WO2016105097A1 - Composite material for fuel cell separator plate, fuel cell separator plate and method for preparing same - Google Patents

Composite material for fuel cell separator plate, fuel cell separator plate and method for preparing same Download PDF

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WO2016105097A1
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fuel cell
cell separator
continuous fiber
fiber bundle
composite material
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PCT/KR2015/014122
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오애리
박종성
최한나
김희준
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(주)엘지하우시스
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    • H01M8/02Details
    • HELECTRICITY
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • a composite material for a fuel cell separator, a fuel cell separator, and a method of manufacturing the same is a composite material for a fuel cell separator, a fuel cell separator, and a method of manufacturing the same.
  • a fuel cell is a power generation system that generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen.
  • the fuel cell may include a stack, which is a main component for producing electricity directly, and other devices that assist the operation of the stack.
  • the fuel cell stack includes a unit cell as a minimum unit for generating silver electrical energy, and the unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and fuel provided on both sides of the membrane electrode assembly. Battery separators may be included.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane electrode assembly includes a polymer electrolyte membrane for selectively passing only hydrogen ions, and an anode electrode and a cathode electrode may be bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane.
  • the fuel cell separator serves to collect current generated from the unit cell, to separate insulation to maintain insulation, and to discharge water generated by supplying gas (hydrogen and oxygen) to a gas diffusion layer (GDL). It can play a role.
  • Such a fuel cell separator must be stable in the oxidation / reduction atmosphere of the anode electrode and the cathode electrode, sufficiently prevent gas mixing, and have sufficient electrical conductivity.
  • a composite for a fuel cell separator that implements excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, excellent corrosion resistance, low contact resistance and excellent electrical conductivity.
  • a fuel cell separator formed by the fuel cell separator composite.
  • a method of manufacturing the fuel cell separator is provided.
  • a composite material for a fuel cell separator comprising a first conductive continuous fiber bundle and an impregnation resin aligned in one direction, comprising a plurality of layers of the first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction as one layer
  • a composite material for a fuel cell separator comprising a first conductive continuous fiber bundle and an impregnation resin aligned in one direction
  • the plurality of layers may be parallel to each other.
  • both end faces of the first conductive continuous fiber bundle may be exposed to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator, respectively. have.
  • the composite material for fuel cell separator comprises two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle is exposed and the side surface therebetween, wherein the plurality of composite material for fuel cell separator is formed of a fuel cell separator plate It may be attached to the side.
  • the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be perpendicular to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator.
  • the composite material for the fuel cell separator may not separately include a conductive filler.
  • the length of the first conductive continuous fiber bundle may be about 0.1mm to about 2.0mm.
  • the first conductive continuous fiber bundle is a fiber filament, for example, the first conductive continuous fiber is formed by converging, for example, about 1,000 to about 48,000 strands, the thickness of the first conductive continuous fiber bundle is about 0.1mm to about 0.2 mm and may have a width of about 1.0 mm to about 20.0 mm.
  • the linear density of the first conductive continuous fiber may be about 800 g / km to about 4,000 g / km.
  • the weight ratio of the impregnating resin to the first conductive continuous fiber bundle may be about 1:40 to about 1:99.
  • the thickness in the direction perpendicular to the layer may be about 0.12 mm to about 22.0 mm.
  • the width in the direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be about 25.0 mm to about 100.0 mm.
  • the first conductive continuous fiber may include an organic fiber, an inorganic fiber, or both of which the surface of the fiber is coated with the conductive filler, or the conductive filler is dispersed and contained in the fiber.
  • the layer may further or may not include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction.
  • both end faces of the first conductive continuous fiber bundle may be exposed on the upper and lower surfaces, respectively.
  • the fuel cell separation plate composite includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween, and a plurality of fuel cell separation plate composites are attached to the side surfaces by thermocompression bonding. Can be molded.
  • the length direction of the first conductive continuous fiber bundle may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator.
  • the total thickness of the fuel cell separator may be about 0.1 mm to about 2.0 mm.
  • the contact resistance of the fuel cell separator may be about 20 m ⁇ ⁇ cm 2 or less, and the electrical conductivity may be about 100 S / cm to about 200 S / cm.
  • the flexural strength of the fuel cell separator may be about 94 MPa to about 400 MPa.
  • forming a first conductive continuous fiber bundle sheet After stacking the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets, immersion and drying are performed on the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin films are alternately laminated, and then thermocompression bonding is performed.
  • Forming a preliminary composite Cutting the preliminary composite material perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of 0.1 mm to 2.0 mm to form a composite material for a fuel cell separator; And manufacturing a fuel cell separator such that both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed on the top and bottom surfaces of the fuel cell separator using the at least one composite for fuel cell separator. It provides a method for manufacturing a fuel cell separator comprising a.
  • the fuel cell separator and the fuel cell separator may realize excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, excellent corrosion resistance, low contact resistance, and excellent electrical conductivity.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of a fuel cell separator composite according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic process flow diagram of a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a step S1 in the process flowchart of FIG. 3.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a second step S2 in the process flow diagram of FIG. 3.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the third step S3 in the process flow diagram of FIG. 3.
  • FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the four steps S4 in the process flow diagram of FIG. 3.
  • any configuration is formed on the top (or bottom) of the substrate or on the top (or bottom) of the substrate, not only means that the arbitrary configuration is formed in contact with the top (or bottom) of the substrate, but also the substrate It is not limited to not including other configurations between and any configuration formed on (or under) the substrate.
  • FIG. 1 schematically shows a perspective view of the composite material 100 for a fuel cell separator, and as shown in FIG. 1, formed of a first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction in the impregnation resin 120.
  • a plurality of layers may be included.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction may be aligned in one direction on a single plane and the neighboring first conductive continuous fiber bundles 110 may be partially or totally in close contact, for example, as a sheet.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 sheet may be formed as one layer. That is, a plurality of sheets of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be included in the impregnation resin 120.
  • the plurality of layers may be parallel to each other, and thus, the first conductive continuous fiber bundle 110 may be aligned in the one direction in the impregnating resin 120.
  • a polymer composite separator including a polymer resin and a conductive fiber has been used, but in order to satisfy the required electric and thermal conductivity, the polymer composite separator additionally adds a large amount of conductive fillers in addition to the conductive fiber.
  • the process becomes complicated, time and cost are further consumed, the productivity is low, and when the conductive filler is contained in a large amount, there is a problem in that moldability is reduced.
  • the flow of current becomes uneven and the flow of current may be partially interrupted by the polymer resin having insulation performance, resulting in contact resistance. As it increases, the electrical conductivity may decrease.
  • the fuel cell separator composite material 100 includes a first conductive continuous fiber bundle 110 and the impregnation resin 120 aligned in one direction, as will be described later, the fuel
  • the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction may be applied to be perpendicular to the upper and lower surfaces of the separator, thereby separating the fuel cell.
  • the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be formed in the same direction as the current flow direction. Accordingly, since the current may flow along the first conductive continuous fiber bundle 110 when the fuel cell including the separator manufactured by the composite material for the fuel cell separator 100 may flow, the current flows uniformly. The interruption of the flow of current can be effectively prevented.
  • the fuel cell separator composite material 100 is not formed of a metal material, which is excellent in corrosion resistance, and does not include a large amount of conductive fillers, thereby providing excellent processability, productivity, and molding processability, and at the same time, flow of current
  • the more uniform and can be prevented disconnection has the advantage of achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
  • the upper and lower surfaces of the fuel cell separator are a pair of surfaces contacting the gas diffusion layer, the membrane electrode assembly, and the like in the fuel cell or the unit cell, and mean a pair of surfaces perpendicular to the current flow direction.
  • the fuel cell separator does not need to be divided into upper and lower surfaces in a symmetrical form, but for convenience of description, the fuel cell separator is referred to as an upper surface and a lower surface. It may be arbitrarily selected and is not particularly limited.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 may also be referred to as a fiber concentrator, and may be formed by concentrating the first conductive continuous fiber, for example, 1,000 to 48,000 strands as a fiber filament.
  • the fiber filament may include a monofilament, a multifilament or both thereof, and the monofilament may mean a thread formed of one ol, and the multifilament may mean a thread formed by twisting a plurality of ol.
  • the first conductive continuous fibers may be formed by, for example, depositing them in a binder resin-containing composition or spraying and converging a binder resin-containing composition thereon to form the first conductive continuous fiber bundle 110.
  • the binder resin may be a kind known in the art, for example, acrylic resin, methacryl resin, polyisoprene, vinyl resin, epoxy resin, urethane resin, cellulose resin and combinations thereof It may include at least one selected from the group containing, but is not limited thereto.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 may include an organic fiber, an inorganic fiber, or both of which the surface of the continuous fiber bundle is coated with a conductive filler or a conductive filler is dispersed in the continuous fiber bundle. Thus, current can easily flow along these fibers.
  • the organic fibers include, for example, synthetic fibers such as polypropylene fibers, aramid fibers, and the like
  • the inorganic fibers include, for example, glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, and the like.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 is a fan (PAN) -based, pitch-based and Rayon-based carbon fibers; Carbon nanofibers; Activated carbon fibers; And at least one selected from the group consisting of a combination thereof.
  • PAN fan
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 is a fan (PAN) -based, pitch-based and Rayon-based carbon fibers; Carbon nanofibers; Activated carbon fibers; And at least one selected from the group consisting of a combination thereof.
  • the carbon fiber or the carbon nanofiber is selected from, for example, polyacrylonitrile (PAN), polybenzylimidazole (PBI), cellulose (Cellulose), phenol (Phenol), and pitch (Pitch) It may be formed from one or more precursors, but is not limited thereto.
  • PAN polyacrylonitrile
  • PBI polybenzylimidazole
  • cellulose Cellulose
  • Phenol phenol
  • pitch pitch
  • the length of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be about 0.1mm to about 2.0mm.
  • the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 is an upper portion of the fuel cell separator. It can be formed to be perpendicular to the surface and the lower surface, and accordingly the current can flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, the flow of the current is uniform, preventing the breakage to provide excellent electrical conductivity and low contact resistance Can be implemented.
  • the orientation of the fiber in the process of impregnating the first conductive continuous fiber bundle 110 in one direction with the impregnation resin 120 is performed.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 when the fuel cell separator is formed due to the limitation according to the thickness standard of the fuel cell separator when it is easily distracted and difficult to maintain the aligned state in one direction and is greater than about 2.0 mm
  • the longitudinal direction (L) of can not be formed to be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate, and can only be formed in parallel.
  • the impregnation has insulation performance between the plurality of layers.
  • the layered portion formed only of the resin 120 may be included so that the flow of current may be partially interrupted, and thus the contact resistance and electrical conductivity may be further reduced.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 may have a thickness of about 0.1 mm to about 0.2 mm, and a width of about 1.0 mm to about 20.0 mm.
  • a thickness and a width within the above range can be more easily aligned in the one direction while the fuel cell separator prepared therein can implement excellent flexural strength.
  • an average diameter of the first conductive continuous fiber may be about 7 ⁇ m to about 30 ⁇ m.
  • the linear density of the first conductive continuous fiber may be about 800 g / km to about 4,000 g / km.
  • the impregnation resin 120 may be a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin may be, for example, polyethylene, polypropylene, polyurethane, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, or the like. (polybutyleneterephthalate), polyurea, polyvinylchloride, polyvinylacetate, ethylenevinylacetate, melamine, phenol, polyphenylene sulfide, It may include at least one selected from the group consisting of polyamide, polyimide, polybenzimidazole, polyetheretherketone, acryl, and combinations thereof.
  • the impregnation resin 120 may specifically include polyamide, thereby further improving flexural strength.
  • the weight ratio of the impregnating resin 120 to the first conductive continuous fiber bundle 110 may be, for example, about 1:40 to about 1:99, and specifically about 1:70 to about 1:90. .
  • the composite material 100 for the fuel cell separator can realize both excellent durability and excellent electrical conductivity at the same time.
  • the fuel cell separator 100 may include, for example, about 1 to about 100 layers formed of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction.
  • the fuel in the direction perpendicular to the layer by including the number of the range within the range while properly adjusting the gap between the layers to a level necessary to implement the durability and electrical conductivity of the fuel cell separator composite 100 to the required level.
  • the thickness of the composite material for battery separator 100 can be adjusted appropriately.
  • the thickness d v of the composite material for a fuel cell separator 100 in a direction perpendicular to the layer may be about 0.12 mm to about 22.0 mm.
  • the thickness d v of the composite material for a fuel cell separator 100 in a direction perpendicular to the layer may be a width of a surface at which an end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 is exposed.
  • the length direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 is greater than the thickness of the fuel cell separator. It may be formed so as to be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate, so that the current flow direction of the fuel cell separation plate and the longitudinal direction (L) of the first conductive continuous fiber bundle 110 is the same. As a result, the current flow can be uniformly prevented and the breakage can be effectively prevented, thereby achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
  • the width d p of the fuel cell separator composite material 100 in a direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 is about 25.0 mm to about 100.0 mm. May be, but is not limited thereto.
  • the width d p of the fuel cell separator composite 100 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 while being parallel to the layer is the first conductive continuous fiber bundle (
  • the distal face of 110 may be the width of the exposed face.
  • the first conductive continuous fiber bundle 110 is uniformly aligned in one direction
  • the plurality of layers may all be parallel
  • the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 (L) may all be parallel, and accordingly, when the fuel cell separator is formed to form the fuel cell separator, the current flow direction and the longitudinal direction L are the same so that the current flows. Can be made uniform and the disconnection can be prevented.
  • needle punching or an electrostatic wool process may be applied to orient the fibers in a predetermined direction. This disturbance makes it difficult to maintain the alignment in one direction, so that the current in the fuel cell separator flows unevenly and may be partially disconnected.
  • the length of such short fibers can be from about 2.0 mm to about 5.0 mm, for example.
  • the composite material for fuel cell separator 100 can be more uniformly aligned in one direction more easily by using straight continuous fibers, it is possible to maintain an excellent level of the orientation of the fiber even by the subsequent resin impregnation process, As described above, in the case of forming the fuel cell separator, it is possible to uniformize the flow of current and to prevent disconnection.
  • both end faces of the first conductive continuous fiber bundle 110 have upper and lower surfaces of the fuel cell separator. Each can be exposed to a cotton. Accordingly, current can flow easily through both end surfaces, so that the contact resistance of the fuel cell separation plate can be further lowered, thereby achieving better electrical conductivity.
  • the composite material for a fuel cell separator 100 includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle 110 are exposed and a side surface S 2 therebetween.
  • the fuel cell separator may be attached to the side surface S 2 .
  • one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100 after the lamination in one of one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100, one side surface (S 2) and the other one of the fuel cell separating panyong composite material 100 of the contact with each other by way of hot pressing It can be formed by attaching and molding.
