KR101428551B1 - Epoxy-Carbon Composition for Bipolar Plate of PEMFC and Manufacturing Method for Bipolar Plate Using the Same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고분자 전해질막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell:PEMFC) 분리판용 에폭시-탄소 복합재료 조성물 및 이를 이용한 분리판 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기존의 분리판 제조용 에폭시-탄소입자 조성물의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시키기 위해 다양한 길이의 탄소섬유 필라멘트 (인장강도 4,000-7,000 MPa, 전기전도도 5x103 S/cm)와 흑연화 섬유 (인장강도 500-700 MPa, 전기전도도 5x104 S/cm)가 도입된 에폭시-탄소 입자 조성물을 제조하고, 이 조성물 중에서 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양면의 유로 측에 배치함으로써 유로측 요철 면의 기계적 강도가 강화된 분리판을 제조하는 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an epoxy-carbon composite material composition for a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) separator and a method for producing a separator using the same. More particularly, the present invention relates to a carbon fiber filament having various lengths (tensile strength: 4,000-7,000 MPa, electric conductivity: 5x10 3 S / cm) and graphitized fiber (Tensile Strength 500-700 MPa, Electrical Conductivity 5x10 4 S / cm) were introduced into the composition, a composition having a high particulate graphite content in the composition was placed in the center, and carbon fiber filaments and graphitized fibers The present invention relates to a method for producing a separator plate in which the mechanical strength of the flow path side uneven surface is enhanced by disposing a composition having a high content on the flow path side of both sides of the separator plate.
연료전지는 전지 내에서 수소나 메탄올 등의 연료를 전기화학적으로 산화시킴으로써, 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 화력발전과 같이 연료의 연소에 의한 공해물질의 발생이 없다. 또한 닫힌 계 내에서 전지반응을 하는 화학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되고 반응생성물이 연속적으로 계 외로 제거되므로 깨끗하고 효율적인 전기에너지 공급원으로 주목받고 있다.The fuel cell electrochemically oxidizes fuel such as hydrogen or methanol in the cell, thereby converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy. Therefore, there is no generation of pollutants due to the combustion of the fuel like the thermal power generation. In addition, unlike a chemical cell that performs a cell reaction in a closed system, the reactants are continuously supplied from the outside and the reaction products are continuously removed from the system, thus attracting attention as a clean and efficient source of electrical energy.
그 중 고분자 전해질 연료전지의 원리는 양극(Anode)에서 산화반응을 통해 수소이온(H+:hydrogen ion)과 전자를 발생시키고, 발생된 전자는 외부 회로를 통해서, 그리고 수소이온은 고분자 전해질 막을 통해서 음극(Cathode)으로 이동하여 산소와 반응함에 의해 환원됨으로써 전기에너지를 발생시킨다.Among them, the principle of a polymer electrolyte fuel cell is to generate hydrogen ions (H + ) and electrons through an oxidation reaction at an anode, generate electrons through an external circuit, and hydrogen ions through a polymer electrolyte membrane And moves to a cathode and reacts with oxygen to generate electric energy.
여기서 한 장의 분리판은 양면에 각각 가스 유로와 냉각 유로가 형성되어 있으며, 도면 1에서와 같이 두 장의 분리판의 냉각 유로 부분을 도전성 접착제로 접착함으로써 중방부에 냉각 유로가 형성되고, 양면에 수소 유로와 산소 또는 공기 유로가 형성된다. Here, a single sheet of separator has a gas flow path and a cooling flow path formed on both sides thereof. As shown in FIG. 1, a cooling flow path is formed in the middle portion by bonding the cooling flow path portions of the two sheets of separation plates with a conductive adhesive, A flow path and an oxygen or air flow path are formed.
분리판의 기능은 양극 쪽 유로를 통해서 활성영역에 수소를 균일하게 공급할 수 있고, 음극 쪽 유로를 통해서 활성영역에 산소 또는 공기를 균일하게 공급하면서 동시에 반응 생성물인 물을 외부로 배출한다.The function of the separator is to uniformly supply hydrogen to the active region through the anode-side flow path and uniformly supply oxygen or air to the active region through the cathode-side flow path, while simultaneously discharging the water as the reaction product.
또한 분리판은 우수한 전도성을 가짐으로써 이웃 셀과 전기적으로 통전되어야 하며, 뛰어난 기계적 강도를 발휘할 수 있어야 한다. 특히 유로가 형성되는 부분에서는 단면적이 50% 정도 감소하기 때문에 이 부분에서 전기적 저항이 높아지고 기계적 강도가 크게 감소하게 된다.In addition, the separator should have good conductivity to be electrically energized with neighboring cells and exhibit excellent mechanical strength. Particularly, in the portion where the flow path is formed, the cross sectional area is reduced by about 50%, so that the electrical resistance is increased at this portion and the mechanical strength is greatly reduced.
