KR20220155475A - Separator for fuel cell with improved productibility and apparatus and method for manufacturing same - Google Patents

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KR20220155475A
KR20220155475A KR1020210062124A KR20210062124A KR20220155475A KR 20220155475 A KR20220155475 A KR 20220155475A KR 1020210062124 A KR1020210062124 A KR 1020210062124A KR 20210062124 A KR20210062124 A KR 20210062124A KR 20220155475 A KR20220155475 A KR 20220155475A
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Abstract

The present invention relates to a separator for a fuel cell with increased productivity to simplify a process of manufacturing and assembling separators, and a manufacturing apparatus and method for the same. According to an embodiment of the present invention, the separator for a fuel cell is interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack. The separator comprises: a first separator member disposed adjacent to one of the pair of membrane electrode assemblies to form a first gas flow path; a second separator member disposed adjacent to the other of the pair of membrane electrode assemblies to form a second gas flow path; and a linear core member interposed between the first separator member and the second separator member to form a refrigerant passage, wherein the first separator member and the second separator member can be integrally molded along the circumference of the linear core member.

Description

생산성이 향상된 연료 전지용 세퍼레이터, 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치, 및 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법{SEPARATOR FOR FUEL CELL WITH IMPROVED PRODUCTIBILITY AND APPARATUS AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}Separator for fuel cell with improved productivity, apparatus for manufacturing separator for fuel cell, and method for manufacturing separator for fuel cell

본 발명은 연료 전지용 세퍼레이터, 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치, 및 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 한 쌍의 막 전극 조립체에 각각 대응하도록 일체로 제조됨으로써 생산성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터, 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치, 및 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a separator for a fuel cell, an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell, and a method for manufacturing a separator for a fuel cell, and more particularly, for a fuel cell capable of improving productivity by being integrally manufactured to correspond to a pair of membrane electrode assemblies, respectively. It relates to a separator, an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell, and a method for manufacturing a separator for a fuel cell.

일반적으로, 연료 전지는 애노드에 수소를 공급하고 캐소드에 산소를 공급하여, 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 전기 에너지를 얻는 장치이다. 연료 전지는 유해 가스를 배출하지 않고 소음과 진동을 적게 발생하므로 차세대 에너지원으로서 각광을 받고 있다.In general, a fuel cell is a device that obtains electric energy by supplying hydrogen to an anode and oxygen to a cathode through an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Fuel cells are in the limelight as a next-generation energy source because they do not emit harmful gases and generate less noise and vibration.

연료 전지는, 전해질 종류에 따라, 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC), 인산형 연료 전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC), 고체산화물 연료 전지(SOFC)로 분류된다. 이러한 연료 전지 중에서 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)가 널리 사용되고 있다.Fuel cells are classified into polymer electrolyte fuel cells (PEMFC), phosphoric acid fuel cells (PAFC), molten carbonate fuel cells (MCFC), and solid oxide fuel cells (SOFC) according to the type of electrolyte. Among these fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is widely used.

고분자 전해질 연료 전지는 수십 내지 수백 개의 단위 셀이 직렬로 적층된 구조를 갖는다. 단위 셀은 고체 고분자 전해질막, 전극, 세퍼레이터로 구성된다.A polymer electrolyte fuel cell has a structure in which tens to hundreds of unit cells are stacked in series. A unit cell is composed of a solid polymer electrolyte membrane, an electrode, and a separator.

세퍼레이터는 전극으로 공급되는 수소와 산소를 분리시키는 역할을 한다. 세퍼레이터는 수소와 산소를 완전히 분리시켜야 하므로 매우 높은 가스 불투과성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 내부에 형성되는 가스 유로를 통과하는 가스가 외부로 누출되는 것을 방지하도록 기밀성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 연료 전지 내에서 큰 체적을 차지하므로, 대용량으로 제작되는 연료 전지의 무게를 줄일 수 있도록 세퍼레이터는 작은 두께를 갖도록 제작될 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 작은 두께에도 불구하고 진동 및 외력을 견딜 수 있도록 강성을 가질 필요가 있다. 또한, 세퍼레이터는 전기 에너지를 집전체인 엔드 플레이트로 전력 손실 없이 전달하여야 하므로 우수한 전기 전도성을 가질 필요가 있다.The separator serves to separate hydrogen and oxygen supplied to the electrode. The separator needs to have very high gas impermeability since it must completely separate hydrogen and oxygen. In addition, the separator needs to have airtightness to prevent gas passing through the gas flow path formed therein from leaking to the outside. In addition, since the separator occupies a large volume in the fuel cell, the separator needs to be manufactured to have a small thickness in order to reduce the weight of the fuel cell manufactured in large capacity. In addition, the separator needs to have rigidity to withstand vibration and external force despite its small thickness. In addition, the separator needs to have excellent electrical conductivity because electrical energy must be transmitted to the end plate, which is a current collector, without power loss.

