KR20230061927A - 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판 및 이의 제조방법 - Google Patents
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판 및 이의 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 초박형 연료전지 분리판은 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함하되, 흑연나노플레이트에 실리콘 카바이드가 결합된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말이 고분자 수지에 분산되어 형성될 수 있다.
이러한 초박형 연료전지 분리판은 우선 고분자 수지를 준비한 다음, 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염을 혼합한 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리하는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되어 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말을 제조하는 단계와, 고분자 수지에 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 분리판을 제조하는 단계를 통하여 제조되는 것을 기술적 요지로 한다.
따라서 연료전지 분리판을 초박형화로 형성 가능하고, 전기적, 기계적 특성이 향상될 뿐만 아니라, 이를 통하여 연료전지 스택의 슬림화를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
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따라서 연료전지 분리판을 초박형화로 형성 가능하고, 전기적, 기계적 특성이 향상될 뿐만 아니라, 이를 통하여 연료전지 스택의 슬림화를 달성할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
Description
본 발명은 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지는 수소, 인산, 메탄올 연료 등을 이용하여 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 에너지원으로써, 미래를 대비하는 가장 유망한 청정 에너지원 중의 하나로 주목받고 있다. 연료전지는 전기를 생성하는 스택, 스택으로 연료를 공급하는 연료 공급부 및 스택으로 산화제를 공급하는 산화제 공급부로 이루어지는 바, 스택의 경우 막전극 조립체와 분리판이 순차적으로 적층된 구조를 이루며, 막전극 조립체는 연료의 산화 및 환원제의 환원 반응을 통해 전기를 생성한다. 이러한 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 및 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 분류된다.
분리판은 연료전지 스택에서 각 전지를 분리하고 있는 전도성 판으로, 인접한 두 전지에서 한 전지에서는 연료극판으로 다른 한 전지에서는 공기극판으로의 기능을 한다. 분리판은 연료가스와 공기를 차단하는 역할 외에 연료가스와 공기의 유로 확보 및 외부 회로에 전류를 전달하는 역할을 하므로, 높은 강도 뿐만 아니라 높은 전기전도성, 열전도성 및 인산에 대한 내식성과 함께 낮은 기체 투과성이 요구된다.
분리판으로는 금속 분리판, 흑연 분리판 및 수지 함침 흑연 분리판 등이 주로 사용되고 있다. 금속 분리판의 경우 생산성이 우수하여 가격 경쟁력이 좋으며, 또한 초박형으로 제조가 가능하나, 전해질 및 산에 의해 부식이 쉽게 발생하여 연료전지 스택의 효율 문제로 인해 장기 내구성에 문제가 있다. 흑연 분리판의 경우 전기전도도 및 산에 대한 저항성이 우수하나, 기공도로 인한 수소 투과율 감소로 장시간 구동 시 연료전지 스택의 문제점을 야기할 수 있으며, 또한 흑연 소재 문제로 인한 크랙으로 인해 2mm 이하의 초박형 분리판을 제조하기 어렵다.
특히 수지 함침 흑연 분리판의 경우 흑연에 수지를 함침하여 기계 가공을 통해 기체 유로를 형성시킨 것으로, 사이즈가 큰 천연흑연을 열간 성형 공정을 이용하여 제조하여 인산에 대한 저항력은 우수하나 수직 방향의 전기비저항이 높아, 경량화를 위한 박막화를 할 경우 강도 저하 및 수직 방향의 열전도도가 좋지 않아 결국 폐열을 이용한 연료전지 효율이 감소되는 단점이 있다.
따라서 전기적 및 기계적 물성을 개선시켜 연료전지 분리판을 초박형으로 제조 가능하고, 이를 통해 연료전지 스택의 슬림화에 기여할 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 고분자 수지에 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판과, 이를 제조하는 방법을 제공하는 것을 기술적 해결과제로 한다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 고분자 수지; 흑연나노플레이트; 및 실리콘 카바이드;를 포함하고, 상기 흑연나노플레이트에 상기 실리콘 카바이드가 결합된 분말 형태로 상기 고분자 수지에 분산되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 분말은, 상기 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염이 혼합된 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리되는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 상기 흑연나노플레이트의 표면에서 상기 실리콘 카바이드가 합성되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 분리판은, 상기 흑연나노플레이트에 상기 실리콘 카바이드가 결합된 분말 20 내지 80중량%가 상기 고분자 수지 20 내지 80중량%에 분산된 후 열간 성형을 통하여 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 분리판의 두께는, 0.1 내지 2mm 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 흑연나노플레이트의 크기는, 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
상기의 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 고분자 수지를 준비하고, 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염을 혼합한 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리하는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 상기 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되는 분말을 제조하는 단계; 및 상기 고분자 수지에 상기 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 분리판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 분리판을 제조하는 단계는, 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되어 결합된 분말 20 내지 80중량%를 상기 고분자 수지 20 내지 80중량%에 분산시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 열간 성형된 분리판의 두께는, 0.1 내지 2mm 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 흑연나노플레이트의 크기는, 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의한 본 발명에 따르면, 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 흑연나노플레이트에 실리콘 카바이드가 화학적으로 결합된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 수득한 후 고분자 수지 내에 균일 분산함으로써, 실리콘 카바이드에 의해 강화된 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체로 구성될 수 있도록 하여 기계적 특성이 향상된 초박형 연료전지 분리판을 제조할 수 있으며, 이를 통해 연료전지 스택의 슬림화에 기여할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 나타낸 사진.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드가 복합체로 구성된 연료전지 분리판의 파단면을 나타낸 SEM 사진.
