고분자전해질연료전지용복합분리판개발동향 우수한특성을가진고분자전해질연료전지의핵심요소로저가, 고성능및고효율성을가진분리판을개발하기위한노력이전세계적으로추진되고있다. 특히연료전지가상용화되기위해서는전지의제조가격과스택의부피및무게를낮추어야하며일례로자동차를위한 80 kw 시스템에서목표하는소요비용은 kw당 30$ 이하그리고무게는 80 kg 이하이다. [1] 이러한목표를위해, 사용되는촉매의양을줄이거나극히얇은전해질막을개발, 또는전지제작이사용되는물질의가격을낮추는등다각적인방법으로전지구성부품들의개발이이루어지고있다. 이러한구성부품들중단일품목으로써가장높은비용을차지하는분리판의개발은우선적으로해결돼야할관건이라고할수있다. [Fig. 1] 분리판 61.8% 기타 7.9% 촉매 8.4% 전해질 9.6% 탄소재료 12.4% Fig. 1. Cost ratio of PEMFC Stack. 가장이상적인분리판은전기전도성, 밀폐성, 내부식성, 견고성이우수하고얇고가벼우며가공성이좋아야하는데현재범용적으로가장많이사용되고있는분리판의재질은그라파이트로써전기전도성이뛰어나며내부식성이뛰어나지만그라파이트는내부에기공이많으므로밀도가낮아경량의스택제작이가능하나반응가스의혼합을막기위해일정한두께가요구되어결과적으로스택의부피가커지게되는단점을 가지고 있다. 또한성형시기계가공을거쳐야하므로제조가격이비싸 PEMFC 제작비용 중 60% 이상을차지하고있으며대량생산이어려운단점이있다. 따라서현재분리판에 대한연구의초점은가격이싸며가공이쉬운재료를이용하여제조단가를낮출수있 는방향으로진행중이며, 이에는크게고분자 / 탄소복합체를이용한복합분리판과전기
저항이작고내식성이좋은금속을사용하는금속분리판의두가지방법이있다.[2] 첫째, 금속은금속자체가갖는우수한전기전도성과우수한기계적물성및싼가격때문에분리판의재질로금속을이용하게하고있다. 그러나고체고분자연료전지에이용되는프로톤교환막은일반적으로양이온을교환해줄수있는작용기가있는고분자로만들어진다. 이때고분자구조내에양이온교환능력이있는작용기인술폰산 (sulfonic acid) 기가존재하며, 이술폰기가연료전지운전중약 1M의황산으로작용하게되어금속의부식이촉진되고표면에생성된금속산화물 (metal oxide) 이전기절연체로작용하여전기전도성을낮추며, 또한이때해리되어나오는금속양이온이촉매층및고분자전해질을오염시킴으로써연료전지의성능을감소시키게된다.[3] 둘째, 전도성물질로서탄소와고분자를최대 9:1 까지배합한후사출성형이나몰딩성형을통해고분자복합분리판을제작하는방법이있는데이는초기장치설비투자후에는연속공정을통해분리판을제작할수있으므로그라파이트분리판가격의 70% 이상을차지하는가공비를크게줄일수있는장점이있다. 복합분리판을가공하는방법으로는방전가공 (EDM-Electric Discharge Machining), 밀링가공, compression molding, transfer molding process를들수있다. 이러한네가지프로세스는이미고분자성형기술로이미사용되고있는프로세스로서기술적인측면과함께경제적인이유로서제조원가가적게드는프로세스를선택하여이익을극대화할수있다. 수량이소량이면 EDM 및밀링가공을, 수량이중간정도이면 compression molding을사용하고, 대량생산체제에서는 transfer molding을이용할수있다. 국내기술현황 국내에서의스택용분리판에대한가공및제작은승림카본, 대양산업, 가람등의회사에서이루어지고있는데각회사는 graphite 판에 resin을함침시킴후주어진유로설계에따라밀링가공을하고있다. 복합분리판에대한기술개발은동화공업, 한국타이어등이관심을가지고있는것으로알려져있으며포항공대에서도연구가이루어지고있다. 현재, 구성요소제조에대해서는기본적인기술습득이이루어진상태라고볼수있으나성능향상, 대면적화, 신뢰성및장기성능등에대한연구가보다집중적이고지속적으로이루어져야할것이다. - 2 -
Table 1. World-wide status of the comopsite bipolar plates development. Players Quantum Composite, BMCI, Porvair, SGL Carbon Morgan Graftech Schunk Kohlenstoffiechnik GmbH ZBT Mitsubishi Electronic 한국타이어 Morgan ( 가람 ), 승림카본 Materials Graphite compounds Graphite compounds Expanded graphite Graphite composite Carbon/resin Carbon/resin Carbon/resin Graphite Processes Molding Electro-etching Rolling & molding Pressing Compression molding, injection molding, extrusion, drilling Molding - Milling - 3 -
