KR102478772B1 - Bipolar plate for fuel cell, method of the same - Google Patents

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Abstract

탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고, 상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된 연료 전지용 분리판 및 이의 제조방법을 제공한다. A separator for a fuel cell including a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin, and having a concentration gradient of the conductive filler in a thickness direction of the unit structural layer is provided, and a manufacturing method thereof.

Description

연료 전지용 분리판 및 제조방법{BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL, METHOD OF THE SAME}Bipolar plate for fuel cell and manufacturing method {BIPOLAR PLATE FOR FUEL CELL, METHOD OF THE SAME}

연료 전지용 분리판 및 제조방법에 관한 것이다.
It relates to a separator for a fuel cell and a manufacturing method.

연료 전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 발전 시스템으로, 직접 전기를 생산하는 주요 구성인 스택(Stack)과 이러한 스택의 작동을 보조하는 기타 장치 등으로 구성될 수 있다.A fuel cell is a power generation system that produces electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen, and may be composed of a stack, which is a main component for directly generating electricity, and other devices that assist the operation of the stack.

연료 전지 스택(Stack)에 은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지를 포함하고, 이러한 단위 전지는 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 구비되는 연료 전지 분리판들을 포함할 수 있다.The fuel cell stack includes a unit cell as the smallest unit that generates electrical energy, and the unit cell is a membrane electrode assembly (MEA) and a fuel provided on both sides of the membrane electrode assembly. It may include battery separator plates.

막전극 접합체는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하고, 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합될 수 있다.The membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane that selectively passes only hydrogen ions, and an anode electrode and a cathode electrode may be bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane.

연료 전지 분리판은 단위 전지에서 발생되는 전류를 모으는 역할을 하고, 절연 유지를 위한 분리 역할을 하며, 가스(수소, 산소)를 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer)으로 공급하면서 발생되는 물을 배출하는 역할을 수행할 수 있다.The fuel cell separator serves to collect the current generated from the unit cell, serves to separate to maintain insulation, and discharges water generated while supplying gas (hydrogen, oxygen) to the gas diffusion layer (GDL). can fulfill its role.

이러한 연료 전지 분리판은 애노드 전극과 캐소드 전극의 산화·환원 분위기에 안정하고, 가스의 혼합을 충분히 방지할 수 있어야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다.Such a fuel cell separator should be stable in an oxidation/reduction atmosphere of an anode electrode and a cathode electrode, sufficiently prevent gas mixing, and have sufficient electrical conductivity.

종래 상업화된 흑연(Graphite) 분리판은 내식성 및 양호한 전기전도성을 가지고 있으나, 기계적 충격 또는 진동에 약해 일정 이상의 두께를 유지해야 하므로, 이는 연료 전지 스택의 효율을 감소시키며 고비용의 문제가 있으며, 게다가 기공을 가지고 있어 가스 투과성의 문제가 존재한다.Conventional commercialized graphite separators have corrosion resistance and good electrical conductivity, but are vulnerable to mechanical shock or vibration and must maintain a certain thickness or more, which reduces the efficiency of the fuel cell stack and has a problem of high cost, and in addition, pores There is a problem of gas permeability.

이를 해결하기 위해 최근 고분자 수지 및 전도성 섬유를 포함하는 고분자 복합재료 분리판이 사용되고 있으나, 이러한 고분자 복합재료 분리판은 요구되는 전기전도도 및 열전도도를 만족하기 위해서는 도전성 섬유 외에도 다량의 도전성 필러 등을 별도로 첨가해야 한다.
In order to solve this problem, polymer composite separators containing polymer resins and conductive fibers have recently been used, but in order to satisfy the required electrical conductivity and thermal conductivity, a large amount of conductive fillers are separately added in addition to the conductive fibers. Should be.

본 발명의 일 구현예에서, 우수한 전기 전도성, 우수한 기계적 물성, 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현하는 연료 전지용 분리판을 제공한다.In one embodiment of the present invention, a separator for a fuel cell realizing excellent electrical conductivity, excellent mechanical properties, excellent productivity and excellent processability is provided.

본 발명의 다른 구현예에서, 상기 연료 전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing the separator for a fuel cell is provided.

그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본 발명의 일 구현예에서, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고, 상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된 연료 전지용 분리판을 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell including a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin, and having a concentration gradient of the conductive filler in the thickness direction of the unit structural layer. .

그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 상하부면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.
Accordingly, the fuel cell bipolar plate has low contact resistance and high electrical conductivity on the upper and lower surfaces, and realizes excellent electrical properties, and at the same time, it does not contain a large amount of the conductive filler to form an appropriate level of flexural strength, thereby exhibiting excellent mechanical properties. There are benefits that can be implemented.

상기 단위 구조층의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다.
In the thickness direction of the unit structural layer, a concentration gradient may be formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness.

상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.The unit structural layer includes both surfaces perpendicular to its thickness direction, and a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction from each surface toward the center of the thickness. and a second thickness region, wherein the total weight of the conductive fillers respectively present in the first thickness region and the second thickness region is, for example, the total weight of the conductive fillers included in the unit structural layer 110. of about 50% to about 100%, specifically about 70% to about 90%.

그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 더욱 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.
Accordingly, the bipolar plate for a fuel cell can simultaneously implement better electrical properties and superior mechanical properties.

상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.
The content of the conductive filler in the entire unit structural layer may be about 5 wt % to about 15 wt %. By including the content within the above range, the electrical properties of the bipolar plate for a fuel cell may be improved, and the flexural strength may be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties without breaking.

상기 연료 전지용 분리판은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 300S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다.
The fuel cell separator may have a contact resistance of, for example, about 5 mΩ cm 2 to about 50 mΩ cm 2 , specifically about 5 mΩ cm 2 to about 20 mΩ cm 2 , and electrical conductivity, for example, , It may be about 50 S / cm to about 300 S / cm, specifically about 100 S / cm to about 200 S / cm.

상기 연료 전지용 분리판의 골곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
Bone strength of the separator for a fuel cell may be about 20 MPa to about 50 MPa. Excellent mechanical properties can be implemented by having a flexural strength within the above range. Specifically, when the fuel cell is less than about 20 MPa, it is difficult to withstand the injection pressure of the fuel gas during operation of the fuel cell and may be damaged, and can be easily damaged by vibrations generated during vehicle operation. may be damaged.

상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기 전도성, 우수한 기계적 물성, 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
The bipolar plate for a fuel cell may realize excellent electrical conductivity, excellent mechanical properties, excellent productivity, and excellent processability.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 제조방법의 개략적인 공정 흐름도이다.
1 is a schematic perspective view of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic process flow diagram of a method of manufacturing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In the drawings, the thickness is shown enlarged to clearly express the various layers and regions. And in the drawings, for convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.

이하에서 기재의 상부 (또는 하부) 또는 기재의 상 (또는 하)에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
Hereinafter, the formation of an arbitrary configuration on the upper (or lower) or upper (or lower) substrate of the substrate means that the arbitrary configuration is formed in contact with the upper (or lower) surface of the substrate, and the substrate and any structure formed on (or under) the substrate is not limited to not including other structures.

본 발명의 일 구현예에서, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고, 상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된 연료 전지용 분리판을 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell including a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin, and having a concentration gradient of the conductive filler in the thickness direction of the unit structural layer. .

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판(100)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판(100)의 개략적인 단면도이다.1 is a schematic perspective view of a separator plate 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the separator plate 100 for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

일반적으로, 연료 전지에 사용되는 분리판은 전도성 필러가 포함된 열가소성 수지 조성물로 필름을 형성하고, 상기 필름을 탄소섬유 직물의 적어도 일 면에 적층한 후 열 압착하여 연료 전지용 분리판을 제조하거나, 또는 전도성 필러가 포함된 열가소성 수지에 탄소섬유 직물을 침지한 후 건조시켜 제조하고 있다.In general, for a separator used in a fuel cell, a film is formed of a thermoplastic resin composition containing a conductive filler, the film is laminated on at least one surface of a carbon fiber fabric, and then the film is thermally compressed to manufacture a separator for a fuel cell, Alternatively, it is prepared by immersing a carbon fiber fabric in a thermoplastic resin containing a conductive filler and then drying it.

