KR100452868B1 - Method of manufacturing bipolar plate for fuel cell stack - Google Patents
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Abstract
연료 전지 스택용 분리판 제조방법이 개시된다. 개시된 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은, (a) 일정 두께를 가진 흑연판을 제1온도의 분위기로 가열하는 단계와; (b) 상기 흑연판 내의 기체들을 제거하기 위해 제1압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지한 후, 아크릴계 수지를 플러딩하여 상기 흑연판을 웨팅시키는 단계와; (c) 상기 흑연판을 제2압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지하여 상기 흑연판에 존재하는 기공들에 상기 아크릴계 수지가 분산되도록 한 후, 제3압력 이상에서 일정시간 이상 가압하여 상기 기공들을 메꾸는 단계와; (d) 상기 흑연판에서 상기 기공들을 메꾸고 있는 함침액이 흐르지 않도록 일정시간에 함침조에서 드레인하는 단계와; (e) 상기 아크릴계 수지가 메꾸어진 상기 흑연판이 친수성을 발현함과 동시에 가스 기밀성을 확보하기 위해 제2온도 조건에서 일정시간 이상 큐어링하여 상기 아크릴계 수지가 함침된 분리판을 제조하는 단계와; (e) 상기 단계 (e)에서 제조된 상기 분리판에 기체들의 이동 통로인 유로 및 매니폴드를 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.A method of manufacturing a separator for a fuel cell stack is disclosed. The disclosed method for manufacturing a separator plate for a fuel cell stack includes the steps of: (a) heating a graphite plate having a predetermined thickness to an atmosphere of a first temperature; (b) wetting the graphite plate by flooding an acrylic resin after maintaining a vacuum for a predetermined time or less at a first pressure or less to remove gases in the graphite plate; (c) maintaining the vacuum on the graphite plate at a pressure lower than a second pressure for a predetermined time to disperse the acrylic resin in the pores present in the graphite plate, and then pressurizing the pores at a third pressure or more for a predetermined time. A filling step; (d) draining the impregnation tank at a predetermined time so that the impregnation liquid filling the pores in the graphite plate does not flow; (e) preparing a separator plate impregnated with the acrylic resin by curing the acrylic resin-filled graphite plate for a predetermined time at a second temperature condition to express hydrophilicity and ensure gas tightness; (e) forming a flow path and a manifold, which are passages of gases, in the separator manufactured in step (e).
Description
본 발명은 연료 전지 스택용 분리판 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 연료 전지의 분리판에 친수성 소재를 적용하여 연료 전지의 출력을 향상시킨 연료 전지 스택용 분리판 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a separator for a fuel cell stack, and more particularly, to a method for manufacturing a separator for a fuel cell stack in which a hydrophilic material is applied to a separator for a fuel cell to improve the output of the fuel cell.
연료 전지는 연료인 수소와 산화제인 산소의 전기 화학 반응을 이용하여 전기를 생산에는 에너지 변환장치이다. 이러한 연료 전지의 구성을 보면 연료 및 산화제 가스를 이온화하여 반응시키기 위한 촉매 전극층, 연료인 수소기체의 이온형태인 프로톤(H+ ion)을 이동시키기 위한 고분자 전해질 막, 연료 및 산화제 가스를이러한 촉매 및 전해질 막에 균일한 농도로 고르게 전달하기 위한 가스 확산층 및 연료 및 산화제 가스의 이동 통로를 확보하기 위한 분리판으로 크게 분류할 수 있다.A fuel cell is an energy converter for producing electricity by using an electrochemical reaction between hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant. The structure of such a fuel cell is a catalyst electrode layer for ionizing and reacting a fuel and an oxidant gas, a polymer electrolyte membrane for moving protons (H + ions) in the form of ions of hydrogen gas, which is a fuel, a fuel and an oxidant gas. It can be broadly classified into a gas diffusion layer for evenly delivering the film to a uniform concentration, and a separator plate for securing a passageway for fuel and oxidant gas.
