KR100846932B1 - 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조방법 및 이를 이용해 제작된 분리판 - Google Patents

예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조방법 및 이를 이용해 제작된 분리판 Download PDF

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Abstract

본 발명은 예비 성형체를 이용해 제작된 연료전지용 분리판 및 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법에 관한 것으로, 단위전지의 양단에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서, 상기 분리판은, 완성될 상기 분리판의 형상과 유사한 미완성의 예비 성형체를 만드는 예비 성형 단계; 및 상기 예비 성형체를 성형하여 상기 분리판을 제작하는 주 성형 단계를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 한다. 이에 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지를 이상적으로 혼합한 복합 소재를 이용하여 예비 성형 및 주 성형의 2단계로 분리판을 제조함으로써 주 성형 시간이 단축되어 대량 생산에 유리한 연료전지용 분리판을 제조할 수 있는 장점이 있다.
연료전지, 분리판, 팽창 흑연, 보강재, 예비 성형체, 예비 성형, 주 성형

Description

예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법 및 이를 이용해 제작된 분리판{The two step manufacturing method of a separator using priliminary forming member for a fuel-cell and the separator made using it}
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 예비 성형 방법을 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 주 성형 방법을 도시한 개략도.
도 3은 도 1에 따른 예비 성형 공정을 수치화한 그래프.
도 4는 도 2에 따른 주 성형 공정을 수치화한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 밀도, 전기 전도도 및 굽힘 강도 측정을 위한 시편의 위치를 나타낸 평면도.
도 6은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 밀도 분포를 도시한 그래프.
도 7은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 전기 전도도 분포를 도시한 그래프.
도 8은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 굽힘 강도 분포를 도시한 그래프.
도 9는 도 5 및 제2 실시 예에 따른 밀도 분포를 도시한 그래프.
도 10은 도 5 및 제2 실시 예에 따른 전기 전도도 분포를 도시한 그래프.
도 11은 도 5 및 제2 실시 예에 따른 굽힘 강도 분포를 도시한 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 제1 하부 금형 12 : 제1 측면 금형
13 : 혼합물 14 : 추가 금형
15 : 제1 상부 금형 16 : 걸림봉
17 : 예비 성형체 19 : 스프레더
20 : 제2 하부 금형 21 : 제1 측면 금형
22 : 제2 상부 금형
본 발명은 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법 및 이를 이용해 제작된 분리판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 예비 성형과 주 성형으로 이루어진 2단계 제조 공정을 통해 연료전지용 분리판을 제조함으로써 고온 고압의 성형 시간을 단축할 수 있는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법 및 이를 이용해 제작된 분리판에 관한 것이다.
일반적으로 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)란 수소 이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하고 있는 연료전지를 말하는 것으로, PEMFC는 연료인 수소와 산소의 전기 화학적 반응에 의해 연소과정 없이 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 장치이다. PEMFC는 고분자 전해질막을 중심으로 양쪽에 귀금속 촉매가 코팅된 다공질의 공기극과 연료극이 위치하며 그 외부에 연료를 공급하기 위한 분리판이 결합된 단위전 지를 기본으로 한다.
연료전지용 분리판은 단위전지의 지지체 및 수소와 공기 등의 반응가스와 냉각수의 통로로써 우수한 전기 전도성, 높은 기계적 강도, 낮은 가스 투과도가 확보되어야 한다. 이를 만족하는 재료로 흑연이 많이 사용되는데, 순수 흑연은 전기 전도성이 높고 내부식성이 강하지만, 내부에 기공이 많고 냉각수 채널의 가공이 어렵기 때문에 이를 해결하기 위해 압축이나 사출 성형 공법을 이용한 분리판의 제작 방법이 연구되고 있다.
종래의 압축 성형 공법에 의한 복합 소재 분리판의 제작 기술은 이미 성숙 단계에 있으나 제작 시간이 길어 전체 연료전지 원가의 약 60%를 차지하는 분리판의 가격을 낮추는데 한계가 있다.
또한, 사출 성형 공법으로 만든 복합 소재 분리판의 경우 압축 성형 공법으로 만든 분리판에 비해 전기 전도도가 낮아 효율 면에서 약점이 있다.
