KR20080046235A - 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 전도성 및 가스 불투과성이 높고, 또한 파단 왜곡이 크고, 강도 특성에 우수한 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법을 제공하는 것으로, 연료 전지용 세퍼레이터재는 평균 입자 직경 1∼50 ㎛의 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화한, 평균 입자 직경이 20∼100 ㎛, 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상, 압력 50 MPa에서 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상의 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지에 의해 결착한 흑연/경화 수지 성형체로 이루어진다. 그 제조 방법은, 이 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 제작하여, 구형화 천연 흑연 입자와 열경화성 수지를 흑연 입자와 수지 고형분의 중량비가 90:10∼65:35의 양비로 혼련한 후, 혼련물을 건조, 분쇄하여 성형 분말을 제작하여, 성형 분말을 가스 유로가 되는 홈/산부(groves/ridges)를 새겨 넣은 금형 내에 충전하여 120℃ 이상의 온도, 20∼100 MPa의 압력으로 열압 성형하는 것을 특징으로 한다.

Description

연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법{SEPARATOR MATERIAL FOR FUEL CELL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은 고체고분자형 연료 전지나 인산형 연료 전지 등의 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지의 세퍼레이터재에는, 전지의 내부 저항을 낮게 하여 발전 효율을 올리기 위해 높은 전기 전도성이 요구되고, 또한, 연료 가스와 산화제 가스를 완전히 분리한 상태로 전극에 공급하기 위해 고도의 가스 불투과성이 요구된다. 또한, 전지 스택의 조립 시 및 전지 작동 시에 파손이나 결손이 생기지 않도록 높은 재질강도나 내식성이 필요하다.
이러한 재질 특성이 요구되는 세퍼레이터재에는, 종래로부터 탄소질 계의 재료가 이용되고 있지만, 흑연재는 치밀성이 낮고, 또한 유리형 카본재는 치밀로 가스 불투과성에는 우수하지만 경질로 무르기 쉬워 가공성에 난점이 있다. 이 때문에, 종래로부터 흑연 등의 탄소질 분말을 열경화성 수지를 결합재로서 결착하여 성형한 탄소/경화 수지 성형체가, 적합하게 사용되고 있다.
예컨대, 일본 특허 공개 평 제11-297337호 공보에는, 탄소질 분말 100 중량부에 대해, 열경화성 수지를 10∼100 중량부의 비율로 첨가하여 혼련하고, 경화하 여 얻어진 탄소/경화 수지 성형체를 금속 박판의 표리 양면에 열압접합하여 피착하며, 이 경화 수지 성형체에 가스 유통홈을 형성하는 고체고분자형 연료 전지 세퍼레이터 부재의 제조 방법이 개시되고, 일본 특허 공개 제2000-021421호 공보에는, 평균 입자 직경 50 ㎛ 이하, 최대 입자 직경 100 ㎛ 이하, 종횡비 3 이하의 흑연 분말 60 중량％ ∼85 중량％에 불휘발분 60％ 이상의 열경화성 수지 15∼40 중량％를 첨가하여 가압 혼련하고, 혼련물을 분쇄하여 형에 충전하여 감압 탈기한 후 가압 성형하여, 성형체를 소정 형상으로 가공한 후 150 ℃ ∼280 ℃의 온도로 가열 경화하거나, 또는 150 ℃ ∼280 ℃의 온도로 가열 경화한 후 소정 형상으로 가공하는, 고체고분자형 연료 전지용 세퍼레이터 부재의 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2001-126744호 공보에는, 흑연 입자와 비탄소질 열가소성 수지로 구성된 연료 전지용 세퍼레이터로서, 상기 흑연 입자는 적어도 평균 입자 직경(D50％)이 40 ㎛ ∼120 ㎛인 흑연 조입자를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제안되어 있고, 흑연 입자로서는, 흑연 조입자의 입자간 간극에 충전 가능한 조입자보다도 평균 입자 직경이 작은 흑연 조입자와 조합하여 구성하는 것도 기재되어 있다.