국외기술현황 국외의복합분리판개발은이미 1980 년대초반부터시작되었으며현재상용화에가깝게 진행되고있는상황이다. 복합분리판에이용되고있는전도성물질은크게금속과탄소 로나뉠수있고이를고분자와혼련한후 압출성형, 사출성형등을통해분리판을제 작하는것이일반적인공정이다. 다음에그실례를들어보기로한다. 1) 금속복합재 금속을전도성물질로채택한복합분리판은 1998년미국에너지성에서전기전도성이우수하고내부식이뛰어난 TiC 파우더를고분자와혼합한후 molding을통해분리판을제작하였으며 [4], Los Alamos 국립연구소에서는 2001년다공성의그라파이트와 polycarbonate (PC) 그리고스테인리스를이용하여분리판을제작하였다 [5]. 이때다공성그라파이트는고밀도그라파이트에비해가공시간및생산비용이적게든다는장점을가지고있으며전기전도성을유지할수있다. 또한 PC 및스테인리스는기체투과도를만족시킬수있으며가공성이좋은 PC를이용하여분리판을성형하고스테인리스가갖는우수한기계적물성을또한갖게된다. 2) 탄소복합재 탄소를전도성물질로하는탄소복합분리판은현재대부분의복합분리판개발에응용되고있는데이때이용되는고분자는열가소성수지및열경화성수지모두이용되고있다. 열가소성수지로서는 polypropylene, polyethylene, polyvinylidene fluoride 등이이용되고있으며열경화성수지로서는 phenolic 수지, epoxy 수지및 vinyl ester 계열수지가이용되고있다 [6]. 또한수지의종류에따라그성형방법및시간이결정되는데열경화성수지의경우고온몰드에서도단단한성질을갖기때문에몰드를냉각하기위한시간이짧아 processing time이짧은장점을가지고있으나열가소성수지에비해상대적으로가격이비싼단점이있다. 따라서최근에연구의초점은열가소성수지로서가소성수지의특성인재생가능한장점이크게부각되고있다. 복합분리판의재료로이용되는물질들의예를 Table 2 에예시하였다. - 4 -
Table 2. Bipolar plate materials. Base material Support material Metal based Layered graphite Titanium carbide Polycarbonate plastic Polyvinylidene fluoride Stainless steel Resin Filler/Fiber - Polyvinylidene Thermoplastic fluoride - Poly propylene - Polyethylene - Carbon/graphite powder - Carbon black Carbon based Thermoset - Epoxy resin - Phenolic resin (phenyl aldehyde Resol, phenyl aldehyde Novolac, etc) - Furan resin - Vinylester - Coke-graphite - Carbon/graphite fiber - Cellulose fiber - Cotton flock - 5 -
참고문헌 1. T. M. Besmann, J. W. Klett, J. J. Henry, Jr., and E. L.-Curzio, J. Electrochem. Soc., 147 (2000) 4083. 2. D. N. Busick and M. S. Wilson, Fuel Cell Bulletin, 2 (1999) 6. 3. T. Mennola, M. Mikkola, M. Noponen, T. Hottinen and P. Lund, J. power Source, 112, 261(2002). 4. A. B. LaConti, A. E. Griffith, C. C. Cropley, J. A. Kosek, US patent A9076018 (1998). 5. Los Alamos National Laboratory Home Page (1998). Available from World Wide Web: http//www.ott.doe.gov/pdfs/contractor.pdf. Last retrieved 5 November 2001. 6. V. Mehta, J. S. Cooper, J. Power Sources 114 (2003) 32. - 6 -