KR20040046826A - 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질연료 전지용 분리판과 그 제조방법, 및 이를 채용한고분자 전해질 연료 전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 고분자 또는 탄소에 고분자 물질을 첨가한 형태인 탄소 복합체를 주 재질로 하여 분리판을 제조함으로써, 경량화 및 박막화가 가능하고, 부식을 방지할 수 있으며, 나아가 간단한 제조공정으로 제조단가를 저감시킬 수 있는, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판, 그 제조방법, 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료 전지에 관한 것으로,

본 발명에 의한 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 제조되는 고분자 전해질 연료 전지용 분리판으로, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 것이고, 상기 탄소 복합체는 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 것임을 특징으로 한다.

Description

전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판과 그 제조방법, 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료 전지 {SEPARATOR OF THE POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL USING CONDUCTIVE POLYMER OR CARBON COMPOSITE, METHOD FOR PREPARING THE SAME, AND POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL COMPRISING THE SAME}

본 발명은 고분자 전해질 연료 전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell)용 분리판 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 전도성 고분자 또는 탄소에 고분자 물질을 첨가한 형태인 탄소 복합체를 주 재질로 하여 분리판을 제조함으로써, 경량화 및 박막화가 가능하고, 부식을 방지할 수 있으며, 나아가 간단한 제조공정으로 제조단가를 저감시킬 수 있는, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판과 그 제조방법, 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료 전지에 관한 것이다.

일반적으로 고분자 전해질 연료 전지란 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하고 있는 연료 전지를 말하는데, 고분자 전해질 연료 전지는 연료인 순수 수소 또는 메탄올과 산화제인 순수 산소 또는 공기의 전기화학적 반응에 의해 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 에너지 변환장치이다.

상기 고분자 전해질 연료 전지에는 고체 고분자 전해질 연료 전지(SPEFC)와 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)가 있으며, 이러한 고분자 전해질 연료 전지의 단위전지의 기본구조는 고분자 전해질 막을 중심으로 양쪽에 귀금속 촉매가 입혀진 다공질의 공기극과 연료극이 존재하며, 그 외부에는 반응 기체 통로 및 집전체 역할을 하는 분리판이 위치하는 형태이다.

통상, 전극에서의 촉매는 표면적이 큰 탄소 분말에 미세 입자 형태의 백금 또는 백금-루테늄이 담지된 촉매를 이용하며, 상기 고분자 전해질 연료 전지용 전극은 탄소에 백금 또는 백금-루테늄이 담지된 촉매와 이온 전도성을 가지는 이오노머의 혼합물을 발수 처리된 다공성의 탄소 종이 상부에 얇게 도포하여 제조한다.

상기 촉매를 도포하는 방법으로는 스프레이 코팅법, 여과방법, 스크린 프린팅법 등이 주로 사용되며, 이렇게 제조된 두 전극 사이에 상용 전해질 막인 나피온(NafionTM membrane, Du Pont사 제품) 전해질 막을 위치시킨 후, 전해질의 유리전이온도 이상, 일정 압력 하에서 핫 프레싱하여 막-전극 접합체(MEA)를 제조한다.

상기 분리판은 양극판 또는 유로판으로도 알려져 있는데, 전극을 지지하는 역할, 연료와 산화제를 공급해 주는 통로 역할, 전지의 운전 중에 생기는 과잉의 물을 제거해 주는 통로 역할, 및 연료극에서 생성된 전자를 공기극 쪽으로 제공해주는 집전판 역할을 한다. 또한, 분리판 내부에 냉각수를 공급하는 유로를 형성시켜 냉각판 역할을 하여 연료 전지의 운전 중에 발생하는 폐열을 제거함으로써 온도조절의 기능을 하기도 한다.

최근, 가장 많이 사용되고 있는 분리판의 재질은 그라파이트로써, 그라파이트는 전기 전도성 및 내부식성이 우수하며, 미합중국 특허 제4,175,165호에서는 연료 전지의 분리판으로서 그라파이트를 사용하여 연료 전지의 스택을 구성하는 방법을 개시하였다.

