KR20210060499A - 바이폴라 플레이트용 조성물 및 상기 조성물을 제조하는 방법 - Google Patents

바이폴라 플레이트용 조성물 및 상기 조성물을 제조하는 방법 Download PDF

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KR20210060499A
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제롬 쇼부
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아르끄마 프랑스
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Abstract

본 발명은 바이폴라 플레이트용 신규 조성물 및 상기 조성물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 조성물을 제조하는 방법으로서, 용융된 상태의 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 혼합하여 전도성 열가소성 폴리머를 얻는 단계; 상기 전도성 열가소성 폴리머를 분쇄하여 분말로 크기를 줄이는 단계; 및 전도성 열가소성 폴리머 분말을 제2 전도성 충전제와 혼합하는 단계를 포함하는 방법에 관한 것이다.

Description

바이폴라 플레이트용 조성물 및 상기 조성물을 제조하는 방법
본 발명은 바이폴라 플레이트(bipolar plate)용 신규 조성물 및 상기 조성물을 제조하는 공정에 관한 것이다.
바이폴라 플레이트는 연료 전지 및 레독스 흐름 배터리(redox flow battery)에 사용된다. 이것들은 금속 바이폴라 플레이트, 그라파이트(graphite) 플레이트 및 탄소-폴리머 복합 플레이트와 같은 다양한 재료로 제조될 수 있다.
유기 복합 재료를 기반으로 한 바이폴라 플레이트의 원리는 열가소성 또는 열경화성 폴리머에 분산된 전도성 충전제(탄소, 그라파이트 등)의 사용에 기초한다. 충전제는 전류를 수집하는 데 필요한 전기 전도성을 갖는 바이폴라 플레이트를 제공하고, 폴리머 매트릭스는 다양한 엘리먼트의 조립에 필요한 적절한 기계적 강도를 제공한다.
탄소-폴리머 복합 바이폴라 플레이트는 비교적 낮은 제조 비용과 함께 높은 전기 전도도, 우수한 내식성, 고온에서의 우수한 성능, 및 우수한 기계적 성질과 같은 유리한 성질을 갖는다. 이러한 복합 바이폴라 플레이트에서, 열경화성 또는 열가소성 폴리머는 그라파이트, 탄소 섬유, 카본 블랙 또는 탄소 나노튜브로부터 선택된 탄소 기반 충전제에 대한 매트릭스로 사용된다. 복합 바이폴라 플레이트의 전기적 성능은 주로 탄소 기반 충전제에 의해 결정되지만 폴리머 매트릭스를 구성하는 재료가 또한 복합재의 전기적 거동에 영향을 미친다.
복합 바이폴라 플레이트용으로 가능한 매트릭스로 연구된 열경화성 수지는 주로 에폭시 유형의 수지, 페놀 수지 및 비닐 에스테르 또는 폴리에스테르 유형의 수지이다. 이것들은 높은 함량의 전도성 충전제로 로딩할 수 있게 하는 낮은 점도; 내식성; 치수 및 열 안정성과 같은 다수의 이점을 갖는다. 그러나, 이러한 다공성 매트릭스는 깨지기 쉽다. 파단시 기계적 특성을 개선하기 위해, 열가소성 폴리머 결절을 포함하는 열경화성 폴리머 기반 매트릭스가 제조되었으나, 두 가지 유형의 폴리머 사이의 접착력이 폴리머 매트릭스 성질을 개선하는 데 여전히 불충분하다.
또한, 예를 들어, 간행물(Planesa E. et al. "Polymer composites bipolar plates for PEMFCs" published in Energy Procedia 20 (2012) 311 - 323)에 보고된 바와 같이, 열가소성 폴리머를 기반으로 하는 매트릭스를 갖는 바이폴라 플레이트가 제조되었다. 이와 관련하여 열거된 열가소성 폴리머 중에는 폴리프로필렌, 폴리비닐리덴 플루오라이드 또는 폴리(페닐렌 설파이드)가 있다. 다양한 열경화성 폴리머및 폴리프로필렌을 사용한 다양한 테스트 결과를 통해 이와 같이 제조된 바이폴라 플레이트의 기계적 및 전기적 전도도 성질을 특징화할 수 있었다. 결과적으로, 플레이트의 최종 성질은 폴리머 매트릭스를 제조하는 공정 및 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정에 따라 달라진다.