도 3은 본 발명에 따른 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 예시도.
도 4는 실시예 1에 따라 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 SEM 사진.
도 5는 비교예 3에 따라 합성된 천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 SEM 사진.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 사진.
도 7은 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 사진.
도 8은 실시예 1 내지 4와, 비교예 1 내지 3에 따른 FEP 고분자 수지를 나타낸 SEM 사진.
도 9는 실시예 1 내지 4에 따른 흑연나노플레이트를 나타낸 SEM 사진.
도 10은 비교예 2 및 3에 따른 천연흑연을 나타낸 SEM 사진.
도 11은 실시예 4에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 나타낸 사진.
도 12는 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 나타낸 사진.
도 2는 본 발명에 따른 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드가 복합체로 구성된 연료전지 분리판의 파단면을 나타낸 SEM 사진.
도 3은 본 발명에 따른 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 예시도.
도 4는 실시예 1에 따라 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 SEM 사진.
도 5는 비교예 3에 따라 합성된 천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말을 나타낸 SEM 사진.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 사진.
도 7은 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판을 나타낸 사진.
도 8은 실시예 1 내지 4와, 비교예 1 내지 3에 따른 FEP 고분자 수지를 나타낸 SEM 사진.
도 9는 실시예 1 내지 4에 따른 흑연나노플레이트를 나타낸 SEM 사진.
도 10은 비교예 2 및 3에 따른 천연흑연을 나타낸 SEM 사진.
도 11은 실시예 4에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 나타낸 사진.
도 12는 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 나타낸 사진.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명을 설명하기에 앞서, 일반적으로 연료전지 분리판은 수소연료를 수송하기 위해 전기전도도 및 폐열을 이용한 발전 설비로 수평 및 수직 전도도가 우수한 특성이 요구되고 있다. 이에, 본 발명에서는 고분자 수지에 용융염 반응(molten salt reaction)으로 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말 즉, 복합 분말을 첨가하여 분산 및 구조 제어를 통해 초박형 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 기반 연료전지 분리판을 제공함으로써 전기적 및 기계적 물성을 개선하고자 한다.
본 발명은 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함하여 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판에 관한 것으로, 본 발명에 따른 연료전지 분리판을 사진으로 나타낸 도 1에 도시된 바와 같이, 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함하되, 흑연나노플레이트의 표면에 실리콘 카바이드가 합성되어 화학적으로 결합된 복합 분말 상태로 고분자 수지에 분산된 후 열간 성형됨으로써 1mm 수준의 초박형으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 분리판의 두께가 1mm 수준으로 형성될 수 있음을 알 수 있으며, 바람직하게는 열간 성형되어 형성되는 분리판의 두께 범위는 0.1 내지 2mm일 수 있으며, 0.1mm 미만이면 분리판으로의 역할을 제대로 수행하지 못하는 단점이 있으며, 2mm를 초과하면 분리판을 초박형화할 수 없기 때문에 바람직하지 않다. 또한 도 1에 나타낸 분리판에는 MCT 가공기를 이용하여 유로(P)가 형성됨을 확인할 수 있다.
즉 본 발명의 연료전지 분리판은 흑연나노플레이트에 용융염 반응을 이용하여 흑연나노플레이트의 표면에 실리콘 카바이드를 합성하고, 이렇게 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 고분자 수지 내에 분산하여 전기적, 기계적 특성이 우수하고, 특히 실리콘 카바이드로 인하여 분리판의 경도 및 가공성이 개선되어 초박형 분리판을 얻을 수 있게 된다.
관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드가 복합체로 구성된 연료전지 분리판의 파단면을 SEM 사진으로 나타낸 것으로, 도 2에 따르면, 용융염 반응으로 합성된 실리콘 카바이드 입자가 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체 내에 균일하게 분산되어 기계적 특성을 개선할 수 있게 된다. 특히 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체의 기계적 특성이 향상될 수 있는 이유는, 고분자 수지 매트릭스에서 실리콘 카바이드 입자의 균일한 분산과, 흑연나노플레이트와 실리콘 카바이드 입자 간의 강한 화학적 결합 때문이라 할 수 있다.