그러나, 분리판을 그라파이트로 사용할 경우 재료가 고가이며, 기체 유로 형성시 기계적 가공을 필요로 하기 때문에 가격이 상승하는 단점이 있다. 또한, 그라파이트는 내부에 기공이 많아 밀도가 낮기 때문에 경량의 스택 제작이 가능한 반면에, 재질의 특성상 깨지기 쉽고, 반응가스의 혼합을 막기 위해서 일정한 두께가 요구되는 단점이 있다.

뿐만 아니라, 그라파이트를 사용할 경우, 기공을 막기 위해 페놀 수지와 같은 고분자물질이 첨가되는데, 이는 스택의 부피와 무게 증가로 이어지고, 그 결과 연료 전지의 단위 부피당 또는 단위 무게당 출력이 낮아지는 문제점을 유발한다.

상기와 같은 그라파이트 분리판의 단점을 극복하고자 여러 방법들이 시도되었으며, 그 가운데 분리판의 재질을 그라파이트 대신에 금속으로 바꾸려는 시도들이 있었다. 이와 같이 금속을 분리판으로 사용할 경우 그라파이트를 사용한 경우에 비해 제조 비용을 줄일 수 있고, 전도성, 가공성 그리고 기계적 강도를 향상시킬 수 있으며, 높은 밀도로 인하여 반응가스의 혼합을 막기 위해 요구되는 분리판의두께를 줄이는 것이 가능하고, 결과적으로 스택의 부피를 작게 할 수 있으므로 단위 부피당 출력밀도를 향상시킬 수 있다.

미합중국 특허 제5,482,792호에서는 분리판을 알루미늄, 타이타늄 또는 상기의 금속 합금으로 다공성의 집전판과 평면형태의 금속분리판을 이용하여 연료 전지를 구성하는 방법을 개시하였다.

미합중국 특허 제5,798,187호에서는 금속 메쉬(mesh)와 금속 호일(foil)을 이용하여 분리판을 구성함으로써 그라파이트나 금속판 재질의 분리판에 비해 무게와 부피를 줄이는 것이 가능하다고 기재하였다.

미합중국 특허 제6,146,780호에서는 다공성 금속 물질의 중간에 반응기체들간의 혼합을 막기 위한 기체 장벽 역할을 하는 금속판 또는 고분자 물질을 두고, 연료 전지 운전 중 발생하는 부식을 방지하기 위해 금이나 귀금속으로 다공성 금속 물질에 도금을 하여 분리판을 사용하였다.

미합중국 특허 제6,207,310호는 일반적으로 사용되고 있는 그라파이트 대신 금속 분리판을 이용한 고분자 전해질 연료 전지의 제작방법에 관한 것으로서, 가스 통로 역할을 하는 금속 메쉬와 집전체 역할을 하는 금속판을 이용하여 금속분리판을 구성하였다.

미합중국 특허 제6,300,001호에서는 특정 비율의 철합금을 이용하여 분리판을 구성함으로써, 도금을 하지 않고도 내부식성이 있는 경량의 분리판을 제작하였다.

그러나, 금속 분리판을 사용할 경우 그라파이트에 비해 두께와 가격을 줄일수 있는 반면, 내식성이 좋지 못하여 장기 운전 시 부식의 우려가 있고, 이러한 부식 현상이 발생할 경우 금속 이온이 고분자 막 내로 침투하여 수소이온의 이동을 방해함으로써 고분자 전해질 연료 전지의 성능을 저하시킬 우려가 있다.

또한, 내부식성을 향상시키기 위해서는 금속의 표면에 금과 같은 귀금속류를 이용하여 도금해주어야 하므로 추가 비용이 발생하게 된다.

