KR20110124383A - 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 연료전지용 복합재료 분리판 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료전지 분리판에 관한 것으로서, 복합재료 분리판의 표면에 대하여 플라즈마 에칭 처리를 통해 표면층에 존재하는 잉여 수지를 제거하는 추가적인 후처리 과정을 시행하여, 접촉저항 및 전기저항을 낮출 수 있도록 한 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기한 플라즈마 에칭 처리의 실시 전에, 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에서 가스켓이 위치하게 되는 가스켓 패턴 위치에 경화 전의 가스켓용 수지를 적층한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여, 플라즈마 에너지에 의한 가스켓용 수지의 경화가 동시에 이루어지도록 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 연료전지용 복합재료 분리판{Manufacturing method of composite separation plate for fuel cell and composite separation plate manufactured by the same}

본 발명은 분리판에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 탄소 강화 복합재료 분리판과 그 제조방법에 관한 것이다.

고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells, PEMFC)는 반응가스인 수소와 산소(또는 공기)를 전기화학적으로 반응시켜 열 및 물과 함께 전기를 생성하는 장치로서, 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧고 부하 변화에 빠른 응답 특성을 가지므로 무공해 차량의 동력원, 자가발전용, 이동용 및 군사용 전원 등 다양한 분야에서 응용될 수 있다.

도 1을 참조하여 연료전지 스택의 각 구성에 대해 간략하게 살펴보면 다음과 같다.

연료전지 스택에서, 가장 안쪽에는 전극막접합체(Membrane-Electrode Assembly, MEA)가 위치하고, 이 전극막접합체는 수소양이온(proton)을 이동시켜 줄 수 있는 고체 고분자 전해질막(60)과, 이 전해질막 양면에 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극(61), 즉 캐소드(cathode) 및 애노드(anode)로 구성되어 있다.

또한 전극막접합체의 바깥 부분, 즉 캐소드 및 애노드가 위치한 바깥 부분에 가스확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)(40), 가스켓(gasket)(41) 등이 적층되고, 상기 가스확산층의 바깥쪽에는 반응가스를 공급하고 반응에 의해 발생한 물을 배출하도록 유로(flow field)가 형성된 분리판(30)이 위치되며, 가장 바깥쪽에는 각 구성들을 지지하기 위한 엔드플레이트(end plate)(50)가 결합된다.

따라서, 연료전지의 애노드에서는 수소의 산화반응이 진행되어 수소이온(proton)과 전자(electron)가 발생하고, 이때 생성된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 분리판을 통해 캐소드로 이동하며, 캐소드에서는 애노드로부터 이동한 수소이온과 전자, 공기 중 산소가 참여하는 전기화학 반응을 통해 물을 생성하게 된다. 상기한 전자의 흐름으로부터 전기에너지가 만들어지는데, 전기화학 반응 과정에서 물과 더불어 열이 발생하게 된다.

이러한 연료전지 스택에 있어서, 분리판은 연료전지의 각 단위셀(unit cell)을 분리하는 동시에 셀 간의 전류 통로가 되고, 분리판에 형성된 유로는 반응가스의 공급통로 및 반응에 의해 생성된 물의 배출통로가 된다.

반응에 의해 생성된 물은 연료전지 내 전해질막에서 이루어지는 화학반응을 억제시키기 때문에 외부로 신속히 배출되는 것이 좋으며, 이에 분리판 재료는 표면 에너지가 높아 물이 빠르게 퍼지거나(친수성), 아니면 표면 에너지가 매우 낮아 물이 굴러서 떨어질 수 있는 것(소수성)이 좋다.

특히, 연료전지 스택의 분리판 간에 전기저항 및 접촉저항을 최소화하는 것이 필요한데, 기존 분리판의 소재로는 흑연 또는 얇은 스테인리스강을 사용하거나, 고분자 기지(matrix)에 팽창 카본 입자나 흑연 입자를 섞은 복합재료 등을 사용하였으나, 최근 들어서는 탄소 장섬유를 사용하여 복합재료 분리판을 만들려는 시도가 이루어지고 있다.

