KR101169389B1 - Carbon composite using self-sintering of cokes, manufacturing method thereof and separator for fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 ⅰ) 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스 및 수지 바인더를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 ⅲ) 상기 성형체를 탄화하는 단계를 포함하는 탄소복합재의 제조방법, 그 제조방법에 의하여 제조된 탄소복합재, 및 이를 이용하여 형성된 연료전지 분리판에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 높은 전기전도도를 유지하면서, 고강도, 경량성, 내화학성 등의 기계적 및 화학적 물성이 우수하고, 나아가 제조비용을 낮추어 경제성을 높일 수 있는 탄소복합재 및 연료전지 분리판을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 우수한 특성을 갖는 연료전지 분리판으로서 연료전지 제조에 실질적으로 유효하게 적용될 수 있다.The present invention comprises the steps of: i) mixing the coke and resin binder having a volatile content of 8 to 12% by weight to form a mixture; Ii) molding the mixture to form a shaped body; And iii) a carbon composite material comprising the step of carbonizing the molded body, a carbon composite material produced by the method, and a fuel cell separator formed using the same. According to the present invention, it is possible to obtain a carbon composite material and a fuel cell separation plate that can maintain high electrical conductivity and have excellent mechanical and chemical properties such as high strength, light weight, and chemical resistance, and further increase economic efficiency by lowering manufacturing costs. Therefore, the present invention can be effectively applied to fuel cell manufacturing as a fuel cell separator having excellent characteristics.
Description
본 발명은 탄소복합재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 휘발분 함량의 조절로 발휘되는 자기소결성을 갖는 코크스를 이용하여 전지특성뿐 아니라 물리적 및 화학적 물성이 향상된 탄소복합재, 그 제조방법 및 이를 이용한 연료전지 분리판 에 관한 것이다.
The present invention relates to a carbon composite material, and more particularly, to a carbon composite material having improved physical and chemical properties as well as battery characteristics by using coke having self-sintering properties by controlling volatile content, a method of manufacturing the same, and a fuel cell separation using the same. It's about the edition.
연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 직접적으로 변환시키는 장치로서, 단위전지가 수십, 수백 개 적층된 스택으로 형성되며, 단위전지는 막전극 접합체(Membrane Electrode Assembly; MEA) 및 스택을 구성하기 위한 분리판(separator)로 이루어진다.A fuel cell is a device that directly converts chemical energy into electrical energy. A unit cell is formed of a stack of tens or hundreds of unit cells, and the unit cells are separated to form a membrane electrode assembly (MEA) and a stack. It consists of a separator.
연료전지 분리판은 막전극 접합체 양쪽에 설치되며, 막전극 접합체에 수소 및 산소를 공급하고, 촉매 반응에 의하여 발생된 전자를 이동시키는 통로 역할을 하고, 각 단위전지를 분리시키는 역할을 한다. 따라서, 연료전지 분리판에 대해서는 고전기전도도, 고강도, 경량성, 내화학성, 고청정성, 치수 정밀도, 경제성 등의 특성이 요구되고 있다.The fuel cell separator is installed at both sides of the membrane electrode assembly, serves to supply hydrogen and oxygen to the membrane electrode assembly, and serves as a passage for moving electrons generated by the catalytic reaction, and separates each unit cell. Therefore, the fuel cell separator is required to have characteristics such as high conductivity, high strength, light weight, chemical resistance, high cleanliness, dimensional accuracy, and economic efficiency.
종래 연료전지 분리판으로는, 높은 전기전도도 및 우수한 화학적 안정성을 갖는 흑연(graphite)이 이용되었다. 그러나, 흑연을 이용한 연료전지 분리판은 성형에 있어서 초고온 공정을 필요로 하여, 제조비용이 높아져 양산이 곤란하고, 파티클 발생으로 인한 물성 저하의 문제점을 갖고 있다.As a conventional fuel cell separator, graphite having high electrical conductivity and excellent chemical stability has been used. However, a fuel cell separator using graphite requires an ultra-high temperature step in molding, which increases production costs and makes mass production difficult, and has a problem of deterioration of physical properties due to particle generation.
