KR20070099577A

KR20070099577A - 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료, 그 제조 방법및 연료 전지용 세퍼레이터

Info

Publication number: KR20070099577A
Application number: KR1020077014707A
Authority: KR
Inventors: 지앙지안예; 테쯔야 하라다
Original assignee: 다이니뽄 잉끼 가가꾸 고오교오 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2005-12-16
Publication date: 2007-10-09
Also published as: EP1840992A1; US7910501B2; CN101080836A; WO2006068051A1; CA2591542A1; EP1840992A4; US20080095994A1; CN100583523C

Abstract

본 발명은 박형화가 가능하고, 또한 도전성과 두께 정밀도를 갖는 연료 전지 세퍼레이터를 얻기 위한 시트형 성형 재료와 그 제조 방법 및 이 성형 재료를 성형하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다. 수지 시트의 적어도 한쪽 면에 탄소 입자층을 갖는 시트형 성형 재료로서, 상기 시트형 성형 재료 중의 탄소 입자층의 비율이 70~90중량%인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

연료 전지, 세퍼레이터, 탄소 입자층, 도전성

Description

연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료, 그 제조 방법 및 연료 전지용 세퍼레이터 {SHEET-LIKE FORMING MATERIAL FOR FUEL CELL SEPARATOR, METHOD FOR PRODUCING SAME AND SEPARATOR FOR FUEL CELL}

본 발명은 자동차용 전원, 포터블 전원, 비상용 전원 등에 이용되는 인산형 연료 전지, 다이렉트 메탄올형 연료 전지, 고체 고분자형 연료 전지 등의 연료 전지용 세퍼레이터에 제공되는 시트형 성형 재료, 그 제조 방법 및 이를 이용하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터에 관한 것이다.

수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 얻어지는 에너지를 전력으로서 얻는 소위 연료 전지는 포터블 기기, 자동차 등 여러 용도로 널리 이용될 것으로 예상된다. 이 연료 전지는 전해질막의 양면에 전극 및 카본 페이퍼 등의 가스 확산층을 구비한 막·전극 접합체(이하 MEA라 한다)를 적어도 한쪽 면에 연료(수소 가스 등), 산화제(공기 또는 산소) 혹은 셀을 냉각하기 위한 냉매용 유로가 형성된 2장의 세퍼레이터 사이에 끼워 넣은 기본 구성 단위(이하 단셀이라 한다)를 직렬로 수십에서 수백 셀 적층함으로써 실용적인 전력을 확보하는 것이 일반적이다.

따라서, 이들 연료 전지에 이용되는 세퍼레이터는 연료 전지의 발전 효율을 높이기 위하여 「도전성」이 요구되는 동시에 연료 전지의 소형화 요구로 인해 세 퍼레이터의 「박형화」에 대한 요망도 높다. 또한, 상기와 같이 실용적인 전력을 얻기 위한 연료 전지는 통상 여러 장의 세퍼레이터를 두께 방향으로 적층하여 이용하기 때문에 세퍼레이터 자체에 고도의 「두께 정밀도」를 구비시켜 세퍼레이터와 MEA 사이 및 연료 전지 셀 사이의 접촉 저항을 저감시키는 동시에 연료 전지로 도입되는 각종 가스 또는 액체 실(seal)용 패킹이나 개스킷의 기밀성 혹은 수밀성의 확보가 기대된다. 이러한 관점에서 고도의 도전성과 박형이면서 두께 정밀도가 높은 세퍼레이터 생산에 적합한 성형 재료가 요망되고 있다. 또한, 경제적인 면에서 높은 생산성을 가지고 저비용으로 세퍼레이터를 제조할 수 있는 방법도 요구되고 있다.

이와 같은 이유로 도전제와 열 가소성 수지를 혼합한 후, 압출 성형법 혹은 열 압연 등의 관용적 방법으로 시트형 성형 재료를 제작하고, 이어서 이 시트형 성형 재료를 연료 및/혹은 산화제 유로를 구비하는 금형을 이용하여 소정의 세퍼레이터로 성형하는 방법이 제안되고 있다(예를 들면 특허문헌 1 및 2 참조).

그러나, 이들 방법에서는 열 가소성 수지와 도전제로 이용되는 흑연 등의 도전성 입자와의 혼합물의 혼련 공정 및 이 혼합물을 압출 가공할 때 열 가소성 수지와 도전제에 강한 전단력과 압력이 가해지게 된다. 이에 따라, 도전성 입자가 파쇄되기 때문에 도전성 입자 수가 증가하게 되고, 도전성 입자간의 접촉 저항이 증가하여 이 시트 재료를 성형하여 얻어지는 세퍼레이터의 도전성이 저하된다는 문제가 있다.

또한, 세퍼레이터의 도전성을 향상시킬 목적으로 혼합물 중의 도전제의 비율 을 80중량% 이상으로 증가시키면, 상기 혼합물의 혼련 공정, 시트화 공정 및 성형 공정에서 더욱 큰 전단력과 압력이 필요하게 되고, 결과적으로 세퍼레이터에 요구되는 도전 성능을 얻기 힘들어지는 동시에 고농도의 도전제를 포함하고 있다는 점에서 가공성이 나빠 얇은 시트를 얻기 어려워진다. 아울러, 이와 같은 시트 재료를 성형하여 얻어지는 세퍼레이터는 금형 형상의 전사성이 부족하여 치수 정밀도 불량이 발생하기 쉬워 두께 정밀도가 문제가 된다.

특허문헌 3은 도전제에 강한 전단력 혹은 압력을 가하지 않고 도전성의 얇은 시트를 얻는 방법으로서, 에폭시 수지에 흑연 등의 도전성 미립자를 균일하게 분산시킨, 소위 도전성 도료를 부직포 표면에 도포하는 방법을 제안하고 있다.

그러나, 이 방법에 따르면 도전성 미립자를 균일하게 분산시킨 에폭시 수지를 부직포 위에 균일하게 도포하기 위해서 도전성 입자의 첨가량을 35~60중량% 정도로 낮추어 유동성을 확보할 필요가 있는데, 이 도전성 입자의 양으로는 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 200㏁㎝ 이하의 도전성을 얻기 불가능하다.

따라서, 종래의 시트 스탬핑 성형, 시트 압연 성형, 타발 성형으로는 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 고도의 도전성을 가지며, 얇고 두께 정밀도가 높은 세퍼레이터 생산에 적합한 성형 재료를 작성하기 곤란하였다.

또한, 직경 0.1~20㎛의 열 가소성 수지 섬유와 내부에 균일하게 분산되는 도전성 분립체를 갖는 부직포를 가열 연화시켜 금형 내에서 성형하여 얻어지는 연료 전지용 세퍼레이터(예를 들면 특허문헌 4 참조)가 제안되고 있다. 그러나, 이 방법으로는 두께가 0.05㎜ 정도인 시트형 성형 재료가 얻어지지만, 부직포 내부에 도전 성 분립체가 분포되어 있기 때문에 이 보다 얇은 시트형 성형 재료를 얻을 수 없으며, 초박형 세퍼레이터를 얻을 수 없다는 문제가 있었다. 또한, 열 가소성 수지 섬유와 도전성 분립체를 원료로 부직포를 제작하는 공정을 포함하기 때문에 생산 효율 면에서 불리하며, 게다가 얻어지는 부직포의 두께 정밀도가 낮아진다는 경향이 있었다.

