(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた形態であり、前記カーボン繊維が数ｍ以上の長さを有する連続的な繊維である長繊維強化複合材料を半硬化状態でロールに巻いて用意する第１段階と、
前記原材料を分離板の長さと形状に形成する第２段階と、
前記分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層する第３段階と、
前記原材料が多数層に積層されたものを高温ホットプレスで加熱、加圧する第
４段階と、
前記加熱、加圧した分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階と、
前記第５段階まで処理された分離板を後硬化処理する第６段階と、
を含み、
前記第２段階において、原材料をカッターが装着されたカッティングローラーに通過させることで、原材料が分離板の長さに切られると同時に、原材料に共用分配器穴と組立孔が形成されることを特徴とする燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項２】
カーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた形態であり、前記カーボン繊維が数ｍ以上の長さを有する連続的な繊維である長繊維強化複合材料を半硬化状態でロールに巻いて用意する第１段階と、
前記原材料を分離板の長さと形状に形成する第２段階と、
前記分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層する第３段階と、
前記原材料が多数層に積層されたものを高温ホットローラーで加圧成形、加熱、一部硬化する第４段階と、
前記加熱、加圧成形された分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階と、
前記第５段階まで処理された分離板を後硬化させる第６段階と、
を含み、
前記第２段階において、原材料をカッターが装着されたカッティングローラーに通過させることで、原材料が分離板の長さに切られると同時に、原材料に共用分配器穴と組立孔が形成されることを特徴とする燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項３】
前記高分子結合剤には電気伝導性向上ために伝導性パウダーを更に混合することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項４】
前記伝導性パウダーはカーボンブラックであることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項５】
前記第３段階において、分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層、圧縮ローラーで加熱、加圧する際、前記複数個の原材料を０度、９０度、０度のジグザグに配列して積層し、加熱、加圧により互いに接着させることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項６】
前記第４段階において、高温ホットプレスの上型及び下型に形成した正角および負角の流路パターンにより原材料に水素、空気、冷却水の流路が形成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項７】
前記分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階は、前記加熱、加圧された分離板がその形状を維持できる程度の硬化度を有するように、最小限の時間内で行われることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項８】
前記第６段階はオートクレーブに４００枚以上の分離板を一度に配置した後、所定の温度及び時間で後硬化処理して、完全に硬化した製品とすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項９】
前記第４段階において、前記高温ホットローラーの表面に形成した正角及び負角の流路パターンにより原材料に水素、空気、冷却水流路が形成されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用分離板の製造方法。
【請求項１０】
