KR20230020938A - 연료 전지용 분리판, 이에 따른 전구체 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

연료 전지의 분리판 생산을 위해, 열가소성 중합체, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자를 혼합하여 가단성 전구체 시트를 만든 다음, 단일 층 또는 다층 구조 또는 다층 구조로 열간-압축 성형하며, 여기서 층 두께는 탄소 섬유의 길이보다 짧다.

Description

연료 전지용 분리판, 이에 따른 전구체 및 이의 제조 방법

본 발명은 연료 전지용 분리판, 예를 들어, 양극판(bipolar plate)에 관한 것이다. 또한, 이와 같은 분리판의 열간 압축 성형 및 이의 제조를 위한 전구체에 관한 것이다.

양극판(BPP)은 단일 막-전극 조립체를 분리하고 연료를 막으로 전달하기 때문에 연료 전지 스택의 핵심 구성요소이다[참조문헌 1]. 고온 양성자-교환막(PEM) 연료 전지는 입력 가스의 불순물에 대한 내성, 특히 수소 가스 중 일산화탄소 잔류물에 대한 내성이 높기 때문에 저온 PEM 연료 전지와 비교하여 큰 이점을 가진다[참조문헌 2]. 그러나 160 내지 200℃ 범위의 비교적 높은 작동 온도와 산성 매질은 양극판에 사용하기에 적합한 재료에 대해 엄격한 한계를 설정한다[참조문헌 3]. 흑연은 높은 전기 및 열 전도성뿐만 아니라, 우수한 화학적 안정성으로 인해 재료로서 매우 매력적인 것으로 보인다[참조문헌 4]. 카본블랙(CB), 탄소섬유(CF), 탄소나노튜브(CNT), 및 그래핀과 같은 다른 탄소 재료는 기계적, 전기적 특성을 개선시키기 위해 BPP에 대한 복합 재료에 첨가제로 이용될 수 있다[참조문헌 5, 6]. 그러나, 탄소 입자를 함께 유지하기 위해, 결합 재료, 예를 들어, 열가소성 중합체가 필요하다. 폴리페닐렌 설파이드(PPS)는 화학적 불활성이고, 200℃ 초과의 높은 사용 온도 및 우수한 기계적 특성을 갖는 것을 포함하여 고온 PEM 연료 전지에 대한 모든 엄격한 요구 사항을 충족하므로 좋은 후보이다[참조문헌 7].

대안적인 BPP 구조는 CN 제111048800A호[참조문헌 58] 및 US 제7887927호[참조문헌 59]에 개시되어 있으며, 여기서 다층 BPP는 전기-전도성 고분자 충전제를 사이에 두고 탄소 섬유 시트 또는 흑연 시트를 적층하여 생산된다.

미국 에너지부(Department of Energy: DoE)는 운송 적용분야에 이용되는 BPP에 대한 높은 2020년 목표를 선언하였으며, 그 중에는 영역별 저항은 10 mΩ^.㎠ 미만이어야 하는 한편, 굴곡 강도는 25㎫을 초과해야 한다는 요구 사항이 있다[참조문헌 8]. 여기에서 일반적으로 흑연-기반 BPP의 경우 두께가 약 1.5 내지 3㎜라는 점에 유의해야 한다[참조문헌 9 내지 12]. 그러나 최신 연구 작업은 두께가 1㎜ 미만, 예를 들어, [참조문헌 13]의 0.85㎜, [참조문헌 14]의 0.6㎜, 또는 심지어 [참조문헌 15]의 0.4㎜인 흑연 복합물을 기반으로 한 흑연 BPP 샘플을 보였으며, 이는 더 적은 재료 소비로 인한 더 컴팩트한 연료 전지 설계 및 비용 절감과 같은 몇 가지 이점을 제공한다. 분말 복합물로부터 얇은 BPP를 생산하기 위해 다단계 공정이 [참조문헌 16]에 개시되어 있다. BPP의 대량 생산을 위한 간단하지만 효율적인 공정을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

탄소/PPS 복합물 및 해당 BPP의 제조 과정을 설명하는 특허 및 연구 원고는 거의 없다[참조문헌 17 내지 20]. 예를 들어, 국제 특허 출원 WO 제2014/100082호[참조문헌 17]에서는, 중합체가 용융되는 열간 압출기에서 PPS를 탄소 나노튜브(CNT)와 혼합한다. 일반적으로, 압출 공정에는 전형적으로 50 중량% 초과의 높은 중합체 부하가 필요하며, 이는 불행히도 이와 같은 복합물의 전기적 특성에 부정적인 영향을 미친다. 압출 후, PPS-기반 복합물은, 예를 들어, 미국 특허 번호 제7,736,786호[참조문헌 18]에 제한된 바와 같이 시트로 형성될 수 있다.

중국 특허 출원 CN 제101174695A호[63]는 45 내지 55%의 흑연, 5 내지 10%의 탄소 섬유, 30 내지 40%의 PPS 및 5 내지 10%의 플루오로중합체 수지, 예를 들어, PTFE를 함유하는 재료로 만들어진 BPP를 제조하는 건식 방법을 개시한다. 유동장 구조는 두께가 약 5㎜인 시트 내부에 0.5 내지 1.5㎜의 깊이를 가진다. 탄소 섬유 길이는 10 내지 200 마이크로미터의 범위이다. 분말 혼합물은 먼저 3 내지 5㎫에서 냉간 압착된 다음, 310 내지 330℃까지 서서히 가열되고 15 내지 25㎫에서 압축을 위해 30분 동안 압착된 후, 결정화를 방지하고 인성을 증가시키기 위해 수중에서 빠르게 냉각된다.

US 제2014/087287호[참조문헌 60]는 연료 전지용 분리판의 건식 제조 방법을 개시하며, 상기 분리판은 A 및 B의 2개 시트로 구성된다. 시트 A는 100 부의 열가소성 수지와 130 내지 3200 부의 탄소질 재료를 포함하고, 시트 B는 100 부의 열가소성 수지, 예를 들어, 폴리프로필렌, 및 3 내지 280 부의 탄소질 재료를 포함한다. 탄소질 재료의 절반은 섬유질 탄소이다. 섬유 길이는 0.001 내지 20㎜, 더 바람직하게는 1 내지 10㎜의 범위이고, 6㎜로 예시된다. 시트는 각각의 결합제 성분의 융점보다 60도 높은 온도에서 분말 혼합물의 압축에 의해 성형된다. 최종 플레이트의 홈 깊이는 1㎜ 두께의 세퍼레이터에서 0.3 및 0.5㎜이었다.

US 제2019/0341630호[참조문헌 61]는, 예를 들어, 두께가 1㎜인 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법을 개시한다. 이 방법에서는, 탄소 섬유를 섬유상 수지와 함께 수분산액에 분산시킨 후 슬러리를 건조시켜 종이와 같은 복합 시트를 얻고, 다음 단계로 탄소 입자를 고온에서 압착한다. 탄소 섬유의 길이는 제한되지 않지만, 예를 들어, 20 마이크로미터 내지 6㎜의 범위이고, 2㎜ 두께의 복합 시트의 경우 3㎜로 예시된다.

US 제2009/0152105호[참조문헌 62]는 1 인치 길이의 탄소 섬유를 용융 PTFE에 배합한 다음, 경화시키고 커피 그라인더에서 절단하는 연료 전지 내 압축 패드의 제조 방법을 개시한다. 그런 다음 배합물을 PVDF와 혼합하고 압축하면서 200℃까지 가열한다. 대안적으로, 탄소 섬유를 PVDF로 용융한다. 탄소 섬유는 바람직하게는 길이가 3㎜(1/8 인치)이다. 패드의 전형적인 두께는 10 내지 15 밀(mil)이며, 이는 대략 0.25 내지 0.40㎜에 해당한다.

WO 제2008/075812호[참조문헌 64]는 카본블랙 입자의 표면에 하이브리드 입자가 매립된 카본블랙 응집체를 포함하는 양극판용 친수성 고분자 복합체를 개시한다.

US 제2019/0341630호[참조문헌 61]는, 예를 들어, 두께가 1㎜인 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법을 개시한다. 이 방법에서는, 탄소 섬유를 섬유상 수지와 함께 수분산액에 분산시킨 후 슬러리를 건조시켜 종이와 같은 복합 시트를 얻고, 다음 단계로 탄소 입자를 고온에서 압착한다. 탄소 섬유의 길이는 제한되지 않지만, 예를 들어, 20 마이크로미터 내지 6㎜의 범위이고, 2㎜ 두께의 복합 시트의 경우 3㎜로 예시된다.

US 제2009/0152105호[참조문헌 62]는 1 인치 길이의 탄소 섬유를 용융 PTFE에 배합한 다음, 경화시키고 커피 그라인더에서 절단하는 연료 전지 내 압축 패드의 제조 방법을 개시한다. 그런 다음 배합물을 PVDF와 혼합하고 압축하면서 200℃까지 가열한다. 대안적으로, 탄소 섬유를 PVDF로 용융한다. 탄소 섬유는 바람직하게는 길이가 3㎜(1/8 인치)이다. 패드의 전형적인 두께는 10 내지 15 밀이며, 이는 대략 0.25 내지 0.40㎜에 해당한다.

US 제2018/0358630호[참조문헌 65]는 분말 크기가 상이한 2가지 종류의 탄소 분말을 혼합하여 압축 성형을 사용하는 양극판의 제조 방법을 개시한다. US 제2004/033413호[참조문헌 66]는 고분자 전해질 막 연료 전지를 개시하며, 여기서 막은 전기전도성 코팅을 가진다. US 제2017/298200호[참조문헌 67]는 연료전지 분리판용 열가소성 프리프레그 중간체 재료 및 열가소성 프리프레그의 제조 방법을 개시하며, 여기서 상기 열가소성 프리프레그는 중합체의 융점보다 높은 온도에서 압축된다.

예를 들어, [참조문헌 19] 및 US 제2019/0341630호[참조문헌 20]에 기재된 바와 같은 습식 공정은, 고체 혼합물이 여과되고 BPP로의 추가 건조 및 성형을 위해 시트로 형성되기 전에 액상, 특히 물에서 흑연, 탄소 섬유, 및 PPS 결합제를 혼합하는 것을 의미한다. 그러나 불리하게도, PPS는 500시간 후 23℃에서 약 0.1%의 물만을 흡수할 수 있기 때문에 물에 매우 잘 젖지 않는다[참조문헌 21]. 따라서, 입자의 응집 없이 수성 매질에 PPS를 분산시키는 것은 어려운 일이다. 아마도 이것은 고도로 희석된 분산액이 [참조문헌 19, 20]에서 적용되는 이유일 것이며, 여기서 총 고체 함량은 10 중량%를 초과하지 않고, 바람직하게는 1 내지 3 중량%의 범위로 유지된다.

흑연과 PPS의 건식 혼합에 의해 제조된 분말 복합물로 시트를 만드는 공정도 또한 [참조문헌 22]에서 제안되었으며, 여기서 혼합된 복합물은 소수성 표면을 적시는 데 우수한 계면활성제인 아이소프로판올에 또 다른 열가소성 중합체, 즉, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 함께 분산된다[참조문헌 23]. 알코올의 끓는점까지 온도가 증가하면 PTFE가 빠르게 응고되어 반죽과 같은 구조와 유사한 유연하고 가단성 있는 재료를 형성하는데(US 제2019/0260037호[참조문헌 22] 참조), 이는 PTFE가 다른 중합체와 비교하여 높은 연신율을 가질 수 있기 때문이며, 연신율이 550%에 이를 수 있음을 알 수 있다[참조문헌 24].

