KR101195104B1 - Production method for fuel cell separator, fuel cell separator, production method for fuel cell separator having gasket, and production method for fuel cell - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 표면에 높은 친수성을 부여하는 동시에 이 친수성을 장기간 유지할 수 있고, 연료 전지의 높은 발전 효율을 유지할 수 있는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법을 제공한다. 에폭시 수지를 포함하는 열경화성 수지, 페놀계 화합물을 포함하는 경화제, 및 흑연 입자를 함유하고, 상기 페놀계 화합물에 대한 상기 에폭시 수지의 당량비가 0.8~ 1.2의 범위인 성형용 조성물을 성형한다. 얻어진 성형체(1)의 표면에, 습식 블라스트 처리와, 이 습식 블라스트 처리 후의 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리를 행한다.The present invention provides a method for producing a fuel cell separator that can provide high hydrophilicity to the surface, maintain the hydrophilicity for a long time, and maintain high power generation efficiency of the fuel cell. A molding composition containing a thermosetting resin containing an epoxy resin, a curing agent containing a phenolic compound, and graphite particles, and an equivalent ratio of the epoxy resin to the phenolic compound is in the range of 0.8 to 1.2. The surface of the obtained molded object 1 is subjected to a surface treatment including a wet blasting treatment and an atmospheric pressure plasma treatment of a remote method after the wet blasting treatment.
Description
본 발명은, 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 연료 전지 세퍼레이터, 개스킷(gasket)을 가지는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 연료 전지의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell separator, a fuel cell separator, a method for producing a fuel cell separator having a gasket, and a method for producing a fuel cell.
일반적으로 연료 전지는 복수개의 단위 셀(cell) 수십개~수백개를 직렬로 중첩하여 구성되는 셀 스택(cell stack)으로 이루어지고, 이에 의해 소정의 전압을 얻고 있다. In general, a fuel cell is composed of a cell stack configured by stacking several tens to hundreds of unit cells in series, thereby obtaining a predetermined voltage.
단위 셀의 가장 기본적인 구조는,「세퍼레이터(separator)/연료 전극(양극, anode)/전해질/산화제 전극(음극, cathode)/세퍼레이터」라는 구성을 가진다. 이 단위 셀에 있어서, 전해질을 사이에 두고 대향하는 한 쌍의 전극 중 연료 전극에 연료가 공급되고, 산화제 전극에 산화제가 공급된다. 전기 화학 반응에 의해 연료가 산화됨으로써, 반응의 화학에너지가 직접 전기화학에너지로 변환된다.The most basic structure of a unit cell has a structure called "separator / fuel electrode (anode) / electrolyte / oxidant electrode (cathode / separator)". In this unit cell, fuel is supplied to a fuel electrode among a pair of electrodes facing each other with an electrolyte therebetween, and an oxidant is supplied to the oxidant electrode. By oxidizing the fuel by the electrochemical reaction, the chemical energy of the reaction is directly converted into electrochemical energy.
이와 같은 연료 전지는, 전해질의 종류에 의해 몇 개의 타입에 분류된다. 최근, 고출력을 얻을 수 있는 연료 전지로서, 전해질에 고체 고분자 전해질 막을 사용한 고체 고분자형 연료 전지가 주목 받고 있다.Such fuel cells are classified into several types according to the type of electrolyte. In recent years, attention has been paid to solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte as a fuel cell capable of obtaining high output.
도 1은 고체 고분자형 연료 전지의 일례를 나타낸다. 좌우 양쪽 면에 복수개의 요철부(lib, 리브, 21)를 가지는 2개의 연료 전지 세퍼레이터(20, 20) 사이에, 전해질(4, 고체 고분자 전해질 막)과 가스 확산 전극(연료 전극(31) 및 산화제 전극(32))으로 구성되는 막-전극 복합체(MEA, 5)가 개재되는, 단위 전지(단위 셀)가 구성되어 있다. 이러한 단위 셀을 수십개~수백개 병설함으로써 전지 본체(셀 스택)가 구성된다. 상기 연료 전지 세퍼레이터(20)에 있어서, 인접하는 요철부(21)들 사이에는, 연료인 수소 가스(gas) 또는 산화제인 산소 가스의 유로인 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있다.1 shows an example of a polymer electrolyte fuel cell. Between two
이와 같은 셀 스택은, 예를 들어, 가정용 고정형의 경우에는 50~ 100개의 단위 셀로 구성되고, 자동차 적재용의 경우에는 400~ 500개의 단위 셀로 구성되며, 노트 PC 탑재용의 경우에는 10~ 20개의 단위 셀로 구성된다.Such a cell stack is composed of, for example, 50 to 100 unit cells in the case of stationary home use, 400 to 500 unit cells in the case of vehicle loading, and 10 to 20 units in the case of mounting a notebook PC. It consists of unit cells.
이러한 고체 고분자형 연료 전지는, 연료 전극에 수소 가스를, 산화제 전극에 산소 가스를 각각 공급함으로써, 외부 회로로부터 전류를 인출한다. 이때, 각 전극에 있어서 하기식에 나타낸 바와 같은 반응이 일어난다.Such a solid polymer fuel cell draws a current from an external circuit by supplying hydrogen gas to a fuel electrode and oxygen gas to an oxidant electrode, respectively. At this time, the reaction as shown in the following formula occurs in each electrode.
연료 전극 반응: H2→2H++2e-…(1)A fuel electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e - ... (One)
산화제 전극 반응: 2H++2e_+1/2O2→H2O…(2)The oxidant electrode reaction: 2H + + 2e _ + 1 /
전체 반응: H2+1/2O2→H2OTotal reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
즉, 연료 전극 상에서 수소(H2)는 프로톤(proton, H+)이 되고, 이 프로톤이 고체 고분자 전해질 막 내부로 이동하여 산화제 전극까지 도달하며, 산화제 전극 상에서 산소(O2)와 반응해 물(H2O)을 생성한다. 따라서, 고체 고분자형 연료 전지의 운전시에는, 가스의 공급과 배출 및 전류의 인출이 필요하다.That is, hydrogen (H 2 ) on the fuel electrode becomes a proton (H + ), the proton moves inside the solid polymer electrolyte membrane to reach the oxidant electrode, reacts with oxygen (O 2 ) on the oxidant electrode To produce (H 2 O). Therefore, in the operation of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to supply and discharge gas and draw current.
또한, 고체 고분자형 연료 전지는, 통상적으로, 실온 이상, 120℃ 이하인 범위의 습윤한 공기 하에서 운전하는 것으로 가정되어 있어, 물을 액체상태로 취급하는 경우가 많아지므로, 액체상태인 물의 연료 전극으로의 보급 관리와 산화제 전극으로부터 액체상태인 물을 배출할 필요가 있다.In addition, the polymer electrolyte fuel cell is typically assumed to operate under wet air in a range of room temperature or higher and 120 ° C or lower, and thus water is often treated in a liquid state. It is necessary to control the diffusion of and to discharge the liquid water from the oxidant electrode.
또, 고체 고분자형 연료 전지의 일종인 메탄올(methanol) 직접형 연료 전지(DMFC)에서는, 연료로서 수소 대신에 메탄올수용액이 사용된다. 이 경우, 각 전극에 있어서 하기식에 나타낸 바와 같은 반응이 일어난다. 산화제 전극 반응에서는 산소 환원 반응(수소를 연료로 하는 경우와 같은 반응)이 일어난다.Moreover, in methanol direct fuel cell (DMFC) which is a kind of solid polymer fuel cell, methanol aqueous solution is used instead of hydrogen as a fuel. In this case, the reaction as shown in the following formula occurs in each electrode. In the oxidant electrode reaction, an oxygen reduction reaction (the same reaction as when hydrogen is used as a fuel) occurs.
연료 전극 반응: CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-…(1')A fuel electrode reaction: CH 3 OH + H 2 O →
산화제 전극 반응: 3/2O2+6H++6e-→3H2O…(2')The oxidant electrode reaction: 3 / 2O 2 + 6H + + 6e - → 3H 2 O ... (2')
전체 반응: CH3OH+3/2O2→CO2+2H2O Total reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
메탄올 직접형 연료 전지(DMFC)와 통상의 고체 고분자형 연료 전지와의 전체 반응들을 비교하면, 메탄올 직접형 연료 전지에서는 6배의 물이 발생하므로, 산화제 전극으로부터 액체상태인 물을 배출하는 것이 더욱 중요해진다.Comparing the overall reactions of a methanol direct fuel cell (DMFC) with a conventional solid polymer fuel cell, the methanol direct fuel cell generates six times as much water, so it is better to discharge liquid water from the oxidant electrode. Becomes important.
연료 전지를 구성하는 부품 중, 연료 전지 세퍼레이터(20)는, 도 1a 및 1b에 나타낸 바와 같이, 얇은 판형체의 한면 또는 양면에 복수개의 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 특이한 형상을 가진다. 이 연료 전지 세퍼레이터(20)는, 연료 전지 내를 흐르는 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수가 혼합되지 않게 분리하는 기능을 가지는 동시에, 연료 전지로 발전한 전기 에너지를 외부로 전달하거나, 연료 전지에서 생긴 열을 외부로 방열하는 중요한 역할을 담당한다.Among the components constituting the fuel cell, the
이 고체 고분자형 연료 전지에 있어서, 고체 전해질의 건조를 방지하기 위해, 연료 가스, 산화제 가스에 자주 습기를 가해주어야 하며, 또한 상기 반응에 의해 산화제 전극 측에서 물이 생성되기도 한다. 이들 수분이 세퍼레이터(20)의 산화제 전극 측 및 연료 전극 측의 표면에 부착되면, 가스 공급 배출용 홈(2)이 폐색되어 산소 가스나 연료 가스의 유량이 저하되고, 발전 효율이 저하되는 플러딩(flooding) 문제가 생긴다. 그러므로, 세퍼레이터(20) 표면에 부착된 물을 효율적으로 배출하기 위한 논의가 활발히 이루어지고 있다.In this solid polymer fuel cell, in order to prevent drying of the solid electrolyte, moisture must be frequently applied to the fuel gas and the oxidant gas, and water may be generated on the oxidant electrode side by the reaction. When these moistures adhere to the surfaces of the oxidant electrode side and the fuel electrode side of the
예를 들어, 특허 문헌 1에서는, 진공 자외광 조사 장치로부터 세퍼레이터의 표면에 진공 자외광을 조사함으로써, 세퍼레이터 표면이 습윤성을 향상시키는 것이 제안되어 있지만, 생산성이 부족하고 실사용에 적합하지 않다는 문제가 있다.For example,
특허 문헌 2에서는 세퍼레이터 표면에 친수성 페놀(phenol) 수지나 친수성 에폭시(epoxy) 수지를 성막하는 것이 제안되어 있으며, 특허 문헌 3에서는 친수성 작용기를 가지는 실란(silane) 화합물을 성막하는 것이 제안되어 있다. 그러나, 특허 문헌 2의 경우에는 세퍼레이터의 전기 특성이 악화될 우려가 있고, 특허 문헌 3의 경우에는 실란 화합물을 성막하는 공정이 복잡하므로, 모두 실사용에 적합하지 않다.In
특허 문헌 4에서는 규소 화합물을 함유하는 성형 재료로부터 세퍼레이터를 형성하는 것이 제안되어있으나, 성형성이 저하되는 문제점이 있다.In
특허 문헌 5에서는, 세퍼레이터를 먼저 가열로 내에서 가열하는 전처리를 거친 후, 버너의 화염으로 프레임 처리를 함으로써, 세퍼레이터의 친수성 향상을 도모하고 있지만, 친수성을 장시간 지속시킬 수는 없다.In
특허 문헌 6에서는, 규소 화합물 등을 포함하는 기체를 연소시키면서 세퍼레이터 표면에 분사하는 것이 제안되어 있다. 이 방법은, 처리 효율이 높고, 또한 처리 후의 세퍼레이터 표면이 높은 친수성을 가지게 된다. 그러나, 이 방법에서도, 세퍼레이터 표면의 친수성이 시간이 지남에 따라 악화되어 버려, 친수성을 장기간 지속시킬 수 없다.In
특허 문헌 7에서는, 친수성 가스에 의한 친수성 부여가 제안되어 있지만, 실용적인 레벨에 이르렀다고는 할 수 없다. 또한, 특허 문헌 7에는 친수성 가스로서 불소 가스를 사용하는 것이 기재되어 있으나, 세퍼레이터 표면의 친수성을 충분히 향상시키는 동시에 그 친수성을 장기간 유지하기 위한 방법은 아직 발견되고 있지 않다.In
특허 문헌 8에서는, 연료 전지 세퍼레이터를 상압방전 플라즈마 처리하는 것이 제안되어 있지만, 처리 후 표면의 내구성이 부족하고, 친수성 및 배수성이 시간이 지남에 따라 현저하게 저하되는 문제가 있다.Although
또한, 특허 문헌 9에서는, 세퍼레이터 표면을 조면화 처리 및 대기압 플라즈마 처리함으로써, 친수성 및 습윤성의 시간 경과에 따른 저하를 방지하기 위한 것이 제안되어 있다. 그러나, 본래 필요한 가스 공급 배출용 홈 내부의 친수성이 충분하지 않은 등, 실용화 할 수 없는 레벨인 실정이다.In addition,
이와 같이, 세퍼레이터 표면의 친수성을 충분히 향상시키는 동시에 그 친수성을 장기간 유지하기에 효과적인 수단이 아직 발견되고 있지 않다.As such, no effective means has yet been found to sufficiently improve the hydrophilicity of the separator surface and to maintain the hydrophilicity for a long time.
특허 문헌 1: 일본 특허 출원 공개 공보 제2003-142116호Patent Document 1: Japanese Patent Application Publication No. 2003-142116
특허 문헌 2: 일본 특허 출원 공개 공보 제2000-251903호Patent Document 2: Japanese Patent Application Laid-open No. 2000-251903
특허 문헌 3: 일본 특허 출원 공개 공보 제2007-299754호Patent Document 3: Japanese Patent Application Publication No. 2007-299754
특허 문헌 4: 일본 특허 출원 공개 공보 제2008-186642호Patent Document 4: Japanese Patent Application Publication No. 2008-186642
특허 문헌 5: 일본 특허 출원 공개 공보 제2002-313356호Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-313356
특허 문헌 6: 일본 특허 출원 공개 공보 제2006-185729호Patent Document 6: Japanese Patent Application Publication No. 2006-185729
특허 문헌 7: 국제 공개 제WO99/40642호Patent Document 7: International Publication No. WO99 / 40642
특허 문헌 8: 일본 특허 출원 공개 공보 제2002-25570호Patent Document 8: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-25570
특허 문헌 9: 일본 특허 출원 공개 공보 제2006-331673호Patent Document 9: Japanese Patent Application Publication No. 2006-331673
본 발명은 상기의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 연료 전지 세퍼레이터의 표면에 높은 친수성을 부여하는 동시에 이 친수성을 장기간 유지할 수 있고, 가스 공급 배출용 홈이 물방울에 의해 폐색(閉塞)되는 것을 막아 연료 전지의 높은 발전 효율을 유지할 수 있는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 연료 전지 세퍼레이터, 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 연료 전지의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to provide high hydrophilicity to the surface of a fuel cell separator and to maintain the hydrophilicity for a long time, and to prevent the gas supply and discharge groove from being blocked by water droplets, thereby preventing the fuel cell from being blocked. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a fuel cell separator capable of maintaining high power generation efficiency, a method for manufacturing a fuel cell separator, a method for manufacturing a fuel cell separator having a gasket, and a method for manufacturing a fuel cell.
본 발명자들은, 열심히 연구의 결과, 연료 전지 세퍼레이터의 친수성을 향상시키는 데에 있어, 연료 전지 세퍼레이터의 친수성을 장기간 유지하기 위한 방법을 발견하고, 본 발명을 완성하기에 이르렀다.MEANS TO SOLVE THE PROBLEM As a result of earnest research, in order to improve the hydrophilicity of a fuel cell separator, the present inventors discovered the method for maintaining the hydrophilicity of a fuel cell separator for a long time, and came to complete this invention.
본 발명에 관한 제1 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 에폭시 수지를 포함하는 열경화성 수지, 페놀계 화합물을 포함하는 경화제, 및 흑연 입자를 함유하고, 상기 페놀계 화합물에 대한 상기 에폭시 수지의 당량비가 0.8~ 1.2의 범위인 성형용 조성물을 성형한다. 얻어진 성형체의 표면에, 습식 블라스트(wet blast) 처리와, 이러한 습식 블라스트 처리 후 리모트(remote) 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리를 행한다.In the manufacturing method of the 1st fuel cell separator which concerns on this invention, the thermosetting resin containing an epoxy resin, the hardening | curing agent containing a phenolic compound, and graphite particle are contained, The equivalence ratio of the said epoxy resin with respect to the said phenolic compound is 0.8. Molding composition for molding in the range of ~ 1.2. The surface of the obtained molded object is subjected to a surface treatment including a wet blast treatment and a remote atmospheric plasma treatment after the wet blast treatment.
그러므로, 성형용 조성물 내에서 에폭시 수지와 페놀계 화합물을 배합하는 동시에 그 배합비를 조정하는 매우 간단한 방법에 따라 표면 처리 전의 성형체 표면에 수산기를 분포시킬 수 있다. 이러한 성형체 표면에 표면 처리를 행함으로써, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수성이 향상되는 동시에 이러한 높은 친수성이 장기간 유지된다.Therefore, hydroxyl groups can be distributed on the surface of the molded body before the surface treatment by a very simple method of mixing the epoxy resin and the phenolic compound in the molding composition and adjusting the compounding ratio. By performing surface treatment on such a molded object surface, the hydrophilicity of the fuel cell separator surface is improved and such high hydrophilicity is maintained for a long time.
