KR20230131076A - PEMFC bipolar plate test piece for testing efficiency of the fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수지를 분리판 형태로 3D 프린팅 한 뒤, 구리를 도금하여 전도성을 띄는 시편으로 제작하여 사전에 연료전지 성능을 테스트할 수 있는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 관한 것이다.The present invention relates to a PEMFC separator plate specimen for fuel cell performance testing. More specifically, the fuel cell performance can be tested in advance by 3D printing resin in the form of a separator plate and then plating it with copper to produce a conductive specimen. This relates to PEMFC separator specimens for fuel cell performance testing.
Description
본 발명은 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 수지를 분리판 형태로 3D 프린팅 한 뒤, 구리를 도금하여 전도성을 띄는 시편으로 제작하여 사전에 연료전지 성능을 테스트할 수 있는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편에 관한 것이다. The present invention relates to a PEMFC separator plate specimen for fuel cell performance testing. More specifically, the fuel cell performance can be tested in advance by 3D printing resin in the form of a separator plate and then plating it with copper to produce a conductive specimen. This relates to PEMFC separator specimens for fuel cell performance testing.
석탄이나 원유 등 화석자원의 고갈과 이산화탄소의 배출에 따른 지구온난화 등의 이유로 친환경적인 발전장치인 연료전지가 차세대 에너지원으로 많은 관심을 받고 있으며, 그 연구 또한 활발히 이루어지고 있다. 특히, 드론(Drone) 등의 무인기나 자동차 등에는 고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)가 많이 적용되고 있다. 연료전지의 대부분은 수소와 산소를 이용하고 있으며, 수소는 연료극을 통과하고, 산소는 공기극을 통과한다. 연료전지는 일반적인 연소기관에 비해 에너지 효율이 높고, 공해물질의 배출이 없으며, 그 크기와 용량을 다양하게 설계할 수 있는 장점이 있다.Fuel cells, an eco-friendly power generation device, are receiving a lot of attention as a next-generation energy source due to the depletion of fossil resources such as coal and crude oil and global warming caused by carbon dioxide emissions, and research on them is also being actively conducted. In particular, polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC) are widely used in unmanned aerial vehicles (Drones) and automobiles. Most fuel cells use hydrogen and oxygen, with hydrogen passing through the anode and oxygen passing through the air electrode. Fuel cells have the advantage of being more energy efficient than general combustion engines, emitting no pollutants, and being able to be designed in various sizes and capacities.
일반적으로, 연료전지는 막-전극 접합체(Membrane electrode assembly, MEA)와 분리막(또는 분리판, Separator, Bipolar plate)을 포함한다. 막-전극 접합체는 중앙의 분리판과, 상기 분리판의 양면에 형성된 촉매층과, 상기 촉매층 상에 형성된 가스확산층을 포함한다. 분리판은 막-전극 접합체에 가스(수소 및 산소)를 균일하게 공급하는 기능을 가지며, 이를 위해 분리판의 일면에는 가스(수소 및 산소)가 통과되는 유로(channel)가 형성되어 있다.Generally, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly (MEA) and a separator (or separator, bipolar plate). The membrane-electrode assembly includes a central separator, a catalyst layer formed on both sides of the separator, and a gas diffusion layer formed on the catalyst layer. The separator has the function of uniformly supplying gases (hydrogen and oxygen) to the membrane-electrode assembly, and for this purpose, a channel through which gases (hydrogen and oxygen) pass is formed on one side of the separator.
구체적으로, 연료전지는 막-전극 접합체와 막-전극 접합체의 양쪽에 설치된 분리판을 포함하며, 이를 유닛 셀(Unit cell, 단위 셀)이라 한다. 이러한 단위셀은 가정용의 경우 수십 내지 수백개, 자동차의 경우 수백개 이상을 적층하여 연료전지 스택(Fuel cell stack)을 형성한다. Specifically, a fuel cell includes a membrane-electrode assembly and separators installed on both sides of the membrane-electrode assembly, which is called a unit cell. These unit cells form a fuel cell stack by stacking tens to hundreds of them in the case of household devices and hundreds or more in the case of automobiles.
여기서 분리판은 전류가 흘러가는 통로 역할을 하므로, 낮은 표면저항 값을 가져야 하며, 반응 가스(수소, 산소 또는 공기)의 공급과 물의 배출통로로서의 기능을 가지므로, 쉽게 다양한 통로를 제작하는 것이 가능해야 한다. 또한 각 가스의 혼합방지를 위해 공기투과도가 낮아야 하며, 원활한 열관리 및 우수한 내부식성을 지녀야 한다. 뿐만 아니라, 제한된 공간 또는 작은 공간(ex; 자동차, 휴대기기 등등)에 연료전지를 사용하기 위해서 한 스택 안에 수백 ~ 수천 개 사용되는 분리판은 얇으면서도 높은 강도를 가져야 한다.Here, the separator plate serves as a passage through which current flows, so it must have a low surface resistance value. Since it functions as a supply passage for reactive gas (hydrogen, oxygen, or air) and an discharge passage for water, it is possible to easily create various passages. Should be. In addition, air permeability must be low to prevent mixing of each gas, and it must have smooth heat management and excellent corrosion resistance. In addition, in order to use fuel cells in limited or small spaces (e.g. automobiles, mobile devices, etc.), the separators used in hundreds to thousands of plates in one stack must be thin yet have high strength.
