KR100781628B1 - Fuel cell separator using the graphite composite and preparing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래에 실시하고 있는 연료전지 분리판의 제조 흐름도1 is a manufacturing flowchart of a conventional fuel cell separator.
도 2는 본 발명을 설명하기 위한 흑연 복합재 연료전지 분리판의 제조 흐름도2 is a manufacturing flow chart of the graphite composite fuel cell separator for explaining the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예를 통해 완성된 연료전지 분리판 사시도3 is a perspective view of a fuel cell separation plate completed through one embodiment of the present invention;
도 4은 종래 실시하고 있는 균일 충전의 일실시예의 충전 단면을 보여주는 구성도Figure 4 is a block diagram showing a cross section of the charging of one embodiment of the conventional uniform charging
도 5은 종래 실시하고 있는 균일 충전의 일실시예를 통해 제조된 연료전지 분리판 성형체의 단면을 보여주는 구성도5 is a block diagram showing a cross section of a fuel cell separator formed by manufacturing an embodiment of the conventional uniform charging.
도 6은 본 발명의 가변 충전된 일실시예를 보여주는 단면 구성도Figure 6 is a cross-sectional view showing an embodiment of a variable charge of the present invention
도 7은 본 발명의 가변 충전의 일실시예를 통해 제조된 연료전지 분리판 성형체의 단면을 보여주는 구성도.Figure 7 is a block diagram showing a cross-section of the fuel cell separator formed by manufacturing an embodiment of the variable charge of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
100 : 혼합재 제조과정 200 : 성형과 경화과정 100: mixed material manufacturing process 200: forming and curing process
300 : 연료전지 분리판 301 : 유로 있는 부분300: fuel cell separator 301: part with flow path
302 : 유로 없는 부분302: part without euro
본 발명은 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 또는 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)의 분리판의 제조에 있어 구상 흑연 분말과 열경화성 수지 분말을 건식 혼합하여 흑연 복합재를 제조하고, 이 흑연 복합재를 프레스의 금형에 가변충전하고 상온에서 압축성형한 뒤 그 성형체를 열 경화시켜 제조되는 연료전지 분리판에 관한 것으로, The present invention provides a graphite composite by dry mixing spherical graphite powder and thermosetting resin powder in the manufacture of a separator plate of a polymer electrolyte fuel cell or a direct methanol fuel cell. The present invention relates to a fuel cell separator manufactured by variable charging a graphite composite into a mold of a press, compression molding at room temperature, and thermally curing the molded body.
좀 더 상세하게는, 흑연 복합재 연료전지 분리판과 그의 제조방법에 있어, 상기의 흑연 복합재(graphite composite)는 침상 또는 판상의 천연 흑연 분말을 기계적 가공을 통하여 구형을 띄도록 한 구상 흑연 분말에 페놀수지나 에폭시수지와 같은 열경화성 수지 분말을 혼합 믹서를 사용하여 혼합함으로서 용제가 사용되지 않는 건식 혼합 방법으로 제조하되, 열경화성 수지분말에 있어 페놀 수지로는 경화제를 내포한 분말형 페놀 수지를 사용하고, 에폭시 수지는 수지 분말에 경화제를 일정량 넣어 사용하였고, 상기와 같이 건식으로 제조된 흑연 복합재를 유로가 새겨진 금형에 가변 충전(variable tamping) 하여 실온 하에서 압축 프레스 성형을 통 해 유로를 구비한 연료전지 분리판 성형체를 제조하고, 이를 건조 오븐에 넣어 일정 시간동안 경화시키는 방법을 통하여 높은 전기 전도도와 굴곡강도, 그리고 높은 치수 정밀도를 가지는 연료전지 분리판을 제공 할 수 있도록 하는 흑연 복합재와 그를 이용한 연료전지 분리판의 제조 방법의 제공에 관한 것이다.More specifically, in the graphite composite fuel cell separator and a method of manufacturing the graphite composite, the graphite composite is formed of phenol in a spherical graphite powder obtained by spherical or plate-like natural graphite powder through mechanical processing. The thermosetting resin powders such as resins and epoxy resins are mixed using a mixing mixer to prepare a dry mixing method without using a solvent.In the thermosetting resin powder, a powdered phenol resin containing a curing agent is used as the phenol resin. Epoxy resin was used by putting a certain amount of a curing agent in the resin powder, and the fuel cell having a flow path through compression press molding at room temperature by variable tamping the graphite composite prepared as above into a mold engraved with the flow path. A method of preparing a plate molded body and putting it in a drying oven to cure for a certain time The present invention relates to provide a high electrical conductivity and flexural strength, and a graphite composite material that allows to provide a fuel cell bipolar plate having a high dimensional accuracy and a method of producing a fuel cell bipolar plate using the same.
