KR101054559B1 - Separator for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

접촉저항 특성 및 내식성이 향상된 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다. Disclosed are a separator for a fuel cell with improved contact resistance characteristics and corrosion resistance, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 도전성 기판; 상기 도전성 기판 표면에 형성되는 도전성 접착층; 상기 도전성 접착층 상에 형성되는 카본페이퍼(Carbon Paper)층; 및 상기 카본페이퍼층 상에 형성되며, 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 이루어지는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 한다. Separation plate for a fuel cell according to the present invention comprises a conductive substrate; A conductive adhesive layer formed on a surface of the conductive substrate; A carbon paper layer formed on the conductive adhesive layer; And a surface layer formed on the carbon paper layer and comprising a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer.

Description

연료전지용 분리판 및 그 제조 방법{SEPARATOR FOR FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SEPARATOR}Separator for fuel cell and its manufacturing method {SEPARATOR FOR FUEL CELL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SEPARATOR}

본 발명은 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전도성 및 내식성을 향상시킬 수 있도록 도전성 기판 표면에 접착력이 우수한 도도성 복합재료를 코팅한 후, 전도성 카본페이퍼(Carbon Paper) 및 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체 이루어지는 표면층을 마련함으로써 접촉저항 및 내식성을 향상시킬 수 있으면서 대량생산에 적합한 공정성을 가지는 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell and a method of manufacturing the same. More particularly, after coating a conductive composite having excellent adhesion to a surface of a conductive substrate to improve conductivity and corrosion resistance, conductive carbon paper (Carbon Paper) And a surface layer made of a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer, thereby improving contact resistance and corrosion resistance, and having a processability suitable for mass production, and a method for manufacturing the same.

연료전지(Fuel Cell)란 연료의 산화로 인해 생기는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 최근 화석 연료의 고갈 문제, 이산화탄소 발생에 의한 온실효과와 지구 온난화 등의 문제점을 극복하고자 태양전지 등과 함께 많은 연구가 이루어지고 있다. A fuel cell is a cell that directly converts chemical energy generated by the oxidation of fuel into electrical energy. In order to overcome the problems of depletion of fossil fuel, greenhouse effect due to carbon dioxide generation and global warming, etc. A lot of research is being done together.

연료전지의 단위 셀(Unit Cell)은 전압이 낮아 실용성이 떨어지기 때문에, 일반적으로 수개 내지 수백개의 단위 셀을 적층하여 사용한다. 단위 셀의 적층 시, 각각의 단위 셀 간에 전기적 접속이 이루어지게 하고, 반응 가스를 분리시켜주는 역할을 하는 것이 분리판(Separator)이고, 이를 다수 개 연결한 것을 스택(Stack)이다. Since a unit cell of a fuel cell has low voltage and low practicality, generally, several to hundreds of unit cells are stacked and used. In the stacking of unit cells, a separator is used to make an electrical connection between each unit cell and to separate a reaction gas, and a stack is connected to a plurality of separators.

종래의 연료전지용 분리판의 제조는 그라파이트(Graphite)를 유로 형태에 따라 밀링 가공하여 제작하였다. 이 경우 그라파이트 재질의 분리판이 차지하는 비중이 스택 전체에서 비용은 50%, 무게에서는 80% 이상을 차지하였다. 따라서, 그라파이트 재질의 분리판은 고비용, 큰 부피 등의 문제점이 있었다. Conventional fuel cell separators were manufactured by milling graphite in accordance with a flow path shape. In this case, the graphite separator took up 50% of the stack and 80% of the weight. Therefore, the graphite separator has problems such as high cost and large volume.

상기의 그라파이트 재질의 분리판의 문제점을 극복하기 위해, 금속재질의 분리판이 개발되었는데, 금속재질의 분리판은 가공성이 용이하고, 제조단가를 낮출 수 있는 등의 여러 장점이 있다. 상기 금속재질의 분리판은 스테인리스 스틸(Stainless Steel)을 중심으로 개발되고 있으며, 가공성, 접촉저항성 및 가격 측면에서 우수한 경쟁력을 가지고 있다. In order to overcome the problems of the graphite separator plate, a metal separator plate has been developed, the metal separator plate has a number of advantages, such as easy to process, lowering the manufacturing cost. The metal separator is developed around stainless steel, and has excellent competitiveness in terms of workability, contact resistance, and price.

한편, 상기 금속재질의 분리판은 각 단위 셀을 전기적으로 연결해주어야 하므로, 충분한 도전성을 구비해야 한다. 또한 연료 전지 내부의 환경은 수소 이온의 농도가 높고, 고온으로 부식이 쉬운 환경이므로, 금속 분리판의 표면은 충분한 내식성을 구비해야 한다. On the other hand, the separation plate of the metal material must be electrically connected to each unit cell, it should be provided with sufficient conductivity. In addition, since the environment inside the fuel cell is high in the concentration of hydrogen ions and easily corroded at a high temperature, the surface of the metal separator should have sufficient corrosion resistance.

이를 위하여, 금속재질의 분리판 표면에 부식특성에 강한 금, 백금, 텅스텐 등을 코팅하는 방법의 연구가 진행되어 왔으나, 상기 코팅하는 물질들 또한 고가의 금속에 해당하기 때문에, 분리판 제조에 고비용이 소요되는 문제점이 여전히 남아 았다. To this end, studies of coating gold, platinum, tungsten, etc., which are highly resistant to corrosion on the surface of the metal separator plate have been conducted. However, since the coating materials also correspond to expensive metals, it is expensive to manufacture the separator plate. This problem still remained.