일반적으로 상기한 분리판에 요구되는 물성은 연료 전지 스택용 분리판 제조방법을 구성하였을 경우 충분한 전기전도성 및 내식성을 갖추어야 함과 동시에 수소나 공기(산소)의 분리판을 통한 확산을 방지하기 위한 기밀성이 요구된다. 이러한 특성을 만족시키기 위하여 여러 가지 재질 및 형태의 분리판이 사용되고 있으며, 그 중에서도 우수한 전기전도성으로 인하여 흑연판이 널리 이용되고 있다.In general, the physical properties required for the above separators have sufficient electrical conductivity and corrosion resistance when the separator for fuel cell stack is manufactured, and airtightness for preventing diffusion through hydrogen or air (oxygen) separators. Is required. In order to satisfy these characteristics, separators of various materials and shapes are used, and graphite plates are widely used because of excellent electrical conductivity.
이러한 흑연 분리판은 그 기공도가 높아서 기계가공의 형태로만 사용할 경우 특히, 분자의 크기가 작은 수소기체의 투과도가 높기 때문에 고분자 수지를 함침한 형태의 분리판을 많이 사용하고 있다. 특이한 경우 이러한 분리판의 기공도를 조절하여 연료 전지스택의 냉각수로 사용되는 3차 증류수로 기체의 투과성을 낮춤과 동시에 고체 고분자 전해질 연료 전지(PEMFC)에 프로톤의 이동을 위한 수분을 공급하는 하나의 시스템적인 방법으로 사용하기도 한다.Since the graphite separator has a high porosity, especially when used only in the form of a machining, a separator having an impregnated polymer resin is frequently used because of high permeability of hydrogen gas having a small molecule size. In some cases, the porosity of the separator is controlled to reduce the permeability of the gas to the tertiary distilled water used as the cooling water of the fuel cell stack, and to supply moisture for the transfer of protons to the solid polymer electrolyte fuel cell (PEMFC). It can also be used in a systematic way.
고체 고분자 전해질형 연료 전지(Proton Membrane Exchange Fuel Cell; PEMFC)는 그 작동온도가 100℃미만으로 양극(Anode)에서 공급된 연료기체인 수소가 촉매에 의해 프로톤과 전자로 분해되고 분해된 프로톤은 이온 교환막(Membrane)을 지나서 음극(Cathode)으로 이동하고 여기서 공급된 공기중의 산소와 도체인 분리판을 통하여 이동해온 전자와 함께 촉매에 의해 제공되는 삼상 영역에서 반응하여 물을 생성하는 전기화학반응에 의해 전기에너지와 반응 부산물인 물과 열을 생성하는에너지 발생장치이다.Proton Membrane Exchange Fuel Cell (PEMFC) has an operating temperature of less than 100 ℃, and hydrogen, a fuel gas supplied from the anode, is decomposed into protons and electrons by a catalyst. In the electrochemical reaction that moves through the membrane to the cathode and reacts in the three-phase region provided by the catalyst with the electrons transported through the conductor and the oxygen in the air supplied therein to produce water. It is an energy generator that generates water and heat, which are by-products of electrical energy and reaction.
그 반응식은,The reaction formula is
H2 + 1/2O2 → H2O + 열(H2 → 2H+ + 2e-, 2H+ + 1/2 O2 + 2e- → H2O)이다.H2 + 1 / 2O2 → H2O + heat (H2 → 2H + + 2e-, 2H + + 1/2 O2 + 2e- → H2O).
이러한 PEMFC에서 프로톤의 원활한 이동을 위해서는 그 이동 통로인 이온 교환막에 이동에 필요한 충분한 수분을 공급할 필요가 있는데 이러한 수분을 공급하기 위해서 일반적으로 가습기(Humidifier)라고 불리는 장치를 도입하여 적용하고 있으며, 또한 이러한 가습기의 역할을 최소화하여 시스템의 부피 및 성능을 향상시키기 위해 탄소섬유나 탄소종이로 구성된 가스 확산층(Gas Diffusion Media)에 테플론(Teflon) 수지 코팅(Coating)을 통한 소수화 처리, 막 전극 접합체(Membrane Electrode Assembly)에 백금(Pt) 촉매 등을 막에 함침시켜 막 자체에서 반응기체들에 의해 수분이 발생되는 자체가습형 분리막 등을 적용하고 있으나, 분리판에 대해 이러한 수분공급이나 저장의 기능성을 발현하도록 구성하는 것은 적용되지 않고 있다.In order to smoothly move protons in PEMFC, it is necessary to supply sufficient moisture for the movement to the ion exchange membrane, which is a passage. In order to supply such moisture, a device called a humidifier is generally introduced. Hydrophobic treatment through Teflon resin coating on gas diffusion layer made of carbon fiber or carbon paper to minimize the role of the humidifier to improve the volume and performance of the system, membrane electrode assembly (Membrane Electrode) Pt (Pt) catalyst, etc. is impregnated in the assembly to apply the self-humidifying membrane which generates moisture by the reactants in the membrane itself, but to express the functionality of water supply or storage for the separator. Constructing is not applied.