상기 에폭시 수지가 크레졸 노볼락형 에폭시 수지이며, 상기 페놀계 화합물은 노볼락형 페놀 수지인 것이 바람직하다.It is preferable that the said epoxy resin is cresol novolak-type epoxy resin, and the said phenol type compound is a novolak-type phenol resin.
본 발명에 관한 제2 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 열경화성 페놀 수지를 포함하는 열경화성 수지, 및 흑연 입자를 함유하는 성형용 조성물을 성형한다. 얻어진 성형체의 표면에, 습식 블라스트 처리와, 이러한 습식 블라스트 처리 후 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리를 행한다.In the manufacturing method of the 2nd fuel cell separator which concerns on this invention, the molding composition containing the thermosetting resin containing a thermosetting phenol resin, and graphite particle is shape | molded. The surface of the obtained molded object is subjected to a surface treatment including a wet blasting treatment and a remote atmospheric plasma treatment after such a wet blasting treatment.
그러므로, 성형용 조성물 내에서 열경화성 페놀 수지를 배합하는 매우 간단한 방법에 따라 표면 처리 전의 성형체 표면에 수산기를 분포시킬 수 있다. 이러한 성형체 1의 표면에 표면 처리를 행함으로써, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수성이 향상되는 동시에 이러한 높은 친수성이 장기간 유지된다.Therefore, hydroxyl groups can be distributed on the surface of the molded body before the surface treatment by a very simple method of incorporating a thermosetting phenol resin in the molding composition. By performing the surface treatment on the surface of the molded
본 발명에 있어서, 습식 블라스트 처리에 의한 성형체 표면의 산술 평균 높이 Ra(JISB0601: 2001)를 0.4~ 1.6μm 범위로 하는 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable to make arithmetic mean height Ra (JISB0601: 2001) of the surface of a molded object by a wet blasting process into 0.4-1.6 micrometers.
이 경우, 성형체에 대한 상기 표면 처리의 처리 효율이 높아지고, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수성도 더욱 향상되는 동시에 또한, 이러한 높은 친수성을 장기간 유지할 수 있게 된다.In this case, the treatment efficiency of the surface treatment for the molded body is increased, the hydrophilicity of the surface of the fuel cell separator is further improved, and the high hydrophilicity can be maintained for a long time.
이 성형체의 표면의 산술 평균 높이 Ra는 또한, 1.2μm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리에 의해 연료 전지 세퍼레이터의 친수성이 더욱, 향상되는 동시에 또한, 이러한 높은 친수성을 장기간 유지할 수 있고, 연료 전지 세퍼레이터(20) 표면의 실링성(sealing)도 향상시킬 수 있다. 또한, 이 산술 평균 높이 Ra가 1.0μm 미만이면 연료 전지 세퍼레이터 표면의 실링성이 더욱 향상된다. 또한, 성형체의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 특히 0.6μm 이상이면, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리에 의해 연료 전지 세퍼레이터의 친수성도 더욱 향상된다.It is preferable that the arithmetic mean height Ra of the surface of this molded object is further 1.2 micrometers or less. In this case, the hydrophilicity of the fuel cell separator can be further improved by the remote atmospheric plasma treatment, and the high hydrophilicity can be maintained for a long time, and the sealing of the surface of the
본 발명에 있어서, 상기 대기압 플라즈마 처리에서의 플라즈마 생성용 가스는, 산소 가스 함유량 2000ppm 이하의 질소 가스인 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable that the plasma generation gas in the said atmospheric pressure plasma process is nitrogen gas whose oxygen gas content is 2000 ppm or less.
이 경우, 상기 대기압 플라즈마 처리에 의해 연료 전지 세퍼레이터에 특히 높은 친수성이 부여된다.In this case, particularly high hydrophilicity is imparted to the fuel cell separator by the atmospheric pressure plasma treatment.
본 발명에 있어서, 상기 성형용 조성물은 내부 이형제를 함유하는 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable that the said composition for shaping | molding contains an internal mold release agent.
이 경우, 성형용 조성물의 성형시 균일한 이형성을 발휘하게 하는 동시에 성형시 외부 이형제가 불필요하게 되므로 성형체의 생산성을 향상시킬 수 있다. 또한, 성형체의 표면에 편재되어 잔존하는 외부 이형제를 제거할 수 있어, 이 외부 이형제가 성형체 표면의 친수성에 악영향을 미치는 것이 방지된다.In this case, the uniform release property is exhibited during molding of the molding composition, and the external mold release agent is unnecessary at the time of molding, thereby improving the productivity of the molded body. In addition, the external release agent remaining unevenly distributed on the surface of the molded body can be removed, and this external release agent is prevented from adversely affecting the hydrophilicity of the surface of the molded body.
본 발명에 있어서, 측정 개시 온도 30℃, 온도상승 속도 10℃/분, 유지 온도 120℃, 유지 온도에서의 유지 시간 30분의 조건으로 가열되는 경우, 상기 성형용 조성물의 중량 감소가 5% 이하이며, 한편 2위에 탄화수소기를 가지는 치환 이미다졸을 함유하는 것이 바람직하다.In the present invention, when heated under the conditions of a measurement start temperature of 30 ° C., a temperature rise rate of 10 ° C./min, a holding temperature of 120 ° C., and a holding time of 30 minutes at a holding temperature, the weight loss of the molding composition is 5% or less. On the other hand, it is preferable to contain the substituted imidazole which has a hydrocarbon group in 2nd position.
본 발명에 있어서, 상기 성형용 조성물이, 트리페닐 포스핀을 함유하는 것도 바람직하다.In this invention, it is also preferable that the said composition for shaping | molding contains triphenyl phosphine.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리가 건조 처리를 포함하는 것이 바람직하다. 이 건조 처리에서는, 상기 습식 블라스트 처리 후, 대기압 플라즈마 처리 전에, 상기 성형체를 흡습율 0.1% 이하까지 건조한다.In the present invention, the surface treatment preferably includes a drying treatment. In this drying process, after the said wet blasting process and before atmospheric pressure plasma processing, the said molded object is dried to moisture absorption 0.1% or less.
이 경우, 물분자에 의해 성형체의 대기압 플라즈마 처리가 저해되는 것을 억제하고, 대기압 플라즈마 처리의 효율을 향상시킬 수 있다.In this case, it is possible to suppress that the atmospheric pressure plasma treatment of the molded body is inhibited by the water molecules and to improve the efficiency of the atmospheric pressure plasma treatment.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리는, 상기 대기압 플라즈마 처리 후에 상기 성형체의 표면을 물과 접촉시키는 물 접촉 처리를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 물은, 특히 이온 교환수 또는 탈염수(純水)인 것이 바람직하다.In the present invention, the surface treatment preferably includes a water contact treatment for bringing the surface of the molded body into contact with water after the atmospheric pressure plasma treatment. It is preferable that especially the said water is ion-exchange water or demineralized water.
이 경우, 성형체 표면의 친수성을 더욱, 향상시킬 수 있다.In this case, the hydrophilicity of the surface of the molded body can be further improved.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리 전의 성형체의, 표면 처리가 행해지는 면에, 폭(A)과 깊이(B)의 비(A/B)가 1 이상인 가스 공급 배출용 홈을 형성하는 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable to form the groove | channel for gas supply discharge | emission which the ratio (A / B) of width | variety A and depth B is 1 or more in the surface in which the molded object before the said surface treatment is performed. .
이 경우, 성형체의 표면에 가스 유로가 되는 가스 공급 배출용 홈을 형성하면서, 이 성형체에 대한 상기 표면 처리의 처리 효율을 높게 유지할 수 있고, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수성이 더욱 향상되는 동시에 이러한 높은 친수성을 장기간 유지할 수 있게 된다.In this case, while forming the gas supply-discharge groove | channel which becomes a gas flow path on the surface of a molded object, the processing efficiency of the said surface treatment with respect to this molded object can be maintained high, and the hydrophilicity of the fuel cell separator surface is further improved and such high hydrophilicity is carried out. Can be maintained for a long time.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리에 의해, 상기 성형체 표면의 접촉 저항을 15mΩcm2 이하로 하는 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable to make the contact resistance of the surface of the said molded object into 15 m (ohm) cm <2> or less by the said surface treatment.
이 경우, 연료 전지 세퍼레이터의 친수성을 향상시키는 동시에, 이러한 연료 전지 세퍼레이터에 의해 연료 전지에서 발전된 전기 에너지를 외부로 전달하는 기능을 높은 레벨로 유지할 수 있다.In this case, the hydrophilicity of the fuel cell separator can be improved, and the function of transferring the electrical energy generated in the fuel cell to the outside by the fuel cell separator can be maintained at a high level.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리에 의해, 상기 성형체의 표면의 수분과의 정적 접촉각을 0~50° 범위로 하는 것이 바람직하다.In this invention, it is preferable to make the static contact angle with the moisture of the surface of the said molded object into the 0-50 degree range by the said surface treatment.
이 경우, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수성을 더욱 향상시킬 수 있다.In this case, the hydrophilicity of the fuel cell separator surface can be further improved.
본 발명에 있어서, 상기 표면 처리는, 액체에 초음파 진동을 인가하는 동시에 이 액체를 상기 성형체를 향하여 토출하는 세정 처리를 포함할 수도 있다.In the present invention, the surface treatment may include a cleaning treatment for discharging the liquid toward the molded body while applying ultrasonic vibration to the liquid.
상기 세정 처리에 있어서, 상기 액체에 인가하는 초음파 진동의 주파수는 900kHz 일 수 있다.In the cleaning process, the frequency of the ultrasonic vibration applied to the liquid may be 900kHz.
상기 세정 처리에 있어서, 상기 액체는 알칼리 이온수일 수 있다.In the cleaning treatment, the liquid may be alkaline ionized water.
본 발명에 관한 연료 전지 세퍼레이터는, 상기 방법에 의해 제조된 것을 특징으로 한다.A fuel cell separator according to the present invention is produced by the above method.
본 발명에 관한 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 상기 방법에 의해 제조된 연료 전지 세퍼레이터에 개스킷을 적층한 후, 이 연료 전지 세퍼레이터의 표면에 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 수행한다.In the manufacturing method of the fuel cell separator with a gasket which concerns on this invention, after a gasket is laminated | stacked on the fuel cell separator manufactured by the said method, a atmospheric atmospheric plasma process of a remote system is performed to the surface of this fuel cell separator.
본 발명에 관한 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법에서는, 상기 방법에 의해 제조된 연료 전지 세퍼레이터에 개스킷을 적층한 후, 이 연료 전지 세퍼레이터의 표면에, 액체에 초음파 진동을 인가하는 동시에 이 액체를 상기 연료 전지 세퍼레이터를 향하여 토출하는 세정 처리를 가할 수 있다.In the manufacturing method of the fuel cell separator which has a gasket which concerns on this invention, after laminating | stacking a gasket on the fuel cell separator manufactured by the said method, an ultrasonic vibration is applied to the liquid on the surface of this fuel cell separator, and this liquid is The cleaning process which discharges toward the said fuel cell separator can be applied.
또한, 본 발명에 관한 연료 전지의 제조 방법에서는, 상기 방법에 의해 제조된 연료 전지 세퍼레이터에 개스킷을 적층하고, 이 연료 전지 세퍼레이터의 표면에 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 가한 후, 이러한 연료 전지 세퍼레이터를 막-전극 복합체와 적층한다.In the fuel cell manufacturing method according to the present invention, a gasket is laminated on the fuel cell separator manufactured by the above method, and after the remote atmospheric plasma treatment is applied to the surface of the fuel cell separator, the fuel cell separator is removed. It is laminated with the membrane-electrode composite.
그러므로, 개스킷에 기인하는 휘발성 물질이나 소수성 물질을 대기압 플라즈마 처리에 의해 세퍼레이터의 표면에서 제거할 수 있어 세퍼레이터의 친수성을 더욱, 향상시킬 수 있고, 이로써, 연료 전지의 장기 내구성을 또한, 향상시킬 수 있다.Therefore, volatile substances and hydrophobic substances caused by the gasket can be removed from the surface of the separator by atmospheric pressure plasma treatment, and the hydrophilicity of the separator can be further improved, thereby further improving the long-term durability of the fuel cell. .
본 발명에 의하면, 연료 전지 세퍼레이터 표면의 친수화 처리를 간편한 방법에 의해 높은 효율로 실시할 수 있는 동시에 이 연료 전지 세퍼레이터 친수성을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있다. 그러므로, 연료 전지 세퍼레이터의 가스 공급 배출용 홈이 물방울에 의해 폐색되는 것을 막아 이러한 연료 전지 세퍼레이터를 내장한 연료 전지의 발전 효율을 장기간에 걸쳐 높게 유지할 수 있다.According to the present invention, the hydrophilization treatment of the surface of the fuel cell separator can be performed at a high efficiency by a simple method, and the fuel cell separator hydrophilicity can be maintained for a long time. Therefore, it is possible to prevent the gas supply discharge groove of the fuel cell separator from being blocked by water droplets, so that the power generation efficiency of the fuel cell incorporating such a fuel cell separator can be maintained for a long time.
도 1a는 연료 전지의 단위 셀을, 도 1b는 상기 단위 셀에서의 연료 전지 세퍼레이터를 각각 나타내는 개략적인 사시도이다.
도 2는 개스킷을 사용하여 구성되는 연료 전지의 단위 셀의 일례를 나타낸 분해 사시도이다.
도 3은 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터의 일례를 나타낸 사시도이다
도 4는 연료 전지의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 5는 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 6은 다이렉트 방식의 대기압 플라즈마 처리 장치의 일례를 나타낸 개략도이다FIG. 1A is a schematic perspective view of a unit cell of a fuel cell, and FIG. 1B is a fuel cell separator of the unit cell.
2 is an exploded perspective view showing an example of a unit cell of a fuel cell constructed using a gasket.
3 is a perspective view showing an example of a fuel cell separator having a gasket;
4 is a perspective view showing an example of a fuel cell.
5 is a schematic view showing an example of a remote atmospheric plasma processing apparatus.
6 is a schematic view showing an example of a direct atmospheric atmospheric plasma processing apparatus.
연료 전지 세퍼레이터(20, 이하, 세퍼레이터(20)라 함)를 제조하기 위한 성형용 조성물은, 열경화성 수지 및 흑연 입자를, 필수 성분으로 함유한다.The molding composition for producing the fuel cell separator 20 (hereinafter, referred to as the separator 20) contains a thermosetting resin and graphite particles as essential components.
성형용 조성물은, 제1 아민 및 제2 아민을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 이 성형용 조성물에는, 치환기-NH 및-NH2를 가지는 화합물이 함유되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 더욱이 성형용 조성물에는 제3 아민을 함유시키지 않는 것이 바람직하다. 그러므로, 이러한 성형용 조성물로부터 형성되는 세퍼레이터(20)는, 연료 전지 내의 백금 촉매를 오염시키지 않으므로, 연료 전지를 장시간 사용하였을 때의 기전력 저하를 억제할 수 있다.It is preferable that the composition for shaping | molding does not contain a 1st amine and a 2nd amine. That is, the composition for the molding, it is preferred that the compound having a substituent -NH and -NH 2 is not contained. Moreover, it is preferable not to contain a tertiary amine in the molding composition. Therefore, the
상기 열경화성 수지는 에폭시 수지와 열경화성 페놀 수지 중 적어도 하나를 필수 성분으로 한다. 에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지는 양호한 용융 점도를 가지는 동시에 불순물이 적으며, 특히 이온성 불순물이 적은 점에서 우수하다.The thermosetting resin includes at least one of an epoxy resin and a thermosetting phenol resin as essential components. Epoxy resins and thermosetting phenolic resins are excellent in that they have a good melt viscosity and few impurities, and in particular, few ionic impurities.
열경화성 수지 전량에 대한 에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지의 함유량은 50~100 질량% 범위에 있는 것이 바람직하다. 열경화성 수지가 에폭시 수지만 포함하거나, 열경화성 페놀 수지만 포함하거나, 또는 에폭시 수지와 열경화성 페놀 수지만 포함하는 것이 특히 바람직하다.It is preferable that content of the epoxy resin and the thermosetting phenol resin with respect to the thermosetting resin whole quantity exists in 50-100 mass% range. It is particularly preferable that the thermosetting resin contains only an epoxy resin, only a thermosetting phenol resin or only an epoxy resin and a thermosetting phenol resin.
