KR20080051592A - 연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판 - Google Patents

연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판 Download PDF

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KR20080051592A
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마사루 요네야마
히로시 하세베
히로시 코하라
아키라 오카다
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신에츠 폴리머 가부시키가이샤
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Abstract

기계적 특성의 저하, 성형 불량, 도전성의 부족을 초래하지 않고, 연료 전지의 생산성이나 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판을 제공한다. 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지와 분말의 인조 흑연을 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 혼합하여 성형 재료(5)를 조제하고, 성형 재료(5)를 금형(6)에 충전하여 가열 가압한 후, 가압 냉각하여 금형(6)으로부터 탈형한다. 리니어 타입의 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연이 혼합된 성형 재료(5)에 의해 연료 전지용 격리판을 성형하므로 뛰어난 내열성이나 내수성을 얻을 수 있고, 연료 전지의 내구성에 악영향을 미치는 용출 이온이나 중금속분이 적은 연료 전지용 격리판을 제조할 수 있다.
연료 전지, 격리판, 폴리페닐렌술피드, 흑연, 금형

Description

연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판{MANUFACTURING METHOD OF A SEPARATOR FOR A FUEL CELL AND SEPARATOR FOR A FUEL CELL}
도 1은 본 발명에 관계되는 연료 전지용 격리판(separator)의 실시 형태를 모식적으로 나타내는 평면 설명도이다.
도 2는 본 발명에 관계되는 연료 전지용 격리판의 실시 형태를 모식적으로 나타내는 단면 설명도이다.
도 3은 본 발명에 관계되는 연료 전지용 격리판의 제조 방법의 실시 형태에 있어서의 금형을 모식적으로 나타내는 단면 설명도이다.
도 4는 본 발명에 관계되는 연료 전지용 격리판의 실시 형태를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1　　　　연료 전지용 격리판(separator)
2　　　　베이스판(base plate)
3　　　　홈(groove)
5　　　　성형 재료
6　　　　금형(mold)
7　　　　상형(upper mold)
8　　　　하형(lower mold)
9　　　　성형부
특허 문헌 1 : 일본국 특허공개 2003­100313호 공보
　　 특허 문헌 2 : 일본국 특허 제3693275호
　　 특허 문헌 3 : 일본국 특허공개 2003­346827호 공보
특허 문헌 4 : 일본국 특허공개 2001­085030호 공보
　 본 발명은 지구 온난화 방지나 에너지 절약 등에 이바지하는 연료 전지용 격리판(separator)의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판에 관한 것이다.
　 연료 전지에 사용되는 연료 전지용 격리판에는 도전성, 기계적 특성, 내구성이 중요 특성으로서 요구되지만, 이들 이외에도 저가격을 실현하여 보급시키기 위해 높은 생산성이 요구되고 있다.
이러한 연료 전지용 격리판을 제조하는 경우에는, 도시하지 않지만, 종래, 소정의 수지와 흑연을 소정량 혼합하여 성형하는 방법이 채용되고 있다(특허 문헌 1, 2, 3, 4 참조). 소정의 수지로서는 열가소성 수지 혹은 열경화성 수지를 들 수 있다. 또, 흑연은 도전성을 확보하기 위해 소정의 수지에 많이 배합하여 용융 혼련된다.
　 종래에 있어서의 연료 전지용 격리판은 이상과 같이 제조되고, 도전성을 확보하기 위해 흑연의 비율을 많게 하고 있지만, 흑연을 많게 하면, 성형 재료의 유동성이 매우 악화되어 격리판의 요철이나 단부에 성형 재료를 충분히 충전할 수가 없고, 기계적 특성의 저하나 성형 불량을 초래한다고 하는 문제가 있다. 또, 특허 문헌 1, 2의 경우에는 열가소성 수지를 사용하지만, 열가소성 수지와 분말의 흑연을 용융 혼련하여 성형하면, 용융 혼련시에 열가소성 수지가 흑연의 주변에 과도하게 밀착하여 도전성을 저해하고, 도전성이 부족할 우려가 적지 않다.