그리고 상기한 PEMFC에 있어서 가습의 역할은 매우 중요하게 다루어지고 있는데 그 이유는 다음과 같다.In addition, the role of humidification in the PEMFC is very important. The reason is as follows.
첫째, 이온 교환막에 대해 충분한 가습이 이루어지지 않을 경우 공급되는 기체들에 의하여 이온 교환막 표면에서 수분이 증발하여 이온교환막내의 수분함량을 감소시키게 되고 이러한 경우 프로톤의 이동에 필요한 수분이 부족하게 되어 원활한 프로톤의 이동이 이루어지지 않아 전기 화학 반응의 저해요소로 작용하게 되며, 이 경우 PEMFC의 출력이 저하하게 되고 심한 경우 이온 교환막의 고분자들의 구조를 변형시켜 회복할 수 없는 손상을 입히기도 한다.First, if there is not enough humidification to the ion exchange membrane, water is evaporated from the surface of the ion exchange membrane by the supplied gases to reduce the water content in the ion exchange membrane. Proton movement does not occur, which acts as an inhibitor of electrochemical reactions. In this case, the output of PEMFC is reduced, and in severe cases, the structure of the polymers of the ion exchange membrane may be modified to cause irreparable damage.
둘째, 이온 교환막에 대해 지나친 가습이 이루어지는 경우는 크게 두 가지로 구분될 수 있는데, 그 첫 번째는 가습기에서 지나치게 많은 양의 물을 공급하는 경우이고, 두 번째는 고출력으로 PEMFC를 운전하고 있을 경우 반응부산물인 물의 생성량이 과다한 경우이다.Second, excessive humidification of the ion exchange membrane can be classified into two types. The first is the case of supplying too much water from the humidifier, and the second is the reaction when the PEMFC is operated at high power. It is the case that the amount of water which is a by-product is excessive.
상기한 두 가지 경우 모두 반응의 삼상 영역을 제공하는 촉매층을 수분이 둘러싸고 있어서 반응에 필요한 기체의 접근을 차단하게 되어 PEMFC의 출력을 저하시키는 요인으로 작용하게 된다.In both cases, water surrounds the catalyst layer providing the three-phase region of the reaction, thereby blocking the access of the gas required for the reaction, thereby reducing the output of the PEMFC.
따라서 상기한 PEMFC의 최적의 성능을 발현하기 위해서는 가습의 정도를 운전조건에 따라서 공급된 수분과 반응 생성수를 모두 고려하여 조정하는 것이 필요하다.Therefore, in order to express the optimum performance of the PEMFC described above, it is necessary to adjust the degree of humidification in consideration of both the supplied water and the reaction generated water according to the operating conditions.
상기한 바와 같이, 종래의 분리판은 연료 전지 스택용 분리판 제조방법을 구성하기에 충분한 전기 전도도를 확보함과 동시에 기체 투과성을 최소화하는데 초점을 맞추어서 제작되고 있을 뿐, 이러한 연료 전지 스택용 분리판 제조방법내의 수분조절을 위한 기능성이 부과되지 않고 있다.As described above, the conventional separator is focused on minimizing gas permeability while securing sufficient electrical conductivity to constitute a method of manufacturing a separator for a fuel cell stack. There is no imposition of functionality for moisture control in the production process.
그리고 이러한 기본적인 기능을 만족시키기 위해 함침이 용이한 페놀계 수지를 사용하여 적용함으로써 연료 전지스택의 성능발현에 불리한 소수성 분리판을 제조하고 있다.In order to satisfy these basic functions, a hydrophobic separator is manufactured which is disadvantageous for the performance expression of the fuel cell stack by applying the phenolic resin which is easily impregnated.