특허문헌 1 : 일본 특개2001-122677호 공보

특허문헌 2 : 일본 특개2002-198062호 공보

특허문헌 3 : 일본 특개2003-89969호 공보

특허문헌 4 : 일본 특개2004-356091호 공보

따라서, 본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하는 것을 과제로 하는 것으로, 구체적으로는 우수한 도전성을 가지며, 종래보다 박형화가 가능하면서 높은 두께 정밀도를 갖는 연료 전지 세퍼레이터를 얻기 위한 시트형 성형 재료와 그 제조 방법 및 이 성형 재료를 성형하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자들은 상기의 기술 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과, 수지 시트의 표면에 도전성 입자를 층형으로 부착시켜 시트형 성형 재료를 제작하고, 이 시트형 성형 재료를 성형함으로써, 수지와 도전성 입자의 혼련 공정이 생략되고, 시트도 비교적 완화된 조건으로 제작 가능하며, 도전성 입자의 파쇄를 극히 적게 할 수 있기 때문에 도전성이 우수하고, 두께가 얇으면서 두께 정밀도가 높은 연료 전지 세퍼레이터를 효율적으로 제조할 수 있다는 것을 발견하였다.

즉, 본 발명은 수지 시트의 적어도 한쪽 면에 도전성 입자를 포함하는 입자로 이루어지는 하나의 도전성 입자층을 갖는 시트형 성형 재료로서, 상기 시트형 성형 재료 중의 도전성 입자의 함유량이 70~95중량%인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 수지 시트의 적어도 한쪽 면에 대하여, 아래의 공정 (1), 공정 (2) 및 공정 (3)을 순차 실시하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법.

공정 (1) ; 수지 시트의 표면에 도전성 입자를 균일하게 산포하는 공정

공정 (2) ; 상기 수지 시트에 상기 도전성 입자의 일부를 부착시키는 공정

공정 (3) ; 상기 공정 (2)에서 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 제거하는 공정

나아가 본 발명은 상기된 시트형 성형 재료를 성형하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 시트형 성형 재료를 이용하면, 종래에 비해 도전성이 우수하고, 두께가 얇으면서 또한 두께 정밀도가 높은 연료 전지 세퍼레이터를 효율적으로 제조할 수 있는데, 이러한 세퍼레이터는 포터블 전원, 자동차 전원, 비상용 전원 등의 연료 전지에 유효하게 이용될 수 있다.

도 1은 2종류의 열 경화성 수지의 복합 시트의 개념도.

도 2는 2종류의 열 가소성 수지의 복합 시트의 개념도.

도 3은 열 경화성 수지와 열 가소성 수지의 복합 시트의 개념도.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따라 한쪽 면에 흑연 입자를 산포하고, 스퀴지판으로 전체 면에 펼치고 있는 상태를 나타낸 수지 시트의 평면도 및 단면도(A-A).

도 5는 수지 시트에 상기 흑연 입자의 일부를 부착시키는 상태를 나타낸 개념도.

도 6은 연료 전지 세퍼레이터 성형용 시트형 성형 재료 전구체로부터 비부착 흑연 입자를 제거하는 장치의 개념도.

도 7은 연료 전지 세터레이터 성형용 시트형 성형 재료의 모식 단면도.

도 8은 적층된 시트형 성형 재료를 수지의 용융 상태 하에서 프레스 가압했을 때의 각 단계의 개념도.

도 9는 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터를 도시한 부분 사시도.

도 10은 두께 측정점을 기입한 연료 전지용 세퍼레이터의 평면도(a)와 그 단면도(b).

(부호의 설명)

1 ‥‥ 열 경화성 수지층

2 ‥‥ 1 이외의 열 경화성 수지층

3 ‥‥ 열 경화성 수지의 복합 시트

4 ‥‥ 열 가소성 수지층

5 ‥‥ 4 이외의 열 가소성 수지층

3' ‥‥ 열 가소성 수지의 복합 시트

3" ‥‥ 열 가소성 수지와 열 가소성 수지의 복합 시트

6 ‥‥ 수지 시트

7 ‥‥ 흑연 입자

8 ‥‥ 스페이서

9 ‥‥ 스퀴지판

10 ‥‥ 캘린더 롤

7' ‥‥ 부착 흑연 입자

7" ‥‥ 비부착 흑연 입자

11 ‥‥ 수지 시트와 흑연 입자의 열 융착부

12 ‥‥ 세퍼레이터

13 ‥‥ 가스 또는 액체 유로

14 ‥‥ 세퍼레이터의 리브부의 정점

이하, 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료는 수지 시트의 적어도 한쪽 면에 하나의 도전성 입자층을 가지며, 이 시트형 성형 재료 중의 도전성 입자의 함유량이 70~95중량%인 것을 특징으로 한다. 도전성 입자의 함유량이 상기 범위 이내라면, 상기 입자층은 상기 시트형 성형 재료의 한쪽 면에만 형성되어도 되고, 양면에 형성되어도 된다.

본 발명의 시트형 성형 재료는 시트의 표면(한쪽 면 혹은 양면)에 도전성 입자가 존재하고, 시트의 두께 방향으로 편재된 하나의 층을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 성형 재료의 단면을 모식적으로 도 7에 도시하였다.

본 발명의 수지 시트로는 공극을 갖고 있거나 갖지 않아도 상관없지만 공극을 갖고 있는 편이 도전성 입자의 비율이 높아져 도전성이 우수한 세퍼레이터가 얻어진다. 또한, 수지 시트의 진비중이 큰 경우(수지 시트 두께가 가장 얇아진다)에도, 두께가 큰 시트를 본 발명에 적용시킬 수 있으므로, 얻어지는 시트형 성형 재료의 취급성이 향상되므로 바람직하다.

본 발명에서 이용되는 수지 시트 중의 공극의 존재 위치, 공극의 형상은 특별히 한정되지 않으며, 수지 시트의 내부에 존재하여도 되고, 수지 시트의 표면에 존재하여도 된다. 사용되는 도전성 입자의 부착을 용이하게 하기 위하여, 공극은 수지 시트의 표면에 열린 상태로 존재하는 것이 바람직하고, 수지 시트의 표면에서 공극의 개구부 면적이 크고 시트 내부에서 개구부 면적이 작은 편이 수지 시트로의 도전성 입자의 부착이 보다 확실해져 더욱 바람직하다.

또한, 사용되는 도전성 재료의 형상은 공극의 형상과 유사한 것을 선택하는 것이 바람직하다.

적합한 수지 시트 공극률은, 수지 시트가 다량의 도전성 입자를 함유할 수 있다는 점, 도전성 입자의 수지 시트로의 고정이 용이해진다는 점, 수지 시트 및 시트형 성형 재료의 취급성 등에서 30~90%가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 50~85%이다.

여기서 수지 시트의 공극률은 [수학식 1]을 통해 산출할 수 있다.

수지 시트의 공극률(%) = [1-(수지 시트의 진체적)/(수지 시트의 외견상의 체적)]×100

수지 시트의 진체적은 수지 시트의 중량을 측정하고, 그 수치를 시트의 비중으로 나눔으로써 산출할 수 있다. 또한, 수지 시트의 외견상의 체적은 시트의 외견상의 두께, 폭, 길이의 측정치로부터 산출할 수 있다. 본 발명의 수지 시트의 표면에 공극이 열려있는 경우, 외견상의 두께는 수지 시트의 상하 평면간의 두께로 한다.

수지 시트의 공극의 크기는 사용되는 도전성 입자의 크기를 고려하여 결정된다. 즉, 큰 도전성 입자를 이용하는 경우에는 수지 시트의 공극을 크게, 작은 도전성 입자를 이용하는 경우에는 수지 시트의 공극을 작게 한다.

본 발명에서는, 후술되는 도전성 입자의 평균 입자 지름 범위에서, 공극의 평균 구멍 지름이 10~800㎛인 것이 바람직하고, 50~500㎛가 특히 바람직하다.

