KR20160033269A - 연료전지 분리판 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 것으로, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

Description

연료전지 분리판 및 이의 제조방법{BIPOLAR PLATE OF FUEL CELL AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 연료전지 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
연료전지 스택(Stack)은 연료전지 시스템의 여러 구성요소들 중에서 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 전기 에너지를 발생시키는 발전 구성요소이다. 이런 연료전지 스택은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지를 구비하며, 이런 수 개 또는 수십 개의 단위 전지들이 직렬로 적층되는 구성을 갖는다.
단위 전지는 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 이런 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 접하는 연료전지 분리판들로 이루어진다. 막전극 접합체는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하고, 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합된다.
연료전지 분리판은 단위 전지에서 발생되는 전류를 모으는 역할을 하고, 절연 유지를 위한 분리 역할을 하며, 가스(수소, 산소)를 기체확산층으로 공급하면서 발생되는 물을 배출하는 역할을 한다. 이러한 연료전지 분리판은 애노드 전극과 캐소드 전극의 산화·환원 분위기에 안정하고, 가스의 혼합을 방지할 수 있어야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다.
또한, 연료전지 분리판은 막전극 접합체의 해당하는 면에 반응가스인 연료 가스 또는 산화제 가스를 공급하면서, 잉여가스와 반응 생성물을 외부로 배출시키기 위한 반응가스 유로가 형성된다. 이러한 반응가스 유로는 별도의 구성요소로서 제작된 후에 연료전지 분리판에 부착될 수도 있지만, 일반적으로 연료전지 분리판의 일면에 홈과 같은 채널로 형성된다. 즉, 캐소드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 산화제 가스 유로가 형성되고, 이런 산화제 가스 유로로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 애노드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 연료 가스 유로가 형성되고, 이런 연료 가스 유로로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.
본 발명은 별도의 추가 공정 없이도 반응가스 유로가 형성된, 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 것으로, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 프리프레그를 열압착하여 성형된 연료전지 분리판 등을 제공하고자 한다.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 것으로, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 프리프레그를 제공한다.
상기 두께의 비로서, 두꺼운 1조의 실의 직경에 대한 얇은 1조의 실의 직경의 비가 0.1 내지 0.9일 수 있다.
상기 위사와 경사는 다수의 합연사로 이루어지고, 상기 경사의 단위 길이당 본수는 상기 위사의 단위 길이당 본수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리벤질이미다졸(PBI), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀(Phenol) 및 피치(Pitch)로 이루어진 선택된 하나 이상의 전구체로부터 형성될 수 있다.
상기 열가소성 수지는 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polyprooylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리우레아(polyurea), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌비닐아세테이트(ethylenevinylacetate), 멜라민(melamine), 페놀(phenol) 및 아크릴(acryl)로 이루어진 선택된 하나 이상의 재질을 포함할 수 있다.
상기 프리프레그 100 중량부에 대하여, 상기 탄소 섬유 50 중량부 내지 95 중량부 및 상기 열가소성 수지 5 중량부 내지 50 중량부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예로, 상기 프리프레그를 열압착하여 성형된 연료전지 분리판을 제공한다.
상기 분리판의 적어도 일측면은 다수의 제1 굴곡부와 상기 제1 굴곡부 보다 완만하게 굴곡진 다수의 제2 굴곡부가 형성된 영역을 포함할 수 있다.
상기 제1 굴곡부의 높이에 대한 상기 제2 굴곡부의 높이의 비가 0.1 내지 0.9일 수 있다.
상기 제1 굴곡부가 형성되지 않은 영역에 반응가스 유로가 형성될 수 있다.
상기 분리판의 총 두께는 0.1mm 내지 2mm일 수 있다.
상기 분리판의 굴곡강도는 250MPa 이상일 수 있다.
상기 분리판의 전기전도도는 102S/cm내지 103S/cm일 수 있다.
상기 분리판의 접촉 저항은 10mΩ·㎠ 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 구현예로, 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침하여 프리프레그를 제조하는 단계; 및 상기 프리프레그를 열압착하여 성형하는 단계를 포함하고, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.
