KR102489281B1 - 연료전지용 유로 부재의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

[과제] 도전성을 확보하고, 보다 미세한 유로의 형성이 가능하여 수소, 산소, 냉각용 냉매 등의 유통에 적합하며, 저렴하고 또한 간편한 연료전지용 유로 부재의 제조 방법을 제공한다.
[해결 수단] 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상인 탄소 재료와 제1 수지를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)를 얻는 공정과, 탄소 재료와 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부(21)를 적층하여 시트 형상의 베이스부(13)를 형성하는 공정과, 표면에 홈형 면(51)을 전사하여 홈부(15)를 만든 홈 형성 베이스부(16)를 형성하는 공정과, 탄소 재료와 제1 수지보다도 저융점의 제3 수지를 함유하는 시트 형상의 제3 도전부(31)를 적층하는 공정과, 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 열 융착에 의한 일체화에 의해 홈부를 피복하는 공정을 구비한다.

Description

연료전지용 유로 부재의 제조 방법{METHOD FOR MANUFACTURING FLOW PATH MEMBER FOR FUEL CELL}
본 발명은 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 수지의 가공의 양호함과 양호한 도전성을 구비한 유로 부재를 형성하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.
연료전지는 저장된 수소, 또는 알코올 혹은 에터 등을 개질하여 얻은 수소와, 공기 중의 산소와의 화학 반응에 의해 전기를 얻는 발전 장치이다. 대표적인 연료전지로서 인산형 연료전지(PAFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC), 고체 산화물형 연료전지(SOFC), 그리고 고체 고분자형 연료전지(PEFC)가 있다. 이들 연료전지 중, 고체 고분자형 연료전지는 다른 종류와 비교하여 소형화에 적합하다. 그 때문에 고체 고분자형 연료전지는 설치 장소의 제약을 많이 받는 승용차 등의 수송 기계에의 탑재에 적합하다.
전술의 일반적인 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)에서는, 수소를 공급하는 연료극(부극/애노드)과 산소를 공급하는 공기극(정극/캐소드)의 쌍방측에 세퍼레이터가 배치되고, 양쪽 세퍼레이터 간에 막 전극 접합체(MEA: Membrane Electrode Assembly)가 협지된다. 이 막 전극 접합체는 프로톤 도전막의 양측에 촉매층, 발수층, 또한 그 외측에 가스 확산층을 포개어 구성된다. 그리고, 이것들의 조합이 필요수 연결되어 연료전지는 구성된다(예를 들면, 특허문헌 1, 2 참조).
전술의 구조와 같이, 막 전극 접합체에 대하여 수소 및 산소가 공급된다. 이 경우, 수소 및 산소로부터 물과 전기가 발생함과 아울러 열도 발생한다. 전지 내부에서 과잉으로 발열하면, 반응 효율에 영향이 생겨 발전량 저하의 원인이 된다. 또한 연료 반응 성생물인 물의 연료전지로부터의 배출에도 지장을 초래할 우려도 있다. 그 때문에 고체 고분자형 연료전지에서는, 수소 및 산소의 공급과 아울러, 물 등의 냉각 용매체도 전지 내의 소정 부위에 공급되어 반응온도는 안정화된다(마찬가지로 특허문헌 1, 2 참조).
냉각 용매체의 순환에 의한 냉각 효과를 보다 높이기 위하여, 미세한 유로로 함으로써 유로의 표면적은 확장된다. 또한 미세한 유로를 형성함으로써, 전술의 막 전극 접합체 등의 전지 내부에 편입하는 것도 가능하게 된다. 그렇게 하면, 전지 내부의 발열 개소를 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
그래서, 도전성을 확보하여 고체 고분자형 연료전지의 세퍼레이터나 막 전극 접합체와의 조합의 편리성이 높고, 보다 미세한 유로의 형성이 가능하여 수소, 산소, 냉각용 냉매 등의 각종 유체의 유통에 적합하고, 게다가, 제작이 저렴하고 또한 간편한 연료전지용 유로 부재의 제작 방법이 요망되고 있었다.
일본 특허 제5541291호 공보 일본 특개 2011-48957호 공보
본 발명은 상기 상황을 감안하여 제안된 것으로, 도전성을 확보하여 고체 고분자형 연료전지의 세퍼레이터나 막 전극 접합체와의 조합의 편리성이 높고, 보다 미세한 유로의 형성이 가능하고, 수소, 산소, 냉각용 냉매 등의 각종 유체의 유통에 적합하고, 게다가, 제작이 저렴하고 또한 간편한 연료전지용 유로 부재의 제조 방법을 제공한다.
즉, 청구항 1의 발명은 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부를 얻는 공정과, 상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부를 상기 제1 도전부의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부를 형성하는 공정과, 상기 베이스부의 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부를 만든 홈 형성 베이스부를 형성하는 공정과, 상기 제1 수지보다도 저융점의 제3 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제3 도전부를, 상기 홈 형성 베이스부의 상기 홈부를 형성한 면 측에 적층하는 공정과, 상기 홈 형성 베이스부 및 상기 제3 도전부의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 홈부를 피복하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 2의 발명은 상기 홈 형성 베이스부에 있어서의 상기 제2 도전부를 적층한 면 측에 상기 홈부가 만들어지는 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 3의 발명은 상기 홈 형성 베이스부의 양면에 상기 홈부가 만들어지는 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 4의 발명은 상기 홈 형성 베이스부에 있어서의 상기 제2 도전부를 적층한 면과 반대 측의 면에 상기 홈부가 만들어지는 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 5의 발명은 상기 제3 도전부를 대신하여 다른 상기 홈 형성 베이스부가 상기 홈 형성 베이스부의 상기 홈부를 형성한 면 측에 적층되어 있는 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 6의 발명은 상기 홈부가 요철 형상 홈부인 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 7의 발명은 상기 요철 형상 홈부가 홈부와 융기부가 평행하게 연속된 구조인 청구항 6에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 8의 발명은 상기 요철 형상 홈부의 홈 깊이가 50∼200㎛이며, 상기 요철 형상 홈부의 홈 폭이 100∼400㎛인 청구항 6에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 9의 발명은 상기 홈 형성 베이스부에 금속판이 구비되어 있는 청구항 1에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 10의 발명은 상기 금속판에 탄소 재료를 함유하는 접착성 수지층이 구비되는 청구항 9에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 11의 발명은 상기 탄소 재료가 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상인 청구항 1 또는 10에 기재된 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 1의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부를 얻는 공정과, 상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부를 상기 제1 도전부의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부를 형성하는 공정과, 상기 베이스부의 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부를 만든 홈 형성 베이스부를 형성하는 공정과, 상기 제1 수지보다도 저융점의 제3 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제3 도전부를, 상기 홈 형성 베이스부의 상기 홈부를 형성한 면 측에 적층하는 공정과, 상기 홈 형성 베이스부 및 상기 제3 도전부의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 홈부를 피복하는 공정을 구비하기 때문에, 도전성을 확보하여 연료전지의 세퍼레이터나 막 전극 접합체와의 조합의 편리성이 높고, 보다 미세한 유로의 형성이 가능하여 수소, 산소, 냉각용 냉매 등의 각종 유체의 유통에 적합하며, 게다가, 제작이 저렴하고 또한 간편한 연료전지용 유로 부재를 제작할 수 있다.
청구항 2의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 홈 형성 베이스부에 있어서의 상기 제2 도전부를 적층한 면 측에 상기 홈부가 만들어지기 때문에, 후술하는 시트 형상의 제3 도전부와의 열 융착과 홈부의 피복은 용이하게 된다.
청구항 3의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 홈 형성 베이스부의 양면에 상기 홈부가 만들어지기 때문에, 일괄의 가공에 의해 복수의 유로를 상하 방향에 간단하게 형성할 수 있다.