이러한 문제점을 해결하고자 단순 프레싱 공정에 의하여 제조비용을 절감할 수 있는 흑연 분말과 폴리머의 소결체를 이용하는 것이 제안되었다. 그러나, 이러한 흑연과 폴리머의 소결체의 경우, 전기전도도가 낮다는 문제점을 갖고 있으며, 이러한 문제를 해결하고자 흑연의 함량을 높일 경우에는 성형성이 나빠지고 강도가 저하되는 문제점을 갖고 있다.In order to solve this problem, it is proposed to use a sintered body of graphite powder and polymer which can reduce the manufacturing cost by a simple pressing process. However, in the case of the sintered body of graphite and polymer, there is a problem that the electrical conductivity is low, and in order to solve such a problem, when increasing the content of graphite, there is a problem that the moldability is deteriorated and the strength is lowered.
또한, 다른 대안으로, 표면에 내화학성 코팅을 갖는 금속판을 이용하는 것이 제안되었으나, 금속 고유의 고중량으로 인하여 적층시 하중에 대한 부담이 있으며, 내산화성 및 내부식성 문제를 갖고 있다.In addition, as another alternative, it is proposed to use a metal plate having a chemical resistant coating on the surface, but due to the inherent high weight of the metal, there is a load on the lamination, and there are problems of oxidation resistance and corrosion resistance.
따라서, 고전기전도도, 고강도, 경량성, 내화학성, 고청정성, 치수 정밀도, 경제성 등의 특성이 향상된 연료전지 분리판에 대한 요구가 여전히 존재하는 실정이다.
Therefore, there is still a need for a fuel cell separator with improved characteristics such as high conductivity, high strength, light weight, chemical resistance, high cleanliness, dimensional accuracy, and economic efficiency.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 높은 전기전도도를 유지하면서, 고강도, 경량성, 내화학성 등의 기계적 및 화학적 물성이 우수하고, 나아가 제조비용을 낮추어 경제성을 높일 수 있는, 탄소복합재 연료전지 분리판 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, while maintaining high electrical conductivity, excellent mechanical and chemical properties such as high strength, light weight, chemical resistance, and further increase the economics by lowering the manufacturing cost Another object of the present invention is to provide a carbon composite fuel cell separator and a method of manufacturing the same.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 ⅰ) 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스 및 수지 바인더를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 ⅲ) 상기 성형체를 탄화하는 단계를 포함하는 탄소복합재의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention for achieving the above object is iii) forming a mixture by mixing coke and a resin binder having a volatile content of 8 to 12% by weight; Ii) molding the mixture to form a shaped body; And iii) carbonizing the molded body.
또한, 본 발명의 다른 일 실시예는 상기 제조방법에 의하여 제조된 탄소복합재를 제공한다.In addition, another embodiment of the present invention provides a carbon composite material produced by the above production method.
또한, 본 발명의 또 다른 일 실시예는 상기 탄소복합재를 이용하여 형성된 연료전지 분리판을 제공한다.
In addition, another embodiment of the present invention provides a fuel cell separator formed using the carbon composite material.
본 발명에 따른 탄소복합재를 이용하여 형성된 연료전지 분리판은 높은 전기전도도를 가질 뿐 아니라, 우수한 기계적 및 화학적 물성, 즉 경량성, 고강도성, 내화학성, 치수안정성 및 고청정성을 갖는다.The fuel cell separator formed using the carbon composite material according to the present invention not only has high electrical conductivity, but also has excellent mechanical and chemical properties such as light weight, high strength, chemical resistance, dimensional stability, and high cleanliness.
또한, 본 발명에 따르면 연료전지 제조비용의 절반 이상을 차지하는 연료전지 분리판의 제조비용을 종래 기술에 비하여 낮출 수 있어, 연료전지의 대규모 양산에 유리하게 적용될 수 있다.
In addition, according to the present invention, the manufacturing cost of the fuel cell separator, which occupies more than half of the fuel cell manufacturing cost, can be lowered as compared with the prior art, which can be advantageously applied to large-scale mass production of fuel cells.
도 1a는 실시예 1에 따른 열처리된 피치의 FT-IR 분석결과를 나타내는 그래프.
도 1b는 실시예 1에 따른 열처리된 피치의 열중량 분석결과를 나타내는 그래프.
도 2는 실시예 2에 따라 제조된 시편의 탄화 후 사진.
도 3은 실시예 2의 코크스 휘발분 함량에 따른 시편의 굴곡강도를 나타내는 그래프.