한편, 흑연 입자는 그 결정 구조에 기인하는 현저한 이방성을 갖고 있기 때문에, 이방성이 적은 고결정성 흑연 입자를 얻기 위해, 일본 특허 공개 제2003-238135호 공보에는, 케이싱 내에 축심을 중심으로 하여 고속 회전하는 충격 부재를 구비한 처리 장치에, 충격 부재의 회전 궤적의 외측으로부터 기류와 함께 원료 흑연 입자를 공급하여, 회전 궤적의 내측으로부터 구형화 흑연 입자를 빼내는 것을 특징으로 하는 구형화 흑연 입자의 제조 방법이 개시되어 있다.
또한, 일본 특허 공개 제2004-269567호 공보에는, 조립 흑연 입자와 수지로 구성된 성형 가능한 도전성 조성물이 제안되어 있고, 이 도전성 조성물은 수지 함유량이 적더라도 사출 성형이 가능한 높은 성형성을 가지고, 전기적 특성 및 기계적 특성이 우수하며 등방적 특성을 갖고 있고, 이 도전성 조성물로 구성된 고체고분자형 연료 전지용 세퍼레이터도 개시되어 있다.
또한, 본 출원인도 기계적 마쇄 처리에 의해 입자 표면을 평활화 처리하여, 평균 입자 직경은 70 ㎛ 이하, 최대 입자 직경은 300 ㎛ 이하, 입자 직경이 10 ㎛ 이하인 입자의 비율이 20 중량％ 이하의 입도성형으로 조정한 흑연 분말 100 중량부에 대해, 수지 고형분이 15∼26 중량부의 비율이 되도록 열경화성 수지를 혼련하고, 건조하여 용매를 제거하여 얻어진 혼련물을 해쇄(解碎)하여 성형 분말로 하며, 성형 분말을 금형에 충전하여, 20∼50 MPa의 압력, 150∼250℃의 온도로 열압 성형하는 것을 특징으로 하는 고체고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법을 제안하고 있다(일본 특허 공개 제2004-253242호 공보 참조).
연료 전지의 세퍼레이터재에는, 상기와 같이 전기 저항이 낮고, 가스 불투과성이 높으며, 높은 재질 강도 및 내식성 등이 요구되지만, 저전기 저항화를 도모하기 위해서는 바인더가 되는 수지량의 비율을 낮게 억제하는 것이 유효하다. 그러나, 수지량의 비율을 낮추면 성형성이 나빠지고, 성형체 조직의 치밀화, 균질화가 불충분하게 되어, 높은 가스 불투과성을 확보하는 것이 곤란해지고, 강도도 낮아진다.
또한, 최근, 전지 성능의 고출력화, 소형화 및 고성능화를 도모하고, 기동 시간이 빠른 스택 구조로 하기 위해, 세퍼레이터에도 열용량이 작은 것이 요구되고, 세퍼레이터의 두께를 얇게 하는, 예컨대 두께 0.3 ㎜ 를 하회하는 두께의 세퍼레이터에 대한 요구도 높아져 오고 있다.
세퍼레이터의 박육화(薄肉化)를 도모하기 위해서는, 성형성을 향상시키고, 흑연 입자와 열경화성 수지의 혼련물의 유동성을 높이는 것이 유효하지만, 열경화성 수지 성형의 개량만으로 성형성의 향상을 도모하기 위해서는 한계가 있다.
한편, 세퍼레이터의 두께가 감소되면 미소한 상처에도 크랙이 생기기 쉽게 되어, 크랙이 생기기 어려운 재질 강도, 즉 파단 왜곡이 큰 재질 특성이 필요해진다.