청구항 4의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 홈 형성 베이스부에 있어서의 상기 제2 도전부를 적층한 면과 반대 측의 면에 상기 홈부가 만들어지기 때문에, 다른 홈 형성 베이스부와 아울러 연료전지 내의 다른 부재와의 조합이 편리하다.
청구항 5의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 제3 도전부 대신에 상기 홈 형성 베이스부가 적층되어 있기 때문에, 다른 홈 형성 베이스부에 더하여 유로의 계층화가 가능하게 되는데다, 연료전지 내의 다른 부재와의 조합이 편리하다.
청구항 6의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 홈부가 요철 형상 홈부이기 때문에, 비교적 용이하게 형성 가능하며, 게다가 낭비가 발생하기 어려운 이점이 있다.
청구항 7의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 요철 형상 홈부가 홈부와 융기부와의 평행하게 연속된 구조이기 때문에, 금형 자체의 제조 부담도 경감된다.
청구항 8의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 6의 발명에 있어서, 상기 요철 형상 홈부의 홈 깊이가 50∼200㎛이며, 상기 요철 형상 홈부의 홈 폭이 100∼400㎛이기 때문에, 연료전지 내의 냉각용 냉매의 공급에 의한 냉각 효율, 세퍼레이터 및 막 전극 접합체에의 수소, 산소의 공급 및 확산의 효율에서 적절하게 된다.
청구항 9의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1의 발명에 있어서, 상기 홈 형성 베이스부에 금속판이 구비되어 있기 때문에, 연료전지용 유로 부재를 고정할 때의 유지부로서 이용할 수 있다. 또한 외부의 배선과의 접속이 편리하다.
청구항 10의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 9의 발명에 있어서, 상기 금속판에 탄소 재료를 함유하는 접착성 수지층이 구비되기 때문에, 접착성 수지층 자체의 도전성이 향상된다.
청구항 11의 발명에 따른 연료전지용 유로 부재의 제조 방법에 의하면, 청구항 1 또는 10의 발명에 있어서, 상기 탄소 재료가 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상이기 때문에, 도전부는 수지 재료로 형성되어 있음에도 불구하고, 탄소 재료에 기인하여 도전성을 획득할 수 있다.
도 1은 제1 도전부 등의 내부 상태를 나타내는 부분 확대 단면 모식도이다.
도 2는 연료전지용 유로 부재의 제조 방법을 나타내는 개략 공정도이다.
도 3은 홈 형성 베이스부의 제2 실시형태의 단면 모식도이다.
도 4는 홈 형성 베이스부의 제3 실시형태의 단면 모식도이다.
도 5는 제2 실시형태의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 6은 제3 실시형태의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 7은 제4 실시형태의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 8은 제5 실시형태의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 9는 제6 실시형태의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 10은 제작 검증에 있어서의 실시예의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
도 11은 제작 검증에 있어서의 비교예의 연료전지용 유로 부재의 단면 모식도이다.
본 발명에 의해 제조되는 연료전지용 유로 부재는 주로 고체 고분자형 연료전지(PEFC)에 편입되는 부재이다. 그래서, 전기화학 반응에 의한 발전을 위한 수소 및 산소의 공급, 나아가, 연료전지의 온도 제어를 위한 물 등의 냉각 용매체를 공급하기 위한 유로이다. 당해 유로 부재의 특성은 비교적 단순한 구조를 채용하면서, 저렴하고, 게다가 전기의 도전성을 구비하고 있는 것이다. 처음에 각 도전부의 구조, 계속해서 제조 공정을 설명한다.
도 1은 이후에 설명하는 제1 도전부 등의 연료전지용 유로 부재의 각 도전부의 개요를 나타내는 부분확대 단면 모식도이다. 도 1(a)에서는, 수지(1)(후술의 제1 수지 등)의 내부에, 탄소 재료로서 카본 나노튜브(2)(Carbon nanotube)가 분산되어 있다. 동시에, 수지의 내부에, 또 하나의 탄소 재료로서 입상 흑연(3)(구상 흑연)(Spherical graphite)도 첨가되어 있다. 도 1(b)에서는, 수지(1)의 내부에 탄소 재료로서 카본 나노튜브(2)가 분산되어 있다. 동시에, 수지의 내부에, 또 하나의 탄소 재료로서 탄소 섬유(4)(Carbon fiber)도 첨가되어 있다. 도 1에서는, (c)는 수지(1)의 내부에, 이들 3종류의 탄소 재료인 카본 나노튜브(2), 입상 흑연(3), 및 탄소 섬유(4) 모두가 첨가되어 있다. 도전부는 수지 재료로 형성되어 있음에도 불구하고, 탄소 재료에 기인하여 도전성을 획득할 수 있다.
카본 나노튜브(2)는 직경 10nm 이상 또는 150nm 전후 이하의 탄소 원자만으로 이루어지는 탄소 화합물이다. 각 도전부의 전체 중량에 차지하는 카본 나노튜브는 중량비율은 15 내지 30중량%이다. 카본 나노튜브의 배합량을 극단적으로 많게 하면 수지의 점성이 상승하여 성형 불량의 원인이 되기 쉽다. 그래서, 전술의 범위가 바람직하다. 카본 나노튜브 자체는 도전성을 갖는다. 단, 다른 탄소 재료와 비교하여 1000분의 1 정도의 크기이며 대단히 미세하다. 카본 나노튜브만에 의한 수지 자체의 도전성 향상보다도, 다음 기술하는 입상 흑연(3) 또는 탄소 섬유(4)의 도전성을 보조할 목적으로 각 도전부에 배합된다.
입상 흑연(3)은 거의 구상의 흑연이며, 그 직경(입경)은 5㎛ 이상, 바람직하게는 10 내지 30㎛이다. 각 도전부의 전체 중량에 차지하는 입상 흑연은 중량비율은 30 내지 60중량%이다. 입상 흑연끼리는 각 도전부 내에서 근접 내지 접촉하는 배치가 되어, 직접 도전성의 향상이 도모된다.
탄소 섬유(4)는 수지 섬유를 탄화하여 얻은 섬유상 물질이며 섬유 직경(단면 직경)은 약 5 내지 30㎛이다. 섬유 길이는 대략 50 내지 200㎛이다. 탄소 섬유(4)를 배합하는 경우, 각 도전부의 전체 중량에 차지하는 탄소 섬유의 중량비율은 5 내지 30중량%이다. 탄소 섬유끼리도 각 도전부 내에서 근접 내지 접촉하는 배치가 되어, 도전성은 향상된다. 또한 섬유상이므로, 도전부 내에 망상 구조가 형성되어, 강도 향상에 공헌한다.
도 2 이후에 기술하는 제1 도전부, 제2 도전부, 또는 제3 도전부에, 도 1(a), (b), 또는 (c)의 어느 구조를 채용할 것인지는, 층 자체의 두께, 수지의 성질 등에 따라 적당히 감안된다. 물론, 도시하지 않지만, 탄소 재료 중 어느 1종류만의 배합으로 해도 된다. 보다 도전성을 높임과 아울러 도전부의 강도를 확보하는 경우에는, 도시한 바와 같이 2종류 이상의 탄소 재료의 배합으로 하는 것이 요망된다.