FR 3021811은 적어도 하나의 라멜라 그라파이트(lamellar graphite) 및 적어도 하나의 열가소성 폴리머를 포함하는 조성물로부터 복합 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정을 기술하고 있으며, 상기 공정은 조성물을 건식 스크리닝하는 단계, 스크리닝된 조성물을 건식 블렌딩하는 단계, 혼합된 조성물을 몰드에서 디포짓팅(depositing)하는 단계, 및 혼합된 조성물을 열압축 성형하는 단계를 포함한다.
EP 1466372 및 EP 1207535는 바이폴라 플레이트를 제조하기 위해 프레스로 압출되거나 주입될 수 있는 그라파이트 입자 및 플루오로폴리머 입자로 이루어진 미세복합 분말을 기술하고 있다.
US 2005/0042496은 열가소성 물질 및 엘라스토머, 및 그라파이트로부터 선택된 플라스틱 재료를 용융 블렌딩하고, 용융된 물질을 성형 공정을 거쳐 전도성 성형품을 제조하는, 바이폴라 플레이트와 같은 전도성 복합재를 기반으로 하는 성형품을 제조하는 공정을 기술하고 있다. 그러나, 이 공정에서 PVDF가 사용되는 경우, 용융 성분의 혼합물이 점성이 있어서 구현하기가 어렵다.
만족스러운 기계적 성질과 함께, 열전도성 및 전기 전도성 성질이 양호하고 쉽게 구현할 수 있는 바이폴라 플레이트를 제조하기 위한 조성물을 제공할 필요가 있다.
발명의 개요
제1 양태에 따르면, 본 발명은
- 용융된 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 혼합하여 전도성 열가소성 폴리머를 얻는 단계;
- 상기 전도성 열가소성 폴리머를 밀링하여 분말로 크기를 줄이는 단계; 및
- 전도성 열가소성 폴리머 분말을 제2 전도성 충전제와 혼합하는 단계를 포함하는 조성물의 제조에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 제2 전도성 충전제는 그라파이트이다.
일 구체예에 따르면, 제1 전도성 충전제는 전기 전도성 폴리머, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되고, 제1 전도성 충전제는 바람직하게는 카본 블랙이다.
일 구체예에 따르면, 전도성 열가소성 폴리머는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리(페닐렌 설파이드)로부터 선택된다.
또한, 본 발명은 상기 기술된 방법을 통해 얻은 조성물에 관한 것이다.
본 발명은 또한 제2 전도성 충전제 및 전도성 열가소성 폴리머 입자를 포함하는 조성물에 관한 것이다. 특징적인 방식으로, 전도성 열가소성 폴리머의 입자는 제1 전도성 충전제가 분산된 열가소성 폴리머 매트릭스를 포함한다.
일 구체예에 따르면, 본 발명에 따른 조성물에서, 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 전도성 열가소성 폴리머는 10% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%, 유리하게는 10% 내지 25% 범위의 양으로 존재하고, 제2 전도성 충전제는 60% 내지 90%, 바람직하게는 70% 내지 90%, 유리하게는 75% 내지 90% 범위의 양으로 존재한다.
일 구체예에 따르면, 전도성 열가소성 폴리머 조성물에서, 제1 전도성 충전제는 상기 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 0.1 중량% 내지 35 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 20 중량%, 유리하게는 2.5 중량% 내지 15 중량%의 양으로 존재한다.
다른 양태에 따르면, 본 발명은
- 상기 기술된 방법에 따라 조성물을 제조하거나, 상기 기재된 바와 같은 조성물을 제공하는 단계, 및
- 상기 조성물을 압축 성형하는 단계를 포함하여, 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 기술된 공정을 통해 얻은, 또는 상기 기술된 조성물을 포함하는, 바이폴라 플레이트에 관한 것이다.
