KR101371337B1 - 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법 - Google Patents

연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연료전지의 분리판을 탄소섬유 직물에 의하여 제조하기 위한 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 분리판은 탄소섬유로 이루어지고 적층되어 있는 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들과, 두 장 이상의 탄소섬유 직물들의 표면에 탄소섬유가 노출되도록 두 장 이상의 탄소섬유 직물들 사이에 도포되어 있는 고분자 기지를 포함한다. 본 발명의 제조 방법은 고분자 기지를 포함하고 있는 탄소섬유 직물을 핫프레싱에 의하여 압밀·경화하여 분리판 예비성형품으로 성형하는 단계와, 분리판 예비성형품을 분리판으로 트리밍하는 단계를 포함한다. 또한, 고분자 기지는 수지분사나 수지이송성형에 의하여 탄소섬유 직물에 함침할 수 있다. 탄소섬유 직물의 한쪽 면에 금속박판을 가접합하거나 고분자 기지에 전기전도도의 증가를 위하여 전도성 분말을 혼합할 수 있다. 분리판 예비성형품의 표면에 잉여되어 있는 고분자 기지를 화염 또는 플라즈마에 의하여 탄화시킨다. 본 발명에 의하면, 분리판의 경량화에 의하여 단위전지의 개수를 증가시켜 반응면적을 증가시킴으로써, 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 접촉저항이 감소되어 연료전지의 스택에서 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

Description

연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법{CARBON FABRIC BIPOLAR PLATE OF FUEL CELL AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 연료전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지의 분리판을 탄소섬유 직물에 의하여 제조하기 위한 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지는 연료의 산화에 의하여 발생되는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치이다. 연료전지는 전지에 이용되는 연료의 종류에 따라 다양한 형태와 구조로 개발되어 있다. 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용한다. 이러한 PEMFC는 효율이 높고, 전류밀도 및 출력밀도가 크며, 시동 시간이 짧고, 부하 변화에 빠른 응답특성을 갖는 장점으로 인하여 무공해 차량의 동력원, 자가 발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에 응용하고자 하는 시도가 활발하게 이루어지고 있다.
PEMFC는 미국 특허 제7,862,922호, 제7,901,836호의 특허 문헌들에 개시되어 있다. 이 특허 문헌들에 개시되어 있는 PEMFC의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate)들로 구성되어 있다.
PEMFC는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 개스킷(Gasket)들과 두 개의 분리판들로 구성되어 있다. 고분자 전해질막은 양극과 음극 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 동시에 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 한다. 양극과 음극의 두 전극들이 고분자 전해질막에 핫프레싱(Hot-pressing)에 의하여 접합되어 있는 것을 막-전극 어셈블리(Membrane-electrode assembly, MEA)라 한다.
분리판은 막-전극 어셈블리의 양쪽에 배치되어 있고, 양극판(Bipolar plate) 또는 유로판(Flow field plate)으로 부르고도 있는 전기전도성 판이다. 분리판의 한쪽 면에 양극측 채널(Channel)이 형성되어 있고, 다른 쪽 면에 음극측 채널이 형성되어 있다. 엔드플레이트들은 구성요소 사이의 접촉저항을 줄이기 위하여 일반적으로 타이로드(Tie rod)를 이용하여 볼팅(Bolting)하게 되어 있으며, 반응기체의 출구, 입구, 냉각수 순환구, 전력의 출력을 위한 커넥터를 갖는다.
한편, PEMFC의 양극에서는 수소의 산화반응에 의하여 수소 양이온(Proton)과 전자(Electron)가 발생된다. 생성된 수소 양이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통하여 음극으로 이동하게 된다. 음극에서는 수소 양이온, 전자와 산소의 산소환원반응에 의하여 물, 즉 수분이 생성되고, 이러한 전자의 흐름으로부터 전력이 생성된다.
