KR102053791B1 - 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용한 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법 및 이로부터 제조된 전지용 복합재료 분리판 - Google Patents

스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용한 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법 및 이로부터 제조된 전지용 복합재료 분리판 Download PDF

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Abstract

전지용 복합재료 분리판 제조 방법에 있어서, 스프레드 토우 탄소섬유 직물들에 고분자 기지를 도포하여 예비 분리판을 형성하는 단계; 상기 예비 분리판 상에 이형 층을 위치시킨 다음, 가압 및 경화 공정을 진행하여 상기 이형 층과 접촉하는 상기 예비 분리판 영역의 탄소섬유 직물들을 노출하는 단계; 및 상기 이형 층을 제거하여 분리판을 완성하는 단계를 포함하는 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법을 제공한다.

Description

스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용한 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법 및 이로부터 제조된 전지용 복합재료 분리판{A METHOD FOR PREPARING A COMPOSITE SEPARATION PLATE FOR BATTERY USING SPREAD TOW CARBON FIBER FABRIC AND A COMPOSITE SEPARATION PLATE FOR BATTERY PREPARED THEREFROM}
본 발명은 대형 토우로 구성된 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용한 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법 및 이로부터 제조된 전지용 복합재료 분리판에 관한 것이다.
최근 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지(New renewable energy)는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 신재생에너지의 원활한 사용을 위하여 연료전지(Fuel cell)와 에너지 저장 시스템(Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)가 있고, 에너지 저장 시스템은 이차전지(Secondary cell)의 하나로 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)가 있다.
PEMFC의 단위전지는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 가스킷(Gasket)들과 두 개의 분리판들로 구성되어 있다. 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 전도성 입자 또는 전도성 섬유를 보강한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다.
복합재료 분리판 중 특히 장 섬유 탄소 (Unidirectional continuous carbon fiber)를 사용한 분리판의 경우, 금속이나 흑연 분리판과 비교하여 높은 비강도, 체적 대비 낮은 전기 저항, 높은 생산성을 가져 가장 우수한 분리판으로 평가 받고 있다. 하지만 장섬유 탄소 에폭시 복합재료 분리판은 그 표면에 전기 전도도가 낮고 경도가 높은 잉여 고분자 기지 층이 형성되어 전기 접촉 저항이 높은 단점이 있다. 따라서 분리판의 접촉 저항을 감소시키기 위해 최근에는 화염(Flame treatment), 플라즈마 처리(Plasma treatment) 등을 통해 고분자 분리판 표면의 수지만을 제거하여 표면에 섬유를 노출시키는 방법, 분리판 표면에 경도가 낮은 팽창 흑연층을 코팅하는 방법이 연구되어 왔다.
한국 등록특허 제10-1353354호 "연료전지용 섬유강화 복합재료 분리판의 표면처리 방법"은 접촉저항의 감소를 위하여 섬유강화 복합재료의 표면에 잉여되어 있는 잉여 고분자 기지층을 불꽃에 의하여 가열하여 탄화시킨 탄화층을 형성하고 있다. 한편, 잉여 고분자 기지층은 플라스마 처리(Plasma treatment)에 의하여 탄화시키고도 있다. 그러나 불꽃의 가열이나 플라스마 처리에 의한 잉여 고분자 기지층의 탄화는 분리판의 제조 공정을 복잡하게 하여 분리판의 생산성을 저하시키게 된다.
또한 가장 널리 사용되는 팽창 흑연 층 코팅의 경우는 VRFB의 황산 환경에서 표면에 기포가 발생하는 문제가 있다. 또한 접착 강도가 낮아 팽창 흑연이 박리되어 시스템의 성능을 저하시킬 수 있는 위험성이 있다.