본 발명은 종래 기술의 단점을 극복하는 것을 가능하게 한다. 보다 구체적으로, 0.01 ohm.cm 미만의 표면 저항, 0.03 ohm.cm 미만의 체적 저항, 10 W/m/K 초과의 열전도도, 굽힘 강도 및 압축 강도와 같은 우수한 기계적 성질 중 적어도 하나의 특징을 갖는 바이폴라 플레이트를 제조하기 위해 쉽게 구현될 수 있는 조성물을 제공한다.
이는 전도성 충전제가 분산된 열가소성 폴리머를 포함하는 바인더를 사용함으로써 달성된다. 이렇게 얻어진 전기 전도성 바인더의 사용은 몇 가지 이점을 갖는다. 첫째, 전도성 바인더의 사용은 플레이트의 주 충전제 입자들 사이의 폴리머의 전기 절연 도메인을 줄이거나 심지어 제거함으로써 플레이트의 저항을 줄일 수 있다. 둘째, 바인더가 열가소성 폴리머만으로 이루어진 경우, 절연 폴리머 층을 제거하기 위해 압축 성형을 통한 플레이트 제조 후 종종 요구되는, 예를 들어 샌드블라스팅(sandblasting)과 같은 바이폴라 플레이트 표면의 후속 처리를 피할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 언급된 이점을 갖는 조성물의 제조 방법을 제공한다. 용융된 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 혼합한 후, 별도의 단계에서 상기 혼합물에 제2 전도성 충전제를 혼입하면, 바인더가 전도성 열가소성 폴리머, 즉, 제1 전도성 충전제가 분산되어 있는 열가소성 폴리머를 포함하는, 복합 바이폴라 플레이트 조성물을 얻을 수 있다. 이후, 전도성 열가소성 폴리머는 쉽게 구현될 수 있다.
본 발명은 하기에서 더욱 상세히 기술된다.
본원에 표시된 백분율은 질량 백분율이다.
바이폴라 플레이트 조성물
제1 양태에 따르면, 본 발명은 바이폴라 플레이트 제조에 사용하기에 적합한 조성물에 관한 것이다. 조성물은 열가소성 폴리머 매트릭스에 분산된 전도성 충전제(본원에서 "제1 전도성 충전제"로 지칭됨)를 포함하는 전도성 열가소성 폴리머 입자 및 본원에서 "제2 전도성 충전제"로 지칭되는 탄소 기반 전도성 충전제의 입자의 혼합물을 포함한다. .
여러 구체예에 따르면, 상기 조성물은 경우에 따라 조합되는, 다음 특징을 포함한다.
조성물은 분말 형태일 수 있으며, 이 경우에, 전도성 열가소성 폴리머 입자가 제2 전도성 충전제 입자와 혼합된다.
다른 구체예에 따르면, 조성물은 응집된 고체 형태일 수 있고, 이 경우에, 제2 전도성 충전제 입자가 전도성 열가소성 폴리머의 입자(또는 도메인)에 결합된다. 이 응집된 형태로 조성물이 바이폴라 플레이트로서 형성된다.
제1 전도성 충전제를 열가소성 폴리머에 분산시키면 후자가 전도성이 된다. 열가소성 폴리머는 상기 폴리머의 필라멘트의 저항이 106 옴(ohm) 미만일 때 전도성이다. 바람직하게는, 제1 전도성 충전제의 로딩은 열가소성 폴리머 매트릭스를 통한 퍼콜레이션 임계치(percolation threshold)에 도달하도록 하는 것이다.
바람직하게는, 제2 전도성 충전제 및 열가소성 폴리머에 분산된 제1 전도성 충전제는 그 평균 크기 또는 크기 분포 및/또는 그 성질이 서로 상이하다.
유리하게는, 제2 전도성 충전제는 그라파이트이다.