에폭시 수지는 고형 형태인 것이 바람직하고, 특히 그 융점이 70~ 90℃의 범위인 것이 바람직하다. 이로써, 재료의 변화가 적고 성형시의 취급성이 향상된다. 이 융점이 70℃ 미만이면, 성형용 조성물 내에서 응집이 생기기 쉬워, 성형용 조성물의 취급성이 악화될 우려가 있다. 또한, 에폭시 수지로서 용융 점도가 낮은 저점도의 수지를 선택하면, 성형성용 조성물이 양호한 성형성을 유지하면서, 성형용 조성물 및 세퍼레이터(20) 내에 흑연 입자를 높게 충진할 수 있다. 그리고, 상기 작용이 발휘되는 범위 내에서 에폭시 수지의 일부가 액체 상태 일 수 있다.It is preferable that an epoxy resin is solid form, and it is especially preferable that melting | fusing point is the range of 70-90 degreeC. Thereby, there is little change of material, and the handleability at the time of shaping | molding improves. If this melting | fusing point is less than 70 degreeC, aggregation will arise easily in the composition for shaping | molding, and there exists a possibility that the handleability of the composition for shaping | molding may deteriorate. In addition, if a low viscosity resin having a low melt viscosity is selected as the epoxy resin, the graphite composition can be filled in the molding composition and the
에폭시 수지로는, 오쏘 크레졸 노볼락(ortho kresol novolac)형 에폭시 수지, 비스페놀(bisphenol)형 에폭시 수지, 비페닐(biphenyl)형 에폭시 수지, 비페닐렌(biphenylene) 구조를 가지는 페놀 아랄킬(phenol aralkyl)형 에폭시 수지 등이 바람직하다. 이들 수지는 양호한 용융 점도를 가지는 동시에 불순물이 적고, 특히 이온성 불순물이 적은 점에서 우수하다.Examples of the epoxy resin include ortho kresol novolac epoxy resins, bisphenol epoxy resins, biphenyl epoxy resins, and phenol aralkyl having a biphenylene structure. ) Epoxy resins are preferred. These resins are excellent in that they have a good melt viscosity and few impurities, in particular few ionic impurities.
특히, 에폭시 수지는 오쏘 크레졸 노볼락형 에폭시 수지 만으로 이루어지는 에폭시 수지 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 또는 에폭시 수지가, 오쏘 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 비스페놀형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 및 비페닐렌 구조를 가지는 페놀 아랄킬 형 에폭시 수지로부터 선택되는 적어도 일종으로 이루어지는 에폭시 수지 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 오쏘 크레졸 노볼락형 에폭시 수지를 필수 성분으로 하게 되면, 성형용 조성물의 성형성이 우수하게 되는 것과 동시에, 세퍼레이터(20)의 내열성도 우수하게 된다. 또한, 제조 비용의 저감도 가능하게 된다. 에폭시 수지 성분 내의 오쏘 크레졸 노볼락형 에폭시 수지의 비율은, 상기 성형성 향상, 세퍼레이터(20)의 내열성 향상, 제조 비용의 저감의 관점에서, 50~100 질량% 범위인 것이 바람직하고, 특히 50~70 질량% 범위인 것이 바람직하다.In particular, it is preferable that an epoxy resin contains the epoxy resin component which consists only of an ortho cresol novolak-type epoxy resin. Or an epoxy resin comprising at least one epoxy resin component selected from an ortho cresol novolak type epoxy resin, a bisphenol type epoxy resin, a biphenyl type epoxy resin, and a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene structure. It is preferable. When an ortho cresol novolak-type epoxy resin is made into an essential component, it becomes excellent in the moldability of the composition for shaping | molding, and also the heat resistance of the
용융 점도를 한층 더 저감시키거나, 박형 세퍼레이터(20)의 인성(靭性) 향상을 위하여, 오쏘 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 함께, 비스페놀형 에폭시 수지나 비페닐형 에폭시 수지나 비페닐렌 구조를 가지는 페놀 아랄킬 형 에폭시 수지를 병용하는 것도 바람직하다.In order to further reduce the melt viscosity or to improve the toughness of the
특히 비스페놀 F형 에폭시 수지를 사용하면, 성형용 조성물의 점도를 저감하고, 성형성이 특히 높은 성형용 조성물을 얻을 수 있다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 내에서 비스페놀 F형 에폭시 수지의 함유량은 30~50 질량% 범위인 것이 바람직하다.When bisphenol F-type epoxy resin is used especially, the viscosity of the composition for shaping | molding can be reduced, and the composition for shaping | molding with especially moldability can be obtained. It is preferable that content of bisphenol F-type epoxy resin is 30-50 mass% in the epoxy resin component in this case.
또한, 비페닐형 에폭시 수지를 사용하면, 이러한 비페닐형 에폭시 수지는 용융 점도가 낮기 때문에, 성형용 조성물의 유동성이 현저하게 향상되고, 특히 박형 성형성이 향상된다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 내에서 비페닐형 에폭시 수지의 함유량은 30~50 질량% 범위인 것이 바람직하다.Moreover, when a biphenyl type epoxy resin is used, since such a biphenyl type epoxy resin has low melt viscosity, the fluidity | liquidity of the composition for shaping | molding will improve remarkably, especially thin moldability will improve. It is preferable that content of a biphenyl type epoxy resin is 30-50 mass% in the epoxy resin component in this case.
또한, 비페닐렌 구조를 가지는 페놀 아랄킬 형 에폭시 수지를 사용하면, 세퍼레이터(20)의 강도 및 인성을 향상시킬 수 있고, 또한 세퍼레이터(20)의 흡습성을 저감할 수 있다. 그러므로, 세퍼레이터(20)의 기계적 특성, 도전성, 장기 사용할 경우 특성의 안정성이 우수하게 된다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 내에서 비페닐렌 구조를 가지는 페놀 아랄킬 형 에폭시 수지의 비율은, 30~50 질량% 범위인 것이 바람직하다.Moreover, when the phenol aralkyl type epoxy resin which has a biphenylene structure is used, the intensity | strength and toughness of the
또한, 성형용 조성물 내에서 열경화성 수지 전량에 대한 에폭시 수지 성분의 함유량은 50~100 질량% 범위에 있는 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that content of the epoxy resin component with respect to the thermosetting resin whole quantity exists in 50-100 mass% range in the composition for shaping | molding.
상기 에폭시 수지 성분은 열경화성 수지 내에서의 에폭시 수지 중 적어도 일부로서 성형용 조성물 중에 함유된다. 즉, 이 에폭시 수지 성분 이외에 다른 열경화성 수지로서 예를 들면, 상기 에폭시 수지 성분 이외의 에폭시 수지, 열경화성 페놀 수지, 비닐 에스테르(vibyl ester) 수지, 폴리이미드 수지, 불포화 폴리에스테르(polyester) 수지, 디알릴 프탈레이트(diallyl phthalate) 수지 등으로부터 선택되는 일종 또는 복수 종류의 수지를 이용할 수도 있다. 단, 에스테르 결합을 포함하는 수지는 내산성(耐酸性) 환경 하에서 가수분해될 염려가 있으므로, 사용하지 않는 것이 바람직하다. 또, 열경화성 수지로서 세퍼레이터(20)의 내열성이나 내산성 향상에 기여하는 점에서, 폴리이미드 수지를 사용하는 것도 적합하였다. 이와 같은 폴리이미드 수지로서는, 특히 비스말레이미드(bismaleimide) 수지 등을 사용하는 것이 바람직하며, 이러한 비스말레이미드 수지로서는 예를 들어, 4,4-디아미노 디페닐 비스말레이미드(diamino diphenyl bismaleimide)를 들 수 있다. 이것을 병용함으로써 세퍼레이터(20)의 내열성을 보다 향상시킬 수 있다.The said epoxy resin component is contained in a composition for shaping | molding as at least one part of the epoxy resin in a thermosetting resin. That is, as other thermosetting resins other than the epoxy resin component, for example, epoxy resins other than the epoxy resin component, thermosetting phenol resins, vinyl ester resins, polyimide resins, unsaturated polyester resins, and diallyl It is also possible to use one or a plurality of resins selected from phthalate resins and the like. However, since the resin containing an ester bond may be hydrolyzed in an acid resistant environment, it is preferable not to use it. Moreover, it was also suitable to use polyimide resin from the point which contributes to the heat resistance and acid resistance improvement of the
열경화성 페놀 수지를 사용하는 경우에는, 특히 개환중합에 의해 중합 반응이 진행되는 페놀 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 페놀 수지로서는, 예를 들어, 벤조옥사딘(benzooxadine) 수지 등을 들 수 있다. 이 경우에는, 성형 공정에서 탈수에 의한 가스가 발생하지 않기 때문에 성형품 내에서 공동(void)이 발생하지 않고, 가스 투과성의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 레졸(resol)형 페놀 수지를 사용하는 것도 바람직하며, 예를 들어, 13C-NMR 분석에서, 오쏘-오쏘(ortho-ortho) 25~ 35%, 오쏘-파라(ortho-para) 60~ 70%, 파라-파라(para-para) 5~ 10%의 구조를 가지는 레졸형 페놀 수지를 사용하는 것이 바람직하다. 레졸 수지는 통상 액체 상태이지만, 레졸형 페놀 수지의 연화점(軟化点)은 용이하게 조정할 수 있으므로, 융점이 70~ 90℃인 레졸형 페놀 수지를 용이하게 얻을 수 있다. 이로써, 재료의 변화가 적게 되어, 성형시에 성형용 조성물의 취급성이 향상된다. 이 융점이 70℃ 미만이면, 성형용 조성물 내에서 응집이 생기기 쉬워, 취급성이 악화될 우려가 있다.When using a thermosetting phenol resin, it is especially preferable to use the phenol resin to which a polymerization reaction advances by ring-opening polymerization. As such a phenol resin, a benzooxadine resin etc. are mentioned, for example. In this case, since no gas due to dehydration is generated in the molding step, voids are not generated in the molded article, and a decrease in gas permeability can be suppressed. It is also preferable to use a resol type phenol resin, for example, in 13 C-NMR analysis, ortho-ortho 25 to 35%, ortho-para 60 to 70 It is preferable to use a resol type phenolic resin having a structure of 5% to 10% by para-para. Although the resol resin is usually in a liquid state, the softening point of the resol-type phenol resin can be easily adjusted, so that the resol type phenol resin having a melting point of 70 to 90 ° C can be easily obtained. Thereby, the change of a material becomes small and the handleability of the composition for shaping | molding at the time of shaping | molding improves. If this melting | fusing point is less than 70 degreeC, aggregation will generate | occur | produce easily in the composition for shaping | molding, and there exists a possibility that handleability may deteriorate.
에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지 이외의 다른 수지를 병용할 수도 있다. 예를 들어, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르수지, 디알릴 프탈레이트(diallyl phthalate) 수지 등으로부터 선택되는 일종 또는 복수 종류의 수지를 사용할 수 있다. 단, 에스테르 결합을 포함하는 수지는 내산성 환경 하에서 가수분해될 염려가 있으므로, 사용하지 않는 것이 바람직하다. You may use together resin other than an epoxy resin and a thermosetting phenol resin. For example, one kind or plural kinds of resins selected from polyimide resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins and the like can be used. However, since the resin containing an ester bond may be hydrolyzed in an acid resistant environment, it is preferable not to use it.
열경화성 수지로서 폴리이미드 수지를 사용하는 것도, 세퍼레이터(20)의 내열성이나 내산성을 향상시키는데 있어 적합하다. 이와 같은 폴리이미드 수지로서는, 특히 비스말레이미드 수지 등을 사용하는 것이 바람직하며, 그 구체적인 예로서 예를 들어, 4,4-디아미노 디페닐 비스말레이미드를 들 수 있다. 이와 같이 다른 수지를 병용함으로써 세퍼레이터(20)의 내열성을 보다 향상시킬 수 있다.Using a polyimide resin as the thermosetting resin is also suitable for improving the heat resistance and acid resistance of the
에폭시 수지를 사용하는 경우, 성형용 조성물은 경화제를 필수 성분으로 하며, 이 경화제는 페놀계 화합물을 필수 성분으로 한다. 이러한 페놀계 화합물로서는, 노볼락형 페놀 수지, 크레졸 노볼락형 페놀 수지, 다기능 페놀(Multi-functional phenol) 수지, 아랄킬 변성 페놀 수지 등을 들 수 있다.When using an epoxy resin, the composition for shaping | molding makes a hardening | curing agent an essential component, and this hardening | curing agent makes a phenol type compound an essential component. As such a phenol type compound, a novolak-type phenol resin, a cresol novolak-type phenol resin, a multifunctional phenol resin, an aralkyl modified phenol resin, etc. are mentioned.
경화제 전량에 대한 페놀계 화합물의 함유량은, 에폭시 수지의 사용량에 따라 결정된다. 경화제가 페놀계 화합물만으로 이루어지는 것이 특히 바람직하다.Content of a phenol type compound with respect to hardening | curing agent whole quantity is determined according to the usage-amount of an epoxy resin. It is especially preferable that a hardening | curing agent consists only of a phenolic compound.
또한, 성형용 조성물의 고형분 내에서 열경화성 수지와 경화제의 함유량은, 그 합계량이 14~ 24.1 질량% 범위인 것이 바람직하다.Moreover, it is preferable that the total amount of content of a thermosetting resin and a hardening | curing agent in solid content of the composition for shaping | molding is the range of 14-24.1 mass%.
페놀계 화합물 이외의 다른 경화제를 병용하는 경우, 다른 경화제는 비아민계 화합물인 것이 바람직하다. 이 경우, 세퍼레이터(20)의 전기 전도도를 높은 상태로 유지할 수 있는 동시에, 연료 전지의 촉매가 오염되는 것을 방지할 수 있다. 경화제로서 산무수물계(酸無水物系) 화합물을 이용하지 않는 것도 바람직하다. 산무수물계 화합물을 사용하는 경우에는 황산 등의 산성 환경 하에서 가수분해하여, 세퍼레이터(20)의 전기 전도도를 저하시키거나 세퍼레이터(20)로부터의 불순물용출을 증가시킬 우려가 있다.When using other hardening agents other than a phenol type compound together, it is preferable that another hardening agent is a non-amine type compound. In this case, the electrical conductivity of the
열경화성 수지로 에폭시 수지를 사용하는 경우, 열경화성 수지와 경화제를 배합할 때, 열경화성 수지에서의 에폭시 수지와 경화제에서의 페놀계 화합물은, 상기 페놀계 화합물에 대한 상기 에폭시 수지의 당량비가 0.8~ 1.2의 범위로 되도록 하는 것이 바람직하다.When using an epoxy resin as a thermosetting resin, when mix | blending a thermosetting resin and a hardening | curing agent, the epoxy resin in a thermosetting resin and the phenolic compound in a hardening | curing agent have an equivalence ratio of the said epoxy resin with respect to the said phenolic compound of 0.8-1.2. It is preferable to make it into a range.
흑연 입자는, 세퍼레이터(20)의 전기 비저항을 감소시켜, 세퍼레이터(20)의 도전성을 향상시키기 위해 사용된다. 흑연 입자의 함유량은, 성형용 조성물 전량에 대하여 75~90 질량% 범위인 것이 바람직하다. 흑연 입자의 함유량이 75 질량% 이상이 되면 세퍼레이터(20)는 충분히 우수한 도전성을 가질 수 있다. 또한 이 함유량이 90 질량% 이하가 되면 성형용 조성물이 충분히 우수한 성형성을 가지는 동시에 세퍼레이터(20)가 충분히 우수한 가스 투과성을 갖게 된다.The graphite particles are used to reduce the electrical resistivity of the
흑연 입자의 종류에 있어서는, 높은 도전성을 가지는 종류라면 특별한 제한은 없다. 흑연 입자로서 예를 들어, 메소카본마이크로비즈(mesocarbon microbeads) 등의 탄소질을 흑연화해 얻어지는 흑연 입자, 석탄계 코크스나 석유계 코크스를 흑연화해 얻어지는 흑연 입자, 흑연 전극이나 특수 탄소 재료의 가공분, 천연 흑연, 키쉬 흑연, 팽창 흑연 등, 적절한 것을 사용할 수 있다. 이와 같은 흑연 입자는, 한 종류만을 사용하는 경우 외에도, 복수 종류를 병용하는 것도 가능하다.The kind of graphite particles is not particularly limited as long as it is a kind having high conductivity. As graphite particles, for example, graphite particles obtained by graphitizing carbonaceous materials such as mesocarbon microbeads, graphite particles obtained by graphitizing coal-based coke or petroleum coke, processed powders of graphite electrodes or special carbon materials, natural Suitable ones, such as graphite, kishi graphite, expanded graphite, and the like can be used. Such a graphite particle can also use together multiple types besides the case of using only one type.
흑연 입자는, 인조 흑연가루, 천연 흑연가루 중 어느 하나라도 가능하다. 천연 흑연가루는 도전성이 높다는 이점이 있으며, 인조 흑연가루는 천연 흑연가루에 비해 도전성은 다소 떨어지지만, 이방성이 적다는 이점이 있다.The graphite particles may be any of artificial graphite powder and natural graphite powder. Natural graphite powder has an advantage of high conductivity, and artificial graphite powder has a slightly lower conductivity than natural graphite powder, but has an advantage of low anisotropy.
