KR101779528B1 - Elastomer bipolar plate for batteries and method for manufacturing same - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄성중합체가 탄소섬유의 고정을 위한 기지로 사용되는 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법을 개시한다. 본 발명의 탄성중합체 분리판은, 복수의 탄소섬유와, 복수의 탄소섬유에 함침되어 복수의 탄소섬유를 고정하는 탄성중합체 기지를 구비하는 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트로 이루어진다. 본 발명의 제조 방법은, 하부금형의 캐버티에 복수의 탄소섬유와, 탄소섬유를 고정하기 위한 탄성중합체 기지를 장입하고, 하부금형과 상부금형을 형합하면서 탄소섬유와 탄성중합체 기지를 압밀·경화시켜 탄성중합체 분리판으로 제조하며, 하부금형과 상부금형을 형개한 후 탄성중합체 분리판을 취출한다. 또한, 탄소섬유에 내재되어 기계적 물성을 강화시킬 수 있는 라이너를 장입하고, 탄성중합체 분리판의 표면에 탄소섬유가 노출되도록 전지용 탄성중합체 분리판의 표면으로부터 잉여 탄성중합체를 제거한다. 본 발명에 의하면, 탄성중합체가 탄소섬유를 고정시키는 기지로 사용되므로, 경도가 높은 고분자 수지 기지와 비교하여 파괴 인성이 향상되어 산성 환경에서 발생할 수 있는 미세한 균열에 대해 높은 저항성을 가지며, 제조 및 조립 공정에서 발생할 수 있는 파손에 대해서 손상허용도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 표면에 남는 잉여 탄성중합체를 간편하게 제거하여 탄소섬유를 노출시킴으로써, 전기전도도를 향상시키고, 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있다.The present invention discloses an elastomeric separator for a battery in which an elastomer is used as a base for fixing carbon fibers and a method of manufacturing the same. The elastic polymer separator of the present invention comprises a plurality of carbon fibers and a fiber-reinforced elastomer composite sheet comprising an elastomer base impregnated with a plurality of carbon fibers to fix a plurality of carbon fibers. In the manufacturing method of the present invention, a plurality of carbon fibers and an elastic polymer base for fixing carbon fibers are charged in a cavity of a lower mold, and the carbon fiber and the elastomer base are consolidated and cured , And the lower mold and the upper mold are opened, and then the elastomer separator is taken out. Further, a liner embedded in the carbon fiber to enhance the mechanical properties is charged, and the excess elastomer is removed from the surface of the separator for a battery cell so that the carbon fiber is exposed to the surface of the separator. According to the present invention, since the elastomer is used as a base for fixing carbon fibers, it has higher resistance to fine cracks that can occur in an acidic environment due to improved fracture toughness as compared with a polymer resin base having a high hardness, The damage tolerance can be improved against damage that may occur in the process. Further, the excess elastomer remaining on the surface of the separator can be easily removed to expose the carbon fibers, thereby improving the electric conductivity and reducing the current loss, thereby improving the efficiency.

Description

전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법{ELASTOMER BIPOLAR PLATE FOR BATTERIES AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME} BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to an elastomer separator for a battery,

본 발명은 전지용 분리판에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄성중합체(Elastomer)가 탄소섬유(Carbon fiber)를 고정시키는 기지(Matrix)로 사용되는 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator for a battery, and more particularly, to an elastomer separator for a battery which is used as a matrix in which an elastomer fixes carbon fibers and a method for manufacturing the same.

최근 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 신재생에너지(New renewable energy)는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 신재생에너지의 원활한 사용을 위하여 연료전지(Fuel cell)와 에너지 저장 시스템(Energy storage system)의 개발이 활발히 진행되고 있다. 대표적인 연료전지는 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)가 있고, 에너지 저장 시스템은 이차전지(Secondary cell)의 하나로 레독스 흐름 전지(Redox flow battery, RFB)가 있다. Recently, renewable energy, which uses fossil fuels to transform or convert renewable energy including sunlight, water, geothermal, and bio-organisms, has become increasingly important because of the instability of oil prices and the regulation response of the climate change convention . Fuel cells and energy storage systems have been actively developed for the smooth use of renewable energy. A representative fuel cell is a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), and the energy storage system is a secondary cell, a redox flow battery (RFB).

미국 특허 제7,862,922호 "연료전지용 고분자 전해질막 및 이것을 포함하는 연료전지 시스템(Polymer electrolyte membrane for fuel cell and fuel cell system comprising same)"과 미국 특허 제7,901,836호 "고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte fuel cell)"이 개시되어 있다. 이 특허 문헌들에 개시되어 있는 PEMFC의 스택(Stack)은 기본적으로 복수의 단위전지(Unit cell/Single cell)들과 두 개의 엔드플레이트(End plate)들로 구성되어 있다. U.S. Patent No. 7,862,922 entitled " Polymer electrolyte membrane for a fuel cell and a fuel cell system comprising same "and U.S. Patent No. 7,901,836" Polymer electrolyte fuel cell " " The stack of the PEMFC disclosed in these patent documents basically consists of a plurality of unit cells and two end plates.