다만, 전술한 바와 같이 전도성 필러가 대체로 균일하게 분산되는 경우 분리판의 상하부면에서 상대적으로 접촉 저항이 높고 전기 전도도가 낮아, 전기적 특성이 충분하지 못한 문제가 있다. 게다가, 이를 해결하기 위해 전도성 필러의 함량을 다량으로 첨가하는 경우 분리판의 굴곡 강도가 저하되어 기계적 물성이 열등할 수 있다.However, as described above, when the conductive filler is substantially uniformly dispersed, there is a problem in that electrical characteristics are not sufficient due to relatively high contact resistance and low electrical conductivity on the upper and lower surfaces of the separator. In addition, when a large amount of the conductive filler is added to solve this problem, the bending strength of the bipolar plate may be lowered, resulting in inferior mechanical properties.

이에, 본 발명의 일 구현예에서는, 상기 연료 전지용 분리판(100)이 탄소섬유 직물, 전도성 필러(130) 및 함침 수지(140)를 포함하는 단위 구조층(110)을 포함하고, 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배가 형성될 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)은 상하부면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러(130)를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.Accordingly, in one embodiment of the present invention, the fuel cell separator 100 includes a unit structure layer 110 including carbon fiber fabric, a conductive filler 130, and an impregnated resin 140, and the unit structure A concentration gradient of the conductive filler 130 may be formed in the thickness direction of the layer 110, and accordingly, the fuel cell bipolar plate 100 has excellent electrical properties with low contact resistance and high electrical conductivity on the upper and lower surfaces. At the same time, there is an advantage in that excellent mechanical properties can be implemented by forming a flexural strength at an appropriate level by not including a large amount of the conductive filler 130.

또한, 금속 박막 등의 금속 재질을 포함하지 않아, 내부식성을 우수한 수준으로 구현하면서도 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 적층 및 열 압착의 공정에 의해 형성하므로 직물 내에 섬유를 분사하고 경화시키거나, 또는 별도의 탄화 공정 등을 거치지 않으므로 시간 및 비용을 절감하여 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
In addition, since metal materials such as metal thin films are not included, weight reduction can be realized while implementing corrosion resistance at an excellent level. In addition, since it is formed by the process of lamination and thermal compression, it is possible to implement excellent productivity and excellent processability by reducing time and cost by not spraying and curing fibers in the fabric or going through a separate carbonization process.

일 구현예에서, 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러(130)의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다. In one embodiment, in the thickness direction of the unit structural layer 110, a concentration gradient may be formed such that the concentration of the conductive filler 130 decreases from both surfaces toward the center of the thickness.

도 1에서는, 이해의 편의를 위해 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러(130)가 존재하는 각 영역의 명도를 두께 중심 영역의 명도에 비하여 어둡게 나타내었을 뿐, 여기서 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배가 표현되도록 이의 농도에 따라 명도를 달리하여 나타내지 아니하였다. 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배는 도 2를 참조하여 이해될 수 있고, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 전도성 필러(130)의 농도가 상기 단위 구조층(110)의 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 다만, 여기서 상기 탄소섬유 직물, 상기 전도성 필러(130)의 크기나 위치 등은 설명의 편의를 위해 간략히 또는 과장되게 나타내었다.In FIG. 1 , for convenience of understanding, in the thickness direction of the unit structure layer 110, the brightness of each region where the conductive filler 130 exists is darker from both surfaces toward the center of the thickness compared to the brightness of the thickness center region. It is only shown, but here, the brightness is not changed according to its concentration so that the concentration gradient of the conductive filler 130 is expressed. The concentration gradient of the conductive filler 130 can be understood with reference to FIG. 2 , and as shown in FIG. 2 , the concentration of the conductive filler 130 extends from both surfaces of the unit structure layer 110 to the thickness center. However, here, the size or position of the carbon fiber fabric and the conductive filler 130 are briefly or exaggeratedly shown for convenience of description.

이와 같이, 상기 단위 구조층(110)의 양 표면 즉, 상하부면에서의 상기 전도성 필러(130)의 농도를 높게 형성함으로써 접촉 저항을 감소시키면서 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 동시에, 두께 중심 부분에서는 단단한 성질을 갖는 상기 전도성 필러(130)의 농도를 낮게 형성하여 상기 연료 전지용 분리판(100)의 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성할 수 있고, 그에 따라 부서짐 없이 장기간 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. In this way, by forming a high concentration of the conductive filler 130 on both surfaces of the unit structural layer 110, that is, the upper and lower surfaces, it is possible to increase electrical conductivity while reducing contact resistance. In addition, at the same time, at the center of the thickness, the concentration of the conductive filler 130 having a hard property is low to form the bending strength of the bipolar plate 100 for a fuel cell at an appropriate level, and accordingly, it is possible to form a long-term without breaking. Excellent mechanical properties can be realized.

구체적으로, 상기 탄소섬유 직물(120)이 전기 전도성이 우수하기 때문에 상기 두께 중심 부분에서 상기 전도성 필러(130)의 농도를 낮게 형성함에도 불구하고 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성이 우수한 수준으로 구현될 수 있고, 또한, 상기 탄소섬유 직물(120)의 기계적 물성이 우수하여 상기 연료 전지용 분리판(100)의 기계적 물성도 향상될 수 있다.Specifically, since the carbon fiber fabric 120 has excellent electrical conductivity, the electrical properties of the fuel cell bipolar plate 100 are excellent even though the concentration of the conductive filler 130 is low at the center of the thickness. Also, since the mechanical properties of the carbon fiber fabric 120 are excellent, the mechanical properties of the fuel cell bipolar plate 100 may also be improved.

상기 단위 구조층(110)은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 일 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역; 및 다른 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제2 두께 영역;을 포함할 수 있다.The unit structural layer 110 includes a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction from one surface toward the thickness center, including both surfaces perpendicular to its thickness direction; and a second thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness in a direction from the other surface toward the center of the thickness.

이와 같이, 상기 단위 구조층(110)은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층(110)의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러(130)의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)에 포함된 상기 전도성 필러(130)의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.In this way, the unit structural layer 110 includes both surfaces perpendicular to its thickness direction, and from about 5% to about 5% of the total thickness of the unit structural layer 110 in a direction from each surface toward the center of the thickness. It includes a first thickness region and a second thickness region corresponding to 35%, and the sum of the conductive fillers 130 respectively present in the first thickness region and the second thickness region is, for example, the unit structural layer. It may be about 50% to about 100% of the total weight of the conductive filler 130 included in (110), specifically about 70% to about 90%.

이때, 상기 제1 두께 영역에 존재하는 전도성 필러(130)의 함량; 및 상기 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러(130)의 함량;은 동일하거나 상이할 수 있다.At this time, the content of the conductive filler 130 present in the first thickness region; and the content of the conductive filler 130 present in the second thickness region; may be the same or different.

상기 전도성 필러(130)의 전체 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 함량, 즉 약 50% 이상이 상기 제1 및 제2 두께 영역 내에 존재함으로써 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 연료 전지용 분리판(100)의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러(130)의 함량이 더욱 높고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)은 더욱 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다. Based on the total weight of the conductive filler 130, a high content within the above range, that is, about 50% or more is present in the first and second thickness regions, and as shown in FIG. 2, the separator 100 for a fuel cell Both surface portions of have a higher content of the conductive filler 130 than the central portion, and thus, the separator 100 for a fuel cell can simultaneously implement better electrical properties and superior mechanical properties.

즉, 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)의 전체 두께 길이가 약 300㎛인 경우 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 약 15㎛ 내지 약 105㎛에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역에 존재하는 각각의 전도성 필러(130)의 함량의 총합이 상기 전도성 필러(130)의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있다.That is, for example, when the total thickness of the unit structural layer 110 is about 300 μm, the first thickness region and the second thickness region corresponding to about 15 μm to about 105 μm in a direction from each surface toward the thickness center. The sum of the contents of each of the conductive fillers 130 present in the thickness region may be about 50% to about 100% of the total weight of the conductive fillers 130 .

상기 탄소섬유 직물(120)이 상기 탄소섬유로 직조되어 형성되고, 상기 탄소섬유가 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유; 탄소 나노섬유; 활성 탄소섬유; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The carbon fiber fabric 120 is formed by weaving with the carbon fiber, and the carbon fiber is PAN-based, pitch-based, and rayon-based carbon fiber; carbon nanofibers; activated carbon fibers; And it may include at least one selected from the group consisting of combinations thereof.

