KR100631146B1 - 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

파손 및 부식의 우려가 적을 뿐만 아니라, 무게가 가볍고 다양한 형태로 성형이 가능한, 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그의 제조방법이 개시된다. 상기 바이폴라 플레이트는 50 내지 98중량%의 도전성 충진제; 및 상기 도전성 충진제를 결합시키는 2 내지 50중량%의 에폭시 수지 및 경화제로 이루어진 바인더 수지를 포함한다. 또한 상기 바이폴라 플레이트의 제조방법은 에폭시 수지 및 경화제를 용매에 용해시키는 단계; 도전성 충진제를 용매에 용해시키는 단계; 상기 제조된 두 용액을 혼련한 다음, 건조하는 단계; 상기 건조된 도전성 충진제-바인더 수지 복합체를 파우더 상의 미립자로 분쇄하는 단계; 및 분쇄된 미립자를 압축 성형하는 단계를 포함한다.
연료전지, 바이폴라 플레이트, 도전성 충진제, 에폭시 바인더 수지, 페녹시수지, 자일록수지, 파우더, 용매, 스택

Description

연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법 {Method for producing bipolar plate for fuel cell}
도 1은 연료전지를 구성하는 단위전지의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 2는 단위전지가 적층되어 이루어진 스택구조 연료전지의 구조를 설명하기 위한 도면.
본 발명은 연료전지용 바이폴라 플레이트에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 파손 및 부식의 우려가 적을 뿐만 아니라, 무게가 가볍고 다양한 형태로 성형이 가능한, 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
고분자전해질 연료전지(Polymer electrolyte fuel cell: PEFC), 수소이온 교환막 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell: PEMFC), 직접메탄올 연료전지(Direct methanol fuel cell: DMFC), 알카리 연료전지(Alkali fuel cell: AFC) 등의 연료전지는 미래의 청정 에너지원으로서 기존의 리튬이온 전지 등 2차 전지를 대체할 차세대 전지로 주목 받고 있다. 연료전지는 물의 전기분해 역반응을 이용하여, 수소와 산소로부터 전기와 물을 생성하는 것으로서, 수소와 산소가 공급되는 한 계속하여 전기를 생산할 수 있다. 도 1은 이와 같은 연료전지를 구성하는 단위전지의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 다수의 단위전지가 적층되어 이루어진 스택구조 연료전지의 구조를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 연료전지를 구성하는 단위전지(20)는 음극(12, anode), 전해질층(14) 및 양극(16, cathode)으로 이루어진 막전극 접합체(10, Membrane and electrode assembly: MEA)와 상기 막전극 접합체(10)의 양면에 위치한 바이폴라 플레이트(18, bipolar plate)로 이루어진다. 상기 음극(12)은 촉매 작용에 의해 외부로부터 공급된 수소 연료를 수소이온과 전자로 분해하는 역할을 하고, 상기 전해질층(14)은 음극(12)에서 생성된 수소이온의 이동 통로의 역할을 하며, 상기 양극(16)은 상기 전해질층(14)을 통과한 수소이온과 외부로부터 공급된 산소가 반응하여 물 및 열을 발생시키는 역할을 한다. 또한 상기 바이폴라 플레이트(18)는 상기 막전극 접합체(10)를 지지하고, 연료인 수소와 환원제인 산소를 각각 음극(12)과 양극(16)으로 공급하며, 양극(16)에서 생성된 물을 배출하는 역할을 함과 동시에, 음극(12)에서 생성된 전자를 양극(16)으로 유도하는 전류 집전체의 역할을 하기도 한다. 이와 같은 단위 전지(20) 1개의 발생전압은 통상 1V 내외로써, 필요한 고전압을 발생시키기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이, 여러 장의 단위 전지(20)를 적층하고, 이들을 전기적으로 직렬로 연결하여야 한다. 이때 각 단위 전지(20)의 바이폴라 플레이트(18)는 각각의 단위 전지(20)를 서로 전기적으로 연결시키는 기능을 한다.