PEMFC의 단위전지는 양극(Anode), 음극(Cathode), 고분자 전해질막(Polymer electrolyte membrane), 두 개의 가스확산층(Gas diffusion layer, GDL)들, 복수의 가스킷(Gasket)들과 두 개의 분리판들로 구성되어 있다. 분리판은 전기저항이 낮고, 내화학성(Chemical resistance)과 기계적 물성이 높으며, 수소와 산소의 누설을 방지하기 위하여 가스투과율이 낮아야 한다. 또한, 인접하는 두 분리판들 사이의 전기접촉저항(Electrical contact resistance)이 낮아야 한다. 분리판의 재료는 흑연(Graphite), 팽창 카본(Expanded carbon), 스테인리스스틸(Stainless steel)로 구성되거나 고분자 기지(Polymer matrix)에 카본입자, 흑연입자를 첨가한 고분자 기지 복합재료(Polymer matrix composite)가 사용되고 있다. 섬유강화 복합재료(Fiber reinforced composite material), 특히 일방향 탄소섬유 복합재료(Unidirectional carbon fiber composite)의 분리판은 그 표면에 잉여되어 있는 잉여 고분자 기지에 의하여 접촉저항이 크게 된다.The unit cell of the PEMFC includes an anode, a cathode, a polymer electrolyte membrane, two gas diffusion layers (GDLs), a plurality of gaskets and two separators . The separator has low electrical resistance, high chemical resistance and mechanical properties, and low gas permeability to prevent leakage of hydrogen and oxygen. Also, the electrical contact resistance between two adjacent separator plates should be low. The material of the separator plate is made of graphite, expanded carbon, stainless steel, or a polymer matrix composite in which carbon particles and graphite particles are added to a polymer matrix, Is used. Fiber reinforced composite materials, especially unidirectional carbon fiber composite separators, have a large contact resistance due to the surplus polymer matrix surplus on the surface.

한국 등록특허 제10-1353354호 "연료전지용 섬유강화 복합재료 분리판의 표면처리 방법"은 접촉저항의 감소를 위하여 섬유강화 복합재료의 표면에 잉여되어 있는 잉여 고분자 기지층을 불꽃에 의하여 가열하여 탄화시킨 탄화층을 형성하고 있다. 한편, 잉여 고분자 기지층은 플라스마 처리(Plasma treatment)에 의하여 탄화시키고도 있다. 그러나 불꽃의 가열이나 플라스마 처리에 의한 잉여 고분자 기지층의 탄화는 분리판의 제조 공정을 복잡하게 하여 분리판의 생산성을 저하시키게 된다. Korean Patent No. 10-1353354 entitled " Method for surface treatment of a fiber-reinforced composite separator for a fuel cell "discloses a method for reducing the contact resistance by heating a surplus polymer base layer surplus on the surface of a fiber- To form a carbonized layer. On the other hand, the excess polymer matrix may be carbonized by plasma treatment. However, carbonization of the surplus polymer matrix by heating the flame or plasma treatment complicates the production process of the separation plate, thereby deteriorating the productivity of the separation plate.

본 발명은 상기와 같은 종래 전지용 분리판의 여러 가지 문제를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은, 탄성중합체가 탄소섬유를 고정시키는 기지로 사용되므로, 파괴 인성이 향상되어 산성 환경에서 발생할 수 있는 미세한 균열에 대해 높은 저항성을 갖는 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. The present invention is intended to solve various problems of the separator for a conventional battery as described above. An object of the present invention is to provide a separator for a battery-use elastic polymer having improved fracture toughness and high resistance to fine cracks which can occur in an acidic environment, because the elastomer is used as a base for fixing carbon fibers, will be.

본 발명의 다른 목적은, 탄소중합체가 기지로 사용되어 제조 및 조립 공정에서 발생할 수 있는 파손에 대해서 높은 손상허용도를 갖는 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide a battery-use elastomer separator having a high damage tolerance against breakage which can be caused in a manufacturing and assembling process by using a carbon polymer as a base, and a manufacturing method thereof.

본 발명의 또 다른 목적은, 분리판의 표면에 남는 잉여 탄성중합체를 간편하게 제거하여 탄소섬유를 노출시킴으로써, 전기전도도를 향상시킬 수 있고, 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다. It is a further object of the present invention to provide a separator which can easily remove excess elastomer remaining on the surface of a separator to expose carbon fibers to improve electric conductivity and reduce current loss due to reduction of contact resistance in a stack of cells, And a method for producing the same.