종래에 실시하고 있는 연료전지 분리판의 제조는 도 1에 도시된 바와 같이, 혼합재의 제조(10)에 있어 열경화성 수지로 페놀수지나 에폭시 수지 외 다수의 열경화성 수지류 중 한 종류와 침상 또는 판상의 천연 흑연 분말 또는 인조흑연 및 팽창흑연, 카본 블랙이나 카본화이바, 카본나노튜브, 다이아몬드 라이트 카본 등을 도전성 필러 재료로서 건식 혼합하고, 열경화성 수지를 용해하는 용제로서 메틸에틸케톤(MEK)이나 이소프로필 알코올 (IPA), 메탄올, 아세톤 등의 용제(11)를 80~120 중량 % 로 과량 첨가하여 도전성 필러를 침적시켜 혼합하고 이 혼합재를 건조하여 용제를 제거(12)하고 조립화 및 재 분쇄 과정을 통하여 연료전지 분리판용 혼합재를 제조한 후 연료전지 분리판을 성형(20)함에 있어 금형을 가열(21)하여 예열한 금형에 충전하고, 열경화성 수지와 경화제에 따르는 온도로 금형을 가열하고 압축하여 성형함과 동시에 경화(22)되어 연료전지 분리판(30)이 제조되는 것이다.As shown in FIG. 1, the conventional fuel cell separator is manufactured in the form of a mixed material as the thermosetting resin (10). One of a plurality of thermosetting resins, such as phenol resins and epoxy resins, and a needle or plate shape Natural graphite powder or artificial graphite and expanded graphite, carbon black or carbon fiber, carbon nanotube, diamond light carbon, etc. dry mixed as a conductive filler material, methyl ethyl ketone (MEK) or isopropyl alcohol as a solvent for dissolving the thermosetting resin (IPA), methanol, acetone, and the like (11) in excess of 80 to 120% by weight of the conductive filler is deposited by mixing, the mixture is dried to remove the solvent (12) through the granulation and regrinding process After preparing the fuel cell separator, the mold is heated (21) and filled into the preheated mold in forming the fuel cell separator (20). And heating the mold to a temperature according to a curing agent, and the compression set (22) at the same time as a molding is produced which is a fuel cell bipolar plate (30).
상술한 바와 같이, 일본 특허 공개번호 제2005-116335호에 기재된 연료전지 분리판용 성형재료와 그 제조방법을 통해 살펴볼 수가 있다. As described above, the molding material for fuel cell separator and the manufacturing method thereof described in Japanese Patent Laid-Open No. 2005-116335 can be examined.
그러나 상기한 바와 같이 종래에 실시하고 있는 연료전지 분리판의 제조는, 혼합재를 합성에 있어 천연 인상 흑연계 또는 인조 흑연 등의 도전성 필러와 열경 화성 수지의 혼합물에 수지를 용해하기 위하여 용제를 사용하는 습식 혼합 방법을 사용함으로 인해 용제의 양이 적으면 열경화성 수지의 점도가 충분히 낮아지지 않아 균일한 분산이 되지 않고 용제의 양이 너무 많으면 조립화를 위한 혼합재의 건조과정에서 침강이 발생하여 균일한 분산이 어렵게 되어 연료전지 분리판의 제조시 전기 전도도 및 굴곡강도를 저하시키는 원인이 된다. 또 용제를 휘발시키는데 있어 휘발 시간이 길어져 생산성이 저하되게 되며, 용제의 비용적인 증가와 이를 회수(13)하여 재사용하기 위한 추가적인 시설비용이 필요하게 되어 제조비용을 상승시키게 된다. As described above, however, the conventional fuel cell separator is manufactured by using a solvent to dissolve the resin in a mixture of a conductive filler such as a natural impression graphite or artificial graphite and a thermosetting resin in synthesizing the mixed material. If the amount of solvent is small due to the wet mixing method, the viscosity of the thermosetting resin is not sufficiently lowered, so that it is not uniformly dispersed. If the amount of the solvent is too large, sedimentation occurs during drying of the mixture for granulation and uniform dispersion. This becomes difficult and causes a decrease in electrical conductivity and flexural strength in the manufacture of the fuel cell separator. In addition, the volatilization time is long in the volatilization of the solvent to lower productivity, and the cost of the solvent and additional facility costs for the recovery and reuse of the solvent are required, thereby increasing the manufacturing cost.
또한, 일본 특허 공개번호 제2004-338269호에 기재된 연료전지 분리판과 그 제조방법의 제조 장치는 흑연분말과 액상상태의 저점도인 열경화성 수지를 혼합하고 상기의 혼합재를 충전한 금형을 금형 가열장치에 끼워 넣어 가열하고 소정의 압력 하에서 압축하여 성형 후 금형을 금형 가열 장치로부터 분리시켜 냉각하여 연료전지 분리판을 성형하는 방법으로 되어 있으나, 이는 금형을 가열하고 냉각하는 과정의 공정 시간이 최소 9분에서 20분 이상으로 길어지는 문제가 있어 생산성이 낮아져 원활한 성형을 위해서는 복수의 금형을 준비하여 하나는 성형기에 하나는 예열기에서 성형 전에 예열을 하여야 함으로 금형에 대한 비용이 증가하며, 금형을 냉각하기 위한 냉각수 시스템이 필요하게 되어 성형기가 복잡하게 되는 등의 문제가 있다. In addition, the fuel cell separation plate described in Japanese Patent Laid-Open No. 2004-338269 and a manufacturing apparatus of the method for manufacturing the same include a mold heating apparatus for mixing a graphite powder with a low viscosity thermosetting resin in a liquid state and filling the above-mentioned mixture. The mold is separated from the mold heating apparatus and cooled to form a fuel cell separator plate, but the process time for heating and cooling the mold is at least 9 minutes. There is a problem of longer than 20 minutes at low productivity, so a plurality of molds are prepared for smooth molding, and one of the molding machines must be preheated before molding in the preheater, thereby increasing the cost for the mold and cooling the mold. There is a problem that a cooling water system is required and the molding machine becomes complicated.
그리고 , 상기의 종래 기술과 같은 열간 압축 성형에서는 성형 후에 금형이 충분히 냉각되지 않은 상태에서 성형체를 분리할 경우 성형체의 변형으로 두께 편 차 및 치수정밀도의 저하가 발생하여 연료전지 스텍(Stack) 조립시 연료 및 가스의 누설에 원인이 된다.In the hot compression molding as described above, when the molded body is separated from the mold without being sufficiently cooled after molding, the thickness deviation and the dimensional accuracy decrease due to the deformation of the molded body, resulting in the assembly of the fuel cell stack. This can cause leakage of fuel and gas.