이에 최근 연구에서는 일 방향 탄소 장섬유 복합재료 제조 시에 금형과 복합재료 사이에 강성이 낮은 이형 층을 삽입하여 경화시키는 "소프트 레이어 방법(Soft layer method)"이 개발되었으며, 소프트 레이어를 사용하는 경우 분리판 표면에 전도성 탄소섬유 노출로 인해 전기적 성능이 증가할 수 있는 장점이 있다.
한편, 복합재료 분리판은 면적이 클수록 일방향 탄소섬유 복합재료보다 직조 구조를 갖는 직물 형태의 복합재료가 취급 및 제조에 용이하다. 특히 VRFB의 경우 크기가 5000 cm2에 이를 정도로 대면적의 분리판이 필요하다. 하지만 직조 구조를 가지는 탄소섬유에 강성이 낮은 이형 층을 이용하여 표면에 탄소섬유를 노출시키는 소프트 레이어 방법을 적용함에 있어서 별도의 공정이 필요한 문제점이 있다. 본 발명의 발명자들은 이러한 별도의 공정 발생으로 인한 비용 및 시간의 소요를 최소화하고자 연구를 거듭한 결과 본 발명을 완성하였다.
한국 등록특허 제10-1353354호
본 발명은 상기와 같은 종래의 복합재료 분리판이 갖는 문제점을 고려하여 연구된 결과물로서, 기존의 분리판보다 전기전도도가 향상되고 취급용이성 또한 보유한 전지용 복합재료 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 전지용 복합재료 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 구현은, 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법에 있어서, 스프레드 토우 탄소섬유 직물들에 고분자 기지를 도포하여 예비 분리판을 형성하는 단계; 상기 예비 분리판 상에 이형 층을 위치시킨 다음, 가압 및 경화 공정을 진행하여 상기 이형 층과 접촉하는 상기 예비 분리판 영역의 탄소섬유 직물들을 노출하는 단계; 및 상기 이형 층을 제거하여 분리판을 완성하는 단계를 포함하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 이형 층을 제거하기 전에 퍼징 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들은 적어도 15k의 대형 토우로 구성될 수 있다.
상기 고분자 기지는 전기전도도의 향상을 위해 전도성 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 이형 층은 상기 예비 분리판과 서로 이형적 재질 특성을 가질 수 있다. 상기 이형 층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 실리콘 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어질 수 있다.
상기 고분자 기지는 수지분사 또는 수지이송성형에 의하여 상기 탄소섬유 직물에 함침될 수 있다.
본 발명의 방법에서 상기 탄소섬유 직물들은 롤 형태로 감겨져 구성되어 있고, 상기 롤 형태의 탄소섬유 직물을 서플라이릴로부터 풀어내면서 상기 분리판의 제조에 소요되는 길이로 절단할 수 있다.
본 발명의 다른 구현 예는 고분자 기지에 덮여 있는 스프레드 토우 탄소섬유 직물들을 포함하는 연료전지용 복합재료 분리판에 있어서, 상기 복합재료 분리판은 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들이 상기 고분자 기지로부터 노출된 전도성 영역 및 상기 전도성 영역의 가장자리 둘레를 따라 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들이 상기 고분자 기지에 덮여 있는 비전도성 영역을 포함하고, 상기 전도성 영역과 대응되는 분리판은 상기 비전도성 영역과 대응되는 분리판의 두께보다 작게 단차를 두어 형성된 연료전지용 복합재료 분리판을 제공한다.
상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들은 적어도 15k의 대형 토우로 구성될 수 있으며, 상기 고분자 기지는 전도성 분말을 더 포함할 수 있다.
상기 전도성 영역은 상기 복합재료 분리판의 일면에 형성된 제1 전도성 영역과 상기 복합재료 분리판의 타면에 형성된 제2 전도성 영역을 포함할 수 있다.
상기 전도성 영역의 전기접촉저항은 상기 비전도성 영역의 전기접촉저항 보다 작을 수 있다.