상기 금속재질의 분리판의 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 금속판 상에 도전성 필러가 분산된 고분자 등의 복합재료를 코팅하거나 금속판을 탄소나노튜브로 커버하는 형태의 분리판이 연구되고 있다. 이러한 연료전지용 분리판들의 경우 도전성이 뛰어나고, 상기 금, 백금 등의 고가의 금속 코팅 재료들에 비하여 저가의 재료라는 점에서 장점이 있으나, 깨지기 쉬운 단점이 있다. In order to solve the problem of the metal separator, recently, a separator in the form of coating a composite material such as a polymer in which conductive filler is dispersed on a metal plate or covering a metal plate with carbon nanotubes has been studied. Such fuel cell separators are excellent in conductivity, and have advantages in that they are inexpensive materials compared to expensive metal coating materials such as gold and platinum, but are prone to breakage.

본 발명의 목적은 접착력이 우수한 전도성 복합재료를 사용하여 기판과 카본페이퍼(Carbon Paper) 층의 접착력을 향상시키고, 분리판의 표면을 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 형성하여 접촉저항 및 내식성이 향상된 연료전지용 분리판을 제공하는데 있다. An object of the present invention is to improve the adhesion between the substrate and the carbon paper (Carbon Paper) layer using a conductive composite material with excellent adhesion, and to form the surface of the separator plate as a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer, the contact resistance and corrosion resistance An improved fuel cell separator is provided.

본 발명의 다른 목적은 대량생산에 적합한 공정성을 가지며, 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 표면층 형성시 접촉저항을 증가시키지 않는 특성을 가지는 연료전지용 분리판의 제조방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a method of manufacturing a separator for a fuel cell, which has a fairness suitable for mass production, and has a property of not increasing contact resistance when forming a surface layer with a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer.

상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 도전성 기판; 상기 도전성 기판 표면에 형성되는 도전성 접착층; 상기 도전성 접착층 상에 형성되는 카본페이퍼(Carbon Paper)층; 및 상기 카본페이퍼층 상에 형성되며, 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 이루어지는 표면층을 포함하는 것을 특징으로 한다. Separation plate for a fuel cell according to the present invention for achieving the above object is a conductive substrate; A conductive adhesive layer formed on a surface of the conductive substrate; A carbon paper layer formed on the conductive adhesive layer; And a surface layer formed on the carbon paper layer and comprising a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법은 (a)도전성 기판 상에 도전성 접착층을 코팅하는 단계; (b)상기 도전성 접착층 상에 카본페이퍼층을 접착하는 단계; 및 (c)고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 상기 카본페이퍼층 상에 표면층을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Separating method for manufacturing a fuel cell according to the present invention for achieving the above another object comprises the steps of: (a) coating a conductive adhesive layer on the conductive substrate; (b) adhering a carbon paper layer on the conductive adhesive layer; And (c) forming a surface layer on the carbon paper layer as a composite having conductive additives dispersed in a polymer.

이때, 상기 표면층은 상기 복합체로 이루어진 플레이트를 압축/성형 장치를 이용하여 압축 및 성형하여 형성되거나, 스크린 프린팅(screen printing)법, 디핑(dipping)법, 테입 캐스팅(tape casting)법, 페인팅(painting)법 및 닥터 블레이드(doctor blade)법 중에서 어느 하나의 방법으로 상기 복합체를 포함하는 코팅액 조성물을 코팅하여 형성될 수 있다. In this case, the surface layer is formed by compressing and molding the plate made of the composite using a compression / molding apparatus, a screen printing method, a dipping method, a tape casting method, and a painting process. It can be formed by coating the coating liquid composition containing the composite by any one of the method) and doctor blade (doctor blade) method.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 표면층을 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 형성함으로써 내식성 및 전기전도성을 동시에 확보할 수 있는 효과가 있으며, 또한 탄소나노튜브 성장을 통한 방식보다 저가의 비용이 소요되는 카본페이퍼를 이용하면서도 우수한 접착력을 갖는 도전성 접착층을 미리 형성함으로써 카본페이퍼층의 접착력을 강화할 수 있는 장점이 있다. The separator for a fuel cell according to the present invention has the effect of simultaneously securing corrosion resistance and electrical conductivity by forming a surface layer of a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer, and also requires a lower cost than the method through growth of carbon nanotubes. There is an advantage that the adhesive strength of the carbon paper layer can be enhanced by forming a conductive adhesive layer having excellent adhesion in advance while using the carbon paper.