한편, 두 개의 세퍼레이터는 막 전극 조립체의 양측에 결합되어 하나의 단위 셀을 형성한다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다. 이러한 구조에서, 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에는 한 쌍의 세퍼레이터가 개재된다. 한 쌍의 세퍼레이터는 각각 별개로 제조된 다음 접착제 등에 의해 서로 접합된다.Meanwhile, the two separators are coupled to both sides of the membrane electrode assembly to form one unit cell. Then, a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack. In this structure, a pair of separators are interposed between the pair of membrane electrode assemblies. A pair of separators are each separately manufactured and then bonded to each other with an adhesive or the like.

이와 같이, 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 구비되는 한 쌍의 세퍼레이터를 각각 개별적으로 제조하는 과정과, 한 쌍의 세퍼레이터를 서로 접합하는 과정이 수행되어야 하므로, 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정이 복잡하고 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정에 소요되는 시간이 증가하는 문제가 있다.In this way, since the process of individually manufacturing a pair of separators provided between the pair of membrane electrode assemblies and the process of bonding the pair of separators to each other must be performed, the process of manufacturing and assembling the separators is complicated. There is a problem in that the time required for manufacturing and assembling the separator increases.

본 발명의 목적은, 연료 전지 스택 내에서 한 쌍의 막 전극 사이에 구비되는 세퍼레이터를 직선형 코어 부재를 사용하여 일체로 제조함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터, 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치, 및 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is a separator for a fuel cell, an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell, and a separator for a fuel cell capable of improving productivity by integrally manufacturing a separator provided between a pair of membrane electrodes in a fuel cell stack using a linear core member, and It is to provide a method for manufacturing a separator for a fuel cell.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터로서, 한 쌍의 막 전극 조립체 중 하나에 인접하게 배치되어 제1 가스 유로를 형성하는 제1 세퍼레이터 부재; 한 쌍의 막 전극 조립체 중 다른 하나에 인접하게 배치되어 제2 가스 유로를 형성하는 제2 세퍼레이터 부재; 및 제1 세퍼레이터 부재 및 제2 세퍼레이터 부재 사이에 개재되어 냉매 유로를 형성하는 직선형 코어 부재를 포함할 수 있고, 제1 세퍼레이터 부재 및 제2 세퍼레이터 부재는 직선형 코어 부재의 둘레를 따라 일체로 성형될 수 있다.A separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack, and is disposed adjacent to one of the pair of membrane electrode assemblies to form a first gas flow path. a first separator member to; a second separator member disposed adjacent to the other of the pair of membrane electrode assemblies to form a second gas flow path; and a linear core member interposed between the first separator member and the second separator member to form a refrigerant passage, and the first separator member and the second separator member may be integrally molded along the circumference of the linear core member. have.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치는, 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 장치로서, 제1 유로의 형상을 갖는 제1 금형; 제2 유로의 형상을 갖는 제2 금형; 제1 금형 및 제2 금형 사이로 냉매 유로를 구성하는 중공부를 갖는 직선형 코어 부재를 공급하도록 구성되는 직선형 코어 부재 공급 유닛; 및 제1 금형 및 제2 금형 사이로 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 세퍼레이터 성형 재료를 공급하도록 구성되는 성형 재료 도포 유닛; 및 세퍼레이터 성형 재료를 가열하도록 구성되는 가열 유닛을 포함할 수 있다.An apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack, comprising: a first mold having a shape of a first flow path; a second mold having a shape of a second flow path; a linear core member supplying unit configured to supply a linear core member having a hollow portion constituting a refrigerant passage between the first mold and the second mold; and a molding material applying unit configured to supply a separator molding material comprising a thermosetting resin and electrically conductive particles between the first mold and the second mold; and a heating unit configured to heat the separator molding material.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법은, 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법으로서, 제1 유로의 형상을 갖는 제1 금형 및 제2 유로의 형상을 갖는 제2 금형 사이에서 제1 금형 상에 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 세퍼레이터 성형 재료를 도포하는 단계; 세퍼레이터 성형 재료 상에 냉매 유로를 구성하는 중공부를 갖는 직선형 코어 부재를 탑재하는 단계; 직선형 코어 부재를 덮도록 제1 금형 및 직선형 코어 부재 상에 세퍼레이터 성형 재료를 도포하는 단계; 제2 금형을 제1 금형에 인접하게 이동시켜 제1 금형 및 제2 금형의 사이에서 세퍼레이터 성형 재료 및 직선형 코어 부재를 가압하는 단계; 및 세퍼레이터 성형 재료를 가열하고 경화시켜 제1 유로, 제2 유로 및 냉매 유로를 갖는 세퍼레이터를 일체로 성형하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is a method for manufacturing a separator for a fuel cell interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack, and includes a first mold having a shape of a first flow path and a second mold. applying a separator molding material including a thermosetting resin and electrically conductive particles on a first mold between second molds having a shape of a flow path; mounting a straight core member having a hollow portion constituting a refrigerant passage on a separator molding material; applying a separator molding material on the first mold and the linear core member so as to cover the linear core member; moving the second mold adjacent to the first mold to press the separator molding material and the linear core member between the first mold and the second mold; and heating and curing the separator molding material to integrally mold the separator having the first flow path, the second flow path, and the refrigerant flow path.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 한 쌍의 막 전극 조립체 중 하나에 인접하게 배치되어 제1 가스 유로를 형성하는 제1 세퍼레이터 부재와, 한 쌍의 막 전극 조립체 중 다른 하나에 인접하게 배치되어 제2 가스 유로를 형성하는 제2 세퍼레이터 부재와, 제1 세퍼레이터 부재 및 상기 제2 세퍼레이터 부재 사이에 개재되어 냉매 유로를 형성하는 직선형 코어 부재가 함께 일체로 형성된다. 따라서, 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정을 단순화할 수 있고, 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.A separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention includes a first separator member disposed adjacent to one of a pair of membrane electrode assemblies to form a first gas flow path, and adjacent to the other one of the pair of membrane electrode assemblies. A second separator member disposed to form a second gas passage and a linear core member interposed between the first separator member and the second separator member to form a refrigerant passage are integrally formed together. Accordingly, the process of manufacturing and assembling the separator can be simplified, and the time required for manufacturing and assembling the separator can be reduced.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터가 막 전극 조립체에 결합된 구성이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터에 포함되는 코어 부재가 개략적으로 도시된 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 장치가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법의 일 예가 순차적으로 도시된 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법의 일 예가 순차적으로 도시된 도면이다.1 is a diagram schematically showing a configuration in which a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention is coupled to a membrane electrode assembly.
2 is a schematic perspective view of a core member included in a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
4 to 8 are views sequentially illustrating an example of a method of manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
9 to 11 are views sequentially showing an example of a method of manufacturing a separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터, 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치, 및 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a separator for a fuel cell, an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell, and a method for manufacturing a separator for a fuel cell according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 열경화성 수지, 전기 전도성 입자, 탄소 섬유를 혼합한 혼합물(이하, 성형 재료라 함)을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들면, 세퍼레이터는 20 내지 35 wt.%의 열경화성 수지와, 80 내지 65 wt.%의 전기 전도성 입자 및 탄소 섬유를 혼합하여 제조된 성형 재료를 사용하여 제조될 수 있다.A separator for a fuel cell according to an embodiment of the present invention may be manufactured using a mixture of a thermosetting resin, electrically conductive particles, and carbon fibers (hereinafter, referred to as a molding material). For example, the separator may be manufactured using a molding material prepared by mixing 20 to 35 wt.% of a thermosetting resin with 80 to 65 wt.% of electrically conductive particles and carbon fibers.

