KR20090040403A

KR20090040403A - 연료전지 세퍼레이터의 제조방법 및 연료전지 세퍼레이터

Info

Publication number: KR20090040403A
Application number: KR1020087026728A
Authority: KR
Inventors: 시게노부 다카하시; 마사미 스즈키; 유지로 야마자키
Original assignee: 가부시끼가이샤 세이코 기켄
Priority date: 2006-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-04-24
Also published as: JP4015179B1; CA2658758A1; EP2065957A4; JP2008060066A; WO2008016041A1; EP2065957A1

Abstract

탄소분말과 열경화성 수지로 이루어진 원료분에 대한 열간 압축성형 공정과 열경화성 수지의 가열경화 공정을 병용하는 것에 의하여 생산 속도를 떨어뜨리지 않고 수지의 경화 팽창에 의한 성능 저하를 억제한 연료전지 세퍼레이터를 제조한다. 탄소분말과 열경화성 수지의 혼합물을 원료분으로서 금형 캐버티에 충전하고, 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열하면서 소요 가압력으로 세퍼레이터 형상의 성형판을 압축성형하는 압축성형 공정과 상기 압축성형 공정에 의하여 압축 성형된 상기 성형판을 가압을 하지 않은 상태로서 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열경화시키는 가열경화 공정을 포함한다.

Description

연료전지 세퍼레이터의 제조방법 및 연료전지 세퍼레이터{PROCESS FOR PRODUCING SEPARATOR FOR FUEL CELL AND SEPARATOR FOR FUEL CELL}

본 발명은 고체 고분자형 연료전지에 이용되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법 및 연료전지 세퍼레이터에 관한 것이다.

종래부터 연료전지를 구성하는 주요부재의 하나로서 연료전지 세퍼레이터가 있다. 연료전지 세퍼레이터는, 겉과 속의 양면에 복수개의 좁고 긴 홈을 갖추어 형성되어 있고, 그 제조방법으로서, 냉간(冷間)프레스 공정을 갖는 제조방법과 열간(熱間)프레스 공정을 갖는 제조방법이 알려져 있다.

전자(前者)의 제조방법에 대하여 개략적으로 설명하면, 우선 흑연분말에 열경화성 수지가 피복된 열경화성 수지피복 분말흑연(이하, 단순하게 '연료전지 세퍼레이터용 재료'라 함)을 프레스 장치에 세트된 상온의 금형에 충전하고, 열경화성 수지의 연화용융온도 이하의 온도에서, 금형에 15~100MPa의 압축력을 가하고(냉간프레스), 소정 형상으로 성형하고, 그 성형체를 가압하지 않은 상태로 가열하여 수지를 경화시키는 방법이다(예를 들면, 특허문헌1(JP2005-174882A1)참조).

한편, 후자(後者)의 제조방법에 대하여 개략적으로 설명하면, 탄소분말과 열경화성 수지를 혼합하고, 프레스 장치에 세트된 금형에 충전하고, 금형에 20~40MPa의 압축력을 작용시키는 것과 동시에 금형을 수지의 열경화 개시온도 이상인 150℃~250℃에 가열(열간프레스)하고, 프레스와 거의 동시에 수지를 경화시켜 제조하는 방법이다(예를 들면, 특허문헌2(JP2004-192878A)참조).

더욱이, 상기 열경화성 수지는, 그 물성으로서 연화용융온도를 갖고 있으며, 그 수지를 가열하면 우선 연화용융이 시작되고, 그 후에 열경화를 시작하는 것이다. 또한, 열경화성 수지의 열경화 개시온도는, 예를 들면 시차주사열량계(DSC)로 발열개시온도를 측정하는 것에 의하여 평가할 수 있다.

그러나 상기 제조방법에는 다음과 같은 문제점이 있다.

우선, 전자의 냉간프레스 공정을 갖는 제조방법은, 압축성형 후에 가압을 하지 않은 상태에서 열경화성 수지를 경화시키기 때문에 팽창하여 밀도가 크게 저하된다. 그것과 함께 체적저항률 및 굽힘 강도 등의 성능도 저하된다.