　 또, 특허 문헌 3, 4의 경우에는 열경화성 수지를 사용하지만, 열경화성 수지의 경화에는 장시간을 요하므로 생산성에 어려움이 있다. 또한, 미경화 성분이나 반응 생성물이 연료 전지용 격리판 중에 잔류물로서 잔류하기 쉽기 때문에, 연료 전지의 작동 중에 이러한 잔류물이 용출하여 연료 전지의 내구성을 저하시킨다고 하는 문제가 있다. 이 결점을 해소하기 위해 종래에 있어서는 후가열하여 잔류물을 제거하고 있지만, 충분한 효과를 기대할 수 없고 생산성의 저하를 초래하고 있다.
본 발명은 상기한 바를 감안하여 이루어진 것으로, 기계적 특성의 저하, 성형 불량, 도전성의 부족을 초래하지 않고, 연료 전지의 생산성이나 내구성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
　 본 발명에 있어서는 상기 과제를 해결하기 위해, 베이스판의 적어도 한 면에 연료용의 유로를 구획하는 홈을 형성한 연료 전지용 격리판의 제조 방법으로서, 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드(polyphenylenesulfide) 수지와 분말의 인조 흑연을 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않게 혼합하여 성형 재료를 조제하고, 이 성형 재료를 금형에 충전하여 가열 가압한 후, 탈형하는 것을 특징으로 하고 있다.
　 또한, 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연을 중량비로 1：2.5∼1：5의 비율로 배합하는 것이 바람직하다.
　 또, 폴리페닐렌술피드 수지 100중량부에 대해서 인조 흑연을 300∼500중량부 배합하는 것이 바람직하다.
　 또, 폴리페닐렌술피드 수지를 세정한 후에 분말의 인조 흑연과 혼합하는 것이 바람직하다.
　 또, 인조 흑연을 괴상의 흑연 중에 봉상의 흑연을 혼재시킴으로써 조제하고, 이 봉상의 흑연의 직경과 길이의 비를 1：3∼20으로 하는 것이 바람직하다.
　 또, 금형의 하형에 계량한 성형 재료를 충전하여 대략 균일하게 고르고, 홈을 성형하는 금형의 성형부의 성형 재료를 긁어내면 좋다.
　 또한, 본 발명에 있어서는 상기 과제를 해결하기 위해, 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 기재의 연료 전지용 격리판의 제조 방법으로 제조되는 연료 전지용 격리판으로서, 로레스타(Loresta) 저항률계에 의해 측정되는 체적 저항률이 6mΩ·cm 이하인 것을 특징으로 하고 있다.
여기서, 특허청구의 범위에 있어서의 연료용의 유로를 구획하는 홈은 베이스 판의 표면, 이면, 혹은 표리면에 필요한 수가 형성된다. 또, 인조 흑연에는 완전한 인조의 흑연 외에, 산 세정이나 1000℃ 이상의 가열 처리에 의해 잔류 금속 성분이나 용출 이온 등이 제거된 흑연이 포함된다.
　 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시의 형태를 설명하면, 본 실시 형태에 있어서의 연료 전지용 격리판(1)은, 도 1 내지 도 3에 나타내듯이, 폴리페닐렌술피드 수지와 도전 충전제(filler)인 인조 흑연을 혼합하여 성형 재료(5)를 조제하고, 이 성형 재료(5)를 금형(6)에 충전하여 가열 가압한 후, 가압 냉각하여 금형(6)으로부터 탈형함으로써 압축 성형되고, JIS­K7194에 준거한 로레스타 저항률계의 4단자 4탐침법에 의해 측정되는 체적 저항률이 6mΩ·cm 이하로 된다.
　 연료 전지용 격리판(1)은, 도 1이나 도 2에 나타내듯이, 평면 대략 사각형의 베이스판(base plate)(2)을 구비하고, 이 베이스판(2)의 대략 평탄한 표리면의 중앙부에는, 연료용의 유로를 구획하는 복수의 홈(3)이 횡일렬로 늘어서 각각 평면 대략 S자형으로 배열 형성되어 있고, 도시하지 않은 전해질층, 공기극, 연료극과 함께 적층되어 연료 전지를 구성하도록 기능한다. 복수의 홈(3)은 그 주위에 사각형을 나타낸 복수의 관통구(4)가 나란히 천공되고, 각 홈(3)이 단면 대략 U자형으로 오목하게 형성된다.