이러한 페놀계 수지를 사용한 연료 전지 분리판의 제조 공정은, 우선, 흑연판을 준비한 후, 피함침물 투입하고, 진공을 형성한 후, 함침액 투입한다. 그리고가압(1~10bar)하고, 함침액 리턴(Return)시킨 후, 함침액을 분리하며, 수세를 하고 열수경화를 수행한다.In the manufacturing process of the fuel cell separator using such a phenolic resin, the graphite plate is prepared first, then the impregnated material is added, and after forming a vacuum, the impregnating solution is added. After pressurization (1 ~ 10bar), the impregnation liquid is returned, the impregnation liquid is separated, washed with water, and hydrothermal curing is performed.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 친수성을 발현하는 아크릴계 수지를 함침한 분리판 및 이러한 분리판의 적용을 통하여 반응기체들의 유로 상에 좀더 많은 수분을 잔류시켜 가습에 대한 부담을 저감함과 동시에 분리판 전체에 고르게 수분을 분포시켜 고분자 전해질막에 프로톤의 이동에 필요한 수분을 전면적에 고르게 전달하여 성능을 향상시킨 연료 전지 스택용 분리판 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was created to solve the above problems, and the burden of humidification by remaining more moisture on the flow path of the reactor through the application of the separator impregnated with an acrylic resin expressing hydrophilicity and such a separator plate The purpose of the present invention is to provide a method of manufacturing a separator plate for a fuel cell stack, which improves performance by reducing moisture and evenly distributing water throughout the separator to evenly distribute the moisture required for proton movement to the polymer electrolyte membrane.
도 1은 도 2는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트.1 is a schematic flowchart showing sequentially a method of manufacturing a separator for a fuel cell stack according to the present invention.
도 2는 도 1에 의해 제도된 분리판의 도면.FIG. 2 is a view of the separator plate drawn by FIG. 1; FIG.
도 3은 도 1에 의해 제조된 분리판이 적용된 연료 전지 스택과 종래의 연료 전지 스택과 성능을 비교한 그래프.FIG. 3 is a graph comparing performance of a fuel cell stack to which a separator plate manufactured by FIG. 1 is applied, and a conventional fuel cell stack. FIG.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은, (a) 일정 두께를 가진 흑연판을 제1온도의 분위기로 가열하는 단계와; (b) 상기 흑연판 내의 기체들을 제거하기 위해 제1압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지한 후, 아크릴계 수지를 플러딩하여 상기 흑연판을 웨팅시키는 단계와; (c) 상기 흑연판을 제2압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지하여 상기 흑연판에 존재하는 기공들에 상기 아크릴계 수지가 분산되도록 한 후, 제3압력 이상에서 일정시간 이상 가압하여 상기 기공들을 메꾸는 단계와; (d) 상기 흑연판에서 상기 기공들을 메꾸고 있는 함침액이 흐르지 않도록 일정시간에 함침조에서 드레인하는 단계와; (e) 상기 아크릴계 수지가 메꾸어진 상기 흑연판이 친수성을 발현함과 동시에 가스 기밀성을 확보하기 위해 제2온도 조건에서 일정시간 이상 큐어링하여 상기 아크릴계 수지가 함침된 분리판을 제조하는 단계와; (e) 상기 단계 (e)에서 제조된 상기 분리판에 기체들의 이동 통로인 유로 및 매니폴드를 형성시키는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.Method for producing a separator plate for a fuel cell stack of the present invention for achieving the above object comprises the steps of: (a) heating a graphite plate having a predetermined thickness in an atmosphere of a first temperature; (b) wetting the graphite plate by flooding an acrylic resin after maintaining a vacuum for a predetermined time or less at a first pressure or less to remove gases in the graphite plate; (c) maintaining the vacuum on the graphite plate at a pressure lower than a second pressure for a predetermined time to disperse the acrylic resin in the pores present in the graphite plate, and then pressurizing the pores at a third pressure or more for a predetermined time. A filling step; (d) draining the impregnation tank at a predetermined time so that the impregnation liquid filling the pores in the graphite plate does not flow; (e) preparing a separator plate impregnated with the acrylic resin by curing the acrylic resin-filled graphite plate for a predetermined time at a second temperature condition to express hydrophilicity and ensure gas tightness; (e) forming a flow path and a manifold, which are passages of gases, in the separator manufactured in step (e).
