KR20160082868A - carbon composite for polymer electrolyte membrane fuel cell and the preparing method thereof - Google Patents

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KR20160082868A
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이상민
김광호
김동미
김송이
김세리
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금오공과대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a carbon composite for a fuel cell separating plate and a producing method thereof and, more specifically, to a carbon composite for a fuel cell separating plate having excellent electrical conductivity and mechanical strength, and to a producing method thereof. According to the present invention, a fuel cell separating plate having excellent physical properties can be produced while improving electrical conductivity and mechanical strength by controlling a kind of binders and heat treatment temperature, so the efficiency of an electrolyte fuel cell comprising the same can be improved.

Description

연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이의 제조방법{carbon composite for polymer electrolyte membrane fuel cell and the preparing method thereof}Technical Field [0001] The present invention relates to a carbon composite material for a fuel cell separator,

본 발명은 연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 바인더 종류 및 열처리 온도를 제어함으로써 물리적 특성이 우수한 연료전지 분리판을 제조할 수 있고, 이를 통해 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a carbon composite material for a fuel cell separator and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a fuel cell separator having excellent physical properties by controlling a binder type and a heat treatment temperature, A carbon composite material for a fuel cell separator, and a manufacturing method thereof.

연료전지는 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환시켜주는 전환 장치로서 화학반응 후의 생성물이 전기, 열 그리고 물만을 배출하기 때문에 친환경적인 차세대 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다. 연료전지는 전해질, 동작온도 및 사용되는 촉매의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC), 알카라인 연료전지, 인산형 연료전지, 용융탄산염형 연료전지 및 고체산화물형 연료전지로 나누어진다.The fuel cell is a switching device that converts chemical energy into electric energy. Since the product after chemical reaction only discharges electricity, heat and water, many studies are being conducted as an environmentally friendly next generation energy source. The fuel cell is classified into a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC), an alkaline fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a molten carbonate fuel cell, and a solid oxide fuel cell according to the electrolyte, the operating temperature, Divided.

이중에서 고분자 전해질 연료전지는 다른 종류의 연료전지에 비해서 효율이 높고 시동시간이 짧으며, 무공해 발전 장치로서 휴대용 장치 및 수송용 차량 등에 적용할 수 있다는 장점 때문에 새로운 에너지원으로 많은 연구가 진행되고 있다. Among them, the polymer electrolyte fuel cell is more efficient than other types of fuel cells, has a short start-up time, and can be applied to portable devices and transportation vehicles as pollution-free power generation devices, .

특히 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지는 자동차 배기가스에 의한 환경오염, 화석연료 고갈에 따른 에너지위기, 이산화탄소 총량 및 배기가스 규제 등에 대응할 수 있는 미래 자동차의 동력원으로 사용될 후보군에서 가장 큰 가능성이 있다.In particular, polymer electrolyte fuel cells using hydrogen as the fuel have the greatest potential in the candidates to be used as power sources for future automobiles that can cope with environmental pollution caused by automobile exhaust gas, energy crisis due to depletion of fossil fuel, total amount of carbon dioxide, have.

고분자 전해질 연료전지의 상용화를 실현하기 위해서는 제조비용과 무게절감이 필요하다. 고분자 전해질 연료전지 스택(stack)의 가격과 무게를 부품별로 분석하면 분리판은 전체 스택 가격의 60%, 무게는 80% 정도로 가장 높은 비중을 차지한다. 이는 현재 분리판 재료로 사용하고 있는 흑연의 가공이 어려워서 상당한 두께가 유지되어야 하기 때문이다. 따라서 고분자 전해질 연료전지 스택의 가격과 무게를 낮추기 위해서는 흑연 분리판을 대체할 수 있는 새로운 재료의 개발 및 적용이 필수적이다. In order to commercialize a polymer electrolyte fuel cell, manufacturing cost and weight reduction are required. Analyzing the price and weight of the polymer electrolyte fuel cell stack, the separator plate accounts for 60% of the total stack price and weighs 80%. This is because it is difficult to process the graphite which is currently used as the separating plate material, so that a considerable thickness must be maintained. Therefore, in order to reduce the price and weight of the polymer electrolyte fuel cell stack, it is essential to develop and apply new materials that can replace graphite separators.

분리판 소재에 요구되는 특성으로는 낮은 가격 외에도 우수한 가공성, 높은 강도 및 전기 전도성, 낮은 밀도와 기체 투과율 그리고 화학적인 안정성을 들 수 있다. 이러한 다양한 요구 사항을 만족시킬 수 있는 재료 후보군으로 현재 스테인리스강을 위주로 한 금속분리판과 흑연과 고분자를 혼합하여 제조한 복합분리판의 개발이 진행되고 있다. 이 중에서 스테인리스강의 경우 가공성과 가격, 강도, 비저항 등은 우수하지만 고분자 전해질 연료전지 환경에서 부식이 발생하여 전해질 막을 오염시킬 뿐만 아니라 표면에 산화막을 형성함으로써 전기전도도가 급격히 감소하는 문제점이 있다. 반면에 복합분리판은 밀도가 낮고 화학적 안정성이 우수하지만 강도와 전기전도도가 떨어지는 단점이 있다.
In addition to low cost, the properties required for separator materials include excellent processability, high strength and electrical conductivity, low density and gas permeability, and chemical stability. As a candidate material that can meet these various requirements, a composite separator plate prepared by mixing a metal separator mainly composed of stainless steel and graphite and a polymer is being developed. Among them, stainless steel is excellent in workability, price, strength, and specific resistance, but corrosion of the electrolyte membrane occurs due to corrosion in a polymer electrolyte fuel cell environment, and an oxide film is formed on the surface. On the other hand, the composite separator is disadvantageous in that it has low density and excellent chemical stability but low strength and electrical conductivity.

이에, 대한민국 공개특허 제10-2008-0037916 호에 따르면, (a) 스테인리스 강판 모재를 마련하는 단계; (b) 스테인리스 강판 모재 표면층의 철(Fe) 성분을 저감시켜 스테인리스 강판 표면에 크롬(Cr) 성분의 상대적인 양이 증가된 Cr-rich 부동태 피막을 형성해주는 표면개질 단계; 및 (c) 표면개질된 스테인리스 강판 모재의 표면에 금속 질화물층(MNx), 금속 탄화물층(MCy), 금속 붕소화물층(MBz) 중에서 선택되는 코팅층을 형성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법에 의해 제조되는 표면에 코팅층이 형성된 연료전지용 스테인리스 분리판를 개시하고 있다. Thus, according to Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0037916, there is provided a method of manufacturing a stainless steel sheet, comprising the steps of: (a) (b) a surface modification step of reducing the Fe content of the surface layer of the stainless steel sheet to form a Cr-rich passivation film having a relatively increased amount of chromium (Cr) component on the surface of the stainless steel sheet; And (c) forming a coating layer selected from a metal nitride layer (MNx), a metal carbide layer (MCy), and a metal boride layer (MBz) on the surface of the surface-modified stainless steel base material. Also disclosed is a stainless steel separator for a fuel cell, wherein a coating layer is formed on the surface produced by the above method.

또한, 대한민국 공개특허 제 10-2008-0009150 호에 따르면, 음극과 양극 사이에 개재된 고분자 전해질 막; 및 전도성 입자들의 매트릭스 내에서 비전도성 촉매 지지체 입자들 상에 담지된 촉매의 입자들을 포함하는 음극 및 양극 중 적어도 하나를 포함하는 연료전지로서, 상기 전도성 매트릭스 입자들은 붕소, 탄소, 질소, 또는 실리콘으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 비금속 원소를 포함하는 금속 화합물로 필수적으로 구성되고, 상기 금속 화합물은 300μΩcm 보다 작은 범위 내의 저항률을 가지는 것을 특징으로 하는 연료전지를 개시하고 있다. Also, according to Korean Patent Laid-Open No. 10-2008-0009150, a polymer electrolyte membrane interposed between a cathode and an anode; And at least one of a negative electrode and a positive electrode comprising particles of a catalyst supported on nonconductive catalyst support particles in a matrix of conductive particles, wherein the conductive matrix particles are selected from the group consisting of boron, carbon, nitrogen, or silicon Wherein the metal compound is essentially composed of a metal compound including a non-metal element selected from the group consisting of the metal compound, and the metal compound has a resistivity within a range of less than 300 mu OMEGA cm.

상기와 같이 가격과 무게 밀도가 낮으면서도, 화학적 안정성이 우수하지만 강도와 전기전도도는 높은 고분자 전해질 연료전지에 대한 연구가 요구되고 있는 실정으로, 다양한 구성을 가지는 복합분리막에 대한 연구가 현재 다양한 구성으로 진행되고 있다.
As described above, studies on a polymer electrolyte fuel cell having a low cost and a high density and a high chemical stability but a high strength and electrical conductivity are required. Therefore, studies on a composite membrane having various compositions are currently being carried out in various configurations It is progressing.