제2 전도성 충전제의 체적 평균 직경(Dv50)은 2500 ㎛ 이하, 바람직하게는 1000 ㎛ 이하, 및 보다 바람직하게는 500 ㎛ 이하일 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 제2 전도성 충전제의 Dv50은 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 50 내지 100 ㎛, 또는 100 내지 150 ㎛, 또는 150 내지 200 ㎛, 또는 200 내지 250 ㎛, 또는 250 내지 300 ㎛, 또는 300 내지 350 ㎛, 또는 350 내지 400 ㎛, 또는 400 내지 450 ㎛, 또는 450 내지 500 ㎛, 또는 500 내지 600 ㎛, 또는 600 내지 700 ㎛, 또는 700 내지 800 ㎛, 또는 800 내지 900 ㎛, 또는 900 내지 1000 ㎛, 또는 1000 내지 1100 ㎛, 또는 1100 내지 1200 ㎛, 또는 1200 내지 1300 ㎛, 또는 1300 내지 1400 ㎛, 또는 1400 내지 1500 ㎛, 또는 1500 내지 1600 ㎛, 또는 1600 내지 1700 ㎛, 또는 1700 내지 1800 ㎛, 또는 1900 내지 2000 ㎛, 또는 2000 내지 2100 ㎛, 또는 2100 내지 2200 ㎛, 또는 2200 내지 2300 ㎛, 또는 2300 내지 2400 ㎛, 또는 2400 내지 2500 ㎛의 범위이다.
Dv50은 누적 입자 크기 분포의 50 번째 백분위수에서의 입자 직경이다. 이 파라미터는 레이저 미립도측정법(laser granulometry)으로 측정될 수 있다.
조성물은 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 60 중량% 내지 90 중량%의 제2 전도성 충전제를 포함할 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 조성물은 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 60 내지 65 중량%, 또는 65 내지 70 중량%, 또는 70 내지 75 중량%, 또는 75 내지 80 중량%, 또는 80 내지 85 중량%, 또는 85 내지 90 중량%의 제2 전도성 충전제를 포함한다.
전도성 열가소성 폴리머 입자는 0.1 ㎛ 내지 1 mm, 보다 특히 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 200 ㎛, 또는 200 ㎛ 내지 300 ㎛, 또는 300 ㎛ 내지 400 ㎛, 또는 400 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 500 ㎛ 내지 600 ㎛, 또는 600 ㎛ 내지 700 ㎛, 또는 700 ㎛ 내지 800 ㎛, 또는 800 ㎛ 내지 900 ㎛, 또는 900 ㎛ 내지 1 mm 범위의 Dv50을 가질 수 있다.
전도성 열가소성 폴리머에 분산된 제1 전도성 충전제는 전기 전도성 폴리머일 수 있다. 이러한 목적에 적합한 전기 전도성 폴리머는 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌 비닐렌, 폴리티오펜, 폴리아닐린, 폴리피롤 및 폴리(페닐렌 설파이드) 폴리머 또는 이들의 혼합물이다. 다른 구체예 변형에 따르면, 또는 추가로, 제1 전도성 충전제는 전기 전도성 탄소 입자, 예컨대 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트, 탄소 섬유 또는 이 목록의 두 가지 유형의 입자의 혼합물을 포함할 수 있다.
열가소성 폴리머 매트릭스에 분산된 제1 전도성 충전제는 표준 ASTM D3037에 따라 BET 방법을 통해 질소 흡착으로 측정한, 0.1 m2/g 내지 2000 m2/g, 바람직하게는 10 m2/g 내지 1000 m2/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 제1 전도성 충전제는 0.1 내지 1 m2/g, 또는 1 내지 10 m2/g, 또는 10 내지 50 m2/g, 또는 10 내지 50 m2/g, 또는 50 내지 200 m2/g, 또는 200 내지 400 m2/g, 또는 400 내지 600 m2/g, 또는 600 내지 800 m2/g, 또는 800 내지 1000 m2/g, 또는 1000 내지 1200 m2/g, 또는 1200 내지 1400 m2/g, 또는 1400 내지 1600 m2/g, 또는 1600 내지 1800 m2/g, 또는 1800 내지 2000 m2/g 범위의 BET 비표면적을 가질 수 있다.
전도성 열가소성 폴리머는 바람직하게는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리(페닐렌 설파이트)로부터 선택된다. 전도성 열가소성 폴리머는 상기 폴리머들 중 적어도 두 개의 혼합물일 수 있다.
