KR20170039821A - Bipolar plate for fuel cell, method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
연료 전지용 분리판 및 제조방법에 관한 것이다.
A separation plate for a fuel cell and a manufacturing method thereof.
연료 전지는 수소와 산소의 전기화학적 반응에 의해 전기를 생산하는 발전 시스템으로, 직접 전기를 생산하는 주요 구성인 스택(Stack)과 이러한 스택의 작동을 보조하는 기타 장치 등으로 구성될 수 있다.A fuel cell is a power generation system that produces electricity by electrochemical reaction of hydrogen and oxygen. It can be composed of a stack, which is a main component for producing electricity directly, and other devices that assist in the operation of the stack.
연료 전지 스택(Stack)에 은 전기 에너지를 발생시키는 최소의 단위로서 단위 전지를 포함하고, 이러한 단위 전지는 막전극 접합체(MEA; Membrane Electrode Assembly)와, 막전극 접합체의 양쪽 면에 각각 구비되는 연료 전지 분리판들을 포함할 수 있다.The unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and a membrane electrode assembly (MEA), which are provided on both sides of the membrane electrode assembly, And battery separators.
막전극 접합체는 수소 이온만을 선택적으로 통과시키는 고분자 전해질막을 구비하고, 이런 고분자 전해질막의 양쪽 면에 애노드 전극과 캐소드 전극이 접합될 수 있다.The membrane electrode assembly has a polymer electrolyte membrane selectively passing only hydrogen ions, and an anode electrode and a cathode electrode can be bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane.
연료 전지 분리판은 단위 전지에서 발생되는 전류를 모으는 역할을 하고, 절연 유지를 위한 분리 역할을 하며, 가스(수소, 산소)를 기체 확산층(GDL; gas diffusion layer)으로 공급하면서 발생되는 물을 배출하는 역할을 수행할 수 있다.The fuel cell separator plays a role of collecting the current generated in the unit cell and serves as a separator for maintaining insulation and discharges water generated by supplying gas (hydrogen, oxygen) to a gas diffusion layer (GDL) Can play a role.
이러한 연료 전지 분리판은 애노드 전극과 캐소드 전극의 산화·환원 분위기에 안정하고, 가스의 혼합을 충분히 방지할 수 있어야 하며, 충분한 전기전도도를 가져야 한다.Such a fuel cell separator plate should be stable in the oxidizing and reducing atmosphere of the anode electrode and the cathode electrode, sufficiently prevent gas mixing, and have sufficient electric conductivity.
종래 상업화된 흑연(Graphite) 분리판은 내식성 및 양호한 전기전도성을 가지고 있으나, 기계적 충격 또는 진동에 약해 일정 이상의 두께를 유지해야 하므로, 이는 연료 전지 스택의 효율을 감소시키며 고비용의 문제가 있으며, 게다가 기공을 가지고 있어 가스 투과성의 문제가 존재한다.Conventional commercialized graphite separators have corrosion resistance and good electrical conductivity, but they are resistant to mechanical shock or vibration and must maintain a thickness of more than a certain level. This causes a decrease in the efficiency of the fuel cell stack and a problem of high cost, There is a problem of gas permeability.
이를 해결하기 위해 최근 고분자 수지 및 전도성 섬유를 포함하는 고분자 복합재료 분리판이 사용되고 있으나, 이러한 고분자 복합재료 분리판은 요구되는 전기전도도 및 열전도도를 만족하기 위해서는 도전성 섬유 외에도 다량의 도전성 필러 등을 별도로 첨가해야 한다.
In order to solve this problem, a polymer composite separator plate including a polymer resin and a conductive fiber has recently been used. However, in order to satisfy the required electric conductivity and thermal conductivity, such a polymer composite separator plate requires addition of a large amount of conductive filler Should be.
본 발명의 일 구현예에서, 우수한 전기 전도성, 우수한 기계적 물성, 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현하는 연료 전지용 분리판을 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell which realizes excellent electrical conductivity, excellent mechanical properties, excellent productivity and excellent processability.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 연료 전지용 분리판의 제조방법을 제공한다.
In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing the separator plate for a fuel cell is provided.
그러나, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
However, the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 구현예에서, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고, 상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된 연료 전지용 분리판을 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell comprising a unit structure layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler and an impregnated resin, wherein a concentration gradient of the conductive filler is formed in a thickness direction of the unit structure layer .
그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 상하부면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.
Accordingly, the separator for a fuel cell has a low contact resistance at the upper and lower surfaces and has a high electrical conductivity, thereby realizing excellent electrical characteristics. In addition, since the conductive filler is not contained in a large amount, the bending strength is appropriately formed, There is an advantage to be implemented.
상기 단위 구조층의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다.
In the thickness direction of the unit structure layer, a concentration gradient may be formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness.
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.The unit structural layer including both surfaces perpendicular to the thickness direction and having a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction toward the thickness center from each surface, And a second thickness region, wherein the total sum of the conductive fillers present in the first thickness region and the second thickness region is, for example, a total weight of the conductive filler included in the unit structural layer (110) To about 100%, and more specifically from about 70% to about 90%.
그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 더욱 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.
Accordingly, the separator for a fuel cell can realize both excellent electrical properties and excellent mechanical properties at the same time.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.
The conductive filler may be present in an amount of about 5 wt% to about 15 wt% of the whole unit structural layer. By incorporating the content within the above range, the electrical properties of the separator for a fuel cell can be improved, and the bending strength can be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties without breaking.
상기 연료 전지용 분리판은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 300S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다.
The separator for a fuel cell may have a contact resistance of, for example, about 5 m? · Cm 2 to about 50 m? · Cm 2 , specifically about 5 m? · Cm 2 to about 20 m? · Cm 2 , , About 50 S / cm to about 300 S / cm, and specifically about 100 S / cm to about 200 S / cm.
상기 연료 전지용 분리판의 골곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
The crest strength of the separator for a fuel cell may be about 20 MPa to about 50 MPa. In the case of less than about 20 MPa, it is difficult to withstand the injection pressure of the fuel gas at the time of driving the fuel cell, and it can be easily damaged by the vibration generated in the running of the vehicle It can be damaged.
상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기 전도성, 우수한 기계적 물성, 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
The separator for a fuel cell can realize excellent electrical conductivity, excellent mechanical properties, excellent productivity, and excellent processability.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료 전지용 분리판의 제조방법의 개략적인 공정 흐름도이다.
1 is a schematic perspective view of a separator plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic cross-sectional view of a separator plate for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic process flow diagram of a method of manufacturing a separator plate for a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains. The present invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.In the drawings, the thickness is enlarged to clearly represent the layers and regions. In the drawings, for the convenience of explanation, the thicknesses of some layers and regions are exaggerated.
이하에서 기재의 상부 (또는 하부) 또는 기재의 상 (또는 하)에 임의의 구성이 형성된다는 것은, 임의의 구성이 상기 기재의 상면 (또는 하면)에 접하여 형성되는 것을 의미할 뿐만 아니라, 상기 기재와 기재 상에 (또는 하에) 형성된 임의의 구성 사이에 다른 구성을 포함하지 않는 것으로 한정하는 것은 아니다.
Hereinafter, formation of an arbitrary structure in the upper part (or lower part) or the upper part (or lower part) of the substrate means not only that an arbitrary constitution is formed in contact with the upper surface (or lower surface) of the substrate, And any configuration formed on (or under) the substrate.
본 발명의 일 구현예에서, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 포함하고, 상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된 연료 전지용 분리판을 제공한다. In one embodiment of the present invention, there is provided a separator for a fuel cell comprising a unit structure layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler and an impregnated resin, wherein a concentration gradient of the conductive filler is formed in a thickness direction of the unit structure layer .