즉, 전기적, 화학적, 기계적 측면을 모두 만족시키는 탄소 장섬유 복합재료 분리판에 대한 연구가 진행되고 있으며, 전기적 측면에서 가장 중요한 셀 간의 접촉저항을 줄일 수 있는 방안이 연구되고 있다.

탄소 장섬유를 사용한 종래의 복합재료 분리판 및 이의 제조방법에 대해서는 공개특허 제2009-112771호에 개시되어 있으며, 장섬유 강화 복합재료를 이용하여 분리판을 제조하되, 수소, 공기, 냉각수 등의 유로 형성을 위해 양각 및 음각의 유로 패턴을 갖는 핫프레스 또는 핫롤러를 이용하여 분리판을 제조하여, 종래의 다른 재질의 분리판에 비해 충격강도, 성형성, 내화학성 등에서 우수하고, 특히 굴곡강도에서 매우 우수한 분리판을 제조할 수 있도록 하고 있다.

도 2는 이 특허에 개시된 복합재료 분리판의 제조방법을 나타내는 공정도이다. 도시된 바와 같이, 카본 섬유가 고분자 결합체에 의해 둘러싸인 형태로 연속적인 섬유 구조를 형성하고 있는 장섬유 강화 복합재료의 원재료(10)를 롤(Roll)(12)에 말아서 구비하되, 이때 장섬유 강화 복합재료의 원재료(10)는 반경화 시트 형태인 프리프레그(prepreg) 상태, 또는 반경화 상태인 SMC(Sheet Molding Compound) 상태로 구비된다.

다음으로, 장섬유 강화 복합재료의 원재료(10)를 긴 롤 형태이면서 그 표면에 커터(16)가 장착된 복수개의 커팅롤러(18)에 통과시킴으로써, 원재료가 분리판의 길이로 커팅되고, 동시에 공용분배기 구멍과 조립홀이 형성된다.

이어서, 분리판의 길이로 커팅된 복수개의 원재료를 적층/압축롤러(20)에 통과시키거나, 분리판의 길이로 커팅된 복수개의 원재료를 0도/90도/0도 등의 패턴으로 적층하여 적층/압축롤러(20)를 통과시킨다.

다음으로, 원재료가 적층된 것을 고온 핫프레스(22)에 배치하여 가압 성형하거나, 고온 핫롤러에 통과시켜 가압 성형, 가열, 일부 경화가 이루어지도록 한다.

이때, 고온 핫프레스(22) 및 고온 핫롤러의 표면에는 수소, 공기, 냉각수 등의 유로 형성을 위한 양각 및 음각의 유로 패턴(24)이 형성되어 있으며, 따라서 원재료(10)가 고온 핫프레스 또는 고온 핫롤러에서 가압 성형되어 원재료에 수소, 공기, 냉각수 등의 유로가 형성된다.

다음으로, 가열/가압 성형된 분리판으로부터 불필요한 부분을 트림 커터(26)를 이용하여 잘라주는 트림 단계가 진행되는 바, 가열/가압된 분리판이 형상을 유지할 수 있는 정도의 경화도를 가지도록 최소한의 시간 내에 진행한다.

마지막으로, 후경화(post cure) 공정, 즉 오토클래이브(autoclave)에 수 백장의 분리판을 한꺼번에 배치하여 열처리함으로써 분리판의 최종 경화가 이루어지도록 한다.

상기와 같은 제조 공정은 롤(12) 및 커팅롤러(18) 등을 이용하여 탄소 장섬유 분리판을 연속공정으로 제조할 수 있고, 기계적, 내화학적 물성이 우수한 분리판을 제조할 수 있는 장점을 가진다.

