KR20020012318A - 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터 - Google Patents

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마쯔이야스유끼
소가베고이찌
히까따다께시
오오꾸보소오이찌로
오오하라히사노리
오다가즈히꼬
쯔지오까마사노리
우에무라다까시
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오카야마 노리오
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

고체 고분자 전해질막과, 그 양측에 배치된 촉매 전극층과 가스 확산 전극 및 세퍼레이터로 이루어지는 단셀을 적층한 연료 전지에 있어서, 적어도 가스 확산 전극과 접촉하는 세퍼레이터의 부위가, 도전성 경질 탄소막을 포함하는 피복층으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다.
이 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 이용함으로써 내식성이 우수한 내부 전기 저항이 작은 고체 고분자 전해질형 연료 전지를 제공할 수 있다.

Description

고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터{SEPARATOR FOR SOLID POLYMER ELECTROLYTIC FUEL BATTERY}
고체 고분자 전해질형 연료 전지의 하나인 셀[단(單)셀]의 개념도를 도1에 도시한다. 셀은 고체 고분자 전해질막(1), 그 양측에 설치된 촉매 전극층(2, 3), 또한 그 외측에 설치된 가스 확산 전극(4, 5), 다시 그 외측에 설치된 세퍼레이터(6, 7)에 의해 구성된다.
이러한 셀에 있어서, 가스 확산 전극(4)에는 연료 가스(예를 들어 수소 가스)를, 가스 확산 전극(5)에는 산화제 가스(예를 들어 산소 가스)를 흘리면, 고체 고분자 전해질막을 거쳐서 전기 화학적 반응이 진행하여 전자가 발생한다. 이 전자를, 촉매 전극층으로부터 가스 확산 전극, 가스 확산 전극으로부터 세퍼레이터라는 경로에서 외부 회로로 취출함으로써 전기 에너지가 발생한다. 또한 단셀에서 발생 가능한 전압은 1 볼트 전후이며, 실제로 사용되는 장면에서는 다수의 단셀을 적층한 연료 전지 적층체로 하고 있다.
이러한 연료 전지의 동작 원리에 있어서, 세퍼레이터 표면은 양호한 도전성을 가지고 있어야만 한다. 또한 세퍼레이터는 연료 가스나 산화제 가스에 노출되므로 내식성이 높은 재료이어야만 한다. 그래서 일반적으로는 카본 재료를 세퍼레이터에 이용하는 것이 검토되고 있다(TOYOTA Technical Review Vo1.47, No.2, Nov.1997 70 페이지 내지 75 페이지 및 일본 특허 공개 평7-272731호 공보). 그러나, 카본 재료의 기계적 강도가 낮으므로, 비교적 두꺼운 세퍼레이터를 이용할 필요가 있어 적층체의 길이가 길어지는, 즉 사이즈가 커진다고 하는 문제가 있었다. 동시에 자동차 등에 탑재할 때에는, 진동에 의한 세퍼레이터의 파손도 문제시되고 있었다.
그래서 세퍼레이터에 금속판을 이용하는 방법이 검토되고 있지만, 요구되는 내식성을 갖는 금속 혹은 합금 재료는 고가인 것이 많다. 비교적 저렴한 스테인레스강이나 알루미늄 합금에서는 내식성이 불충분하므로, 접촉 저항의 상승에 의해 연료 전지의 내부 전기 저항이 상승해 버린다고 하는 문제가 있었다.
이 문제에 대하여, 예를 들어 일본 특허 공개 평10-308226호 공보에 따르면, 세퍼레이터 기체가 알루미늄, 철, 스테인레스강 등에 의해 구성되고, 그 표면 중 적어도 가스 확산 전극과의 접촉면에 카본을 포함하는 막을 부착시킨 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지가 제안되어 있다. 또한, 일본 특허 공개2000-67881호 공보에 따르면, 저전기 저항 금속판을 수소 함유량이 1원자% 이상 20 원자% 이하인 비정질 탄소막으로 피복하는 연료 전지용 세퍼레이터가 제안되어 있다. 그러나 이러한 카본막이나 비정질 탄소막은 기계적 강도가 낮으므로, 즉막경도가 낮으므로, 차량 적재시의 진동 등에 의해 카본막이나 비정질 탄소막이 손상하여, 세퍼레이터의 내식성이 손상된다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 연료 전지의 내부 전기 저항을 저감할 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터 및 이 세퍼레이터를 이용한 고체 고분자 전해질형 연료 전지에 관한 것이다.
