KR102269931B1 - 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재 및 이를 이용한 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법 - Google Patents

연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재 및 이를 이용한 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 중간재는 섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3-50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성인 열가소성 수지 필름이 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 중간재를 상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 융점보다 높은 온도에서 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조한다.
본 발명의 상기 열가소성 프리프레그의 중간재 및 열가소성 프리프레그로 제조된 연료전지 분리막은 박막화 및 경량화가 가능하며, 쉽게 부서지지 않아 내구성이 우수하고, 소수성으로 인해 연료전지 분리판에 형성된 가스 플로우 경로로 반응에 참여한 물이 흐르면서 상기 가스 플로우 경로 내에 침전물이 많이 적층되는 현상을 효과적으로 방지하여 성능이 우수하다.

Description

연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재 및 이를 이용한 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법{Precursor of thermoplastic prepreg for biporal plate and method of thermoplastic prepreg for biporal plate thereby}
본 발명은 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재 및 이를 이용한 연료전기 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 박막화 및 경량화가 가능하며, 내구성이 우수하고, 소수성으로 인해 연료전지 분리판의 가스 플로우 경로내로 반응에 참여한 물이 흐르면서 침전물이 적층되는 것을 효과적으로 차단할 수 있어서 연료전지 분리판(Bipolar plate) 소재로 유용한 열가소성 프리프레그 중간재 및 이를 이용한 열가소성 프리프레그의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지를 구성하는 연료전지 분리판(Bipolar plate)은 도 1에 도시된 바와 같이 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly : 이하 "MEA"라고 한다) 사이에 위치하면서 연료가 이동하는 통로를 형성시켜 주면서 MEA에 연료를 확산시키는 기능과 생성된 전류가 이동하는 통로 역할을 한다.
도 1은 연료전지의 분해사시도 이다.
따라서, 고성능의 연료전지를 제조하기 위해서는 박막화 및 경량화가 높은 전기전도도를 구비하는 연료전지 분리막의 개발이 요구되어 왔다.
지금까지는 금속판, 흑연판(graphite plate) 또는 탄소섬유에 열경화성 수지가 함침, 경화된 탄소섬유 복합재로 연료전지 분리판을 제조했다.
금속판으로 제조된 연료전지 분리판은 두께가 두껍고 무거워 고성능의 연료전지를 제조하는데에는 한계가 있었다.
흑연판으로 제조된 연료전지 분리판은 경량화 및 박막화는 가능하지만, 쉽게 부서져 내구성이 부족한 문제가 있었다.
상기 탄소섬유 복합재로 제조된 연료전지 분리판은 경량화 및 박막화가 가능하고 내구성도 우수하지만 바인더 역할을 하는 열경화성 수지로 인해 전기전도도가 낮고, 연료전지 분리판에 형성된 가스 플로우 경로(Gas flow channels)로 반응에 참여한 물이 흐르면서 상기 가스 플로우 경로 내에 침전물이 많이 적층되어 산소와 수소의 전달이 원활하게 이루어지지 않아 성능이 크게 저하되는 문제가 있었다.
본 발명의 과제는 박막화 및 경량화가 가능하며, 내구성이 우수하고, 소수성으로 인해 연료전지 분리판에 형성된 가스 플로우 경로 내로 반응에 참여한 물이 흐르면서 상기 가스 플로우 경로 내에 침전물이 적층되는 것을 효과적으로 차단하여 성능이 우수한 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재(precusor)를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 과제는 상기 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재(precusor)를 이용하여 성능이 뛰어난 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하는 방법을 제공한다.
이와같은 과제들을 달성하기 위해서, 본 발명은 섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3~50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성의 열가소성 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조한다.
또한 본 발명은 상기 열가소성 프리프레그 중간재를 상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 융점보다 높은 온도에서 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조한다.
본 발명의 상기 열가소성 프리프레그의 중간재 및 열가소성 프리프레그로 제조된 연료전지 분리막은 박막화 및 경량화가 가능하며, 쉽게 부서지지 않아 내구성이 우수하고, 소수성으로 인해 연료전지 분리판에 형성된 가스 플로우 경로로 반응에 참여한 물이 흐르면서 상기 가스 플로우 경로 내에 침전물이 많이 적층되는 현상을 효과적으로 방지하여 성능이 우수하다.
도 1은 연료전지의 분해사시도.
이하, 첨부한 도면등을 통하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1은 연료전지의 분해사시도이다.
본 발명의 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재는 섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3-50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성인 열가소성 수지 필름이 적층되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 섬유기재는 필라멘트 상의 섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 섬유시트인 것이 연료 및 전류 이동에 보다 바람직하다.
상기 전기전도성 물질은 은 나노 와이어, 카본나노튜브, 그라펜(Graphene) 또는 카본블랙 등이고, 상기 소수성인 열가소성 수지 필름내 전기전도성 물질의 함량은 1~20중량%이다.
전기전도성 물질의 함량이 상기 범위 미만인 경우에는 전기전도도가 떨어지고, 상기 범위를 초과하는 경우에는 수지의 점도가 증가하여 전기전도성 물질의 분산성이 저하되므로 균일한 열가소성 프리프레그(Prpereg)를 제조할 수 없다.
상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 결정화도는 1~20%이고, 바람직하기로는 3~12%이다. 결정화도가 20%를 초과하게되면 연료전지 분리막용 열가소성 프리프레그 제조시 소수성인 열가소성 수지 필름이 열을 받을 경우 고결정 연신 부분에서 열수축 현상이 급하게 발생되어 섬유기재 내에 소수성인 열가소성 수지가 불균일하게 함침되는 현상이 발생된다.
상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 두께는 3~50㎛, 바람직하기로는 7~40㎛인 것이 좋다. 상기 두께가 50㎛를 초과하게 되면 연료전지 분리막용 열가소성 프리프레그 제조시 소수성인 열가소성 수지 필름의 표면과 섬유기재의 표면의 접촉부분에서 소수성인 열가소성 수지 필름이 균일하게 용융되지 않아 섬유기재 내에 소수성인 열가소성 수지가 균일하게 함침되기 어렵게 되고, 상기 두께가 3㎛ 미만인 경우에는 작은 외력에도 소수성인 열가소성 수지 필름이 찢어지기 쉬워 공정성이 저하될 수 있다.
상기 섬유기재 : 소수성인 열가소성 수지 필름의 중량비율을 65~90중량%:10~35중량%로 조절해 주는 것이 공정성 개선과 섬유기재 내에 소수성인 열가소성 수지가 균일하게 함침되도록 하는데 바람직하다.
소수성인 열가소성 수지 필름의 중량비율이 35중량%를 초과하게 되면 두께가 너무 두꺼워져 연료전지 분리막용 열가소성 프리프레그 제조시 소수성인 열가소성 수지 필름의 표면과 섬유기재의 표면의 접촉부분에서 소수성인 열가소성 수지 필름이 균일하게 용융되지 않아 섬유기재 내에 소수성인 열가소성 수지가 균일하게 함침되기 어렵게 되고, 소수성인 열가소성 수지 필름의 중량비율이 10중량% 미만인 경우에는 두께가 너무 얇아져 작은 외력에도 소수성인 열가소성 수지 필름이 찢어지기 쉬워 공정성이 저하될 수 있다.
상기 소수성인 열가소성 수지 필름은 폴리프로필렌 수지 필름, 폴리에스테르 수지 필름, 열가소성 폴리우레탄 필름, 폴리에틸렌 수지 필름, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 필름, 폴리아미드 수지 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름, 폴리페닐렌 설파이드 수지 필름, 테프론 수지 필름 또는 폴리에테르 에테르 케톤 필름 등이다.
다음으로는 이상에서 설명한 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 이용하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하는 방법을 살펴본다.
섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3-50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성인 열가소성 수지 필름이 적층되어 있는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 융점보다 높은온도에서 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조한다.
바람직하기로는 열가소성 필름의 융점보다 30~100℃ 높은 온도에서 50~1,500kgf/cm의 압력으로 가열/가압 처리해 주는 것이 바람직하다.
가열온도 및/또는 압력이 상기 범위 보다 낮은 경우에는 섬유기재 내에 소수성인 열가소성 수지가 충분하게 함침되지 않을 수 있고, 압력이 상기 범위보다 높은 경우에는 섬유기재 중 일부가 파열되어 열가소성 프리프레그의 물성이 저하될 수 있고, 온도가 상기 범위보다 높은 경우에는 소수성인 열가소성 수지가 열화되어 물성이 저하될 수 있어서 바람직하지 못하다.
상기 소수성인 열가소성 수지 필름에 분자구조내 기능 그룹(fuctional group)중 -COOH 또는 -CO 가 있는 폴리아미드 6 수지 필름 등은 제외된다.
이하, 실시예 및 비교실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 살펴본다. 그러나 하기 실시예들은 본 발명의 구현일례에 불과할뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.
실시예 1
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 3%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 2중량%인 폴리에스테르 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 300℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에스테르 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 3% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에스테르 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 2