본 발명의 일 측면에 따르면, 전지용 탄성중합체 분리판 제조 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법은, 하부금형의 캐버티에 복수의 탄소섬유와, 복수의 탄소섬유를 고정하기 위한 탄성중합체 기지를 장입하는 단계와; 하부금형과 상부금형을 형합하면서 복수의 탄소섬유와 탄성중합체 기지를 압밀·경화시켜 탄성중합체 분리판으로 제조하는 단계와; 하부금형과 상부금형을 형개한 후 탄성중합체 분리판을 취출하는 단계를 포함한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing an elastomer separator for a battery. A method of manufacturing an elastic polymer separator for a battery according to the present invention comprises the steps of: charging a cavity of a lower mold with a plurality of carbon fibers and an elastomeric base for fixing a plurality of carbon fibers; Assembling the lower mold and the upper mold to consolidate and cure the plurality of carbon fibers and the elastomer base to form an elastomer separator; And then removing the elastic polymer separator after the lower mold and the upper mold are opened.

또한, 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법은, 복수의 탄소섬유에 내재되어 기계적 물성을 강화시킬 수 있는 라이너를 장입하고, 탄성중합체 기지에 의하여 탄성중합체 분리판의 가장자리에 가스킷을 더 형성한다. 탄성중합체 분리판의 표면에 복수의 탄소섬유가 노출되도록 전지용 탄성중합체 분리판의 표면으로부터 잉여 탄성중합체를 제거한다. The method for manufacturing an elastic polymer separator for a battery according to the present invention comprises the steps of charging a liner embedded in a plurality of carbon fibers capable of enhancing mechanical properties, and attaching a gasket to an edge of the elastic polymer separator by an elastomer base . The excess elastomer is removed from the surface of the separator for a battery so that a plurality of carbon fibers are exposed on the surface of the separator.

본 발명의 다른 측면에 따른 전지용 탄성중합체 분리판은, 복수의 탄소섬유와, 복수의 탄소섬유에 함침되어 복수의 탄소섬유를 고정하는 탄성중합체 기지를 구비하는 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트로 이루어진다. Another aspect of the present invention is an elastomer separator for a battery comprising a plurality of carbon fibers and a fiber-reinforced elastomer composite sheet having an elastomer base impregnated with a plurality of carbon fibers to fix a plurality of carbon fibers.

또한, 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판은, 복수의 탄소섬유에 기계적 물성의 강화를 위하여 내재되어 있는 라이너를 더 포함하고, 탄성중합체에 의하여 가장자리에 가스킷이 형성되어 있다.Further, the separator for a battery according to the present invention further comprises a liner embedded in a plurality of carbon fibers for enhancing mechanical properties, and a gasket is formed on the edge by the elastomer.

본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법은, 탄성중합체가 탄소섬유를 고정시키는 기지로 사용되므로, 경도가 높은 고분자 수지 기지와 비교하여 파괴 인성이 향상되어 산성 환경에서 발생할 수 있는 미세한 균열에 대해 높은 저항성을 가지며, 제조 및 조립 공정에서 발생할 수 있는 파손에 대해서 손상허용도를 향상시킬 수 있다. 또한, 분리판의 표면에 남는 잉여 탄성중합체를 간편하게 제거하여 탄소섬유를 노출시킴으로써, 전기전도도를 향상시킬 수 있고, 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있는 유용한 효과가 있다. INDUSTRIAL APPLICABILITY Since the elastomeric separator for a battery and the method of manufacturing the same according to the present invention are used as a base for fixing carbon fibers to an elastomer, a fracture toughness is improved as compared with a polymer resin base having a high hardness, And it is possible to improve the damage tolerance against breakage which may occur in the manufacturing and assembling process. Further, the excess elastomer remaining on the surface of the separator can be easily removed to expose the carbon fibers, thereby improving the electrical conductivity and reducing the contact resistance in the stack of the battery, It is effective.

도 1은 본 발명에 따른 전지용 분리판을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전지용 분리판을 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전지용 분리판에서 잉여 탄성중합체를 제거하기 전의 구성을 부분적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 전지용 분리판의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전지용 분리판의 제조 방법에 대한 일례를 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 전지용 분리판의 제조 방법에 대한 다른 예를 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전지용 분리판에서 탄성중합체와 열경화성 수지의 2단계 경화를 설명하기 위하여 나타낸 그래프이다. 1 is a perspective view showing a separator for a battery according to the present invention.
2 is a partial cross-sectional view showing a separator for a battery according to the present invention.
3 is a cross-sectional view partially showing the structure before removing the excess elastomer in the separator for a battery according to the present invention.
4 is a cross-sectional view schematically showing another embodiment of a separator for a battery according to the present invention.
5 is a view for explaining an example of a method of manufacturing a separator for a battery according to the present invention.
6 is a view illustrating another example of a method of manufacturing a separator for a battery according to the present invention.
7 is a graph showing the two-step curing of an elastomer and a thermosetting resin in a separator for a battery according to the present invention.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들과 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다. Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