상기 함침 수지(140)가 열가소성 수지일 수 있고, 상기 열가소성 수지가 예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polyprooylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리우레아(polyurea), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌비닐아세테이트(ethylenevinylacetate), 멜라민(melamine), 페놀(phenol), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리이이드(polyimide), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 아크릴(acryl), 액정고분자(Liquid Crystalline Polymer), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The impregnation resin 140 may be a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin may be, for example, polyethylene, polypropylene, polyurethane, polyethyleneterephthalate, or polybutyleneterephthalate. (polybutyleneterephthalate), polyurea, polyvinylchloride, polyvinylacetate, ethylenevinylacetate, melamine, phenol, polyphenylene sulfide, Selected from the group consisting of polyamide, polyimide, polybenzimidazole, polyetheretherketone, acryl, liquid crystal polymer, and combinations thereof It may include at least one, but is not limited thereto.

또한, 상기 전도성 필러(130)가 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 흑연, 그라핀(graphene), 흑연 나노 섬유(graphite nanofiber, GNF), 플러렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.In addition, the conductive filler 130 is carbon black, acetylene black, carbon nanotube (CNT), graphite, graphene, graphite nanofiber (GNF), fullerene, and combinations thereof It may include at least one selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

일 구현예에서, 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140) 대 상기 탄소섬유의 중량비가 약 1:3 내지 약 1:8.4일 수 있다. 상기 범위 내의 중량비로 포함함으로써 금속 재질을 포함하지 않고서도 전기적 물성을 높은 수준으로 구현하면서도 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. In one embodiment, the weight ratio of the impregnated resin 140 to the carbon fibers in the entire unit structural layer 110 may be about 1:3 to about 1:8.4. By including it at a weight ratio within the above range, it is possible to sufficiently prevent mixing of reactant gases during operation of the fuel cell by implementing a low level of gas permeability while implementing a high level of electrical properties without including a metal material.

또한, 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140) 대 상기 전도성 필러(130)의 중량비가 약 1:0.25 내지 약 1:1.5일 수 있다. 상기 범위 내의 중량비로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 충분히 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 또한, 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. In addition, the weight ratio of the impregnating resin 140 to the conductive filler 130 in the entire unit structural layer 110 may be about 1:0.25 to about 1:1.5. By including the weight ratio within the above range, excellent mechanical properties can be realized by sufficiently improving the electrical properties of the fuel cell bipolar plate 100 while forming the flexural strength at an appropriate level, and by implementing the gas permeability at a low level, the fuel cell Mixing of reaction gases can be sufficiently prevented during driving.

상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140)의 함량이 약 10 중량% 내지 약 25 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 탄소섬유 직물(120)의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.The content of the impregnating resin 140 in the entire unit structure layer 110 may be about 10 wt % to about 25 wt %. By including the amount within the above range, the empty space of the carbon fiber fabric 120 is sufficiently filled to prevent mixing of the reactant gas, and the electrical properties of the bipolar plate 100 for a fuel cell may not be deteriorated.

상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 내지 약 84 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 미만인 경우 전기 전도성 및 기계적 물성이 저하되고, 약 84% 초과의 경우 상기 함침 수지(140)에 의해 기공이 충분히 메워지지 않으므로 기체 투과율이 열등하면서 표면을 평탄하게 형성하기 어려워 접촉 저항이 증가하는 문제가 있다.The content of the carbon fiber in the entire unit structural layer 110 may be about 60 wt% to about 84 wt%. By including the content within the above range, the electrical properties, gas permeability and contact resistance of the fuel cell bipolar plate 100 can all be implemented at excellent levels. Specifically, when the content of the carbon fiber is less than about 60% by weight, electrical conductivity and mechanical properties are lowered, and when it exceeds about 84%, the pores are not sufficiently filled by the impregnation resin 140, so the gas permeability is inferior while the surface It is difficult to form flat, and there is a problem in that contact resistance increases.

상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 전도성 필러(130)의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.The content of the conductive filler 130 in the entire unit structural layer 110 may be about 5 wt % to about 15 wt %. By including the content within the above range, the electrical properties of the bipolar plate 100 for a fuel cell may be improved, and the flexural strength may be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties without breaking.

상기 단위 구조층(110)이 전도성 고분자를 더 포함할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 향상시킬 수 있다.The unit structure layer 110 may further include a conductive polymer, and thus, electrical properties of the fuel cell separator 100 may be improved.

반면, 탄소섬유 직물(120)들의 사이에 금속 박막 등을 포함하는 경우 이들 간의 부착성이 낮아 사용함에 따라 균열, 틈새 등이 쉽게 발생하여 내구성이 저하될 수 있다. On the other hand, when a metal thin film or the like is included between the carbon fiber fabrics 120, adhesion between them is low, and cracks, gaps, and the like easily occur during use, and durability may be deteriorated.

상기 전도성 고분자가 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리피롤계 고분자, 폴리프렌계 고분자, 폴리아세틸렌계, 폴리페닐렌계, 폴리페닐렌비닐렌계, 폴리아센계, 폴리티오펜비닐렌계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The conductive polymer is polyaniline-based polymer, polythiophene-based polymer, polypyrrole-based polymer, polyprene-based polymer, polyacetylene-based, polyphenylene-based, polyphenylene-vinylene-based, polyacene-based, polythiophene-based, and combinations thereof. It may include at least one selected from the group consisting of, but is not limited thereto.

상기 전도성 고분자를 포함하는 경우 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 전도성 고분자의 함량이 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 각 단위 구조층(110) 간의 계면에서 충분히 우수한 전기적 물성을 구현하면서도 비용을 불필요하게 증가시키지 않을 수 있다.When the conductive polymer is included, the content of the conductive polymer in the entire unit structural layer 110 may be about 0.01 wt % to about 1 wt %. By including the content within the above range, it is possible to realize sufficiently excellent electrical properties at the interface between the respective unit structural layers 110 without unnecessarily increasing the cost.

상기 직물 및 상기 단위 구조층(110)의 두께비가 약 1:0.9 내지 약 1:1.4일 수 있다. 상기 범위 내의 두께비를 가짐으로써 상기 직물 및 상기 단위 구조층(110) 간의 두께 차이를 더욱 작은 수준으로 형성하거나, 또는 이들의 두께를 실질적으로 동일하게 형성할 수 있고, 그에 따라 연료 전지용 분리판(100)의 상하부면에서 우수한 전기적 물성을 구현할 수 있다. 후술하는 제조방법에 기재된 바와 같이, 상기 단위 구조층(110)은 열 압착에 의해 형성할 수 있고, 그에 따라 상기 함침 수지(140)의 함량이 상대적으로 적은 경우 상기 직물의 두께보다 감소할 수 있고, 상기 함침 수지(140)의 함량이 보다 많은 경우에는 상기 직물의 두께보다 증가할 수도 있다.The thickness ratio of the fabric and the unit structural layer 110 may be about 1:0.9 to about 1:1.4. By having the thickness ratio within the above range, the thickness difference between the fabric and the unit structural layer 110 can be formed at a smaller level or their thicknesses can be formed to be substantially the same, and thus the fuel cell separator 100 ), excellent electrical properties can be realized on the upper and lower surfaces. As described in the manufacturing method described below, the unit structural layer 110 may be formed by thermal compression, and accordingly, when the content of the impregnation resin 140 is relatively small, the thickness of the fabric may be reduced, , When the content of the impregnation resin 140 is greater, the thickness of the fabric may be increased.

예를 들어, 상기 직물은 KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛일 수 있고, 상기 단위 구조층(110)의 두께는 약 180㎛ 내지 약 560㎛ 수 있다. 이때, 상기 연료 전지용 분리판(100)이 상기 단위 구조층(110)을 하나로 포함하는 경우 상기 연료 전지용 분리판(100)의 두께는 상기 단위 구조층(110)의 두께와 동일할 수 있다. For example, the fabric may have a thickness of about 200 μm to about 400 μm measured according to the conditions of KS K 0506, and the thickness of the unit structural layer 110 may be about 180 μm to about 560 μm. In this case, when the fuel cell bipolar plate 100 includes the unit structural layer 110 as one, the thickness of the fuel cell bipolar plate 100 may be the same as that of the unit structural layer 110 .

상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 이를 포함하는 연료 전지용 분리판(100)을 사용할 경우 연료 전지 또는 단위 전지의 규격을 지나치게 증가시키지 않으면서 절연 유지를 위한 분리 성능을 충분히 구현할 수 있다. By having a thickness within the above range, when using the fuel cell separator 100 including the same, separation performance for maintaining insulation may be sufficiently implemented without excessively increasing the specifications of the fuel cell or unit cell.

