KR100759654B1 - 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의제조방법 - Google Patents

고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR100759654B1
KR100759654B1 KR1020067004773A KR20067004773A KR100759654B1 KR 100759654 B1 KR100759654 B1 KR 100759654B1 KR 1020067004773 A KR1020067004773 A KR 1020067004773A KR 20067004773 A KR20067004773 A KR 20067004773A KR 100759654 B1 KR100759654 B1 KR 100759654B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
separator
polymer electrolyte
fuel cell
flow path
electrolyte fuel
Prior art date
Application number
KR1020067004773A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20060083204A (ko
Inventor
가즈히토 하토
데루히사 간바라
소이치 시바타
에이이치 야스모토
시게유키 우노키
다츠오 나가사키
마사토시 데라니시
츠토무 가와시마
도루 스카와
야스오 다케베
Original Assignee
마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 filed Critical 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Publication of KR20060083204A publication Critical patent/KR20060083204A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100759654B1 publication Critical patent/KR100759654B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0226—Composites in the form of mixtures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N13/00—Investigating surface or boundary effects, e.g. wetting power; Investigating diffusion effects; Analysing materials by determining surface, boundary, or diffusion effects
    • G01N13/02—Investigating surface tension of liquids
    • G01N2013/0208—Investigating surface tension of liquids by measuring contact angle
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0221—Organic resins; Organic polymers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 플러딩 현상의 발생을 충분히 억제할 수 있는 신뢰성이 우수한 고분자 전해질형 연료 전지, 결로수의 배출성을 정확하게 평가할 수 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법, 및 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하고, 적어도 한쪽 주면에 형성되어 있는 반응가스 유로(30C,40C)의 표면의 수적 전락각은, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하이다.