자명하지만 각 도전부를 형성하는 수지는 부도체이다. 예를 들면, 도전부의 두께가 커지는 경우, 절연 영역도 많아진다. 도전성을 위해 입상 흑연 또는 탄소 섬유의 배합을 늘린다고 해도, 도전부의 강도 유지의 관점에서 상한이 규정된다. 그 결과, 입상 흑연끼리 또는 탄소 섬유끼리의 사이는 넓어진다. 이때, 카본 나노튜브가 가해짐으로써, 떨어저 존재하는 입상 흑연끼리 또는 탄소 섬유끼리의 사이에 존재하는 수지 중에, 그 사이를 연결하는 전자의 통로가 새롭게 생긴다고 생각된다. 따라서, 보다 바람직하게는, 카본 나노튜브와 구상 흑연, 또는 카본 나노튜브와 탄소 섬유의 배합, 더욱 바람직하게는 카본 나노튜브, 입상 흑연, 및 탄소 섬유의 전종류 배합이다.
계속해서 도 2의 개략 공정도를 사용하여, 본 발명의 연료전지용 유로 부재의 제조 방법, 및 사용하는 수지에 대하여 순서에 따라 설명한다. 처음에, 도 2(a)와 같이, 전술의 탄소 재료와 제1 수지(R1)를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)가 형성된다.
제1 수지(R1)는 연료전지용 유로 부재의 본체가 되는 부분을 구성하는 수지가 된다. 그래서, 비교적 내구성이 우수함과 아울러 가공 용이한 수지로부터 선택된다. 예를 들면, 에틸렌 단독 중합체, 프로필렌 단독 중합체(호모폴리프로필렌), 에틸렌과 프로필렌, 1-뷰텐, 1-펜텐, 1-헥센, 4-메틸-1-펜텐 등의 1종 또는 2종 이상의 α-올레핀과의 랜덤 공중합체, 혹은 상기 조성의 블록 공중합체 등을 들 수 있다. 또한 상기한 이들 중합체의 혼합물 등의 폴리올레핀계 수지, 석유 수지 및 터펜 수지 등의 탄화 수소계 수지이다.
제1 수지(R1)에 전술의 탄소 재료로서 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상이 첨가된다. 그리고 제1 수지에 탄소 재료는 함유되어 시트 형상의 제1 도전부(11)가 형성된다(도 2(a)의 공정).
다음에 전술의 제1 수지(R1)보다도 저융점의 제2 수지(R2)가 준비된다. 이 제2 수지는 열 융착의 편의로 사용되는 수지이다. 제2 수지는 소위 제1 도전부(11)의 접착제에 상당한다. 제2 수지(R2)와 제1 수지(R1)와의 상용성, 박리의 발생 어려움 등을 고려하면, 저융점 또한 제1 수지와 동종의 수지로 하는 것이 바람직하다.
또한 제2 수지(R2)는 산 변성 폴리올레핀 수지로부터도 선택할 수 있다. 산 변성 폴리올레핀 수지는 불포화 카복실산 또는 그 유도체에 의해 변성된 폴리올레핀계 수지가 적합하게 사용된다. 이러한 불포화 카복실산으로서는 아크릴산, 메타크릴산, 말레산, 푸마르산, 크로톤산, 이타콘산, 시트라콘산 등을 들 수 있고, 이것들의 에스터나 무수물도 사용할 수 있다. 또한 이 유도체로서는 아크릴산 메틸, 메타크릴산 메틸, 아크릴산 에틸, 아크릴산 프로필, 아크릴산 뷰틸, 메타크릴산 뷰틸, 아세트산 바이닐, 글라이시딜아크릴레이트, 글라이시딜메타크릴레이트, 아크릴아마이드, 메타크릴아마이드, 아크릴산 소듐 등을 들 수 있다.
산 변성 폴리올레핀 수지에 사용 가능한 폴리올레핀계 수지로서는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리뷰텐, 및 이들의 공중합체, 에틸렌-아세트산 바이닐 공중합체, 에틸렌-아크릴산 에스터 공중합체 등을 들 수 있다. 이때, 폴리올레핀계 수지에 함유되는 불포화 카복실산 또는 그 유도체의 양은 0.001∼3중량%가 바람직하고, 더욱 바람직하게는 0.01∼1중량%, 특히 바람직하게는 0.03∼0.5중량%이다. 이 변성물 중의 변성량이 적으면, 층간 접착성의 향상 효과가 부족하고, 반대로 많으면 가교 반응을 일으켜, 성형성이 나빠지는 경우가 있어 바람직하지 않다. 또한 이들 접착성 수지에는 폴리아이소뷰틸렌, 에틸렌-프로필렌 고무 등의 고무·엘라스토머 성분이나, 접착성 수지의 모체인 폴리올레핀계 수지와 상이한 폴리올레핀계 수지를 블렌딩함으로써, 접착성이 향상되는 경우가 있어 유용하다.
제2 수지(R2)에도, 전술의 탄소 재료로서 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상이 첨가된다. 그리고 제2 수지에 탄소 재료는 함유되어 시트 형상의 제2 도전부(21)가 형성된다. 제2 도전부(21)는 제1 도전부(11)의 적어도 일면 측에 적층된다. 이렇게 하여, 시트 형상의 베이스부(13)가 형성된다(도 2(b)의 공정).
유로 부재에 있어서의 유로 형성을 위해 금형(50)이 준비된다. 이 금형(50)에는 빗살 모양으로 요철의 홈형 면(51)이 형성되어 있다. 금형(50)은 평탄한 시트 형상의 베이스부(13)의 표면에 대해 눌려진다. 그러면, 금형(50)의 홈형 면(51)은 베이스부(13)에 전사되어, 홈부(15)가 형성된다. 또한, 도시에서는 베이스부(13)의 다른 면을 평활하게 마무리 가공했기 때문에, 홈형 면을 전사하지 않는 면에 대해서는, 별도의 평활판 형상의 금형(55)이 준비되어 눌려진다. 금형을 사용한 누름은 베이스부(13)의 구성 수지의 유동성을 갖추고 있는 단계에서 행해진다. 이렇게 하여, 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16)가 형성된다(도 2(c)의 공정). 당해 홈 형성 베이스부(16)에서는, 제2 도전부(21)가 적층된 면 측에 홈부(15)가 만들어진다. 홈부가 당해 면 측에 형성되기 때문에, 후술의 시트 형상의 제3 도전부와의 열 융착과 홈부의 피복은 용이하게 된다.
도시의 금형(50)의 홈형 면(51)은 연속된 요철 형상이며, 그 각 융기부는 평행하다. 금형(50)의 홈형 면(51)은 베이스부(13)에 전사되어, 베이스부(13)에 홈부(15)(홈 바닥)와 융기부(19)가 평행하게 연속되는 요철 형상 홈부(Su)가 형성된다. 이 형상은 비교적 용이하게 형성 가능하며, 게다가 낭비가 생기기 어렵다. 게다가, 금형 자체의 제조 부담도 경감된다. 요철 형상 홈부의 크기는 적당하지만, 그 홈 깊이는 50 내지 200㎛, 홈 폭은 100 내지 400㎛이다. 이것들의 크기는 연료전지 내의 냉각용 냉매의 공급에 의한 냉각 효율, 세퍼레이터 및 막 전극 접합체에의 수소, 산소의 공급 및 확산의 효율로부터 적절하게 된다. 명세서 및 도면의 도 3 이후의 설명에서, 요철 형상 홈부는 홈부와 융기부가 평행하게 연속되는 구조이다. 또한, 금형의 홈형 면의 형상은 도시에 한하지 않고 필요한 형상으로 할 수 있다. 예를 들면, 홈형 면은 연속한 지그재그 형상 등으로 해도 된다.
또한, 전술의 제1 수지(R1)보다도 저융점의 제3 수지(R3)가 준비된다. 이 제3 수지는 전술의 제2 도전부와 열 융착하는 수지이다. 제3 수지(R3)와 제2 수지(R2)와의 상용성, 박리의 발생 어려움 등을 고려하면, 저융점이고 또한 제1 수지와 동종의 수지, 혹은 저융점이고 또한 제2 수지와 동종의 수지로 하는 것이 바람직하다. 나아가, 제2 수지와 동일한 산 변성 폴리올레핀 수지로부터도 선택할 수 있다.