이와 같은 바이폴라 플레이트(18)는 초기에는 스테인레스 등의 금속으로 제조되기도 하였으나, 스테인레스 등의 금속은 양극(16)에서 발생하는 물에 의하여 부식되기 쉽고, 무게가 무거운 단점이 있으므로, 최근에는 전기 전도성이 있고, 기체의 밀폐가 가능한 일정 두께 이상의 흑연 블록(Graphite Block)에 유로를 새겨 넣은 플레이트를 연료전지의 바이폴라 플레이트(18)로서 일반적으로 사용하고 있다. 이와 같이 흑연 블록으로 제조한 바이폴라 플레이트(18)는 가볍고, 부식이 없다는 장점이 있으나, 가공이 어렵고, 내충격성이 약한 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 파손 및 부식의 우려가 적은 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 무게가 가볍고, 강인성과 유연성을 동시에 가지는 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 별도로 유로를 가공하지 않고, 유로가 생성된 금형을 이용하여 성형함으로서, 다양한 형태로 성형이 가능할 뿐만 아니라, 저가로 대량생산이 가능한 연료전지용 바이폴라 플레이트 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 50 내지 98중량%의 도전성 충진제; 및 상기 도전성 충진제를 결합시키는 2 내지 50중량%의 에폭시 수지 및 경화제로 이루어진 바인더 수지를 포함하는 연료전지용 바이폴라 플레이트를 제공한다. 본 발명은 또한 에폭시 수지 및 경화제를 용매에 용해시키는 단계; 도전성 충진제를 용매에 습윤시키는 단계; 상기 제조된 두 용액을 혼련한 다음, 건조하는 단계; 상기 건조된 도전성 충진제-바인더 수지 복합체를 파우더 상의 미립자로 분쇄하는 단계; 및 분쇄된 미립자를 압축 성형하는 단계를 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 50 내지 98중량%의 도전성 충진제와, 상기 도전성 충진제를 결합시키는 2 내지 50중량%의 바인더 수지로 이루어진다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트에 사용되는 도전성 충진제로는 천연 판상 그래파이트(Natural flake graphite), 합성 그래파이트(Synthetic graphite), 하이브리드 그래파이트(hybrid graphite), 그래파이트 섬유(graphite fiber), 발포 그래파이트(Foamed graphite), 구형 그래파이트(Spherical graphite), 그래파이트 조각(Graphite chops), 그래파이트 섬유 조각(Graphite fiber chops) 등의 무기 충진제를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 천연 판상 그래파이트 또는 합성 그래파이트를 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 길이가 약 10㎛ 내 지 500㎛인 천연 판상 그래파이트와 직경이 약 0.5㎛ 내지 300㎛인 구형의 합성 그래파이트 혼합물을 사용할 수 있다. 이와 같이 천연 판상 그래파이트와 구형의 합성 그래파이트를 혼합하여 사용하면, 구형의 합성 그래파이트가 판상 그래파이트 사이의 공극에 충진되므로 충진율을 향상시킬 수 있으며, 이때 구형 합성 그래파이트의 사용량은 전체 충진제에 대하여 1 내지 50 중량%인 것이 바람직하다. 만일, 상기 합성 그래파이트의 사용량이 상기 범위 미만이거나, 상기 범위를 초과하면, 그래파이트의 충진율이 오히려 저하되어 전기전도도 및 기계적 강도가 저하될 우려가 있다. 