Description

고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형 연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법{POLYELECTROLYTE FUEL CELL-USE SEPARATOR, POLYELECTROLYTE FUEL CELL, METHOD OF EVALUATING POLYELECTROLYTE FUEL CELL-USE SEPARATOR, AND PRODUCTION METHOD OF POLYELECTROLYTE FUEL CELL-USE SEPARATOR}
본 발명은 고분자 전해질형(polyelectrolyte) 연료 전지용 세퍼레이터(separator), 고분자 전해질형 연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법에 관한 것이다. 특히, 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제(binder)를 함유하는 전도성의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형 연료 전지 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 배수성을 평가하는 평가방법, 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법에 관한 것이다.
고분자 전해질형 연료 전지에 있어서는, 전지내부의 가스 유로 또는 전극내부에서 결로(結露)가 발생하여 물이 막히는 등의 현상에 의해서 전지성능이 안정되 지 않거나 또는 성능이 저하되는 현상, 즉 플러딩(flooding) 현상이 문제로 되고 있다. 이러한 문제를 억제하기 위해, 여러 가지의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터(이하, 세퍼레이터라 함) 또는 운전방법이 실시 또는 제안되고 있다. 구체적으로는, 애노드가스 및 캐쏘드가스의 공급압력을 상승시켜, 결로하는 수분을 가압 유동시키는 운전방법이 일반적으로 실시되고 있다.
그러나, 애노드가스 및 캐쏘드가스의 공급압력을 상승시켜, 결로하는 수분을 가압 유동시키는 운전방법에 관해서는, 이들 반응가스의 공급수단을 고압의 공급수단으로 하고, 또한 고분자 전해질형 연료 전지의 구조를 내압구조로 할 필요가 있다. 더욱이, 반응가스의 고압공급은 고분자 전해질형 연료 전지의 에너지 효율을 저하시키는 것과 직결된다.
따라서, 표면에 발수처리/친수처리를 하는 방법 또는 세퍼레이터(특허문헌 1 내지 19 참조)가 제안되어 있다. 또한, 친수성 재료/발수성 재료를 포함하는 재료로 구성하여, 세퍼레이터와 수분의 접촉각을 크게/작게 하는 방법 또는 세퍼레이터(특허문헌 20 내지 30 참조)가 제안되어 있다. 또한, 기타, 플러딩을 방지하는 구조의 세퍼레이터 또는 세퍼레이터와 전극의 조합 등(특허문헌 31 내지 37 참조)도 제안되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 2003-282087호 공보
특허문헌 2: 일본 특허 공개 2003-257468호 공보
특허문헌 3: 일본 특허 공개 2003-151585호 공보
특허문헌 4: 일본 특허 공개 2003-151572호 공보
특허문헌 5: 일본 특허 공개 2003-123780호 공보
특허문헌 6: 일본 특허 공개 2003-112910호 공보
특허문헌 7: 일본 특허 공개 2003-109619호 공보
특허문헌 8: 일본 특허 공개 2002-313356호 공보
특허문헌 9: 일본 특허 공개 2002-042830호 공보
특허문헌 10: 일본 특허 공개 2002-020690호 공보
특허문헌 11: 일본 특허 공개 2001-076740호 공보
특허문헌 12: 일본 특허 공개 2000-251903호 공보
특허문헌 13: 일본 특허 공개 2000-223131호 공보
특허문헌 14: 일본 특허 공개 2000-100452호 공보
특허문헌 15: 일본 특허 공개 2000-036309호 공보
특허문헌 16: 일본 특허 공개 1997-298064호 공보
특허문헌 17: 일본 특허 공개 1995-302600호 공보
특허문헌 18: 일본 특허 공개 1993-251091호 공보
특허문헌 19: 일본 재공표 99/40642호 공보
특허문헌 20: 일본 특허 공개 2003-297385호 공보
특허문헌 21: 일본 특허 공개 2003-217608호 공보
특허문헌 22: 일본 특허 공개 2003-208905호 공보
특허문헌 23: 일본 특허 공개 2003-208904호 공보
특허문헌 24: 일본 특허 공개 2002-352813호 공보
특허문헌 25: 일본 특허 공개 2001-283873호 공보
특허문헌 26: 일본 특허 공개 2001-093539호 공보
특허문헌 27: 일본 특허 공개 2000-31695호 공보
특허문헌 28: 일본 특허 공개 1998-003931호 공보
특허문헌 29: 일본 특허 공표 2001-509950호 공보
특허문헌 30: 일본 특허 공표 1996-503100호 공보
특허문헌 31: 일본 특허 공개 2003-197217호 공보
특허문헌 32: 일본 특허 공개 2003-197203호 공보
특허문헌 33: 일본 특허 공개 2003-168452호 공보
특허문헌 34: 일본 특허 공개 2003-007312호 공보
특허문헌 35: 일본 특허 공개 2002-343369호 공보
특허문헌 36: 일본 특허 공개 2002-203571호 공보
특허문헌 37: 일본 특허 공개 2001-110432호 공보
발명이 해결하고자 하는 과제
그러나, 일반적으로, 고분자 전해질형 연료 전지는 필요한 전력부하에 따라 출력전력, 즉 출력전류를 변동시킨다. 이 때, 출력전류에 따라 공급가스 유량도 변화시켜, 거의 일정한 연료이용율과 산소이용율로 운전하면 효율적이다. 즉, 부분 부하 운전시에는 공급 가스량도 그에 따라 적게 하고 있다. 이 때, 당연히 공급가스의 압력손실도 저하되기 때문에, 부분 부하 운전시만큼 플러딩 현상, 즉 세퍼레이터에서의 막힘 현상이 발생하기 쉽다. 그래서, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)에 있어서도 결로수(結露水)의 배출성이 우수한 표면을 갖는 세퍼레이터의 개발이 요구되고 있다.
전술한 특허문헌 1 내지 37에 기재된 종래 기술에 있어서도, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)이라도 양호한 결로수의 배출성을 갖는 세퍼레이터는 실현되지 않았고, 아직 개선의 여지가 남아 있다. 특히, 전도성 탄소와 결합제를 함유하는 혼합물을 압축 성형하여 형성되는 세퍼레이터(압축 성형 세퍼레이터)의 경우에는, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)에서 양호한 결로수의 배출성을 얻기 어려운 문제가 있었다.
이에, 본 발명은 상기 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 상기 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공하고, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 플러딩 현상의 발생을 충분히 억제할 수 있는 신뢰성이 우수한 고분자 전해질형 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 결로수의 배출성을 정확하게 평가할 수 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해 예의 연구를 거듭하여 결로수의 배출성에 대하여 검증한 결과, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터 유로 표면을 발전시의 조건하, 즉, 운전 온도하로 하고, 또한 표면이 습윤한 조건에 있어서, 지금까지 착안하지 않았던 수적 전락각(水適 轉落角, water drop falling angle)을 소정의 각도 이하로 하면 우수한 결로수의 배출성이 얻어지는 것을 발견하여 본 발명에 이르게 되었다.
즉, 본 발명은 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하고, 적어도 한쪽 주면(主面)에 반응가스 유로가 형성되어 있고, 상기 반응가스 유로의 표면의 수적 전락각이, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하로 되는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다(청구항 1).
이러한 구성으로 하면, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 반응가스 유로의 표면이, 반응가스의 공급압력의 손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 특성을 갖기 때문에, 플러딩 현상의 억제효과가 우수한 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 구성할 수 있다. 특히, 상기 구성을 전도성 탄소와 결합제를 함유하는 혼합물을 압축 성형함으로써 형성되는 세퍼레이터(압축 성형 세퍼레이터)에 적용하면, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)이더라도 양호한 결로수의 배출성을 용이하고 정확하게 얻을 수 있게 된다. 한편, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 전도성 탄소를 구성재료로 하는 전도성 세퍼레이터이다.
여기서, 본 발명에 있어서, 반응가스란, 고분자 전해질형 연료 전지에 공급되는 산화제 가스(산화제를 포함하는 가스) 및 환원제 가스(환원제를 포함하는 가스)를 말한다. 또한, 본 발명에 있어서, 반응가스 유로란, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터 표면에 형성된 홈 부분, 파여진 부분 등으로, 고분자 전해질형 연료 전지 조립 상태시 반응가스가 통과하는 유로를 말한다. 또한, 본 발명에 있어서, 「수적 전락각」이란, 계측 대상(세퍼레이터 등) 표면의 경사각으로, 계측 대상의 표면에 정지하고 있는 수적이 미끄러져 낙하하기 시작하는 경사각을 말하고, 후술하는 도 1 및 도 2를 이용하여 설명하는 측정방법에 의해 구해지는 각도(α)를 말한다.
본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스 유로의 표면의 중심선 평균 조도가 1.5μm 이상 4.0μm 이하인 것이 바람직하다(청구항 2). 이와 같이 구성하면, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 내구성에 영향을 미치지 않고, 또한 산소 플라즈마 처리에 의해서 수적 전락각의 개선을 보다 용이하게 하고 또한 보다 정확히 할 수 있다. 또한, 같은 관점에서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스 유로의 표면의 중심선 평균 조도가 2.5μm 이상 4.0μm 이하인 것이 보다 바람직하다. 한편, 세퍼레이터를 실용화 수준의 크기로 소형화하는 관점, 실제 제조되는 가스 유로 크기의 설계치로부터의 편차를 충분히 감소시키는 관점에서 반응가스 유로의 표면의 중심선 평균 조도는 4.0μm 이하인 것이 바람직하다.
본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스 유로의 중심선 평균 조도에 있어서 미세한 볼록부 사이의 피치가 대략 5μm 이하인 것이 바람직하다(청구항 3). 이와 같이 구성하면, 반응가스의 공급압력의 손실이 낮은 조건에 있어서도, 반응가스의 공급압 손실의 진동을 보다 용이하고 또한 보다 정확히 억제할 수 있기 때문에, 고분자 전해질형 연료 전지의 발전 출력의 진동을 보다 용이하고 또한 보다 정확히 억제할 수 있다.
본 발명의 효과를 보다 확실히 하는 관점에서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 상기 반응가스 유로의 표면이 블라스트 가공, 레이저 가공 또는 성형 가공에 의해 형성되는 것이 바람직하다(청구항 4).
본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스 유로의 표면이 단계식 블라스트 가공되어 있는 것이 바람직하다(청구항 5). 이러한 구성으로 하면, 반응가스 유로의 표면에 복수개의 요철(凹凸) 구조가 형성되어, 비표면적이 커지기 때문에, 수적 전락각을 5도 이상 25도 이하로 용이하고 또한 보다 정확히 조정할 수 있다. 여기서, 비표면적이란, 세퍼레이터 유로의 단위 평면적당 표면적을 말한다. 여기서, 단계식 블라스트 가공이란, 전(前) 블라스트 가공 보다도 후(後) 블라스트 가공 쪽이 블라스트 가공에 사용되는 입자의 입경이 작아지도록 하는 수회의 블라스트 가공을 말한다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는 반응가스 유로의 표면이 산소 플라즈마 처리되어 있는 것이 바람직하다(청구항 6). 이러한 구성으로 하면, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 유로 표면의 수적 전락각 α를 5도 이상 25도 이하로 조정할 수 있다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는, 전도성 탄소와 결합제를 함유하는 혼합물을 압축 성형함으로써 형성되는 것이 바람직하다(청구항 7). 전술한 바와 같이, 이러한 구성에서는, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)이더라도 양호한 결로수의 배출성을 갖는 압축 성형 세퍼레이터를 용이하고 또한 정확히 구성할 수 있다. 압축 성형 세퍼레이터는 도전성 탄소를 주성분으로 하는 경질 판상 부재를 절삭 가공함으로써 형성되는 타입의 세퍼레이터에 비해 용이하고 또한 저비용(예컨대 약 100분의 1)으로 제조할 수 있기 때문에, 이와 같이 양호한 배수성을 구비함으로써 고분자 전해질형 연료 전지의 대량 생산의 실현에 크게 기여할 수 있다.
또한, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터는, 전술한 압축 성형 세퍼레이터중에서도 사출성형 기술을 이용하여 제조되는 사출 압축 성형 세퍼레이터가 바람직하다. 이 경우에는 보다 대량생산을 할 수 있어 유리하게 된다.
또한, 본 발명은 청구항 1에 기재된 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 구비하고 있는 고분자 전해질형 연료 전지를 제공한다(청구항 8). 전술한 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 구비하는 구성에 의해, 플러딩 현상을 충분히 억제할 수 있기 때문에, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 안정한 발전을 유지할 수 있는, 신뢰성이 우수한 고분자 전해질형 연료 전지를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로의 결로수의 배출성을 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서, 상기 반응가스 유로의 표면의 50μL 이상 80μL 이하의 수적의 수적 전락각에 의해 평가하는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법을 제공한다(청구항 9). 이와 같이 구성하면, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 반응가스 유로 표면의 결로수의 배출성을 정확하게 평가할 수 있다.