일 구현예에서, 상기 연료 전지용 분리판(100)은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 300S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다. 상기 범위 내의 낮은 수준의 접촉 저항 및 상기 범위 내의 높은 수준의 전기 전도도를 구현함으로써 우수한 전기적 물성을 구현하여 에너지 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.In one embodiment, the fuel cell bipolar plate 100 may have a contact resistance of, for example, about 5mΩ·cm 2 to about 50mΩ·cm 2 , specifically about 5mΩ·cm 2 to about 20mΩ·cm 2 . And, the electrical conductivity may be, for example, about 50S / cm to about 300S / cm, specifically about 100S / cm to about 200S / cm. By realizing a low level of contact resistance within the above range and a high level of electrical conductivity within the above range, excellent electrical properties can be implemented, and energy efficiency can be effectively improved.

이와 동시에, 상기 연료 전지용 분리판(100)의 골곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
At the same time, the bone strength of the fuel cell bipolar plate 100 may be about 20 MPa to about 50 MPa. Excellent mechanical properties can be implemented by having a flexural strength within the above range. Specifically, when the fuel cell is less than about 20 MPa, it is difficult to withstand the injection pressure of the fuel gas during operation of the fuel cell and may be damaged, and can be easily damaged by vibrations generated during vehicle operation. may be damaged.

도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 연료 전지용 분리판의 제조방법의 공정흐름도를 개략적으로 나타낸다. 3 schematically shows a process flow diagram of a method of manufacturing the bipolar plate for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.

상기 제조방법은 전도성 필러 함유 코팅층/적어도 일면에 수지층이 형성된 탄소섬유 직물층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성하는 단계(S1); 및 상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성하는 단계(S2);를 포함할 수 있다. The manufacturing method includes forming a laminate including a laminated structure of a conductive filler-containing coating layer/a carbon fiber fabric layer having a resin layer formed on at least one surface/a conductive filler-containing coating layer (S1); and forming a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin by thermally compressing the laminate (S2).

상기 제조방법에 따라 일 구현예에서 전술한 연료 전지용 분리판이 제조될 수 있고, 상기 탄소섬유 직물, 상기 전도성 필러 및 상기 함침 수지는 일 구현예에서 전술한 바와 같다.According to the manufacturing method, in one embodiment, the above-described bipolar plate for a fuel cell may be manufactured, and the carbon fiber fabric, the conductive filler, and the impregnated resin are as described above in one embodiment.

상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성되도록 제조될 수 있다.The unit structural layer may be manufactured such that a concentration gradient of the conductive filler is formed in a thickness direction.

그에 따라, 상기 연료 전지용 분리판은 상하부면에서 접촉 저항이 낮고 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.Accordingly, the fuel cell bipolar plate has low contact resistance and high electrical conductivity on the upper and lower surfaces, and at the same time, it does not contain a large amount of the conductive filler to form an appropriate level of flexural strength, thereby exhibiting excellent mechanical properties. There are benefits that can be implemented.

또한, 금속 박막 등의 금속 재질을 포함하지 않아, 내부식성을 우수한 수준으로 구현하면서도 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 적층 및 열 압착의 공정에 의해 형성하므로 직물 내에 섬유를 분사하고 경화시키거나, 또는 별도의 탄화 공정 등을 거치지 않으므로 시간 및 비용을 절감하여 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
In addition, since metal materials such as metal thin films are not included, weight reduction can be realized while implementing corrosion resistance at an excellent level. In addition, since it is formed by the process of lamination and thermal compression, it is possible to implement excellent productivity and excellent processability by reducing time and cost by not spraying and curing fibers in the fabric or going through a separate carbonization process.

상기 제조방법에서, 전도성 필러 함유 코팅층/적어도 일면에 수지층이 형성된 탄소섬유 직물층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성할 수 있고, 상기 수지층은 상기 탄소섬유 직물층의 일면 또는 양면상에 형성될 수 있다. 즉, 순차적으로, 전도성 필러 함유 코팅층, 수지층, 탄소섬유 직물층, 전도성 필러 함유 코팅층이 적층되거나 또는 순차적으로, 전도성 필러 함유 코팅층, 수지층, 탄소섬유 직물층, 수지층, 전도성 필러 함유 코팅층이 적층된 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성할 수 있다.In the above manufacturing method, a laminate comprising a laminated structure of a conductive filler-containing coating layer/a carbon fiber fabric layer having a resin layer formed on at least one surface/a conductive filler-containing coating layer may be formed, and the resin layer is the carbon fiber fabric layer of the carbon fiber fabric layer. It can be formed on one side or both sides. That is, the conductive filler-containing coating layer, the resin layer, the carbon fiber fabric layer, and the conductive filler-containing coating layer are sequentially laminated, or the conductive filler-containing coating layer, the resin layer, the carbon fiber fabric layer, the resin layer, and the conductive filler-containing coating layer are sequentially stacked. A laminate comprising a laminated laminated structure may be formed.

상기 제조방법에서, 탄소섬유를 직조하여 KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛이 되도록 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 탄소섬유의 평균 직경은 약 1㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다.In the manufacturing method, preparing the carbon fiber fabric layer to have a thickness of about 200 μm to about 400 μm measured according to the conditions of KS K 0506 by weaving carbon fiber; may further include, for example , The average diameter of the carbon fiber may be about 1 μm to about 10 μm.

이와 같이, 상기 탄소섬유의 평균 직경 및 상기 직물의 두께 등을 조절하여, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 탄소섬유가 차지하는 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. In this way, by adjusting the average diameter of the carbon fiber and the thickness of the fabric, etc., the content of the carbon fiber in the entire unit structural layer can be appropriately adjusted, and accordingly, the electrical properties and gas permeability of the separator for the fuel cell. and contact resistance can all be implemented at an excellent level.

상기 제조방법에서, 상기 직물의 상하부면에 전도성 고분자 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%, 바인더 수지 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 및 수계 용제를 포함하는 제1 조성물을 코팅하여, 전도성 고분자 함유 코팅층이 형성된 직물로 상기 탄소섬유 직물층을 준비할 수 있다. In the manufacturing method, the upper and lower surfaces of the fabric are coated with a first composition containing about 0.01% to about 1% by weight of a conductive polymer, about 1% to about 10% by weight of a binder resin, and an aqueous solvent to contain a conductive polymer. The carbon fiber fabric layer may be prepared as a fabric having a coating layer formed thereon.

상기 전도성 고분자는 일 구현예에서 전술한 바와 같고, 상기 수계 용제는 이소프로필 알코올, n-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The conductive polymer is as described above in one embodiment, and the aqueous solvent may include isopropyl alcohol, n-pentanol, 4-methyl-2-pentanol, and the like, but is not limited thereto.

그에 따라, 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, electrical properties of the bipolar plate for a fuel cell may be improved.

상기 바인더 수지가 예를 들어, 폴리스타이렌 술폰산, 폴리비닐알콜, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 아크릴계 수지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The binder resin may include, for example, polystyrene sulfonic acid, polyvinyl alcohol, polyester, polyurethane, acrylic resin, etc., but is not limited thereto.

또한, 상기 탄소섬유 직물층의 일면 또는 양면 상에 약 40㎛ 내지 약 80㎛의 두께로 형성된 열가소성 수지 필름을 적층하여 상기 수지층을 형성할 수 있다. 상기 열가소성 수지 필름은 열가소성 수지로 형성될 수 있고, 상기 열가소성 수지는 일 구현예에서 전술한 바와 같다.In addition, the resin layer may be formed by laminating a thermoplastic resin film having a thickness of about 40 μm to about 80 μm on one side or both sides of the carbon fiber fabric layer. The thermoplastic resin film may be formed of a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin is as described above in one embodiment.

이와 같이, 상기 수지층의 두께 등을 조절하여 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 탄소섬유 직물의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.In this way, the content of the impregnating resin in the entire unit structural layer can be appropriately adjusted by adjusting the thickness of the resin layer, thereby sufficiently filling the empty space of the carbon fiber fabric to prevent mixing of the reactive gas while preventing the fuel. Electrical properties of the battery separator may not be reduced.

또한, 상기 제조방법에서, 예를 들어, 전도성 필러 약 5 중량% 내지 약 30 중량% 및 용제 약 70 중량% 내지 약 95 중량%를 포함하는 제2 조성물을 코팅하여, 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있다. In addition, in the above manufacturing method, for example, the conductive filler-containing coating layer is prepared by coating a second composition including about 5% to about 30% by weight of a conductive filler and about 70% to about 95% by weight of a solvent. It may further include;

이와 같이, 제2 조성물에 포함된 상기 전도성 필러의 함량 및 상기 전도성 필러 함유 코팅층의 두께 등을 조절하여, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. In this way, by adjusting the content of the conductive filler included in the second composition and the thickness of the conductive filler-containing coating layer, etc., the content of the conductive filler in the entire unit structural layer can be appropriately adjusted, and accordingly, the separation for the fuel cell While improving the electrical properties of the plate, it is possible to realize excellent mechanical properties without breaking by forming the flexural strength at an appropriate level.