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1에는 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판 제조방법을 순차적으로 나타내 보인 개략적인 플로차트가 도시되어 있다. 여기에서는 일반적인 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은 생략하고, 본 발명의 특징만을 설명하기로 한다.1 is a schematic flowchart sequentially showing a method of manufacturing a separator for a fuel cell stack according to the present invention. Here, a general method of manufacturing a separator plate for a fuel cell stack will be omitted, and only features of the present invention will be described.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은, 친수성을 발현하는 아크릴계 수지를 함침한 분리판 및 이러한 분리판의 적용을 통하여 반응기체들의 유로 상에 좀더 많은 수분을 잔류시켜 가습에 대한 부담을 저감함과 동시에 분리판 전체에 고르게 수분을 분포시켜 고분자 전해질막에 프로톤의 이동에 필요한 수분을 전면적에 고르게 전달하여 성능을 향상시키기 위한 것이다.Referring to the drawings, the method of manufacturing a separator for a fuel cell stack according to the present invention, by separating the impregnated acrylic resin expressing hydrophilicity and the application of such a separator plate to leave more moisture on the flow path of the reactor body To reduce the burden on the humidification and at the same time distribute the water evenly throughout the separator plate to transfer the moisture required for the movement of the protons to the polymer electrolyte membrane evenly to improve the performance.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 우선, 연료 전지용 분리판에 친수성이라는 기능을 부여함과 동시에 전기전도성과 기체투과성 방지라는 기본적인 특성을 부여하기 위한 분리판의 제조공정은, 일정 두께를 가진 흑연판을 준비하고, 이를 제1온도의 분위기로 가열한다.(단계 110)In more detail, first, in order to impart hydrophilicity to fuel cell separators and to provide basic characteristics such as electrical conductivity and gas permeability prevention, a graphite plate having a predetermined thickness is prepared. Then, it is heated to the atmosphere of the first temperature (step 110).
상기한 제1온도는 170~230℃로 한다. 그 이유는 준비된 흑연판에 존재하는 수분 및 기포제거를 위해 상기한 온도 범위 이하에서는 수분증발에 의한 기포제거가 어렵고, 상기한 온도 범위 이상에서는 수분증발이 빨라서 흑연판에 물리적 손상을 입힐 우려가 있기 때문이다.Said 1st temperature shall be 170-230 degreeC. The reason is that it is difficult to remove bubbles by moisture evaporation below the above temperature range in order to remove moisture and bubbles present in the prepared graphite plate, and there is a risk of physical damage to the graphite plate due to rapid evaporation of moisture above the above temperature range. Because.
그리고 상기 흑연판 내의 기체들을 제거하기 위해 제1압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지한 후, 아크릴계 수지를 플러딩(flooding)하여 즉, 담수시켜 흑연판을 웨팅(wetting)시킨다.(단계 120)In order to remove the gases in the graphite plate, a vacuum is maintained for a predetermined time or less under a first pressure, and then, the acrylic resin is flooded, that is, fresh water to wet the graphite plate (step 120).
상기한 제1압력은 5mbar 이하로 3~5시간 진공을 유지토록 한다. 그 이유는 수 mbar의 범위를 가지는 압력이 잔류수분 증발 및 기공내 기체의 제거시 흑연판에 수증기나 가열된 기체들의 이동에 따른 흑연판의 물리적 손상을 최소화하고, 함침액을 담지할 수 있는 수준까지 제거하기 위해서는 3시간~5시간의 진공이 적합하다.The first pressure is to maintain a vacuum for 3 to 5 hours below 5 mbar. The reason is that the pressure in the range of several mbar minimizes the physical damage of the graphite plate due to the water vapor or the movement of the heated gases on the graphite plate during evaporation of residual moisture and removal of gas in the pores, and can support the impregnation liquid. To remove until a vacuum of 3 hours to 5 hours is suitable.