특허 문헌에서, PPS를 취급하는 것과 관련된 공정, 예를 들어, US 제8563681호[참조문헌 30], 및 이로부터 물품을 형성하는 공정, 예를 들어, US 제5043112호[참조문헌 27]뿐만 아니라, BPP의 생산 공정, 예를 들어, US 제2008/0318110호[참조문헌 31] 및 US 제2006/0084750호[참조문헌 50]과 관련하여 다양한 공정이 개시되어 있다.

US 제6544680호[참조문헌 54]는 열경화성 수지가 첨가된 PPS 및 탄소로 성형된 분리판을 개시한다. US 제6803139호[참조문헌 55]는 탄소 및 열가소성 수지, 예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드(PPS)를 포함하고 카보다이이미드가 첨가된 성형된 분리판을 개시한다. EP 제1758185호[참조문헌 56]는 열간 프레스에서 경화되는 84% 탄소, 2% PTFE, 14% 에폭시를 포함하는 성형된 분리판을 개시한다. 폴리페닐렌 설파이드(PPS) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)은 열가소성 수지로서 언급되지만 예시되지 않는다. US 제2005/0042496호[참조문헌 57]는 중합체가 충전제, 예를 들어, 흑연과 배합되고, 혼련된 다음 압출된 후, 형태로 전달되어, 예를 들어, 분리판으로 압축되는 연속 공정을 개시한다.

국제 특허 출원 WO 제2018/072803호[참조문헌 53]는 탄소와 열가소성 중합체의 분말 혼합물을 알코올에 현탁시키고 PTFE의 수 현탁액과 혼합한 후 액체를 증발시키고 최종 가단성 슬러리를 시트로 압연하여 분리판으로 프레스 성형하는, 분리판 제조 방법을 개시한다. 및 분리판으로 프레스 성형된다. 탄소 분말의 예는 흑연, 카본 블랙, 그래핀, 탄소 나노튜브 또는 비정질 탄소를 포함한다.

BPP용 압축 분말 복합물과 비교할 때, BPP 성형을 위한 가단성 시트 또는 슬래브의 사용은 보관, 취급 및 투약이 더 용이하다는 점에서도 유리한 것으로 보인다. 그러나 이 방법과 생성된 BPP를 최적화하려면, 특히 USA DOE의 2020 프로그램에 설정된 목표와 관련하여 추가 개선이 바람직하다. 생산 방법으로서 성공적이기 위해서는, 생산 용이성, 비용 및 속도가 고려해야 하는 중요한 요인이다.

기술의 개선을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 구체적으로, BPP와 같은 개선된 분리판, 및 이와 같은 분리판을 갖는 개선된 연료 전지를 제공하는 것이 목적이다. 추가 목적은 BPP와 같은 분리판을 제공하기 위한 개선된 방법, 및 분리판의 압력 성형을 위한 탄소와 중합체의 개선된 재료 혼합물 및 상응하는 전구체를 제공하는 것이다. 이는 BPP와 같은 분리판의 열간 압축 성형을 위한 전구체뿐만 아니라 청구범위 및 하기에 기재된 바와 같은 제조 방법으로 달성된다.

이 목적은 BPP와 같은 연료 전지용 전기 전도성의 강성 분리판으로 열간 압축 성형을 위한 성형 가능한 가단성 전구체 시트뿐만 아니라 열가소성 중합체가 내부에 있는 흑연-기반 복합물의 제조 방법에 의해 달성된다.

본 발명은 연료 전지 스택에 사용하기 위한 BPP의 생산을 목표로 하지만, 공정 및 재료가 동등하게 잘 적용되기 때문에 일반적으로 분리판을 생산하는 데 동등하게 유효하다. 특히, 이 방법은 연료 전지용 단극판 및 연료 전지 스택용 단부판의 제조에도 비슷하게 유용하다. 구성의 예는 WO 제2018/072803호[참조문헌 53]에 제공되어 있다. 예를 들어, 분리판은 반대쪽에 유체 유동장, 구체적으로 한쪽에 산소에 대한 유동장 및 반대쪽에 수소에 대한 유동장이 있는 양극판이다. 대안적으로, 연료 전지 스택용 분리판은 한쪽에 공기와 같은 산소 가스에 대한 유동장을 포함하고, 반대쪽이 수소 가스에 대한 유동장을 함유하는 제2 분리판에 부착되며, 예를 들어, 맞대어(back-to-back) 부착된다. 선택적으로, 예를 들어, 한쪽 또는 양쪽 면에 냉각제 유동장이 있는 해당 분리판을 삽입함으로써, 연료 가스용 2개의 분리판 사이에 냉각제에 대한 냉각 유동장이 제공된다. 선택적으로, 분리판은 한쪽에 산소에 대한 유동장을 가지고 반대쪽에 냉각제에 대한 유동장을 가진다. 필요에 따라, 본 명세서에 설명된 바와 같은 방법은 다양한 상이한 분리판을 생산하는 데 사용될 수 있으며, 한쪽에만 또는 양쪽에 유체 유동장이 있거나, 각각의 유동장에서 산소, 수소, 또는 냉각제에 대한 것일 수 있다.

요컨대, 일반적인 양태로서, 연료 전지에서 이와 같은 분리판을 제조하기 위해서는, 열가소성 중합체, 탄소 섬유, 전기전도성 탄소 입자를 혼합하여 가단성 전구체 시트를 제조하며, 여기서 그 다음 전구체는 분리판을 구성하는 단층 또는 다층 구조로서 열간-압축 성형된다. 유리하게는, 하기에서 논의될 바와 같이, 층 두께는 탄소 섬유의 평균 길이보다 작다. 상세한 내용은 다음에 기재되어 있다.

복합물은 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공된다. 열가소성 중합체 배합물은 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, 폴리페닐렌 설파이드(PPS)를 포함한다.

PPS에 대한 대안으로는 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 플루오린화 에틸렌 프로필렌(FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 폴리아마이드이미드(PAI), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 폴리에터케톤(PEK), 폴리에터이미드(PEI), 폴리에터설폰(PES), 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리설폰(PSU), 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)를 포함한다.

여기 및 다음에서, 언급된 모든 중량 백분율은 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 탄소 입자의 총 중량에 대해 제공된다. 따라서, 생산 공정에서 사용되는 액체, 예컨대, 물 및 유기 용매와, 액체 첨가제, 예를 들어, 계면활성제는 최종 생산 단계 전에 증발되기 때문에 고려되지 않는다.

예를 들어, 전구체 및 최종 분리판은 다음 매개변수 중 하나 이상을 포함하며, 이들 중 2개, 3개 또는 그 이상은 성공적으로 조합될 수 있다:

PTFE: 적어도 0.05 중량%

PTFE: 0.5 중량% 미만

PTFE와는 상이한 열가소성 중합체: 최소 5 내지 30 중량%

탄소 섬유 상대 중량: 2 내지 20 중량%, 예를 들어, 5 내지 20%

탄소 섬유 평균 길이 L: 0.1 내지 1㎜

탄소 입자(탄소 섬유와 상이함) 상대 중량: 25 내지 90 중량%

탄소 입자(탄소 섬유와 상이함) 평균 크기: 0.1 내지 100㎛.

흑연 및 카본 블랙을 포함하여 탄소 입자 및 중합체 입자에 대해 본 명세서에 제공된 크기는 평균 크기이며, 이는 이러한 특정 그룹 또는 유형의 입자 수뿐만 아니라, 입자의 3차원에 걸친 평균을 의미한다.

전형적으로, 입자의 경우, 탄소 섬유의 길이를 포함하여 치수상으로 평균화된 크기와 관련된 통계적 분포는 FWHM이 약 ±20% 이하이다.

복합물은 성형 스테이션, 예를 들어, 고정식 성형 스테이션에서 성형 가능한 가단성 전구체 시트로 성형된다. 그러나, 유리하게는, 성형 스테이션은 캘린더 압연 스테이션이고, 성형은 캘린더 압연 스테이션에서 캘린더 롤러에 의해 시트를 프레스-압연하는 것을 포함한다.

전구체 시트는 선택적으로 두께가 X1인 단층 슬래브로서 형성된 다음, 단층 분리판으로 성형된다. 대안적으로, 전구체 시트는 적층된 상태의 두께가 X1인 복수의 층이 있는 다층 슬래브 구조로서 형성된다. 전형적으로, 전구체는 성형 전에 모양으로 절단되고, 그 다음 생성된 슬래브는 분리판으로 열간-압축 성형된다.

다층 분리판의 경우, 전구체의 다층 슬래브는 두께 X2의 복수의 층으로 구성되지만, 두께가 X2인 복수의 층에 두께가 상이한 추가적인 층, 예를 들어, 두께가 X2인 복수의 층 사이에 전형적으로 동일한 층이 제공되는 더 두꺼운 상부 층 및 하부 층이 있을 수 있으므로, 반드시 필요한 것은 아니다.

압축 단계에서 고압 압축으로 인해 슬래브의 밀도가 증가하므로 전구체 슬래브의 두께 X1과 분리판의 해당 두께 X2의 용어가 구별에 사용된다. 슬래브의 두께 X1은 성형 전 전구체 슬래브에 적용되는 반면, 두께 X2는 슬래브 성형 후 분리판에 적용된다. 예를 들어, 슬래브에서 최종 분리판, 예컨대, BPP까지의 밀도는 2배 증가할 수 있다. 그러나 또한 압축 성형 동안 유동장의 형성은 두께의 감소를 어느 정도 보상할 수 있다고 지적된다.

선택적으로, 복수의 층의 수는 2 내지 10, 예를 들어, 4 내지 8의 범위이다. 그러나, 더 많은 층이 가능하다.

유리하게는, 그리고 하기에서 보다 상세히 논의될 바와 같이, 두께 X1은 탄소 섬유의 평균 길이 L보다 작다. 이는 특히 압연 공정 동안 탄소 섬유가 슬래브와 적어도 부분적으로 평행하도록 하여, 최종 분리판의 기계적 강도를 증가시키기 때문에 유리하다. 예를 들어, 평균 길이 L은 전구체 시트의 두께 X1의 적어도 2배이다.

탄소 섬유의 길이 L을 분리판의 두께 X2와 비교할 때, 또한 이 두께 X2가 탄소 섬유의 평균 길이 L보다 작아야 하지만, 더 정확히는 L보다 적어도 2배, 또는 심지어 L보다 적어도 4배 더 작아야 한다고 가정하는 것도 유효하며, 이는 압축 성형 동안 전구체의 압축으로 인한 것이다.

탄소 섬유의 길이 선택은 최종 분리판의 강도에 대한 긍정적인 영향과 짧은 탄소 섬유의 경우에 가장 용이한 탄소 섬유를 분산시키는 능력 사이의 균형이다. 이러한 관점에서, 탄소 섬유의 평균 길이는 0.05 내지 1㎜, 예를 들어, 0.1 내지 1㎜의 범위인 경우 유용한 것으로 밝혀졌다.

예를 들어, 탄소 섬유의 길이가 1㎜이고 탄소 섬유가 전구체 시트 두께의 적어도 2배라는 요건이 있는 경우, 최대 시트 두께를 0.5㎜로 선택해야 한다.

섬유에 대한 길이는 평균 길이이지만, 그 길이가 평균값에서 크게 벗어나지 않는 것으로 가정한다. 예를 들어, 섬유의 20% 미만은 평균 길이의 20% 초과를 벗어나는 길이를 가진다.

섬유 길이의 선택은 최종 분리판의 두께에 따라 다르다.

즉, 길이 L이 전구체의 두께 X1보다 2배 더 크게 선택될 때, 성형 동안 압축으로 인해 전형적으로 최종 분리판의 두께 X2보다 약 4배 더 클 것이다.