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판(100)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연료 전지용 분리판(100)의 개략적인 단면도이다.FIG. 1 is a schematic perspective view of a
일반적으로, 연료 전지에 사용되는 분리판은 전도성 필러가 포함된 열가소성 수지 조성물로 필름을 형성하고, 상기 필름을 탄소섬유 직물의 적어도 일 면에 적층한 후 열 압착하여 연료 전지용 분리판을 제조하거나, 또는 전도성 필러가 포함된 열가소성 수지에 탄소섬유 직물을 침지한 후 건조시켜 제조하고 있다.In general, a separator used in a fuel cell is formed by forming a film with a thermoplastic resin composition containing a conductive filler, laminating the film on at least one surface of the carbon fiber fabric, thermo-compressing the separator to manufacture a separator for a fuel cell, Or a conductive filler in a thermoplastic resin, followed by drying.
다만, 전술한 바와 같이 전도성 필러가 대체로 균일하게 분산되는 경우 분리판의 상하부면에서 상대적으로 접촉 저항이 높고 전기 전도도가 낮아, 전기적 특성이 충분하지 못한 문제가 있다. 게다가, 이를 해결하기 위해 전도성 필러의 함량을 다량으로 첨가하는 경우 분리판의 굴곡 강도가 저하되어 기계적 물성이 열등할 수 있다.However, when the conductive filler is dispersed substantially uniformly as described above, the contact resistance is relatively high at the upper and lower surfaces of the separator plate, the electric conductivity is low, and the electrical characteristics are not sufficient. In addition, when a large amount of the conductive filler is added to solve this problem, the bending strength of the separator may be lowered and the mechanical properties may be inferior.
이에, 본 발명의 일 구현예에서는, 상기 연료 전지용 분리판(100)이 탄소섬유 직물, 전도성 필러(130) 및 함침 수지(140)를 포함하는 단위 구조층(110)을 포함하고, 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배가 형성될 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)은 상하부면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러(130)를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.In one embodiment of the present invention, the
또한, 금속 박막 등의 금속 재질을 포함하지 않아, 내부식성을 우수한 수준으로 구현하면서도 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 적층 및 열 압착의 공정에 의해 형성하므로 직물 내에 섬유를 분사하고 경화시키거나, 또는 별도의 탄화 공정 등을 거치지 않으므로 시간 및 비용을 절감하여 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
In addition, since it does not include a metal material such as a metal thin film, the corrosion resistance can be realized at an excellent level and light weight can be realized. Also, since the fibers are formed by the lamination and thermocompression bonding process, fibers are not injected into the fabric and cured, or a separate carbonization process or the like is not performed, so that time and cost can be reduced and excellent productivity and excellent processability can be realized.
일 구현예에서, 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러(130)의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다. In one embodiment, in the thickness direction of the unit
도 1에서는, 이해의 편의를 위해 상기 단위 구조층(110)의 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러(130)가 존재하는 각 영역의 명도를 두께 중심 영역의 명도에 비하여 어둡게 나타내었을 뿐, 여기서 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배가 표현되도록 이의 농도에 따라 명도를 달리하여 나타내지 아니하였다. 상기 전도성 필러(130)의 농도 구배는 도 2를 참조하여 이해될 수 있고, 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 전도성 필러(130)의 농도가 상기 단위 구조층(110)의 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 다만, 여기서 상기 탄소섬유 직물, 상기 전도성 필러(130)의 크기나 위치 등은 설명의 편의를 위해 간략히 또는 과장되게 나타내었다.1, the lightness of each region in which the
이와 같이, 상기 단위 구조층(110)의 양 표면 즉, 상하부면에서의 상기 전도성 필러(130)의 농도를 높게 형성함으로써 접촉 저항을 감소시키면서 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 동시에, 두께 중심 부분에서는 단단한 성질을 갖는 상기 전도성 필러(130)의 농도를 낮게 형성하여 상기 연료 전지용 분리판(100)의 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성할 수 있고, 그에 따라 부서짐 없이 장기간 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. Thus, by increasing the concentration of the
구체적으로, 상기 탄소섬유 직물(120)이 전기 전도성이 우수하기 때문에 상기 두께 중심 부분에서 상기 전도성 필러(130)의 농도를 낮게 형성함에도 불구하고 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성이 우수한 수준으로 구현될 수 있고, 또한, 상기 탄소섬유 직물(120)의 기계적 물성이 우수하여 상기 연료 전지용 분리판(100)의 기계적 물성도 향상될 수 있다.Specifically, since the
상기 단위 구조층(110)은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 일 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역; 및 다른 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제2 두께 영역;을 포함할 수 있다.Wherein the unit structural layer (110) includes both surfaces perpendicular to the thickness direction thereof and has a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction from the one surface toward the thickness center; And a second thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction toward the thickness center from the other surface.
이와 같이, 상기 단위 구조층(110)은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층(110)의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러(130)의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)에 포함된 상기 전도성 필러(130)의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.As such, the unit
이때, 상기 제1 두께 영역에 존재하는 전도성 필러(130)의 함량; 및 상기 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러(130)의 함량;은 동일하거나 상이할 수 있다.At this time, the content of the
상기 전도성 필러(130)의 전체 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 함량, 즉 약 50% 이상이 상기 제1 및 제2 두께 영역 내에 존재함으로써 도 2에 나타난 바와 같이, 상기 연료 전지용 분리판(100)의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러(130)의 함량이 더욱 높고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)은 더욱 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다. As shown in FIG. 2, the
즉, 예를 들어, 상기 단위 구조층(110)의 전체 두께 길이가 약 300㎛인 경우 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 약 15㎛ 내지 약 105㎛에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역에 존재하는 각각의 전도성 필러(130)의 함량의 총합이 상기 전도성 필러(130)의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%일 수 있다.That is, for example, when the total thickness of the unit
상기 탄소섬유 직물(120)이 상기 탄소섬유로 직조되어 형성되고, 상기 탄소섬유가 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유; 탄소 나노섬유; 활성 탄소섬유; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The
상기 함침 수지(140)가 열가소성 수지일 수 있고, 상기 열가소성 수지가 예를 들어, 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리프로필렌(polyprooylene), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate), 폴리부틸렌테레프탈레이트(polybutyleneterephthalate), 폴리우레아(polyurea), 폴리염화비닐(polyvinylchloride), 폴리비닐아세테이트(polyvinylacetate), 에틸렌비닐아세테이트(ethylenevinylacetate), 멜라민(melamine), 페놀(phenol), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide), 폴리아마이드(polyamide), 폴리이이드(polyimide), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 아크릴(acryl), 액정고분자(Liquid Crystalline Polymer), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The impregnated
또한, 상기 전도성 필러(130)가 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 흑연, 그라핀(graphene), 흑연 나노 섬유(graphite nanofiber, GNF), 플러렌, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The
일 구현예에서, 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140) 대 상기 탄소섬유의 중량비가 약 1:3 내지 약 1:8.4일 수 있다. 상기 범위 내의 중량비로 포함함으로써 금속 재질을 포함하지 않고서도 전기적 물성을 높은 수준으로 구현하면서도 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. In one embodiment, the weight ratio of the
또한, 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140) 대 상기 전도성 필러(130)의 중량비가 약 1:0.25 내지 약 1:1.5일 수 있다. 상기 범위 내의 중량비로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 충분히 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 또한, 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. The weight ratio of the impregnated
상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 함침 수지(140)의 함량이 약 10 중량% 내지 약 25 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 탄소섬유 직물(120)의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.The content of the impregnated
상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 내지 약 84 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 미만인 경우 전기 전도성 및 기계적 물성이 저하되고, 약 84% 초과의 경우 상기 함침 수지(140)에 의해 기공이 충분히 메워지지 않으므로 기체 투과율이 열등하면서 표면을 평탄하게 형성하기 어려워 접촉 저항이 증가하는 문제가 있다.The content of the carbon fibers in the entire unit
상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 전도성 필러(130)의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.The
상기 단위 구조층(110)이 전도성 고분자를 더 포함할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판(100)의 전기적 물성을 향상시킬 수 있다.The
반면, 탄소섬유 직물(120)들의 사이에 금속 박막 등을 포함하는 경우 이들 간의 부착성이 낮아 사용함에 따라 균열, 틈새 등이 쉽게 발생하여 내구성이 저하될 수 있다. On the other hand, when a metal thin film or the like is included between the
상기 전도성 고분자가 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리피롤계 고분자, 폴리프렌계 고분자, 폴리아세틸렌계, 폴리페닐렌계, 폴리페닐렌비닐렌계, 폴리아센계, 폴리티오펜비닐렌계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. Wherein the conductive polymer is selected from the group consisting of a polyaniline polymer, a polythiophene polymer, a polypyrrole polymer, a polyphenylene polymer, a polyacetylene polymer, a polyphenylene polymer, a polyphenylene vinylene polymer, a polyacene polymer, a polythiophene vinyl polymer, But it is not limited thereto.