도1은 고체 고분자 전해질형 연료 전지의 단셀의 개략도이다.
도2는 제4 실시예의 시료의 Cr 농도의 분포를 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1은 고체 고분자 전해질막, 2, 3은 촉매 전극층, 4, 5는 가스 확산 전극, 6, 7은 세퍼레이터, 8은 연료 가스, 9는 산화제 가스, 10은 전압계, 11은 부하 저항(1Ω), 12는 전류계
본 발명은, 이상과 같은 종래의 기술에 비추어 이루어진 것으로, 내식성이 우수한 세퍼레이터 및 내부 전기 저항이 작은 연료 전지를 제공하는 것이다.
본 발명은, 고체 고분자 전해질막과, 그 양측에 배치된 촉매 전극층과 가스 확산 전극 및 세퍼레이터로 이루어지는 단셀을 적층한 연료 전지에 있어서, 기계적 강도가 높은 금속 등으로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 표면 중, 적어도 가스 확산 전극과 접촉하는 부위가 도전성과 내식성이 우수한 도전성 경질 탄소막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터를 제공한다.
본 발명에 있어서 세퍼레이터 기체의 재질 및 형상 등은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 세퍼레이터는 차량 적재용 연료 전지로서 충분한 기계적 강도를 가진 재질이 바람직하고, 또한 차량 적재용 연료 전지로서 충분한 강도를 가진 구조로 이루어지는 형상이 바람직하다. 코팅되는 도전성 경질 탄소막은 세퍼레이터 기체의 표면에 직접 혹은 중간층을 거쳐서 형성된다. 또한 도전성 경질 탄소막은 마이크로 비커스 경도 혹은 누프 경도로 8 GPa 이상의 경도를 가지고 있는 것이 특징이다. 또한 도전성 경질 탄소막은 5 × 104내지 1O Ωcm의 저항률을 가지고 있는 것이 특징이다. 또한 도전성 경질 탄소막은 그 막 중의 수소 함유량이 1원자% 미만인 것이 특징이다. 상기 세퍼레이터 기체 또는 중간층을 구성하는 원소 중 적어도 한 종류의 원소가 도전성 경질 탄소막 중에 포함되어 있는 것이 특징이다.
중간층은, 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물, 특히 그 금속이 주기율표의 IVa, Va, VIa족 원소의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 어느 한 단층막, 또는 두 종류 이상을 포함하는 적층막 혹은 혼합물막인 것을 특징으로 한다.
또한 도전성 경질 탄소막은 고체 탄소를 원료로 하여 이용한 스퍼터링법 혹은 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 또는 탄화 수소 가스를 원료로 하여 이용한 플라즈마 CVD법 혹은 이온화 증착법에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 내식성이 우수한 도전성 경질 탄소막을 임의의 세퍼레이터 기체에 코팅함으로써, 부식에 의한 세퍼레이터 표면에서의 접촉 저항의 상승을 막을 수 있다. 이것은, 도전성 경질 탄소막 자신이 매우 우수한 내식성을 갖고 있으며, 표면에 움직일 수 없는 상태 피막 등의 고전기 저항의 물질을 발생시키는 일이 없기 때문이다.
또한 도전성 경질 탄소막은 우수한 밀착 강도를 가지고 있는 동시에 막경도가 높고, 차량 적재시의 진동 등에 의한 흡집 발생이 일어나기 어려우므로, 신뢰성이 높은 세퍼레이터를 만들 수 있다. 도전성 경질 탄소막의 경도로서는 마이크로 비커스 경도 혹은 누프 경도가 8 GPa 이상인 것이 바람직하다. 이러한 고경도막을 이용함으로써, 비로소 차량 적재시의 진동 등에 대한 내구성을 얻을 수 있다. 경도의 측정법으로서는, 비커스 가압 부재를 이용하여 압입 하중 0.49 N 이하에서 측정하는 마이크로 비커스 경도 또는 누프 가압 부재를 이용하여 압입 하중 0.49 N이하에서 측정하는 누프 경도이다.