초기 분산액에 탄소 섬유를 혼합할 때, 섬유가 너무 길어서 혼합이 어려워서는 안 된다. 예를 들어, 선행 기술 US 제2014/087287호, US 제2019/0341630호, 및 US 제2009/0152105호에 개시된 바와 같이 6 또는 10㎜ 장섬유는 두께 X2가 0.05 내지 0.3㎜인 분리판을 제조할 때 불리하게 길 것이다. 한편, 동일한 선행 기술에 개시된 바와 같이 0.01㎜ 또는 0.02㎜의 섬유 길이는 너무 짧을 것이다. 따라서, 선행 기술이 제안한 바와 같은 범위는 다소 임의적으로 보이며, 적절한 혼합과 강도 증가 사이의 균형에 대한 고려 사항을 나타내지 않는다.

또한 복합물 내 탄소섬유의 양을 임의로 선택해서는 안 된다. 최종 분리판의 강도는 탄소 섬유의 양이 10 중량%까지 증가하는 동안 증가했지만, 7 내지 10 중량%의 범위에서는 더 느리게 증가함을 실험적으로 확인했다. 10 중량%보다 많은 양의 경우, 유연성 강도가 감소하는 것으로 밝혀졌다. 이러한 이유로, 5 내지 20 중량%, 예를 들어, 5 내지 15 중량%의 양이 가장 유용한 것으로 보이며, 최적 범위는 6 내지 12 중량%, 예를 들어, 6 내지 10%이다.

도입부에서 논의한 바와 같이, 얇은 분리판은 최종 연료 전지 스택의 크기, 중량, 성능, 및 비용에 영향을 미치므로 바람직하다. 예를 들어, 분리판의 두께 X2는 0.05 내지 1㎜의 범위, 예를 들어, 0.05 내지 0.5㎜ 또는 0.05 내지 0.6㎜ 또는 심지어 0.05 내지 0.3㎜의 범위이지만, 잠재적으로 다층으로 제조될 수 있다.

예를 들어, 전구체 시트의 두께 X1은 0.05 내지 1㎜, 예를 들어, 0.1 내지 1㎜ 또는 0.05 내지 0.5㎜, 0.05 내지 0.6㎜, 선택적으로 0.1 내지 0.6㎜ 또는 심지어 0.05 내지 0.3㎜의 범위이다. 다층 분리기의 경우, 층당 두께 X1은 전형적으로 이의 하단에 있으며, 예를 들어, 0.05 내지 0.3㎜, 선택적으로 0.05 내지 0.2㎜의 범위이다.

전구체 시트의 하기 제조 방법이 유리한 것으로 밝혀졌다. 이 방법에서는, 수성 분산액과 용매 분산액을 제공하고 혼합한다. 수성 분산액은 PTFE 입자와 탄소 섬유, 그리고 선택적으로 예를 들어, 평균 입자 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위인 흑연 입자의 제1 부분을 포함한다.

용매 분산액은 PTFE와는 상이한 제2 열가소성 미립자 중합체, 예를 들어, PPS뿐만 아니라, 혼합물에서 흑연 입자보다 더 소수성인 카본 블랙 입자를 포함한다.

유기 용매는 선택적으로 N-메틸피롤리돈, NMP이다. 또한 대안적인 용매, 예를 들어, N,N-다이메틸 아세트아마이드, N,N-다이메틸폼아마이드, 및 다이메틸 설폭사이드를 사용하는 것이 가능하다.

입자의 침강을 방지하기 위해 두 분산액을 모두 교반한 다음 합치고 혼합한다.

또한, 평균 크기가 10 내지 100㎛인 흑연 입자를 혼합 분산액으로 혼합한다. 전형적으로, 이러한 흑연 입자의 일부는 중량이 카본 블랙의 중량보다 5 내지 20배 더 크다.

혼합물에서 2개 부분의 흑연을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌으며, 제1 부분은 제2 부분보다 입자 크기가 더 작다. 이미 언급된 바와 같이, 제1 부분은 유리하게 제1 분산액에 혼합된다. 흑연 입자의 제2 부분은 혼합된 2가지 분산액과 유리하게 혼합된다. 예를 들어, 제2 부분의 흑연 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위이다. 이 제2 부분은 제1 부분 및 카본 블랙의 양과 비교하여 상대적으로 크다. 전형적으로, 제2 부분은 중량이 제1 부분의 중량과 카본 블랙의 중량의 합보다 5 내지 20배 더 크다.

이러한 다량의 흑연은 추가 교반을 어렵게 만들며, 이는 혼련기에서 적절한 배합이 수행되는 이유이다.

혼련기에서 혼련하는 동안, 온도는 혼합물에서 유기 용매와 물을 증발시키기에 충분히 높은 고온 수준으로 상승된다. 또한, PTFE의 유리 전이 온도보다 높지만 PTFE의 융점 미만의 수준으로 온도를 높임으로써, 혼련은 PTFE의 섬유화(fibridization)를 야기하며, 이는 최종 분리판의 강도에 유리하다.

유리한 공정에서, 혼련기에서의 혼련 동안 고온 수준은 PTFE 및 제2 열가소성 중합체의 용융 온도 미만이다. 혼련기에서 혼합물의 온도를 제2 열가소성 중합체의 용융 온도 초과로 증가시키는 것이 가능하지만, 혼련기로부터 혼합물을 추출한 후 제2 열가소성 중합체를 용융시키는 것이 더 유리한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 추출 후에만, 혼합물의 온도는 성형 스테이션에서 두께가 X1인 슬래브로 시트를 성형하기 전에 제2 열가소성 중합체를 용융시키기에 충분히 높은 수준으로 상승된다.

예를 들어, 혼련기와 압연 스테이션 사이에 컨베이어가 제공되며, 여기서 제2 열가소성 중합체의 용융을 위한 복합물의 가열이 수행되어 혼합물이 성형 스테이션, 예를 들어, 캘린더 압연 스테이션에서 시트로 형성될 때 제2 열가소성 중합체가 용융된 상태가 되도록 한다.

예를 들어, 성형 스테이션 후에, 시트는 혼련기와 성형 스테이션을 포함하는 인라인 공정에서 열간 압축 성형을 위한 올바른 치수를 갖는 슬래브로 절단된다. 선택적으로, 복수의 슬래브는 다층 분리판을 생산하기 위해 다층 슬래브에 적층된다.

매우 얇은 전구체 시트의 경우, 압연 스테이션에서 여러 압연 단계가 제공된다. 실험에서, 6개의 압연 단계가 있는 압연 스테이션을 이용하여 두께 X1이 0.05㎜인 시트의 성공적인 생산을 달성하였다. 이와 같이 수행된 실험에서, 탄소 입자는 평균 크기가 20㎛이므로, 시트의 0.05㎜ 두께 X1은 이와 같은 입자를 포함하는 시트에 대한 이론상 하한선에 있다.

성공적인 다층 분리판에 대한 실험에서, 두께 1이 0.1㎜인 얇은 전구체 시트 6개를 절단하여 최종 두께 X2가 0.3㎜인 분리기 시트, 특히 BPP로의 열간 압축 성형에 사용되는 0.6㎜ 두께의 슬래브로 적층하였다.

두께 X1이 0.05 내지 0.1㎜인 이와 같은 얇은 전구체 시트는 탄소 입자와 중합체 입자의 분말 혼합물을 압착하여 생산될 수 없음에 주목한다. 박판을 성공적으로 생산하기 위한 요인 중 하나는 혼련 과정 동안 PTFE의 섬유화이며, 이는 혼련이 생산의 중요한 단계인 이유이다.

대안적으로, 시트는 두께가 X1인 준-무한 시트로서 제공되며, 이는 냉각되어 고화된 다음 열간 압축 성형 이전에, 예를 들어, 절단에 의해 최종 성형이 될 때까지 보관하기 위해 롤 상에 롤링된다. 선택적으로, 보관 후 준-무한 시트는 다층 분리판을 생산하기 위해 다층 슬래브로 적층되는 슬래브로 절단된다.

캘린더 압연은 탄소 섬유를 적어도 부분적으로 표면에 평행한 방향으로 정렬하는 데 유리한 것으로 입증되었다.

또한, 슬래브를 상이한 방향으로 캘린더 압연하면 섬유가 상이한 방향으로 정렬되는 경향이 있음이 밝혀졌다. 이는 마지막 캘린더 압연 단계뿐만 아니라 이전 단계도 섬유의 방향을 결정한다는 점에서 놀라운 일이다. 후속 캘린더 압연 단계는 가장 바깥쪽 탄소 섬유를 대부분 정렬하는 경향이 있어서, 이전 캘린더링 단계의 탄소 섬유 방향은 시트의 벌크 내부에서 유지된다고 여겨진다. 따라서, 한 방향으로 캘린더링한 후의 전구체 슬래브를 상이한 방향, 예를 들어, 가로 방향으로 캘린더 압연할 때, 또한 이 캘린더링 방향에서도 강도의 증가가 관찰된다.

예를 들어, 무한 시트는 먼저 무한 시트와 평행한 방향으로 캘린더링된 다음 슬래브로 절단된 후, 상이한 방향, 예를 들어, 가로 방향으로 추가로 캘린더링된다.

후속 열간 압축 성형은 슬래브를 연료 전지용 전기 전도성의 강성 분리판, 예를 들어, BPP로 변형시킨다.

적층을 통한 생산은 다층 슬래브의 자체 조직화된 라미네이트 구조를 생성하며, 이는 전구체를 초박형 분리기 양극판으로 전구체의 열간 압축 성형에 특히 적합하게 만든다. 생성된 다층 양극판이 우수한 기계적 및 전기적 특징을 가진다는 것이 실험적으로 확인되었다.

예를 들어, 분리판은 면적 비저항이 0.3㎜의 두께 단위당 최대 2 mΩ·㎠이다.

선택적으로, 분리판은 굴곡 강도가 0.3㎜의 두께 단위당 180㎫ 초과이다.

열간 압축 성형은, 예를 들어, 분리판의 적어도 한 면에서, 전형적으로 특히 분리판이 BPP인 경우에는 양면에서 재료에 가해지는 유체의 흐름을 위한 유동장 구조로, 분리판의 형상을 변형한다.

이와 같은 분리판, 예를 들어, BPP는 120℃ 초과에서 작동하는 고온 중합체 전해질 막 연료 전지(HT-PEM)에 유용하며, 이는 HT-PEM 연료 전지를, 100℃ 미만, 예를 들어, 70℃의 온도에서 작동하는 저온 PEM 연료 전지와 구별한다. HT-PEM 연료 전지의 정상 작동 온도는 120 내지 200℃의 범위, 예를 들어, 160 내지 170℃의 범위이다. 이와 같은 HT-PEM 연료 전지는, 예를 들어, 자동차 산업을 위한 소형 연료 전지 시스템에 유리하다.

양태

다음에서는, 또한 목적을 달성하는 다양한 상호 관련된 양태가 기재된다.

양태 1. 연료 전지용 전기 전도성 강성 분리판으로 열간 압축 성형하기 위한 성형 가능한 가단성 전구체 시트로서, 전구체 시트는 적층된 상태의 복수의 층이 있는 다층 구조로 또는 단일 층으로 형성되고, 다층 구조의 복수의 층에서 단일 층 또는 각각의 층은 두께 X를 가지고 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 열가소성 중합체 배합물은 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X1보다 큰, 전구체 시트.

양태 2. 양태 1에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X1의 적어도 2배인, 전구체 시트.

양태 3. 임의의 선행하는 양태에 있어서, 상기 두께 X1은 0.05 내지 1㎜의 범위인, 전구체 시트.

양태 4. 임의의 선행하는 양태에 있어서, 상기 탄소 섬유의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 20 중량%의 범위인, 전구체 시트.

양태 5. 선행하는 양태 중 어느 하나에 있어서, 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 상기 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 중량 농도는 5 내지 30 중량%인, 전구체 시트.