그런데 기존의 고분자-탄소 입자 복합재료를 사용한 분리판에서는 탄소 입자, 예를 들면, 그라파이트의 함량이 70-90%에 다다르기 때문에 기계적 강도가 낮고 탄소 입자의 부피가 크기 때문에 분리판의 두께를 얇게 만들기 어렵다.However, in the separator using a conventional polymer-carbon particle composite material, since the content of the carbon particles, for example, graphite is 70-90%, the mechanical strength is low and the volume of the carbon particles is large. It is difficult to make.
따라서 탄소 입자 함량을 낮추기 위해 탄소섬유, 니켈코팅 탄소섬유 등과 같은 전도성 섬유를 도입함으로써 기계적 강도 및 전기전도도를 향상시키는 방법들이 제안되었다. 한국공개특허10-2009-0072709(연료전지용 고분자 복합재료 분리판 제조방법)은 연료전지의 복합재료에 관한 것으로, 전도성 충전제, 열가소성 / 열경화성 수지 및 전도성 단섬유를 포함하는 연료전지의 분리판 성형용 복합재료와 그 제조 방법에 관한 것이다. 그렇지만, 이 방법에 의해 사용될 수 있는 탄소 섬유의 최대 길이는 5 mm이었고, 최적의 전기전도도는 4 mm인 경우였다. 또한, 원인은 나타나 있지 않지만 관통 전기전도도(수직면 전기전도도)는 일반적인 고분자/탄소 복합재료의 경우와 유사하였다. 한국공개특허10-2012-0032749(고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판 및 이의 제조방법)은 탄소섬유 보강 복합재료 프리프레그의 양측에 흑연포일 적층할 때, 흑연포일층이 직접 접촉되게 함으로써, 분리판의 두께 방향 전기전도도를 향상시킬 수 있도록 한 고분자 전해질 연료전지용 복합재료 분리판과 이의 제조 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는 탄소 장섬유를 몰드에 일정 간격으로 배열한 후 양측에 흑연포일을 배치한 후 가열 압축성형 한다. 한국공개특허10-2010-0070823(연료전지 분리판용 조성물, 그 제조방법, 이를 포함하는 연료전지 분리판 및 연료전지)은 열가소성 수지에 나노 사이즈의 니켈 코팅 탄소 섬유를 도입한 연료전지용 분리판 조성물에 관한 특허이다. 그러나 이들 종래기술은 본 발명과는 기술적 구성이 다른 것이다.Accordingly, methods for improving mechanical strength and electrical conductivity by introducing conductive fibers such as carbon fiber, nickel-coated carbon fiber, etc. have been proposed in order to lower the carbon particle content. Korean Patent Laid-Open No. 10-2009-0072709 (Method for producing a polymer composite separator for a fuel cell) relates to a composite material for a fuel cell, which is used for forming a separator for a fuel cell including a conductive filler, a thermoplastic / thermosetting resin, To a composite material and a manufacturing method thereof. However, the maximum length of carbon fiber that can be used by this method was 5 mm and the optimum electrical conductivity was 4 mm. In addition, although the cause is not shown, the through electrical conductivity (vertical surface electrical conductivity) is similar to that of general polymer / carbon composite material. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0032749 (Composite Material Separation Plate for Polymer Electrolyte Fuel Cell and Method for Manufacturing the Same), when the graphite foil is laminated on both sides of the carbon fiber-reinforced composite prepreg, To improve the electrical conductivity in the thickness direction of the polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the same. In this method, carbon filaments are arranged at regular intervals in a mold, and then graphite foils are arranged on both sides, followed by compression molding. Korean Unexamined Patent Application Publication No. 10-2010-0070823 (composition for a fuel cell separator, a method for producing the same, a fuel cell separator and a fuel cell including the same) is a separator plate composition for a fuel cell in which a nano-sized nickel-coated carbon fiber is introduced into a thermoplastic resin Patent. However, these prior arts have different technical constructions from the present invention.
본 발명은 에폭시-탄소입자 복합재료의 전기 전도도와 기계적 강도를 동시에 증가시킬 수 있도록 에폭시-탄소입자 조성물에 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유를 도입한 연료전지 분리판용 조성물을 제공하기 위한 것이다.The present invention provides a composition for a fuel cell separator in which carbon fiber filaments and graphitized fibers are introduced into an epoxy-carbon particle composition so that electrical conductivity and mechanical strength of the epoxy-carbon particle composite material can be simultaneously increased.