경질 탄소막으로서는 다이아몬드형 탄소막(Diamond Like Carbon막, 이후 DLC라 칭함)이 그 대표적 재료이지만, 일반적인 DLC는 전기 저항이 높고, 대부분의 경우는 전기 절연성을 나타내는 것이 알려져 있다. 이러한 전기 절연성 혹은 고전기 저항의 DLC는 본 용도에는 적합하지 않으며, 저전기 저항의 DLC가 바람직하다. 도전성 경질 탄소막의 전기 저항치의 값으로서는, 5 × 1O-4내지 1O Ωcm의 범위에 있는 것이 바람직하다. 5 × 1O-4Ωcm를 하회하는 도전성 경질 탄소막은 막경도도 동시에 낮으므로(마이크로 비커스 경도로 8 GPa보다 낮음), 바람직하지 않다. 10 Ωcm를 상회하면 접촉 저항이 높아지므로 바람직하지 않다. 또 전기 저항의 측정 방법은 전기 절연성의 기체(예를 들어 실리카 글래스)의 표면에 측정 대상막을 코팅하여 4단자법이라 불리우는 측정법이 이용된다.
또한, 이들 저전기 저항의 도전성 경질 탄소막의 수소 함유량은 1원자% 미만인 것이 바람직하다. 수소 함유량이 1원자% 이상인 도전성 경질 탄소막은 저전기 저항이 되지 않으므로 바람직하지 않다. 또한, 세퍼레이터 기재 또는 중간층을 구성하는 원소가 도전성 경질 탄소막 속에 서로 섞이는 형태로 코팅되는 것, 혹은 세퍼레이터 기체 또는 중간층을 구성하는 원소 중 적어도 한 종류의 원소가 도전성 경질 탄소막에 포함되고 있는 것에 의해 밀착성이 높아 박리되기 어려운 양질인 도전성 경질 탄소막을 형성할 수 있다.
또한 세퍼레이터 기체로서 연질의 금속을 이용할 때는 특히, 세퍼레이터 기체와 도전성 경질 탄소막 사이에 경질의 재질로 이루어지는 중간층을 삽입하는 것이 바람직하다. 이러한 경질의 중간층으로서는, 주기율표의 IVa, Va, VIa족 금속의 탄화물, 질화물, 탄질화물 중 어느 한 종류의 단층 또는 두 종류 이상의 다층 혹은 혼합물인 것이 바람직하다. 이들의 중간층은 모두 마이크로 비커스 경도가 10 GPa 이상으로 높고, 도전성 경질 탄소막의 흠집에 대한 내구성을 더욱 높이는 효과를 갖는다.
고경도 또한 도전성의 경질 탄소막의 코팅 방법으로서는, 고체 탄소를 원료로 하여 이용한 스퍼터링법 혹은 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 또는 탄화 수소 가스를 원료로 하여 이용한 플라즈마 CVD법 혹은 이온화 증착법인 것이 바람직하다. 이들의 수법을 이용함으로써, 우수한 밀착 강도를 부여하는 것도 동시에 가능하다.
본 발명의 구체적인 실시 형태에 대해서는 실시예에서 나타내지만, 본 발명은 이들의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
<제1 실시예>
SUS 304로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에, 표1의 막재질과 막구조를 가진 표면 피복층을 각종 수법을 이용하여 코팅하였다. 표 중 코팅 수법으로 아크라 나타낸 것은, 캐소드 아크 이온 플레이팅법을 줄인 것이다. 비교를 위해 SUS 304로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에 금 도금, 납 카본의 복합 도금을 실시한 것도 준비하였다. 이들의 세퍼레이터와 가스 확산 전극(폴리테트라플루오로 에틸렌을 바인더로 한 다공질 그라파이트판), 고체 고분자 전해질막(플러스극측에 Pt 촉매, 마이너스극측에 Pt-Ru 촉매를 각각 피복한 것)을 도1의 구조가 되도록 접촉시켜 단셀을 조립하여, 수소와 산소를 이용하여 실제로 발전시켰다.
발전시의 전류 밀도는 0.1A/㎠로 하였다. 세퍼레이터와 가스 확산 전극 사이의 전기 저항치의 경시 변화에 대해서는, 발전전과 소정 시간 발전한 후에, 도1에 있어서의 2 내지 6 사이의 전기 저항치를 측정하여, 초기의 전기 저항치를 1로 하여 나타내었다. 또한 모든 본 발명품 및 비교예에 대해, 실제로 연료 전지를 조립하기 전에, 세퍼레이터와 가스 확산 전극을 가볍게 문지르는 조작을 행하여, 차량 적재시의 진동에 의한 표면 피복층의 손상을 모의하였다. 결과를 표1에 나타낸다. 표1에서 명백한 바와 같이, 본 발명품은 장시간의 발전 동작에 있어서, 안정된 내부 전기 저항치를 나타낸 것을 알 수 있었다.