  • the plurality of fuel cell separator composites 100 are formed as fuel cell separators
  • a pair of exposed ends of the first conductive continuous fiber bundle 110 of the plurality of fuel cell separators composite 100 is exposed.
  • Surfaces (S 1 ) of the to form a pair of planes the pair of planes may be formed as the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator, respectively, the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator
  • An end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be exposed on a surface.
  • the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator.
  • the flow direction of the current in the fuel cell separator and the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 are the same so that the current flows from the upper surface to the lower surface or in the opposite direction. Since it can easily flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, as described above, by aligning the first conductive continuous fiber bundle 110 in one direction to uniformly flow the current and at the same time to prevent disconnection
  • the fuel cell separator may realize lower contact resistance and better electrical conductivity.
  • the composite material for fuel cell separator 100 may not include a conductive filler separately.
  • the composite material 100 for the fuel cell separator plate is exposed to the end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 on the upper and lower surfaces of the fuel cell separator plate, the first conductive continuous fiber bundle 110. Since the longitudinal direction (L) of the) can be formed to be the same as the current flow direction there is an advantage that can implement a low contact resistance and excellent electrical conductivity without including a separate conductive filler.
  • the manufacturing process of the fuel cell separator 100 may be simplified, thereby reducing time and cost, thereby effectively improving productivity, and at the same time, forming processability of the fuel cell separator 100 may be further improved.
  • the conductive filler is, for example, carbon powder, platelet graphite, spheroidal graphite, expanded graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, denka black, super P, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon It may mean a nano wire, carbon nano horn, carbon nano ring, etc., but is not limited thereto.
  • the layer included in the fuel cell separator composite 100 may further include or may not include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction.
  • the second conductive continuous fiber bundle may be the same as described above with respect to the first conductive continuous fiber bundle 110 except that the second conductive continuous fiber bundle is aligned in the different directions.
  • the second conductive continuous fiber bundle may be included in the form of a woven fabric interwoven with each other with respect to the first conductive continuous fiber bundle 110, or partially or on the first conductive continuous fiber bundle 110 without being woven. It may be included in a close contact as a whole, but is not limited thereto.
  • the flexural strength tends to be lowered, but the external impact may be more easily absorbed, for example, the impact strength may be improved, and thus further appropriately included according to the purpose and use of the invention. It may or may not include it.
  • the second conductive continuous fiber bundle is included in the form of a woven fabric, for example, the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction is inclined, and the second conductive continuous fiber bundle is a weft yarn. It can be woven by sandwiching between the first conductive continuous fiber bundle 110, but is not limited thereto.
  • the weave form may mean a woven fabric in a form including at least one selected from the group consisting of plain weave, twill weave, satin weave, and combinations thereof, and the specific weave form may be selected according to physical properties or uses to be implemented. .
  • the weight ratio of the impregnated resin 120 to the second conductive continuous fiber may be about 1:40 to about 1:99, and specifically about 1:70. To about 1:90.
  • the fuel cell separator is formed by the composite material 100 for the separator, both end faces (end face) of the first conductive continuous fiber bundle 110 is exposed on the upper and lower surfaces, respectively.
  • a fuel cell separator 200 is provided. 2 schematically shows a perspective view of the fuel cell separator 200.
  • the fuel cell separator composite material 100 is as described above in one embodiment.
  • the fuel cell separator 200 is exposed in the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 while the end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction is exposed on the upper surface and the lower surface ( L) is formed in the same direction as the current flow direction in the fuel cell separator 200, so that the current can flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, thereby making the flow of current uniform and The breakage of the flow can be effectively prevented.
  • the fuel cell separator composite material 100 is not formed of a metal material, which is excellent in corrosion resistance, and does not include a large amount of conductive fillers, thereby providing excellent processability, productivity, and molding processability, and at the same time, flow of current
  • the more uniform and can be prevented disconnection has the advantage of achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
  • the composite material for fuel cell separator 100 includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle 110 are exposed and a side surface S 2 therebetween, and includes a plurality of fuel cell separator plates.
  • Composite 100 may be attached to the side (S 2 ) by thermocompression molding.
  • one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100 after the lamination in one of one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100, one side surface (S 2) and the other one of the fuel cell separating panyong composite material 100 of the contact with each other by way of hot pressing It can be formed by attaching and molding. Accordingly, when the plurality of fuel cell separator composites 100 are formed of the fuel cell separator 200, the ends of the first conductive continuous fiber bundles 110 of the plurality of fuel cell separator composites 100 are exposed.
  • the pair of surfaces (S 1 ) can be gathered to form a pair of planes, the pair of planes may be formed as the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate 200, respectively, the fuel cell separation End surfaces of the first conductive continuous fiber bundles 110 may be exposed on the top and bottom surfaces of the plate 200.
  • the longitudinal direction (L) of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator 200, and thus the first conductive continuous
  • the longitudinal direction L of the fiber bundle 110 may be the same as the flow direction of the current in the fuel cell separator 200, thereby realizing excellent electrical conductivity and low contact resistance.
  • the total thickness of the separator may be about 0.1 mm to about 2.0 mm. By having a thickness within the above range, it is possible to sufficiently realize the separation performance for maintaining the insulation without excessively increasing the size of the fuel cell or unit cell including the separator. When the total thickness of the separator exceeds about 2.0 mm, there is a problem in that the weight and size of the separator, which occupies the largest weight ratio among the components of the fuel cell, cannot be achieved.
  • the fuel cell separator 200 may have, for example, a contact resistance of about 20 m ⁇ ⁇ cm 2 or less, specifically, about 10 m ⁇ ⁇ cm 2 to about 20 m ⁇ ⁇ cm 2 , and a corrosion current density, for example. , may be up to about 10 ⁇ A / cm 2, specifically, approximately 1.5 ⁇ A / cm 2 to about may be 10 ⁇ A / cm 2.
  • a contact resistance within the above range can implement excellent electrical conductivity to further improve the energy efficiency of the fuel cell, and at the same time having a corrosion current density within the above range can be improved corrosion resistance can be realized long-term excellent durability.
  • the electrical conductivity of the fuel cell separator 200 may be about 100S / cm to about 200S / cm, and thus may implement excellent electrical properties, thereby improving energy efficiency.
  • the fuel cell separator 200 may have a flexural strength of about 94 MPa to about 400 MPa.
  • the flexural strength may be measured according to the conditions of ASTM D 790.
  • FIG. 3 schematically shows a process flow diagram of the method.
  • 4 to 7 schematically show schematic diagrams illustrating each of the following steps included in the manufacturing method.
  • the manufacturing method includes forming a first conductive continuous fiber bundle sheet (S1); After stacking the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets, immersion and drying are performed on the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin films are alternately laminated, and then thermocompression bonding is performed.
  • the composite material for a fuel cell separator described above in one embodiment and the fuel cell separator described above in another embodiment can be manufactured, whereby the fuel cell separator has excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, Excellent corrosion resistance, low contact resistance and good electrical conductivity can be achieved.
  • the first conductive continuous fiber bundle, the impregnation resin and the composite material for the fuel cell separator are as described above in one embodiment.
  • the first conductive continuous fiber bundle sheet may have a thickness of, for example, about 200 ⁇ m to about 300 ⁇ m
  • the impregnated resin film is a film formed of the impregnated resin, for example, about 20 ⁇ m to It may be about 100 ⁇ m, but may vary depending on the purpose and function of the invention, it is not limited thereto.
  • the first conductive continuous fiber bundle can be aligned in one direction on a single plane to form a first conductive continuous fiber bundle sheet, specifically, the first conductive continuous fiber bundle is uniform in one direction Can be aligned and formed as a sheet. Accordingly, the first conductive continuous fiber bundle sheet may include a first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction.
  • the first conductive continuous fiber bundle sheet further includes or does not further include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction. It can form in a state.
  • the second conductive continuous fiber bundle may be included in the form of a woven fabric interwoven with each other with respect to the first conductive continuous fiber bundle, or in a state of being partially or wholly in contact with the first conductive continuous fiber bundle without being woven. It may be included, but is not limited thereto.
  • the second conductive continuous fiber bundle is as described above in one embodiment.
  • the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets are laminated, followed by immersion and drying of the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin film are alternately laminated, and then heated. Compression may be performed to form the preliminary composite.
  • the impregnated resin film is impregnated into the first conductive continuous fiber bundle sheet by thermocompression, so any one of them may be formed as the outermost layer.
  • thermocompression any one of them may be formed as the outermost layer.
  • the preliminary composite material may be a composite material formed in a form in which the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets are included in parallel with each other in the impregnation resin, and used to form the composite material for the fuel cell separator. It is a preliminary material. Specifically, the plurality of layers may be included in parallel with each other in the impregnating resin using the first conductive continuous fiber bundle sheet as one layer.
  • the preliminary composite material may be formed by, for example, performing hot pressing at a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C. by a hot press at a pressure of about 10 kg / cm 2 to about 100 kg / cm 2, but is not limited thereto.
  • the impregnated resin may be applied by applying heat and pressure after laminating the impregnated resin film on the upper, lower, or upper and lower portions of the first conductive continuous fiber bundle sheet.
  • the molten resin can be impregnated with the first conductive continuous fiber bundle to be impregnated.
  • the first conductive continuous fiber bundle sheet is formed as one layer, and the plurality of layers may be parallel to each other while the plurality of layers are included, so that the length of the first conductive continuous fiber bundle is provided.
  • the directions can all be parallel.
  • the preliminary composite material may be cut perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of about 0.1 mm to about 2.0 mm to form a composite material for a fuel cell separator. That is, it is possible to use a composite material for a fuel cell separator formed by cutting perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at the same interval within the range of about 0.1mm to about 2.0mm, to produce a fuel cell separator In this case, a pair of surfaces of which both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed may be gathered to form opposite surfaces, that is, an upper surface and a lower surface of the fuel cell separator.
  • the length of the first conductive continuous fiber bundle included in the fuel cell separator composite may be formed at a level of about 0.1 mm to about 2.0 mm.
  • the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be formed to be perpendicular to the upper and lower surfaces of the fuel cell separator.
  • the current may flow along the first conductive continuous fiber bundle, thereby making the flow of the current uniform and preventing breakage, thereby realizing excellent electrical conductivity and low contact resistance.
  • the fuel cell separator may be manufactured to expose both end faces of the first conductive continuous fiber bundle on the upper and lower surfaces of the fuel cell separator using the at least one composite for fuel cell separator.
  • the one fuel cell separator composite material is used as the fuel cell separator plate or thermally compressed. It is possible to produce a fuel cell separator by molding.
  • the composite material for one fuel cell separator is molded by thermocompression bonding, for example, it may be performed by hot pressing, and the temperature and pressure conditions at this time may be appropriately set, and are not particularly limited.
  • a plurality of The fuel cell separator can be manufactured by attaching and molding two composite materials for a fuel cell separator by thermocompression bonding.
  • the composite material for a fuel cell separator includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween.
  • the composite material for two fuel cell separators is formed as a fuel cell separator, it may be attached to the side surface.
  • one side of the composite material for one fuel cell separator and one side of the composite material for another fuel cell separator may be formed by being stacked in contact with each other and then attached and molded by thermocompression bonding.
  • a pair of surfaces of which the ends of the first conductive continuous fiber bundles of the plurality of fuel cell separator composites are exposed are gathered to form a pair of planes.
  • the pair of planes may be formed as an upper surface and a lower surface of the fuel cell separation plate, respectively.
  • thermocompression may be performed in all directions according to methods known in the art, and may be molded to appropriately apply heat and pressure within a range in which physical properties of the plurality of fuel cell separators are not significantly deformed. Is not particularly limited.
  • the fuel cell separator may be formed by, for example, performing thermocompression bonding at a pressure of about 1 kg / cm 2 to about 10 kg / cm 2 by a hot press at a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C., but is not limited thereto.
  • thermocompression forming the composite material for the fuel cell separator is the same or higher temperature than the thermocompression forming the fuel cell separator; Or the same or higher pressure; Can be performed under conditions.
  • the first conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 1,500 g / km and having a mean density of 7 ⁇ m and a first conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 250 mm formed of 3,000 strands is aligned on a single plane in one direction.
  • a bundle sheet was prepared, and the size of the first conductive carbon continuous fiber bundle sheet was 250 ⁇ 250 ⁇ 0.3 mm.
  • the first conductive carbon continuous fiber bundle sheets aligned in one direction of 20 sheets and 20 sheets of a polypropylene resin film having a size of 250X250X0.1mm are alternately stacked, and then thermally crimped at a temperature of 220 ° C. and a pressure of 40 kg / cm 2.
  • a composite material for a fuel cell separator was formed.
  • the composite material for fuel cell separator is cut perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive carbon continuous fiber bundle at 2.0 mm intervals, so that the cut fuel composite plate composite material is both ends of the first conductive carbon continuous fiber bundle.
  • the cross-sections each included two exposed faces and sides between them.
  • the length of the first conductive carbon continuous fiber bundle included in the cut fuel cell separator composite was 2.0 mm, and the weight ratio of the polypropylene resin to the first conductive continuous fiber bundle was 1:80.
  • both end surfaces of the first conductive carbon continuous fiber bundle are exposed to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator, and the length direction of the first conductive carbon continuous fiber bundle is the top surface of the fuel cell separator.
  • the direction perpendicular to the lower surface was the same as the current flow direction, and the total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
  • Example 2 (Contains a second conductive continuous fiber bundle)
  • a second conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 250 mm formed of 3,000 second conductive carbon continuous fibers having an average diameter of 7 ⁇ m and a linear density of 1650 g / km is interwoven with the first conductive carbon continuous fiber bundles to cross each other.
  • a fuel cell separator was manufactured in the same conditions and methods as in Example 1 except that the first conductive carbon continuous fiber bundle sheet further includes a second conductive carbon continuous fiber bundle arranged in a direction different from the one direction.
  • the length of the second conductive carbon continuous fiber bundle included in the cut fuel cell separator composite was 250 mm
  • the weight ratio of the polypropylene resin to the second conductive carbon continuous fiber bundle was 1:80
  • the fuel cell separator was The total thickness of was 2.0 mm.
  • a fuel cell separator was manufactured by injection molding a composition obtained by mixing and stirring 50% by weight of polypropylene resin and 50% by weight of carbon black as the conductive filler.
  • the total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
  • the total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
  • Short carbon fibers having an average diameter of 7 ⁇ m and a length of 2 mm form a sheet of short carbon fibers oriented generally in one direction using an electrostatic cap technique, and then infiltrate the liquid polypropylene resin into the short carbon fiber sheet to provide fuel.
  • a composite material for a battery separator was prepared and the weight ratio of polypropylene resin to short carbon fiber was 1:50.
  • the composite material was then formed by hot pressing at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 5 kg / cm 2 by hot press (Carver, Auto 30ton) to manufacture a fuel cell separator, and the total thickness of the fuel cell separator was Was 2.0 mm.