본 발명의 효과를 보다 확실히 하는 관점에서, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법은 상기 반응가스 유로의 표면에 수적을 적하하는 것에 의해 상기 수적 전락각을 취득하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하고, 적어도 한쪽 주면에 반응가스 유로가 형성되어 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법으로서, 반응가스 유로의 표면의 수적 전락각이, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하로 되도록 형성하는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법을 제공한다(청구항 12).
본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법에 의하면, 전술한 수적 전락각의 조건을 만족시키도록 하는 것 이외에는, 공지된 표면처리 기술(물리적 표면처리, 화학적 표면처리 등) 등의 공지된 세퍼레이터 제조기술(재료선택, 재료의 혼합방법 및 재료의 혼합비율의 조절 등을 하는 것도 포함한다)을 이용함으로써, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 용이하고 또한 확실히 얻을 수 있다.
발명의 효과
이상과 같이, 본 발명에 의하면, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 플러딩 현상의 발생을 충분히 억제할 수 있는, 신뢰성이 우수한 고분자 전해질형 연료 전지를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 결로수의 배출성을 정확하게 평가할 수 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법을 제공할 수 있다. 또한, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 용이하고 또한 확실히 제조할 수 있다.
산업상 이용 가능성
본 발명은, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 플러딩 현상의 발생을 충분히 억제할 수 있는 신뢰성이 우수한 고분자 전해질형 연료 전지, 결로수의 배출성을 정확하게 평가할 수 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법, 및 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 표면을 갖는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 용이하고 또한 확실히 제조하는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법으로서 유용하다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
먼저, 본 발명의 배경이 되는 본 발명자들의 지견에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이, 본 발명자들은 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터(이하, 세퍼레이터라고 약칭한다)의 가스 유로 표면에 부착된 결로수의 배출성에 대하여 검증한 결과, 작동 온도범위에서 액상수(液狀水)가 가스 유로중에서 발생하는 특유의 현상이 일어나는 고분자 전해질형 연료 전지에 있어서는, (1) 종래와 같이, 가스 유로 표면에 정지하고 있는 상태의 수적의 접촉각(습성)에 착안하여 가스 유로 표면의 구성(친수성, 발수성, 중심선 평균 조도 등)을 설계하는 것보다도 오히려, (2) 가스 유로 표면에 부착된 수적이 가스 유로내로 흐르는 반응 가스류에 의해 가압되어 움직이기 시작하는 상태로 되는 해당 수적의「수적 전락각」에 착안하여 가스 유로 표면의 구성을 설계하는 것(구체적으로는, 「반응가스 유로 표면의 수적 전락각이, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하가 된다」에 의해 설계하는 것)이, 작동상태에 있어서 양호한 배수성{특히 공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa 이하가 되는 조건)에서의 양호한 배수성}을 용이하고 또한 확실히 얻을 수 있어 매우 유효하다는 것을 알게 되었다.
예컨대, 일반적으로, 세퍼레이터의 가스 유로의 표면이 친수성 또는 발수성을 가지고 있으면, 세퍼레이터의 결로수의 배출성은 양호해지는 경향이 있다. 그러나, 세퍼레이터가 단지 전술한 (1)의 설계에 의한 것인 경우에는, 친수성이 우수하더라도 조금이라도 유한의 접촉각을 갖는 경우, 세퍼레이터의 가스 유로 표면의 결로수는 유한 면적의 물 덩어리가 되어 존재한다. 그리고, 중첩하여 수적이 결로하면 수적이 유로를 폐색하는 경우가 있다.
또한, 세퍼레이터의 가스 유로 표면이 우수한 발수성을 갖는 경우, 세퍼레이터의 가스 유로 표면에 결로된 물은 매우 작은 수적 상태로, 가스에 의해 세퍼레이터의 가스 유로 표면에서 흐르도록 가압 유동되기 때문에 세퍼레이터 유로의 폐색은 일어나기 어려운 경향이 있다. 그러나, 세퍼레이터가 단지 전술한 (1)의 설계에 의한 것인 경우, 세퍼레이터의 가스 유로 표면의 조도가 크면 세퍼레이터의 가스 유로 표면의 중심선 평균 조도, 즉 미세한 요철이 앵커(anchor)가 되어 수적이 유로를 폐색하는 경우가 있다.
따라서, 세퍼레이터의 가스 유로 표면에서의 결로수의 배출성의 평가는 단지 전술한 (1)의 설계에 의한 친수성 또는 발수성 만으로 평가하는 것은 불충분하다.
본 발명자들은 수적 전락각 α를 이용하여 평가함으로써, 단지 전술한 (1)의 설계에 의한 친수성 및 발수성과는 별도로, 연료 전지의 작동조건에 적합한 세퍼레이터의 가스 유로 표면의 결로수의 배출성을 용이하고 또한 정확히 평가할 수 있다는 것을 알게 되었다.
여기서, 본 발명에 있어서 「접촉각」이란, 정지액체(수적)의 자유표면이 고체벽(세퍼레이터)에 접하는 장소에서 액면과 고체면이 이루는 각(액체의 내부에 있는 각)을 말하고(「이와나미 이화학사전, 제5판」 739페이지에 기재된 접촉각), 보다 구체적으로는 계측대상(세퍼레이터)의 표면이 수평이 되도록 상기 계측대상을 배치하고, 그 표면에 일정량의 수적을 실어 정지시킨 경우에, 상기 계측대상의 표면과 수적의 액면(계측대상의 표면과는 다르고, 외기에 접촉하고 있는 면)이 이루는 각도(수적의 내부에 있는 각도)를 말한다.
또한, 전술한 바와 같이, 「수적 전락각」이란, 후술하는 도 1 및 도 2를 이용하여 설명하는 측정방법에 의해 요구되는 각도 α를 말한다.
도 1은 수적 전락각의 계측방법을 나타내는 도면이다. 수적 전락각은 계측대상(300)의 표면, 즉 세퍼레이터의 유로 표면을 수평으로 배치한다. 그리고, 계측대상(300)의 표면에 소정량의 수적(310)을 적하한다. 그리고, 계측대상(300)의 표면을 서서히 경사지게 하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 그 수적(310)이 당초의 위치로부터 이동하기 시작할 때의 계측대상(300)의 표면의 경사각도 α를 사진 또는 화상에 기록한다. 이 사진 또는 화상으로부터 수적 전락각 α를 계측할 수 있다.
또한, 도 2는 수적 전락각의 간접적인 계측방법을 나타내는 도면이다. 일반적으로는, 수적 전락각 α는 「R·γ·(cosθr-cosθa)= m·g·sinα」에 의해 산출된다(여기서, R은 수적이 계측대상(300)의 표면과 접촉하고 있는 면의 외주 길이(전주 길이)이고, γ는 물의 표면장력이고, θa는 전진 접촉각이고, θr은 후퇴 접촉각이고, m은 수적의 질량이고, g는 중력이다). 따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 수적이 경사면을 미끄러져 낙하할 때의 수적을 사진 또는 화상에 기록하고, 사진 또는 화상으로부터 수적의 상기 외주 길이 R, 전진 접촉각 θa, 후퇴 접촉각 θr를 계측하여, 수적 전락각 α를 산출할 수 있다. 또한, 간편하게는, 전진 접촉각 θa 및 후퇴 접촉각 θr의 계측기, 예컨대, 레스카(RHESCA)사 제품의 동적 습성 시험기 WET-6000에 의해서 전진 접촉각 θa 및 후퇴 접촉각 θr을 계측하여, 수적 전락각 α를 산출할 수 있다. 한편, 수적이 계측대상(300)의 표면과 접촉하고 있는 면의 형상이 원에 근사한 경우에는, 도 2에 나타낸 수적의 상기 면(원)의 직경 D를 이용하여 상기 외주 길이 R을 근사 계산할 수 있다.
공급가스의 압력손실이 낮은 조건(예컨대, 10 kPa의 아주 작은 가스압)에서 가스 유로의 표면에 형성된 수적을 이동할 수 있도록 하기 위해서는, 전술한 「cosθr-cosθa」의 값이 작은 것이 바람직하고, 보다 상세하게는 수적 전락각 α가 본 발명의 조건을 만족하는 것이 바람직하다.
전술한 수적 전락각의 조건을 만족시키는 것 이외에는, 공지된 표면처리기술(물리적 표면처리, 화학적 표면처리 등) 등의 공지된 세퍼레이터 제조기술(재료선택, 재료의 혼합방법 및 재료의 혼합비율의 조절 등을 하는 것도 포함한다)을 이용하여, 본 발명의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 용이하고 또한 확실히 얻을 수 있다.
특히, 본 발명자들은 종래의 압축 성형 세퍼레이터가 안정적이면서도 양호한 배수성을 얻도록 하는 것이 매우 곤란했던 것은 전술한 (2)의 관점에서 표면설계를 하지 않고, 전술한 (1)의 관점에서 주로 표면설계를 하였던 것이 주된 원인의 하나인 것을 알게 되었다.
보다 구체적으로는, 종래의 압축 성형 세퍼레이터는 전도성 탄소와 결합제를 함유하는 혼합물을 구성재료로 하여 형성된다. 예컨대, 가스 유로 표면의 전도성 탄소로 이루어지는 부분은 작동초기에는 발수성이 높지만, 시간이 경과함과 동시에 서서히 물에 습윤되기 용이하여 친수성으로 되는 특성을 갖고 있다. 한편, 가스 유로 표면의 결합제(합성 수지)로 이루어지는 부분은 비교적 불충분한 발수성을 갖는다. 그리고, 상기 전도성 탄소로 이루어지는 부분의 친수성이나 발수성은 물리적 구조(표면 조도 등)가 변하는 경우가 있다. 종래의 압축 성형 세퍼레이터는 전술한 (1)의 관점에서 주로 표면 설계를 하기 때문에, 상기 예시한 바와 같이, 가스 유로의 표면이 미세한 화학적 구조(친수성, 발수성 등을 정하는 화학조성 등) 또는 미세한 물리적 구조(중심선 평균 조도 등을 정하는 요철형상 등)가 불균일한 상태가 되기 쉽다. 예컨대, 상기 전도성 탄소로 이루어지는 부분과 결합제(합성 수지)로 이루어지는 부분이 불균일 상태(크기 불균일, 분산상태 불균일)가 되기 쉽다. 이에 따라, 가스 유로 표면에 전술한 「cosθr-cosθa」의 값이 작게 되는 부분(수적이 이동하기 쉽게 되는 부분) 뿐만 아니라 「cosθr-cosθa」값이 커지는 부분(수적이 이동하기 어렵게 되는 부분)도 다수 존재하는 것이, 가스 유로 전체에서 양호한 배수성을 얻는 것이 매우 곤란했던 주된 원인중 하나인 것을 알게 되었다.
그리고, 본 발명자들은 압축 성형 세퍼레이터에서도, 전술한 수적 전락각의 조건을 만족시키도록, 가스 유로의 표면의 미세한 화학적 구조(친수성, 발수성 등을 정하는 화학조성 등) 또는 미세한 물리적 구조(중심선 평균 조도 등을 정하는 요철형상 등)를 충분히 균일하게 함으로써, 양호한 배수성을 얻을 수 있음을 알게 되었다.
여기서, 발전시에 세퍼레이터 유로 표면은 고온, 또한 습윤상태에 있다. 특히, 세퍼레이터가 전도성 탄소를 함유하는 경우, 건조상태와 습윤상태에서는 세퍼레이터 표면의 친수성 및 발수성, 즉 접촉각이 다르다. 이것은 탄소의 친수성 및 발수성이 건조상태와 습윤상태에서는 다르기 때문인 것으로 추론된다. 따라서, 수적 전락각 α의 계측에 있어서는, 고분자 전해질형 연료 전지(이하, PEFC로 약칭한다)의 운전상태와 동등한 분위기조건 하에서, 발생하는 결로수와 동등한 수적용량으로 계측하는 것이 바람직하다.
그러나, PEFC 운전상태의 분위기 조건을 정확히 재현하는 것은 어려운 경우가 있다. 특히 PEFC 운전상태의 분위기 조건은 일정하지 않고 PEFC의 운전상태에 따라서 변동될 수 있기 때문에, PEFC 운전상태의 분위기 조건을 특정하는 것 자체가 어렵게 되는 문제가 있다. 여기서, 발명자들은 실험 등에 의해서, 수적 전락각 α의 계측에는 분위기 온도, 분위기 습도 및 수적 용량의 실제 기기조건의 엄밀한 재현은 필요 없다는 것을 알게 되었다. 즉, 소정의 조건내에서 계측된 수적 전락각 α에 의해서 정확하게 PEFC용 세퍼레이터의 결로수의 배출성 평가를 할 수 있음을 알게 되었다. 구체적으로는, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도, 또한 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 분위기하에 계측기기를 구비하고, 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 이용하여 계측된 수적 전락각 α에 의해서 정확하게 PEFC용 세퍼레이터의 결로수의 배출성 평가를 할 수 있는 것을 검증했다. 이것에 의해서, 실제 기기조건을 엄밀히 재현할 필요없이 수적 전락각 α의 계측이 가능해지기 때문에, 용이하고 정확하게 결로수의 배출성을 평가할 수 있다.
한편, 수적 전락각 α는 온도, 상대습도 및 수적용량을 변수로서 파악하는 것도 가능하다. 따라서, 수적 전락각과 온도, 상대습도 및 수적용량과의 상관관계를 실험 등으로 미리 구하고, 상기의 상관관계에 따라서 상기의 수적 전락각 α를 PEFC 운전상태의 분위기 조건하의 수적 전락각 α로 보정할 수 있다. 이것에 의해, 보다 정확하게 결로수의 배출성을 평가할 수 있다.
본 발명은, 이러한 인식을 기초로 하고 있다. 이하, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다.
실시 형태 1
도 3은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 PEFC의 사시도이다. 도 4는 도 3의 PEFC의 구조를 나타내는 분해 사시도이다. 도 4에 있어서는, 설명의 편의상, PEFC(적층물)(200)의 적층 구조의 일부를 분해하여 나타내고 있다.
PEFC(200)는 전기화학반응에 의해 발전하는 단전지(셀)(100)를 적층으로 구성하고 있다. 여기서, PEFC(200)는 셀(100)이 100개 적층으로 구성되어 있다. 셀(100)의 적층 방향 단부는 집전판(41,41) 및 절연판(42,42)을 통해서 단판(43,43)에 가깝게 되고, 단판(43,43)사이가 체결 볼트(도시하지 않음)에 의해 양측에서 체결되어 있다. 여기서는, 전극의 면적당 10 kgf/cm2의 체결압으로 체결되어 있다.
집전판(41,41)의 전기단자(41A,41A)는 전기기기 등의 외부 부하와 접속되어 전기를 출력한다.
PEFC(200)에는 산화제 가스 공급 다기관(30D) 및 산화제 가스 배출 다기관(30E)을 체결하는 산화제 유로(30)와, 환원제 가스 공급 다기관(40D) 및 환원제 가스 배출 다기관(40E)을 체결하는 환원제 유로(40)가 형성되어 있다.
산화제 유로(30)는 산화제 가스가 산화제 가스 공급 다기관(30D)에서 공급되고, 각 셀(100)에 분기되어, 각 셀(100)로 통과후, 다시 합류하여 산화제 가스 배출 다기관(30E)에 의해 PEFC(200) 외부로 배출되도록 구성되어 있다. 환원제 유로(40)도 같은 방식으로 구성되어 있다. 여기서는, 산화제 가스로서, 산소 또는 공기가 사용되고 있다. 또한, 환원제 가스로서 수소 또는 수소를 포함하는 가스가 사용되고 있다.
또한, PEFC(200)에는, 냉각제 공급 다기관(45D), 냉각제 배출 다기관(45E)이 형성되어 있다.
냉각제 유로(45)는 냉각제가 냉각제 공급 다기관(45D)에서 공급되고, 적층된 각 셀(100) 사이에 분기되어, 각 셀(100) 사이를 통과한 후, 다시 합류하여 냉각제 배출 다기관(45E)에 의해 PEFC(200) 외부로 배출되도록 구성되어 있다.
여기서, 셀(100)은 MEA(10)와 세퍼레이터(15,20)를 적층하여 구성되어 있다. 세퍼레이터는 캐쏘드 세퍼레이터(15)와 애노드 세퍼레이터(20)의 두 가지가 사용된다. 양자는 그 표면의 유로가 서로 다르다. 그리고, 도 2에 나타낸 바와 같이, MEA(10)와 캐쏘드 세퍼레이터(15)의 사이에는 산화제 유로(30)가 형성되고, MEA(10)와 애노드 세퍼레이터(20)의 사이에는 환원제 유로(40)가 형성되어 있다.