본 발명자들은, 성형 재료 즉 흑연 입자와 열경화성 수지의 혼련물의 성형성 및 흑연/경화 수지 성형체의 강도 특성이나 전기적 특성 등의 개선에 대해, 주로 흑연 입자의 여러 가지의 성형에 착안하여 연구를 진행시킨 결과로서 본 발명에 이른 것으로, 본 발명의 목적은 전기 전도성 및 가스 불투과성이 높고, 또한 파단 왜곡이 크며, 강도 특성에 우수한 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터재는, 평균 입자 직경이 1 ㎛ ∼50 ㎛인 인편(鱗片)형 천연 흑연이 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화되어, 하기 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지에 의해 결착, 일체화한 흑연/경화 수지 성형체로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
(1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼100 ㎛
(2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
(3) 압력을 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상
또한, 본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법은, 평균 입자 직경 1 ㎛ ∼50 ㎛ 인 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화하여,
(1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼100 ㎛
(2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
(3) 압력을 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상
인 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 제작하여, 구형화 천연 흑연 입자와 열경화성 수지를 흑연 입자와 수지 고형분의 중량비가 90: 10∼65: 35의 양비로 혼합, 혼련한 후, 혼련물을 건조, 분쇄하여 성형 분말을 제작하고, 성형 분말을 가스 유로가 되는 홈/산부(groves/ridges)를 새겨 넣은 금형내에 충전하여, 120℃ 이상의 온도, 20 MPa ∼100 MPa의 압력으로 열압 성형하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터재는, 미세한 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 집합, 조립하여 구형화한 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지에 의해 결착, 일체화한 흑연/경화 수지 성형체로부터 형성된 것으로, 구형화 천연 흑연 입자의 특성을 특정 범위로 설정함으로써, 전기 전도성 및 가스 불투과성이 높고, 또한 파단 왜곡이 크며, 강도 특성이 우수한 연료 전지용 세퍼레이터재를 얻을 수 있다.
도 1은 실시예 2의 구형화 천연 흑연 입자의 입자 구조를 도시하는 현미경 사진이다.
본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터재는 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지에 의해 결착, 일체화한 흑연/경화 수지 성형체로부터 형성된 것으로, 구형화 천연 흑연 입자란 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화한 것이다.
흑연 입자를 수지 중에 분산시켜 고강도, 고파단 왜곡의 흑연/경화 수지 성형체로 하기 위해서는, 큰 흑연 입자가 적고, 미세한 흑연 입자가 수지 중에 균일하게 분산된 상태인 것이 바람직하다. 그러나, 미세 흑연 입자와 열경화성 수지의 혼련물은 유동성이 낮아, 균질 조직의 성형체로 하기 어렵다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 발명에 있어서는 미끄럼 유동성 및 자기 응집성이 높고, 흑연화도가 높은 천연 흑연이 사용된다. 인조 흑연에서는 흑연화도가 낮고, 자기 응집성이 작으며, 혼련물의 열압 성형 시의 유동성이 낮기 때문에 균질 조직의 성형체로 하는 것이 어렵기 때문이다.
또한, 본 발명에서는, 미세한 흑연 미립자로서 인편형 천연 흑연을 이용하 여, 인편형 천연 흑연을 응집시켜 구형화한 구형화 천연 흑연 입자로서 열경화성 수지 중에 분산시킨다. 구형화 천연 흑연 입자는 열압 성형 시에 흑연 입자가 서로 부딪혀 찌부러지도록 변형하여, 이 변형에 따라 구형화 천연 흑연 입자를 형성하는 미세한 인편형 천연 흑연 입자 사이가 넓어지고, 그 사이에 열경화성 수지가 충만하게 되어, 균질, 치밀한 조직 구조가 형성된다.
천연 흑연으로서는 평균 입자 직경이 1 ㎛ ∼50 ㎛인 인편형 천연 흑연이 이용된다. 평균 입자 직경이 1 ㎛ 미만이면 자기 응집성이 낮고, 열경화성 수지와의 혼련물을 분쇄한 성형 분말의 치밀성이 저하한다. 한편, 50 ㎛을 넘으면 흑연/경화 수지 성형체의 굽힘에 대한 파단 왜곡이 작아지고, 파손하기 쉽게 되기 때문이다. 또한, 세퍼레이터재로서 그 두께를 얇게 한 경우, 예컨대 두께 0.3 mm 이하의 성형체로 한 경우에는 충분한 가스 불투과성을 확보하는 것이 곤란해진다.
본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터재는 상기 평균 입자 직경이 1 ㎛ ∼50 ㎛ 인 인편형 천연 흑연을 원료로서, 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화된 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지로 결착하여, 일체화한 것이다.
고속 기류 중 충격법(dry impact blending)이란, 예컨대 하이브리다이제이션 시스템[(주)나라 기계 제작소 제조, NHS-O] 등의 장치에 의해, 형상을 제어하여 조립하고, 구형화하는 것이다. 구형화 처리는 고속 회전하는 로터, 스테이터 및 순환 경로로 이루어지는 장치의 로터의 중심부로부터 인편형 천연 흑연을 공급하고, 인편형 천연 흑연은 주로 로터와의 충돌 및 흑연분체끼리의 충돌에 의한 충격, 압축, 전단력을 받아, 기류와 동시에 외주부로 이동하여, 순환 경로로부터 로터 중심부로 다시 이송된다. 이 조작이 반복됨으로써 인편형 천연 흑연이 구형화된다.