이는, 통상의 열간 및 냉간 압축 성형에서도 혼합재를 금형에 충전하고 도 3에 도시된 것과 같은 연료전지 분리판(300)을 성형함에 있어, 도 4에 도시된 것과 같이 점선의 유로가 있는 부분(301)과 유로가 없는 부분(302)이 0.5 ~ 1.0 g/cm3 이내의 동일한 밀도로 충전되어 성형 후 요(凹) 철(凸)이 있는 유로부와 유로외의 부분 간에 심한 두께 편차가 발생하고, 유로부상에서도 유로부 내측과 외측간의 두께 편차가 발생하여 도 5에 도시한 것과 같이 유로가 있는 중앙 부분이 불룩한 상태로 연료전지 분리판이 제조되어, 이 분리판을 그대로 연료전지 스텍(Stack)에 조립할 때 가스 확산 층(GDL : Gas Diffusion Layer)과의 불균일 접촉과, 조립 후 누설 (Leak)이 발생하는 등 문제가 야기되고 있으며, 연료전지 분리판의 특성에 있어서도 효율 및 안전성의 이유로 이해 미국 DOE (Department of Energy)에서 요구하는 전기전도도 100 S/cm 이상, 굴곡강도 40 MPa 이상의 특성을 가지도록 하고 있어, 작은 두께 편차와 높은 전기 전도도 및 높은 굴곡강도를 가지지 못하면 연료전지의 효율성과 안전성이 떨어지게 되어 이러한 문제의 해결이 필요하다. In the hot and cold compression molding, the mixture is filled in the mold and the
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점들을 해결하고자 창출된 것으로 다음과 같은 목적을 갖는다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art as described above has the following object.
본 발명은 흑연 복합재 연료전지 분리판과 그의 제조방법에 있어, 미국 DOE (Department of Energy)에서 요구하는 전기전도도 100 S/cm 이상, 두께 1.0 ~ 2.0 mm 에서 굴곡강도 40 MPa 이상의 높은 전기전도도와 굴곡강도를 가지는 연료전지 분리판의 제조에 있어 이에 적합한 흑연 복합재의 조성으로 침상 또는 판상의 천연 흑연을 기계적 가공을 통하여 구형화 되도록 한 구상의 흑연 분말과, 수지로 경화제가 내포된 페놀수지나 분말형태의 에폭시 수지 분말과 분말상의 경화 촉진제를 사용하고, 상기의 흑연 분말과 수지 분말을 믹서를 통해 종래의 용제를 사용하는 습식 혼합 방법과 달리 건식의 상태로 균질하게 혼합하여 흑연 복합재를 제조함으로 성형재의 제조 공정을 단순화하고, 연료전지 분리판의 성형 또한 실온 (Room temperature)에서 압축 성형하여 상기와 같이 성형된 성형체를 건조 오븐을 사용하여 열경화성 수지인 페놀 수지 또는 에폭시 수지의 경화 온도 보다 10 ~ 40 ℃정도 높은 온도에서 일정시간 경화시켜 연료전지 분리판을 제조함으로서 높은 전기 전도도와 굴곡강도를 가지도록 한 연료전지 분리판과 그의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다. The present invention is a graphite composite fuel cell separator and its manufacturing method, the electrical conductivity required by the US Department of Energy (DOE) 100 S / cm or more, the high electrical conductivity and flexion strength of more than 40 MPa flexural strength at thickness 1.0 ~ 2.0 mm In the manufacture of fuel cell separator having strength, spherical graphite powder which spherical or plate-shaped natural graphite is spherical shape by mechanical processing in the composition of graphite composite suitable for this, and phenol resin or powder form containing resin-hardening agent Unlike the wet mixing method using a conventional solvent using an epoxy resin powder and a powdery curing accelerator, and the graphite powder and the resin powder through a mixer to produce a graphite composite by homogeneously mixing in a dry state of the molding material The manufacturing process is simplified, and the fuel cell separator is formed by compression molding at room temperature. The molded product is cured at a temperature of about 10 to 40 ° C. above a curing temperature of a thermosetting resin phenol resin or epoxy resin using a drying oven for a predetermined time to prepare a fuel cell separator to have high electrical conductivity and flexural strength. It is an object of the present invention to provide a fuel cell separator and a manufacturing method thereof.
본 발명의 다른 목적은 구상 분말 흑연과 분말상의 열경화성 수지를 균질하게 건식 혼합하여 높은 전기전도도와 높은 굴곡 강도를 가지도록 한 흑연 복합재 연료전지 분리판과 그의 제조방법에 있어, 연료전지 분리판의 성형시 금형내에 혼합재의 충전에 있어 유로의 분포에 따라 유로가 있는 부위와 없는 부위의 혼합재의 충전 밀도를 서로 다르게 충전하여 성형 후 두께편차가 적고 높은 치수 정밀도를 가지는 연료전지 분리판과 그의 제조방법을 제공하는데 목적이 있다. Another object of the present invention is a graphite composite fuel cell separator and a method of manufacturing the same, which have a high electrical conductivity and high flexural strength by homogeneously dry mixing spherical powder graphite and powdery thermosetting resin, and forming a fuel cell separator. In the case of filling the mixture in the mold, the filling density of the mixture with and without the flow path is filled differently according to the distribution of the flow path. The purpose is to provide.