　 성형 재료(5)는, 분쇄하여 분말화된 리니어 타입(linear type)의 폴리페닐렌술피드(PPS; polyphenylenesulfide) 수지와 분말의 인조 흑연을 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 혼합함으로써 조제한다.
　 폴리페닐렌술피드 수지가 사용되는 것은 실용상 최적이기 때문이지만, 예를 들면 액정 폴리머(liquid crystal polymer)의 경우에는 폴리에스테르 수지 특유의 가수분해에 기인하는 시간 경과에서의 강도 저하의 우려가 있고, 폴리프로필렌(PP; polypropylene)의 경우에는 기계적인 강도가 부족하거나 산화 방지제의 영향에 의한 용출 이온의 문제가 발생하기 때문이다. 또, 폴리카보네이트(PC; polycarbonate), 폴리에테르이미드(PEI; polyetherimide), 폴리에테르술폰(polyethersulfone) 등으로 이루어지는 결정성 수지의 경우에는 흑연의 충전 부족에 수반하는 인성(靭性) 결여 등의 문제가 생기기 때문이다.
　 폴리페닐렌술피드 수지는 용출 이온 방지의 관점에서 산이나 물 등에 의해 세정하여 사용되는 것이 바람직하다. 이는 폴리페닐렌술피드 수지를 세정하여 사용하면, 연료 전지의 작동 중에 열수 중으로 용출하는 이온을 저감하여, 연료 전지의 열화를 방지할 수 있기 때문이다. 이온의 용출은 폴리페닐렌술피드 수지 1g을 순수한 물 4g에 담그고, 121℃의 프레셔 쿠커(pressure cooker) 중에 100HR 방치 후, 순수한 물의 도전율을 측정함으로써 평가할 수 있다. 순수한 물의 도전율은 100μS(지멘스; Siemens) 이하가 바람직하다.
　 폴리페닐렌술피드 수지는 높은 유동성을 얻기 위해, 가교 타입이 아니라 리니어 타입(linear type)이 바람직하다. 이 리니어 타입의 폴리페닐렌술피드 수지의 중량 평균 분자량은 25000∼100000의 범위 내가 최적이다. 이는 중량 평균 분자량이 25000 미만의 경우에는 기계적 강도가 부족하고, 반대로 중량 평균 분자량이 100000을 초과하는 경우에는 유동성이 악화되어 양호한 성형을 기대할 수 없기 때문이다.
　 폴리페닐렌술피드 수지의 유동성의 지표로서는 멜트 플로우 레이트(MFR(melt flow rate)：용액 지수)로 파악한 경우에, 융점＋100℃, 압력 100kg/cm2, 다이스(dice) 직경 1mm, 랜드 길이 10mm에서의 멜트 플로우 레이트가 300cc/10분∼1200cc/10분, 바람직하게는 400cc/10분∼1000cc/10분이 좋다. 이는 300cc/10분 미만의 경우에는 유동성이 작고, 정밀도가 좋은 양호한 성형을 할 수 없다는 이유에 근거한다. 반대로, 1200cc/10분을 초과하는 경우에는 충분한 기계적 특성을 얻을 수 없다는 이유에 근거한다.
　 인조 흑연은 천연 타입은 아니고, 인조 타입, 구체적으로는 타르(tar)나 코크스(cokes) 등을 고온에서 소성하고, 소정의 입자 직경으로 분쇄한 타입, 페놀(phenol) 등의 유기 재료를 소성한 타입이 사용되고, 30∼200μm, 바람직하게는 50∼150μm의 평균 입자 직경으로 조정된다. 이는, 흑연이 천연 타입인 경우에는 각종의 불순물이 혼입하고 있으므로, 연료 전지용 격리판(1)으로서 사용하기 위해서는 철분, 규소분, 회분 등으로 이루어지는 잔류물, 나트륨, 염소 등의 용출 이온분을 제거해야 하고, 이 때문에 산 세정이나 1000℃ 이상의 온도에서 휘발 제거할 필요가 있고, 결과적으로 제조 비용이 커진다는 이유에 근거한다.