請求項１または２の方法により製造された燃料電池用分離板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用分離板及びその製造方法に係り、より詳しくは、長繊維強化複合材料（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ−Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）を利用した分離板と、それを大量生産するための製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素（Ｈ２）と酸素（Ｏ２）を反応させて電気エネルギーを生成する装置であり、水素イオン（Ｈ＋）が伝達される電解質膜を間に置き、水素（Ｈ２）が供給される燃料極（アノード）と空気が供給される空気極（カソード）が配置され、この燃料極及び空気極の外側にはガス拡散層（ＧＤＬ）が配置された構造の膜・電極接合体（ＭＥＡ）を含む。
【０００３】
更に、前記ガス拡散層の外側には燃料を供給し、反応により発生した水を排出するように流路が形成された分離板が積層構成され、膜・電極接合体と分離板が順に積層されたものを燃料電池スタックと言う。
一方の電極（燃料極もしくは水素極）には燃料である水素もしくは水素を多量に含有する混合ガスを供給し、もう一方の電極（空気極）には酸素もしくは酸素を含有する空気を供給する時に発生する電気化学反応を利用して電気エネルギーを得る。
【０００４】
図４に示す通り、燃料電池スタックには、分離板３０の両端部に各々水素、空気、冷却水を供給及び排出するマニホールド３２が貫通形成されており、各マニホールド３２の間にはその長さ方向に沿って水素、空気、冷却水の流路３４が独立した微細チャンネル構造で形成される。
このような燃料電池用分離板に対しては、電気伝導度が良いもの、化学的抵抗性が大きいもの、機械的構造の強性及び強度を有するもの、熱質量が小さいもの（低温始動関連）などが要求される。
【０００５】
従来の分離板中、黒鉛分離板は薄い黒鉛板をフライス加工して成形するため、製作時間および費用がかかり、衝撃により破損する可能性があるという大きな問題がある。
更に、膨張カーボン分離板の場合、流体が流れるチャンネルの微細な成形が難しく、電気伝導度が黒鉛に比べて落ちるという短所がある。
更に、黒鉛パウダーに高分子結合剤を混合した複合材料の分離板の場合、流体が流れるのためのチャンネルの微細な成形が難しく、電気伝導度が黒鉛に比べて落ちるという短所がある。
【０００６】
このような点を勘案して、本発明の発明者は、１０〜２００μｍ粒子サイズの黒鉛７５〜８５重量％、フェノール樹脂１３．５〜２２．５重量％、硬化剤１．５〜２．５重量％からなる複合材料を混合する段階と、金型に装着する段階と、分離板に成形する段階と、１００〜１２０℃で熱処理する段階で行われる分離板及びその製造方法について出願しているが（大韓民国特願第２００７-００６０１８９号）、機械的強度、電気伝導度特性が劣り、金型に粉末材料を圧縮して入れる工程が複雑であり、成形性が悪く、熱処理工程に長時間を要するため量産性がないという問題があった。
【０００７】
また、カーボン、グラファイト粉末、高分子結合剤を利用した固体高分子型燃料電池用セパレータ及びその製造方法が、特開第１９９９−２９７３３８号に開示されているが、金型に粉末材料を入れて圧縮する工程が難しく、成形性が劣り、熱処理工程に長時間を要するため、量産性がないという問題がある。
更に、粒径６０〜１００μｍの導電剤パウダー、結合剤及び揮発性溶剤を利用した燃料電池セパレータの製造方法、燃料電池セパレータ及び固体高分子型燃料電池が特開第２００１−３２５９６７号に開示されているが、粒子の含量が高く、粒子間の接触が多ければ電気特性を向上させることができるが、粒子の含量が多い場合、機械的特性が劣化し、成形性が悪くなるという短所があり、揮発性溶剤を使用する工法には処理時間、作業安全性、環境問題誘発等の問題がある。
【特許文献１】大韓民国特願第２００７-００６０１８９号
【特許文献２】特開第１９９９−２９７３３８号
【特許文献３】特開第２００１−３２５９６７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、カーボン繊維が高分子結合剤に分散された形態の長繊維強化複合材料を利用して、大量生産のために連続工程で製造することができるようにした燃料電池用分離板及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、本発明は、カーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた形態であり、前記カーボン繊維が数ｍ以上の長さを有する連続的な繊維である長繊維強化複合材料を半硬化状態でロールに巻いて用意する第１段階と、
前記原材料を分離板の長さと形状に形成する第２段階と、
前記分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層する第３段階と、