한편, 후자의 열간프레스 공정을 갖는 제조방법은, 프레스 중에 수지를 완전 경화시킬 필요가 있기 때문에 경화속도가 빠른 열경화수지를 사용한다고 하여도 열이 원료분(原料粉)에 전달하여 수지가 경화하기까지 160℃의 온도에서 5 ~ 10분 정도 필요하게 되므로 제조 속도가 저하되어 버리는 문제점이 있다.

그러하여, 본 발명자는 제조속도를 저하시키지 않고 세퍼레이터에 요구되는 물성 값을 만족하는 제조방법에 대하여 열심히 연구를 행한 결과, 압축성형시의 온도를 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상으로 하고, 압축성형 후, 열경화성 수지가 완전하게 경화되지 않은 상태에서 수지의 경화공정을 도입하는 것으로 크게 개선할 수 있다는 것을 이끌어 내었다. 즉, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 관한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법 및 연료전지 세퍼레이터는 다음의 기술적 수단을 강구했다.

본 발명의 제1측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 탄소분말과 열경화성 수지의 혼합물을 원료분으로서 금형 캐버티에 충전하고, 상기 열경화성 수지의 열경화 개시 온도 이상의 소요 온도에서 가열하면서 소요 가압력으로 세퍼레이터 형상의 성형판을 압축성형하는 압축성형 공정과 상기 압축성형 공정에 의하여 압축 성형된 상기 성형판을 가압하지 않은 상태에서 상기 열경화성 수지의 열경화 개시 온도 이상의 소요 온도에서 가열경화시키는 가열경화 공정을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 압축성형 공정은 상기 성형판의 압축 성형이 달성되며, 게다가 상기 열경화성 수지의 경화가 반(半)경화 상태로 종료되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 가열경화 공정은 상기 압축성형 공정에서는 반경화 상태의 열경화성 수지의 경화가 완전(完全)경화 상태까지 행해지는 것을 특징으로 한다.

여기에서 완전경화 상태라는 것은, 성형된 연료전지용 세퍼레이터에 대하여 한층 더 가열을 하여도 질량의 변화가 ±0.05％ 이내에 있는 상태이며, 반경화 상태라는 것은 한층 더 가열을 할 때에 완전경화 상태에 있어서 연료전지용 세퍼레이터의 질량과 비교하여 0.05％~0.5％의 서로 다른 상태로 정의 한다. 더욱이 본문에서는 언급하고 있지는 않지만, 미(未)경화 상태라는 것은, 한층 더 가열을 할 때에 완전경화 상태에 있어서 연료전지용 세퍼레이터의 질량과 비교하여 0.5％를 넘는 서로 다른 상태라고 정의한다.

본 발명의 제4측면에 관계되는 연료저지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 압축성형 공정은 상기 가열경화 공정의 전후에 있어서 상기 성형판의 질량변화가 0.05~0.5％에 들어가도록 압축 성형조건이 결정되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제5측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 원료분은 탄소분말이 80~90％, 열경화성 수지가 10~20％의 질량 비율로 되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제6측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 압축성형 공정에 있어서 상기 소요 온도는 80℃~200℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제7측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 압축성형 공정에 있어서 상기 소요되는 가압력은 100MPa~300MPa인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제8측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 가열경화 공정에 있어서 상기 소요 온도는 150℃~200℃인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제9측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 가열경화 공정의 전후에 있어서 상기 성형판의 질량변화가 0.05~0.5％인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제10측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 열경화수지가 페놀 수지인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제11측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은, 상기 압축성형 공정 후의 상기 성형판에 있어서 유리(遊離)페놀의 함유량이 0.008질량％~0.08질량％인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제12측면에 관계되는 연료전지 세퍼레이터는, 상기 제1~제11의 어느 하나의 측면에 관계되는 제조방법으로 제조된 세퍼레이터로서, 상기 가열경화 공정 후의 밀도가 1.95g/㎤이상인 것을 특징으로 한다.

도1은 본 발명의 의한 연료전지 세퍼레이터의 하나의 실시형태를 보여주는 (a)정면도 및 (b)배면도이다.