　 인조 흑연은 중시하는 특성에 따라 괴상, 봉상, 구상, 섬유상의 형상이 선택되거나 복수의 형상이 조합하여 사용된다. 이 인조 흑연은 도전성, 기계적 특성, 성형성을 균형(balance) 좋게 만족시키는 관점에서, 괴상의 흑연 100 중에 봉상의 흑연이 10∼40중량부 혼재된 타입이 바람직하다. 이는 괴상의 흑연의 표면은 모나 있으므로, 도전성이나 기계적 특성의 향상에 이바지하기 때문이다. 또, 봉상의 흑연을 혼재시키면 구부림 강도가 향상되기 때문이다.
　 봉상의 흑연은 직경과 길이의 비가 1：3∼20 정도의 섬유상이 아닌 타입이 사용된다. 이는 섬유상의 흑연의 경우에는 상온에서 혼합할 때 서로 얽혀 양호한 분산성을 얻을 수 없기 때문이다.
　 또한, 인조 흑연이 둥그스름한 형상이나 구상인 경우에는 기계적 강도가 작게 되지만, 성형 재료(5)의 유동성이 향상되므로 생산성이나 치수 정밀도를 향상시키는 경우에 의의가 있다. 따라서, 인조 흑연을 괴상의 흑연 중에 봉상의 흑연, 둥그스름한 흑연, 및/또는 구상의 흑연이 혼재된 타입으로 해도 좋다.
　 상기에 있어서, 연료 전지용 격리판(1)을 제조하는 경우에는, 먼저, 리니어 타입의 폴리페닐렌술피드 수지를 분쇄하여 분말화하고, 이 폴리페닐렌술피드 수지와 분말의 인조 흑연을 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않게 소정의 비율로 가열하지 않고 혼합하여 성형 재료(5)를 조제한다.
　 폴리페닐렌술피드 수지의 분쇄의 방법으로서는 냉동 분쇄법이나 충돌 파쇄법 등이 채용된다. 이 분말의 폴리페닐렌술피드 수지의 평균 입자 직경은 인조 흑연의 평균 입자 직경의 1.5배 이하로 10μm 이상인 것이 바람직하다. 이는 인조 흑연의 평균 입자 직경의 1.5배를 초과하는 경우에는 성형 재료(5) 중의 폴리페닐렌술피드 수지가 감소하고, 연료 전지용 격리판(1) 내에 수지 얼룩을 생기게 하고, 특성의 불균일이 생기기 때문이다. 또, 10μm 미만의 경우에는 분쇄에 품이 들고 제조 공정에서 비산하여 제조 환경이 악화되기 때문이다.
　 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연은 중량비로 1：2.5∼1：5, 바람직하게는 1：3∼1：4.5의 비율로 배합된다. 이는 인조 흑연이 1：2.5 미만의 경우에는 로레스타 저항률계에 의해 측정된 연료 전지용 격리판(1)의 체적 저항률이 6mΩ·cm 이상으로 되고, 반대로 인조 흑연이 1：5를 초과하는 경우에는 성형 재료(5)의 유동성이 악화되고, 연료 전지용 격리판(1) 1매당 필요한 ±30μm의 두께 치수 정밀도를 얻을 수 없기 때문이다. 또, 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연의 혼합에 즈음해서는, 예를 들면 텀블러(tumbler)나 헨셀 믹서(Hensel mixer) 등이 사용된다.
　 또, 폴리페닐렌술피드 수지의 유동성은 멜트 플로우 레이트(melt flow rate)로 파악한 경우에, 융점＋100℃, 압력 100kg/cm2, 다이스(dice) 직경 1mm, 랜드 길이 10mm에서의 멜트 플로우 레이트가 300cc/10분∼1200cc/10분이 좋다. 이 점에 대해서 설명하면, 인조 흑연의 배합 비율에 의해 성형품인 연료 전지용 격리판(1)의 선팽창 계수가 크게 변화하고, 금형(6)을 구성하는 강재의 선팽창 계수와의 차가 너무 크게 되면, 금형(6)으로부터 탈형할 때에 연료 전지용 격리판(1)의 홈(3) 등이 걸리고, 꺼낼 때 품이 들거나 연료 전지용 격리판(1)을 파손시킬 우려가 있다.