도 4는 실시예 3에 따라 제조된 연료전지 분리판의 사진.
도 5a 및 5b는 각각 실시예 3에 따라 측정된 본 발명에 따른 탄소복합재 연료전지 분리판(a) 및 종래 흑연재 연료전지 분리판(b)의 전지특성을 나타내는 그래프.Figure 1a is a graph showing the results of the FT-IR analysis of the heat-treated pitch according to Example 1.
Figure 1b is a graph showing the thermogravimetric analysis of the heat treated pitch according to Example 1.
Figure 2 is a photograph after the carbonization of the specimen prepared according to Example 2.
3 is a graph showing the flexural strength of the specimen according to the coke volatile content of Example 2.
4 is a photograph of a fuel cell separator prepared according to Example 3. FIG.
5A and 5B are graphs showing battery characteristics of a carbon composite fuel cell separator (a) and a conventional graphite fuel cell separator (b) according to the present invention, respectively, measured according to Example 3;
이하, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the most preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the technical idea of the present invention. do.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄소복합재의 제조방법은 ⅰ) 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스 및 수지 바인더를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; ⅱ) 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및 ⅲ) 상기 성형체를 탄화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.Method for producing a carbon composite material according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: i) mixing the coke and the resin binder having a volatile content of 8 to 12% by weight to form a mixture; Ii) molding the mixture to form a shaped body; And iii) carbonizing the molded body.
상기 실시예에서, 탄소복합재에 충전재로서 포함되는 코크스는 일반적으로 피치를 불활성 분위기에서 열처리하여 제조되는 것으로 배향성을 가지고 있어 탄화 및 흑연화 공정을 거치면서 흑연결정으로 발달하므로 탄소재 원료로 이용된다.In the above embodiment, the coke included as a filler in the carbon composite material is generally produced by heat treatment of the pitch in an inert atmosphere, and has an orientation, and thus is used as a carbon material raw material because it develops into graphite crystals through carbonization and graphitization processes.
특히 본 발명에 있어서는 코크스의 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절함으로써, 코크스가 자기소결성을 나타내게 된다. 이와 같이 자기소결성을 갖도록 휘발분 함량이 8~12중량%로 조절된 코크스를 이용함으로써 탄화 후에 부풀음 현상이 발생하지 않고, 결합력이 강해져 충분한 강도를 확보할 수 있는 특징을 갖는다.In particular, in the present invention, by adjusting the volatile content of the coke to 8 to 12% by weight, the coke exhibits self-sintering. As such, by using coke having a volatile content adjusted to 8 to 12% by weight so as to have self-sintering property, swelling does not occur after carbonization, and the bonding strength is strong to secure sufficient strength.
코크스의 잔류 휘발분 함량이 8중량% 미만인 경우에는 점성이 증대하여 점결력이 없고, 입자들간의 결합력이 약해져서 조직이 치밀하지 못하여 물성이 급격히 저하될 뿐만 아니라, 성형 자체가 이루어질 수 없다. 또한, 휘발분 함량이 12중량%를 초과하는 경우에는 탄화 과정에서 부풀음 현상에 의하여 기공이 발생하여 형상 변화를 초래하게 된다.When the residual volatile content of the coke is less than 8% by weight, the viscosity is increased and there is no cohesion force, the binding force between the particles is weakened, the structure is not dense, the physical properties are sharply degraded, and the molding itself cannot be formed. In addition, when the volatile content exceeds 12% by weight, pores are generated by the swelling phenomenon during the carbonization process, resulting in a shape change.
이와 같은 코크스의 휘발분 함량 조절은 피치를 400~500℃에서 1~3시간 동안 열처리함으로써 이루어질 수 있다.Such volatile content of the coke can be made by heat treatment for 1 to 3 hours at 400 ~ 500 ℃ pitch.
상기 열처리 온도가 400℃ 미만이면 휘발분 감소량이 작아지고, 방향족 화합물의 중축합 속도가 감소하여 부풀음 현상에 의한 기공 발생으로 밀도가 감소하는 문제가 있으며, 500℃를 초과하면 휘발분이 거의 제거되어 점성이 높아지므로 성형이 이루어지지 않고, 입자들의 결합력이 약해져 물성이 급격히 저하하는 문제점이 발생한다.If the heat treatment temperature is less than 400 ℃ volatile fraction decreases, the polycondensation rate of the aromatic compound is reduced, there is a problem that the density decreases due to the generation of pores due to the swelling phenomenon, and if it exceeds 500 ℃ the volatile matter is almost removed, the viscosity As a result, the molding is not performed, and the bonding strength of the particles is weakened, which causes a problem in that the physical properties are sharply lowered.