또한 본 발명은 분리판 유로 형성 부분에서 단면적이 50% 정도 감소함으로 인해 유발되는 기계적 강도 감소 및 전기적 저항 증가 문제를 해결하기 위해 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양면의 유로 형성부에 배치하여 분리판을 제작하는 방법을 제공하기 위한 것이다.In order to solve the problem of reduction in mechanical strength and increase in electrical resistance caused by a reduction in cross-sectional area of about 50% in a separator plate flow passage forming part, a composition having a high graphitic graphite content is disposed at the center of the separator plate, And a composition having a high graphitized fiber content in a flow path forming portion on both sides of the separating plate to produce a separating plate.
상기 첫 번째 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 에폭시-탄소입자 조성물로 제조된 분리판의 기계적 강도를 향상시키기 위해 탄소섬유 필라멘트를 도입하고, 전기 전도도를 향상시키기 위해 흑연화 섬유를 도입한 분리판용 조성물을 제공한다. In order to achieve the first object of the present invention, there is provided a separator comprising a carbon fiber filament for introducing a carbon fiber filament to improve the mechanical strength of a separator made of an epoxy-carbon particle composition and a graphite fiber- .
특히, 상기 조성물은 에폭시가 전체 조성물의 20-30 w/w%이고, 입자상 탄소가 60-80 w/w%, 탄소섬유 필라멘트는 0.5-5 w/w%이며, 흑연화 섬유는 0.5-5 w/w%이다.In particular, the composition is characterized in that the epoxy is 20-30 w / w% of the total composition, the particulate carbon is 60-80 w / w%, the carbon fiber filaments are 0.5-5 w / w% w / w%.
상기 탄소섬유 필라멘트는 인장강도가 4,000-7,000 MPa이고, 전기전도도가 5x103 S/cm이며, 길이가 0.5-3 cm이고, 그 직경은 7.5 ㎛이다, The carbon fiber filament has a tensile strength of 4,000-7,000 MPa, an electrical conductivity of 5 × 10 3 S / cm, a length of 0.5-3 cm, and a diameter of 7.5 μm.
상기 흑연화 섬유는 인장강도가 500-700 MPa이고, 전기전도도가 5x104 S/cm이며, 길이가 0.3-1 cm이고, 그 직경은 15 ㎛이다.The graphitized fibers have a tensile strength of 500-700 MPa, an electrical conductivity of 5 x 10 4 S / cm, a length of 0.3-1 cm, and a diameter of 15 탆.
상기 입자상 탄소는 카본블랙, 그라파이트 등의 단독 또는 그 혼합물 등으로부터 선택된 하나일 수 있다.The particulate carbon may be selected from carbon black, graphite, etc., alone or a mixture thereof.
상기 에폭시는 분말상 또는 액상의 에폭시 수지로부터 선택된 하나일 수 있다.The epoxy may be one selected from a powdery or liquid epoxy resin.
상기 두 번째 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 분리판 유로 형성 부분에서 단면적이 50% 정도 감소함으로 인해 유발되는 기계적 강도 감소 및 전기적 저항 증가 문제를 해결하기 위해서 도 7에서와 같이 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양측의 유로 형성부에 배치하여 분리판을 제작하는 방법을 제공한다. In order to achieve the second object, in order to solve the problem of reduction in mechanical strength and increase in electrical resistance caused by a reduction in cross-sectional area of about 50% in the partition plate flow path forming portion, a composition having a high granular graphite content And a composition having a high content of carbon fiber filaments and graphitized fibers is disposed in the flow path forming portions on both sides of the separating plate to produce a separating plate.
본 발명에 따른 연료전지용 에폭시 복합재료 분리판은 기존의 고분자-입자상 탄소 분리판에 다양한 길이로 절단된 탄소섬유 필라멘트와 흑연화 섬유를 혼합함으로써 기계적 강도 및 전기 전도도가 높은 분리판용 조성물을 제공한다. 또한 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양측의 유로 형성부에 배치하여 기계적 강도 및 전기 전도도가 높은 분리판을 제작하는 방법을 제공한다. The epoxy composite material separator for a fuel cell according to the present invention provides a composition for a separator having high mechanical strength and electrical conductivity by mixing carbon fiber filaments and graphitized fibers cut into various lengths in a conventional polymer-particulate carbon separator. Further, a composition having a high particulate graphite content is disposed at the center of the separator plate, and a composition having a high content of carbon fiber filaments and graphitized fibers is disposed in the flow passage forming portions on both sides of the separator plate to produce a separator plate having high mechanical strength and electrical conductivity ≪ / RTI >
도 1은 총 탄소 성분 (입자상 그라파이트, 흑연화 섬유, 탄소섬유 필라멘트) 함량 변화에 따른 전기전도도의 변화를 나타내고 있다.