도2는 도1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따라서 잡은 (a)단면도 및 (b)A부의 확대도이다.

도3은 본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 이용되는 성형금형을 세트한 프레스 장치의 하나의 실시형태를 보여주는 개략적인 설명도이다.

도4는 본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 이용되는 가열장치의 하나의 실시형태를 보여주는 개략적인 설명도이다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 하나의 실시형태를 보여주는 (a)정면도 및 (b)배면도이며, 도2는 도1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 (a)단면도 및 (b)A부의 확대도이다.

연료전지 세퍼레이터(1)은 고체고분자형 연료전지 시스템에 적용되는 세퍼레이터이며, 겉과 속의 양면(적어도 한쪽 면)에는 유로구(流路溝)부(2) 및 유로구부(2)의 주위를 둘러싼 위요(圍繞)부(4)를 갖고 있다. 유로구부(2)에는 연료가스, 산화가스 또는 냉각수의 유로(流路)로 되는 좁고 긴 홈(유로구)(3)이 형성되어 있다. 그리고, 유로구(3)는 세퍼레이터(1) 표면의 위요부(4)에 둘러싸인 소정 영역 내에 세밀한 배치로 형성되어, 유로구부(2)를 구성하고 있다.

이와 같은 유로구(3)는 세퍼레이터(1)의 위요부(4)에 형성된 매니폴드(5)에 연결되어 있어, 매니폴드(5)를 통하여 연료가스, 산화가스 또는 냉각수가 유로구(3)에 도입, 배출되도록 되어 있다. 또한, 도1에는 유로구(3) 및 매니폴드(5)를 2계통만 도시하며, 제3의 유로구 및 제3의 매니폴드는 도시를 생략하고 있다.

도3에 보여지는 것과 같이, 프레스장치(10)은 성형금형(20)을 소정 위치에 위치를 정하여 실어놓은 유압실린더(11)을 구비하고 있다. 유압실린더(11)은 뒷부분에서 설명하는 캐버티(25)내에 충전된 탄소분말과 열경화성 수지와의 혼합물로 이루어진 원료분을, 성형금형(20)을 개입하여 소요 가압력으로 가압(압축성형)하는 것이다.

성형금형(20)은 하측블록(21)에 설치되어 있는 하(下)펀치(하금형)(22)와 상측블록(26)에 설치되어 있는 상(上)펀치(상금형)(27)과 상하양금형(22, 27)간에 형성된 캐버티(25)의 외주를 걸머진 금형인 다이(틀 형태)(24)를 구비하고 있다.

또한, 성형금형(20)은 하펀치(하금형)(22) 및 상펀치(상금형)(27)에 히터(23, 28)을 각각 구비하고 있다. 히터(23, 28)는 압축성형 시에 캐버티(25)내에 충전된 원료분을, 거기에 포함된 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열하는 것이다.

도4는 본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 이용되는 가열장치의 하나의 실시 형태를 보여주는 개략적인 설명도이다.

도4에 보여지는 것과 같이, 가열장치(경화로)(30)은 다수의 세퍼레이터(1)를 여러 단으로 나란히 놓아서 수용 가능한 내용적(內容積)을 갖고, 또한 상부에 히터(전기히터 등)(31)를 구비하고 있다. 히터(31)(가열장치(30))은 성형금형(20)의 캐버티(25)에 충전하여 프레스 장치(10)로 압축성형되고, 성형금형(20)으로부터 꺼낸 가열장치(경화로)(30)에 수용된 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)을 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도로 가열하여 경화시키는 것이다.

본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은 탄소분말과 열경화성수지의 혼합물을 원료분으로서 이용하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법이다.

즉, 본 발명에 의한 연료전지 세퍼레이터의 제조방법은 (1)우선, 프레스장 치(10) 및 성형금형(20)을 이용하여 상기 원료분을 성형금형(20)의 캐버티(25)에 충전하고, 히터(23, 28)에 의하여 상기 열경화성 수지의 열경화개시 온도 이상의 소요 온도에서 가열하면서 유압실린더(11)에 의하여 소요 가압력으로 세퍼레이터 형상의 성형판을 압축성형한다(압축성형공정).

