KR101777214B1 - Fuel cell separator plate fabriation method and the fuel cell separator plate using the same - Google Patents

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Abstract

내열성 내산성을 가지는 연료전지 분리판 제조방법을 제공하기 위한 본 발명은 흑연과 플루오르카본 폴리머를 혼합한 후 평판 형태의 중간체를 제조하는 단계, 상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계 및 상기 냉각된 중간체를 성형하여 유로를 제작하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a process for producing a fuel cell bipolar plate having heat resistance and acid resistance, comprising the steps of mixing a graphite and a fluorocarbon polymer and then producing a plate-form intermediate, said intermediate being heated at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes And then cooling and molding the cooled intermediate to manufacture a flow path.

Description

연료전지 분리판 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 연료전지 분리판{FUEL CELL SEPARATOR PLATE FABRIATION METHOD AND THE FUEL CELL SEPARATOR PLATE USING THE SAME}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell separator, and a fuel cell separator using the fuel cell separator.

본 발명은 내열성 및 내산성 특성을 가지는 연료전지 분리판 제조방법 및 이를 이용하여 제조된 연료전지 분리판에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a fuel cell bipolar plate having heat resistance and acid resistance, and a fuel cell bipolar plate manufactured using the same.

연료전지는 연료(수소, 인산, 메탄올 등)의 산화 반응을 전기 화학적으로 일으키게 함으로써, 그 산화 반응에 수반되는 자유 에너지 변화를 직접 전기 에너지로 꺼낼 수 있도록 조립한 전지이다. 연료전지는 연료 및 반응 촉매의 종류에 따라 고체산화물연료전지(SOFC, solid oxide fuel cells), 인산형연료전(PAFC, phosphoric acid fuel cell). 고분자전해질연료전지(PEMFC, proton exchange membrane fuel cell), 직접메탄올형연료전지(DMFC, direct methanol fuel cell) 등으로 분류된다. BACKGROUND ART A fuel cell is a cell assembled so that the oxidation reaction of fuel (hydrogen, phosphoric acid, methanol, etc.) is caused to occur electrochemically, and the free energy change accompanying the oxidation reaction can be directly taken out as electric energy. Fuel cells can be classified into solid oxide fuel cells (SOFCs), phosphoric acid fuel cells (PAFCs), and phosphoric acid fuel cells depending on the type of fuel and reaction catalyst. A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and a direct methanol fuel cell (DMFC).

연료전지의 스택 부품 중 전해질, 연료극 및 공기극을 서로 분리하는 분리판은 전기전도도, 기체투과도, 강도, 부식특성, 및 용출특성 등의 특성이 요구되며, 분리판의 재질로는 금속 또는 흑연 등이 사용되고 있다. 금속 분리판은 부식 특성에서 단점이 있으며, 흑연 분리판은 제조 단가가 높고, 부피가 큰 단점이 있다. 이와 같은 문제점에 따라 흑연 분말에 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 혼합한 다음 압축성형 및 사출 성형법으로 분리판을 유로 몰딩하는 방법 등이 사용되고 있다. Separating plates separating the electrolyte, fuel electrode and air electrode from each other in the stack parts of the fuel cell are required to have characteristics such as electrical conductivity, gas permeability, strength, corrosion characteristics, and elution characteristics. . The metal separator has disadvantages in corrosion characteristics, and the graphite separator has a disadvantage of high manufacturing cost and large volume. According to such a problem, a method of mixing a thermosetting resin or a thermoplastic resin into a graphite powder and then casting the separator plate by compression molding and injection molding is used.

특히, 고온용 연료전지 분리판의 제조 시 열경화성 수지로 페놀수지와 에폭시 수지 등이 사용되며, 열가소성 수지로는 150℃ 이상의 온도에서 안정적인 슈퍼엔지니어링 플라스틱이 사용된다. In particular, phenol resins and epoxy resins are used as thermosetting resins in the production of fuel cell separators for high temperature, and super engineering plastics stable at temperatures of 150 ° C or higher are used as thermoplastic resins.

고온 내산성 연료전지 분리판을 제조하는 방법에 관한 선행문헌인 미국특허공개 제2010-0307681호에는 유로가 형성된 2개의 판 사이에 평판이 삽입되는 구조를 갖는 3층 구조의 분리판이 개시되어 있으나, 그 제조를 위해서는 3회 이상의 성형공정을 필요로 하여 제조에 장시간이 소요되며, 3조 이상의 금형을 필요로 하므로 그 제조공정이 매우 복잡한 문제가 있다. A prior art document on a method for manufacturing a high-temperature acid resistant fuel cell separator disclosed in U.S. Patent Publication No. 2010-0307681 discloses a three-layered separator having a structure in which a plate is inserted between two plates in which a channel is formed, It requires a molding process of three or more times for manufacturing, takes a long time to manufacture, requires three or more sets of molds, and thus has a very complicated manufacturing process.