기존의 상업화된 흑연(Graphite, 그라파이트) 분리판은 고내식성 및 양호한 전기전도성을 가지고 있으나, 기계적 충격이나 진동에 약해 일정 이상의 두께를 유지해야 하므로, 고비용의 문제점이 있다. Existing commercialized graphite separators have high corrosion resistance and good electrical conductivity, but are vulnerable to mechanical shock and vibration and must be maintained at a certain thickness, resulting in high costs.
또한, 종래의 분리판의 유로는 다양한 방식으로 형성될 수 있다. 구체적으로 앤드밀 가공은 유로 형상에 맞춰 앤드밀이 이동하며 가공하므로, 가공 공구에 의한 기계적 절삭 방식으로 생산성 내지 효율이 나쁘다. 유차 분사 가공은 건식 필름 코팅 후 마스크를 형성하고 노광하여 건식 식각(샌드블라스트, 샷 피닝, 초음파 식각 등)으로 패턴 제거 후 세척하여 완성되며, 공정 단계가 복잡하여 생산 효율 낮다. 스탭핑 가공은 스탬퍼를 이용하는 가공방법으로, 생산 효율 높지만 스탬핑 금형과 레진간 소착 발생으로 상용화가 불가능하다. 마지막으로 유로 가공된 금형을 활용한 분리판 성형 기술이 있으며, 효율을 높을 수 있으나 제품 균일도 확보가 어렵고, 금형 비용이 높고, 금형 손상도 잦아 고비용의 문제가 있다.Additionally, the flow path of a conventional separator plate can be formed in various ways. Specifically, end mill processing is performed by moving the end mill according to the shape of the flow path, so it is a mechanical cutting method using a machining tool and has poor productivity and efficiency. Oil spray processing is completed by forming a mask after dry film coating, exposing it, removing the pattern through dry etching (sandblasting, shot peening, ultrasonic etching, etc.), and then cleaning it. The process steps are complicated, so production efficiency is low. Stepping processing is a processing method that uses a stamper, and although it has high production efficiency, it is impossible to commercialize due to the occurrence of adhesion between the stamping mold and the resin. Lastly, there is a separator plate molding technology using flow-processed molds, which can increase efficiency, but it is difficult to secure product uniformity, mold costs are high, and mold damage is frequent, resulting in high costs.
이에 따라, 새로운 유로에 대한 연료전지의 성능 테스트를 할 경우, 고비용이 드는 흑연 분리판을 대신하여 경제적으로 분리판 및 유닛 셀을 테스트 할 수 있는 기술이 필요하다. Accordingly, when testing the performance of a fuel cell for a new flow path, a technology that can economically test separator plates and unit cells is needed instead of expensive graphite separator plates.
종래기술로는 대한민국 등록특허공보 제10-0432523호 “연료전지 성능 측정용 격자형 바이폴라 플레이트와 그제조 방법”이 기재되어 있다.As a prior art, Korean Patent Publication No. 10-0432523 “Grid-type bipolar plate for measuring fuel cell performance and method of manufacturing the same” is described.
따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로, 수지를 분리판 형태로 3D 프린팅 한 뒤, 구리를 도금하여 전도성을 띄는 시편으로 제작하여 사전에 연료전지 성능을 테스트할 수 있는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편을 제공하는데 목적이 있다.Therefore, the present invention was proposed to improve such conventional problems, by 3D printing resin in the form of a separator plate and then plating it with copper to produce a conductive specimen to test fuel cell performance in advance. The purpose is to provide PEMFC separator specimens for battery performance testing.
본 발명의 일 측면에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편은 수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력된 분리판 성형체, 상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 형성된 오목부, 상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하고, 상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 표면을 연마하여 형성된 접착부 및 상기 접착부가 형성된 분리판 성형체에 구리 금속을 도금하는 구리도금단계를 통해 형성된 구리도금층을 포함하고, 상기 수지는, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성된 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함하는 복합재료이고, 상기 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가지고, 상기 구리도금단계를 마친 분리판 성형체는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가지며, 상기 접착부는, 상기 분리판 성형체의 표면을 연마포로 버핑하여 연마하여 형성된다.The PEMFC separator specimen for fuel cell performance testing according to one aspect of the present invention includes a separator molded body printed in the form of a separator plate using a 3D printer, a concave portion formed by applying acetone to the surface of the separator molded body, and the above. Through a copper plating step of applying a conductive adhesive to a separator molded body with a concave portion and plating copper metal on the adhesive portion formed by polishing the surface so that the conductive adhesive remains only in the concave portion and the separator molded body on which the adhesive portion is formed. A composite material comprising a formed copper plating layer, wherein the resin contains 1 to 5 parts by weight of carbon nanomaterial consisting of one or more of carbon nanotubes, graphene, and carbon nanofibers, based on 100 parts by weight of ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene). The copper plating layer has a thickness of 20 to 80㎛, the separator molded body that has completed the copper plating step has a thickness of 0.7 to 1.7mm, and the adhesive part is polished by buffing the surface of the separator molded body with an abrasive cloth. It is formed by
한편, 오목부는, 스프레이(spray), 정전 스프레이(electrostatic spray), 스크린 프린팅(screen printing), 붓칠(brushing), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 주입(pouring), 드립핑(dripping) 중 하나를 포함하는 오목부 형성 과정을 통해 형성될 수 있다.On the other hand, the concave part is used for spraying, electrostatic spray, screen printing, brushing, slot die casting, inkjet printing, pouring, It may be formed through a concave forming process including one of dripping.