　 금형(6)의 선팽창 계수는 일반적으로 11∼12(ppm)이지만, 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연의 중량비가 1：5인 경우에는 6(ppm), 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연의 중량비가 1：4인 경우에는 10(ppm), 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연의 중량비가 1：3인 경우에는 14(ppm)이고, 1：5로 압축 성형한 경우에는 연료 전지용 격리판(1)에 파손이나 손상이 많이 생긴다.
　 도 4는 320℃의 성형 재료(5), 유로 직경 2mmφ, 랜드 길이 5mm, 압력 500kg/cm2의 조건에서 측정한 멜트 플로우 레이트의 그래프이다. 여기서, 성형 재료(5)는 중량 평균 분자량이 36000의 리니어 타입의 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연이 혼합됨으로써 조제되고, 인조 흑연은 평균 입자 직경이 70μm의 괴상의 흑연 중에 평균 입자 직경이 145μm인 봉상의 흑연이 혼재됨으로써 조제된다.
　 성형 재료(5)의 멜트 플로우 레이트는 P 가공성의 지표로서 활용할 수가 있다. 실험의 결과, 유로 직경 2mmφ, 랜드 길이 5mm, 압력 500kg/cm2의 조건에서 측정한 멜트 플로우 레이트는, 300cc/10분∼1000cc/10분의 범위 내에 있는 값을 사용하면, 필요한 도전성이나 기계적 특성을 가지는 연료 전지용 격리판(1)을 1매당의 두께 정밀도 ±30μm로 안정하게 성형할 수 있는 것이 판명되었다.
　 이러한 값은 연료 전지용 격리판(1)을 분쇄하여 멜트 플로우 레이트를 평가해도 성형재료(5)와 대략 동일한 값이 된다. 따라서, 본 실시 형태에 있어서의 320℃의 연료 전지용 격리판(1)은 유로 직경 2mmφ, 랜드 길이 5mm, 압력 500kg/cm2의 조건에서 측정한 멜트 플로우 레이트가 300cc/10분인 것이 좋다.
　 폴리페닐렌술피드 수지와 분말의 인조 흑연은 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 가열하지 않고 혼합된다. 이는 가열하여 용융 혼련하면 인조흑연의 주변에 폴리페닐렌술피드 수지가 과도하게 밀착하여 도전성을 저해하고 에너지 비용을 삭감할 수가 없다고 하는 이유에 근거한다.
　 성형 재료(5)를 조제하면, 이 성형 재료(5)를 예비 성형하지 않고, 소정량 금형(6)에 충전(도 3 참조)하여 그 상형(7)과 하형(8)을 조이고, 금형(6)을 가열 가압하여 연료 전지용 격리판(1)을 압축 성형한다.
　 성형 재료(5)를 충전하는 경우에는, 연료 전지용 격리판(1)의 베이스판(2)과 복수의 홈(3)에서 성형 재료(5)의 성형량이 상위하므로, 이를 고려하여 충전한다. 구체적으로는 (1) 금형(6)의 하형(8)에 계량한 성형 재료(5)를 충전하여 스크래블러(scrabbler) 등에 의해 균일하게 고르고, 복수의 홈(3)을 성형하는 금형(6)의 성형부(9)의 성형 재료(5)를 스크래블러 등에 의해 긁어내고, 성형 재료(5)를 균형 좋게 충전하는 방법, (2) 연료 전지용 격리판(1)의 형상을 고려하고, 금형(6)의 하형(8)에 성형 재료(5)를 디스펜서(dispenser)에 의해 증감시키면서 충전하는 방법을 들 수 있다.
　 성형 재료(5)의 충전에 즈음해서는, 금형(6)의 성형 온도를 폴리페닐렌술피드 수지의 융점보다 낮게 해 두는 것이 바람직하다. 또, 금형(6)의 가열 가압에 즈음해서는, 성형 재료(5)의 충전된 금형(6)을 성형기의 소정 온도까지 가열한 한 쌍의 열판 사이에 세트(set)하여 가열 가압한다. 또, 금형(6)의 가열 온도는 폴리페닐렌술피드 수지의 융점＋100℃∼＋150℃ 정도가 바람직하고, 금형(6)의 가압 압력은 300kg/cm2 이상이 필요하다.