도 5는 MEA의 기본구조를 나타내는 도면이다.
MEA(10)는 수소이온을 선택적으로 투과하는 이온 교환막으로 이루어지는 고분자 전해질 막(1)과, 고분자 전해질 막(1)의 간격을 좁게 하도록 형성된 백금족 금속 촉매를 담지한 카본 분말을 주성분으로 하는 한 쌍의 전극 촉매층(산화제 가스측 전극촉매층(2) 및 환원제 가스측 전극촉매층(3))과, 이 한 쌍의 전극촉매층의 외면에 설치된 한 쌍의 확산전극층(산화제 가스측 확산전극층(4) 및 환원제 가스측 확산전극층(5))을 구비하는 것으로 구성되어 있다. 이 확산전극층(4,5)은 통기성과 전자전도성을 함께 가지도록 구성되어 있다. 예컨대, 다공성 구조를 가지고 있다.
그리고, 산화제 가스측 전극촉매층(2), 산화제 가스측 확산전극층(4) 및 캐쏘드 세퍼레이터(15)가 캐쏘드를 구성하고 있다.
또한, 환원제 가스측 전극촉매층(3), 환원제 가스측 확산전극층(5) 및 애노드 세퍼레이터(20)가 애노드를 구성하고 있다.
고분자 전해질 막(1)은 퍼플루오로카본설폰산을 50μm의 두께로 박막화한 양자 전도성 고분자 전해질 막(미국 듀퐁(Dupont) 사 제품 Nafion112)으로 구성되어 있다. 여기서, 외부 치수는 20 cm × 20 cm 이다.
확산전극층(4,5)은 카본 천으로 구성되어 있다. 카본 천(도오레주식회사 제품 TGP-H-090)은, 외부 치수 12 cm × 12 cm, 두께 220μm이고, 전극촉매층(2,3)과 접하는 측면에는, 카본블랙 분말과 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)의 수성 분산액(다이킨공업주식회사 제품 D-1)의 혼합물이 도포되고 400℃에서 30분간 소성되어 발수층이 형성된다.
전극촉매층(2,3)은, 촉매 페이스트가 스크린 인쇄법에 의해서 카본 천(확산전극층(4,5))에 도포 형성되어 있다. 촉매 페이스트에는 평균입경 약 30Å의 백금입자를 아세틸렌 블랙 분말(덴키화학공업주식회사 제품 덴카블랙 FX-35)에 25중량% 담지시킨 촉매분말이 사용되고 있다. 촉매 페이스트는, 이 촉매분말이 아이소프로판올에 분산되어 있는 용액에, 퍼플루오로카본설폰산이 에틸알콜에 분산되어 있는 분산액 용액(아사히가라스주식회사 제품 프레미온FSS-1)을 혼합하여 제조된다. 촉매전극(2,3)에 포함되는 백금량은 0.3 mg/cm2이고, 퍼플루오로카본설폰산의 함량은 1.0 mg/cm2이다. 그리고, MEA(10)는 고분자 전해질 막(1)의 양면 중앙부에 전극촉매층(2,3)을 형성하고 있고 카본 천(확산전극층(4,5))이 열간 프레스로 접합 형성되어 있다. 고분자 전해질 막(1)의 테두리부에는, 산화제 가스 공급 다기관 구멍(30A), 산화제 가스 배출 다기관 구멍(30B), 환원제 가스 공급 다기관 구멍(40A), 환원제 가스 배출 다기관 구멍(40B), 냉각제 공급 다기관 구멍(45A), 냉각제 배출 다기관 구멍(45B)이 천공되어 있다. 확산전극층(4,5) 및 각종 다기관 구멍(30A,30B,40A,40B,45A,45B) 주위의 고분자 전해질 막(1)에는 바이톤사 제품 O-링 모양의 가스 시일부재(50)가 부착되어 있다.
도 6은 도 4의 캐쏘드 세퍼레이터의 산화제 가스 유로 패턴을 나타내는 정면도이다. 도 7은 도 4의 애노드 세퍼레이터의 환원제 가스 유로 패턴을 나타내는 정면도이다. 도 8은 도 4의 캐쏘드 세퍼레이터의 냉각제 유로 패턴을 나타내는 배면도이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 캐쏘드 세퍼레이터(15)의 MEA(10)에 접하는 정면에는 산화제 가스 공급 다기관 구멍(30A)과 산화제 가스 배출 다기관 구멍(30B)을 체결하도록 홈으로 이루어지는 산화제 가스 유로구(반응가스 유로)(30C)가 형성되어 있다. 산화제 가스 유로구(30C)는 셀(100)에 있어서 산화제 가스측 확산전극층(4)과 마주하는 부분을 접하지 않게 흐르도록 형성되어 있다. 한편, 도 8에 나타낸 바와 같이 캐쏘드 세퍼레이터(15)의 배면에는, 냉각제 공급 다기관 구멍(45A)과 냉각제 배출 다기관 구멍(45B)을 체결하도록 홈으로 이루어지는 냉각수 유로구(냉각수유로)(45C)가 형성되어 있다.
또한, 도 7에 나타낸 바와 같이, 애노드 세퍼레이터(20)의 MEA(10)에 접하는 정면에는, 환원제 가스 공급 다기관 구멍(40A)과 환원제 가스 배출 다기관 구멍(40B)을 체결하도록 홈으로 이루어지는 환원제 가스 유로구(반응가스 유로)(40C)가 형성되어 있다. 환원제 가스 유로구(40C)는, 셀(100)에 있어서 환원제 가스측 확산전극층(5)과 접하는 부분을 관통하도록 형성되어 있다. 또한, 애노드 세퍼레이터(20)의 배면에는, 캐쏘드 세퍼레이터(15)와 같은 방식으로, 냉각제 공급 다기관 구멍(45A)과 냉각제 배출 다기관 구멍(45B)을 체결하도록 홈으로 이루어지는 냉각수 유로구(45C)가 형성되어 있다.
여기서, 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 냉각제 유로구(45C)는 셀(100)에 있어서 산화제 가스 유로구(30C) 및 환원제 가스 유로구(40C)의 배면을 냉각하도록 형성되어 있다. 그리고, 셀(100)의 적층에 있어서는, 캐쏘드 세퍼레이터(15)의 냉각제 유로구(45C)와 애노드 세퍼레이터(20)의 냉각제 유로구(45C)가 결합하여 냉각제 유로(45)를 형성하도록 형성되어 있다.
여기서, 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 크기는 20 cm × 20 cm, 두께는 3 mm로 동일하며, 산화제 가스 유로구(30C) 및 환원제 가스 유로구(40C)는, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 폭 1.2 mm, 깊이 0.7 mm의 오목부가 1.0 mm의 간격으로 수개가 나란히 움직이도록 형성되어 있다. 캐쏘드 세퍼레이터(15)의 냉각제 유로구(45C)는, 도 8에 나타낸 바와 같이, 산화제 가스 유로구(30C)의 배면 전체에 걸쳐 폭넓게 형성되어 있다. 그 폭넓은 홈부의 중앙부에는 수개소 점재하도록 캐쏘드 세퍼레이터(15) 배면의 평탄면이 남아 있다. 이에 의해, 셀(100) 적층 및 체결에 있어서 체결력을 분산할 수 있다.
또한, 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 테두리부에는 MEA(10)와 대응하도록, 산화제 가스 공급 다기관 구멍(30A), 산화제 가스 배출 다기관 구멍(30B), 환원제 가스 공급 다기관 구멍(40A), 환원제 가스 배출 다기관 구멍(40B), 냉각제 공급 다기관 구멍(45A), 냉각제 배출 다기관 구멍(45B)이 천공되어 있다. 한편, 셀(100) 조립시 및 셀 적층시에는, 산화제 가스 공급 다기관 구멍(30A)이 연결되어 산화제 가스 공급 다기관(30D), 산화제 가스 배출 다기관 구멍(30B)이 연결되어 산화제 가스 배출 다기관(30E), 환원제 가스 공급 다기관 구멍(40A)이 연결되어 환원제 가스 공급 다기관(40D), 환원제 가스 배출 다기관 구멍(40B)이 연결되어 환원제 가스 배출 다기관(40E), 냉각제 공급 다기관 구멍(45A)이 연결되어 냉각제 공급 다기관(45D), 냉각제 배출 다기관 구멍(45B)이 연결되어 냉각제 배출 다기관(45E)이 각각 형성된다.
여기서, 본 발명의 특징인 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 소재 및 표면에 대하여 설명한다.
세퍼레이터(15,20)는 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 혼합하여 형성된다. 결합제로는 고무, 수지 등을 이용하여 얻는다. 수지로서는 고온 다습한 세퍼레이터의 사용환경에 내성이 있는 수지가 사용된다. 예컨대, 에폭시 수지, 페놀 수지, PPS, 폴리프로필렌, 액정 중합체, PTFE 등이다. 여기서는, 평균입경 100μm의 인조 흑연분말 80중량%와 카본블랙 5중량%와 열경화 전의 페놀 수지 15중량%를 혼합한 화합물이 사용되고 있다. 이 화합물을 세퍼레이터(15,20)의 형상을 전사한 형상의 금형에 투입하고, 약 180℃의 열간 프레스에 의해서 페놀 수지가 경화되어 세퍼레이터(15,20)에 성형된다.
이렇게 하여 성형된 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면은 무처리한 상태로, 즉 페놀 수지가 대부분 함유되어 있는 표피층을 잔존시킨 채로 되어 있다.
여기서, 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법은, 전술한 수적 전락각 α의 계측에 의해서, 상기 세퍼레이터의 결로수의 배출성을 평가한다. 즉, 50℃ 이상 90℃ 이하의 분위기 온도, 또한 상대습도 70% 이상 100% 이하의 분위기 습도의 조건하에 있어서, 세퍼레이터(15,20)의 산화제 가스 유로구(30C) 또는 환원제 가스 유로구(40C)에 적하된 50μL 이상 80μL 이하의 수적의 수적 전락각에 의해서, 세퍼레이터(15,20)의 결로수의 배출성을 평가한다. 본 실시 형태에 있어서는, 70℃의 온도에 있어서의 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 45도로 산출되었다.
여기서, 수적 전락각 α의 계측에 있어서는, 수적 전락 방향으로 산화제 가스 유로구(30C) 또는 환원제 가스 유로구(40C)의 하면 및 측면이 평탄한 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 단차 또는 굴절부 등의 형상효과에 의해서 수적 전락각 α가 변화되는 것을 보다 확실히 방지할 수 있게 된다. 또한, 습윤상태에 있어서는 수적의 판별이 곤란한 경우도 있으므로, 직접 정확한 수적 전락각 α를 측정하는 것은 곤란하다. 따라서, 수적 전락각 α는 레스카사 제품인 동적 습성 시험기 WET-6000을 이용하여 전진 접촉각 θa, 후퇴 접촉각 θr을 계측함으로써, 전술의 관계식에 따라서 산출할 수 있다.
한편, 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도는, 중심선 평균 조도 Ra(Center-Line Average-height)= 0.7이었다. 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 80도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 60도였다. 여기서, 중심선 평균 조도는, 촉침식 표면 조도 측정기(테일러 홉슨(Taylor Hobson)사 제품 Form Talysurf-120)를 이용하여 JIS B0651의 계측방법에 준하여 수행한다.
다음으로, 이상과 같이 구성된 PEFC(200)의 동작을 설명한다. 산화제 가스가 산화제 가스 공급 다기관(30D)을 경유하여 각 셀(100)에 분기되어 공급된다. 각 셀(100)에서는, 산화제 가스가 캐쏘드에 공급된다. 여기서, 산화제 가스측 확산전극층(4)에 노출된다. 또한, 수소, 또는 수소를 포함하는 환원제 가스도 같은 방식으로 애노드에 공급된다. 여기서, 환원제 가스측 확산전극층(5)에 노출된다.
따라서, 산화제 가스는 산화제 가스측 확산전극층(4)을 투과하여, 산화제 가스측 전극촉매층(2)에 도달한다. 같은 방식으로, 환원제 가스도 환원제 가스측 확산전극층(5)을 투과하여, 환원제 가스측 전극촉매층(3)에 도달한다.
캐쏘드 세퍼레이터(15), 애노드 세퍼레이터(20), 집전판(41,41)(도 1 참조) 및 외부의 전기회로(도시하지 않음)를 경유하여 산화제 가스측 전극촉매층(2)과 환원제 가스측 전극촉매층(3)과의 전기적인 접속회로가 구성되면, 산화제 가스측 전극촉매층(2)에 있어서는, 환원제 가스와의 이온화 경향의 차이에 따라서 산소가 이온화된다. 같은 방식으로, 환원제 가스측 전극촉매층(3)에 있어서는, 수소가 이온화된다.
수소이온은 고분자 전해질 막(1)을 투과하여 산화제 가스측 전극촉매층(2)에서 산소이온과 결합하여 물을 생성한다. 또한, 수소의 이온화에 따라 환원제 가스측 전극촉매층(3)에 있어서 발생한 전자는, 환원제 가스측 확산전극층(5)과 전도성 탄소를 함유하는 애노드 세퍼레이터(20)를 경유하여 인접 셀(100) 또는 외부의 전기회로(도시하지 않음)로 흘러 전기출력을 생성한다.
실시예 1
실시예 1로서, 실시 형태 1에 따른 PEFC(200)를 이용하여, PEFC의 일반적인 연료이용율 및 산소이용율을 기준으로 한 운전시험을 했다. PEFC(200)는 70℃로 유지하였다. 환원제 가스로는 80중량% 수소 및 20중량% 이산화탄소 성분 가스를 이용했다.
환원제 가스를 70℃의 이슬점이 되도록 가습·가열하여 환원제 가스 공급 다기관(40D)으로부터 공급하였다. 산화제 가스로는 공기를 이용했다. 산화제 가스를 70℃의 이슬점이 되도록 가습·가열하여 산화제 가스 공급 다기관(30D)으로부터 공급하였다.
그리고, 환원제 가스의 연료이용율 75%, 산화제 가스의 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 출력조건으로 전부하 발전을 계속하였다. 이 때, 환원제 가스 공급 다기관(40D)과 환원제 가스 배출 다기관(40E) 사이의 압력손실(이하, 환원제 가스측 압력손실이라 함)은 약 7 kPa이며, 산화제 가스 공급 다기관(30D)과 산화제 가스 배출 다기관(30E) 사이의 압력손실(이하, 산화제 가스측 압력손실이라 함)은 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다. 여기서, 전부하 발전이란, PEFC가 안정하여 가장 효율적이면서도 안정하게 발전할 수 있는 최대한 부하시의 발전을 말한다.
또한, 운전시험에 있어서는, 개시직후 및 500시간마다, 전부하 발전 때와 동등한 연료이용 효율 및 산소이용 효율을 유지한 채로 저출력 운전을 실시했다. 즉, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%로 유지한 채로 전류밀도를 0.06 A/cm2까지 축소한 부분 부하발전을 24시간 계속하였다. 이 때, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다. 여기서, 전류밀도 0.06 A/cm2는 PEFC(200)의 실용상 상정되는 최저출력상태이다.
다음으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2로 유지하면서, 연료이용 효율 및 산소이용 효율의 한계를 확인했다. 즉, 연료이용율을 75% 이상으로 인상하거나, 또는 산소이용율을 50% 이상으로 인상하도록, 환원제 가스측 압력손실 또는 산화제 가스측 압력손실을 저하시키는 한계 저출력 시험을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 75%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 50%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 조건에서의 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.5 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.3 kPa였다.
비교예 1
비교예 1로서, 실시 형태 1과 같은 형태의 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다.
단, 성형후의 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 샌드블라스트 가공을 하여, 수 μm정도의 깊이까지 페놀 수지의 표피층을 제거하였다. 이 때 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도)는 Ra=1.5였다. 또한, 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 80도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 30도이다. 또한 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 50도였다.