이하, 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판 및 그 제조 방법에 대한 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들에 의거하여 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a separator for a battery according to the present invention and a method of manufacturing the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판(10)은 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(Fiber-reinforced elastomer composite sheet: 20)로 구성되어 있다. 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(20)는 보강섬유로 복수의 탄소섬유(22)가 탄성중합체 기지(24)에 의하여 고정되어 구성된다. 가스킷(26)이 탄성중합체 분리판(10)의 가장자리에 일체형으로 더 형성되어 있다. 가스킷(26)은 탄성중합체 기지에 의하여 형성될 수 있다. 가스킷(26)은 음극 또는 양극과 접촉되어 가스확산층의 기밀을 유지시키게 된다. 1 and 2, an elastic polymer separator 10 according to the present invention is formed of a fiber-reinforced elastomer composite sheet 20. The fiber-reinforced elastomer composite sheet (20) is constituted by reinforcing fibers and a plurality of carbon fibers (22) fixed by an elastomer base (24). A gasket (26) is further integrally formed on the edge of the elastomeric separator plate (10). The gasket 26 may be formed by an elastomeric base. The gasket 26 is brought into contact with the cathode or the anode to maintain the airtightness of the gas diffusion layer.

탄소섬유(22)들은 다양한 형태의 것이 사용된다. 복합재료 시트(20)는 예를 들어 지름 7㎛ 정도의 탄소섬유(22)들이 평직, 능직, 수자직으로 직조되어 구성될 수 있다. 또한, 복합재료 시트(20)는 일방향 탄소섬유가 0~90도로 교차 적층되어 있는 직물 형태나 길이 1mm 이상의 탄소섬유가 무작위 분포(Random distribution)되어 있는 직물 형태로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 탄소섬유(22)들은 탄소장섬유(Carbon long fiber)로 구성될 수 있다. The carbon fibers 22 are used in various forms. The composite sheet 20 can be formed, for example, by weaving carbon fibers 22 having a diameter of about 7 탆 in plain weave, twill weave, and water weave. In addition, the composite sheet 20 can be formed in the form of a fabric in which unidirectional carbon fibers are cross-laminated at 0 to 90 degrees or in a form of a random distribution of carbon fibers having a length of 1 mm or more. Preferably, the carbon fibers 22 may be composed of carbon long fibers.

탄성중합체 기지(24)는 폴리우레탄(Polyurethane rubber), 네오프렌 고무(Neoprene rubber), 부틸 고무(Butyl rubber), 실리콘 고무(Silicone rubber), 불소 고무(Fluorocarbon rubber) 등 다양한 것이 사용될 수 있다. 이러한 탄성중합체 기지(24)는 에폭시 수지(Epoxy resin), 페놀 수지(Phenolic resin)와 같이 경도가 높은 고분자 수지 기지와 비교하여 분리판(10)의 파괴 인성이 향상되어 산성 환경에서 발생할 수 있는 미세한 균열에 대해 높은 저항성을 갖게 되며, 제조 및 조립 공정에서 발생할 수 있는 파손에 대해서도 높은 손상허용도(Damage tolerance)를 갖게 된다. 특히, 부틸 고무, 실리콘 고무, 불소 고무 등은 작동 온도가 200℃ 이내로 고온인 고분자 전해질 연료전지에 사용할 수 있다. The elastomer base 24 may be made of various materials such as polyurethane rubber, neoprene rubber, butyl rubber, silicone rubber, and fluorocarbon rubber. The elastomer base 24 has improved fracture toughness of the separator plate 10 as compared with a polymer resin base having high hardness such as epoxy resin and phenolic resin, They have high resistance to cracking and have high damage tolerance against breakage that may occur in manufacturing and assembling processes. In particular, butyl rubber, silicone rubber, fluorine rubber, and the like can be used for a polymer electrolyte fuel cell having a high operating temperature of 200 ° C or less.