공극의 평균 구멍 지름이 이 범위 내라면 도전성 입자를 수지 시트 위에 균일하게 산포할 수 있고, 또한 도전성 입자가 수지 시트의 공극으로부터 빠져나가기 어려워 균질의 시트형 성형 재료를 얻을 수 있다.

여기서, 공극의 평균 구멍 지름은 실체 현미경 등을 이용하여 얻어지는 시트 표면의 확대상의 외접원 직경으로, 10㎜각의 시트에 존재하는 공극의 평균 구멍 지름의 가중 평균치이다. 이 경우, 공극이 시트의 두께 방향으로 관통하고 있는 경우에는 관통부의 내접원의 최단 직경을 채용한다.

본 발명에서 사용되는 수지 시트의 단위 면적당 질량은 5~300g/㎡인 것이 바람직하고, 5~200g/㎡인 것이 특히 바람직하다. 수지 시트의 단위 면적당 질량이 5~300g/㎡의 범위에 있으면, 후술되는 도전성 입자의 중량과 수지 시트의 중량 비율이 적합한 시트형 성형 재료가 얻어진다. 이를 이용하여 박형이며 두께 분산이 작은 연료 전지용 세퍼레이터를 성형할 수 있다.

또한, 수지 시트의 두께는 5~300㎛인 것이 바람직하고, 50~200㎛인 것이 특히 바람직하다. 수지 시트의 두께가 5~300㎛의 범위라면 성형하여 얻어지는 세퍼레이터의 두께 정밀도를 유지하기 쉬우면서, 또한 최종적으로 얻어지는 세퍼레이터의 도전성을 확보할 수 있다는 점에서 바람직하다. 더 두꺼운 수지 시트를 이용하게 되면, 시트를 여러 장 적층하여 세퍼레이터 형상으로 성형하였을 때 도전성 입자끼리의 접점을 충분히 확보할 수 없어 세퍼레이터의 도전성이 저하된다.

본 발명에서 사용되는 수지 시트의 수지로는, 열 경화성 수지, 열 가소성 수지를 들 수 있다. 이러한 열 경화성 수지로는 예를 들면 페놀 수지, 에폭시 수지, 비닐에스테르 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 실리콘 수지, 디아릴프탈레이트 수지, 말레이미드 수지, 폴리이미드 수지 등을 들 수 있다.

열 경화성 수지로는 1종류의 수지로 이루어지는 것뿐만 아니라, 2종류 이상의 수지를 혼합하거나 2종류 이상의 수지를 층형으로 형성한 복합 시트도 사용될 수 있다(도 1 참조). 열 경화성 수지로 이루어진 시트는 열 경화성 수지와 경화 촉매를 용제로 희석한 수지 용액을 제작하고, 이 용액을 이형지 등의 위에 도포한 후, 가열이나 감압을 수행하여 포막으로부터 용제를 제거함으로써 얻을 수 있다. 단, 이 수지 시트는 최종적으로 세퍼레이터 성형 공정에서 경화시키기 위하여 미 경화 상태 혹은 미 경화 상태 또는 소위 B 스테이지 상태로 사용된다.

한편, 열 가소성 수지로는 예를 들면 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 시클로올레핀폴리머, 폴리스틸렌, 신디오탁틱폴리스티렌, 폴리염화비닐, ABS수지, 폴리아미드수지, 폴리아세탈, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌에테르, 변성 폴리페닐렌에테르, 폴리에틸렌텔레프탈레이트, 폴리트리메틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리시클로헥실렌테레프탈레이트, 폴리페닐렌설피드, 폴리티오에테르설폰, 폴리에테르에틸케톤, 폴리아릴레이트, 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리에테르이미드, 폴리아미드이미드, 열 가소성 폴리이미드, 액정 폴리머, 폴리테트라플루오로에틸렌 공중합체, 폴리비닐리덴 플루오라이드 등의 불소 수지, 전방향족 폴리에스테르, 반방향족 폴리에스테르, 폴리유산, 폴리에스테르·폴리에스테르 엘라스토머 폴리에스테르·폴리에테르 엘라스토머 등의 열 가소성 엘라스토머 등을 들 수 있다.

또한, 열 경화성 수지와 마찬가지로 열 가소성 수지로는 1종류의 수지로 이루어진 것뿐만 아니라, 2종류 이상의 수지를 혼합하거나 2종류 이상의 수지를 층형으로 형성한 복합 시트도 사용될 수 있다(도 2 참조).

열 가소성 수지로 이루어진 시트는 통상 압출기 내에서 용융시킨 수지를 소정 두께의 슬릿형 다이스를 통해 압출 가공함으로써 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 수지 시트로는 열 경화성 수지와 열 가소성 수지를 혼합한 시트나 2종류 이상의 수지를 층형으로 형성한 복합 시트도 사용될 수 있다(도 3 참조). 열 경화성 수지가 액체형인 경우에는 수지 시트와 도전성 입자의 접착제로도 사용 가능하다.

아울러, 상기 각 수지 시트에 섬유 등의 보강재를 첨가할 수도 있다. 보강재로 사용할 수 있는 섬유로는 유리 섬유, 카본 섬유, 금속 섬유 또는 수지로 이루어진 섬유 등을 들 수 있다.

상기 열 가소성 수지는 각 연료 전지의 동작 온도에 대한 내열성이나 내구성에 따라 적절하게 선택하여 이용할 수 있다.

예를 들면, 인산형 연료 전지에 이용되는 경우, 내식성, 내열성에서 폴리페닐렌설피드 수지(이하 PPS라고 한다)가 바람직하고, 또한 고체 고분자형 연료 전지, 연료로 메탄올을 이용하는 소위 다이렉트 메탄올형 연료 전지에 이용되는 경우, 내식성, 기계적 강도에서 PPS나 폴리프로필렌이 바람직하다. PPS는 용융 점도가 낮고 도전성 입자와의 친화성이 높아 성형품의 도전성이나 기계적 강도를 높일 수 있으므로, 특히 바람직하다.

지금까지의 발명자에 의한 검토 결과, 연료 전지용 세퍼레이터에 요구되는 수백 ㏁·㎝ 이하의 체적 저항률을 도전성 입자와 절연체인 수지를 이용하여 달성하기 위해서는 도전성 입자를 70중량% 이상 이용할 필요가 있다는 것을 알 수 있 다.

이론상, 도전성 입자의 지름이 작고 진비중이 큰 수지 시트를 이용하여 도전성 입자의 중량 비율을 크게 하기 위해서는 수지 시트의 두께를 얇게 할 필요가 있다.

이러한 점을 고려하여 본 발명에서 사용되는 수지 시트의 수지로는, 일반적으로 열 가소성 수지의 기계적 강도가 미경화 열 경화성 수지의 기계적 강도보다 우수하다는 점과 본 발명의 시트형 성형 재료의 취급상의 용이함을 아울러 생각하면, 열 가소성 수지가 바람직하다.

본 발명에 사용되는 수지 시트의 구체예로는, 예를 들면 합성 수지 시트, 합성 섬유의 직물, 부직포 등을 들 수 있다. 이들 중 취급성이 우수하고, 공극률이 높다는 점에서 부직포가 바람직하다.

부직포의 단위 면적당 질량이나 두께 분산은 두께와 공극률에 따라 영향을 받지만, 일반적으로 ±5~10%로 되어 있다. 본 발명의 수지 시트의 두께나 공극률의 범위 내에서는 부직포 자체의 두께 분산이 다소 있어도 시트형 성형 재료의 제작이나 이를 이용한 세퍼레이터의 제작 공정 내에서 최종적인 세퍼레이터의 두께 정밀도를 충분히 확보할 수 있다.

일반적으로 부직포란, 섬유끼리를 화학적 방법, 기계적 방법, 또는 이들의 조합을 통해 결합시키거나 얽히게 한 구조물을 말한다.