상기 열압착은 핫프레스에 의해 50℃ 내지 300℃의 온도에서 500kg/㎠ ~ 30,000 kg/㎠ 의 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 연료전지 분리판은 서로 두께가 상이한 위사와 경사로 서로 교차되게 직조한 탄소 섬유를 이용하였는바, 기계적 물성 및 전기적 물성이 모두 우수하고, 별도의 추가 공정 없이도 분리판의 적어도 일측면은 두꺼운 1조의 실로 인한 굴곡부가 형성되지 않은 영역에 반응가스 유로를 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판을 간략히 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유를 간략히 나타낸 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 구조도를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
이하에서 기재의 “일면”에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상면(또는 하면)에 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
연료전지 분리판
본 발명은 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 것으로, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 프리프레그를 제공한다.
또한, 상기 프리프레그를 열압착하여 성형된 연료전지 분리판을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판을 간략히 나타낸 것이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 연료전지 분리판(1)은 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 프리프레그를 열압착하여 성형된 것으로, 위사와 경사(100, 200)로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유(10) 및 열가소성 수지 성형체(20)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유(10)를 간략히 나타낸 것이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 섬유(10)는 위사와 경사(100, 200)로 교차되게 직조하여 이루어진 것으로, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것(T1>T2)을 특징으로 한다.
종래에는 연료전지 분리판의 모재로서, 주로 그라파이트(graphite) 재질을 사용하였다. 구체적으로, 연료전지 분리판은 그라파이트를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작하였는데, 이 경우 연료전지 분리판의 기계적 물성이 낮은 문제점이 있었고, 연료전지 스택 전체에서 50%이상의 비용, 80% 이상의 무게의 비중을 차지하게 되는 문제점이 있었다.
이러한 그라파이트 재질의 대안으로, 도전성 분말을 고분자 물질과 혼합한 재질을 연료전지 분리판의 모재로서 사용할 수 있으나, 이 경우 도전성 분말의 분산성 확보가 어렵고 전기적 물성 향상에 한계가 있는 문제점이 있었다.
또한, 연료전지 내부의 환경은 수소 이온의 농도가 높고 고온으로 부식이 쉬운 환경이므로, 금속 재질을 연료전지 분리판의 모재로서 사용하는 경우, 표면은 충분한 내식성을 구비해야 한다. 따라서, 부식성이 우수한 금, 백금, 텅스텐 등의 금속을 모재 표면에 코팅하는 방법이 필수적이나, 이러한 코팅은 가공이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 고가의 금속으로 인한 비용적인 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침하여 연료전지 분리판의 모재로서 사용한 것에 특징이 있다.
이하, 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 대해 먼저 설명한다.
상기 탄소 섬유는 상기 연료전지 분리막에 X-Y축(가로세로) 방향 및 Z축(높이) 방향으로 전도전도도를 부여하기 위한 것이다.
본 명세서 내 "탄소 섬유"는 적어도 92% 이상의 탄소로 이루어진 섬유상의 탄소 재료를 말하는 것으로, 전구체를 약 1000-3000℃로 열처리하여 탄소화하는 방법으로 제조된다. 탄소 섬유는 비강도, 비탄성률 중 특히 비탄성률이 높은 것이 특징이다.
탄소 섬유는 주로 탄소원자 6각망 평면으로 구성되어 있지만 이 망평면이 섬유축에 평행에 가깝게 배열된 것(고배향, 이방성)과 난잡하게 집합한 것(등방성)이 있다. 고배향 탄소 섬유는 인장강도, 탄성률이 높아 고성능(하이그레이드) 탄소 섬유로 취급되며, 선팽창계수가 낮다.
구체적으로, 상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리벤질이미다졸(PBI), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀(Phenol) 및 피치(Pitch)로 이루어진 선택된 하나 이상의 전구체로부터 형성되는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다.