상기 전도성 고분자를 포함하는 경우 상기 단위 구조층(110) 전체 중 상기 전도성 고분자의 함량이 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함함으로써 상기 각 단위 구조층(110) 간의 계면에서 충분히 우수한 전기적 물성을 구현하면서도 비용을 불필요하게 증가시키지 않을 수 있다.When the conductive polymer is included, the content of the conductive polymer in the unit
상기 직물 및 상기 단위 구조층(110)의 두께비가 약 1:0.9 내지 약 1:1.4일 수 있다. 상기 범위 내의 두께비를 가짐으로써 상기 직물 및 상기 단위 구조층(110) 간의 두께 차이를 더욱 작은 수준으로 형성하거나, 또는 이들의 두께를 실질적으로 동일하게 형성할 수 있고, 그에 따라 연료 전지용 분리판(100)의 상하부면에서 우수한 전기적 물성을 구현할 수 있다. 후술하는 제조방법에 기재된 바와 같이, 상기 단위 구조층(110)은 열 압착에 의해 형성할 수 있고, 그에 따라 상기 함침 수지(140)의 함량이 상대적으로 적은 경우 상기 직물의 두께보다 감소할 수 있고, 상기 함침 수지(140)의 함량이 보다 많은 경우에는 상기 직물의 두께보다 증가할 수도 있다.The thickness ratio of the fabric and the unit
예를 들어, 상기 직물은 KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛일 수 있고, 상기 단위 구조층(110)의 두께는 약 180㎛ 내지 약 560㎛ 수 있다. 이때, 상기 연료 전지용 분리판(100)이 상기 단위 구조층(110)을 하나로 포함하는 경우 상기 연료 전지용 분리판(100)의 두께는 상기 단위 구조층(110)의 두께와 동일할 수 있다. For example, the fabric may have a thickness of about 200 탆 to about 400 탆 measured according to the conditions of KS K 0506, and the thickness of the unit
상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 이를 포함하는 연료 전지용 분리판(100)을 사용할 경우 연료 전지 또는 단위 전지의 규격을 지나치게 증가시키지 않으면서 절연 유지를 위한 분리 성능을 충분히 구현할 수 있다. When the
일 구현예에서, 상기 연료 전지용 분리판(100)은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 300S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다. 상기 범위 내의 낮은 수준의 접촉 저항 및 상기 범위 내의 높은 수준의 전기 전도도를 구현함으로써 우수한 전기적 물성을 구현하여 에너지 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.In one embodiment, the
이와 동시에, 상기 연료 전지용 분리판(100)의 골곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
At the same time, the crest strength of the
도 3은 본 발명의 다른 구현예에 따른 상기 연료 전지용 분리판의 제조방법의 공정흐름도를 개략적으로 나타낸다. 3 schematically shows a process flow chart of a method of manufacturing the separator for fuel cells according to another embodiment of the present invention.
상기 제조방법은 전도성 필러 함유 코팅층/적어도 일면에 수지층이 형성된 탄소섬유 직물층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성하는 단계(S1); 및 상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성하는 단계(S2);를 포함할 수 있다. (S1) forming a laminate including a conductive filler-containing coating layer / a laminate structure of a carbon fiber cloth layer / conductive filler-containing coating layer having a resin layer formed on at least one surface thereof; And thermally bonding the laminate to form a unit structural layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin (S2).
상기 제조방법에 따라 일 구현예에서 전술한 연료 전지용 분리판이 제조될 수 있고, 상기 탄소섬유 직물, 상기 전도성 필러 및 상기 함침 수지는 일 구현예에서 전술한 바와 같다.According to the above manufacturing method, the above-described separator for a fuel cell can be produced in one embodiment, and the carbon fiber fabric, the conductive filler and the impregnation resin are as described above in one embodiment.
상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성되도록 제조될 수 있다.The unit structure layer may be manufactured such that a concentration gradient of the conductive filler is formed in the thickness direction.
그에 따라, 상기 연료 전지용 분리판은 상하부면에서 접촉 저항이 낮고 전기 전도도가 높아 우수한 전기적 특성을 구현함과 동시에, 상기 전도성 필러를 다량으로 포함하지 않아 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있는 이점이 있다.Accordingly, the separator for a fuel cell has low contact resistance and high electrical conductivity to provide excellent electrical characteristics at the upper and lower surfaces, and at the same time, it does not contain a large amount of the conductive filler, thereby forming an appropriate level of bending strength, There is an advantage to be implemented.
또한, 금속 박막 등의 금속 재질을 포함하지 않아, 내부식성을 우수한 수준으로 구현하면서도 경량화를 실현할 수 있다. 또한, 적층 및 열 압착의 공정에 의해 형성하므로 직물 내에 섬유를 분사하고 경화시키거나, 또는 별도의 탄화 공정 등을 거치지 않으므로 시간 및 비용을 절감하여 우수한 생산성 및 우수한 공정성을 구현할 수 있다.
In addition, since it does not include a metal material such as a metal thin film, the corrosion resistance can be realized at an excellent level and light weight can be realized. Also, since the fibers are formed by the lamination and thermocompression bonding process, fibers are not injected into the fabric and cured, or a separate carbonization process or the like is not performed, so that time and cost can be reduced and excellent productivity and excellent processability can be realized.
상기 제조방법에서, 전도성 필러 함유 코팅층/적어도 일면에 수지층이 형성된 탄소섬유 직물층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성할 수 있고, 상기 수지층은 상기 탄소섬유 직물층의 일면 또는 양면상에 형성될 수 있다. 즉, 순차적으로, 전도성 필러 함유 코팅층, 수지층, 탄소섬유 직물층, 전도성 필러 함유 코팅층이 적층되거나 또는 순차적으로, 전도성 필러 함유 코팅층, 수지층, 탄소섬유 직물층, 수지층, 전도성 필러 함유 코팅층이 적층된 적층 구조를 포함하는 적층체를 형성할 수 있다.In the above manufacturing method, it is possible to form a laminate including a conductive filler-containing coating layer / a laminated structure of a carbon fiber cloth layer / conductive filler-containing coating layer having a resin layer formed on at least one surface thereof, May be formed on one surface or both surfaces. That is, sequentially, a conductive filler-containing coating layer, a resin layer, a carbon fiber cloth layer, a resin layer, and a conductive filler-containing coating layer are sequentially laminated or laminated on a conductive filler-containing coating layer, a resin layer, a carbon fiber cloth layer, A laminate including a laminated laminated structure can be formed.
상기 제조방법에서, 탄소섬유를 직조하여 KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛이 되도록 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있고, 예를 들어, 상기 탄소섬유의 평균 직경은 약 1㎛ 내지 약 10㎛일 수 있다.The method may further include preparing the carbon fiber cloth layer so that the carbon fiber is woven to have a thickness of about 200 탆 to about 400 탆 measured according to KS K 0506, , And the average diameter of the carbon fibers may be about 1 탆 to about 10 탆.
이와 같이, 상기 탄소섬유의 평균 직경 및 상기 직물의 두께 등을 조절하여, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 탄소섬유가 차지하는 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. By adjusting the average diameter of the carbon fibers, the thickness of the fabric, and the like, the content of the carbon fibers in the entire unit structural layer can be appropriately adjusted, and the electrical properties, gas permeability And the contact resistance can be both realized at a superior level.
상기 제조방법에서, 상기 직물의 상하부면에 전도성 고분자 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%, 바인더 수지 약 1 중량% 내지 약 10 중량% 및 수계 용제를 포함하는 제1 조성물을 코팅하여, 전도성 고분자 함유 코팅층이 형성된 직물로 상기 탄소섬유 직물층을 준비할 수 있다. In the above manufacturing method, a first composition containing about 0.01 wt% to about 1 wt% of a conductive polymer, about 1 wt% to about 10 wt% of a binder resin, and an aqueous solvent is coated on the upper and lower surfaces of the fabric, The carbon fiber fabric layer may be prepared from a fabric having a coating layer formed thereon.