또한, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법은 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 표면층 형성시 압축 성형 방법이나 스크린 프린팅법, 디핑법, 테입 캐스팅법, 페인팅법 및 닥터 블레이드법 등을 이용함으로써, 표면층을 쉽게 형성할 수 있으며, 전체적으로 대량 생산이 가능한 장점이 있다. In addition, the method of manufacturing a separator for a fuel cell according to the present invention uses a compression molding method, a screen printing method, a dipping method, a tape casting method, a painting method, a doctor blade method, and the like when forming a surface layer with a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer. The surface layer can be easily formed, and the mass production is possible as a whole.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention and the manner of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various different forms, and only the embodiments make the disclosure of the present invention complete, and those skilled in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully inform the person having the scope of the invention, which is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 연료전지용 분리판 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a separator for a fuel cell and a method of manufacturing the same according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

연료전지용 분리판Separator for Fuel Cell

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 것이다. 1 schematically shows a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 도전성 기판(110), 도전성 접착층(120), 카본페이퍼층(130) 및 표면층(140)을 포함하여 이루어진다. Referring to FIG. 1, a separator for a fuel cell according to the present invention includes a conductive substrate 110, a conductive adhesive layer 120, a carbon paper layer 130, and a surface layer 140.

도전성 기판Conductive substrate

도전성 기판(110)은 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 등이 이용될 수 있으며, 대략 0.1~3mm 정도의 두께를 갖는 것이 이용될 수 있다. 도 1과 같이 기판의 이면이 패터닝되어 있지 않은 경우 상대적으로 기판의 두께가 더 얇아질 수 있으며, 도 2와 같이 기판이 이면이 패터닝되어 있는 경우 상대적으로 기판의 두께가 두꺼워질 수 있다. The conductive substrate 110 may be stainless steel, aluminum, copper, or the like, and may have a thickness of about 0.1 to 3 mm. When the back surface of the substrate is not patterned as shown in FIG. 1, the thickness of the substrate may be relatively thinner, and when the back surface of the substrate is patterned as shown in FIG. 2, the thickness of the substrate may be relatively thick.

도전성 접착층Conductive Adhesive Layer

도전성 접착층(120)은 도전성 기판(110)의 표면에 형성되며, 우수한 접착력을 갖는 물질로 형성된다. The conductive adhesive layer 120 is formed on the surface of the conductive substrate 110 and is formed of a material having excellent adhesion.

이러한 도전성 접착층(120)은 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합재료로 형성될 수 있다. 고분자는 폴리에틸렌이 될 수 있다. The conductive adhesive layer 120 may be formed of a composite material in which a conductive additive is dispersed in a polymer. The polymer can be polyethylene.

한편 고분자에 분산되는 도전성 첨가제는 도전성 접착층(120)의 도전성을 부여하는 것으로, 우수한 전기전도성을 갖는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브 등의 전도성 카본, 은이 코팅된 구리 등이 될 수 있다. Meanwhile, the conductive additive dispersed in the polymer may impart conductivity of the conductive adhesive layer 120, and may be carbon black, graphite, carbon fiber, conductive carbon such as carbon nanotubes, silver coated copper, or the like having excellent electrical conductivity. .

이러한 도전성 첨가제의 양은 도전성 접착층 전체 중량의 35~65중량%로 첨가되는 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 60중량%를 제시할 수 있다. 도전성 첨가제의 양이 35중량% 미만인 경우, 도전성 접착층에 충분한 도전성을 부여할 수 없으며, 도전성 첨가제의 양이 65중량%를 초과하는 경우 접촉저항을 낮추어주기 때문에 도전성은 우수하나, 접착력이 낮아지는 문제점이 있다.The amount of such conductive additives is preferably added at 35 to 65% by weight of the total weight of the conductive adhesive layer, more preferably can present 60% by weight. When the amount of the conductive additive is less than 35% by weight, sufficient conductivity cannot be imparted to the conductive adhesive layer, and when the amount of the conductive additive exceeds 65% by weight, the conductivity is excellent because the contact resistance is lowered, but the adhesive strength is lowered. There is this.

도전성 접착층(120)은 0.01~200㎛의 두께로 형성될 수 있는데, 도전성 접착층(120)의 두께가 얇을수록 도전성이 좋기 때문에 가능한 얇은 두께로 형성되는 것이 바람직하다. The conductive adhesive layer 120 may be formed to a thickness of 0.01 ~ 200㎛, the thinner the thickness of the conductive adhesive layer 120, the better the conductivity is preferably formed as thin as possible.

카본페이퍼층Carbon Paper Layer

카본페이퍼층(Carbon Paper, 130)은 비금속이면서도 우수한 전기전도성을 갖는 그라파이트(Graphite)를 재질로 하는 얇은 시트(sheet)의 형상으로, 도전성 접착층(120) 상에 형성된다. The carbon paper layer 130 is formed on the conductive adhesive layer 120 in the form of a thin sheet made of graphite, which is a nonmetal and has excellent electrical conductivity.

본 발명에서 카본페이퍼층(130)은 연료전지용 분리판의 접촉저항을 보완하고 또한 도전성 기판의 부식을 억제하는 역할을 하는데, 종래에는 상기 카본페이퍼층(130)을 대체할 수 있는 층이 존재하지 않았거나, 존재하더라도 카본페이퍼보다 고가의 비용이 소요되고, 도전성 기판에의 접착력이 취약한 탄소나노튜브 성장 방법을 통하여 제조되었다. In the present invention, the carbon paper layer 130 serves to supplement the contact resistance of the separator plate for fuel cells and to suppress corrosion of the conductive substrate. In the related art, there is no layer that can replace the carbon paper layer 130. Although not present, it is more expensive than carbon paper and manufactured by a carbon nanotube growth method in which adhesion to a conductive substrate is weak.