본 발명은 연료전지 흑연 복합재 연료전지 분리판과 그의 제조 방법에 관한 것으로, 침상 또는 판상의 천연 인상 흑연을 기계적인 가공을 통하여 구형 형태를 가지도록 가공된 구상 흑연 분말과 페놀 수지 분말 또는 에폭시 수지 분말과의 혼합 성형 재료를 금형에 가변충전하고 실온에서 가압하여 성형한 뒤 그 성형체를 건조 오븐에서 경화시켜 연료전지 분리판을 구성하도록 이루어진다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell graphite composite fuel cell separator and a method for manufacturing the same. The present invention relates to a spheroidal graphite powder, a phenol resin powder, or an epoxy resin powder processed to have a spherical shape through mechanical processing of needle or plate-shaped natural impression graphite. The mixed molding material and the mold is variably charged into a mold, pressurized at room temperature, and molded, and the molded body is cured in a drying oven to form a fuel cell separator.
이하, 상기한 본 발명에 대해 첨부도면을 참조하여 구체적으로 살펴보기로 한다. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2는 본 발명에 의해 실시하는 연료전지 분리판용 혼합재의 제조방법과 그를 이용한 연료전지 분리판의 제조 흐름 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 사시도이며, 도 4는 종래기술의 균일 충전 상태를 보여주는 구성도이며, 도 5는 상기 도 4의 종래 기술의 균일 충전 후 압축성형을 통해 얻어진 연료전지 분리판의 단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 가변충전 상태를 보여주는 구성도이며, 도 7은 본 발병의 가변충전 후 압축성형을 통해 얻어진 연료전지 분리판의 단면도를 나타낸 것이다. As shown in Figures 2 and 3, Figure 2 is a manufacturing flow configuration diagram of a fuel cell separator and a manufacturing method of the fuel cell separator using the same according to the present invention, Figure 3 is a fuel according to the present invention Figure 4 is a perspective view of a battery separator, Figure 4 is a block diagram showing a uniform state of charge of the prior art, Figure 5 is a cross-sectional view of the fuel cell separator obtained through compression molding after the prior art uniform charge of Figure 4, Figure 6 Is a block diagram showing a variable charging state according to the present invention, Figure 7 shows a cross-sectional view of the fuel cell separator obtained through compression molding after the variable charge of the present invention.
이에, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 혼합재 제조(100)의 2단계와, 혼합재를 이용한 성형과 경화(200)의 2단계인 4단계의 짧은 제조 공정을 거쳐 연료전지 분리판용 혼합재(101)의 제조와 연료전지 분리판(300)을 제조하게 된다. Thus, the present invention is a mixture of fuel
좀 더 상세하게는 연료전지 분리판용 혼합재를 제조함에 있어, 침상이나 판상형태의 천연 인상 흑연을 기계적 가공을 통하여 평균입경이 10 μm ~ 100 μm 이고, 구상화 정도로서 구상화 계수가 0.5 ~ 1.0 인 구상화된 흑연을 사용하는데 이 는 판상 또는 침상의 미분화된 천연흑연 재료를 직접 사용하는 것에 비하여 입자의 이방성이 적게 되어 연료전지 분리판 제조시 면방향과 두께 방향의 전기 전도도 특성을 균등하게 할 수 있으며, 수지 분말과의 혼합 상태를 균질하게 할 수 있어 높은 굴곡강도를 가지게 할 수 있고 분말의 유동성을 향상시켜 분말을 금형내에 균일하게 충전할 수 있다. 이때 구상흑연분말의 평균입경이 10 μm 이하이면 분말 흐름성이 나빠 작업성이 나쁘고, 100μm 이상의 구상흑연분말은 제조상 어려움이 있어 구상흑연분말의 평균입경을 10μm ~100μm 의 범위로 조절하는 것이 필요하다. 또한 구상흑연분말의 구상화도가 0.5 이하에서는 분말의 흐름성이 나쁘므로 0.5 이상으로 유지해 줄 필요가 있다.More specifically, in the manufacture of a fuel cell separator, the spherical or plate-shaped natural impression graphite is mechanically processed, and the spheroidized graphite having an average particle diameter of 10 μm to 100 μm and a spheroidization coefficient of 0.5 to 1.0 as a degree of nodularity. The particle anisotropy is reduced compared to the direct use of plate- or needle-shaped undifferentiated natural graphite material, which makes it possible to equalize the electrical conductivity characteristics in the plane direction and thickness direction when manufacturing fuel cell separator plates. It is possible to make the mixed state with the homogeneous to have a high bending strength and to improve the fluidity of the powder to uniformly fill the powder into the mold. At this time, if the average particle diameter of the spheroidal graphite powder is 10 μm or less, the powder flowability is poor, and workability is bad, and the spherical graphite powder of 100 μm or more has difficulty in manufacturing. Therefore, it is necessary to adjust the average particle diameter of the spheroidal graphite powder in the range of 10 μm to 100 μm. . In addition, when the spheroidization degree of the spherical graphite powder is 0.5 or less, the flowability of the powder is bad, so it is necessary to maintain it to 0.5 or more.
또한, 상기의 혼합재에 사용되는 열경화성 수지인 페놀 수지 또는 에폭시 수지는 상기의 구상화된 흑연분말과의 균질한 혼합을 위하여 페놀수지의 경우 경화제를 내포하도록 제조된 페놀 분말 수지를 사용하며 에폭시 수지는 분말은 경화제와 함께 혼합하여 사용되고, 상기의 열경화성 수지는 평균 입도가 10 ~ 150 ㎛로 흑연 분말과의 입도 및 겉보기 밀도를 유사하도록 조절하여 사용한다. 여기서 열경화성 수지의 평균입도가 10μm 이하에서는 흑연분말과의 균질한 혼합이 어렵고, 100μm 이상에서는 흑연분말의 표면을 균일하게 코팅하기 어렵기 때문에 10μm ~ 150μm의 범위 내로 유지해 줄 필요가 있다.In addition, the phenol resin or epoxy resin, which is a thermosetting resin used in the above mixture, uses a phenol powder resin prepared to contain a curing agent in the case of phenol resin for homogeneous mixing with the spheroidized graphite powder. It is used by mixing with a silver curing agent, and the thermosetting resin is used by adjusting the particle size and apparent density with the graphite powder to have an average particle size of 10 ~ 150 ㎛. If the average particle size of the thermosetting resin is 10 μm or less, homogeneous mixing with the graphite powder is difficult, and if the surface of the graphite powder is difficult to uniformly coat the surface of the graphite powder, it is necessary to keep it within the range of 10 μm to 150 μm.