<제2 실시예>
제1 실시예와 마찬가지로, SUS 316으로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에, 표2의 막재질과 막구조를 가진 표면 피복층을 각종 수법을 이용하여 코팅하였다. 비교를 위해 SUS 316으로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에 금도금, 납 카본의 복합 도금을 실시한 것도 준비하였다. 이들의 세퍼레이터와 가스 확산 전극(폴리테트라 플루오로 에틸렌을 바인더로 한 다공질 그라파이트판), 고체 고분자 전해질막(플러스극측에 Pt 촉매, 마이너스극측에 Pt-Ru 촉매를 각각 피복한 것)을 도1의 구조가 되도록 접촉시켜 단셀을 조립하여 수소와 산소를 이용하여 발전시켰다.
발전시의 전류 밀도는 O.1A/㎠로 하였다. 세퍼레이터와 가스 확산 전극과의 사이의 전기 저항치의 경시 변화에 대해서는, 제1 실시예와 동일한 방법으로 평가하였다. 또한 모든 본 발명품 및 비교예에 대해, 실제로 연료 전지를 조립하기 전에, 세퍼레이터와 가스 확산 전극을 가볍게 문지르는 조작을 행하여, 차량 적재시의 진동에 의한 표면 피복층의 손상을 모의하였다. 결과를 표2에 나타낸다. 표2로부터 명백한 바와 같이, 본 발명품은 장시간의 발전 동작에 있어서, 안정된 내부 전기 저항치를 나타내는 것을 알 수 있었다.
<제3 실시예>
제1 실시예, 제2 실시예와 마찬가지로, JIS-H4000으로 규정된 합금 번호A5052인 알루미늄을 96 질량% 이상 포함하는 알루미늄 합금으로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에, 표3의 막재질과 막구조를 가진 표면 피복층을, 각종 수법을 이용하여 코팅하였다. 비교를 위해 동일한 알루미늄 합금으로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에 금 도금, 납 카본의 복합 도금을 실시한 것도 준비하였다. 이들의 세퍼레이터와 가스 확산 전극(폴리테트라 플루오로 에틸렌을 바인더로 한 다공질 그라파이트판), 고체 고분자 전해질막(플러스극측에 Pt 촉매, 마이너스극측에 Pt-Ru 촉매를 각각 피복한 것)을 도1의 구조가 되도록 접촉시켜 단셀을 조립하여, 수소와 산소를 이용하여 발전시켰다.
발전시의 전류 밀도는 0.1A/㎠로 하였다. 세퍼레이터와 가스 확산 전극과의 사이의 전기 저항치의 경시 변화에 대해서는 제1 실시예와 동일한 방법으로 평가하였다. 또한 모든 본 발명품 및 비교예에 대해, 실제로 연료 전지를 조립하기 전에, 세퍼레이터와 가스 확산 전극을 가볍게 문지르는 조작을 행하여, 차량 적재시의 진동에 의한 표면 피복층의 손상을 모의하였다. 결과를 표3에 나타낸다. 표3에서 명백한 바와 같이, 본 발명품은 장시간의 발전 동작에 있어서, 안정된 내부 전기 저항치를 나타낸 것을 알 수 있었다. 또한, 제3 실시예에 대해서는 수소 함유량을 측정하였다. 이 검출된 수소는 시료에 부착된 수분일 가능성이 있다.
<제4 실시예>
SUS 304로 이루어지는 세퍼레이터 기체의 한 쪽면에, 표4의 막재질과 막구조를 가진 표면 피복층을, 캐소드 아크 이온 플레이팅법에 의해 코팅하였다. 시료 번호 64의 시료는 처음에 중간층만을 성막하고, 그 후 1분간 중간층과 도전성 경질 탄소막을 동시에 성막한 후, 도전성 경질 탄소막만을 형성하였다. 한편, 시료 번호 65의 자료는, 중간층만을 성막한 후, 도전성 경질 탄소막만을 성막하였다. 내부 전기 저항의 경시 변화를 측정한 결과, 시료 번호 64의 시료에서는 200 시간 경과후도 내부 전기 저항은 거의 상승하지 않고 우수한 특성인 것을 알 수 있었다.
SIMS(2차 이온 질량 분석 장치)에 의해 막의 깊이 방향의 Cr 농도를 분석한 결과, 도2에 도시한 바와 같이, 시료 번호 64의 시료에서는 Cr이 도전성 경질 탄소막에 포함되어 있는 상태인 것을 알 수 있었다. 한편, 시료 번호 65의 자료에서는도전성 경질 탄소막 중에 Cr은 대부분 포함되어 있지 않았다. 또한, 도2의 횡축의 측정 경과 시간은 시료의 표면으로부터의 깊이에 대응하는 것이다.
본 발명에 따르면, 장기간에 걸쳐 높은 신뢰성을 갖는 고체 고분자 전해질형 연료 전지를 얻을 수 있어 유용하다.