상기 전도성 고분자는 일 구현예에서 전술한 바와 같고, 상기 수계 용제는 이소프로필 알코올, n-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.The conductive polymer is as described above in one embodiment, and the aqueous solvent may include, but is not limited to, isopropyl alcohol, n-pentanol, 4-methyl-2-pentanol and the like.
그에 따라, 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시킬 수 있다.Accordingly, the electrical properties of the separator for a fuel cell can be improved.
상기 바인더 수지가 예를 들어, 폴리스타이렌 술폰산, 폴리비닐알콜, 폴리에스테르, 폴리우레탄, 아크릴계 수지 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The binder resin may include, for example, polystyrene sulfonic acid, polyvinyl alcohol, polyester, polyurethane, acrylic resin, and the like, but is not limited thereto.
또한, 상기 탄소섬유 직물층의 일면 또는 양면 상에 약 40㎛ 내지 약 80㎛의 두께로 형성된 열가소성 수지 필름을 적층하여 상기 수지층을 형성할 수 있다. 상기 열가소성 수지 필름은 열가소성 수지로 형성될 수 있고, 상기 열가소성 수지는 일 구현예에서 전술한 바와 같다.The resin layer may be formed by laminating a thermoplastic resin film having a thickness of about 40 탆 to about 80 탆 on one surface or both surfaces of the carbon fiber cloth layer. The thermoplastic resin film may be formed of a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin is as described above in one embodiment.
이와 같이, 상기 수지층의 두께 등을 조절하여 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 탄소섬유 직물의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.Thus, by controlling the thickness of the resin layer, the content of the impregnated resin in the entire unit structural layer can be appropriately adjusted, thereby sufficiently filling the void space of the carbon fiber fabric, thereby preventing mixing of the reactive gas, The electrical properties of the battery separator plate may not be deteriorated.
또한, 상기 제조방법에서, 예를 들어, 전도성 필러 약 5 중량% 내지 약 30 중량% 및 용제 약 70 중량% 내지 약 95 중량%를 포함하는 제2 조성물을 코팅하여, 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비하는 단계;를 더 포함할 수 있다. Also, in the above manufacturing method, a second composition containing, for example, about 5 wt% to about 30 wt% of a conductive filler and about 70 wt% to about 95 wt% of a solvent is coated to prepare the conductive filler- The method further comprising the steps of:
이와 같이, 제2 조성물에 포함된 상기 전도성 필러의 함량 및 상기 전도성 필러 함유 코팅층의 두께 등을 조절하여, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량을 적절히 조절할 수 있고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. The content of the conductive filler contained in the second composition, the thickness of the conductive filler-containing coating layer, and the like can be adjusted to appropriately control the content of the conductive filler in the entire unit structural layer, The electrical properties of the plate are improved and the bending strength is formed at an appropriate level, so that excellent mechanical properties can be realized without breakage.
예를 들어, 상기 탄소섬유 직물층의 상기 수지층이 형성된 면의 상부 또는 하부에 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층하는 경우 상기 수지층의 일면 상에 상기 제2 조성물을 코팅하여 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층할 수 있다. For example, when the conductive filler-containing coating layer is laminated on the upper or lower surface of the carbon fiber cloth layer on which the resin layer is formed, the second composition is coated on one surface of the resin layer to form the conductive filler- Can be stacked.
한편, 상기 탄소섬유 직물층의 상기 수지층이 형성되지 않은 면 상에 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 적층하는 경우에는 이형 필름의 일면 상에 상기 제2 조성물을 코팅하여 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비한 후 상기 탄소섬유 직물층의 일면 상에 상기 전도성 필러 함유 코팅층이 접하도록 하여 적층할 수 있다. 상기 이형 필름은 제조 공정상 필요한 시기에 적절히 제거될 수 있다.On the other hand, when the conductive filler-containing coating layer is laminated on the surface of the carbon fiber cloth layer on which the resin layer is not formed, the conductive composition-containing coating layer is prepared by coating the second composition on one surface of the release film, The conductive filler-containing coating layer may be in contact with one surface of the carbon fiber fabric layer to be laminated. The release film can be appropriately removed at a necessary time in the manufacturing process.
상기 이형 필름은 이 기술분야에서 공지된 종류를 사용할 수 있고, 예를 들어, 테플론 필름(Teflon film), 나일론 필름(Nylon film), PVC 필름(PVC film), 실리콘 필름 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 재질로 형성될 수 있다. The release film may be of a kind known in the art, and may be formed of, for example, a Teflon film, a nylon film, a PVC film, a silicone film, And at least one material selected from the group consisting of
상기 용제는 예를 들어, 유기 용제일 수 있고, 톨루엔, 이소프로필알코올(IPA), 크실렌, 디에틸렌글리콜모노부틸에테르, 디에틸케톤, 메틸부틸케톤, 디프로필케톤, 시클로헥사논, n-펜탄올, 4-메틸-2-펜탄올, 시클로헥산올 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. The solvent may be, for example, an organic solvent and may be selected from the group consisting of toluene, isopropyl alcohol (IPA), xylene, diethylene glycol monobutyl ether, diethyl ketone, methyl butyl ketone, dipropyl ketone, cyclohexanone, But are not limited to, at least one selected from the group consisting of allyl, 4-methyl-2-pentanol, cyclohexanol, and combinations thereof.
상기 전도성 필러 함유 코팅층을 준비하는 단계에서, 예를 들어, 상기 제2 조성물을 코팅한 후 약 50℃ 내지 약 100℃에서 약 5분 내지 약 20분 동안 건조시켜 상기 용제를 휘발시키면서 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성할 수 있으나, 상기 온도 및 시간 조건은 발명의 목적 및 용도에 따라 적절히 변경될 수 있다. In the step of preparing the conductive filler-containing coating layer, for example, the second composition is coated and then dried at about 50 ° C to about 100 ° C for about 5 minutes to about 20 minutes to volatilize the solvent, Coating layer may be formed, but the temperature and time conditions may be appropriately changed according to the purpose and use of the invention.
또한, 코팅 방법으로서, 예를 들어, 코팅의 방법은 디핑법, 정회전 롤코터법, 리버스 롤코터법, 그라비어 코터법, 나이프 코터법, 브레이드 코터법, 롯드 코터법, 에어독터 코터법, 커테인 코터법, 파운딩 코터법 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. As the coating method, for example, the coating method can be selected from the group consisting of a dipping method, a forward rotation roll coater method, a reverse roll coater method, a gravure coater method, a knife coater method, a blade coater method, a rod coater method, Method, a pounding coater method, or the like may be used, but the present invention is not limited thereto.
상기 전도성 필러 함유 코팅층의 두께는 예를 들어, 약 10㎛ 내지 약 80㎛일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.The thickness of the conductive filler-containing coating layer may be, for example, from about 10 탆 to about 80 탆, but is not limited thereto.
상기 제조방법에서, 상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 열 압착에 의해 상기 탄소섬유 직물 안으로 상기 전도성 필러 및 상기 함침 수지가 스며들거나 침투되어 함침될 수 있다.In the above manufacturing method, the laminate may be thermally pressed to form a unit structure layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin. The conductive filler and the impregnated resin may be impregnated or impregnated into the carbon fiber fabric by the thermocompression.
상기 열 압착은 핫프레스에 의해 약 180℃ 내지 약 250℃의 온도에서 약 50kg/㎠ 내지 약 300kg/㎠의 압력으로 수행될 수 있다. 상기 범위 내의 조건으로 열 압착을 수행함으로써 상기 수지층이 용융되면서 이로부터 흘러나온 함침 수지 및 상기 전도성 필러 함유 코팅층이 용융되면서 이로부터 흘러나온 전도성 필러가 상기 탄소섬유 직물로 스며들거나 침투되어 충분히 함침되도록 할 수 있다. The thermocompression may be performed by hot pressing at a temperature of about 180 캜 to about 250 캜 at a pressure of about 50 kg / cm 2 to about 300 kg / cm 2. The resin layer is melted so that the impregnated resin flowing therefrom and the conductive filler-containing coating layer are melted so that the conductive filler flowing therefrom is impregnated or impregnated with the carbon fiber fabric so as to be sufficiently impregnated. can do.