뿐만 아니라, 금속 분리판을 사용할 경우, 연료 전지를 구성하기 위하여 접합체(MEA)와 금속 분리판을 일정 압력 이상으로 체결하게 되는데, 이 때 기체유로 판에 의해 전극의 기체 확산층 구조가 깨져 고분자 전해질 연료 전지의 성능을 저하시킬 우려가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 분리판을 제조함으로써 기존의 분리판 보다 무게와 두께를 줄일 수 있고, 부식을 방지할 수 있으며, 나아가 간단한 제조공정으로 인하여 제조단가를 저감시킬 수 있는, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판과 그 제조방법, 및 이를 채용한 고분자 전해질 연료 전지를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제조한 서펜타인 패러렐형(serpentine-parallel type) 분리판의 평면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제조한 메쉬형(mesh type) 분리판의 집전판을 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제조한 메쉬형(mesh type) 분리판의 기체유로 판을 도시한 평면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 분리판을 연료 전지에 적용한 후 측정한 성능 결과를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

3. 분리판의 연료 유입구 5. 분리판의 연료 유출구

7. 분리판의 산화제 유입구9. 분리판의 산화제 유출구

11. 분리판의 냉각수 유입구13. 분리판의 냉각수 유출구

51. 집전판 53. 메쉬형 기체유로 판

57. 기체유로 판의 연료 유입구 61. 기체유로 판의 연료 유출구

65. 기체유로 판의 산화제 유입구71. 기체유로 판의 산화제 유출구

75. 기체유로 판의 냉각수 유입구77. 기체유로 판의 냉각수 유출구

59. 메쉬형 기체유로 55. 집전판의 연료 유입구

63. 집전판의 연료 유출구 67. 집전판의 산화제 유입구

69. 집전판의 산화제 유출구 73. 집전판의 냉각수 유입구

79. 집전판의 냉각수 유출구

81. 기체유로 판에서 가스켓이 부착된 부분

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 제조되는 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 구성하되,

상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 것이고, 상기 탄소 복합체는 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 것을 특징으로 하며,

본 발명에 의한 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법은 분리판의 재질은 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 전도성 고분자의 군으로부터 하나 이상 선택되어 기체유로가 에스(S) 곡선모양의 꾸불꾸불하게 형성되는 서펜타인-패러렐형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법은 분리판은 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 탄소 복합체를 이용하여 기체유로가 에스(S) 곡선모양의 꾸불꾸불하게 형성되는 서펜타인-패러렐형으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법은, 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 망상 조직으로 구획되는 메쉬형 기체유로 판 및 집전판을 제작하는 단계(a); 상기 단계(a)의 메쉬형 기체유로 판에서 전극과 맞닿는 부분 이외의 메쉬에 가스켓을 부착시키는 단계(b); 및 상기 단계(b)의 가스켓이 부착된 메쉬형 기체유로 판에 상기 단계(a)의 집전판을 부착시켜 분리판을 완성하는 단계(c)를 포함하여 구성하되, 상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 것이고, 상기 탄소 복합체는 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 것임을 특징으로 한다.

그리고 본 발명의 고분자 전해질 연료 전지는 상기 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제조한 서펜타인 패러렐형(serpentine-parallel type) 분리판의 평면도이고, 도 2와 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제조한 메쉬형(mesh type) 분리판의 집전판과 기체유로 판을 도시한 평면도로써, 본 발명의 실시예에 따른 고분자 전해질 연료 전지용 분리판에는 서펜타인 패러렐형 분리판과 메쉬형 분리판의 두 가지 형태로 구비되며, 이러한 두 가지 형태의 분리판 구성도는, 각각 상기 도 1과 도 2 및 도 3에 도시하였다.

먼저, 상기 도 1에서와 같이, 서펜타인 패러렐형은 분리판(1)의 연료 유입구(3)에서 연료가 유입되어 기체유로(10)를 따라 흘러 대각선 끝 방향에 있는분리판(1)의 연료 유출구(5)로 배출된다.

이 때, 기체유로(10)는 에스(S)자 곡선 형태로 꾸불꾸불하게 형성되어 서펜타인 패러렐형을 이룬다.

산화제는 연료가 흐르는 반대편에서 분리판(1)의 산화제 유입구(7)으로 유입되어 분리판의 산화제 유출구(9)로 배출되도록 이루어지며, 냉각수는 분리판(1)의 냉각수 유입구(11)로 유입되어 분리판(1) 내부의 냉각수 유로를 따라 흘러 분리판(1)의 냉각수 유출구(13)으로 배출되도록 구성된다.