상기 구형화의 과정에 있어서, 인편형 천연 흑연 중의 조대 입자가 소립자를 포착 응집하면서 두께를 더하여 덩어리화하고, 상기의 조작이 반복됨으로써, 입자끼리의 충돌 및 입자와 로터의 충격에 의해 생성하는 에너지에 의해, 인편형 결정의 a축 방향의 소성 변형에 따른 굽힘에 의해 점차로 구형화해 나간다. 즉, 상기 조작의 반복에 의해, 고도로 발달한 천연 흑연의 흑연 육각망 면층이 여러 가지의 방향으로 배향되면서 외관이 구형화된다. 또한, 구형화 입자의 특성은, 원료가 되는 인편형 천연 흑연의 입자 직경, 로터의 원주 속도(선단 속도), 처리량(처리 농도), 처리 시간 등의 조건 설정에 의해 조정한다.
구형화 천연 흑연 입자의 입자 구조는 SEM 관찰에 의해 확인할 수 있다. 도 1에 실시예 2의 구형화 천연 흑연 입자의 입자 구조의 전자현미경 사진을 도시한다. 구형화 천연 흑연 입자는 열경화성 수지와 혼합되고, 혼련하여 성형한 흑연/경화 수지 성형체의 단면 조직에서는 천연 흑연의 인편형 조직이 관찰되며, 이 인편형 조직이 랜덤으로 미세하게 분산된 조직 구조가 확인된다.
구형화 천연 흑연 입자로서는, 하기의 특성에 의해 조정된 것을 적용한다.
(1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼100 ㎛
(2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
(3) 압력을 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상
구형화 천연 흑연 입자의 평균 입자 직경이 20 ㎛ 미만이면 열경화성 수지와 의 혼련물의 유동성이 저하하여, 흑연/경화 수지 성형체의 조직 불량이 생기고, 또한 100 ㎛ 보다 커지면 부분적으로 조직의 불균질한 부분이 생겨, 판두께가 얇은 성형체를 제작한 경우에는 가스 불투과성이 불충분해진다. 또한, 입자 밀도를 높고 치밀하게하지 않으면 혼련물의 유동성은 감소한다. 그 때문에 수중에서 측정한 입자 밀도, 예컨대 물을 이용하여 비중병법(pycnometer)으로 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상인 치밀한 구형화 천연 흑연 입자가 이용된다.
또한, 구형화 천연 흑연 입자는 50 MPa의 압력으로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상인 것이 필요하다.
압축 반발율이란, 구형화 천연 흑연 입자를 가압 압축한 시점의 체적과, 압력을 제거한 후의 체적의 비율을 백분율로 나타낸 것으로, φ 60인 금형에 구형화 천연 흑연 입자 25 g을 충전하여, 50 MPa의 압력으로 일축 가압한 상태로 15초간 유지한 후에 체적을 측정하고, 그 후, 압력을 제거하여 금형으로부터 성형체(압분체)를 빼낸 체적을 측정하여, 하기식으로 압축 반발율을 산출한 값이다.
압축 반발율(％)= (압력을 제거한 후의 성형체의 체적)÷ (가압 시의 성형체의 체적)× 100
압축 반발율은 열압 성형된 흑연/경화 수지 성형체의 성형형으로부터 성형체를 빼내었을 때의 팽창에 관계하는 인자로, 이 값이 120％를 넘고, 또한, 50 MPa의 압력으로 가압했을 때의 밀도가 1.9 g/㎤ 미만에서는, 흑연/경화 수지 성형체의 조직을 치밀에 의해 보이드가 적은 조직으로 할 수 없고, 재질 강도 및 가스 불투과성이 저하한다.