이 때, 상기 전도성 필러는 상기 탄소섬유 직물의 양 표면에서부터 두께 중심 방향으로 스며들어 함침되고, 상기 전도성 필러가 스며들거나 침투하는 정도는 두께 중심 방향으로 갈수록 작아지기 때문에 상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성될 수 있다.At this time, the conductive filler is impregnated and impregnated from both surfaces of the carbon fiber fabric toward the center of the thickness, and the extent to which the conductive filler seeps or penetrates becomes smaller toward the center of the thickness, , A concentration gradient may be formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces toward the center of the thickness.
이와 같이, 상기 단위 구조층의 양 표면 즉, 상하부면에서의 상기 전도성 필러의 농도를 높게 형성함으로써 접촉 저항을 감소시키면서 전기 전도도를 증가시킬 수 있다. 또한, 이와 동시에, 두께 중심 부분에서는 단단한 성질을 갖는 상기 전도성 필러의 농도를 낮게 형성하여 상기 연료 전지용 분리판의 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성할 수 있고, 그에 따라 부서짐 없이 장기간 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다. Thus, by increasing the concentration of the conductive filler on both surfaces of the unit structure layer, that is, on the upper and lower surfaces, the electrical conductivity can be increased while reducing the contact resistance. In addition, at the same time, the concentration of the conductive filler having a rigid property at the center of the thickness can be made low, so that the bending strength of the separator for fuel cells can be formed at an appropriate level, and excellent mechanical properties for a long period of time can be realized have.
구체적으로, 상기 탄소섬유 직물이 전기 전도성이 우수하기 때문에 상기 두께 중심 부분에서 상기 전도성 필러의 농도를 낮게 형성함에도 불구하고 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성이 우수한 수준으로 구현될 수 있고, 또한, 상기 탄소섬유 직물의 기계적 물성이 우수하여 상기 연료 전지용 분리판의 기계적 물성도 향상될 수 있다.Specifically, since the carbon fiber fabric has excellent electrical conductivity, the electrical property of the separator for a fuel cell can be realized at a satisfactory level even though the concentration of the conductive filler is low at the center of the thickness, The mechanical properties of the carbon fiber fabric are excellent and the mechanical properties of the separator for a fuel cell can be improved.
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 일 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역; 및 다른 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제2 두께 영역;을 포함할 수 있다.The unit structure layer including both surfaces perpendicular to the thickness direction thereof and having a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction from the one surface toward the thickness center; And a second thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length in a direction toward the thickness center from the other surface.
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 약 5% 내지 약 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 예를 들어, 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%가 되도록 제조될 수 있고, 구체적으로는 약 70% 내지 약 90%가 되도록 제조될 수 있다.The unit structural layer including both surfaces perpendicular to the thickness direction and having a first thickness region corresponding to about 5% to about 35% of the total thickness length of the unit structural layer in a direction toward the thickness center from each surface, And a second thickness region, wherein the sum of the conductive fillers present in the first thickness region and the second thickness region, respectively, is less than about 50% of the total weight of the conductive filler included in the unit structure layer, % To about 100%, and specifically about 70% to about 90%.
이때, 상기 제1 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량; 및 상기 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량;은 동일하거나 상이할 수 있다.At this time, the content of the conductive filler present in the first thickness region; And the content of the conductive filler existing in the second thickness region may be the same or different.
상기 전도성 필러의 전체 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 함량, 즉 약 50% 이상이 상기 제1 및 제2 두께 영역 내에 존재함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러의 함량이 더욱 높고, 그에 따라 상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.Wherein a high content of the conductive filler in the range of about 50% or more is present in the first and second thickness regions based on the total weight of the conductive filler, So that the separator for a fuel cell can realize excellent electrical properties and excellent mechanical properties at the same time.
상기 전도성 필러의 총 중량을 기준으로 상기 범위 내의 높은 수준의 함량이 상기 두께 범위 내에 존재함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면 부분이 중심 부분에 비해 상기 전도성 필러의 함량이 더욱 높으므로 상기 연료 전지용 분리판은 우수한 전기적 물성 및 우수한 기계적 물성을 동시에 구현할 수 있다.Since the content of the conductive filler on both surface portions of the separator for fuel cells is higher than that of the central portion due to the presence of the high level content within the above range within the above range of the total weight of the conductive filler, The board can simultaneously realize excellent electrical properties and excellent mechanical properties.
예를 들어, 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이가 약 300㎛인 경우 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 약 15㎛ 내지 약 105㎛에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역에 존재하는 각각의 전도성 필러의 함량의 총합이 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 약 50% 내지 약 100%가 되도록 제조될 수 있다.For example, if the total thickness of the unit structural layer is about 300 占 퐉, the first thickness region and the second thickness region corresponding to about 15 占 퐉 to about 105 占 퐉 in the direction from the respective surfaces toward the thickness center, The total amount of each conductive filler may be from about 50% to about 100% of the total weight of the conductive filler.
전술된 상기 각 층들의 두께 및 열 압착의 공정 조건 등을 적절히 조절하여, 상기 직물 및 상기 단위 구조층의 두께비가 약 1:0.9 내지 약 1:1.4가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있고, 그에 따라 상기 직물 및 상기 단위 구조층 간의 두께 차이를 더욱 작은 수준으로 형성하거나, 또는 이들의 두께를 실질적으로 동일하게 형성할 수 있으므로 연료 전지용 분리판의 상하부면에서 우수한 전기적 물성을 구현할 수 있다. The thickness of each of the layers and the process conditions of thermocompression bonding may be appropriately adjusted to form the unit structure layer such that the thickness ratio of the fabric and the unit structure layer is about 1: 0.9 to about 1: 1.4, Accordingly, the difference in thickness between the fabric and the unit structural layer can be formed at a smaller level, or the thickness thereof can be made substantially the same, so that superior electrical properties can be realized on the upper and lower surfaces of the separator for fuel cells.
상기 직물은 전술한 바와 같이, KS K 0506의 조건에 따라 측정한 두께가 약 200㎛ 내지 약 400㎛일 수 있고, 상기 단위 구조층의 두께는 예를 들어, 약 180㎛ 내지 약 560㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The fabric may have a thickness of about 200 탆 to about 400 탆 measured according to the conditions of KS K 0506 and the thickness of the unit structure layer may be, for example, about 180 탆 to about 560 탆 However, the present invention is not limited thereto.
일 구현예에서 전술한 바와 같이, 상기 단위 구조층의 두께는 함침 수지의 함량에 따라 상기 직물의 두께에 비해 얇아지거나 또는 두꺼워질 수 있다.In one embodiment, as described above, the thickness of the unit structure layer may be thinner or thicker than the thickness of the fabric depending on the content of impregnated resin.
상기 제조방법에서, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 약 1:3 내지 약 1:8.4가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. In the above manufacturing method, the unit structural layer may be formed such that the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fibers in the entire unit structural layer is about 1: 3 to about 1: 8.4.
상기 범위 내의 중량비를 갖도록 형성함으로써 금속 재질을 포함하지 않고서도 전기적 물성을 높은 수준으로 구현하면서도 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. By providing a weight ratio within the above range, it is possible to realize a high level of electrical properties without containing a metal material, while realizing a gas permeability at a low level, thereby sufficiently preventing mixing of the reactant gas when the fuel cell is driven.
또한, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 약 1:0.25 내지 약 1:1.5가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. The unit structural layer may be formed such that the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the entire unit structural layer is about 1: 0.25 to about 1: 1.5.
상기 범위 내의 중량비를 갖도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 충분히 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 또한, 기체 투과율을 낮은 수준으로 구현하여 연료 전지의 구동시 반응 기체의 혼합을 충분히 방지할 수 있다. By forming the separator plate to have a weight ratio within the above range, the electrical properties of the separator plate for a fuel cell can be sufficiently improved and the bending strength can be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties. Further, The mixing of the reaction gas can be sufficiently prevented.