Claims (9)

  1. 고체 고분자 전해질막과, 그 양측에 배치된 촉매 전극층과 가스 확산 전극 및 세퍼레이터로 이루어지는 단셀을 적층한 연료 전지에 있어서, 적어도 가스 확산 전극과 접촉하는 세퍼레이터의 부위가, 도전성 경질 탄소막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도전성 경질 탄소막과 세퍼레이터 기체와의 사이에, 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 탄질화물 중 어느 한 단층막, 또는 두 종류 이상을 포함하는 적층막 혹은 혼합물막으로 이루어지는 중간층을 삽입하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 중간층의 금속 탄화물, 금속 질화물, 금속 탄질화물의 금속이, IVa, Va, VIa족의 원소 중 어느 한 종류 또는 두 종류 이상인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전성 경질 탄소막의 마이크로 비커스 경도 혹은 누프 경도가, 8 GPa 이상의 경도인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전성 경질 탄소막의 저항률이, 5 × 10-4내지 10 Ωcm인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 도전성 경질 탄소막의 수소 함유량이 1원자% 미만인 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세퍼레이터 기체 또는 중간층을 구성하는 원소 중 적어도 한 종류의 원소가 상기 도전성 경질 탄소막에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 고체 탄소를 원료로 하여 이용한 스퍼터링법 혹은 캐소드 아크 이온 플레이팅법, 또는 탄화 수소 가스를 원료로 하여 이용한 플라즈마 CVD법 혹은 이온화 증착법에 의해 형성된 도전성 경질 탄소막으로 피복되어 있는 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지용 세퍼레이터.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 세퍼레이터를 이용한 것을 특징으로 하는 고체 고분자 전해질형 연료 전지.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101065374B1 (ko) * 2004-06-30 2011-09-16 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 막 및 그 제조방법