분리판은 전기저항이 낮고, 내화학성(Chemical resistance)과 기계적 물성이 높으며, 수소와 산소의 누설을 방지하기 위하여 가스투과율이 낮아야 한다. 또한, 인접하는 두 분리판들 사이의 전기접촉저항(Electrical contact resistance)이 낮아야 한다. 분리판의 재료는 흑연(Graphite), 팽창 카본(Expanded carbon), 스테인리스스틸(Stainless steel)로 구성되거나 고분자 기지(Polymer matrix)에 카본입자, 흑연입자를 첨가한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다.
상기한 바와 같은 고분자 전해질 연료전지에 있어서 흑연 분리판은 접촉저항이 낮고 전기전도도가 높으나, 얇은 흑연판을 밀링(Milling) 등의 기계가공에 의하여 성형해야 하므로 제조비가 비싸고, 생산성이 낮으며, 충격에 의한 파손 가능성이 큰 문제가 있다. 팽창 카본 분리판과 고분자 기지 복합재료는 유체의 흐름을 위한 채널의 미세한 성형이 어렵고, 전기전도도가 흑연에 비하여 낮은 단점이 있다. 스테인리스스틸 분리판은 생산성이 높으나, 접촉저항이 높고 부식이 발생되는 단점이 있다. 고분자 기지 복합재료 분리판은 내화학성이 우수하고 스테인리스스틸 분리판 보다 접촉저항이 낮으나, 전기저항이 높은 단점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-0783867호 "연료전지용 분리판 및 그 제조 방법"은 10~200㎛ 입자 크기의 흑연 75~85중량%, 페놀수지 13.5~22.5중량%, 경화제 1.5~2.5 중량%로 이루어진 복합재료를 구비하여 혼합하고, 금형에 분산시킨 후 분리판으로 성형하고, 100~120℃에서 열처리하여 분리판을 제조하고 있다. 그러나 대한민국 등록특허 제10-0783867호는 금형에 분말(Powder)를 압축하여 장입하는 공정이 어려워 성형성이 저하되며, 열처리 공정에 오랜 시간이 소요되어 생산성이 저하되는 문제가 있다.
일본 특허공개공보 제1999-297338호 "고체 고분자형 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법"은 카본/흑연분말과 고분자 기지를 이용하여 분리판을 제조하고 있다. 일본 특허공개번호 제1999-297338호는 금형에 분말을 장입하고 압축하는 공정이 어려워 성형성이 저하되며, 열처리 공정에 오랜 시간이 소요되어 생산성이 저하되는 문제가 있다.
일본 특허공개공보 제2001-325967호 "연료전지 분리판 및 그 제조 방법, 연료전지 분리판 및 고체 고분자형 연료전지"에는 입경 60~100㎛의 도전체 분말, 기지 및 휘발성 용제를 이용하여 분리판을 제조하고 있다. 일본 특허공개공보 제2001-325967호는 입자 간의 접촉을 증가시켜 전기전도 특성을 향상시키기 위하여 입자 함량을 높이면 기계적 물성이 떨어지고, 성형성이 저하되는 단점이 있다. 또한, 휘발성 용제의 사용에 의하여 공정 시간이 길어지고, 작업 안전성 및 환경 문제의 유발 가능성이 큰 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 여러 가지 문제점들을 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 탄소섬유 직물 복합재료로 연료전지용 분리판을 제조하기 위한 새로운 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 경량화에 의하여 단위전지의 개수를 증가시켜 반응면적을 증가시킴으로써, 전력밀도(Power density)를 향상시킬 수 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 따른 목적은, 접촉저항이 감소되어 연료전지의 스택에서 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 따른 목적은, 체결 하중에 의한 굴곡강도, 압축강도 및 내부식성이 우수하여 밀폐특성(Sealability)을 향상시킬 수 있고, 취급(Handling)이 용이하며, 하중에 의한 파손을 효과적으로 방지할 수 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 열관성(Thermal Inertia)이 작아서 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있고, 연속 공정에 의하여 생산성을 향상시킬 수 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법은, 고분자 기지를 포함하고 있는 탄소섬유 직물을 핫프레싱에 의하여 압밀·경화하여 분리판 예비성형품으로 성형하는 단계와; 분리판 예비성형품을 분리판으로 트리밍하는 단계를 포함한다.