상기 부직포로는 어떤 종류의 부직포라도 상관없는데, 예를 들면 접착제을 통해 접합한 것, 니들 펀치 등을 통해 기계적으로 접합한 것, 스판본드와 같이 직 접 용융을 통해 접합한 것 등을 모두 사용할 수 있다. 부직포의 두께 정밀도가 좋다는 점에서 스판본드와 같이 직접 용융을 통해 접합한 부직포가 바람직하다.

부직포를 구성하는 섬유의 종류는 특별히 제한되지 않지만, 용이하게 섬유화할 수 있다는 점에서 열 가소성 수지 섬유가 바람직하다. 열 가소성 수지 섬유의 열 가소성 수지로는 상기 수지 시트의 열 가소성 수지로 예시한 것을 사용할 수 있다.

또한, 조성이 서로 다른 복수의 섬유를 조합하여 이용하여도 된다. 이 경우, 섬유의 융점이 10℃ 이상, 바람직하게는 30℃ 이상인 다른 섬유를 조합하는 것이 바람직한데, 특히 심부(芯部)가 고융점이고 초부가 저융점인 섬유로 구성된 섬유를 이용하는 부직포인 것이 바람직하다. 이러한 부직포는 표면에 산포된 도전성 입자를 부직포에 부착시킬 때, 심부의 고융점 섬유의 형태를 유지시킨 상태에서 저융점인 섬유를 용융시키는 것만으로 부직포의 섬유 표면에 도전성 입자를 용이하게 부착시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 시트형 성형 재료로 탄소 섬유를 포함하는 부직포를 이용할 수 있다. 탄소 섬유를 이용함으로써, 성형시의 열 팽창을 억제할 수 있고, 또한 성형품의 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 탄소 섬유로는 피치계 탄소 섬유, 레이온계 탄소 섬유, 폴리아크릴니트릴계 탄소 섬유 등을 들 수 있으며, 이들을 단독 또는 2종류 이상의 혼합물로 이용할 수 있다.

아울러, 시트형 성형 재료 중의 도전성 입자의 중량 범위를 일탈하지 않는 범위에서 부직포 중의 탄소 섬유 표면을 상기된 열 경화성 수지로 표면 처리하여 이용할 수 있다. 이 경우, 열 경화성 수지는 시트형 성형 재료에서 부직포와 탄소 섬유의 바인더로 작용할 뿐만 아니라, 후술되는 본 시트형 성형 재료를 세퍼레이터 형상으로 성형할 때에 세퍼레이터 중의 탄소 재료의 바인더로도 효과를 발휘한다. 예를 들면, 에폭시 수지와 경화제를 용제로 희석한 수지 용액에 부직포를 침지한 후, 혹은 부직포에 이 수지 용액을 스프레이 등의 방법으로 도포한 후 탈 용제함으로써 부직포를 표면 처리할 수 있다.

다음에는 본 발명의 시트형 성형 재료를 구성하는 도전성 입자를 포함하는 입자로 이루어진 도전성 입자층에 대하여 설명한다.

본 발명은 이러한 도전성 입자층이 1층인 것을 특징으로 하며, 구체적으로 도 7에 예시하였다.

또한, 입자층은 도전성의 관점에서 도전성 입자를 75중량% 이상 포함하는 것이 바람직하고, 100중량%인 것이 가장 바람직하다.

이 입자층은 수지 시트의 표면에 층형으로 형성되어 있으면 되는데, 수지 시트에 부착되어 시트의 표면 상에 형성되어 있거나, 입자가 수지 시트 표면의 열린 공극에 들어가 수지 시트의 표층에 형성되어 있어도 된다.

입자가 수지 시트의 표면에 부착되지 않고 열린 공극 안에 존재하는 경우, 상기 수지 시트의 공극의 평균 구멍 지름과 도전성 입자의 평균 입자 지름은 일정 관계를 가질 필요가 있다. 이 관계에 대해서는 상기된 공극의 크기에서 설명한 바와 같다.

도전성 입자로는, 예를 들면 탄소 입자, 금속, 금속화합물 등의 분립체 등을 들 수 있으며, 이들 도전성 입자의 1종 혹은 2종 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 또한, 본 발명은 상기 도전성 입자에 비도전성 입자 혹은 반도전성 입자를 혼합하여 사용할 수 있다.

비도전성 입자로는, 예를 들면 탄산 칼슘, 실리카, 카오린, 클레이, 탈크, 마이카, 글라스 프레이크, 유리 비드, 유리 파우더, 하이드로탈사이트, 규회석 등을 들 수 있다.

반도전성 입자로는, 예를 들면 산화아연, 산화주석, 산화티탄 등을 들 수 있다.

상기된 탄소 입자로는, 예를 들면 인조 흑연, 천연 흡연, 유리형 카본, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙 등을 들 수 있다. 이들 탄소 입자를 단독으로 혹은 2종류 이상을 조합하여 사용할 수 있다. 이들 탄소 입자의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 박상(箔狀), 인편형, 판형, 침형, 구형, 무정형 등의 어떤 것이어도 된다. 또한, 흑연을 화학 처리하여 얻어지는 팽창 흑연도 사용할 수 있다. 도전성을 고려한다면, 보다 소량으로 고도의 도전성을 갖는 세퍼레이터가 얻어진다는 점에서 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연이 바람직하다.

또한, 상기된 금속, 금속 화합물로는, 예를 들면 알루미늄, 아연, 철, 구리, 금, 스테인리스, 파라듐, 티탄 등, 나아가 티탄, 지르코늄, 하프늄 등의 붕화물 등을 들 수 있다. 이들 금속, 금속화합물을 단독으로 혹은 2종류 이상 조합하여 이용할 수 있다. 이들 금속, 금속화합물의 분립체 형상은 특별히 제한되지 않으며, 박형, 인편형, 판형, 침형, 구형, 무정형 등의 어떤 것이어도 된다. 아울러, 이들 금 속, 금속화합물이 비도전성 혹은 반도전성 재료의 분립체 표면에 피복된 것도 사용 가능하다.

도전성 입자의 크기는 수지 시트 위에 균일하게 분포시킬 수 있다면 특별히 한정되지 않는데, 성형하여 얻어지는 연료 전지용 세퍼레이터의 도전성과 기계적 성질의 관점에서 평균 입자 지름이 1~800㎛의 범위인 것이 바람직하고, 특히 50~600㎛가 바람직하다.

도전성 입자의 입자 지름의 측정 방법으로는 레이저광 회절법, 선별법 등의 방법이 있다.

레이저광 회절법은 입자의 회절광 강도 분포가 입자 지름의 함수인 것을 이용한 것으로, 구체적으로는 탄소 분체를 분산시킨 현탁액을 레이저 광로 중에 흘려보내고, 계속해서 통과하는 입자의 회절광을 렌즈를 통해 평면파로 변환하고, 그 반경 방향의 강도 분포를 회전 슬릿을 통해 포토디텍터에 투영하여 검출하는 것이다.

또한, 도전성 입자의 시트 표면에서의 산포의 균일성이나 분포의 균일성을 잃지 않는 범위에서 탄소 섬유를 병용할 수 있다. 이 탄소 섬유의 병용을 통해 세퍼레이터의 탄성률을 개선할 수 있다.

시트형 성형 재료 표면의 도전성 입자와 탄소 섬유 분포를 균질하게 한다는 관점에서, 탄소 섬유의 섬유 길이는 3㎜ 이하, 바람직하게는 1㎜ 이하의 것이 적용된다.

본 발명의 시트형 성형 재료는 성형품의 두께 분산을 작게 하기 위하여 외견 상의 평균 두께가 도전성 입자의 평균 입자 지름과의 관계에 따라 0.1~0.6㎜인 것이 바람직하고, 특히 0.1~0.4㎜인 것이 바람직하다.