그러나, 본 발명에서는 상대적으로 저가의 카본페이퍼를 이용하여 상기 탄소나노튜브를 대신하고, 또한 도전성 기판(110)에의 접착력을 향상시키기 위하여 카본페이퍼층(130) 형성 전에 미리 접착성이 우수한 도전성 접착층(120)을 형성함으로써 종래의 비용 및 접착성에 대한 문제점을 해결할 수 있다. However, in the present invention, in order to replace the carbon nanotubes by using relatively inexpensive carbon paper and to improve the adhesion to the conductive substrate 110, the conductive adhesive layer having excellent adhesion in advance before the carbon paper layer 130 is formed ( Forming 120 can solve the problems of conventional cost and adhesion.

카본페이퍼층(130)은 대략 0.01㎛ ~ 1mm의 두께로 형성될 수 있다. 카본페이퍼 층의 두께가 0.01㎛ 미만일 경우 접촉저항 특성이 저하되며, 카본페이퍼층의 두께가 1mm를 초과하면 접촉저항 특성은 향상될 수 있으나, 유로가 형성되기 어려운 문제점이 있다. The carbon paper layer 130 may be formed to a thickness of approximately 0.01 μm to 1 mm. If the thickness of the carbon paper layer is less than 0.01㎛, the contact resistance properties are reduced, if the thickness of the carbon paper layer exceeds 1mm, the contact resistance properties can be improved, but there is a problem that the flow path is difficult to form.

표면층Surface layer

표면층(140)은 카본페이퍼층(130) 상에 형성되며, 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 이루어진다. The surface layer 140 is formed on the carbon paper layer 130 and is formed of a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer.

표면층(140)은 도전성 기판(110) 및 카본페이퍼층(130)을 보호하는 역할을 하여 연료전지용 분리판의 내식성을 향상시키는 역할을 한다. 또한, 표면층(140)에 포함되는 고분자는 금속, 그라파이드 등보다 유연한 재질로서 분리판의 굽힘강도를 증가시키는 역할 및 연료전지용 분리판의 표면에 연료와 공기가 흐르는 유로 형성을 용이하게 하는 역할을 한다. The surface layer 140 serves to protect the conductive substrate 110 and the carbon paper layer 130 to improve the corrosion resistance of the separator for fuel cell. In addition, the polymer included in the surface layer 140 is a more flexible material such as metal, graphite, etc. to increase the bending strength of the separator plate and to facilitate the formation of flow paths through which fuel and air flow on the surface of the separator plate for fuel cells. do.

또한 표면층(140)은 고분자에 전기전도도가 우수한 도전성 첨가제가 분산되어 있다. 따라서, 도전성 기판(110)은 카본페이퍼층(130)과 표면층(140)의 도전성 첨가제를 통하여 외부와 전기적으로 연결되며, 연료전지를 구성하는 각각의 단위 셀들을 전기적으로 연결시키게 된다. In addition, the surface layer 140 is a conductive additive excellent in electrical conductivity is dispersed in the polymer. Accordingly, the conductive substrate 110 is electrically connected to the outside through the conductive additives of the carbon paper layer 130 and the surface layer 140, and electrically connects each unit cell constituting the fuel cell.

상기의 역할을 하기 위하여 표면층(140)은 고분자 35~55중량% 및 도전성 첨가제 45~65중량%의 함량비로 첨가되어 이루어지는 것이 바람직하다. 도전성 첨가제가 45중량% 미만으로 첨가되면 접촉 비저항을 상승시킬 우려가 있고, 도전성 첨가제가 65중량%를 초과하면 상대적으로 고분자의 함량이 적어져 분리판의 굽힘강도가 저하될 수 있다. In order to play the role, the surface layer 140 is preferably added in an amount of 35 to 55% by weight of the polymer and 45 to 65% by weight of the conductive additive. If the conductive additive is added below 45% by weight, there is a concern that the contact resistivity may be increased. When the conductive additive exceeds 65% by weight, the content of the polymer may be relatively low, which may lower the bending strength of the separator.

상기 표면층(140)을 구성하는 물질 중, 고분자는 연료전지 내부의 온도에서 충분히 견딜 수 있도록, 대략 60~250℃의 온도에서 내열성을 갖는 것이 바람직하며, 이러한 고분자는 에폭시 수지(Epoxy resin), 페놀 수지(Phenolic resin), 푸란 수지(Furan resin), 비닐에스테르(Vinyl ester), 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리아미드 이미드(Polyamide imide), 폴리비닐리덴플루오라이드(poly(binylidene fluoride)), 폴리페닐렌설파이드(Poly(phenylene sulfide)) 및 폴리페닐렌옥사이드(Poly(phenylene oxide)) 중에서 선택될 수 있다. 이들 고분자는 단독으로 또는 2 이상을 혼합하여 이용할 수 있다. Of the materials constituting the surface layer 140, the polymer preferably has heat resistance at a temperature of approximately 60 ~ 250 ℃, so as to withstand the temperature inside the fuel cell sufficiently, such a polymer is epoxy resin, phenol Phenolic resin, Furan resin, Vinyl ester, Polypropylene, Polyamide imide, Polyvinylidene fluoride, Polyphenyl It may be selected from phenylsulfide (Poly (phenylene sulfide)) and poly (phenylene oxide). These polymers can be used individually or in mixture of 2 or more.