상기 열처리 시간이 1시간 미만인 경우에는 휘발분 함량이 많아져서 탄화시에 휘발분 배출로 인한 부풀음 현상이 발생하고, 3시간을 초과하는 경우에는 잔류하는 휘발분 함량이 너무 적어져서 성형이 곤란하게 되고, 물성이 저하되는 문제점이 있다.When the heat treatment time is less than 1 hour, the volatile content increases, so that swelling phenomenon occurs due to volatile emission during carbonization, and when the heat treatment time exceeds 3 hours, the remaining volatile content is too small, making molding difficult. There is a problem of deterioration.
상기 열처리 과정은 피치가 공기와 반응하여 산화되지 않도록 불활성 분위기에서 이루어지는 것이 바람직하다. 불활성 분위기 유지에 이용되는 매체는 특히 제한되는 것은 아니며, 질소 또는 아르곤 등을 이용할 수 있다.The heat treatment is preferably carried out in an inert atmosphere so that the pitch does not react with the air to oxidize. The medium used for maintaining the inert atmosphere is not particularly limited, and nitrogen or argon may be used.
또한, 열처리 시에는 휘발분의 효과적인 배출과 균일한 중축합 반응을 유도하기 위하여 80~150rpm의 속도로 교반하면서 열처리하는 것이 바람직하다.In addition, during the heat treatment, it is preferable to perform heat treatment while stirring at a speed of 80 to 150 rpm in order to induce effective discharge of volatiles and a uniform polycondensation reaction.
상기 실시예에서, 탄소복합재에 결합제로서 포함되는 수지 바인더는 열경화성 수지인 것이 바람직하다.In the above embodiment, the resin binder contained as a binder in the carbon composite material is preferably a thermosetting resin.
본 발명에 있어서, 수지 바인더로서 이용될 수 있는 열경화성 수지의 예는 페놀 수지, 에폭시 수지, 또는 그 혼합물이다.In the present invention, examples of the thermosetting resin that can be used as the resin binder are phenol resins, epoxy resins, or mixtures thereof.
탄소복합재에 포함되는 코크스의 함량은 혼합물 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 75~95중량%이고, 더욱 바람직하게는 80~90중량%이고, 가장 바람직하게는 약 85중량%이다.The content of coke included in the carbon composite material is preferably 75 to 95% by weight, more preferably 80 to 90% by weight, most preferably about 85% by weight based on the total weight of the mixture.
또한, 탄소복합재에 포함되는 수지 바인더의 함량은 혼합물 전체 중량을 기준으로 바람직하게는 5~25중량%이고, 더욱 바람직하게는 10~20중량%이고, 가장 바람직하게는 약 15중량%이다.In addition, the content of the resin binder contained in the carbon composite material is preferably 5 to 25% by weight, more preferably 10 to 20% by weight, most preferably about 15% by weight based on the total weight of the mixture.
코크스와 수지 바인더의 혼합 비율은 최종적으로 얻어지는 탄소복합재의 전기전도도 및 물리적/화학적 물성을 최적화하는 관점에서 선택될 수 있다. 구체적으로 코크스의 함량이 75중량% 미만이고, 수지 바인더의 함량이 25중량%를 초과하는 경우에는 전기저항이 증가하여 전기전도도가 충분하지 못하고, 코크스의 함량이 90중량%를 초과하고, 수지 바인더의 함량이 5중량% 미만인 경우에는 입자간의 결합력이 충분하지 않아 강도가 저하될 수 있다.The mixing ratio of the coke and the resin binder may be selected from the viewpoint of optimizing the electrical conductivity and physical / chemical properties of the finally obtained carbon composite material. Specifically, when the content of coke is less than 75% by weight, the content of the resin binder exceeds 25% by weight, the electrical resistance is increased, the electrical conductivity is not sufficient, the content of the coke exceeds 90% by weight, the resin binder When the content of less than 5% by weight is not enough bonding strength between the particles may be reduced in strength.