예를 들어, 상기 탄소섬유 직물층의 상기 수지층이 형성된 면의 상부 또는 하부에 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층하는 경우 상기 수지층의 일면 상에 상기 제2 조성물을 코팅하여 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층할 수 있다. For example, when the conductive filler-containing coating layer is laminated on the top or bottom of the surface of the carbon fiber fabric layer on which the resin layer is formed, the second composition is coated on one surface of the resin layer to form the conductive filler-containing coating layer. can be layered.

한편, 상기 탄소섬유 직물층의 상기 수지층이 형성되지 않은 면 상에 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층하는 경우에는 이형 필름의 일면 상에 상기 제2 조성물을 코팅하여 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비한 후 상기 탄소섬유 직물층의 일면 상에 상기 전도성 필러 함유 코팅층이 접하도록 하여 적층할 수 있다. 상기 이형 필름은 제조 공정상 필요한 시기에 적절히 제거될 수 있다.On the other hand, in the case of laminating the conductive filler-containing coating layer on the surface of the carbon fiber fabric layer on which the resin layer is not formed, the second composition is coated on one surface of the release film to prepare the conductive filler-containing coating layer, and then the conductive filler-containing coating layer is prepared. The conductive filler-containing coating layer may be laminated on one surface of the carbon fiber fabric layer so as to be in contact with it. The release film may be appropriately removed at a necessary time in the manufacturing process.

상기 이형 필름은 이 기술분야에서 공지된 종류를 사용할 수 있고, 예를 들어, 테플론 필름(Teflon film), 나일론 필름(Nylon film), PVC 필름(PVC film), 실리콘 필름 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. The release film may use a type known in the art, and for example, a group consisting of a Teflon film, a nylon film, a PVC film, a silicone film, and combinations thereof It may be formed of a material containing at least one selected from.

상기 용제는 예를 들어, 유기 용제일 수 있고, 톨루엔, 이소프로필알코올(IPA), 크실렌, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸케톤, 메틸부틸케톤, 디프로필케톤, 시클로헥사논, n-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 시클로헥산올 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The solvent may be, for example, an organic solvent, toluene, isopropyl alcohol (IPA), xylene, diethylene glycol monobutyl ether, diethyl ketone, methyl butyl ketone, dipropyl ketone, cyclohexanone, n-pentane It may include at least one selected from the group consisting of ol, 4-methyl-2-pentanol, cyclohexanol, and combinations thereof, but is not limited thereto.

상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비하는 단계에서, 예를 들어, 상기 제2 조성물을 코팅한 후 약 50℃ 내지 약 100℃에서 약 5분 내지 약 20분 동안 건조시켜 상기 용제를 휘발시키면서 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성할 수 있으나, 상기 온도 및 시간 조건은 발명의 목적 및 용도에 따라 적절히 변경될 수 있다. In the step of preparing the conductive filler-containing coating layer, for example, after coating the second composition, it is dried at about 50° C. to about 100° C. for about 5 minutes to about 20 minutes to volatilize the solvent while containing the conductive filler. A coating layer may be formed, but the temperature and time conditions may be appropriately changed according to the purpose and use of the invention.

또한, 코팅 방법으로서, 예를 들어, 코팅의 방법은 디핑법, 정회전 롤코터법, 리버스 롤코터법, 그라비어 코터법, 나이프 코터법, 브레이드 코터법, 롯드 코터법, 에어독터 코터법, 커테인 코터법, 파운딩 코터법 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In addition, as a coating method, for example, the coating method includes a dipping method, a forward roll coater method, a reverse roll coater method, a gravure coater method, a knife coater method, a braid coater method, a rod coater method, an air doctor coater method, and a cutane coater method, a pounding coat method, etc. may be used, but is not limited thereto.

상기 전도성 필러 함유 코팅층의 두께는 예를 들어, 약 10㎛ 내지 약 80㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The thickness of the conductive filler-containing coating layer may be, for example, about 10 μm to about 80 μm, but is not limited thereto.

상기 제조방법에서, 상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 열 압착에 의해 상기 탄소섬유 직물 안으로 상기 전도성 필러 및 상기 함침 수지가 스며들거나 침투되어 함침될 수 있다.In the manufacturing method, a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin may be formed by thermally compressing the laminate. The conductive filler and the impregnating resin may be permeated or penetrated into the carbon fiber fabric by the heat compression.

상기 열 압착은 핫프레스에 의해 약 180℃ 내지 약 250℃의 온도에서 약 50kg/㎠ 내지 약 300kg/㎠의 압력으로 수행될 수 있다. 상기 범위 내의 조건으로 열 압착을 수행함으로써 상기 수지층이 용융되면서 이로부터 흘러나온 함침 수지 및 상기 전도성 필러 함유 코팅층이 용융되면서 이로부터 흘러나온 전도성 필러가 상기 탄소섬유 직물로 스며들거나 침투되어 충분히 함침되도록 할 수 있다. The thermal compression may be performed at a pressure of about 50 kg/cm 2 to about 300 kg/cm 2 at a temperature of about 180° C. to about 250° C. by a hot press. By performing thermal compression under conditions within the above range, the resin layer is melted while the impregnating resin flowing therefrom and the conductive filler-containing coating layer melted so that the conductive filler flowing therefrom permeates or penetrates into the carbon fiber fabric to be sufficiently impregnated. can do.

이 때, 상기 전도성 필러는 상기 탄소섬유 직물의 양 표면에서부터 두께 중심 방향으로 스며들어 함침되고, 상기 전도성 필러가 스며들거나 침투하는 정도는 두께 중심 방향으로 갈수록 작아지기 때문에 상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다.At this time, the conductive filler permeates and impregnates from both surfaces of the carbon fiber fabric in the direction of the center of the thickness, and since the degree of permeation or penetration of the conductive filler decreases in the direction of the center of the thickness, the unit structure layer is formed in the thickness direction. , A concentration gradient may be formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness.

이와 같이, 상기 단위 구조층의 양 표면 즉, 상하부면에서의 상기 전도성 필러의 농도를 높게 형성함으로써 접촉 저항을 감소시키면서 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 동시에, 두께 중심 부분에서는 단단한 성질을 갖는 상기 전도성 필러의 농도를 낮게 형성하여 상기 연료 전지용 분리판의 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성할 수 있고, 그에 따라 부서짐 없이 장기간 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. In this way, by forming a high concentration of the conductive filler on both surfaces of the unit structural layer, that is, the upper and lower surfaces, it is possible to increase electrical conductivity while reducing contact resistance. In addition, at the same time, at the center of the thickness, the concentration of the conductive filler having a hard property may be low to form the flexural strength of the fuel cell bipolar plate at an appropriate level, thereby implementing excellent mechanical properties for a long time without breaking. there is.

구체적으로, 상기 탄소섬유 직물이 전기 전도성이 우수하기 때문에 상기 두께 중심 부분에서 상기 전도성 필러의 농도를 낮게 형성함에도 불구하고 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성이 우수한 수준으로 구현될 수 있고, 또한, 상기 탄소섬유 직물의 기계적 물성이 우수하여 상기 연료 전지용 분리판의 기계적 물성도 향상될 수 있다.Specifically, since the carbon fiber fabric has excellent electrical conductivity, despite forming a low concentration of the conductive filler in the central portion of the thickness, the electrical properties of the separator for a fuel cell can be implemented at an excellent level, and also, the Since the mechanical properties of the carbon fiber fabric are excellent, the mechanical properties of the separator for a fuel cell may also be improved.

상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 일 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역; 및 다른 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제2 두께 영역;을 포함할 수 있다.The unit structural layer includes a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction from one surface toward the thickness center, including both surfaces perpendicular to its thickness direction; and a second thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness in a direction from the other surface toward the center of the thickness.

상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%가 되도록 제조될 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%가 되도록 제조될 수 있다.The unit structural layer includes both surfaces perpendicular to its thickness direction, and a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction from each surface toward the center of the thickness. and a second thickness region, wherein the total amount of the conductive fillers respectively present in the first thickness region and the second thickness region is, for example, about 50 of the total weight of the conductive fillers included in the unit structural layer. % to about 100%, specifically about 70% to about 90%.