압축성형공정에 의하여 상기 성형판의 압축성형이 달성되며, 게다가 상기 열경화성 수지의 경화가 반경화 상태의 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)이 얻어진다. 결국, 여기에서 얻어진 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)은, 형상은 판상으로 형성되어 있으나, 원료분에 포함되는 열경화성 수지는 반경화 상태의 것이다.

압축성형공정의 종료의 기준에 대하여, 구체적으로는 다음의 가열경화공정의 전후(결국, 압축성형공정 종료시와 가열경화 공정의 종료시)에 있어 상기 성형판의 질량변화가 0.05~0.5％에 들어가도록 하는 압축성형조건(압축속도, 압축시간)이 결정되고, 압축성형공정이 종료되는 것이 바람직하다.

다음으로, 상기 압축성형공정에 의하여 압축성형된 상기 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)을 가열장치(경화로)(30)을 이용하여 가압을 하지 않은 상태로 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열경화시킨다(가열경화공정).

가열경화공정은, 상기 압축성형공정에서는 상기 반경화 상태의 열경화성 수지가 완전경화될 때까지 행해진다. 가열경화 공정에 의하여, 상기 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)의 원료분에 포함된 열경화성 수지가 완전히 경화되어 종료된 세퍼레이터(1)가 얻어진다.

상기 연료전지 세퍼레이터의 제조방법에 있어서, 우선 탄소분말과 열경화성 수지와의 소정의 질량 비율로 조합하고, 충분히 교반하여 원료분을 혼성한다. 더욱이 원료분의 혼합질량 비율은 탄소분말 90％~80％, 열경화성 수지 10％~20％이 되는 비율로 하는 것이 적합하다. 또한, 원료분에는 탄소분말 및 열경화성 수지 이외에, 필요에 따라서 섬유기재, 충전재, 이형제, 내(耐)가수분해제 등을 첨가하여도 좋다.

열경화성 수지로서는, 레졸형 페놀수지, 노볼락형 페놀수지로 대표되는 페놀수지를 이용하면 성형성으로서 양호하고, 게다가 탄소분말을 페놀수지가 코팅하고 있는 재료를 사용하면 강도도 높게 되어 적합하다.

압축성형 공정에는 도3에 보여지는 것과 같은 프레스장치(10)을 이용하여 성형금형(20)의 캐비티(25)내에 원료분을 균일하게 넣어(충전하여) 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상인 80℃~200℃에서 가열하면서 유압실린더(11)에 의하여 원료분에 100MPa~300MPa의 압력으로 작용시켜 세퍼레이터 형상의 성형판을 압축성형한다.

열간압축 공정에 의하여 성형속도를 줄이지 않고 경화공정 전후에 있어서 성형판의 질량변화가 0.05％~0.5％가 될 정도까지 열경화성 수지를 경화시킬 수 있다.

따라서, 수지의 가열경화 공정에 있어서 경화팽창률을 저감할 수 있으며, 체적저항률, 굽힘 강도 및 가스투과도의 성능 저하를 막을 수 있다.

또한, 프레스장치(10)에 의하여 압축 성형할 때에 100MPa~300MPa의 압력을 원료분에 작용시키는 것에 의하여 고밀도의 세퍼레이터 형상의 성형판을 얻을 수 있으며, 양산성과 고성능을 포함한 연료전지 세퍼레이터(1)를 제조할 수 있다.

더욱이, 종래의 열간 압축성형과는 다르게, 열경화성 수지가 완전하게 경화되어 있지 않기 때문에, 금형과 제품의 접착도 일어나지 않고 이형성에 우수한 이점을 갖는다.

가열경화공정은 성형금형(20)으로부터 꺼낸 반경화 상태의 성형판(세퍼레이터(1)의 반제품)을 도4에 보여지는 것과 같은 가열장치(경화로)(30)에 반입하고, 가압을 하지 않은 상태로 히터(전기히터 등)(31)에 의하여 열경화성 수지의 수지경화온도 이상인 150℃~200℃로 가열하고, 열경화성 수지를 완전히 경화시키는 것으로 연료전지 세퍼레이터(1)가 얻어진다.