본 발명의 실시 예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편은 흑연 분리판을 제작하기 전 문제사항을 사전에 파악할 수 있다.The PEMFC separator specimen for fuel cell performance testing according to an embodiment of the present invention can identify problems in advance before manufacturing the graphite separator.
또한, 흑연 분리판을 테스트하는 것보다 저렴하여 경제적 이익이 발생할 수 있다.Additionally, it is cheaper than testing a graphite separator, which can result in economic benefits.
또한, 흑연 분리판 이외에도 전기전도성 부품의 구조적 형상 연구시 경제성을 향상시킬 수 있다. In addition, economic feasibility can be improved when studying the structural shape of electrically conductive components other than graphite separators.
또한, 규격화된 유닛 셀 테스트 장비와 체결을 위해 전도성 구조물을 제작하여 테스트 장비의 범용성을 높일 수 있다. Additionally, the versatility of the test equipment can be increased by manufacturing a conductive structure for connection with standardized unit cell test equipment.
또한, 위에서 언급된 본 발명의 실시 예에 따른 효과는 기재된 내용에만 한정되지 않고, 명세서 및 도면으로부터 예측 가능한 모든 효과를 더 포함할 수 있다.In addition, the effects according to the embodiments of the present invention mentioned above are not limited to the contents described, and may further include all effects predictable from the specification and drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법의 순서도.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도.1 is a flowchart of a method for manufacturing a PEMFC separator plate and unit cell specimen for fuel cell performance testing according to an embodiment of the present invention.
2 to 6 are cross-sectional views sequentially showing a method of manufacturing a PEMFC separator and unit cell specimen for fuel cell performance testing according to an embodiment of the present invention.
이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the description of the present invention with reference to the drawings is not limited to specific embodiments, and various changes may be made and various embodiments may be possible. In addition, the content described below should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.In the following description, the terms first, second, etc. are terms used to describe various components, and their meaning is not limited, and is used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.Like reference numerals used throughout this specification refer to like elements.
본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.As used herein, singular expressions include plural expressions, unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as “comprise,” “provide,” or “have” used below are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or a combination thereof described in the specification. It should be construed and understood as not excluding in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying FIGS. 1 to 6.
또한, 이하의 설명에서는 특별한 언급이 없는 한 도 1을 기준으로 전면을 향하는 방향을 '전방'이라 하고, 그 반대 방향을 '후방'이라 한다. 이에 따라 '좌측', '우측', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 상기 전방 및 후방을 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.In addition, in the following description, unless otherwise specified, the direction facing the front with respect to Figure 1 is referred to as 'front', and the opposite direction is referred to as 'rear'. Accordingly, terms indicating directions such as 'left', 'right', 'upward' and 'downward' are defined as indicating respective directions based on the front and rear.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법의 순서도이고, 도 2 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법을 순차적으로 나타낸 단면도이다.Figure 1 is a flow chart of a PEMFC separator for fuel cell performance testing and a method of manufacturing a unit cell specimen according to an embodiment of the present invention, and Figures 2 to 6 are a PEMFC separator and unit cell specimen for fuel cell performance testing according to an embodiment of the present invention. This is a cross-sectional view sequentially showing the unit cell specimen manufacturing method.
도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편 제조방법은 분리판성형단계(S1), 오목부형성단계(S2), 접착물도포단계(S3), 연마단계(S4) 및 구리도금단계(S5)를 포함할 수 있다. Referring to Figures 1 and 2, the method of manufacturing a PEMFC separator plate and unit cell specimen for fuel cell performance testing according to an embodiment of the present invention includes a separator plate forming step (S1), a concave forming step (S2), and an adhesive application step. (S3), a polishing step (S4), and a copper plating step (S5).