다음에는 본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법에 대하여 설명한다.

본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법으로는, 예를 들면 (a) 수지 시트에 접착제를 통하지 않고 도전성 입자를 부착시키는 방법, (b) 수지 시트에 접착제를 통해 도전성 입자를 접착시키는 방법 등을 들 수 있다. 이들 방법 중 도전성 입자의 함유량을 높일 수 있고, 높은 도전성이 얻어진다는 점에서 (a)의 방법이 바람직하다.

다음에는 상기 (a)의 방법인 본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다.

즉, 이 제조 방법은 수지 시트의 한쪽 면에 대하여 아래의 공정 (1), 공정 (2) 및 공정 (3)을 순차 실시함으로써 수행된다.

공정 (1)은 수지 시트의 표면에 도전성 입자를 균일하게 산포하는 공정이다.

산포 방법으로는 수지 시트 표면의 전면을 도전성 입자가 덮도록 산포하되, 도전성 입자와 수지 시트의 접촉 면적이 가능한 커지도록 산포하는 것이 바람직하다.

도전성 입자의 구체적인 산포 방법으로는, 특별히 한정되지 않지만 예를 들면 (A1) 다수의 노즐을 갖는 산포 장치로 필요한 양의 도전성 입자를 균등하게 수지 시트 상에 산포하는 방법, (A2) 많은 도전성 입자를 수지 시트 표면의 일단에 재치하고, 스퀴지판으로 수지 시트의 전면에 균일하게 펼치는 방법을 들 수 있다. 보다 균일하고 요철이 없는 도전성 입자층이 얻어진다는 점에서 (A2)의 방법이 바람직하다. 이 경우, 도전성 입자의 양은 부착될 것으로 예상되는 양의 2배 이상의 양을 산포하는 것이 바람직하다.

도 4는 수지 시트(6)의 한쪽 면에 도전성 입자(7)를 산포하는 공정 (1)을 나타낸 개념도이다.

상기 (A2)의 방법을 도 4에 의거하여 설명한다. 수지 시트(6) 위에 도전성 입자를 재치한 후, 도전성 입자를 수지 시트(6)의 전면에 펼친다. 도전성 입자를 펼치는 방법은 여러 가지가 있으나, 예를 들면 도전성 입자의 평균 직경의 3~10배의 높이에 있는 스페이서(8)를 수지 시트(6)의 양쪽(상하 또는 좌우)에 두고, 스페이서의 한쪽으로부터 다른 한쪽을 따라 스퀴지판(9)으로 도전성 입자를 균일하게 수지 시트(6)의 전면에 펼친다. 스퀴지판(9)으로 시트(6)의 전면에 펼침으로써, 수지 시트(6) 위에 일정 두께를 갖는 도전성 입자의 균일한 층이 형성된다.

상기 (b)의 접착제를 이용하는 방법은 수지 시트의 표면에 도전성 입자를 산포하기 전에 미리 접착제를 도포하는 것이다.

이러한 접착제로 사용할 수 있는 화합물은 특별히 한정되지 않으며, 수성형, 용제형 및 무용제형 중 어떤 것이어도 된다.

무용제형은 상온에서 액체형일 필요가 있는데, 이 경우 액체형 열 경화성 수지인 것이 바람직하다. 수성형이나 용제형 접착제를 사용하는 경우에는 수지 시트 상에 이들을 도포한 후 도전성 입자를 산포하고 나서 가열이나 감압을 수행함으로 써, 접착시킬 수 있다. 또한, 어떤 형태의 접착제라도 수지 시트의 융점 온도에서 열적으로 안정적인 것을 사용할 필요가 있다.

수지 시트 및 도전성 입자 양쪽에 대하여 접착성이 뛰어난 접착제로는 칼복실기, 히드록실기, 아미노기, 슬폰산기, 인산기 등의 관능기를 단독 또는 2종 이상 함유하는 화합물을 바람직한 것으로 들 수 있다.

접착제를 이용한 방법에 의해 수지 시트의 표면에 접착제층과 도전성 입자층을 갖는 성형 재료가 얻어진다.

공정 (2)는 상기 수지 시트에 도전성 입자의 일부를 부착시키는 공정이다.

수지 시트에 도전성 입자를 부착시키는 방법으로는, 수지 시트 표면에 도전성 입자를 산포한 후 (B1) 가압 롤이나 프레스를 이용하여 도전성 입자를 수지 시트에 가압하여 도전성 입자를 수지 시트에 부착시키는 방법, (B2) 수지 시트가 부직포 등 섬유로 구성된 경우에는 도전성 입자를 수지 시트에 가압하여 도전성 입자와 섬유의 얽힘을 일으키는 방법, (B3) 수지 시트가 가열에 의해 연화 혹은 용융되는 경우에는 수지 시트 및/또는 도전성 입자에 열을 가하여 수지 시트의 전부 또는 일부를 용융시킨 후 냉각하여 도전성 입자를 수지 시트에 열 융착시키는 방법을 들 수 있다. 또한, 상기된 (B1)~(B3)의 방법을 조합하여도 된다.

상기 방법 (B3)에서의 열 융착 방법으로는, 예를 들면 캘린더 롤, 열풍 히터, 적외선 히터, 수증기를 통한 가열 등의 방법이 있는데, 본 발명에서는 도전성 입자의 비산 방지의 관점에서 캘린더 롤 또는 적외선 히터에 의한 가열이 바람직하다.

캘린더 롤 가열 방법을 도 5에 의거하여 구체적으로 설명한다. 먼저 캘린더 롤(10)을 수지 시트(6)의 열 연화 온도보다 5~20℃ 높은 온도까지 가열하고, 공정 (1)에서 준비된 수지 시트(6)와 도전성 입자(7)의 적층물 위에서 도전성 입자(7)와 접촉시키며 통과시켜 가열된 캘린더 롤(10)의 열을 도전성 입자(7)로 전달하고, 도전성 입자(7)에 축장된 열로 도전성 입자(7)와 접촉되는 수지 시트(6)의 국부를 용융시킨다. 이후, 용융된 수지 시트(6)가 자연 냉각되면서 수지 시트(6)와 접촉된 도전성 입자(7)가 수지 시트(6)에 융착된다.

이 캘린더 가열 방법은 수지 시트(6) 전체를 가열하지 않고, 도전성 입자(7)와 접촉하는 수지 시트(6)의 국부만을 가열함에 따라 다른 부분에는 열이 전달되지 않기 때문에 열에 의한 수지 시트(6)의 신축이 발생하지 않으므로, 보다 균일한 시트형 성형 재료를 얻을 수 있다는 점에서 바람직하다. 이때, 캘린더 롤의 압착 압력이 5kgf/㎝이하면 도전성 입자를 파괴하지 않고 수지 시트에 부착시킬 수 있다. 공정 (2)가 종료되면 수지 시트에 도전성 입자가 부착되며, 나아가 그 위에 부착되지 않은 도전성 입자가 재치된 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료 전구체를 얻을 수 있다.

또한, 공정 (1)에서 미리 수지 시트에 접착제를 도포하는 상기 (b)의 방법에서는, 예를 들어 접착제로 액체형 열 경화성 수지를 이용하는 경우에 공정 (2)에서 수지와 접하고 있는 도전성 입자가 캘린더 롤 가열법 등을 이용하여 수지 시트와 접착됨에 따라 도전성 입자의 일부를 수지 시트에 부착시킬 수 있다.