그러나, 상기와 같이 제조되는 탄소 장섬유 복합재료 분리판은 그 표면층에 잉여 수지가 존재하게 되며, 이는 복합재료 분리판의 접촉저항 및 전기저항(단위셀 간의 전기저항)을 증가시키고, 결국 오믹 손실(ohmic loss)로 인한 연료전지 효율의 저하를 초래하게 된다.

또한 상기한 제조 공정을 통해 복합재료 분리판을 제조한 뒤 기밀유지용 가스켓을 접합하는 공정에서 공정시간의 증가 및 복합재료의 손상이 발생하는 문제가 있다.

즉, 고상 가스켓을 분리판에 접착제를 이용하여 접합하는 경우 공정시간이 길어져 생산효율이 떨어지는 문제가 있고, 액상 가스켓을 분리판 면에 사출하는 경우에는 액상 가스켓의 경화를 위해 250 ~ 300℃의 경화 온도에서 장시간 노출시킬 때 분리판의 복합재료가 손상될 수 있는 문제가 있는 것이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 통상의 제조 과정을 거친 복합재료 분리판의 표면에 대하여 플라즈마 에칭 처리를 통해 표면층에 존재하는 잉여 수지를 제거하는 추가적인 후처리 과정을 시행하여, 접촉저항 및 전기저항을 낮출 수 있도록 한 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

또한 본 발명은 복합재료 분리판의 표면에 액상의 가스켓용 수지를 미리 정해진 가스켓 패턴 위치를 따라 도포하거나, 가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝한 필름 형태의 가스켓용 수지를 복합재료 분리판의 표면에 적층한 뒤 상기한 플라즈마 에칭 처리를 시행하여, 잉여 수지 제거와 더불어 가스켓용 수지 경화가 플라즈마 에칭 처리를 통해 동시에 이루어지도록 함으로써, 기밀유지용 가스켓이 일체로 부착된 복합재료 분리판을 제조함에 있어서 종래에 비해 전체 공정시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 분리판의 복합재료가 손상되는 종래의 문제점을 해결할 수 있도록 한 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 고분자 수지를 기지로 하여 탄소 소재로 강화된 연료전지용 탄소 강화 복합재료 분리판을 제조하는 방법에 있어서, 플라즈마 장비에서 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면을 플라즈마 에칭 처리하여 분리판 표면층에서 탄소 소재를 노출시키면서 기지로 사용된 잉여 수지를 제거하는 후처리 공정을 추가로 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법을 제공한다.

또한 상기 플라즈마 에칭 처리의 실시 전에, 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에서 기밀유지용 가스켓이 위치하게 되는 가스켓 패턴 위치에 경화 전의 가스켓용 수지를 적층한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여, 플라즈마 에너지에 의한 가스켓용 수지의 경화가 동시에 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한 액상의 가스켓용 수지를 상기 가스켓 패턴 위치를 따라 도포한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여 경화시키는 것을 특징으로 한다.

또한 가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝한 필름 형태의 반경화형 가스켓용 수지를 상기 가스켓 패턴 위치에 적층한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여 완전 경화시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 탄소 소재는 탄소 장섬유, 탄소 단섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙 중 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명은 상기한 제조방법에 의해 제조되는 연료전지용 복합재료 분리판을 포함한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연료전지용 복합재료 분리판 및 그 제조방법에 의하면, 통상의 제조 과정을 거친 복합재료 분리판의 표면에 대하여 플라즈마 에칭 처리를 통해 표면층에 존재하는 잉여 수지를 제거하는 추가적인 후처리 과정을 시행하게 됨으로써, 최종 완성된 복합재료 분리판의 접촉저항 및 전기저항을 낮출 수 있고, 이로써 연료전지의 성능 및 효율을 향상시키는 효과가 있게 된다.