또한, 상기 제조방법에서, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 약 10 중량% 내지 약 25 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함되도록 형성함으로써 상기 탄소섬유 직물의 빈 공간을 충분히 메워 반응 기체의 혼합을 방지하면서도 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 저하시키지 않을 수 있다.In addition, in the above-described production method, the unit structural layer may be formed such that the content of the impregnated resin in the entire unit structural layer is about 10% by weight to about 25% by weight. The carbon fiber cloth can be sufficiently filled with the void space to prevent mixing of the reactive gas, and the electrical properties of the separator for fuel cells can be prevented from being lowered.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 내지 약 84 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함되도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성, 기체투과율 및 접촉 저항을 모두 우수한 수준으로 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소섬유의 함량이 약 60 중량% 미만인 경우 전기 전도성 및 기계적 물성이 저하되고, 약 84% 초과의 경우 상기 함침 수지에 의해 기공이 충분히 메워지지 않으므로 기체 투과율이 열등하면서 표면을 평탄하게 형성하기 어려워 접촉 저항이 증가하는 문제가 있다.The unit structural layer may be formed such that the content of the carbon fibers in the entire unit structural layer is about 60 wt% to about 84 wt%. The electrical properties, gas permeability and contact resistance of the separator for a fuel cell can be realized at a high level by forming the separator in a content within the above range. Specifically, when the content of the carbon fiber is less than about 60 wt%, the electrical conductivity and the mechanical properties are deteriorated. When the carbon fiber content is more than about 84 wt%, the pores are not sufficiently filled by the impregnated resin, There is a problem that the contact resistance is increased.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 필러의 함량이 약 5 중량% 내지 약 15 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함하도록 형성함으로써 상기 연료 전지용 분리판의 전기적 물성을 향상시키면서도 굴곡 강도를 적절한 수준으로 형성하여 부서짐 없이 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있다.The unit structural layer may be formed such that the content of the conductive filler in the entire unit structural layer is about 5 wt% to about 15 wt%. By providing such a content within the above range, the electrical properties of the separator for a fuel cell can be improved, and the bending strength can be formed at an appropriate level to realize excellent mechanical properties without breaking.
전술한 바와 같이, 상하부면 상에 전도성 고분자 함유 코팅층이 형성된 직물로 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 경우에는 상기 단위 구조층 전체 중 상기 전도성 고분자의 함량이 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%가 되도록 상기 단위 구조층을 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함하도록 형성함으로써 상기 각 단위 구조층 간의 계면에서 충분히 우수한 전기적 물성을 구현하면서도 비용을 불필요하게 증가시키지 않을 수 있다.As described above, when the carbon fiber cloth layer is prepared with the fabric having the conductive polymer-containing coating layer formed on the upper and lower surfaces thereof, the content of the conductive polymer in the whole unit structure layer may be about 0.01 wt% to about 1 wt% The unit structure layer can be formed. By including the components within the above range, it is possible to realize a sufficiently good electrical property at the interface between the respective unit structure layers, without increasing the cost unnecessarily.
상기 제조방법에 따라 제조된 연료 전지용 분리판은 접촉 저항이 예를 들어, 약 5mΩ·cm2 내지 약 50mΩ·cm2이고, 구체적으로는 약 5mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 전기전도도가 예를 들어, 약 50S/cm내지 약 30S/cm일 수 있고, 구체적으로는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있다. 상기 범위 내의 낮은 수준의 접촉 저항 및 상기 범위 내의 높은 수준의 전기 전도도를 구현함으로써 우수한 전기적 물성을 구현하여 에너지 효율이 효과적으로 향상될 수 있다.The fuel cell bipolar plate manufactured according to the manufacturing method, the contact resistance, for example, from about 5mΩ · cm 2 to about 50mΩ · cm 2, specifically, may 2 be about 5mΩ · cm 2 to about 20mΩ · cm, The electrical conductivity may be, for example, from about 50 S / cm to about 30 S / cm, and specifically about 100 S / cm to about 200 S / cm. By implementing a low level of contact resistance within this range and a high level of electrical conductivity within this range, excellent electrical properties can be realized and energy efficiency can be effectively improved.
이와 동시에, 상기 연료 전지용 분리판의 굴곡 강도는 약 20MPa 내지 약 50MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 우수한 기계적 물성을 구현할 수 있고, 구체적으로 약 20MPa 미만인 경우 연료 전지의 구동시 연료 가스의 주입 압력을 견디기 어려워 손상될 수 있고, 차량의 운행시 발생하는 진동에 의해서도 쉽게 손상될 수 있다.
At the same time, the bending strength of the separator for fuel cells may be about 20 MPa to about 50 MPa. In the case of less than about 20 MPa, it is difficult to withstand the injection pressure of the fuel gas at the time of driving the fuel cell, and it can be easily damaged by the vibration generated in the running of the vehicle It can be damaged.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하고, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.
Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described. However, the embodiments described below are only intended to illustrate or explain the present invention, and the present invention should not be limited thereto.
실시예Example
실시예Example 1 One
평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 60㎛ 두께의 폴리프로필렌 수지 필름으로 수지층을 1개 준비하였다. 상기 수지층의 일면에 나이프 코터법에 의해 전도성 필러 20 중량% 및 용제 80 중량%를 포함하는 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였고, 테플론 필름의 일면에 나이프 코터법에 의해 상기 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였다.A fiber layer having a thickness of 300 mu m was prepared from carbon fibers having an average diameter of 5 mu m, and one resin layer was prepared from a polypropylene resin film having a thickness of 60 mu m. A composition containing 20% by weight of a conductive filler and 80% by weight of a solvent was coated on one side of the resin layer by a knife coater method and dried at 70 DEG C for 15 minutes to form a conductive filler- The composition was coated on one side of a Teflon film by a knife coater method and dried at 70 DEG C for 15 minutes to form a 20 mu m-thick conductive filler-containing coating layer.
이어서, 전도성 필러 함유 코팅층/수지층/섬유층/전도성 필러 함유 코팅층/테플론 필름의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성하고, 상기 테플론 필름을 제거함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminate structure of a conductive filler-containing coating layer / resin layer / fiber layer / conductive filler-containing coating layer / Teflon film was formed, and the upper and lower surfaces, that is, both surfaces thereof were heated at a temperature of 200 ° C. and 142.76 kg / To form a unit structure layer. By removing the Teflon film, a separator for a fuel cell was manufactured. The total thickness of the separator for a fuel cell was 300 탆.
구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:6.0였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.5였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 14 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the whole unit structural layer was 1: 6.0, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the whole unit structural layer was 1: 0.5. The content of the impregnated resin in the whole was 14% by weight.
실시예 2 (함침 수지의 함량이 실시예 1에 비해 많음) Example 2 (content of impregnated resin is larger than that of Example 1)
평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 30㎛ 두께의 폴리프로필렌 수지 필름으로 수지층을 2개 준비하였다. 상기 각각의 수지층의 일면에 나이프 코터법을 사용하여, 전도성 필러 20 중량% 및 용제 80 중량%를 포함하는 제1 조성물을 코팅하고, 70℃에서 15분 동안 건조시켜 20㎛ 두께의 상기 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하였다.A fiber layer having a thickness of 300 mu m was prepared from carbon fibers having an average diameter of 5 mu m and two resin layers were prepared with a polypropylene resin film having a thickness of 30 mu m. A first composition containing 20% by weight of a conductive filler and 80% by weight of a solvent was coated on one surface of each of the resin layers using a knife coater method and dried at 70 DEG C for 15 minutes to form a conductive filler Containing coating layer was formed.
이어서, 전도성 필러 함유 코팅층/수지층/섬유층/수지층/전도성 필러 함유 코팅층의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 310㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminate structure of a conductive filler-containing coating layer / resin layer / fiber layer / resin layer / conductive filler-containing coating layer was formed, and the upper and lower surfaces, that is, both surfaces of the laminate were heated at a temperature of 200 ° C. and 142.76 kg / To form a unit structure layer, thereby producing a separator for a fuel cell. The total thickness of the separator for a fuel cell was 310 탆.