제3 수지(R3)에도, 전술의 탄소 재료로서 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상이 첨가된다. 제3 수지에도 탄소 재료는 함유되어 시트 형상의 제3 도전부(31)가 형성된다. 그리고, 제3 도전부(31)는 홈 형성 베이스부(16)의 홈부(15)의 형성된 면 측에 적층된다. 당해 적층 후, 홈 형성 베이스부(16)와 제3 도전부(31)는 제3 도전부(31)의 제3 수지의 용융 온도로 가열된다. 이와 같이 함으로써 제3 도전부(31)와 홈 형성 베이스부(16)측의 제2 도전부 사이에서 열 융착이 생겨, 쌍방은 일체화된다(도 2(d)의 공정).
이 결과, 홈 형성 베이스부(16)의 홈부(15)는 제3 도전부(31)에 의해 피복된다. 즉, 제3 도전부(31)가 홈부(15)의 덮개가 된다. 이렇게 하여, 홈부(15)의 부분은 관로 형상의 유체 유로(18)가 되고, 연료전지용 유로 부재(10A)는 완성된다. 지금까지의 설명으로부터 이해되는 바와 같이, 제1 도전부(11), 홈 형성 베이스부(16), 및 제3 도전부(31)의 전체가 압착과 함께 가열된 경우, 제2 도전부(21)의 제2 수지(R2) 및 제3 도전부(31)의 제3 수지(R3)는 제1 도전부(11)의 제1 수지(R1)보다도 저융점이므로, 제1 수지(R1)보다 상대적으로 빠르게 용융된다. 그 때문에 홈 형성 베이스부(16)의 제2 도전부(21)와 제3 도전부(31)의 융착은 진행된다. 그 한편, 홈 형성 베이스부(16)의 제1 도전부(11)는 용융되지 않고, 당초의 형상은 유지된 채가 된다. 이와 같이 융점차를 이용하여 간단하게 홈부를 피복하여 막을 수 있다.
일련의 설명에 있어서의 수지의 융점은 시차 주사 열량 측정(DSC)에 의해 구한 값이다. 측정에 의해 값의 피크가 2 이상이 되는 경우, 상대적으로 크게 되는 피크측의 수치가 당해 수지의 융점에 채용된다.
제1 수지(R1), 제2 수지(R2), 및 제3 수지(R3)에, 탄소 재료로서 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상을 첨가할 때, 원하는 탄소 재료는 소정량씩 계량되어, 가열 용융 가능한 블렌더나 니더 등에 의해 혼련되어 수지 내에서 균질화된다. 그 후, 각 수지의 혼련물은 T 다이 등으로부터의 공압출을 통하여 적층화된다. 혹은, 각 수지의 혼련물은 단체로서 적층되어 압연 롤러 등에 통과시켜져 소정의 두께가 될 때까지 압연된다. 이것들의 가공에는 수지 가공상의 적당한 수법, 장치가 사용된다.
도 3은 제2 실시형태의 홈 형성 베이스부(16b)의 단면 모식도이다. 이 홈 형성 베이스부(16b)에서는, 그 양면에 홈부(15)(제1 홈부) 및 홈부(17)(제2 홈부)가 만들어진다. 도 4는 제3 실시형태의 홈 형성 베이스부(16c)의 단면 모식도이다. 이 홈 형성 베이스부(16c)에서는, 제2 도전부(21)를 적층한 면과 반대측의 면에 홈부(17)(제2 홈부)가 만들어진다. 또한, 홈 형성 베이스부(16b)와 같이 양면에 홈부를 만드는 형태에서는, 각 홈부의 홈의 방향을 동일(도 3(a))하게 해도, 서로 직교(즉 소정 각도 비켜 놓음)시켜 형성할 수 있다(도 3(b)).
제2 실시형태의 홈 형성 베이스부(16b)를 채용하면, 일괄의 가공에 의해 복수의 유로를 상하 방향으로 간단하게 형성할 수 있다. 또한 제3 실시형태의 홈 형성 베이스부(16c)는 다른 홈 형성 베이스부와 아울러 연료전지 내의 다른 부재와의 조합이 편리하다. 이들 홈 형성 베이스부를 사용하면, 예를 들면, 냉각 용매체의 유로와 아울러, 산소의 유로, 수소의 유로 등의 유로마다의 집약이 가능하게 되어, 더한층의 부재 용적의 경감에 도움이 된다. 또한, 홈 형성 베이스부(16b, 16c)에 있어서, 제2 도전부(21)의 적층을 양면으로 할 수도 있다(도시 생략). 이 경우, 열 융착에 의한 적층은 보다 용이하게 된다.
도 5는 제2 실시형태의 연료전지용 유로 부재(10B)의 단면 모식도이다. 연료전지용 유로 부재(10B)에서는 홈 형성 베이스부(16b)에 홈 형성 베이스부(16c)(도 3, 4 참조)가 적층에 의해 조합된다. 그리고 열 융착에 의해 연료전지용 유로 부재(10B)는 형성된다. 도시로부터 파악되는 바와 같이, 중앙 부분에 홈부(15)가 폐색되어 관로 형상의 유체 유로(18)가 형성된다. 또한, 연료전지용 유로 부재(10B)의 상하 방향의 양면에도 홈부(17, 15)가 노출되어 있다. 이 형태의 특징으로서 다른 홈 형성 베이스부에 더하여 유로의 계층화가 가능하게 된다. 또한 연료전지 내의 다른 부재와의 조합이 편리하다. 더불어, 공냉용의 홈부로서 이용할 수도 있다. 도 5에서도, 제2 도전부(21)의 적층을 양면으로 할 수도 있다(도시 생략).
또 6은 제3 실시형태의 연료전지용 유로 부재(10C)의 단면 모식도이다. 연료전지용 유로 부재(10C)에서는, 홈부의 형상 자체는 연속된 요철 형상으로 하면서도, 홈 폭을 크게 하고 있다. 양면에 홈부(15d, 17d)와 융기부(19d)를 형성한 홈 형성 베이스부(16d)의 홈부의 중앙 부분에, 편면만 홈부(15e)를 형성한 홈 형성 베이스부(16e)의 융기부(19)(홈부끼리의 사이)가 조합된다. 이와 같이, 어느 부재도 수지가공품이므로 형상 설계는 용이하다. 또한 한쪽의 홈 형성 베이스부를 교환함으로써, 유로의 종단면의 면적을 적당하게 조정할 수도 있다. 그 때문에 연료전지에 편입하는 부재로서의 편리성이 높아진다. 홈 형성 베이스부(16d)에서는 제2 도전부(21)는 양면에 적층되어 있다.
도 7은 제4 실시형태의 연료전지용 유로 부재(10D), 도 8은 제5 실시형태의 연료전지용 유로 부재(10E)의 단면 모식도이다. 연료전지용 유로 부재(10D 및 10E)에서는 홈 형성 베이스부(16f, 16g)의 내부에 금속판(40)이 구비된다. 금속판은 연료전지용 유로 부재를 연료전지에 접속하고 고정할 때의 유지부로서 이용된다. 또한 금속판 내를 전자는 이동 가능하기 때문에, 외부의 배선과 접속된다. 예를 들면, 직렬의 접속에 유효하다. 금속판의 재질에는 내식성 등이 고려된다. 그래서, 스테인리스 강판, 타이타늄판, 알루미늄판 등의 금속판이 사용된다. 나아가, 상기의 금속판에 금 도금, 니켈 도금, 탄소 도금 등의 표면 처리를 한 금속판(예를 들면, 금 도금 스테인리스 강판 등)도 바람직하게 사용된다. 금속판의 두께는 약 8 내지 200㎛의 범위이다. 금속판의 두께가 얇아지면 연료전지 자체의 체적을 소형화할 수 있어, 전지 체적당의 발전 성능을 끌어올릴 수 있다. 홈 형성 베이스부(16f)(16g)에 있어서의 제1 수지(R1)와 금속판(40) 사이에, 바람직하게는 접착성 수지층(45)이 개재된다. 접착성 수지층은 홈 형성 베이스부와 금속판의 쌍방의 접착성을 향상시킨다.