이어서, 상기 흑연판을 제2압력 이하로 일정시간 이상 진공을 유지하여 흑연판에 존재하는 기공들에 상기한 아크릴계 수지가 분산되도록 한 후, 제3압력 이상에서 일정시간 이상 가압하여 기공들을 메꾼다.(단계 130)Subsequently, the above-described acrylic resin is dispersed in the pores existing in the graphite plate by maintaining the vacuum in the graphite plate at a pressure lower than or equal to the second pressure for a predetermined time, and then pressurizing the hole at a third or more pressure for a predetermined time to fill the pores. (Step 130)
상기 제2압력은 0.5~0.8mbar이하로 8~12시간 유지토록 한다. 그 이유는 1차로 기포(특히 함유된 수분이 수증기의 형태로 제거)가 제거된 흑연판이 함침액에 의해 젖은 상태에서 수 mbar 보다 더 낮은 0.5~0.8mbar의 범위에서 진공을 유지하는 것은 이러한 더 낮은 압력상태에서 젖어있는 함침액이 내부에 잔존하고 있는 미량의 기포들과 교환하여 기공(pore)을 메꾸는 작업을 하며 충분한 함침 깊이를 갖기 위해서는 8~12시간 그 상태를 유지해야 하기 때문이다.The second pressure is maintained at 0.5 to 0.8 mbar or less for 8 to 12 hours. The reason for this is that it is lower for the graphite plate from which the bubbles (especially the moisture contained in the form of water vapor) is removed to maintain the vacuum in the range of 0.5 to 0.8 mbar, which is lower than several mbar while wet by the impregnation. This is because the wet impregnation liquid under pressure is replaced with a small amount of bubbles remaining in the interior to fill the pores, and the state must be maintained for 8 to 12 hours to have a sufficient impregnation depth.
그리고, 상기한 제3압력은 10barg~11barg에서 4~6시간 가압한다. 그 이유는 흑연판 내부로 모세관력과 기포와의 자리치환에 의해 침투해 들어간 함침액은 진공상태가 해제되면 다시 흑연판 외부로 빠져 나오므로 이러한 현상을 방지하고 흑연판의 외피로부터 충분한 깊이까지 함침액이 잔존한 상태로 두기 위해서는 10barg~11barg의 범위에서 4시간~6시간의 가압이 적합하기 때문이다.And, the third pressure is pressurized for 4-6 hours at 10barg ~ 11barg. The reason is that the impregnated liquid penetrated into the graphite plate by the displacement of capillary force and air bubbles escapes to the outside of the graphite plate when the vacuum is released. Therefore, this phenomenon is prevented and impregnated to a sufficient depth from the outer surface of the graphite plate. This is because a pressurization of 4 hours to 6 hours is suitable in the range of 10 barg to 11 barg to leave the liquid remaining.
상기 단계 130에 기재된 값들은 경험치이다.The values described in step 130 are experience.
또한 상기 흑연판에서 기공들을 메꾸고 있는 함침액이 흐르지 않도록 일정시간에 함침조에서 드레인(drain)한다.(단계 140)In addition, the impregnation solution filling the pores in the graphite plate is drained in the impregnation tank at a predetermined time (step 140).
상기한 함침조에서의 드레인은 5분(min) 이내로 한다. 그 이유는 함침액을 드레인하기 위해서는 상압으로의 감압이 필요하며 이러한 때에 흑연판에 침투한 함침액이 외피로 빠져 나오는 양을 최소화해서 최종 제품을 만들 때, 가공에 의한 흑연판의 변형을 수정할 수 있는 범위의 뒤틀어짐 및 부품 등의 변형을 최소화하는 시간은 5분 이내가 바람직하기 때문이다.The drain in the impregnation tank is set to within 5 minutes (min). The reason is that in order to drain the impregnation liquid, it is necessary to reduce the pressure to atmospheric pressure. At this time, when the final product is made by minimizing the amount of impregnation liquid penetrated into the outer shell, it can be modified. This is because the time for minimizing the warping and deformation of parts and the like within 5 minutes is preferable.
그리고 상기한 아크릴계 수지가 메꾸어진 흑연판이 친수성을 발현함과 동시에 가스 기밀성을 확보하기 위해 제2온도 조건에서 일정시간 이상 큐어링하여 아크릴계 수지가 함침된 분리판을 제조한다.(단계 150)In order to secure the gas-tightness of the graphite plate filled with the acrylic resin and to secure gas tightness, the graphite plate is cured for a predetermined time or more to prepare a separator plate impregnated with the acrylic resin.