일 실시예에서, 상기 ⅰ) 단계에서, 균일한 분배 및 혼합을 위하여 알코올을 더 혼합할 수 있다. 본 발명에 이용될 수 있는 알코올의 예로는 혼합시 균일성을 증가시키는 측면에서 메탄올이 바람직하다.In one embodiment, in step iii), alcohol may be further mixed for uniform distribution and mixing. Examples of alcohols that can be used in the present invention are methanol in terms of increasing uniformity upon mixing.
알코올은 상기 혼합물 전체 부피를 기준으로 100~150 부피비로 포함될 수 있다.Alcohol may be included in a volume ratio of 100 to 150 based on the total volume of the mixture.
상기 혼합물을 형성하는 ⅰ) 단계에 이용되는 혼합 방법은 코크스 및 수지 바인더, 및 선택적으로 알코올을 균질하게 혼합할 수 있는 한 특히 제한되지 않으며, 예를 들어, 볼 밀을 이용하여 분쇄혼합할 수 있다. The mixing method used in the step iii) of forming the mixture is not particularly limited as long as it can homogeneously mix the coke and the resin binder, and optionally alcohol, and may be pulverized and mixed using, for example, a ball mill. .
일 실시예에서, ⅰ) 단계 후, 혼합물을 열풍건조하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, after step iii), the method may include hot air drying the mixture.
열풍건조는 80~90℃의 온도에서 이루어지는 것이 바람직하다. 열풍건조시 온도가 80℃ 미만인 경우는 성형이 이루어지지 않을 수 있고, 90℃를 초과하는 경우에는 경화가 일어날 우려가 있다.Hot air drying is preferably made at a temperature of 80 ~ 90 ℃. Molding may not be performed when the temperature is less than 80 ° C. during hot air drying, and curing may occur when it exceeds 90 ° C.
상기 혼합물을 성형하는 ⅱ) 단계는 원하는 최종 산물의 형태 및 기능 등에 따라 당업계에 공지된 방법 중 적절한 방법을 선택하여 이루어질 수 있으며, 예를 들어 가압성형 등의 방법을 이용할 수 있다. 특히, 상기 탄소복합재를 연료전지 분리판으로 이용하는 경우에는, 연료전지 분리판 유로가 새겨진 금형 내에 상기 혼합물을 충전한 후, 수지 바인더에 따라 설정된 고온에서 압력을 가하여 가압성형할 수 있다.The step ii) of molding the mixture may be performed by selecting an appropriate method from among those known in the art according to the shape and function of the desired final product, and for example, pressing molding or the like. In particular, when the carbon composite material is used as a fuel cell separator, the mixture may be filled in a mold having a fuel cell separator channel engraved therein, and then press molded at a high temperature set according to a resin binder.
예를 들어, 가압 성형은 1000~3000㎏f/㎠, 바람직하게는 약 2000㎏f/㎠의 압력, 및 150~200℃, 바람직하게는 약 180℃의 온도에서 이루어질 수 있다.For example, the press molding may be at a pressure of 1000-3000 kgf /
이와 같이 성형된 성형체를 탄화하는 ⅲ) 단계는 1100~1250℃에서 0.5~5시간 동안 열처리함으로써 이루어질 수 있다. 또한, 탄화는 불활성 분위기, 예를 들어 아르곤 또는 질소 분위기 하에서 이루어지는 것이 바람직하다.Iii) carbonizing the molded body thus formed may be performed by heat treatment at 1100 to 1250 ° C. for 0.5 to 5 hours. In addition, carbonization is preferably performed under an inert atmosphere, for example, argon or nitrogen atmosphere.
탄화과정은 휘발분인 CH 화합물의 분해와 동시에 방향족 화합물의 중축합 반응이 일어나는 과정이므로, CH 화합물의 분해량이 많으면 상당한 가스압이 발생하여 성형체에 부풀음 현상이 발생하여, 강도, 치수안정성, 표면 특성 등의 물성이 저하될 수 있다. 그러나, 본 발명에 있어서는, 복합재에 포함되는 충진재인 코크스의 휘발분 함량을 8~12중량%로 조절하여 자기소결성을 나타내므로, 탄화과정에서 부풀음 현상이 발생하지 않아 밀도가 높아지고, 표면 특성이 우수해지고, 입자간 결합력이 강해져서 강도가 향상되며, 또한 최종 생성물인 탄소복합재의 높은 전기전도도 특성을 확보할 수 있다.The carbonization process is a process in which polycondensation reactions of aromatic compounds occur simultaneously with the decomposition of volatile CH compounds. Therefore, when the amount of decomposition of CH compounds is large, a considerable gas pressure is generated, resulting in swelling in the molded body. Physical properties may be reduced. However, in the present invention, since the volatile content of coke, which is a filler included in the composite material, is adjusted to 8 to 12% by weight to show self-sintering, swelling does not occur during the carbonization process, resulting in high density and excellent surface properties. As a result, the bonding strength between particles is increased, and the strength is improved, and high electrical conductivity characteristics of the carbon composite material as a final product can be ensured.