그 결과, 실시예 1과 같이 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.5 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 실시예 1과 같이 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 일부의 셀에 있어서 수분 내지 수십분 동안 전압 진동이 발생했다. 전압 진동폭은 약 100 mV였다. 따라서, 연료이용 효율 및 산소이용 효율을 저하시키고, 환원제 가스측 압력손실 또는 산화제 가스측 압력손실을 인상하여, 전압 진동 발생이 해소되는 한계조건, 즉 한계 저압력 손실을 검증한 바, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.8 kPa였다. 또한, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.6 kPa였다.
실시 형태 2
본 발명의 실시 형태 2에 있는 PEFC(200)는 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 표면처리의 차이를 제외하고는, 실시 형태 1과 같다.
즉, 실시 형태 1과 같은 방식으로 세퍼레이터(15,20)가 성형된다. 그리고, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 단계식 블라스트 가공이 행하여진다. 여기서, 단계식 블라스트 가공이란, 전 블라스트 가공보다도 후 블라스트 가공쪽이 블라스트 가공에 사용되는 입자의 입경이 작게 실시되는, 수회의 블라스트 가공을 말한다. 예컨대, 처음에는, 비교적 큰 알루미나 입자에 의해서 웨트 블라스트(wet blast)가 실시되고, 계속해서 차차, 입경을 작게 한 알루미나 입자에 의해서 웨트 블라스트 가공이 수회 실시된다. 한편, 기체를 캐리어로 하는 샌드블라스트 방법에서는 미세한 알루미나 입자를 이용하여 블라스트 하기에는 적합하지 않기 때문에 액체를 캐리어로 하는 웨트 블라스트 방법이 사용되고 있다. 여기서는, 웨트 블라스트 세정장치(마코주식회사 제품)가 사용되고 있다.
이 단계식 블라스트 가공의 가감에 의해, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 세퍼레이터 수적 전락각 α가 조정된다. 여기서는, 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra가 Ra=3 내지 7의 범위 이내가 되도록 단계식 블라스트 가공이 실시됨에 따라, 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의한 수적 전락각 α가 25도 이하로 조정된다. 이러한 효과가 나타나는 이유는 해명되어 있지 않지만, 발명자들의 추론으로서는, 단계식 블라스트 가공에 의해서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에서, 미세한 요철의 위로부터 미세한 요철이 형성되어, 즉, 수회의 요철구조가 형성된다. 이 수회 요철구조에 의해서 큰 비표면적이 형성되어, 이 비표면적의 증대가 수적 전락각 α의 감소, 즉, 수적 전락각 α의 개선에 직결되는 것으로 추론된다. 한편, 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra와 수적 전락각 α는 이러한 상관관계에 있지만, 구체적인 상관관계는 적어도 세퍼레이터의 재질에 따라 다르다.
실시예 2
실시예 2로서, 실시 형태 2에 따른 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다. 세퍼레이터(15,20)가 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도)가 Ra= 3.7이 될 때까지 단계식 블라스트 가공을 행한다(도 9의 실시예 2-3에 해당). 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의한 수적 전락각 α는 25도였다.
연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에서는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.3 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 실시예 1과 같은 방식으로 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다.
다음으로, 실시예 1과 같은 방식으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2로 유지하면서, 한계 저출력 시험을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 80%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 55%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 연료이용율 80%, 산소이용율 55%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 조건시에서, 환원제 가스측 한계 저압력 손실 Pa는 2.4 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력 손실 Pc는 2.3 kPa였다.
또한, 단계식 블라스트 가공의 가감을 조정하고, 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra가 다른 세퍼레이터(15,20)를 이용하여, 같은 방식으로 운전시험을 실시했다.
도 9는 실시 형태 2의 세퍼레이터 및 PEFC의 특성을 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra를 변수로 하여 나타내는 도면이다.
도면에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra=2.5 및 8의 경우(실시예 2-1 및 2-7)에는, 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의한 수적 전락각 α는 공히 약 50도이며, Pa는 3 kPa 및 3.5 kPa이고, Pc는 2.9 kPa 및 3 kPa이며, 부분 부하 발전시에 있어서는, 연료이용 효율 및 산소이용 효율을 저하시키지 않으면 전지출력은 안정되지 않았다.
실시 형태 3
본 발명의 실시 형태 3의 PEFC(200)는 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 표면처리의 차이를 제외하고는 실시 형태 2와 같다. 즉, 실시 형태 1과 같은 방식으로 세퍼레이터(15,20)가 성형되고, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에는 실시 형태 2와 같이 단계식 블라스트 가공이 행하여진다.
그리고, 단계식 블라스트 가공 완료후에, 플라즈마 세정장치(주식회사 삼코사 제품 PC-1000)에 의해 산소 플라즈마 처리를 수행한다. 산소 플라즈마 처리에 의해서도 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도)는 실시 형태 2와 거의 같고 Ra=3.7이다. 그러나, 건조상태에서 접촉각 θd는 약 10도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 0도, 즉 측정불능이다. 또한, 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α은 약 5도이다. 즉, 산소 플라즈마 처리에 의해서, 도 9의 실시예 2-3의 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 수적 전락각 α가 개선된다.
이러한 효과가 출현하는 이유는 해명되어 있지 않다. 이에 따라, 발명자들은 이 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면을 XPS(X-선 광전자 분광기)로 분석한 바, 카본표면에는 하기의 화학식 1 및 화학식 2로 나타낸 산화물 작용기, 즉 친수성 작용기가 부여되어 있음을 알게 되었다.
-C= O
-C-OH
즉, 본 발명자들의 추론으로서는, 친수성 작용기에 의해서 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 극성이 커짐으로 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면이 친수성이 되고, 이것이 수적 전락각 α의 개선에 공헌하는 것으로 추론된다. 따라서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 친수성 또는 발수성 작용기를 화학적으로 결합시키는 방법에 의해 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 수적 전락각 α를 개선시킬 수 있는 것이 용이하게 추론된다. 예컨대, 오존분위기 하에서 자외광을 조사하는 자외선 오존처리로도 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 극성을 크게 할 수 있기 때문에, 같은 방식으로 수적 전락각 α를 개선시키는 것이 가능하다. 또한, 불소 플라즈마 처리에 의해서도, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 흑연에 불화물 작용기를 화학적으로 결합시킬 수 있기 때문에, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 발수성을 크게 할 수 있다. 즉, 수적 전락각 α를 개선시키는 것이 가능하다.
한편, 이들 플라즈마 처리는, 감압처리를 하지 않고 대기압 분위기로 플라즈마를 조사하는 방법이라도 바람직하다. 또한, 플라즈마 처리장치는, 전극이 평행 하게 대향하고 있는 평행 평판형, 또는 전극이 원통챔버의 측면에 배치된 원통형의 플라즈마 처리장치라도 바람직하다.
또한, 친수성 작용기를 표면에 다수 갖는 세퍼레이터(15,20)의 보존방법에 관하여 설명한다. 발수성인 공기중의 유기물 등이 친수성 작용기에 부착되는 것을 방지 또는 억제하기 위해 진공 저장하는 것이 바람직하다. 그러나 세퍼레이터(15,20)의 포장방법의 차이에 의해서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 친수성이 변화되는 것을 알게 되었다.
도 11은 본 실시 형태의 세퍼레이터 포장방법의 차이에 의한 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서의 접촉각 θd의 비교를 나타내는 도면이다. 도면에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(15,20)를 시판용 폴리에틸렌 포대 및 은박지로 각각 포장하여 진공 저장했다. 그리고, 약 1시간의 진공 보존후에 쌍방의 세퍼레이터(15,20)를 취하여 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 접촉각 θd를 3회 계측했다. 폴리에틸렌 포대로 포장한 경우에는 접촉각 θd가 커져 친수성이 감소하고 있는 것을 알았다. 한편, 은박지로 포장한 경우에는 3회 행한 계측에서 전부 10도 이하의 접촉각 θd를 유지하였다. 이러한 효과가 출현하는 이유는 해명되어 있지 않다. 그러나, 발명자들의 추론으로서는, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면을 형성하는 카본 성형체가 유기물이기 때문에, 같은 유기물인 폴리에틸렌 포대 등을 접촉시키면 표면의 친수성 작용기가 감소하는 것으로 생각된다. 한편, 무기물로 이루어지는 은박지는 유기물인 카본 성형체와는 화학적 조성이 다르기 때문에, 은박지가 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 접촉하더라도 친수성 작용기는 감소하지 않는 것 으로 생각된다. 따라서, 친수성 작용기를 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 다수 갖는 세퍼레이터는 무기재료로 포장하여 진공저장하는 보존방법이 적합하다고 생각된다.
또한, 단계식 블라스트 가공과 산소 플라즈마 처리의 상승효과에 대하여 설명한다.
도 12는 단계식 블라스트 가공을 하지 않고, 산소 플라즈마 처리를 실시한 세퍼레이터의 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서 접촉각 θd의 시간 경과에 따른 변화를 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 산소 플라즈마 처리 직후의 접촉각 θd는 처리 직후에 40도이며 충분한 친수성은 얻어지지 않는다. 또한, 5일 후에는 10도 이상으로 접촉각 θd가 상승하여, 최종적으로는 약 80도까지 접촉각 θd가 상승했다.
도 13은 단계식 블라스트 가공과 산소 플라즈마 처리를 행한 세퍼레이터의 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서 접촉각 θd의 시간 경과에 따른 변화를 나타낸다. 도면에 나타낸 바와 같이, 산소 플라즈마 처리 직후의 접촉각 θd는 10도 이하이며, 그 효과가 30일 경과하여도 지속되고 있었다. 이러한 효과가 출현하는 이유는 해명되어 있지 않다. 본 발명자들의 추론에 의하면, 단계식 블라스트 가공에 의해 수개의 요철 구조중에 산소 플라즈마 처리에 의한 에칭의 효과에 의해 미세한 요철이 또한 형성되고, 이에 의해 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 비표면적이 증가한다. 그리고, 비표면적이 큰 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면은 산소 플라즈마 처리되기 때문에, 보다 많은 친수성 작용기가 세퍼레이터 유로구 (30C,40C) 표면에 형성되게 된다. 이 친수성 작용기가 많은 것이 내구성있는 친수성에 기여하고 있는 것으로 생각된다.
실시예 3
실시예 3으로서, 실시 형태 3에 따른 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다.
그 결과, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.6 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다.
다음으로, 실시예 1과 같은 방식으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2로 유지하면서 한계 저출력 시험을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 90%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 65%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 연료이용율 90%, 산소이용율 65%, 전류밀도 0.06 A/cm2에 있어서, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.1 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.0 kPa였다.
실시 형태 4
본 발명의 실시 형태 4에 따른 PEFC(200)는, 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 소재 및 표면처리의 차이를 제외하고는, 실시 형태 1과 같다.
즉, 세퍼레이터(15,20)는, 평균입경 100μm의 인조 흑연분말 79중량%와 카본블랙 5중량%와 평균입경 0.5μm의 고순도 알루미나 입자 2중량%와 열경화 전의 페놀 수지 14중량%를 혼합한 화합물을 사용한다. 이 화합물을 세퍼레이터(15,20)의 형상을 전사한 형상의 금형에 투입하여, 약 180℃의 열간 프레스에 의해서 페놀 수지가 경화되어 세퍼레이터(15,20)가 성형된다.