일 구체예에 따르면, 본 발명에 따른 조성물에서, 전도성 열가소성 폴리머는 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 10% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%, 유리하게는 15% 내지 25% 범위의 양으로 존재한다.
바이폴라 플레이트
본 발명은 또한 응집된 형태로 상기 기재된 조성물을 포함하는 바이폴라 플레이트에 관한 것이다. 바이폴라 플레이트는 연료 전지와 레독스 흐름 배터리에서 기본 전지를 분리하는 플레이트이다. 일반적으로, 두께가 수 밀리미터(전형적으로 0.2 내지 6 mm)인 평행 육면체 모양을 갖고 있으며, 각면에 가스 및 유체의 순환을 위한 채널 네트워크를 포함한다. 그 역할은 연료 전지에 가스 연료를 공급하고, 반응 생성물을 제거하고, 전지에서 생성된 전류를 수집하는 것이다.
유리하게는, 바이폴라 플레이트는 다음 특징들 중 적어도 하나, 바람직하게는 상기 모든 특징을 갖는다:
- 0.01 ohm.cm 이하의 표면 저항;
- 0.03 ohm.cm 이하의 체적 저항;
- 10 W/m/K 이상의 열전도도;
- 25 N/mm2 이상의 굽힘 강도;
- 25 N/mm2 이상의 압축 강도.
굽힘 강도는 표준 DIN EN ISO 178에 따라 측정된다. 압축 강도는 표준 ISO 604에 따라 측정된다. 열전도도는 표준 DIN EN ISO 821에 따라 레이저 플래시 기술에 따라 측정된다. 표면 저항은 4 mm 두께의 밀링된 샘플에서 4-포인트 프로브(four-point probe) 샘플을 사용하여 측정된다. 체적 저항은 2-전극 디바이스 및 1 N/mm²의 접촉 압력을 사용하여 직경 13 mm, 및 두께 2 mm의 표면화 샘플에서 측정된다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 0.008 ohm.cm 이하, 또는 0.005 ohm.cm 이하, 또는 0.003 ohm.cm 이하, 또는 0.001 ohm.cm 이하의 표면 저항을 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 0.025 ohm.cm 이하, 또는 0.02 ohm.cm 이하, 또는 0.015 ohm.cm 이하의 면관통 저항(through-plane resistivity)을 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 15 W/m/K 이상, 또는 20 W/m/K 이상의 열 전도도를 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 30 N/mm2 이상, 또는 35 N/mm2 이상의 굽힘 강도를 갖는다.
공정
또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 상기 기술된 조성물을 제조하는 공정으로서,
- 용융된 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 혼합하여 전도성 열가소성 폴리머를 얻는 단계;
- 상기 전도성 열가소성 폴리머를 밀링하여 분말로 크기를 줄이는 단계; 및
- 전도성 열가소성 폴리머 분말을 제2 전도성 충전제와 혼합하는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다.
이 공정에서, 제1 전도성 충전제, 열가소성 폴리머 및 제2 전도성 충전제는 바이폴라 플레이트 조성물과 관련하여 선택적이거나 바람직한 것으로서 상기에서 기술된 임의의 특징을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 공정은 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 용융 블렌딩하여 전도성 열가소성 폴리머를 얻는 단계를 포함한다. 이 단계는 열가소성 폴리머와 제1 전도성 충전제와의 친밀한 혼합물을 형성하는 것을 가능하게 하며, 이 혼합물은 "전도성 열가소성 폴리머"로 불린다. 바람직하게는, 상기 제1 전도성 충전제는 열가소성 폴리머에 분산된다.
바람직하게는, 열가소성 폴리머 및 용융 블렌딩될 제1 전도성 충전제는 분말 형태이다.