도 2는 총 탄소성분 (입자상 그라파이트, 흑연화 섬유, 탄소섬유 필라멘트) 함량 변화에 따른 굴곡강도의 변화를 나타내고 있다.
도 3은 탄소섬유 필라멘트 함량 변화에 따른 전기전도도의 변화를 나타내고 있다.
도 4는 탄소섬유 필라멘트 함량 변화에 따른 굴곡강도의 변화를 나타내고 있다.
도 5는 흑연화 섬유 함량 변화에 따른 전기전도도의 변화를 나타내고 있다.
도 6은 흑연화 섬유 함량 변화에 따른 굴곡강도의 변화를 나타내고 있다.
도 7(A)는 본 발명에 의해 제조되는 연료전지 분리판의 구조에 대한 개략도이고, 도 7(B)는 실시예 4에 의해 제조한 분리판에서 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물이 중심부에 배치되고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물이 분리판 양면의 유로측에 배치된 것을 볼 수 있는 SEM 사진이다.
도 8은 도 7(B)의 파단면의 중심부(A)와 유로 형성부(B)를 확대한 SEM 사진이다.
도 9는 도 7(B)의 파탄면에 노출된 탄소섬유 필라멘트(A)와 흑연화 섬유(B) 표면을 확대하여 관찰한 SEM 사진이고, 이들과 비교하기 위해 신제품 탄소섬유 필라멘트(C)와 신제품 흑연화 섬유(D)의 SEM 사진을 같이 나타내었다. Fig. 1 shows the change in electrical conductivity with changes in the total carbon content (particulate graphite, graphitized fiber, carbon fiber filament).
Fig. 2 shows changes in flexural strength with changes in the total carbon content (graphite graphite, graphitized fiber, carbon fiber filament).
Fig. 3 shows the change of the electric conductivity according to the change of the carbon fiber filament content.
Fig. 4 shows the change of the flexural strength with the change of the carbon fiber filament content.
Fig. 5 shows the change in electric conductivity with the change of graphitized fiber content.
Fig. 6 shows the change of the flexural strength with the change of the graphitized fiber content.
Fig. 7 (A) is a schematic view of the structure of a fuel cell bipolar plate manufactured by the present invention, and Fig. 7 (B) , A carbon fiber filament and a composition having a high graphitized fiber content are arranged on the flow path side of both sides of the separator.
Fig. 8 is an SEM photograph showing an enlarged view of the central portion A and the flow path forming portion B of the broken section of Fig. 7 (B).
Fig. 9 is an SEM photograph of an enlarged view of the surfaces of the carbon fiber filaments A and the graphitized fibers B exposed on the fractured surface of Fig. 7 (B). For comparison with the SEM photographs, the new carbon fiber filaments C and SEM photographs of the new graphitized fibers (D) were also shown.
이하, 도면 및 실시예 등을 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings and examples.
본 발명은 에폭시-탄소입자 복합재료의 기계적 강도를 향상시키기 위해서 탄소섬유 필라멘트를 도입하고, 탄소섬유 필라멘트가 도입됨에 따라 감소되는 전기전도도를 향상시키기 위해서 흑연화 섬유를 도입한 연료전지 분리판용 조성물을 제공한다.The present invention relates to a composition for a fuel cell separator in which carbon fiber filaments are introduced to improve the mechanical strength of an epoxy-carbon particle composite material and graphitized fibers are introduced to improve the electrical conductivity which is reduced as carbon fiber filaments are introduced to provide.
즉, 상기 에폭시는 분말상 노볼락 타입 에폭시 수지 (YSLV-80XY, Tohto Kasei Co., Ltd.) 100g에 분말상 페놀 노볼락 타입 경화제 (KPN 2110, 강남화성) 53g과 촉매인 triphenyl phosphine (Arkema Inc.) 1g을 혼합하여서 제조하였다. That is, the epoxy was prepared by mixing 53 g of a powdery phenol novolac type curing agent (KPN 2110, Kangnam Hwaseong) and 100 g of triphenyl phosphine (Arkema Inc.) as a catalyst in 100 g of a powdery novolac type epoxy resin (YSLV-80XY, Tohto Kasei Co., Were mixed.