따라서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에는 실시 형태 2와 같이 단계식 블라스트 가공이 행하여진다. 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도)는 Ra=6.5이다.
그 결과, 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 20도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 0도, 즉 측정불능이다. 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 10도이다.
실시예 4
실시예 4로서, 실시 형태 4에 따른 PEFC(200)를 이용하고, 실시예 1과 같은 운전시험을 실시했다.
그 결과, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.3 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다.
다음으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2, 연료이용율을 75% 이상으로 인상하고, 또는 산소이용율을 50% 이상으로 인상하여 부분 부하 발전을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 85%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 60%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다.
연료이용율 85%, 산소이용율 60%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 조건, 즉 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.2 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.1 kPa였다.
실시 형태 5
본 발명의 실시 형태 5에 따른 PEFC(200)는, 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 소재 및 표면처리의 차이를 제외하고는, 실시 형태 1과 같다.
즉, 세퍼레이터(15,20)는, 평균입경 100μm의 인조 흑연분말 79중량%와 카본블랙 5중량%와 평균입경 0.5μm의 고순도 타이타늄 입자 2중량%와 열경화 전의 페놀 수지 14중량%를 혼합한 화합물을 사용한다. 이 화합물을 세퍼레이터(15,20)의 형상을 전사한 형상의 금형에 투입하여, 약 180℃의 열간 프레스에 의해서 페놀 수지가 경화되고 세퍼레이터(15,20)에 성형된다.
그리고, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에는 실시 형태 2와 같이 단계식 블라스트 가공이 행하여진다. 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도)는 Ra=6.5이다.
그 결과, 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 20도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 0도, 즉 측정불능이다. 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 10도이다.
실시예 5
실시예 5로서, 실시 형태 5에 따른 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다.
그 결과, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 조건시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.3 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다.
다음으로, 실시예 1과 같은 방식으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2로 유지하면서 한계 저출력 시험을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 85%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 60%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 연료이용율 85%, 산소이용율 60%, 전류밀도 0.06 A/cm2에 있어서의, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.2 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.1 kPa였다.
실시 형태 6
본 발명의 실시 형태 6에 따른 PEFC(200)는 캐쏘드 세퍼레이터(15) 및 애노드 세퍼레이터(20)의 소재의 차이를 제외하고는, 실시 형태 1과 같다. 즉, 세퍼레이터(15,20)는, 평균입경 100μm의 인조 흑연분말 79중량%와 카본블랙 5중량%와 PTFE 분말 2중량%와 열경화 전의 에폭시 수지 14중량%를 혼합한 화합물을 사용한다. 이 화합물을 세퍼레이터(15,20)의 형상을 전사한 형상의 금형에 투입하여, 약 180℃의 열간 프레스에 의해서 에폭시 수지가 경화되고 세퍼레이터(15,20)가 성형된다.
이렇게 하여 성형된 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면을 무처리한 상태로, 즉 에폭시 수지의 표피층을 잔존시킨 채로 두게 된다. 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면의 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra=0.8이다. 또한, 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 110도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 100도이다. 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 20도이다.
실시예 6
실시예 6으로서, 실시 형태 6에 따른 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다.
그 결과, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW 이상(72.3 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 전압 진동은 발생하지 않고 전지출력은 안정하게 추이했다.
다음으로, 실시예 1과 같은 방식으로, 전류밀도를 0.06 A/cm2로 유지하면서 한계 저출력 시험을 했다. 이 결과, 환원제 가스에 있어서는 연료이용율이 80%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 또한, 산화제 가스에 있어서는 산소이용율이 55%보다 높아지면 전압 진동의 발생이 확인되었다. 연료이용율 80%, 산소이용율 55%, 전류밀도 0.06 A/cm2에 있어서의, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.3 kPa이며, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.2 kPa였다.
비교예 2
비교예 2로서, 실시 형태 6과 같은 형태의 PEFC(200)를 이용하여 실시예 1과 같은 운전시험을 했다.
단, 성형후의 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에는 실시 형태 2와 같이 단층식 블라스트 가공을 행하였다. 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra=6.3이었다. 또한, 건조상태에서의 접촉각 θd는 약 110도이며, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각 θw는 약 100도이다. 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의하면, 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 수적 전락각 α는 약 50도였다.
그 결과, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.3 A/cm2의 전부하 발전시에는, 환원제 가스측 압력손실이 약 7 kPa이며, 산화제 가스측 압력손실이 6 kPa이며, 8000시간 이상으로 3.1 kW이상(72.3 V-43.2 A)의 전지출력이 유지되었다.
또한, 연료이용율 75%, 산소이용율 50%, 전류밀도 0.06 A/cm2의 부분 부하 발전시에는, 일부의 셀에 있어서 수분 내지 수십분 동안 전압 진동이 발생했다. 전압 진동폭은 약 70 mV였다. 따라서, 연료이용 효율 및 산소이용 효율을 저하시키고, 환원제 가스측 압력손실 또는 산화제 가스측 압력손실을 인상시키고, 전압 진동 발생이 해소되는 한계조건, 즉 한계 저압력손실을 검증한 바, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.7 kPa였다. 또한, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.5 kPa였다.
여기서, 이상의 실시예 및 비교예의 결과를 정리하고 설명한다.
도 10은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 및 2의 세퍼레이터 및 PEFC의 특성을 나타내는 도면이다. 부분 부하 발전시에 있어서, 전부하 발전 정격출력시와 동등한 연료이용 효율 및 산소이용 효율을 유지하기 위해서는, 환원제 가스측 한계 저압력손실 Pa는 2.5 kPa 이하, 산화제 가스측 한계 저압력손실 Pc는 2.3 kPa 이하가 될 필요가 있다. 이러한 조건을 만족시키는 것은, 도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 세퍼레이터의 평가방법에 의한 수적 전락각 α가 5도 내지 25도의 범위에 있는 것이다.
한편, 세퍼레이터(15,20), 즉 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하는 재질의 세퍼레이터에 있어서는, 세퍼레이터 유로구(30C,40C)의 형상에 관계없이, 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra가 4.0μm 이하인 경우에는 실제로 제조되는 가스 유로 크기와 설계치의 편차가 충분히 줄어드는 것으로 확인되었다.
또한, 실시 형태 3에 있어서 설명한 바와 같이, 세퍼레이터(15,20), 즉 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하는 재질의 세퍼레이터의 수적 전락각 α의 개선수단으로서는 산소 플라즈마 처리가 유효하다. 여기서, Ra=1.5 이상의 표면의 경우에는, 산소 플라즈마 처리에 의한 수적 전락각 α의 유리한 개선을 보다 충분히 얻을 수 있다. 이것은 Ra=1.5μm 이상이고, 표면의 조도, 즉 미세한 요철이 충분히 형성되어 있기 때문에, 산소 플라즈마 처리에 의해 작용기를 충분히 형성할 수 있는 것이 요인인 것으로 추론된다. 따라서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면은 Ra=1.5μm 이상인 것이 바람직하다.
정리하면, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면은 중심선 평균 조도가 1.5 이상 4.0μm 이하이고, 세퍼레이터(15,20)를 실용화 수준의 크기로 소형화하는 것이 용이하고, 실제로 제조되는 가스 유로의 크기와 설계치의 편차를 충분히 줄일 수 있고, 또한 산소 플라즈마 처리에 의해서 수적 전락각 α의 개선을 충분히 얻을 수 있다. 따라서, 공급가스의 압력손실이 낮은 조건에 있어서도 결로수의 배출성이 우수한 PEFC용 세퍼레이터로서 적합하다.
또한, 미세한 볼록부 사이의 피치가 대략 5μm 이하인 표면에서는 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면에 결로수가 이른바 앵커효과에 의해 걸려, 압력 손실이 크게 진동하는 현상을 보다 충분히 방지할 수 있다. 따라서, 세퍼레이터 유로구(30C,40C) 표면은 미세한 볼록부 사이의 피치가 대략 5μm 이하이고, 반응가스의 공급압력의 손실이 낮은 조건에 있어서도, 반응가스의 공급압력 손실의 진동을 억제할 수 있기 때문에, PEFC(100)의 발전출력의 진동을 억제할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 형태를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 범위내에서 당업자는 여러가지의 개량이나 대체수단을 이용할 수 있다.
도 1은 수적 전락각의 계측방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 수적 전락각의 간접적 계측방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 실시 형태 1에 따른 PEFC의 사시도이다.
도 4는 도 3의 PEFC의 구조를 나타내는 분해 사시도이다.
도 5는 MEA의 기본구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 4의 캐쏘드 세퍼레이터의 산화제 가스 유로 패턴을 나타내는 정면도이다.
도 7은 도 4의 애노드 세퍼레이터의 환원제 가스 유로 패턴을 나타내는 정면도이다.
도 8은 도 4의 캐쏘드 세퍼레이터의 냉각제 유로 패턴을 나타내는 배면도이다.
도 9는 실시 형태 2에 관한 세퍼레이터 및 PEFC의 특성을 표면 조도(중심선 평균 조도) Ra를 변수로 하여 나타내는 도면이다.
도 10은 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 및 2의 세퍼레이터 및 PEFC의 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 실시 형태의 세퍼레이터의 포장방법의 차이에 의한 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서의 접촉각 θd의 비교를 나타내는 도면이다.
도 12는 단계식 블라스트 가공을 하지 않고, 산소 플라즈마 처리를 실시한 세퍼레이터의 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서의 접촉각 θd의 시간 경과에 따른 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 단계식 블라스트 가공과 산소 플라즈마 처리를 행한 세퍼레이터의 세퍼레이터 유로구 표면의 건조상태에서의 접촉각 θd의 시간 경과에 따른 변화를 나타내는 도면이다.
부호의 설명
1: 고분자 전해질막
2: 산화제 가스측 전극촉매층
3: 환원제 가스측 전극촉매층
4: 산화제 가스측 확산전극층
5: 환원제 가스측 확산전극층
10: MEA
15: 캐쏘드 세퍼레이터
20: 애노드 세퍼레이터
30: 산화제 가스 유로
30A: 산화제 가스 공급 다기관 구멍
30B: 산화제 가스 배출 다기관 구멍
30C: 산화제 가스 유로구(세퍼레이터 유로구)
30D: 산화제 가스 공급 다기관
30E: 산화제 가스 배출 다기관
40: 환원제 유로
40A: 환원제 가스 공급 다기관 구멍
40B: 환원제 가스 배출 다기관 구멍
40C: 환원제 가스 유로구(세퍼레이터 유로구)
40D: 환원제 가스 공급 다기관
40E: 환원제 가스 배출 다기관
41: 집전판
41A: 전기단자
42: 절연판
43: 단판
45: 냉각제 유로
45A: 냉각제 공급 다기관 구멍
45B: 냉각제 배출 다기관 구멍
45C: 냉각제 유로구
45D: 냉각제 공급 다기관
45E: 냉각제 배출 다기관
50: 가스 시일부재
100: 셀
200: 고분자 전해질형 연료 전지(PEFC)
300: 계측대상
310: 수적
θd: 건조상태에서의 접촉각
θw: 70℃의 온도에서 습윤상태에서의 접촉각
θa: 전진 접촉각
θr: 후퇴 접촉각
α: 수적 전락각
Pa: 환원제 가스측 한계 저압력손실
Pc: 산화제 가스측 한계 저압력손실