본 발명의 목적은 연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이의 제조방법을 제공함으로써, 전기전도성 및 기계적 강도가 우수한 연료전지 분리판용 탄소복합재 및 이의 제조방법을 제공하는 데 있다.
It is an object of the present invention to provide a carbon composite material for a fuel cell separator and a method of manufacturing the carbon composite material, and to provide a carbon composite material for a fuel cell separator having excellent electrical conductivity and mechanical strength, and a method for manufacturing the same.

본 발명은 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 ~ 35 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하는 1단계; 상기 혼합물을 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 2단계; 상기 혼합분말을 가압성형하여 성형체를 제조한 후 열처리하여 탄화된 성형체를 제조하는 3단계; 및 상기 탄화된 성형체를 레진(resin)에 함침한 후 오븐에서 가열하여 경화시켜 탄소복합재를 제조하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법을 제공한다.The present invention relates to a method for producing a graphite powder, comprising the steps of: preparing a mixture containing 15 to 35 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of graphite powder; Stirring the mixture and pulverizing it to produce a mixed powder; A third step of producing a molded body by press-molding the mixed powder and then heat-treating the molded body to produce a carbonized molded body; And a fourth step of impregnating the carbonized formed body with a resin and heating the mixture in an oven to cure the carbon composite material.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 흑연 분말은 층간 거리가 0.335 nm ~ 0.0336 nm 이고, 입도는 0.1 ㎛ ~ 20 ㎛이고, 결정크기가 100 ~ 500 nm일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the graphite powder has an interlayer distance of 0.335 nm to 0.0336 nm, a grain size of 0.1 to 20 μm, and a crystal size of 100 to 500 nm.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 흑연 분말은 밀도가 2.23 g/cm3 ~ 2.25 g/cm3이고, 순도가 97% ~ 99%일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the graphite powder may have a density of 2.23 g / cm 3 to 2.25 g / cm 3 and a purity of 97% to 99%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 바인더는 페놀수지를 포함하고, 상기 페놀수지는 저가 알코올과 1: 1 ~ 3의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the binder includes a phenol resin, and the phenol resin may be mixed with a low-alcohol at a weight ratio of 1: 1 to 3: 1.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 바인더가 페놀 수지를 포함하는 경우, 상기 2단계에서 혼합물을 20 ~ 30℃에서 20분 ~ 1시간 동안 교반하고, 50 ~ 100℃에서 2 ~ 4시간 동안 건조한 후 분쇄를 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, when the binder contains a phenol resin, the mixture is stirred at 20 to 30 ° C for 20 minutes to 1 hour, and then at 50 to 100 ° C for 2 to 4 hours After drying, the pulverization can be carried out.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 바인더는 콜타르 피치를 포함하고, 상기 바인더가 콜타르 피치인 경우, 상기 2단계에서 혼합물을 140 ~ 160℃에서 20분 ~ 1시간 동안 교반할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the binder includes a coal tar pitch, and in the case where the binder is a coal tar pitch, the mixture may be stirred at 140 to 160 ° C for 20 minutes to 1 hour.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 혼합분말은 70 메쉬 이하일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the mixed powder may be 70 mesh or less.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 3단계의 가압성형은 200 ~ 500 MPa로 수행될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the three-step press-molding may be performed at 200 to 500 MPa.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 3단계에서 열처리는 300℃ ~ 800℃에서 수행될 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the heat treatment in step 3 may be performed at 300 ° C to 800 ° C.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 레진은 에폭시 레진 및 폴리에스터 레진으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the resin may be at least one selected from the group consisting of an epoxy resin and a polyester resin.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 4단계에서 상기 함침은 0.3 ~ 1 torr로 진공감압하에서 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, in the step 4, the impregnation may be performed at a vacuum of 0.3 to 1 torr.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 4단계의 가열은 30℃ ~ 50℃로 수행될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the heating in the four steps may be performed at 30 ° C to 50 ° C.

본 발명의 다른 태양은 흑연 분말 100 중량부에 대하여 페놀 수지 및 콜타르 피치(coal tar pitch) 중에서 선택되는 1종의 바인더 15 ~ 25 중량부를 포함하고, 밀도가 1.5 ~ 1.7 g/cm3이고, 기공도가 0.1 ~ 5 %인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소 복합재를 제공한다.Another aspect of the present invention and including a graphite powder of 100 parts by weight in respect of phenol resin and coal tar pitch (coal tar pitch) 15 ~ 25 parts by weight the binder of one kind selected from among parts of a density of 1.5 ~ 1.7 g / cm 3, pore And the carbon composite material for a fuel cell separator is 0.1 to 5%.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조될 수 있다.In one preferred embodiment of the present invention, the carbon composite material for a fuel cell separator may be manufactured by the manufacturing method of any one of claims 1 to 10.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 비저항이 4000 μΩcm ~ 24000 μΩcm이고, 굽힘강도가 10 MPa ~ 30 MPa일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the carbon composite material for a fuel cell separator has a specific resistance of 4000 μΩcm to 24000 μΩcm and a bending strength of 10 MPa to 30 MPa.

본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 상기의 제조방법으로 제조될 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the carbon composite material for a fuel cell separator may be manufactured by the manufacturing method described above.

본 발명의 또 다른 태양은 상기의 연료전지 분리판용 탄소 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판을 제공한다. Another aspect of the present invention provides a fuel cell bipolar plate including the carbon composite material for the fuel cell bipolar plate.

본 발명의 또 다른 태양은 연료전지 분리판을 포함하는 전해질 연료전지를 제공한다.
Another aspect of the present invention provides an electrolyte fuel cell including a fuel cell separator.

본 발명에 따르면 바인더의 종류 및 열처리 온도를 제어함으로써 물리적 특성이 우수한 연료전지 분리판을 제조할 수 있고, 이를 통해 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있다.
According to the present invention, it is possible to manufacture a fuel cell separator having excellent physical properties by controlling the type of binder and the heat treatment temperature, thereby improving the efficiency of the fuel cell.

도 1은 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법의 모식도이다.
도 2는 흑연 분말의 주사전자현미경 이미지이다.
도 3은 비교예 1의 주사전자현미경 이미지이다.
도 4는 비교예 2의 주사전자현미경 이미지이다.
도 5는 본 발명에 따른 시료들의 겉밀도를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 시료들의 기공율을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 시료들의 탄화에 따른 무게감소율을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 시료들의 함침에 따른 무게 증가율을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따른 시료들의 비저항을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 시료들의 굴곡강도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 시료들의 미세조직을 관찰하는 방법에 대한 도식도이다.
도 12는 본 발명에 따른 시료들의 미세조직을 관찰한 광학현미경 이미지이다.
도 13은 본 발명에 따른 시료들의 미세조직을 관찰한 광학현미경 이미지이다.
1 is a schematic view of a method of manufacturing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention.
2 is a scanning electron microscope image of graphite powder.
3 is a scanning electron microscope image of Comparative Example 1. Fig.
4 is a scanning electron microscope image of Comparative Example 2. Fig.
5 is a graph showing the surface density of the samples according to the present invention.
6 is a graph showing the porosity of the samples according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing a weight reduction rate due to carbonization of samples according to the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the rate of weight increase due to impregnation of the samples according to the present invention.
9 is a graph showing the resistivity of the samples according to the present invention.
10 is a graph showing the flexural strength of the samples according to the present invention.
11 is a schematic diagram of a method for observing the microstructure of samples according to the present invention.
12 is an optical microscope image showing microstructure of samples according to the present invention.
13 is an optical microscope image showing the microstructure of the samples according to the present invention.

상술한 바와 같이 종래의 연료전지용 복합분리판은 낮은 가격 외에도 우수한 가공성, 높은 강도 및 전기 전도성, 낮은 밀도와 기체 투과율 그리고 화학적인 안정성을 만족시킬 수 있는 재료 후보군으로 현재 스테인리스강을 위주로 한 금속분리판과 흑연과 고분자를 혼합하여 제조한 복합분리판의 개발이 진행되고 있다. 상기 스테인리스강의 경우 가공성과 가격, 강도, 비저항 등은 우수하지만 고분자 전해질 연료전지 환경에서 부식이 발생하여 전해질 막을 오염시킬 뿐만 아니라 표면에 산화막을 형성함으로써 전기전도도가 급격히 감소하는 문제점이 있다. 반면에 고분자 복합분리판은 밀도가 낮고 화학적 안정성이 우수하지만 강도와 전기전도도가 떨어지는 문제점이 있다.
As described above, the conventional composite separator for a fuel cell is a candidate material that can satisfy not only low cost but also excellent processability, high strength and electric conductivity, low density, gas permeability and chemical stability, And a composite separator prepared by mixing graphite and a polymer are being developed. The stainless steel is excellent in processability, price, strength, and specific resistance, but has a problem in that corrosion occurs in the environment of a polymer electrolyte fuel cell, thereby contaminating the electrolyte membrane and forming an oxide film on the surface. On the other hand, the polymer composite separator has a low density and excellent chemical stability, but has a problem of low strength and low electrical conductivity.