따라서, 본 발명에 따른 탄소복합재는 연료전지 분리판용으로 특히 바람직하다.Therefore, the carbon composite material according to the present invention is particularly preferable for the fuel cell separator.
본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법에 의하여 제조되는 탄소복합재, 및 상기 탄소복합재를 이용하여 형성된 연료전지 분리판을 제공하는 것이다. 이러한 탄소복합재 및 이를 이용한 연료전지 분리판은 높은 전기전도도를 가질 뿐 아니라, 우수한 기계적 및 화학적 물성, 즉 경량성, 고강도성, 내화학성, 치수안정성 및 고청정성의 특성을 가지며, 나아가, 제조비용을 절감할 수 있다.
Another embodiment of the present invention is to provide a carbon composite material produced by the method as described above, and a fuel cell separator formed using the carbon composite material. The carbon composite material and the fuel cell separator using the same have not only high electrical conductivity but also excellent mechanical and chemical properties, that is, light weight, high strength, chemical resistance, dimensional stability and high cleanness, and furthermore, Can be saved.
[[ 실시예Example ]]
이하 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples. However, these examples are only for illustrating the present invention in more detail, the scope of the present invention is not limited by these examples.
실시예Example 1: 피치의 열처리에 따른 1: according to the heat treatment of the pitch 휘발분Volatility 함량 조절 Content control
콜타르 피치(coal tar pitch; 연화점(S.P.): 100~120℃, 석탄화값(coking value): 48%, 비중 1.2)를 다양한 온도에서 열처리하여 휘발분 함량을 조절하였다. 열처리는 질소 분위기하에서, 125rpm으로 교반하면서 이루어졌고, 열처리 시간은 1~3시간이었다. 열처리된 피치의 열중량을 분석하고, 잔류하는 휘발분 함량을 결정하였다.Coal tar pitch (softening point (S.P.): 100 ~ 120 ℃, coking value: 48%, specific gravity 1.2) was heat-treated at various temperatures to control the volatile content. The heat treatment was performed while stirring at 125 rpm in a nitrogen atmosphere, and the heat treatment time was 1 to 3 hours. The thermogravimetric weight of the heat treated pitch was analyzed and the remaining volatile content was determined.
도 1a는 열처리된 피치의 FT-IR 분석 결과를 나타낸다. 도 1a로부터 열처리 온도가 높아질수록 메틸렌, 메틸기의 분해로 C-O 피크가 강해지고, C-H 피크가 약해지는 것을 확인할 수 있다.Figure 1a shows the results of the FT-IR analysis of the heat treated pitch. It can be seen from FIG. 1A that the higher the heat treatment temperature, the stronger the C-O peak and the weaker the C-H peak due to decomposition of methylene and methyl groups.
도 1b는 열처리된 피치의 열중량분석 결과를 나타낸다. 도 1b로부터 열처리 온도가 높아질수록 휘발분이 효과적으로 감소하였으며, 특히 400~500℃ 부근에서 급격한 휘발이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 1b shows the results of thermogravimetric analysis of the heat treated pitch. As the heat treatment temperature is increased from Figure 1b it can be seen that the volatile fraction was effectively reduced, especially rapid volatilization occurs in the vicinity of 400 ~ 500 ℃.