Claims (12)

  1. 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하고, 적어도 한쪽 주면(主面)에 반응가스 유로가 형성되어 있고,
    상기 반응가스 유로의 표면의 수적 전락각이, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하로 되는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로의 표면의 중심선 평균 조도가 1.5μm 이상 4.0μm 이하인 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로의 중심선 평균 조도에 있어서 미세한 볼록부 사이의 피치가 5μm 이하인 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로의 표면이 블라스트 가공, 레이저 가공 또는 성형 가공에 의해 형성된 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로의 표면이 단계식 블라스트 가공되어 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응가스 유로의 표면이 산소 플라즈마 처리되어 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 탄소와 상기 결합제를 함유하는 혼합물을 압축 성형함으로써 형성되어 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  8. 제 1 항의 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 구비하고 있는 고분자 전해질형 연료 전지.
  9. 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터에 형성된 반응가스 유로의 결로수의 배출성을, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 상기 반응가스 유로의 표면의 50μL 이상 80μL 이하의 수적의 수적 전락각에 의해 평가하는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 평가방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 전도성 탄소와 전도성 탄소를 고화시키는 결합제를 함유하고, 적어도 한쪽 주면에 반응가스 유로가 형성되어 있는 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법으로서,
    상기 반응가스 유로의 표면의 수적 전락각이, 50℃ 이상 90℃ 이하 범위내의 분위기 온도 및 상대습도 70% 이상 100% 이하 범위내의 분위기 습도의 조건하에서 50μL 이상 80μL 이하의 수적을 적하한 경우에 5도 이상 25도 이하로 되도록 형성하는, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조방법.
KR1020067004773A 2004-05-31 2005-05-30 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의제조방법 KR100759654B1 (ko)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JPJP-P-2004-00161913 2004-05-31
JP2004161913 2004-05-31
JPJP-P-2004-00162890 2004-06-01
JP2004162890 2004-06-01
PCT/JP2005/009875 WO2005117180A1 (ja) 2004-05-31 2005-05-30 高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20060083204A KR20060083204A (ko) 2006-07-20
KR100759654B1 true KR100759654B1 (ko) 2007-09-17