이러한 서펜타인 패러렐형 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은 전기 전도도의 향상을 위해 전자주개 또는 받개로서 작용하는 도판트(dopant)에 Br2, I2, IBr 등의 할로겐, AsF5, SO3, FeCl3 등의 루이스산, H2SO4, HClO4 등의 양성자 제공산, AgClO4 등의 전이금속산화제, 테트라시아노에틸렌, 테트라시아노퀴노디메탄,2,3-디클로로-5,6-디시아노-p-벤조퀴논 (2,3-dichloro-5,6-dicyano-p-benzoquinone) 등의 유기전자수용체, Li, Na 등의 알칼리 금속, 또는 아민 등 유기전자 공여체를 도핑 물질로 포함하는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌(Polythienylene vinylene), 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌 그리고 폴리아세틸렌계 등과 같은 전도성 고분자를 주 재질로 하여 제조될 수 있으며, 이 때 전도성 고분자의 전도도는 200 S/cm 이상이 된다.

또한, 본 발명에 의한 서펜타인 패러렐형 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은, 탄소에 비닐에스터, 에폭시, 강화 폴리에스터, 그리고 폴리이미드와 같은 고분자 물질을 첨가한 탄소 복합체를 주 재질로 하여 제조될 수 있으며, 이 때 탄소 복합체의 전도도는 100 내지 900 S/cm 이다.

이러한 분리판(1)은 사출성형 또는 압출성형 등의 방법으로 제작할 수 있다.

그리고 상기 도 2와 도 3에서 도시한 바와 같이, 상기의 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 이용하여 제작한 메쉬형 집전판(51)과 기체유로 판(53)으로 구성된 메쉬형 분리판은, 상기 도 2에서, 연료는 집전판(51)의 연료 유입구(55)을 통과하여, 도 3의 기체유로 판(53)의 연료 유입구(57)로 유입되어 기체유로(59)를 따라 흘러 대각선 끝 방향에 있는 기체유로 판(55)의 연료 유출구(61)를 통과하여 집전판(51)의 연료 유출구(63)로 배출되도록 구성된다.

반면에, 산화제는 기체유로 판(53)의 산화제 유입구(65)를 통과하여 집전판(51)의 산화제 유입구(67)로 유입되어 반대편 기체유로 판(53)을 대각선 방향으로 흐른 후, 집전판(51)의 산화제 유출구(69)를 통과하여 기체유로 판(53)의 산화제 유출구(71)로 배출도록 구성된다. 여기서, 상기 분리판이 냉각판이라면, 냉각수는 집전판(51)의 냉각수 유입구(73)를 통과하여 기체유로 판(53)의 냉각수 유입구(75)를 통해 공급되며, 메쉬형 기체유로(59)를 통해 흘러 기체유로 판(53)의 냉각수 유출구(77)를 통과하여 집전판(51)의 냉각수 유출구(79)로 배출되도록 구성된다.

이러한 메쉬형 기체유로 판의 메쉬 범위는 10×10 내지 100×100, 두께는 100㎛ 내지 2000㎛인 것을 사용하며, 상기 메쉬는 정사각형, 다이아몬드형, 원형 등 여러 가지 형태의 모양을 가질 수 있다.

그리고 도 3에서 메쉬형 기체유로 판(53)의 외곽 양면에 가스켓이 부착된 부분(81)이 형성되며, 이 부분(81)은 액상 실리콘과 메틸 메타아크릴레이트의 재질을 일정한 두께로 바른 후 건조시킨 것이다.

상기 가스켓은 보통의 경우 고무나 신축성 재료를 얇은 판형으로 제작하여 사용하며, 그 재료로는 0℃ 이상 200℃ 이하에서 견디며, 전기 화학적으로 안정한 동시에, 전기적으로 부도체인 물질, 예를 들면 고분자류, 고무류 등이 사용될 수 있다.