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4147925B2 (ja) 2002-12-04 2008-09-10 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
JP2004014208A (ja) * 2002-06-05 2004-01-15 Toyota Motor Corp 燃料電池のセパレータとその製造方法
US7261963B2 (en) * 2002-11-12 2007-08-28 General Motors Corporation Corrosion resistant, electrically and thermally conductive coating for multiple applications
US6887613B2 (en) * 2002-12-04 2005-05-03 General Motors Corporation Corrosion resistant PEM fuel cell
EA201101662A1 (ru) * 2006-07-13 2012-05-30 Тиэр Коутингз Лимитед Устройство для нанесения покрытий и способ нанесения покрытий
JP4702304B2 (ja) 2007-02-22 2011-06-15 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池
JP2009238497A (ja) * 2008-03-26 2009-10-15 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池用セパレータ
JP5347456B2 (ja) * 2008-11-28 2013-11-20 日産自動車株式会社 燃料電池スタック、および燃料電池スタックを有する車両
JP5003823B2 (ja) * 2008-11-28 2012-08-15 日産自動車株式会社 シール構造および該シール構造を備えた燃料電池
US10439232B2 (en) 2009-04-06 2019-10-08 Audi Ag Selectively sealing fuel cell porous plate
JP5712518B2 (ja) 2010-07-16 2015-05-07 日産自動車株式会社 導電部材の製造方法
GB201203219D0 (en) * 2012-02-24 2012-04-11 Teer Coatings Ltd Coating with conductive and corrosion resistance characteristics
WO2015195595A1 (en) 2014-06-17 2015-12-23 Medtronic, Inc. Semi-solid electrolytes for batteries
JP6083426B2 (ja) * 2014-11-14 2017-02-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用セパレータ
US10333173B2 (en) 2014-11-14 2019-06-25 Medtronic, Inc. Composite separator and electrolyte for solid state batteries
US10587005B2 (en) 2016-03-30 2020-03-10 Wildcat Discovery Technologies, Inc. Solid electrolyte compositions

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57105974A (en) * 1980-12-24 1982-07-01 Toshiba Corp Fuel cell
JPH0325857A (ja) * 1989-06-23 1991-02-04 Idemitsu Petrochem Co Ltd 燃料電池用セパレータ
JP3378079B2 (ja) * 1994-03-29 2003-02-17 マツダ株式会社 燃料電池
JPH10255823A (ja) * 1997-03-07 1998-09-25 Asahi Glass Co Ltd 固体高分子型燃料電池
US5798188A (en) * 1997-06-25 1998-08-25 E. I. Dupont De Nemours And Company Polymer electrolyte membrane fuel cell with bipolar plate having molded polymer projections
JP4707786B2 (ja) * 1998-05-07 2011-06-22 トヨタ自動車株式会社 燃料電池用ガスセパレータの製造方法
JP2000058080A (ja) * 1998-08-12 2000-02-25 Mitsubishi Materials Corp 燃料電池用セパレータおよびその製造方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101065374B1 (ko) * 2004-06-30 2011-09-16 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 고분자 막 및 그 제조방법
US8227137B2 (en) 2004-06-30 2012-07-24 Samsung Sdi Co., Ltd. Polymer membrane for fuel cell and method of preparing the same

Also Published As

Publication number Publication date
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EP1231655A1 (en) 2002-08-14
CN1352812A (zh) 2002-06-05
AU6015500A (en) 2001-02-05
CA2361325A1 (en) 2001-01-25
WO2001006585A1 (fr) 2001-01-25

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