前記原材料が多数層に積層されたものを高温ホットプレスで加熱、加圧する第４段階と、
前記加熱、加圧した分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階と、
前記第５段階まで処理された分離板を後硬化処理する第６段階と、
を含み、
前記第２段階において、原材料をカッターが装着されたカッティングローラーに通過させることで、原材料が分離板の長さに切られると同時に、原材料に共用分配器穴と組立孔が形成されることを特徴とする。    
【００１０】
また、本発明は、カーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた形態であり、前記カーボン繊維が数ｍ以上の長さを有する連続的な繊維である長繊維強化複合材料を半硬化状態でロールに巻いて用意する第１段階と、
前記原材料を分離板の長さと形状に形成する第２段階と、
前記分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層する第３段階と、
前記原材料が多数層に積層されたものを高温ホットローラーで加圧成形、加熱、一部硬化する第４段階と、
前記加熱、加圧成形された分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階と、
前記第５段階まで処理された分離板を後硬化させる第６段階と、
を含み、
前記第２段階において、原材料をカッターが装着されたカッティングローラーに通過させることで、原材料が分離板の長さに切られると同時に、原材料に共用分配器穴と組立孔が形成されることを特徴とする。
【００１２】
前記高分子結合剤には電気伝導性向上ために伝導性パウダーを更に混合し、前記伝導性パウダーはカーボンブラックであることを特徴とする。
【００１４】
前記第３段階において、分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層、圧縮ローラーで加熱、加圧する際、前記複数個の原材料を０度、９０度、０度のジグザグに配列して積層し、加熱、加圧により互いに接着させることを特徴とする。
【００１５】
前記第４段階において、高温ホットプレスの上型及び下型に形成した正角および負角の流路パターンにより原材料に水素、空気、冷却水の流路が形成されることを特徴とする。
【００１６】
前記分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階は、前記加熱、加圧された分離板がその形状を維持できる程度の硬化度を有するように、最小限の時間内で行われることを特徴とする。
【００１７】
前記第６段階はオートクレーブに４００枚以上の分離板を一度に配置した後、所定の温度及び時間で後硬化処理して、完全に硬化した製品とすることを特徴とする。
【００１８】
前記第４段階において、前記高温ホットローラーの表面に形成した正角及び負角の流路パターンにより原材料に水素、空気、冷却水流路が形成されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、カーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた形態であり、前記カーボン繊維が数ｍ以上の長さを有する連続的な繊維である長繊維強化複合材料を半硬化状態でロールに巻いて用意する第１段階と、
前記原材料を分離板の長さと形状に形成する第２段階と、
前記分離板の長さに切られた単数または複数個の原材料を積層する第３段階と、
前記原材料が多数層に積層されたものを高温ホットプレスまたは高温ホットローラーで加圧成形、加熱、一部硬化する第４段階と、
前記加熱、加圧成形された分離板から不必要な部分を切り取り仕上げる第５段階と、
前記第５段階まで処理された分離板を後硬化させる第６段階と、
を含み、
前記第２段階において、原材料をカッターが装着されたカッティングローラーに通過させることで、原材料が分離板の長さに切られると同時に、原材料に共用分配器穴と組立孔が形成される製造法により製造される燃料電池用分離板であることを特徴とする。    
【発明の効果】
【００２０】
本発明に係る燃料電池用分離板及びその製造方法によると、長繊維強化複合材料をホットプレスまたはホットローラーにより処理するため、水素、空気、冷却水用の正角及び負角の流路パターンを有する分離板を容易に製造することができ、従来の異なる材質の分離板に比べて衝撃強度、成形性、耐化学性などが優れ、特に、屈曲強度が非常に優れた分離板が製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る燃料電池用分離板及びその製造方法について説明する。