전기전도도의 증가 및 기계적 성질의 향상을 위하여 비금속 전도성 분말(30)이 탄성중합체 기지(24)에 추가로 혼합되어 있다. 비금속 전도성 분말(30)은 카본 블랙(Carbon black), 카본 나노 튜브(Carbon nanotube), 그래핀(Graphene) 등으로 구성될 수 있다. 비금속 전도성 분말(30)은 탄성중합체 기지(24)의 점도가 낮은 경화 전에 균일하게 혼합할 수 있다. A nonmetallic conductive powder 30 is further mixed in the elastomeric base 24 for increased electrical conductivity and improved mechanical properties. The non-metallic conductive powder 30 may be composed of carbon black, carbon nanotubes, graphene, or the like. The non-metallic conductive powder 30 can be uniformly mixed before the viscosity of the elastomeric base 24 is low.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판(10)은 기계적 물성을 강화하기 위하여 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(20)에 내재되어 있는 라이너(Liner: 40)를 더 구비한다. 라이너(40)는 금속, 흑연 등의 전도성 박판, 열경화성 수지층(Thermosetting resin layer)으로 구성될 수 있다. 금속 박판은 알루미늄, 스테인리스스틸, 구리 등으로 구성될 수 있다. 열경화성 수지층은 고온 안정성 및 난연성이 우수한 시아네이트 에스터 수지(Cyanate ester resin), 에폭시 수지로 구성될 수 있다. 바람직하기로, 열경화성 수지층은 시아네이트 에스터 수지로 구성된다. Referring to FIG. 4, the separator plate 10 for a battery according to the present invention further includes a liner 40 embedded in the fiber-reinforced elastomer composite sheet 20 for enhancing mechanical properties. The liner 40 may be composed of a conductive thin plate such as a metal or graphite, or a thermosetting resin layer. The metal thin plate may be made of aluminum, stainless steel, copper, or the like. The thermosetting resin layer may be composed of a cyanate ester resin and an epoxy resin excellent in high temperature stability and flame retardancy. Preferably, the thermosetting resin layer comprises a cyanate ester resin.

본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판(10)은 핫프레스 몰딩(Hot press molding), 벌크 몰딩 컴파운드(Bulk molding compound, BMC), 시트 몰딩 컴파운드(Sheet molding compound, SMC), 레진 트랜스퍼 몰딩(Resin transfer molding, RTM) 등 다양한 방법에 의하여 실시할 수 있다. The elastic polymer separator plate 10 according to the present invention can be manufactured by hot press molding, bulk molding compound (BMC), sheet molding compound (SMC), resin transfer molding (Resin transfer molding) molding, RTM).

도 5를 참조하여 본 발명에 따른 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법을 설명한다. 탄성중합체 분리판(10)은 핫프레스 머신(Hot press machine: 50)에 의하여 일체형으로 제조된다. 핫프레스 머신(50)은 테이블(52), 램(Ram: 54)과 금형 조립체(Mold assembly: 60)를 구비한다. 금형 조립체(60)는 상부금형(62)과 하부금형(64)으로 구성되어 있다. 상부금형(62)은 램(54)에 장착되어 있고, 하부금형(64)은 테이블(52)의 상면에 장착되어 있다. 하부금형(64)은 탄성중합체 분리판(10)의 성형을 위한 캐버티(Cavity: 66)를 갖는다. 탄성중합체 분리판(10)의 양면에는 연료, 물, 공기의 유동을 위한 채널(Channel)이 형성된다. 채널의 형성을 위하여 상부 및 하부금형(62, 64)에는 채널 패턴(Channel pattern)이 형성되어 있다.A method of manufacturing an elastic polymer separator according to the present invention will be described with reference to FIG. The elastic polymer separator 10 is integrally manufactured by a hot press machine 50. [ The hot press machine 50 includes a table 52, a ram 54, and a mold assembly 60. The mold assembly 60 is composed of an upper mold 62 and a lower mold 64. The upper mold 62 is mounted on the ram 54 and the lower mold 64 is mounted on the upper surface of the table 52. The lower mold 64 has a cavity 66 for molding the elastomeric separator plate 10. Channels for the flow of fuel, water, and air are formed on both sides of the elastomer separator 10. Channel patterns are formed in the upper and lower dies 62 and 64 to form channels.

작업자는 탄성중합체 분리판(10)의 제조를 위하여 하부금형(64)의 캐버티(66) 안에 복수의 탄소섬유(22)를 장입하고, 탄소섬유(22)들의 고정을 위한 탄성중합체 기지(24)가 탄소섬유(22)들에 함침되도록 장입한다. 이때, 전기전도도의 증가 및 기계적 성질의 향상을 위하여 비금속 전도성 분말(30)이 탄성중합체 기지(24)에 혼합할 수 있다. The worker loads a plurality of carbon fibers 22 into the cavity 66 of the lower mold 64 for the production of the elastomeric separator plate 10 and the elastomeric base 24 ) Is impregnated into the carbon fibers (22). At this time, the non-metal conductive powder 30 may be mixed with the elastomer base 24 in order to increase the electrical conductivity and improve the mechanical properties.