양태 6. 선행하는 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열가소성 중합체 배합물 중 전기-전도성 탄소 입자는 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분의 탄소 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위인 흑연 입자이며, 제2 부분의 탄소 입자는 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고, 제1 부분의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 50 내지 90 중량%의 범위이며, 전기전도성 탄소 입자의 제1 및 제2 부분 사이의 중량비는 5 내지 20의 범위인, 전구체 시트.

양태 7. 선행하는 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 열가소성 중합체는 PPS인, 전구체 시트.

양태 8. 선행하는 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 시트는 다층 구조이고, 복수의 층이 동일한, 전구체 시트.

양태 9. 선행하는 양태 중 어느 하나에 있어서, 상기 시트는 다층 구조이고 복수의 층 각각은 두께 X1이 0.05 내지 0.3㎜의 범위이고, 복수의 층의 수는 2 내지 10, 예를 들어, 4 내지 8의 범위인, 전구체 시트.

양태 10. 임의의 선행하는 양태에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이가 0.1 내지 1㎜의 범위인, 전구체 조성물.

양태 11. 임의의 선행하는 양태에 따른 전구체 시트의 제조 방법으로서, 상기 방법은,

- PTFE 입자, 탄소 섬유, 및 흑연 입자의 제1 부분을 포함하는 수성 분산액을 제공하는 단계로서; 제1 부분의 흑연 입자는 평균 입자 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고; 여기서 탄소 섬유는 평균 길이 L을 갖는, 상기 제공하는 단계;

- 유기 용매에 분산된 PTFE와는 상이한 제2 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 입자 및 카본 블랙 입자를 포함하는 용매 분산액을 제공하는 단계;

- 입자의 침강을 방지하기 위해 두 분산액을 모두 교반하는 단계;

- 두 분산액을 합치고 혼합하는 단계;

- 흑연 입자의 제2 부분을 2가지 분산액과 혼합하는 단계로서, 제2 부분의 흑연 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위이고; 제2 부분은 중량이 제1 부분의 중량과 카본 블랙의 중량의 합보다 5 내지 20배 더 큰, 상기 혼합하는 단계단계;

- 혼련기에서 혼합물을 혼련하는 단계;

- 혼련기에서 혼련하는 동안, 혼합물에서 유기 용매와 물을 증발시키기에 충분히 높은 고온 수준으로 온도를 상승시키는 단계로서, 고온 수준은 PTFE의 유리 전이 온도보다 높은, 상기 상승시키는 단계,

- 유기 용매 및 물의 증발 후 및 제2 열가소성 중합체가 용융 상태에 있는 동안, 성형 스테이션에서 혼합물을 시트로 성형하는 단계

를 포함하는, 방법.

양태 12. 양태 11에 있어서, 상기 방법은 성형 스테이션에서 시트를 탄소 섬유의 평균 길이 L보다 작은 두께 X1로 성형하는 단계를 포함하는, 방법.

양태 13. 양태 12에 있어서, 열간 압축 성형을 위해 준비된 전구체 시트를 준비하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 준비하는 것은 용융된 시트를 슬래브로 절단하고 분리판으로 압축 성형하기 위한 다층 전구체를 제공하기 위해 용융 상태로 두께 X1의 이와 같은 슬래브를 여러 개 차례로 적층하는 것을 포함하는, 방법.

양태 14. 양태 12 또는 13에 있어서, 상기 성형 스테이션은 캘린더 압연 스테이션이고 성형은 캘린더 압연 스테이션에 의해 시트를 프레스-압연하는 것을 포함하되; 상기 방법은 시트를 고화시키기 위한 프레스-압연 후 시트를 냉각시키는 단계 및 시트 두께가 X1인 준-무한 슬래브로서 시트를 제공하는 단계 및 고화된 상태의 압연된 준-무한 슬래브로서 보관하기 위해 그리고 이후의 절단 및 열간 압축 성형을 위해 냉각 후 롤 상에 준-무한 슬래브를 롤링하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.

양태 15. 양태 11 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 상기 혼련기에서의 혼련 동안 고온 수준은 PTFE 및 제2 열가소성 중합체의 용융 온도 미만이고; 상기 방법은 혼련기로부터 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 혼합물의 온도를 성형 스테이션에서 두께가 X1인 슬래브로 시트를 성형하기 전에 제2 열가소성 중합체를 용융시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 방법.

16. 양태 15에 있어서, 상기 수성 분산액을 제공하는 단계는 수성 분산액에 계면활성제를 첨가하는 것을 포함하고, 계면활성제는 비등 온도가 물의 비등 온도보다 높고 유기 용매의 비등 온도보다 높으며; 상기 방법은 혼합물이 계면활성제를 함유하지만 용매나 물은 함유하지 않는 동안 혼련기로부터 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 혼합물의 온도를 성형 스테이션에서 두께가 X1인 슬래브로 시트를 성형하기 전에 계면활성제를 증발시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 방법.

양태 17. 양태 11 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 상기 혼합물 중 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체의 중량 농도는 5 내지 30 중량%의 범위이며, 중량 백분율은 탄소 섬유 및 탄소 입자, PTFE, 및 열가소성 중합체의 총 중량에 대한 것인, 방법.

양태 18. 연료 전지용 강성의 프레스-성형된 분리판으로서, 상기 분리판은

적층된 상태의 복수의 층이 있는 다층 구조로 또는 단일 층으로 형성되며, 단일 층 또는 다층 구조의 복수의 층에서 각각의 층은 두께 X2를 가지고 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 열가소성 중합체 배합물은 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X2보다 큰, 분리판.

양태 19. 양태 18에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X2의 적어도 2배인, 분리판.

양태 20. 양태 19에 있어서, 상기 분리기는 적층된 상태의 복수의 층을 포함하는 다층 구조로서 제공되고, 복수의 층의 각각의 층은 두께 X2가 0.05 내지 0.2㎜의 범위인, 분리판.

양태 21. 양태 20에 있어서, 상기 분리판은 면적 비저항이 0.3㎜의 두께 단위당 최대 2 mΩ·cm2인, 분리판.

양태 22. 양태 20 또는 21에 있어서, 상기 분리판은 굴곡 강도가 0.3㎜의 두께 단위당 180㎫ 초과인, 분리판.

양태 23. 양태 18 내지 22 중 어느 하나에 있어서, 상기 분리판은 분리판의 적어도 한 면의 재료에 가해지는 유체의 흐름을 위한 유동장 구조를 갖는, 분리판.

양태 24. 양태 23에 있어서, 상기 분리판은 양극판의 양면에 유체 흐름 구조를 갖는 양극판인, 분리판.

양태 25. 양태 18 내지 24 중 어느 하나에 따른 분리판 또는 양태 1 내지 10 중 어느 하나에 따른 전구체 시트로부터 열간-프레스-성형된 플레이트로서 제공되는 분리판을 포함하는 연료 전지.

양태 26. 연료 전지용 전기 전도성 강성 분리판으로 열간 압축 성형하기 위한 성형 가능한 가단성 전구체 시트로서, 전구체 시트는 단일 층으로 형성되며, 단일 층은 두께 X1이 0.05 내지 1㎜의 범위이고 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 열가소성 중합체 배합물은 폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE, 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 탄소 섬유는 평균 길이 L이 0.1 내지 1㎜의 범위인, 전구체 시트.

양태 27. 양태 26에 있어서, 선택적으로 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X1의 적어도 2배인, 전구체 시트.

양태 28. 양태 26 또는 27에 있어서, 상기 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)인, 전구체 시트.

양태 29. 양태 26 내지 28 중 어느 하나에 있어서, 상기 탄소 섬유의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 20 중량% 범위인, 전구체 시트.

양태 30. 양태 26 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 상기 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 중량 농도는 5 내지 30 중량%인, 전구체 시트.

양태 31. 양태 26 내지 30 중 어느 하나에 있어서, 상기 열가소성 중합체 배합물 중 전기전도성 탄소 입자는 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분의 탄소 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위인 흑연 입자이며, 제2 부분의 탄소 입자는 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고, 제1 부분의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 50 내지 90 중량%의 범위이며, 전기전도성 탄소 입자의 제1 및 제2 부분 사이의 중량비는 5 내지 20의 범위인, 전구체 시트.

양태 32. 하기에 의한 분리판의 제조 방법:

- 열가소성 중합체, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자를 분산액에 혼합하는 단계로서, 탄소 섬유는 평균 길이가 0.1 내지 1㎜의 범위인 L인, 상기 혼합하는 단계;

- 성형 스테이션에서 캘린더 압연에 의해 혼합물로부터 두께 X1의 성형 가능한 가단성 단일 층 전구체 시트를 성형하는 단계;

- 전구체를 두께가 0.05 내지 0.6㎜, 예를 들어, 0.05 내지 0.3㎜의 범위인 X2인 단일 층 분리판으로 열간 압축 성형하는 단계로서, X2는 탄소 섬유의 평균 길이 L 미만인, 상기 열간 압축 성형하는 단계.

양태 33. 양태 32에 있어서, 상기 방법은 평균 길이 L이 층의 두께 X2의 적어도 2배인 탄소 섬유를 제공하는 단계를 포함하는, 방법.

양태 34. 양태 32 또는 33에 있어서, 상기 열가소성 중합체는 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체를 포함하는 배합물인, 방법.

양태 35. 양태 34에 있어서, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체는 폴리페닐렌 설파이드(PPS)인, 방법.

양태 36. 양태 32 내지 양태 35 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은

- PTFE 입자, 탄소 섬유를 포함하는 수성 분산액을 제공하는 단계로서; 탄소 섬유는 평균 길이 L을 갖는, 상기 수성 분산액을 제공하는 단계단계;

- 유기 용매에 분산된 PTFE와는 상이한 제2 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 입자 및 카본 블랙 입자를 포함하는 용매 분산액을 제공하는 단계;

- 입자의 침강을 방지하기 위해 두 분산액을 모두 교반하는 단계;

- 두 분산액을 합치고 혼합하는 단계;

- 흑연 입자의 일부를 2가지 분산액과 혼합하는 단계로서, 일부의 흑연 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위이고; 일부는 중량이 카본 블랙의 중량보다 5 내지 20배 더 큰, 상기 2가지 분산액과 혼합하는 단계;

- 혼련기에서 혼합물을 혼련하는 단계;

- 혼련기에서 혼련하는 동안, 혼합물에서 유기 용매와 물을 증발시키기에 충분히 높은 고온 수준으로 온도를 상승시키는 단계로서, 고온 수준은 PTFE의 유리 전이 온도보다 높은, 상기 상승시키는 단계,

- 유기 용매 및 물의 증발 후 및 제2 열가소성 중합체가 용융 상태에 있는 동안, 성형 스테이션에서 혼합물을 전구체 시트로 성형하는 단계

를 포함하는, 방법.

양태 37. 양태 36에 있어서, 상기 흑연 입자의 일부는 흑연 입자의 제2 부분이고, 상기 방법은 PTFE 및 탄소 섬유에 추가적으로 흑연 입자의 제1 부분을 함유하는 수성 분산액을 제공하는 단계를 포함하며; 제1 부분의 흑연 입자는 평균 입자 크기가 0.1 내지 10㎛ 의 범위인, 방법.

양태 38. 양태 32 내지 37 중 어느 하나에 있어서, 상기 혼련기에서의 혼련 동안 고온 수준은 PTFE 및 제2 열가소성 중합체의 용융 온도 미만이고; 상기 방법은 혼련기로부터 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 혼합물의 온도를 성형 스테이션에서 두께가 X1인 전구체 시트로 시트를 성형하기 전에 제2 열가소성 중합체를 용융시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 방법.