  • a bundle of 250 mm long conductive carbon continuous fibers formed of 3,000 first conductive continuous fibers having an average diameter of 7 ⁇ m and a linear density of 1650 g / km is woven to cross each other with warp and weft to form a woven carbon continuous fiber sheet.
  • the carbon continuous fiber sheet was 250 ⁇ 250 ⁇ 0.025mm in size, and the spacing between the warp yarns and the weft yarns were the same.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view of a fuel cell separator according to Comparative Example 4.
  • Measuring method measured using a flexural strength meter (Instron, 5569A) according to ASTM D 790.
  • Measurement method Measurement was performed using a 4-probe method by Keithley (Keithley / 6220 / 2182A, USA).
  • Measuring method By visually observing whether grooves or cracks were formed on the surface of the fuel cell separator according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1-4, the grooves and cracks did not occur, and thus the moldability was excellent. The case was indicated by “ ⁇ ”, the case where the grooves or cracks occurred and the moldability was inferior was indicated by "X”, and the good case was indicated by " ⁇ ".
  • the fuel cell separators according to Examples 1 and 2 were found to have excellent bending performance, electrical conductivity, contact resistance, and excellent molding processability.
  • the fuel cell separator according to Comparative Examples 1 to 4 was found to have a significantly lower electrical conductivity and a significantly higher contact resistance, resulting in inferior performance.
  • the flexural strength was inferior
  • Comparative Example 2 it was clearly confirmed that the molding processability was also inferior.
  • d p Width of the composite material for a fuel cell separator in a direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle.

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Abstract

Provided are a composite material for a fuel cell separator plate and a fuel cell separator plate formed from one or more of the composite materials for a fuel cell separator plate, the composite material comprising: a first continuous conductive fiber bundle aligned in one direction and an impregnation resin; and a plurality of layers, one layer being the first continuous conductive fiber bundle aligned in one direction.

Description

연료전지 분리판용 복합재, 연료전지 분리판 및 이의 제조방법Composite material for fuel cell separator, fuel cell separator and manufacturing method
연료전지 분리판용 복합재, 연료전지 분리판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.A composite material for a fuel cell separator, a fuel cell separator, and a method of manufacturing the same.
연료전지는 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 generates electricity by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The fuel cell may include a stack, which is a main component for producing electricity directly, and other devices that assist the operation of the stack.
연료전지 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 연료전지 분리판들을 포함할 수 있다.The fuel cell stack includes a unit cell as a minimum unit for generating silver electrical energy, and the unit cell includes a membrane electrode assembly (MEA) and fuel provided on both sides of the membrane electrode assembly. Battery separators may be included.
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 includes a polymer electrolyte membrane for selectively passing only hydrogen ions, and an anode electrode and a cathode electrode may be bonded to both sides of the polymer electrolyte membrane.
연료전지 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 serves to collect current generated from the unit cell, to separate insulation to maintain insulation, and to discharge water generated by supplying gas (hydrogen and oxygen) to a gas diffusion layer (GDL). It can play a role.
이러한 연료전지 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 must be stable in the oxidation / reduction atmosphere of the anode electrode and the cathode electrode, sufficiently prevent gas mixing, and have sufficient electrical conductivity.
종래 상업화된 흑연(Graphite) 분리판은 내식성 및 양호한 전기전도성을 가지고 있으나, 기계적 충격 또는 진동에 약해 일정 이상의 두께를 유지해야 하므로, 이는 연료전지 스택의 효율을 감소시키며 고비용의 문제가 있으며, 게다가 기공을 가지고 있어 가스 투과성의 문제가 존재한다.Conventional commercially available graphite separators have corrosion resistance and good electrical conductivity, but are weak against mechanical shock or vibration, and thus have to maintain a certain thickness or more, which reduces the efficiency of the fuel cell stack and has a high cost problem. There is a problem of gas permeability.
본 발명의 일 구현예에서, 우수한 공정성, 우수한 생산성, 우수한 성형 가공성, 우수한 내부식성, 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현하는 연료전지 분리판용 복합재를 제공한다.In one embodiment of the present invention, there is provided a composite for a fuel cell separator that implements excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, excellent corrosion resistance, low contact resistance and excellent electrical conductivity.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 연료전지 분리판용 복합재에 의해 형성한 연료전지 분리판을 제공한다In another embodiment of the present invention, there is provided a fuel cell separator formed by the fuel cell separator composite.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, a method of manufacturing the fuel cell separator 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 achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned problem, another task that is not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
본 발명의 일 구현예에서, 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발 및 함침 수지를 포함하고, 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발을 한 개의 층으로 하여 복수 개의 층을 포함하는 연료전지 분리판용 복합재를 제공한다.In one embodiment of the present invention, comprising a first conductive continuous fiber bundle and an impregnation resin aligned in one direction, comprising a plurality of layers of the first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction as one layer Provided is a composite material for a fuel cell separator.
상기 복수 개의 층이 서로 평행할 수 있다.The plurality of layers may be parallel to each other.
상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 각각 노출될 수 있다.When the at least one fuel cell separator is formed of a fuel cell separator, both end faces of the first conductive continuous fiber bundle may be exposed to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator, respectively. have.
상기 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 측면으로 부착되어 형성될 수 있다.Wherein the composite material for fuel cell separator comprises two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle is exposed and the side surface therebetween, wherein the plurality of composite material for fuel cell separator is formed of a fuel cell separator plate It may be attached to the side.
상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 상기 하부면에 수직할 수 있다.When the at least one composite for fuel cell separator is formed of a fuel cell separator, the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be perpendicular to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator.
연료전지 분리판용 복합재가 도전성 필러를 별도로 포함하지 않을 수 있다.The composite material for the fuel cell separator may not separately include a conductive filler.
상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이가 약 0.1mm 내지 약 2.0mm일 수 있다.The length of the first conductive continuous fiber bundle may be about 0.1mm to about 2.0mm.
상기 제1 도전성 연속섬유다발은 섬유 필라멘트로서 제1 도전성 연속섬유가 예를 들어, 평균 약 1,000가닥 내지 약 48,000가닥이 집속되어 형성되고, 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 두께가 약 0.1mm 내지 약 0.2mm이고, 너비가 약 1.0mm 내지 약 20.0mm일 수 있다.The first conductive continuous fiber bundle is a fiber filament, for example, the first conductive continuous fiber is formed by converging, for example, about 1,000 to about 48,000 strands, the thickness of the first conductive continuous fiber bundle is about 0.1mm to about 0.2 mm and may have a width of about 1.0 mm to about 20.0 mm.
상기 제1 도전성 연속섬유의 선 밀도가 약 800g/km 내지 약 4,000g/km일 수 있다.The linear density of the first conductive continuous fiber may be about 800 g / km to about 4,000 g / km.
상기 함침 수지 대 제1 도전성 연속섬유다발의 중량비가 약 1:40 내지 약 1:99일 수 있다.The weight ratio of the impregnating resin to the first conductive continuous fiber bundle may be about 1:40 to about 1:99.
상기 층을 약 1개 내지 약 100개로 포함할 수 있다.And from about 1 to about 100 layers.
상기 층에 대해 수직한 방향에서의 두께가 약 0.12mm 내지 약 22.0mm일 수 있다.The thickness in the direction perpendicular to the layer may be about 0.12 mm to about 22.0 mm.
상기 층에 대해 평행하면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이방향에 대해 수직한 방향에서의 너비가 약 25.0mm 내지 약 100.0mm일 수 있다.The width in the direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be about 25.0 mm to about 100.0 mm.
상기 제1 도전성 연속섬유가 섬유의 표면이 도전성 필러로 코팅되거나, 또는 섬유의 내부에 도전성 필러가 분산되어 포함된 유기계 섬유, 무기계 섬유 또는 이들 모두를 포함할 수 있다.The first conductive continuous fiber may include an organic fiber, an inorganic fiber, or both of which the surface of the fiber is coated with the conductive filler, or the conductive filler is dispersed and contained in the fiber.
상기 층이 상기 일 방향과 상이한 방향으로 정렬된 제2 도전성 연속섬유다발을 더 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다.The layer may further or may not include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction.
본 발명의 다른 구현예에서, 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재에 의해 형성되고, 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출될 수 있다.In another embodiment of the present invention, formed by at least one composite for fuel cell separator, both end faces of the first conductive continuous fiber bundle may be exposed on the upper and lower surfaces, respectively.
상기 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 열압착에 의해 상기 측면으로 부착되어 성형될 수 있다.The fuel cell separation plate composite includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween, and a plurality of fuel cell separation plate composites are attached to the side surfaces by thermocompression bonding. Can be molded.
상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 상기 하부면에 수직할 수 있다.The length direction of the first conductive continuous fiber bundle may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator.
상기 연료전지 분리판의 총 두께가 약 0.1mm 내지 약 2.0mm일 수 있다.The total thickness of the fuel cell separator may be about 0.1 mm to about 2.0 mm.
상기 연료전지 분리판의 접촉 저항이 약 20mΩ·cm2 이하이고, 전기전도도는 약 100S/cm 내지 약 200S/cm일 수 있다.The contact resistance of the fuel cell separator may be about 20 mΩ · cm 2 or less, and the electrical conductivity may be about 100 S / cm to about 200 S / cm.
또한, 상기 연료전지 분리판의 굴곡강도가 약 94MPa 내지 약 400MPa일 수 있다.In addition, the flexural strength of the fuel cell separator may be about 94 MPa to about 400 MPa.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 형성하는 단계; 상기 복수 장의 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 적층한 후 함침 수지에 대해 침지 및 건조를 수행하거나, 또는 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층한 후 열압착을 수행하여, 예비 복합재를 형성하는 단계; 상기 예비 복합재를 0.1mm 내지 2.0mm의 범위 내에서 일정한 간격으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향에 대해 수직하게 절단하여 연료전지 분리판용 복합재를 형성하는 단계; 및 상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재로 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출되도록 연료전지 분리판을 제조하는 단계;를 포함하는 연료전지 분리판의 제조방법을 제공한다.In another embodiment of the present invention, forming a first conductive continuous fiber bundle sheet; After stacking the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets, immersion and drying are performed on the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin films are alternately laminated, and then thermocompression bonding is performed. Forming a preliminary composite; Cutting the preliminary composite material perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of 0.1 mm to 2.0 mm to form a composite material for a fuel cell separator; And manufacturing a fuel cell separator such that both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed on the top and bottom surfaces of the fuel cell separator using the at least one composite for fuel cell separator. It provides a method for manufacturing a fuel cell separator comprising a.
상기 연료전지 분리판용 복합재 및 상기 연료전지 분리판이 우수한 공정성, 우수한 생산성, 우수한 성형 가공성, 우수한 내부식성, 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있다.The fuel cell separator and the fuel cell separator may realize excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, excellent corrosion resistance, low contact resistance, and excellent electrical conductivity.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연료전지 분리판용 복합재의 개략적인 사시도이다.1 is a schematic perspective view of a fuel cell separator composite according to one embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 연료전지 분리판의 개략적인 사시도이다.2 is a schematic perspective view of a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 연료전지 분리판의 개략적인 공정흐름도이다.3 is a schematic process flow diagram of a fuel cell separator according to another embodiment of the present invention.
도 4는 도 3의 공정흐름도에서 1단계(S1)를 설명하는 개략적인 모식도이다.FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a step S1 in the process flowchart of FIG. 3.
도 5는 도 3의 공정흐름도에서 2단계(S2)를 설명하는 개략적인 모식도이다.FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a second step S2 in the process flow diagram of FIG. 3.
도 6은 도 3의 공정흐름도에서 3단계(S3)를 설명하는 개략적인 모식도이다.FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the third step S3 in the process flow diagram of FIG. 3.
도 7은 도 3의 공정흐름도에서 4단계(S4)를 설명하는 개략적인 모식도이다.FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the four steps S4 in the process flow diagram of FIG. 3.
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 so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention.
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 describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals designate like elements 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 of layers, films, panels, regions, etc., are exaggerated for clarity. In the drawings, the thicknesses of layers and regions are exaggerated for clarity.
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.In the following, any configuration is formed on the top (or bottom) of the substrate or on the top (or bottom) of the substrate, not only means that the arbitrary configuration is formed in contact with the top (or bottom) of the substrate, but also the substrate It is not limited to not including other configurations between and any configuration formed on (or under) the substrate.
본 발명의 일 구현예에서, 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발 및 함침 수지를 포함하고, 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발을 한 개의 층으로 하여 복수 개의 층을 포함하는 연료전지 분리판용 복합재를 제공한다. 도1은 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 사시도를 개략적으로 나타내고, 도1에 나타난 바와 같이, 상기 함침 수지(120) 내에 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)로 형성된 층이 복수 개로 포함될 수 있다.In one embodiment of the present invention, comprising a first conductive continuous fiber bundle and an impregnation resin aligned in one direction, comprising a plurality of layers of the first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction as one layer Provided is a composite material for a fuel cell separator. FIG. 1 schematically shows a perspective view of the composite material 100 for a fuel cell separator, and as shown in FIG. 1, formed of a first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction in the impregnation resin 120. A plurality of layers may be included.
상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)은 단일 평면 상에서 일 방향으로 정렬될 수 있고 이웃하는 제1 도전성 연속섬유다발(110)들이 부분적으로 또는 전체적으로 밀착되어 예를 들어, 시트로서 형성될 수 있으며, 그에 따라 제1 도전성 연속섬유다발(110) 시트가 한 개의 층으로서 형성될 수 있다. 즉, 상기 함침 수지(120) 내에 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110) 시트가 복수 개로 포함될 수 있다.The first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction may be aligned in one direction on a single plane and the neighboring first conductive continuous fiber bundles 110 may be partially or totally in close contact, for example, as a sheet. The first conductive continuous fiber bundle 110 sheet may be formed as one layer. That is, a plurality of sheets of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be included in the impregnation resin 120.
구체적으로, 상기 복수 개의 층이 서로 평행할 수 있고, 그에 따라, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)이 상기 함침 수지(120) 내에서 상기 일 방향으로 정렬될 수 있다.Specifically, the plurality of layers may be parallel to each other, and thus, the first conductive continuous fiber bundle 110 may be aligned in the one direction in the impregnating resin 120.