고분자 수지는 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되어 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말이 분산될 수 있는 매트릭스가 될 수 있다. 고분자 수지는 고내열성 고분자일 수 있으며, 이를 통해 예컨대, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)에서의 효율 증대를 가져올 수 있게 된다.
고내열성 고분자로는 플루오르화 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설포네이트(polyethersulfone), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에테르에텔케톤(polyetherether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 플루오르카몬 폴리머(fluorocarbon polymer), 액정폴리머(liquid crystal polymer), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinyldene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 이중 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 균일한 분산이 용이하도록 플루오르화 에틸렌-프로필렌(FEP)을 사용할 수 있다.
이러한 고분자 수지에 분산되는 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 경우, 본 발명에 따른 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 예시도로 나타낸 도 3을 통하여 확인될 수 있다.
흑연은 95% 이상의 탄소로 구성되어 유연성이 있으며, 고분자 수지와 소성 변형이 가능한 물질로써 가공성이 좋은 장점이 있다. 하지만 큰 흑연 분말의 단점을 개선하기 위하여 흑연보다 두께가 아주 얇은 흑연나노플레이트를 사용함으로써, 도 3에서와 같은 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말이 고분자 수지 내에서 분산이 용이해져 전기적 및 기계적 특성을 개선시킬 수 있으며, 또한 흑연나노플레이트의 배향(orientation)에 따라 수직 전기전도도가 개선된 초박형 분리판을 형성할 수 있게 된다.
흑연나노플레이트의 크기는 1 내지 100㎛ 범위일 수 있다. 흑연나노플레이트의 결정 크기가 1㎛ 미만이면 실리콘 카바이드가 합성될 수 있는 충분한 면적을 제공하지 못하여 바람직하지 못하고, 100㎛를 초과하면 용융염 반응이 이루어지는 와중에 흑연나노플레이트 결정의 조대화가 발생할 수 있어 오히려 실리콘 카바이드와 강한 화학적 결합을 이루지 못하는 문제점이 있다. 실리콘 카바이드와의 원활한 결합을 이루어 고분자 수지에 균일 분산이 이루어지도록 흑연나노플레이트의 크기는 30 내지 80㎛ 범위인 것이 가장 바람직하다.
실리콘 카바이드는 큐빅 구조를 갖는 베타 상과 헥사고날 또는 롬보헤드랄 상을 갖는 알파 상 등 다양한 형태로 존재한다. 베타 상의 경우 저온에서 안정하며, 약 2,000℃ 이상의 고온에서는 알파 상으로 상 변태가 이루어진다. 실리콘 카바이드는 상온 및 고온의 기계적 특성이 우수하여, 연료전지 분리판과 같이 고온에서 장시간 노출되는 조건에서 우수한 내열성과 기계적 특성을 보여줄 수 있게 된다.
한편, 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함하는 연료전지 분리판은, 고분자 수지를 준비하고, 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염 분말을 혼합한 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리하는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되는 분말을 제조하는 단계(S10)와, 고분자 수지에 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 분리판을 제조하는 단계(S20)를 통하여 제조될 수 있다.
상술한 제조방법에 따르면 먼저, 고분자 수지를 준비하고, 이와 별도로 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염을 혼합한 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리하는 용융염 반응을 통하여 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되는 분말을 제조한다(S10).
앞서 기술했다시피, 고분자 수지는 플루오르화 에틸렌-프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설포네이트(polyethersulfone), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에테르에텔케톤(polyetherether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 플루오르카몬 폴리머(fluorocarbon polymer), 액정폴리머(liquid crystal polymer), 플루오르화 폴리비닐리덴(polyvinyldene fluoride), 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE) 및 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA)로 이루어진 군으로부터 1종 이상의 고내열성 고분자를 선택하여 사용할 수 있다.
고분자 수지와는 별도로, 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염 분말을 2 내지 8 : 0.1 내지 2 : 4 내지 6의 중량비율로 준비해 고속 혼합기를 이용하여 3,000 내지 25,000RPM의 속도로 혼합하여 혼합 분말을 형성한다. 이때 염 분말의 경우 염화칼슘(CaCl2)과 같이 염의 성질을 띄어 용융염 반응이 이루어질 수 있도록 하는 것이라면 다양하게 사용할 수 있다.
흑연나노플레이트가 2중량비율 미만으로 혼합하면 실리콘 카바이드가 합성되더라도 실리콘 카바이드가 흑연나노플레이트와 화학적 결합을 이루지 못하며, 8중량비율을 초과하면 실리콘 및 염 분말과의 혼화율이 좋지 못할 뿐만 아니라 흑연나노플레이트의 응집 현상이 발생하는 단점이 있다. 실리콘 분말이 0.1중량비율 미만으로 첨가되면 실리콘 카바이드의 합성량이 저하되는 단점이 있고, 2중량비율을 초과하면 실리콘 카바이드로 합성되지 못하고 남은 실리콘 분말이 잔류하기 때문에 연료전지 분리판 제조 시 분리판 내에 실리콘 분말이 이물질로 존재하게 되어 제품성이 없게 되는 문제점이 있다. 염 분말의 경우 용융염 반응이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 4중량비율 미만으로 첨가되면 용융염 반응이 충분히 실시되지 않아 바람직하지 않으며, 6중량비율을 초과하면 예상치 못한 반응이 수반될 수 있어 실리콘 카바이드의 합성에 방해가 된다.