미국특허공개 제2010-0307681호U.S. Patent Application Publication No. 2010-0307681

본 발명의 목적은 고온과 강산성 분위기에 적용 가능하며, 제조공정이 단순하고 효율적인 연료전지 분리판 제조방법을 제공하는 데 있다. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a fuel cell separator which is applicable to high temperature and strongly acidic atmospheres and which is simple and efficient in the manufacturing process.

본 발명의 또다른 목적은 상기 연료전지 분리판 제조방법을 이용하여 제조된 연료전지 분리판을 제공하는 데 있다. It is still another object of the present invention to provide a fuel cell bipolar plate manufactured using the fuel cell bipolar plate manufacturing method.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 제조방법은 흑연과 플루오르카본 폴리머를 혼합한 후 평판 형태의 중간체를 제조하는 단계, 상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계 및 상기 냉각된 중간체를 성형하여 유로를 제작하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법을 제공한다.In order to solve the above problems, a method for manufacturing a fuel cell bipolar plate according to the present invention comprises the steps of mixing a graphite and a fluorocarbon polymer and then producing a plate-shaped intermediate, heating the intermediate at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes And cooling the cooled intermediate product to form a flow path. The present invention also provides a method for manufacturing a fuel cell bipolar plate, comprising:

상기 흑연과 플루오르카본 폴리머의 혼합 비율은 흑연 60 내지 90wt%, 플루오르카본 폴리머 10 내지 40wt%인 것일 수 있다.The mixing ratio of the graphite and the fluorocarbon polymer may be 60 to 90 wt% of graphite and 10 to 40 wt% of fluorocarbon polymer.

상기 플루오르카본 폴리머는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene, PTEE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것일 수 있다.The fluorocarbon polymer may be at least one selected from the group consisting of fluorinated ethylene propylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVDF), perfluoroalkoxy (PFA), polytetrafluoroethylene (PTEE) And a combination thereof.

상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 800 내지 5000psi의 압력 하에서 성형하는 것일 수 있다.The plate intermediate preparation step may be molding under a pressure of 800 to 5000 psi.

상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 20 내지 26℃에서 진행되는 것일 수 있다.The step of preparing the plate-like intermediate may be carried out at 20 to 26 ° C.

상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계는 인덕션 히팅 방법을 이용하여 고속 히팅 및 고속 냉각 하는 것일 수 있다.The step of maintaining the intermediate at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes followed by cooling may be a rapid heating and rapid cooling using an induction heating method.

상기 냉각된 중간체는 반경화(semi-hardened) 상태인 것일 수 있다.The cooled intermediate may be in a semi-hardened state.

상기 성형은 압축성형, 사출성형, 압출성형 또는 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 성형방법을 조합하여 제조되는 것일 수 있다.The molding may be a combination of any molding method selected from the group consisting of compression molding, injection molding, extrusion molding, or a combination thereof.

상기 성형은 500psi부터 5000psi까지 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.The molding may further comprise adjusting the pressure from 500 psi to 5000 psi.

상기 성형은 유로 깊이가 0.05 내지 1.05mm인 금형을 이용하는 것일 수 있다.The molding may be a mold having a channel depth of 0.05 to 1.05 mm.

상기 성형은 압력 500 내지 1000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 9.5 내지 28.5%로 형성되고, 압력 1000 내지 2000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 28.5 내지 57.1%로 형성되고, 압력 2000 내지 3000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 57.1 내지 85.7%로 형성되고, 압력 3000 내지 4000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 85.7 내지 100%로 형성되는 것일 수 있다.The mold is formed at a pressure of 500 to 1000 psi and a channel depth of 9.5 to 28.5% relative to the mold depth, a channel depth of 28.5 to 57.1% relative to the mold depth at a pressure of 1000 to 2000 psi, The depth may be formed to be 57.1 to 85.7%, and the channel depth to the mold depth may be formed to be 85.7 to 100% at a pressure of 3000 to 4000 psi.

본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 연료전지 분리판을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell bipolar plate manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

상기 연료전지 분리판은 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 및 인산형 연료전지(PAFC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 적용되는 것일 수 있다.The fuel cell separator may be applied to any one selected from the group consisting of a direct methanol fuel cell (DMFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), and a phosphoric acid fuel cell (PAFC).

상기 연료전지 분리판은 한 개의 분리판 활성화 면적 내에 연료가 흐르는 복수의 연료 채널이 형성되며, 상기 연료 채널에는 서로 다른 유입 매니폴드를 통해 연료가 유입되어 배출 매니폴드를 통해 배출되는 것일 수 있다.In the fuel cell separator, a plurality of fuel channels through which fuel flows may be formed in one separator plate activation area, and fuel may be introduced into the fuel channels through different inlet manifolds and discharged through a discharge manifold.

