KR20090028941A - Polymer-metal complex of end plate for fuel cell and manufacturing method for it - Google Patents

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Abstract

An end plate of a polymer-metal complex structure for a fuel cell is provided to improve mechanical strength due to the insertion of a metal frame and to minimize the deformation while maintaining excellent insulating property, chemical resistance, hydrolysis resistance, and lightness. An end plate(12) of a polymer-metal complex structure for a fuel cell includes a metal frame(10) inserted into the inside, and a polymer-glass fiber complex structure surrounding the outer surface of the metal frame. The complex structure has a flat or stress-reinforcing rib structure.

Description

연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트 및 이의 제조방법{Polymer-metal complex of end plate for fuel cell and manufacturing method for it}Polymer-metal complex of end plate for fuel cell and manufacturing method for it}

본 발명은 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고분자 구조물의 용융 성형시 금속프레임을 삽입하여 단일 공정으로 성형함으로써, 고분자 구조물과 금속프레임을 일체화시킨 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, a fuel in which a polymer structure and a metal frame are integrated by inserting a metal frame and molding in a single process during melt molding of the polymer structure. It relates to a polymer-metal composite structure end plate for a battery and a method of manufacturing the same.

일반적으로 연료전지시스템은 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전시스템이다. In general, a fuel cell system is a type of power generation system that converts chemical energy of a fuel directly into electrical energy.

상기 연료전지시스템은 크게 전기에너지를 발생시키는 연료전지스택, 연료전지스택에 연료(수소)를 공급하는 연료공급시스템, 연료전지스택에 전기화학반응에 필요한 산화제인 공기중의 산소를 공급하는 공기공급시스템, 연료전지스택의 반응열을 시스템 외부로 제거하고 연료전지스택의 운전온도를 제어하는 열 및 물관리 시스템으로 구성된다. The fuel cell system includes a fuel cell stack that generates electric energy largely, a fuel supply system for supplying fuel (hydrogen) to the fuel cell stack, and an air supply for supplying oxygen in the air, which is an oxidant required for an electrochemical reaction, to the fuel cell stack. The system consists of a heat and water management system that removes the reaction heat from the fuel cell stack to the outside of the system and controls the operating temperature of the fuel cell stack.

이와 같은 구성으로 연료전지시스템에서는 연료인 수소와 공기중의 산소에 의한 전기화학반응에 의해 전기를 발생시키고, 반응부산물로 열과 물을 배출하게 된다.With such a configuration, the fuel cell system generates electricity by an electrochemical reaction by hydrogen, which is a fuel, and oxygen in the air, and discharges heat and water as reaction byproducts.

상기 연료전지스택은 연료전지 차량의 주동력공급원으로서, 공기 중의 산소와 연료인 수소를 공급받아서 전기를 생산하는 장치이다. 또한, 자동차에 적용되는 연료전지스택은 약 400개 이상의 단위전지로 구성되어 있고, 각 단위전지는 약 0V ~1.23V의 전압을 형성한다.The fuel cell stack is a main power supply source of a fuel cell vehicle, and is an apparatus for producing electricity by receiving oxygen in air and hydrogen as fuel. In addition, a fuel cell stack applied to an automobile is composed of about 400 unit cells or more, and each unit cell forms a voltage of about 0V to 1.33V.

현재 자동차용으로 많이 사용되고 있는 연료전지스택은 출력밀도가 높은 고체 고분자 전해질형 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)이다.The fuel cell stack, which is widely used for automobiles, is a high-density solid polymer electrolyte fuel cell (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC).

도 1은 현재 일반적으로 사용되는 고분자 전해질 막 연료전지의 스택 구조를 나타내는 사시도로서, 막전극 접합체(MEA) 및 기체 확산층(1)의 조합이 수소극과 공기극을 가진 분리판(2) 사이에 삽입되어 단위 셀을 이루고, 이러한 단위 셀들이 반복적으로 적층되어 스택 구조를 이룬다. FIG. 1 is a perspective view showing a stack structure of a polymer electrolyte membrane fuel cell which is generally used. A combination of a membrane electrode assembly (MEA) and a gas diffusion layer 1 is inserted between a separator 2 having a hydrogen electrode and an air electrode. To form a unit cell, and the unit cells are repeatedly stacked to form a stack structure.

상기 분리판(2)의 외측방향으로 집전판(3), 절연판(4) 및 엔드 플레이트(5,6)가 스택의 양단에 위치하여 셀들이 적절히 체결되도록 되어 있다. In the outward direction of the separating plate 2, the current collecting plate 3, the insulating plate 4, and the end plates 5, 6 are positioned at both ends of the stack so that the cells are properly fastened.

상기 엔드플레이트는 관통형(5)과 비관통형(6)의 두 종류가 사용되는데, 관통형 엔드플레이트(5)는 비관통형 엔드플레이트(6)에 수소, 산소 및 냉각수 매니폴드가 형성되고, 상기 매니폴드를 통해 반응 기체들 및 냉각수를 효율적으로 공급하는 역할을 한다. Two types of end plates are used, i.e., through-type (5) and non-penetrating (6). The through-type end plates (5) have hydrogen, oxygen and cooling water manifolds formed on the non-through-type end plates (6). In addition, the manifold serves to efficiently supply reaction gases and cooling water.