열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 다양한 열경화성 수지가 사용될 수 있다.The thermosetting resin may be a phenolic resin. However, the present invention is not limited thereto, and various thermosetting resins may be used.

전기 전도성 입자는 카본 블랙 입자일 수 있다. 카본 블랙 입자는 전기 전도성이 높으므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터의 전기 전도성을 향상시킬 수 있다. 또한, 카본 블랙 입자는 가공성이 우수하므로, 카본 블랙 입자를 사용하여 제조되는 세퍼레이터는 1 내지 2 mm 정도로 작은 두께를 가질 수 있다.Electrically conductive particles may be carbon black particles. Since carbon black particles have high electrical conductivity, electrical conductivity of a separator manufactured using carbon black particles can be improved. In addition, since the carbon black particles have excellent processability, a separator manufactured using the carbon black particles may have a thickness as small as 1 to 2 mm.

한편, 카본 블랙 입자의 양이 증가함에 따라 세퍼레이터의 전기 전도성은 좋아지지만 세퍼레이터의 강도가 저하될 수 있다. 따라서, 세퍼레이터의 강도를 보완하기 위해, 세퍼레이터는 카본 블랙 입자에 탄소 섬유를 혼합한 혼합물을 사용하여 제조된다. 예를 들면, 탄소 섬유는 PAN계 탄소 섬유, 피치계 탄소 섬유, 셀룰로오스계 탄소 섬유 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들면, 탄소 섬유는 1 내지 12 mm의 길이를 가질 수 있지만, 본 발명은 탄소 섬유의 길이에 한정되지 않는다.On the other hand, as the amount of carbon black particles increases, the electrical conductivity of the separator improves, but the strength of the separator may decrease. Therefore, in order to supplement the strength of the separator, the separator is manufactured using a mixture of carbon fibers mixed with carbon black particles. For example, the carbon fibers may be any one of PAN-based carbon fibers, pitch-based carbon fibers, and cellulose-based carbon fibers. For example, the carbon fiber may have a length of 1 to 12 mm, but the present invention is not limited to the length of the carbon fiber.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 세퍼레이터(50)는 일정 간격으로 굴곡된 판형 부재로 형성된다. 두 개의 세퍼레이터(50)가 막 전극 조립체(60)의 양측에 결합되어 하나의 단위 셀을 형성한다. 그리고, 복수의 단위 셀이 적층되어 연료 전지 스택을 형성한다.As shown in FIG. 1 , the separator 50 according to an embodiment of the present invention is formed of a plate-like member bent at regular intervals. Two separators 50 are coupled to both sides of the membrane electrode assembly 60 to form one unit cell. Then, a plurality of unit cells are stacked to form a fuel cell stack.