흑연 입자는, 천연 흑연가루, 인조 흑연가루의 어느 경우라도, 정제된 것이 바람직하다. 이 경우에는, 회분(灰分)이나 이온성 불순물의 함량이 낮기 때문에, 성형품인 세퍼레이터(20)로부터의 불순물 용출을 억제할 수 있다.The graphite particles are preferably purified even in the case of natural graphite powder or artificial graphite powder. In this case, since the content of ash and ionic impurities is low, the elution of impurities from the
흑연 입자에서의 회분은 0.05 질량% 이하인 것이 바람직하다. 회분이 0.05 질량%를 넘으면, 세퍼레이터(20)를 사용하여 제작되는 연료 전지의 특성이 저하될 우려가 있다.The ash content in the graphite particles is preferably 0.05% by mass or less. When ash content exceeds 0.05 mass%, there exists a possibility that the characteristic of the fuel cell manufactured using the
흑연 입자의 평균 입경은 15~ 100μm의 범위인 것이 바람직하다. 이 평균 입경이 10μm 이상이 됨으로써, 성형용 조성물의 성형성이 우수하게 되고, 이 평균 입경이 100μm 이하가 됨으로써 성형체(1)의 표면 평활성을 향상시킬 수 있다. 성형성을 더욱 향상시키기 위해서는 상기 평균 입경이 30μm 이상인 것이 바람직하다. 또한 성형체(1)의 표면 평활성을 특히 향상시켜, 후술하는 바와 같이 성형체(1) 표면의 산술 평균 높이 Ra(JISB0601: 2001)가 0.4~ 1.6μm의 범위로 되도록 하기 위해서는 상기 평균 입경이 70μm 이하인 것이 바람직하다.It is preferable that the average particle diameter of graphite particle is the range of 15-100 micrometers. By this average particle diameter being 10 micrometers or more, the moldability of the composition for shaping | molding becomes excellent, and this average particle diameter becomes 100 micrometers or less, and the surface smoothness of the molded
특히 박형의 세퍼레이터(20)를 얻는 경우에는, 흑연 입자는 100 메시 체 (눈격자 150μm)를 통과하는 입경을 가지는 것이 바람직하다. 이 흑연 입자 내에 100 메시 체를 통과하지 못하는 입자가 포함되어 있으면, 성형용 조성물 내에 입경이 큰 흑연 입자가 섞이게 되므로, 특히 성형용 조성물을 박형의 시트형으로 성형할 때의 성형성이 저하되어 버린다.In particular, in the case of obtaining the
흑연 입자의 종횡비(Aspect ratio)는 10 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 성형체(1)에 이방성이 생기는 것을 방지하는 동시에 이 성형체(1)에 휘어진 상태 등의 변형이 생기는 것도 방지할 수 있다.The aspect ratio of the graphite particles is preferably 10 or less. In this case, it is possible to prevent anisotropy from occurring in the molded
그리고, 성형체(1)의 이방성 저감에 해당해서는, 성형체(1)에서의 성형시의 성형용 조성물의 유동 방향과, 이 유동 방향과 직교하는 방향의 사이에서의 접촉 저항의 비가, 2 이하로 되는 것이 바람직하다.And in correspondence with the anisotropy reduction of the molded
흑연 입자로서는, 특히 두 종류 이상의 입도 분포를 가지는 흑연 입자, 즉 평균 입경이 상이한 두 종류 이상의 입자군을 혼합하여 얻어지는 흑연 입자를 사용하는 것도 바람직하다. 이 경우, 특히 평균 입경 1~ 50μm의 범위의 흑연 입자와 평균 입경 30~ 100μm의 흑연 입자를 혼합하는 것이 바람직하다. 이와 같은 입자 분포를 가지는 흑연 입자를 사용하면, 입경이 큰 입자는 표면적이 작으므로, 소량의 수지량에서도 혼련을 가능하게 하고, 또한 입경이 작은 입자는, 흑연 입자끼리의 접촉성을 높이는 한편, 성형품의 강도를 높일 수 있다. 이로써, 세퍼레이터(20)의 부피 밀도의 향상, 도전성의 향상, 가스불투과성의 향상, 강도의 향상 등의 성능 향상을 도모할 수 있다. 평균 입경 1~ 50μm의 입자와 평균 입경 30~ 100μm와의 입자의 혼합비는, 적당히 조정될 수 있으나, 특히 전자 대 후자의 혼합 질량비가 40: 60~90: 10, 특히 65:35~85:15인 것이 바람직하다. As the graphite particles, it is particularly preferable to use graphite particles having two or more kinds of particle size distributions, that is, graphite particles obtained by mixing two or more kinds of particle groups having different average particle diameters. In this case, it is particularly preferable to mix graphite particles having an average particle diameter of 1 to 50 µm and graphite particles having an average particle diameter of 30 to 100 µm. When graphite particles having such a particle distribution are used, particles having a large particle size have a small surface area, so that kneading is possible even with a small amount of resin, and particles having a small particle size increase the contact between graphite particles, The strength of the molded article can be increased. Thereby, performance improvement, such as the improvement of the bulk density of the
그리고, 흑연 입자의 평균 입경은, 레이저 회절?산란식 입자 분석계(닛키소 가부시키가이샤 제품의 마이크로 트랙 MT3000II 시리즈 등)를 사용한 레이저 회절 산란법에 의해 측정되는 체적 평균 입경이다.The average particle diameter of the graphite particles is a volume average particle size measured by a laser diffraction scattering method using a laser diffraction scattering particle analyzer (Microtrack MT3000II series manufactured by Nikkiso Corporation).
또, 성형용 조성물 내에는, 필요에 따라 경화 촉매(경화촉진제), 왁스(이형제), 커플링(coupling)제 등의 첨가제를 함유 시킬 수 있다.Moreover, in the composition for shaping | molding, additives, such as a hardening catalyst (hardening accelerator), a wax (release agent), a coupling agent, can be contained as needed.
성형용 조성물은, 적당한 경화 촉매를 함유할 수 있다. 단, 성형용 조성물 내에 제1 아민 및 제2 아민이 함유되지 않게 하기 위하여, 비아민계의 경화 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 아민계의 디아미노 디페닐메탄(diamino diphenyl methan) 등은 잔존물이 연료 전지의 촉매를 오염시킬 우려가 있으므로, 바람직하지 않다. 또한, 이미다졸(imidazole)류는 경화 후, 염소 이온을 방출하기 쉬워지므로 불순물 용출의 우려가 있어, 바람직하지 않다.The molding composition may contain a suitable curing catalyst. However, in order not to contain a 1st amine and a 2nd amine in a shaping | molding composition, it is preferable to use a non-amine curing catalyst. For example, amine-based diamino diphenyl methan is not preferable because residues may contaminate the catalyst of the fuel cell. In addition, since imidazoles tend to easily release chlorine ions after curing, there is a fear of elution of impurities, which is not preferable.
단, 측정 개시 온도 30℃, 온도상승 속도 10℃/분, 유지 온도 120℃, 유지 온도에서의 유지 시간 30분의 조건으로 가열되는 경우, 상기 성형용 조성물의 중량 감소가 5% 이하며, 한편 2위에 탄화수소기를 가지는 치환 이미다졸을 사용하는 것은, 성형용 조성물의 보존 안정성을 향상시킬 수 있는 점에서 바람직하다. 특히 박형의 세퍼레이터(20)를 얻는 경우에는, 바니스(varnish) 형상으로 조제된 성형용 조성물로부터 시트형의 성형체(1)을 형성할 때의 휘발성, 상기 성형체(1)의 평활성 등이 양호해진다. 이러한 치환 이미다졸로서 특히 2위의 탄화수소기의 탄소수가 6~17인 치환 이미다졸을 사용하는 것이 바람직하다. 구체예로서는, 2-운데실 이미다졸(undecyl imidaxole), 2-헵타데실 이미다졸(heptadecyl imidazole), 2-페닐 이미다졸(phenyl imidazole), 1-벤질(benzyl)-2-페닐 이미다졸(phenyl imidazole) 등을 들 수 있다. 이 가운데, 2-운데실 이미다졸 및 2-헵타데실 이미다졸이 매우 적합하다. 이들 화합물은 일종 단독으로 사용되거나, 또는 2종 이상이 병용될 수 있다. 이와 같은 치환 이미다졸의 함유량이 적당히 조정됨으로써, 성형 경화 시간을 조정할 수 있다. 이 치환 이미다졸의 함유량은 바람직하게는 성형용 조성물 내에서 열경화성 수지와 경화제의 합계량에 대하여, 0.5~3 질량% 범위인 것이 바람직하다.However, when it heats on the conditions of 30 degreeC of measurement start temperature, 10 degreeC / min of temperature rise rate, 120 degreeC of holding temperature, and holding time in holding temperature, the weight reduction of the said composition for shaping | molding is 5% or less, and It is preferable to use the substituted imidazole which has a hydrocarbon group in 2nd position from the point which can improve the storage stability of the composition for shaping | molding. When obtaining the
경화 촉매로서 인계 화합물을 사용하는 것도 바람직하다. 인계 화합물과 상기 치환 이미다졸을 병용할 수도 있다. 인계 화합물의 일례로서는, 트리페닐 포스핀을 들 수 있다. 이와 같은 인계 화합물을 성형용 조성물에 함유시키면, 성형품인 세퍼레이터(20)로부터 염소 이온의 용출을 억제할 수 있다.It is also preferable to use a phosphorus compound as a curing catalyst. You may use together a phosphorus compound and the said substituted imidazole. Triphenyl phosphine is mentioned as an example of a phosphorus compound. When such a phosphorus compound is contained in the molding composition, elution of chlorine ions can be suppressed from the
성형용 조성물 내에서 경화 촉매의 함유량은 적당히 조정될 수 있으며, 바람직하게는 에폭시 수지에 대하여 0.5~3 질량부의 범위로 한다.The content of the curing catalyst in the molding composition can be adjusted appropriately, preferably in the range of 0.5 to 3 parts by mass with respect to the epoxy resin.
커플링제로서는, 적당한 것이 사용될 수 있으나, 성형용 조성물에 제1 아민 및 제2 아민이 함유되지 않게 하기 위하여, 아미노 실란을 이용하지 않는 것이 바람직하다. 아미노 실란을 사용하는 경우에는, 연료 전지의 촉매가 오염될 우려가 있어 바람직하지 않다. 커플링제로서 메르캅토 실란(mercapto silane)도 이용하지 않는 것도 바람직하다. 상기 메르캅토 실란을 사용한 경우에도, 마찬가지로 연료 전지의 촉매가 오염될 우려가 있다.Suitable coupling agents may be used, but in order not to contain the first amine and the second amine in the molding composition, it is preferable that no amino silane is used. When amino silane is used, the catalyst of the fuel cell may be contaminated, which is not preferable. It is also preferable not to use mercapto silane as a coupling agent. Even when the mercapto silane is used, the catalyst of the fuel cell may be contaminated in the same manner.
커플링제의 예로서는, 실리콘 계의 실란 화합물, 티타네이트계, 알루미늄 계의 커플링제를 들 수 있다. 실리콘 계의 커플링제로서는, 에폭시 실란이 적합하다.As an example of a coupling agent, the coupling agent of a silicone type silane compound, a titanate type, and an aluminum type is mentioned. As a silicone coupling agent, epoxy silane is suitable.
에폭시 실란 커플링제를 사용하는 경우에 사용량은, 성형용 조성물의 고형분 내에서 함유량이 0.5~ 1.5 질량%가 되는 범위인 것이 바람직하다. 이러한 범위에서, 커플링제가 세퍼레이터(20)의 표면에 브리드(bleed)하는 것을 충분히 억제할 수 있다.When using an epoxy silane coupling agent, it is preferable that usage-amount is a range which content becomes 0.5-1.5 mass% in solid content of the composition for shaping | molding. Within this range, the coupling agent can be sufficiently suppressed to bleed on the surface of the
커플링제는 미리 흑연 입자의 표면에 분무 등에 의해 부착시킬 수도 있다. 이러한 경우 커플링제의 첨가량은, 흑연 입자의 비 표면적과 커플링제의 단위 질량 당 피복 면적을 고려하여 적당히 설정할 수 있으며, 바람직하게는, 커플링제 피복 면적의 총량이, 흑연 입자 표면적의 총량에 대하여, 0.5~ 2배의 범위가 되도록 한다. 이러한 범위에서, 커플링제가 성형체(1)의 표면에 브리드하는 것을 충분히 억제하여, 금형 표면의 오염을 억제할 수 있다.The coupling agent may be previously attached to the surface of the graphite particles by spraying or the like. In this case, the addition amount of the coupling agent can be appropriately set in consideration of the specific surface area of the graphite particles and the coating area per unit mass of the coupling agent, and preferably, the total amount of the coupling agent coating area is based on the total amount of the graphite particle surface area, The range should be 0.5 ~ 2 times. Within this range, the coupling agent can be sufficiently suppressed from bleeding to the surface of the molded
왁스(내부 이형제)로서는 적당한 것이 사용될 수 있으나, 특히 120~ 190℃에서, 성형용 조성물 내의 열경화성 수지 및 경화제와 서로 합성되지 않고, 분리되는 내부 이형제가 바람직하다. 이와 같은 내부 이형제로서 폴리에틸렌 왁스, 카르나바왁스, 및 장쇄지방산계의 왁스로부터 선택되는 적어도 하나를 들 수 있다. 이와 같은 내부 이형제는, 성형용 조성물의 성형과정에서 열경화성 수지 및 경화제와 서로 분리됨으로써, 이형성을 양호하게 발휘한다.Suitable waxes can be used as the wax (internal release agent), but internal mold release agents which are not synthesized with the thermosetting resin and the curing agent in the molding composition and separated from each other at 120 to 190 ° C are preferable. As such internal mold release agent, at least one selected from polyethylene wax, carnava wax, and a long chain fatty acid wax may be mentioned. Such internal mold release agents exhibit good release properties by being separated from the thermosetting resin and the curing agent in the molding process of the molding composition.
성형용 조성물 내의 내부 이형제의 함유량은 세퍼레이터(20)의 형상의 복잡성, 홈의 깊이, 제거 경사 등 금형 면과의 이형성의 용이함 등에 따라 적당히 설정될 수 있으나, 성형용 조성물 전량에 대하여 0.1~ 2.5 질량% 범위인 것이 바람직하다. 이러한 함유량이 0.1 질량% 이상이므로 금형 성형시에 충분한 이형성을 발휘할 수 있으며, 또한 이 함유량이 2.5 질량% 이하이므로 왁스에 의해 세퍼레이터(20)의 친수성이 저해되는 것이 충분히 억제된다. 이 왁스의 함유량은 0.1~1 질량%의 범위에 있으면 더욱 바람직하고, 또한 0.1~ 0.5 질량%의 범위에 있는 것이 더욱 바람직하다.The content of the internal releasing agent in the molding composition may be appropriately set depending on the complexity of the shape of the
특히 박형의 세퍼레이터(20)를 얻는 경우에는, 성형용 조성물에 용매를 함유시켜, 이러한 성형용 조성물을 액상(바니스 형상 및 슬러리 상태를 포함)으로 조제할 수도 있다. 용매로서는, 예를 들어, 메틸 에틸 케톤(methyl ethyl ketone), 메톡시프로파놀(methoxy propanol), N, N-디메틸 포름 아미드(N, N-dimethyl formamide), 디메틸 설폭시드(dimethyl sulfoxide) 등의 극성 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 용매는 일종 만을 사용하는 외에, 2종 이상을 병용할 수도 있다. 용매의 사용량은, 성형용 조성물로부터 시트형의 성형체(1)를 제작할 때의 성형성을 고려하여 적당히 설정될 수 있으나, 바람직하게는 성형용 조성물의 점도가 1000~5000cps의 범위가 되도록 설정된다. 그리고, 용매는 필요에 따라 사용하는 것으로서, 열경화성 수지로서 액상 수지를 사용하는 것 등에 의해 성형용 조성물을 액상으로 조제할 수 있다면, 용매를 사용하지 않아도 된다.When obtaining the
성형용 수지 조성물로부터 얻어지는 성형체(1) 내의 이온성 불순물의 함유량은, 성형체(1)의 전량에 대한 질량비로 나트륨 함량 5ppm 이하, 염소 함량 5ppm 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 성형용 조성물 내의 이온성 불순물의 함유량이, 성형용 조성물 전량에 대한 질량비로 나트륨 함량 5ppm 이하, 염소 함량 5ppm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 세퍼레이터(20)로부터 이온성 불순물의 용출을 억제할 수 있고, 불순물의 용출에 의한 연료 전지의 기동 전압 저하 등의 특성 저하를 억제할 수 있다.It is preferable to make content of the ionic impurity in the molded
성형체(1) 및 성형용 조성물의 이온성 불순물의 함유량을 상기와 같이 저감하기 위해서는, 성형용 조성물을 구성하는 열경화성 수지, 경화제, 흑연, 그 외의 첨가제 등이 각 성분으로서 함유하는, 각각의 이온성 불순물의 함유량이, 각 성분에 대하여 질량비로 나트륨 함량 5ppm 이하, 염소 함량5ppm 이하인 성분을 사용하는 것이 바람직하다.In order to reduce content of the ionic impurity of the molded
상기 이온성 불순물의 함유량은, 대상물의 추출물 내의 이온성 불순물의 양에 따라 도출된다. 상기 추출수는, 이온 교환수 내에서 대상물을, 대상물 10g에 대하여 이온 교환수가 100ml가 되도록 하는 비율로 투입하고, 90℃로 50시간 가열함으로써 얻어진다. 추출수 내의 이온성 불순물의 함유량은, 이온 크로마토그라피에 의해 평가 된다. 이로써, 도출되는 추출수 내의 이온성 불순물의 양에 따라 대상물 내의 이온성 불순물의 양을, 대상물에 대한 질량비로 환산해 도출할 수 있다The content of the ionic impurities is derived depending on the amount of the ionic impurities in the extract of the object. The extract water is obtained by adding the object in ion exchange water at a rate such that the amount of ion exchange water becomes 100 ml with respect to 10 g of the object, and heating it at 90 ° C. for 50 hours. The content of ionic impurities in the extract water is evaluated by ion chromatography. Thereby, according to the amount of ionic impurities in the extracted water, the amount of ionic impurities in the object can be derived in terms of mass ratio with respect to the object.