본 발명에서는 가스켓 재료로서 얇고, 제작이 쉬우며, 안정적인 실리콘과 메틸 메타아크릴레이트 재질의 액상 가스켓 또는 두께 편차가 없고, 내열도, 기계적 물성 및 치수 안정성이 뛰어난 고분자 코팅 필름을 사용하였다.

상기 가스켓을 메쉬형 기체유로 판(53)에 부착시키는 방법은 다음과 같다.

우선, 가스켓 재료로서 액상 형태인 실리콘과 메틸 메타아크릴레이트의 재질을 사용할 경우, 메쉬형 기체유로 판(53)에서 접합체(MEA)의 전극 부분과 맞닿는 부분을 제외한 메쉬 부분에 상기의 물질을 100㎛ 내지 2000㎛ 두께로 채워 넣은 후, 상온 내지 60℃의 온도에서 건조시켜 메쉬형 기체유로 판(53)에 가스켓을 형성시킨다.

한편, 가스켓의 재질이 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 그리고 폴리에틸렌 테레프탈레이트(terephthalate)등의 고분자 코팅 필름인 경우, 메쉬형 기체유로 판(53)에서 접합체(MEA)의 전극과 맞닿는 부분 이외의 메쉬에 100㎛ 내지 2000㎛ 두께의 필름을 부착시킨 후, 100 내지 200℃의 온도에서 압력 2 내지 10 기압으로 가열, 압착하여 가스켓을 형성시킨다.

상기 집전판(51)과 메쉬형 기체유로 판(53)은 실리콘과 같은 재질에 양쪽면이 접착물질로 도포되어 있는 필름의 양면에 부착하여 상온에서 2 내지 10 기압으로 압착하여 분리판을 완성하게 되며, 여기에서의 집전판(51)은 메쉬형 기체유로판(53)에 사용된 것과 동일한 물질로 제작한다.

상기와 같이, 집전판(51)과 메쉬형 기체유로판(53)으로 구성된 분리판은 접합체(MEA)의 양쪽에서 각각 연료극과 공기극의 분리판으로 사용되며, 가스켓이 부착된 메쉬형 기체유로판(53)은 반응기체의 유로를 제공하면서 전극내의 과잉의 물을 배출할 수 있는 통로를 제공하고, 또한, 연료 전지 운전 중 연료극에서 전기화학반응에 의해 생성되는 전자를 집전하여 집전판(51)으로 보내주는 역할을 한다.

또, 가스켓이 부착된 메쉬형 기체유로판(53)은 가스 흐름 방향에 대하여 x축과 y축 방향, 사선방향으로 모두 동일한 유속을 가지고 있으며, 상기와 같이 제작된 분리판을 이용하여 단위전지를 체결함으로써 고체 고분자 전해질 연료 전지(SPEFC) 및 직접 메탄올 연료 전지(DMFC)에 모두 사용 가능한 고분자 전해질 연료 전지를 완성하였다.

상기 고분자 전해질 연료 전지용 분리판의 전기 전도도는 고분자 전해질 연료 전지의 성능에 큰 영향을 미치는 요소이며, 기존에 사용된 재료 및 본 발명에서 사용되는 재질들의 전도도를 하기 표 1에 나타내었다.

재 질	전기전도도(S/cm)
탄소복합체	100
그라파이트	1,000
전도성 고분자
폴리아닐린	200
폴리페닐렌	1,000
폴리치에닐렌 비닐렌	2,700
폴리피롤	7,500
폴리페닐렌 비닐렌	10,000

그리고 본 발명의 보다 구체적인 설명을 실시예를 통하여 살펴본다. 단, 아래의 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 여기에 한정되지 않음을 밝혀둔다.