막 전극 조립체(60)는, 제1 전극(61), 제2 전극(62), 전해질 막(63)을 포함한다. 전해질 막(63)은 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 사이에 배치된다.The membrane electrode assembly 60 includes a first electrode 61 , a second electrode 62 , and an electrolyte membrane 63 . The electrolyte membrane 63 is disposed between the first electrode 61 and the second electrode 62 .

막 전극 조립체(60)와 세퍼레이터(50) 사이에는 가스 확산층(64)이 배치될 수 있다.A gas diffusion layer 64 may be disposed between the membrane electrode assembly 60 and the separator 50 .

제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 어느 하나는 애노드일 수 있고, 제1 전극(61) 및 제2 전극(62) 중 다른 하나는 캐소드일 수 있다.Any one of the first electrode 61 and the second electrode 62 may be an anode, and the other one of the first electrode 61 and the second electrode 62 may be a cathode.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체(60) 사이에는 일체로 형성된 하나의 세퍼레이터(50)가 구비될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, one separator 50 integrally formed between the pair of membrane electrode assemblies 60 in the fuel cell stack may be provided.

하나의 세퍼레이터(50)가 제1 전극(61) 및 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해 복수의 유로 리브(300) 사이의 공간이 밀폐되며, 이에 따라, 복수의 유로 리브(300)의 길이 방향으로 제1 가스 유로(310) 및 제2 가스 유로(320)가 형성될 수 있다.When one separator 50 is coupled to the first electrode 61 and the second electrode 62, the space between the plurality of passage ribs 300 is sealed, and thus, the number of passage ribs 300 A first gas passage 310 and a second gas passage 320 may be formed in the longitudinal direction.

여기에서, 제1 가스 유로(310)를 따라 제1 가스가 유동할 수 있고, 제2 가스 유로(320)를 따라 제2 가스가 유동할 수 있다. 제1 가스 및 제2 가스 중 어느 하나는 연료 가스일 수 있고, 제1 가스 및 제2 가스 중 다른 하나는 산화제 가스일 수 있다.Here, the first gas may flow along the first gas passage 310 and the second gas may flow along the second gas passage 320 . One of the first gas and the second gas may be a fuel gas, and the other of the first gas and the second gas may be an oxidizer gas.

세퍼레이터(50)는, 제1 전극(61)에 인접하게 배치되는 제1 세퍼레이터 부재(51)와, 제2 전극(62)에 인접하게 배치되는 제2 세퍼레이터 부재(52)를 포함한다.The separator 50 includes a first separator member 51 disposed adjacent to the first electrode 61 and a second separator member 52 disposed adjacent to the second electrode 62 .

제1 세퍼레이터 부재(51)가 제1 전극(61)에 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제1 전극(61) 사이에 제1 가스 유로(310)가 형성될 수 있다. 제1 가스는 제1 가스 유로(310)를 따라 유동할 수 있다.When the first separator member 51 is coupled to the first electrode 61 , the first gas passage 310 may be formed between the first separator member 51 and the first electrode 61 . The first gas may flow along the first gas passage 310 .

제2 세퍼레이터 부재(52)가 제2 전극(62)에 결합되는 것에 의해, 제2 세퍼레이터 부재(52) 및 제2 전극(62) 사이에 제2 가스 유로(320)가 형성될 수 있다. 제2 가스는 제2 가스 유로(320)를 따라 유동할 수 있다.When the second separator member 52 is coupled to the second electrode 62 , the second gas flow path 320 may be formed between the second separator member 52 and the second electrode 62 . The second gas may flow along the second gas passage 320 .

그리고, 제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제2 세퍼레이터 부재(52)가 서로 결합되는 것에 의해, 제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제2 세퍼레이터 부재(52) 사이에 냉매 유로(330)가 형성될 수 있다. 냉매는 냉매 유로(330)를 따라 유동할 수 있다.In addition, the refrigerant passage 330 may be formed between the first separator member 51 and the second separator member 52 by coupling the first separator member 51 and the second separator member 52 to each other. have. The refrigerant may flow along the refrigerant passage 330 .

제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제2 세퍼레이터 부재(52)는 그 사이에 코어 부재(53)가 개재된 상태로 일체로 형성될 수 있다.The first separator member 51 and the second separator member 52 may be integrally formed with the core member 53 interposed therebetween.

도 2에 도시된 바와 같이, 코어 부재(53)는 압출 성형에 의해 길이 방향으로 연장되게 형성될 수 있다. 코어 부재(53)는 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 코어 부재 성형 재료를 압출 성형하고 열경화시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 코어 부재 성형 재료에 포함되는 열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 코어 부재 성형 재료에 포함되는 전기 전도성 입자는 금속 입자, 흑연 입자, 탄소 나노 튜브, 카본 블랙 입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 코어 부재 성형 재료는 보강 재료로서 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the core member 53 may be formed to extend in the longitudinal direction by extrusion molding. The core member 53 may be formed by extruding and thermally curing a core member molding material containing a thermosetting resin and electrically conductive particles. The thermosetting resin included in the core member molding material may be a phenolic resin. The electrically conductive particles included in the core member molding material may include metal particles, graphite particles, carbon nanotubes, carbon black particles, or combinations thereof. In addition, the core member molding material may include carbon fiber or glass fiber as a reinforcing material.