이렇게 제조된 에폭시는 전체 에폭시-탄소 복합재료 조성물의 20-30 w/w%이고, 입자상 탄소(TIMREX SFG6L, TIMCAL Group)가 60-80 w/w%, 탄소섬유 필라멘트(KCF-100, Kureha Chemical Industry Co.)는 0.5-5 w/w%이며, 흑연화 섬유(KGF-200, Kureha Chemical Industry Co.)는 0.5-5 w/w%인 조성물이다. 여기서 탄소섬유 필라멘트의 길이는 0.5-3 cm이고, 그 직경은 7.5 ㎛이며, 흑연화 섬유의 길이는 0.3-1 cm이고, 그 직경은 15 ㎛이다.The epoxy thus prepared is 20-30 w / w% of the total epoxy-carbon composite composition, 60-80 w / w% of particulate carbon (TIMREX SFG6L, TIMCAL Group), carbon fiber filaments (KCF-100, Kureha Chemical (KGF-200, Kureha Chemical Industry Co.) is 0.5-5 w / w%. Here, the length of the carbon fiber filament is 0.5-3 cm, the diameter thereof is 7.5 占 퐉, the length of the graphitized fiber is 0.3-1 cm, and the diameter thereof is 15 占 퐉.
또한, 본 발명은 분리판 유로 형성 부분에서 단면적이 50% 정도 감소함으로 인해 유발되는 기계적 강도 감소 및 전기적 저항 증가 문제를 해결하기 위해서 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양면의 유로 형성부에 배치하여 분리판을 제작하는 방법을 제공한다.In order to solve the problem of mechanical strength reduction and electrical resistance increase caused by the reduction of the sectional area by 50% in the partition plate flow path forming portion, a composition having a high graphite graphite content is disposed at the center of the separator plate, The present invention also provides a method for producing a separator by arranging a composition having a high content of filaments and graphitized fibers in flow path forming portions on both sides of the separator.
이하 본 발명의 실시 예를 통해서 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples of the present invention, but the present invention is not limited thereto.
<< 실시예Example 1> 1>
분말상 에폭시 25 w/w%와 입자상 그라파이트 70 w/w%, 그리고 탄소섬유 필라멘트 3 w/w% 및 흑연화 섬유 2 w/w%를 기계적 교반기를 사용하여 혼합하였다. 여기서 사용된 탄소섬유 필라멘트의 길이는 1 cm이고, 그 직경은 7.5 ㎛이며, 흑연화 섬유의 길이는 0.5 cm이고, 그 직경은 15 ㎛이다. 이렇게 혼합된 분말상 탄소 복합재료 원료를 분리판용 몰드에 투입한 후 가열 압축 경화반응에 의해 분리판을 제작하였다. 분리판의 전기전도도를 4-탐침법 (4-point probe method)에 의해 측정하였고, 3점 굽힘실험 (3-point bending test)에 의해 굴곡강도를 측정하였으며, 전기전도도는 도 1에 나타내었듯이 66 S/cm이었고, 굴곡강도는 도 2에 나타내었듯이 72 MPa이었다. 25 w / w% of powdered epoxy and 70 w / w% particulate graphite, and 3 w / w% carbon fiber filaments and 2 w / w% graphitized fibers were mixed using a mechanical stirrer. The length of the carbon fiber filament used here is 1 cm, the diameter thereof is 7.5 占 퐉, the length of the graphitized fiber is 0.5 cm, and the diameter thereof is 15 占 퐉. The raw material of the powdery carbon composite material thus obtained was put into a mold for a separator, and a separator was prepared by a heat compression curing reaction. The electrical conductivity of the separator was measured by the 4-point probe method and the flexural strength was measured by a 3-point bending test. The electrical conductivity was measured as 66 S / cm, and the flexural strength was 72 MPa as shown in Fig.
또한, 도 1에는 총 탄소 중량이 증가함에 따라 전기 전도도가 크게 증가하는 것을 나타내었고, 도 2에는 총 탄소 중량이 증가함에 따라 굴국강도가 감소하는 것을 나타내었다. Also, FIG. 1 shows that the electrical conductivity increases significantly with increasing the total carbon weight, and FIG. 2 shows that the peak strength decreases as the total carbon weight increases.
<< 실시예Example 2> 2>
분말상 에폭시 수지 매트릭스 25 w/w%와 입자상 그라파이트 73 w/w%, 그리고 탄소섬유 필라멘트 1 w/w% 및 흑연화 섬유 1 w/w%를 기계적 교반기를 사용하여 혼합하였고, 몰드에서 가열 압축 경화반응에 의해 분리판을 제작하였다. 여기서 사용된 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유는 실시예 1에서와 같은 제품들을 사용하였다. 또한, 전기전도도 및 굴곡강도는 실시예 1에서와 같은 방법들에 의해 측정하였고, 전기전도도는 도 3에 나타내었듯이 58 S/cm이었고, 굴곡강도는 도 4에 나타내었듯이 61 MPa이었다. 25 w / w% of the powdery epoxy resin matrix and 73 w / w% of the particulate graphite, 1 w / w% of the carbon fiber filaments and 1 w / w% of the graphitized fibers were mixed using a mechanical stirrer, The separation plate was prepared by the reaction. The carbon fiber filaments and graphitized fibers used herein were the same as those used in Example 1. [ The electrical conductivity and flexural strength were measured by the same methods as in Example 1, and the electrical conductivity was 58 S / cm as shown in FIG. 3, and the flexural strength was 61 MPa as shown in FIG.