실시예Example 2: 연료전지 2: fuel cell 분리판용For separator plate 탄소복합재 제조 및 특성 평가 Carbon Composite Material Fabrication and Characterization
상기 실시예 1에 이용된 콜타르 피치를 질소 분위기하에서, 125rpm으로 교반하면서 400~500℃로 1~3시간 동안 열처리하여, 휘발분 함량(V.M.)이 8~12중량%인 코크스를 형성하였다. 이 코크스 85중량%에 페놀 수지 15중량%를 배합하여, 볼밀을 이용하여 분쇄 혼합하였다. 다음으로 혼합물을 80~90℃로 열풍건조하여, 혼합물을 제조하였다.The coal tar pitch used in Example 1 was heat-treated at 400 to 500 ° C. for 1 to 3 hours while stirring at 125 rpm in a nitrogen atmosphere to form coke having a volatile matter content (V.M.) of 8 to 12 wt%. 15 weight% of phenol resins were mix | blended with 85 weight% of this coke, and it grind | pulverized and mixed using the ball mill. Next, the mixture was hot-air dried at 80-90 ° C. to prepare a mixture.
상기 혼합물을 일정량 몰드에 넣고, 2000㎏f/㎠의 압력 및 180℃의 온도 조건에서 가압성형하여 원형 시편을 제조하였다. 제조된 시편을 튜브 전기로에서, 1℃/min의 속도로 승온한 후, 1100℃에서 1시간 동안 유지하여 탄화하여, 탄소복합재를 제조하였다.The mixture was placed in a predetermined amount mold and press molded at a pressure of 2000 kgf /
도 2에 상이한 휘발분 함량을 갖는 코크스 및 페놀 수지를 이용하여 제조된 상기 시편의 탄화 후 사진을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 휘발분 함량이 17중량%, 21중량% 및 29중량%인 경우, 탄화 후에 부풀음 현상이 발생하는 반면, 휘발분 함량이 10중량%인 경우, 탄화 후에 부풀음 현상이 나타나지 않았다.Figure 2 shows the pictures after carbonization of the specimens prepared using coke and phenolic resins having different volatile content. Referring to Figure 2, when the volatile content of 17% by weight, 21% by weight and 29% by weight, the swelling phenomenon occurs after carbonization, while the volatile content is 10% by weight, the swelling phenomenon does not appear after carbonization.
도 3은 코크스 휘발분 함량에 따른 굴곡강도(bending strength)를 나타낸다. 굴곡강도는 인스트론(Instron)사의 만능재료 시험기를 이용하여 3점 강도를 측정하였다. 도 3으로부터 코크스의 자기소결성이 나타나는 휘발분 함량 8~12중량%인 경우에 높은 굴곡강도를 갖는 것을 나타내는 것을 확인할 수 있다.Figure 3 shows the bending strength (bending strength) according to the coke volatile content. Flexural strength was measured by three-point strength using an Instron universal testing machine. It can be seen from FIG. 3 that the case has a high flexural strength in the case of a volatile matter content of 8 to 12 wt%, which exhibits self-sintering of coke.
상이한 휘발분 함량을 갖는 코크스 및 페놀 수지를 이용하여 제조된 상기 시편에 대하여, 성형밀도, 탄화밀도, 수축률 및 쇼아경도를 측정하여 하기 표 1에 나타낸다. 쇼아경도는 일본 사토(SATO)사의 쇼아경도 시험기(Shore Hardness Tester)를 사용하여 측정하였으며, 측정시 시편의 각면에 대하여 3회씩 측정하여 평균값을 취하였다.For the specimens prepared using coke and phenol resins having different volatile content, the molding density, the carbonization density, the shrinkage ratio and the Shore hardness were measured and shown in Table 1 below. Shore hardness was measured using a Shore Hardness Tester manufactured by SATO, Japan, and the average value was measured three times on each side of the specimen.
도 2 및 표 1로부터, 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스를 이용함으로써, 탄화 후 부풀음 현상이 일어나지 않고, 밀도 및 경도가 향상됨을 알 수 있다.
2 and Table 1, it can be seen that by using the coke having a volatile content of 8 to 12% by weight, swelling does not occur after carbonization, density and hardness are improved.