본 발명은 또한 상기 연료전지 분리판과, 상기 분리판을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 연료극(애노드) 및 공기극(캐소드)을 포함하는 연료전지를 제공한다.The present invention also provides a fuel cell comprising the fuel cell bipolar plate and a fuel electrode (anode) and a cathode (cathode) arranged to face each other with the separator interposed therebetween.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 및 그 제조방법은 고온 및 강산성 분위기에서도 분리판의 전도도를 저하시키지 않는 효과를 갖는다. The fuel cell separator according to the present invention and its manufacturing method have the effect of not decreasing the conductivity of the separator even in a high temperature and strong acidic atmosphere.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 및 그 제조방법은 제조공정이 단순하고 제조시간이 단축되는 효과를 갖는다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The fuel cell separator and the method of manufacturing the same according to the present invention have a simple manufacturing process and a shortened manufacturing time.

본 발명에 따른 연료전지 분리판 및 그 제조방법은 높은 전기전도도와 기밀성을 가지는 효과를 갖는다. INDUSTRIAL APPLICABILITY The fuel cell separator according to the present invention and its manufacturing method have an effect of high electrical conductivity and airtightness.

또한, 본 발명에 따른 연료전지 분리판 및 그 제조방법은 사출성형성이 우수하고, 압축성형 중 분리판의 두께편차가 작은 효과를 갖는다. Further, the fuel cell separator according to the present invention and its manufacturing method have an excellent injection moldability and an effect that the thickness deviation of the separator plate during compression molding is small.

도 1은 본 발명의 연료전지 분리판 제조방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart showing a method of manufacturing a fuel cell bipolar plate of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent by reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having ", and the like, specify that the presence of stated features, integers, steps, operations, elements, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art and are to be interpreted in an ideal or overly formal sense unless expressly defined herein Do not.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 연료전지 분리판 제조방법은 흑연과 플루오르카본 폴리머를 혼합한 후 평판 형태의 중간체를 제조하는 단계, 상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계 및 상기 냉각된 중간체를 성형하여 유로를 제작하는 단계를 포함하는 연료전지 분리판 제조방법을 포함한다.In order to solve the above problems, a method for manufacturing a fuel cell bipolar plate according to the present invention comprises the steps of mixing a graphite and a fluorocarbon polymer and then producing a plate-shaped intermediate, heating the intermediate at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes And cooling the cooled intermediate material to form a flow path.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 분리판 제조방법에 대하여 도 1을 참고하여 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명의 연료전지 분리판 제조방법을 나타낸 순서도이다.
Hereinafter, a method of manufacturing a fuel cell bipolar plate according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 1 is a flowchart showing a method of manufacturing a fuel cell bipolar plate of the present invention.

1) 흑연과 플루오르카본 폴리머의 혼합 단계(S1-1)1) mixing step of graphite and fluorocarbon polymer (S1-1)

고온에서도 높은 전기전도도를 유지할 수 있는 연료전지 분리판을 제조하기 위해서는 열경화성 수지 또는 열가소성 수지를 적용할 수 있다. 열가소성 수지로는 고온안정성을 가지는 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리설폰(polysulfone), 폴리에테르설폰(polyethersulfone), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylenesulfide), 폴리에테르에텔케톤(polyetherether ketone), 폴리이미드(polyimide), 폴리에테르이미드(polyetherimide), 플루오르카본 폴리머(Fluorocarbon polymer), 액정폴리머(liquid crystal polymer) 등이 사용될 수 있다. A thermosetting resin or a thermoplastic resin can be applied to manufacture a fuel cell separator capable of maintaining a high electrical conductivity even at a high temperature. Examples of the thermoplastic resin include polyacrylate, polysulfone, polyethersulfone, polyphenylenesulfide, polyetherether ketone, and polyimide, which have high temperature stability. Polyetherimide, fluorocarbon polymer, liquid crystal polymer, and the like can be used.

그러나 이중 뛰어난 내산성을 가지는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene, PTEE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플루오르카본 폴리머를 사용하는 것이, 200 ℃ 이상의 고온 조건과 90 % 이상의 인산 농도 분위기 내에서 운전되는 인산형연료전지(PAFC)에도 적용될 수 있다는 점에서 바람직하다. However, it is also possible to use fluorinated ethylene propylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVDF), perfluoroalkoxy (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE) , And a combination thereof can be applied to a phosphoric acid type fuel cell (PAFC) which is operated at a high temperature of 200 ° C or higher and a phosphoric acid concentration of at least 90% desirable.