상기 엔드플레이트는 스택의 균일한 체결 및 셀간 일정한 체결압력을 유지할 수 있어야 하는데, 이를 위해서는 우수한 기계적 강도, 기밀성, 내화학성, 내가수분해성 등의 특성을 가지고 있어야 한다.The end plate should be able to maintain a uniform fastening of the stack and a constant fastening pressure between the cells, for this purpose it should have excellent mechanical strength, airtightness, chemical resistance, hydrolysis resistance and the like.

그런데, 기존에 스택 엔드 플레이트로는 스테인레스 강과 같은 금속 재료를 기계 가공하여 단독으로 많이 사용하였으나, 이 경우 연료전지 스택의 전기화학 반응에 사용되는 수소, 공기 등의 반응기체들과 생성수 및 냉각수 등에 의해 엔드 플레이트가 부식될 수 있다.By the way, conventionally used as a stack end plate by machining a metal material such as stainless steel alone, in this case, in this case, reactants such as hydrogen, air, etc. used in the electrochemical reaction of the fuel cell stack, generated water and cooling water, etc. This can cause corrosion of the end plate.

특히, 기존 연구 보고[R. C. Makkus, A. H. H. Janssen, F. A. de Bruijn, R. Mallant, J. Power Sources, 86, 274 (2000); A. Pozio, R. F. Silva, M. De Francesco, L. Giorgi, Electrochim. Acta, 48, 1543 (2003)]에 의하면 각종 금속 부식 생성물들이 생성되어 용출되면 스택 내부의 고분자 전해질 막전극 접합체에 침투하여 오염원으로 작용, 연료전지 스택의 전기화학적 성능이 크게 저하될 수 있다.In particular, existing research reports [R. C. Makkus, A. H. H. Janssen, F. A. de Bruijn, R. Mallant, J. Power Sources, 86, 274 (2000); A. Pozio, R. F. Silva, M. De Francesco, L. Giorgi, Electrochim. According to Acta, 48, 1543 (2003)], when various metal corrosion products are generated and eluted, they penetrate into the polymer electrolyte membrane electrode assembly inside the stack and act as a contaminant, and the electrochemical performance of the fuel cell stack may be greatly reduced.

또한, 금속재료를 사용하므로 중량이 증가하고 기계 가공에 의해 생산 속도가 저하되고 제조 원가가 급격히 상승하는 문제점이 있다.In addition, the use of metal materials increases the weight, there is a problem that the production speed is lowered by the machining and the manufacturing cost is rapidly increased.

특히 금속 재료 사용시 스택 말단에 전기 절연성을 부여하기 어렵기 때문에 전기적인 절연성 확보를 위해 절연판을 집전판과 엔드플레이트 사이에 삽입하고, 내화학성 및 내가수분해성 등의 내부식성과 절연성을 보다 강화하기 위해 고가의 보호 물질로 엔드플레이트를 코팅하여 사용한다. In particular, since it is difficult to give electrical insulation at the end of the stack when using a metal material, an insulating plate is inserted between the current collector plate and the end plate to secure electrical insulation, and to further enhance corrosion resistance and insulation such as chemical resistance and hydrolysis resistance. The endplates are coated with an expensive protective material.

그러나 이 경우 추가적인 절연판 삽입 및 엔드 플레이트 보호 코팅을 해야 하므로, 제조 공정이 복잡해지고 제조원가가 증가하는 문제점이 있으며, 코팅 불균 일이나 장기간 사용중에 예상치 못한 긁힘 등에 의해 코팅 막이 손상되어 금속 부식생성물이 용출될 수 있는 단점이 있다.However, in this case, additional insulation plate insertion and end plate protective coating have to be applied, which leads to complicated manufacturing process and increased manufacturing cost. In addition, coating coating may be damaged due to uneven coating or unexpected scratches during long-term use, resulting in dissolution of metal corrosion products. There are drawbacks to this.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위해 미국특허 제6190793호 및 제6764786호에는 비 금속계 고분자 재료 등을 사용하여 제조되는 엔드 플레이트가 개시된 바 있다. In order to solve such problems, US Patent Nos. 6190793 and 6764786 disclose an end plate manufactured using a non-metallic polymer material or the like.

그러나, 고분자 재료 단독으로 사용하는 경우 경량화, 절연성, 내화학성, 성형에 의한 대량 생산 가능 등의 장점들을 가지고 있지만, 동일 구조의 스테인레스 강 등 금속제 엔드플레이트에 비해 기계적 강도가 낮고 온도에 의한 변형률이 크므로 MEA에 작용하는 체결 압력이 불균일하고 기밀성 유지가 어려운 문제점이 있다. However, the polymer material alone has advantages such as light weight, insulation, chemical resistance, and mass production by molding, but has lower mechanical strength and higher strain due to temperature than metal end plates such as stainless steel of the same structure. As a result, the clamping pressure acting on the MEA is uneven and it is difficult to maintain airtightness.