천연흑연 분말과 열경화성수지 분말의 혼합 비율은 70:30 ~ 95:5 이 채용된다. 만일 열경화성수지 분말의 혼합 비율이 30%를 초과하면 전기저항이 증가하여 바람직한 전기전도도를 얻을 수 없고, 5% 미만이면 충분한 접착이 이뤄지지 않아 바람직한 기계적 강도를 얻을 수 없다. 그래서 천연흑연 분말은 70 wt.% ~95 wt.%로, 열경화성수지 분말은 5 wt.% ~30 wt.%로 제한할 필요가 있다.The mixing ratio of the natural graphite powder and the thermosetting resin powder is 70:30 to 95: 5. If the mixing ratio of the thermosetting resin powder is more than 30%, the electrical resistance is increased to obtain the desired electrical conductivity, and if less than 5%, sufficient adhesion is not achieved to obtain the desired mechanical strength. Therefore, it is necessary to limit the natural graphite powder to 70 wt.% To 95 wt.%, And the thermosetting resin powder to 5 wt.% To 30 wt.%.
상기한 바와 같이 흑연 분말과의 열경화성 수지 분말의 입도를 조절하여 겉보기 밀도를 0.5 ~ 1.0 g/cm3 으로 유사하도록 조절함으로서 혼합 믹서로 균질한 혼합(101)이 가능하게 되며, 흑연분말과 열경화성 수지 분말의 균질한 혼합을 유도하여 연료전지 분리판의 제조시 높은 전기전도도와 높은 굴곡강도를 구현할 수 있도록 하였다. 이 때 흑연 분말과의 열경화성 수지 분말의 겉보기 밀도가 0.5 g/cm3 이하에서는 흐름성이 나쁘고 1.0 g/cm3 이상의 분말은 제조가 어려워 0.5 g/cm3 ~1.0 g/cm3 의 범위로 겉보기 밀도가 조정될 필요가 있다. As described above, by controlling the particle size of the thermosetting resin powder with the graphite powder to adjust the apparent density to be 0.5 to 1.0 g / cm 3 , homogeneous mixing (101) is possible with the mixing mixer, and the graphite powder and the thermosetting resin By inducing homogeneous mixing of powders, high electrical conductivity and high flexural strength can be realized in manufacturing fuel cell separator. At this time, when the apparent density of the thermosetting resin powder with the graphite powder is 0.5 g / cm 3 or less, the flowability is poor, and powders of 1.0 g / cm 3 or more are difficult to manufacture, so that they are apparent in the range of 0.5 g / cm 3 to 1.0 g / cm 3 The density needs to be adjusted.
또한 상기 천연흑연 분말과 열경화성 수지 분말을 균질하게 건식 혼합할 때 연료전지 분리판의 기계적 강도와 전기 전도도의 향상을 위해 0.1 wt.% ~ 5.0 wt.%의 카본 화이바, 카본블랙 등의 첨가제를 각각 함유한 연료전지 분리판용 혼합재를 구성하도록 할 수 있다. 이때 첨가제의 함유율이 0.1 wt.% 미만에서는 기계적강도나 전기전도도 향상등의 첨가효과가 미미하고, 5.0 wt.% 이상에서는 혼합이 어렵고 재료값이 상승하는 등 부작용이 있으므로 첨가제의 함유율을 0.1 wt.% ~ 5.0 wt.%로 제한할 필요가 있다.In addition, when homogeneously dry mixing the natural graphite powder and the thermosetting resin powder, additives such as carbon fiber and carbon black of 0.1 wt.% To 5.0 wt.% Are added to improve the mechanical strength and electrical conductivity of the fuel cell separator. It is possible to configure the mixture material for the fuel cell separator containing. At this time, if the content of the additive is less than 0.1 wt.%, The effect of adding mechanical strength or electrical conductivity is insignificant. If the content of the additive is more than 5.0 wt.%, It is difficult to mix and the material value increases. Therefore, the content of the additive is 0.1 wt.%. It is necessary to limit it to% to 5.0 wt.%.