성형용 조성물은, 이러한 성형용 조성물로 형성되는 성형체(1)의 TOC(totalorganiccarbon)가 100ppm 이하가 되도록 조제되는 것이 바람직하다.It is preferable that the composition for shaping | molding is prepared so that TOC (totalorganic carbon) of the molded
TOC는, 이온 교환수 내에 성형체를, 성형체 10g에 대하여 이온 교환수가 100ml가 되도록 하는 비율로 투입하고, 90℃로 50시간 처리함으로써 얻어지는 수용액을 사용하여 측정되는 수치이다. 이러한 TOC는, 예를 들어, JISK0102에 준거하여, 가부시키가이샤 시마즈에서 제작된 전유기 탄소 분석 장치 「TOC-50」 등을 사용하여 측정할 수 있다. 측정에 있어서는, 샘플의 연소에 의해 발생한 CO2농도를 비분산형 적외선 가스 분석법으로 측정하여, 샘플 내의 탄소 농도를 정량한다. 탄소 농도를 측정함으로써, 간접적으로 유기물질 농도를 측정할 수 있다. 샘플 내의 무기 탄소(IC), 전탄소(TC)를 측정하고, 전탄소와 무기 탄소의 차(TC-IC)로부터 전유기 탄소(TOC)를 계측한다.TOC is a numerical value measured using the aqueous solution obtained by inject | pouring a molded object in ion-exchange water at the ratio which makes ion-exchange water 100 ml with respect to 10 g of molded objects, and processing at 90 degreeC for 50 hours. Such TOC can be measured, for example using the all-organic carbon analyzer "TOC-50" manufactured by Shimadzu Corporation in accordance with JISK0102. In the measurement, the CO 2 concentration generated by the combustion of the sample is measured by a non-dispersive infrared gas analysis method to quantify the carbon concentration in the sample. By measuring the carbon concentration, the organic substance concentration can be measured indirectly. Inorganic carbon (IC) and all carbon (TC) in the sample are measured, and total organic carbon (TOC) is measured from the difference between all carbon and inorganic carbon (TC-IC).
상기의 TOC를 100ppm 이하가 되도록 함으로써, 연료 전지로서의 특성 저하를 더욱 억제할 수 있다.By making said TOC 100 ppm or less, the fall of the characteristic as a fuel cell can further be suppressed.
TOC의 값은, 성형용 조성물을 구성하는 각 성분으로서 높은 순도의 성분을 선택하거나, 수지의 당량비를 조정하거나, 또는 성형시에 후경화 처리를 행함으로써 저감할 수 있다.The value of TOC can be reduced by selecting a component of high purity as each component which comprises the composition for shaping | molding, adjusting the equivalence ratio of resin, or performing a post-cure process at the time of shaping | molding.
성형용 조성물은, 상기와 같은 각 성분을 적당한 방법으로 혼합하고, 필요에 따라 혼련?조립함으로써 조제된다.The molding composition is prepared by mixing the above components by a suitable method and kneading and assembling as necessary.
이 성형용 조성물을 성형하여, 세퍼레이터(20)가 되는 성형체(1)를 얻을 수 있다. 성형법으로서는, 사출 성형이나 압축 성형 등, 적당한 방법을 사용할 수 있다. 세퍼레이터(20)에는 예를 들어, 도 1에 나타낸 바와 같이, 양면에 복수개의 요철부(리브, 21)를 형성함으로써, 인접하는 요철부(21)들의 사이에, 연료인 수소 가스와 산화제인 산소 가스의 유로인 가스 공급 배출용 홈(2)를 형성한다.This molding composition can be molded to obtain a molded
그리고, 세퍼레이터(20)는, 한쪽 면에만 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 양극측 세퍼레이터와, 상기 양극측 세퍼레이터와는 반대측의 한쪽 면에만 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 음극측 세퍼레이터로 구성될 수 있다. 이러한 양극측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터를 중첩함으로써, 도 1에 나타낸 바와 같은 양면에 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 세퍼레이터(20)가 구성된다. 양극측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터 사이에는 냉각수가 유통하는 유로가 형성될 수도 있다. 이 경우, 양극측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터 사이에는 개스킷을 개재시키는 것이 바람직하다.The
액상으로 조제된 성형용 조성물로부터 박형의 세퍼레이터(20)를 얻는 경우에는, 먼저 성형용 조성물을 시트형으로 성형하여, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 시트(성형용 시트)를 형성한다. 성형용 조성물은, 예를 들어, 캐스팅(casting, 展進) 성형에 의해 시트형으로 성형된다. 이 때는, 여러 종의 막 두께 조절 수단을 이용할 수도 있다. 이와 같이 여러 종의 막 두께 조절 수단을 이용하는 캐스팅법은, 예를 들어, 이미 실용화되어 있는 멀티 코터(multi cotter)를 이용함으로써 실현할 수 있다. 막 두께 조절 수단으로서는, 슬릿 다이(slit die)와 함께, 닥터 나이프 및 와이어 바 중 적어도 어느 하나, 즉 어느 한쪽 또는 양쪽을 사용하는 것이 바람직하다. 이 성형용 시트의 두께는, 0.05mm 이상인 것이 바람직하며, 0.1mm 이상이면 더욱 바람직하다. 또한, 이 두께는 특히 0.5mm 이하인 것이 바람직하고, 0.3mm 이하이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 성형용 시트의 두께를 0.5mm 이하로 함으로써, 세퍼레이터(1)의 박형화 또는 경량화, 및 그에 따른 저비용화를 달성할 수 있고, 특히 두께가 0.3mm 이하이면 용매를 사용하는 경우에서 성형용 시트 내부에 용매가 잔존하는 것을 효과적으로 억제할 수 있다. 또 이 두께가 0.05mm 미만인 경우에는 세퍼레이터(20)의 제조에 필요한 이점이 충분히 발휘되지 않으므로, 특히 성형성을 고려하면 이 두께는 0.1mm 이상인 것이 바람직하다.When the
이러한 성형용 시트를, 캐스팅에 의해 건조시킴으로써, 반경화(B 스테이지) 상태로 만들고, 이것을 압축?열경화 성형 등으로 처리하여, 양면에 복수개의 요철부(리브, 21)를 형성하며, 이 요철부(리브, 21) 사이에 가스 공급 배출용 홈(2)을 형성한다. 이로써, 성형체(1)를 얻을 수 있다. 이 때, 성형체(1)를 파장판 형태로 형성함으로써, 그 일면 측 요철부(21)의 배면측에 다른 면 측의 가스 공급 배출용 홈(2)을 형성할 수 있다. 이 경우 박형으로 형성되지만, 양면에 복수개의 요철부(리브, 21)를 가지는 동시에, 이 요철부(리브, 21)사이에 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 성형체(1)를 얻을 수 있다.The sheet for molding is dried by casting to form a semi-cured (B stage) state, which is subjected to compression or thermosetting molding to form a plurality of uneven portions (ribs, 21) on both sides thereof. A gas
이 성형용 시트의 압축?열경화 성형시에는, 먼저 성형용 시트를 필요에 따라 소정의 평면 치수로 절단 또는 천공한 후, 금형 내에서 압축 성형기로 열경화시킨다. 이 압축?열경화 성형의 요건은, 성형용 조성물의 조성, 도전성 베이스재의 종류, 성형 두께 등에 따를 수 있으나, 가열 온도를 120~ 190℃의 범위, 압축 압력을 1~40MPa의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.At the time of compression and thermosetting of this molding sheet, the molding sheet is first cut or perforated to a predetermined planar dimension as necessary, and then thermally cured with a compression molding machine in the mold. The compression and thermosetting molding requirements may depend on the composition of the molding composition, the kind of the conductive base material, the molding thickness, and the like. desirable.
성형체(1)의 제작에 있어서는, 한 장의 성형용 시트를 성형하여 성형체(1)를 제작하거나, 또는 성형용 시트를 복수개 중첩하여 성형함으로써 성형체(1)를 제작할 수 있다.In manufacture of the molded
이와 같이 성형용 시트를 성형함으로써, 박형의 성형체(1), 특히 두께 0.2~ 1.0mm 범위의 세퍼레이터(20)를 제조할 수 있다. 성형용 시트를 사용함으로써, 박형의 세퍼레이터(20)를 제조하는 경우에도, 성형 재료를 얇고, 균일하게 배치하여 성형하는 것이 용이해져, 성형성이나 두께 정밀도가 높아진다.By molding the molding sheet in this way, the thin molded
그리고, 성형체(1)의 제작시에는, 성형용 시트와 적당한 도전성 베이스재를 적층하여 할 수도 있다. 도전성 베이스재를 사용하면, 세퍼레이터(20)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다. 도전성 베이스재를 사용하는 경우에는, 도전성 베이스재의 양측에 각각 성형용 시트(복수개의 성형용 시트를 적층 한 것을 포함함)를 적층한 상태로 압축?열경화 성형할 수 있고, 또는 성형용 시트(복수개의 성형용 시트를 적층 한 것을 포함함)의 양측에 각각 도전성 베이스재를 적층한 상태로 압축?열경화 성형할 수 있다.And at the time of manufacture of the molded
상기 도전성 베이스재로는, 예를 들면, 카본 페이퍼, 카본 프리프레그, 카본 펠트 등을 예시할 수 있다. 또한, 이들 도전성 베이스재는, 도전성을 손상시키지 않는 범위에서, 유리, 수지 등의 베이스재 성분을 함유할 수도 있다. 도전성 베이스재의 두께는, 0.03~ 0.5mm 범위가 바람직하고, 0.05~ 0.2mm의 범위가 더욱 바람직하다.As said conductive base material, carbon paper, carbon prepreg, carbon felt, etc. can be illustrated, for example. Moreover, these electroconductive base materials may also contain base material components, such as glass and resin, in the range which does not impair electroconductivity. The range of 0.03-0.5 mm is preferable, and, as for the thickness of an electroconductive base material, the range of 0.05-0.2 mm is more preferable.
이와 같이 형성되는 성형체(1)에서는, 에폭시 수지를 포함하는 열경화성 수지를 사용하는 동시에 페놀계 화합물을 포함하는 경화제를 사용하는 경우, 경화물 내에서 생성되는 수산기가 성형체(1)의 표면에 분포 하게 된다. 특히 페놀계 화합물에 대한 에폭시 수지의 당량비가 0.8~ 1.2가 되도록 함으로써, 후술하는 바와 같이 성형체(1)에 대한 표면 처리에 의해 성형체(1)의 친수성이 크게 향상되는 동시에 이 친수성이 장기간 지속될 수 있게 된다. 이 당량비가 1.2보다 크면 전술한 바와 같은 효과를 얻을 수 없으며, 이것은 성형체(1)에 분포하는 수산기가 부족하기 때문이라 생각된다. 또한 이 당량비가 0.8 미만의 경우도, 이유는 불분명하나, 전술한 바와 같은 효과를 얻을 수 없다. 표면 처리에 의한 효과가 현저하게 발휘되게 하기 위해서는, 특히 상기 당량비가 0.8~ 1.0의 범위인 것이 바람직하다. 이 경우, 수산기의 당량이 과잉하므로 많은 수산기를 성형체(1)의 표면에 분포 시킬 수 있게 된다. 상기 당량비가 0.8~ 0.9 범위인 것이 더욱 바람직하다.In the molded
또한, 열경화성 페놀 수지를 포함하는 열경화성 수지를 사용하는 경우에도, 성형체(1) 내의 열경화성 페놀 수지에 기인하는 수산기가 성형체(1)의 표면에 분포 하게 된다. 이로써, 후술하는 바와 같이 성형체(1)에 대한 표면 처리에 의해 친수성이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.Moreover, even when using the thermosetting resin containing a thermosetting phenol resin, the hydroxyl group resulting from the thermosetting phenol resin in the molded
이 성형체(1)의 표면에 대하여, 다음에, 나타낸 바와 같은 습식 블라스트 처리와 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리를 행한다. 이러한 표면 처리는, 적어도 성형체(1)에 있어서 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있는 면에 실시하게 된다.Next, the surface of the molded
습식 블라스트 처리에서는, 물 등의 액체에 연마재를 분산시켜 조제된 슬러리를, 성형체(1)의 표면에 분사함으로써, 성형체(1)의 표층의 스킨층을 제거하는 동시에 이 성형체(1)의 표면 거칠기를 조정한다. 습식 블라스트 처리에서는 분진의 비산이 생성되지 않으므로, 처리 면적을 확대하는 것이 가능해져 처리 효율이 높아지며, 또한 미세한 연마재를 사용한 처리도 가능하다. 그러므로, 성형체(1)의 표면 거칠기를 원하는 범위로 용이하게 조정할 수 있다.In the wet blasting process, the slurry prepared by dispersing an abrasive in a liquid such as water is sprayed onto the surface of the molded
이 습식 블라스트 처리를 통해, 성형체(1)의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JISB0601: 2001)를 0.4~ 1.6μm 범위로 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 표면 처리의 균일성이 더욱 높아지고, 세퍼레이터(20) 표면의 친수성도 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이 성형체(1)의 표면 거칠기를 상기 범위로 함으로써, 이 성형체(1)로부터 얻어지는 세퍼레이터(20)와 개스킷(12)의 접합부에서의 가스 누출을 억제할 수도 있다. 그러므로 습식 블라스트 처리시에 성형체(1)에 있어서 개스킷(12)과 접합하는 부위를 마스크(mask)할 필요가 없어, 세퍼레이터(20)의 생산 효율이 향상된다. 그리고, 상기 산술 평균 높이 Ra를 0.4μm 미만으로 하는 것은 어려우며, 또 이 값이 1.6μm 보다 크면 상기 가스 누출을 충분히 억제할 수 없게 될 우려가 있다. 이 성형체(1)의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 특히 1.2μm 이하이면 세퍼레이터(20) 표면의 친수성을 더욱 향상시킬 수 있다. 또한, 이 성형체(1)의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 1.0μm 미만이면, 상기 가스 누출이 더욱 억제된다. 이 경우, 세퍼레이터(20)의 박형화에 따라 셀 스택 제작시의 체결력을 낮추었을지라도, 상기 가스 누출을 충분히 억제할 수 있게 된다. 성형체(1)의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 특히 0.6μm 이상이면, 세퍼레이터(20) 표면의 친수성을 더욱 향상시킬 수 있다.It is preferable to make arithmetic mean height Ra (JISB0601: 2001) of the surface of the molded
또한, 필요에 따라 습식 블라스트 처리 후의 성형체(1)를 이온 교환수 등을 사용하여 세정할 수도 있다.Moreover, the molded
이 습식 블라스트 처리 후의 성형체(1)에, 대기압 플라즈마 처리에 앞서 건조 처리를 실시함으로써, 성형체(1)를 건조하는 것이 바람직하다. 이 건조 처리에서는, 에어 블로우(air blow) 등을 사용하여 성형체(1)를 풍건하는 것이 바람직하다. 이 경우, 필요에 따라 상온 또는 온풍에 의한 에어 블로우를 실시할 수 있으며, 또는 상온에서 에어 블로우를 실시한 후에 온풍에 의한 에어 블로우를 추가적으로 실시할 수도 있다. 또한, 건조 처리에 있어서, 성형체(1)를 실리카겔 등의 건조제를 넣은 데시케이터 내에 정치하는 방법, 성형체(1)를 실온 이상(예를 들면, 50℃)의 온도로 설정한 건조기 내에 정치하는 방법, 진공 건조기를 사용하여 성형체(1)로부터 수분을 제거하는 방법 등을 이용할 수도 있다. 이러한 건조 처리에 의해, 성형체(1)를, 그 흡습율이 0.1% 이하가 될 때까지 건조하는 것이 바람직하다It is preferable to dry the molded
다음에, 이 성형체(1)의 표면에, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 행한다. 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리는, 대기압 하에서 또는 대기압과 근사한 기압 하에서 성형체(1)를 향하여, 플라즈마를 포함하는 가스류를 분출하는 처리이다. 이 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리에서는, 예를 들면, 도 5에 나타낸 바와 같은, 송풍구(9)를 가지는 방전 공간(10)과 이 방전 공간(10)에 전계를 발생시키는 방전용 전극(6, 6)을 구비하는 플라즈마 처리 장치를 사용한다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 상기 방전 공간(10)에 플라즈마 생성용 가스(7)를 공급하는 동시에 이 방전 공간(10) 내의 압력을 대기압과 근사한 기압으로 유지하고, 또한 상기 방전용 전극(6, 6)에 전압을 인가함으로써 방전 공간(10)에 방전을 발생시켜, 방전 공간(10) 내에 플라즈마를 생성한다. 이 플라즈마를 포함하는 가스류(8)를 송풍구(9)로부터 불기 시작해 성형체(1)로 분출함으로써, 플라즈마 처리를 실시할 수 있다. 이와 같은 플라즈마 처리 장치로서는, 예를 들면, 세키스이 화학공업 가부시키가이샤가 제조한 APT 시리즈를 들 수 있지만, 파나소닉 전공 가부시키가이샤, 야마토 매테리얼 가부시키가이샤 등에서 제조한 적당한 플라즈마 처리 장치를 사용할 수도 있다.Next, the atmospheric pressure plasma process of a remote system is performed to the surface of this molded
이와 같은 리모트 방식을 채용함으로써, 성형체(1)의 표면을 향해 플라즈마가 분사되어, 성형체(1)의 가스 공급 배출용 홈(2)의 내면까지 충분히 처리될 수 있다. 또한 플라즈마 처리시에 성형체(1)가 방전에 노출되지 않으므로, 성형체(1)가 플라즈마 처리시에 손상되는 것을 방지할 수 있다.By employing such a remote method, plasma can be injected toward the surface of the molded