상기 흑연은 제한되지 않으나 천연흑연, 인상흑연, 팽창흑연, 인조흑연, 카본블랙, 그래핀으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있다.The graphite may be selected from the group consisting of natural graphite, graphite impression, expanded graphite, artificial graphite, carbon black, and graphene, though not limited thereto.

상기 흑연과 상기 플루오르카본 폴리머를 혼합 사용하여 금속 분리판의 부식 문제를 해결하고, 흑연 분리판의 제조 단가가 높고 부피가 크다는 단점을 해결할 수 있다.It is possible to solve the corrosion problem of the metal separator by mixing the graphite and the fluorocarbon polymer and solve the disadvantage that the manufacturing cost of the graphite separator is high and the bulky is large.

상기 흑연과 플루오르카본 폴리머의 혼합 비율은 흑연 60 내지 90wt%, 플루오르카본 폴리머 10 내지 40wt%인 것일 수 있고, 바람직하게 상기 흑연과 플루오르카본 폴리머의 혼합 비율은 흑연 80 내지 90wt%, 플루오르카본 폴리머 10 내지 20wt%인 것일 수 있다.The mixing ratio of graphite and fluorocarbon polymer may be 60 to 90 wt% of graphite and 10 to 40 wt% of fluorocarbon polymer. Preferably, the mixing ratio of graphite and fluorocarbon polymer is 80 to 90 wt% of graphite, 10 to 10 wt% of fluorocarbon polymer To 20 wt%.

본 실시예에서 상기 흑연 60 내지 90wt%, 플루오르카본 폴리머 10 내지 40wt%를 포함함으로써 사출성형 및 압축성형에 유리할 수 있고, 고온용 연료전지에 적용할 수 있으며, 분리판의 정밀도, 기체투과도, 강도 등의 물성이 향상될 수 있다.In the present embodiment, it can be advantageous in injection molding and compression molding by containing the graphite in an amount of 60 to 90 wt% and the fluorocarbon polymer in an amount of 10 to 40 wt%, and can be applied to a high temperature fuel cell, and the accuracy, gas permeability, And the like can be improved.

상기 흑연이 60wt% 미만으로 포함되면 전기전도도 저하(저항 증가)의 문제가 발생할 수 있고 90wt% 초과하여 포함되면 기체투과도가 불량해지는 문제가 발생할 수 있다.If the graphite is contained in an amount of less than 60 wt%, a problem of a decrease in electrical conductivity (resistance increase) may occur. If the graphite is contained in an amount exceeding 90 wt%, the gas permeability may become poor.

상기 플루오르 카본 폴리머 함량이 40wt% 초과하면 성형에 유리하나, 전기전도도가 낮아져 연료 전지 성능 저하의 원인이 된다. 반대로 폴리머 함량이 10wt% 미만이면 전기전도도가 향상되나 기체가 투과되는 문제가 발생한다. 전기전도도와 기체투과도를 고려하였을 때 상기 플루오르 카본 폴리머는 10 내지 40wt% 포함되는 것이 바람직하다.
If the content of the fluorocarbon polymer is more than 40 wt%, it is advantageous for molding, but the electrical conductivity is lowered, which causes a deterioration of the fuel cell performance. Conversely, if the polymer content is less than 10 wt%, the electrical conductivity is improved but the gas permeates. When the electric conductivity and the gas permeability are considered, it is preferable that the fluorocarbon polymer is contained in an amount of 10 to 40 wt%.

2) 평판 형태의 흑연-플루오르카본 폴리머 중간체 제조(S1-2)2) Preparation of plate-shaped graphite-fluorocarbon polymer intermediate (S1-2)

상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 평판에 충분한 압력기 가해져야 하기 때문에 3000psi 이상의 압력을 유지해야 한다. 바람직하게 상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 800 내지 5000psi의 압력 하에서 성형하는 것일 수 있다. The step of preparing the intermediate plate in the form of plate should maintain a pressure of 3000 psi or more because sufficient pressure is applied to the plate. Preferably, the plate-form intermediate preparation step may be molding under a pressure of 800 to 5000 psi.

자동화 및 로본 이송을 적용하여 제조할 때에는 800 내지 5000 psi의 압력 범위 내에서 이루어질 수 있고, 수작업으로 진행될 경우에는 3000 내지 5000 psi의 압력 하에서 성형되는 것이 바람직하다. 수작업시 상기 압력이 3000 psi 미만이면 중간체의 파손 불량이 발생할 수 있다.It is preferable that the pressure is in the range of 800 to 5000 psi when the automation and the robon transfer are applied, and the pressure is 3000 to 5000 psi when the pressure is manually adjusted. If the pressure is less than 3000 psi by hand, the failure of the intermediate may occur.

또한 상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 상온 20 내지 26℃에서 진행되는 것일 수 있다.
The step of preparing the plate-like intermediate may be carried out at a room temperature of 20 to 26 ° C.