또한, 고분자 기지는 수지분사나 수지이송성형(Resin transfer molding, RTM)에 의하여 탄소섬유 직물에 함침할 수 있다. 탄소섬유 직물의 한쪽 면에 금속박판을 가접합하거나 고분자 기지에 전기전도도의 증가를 위하여 전도성 분말을 혼합할 수 있다. 분리판 예비성형품의 표면에 잉여되어 있는 고분자 기지를 화염 또는 플라즈마에 의하여 탄화시킨다.
본 발명의 다른 측면에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판은, 탄소섬유로 이루어지고, 적층되어 있는 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들과; 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들의 표면에 상기 탄소섬유가 노출되도록 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들 사이에 도포되어 있는 고분자 기지를 포함한다.
본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법은, 분리판의 경량화에 의하여 단위전지의 개수를 증가시켜 반응면적을 증가시킴으로써, 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 접촉저항이 감소되어 연료전지의 스택에서 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 체결 하중에 의한 굴곡강도, 압축강도 및 내부식성이 우수하여 밀폐특성을 향상시킬 수 있고, 취급이 용이하며, 하중에 의한 파손을 효과적으로 방지할 수 있고, 분리판의 열관성이 작아서 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있다. 탄소섬유 직물의 절단, 고분자 수지의 함침, 핫프레싱, 트리밍 등 일련의 공정을 연속적을 실시할 수 있어 생산성을 향상시키고, 생산비를 절감할 수 있으므로, PEMFC의 제조에 매우 유용하게 채택할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 의 제조 방법을 설명하기 위하여 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조를 위한 탄소섬유 직물 복합재료의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조를 위한 탄소섬유 직물 복합재료의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법에서 수지이송성형을 설명하기 위하여 나타낸 금형조립체의 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 의 제조 방법에서 비금속 전도성 분말을 도포하는 공정을 설명하기 위한 금형조립체의 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 의 제조 방법에서 비금속 전도성 박막을 제공하는 공정을 설명하기 위한 금형조립체의 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법에서 분리판 예비성형품의 표면처리를 설명하기 위한 공정도이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 분리판은 탄소섬유 직물(10)과, 탄소섬유 직물(10)의 한쪽 면에 도포되어 있는 고분자 기지(20)로 이루어져 있는 탄소섬유 직물 복합재료를 핫프레스(Hot press) 방식으로 성형한 것이다.
탄소섬유 직물(10)은 다양한 형태의 것이 사용된다. 탄소섬유 직물(10)은 지름 약 7㎛ 정도인 탄소섬유에 의하여 평직, 능직, 수자직으로 직조할 수 있다. 또한, 탄소섬유 직물(10)은 일방향 탄소섬유가 0~90도로 교차 적층되어 있는 직물 형태나 길이 1mm 이상의 탄소섬유가 무작위(Randomly orientde)로 배열되어 있는 직물 형태로 구성될 수 있다. 탄소섬유 직물(10)은 두 장을 고분자 기지, 예를 들면 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin) 등으로 가접합하여 구성할 수 있다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소섬유 직물 복합재료(30)의 일례로 탄소섬유 직물(10)은 평직으로 직조되어 있다. 고분자 기지(20)가 탄소섬유 직물(10)의 한쪽 표면에 함침되어 있다. 이와 같은 탄소섬유 직물 복합재료(30)에 의해서는 분리판의 경량화에 의하여 단위전지의 개수를 증가시켜 반응면적을 증가시킴으로써, 전력밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 접촉저항이 감소되어 연료전지의 스택에서 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 체결 하중에 의한 굴곡강도, 압축강도 및 내부식성이 우수하여 밀폐특성을 향상시킬 수 있고, 취급이 용이하며, 하중에 의한 파손을 효과적으로 방지할 수 있다. 분리판의 열관성이 작아서 냉시동의 특성을 향상시킬 수 있다.
한편, 탄소섬유 직물 복합재료(30)의 전기전도성을 증가시키기 위하여 비금속 전도성 분말(40)이 고분자 기지(20)에 추가로 혼합되어 있다. 비금속 전도성 분말(40)은 카본블랙(Carbon black), 카본분말(Carbon powder), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 흑연분말(Graphite powder), 탄소 단섬유(Chopped carbon fiber) 등으로 구성될 수 있다.