양태 39. 양태 38에 있어서, 상기 수성 분산액을 제공하는 단계는 수성 분산액에 계면활성제를 첨가하는 것을 포함하고, 계면활성제는 비등 온도가 물의 비등 온도보다 높고 유기 용매의 비등 온도보다 높으며; 상기 방법은 혼합물이 계면활성제를 함유하지만 용매나 물은 함유하지 않는 동안 혼련기로부터 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 혼합물의 온도를 성형 스테이션에서 두께가 X1인 슬래브로 시트를 성형하기 전에 계면활성제를 증발시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 방법.

양태 40. 양태 32 내지 양태 39 중 어느 하나에 있어서, 상기 혼합물 중 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체의 중량 농도는 5 내지 30 중량%의 범위이며, 탄소 섬유의 중량 농도는 2 내지 20 중량%이고, 중량 백분율은 탄소 섬유 및 탄소 입자, PTFE, 및 열가소성 중합체의 총 중량에 대한 것인, 방법.

양태 41. 양태 32 내지 양태 40 중 어느 하나에 있어서, 상기 방법은 탄소 섬유를 상이한 방향으로 정렬하기 위해 적어도 2개의 상이한 방향으로 전구체 시트를 캘린더 압연하는 단계를 포함하는, 방법.

양태 42. 연료 전지용 강성의 압연 및 프레스-성형된 분리판으로서, 분리판은 단일 층 전구체 시트로부터 단일 층으로 형성되며, 단일 층은 두께 X2가 0.05 내지 0.6㎜, 예를 들어, 0.05 내지 0.3㎜의 범위이고, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 열가소성 중합체 배합물은 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 탄소 섬유는 평균 길이 L이 0.1 내지 1㎜의 범위이고 층의 두께 X2보다 큰, 분리판.

양태 43. 양태 42에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 층의 두께 X2의 적어도 2배인, 분리판.

양태 44. 양태 42 또는 43에 있어서, 상기 탄소 섬유의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 20 중량%의 범위이고, PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 30 중량%인, 분리판.

양태 45. 양태 42, 43 또는 44에 있어서, 상기 열가소성 중합체 배합물 중 전기전도성 탄소 입자는 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 제1 부분의 탄소 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위인 흑연 입자이며, 제2 부분의 탄소 입자는 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고, 제1 부분의 중량 농도는 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 50 내지 90 중량%의 범위이며, 전기전도성 탄소 입자의 제1 및 제2 부분 사이의 중량비는 5 내지 20의 범위인, 분리판.

본 발명은 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명되며, 여기서:
도 1은 흑연-기반 배합물을 제조하고, 배합물을 슬래브로 예비성형한 다음, 이로부터 양극판을 성형하는 연속 공정의 개략도;
도 2는 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE-기반 BPP의 두께에 따른 (a) 굴곡 강도 및 (b) 면적 비저항을 나타내는 도면;
도 3은 슬래브 단면의 현미경 사진;
도 4는 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE-기반 BPP의 두께에 따른 파단 시 분포 하중을 나타내는 도면(타원 기호는 단일 층 BPP를 나타내고, 십자 기호는 다층 BPP를 나타냄);
도 5는 a) 단지 하나의 크기의 입자, 및 b) 상이한 크기의 입자를 갖는 상이한 크기의 전기전도성 탄소 입자를 포함하는 복합재를 통한 전류의 흐름에 대한 단순화된 예시를 나타내는 도면;
도 6은 압연 스테이션에서 시트 성형을 예시하는 도면.

본 명세서에 기재된 제조 방법에서, 몇 가지 부분 공정, 즉, 원료 분말 재료를 혼합한 다음, 명시된 밀도의 얇은 슬래브와 같은 미리 형성된 모양으로 혼련 및 캘린더링하고, 이와 같은 슬래브를 추가 압축 성형하여 연료 전지용 분리판, 선택적으로 전극판, 단부판, 또는 BPP를 제공하는 것이 조합된다. 다음에서 이 방법은 BPP에 대해 설명될 것이지만, 이 방법은 연료 전지 또는 연료 전지 스택의 이와 같은 다양한 플레이트에 동일하게 잘 적용된다. 따라서 다음에 기재된 바와 같은 모든 부분적 방법 공정은 이와 같은 다른 유형의 분리판에 대해서도 이해되어야 하지만, 가장 큰 이점은 이 방법으로 BPP에 대하여 달성되는 것으로 여겨진다.

도 1은 흑연, 탄소 섬유(CF), 및 카본 블랙(CB)을 기반으로 하여 BPP를 생산하기 위한 제작 및 중합체 PPS 및 PTFE와 중합체 매트릭스에서의 결합을 예시하는 도식을 나타낸다.

고온 PEM 연료 전지용 BPP 제작에 다른 열가소성 중합체도 또한 이용될 수 있다는 점을 여기에서 언급해야 한다. 후보로는 특히 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE), 플루오린화 에틸렌 프로필렌(FEP), 퍼플루오로알콕시 알칸(PFA), 폴리아마이드이미드(PAI), 폴리클로로트리플루오로에틸렌(PCTFE), 폴리에터 에터 케톤(PEEK), 폴리에터케톤(PEK), 폴리에터이미드(PEI), 폴리에터설폰(PES), 폴리페닐설폰(PPSU), 폴리설폰(PSU), 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)가 있으며, 또한 [참조문헌 25]를 참조한다.

PTFE는, 예를 들어, 10 내지 80 중량%의 범위, 선택적으로 물 중 50 내지 70 중량% PTFE의 범위의 상대 농도로 수성 분산액으로, 예를 들어, 60 중량%의 수성 분산액으로 제공된다. 이와 같은 후자의 분산액은, 예를 들어, Merck® 사로부터 상업적으로 입수가능하다. 구입한 분산액은 선택적으로 탈이온수와 혼합하여 적합한 농도로 추가 희석될 수 있다. 추가적으로, 계면활성제가 첨가될 수 있다.

도 1에 예시된 바와 같이, PTFE, CF 및 흑연뿐만 아니라 계면활성제와 같은 기타 잠재적 성분이 제1 용기(1)에 제공된다. 계면활성제의 함량은 전체 액체 조성물에서 10 부피%를 초과하지 않지만, 전형적으로 0.2 내지 2 부피%의 범위 내에 있다. 여기에서 공급업체의 PTFE 분산액은 전형적으로 중합체 입자의 결집을 회피하기 위해 이미 소량의 계면활성제를 함유한다는 점에 유의해야 한다[참조문헌 26].

계면활성제의 비제한적인 예는 Dow Chemi-cals®의 Tergitol™ 15-S 시리즈, Union Carbide Corporation®의 Triton® X 시리즈 또는 Croda International®의 Tween® 시리즈이다. 예를 들어, Triton X 시리즈의 Triton X-100™에는 친수성 폴리에틸렌 옥사이드 사슬과 방향족 탄화수소 친유성 또는 소수성 기가 있다. 탄화수소 기는 4-페닐 기이다. 화학식은 C₁₄H₂₂O(C₂H₄O)_n이며, 여기서 n은 9 내지 10이다.

예를 들어, 제1 용기(1)에서 고체상과 액체상 사이의 유용한 질량비는 1:4 내지 1:6의 범위, 예컨대, 약 1:5이다. 한편, 공정에서 에너지 및 자원 소비를 최소화하기 위해 공정에서 적은 양의 물이 요구되는 반면, 공정은 적절한 분산을 유지하기 위해 충분한 양의 액체가 필요하다.

선택적으로 CF는 0.1 내지 1㎜ 범위의 평균 길이, 예를 들어, 0.2 내지 0.4㎜ 범위의 길이, 예컨대, 대략 0.3㎜의 길이로 제공된다. 여기에 제공된 길이는 평균 길이이다. 예를 들어, 평균 길이와 관련된 통계적 분포는 FWHM이 약 ±20% 이하이다. 하기에서 보다 명백해지는 바와 같이, CF의 평균 길이는 층 두께 X1과 관련하여 선택된다.

유리하게는, 소량의 흑연(SFG)이 첨가된다. 용어 "소량"은 최종 제품의 총 건조 중량에 대해, 즉, 액체가 없는 경우, 2 내지 10 중량%의 상대적인 비율 범위를 지칭한다. 선택적으로, SFG 흑연 입자는 0.1 내지 10㎛ 범위, 예를 들어, 0.5 내지 2㎛ 범위의 평균 입자 크기로 제공된다. 실험에서, SFG의 흑연 입자의 평균 크기는 1㎛였다.

이미 언급한 바와 같이, 흑연 및 카본 블랙을 포함하여 탄소 입자 및 중합체 입자에 대해 본 명세서에 제공된 크기는 평균 크기이며, 이는 이러한 특정 그룹 또는 유형의 입자 수뿐만 아니라, 입자의 3차원에 걸친 평균을 의미한다. 전형적으로, 입자의 경우, 치수상으로 평균화된 크기와 관련된 통계적 분포는 FWHM이 약 ±20% 이하이다.

이러한 제1 용기(1)에서, 모든 성분이 집중적으로 교반된다.

PTFE, CF, 및 흑연(SFG) 간의 중량 비율의 예는 (0.05 내지 0.5):(0.05 내지 15):(0.05 내지 15)의 범위이다. 실험에서, 비율은 0.25 : 10 : 5였다.

동시에, 제2 분말 혼합물이 제2 용기(2)에 제공된다. 이러한 제2 분말 혼합물은 PPS 분말을 함유하며, 선택적으로 평균 입자 크기가 10 내지 100㎛의 범위, 예를 들어, 20 내지 30㎛의 범위, 예컨대, 대략 25㎛이다.

또한, 이러한 제2 용기(2)에서, 선택적으로 평균 크기가 10 내지 100 ㎚의 범위, 예를 들어, 30 내지 50 ㎚의 범위, 예컨대, 대략 40 ㎚인 CB 입자가 제공된다.

제2 용기(2) 내의 입자는 점성 슬러리를 제공하기 위해 N-메틸-2-피롤리돈(NMP)과 혼합된다. NMP는 극성 특성과 낮은 표면 장력으로 인해 우수한 습윤 특징을 가지므로[참조문헌 27], 제1 용기(1)의 수성 매질에 소수성 PPS 및 CB 입자를 분산하기 전에 이들 입자의 습윤을 달성하기 위해 용기(2)에 NMP가 제공된다. NMP는 203℃에서 약 10 중량%의 PPS를 용해시킬 수 있다고 지적된다[참고문헌 28]. 더 낮은 온도에서, NMP는 아마도 중합체 입자의 매우 얇은 표면 근처 층만 용해시킬 것이다[참조문헌 29]. 모든 온도에서 물과 혼화성이어서[참조문헌 30], NMP는 물 분자에 대한 "다리" 역할을 하여, 물 분자를 소수성 입자의 표면으로 직접 전달한다.

이러한 목적을 위해 NMP에 대한 대체물로서 일부 다른 용매, 예를 들어, N,N-다이메틸 아세트아마이드, N,N-다이메틸폼아마이드, 및 다이메틸 설폭사이드가 사용될 수 있다. 이들 용매를 계면활성제와 함께 사용하면 PPS의 장기간 안정적인 분산액의 생성이 가능하지만, 이 공정은 220 내지 320℃ 범위의 온도에서 발생하며[참조문헌 31], 이는 최적이 아니다.