본 발명의 목적은 예비 성형을 통해 고압 프레스의 사용 시간을 단축시키고 소재를 변경해 제품을 경량화함과 동시에 변경된 소재에 적합한 공정 및 조건을 확립하여 분리판의 성능 조건을 만족시킬 수 있는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법 및 이를 이용해 제작된 분리판을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단위전지의 양단에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서, 상기 분리판 은, 완성될 상기 분리판의 형상과 유사한 미완성의 예비 성형체를 만드는 예비 성형 단계; 및 상기 예비 성형체를 성형하여 상기 분리판을 제작하는 주 성형 단계를 거쳐 제조되는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법을 제공한다.
상기 예비 성형 단계는, 제1 하부 금형의 양측에 제1 측면 금형을 장착하는 단계; 상기 제1 하부 금형과 제1 측면 금형의 내측에 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지의 혼합물 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지의 혼합물 중 어느 하나를 채우는 단계; 스프레더를 왕복 이동시켜 상기 혼합물을 상기 제1 측면 금형의 높이에 대응하도록 균일하게 분산시키는 단계; 상기 제1 측면 금형의 상부에 상기 혼합물의 충진 높이를 조절하기 위한 추가 금형을 설치하는 단계; 및 상기 혼합물의 상부에 설치되는 제1 상부 금형을 장착하여 상기 예비 성형체를 만드는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물은 상기 제1 상부 금형이 장착된 상태에서 100~ 120℃의 온도로 5~10분 동안 5~15mm의 두께로 성형되어 예비 성형체로 만들어지는 것을 특징으로 한다.
상기 예비 성형체는 실제로 성형될 분리판의 크기보다 네 모서리가 1~5mm 작게 성형되고, 두께는 두껍게 성형되는 것을 특징으로 한다.
상기 주 성형 단계는, 제2 하부 금형의 양측에 제2 측면 금형을 장착하는 단계; 상기 제2 하부 금형 및 제2 측면 금형의 내측에 상기 예비 성형체를 삽입하는 단계; 및 상기 예비 성형체의 상부에 제2 상부 금형을 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 예비 성형체는 상기 제2 상부 금형이 장착된 상태에서 150~180℃의 온도 및 1~5MPa의 압력으로 10~60초간 저압 예열한 후 압력을 해지하여 상기 혼합물 내부의 기포가 금형 밖으로 빠져나가게 하고, 3~15MPa의 압력으로 1~5분 동안 성형하는 파동 압력 공정을 거쳐 분리판을 성형하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 단위전지의 양단에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 연료전지용 분리판에 있어서, 상기 분리판은 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지의 혼합물 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지의 혼합물 중 어느 하나로 만들어지되, 완성될 상기 분리판의 형상과 유사한 예비 성형체를 형성하고, 상기 예비 성형체를 재 성형하여 제조된 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판을 제공한다.
상기 혼합물의 조성 비율은 팽창 흑연 2~20 중량%, 판상 흑연 40~70 중량%, 페놀 수지 20~40 중량%, 또는 팽창 흑연 6~32 중량%, 탄소 섬유 30~60 중량%, 페놀 수지 35~40 중량% 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 연료전지용 분리판 및 분리판의 제조 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다(예비 성형체가 가압되어 복합 재료 분리판을 형성하므로 분리판의 참조번호는 따로 표기하지 않았으며, 제1 및 제2 실시 예에 따른 혼합물은 편의상 같은 참조번호를 사용하였음).
본 발명의 제1 실시 예에 따른 연료전지용 분리판은 판상 흑연을 보강한 복 합 재료 분리판으로, 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지를 혼합한 혼합물(13)이 예비 성형 단계(A) 및 주 성형 단계(B)를 거쳐 만들어진다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 연료전지용 분리판은 탄소 섬유를 보강한 복합 재료 분리판으로, 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지를 혼합한 혼합물이 예비 성형 단계를 거쳐 예비 성형체(17)로 만들어지고, 이 예비 성형체(17)가 주 성형 단계를 거쳐 분리판으로 만들어진다.
이때 제1 실시 예에 따른 혼합물(13)의 이상적인 조성 비율은 팽창 흑연이 2~20 중량%, 판상 흑연이 40~70 중량%, 페놀 수지 20~40 중량%인 것이 바람직한데 그 이유는 다음과 같다.