또한, 상기 표면층(140)을 구성하는 물질 중, 고분자에 분산되는 도전성 첨가제는 우수한 전기전도성을 갖는 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브 등의 전도성 카본, 은이 코팅된 구리 등이 될 수 있으며, 이들 물질을 단독으로 또는 2이상을 혼합하여 이용할 수 있다. In addition, among the materials constituting the surface layer 140, the conductive additives dispersed in the polymer may be carbon black, graphite, carbon fiber, conductive carbon such as carbon nanotubes, silver coated copper, etc. having excellent electrical conductivity. These materials may be used alone or in combination of two or more thereof.

본 발명에 따른 연료전지용 분리판은 상기 카본페이퍼층(130)과 표면층(140)에 포함되는 도전성 첨가제에 의하여, 대략 10~100 mΩ·cm2 정도의 낮은 접촉 비저항을 가질 수 있다. The separator for fuel cells according to the present invention may have a low contact resistivity of about 10 to 100 mPa · cm 2 by the conductive additive included in the carbon paper layer 130 and the surface layer 140.

도전성 기판(110)과 외부와의 전류의 흐름을 집중시키고, 표면적을 넓혀 연료전지 내부의 열의 방출 효율을 높이기 위하여 표면층(140)은 도 1에 도시된 예와 같이 패터닝되어 있을 수 있다. In order to concentrate the flow of current between the conductive substrate 110 and the outside and increase the surface area to increase the efficiency of dissipating heat inside the fuel cell, the surface layer 140 may be patterned as shown in FIG. 1.

도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 2 schematically shows a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 연료전지용 분리판은, 도 1에 도시된 연료전지용 분리판과 마 찬가지로, 스테인리스 스틸, 알루미늄, 구리 등의 도전성 기판(110)과, 도전성 기판(110)의 표면에 형성되며, 우수한 접착력을 갖는 복합재료 등으로 형성되는 도전성 접착층(120)과, 도전성 접착층(120) 상에 형성되며, 비금속이면서도 우수한 도전성을 갖는 그라파이트(Graphite)를 재질로 하는 얇은 시트(sheet)의 형상의 카본페이퍼층(130), 그리고 카본페이퍼층(130) 상에 형성되며, 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 이루어지는 표면층(140)을 포함하여 이루어진다.The fuel cell separator shown in FIG. 2, like the fuel cell separator shown in FIG. 1, is formed on a conductive substrate 110, such as stainless steel, aluminum, copper, and the surface of the conductive substrate 110. Carbon in the form of a thin sheet formed of a conductive adhesive layer 120 formed of a composite material having excellent adhesion and the like, and a graphite formed on the conductive adhesive layer 120 and having a non-metal and excellent conductivity. It is formed on the paper layer 130 and the carbon paper layer 130, and comprises a surface layer 140 made of a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer.

도 2에서는 도전성 기판(110)의 이면이 식각 등의 방법으로 패터닝(pattern)되어 있다. 이는 상술한 표면층(140)의 패터닝과 동일한 목적으로, 기판과 외부와의 전류 흐름을 집중시키고, 표면적을 넓혀 연료전지 내부의 열을 용이하게 방출하게 하기 위함이다. In FIG. 2, the back surface of the conductive substrate 110 is patterned by etching or the like. This is for the same purpose as the patterning of the surface layer 140 described above, in order to concentrate the current flow between the substrate and the outside and to widen the surface area so as to easily release heat inside the fuel cell.

연료전지용 분리판 제조 방법Method for manufacturing separator for fuel cell

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다. 3 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법은 도전성 접착층 형성 단계(S310), 카본페이퍼층 형성 단계(S320), 표면층 형성 단계(S330)를 포함하여 이루어진다.Referring to FIG. 3, the method of manufacturing a separator for a fuel cell according to the present invention includes a conductive adhesive layer forming step S310, a carbon paper layer forming step S320, and a surface layer forming step S330.

도전성 접착층 형성 단계(S310)에서는 도전성 기판 상에 접착성이 우수한 도전성 복합재료를 코팅하여, 도전성 접착층을 형성한다. 도전성 접착층은 도전성을 유지하면서 카본페이퍼층의 부착력을 증대시키는 역할을 한다. In the conductive adhesive layer forming step (S310), a conductive composite having excellent adhesiveness is coated on the conductive substrate to form a conductive adhesive layer. The conductive adhesive layer serves to increase the adhesion of the carbon paper layer while maintaining conductivity.

카본페이퍼층 형성 단계(S320)에서는 연료전지용 분리판의 접촉저항을 보완해주기 위해, 상기 도전성 접착층 상에 그라파이트 재질로 얇은 시트 형상을 갖는 카본페이퍼를 접착한다. In the forming of the carbon paper layer (S320), in order to compensate for the contact resistance of the separator plate for fuel cell, carbon paper having a thin sheet shape of graphite is adhered on the conductive adhesive layer.

표면층 형성 단계(S330)에서는 60~250℃에서 내열성을 갖는 열가소성 또는 열경화성 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체로 카본페이퍼층 상에 표면층을 형성한다. In the surface layer forming step (S330), a surface layer is formed on the carbon paper layer as a composite in which a conductive additive is dispersed in a thermoplastic or thermosetting polymer having heat resistance at 60 to 250 ° C.