이에, 본 발명은 순도가 높고 미세한 인조흑연 분말과 탄소복합체 및 인조흑연의 제조에 사용되는 콜타르피치(Coal Tar Pitch) 또는 페놀 수지(Phenolic Resin)를 바인더로 사용하고, 이를 적절한 온도에서 열처리함으로써 열전도성 및 기계적 강도가 향상될 수 있는 탄소 복합체 및 이의 제조방법을 제공한다.
Accordingly, the present invention uses a coal tar pitch or a phenolic resin (Phenolic Resin), which is used for producing fine artificial graphite powder, carbon composite and artificial graphite, having high purity and high purity, as a binder and heat- And a method for producing the carbon composite material.

즉, 본 발명은 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 ~ 35 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하는 1단계; 상기 혼합물을 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 2단계; 상기 혼합분말을 가압성형하여 성형체를 제조한 후 열처리하여 탄화된 성형체를 제조하는 3단계; 및 상기 탄화된 성형체를 에폭시 레진에 함침한 후 오븐에서 가열하여 경화시켜 탄소복합재를 제조하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법을 제공함으로써 상술한 문제의 해결을 모색하였다. 이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
That is, the present invention provides a method for producing a graphite powder, comprising: preparing a mixture containing 15 to 35 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of graphite powder; Stirring the mixture and pulverizing it to produce a mixed powder; A third step of producing a molded body by press-molding the mixed powder and then heat-treating the molded body to produce a carbonized molded body; And 4) a step of preparing a carbon composite material by impregnating the carbonized formed body with an epoxy resin and heating the mixture in an oven to cure the carbon composite material. The method of manufacturing a carbon composite material for a fuel cell bipolar plate according to claim 1, Respectively. Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 1단계에서는 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 ~ 35 중량부를 포함하는 혼합물을 제조할 수 있다. 더욱 바람직하게는 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 ~ 25 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하는 것이 좋다. 상기 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 중량부 미만으로 포함하는 경우 혼합 분말을 탄화 시 소결되지 않는 문제점이 있고, 흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 35 중량부를 초과하여 포함하는 경우 기공이 많이 생성되는 문제점이 있다. In the first step of the carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, a mixture containing 15 to 35 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of the graphite powder may be prepared. More preferably, it is preferable to prepare a mixture containing 15 to 25 parts by weight of a binder with respect to 100 parts by weight of the graphite powder. When the amount of the binder is less than 15 parts by weight based on 100 parts by weight of the graphite powder, there is a problem that the mixed powder is not sintered when carbonized. When the binder contains more than 35 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the graphite powder, There is a problem that is generated.

이때, 상기 흑연 분말은 상용의 흑연 분말을 사용할 수 있고, 바람직하게는 층간 거리가 0.335 nm ~ 0.0336 nm 이고, 입도는 0.1 ㎛ ~ 20 ㎛이고, 결정크기가 100 ~ 500 nm일 수 있고, 더욱 바람직하게는 층간 거리가 0.3354 nm ~ 0.03358 nm 이고, 입도는 3 ㎛ ~ 20 ㎛이고, 결정크기가 100 ~ 400 nm일 수 있다. 또한, 상기 흑연 분말은 밀도가 2.23 g/cm3 ~ 2.25 g/cm3이고, 순도가 97% ~ 99%인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
The graphite powder may be a conventional graphite powder. Preferably, the graphite powder may have an interlayer distance of 0.335 nm to 0.0336 nm, a grain size of 0.1 to 20 μm, a crystal size of 100 to 500 nm, , The interlayer distance is from 0.3354 nm to 0.03358 nm, the particle size is from 3 탆 to 20 탆, and the crystal size is from 100 to 400 nm. The graphite powder preferably has a density of 2.23 g / cm 3 to 2.25 g / cm 3 and a purity of 97% to 99%.

이때, 상기 바인더는 페놀수지를 포함할 수 있고, 상기 페놀수지는 노블락형 페놀 수지 및 레졸형 페놀 수지로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다. 이때, 상기 페놀수지는 저가 알코올과 1: 1 ~ 3의 중량비로 혼합하여 사용할 수 있고, 바람직하게는 페놀수지 및 저가 알코올을 1: 2 ~ 3의 중량비로 포함할 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 흑연 분말과 혼합이 잘 되지 않는 문제점이 있다.
Here, the binder may include a phenol resin, and the phenol resin may include at least one selected from the group consisting of a novolak-type phenol resin and a resol-type phenol resin. At this time, the phenol resin can be used in a weight ratio of 1: 1 ~ 3 with a low alcohol, and preferably a phenol resin and a low alcohol at a weight ratio of 1: 2 ~ 3. If it is out of the above range, it is difficult to mix with the graphite powder.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 2단계에서는 상기 1단계에서 제조된 혼합물을 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조할 수 있다.In the method for producing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, in the step 2, the mixture prepared in the above step 1 may be stirred and pulverized to prepare a mixed powder.

이때, 상기 바인더는 페놀 수지를 포함하는 경우, 상기 2단계에서 상기 혼합물을 20 ~ 30℃에서 20분 ~ 1 시간 동안 교반하고, 50 ~ 100℃에서 2 ~ 4 시간 동안 건조한 후 분쇄를 수행하여 혼합분말을 제조할 수 있고, 더욱 바람직하게는 상기 혼합물을 25 ~ 30℃에서 30분 ~ 1 시간 동안 교반하고, 80 ~ 100℃에서 2 ~ 4 시간 동안 건조한 후 분쇄를 수행하여 혼합분말을 제조할 수 있다. 상기 범위를 벗어나는 경우 흑연 분말과 혼합이 되지 않으며, 에탄올이 건조되지 않아 성형하는데 어려운 문제점이 있다.
If the binder contains a phenol resin, the mixture is stirred at 20 to 30 ° C for 20 minutes to 1 hour, dried at 50 to 100 ° C for 2 to 4 hours, And more preferably the mixture is stirred at 25 to 30 DEG C for 30 minutes to 1 hour, dried at 80 to 100 DEG C for 2 to 4 hours and then pulverized to prepare a mixed powder have. If it is outside the above range, it is not mixed with the graphite powder, and there is a problem in that it is difficult to form because the ethanol is not dried.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 바인더는 콜타르 피치를 포함할 수 있고, 상기 바인더가 콜타르 피치인 경우, 상기 2단계에서 혼합물을 140 ~ 160℃에서 20분 ~ 1시간 동안 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조할 수 있다. 더욱 바람직하게는 상기 혼합물을 150 ~ 160℃에서 30분 ~ 1시간 동안 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조할 수 있다.
In the method for producing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, the binder may include a coal tar pitch. When the binder is a coal tar pitch, the mixture is heated at 140 to 160 ° C for 20 minutes to 1 For a period of time and pulverized to prepare a mixed powder. More preferably, the mixture is stirred at 150 to 160 ° C for 30 minutes to 1 hour and pulverized to prepare a mixed powder.