계속해서, 탄소섬유(22)들과 탄성중합체 기지(24)의 장입이 완료되면, 핫프레스 머신(50)의 작동에 의하여 열에너지를 부여하면서 상부금형(62)과 하부금형(64)을 형합하여 탄소섬유(22)들과 탄성중합체 기지(24)를 압밀한 후 경화시킨다. 탄성중합체 기지(24)는 핫프레싱(Hot pressing)에 의하여 용융된 후, 냉각에 의하여 경화되어 탄소섬유(22)들을 고정시키게 된다. 탄소섬유(22)들과 탄성중합체 기지(24)의 압밀 시 기포의 발생을 방지하기 위하여 상부금형(62)을 수회 승강시켜 하중 제거(Unloading)에 의한 가스뽑기(Mold bumping)를 실시한다. 이와 같은 가스뽑기에 의하여 탄성중합체 분리판(10)의 품질을 향상시킬 수 있다. Subsequently, when the charging of the carbon fibers 22 and the elastomer base 24 is completed, the upper mold 62 and the lower mold 64 are assembled by applying the thermal energy by the operation of the hot press machine 50 The carbon fibers 22 and the elastomeric base 24 are consolidated and cured. The elastomeric base 24 is melted by hot pressing and then cured by cooling to fix the carbon fibers 22. The upper mold 62 is raised and lowered several times to perform bumping by unloading in order to prevent the generation of bubbles when the carbon fibers 22 and the elastomer base 24 are consolidated. The quality of the elastomer separator 10 can be improved by such gas drawing.

한편, 탄소섬유(22)들과 탄성중합체 기지(24)의 압밀 시 탄성중합체 분리판(10)의 가장자리에 가스킷(26)이 탄성중합체 기지(24)에 의하여 일체형으로 형성된다. 탄성중합체 분리판(10)의 성형 시 가스킷(26)이 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(20)와 일체형으로 형성되는 것에 의하여 탄소섬유(22)들 중 일부가 가스킷(26)에 포함될 수 있다. 가스킷(26)의 섬유 부피 분율은 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(20)의 섬유 부피 분율보다 낮게 구성되어 있다. 몇몇 실시예에 있어서, 가스킷(26)은 탄성중합체 기지(24)와 별도로 탄성중합체를 하부금형(64)에 장입하여 탄성중합체 분리판(10)과 동시경화에 의하여 일체형으로 형성할 수 있다. 이와 같이 가스킷(26)이 탄성중합체 분리판(10)의 가장자리에 일체형으로 형성되는 것에 의하여 밀폐성과 생산성을 증가시킬 수 있다. On the other hand, the gasket 26 is integrally formed by the elastomer base 24 at the edge of the elastomer separator plate 10 when the carbon fibers 22 and the elastomer base 24 are consolidated. A part of the carbon fibers 22 may be included in the gasket 26 by forming the gasket 26 integrally with the fiber-reinforced elastomer composite sheet 20 during the molding of the elastomeric separator plate 10. The fiber volume fraction of the gasket (26) is configured to be lower than the fiber volume fraction of the fiber-reinforced elastomer composite sheet (20). In some embodiments, the gasket 26 may be formed integrally with the elastomeric separator 10 by co-curing with the elastomeric polymeric substrate 24, with the elastomer being charged into the lower mold 64. As such, the gasket 26 is integrally formed on the edge of the elastomeric separator 10, thereby enhancing the hermeticity and productivity.

도 2와 도 3을 참조하면, 탄소섬유(22)들과 탄성중합체 기지(24)의의 압밀·경화에 의하여 탄성중합체 분리판(10)이 제조되면, 상부금형(62)과 하부금형(64)을 열고, 캐버티(66)로부터 탄성중합체 분리판(10)을 취출한다. 탄성중합체 기지(24) 중 일부가 탄성중합체 분리판(10)의 표면에 남아 잉여 탄성중합체 기지층(24a)이 형성될 수 있다. 잉여 탄성중합체 기지층(24a)은 화염 처리나 플라스마 처리보다 간편한 샌드 페이퍼링(Sand papering)과 같은 연마(Polishing)에 의하여 제거할 수 있다. 잉여 탄성중합체 기지층(24a)의 연마에 의하여 탄소섬유(22)들의 노출 부분(22a)이 탄성중합체 분리판(10)의 표면에 노출되어 접촉저항을 감소시키게 된다. 이와 같은 PEMFC, RFB 등과 같은 전지의 스택에서 접촉저항의 감소로 인하여 전류손실이 줄어 효율을 향상시킬 수 있다. 2 and 3, when the elastomeric separator plate 10 is manufactured by consolidating and hardening the carbon fibers 22 and the elastomer base 24, the upper mold 62 and the lower mold 64, And the elastomer separator plate 10 is taken out from the cavity 66. Then, A portion of the elastomeric base 24 may remain on the surface of the elastomeric separator 10 to form an excess elastomeric base layer 24a. The redundant elastomeric base layer 24a can be removed by polishing, such as sand papering, which is easier than flame treatment or plasma treatment. The exposed portion 22a of the carbon fibers 22 is exposed to the surface of the elastomeric separator plate 10 by abrasion of the excess elastomer base layer 24a to reduce the contact resistance. The reduction of contact resistance in a stack of cells such as PEMFC, RFB, etc. can reduce the current loss and improve the efficiency.