이와 같은 도전성 충진제의 평균 입자 크기는 바이폴라 플레이트의 요구 물성 이나 사용 조건 등에 따라 달라질 수 있으나, 통상 30㎛ 내지 200㎛ 인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 도전성 충진제의 최소 크기가 0.5㎛ 미만이면, 도전성 등에 문제가 있고, 도전성 충진제의 최대 크기가 500㎛를 초과하면 기계적 강도가 저하될 우려가 있다. 또한, 상기 바이폴라 플레이트에서 도전성 충진제의 함량이 50중량% 미만이면 바이폴라 플레이트의 집전 성능이 저하되고, 98중량%를 초과하면 바이폴라 플레이트가 성형되기 어려운 단점이 있다. 또한 필요에 따라 상기 도전성 충진제는 그래파이트 성분 이외에도 구리, 은, 알루미늄 파우더, 스테인레스(SUS) 파우더 등의 도전성 첨가제를 더욱 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서, 이와 같은 도전성 충진제를 결합시키기 위한 바인더 수지로는 에폭시 수지 경화물을 사용한다. 본 발명에 사용될 수 있는 에폭시 수지 경화물의 예로는 비스페놀-A의 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether of bisphenol A: DGEBA)형 에폭시 수지; 비스페놀-F의 디글리시딜 에테르(diglycidyl ether of bisphenol F: DGEBF)형 에폭시 수지; 비스페놀-A형 에폭시 수지; 페놀 노볼락형 에폭시 수지, 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 등의 노볼락형 에폭시 수지; 브롬화(brominated) 에폭시 수지; 지방족고리화(cycloaliphatic) 에폭시 수지; 고무 변성(rubber modified) 에폭시 수지; 지방족(aliphatic) 에폭시 수지, 아민형(amine type) 에폭시 수지 등의 경화물을 예시할 수 있다. 이와 같은 에폭시 수지는 에폭시기와 히드록시기를 포함하므로, 상온 및 고온의 경화 반응성이 우수하며, 열적/화학적으로 안정할 뿐 만 아니라, 극성 히드록시기를 가지고 있으므로, 충진제에 대한 부착성이 우수하고, 강도 및 내용제성이 우수하다. 본 발명에 사용되는 에폭시 수지의 분자량은 수지의 가교도, 경화도를 고려하여 적절히 설정할 수 있다. 또한 에폭시 수지의 물성을 보완하기 위하여, 내열성이 우수한 폴리아미드이미드(polyamide imide: PAI), 바인더 수지에 탄성 및 연성을 부여하기 위한 실리콘 수지, 바인더 수지의 인장 강도 등 강성을 증가시키기 위한 페녹시 수지, 자일록 수지 등을 에폭시 수지에 적정량 (에폭시 수지 100중량부에 대하여 약 1 내지 80중량부) 첨가하여 주제 수지를 구성할 수도 있고, 또한 바이폴라 플레이트의 도전성을 향상시키기 위한 각종 도전성 고분자와 금속 등의 도전성 물-질을 상기 바인더 수지에 더욱 포함시킬 수도 있다.
상기 바인더 수지는 에폭시 수지의 경화를 위해서 경화제(hardener)를 포함한다. 이와 같은 경화제로는 지방족 아민, 변성 지방족 아민, 방향족 아민, 제3급 아민 등의 아민계 경화제; 이미다졸계 경화제, 에폭시기의 관능기와 화학양론적으로 반응하는 폴리아민(polyamine)계 경화제, 프탈릭 안하이드라이드(phthalic anhydride) 등의 산무수물 경화제, 폴리아미드, 폴리설파이드, 페놀레진, 디시아노디아미드(dicyandiamide) 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 경화제는 바이폴라 플레이트의 경화 온도에 따라 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 저온(10℃ 이하)에서 바이폴라 플레이트를 제조할 경우에는 폴리머캡탄(polymercaptan), 머캡탄(mercaptan) 부가물 및 변성품, 마니키(Mannich) 반응물, 지방족 아민, 방향족 아민, 지환족 아민 등의 