또한, 상기 고분자 기지는 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 부틸 고무, 실리콘 고무, 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법은 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 사용함으로써 취급이 용이하고 대면적화에 우수할 뿐만 아니라, 분리판의 표면에 남는 잉여 고분자 수지층을 최소화함으로써 전기전도도가 크게 향상된 분리판을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 분리판은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스프레드 토우 직물의 측단면을 개략적으로 도시한다.
도 2는 직조 구조를 가지는 탄소섬유에 소프트 레이어 방법을 적용한 경우를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 구현 예에 따른 연료전지용 복합재료 분리판 제조 공정을 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 구현 예에 따라 연료전지용 복합재료 분리판의 표면에 탄소섬유 직물들이 노출되는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다. 이하, 본 발명에 따른 전지용 복합재료 분리판 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 1에 나타낸 바와 같이 대면적화에 용이한 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 이용하여 전지용 복합재료 분리판을 제공하는 것을 특징으로 한다. 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물은 일반적인 직물과 비교하여 토우가 펼쳐져 있기 때문에 직물 고유의 마루-골 구조가 거의 나타나지 않는다.
일반적으로 직물 형태의 복합재료는 섬유 다발(Bundle)로 인한 마루-골 (Peak-valley) 구조를 갖기 때문에 도 2에 도시한 바와 같이, 소프트 레이어(또는 이형 층)가 있더라도 골에는 잉여 고분자 수지 층이 발생하게 된다. 이로 인해 전기적 성능이 일방향 탄소섬유 복합재료보다 낮은 단점이 있다. 본 발명은 이러한 단점을 극복하기 위하여 발명된 것으로, 종래의 소프트 레이어 방법을 적용함에 있어서 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 사용함으로써 일방향 복합재료의 장점인 우수한 전기적 성능과 직물형 복합재료의 장점인 취급 용이성을 모두 보유한 복합재료 분리판의 제작이 가능하다.
구체적으로, 본 발명의 일 구현 예는 고분자 기지에 덮여 있는 스프레드 토우 탄소섬유 직물들을 포함하는 연료전지용 복합재료 분리판에 있어서, 상기 복합재료 분리판은 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들이 상기 고분자 기지로부터 노출된 전도성 영역 및 상기 전도성 영역의 가장자리 둘레를 따라 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들이 상기 고분자 기지에 덮여 있는 비전도성 영역을 포함하고, 상기 전도성 영역과 대응되는 분리판은 상기 비전도성 영역과 대응되는 분리판의 두께보다 작게 단차를 두어 형성된 연료전지용 복합재료 분리판을 제공한다.
상기 전도성 영역의 전기접촉저항은 상기 비전도성 영역의 전기접촉저항 보다 작을 수 있으며, 예를 들어, 전도성 영역의 면적 저항률(ASR)은 20 mOhm cm2　이하일 수 있다. 전도성 영역과 비전도성 영역의 비율은 이에 제한되지 않으나, 전기 화학 반응이 일어나는 영역을 전도성 영역으로, 구조적으로 맞물리는 영역을 비전도성 영역으로 하는 것이 바람직하다.
상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물은 5k, 10k와 같이 비교적 토우수가 작은 스프레드 토우부터 20k, 30k와 같은 중간 급 스프레드 토우, 그리고 50k 이상의 대형 스프레드 토우 등을 토우 크기와 무관하게 사용할 수 있다. 바람직하게는, 적어도 15k의 대형 토우로 구성되는 것을 특징으로 한다. 탄소섬유 직물은 두 장을 고분자 기지(polymer matrix)로 가접합하여 구성할 수 있다.