표면층을 형성하는 방법은 고분자에 도전성 첨가제가 분산된 복합체를 플레이트 형상으로 제조한 후, 압축/성형 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 또한, 표면층을 형성하는 방법은 상기 복합체를 포함하는 코팅액 조성물을 제조한 후, 스크린 프린팅(screen printing)법, 디핑(dipping)법, 테입 캐스팅(tape casting)법, 페인팅(painting)법 및 닥터 블레이드(doctor blade)법 등으로 코팅하는 방법을 이용할 수 있다. The method of forming the surface layer may be made by using a compression / molding apparatus after preparing a composite in which a conductive additive is dispersed in a polymer into a plate shape. In addition, the method for forming the surface layer is prepared by the coating liquid composition comprising the composite, screen printing (dipping), tape casting (tape casting), painting (painting) method and doctor blade coating by a (doctor blade) method or the like can be used.

상기의 표면층 형성 방법들 중에서 압축/성형 장치를 이용하는 경우 대량생산에 적합한 장점이 있으나, 압축 및 성형 과정에 복합체에 물리적 힘이 가해지게 되어, 분리판 형성 후 표면층의 접촉저항이 상승할 수 있다. 따라서, 이러한 우려가 없는 코팅법을 이용하는 것이 더욱 바람직하다. When the compression / molding apparatus is used among the surface layer forming methods, there is an advantage suitable for mass production, but the physical force is applied to the composite during the compression and molding process, so that the contact resistance of the surface layer may be increased after the separation plate is formed. Therefore, it is more preferable to use the coating method without such a concern.

표면층 형성 후에는 식각 등의 방법으로 표면층을 패턴화하여, 도전성 기판(110)과 외부와의 전류의 흐름을 집중시킬 수 있으며, 표면의 면적을 넓혀 열 방출을 용이하게 할 수 있다. After the surface layer is formed, the surface layer may be patterned by etching or the like to concentrate the flow of current between the conductive substrate 110 and the outside, and the surface area may be increased to facilitate heat dissipation.

연료전지용 분리판의 접촉저항 특성Contact Resistance Characteristics of Fuel Cell Separator

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 접촉저항 특성을 나타내는 그래프이다.4 is a graph showing the contact resistance characteristics of the separator plate for a fuel cell according to the present invention.

본 발명에 따라 스테인리스 스틸에 카본페이퍼를 접착하고, 표면층으로 40중량%의 카본블랙이 첨가된 폴리아미드 이미드를 페인팅 코팅한 연료전지용 분리판(Coating with attached carbon paper)을 제조하였다. According to the present invention, a carbon paper was attached to stainless steel, and a fuel cell separator plate (Coating with attached carbon paper) coated with polyamide imide to which 40 wt% carbon black was added as a surface layer was prepared.

한편, 접촉저항 특성을 비교하기 위한 비교군으로, 스테인리스 스틸로만 이루어진 분리판(304 steel), 스테인리스 스틸에 카본페이퍼층 없이 카본블랙이 40중량%로 첨가된 폴리아미드 이미드를 페인팅 방법으로 코팅한 분리판(Only PAI/carbon coating) 및 스테인리스 스틸에 탄소나노튜브가 성장된 분리판(Coating with grown CNT)을 이용하였다. On the other hand, as a comparison group for comparing the contact resistance characteristics, a coating plate coated with a polyamide imide containing carbon black added to 40% by weight of a separator plate made of stainless steel (304 steel), stainless steel without a carbon paper layer A separator plate (Only PAI / carbon coating) and a separator plate in which carbon nanotubes were grown on stainless steel were used.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따라 스테인리스 스틸 기판에 카본페이퍼를 접착하고 고분자에 도전성 첨가제가 첨가된 표면층을 형성한 연료전지용 분리판(Coating with attached carbon paper)의 경우, 접촉 비저항이 대략 20 mΩ·cm2 정도인 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, in the case of a fuel cell separating plate, in which a carbon paper is attached to a stainless steel substrate and a surface layer in which a conductive additive is added to the polymer according to the present invention, a contact specific resistance is approximately 20 mΩ. It can be confirmed that it is about cm 2 .

이는 스테인리스 스틸 기판에 탄소나노튜브가 성장되어 제조된 분리판(Coating with grown CNT)과 비슷한 접촉 비저항을 갖는 값에 해당한다. This corresponds to a value having a contact resistivity similar to that of a coating plate made with carbon nanotubes grown on a stainless steel substrate.

상술한 바와 같이, 탄소나노튜브 성장의 경우, 주로 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)에 의해 탄소나노튜브를 성장시키므로, 카본페이퍼 를 이용하는 경우보다 제조 비용이 많이 소요되며, 또한 도전성 기판에서의 접착력이 떨어지는 문제점이 있다. As described above, in the case of carbon nanotube growth, carbon nanotubes are grown mainly by chemical vapor deposition, and thus, manufacturing costs are higher than those of carbon paper. There is a problem falling.

또한, 도전성 기판으로 알루미늄을 선택할 경우, 알루미늄은 녹는점이 낮아 탄소나노튜브를 성장시키기 어려운 문제점이 있다. 즉, 탄소나노튜브 성장의 경우에는 도전성 기판의 재질에 영향을 받게 된다. 하지만, 카본페이퍼의 경우 도전성 기판의 재질에 따른 영향을 받지 않게 된다. In addition, when aluminum is selected as the conductive substrate, aluminum has a low melting point, making it difficult to grow carbon nanotubes. That is, in the case of carbon nanotube growth, the material of the conductive substrate is affected. However, carbon paper is not affected by the material of the conductive substrate.