또한 고분자 재료만을 사용하는 경우에 일정 수준 이상의 기계적 강도 유지 및 변형 최소화를 위해서는 엔드 플레이트의 두께를 증가시켜야 하는데, 이러한 경우에 균일한 고분자 성형 자체가 어렵고, 스택의 부피가 증가하여 연료전지 스택의 출력 밀도가 감소하고 다른 연료전지 운전장치들과의 효율적인 배치가 어려운 문제점이 있다.In addition, when only polymer materials are used, the thickness of the end plate must be increased to maintain mechanical strength or a certain level of deformation above a certain level. In this case, uniform polymer molding itself is difficult, and the volume of the stack is increased, thereby outputting the fuel cell stack. There is a problem that the density is reduced and it is difficult to efficiently deploy with other fuel cell operators.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속프레임을 삽입체로 하고, 이 금속프레임의 외표면 전체에 고분자 재료를 용융 성형함(덧입힘)으로써, 우수한 절연성, 내화학성, 내가수분해성, 경량성 및 대량생산성 등 고분자 재료의 기존 장점을 유지하면서 금속프레임의 삽입으로 인해 기계적 강도를 향상시키고, 변형을 최소화할 수 있도록 한 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above. As a result, a metal frame is used as an insert, and the polymer material is melt-molded (overlaid) on the entire outer surface of the metal frame, thereby providing excellent insulation, chemical resistance, and hydrolysis resistance. To provide a polymer-metal composite structure end plate for fuel cells and a method of manufacturing the same, which can improve mechanical strength and minimize deformation due to the insertion of a metal frame while maintaining the existing advantages of polymer materials such as light weight and mass productivity. The purpose is.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트에 있어서,In order to achieve the above object, the present invention provides a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell,

내부에 삽입된 금속프레임과, 상기 금속프레임의 외표면을 감싸는 고분자-유리섬유 복합재 구조체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.Metal frame inserted therein, characterized in that it comprises a polymer-glass fiber composite structure surrounding the outer surface of the metal frame.

바람직한 구현예로서, 상기 복합재 구조체는 평판 또는 응력 보강 리브 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the composite structure is characterized in that it consists of a flat plate or stress relief rib structure.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 금속프레임은 평판 또는 응력 보강 리브 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the metal frame is characterized in that consisting of a flat plate or stress relief rib structure.

또한, 상기 복합재 구조체는 열가소성 고분자 20 ~ 100 중량부, 유리섬유 0 ~ 80 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the composite structure is characterized in that it comprises 20 to 100 parts by weight of thermoplastic polymer, 0 to 80 parts by weight of glass fiber.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 복합재 구조체는 열가소성 고분자 60 ~ 80 중량부, 유리섬유 20 ~ 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the composite structure is characterized in that it comprises 60 to 80 parts by weight of thermoplastic polymer, 20 to 40 parts by weight of glass fiber.

또한, 상기 열가소성 고분자는 폴리아미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌에테르, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤케톤, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 선택된 어느 하나이고, 상기 고분자들 각각의 단독 중합체 또는 랜덤/가지/블록/교호 공중합체들을 단독으로 사용하거나, 상기 고분자를 다른 한 종 이상의 열가소성/열경화성/고무 고분자와 블렌드하거나, 유기/무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture) 형태인 것을 특징으로 한다.In addition, the thermoplastic polymer is polyamide, polyphenylene sulfide, polyimide, polyetherimide, polycarbonate, polyphenylene ether, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyether ketone, polyether ether ketone, poly Any one selected from ether ether ketone ketone, polyethylene, and polypropylene, using homopolymers or random / branch / block / alternative copolymers of each of the above polymers alone, or the polymers of at least one other thermoplastic / thermosetting / rubber It is characterized by being in the form of a blend with a polymer or mixed with organic / inorganic materials.

또한, 상기 폴리아미드 고분자는 지방족계, 방향족계 및 반 방향족계 중 선택된 적어도 하나 이상의 폴리아미드로 구성된 것을 특징으로 한다.In addition, the polyamide polymer is characterized by consisting of at least one polyamide selected from aliphatic, aromatic and semi-aromatic.

또한, 상기 금속프레임은 스테인레스 강, 알루미늄 및 알루미늄 합금 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.In addition, the metal frame is characterized in that any one selected from stainless steel, aluminum and aluminum alloy.

본 발명의 다른 측면은 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법에 있어서,Another aspect of the present invention is a method for producing a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell,

스테인레스강을 기재로 하여 엔드플레이트 삽입용 금속프레임을 제조하는 단계; 사출성형기 내부에 금속프레임을 삽입하는 단계; 및 상기 금속프레임의 외표면 전체를 감싸도록 금속프레임 위에 고분자 및 유리섬유 복합재를 사출 성형하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.Manufacturing a metal frame for inserting an end plate based on stainless steel; Inserting a metal frame into the injection molding machine; And injection molding the polymer and the glass fiber composite material on the metal frame so as to cover the entire outer surface of the metal frame.