아민(Amine) 부가물, 예를 들면, 디에틸렌트리아민(diethylene triamine) 경화제를 사용할 수 있고, 상온 (10 내지 40℃)에서 바이폴라 플레이트를 제조할 경우에는 폴리아미드(polyamide resin), 지방족 아민 및 변성품, 방향족 아민 및 변성품, 지환족 아민 및 그의 변성품를 사용할 수 있고, 중온 (60 내지 100℃)에서 바이폴라 플레이트를 제조할 경우에는 이미다졸(imidazol), 지방족 아민 유도체, 3급 아민류를 사용할 수 있으며, 중,고온 (100℃ 이상)에서 바이폴라 플레이트를 제조할 경우에는 아민류, 이미다졸 유도체 등을 사용할 수 있고, 고온 (140℃ 이상)에서 바이폴라 플레이트를 제조할 경우에는 방향족 폴리아민, 산무수물 등을 사용할 수 있다. 상기 경화제의 사용량은 에폭시 수지를 포함하는 주제 수지 100중량부에 대하여 1 내지 70중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 경화제의 사용량이 1중량부 미만이면 에폭시 수지의 경화가 신속히 일어나지 않으며, 70 중량부를 초과하여도 특별한 이익이 없이, 바이폴라 플레이트의 기계적 특성을 악화시킬 뿐이다. 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트에 있어서, 상기 바인더 수지의 함량이 2중량% 미만이면 상기 미립자상의 도전성 충진제를 충분히 결합시킬 수 없는 문제가 있고, 50중량%를 초과하면 제조된 바이폴라 플레이트의 도전성이 저하되는 문제가 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 바이폴라 플레이트의 제조방법에 대하여 설명한다. 본 발명에 따라 바이폴라 플레이트를 제조하기 위해서는, 먼저 상온 또는 가열 상태에서 바인더 수지를 구성하는 에폭시 수지 및 경화제를 용매에 용해시키고, 또한 상기 바인더 수지와는 별도로 도전성 충진제를 용매에 첨가하여 습윤한 상태로 만든다. 상기 용매로는 톨루엔(Toluene), 자이렌(Xylene), n-헥산, 헵탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, CCl4, 트리클로로에틸렌(TCE), 삼염화에탄, 퍼클로로에틸렌, 삼염화삼불화에탄 등의 탄화수소계 용매; 이소프로판올(isopropanol), 에탄올, 메탄올, 이소펜탄올, 부탄올, PM(propylene glycol monomethyl ether) 등의 알코올계 용매; 에틸락테이트(Ethylacetate), n-부틸락테이트 등의 에스테르계 용매; 메틸에틸케톤(MEK), 메틸이소부틸케톤(MIBK), 아세톤(Acetone), 시클로헥산온(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 퍼클로로에틸렌(Perchloroethylene), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 디클로로메탄(Dichloromethane), 트리클로로트리플로로에탄(Trichlorotrifluoroethane) 등의 염소계 용매; n-메틸-2-피롤리돈 등의 아미드계 극성 용매; 물(H2O) 등을 사용할 수 있다. 상기 용매의 사용량은 상기 바인더 수지 성분을 용해시킴과 동시에, 상기 도전성 충진제를 습윤 상태로 만들기에 충분한 양을 사용하면 되며, 바람직하게는 바인더 수지 및 도전성 충진제 100중량부에 대하여 50 내지 500중량부의 용매를 적절히 분할하여 사용할 수 있다. 상기 용매의 사용량이 50 중량부 미만이면, 바인더 수지와 도전성 충진제가 충분히 용해되지 않고, 서로 균일하게 혼합되지 않을 우려가 있고, 상기 용매의 사용량이 500 중량부를 초과하면 추후 용매의 제거 과정에서 불필요한 에너지가 소비될 뿐 아니라, 제조 시간이 길어지며, 용매가 완전히 증발되기 어렵다.