또한, 도 3에는 탄소섬유 필라멘트 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 감소하는 것을 나타내었고, 도 4에는 탄소섬유 필라멘트 함량이 증가함에 따라 굴곡강도가 크게 개선되는 것을 나타내었다.
In addition, FIG. 3 shows that the electric conductivity decreases as the carbon fiber filament content increases, and FIG. 4 shows that the flexural strength is greatly improved as the carbon fiber filament content increases.
<< 실시예Example 3> 3>
분말상 에폭시 수지 매트릭스 25 w/w%와 입자상 그라파이트 68 w/w%, 그리고 탄소섬유 필라멘트 2 w/w% 및 흑연화 섬유 5 w/w%를 기계적 교반기를 사용하여 혼합하였고, 몰드에서 가열 압축 경화반응에 의해 분리판을 제작하였다. 여기서 사용된 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유는 실시예 1에서와 같은 제품들을 사용하였다. 또한, 전기전도도 및 굴곡강도는 실시예 1에서와 같은 방법들에 의해 측정하였고, 전기전도도는 도 5에 나타내었듯이 98 S/cm이었고, 굴곡강도는 도 6에 나타내었듯이 64 MPa이었다.25 w / w% of the powdery epoxy resin matrix and 68 w / w% of the particulate graphite, 2 w / w% of the carbon fiber filaments and 5 w / w% of the graphitized fibers were mixed using a mechanical stirrer, The separation plate was prepared by the reaction. The carbon fiber filaments and graphitized fibers used herein were the same as those used in Example 1. [ The electrical conductivity and flexural strength were measured by the same methods as in Example 1, and the electrical conductivity was 98 S / cm as shown in FIG. 5, and the flexural strength was 64 MPa as shown in FIG.
또한, 도 5에는 흑연화 섬유 함량이 증가함에 따라 전기전도도가 크게 증가하는 것을 나타내었고, 도 6에는 흑연화 섬유 함량 변화에 관계없이 굴곡강도가 거의 일정함을 나타내었다.
Also, FIG. 5 shows that the electrical conductivity increases largely as the graphitized fiber content increases, and FIG. 6 shows that the flexural strength is almost constant regardless of the graphitized fiber content.
<< 실시예Example 4> 4>
실시예 2와 3으로부터 흑연화 섬유는 전기전도도를 크게 개선시키는 반면에 기계적 강도에는 거의 영향을 미치지 않았고, 탄소섬유 필라멘트는 기계적 강도를 크게 개선시키는 반면에 전기 전도도에 악영향을 미치는 것을 확인하였다. From Examples 2 and 3, it was found that the graphitized fibers greatly improved the electrical conductivity, but had little effect on the mechanical strength, and the carbon fiber filaments significantly improved the mechanical strength, but adversely affected the electrical conductivity.
따라서 분리판 유로 형성 부분에서 단면적이 50% 정도 감소함으로 인해 유발되는 기계적 강도 감소 및 전기적 저항 증가 문제를 해결하기 위해서 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양면의 유로 형성부에 배치하여 분리판을 제작하였다.Therefore, in order to solve the problem of reduction in mechanical strength and increase in electrical resistance caused by a reduction in cross-sectional area of about 50% in the region where the separator plate flow path is formed, a composition having a high graphitic graphite content is disposed at the center of the separator plate, and carbon fiber filaments and graphitization A composition having a high fiber content was placed in the flow path forming portion on both sides of the separation plate to prepare a separation plate.
먼저, 조성물 1은 분말상 에폭시 수지 매트릭스 25 w/w%와 입자상 그라파이트 73 w/w%, 그리고 탄소섬유 필라멘트 1 w/w% 및 흑연화 섬유 1 w/w%를 기계적 교반기를 사용하여 혼합하였다.First, Composition 1 was blended with 25 w / w% of a powdery epoxy resin matrix and 73 w / w% of particulate graphite, 1 w / w% of carbon fiber filaments and 1 w / w% of graphitized fibers using a mechanical stirrer.