바람직한 구현예로서, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재의 성형방법은 사출성형, 압축성형 및 압출성형 중 선택된 하나의 공정 또는 둘 이상이 혼합된 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In a preferred embodiment, the molding method of the polymer and glass fiber composite is characterized in that it consists of a process selected from injection molding, compression molding and extrusion molding or a process in which two or more are mixed.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재는 사출성형에 의해 이루어지고, 사출기 용융온도는 310 ~ 370℃, 성형몰드온도는 60 ~ 170℃에서 성형몰드시간 1 ~ 60분 동안에 이루어지는 것을 특징으로 한다.In a more preferred embodiment, the polymer and glass fiber composite material is made by injection molding, injection molding machine melt temperature is 310 ~ 370 ℃, molding mold temperature is 60 ~ 170 ℃ characterized in that the molding mold time for 1 ~ 60 minutes do.

또한, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재는 사출성형에 의해 이루어지고, 사출기 용융온도는 320 ~ 335℃, 성형몰드온도는 130 ~ 155℃에서 성형몰드시간 5 ~ 20분 동안에 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, the polymer and glass fiber composite material is made by injection molding, the injection molding machine melt temperature is 320 ~ 335 ℃, molding mold temperature is characterized in that the molding mold time is made for 5 to 20 minutes at 130 ~ 155 ℃.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트 및 이의 제조방법에 의하면, 내부에는 기계적 강도가 우수한 금속프레임를 삽입하고, 외표면에는 경량성, 절연성, 내화학성, 내가수분해성 등이 우수한 고분자 재료를 덧입힘으로써, 기존의 금속 단독 재료의 엔드플레이트 대비 중량이 현저하게 감소하고, 성형(몰딩) 공정에 의해 제품을 효율적으로 대량 생산할 수 있고, 금속제 엔드플레이트의 표면에 보호 코팅을 할 필요없으므로, 공정의 단순화 및 원가 절감에 기여할 수 있다.As described above, according to the polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell according to the present invention and a method for manufacturing the same, a metal frame having excellent mechanical strength is inserted therein, and a light weight, insulation, chemical resistance, and water resistance are provided on the outer surface. By adding a polymer material having excellent degradability and the like, the weight is significantly reduced compared to the end plate of the conventional metal alone material, and the mass production can be efficiently carried out by the molding (molding) process, and the surface of the metal end plate is protected. Since there is no need for coating, it can contribute to simplifying the process and reducing the cost.

또한, 반응기체 및 생성수가 금속에 접촉하지 않게 되므로, 장기간 사용하더 라도 금속 부식 생성물 용출에 의한 MEA 오염을 방지할 수 있다.In addition, since the reactant and the generated water do not come into contact with the metal, it is possible to prevent the MEA contamination due to the elution of the metal corrosion product even when used for a long time.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

첨부한 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관통형 엔드플레이트를 나타내는 절개사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비관통형 엔드플레이트를 나타내는 절개사시도이다.2 is a cutaway perspective view showing a through-type end plate according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a cutaway perspective view showing a non-penetrating end plate according to an embodiment of the present invention.

본 발명은 기계적 강도가 우수한 금속제 프레임(10,11)과, 절연성, 내화학성 및 경량성이 우수한 고분자 재료의 장점을 모두 가질 수 있는 복합구조 엔드플레이트를 제공한다.The present invention provides a metal frame (10, 11) excellent in mechanical strength, and a composite structure end plate that can have all the advantages of a polymer material excellent in insulation, chemical resistance and light weight.

본 발명의 일실시예에 따른 엔드플레이트(12,13)는 내부의 금속프레임(10,11) 외표면에 용융성형성이 우수한 고분자와 유리섬유의 복합재(14,15)를 사출성형한 구조로 이루어진다.The end plates 12 and 13 according to the embodiment of the present invention have a structure in which the composites 14 and 15 of the polymer and glass fiber having excellent meltability are formed on the outer surfaces of the metal frames 10 and 11 therein. Is done.

이때, 상기 복합재(14,15)의 성형방법으로, 고분자 용융 성형공정에 따라 사출성형 뿐만 아니라 압축성형 및 압출성형 등의 방법을 사용할 수 있다.In this case, as the molding method of the composite material (14, 15), it is possible to use not only injection molding but also compression molding and extrusion molding according to the polymer melt molding process.

상기 엔드플레이트(12,13)는 반응기체 및 냉각수의 공급통로인 매니폴드가 형성된 관통형 엔드플레이트(12)와 단순히 단위전지를 지지하는 비관통형 엔드플레이트(13)에 모두 적용될 수 있다.The end plates 12 and 13 may be applied to both the through-type end plate 12 in which the manifold, which is a supply passage for the reactor body and the cooling water, and the non-through end plate 13 simply supporting the unit cell.

상기 고분자-금속 복합구조의 엔드플레이트(12,13)는 단위전지를 체결하기 위해 기존의 금속제 관통형 엔드플레이트 및 비관통형 엔드플레이트와 동일한 위치 에서 사용될 수 있다.The end plates 12 and 13 of the polymer-metal composite structure may be used at the same positions as the conventional metal through end plates and the non-penetrating end plates to fasten the unit cell.