상기 제2온도는 230~270℃로 8~12시간 큐어링(curing)한다. 그 이유는 함침액으로 사용된 고분자수지는 200℃이상의 온도에서 고상으로 상변태가 시작되며, 상기한 온도조건(230~270℃)에서 상기한 시간(8~12시간)동안 큐어링 하여야만 흑연판의 변형을 최소화하여 가공할 수 있는 형태로 준비할 수 있기 때문이다.The second temperature is cured at 230-270 ° C. for 8-12 hours. The reason is that the polymer resin used as the impregnation liquid starts phase transformation into a solid phase at a temperature of 200 ° C. or higher, and must be cured for the above time (8 to 12 hours) at the temperature condition (230 to 270 ° C.). This is because it can be prepared in a form that can be processed with minimal deformation.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기와 같이 제조된 분리판에 기체들의 이동 통로인 유로(13) 및 가스매니폴드(14) 및 냉각수 매니폴드(15)를 형성시킨다.(단계 160)As shown in FIG. 2, a flow path 13, a gas manifold 14, and a coolant manifold 15, which are gas passages, are formed in the separator manufactured as described above (step 160).
도 2에서, 참조부호 10은 분리판이고, 11은 플랫 베이스(flat base)이며, 12는 랜드(land)이고, 16은 얼라인 폴(align pole)이다.In FIG. 2, reference numeral 10 is a separator, 11 is a flat base, 12 is a land, and 16 is an align pole.
한편, 상기 아크릴계 수지는 폴리메칠아크리레이트로 하는 것이 바람직하다.On the other hand, it is preferable that the said acrylic resin is made into polymethyl acrylate.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은, 연료 전지 분리판에 친수성이라는 기능을 부여하여 반응기체들의 이동통로에 좀 더 많은 수분을 잔류시켜 고체 고분자 전해질형 연료 전지(PEMFC)에 필수적인 가습에 대한 시스템의 부담을 저감함과 동시에 분리판 전체에 고르게 수분을 분포시켜 고분자 전해질막에 프로톤의 이동에 필요한 수분을 전면적에 대하여 고르게 전달하여 성능을 향상시킬 수 있다.As described above, the method for manufacturing a separator for a fuel cell stack according to the present invention provides a function of hydrophilicity to a fuel cell separator, so that more moisture is left in the moving passages of the reactor bodies so that a solid polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) is provided. In addition to reducing the burden on the system for the necessary humidification, evenly distributes the moisture throughout the separator plate to improve the performance by evenly delivering the moisture required for the movement of the proton to the polymer electrolyte membrane over the entire area.
상기와 같이 제조된 분리판을 사용하여 연료 전지 스택을 구성하여 그 성능을 기존의 페놀계 수지 함침된 분리판을 사용하여 제작한 연료 전지스택과 성능을 비교한 그래프가 도 3에 도시되어 있다.A graph comparing the performance of the fuel cell stack constructed using the separator prepared as described above and the performance of the fuel cell stack manufactured using the conventional phenol-based resin-impregnated separator is shown in FIG. 3.
그 결과를 예컨대, 25kW급 연료 전지 스택에 적용한 결과 약11%의 성능향상을 유도할 수 있었다.For example, when the result was applied to a 25kW fuel cell stack, an improvement of about 11% could be induced.
그리고 상기한 연료 전지 스택의 제조에 있어서 사용된 재료는 친수성의 아크릴계 수지를 함침한 분리판을 사용하여 제작한 것 이외의 다른 조건은 모두 동일하였으며, 스택의 성능시험 조건 또한 동일 조건에서 평가하였다.The materials used in the production of the fuel cell stack described above were the same as those produced using a separator plate impregnated with a hydrophilic acrylic resin, and the performance test conditions of the stack were also evaluated under the same conditions.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 연료 전지 스택용 분리판 제조방법은 연료 전지 스택의 출력 성능을 향상시키는 효과를 갖는다.As described above, the method of manufacturing a separator for a fuel cell stack according to the present invention has the effect of improving the output performance of the fuel cell stack.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent embodiments are possible. Therefore, the true scope of protection of the present invention should be defined only by the appended claims.
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