또한, 이 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지로 결착, 일체화한 성형체를 절단한 단면에 있어서의 수지 중에 분산된 구형화 천연 흑연 입자의 크기는 50 ㎛ 이하인 것이 바람직하고, 또한, 구형화 천연 흑연 입자는 흑연 육각망 면층이 랜덤인 방향으로 배향한 인편형 조직으로 이루어지기 때문에 등방적 성질을 구비하고 있으며, 따라서 파단 왜곡도 커진다. 그리고, 본 발명의 연료 전지용 세퍼레이터재는, 흑연/경화 수지 성형체의 두께 방향/면 방향의 고유저항의 비가 15이하, 4점 굽힘 시험에 의한 파단 왜곡이 0.5％ 이상이라는, 세퍼레이터재로서 적합한 특성을 구비한 것이 된다.
본 발명에 따른 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법은, 우선, 평균 입자 직경 1 ㎛~ 50 ㎛인 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화하여,
(1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼100 ㎛
(2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
(3) 압력 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 19 g/㎤ 이상
의 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 제작한다.
인편형 천연 흑연은 전술한 바와 같이, 예컨대 하이브리다이제이션 시스템[(주)나라 기계 제작소 제조, NHS-O] 등의 장치를 이용하여, 고속 기류 중 충격법에 의해 조립하여 구형화한다. 원료가 되는 인편형 천연 흑연의 입자 직경, 로터의 원주 속도(선단 속도), 처리량(처리 농도), 처리 시간 등의 처리 조건을 적절하게 설정하여, 구형화 천연 흑연 입자의 평균 입자 직경, 입자 밀도, 압축 반발율 및 압축 시의 밀도 등을 소정의 값으로 제어한다.
상기와 같이 하여 제작한 구형화 천연 흑연 입자는 열경화성 수지와, 구형화 천연 흑연 입자와 열경화성 수지의 수지 고형분의 중량비가 90: 10∼65: 35의 양비로 혼합하여, 충분히 혼련한다. 구형화 천연 흑연 입자의 중량비가 90을 넘으면, 열경화성 수지량이 부족하여 혼련물의 유동성이 낮게 되고, 성형성이 악화되어 성형체의 조직 불량을 일으켜 가스 불투과성이 저하한다. 구형화 천연 흑연 입자의 중량비가 65 미만이 되면 도전성이 낮게 된다.
또한, 열경화성 수지로서는, 연료 전지의 작동 온도인 80∼120℃의 온도에 견디는 내열성, pH 2∼3 정도의 술폰산이나 황산 등에 견딜 수 있는 내산성이 있으면 좋고, 예컨대, 페놀계 수지, 푸란계 수지, 에폭시계 수지, 페놀-에폭시계 수지 등의 열경화성 수지를 단독 혹은 혼합하여 사용된다.
구형화 천연 흑연 입자와 열경화성 수지의 혼합은 열경화성 수지를 알콜이나 에테르 등의 적절한 유기 용매에 용해하여 저점도의 열경화성 수지 용액으로서 혼합하는 것이 균일하게 혼합하는 데에 있어서 바람직하고, 니더, 가압형 니더, 이축 스크류식 혼련기(twin-screw mixer) 등의 상용되는 적절한 혼련기에 의해 충분히 혼련한다. 혼련물은 건조되어 수지 중의 저비점 성분이나 유기 용매 등을 제거한 후, 분쇄하여 적절한 입도의 성형 분말을 제작한다.
성형 분말을 가스 유로가 되는 홈/산부를 새겨 넣은 금형 내에 충전하여 120℃ 이상의 온도, 바람직하게는 150 ℃ ∼ 250 ℃의 온도 및 20 MPa ∼100 MPa의 압력으로 열압 성형함으로써 연료 전지용 세퍼레이터재가 제조된다. 이 연료 전지용 세퍼레이터재는 그대로, 혹은 필요에 따라 더욱 정밀하게 가스 유로용 홈가공 등을 실시하여 연료 전지용의 세퍼레이터가 제조된다.
[실시예]
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다.
실시예 1∼3, 비교예 1
평균 입자 직경이 상이한 인편형 천연 흑연 분말을 하이브리다이제이션 시스템[(주)나라 기계 제작소 제조 NHS-O형]을 이용하여 고속 기류 중 충격법에 의해 조립하여 구형화했다. 이 때, 로터의 원주 속도(선단 속도), 인편형 천연 흑연의 처리량 및 처리 시간을 바꾸어 평균 입자 직경, 입자 밀도, 압축 반발율, 압축 시간 밀도가 상이한 구형화 천연 흑연 입자를 제작했다.