이렇게 준비된 흑연나노플레이트, 실리콘 분말 및 염 분말을 3,000RPM 미만의 속도로 혼합하면 균일 혼합이 이루어지는데 까지 많은 시간이 소요되어 비효율적인 공정이 되고, 25,000RPM를 초과하는 속도로 혼합하면 오히려 과반응이 동반될 수 있어 바람직하지 않다. 이에 3,000 내지 25,000RPM의 속도 범위로 혼합하는 것이 바람직하다.
3,000 내지 25,000RPM 하에서 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염 분말이 2 내지 8 : 0.1 내지 2 : 4 내지 6의 중량비율로 혼합된 혼합 분말을 산소가 제거된 진공 분위기에서 1,000 내지 2,000℃에서 30분 내지 2시간 동안 열처리하여 용융염 반응을 일으킬 수 있다. 용융염 반응 시, 1,000℃ 미만이거나 30분 미만으로 진행하면 실리콘 카바이드가 합성되는 시간이 많이 소모될 수 밖에 없고 2,000℃를 초과하거나 2시간을 초과하면 실리콘 카바이드 외에 부수 생성물이 만들어질 수 있어 바람직하지 않다.
이어서 용융염 반응을 통하여 만들어진 합성 분말 내의 염을 제거하기 위하여 합성 분말을 증류수로 1회 이상 세척한 후 100 내지 150℃에서 20 내지 30시간 동안 건조하여 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 수득할 수 있다. 건조 시 100℃ 미만이거나 20시간 미만이 되면 합성 분말 내에 존재하는 염이 완전히 제거되지 않아 분리판 제조 시 이물질로 잔류하는 문제점이 발생하고, 150℃를 초과하거나 30시간을 초과하면 그 이하의 조건으로 건조한 것과 대비하여 탁월한 효과가 없으므로, 150℃ 또는 30시간을 초과하여 건조시킬 필요성이 없다.
다음으로, 고분자 수지에 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 분리판을 제조한다(S20).
즉 앞서 용융염 반응 후 건조된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 고분자 수지에 분산 혼합한 후, 350 내지 400℃에서 10 내지 50MPa 압력으로 30분 내지 2시간 동안 열간 성형기를 이용하여 열간 성형함으로써 초박형 분리판을 제조할 수 있다.
흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말은 20 내지 80중량%로 고분자 수지에 분산될 수 있으며, 고분자 수지는 20 내지 80중량%로 준비될 수 있다. 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말이 20중량% 미만이거나 고분자 수지가 80중량%를 초과하면 연료전지 분리판에 기계적, 전기적 특성을 부여하기에 미미하며, 분리판을 초박형으로 제조하기도 어려워진다. 반면, 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말이 80중량%를 초과하거나 고분자 수지가 20중량% 미만인 경우, 고분자 수지의 양이 너무 적어 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말이 고분자 수지 내에서 분산되지 못하고 응집되는 현상이 발생하는 단점이 있다.
충분한 열간 성형이 되기 위해서는 350 내지 400℃에서 10 내지 50MPa 압력으로 30분 내지 2시간 동안 실시되는 것이 바람직한 바, 350℃ 미만이거나 10MPa 압력 미만이거나 30분 미만으로 열간 성형하면 연료전지 분리판이 초박형으로 제조되더라도 기계적 강도를 갖지 못할 수 있으며, 400℃를 초과하거나 50MPa 압력을 초과하거나 2시간을 초과하게 되면 열간 성형하는 와중에 분리판에 크랙과 같은 불량 현상이 발생할 수 있으므로 바람직하지 않다.
상기 방법에 따르면, 흑연나노플레이트에 용융염 반응을 이용하여 실리콘 카바이드 분말을 합성하고, 이렇게 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 고분자 수지 내에 분산시켜 열간 성형함으로써, 전기적 및 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라, 실리콘 카바이드 분말로 인하여 연료전지 분리판의 경도가 개선되어 초박형 연료전지 분리판의 가공성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 실시예를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. 단, 이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 이에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
<실시예 1>
FEP-GnP-SiC의 합성
1-1. 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 제조
흑연나노플레이트로 GnP(D50 = 40㎛, C-therm011, Imerys Graphte & Carbn)를 준비하고, 실리콘 카바이드 합성을 위해 실리콘 분말(500nm; T200-099; TASCO)을 준비하며, 바인더로써 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지를 준비하였다.