　 금형(6)이 가열 가압되면 성형 재료(5)가 가압되고, 복수의 인조 흑연끼리가 접촉하여 그 사이에 폴리페닐렌술피드 수지의 유입하는 공극이 형성된다. 그리고, 금형(6)의 가열에 의해, 폴리페닐렌술피드 수지의 융점을 초과한 온도 영역에서 폴 리페닐렌술피드 수지가 유동하기 시작하고, 복수의 인조 흑연의 사이에 폴리페닐렌술피드 수지가 유입한다. 따라서, 인조 흑연의 주변에 폴리페닐렌술피드 수지가 과도하게 밀착하지 않고 양호한 도전성을 얻을 수 있다.
　 금형(6)의 가열 가압 시간으로서는 복수의 인조 흑연의 사이에 폴리페닐렌술피드 수지가 유입하는데 필요한 시간이면 좋다. 구체적으로는 폴리페닐렌술피드 수지의 융점＋100℃, 가압 압력 800kg/cm2(연료 전지용 격리판(1)의 투영 면적에 대해서)의 조건에서 20∼100초이다.
　 그리고, 그 후 금형(6)을 가압 냉각하여 연료 전지용 격리판(1)을 탈형하면, 도 1이나 도 2에 나타내는 연료 전지용 격리판(1)을 제조할 수가 있다. 금형(6)을 가압(가압 압력 800kg/cm2) 냉각하는 방법으로서는, (1) 금형(6)을 떼어내어 냉각된 다른 성형기의 한 쌍의 열판 사이에 세트하고, 가압 냉각하는 방법, (2) 금형(6)을 성형기의 한 쌍의 열판 사이에 세트한 채로 가압 냉각하는 방법 등을 들 수 있다.
　 금형(6)은 폴리페닐렌술피드 수지의 융점 이하, 바람직하게는 폴리페닐렌술피드 수지의 융점-100℃ 이하, 보다 바람직하게는 폴리페닐렌술피드 수지의 유리전이점 이하까지 냉각한다. 이는, 이러한 온도까지 금형(6)을 냉각하면, 연료 전지용 격리판(1)의 도전성이 향상되거나, 젖혀짐, 구부러짐의 저감에 이바지하기 때문이다.
　 단, 냉각 온도의 저하에 수반하여 생산성이 악화되므로, 도전성을 만족하는 범위의 고온에서 연료 전지용 격리판(1)을 탈형하고, 유리전이점 이상의 온도에서 어닐링(annealing)하여 연료 전지용 격리판(1)의 젖혀짐, 구부러짐을 교정해도 좋다. 어닐링은 연료 전지용 격리판(1)을 적층하여 0.05kg/cm2의 추를 탑재함으로써 실시하는 것이 바람직하다.　
　 상기에 의하면, 리니어 타입의 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연이 혼합된 성형 재료(5)에 의해 연료 전지용 격리판(1)을 사출 성형하는 것이 아니라, 압축 성형하므로 뛰어난 내열성이나 내수성을 얻을 수 있고, 연료 전지의 내구성에 악영향을 미치는 용출 이온이나 중금속분이 적은 연료 전지용 격리판(1)을 제조할 수가 있다.
　 또, 압축 성형에 의해 수지량을 많게 하고, 흑연분을 적게 할 수가 있으므로, 적은 인조 흑연으로 극히 양호한 도전성을 확보할 수가 있고, 기계적 특성의 저하나 성형 불량을 초래하지 않고, 또한 치수 정밀도의 향상을 도모할 수도 있다. 또한, 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 가열하지 않고 혼합하므로, 인조 흑연의 주변에 폴리페닐렌술피드 수지가 과도하게 밀착하여 도전성을 저해하거나, 도전성이 부족하게 될 우려를 유효하게 배제하는 것이 가능하게 된다.