本発明による燃料電池用分離板は、図３に示す通り、カーボン繊維を高分子結合剤中に分散させた形態の長繊維強化複合材料を利用し、大量生産のために連続工程で製造する点に特徴がある。
長繊維強化複合材料の高分子結合剤には、電気伝導性をより向上させるために、カーボンブラックのような伝導性パウダーを更に混合することが好ましい。
【００２２】
表１には、本発明の分離板製造に使用される長繊維強化複合材料と、既存材料（黒鉛、カーボン粉末複合材料、金属（ステンレス：ＳＵＳ））との物性値を示す。
【表１】
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【００２３】
本発明に適用する長繊維強化複合材料は、通常の装備を利用した実験を通して表１に示す通り確認することができ、下記特徴を有する。
i）金属材料（ＳＵＳ）の１／４程の比重で軽量化に寄与できる。
ii）熱伝導度は黒鉛より小さいものの、板材自体の厚さを大幅に減らすことができるため、分離板全体の厚さを減らし、単位体積当りの反応面積が増えて電力密度を高めることができる。
iii）接触抵抗が小さいため、スタックで電流損失が減り、燃料電池の効率が高くなる可能性がある。
iv）積層角度によって負の熱膨張係数から正の熱膨張係数まで調節が可能であり、寸法安定性が優れている。
v）電気伝導度の絶対値は黒鉛より小さいが、黒鉛より薄く作ることができるため、実際のバルク抵抗は同等値での実現が可能である。
vi）屈曲強度がその他の材料に比べてはるかに優れる。
屈曲強度は、締結荷重による変形発生時、応力による破損を防止するために大きいほど良い。
vii）圧縮強度及び耐腐食性は基準を満足している。
【００２４】
即ち、本発明の分離板の製造に使用される長繊維強化複合材料は、既存材料（黒鉛、金属、カーボン−粉末、チョップドカーボンファイバー（Ｃｈｏｐｐｅｄ−ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ）の複合材料に比べ、機械的強度が優れ、スタック締結力による変形の最小化によりシール特性を向上させることができ、衝撃強度が優れ、黒鉛材料に比べて衝撃に強く、ハンドリングが簡単であり、荷重による破損憂慮がないという優れた物性を有する長所がある。
その他、長繊維強化複合材料は気体の透過も小さく、特に既存の粉末基盤複合材料が金型を利用して分離板に成形されるのとは異なり、大量生産のための連続工程の適用が可能であること、既存の分離板に使用された材料に比べて比熱が小さいため、熱的慣性が小さく低温始動に有利であり、耐化学性が優れコーティングが不必要であるため、製作単価を大きく下げることができること、大量生産のための連続工程で容易に製造することができ
るなどの長所がある。
【実施例１】
【００２５】
本発明の実施例１による分離板は、長繊維強化複合材料をホットプレスで成形する。
図１は本発明の実施例１による燃料電池用分離板の製造方法を説明する工程図である。
先ず、直径約１０μｍ、長さ数ｍ以上のカーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた長繊維強化複合材料の原材料１０をロール１２に巻いて用意する。
原材料１０は半硬化シート形態であるプリプレグ状態、または半硬化状態であるＳＭＳ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）状態で用意される。
【００２６】
次に、原材料１０を、表面にカッター１６が装着された複数個のカッティングローラー１８に通過させることで、原材料が分離板の長さに切断され、同時に共用分配器に穴と組立孔が形成される。
次に、複数個の原材料１０、即ち、分離板の長さに切られた単数の原材料を積層して圧縮ローラー２０を通過させるか、または分離板の長さに切られた複数個の原材料を０度／９０度／０度のジグザグに配列して積層し、圧縮ローラー２０を通過させる。
この時、原材料１０の厚さが０．１ｍｍの場合、製造される分離板の厚さを考慮して３〜５枚ほどをジグザグに配列して積層させる。
【００２７】
更に、積層、圧縮ローラー２０には加熱手段が内装されたものを使用し、原材料１０が積層、圧縮ローラー２０を通過すると、４０〜８０℃の温度で加圧密着される。
原材料が４０℃以下で加圧されると、相互間の接着力が落ち、８０℃以上で加圧されると、原材料が硬化する恐れがあるため、４０〜８０℃の温度で加圧密着することが好ましい。
【００２８】
次に、原材料１０が単数または複数層に積層されたものを高温ホットプレス２２に装着して加圧成形する。
この時、原材料１０に対する高温ホットプレス２２の成形温度は１５０〜５５０℃で管理することが好ましい。その理由は１５０℃以下の場合、成形性が落ち、５５０℃以上の場合、原材料が完全に硬化する恐れがあるためである。