상기 고분자 기지는 열경화성 수지, 예컨대 페놀수지(Phenolic resin), 에폭시수지(Epoxy resin), 폴리에스테르수지(Polyester resin), 열가소성 수지, 예컨대 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 및 탄성중합체, 예컨대 부틸 고무, 실리콘 고무, 불소 고무로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
복합재료 분리판의 전기전도성을 증가시키기 위하여 비금속 전도성 분말이 고분자 기지에 추가로 혼합될 수 있다. 비금속 전도성 분말은 카본블랙(Carbon black), 카본분말(Carbon powder), 탄소나노튜브(Carbon nanotube), 흑연분말(Graphite powder), 탄소 단섬유(Chopped carbon fiber)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명에 따른 전지용 복합재료 분리판의 제조는 핫프레스 몰딩(Hot press molding), 벌크 몰딩 컴파운드(Bulk molding compound, BMC), 시트 몰딩 컴파운드(Sheet molding compound, SMC), 레진 트랜스퍼 몰딩(Resin transfer molding, RTM) 등 다양한 방법에 의하여 실시할 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4을 참조하여 본 발명의 전지용 복합재료 분리판 제조 공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 핫프레스 머신(120)은 제1 테이블(122), 제1 램(Ram: 124) 및 금형조립체(Mold Assembly: 130)를 포함한다. 상기 금형조립체(130)는 상기 제1 테이블(122)에 안착되는 하부금형(132)과 상기 제1 램(124)의 하면에 고정된 상부금형(134)을 포함하고, 소정의 길이로 절단된 스프레드 토우 탄소섬유 직물들은 상기 하부금형(132)의 하부 캐비티(132a) 내에 진입된다.
상기 하부금형(132)의 하부 캐비티(132a)와 대응되도록 상기 상부금형(134)에도 상부 캐비티(134a)가 형성되어 있다. 또한, 상기 하부 캐비티(132a) 및 상기 상부 캐비티(134a)와 대응되는 상기 하부금형(132) 및 상기 상부금형(134) 각각의 내면에는 연료, 물, 공기의 유동을 위한 채널 형성을 위해 채널패턴(Channel pattern)들이 형성될 수 있다.
상기 채널패턴들은 상기 핫프레스 머신(120)의 가압 공정시 분리판의 표면에 다수의 요철홈들을 형성시켜, 연료, 물, 공기가 유동될 수 있도록 한다.
상기와 같이, 스프레드 토우 탄소섬유 직물들이 금형조립체(130)의 하부금형(132)에 진입하면, 도면에는 도시하지 않았지만, 고분자 기지(176)를 주입하는 공정을 진행한다.
상기 고분자 기지(176)를 주입하는 공정은 상기 하부금형(132)의 캐비티(132a)에 배치된 스프레드 토우 탄소섬유 직물들 상에 수지분사를 분사하는 방식으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이, 고분자 기지(176)의 수지분사에 의해 고분자 기지(176)를 스프레드 토우 탄소섬유 직물들에 함침 시킴으로써, 공정에 소요되는 시간을 단축시켜 생산성을 향상시킬 수 있다.
상기와 같이, 고분자 기지(176)가 스프레드 토우 탄소섬유 직물들에 함침되면, 상기 핫프레스 머신(120)을 작동시켜 상기 금형조립체(130)의 상부금형(134)과 상기 하부금형(132) 방향으로 압밀 및 경화 공정으로 예비 분리판(170)을 성형한다. 상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물의 압밀은 제1 램(Ram: 124)의 하강에 의한 상부금형(134)의 가압 또는 제1 램(124)의 하강과 제1 테이블(122)의 상승에 의한 상부금형(134)과 하부금형(132)의 동시 가압에 의해 실시할 수 있다. 상기 핫프레스 머신(120)의 성형 온도는 고분자 기지(176)의 경화 온도에 맞추어 제어될 수 있다.
상기와 같이, 스프레드 토우 탄소섬유 직물의 압밀 및 경화 공정이 완료되면, 상기 상부금형(134)과 하부금형(132)을 열고 예비 분리판(170)을 상기 금형조립체(130)로부터 취출한다.