또한, 상기 탄소 섬유는 열가소성 수지와의 접착력을 높이기 위해서 표면 처리될 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 섬유를 표면 처리하고자 산 처리, 플라즈마 처리, 휘스키화(whiskerization) 처리, 커플링제(coupling agent) 처리할 수 있다.
상기 탄소 섬유는 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 것이다.
본 명세서 내 하나의 실을 "1본"이라 하고, 여러 개의 실의 하나의 덩어리를 "1조"라 한다. 즉, 1조는 다수의 본으로 이루어진 실의 하나의 덩어리를 말한다. 이때, 1본의 직경은 통상 약 7㎛ 내지 약 8㎛이고, 1조의 실은 다수의 본으로 이루어져 일정 두께 및 일정 너비를 가지는 가늘고 긴 실의 하나의 덩어리이다.
직물을 직조할 때 1조의 실을 평행으로 맞춰 길게 잡아당기고, 다른 1조의 실을 길게 평행으로 잡아당긴 실의 사이에 끼워 넣어 조합시키는데, 이 길고 평행으로 잡아당긴 방향의 실을 "경사(또는 날실)"이라고 하고, 다른 1조의 실을 "위사(또는 씨실)"이라고 한다.
상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 상기 위사가 두꺼운 1조의 실인 경우 상기 경사는 얇은 1조의 실이고, 상기 경사가 두꺼운 1조의 실인 경우 상기 위사는 얇은 1조의 실이다. 보다 구체적으로, 두꺼운 1조의 실은 개별 실의 두껍거나 본수가 많을 수 있고, 얇은 1조의 실은 개별 실의 얇거나 본수가 적을 수 있다.
이와 같이, 서로 두께가 상이한 위사와 경사로 서로 교차되게 직조한 탄소 섬유를 이용하여 연료전지 분리판을 제조함으로써, 별도의 추가 공정 없이도 분리판의 적어도 일측면은 두꺼운 1조의 실로 인한 굴곡부가 형성되지 않은 영역에 반응가스 유로를 형성될 수 있다.
상기 두께의 비로서, 두꺼운 1조의 실의 직경에 대한 얇은 1조의 실의 직경의 비가 0.1 내지 0.9인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.5인 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 두꺼운 1조의 실의 직경에 대한 얇은 1조의 실의 직경의 비가 상기 범위 미만인 경우, 직조가 어려운 문제점이 있고, 두꺼운 1조의 실의 직경에 대한 얇은 1조의 실의 직경의 비가 상기 범위를 초과하는 경우, 효과적인 반응가스 유로 형성이 어려운 문제점이 있다.
상기 위사와 경사는 다수의 합연사로 이루어지고, 상기 경사의 단위 길이당 본수는 상기 위사의 단위 길이당 본수와 상이한 것을 특징으로 할 수 있다. 구체적으로, 상기 위사가 두꺼운 1조의 실인 경우 상기 경사의 단위 길이당 본수는 상기 위사의 단위 길이당 본수 보다 적고, 상기 경사가 두꺼운 1조의 실인 경우 상기 경사의 단위 길이당 본수는 상기 위사의 단위 길이당 본수 보다 클 수 있다.
본 발명에서는 두꺼운 1조의 실로, 단위 길이당 본수가 12,000개의 합연사로 이루어진 탄소 섬유 실(12K/두께:0.23mm, 너비:0.45mm) 또는 단위 길이당 본수가 24,000개의 합연사로 이루어진 탄소 섬유 실(12K/두께:0.28mm, 너비:10mm)을 사용하였고, 얇은 1조의 실로, 단위 길이당 본수가 3,000개의 합연사로 이루어진 탄소 섬유 실(3K/두께:0.11mm, 너비:0.15mm)을 사용하였다.
상기 탄소 섬유는 상기 열가소성 수지와 함께 열압착하여 성형됨으로써 연료전지 분리판을 형성할 수 있다.