길이 방향으로 연장되게 형성된 코어 부재(53)는 미리 설정된 길이로 절단되며, 절단된 코어 부재(53)가 세퍼레이터(50)를 일체로 형성하는 데에 사용될 수 있다. 코어 부재(53)는 압출 성형에 의해 대량 생산될 수 있고, 제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제2 세퍼레이터 부재(52)가 코어 부재(53)를 개재한 상태에서 일체로 성형될 수 있으므로, 세퍼레이터(50)의 생산성을 향상시킬 수 있다.The core member 53 extending in the longitudinal direction is cut to a preset length, and the cut core member 53 may be used to integrally form the separator 50 . Since the core member 53 can be mass-produced by extrusion molding, and the first separator member 51 and the second separator member 52 can be integrally molded with the core member 53 interposed therebetween, the separator (50) can improve productivity.

코어 부재(53) 내부에는 중공부(539)가 형성된다. 제1 세퍼레이터 부재(51), 제2 세퍼레이터 부재(52) 및 코어 부재(53)가 일체로 성형되면, 중공부(539)는 냉매 유로(330)로서의 역할을 할 수 있다.A hollow part 539 is formed inside the core member 53 . When the first separator member 51 , the second separator member 52 , and the core member 53 are integrally molded, the hollow part 539 may serve as a refrigerant passage 330 .

도 3 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 세퍼레이터(50)를 제조하는 세퍼레이터 제조 장치(80)는, 제1 금형(81), 제2 금형(82), 가열 유닛(83), 구동 유닛(84), 코어 부재 공급 유닛(85), 성형 재료 도포 유닛(86)을 포함한다.3 to 11, the separator manufacturing apparatus 80 for manufacturing the separator 50 includes a first mold 81, a second mold 82, a heating unit 83, and a driving unit 84. ), a core member supply unit 85, and a molding material application unit 86.

제1 금형(81) 및 제2 금형(82)은 서로 대면하도록 배치된다.The first mold 81 and the second mold 82 are arranged to face each other.

제1 금형(81)은 제1 유로(310)와 대응하는 형상을 갖는다. 제1 금형(81)에는 제1 유로(310)와 대응하는 형상을 갖는 복수의 돌기 및 복수의 요홈이 형성될 수 있다.The first mold 81 has a shape corresponding to the first flow path 310 . A plurality of protrusions and a plurality of grooves having shapes corresponding to those of the first flow path 310 may be formed in the first mold 81 .

제2 금형(82)은 제2 유로(320)와 대응하는 형상을 갖는다. 제2 금형(82)에는 제2 유로(320)와 대응하는 형상을 갖는 복수의 돌기 및 복수의 요홈이 형성될 수 있다.The second mold 82 has a shape corresponding to the second flow path 320 . A plurality of protrusions and a plurality of grooves having shapes corresponding to those of the second flow path 320 may be formed in the second mold 82 .

제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이에서 세퍼레이터 성형 재료(501) 및 코어 부재(53)가 가압될 때, 제1 금형(81) 및 제2 금형(82)의 복수의 돌기 및 복수의 요홈이 세퍼레이터 성형 재료(501)를 가압하며, 이에 따라, 제1 유로(310) 및 제2 유로(320)를 갖는 세퍼레이터(50)가 일체로 성형될 수 있다.When the separator molding material 501 and the core member 53 are pressed between the first mold 81 and the second mold 82, a plurality of projections of the first mold 81 and the second mold 82 and A plurality of grooves press the separator molding material 501, and thus, the separator 50 having the first flow path 310 and the second flow path 320 can be integrally molded.

가열 유닛(83)은 제1 금형(81) 내에 설치될 수 있다. 다만, 본 발명은 가열 유닛(83)의 설치 위치에 한정되지 않으며, 가열 유닛(83)이 제2 금형(82) 내에 설치되는 구성에도 본 발명이 적용될 수 있다.The heating unit 83 may be installed in the first mold 81 . However, the present invention is not limited to the installation position of the heating unit 83, and the present invention can also be applied to a configuration in which the heating unit 83 is installed in the second mold 82.

가열 유닛(83)은 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이에 개재된 세퍼레이터 성형 재료(501)를 가열하여 경화시키는 역할을 한다.The heating unit 83 serves to heat and harden the separator molding material 501 interposed between the first mold 81 and the second mold 82 .