한편, 상기 고분자 기지(176), 예를 들면 열경화성 수지의 경화는 주위의 온도를 80~400 정도로 상승시켜 열에너지를 부여함으로써, 모노머(Monomer) 형태의 수지가 가교 반응(Cross-linking)을 하거나 비스테이지의 수지가 일단 용융되었다가 가교 반응에 의하여 액체에서 고체로 변화하여 이루어진다. 열가소성 수지의 경화는 열에너지의 부여에 의하여 수지가 완전히 용융되어 탄소섬유 직물들의 계면에 충전되고, 온도가 낮아지면 다시 고체로 변화하여 이루어진다.
또한, 상기에서 설명한 고분자 수지(176)의 함침 공정 외에 수지이송성형에 의한 함침 공정을 진행할 수 있다. 상기 수지이송형 함침 공정은 핫프레스 머신(120)의 하부금형(132)의 하부 캐비티(132a) 내에 스프레드 토우 탄소섬유 직물들을 진입시킨 후, 상기 상부금형(134)을 하강시켜, 상기 상부금형(134)과 하부금형(132)을 형폐한다.
그런 다음, 상기 상부금형(134)의 내면에 배치된 주입구(미도시)를 통하여 고분자 기지(176)를 주입하여 분사한 후, 상기에서 설명한 스프레드 토우 탄소섬유 직물의 압밀 및 경화 공정을 진행하여 예비 분리판(170)을 완성할 수 있다.
상기와 같이, 예비 분리판(170)이 완성되면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 트리밍 머신(Trimming machine: 150)으로 예비 분리판(170)을 로딩시킨다.
상기 트리밍 머신(150)은 제2 테이블(152), 제2 램(154) 및 트리밍 금형조립체(Trimming mold assembly: 145)로 구성되어 있다. 상기 트리밍 금형조립체(145)는 상기 제2 테이블(152)에 안착된 트리밍 하부금형(142)과 트리밍 상부금형(144)으로 구성되어 있다.
상기 트리밍 머신(150)은 상기 예비 분리판(170)에 대한 펀칭(Punching), 절단 또는 본 발명에서는 추가적으로 분리판의 전기접촉저항을 낮추기 위해 예비 분리판(170) 표면의 탄소섬유 직물들(177)을 노출시키는 공정을 진행한다.
상기 트리밍 하부금형(142)의 내측에 예비 분리판(170)이 안착되면, 상기 트리밍 상부금형(144)의 하면과 상기 예비 분리판(170) 사이에 이형 층(releasing layer) (180)을 위치시킨다. 이때, 상기 이형 층(180)은 강성이 낮은 소프트한 재질로써, 상기 트리밍 상부금형(144) 하면에 코팅되어 있거나, 상기 예비 분리판(170)의 형태와 유사한 사각형 플레이트 형태의 시트로 상기 예비 분리판(170) 상에 적층 배치될 수 있다.
또한, 상기 이형 층은 분리판의 표면에 존재하는 잉여 고분자 수지층을 최소화하기 위한 것으로, 이형성이 우수한 폴리올레핀계 수지, 예컨대 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE), 및 탄성 중합체, 예컨대 실리콘 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 이형 층(180)이 상기 트리밍 상부금형(144)의 하면에 코팅된 경우에는 상기 이형 층(180)은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌의 고분자 수지, 실리콘 또는 고무와 같은 탄성 중합체의 물질을 사용하여 형성할 수 있다.
상기 이형 층(180)이 상기 예비 분리판(170) 상에 적층되는 시트 구조인 경우에는 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 필름 또는 실리콘 시트를 사용할 수 있다.
또한, 상기 이형 층(180)은 경화 전에는 상기 트리밍 상부금형(144)과 접착 또는 점착 특성이 우수하고, 경화 후에는 상기 예비 분리판(170)으로부터 상기 이형 층(180)이 용이하게 분리되는 특성이 있다.