　 또한, 성형 재료(5)를 금형(6)에 충전하여 가열 가압할 때에 가열 기구를 사용하거나, 가압 냉각할 때에 냉각 기구를 사용해도 좋다. 이렇게 하면, 설비 비용이 약간 증가하지만 에너지 비용 대책으로 유리하다. 구체적으로는 금형(6)에 전기 히터로 이루어지는 가열 기구를 설치하거나, 냉각수용의 유로로 이루어지는 냉각 기구를 내장할 수가 있다. 또, 금형(6)에 유로를 내장하여 가열용의 증기나 냉각용 의 냉각수를 유통시킬 수도 있다. 이 증기를 사용할 때, 과열 증기를 사용하면 상온에서 고온을 얻을 수 있고, 또한 양호한 가열 효과율을 얻을 수 있다.
<실시예>
　 이하, 본 발명에 관계되는 연료 전지용 격리판의 제조 방법 및 연료 전지용 격리판의 실시예를 비교예와 함께 설명한다.
실시예 1
　 먼저, 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 인조 흑연 3중량비를 텀블러(tumbler)에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 폴리페닐렌술피드(polyphenylenesulfide) 수지는 중량 평균 분자량이 36000의 제품(토레이주식회사 제조：제품명 E2180)을 냉동 분쇄하여 평균 입자 직경 70μm로 분말화하였다. 또, 인조 흑연은 평균 입자 직경 140μm의 제품(오리엔탈카본주식회사 제조：제품명 8020S)을 사용하였다.
　 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 성형 재료를 조제하면, 이 성형 재료를 금형에 균일하게 충전하여 가열 가압하였다. 성형 재료의 충전에 즈음해서는, 연료 전지용 격리판의 복수의 홈을 성형하는 금형의 성형부의 성형 재료를 스크래블러(scrabbler) 등에 의해 긁어내고, 성형재료를 균형 좋게 충전하였다. 또, 금형을 가열 가압하는 경우에는, 열판 온도가 440℃인 압축 성형기에 금형을 탑재하고, 연료 전지용 격리판의 면적에 대해서 800kg/cm2의 압력을 작용시켰다.
다음에, 금형을 가열 가압하고, 금형의 온도가 400℃에 이르면, 열판 온도가 30℃인 냉각용의 압축 성형기에 금형을 옮겨 탑재하여 가압 냉각하고, 그 후 금형으로부터 탈형함으로써, 297mm×210mm×2mm의 외형의 연료 전지용 격리판을 얻었다. 이 연료 전지용 격리판은 표리 양면에 있어서의 복수의 홈의 형성 영역이 210mm×170mm이고, 각 홈의 폭이 1mm, 각 홈의 깊이가 0.7mm이다.
　 연료 전지용 격리판을 제조하면, 이 연료 전지용 격리판의 도전성, 두께 불균일, 및 용출 도전도를 각각 측정하고 평가하여 표 1에 정리하였다. 연료 전지용 격리판의 도전성은 연료 전지용 격리판의 주변의 평탄부를 잘라내고, 로레스타 저항률계(미츠비시화학 제조)에 의해 4단자법으로 측정하였다.
　 연료 전지용 격리판의 두께 불균일에 대해서는, 연료 전지용 격리판의 35점(点)을 매크로미터(macrometer)에 의해 측정하였다. 또, 연료 전지용 격리판의 용출 도전도에 대해서는, 연료 전지용 격리판의 일부 30g을 대략 15mm 모서리에서 잘라내어 순수한 물 120g에 담그고, 121℃의 프레셔 쿠커(pressure cooker) 중에 100HR 방치 후, 23℃로 되돌린 후에 순수한 물의 도전율을 측정함으로써 평가하였다.
실시예 2
　 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 인조 흑연 4.5중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
실시예 3
　 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 인조 흑 연 3중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 인조 흑연은 평균 입자 직경 대략 50μm의 제품(오리엔탈카본주식회사 제조：제품명 AT－No.5 SX)을 사용하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
실시예 4
　 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 흑연 3중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 흑연은 천연품(일본흑연주식회사 제조：제품명 CGC100)을 황산에 의해 세정하여 수세하고, 1300℃에서 3HR 가열하고, 천연 흑연과 동등의 불순물 레벨(level)까지 정제하여 사용하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
비교예 1
　 가교 타입의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 인조 흑연 2.5중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.　