3) 고온처리 및 냉각(S2)3) High temperature treatment and cooling (S2)

상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계는 인덕션 히팅 방법을 이용하여 1 내지 3분 사이로 고속 히팅 및 고속 냉각 하는 것일 수 있다.The step of maintaining the intermediate at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes and then cooling may be performed by rapid heating and rapid cooling for 1 to 3 minutes using the induction heating method.

상기와 같이 인덕션 히팅을 적용하는 경우에는 제조공정의 시간이 단축되어 시간 및 경제적 비용을 단축시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.When the induction heating is applied as described above, the time of the manufacturing process is shortened and the time and the economical cost can be shortened. However, the present invention is not limited thereto.

상기 고온처리 및 냉각시키는 단계는 일반적인 고온처리 및 냉각 방법, 또는 사출성형 공정에서 사용되는 급속 가열 냉각법 등도 사용할 수 있으며, 1개의 히팅/냉각 장비를 사용하거나, 1개의 히팅장비, 또 다른 1개의 냉각장비를 이용하여 상기 냉각 및 고온처리 단계가 개별적으로 수행될 수도 있다.The high-temperature processing and cooling steps may be performed by a common high-temperature processing and cooling method, or a rapid-heating cooling method used in an injection molding process. Alternatively, one heating / cooling apparatus may be used or one heating apparatus, The cooling and high temperature treatment steps may be performed separately using equipment.

상기 고온처리 및 냉각을 거친 흑연-플루오르카본 폴리머 중간체는 반경화(semi-hardened) 상태인 평판일 수 있는데, 플루오르카본 폴리머가 평판 내부에서 유동하여 기체(특히 수소)들이 투과되는 것을 방지할 수 있다.
The graphite-fluorocarbon polymer intermediate subjected to the high temperature treatment and cooling may be a flat plate in a semi-hardened state, and the fluorocarbon polymer flows inside the flat plate to prevent gas (particularly hydrogen) from permeating .

4) 유로 성형(S3)4) Flow forming (S3)

상기 성형은 압축성형, 사출성형, 압출성형 및 이들의 조합으로 이루어진군에서 선택되는 어느 하나의 성형방법을 조합하여 제조되는 것일 수 있고, 바람직하게 유로 깊이가 0.05 내지 1.05mm인 금형을 이용하는 압축 성형을 이용할 수 있다. The molding may be a combination of any one molding method selected from the group consisting of compression molding, injection molding, extrusion molding, and a combination thereof. Preferably, the molding can be performed by compression molding using a mold having a channel depth of 0.05 to 1.05 mm Can be used.

상기 성형은 500psi부터 5000psi까지 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것일 수 있다. The molding may further comprise adjusting the pressure from 500 psi to 5000 psi.

본 발명은 상기 압력 조건과 상기 금형을 이용하여 분리판의 유로 깊이를 조절할 수 있는 효과가 있다. 이는 상기 고온처리 및 냉각(S2) 단계를 통하여 상기 중간체가 반경화(semi-hardened) 상태이며, 플루오르카본 폴리머가 중간체 내부에서 유동하여 기체(특히 수소)들이 투과되는 것을 방지할 수 있기 때문이다.The present invention has the effect of adjusting the depth of the channel of the separator using the pressure condition and the mold. This is because the intermediate is semi-hardened through the high temperature treatment and cooling step (S2), and the fluorocarbon polymer can flow inside the intermediate to prevent gas (especially hydrogen) from permeating.

자세하게는, 상기 성형은 압력 500 내지 1000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 9.5 내지 28.5%로 형성되고, 압력 1000 내지 2000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 28.5 내지 57.1%로 형성되고, 압력 2000 내지 3000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 57.1 내지 85.7%로 형성되고, 압력 3000 내지 4000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 85.7 내지 100%로 형성되는 것일 수 있다. In detail, the molding is performed at a pressure of 500 to 1000 psi to form a channel depth of 9.5 to 28.5% relative to the mold depth, a channel depth to a mold depth of 28.5 to 57.1% at a pressure of 1000 to 2000 psi, The depth of the channel relative to the depth is formed to be 57.1 to 85.7%, and the depth of the channel to the depth of the mold is formed to be 85.7 to 100% at a pressure of 3000 to 4000 psi.

또한 상기 성형은 260℃ 이하의 고온 압축성형, 고온사출성형, 고온압출성형 등을 통해 제조할 수 있는데, 이러한 고온 성형은 연료전지 분리판의 표면조도를 향상시키는 데 매우 효과적이다.The above-mentioned molding can be produced by high-temperature compression molding at a temperature of 260 DEG C or less, high-temperature injection molding, high-temperature extrusion molding or the like, and such high-temperature molding is very effective in improving the surface roughness of the fuel cell separator.