그리고, 대기압 플라즈마 처리에는, 리모트 방식 이외에도, 도 6에 나타낸 바와 같은 처리 대상물(11)의 주위에 플라즈마 생성용 가스(7)를 공급하는 동시에 이 처리 대상물(11)의 주위를 방전용 전극(6, 6)에 의해 방전되게 함으로써 플라즈마를 생성하는 다이렉트 방식도 있다. 그러나, 다이렉트 방식으로 성형체(1)를 처리하면, 성형체(1)가 도전성을 가지므로 방전에 의해 성형체(1)에 미세한 손상이 발생하고, 또한 가스 공급 배출용 홈(2)의 내면까지 충분히 처리하는 것이 어려우므로, 바람직하지 않다.In addition to the remote method, the
리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리는, 성형체(1)의 표면에 원하는 친수성을 부여하는데 적절하게 설정된 조건으로 실시할 수 있다. 이 대기압 플라즈마 처리에서의 플라즈마 생성용 가스(7)는, 질소 가스인 것이 바람직하고, 특히 이 질소 가스 내의 산소 함유량은 2000ppm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우, 대기압 플라즈마 처리에 의해 세퍼레이터(20)에 특히 높은 친수성이 부여된다.The remote atmospheric plasma treatment can be performed under conditions appropriately set to impart desired hydrophilicity to the surface of the molded
또, 이 대기압 플라즈마 처리는, 성형체(1)의 표면에 결로가 생기지 않도록 성형체(1)의 온도 및 대기의 온도가 조정된 조건 하에서 실시되는 것이 바람직하다. 이 경우, 성형체(1)의 표면에 부착된 물방울에 의해 플라즈마가 소모되는 것을 방지하여, 처리 효율을 향상시킬 수 있다. 성형체(1)의 온도는, 전술한 바와 같이 이 성형체(1)의 표면에 결로가 생기지 않도록 하는 온도(이슬점 온도) 이상인 것이 바람직하고, 안정된 대기압 플라즈마 처리를 위해서는 70℃ 이하인 것이 바람직하다. 안정된 대기압 플라즈마 처리를 위해서는, 성형체(1)의 온도 및 대기의 온도가 일정하게 유지되는 것도 중요하다. 대기 온도의 조절에 있어서는, 통상, 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 유닛 부분의 온도를 조절하고, 플라즈마 처리 장치의 구성에 따라서는 플라즈마 처리시에 성형체(1)를 지지하는 받침대의 온도를 조절한다.Moreover, it is preferable to perform this atmospheric pressure plasma process on the conditions where the temperature of the molded
대기압 플라즈마 처리 후의 성형체(1)는, 그대로 대기중에 방치할 수도 있으나, 이 성형체(1)를 이온 교환수 등의 물에 침지하는 등의 처리를 통해, 이 성형체(1)의 표면과 물을 접촉시키는 물 접촉 처리를 실시하는 것이 바람직하다.The molded
이와 같이 하여, 성형체(1)에서 수산기가 분포하는 표면에 대하여 습식 블라스트 처리와 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리를 실시하면 성형체(1)의 표면의 친수성이 향상되는 동시에, 이러한 높은 친수성이 장기간에 걸쳐 유지될 수 있다. 이 친수화 메커니즘의 상세한 내용은 분명하지 않지만, 성형체(1)의 표면에 수산기가 분포함으로써 이 표면에 수분이 흡착되어 작용기가 생성되기 용이해지며, 또한 대기압 플라즈마 처리에 의해, 성형체(1)의 표면으로부터 오염물질이 제거되어 활성이 높은 상태로 되는 동시에 이 활성화된 표면에 수산기 등의 친수성의 작용기가 도입되어, 성형체(1)의 표면에 친수성의 작용기가 많이 형성되고, 이것이 친수성 향상에 기여하는 것이라 생각된다.In this manner, when the surface treatment including wet blasting and remote atmospheric plasma treatment is performed on the surface where hydroxyl groups are distributed in the molded
또한, 표면 처리시에 있어서, 성형체(1)에 상기와 같은 건조 처리를 실시하는 경우에는, 물분자에 의해 성형체(1)에 대한 대기압 플라즈마 처리가 저해되는 것이 억제되고, 대기압 플라즈마 처리의 효율이 향상된다.In addition, in the case of surface treatment, when the molded
또한 이러한 표면 처리에 있어서, 대기압 플라즈마 처리 후의 성형체(1)에 상기와 같은 물접촉 처리를 실시하면 성형체(1)의 표면의 친수성이 더욱 향상된다. 그 상세한 메카니즘은 분명하지 않지만, 대기압 플라즈마 처리에 의해 활성화된 성형체(1)의 표면에 물분자가 흡착하는 것에 기인하여 성형체(1)의 표면의 친수성이 향상되는 것으로 생각된다.Moreover, in such a surface treatment, when the molded
표면 처리는, 세정 처리를 포함할 수도 있다. 이러한 세정 처리에 의해 성형체(1)의 표면으로부터, 연료 전지의 성능 열화의 원인이 되는 각종 무기물, 유기물, 금속 이온 등의 불순물이 제거된다. 세정 처리는, 예를 들면, 습식 블라스트 처리 후, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리 전에, 성형체(1)에 실시된다. 이 경우, 습식 블라스트 처리에 의해 성형체(1)에 부착된 불순물이, 세정 처리에 의해 충분히 제거된다. 세정 처리 후, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리 전에, 성형체(1)에 상기의 건조 처리가 실시되는 것이 바람직하다.Surface treatment may also include a washing process. This cleaning process removes impurities such as various inorganic substances, organic substances, metal ions, and the like that cause performance deterioration of the fuel cell from the surface of the molded
세정 처리에 있어서, 먼저 액체에 초음파 진동을 인가함으로써, 이 액체가 성형체(1)를 향하여 토출된다. 예를 들면, 액체가 공급되는 용기 내에서 이 액체에 초음파 진동이 인가되고, 이 용기로부터 성형체(1)를 향해 액체가 토출된다. 이와 같은 방법에 의해 성형체(1)가 세정됨으로써, 성형체(1)의 손상이 억제되고 성형체(1)로부터 흑연 입자가 탈락하는 등의 불량이 억제되면서, 성형체(1)가 충분히 세정되어 성형체(1)의 표면으로부터 불순물이 제거된다.In the cleaning process, first, ultrasonic vibration is applied to the liquid, so that the liquid is discharged toward the molded
세정 처리로 사용되는 액체로서는 물을 들 수 있다. 이 액체는, 물과 에탄올 등의 친수성 유기용제의 혼합액일 수도 있다. 물로서는, 특히 탈염수, 이온 교환수, RO수(역침투막에 의해 처리된 물), 또는 오존수가 사용되는 것이 바람직하다. 오존 농도 50ppm 이상의 오존수가 사용되면 세퍼레이터(20)의 표면의 친수성이 더욱 향상되는 동시에 세퍼레이터(20)의 표면의 접촉 저항이 저감된다. 이 오존 농도가 80ppm 이상이면 더욱 바람직하다. 오존수의 농도의 상한은 특히 제한되지 않으나, 실질적인 상한은 110ppm이다.Water is mentioned as a liquid used by a washing process. This liquid may be a liquid mixture of water and a hydrophilic organic solvent such as ethanol. Especially as water, it is preferable to use demineralized water, ion-exchange water, RO water (water processed by the reverse osmosis membrane), or ozone water. When ozone water having an ozone concentration of 50 ppm or more is used, the hydrophilicity of the surface of the
세정 처리로 사용되는 액체가, 알칼리 이온수인 것도 바람직하다. 이 경우, 성형체(1)로부터 불순물이 더욱 높은 효율로 제거된다.It is also preferable that the liquid used by the washing process is alkaline ionized water. In this case, impurities are removed from the molded
용기로부터 액체를 토출하기 위한 노즐과 성형체(1) 사이의 치수는, 예를 들면, 2~ 20mm의 범위로 조정된다. 액체에 인가되는 초음파 진동의 주파수는 900kHz 이상인 것이 바람직하고, 예를 들면, 900~1000kHz 범위가 바람직하다. 또한, 액체에 인가되는 초음파 진동의 출력은 100~650W 범위인 것이 바람직하다. 이와 같은 조건에 있어서, 성형체(1)의 손상이 더욱 억제된다.The dimension between the nozzle for discharging liquid from the container and the molded
성형체(1)로부터 불순물이 충분히 제거되는 동시에 성형체(1)의 손상을 억제시키기 위해, 성형체(1)의 처리 시간은, 액체에 인가되는 초음파 진동의 출력에 따라 적절히 조정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 출력 100~600W인 경우 처리 시간은 0.2~ 3분 범위로 조정된다. 또, 성형체(1)가 연속적으로 반송되면서 이 성형체(1)에 액체가 토출되는 연속 처리에 있어서는, 성형체(1)의 반송 속도가 5~ 20mm/sec 범위로 조정되는 동시에 액체에 인가되는 초음파 진동의 출력이 100~650W 범위로 조정되는 것이 바람직하다.In order to sufficiently remove impurities from the molded
성형체(1)에서 표면 처리가 실시되는 면에 형성된 가스 공급 배출용 홈(2)의 폭(A)과 깊이(B)의 비(A/B)는, 1 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 표면 처리시에 있어서의 습식 블라스트 처리시의 슬러리나, 대기압 플라즈마 처리시의 플라즈마를 포함하는 가스류(8)가 가스 공급 배출용 홈(2)의 내부에 널리 퍼지기 쉬워진다. 이로써, 표면 처리의 균일성이 더욱, 높아져 가스 공급 배출용 홈(2)의 내면이 충분히 친수화 될 수 있다. 상기 비 A/B의 상한은 특히 제한되지 않지만, 가스 공급 배출용 홈(2)을 고밀도로 형성하기 위해서는, 실사용에 있어서, 10 이하인 것이 바람직하다.It is preferable that ratio (A / B) of the width | variety A and the depth B of the gas
표면 처리에 의해, 처리 후의 성형체(1)의 표면의 물과의 정적 접촉각이 0~50° 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이 정적 접촉각은 특히 0~10° 범위인 것이 바람직하고, 0~5° 범위에 있으면 더욱, 바람직하다. 이 물과의 정적 접촉각은, 표면 처리 조건을 적절하게 설정함으로써 조정할 수 있다. 이로써, 성형체(1)의 표면이 충분히 높은 친수성을 가질 수 있다.By surface treatment, it is preferable to make it the static contact angle with the water of the surface of the molded
표면 처리에 의해, 성형체(1)의 상기 표면 처리된 면의 접촉 저항이 15mΩcm2 이하가 되도록 하는 것이 바람직하다. 이 접촉 저항도, 표면 처리 조건을 적절하게 설정함으로써 조정할 수 있다. 이로써, 연료 전지로 발전한 전기 에너지를 외부로 전달하는 세퍼레이터(20)의 기능을 높은 레벨로 유지할 수 있다.It is preferable to make the contact resistance of the said surface-treated surface of the molded
전술한 바와 같이 제조되는 세퍼레이터(20)를 사용하여, 연료 전지를 제조할 수 있다. 도 1은 고체 고분자형 연료 전지의 일례를 나타낸 것이며, 2개의 세퍼레이터(20, 20)의 사이에, 고체 고분자 전해질 막 등의 전해질(4) 및 가스 확산 전극(연료 전극(31)과 산화제 전극(32)) 등으로 이루어지는 막-전극 복합체(MEA, 5)를 개재시켜, 단전지(단위 셀)을 구성한다. 이 단위 셀을 수십개~수백개 병설하여 전지 본체(셀 스택)를 구성할 수 있다.The fuel cell can be manufactured using the
도 2는, 개스킷(12)를 사용하여 구성되는 태양 전지의 단위 셀의 구조의 일례를 나타낸다. 이 단위 셀은, 세퍼레이터(20, 20), 개스킷(12, 12), 막-전극 복합체(5)를 중첩함으로써 구성된다. 세퍼레이터(20)에는, 요철부(21) 및 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있는 영역을 둘러싸는 외주 부분에, 제1 연료용 관통 구멍(131, 131)과 제1 산화제용 관통 구멍(132, 132)이 형성되어 있다.제1 연료용 관통 구멍(131, 131)은 두 개 형성되어 있으며, 각 제1 연료용 관통 구멍(131, 131)은 세퍼레이터(20)의 연료 전극(31)과 겹치는 면에서의 가스 공급 배출용 홈(2)의 양단에 각각 연통된다. 제1 산화제용 관통 구멍(132, 132)도 두 개 형성되어 있으며, 각 제1 산화제용 관통 구멍(132, 132)은 세퍼레이터(20)의 산화제 전극(32)과 겹치는 면에서의 가스 공급 배출용 홈(2)의 양단에 각각 연통된다. 또, 이 외주 부분에는, 제1 냉각용 관통 구멍(133)도 형성되어 있다.2 shows an example of the structure of a unit cell of a solar cell constructed using the
세퍼레이터(20)의 외주 부분에, 실링을 위한 개스킷(12)이 적층된다. 이 개스킷(12)은 대략 중앙부에 막-전극 복합체(5)의 연료 전극(31)이나 산화제 전극(32)를 수용하기 위한 개구(15)를 포함하며, 이 개구(15)에서 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)이 노출된다. 이 개구(15)의 외주측에는, 상기 세퍼레이터의 제1 연료용 관통 구멍(131), 제1 산화제용 관통 구멍(132) 및 제1 냉각용 관통 구멍(133)이 합치하는 위치에, 제2 연료용 관통 구멍(141), 제2 산화제용 관통 구멍(142) 및 제2 냉각용 관통 구멍(143)이 각각 형성되어 있다.On the outer circumferential portion of the
또한, 막-전극 복합체(5)의 전해질(4)의 외주 부분에도, 상기 세퍼레이터의 제1 연료용 관통 구멍(131), 제1 산화제용 관통 구멍(132) 및 제1 냉각용 관통 구멍(133)이 합치하는 위치에, 제3 연료용 관통 구멍(161), 제3 산화제용 관통 구멍(162) 및 제3 냉각용 관통 구멍(163)이 각각 형성되어 있다.In addition, the outer periphery of the
이러한 단위 셀 구조에서는, 세퍼레이터(20), 개스킷(12), 및 전해질(4)의 제1 연료용 관통 구멍(131), 제2 연료용 관통 구멍(141), 제3 연료용 관통 구멍(161)이 연통함으로써, 연료 전극으로의 연료의 공급 및 배출을 위한 연료용 유로가 구성된다. 또한, 제1 산화제용 관통 구멍(132), 제2 산화제용 관통 구멍(142), 제3 산화제용 관통 구멍(162)이 연통함으로써, 산화제 전극으로의 산화제의 공급 및 배출을 위한 산화제용 유로가 구성된다. 또한, 제1 냉각용 관통 구멍(133), 제2 냉각용 관통 구멍(143), 제3 냉각용 관통 구멍(163)이 연통함으로써, 냉각수 등이 유통되는 냉각용 유로가 구성된다.In such a unit cell structure, the
이와 같은 연료 전지의 단위 셀 구조에 있어서, 연료 전극(31)과 산화제 전극(32), 및 전해질(4)은, 연료 전지의 타입에 따른 공지의 재료로 형성된다. 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 연료 전극(31) 및 산화제 전극(32)은 예를 들면, 카본 크로스, 카본 페이퍼, 카본 펠트 등의 베이스재에, 촉매를 담지시켜 구성된다. 연료 전극(31)의 촉매로서는 예를 들면, 백금 촉매, 백금?루테늄 촉매, 코발트 촉매 등을 들 수 있으며, 산화제 전극(32)의 촉매로서는 백금 촉매, 은촉매 등을 들 수 있다. 또한, 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 전해질(4)은 예를 들면, 프로톤 전도성의 고분자막으로 형성되고, 특히 메타놀 직접형 연료 전지의 경우에는 예를 들면, 프로톤 전도성이 높고, 전자 도전성이나 메타놀 투과성을 거의 나타내지 않는 불소계 수지 등으로 형성된다.In the unit cell structure of such a fuel cell, the
또한, 개스킷(12)은, 예를 들면, 천연 고무, 실리콘 고무, SIS 공중합체, SBS 공중합체, SEBS, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌-프로필렌-디엔고무(EPDM), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 수소화 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(HNBR), 클로로프렌 고무, 아크릴 고무, 불소계 고무 등에서 선택되는 고무재료로 형성된다. 이 고무재료에는 점착 부여제가 배합될 수도 있다. 이들 고무재료 중, 비용 저감 측면에서는 에틸렌-프로필렌-디엔고무(EPDM)가 사용되는 것이 바람직하고, 개스킷(12)의 내구성 향상 측면에서는, 불소 고무(FKM)가 사용되는 것이 바람직하다.In addition, the
도 4는 복수개의 단위 셀로 이루어지는 연료 전지 C(셀 스택)의 일례를 나타낸다. 이러한 연료 전지 C는, 연료용 유로에 연통되는 연료 공급 포트(171) 및 배출 포트(172)와 산화제용 유로에 연통되는 산화제 공급 포트(181) 및 배출 포트(182)와 냉각용 유로에 연통되는 냉각수 공급 포트(191) 및 배출 포트(192)를 포함한다.4 shows an example of a fuel cell C (cell stack) composed of a plurality of unit cells. The fuel cell C communicates with the
이와 같은 연료 전지 C는, 세퍼레이터(20)의 표면에 친수성이 부여되어 있으므로, 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)이 물방울에 의해 폐색되는 것이 어려워져, 연료 전지의 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 이 세퍼레이터(20)의 친수성을 장기간 유지할 수 있으므로, 연료 전지의 발전 효율을 장기간에 걸쳐 높게 유지할 수 있게 된다.Since the fuel cell C is provided with hydrophilicity on the surface of the
그러나, 본 실시형태에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(20)에는 스트레이트 타입의 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있다. 일반적으로, 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)으로서는, 굴곡을 가지는 사형(Serpentine type)의 홈과 굴곡을 갖지 않는 스트레이트 타입의 홈이 있다. 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)의 내부에 가스를 유통시키는 경우, 이 가스 공급 배출용 홈(2)의 내부에서 가스 유량이 불균일하게 되는 경우가 있다. 사형의 홈의 경우에는, 가스 공급 배출용 홈(2)의 하류측으로 홈의 수를 줄이는 등의 설계에 의해 가스 유량의 불균일을 완화할 수도 있지만, 스트레이트 타입의 경우에는 가스 유량의 불균일을 해소하는 것이 어렵다. 가스 유량의 불균일에 의해 가스 공급 배출용 홈(2) 내에 가스 유량이 적은 부분이 생기고, 이 부분에 물방울이 부착되면, 이 물방울을 가스 공급 배출용 홈(2)으로부터 배출하는 것이 어려워진다. 그러나, 이와 같이 가스 공급 배출용 홈(2)의 내부에서 가스 유량이 불균일하게 되는 경우라도, 본 실시형태에서는 세퍼레이터(20)의 표면의 친수성이 향상됨으로써, 가스 공급 배출용 홈(2)에서의 수분의 배출이 촉진되어 가스 공급 배출용 홈이 물방울에 의해 폐색되는 것이 방지된다. 물론, 도 2에 나타내는 세퍼레이터(20)에 사형의 가스 공급 배출용 홈(2)을 형성할 수도 있다.However, in this embodiment, as shown in FIG. 2, the