구동 유닛(84)은 제2 금형(82)과 연결되어 제2 금형(82)을 제1 금형(81)에 대하여 이동시킬 수 있다. 구동 유닛(84)에 의해 제2 금형(82)이 제1 금형(81)을 향하여 이동됨에 따라, 세퍼레이터 성형 재료(501) 및 코어 부재(53)가 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이에서 가압될 수 있다.The driving unit 84 may be connected to the second mold 82 to move the second mold 82 relative to the first mold 81 . As the second mold 82 is moved toward the first mold 81 by the driving unit 84, the separator molding material 501 and the core member 53 are moved between the first mold 81 and the second mold ( 82) can be pressurized between them.

코어 부재 공급 유닛(85)은 코어 부재(53)를 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이로 공급하도록 구성된다.The core member supply unit 85 is configured to supply the core member 53 between the first mold 81 and the second mold 82 .

코어 부재 공급 유닛(85)은 클램프(851) 및 클램프 이동 모듈(852)을 포함할 수 있다. 클램프(851)는 코어 부재(53)를 파지하도록 구성될 수 있다. 클램프 이동 모듈(852)은 클램프(851)를 수평으로 이동시키도록 구성될 수 있다.The core member supply unit 85 may include a clamp 851 and a clamp movement module 852 . The clamp 851 may be configured to grip the core member 53 . The clamp movement module 852 may be configured to move the clamp 851 horizontally.

성형 재료 도포 유닛(86)은 제1 금형(81) 상에 세퍼레이터 성형 재료(501)를 도포하도록 구성된다. 세퍼레이터 성형 재료(501)는 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함할 수 있다. 세퍼레이터 성형 재료(501)에 포함되는 전기 전도성 입자는 금속 입자, 흑연 입자, 탄소 나노 튜브, 카본 블랙 입자, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 세퍼레이터 성형 재료(501)에 포함되는 열경화성 수지는 페놀 수지일 수 있다. 또한, 세퍼레이터 성형 재료(501)는 보강 재료로서 탄소 섬유 또는 유리 섬유를 포함할 수 있다. 성형 재료 도포 유닛(86)은 제1 금형(81)의 상면을 따라 이동 가능한 노즐로서 구성될 수 있다.The molding material application unit 86 is configured to apply the separator molding material 501 onto the first mold 81 . The separator molding material 501 may include a thermosetting resin and electrically conductive particles. The electrically conductive particles included in the separator molding material 501 may include metal particles, graphite particles, carbon nanotubes, carbon black particles, or a combination thereof. The thermosetting resin included in the separator molding material 501 may be a phenolic resin. In addition, the separator molding material 501 may include carbon fiber or glass fiber as a reinforcing material. The molding material application unit 86 may be configured as a nozzle movable along the upper surface of the first mold 81 .

이하, 도 4 내지 도 8을 참조하여, 세퍼레이터 제조 장치(80)를 사용하여 연료 전지용 세퍼레이터(50)를 제조하는 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 4 to 8 , a method of manufacturing the separator 50 for a fuel cell using the separator manufacturing device 80 will be described.

먼저, 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 코어 부재 성형 재료를 압출 성형하여 냉매 유로(330)를 구성하는 중공부(539)를 갖는 코어 부재(53)를 성형한다.First, the core member 53 having the hollow part 539 constituting the refrigerant passage 330 is molded by extruding a core member molding material including a thermosetting resin and electrically conductive particles.

그리고, 코어 부재(53)를 미리 설정된 길이로 절단한다.Then, the core member 53 is cut to a preset length.

그리고, 도 4에 도시된 바와 같이, 성형 재료 도포 유닛(86)에 의해 제1 금형(81) 상에 세퍼레이터 성형 재료(501)가 도포된다.Then, as shown in FIG. 4 , the separator molding material 501 is applied on the first mold 81 by the molding material application unit 86 .

그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 코어 부재 공급 유닛(85)에 의해 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이로 코어 부재(53)가 공급될 수 있다. 코어 부재(53)는 세퍼레이터 성형 재료(501) 상에 탑재될 수 있다.And, as shown in FIG. 5 , the core member 53 may be supplied between the first mold 81 and the second mold 82 by the core member supply unit 85 . The core member 53 may be mounted on the separator molding material 501 .

그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 성형 재료 도포 유닛(86)에 의해 제1 금형(81) 상에 탑재된 코어 부재(53) 상에 세퍼레이터 성형 재료(501)가 도포된다.Then, as shown in FIG. 6 , the separator molding material 501 is applied onto the core member 53 mounted on the first mold 81 by the molding material application unit 86 .

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 구동 유닛(84)에 의해 제2 금형(82)이 제1 금형(81)을 향하여 이동됨에 따라, 세퍼레이터 성형 재료(501) 및 코어 부재(53)가 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이에서 가압될 수 있다.And, as shown in FIG. 7, as the second mold 82 is moved toward the first mold 81 by the drive unit 84, the separator molding material 501 and the core member 53 are It can be pressed between the first mold 81 and the second mold 82 .

이 과정에서, 가열 유닛(83)이 열을 방출함에 따라, 세퍼레이터 성형 재료(501)가 가열되어 경화된다.In this process, as the heating unit 83 emits heat, the separator molding material 501 is heated and hardened.