상기 예비 분리판(170)과 이형 층(180)의 용이한 분리를 위해 상기 이형 층(180)은 상기 예비 분리판(170)과 서로 이형적 재질 특성을 갖는 것이 바람직하다. 예를 들어 고분자 기지가 열경화성인 경우 열가소성 수지를 소프트 레이어로 사용할 수 있으나,　고분자 기지가 열가소성 수지일 경우 수지간의 융합(fusion)을 방지하기 위해 실리콘 고무를 소프트 레이어로 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이형 층은 필름과 같이 수 내지 수십 마이크론 두께의 필름에서부터 수 mm 두께의 시트(sheet) 형태일 수 있다. 바람직하게는, 이형 층의 두께는 탄소섬유와 탄소섬유 사이의 잉여 고분자 수지층을 용이하게 제거하기 위해 5㎛ 이상이다. 이에 제한되는 것은 아니나, 재료비나 금형 설계 등을 고려하여 최대 수 mm 정도로 적용할 수 있다.
상기와 같이, 트리밍 하부금형(142)에 예비 분리판(170)과 이형 층(180)이 위치하면, 상기 트리밍 머신(150)을 작동시켜 상기 트리밍 금형조립체(145)의 트리밍 상부금형(144)을 상기 트리밍 하부금형(142) 방향으로 압밀 및 경화 공정을 진행한다.
상기 이형 층(180)을 압밀하는 과정은 제2 램(154)의 하강에 의한 트리밍 상부금형(144)의 가압 또는 제2 램(154)의 하강과 제2 테이블(152)의 상승에 의한 트리밍 상부금형(144)과 제2 트리밍 하부금형(142)의 동시 가압에 의하여 실시할 수 있다.
도 3, 도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 트리밍 상부금형(144)이 상기 예비 분리판(170) 방향으로 압밀되면, 상기 트리밍 상부금형(144)의 하면은 상기 이형 층(180)과 예비 분리판(170) 방향으로 힘(F)이 가해진다.
이때, 상기 트리밍 상부금형(144)의 하면 또는 상기 예비 분리판(170)과 상기 트리밍 상부금형(144) 사이에 위치한 이형 층(180)은 상기 예비 분리판(170)의 상부 영역에 존재하는 탄소섬유 직물들(177) 사이와 상기 탄소섬유 직물들(177)을 덮고 있는 고분자 기지(176)를 상기 트리밍 하부금형(142) 방향으로 밀어낸다.
상기 이형 층(180)과 맞닿아 있는 상기 예비 분리판(170)의 상면에는 상기 이형 층(180)에 의해 상기 예비 분리판(170)의 고분자 기지(176)가 상기 트리밍 하부금형(142) 방향으로 압밀되고(예비 분리판 하부 방향으로), 이로 인하여 상기 예비 분리판(170)의 상부 영역에 있는 탄소섬유 직물(177)의 일부가 외부로 노출된다.
상기와 같이, 예비 분리판(170)의 탄소섬유 직물(177)의 일부가 외부로 노출되는 상태에서 경화공정으로 상기 이형 층(180)이 경화되면, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 이형 층(180)의 하면은 상기 탄소섬유 직물(177)에 의해 복수의 요철홈들이 형성된다.
상기 이형 층(180) 하면에 형성된 복수의 요철홈들은 상기 예비 분리판(170)의 상면에 노출된 탄소섬유 직물(177)을 덮고 있는데, 상기 이형 층(180)은 경화되었기 때문에 상기 탄소섬유 직물(177)의 노출 상태는 그대로 유지된다.
그런 다음, 도 4의 (b)에 도시한 바와 같이, 상기 예비 분리판(170) 상에 경화된 이형 층(180)을 제거하면, 탄소섬유 직물(177), 고분자 기지(176) 및 상면에 노출부(175)를 갖는 분리판(178)이 완성된다.
상기 이형 층(180)은 경화 전에는 금형과 접착 특성이 우수하나, 경화 후에는 분리판(178)을 구성하는 탄소섬유 직물(177) 및 고분자 기지(176)와 이형적 재질로 되어 있기 때문에 상기 분리판(178)의 손상 없이 용이하게 분리될 수 있다.