또한 본 발명에서는 기밀유지용 가스켓이 일체로 부착된 복합재료 분리판을 제조함에 있어서, 복합재료 분리판의 표면에 액상의 가스켓용 수지를 미리 정해진 가스켓 패턴 위치를 따라 도포하거나, 가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝한 필름 형태의 가스켓용 수지를 복합재료 분리판의 표면에 적층한 뒤 상기한 플라즈마 에칭 처리를 시행하여, 잉여 수지 제거와 더불어 가스켓용 수지 경화가 플라즈마 에칭 처리를 통해 동시에 이루어지도록 함으로써, 종래에 비해 전체적인 공정시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 분리판의 복합재료가 손상되는 종래의 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 연료전지 스택의 구성을 설명하는 개략도이다.
도 2는 탄소 장섬유 복합재료 분리판의 제조방법을 나타내는 공정도이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 에칭 과정을 적용하여 기밀유지용 가스켓 일체의 분리판을 제조하는 과정을 나타내는 공정도이다.
도 4는 본 발명에서 사용될 수 있는 RF 플라즈마 장비의 일례를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에서 탄소 장섬유 복합재료 분리판의 표면층에 존재하는 잉여 수지 및 기타 잔여물이 제거되는 상태를 설명하는 개략도이다.
도 6은 본 발명에 따른 시편의 표면을 촬영한 전자 현미경 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 분리판 시편에 대하여 전기저항을 측정하는 방법을 설명하는 개략도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분리판 시편에 대하여 전기저항을 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 분리판 시편에 대하여 강도 변화를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에서 플라즈마 처리 전과 플라즈마 처리 후의 가스켓용 수지를 촬영한 사진이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 연료전지용 탄소 강화 복합재료 분리판의 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 연료전지용 탄소 강화 복합재료 분리판에 관한 것으로서, 통상의 제조 과정을 거친 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에 대하여 플라즈마 에칭(plasma etching)을 통해 표면층에 존재하는 잉여 수지(기타 잔여물 포함)를 제거하는 추가적인 후처리 공정을 시행하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.

본 발명에서는 상기 플라즈마 에칭 처리, 즉 탄소 강화 복합재료 분리판에 대한 후처리 공정으로서 플라즈마를 이용한 분리판의 표면 처리를 추가로 시행함으로써, 탄소 강화 복합재료 분리판의 접촉저항 및 전기저항을 낮출 수 있게 된다.

또한 본 발명은 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에 액상의 가스켓용 수지를 미리 정해진 가스켓 패턴 위치를 따라 도포하거나, 가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝(patternng)한 필름 형태의 반경화형 가스켓용 수지를 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에 적층한 뒤 상기한 플라즈마 에칭 처리를 시행함으로써, 잉여 수지 제거와 더불어 가스켓용 수지의 경화가 플라즈마 에칭 처리에 의해 동시에 이루어지도록 한 것에 또 다른 특징이 있는 것이다.

기밀유지용 가스켓이 일체로 부착된 탄소 강화 복합재료 분리판을 제조함에 있어서, 상기와 같이 플라즈마 에칭 처리를 통해 잉여 수지 제거와 가스켓용 수지의 경화가 동시에 이루어지는 경우, 종래에 비해 전체적인 공정시간을 단축하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 분리판의 복합재료가 손상되는 종래의 문제점을 해결할 수 있게 된다.

본 발명에서 탄소 강화 복합재료는 전도성의 탄소 소재로 보강된 복합재료, 즉 에폭시(epoxy)와 같은 고분자 수지를 기지로 하여 탄소 장섬유, 탄소 단섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙과 같은 전도성 탄소 소재가 1종 또는 2종 이상으로 삽입된 복합재료를 의미한다.

또한 본 발명은 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에 대하여 플라즈마 에칭 처리를 시행하는 후처리 공정이 추가되는 것이므로, 이러한 후처리 공정에 투입될 탄소 강화 복합재료 분리판의 제조 공정, 즉 플라즈마 에칭 처리 이전 공정에 대해서는 당해 기술분야에서 통상적으로 알려져 있는 것이라면 특별히 제한되지 않고 채택될 수 있다. 예컨대, 금형에서 성형하여 탄소 강화 복합재료 분리판을 제조하거나, 본원출원인에 의해 출원된 공개특허 제2009-112771호에 개시된 제조방법을 채택하여 연속공정을 통해 탄소 강화 복합재료 분리판을 제조할 수 있다.