팽창 흑연은 전도성 네트워크 형성이 잘되고 충진 부피가 크며 입자들이 서로 얽히기 때문에 예비 성형체(17)의 제작에 유리하다. 팽창 흑연은 2 중량% 미만으로 들어갈 경우 충진 부피가 작아져 예비 성형체(17)의 제작이 어렵고, 20 중량%를 초과하면 충진 부피가 너무 커서 내부 기체가 잘 빠져나가지 못하며 굽힘 강도의 보강이 취약하기 때문에 2~20 중량% 정도로 첨가하는 것이 바람직하다.
판상 흑연은 페놀 수지와 함께 분리판의 강도를 확보하는 역할을 한다. 판상 흑연은 40% 중량% 미만으로 들어갈 경우 굽힘 강도를 제대로 보강하지 못하고, 70 중량%를 초과해 들어가면 팽창 흑연의 전도성 네트워크 형성을 방해하여 전도도가 크게 떨어진다. 따라서 판상 흑연은 50~500μm로 40~70 중량%의 범위 내에서 첨가하는 것이 바람직하다.
페놀 수지는 분말 형태로 사용하며 분리판의 가공성을 향상시키기 위해 첨가 된다. 페놀 수지가 20 중량% 미만으로 들어갈 경우 가공성이 떨어지고, 40 중량%를 초과할 경우 전도도가 떨어져 분리판의 경도가 약해지므로 20~40 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
한편 제2 실시 예에 따른 혼합물(13)의 이상적인 조성 비율은 팽창 흑연이 6~32 중량%, 판상 흑연이 30~60 중량%, 페놀 수지 35~40 중량%인 것이 바람직한데 그 이유는 다음과 같다.
팽창 흑연이 6 중량% 미만으로 들어갈 경우 예비 성형체(17)의 제조는 가능하지만 과다한 탄소 섬유량으로 인해 전기 전도도가 연료전지용 분리판의 기준 이하로 떨어진다. 팽창 흑연이 32 중량%를 초과해 들어가면 굽힘 강도가 확보되지 않기 때문에 6~32 중량%로 첨가하는 것이 바람직하다.
탄소 섬유가 30 중량% 미만으로 들어갈 경우 굽힘강도를 제대로 보강하지 못하고, 60 중량%를 초과할 경우 고압에 대한 저항 때문에 혼합물의 치밀화가 이루어지지 못하여 전기 전도도가 분리판의 기준 이하로 떨어지게 된다. 따라서 탄소 섬유는 10~15μm×200~250μm로 30~60 중량%의 범위 내에서 첨가되는 것이 바람직하다.
페놀 수지는 제1 실시 예에서와 마찬가지로 20~40 중량%가 첨가되는 것이 바람직하나 팽창 흑연 및 탄소 섬유의 비율에 맞추어 35~40 중량%를 첨가하는 것이 이상적이다.
본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 사용된 페놀 수지 대신 에폭시 수지나 피닐 에스테르 수지, 폴리프로필렌 수지(PP), 폴리비닐디플루오라이드 수지(PVDF), 폴리 페닐렌설파이드(PPS) 수지 등의 고분자 물질을 사용할 수 있다.
이렇게 이상적인 조성 비율로 팽창 흑연과 보강재(판상 흑연 또는 탄소 섬유) 및 고분자 물질(페놀 수지)의 혼합물(13)을 30분 동안 흔들어 잘 섞어준 후 예비 성형 단계(A) 및 주 성형 단계(B)를 실시하게 된다.
첨부된 도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 예비 성형 방법을 도시한 개략도이고, 도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 주 성형 방법을 도시한 개략도이다. 또한, 도 3은 도 1에 따른 예비 성형 공정을 수치화한 그래프이고, 도 4는 도 2에 따른 주 성형 공정을 수치화한 그래프이다.
본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 혼합물(13)을 예비 성형체(17)로 성형하기 위한 예비 성형 단계(A)는 제1 하부 금형(10) 및 제1 측면 금형(12)을 준비하고 혼합물(13)을 충진한 후 추가 금형(14)을 장착하고 제1 상부 금형(15)을 결합하여 가압 및 가열하는 단계를 거치게 된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 제1 하부 금형(10)의 양측에 제1 측면 금형(12)을 각각 장착하고(S10) 제1 하부 금형(10) 및 제1 측면 금형(12)이 결합된 금형의 내부에 혼합물(13)을 충진한다(S20).