이때, 가열경화공정의 전후에 있어서 성형판의 질량변화가 0.05％~0.5％정도가 되므로 수지의 경화팽창에 의한 성능저하를 방지할 수 있다.

또한, 그때의 압축성형공정 후의 성형판에 있어서 유리페놀의 함유량이 0.008질량％~0.08질량％이다.

또한, 얻어진 연료전지 세퍼레이터(1)는, 가열경화공정 후의 밀도가 1.95g/㎤ 이상이다.

더욱이, 가열경화공정에 있어서 번치식의 로(爐)에 많은 성형판을 반입하여 가열해도 좋고, 연결로에 의하여 벨트컨베이어 상에 성형판을 올려놓고 가열해도 좋다. 어느 방식에 의해서도 가열에는 시간이 걸리나 이러한 방식이라면 많은 수량을 처리하는 것이 가능하며, 전체 제조시간은 적게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의하면, 탄소분말과 열경화성 수지로부터 이루어진 연료분에 대한 프레스장치(10)에 의한 열간 압축성형 공정과 가열장치(30)에 의한 열경화성 수지의 가열경화공정을 병용하는 것에 의하여 생산속도를 떨어뜨리지 않고 수지의 경화팽창에 의한 성능저하를 억제한 연료전지 세퍼레이터를 제조하는 것이 가능하다.

이하, 여러 가지 실시예 및 비교예를 보여서 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 아래 실시예에 제한되는 것은 아니다.

우선, 각 실시예 및 각 비교예에 대하여 공통되는 연료전지 세퍼레이터용 재료의 구성을 설명하면, 평균입자경이 5~50㎛정도의 구상의 흑연분말 100질량부에 대하여 20질량부의 페놀수지를 용액 피복법에 의하여 피복한 것을 이용하였다. 페놀수지의 열경화 개시온도는 80℃정도이다.

각 실시예 및 각 비교예에 대하여 질량, 밀도, 체적저항률, 굽힘 강도 및 가스투과도를 측정하여 비교하였으나, 밀도, 체적저항률, 굽힘 강도 및 가스투과도의 측정방법은 아래와 같다.

밀도: 직경50mm, 두께 3mm의 성형샘플을 작성하여, 전자상 접시 천칭(시마즈사이언스제)를 이용하여 아르키메데스법에 의하여 산출하였다.

체적저항률: 직경50mm, 두께 3mm의 성형샘플을 작성하여, 다이야인스트루멘트사 제작의 저항률계 로레스타GP를 이용하여 4단자법으로 측정했다.

굽힘 강도: JIS_K7171에 준거하여, 길이 50mm, 폭 25mm, 두께 3mm의 성형샘플을 이용하여 스팬 40mm의 3점을 휘어서 측정했다.

가스투과도: 직경50mm, 두께 1mm의 성형샘플을 작성하여, 동양정기(東洋精機)제의 가스투과율 측정장치를 이용하여 차압법(差壓法)으로 측정했다.

더욱이, 연료전지 세퍼레이터에 요구되는 성능으로서는 일반적으로 체적저항률 12mΩ·㎝이하이며, 굽힘 강도 50MPa이상으로 되어 있다.

실시예1

탄소분(粉) 87％, 수지 13％로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다. 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 가진 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 170~175℃로 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 125MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다. 눌러 굳힌 성형 샘플을 금형으로부터 꺼내서 질량, 밀도, 체적저항률을 측정한 결과 각각 10.58g, 2.022g/㎤, 10.81mΩ·㎝였다.

다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃에서 1시간 가열하고 수지를 경화시켰다. 가열장치로부터 꺼내고, 성형 샘플을 관찰한 결과 휨, 변형, 부풀어 오름 등의 이상(異常)은 관찰되지 않았다. 더욱이 질량, 밀도, 체적저항률, 굽힘 강도, 가스투과도를 측정한 결과 각각 10.55g, 2.011g/㎤, 10.80mΩ·㎝, 58.77MPa, 8.2X10^-17mol·m/㎡·s·Pa이며, 어느 것의 성능도 연료전지 세퍼레이터로서 적합한 수치였다.