분리판성형단계(S1)는 수지를 3D 프린터를 이용하여 분리판 형태로 출력하여 분리판 성형체(10)를 제조할 수 있다. 분리판성형단계(S1)는 3D 프린터를 사용하여 분리판 성형체(10)를 제조하므로, 미세한 유로를 형성할 수 있다. 종래의 금형으로 유로를 형성하는 방식은 재현성이 낮으며 미세한 유로는 형성하기 어렵다는 단점이 있다. In the separator plate molding step (S1), the separator plate molded body 10 can be manufactured by printing the resin in the form of a separator plate using a 3D printer. In the separator plate forming step (S1), the separator plate molded body 10 is manufactured using a 3D printer, so a fine flow path can be formed. The method of forming a flow path using a conventional mold has the disadvantage of low reproducibility and that it is difficult to form a fine flow path.
여기서, 수지는 ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)일 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술분야에서 3D 프린터 장치로 분리판 성형체(10)를 제조할 수 있는 열가소성 수지는 모두 사용 가능하다. Here, the resin may be ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene). However, without being limited thereto, any thermoplastic resin capable of manufacturing the separator plate molded body 10 with a 3D printer device can be used in the technical field of the present invention.
여기서, ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene)는 비결정성의 스틸렌계 열가소성 수지로, 내열성, 내충격성, 가공성, 강성, 유동성 등이 뛰어나며, 치수안정성, 성형가공성, 내약품성 등의 제반특성도 매우 뛰어나다. 초기에는 ABS는 NBR과 AS 수지를 혼합한 브렌드형이 대부분 이었으나, 최근 폴리부타디엔에 스틸렌, 아크릴로 모노머를 그래프트중합 시키는 방법이 많이 사용된다.Here, ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene) is an amorphous styrene-based thermoplastic resin that has excellent heat resistance, impact resistance, processability, rigidity, and fluidity, as well as excellent overall properties such as dimensional stability, molding processability, and chemical resistance. Initially, ABS was mostly a blend of NBR and AS resin, but recently, graft polymerization of polybutadiene with styrene and acrylic monomers has been widely used.
또한, 수지는 분리판 성형체(10)의 기계적 물성을 향상시키기 위해 탄소나노물질이 함유된 복합재료를 사용할 수 있다. 일반적으로 3D 프린터용에 사용되는 수지는 인장강도가 낮다는 단점이 있어, 분리판 시편에 적용하기 위해서는 강도를 향상시킬 필요가 있다. 구체적으로 연료전지 성능 평가에 사용되는 시편은 여러 차례 평가를 실시할 수 있고, 시편을 평가한 뒤 보관하여 안정성을 평가하기 위해 재평가 할 수 있다. 이때, 분리판에 형성된 유로를 포함하여 분리판의 형태가 유지되는 것은 중요하다. In addition, the resin may be a composite material containing carbon nanomaterials to improve the mechanical properties of the separator molded body 10. In general, resins used for 3D printers have the disadvantage of low tensile strength, so their strength needs to be improved in order to apply them to separator specimens. Specifically, specimens used to evaluate fuel cell performance can be evaluated multiple times, and after evaluation, specimens can be stored and reevaluated to evaluate stability. At this time, it is important that the shape of the separator plate, including the flow path formed in the separator plate, is maintained.
이를 해결하기 위해, 본 발명에 사용되는 수지는 탄소나노물질을 포함할 수 있다. 수지는 ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는 ABS 100중량부 기준으로, 탄소나노물질 3 내지 4중량부를 포함할 수 있다. To solve this problem, the resin used in the present invention may contain carbon nanomaterials. The resin may contain 1 to 5 parts by weight of carbon nanomaterial based on 100 parts by weight of ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene). Most preferably, it may contain 3 to 4 parts by weight of carbon nanomaterial based on 100 parts by weight of ABS.
여기서, 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. 또한, 탄소나노물질의 함량이 1중량부 미만일 경우, 탄소나노물질에 의한 기계적 물성 향상 효과가 미미할 수 있고, 5중량부 초과일 경우, 탄소나노물질이 뭉쳐진 부분이 발생하여 기계적 물성이 저하될 수 있다. Here, the carbon nanomaterial may be composed of one or more of carbon nanotubes, graphene, and carbon nanofibers. In addition, if the content of carbon nanomaterials is less than 1 part by weight, the effect of improving mechanical properties by carbon nanomaterials may be minimal, and if it exceeds 5 parts by weight, agglomerated areas of carbon nanomaterials may occur and mechanical properties may deteriorate. there is.
오목부형성단계(S2)는 분리판 성형체(10)의 표면에 아세톤을 도포하여 오목부(20)를 형성할 수 있다. 오목부형성단계(S2)는 ABS가 아세톤에 녹는 성질을 이용하여 도 3에 도시한 바와 같이 분리판 성형체(10) 표면에 랜덤한 오목부(20)를 만들 수 있다. In the concave forming step (S2), the concave part 20 may be formed by applying acetone to the surface of the separator plate molded body 10. In the concave forming step (S2), random concave parts 20 can be created on the surface of the separator plate molded body 10, as shown in FIG. 3, by using the property of ABS to dissolve in acetone.