이와 같이, 제1 금형(81) 및 제2 금형(82) 사이에서 세퍼레이터 성형 재료(501)가 가압되고 열경화됨에 따라 제1 유로(310), 제2 유로(320) 및 냉매 유로(330)를 갖는 세퍼레이터를 일체로 성형될 수 있다.In this way, as the separator molding material 501 is pressed and thermally cured between the first mold 81 and the second mold 82, the first flow path 310, the second flow path 320, and the refrigerant flow path 330 The separator having may be integrally molded.

본 발명의 실시예에 따르면, 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체(60) 사이에는 일체로 성형된 하나의 세퍼레이터(50)가 구비될 수 있다. 따라서, 한 쌍의 세퍼레이터를 각각 개별적으로 제조한 다음 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에서 한 쌍의 세퍼레이터를 접합하는 종래 기술에 비하여, 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정을 단순화할 수 있고, 세퍼레이터를 제조하고 조립하는 과정에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, one separator 50 integrally molded may be provided between a pair of membrane electrode assemblies 60 in a fuel cell stack. Therefore, compared to the prior art of individually manufacturing a pair of separators and then bonding the pair of separators between a pair of membrane electrode assemblies, it is possible to simplify the process of manufacturing and assembling the separators, manufacturing the separators, It can reduce the time required for the assembly process.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 대량 생산되어 제조되는 코어 부재(53)를 사용하여 제1 세퍼레이터 부재(51) 및 제2 세퍼레이터 부재(52)를 일체로 성형할 수 있으므로, 세퍼레이터(50)의 생산성을 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, according to the embodiment of the present invention, since the first separator member 51 and the second separator member 52 can be integrally molded using the mass-produced core member 53, the separator 50 productivity can be further improved.

도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법에 따르면, 코어 부재(53)와 세퍼레이터 성형 재료(501) 사이에 보강 재료(502)를 개재하는 과정을 더 포함할 수 있다.As shown in FIGS. 9 to 11 , according to a method for manufacturing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention, a process of interposing a reinforcing material 502 between a core member 53 and a separator molding material 501 may further include.

이를 위해, 본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 제조 장치는, 코어 부재(53) 상에 보강 재료(502)를 도포하는 보강 재료 도포 유닛(미도시)를 더 포함할 수 있다.To this end, the apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention may further include a reinforcing material application unit (not shown) for applying the reinforcing material 502 on the core member 53 .

일 예로서, 보강 재료(502)는 유리 섬유, 금속, 합성 수지로 형성되는 망상체 또는 선재일 수 있다.As an example, the reinforcing material 502 may be a network or wire made of glass fiber, metal, or synthetic resin.

본 발명의 다른 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터 제조 방법은, 제1 유로(310)의 형상을 갖는 제1 금형(81) 및 제2 유로(320)의 형상을 갖는 제2 금형(82) 사이에서 제1 금(81)형 상에 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 세퍼레이터 성형 재료(501)를 도포하는 단계와, 세퍼레이터 성형 재료(501) 상에 보강 재료(502)를 도포하는 단계(도 9 참조)와, 세퍼레이터 성형 재료(501) 및 보강 재료(502) 상에 냉매 유로(330)를 구성하는 중공부(539)를 갖는 코어 부재(53)를 탑재하는 단계(도 10 참조)와, 코어 부재(53)를 덮도록 제1 금형(81) 및 코어 부재(53) 상에 보강 재료(502) 및 세퍼레이터 성형 재료(501)를 도포하는 단계(도 11 참조)와, 제2 금형(82)을 제1 금형(81)에 인접하게 이동시켜 제1 금형(81) 및 제2 금형(82)의 사이에서 세퍼레이터 성형 재료(501), 보강 재료(502) 및 코어 부재(53)를 가압하는 단계와, 세퍼레이터 성형 재료(501)를 가열하고 경화시켜 제1 유로(310), 제2 유로(320) 및 냉매 유로(330)를 갖는 세퍼레이터(50)를 일체로 성형하는 단계를 포함할 수 있다.A method for manufacturing a separator for a fuel cell according to another embodiment of the present invention is between a first mold 81 having a shape of a first flow path 310 and a second mold 82 having a shape of a second flow path 320. Applying a separator molding material 501 containing a thermosetting resin and electrically conductive particles on the first gold 81 shape, and applying a reinforcing material 502 on the separator molding material 501 (FIG. 9 reference), mounting a core member 53 having a hollow part 539 constituting the refrigerant passage 330 on the separator molding material 501 and the reinforcing material 502 (see FIG. 10); Applying the reinforcing material 502 and the separator molding material 501 on the first mold 81 and the core member 53 so as to cover the member 53 (see FIG. 11), and the second mold 82 to move adjacent to the first mold 81 to press the separator molding material 501, the reinforcing material 502 and the core member 53 between the first mold 81 and the second mold 82 and heating and curing the separator molding material 501 to integrally mold the separator 50 having the first flow path 310 , the second flow path 320 and the refrigerant flow path 330 .