이때, 상기 혼합분말은 70 메쉬 이하일 수 있고, 더욱 바람직하게는 60 메쉬이하일 수 있다. 상기 2단계에서는 혼합물을 분쇄기로 분쇄한 후 70 메쉬 이하의 체로 체거름을 수행하여 혼합분말을 제조하는 것이 바람직하다. 상기 혼합분말이 70 메쉬를 초과하는 경우 이후의 제조되는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 기공도가 증가하고 기계적 물성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
At this time, the mixed powder may be 70 mesh or less, more preferably 60 mesh or less. In the second step, the mixture is pulverized by a pulverizer and sieved to a sieve having a size of 70 mesh or less to prepare a mixed powder. When the mixed powder is more than 70 mesh, there is a problem that the porosity of the carbon composite material for a fuel cell separator to be manufactured thereafter increases and the mechanical properties are deteriorated.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 3단계에서는 상기 혼합분말을 가압성형하여 성형체를 제조한 후 열처리하여 탄화된 성형체를 제조할 수 있다. 이때, 상기 가압성형은 일축가압을 수행하는 것이 바람직하고 이때, 상기 3단계의 가압성형은 200 ~ 500 MPa로 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 300 ~ 500 MPa로 수행되는 것이 좋다. 상기 가압성형을 200 MPa 미만으로 수행하는 경우 밀도가 낮아 분리판의 성질이 좋지않은 문제점이 있고, 500 MPa를 초과하여 수행하는 경우 성형된 분리판을 취출하기 힘든 공정상의 문제점이 있다.
In the method for manufacturing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, in the step 3, the mixture powder is press-formed to produce a molded body and then heat-treated to produce a carbonized molded body. At this time, it is preferable that the uniaxial pressing is performed by the pressure molding. In this case, the three-step pressing molding may be performed at 200 to 500 MPa, more preferably 300 to 500 MPa. When the pressure molding is performed at less than 200 MPa, there is a problem that the properties of the separator plate are poor due to the low density, and there is a problem in the process that it is difficult to take out the molded separator plate when the performance exceeds 500 MPa.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 3단계에서 열처리는 300℃ ~ 800℃에서 수행될 수 있고, 바람직하게는 500 ~ 700℃에서 수행되는 것이 좋다. 이때, 상기 열처리가 300℃ 미만에서 수행되는 경우 비저항이 약 20000 μΩcm 이상의 높은 값을 나타내어 전기전도도가 저하될 수 있는 문제점이 있고, 800℃를 초과하여 수행되는 경우 공정 에너지상 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
In the method for producing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, the heat treatment in the step 3 may be performed at 300 ° C to 800 ° C, preferably 500 to 700 ° C. If the heat treatment is performed at a temperature lower than 300 ° C., the resistivity may be higher than about 20000 μΩcm and the electrical conductivity may be lowered. If the heat treatment is performed at a temperature higher than 800 ° C., have.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법에 있어서, 상기 4단계에서는 상기 탄화된 성형체를 레진에 함침한 후 오븐에서 가열하여 경화시켜 탄소복합재를 제조할 수 있다.In the method for manufacturing a carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, in the step 4, the carbonized formed body may be impregnated with a resin and heated in an oven to be cured to produce a carbon composite material.

이때, 상기 레진은 에폭시 레진 및 폴리에스터 레진으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 바람직하게는 에폭시 레진일 수 있다. 이때, 상기 에폭시 레진은 에피클로로히드린 , 비스페놀 A 에폭시 레진(Bisphpnol A epoxy Resin) 및 사이클로알리퍼틱 에폭시 레진(Cycloalipatic epoxy resin)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 폴리에스터 레진은 오르소 타입(Ortho type) 폴리에스터 레진, 아이소 타입(Iso type) 폴리에스터 레진 및 비닐 에스터 타입(Vinyl Ester type) 폴리에스터 레진으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있다.At this time, the resin may be at least one kind selected from the group consisting of epoxy resin and polyester resin, and preferably epoxy resin. The epoxy resin may be at least one selected from the group consisting of epichlorohydrin, Bisphpnol A epoxy resin and cycloalipatic epoxy resin. The polyester resin may be at least one selected from the group consisting of A polyester resin, an ortho type polyester resin, an iso type polyester resin, and a vinyl ester type polyester resin.

또한, 상기 4단계에서 상기 함침은 0.3 ~ 1 torr로 진공감압하에서 수행할 수 있다. In the step 4, the impregnation may be performed at a vacuum of 0.3 to 1 torr.

이때, 상기 4단계의 가열은 30℃ ~ 50℃로 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 40 ~ 50℃로 수행될 수 있다 상기 가열이 상기 범위를 벗어나는 온도에서 수행되는 경우 레진의 점도에 영향을 주어 함침 수율이 낮아질 수 있는 문제점이 있다.
In this case, the heating in the four steps may be performed at 30 ° C to 50 ° C, more preferably at 40 ° C to 50 ° C. If the heating is carried out at a temperature outside the above range, There is a problem that the impregnation yield can be lowered.

또한, 본 발명은 흑연 분말 100 중량부에 대하여 페놀 수지 및 콜타르 피치(coal tar pitch) 중에서 선택되는 1종의 바인더 15 ~ 25 중량부를 포함하고, 밀도가 1.5 ~ 1.7 g/cm3이고, 기공도가 0.1 ~ 5 %인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소 복합재를 제공한다. 이때, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 상기의 제조방법으로 제조될 수 있다.In addition, the present invention, contain one kinds of binders 15 and 25 having a weight is selected from phenol resin and coal tar pitch (coal tar pitch) with respect to 100 parts by weight of graphite powder portion, and a density of 1.5 ~ 1.7 g / cm 3, the porosity Of the carbon composite material is 0.1 to 5%. At this time, the carbon composite material for a fuel cell separator may be manufactured by the above-described manufacturing method.

본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소 복합재에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 비저항이 4000 μΩcm ~ 24000 μΩcm이고, 굽힘강도가 10 MPa ~ 30 MPa일 수 있고, 바람직하게는 비저항이 4000 μΩcm ~ 15000 μΩcm일 수 있다.
In the carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention, the carbon composite material for a fuel cell separator may have a specific resistance of 4000 μΩcm to 24000 μΩcm, a bending strength of 10 MPa to 30 MPa, 15000 mu OMEGA cm.

또한, 본 발명은 상기의 연료전지 분리판용 탄소 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판을 제공한다. 본 발명에 따른 연료전지 분리판은 상기의 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 비저항이 4000 μΩcm ~ 24000 μΩcm이고, 굽힘강도가 10 MPa ~ 30 MPa로 우수하므로, 이를 포함하여 제조되는 연료전지 분리판은 전기전도성 및 강도가 우수하여 이를 포함하는 연료전지의 효율이 향상될 수 있다.
The present invention also provides a fuel cell bipolar plate including the carbon composite material for the fuel cell bipolar plate. The fuel cell separator according to the present invention is characterized in that the carbon composite material for a fuel cell separator has a specific resistance of 4000 μΩcm to 24000 μΩcm and a bending strength of 10 MPa to 30 MPa, The conductivity and strength are excellent and the efficiency of the fuel cell including the fuel cell can be improved.

나아가, 본 발명은 연료전지 분리판을 포함하는 전해질 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 비저항이 낮으면서도 우수한 기계적강도를 나타내므로, 이를 포함하여 제조되는 전해질 연료전지는 전기전도도 및 강도가 우수하여 이를 포함하는 연료전지의 효율이 향상될 뿐 아니라 제조 비용이 절감되고, 무게가 감소한 전해질 연료전지를 제조할 수 있다.
Furthermore, the present invention provides an electrolyte fuel cell including a fuel cell separator. Since the carbon composite material for a fuel cell separator according to the present invention has a low specific resistance and exhibits excellent mechanical strength, the electrolyte fuel cell manufactured therefrom has excellent electrical conductivity and strength, and the efficiency of the fuel cell including the carbon fuel composite material is improved It is possible to manufacture an electrolyte fuel cell with reduced manufacturing cost and reduced weight.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하기로 하지만, 하기 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니며, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것으로 해석되어야 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the following examples should not be construed as limiting the scope of the present invention, and should be construed to facilitate understanding of the present invention.

[[ 실시예Example ]]

실시예Example 1. 연료전지  1. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 1 Manufacture of Carbon Composites 1

흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 콜타르피치(CTP, coal tar pitch) 분말 20 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합한 후 교반가열판(GLHPS-D)에서 150℃로 가열 교반하고, 25℃로 냉각하였다. 상기 혼합분말을 고속분쇄기(RF-5900W)에서 1분간 분쇄한 후 70 메쉬(mesh) 이하의 분말을 체거름하여 사용하였다. 상기 체거름된 분말을 300 MPa의 압력으로 일축성형하여 직경이 20 mm인 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 300℃에서 1시간 동안 열처리하여 탄화시켰다. 탄화 후, 바인더가 휘발되면서 생성된 기공을 메우기 위해 에폭시 수지로 액상의 에피클로로히드린(epichlorhydrin)을 0.35 torr까지 진공 감압하여 탄화된 성형체에 함침하였고, 상기 함침된 성형체를 건조 오븐(P-OV150)에 장입하여 40℃에서 1시간 경화시켜 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다. 20 parts by weight of coal tar pitch (CTP) powders were added to 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX grade, see Table 1 below), mixed uniformly and heated to 150 DEG C in a stirring hot plate (GLHPS-D) Stirred and cooled to 25 < 0 > C. The mixed powder was pulverized for 1 minute in a high-speed pulverizer (RF-5900W), and powder having a size of 70 mesh or less was sieved. The sieved powder was uniaxially compacted at a pressure of 300 MPa to prepare a shaped body having a diameter of 20 mm. The resultant molded body was subjected to heat treatment at 300 ° C for 1 hour to carbonize it. After the carbonization, the carbonized molded body was impregnated with a liquid epichlorohydrin by vacuum decompression to 0.35 torr with an epoxy resin to fill the pores generated by the volatilization of the binder, and the impregnated molded body was placed in a drying oven (P-OV150 ) And cured at 40 DEG C for 1 hour to prepare a carbon composite material sample for a fuel cell separator.