오목부형성단계(S2)는 스프레이(Spray), 정전 스프레이(Electrostatic spray), 스크린 프린팅(Screen printing), 붓칠(Brushing), 슬롯 다이 캐스팅(Slot die casting), 잉크젯 프린팅(Inkjet printing), 주입(Pouring), 드립핑(Dripping) 중 하나를 포함할 수 있다. 그러나, 이에 한정하지는 않는다. The concave forming step (S2) includes spraying, electrostatic spray, screen printing, brushing, slot die casting, inkjet printing, and injection ( It may include either pouring or dripping. However, it is not limited to this.
도 4를 참조하면, 접착물도포단계(S3)는 오목부(20)가 형성된 분리판 성형체(10)에 전도성 접착물(A)을 도포할 수 있다. 여기서, 전도성 접착물(A)은 본 발명의 기술분야에서 수지도금 전 사용되는 통상적인 접착물은 모두 사용가능하다. Referring to FIG. 4, in the adhesive application step (S3), a conductive adhesive (A) may be applied to the separator plate molded body 10 in which the concave portion 20 is formed. Here, the conductive adhesive (A) can be any conventional adhesive used before resin plating in the technical field of the present invention.
접착물도포단계(S3)는 후공정에 의해 생성될 구리도금층(40)과의 밀착력을 향상시키기 위해 전도성 접착물(A)에 탄소나노물질을 혼합할 수 있다. 여기서, 탄소나노물질은 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상을 포함할 수 있다. In the adhesive application step (S3), carbon nanomaterials may be mixed with the conductive adhesive (A) to improve adhesion with the copper plating layer 40 to be created in a later process. Here, the carbon nanomaterial may include one or more of carbon nanotubes, graphene, and carbon nanofibers.
구체적으로, 접착물도포단계(S3)는 전도성 접착물(A) 100중량부에 탄소나노물질 0.5 내지 4중량부를 혼합하여 사용할 수 있다. 이때, 전도성 접착물(A)에서 탄소나노물질의 양이 0.5중량부 미만일 경우, 도금 밀착력 향상 효과가 미미할 수 있고, 4중량부 초과일 경우, 도금 밀착력 효과에 비해 탄소나노물질의 소모량이 많고 탄소나노물질이 뭉쳐 도포가 잘 안될 수 있다. 가장 바람직하게는 탄소나노물질의 함량은 1.5 내지 3중량부일 수 있다. Specifically, the adhesive application step (S3) can be performed by mixing 0.5 to 4 parts by weight of carbon nanomaterial with 100 parts by weight of the conductive adhesive (A). At this time, if the amount of carbon nanomaterial in the conductive adhesive (A) is less than 0.5 parts by weight, the effect of improving plating adhesion may be minimal, and if it exceeds 4 parts by weight, the consumption of carbon nanomaterial is greater than the plating adhesion effect and carbon Nanomaterials may clump together, making application difficult. Most preferably, the content of carbon nanomaterials may be 1.5 to 3 parts by weight.
도 5를 참조하면, 연마단계(S4)는 오목부(20)에만 전도성 접착물(A)이 잔류하도록 전도성 접착물(A)이 도포된 분리판 성형체(10)의 표면을 연마할 수 있다. 연마단계(S4)는 본 발명의 기술분야에서 통상적으로 사용하는 연마방식은 모두 적용가능하다.Referring to FIG. 5, the polishing step (S4) may polish the surface of the separator molded body 10 on which the conductive adhesive (A) is applied so that the conductive adhesive (A) remains only in the concave portion 20. In the polishing step (S4), any polishing method commonly used in the technical field of the present invention can be applied.
구체적으로, 연마단계(S4)는 분리판 성형체(10)의 표면을 연마포로 버핑을 실시하여 연마할 수 있다. 이에 따라, 연마단계(S4)는 오목부(20) 내부에만 전도성 접착물(A)이 남게되어 접착부(30)를 형성할 수 있다.Specifically, in the polishing step (S4), the surface of the separator plate molded body 10 may be polished by buffing with a polishing cloth. Accordingly, in the polishing step (S4), the conductive adhesive (A) remains only inside the concave portion (20), thereby forming the adhesive portion (30).
도 6을 참조하면, 구리도금단계(S5)는 연마단계(S4)를 거친 분리판 성형체(10) 표면에 구리 금속을 도금하여 구리도금층(40)을 형성할 수 있다. Referring to FIG. 6, the copper plating step (S5) may form a copper plating layer 40 by plating copper metal on the surface of the separator plate molded body 10 that has undergone the polishing step (S4).
구리도금단계(S5)는 구리염 및 구리전극판을 이용하여 전기도금을 하되, 저항값에 따라 구리도금층의 두께를 조절할 수 있다. In the copper plating step (S5), electroplating is performed using copper salt and a copper electrode plate, and the thickness of the copper plating layer can be adjusted depending on the resistance value.