상기 복합재 구조체는 연료전지 스택의 강한 체결력 및 변형에 저항할 수 있도록 최적 설계하여 평판 또는 응력보강 리브(rib)를 갖는 구조로 제작할 수 있다. The composite structure may be optimally designed to resist strong fastening force and deformation of the fuel cell stack, and thus may be manufactured to have a flat plate or a structure having stress reinforcing ribs.

상기 엔드 플레이트용 고분자 재료는 절연성, 내가수분해성, 용융성형성, 양산성 등이 우수하고, 굽힘 강도, 충격강도, 인장 강도 등의 기계적 물성을 고루 갖추고, 제조원가도 저렴할 것이 요구된다.The end plate polymer material is required to be excellent in insulation, hydrolysis resistance, meltability, mass production, etc., and to have mechanical properties such as bending strength, impact strength, and tensile strength, and to be low in manufacturing cost.

이러한 특성을 구현할 수 있는 고분자 재료로는 폴리아미드(Polyamide), 폴리페닐렌설파이드(Polyphenylene sulfide), 폴리이미드(Polyimide), 폴리에테르이미드(Polyether imide), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리페닐렌에테르(Polyphenylene ether), 폴레에틸렌테레프탈레이트(Polyethylene terephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(Polybutylene terephthalate), 폴리에테르케톤(Polyetherketone), 폴리에테르에테르케톤(Polyetheretherketone), 폴리에테르에테르케톤케톤(Polyetheretherketoneketone), 폴리에틸렌(Polyethylene) 및 폴리프로필렌(Polypropylene) 등을 들 수 있다. Polymer materials that can realize these characteristics include polyamide, polyphenylene sulfide, polyimide, polyether imide, polycarbonate, polyphenylene ether ( Polyphenylene ether, Polyethylene terephthalate, Polybutylene terephthalate, Polyetherketone, Polyetheretherketone, Polyetheretherketoneketone, Polyetheretherketoneketone ) And polypropylene.

고분자 기재로서 상기 고분자들의 단독 중합체(Homopolymer) 또는 랜덤(Random)/가지(Graft)/블록(Block)/교호(Alternating) 공중합체(Copolymer)들을 단독으로 사용하거나 또는 이 고분자를 다른 한 종 이상의 열가소성(Thermoplastic)/열경화성(Thermoset)/고무(Rubber) 고분자와 블렌드(Blend)하거나 또는 유기/무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture) 형태로 사용할 수 있다. 이러한 고분자 기재를 필요 용도에 따라 기계적 물성 등 제반 물성을 향상시키기 위해 유리섬유 0 ~ 80 중량부 (Weight Percentage), 보다 바람직하게는 20 ~ 40 중량부를 혼합하여 복합재(Composite)화하여 사용할 수 있다. As the polymer substrate, homopolymers or random / bran / block / alternating copolymers of the above polymers may be used alone, or the polymer may be used in one or more kinds of thermoplastics. (Thermoplastic) / Thermoset / Rubber It can be used in the form of blends with polymers or mixed with organic / inorganic materials. The polymer substrate may be mixed with 0 to 80 parts by weight of glass fiber, more preferably 20 to 40 parts by weight, in order to improve various physical properties such as mechanical properties depending on the required use.

왜냐하면, 상기 유리섬유를 80 중량부를 초과하여 첨가하면 고분자 기재 고유의 성형 가공성과 물성을 발현하기 매우 어렵기 때문에, 더욱 바람직하게는 유리섬유가 20 중량부 미만으로 첨가되는 경우에는 고분자 기재의 기계적 물성 향상을 충분히 이루기 어렵고, 40 중량부를 초과하여 첨가되는 경우에는 고분자 기재의 성형 가공성 및 연성이 저하되어 목표 성능의 조화를 이루기 어렵기 때문이다.Because, when the glass fiber is added in excess of 80 parts by weight, it is very difficult to express the molding processability and physical properties inherent in the polymer substrate, more preferably, when the glass fiber is added in less than 20 parts by weight of the mechanical properties of the polymer substrate This is because the improvement is difficult to be achieved sufficiently, and when added in excess of 40 parts by weight, the molding processability and the ductility of the polymer substrate are lowered, making it difficult to achieve the target performance.

본 발명의 고분자-금속 복합구조 엔드 플레이트용 금속 프레임(10,11)으로는 SS316, SS316L, SS304 등의 스테인레스 강, 알루미늄(Aluminum) 및 알루미늄 합금(Aluminum Alloy) 등 다양한 금속 재료를 사용할 수 있다. As the metal frames 10 and 11 for the polymer-metal composite end plate of the present invention, various metal materials such as stainless steel such as SS316, SS316L, and SS304, aluminum, and aluminum alloy may be used.

또한, 상기 금속 프레임(10,11)이 평판 또는 응력 보강 리브를 갖는 구조로 제작할 수 있다.In addition, the metal frames 10 and 11 may be manufactured in a structure having a flat plate or a stress reinforcing rib.