구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:3.3였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.6였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 25 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the whole unit structural layer was 1: 3.3, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the whole unit structural layer was 1: 0.6. The content of the impregnated resin in the whole was 25% by weight.
비교예 1 (별도의 전도성 필러 함유 코팅층을 형성하지 않고, 수지 조성물에 혼합한 경우) Comparative Example 1 (when no conductive filler-containing coating layer was formed and mixed into the resin composition)
평균 직경이 5㎛인 탄소섬유로 두께 300㎛의 섬유층을 준비하고, 폴리프로필렌 수지 13 중량% 및, 전도성 필러 6 중량%를 포함하는 수지 조성물로 형성한 두께 80㎛의 전도성 필름을 2개 준비하였다.A fiber layer having a thickness of 300 mu m made of carbon fibers having an average diameter of 5 mu m was prepared and two conductive films each having a thickness of 80 mu m formed of a resin composition containing 13 wt% of a polypropylene resin and 6 wt% of a conductive filler were prepared .
이어서, 전도성 필름/섬유층/전도성 필름의 적층 구조를 갖는 적층체를 형성하고, 상기 적층체의 상하부면 즉, 양 표면에 200℃의 온도 및 142.76kg/㎠의 압력 조건 하에 열 압착을 수행하여 단위 구조층을 형성함으로써 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.Subsequently, a laminate having a laminated structure of a conductive film / fiber layer / conductive film was formed, and thermocompression bonding was performed on the upper and lower surfaces of the laminate, that is, both surfaces at a temperature of 200 ° C and a pressure of 142.76 kg / A separator for a fuel cell was prepared by forming a structural layer, and the total thickness of the separator for a fuel cell was 300 mu m.
구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:2.2였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.1이었으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 15 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer was 1: 2.2, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the whole unit structural layer was 1: 0.1. The content of the impregnated resin was 15% by weight.
비교예 2 (비교예 1에 비해 전도성 필러의 함량을 적게 한 경우) Comparative Example 2 (when the content of the conductive filler was smaller than that of Comparative Example 1)
폴리프로필렌 수지 16 중량% 및, 전도성 필러 3 중량%를 포함하는 수지 조성물로 형성한 두께 80㎛의 전도성 필름을 2개 준비한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 조건 및 방법으로 연료 전지용 분리판을 제조하였고, 상기 연료 전지용 분리판의 총 두께는 300㎛였다.Except that two conductive films each having a thickness of 80 占 퐉 formed from a resin composition containing 16% by weight of a polypropylene resin and 3% by weight of a conductive filler were prepared and the separator for fuel cells was manufactured , And the total thickness of the separator for fuel cells was 300 m.
구체적으로, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:2.2였고, 또한 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.05였으며, 상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 16 중량%였다.
Specifically, the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the whole unit structural layer was 1: 2.2, and the weight ratio of the impregnated resin to the conductive filler in the whole unit structural layer was 1: 0.05. The content of the impregnated resin in the whole was 16% by weight.
평가evaluation
상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 따른 연료 전지용 분리판의 물성을 평가하여 하기 표 1에 기재하였다.
The physical properties of the separator for fuel cells according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were evaluated and are shown in Table 1 below.
실험예Experimental Example
실험예Experimental Example 1: 전도성 1: Conductivity 필러의Filler 농도 density 구배gradient
측정방법: 상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 따른 연료 전지용 분리판을 1cm x 1cm 크기의 시편으로 각각 2개씩 준비하였고, 이들에 대하여 ASTM D5630의 조건에 따라 600℃, 1 시간, 질소 분위기 하에서 애쉬 시험(ash test)를 수행하여 측정하였다.Measurement methods: Two separator plates for fuel cells according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 were prepared as test specimens each having a size of 1 cm x 1 cm. , And an ash test was performed in a nitrogen atmosphere.
그에 따라, 상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1, 2에 대한 각각의 2개의 시편에 대하여 함침 수지가 모두 연소되고 남겨진 시편 중 하나는 시편 전체에 포함된 전도성 필러의 함량을 측정하였고, 다른 하나는 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 100㎛ 두께 범위 내에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 채취하여, 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 포함된 전도성 필러의 함량을 각각 측정하였다.As a result, one of the specimens in which the impregnated resin was burned and remained on each of the two specimens for Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 was measured for the content of the conductive filler contained in the specimen as a whole, One taking a first thickness region and a second thickness region corresponding to a thickness of 100 mu m in a direction toward the center of the thickness from each surface and measuring a content of the conductive filler contained in the first thickness region and the second thickness region Respectively.
이어서, 전술한 바와 같이 측정한 전도성 필러의 전체 함량; 및 상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 포함된 전도성 필러의 함량의 총합;을 이용하여 백분율로 환산함으로써 농도 구배를 계산하였다.
Then, the total content of the conductive filler measured as described above; And the sum of the contents of the conductive fillers included in the first thickness region and the second thickness region, respectively, to calculate a concentration gradient.
실험예Experimental Example 2: 2: 굴곡강도Flexural strength
측정방법: ASTM D 790에 따라 굴곡강도 측정기(Instron 社, 5569A)을 사용하여 측정하였다.
Measurement method: Measured using a flexural strength meter (Instron, 5569A) according to ASTM D 790.
실험예Experimental Example 3: 전기전도도 및 접촉저항 3: Electrical Conductivity and Contact Resistance
측정방법: 미쯔비시(Misubishi chemical, Loresta-GP, 일본) 장비에 의해 4-탐침법(4-probe method)을 사용하여 측정하였다. Measurement method: Measured using a 4-probe method by Mitsubishi chemical (Loresta-GP, Japan).
구체적으로, 단위셀 체결을 위한 최적화된 상수를 얻기 위해 수정된 데이비드 방법(Davies method)을 사용하였고, 그에 따라 구리 플레이트에 대해 압력을 가한 경우, 연료 전지용 분리판과 카본 페이퍼(SGL 社, 10BA GDL(Gas Diffusion Layer)의 사이에 발생하는 접촉 저항을 측정하는 형태가 되도록 하였다. 또한, 전류공급장치(KIKUSUI 社)를 사용하여 상기 금속분리판에 전류를 공급하고, 0.5A의 진폭 및 25㎠의 전극면적을 가지는 DC 전류로서 5A를 인가하고, Multimeter(Fluke, 8808A)를 사용하여 전압을 측정하였다. Specifically, a modified David method (Davies method) was used to obtain optimized constants for unit cell closure, and when a pressure was applied to the copper plate, a separation plate for fuel cells and carbon paper (SGL, 10BA GDL (KIKUSUI) was used to supply the current to the metal separator, and an amplitude of 0.5 A and a current density of 25 cm < 2 > 5A was applied as a DC current having an electrode area, and the voltage was measured using a Multimeter (Fluke, 8808A).
또한, 상기 접촉 저항 측정기에서, 압축유지시험기(Instron 社, 5569A)를 사용하여 100N/cm2의 압력을 제공하여 측정을 진행하였다.
Further, in the contact resistance measuring instrument, measurement was carried out by providing a pressure of 100 N / cm 2 using a compression holding tester (Instron, 5569A).
(S/cm)Electrical conductivity
(S / cm)
(mΩ·cm2)Contact resistance
(m? cm 2 )
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 상기 실시예 1 및 2에 따른 연료 전지용 분리판은 제1 및 제2 두께 영역에 존재하는 전도성 필러의 함량의 총합이 상기 연료 전지용 분리판에 포함된 전도성 필러의 전체 중량의 50% 이상을 차지하고 있으므로 상기 연료 전지용 분리판의 양 표면에서 접촉 저항이 낮으면서 전기전도도가 높게 측정되었고, 이와 동시에 굴곡 강도가 모두 44 MPa 이상으로 기계적 물성 또한 우수함을 명확히 확인하였다.As shown in Table 1, in the separator for fuel cells according to Examples 1 and 2, the total amount of the conductive fillers existing in the first and second thickness regions was larger than the total amount of the conductive fillers included in the separator for fuel cells It was confirmed that the contact resistance was low at both surfaces of the separator for fuel cell and the electrical conductivity was high and at the same time the bending strength was all 44 MPa or more and the mechanical properties were also excellent.