즉 흑연나노플레이트, 실리콘, CaCl2 분말을 5 : 1 : 5의 중량비율로 고속 혼합기(Tube mill 100 control, IKA, Germany)를 이용하여 20,000rpm으로 혼합하였다. 이후, 진공 분위기에서 1,500℃로 1시간 동안 열처리를 진행하여 용융염 반응을 일으켰으며, 이어서 합성된 분말 내에 CaCl2를 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 120℃에서 24시간 동안 건조하여 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 제조하였다.
1-2. 분리판의 제조
흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말 20중량%와, FEP 고분자 수지 80중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<실시예 2>
FEP-GnP-SiC의 합성
2-1. 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 제조
실시예 1-1과 동일하게 흑연나노플레이트로 GnP(D50 = 40㎛, C-therm011, Imerys Graphte & Carbn)를 준비하고, 실리콘 카바이드 합성을 위해 실리콘 분말(500nm; T200-099; TASCO)을 준비하며, 바인더로써 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지를 준비하였다.
즉 흑연나노플레이트, 실리콘, CaCl2 분말을 5 : 1 : 5의 중량비율로 고속 혼합기(Tube mill 100 control, IKA, Germany)를 이용하여 20,000rpm으로 혼합하였다. 이후, 진공 분위기에서 1,500℃로 1시간 동안 열처리를 진행하여 용융염 반응을 일으켰으며, 이어서 합성된 분말 내에 CaCl2를 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 120℃에서 24시간 동안 건조하여 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 제조하였다.
2-2. 분리판의 제조
실시예 1-2와 달리, 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말 40중량%와, FEP 고분자 수지 60중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<실시예 3>
FEP-GnP-SiC의 합성
3-1. 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 제조
실시예 1-1과 동일하게 흑연나노플레이트로 GnP(D50 = 40㎛, C-therm011, Imerys Graphte & Carbn)를 준비하고, 실리콘 카바이드 합성을 위해 실리콘 분말(500nm; T200-099; TASCO)을 준비하며, 바인더로써 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지를 준비하였다.
즉 흑연나노플레이트, 실리콘, CaCl2 분말을 5 : 1 : 5의 중량비율로 고속 혼합기(Tube mill 100 control, IKA, Germany)를 이용하여 20,000rpm으로 혼합하였다. 이후, 진공 분위기에서 1,500℃로 1시간 동안 열처리를 진행하여 용융염 반응을 일으켰으며, 이어서 합성된 분말 내에 CaCl2를 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 120℃에서 24시간 동안 건조하여 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 제조하였다.
3-2. 분리판의 제조
실시예 1-2와 달리, 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말 60중량%와, FEP 고분자 수지 40중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<실시예 4>
FEP-GnP-SiC의 합성
4-1. 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말의 제조
실시예 1-1과 동일하게 흑연나노플레이트로 GnP(D50 = 40㎛, C-therm011, Imerys Graphte & Carbn)를 준비하고, 실리콘 카바이드 합성을 위해 실리콘 분말(500nm; T200-099; TASCO)을 준비하며, 바인더로써 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지를 준비하였다.
즉 흑연나노플레이트, 실리콘, CaCl2 분말을 5 : 1 : 5의 중량비율로 고속 혼합기(Tube mill 100 control, IKA, Germany)를 이용하여 20,000rpm으로 혼합하였다. 이후, 진공 분위기에서 1,500℃로 1시간 동안 열처리를 진행하여 용융염 반응을 일으켰으며, 이어서 합성된 분말 내에 CaCl2를 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 120℃에서 24시간 동안 건조하여 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 제조하였다.
4-2. 분리판의 제조
실시예 1-2와 달리, 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말 80중량%와, FEP 고분자 수지 20중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<비교예 1>
FEP-GnP의 합성
1-1. 흑연나노플레이트 분말의 제조
흑연나노플레이트로 GnP(D50 = 40㎛, C-therm011, Imerys Graphte & Carbn)를 준비하여 분말 상태로 제조하였다.
1-2. 분리판의 제조
흑연나노플레이트 80중량%와 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지 20중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<비교예 2>
FEP-GF의 합성
2-1. 천연흑연 분말의 제조
비교예 1에서와는 달리, 천연흑연(D50 = 500㎛, #3763, Asbury)을 분말 상태로 준비하였다.
2-2. 분리판의 제조
천연흑연(D50 = 500㎛, #3763, Asbury) 80중량%와 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지 20중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판을 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 분리판에 유로를 형성하였다.
<비교예 3>
FEP-GF-SiC의 합성
3-1. 천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말의 제조
흑연나노플레이트로 천연흑연(D50 = 500㎛, #3763, Asbury)을 준비하고, 실리콘 카바이드 합성을 위해 실리콘 분말(500nm; T200-099; TASCO)을 준비하며, 바인더로써 플루오르화 에틸렌-프로필렌(D50 = 5㎛, FEP, 6322PZ, 3M) 고분자 수지를 준비하였다.