그리고, 본 발명은 연료전지 분리판의 제조에 있어 상기와 같이 제조된 혼합재를 유로가 새겨진 금형에 충전하고 성형함에 있어 성형체의 두께 편차를 최소화 하고 높은 치수 정밀도를 위하여, 도 6에 도시한 바와 같이, 금형의 유로가 있는 부분과 없는 부분에 대하여 혼합재를 불균일하게 충전하는 가변 충전 (Variable Tamping) 방법을 사용하여 성형재의 충전시 유로가 없는 부분의 충전 밀도는 0.8 ~ 1.2 g/cm3 이상으로, 유로가 있는 부분의 충전 밀도는 0.5 ~ 1.0 g/cm3 으로 서로 다른 충전 밀도를 가지도록 분말을 충전하여 성형 후 성형 밀도가 동일하게 되도록 하며 두께 편차와 분리판의 외형 및 유로의 폭과 깊이에 대하여 ± 30 μm 이내의 높은 치수 정밀도를 가지는 도 7에 도시한 것과 같은, 연료전지 분리판을 성형하였다. 이때 가변 충전 방법으로는 불균형 가스 탭핑(unbalanced gas tapping)이나 분말 다중 충전 (multi-layered powder tamping)이 사용될 수 있다. 이때 충전 밀도가 전체적으로 균일하면 성형 후 성형두께 편차가 ± 30 μm 이상이 된다. 두께편차가 ± 30 μm 이상이 되면 가스확산층(Gas Diffusion Layer)과의 접촉이 불량해 전기저항이 증가하고, 가스누출의 염려가 있다. 그래서 양호한 접촉을 위해 두께편차를 ± 30 μm 이내로 제한할 필요가 있다. 그래서 두께 편차를 보정하기 위해 유로 부분과 비유로 부분의 충전밀도를 다르게 가변충전하고 성형하면 성형체의 두께편차를 ± 30 μm 이내로 조정할 수 있다.In addition, the present invention, in the manufacture of the fuel cell separator plate in order to minimize the thickness variation of the molded body in the filling and molding the molding material engraved in the flow path as shown in Figure 6, as shown in Figure 6 The filling density of the part without flow path is 0.8 ~ 1.2 g / cm 3 or more when the molding material is filled by using the variable tamping method that uniformly fills the mixture with and without the flow path of the mold. Filling density of the part with flow path is 0.5 ~ 1.0 g / cm 3 , filling the powder to have different packing density so that the molding density is the same after molding, and the thickness variation, the shape of the separator and the width and depth of the flow path A fuel cell separator, as shown in FIG. 7, with high dimensional accuracy within ± 30 μm, was molded. In this case, unbalanced gas tapping or multi-layered powder tamping may be used as the variable filling method. At this time, if the filling density is uniform, the molding thickness deviation after molding is more than ± 30 μm. If the thickness deviation is more than ± 30 μm, the contact with the gas diffusion layer is poor, the electrical resistance increases, there is a fear of gas leakage. Therefore, it is necessary to limit the thickness deviation to within ± 30 μm for good contact. Therefore, if the filling density of the flow path portion and the non-flow passage portion is varied and filled in order to correct the thickness deviation, the thickness deviation of the molded body can be adjusted within ± 30 μm.
또한, 성형시 성형압력은 성형체 단위 제곱센티미터의 면적당 1.0 ~ 5.0 kgf의 압력, 적정하게는 2.0 ~ 3.0 kgf의 소정의 압력을 가하여 성형되어지며, 온전히 성형된 성형체는 다공성 세라믹 플레이트 또는 다공성 금속 플레이트 사이에 게재되어 경화시에 뒤틀림이 없도록 하였고, 경화 온도는 100℃ ~ 200℃의 온도, 적정하게는 150℃ ~ 180℃의 온도에서 10 ~ 100 분간 성형체 내부에 고르게 분산되어 분포된 열경화성 수지를 경화하여 전기전도도가 100 ~ 275 S/cm 및 굴곡강도가 40 ~ 55 MPa의 높은 전기전도도와 굴곡강도를 가지는 연료전지 분리판을 제조하였다. 상기 전기전도도와 굴곡강도가 높을수록 연료전지의 효율성과 안정성이 향상되는 것이다. 이때 경화 온도가 100℃ 미만이면 불완전 경화가 일어나며, 200℃ 이상에서는 과잉경화가 일어나 좋지 않다. 또한 경화시간이 10분 미만에서도 불완전 경화가 일어날 수 있으며, 100분 이상에서는 과잉경화 또는 생산성 저하 등의 문제점이 있으므로, 경화온도 100℃ ~ 200℃에서 경화시간 10분 ~ 100분으로 제한할 필요가 있다.In addition, during molding, the molding pressure is formed by applying a pressure of 1.0 to 5.0 kgf per square centimeter of the molded unit, and appropriately a predetermined pressure of 2.0 to 3.0 kgf, and the fully formed molded body is formed between the porous ceramic plate or the porous metal plate. To prevent distortion during curing, the curing temperature is uniformly dispersed in the molded body for 10 to 100 minutes at a temperature of 100 ℃ ~ 200 ℃, suitably 150 ℃ ~ 180 ℃ by curing the distributed thermosetting resin A fuel cell separator having a high electric conductivity and a bending strength of 100 to 275 S / cm and a bending strength of 40 to 55 MPa was prepared. The higher the electrical conductivity and the flexural strength, the higher the efficiency and stability of the fuel cell. At this time, when the curing temperature is less than 100 ℃ incomplete curing occurs, over 200 ℃ over curing is not good to occur. In addition, incomplete curing may occur even if the curing time is less than 10 minutes, and there is a problem such as excessive curing or productivity decrease at 100 minutes or more, it is necessary to limit the curing time from 10 minutes to 100 minutes at the curing
이와 같이, 본 발명은 연료전지 분리판용 혼합재의 제조방법과 그를 이용한 연료전지 분리판의 제조법으로, 이하 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. As described above, the present invention is a method for producing a fuel cell separator and a method for producing a fuel cell separator using the same, and the following describes preferred embodiments and comparative examples of the present invention.
실시예 1Example 1
(구상화된 흑연 분말과 페놀 수지 분말을 믹서로 혼합하여 제조된 혼합재로 연료전지 분리판을 제조)(Fuel cell separator is manufactured from a mixture prepared by mixing spheroidized graphite powder and phenol resin powder with a mixer)
분리판의 제조에 있어 혼합재는 흑연 분말과 페놀 수지 분말의 비율이 혼합재 총량이 100 중량 %일 때, 구상화 된 분말 흑연이 90 중량 % 이고, 페놀 수지 분말이 10 중량 % 로 되도록 믹서를 이용하여 건식 혼합하였고, 제조된 혼합재를 금형내에 가변 충전하고 상온에서 가압 성형 하여 연료전지 분리판을 제조하였다. In the preparation of the separator, the mixture is dry by using a mixer such that when the ratio of the graphite powder and the phenol resin powder is 100% by weight of the mixture, the spheroidized powder graphite is 90% by weight and the phenol resin powder is 10% by weight. After mixing, the prepared mixture was variably filled in a mold and press-molded at room temperature to prepare a fuel cell separator.