이와 같이 제조된 두 용액을 용액 상태에서 믹서(Mixer) 등을 사용하여 혼련한 다음, 건조한다. 이때, 첨가제로서 경화촉진제(accelerator), 가교제(coupling agent) 및 왁스(wax), 분산제(Dispersion), 난연제 등을 단독 또는 혼합하여 첨가할 수도 있으며, 상기 첨가제는 바인더 수지 용액에 첨가하거나, 또는 첨가제를 상기 바인더 용액과 도전성 충진제 습윤 용액의 혼합용액에 첨가할 수도 있다. 상기 건조 과정은 바인더 수지의 경화 조건에 따라, 진공 오븐, 건조 오븐 등을 사용하여 수행하거나, 상온에서 건조하여 수행할 수 있으며, 스프레이 드라이어(spray dryer)를 사용하여 수행할 수도 있다. 이때 사용되는 경화촉진제로는 -OH, -COOH, -SO3H, -CONH2, -CONHR, -SO3NH2, -SO3NHR (R: 알킬기)등의 경화 촉진성 작용기를 가지는 화합물을 광범위하게 사용할 수 있으며, 바람직하게는 에폭시의 경화에 사용되는 아민계 경화촉진제, 이미다졸계 경화촉진제, 다이시(dicy)계 경화촉진제, 포 스페이트(phosphate)계 경화촉진제, 디하이드라지드(dihydrazide)계 경화촉진제, 티아졸(Tiazol)계 경화촉진제를 사용할 수 있다. 상기 경화촉진제의 구체적인 예로는 페놀(phenol), 크레졸(cresol), 노닐페놀(nonylphenol), 비스페놀-A(bisphenol-A) 등의 페놀류와 DMP-30(Tridimethyl amino-methyl phenol), 폴리머켑탄(polymercaptane) 화합물, 벤질 메틸아민(benzyl methylamine), 피리딘(pyridine), 2E4MZ (2-ethyl-4-methylimidazole), TPP(Triphenyl phosphate), 루이스산, 루이스 염기 등이 있다. 일반적으로, 아민 경화시 사용되는 촉진제로는 -OH기를 갖는 화합물인 페놀 및 알킬페놀, 3급아민 등을 사용할 수 있으며, 저온 및 속경화 촉진제로는 -SH 기를 갖는 머캡탄(mercaptane)류를 사용하기도 한다. 상기 경화촉진제의 사용량은 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01 내지 5중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 경화촉진제의 사용량이 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01중량부 미만이면 바인더 수지의 물성을 저하시킬 뿐 만 아니라, 바이폴라플레이트의 도전성을 저하시키고, 경화시간이 길어지고, 5 중량부를 초과하여도 추가적인 경화 효과를 얻기 어렵다. 상기 가교제로는 실란 에스테르(silane ester) 화합물, 비닐 작용기, 에폭시 작용기 또는 아미노 작용기를 가지는 고분자를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 실란 에스테르 화합물을 사용할 수 있다. 이와 같은 실란 에스테르 화합물의 예로는 비닐(비닐트리에톡시실란) (vinyl(vinyltriethoxysilane): s-220), 아미노(N-(2-아미노에틸)-3-아미노프로필트리메톡시실란 (amino(N-(2-aminoethyl)-3 -aminopropyltrimethoxysilane: s-320) 등을 예시할 수 있으며, 상기 가교제의 사용 량은 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01 내지 5중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 가교제의 사용량이 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01중량부 미만이면 바인더 수지가 충분히 가교되지 않을 우려가 있고, 5중량부를 초과하여도 추가적인 가교 효과를 얻을 수 없고, 물성저하를 가져올 뿐이다. 상기 왁스 성분은 제조된 바이폴라 플레이트의 성형성 및 몰드로부터의 이형성을 향상시키기 위한 것으로서, 파라핀(paraffin) 왁스, 미세결정(microcrystalline) 왁스, 반달(barnsdahl) 왁스, 오조케라이트(ozokerite), 세레진(ceresin), 몬탄왁스(montan wax), 카나우바(carnauba)와 오우리쿠리(ouricury) 왁스, 칸델리아(candellia) 왁스, 일본(japan) 왁스, 코코아 버터(cocoa butter), 밀납(bees wax), 경납(spermaceti wax) 등의 천연왁스; 폴리에틸렌 왁스, 폴리옥시에틸렌글리콜 왁스, 할로겐화 탄화수소 왁스, 하이드로겐화 왁스, 왁스 에스테르 등의 합성 왁스; 검(gum); 고무; 지방(fats); 담마르(dammar), 송진(rosin), 산다락(sandarac) 등의 식물성 레진, 셀락(shellac) 등의 곤충 레진, 폴리에틸렌, 비닐레진(vinyl resin), 폴리스티렌 등의 합성 레진을 사용할 수 있다. 