비교예 2
　 가교 타입의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 인조 흑연 5중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
비교예 3
　 가교 타입의 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 흑연 3중량비를 텀블러에 의해 1시간 혼합하여 성형 재료를 조제하였다. 흑연은 평균 입자 직경이 대략 100μm의 천연품(일본흑연주식회사 제조：제품명 CGC100)을 그대로 사용하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
비교예 4
　 폴리페닐렌술피드 수지 1에 대해서 분말의 흑연 3중량비를 320℃로 가열한 가압 니더(kneader) 중에서 혼련하여 취하고, 이 혼련물을 파쇄하여 과립상으로 하고 성형 재료를 조제하였다. 폴리페닐렌술피드 수지와 흑연은 실시예 1과 마찬가지로 하였다. 그 외의 부분은 실시예 1과 마찬가지로 하여 평가하였다.
실시예1 실시예2 실시예3 실시예4 비교예1 비교예2 비교예3 비교예4
도전성 (mΩ·cm) 5.5 4.5 5 6 11 3.2 6 12
두께불균일 (μm) ±25 ±30 ±26 ±23 ±20 ±75 ±22 ±25
용출도전도 (μS) 70 65 65 95 80 65 220 85
평가 양호 양호 양호 용출 다소 높지만, 양호 도전성 부족 두께정밀도 불량 용출불량 도전성 불량
　 본 발명에 의하면, 연료 전지용 격리판의 기계적 특성의 저하, 성형 불량, 도전성의 부족을 초래하지 않고, 연료 전지용 격리판의 생산성이나 내구성을 향상시킬 수가 있다는 효과가 있다.
　 또, 폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연을 중량비로 1：2.5∼1：5의 비율로 배합하면, 로레스타 저항률계에 의해 측정되는 연료 전지용 격리판의 체적 저항률이 6mΩ·cm 이상으로 되지 않고 양호한 도전성을 얻을 수 있다. 또, 성형 재료의 유동성 악화를 억제하고, 연료 전지용 격리판 1매당 필요한 ±30μm의 두께 치수 정밀도를 비교적 용이하게 얻을 수 있다.
　 또, 인조 흑연을 괴상의 흑연 중에 봉상의 흑연을 혼재시킴으로써 조제하고, 이 봉상의 흑연의 직경과 길이의 비를 1：3∼20으로 하면, 연료 전지용 격리판의 도전성, 기계적 특성, 성형성을 균형 좋게 만족시키는 것이 가능하게 된다. 또, 연료 전지용 격리판의 구부림 강도의 향상을 기대할 수 있다.
또한, 금형의 하형에 계량한 성형 재료를 충전하여 대략 균일하게 고르고, 홈을 성형하는 금형의 성형부의 성형 재료를 긁어내면, 성형 재료를 낭비 없게 또한 균형(balance) 좋게 충전하는 것이 가능하게 된다.

Claims (5)

  1. 베이스판의 적어도 한 면에 연료용의 유로를 구획하는 홈을 형성한 연료 전지용 격리판의 제조 방법으로서,
    　 리니어 타입으로 분말의 폴리페닐렌술피드 수지와 분말의 인조 흑연을 폴리페닐렌술피드 수지가 용융되지 않도록 혼합하여 성형 재료를 조제하고, 이 성형 재료를 금형에 충전하여 가열 가압한 후, 탈형하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 격리판의 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,　
    폴리페닐렌술피드 수지와 인조 흑연을 중량비로 1：2.5∼1：5의 비율로 배합하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 격리판의 제조 방법.
  3. 　 제1항 또는 제2항에 있어서,
    인조 흑연을 괴상의 흑연 중에 봉상의 흑연을 혼재시킴으로써 조제하고, 이 봉상의 흑연의 직경과 길이의 비를 1：3∼20으로 하는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 격리판의 제조 방법.
  4. 　 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    금형의 하형에 계량한 성형 재료를 충전하여 대략 균일하게 고르고, 홈을 성 형하는 금형의 성형부의 성형 재료를 긁어내는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 격리판의 제조 방법.
  5. 　 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재의 연료 전지용 격리판의 제조 방법으로 제조되는 연료 전지용 격리판으로서,
    로레스타 저항률계에 의해 측정되는 체적 저항률이 6mΩ·cm 이하인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 격리판.
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