다음으로 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마 에칭 과정을 적용하여 기밀유지용 가스켓 일체의 분리판을 제조하는 과정을 나타내는 공정도로서, 도시된 바와 같이, 통상의 제조 과정을 통해 탄소 강화 복합재료 분리판(110)을 준비한 뒤, 플라즈마 후처리 공정 이전에, 분리판 표면에서 가스켓이 위치하게 되는 가스켓 패턴 위치에 경화 전의 가스켓용 수지(113a,113b)를 적층 배치한다.

이때, 액상의 가스켓용 수지가 사용되는 경우, 가스확산층이 접합되는 분리판 표면에 수지사출장비를 이용하여 미리 정해진 가스켓 패턴 위치(가스켓이 위치하도록 정해진 부위)를 따라 액상의 수지(113a)를 도포한다.

또는 반경화형 수지가 사용되는 경우, 가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝한 필름 형태의 반경화형 가스켓용 수지(113b)를 분리판(110) 표면의 가스켓 패턴 위치(가스켓이 고정되는 부위)에 적층하여 부착한다.

상기한 액상 또는 반경화형 수지의 종류로는 가스켓용으로 사용되는 통상의 재료 중 플라즈마에 의해 경화될 수 있는 수지를 선정하여야 하며, 폴리우레탄 또는 실리콘 계열의 수지가 사용될 수 있다.

이러한 과정이 완료되면, 플라즈마 장비의 반응기 내에 분리판을 고정하고, 이어 반응기 내 분위기 가스를 투입하는 동시에 플라즈마 발생부(2)에서 플라즈마를 발생시켜 플라즈마 에칭 처리를 실시하는 바, 이를 통해 분리판 표면층에서의 잉여 수지 및 기타 잔여물을 제거하는 동시에 가스켓용 수지를 완전 경화시킴으로써 가스켓(113c)이 일체로 고정된 최종의 복합재료 분리판이 완성된다.

이와 같이 본 발명에서는 복합재료 분리판 표면 전체에 대하여 접촉저항을 낮추기 위한 플라즈마 에칭 처리를 시행하면서 플라즈마 에너지를 이용하여 가스켓용 수지를 동시에 경화시키는데, 플라즈마 에너지를 이용하는 경우 통상의 폴리우레탄 또는 실리콘 계열의 가스켓용 수지를 사용할 때 10분 이내의 짧은 시간 동안 완전 경화가 가능하다.

상기 플라즈마 에칭 처리를 실시함에 있어서 기 공지된 통상의 RF 플라즈마 장비가 사용될 수 있으며, 도 4는 RF 플라즈마 장비의 일례를 나타내는 도면이다. 예시된 RF 플라즈마 장비는 저압 플라즈마 반응기(low pressure plasma reactor)와 대기압 플라즈마 반응기(atmospheric pressure plasma reactor)를 구비하고 있다.

본 발명에서 탄소 장섬유 복합재료 분리판의 표면층에 존재하는 잉여 수지 및 기타 잔여물을 플라즈마를 이용하여 선택적으로 제거한 상태를 도 5에 개략적으로 나타내었다.

도 5를 참조하면, 플라즈마 에칭 처리 전 상태로서 (a)는 에폭시 수지를 기지로 하여 탄소 장섬유가 삽입된 복합재료 분리판의 단면 구조를 나타낸 것이며, (b)는 분리판의 표면에 대해 플라즈마 에칭 처리를 실시하여 탄소 장섬유를 제외한 표면층의 잉여 수지 및 잔여물이 제거된 상태를 나타내고 있다.