이와 같은 왁스의 사용량은 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01 내지 5 중량부인 것이 바람직하다. 만일 상기 왁스의 사용량이 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01중량부 미만이면 제조된 바이폴라 플레이트의 성형성 및 이형성이 저하되고, 5중량부를 초과하면 바이폴라 플레이트의 기계적 물성이 저하될 우려가 있다. 또한 필요한 경우에는 수지와 안료(도전성 충진제)의 분산효과를 증대시키기 위한 분산제(dispersion) 또는 습윤제를 더욱 첨가할 수 있다. 수지와 안료의 분산 에 영향을 주는 요소들은 안료의 표면 상태, 수지용액의 극성, 액상의 점도, 안료 응집체 사이의 공간(혹은 기공)들이 있으며, 가장 중요한 요소는 습윤제가 작용하는 안료표면과 수지 용액의 계면장력이다. 습윤제란 계면장력을 감소시키고 확산력을 증가시켜, 습윤을 가속화시킬 수 있도록 만들어진 물질이라고 정의할 수 있다. 이러한 습윤제는 계면활성 구조, 즉 한 분자에 극성인 친수기와 비극성인 소수기를 동시에 가지고 있으므로, 안료표면과 수지용액의 계면으로 이동한다. 한편, 탈응집형 분산제는 정전기적인 반발력이나 입체장애 효과를 통하여 작용한다. 이와 같은 습윤제는 극성구조의 성격에 따라 이온성 또는 비이온성으로 분류될 수 있고, 비극성부분은 대체로 탄화수소 사슬로 구성되어 있다. 상기 습윤제의 예로는 폴리아미드계(폴리에스테르 폴리아미드산, 불포화 폴리아미드산 에스테르염, 폴리아미드 아민과 인산염, 불포화 폴리아미드산 에스테르염), 카르복실산염계(고분자 카복실산염, 고분자카복실산 아미드염, 불포화 변성카복실산, 폴리실록산 불포화 카르복실산염, 폴리실록산 불포화 카르복실산 에스테르, 유기변성 폴리실록산 불포화 카복실릭산), 폴리에틸렌계(지방산 변성 폴리에틸렌, 변성 폴리에틸렌), 변성 폴리우레탄, 변성 폴리아트릴레이트, 알칸올(alkanol) 암모늄염, 불포화 폴리카르복실산과 염, 카르복실산 알킬올(alkylol) 암모늄염, 나프탈렌계 분산제(타몰(tamol) type, 나프탈렌 설포닉산), 응축물(condensation product), 소듐염(sodium salt), 페놀설포닉산(phenol) 등이 있으며 저분자량 일 때와 고분자량의 분산제일 때는 배합비의 차이가 있다. 사용량은 전체 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.1 내지 5 중량부이다. 또한 필요한 경우에는 소정의 난연성 부여제를 더욱 첨가할 수도 있다. 상기 난연성 부여제로는 데카브로모페닐옥사이드(Decabromodiphenyloxide), 테트라브로모비스페놀-A 비스(2,3-디브로모프로필 에테르) (tetrabromobisphenol A bis(2,3- dibromopropyl ether) 등의 브롬계 난연제, 멜라민 폴리포스페이트(melamine polyphosphate), 구아니딘 술파메이트(guanidine sulphamate) 등의 비브롬계 난연제, 알루미늄 히드록시드(aluminum hydroxide), 마그네슘 히드록시드(magnesium hydroxide), Sb 등의 무기계 난연제 등을 예시할 수 있다. 상기 난연제의 사용량은 바인더 수지 및 충진제 100중량부에 대하여 0.01 내지 20 중량부인 것이 바람직하다
이와 같이 건조된 도전성 충진제-바인더 수지 복합체를 분쇄기를 이용하여 파우더(powder) 상의 미립자로 분쇄한다. 다음으로 분쇄된 미립자를, 필요에 따라 체로 거른 다음(sieving), 롤러 프레스 몰딩(roller pressing molding), 열 프레스(heating press) 몰딩, 압축 성형, 사출 등의 방법을 이용하여 소정의 형태로 압축 성형(molding)하여 에폭시 수지를 경화시킴으로서 목적하는 바이폴라 플레이트를 제조한다. 이때 압축 성형기는 이형코팅처리가 되어 있는 것이 바람직하고, 상기 압축 성형기의 몰드는 바이폴라 플레이트에 수소, 메탄올 등의 연료를 공급하고, 부산물로 생성된 물 등을 배출하기 위한 유로를 형성할 수 있도록 되어 있는 것이 바람직하다.