열가소성 폴리머 매트릭스에 분산된 제1 전도성 충전제는 표준 ASTM D3037에 따라 BET 방법을 통해 질소 흡착으로 측정한, 0.1 m2/g 내지 2000 m2/g, 바람직하게는 10 m2/g 내지 1000 m2/g 범위의 비표면적을 가질 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 제1 전도성 충전제는 0.1 내지 1 m2/g, 또는 1 내지 10 m2/g, 또는 10 내지 50 m2/g, 또는 10 내지 50 m2/g, 또는 50 내지 200 m2/g, 또는 200 내지 400 m2/g, 또는 400 내지 600 m2/g, 또는 600 내지 800 m2/g, 또는 800 내지 1000 m2/g, 또는 1000 내지 1200 m2/g, 또는 1200 내지 1400 m2/g, 또는 1400 내지 1600 m2/g, 또는 1600 내지 1800 m2/g, 또는 1800 내지 2000 m2/g 범위의 BET 비표면적을 가질 수 있다.
일 구체예에 따르면, 용융 블렌딩 단계는 예를 들어 블렌더 또는 2축 압출기를 사용하여 압출에 의해 수행된다. 열가소성 폴리머에서의 제1 전도성 충전제의 양호한 분산을 얻기 위해, 높은 전단율(shear rate)에 의한 분산 혼합을 야기하는 스크류 프로파일이 바람직할 것이다.
일 구체예에 따르면, 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 용융 블렌딩하기 위한 통상적인 압출 공정에서, 폴리머 과립은 Tm + 20℃ 내지 Tm + 70℃ 범위(Tm은 열가소성 폴리머의 융점임)의 온도로 가열되는 스크류를 따라 운반함으로써 용융된다. 전도성 충전제는 바람직하게 계량 유닛에 의해 공급된다. 바람직하게는 압출 후, 과립은 필라멘트 절단 공정 또는 습식 과립화를 사용하여 얻어진다.
전도성 열가소성 폴리머는 전도성 열가소성 폴리머의 중량을 기준으로 하여, 0.1 중량% 내지 1 중량%, 또는 1 중량% 내지 2.5 중량%, 또는 2.5 중량% 내지 5 중량%, 또는 5 중량% 내지 10 중량%, 또는 10 중량% 내지 15 중량%, 또는 15 중량% 내지 20 중량%, 또는 20 중량% 내지 25 중량%, 또는 25 중량% 내지 30 중량%, 또는 30 중량% 내지 35 중량%의 제1 전도성 충전제를 함유할 수 있다.
전도성 열가소성 폴리머는 과립 형태로 생산될 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 또한 상기 전도성 열가소성 폴리머를 밀링하여 분말로 크기를 줄이는 단계를 포함한다. 예를 들어, 해머 밀과 같은 임의의 밀링 수단이 사용될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 전도성 열가소성 폴리머 분말은 0.1 ㎛ 내지 1 mm, 보다 특히 0.1 ㎛ 내지 5 ㎛, 또는 5 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 50 ㎛ 내지 100 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 200 ㎛, 또는 200 ㎛ 내지 300 ㎛, 또는 300 ㎛ 내지 400 ㎛, 또는 400 ㎛ 내지 500 ㎛, 또는 500 ㎛ 내지 600 ㎛, 또는 600 ㎛ 내지 700 ㎛, 또는 700 ㎛ 내지 800 ㎛, 또는 800 ㎛ 내지 900 ㎛, 또는 900 ㎛ 내지 1 mm 범위의 Dv50을 가질 수 있다.
이후, 전도성 열가소성 폴리머 분말은 제2 전도성 충전제와 혼합된다.
제2 전도성 충전제는 분말 형태일 수 있다. 제2 전도성 충전제의 체적 평균 직경(Dv50)은 2500 ㎛ 이하, 바람직하게는 1000 ㎛ 이하, 및 보다 바람직하게는 500 ㎛ 이하일 수 있다.
특정 구체예에 따르면, 제2 전도성 충전제의 Dv50은 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 50 내지 100 ㎛, 또는 100 내지 150 ㎛, 또는 150 내지 200 ㎛, 또는 200 내지 250 ㎛, 또는 250 내지 300 ㎛, 또는 300 내지 350 ㎛, 또는 350 내지 400 ㎛, 또는 400 내지 450 ㎛, 또는 450 내지 500 ㎛, 또는 500 내지 600 ㎛, 또는 600 내지 700 ㎛, 또는 700 내지 800 ㎛, 또는 800 내지 900 ㎛, 또는 900 내지 1000 ㎛, 또는 1000 내지 1100 ㎛, 또는 1100 내지 1200 ㎛, 또는 1200 내지 1300 ㎛, 또는 1300 내지 1400 ㎛, 또는 1400 내지 1500 ㎛, 또는 1500 내지 1600 ㎛, 또는 1600 내지 1700 ㎛, 또는 1700 내지 1800 ㎛, 또는 1900 내지 2000 ㎛, 또는 2000 내지 2100 ㎛, 또는 2100 내지 2200 ㎛, 또는 2200 내지 2300 ㎛, 또는 2300 내지 2400 ㎛, 또는 2400 내지 2500 ㎛의 범위이다.
