 형성된 연료전지 분리판 성형용 몰드를 제작하고, 상기 탄소 복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입한다.
다음으로, 온도 150 ℃ 및 압력 1000 kg/cm2의 조건에서 핫 프레스 공법을 적용하여 상기 열가소성 수지 포함 탄소 복합재 평판을 성형한다.
이로써, 상기 열가소성 수지 포함 탄소 복합재 평판을 이용하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 제작하였다.
본 발명의 일 실시형태에 따르면, 탄소 복합재 평판을 열가소성 수지에 탄소 재료 및 전도성 나노물질이 혼합된 형태로 제작하기 때문에, 핫 프레스 공법에 의해 분리판 제작시 낮은 온도에서 수행될 수 있으며, 재사용이 가능한 장점이 있다.
또한, 열가소성 수지를 포함하는 탄소 복합재 평판을 이용하기 때문에, 불량 발생시에도 재사용이 가능하므로, 시간과 비용의 절감 효과가 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
100: 연료전지 분리판
110: 채널

Claims (5)

  1. 전도성 나노물질이 함유된 열가소성 수지를 포함하는 탄소복합재 평판을 마련하는 단계;
    내부에 채널 형상을 갖는 연료전지 분리판 성형용 몰드를 마련하는 단계; 및
    상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계;를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 핫 프레스 공법으로 수행되는 연료전지 분리판 제조방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 마이크로웨이브 공법으로 수행되는 연료전지 분리판 제조방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지 분리판 성형용 몰드의 상부 및 하부 내측에는 양각의 채널 패턴이 형성된 연료전지 분리판 제조방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 탄소복합재 평판을 상기 연료전지 분리판 성형용 몰드에 투입하여 채널이 일체로 형성된 연료전지 분리판을 마련하는 단계는 50 ℃ 내지 150 ℃의 온도에서 수행되는 연료전지 분리판 제조방법.
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