실시예 1: 전도성 고분자를 주 재질로 하여 제조된 분리판인 경우, 우선 촉매층을 형성하기 위해 20wt% Pt/C 백금 촉매(0.67mg/㎠) 0.2g을 이소프로판올 2g에 분산시킨 후, 여기에 5wt% 나피온 용액(Du Pont사 제품) 0.3g을 서서히 첨가하면서 교반하여 촉매 잉크를 제조하였다. 에어 브러쉬 건을 이용하여 스프레이 코팅법으로 상기 촉매 잉크를 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 20wt%가 함유된 탄소종이 상부에 도포하여 촉매층을 형성시키고 촉매층이 형성된 전극을 온도 70℃의 건조로에서 약 1시간 동안 건조시킨 후, 다시 촉매층 표면 상부에 나피온 용액 0.8g과 이소프로판올 1g을 혼합하여 제조한 용액을 도포하여 연료극 및 공기극 전극을 각각 제작하였다. 상기 제조된 전극의 백금 함량은 0.45mg/㎠였다.

고분자 전해질막으로서 나피온 115(NafionTM 115, Dupont사 제품)를 이용하여, 상기 제작한 전극을 이 막을 사이에 두고 적층한 다음, 핫 프레스를 이용하여 140℃에서 200기압의 압력으로 2분간 열압착하여 MEA를 제조하였다. 이 때 제작된 MEA의 크기는 9cm 6cm였으며, 전극면적은 25㎠(5cm 5cm)였다.

전도성 고분자로서 7,500 S/cm의 전도도를 가지는 폴리피롤을 사용하여 분리판을 제조하고, 이를 이용하여 단위전지를 합체하였다. 이 때, 폴리피롤 분리판은 전기화학적 산화법을 이용하여 제조하였으며, 그 제조방법을 설명하면, 먼저 반응조 내에 음극을 도 1에 나타낸 분리판과 같은 형태로 제작하여 위치시켰다. 안트라퀴논계 소디움 도판트를 0.36mol/L가 되도록 전해질을 만들었다. 폴리피롤은 CaH2를 사용하여 감압 증류하여 0.1mol/L를 전해질 내에 넣었다. 25℃, 2mA/㎠의 조건에서 10시간 후에 음극표면에 중합되어 부착된 폴리피롤을 떼어내어 분리판으로 사용하였다.

또, 단위전지는 80℃의 운전온도에서, 반응기체로 산소와 수소를 사용하여 성능을 측정하였다.

실시예 2: 탄소 복합체를 주 재질로 하여 제조된 분리판인 경우, 상기 실시예 1과 제조방법은 동일하되, 탄소와 페놀수지로 구성된 탄소 복합체로서 100 S/cm의 전기 전도도를 가지는 Premix사의 제품을 사용하여 사출성형법을 이용하여 도 1에 나타낸 분리판과 같은 형태로 제작하고, 이를 이용하여 단위전지를 합체하였다. 단위전지는 80℃의 운전온도에서, 반응기체로 산소와 수소를 사용하여 성능을 측정하였다.

따라서, 상기한 실시예 1 및 실시예 2에 의하여 제조된 분리판을 적용한 단위전지를 각각 운전하여 측정한 성능 결과는 도 4에 나타내었다.

즉, 그 결과는, 도 4에 도시한 바와 같이, 분리판을 전도성고분자인 폴리피롤을 사용하여 단위전지를 운전한 경우 0.6V에서 820mA/cm2의 전류밀도를 보이며동일 전압에서 610mA/cm2의 전류밀도를 나타낸 탄소복합체 분리판을 사용한 단위전지의 경우보다 약 34.4%정도 성능이 높게 나타났다.

한편, 최대전력밀도에 대해서 살펴보면 분리판이 전도성고분자인 폴리피롤을 사용한 경우 0.55V에서 540mW/cm2을 보인 반면, 탄소복합체의 경우 0.45V에서 430mW/cm2의 최대전력밀도를 보여 분리판을 전도성고분자로 사용할 경우 25.6%정도 높은 최대전력밀도를 얻을 수 있었다. 전기전도도가 7500(S/cm)인 전도성고분자 폴리피롤을 분리판으로 사용할 경우 100 (S/cm)인 탄소복합체보다 전기전도도가 약 75배 정도 높지만, 성능은 매우 제한된 범위에서 증가를 보였는데 그 이유는 연료전지의 MEA가 가지고 있는 성능의 한계 때문이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은 전도성 고분자와 탄소 복합체를 사용하여 분리판을 제조함으로써, 종래 그라파이트나 금속을 이용하여 제조된 분리판 보다 경량화 및 박막화가 가능하고, 부식을 방지할 수 있으며, 또한 제조공정이 간단하여 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (11)