흑연(SFG15)Graphite (SFG15) 재(Ash)Ash 0.1% max.0.1% max. 습도Humidity 0.5% max.0.5% max. 결정 높이Crystal height 100 nm max.100 nm max. 층간 간격Interlayer spacing 0.3354 ~ 0.3358 nm0.3354 to 0.3358 nm 입자 크기 d10Particle size d10 3.7 ㎛3.7 탆 입자 크기 d50Particle size d50 8.8 ㎛8.8 탆 입자 크기 d90Particle size d90 17.9 ㎛17.9 탆

실시예Example 2. 연료전지  2. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 2 Manufacture of Carbon Composite 2

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 500℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the molded body was heat-treated at 500 ° C.

실시예Example 3. 연료전지  3. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 3 Manufacture of Carbon Composites 3

상기 실시예 1과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 700℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다. ,
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the molded body was heat-treated at 700 ° C. ,

실시예Example 4. 연료전지  4. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 4 Manufacture of Carbon Composites 4

노볼락형 페놀 수지(PR, Penolic Resin, CB-8081)를 에탄올에 1:2의 중량비로 혼합하여 희석한 후, 흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 대하여 페놀수지가 20 중량부가 되도록 상기 희석용액을 첨가하여 혼합한 후 25℃로 30분간 교반하고, 80℃에서 3시간 동안 건조한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
After mixing 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX yarn, and components shown in the following Table 1) with phenol resin (PR, Penolic Resin, CB-8081) in a weight ratio of 1: Carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 1, except that the diluted solution was added and mixed so that the resin was 20 parts by weight, the mixture was stirred at 25 DEG C for 30 minutes, and dried at 80 DEG C for 3 hours. .

실시예Example 5. 연료전지  5. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 5 Manufacture of Carbon Composites 5

상기 실시예 4와 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 500℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 4, except that the molded body was heat-treated at 500 ° C.

실시예Example 6. 연료전지  6. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조 6 Manufacture of Carbon Composites 6

상기 실시예 4와 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 700℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 4, except that the molded body was heat-treated at 700 ° C.

비교예Comparative Example 1. One. 연료전지 Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 콜타르피치(CTP, coal tar pitch) 분말 20 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합한 후 교반가열판(GLHPS-D)에서 150℃로 가열 교반하고, 25℃로 냉각하였다. 상기 혼합분말을 고속분쇄기(RF-5900W)에서 1분간 분쇄한 후 70 메쉬(mesh) 이하의 분말을 체거름하여 사용하였다. 상기 체거름된 분말을 300 MPa의 압력으로 일축성형하여 직경이 20 mm인 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
20 parts by weight of coal tar pitch (CTP) powders were added to 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX grade, see Table 1 below), mixed uniformly and heated to 150 DEG C in a stirring hot plate (GLHPS-D) Stirred and cooled to 25 < 0 > C. The mixed powder was pulverized for 1 minute in a high-speed pulverizer (RF-5900W), and powder having a size of 70 mesh or less was sieved. The sieved powder was uniaxially compacted at a pressure of 300 MPa to prepare a carbon composite material sample for a fuel cell separator having a diameter of 20 mm.

비교예Comparative Example 2. 연료전지  2. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

노볼락형 페놀 수지(PR, Penolic Resin)를 에탄올에 1:2의 중량비로 혼합하여 희석한 후, 흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 대하여 페놀수지가 20 중량부가 되도록 상기 희석용액을 첨가하여 혼합한 후 25℃로 30분간 교반하고, 80℃에서 3시간 동안 건조하여 혼합분말을 제조하였다. 상기 혼합분말을 고속분쇄기(RF-5900W)에서 1분간 분쇄한 후 70 메쉬(mesh) 이하의 분말을 체거름하여 사용하였다. 상기 체거름된 분말을 300 MPa의 압력으로 일축성형하여 직경이 20 mm인 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
The phenol resin was mixed with 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX yarn, components shown in the following Table 1) and mixed with 20 parts by weight of phenol resin The diluted solution was added thereto, and the mixture was stirred at 25 DEG C for 30 minutes and dried at 80 DEG C for 3 hours to prepare a mixed powder. The mixed powder was pulverized for 1 minute in a high-speed pulverizer (RF-5900W), and powder having a size of 70 mesh or less was sieved. The sieved powder was uniaxially compacted at a pressure of 300 MPa to prepare a carbon composite material sample for a fuel cell separator having a diameter of 20 mm.

비교예Comparative Example 3. 연료전지  3. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 콜타르피치(CTP, coal tar pitch) 분말 20 중량부를 첨가하여 균일하게 혼합한 후 150℃로 교반가열판(GLHPS-D)에서 가열 교반하고, 25℃로 냉각하였다. 상기 혼합분말을 고속분쇄기(RF-5900W)에서 1분간 분쇄한 후 70 메쉬(mesh) 이하의 분말을 체거름하여 사용하였다. 상기 체거름된 분말을 300 MPa의 압력으로 일축성형하여 직경이 20 mm인 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 300℃에서 1시간 동안 열처리하여 탄화시켜 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
20 parts by weight of coal tar pitch (CTP) powder was added to 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX, see Table 1 below), and the mixture was homogeneously mixed and heated at 150 DEG C in a stirring hot plate (GLHPS-D) Stirred and cooled to 25 < 0 > C. The mixed powder was pulverized for 1 minute in a high-speed pulverizer (RF-5900W), and powder having a size of 70 mesh or less was sieved. The sieved powder was uniaxially compacted at a pressure of 300 MPa to prepare a shaped body having a diameter of 20 mm. The formed body was carbonized by heat treatment at 300 ° C for 1 hour to prepare a carbon composite material sample for a fuel cell separator.

비교예Comparative Example 4. 연료전지  4. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

상기 비교예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 500℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Comparative Example 3 except that the molded body was heat-treated at 500 ° C in the same manner as in Comparative Example 3.

비교예Comparative Example 5. 연료전지  5. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

상기 비교예 3과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 700℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 비교예 3과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Comparative Example 3 except that the molded body was heat-treated at 700 ° C in the same manner as in Comparative Example 3.

비교예Comparative Example 6. 연료전지  6. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

노볼락형 페놀 수지(PR, Penolic Resin)를 에탄올에 1:2의 중량비로 혼합하여 희석한 후, 흑연 분말(SFG15, TIMREX 사, 성분 하기 표 1 참조) 100 중량부에 대하여 페놀수지가 20 중량부가 되도록 상기 희석용액을 첨가하여 혼합한 후 25℃로 30분간 교반하고, 80℃에서 3시간 동안 건조하였다. 이를 고속분쇄기(RF-5900W)에서 1분간 분쇄한 후 70 메쉬(mesh) 이하의 분말을 체거름하여 사용하였다. 상기 체거름된 분말을 300 MPa의 압력으로 일축성형하여 직경이 20 mm인 성형체를 제조하였다. 제조된 성형체를 300℃에서 1시간 동안 열처리하여 탄화시켜 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
The phenol resin was mixed with 100 parts by weight of graphite powder (SFG15, TIMREX yarn, components shown in the following Table 1) and mixed with 20 parts by weight of phenol resin The diluted solution was added thereto, and the mixture was stirred at 25 DEG C for 30 minutes and then dried at 80 DEG C for 3 hours. The powder was pulverized in a high-speed pulverizer (RF-5900W) for 1 minute, and powder having a size of 70 mesh or less was sieved. The sieved powder was uniaxially compacted at a pressure of 300 MPa to prepare a shaped body having a diameter of 20 mm. The formed body was carbonized by heat treatment at 300 ° C for 1 hour to prepare a carbon composite material sample for a fuel cell separator.

비교예Comparative Example 7. 연료전지  7. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

상기 비교예 6과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 500℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 비교예 6과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Comparative Example 6 except that the molded body was heat-treated at 500 ° C.

비교예Comparative Example 8. 연료전지  8. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

상기 비교예 6과 동일한 방법으로 제조하되, 성형체를 700℃에서 열처리한 것을 제외하고는 상기 비교예 6과 동일한 방법으로 연료전지 분리판용 탄소 복합재 시료를 제조하였다.
A carbon composite material sample for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Comparative Example 6 except that the molded body was heat-treated at 700 ° C.

비교예Comparative Example 9. 9. 연료전지 Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

숭림카본금속(유)에서 탄소계 필러와 수지를 혼합하여 일축성형으로 개발한 상용제품을 사용하였다.
A commercial product developed by uniaxially molding a mixture of a carbon-based filler and a resin was used in a sulim carbon metal (oil).