여기서 전기도금은 전기분해의 원리를 이용하여 물체의 표면을 다른 금속의 얇은 막으로 덮어씌우는 것을 말하며, 도금액에 담긴 양극과 음극 사이에 직류전기를 연결하여 실시한다. 이때 음극은 도금할 물체(모재)이며 도금액에는 코팅될 금속(전착금속)을 이온으로 포함하는 용액을 사용한다. 이온화 경향이 작고 반응성이 낮아 안정적인 물질인 은, 금, 구리, 니켈 등이 전기도금에 주로 사용되는 금속들이다.Here, electroplating refers to covering the surface of an object with a thin film of another metal using the principle of electrolysis, and is carried out by connecting direct current electricity between the anode and cathode contained in the plating solution. At this time, the cathode is the object to be plated (base material), and the plating solution uses a solution containing the metal to be coated (electrodeposition metal) as ions. Silver, gold, copper, and nickel, which are stable materials with a small ionization tendency and low reactivity, are metals mainly used in electroplating.
도금액에 사용되는 구리염은 황산구리, 염화구리, 산화구리, 메탄설폰산구리, 피로린산구리 중 하나를 선택하여 사용될 수 있다. 도금액은 전도염, 착화제, 산화방지제, 안정제 및 광택제를 더 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정하지 않고 본 발명의 기술분야에서 도금액으로 사용하는 모든 첨가제들은 모두 사용 가능하다. The copper salt used in the plating solution may be selected from copper sulfate, copper chloride, copper oxide, copper methanesulfonate, and copper pyrophosphate. The plating solution may further include a conductive salt, a complexing agent, an antioxidant, a stabilizer, and a brightener. However, without being limited to this, all additives used as plating solutions in the technical field of the present invention can be used.
또한, 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가질 수 있다. 이때, 두께가 20㎛ 미만일 경우, 전도성 효과가 미미하여 연료전지 성능 평가가 어려울 수 있고, 80㎛ 초과일 경우, 구리도금에 사용되는 구리의 양만 늘어나 시편 제작비용이 늘어날 수 있다. Additionally, the copper plating layer may have a thickness of 20 to 80 μm. At this time, if the thickness is less than 20㎛, the conductivity effect is minimal and it may be difficult to evaluate fuel cell performance, and if it is more than 80㎛, only the amount of copper used for copper plating increases, which may increase the cost of manufacturing the specimen.
구리도금단계(S5)를 마친 분리판 성형체(10)는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가질 수 있다. 가장 바람직하게는 1.0 내지 1.2㎜의 두께를 가질 수 있다. The separator plate molded body 10 that has completed the copper plating step (S5) may have a thickness of 0.7 to 1.7 mm. Most preferably, it may have a thickness of 1.0 to 1.2 mm.
이때, 분리판 성형체(10)가 두께가 0.7㎜ 미만일 경우, 강도가 약해질 수 있고, 1.7㎜ 초과일 경우, 박형화에 바람직하지 않을 수 있다. At this time, if the thickness of the separator plate molded body 10 is less than 0.7 mm, the strength may be weakened, and if the thickness is more than 1.7 mm, it may not be desirable for thinning.
또한, 본 발명의 상기 제조방법으로 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편을 제공할 수 있다. 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편은 종래의 흑연으로 제작된 시편과 유사한 연료전지 성능이 나오므로 종래의 시편을 대체할 수 있다. In addition, the manufacturing method of the present invention can provide PEMFC separator plates and unit cell specimens for fuel cell performance testing. The PEMFC separator plate and unit cell specimen for fuel cell performance testing of the present invention exhibit similar fuel cell performance to specimens made of conventional graphite, so they can replace conventional specimens.
이에, 본 발명의 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 및 유닛 셀 시편흑연 분리판을 제작하기 전 문제사항을 사전에 파악할 수 있다. Accordingly, problems can be identified in advance before manufacturing the PEMFC separator and unit cell specimen graphite separator for fuel cell performance testing of the present invention.
또한, 흑연 분리판을 테스트하는 것보다 저렴하여 경제적 이익이 발생할 수 있다.Additionally, it is cheaper than testing a graphite separator, which can result in economic benefits.
또한, 흑연 분리판 이외에도 전기전도성 부품의 구조적 형상 연구시 경제성을 향상시킬 수 있다. In addition, economic feasibility can be improved when studying the structural shape of electrically conductive components other than graphite separators.
또한, 규격화된 유닛 셀 테스트 장비와 체결을 위해 전도성 구조물을 제작하여 테스트 장비의 범용성을 높일 수 있다.Additionally, the versatility of the test equipment can be increased by manufacturing a conductive structure for connection with standardized unit cell test equipment.
이하에서, 실시예를 들어 본 발명에 대하여 더욱 상세하게 설명할 것이나, 이들은 단지 본 발명의 바람직한 구현예를 예시하기 위한 것으로, 실시예가 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples, but these are merely for illustrating preferred embodiments of the present invention, and the examples do not limit the scope of the present invention.
[실시예][Example]
[실시예 1][Example 1]
ABS 펠렛 100중량부에 탄소나노섬유 4중량부를 혼합한 후, 압출기를 사용하여 수지를 제조하였다. 상기 수지를 사용하고 FDM 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다. After mixing 4 parts by weight of carbon nanofibers with 100 parts by weight of ABS pellets, a resin was manufactured using an extruder. A separator molded body was manufactured using the above resin and an FDM 3D printer.