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 그라펜의 함량이 4중량%인 폴리프로필렌 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 220℃의 온도와 200㎏/㎝의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리프로필렌 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 4% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리프로필렌 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 3
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 12%이고 두께가 30㎛이고, 그라펜의 함량이 20중량%인 폴리아미드 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 260℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리아미드 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 5% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리아미드 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 4
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 20%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 7중량%인 열가소성 폴리우레탄 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 200℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 열가소성 폴리우레탄 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 8% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 열가소성 폴리우레탄 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 5
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 3㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 9중량%인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 230℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 4% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 6
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 10㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 11중량%인 폴리에스테르 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 300℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에스테르 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 3% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에스테르 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 7
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 20㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 13중량%인 폴리프로필렌 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 220℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리프로필렌 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 3% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리프로필렌 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 8
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 40㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 15중량%인 폴리아미드 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 260℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리아미드 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 6% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리아미드 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 9
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 17중량%인 폴리에스테르 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 300℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에스테르 수지 필름의 중량비율을 80중량% : 20중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 4% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에스테르 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 10
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 19중량%인 열가소성 폴리우레탄 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 200℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 열가소성 폴리우레탄 수지 필름의 중량비율을 60중량% : 40중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 8% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 열가소성 폴리우레탄 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 11
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 1중량%인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 230℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 3% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
실시예 12
필라멘트상의 탄소섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 카본나노튜브의 함량이 5중량%인 폴리에스테르 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 300℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에스테르 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 7% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에스테르 수지가 균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생하지 않아 내구성이 우수함을 알 수 있었다.
비교실시예 1
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 30%이고 두께가 30㎛이고, 그라펜의 함량이 2중량%인 폴리에스테르 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 300℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에스테르 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 15% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에스테르 수지가 불균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생되어 내구성이 불량함을 알 수 있었다.
비교실시예 2
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 60㎛이고, 그라펜의 함량이 2중량%인 폴리프로필렌 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 220℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리프로필렌 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 11% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리프로필렌 수지가 불균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생되어 내구성이 불량함을 알 수 있었다.
비교실시예 3
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 그라펜의 함량이 22중량%인 폴리아미드 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 260℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리아미드 수지 필름의 중량비율을 45중량% : 55중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 18% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리아미드 수지가 불균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생되어 내구성이 불량함을 알 수 있었다.
비교실시예 4
필라멘트상의 아라미드 섬유들이 일방향으로 배열된 섬유기재의 상부면에 결정화도가 7%이고 두께가 30㎛이고, 그라펜의 함량이 25중량%인 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름을 적층하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 제조하였다.
다음으로 상기 프리프레그 중간재를 다음 230℃의 온도와 200kgf/cm의 압력으로 가열 및 가압하여 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그를 제조하였다.
이때, 상기 섬유기재 : 상기 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름의 중량비율을 70중량% : 30중량%로 조절하였다.
제조된 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 26% 이었고, 이로부터 상기 섬유기재 내에 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지가 불균일하게 함침된 것을 알 수 있었다.
상기와 같이 제조된 연료전지 분리판용 프리프레그로 연료전지 분리판을 성형한 후 100시간동안의 연속 운용 시험평가 결과, 파손이 발생되어 내구성이 불량함을 알 수 있었다.
상기 열가소성 프리프레그의 단위면적당 중량 변동율은 열가소성 프리프레그로 부터 동일한 단위면적을 갖는 시료 10개를 채취한 다음, 상기 시료 10개의 평균중량(W0)을 구하고, 시료들 중 중량이 상기 평균중량과 가장 큰 차이를 보이는 시료의 중량(W1)을 아래 식(Ⅰ) 또는 (Ⅱ)에 대입하여 계산하였다.
Figure 112015090505694-pat00001
Figure 112015090505694-pat00002
A : 연료전지 분리판(Bipolar plate)
B : 막 전극 접합체(MEA)
C : 가스 플로우 채널(Gas flow channels)