공정 (3)은 상기 공정 (2)에서 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 제 거하는 공정이다. 수지 시트(6)와 직접 접촉하지 않은 도전성 입자는 융착되지 않는데, 이들 융착되지 않은 도전성 입자를 제거함으로써, 본 발명의 도전성 입자층을 갖는 시트형 성형 재료를 얻을 수 있다.

수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 제거하는 방법으로는, (C1) 상기 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료 전구체를 뒤집어 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 수지 시트 상으로부터 낙하시키는 방법, (C2) 이 전구체의 상방에서 흡인 노즐을 이용하여 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 흡인 제거하는 방법, (C3) 이 전구체의 상방에서 기체를 분사하여 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 날려보내 제거하는 방법을 들 수 있다.

연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료 전구체를 도 6에 도시된 장치를 이용하면, 상기 (C1)의 방법을 통해 연속적으로 부착되지 않은 도전성 입자를 이 전구체로부터 제거할 수 있다. 제거된 도전성 입자는 회수하여 재이용할 수 있다.

도 7의 부호 11은 열 가소성 수지 시트(6)와 도전성 입자(7)의 열 융착부이다.

이상의 공정 (1), 공정 (2) 및 공정 (3)을 순차 실시함으로써, 수지 시트의 한쪽 면에 도전성 입자가 층형으로 부착된 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료를 제조할 수 있다.

수지 시트의 다른 한쪽 면에 도전성 입자층을 형성하려는 경우에는 상기 공정에서 얻어진 시트형 성형 재료를 뒤집고 공정 (1), 공정 (2) 및 공정 (3)을 순차 실시하면 된다.

본 발명의 시트형 성형 재료의 제조 방법은 수지 시트에 관입, 열 융착 또는 접착을 통해 도전성 입자를 부착시켜 시트형 성형 재료를 성형하는 방법을 채용하므로, 각 공정에서 원료로 사용되는 도전성 입자가 거의 파쇄되지 않아 그 입자 지름을 유지할 수 있다는 특징이 있다.

본 발명의 방법에 따르면, 도전성 입자의 크기 및 형상과 수지 시트의 표면적을 적절하게 선택함으로써, 수지 시트에 부착시킬 도전성 입자의 양을 설계할 수 있다. 단위 면적당 수지 시트에 부착되는 도전성 입자의 양은 수지 시트의 표면적과 도전성 입자의 크기 및 형상에 따라 규정되기 때문에 통상 사용되고 있는 수지 시트 및 도전성 입자를 이용하여 시트형 성형 재료의 두께와 도전성 입자 부착량의 분산이 작은 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료를 제조할 수 있다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는 상기의 각 공정을 거쳐 얻어지는 시트형 성형 재료를 한 장 또는 여러 장 적층한 것을 성형함으로써 얻을 수 있다.

이러한 성형 방법으로는, 종래에 실시되고 있는 프레스 성형, 스탬퍼블 성형 등을 들 수 있다. 시트형 성형 재료가 열 가소성 수지로 이루어지는 경우와 열 경화성 수지로 이루어지는 경우로 나누어 이하에 구체적으로 설명한다.

시트형 성형 재료가 열 가소성 수지로 이루어지는 경우에는 세퍼레이터 형상을 구비하는 캐비티 금형에 상기 시트형 성형 재료를 적어도 1장 설치한다. 이 경우, 금형 온도는 수지 시트의 융점 이하인 것이 바람직하다. 금형 온도가 수지 시트의 융점 이상인 경우, 시트형 성형 재료를 금형에 설치하면 단시간에 이 시트가 수축 등의 변형을 일으켜 수지와 도전성 입자의 부분적인 분포가 불균일해지는 경 향이 있기 때문에 바람직하지 않다.

다음에는 코어 금형을 상기 시트형 성형 재료에 설치하고, 이 시트형 성형 재료를 코어 금형과 캐비티 금형으로 0.05㎫~10㎫의 압력으로 가압하면서 가온 프레스 등을 이용하여 수지 시트의 융점 이상의 온도까지 가온한 후 금형 온도를 수지 시트의 융점 이하, 바람직하게는 융점 이하~50℃의 온도까지 냉각 프레스 등을 이용하여 냉각시키면서 시트형 성형 재료에 0.5㎫~100㎫의 압력을 인가한다. 금형이 냉각된 후 압력을 제거하고 금형으로부터 세퍼레이터를 꺼낸다.

시트형 성형 재료가 열 경화성 수지로 이루어진 경우에는 열 경화성 수지의 경화 온도로 가온된 세퍼레이터 금형을 이용하고, 이 시트형 성형 재료를 압착 성형법을 통해 세퍼레이터를 제작한다. 이 경우의 성형 압력은 0.5㎫~100㎫의 범위에서 적절하게 선택한다.

상기 시트형 성형 재료의 수지가 용융되어 가압되고 있는 상태를 생각하면, 프레스로부터 부하되는 압력이 고체인 도전성 입자를 통해 용융 수지로 전달되고, 압력 부하 방향의 도전성 입자 사이에 개재하는 용융 수지는 압력에 의해 압력 부하 방향과 직행하는 방향으로 압출된다.

즉, 가압 전에 절연층으로 존재하던 시트형 성형 재료 중의 수지가 가압 과정에서 도전성 입자 사이에 형성된 공극 부분으로 압출됨으로써, 세퍼레이터의 두께 방향의 도전성을 확보할 수 있게 된다(도 8 참조).

종래의 기술에서는 두께가 1㎜ 이하인 세퍼레이터를 성형하기 어려웠으나, 본 발명의 시트형 성형 재료의 외견상의 두께 범위가 0.1~0.6㎜이기 때문에 이를 적층함에 따라 두께 분산이 작은 1㎜ 이하의 박육 세퍼레이터를 용이하게 얻을 수 있다.

본 발명의 시트형 성형 재료를 성형하여 얻어지는 세퍼레이터의 두께 분산은 15㎛ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 시트형 성형 재료를 이용하여 성형된 연료 전지용 세퍼레이터는 도전성 입자를 특히 열 가소성 수지 매트릭스에 고밀도로 균일하게 분산시킬 수 있으며, 그 결과 도전성이 뛰어난 세퍼레이터를 얻을 수 있다.

일반적으로, 연료 전지용 세퍼레이터를 성형할 때 원료로 사용되는 도전성 입자의 평균 입자 지름이 최종적으로 얻어지는 연료 전지용 세퍼레이터에서 가능한 유지되는 편이 연료 전지용 세퍼레이터의 도전성 관점에서 바람직하다. 이러한 관점에서, 최종적으로 얻어지는 연료 전지용 세퍼레이터에 함유된 도전성 입자의 평균 입자 지름이 수지 시트를 성형하기 전의 평균 입자 지름의 60% 이상인 것이 바람직하고, 70% 이상인 것이 보다 바람직하며, 더욱이 80% 이상인 것이 특히 바람직하다.

상기 연료 전지용 세퍼레이터는 연료 전지의 기본 구성 단위, 즉 단셀로만 구성된 연료 전지에 사용될 수 있을 뿐만 아니라 이러한 단셀을 복수 적층한 연료 전지 스택에도 사용될 수 있다.

연료 전지는 화석 연료를 개질하여 얻어진 수소를 주 연료로 하고, 이 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 생성되는 에너지를 전력으로 얻는 발전 장치이다.

통상 이러한 발전을 일으키는 단셀을 직렬로 복수 적층한 스택 구조를 가지며, 스택의 양단에 설치된 집전판에 집전함으로써 형성되는 것이다.

본 발명에서 얻어지는 연료 전지용 세퍼레이터의 형상은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 도 9에 도시된 연료 전지용 세퍼레이터(12)를 들 수 있다. 도 9에는 가스 또는 액체 유로(13)를 한쪽 면 또는 양면에 갖는 형상의 세퍼레이터가 도시되어 있다.