도 4와 도 6을 참조하면, 작업자는 라이너(40)가 탄성중합체 분리판(10)에 내재되도록 탄소섬유(22)들, 탄성중합체 기지(24)와 라이너(40)를 하부금형(64)의 캐버티(66)에 장입한다. 작업자는 하부금형(64)의 캐버티(66)에 섬유강화(22)들과 탄성중합체 기지(24)를 1차로 장입한 후, 그 위에 금속 박판이나 열경화성 수지층으로 이루어지는 라이너(40)를 장입한다. 또한, 작업자는 라이너(40) 위에 섬유강화(22)들과 탄성중합체 기지(24)를 2차로 장입한다. 즉, 라이너(40)의 양면에 두 장의 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트(20)가 배치되는 형태가 되도록 탄소섬유(22)들, 탄성중합체 기지(24)와 라이너(40)를 하부금형(64)의 캐버티(66)에 장입한다. 상부금형(62)과 하부금형(64)에 의한 압밀·경화에 의하여 라이너(40)가 내재되어 있는 탄성중합체 분리판(10)이 제조된다. 4 and 6, the operator inserts the carbon fibers 22, the elastomeric base 24 and the liner 40 into the lower mold 64 so that the liner 40 is contained within the elastomeric separator plate 10, In the cavity (66) of the housing. The operator firstly loads the fiber reinforcing 22 and the elastomer base 24 into the cavity 66 of the lower mold 64 and then loads the liner 40 made of a thin metal plate or a thermosetting resin layer thereon do. The operator also charges the fiber reinforcements 22 and the elastomeric base 24 on the liner 40 in a second order. That is, the carbon fibers 22, the elastomer base 24, and the liner 40 are attached to the lower mold 64 (FIG. 6) so that the two sheets of the fiber-reinforced elastomer composite sheet 20 are disposed on both sides of the liner 40 Into the cavity 66 of the first stage. The elastomeric separator plate 10 in which the liner 40 is embedded is manufactured by consolidating and curing by the upper mold 62 and the lower mold 64.

도 7을 참조하면, 라이너(40)가 열경화성 수지층, 예를 들면 시아네이트 에스터 수지로 구성되는 경우, 시아네이트 에스터 수지는 탄성중합체 기지(24)보다 높은 경화 온도를 갖는다. 따라서 탄성중합체 기지(24)와 시아네이트 에스터 수지 각각의 경화는 2단계로 나누어 실시한다. 즉, 탄성중합체 기지(24)를 1차로 압밀·경화 후, 온도를 높여 시아네이트 에스터 수지를 2차로 압밀·경화시킨다. 이와 같이 탄성중합체 분리판(10)은 탄성중합체 기지(24)와 열경화성 수지층의 라이너(40)의 2단계 경화를 통하여 간편하게 제조할 수 있으므로, 탄성중합체 분리판(10)의 생산성을 높일 수 있다. 한편, 라이너(40)가 금속 박판으로 구성되는 경우, 금속 박판은 동시경화에 의하여 탄성중합체 기지(24)에 접합되어 탄성중합체 분리판(10)의 생산성을 높일 수 있다. Referring to FIG. 7, when the liner 40 is comprised of a thermosetting resin layer, such as a cyanate ester resin, the cyanate ester resin has a higher curing temperature than the elastomeric substrate 24. Therefore, the curing of each of the elastomer base 24 and the cyanate ester resin is carried out in two stages. That is, the elastomer base 24 is first consolidated and cured, and then the temperature is elevated to consolidate and cure the cyanate ester resin secondarily. As described above, the elastomer separator 10 can be easily manufactured through the two-step curing of the elastomer base 24 and the liner 40 of the thermosetting resin layer, so that the productivity of the elastomer separator 10 can be increased . On the other hand, when the liner 40 is formed of a thin metal plate, the thin metal plate may be bonded to the elastomer base 24 by co-curing to increase the productivity of the elastomer separator 10.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10: 탄성 중합체 분리판
20: 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트
22: 탄소섬유 24: 탄성중합체 기지
30: 비금속 전도성 분말 40: 라이너
50: 핫프레스 머신 50: 금형 조립체10: elastomer separator
20: Fiber reinforced elastomer composite sheet
22: carbon fiber 24: elastomer base
30: non-metallic conductive powder 40: liner
50: hot press machine 50: mold assembly

Claims (11)