또한, 연료 전지를 제조하는데 있어서, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층한 후, 이 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있는 표면에, 리모트 방의 대기압 플라즈마 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 도 3에 나타낸 바와 같은 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 얻을 수 있다. 이 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 막-전극 복합체(5)로 적층함으로써 단위 셀 구조를 구성할 수 있다.In the manufacture of the fuel cell, after the
예를 들면, 미리 시트형 또는 판형으로 형성된 개스킷(12)을 세퍼레이터(20)에 접착이나 융착하는 방법등으로 접합함으로써, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층할 수 있다. 세퍼레이터(20)의 표면 상에 개스킷(12)을 형성하기 위한 재료를 성형함으로써, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층할 수도 있다. 개스킷(12)의 형성에 사용되는 재료로서는 비가황(未加硫) 고무재료를 들 수 있다. 이러한 비가황 고무재료를 스크린 인쇄 등에 의해 세퍼레이터(20) 표면 위의 소정 위치에 도포하고, 이러한 고무재료의 도막을 가황함으로써, 세퍼레이터(20) 표면 위의 소정 위치에 원하는 형상의 개스킷(12)을 형성할 수 있다. 상기 가황에 관련하여, 가열, 전자선 등의 방사선의 조사, 또는 그 외에 적당한 가황 방법이 사용된다. 이 경우, 박형의 세퍼레이터(20)에 있어서도 개스킷(12)을 용 이하게 적층할 수 있다. 또한, 세퍼레이터(20)를 금형 내에 설치하고, 이 세퍼레이터(20) 표면 위의 소정 위치에 비가황 고무재료를 사출하는 동시에 이 고무재료를 가열하는 방법등으로 가황함으로써, 세퍼레이터(20) 표면 위의 소정 위치에 원하는 형상의 개스킷(12)을 형성할 수도 있다. 이와 같이 금형 성형에 의해 개스킷(12)을 형성하는데 있어서, 트랜스퍼 성형 외에, 콘프렛션 성형, 인젝션 성형 등이 사용될 수 있다.For example, the
또한 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리는, 상기 성형체(1)의 표면 처리에서의 대기압 플라즈마 처리와 동일하게 실시될 수 있다. 이러한 대기압 플라즈마 처리 후의 개스킷을 포함하는 연료 전지 세퍼레이터(30)를, 필요에 따라 가열되는 이온 교환수로 세정할 수도 된다.The remote atmospheric plasma treatment may be performed in the same manner as the atmospheric plasma treatment in the surface treatment of the molded
이와 같은 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)을 형성하면, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층할 시에 개스킷(12)의 휘발성 물질이나 소수성 물질 등이 세퍼레이터(20)의 표면에 부착되어도, 이러한 휘발성 물질이나 소수성 물질 등이 대기압 플라즈마 처리에 의해 효율적으로 제거된다. 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층할 시에는, 개스킷(12) 휘발성 물질이나 소수성 물질 등이 세퍼레이터(20)에 부착되면 친수성 저하를 초래할 우려가 있다. 그러나, 전술한 바와 같이 개스킷(12) 적층 후에 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 실시하면 세퍼레이터(20) 친수성이 높은 상태로 회복된다. 그러므로, 연료 전지에 내장된 세퍼레이터(20)의 친수성을 더욱 향상될 수 있고, 이로써, 연료 전지의 장기 내구성도 또한, 향상시킬 수 있다.When the
세퍼레이터(20)에 개스킷(12)이 장착된 후에, 세퍼레이터(20)에 상기의 표면 처리를 하는 경우와 동일하게 세정 처리를 실시하는 것도 바람직하다. 이 경우, 개스킷(12)을 장착함으로써 세퍼레이터(20)에 부착된 불순물이, 세정 처리에 의해 충분히 제거될 수 있다. 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)이 장착된 후, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리에 이어서, 세정 처리가 실시되는 것도 바람직하다.After the
표면 처리에 세정 처리가 포함되는 경우, 또는 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)이 장착된 후 세퍼레이터(20)에 세정 처리가 실시되는 경우, 이와 같은 세퍼레이터(20)를 구비하는 연료 전지 C에서는, 세정 처리에 의해 세퍼레이터(20)의 표면으로부터 연료 전지 C의 열화의 원인이 되는 불순물이 제거되므로 세퍼레이터(20)로부터 불순물의 용출 등에 의한 경시적인 성능 열화가 억제된다. 또한, 이 세퍼레이터(20)는 세정 처리에 의한 흑연 입자의 탈락 등의 불량이 억제되므로, 세퍼레이터(20)로부터의 흑연 입자의 탈락 등에 의한 연료 전지 C의 성능 저하도 억제된다.In the case where the cleaning treatment is included in the surface treatment, or when the
이하, 본 발명을 실시예에 따라서, 상세하게 설명한다.EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, this invention is demonstrated in detail according to an Example.
[실시예 1~21, 비교예 1~4]Examples 1 to 21 and Comparative Examples 1 to 4
각 실시예 및 비교예에 대하여, 표 1, 2에 나타내는 성분을 교반 혼합기(달톤(Dalton) 제조 「(5X)DMV-rr형」)에 표 1, 2에 나타내는 조성이 되도록 넣어 교반 혼합하고, 얻어진 혼합물을 정립기로 입경 500μm 이하로 분쇄했다.About each Example and a comparative example, the component shown in Table 1, 2 was put into the stirring mixer (Dalton-made "(5X) DMV-rr type") so that it may become the composition shown in Table 1, 2, and stirred and mixed, The obtained mixture was ground to a particle size of 500 µm or less with a grain sizer.
얻어진 분쇄물을, 금형 온도 185℃, 성형 압력 35.3MPa, 성형 시간 2분의 조건으로 압축 성형했다. 이후, 금형을 닫은 채 눌러, 30초간 유지한 후에 금형을 열어, 성형체(1)를 인출하였다.The obtained pulverized product was compression molded under the conditions of a mold temperature of 185 ° C, a molding pressure of 35.3 MPa, and a molding time of 2 minutes. Thereafter, the mold was closed while pressing, held for 30 seconds, and then the mold was opened to take out the molded
얻어진 성형체(1)의 형상은, 200mm×250mm, 두께 1.5mm였다. 성형체(1)의 일면에는 길이 250mm, 폭 1mm, 깊이 0.5mm의 가스 공급 배출용 홈(2)을 57개, 다른 면에는 길이 250mm, 폭 0.5mm, 깊이 0.5mm의 가스 공급 배출용 홈(2)을 58개 형성하였다.The shape of the obtained molded
이 성형체(1)의 표면에, 비교예 1을 제외하고, 시판중인 습식 블라스트용 슬러리를 사용한 습식 블라스트 처리를 가했다.The wet blasting process using the commercially available wet blasting slurry was added to the surface of this molded
이 성형체(1)의 산술 평균 높이 Ra(JISB0601: 2001)를 측정한 결과를 표 1, 2에 나타낸다.Table 1 and 2 show the results of measuring the arithmetic mean height Ra (JISB0601: 2001) of the molded
습식 블라스트 처리 후, 실시예 4, 5에 대해서는, 성형체(1)에 건조 처리를 가했다. 이 건조 처리에서는, 성형체(1)의 표면에 60℃의 에어를 분출하는 에어 블로우 처리를 실시하여 성형체(1)의 표면 위의 물방울을 제거하였다.After the wet blasting treatment, in Examples 4 and 5, a drying treatment was applied to the molded
상기한 처리 후, 성형체(1)의 흡습율을 표 1, 2에 나타낸다. 이 흡습율은, 성형체(1)를 90℃로 1시간 가열한 경우 성형체(1)의 중량 변화에 따라 도출한다.After the said process, the moisture absorption of the molded
이 후, 성형체(1)에 대기압 플라즈마 처리를 가했다. 대기압 플라즈마 처리에서는, 비교예 2를 제외하고, 리모트 방식으로 처리하고, 비교예 2에 대해서는 다이렉트 방식으로 처리하였다. 플라즈마 처리 장치로서는 세키스이 화학공업 가부시키가이샤에서 제조된 AP-T시리즈를 사용하였다. 처리 조건은 표 1, 2에 나타낸 바와 같다. 그리고, 표 1, 2에서 「처리시 온도」는 대기압 플라즈마 처리시의 성형체(1)의 온도이며, 60℃는 이슬점 이상의 온도이다.Thereafter, atmospheric pressure plasma treatment was applied to the molded
대기압 플라즈마 처리 후, 실시예 5~7에 대해서는 성형체(1)를 이온 교환수 내에 침지하여 물접촉 처리를 가하였다.After the atmospheric plasma treatment, in Examples 5 to 7, the molded
[평가 시험][Evaluation test]
각 실시예 및 비교예에 대하여, 다음에, 나타내는 평가 시험을 실시하였다. 그 결과를 표 3, 4에 나타낸다.About each Example and the comparative example, the evaluation test shown next was implemented. The results are shown in Tables 3 and 4.
(굴곡강도 평가)(Bending strength evaluation)
각 실시예 및 비교예에 있어서, 세퍼레이터(20)를 제작하는 경우와 동일한 방법으로 80mm×10mm×4mm 치수의 굴곡강도 측정용의 성형품을 제작하고, JISK6911에 준거해 굴곡강도를 측정하였다. 지점 간 거리는 64mm, 크로스 헤드 스피드는 2mm/분으로 하였다.In each Example and the comparative example, the molded article for the bending strength measurement of 80 mm x 10 mm x 4 mm dimension was produced by the method similar to the case of manufacturing the
(접촉 저항 평가1)(Contact resistance evaluation 1)
각 실시예 및 비교예에 있어서, 세퍼레이터(20)의 두께를 2mm로 형성하고, 이 세퍼레이터(20)의 상하에 카본 페이퍼를 배치하고, 또한 그 상하에 동판을 배치하여, 상하 방향으로 면압 1.0MPa의 압력을 가했다. 이 후, 상기 2개의 카본 페이퍼 사이의 전압을 전압계로 측정하는 동시에 2개의 동판 사이의 전류를 전류계로 측정하고, 그 결과를 이용하여 저항(평균값)을 계산했다. 그리고, 사용한 카본 페이퍼는, 도오레사 제품의 TGP-H-M시리즈(090M: 두께 0.28mm, 120M: 두께 0.38mm)이다.In each Example and the comparative example, the thickness of the
(접촉 저항 평가2)(Contact resistance evaluation 2)
상기 접촉 저항 평가 1에서, 측정시의 상하 방향의 면압을 0.5MP로 변경하였다.In the
(TOC 평가)(TOC evaluation)
JISK 0551-4.3에 준거하여, 먼저 각 실시예 및 비교예의 성형체(1)를 메탄올로 1분간 세정한 후, 이온 교환수로 1분간 세정했다. 이어서, 유리제 용기 내에 성형체(1)와 이온 교환수를, 성형체(1)의 질량 10g에 대하여 이온 교환수가 100ml가 되도록 넣어 90℃로 50시간 처리하였다. 처리 후의 이온 교환수 내에 인산을 첨가하여 pH2 이하로 조정한 후, 습식 산화-적외선 식 TOC 측정법(도오레 엔지니어링사 제조 「도오레 아스트로 TOC 자동 분석 합계 MODEL1800」를 사용)에 의해, 유기 탄산량을 측정하였다.In accordance with JISK 0551-4.3, first, the molded
(친수성 평가)(Hydrophilicity evaluation)
각 실시예 및 비교예로 얻어진 세퍼레이터(20)의, 폭 0.5mm, 깊이 0.5mm의 가스 공급 배출용 홈(2) 내에, 1μL의 이온 교환수를 떨어뜨려, 이 물방울이, 가스 공급 배출용 홈(2)의 길이 방향에 따르는 방향으로 퍼지는 길이를 측정하였다.1 μL of ion-exchanged water is dropped into the gas
또한, 이 세퍼레이터(20)를 90℃의 온수 내에 투입하여 일정 시간 방치한 후, 건조했다. 방치 시간은 500시간, 1 000시간, 1500시간 및 2000시간으로 하였다. 이러한 처리 후의 세퍼레이터(20)에 대하여, 상기와 마찬가지로 가스 공급 배출용 홈(2) 내에서의 물방울이 퍼지는 길이를 측정하였다.In addition, after drying this
(정적 접촉각 평가1)(Static contact angle evaluation1)
각 실시예 및 비교예로 얻어진 세퍼레이터(20)를 수평으로 배치하고, 이 세퍼레이터(20)의 요철부(리브, 21) 상에 스포이트로 이온 교환수를 떨어뜨려, 쿄와계면과학 가부시키가이샤에서 제조한 측정기(품번 「CA-W150」)를 사용하여, 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.The
또한, 이러한 세퍼레이터(20)를 90℃의 온수 내에 투입하여 일정 시간 방치한 후, 건조했다. 방치 시간은 500시간, 1 000시간, 1500시간 및 2000시간으로 하였다. 이러한 처리 후의 세퍼레이터(20)에 대하여, 상기와 마찬가지로 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.In addition, after drying this
(정적 접촉각 평가2)(Static contact angle evaluation2)
각 실시예 및 비교예로 얻어진 세퍼레이터(20)를 수평으로 배치하고, 이 세퍼레이터(20)의 요철부(리브, 21) 상에 스포이트로 이온 교환수를 떨어뜨려, 쿄와계면과학 가부시키가이샤에서 제조한 측정기(품번 「CA-W150」)를 사용하여, 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.The
또한, 이 세퍼레이터(20)를 100℃의 온수 내에 투입하여 1시간 방치한 후, 90℃로 2시간 가열하여 건조하는 것을 1사이클로 하는 처리를 반복하였다. 처리되는 사이클 수는, 50회, 100회, 200회 및 500회로 하였다. 이 처리 후의 세퍼레이터(20)에 대하여, 상기와 마찬가지로 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.Moreover, after this
(수용성 이온 분석)(Soluble ion analysis)
각 실시예 및 비교예의 성형체(1)를 메타놀로 1분간 세정한 후, 이온 교환수로 1분간 세정하였다. 이어서, 폴리에틸렌제 용기 내에 성형체(1)와 이온 교환수를, 성형체(1)의 질량 10g에 대하여 이온 교환수가 100ml가 되도록 넣어 90℃로 50시간 처리하였다. 처리 후의 이온 교환수(추출수)의 Na 이온 농도 및 Cl 이온 농도를, 이온크로마트그래피(가부시키가이샤 시마즈에서 제조한 「CDD-6A)」)로 측정하였다.The molded
(전기 전도도 평가)(Electrical conductivity evaluation)
각 실시예 및 비교의 메타놀로 1분간 세정한 후, 이온 교환수로 1분간 세정하였다. 이어서, 폴리에틸렌제 용기 내에 성형체(1)와 이온 교환수를, 성형체(1)의 질량 10g에 대하여 이온 교환수가 100ml가 되도록 넣어 90℃로 50시간 처리하였다. 처리 후의 이온 교환수(추출수)를 도전율계로 측정하였다.After washing for 1 minute with the methanol of each Example and comparison, it was washed for 1 minute with ion-exchanged water. Subsequently, the molded
(연료 전지의 발전압 변동 평가)(Evaluation of the voltage fluctuation of the fuel cell)
각 실시예 및 비교예로 얻어진 세퍼레이터(20)의 외주 부분에 에틸렌-프로필렌-디엔고무를 스크린 인쇄에 의해 도포한 후, 가열 가황함으로써 개스킷(12)을 형성하였다. 이로써, 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 얻었다. 또한, 이 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30) 사이에, 전해질(4) 및 가스 확산 전극(연료 전극(31) 및 산화제 전극(32))으로 이루어지는 막-전극 복합체(5)를 개재시켜, 재단법인 일본 자동차 연구소 표준 단위 셀(전극면적 25cm2)로 이루어지는 연료 전지 C를 제작하였다. 이 연료 전지 C에, 외부 회로를 접속한 상태로, 연료 가스로서 공기를 2.0NL/min의 유량으로, 산화제 가스로서 수소를 0.5NL/min의 유량으로 각각 공급함으로써, 연료 전지 C를 1000시간 동안 연속적으로 동작시켰다. 이 연료 전지 C의 작동시의 발전압(V)의 경시적인 변동 상태를 조사하였다. 그 결과를, 변동 후의 발전압의, 초기값에 대한 백분율((E1/E0)×100(%))의 값으로 표시 했다. 상기 E1은 변동 후의 발전압, E0는 초기 발전압이다.After the ethylene-propylene-diene rubber was apply | coated to the outer peripheral part of the
또, 실시예 1~19에 있어서, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 장착한 후, 이 세퍼레이터(20)에 대하여, 실시예 1에서의 표면 처리와 같은 조건으로 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 실시하여, 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 생성하였다. 이러한 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 사용하여, 상기와 동일하게, 도 4에 나타내는 구조의 연료 전지를 제작하였다. 이 연료 전지에 대해도, 상기와 같은 방법으로 발전압 변동을 측정하였다.Moreover, in Examples 1-19, after attaching the
(한계 산소 이용률 평가)(Limit oxygen utilization rate evaluation)
각 실시예 및 비교예로 얻어진 세퍼레이터(20)를 사용하여, 상기 연료 전지의 발전압 변동 평가와 같은 구성을 가지는 연료 전지 C를 제작하였다.Using the
이 연료 전지 C를, 산소 이용률 40%, 전류 밀도 0.15A/cm2의 조건으로, 연료 이용률 50%에서 5%씩 연료 이용률을 증가시키면서 실시하였다. 그 결과, 당초 700mV 이상이었던 셀 전압의 연료 이용률이 급격하게 저하되었다. 그리고, 셀 전압이 600mV를 밑돌았을 때 시험을 중지했다. 5%구간의 연료 이용률로 5시간의 운전 시험을 실시하고, 셀 전압의 진동이 나타나지 않고 안정적으로 운전할 수 있는 가장 높은 연료 이용률을 한계 연료 이용률로 하였다.This fuel cell C was carried out while increasing the fuel utilization rate by 50% at 50% fuel utilization rate under conditions of an oxygen utilization rate of 40% and a current density of 0.15 A / cm 2 . As a result, the fuel utilization rate of the cell voltage which was originally 700 mV or more fell rapidly. The test was stopped when the cell voltage fell below 600 mV. The driving test for 5 hours was performed at the fuel utilization rate of 5%, and the maximum fuel utilization rate which can operate stably without the vibration of a cell voltage was made into the limit fuel utilization rate.