접착성 수지층(45)의 구성 수지는 전술의 제2 수지(R2) 또는 제3 수지(R3)의 성분인 산 변성 폴리올레핀 수지로부터 선택된다. 전술한 바와 같이 산 변성 폴리올레핀 수지는 불포화 카복실산 또는 그 유도체에 의해 변성된 폴리올레핀계 수지이다. 해당하는 수지종의 예시에 대해서는 설명이 중복되어 생략한다. 접착성 수지층(45)의 수지 중에는, 탄소 재료로서 카본 나노튜브, 입상 흑연, 또는 탄소 섬유 중 적어도 1종 이상이 첨가된다. 이것은 접착성 수지층(45) 자체의 도전성을 높이기 위해서이다.
접착성 수지층(45)의 두께는 압출 성형, 압연 단계에서 조정된다. 또한, 지나치게 두꺼우면, 탄소 재료를 포함하고 있다고 해도 도전성은 악화된다. 그래서, 접착성 수지층(45)의 두께는 대략 100㎛ 이하, 보다 바람직하게는 50㎛ 이하로 된다.
접착성 수지층(45)과 금속판(40)의 접착은 열 융착이기 때문에 강고하게 금속과 첩부된다. 산 변성 폴리올레핀 수지는 극성기를 갖는다. 이 점에서, 당해 수지의 극성기와 금속 원자와의 이온 결합에 의한 영향에 의해 접착은 강고하게 된다. 예를 들면, 금속판(40)의 양면 혹은 편면에 사후적으로 접착성 수지층(45)이 되는 수지 시트가 배치된다. 이것들은 가열반이나 가열 롤러 사이에 반입되어 열 융착이 행해진다. 이렇게 하여, 금속판(40)과 접착성 수지층(45)의 일체화물이 만들어진다.
계속해서, 금속판(40)과 일체화한 접착성 수지층(45)의 양면 혹은 편면에, 시트 형상의 제1 도전부(11)가 적층된다. 또한 제1 도전부(11)에는 시트 형상의 제2 도전부(21)도 적층된다. 제1 도전부(11)와 제2 도전부(21)의 적층은 각각의 시트 형상물을 겹쳐도 되고, T 다이 등으로부터 동시에 압출을 해도 된다. 이렇게 하여, 금속판(40)을 구비한 시트 형상의 베이스부(13f, 13g)가 형성된다. 베이스부(13f, 13g)에 대해서는 홈형 면이 전사되어 홈 형성 베이스부(16f, 16g)가 형성된다.
도 7에서는 양면에 홈부(15, 17)를 구비한 홈 형성 베이스부(16f)가 준비된다. 홈 형성 베이스부(16f)의 제2 도전부(21)가 적층된 면 측에 제3 도전부(31)가 적층된다. 그 후는 마찬가지로, 열 융착에 수반되는 일체화에 의해 홈 형성 베이스부(16f)의 홈부(15)는 제3 도전부(31)에 의해 피복된다. 도 8은 전술의 도 5에 대응하는 예이며, 양면에 홈부(15, 17)를 구비한 홈 형성 베이스부(16f)와, 편면에 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16g)의 2부재가 형성된다. 그리고, 홈 형성 베이스부(16f)를 기준으로 하여, 홈 형성 베이스부(16f)의 제2 도전부(21)가 적층된 면 측과, 홈 형성 베이스부(16g)의 제2 도전부(21)가 적층된 면 측이 첩합된다. 그 후는 마찬가지로, 열 융착에 수반되는 일체화에 의해 홈 형성 베이스부(16f)의 홈부(15)는 홈 형성 베이스부(16g)에 의해 피복된다. 홈 형성 베이스부(16f, 16g)에서도, 제2 도전부(21)를 양면에 적층할 수 있다(도시 생략).
도 9는 제5 실시형태의 연료전지용 유로 부재(10F)의 단면 모식도이다. 연료전지용 유로 부재(10F)에서는 금속판(40)이 외부에 노출된 예이다. 홈 형성 베이스부(16h)에서는 금속판(40)에 접착성 수지층(45), 제1 도전부(11)(제1 수지), 제2 도전부(21)(제2 수지)의 순서로 적층된다. 그리고, 홈형 면이 전사되어 홈부(15)가 형성된다. 다음에 제3 도전부(31)가 홈 형성 베이스부(16h)의 홈부(15)가 형성된 면 측에 적층된다. 도 7 또는 도 9에 개시된 연료전지용 유로 부재(10D, 10E, 10F)에 있어서의 가공의 수법은 연료전지용 유로 부재(10A)(도 2 참조)와 동일하다.
이와 같이, 연료전지용 유로 부재는 수지를 사용하면서도 도전성을 확보하고, 게다가 자유로운 형상 설계를 가능하게 한다. 따라서, 연료전지에서 필요하게 되는 부분에 최적의 형태로 적합시킬 수 있다. 그 때문에 물 등의 냉각 용매체의 유로에 그치지 않고, 산소, 수소의 공급, 나아가 발생한 수증기의 배기 등에도 유효하게 활용할 수 있다.
실시예
발명자들은 하기의 원료를 사용하여 후술의 표 1 내지 3에 개시된 배합에 기초하여 도 10 및 도 11의 단면 모식도의 각 구조([I] 또는 [V])에 준하여 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 8의 연료전지용 유로 부재를 제작했다. 그리고, 각 실시예 및 비교예의 연료전지용 유로 부재에 대하여, 도 10 및 도 11의 구조([I] 또는 [V] 중 어느 하나)이거나, 열 융착의 온도(℃) 및 압력(MPa)의 조건, 열 융착의 전후의 두께(㎛), 열 융착 전후의 관통 저항(mΩ·cm2), 및 접착·형상 유지평가의 양부에 대하여 측정하고 기재했다.
[사용 원료]
제1 수지로서 호모 폴리프로필렌(닛폰폴리프로필렌 가부시키가이샤제, 노바텍 FL100A, 융점 161℃, 이하 「PP」라고 한다.)을 사용했다.
제1 수지보다도 저융점의 제2 수지 또는 제3 수지로서 이하의 수지를 사용했다.
무수 말레산 변성 저밀도 폴리에틸렌(미츠비시카가쿠 가부시키가이샤제, 모딕 M504, 융점 121℃, 이하 「변성 LL」이라고 한다.)을 사용했다.
저밀도 폴리에틸렌(우베마루젠폴리에틸렌 가부시키가이샤제, 유메리트 4540F, 융점 134℃, 이하 「LL」이라고 한다.)
각 기재 수지 모두 수지의 펠릿을 동결 분쇄하여 분말로 만들어 사용했다.
도전성 탄소 재료로 하기를 사용했다.
카본 나노튜브: 쇼와덴코 가부시키가이샤제, VGCF-X(섬유 직경: 10∼15nm, 이하 「CNT」라고 한다.)
입상 흑연: 닛폰카본 가부시키가이샤제, 니카비즈 P25B-ZG(평균 입자직경: 25㎛, 진밀도: 2.17g/cm3, 이하 「SG」라고 한다.)
탄소 섬유: 미츠비시쥬시 가부시키가이샤제, 다이아리드 K223HE(섬유 직경: 11㎛, 진밀도: 2.0g/cm3, 이하 「CF」라고 한다.)