이때, 상기 제1 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량; 및 상기 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량;은 동일하거나 상이할 수 있다.At this time, the content of the conductive filler present in the first thickness region; and the content of the conductive filler present in the second thickness region may be the same or different.

상기 전도성 필러의 전체 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 함량, 즉 약 50% 이상이 상기 제1 및 제2 두께 영역 내에 존재함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러의 함량이 더욱 높고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.Based on the total weight of the conductive filler, a high content within the above range, that is, about 50% or more is present in the first and second thickness regions, so that both surface portions of the fuel cell bipolar plate have more of the conductive filler than the central portion. The content is higher, and thus the bipolar plate for a fuel cell can realize excellent electrical properties and excellent mechanical properties at the same time.

상기 전도성 필러의 총 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 수준의 함량이 상기 두께 범위 내에 존재함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러의 함량이 더욱 높으므로 상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.Since a high level of content within the above range based on the total weight of the conductive filler is present within the thickness range, both surface portions of the separator for fuel cell have a higher content of the conductive filler than the central portion of the separator for fuel cell. The plate can realize excellent electrical properties and excellent mechanical properties at the same time.

예를 들어, 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이가 약 300㎛인 경우 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 약 15㎛ 내지 약 105㎛에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역에 존재하는 각각의 전도성 필러의 함량의 총합이 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%가 되도록 제조될 수 있다.For example, when the total thickness of the unit structural layer is about 300 μm, the first thickness region and the second thickness region corresponding to about 15 μm to about 105 μm in a direction from each surface toward the center of the thickness The total weight of each conductive filler may be about 50% to about 100% of the total weight of the conductive filler.

전술된 상기 각 층들의 두께 및 열 압착의 공정 조건 등을 적절히 조절하여, 상기 직물 및 상기 단위 구조층의 두께비가 약 1:0.9 내지 약 1:1.4가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있고, 그에 따라 상기 직물 및 상기 단위 구조층 간의 두께 차이를 더욱 작은 수준으로 형성하거나, 또는 이들의 두께를 실질적으로 동일하게 형성할 수 있으므로 연료 전지용 분리판의 상하부면에서 우수한 전기적 물성을 구현할 수 있다. The unit structural layer can be formed such that the thickness ratio of the fabric and the unit structural layer is from about 1:0.9 to about 1:1.4 by appropriately adjusting the thickness of each of the above-described layers and process conditions of thermal compression, etc. Accordingly, since the thickness difference between the fabric and the unit structural layer can be formed to a smaller level or the thicknesses thereof can be formed to be substantially the same, excellent electrical properties can be implemented on the upper and lower surfaces of the separator for a fuel cell.

상기 직물은 전술한 바와 같이, KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛일 수 있고, 상기 단위 구조층의 두께는 예를 들어, 약 180㎛ 내지 약 560㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.As described above, the fabric may have a thickness of about 200 μm to about 400 μm measured according to the conditions of KS K 0506, and the thickness of the unit structure layer may be, for example, about 180 μm to about 560 μm However, it is not limited thereto.

일 구현예에서 전술한 바와 같이, 상기 단위 구조층의 두께는 함침 수지의 함량에 따라 상기 직물의 두께에 비해 얇아지거나 또는 두꺼워질 수 있다.As described above in one embodiment, the thickness of the unit structural layer may be thinner or thicker than the thickness of the fabric according to the content of the impregnating resin.

상기 제조방법에서, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 약 1:3 내지 약 1:8.4가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. In the manufacturing method, the unit structural layer may be formed such that the weight ratio of the impregnating resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer is about 1:3 to about 1:8.4.

상기 범위 내의 중량비를 갖도록 형성함으로써 금속 재질을 포함하지 않고서도 전기적 물성을 높은 수준으로 구현하면서도 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. By forming the fuel cell to have a weight ratio within the above range, it is possible to sufficiently prevent mixing of reactant gases during operation of the fuel cell by realizing a low level of gas permeability while implementing a high level of electrical properties without including a metal material.

또한, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 약 1:0.25 내지 약 1:1.5가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. In addition, the unit structural layer may be formed such that the weight ratio of the impregnating resin to the conductive filler in the entire unit structural layer is about 1:0.25 to about 1:1.5.

상기 범위 내의 중량비를 갖도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 충분히 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 또한, 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. By forming the separator to have a weight ratio within the above range, it is possible to realize excellent mechanical properties by sufficiently improving the electrical properties of the bipolar plate for a fuel cell while forming the flexural strength to an appropriate level, and also realize a low gas permeability to drive the fuel cell. Mixing of reaction gases can be sufficiently prevented.

또한, 상기 제조방법에서, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 약 10 중량% 내지 약 25 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함되도록 형성함으로써 상기 탄소섬유 직물의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.In addition, in the manufacturing method, the unit structural layer may be formed such that the content of the impregnating resin in the entire unit structural layer is about 10% to about 25% by weight. By forming the content to be included within the above range, it is possible to sufficiently fill the empty space of the carbon fiber fabric to prevent mixing of the reactant gas while not deteriorating the electrical properties of the fuel cell bipolar plate.

상기 단위 구조층 전체 중 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 내지 약 84 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함되도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 미만인 경우 전기 전도성 및 기계적 물성이 저하되고, 약 84% 초과의 경우 상기 함침 수지에 의해 기공이 충분히 메워지지 않으므로 기체 투과율이 열등하면서 표면을 평탄하게 형성하기 어려워 접촉 저항이 증가하는 문제가 있다.The unit structural layer may be formed such that the content of the carbon fiber in the entire unit structural layer is about 60% to about 84% by weight. By forming such that the content is within the above range, the electrical properties, gas permeability, and contact resistance of the separator for a fuel cell may all be implemented at excellent levels. Specifically, when the content of the carbon fiber is less than about 60% by weight, electrical conductivity and mechanical properties are lowered, and when it exceeds about 84%, the pores are not sufficiently filled by the impregnation resin, so the gas permeability is inferior and the surface is flat It is difficult to form, and there is a problem in that contact resistance increases.

상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함하도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.The unit structural layer may be formed such that the content of the conductive filler in the entire unit structural layer is about 5% by weight to about 15% by weight. By forming the content within the above range, the electrical properties of the bipolar plate for a fuel cell may be improved and the flexural strength may be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties without breaking.

전술한 바와 같이, 상하부면 상에 전도성 고분자 함유 코팅층이 형성된 직물로 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 경우에는 상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 고분자의 함량이 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함하도록 형성함으로써 상기 각 단위 구조층 간의 계면에서 충분히 우수한 전기적 물성을 구현하면서도 비용을 불필요하게 증가시키지 않을 수 있다.As described above, in the case of preparing the carbon fiber fabric layer as a fabric having conductive polymer-containing coating layers formed on the upper and lower surfaces, the content of the conductive polymer in the entire unit structure layer is about 0.01% to about 1% by weight. The unit structural layer may be formed. By including the amount within the above range, it is possible to realize sufficiently excellent electrical properties at the interface between the respective unit structural layers without unnecessarily increasing the cost.

상기 제조방법에 따라 제조된 연료 전지용 분리판은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 30S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다. 상기 범위 내의 낮은 수준의 접촉 저항 및 상기 범위 내의 높은 수준의 전기 전도도를 구현함으로써 우수한 전기적 물성을 구현하여 에너지 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.The fuel cell bipolar plate manufactured according to the manufacturing method may have a contact resistance of, for example, about 5 mΩ cm 2 to about 50 mΩ cm 2 , specifically about 5 mΩ cm 2 to about 20 mΩ cm 2 , Electrical conductivity may be, for example, about 50 S/cm to about 30 S/cm, specifically about 100 S/cm to about 200 S/cm. By realizing a low level of contact resistance within the above range and a high level of electrical conductivity within the above range, excellent electrical properties can be implemented, and energy efficiency can be effectively improved.

이와 동시에, 상기 연료 전지용 분리판의 굴곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
At the same time, the bending strength of the bipolar plate for a fuel cell may be about 20 MPa to about 50 MPa. Excellent mechanical properties can be implemented by having a flexural strength within the above range. Specifically, when the fuel cell is less than about 20 MPa, it is difficult to withstand the injection pressure of the fuel gas during operation of the fuel cell and may be damaged, and can be easily damaged by vibrations generated during vehicle operation. may be damaged.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하고, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
Hereinafter, specific embodiments of the present invention are presented. However, the embodiments described below are only intended to specifically illustrate or explain the present invention, and the present invention should not be limited thereto.