비교예Comparative Example 10. 연료전지  10. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 제조  Manufacture of Carbon Composites

독일 Schunk 사의 상용소재를 사용하였다.
Commercial materials from Schunk of Germany were used.

실험예Experimental Example 1. 연료전지  1. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 미세구조 관찰 Microstructure of Carbon Composite

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 8의 연료전지 분리판용 탄소 복합재의 미세구조를 관찰하기 위하여 주사전자현미경(Jeol. FE-SEM, 6500F)을 이용하여 관찰하였다. 그 결과를 하기 도 2 ~ 4 에 나타내었다. 이때, Top-face 및 Side-face의 관찰은 하기 도 10과 같은 방식으로 관찰하였고, 그 결과는 도 11 ~ 12에 나타내었다. The microstructures of the carbon composite material for the fuel cell separators of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 8 were observed using a scanning electron microscope (FE-SEM, 6500F). The results are shown in Figs. 2 to 4. At this time, observations of Top-face and Side-face were observed in the same manner as in Fig. 10, and the results are shown in Figs.

이때, 도 2는 원료 흑연분말의 SEM 이미지이고, 도 3은 비교예 1의 SEM 이미지이며, 도 4는 비교예 2의 SEM 이미지이다. Fig. 2 is an SEM image of raw graphite powder, Fig. 3 is an SEM image of Comparative Example 1, and Fig. 4 is an SEM image of Comparative Example 2. Fig.

도 2 ~ 4에 따르면, SEM Image 관찰 결과 흑연분말과 CTP가 혼합된 분말은 흑연 입자 주위에 콜타르 피치가 녹아 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 흑연분말과 CTP는 분말상으로 가열 교반한 결과 흑연분말 주위를 CTP가 균일하게 도포하지 못한 것으로 예상되었다. 반면 흑연분말과 PR을 혼합한 분말은 흑연입자들이 구형으로 응집하여 과립형상을 하고 있었다. 흑연분말과 페놀수지가 희석된 용액을 상온에서 교반한 결과 흑연분말에 균일하게 페놀 수지 용액이 도포된 것을 예상할 수 있었다.According to FIGS. 2 to 4, SEM image observation revealed that the powder mixed with the graphite powder and CTP had the graphite pitch melted around the graphite particles. In addition, graphite powder and CTP were expected to have failed to uniformly coat CTP around the graphite powder by heating and stirring the powder. On the other hand, the powder mixed with graphite powder and PR had a granular shape due to spherical aggregation of graphite particles. As a result of stirring the solution diluted with graphite powder and phenol resin at room temperature, it was expected that the phenol resin solution was uniformly applied to the graphite powder.

도 11~ 12는 실시예 1과 실시예 4의 성형방향별 미세조직을 나타낸 이미지로서, 성형하중 방향과 수직한 방향을 Side-Face로 표기하였고, 성형하중 방향과 평행한 방향은 Top-Face로 표기하였다. 도 11~ 12에 나타낸 바와 같이, 실시예 1 및 실시예 4의 조직은 등방향의 조직을 나타내었다. 이 같은 결과는 미분의 흑연분말을 사용하여 이방화가 낮은 등방성 조직을 형성한 것으로 판단된다. 실시예 1의 조직은 내부에 큰 기공이 존재하였다. 이 같은 결과는 흑연분말과 콜타르피치가 균일하게 혼합되지 못한 결과로 판단된다. 또한, 열처리 온도가 증가함에 따라 콜타르피치의 열분해로 인해 큰 기공이 내부에 존재하는 것으로 판단된다. 콜타르피치의 열분해 기체는 성형체 외부로 이동하며 열린 기공을 형성한 것으로 판단된다. 이러한 이유로 콜타르피치와 혼합하여 제조된 혼합분말 시료에 에폭시 함침이 수월하게 이루어 질 수 있을 것으로 판단된다. 11 to 12 are images showing the microstructures of the molding directions of Examples 1 and 4, in which the direction perpendicular to the molding load direction is indicated by Side-Face, and the direction parallel to the molding load direction is the Top-Face Respectively. As shown in Figs. 11 to 12, the tissues of Example 1 and Example 4 exhibited tissues in the backward direction. These results suggest that the anisotropic microstructures formed by using the fine graphite powder. The structure of Example 1 had large pores inside. These results indicate that graphite powder and coal tar pitch are not uniformly mixed. Also, as the heat treatment temperature is increased, it is judged that large pores exist inside due to thermal decomposition of coal tar pitch. It is considered that the pyrolysis gas of coal tar pitch shifted to the outside of the compact and formed open pores. For this reason, epoxy impregnation can be easily performed on mixed powder samples prepared by mixing with coal tar pitch.

반대로, 페놀수지는 상온에서 액상으로 혼합되어 제조됨으로써, 흑연 입자 주위를 PR이 균일하게 도포한 것으로 예상된다. 또한 바인더의 고상탄화로 인해 실시예 1에 비해 치밀한 미세조직을 보이는 것을 확인할 수 있었다.On the contrary, it is expected that the phenolic resin is prepared by mixing in a liquid state at room temperature, thereby uniformly applying PR around the graphite particles. Also, it was confirmed that dense microstructure was shown as compared with Example 1 due to solidification of the binder.

완성된 시료의 물리적 특성을 확인하기 위해 밀도와 기공율을 측정하였다. 기공율은 아르키메데스법으로 측정하였다. 또한 전기비저항, 굴곡강도를 측정하였으며, 광학현미경을 이용하여 시료의 내부 구조를 관찰 하였다.
Density and porosity were measured to confirm the physical properties of the finished sample. The porosity was measured by the Archimedes method. Electrical resistivity and flexural strength were measured, and the internal structure of the sample was observed using an optical microscope.

실험예Experimental Example 2. 연료전지  2. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 기계적 물성 측정 Measurement of Mechanical Properties of Carbon Composite

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 8의 연료전지 분리판용 탄소 복합재의 기계적 물성을 측정하기 위하여 겉밀도, 기공률, 무게 증감율, 전기적 비저항 및 굽힘강도를 측정하였고, 그 결과를 하기 표 2 및 도 5 ~ 도 10에 나타내었다.In order to measure the mechanical properties of the carbon composite material for the fuel cell separators of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 8, the apparent density, the porosity, the weight change ratio, the electrical resistivity and the bending strength were measured. 5 to 10.

이때, 상기 기공율은 아르키메데스법(ISO 18754:2003)으로 측정하였다. 또한, 비저항 측정은 전압강하법을 이용하여 측정하였다. 입력 전류 1A에서 측정된 전압강하 값을 시편의 단면적을 고려해 계산한 결과이다. Excelab사의 i-VT50 만능재료시험기를 이용하여 굴곡강도를 측정하였으며, 광학현미경(Nikon ECLIPSE, LV150)을 이용하여 시료의 내부 구조를 관찰하였다. At this time, the porosity was measured by the Archimedes method (ISO 18754: 2003). Also, the resistivity measurement was performed using the voltage drop method. The voltage drop measured at input current of 1 A is calculated considering the cross-sectional area of the specimen. Flexural strength was measured using Excelab i-VT50 universal material tester and the internal structure of the sample was observed using an optical microscope (Nikon ECLIPSE, LV150).

표시 Display 겉밀도
(g/cm3)
Surface density
(g / cm 3)
기공도
(%)
Porosity
(%)
무게 감소율
(%)
Weight reduction rate
(%)
무게 증가율
(%)
Weight increase rate
(%)
비저항
(μΩcm)
Resistivity
(μΩcm)
굽힘강도
(MPa)
Bending strength
(MPa)
비교예 1Comparative Example 1 AA 1.711.71 -- -- -- -- -- 비교예 2Comparative Example 2 BB 1.721.72 -- -- -- -- -- 비교예 3Comparative Example 3 CC 1.571.57 5.05.0 2.742.74 -- -- -- 비교예 4Comparative Example 4 DD 1.511.51 25.625.6 6.386.38 -- -- -- 비교예 5Comparative Example 5 EE 1.511.51 33.233.2 6.586.58 -- -- -- 비교예 6Comparative Example 6 FF 1.611.61 17.417.4 1.881.88 -- -- -- 비교예 7 Comparative Example 7 GG 1.581.58 11.811.8 6.446.44 -- -- -- 비교예 8Comparative Example 8 HH 1.581.58 24.024.0 7.577.57 -- -- -- 실시예 1Example 1 II 1.691.69 1.61.6 -- 7.787.78 2225922259 10.110.1 실시예 2Example 2 JJ 1.651.65 1.81.8 -- 9.879.87 1257712577 14.314.3 실시예 3Example 3 KK 1.681.68 4.54.5 -- 11.1511.15 66196619 17.117.1 실시예 4Example 4 LL 1.671.67 0.40.4 -- 3.723.72 1955219552 20.020.0 실시예 5Example 5 MM 1.641.64 0.80.8 -- 3.503.50 1187511875 13.513.5 실시예 6Example 6 NN 1.621.62 1.61.6 -- 3.683.68 48294829 16.916.9