금속판으로서 다음 부재를 사용했다.
양쪽 표면에 도금한 스테인리스 강판(SUS 316L, 두께 100㎛)을 사용했다. 이후 「금 도금 스테인리스 강판」이라고 한다.
알루미늄박(가부시키가이샤 UACJ제 박제, 「닙파쿠 호일」, 두께 12㎛)을 사용했다. 이후, 「알루미늄박」이라고 한다.
홈부 형성의 금형은 홈끼리의 간격을 350㎛, 홈 폭 200㎛, 홈 깊이 100㎛의 단면으로 보아 장방 형상(직사각 형상)의 연속되는 홈형 면 형상으로 했다. 평활면용의 금형은 평판면 형상인 채로 했다. 금형은 모든 실시예 및 비교예에 공통으로 했다.
도 10(a)는 금속판(40), 접착성 수지층(45), 제1 도전부(11), 및 제2 도전부(21)의 순서로 적층하고 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16x)를 제작했다. 여기에, 제3 도전부(31)로서 접착성 수지층(45)을 구비한 금속판(40)을 적층하고, 열 융착에 의해 일체화했다(구조 [I]).
도 10(b)는 금속판(40), 접착성 수지층(45), 제1 도전부(11), 및 제2 도전부(21)의 순서로 적층하고 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16x)를 제작했다. 여기에, 탄소 재료를 함유하는 제1 수지의 시트 형상물(32)에 제3 도전부(31)를 구비한 복합체(33)를 적층하고, 열 융착에 의해 일체화했다(구조 [II]).
도 11(a)는 금속판(40), 접착성 수지층(45), 제1 도전부(11), 및 제2 도전부(21)의 순서로 적층하고 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16x)를 제작했다. 여기에, 금속판(40)만을 적층하고, 열 융착에 의해 일체화했다(구조 [III]).
도 11(b)는 금속판(40), 접착성 수지층(45), 제1 도전부(11), 및 제2 도전부(21)의 순서로 적층하고 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16x)를 제작했다. 여기에, 탄소 재료를 함유하는 제1 수지의 시트 형상물(32)만을 적층하고, 열 융착에 의해 일체화했다(구조 [IV]).
도 11(c)는 금속판(40), 접착성 수지층(45), 및 제1 도전부(11)의 순서로 적층하고 홈부(15)를 구비한 홈 형성 베이스부(16y)를 제작했다. 여기에, 접착성 수지층(45)을 구비한 금속판(40)을 적층하고, 열 융착에 의해 일체화했다(구조 [V]).
[실시예 및 비교예의 연료전지용 유로 부재의 제작]
<실시예 1>
제1 수지(PP) 100중량부에, 카본 나노튜브(CNT) 114중량부, 입상 흑연(SG) 241중량부를 배합하고 170℃로 가열하면서 균일하게 혼련했다. 수지의 융점보다 1℃ 내지 5℃ 낮은 온도로 가열한 캘린더롤기에 통과시켜 두께 60㎛의 시트 형상의 제1 도전부를 얻었다. 제2 도전부 및 접착성 수지층에 대해서는 공통으로 하고, 무수 말레산 변성 저밀도 폴리에틸렌(변성 LL) 100중량부에, 카본 나노튜브(CNT) 73중량부, 입상 흑연(SG) 159중량부, 및 탄소 섬유(CF) 123중량부를 배합하고 140℃로 가열하면서 균일하게 혼련했다. 혼련물을 수지의 융점보다 1℃ 내지 5℃ 낮은 온도로 가열한 캘린더롤기에 통과시켜 두께 20㎛의 시트 형상의 제2 도전부 및 접착성 수지층을 얻었다.
그리고, 금속판(금 도금 스테인리스 강판), 접착성 수지층, 제1 도전부, 및 제2 도전부의 순서로 적층하고, 제2 도전부와 금형 사이에 이형 PET 필름(두께 25㎛)을 끼우고, 상하에서 평판 형상 및 홈형 면을 구비한 금형을 사용하여 가열 프레스하여 전체 적층물을 접착했다. 이때의 프레스 온도는 제1 수지(PP)의 융점보다 20℃ 고온으로 설정했다. 프레스의 압력은 30MPa로 했다. 이렇게 하여 홈 형성 베이스부를 제작했다. 제작한 홈부에 대하여, 홈끼리의 간격은 350㎛, 홈 폭은 200㎛, 홈 깊이는 100㎛의 치수였다. 동시에, 금속판(금 도금 스테인리스 강판) 및 접착성 수지층을 적층하고, 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 접착했다. 이때의 프레스 온도는 무수 말레산 변성 저밀도 폴리에틸렌(변성 LL)의 융점보다 20℃ 고온으로 설정했다. 프레스의 압력은 30MPa로 했다. 이렇게 하여 금속판을 구비한 제3 도전부를 제작했다.
당해 홈 형성 베이스부와 제3 도전부를 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스(열 융착) 시에, 온도를 130℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 1).
<실시예 2>
실시예 2는 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 2).
<실시예 3>
실시예 3은 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 150℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 3).
<실시예 4>
실시예 4는 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 3.1MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 4).
<실시예 5>
실시예 5에서는, 제1 도전부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 하여, 제2 도전부의 수지를 저밀도 폴리에틸렌(LL)으로 했다. 저밀도 폴리에틸렌(LL) 100중량부에, 카본 나노튜브(CNT) 114중량부, 입상 흑연(SG) 241중량부를 배합하고 140℃로 가열하면서 균일하게 혼련했다. 혼련물을 수지의 융점보다 1℃ 내지 5℃ 낮은 온도로 가열한 캘린더롤기에 통과시켜 두께 20㎛의 시트 형상의 제2 도전부를 얻었다.
금속판(금 도금 스테인리스 강판), 접착성 수지층, 제1 도전부, 및 제2 도전부의 순서로 적층하고, 상하로부터 평판 형상 및 홈형 면을 구비한 금형을 사용하여 가열 프레스하여 전체 적층물을 접착했다. 이때의 프레스 온도는 제1 수지(PP)의 융점보다 20℃ 고온으로 설정했다. 프레스의 압력은 30MPa로 했다. 이렇게 하여 홈 형성 베이스부를 제작했다. 동시에, 금속판(금 도금 스테인리스 강판) 및 접착성 수지층을 적층하고, 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 접착했다. 이때의 프레스 온도는 무수 말레산 변성 저밀도 폴리에틸렌(변성 LL)의 융점보다 20℃ 고온으로 설정했다. 프레스의 압력은 30MPa로 했다. 이렇게 하여 금속판을 구비한 제3 도전부를 제작했다.
홈 형성 베이스부와 제3 도전부를 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스 시에, 온도를 145℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 5).
<실시예 6>
실시예 6에서는, 제1 도전부 및 제2 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 하여 홈 형성 베이스부를 제작했다. 제3 도전부는 탄소 재료를 함유하는 제1 수지의 시트 형상물에 제3 도전부를 구비한 복합체로 했다. 탄소 재료를 함유하는 제1 수지의 시트 형상물에 대해서는, 실시예 1의 제1 도전부와 공통으로 했다. 제3 도전부에 대해서는, 실시예 5의 제2 도전부와 공통으로 했다. 제3 도전부의 복합체의 제작 시에, 수지의 융점보다 1℃ 내지 5℃ 낮은 온도로 가열한 캘린더롤기에 통과시켜 두께 20㎛의 시트 형상의 복합체로 했다.
홈 형성 베이스부와 제3 도전부가 되는 복합체를 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스 시에, 온도를 145℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(b)의 구조 [II]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 6).