최근 고분자 수지 및 전도성 섬유를 포함하는 고분자 복합재료 분리판이 사용되고 있으나, 이러한 고분자 복합재료 분리판은 요구되는 전기전도도 및 열전도도를 만족하기 위해 도전성 섬유 외에도 다량의 도전성 필러 등을 별도로 첨가하는 단계가 추가되어 공정이 복잡해지므로 시간 및 비용이 더욱 소모되어 생산성이 낮으며, 또한, 이러한 도전성 필러를 다량으로 포함하는 경우에는 성형 가공성이 저하되는 문제가 있다. 게다가, 연료전지 분리판 내에 도전성 섬유나 도전성 필러가 방향성 없이 불균일하게 분산되어 있는 경우 전류의 흐름이 불균일하게 되고 절연 성능을 갖는 고분자 수지에 의해 부분적으로 전류의 흐름이 단절될 수 있어, 접촉 저항이 증가되면서 전기 전도성이 감소될 수 있다. Recently, a polymer composite separator including a polymer resin and a conductive fiber has been used, but in order to satisfy the required electric and thermal conductivity, the polymer composite separator additionally adds a large amount of conductive fillers in addition to the conductive fiber. As the process becomes complicated, time and cost are further consumed, the productivity is low, and when the conductive filler is contained in a large amount, there is a problem in that moldability is reduced. In addition, when conductive fibers or conductive fillers are unevenly dispersed in the fuel cell separator, the flow of current becomes uneven and the flow of current may be partially interrupted by the polymer resin having insulation performance, resulting in contact resistance. As it increases, the electrical conductivity may decrease.
이에, 본 발명의 일 구현예에서는, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)가 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110) 및 함침 수지(120)를 포함하여 후술하는 바와 같이, 이를 연료전지 분리판으로 형성하는 경우 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 상기 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하도록 적용시킬 수 있어, 상기 연료전지 분리판 내에서 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 전류의 흐름 방향과 동일하게 형성될 수 있다. 그에 따라 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)로 제조한 분리판을 포함하는 연료전지의 구동시 전류가 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 따라 흐를 수 있으므로 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 전류의 흐름의 단절을 효과적으로 방지할 수 있다.Thus, in one embodiment of the present invention, the fuel cell separator composite material 100 includes a first conductive continuous fiber bundle 110 and the impregnation resin 120 aligned in one direction, as will be described later, the fuel In the case of forming the battery separator, the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction may be applied to be perpendicular to the upper and lower surfaces of the separator, thereby separating the fuel cell. In the plate, the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be formed in the same direction as the current flow direction. Accordingly, since the current may flow along the first conductive continuous fiber bundle 110 when the fuel cell including the separator manufactured by the composite material for the fuel cell separator 100 may flow, the current flows uniformly. The interruption of the flow of current can be effectively prevented.
그 결과, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 금속 재질로 형성하지 않아 내부식성이 우수하고, 다량의 도전성 필러를 별도로 포함하지 않아 공정성, 생산성 및 성형 가공성이 우수하며, 이와 동시에 전류의 흐름이 더욱 균일해지면서 단절이 방지될 수 있으므로 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있는 이점이 있다. As a result, the fuel cell separator composite material 100 is not formed of a metal material, which is excellent in corrosion resistance, and does not include a large amount of conductive fillers, thereby providing excellent processability, productivity, and molding processability, and at the same time, flow of current The more uniform and can be prevented disconnection has the advantage of achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
본 명세서에서, 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면은 연료 전지 또는 단위 전지 내에서 기체 확산층, 막전극접합체 등과 접하는 한 쌍의 면으로서, 전류의 흐름 방향에 수직한 한 쌍의 면을 의미한다. 상기 연료전지 분리판은 대칭적인 형태로서 상기 한 쌍의 면이 상·하로 구분될 필요가 있는 것은 아니나, 설명의 편의상 상부면 및 하부면으로 언급하였으므로 상기 한 쌍의 면 중에서 상부면 또는 하부면은 임의로 선택될 수 있고, 특별히 제한되지 않는다.In the present specification, the upper and lower surfaces of the fuel cell separator are a pair of surfaces contacting the gas diffusion layer, the membrane electrode assembly, and the like in the fuel cell or the unit cell, and mean a pair of surfaces perpendicular to the current flow direction. . The fuel cell separator does not need to be divided into upper and lower surfaces in a symmetrical form, but for convenience of description, the fuel cell separator is referred to as an upper surface and a lower surface. It may be arbitrarily selected and is not particularly limited.
또한, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)은 섬유 집속체라고도 하고, 섬유 필라멘트로서 제1 도전성 연속섬유가 예를 들어, 평균 1,000가닥 내지 48,000가닥이 집속되어 형성될 수 있다. 상기 섬유 필라멘트는 모노필라멘트, 멀티필라멘트 또는 이들 모두를 포함할 수 있고, 상기 모노필라멘트는 한 올로 형성된 실을 의미하고, 상기 멀티필라멘트는 복수의 올을 꼬아서 형성한 실을 의미할 수 있다.In addition, the first conductive continuous fiber bundle 110 may also be referred to as a fiber concentrator, and may be formed by concentrating the first conductive continuous fiber, for example, 1,000 to 48,000 strands as a fiber filament. The fiber filament may include a monofilament, a multifilament or both thereof, and the monofilament may mean a thread formed of one ol, and the multifilament may mean a thread formed by twisting a plurality of ol.
상기 제1 도전성 연속섬유가 예를 들어, 이들을 바인더 수지 함유 조성물에 침적하거나 또는, 이들에 대해 바인더 수지 함유 조성물을 분사하여 집속시킴으로써 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 형성할 수 있다.The first conductive continuous fibers may be formed by, for example, depositing them in a binder resin-containing composition or spraying and converging a binder resin-containing composition thereon to form the first conductive continuous fiber bundle 110.
상기 바인더 수지는 이 기술분야에서 공지된 종류를 사용할 수 있고 예를 들어, 아크릴계 수지, 메타크릴계 수지, 폴리이소프렌, 비닐계 수지, 에폭시계 수지, 우레탄계 수지, 셀롤로오즈계 수지 및 이들의 조합을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.The binder resin may be a kind known in the art, for example, acrylic resin, methacryl resin, polyisoprene, vinyl resin, epoxy resin, urethane resin, cellulose resin and combinations thereof It may include at least one selected from the group containing, but is not limited thereto.
상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)은 연속섬유다발의 표면이 도전성 필러로 코팅되거나, 또는 연속섬유다발의 내부에 도전성 필러가 분산되어 포함된 유기계 섬유, 무기계 섬유 또는 이들 모두를 포함할 수 있고, 그에 따라 이들 섬유를 따라 전류가 용이하게 흐를 수 있다.The first conductive continuous fiber bundle 110 may include an organic fiber, an inorganic fiber, or both of which the surface of the continuous fiber bundle is coated with a conductive filler or a conductive filler is dispersed in the continuous fiber bundle. Thus, current can easily flow along these fibers.
상기 유기계 섬유는 예를 들어, 폴리프로필렌 섬유 등과 같은 합성 섬유, 아라미드 섬유 등이 있고, 상기 무기계 섬유는 예를 들어, 유리섬유, 탄소섬유, 세라믹 섬유 등이 있다.The organic fibers include, for example, synthetic fibers such as polypropylene fibers, aramid fibers, and the like, and the inorganic fibers include, for example, glass fibers, carbon fibers, ceramic fibers, and the like.
구체적으로, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)이 팬(PAN)계, 피치(Pitch)계 및 레이온(Rayon)계 탄소 섬유; 탄소 나노섬유; 활성 탄소섬유; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. Specifically, the first conductive continuous fiber bundle 110 is a fan (PAN) -based, pitch-based and Rayon-based carbon fibers; Carbon nanofibers; Activated carbon fibers; And at least one selected from the group consisting of a combination thereof.
또한, 상기 탄소 섬유 또는 상기 탄소 나노섬유는 예를 들어, 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리벤질이미다졸(PBI), 셀룰로오스(Cellulose), 페놀(Phenol), 및 피치(Pitch)로 이루어진 선택된 하나 이상의 전구체로부터 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.In addition, the carbon fiber or the carbon nanofiber is selected from, for example, polyacrylonitrile (PAN), polybenzylimidazole (PBI), cellulose (Cellulose), phenol (Phenol), and pitch (Pitch) It may be formed from one or more precursors, but is not limited thereto.
상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이가 약 0.1mm 내지 약 2.0mm일 수 있다. 상기 범위 내의 길이를 가짐으로써 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)에 의해 연료전지 분리판을 형성하는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하도록 형성할 수 있고, 그에 따라 전류가 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 따라 흐를 수 있으므로 전류의 흐름이 균일해지면서 단절이 방지되어 우수한 전기전도성 및 낮은 접촉 저항을 구현할 수 있다. The length of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be about 0.1mm to about 2.0mm. When the fuel cell separator is formed by the fuel cell separator composite material 100 by having a length within the range, the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 is an upper portion of the fuel cell separator. It can be formed to be perpendicular to the surface and the lower surface, and accordingly the current can flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, the flow of the current is uniform, preventing the breakage to provide excellent electrical conductivity and low contact resistance Can be implemented.
상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이가 약 0.1mm 미만인 경우 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)이 상기 함침 수지(120)로 함침되는 공정 과정에서 섬유의 배향성이 쉽게 흐트러져 일 방향으로 정렬된 상태를 유지하기 어렵고, 약 2.0mm 초과인 경우 연료전지 분리판의 두께 규격에 따른 제한으로 인해 상기 연료전지 분리판을 형성하는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하도록 형성할 수 없고 평행하게 형성할 수 밖에 없다. When the length of the first conductive continuous fiber bundle 110 is less than about 0.1 mm, the orientation of the fiber in the process of impregnating the first conductive continuous fiber bundle 110 in one direction with the impregnation resin 120 is performed. The first conductive continuous fiber bundle 110 when the fuel cell separator is formed due to the limitation according to the thickness standard of the fuel cell separator when it is easily distracted and difficult to maintain the aligned state in one direction and is greater than about 2.0 mm The longitudinal direction (L) of can not be formed to be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate, and can only be formed in parallel.
다만, 이와 같이, 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)로 형성된 층이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 평행하는 경우 상기 복수 개의 층들 사이에 절연 성능을 갖는 함침 수지(120)만으로 형성된 층 형상의 부분이 포함될 수 있어 전류의 흐름이 부분적으로 단절될 수 있으므로 접촉 저항 및 전기 전도성이 더욱 저하될 수 있다.However, when the layers formed of the first conductive continuous fiber bundles 110 aligned in one direction are parallel to the upper and lower surfaces of the fuel cell separation plate, the impregnation has insulation performance between the plurality of layers. The layered portion formed only of the resin 120 may be included so that the flow of current may be partially interrupted, and thus the contact resistance and electrical conductivity may be further reduced.
상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 두께가 예를 들어, 약 0.1mm 내지 약 0.2mm이고, 너비가 약 1.0mm 내지 약 20.0mm일 수 있다. 상기 범위 내의 두께 및 너비를 가짐으로써 상기 일 방향으로 더욱 용이하게 정렬될 수 있으면서 이를 포함하여 제조된 연료전지 분리판이 우수한 굴곡강도를 구현할 수 있다.For example, the first conductive continuous fiber bundle 110 may have a thickness of about 0.1 mm to about 0.2 mm, and a width of about 1.0 mm to about 20.0 mm. By having a thickness and a width within the above range can be more easily aligned in the one direction while the fuel cell separator prepared therein can implement excellent flexural strength.
상기 필라멘트로서 제1 도전성 연속섬유의 평균 직경이 약 7㎛ 내지 약 30㎛일 수 있다. 상기 범위 내의 직경을 가짐으로써 함침 수지(120)를 용이하게 함침시킬 수 있으면서 연료전지 분리판의 굴곡 강도를 우수한 수준으로 구현할 수 있다. As the filament, an average diameter of the first conductive continuous fiber may be about 7 μm to about 30 μm. By having the diameter within the above range can be easily impregnated impregnation resin 120 can be implemented to excellent level of flexural strength of the fuel cell separator.
상기 필라멘트로서 제1 도전성 연속섬유의 선 밀도가 약 800g/km 내지 약 4,000g/km일 수 있다. 상기 범위 내의 선 밀도를 가짐으로써 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)에 의해 형성된 층을 적절히 포함할 수 있어 생산성을 향상시킬 수 있으면서 총 중량을 적절한 수준으로 형성하여 경량화를 실현할 수 있다.As the filament, the linear density of the first conductive continuous fiber may be about 800 g / km to about 4,000 g / km. By having a linear density within the above range, it is possible to appropriately include a layer formed by the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction, thereby improving productivity and forming a total weight at an appropriate level, thereby realizing weight reduction. have.
구체적으로, 약 800g/km 미만인 경우 상기 층을 너무 많이 포함해야 하므로 제조시간이 증가하여 생산성이 저하될 수 있고, 약 4,000g/km 초과인 경우 연료전지 분리판을 얇은 두께로 형성하기 어려우면서 총 중량이 증가하여 경량화 실현이 어려운 문제가 있다.Specifically, if less than about 800g / km should include too much of the layer may increase the manufacturing time and productivity may be reduced, if it is more than about 4,000g / km it is difficult to form a fuel cell separator plate in a thin thickness and total There is a problem that the weight is difficult to realize the weight increase.
상기 함침 수지(120)는 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), 폴리이미드(polyimide), 폴리벤즈이미다졸(polybenzimidazole), 폴리에테르에테르케톤(polyetheretherketone), 아크릴(acryl), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. The impregnation resin 120 may be a thermoplastic resin, and the thermoplastic resin may be, for example, polyethylene, polypropylene, polyurethane, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, or the like. (polybutyleneterephthalate), polyurea, polyvinylchloride, polyvinylacetate, ethylenevinylacetate, melamine, phenol, polyphenylene sulfide, It may include at least one selected from the group consisting of polyamide, polyimide, polybenzimidazole, polyetheretherketone, acryl, and combinations thereof.
또한, 상기 함침 수지(120)가 구체적으로 폴리아마이드를 포함하여, 굴곡강도를 더욱 향상시킬 수 있다.In addition, the impregnation resin 120 may specifically include polyamide, thereby further improving flexural strength.
상기 함침 수지(120) 대 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 중량비가 예를 들어, 약 1:40 내지 약 1:99일 수 있고, 구체적으로 약 1:70 내지 약 1:90일 수 있다. 상기 범위 내의 중량비를 가짐으로써 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)가 우수한 내구성 및 우수한 전기 전도성을 동시에 구현할 수 있다. The weight ratio of the impregnating resin 120 to the first conductive continuous fiber bundle 110 may be, for example, about 1:40 to about 1:99, and specifically about 1:70 to about 1:90. . By having a weight ratio within the above range, the composite material 100 for the fuel cell separator can realize both excellent durability and excellent electrical conductivity at the same time.
상기 연료전지 분리판용 복합재(100)가 예를 들어, 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)로 형성된 층을 약 1개 내지 약 100개로 포함할 수 있다. 상기 층들 사이의 간격을 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 내구성 및 전기 전도성을 필요한 수준으로 구현하는데 필요한 수준으로 적절히 조절하면서 상기 범위 내의 개수로 포함함으로써 상기 층에 대해 수직한 방향에서의 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 두께를 적절히 조절할 수 있다.The fuel cell separator 100 may include, for example, about 1 to about 100 layers formed of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction. The fuel in the direction perpendicular to the layer by including the number of the range within the range while properly adjusting the gap between the layers to a level necessary to implement the durability and electrical conductivity of the fuel cell separator composite 100 to the required level. The thickness of the composite material for battery separator 100 can be adjusted appropriately.