한편, 조성물 2는 분말상 에폭시 수지 매트릭스 25 w/w%과 입자상 그라파이트 70 w/w%, 그리고 탄소섬유 필라멘트 2.5 w/w% 및 흑연화 섬유 2.5 w/w%를 기계적 교반기를 사용하여 혼합하였다. 여기서 사용된 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유는 실시예 1에서와 같은 제품들을 사용하였다. On the other hand, Composition 2 was mixed with 25 w / w% of the powdery epoxy resin matrix and 70 w / w% of particulate graphite, 2.5 w / w% of carbon fiber filaments and 2.5 w / w% of graphitized fibers using a mechanical stirrer. The carbon fiber filaments and graphitized fibers used herein were the same as those used in Example 1. [
그리고, 분리판 총 중량의 3분의 1 중량만큼의 조성물 2를 몰드에 채운 후, 그 위에 분리판 총 중량의 3분의 1 중량만큼의 조성물 1을 채우고, 다시 그 위에 분리판 총 중량의 3분의 1 중량만큼의 조성물 2를 채운다. 그리고 몰드에서 가열 압축 경화반응에 의해 도 7(B)에서와 같은 복합층 분리판을 제작하였다. 또한, 제작된 복합층 분리판의 굴곡강도는 실시예 1에서와 같은 방법에 의해 측정되었고, 그 결과를 표 1에 단일층 분리판의 물성값과 비교하였다. 굴곡강도는 조성물 1과 2의 탄소섬유 함량에 비례한 값을 나타내었고, 전기전도도는 표면 전기전도도 값이기 때문에 여기서는 측정하지 않았다.Then, the mold 2 is filled with the composition 2 as much as one-third of the total weight of the separator, the composition 1 is filled with the composition 1 by one-third of the total weight of the separator, Min. ≪ / RTI > Then, a composite layer separator as shown in FIG. 7 (B) was produced by a heat compression and curing reaction in the mold. The flexural strength of the prepared composite multi-layer separator was measured by the same method as in Example 1, and the results are compared with those of the single-layer separator in Table 1. The flexural strength was proportional to the carbon fiber content of Compositions 1 and 2, and the electrical conductivity was not measured here because it was a surface electrical conductivity value.
입자상 그라파이트 73 wt%
탄소섬유 필라멘트 1 wt%
흑연화 섬유 1 wt% Powdery epoxy resin 25 wt%
Particulate graphite 73 wt%
Carbon fiber filament 1 wt%
Graphitized fiber 1 wt%
입자상 그라파이트 70 wt%
탄소섬유 필라멘트 2.5 wt%
흑연화 섬유 2.5 wt%Powdery epoxy resin 25 wt%
Particulate graphite 70 wt%
Carbon fiber filament 2.5 wt%
Graphitized fiber 2.5 wt%
도 8에서와 같이 SEM으로 관찰한 결과 양측면의 섬유상 밀도가 중앙부에 비해 훨씬 높은 것을 확인할 수 있었다. 탄소섬유 필라멘트가 굴곡강도를 향상시키고, 흑연화 섬유가 전기전도도를 크게 개선시키는 현상을 고찰하기 위해서 도 9에서와 같이 파단면에 노출된 탄소섬유 필라멘트 또는 흑연화 섬유 표면을 고배율로 확대하여 관찰하였다. 그 결과 표면이 에폭시 및 입자상 그라파이트 분말이 많이 부착되어 있는 것을 볼 수 있으며, 이것으로부터 분리판이 파단될 때에 탄소섬유 필라멘트와 에폭시 매트릭스 계면 접착이 깨어지는 것과 탄소섬유 필라멘트가 에폭시 매트릭스를 빠져나오면서 발생하는 마찰을 극복하기 위한 많은 에너지가 소비되기 때문에 굴곡강도가 크게 증가하는 것을 볼 있다. 그리고 흑연화 섬유가 입자상 그라파이트들 사이를 연결해 줌으로써 전기저항을 크게 감소시키기 때문에 전기전도도가 크게 향상되는 것을 볼 수 있다. As shown in FIG. 8, SEM observation revealed that the fibrous density on both sides was much higher than that in the center portion. In order to examine the phenomenon that the carbon fiber filament improves the bending strength and the graphitized fiber greatly improves the electrical conductivity, the surface of the carbon fiber filament or graphitized fiber exposed to the fracture surface is enlarged and observed at a high magnification as shown in Fig. 9 . As a result, it can be seen that a lot of epoxy and particulate graphite powder adhere to the surface, and when the separator is broken, the interfacial adhesion between the carbon fiber filament and the epoxy matrix is broken, and the friction generated when the carbon fiber filament exits the epoxy matrix It is seen that the bending strength is greatly increased because a lot of energy is consumed. And it can be seen that the electric conductivity is greatly improved because graphitized fibers greatly reduce electrical resistance by connecting between graphite particles.