도 5의 (b)를 살펴보면, 분리판(110)의 표면층에서 플라즈마에 의해 복합재료의 기지(111)로 사용된 잉여 수지가 선택적으로 제거되고, 이로써 분리판의 표면에서 보강용 탄소 소재인 탄소 장섬유(112)가 외부로 노출됨을 볼 수 있다.

도 5의 (c)는 분리판(110)에 소프트한 재질(soft material)인 가스확산층(GDL)(예, carbon pater)(120)가 접합된 상태를 나타낸 것으로, 분리판(110)과 가스확산층(120) 간의 접촉면적이 증가하면서 접촉저항은 감소하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는 잉여 수지를 제거하기 위한 플라즈마 에칭 처리를 시행하여 전도성의 탄소 소재를 노출시킴으로써 분리판의 접촉저항 및 전기저항을 감소시키게 된다.

한편, 본 발명자는 탄소 장섬유 복합재료 분리판에 플라즈마 에칭 처리를 실시할 경우 표면층에서 잉여 수지가 선택적으로 제거될 수 있음을 실험적으로 확인하였는 바, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

먼저 탄소 장섬유 복합재료 분리판으로부터 시편을 제작한 뒤, 플라즈마 에칭 처리를 실시하되, 플라즈마 처리 시간을 달리하여 잉여 수지가 제거되는 상태를 비교하여 보았다.

분리판의 소재로는 에폭시 수지를 기지로 하는 탄소 장섬유 복합재료로서, USN 020[0₂/30/-30/45/-45/90]_S (PAN based carbon fiber prepreg, SK Chemical, Korea)가 사용되었다.

또한 RF 플라즈마 장비에서 분위기 가스로는 아르곤을 사용하였으며, 대기압 조건에서 아르곤 10ℓ/min의 유량 및 120W의 RF(13.56 MHz) 출력으로 플라즈마 에칭 처리를 실시하였다.

도 6은 시편의 'P' 부분의 표면을 촬영한 전자 현미경 사진으로, (a)는 플라즈마 에칭 처리 전 상태를, (b)는 처리 시간을 1.5분으로 한 상태를, (c)는 처리 시간을 6분으로 한 상태를 나타내는 것이다.

도 6에서 알 수 있는 바와 같이 처리 시간을 길게 할수록 시편 표면에 노출되는 섬유의 부피 비율이 증가하게 된다.

상기와 같이 플라즈마 에칭 처리된 분리판 시편에 대하여 전기저항(면접촉저항임, Area Specific Resistance, ASR)을 측정하였으며, 그 측정방법은 도 7에 나타낸 바와 같이 상, 하 각 절연판(insulated plate)(131)의 내면에 부착된 구리판(132)에 각각 가스확산층(120)을 배치하고, 상, 하의 가스확산층(120) 사이에 분리판 시편(110)을 배치한 뒤, 소정의 클랭핑 압력으로 고정하여 전기저항(R_total)을 측정하였다.

비교를 위하여 그라파이트(graphite) 시편과, 3분 및 5분, 7분, 10분 동안 동일 조건하에 플라즈마 에칭 처리한 동일 소재의 분리판 시편을 추가하였으며, 그 결과는 도 8에서 보는 바와 같다.

도 8에서 알 수 있는 바와 같이 표면 처리 전 복합재료 분리판에 비해 접촉저항을 포함하는 두께방향 저항이 최대 70% 이상 감소하였고, 적정 클램핑 압력에서 처리시간을 길게 할수록 저항이 보다 감소하였다. 플라즈마 에칭 처리 시간을 가스켓용 수지의 완전 경화 시간인 10분까지 연장하는 경우 플라즈마 에칭과 더불어 가스켓 고정이 가능해진다.