실시예Example

실시예Example 1 One

평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 60㎛ 두께의 폴리프로필렌 수지 필름으로 수지층을 1개 준비하였다. 상기 수지층의 일면에 나이프 코터법에 의해 전도성 필러 20 중량% 및 용제 80 중량%를 포함하는 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였고, 테플론 필름의 일면에 나이프 코터법에 의해 상기 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였다.A fiber layer having a thickness of 300 μm was prepared using carbon fibers having an average diameter of 5 μm, and one resin layer was prepared using a polypropylene resin film having a thickness of 60 μm. A composition containing 20% by weight of a conductive filler and 80% by weight of a solvent was coated on one surface of the resin layer by a knife coater method, and dried at 70 ° C. for 15 minutes to form a coating layer containing the conductive filler having a thickness of 20 μm, The composition was coated on one side of a Teflon film by a knife coater method and dried at 70° C. for 15 minutes to form a coating layer containing the conductive filler having a thickness of 20 μm.

이어서, 전도성 필러 함유 코팅층/수지층/섬유층/전도성 필러 함유 코팅층/테플론 필름의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성하고, 상기 테플론 필름을 제거함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminate structure of conductive filler-containing coating layer/resin layer/fiber layer/conductive filler-containing coating layer/Teflon film is formed, and a temperature of 200° C. and 142.76 kg/cm 2 are applied to the upper and lower surfaces of the laminate, that is, both surfaces. A unit structural layer was formed by performing thermal compression under a pressure condition of , and a bipolar plate for a fuel cell was prepared by removing the Teflon film, and the total thickness of the bipolar plate for a fuel cell was 300 μm.

구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:6.0였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.5였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 14 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer was 1:6.0, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the entire unit structural layer was 1:0.5, and the unit structural layer The content of the impregnated resin in the total was 14% by weight.

실시예 2 (함침 수지의 함량이 실시예 1에 비해 많음) Example 2 (the content of the impregnated resin is higher than that of Example 1)

평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 30㎛ 두께의 폴리프로필렌 수지 필름으로 수지층을 2개 준비하였다. 상기 각각의 수지층의 일면에 나이프 코터법을 사용하여, 전도성 필러 20 중량% 및 용제 80 중량%를 포함하는 제1 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였다.A fiber layer having a thickness of 300 μm was prepared using carbon fibers having an average diameter of 5 μm, and two resin layers were prepared using a polypropylene resin film having a thickness of 30 μm. A first composition containing 20% by weight of a conductive filler and 80% by weight of a solvent was coated on one surface of each of the resin layers using a knife coater method, and dried at 70° C. for 15 minutes to obtain a thickness of 20 μm of the conductive filler. A containing coating layer was formed.

이어서, 전도성 필러 함유 코팅층/수지층/섬유층/수지층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 310㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminated structure of conductive filler-containing coating layer/resin layer/fiber layer/resin layer/conductive filler-containing coating layer is formed, and a temperature of 200° C. and 142.76 kg/cm 2 are applied to the upper and lower surfaces of the laminate, that is, both surfaces. A separator for a fuel cell was manufactured by forming a unit structural layer by performing thermal compression under a pressure condition of 310 μm.

구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:3.3였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.6였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 25 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer was 1:3.3, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the entire unit structural layer was 1:0.6, and the unit structural layer The content of the impregnating resin in the total was 25% by weight.

비교예 1 (별도의 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하지 않고, 수지 조성물에 혼합한 경우) Comparative Example 1 (In the case of mixing with a resin composition without forming a separate conductive filler-containing coating layer)

평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 폴리프로필렌 수지 13 중량% 및, 전도성 필러 6 중량%를 포함하는 수지 조성물로 형성한 두께 80㎛의 전도성 필름을 2개 준비하였다.A fiber layer having a thickness of 300 μm was prepared from carbon fibers having an average diameter of 5 μm, and two conductive films having a thickness of 80 μm formed of a resin composition containing 13% by weight of polypropylene resin and 6% by weight of conductive filler were prepared. .

이어서, 전도성 필름/섬유층/전도성 필름의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminated structure of conductive film/fiber layer/conductive film is formed, and thermal compression is performed on the upper and lower surfaces of the laminate, that is, both surfaces, under conditions of a temperature of 200° C. and a pressure of 142.76 kg/cm 2 , thereby forming a unit. A separator for a fuel cell was prepared by forming a structural layer, and the total thickness of the separator for a fuel cell was 300 μm.

구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:2.2였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.1이었으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 15 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer was 1:2.2, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the entire unit structural layer was 1:0.1, and the entire unit structural layer The content of the impregnating resin was 15% by weight.

비교예 2 (비교예 1에 비해 전도성 필러의 함량을 적게 한 경우) Comparative Example 2 (When the content of the conductive filler is reduced compared to Comparative Example 1)

폴리프로필렌 수지 16 중량% 및, 전도성 필러 3 중량%를 포함하는 수지 조성물로 형성한 두께 80㎛의 전도성 필름을 2개 준비한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 조건 및 방법으로 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.A separator for a fuel cell was prepared under the same conditions and method as in Comparative Example 1, except that two conductive films having a thickness of 80 μm formed of a resin composition containing 16% by weight of a polypropylene resin and 3% by weight of a conductive filler were prepared. And, the total thickness of the separator for the fuel cell was 300 μm.

구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:2.2였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.05였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 16 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer was 1:2.2, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the entire unit structural layer was 1:0.05, and the unit structural layer The content of the impregnated resin in the total was 16% by weight.

평가evaluation

상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 따른 연료 전지용 분리판의 물성을 평가하여 하기 표 1에 기재하였다.
The physical properties of the separators for fuel cells according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated and listed in Table 1 below.

실험예Experimental example

실험예Experimental example 1: 전도성 1: conductivity 필러의filler 농도 density 구배gradient

측정방법: 상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 따른 연료 전지용 분리판을 1cm x 1cm 크기의 시편으로 각각 2개씩 준비하였고, 이들에 대하여 ASTM D5630의 조건에 따라 600℃, 1 시간, 질소 분위기 하에서 애쉬 시험(ash test)를 수행하여 측정하였다.Measurement method: Two fuel cell separators according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared as specimens having a size of 1 cm x 1 cm, respectively, and 600 ° C. for 1 hour according to ASTM D5630 conditions. , measured by performing an ash test under a nitrogen atmosphere.

그에 따라, 상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 대한 각각의 2개의 시편에 대하여 함침 수지가 모두 연소되고 남겨진 시편 중 하나는 시편 전체에 포함된 전도성 필러의 함량을 측정하였고, 다른 하나는 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 100㎛ 두께 범위 내에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 채취하여, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 포함된 전도성 필러의 함량을 각각 측정하였다.Accordingly, for each of the two specimens for Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, the content of the conductive filler contained in the entire specimen was measured in one of the specimens remaining after the impregnation resin was all burned, and the other One is to sample a first thickness region and a second thickness region corresponding to a thickness range of 100 μm in a direction toward the thickness center from each surface, and the content of the conductive filler included in the first thickness region and the second thickness region. were measured respectively.

이어서, 전술한 바와 같이 측정한 전도성 필러의 전체 함량; 및 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 포함된 전도성 필러의 함량의 총합;을 이용하여 백분율로 환산함으로써 농도 구배를 계산하였다.
Then, the total content of conductive fillers measured as described above; and the total sum of the contents of the conductive fillers respectively included in the first thickness region and the second thickness region; the concentration gradient was calculated by converting into a percentage.

실험예Experimental example 2: 2: 굴곡강도flexural strength

측정방법: ASTM D 790에 따라 굴곡강도 측정기(Instron 社, 5569A)을 사용하여 측정하였다.
Measurement method: It was measured using a flexural strength tester (Instron, 5569A) according to ASTM D 790.

실험예Experimental Example 3: 전기전도도 및 접촉저항 3: electrical conductivity and contact resistance

측정방법: 미쯔비시(Misubishi chemical, Loresta-GP, 일본) 장비에 의해 4-탐침법(4-probe method)을 사용하여 측정하였다. Measurement method: It was measured using a 4-probe method by Mitsubishi (Misubishi chemical, Loresta-GP, Japan) equipment.