탄소 입자의 한 부분은 제1 용기(1)에, 탄소 입자의 다른 부분은 제2 용기(2)에 분포하는 액체의 후속 증발을 위한 불필요한 에너지 소비를 회피하기 위해 전체 액체 양이 최소화되어야 한다는 고려 사항에 기반한다. 원칙적으로, 모든 입자는 NMP와 함께 제2 용기(2)에 첨가될 수 있지만, 이 경우 용기(2) 중 고형 함량은 입자 농도가 효율적인 혼합을 위한 허용 가능한 수준이 되기 위해 불필요하게 많은 양의 NMP를 필요로 할 것이다. 또한, 생산 방법은 사용되는 유기 용매의 양을 최소화하는 것을 고려하여, 특히 용매를 재활용할 때 환경 친화적인 방법에 추가된다. CB 및 PPS를 제2 용기(2)에 분산시키는 선택은 이러한 탄소 입자가 NMP보다 물에 젖기 더 어렵다는 사실에 기인한다. 반면에, SFG 및 CF는 그렇게 소수성이 아니며, 이는 이들이 제1 용기(1)의 수성 분산액에 첨가되기에 더 적합한 이유이다.

본 발명의 경우, 주 충전제, 즉, 흑연이 첨가될 때까지 분산액의 지속적인 교반으로 인해 제2 용기(2)에서 미세한 PPS 입자의 침강 및 응집이 회피된다. 상당한 농도로 이러한 흑연을 첨가한 후, 시스템의 점도가 너무 높아져서, 심지어 장기간 교반을 중단하더라도 침강이 거의 불가능하게 된다. 교반이 더 이상 가능하지 않으므로, 다음에 보다 상세하게 기재된 바와 같이, 다음 단계에 혼련기가 사용된다.

중합체 및 탄소 입자의 균일한 분포를 위해, 제1 용기(1) 및 제2 용기(2)에서 이들 2가지 분산액을 별도로 제조한 후, 도 1에 예시한 바와 같이, 예를 들어, 제3 용기(3)에서 이들 분산액을 혼합한다. 전형적으로, 제3 용기(3)에서 이들 분산액을 혼합한 후 물 중 NMP 함량은 용기(3) 중 전체 혼합물 부피에 대해 25 부피%를 초과하지 않는다. 예를 들어, 제3 용기(3)에서 혼합물 중 NMP의 농도는 10 내지 25 부피%의 범위이다.

혼합 공정 단계가 완료되면, SFG/CF/CB/PPS/PTFE 현탁액은 제4 용기(4)의 일정 양의 흑연과 함께 제3 용기(3)에서 혼련기(5)로 이송된다. 제4 용기(4)의 일정 양의 흑연은 상대적으로 많고 최종 혼합물에서 상대적으로 많은 부분을 차지하므로, "흑연의 주요 부분"(MFG)으로 불린다. MFG:SFG 사이의 비율은 적어도 2, 예를 들어, 적어도 3, 그러나 전형적으로 적어도 5, 그리고 전형적으로 최대 20이며, 예를 들어, 5 내지 20의 범위이다. 실험에서, MFG:SFG 비율 13이 사용되었다.

예를 들어, 혼련기(5)에서 혼합물의 건조 질량에 대한 중량 백분율로 MFG의 상대 함량은 40 내지 80 중량%의 범위이다. 실험에서, MFG의 농도는 건조 질량의 66.25 중량%였다.

선택적으로, 이러한 MFG용 흑연은 평균 입자 크기가 10 내지 100㎛의 범위, 예를 들어, 10 내지 30㎛의 범위이다. 실험에서, MFG의 흑연 입자의 평균 크기는 20㎛였다. MFG의 입자 크기는 SFG보다 열배 더 크다는 것에 주목한다.

MFG는 복합재의 주요 탄소 성분이다. 도 5는 상이한 입자 크기의 이점을 단순화된 방식으로 예시한다. 도 5a에서, 단지 하나의 크기의 탄소 입자만 제공되는 반면, 도 5b에서는 더 작은 입자가 더 큰 입자 사이의 전기-전도성 다리로 작용하여 최종 복합재의 전체 저항을 감소시키는 것을 분명히 볼 수 있다. 이러한 복합 매트릭스를 구축할 때, 상용 제품에 대한 현실적이고 경쟁력 있는 생산 비용과 관련한 고려 사항도 또한 적용되며, 이는 상대적으로 비싼 나노 크기의 흑연의 양이 농도에 따라 제공하는 이점과 균형을 이루어야 하는 이유이다. CB의 첨가는 높은 전기 전도성과 경쟁력 있는 생산 비용을 얻기 위한 절충안을 기반으로 한다.

MFG의 첨가에 의해, 혼련기(5) 내부 혼합물 중 고형분 함량이 증가하여, 고형분 함량이 30 내지 70 중량%의 범위, 예를 들어, 40 내지 60 중량%의 범위, 예컨대, 대략 50 중량%에 도달한다. 용기(1, 2, 3 및 4)에서의 혼합 절차는 제1 온도 수준(T1), 전형적으로 실언에서, 예를 들어, 20 내지 25℃의 범위에서 수행되며, 이는 분말 재료의 균일한 분포에 충분하다.

이는, [참조문헌 32]에 기재된 공정과 비교하여 이점인데, 상기 공정에서는 탄소 입자를 결합시키는 데 사용되는 중합체가 적절한 용매에 완전히 용해되어야 하며, 이는 200℃ 초과의 온도가 필요하기 때문에 PPS와 같은 고급 엔지니어링 플라스틱에 대해서 용이하지 않다. 더군다나 PPS의 50 중량% 초과의 용해도를 얻으려면 온도가 300℃보다 높아야 한다[참조문헌 28]. 또한, 이에 적합한 용매는 전형적으로 끓는점이 높아 성형 전에 복합물에서 이를 추가로 제거하는 것이 문제가 된다.

혼련기(5)에서 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE 혼합물의 혼련은 제1 온도 수준(T1), 예를 들어, 실온에서 시작하여, 증발에 의해 혼합물에서 액체를 제거하기 위해 사용되는 액체의 끓는점 이상의 고온으로 혼합물을 가열하는 동안 계속된다. 증발 동안 혼련은 기포 형성을 방지하거나 적어도 기포 형성에 대한 위험을 최소화한다.

혼련 공정은 전형적으로 10 내지 30분이 소요되지만, 온도 상승 속도와 액체의 증발 속도에 따라 다르다.

예를 들어, 20 내지 25℃ 범위의 제1 온도 수준(T1)으로부터, 혼합물을 가열하여 제1 온도 수준(T1)에서 제2 온도 수준(T2)까지 점차적으로 온도를 증가시키며, 여기서 T2는 증발에 의해 물을 제거하기 위한 물의 끓는점이다.

혼합물 중 잔류 물로 인한 기포 형성 없이 혼련 단계가 계속되는 것을 확실하게 하기 위해, 물의 끓는점보다 훨씬 높은 제3 온도 수준(T3)으로 혼합물을 가열한다. 예를 들어, 제3 온도 수준(T3)은 102 내지 120℃의 범위이다.

실험에서, 혼련은 물의 끓는점보다 훨씬 높은 116℃인 제3 온도 수준(T3)에서 계속되었으므로, 혼합물에서 모든 물이 제거되는 것을 확실히 한다.

PTFE가 유리 전이 온도에서 상 변화를 겪는다는 사실이 제기되었으며, 상기 유리 전이 온도는 본 발명의 경우 중합체가 강성의 비정질 상태에 있고[참조문헌 33] 나노입자로부터 섬유화 경향이 증가하는 116℃인 것으로 결정되었다. 이 때문에, 복합물은 혼련을 위해 더 부드럽고 가단성이 되며, 즉, 섬유화는 궁극적으로 혼합물의 성분 사이의 응집력을 향상시킨다는 점에서 유용하다.

증발에 의해 물을 제거한 후, 증발에 의해 용매를 제거하기 위해 온도를 제4 온도 수준(T4)까지 추가로 증가시킨다. NMP가 용매로 사용된 본 명세서에 기재된 실험 사례에서 제4 온도(T4)는 증발에 의해 NMP를 제거하기 위해, NMP의 끓는점에서 204℃로 조정되었다[참조문헌 30].

선택적으로, 재활용 목적을 위해, 모든 증발된 물질은 추가 용기(6)에서 다시 액상으로 응축되어 순수한 용매로 분리될 수 있다. 유용한 분리 방법은 증류 및/또는 막 분리를 포함한다[참조문헌 34, 35]. 물과 NMP는 각각 다른 용기(7 및 8)에 수집되어 제조 공정으로 되돌아가게 된다. 거기에 용해된 잠재적인 소량의 잔류 계면활성제는 이를 방해하지 않는다는 것이 지적된다.

연질 복합물은 혼련 후에 혼련기(5)로부터 반죽과 같은 가단성 물질로서 추출된다. 이는 가열된 컨베이어(9)로 압출된다.

혼련된 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE 복합물에서 더 높은 끓는점을 가진 액체, 예를 들어, 비이온성 계면활성제를 제거하기 위해[참조문헌 26], 혼합물의 온도는 계면활성제의 증발을 유발하는 제5 온도 수준(T5)으로 훨씬 더 상승된다. 예를 들어, 제5 온도 수준(T5)은 271 내지 292의 범위인 PPS의 융점보다 낮다. 실험에서, 혼합물은 사용된 계면활성제를 제거했지만 PPS를 용융시키지 않은 제5 온도 수준(T5)인 270℃까지 가열되었다.

이 온도 상승은 혼합물이 혼련기 내부에 있는 동안 수행될 수 있다. 그러나, 비교적 낮은 함량의 중합체를 갖는 복합물의 원활한 압출을 위해, 복합물이 여전히 약간의 증발되지 않은 계면활성제를 함유하는 경우 유리한 것으로 밝혀졌다. 따라서, 압출 후 계면활성제가 더 이상 필요하지 않기 때문에, 혼련기에서 압출 후 계면활성제의 증발을 위해 온도를 T5 수준으로 증가시킨다. 예를 들어, 계면활성제 Triton® X-100의 끓는점은 270℃이다[참조문헌36]). 이 온도 상승은 컨베이어에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 컨베이어에 있는 동안 혼합물의 온도는, 실험에서 수행된 바와 같이 PPS를 용융시키고 점도를 낮추기 위해 본 실험에서는 347℃의 수준인 제2 열가소성 중합체의 용융 수준보다 높은 제6 온도 수준(T6)까지 훨씬 더 증가된다. 그러나, 최종 온도는 선택한 성형 매개변수에 따라 다르다.

컨베이어(9)는, 보통 0.05 내지 10㎜ 범위의 명시된 두께를 갖는 시트로 구조물을 캘린더 프레스하기 위해 필요에 따라 조정되는 캘린더 롤러 사이의 간격이 있는 적어도 하나의 압연 스테이션(10)을 통해 반죽과 같은 구조를 전달한다. 이 공정은 도 6에 더 자세히 예시되어 있다. 그러나 추후 논의에서 명백한 바와 같이, 1㎜ 미만의 두께는 재료 및 중량을 절약하고 우수한 성능을 위해 BPP에 유리하다. 예를 들어, 두께는 0.05 내지 1㎜ 범위의 값으로 조정된다.

여기서, 두께 범위의 하한으로 필름을 생산하려면 전형적으로 하나 초과의 압연 스테이션이 필요하다는 점에 유의해야 한다. 가단성 구조로부터 필름을 형성한 후, 절단 도구(11)는 그것을 슬래브로 절단한다.

수행된 일부 실험에서, 0.1 및 0.6㎜ 두께가 비교에 사용되었으며, 여기서 0.1㎜ 두께의 슬래브가 6개의 슬래브 전구체의 스택에 사용되었고 0.6㎜ 슬래브가 단일 층 전구체 및 BPP에 사용되었다. 압축 성형 후 생성된 BPP는 두께가 0.3㎜로, 이는 전구체 두께의 절반이며, 압축에 의한 두께 감소로 인한 것이다. 이와 관련하여, 다음이 지적된다. 슬래브는 실험에 사용된 바와 같이 명시된 밀도가 보통 0.5 내지 1.5 g/㎤의 범위, 예컨대, 대략 1 g/㎤이다. 그러나, 압축 성형된 BPP는 밀도가 2 g/㎤보다 약간 더 높다. 따라서, 전구체 슬래브는 더 두껍게 제공되어야 하며, 일부 경우에 최대 약 2배 더 두껍다. 그러나, 압축 성형 동안 유동장의 형성이 두께 감소를 어느 정도 보상할 수 있다는 점도 또한 지적된다.