도 3을 참조하면, 탄소섬유 직물 복합재료(30)는 적층되어 있는 두 장의 탄소섬유 직물(10)들 사이에 가스 투과성을 낮출 수 있도록 금속박판(50)이 개재되어 있다. 탄소섬유 직물(10)들은 고분자 기지(20)에 의하여 금속박판(50)의 양면에 가접합되어 있다. 금속박판(50)은 알루미늄, 스테인리스스틸, 구리 등으로 구성되어 있다. 한편, 두 장의 탄소섬유 직물(10)들이 금속박판(50)의 양면에 가접합되어 있는 경우, 분리판의 제조 후 고분자 기지가 함침되어 있지 않은 탄소섬유가 외부로 노출되면서 전기접촉저항을 감소시키게 된다. 본 실시예에 있어서, 적층되는 탄소섬유 직물(10)의 개수는 필요에 따라 증가될 수 있다.
도 1의 (a)에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소섬유 직물(10)은 연속적인 길이를 갖는 롤(Roll) 형태로 제작된다. 롤 형태의 탄소섬유 직물(10)은 서플라이릴(Supply reel: 100)에 장착되어 풀려지게 된다. 롤피드(Roll feed: 110)는 커팅롤러(Cutting roller: 112)와 아이들롤러(Idle roller: 114)로 구성되어 있다. 커터(Cutter: 116)가 커팅롤러(112)의 외주면에 장착되어 있다. 탄소섬유 직물(10)의 선단은 커팅롤러(112)와 아이들롤러(114) 사이에 개재되며, 회전하는 커팅롤러(112)와 아이들롤러(114)의 구름마찰(Rolling friction)에 의하여 서플라이릴(100)로부터 풀려나면서 이송된다. 커터(116)는 커팅롤러(112)의 1회전마다 탄소섬유 직물(10)을 분리판의 제조에 요구되는 길이로 절단한다. 본 실시예에 있어서, 탄소섬유 직물(10)은 별도의 절단기 또는 재단기에 의하여 소요의 길이로 절단할 수 있다.
도 1의 (b)에 도시되어 있는 바와 같이, 핫프레스 머신(Hot press machine: 120)은 테이블(122), 램(Ram: 124)과 금형조립체(Mold assembly: 130)를 구비한다. 금형조립체(130)는 상부금형(132)과 하부금형(134)으로 구성되어 있다. 상부금형(132)은 램(124)의 하면에 장착되어 있고, 하부금형(134)은 테이블(124)의 상면에 장착되어 있다. 상부금형(132)과 하부금형(134) 각각은 탄소섬유 직물(10)을 분리판으로 형성하기 위한 캐버티(Cavity: 132a, 134a)를 갖는다. 연료, 물, 공기의 유동을 위한 채널의 형성을 위하여 캐버티(132a, 134a) 각각에는 채널패턴(Channel pattern: 132b, 134b)이 형성되어 있다.
작업자는 하부금형(134)의 캐버티(134a) 안에 탄소섬유 직물(10)을 장입한다. 고분자 기지(20)는 주입구(140)의 수지분사(Resin spraying)에 의하여 탄소섬유 직물(10)에 함침된다. 이러한 고분자 기지(20)의 수지분사에 의하여 고분자 기지(20)를 탄소섬유 직물(10)에 함침시킴으로써, 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다. 본 실시예에 있어서, 고분자 기지(20)이 함침되어 있는 탄소섬유 직물(10)은 프리프레그(Prepreg)로 구성될 수 있다. 프리프레그는 탄소섬유가 고분자 기지에 함침된 후, 비-스테이지(B-stage)로 경화되어 층(Laminate) 또는 시트(Sheet)로 제조된 것이다.