본 발명은 상기와 같이 몰딩하여 연료전지 분리판을 제조할 수 있어, 기계가공 공정을 위한 기계가공기, 진공흡착설비, 고정설비, 집진설비 등이 불필요하다. 따라서 연료전지 분리판의 제조단가를 절감할 수 있다는 장점이 있다. 특히 PAFC에 적용하기 위하여서는 고사양의 가공장비가 필요한 2500㎠ 이상의 대형 분리판이 필요한데, 본 발명에 따른 연료전지 분리판 제조방법을 통하여 간단하게 제조할 수 있다.
According to the present invention, the fuel cell separator can be manufactured by molding as described above, and thus a machining machine, a vacuum adsorption facility, a fixing facility, a dust collecting facility, and the like are not required for the machining process. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell separator can be reduced. Particularly, in order to apply to the PAFC, a large separator plate of 2500 cm 2 or more, which requires high-grade processing equipment, is required. The separator plate can be simply manufactured by the method for manufacturing a fuel cell separator according to the present invention.

5) 연료전지 분리판5) Fuel cell separation plate

본 발명은 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 제조방법으로 제조된 연료전지 분리판을 제공한다.The present invention also provides a fuel cell bipolar plate manufactured by the manufacturing method according to an embodiment of the present invention.

상기 연료전지 분리판은 200℃ 이상의 고온 조건과 90% 이상의 인산 조건에서도 사용 가능한 내열성, 내산성 특성이 있어 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 및 인산형 연료전지(PAFC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 적용되는 것일 수 있다.The fuel cell separator has a heat-resistant and acid-resistant property that can be used even under a high-temperature condition of 200 ° C or higher and a phosphoric acid condition of 90% or higher. Therefore, the DMFC, the PEMFC, The present invention can be applied to any one selected from the group consisting of:

상기 연료전지 분리판은 한 개의 분리판 활성화 면적 내에 연료가 흐르는 복수의 연료 채널이 형성되며, 상기 연료 채널에는 서로 다른 유입 매니폴드를 통해 연료가 유입되어 배출 매니폴드를 통해 배출되는 것일 수 있다.In the fuel cell separator, a plurality of fuel channels through which fuel flows may be formed in one separator plate activation area, and fuel may be introduced into the fuel channels through different inlet manifolds and discharged through a discharge manifold.

본 발명은 또한 상기 연료전지 분리판과, 상기 분리판을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 연료극(애노드) 및 공기극(캐소드)을 포함하는 연료전지를 제공한다.
The present invention also provides a fuel cell comprising the fuel cell bipolar plate and a fuel electrode (anode) and a cathode (cathode) arranged to face each other with the separator interposed therebetween.

이하에서는 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 효과를 확인하기 위한 실험예들을 상세하게 설명한다. 이하에서 설명하는 실험예는 본 발명을 예시한 것으로서 본 발명이 아래의 실험예의 조건에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples for confirming the effect of the fuel cell separator according to the present invention will be described in detail. The following experimental examples are illustrative of the present invention and the present invention is not limited to the conditions of the following experimental examples.

[제조예 1: 흑연-FEP수지 함량비에 따른 연료전지 분리판][Production Example 1: Fuel cell separator according to graphite-FEP resin content ratio]

아래 표 1과 같이 흑연과 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP)수지의 함량을 다르게하여 연료전지 분리판을 제조하였다.As shown in Table 1 below, the content of graphite and fluorinated ethylene propylene (FEP) resin was varied to manufacture a fuel cell separator.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 흑연:FEP수지(wt%)Graphite: FEP resin (wt%) 80:2080:20 85:1585:15 90:1090:10

[실험예 1: 전도도, 굴곡강도 및 가스밀폐도][Experimental Example 1: Conductivity, flexural strength and gas tightness]

흑연과 FEP수지의 함량비 변화에 따른 전도도, 굴곡강도 및 가스밀폐도를 확인하였으며, 그 결과를 아래의 표 2로 나타내었다. Conductivity, flexural strength and gas tightness according to the content ratio of graphite and FEP resin were confirmed, and the results are shown in Table 2 below.

실시예1Example 1 실시예2Example 2 실시예3Example 3 전도도(S/cm)Conductivity (S / cm) 9494 122122 162162 굴곡강도(MPa)Flexural Strength (MPa) 5252 4747 3939 가스밀폐도(cc/min)Gas tightness (cc / min) No leakNo leak No leakNo leak No leakNo leak

표 2에 나타난 바와 같이, FEP 함량이 감소함에 따라 전도도는 향상되고, 굴곡강도는 저하되었으나, 고온용 내부식성 연료전지 분리판으로 사용이 가능한 정도로 유지되었다. 특히, FEP 수지의 함량이 10 wt% 정도인 경우에도 팽창흑연과 FEP 수지의 조합 특성에 의해 가스밀폐도가 유지되는 것을 확인하였다. As shown in Table 2, as the FEP content was decreased, the conductivity was improved and the bending strength was lowered, but it was maintained at a level that can be used as a separator for high temperature corrosion resistant fuel cells. In particular, even when the content of the FEP resin was about 10 wt%, it was confirmed that the gas tightness was maintained by the combination characteristics of the expanded graphite and the FEP resin.