<실시예 7>
실시예 7에서의 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 제작은 전술의 실시예 1과 동일하게 했다. 단, 사용한 2매의 금속판을 금 도금 스테인리스 강판으로부터 양쪽 모두 알루미늄박으로 변경했다. 즉, 실시예 7의 제3 도전부는 접착성 수지층을 도공한 알루미늄박이다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 130℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 7).
<실시예 8>
실시예 8에 있어서의 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 제작은 전술의 실시예 1과 동일하게 했다. 단, 홈 형성 베이스부의 홈부측에 적층하는 금속판만을 금 도금 스테인리스 강판으로부터 알루미늄박으로 변경했다. 즉, 실시예 8의 제3 도전부도 접착성 수지층을 도공한 알루미늄박이다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 130℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(실시예 8).
<비교예 1>
비교예 1은 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 100℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 그래서 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재의 제작을 시도했지만, 쌍방은 열 융착하지 않았다(비교예 1).
<비교예 2>
비교예 2는 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 165℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 2).
<비교예 3>
비교예 3은 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부 및 제3 도전부의 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 4.1MPa로 했다. 결과로서, 도 10(a)의 구조 [I]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 3).
<비교예 4>
비교예 4에서는, 제1 도전부 및 제2 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 하여 홈 형성 베이스부를 제작했다. 제3 도전부 대신에 금속판(금 도금 스테인리스 강판)만을 사용했다. 홈 형성 베이스부와 금속판을 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 2.5MPa로 했다. 결과로서, 도 11(a)의 구조 [III]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 4).
<비교예 5>
비교예 5에서는, 사용 부재를 비교예 4와 공통으로 했다. 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 3.5MPa로 했다. 결과로서, 도 11(a)의 구조 [III]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 5).
<비교예 6>
비교예 6에서는, 제1 도전부 및 제2 도전부를 전술의 실시예 1과 공통으로 하여 홈 형성 베이스부를 제작했다. 제3 도전부 대신에 제1 수지의 시트 형상물만을 사용했다. 이 제1 수지의 시트 형상물은 실시예 6과 공통으로 했다. 홈 형성 베이스부와 제1 수지의 시트 형상물을 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 11(b)의 구조 [IV]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 6).
<비교예 7>
비교예 7에서는, 사용 부재를 비교예 6과 공통으로 했다. 가열 프레스 시에, 온도를 165℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 결과로서, 도 11(b)의 구조 [IV]의 연료전지용 유로 부재를 제작했다(비교예 7).
<비교예 8>
비교예 8에서는, 실시예 1의 홈 형성 베이스부로부터 제2 도전부를 생략했다. 금속판(금 도금 스테인리스 강판), 접착성 수지층, 및 제1 도전부의 순서로 적층하고, 상하로부터 평판 형상 및 홈형 면을 구비한 금형을 사용하여 가열 프레스하여 전체 적층물을 접착했다. 이때의 프레스 온도는 제1 수지(PP)의 융점보다 20℃ 고온으로 설정했다. 프레스의 압력은 30MPa로 했다. 이렇게 하여 제2 도전부를 생략한 홈 형성 베이스부를 제작했다. 그리고, 이것에 실시예 1과 공통의 금속판을 구비한 제3 도전부를 상하로부터 함께 평판 형상의 금형을 사용하여 가열 프레스하여 일체화했다. 가열 프레스 시에, 온도를 140℃, 프레스 압력을 2.4MPa로 했다. 그래서 도 11(c)의 구조 [V]의 연료전지용 유로 부재의 제작을 시도했지만, 쌍방은 열 융착하지 않았다(비교예 8).
[두께의 측정]
각 실시예 및 비교예의 연료전지용 유로 부재에 대하여 두께 측정기(가부시키가이샤 토요세키세사쿠쇼제, B-1)를 사용하여 측정하고, 각각의 두께(㎛)를 구했다.
[관통 저항의 측정]
히오키 가부시키가이샤제, 저항계 RM3544형을 사용하고, 측정 대상의 시작예의 필름을 두께 방향으로부터, 직경 30mm의 금 도금판에 의해 끼우고, 1MPa로 가압하고, 필름의 두께 방향의 저항(mΩ·cm2)을 측정했다.
[접착 및 형상 유지의 평가]
각 실시예 및 비교예와 같이 제작한 연료전지용 유로 부재에 대하여, 극단적인 형상 변형 없이 접착할 수 있었던 예를 「양호」의 평가로 했다. 접착할 수 없었던 혹은 접착력이 약한 또는 형상 변형이 현저한 예에 대해서는 「불량」의 평가로 했다.
각 실시예 및 비교예에 대하여, 대응하는 구조([I] 또는 [V] 중 어느 하나), 가열 프레스 조건: 온도(℃) 및 압력(MPa), 두께(㎛): 프레스 전 및 후, 관통 저항(mΩ·cm2): 프레스 전 및 후, 그리고 접착 및 형상의 평가(양부)의 결과를 표 1 내지 3에 기재했다.
Figure 112017039973429-pct00001
Figure 112017039973429-pct00002
Figure 112017039973429-pct00003
Figure 112017039973429-pct00004
[결과와 고찰]
실시예의 연료전지용 유로 부재는 모두 양호한 접착성 평가를 얻을 수 있었다. 또한 각 부재의 가열 프레스에 수반되는 열 융착 후에 있어서도 관통 저항의 값으로부터 도전성을 확인했다. 아울러, 금속판의 종류를 변경한 실시예에서도, 양호한 접착성 평가를 얻을 수 있었다. 관통 저항의 값의 차이는 금속판 자체의 저항으로 생각된다. 비교예 1은 가열 프레스 시의 온도가 낮아, 수지의 열 융착이 충분히 발생하지 않았기 때문에, 접착 불량으로 되었다. 비교예 2는 가열 프레스 시의 온도가 높아, 본래의 유로가 되어야 할 홈 형성 베이스부의 수지도 연화되어 형상 변형이 생겨 버렸다. 비교예 3은 가열 프레스 시의 압력이 높아, 형상 변형이 현저하게 불량으로 되었다.
비교예 4에서는 홈 형성 베이스부에 제2 도전부를 갖고, 이것에 금속판만을 적층하는 구조이다. 이것으로부터, 제2 도전부의 수지의 융착만으로는 접착성은 충분하지 않은 것을 알 수 있었다. 비교예 5는 상기의 비교예 4보다도 가열 프레스 시의 압력을 더 높였지만, 충분한 접착성을 얻을 수는 없었다.
비교예 6은 홈 형성 베이스부에 제2 도전부를 갖고, 이것에 탄소 재료를 함유하는 제1 수지의 시트 형상물이다. 적층의 대상도 수지이더라도 제2 도전부의 수지의 융착만으로는 접착성은 충분하지 않은 것을 알 수 있었다. 비교예 7은 상기의 비교예 6보다도 가열 프레스 시의 압력을 더 높였지만, 충분한 접착성을 얻을 수는 없었다. 비교예 8은 제2 도전부를 생략한 홈 형성 베이스부이며, 이것에 금속판을 적층한 예이다. 금속판측에 접착성 수지층을 구비하고 있어도 충분한 접착성을 얻을 수는 없었다.