그 후 스프레더(19)를 왕복 이동시켜 금형의 내부 공간에 일정한 높이로 혼합물(13)을 균일하게 분산시키고(S30), 제1 측면 금형(12)의 상부에 추가 금형(14)을 각각 설치한다(S40).
추가 금형(14)은 제1 상부 금형(15)의 하강 통로를 확보하고 충진 높이를 조절하기 위해 사용된다. 추가 금형(14)의 장착 후 제1 상부 금형(15)을 혼합물(13) 의 상부에 위치시켜 가압한다(S50). 이때 상부 금형의 중간에는 걸림봉(16)이 형성되어 추가 금형(14)의 상면에 접촉되는데, 걸림봉(16)에 의해 원하는 예비 성형체(17)의 두께를 확보할 수 있다.
복합 소재 분리판의 두께는 혼합물(13)의 충진량에 따라 결정되는데, 분말의 충진 비율 및 입자의 종류와 크기에 따라 혼합물(13)의 충진 높이가 달라진다. 따라서 추가 금형(14)의 높이를 변경함으로써 원하는 충진 높이를 확보하여 분리판의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 제1 및 제2 실시 예에서 사용되는 복합소재 분리판 성형용 고분자 물질은 페놀 수지로, 녹는점이 90℃이고 통상적으로 150℃에서 1분이면 경화가 이루어진다.
이러한 경화 시간은 순수 페놀 수지의 상태일 때의 시간이므로 팽창 흑연 및 판상 흑연 또는 팽창 흑연 및 탄소 섬유가 80 중량% 정도가 혼합된 상태에서는 열이 전달되기 위해 보다 긴 시간이 소요된다. 따라서 예비 성형체(17)를 성형하는 온도는 페놀 수지가 용융되는 온도보다 약간 높은 100~120℃인 것이 바람직하고, 지나친 경화를 막기 위해서 5 내지 10분 동안 가열하는 것이 바람직하다.
또한, 예비 성형체(17)의 두께는 내부 기체의 제거 및 주 성형 단계(B)의 용이성을 위해 5~15mm 두께로 성형하는 것이 바람직하다. 그리고 예비 성형체(17)가 주 성형 단계(B)에서 다시 가압되어 늘어나므로 실제 제작하고자 하는 분리판의 크기보다 네 군데의 모서리가 0~5mm 정도씩 작게 만들어지는 것이 바람직하다.
예비 성형체(17)의 성형 후 이를 금형으로부터 쉽게 분리할 수 있게 제1 측 면 금형(12)이 제1 하부 금형(10)의 좌우로 분리할 수 있게 설치된다. 이렇게 형성된 예비 성형체(17)는 완전히 경화되기 전에 분리된 후 상온에서 보관하여 주 성형 단계(B)에 사용한다.
주 성형 단계(B)는 제2 하부 금형(20)의 양측에 제2 측면 금형(21)을 장착한 후(S100), 제2 하부 금형(20) 및 제2 측면 금형(21)의 내부 공간에 예비 성형체(17)를 삽입한다(S200). 그 후 예비 성형체(17)의 상부에 제2 상부 금형(22)을 위치시켜 가압한다.
제2 상부 금형(22)이 예비 성형체(17)의 상부에 결합된 상태에서 예비 성형체(17)는 상온에서 약간 경화된 상태이므로 페놀 수지의 2차 유동을 확보하기 위해 150~180℃에서 10~60초 동안 예열하여 유동을 확보한다. 이때 예열 압력은 0.5MPa 이하의 저압인 것이 바람직하다. 예열 공정이 끝나면 1~5MPa의 압력을 가한 뒤, 해지해 내부의 기포를 제거한다. 이 공정이 파동(fluctuating) 압력 공정이다.
혼합물(13)의 압축, 가열 과정에서 분말 사이에 존재하고 있던 공기 또는 페놀 수지에 함유되어 있던 수분이 증발되면서 생기는 수증기가 예비 성형체(17)의 내부에 형성시킨 기포가 이 과정에서 빠져나가게 된다. 적절한 유동이 확보되면 주 성형 압력으로 성형을 한다.
주 성형 압력이 3MPa 미만인 경우에는 성형이 완전하게 이루어지지 않아 전기 전도도 및 굽힘 강도 등이 저하되고, 15MPa을 초과하는 경우에는 더 이상 물성이 향상되지 않으므로 주 성형 압력은 3~15MPa인 것이 바람직하다.