상기 열가소성 수지는 바인더로서, 폴리아마이드(polyamide), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polyprooylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리우레아(polyurea), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌비닐아세테이트(ethylenevinylacetate), 멜라민(melamine), 페놀(phenol) 및 아크릴(acryl)로 이루어진 선택된 하나 이상의 재질을 포함하는 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 구체적인 폴리아마이드(polyamide)로는 나일론 6 및 나일론 66 등이 있다.
상기 프리프레그 100 중량부에 대하여, 상기 탄소 섬유 50 중량부 내지 95 중량부 및 상기 열가소성 수지 5 중량부 내지 50 중량부를 포함하는 것이 바람직하고, 상기 탄소 섬유 70 중량부 내지 95 중량부 및 상기 열가소성 수지 5 중량부 내지 30 중량부를 포함하는 것이 더욱 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 탄소 섬유가 상기 범위 미만인 경우, 탄소 섬유가 열가소성 수지에 의해 완전한 함침이 이루어져 탄소 섬유의 전기전도도를 충분히 발현할 수 없는 문제점이 있고, 탄소 섬유가 상기 범위를 초과하는 경우, 탄소 섬유가 열가소성 수지에 의해 충분한 함침이 이루어지지 못해 탄소 섬유의 고정이 어렵고, 가스투과율이 저하되는 문제점이 있다. 반대로, 열가소성 수지가 상기 범위 미만인 경우, 탄소 섬유가 열가소성 수지에 의해 충분한 함침이 이루어지지 못해 탄소 섬유의 고정이 어렵고, 가스투과율이 저하되는 문제점이 있고, 열가소성 수지가 상기 범위를 초과하는 경우, 탄소 섬유가 열가소성 수지에 의해 완전한 함침이 이루어져 탄소 섬유의 전기전도도를 충분히 발현할 수 없는 문제점이 있다.
상기 열가소성 수지는 열압착하여 성형되어 열가소성 수지 성형체를 형성함으로써, 연료전지 분리판을 최종 형성할 수 있다.
상기 분리판의 적어도 일측면은 다수의 제1 굴곡부와 상기 제1 굴곡부 보다 완만하게 굴곡진 다수의 제2 굴곡부가 형성된 영역을 포함할 수 있다. 다수의 제1 굴곡부는 위사와 경사의 교차점에서 탄소 섬유에서 두꺼운 1조의 실의 일부가 열가소성 수지 성형체의 상부에 보이드(void)없이 노출되어 형성된 것이고, 다수의 제2 굴곡부는 위사와 경사의 교차점에서 탄소 섬유에서 얇은 1조의 실의 일부가 열가소성 수지 성형체의 상부에 보이드(void)없이 노출되어 형성된 것으로, 굴곡부의 높이는 1조의 실의 두께에 의해 좌우된다.
상기 제1 굴곡부가 형성되지 않은 영역에 반응가스 유로가 형성될 수 있다.
즉, 상기 분리판의 적어도 일측면에서 두꺼운 1조의 실로 인한 제1 굴곡부가 형성된 영역은 높은 굴곡으로 인해 반응가스 유로를 형성하지 못하나, 얇은 1조의 실로 인한 제2 굴곡부가 형성된 영역 또는 굴곡부가 전혀 형성되지 않은 영역은 에칭 효과를 발휘할 수 있어 홈과 같은 채널 형태의 반응가스 유로를 형성할 수 있다.
상기 연료전지 분리판으로서 캐소드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 산화제 가스 유로가 형성되고, 이런 산화제 가스 유로로 산소를 함유하는 산화제 가스가 유입된다. 상기 연료전지 분리판으로서 애노드 분리판에는 막전극 접합체를 향하는 면에 연료 가스 유로가 형성되고, 이런 연료 가스 유로로 수소를 함유하는 연료 가스가 유입된다.
상기 분리판의 총 두께는 0.1mm 내지 2mm인 것이 바람직하나, 이에 한정되지 않는다. 이때, 분리판의 총 두께가 상기 범위 미만인 경우, 분리판으로서 기능을 제대로 수행하지 못하는 문제점이 있고, 분리판의 총 두께가 상기 범위를 초과하는 경우, 연료전지 중 가장 큰 무게 비중을 차지하고 있는 분리판의 경량화 및 소형화를 달성하지 못하는 문제점이 있다.