따라서, 도전성 기판 상에 카본페이퍼를 접착하되, 접착력의 문제를 보완하기 위하여 먼저 접착력이 우수한 복합재료로 이루어진 도정성 접착층을 형성하고 카본페이퍼를 접착하는 경우, 저가임에도 우수한 접촉저항 특성 및 우수한 도전성 기판에의 접착성을 보일 수 있는 장점이 있다. Therefore, in order to bond the carbon paper on the conductive substrate, but first to form a conductive adhesive layer made of a composite material having excellent adhesion and to bond the carbon paper in order to supplement the problem of adhesion, excellent contact resistance characteristics and excellent conductive substrate even at low cost There is an advantage that can show the adhesion to.

한편, 스테인리스 스틸 분리판(304 steel) 및 카본페이퍼층 없이 고분자에 도전성 첨가제가 첨가된 표면층만이 형성된 분리판(Only PAl/carbon coating)의 경우 상대적으로 높은 접촉 비저항을 나타내어 접촉저항 특성이 상대적으로 떨어지는 것을 확인할 수 있다. On the other hand, in the case of the stainless steel separator plate (304 steel) and the separator plate (only PAl / carbon coating) in which only the surface layer with the conductive additive is added to the polymer without the carbon paper layer, the contact resistance is relatively high because of the relatively high contact resistivity. You can see it falling.

도 5는 본 발명에 따라 카본페이퍼를 접착한 분리판의 경우의 접촉저항 특성을 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing contact resistance characteristics of the separator plate bonded with carbon paper according to the present invention.

측정을 위하여, 본 발명에 따라 도전성 기판으로 알루미늄 기판 상에 카본페이퍼(Carbon paper)를 부착하고, 카본블랙이 60중량% 첨가된 폴리프로필렌을 이용하여 핫 프레싱 방법으로 성형하여 분리판을 제조하였다. 한편, 비교군으로, 알루미늄 기판에 카본페이퍼층 없이 카본블랙이 40중량%로 첨가된 폴리아미드 이미드를 페인팅 방법으로 코팅한 분리판을 제조하였다. For the measurement, according to the present invention, a carbon paper (Carbon paper) was attached to an aluminum substrate as a conductive substrate, and a separation plate was manufactured by molding by hot pressing using polypropylene to which carbon black was added at 60% by weight. On the other hand, in the comparative group, a separation plate coated with a polyamide imide in which 40% by weight of carbon black was added to an aluminum substrate without a carbon paper layer was prepared.

도 5를 참조하면, 본 발명과 같이 알루미늄 기판 상에 카본페이퍼를 부착한 경우, 접촉비저항이 30 mΩ·cm2 정도로 매우 우수한 특성을 나타내었지만, 알루미늄 기판에 카본블랙을 분사 코팅한 경우, 70 mΩ·cm2 정도로 카본페이퍼를 부착한 경우보다 2배 이상 높은 접촉 비저항값을 나타내었다. Referring to FIG. 5, when the carbon paper was attached to the aluminum substrate as in the present invention, the contact specific resistance was about 30 mΩ · cm 2. However, when carbon black was spray coated on the aluminum substrate, 70 mΩ The contact resistivity value was more than two times higher than that of carbon paper attached to about cm 2 .

이상에서는 본 발명의 일 실시예를 중심으로 설명하였지만, 당업자의 수준에서 다양한 변경이나 변형을 가할 수 있다. 이러한 변경과 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 본 발명에 속한다고 할 수 있다. 따라서 본 발명의 권리범위는 이하에 기재되는 청구범위에 의해 판단되어야 할 것이다. Although the above has been described with reference to one embodiment of the present invention, various changes and modifications can be made at the level of those skilled in the art. Such changes and modifications may belong to the present invention without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention will be determined by the claims described below.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 것이다.1 schematically shows a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 연료전지용 분리판을 개략적으로 도시한 것이다.Figure 2 schematically shows a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지용 분리판 제조 방법을 개략적으로 도시한 순서도이다. 3 is a flowchart schematically illustrating a method of manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 연료전지용 분리판의 접촉저항 특성을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing the contact resistance characteristics of the separator plate for a fuel cell according to the present invention.

도 5는 본 발명에 따라 카본페이퍼를 접착한 분리판의 경우의 접촉저항 특성을 나타내는 그래프이다. 5 is a graph showing contact resistance characteristics of the separator plate bonded with carbon paper according to the present invention.

Claims (20)