비교예 2
실시예 2와 동일한 인편형 천연 흑연을 이용하여 회전 조립법에 의해 조립했다. 또한, 조립체는 인편형 천연 흑연 분말의 단순한 입자 응집체였다.
비교예 3
인조 흑연 분말을 이용하여 하이브리다이제이션 시스템에 의해 처리했지만, 응집체를 얻을 수 없었다.
비교예 4
평균 입자 직경이 60 ㎛인 인편형 천연 흑연 분말을 조립 처리하지 않고, 그대로 시료로 했다.
크레졸 노볼락형 에폭시 수지/페놀 노볼락형 에폭시 수지를 메틸에틸케톤에 경화촉진제와 함께 용해하여 수지 고형분 농도 60％의 수지 용액을 제작하여, 상기 한 실시예, 비교예로 얻어진 흑연 입자를, 흑연 입자와 수지 고형분의 중량비가 80: 20이 되도록 혼합하여, 2축 니더로 충분히 혼련했다. 혼련물을 진공 건조 후, 분쇄하여 입도 50 메쉬 이하로 조정하여, 성형 분말로 했다.
얻어진 성형 분말을, 폭 1 mm, 깊이 0.5 mm의 가스 유로가 되는 홈/산부 형상을 새겨 넣은 금형(상하형 최박육부 0.3 mm, 성형 물건 외형 200 ㎜ × 200 ㎜)에 충전하여, 금형을 180℃로 가열 유지한 열압 프레스에 넣어 50 MPa의 압력으로 10분간 열압 성형하여, 흑연/경화 수지 성형체로 이루어지는 연료 전지용 세퍼레이터재를 제조했다. 표 1에 제조 조건을 나타낸다.
[표 1]
실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
원료 흑연 인편형 천연 흑연 ○ ○ ○ ○ ○ - ○
인조 흑연 - - - - - ○ -
평균 입자 직경(㎛) 10 25 40 65 25 50 60
구형화 처리 ＊1 ＊1 ＊1 ＊1 ＊2 ＊1 ＊3
구형 흑연 입자 평균 입자 직경(㎛) 30 55 85 110 60 ＊4 60
입자 밀도(g/㎤) 2.12 2.15 2.17 2.18 1.50 - -
압축 반발율(％) 109 105 103 102 110 125 108
압축시 밀도(g/㎤) 1.92 1.95 2.03 2.05 1.92 - 1.93
성형 분말의 유동성(g/sec)*5 0.6 1.8 2.2 3.1 0.3 0.3 1.0
(표주)
*1 하이브리다이제이션 시스템
*2 회전 조립법
*3 처리하지 않음
*4 응집체가 되지 않음
*5 11O℃ 보온 상태에서의 모노홀 유동성(JIS K6911)
다음으로, 흑연/경화 수지 성형체로부터 테스트피스를 꺼내어 재질 특성을 측정하여, 그 결과를 표 2에 도시한다.
[표 2]
실시예 비교예
1 2 3 1 2 3 4
밀도(g/㎤) 1.91 1.93 1.95 1.97 1.91 1.90 1.92
굽힘 강도(MPa) 57 48 45 43 45 58 47
파단 왜곡(％) 0.62 0.56 0.53 0.44 0.45 0.48 0.37
고유저항 A*6(mΩ·cm) 16.0 13.0 8.7 8.5 20.0 18.0 34.0
고유저항 B*7(mΩ·cm) 13.0 9.5 6.5 5.9 6.0 8.9 6.4
고유저항의 비 *8 1.2 1.4 1.3 1.4 3.3 2.0 5.3
가스투과도 [× 10-11mol/(MPa m2.s)] 2 3 3× 10-1 8 × 106 8 × 107 7 × 106 3 × 103
(표주)
*6 두께 방향의 고유 저항
*7 면 방향의 고유 저항
*8 A/B
표 1 및 표 2에 나타낸 바와 같이, 실시예 1∼3에 따른 세퍼레이터재는, 파단 왜곡이 높고, 가스 투과도가 작으며, 또한, 두께 방향과 면 방향의 고유 저항의 비가 작아 등방성이 우수하다는 것을 인정받는다.