[실시예 2][Example 2]
ABS 펠렛 100중량부에 탄소나노섬유 4중량부를 혼합한 후, 압출기를 사용하여 수지를 제조하였다. 상기 수지를 사용하고 FDM(Fused Deposition Modeling) 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다. 제조된 분리판 성형체의 표면을 스프레이(Spray)를 사용하여 랜덤한 오목부를 생성하였다. 그 다음, 전도성 접착물을 도포하고 연마포로 버핑하여 오목부를 제외한 분리판 성형체의 표면을 연마하였다. 마지막으로 황산구리 및 구리전극판을 이용하고 양극과 음극 사이에 20 mA/㎠ 의 직류 전류 밀도를 인가하여 50 내지 60㎛가 될 때까지 구리 전기도금을 실시하여 1.0 내지 1.2㎜의 분리판 시편을 제조하였다.After mixing 4 parts by weight of carbon nanofibers with 100 parts by weight of ABS pellets, a resin was manufactured using an extruder. A separator molded body was manufactured using the above resin using a fused deposition modeling (FDM) 3D printer. Random concavities were created on the surface of the manufactured separator molded body using spray. Next, a conductive adhesive was applied and the surface of the separator molded body excluding the concave portion was polished by buffing with a polishing cloth. Finally, copper sulfate and a copper electrode plate were used, a direct current density of 20 mA/cm2 was applied between the anode and the cathode, and copper electroplating was performed until the thickness reached 50 to 60㎛ to prepare a separator specimen of 1.0 to 1.2 mm. did.
[실시예 3][Example 3]
전도성 접착물 100중량부에 탄소나노튜브 2중량부를 혼합하여 도포한 것을 제외하고 실시예 2와 동일하게 분리판 시편을 제조하였다. A separator specimen was prepared in the same manner as in Example 2, except that 2 parts by weight of carbon nanotubes were mixed and applied to 100 parts by weight of the conductive adhesive.
[비교예 1][Comparative Example 1]
ABS 펠렛을 사용하고 FDM 3D 프린터를 이용하여 분리판 성형체를 제조하였다.A separator molded body was manufactured using ABS pellets and an FDM 3D printer.
[비교예 2][Comparative Example 2]
종래의 방식대로 흑연으로 PEMFC 분리판 시편을 제작하였다. PEMFC separator specimens were manufactured using graphite in a conventional manner.
[실험예 1] 기계적 물성 평가[Experimental Example 1] Evaluation of mechanical properties
분리판 성형체의 기계적 물성을 평가하기 위해 실시예 1 및 비교예 2에서 제조된 분리판 성형체의 기계적 물성을 평가하였다. 시편은 동시에 5개씩 10개를 만들어 인장강도와 탄성율을 평가하였고 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다. In order to evaluate the mechanical properties of the separator molded body manufactured in Example 1 and Comparative Example 2, the mechanical properties of the separated plate molded body were evaluated. Ten specimens, five at a time, were made to evaluate tensile strength and elastic modulus, and the results are shown in Table 1 below.
표 1에서 나타나듯이, 실시예 1은 비교예 1보다 인장강도 및 탄성율이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.구체적으로, 실시예 1은 탄소나노물질을 포함하고 있어 기계적 물성이 향상된 것으로 판단된다. As shown in Table 1, it can be confirmed that Example 1 is superior to Comparative Example 1 in tensile strength and elastic modulus. Specifically, Example 1 is judged to have improved mechanical properties because it contains carbon nanomaterials.
[실험예 2] 도금 밀착력 평가[Experimental Example 2] Evaluation of plating adhesion
분리판 성형체의 도금 밀착력을 평가하기 위해 실시예 2 및 실시예 3에서 제조된 분리판 성형체의 전면부를 10㎜ 폭의 흠집을 내고 Pull Gage를 이용하여 수직 방향으로 80㎜ 가량 박리하면서 얻어진 강도 값을 N/cm 단위로 표시하였다. 시험 횟수는 시편당 3회 실시하여 그 평균값을 도금 밀착력 값으로 하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다. In order to evaluate the plating adhesion of the separator molded body, a 10 mm wide scratch was made on the front part of the separator molded body manufactured in Examples 2 and 3, and the strength value obtained by peeling about 80 mm in the vertical direction using a pull gauge was measured. It is expressed in N/cm units. The number of tests was conducted three times per specimen, and the average value was taken as the plating adhesion value. The results are shown in Table 1 below.
표 2에서 나타나듯이, 실시예 3은 비교예 2보다 도금 밀착력이 우수하다는 것을 확인할 수 있다.구체적으로, 실시예 3은 전도성 접착물에 탄소나노물질(탄소나노튜브)을 포함하고 있어 도금 밀착력이 향상된 것으로 판단된다. As shown in Table 2, it can be confirmed that Example 3 has superior plating adhesion than Comparative Example 2. Specifically, Example 3 contains carbon nanomaterials (carbon nanotubes) in the conductive adhesive, so the plating adhesion is excellent. It is judged to have improved.