흑연의 양이 60 w% 정도인 경우에도, 연료전지에 충분히 적용 가능한 전기 전도도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 고전도성 연료전지 분리판의 경우에도 전도성 물질의 양을 적절하게 유지할 수 있어 분리판 성형을 보다 용이하게 할 수 있음을 확인하였다. It was confirmed that even when the amount of graphite was about 60% by weight, it had an electric conductivity sufficiently applicable to the fuel cell. Therefore, it was confirmed that the amount of the conductive material can be properly maintained even in the case of the separator of the high-conductivity fuel cell, thereby facilitating the formation of the separator plate.

특히, 사출성형 시 소재의 유동성 확보를 위해 흐름성이 좋은 수지의 양이 많아야 함에도 불구하고 기존의 방법들은 전도성 필러의 양을 높이면서도 사출성을 확보해야 하는 어려움이 있었는데 본 실험예를 통해 제조된 탄소복합체는 FEP 수지의 량을 30 ~ 40wt%까지 첨가할 수 있어 본 발명에 따른 연료전지 분리판의 제조 시 사출성형의 사용에 크게 유리할 것으로 판단된다. In particular, although the amount of flowable resin must be large in order to secure the fluidity of the material during injection molding, existing methods have difficulty in securing the injection property while increasing the amount of the conductive filler. Carbon composite material of the present invention can be added up to 30 to 40 wt% of the amount of the FEP resin, which is considered to be greatly advantageous in the use of the injection molding in the production of the fuel cell separator according to the present invention.

또한, 본 발명을 통해 제조되는 탄소복합체는 고유동성을 가지므로 압축성형 중 분리판의 두께편차를 감소시키는 장점이 있다. In addition, since the carbon composite material produced by the present invention has high fluidity, it has an advantage of reducing the thickness variation of the separator during compression molding.

표 1에 나타낸 조성의 탄소복합체는 전도성과 굴곡강도 그리고 기밀성이 확보되기 때문에 280 ~ 360℃의 온도에서 1분 ~ 20분 동안 압축 성형하는 단순한 공정을 통하여 연료전지 분리판의 제조가 가능하다.
Since the carbon composite material having the composition shown in Table 1 secures the conductivity, flexural strength and airtightness, the fuel cell separator can be manufactured through a simple process of compression molding at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 20 minutes.

[실험예 2: 압력에 따른 유로 형성률][Experimental Example 2: Rate of forming a flow path according to pressure]

실시예2Example 2 압력pressure 500500 10001000 20002000 30003000 40004000 50005000 금형의 유로깊이(mm)Depth of die in mold (mm) 1.051.05 1.051.05 1.051.05 1.051.05 1.051.05 1.051.05 분리판의유로깊이(mm)Depth of flow path of separation plate (mm) 0.10.1 0.30.3 0.60.6 0.90.9 1.051.05 1.051.05 유로 형성률Euro formation rate 9.5%9.5% 28.5%28.5% 57.1%57.1% 85.7%85.7% 100%100% 100%100%

상기 실시예 2에서 제조한 흑연-FEP수지 중간체를 상기 표 3의 조건으로 압력을 다르게 하여 유로를 성형하였고, 유로 깊이와 금형 깊이 대비 유로 깊이(유로형성율)을 표 3에 나타내었다.The graphite-FEP resin intermediate prepared in Example 2 was formed into a channel with different pressures under the conditions shown in Table 3, and the channel depth (channel formation ratio) with respect to the channel depth and the mold depth is shown in Table 3.

상기 표 3에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지 분리판 제조방법은, 압력 조건을 조절하여 간편하게 유로 깊이를 조절할 수 있는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.
As shown in Table 3, the method of manufacturing the fuel cell bipolar plate according to the present invention can easily control the channel depth by adjusting the pressure conditions.

이상, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be the most practical and preferred embodiment, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be possible. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive.