본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 성형 재료는 이러한 구조를 갖는, 소위 리브 부착 형상을 갖는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하기에 특히 적합하다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터는 구체적으로 히드라진형, 다이렉트 메탄올형, 알카리형, 고체 고분자형, 인산형 등 여러 형식의 연료 전지용 세퍼레이터로 사용될 수 있다.

본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터를 이용하여 얻어지는 연료 전지는 충격에 대하여 강하고 또한 소형화가 가능하기 때문에, 예를 들면 전기 자동차용 전원, 포터블 전원, 비상용 전원 등 이외에 인공위성, 비행기, 우주선 등 각종 이동체용 전원으로 사용될 수 있다.

(실시예)

다음에는 본 발명의 실시 형태를 실시예에 의거하여 설명한다. 실시예 및 비교예 중 ‘부’ 및 ‘%’는 특별히 한정되지 않는 한 ‘중량부’ 및 ‘중량%’를 나타내는 것이다.

실시예 1

크기가 150㎜×150㎜인 PPS 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 15g/㎡, 두께는 60㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 38㎛, 공극률은 85%, 연화 온도는 260℃) 위에 인조 흑연(무정형, 평균 입자 지름은 88㎛) 입자 5g을 산포하고, 이어서 부직포의 양단에 높이가 0.8㎜인 스페이서를 두고, 스페이서의 한쪽으로부터 다른 한쪽을 따라 스퀴지판을 이동시켜 인조 흑연 입자가 부직포 전면에 재치되도록 펼쳤다.

다음에는 미리 265~280℃로 가열한 캘린더 롤을 상기 부직포의 흑연측으로 가압하면서 한쪽에서 다른 한쪽으로 이동시켰다. 이어서 자연 냉각시킨 후 5kgf/㎠로 에어 블로하여 부직포 섬유와 융착되지 않은 흑연을 제거함으로써, 외견상의 두께가 0.15㎜, 단위 면적당 질량이 75g/㎡, 공극률이 약 73%인 시트형 성형 재료를 얻었다.

상기 시트형 성형 재료를 20장 겹친 것을 가열로 안에서 300℃로 가열하여 PPS 섬유를 용융시키고, 바로 프레스 성형기에 장착된 150℃로 가열된 금형으로 공급하여 40㎫로 가압함으로써 소정의 형태로 냉각 고화시켜 도 10에 도시된 형상을 갖는 폭 15㎝, 평균 두께 1.09㎜, 길이 15㎝의 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다.

상기와 동일한 조작을 수행하여 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝의 평판형 성형품도 성형하였다.

이 성형품의 체적 저항률은 6㏁·㎝, 굽힘 강도는 53㎫, 두께 분산 0.009㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 81㎛이었다.

실시예 2

PPS 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 20g/㎡, 두께는 80㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 38㎛, 공극률은 85%)를 이용하고, 실시예 1과 동일한 원료, 방법 및 조건으로 조작을 수행하여 외견상의 두께가 0.16㎜, 단위 면적당 질량은 8g/㎡, 공극률이 약 75%인 시트형 성형 재료를 얻었다.

이 시트형 성형 재료를 이용하고 실시예 1과 동일한 조작을 수행하여 도 10에 도시된 형상을 갖는 폭 15㎝, 평균 두께 1.1㎜, 길이 15㎝의 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다.

얻어진 시트형 성형 재료를 이용하고 상기와 동일한 조작을 수행하여 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝인 평판형 성형품을 성형하였다.

이 성형품의 체적 저항률은 16㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 60㎫, 두께 분산 0.007㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 83㎛이었다.

실시예 3

PPS 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 25g/㎡, 두께는 100㎛, 공극읠 평균 구멍 지름은 38㎛, 공극률은 85%)를 이용하고, 실시예 1과 동일한 원료, 방법 및 조건으로 조작을 수행하여 외견상의 두께가 0.17㎜, 단위 면적당 질량이 85g/㎡, 공극률이 약 77%인 시트형 성형 재료를 얻었다.

이 시트형 성형 재료를 이용하고 실시예 1과 동일한 조작을 수행하여 도 10 에 도시된 형상을 갖는 폭 15㎝, 평균 두께 1.1㎜, 길이 15㎝의 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다.

이 성형품의 체적 저항률은 17㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 64㎫, 두께 분산 0.007㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 83㎛이었다.

실시예 4

PPS 섬유 부직포 대신에 PP/PE 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 10g/㎡, 두께는 45㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 37㎛, 공극률은 85%, 연화 온도는 100℃)를 이용하고, 캘린더 롤의 온도를 140℃까지 가열하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법과 조건으로 조작을 수행하여 외견상의 두께가 0.15㎜, 단위 면적당 질량이 70g/㎡, 공극률이 약 75%인 시트형 성형 재료를 얻었다.

이 시트형 성형 재료를 22장 겹친 것을 가열로 안에서 185℃로 가열하여 폴리올레핀 수지 섬유를 용융시키고, 바로 프레스 성형기에 장착된 80℃로 가열된 금형으로 공급하여 40㎫로 가압함으로써 소정의 형태로 냉각 고화시켜 도 10에 도시된 형상을 갖는 폭 15㎝, 평균 두께 0.97㎜, 길이 15㎝의 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다.

얻어진 시트형 성형 재료를 이용하고 상기와 동일한 조작을 수행하여 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝의 평판형 성형품을 성형하였다.

이 성형품의 체적 저항률은 8㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 40㎫, 두께 분산 0.01㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 81㎛이었다.

실시예 5

PP/PE 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 15g/㎡, 두께는 68㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 37㎛, 공극률은 85%, 연화 온도는 100℃)를 이용하고, 실시예 1과 동일한 방법과 조건으로 조작을 수행하여 외견상의 두께가 0.16㎜, 단위 면적당 질량이 75g/㎡, 공극률이 약 77%인 시트형 성형 재료를 얻었다.

이 시트형 성형 재료를 22장 겹친 것을 가열로 안에서 185℃로 가열하여 폴리올레핀 수지 섬유를 용융시키고, 바로 프레스 성형기에 장착된 80℃로 가열된 금형으로 공급하여 40㎫로 가압함으로써 소정의 형태로 냉각 고화시켜 도 10에 도시된 형상을 갖는 폭 15㎝, 평균 두께 0.99㎜, 길이 15㎝의 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다.

이 성형품의 체적 저항률은 10㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 43㎫, 두께 분산 0.009㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 80㎛이었다.

실시예 6

상기 시트형 성형 재료의 제조 방법인 b) 수지 시트에 접착제를 통해 도전성 입자를 접착하는 방법에 의거하여 크기가 150㎜×150㎜인 PP/PE 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 5g/㎡, 두께는 20㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 37㎛, 공극률은 80%) 위에 에피크론830(점도 4000mPa.s의 에폭시 수지, 대일본 잉크 화학 공업 주식회사 제품(등록 상표)을 분위기 온도 40℃ 환경 하에서 에폭시 수지가 15g/㎡가 되도록 도포하고, 또 그 위에 인조 흑연(무정형, 평균 입자 지름은 88㎛) 입자 5g을 산포하고, 이어서 부직포의 양단에 높이가 0.8㎜인 스페이서를 두고 스페이서의 한쪽에서 다른 한쪽을 따라 스퀴지판을 이동시켜 인조 흑연이 에폭시 수지를 도포한 부직포의 전면에 재치되도록 펼친 후, 부직포와 접착되지 않은 흑연 입자를 제거함으로써, 부직포, 에폭시 수지와 흑연 입자로 이루어진 복합 시트를 얻었다.