상기 분리판의 굴곡강도는 250MPa 이상일 수 있어, 기계적 물성이 우수하다.
상기 분리판의 전기전도도는 102S/cm내지 103S/cm일 수 있고, 상기 분리판의 접촉 저항은 10mΩ·㎠ 이하일 수 있어, 전기적 물성 또한 우수하다.
연료전지 분리판의 제조방법
또한, 본 발명은 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침하여 프리프레그를 제조하는 단계; 및 상기 프리프레그를 열압착하여 성형하는 단계를 포함하고, 상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.
먼저, 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침하여 프리프레그를 제조한다(S10).
상기 탄소 섬유에 상기 열가소성 수지를 함침하여 반경화 상태로 만듦으로써 연료전지 분리판을 형성하기 위한 중간 기재로 프리프레그(prepreg)를 제조한다.
상기 탄소 섬유 및 상기 열가소성 수지에 대해서는 전술한 바와 같다.
다음으로, 상기 프리프레그를 열압착하여 성형한다.
상기 프리프레그를 열압착하여 성형함으로써 최종 성형체로 연료전지 분리판을 제조한다.
상기 열압착은 핫프레스에 의해 50℃ 내지 300℃의 온도에서 500kg/㎠ ~ 30,000 kg/㎠ 의 압력으로 수행될 수 있다. 상기와 같은 온도 및 압력 조건으로 핫프레스에 의해 열압착됨으로써, 탄소 섬유가 열가소성 수지에 완전히 함침되지 않은 채로 굴곡부를 형성할 수 있고, 내부 공극이나 크랙 없이 성형됨으로써 탄소 섬유의 전기전도도를 충분히 발현할 수 있는 이점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 하기 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 ]
실시예 1
단위 길이당 본수가 12,000개의 합연사로 이루어진 탄소 섬유 실(12K/두께:0.23mm, 너비:0.45mm)을 준비하였고, 단위 길이당 본수가 3,000개의 합연사로 이루어진 탄소 섬유 실(3K/두께:0.11mm, 너비:0.15mm)을 준비하였다. 준비된 탄소 섬유 실(12K)과 준비된 탄소 섬유 실(3K)이 서로 교차되게 직조하여 탄소 섬유를 준비하였다.
준비된 탄소 섬유 85 중량부에 폴리프로필렌 재질 열가소성 수지 필름 15 중량부를 함침하여 프리프레그를 제조하였다.
제조된 프리프레그를 핫프레스에 의해 약 10ton의 압력 및 약 220℃의 온도에서 열압착하여 성형함으로써, 반응가스 유로가 형성된 연료전지 분리판(200 mm×200mm×1mm)을 제조하였다.
실시예 2
준비된 탄소 섬유 실(24K/두께:0.28mm, 너비:10mm)과 준비된 탄소 섬유 실(3K/두께:0.11mm, 너비:0.15mm)이 서로 교차되게 직조하여 탄소 섬유를 준비한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 반응가스 유로가 형성된 연료전지 분리판을 제조하였다.
실시예 3
준비된 탄소 섬유 90 중량부에 폴리프로필렌 재질 열가소성 수지 필름 10 중량부를 함침하여 프리프레그를 제조한 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 반응가스 유로가 형성된 연료전지 분리판을 제조하였다.
비교예 1
그라파이트 재질의 반응가스 유로가 형성된 연료전지 분리판(200 mm×200mm×1mm)을 준비하였다.
비교예 2
니켈(Ni) 재질의 도전성 분말을 포함시킨 폴리프로필렌 재질의 반응 유로가 형성된 연료전지 분리판(200mm×200mm×1mm)을 준비하였다.
실험예
1. 굴곡강도 측정
실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조된 연료전지 분리판의 굴곡강도는 ASTM D 790에 의거하여 측정하였다.