特に、高温ホットプレス２２の上型及び下型には水素、空気、冷却水用の正角及び負角の流路パターン２４が形成されており、高温ホットプレスの加圧成形によって原材料に水素、空気、冷却水などの流路が形成される。
【００２９】
次に、加熱、加圧された原材料１０、即ち、分離板から不必要な部分をトリムカッター２６を利用して切り取る仕上げ処理が行われ、加熱、加圧された原材料１０が形状を維持できる硬化度を持つように、最小限の時間内に行われるようにする。
最後に、後硬化工程、即ち、オートクレーブに４００枚ほどの分離板を一度に配置して約１２５℃で２時間ほど熱処理し、分離板の最終硬化を行なう。
【実施例２】
【００３０】
本発明の実施例２による分離板は、長繊維強化複合材料をホットローリング方式で成形する。
図２は本発明の実施例２による燃料電池用分離板の製造方法を説明する工程図である。
先ず、直径約１０μｍ、長さ数ｍ以上のカーボン繊維を熱硬化性高分子結合剤中に分散させた長繊維強化複合材料の原材料１０をロール１２に巻いて用意する。
原材料１０は半硬化シート形態であるプリプレグ状態、または半硬化状態であるＳＭＳ（Ｓｈｅｅｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）状態で用意される。
【００３１】
次に、原材料１０を、表面にカッター１６が装着された複数個のカッティングローラー１８に通過させることで、原材料が分離板の長さに切断され、同時に共用分配器に穴と組立孔が形成される。
次に、複数個の原材料１０、即ち、分離板の長さに切られた単数の原材料を積層して圧縮ローラー２０を通過させるか、または分離板の長さに切られた複数個の原材料を０度／９０度／０度のジグザグに配列して積層し、圧縮ローラー２０を通過させる。
この時、原材料１０の厚さが０．１ｍｍの場合、製造される分離板の厚さを考慮して３〜５枚ほどをジグザグに配列して積層させる。
【００３２】
更に、積層、圧縮ローラー２０には加熱手段が内装されたものを使用し、原材料１０が積層、圧縮ローラー２０を通過すると、４０〜８０℃の温度で加圧密着される。
原材料が４０℃以下で加圧されると、相互間の接着力が落ち、８０℃以上で加圧されると、原材料が硬化する恐れがあるため、４０〜８０℃の温度で加圧密着することが好ましい。
【００３３】
次に、原材料１０が単数または複数層に積層されたものを高温ホットローラー２８に通過させて加圧成形、加熱、一部硬化を行なう。
この時、原材料１０に対するホットローラー２８の加熱温度は１５０〜５５０℃で管理することが好ましい。その理由は１５０℃以下の場合、成形性が落ち、５５０℃以上の場合、原材料が完全に硬化する恐れがあるためである。
特に、高温ホットローラー２８の表面には水素、空気、冷却水用の正角及び負角の流路パターン２４が形成されており、原材料１０が高温ホットローラー２８を通過しながら加圧成形されることによって、水素、空気、冷却水などの流路が形成される。
【００３４】
次に、加熱、加圧された原材料１０、即ち、分離板から不必要な部分をトリムカッター２６を利用して切り取る仕上げ処理が行われる。
最後に、後硬化工程、即ち、オートクレーブに４００枚ほどの分離板を一度に配置して約１２５℃で２時間ほど熱処理し、分離板の最終硬化を行なう。
このように、既存の粉末基板の複合材料を金型を利用して成形するのとは異なり、長繊維強化複合材料を利用して大量生産のために連続工程であるホットプレスまたはホットロール方式で分離板を容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に実施例１による燃料電池用分離板の製造方法を説明する工程図である。
【図２】本発明に実施例２による燃料電池用分離板の製造方法を説明する工程図である。
【図３】長繊維強化複合材料の構造を説明する概略図である。
【図４】燃料電池分離板の構造を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  長繊維強化複合材料の原材料
１２  ロール
１６  カッター
１８  カッティングローラー
２０  積層、圧縮ローラー
２２  高温ホットプレス
２４  正角及び負角の流路パターン
２６  トリムカッター
２８  ホットローラー
３０  分離板
３２  マニホールド
３４  流路
【図１】
0005368738.tif 000003
【図２】
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【図３】
0005368738.tif 000005
【図４】
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