주 성형 단계(B)에서 프레스(press) 온도는 예열부터 탈형까지 일정하게 유 지되어야 한다. 성형 온도가 100℃ 미만인 경우에는 성형 시간이 너무 오래 걸리고, 200℃를 초과하는 경우 페놀 수지의 파괴가 일어날 수 있으므로 100~200℃ 사이를 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 주 성형 단계(B)에서 성형 유지 시간이 1분 미만인 경우에는 전기적, 기계적 물성이 좋지 않으며 3분을 초과하게 되면 각각의 물성이 더 이상 향상되지 않으므로 1~5분 동안 성형을 유지하는 것이 바람직하다.
전술한 과정에 의해 본 발명의 제1 실시 예에 따른 판상 흑연을 보강한 복합 분리판은 먼저 팽창 흑연을 7 중량%, 판상 흑연을 64 중량%, 페놀 수지를 29 중량%로 하여 혼합물을 만들고, 이를 110℃의 온도에서 7분 동안 성형하여 10mm 두께의 예비 성형체로 만들어진다. 그 후 예비 성형체를 150℃로 가열된 고온 프레스에서 20초 동안 예열하여 2차 유동을 확보하고, 압력을 3.5MPa 까지 올리다가 압력을 빼서 기포를 제거한 후 곧바로 7MPa 까지 압력을 올려 3분 동안 주 성형을 하여 판상 흑연을 보강한 복합 분리판이 완성된다.
또한, 본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소 섬유를 보강한 복합 분리판 역시 팽창 흑연을 6~32 중량%, 탄소 섬유를 30~60 중량%, 페놀 수지를 35~40 중량%로 혼합하여 110℃에서 7분동안 10mm 두께로 성형한 후 동일한 주 성형 과정을 거쳐 탄소 섬유를 보강한 복합 분리판으로 완성된다.
이렇게 만들어진 본 발명의 제1 및 제2 실시 예에 따른 복합 재료 분리판의 성능을 살펴보면 다음과 같다.
첨부된 도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 밀도, 전기 전도도 및 굽힘 강도 측정을 위한 시편의 위치를 나타낸 평면도이다. 도 6은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 밀도 분포를 도시한 그래프이고, 도 7은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 전기 전도도 분포를 도시한 그래프이며, 도 8은 도 5 및 제1 실시 예에 따른 굽힘 강도 분포를 도시한 그래프이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 분리판의 4개 지점에서 시편을 준비하여 밀도와 전기 전도도 및 굽힙 강도를 측정하였다.
이에 판상 흑연 보강 분리판의 밀도 분포는 1.71~1.75g/㎤의 범위에 있고 평균 밀도는 1.73g/㎤, 표준편차는 0.013g/㎤로 위치에 따른 밀도의 분포가 양호함을 알 수 있다.
마찬가지로 전기 전도도는 180~190S/cm의 범위에 있고, 평균 전기 전도도는 184S/cm, 표준편차는 3.887S/cm이며, 굽힘 강도의 범위는 49~53MPa이고, 평균 굽힘 강도는 52MPa, 표준편차는 1.683MPa로 역시 위치에 따른 분포가 거의 유사함을 알 수 있다.
첨부된 도 9는 도 5 및 제2 실시 예에 따른 밀도 분포를 도시한 그래프이고, 도 10은 도 5 및 제2 실시 예에 따른 전기 전도도 분포를 도시한 그래프이며, 도 11은 도 5 및 제2 실시 예에 따른 굽힘 강도 분포를 도시한 그래프이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 탄소 섬유 보강 분리판도 마찬가지로 도 5에 도시된 것과 같이 4개 지점에서 시편을 준비하여 밀도와 전기 전도도 및 굽힙 강도를 측정하였다.
이에 탄소 섬유 보강 분리판의 밀도 분포는 1.33~1.37g/㎤의 범위에 있고 평 균 밀도는 1.351g/㎤, 표준편차는 0.013g/㎤로 위치에 따른 밀도의 분포가 양호함을 알 수 있다.