접착 및 형상의 평가에 있어서 양호했던 각 실시예와, 불량의 결과로 된 각 비교예의 대비로부터, 연료전지용 유로 부재의 제작 시에 주로 이하의 점이 필요하다고 할 수 있다. 제1로, 유로의 본체 부분을 형성하는 홈 형성 베이스부에 다른 수지 부재를 적층하여 덮개를 덮는 경우, 홈 형성 베이스부의 측에도, 덮개가 되는 제3 도전부에도, 쌍방에 열 융착하는 수지가 필요하다. 제2로, 열 융착 시에 홈 형성 베이스부(홈부)의 수지가 가열에 따라 용융 변형하지 않도록 하기 위하여, 열용융 온도보다도 융점이 높은 수지를 홈 형성 베이스부의 본체 부분의 수지에 채용할 필요가 있다. 제3으로, 최종적인 가열 프레스 시의 온도는 홈 형성 베이스부의 본체 부분의 수지의 융점보다는 낮고, 또한, 부재 간의 접착에 기여하는 수지의 융점보다는 높은 온도로 할 필요가 있다. 이들의 점을 고려하면, 준비되지 못한 부재의 형상 변형을 억제할 수 있고, 게다가 내부에 양호한 유로를 형성할 수 있다. 나아가, 금속판을 부재 내에 개재시켜도 열 융착에 의해 양호한 접착성을 발휘했다. 따라서, 당해 연료전지용 유로 부재는 연료전지에 편입하는 부재로서 대단히 편리성이 높다고 할 수 있다.
본 발명의 연료전지용 유로 부재의 제조 방법을 사용하면, 각 부재의 선택 및 융점차로부터 대단히 간편하고 또한 저렴하게 미세한 유로를 형성한 부재를 제작할 수 있다. 따라서, 연료전지 내에 공급하는 수소, 산소 등의 연료, 냉각용 냉매 등의 각종 유체의 유통에 적합한 부재로서 유망하다. 물론, 이것 이외에도, 본 발명의 특성을 필요로 하는 여러 용도에도 사용할 수 있다.
1 수지
2 카본 나노튜브
3 입상 흑연
4 탄소 섬유
10A, 10B, 10C, 10D, 10E, 10F 연료전지용 유로 부재
11 제1 도전부
13 베이스부
15, 15d, 15e, 17, 17d 홈부
16, 16b, 16c, 16d, 16e, 16f, 16g, 16h, 16x, 16y 홈 형성 베이스부
18 유체 유로
19 융기부
21 제2 도전부
31 제3 도전부
40 금속판
45 접착성 수지층
50 금형
51 홈형 면
Su 요철 형상 홈부

Claims (11)

  1. 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)를 얻는 공정과,
    상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부(21)를, 상기 제1 도전부(11)의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부(13)를 형성하는 공정과,
    상기 베이스부(13)의 상기 제2 도전부(21)를 적층한 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부(15)를 만든 홈 형성 베이스부(16)를 형성하는 공정과,
    상기 제1 수지보다도 저융점의 제3 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제3 도전부(31)를 상기 홈 형성 베이스부(16)의 상기 홈부(15)를 형성한 면 측에 적층하는 공정과,
    상기 홈 형성 베이스부(16) 및 상기 제3 도전부(31)의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 홈부(15)를 피복하는 공정을 포함하고,
    열 융착 시의 온도를 상기 제1 수지의 융점보다 낮고, 상기 제2 수지 및 상기 제3 수지의 융점보다 높은 온도로 하고, 열 융착 시 압력이 4.1 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재의 제조 방법.
  2. 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)를 얻는 공정과,
    상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부(21)를, 상기 제1 도전부(11)의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부(13)를 형성하는 공정과,
    상기 베이스부(13)의 상기 제2 도전부(21)를 적층한 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부(15)를 만든 하나의 홈 형성 베이스부(16b)를 형성하는 공정과,
    다른 홈 형성 베이스부(16c)의 홈부(17)가 만들어진 면 측과 반대측의 적어도 일면 측에 적층된 제2 도전부(21)를 가지는 또 다른 홈 형성 베이스부(16c)를 형성하는 공정과,
    다른 홈 형성 베이스부(16e)의 제2 도전부(21)가 하나의 홈 형성 베이스 부(16d)의 홈부(15d)의 측면에 있도록, 상기 하나의 홈 형성 베이스부(16b)의 홈부(15)가 형성된 면 측에 상기 다른 홈 형성 베이스부(16c)을 적층하는 공정과,
    상기 하나의 홈 형성 베이스부(16b) 및 상기 다른 홈 형성 베이스부(16c)의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 하나의 홈 형성 베이스부(16b)의 홈부(15)를 피복하는 공정을 포함하고,
    열 융착 시의 온도를 상기 제1 수지의 융점보다 낮고, 상기 제2 수지의 융점보다 높은 온도로 하고, 열 융착 시 압력이 4.1 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재(10B)의 제조 방법.
  3. 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)를 얻는 공정과,
    상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부(21)를, 상기 제1 도전부(11)의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부(13)를 형성하는 공정과,
    상기 베이스부(13)의 상기 제2 도전부(21)를 적층한 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부(15d)를 만든 하나의 홈 형성 베이스부(16d)를 형성하는 공정과,
    다른 홈 형성 베이스부(16e)의 홈부(15e)가 만들어진 적어도 일면 측에 적층된 제2 도전부(21)를 가지는 또 다른 홈 형성 베이스부(16e)를 형성하는 공정과,
    상기 다른 홈 형성 베이스부(16e)의 제2 도전부(21)가 상기 하나의 홈 형성 베이스 부(16d)의 홈부(15d)의 측면에 있도록, 상기 하나의 홈 형성 베이스부(16d)의 홈부(15d)가 형성된 면 측에 상기 다른 홈 형성 베이스부(16e)을 적층하는 공정과,
    상기 하나의 홈 형성 베이스부(16d) 및 상기 다른 홈 형성 베이스부(16e)의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 하나의 홈 형성 베이스부(16d)의 홈부(15d)를 피복하는 공정을 포함하고,
    열 융착 시의 온도를 상기 제1 수지의 융점보다 낮고, 상기 제2 수지의 융점보다 높은 온도로 하고, 열 융착 시 압력이 4.1 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재(10C)의 제조 방법.
  4. 제1 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제1 도전부(11)를 얻는 공정과,
    상기 제1 수지보다도 저융점의 제2 수지와 탄소 재료를 함유하는 시트 형상의 제2 도전부(21)를, 상기 제1 도전부(11)의 적어도 일면 측에 적층하여, 시트 형상의 베이스부(13)를 형성하는 공정과,
    상기 베이스부(13)의 상기 제2 도전부(21)를 적층한 표면에 홈형 면을 전사하여, 홈부(15)를 만든 홈 형성 베이스부(16)를 형성하는 공정과,
    접착성 수지층(45)이 상기 홈부(15)의 측면에 있도록, 상기 홈 형성 베이스부(16)의 상기 홈부(15)가 형성된 면 측에 접착성 수지층(45)이 구비된 금속판(40)을 적층하는 공정과
    상기 홈 형성 베이스부(16) 및 상기 금속판(40)의 열 융착에 의한 일체화에 의해, 상기 홈부(15)를 피복하는 공정을 포함하고,
    상기 접착성 수지층(45)은 탄소 재료와, 상기 제1 수지보다 저융점인 산-변성 폴리올레핀 수지로부터 선택되는 접착성 수지를 함유하며,
    열 융착 시의 온도를 상기 제1 수지의 융점보다 낮고, 상기 제2 수지와 상기 접착성 수지의 융점보다 높은 온도로 하고, 열 융착 시 압력이 4.1 MPa 미만인 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재의 제조 방법.
  5. 제1항 또는 제4항에 있어서, 접착성 수지층(45)이 제2 도전부(21)가 적층된 면 측과 반대측에 있도록, 상기 제1 도전부(11)는 접착성 수지층(45)이 구비된 금속판(40) 위에 적층되고,
    상기 접착성 수지층(45)은 탄소 재료와, 상기 제1 수지보다 저융점인 산-변성 폴리올레핀 수지로부터 선택되는 접착성 수지를 함유하며,
    열 융착 시의 온도는 상기 접착성 수지의 융점보다 높은 온도로 하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 유로 부재의 제조 방법.
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