실시예2

탄소분 89％, 수지 11％로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다. 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 갖는 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 170~175℃에 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 150MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다. 눌러 굳힌 성형 샘플을 금형으로부터 꺼내서 질량, 밀도, 체적저항률을 측정한 결과 각각 10.32g, 2.014g/㎤, 10.59mΩ·㎝였다.

다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃에서 1시간 가열하고 수지를 경화시켰다. 가열장치로부터 꺼내고, 성형 샘플을 관찰한 결과 굽힘, 변형, 부풀어 오름 등의 이상은 관찰되지 않았다. 더욱이, 질량, 밀도, 체적저항률, 휨 강도, 가스투과도를 측정한 결과 각각 10.29g, 2.004g/㎤, 10.56mΩ·㎝, 52.33MPa, 1.2X10^-16mol·m/㎡·s·Pa이며, 어느 것의 성능도 연료전지 세퍼레이터로서 적합한 수치였다.

실시예3

탄소분 85％, 수지 15％로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다. 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 갖는 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 170~175℃에 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 125MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다. 눌러 굳힌 성형 샘플을 금형으로부터 꺼내서 질량, 밀도, 체적저항률을 측정한 결과 각각 9.03g, 1.999g/㎤, 10.77mΩ·㎝였다.

다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃에서 1시간 가열하고 수지를 경화시켰다. 가열장치로부터 꺼내고, 성형 샘플을 관찰한 결과 굽힘, 변형, 부풀어 오름 등의 이상은 관찰되지 않았다. 더욱이 질량, 밀도, 체적저항률, 휨 강도, 가스투과도를 측정한 결과 각각 9.00g, 1.983g/㎤, 11.18mΩ·㎝, 63.57MPa, 6.2X10^-17mol·m/㎡·s·Pa이며, 어느 것의 성능도 연료전지 세퍼레이터로서 적합한 수치였다.

비교예1

탄소분 89％, 수지 11％로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다. 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 갖는 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 75℃에 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 125MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다. 눌러 굳힌 성형 샘플을 금형으로부터 꺼내서 질량, 밀도, 체적저항률을 측정한 결과 각각 10.85g, 1.978g/㎤, 12.22mΩ·㎝였다.

다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃에서 1시간 가열하고 수지를 경화시켰다. 가열장치로부터 꺼내고, 성형 샘플을 관찰한 결과 기포가 관찰되었다. 더욱이 질량, 밀도, 체적저항률, 굽힘 강도, 가스투과 도를 측정한 결과 각각 10.77g, 1.943g/㎤, 14.78mΩ·㎝, 32.39MPa, 6.2X10^-14mol·m/㎡·s·Pa이며, 체적저항률, 굽힘 강도, 가스투과도 모두 크게 열화되고, 연료전지 세퍼레이터로서 사용하는 것은 부적합하였다.

비교예2

탄소분 89％, 수지 11%로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다. 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 갖는 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 상온(25℃)에 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 125MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다. 눌러 굳힌 성형 샘플을 금형으로부터 꺼내서 질량, 밀도, 체적저항률을 측정한 결과 각각 11.12g, 1.979g/㎤, 13.05mΩ·㎝였다.

다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃에서 1시간 가열하고 수지를 경화시켰다. 가열장치로부터 꺼내고, 성형 샘플을 관찰한 결과 기포가 관찰되었다. 더욱이 질량, 밀도, 체적저항률, 굽힘 강도, 가스투과도를 측정한 결과 각각 11.03g, 1.938g/㎤, 17.69mΩ·㎝, 17.50MPa이며, 가스투과도에 있어서는 기밀성(氣密性)이 나쁘기 때문에 측정할 수 없었다. 체적저항률, 굽힘 강도 모두 크게 열화되고, 연료전지 세퍼레이터로서 사용하는 것은 부적합하였다.