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 코어 부재(53)와 세퍼레이터 성형 재료(501) 사이에 보강 재료(502)가 개재되므로, 세퍼레이터의 강성이 향상될 수 있으며, 이에 따라, 세퍼레이터가 작은 두께에도 불구하고 진동 및 외력을 견딜 수 있도록 할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, since the reinforcing material 502 is interposed between the core member 53 and the separator molding material 501, the stiffness of the separator can be improved, and thus the separator has a small thickness. and can withstand vibration and external forces.

본 발명의 바람직한 실시예가 예시적으로 설명되었으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에 한정되지 않으며, 청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경될 수 있다.Preferred embodiments of the present invention have been described as examples, but the scope of the present invention is not limited to such specific embodiments, and may be appropriately changed within the scope described in the claims.

50: 세퍼레이터
60: 막 전극 조립체
80: 세퍼레이터 제조 장치50: separator
60: membrane electrode assembly
80: separator manufacturing device

Claims (3)

연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터에 있어서,
상기 한 쌍의 막 전극 조립체 중 하나에 인접하게 배치되어 제1 가스 유로를 형성하는 제1 세퍼레이터 부재;
상기 한 쌍의 막 전극 조립체 중 다른 하나에 인접하게 배치되어 제2 가스 유로를 형성하는 제2 세퍼레이터 부재; 및
상기 제1 세퍼레이터 부재 및 상기 제2 세퍼레이터 부재 사이에 개재되어 냉매 유로를 형성하는 직선형 코어 부재를 포함하고,
상기 제1 세퍼레이터 부재 및 상기 제2 세퍼레이터 부재는 상기 직선형 코어 부재의 둘레를 따라 일체로 성형되는 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터.In the fuel cell separator interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack,
a first separator member disposed adjacent to one of the pair of membrane electrode assemblies to form a first gas flow path;
a second separator member disposed adjacent to the other one of the pair of membrane electrode assemblies to form a second gas flow path; and
A linear core member interposed between the first separator member and the second separator member to form a refrigerant passage,
A separator for a fuel cell, characterized in that the first separator member and the second separator member are integrally molded along the circumference of the linear core member. 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 장치에 있어서,
제1 유로의 형상을 갖는 제1 금형;
제2 유로의 형상을 갖는 제2 금형;
상기 제1 금형 및 상기 제2 금형 사이로 냉매 유로를 구성하는 중공부를 갖는 직선형 코어 부재를 공급하도록 구성되는 직선형 코어 부재 공급 유닛; 및
상기 제1 금형 및 상기 제2 금형 사이로 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 세퍼레이터 성형 재료를 공급하도록 구성되는 성형 재료 도포 유닛; 및
상기 세퍼레이터 성형 재료를 가열하도록 구성되는 가열 유닛을 포함하는 장치.An apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack,
a first mold having a shape of a first flow path;
a second mold having a shape of a second flow path;
a linear core member supplying unit configured to supply a linear core member having a hollow portion constituting a refrigerant passage between the first mold and the second mold; and
a molding material application unit configured to supply a separator molding material including a thermosetting resin and electrically conductive particles between the first mold and the second mold; and
and a heating unit configured to heat the separator molding material. 연료 전지 스택 내의 한 쌍의 막 전극 조립체 사이에 개재되는 연료 전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법에 있어서,
제1 유로의 형상을 갖는 제1 금형 및 제2 유로의 형상을 갖는 제2 금형 사이에서 상기 제1 금형 상에 열경화성 수지 및 전기 전도성 입자를 포함하는 세퍼레이터 성형 재료를 도포하는 단계;
상기 세퍼레이터 성형 재료 상에 냉매 유로를 구성하는 중공부를 갖는 직선형 코어 부재를 탑재하는 단계;
상기 직선형 코어 부재를 덮도록 상기 제1 금형 및 상기 직선형 코어 부재 상에 상기 세퍼레이터 성형 재료를 도포하는 단계;
상기 제2 금형을 상기 제1 금형에 인접하게 이동시켜 상기 제1 금형 및 상기 제2 금형의 사이에서 상기 세퍼레이터 성형 재료 및 상기 직선형 코어 부재를 가압하는 단계; 및
상기 세퍼레이터 성형 재료를 가열하고 경화시켜 상기 제1 유로, 상기 제2 유로 및 상기 냉매 유로를 갖는 세퍼레이터를 일체로 성형하는 단계를 포함하는 방법.A method for manufacturing a separator for a fuel cell interposed between a pair of membrane electrode assemblies in a fuel cell stack,
applying a separator molding material including a thermosetting resin and electrically conductive particles on the first mold between a first mold having a first flow path shape and a second mold having a second flow path shape;
mounting a linear core member having a hollow portion constituting a refrigerant passage on the separator molding material;
applying the separator molding material on the first mold and the linear core member so as to cover the linear core member;
moving the second mold adjacent to the first mold to press the separator molding material and the linear core member between the first mold and the second mold; and
and heating and curing the separator molding material to integrally mold the separator having the first flow path, the second flow path, and the refrigerant flow path.
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