또한 플라즈마 에칭을 하는 경우에 복합재료 기지 내부의 강도 변화가 있는지의 여부를 실험을 통하여 확인하였다. 플라즈마 에칭을 하지 않은 시편과 플라 즈마 에칭을 실시한 시편에 대해서 통상 복합재료의 인장시험 방법으로 사용되는 ASTM D3039 를 참조하여 인장강도를 측정하였으며, 그 결과는 도 9의 그래프와 같다. 도 9에서 좌측은 플라즈마 에칭을 하지 않은 시편의 측정값을, 우측은 플라 즈마 에칭을 실시한 시편의 측정값을 나타낸다. RF 플라즈마 장비에서 120W의 출력으로 약 10분 동안 처리한 경우 인장강도의 변화는 없었으며, 그래프 상으로 오 히 려 강도가 증가한 것처 럼 보이지만 오차범위 내에 포함된다고 볼 수 있다.

또한 본 발명자는 플라즈마 에칭 처리를 통해 가스켓용 수지가 분리판 표면에서 완전 경화될 수 있음을 실험적으로 확인하였는 바, 가스켓용 수지로 폴리우레탄 글루(polyurethane glue, Hexel)와 실리콘(silicon, HS-1415, Shinetsu)을 사용하여 와트(W) 출력을 제외한 동일 조건에서 플라즈마 처리를 실시하였다(동일 RF 플라즈마 장비, 대기압, Ar 10ℓ/min, 120W(폴리우레탄 글루)/150W(실리콘), 13.56 MHz RF 출력).

도 10은 플라즈마 처리 전과 플라즈마 처리 후 수지를 촬영한 사진으로서, 9분 경과 후에는 두 종류 모두 완전 경화가 이루어짐을 알 수 있었다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 탄소 강화 복합재료 분리판의 제조방법에서는 후처리 공정으로서 분리판의 표면에 대해 플라즈마 에칭 처리를 추가로 실시하여 표면층에 존재하는 잉여 수지 및 기타 잔여물을 제거하면서 가스켓용 수지를 경화시킬 수 있는 바, 하나의 후처리 공정만으로 전기저항이 감소될 수 있는 가스켓 일체형 분리판을 최종적으로 완성할 수 있게 된다.

이로써 본 발명에서는 분리판과 가스확산층 간의 접촉저항 및 전기저항 감소로 연료전지의 성능 및 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있고, 플라즈마 에너지를 이용한 가스켓 경화 및 고정으로 공정시간의 단축 및 생산성 향상, 가스켓 경화시 분리판 손상의 문제점을 모두 해소할 수 있게 된다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

110 : 분리판 111 : 고분자 기지
112 : 탄소 소재 113a : 액상의 가스켓용 수지
113b : 반경화형 가스켓용 수지 113c : 완전 경화된 가스켓용 수지

Claims (6)

1. 고분자 수지를 기지로 하여 탄소 소재로 강화된 연료전지용 탄소 강화 복합재료 분리판을 제조하는 방법에 있어서,
   플라즈마 장비에서 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면을 플라즈마 에칭 처리하여 분리판 표면층에서 탄소 소재를 노출시키면서 기지로 사용된 잉여 수지를 제거하는 후처리 공정을 추가로 진행하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 플라즈마 에칭 처리의 실시 전에, 탄소 강화 복합재료 분리판의 표면에서 기밀유지용 가스켓이 위치하게 되는 가스켓 패턴 위치에 경화 전의 가스켓용 수지를 적층한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여, 플라즈마 에너지에 의한 가스켓용 수지의 경화가 동시에 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   액상의 가스켓용 수지를 상기 가스켓 패턴 위치를 따라 도포한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여 경화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   가스켓 패턴의 필요한 부분만이 남아 있도록 패터닝한 필름 형태의 반경화형 가스켓용 수지를 상기 가스켓 패턴 위치에 적층한 뒤 상기 플라즈마 에칭 처리를 실시하여 완전 경화시키는 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄소 소재는 탄소 장섬유, 탄소 단섬유, 탄소나노튜브, 카본블랙 중 선택된 1종 또는 2종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 제조방법에 의해 제조되는 연료전지용 복합재료 분리판.
   

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