2. 전기전도도 및 접촉저항 측정
실시예 1~3 및 비교예 1~2에서 제조된 연료전지 분리판의 전기전도도 및 접촉저항은 키슬리(Keithley/6220/2182A, USA) 장비에 의해 4-탐침법(4-probe method)을 사용하여 측정하였다.
상기와 같은 굴곡강도, 전기전도도 및 접촉저항 측정 결과는 하기 표 1에 정리하여 기재하였다.
굴곡강도(MPa) 전기전도도(S/cm) 접촉저항(mΩ·㎠)
실시예 1 350 210 8.7
실시예 2 350 340 8.6
실시예 3 300 250 8.3
비교예 1 94 1333 9.3
비교예 2 40 20 200
상기 표 1에서 보듯이, 실시예 1~3에서 제조된 연료전지 분리판은 굴곡강도, 전기전도도 및 접촉저항이 모두 우수함을 확인할 수 있었다.
한편, 비교예 1에서 제조된 연료전지 분리판은 전기전도도 및 접촉저항은 우수하나, 굴곡강도가 크게 저하되는 문제점이 있음을 확인할 수 있었고, 비교예 2에서 제조된 연료전지 분리판은 굴곡강도 및 전기전도도가 크게 저하되고 접촉저항이 크게 증가하는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침한 것으로,
    상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 두께의 비로서, 두꺼운 1조의 실의 두께에 대한 얇은 1조의 실의 두께의 비가 0.1 내지 0.9인
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 위사와 경사는 다수의 합연사로 이루어지고,
    상기 경사의 단위 길이당 본수는 상기 위사의 단위 길이당 본수와 상이한 것을 특징으로 하는
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 탄소 섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리벤질이미다졸(PBI), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀(Phenol) 및 피치(Pitch)로 이루어진 선택된 하나 이상의 전구체로부터 형성된
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열가소성 수지는 폴리아마이드(polyamide), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polyprooylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리우레아(polyurea), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌비닐아세테이트(ethylenevinylacetate), 멜라민(melamine), 페놀(phenol) 및 아크릴(acryl)로 이루어진 선택된 하나 이상의 재질을 포함하는
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리프레그 100 중량부에 대하여, 상기 탄소 섬유 50 중량부 내지 95 중량부 및 상기 열가소성 수지 5 중량부 내지 50 중량부를 포함하는
    연료전지 분리판용 프리프레그.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느한 항에 따른 프리프레그를 열압착하여 성형된
    연료전지 분리판.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리판의 적어도 일측면은 다수의 제1 굴곡부와 상기 제1 굴곡부 보다 완만하게 굴곡진 다수의 제2 굴곡부가 형성된 영역을 포함하는
    연료전지 분리판.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 굴곡부의 높이에 대한 상기 제2 굴곡부의 높이의 비가 0.1 내지 0.9인
    연료전지 분리판.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 굴곡부가 형성되지 않은 영역에 반응가스 유로가 형성되는
    연료전지 분리판.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 분리판의 총 두께는 0.1mm 내지 2mm인
    연료전지 분리판.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 분리판의 굴곡강도는 250MPa 이상인
    연료전지 분리판.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 분리판의 전기전도도는 102S/cm내지 103S/cm인
    연료전지 분리판.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 분리판의 접촉 저항은 10mΩ·㎠ 이하인
    연료전지 분리판.
  15. 위사와 경사로 서로 교차되게 직조된 탄소 섬유에 열가소성 수지를 함침하여 프리프레그를 제조하는 단계; 및
    상기 프리프레그를 열압착하여 성형하는 단계를 포함하고,
    상기 위사의 두께는 상기 경사의 두께와 상이한 것을 특징으로 하는
    연료전지 분리판의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열압착은 핫프레스에 의해 50℃ 내지 300℃의 온도에서 500kg/㎠ ~ 30,000 kg/㎠ 의 압력으로 수행되는
    연료전지 분리판의 제조방법.
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