상기 층에 대해 수직한 방향에서의 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 두께(dv)가 약 0.12mm 내지 약 22.0mm일 수 있다. 상기 층에 대해 수직한 방향에서의 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 두께(dv)는 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출된 면의 폭일 수 있다. The thickness d v of the composite material for a fuel cell separator 100 in a direction perpendicular to the layer may be about 0.12 mm to about 22.0 mm. The thickness d v of the composite material for a fuel cell separator 100 in a direction perpendicular to the layer may be a width of a surface at which an end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 is exposed.
상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)로 연료전지 분리판을 형성하는 경우 연료전지 분리판의 두께 규격을 고려할 때 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하도록 형성할 수 있고, 그에 따라, 연료전지 분리판의 전류의 흐름 방향과 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 동일하게 되어 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 단절을 효과적으로 방지하여 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기전도성을 구현할 수 있다.When the fuel cell separator is formed of the composite material for the fuel cell separator 100 by having a thickness within the range, the length direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 is greater than the thickness of the fuel cell separator. It may be formed so as to be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate, so that the current flow direction of the fuel cell separation plate and the longitudinal direction (L) of the first conductive continuous fiber bundle 110 is the same. As a result, the current flow can be uniformly prevented and the breakage can be effectively prevented, thereby achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
상기 층에 대해 평행하면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이방향에 대해 수직한 방향에서의 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 너비(dp)가 약 25.0mm 내지 약 100.0mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 층에 대해 평행하면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이방향에 대해 수직한 방향에서의 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 너비(dp)는 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출된 면의 너비일 수 있다.The width d p of the fuel cell separator composite material 100 in a direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 is about 25.0 mm to about 100.0 mm. May be, but is not limited thereto. The width d p of the fuel cell separator composite 100 in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 while being parallel to the layer is the first conductive continuous fiber bundle ( The distal face of 110 may be the width of the exposed face.
일 구현예에서, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)이 균일하게 일 방향으로 정렬되고, 상기 복수 개의 층이 모두 평행할 수 있고, 그에 따라 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 모두 평행할 수 있고, 그에 따라, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)를 연료전지 분리판을 형성하는 경우 전류의 흐름 방향과 상기 길이 방향(L)이 동일하도록 형성함으로써 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 단절을 방지할 수 있다.In one embodiment, the first conductive continuous fiber bundle 110 is uniformly aligned in one direction, the plurality of layers may all be parallel, and thus the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 (L) may all be parallel, and accordingly, when the fuel cell separator is formed to form the fuel cell separator, the current flow direction and the longitudinal direction L are the same so that the current flows. Can be made uniform and the disconnection can be prevented.
단섬유 등을 사용하는 경우 예를 들어 니들펀칭이나, 정전식모 공정을 적용하여 일정한 방향으로 배향시킬 수 있으나, 후속하는 수지 함침 공정으로서 수지에 침지하거나 열압착에 의해 성형하는 과정에서 단섬유의 배향성이 흐트러지게 되어 일 방향으로 정렬된 상태를 유지하기 어려우므로 연료전지 분리판 내의 전류가 불균일하게 흐르고, 부분적으로 단절될 수 있다. 이러한 단섬유의 길이는 예를 들어 약 2.0mm 내지 약 5.0mm일 수 있다.In the case of using short fibers or the like, for example, needle punching or an electrostatic wool process may be applied to orient the fibers in a predetermined direction. This disturbance makes it difficult to maintain the alignment in one direction, so that the current in the fuel cell separator flows unevenly and may be partially disconnected. The length of such short fibers can be from about 2.0 mm to about 5.0 mm, for example.
상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 직선형의 연속섬유를 사용함으로써 더욱 용이하게 일 방향으로 균일하게 정렬시킬 수 있고, 후속하는 수지 함침 공정에 의하더라도 섬유의 배향성을 우수한 수준으로 유지할 수 있어, 전술한 바와 같이 연료전지 분리판으로 형성하는 경우 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 단절을 방지할 수 있다.The composite material for fuel cell separator 100 can be more uniformly aligned in one direction more easily by using straight continuous fibers, it is possible to maintain an excellent level of the orientation of the fiber even by the subsequent resin impregnation process, As described above, in the case of forming the fuel cell separator, it is possible to uniformize the flow of current and to prevent disconnection.
상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재(100)가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 양 말단면(end face)이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 각각 노출될 수 있다. 그에 따라, 상기 양 말단면을 통해 전류가 용이하게 흐를 수 있어 상기 연료전지 분리판의 접촉 저항이 더욱 낮아질 수 있으므로 더욱 우수한 전기전도성을 구현할 수 있다. When the at least one composite material for fuel cell separator 100 is formed as a fuel cell separator, both end faces of the first conductive continuous fiber bundle 110 have upper and lower surfaces of the fuel cell separator. Each can be exposed to a cotton. Accordingly, current can flow easily through both end surfaces, so that the contact resistance of the fuel cell separation plate can be further lowered, thereby achieving better electrical conductivity.
도1을 참고하여, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)가 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면(S2)을 포함하고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 측면(S2)으로 부착되어 형성될 수 있다.Referring to FIG. 1, the composite material for a fuel cell separator 100 includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle 110 are exposed and a side surface S 2 therebetween. When the plurality of fuel cell separator composites 100 is formed as a fuel cell separator, the fuel cell separator may be attached to the side surface S 2 .
즉, 하나의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 일 측면(S2)과 다른 하나의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 일 측면(S2)이 서로 접하는 방식으로 적층된 후 열압착에 의해 부착되어 성형됨으로써 형성될 수 있다.That is, after the lamination in one of one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100, one side surface (S 2) and the other one of the fuel cell separating panyong composite material 100 of the contact with each other by way of hot pressing It can be formed by attaching and molding.
그에 따라, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단이 노출된 한 쌍의 면(S1)들이 모여 한 쌍의 평면을 형성하고, 상기 한 쌍의 평면이 각각 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면으로 형성될 수 있어, 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출될 수 있다.Accordingly, when the plurality of fuel cell separator composites 100 are formed as fuel cell separators, a pair of exposed ends of the first conductive continuous fiber bundle 110 of the plurality of fuel cell separators composite 100 is exposed. Surfaces (S 1 ) of the to form a pair of planes, the pair of planes may be formed as the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator, respectively, the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator An end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be exposed on a surface.
일 구현예에서, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 상기 하부면에 수직할 수 있다. In one embodiment, the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator.
그에 따라, 상기 연료전지 분리판 내의 전류의 흐름 방향과 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 동일하게 되어 상기 전류가 상기 상부면에서부터 상기 하부면까지, 또는 역방향으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 따라 용이하게 흐를 수 있으므로 전술한 바와 같이, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 일 방향으로 정렬시킴으로써 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 단절을 방지하여 상기 연료전지 분리판은 더욱 낮은 접촉 저항 및 더욱 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있다.Accordingly, the flow direction of the current in the fuel cell separator and the longitudinal direction L of the first conductive continuous fiber bundle 110 are the same so that the current flows from the upper surface to the lower surface or in the opposite direction. Since it can easily flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, as described above, by aligning the first conductive continuous fiber bundle 110 in one direction to uniformly flow the current and at the same time to prevent disconnection The fuel cell separator may realize lower contact resistance and better electrical conductivity.
일 구현예에서, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 도전성 필러를 별도로 포함하지 않을 수 있다.In one embodiment, the composite material for fuel cell separator 100 may not include a conductive filler separately.
통상 연료전지 분리판에서 요구되는 전기전도도 및 열전도도를 만족하기 위해서는 도전성 섬유 외에도 다량의 도전성 필러 등을 별도로 첨가하는 단계가 추가되어야 하므로 공정이 복잡해져 시간 및 비용이 더욱 소모되어 생산성이 낮으며, 또한, 이러한 도전성 필러를 다량으로 포함하는 경우에는 성형성 및 가공성이 저하되는 문제가 있다.In order to satisfy the electrical and thermal conductivity required in the fuel cell separator, a step of adding a large amount of conductive fillers, etc., in addition to the conductive fibers must be added. Therefore, the process becomes complicated and the time and cost are further consumed, resulting in low productivity. In the case of containing such a conductive filler in a large amount, there is a problem in that moldability and workability are reduced.
전술한 바와 같이, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출되면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 전류의 흐름 방향과 동일하도록 형성될 수 있으므로 별도의 도전성 필러를 포함하지 않고서도 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있는 이점이 있다.As described above, the composite material 100 for the fuel cell separator plate is exposed to the end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 on the upper and lower surfaces of the fuel cell separator plate, the first conductive continuous fiber bundle 110. Since the longitudinal direction (L) of the) can be formed to be the same as the current flow direction there is an advantage that can implement a low contact resistance and excellent electrical conductivity without including a separate conductive filler.
그에 따라, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 제조 공정이 단순화되어 시간 및 비용이 절감되므로 생산성이 효과적으로 향상될 수 있고, 이와 동시에 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)의 성형 가공성이 더욱 향상될 수 있다.Accordingly, the manufacturing process of the fuel cell separator 100 may be simplified, thereby reducing time and cost, thereby effectively improving productivity, and at the same time, forming processability of the fuel cell separator 100 may be further improved. Can be.
상기 도전성 필러가 예를 들어, 탄소 분말, 판상 흑연, 구상 흑연, 팽창 흑연, 카본 블랙, 아세틸렌 블랙, 케첸 블랙, 덴카 블랙, 수퍼 P, 활성 탄소, 탄소 섬유, 카본 나노 튜브, 카본 나노 파이버, 카본 나노 와이어, 카본 나노 혼, 카본 나노 링 등을 의미할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The conductive filler is, for example, carbon powder, platelet graphite, spheroidal graphite, expanded graphite, carbon black, acetylene black, Ketjen black, denka black, super P, activated carbon, carbon fiber, carbon nanotube, carbon nanofiber, carbon It may mean a nano wire, carbon nano horn, carbon nano ring, etc., but is not limited thereto.
일 구현예에서, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)에 포함된 상기 층이 상기 일 방향과 상이한 방향으로 정렬된 제2 도전성 연속섬유다발을 더 포함하거나, 또는 포함하지 않을 수 있다. 상기 제2 도전성 연속섬유다발이 상기 상이한 방향으로 정렬된 것을 제외하고는 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)에 대하여 전술한 바와 동일할 수 있다. In one embodiment, the layer included in the fuel cell separator composite 100 may further include or may not include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction. The second conductive continuous fiber bundle may be the same as described above with respect to the first conductive continuous fiber bundle 110 except that the second conductive continuous fiber bundle is aligned in the different directions.
상기 제2 도전성 연속섬유다발은 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)에 대해 서로 교차되게 직조된 직조물 형태로 포함되거나, 또는 직조되지 않고 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110) 상에 부분적으로 또는 전체적으로 밀착된 상태로 포함될 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다.The second conductive continuous fiber bundle may be included in the form of a woven fabric interwoven with each other with respect to the first conductive continuous fiber bundle 110, or partially or on the first conductive continuous fiber bundle 110 without being woven. It may be included in a close contact as a whole, but is not limited thereto.
상기 제2 도전성 연속섬유다발이 더 포함되는 경우 굴곡 강도가 낮아지는 경향이 있으나, 외부 충격을 더욱 용이하게 흡수하여 예를 들어 충격 강도 등은 향상될 수 있으므로 발명의 목적 및 용도에 따라 적절히 더 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.When the second conductive continuous fiber bundle is further included, the flexural strength tends to be lowered, but the external impact may be more easily absorbed, for example, the impact strength may be improved, and thus further appropriately included according to the purpose and use of the invention. It may or may not include it.
상기 제2 도전성 연속섬유다발이 직조물 형태로 포함되는 경우 예를 들어, 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)이 경사가 되고, 상기 제2 도전성 연속섬유다발이 위사가 되어 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110) 사이에 끼워 넣어 조합시킴으로써 직조될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. When the second conductive continuous fiber bundle is included in the form of a woven fabric, for example, the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction is inclined, and the second conductive continuous fiber bundle is a weft yarn. It can be woven by sandwiching between the first conductive continuous fiber bundle 110, but is not limited thereto.
상기 직조물 형태란 평직, 능직, 수자직 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 형태로 직조된 직조물을 의미할 수 있고, 구체적인 직조 형태는 구현하고자 하는 물성이나 용도에 따라 선택될 수 있다.The weave form may mean a woven fabric in a form including at least one selected from the group consisting of plain weave, twill weave, satin weave, and combinations thereof, and the specific weave form may be selected according to physical properties or uses to be implemented. .
예를 들어, 상기 제2 도전성 연속섬유다발을 포함하는 경우 상기 함침 수지(120) 대 상기 제2도전성 연속섬유의 중량비가 약 1:40 내지 약 1:99일 수 있고, 구체적으로 약 1:70 내지 약 1:90일 수 있다. 상기 범위 내의 함량으로 포함됨으로써 전기 전도성 및 내구성을 적절히 조절하여 이들 두 가지 물성을 동시에 우수한 수준으로 구현할 수 있다.For example, when the second conductive continuous fiber bundle is included, the weight ratio of the impregnated resin 120 to the second conductive continuous fiber may be about 1:40 to about 1:99, and specifically about 1:70. To about 1:90. By being included in the content within the above range it is possible to appropriately control the electrical conductivity and durability to implement these two physical properties at an excellent level at the same time.
본 발명의 다른 구현예에서, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)에 의해 형성되고, 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 양 말단면(end face)이 각각 노출된 연료전지 분리판(200)을 제공한다. 도2는 상기 연료전지 분리판(200)의 사시도를 개략적으로 나타낸다. 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 일 구현예에서 전술한 바와 같다.In another embodiment of the present invention, the fuel cell separator is formed by the composite material 100 for the separator, both end faces (end face) of the first conductive continuous fiber bundle 110 is exposed on the upper and lower surfaces, respectively. A fuel cell separator 200 is provided. 2 schematically shows a perspective view of the fuel cell separator 200. The fuel cell separator composite material 100 is as described above in one embodiment.
상기 연료전지 분리판(200)은 상부면 및 하부면에 상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출되면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 상기 연료전지 분리판(200) 내의 전류의 흐름 방향과 동일하게 형성되므로 전류가 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)을 따라 흐를 수 있어, 전류의 흐름을 균일하게 함과 동시에 전류의 흐름의 단절을 효과적으로 방지할 수 있다.The fuel cell separator 200 is exposed in the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle 110 while the end surface of the first conductive continuous fiber bundle 110 aligned in one direction is exposed on the upper surface and the lower surface ( L) is formed in the same direction as the current flow direction in the fuel cell separator 200, so that the current can flow along the first conductive continuous fiber bundle 110, thereby making the flow of current uniform and The breakage of the flow can be effectively prevented.