도 1의 (c)에 도시되어 있는 바와 같이, 고분자 기지(20)의 함침이 완료된 후, 핫프레스 머신(120)의 작동에 의하여 탄소섬유 직물(10)을 압밀·경화시켜 분리판 예비성형품(60)로 성형한다. 탄소섬유 직물(10)의 압밀은 램(124)의 하강에 의한 상부금형(132)의 가압 또는 램(124)의 하강과 테이블(122)의 상승에 의한 상부금형(132)과 하부금형(134)의 동시 가압에 의하여 실시할 수 있다. 핫프레스 머신(120)의 성형 온도는 고분자 기지(20)의 경화 온도에 맞추어 제어한다. 탄소섬유 직물(10)의 압밀·경화가 완료되면, 작업자는 상부금형(132)과 하부금형(134)을 열고 분리판 예비성형품(60)을 취출한다.
한편, 고분자 기지(20), 예를 들면 열경화성 수지의 경화는 주위의 온도를 80~400℃ 정도로 상승시켜 열에너지를 부여함으로써, 모노머(Monomer) 형태의 수지가 가교반응(Cross-linking)을 하거나 비스테이지의 수지가 일단 용융되었다가 가교반응에 의하여 액체에서 고체로 변화하여 이루어진다. 열가소성 수지의 경화는 열에너지의 부여에 의하여 수지가 완전히 용융되어 탄소섬유 직물의 계면에 충전되고, 온도가 낮아지면 다시 고체로 변화하여 이루어진다.
도 1의 (d)에 도시되어 있는 바와 같이, 분리판 예비성형품(60)은 트리밍(Trimming)하여 분리판(70)로 제조한다. 트리밍 머신(Trimming machine: 150)은 테이블(152), 램(154)과 트리밍 금형조립체(Trimming mold assembly: 160)로 구성되어 있다. 트리밍 금형조립체(160)는 상부금형(162)과 하부금형(164)으로 구성되어 있다. 하부금형(164)은 분리판 예비성형품(60)의 트리밍을 위하여 형성되어 있는 캐버티(164a)를 구비한다. 상부금형(162)은 램(154)의 하면에 장착되어 있으며, 램(154)의 작동에 의하여 승강된다. 하부금형(164)은 테이블(152)의 상면에 장착되어 있다. 하부금형(164)은 테이블(152)의 작동에 의하여 승강될 수 있다.
작업자는 분리판 예비성형품(60)을 하부금형(164)의 캐버티(164a)에 장입한 후, 상부금형(162)과 하부금형(164)을 형폐(Mold closing)하여 분리판 예비성형품(60)에 대한 펀칭(Punching), 절단 등을 실시하여 분리판(70)을 제조한다. 작업자는 상부금형(162)과 하부금형(164)을 형개(Mold opening)한 후, 하부금형(164)의 캐버티(164a)로부터 분리판(70)을 취출한다.
도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 고분자 기지(20)의 함침은 상부금형(132)과 하부금형(134)을 형폐한 후, 상부금형(132)에 연결되어 있는 주입구(170)를 통하여 고분자 기지(20)을 주입하여 분사하는 수지이송성형에 의하여 실시할 수 있다. 이러한 수지이송성형에 의하여 고분자 기지(20)를 탄소섬유 직물(10)에 함침시킴으로써, 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 5를 참조하면, 핫프레싱 이전에 상부금형(132)과 하부금형(134)의 형개 상태에서 캐버티(132a, 134a)의 내면에 비금속 전도성 분말(80)을 추가로 도포한다. 비금속 전도성 분말(80)은 분사구(180)로 노즐(Nozzle: 182)을 통하여 분사되어 캐버티(132a, 134a)의 내면에 도포된다. 비금속 전도성 분말(80)은 카본블랙(Carbon black), 카본분말(Carbon powder), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 흑연분말(Graphite powder), 탄소 단섬유(Chopped carbon fiber) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 비금속 전도성 분말(80)은 캐버티(132a, 134a)로부터 취출할 때 분리판(70)이 쉽게 분리되도록 하는 이형제(Parting agent)로 작용한다.