Claims (9)

  1. 섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3-50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성인 열가소성 수지 필름이 적층되어 있는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재로서,
    상기 섬유기재는 필라멘트상의 섬유들이 일방향으로 배열되어 있는 섬유시트인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  2. 제1항에 있어서, 전기전도성 물질은 은 나노 와이어, 카본나노튜브, 그라펜 및 카본블랙 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  3. 제1항에 있어서, 소수성인 열가소성 수지 필름의 결정화도가 3~12%인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  4. 제1항에 있어서, 소수성인 열가소성 수지의 두께가 7~40㎛인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  5. 제1항에 있어서, 섬유기재 : 소수성인 열가소성 수지 필름의 중량비율이 65~90중량%:10~35중량%인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 소수성인 열가소성 수지 필름은 폴리프로필렌 수지 필름, 폴리에스테르 수지 필름, 열가소성 폴리우레탄 필름, 폴리에틸렌 수지 필름, 폴리부틸렌테레프탈레이트 수지 필름, 폴리아미드 수지 필름, 폴리에틸렌테레프탈레이트 수지 필름, 폴리페닐렌 설파이드 수지 필름, 테프론 수지 필름 및 폴리에테르 에테르 케톤 수지 필름 중에서 선택된 1종인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재.
  8. 섬유기재의 적어도 일면에 (ⅰ) 결정화도가 1~20%이고, (ⅱ) 두께가 3-50㎛이고, (ⅲ) 전기전도성 물질의 함량이 1~20중량%인 소수성인 열가소성 수지 필름이 적층되어 있는 제1항에 따른 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간재를 상기 소수성인 열가소성 수지 필름의 융점보다 높은 온도에서 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서, 소수성인 열가소성 수지 필름의 융점보다 30~100℃ 높은 온도에서 50~1,500 kgf/cm2의 압력으로 가압하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그의 제조방법.
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