실시예Example 3: 연료전지 분리판 제조 및 전지특성 평가 3: Fabrication of fuel cell separator and evaluation of battery characteristics
상기 실시예 2에 기재된 바와 같이, 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스 및 페놀수지를 포함하는 혼합물을 제조한 후, 연료전지 분리판 유로가 새겨진 금형 내에 상기 혼합물을 충전하여, 2000㎏f/㎠의 압력 및 180℃의 온도 조건에서 가압성형하고, 튜브 전기로에서, 1℃/min의 속도로 승온한 후, 1100℃에서 1시간 동안 유지하여 탄화함으로써 본 발명에 따른 탄소복합재를 제조하였으며, 이를 이용하여 연료전지 분리판을 형성하였다. 제조된 연료전지 분리판 사진을 도 4에 나타낸다.As described in Example 2, after preparing a mixture containing coke and phenol resin having a volatile matter content of 8 to 12% by weight, the mixture was filled into a mold engraved with a fuel cell separator flow path, and then 2000 kgf / A carbon composite material according to the present invention was prepared by press molding at a pressure of 2
도 5a 및 5b에 상기 본 발명에 따른 탄소복합재 연료전지 분리판 및 종래 흑연재 연료전지 분리판의 전지특성을 각각 비교하여 나타낸다. 도 5a 및 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 탄소복합재 연료전지 분리판은 종래 흑연재 연료전지 분리판에 비하여 향상된 전지특성을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
5A and 5B show battery characteristics of the carbon composite fuel cell separator and the conventional graphite fuel cell separator according to the present invention, respectively. 5A and 5B, it can be seen that the carbon composite fuel cell separator according to the present invention exhibits improved battery characteristics compared to the conventional graphite fuel cell separator.
본 발명은 높은 전기전도도, 경량성, 고강도성, 내화학성, 치수안정성, 고청정성 및 저비용의 특성을 갖는 탄소복합재로서 광범위한 분야에 적용될 수 있으며, 특히, 연료전지 분리판으로서, 연료전지 제조에 실질적으로 유효하게 적용될 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a wide range of fields as a carbon composite material having high electrical conductivity, light weight, high strength, chemical resistance, dimensional stability, high cleanliness, and low cost. Can be effectively applied.
Claims (14)
ⅱ) 상기 혼합물을 성형하여 성형체를 형성하는 단계; 및
ⅲ) 상기 성형체를 탄화하는 단계를 포함하며,
상기 ⅰ) 단계에서, 혼합물 전체 중량을 기준으로 코크스의 함량은 75~95중량%, 수지 바인더의 함량은 5~25중량%이며,
상기 휘발분 함량이 8~12중량%인 코크스는 피치를 400~500℃에서 1~3시간 동안 열처리하여 형성된 것인
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
Iii) mixing the coke having a volatile matter content of 8 to 12% by weight and the resin binder to form a mixture;
Ii) molding the mixture to form a shaped body; And
Iii) carbonizing the shaped body,
In the step iii), the coke content is 75 to 95% by weight based on the total weight of the mixture, the content of the resin binder is 5 to 25% by weight,
Coke with 8 to 12% by weight of the volatile content is formed by heat treatment for 1 to 3 hours at 400 ~ 500 ℃ pitch
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 ⅰ) 단계에서, 알코올을 더 혼합하는
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
In step iii), further mixing the alcohol
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 알코올은 메탄올인
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 2,
The alcohol is methanol
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 알코올은 상기 혼합물 전체 부피를 기준으로 100~150 부피비로 포함되는
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 2,
The alcohol is included in the volume ratio of 100 to 150 based on the total volume of the mixture
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 ⅰ) 단계 후에, 혼합물을 열풍건조하는 단계를 더 포함하는
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
After the step iii), further comprising hot air drying the mixture.
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 열풍건조는 80~90℃의 온도에서 이루어지는
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 5,
The hot air drying is made at a temperature of 80 ~ 90 ℃
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 수지 바인더는 열경화성 수지인
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
The resin binder is a thermosetting resin
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 열경화성 수지는 페놀 수지, 에폭시 수지 또는 그 혼합물인
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 7, wherein
The thermosetting resin is a phenol resin, an epoxy resin or a mixture thereof
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
상기 ⅲ) 단계는 1100~1250℃에서 0.5~5시간 동안 열처리함으로써 이루어지는
연료전지 분리판용 탄소복합재의 제조방법.
The method of claim 1,
The step iii) is performed by heat treatment at 1100-1250 ° C. for 0.5-5 hours.
Method for producing carbon composite material for fuel cell separator.
A carbon composite material for a fuel cell separator produced by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 9.
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| JP2001019547A (en) * | 1999-06-28 | 2001-01-23 | Mitsubishi Chemicals Corp | Production of carbon/graphite compound molding product of complex shape |
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