그 결과, 상기 연료전지 분리판용 복합재(100)는 금속 재질로 형성하지 않아 내부식성이 우수하고, 다량의 도전성 필러를 별도로 포함하지 않아 공정성, 생산성 및 성형 가공성이 우수하며, 이와 동시에 전류의 흐름이 더욱 균일해지면서 단절이 방지될 수 있으므로 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있는 이점이 있다. As a result, the fuel cell separator composite material 100 is not formed of a metal material, which is excellent in corrosion resistance, and does not include a large amount of conductive fillers, thereby providing excellent processability, productivity, and molding processability, and at the same time, flow of current The more uniform and can be prevented disconnection has the advantage of achieving low contact resistance and excellent electrical conductivity.
상기 연료전지 분리판용 복합재(100)가 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면(S2)을 포함하고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)가 열압착에 의해 상기 측면(S2)으로 부착되어 성형될 수 있다.The composite material for fuel cell separator 100 includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle 110 are exposed and a side surface S 2 therebetween, and includes a plurality of fuel cell separator plates. Composite 100 may be attached to the side (S 2 ) by thermocompression molding.
즉, 하나의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 일 측면(S2)과 다른 하나의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 일 측면(S2)이 서로 접하는 방식으로 적층된 후 열압착에 의해 부착되어 성형됨으로써 형성될 수 있다. 그에 따라, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)가 연료전지 분리판(200)으로 형성되는 경우 상기 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재(100)의 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단이 노출된 한 쌍의 면(S1)들이 모여 한 쌍의 평면을 형성하고, 상기 한 쌍의 평면이 각각 상기 연료전지 분리판(200)의 상부면 및 하부면으로 형성될 수 있어, 상기 연료전지 분리판(200)의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 말단면이 노출될 수 있다.That is, after the lamination in one of one side surface (S 2) of the fuel cell separating panyong composite material 100, one side surface (S 2) and the other one of the fuel cell separating panyong composite material 100 of the contact with each other by way of hot pressing It can be formed by attaching and molding. Accordingly, when the plurality of fuel cell separator composites 100 are formed of the fuel cell separator 200, the ends of the first conductive continuous fiber bundles 110 of the plurality of fuel cell separator composites 100 are exposed. The pair of surfaces (S 1 ) can be gathered to form a pair of planes, the pair of planes may be formed as the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate 200, respectively, the fuel cell separation End surfaces of the first conductive continuous fiber bundles 110 may be exposed on the top and bottom surfaces of the plate 200.
다른 구현예에서, 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 상기 연료전지 분리판(200)의 상부면 및 상기 하부면에 수직할 수 있고, 그에 따라 상기 제1 도전성 연속섬유다발(110)의 길이 방향(L)이 상기 연료전지 분리판(200) 내의 전류의 흐름 방향과 동일하게 되어 우수한 전기 전도성 및 낮은 접촉 저항을 구현할 수 있다.In another embodiment, the longitudinal direction (L) of the first conductive continuous fiber bundle 110 may be perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separator 200, and thus the first conductive continuous The longitudinal direction L of the fiber bundle 110 may be the same as the flow direction of the current in the fuel cell separator 200, thereby realizing excellent electrical conductivity and low contact resistance.
상기 분리판의 총 두께가 약 0.1mm 내지 약 2.0mm일 수 있다. 상기 범위 내의 두께를 가짐으로써 상기 분리판을 포함하는 연료 전지 또는 단위 전지의 규격을 지나치게 증가시키지 않으면서 절연 유지를 위한 분리 성능을 충분히 구현할 수 있다. 상기 분리판의 총 두께가 약 2.0mm를 초과하는 경우 연료전지의 구성 부품들 중 가장 큰 무게 비중을 차지하고 있는 분리판의 경량화 및 소형화를 달성하지 못하는 문제점이 있다. The total thickness of the separator may be about 0.1 mm to about 2.0 mm. By having a thickness within the above range, it is possible to sufficiently realize the separation performance for maintaining the insulation without excessively increasing the size of the fuel cell or unit cell including the separator. When the total thickness of the separator exceeds about 2.0 mm, there is a problem in that the weight and size of the separator, which occupies the largest weight ratio among the components of the fuel cell, cannot be achieved.
상기 연료전지 분리판(200)은 예를 들어, 접촉 저항이 약 20mΩ·cm2 이하일 수 있고, 구체적으로, 약 10mΩ·cm2 내지 약 20mΩ·cm2일 수 있으며, 부식전류 밀도가 예를 들어, 약 10μA/cm2 이하일 수 있고, 구체적으로, 약 1.5μA/cm2 내지 약 10μA/cm2일 수 있다. 상기 범위 내의 접촉 저항을 가짐으로써 우수한 전기 전도성을 구현하여 연료 전지의 에너지 효율을 더욱 향상시킬 수 있고, 이와 동시에 상기 범위 내의 부식전류 밀도를 가짐으로써 내부식성이 향상되어 장기간 우수한 내구성을 구현할 수 있다.The fuel cell separator 200 may have, for example, a contact resistance of about 20 mΩ · cm 2 or less, specifically, about 10 mΩ · cm 2 to about 20 mΩ · cm 2 , and a corrosion current density, for example. , may be up to about 10μA / cm 2, specifically, approximately 1.5μA / cm 2 to about may be 10μA / cm 2. By having a contact resistance within the above range can implement excellent electrical conductivity to further improve the energy efficiency of the fuel cell, and at the same time having a corrosion current density within the above range can be improved corrosion resistance can be realized long-term excellent durability.
또한, 상기 연료전지 분리판(200)의 전기전도도는 약 100S/cm내지 약 200S/cm일 수 있고, 그에 따라 우수한 전기적 물성을 구현할 수 있어 에너지 효율이 향상될 수 있다.In addition, the electrical conductivity of the fuel cell separator 200 may be about 100S / cm to about 200S / cm, and thus may implement excellent electrical properties, thereby improving energy efficiency.
또한, 상기 연료전지 분리판(200)은 굴곡강도가 약 94MPa 내지 약 400MPa일 수 있다. 상기 범위 내의 굴곡강도를 가짐으로써 외부의 충격에 충분히 견딜 수 있어 우수한 내구성을 구현할 수 있다. 구체적으로, 상기 굴곡강도는 ASTM D 790의 조건에 따라 측정할 수 있다.In addition, the fuel cell separator 200 may have a flexural strength of about 94 MPa to about 400 MPa. By having the flexural strength within the above range it can sufficiently withstand the external impact can implement excellent durability. Specifically, the flexural strength may be measured according to the conditions of ASTM D 790.
본 발명의 또 다른 구현예에서, 상기 연료전지 분리판의 제조방법을 제공하고, 도3에서 상기 제조방법의 공정흐름도를 개략적으로 나타낸다. 도4 내지 도7은 상기 제조방법에 포함된 하기 각 단계를 설명하는 모식도를 개략적으로 나타낸다.In another embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing the fuel cell separator, and FIG. 3 schematically shows a process flow diagram of the method. 4 to 7 schematically show schematic diagrams illustrating each of the following steps included in the manufacturing method.
상기 제조방법은 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 형성하는 단계(S1); 상기 복수 장의 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 적층한 후 함침 수지에 대해 침지 및 건조를 수행하거나, 또는 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층한 후 열압착을 수행하여, 예비 복합재를 형성하는 단계(S2); 상기 예비 복합재를 약 0.1mm 내지 약 2.0mm의 범위 내에서 일정한 간격으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향에 대해 수직하게 절단하여 연료전지 분리판용 복합재를 형성하는 단계(S3); 및 상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재로 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출되도록 연료전지 분리판을 제조하는 단계(S4);를 포함한다. The manufacturing method includes forming a first conductive continuous fiber bundle sheet (S1); After stacking the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets, immersion and drying are performed on the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin films are alternately laminated, and then thermocompression bonding is performed. Forming a preliminary composite (S2); Cutting the preliminary composite material perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of about 0.1 mm to about 2.0 mm to form a composite for a fuel cell separator (S3); And manufacturing a fuel cell separation plate such that both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed on the upper and lower surfaces of the fuel cell separation plate as the at least one composite material for the fuel cell separation plate. S4);
상기 제조방법에 의해 일 구현예에서 전술한 연료전지 분리판용 복합재 및 다른 구현예에서 전술한 연료전지 분리판을 제조할 수 있고, 그에 따라 상기 연료전지 분리판이 우수한 공정성, 우수한 생산성, 우수한 성형 가공성, 우수한 내부식성, 낮은 접촉 저항 및 우수한 전기 전도성을 구현할 수 있다.By the above production method, the composite material for a fuel cell separator described above in one embodiment and the fuel cell separator described above in another embodiment can be manufactured, whereby the fuel cell separator has excellent processability, excellent productivity, excellent molding processability, Excellent corrosion resistance, low contact resistance and good electrical conductivity can be achieved.
상기 제1 도전성 연속섬유다발, 상기 함침 수지 및 상기 연료전지 분리판용 복합재는 일 구현예에서 전술한 바와 같다. The first conductive continuous fiber bundle, the impregnation resin and the composite material for the fuel cell separator are as described above in one embodiment.
또한, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트의 두께가 예를 들어, 약 200㎛ 내지 약 300㎛일 수 있고, 상기 함침 수지 필름은 상기 함침 수지로 형성된 필름으로서 두께가 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 100㎛일 수 있으나, 발명의 목적 및 기능에 따라 달라질 수 있고, 이에 한정되지 않는다.In addition, the first conductive continuous fiber bundle sheet may have a thickness of, for example, about 200 μm to about 300 μm, and the impregnated resin film is a film formed of the impregnated resin, for example, about 20 μm to It may be about 100㎛, but may vary depending on the purpose and function of the invention, it is not limited thereto.
상기 제조방법에서, 상기 제1 도전성 연속섬유 다발을 단일 평면 상에서 일 방향으로 정렬시켜 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 형성할 수 있고, 구체적으로, 상기 제1 도전성 연속섬유다발이 일 방향으로 균일하게 정렬되어 시트로서 형성될 수 있다. 그에 따라, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트가 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발을 포함할 수 있다.In the manufacturing method, the first conductive continuous fiber bundle can be aligned in one direction on a single plane to form a first conductive continuous fiber bundle sheet, specifically, the first conductive continuous fiber bundle is uniform in one direction Can be aligned and formed as a sheet. Accordingly, the first conductive continuous fiber bundle sheet may include a first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction.
또한, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 형성하는 단계에서, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트는 상기 일 방향과 상이한 방향으로 정렬된 제2 도전성 연속섬유다발을 더 포함시키거나, 또는 포함시키지 않은 상태로 형성할 수 있다. 상기 제2 도전성 연속섬유다발은 상기 제1 도전성 연속섬유 다발에 대해 서로 교차되게 직조된 직조물 형태로 포함시키거나, 또는 직조되지 않고 상기 제1 도전성 연속섬유다발 상에 부분적으로 또는 전체적으로 밀착된 상태로 포함시킬 수도 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 제2 도전성 연속섬유다발은 일 구현예에서 전술한 바와 같다.In the forming of the first conductive continuous fiber bundle sheet, the first conductive continuous fiber bundle sheet further includes or does not further include a second conductive continuous fiber bundle aligned in a direction different from the one direction. It can form in a state. The second conductive continuous fiber bundle may be included in the form of a woven fabric interwoven with each other with respect to the first conductive continuous fiber bundle, or in a state of being partially or wholly in contact with the first conductive continuous fiber bundle without being woven. It may be included, but is not limited thereto. The second conductive continuous fiber bundle is as described above in one embodiment.
상기 제조방법에서, 상기 복수 장의 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 적층한 후 함침 수지에 대해 침지 및 건조를 수행하거나, 또는 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층한 후 열압착을 수행하여, 예비 복합재를 형성할 수 있다. 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층하는 경우 열압착에 의해 상기 함침 수지 필름이 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트에 함침되게 되므로 이들 중 어느 하나가 최외각층으로 형성될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.In the above production method, the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets are laminated, followed by immersion and drying of the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin film are alternately laminated, and then heated. Compression may be performed to form the preliminary composite. When the first conductive continuous fiber bundle sheet and the impregnated resin film are laminated alternately, the impregnated resin film is impregnated into the first conductive continuous fiber bundle sheet by thermocompression, so any one of them may be formed as the outermost layer. There is no particular limitation.
상기 예비 복합재는 도5에 나타난 바와 같이, 상기 함침 수지 내에 상기 복수 장의 제1 도전성 연속섬유다발 시트가 서로 평행하게 포함된 형태로 형성된 복합 재료일 수 있고, 상기 연료전지 분리판용 복합재를 형성하는데 사용하는 예비 재료이다. 구체적으로, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 한 개의 층으로 하여 상기 함침 수지 내에 상기 복수 개의 층이 서로 평행하여 포함될 수 있다.As shown in FIG. 5, the preliminary composite material may be a composite material formed in a form in which the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets are included in parallel with each other in the impregnation resin, and used to form the composite material for the fuel cell separator. It is a preliminary material. Specifically, the plurality of layers may be included in parallel with each other in the impregnating resin using the first conductive continuous fiber bundle sheet as one layer.
상기 예비 복합재는 예를 들어, 핫프레스에 의해 약 100℃ 내지 약 300℃의 온도에서 약 10kg/㎠ 내지 약 100 kg/㎠의 압력으로 열압착을 수행하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다The preliminary composite material may be formed by, for example, performing hot pressing at a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C. by a hot press at a pressure of about 10 kg / cm 2 to about 100 kg / cm 2, but is not limited thereto.
상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층하는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트의 상부, 하부 또는 상·하부로 상기 함침 수지 필름을 적층시킨 후 열과 압력을 가하여 상기 함침 수지로부터 용융된 수지가 상기 제1 도전성 연속섬유다발로 스며들어 함침하도록 할 수 있다.When the first conductive continuous fiber bundle sheet and the impregnated resin film are alternately laminated, the impregnated resin may be applied by applying heat and pressure after laminating the impregnated resin film on the upper, lower, or upper and lower portions of the first conductive continuous fiber bundle sheet. The molten resin can be impregnated with the first conductive continuous fiber bundle to be impregnated.
그에 따라, 상기 예비 복합재에서, 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트가 한 개의 층으로서 형성되고, 상기 층이 복수 개로 포함되면서 상기 복수 개의 층이 모두 평행할 수 있어 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향이 모두 평행할 수 있다.Accordingly, in the preliminary composite material, the first conductive continuous fiber bundle sheet is formed as one layer, and the plurality of layers may be parallel to each other while the plurality of layers are included, so that the length of the first conductive continuous fiber bundle is provided. The directions can all be parallel.