혼합 단계는 제2 전도성 충전제를 전도성 열가소성 폴리머 분말에 혼입시킴으로써 수행될 수 있다. 유리하게는, 이 혼합 단계는 압출기, 예를 들어 2축 압출기에서 수행되는 컴파운딩(compounding) 단계이다.
일 구체예에 따르면, 전도성 열가소성 폴리머는 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 10% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%, 유리하게는 10% 내지 25% 범위의 양으로 존재한다. 전도성 열가소성 폴리머는 바람직하게는 바이폴라 플레이트 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 10% 내지 15%, 또는 15% 내지 20%, 또는 20% 내지 25%, 또는 25% 내지 30%, 또는 30% 내지 35%, 또는 35% 내지 40% 범위의 질량 비율로 존재한다.
제2 전도성 충전제는 바이폴라 플레이트 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 60% 내지 90%, 또는 60% 내지 65%, 또는 65% 내지 70%, 또는 70% 내지 75%, 또는 75% 내지 80%, 또는 80% 내지 85%, 또는 85% 내지 90%의 질량 비율로 존재할 수 있다.
본 발명은 또한 전술한 방법에 의해 제조된 바이폴라 플레이트 조성물에 관한 것이다.
또 다른 양태에에 따르면, 본 발명은 바이폴라 플레이트를 제조하는 공정으로서,
- 상기 기술된 공정에 따라 조성물을 제조하는 단계; 및
- 조성물을 압축 성형하는 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다.
바람직하게는, 바이폴라 플레이트 조성물은 분말 형태로 압축 성형된다.
본 발명에 따른 공정은 또한 예를 들어 디스크 밀에 의해 상기 분말을 밀링하는 단계를 포함할 수 있다.
바이폴라 플레이트를 제조하기 위한 조성물의 압축 성형은 상기 조성물을 몰드, 예를 들어 스테인레스 스틸 몰드에 도입한 후, 폐쇄하고, 200℃ 내지 350℃, 바람직하게는 250℃ 내지 300℃ 범위의 온도로 가열함으로써 수행될 수 있다. 이후, 100,000 내지 150,000 mm2 범위의 치수의 몰드에 대해 300 t 내지 800 t, 바람직하게는 400 t 내지 600 t의 압축력이 몰드에 적용된다. 전형적으로, 몰드의 크기가 130,000 mm2인 경우 500 t의 압축력이 적용되고, 몰드의 크기가 44,000 mm2인 경우 300 t의 압축력이 적용된다. 이후, 몰드는 50℃ 내지 120℃, 바람직하게는 60 ℃ 내지 100℃의 온도로 냉각되고, 몰드로부터 플레이트가 제거된다.
유리하게는, 바이폴라 플레이트는 다음 특징들 중 적어도 하나, 바람직하게는 상기 모든 특징을 갖는다:
- 0.01 ohm.cm 이하의 표면 저항;
- 0.03 ohm.cm 이하의 체적 저항;
- 10 W/m/K 이상의 열전도도;
- 25 N/mm2 이상의 굽힘 강도;
- 25 N/mm2 이상의 압축 강도.