또한, 이러한 연료 전지 C를, 연료 이용률 60%, 전류 밀도 0.3A/cm2의 조건으로 산소 이용률 30%에서 5%씩 증가시키다, 셀 전압이 600mV를 밑돌았을 때 시험을 중지했다. 각 산소 이용률로 5시간의 운전 시험을 실시하고, 셀 전압의 진동이 나타나지 않고 안정적으로 운전할 수 있는 가장 높은 산소 이용률을 한계 산소 이용률로 하였다. 이 한계 산소 이용률이 높은 경우, 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)이 물방울의 부착에 의해 폐색되는 것이 억제됨으로써, 발전의 안정성이 높아졌다고 할 수 있다.In addition, the fuel cell C was increased by 5% at an oxygen utilization rate of 30% under conditions of a fuel utilization rate of 60% and a current density of 0.3 A / cm 2 , and the test was stopped when the cell voltage was below 600 mV. The driving test for 5 hours was performed at each oxygen utilization rate, and the maximum oxygen utilization rate which can operate stably without showing the vibration of a cell voltage was made into limit oxygen utilization rate. When this limit oxygen utilization rate is high, it can be said that the gas supply-discharge groove |
[표 1][Table 1]
[표 2][Table 2]
[표 3][Table 3]
[표 4][Table 4]
표 중의 각 성분의 자세한 것은 다음과 같다The details of each component in the table are as follows.
<조성><Composition>
에폭시 수지 A: 크레졸 노볼락형 에폭시 수지(일본 화약사 제조 「EOCN- 1020-75」, 에폭시 당량 199, 융점 75℃)Epoxy resin A: Cresol novolak-type epoxy resin ("EOCN-1020-75" by the Japanese chemical company, epoxy equivalent 199, melting point 75 degrees Celsius)
에폭시 수지 B: Epoxy resin B:
비스페놀 F형 에폭시 수지(대일본 잉크 화학공업사 제조 「830CRP」, 에폭시 당량 171, 25℃로 액상)Bisphenol F type epoxy resin (we produce "830CRP" of Nippon Ink Chemical Co., Ltd., epoxy equivalent 171, liquid at 25 degrees Celsius)
경화제 A: 노볼락형 페놀 수지(군영화학사 제조 「PSM6200」, OH당량 105).Curing agent A: A novolak-type phenol resin ("PSM6200" by Gunyoung Chemical Co., Ltd., OH equivalent 105).
경화제 B: 다기능 페놀 수지(메이와화성가부시키가이샤 제조 「MEH-7500」, OH당량 100)?Curing agent B: Multifunctional phenolic resin ("MEH-7500" manufactured by Meiwa Chemical Co., Ltd., OH equivalent 100)?
페놀 수지 A: 레조르형 페놀 수지(군영화학사 제조 「샘플 A」, 융점 75℃, 13C-NMR 분석에 의한 오쏘-오쏘 25~ 35%, 오쏘-파라60~ 70%, 파라-파라 5~ 10%)?Phenolic resin A: Resor type phenol resin ("Sample A" by Military Chemical Co., Ltd., melting point 75 degreeC, ortho-ortho 25-35% by 13C-NMR analysis, ortho-para 60-70%, para-para 5-10) %)?
경화촉진제 A: 트리페닐 포스핀(홋코우 화학사 제조 「TPP」)?Curing accelerator A: Triphenyl phosphine ("TPP" made by Hokko Chemical Co., Ltd.)?
경화촉진제 B: 2-헵타데실 이미다졸(시코쿠화성공업), 중량 감소 3.1%?Curing accelerator B: 2-heptadecyl imidazole (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd.), weight reduction 3.1%?
경화촉진제 C: 2-운데실 이미다졸(시코쿠화성공업), 중량 감소 3.2%?Curing accelerator C: 2-undecyl imidazole (Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd.), weight loss 3.2%?
천연 흑연(중월흑연공업소사 제조 「WR50A」, 평균 입경 50μm, 회분 0.05%, 나트륨 이온 4ppm, 염화물 이온 2ppm).Natural graphite ("WR50A" by the middle and monthly graphite industry company, an average particle diameter of 50 micrometers, ash 0.05%,
인조 흑연(에스이시 사제 「SGP100」, 평균 입경 100μm, 회분 0.05%, 나트륨 이온 3ppm, 염화물 이온 1ppm.Artificial graphite ("SGP100" made by Esushi-shi Corporation, average particle diameter 100 micrometers, ash 0.05%, sodium ion 3 ppm,
커플링제: 에폭시 실란(일본 유니카사 제조 「A187」).Coupling agent: Epoxy silane ("A187" by the Japan Unicar Company).
왁스 A: 천연 카르나바왁스(다이니치 화학사 제조 「H 1-100」, 융점 83℃)Wax A: Natural carnauba wax (Dinichi Chemical Co., Ltd. "H 1-100", melting point 83 degreeC)
왁스 B: 몬탄산비스아마이드(다이니치 화학사 제조 「J-900」, 융점 123℃)Wax B: Montane bis amide (Dinichi Chemical Co., Ltd. product "J-900", melting | fusing point 123 degreeC)
그리고, 경화촉진제 B 및 C의 중량 감소는, 경화촉진제 B 및 C를 측정 개시 온도 30℃, 온도상승 속도 10℃/분, 유지 온도 120℃, 유지 온도에서의 유지 시간 30분의 조건으로 가열한 경우의, 중량의 감소 비율이다.And the weight reduction of the hardening accelerators B and C heated the hardening accelerators B and C on the conditions of the measurement start temperature of 30 degreeC, the temperature rise rate of 10 degree-C / min, holding temperature of 120 degreeC, and holding time of 30 minutes of holding temperature. In the case of weight loss.
(홈의 깊이/폭평가)(Depth / width evaluation of the groove)
실시예 1-21에 있어서, 가스 공급 배출용 홈(2)의 깊이(B)를 1mm 로 하는 동시에 폭(A)과 깊이(B)라는 비(A/B)를 0.8, 1, 5, 10으로 한 세퍼레이터(20)를 각각 제작하였다.In Example 1-21, the depth B of the gas supply-
이 각 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)의 내면에 대하여 정적 접촉각 평가를 행했다. 이 결과, 실시예 1-21의 어느 경우에도, 물과의 정적 접촉각은, A/B가 0.8의 경우에 25°가 되고, A/B가 1 또는 5 또는 10의 경우에는 20°가 되었다.Static contact angle evaluation was performed with respect to the inner surface of the gas
[실시예 22~35][Examples 22 to 35]
실시예 4에 있어서, 성형체(1)에 습식 블라스트 처리를 가한 후, 건조 처리를 실시하기 전에, 가부시키가이샤 카이죠의 상품명 하이메가소닉크 US샤워를 사용하여, 탈염수에 초음파 진동을 인가하고, 이 탈염수를 노즐로부터 성형체(1)의 표면을 향하여 토출함으로써, 성형체(1)에 세정 처리를 가했다. 실시예 20~24에서는 성형체(1)를 정지시킨 상태로, 이 성형체(1)의 위쪽에 배치되어 있는 노즐로부터, 초음파 진동이 인가된 액체를 토출하였다. 실시예 25~33에서는 성형체(1)를 반송하면서, 이 성형체(1)의 이동 경로의 위쪽에 배치되어 있는 노즐로부터, 초음파 진동이 인가된 액체를 토출하였다. 액체로서는 탈염수 또는 알칼리 이온수를 사용하고, 알칼리 이온수로서는 RUMICEKO-205(판매원:가부시키가이샤 카이죠)를 사용하였다. 각 실시예에서의 세정 처리의 조건은, 표 5에 나타낸 바와 같다.In Example 4, after applying the wet blast treatment to the molded
이 성형체(1)에 건조 처리, 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리, 물접촉 처리를 차례로 실시하고, 또한 상기의 연료 전지의 발전압 변동 평가에 기재되어 있는 방법으로 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 장착하였다. 이어서, 리모트 방식으로의 대기압 플라즈마 처리를 실시하기 전에, 이 세퍼레이터(20)에 상기와 같은 조건으로 세정 처리를 가했다. 이어서, 이 세퍼레이터(20)를 온풍 건조한 후, 실시예 1에서의 표면 처리와 같은 조건으로 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 가하여, 또한 물접촉 처리를 행하므로로, 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)를 얻었다.The molded
[외관 평가][Appearance evaluation]
실시예 4, 및 실시예 22~35로 얻어진 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)의 외관을 관찰하고, 비정상이 인정되지 않는 경우를○, 흑색의 줄기 등 비정상이 인정된 경우를 ×라고 평가했다.The external appearance of the
그 결과를 하기 표 5에 나타낸다.The results are shown in Table 5 below.
[불순물용출성 평가][Impurity Solubility Evaluation]
실시예 4, 및 실시예 22~35로 얻어진 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)로부터, 평면에서 볼 때 50mm×1mm의 치수로 시료 10g을 잘라, 이 시료를 90℃의 이온 교환수 90g 중에, 100시간 침지했다.From the
이 처리 후의 이온 교환수의 도전율을 측정하고, 그 값을 개스킷을 가지는 연료 전지 세퍼레이터(30)로부터의 불순물 용출성의 지표으로 하였다.The electrical conductivity of the ion-exchanged water after this treatment was measured, and the value was made into the index of impurity elutability from the
그 결과를 하기 표 5에 나타낸다.The results are shown in Table 5 below.
[표 5][Table 5]
Claims (21)
상기 표면 처리는, 습식 블라스트 처리와, 상기 습식 블라스트 처리 후의 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 포함하며,
상기 성형용 조성물이, 측정 개시 온도 30℃, 온도상승 속도 10℃/분, 유지 온도 120℃, 유지 온도에서의 유지 시간 30분의 조건으로 가열되는 경우의 중량 감소가 5% 이하며, 또한 2위에 탄화수소기를 가지는 치환 이미다졸을 함유하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.A molded article obtained by molding a molding composition containing a thermosetting resin containing an epoxy resin, a curing agent containing a phenolic compound, and graphite particles, and having an equivalent ratio of the epoxy resin to the phenolic compound in the range of 0.8 to 1.2. Including the process of surface-treating on a surface,
The surface treatment includes a wet blast treatment and a remote atmospheric plasma treatment after the wet blast treatment,
The weight loss when the said composition for shaping | molding is heated on conditions of 30 degreeC of measurement start temperature, 10 degreeC / min of temperature rise rate, 120 degreeC of holding temperature, and holding temperature is 5% or less, and 2 Containing a substituted imidazole having a hydrocarbon group thereon,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 에폭시 수지는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지이며,
상기 페놀계 화합물은 노볼락형 페놀 수지인,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method of claim 1,
The epoxy resin is a cresol novolac type epoxy resin,
The phenolic compound is a novolac phenolic resin,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 습식 블라스트 처리에 의한 성형체의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601: 2001)를 0.4~ 1.6μm의 범위로 하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The arithmetic mean height Ra (JIS B0601: 2001) of the surface of the molded object by the said wet blasting process shall be 0.4-1.6 micrometers,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 습식 블라스트 처리에 의한 성형체의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601: 2001)를 0.4μm 이상, 1.0μm 미만의 범위로 하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method of claim 4, wherein
The arithmetic mean height Ra (JIS B0601: 2001) of the surface of the molded object by the wet blasting process is set to be 0.4 μm or more and less than 1.0 μm,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 대기압 플라즈마 처리에서의 플라즈마 생성용 가스는, 산소 가스 함유량 2000ppm 이하의 질소 가스인,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The plasma generation gas in the atmospheric pressure plasma treatment is nitrogen gas having an oxygen gas content of 2000 ppm or less,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 성형용 조성물이 내부 이형제를 함유하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The molding composition contains an internal release agent,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 성형용 조성물은, 트리페닐 포스핀을 함유하는
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The molding composition contains triphenyl phosphine
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리는, 상기 습식 블라스트 처리 후, 대기압 플라즈마 처리 전에, 상기 성형체를 흡습율 0.1% 이하까지 건조하는 건조 처리를 포함하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The said surface treatment includes the drying process which dries the said molded object to moisture absorption 0.1% or less after the said wet blasting process and before atmospheric pressure plasma processing,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리는, 상기 대기압 플라즈마 처리 후에 상기 성형체의 표면을 물과 접촉시키는 물접촉 처리를 포함하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The surface treatment includes a water contact treatment for bringing the surface of the molded body into contact with water after the atmospheric pressure plasma treatment.
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리 전의 성형체의, 표면 처리가 행해지는 면에, 폭(A)과 깊이(B)의 비(A/B)가 1 이상인 가스 공급 배출용 홈을 형성하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
In the surface to which the surface treatment is performed of the molded object before the said surface treatment, the groove | channel for gas supply discharge which the ratio (A / B) of width | variety A and depth B is 1 or more is formed,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리에 의해, 상기 성형체의 표면의 접촉 저항을 15mΩcm2 이하로 하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
By the said surface treatment, the contact resistance of the surface of the said molded object shall be 15 m (ohm) cm <2> or less,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리에 의해, 상기 성형체의 표면의 물과의 정적 접촉각을 0~50°의 범위로 하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
By the said surface treatment, the static contact angle with the water of the surface of the said molded object shall be in the range of 0-50 degrees,
Method for producing a fuel cell separator.
상기 표면 처리가, 액체에 초음파 진동을 인가하는 동시에 상기 액체를 상기 성형체를 향하여 토출하는 세정 처리를 포함하는,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method according to claim 1 or 2,
The surface treatment includes a cleaning treatment for applying ultrasonic vibration to the liquid and simultaneously discharging the liquid toward the molded body.
Method for producing a fuel cell separator.
상기 세정 처리에서, 상기 액체에 인가하는 초음파 진동의 주파수가 900kHz 이상인
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.16. The method of claim 15,
In the cleaning process, the frequency of the ultrasonic vibration applied to the liquid is 900 kHz or more.
Method for producing a fuel cell separator.
상기 세정 처리에서, 상기 액체가 알칼리 이온수인,
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.The method of claim 16,
In the washing treatment, the liquid is alkaline ionized water,
Method for producing a fuel cell separator.
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.A gasket is formed by laminating a gasket on the fuel cell separator manufactured by the method according to claim 17, and then performing a remote atmospheric plasma treatment on the surface of the fuel cell separator.
Method for producing a fuel cell separator.
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.A gasket is formed by laminating a gasket on the fuel cell separator manufactured by the method according to claim 17, and then applying a ultrasonic vibration to the liquid and performing a cleaning process for discharging the liquid toward the fuel cell separator.
Method for producing a fuel cell separator.
연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.
After laminating a gasket on the fuel cell separator produced by the method according to claim 17, a remote atmospheric plasma treatment is again applied to the surface of the fuel cell separator, and then the fuel cell separator is laminated with the membrane-electrode composite. Process
Method for producing a fuel cell separator.
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