상기 제조방법에서, 상기 예비 복합재를 약 0.1mm 내지 약 2.0mm의 범위 내에서 일정한 간격으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향에 대해 수직하게 절단하여 연료전지 분리판용 복합재를 형성할 수 있다. 즉, 약 0.1mm 내지 약 2.0mm의 범위 내에서 동일한 간격으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향에 대해 수직하게 절단되어 형성된 연료전지 분리판용 복합재를 사용할 수 있어, 연료전지 분리판을 제조하는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 노출된 한 쌍의 면들이 모여 각각 상기 연료전지 분리판의 마주보는 양 표면 즉, 상부면 및 하부면을 형성하도록 할 수 있다.In the above method, the preliminary composite material may be cut perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of about 0.1 mm to about 2.0 mm to form a composite material for a fuel cell separator. That is, it is possible to use a composite material for a fuel cell separator formed by cutting perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at the same interval within the range of about 0.1mm to about 2.0mm, to produce a fuel cell separator In this case, a pair of surfaces of which both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed may be gathered to form opposite surfaces, that is, an upper surface and a lower surface of the fuel cell separator.
이와 같이, 상기 범위 내에서 일정한 간격으로 절단함으로써 상기 연료전지 분리판용 복합재에 포함된 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이를 약 0.1mm 내지 약 2.0mm인 수준으로 형성할 수 있다. 상기 범위 내의 길이로 형성함으로써 상기 연료전지 분리판용 복합재에 의해 연료전지 분리판을 형성하는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하도록 형성할 수 있고, 그에 따라 전류가 상기 제1 도전성 연속섬유다발을 따라 흐를 수 있으므로 전류의 흐름이 균일해지면서 단절이 방지되어 우수한 전기전도성 및 낮은 접촉 저항을 구현할 수 있다. As such, by cutting at regular intervals within the range, the length of the first conductive continuous fiber bundle included in the fuel cell separator composite may be formed at a level of about 0.1 mm to about 2.0 mm. When the fuel cell separator is formed by the fuel cell separator using a composite material having a length within the range, the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle may be formed to be perpendicular to the upper and lower surfaces of the fuel cell separator. As a result, the current may flow along the first conductive continuous fiber bundle, thereby making the flow of the current uniform and preventing breakage, thereby realizing excellent electrical conductivity and low contact resistance.
상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재로 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출되도록 연료전지 분리판을 제조할 수 있다.The fuel cell separator may be manufactured to expose both end faces of the first conductive continuous fiber bundle on the upper and lower surfaces of the fuel cell separator using the at least one composite for fuel cell separator.
예를 들어, 상기 절단되어 형성된 연료전지 분리판용 복합재의 규격이 구현하고자 하는 연료전지 분리판의 규격에 부합하는 경우 상기 하나의 연료전지 분리판용 복합재를 그대로 연료전지 분리판으로 사용하거나, 또는 열압착에 의해 성형하여 연료전지 분리판을 제조할 수 있다. 상기 하나의 연료전지 분리판용 복합재를 열압착에 의해 성형하는 경우 예를 들어, 핫프레스의 의해 수행할 수 있고, 이 때의 온도 및 압력 조건은 적절히 설정하여 수행할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.For example, when the specification of the cut-off fuel cell separator composite material conforms to the specification of the fuel cell separator to be implemented, the one fuel cell separator composite material is used as the fuel cell separator plate or thermally compressed. It is possible to produce a fuel cell separator by molding. When the composite material for one fuel cell separator is molded by thermocompression bonding, for example, it may be performed by hot pressing, and the temperature and pressure conditions at this time may be appropriately set, and are not particularly limited.
또한, 예를 들어, 상기 절단되어 형성된 연료전지 분리판용 복합재의 규격이 구현하고자 하는 연료전지 분리판의 규격보다 작은 경우, 예를 들어, 상기 층에 대해 수직한 방향에서의 두께가 작은 경우에는 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재를 열압착에 의해 부착하여 성형함으로써 연료전지 분리판을 제조할 수 있다.Further, for example, when the size of the cut-off composite material for fuel cell separator is smaller than the size of the fuel cell separator to be implemented, for example, when the thickness in the direction perpendicular to the layer is small, a plurality of The fuel cell separator can be manufactured by attaching and molding two composite materials for a fuel cell separator by thermocompression bonding.
일 구현예에서 전술한 바와 같이, 도1을 참고하여, 상기 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 측면으로 부착되어 형성될 수 있다.As described above in one embodiment, referring to FIG. 1, the composite material for a fuel cell separator includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween. When the composite material for two fuel cell separators is formed as a fuel cell separator, it may be attached to the side surface.
즉, 하나의 연료전지 분리판용 복합재의 일 측면과 다른 하나의 연료전지 분리판용 복합재의 일 측면이 서로 접하는 방식으로 적층된 후 열압착에 의해 부착되어 성형됨으로써 형성될 수 있다. That is, one side of the composite material for one fuel cell separator and one side of the composite material for another fuel cell separator may be formed by being stacked in contact with each other and then attached and molded by thermocompression bonding.
그에 따라, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재의 제1 도전성 연속섬유다발의 말단이 노출된 한 쌍의 면들이 모여 한 쌍의 평면을 형성하고, 상기 한 쌍의 평면이 각각 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면으로 형성될 수 있다. Accordingly, when a plurality of fuel cell separator composites are formed of a fuel cell separator, a pair of surfaces of which the ends of the first conductive continuous fiber bundles of the plurality of fuel cell separator composites are exposed are gathered to form a pair of planes. The pair of planes may be formed as an upper surface and a lower surface of the fuel cell separation plate, respectively.
상기 열압착은 이 기술분야에서 공지된 방법에 따라 모든 방향에서 수행될 수 있고, 복수 개의 연료전지 분리판용 복합재의 물성이 크게 변형되지 않는 범위 내에서 열과 압력을 적절히 적용하여 부착되도록 성형할 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다. The thermocompression may be performed in all directions according to methods known in the art, and may be molded to appropriately apply heat and pressure within a range in which physical properties of the plurality of fuel cell separators are not significantly deformed. Is not particularly limited.
상기 연료전지 분리판은 예를 들어, 핫프레스에 의해 약 100℃ 내지 약 300℃의 온도에서 약 1kg/㎠ 내지 약 10kg/㎠의 압력으로 열압착을 수행하여 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다The fuel cell separator may be formed by, for example, performing thermocompression bonding at a pressure of about 1 kg / cm 2 to about 10 kg / cm 2 by a hot press at a temperature of about 100 ° C. to about 300 ° C., but is not limited thereto.
구체적으로, 상기 연료전지 분리판용 복합재를 형성하는 열압착은 상기 연료전지 분리판을 형성하는 열압착의 경우와 동일하거나 더욱 높은 온도; 또는 동일하거나 더욱 높은 압력; 조건 하에서 수행될 수 있다.Specifically, the thermocompression forming the composite material for the fuel cell separator is the same or higher temperature than the thermocompression forming the fuel cell separator; Or the same or higher pressure; Can be performed under conditions.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들을 제시한다. 다만, 하기에 기재된 실시예들은 본 발명을 구체적으로 예시하거나 설명하기 위한 것에 불과하고, 이로써 본 발명이 제한되어서는 아니된다.The following presents specific embodiments of the present invention. However, the embodiments described below are merely for illustrating or explaining the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto.
실시예Example
실시예 1Example 1
평균 직경이 7㎛이고, 선 밀도가 1650g/km인 제1 도전성 탄소연속섬유 3,000가닥으로 형성된 길이 250mm의 제1 도전성 탄소연속섬유다발을 단일 평면 상에서, 일 방향으로 정렬시켜 제1 도전성 탄소연속섬유다발 시트를 준비하였고, 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발 시트의 크기가 250Ⅹ250Ⅹ0.3mm였다.The first conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 1,500 g / km and having a mean density of 7 µm and a first conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 250 mm formed of 3,000 strands is aligned on a single plane in one direction. A bundle sheet was prepared, and the size of the first conductive carbon continuous fiber bundle sheet was 250 × 250 × 0.3 mm.
이후 20장의 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 탄소연속섬유다발 시트 및 20장의 250Ⅹ250Ⅹ0.1mm 크기의 폴리프로필렌 수지 필름을 교대로 적층한 후 220℃의 온도 및 40kg/㎠의 압력으로 열압착을 수행하여 연료전지 분리판용 복합재를 형성하였다.Thereafter, the first conductive carbon continuous fiber bundle sheets aligned in one direction of 20 sheets and 20 sheets of a polypropylene resin film having a size of 250Ⅹ250Ⅹ0.1mm are alternately stacked, and then thermally crimped at a temperature of 220 ° C. and a pressure of 40 kg / cm 2. A composite material for a fuel cell separator was formed.
이어서, 상기 연료전지 분리판용 복합재를 2.0mm 간격으로 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발의 길이방향에 대해 수직하게 절단하여, 절단된 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하였다.Subsequently, the composite material for fuel cell separator is cut perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive carbon continuous fiber bundle at 2.0 mm intervals, so that the cut fuel composite plate composite material is both ends of the first conductive carbon continuous fiber bundle. The cross-sections each included two exposed faces and sides between them.
구체적으로, 절단된 연료전지 분리판용 복합재에 포함된 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발의 길이가 2.0mm였고, 폴리프로필렌 수지 대 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 중량비가 1:80이었다.Specifically, the length of the first conductive carbon continuous fiber bundle included in the cut fuel cell separator composite was 2.0 mm, and the weight ratio of the polypropylene resin to the first conductive continuous fiber bundle was 1:80.
또한, 이어서, 5개의 절단된 연료전지 분리판용 복합재를 각각의 일 측면이 서로 접하는 방식으로 적층한 후 핫프레스(Carver 社, Auto 30ton)에 의해 160℃의 온도 및 5kg/㎠의 압력으로 열압착에 의해 부착하여 연료전지 분리판을 제조하였다.In addition, five laminated fuel cell separator composite materials were laminated in such a manner that each side was in contact with each other, and then thermocompression-bonded at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 5 kg / cm 2 by a hot press (Carver, Auto 30ton). Was attached to prepare a fuel cell separator.
그에 따라 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발의 양 말단면이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 노출되었고, 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발의 길이 방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 수직하는 방향이어서 전류의 흐름 방향과 동일하였으며, 상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. Accordingly, both end surfaces of the first conductive carbon continuous fiber bundle are exposed to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator, and the length direction of the first conductive carbon continuous fiber bundle is the top surface of the fuel cell separator. And the direction perpendicular to the lower surface was the same as the current flow direction, and the total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
실시예 2 (제2 도전성 연속섬유다발을 더 포함함) Example 2 (Contains a second conductive continuous fiber bundle)
평균 직경이 7㎛이고, 선 밀도가 1650g/km인 제2 도전성 탄소연속섬유 3,000가닥으로 형성된 길이 250mm의 제2 도전성 탄소연속섬유다발을 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발과 서로 교차되게 직조하여 상기 제1 도전성 탄소연속섬유다발 시트에 상기 일 방향과 상이한 방향으로 정렬된 제2 도전성 탄소연속섬유다발을 더 포함한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건 및 방법으로 연료전지 분리판을 제조하였다. A second conductive carbon continuous fiber bundle having a length of 250 mm formed of 3,000 second conductive carbon continuous fibers having an average diameter of 7 μm and a linear density of 1650 g / km is interwoven with the first conductive carbon continuous fiber bundles to cross each other. A fuel cell separator was manufactured in the same conditions and methods as in Example 1 except that the first conductive carbon continuous fiber bundle sheet further includes a second conductive carbon continuous fiber bundle arranged in a direction different from the one direction.
구체적으로, 절단된 연료전지 분리판용 복합재에 포함된 제2 도전성 탄소연속섬유다발의 길이가 250mm였고, 폴리프로필렌 수지 대 제2 도전성 탄소연속섬유다발의 중량비가 1:80였으며, 상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. Specifically, the length of the second conductive carbon continuous fiber bundle included in the cut fuel cell separator composite was 250 mm, the weight ratio of the polypropylene resin to the second conductive carbon continuous fiber bundle was 1:80, and the fuel cell separator was The total thickness of was 2.0 mm.
비교예 1 (고분자 수지 및 도전성 필러를 포함하고, 도전성 필러를 적게 포함한 경우) Comparative Example 1 (Including Polymer Resin and Conductive Filler and Containing Less Conductive Filler)
폴리프로필렌 수지 50 중량% 및 도전성 필러로서 카본블랙 50 중량%를 혼합 및 교반한 조성물을 사출 성형함으로써 연료전지 분리판을 제조하였다.A fuel cell separator was manufactured by injection molding a composition obtained by mixing and stirring 50% by weight of polypropylene resin and 50% by weight of carbon black as the conductive filler.
상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. The total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
비교예 2 (고분자 수지 및 도전성 필러를 포함하고, 도전성 필러를 적절한 양으로 포함한 경우) Comparative Example 2 (Including Polymer Resin and Conductive Filler, Containing Conductive Filler in Appropriate Amount)
폴리프로필렌 수지 20 중량%; 및 도전성 필러로서 카본블랙 및 탄소나노튜브를 이들의 총합이 80 중량%;가 되도록 혼합 및 교반한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 조건 및 방법으로 연료전지 분리판을 제조하였다.20% by weight polypropylene resin; And a fuel cell separator in the same manner as in Comparative Example 1 except for mixing and stirring carbon black and carbon nanotubes as a conductive filler so that the total thereof was 80% by weight.
상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. The total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
비교예 3 (단섬유를 포함한 경우) Comparative Example 3 (Including Short Fiber)
평균 직경이 7㎛이고 길이가 2mm의 탄소단섬유가 정전식모 기술을 사용하여 대체로 일 방향으로 배향된 탄소단섬유 시트를 형성하고, 이어서 상기 탄소단섬유 시트에 액상의 폴리프로필렌 수지를 침투시켜 연료전지 분리판용 복합재를 제조하였고, 폴리프로필렌 수지 대 상기 탄소단섬유의 중량비가 1:50이었다.Short carbon fibers having an average diameter of 7 µm and a length of 2 mm form a sheet of short carbon fibers oriented generally in one direction using an electrostatic cap technique, and then infiltrate the liquid polypropylene resin into the short carbon fiber sheet to provide fuel. A composite material for a battery separator was prepared and the weight ratio of polypropylene resin to short carbon fiber was 1:50.
또한, 이어서 상기 복합재를 핫프레스(Carver 社, Auto 30ton)에 의해 160℃의 온도 및 5kg/㎠의 압력으로 열압착에 의해 성형하여 연료전지 분리판을 제조하였고, 상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. Further, the composite material was then formed by hot pressing at a temperature of 160 ° C. and a pressure of 5 kg / cm 2 by hot press (Carver, Auto 30ton) to manufacture a fuel cell separator, and the total thickness of the fuel cell separator was Was 2.0 mm.