본 발명은 상기 고분자 재료 중 엔드플레이트용으로서 제반 물성 및 경제성이 우수한 폴리아미드계를 중심으로 보다 더 상세하게 설명하고자 하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The present invention is intended to be described in more detail based on a polyamide-based excellent physical properties and economical efficiency for the end plate of the polymer material, but the present invention is not limited thereto.

실시예Example

일반적으로 폴리아미드는 분자구조에 따라 지방족(Aliphatic)계, 방향족(Aromatic)계 및 반 방향족 폴리아미드(Semi-aromatic Polyamide)계로 분류할 수 있다.In general, polyamides may be classified into aliphatic, aromatic and semi-aromatic polyamides according to their molecular structure.

여기서, 본 발명의 일실시예는 지방족 폴리아미드와 방향족 폴리아미드의 장 점들을 적절히 결합하여 엔드 플레이트 용융 성형에 적합한 반 방향족 폴리아미드를 기재로 하고, 이에 유리섬유를 35 중량부를 적절히 혼합한 반 반향족 폴리아미드/유리섬유 복합재(14,15)를 기재로 하여 응력 보강 리브를 갖는 엔드 플레이트용 복합재 구조체를 제작하였다. Here, one embodiment of the present invention is based on a semi-aromatic polyamide suitable for end plate melt molding by properly combining the advantages of aliphatic polyamide and aromatic polyamide, and a half echo with 35 parts by weight of glass fiber appropriately mixed Based on the group polyamide / glass fiber composites 14 and 15, a composite structure for end plates having stress-reinforced ribs was produced.

또한, 본 발명의 일실시예는 일반 스테인레스 강인 SS304를 기재로 하여 평판형 구조로 갖는 엔드플레이트 삽입용 금속 프레임(10,11)을 제조하였다. In addition, an embodiment of the present invention manufactured the end plate insertion metal frame (10, 11) having a flat plate-based structure based on SS304, which is a general stainless steel.

상기 고분자-금속 복합구조 엔드 플레이트 성형시 평판형의 SS304 금속프레임(10,11)을 사출성형기내 위치시킨 후, 이 금속 프레임 위에 반 방향족 폴리아미드/유리섬유 복합재(14,15)를 사출 성형하였다.When forming the polymer-metal composite end plate, the flat SS304 metal frames 10 and 11 were placed in an injection molding machine, and then semi-aromatic polyamide / glass fiber composites 14 and 15 were injection molded on the metal frame. .

상기 고분자 사출 성형시 사출기 용융 온도는 310 ~ 370℃ 범위 내에서 설정할 수 있는데, 보다 바람직하게는 320 ~ 335℃에서 최적화하여 반 방향족 폴리아미드/유리섬유 복합재가 충분히 고르게 용융할 수 있도록 하였다. The injection molding machine melt temperature during the polymer injection molding may be set within the range of 310 ~ 370 ℃, more preferably at 320 ~ 335 ℃ to optimize the semi-aromatic polyamide / glass fiber composite to be sufficiently evenly melted.

왜냐하면, 상기 사출기 용융 온도가 310℃ 미만인 경우에는 상기 복합재에 충분한 유동성을 부여하기 매우 어려워 사출 성형 가공성이 급격히 저하되고, 370℃를 초과하는 경우에는 과도한 유동성 부여에 의한 사출 성형 불안정 및 고분자 기재 자체의 분해를 유발할 수 있기 때문이고, 320℃ 미만인 경우에 상기 복합재의 사출 성형 가공성이 충분히 발현되지 않고, 335℃를 초과하는 경우에 사출 성형 불안정 유발이 시작되기 때문이다.This is because when the injection machine melt temperature is less than 310 ° C., it is very difficult to impart sufficient fluidity to the composite, so that the injection molding processability is drastically reduced, and when it exceeds 370 ° C., injection molding instability due to excessive fluidity and the polymer substrate itself This is because it may cause decomposition, and if it is less than 320 ° C., the injection molding processability of the composite material may not be sufficiently expressed, and if it exceeds 335 ° C., induction of injection molding instability will start.

특히 이러한 결정성(Crystalline)의 고성능 엔지니어링 복합재가 최적 물성을 발현하기 위해서는 결정화(Crystallization) 및 고화(Solidification)를 실시하 는 성형 몰드(Mold) 조건이 매우 중요하다. In particular, in order to express the optimum properties of the crystalline high performance engineering composite material, the molding mold conditions for performing crystallization and solidification are very important.

즉, 본 발명의 일실시예는 고분자 물성 발현을 충분히 하고, 성형 후 변형이 최소화 되도록 성형몰드 온도가 비교적 고온인 60 ~ 170℃ 범위에서 1~60분의 조건으로 성형할 수 있으며, 보다 바람직하게는 130~155℃ 온도에서 5 ~ 20분으로 몰드 성형조건을 최적화하여 성형하였다. That is, one embodiment of the present invention can be molded under the conditions of 1 to 60 minutes in the range of 60 ~ 170 ℃ the molding mold temperature is relatively high so as to sufficiently express the polymer properties, and minimize deformation after molding, more preferably Was molded by optimizing the molding conditions in 5 to 20 minutes at 130 ~ 155 ℃ temperature.