경화도의 검증

흑연분말 87％, 페놀수지 13％로 이루어진 비율로 충분히 혼합된 원료분으로 하였다(샘플A). 당해 혼합분을 성형금형(20)의 직경 50mm, 깊이 9mm의 용적을 갖는 캐버티(25)에 균등하게 되도록 투입(충전)하고, 금형온도를 170~175℃에 설정하고, 프레스장치(10)에 의하여 125MPa의 압력을 가압속도 1500kN/min으로 작용시켜 눌러 굳혀서 성형샘플을 작성하였다(샘플B). 다음으로, 금형으로부터 꺼낸 성형 샘플을 가열장치(30)에 반입하여 160℃로 1시간 가열하고, 수지를 경화시켰다(샘플C). 이와 같이 하여 얻어진 샘플A~C에 대하여 질량변화 및 미반응페놀(유리페놀)의 잔류 질량을 측정하였다. 측정 방법은 JIS_K7240 '페놀수지성형중의 유리페놀의 측정 방법_요소적정(滴定)방법'에 의한다. 그 결과를 표1에서 보인다.

[표1]

샘플	중량변화(％)	유리페놀비율(wt％)
A	0	0.086
B	-0.92	0.015
C	-1.07	0.006

표1에 보여지는 것과 같이, 샘플B→C의 공정에서 질량이 0.15％ 감소하고 있으며, 이것에 수반하여 유리페놀의 비율이 0.009질량％ 감소하고 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 압축성형공정에 있어서 온도가 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상인 실시예1~3에는 외관, 체적저항률, 굽힘 강도 및 가스투과도의 어느 것의 성능도 만족하는 충분한 물성을 갖는 연료전지 세퍼레이터(1)를 얻을 수 있다. 이것에 비하여, 압축성형 공정에 있어서 열경화 개시온도 이하인 비교예1~2에서는 외 관, 체적저항률, 굽힘 강도에 있어서 뒤떨어져 충분한 물성을 갖는 연료전지 세퍼레이터를 얻을 수 없었다.

본 발명에 의하면, 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 온도에서 가열하면서 압축성형하기 때문에, 그 후의 수지경화 공정의 전후에서 질량변화를 적게 할 수 있으며, 따라서 경화팽창에 기인하는 체적저항률, 굽힘 강도 및 가스투과도의 성능 저하를 방지할 수 있다.

Claims

탄소분말과 열경화성 수지의 혼합물을 원료분(原料粉)으로서 금형 캐버티에 충전하고, 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열하면서, 소요 가압력으로 세퍼레이터 형상의 성형판을 압축성형하는 압축성형 공정과,

상기 압축성형 공정에 의한 압축성형된 상기 성형판을, 가압을 하지 않은 상태로, 상기 열경화성 수지의 열경화 개시온도 이상의 소요 온도에서 가열 경화시키는 가열경화 공정을

포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 압축성형 공정은, 상기 성형판의 압축성형이 달성되며, 더욱이 상기 열경화성 수지가 반경화 상태로 종료되는 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열경화 공정은, 상기 압축성형 공정에는 반경화 상태의 열경화성 수지의 경화가 완전경화 상태까지 행하여지는 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축성형 공정은, 상기 가열경화 공정 전후에 있어서 상기 성형판의 질량 변화가 0.05~0.5％에 들어가도록 압축성형 조건이 결정되는 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 원료분은, 탄소분말이 80~90％, 열경화성 수지가 10~20％의 질량비율인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제5항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축성형 공정에 있어서 상기 소요 온도는, 80~200℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 압축성형 공정에 있어서 상기 소요 가압력은, 100MPa~300Mpa인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열경화 공정에 있어서 상기 소요 온도는, 150~200℃인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 가열경화 공정 전후에 있어서 상기 성형판의 질량변화가, 0.05~0.5％인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 열경화성 수지가 페놀수지인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제10항에 있어서, 상기 압축성형 공정 후의 상기 성형판에 있어 유리페놀의 함유량은 0.008질량％~0.08질량％인 것을 특징으로 연료전지 세퍼레이터의 제조방법.
제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 기재된 제조방법으로 제조된 세퍼레이터에 있어서, 상기 가열경화 공정 후의 밀도가 1.95g/㎤이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 세퍼레이터.