비교예 4 (탄소섬유의 길이방향이 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 대해 평행하는 경우) Comparative Example 4 (When the Longitudinal Direction of Carbon Fiber is Parallel to the Upper and Lower Surfaces of the Fuel Cell Separator)
평균 직경이 7㎛이고, 선 밀도가 1650g/km인 제1 도전성 연속섬유 3,000가닥으로 형성된 길이 250mm의 도전성 탄소연속섬유다발을 경사와 위사로 서로 교차되게 직조하여 직조물 형태의 탄소연속섬유 시트를 형성하였고, 상기 탄소연속섬유 시트의 크기가 250Ⅹ250Ⅹ0.025mm였으며, 상기 경사 간의 간격 및 상기 위사 간의 간격은 모두 동일하였다.A bundle of 250 mm long conductive carbon continuous fibers formed of 3,000 first conductive continuous fibers having an average diameter of 7 μm and a linear density of 1650 g / km is woven to cross each other with warp and weft to form a woven carbon continuous fiber sheet. The carbon continuous fiber sheet was 250 × 250 × 0.025mm in size, and the spacing between the warp yarns and the weft yarns were the same.
이어서, 3 장의 상기 탄소연속섬유 시트 및 2장의 250Ⅹ250Ⅹ0.025mm 크기의 폴리프로필렌 수지 필름을 교대로 적층한 후 40kg/㎠의 압력 및 220℃의 온도로 열압착을 수행하여 연료전지 분리판을 제조하였고, 상기 연료전지 분리판의 총 두께는 2.0mm였다. Subsequently, three carbon continuous fiber sheets and two 250 Ⅹ 250 Ⅹ 0.025 mm polypropylene resin films were alternately laminated, and thermally crimped at a pressure of 40 kg / cm 2 and a temperature of 220 ° C. to manufacture a fuel cell separator. The total thickness of the fuel cell separator was 2.0 mm.
연료전지 분리판의 일반적인 규격을 고려할 때, 상기 탄소연속섬유의 길이방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 대해 모두 평행하도록 장착되어야 하므로 탄소연속섬유다발이 정렬된 방향이 연료 전지 내의 전류의 흐름 방향과 상이하였다. 게다가, 상기 탄소섬유의 시트 사이에 폴리프로필렌 수지만을 포함하는 층 부분이 존재하였다. 도4에 상기 비교예 4에 따른 연료전지 분리판의 개략적인 사시도를 나타내었다.Considering the general specification of the fuel cell separator, the direction in which the carbon continuous fibers are aligned should be mounted so that the longitudinal direction of the carbon continuous fibers is parallel to both the top and bottom surfaces of the fuel cell separator. It was different from the flow direction of the current. In addition, there was a layer portion comprising only polypropylene resin between the sheets of carbon fiber. 4 is a schematic perspective view of a fuel cell separator according to Comparative Example 4.
실험예Experimental Example
상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1-4에 따른 연료전지 분리판의 물성을 평가하여 하기 표 1에 기재하였다The physical properties of the fuel cell separator according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1-4 were evaluated, and are shown in Table 1 below.
평가 방법Assessment Methods
(굴곡강도)Flexural strength
측정방법: ASTM D 790에 따라 굴곡강도 측정기(Instron, 5569A)을 사용하여 측정하였다.Measuring method: measured using a flexural strength meter (Instron, 5569A) according to ASTM D 790.
(전기전도도 및 접촉저항)(Electric conductivity and contact resistance)
측정방법: 키슬리(Keithley/6220/2182A, USA) 장비에 의해 4-탐침법(4-probe method)을 사용하여 측정하였다.Measurement method: Measurement was performed using a 4-probe method by Keithley (Keithley / 6220 / 2182A, USA).
또한, 상기 접촉 저항 측정기에서, 압축유지시험기(Instron 社, 5569A 5566)를 사용하여 100N/cm2의 압력을 제공하여 측정을 진행하였다.In addition, in the contact resistance measuring instrument, a compression holding tester (Instron Co., Ltd., 5569A 5566) using a pressure of 100N / cm 2 to provide a measurement.
(성형 가공성).(Molding processability).
측정방법: 상기 실시예 1, 2 및 상기 비교예 1-4에 따른 연료전지 분리판의 표면에 홈이나 균열이 발생하였는지 여부를 육안으로 관찰하여, 상기 홈이나 균열이 발생하지 않아 성형 가공성이 우수한 경우를 “○”로 표시하고, 상기 홈이나 균열이 발생하여 성형 가공성이 열등한 경우를 “Ⅹ”로 표시하였으며, 양호한 경우를 "△"로 표시하였다.Measuring method: By visually observing whether grooves or cracks were formed on the surface of the fuel cell separator according to Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1-4, the grooves and cracks did not occur, and thus the moldability was excellent. The case was indicated by "○", the case where the grooves or cracks occurred and the moldability was inferior was indicated by "Ⅹ", and the good case was indicated by "Δ".
(상기 홈이나 균열은 이들의 깊이가 1mm 이상인 것을 발생한 것으로 관찰하였다.) (The grooves and cracks were observed to be those having a depth of 1mm or more.)
굴곡강도(MPa)Flexural Strength (MPa) 전기전도도(S/cm)Electrical Conductivity (S / cm) 접촉저항(mΩ·cm2)Contact resistance (mΩcm 2 ) 성형 가공성Moldability
실시예1Example 1 200200 100100 1515
실시예2Example 2 150150 100100 2020
비교예1Comparative Example 1 3030 0.010.01 10001000
비교예2Comparative Example 2 3030 0.020.02 200200
비교예3Comparative Example 3 6060 22 100100
비교예4Comparative Example 4 150150 9090 4040
상기 실시예 1 및 2에 따른 연료전지 분리판은 굴곡강도, 전기전도도, 접촉저항이 모두 우수한 수주능로 구현됨과 동시에 성형가공성도 우수함을 확인할 수 있었다.The fuel cell separators according to Examples 1 and 2 were found to have excellent bending performance, electrical conductivity, contact resistance, and excellent molding processability.
반면, 비교예 1 내지 4에 따른 연료전지 분리판은 전기전도도가 현저히 낮고, 접촉저항이 현저히 높아 성능이 열등함을 확인할 수 있었다. 특히, 상기 비교예 1 내지 3의 경우 굴곡강도가 열등하고, 상기 비교예 2의 경우에는 성형 가공성도 열등함을 명확히 확인할 수 있었다.On the other hand, the fuel cell separator according to Comparative Examples 1 to 4 was found to have a significantly lower electrical conductivity and a significantly higher contact resistance, resulting in inferior performance. In particular, in Comparative Examples 1 to 3, the flexural strength was inferior, and in Comparative Example 2, it was clearly confirmed that the molding processability was also inferior.
<부호의 설명><Description of the code>
100: 연료전지 분리판용 복합재100: composite material for fuel cell separator
110: 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발110: first conductive continuous fiber bundle aligned in one direction
120: 함침 수지120: impregnation resin
S1: 제1 도전성 연속섬유다발의 말단면이 노출된 한 쌍의 면S 1 : A pair of surfaces in which the end faces of the first conductive continuous fiber bundles are exposed
S2: 제1 도전성 연속섬유다발의 말단면이 노출된 한 쌍의 면 사이의 측면S 2 : side surface between a pair of surfaces of which the end surface of the first conductive continuous fiber bundle is exposed
L: 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향L: longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle
200: 연료전지 분리판200: fuel cell separator
dv: 층에 대해 수직한 방향에서의 연료전지 분리판용 복합재의 두께d v : thickness of the composite for fuel cell separator in the direction perpendicular to the layer
dp: 층에 대해 평행하면서 제1 도전성 연속섬유다발의 길이방향에 대해 수직한 방향에서의 연료전지 분리판용 복합재의 너비d p : Width of the composite material for a fuel cell separator in a direction parallel to the layer and perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle.

Claims (22)

  1. 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발 및 함침 수지를 포함하고,A first conductive continuous fiber bundle and an impregnation resin aligned in one direction,
    상기 일 방향으로 정렬된 제1 도전성 연속섬유다발을 한 개의 층으로 하여 복수 개의 층을 포함하는The first conductive continuous fiber bundle arranged in one direction as a single layer comprising a plurality of layers
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  2. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 복수 개의 층이 서로 평행한The plurality of layers are parallel to each other
    연료전지 분리판용 복합재Composite material for fuel cell separator
  3. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 각각 노출되는When the at least one composite for fuel cell separator is formed of a fuel cell separator, both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator, respectively.
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  4. 제3항에 있어서,The method of claim 3,
    상기 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하고, The composite material for a fuel cell separator includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween.
    복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 측면으로 부착되어 형성되는When a plurality of composites for fuel cell separator are formed of a fuel cell separator, they are attached to the side surface.
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  5. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재가 연료전지 분리판으로 형성되는 경우 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 상기 하부면에 수직하는When the at least one composite for fuel cell separator is formed of a fuel cell separator, the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle is perpendicular to the top and bottom surfaces of the fuel cell separator.
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  6. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    도전성 필러를 별도로 포함하지 않는Does not contain conductive filler separately
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  7. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이가 0.1mm 내지 2.0mm인The length of the first conductive continuous fiber bundle is 0.1mm to 2.0mm
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  8. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 도전성 연속섬유다발은 섬유 필라멘트로서 제1 도전성 연속섬유가 예를 들어, 평균 1,000가닥 내지 48,000가닥이 집속되어 형성되고,The first conductive continuous fiber bundle is formed as a fiber filament, the first conductive continuous fibers, for example, the average of 1,000 to 48,000 strands are concentrated,
    상기 제1 도전성 연속섬유다발의 두께가 0.1mm 내지 0.2mm이고, 너비가 1.0mm 내지 20.0mm인The thickness of the first conductive continuous fiber bundle is 0.1mm to 0.2mm, the width is 1.0mm to 20.0mm
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  9. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 도전성 연속섬유의 선 밀도가 800g/km 내지 4,000g/km인The linear density of the first conductive continuous fiber is 800g / km to 4,000g / km
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  10. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 함침 수지 대 제1 도전성 연속섬유다발의 중량비가 1:40 내지 1:99인The weight ratio of the impregnated resin to the first conductive continuous fiber bundle is 1:40 to 1:99
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  11. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 층을 1개 내지 100개로 포함하는1 to 100 of the layers
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  12. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 층에 대해 수직한 방향에서의 두께가 0.12mm 내지 22.0mm인Thickness in the direction perpendicular to the layer is 0.12 mm to 22.0 mm
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  13. 제1항에 있어서, The method of claim 1,
    상기 층에 대해 평행하면서 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이방향에 대해 수직한 방향에서의 너비가 25.0mm 내지 100.0mm인25.0 mm to 100.0 mm in width in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle while being parallel to the layer.
    연료전지 분리판용 복합재.Composite material for fuel cell separator.
  14. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 제1 도전성 연속섬유가 섬유의 표면이 도전성 필러로 코팅되거나, 또는 섬유의 내부에 도전성 필러가 분산되어 포함된 유기계 섬유, 무기계 섬유 또는 이들 모두를 포함하는The first conductive continuous fiber includes an organic fiber, an inorganic fiber, or both of which the surface of the fiber is coated with a conductive filler or the conductive filler is dispersed in the fiber.
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  15. 제1항에 있어서,The method of claim 1,
    상기 층이 상기 일 방향과 상이한 방향으로 정렬된 제2 도전성 연속섬유다발을 더 포함하거나, 또는 포함하지 않는The layer further comprises or does not comprise a second bundle of conductive continuous fibers aligned in a direction different from the one direction.
    연료전지 분리판용 복합재. Composite material for fuel cell separator.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재에 의해 형성되고, 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출된16. An end face of each of the first conductive continuous fiber bundles is formed by the composite for at least one fuel cell separator according to any one of claims 1 to 15, and the upper and lower surfaces are respectively exposed. Done
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  17. 제16항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 연료전지 분리판용 복합재가 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면이 각각 노출된 2개의 면과 그 사이의 측면을 포함하고, The composite material for a fuel cell separator includes two surfaces each of which both end surfaces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed and side surfaces therebetween.
    복수 개의 연료전지 분리판용 복합재가 열압착에 의해 상기 측면으로 부착되어 성형된A plurality of fuel cell separator plate composite material is attached to the side by thermocompression molding
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  18. 제16항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향이 상기 연료전지 분리판의 상부면 및 상기 하부면에 수직하는The longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle is perpendicular to the upper surface and the lower surface of the fuel cell separation plate
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  19. 제16항에 있어서,The method of claim 16,
    상기 연료전지 분리판의 총 두께가 0.1mm 내지 2.0mm인The total thickness of the fuel cell separator is 0.1mm to 2.0mm
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  20. 제16항에 있어서,The method of claim 16,
    접촉 저항이 20mΩ·cm2 이하이고,Contact resistance is 20 mΩ · cm 2 or less,
    전기전도도는 100S/cm 내지 200S/cm인Electrical conductivity is 100S / cm to 200S / cm
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  21. 제16항에 있어서,The method of claim 16,
    굴곡강도가 94MPa 내지 400MPa인Flexural strength of 94MPa to 400MPa
    연료전지 분리판.Fuel cell separator.
  22. 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 형성하는 단계;Forming a first conductive continuous fiber bundle sheet;
    상기 복수 장의 제1 도전성 연속섬유다발 시트를 적층한 후 함침 수지에 대해 침지 및 건조를 수행하거나, 또는 상기 제1 도전성 연속섬유다발 시트 및 함침 수지 필름을 교대로 적층한 후 열압착을 수행하여, 예비 복합재를 형성하는 단계;After stacking the plurality of first conductive continuous fiber bundle sheets, immersion and drying are performed on the impregnated resin, or the first conductive continuous fiber bundle sheets and the impregnated resin films are alternately laminated, and then thermocompression bonding is performed. Forming a preliminary composite;
    상기 예비 복합재를 0.1mm 내지 2.0mm의 범위 내에서 일정한 간격으로 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 길이 방향에 대해 수직하게 절단하여 연료전지 분리판용 복합재를 형성하는 단계; 및Cutting the preliminary composite material perpendicularly to the longitudinal direction of the first conductive continuous fiber bundle at regular intervals within a range of 0.1 mm to 2.0 mm to form a composite material for a fuel cell separator; And
    상기 적어도 하나의 연료전지 분리판용 복합재로 연료전지 분리판의 상부면 및 하부면에 상기 제1 도전성 연속섬유다발의 양 말단면(end face)이 각각 노출되도록 연료전지 분리판을 제조하는 단계;Manufacturing a fuel cell separator plate such that both end faces of the first conductive continuous fiber bundle are exposed on the top and bottom surfaces of the fuel cell separator plate using the at least one composite material for the fuel cell separator plate;
    를 포함하는 연료전지 분리판의 제조방법.Method of manufacturing a fuel cell separator comprising a.
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