즉 천연흑연, 실리콘, CaCl2 분말을 5 : 1 : 5의 중량비율로 고속 혼합기(Tube mill 100 control, IKA, Germany)를 이용하여 5,000rpm으로 혼합하였다. 이후, 진공 분위기에서 1,500℃로 1시간 동안 열처리를 진행하여 용융염 반응을 일으켰으며, 이어서 합성된 분말 내에 CaCl2를 제거하기 위하여 증류수로 세척한 후 120℃에서 24시간 동안 건조하여 천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말을 제조하였다.
3-2. 분리판의 제조
천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말 80중량%와, FEP 고분자 수지 20중량%를 혼합한 후 380℃에서 30MPa의 압력으로 1시간 동안 열간 성형기(일신오토클레이브, 한국)를 이용하여 분리판 형상으로 성형하였다.
제조된 분리판에 MCT 가공기(ROBODRILL α-D211iA5; FANUC, Oshino, Japan) (with a 500-μm rib, 500-μm channel, and 300-μm depth.)를 이용하여 유로를 형성하였다.
도 4는 실시예 1에 따라 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합 분말을 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 5는 비교예 3에 따라 합성된 천연흑연-실리콘 카바이드 복합 분말을 SEM 사진으로 나타낸 것이다. 도 4 및 도 5에서와 같이, 용융염 반응으로 합성된 분말의 SEM 사진을 확인한 결과, 박리된(exfoliated) 흑연나노플레이트(GnP) 및 결정 크기가 큰 천연흑연에 실리콘 카바이드 분말이 잘 합성됨을 알 수 있다.
도 6은 실시예 1에 따라 제조된 연료전지 분리판을 사진으로 나타낸 것으로, 도 6을 참조하면 유로가 형성된 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체의 경우 MCT로 가공 후 유로 형성이 가능한 1mm 수준의 초박형 연료전지 분리판의 제조가 가능하였으며, 굴곡강도 및 경도 개선으로 가공성이 우수하였다.
도 7은 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판을 사진으로 나타낸 것이다. 도 7을 참조하면, 결정 크기가 큰 천연흑연이 사용되면 유로 가공 후 가공성 저하로 인하여 표면에 bur가 발생하여 연료전지 분리판의 표면이 불량함이 확인된다.
<시험예 1>
본 시험예에서는 흑연나노플레이트 및 천연흑연의 X선 회절(XRD)을 분석해 보았다. 이를 위해 우선 실시예 1 내지 4, 그리고 비교예 1 내지 3에서 사용된 FEP 고분자 수지, 실시예 1 내지 4, 비교예 1에서 사용된 흑연나노플레이트, 비교예 2 및 3에서 사용된 천연흑연 각각의 SEM 사진을 촬영하였다.
도 8은 실시예 1 내지 4와, 비교예 1 내지 3에 따른 FEP 고분자 수지를 SEM 사진으로 나타낸 것이고, 도 9는 실시예 1 내지 4, 비교예 1에 따른 흑연나노플레이트를 SEM 사진으로 나타낸 것이며, 도 10은 비교예 2 및 3에 따른 천연흑연을 SEM 사진으로 나타낸 것이다.
도 8을 참조하면 고분자 수지의 FEP 분말의 크기는 대량 8 내지 10㎛(평균적으로 약 9㎛) 범위임을 확인할 수 있고, 도 9를 참조하면 흑연나노플레이트의 경우 30 내지 80㎛ 크기를 갖는 입자 형태가 확인되며, 도 10을 참조하면 천연흑연의 경우 입자 크기가 400 내지 600㎛ 범위임을 알 수 있다. 이에, 흑연나노플레이트(GnP)와 천연흑연(GF)의 X선 회절(XRD)을 분석한 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
| crystalline parameters | ||||
| La(nm) | Lc(nm) | d002(Å) | N | |
| GnP | 488.11 | 200.50 | 3.359 | 61 |
| GF | 569.27 | 595.54 | 3.349 | 161 |
표 1에서와 같이, 2종의 흑연소재 즉, 흑연나노플레이트 및 천연흑연의 XRD 분석에 따른 결과를 나타냄을 확인할 수 있으며, 천연흑연의 경우 큰 결정 크기를 가짐과 동시에 높은 적층 수를 가지는 반면, 흑연나노플레이트의 경우 결정 크기는 크지만 적층 수가 상대적으로 적은 것이 확인된다. 이에 따라 흑연나노플레이트의 박리성이 우수하여 높은 비표면적을 가지는 것으로 확인되었다.