왜냐하면, 상기 성형조건이 60℃ 및 1분 미만인 경우는 상기 복합재내 고분자 분자사슬들의 유동성(Mobility)이 매우 부족하고 사슬들이 결정화할 시간이 부족하여 충분한 결정화가 어렵고, 170℃ 및 60분을 초과하는 경우에는 결정화에 필요한 열역학적 충동력(Thermodynamic Driving Force)이 매우 부족하고 사출 성형 싸이클(Cycle) 시간이 증가하여 생산성이 매우 저하되기 때문이고, 130℃ 및 5분 미만인 경우는 고분자의 분자사슬 유동성 및 결정화 시간이 부족하여 충분한 결정화가 어렵고, 155℃ 및 20분 초과하는 경우는 열역학적 충동력 부족에 의해 결정화가 충분히 되지 않고 성형 싸이클 시간 증가에 의해 생산성이 부족해지기 시작하기 때문이다.If the molding conditions are less than 60 ℃ and less than 1 minute, the mobility of the polymer molecular chains in the composite is very insufficient and the time for the chains to crystallize is difficult enough crystallization, more than 170 ℃ and 60 minutes This is because the thermodynamic driving force required for crystallization is very low and the injection molding cycle time is increased, resulting in a very low productivity.In the case of 130 ° C and less than 5 minutes, the molecular chain fluidity and crystallization of the polymer If the crystallization is difficult due to lack of time, and the temperature exceeds 155 ° C and 20 minutes, the crystallization is insufficient due to the lack of thermodynamic impulse and the productivity begins to be insufficient due to the increase of the molding cycle time.

도 4는 상기 사출 조건하에 성형한 반 방향족 폴리아미드/유리 섬유 복합재 구조체와 스테인레스 강 SS304 금속프레임으로 구성된 관통형 및 비관통형 엔드 플레이트의 실제 스택 셀 체결 모습을 나타낸다. 4 shows the actual stack cell fastening of through and non-penetrating end plates consisting of a semi-aromatic polyamide / glass fiber composite structure and a stainless steel SS304 metal frame molded under the above injection conditions.

본 발명의 일실시예에 따른 관통형 및 비관통형 고분자-금속 복합구조 엔드 플레이트(12,13) 사이에 실제 연료전지 셀(16)들을 적층하여 스택 체결시, 내부의 금속프레임(10,11)에 의해 엔드 플레이트의 변형을 방지할 수 있고, 고분자/유리섬 유 복합재(14,15)에 의해 도 5에 도시한 바와 같이 기존의 금속 엔드플레이트 대비 중량이 46% 감소하여 체결이 용이하며, 보호 물질 코팅 공정이 불필요하여 공정이 간소화됨에 따라 양산성이 우수하고 제조 원가가 획기적으로 절감된다. When stacking the actual fuel cell cells 16 between the through-type and non-penetrating polymer-metal composite structure end plates 12 and 13 according to an embodiment of the present invention, the internal metal frames 10 and 11 are stacked. It is possible to prevent deformation of the end plate, and the polymer / glass fiber composite material (14, 15) as shown in Figure 5 reduced the weight by 46% compared to the existing metal end plate is easy to tighten, The process is simplified because no protective material coating process is required, resulting in excellent mass production and drastically reducing manufacturing costs.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.While the invention has been shown and described with respect to certain preferred embodiments thereof, the invention is not limited to these embodiments, and has been claimed by those of ordinary skill in the art to which the invention pertains. It includes all the various forms of embodiments that can be carried out without departing from the spirit.

도 1은 종래기술에 따른 연료전지 스택구조를 나타내는 사시도이고,1 is a perspective view showing a fuel cell stack structure according to the prior art,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관통형 엔드플레이트를 나타내는 절개사시도이고,Figure 2 is a cutaway perspective view showing a through-type end plate according to an embodiment of the present invention,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비관통형 엔드플레이트를 나타내는 절개사시도이고,Figure 3 is a cutaway perspective view showing a non-penetrating end plate according to an embodiment of the present invention,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 연료전지 스택을 나타내는 측면도이고,4 is a side view showing a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention;

도 5는 기존 금속 엔드 플레이트 대비 본 발명의 일실시예에 따른 엔드플레이트의 중량 감소를 나타내는 그래프이다.5 is a graph showing the weight reduction of the end plate according to an embodiment of the present invention compared to the existing metal end plate.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10,11 : 금속프레임 12 : 관통형 엔드플레이트10,11: metal frame 12: through end plate

13 : 비관통형 엔드플레이트 14,15 : 고분자/유리섬유 복합재13: non-penetrating end plate 14,15: polymer / glass fiber composite

16 : 단위전지16 unit battery

Claims (12)