Claims (15)

흑연과 플루오르카본 폴리머를 혼합한 후 평판 형태의 중간체를 제조하는 단계,
상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계 및
상기 냉각된 중간체를 성형하여 유로를 제작하는 단계를 포함하고,
상기 냉각된 중간체는 반경화(semi-hardened) 상태이고,
상기 성형은 압력 500 내지 1000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 9.5 내지 28.5%로 형성되고,
압력 1000 내지 2000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 28.5 내지 57.1%로 형성되고,
압력 2000 내지 3000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 57.1 내지 85.7%로 형성되고,
압력 3000 내지 4000psi에서 금형 깊이 대비 유로 깊이가 85.7 내지 100%로 형성되는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
Mixing the graphite and the fluorocarbon polymer to prepare a plate-shaped intermediate,
Maintaining the intermediate at a temperature of 280 to 360 DEG C for 1 to 60 minutes and then cooling; and
And molding the cooled intermediate to manufacture a flow path,
The cooled intermediate is in a semi-hardened state,
The mold is formed at a pressure of 500 to 1000 psi at a depth of 9.5 to 28.5% relative to the mold depth,
The channel depth to the mold depth is formed to 28.5 to 57.1% at a pressure of 1000 to 2000 psi,
The channel depth is formed to be 57.1 to 85.7% with respect to the mold depth at a pressure of 2000 to 3000 psi,
Wherein the channel depth is formed to 85.7 to 100% relative to the mold depth at a pressure of 3000 to 4000 psi.
제1 항에 있어서,
상기 흑연과 플루오르카본 폴리머의 혼합 비율은 흑연 60 내지 90wt%, 플루오르카본 폴리머 10 내지 40wt%인 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein a mixing ratio of the graphite and the fluorocarbon polymer is 60 to 90 wt% of graphite and 10 to 40 wt% of a fluorocarbon polymer.
제1 항에 있어서,
상기 플루오르카본 폴리머는 플루오르화 에틸렌 프로필렌(fluorinated ethylene propylene, FEP), 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF), 퍼플루오르알콕시(perfluoroalkoxy, PFA), 폴리테트라 플루오로 에틸렌(Polytetrafluoro ethylene, PTFE) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나인 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
The fluorocarbon polymer may be selected from the group consisting of fluorinated ethylene propylene (FEP), polyvinylidene fluoride (PVDF), perfluoroalkoxy (PFA), polytetrafluoroethylene (PTFE) And a combination of any of the foregoing.
제1 항에 있어서,
상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 800 내지 5000psi의 압력 하에서 성형하는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the plate-shaped intermediate production step is performed under a pressure of 800 to 5000 psi.
제1 항에 있어서,
상기 평판 형태의 중간체 제조 단계는 20 내지 26℃에서 진행되는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of preparing the plate-form intermediate is carried out at 20 to 26 占 폚.
제1항에 있어서,
상기 중간체를 280 내지 360℃의 온도에서 1 내지 60분 동안 유지시킨 후 냉각시키는 단계는 인덕션 히팅 방법을 이용하여 고속 히팅 및 고속 냉각 하는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of maintaining the intermediate at a temperature of 280 to 360 ° C for 1 to 60 minutes and then cooling is performed by high-speed heating and high-speed cooling using an induction heating method.
삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 성형은 압축성형, 사출성형, 압출성형 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 성형방법을 조합하여 제조되는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the forming is performed by combining any one of molding methods selected from the group consisting of compression molding, injection molding, extrusion molding, and combinations thereof.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 성형은 유로 깊이가 0.05 내지 1.05mm인 금형을 이용하는 것인 연료전지 분리판 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the forming uses a mold having a channel depth of 0.05 to 1.05 mm.
삭제delete 제1항 내지 제6항, 제8항 및 제10항 중 어느 한 항에 따른 제조방법으로 제조된 연료전지 분리판.A fuel cell bipolar plate manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, 8, and 10. 제12항에 있어서,
상기 연료전지 분리판은 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 및 인산형 연료전지(PAFC)로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나에 적용되는 것인 연료전지 분리판.
13. The method of claim 12,
Wherein the fuel cell separator is applied to any one selected from the group consisting of a direct methanol fuel cell (DMFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC), and a phosphoric acid fuel cell (PAFC).
제12항에 있어서,
상기 연료전지 분리판은 한 개의 분리판 활성화 면적 내에 연료가 흐르는 복수의 연료 채널이 형성되며,
상기 연료 채널에는 서로 다른 유입 매니폴드를 통해 연료가 유입되어 배출 매니폴드를 통해 배출되는 것인 연료전지 분리판.
13. The method of claim 12,
Wherein the fuel cell separator has a plurality of fuel channels through which fuel flows in one separator plate activation area,
Wherein fuel is introduced into the fuel channel through different inlet manifolds and discharged through a discharge manifold.
제12항에 따른 연료전지 분리판과,
상기 분리판을 사이에 두고 서로 마주보도록 배치되는 연료극(애노드) 및 공기극(캐소드)을 포함하는 연료전지.
A fuel cell bipolar plate according to claim 12;
And a fuel electrode (anode) and a cathode (cathode) arranged to face each other with the separator interposed therebetween.
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