이 복합 시트를 60℃의 건조로에서 2시간에 걸쳐 반경화시킨 후 부직포 섬유와 접착되지 않은 흑연을 제거함으로써, 외견상의 두께가 0.15㎜, 단위 면적당 질량이 75g/㎡인 시트형 성형 재료를 얻었다.

이 시트(150㎜×150㎜)를 20장 겹쳐 미리 예열한 150℃의 금형에 충전하고, 40㎫를 가압함으로써, 폭 15㎝, 평균 두께 1.06㎜, 길이 15㎝인 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 45분이었다.

상기와 동일한 조작을 수행하여 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝인 평판형 성형품도 성형하였다. 이 성형품들의 체적 저항률은 22㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 44㎫, 두께 분산 0.011㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 80㎛이었다.

비교예 1

실시예 1에서 이용한 인조 흑연과 동일한 인조 흑연 70부와 PPS 30부를 믹서를 이용하여 10분간 건식 혼합하였다. 이 혼합물을 성형 압력 20㎫, 320℃의 조건으로 롤 프레스 성형하여 두께 4㎜인 스탬퍼블 시트를 얻었다.

얻어진 스탬퍼블 시트를 소정 사이즈(120㎜×120㎜)로 재단하고, 가열로 안에서 320℃로 10분간 가열하여 PPS를 용융시키고, 바로 프레스 성형기에 장착된 150℃로 가열된 금형으로 공급하여 40㎫로 가압함으로써 소정의 형태로 냉각 고화시켜 폭 15㎝, 평균 두께 1.1㎜, 길이 15㎝인 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 30초이었다. 마찬가지로, 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝인 평판형 성형품도 성형하였다. 이 성형품들의 체적 저항률은 116㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 61㎫, 두께 분산 0.110㎜, 성형품 중의 평균 입자 지름은 14㎛이었다.

비교예 2

실시예 1에서 이용한 인조 흑연과 동일한 인조 흑연 60부와 에피크론830 40부를 분위기 온도 40℃의 환경 하에서 2분간 충분히 혼합 교반하여 균일한 분산체를 조제하였다. 얻어진 분산체를 상기 실시예 3에서 이용한 PP/PE 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 10g/㎡, 두께는 45㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 37㎛, 공극률은 85%, 연화 온도는 100℃)의 한쪽 면에 스퀴지판을 이용하여 90g/㎡가 되도록 도포하여 수지 시트(흑연 함유량;54%)를 얻었다. 이 수지 시트를 60℃의 건조로에서 2시간에 걸쳐 반경화시켰다. 이와 같은 시트(150㎜×150㎜)를 20장 겹쳐 미리 예열한 150℃의 금형에 충전하고, 40㎫로 가압함으로써, 폭 15㎝, 평균 두께 1.27㎜, 길이 15㎝인 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 45분이었다. 마찬가지로, 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝인 평판형 성형품도 성형하였다. 이 성형품들의 체적 저항률은 466㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 46㎫, 두께 분산은 0.165㎜, 성형품 중의 흑연 평균 입자 지름은 80㎛이었다.

비교예 3

실시예 1에서 이용한 인조 흑연과 동일한 인조 흑연 40부와 점도 4000mPa.s인 에피크론830 60부를 분위기 온도 40℃ 환경 하에서 2분간 충분히 혼합 교반하여 균일한 분산체를 조제하였다. 얻어진 분산체를 상기 실시예 3에서 이용한 PP/PE 섬유 부직포(단위 면적당 질량은 10g/㎡, 두께는 45㎛, 공극의 평균 구멍 지름은 37㎛, 공극률은 85%, 연화 온도는 100℃)의 한쪽 면에 스퀴지판을 이용하여 90g/㎡이 되도록 도포하여 수지 시트(흑연 함유량;36중량%)를 얻었다. 이 수지 시트를 60℃의 건조로에서 2시간에 걸쳐 반경화시켰다. 이와 같은 시트(150㎜×150㎜)를 20장 겹쳐 미리 예열한 150℃의 금형에 충전하여 40㎫로 가압함으로써, 폭 15㎝, 평균 두께 1.25㎜, 길이 15㎝인 리브 부착 성형품을 얻었다. 성형 사이클은 45분이었다. 마찬가지로, 폭 15㎝, 두께 약 1㎜, 길이 15㎝인 평판형 성형품도 성형하였다. 이 성형품들의 체적 저항률은 783㏁·㎝이며, 굽힘 강도는 49㎫, 두께 분산 0.143㎜, 성형품 중의 흑연의 평균 입자 지름은 80㎛이었다.

이상과 같이 본 발명의 연료 전지 세퍼레이터용 성형 재료를 이용함으로써, 도전성이 뛰어나고 두께가 얇으며 정밀도가 높은 연료 전지 세퍼레이터를 용이하게 제조할 수 있다.

표1		실시예						비교예
표1		1	2	3	4	5	6	1	2	3
흑연		80	75	70	85	80	80	70	54	36
PPS(%)		-	-	-	-	-	-	30	-	-
열가소성 수지 부직포(%)		PPS 20	PPS 25	PPS 30	PP/PE 15	PP/PE 20	PP/PE 5	-	PP/PE 10	PP/PE 10
에폭시 수지(%)		-	-	-	-	-	15	-	36	54
성형품	체적 저항률 *1)	6	16	17	8	10	22	116	466	783
	굽힘 강도 (㎫)	53	60	64	40	43	44	61	46	49
	평균 두께 (㎜)	1.09	1.1	1.1	0.97	0.99	1.06	1.1	1.27	1.25
	두께 분산 (㎛)	9	7	7	10	9	11	110	165	143
흑연 입자의평가	성형 전의 평균 입자 지름(㎛)	88	88	88	88	88	88	88	88	88
흑연 입자의평가	성형 후의 평균 입자 지름(㎛)	81	83	83	81	80	80	14	80	80

*1) ; 단위는 ㏁·㎝이다.

Claims

수지 시트의 적어도 한쪽 면에 도전성 입자를 포함하는 입자로 이루어진 하나의 도전성 입자층을 갖는 시트형 성형 재료로서, 상기 시트형 성형 재료 중의 도전성 입자의 함유량이 70~95중량%인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 입자층 중의 도전성 입자의 함유량이 75중량% 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 수지 시트가 공극을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 수지 시트의 공극률이 30~90%인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 수지 시트 공극의 평균 구멍 지름이 10~800㎛인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 수지 시트의 수지가 열 가소성 수지인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 수지 시트가 부직포인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

상기 도전성 입자가 흑연인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
제 1 항에 있어서,

평균 두께가 0.1~0.6㎜인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료.
수지 시트의 적어도 한쪽 면에 대하여

공정 (1) : 수지 시트의 표면에 도전성 입자를 균일하게 산포하는 공정과,

공정 (2) : 상기 수지 시트에 상기 도전성 입자의 일부를 부착시키는 공정과,

공정 (3) : 상기 공정 (2)에서 수지 시트에 부착되지 않은 도전성 입자를 제거하는 공정,

을 순차 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 공정 (1)이,

수지 시트의 표면에 도전성 입자를 산포하는 공정과,

상기 산포된 도전성 입자를 수지 시트 전면에 균일하게 펼치는 공정,

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 수지 시트의 수지가 열 가소성 수지이며, 또한 상기 공정 (2)가 공정 (1)에서 얻어진 도전성 입자가 산포된 수지 시트를 가열함으로써 수지 시트에 상기 도전성 입자의 일부를 열 융착시키는 공정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료 의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 수지 시트가 공극을 갖는 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법.
제 10 항에 있어서,

상기 도전성 입자가 흑연인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터용 시트형 성형 재료의 제조 방법.
제 1 항에 기재된 시트형 성형 재료를 성형하여 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터.
제 15 항에 있어서,

두께 분산이 15㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지 세퍼레이터.