연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트에 있어서,In the polymer-metal composite end plate for a fuel cell, 내부에 삽입된 금속프레임과, 상기 금속프레임의 외표면을 감싸는 고분자-유리섬유 복합재 구조체를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.A polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, comprising a metal frame inserted therein and a polymer-glass fiber composite structure surrounding the outer surface of the metal frame. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 복합재 구조체는 평판 또는 응력 보강 리브 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The composite structure is a polymer-metal composite end plate for a fuel cell, characterized in that consisting of a flat plate or a stress reinforcing rib structure. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 금속프레임은 평판 또는 응력 보강 리브 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The metal frame is a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, characterized in that consisting of a flat plate or a stress reinforcing rib structure. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 복합재 구조체는 열가소성 고분자 20 ~ 100 중량부, 유리섬유 0 ~ 80 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The composite structure is a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, characterized in that it comprises 20 to 100 parts by weight of thermoplastic polymer, 0 to 80 parts by weight of glass fiber. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 복합재 구조체는 열가소성 고분자 60 ~ 80 중량부, 유리섬유 20 ~ 40 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The composite structure is a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, characterized in that it comprises 60 to 80 parts by weight of thermoplastic polymer, 20 to 40 parts by weight of glass fiber. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4, 상기 열가소성 고분자는 폴리아미드, 폴리페닐렌설파이드, 폴리이미드, 폴리에테르이미드, 폴리카보네이트, 폴리페닐렌에테르, 폴레에틸렌테레프탈레이트, 폴리부틸렌테레프탈레이트, 폴리에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤, 폴리에테르에테르케톤케톤, 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 중 선택된 어느 하나이고, 상기 고분자들 각각의 단독 중합체 또는 랜덤/가지/블록/교호 공중합체들을 단독으로 사용하거나, 상기 고분자를 다른 한 종 이상의 열가소성/열경화성/고무 고분자와 블렌드하거나, 유기/무기 물질들과 혼합한 혼합재(Mixture) 형태인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The thermoplastic polymer is polyamide, polyphenylene sulfide, polyimide, polyetherimide, polycarbonate, polyphenylene ether, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polyether ketone, polyether ether ketone, polyether ether Any one selected from ketone ketone, polyethylene and polypropylene, and use the homopolymer or random / branch / block / alternative copolymer of each of the above polymers alone, or use the polymer with one or more other thermoplastic / thermosetting / rubber polymers. A polymer-metal composite end plate for a fuel cell, characterized in that it is blended or mixed with organic / inorganic materials. 청구항 6에 있어서,The method according to claim 6, 상기 폴리아미드 고분자는 지방족계, 방향족계 및 반 방향족계 중 선택된 적어도 하나 이상의 폴리아미드로 구성된 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The polyamide polymer is a polymer-metal composite end plate for a fuel cell, characterized in that composed of at least one polyamide selected from aliphatic, aromatic and semi-aromatic. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1, 상기 금속프레임은 스테인레스 강, 알루미늄 및 알루미늄 합금 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트.The metal frame is a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, characterized in that any one selected from stainless steel, aluminum and aluminum alloy. 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법에 있어서,In the manufacturing method of polymer-metal composite structure end plate for fuel cell, 스테인레스강을 기재로 하여 엔드플레이트 삽입용 금속프레임을 제조하는 단계;Manufacturing a metal frame for inserting an end plate based on stainless steel; 사출성형기 내부에 금속프레임을 삽입하는 단계; 및Inserting a metal frame into the injection molding machine; And 상기 금속프레임의 외표면 전체를 감싸도록 금속프레임 위에 고분자 및 유리섬유 복합재를 사출 성형하는 단계;Injection molding the polymer and the glass fiber composite material on the metal frame to cover the entire outer surface of the metal frame; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법.Method for producing a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell comprising a. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재의 성형방법은 사출성형, 압축성형 및 압출성형 중 선택된 하나의 공정 또는 둘 이상이 혼합된 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법.The molding method of the polymer and glass fiber composite material is a method for producing a polymer-metal composite structure end plate for a fuel cell, characterized in that the injection molding, compression molding and extrusion molding of any one selected process or a mixture of two or more. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재는 사출성형에 의해 이루어지고, 사출기 용융온도는 310 ~ 370℃, 성형몰드온도는 60 ~ 170℃에서 성형몰드시간 1 ~ 60분 동안에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법.The polymer and glass fiber composite material is made by injection molding, and the injection molding machine melt temperature is 310 ~ 370 ℃, molding mold temperature is 60 ~ 170 ℃, the polymer-metal for fuel cell, characterized in that for 1 to 60 minutes Method of manufacturing a composite end plate. 청구항 10에 있어서,The method according to claim 10, 상기 고분자 및 유리섬유 복합재는 사출성형에 의해 이루어지고, 사출기 용융온도는 320 ~ 335℃, 성형몰드온도는 130 ~ 155℃에서 성형몰드시간 5 ~ 20분 동안에 이루어지는 것을 특징으로 하는 연료전지용 고분자-금속 복합구조 엔드플레이트의 제조방법.The polymer and glass fiber composite material is made by injection molding, and the injection molding machine melt temperature is 320 ~ 335 ℃, molding mold temperature is 130 ~ 155 ℃ for the molding cell time, the polymer-metal for fuel cell, characterized in that made for 5 to 20 minutes Method of manufacturing a composite end plate.
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