[실험예 3] 유닛 셀의 성능 평가[Experimental Example 3] Performance evaluation of unit cell
실시예 3 및 비교예 2에 의해 제조된 분리판 시편을 사용하여 유닛 셀의 성능을 평가하였으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.The performance of the unit cell was evaluated using the separator specimens prepared in Example 3 and Comparative Example 2, and the results are shown in Table 3.
성능 평가 조건은 연료극의 경우 가습기 온도를 71℃, 라인 히터 온도를 81℃, 이슬점 온도를 64.3℃로 하고, 공기극의 경우 가습기 온도를 69℃, 라인 히터 온도를 79℃, 이슬점 온도를 64.5℃로 하여 측정하였으며, 이들 모두 상대 습도 100%에서 정전류 모드(Constant Current mode)로 성능을 평가하였다.The performance evaluation conditions were: for the anode, the humidifier temperature was 71℃, the line heater temperature was 81℃, and the dew point temperature was 64.3℃; for the air electrode, the humidifier temperature was 69℃, the line heater temperature was 79℃, and the dew point temperature was 64.5℃. were measured, and the performance of all of them was evaluated in constant current mode at 100% relative humidity.
표 3에서 나타나듯이, 실시예 3과 비교예 2는 유사한 성능을 보이는 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 제조방법으로 제조된 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 유닛 셀 시편은 기존의 시편을 대체할 수 있을 것으로 판단된다. 이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시 예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.As shown in Table 3, it can be seen that Example 3 and Comparative Example 2 show similar performance, and through this, the PEMFC unit cell specimen for fuel cell performance testing manufactured by the manufacturing method of the present invention can replace the existing specimen. It is believed that there is. Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the attached drawings, those skilled in the art can realize that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical idea or essential features of the present invention. You will be able to understand it. Therefore, the embodiments described above are illustrative in all respects and are not restrictive.
10 : 분리판 성형체
20 : 오목부
30 : 접착부
40 : 구리도금층
A : 전도성 접착물10: Separator plate molded body
20: concave portion
30: Adhesive part
40: Copper plating layer
A: Conductive adhesive
Claims (2)
상기 분리판 성형체의 표면에 아세톤을 도포하여 형성된 오목부;
상기 오목부가 형성된 분리판 성형체에 전도성 접착물을 도포하고, 상기 오목부에만 상기 전도성 접착물이 잔류하도록 표면을 연마하여 형성된 접착부 및
상기 접착부가 형성된 분리판 성형체에 구리 금속을 도금하는 구리도금단계를 통해 형성된 구리도금층을 포함하고,
상기 수지는,
ABS(Acrylonitrile Butadien Styrene) 100중량부 기준으로, 탄소나노튜브, 그래핀 및 탄소나노섬유 중 하나 이상으로 구성된 탄소나노물질 1 내지 5중량부를 포함하는 복합재료이고,
상기 구리도금층은 20 내지 80㎛의 두께를 가지고,
상기 구리도금단계를 마친 분리판 성형체는 0.7 내지 1.7㎜의 두께를 가지며,
상기 접착부는,
상기 분리판 성형체의 표면을 연마포로 버핑하여 연마하여 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편.A separator molded body printed with resin in the form of a separator plate using a 3D printer;
A concave portion formed by applying acetone to the surface of the separator molded body;
An adhesive portion formed by applying a conductive adhesive to the separator molded body on which the concave portion is formed and polishing the surface so that the conductive adhesive remains only in the concave portion; and
It includes a copper plating layer formed through a copper plating step of plating copper metal on the separator molded body on which the adhesive portion is formed,
The resin is,
Based on 100 parts by weight of ABS (Acrylonitrile Butadien Styrene), it is a composite material containing 1 to 5 parts by weight of carbon nanomaterial consisting of one or more of carbon nanotubes, graphene, and carbon nanofibers,
The copper plating layer has a thickness of 20 to 80㎛,
The separator plate molded body that has completed the copper plating step has a thickness of 0.7 to 1.7 mm,
The adhesive part,
A PEMFC separator specimen for fuel cell performance testing, which is formed by buffing and polishing the surface of the separator molded body with abrasive cloth.
상기 오목부는,
스프레이(spray), 정전 스프레이(electrostatic spray), 스크린 프린팅(screen printing), 붓칠(brushing), 슬롯 다이 캐스팅(slot die casting), 잉크젯 프린팅(inkjet printing), 주입(pouring), 드립핑(dripping) 중 하나를 포함하는 오목부 형성 과정을 통해 형성되는 것을 특징으로 하는 연료전지 성능 테스트용 PEMFC 분리판 시편.According to paragraph 1,
The concave part is,
Spray, electrostatic spray, screen printing, brushing, slot die casting, inkjet printing, pouring, dripping A PEMFC separator specimen for fuel cell performance testing, characterized in that it is formed through a concave forming process including one of the following.
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