본 발명은 기존의 연료전지 분리판용 에폭시-탄소 복합재료 조성물의 전기전도도 및 기계적 강도를 향상시키기 위해 탄소섬유 필라멘트와 흑연화 섬유가 도입된 에폭시-탄소 입자 조성물을 제조하고, 이 조성물 중에서 입자상 그라파이트 함량이 높은 조성물을 분리판의 중심부에 배치하고, 탄소섬유 필라멘트 및 흑연화 섬유 함량이 높은 조성물을 분리판 양면의 유로 측에 배치함으로써 유로측 요철면의 기계적 강도가 강화된 분리판을 제조하는 방법을 제공함으로써 가공이 용이하고 저가인 분리판을 제조하는데 활용될 수 있다.In order to improve electrical conductivity and mechanical strength of an epoxy-carbon composite material composition for a conventional fuel cell separator, an epoxy-carbon particle composition into which carbon fiber filaments and graphitized fibers have been introduced is prepared, and a particulate graphite content A method for producing a separator plate in which mechanical strength of the channel side uneven surface is enhanced by disposing the high composition at the center of the separator plate and arranging the carbon fiber filament and the composition having a high graphitized fiber content on the flow channel sides of the separator plate So that it can be utilized for manufacturing a separation plate which is easy to process and is inexpensive.
Claims (7)
상기 탄소섬유 필라멘트의 종횡비는 666.7:1 내지 4,000:1이고, 상기 흑연화 섬유의 종횡비는 200:1 내지 666.7:1인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지 분리판용 에폭시-탄소 복합재료 조성물의 제조방법.
Introducing carbon fiber filaments to improve the mechanical strength of a separator made of an epoxy-carbon particle composition, and introducing graphitized fibers to improve electrical conductivity, thereby producing a composition for a fuel cell separator A method for producing an epoxy-carbon composite material composition for an electrolyte membrane fuel cell separator,
Wherein the carbon fiber filament has an aspect ratio of 666.7: 1 to 4000: 1, and an aspect ratio of the graphitized fiber is 200: 1 to 666.7: 1. Way.
연료전지 분리판용 조성물은 에폭시가 전체 조성물의 20-30 w/w%이고, 입자상 탄소가 60-80 w/w%, 탄소섬유 필라멘트는 0.5-5 w/w%이며, 흑연화 섬유는 0.5-5 w/w%인 것을 특징으로 하는 고분자 전해질막 연료전지 분리판용 에폭시-탄소 복합재료 조성물 제조방법.
The method according to claim 1,
The composition for a fuel cell separator is characterized in that the epoxy is 20-30 w / w% of the total composition, the particulate carbon is 60-80 w / w%, the carbon fiber filament is 0.5-5 w / w% And 5w / w% of the total weight of the epoxy-carbon composite material.
The method for producing an epoxy-carbon composite material composition for a polymer electrolyte membrane fuel cell separator according to claim 2, wherein the epoxy is one selected from powdery or liquid resin.
The epoxy-carbon composite material composition for a polymer electrolyte membrane fuel cell separator according to claim 3, wherein the epoxy-carbon composite material composition is any one selected from a powdery or liquid phenol resin and a polyester resin capable of replacing the powdery and liquid epoxy resin Way.
The carbon fiber filament according to claim 2, wherein the carbon fiber filament has a tensile strength of 4,000 to 7,000 MPa, an electrical conductivity of 5 x 10 3 S / cm, a length of 0.5 to 3 cm, a diameter of 7.5 μm, Carbon composite material composition for a polymer electrolyte membrane fuel cell separator according to claim 1, wherein the epoxy-carbon composite material composition is 500-700 MPa, the electric conductivity is 5 × 10 4 S / cm, the length is 0.3-1 cm, and the diameter is 15 μm .
3. The method of claim 2, wherein the particulate carbon is selected from carbon black, graphite alone or a mixture thereof.
상기 탄소섬유 필라멘트의 종횡비는 666.7:1 내지 4,000:1이고, 상기 흑연화 섬유의 종횡비는 200:1 내지 666.7:1인 것을 특징으로 하는 분리판을 제작하는 방법.In order to solve the problem of reduction in mechanical strength and increase in electric resistance caused by reduction in cross-sectional area at the portion where the flow path of the separator is formed, a composition having a particulate graphite content of 70-75 w / w% A composition in which carbon fiber filaments and graphitized fiber contents of 3 to 5 w / w% are respectively disposed on the flow path forming portions on both sides of the separating plate, and then the separated separating plate is heated A method for manufacturing a separator plate by compression and molding,
Wherein the carbon fiber filament has an aspect ratio of 666.7: 1 to 4,000: 1, and the graphitized fiber has an aspect ratio of 200: 1 to 666.7: 1.
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| CN109485764A (en) * | 2018-10-22 | 2019-03-19 | 惠州市海龙模具塑料制品有限公司 | A kind of thermoplastic resin based composite material bipolar plates and preparation method thereof |
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