도 6을 참조하면, 핫프레싱 이전에 상부금형(132)과 하부금형(134)의 형개 상태에서 캐버티(132a, 134a)의 내면에 이형제로 비금속 전도성 박막(90)을 추가로 제공한다. 비금속 전도성 박막(90)은 흑연포일(Graphite foil), 탄소지(Carbon paper), 흑연펠트(Graphite Felt), 탄소펠트(Carbon Felt) 등으로 구성될 수 있다. 이러한 비금속 전도성 박막(90)에 의하여 캐버티(132a, 134a)로부터 분리판(70)을 용이하게 분리하여 취출할 수 있다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 분리판의 제조 방법은 분리판(70)의 접촉저항을 높이기 위하여 분리판 예비성형품(60)의 표면을 탄화시키는 표면처리를 추가로 실시한다. 분리판 예비성형품(60)의 표면처리는 고온의 화염(Flame treatment: 190) 또는 고온의 플라즈마(Plazma)에 의하여 분리판 예비성형품(60)의 표면으로부터 잉여 고분자 기지(20)를 탄화시킨다. 분리판 예비성형품(60)의 표면처리 시 고분자 기지는 페놀수지, 에폭시수지, 비닐에스터(Vinylester), 폴리에스터(Polyester) 등의 열경화성 수지로 구성된다. 화염(190)은 토치램프(Torch lamp: 192)에 의하여 분리판 예비성형품(60)의 표면에 방사시킬 수 있다. 플라즈마는 플라즈마 발생기에 의하여 발생시켜 분리판 예비성형품(60)의 표면에 방사시킬 수 있다.
이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10: 탄소섬유 직물 20: 고분자 기지
30: 탄소섬유 직물 복합재료 40, 80: 비금속 전도성 분말
50: 금속박판 60: 분리판 예비성형품
70: 분리판 100: 서플라이릴
110: 롤피드 116: 커터
120: 핫프레싱 머신 130: 금형조립체
132: 상부금형 134: 하부금형
140, 170: 주입구 150: 트리밍 머신
160: 트리밍 금형 조립체 162: 상부금형
164: 하부금형 180: 분사구
190: 화염 192: 토치램프

Claims (13)

  1. 탄소섬유로 이루어지고, 적층되어 있는 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들과;
    상기 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들의 표면에 상기 탄소섬유가 노출되도록 상기 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들 사이에 도포되어 있는 고분자 기지를 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 장 이상의 탄소섬유 직물들 사이에 금속박판이 접합되어 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고분자 수지에 전기전도도의 증가를 위한 전도성 분말이 혼합되어 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판.
  4. 고분자 기지를 포함하고 있는 탄소섬유 직물을 핫프레싱에 의하여 압밀·경화하여 분리판 예비성형품으로 성형하는 단계와;
    상기 분리판 예비성형품을 분리판으로 트리밍하는 단계를 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 상기 탄소섬유 직물의 한쪽 면에만 도포되어 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 수지분사에 의하여 상기 탄소섬유 직물에 함침되어 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 수지이송성형에 의하여 상기 탄소섬유 직물에 함침되어 있는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물의 한쪽 면에 금속박판을 가접합하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  9. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고분자 기지에 전기전도도의 증가를 위하여 전도성 분말을 혼합하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  10. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물의 핫프레싱을 위한 상부금형과 하부금형을 구비하며, 상기 상부금형과 상기 하부금형 각각은 캐버티와 상기 분리판에 채널을 성형하기 위한 채널패턴을 구비하고, 상기 캐버티의 표면에 상기 분리판 예비성형품의 분리를 위하여 비금속 전도성 분말을 도포하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  11. 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물의 핫프레싱을 위한 상부금형과 하부금형을 구비하며, 상기 상부금형과 상기 하부금형 각각은 캐버티와 상기 분리판에 채널을 성형하기 위한 채널패턴을 구비하고, 상기 캐버티의 표면에 상기 분리판 예비성형품의 분리를 위하여 비금속 전도성 박막을 제공하는 단계를 더 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 분리판 예비성형품의 표면에 잉여되어 있는 고분자 기지를 화염 또는 플라즈마에 의하여 탄화시키는 단계를 더 포함하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물은 롤 형태로 감겨져 구성되어 있고, 상기 롤 형태의 탄소섬유 직물을 서플라이릴로부터 풀어내면서 상기 분리판의 제조에 소요되는 길이로 절단하는 연료전지용 탄소섬유 직물 분리판의 제조 방법.
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