상기에서는 예비 분리판(170)과 트리밍 상부금형(144) 사이에 이형 층(180)을 배치한 것을 중심으로 설명하였지만, 경우에 따라서는 상기 트리밍 하부금형(142)과 예비 분리판(170) 사이에 제2 이형 층을 추가적으로 배치하여, 상기 예비 분리판(180)의 상하면에서 탄소섬유 직물들을 노출시켜 전기접촉저항을 낮출 수 있다.
한편, 고분자 기지 중 일부가 노출된 탄소섬유 직물(177)의 골 부분에 남아 잉여 고분자 수지층이 존재할 수 있다. 이와 같은 잉여 고분자 수지층을 제거하기 위한 하나의 방법으로서, 상기직물 분리판의 제조 단계는 압력의 퍼징 공정을 통해 잉여 고분자 수지 층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 퍼징 공정은, 압축 성형 시 압력을 가하다가 도중에 압력을 제거하고, 다시 압력을 인가하여 기포나 수분, 잉여 수지층을 제거하는 공정을 말한다. 특히, 상기 퍼징 공정은 수지층의 점도가 낮을 때 수행하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 수분을 제거할 수 있는 100℃ 이상에서 수행하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이처럼 직물 분리판 표면의 섬유 다발의 골 부분에 존재하는 잉여 고분자 수지층을 최소화하고 분리판의 탄소섬유들의 노출 부분이 복합재료 분리판의 표면에 노출됨으로써 접촉저항을 감소시키게 된다. 이와 같은 PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 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.

Claims (14)

  1. 전지용 복합재료 분리판 제조 방법에 있어서,
    상부금형과 하부금형으로 이루어진 핫프레스 머신은 고분자 기지를 포함한 스프레드 토우 탄소섬유 직물을 압밀 및 경화 공정에 의해 예비 분리판을 성형하는 단계;
    트리밍 상부금형과 트리밍 하부금형으로 이루어진 트리밍 머신은 상기 트리밍 하부금형의 내측에 상기 성형된 예비 분리판을 위치시키고, 상기 트리밍 상부금형의 하면과 상기 예비 분리판 사이에 이형 층을 위치시키는 단계;
    상기 트리밍 머신을 작동시켜 상기 이형 층을 상기 예비 분리판으로 압밀 및 경화 공정에 의해 상기 예비 분리판의 상부 영역에 있는 탄소섬유 직물의 일부가 외부로 노출되는 단계;
    상기 트리밍 머신은 압축 성형 시 압력을 가하다가 도중에 압력을 제거하고, 다시 압력을 인가하여 기포나 수분, 상기 노출된 탄소섬유 직물의 골 부분에 남아 있는 잉여 고분자 수지층을 제거하는 퍼징 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 이형 층을 제거하여 분리판을 완성하는 단계를 포함하며,
    상기 스프레드 토우 탄소섬유 직물들은 적어도 15k의 대형 토우로 구성되고,
    상기 퍼징 공정은 수분을 제거할 수 있는 100℃ 이상으로 상기 잉여 고분자 수지층의 점도가 낮을 때 수행하는 단계를 더 포함하는 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
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  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이형 층을 위치시키는 단계는,
    상기 트리밍 하부금형과 상기 예비 분리판 사이에 제2 이형 층을 추가적으로 배치하는 단계를 더 포함하는 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이형 층은 상기 예비 분리판과 서로 이형적 재질 특성을 갖는, 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 이형 층은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리테트라 플루오로에틸렌(PTFE) 및 실리콘 고무로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재료로 이루어진, 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고분자 기지는 수지분사 또는 수지이송성형에 의하여 상기 탄소섬유 직물에 함침되는, 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탄소섬유 직물들은 롤 형태로 감겨져 구성되어 있고, 상기 롤 형태의 탄소섬유 직물을 서플라이릴로부터 풀어내면서 상기 분리판의 제조에 소요되는 길이로 절단하는, 전지용 복합재료 분리판의 제조 방법.
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