이때 사용한 건식 혼합기는 슈퍼믹서기, 헨쉘믹서기, 무중력혼합기 등이 이용된다. At this time, the dry mixer used is a super mixer, Henschel mixer, zero gravity mixer.
실시예 2Example 2
상기 실시예 1 에 의해 제조된 분리판으로 흑연 분말이 85 중량 % 이고 페놀수지가 15 중량 % 인 연료전지 분리판을 제조하였다. As a separator prepared in Example 1, a fuel cell separator having 85 wt% graphite powder and 15 wt% phenol resin was prepared.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1 에 의해 제조된 분리판으로 흑연 분말이 80 중량 % 이고 페놀수지가 20 중량 % 인 연료전지 분리판을 제조하였다. As a separator prepared in Example 1, a fuel cell separator having 80 wt% graphite powder and 20 wt% phenol resin was prepared.
실시예 4Example 4
(구상화된 흑연 분말과 에폭시 수지 분말을 믹서로 혼합하여 제조된 혼합재로 연료전지 분리판을 제조)(Fuel cell separator is manufactured from a mixture prepared by mixing spheroidized graphite powder and epoxy resin powder with a mixer)
혼합재 제조에 있어 흑연 분말과 에폭시 수지 분말의 비율이 혼합재 총량이 100 중량 %일 때, 구상화 된 분말 흑연이 90 중량 % , 에폭시 수지 분말이 9 중량 % , 경화제를 1 중량 % 가 되도록 믹서를 이용하여 건식 혼합하여 제조된 혼합재를 금형내에 가변 충전하고 상온에서 가압 성형 하여 연료전지 분리판을 제조하였다.In the preparation of the mixture, when the ratio of the graphite powder and the epoxy resin powder is 100% by weight of the total mixture, 90% by weight of the spheroidized powder graphite, 9% by weight of the epoxy resin powder, and 1% by weight of the curing agent are used. A mixed material prepared by dry mixing was variably filled into a mold and pressure molded at room temperature to prepare a fuel cell separator.
실시예 5Example 5
상기 실시예 4 에 의해 제조된 분리판으로 흑연 분말이 85 중량 % , 에폭시 수지 분말이 13.5 중량 % , 경화제를 1.5 중량 % 인 연료전지 분리판을 제조하였다.As a separator prepared in Example 4, a fuel cell separator having 85 wt% graphite powder, 13.5 wt% epoxy resin powder, and 1.5 wt% hardener was prepared.
실시예 6Example 6
상기 실시예 4 에 의해 제조된 분리판으로 흑연 분말이 80 중량 % , 에폭시 수지 분말이 18 중량 % , 경화제를 2 중량 % 인 연료전지 분리판을 제조하였다.As a separator prepared in Example 4, a fuel cell separator having 80 wt% graphite powder, 18 wt% epoxy resin powder, and 2 wt% hardener was prepared.
실시예 7Example 7
분리판의 제조에 있어 혼합재는 구상흑연 분말과, 카본화이바, 카본블랙, 페놀 수지 분말의 비율이 혼합재 총량이 100 중량 %일 때, 구상화된 분말 흑연이 85.5 중량 % 이고, 분쇄된 카본 화이바 4.0 중량 %, 케천블랙 0.5 중량 %, 페놀 수지 분말이 10 중량 % 로 되도록 믹서를 이용하여 건식 혼합하였고, 제조된 혼합재를 금형내에 가변 충전하고 상온에서 가압 성형하여 연료전지 분리판을 제조하였다.In the production of the separator, the mixture material is spherical graphite powder, carbon fiber, carbon black, and phenol resin powder, when the total amount of the mixture is 100% by weight, the spheroidized powder graphite is 85.5% by weight, and the pulverized carbon fiber 4.0 weight %, Ketchen black 0.5% by weight, phenolic resin powder was dry mixed by using a mixer to 10% by weight, and the fuel mixture was prepared by variable filling the prepared mixture into a mold and pressure molding at room temperature.
비교예 1 Comparative Example 1
(침상 또는 판상의 흑연 분말과 수지 분말을 믹서로 혼합하여 건식혼합으로 제조된 혼합재로 연료전지 분리판을 제조)(Fuel cell separator is manufactured from a mixed material prepared by dry mixing by mixing needle or plate graphite powder and resin powder with a mixer)
혼합재 제조에 있어, 침상 및 판상의 천연흑연으로 구상화 되지 않고 분쇄만 이루어진 평균입경 D 50 이 50 ~100 μm 인 박판의 흑연 분말과 페놀 수지 분말의 비율이 혼합재 총량이 100 중량 %일 때, 상기의 흑연 분말이 90 중량 % 이고, 페놀 수지 분말이 10 중량 % 로 믹서를 이용하여 건식 혼합하여 혼합제를 제조하여 금형내에 가변 충전하고 상온에서 가압 성형 하여 연료전지 분리판을 제조하였다.In the preparation of the mixture, when the ratio of graphite powder and phenol resin powder of thin plate having an average particle diameter D 50 of 50 to 100 μm which is not spheroidized into acicular and plate-like natural graphite is 100% by weight of the mixture, 90 wt% graphite powder and 10 wt% phenol resin powder were dry mixed using a mixer to prepare a mixture, variable filling in a mold, and pressure molding at room temperature to prepare a fuel cell separator.