반면, 상기 비교예 1 및 2에 따른 연료 전지용 분리판은 이의 양 표면에서 접촉 저항이 높으면서 전기전도도가 낮게 측정되어, 에너지 효율이 열등할 것을 명확히 예상할 수 있고, 상기 비교예 1의 경우 굴곡 강도도 상대적으로 낮았다.
On the other hand, it can be clearly expected that the separator for fuel cells according to Comparative Examples 1 and 2 has a low contact resistance and a low electrical conductivity, so that the energy efficiency is inferior. In Comparative Example 1, Were relatively low.
100: 연료 전지용 분리판
110: 단위 구조층
120: 직물
130: 전도성 필러
140: 함침 수지100: separator plate for fuel cell
110: unit structure layer
120: Fabrics
130: Conductive filler
140: impregnated resin
Claims (21)
상기 단위 구조층의 두께 방향에서 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성된
연료 전지용 분리판.
A carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin,
Wherein a concentration gradient of the conductive filler in the thickness direction of the unit structural layer is formed
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층의 두께 방향에서, 양 표면에서부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성된
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
A concentration gradient is formed such that the concentration of the conductive filler decreases from both surfaces to the center of the thickness in the thickness direction of the unit structural layer
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 5% 내지 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며,
상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 50% 내지 100%인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the unit structure layer includes both surfaces perpendicular to the thickness direction and has a first thickness region corresponding to 5% to 35% of the total thickness length of the unit structure layer in the direction toward the thickness center from each surface, 2 thickness region,
The sum of the conductive fillers present in the first thickness region and the second thickness region is 50% to 100% of the total weight of the conductive filler included in the unit structural layer
Separator plate for fuel cell.
접촉 저항이 5mΩcm2 내지 50mΩcm2이고,
전기전도도가 50S/cm내지 300S/cm인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
A contact resistance of 5 mΩ · cm 2 to 50 mΩ · cm 2 ,
Having an electric conductivity of 50 S / cm to 300 S / cm
Separator plate for fuel cell.
굴곡강도가 20MPa 내지 50MPa인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
When the flexural strength is 20 MPa to 50 MPa
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 탄소섬유의 중량비가 1:3 내지 1:8.4인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the impregnated resin to the carbon fiber in the entire unit structural layer is 1: 3 to 1: 8.4
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지 대 상기 전도성 필러의 중량비가 1:0.25 내지 1:1.5인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the weight ratio of the impregnation resin to the conductive filler in the whole unit structural layer is 1: 0.25 to 1: 1.5
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층 전체 중 상기 함침 수지의 함량이 10 중량% 내지 25 중량%인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the content of the impregnated resin in the entire unit structural layer is 10 wt% to 25 wt%
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층이 전도성 고분자를 더 포함하는
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the unit structure layer further comprises a conductive polymer
Separator plate for fuel cell.
상기 직물 및 상기 단위 구조층의 두께비가 1:0.9 내지 1:1.4인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the fabric and the unit structure layer have a thickness ratio between 1: 0.9 and 1: 1.4
Separator plate for fuel cell.
상기 단위 구조층의 두께는 약 180㎛ 내지 약 560㎛인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
The thickness of the unit structure layer is about 180 [mu] m to about 560 [
Separator plate for fuel cell.
상기 탄소섬유 직물이 상기 탄소섬유로 직조되어 형성되고,
상기 탄소섬유가 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 및 레이온(Rayon)계 탄소섬유; 탄소 나노섬유; 활성 탄소섬유; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
The carbon fiber fabric is formed by weaving with the carbon fiber,
The carbon fibers may be selected from the group consisting of PAN, pitch and rayon carbon fibers; Carbon nanofibers; Activated carbon fiber; And at least one selected from the group consisting of combinations thereof.
Separator plate for fuel cell.
상기 함침 수지가 열가소성 수지인
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
When the impregnating resin is a thermoplastic resin
Separator plate for fuel cell.
상기 전도성 필러가 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 탄소 나노튜브(carbon nanotube, CNT), 흑연, 그라핀(graphene), 흑연 나노 섬유(graphite nanofiber, GNF), 플러렌 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
연료 전지용 분리판.
The method according to claim 1,
Wherein the conductive filler is at least one selected from the group consisting of carbon black, acetylene black, carbon nanotube (CNT), graphite, graphene, graphite nanofiber (GNF), fullerene, Containing
Separator plate for fuel cell.
상기 전도성 고분자가 폴리아닐린계 고분자, 폴리티오펜계 고분자, 폴리피롤계 고분자, 폴리프렌계 고분자, 폴리아세틸렌계, 폴리페닐렌계, 폴리페닐렌비닐렌계, 폴리아센계, 폴리티오펜비닐렌계, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는
연료 전지용 분리판.
10. The method of claim 9,
Wherein the conductive polymer is selected from the group consisting of a polyaniline polymer, a polythiophene polymer, a polypyrrole polymer, a polyphenylene polymer, a polyacetylene polymer, a polyphenylene polymer, a polyphenylene vinylene polymer, a polyacene polymer, a polythiophene vinyl polymer, And at least one selected from the group consisting of
Separator plate for fuel cell.
상기 적층체를 열 압착하여, 탄소섬유 직물, 전도성 필러 및 함침 수지를 포함하는 단위 구조층을 형성하는 단계;
를 포함하는 연료 전지용 분리판의 제조방법.
Forming a laminate including a conductive filler-containing coating layer / a carbon fiber cloth layer having a resin layer formed on at least one side thereof / a conductive filler-containing coating layer; And
Thermally bonding the laminate to form a unit structure layer including a carbon fiber fabric, a conductive filler, and an impregnated resin;
And a separator for separating the fuel cell.
상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 상기 전도성 필러의 농도 구배가 형성되도록 제조되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The unit structure layer is manufactured such that, in the thickness direction, a concentration gradient of the conductive filler is formed
A method of manufacturing a separator plate for a fuel cell.
상기 단위 구조층은 두께 방향에서, 양 표면으로부터 두께 중심을 향하여 상기 전도성 필러의 농도가 낮아지도록 농도 구배가 형성되도록 제조되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The unit structural layer is manufactured such that a concentration gradient is formed such that the concentration of the conductive filler is decreased from the both surfaces toward the center of the thickness in the thickness direction
A method of manufacturing a separator plate for a fuel cell.
상기 단위 구조층은 이의 두께 방향에 수직한 양 표면을 포함하고, 각각의 표면으로부터 두께 중심을 향한 방향으로 상기 단위 구조층의 전체 두께 길이의 5% 내지 35%에 해당하는 제1 두께 영역 및 제2 두께 영역을 포함하며,
상기 제1 두께 영역 및 상기 제2 두께 영역에 각각 존재하는 상기 전도성 필러의 총합이 상기 단위 구조층에 포함된 상기 전도성 필러의 전체 중량 중 50% 내지 100%가 되도록 제조되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the unit structure layer includes both surfaces perpendicular to the thickness direction and has a first thickness region corresponding to 5% to 35% of the total thickness length of the unit structure layer in the direction toward the thickness center from each surface, 2 thickness region,
The total thickness of the conductive fillers existing in the first thickness region and the second thickness region is 50% to 100% of the total weight of the conductive filler included in the unit structural layer
A method of manufacturing a separator plate for a fuel cell.
상기 열 압착은 핫프레스에 의해 180℃ 내지 250℃의 온도에서 50kg/㎠ 내지 300kg/㎠의 압력으로 수행되는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
17. The method of claim 16,
The thermocompression bonding is performed by a hot press at a temperature of 180 ° C to 250 ° C at a pressure of 50 kg / cm 2 to 300 kg / cm 2
A method of manufacturing a separator plate for a fuel cell.
탄소섬유를 직조하여 두께가 200㎛ 내지 400㎛이 되도록 상기 탄소섬유 직물층을 준비하는 단계;를 더 포함하는
연료 전지용 분리판의 제조방법.
17. The method of claim 16,
Preparing a carbon fiber cloth layer having a thickness of 200 mu m to 400 mu m by weaving the carbon fiber
A method of manufacturing a separator plate for a fuel cell.
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