굽힘 강도는 표준 DIN EN ISO 178에 따라 측정된다. 압축 강도는 표준 ISO 604에 따라 측정된다. 열전도도는 표준 DIN EN ISO 821에 따라 레이저 플래시 기술에 따라 측정된다. 표면 저항은 4 mm 두께의 밀링된 샘플에서 4-포인트 프로브 샘플을 사용하여 측정된다. 체적 저항은 2-전극 디바이스 및 1 N/mm²의 접촉 압력을 사용하여 직경 13 mm, 및 두께 2 mm의 표면화 샘플에서 측정된다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 0.008 ohm.cm 이하, 또는 0.005 ohm.cm 이하, 또는 0.003 ohm.cm 이하, 또는 0.001 ohm.cm 이하의 표면 저항을 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 0.025 ohm.cm 이하, 또는 0.02 ohm.cm 이하, 또는 0.015 ohm.cm 이하의 관통면 저항을 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 15 W/m/K 이상, 또는 20 W/m/K 이상의 열전도도를 갖는다.
특정 구체예에 따르면, 바이폴라 플레이트는 30 N/mm2 이상, 또는 35 N/mm2 이상의 굽힘 강도를 갖는다.

Claims (13)

  1. 조성물을 제조하는 방법으로서,
    o 용융된 열가소성 폴리머를 제1 전도성 충전제와 혼합하여 전도성 열가소성 폴리머를 얻는 단계;
    o 상기 전도성 열가소성 폴리머를 밀링하여 분말로 크기를 줄이는 단계; 및
    o 상기 전도성 열가소성 폴리머 분말을 제2 전도성 충전제와 혼합하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 전도성 충전제가 그라파이트(graphite)인 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전도성 충전제가 전기 전도성 폴리머, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되고, 상기 제1 전도성 충전제는 바람직하게는 카본 블랙인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 열가소성 폴리머 분말을 제2 전도성 충전제와 혼합하는 단계가 압출기에서 수행되는 컴파운딩(compounding) 단계인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 전도성 충전제가 상기 전도성 열가소성 폴리머의 중량을 기준으로 하여, 0.1 중량% 내지 35 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 20 중량%, 유리하게는 2.5 중량% 내지 15 중량%를 구성하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 조성물의 총 중량을 기준으로 하여, 전도성 열가소성 폴리머가 10% 내지 40%, 바람직하게는 10% 내지 30%, 유리하게는 10% 내지 25% 범위의 양으로 존재하고, 제2 전도성 충전제가 60% 내지 90%, 바람직하게는 70% 내지 90%, 유리하게는 75% 내지 90% 범위의 양으로 존재하는 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 열가소성 폴리머가 0.1 ㎛ 내지 1 mm 범위의 체적 평균 직경(Dv50)을 갖는 분말로 밀링되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 열가소성 폴리머가 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리(페닐렌 설파이드)로부터 선택되는 방법.
  9. 제2 전도성 충전제 및 전도성 열가소성 폴리머의 입자를 포함하는 조성물로서, 상기 전도성 열가소성 폴리머의 입자가 제1 전도성 충전제가 분산되어 있는 열가소성 폴리머 매트릭스를 포함함을 특징으로 하는 조성물.
  10. 제9항에 있어서, 제2 전도성 충전제가 그라파이트이고/거나 제1 전도성 충전제가 전기 전도성 폴리머, 카본 블랙, 탄소 나노튜브, 그래핀, 그라파이트, 탄소 섬유 및 이들의 혼합물로부터 선택되고, 상기 제1 전도성 충전제는 바람직하게는 카본 블랙인 조성물.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 제2 전도성 충전제가 조성물의 총 중량을 기준으로 하여 60% 내지 90%, 바람직하게는 70% 내지 90%, 유리하게는 75% 내지 90% 범위의 양으로 존재하고/거나 제1 전도성 충전제가 전도성 열가소성 폴리머의 중량을 기준으로 하여 0.1 중량% 내지 35 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 20 중량%, 유리하게는 2.5 중량% 내지 15 중량% 범위의 양으로 존재하는 조성물.
  12. 바이폴라 플레이트(bipolar plate)를 제조하는 방법으로서,
    ■ 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 청구된 방법에 따라 조성물을 제조하거나 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 청구된 조성물을 제공하는 단계, 및
    ■ 상기 조성물을 압축 성형하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제12항에서 청구된 방법을 통해 얻은, 또는 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에서 청구된 조성물을 포함하는, 바이폴라 플레이트.
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