비교예 2Comparative Example 2
(습식 방법으로 제조된 혼합재를 이용하여 연료전지 분리판을 제조)(Manufacture of Fuel Cell Separator Using Mixed Material Prepared by Wet Method)
혼합재 총량이 100 일 때 실시예 1의 구상화된 흑연 90 중량 %와 실시예 1의 페놀 수지 분말 10 중량 % 에 총 150 중량 % 의 용제로 메틸에틸케톤을 볼밀을 이용하여 습식 혼합하고 50℃ 오븐에서 5 hr 건조하고, 건조된 혼합재료를 믹서기를 통해 분쇄하고 100 메시의 체거름을 통해 흑연 분말이 90 중량 % 이고 페놀 수지가 10 중량 %인 습식 방법으로 혼합재를 제조하고 이를 이용하여 금형내에 가변 충전하고 상온에서 가압 성형 하여 연료전지 분리판을 제조하였다.When the total amount of the mixture is 100, 90% by weight of the spheroidized graphite of Example 1 and 10% by weight of the phenolic resin powder of Example 1 are mixed with methyl ethyl ketone by a ball mill using a ball mill and wet mixed in a 50 ° C. oven. 5 hr dry and dried mixed material is pulverized through a blender, and the mixed material is prepared by a wet method of 90% by weight of graphite powder and 10% by weight of phenol resin through a 100-mesh sieve and variable filling in the mold using the same. And press-molded at room temperature to prepare a fuel cell separator.
비교예 3 은 상기 실시예 1 에 의해 제조된 혼합재를 금형내에 균일하게 충전하고 상온에서 가압 성형하여 연료전지 분리판을 제조하였다.In Comparative Example 3, the mixture prepared in Example 1 was uniformly filled in a mold and pressure-molded at room temperature to prepare a fuel cell separator.
비교예 4는 상기 실시예 4 에 의해 제조된 혼합재를 금형내에 균일하게 충전하고 상온에서 가압 성형하여 연료전지 분리판을 제조하였다In Comparative Example 4, the mixture prepared in Example 4 was uniformly filled in a mold and pressure molded at room temperature to prepare a fuel cell separator.
상기 실시예 1 및 2, 3, 4, 5, 6 과 비교예 1 과 2 에 의해 제조된 연료전지 분리판의 성형성 및 전기전도도, 굴곡강도를 측정하여 표 1 에 나타내었다. The moldability, electrical conductivity, and flexural strength of the fuel cell separators prepared in Examples 1 and 2, 3, 4, 5, and 6 and Comparative Examples 1 and 2 were measured and shown in Table 1 below.
[표 1]TABLE 1
상기 성형성은 성형 후 금형으로부터 배출된 성형체의 형상을 비교하여 양호:o, 불량:△, 불가:x로 표기하였고, 전기전도도는 4 단자법 측정기를 사용하여 측정하였으며, 굴곡강도는 ASTM D790을 이용하여 시편 두께 2mm로 측정하였다. The moldability was expressed as good: o, bad: △, not: x by comparing the shape of the molded body discharged from the mold after molding, the electrical conductivity was measured using a four-terminal measuring instrument, the flexural strength was ASTM D790 It was measured by the specimen thickness 2mm.
또한 상기의 실시예 1, 4 와 비교예 3 ,4 에 의해 제조된 연료전지 분리판의 두께 편차를 표 2에 나타내었다. In addition, Table 2 shows the thickness variation of the fuel cell separator manufactured by Examples 1 and 4 and Comparative Examples 3 and 4.
[표 2]TABLE 2
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 흑연 복합재 연료전지 분리판과 그의 제조방법에 있어, 혼합재의 제조 과정에서 유동도가 높은 구상화된 천연 흑연과 이와 유사한 겉보기 밀도를 가지도록한 분말상의 열경화성 수지를 믹서를 사용하여 건식으로 혼합함으로서 비교적 간단하게 흑연 복합재를 제조하여 압축 성형 시간을 월등히 단축하는 우수한 효과가 있고, 상기의 흑연 복합재를 사용하여 제조된 연료전지 분리판은 실시예에서 보는 바와 같이 100 S/cm 이상의 높은 전기전도도와, 1.2mm의 두께에서 40 MPa 이상의 높은 굴곡강도를 가지며, 연료전지 분리판의 성형에 있어서도 금형내에 충전된 분말의 밀도가 유로의 분포에 따라 서로 다르게 충전되도록 하는 가변 충전방법을 사용하여 성형 후 ± 30 μm 이내의 낮은 두께 편차로 분리판의 두께가 균일한 고정도의 치수 정밀도를 가지도록 하여 사용상의 효율과 안전성을 극대화하는 효과가 있고, 또한 금형을 특별히 가열하거나 냉각하지 않고 상온에서 성형이 가능하도록 하여 성형 시간을 단축하여 생산 효율을 높이는 등의 여러 효과를 동시에 거둘 수 있는 매우 유용한 발명임이 명백하다.As described above, the present invention relates to a graphite composite fuel cell separator and a method for manufacturing the same, wherein a powdery thermosetting resin having a similar flow density and spherical natural graphite having high fluidity during the preparation of the mixture is prepared using a mixer. By using dry mixing, the graphite composite can be produced relatively simply, and the compression molding time can be significantly shortened. The fuel cell separator manufactured using the graphite composite is 100 S / cm as shown in the examples. It has a high electrical conductivity and a high flexural strength of 40 MPa or more at a thickness of 1.2mm, and also the variable filling method to ensure that the density of powder charged in the mold is different depending on the distribution of the flow path in the molding of the fuel cell separator Uniform thickness of separator plate with low thickness deviation within ± 30 μm after molding It has the effect of maximizing the efficiency and safety in use by having high precision dimensional accuracy, and it is possible to mold at room temperature without special heating or cooling of the mold to shorten the molding time and increase the production efficiency. It is obvious that this is a very useful invention that can be harvested at the same time.
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