다음으로 본 발명의 이해를 돕기 위하여 실시예를 제시한다. 그러나 본 발 명이 하기 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
[실시예] 바이폴라 플레이트의 제조
상온에서, 노볼락형 에폭시 수지(상품명: KCE-F2010 코오롱유화) 18g과 산무수물 경화제(상품명: KBH-1085, 국도화학) 12g을 톨루엔 30g에 용해시키고, 이와는 별도로, 입도가 약 200㎛인 천연 판상 그래파이트 40g과 직경이 약 15㎛인 구형의 합성 그래파이트 30g을 톨루엔 140g에 첨가하여 습윤한 상태로 만들었다. 상기 두 용액을 혼합하고, 경화촉진제로서 2E4MZ(Air Products and Chemicals, lnc. Performance Chemicals) 5g, 가교제로서 실란 에스테르(silane ester) 화합물인 3-글리시독시프로필메틸디메톡시실란 (3-Glycidoxypropylmethyldimethoxysilane, 상품명: S-520, 다우코닝) 5g 및 왁스로서 파라핀(paraffin) 왁스 5g, 분산제로서 습윤분산제(W 995, BYK사, 산성 그룹을 가진 코폴리머 용액) 3g, 난연성 첨가제(안티몬)를 10g을 첨가하고, 믹서(Mixer)를 사용하여 혼련한 다음, 건조 오븐 속에서 건조하였다. 이와 같이 건조된 도전성 충진제-바인더 수지 복합체를 분쇄기를 이용하여 파우더(powder) 상의 미립자로 분쇄한 다음, 100 내지 1000메쉬의 체로 거르고, 얻어진 파우더를 프레스 몰딩(molding)하여 소정 형상으로 성형하였다. 성형은 130℃에서 20분 동안 실시하였다. 성형된 바이폴라 플레이트는 무게가 가볍고, 강도가 강할 뿐만 아니라, 성형성 및 도전성이 우수하여 연료전지용으로 적합함을 확인하였다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 도전성 충진제와 상기 도전성 충진제를 결합시키는 에폭시 수지 경화물로 이루어짐으로서, 성형성이 우수하고, 무게가 가벼운 장점이 있을 뿐 만 아니라, 파손 및 부식의 우려가 적다. 또한 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트의 제조 방법은 용매를 이용하여, 도전성 충진제와 바인더 수지를 용해시키므로, 도전성 충진제와 바인더 수지가 균일하게 혼련되는 장점이 있다. 또한 본 발명에 따른 연료전지용 바이폴라 플레이트는 성형 몰드에 의하여 유로를 형성하는 경우, 유로와 유로사이가 파손되는 것을 방지할 수 있고, 플레이트가 유연하므로, 적층시 완전 밀착성을 획득할 수 있다.

Claims (8)

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  6. 에폭시 수지 및 경화제를 용매에 용해시키는 단계;
    길이가 10㎛ 내지 500㎛인 천연 판상 그래파이트와 직경이 0.5㎛ 내지 300㎛인 구형의 합성 그래파이트로 이루어지고, 상기 합성 그래파이트의 함량이 1 내지 50중량%인 도전성 충진제를 용매에 습윤시키는 단계;
    상기 제조된 두 용액을 혼련한 다음, 건조하는 단계;
    상기 건조된 도전성 충진제-바인더 수지 복합체를 파우더 상의 미립자로 분쇄하는 단계; 및
    분쇄된 미립자를 압축 성형하는 단계를 포함하는 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 두 용액을 혼련하는 단계는 경화촉진제, 가교제, 왁스, 분산제, 및 난연제로 이루어진 군으로부터 선택되는 첨가제의 존재 하에서 수행되는 것인 바이폴라 플레이트의 제조방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 용매는 탄화수소계 용매, 알코올계 용매, 에스테르계 용매, 케톤계 용매, 염소계 용매, 아미드계 극성 용매, 물 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되며, 상기 용매의 사용량은 바인더 수지 및 도전성 충진제 100중량부에 대하여 50 내지 500중량부인 것인 바이폴라 플레이트의 제조방법.
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