상기 표 2 및 도 5 ~ 도 10에 나타낸 바와 같이, 바인더의 종류를 달리하여 제조한 시료 비교예 1의 밀도는 1.71 g/cm3이고, 비교예 2는 1.72 g/cm3로 유사하였고, 비교예 3 ~ 8에 따르면 두 종류의 시료 모두 열처리 온도가 증가수록 밀도는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 보다 상세하게는 열처리 온도가 증가함에 따른 각 시료의 밀도는 바인더로 페놀 수지를 이용한 경우에 바인더로 콜타르 피치를 사용한 경우보다 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있었다. As shown in Table 2 and FIG. 5 to FIG. 10, the density of Comparative Sample 1 prepared by different kinds of binders was 1.71 g / cm 3 and that of Comparative Example 2 was 1.72 g / cm 3 , According to Examples 3 ~ 8, the density decreased with increasing heat treatment temperature in both samples. More specifically, it was found that the density of each sample as the heat treatment temperature was increased was relatively higher when phenol resin was used as a binder than when using a coal tar pitch as a binder.

또한, 실시예 1 ~ 6에 따르면, 열처리 후 에폭시 수지에 함침한 시료의 경우 밀도는 함침전에 비해 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이때, 열처리 온도에 따른 밀도 증가폭은 바인더 수지로 콜타르 피치를 사용하는 경우, 바인더로 페놀 수지를 이용하는 경우에 비해 상대적으로 더 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한, 기공율 측정 결과 열처리 온도가 증가할수록 기공율도 증가하는 경향을 보였는데, 열처리 온도가 300℃일 때 기공율은 콜타르 피치의 경우가 페놀수지의 경우에 비해 낮다. 500℃와 700℃에서는 콜타르 피치의 경우에 페놀수지의 경우보다 더 높은 기공율을 보였다. 또한, 500℃에서 바인더로 페놀수지를 사용한 경우에 기공율이 감소하는 결과를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. Further, according to Examples 1 to 6, it was confirmed that the density of the sample impregnated with the epoxy resin after the heat treatment increased compared to that before the impregnation. In this case, the increase in the density according to the heat treatment temperature was found to be larger in the case of using the coal tar pitch as the binder resin than in the case of using the phenol resin as the binder. In addition, the porosity was also increased as the heat treatment temperature increased. When the heat treatment temperature was 300 ° C, the porosity of the coal tar pitch was lower than that of the phenol resin. At 500 ℃ and 700 ℃, the porosity of the coal tar was higher than that of the phenol resin. Further, it was confirmed that the porosity was decreased when the phenol resin was used as the binder at 500 ° C.

나아가, 열처리 후 모든 시료는 약 5~30%의 기공율 보이지만, 함침 후에는 약 0.4 ~ 5 %로 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 보다 상세하게는, 함침 후 페놀수지 바인더를 사용한 경우의 기공율이 콜타르 피치 바인더를 사용한 경우에 비해 낮은 것을 확인할 수 있었다. Furthermore, after heat treatment, all the samples showed a porosity of about 5 ~ 30%, but after impregnation, it was confirmed that they decreased rapidly to about 0.4 ~ 5%. More specifically, it was confirmed that the porosity in the case of using a phenol resin binder after impregnation is lower than that in the case of using a coal tar pitch binder.

열처리 후 중량 감소율은 300℃에서는 콜타르 피치 바인더를 사용한 경우가 크지만, 500℃부터 페놀수지 바인더를 사용한 경우의 중량 감소율이 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한 에폭시 레진의 함침 후 중량 증가율은 열처리 온도가 증가함에 따라 콜타르 피치 바인더를 사용한 경우에는 약 2%씩 증가였다. 반면 페놀수지 바인더를 사용한 경우에는 열처리 온도에 관계없이 일정하였다. 이는 액상 탄화를 경유하는 콜타르 피치(CTP)와 고상탄화를 경유하는 페놀수지(PR)의 특성으로 예상된다. The weight reduction rate after heat treatment is higher when the coal tar pitch binder is used at 300 ° C, but it is confirmed that the weight reduction ratio is higher when the phenol resin binder is used at 500 ° C. The weight increase rate of epoxy resin after impregnation was increased by about 2% when the coal tar pitch binder was used as the heat treatment temperature increased. On the other hand, the use of the phenolic resin binder was constant regardless of the heat treatment temperature. This is expected due to the characteristics of phenol resin (PR) via coal tar pitch (CTP) and solid phase carbonization via liquid carbonization.

탄화에 의한 중량감소율 및 함침에 의한 중량증가율은 도 7 및 도 8에 나타내었다. 도 7 및 도 8 에 따르면, 콜타르 피치의 경우 탄화 과정 중 액상을 경유하므로 열린 기공(Open Pore)의 발달이 용이하다고 알려져 있다. 반면 고상탄화를 경유하는 페놀 수지의 경우 닫힌 기공(Closed Pore)이 발달하는 것으로 알려져 있다. 따라서 바인더로 콜타르 피치를 사용한 경우 시료 내부에 발달한 열린 기공(Open Pore)에 에폭시 레진의 함침이 잘된 것으로 예상되며, 함침 후 중량 변화율이 크게 증가한 것으로 예상된다. 반면, 바인더로 페놀 수지를 사용한 경우 성형체 내부의 닫힌 기공(Closed Pore)으로 에폭시 레진의 침투가 어려워 중량 증가율이 크지 않은 것으로 판단된다. The weight reduction rate by carbonization and the weight increase rate by impregnation are shown in FIG. 7 and FIG. According to FIG. 7 and FIG. 8, it is known that the coal tar pitch passes through the liquid phase during the carbonization process, and thus, the open pore develops easily. On the other hand, it is known that closed pores develop in the case of phenol resin via solid phase carbonization. Therefore, when coal tar pitch is used as a binder, it is expected that the epoxy resin is impregnated into the open pores developed inside the sample, and the weight change rate after the impregnation is expected to be greatly increased. On the other hand, when a phenol resin is used as a binder, it is considered that the weight increase rate is not large due to difficulty of penetration of epoxy resin into closed pores inside the molded body.

열처리 온도에 따른 전기비저항 측정결과는 도 9에 나타내었다. 도 9에 따르면, 비저항 측정결과 열처리 온도가 증가함에 따라 비저항은 감소하였으며, 바인더로 콜타르피치를 사용한 경우 비해 페놀 수지를 사용한 경우의 비저항이 낮았다. 열처리 온도가 증가함에 따라 흑연과 바인더 사이의 결합이 강해지며, 잔류 휘발물질의 휘발로 인해 탄소구조로 전환되는 양이 증가하기 때문인 것으로 예상할 수 있다.The results of the electrical resistivity measurement according to the heat treatment temperature are shown in FIG. According to FIG. 9, the resistivity was decreased with increasing the heat treatment temperature, and the resistivity was lower when phenol resin was used than when using coal tar pitch as a binder. It can be expected that as the heat treatment temperature increases, the bond between the graphite and the binder becomes stronger, and the amount of the converted carbon structure increases due to the volatilization of the residual volatiles.

도 10은 열처리 온도에 따른 굴곡강도 측정 결과이다. 도 10에 따르면, 열처리 온도가 300℃인 경우, 페놀수지 바인더를 사용한 경우에 콜타르 피치를 사용한 경우보다 약 2배 높았다. 하지만 열처리 온도가 증가함에 따라 이 둘 사이의 굴곡강도는 큰 차이가 없었다. 굴곡강도 측정을 위한 시료 준비과정 중 300℃에서 열처리되고, 콜타르피치를 사용한 경우에는 연마도중 시료의 모서리 부분이 떨어질 만큼 약한 강도를 가지고 있었다. 이는 바인더로 사용된 콜타르피치가 완벽히 탄화되지 못해 연마 중 발생하는 마찰열에 의해 녹은 것에 기인하는 것으로 판단된다.
Fig. 10 shows the result of measuring the bending strength according to the heat treatment temperature. According to FIG. 10, when the heat treatment temperature was 300 ° C, the phenol resin binder was about twice as high as that in the case of using the coal tar pitch. However, as the annealing temperature increased, there was no significant difference in flexural strength between the two. In the sample preparation process for measuring the bending strength, the sample was heat treated at 300 ° C. When the coal tar pitch was used, the sample had a weak strength at the edge portion of the sample during polishing. It is considered that the coal tar pitch used as the binder is not fully carbonized and is melted by friction heat generated during polishing.