<시험예 2>
본 시험예에서는 실시예 1 내지 4에서 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체의 함량에 따른 물성 즉, 전기비저항, 굴곡강도 및 경도 변화를 분석해 보았다. 전기비저항의 경우 30 × 30 × 30mm 크기의 분리판 샘플을 4 포인트 probe 방식으로 측정하였고, 굴곡강도는 50 × 4 × 3mm의 샘플 크기로 ASTM D790 규격을 이용하여 각 샘플 당 5회 측정하여 평균값으로 계산하였으며, 경도는 shore D 스케일로 측정하였으며, 각 샘플 당 5회 측정하여 평균값으로 계산하였다. 이에 따른 결과는 하기 표 2에 나타내었다.
| 전기비저항(mΩ·cm) | 굴곡강도(MPa) | 경도(shore D) | |
| 실시예 1 | 300 | 40 | 44 |
| 실시예 2 | 17 | 46 | 42 |
| 실시예 3 | 6 | 53 | 40 |
| 실시예 4 | 5 | 48 | 39 |
표 2를 참조하면, 흑연나노플레이트 함량이 증가할수록 입자 간 네트워트 구조가 향상되어 전기비저항이 증가되고, 실시예 3 및 실시예 4에서는 포화(saturation)됨을 알 수 있다. 굴곡강도의 경우 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3까지는 증가하고, 실시예 4에서는 감소되었는데, 이는 흑연나노플레이트가 응집되어 버리기 때문에 굴곡강도가 감소된 것으로 확인되었다. 또한, 보통 흑연재료의 경우 경도가 낮으므로, 흑연의 함량이 증가할수록, 즉 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 복합체의 함량이 증가할수록 shore 경도가 감소하는 경향을 보였다.
<시험예 3>
본 시험예에서는 실시예 4 대비 비교예 1 내지 3에 따른 전기비저항, 굴곡강도 및 경도를 분석해 보았으며, 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. 측정 방법은 시험예 2와 동일한 방법으로 진행되었다.
| 전기비저항(mΩ·cm) | 굴곡강도(MPa) | 경도(shore D) | |
| 실시예 4 (FEP-GnP-SiC) |
4.9 | 48 | 39 |
| 비교예 1 (FEP-GnP) |
1.8 | 38 | 32 |
| 비교예 2 (FEP-GF) |
4.1 | 15 | 6 |
| 비교예 3 (FEP-GF-SiC) |
5.7 | 30 | 13 |
표 3을 참조하면, 실시예 4에 있어서, 비교예 1에 비해 전기적 특성이 흑연보다 낮은 실리콘 카바이드로 인하여 전기비저항이 증가하지만, 실리콘 카바이드로 인하여 굴곡강도 및 경도가 개선됨을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 4는 실리콘 카바이드로 인하여 비교예 2에 비해 전기비저항이 미미하게 증가하고 굴곡강도 및 경도가 월등히 개선됨이 확인되었다. 또한 실시예 4는 비교예 3의 천연흑연(GF)에 비해 전기비저항이 낮으나 실리콘 카바이드로 인하여 비교예 3 대비 굴곡강도 및 경도가 개선됨을 알 수 있었다.
<시험예 4>
본 시험예에서는 흑연 배향에 따른 수평 및 수직 전기비저항과, 굴곡강도를 분석에 보았으며, 그 결과를 하기 표 4에 나타내었다.
| 수평 전기비저항(mΩ·cm) | 수직 전기비저항(mΩ·cm) | 굴곡강도(MPa) | |
| 실시예 4 (FEP-GnP-SiC) |
4.887 | 45.17 | 39.8 |
| 비교예 3 (FEP-GF-SiC) |
5.691 | 69.11 | 13.0 |
일반적으로 이축 가압 열간 성형을 할 경우 가해준 압력의 수직 방향으로 입자 간 배열이 이루어진다. 비교예 3의 경우 입자 크기가 크며 우수한 배향성을 가지며, 이로 인해 이방적 특성을 갖는 것으로 확인된다. 반면, 실시예 4의 경우 수평 전기비저항이 낮음과 동시에 수직 전기비저항도 우수한 것으로 확인되었다. 이에 수직 및 수평의 전기전도도가 우수함을 알 수 있다.
굴곡강도의 경우, 입자 크기가 작은 흑연나노플레이트(GnP)를 첨가할 경우 높은 비표면적으로 인해 크랙 전파 길이가 증가되어져 강도가 향상되며, 또한 첨가된 실리콘 카바이드의 높은 기계적 특성으로 인하여 굴곡강도가 향상된 것으로 확인되었다.
관련하여, 도 11은 실시예 4에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 사진으로 나타낸 것이고, 도 12는 비교예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판의 미세구조를 사진으로 나타낸 것이다. 상세히 도 11에서는 고분자 수지-흑연나노플레이트-실리콘 카바이드가 복합체로 구성된 연료전지 분리판의 미세구조를 확인할 수 있으며, 도 12에서는 고분자 수지-천연흑연-실리콘 카바이드가 복합체로 구성된 연료전지 분리판의 미세구조를 확인할 수 있다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 입자 크기가 천연흑연에 비해 상대적으로 작은 흑연나노플레이트가 사용된 경우 상대적으로 랜덤하게 분포하고 있는 반면, 흑연나노플레이트에 비해 상대적으로 결정 크기가 큰 천연흑연이 사용된 경우 가압 방향의 수직 방향으로 배향되어져 있는 것을 관찰할 수 있다.