이에 비해, 비교예 1에 따른 세퍼레이터재는, 구형화 천연 흑연 입자의 평균 입자 직경이 크기 때문에 파단 왜곡이 작고, 가스 투과도도 매우 높다. 비교예 2에 따른 세퍼레이터재는, 회전 조립이기 때문에 구형화 천연 흑연 입자를 얻을 수 없고, 또한 입자 밀도도 작으며, 성형 시에 파립하여 성형성에 뒤떨어지고, 두께 방 향과 면 방향의 고유 저항의 비도 크며, 가스 투과도도 매우 높다. 또한, 인조 흑연을 이용한 비교예 3에 따른 세퍼레이터재는, 구형화하지 않고 성형성에 뒤떨어지며, 파단 왜곡이 작고, 두께 방향과 면 방향의 고유 저항의 비가 높고, 가스 투과도도 높다. 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화하지 않는 비교예 4에 따른 세퍼레이터재는, 파단 왜곡이 작고, 두께 방향과 면 방향의 고유저항의 비가 높으며, 가스 투과도도 높다.
다음으로, 실시예 2와 비교예 4로 제작한 성형 분말을 평판형의 금형에 채워 넣어, 압력 50 MPa, 온도 180℃로 열압 성형하여 200 ㎜× 200 ㎜× 2 ㎜의 평판 성형체를 제작했다. 이 성형체를, φ1.0의 엔드밀, 회전수 5000 rpm에서 폭 1 ㎜, 깊이 0.7 ㎜의 홈가공을 실시하여, 가공성과 홈가공 후의 입자 결함폭을 조사했다. 결과를 표 3에 나타낸다.
[표 3]
실시예2 비교예4
쇼어 경도 34 14
홈가공 속도 *9(mm/min) 600 600
입자 누락 최대폭 *10(mm) 0.05 0.15
(표주)
*9 φ1.0의 엔드밀, 회전수 5000 rpm에서 폭 1 mm, 깊이 0.7 mm의 홈을 가공했을 시, 엔드밀이 꺾이지 않고서 가공될 수 있는 최대 가공 속도
*10 φ1.0의 엔드밀, 회전수 5000 rpm에서 폭 1 mm, 깊이 0.7 mm의 홈을 가공했을 시, 홈에 수직인 방향의 입자 결함 최대폭을 투광기로 계측

Claims (3)

  1. 평균 입자 직경이 1 ㎛ ∼ 50 ㎛ 인 인편(鱗片)형 천연 흑연이 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화되어,
    (1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼100 ㎛
    (2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
    (3) 압력 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상
    의 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 열경화성 수지에 의해 결착, 일체화한 흑연/경화 수지 성형체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터재.
  2. 제1항에 있어서, 흑연/경화 수지 성형체의 단면 관찰로부터 측정한 수지 중에 분산된 천연 흑연 입자의 크기가 50 ㎛ 이하, 성형체의 두께 방향/면 방향의 고유 저항의 비가 1.5 이하, 4점 굽힘 시험에 의한 파단 왜곡이 0.5％ 이상인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터재.
  3. 평균 입자 직경이 1 ㎛ ∼ 50 ㎛인 인편형 천연 흑연을 고속 기류 중 충격법에 의해 구형화하여,
    (1) 평균 입자 직경이 20 ㎛ ∼ 100 ㎛
    (2) 수중에서 측정한 입자 밀도가 2 g/㎤ 이상
    (3) 압력 50 MPa로 가압했을 때의 압축 반발율이 120％ 이하, 압축 시의 밀도가 1.9 g/㎤ 이상
    의 특성을 갖는 구형화 천연 흑연 입자를 제작하여, 구형화 천연 흑연 입자와 열경화성 수지를 흑연 입자와 수지 고형분의 중량비가 90: 10∼65: 35의 양비로 혼합, 혼련한 후, 혼련물을 건조, 분쇄하는 성형 분말을 제작하고, 성형 분말을 가스 유로가 되는 홈/산부(groves/ridges)를 새겨 넣은 금형 내에 충전하여, 120℃ 이상의 온도, 20 MPa ∼100 MPa의 압력으로 열압 성형하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법.
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