실험예Experimental Example 3. 연료전지  3. Fuel cell 분리판용For split plate 탄소 복합재의 기계적 물성 측정 Measurement of Mechanical Properties of Carbon Composite

본 발명에 따라 제조된 연료전지 분리판용 탄소 복합재의 기계적 물성을 알아보기 위하여, 실시예 1 ~ 6 및 비교예 9 ~ 10의 탄소복합재를, 아르키메데스법(ISO 18754:2003)을 이용하여 겉밀도를 측정하였다. 비저항 측정은 전압강하법을 이용하여 측정하였다. 입력 전류 1A에서 측정된 전압강하 값을 시편의 단면적을 고려해 계산한 결과이다. 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다. The carbon composite materials of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 9 to 10 were evaluated for their mechanical properties using the Archimedes method (ISO 18754: 2003) in order to examine the mechanical properties of the carbon composite material for a fuel cell bipolar plate manufactured according to the present invention. Respectively. The resistivity measurements were made using the voltage drop method. The voltage drop measured at input current of 1 A is calculated considering the cross-sectional area of the specimen. The results are shown in Table 3 below.

표시Display 겉밀도(g/The surface density (g / cmcm 33 )) 전기적 비저항Electrical resistivity
(μΩ(μΩ cmcm ))
굽힘강도(Bending strength ( MPaMPa ))
실시예Example 1 One II 1.691.69 2225922259 10.110.1 실시예Example 2 2 JJ 1.651.65 1257712577 14.314.3 실시예Example 3 3 KK 1.681.68 66196619 17.117.1 실시예Example 4 4 LL 1.671.67 1955219552 20.020.0 실시예Example 5 5 MM 1.641.64 1187511875 13.513.5 실시예Example 6 6 NN 1.621.62 48294829 16.916.9 비교예Comparative Example 9 9 SLBP 9SLBP 9 1.911.91 89748974 31.931.9 비교예Comparative Example 10 10 FU 4369FU 4369 1.931.93 64216421 33.933.9

표 3에 따르면, 상용 제품인 비교예 9 ~ 10의 밀도 및 강도가 상대적으로 우수한 것을 확인할 수 있는데, 이는 일반적으로 사용되는 상용의 분리판으로서 탄소 및 탄소 섬유 등의 강화제를 첨가하여 제작되기 때문인 것으로 판단된다. According to Table 3, it can be confirmed that the comparative examples 9 to 10, which are commercial products, have relatively high density and strength. This is because they are produced by adding reinforcing agents such as carbon and carbon fiber as commercial separating plates which are generally used do.

한편, 본 발명에 따르면 실시예 6에서 가장 우수한 비저항을 나타내는 것을 확인할 수 있으므로 우수한 전기전도도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.
On the other hand, according to the present invention, it is confirmed that the resistivity exhibits the best specific resistance in Example 6, and therefore, it can be confirmed that it exhibits excellent electric conductivity.

Claims (17)

흑연 분말 100 중량부에 대하여 바인더를 15 ~ 35 중량부를 포함하는 혼합물을 제조하는 1단계;
상기 혼합물을 교반하고 이를 분쇄하여 혼합분말을 제조하는 2단계;
상기 혼합분말을 가압성형하여 성형체를 제조한 후 열처리하여 탄화된 성형체를 제조하는 3단계; 및
상기 탄화된 성형체를 레진(resin)에 함침한 후 오븐에서 가열하여 경화시켜 탄소복합재를 제조하는 4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
1) preparing a mixture comprising 15 to 35 parts by weight of a binder per 100 parts by weight of graphite powder;
Stirring the mixture and pulverizing it to produce a mixed powder;
A third step of producing a molded body by press-molding the mixed powder and then heat-treating the molded body to produce a carbonized molded body; And
And a fourth step of impregnating the carbonized formed article with a resin and then heating the same in an oven to cure the carbon composite material.
제 1 항에 있어서, 상기 흑연 분말은 층간 거리가 0.335 nm ~ 0.0336 nm 이고, 입도는 0.1 ㎛ ~ 20 ㎛이고, 결정크기가 100 ~ 500 nm 인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The carbon composite material for a fuel cell separator according to claim 1, wherein the graphite powder has an interlayer distance of 0.335 nm to 0.0336 nm, a particle size of 0.1 to 20 μm, and a crystal size of 100 to 500 nm .
제 1 항에 있어서, 상기 흑연 분말은 밀도가 2.23 g/cm3 ~ 2.25 g/cm3 이고, 순도가 97% ~ 99%인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the graphite powder has a density of 2.23 g / cm 3 to 2.25 g / cm 3 and a purity of 97% to 99%.
제 1 항에 있어서, 상기 바인더는 페놀수지를 포함하고, 상기 페놀수지는 저가 알코올과 1: 1 ~ 3의 중량비로 혼합하여 사용되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the binder comprises a phenol resin and the phenolic resin is mixed with a low-alcohol at a weight ratio of 1: 1 to 3: 1.
제 1 항에 있어서, 상기 바인더가 페놀 수지를 포함하는 경우, 상기 2단계에서 혼합물을 20 ~ 30℃에서 20분 ~ 1시간 동안 교반하고, 50 ~ 100℃에서 2 ~ 4시간 동안 건조한 후 분쇄를 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method according to claim 1, wherein when the binder contains a phenol resin, the mixture is stirred at 20 to 30 ° C for 20 minutes to 1 hour, dried at 50 to 100 ° C for 2 to 4 hours, The carbon composite material for a fuel cell separator according to claim 1,
제 1 항에 있어서, 상기 바인더는 콜타르 피치를 포함하고, 상기 바인더가 콜타르 피치인 경우, 상기 2단계에서 혼합물을 140 ~ 160℃에서 20분 ~ 1시간 동안 교반하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the binder comprises a coal tar pitch, and in the case where the binder is a coal tar pitch, the mixture is stirred at 140 to 160 DEG C for 20 minutes to 1 hour Carbon composite material.
제 1 항에 있어서, 상기 혼합분말은 70 메쉬 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the mixed powder is 70 mesh or less.
제 1 항에 있어서, 상기 3단계의 가압성형은 200 ~ 500 MPa로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the three-step press molding is performed at 200 to 500 MPa.
제 1 항에 있어서, 상기 3단계에서 열처리는 300℃ ~ 800℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the heat treatment is performed at 300 ° C to 800 ° C in the third step.
제 1 항에 있어서, 상기 레진은 에폭시 레진 및 폴리에스터 레진로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the resin is at least one selected from the group consisting of epoxy resin and polyester resin.
제 1 항에 있어서, 상기 4단계에서 상기 함침은 0.3 ~ 1 torr로 진공감압하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the impregnation is performed at a vacuum of 0.3 to 1 torr.
제 1 항에 있어서, 상기 4단계의 가열은 30℃ ~ 50℃로 수행되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1, wherein the heating in the fourth step is performed at 30 ° C to 50 ° C.
흑연 분말 100 중량부에 대하여 페놀 수지 및 콜타르 피치(coal tar pitch) 중에서 선택되는 1종의 바인더 15 ~ 25 중량부를 포함하고,
밀도가 1.5 ~ 1.7 g/cm3이고, 기공도가 0.1 ~ 5 %인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소 복합재.
And 15 to 25 parts by weight of one kind of binder selected from phenol resin and coal tar pitch based on 100 parts by weight of graphite powder,
A density of 1.5 to 1.7 g / cm 3 , and a porosity of 0.1 to 5%.
제 13 항에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 비저항이 4000 μΩcm ~ 24000 μΩcm이고, 굽힘강도가 10 MPa ~ 30 MPa인 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소 복합재.
The carbon composite material according to claim 13, wherein the carbon composite material for a fuel cell separator has a specific resistance of 4000 μΩcm to 24000 μΩcm and a flexural strength of 10 MPa to 30 MPa.
제 13 항에 있어서, 상기 연료전지 분리판용 탄소 복합재는 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항의 제조방법으로 제조되는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판용 탄소 복합재.
14. The carbon composite material for a fuel cell separator according to claim 13, wherein the carbon composite material for a fuel cell separator is manufactured by the method of any one of claims 1 to 12.
제13항 내지 제14항 중의 어느 한 항의 연료전지 분리판용 탄소 복합재를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 분리판.
A fuel cell bipolar plate comprising the carbon composite material for a fuel cell bipolar plate according to any one of claims 13 to 14.
제 16 항의 연료전지 분리판을 포함하는 전해질 연료전지. An electrolyte fuel cell comprising the fuel cell separator of claim 16.
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KR102105588B1 (en) * 2018-10-26 2020-04-28 한국에너지기술연구원 Fuel cell seperator comprising embossing structre for uniform distribution of gas and fuel cell stack comprising thereof

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