마찬가지로 전기 전도도는 148~151S/cm의 범위에 있고, 평균 전기 전도도는 151S/cm, 표준편차는 1.136S/cm이며, 굽힘 강도의 범위는 45~50MPa이고, 평균 굽힘 강도는 47MPa, 표준편차는 2.09MPa로 역시 위치에 따른 분포가 거의 유사함을 알 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 팽창흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지의 혼합물 또는 팽창흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지의 혼합물을 이용해 2단계의 방법으로 복합 소재 분리판을 제조함으로써 기존의 분말 압축 성형의 단점을 극복할 수 있고 분리판의 경량화가 가능해진다. 또한 예비 성형을 통해 주 성형 시간이 단축되어 보다 경제적인 연료전지용 분리판을 제조할 수 있다.
한편 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며, 특허청구범위에서 청구된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양하게 변형 실시할 수 있는 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법 및 이를 이용해 제작된 분리판은 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지를 이상적으로 혼합한 복합 소재를 이용하여 예비 성형 및 주 성형의 2단계로 분리판을 제조함 으로써 주 성형 시간이 단축되어 대량 생산에 유리한 연료전지용 분리판을 제조할 수 있는 장점이 있다.
또한, 복합 소재를 이용하여 제품의 경량화가 가능하고 분리판의 성능 조건을 만족시킬 수 있는 복합 소재 분리판을 제작할 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 단위전지의 양단에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 연료전지용 분리판의 제조 방법에 있어서,
    상기 분리판은,
    완성될 상기 분리판의 형상과 유사한 미완성의 예비 성형체를 만드는 예비 성형 단계(A); 및
    상기 예비 성형체를 성형하여 상기 분리판을 제작하는 주 성형 단계(B)를 거쳐 제조되며,
    상기 예비 성형 단계(A)는,
    제1 하부 금형의 양측에 제1 측면 금형을 장착하는 단계(S10);
    상기 제1 하부 금형과 제1 측면 금형의 내측에 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지의 혼합물 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지의 혼합물 중 어느 하나를 채우는 단계(S20);
    스프레더를 왕복 이동시켜 상기 혼합물을 상기 제1 측면 금형의 높이에 대응하도록 균일하게 분산시키는 단계(S30);
    상기 제1 측면 금형의 상부에 상기 혼합물의 충진 높이를 조절하기 위한 추가 금형을 설치하는 단계(S40); 및
    상기 혼합물의 상부에 설치되는 제1 상부 금형을 장착하여 상기 예비 성형체를 만드는 단계(S50)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 혼합물은 상기 제1 상부 금형이 장착된 상태에서 100~ 120℃의 온도로 5~10분 동안 5~15mm의 두께로 성형되어 예비 성형체로 만들어지는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 예비 성형체(17)는 실제로 성형될 분리판의 크기보다 네 모서리가 0~5mm 작게 성형되고, 두께는 두껍게 성형되는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 주 성형 단계는, 제2 하부 금형의 양측에 제2 측면 금형을 장착하는 단계(S100);
    상기 제2 하부 금형 및 제2 측면 금형의 내측에 상기 예비 성형체를 삽입하는 단계(S200); 및
    상기 예비 성형체의 상부에 제2 상부 금형을 장착하는 단계(S300)를 포함하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 예비 성형체는 상기 제2 상부 금형이 장착된 상태에서 150~180℃의 온도 및 0.1~0.5MPa의 압력으로 10~60초간 저압 예열한 후 1~5MPa까지 압력을 가한 후 해지하여 상기 혼합물 내부의 기포가 금형 밖으로 빠져나가게 하고, 3~15MPa의 압력으로 1~5분 동안 성형하는 파동 압력 공정을 거쳐 분리판을 성형하는 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판의 2단계 제조 방법.
  7. 단위전지의 양단에 결합되어 상기 단위전지를 지지하는 연료전지용 분리판에 있어서,
    상기 분리판은 팽창 흑연과 판상 흑연 및 페놀 수지의 혼합물 또는 팽창 흑연과 탄소 섬유 및 페놀 수지의 혼합물 중 어느 하나로 만들어지되, 완성될 상기 분리판의 형상과 유사한 예비 성형체를 형성하고, 상기 예비 성형체를 재 성형하여 제조된 것을 특징으로 하며,
    상기 혼합물의 조성 비율은 팽창 흑연 2~20 중량%, 판상 흑연 40~70 중량%, 페놀 수지 20~40 중량%, 또는 팽창 흑연 6~32 중량%, 탄소 섬유 30~59 중량%, 페놀 수지 35~40 중량% 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 예비 성형체를 이용한 연료전지용 분리판.
  8. 삭제
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