슬라브의 실험 치수는 두께를 제외하고 400 × 100㎜이지만 이 방법으로 모든 치수의 슬라브를 생산할 수 있다.

마지막으로, 예열된 흑연-기반 슬래브는 압축 성형에 의해 열간 프레스 기계(12)에서 BPP로 성형된다. 압축 성형은 사용된 다중 열가소성 중합체의 융점 사이의 온도에서 유리하게 수행된다. 예를 들어, PPS-PTFE의 경우, 성형 온도는 유리하게는 PPS의 융점(271 내지 292℃)과 PTFE의 융점(320 내지 347℃) 사이의 범위이다. 선택적으로, 온도는 300 내지 320℃의 범위이다.

대안적으로, 온도는 PTFE의 융점보다 약간 더 높다. 그러나, 약 475℃인 PPS의 분해온도 미만이어야 한다[참조문헌 37].

성형 온도는 일반적으로 중합체의 분자량과 용융 온도 및 열처리 동안의 거동에 따라 다르다[참조문헌 38 내지 40].

모든 중합체가 용융되지 않은 이와 같은 온도 범위는 슬래브가 금형에 달라붙는 것을 회피하는 데 도움이 된다. 또한 PTFE는 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE 복합물에 대한 점착 방지 성분의 역할을 할 수 있다.

성형하는 동안, 적용되는 압력은 전형적으로 25 내지 225㎫의 범위, 예를 들어, 75 내지 175㎫의 범위이다. 실험에서는, 125㎫의 압력이 사용되었다.

가공 시간은 금형 내 BPP의 냉각 속도로 정의된다. 금형의 온도가 PPS의 유리 전이 온도 미만, 즉, 93℃ 미만일 때 압력의 해제가 발생한다[참조문헌 38].

여기에서 BPP는 단일 슬래브를 이용하여 단일 층 BPP를 생성하거나 여러 슬래브를 적층 상태로, 예를 들어, 차례로 4 내지 8개의 슬래브를 사용하여 제작될 수 있음을 언급해야 한다. 실험에서는, 6개의 슬래브를 사용하여 다층 슬래브를 얻고 이를 다층 BPP로 압착했다.

이와 같은 방식으로 생성된 복합물의 각각의 성분은 특정 목적을 가진다. MFG는 PPS에 대한 주요 충전재인 반면, 다른 첨가제는 특히 CF의 영향을 받는 기계적 특성과, 특히 SFG 및 CB의 영향을 받는 전기적 특성과, 특히 PTFE에 의해 달성되는 가단성의 반죽과 같은 구조에서 미세 분말 재료를 결합하는 능력을 모두 개선시킨다.

최종 혼합물에서 이러한 모든 성분 간의 백분율 비율은 일부 제약 조건 내에서 달라질 수 있다. 예를 들어, 모든 백분율은 중량 기준이며:

- MFG의 함량은 25 내지 90 중량%, 예를 들어, 50 내지 90 중량%의 범위이다. 실험에서는 70%보다 약간 적게 사용되었다.

- PPS의 최소량은 5 중량%이며 전형적으로 30% 미만일 것이다. 실험에서는, 20 중량%가 사용되었다.

- 최종 복합물 중 첨가제인, SFG, CF, CB, PTFE의 총 함량은 전형적으로 45 중량% 미만이다.

- CF의 함량은 2 내지 20 중량%의 범위이지만, 유리하게는 3 내지 15 중량%, 예컨대, 5 내지 15 중량%의 범위이다.

- 성분의 범위의 예는 25내지 90 중량%의 MFG, 5 내지 30 중량%의 PPS, 2 내지 20 중량%의 CF, 0.05 내지 15 중량%의 SFG, 0.05 내지 10 중량%의 CB, 0.05 내지 5 중량%의 PTFE, 예를 들어, 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이다.

모든 중량 백분율은 입자 및 섬유가 있는 중합체 배합물에 대해, 따라서 액체의 제거 후에 대해 제공된다.

실험적으로 최적의 전기-기계적 특성은 액체 없이 MFG(66.25 중량%), PPS(17.50 중량%), CF(10.00 중량%), SFG(5.00 중량%), CB(1.00 중량%), PTFE(0.25 중량%)로 개별 성분의 양을 함유하는 최종 복합물에 의해 입증되었다.

성분 간의 비율이 이와 같은 비율을 갖는 화합물에서 생산된 BPP의 두께에 대한 굴곡 강도 및 면적 비저항의 의존성은 도 2에 나타나 있다.

상기 제공된 도면에서 볼 수 있듯이, 이들 2개의 종속성은 선형이 아니다. BPP 두께의 감소는 도 2b에서 볼 수 있는 바와 같이, 면적 비저항의 감소로 이어지고, 도 2a에서 볼 수 있는 바와 같이, 굴곡 강도의 현저한 증가로 이어진다. 특히, 두께에 따른 굴곡 강도가 두께 감소 동안 증가하고 BPP의 두께가 1㎜ 미만인 경우에는 준-선형에서 벗어나며, 특히 BPP의 두께가 0.5㎜ 미만인 경우에는 현저하게 벗어난다. 얇은 두께에 대한 굴곡 강도의 증가는 표면 근처 층에서 CF의 평면 배향으로 인한 것으로 여겨진다. 이 표면 근처 층은 슬래브가 압연될 때 형성되고 CF의 거의 수직 배향이 유지되는 표면 근처 층 아래의 나머지 부피와 비교하여 개선된 기계적 특성을 갖는 것으로 여겨진다. 이 설명은 자체-조직화된 라미네이트 구조가 발생함을 의미하며, 이는 현미경 단층 촬영 조사에 의해 실험적으로 검증되었고, 그 이미지는 도 3에 재현되어 있으며 슬래브에 CF의 배향이 상이한 2개의 주요 영역이 슬래브에 존재함을 나타낸다. 이는 다음에서 설명하는 바와 같이 큰 이점으로 이용될 수 있는 중요한 발견임을 강조한다.

초박형 슬래브 및 이를 기반으로 하는 BPP의 경우, CF의 수직 방향 및 기계적으로 약한 방향을 위한 공간이 충분하지 않은 것으로 보이며, 이는 CF가 슬래브와 평행하게 적어도 부분적으로 배향되어야 하는 이유이며, 도 2a에 반영된 바와 같이 얇은 두께로 갈수록 굴곡 강도의 기하급수적인 증가가 있는 우수한 기계적 구조를 야기한다. 여기서 PPS의 굴곡 강도는 125 내지 135㎫의 범위이다는 점에 유의해야 하며[참조문헌 41], 이는 이와 같은 거동이 사용된 탄소 재료, 주로 CF의 이방성 특성과 관련된 것으로 보이는 이유이다. 유사한 것이 [참조문헌 42]에 나타나 있으며, 또한 수학적 모델과도 좋은 상관관계가 있다[참조문헌 43].

PEM 연료 전지 스택에 사용하기에 허용 가능한 BPP의 실용적인 최소 두께를 정의하기 위해, 가스 확산층 공급업체 중 하나가 권장하는 1㎫의 압력을 견뎌야 한다는 기준이 사용된다[참조문헌 44]. 따라서 다양한 BPP 두께에 대해 도 4에 예시된 바와 같이 분포 하중 측면에서도 또한 강도를 고려해야 한다. 도 4는 1㎫ 기준을 충족하기 위해 단층, 즉, 1개 슬래브 기반 BPP의 최소 두께가 0.38㎜임을 보여준다.

그러나 다층 BPP의 경우, 이 기준에 필요한 최소 두께는 현저히 낮으며, 즉, 단지 0.29㎜이다. 이러한 더 작은 필요한 최소 두께는 다층 BPP 제작에 사용되는 더 얇은 슬래브의 더 높은 상대 강도를 반영한다. 필요한 최소 두께에 대한 이러한 0.29㎜의 값은 도 2의 왼쪽 실선 곡선으로 표현된 시뮬레이션과 일치한다. 그러나 곡선은 다중 슬래브의 두께가 작은 한, 유효하고 올바른 최소 두께를 재현하는 거승로 보인다. 더 큰 두께의 경우, 도 4의 이론적인 시뮬레이션 곡선은 다층 BPP에 대해 얻은 실험 데이터와 상당한 편차를 명확하게 보여준다. 이는 성형 공정 동안 평면 배향에서 거의 수직 배향으로 CF의 재배향 효과로 설명될 수 있다. 이는 BPP의 두께가 재료에 사용되는 CF의 길이를 초과할 때 가능하다. 이 길이는 본 발명의 실험 사례에서 300㎛였다. 즉, 층의 두께가 매립된 탄소 섬유의 평균 길이보다 작으면, 강도의 증가가 달성된다.

그러나, 그 효과는 밀리미터 이하 두께의 층에서 특히 두드러진다고 지적되며, 이는 다층이 BPP와 같은 더 두꺼운 슬래브 및 상응하는 더 두꺼운 분리판에 이점이 있는 이유이다. 다층 스택의 각각의 층이 압연된 층을 다층 슬래브로 적층하기 전에 별도의 슬래브로 압연된 경우, 결과로 초래된 표면 근처 층에서 CF의 재배열에 의한 강도 증가는 이에 상응하에 크게 증가된다.

본 명세서에 기재된 방법에 의해 생산된 본 발명자들의 실험적인 총 두께 0.3㎜의 6층 BPP는 현재 특허 출원서를 작성하는 당시 세계에서 가장 얇은 흑연-기반 BPP일 뿐만 아니라 가장 강하였다는 점에 주목할 만하다.

표 1은 테스트를 위해 상업적 공급업체로부터 얻은 PPS 결합제와 흑연-기반 복합물로 제작된 BPP 및 문헌 출처에서 해당 테스트 데이터를 얻은 BPP[참조문헌 15, 19, 45 내지 48]와 비교하여 본 명세서에 개괄된 방법에 의해 실험적으로 생성된 6층 MFG/SFG/CF/CB/PPS/PTFE-기반 BPP(표에서 "BWT"라 명명함)에 대한 두께, 굴곡 강도, 면적 비저항 및 면내(in-plane) 전기 전도도에 대한 수집된 데이터를 보여준다.

초박형 BWT BPP를 위해 DOE의 2020년 목표[참조문헌 8]에 의해 요구되는 것보다 더 나은 결과를 얻었다는 점을 지적하는 것은 관련이 있다. 추가적으로, 전체 스택의 부피가 감소되어 더 높은 수준의 전력 밀도를 제공하는 BPP에 추가적으로, 다른 흑연-기반 BPP와 비교하여 수많은 이점, 즉, 더 높은 강도 및 전기 전도성이 얻어졌다.

WO 제2018/072803호[참조문헌 53]의 방법과 비교하여 본 개시내용의 탄소 분말을 중합체와 혼합한 다음 탄소-중합체 분말로 분쇄함을 지적해야 한다. 탄소 섬유가 이와 같은 탄소 혼합물의 일부인 경우, 분쇄 공정은 많은 탄소 섬유를 파괴하여 상기에서 논의된 바와 같은 유익한 결과를 얻지 못할 것이다.

이러한 제조 공정에 의해 달성된 특성의 중요한 점은 하기 제공된 목록에 제시되어 있다.