Family

ID=35451184

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020067004773A KR100759654B1 (ko) 2004-05-31 2005-05-30 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의제조방법

Country Status (4)

Country Link
US (2) US20050287415A1 (ko)
EP (1) EP1758185B1 (ko)
KR (1) KR100759654B1 (ko)
WO (1) WO2005117180A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101873534B1 (ko) * 2010-09-10 2018-07-03 닛신보 케미칼 가부시키가이샤 연료전지 세퍼레이터

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006270057A (ja) * 2005-02-28 2006-10-05 Canon Inc 露光装置
JP2006318857A (ja) * 2005-05-16 2006-11-24 Honda Motor Co Ltd 燃料電池及び燃料電池スタック
TW200721583A (en) 2005-08-05 2007-06-01 Mitsubishi Pencil Co Separator for fuel battery and process for producing the same
JP2007188642A (ja) * 2006-01-11 2007-07-26 Hitachi Ltd 固体高分子形燃料電池
US9379393B2 (en) * 2006-12-26 2016-06-28 Nanotek Instruments, Inc. Carbon cladded composite flow field plate, bipolar plate and fuel cell
JPWO2009113717A1 (ja) * 2008-03-14 2011-07-21 昭和電工株式会社 燃料電池用セパレータおよびその製造方法
KR101219394B1 (ko) 2010-05-11 2013-01-11 한국과학기술원 연료전지용 복합재료 분리판의 제조방법, 및 이에 의해 제조되는 연료전지용 복합재료 분리판
JP5634604B2 (ja) * 2010-06-24 2014-12-03 ヒュンダイ ハイスコ 燃料電池用分離板およびその製造方法
CN102507387B (zh) * 2011-10-18 2015-11-25 东莞新能源科技有限公司 一种测试装置
JP5692256B2 (ja) * 2013-02-25 2015-04-01 日清紡ケミカル株式会社 燃料電池セパレータ
DE102014000419A1 (de) * 2014-01-17 2015-07-23 Technische Universität Kaiserslautern Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des Kontaktwinkels eines flüssigen oder mit Flüssigkeit gefüllten Körpers
DK179150B1 (en) * 2016-10-19 2017-12-11 Serenergy As A fuel cell stack and its method of production, a separator plate in particular a bipolar plate, for a fuel cell and its production
DK180360B1 (en) 2019-08-14 2021-02-04 Blue World Technologies Holding ApS Method of producing separator plates by compaction and a production facility

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH01311570A (ja) * 1988-06-08 1989-12-15 Hitachi Chem Co Ltd 燃料電池用セパレータ
JPH0726751U (ja) * 1993-10-14 1995-05-19 日本板硝子株式会社 撥水性能評価装置
JPH08138695A (ja) * 1994-11-04 1996-05-31 Yamaha Motor Co Ltd 燃料電池
US5910378A (en) * 1997-10-10 1999-06-08 Minnesota Mining And Manufacturing Company Membrane electrode assemblies
JP3896664B2 (ja) * 1997-12-26 2007-03-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータ
CA2286212A1 (en) * 1998-02-06 1999-08-12 Nisshinbo Industries Inc. Fuel cell separator and process for producing the same
JPH11297338A (ja) * 1998-04-10 1999-10-29 Nisshinbo Ind Inc 固体高分子型燃料電地用セパレータ及びその製造方法
JP2001152138A (ja) * 1998-10-20 2001-06-05 Sentan Kagaku Gijutsu Incubation Center:Kk 滑水性膜およびその製造方法
JP3334700B2 (ja) * 2000-03-13 2002-10-15 松下電器産業株式会社 高分子電解質型燃料電池
JP2002008676A (ja) * 2000-06-23 2002-01-11 Nisshinbo Ind Inc 燃料電池セパレータ及び固体高分子型燃料電池
EP1246282B1 (en) * 2000-08-17 2009-04-29 Panasonic Corporation Polymer electrolyte type fuel cell
US20020086198A1 (en) * 2000-09-11 2002-07-04 Show A Denko K.K. Electrically conducting curable composition and cured product thereof
JP2002184432A (ja) * 2000-10-03 2002-06-28 Mitsubishi Chemicals Corp 燃料電池用リブ付セパレータ及びその製造方法
JP2002270195A (ja) * 2001-03-12 2002-09-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用セパレータ、その製造方法及びそれを用いた燃料電池
JP2003022812A (ja) * 2001-07-06 2003-01-24 Honda Motor Co Ltd 燃料電池用セパレータの製造方法
JP4652623B2 (ja) * 2001-07-06 2011-03-16 本田技研工業株式会社 燃料電池用セパレータのガス抜き方法
JP2003200225A (ja) * 2001-12-27 2003-07-15 Fuji Heavy Ind Ltd 深絞り加工装置
WO2003079475A1 (fr) * 2002-03-20 2003-09-25 Sansho Kakou Co., Ltd. Separateur destine a une cellule electrochimique, procede de fabrication et cellule electrochimique correspondante
JP2003331857A (ja) * 2002-05-14 2003-11-21 Matsushita Electric Ind Co Ltd 燃料電池用セパレータの製造方法
JP4549617B2 (ja) * 2002-10-28 2010-09-22 パナソニック株式会社 燃料電池
US6911276B2 (en) * 2003-04-15 2005-06-28 Entegris, Inc. Fuel cell with ultraphobic surfaces
JP2007172909A (ja) * 2005-12-20 2007-07-05 Matsushita Electric Ind Co Ltd 直接型燃料電池および直接型燃料電池システム

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
미국특허 제5372896호(1994.12.13)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101873534B1 (ko) * 2010-09-10 2018-07-03 닛신보 케미칼 가부시키가이샤 연료전지 세퍼레이터

Also Published As

Publication number Publication date
EP1758185A4 (en) 2007-08-01
EP1758185B1 (en) 2018-10-17
US20130216939A1 (en) 2013-08-22
WO2005117180A1 (ja) 2005-12-08
US20050287415A1 (en) 2005-12-29
KR20060083204A (ko) 2006-07-20
EP1758185A1 (en) 2007-02-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR100759654B1 (ko) 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터, 고분자 전해질형연료 전지, 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의평가방법 및 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터의제조방법
JP3739386B2 (ja) 高分子電解質形燃料電池用セパレータ、高分子電解質形燃料電池、高分子電解質形燃料電池用セパレータの評価方法、及び、高分子電解質形燃料電池用セパレータの製造方法
US7745063B2 (en) Fuel cell stack
US20080241641A1 (en) Membrane electrode assembly for fuel cell and process for manufacturing the same
CA2571753A1 (en) Gas diffusion electrode and solid-state high-molecular electrolyte type fuel cell
WO2002073721A1 (en) Gas diffusion electrode and fuel cell using this
JP4528386B2 (ja) 固体高分子型燃料電池およびその製造方法
EP1511103A2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
KR102084568B1 (ko) 그래핀폼을 포함하는 가스유로/가스확산층 복합 기능 연료전지용 부재
JP2021136056A (ja) 燃料電池用ガス拡散層
JP2003109604A (ja) 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造法
KR20030011929A (ko) 연료전지용 전극 및 그 제조방법
US20100248069A1 (en) Fuel cell
JP5002269B2 (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2009187903A (ja) カーボン多孔質材料、その製造方法、ガス拡散層及びそれを用いた燃料電池
JP2007005222A (ja) 燃料電池および燃料電池用セパレータ
JP2008262715A (ja) 燃料電池用セル
JP2006331717A (ja) 固体高分子型燃料電池用ガス拡散電極、固体高分子型燃料電池用膜−電極接合体とその製造方法、および固体高分子型燃料電池
JP2007048495A (ja) 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層およびそれを用いた固体高分子形燃料電池
JP2003297389A (ja) 高分子電解質型燃料電池
JP7272314B2 (ja) 燃料電池用の積層体
JP5255251B2 (ja) 燃料電池用セパレータおよび燃料電池
JP2004152744A (ja) ガス拡散層およびそれを用いた高分子電解質型燃料電池
JP5388639B2 (ja) 固体高分子型燃料電池の触媒層、膜電極接合体及び燃料電池
JP5011746B2 (ja) 触媒電極

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120821

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130819

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140826

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150730

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160818

Year of fee payment: 10

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170823

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190820

Year of fee payment: 13