도전성 기판; Conductive substrates; 상기 도전성 기판 표면에 형성되며, 폴리에틸렌으로 이루어진 고분자 35~70중량%에 도전성 첨가제 30~65중량%가 분산된 복합재료로 이루어지는 도전성 접착층;A conductive adhesive layer formed on a surface of the conductive substrate and comprising a composite material in which 30 to 65 wt% of a conductive additive is dispersed in 35 to 70 wt% of a polymer made of polyethylene; 상기 도전성 접착층 상에 형성되는 카본페이퍼층; 및A carbon paper layer formed on the conductive adhesive layer; And 상기 카본페이퍼층 상에 형성되며, 에폭시 수지, 페놀 수지, 푸란 수지, 비닐에스테르, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리 프로필렌 및 폴리 아미드 이미드 중에서 선택되는 고분자 35~55중량%에 도전성 첨가제 45~65중량%가 분산된 복합체로 이루어지는 표면층;을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판. 35 to 35 polymer formed on the carbon paper layer and selected from epoxy resin, phenol resin, furan resin, vinyl ester, polyvinylidene fluoride, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polypropylene and polyamide imide A separator for a fuel cell, comprising: a surface layer comprising a composite in which 45 to 65 wt% of the conductive additive is dispersed in 55 wt%. 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 도전성 기판은 The conductive substrate is 스테인리스 스틸, 알루미늄 및 구리 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.Separation plate for a fuel cell, characterized in that selected from stainless steel, aluminum and copper. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 도전성 기판은 이면이 패터닝(patterning)되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판. The conductive substrate is a separator for a fuel cell, characterized in that the back surface is patterned (patterning). 제1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 도전성 기판은 0.1~3mm의 두께로 이루어지며, The conductive substrate is made of a thickness of 0.1 ~ 3mm, 상기 도전성 접착층은 0.01~200㎛의 두께로 형성되며, The conductive adhesive layer is formed to a thickness of 0.01 ~ 200㎛, 상기 카본페이퍼층은 0.01㎛~1mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.The carbon paper layer is a separator for a fuel cell, characterized in that formed in a thickness of 0.01㎛ ~ 1mm. 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 표면층 및 상기 도전성 접착층에 포함되는 도전성 첨가제는The conductive additive included in the surface layer and the conductive adhesive layer 카본블랙, 그라파이트, 카본파이버, 탄소나노튜브 및 은이 코팅된 구리 중 적어도 하나의 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판.Separation plate for a fuel cell, characterized in that made of at least one of carbon black, graphite, carbon fiber, carbon nanotubes and silver coated copper. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 표면층은 패터닝되어 있는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판. The surface layer is a separator for a fuel cell, characterized in that the patterned. 제1항 내지 제4항, 제6항 및 제11항 중 어느 하나의 분리판을 포함하는 연료전지. A fuel cell comprising the separator of any one of claims 1 to 4, 6 and 11. 제12항에 있어서, The method of claim 12, 상기 분리판은 10~100 mΩ·cm2 의 접촉 비저항을 갖는 것을 특징으로 하는 연료전지.The separator is a fuel cell, characterized in that it has a contact resistivity of 10 ~ 100 mPa · cm 2 . (a) 도전성 기판 상에, 폴리에틸렌으로 이루어진 고분자 35~70중량%에 도전성 첨가제 30~65중량%가 분산된 복합재료로 이루어지는 도전성 접착층을 코팅하는 단계;(a) coating a conductive adhesive layer made of a composite material having 30 to 65% by weight of a conductive additive dispersed in 35 to 70% by weight of a polymer made of polyethylene on a conductive substrate; (b) 상기 도전성 접착층 상에 카본페이퍼층을 접착하는 단계; 및(b) adhering a carbon paper layer on the conductive adhesive layer; And (c) 에폭시 수지, 페놀 수지, 푸란 수지, 비닐에스테르, 폴리비닐리덴플루오라이드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리 프로필렌 및 폴리 아미드 이미드 중에서 선택되는 고분자 35~55중량%에 도전성 첨가제 45~65중량%가 분산된 복합체로 상기 카본페이퍼층 상에 표면층을 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.(c) Conductive additive to 35 to 55% by weight of a polymer selected from epoxy resin, phenol resin, furan resin, vinyl ester, polyvinylidene fluoride, polyphenylene sulfide, polyphenylene oxide, polypropylene and polyamide imide Forming a surface layer on the carbon paper layer as a composite 45-65% by weight dispersed; manufacturing method of a separator for a fuel cell comprising a. 제14항에 있어서, The method of claim 14, (d)상기 표면층을 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.(D) a method for producing a separator for a fuel cell, characterized in that it further comprises the step of patterning the surface layer. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 (c)단계는 상기 복합체로 이루어진 플레이트를 압축 및 성형하여, 상기 표면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.In the step (c), the plate made of the composite is compressed and molded to form the surface layer of the fuel cell. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 (c)단계는 스크린 프린팅(screen printing)법, 디핑(dipping)법, 테입 캐스팅(tape casting)법, 페인팅(painting)법 및 닥터 블레이드(doctor blade)법 중에서 어느 하나의 방법으로 상기 복합체를 포함하는 코팅액 조성물을 코팅하여 상기 표면층을 형성하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법. In step (c), the composite may be formed by any one of a screen printing method, a dipping method, a tape casting method, a painting method, and a doctor blade method. Method of manufacturing a separator for a fuel cell, characterized in that to form a surface layer by coating a coating liquid composition comprising. 제14항에 있어서, The method of claim 14, 상기 기판은 0.1~3mm의 두께로 이루어지며, The substrate is made of a thickness of 0.1 ~ 3mm, 상기 도전성 접착층은 0.01~200㎛의 두께로 형성되며, The conductive adhesive layer is formed to a thickness of 0.01 ~ 200㎛, 상기 카본페이퍼층은 0.01㎛ ~ 1mm의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지용 분리판 제조 방법.The carbon paper layer is a fuel cell separation plate manufacturing method, characterized in that formed in a thickness of 0.01㎛ ~ 1mm. 삭제delete 삭제delete
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