하부금형의 캐버티에 직물 형태를 이루는 복수의 탄소섬유와, 상기 복수의 탄소섬유를 고정하기 위한 폴리 우레탄, 네오프렌 고무, 부틸 고무, 실리콘 고무 및 불소 고무 중의 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체 기지를 장입하는 단계와;
상기 하부금형과 상부금형을 형합하면서 상기 복수의 탄소섬유와 상기 탄성중합체 기지를 압밀·경화시켜 탄성중합체 분리판으로 제조하는 단계와;
상기 하부금형과 상기 상부금형을 형개한 후 상기 탄성중합체 분리판을 취출하는 단계를 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. A plurality of carbon fibers forming a fabric shape in a cavity of a lower mold and an elastomeric base containing at least one of polyurethane, neoprene rubber, butyl rubber, silicone rubber and fluorine rubber for fixing the plurality of carbon fibers ;
Compressing and hardening the plurality of carbon fibers and the elastomeric base while molding the lower mold and the upper mold to produce an elastomer separator;
And separating the lower mold and the upper mold, and then taking out the elastomer separator. 제1항에 있어서,
상기 복수의 탄소섬유와 상기 탄성중합체 기지를 장입하는 단계는, 상기 탄성중합체 기지에 전기전도도의 증가를 위한 전도성 분말을 혼합하는 단계를 더 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the step of charging the plurality of carbon fibers with the elastomeric base further comprises mixing a conductive powder for increasing electrical conductivity to the elastomeric base. 제1항에 있어서,
상기 복수의 탄소섬유와 상기 탄성중합체 기지를 장입하는 단계는, 상기 복수의 탄소섬유에 내재되어 기계적 물성을 강화시킬 수 있는 라이너를 장입하는 단계를 더 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. The method according to claim 1,
Wherein the step of charging the plurality of carbon fibers with the elastomeric base further comprises the step of charging a liner embedded in the plurality of carbon fibers to enhance mechanical properties. 제3항에 있어서,
상기 라이너는 열경화성 수지층으로 이루어지고, 상기 열경화성 수지층은 상기 탄성중합체 기지와 단계적으로 경화하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. The method of claim 3,
Wherein the liner is made of a thermosetting resin layer, and the thermosetting resin layer is cured stepwise with the elastomer base. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항 있어서,
상기 탄성중합체 분리판으로 제조하는 단계에서, 상기 탄성중합체 기지에 의하여 상기 탄성중합체 분리판의 가장자리에 가스킷을 더 형성하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Wherein a gasket is further formed at an edge of the elastomeric separator by the elastomeric base in the step of producing the elastomeric separator. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항 있어서,
상기 탄성중합체 분리판의 표면에 상기 복수의 탄소섬유가 노출되도록 상기 전지용 탄성중합체 분리판의 표면으로부터 잉여 탄성중합체를 제거하는 단계를 더 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판의 제조 방법. 5. The method according to any one of claims 1 to 4,
Further comprising the step of removing an excess elastomer from the surface of the separator for a battery so that the plurality of carbon fibers are exposed on the surface of the separator. 직물 형태를 이루는 복수의 탄소섬유와, 상기 복수의 탄소섬유에 함침되어 상기 복수의 탄소섬유를 고정하는 폴리 우레탄, 네오프렌 고무, 부틸 고무, 실리콘 고무 및 불소 고무 중의 적어도 하나를 포함하는 탄성중합체 기지를 구비하는 섬유강화 탄성중합체 복합재료 시트로 이루어지는 전지용 탄성중합체 분리판. A plurality of carbon fibers in the form of a fabric and an elastomer base containing at least one of polyurethane, neoprene rubber, butyl rubber, silicone rubber and fluorine rubber impregnated in the plurality of carbon fibers to fix the plurality of carbon fibers, Wherein the fiber-reinforced elastomer composite sheet comprises a fiber-reinforced elastomer composite sheet. 제7항에 있어서,
상기 탄성중합체 기지에 전기전도도의 증가를 위하여 혼합되어 있는 전도성 분말을 더 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판. 8. The method of claim 7,
Further comprising a conductive powder mixed to increase the electrical conductivity of the elastomeric base. 제7항에 있어서,
상기 복수의 탄소섬유에 기계적 물성의 강화를 위하여 내재되어 있는 라이너를 더 포함하는 전지용 탄성중합체 분리판. 8. The method of claim 7,
Further comprising a liner embedded in the plurality of carbon fibers for enhancing mechanical properties. 제9항에 있어서,
상기 라이너는 금속 박판, 열경화성 수지층 중 어느 하나로 이루어지고, 상기 열경화성 수지층은 상기 탄성중합체 기지와 단계적으로 경화되어 있는 열경화성 수지로 이루어지는 전지용 탄성중합체 분리판. 10. The method of claim 9,
Wherein the liner comprises a thin metal plate or a thermosetting resin layer, and the thermosetting resin layer is made of a thermosetting resin which is cured stepwise with the elastomer base. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항 있어서,
상기 탄성중합체에 의하여 가장자리에 가스킷이 형성되어 있는 전지용 탄성중합체 분리판. 11. The method according to any one of claims 7 to 10,
And a gasket is formed on an edge of the elastic polymer.

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