구체적으로, 단위셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)을 사용하였고, 그에 따라 구리 플레이트에 대해 압력을 가한 경우, 연료 전지용 분리판과 카본 페이퍼(SGL 社, 10BA GDL(Gas Diffusion Layer)의 사이에 발생하는 접촉 저항을 측정하는 형태가 되도록 하였다. 또한, 전류공급장치(KIKUSUI 社)를 사용하여 상기 금속분리판에 전류를 공급하고, 0.5A의 진폭 및 25㎠의 전극면적을 가지는 DC 전류로서 5A를 인가하고, Multimeter(Fluke, 8808A)를 사용하여 전압을 측정하였다. Specifically, the modified Davies method was used to obtain optimized constants for unit cell fastening, and when pressure was applied to the copper plate accordingly, a fuel cell separator and carbon paper (SGL, 10BA GDL (Gas Diffusion Layer) in the form of measuring the contact resistance In addition, a current supply device (KIKUSUI Co.) was used to supply current to the metal separator, and an amplitude of 0.5A and 25cm2 5A was applied as a DC current having an electrode area, and the voltage was measured using a multimeter (Fluke, 8808A).

또한, 상기 접촉 저항 측정기에서, 압축유지시험기(Instron 社, 5569A)를 사용하여 100N/cm2의 압력을 제공하여 측정을 진행하였다.
In addition, in the contact resistance measuring device, the measurement was performed by providing a pressure of 100 N/cm 2 using a compression holding tester (Instron Co., 5569A).

농도 구배 (%)Concentration gradient (%) 굴곡강도(MPa)Flexural strength (MPa) 전기전도도
(S/cm)
electrical conductivity
(S/cm)
접촉저항
(mΩ·cm2)
contact resistance
(mΩ cm 2 )
실시예1Example 1 8585 4444 150150 9.39.3 실시예2Example 2 7070 5050 130130 15.415.4 비교예1Comparative Example 1 3535 4040 9090 50.850.8 비교예2Comparative Example 2 3030 5555 8080 67.967.9

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1 및 2에 따른 연료 전지용 분리판은 제1 및 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량의 총합이 상기 연료 전지용 분리판에 포함된 전도성 필러의 전체 중량의 50% 이상을 차지하고 있으므로 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기전도도가 높게 측정되었고, 이와 동시에 굴곡 강도가 모두 44 MPa 이상으로 기계적 물성 또한 우수함을 명확히 확인하였다.As shown in Table 1, in the fuel cell separator according to Examples 1 and 2, the sum of the contents of the conductive filler present in the first and second thickness regions is the total amount of the conductive filler included in the fuel cell separator. Since it accounts for more than 50% of the weight, contact resistance was low and high electrical conductivity was measured on both surfaces of the fuel cell bipolar plate, and at the same time, it was clearly confirmed that the mechanical properties were excellent as both the flexural strengths were 44 MPa or more.

반면, 상기 비교예 1 및 2에 따른 연료 전지용 분리판은 이의 양 표면에서 접촉 저항이 높으면서 전기전도도가 낮게 측정되어, 에너지 효율이 열등할 것을 명확히 예상할 수 있고, 상기 비교예 1의 경우 굴곡 강도도 상대적으로 낮았다.
On the other hand, since the bipolar plates for fuel cells according to Comparative Examples 1 and 2 had high contact resistance and low electrical conductivity measured on both surfaces thereof, it was clearly expected that the energy efficiency would be inferior, and in the case of Comparative Example 1, the flexural strength was also relatively low.

100: 연료 전지용 분리판
110: 단위 구조층
120: 직물
130: 전도성 필러
140: 함침 수지
100: separator plate for fuel cell
110: unit structural layer
120: fabric
130: conductive filler
140: impregnation resin

Claims (21)

탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고,
상기 단위 구조층의 두께 방향에서, 양 표면에서부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성되며,
상기 전도성 필러가 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 흑연, 그라핀(graphene), 흑연 나노 섬유(graphite nanofiber, GNF), 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
연료 전지용 분리판.
A unit structural layer comprising a carbon fiber fabric, a conductive filler and an impregnated resin,
In the thickness direction of the unit structural layer, a concentration gradient is formed so that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness,
The conductive filler is at least one selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, carbon nanotube (CNT), graphite, graphene, graphite nanofiber (GNF), fullerene, and combinations thereof containing
Separator for fuel cell.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 5% 내지 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며,
상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 50% 내지 100%인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The unit structural layer includes both surfaces perpendicular to its thickness direction, and a first thickness region corresponding to 5% to 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction from each surface toward the thickness center, and a second thickness region 2 thickness region,
The total amount of the conductive fillers respectively present in the first thickness region and the second thickness region is 50% to 100% of the total weight of the conductive fillers included in the unit structural layer.
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
접촉 저항이 5mΩ·cm2 내지 50mΩ·cm2이고,
전기전도도가 50S/cm 내지 300S/cm인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The contact resistance is 5 mΩ·cm 2 to 50 mΩ·cm 2 ,
electrical conductivity of 50 S/cm to 300 S/cm
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
굴곡강도가 20MPa 내지 50MPa인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
Flexural strength of 20 MPa to 50 MPa
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:3 내지 1:8.4인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The weight ratio of the impregnating resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer is 1:3 to 1:8.4
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.25 내지 1:1.5인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The weight ratio of the impregnating resin to the conductive filler in the entire unit structural layer is 1:0.25 to 1:1.5
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 10 중량% 내지 25 중량%인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The content of the impregnating resin in the entire unit structural layer is 10% to 25% by weight
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 단위 구조층이 전도성 고분자를 더 포함하고,
상기 전도성 고분자가 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리피롤계 고분자, 폴리프렌계 고분자, 폴리아세틸렌계, 폴리페닐렌계, 폴리페닐렌비닐렌계, 폴리아센계, 폴리티오펜비닐렌계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The unit structural layer further includes a conductive polymer,
The conductive polymer is polyaniline-based polymer, polythiophene-based polymer, polypyrrole-based polymer, polyprene-based polymer, polyacetylene-based, polyphenylene-based, polyphenylene-vinylene-based, polyacene-based, polythiophene-based, and combinations thereof. Including at least one selected from the group consisting of
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 직물 및 상기 단위 구조층의 두께비가 1:0.9 내지 1:1.4인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The thickness ratio of the fabric and the unit structural layer is 1:0.9 to 1:1.4
Separator for fuel cell.
제1항에 있어서,
상기 단위 구조층의 두께는 180㎛ 내지 560㎛인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The unit structural layer has a thickness of 180 μm to 560 μm.
Separator for fuel cell.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 함침 수지가 열가소성 수지인
연료 전지용 분리판.
According to claim 1,
The impregnation resin is a thermoplastic resin
Separator for fuel cell.
삭제delete 삭제delete 전도성 필러 함유 코팅층/적어도 일면에 수지층이 형성된 탄소섬유 직물층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성하는 단계; 및
상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성하는 단계;를 포함하고,
상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성되도록 제조되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
Forming a laminate comprising a laminated structure of a conductive filler-containing coating layer / a carbon fiber fabric layer having a resin layer formed on at least one surface / a conductive filler-containing coating layer; and
Forming a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin by thermally compressing the laminate,
The unit structural layer is manufactured such that a concentration gradient is formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness in the thickness direction.
Method for manufacturing a separator for a fuel cell.
삭제delete 삭제delete 제16항에 있어서,
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 5% 내지 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며,
상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 50% 내지 100%가 되도록 제조되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
According to claim 16,
The unit structural layer includes both surfaces perpendicular to its thickness direction, and a first thickness region corresponding to 5% to 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction from each surface toward the thickness center, and a second thickness region 2 thickness region,
The total amount of the conductive fillers present in the first thickness region and the second thickness region is 50% to 100% of the total weight of the conductive fillers included in the unit structural layer.
Method for manufacturing a separator for a fuel cell.
제16항에 있어서,
상기 열 압착은 핫프레스에 의해 180℃ 내지 250℃의 온도에서 50kg/㎠ 내지 300kg/㎠의 압력으로 수행되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
According to claim 16,
The thermal compression is performed at a pressure of 50 kg / cm 2 to 300 kg / cm 2 at a temperature of 180 ° C to 250 ° C by a hot press.
Method for manufacturing a separator for a fuel cell.
제16항에 있어서,
탄소섬유를 직조하여 두께가 200㎛ 내지 400㎛이 되도록 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 단계;를 더 포함하는
연료 전지용 분리판의 제조방법.



According to claim 16,
Preparing the carbon fiber fabric layer to have a thickness of 200 μm to 400 μm by weaving carbon fibers; further comprising
Method for manufacturing a separator for a fuel cell.



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