1. [참조문헌 22]에서 적용된 방법과 달리, 올-인-원 제조 공정, 즉, 재료 배합, 슬래브 압연, 및 BPP 성형이 원료 성분의 활용도가 높은 하나의 제조 라인에서 연속적으로 일어난다.

2. 물과 유기용매를 포함하는 상이한 용매의 조합을 사용하면, 심지어 실온에서도 다양한 분말 재료의 분배 및 배합이 용이하여, [참조문헌 17, 30]에서와 같이 고온이 필요한 공정에 비해 유리하다.

3. 다른 선행 기술, 특히 [참조문헌 20]과 비교하여 현탁액의 고형분 함량이 높아서, 증발 및 건조가 훨씬 더 빠르게 일어난다.

4. 다른 선행 기술, 특히 [참조문헌 22]와 비교하여 훨씬 더 적은 양의 PTFE, 즉, 0.25 대 2 중량%를 첨가하여 슬래브에 대한 반죽과 같은 구조가 얻어지며, 즉, BPP의 전기적 특성에 대한 중합체의 부정적인 영향이 감소된다.

5. 슬래브의 부드러움으로 인해 다양한 두께 범위 내에서 압연되고 이후 성형이 가능하고, 하한은 0.05㎜에 이르며, 이는 복합물에서 가장 큰 성분의 치수로 설정된 이론값, 즉, 20㎛(MFG) + 25㎛(PPS)에 매우 가깝다.

6. 슬래브 제조 공정은 선행 기술, 특히 [참조문헌 52]와 비교하여 유익한 향사된 기계적 특성을 갖는 자체-조직화된 라미네이트 구조의 형성을 야기하며, 상기 선행 기술에서 유사한 구조는 코어 플레이트 상의 추가적인 코팅에 의해서만 달성 가능하다.

7. 강도 기준을 고려할 때, 다층 설계를 적용하면 굴곡 강도를 40%까지 증가시킬 수 있으며, 결과적으로 PEM 연료 전지 스택에서 조립이 허용되는 BPP에 대해 필요한 최소 두께를 25%까지 줄일 수 있다.

8. 실험적으로 생산된 0.3㎜ 두께의 다층 BPP는 상대적으로 적은 폴리머 함량에서 극히 높은 수준의 굴곡 강도, 즉, 18 중량% 미만의 PPS에서 186㎫을 나타낸다.

9. 얇은 디자인과 결합된 적은 양의 중합체 결합제는 연료 전지의 전체 저항에 대한 BPP 저항의 미미한 기여로 이어진다.

참조문헌

Claims (26)

1. 연료 전지용 전기 전도성 강성 분리판으로 열간 압축 성형하기 위한 성형 가능한 가단성 전구체 시트로서,
   상기 전구체 시트는 적층된 상태의 복수의 층이 있는 다층 구조로 또는 단일 층으로 형성되고, 상기 단일 층 또는 상기 다층 구조의 복수의 층에서 각각의 층은 두께 X1을 가지고 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 상기 열가소성 중합체 배합물은 폴리테트라플루오로에틸렌, PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 상기 탄소 섬유는 평균 길이가 상기 층의 두께 X1보다 큰, 전구체 시트.
2. 제1항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 상기 층의 두께 X1의 적어도 2배인, 전구체 시트.
3. 제2항에 있어서, 상기 전구체 시트는 두께 X1이 0.05 내지 1㎜의 범위인 단일 층으로 형성되는, 전구체 시트.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전구체 시트는 다층 구조로 형성되고, 두께 X1은 0.05 내지 0.5㎜, 선택적으로 0.05 내지 0.3㎜의 범위인, 전구체 시트.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 중량 농도는 5 내지 30 중량%인, 전구체 시트.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 중합체 배합물 중 전기전도성 탄소 입자는 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분의 탄소 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위인 흑연 입자이며, 상기 제2 부분의 탄소 입자는 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고, 상기 제1 부분의 중량 농도는 상기 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 50 내지 90 중량%의 범위이며, 상기 전기전도성 탄소 입자의 제1 및 제2 부분 사이의 중량비는 5 내지 20의 범위인, 전구체 시트.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 중합체는 PPS인, 전구체 시트.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이가 0.1 내지 1㎜의 범위인, 전구체 조성물.
9. 하기에 의한 분리판의 제조 방법:
   - 열가소성 중합체, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자를 분산액에 혼합하는 단계로서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이가 0.1 내지 1㎜의 범위인 L인, 상기 혼합하는 단계;
   - 성형 스테이션에서 캘린더 압연에 의해 혼합물로부터 두께 X1의 성형 가능한 가단성 전구체 시트를 성형하는 단계;
   - 전구체를 두께가 0.05 내지 0.6㎜, 예를 들어, 0.05 내지 0.3㎜의 범위인 X2인 단일 층 분리판으로 열간 압축 성형하는 단계; 또는 시트를 슬래브로 절단하고 용융 상태로 두께 X1의 이와 같은 슬래브를 여러 개 차례로 스택으로 적층한 다음 스택을 열간 압축 성형하는 단계로서, 성형 후 복수의 층의 각각의 층은 두께 X2가 0.05 내지 0.2㎜이되;
   X2는 탄소 섬유의 평균 길이 L 미만인, 상기 열간 압축 성형하는 단계.
10. 제9항에 있어서, 상기 방법은 평균 길이 L이 상기 층의 두께 X2의 적어도 2배인 탄소 섬유를 제공하는 단계를 포함하는, 분리판의 제조 방법.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 열가소성 중합체는 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체를 포함하는 배합물인, 분리판의 제조 방법.
12. 제11항에 있어서, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체는 폴리페닐 설파이드(PPS)인, 분리판의 제조 방법.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은,
    - PTFE 입자, 탄소 섬유를 포함하는 수성 분산액을 제공하는 단계;
    - 유기 용매에 분산된 PTFE와는 상이한 제2 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 입자 및 카본 블랙 입자를 포함하는 용매 분산액을 제공하는 단계;
    - 입자의 침강을 방지하기 위해 두 분산액을 모두 교반하는 단계;
    - 두 분산액을 합치고 혼합하는 단계;
    - 흑연 입자의 일부를 2가지 분산액과 혼합하는 단계로서, 일부의 흑연 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위이고; 일부는 중량이 카본 블랙의 중량보다 5 내지 20배 더 큰, 상기 분산액과 혼합하는 단계;
    - 혼련기에서 혼합물을 혼련하는 단계;
    - 상기 혼련기에서 혼련하는 동안, 상기 혼합물에서 유기 용매와 물을 증발시키기에 충분히 높은 고온 수준으로 온도를 상승시키는 단계로서, 상기 고온 수준은 PTFE의 유리 전이 온도보다 높은, 상기 온도를 상승시키는 단계,
    - 상기 유기 용매 및 물의 증발 후 및 상기 제2 열가소성 중합체가 용융 상태에 있는 동안, 성형 스테이션에서 상기 혼합물을 전구체 시트로 성형하는 단계
    를 포함하는, 분리판의 제조 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 흑연 입자의 일부는 흑연 입자의 제2 부분이고, 상기 방법은 상기 PTFE 및 탄소 섬유에 추가적으로 흑연 입자의 제1 부분을 함유하는 수성 분산액을 제공하는 단계를 포함하며; 상기 제1 부분의 흑연 입자는 평균 입자 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위인, 분리판의 제조 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 혼련기에서의 혼련 동안 상기 고온 수준은 상기 PTFE 및 상기 제2 열가소성 중합체의 용융 온도 미만이고; 상기 방법은 상기 혼련기로부터 상기 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 상기 혼합물의 온도를 상기 성형 스테이션에서 두께가 X1인 전구체 시트로 시트를 성형하기 전에 상기 제2 열가소성 중합체를 용융시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 분리판의 제조 방법.
16. 제15항에 있어서, 상기 수성 분산액을 제공하는 단계는 상기 수성 분산액에 계면활성제를 첨가하는 것을 포함하고, 상기 계면활성제는 비등 온도가 물의 비등 온도보다 높고 유기 용매의 비등 온도보다 높으며; 상기 방법은 상기 혼합물이 계면활성제를 함유하지만 용매나 물은 함유하지 않는 동안 상기혼련기로부터 상기 혼합물을 추출하는 단계, 및 그 다음 상기 혼합물의 온도를 상기 성형 스테이션에서 두께가 X1인 슬래브로 시트를 성형하기 전에 상기 계면활성제를 증발시키기에 충분히 높은 수준으로 상승시키는 단계를 포함하는, 분리판의 제조 방법.
17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합물 중 PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체의 중량 농도는 5 내지 30 중량%의 범위이며, 상기 탄소 섬유의 중량 농도는 2 내지 20 중량%이고, 중량 백분율은 상기 탄소 섬유 및 탄소 입자, PTFE, 및 열가소성 중합체의 총 중량에 대한 것인, 분리판의 제조 방법.
18. 제9항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방법은 상기 탄소 섬유를 상이한 방향으로 정렬하기 위해 적어도 2개의 상이한 방향으로 상기 전구체 시트를 캘린더 압연하는 단계를 포함하는, 분리판의 제조 방법.
19. 연료 전지용 강성의 압연 및 프레스-성형된 분리판으로서,
    상기 분리판은 적층된 상태의 복수의 층이 있는 다층 구조로 또는 단일 층 전구체 시트로부터 단일 층으로 형성되며, 상기 단일 층 또는 상기 다층 구조의 복수의 층에서 각각의 층은 두께 X2가 0.05 내지 0.6㎜, 예를 들어, 0.05 내지 0.3㎜의 범위이고, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자가 분산된 열가소성 중합체 배합물을 포함하는 중합체 매트릭스로서 제공되며; 상기 열가소성 중합체 배합물은 PTFE 및 PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS를 포함하고; 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 0.1 내지 1㎜의 범위이고 상기 층의 두께 X2보다 큰, 분리판.
20. 제19항에 있어서, 상기 탄소 섬유는 평균 길이 L이 상기 층의 두께 X2의 적어도 2배인, 분리판.
21. 제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 탄소 섬유의 중량 농도는 상기 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 20 중량%의 범위이고, PTFE의 중량 농도는 적어도 0.05 중량%이지만 0.5 중량% 미만의 PTFE이고, PTFE와는 상이한 열가소성 중합체, 예를 들어, PPS의 중량 농도는 상기 중합체 배합물, 탄소 섬유, 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 5 내지 30 중량%인, 분리판.
22. 제19항, 제20항 및 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열가소성 중합체 배합물 중 전기전도성 탄소 입자는 적어도 제1 및 제2 부분을 포함하고, 상기 제1 부분의 탄소 입자는 평균 크기가 10 내지 100㎛의 범위인 흑연 입자이며, 상기 제2 부분의 탄소 입자는 크기가 0.1 내지 10㎛의 범위이고, 상기 제1 부분의 중량 농도는 상기 중합체 배합물, 탄소 섬유 및 전기전도성 탄소 입자의 총 중량에 대해 50 내지 90 중량%의 범위이며, 상기 전기전도성 탄소 입자의 제1 및 제2 부분 사이의 중량비는 5 내지 20의 범위인, 분리판.
23. 제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분리판은 적층된 상태의 복수의 층을 포함하는 다층 구조로서 제공되고, 상기 복수의 층의 각각의 층은 두께 X2가 0.05 내지 0.2㎜의 범위인, 분리판.
24. 제23항에 있어서, 상기 분리판은 면역 비저항이 0.3㎜의 두께 단위당 최대 2 mΩ·㎠인, 분리판.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서, 상기 분리판은 굴곡 강도가 0.3㎜의 두께 단위당 180㎫ 초과인, 분리판.
26. 제19항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 분리판 또는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 전구체 시트로부터 열간-프레스-성형된 플레이트로서 제공되는 분리판을 포함하는 연료 전지.

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