정리하면, 상술한 실시예 및 시험예의 결과로부터 종래 수지 함침 흑연 분리판과 같은 비교예 2와 같이, 사이즈가 큰 천연흑연을 열간 성형 공정을 이용하여 분리판을 제조할 경우 인산에 대한 저항력은 우수하나 전기비저항이 높아 경량화를 위하여 박막화를 하게 되면 강도 저하 및 수직 방향의 열전도도가 좋지 않아 폐열을 이용한 에너지 효율이 감소되는 단점이 있음을 알 수 있다.
또한, 비교예 3에서와 같이 강도 개선을 위하여 실리콘 카바이드 분말을 합성하여 사용함에 있어서, 박리가 잘 되지 않는 천연흑연의 바깥 부분에만 실리콘 카바이드 분말이 합성되어 연료전지 분리판의 물성 개선에 다소 미미함이 확인되었다.
비교예 2 및 3 처럼 결정 사이즈가 큰 천연흑연 분말의 단점을 개선하기 위하여 흑연나노플레이트(GnP)를 사용하면 고분자 수지 내에서 박리 및 분산이 용이하여 전기적 및 기계적 특성을 개선할 수 있고, 또한 흑연나노플레이트의 배향 및 배열에 따라 수직 전기전도도가 개선될 수 있으며, 특히 초박형 연료전지 분리판의 제조가 가능하게 되는 것이다.
따라서 본 발명은 실시예 1 내지 4에서와 같이 흑연나노플레이트에 용융염 반응을 이용하여 실리콘 카바이드 분말을 합성하고, 이렇게 합성된 흑연나노플레이트-실리콘 카바이드 분말을 고분자 수지 내에 분산함으로써, 전기적, 기계적 특성이 우수하고, 실리콘 카바이드 분말로 인하여 분리판의 경도를 개선시킬 수 있으며, 이에 따라 가공성이 개선되어 연료전지에 적용되는 초박형 분리판을 효율적으로 제조할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
P: 유로
Claims (9)
- 고분자 수지;
흑연나노플레이트; 및
실리콘 카바이드;를 포함하고,
상기 흑연나노플레이트에 상기 실리콘 카바이드가 결합된 분말 형태로 상기 고분자 수지에 분산되어 형성되는 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판. - 제1항에 있어서,
상기 분말은, 상기 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염이 혼합된 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리되는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 상기 흑연나노플레이트의 표면에서 상기 실리콘 카바이드가 합성되어 형성되는 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판. - 제1항에 있어서,
상기 분리판은, 상기 흑연나노플레이트에 상기 실리콘 카바이드가 결합된 분말 20 내지 80중량%가 상기 고분자 수지 20 내지 80중량%에 분산된 후 열간 성형을 통하여 형성되는 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판. - 제1항에 있어서,
상기 분리판의 두께는, 0.1 내지 2mm 범위인 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판. - 제1항에 있어서,
상기 흑연나노플레이트의 크기는, 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판. - 고분자 수지를 준비하고, 흑연나노플레이트, 실리콘 및 염을 혼합한 후 1,000 내지 2,000℃에서 열처리하는 용융염 반응(molten salt reaction)을 통하여 상기 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되는 분말을 제조하는 단계; 및
상기 고분자 수지에 상기 분말을 분산시킨 후 열간 성형하여 분리판을 제조하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 분리판을 제조하는 단계는, 흑연나노플레이트의 표면에서 실리콘 카바이드가 합성되어 결합된 분말 20 내지 80중량%를 상기 고분자 수지 20 내지 80중량%에 분산시키는 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 열간 성형된 분리판의 두께는, 0.1 내지 2mm 범위인 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판의 제조방법. - 제6항에 있어서,
상기 흑연나노플레이트의 크기는, 1 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는,
고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판의 제조방법.
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| KR1020210146679A KR20230061927A (ko) | 2021-10-29 | 2021-10-29 | 고분자 수지, 흑연나노플레이트 및 실리콘 카바이드를 포함한 전기전도도가 우수한 초박형 연료전지 분리판 및 이의 제조방법 |
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| KR (1) | KR20230061927A (ko) |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102124055B1 (ko) | 2013-11-04 | 2020-06-17 | 삼성전자주식회사 | 인산염을 포함하는 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 |
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|---|---|---|---|---|
| KR102124055B1 (ko) | 2013-11-04 | 2020-06-17 | 삼성전자주식회사 | 인산염을 포함하는 연료전지 분리판 및 이를 포함하는 연료전지 스택 |
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