1. 전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 제조되는 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 구성하되,

   상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 것이고,

   상기 탄소 복합체는 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고분자 전해질 연료 전지용 분리판은

   기체유로가 에스(S) 곡선모양의 꾸불꾸불하게 형성되는 서펜타인-패러렐형 분리판 또는 망상 조직으로 구획되는 메쉬형 기체 분리판인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 전도성 고분자의 전도도는

   200 S/cm 내지 20000 S/cm인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 탄소 복합체의 전도도는

   100 S/cm 내지 900 S/cm인 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판.
5. 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법에 있어서,

   분리판의 재질은 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 전도성 고분자의 군으로부터 하나 이상 선택되어 기체유로가 에스(S) 곡선모양의 꾸불꾸불하게 형성되는 서펜타인-패러렐형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 전해질 연료 전지용 분리판의 제조방법.
6. 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법에 있어서,

   분리판은 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 탄소 복합체를 이용하여 기체유로가 에스(S) 곡선모양의 꾸불꾸불하게 형성되는 서펜타인-패러렐형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판 제조방법.
7. 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 제조하는 방법에 있어서,

   전도성 고분자 또는 탄소 복합체를 주 재질로 하여 망상 조직으로 구획되는 메쉬형 기체유로판 및 집전판을 제작하는 단계(a);

   상기 단계(a)의 메쉬형 기체유로판에서 전극과 맞닿는 부분 이외의 메쉬에 가스켓을 부착시키는 단계(b); 및

   상기 단계(b)의 가스켓이 부착된 메쉬형 기체유로판에 상기 단계(a)의 집전판을 부착시켜 분리판을 완성하는 단계(c)를 포함하여 구성하되,

   상기 전도성 고분자는 폴리아닐린, 폴리페닐렌, 폴리치에닐렌 비닐렌, 폴리피롤, 폴리페닐렌 비닐렌, 및 폴리아세틸렌로 구성되는 군으로부터 하나 이상 선택된 것이고,

   상기 탄소 복합체는 탄소에 페놀수지, 비닐 에스터수지, 에폭시수지, 강화 폴리에스터수지, 및 폴리이미드 수지로 구성되는 고분자 물질군으로부터 하나 이상을 선택하여 첨가시킨 것임을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판 제조방법.
8. 청구항 7에 있어서, 상기 단계(b)는

   가스켓의 재질이 실리콘과 메타메틸크릴레이트의 액상인 경우, 메쉬형 기체유로판에서 연료 전지의 전극과 맞닿는 부분 이외의 메쉬에 가스켓 재질을 100㎛ 내지 2000㎛ 두께로 채워 넣은 후, 상온 내지 60℃의 온도에서 압력 2 내지 10 기압으로 건조시켜 가스켓을 부착시키는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판 제조방법.
9. 청구항 7에 있어서, 상기 단계(b)는

   가스켓의 재질이 폴리비닐클로라이드, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트의 고분자 코팅 필름인 경우, 메쉬형 기체유로판에서 연료 전지의 전극과 맞닿는 부분 이외의 메쉬에 100㎛ 내지 2000㎛ 두께의 필름을 부착시킨 후, 100 내지 200℃의 온도에서 압력 2 내지 10 기압으로 가열, 압착하여 가스켓을 부착시키는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판 제조방법.
10. 청구항 7에 있어서, 상기 단계(c)는

    가스켓이 부착된 메쉬형 기체유로판 및 집전판을 실리콘과 같은 접착제를 사용하여 상온에서 2 내지 10기압으로 압착하여 분리판을 합체시킴으로써 완성하는 것을 특징으로 하는 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판 제조방법.
11. 상기 청구항 1의 전도성 고분자 또는 탄소 복합체 재질의 고분자 전해질 연료 전지용 분리판을 이용하여 제조되는 것을 특징으로 하는 고분자 전해질 연료 전지.