KR20040010849A - 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법 - Google Patents

연료전지용 세퍼레이터의 제조방법 Download PDF

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KR20040010849A
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혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 관한 것으로, 연료전지용 세퍼레이터를 제조하는 경우, 먼저 2개의 프리폼(17, 90, 101) 사이에 코어(31, 94)를 개재시켜 코어함유 세퍼레이터(41, 95, 107)를 성형한다. 이 후 가열함에 의해 코어를 용융하여 배출시켜서 다수의 냉각수 통로(54)를 형성한다. 이로 인해 세퍼레이터 끼리 합쳐서 냉각수 통로를 형성할 필요가 없기 때문에 실링이 불필요하다. 또한, 세퍼레이터 끼리를 맞출 필요가 없게되어, 전기적 접촉 저항도 저하한다.

Description

연료전지용 세퍼레이터의 제조방법{FUEL CELL SEPARATOR MANUFACTURING METHOD}
연료전지는 물의 전기 분해의 역 원리를 이용하여, 수소와 공기중의 산소를 화학 반응시켜 전기를 발생시킨다. 배출되는 것은, 이론상으로는 물뿐이다. 일반적으로, 수소 대신에 연료가스를 사용하고, 산소 대신에 공기나 산화제가스를 사용한다.
이러한 연료전지로는, 예컨대 일본국 특개 2000-123848호 개시의 「연료전지」가 알려져 있다. 이 연료전지는 애노드 전극과 캐쏘드 전극사이에 전해질 막을 끼워 넣고, 애노드 전극 및 캐쏘드 전극의 외측면을 각각 가스켓을 통하여 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터 사이에 끼워 넣음으로써 셀 모듈이 구성되는 구조를 하고 있다.
상세하게는, 제1 세퍼레이터의 내부면에 연료가스의 유로로 되는 제1 유로가 형성되고, 제2 세퍼레이터의 내부면에 산화제 가스의 유로로 되는 제2 유로가 형성되어, 각각 중앙의 전해질 막에 연료가스와 산화제 가스를 공급한다.
전술한 바와 같은 1개의 셀 모듈에서 얻어지는 전기 출력은 지극히 작은 것이므로, 이러한 셀 모듈을 다수 적층하는 것으로, 소망하는 전기 출력을 얻는다. 제1·제2 세퍼레이터는 이웃하는 셀로 연료가스나 산화제 가스가 새지 않도록 하는 분리 부재이므로 「세퍼레이터」라고 칭해 진다.
제1 세퍼레이터는, 그 내부면에 연료가스를 위한 제1 유로를 가지고, 제2 세퍼레이터는, 그 내부면에 산화제 가스를 위한 제2 유로를 가지지만, 가스를 효과적으로 애노드 전극 및 캐쏘드측 전극에 접촉시킬 필요가 있고, 그로 인해, 제1 및 제2 유로는 지극히 얕은 홈(구; 溝)을 다수 설비할 필요가 있다.
제1·제2 세퍼레이터는 제1 및 제2 유로에 연료가스 및 산화제 가스를 공급하기 위해 상부에 각각 연료가스 공급공부, 산화제 가스 공급공부를 가지고, 하부에 각각 연료가스 배출공부, 산화제 가스 배출공부를 가진다. 또한 제1 및 제2 세퍼레이터는 냉각수를 소통시키기 위한 냉각수 공급공부를 상부에 가지고, 냉각수 배출공부를 각각의 하부에 가진다.
상기 냉각수 공급공부 및 냉각수 배출공부는, 각각 냉각수 통로에 연결되어 있다. 당해 냉각수 통로는, 예컨대, 제1 세퍼레이터 및 제2 세퍼레이터의 각각의 외측면에 냉각수 통로용의 홈이 형성되고, 이들 냉각수 통로용 홈이 이웃한 셀의 세퍼레이터에 형성된 냉각수 통로용 홈과 맞추어 짐에 의해 형성된다.
이렇게 세퍼레이터 끼리 맞추어 냉각수 통로를 형성하면, 세퍼레이터의 접촉부에 냉각수의 누출을 방지하기 위한 실재가 필요하게 되고, 당해 실재의 두께, 형상, 및 재질 등을 고려하지 않으면 안 된다.
또한, 제1 세퍼레이터 또는 제2 세퍼레이터의 한쪽 면에 가스 유로용 홈을 설비하고, 다른 쪽의 면에 냉각수 통로용 홈을 설비하는 것으로 되어, 각 홈의 성형이 어렵게 된다.
그리고 또한, 세퍼레이터 끼리 맞추어지기 때문에, 세퍼레이터 간의 전기적인 접촉저항이 늘어나고, 이 접촉저항으로 각 셀에 전압 강하가 생겨, 연료전지의 출력이 작아지게 되는 것이다.
그래서, 연료전지용의 세퍼레이터를 제조하는 경우, 당해 세퍼레이터에 냉각수 통로를 형성하는 때, 실을 필요로 하지 않고, 냉각수 통로를 용이하게 형성할 수 있으면서, 연료전지의 출력 저하가 일어나지 않도록 하는 것이 요구된다.
본 발명은 전해질 막에 애노드측 전극 및 캐쏘드측 전극을 부가하고, 이것들을 양측에서 끼워 유지함에 의해 셀 모듈을 구성하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 플로우차트를 나타내는 도이고;
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 프리폼 성형의 공정을 나타내는 도이고;
도 3은 제1 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 사용되는 세퍼레이터 몰드를 나타내고, 몰드 개방상태를 나타내는 도이고;
도 4는 도 3에 도시된 몰드의 닫힘상태를 나타내는 도이고;
도 5는 제1 실시예의 연료전지용 세퍼레이터의 어닐링 처리방법의 플로우챠트를 나타내는 도이고;
도 6a 및 도 6b는 제1 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 설명하는 도이고;
도 7a 및 도 7b는 제1 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 실시하고 있는 상태를 나타내는 도이고;
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 실시하고 있는 상태를 나타내는 도이고;
도 9는 본 발명의 어닐링 처리 및 코어 배출의 제3 실시예를 나타내는 도이고;
도 lOa 도 lOb는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법 중, 프리폼의 성형상태를 나타내는 도이고;
도 lla 및 도 llb는 도 lOa 및 도 lOb에서 성형한 프리폼를 이용하여 세퍼레이터를 몰드로 제조하는 공정을 나타내는 도이고;
도 l2a 및 도 12b는, 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법 중, 코어 함유 프리폼을 제조하는 공정을 나타내는 도이고;
도 13a 및 도 13b는 도 12a 및 도 12b에서 성형한 프리폼을 이용하여 세퍼레이터를 몰드로 제조하는 공정을 나타내는 도이고;
도 14는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법으로 제조되는 연료전지의 분해사시도이고;
도 15는 도 14의 15-15선에 따라 절단된 단면도이고;
도 l6은 도 14의 16-16선에 따라 절단된 단면도이고;
도 17은 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 있어서, 연료가스 통로 및 냉각수 통로구를 형성하기 위한 코어를 성형하는 공정을 나타내는 도이고;
도 l8은 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 사용되는 코어의 사시도이고;
도 19 및 도 20은 제6 실시예의 방법에 있어서, 제1 세퍼레이터를 성형하는 공정을 나타내는 도이고;
도 21은 도 14의 21-21선에 따라 절단된 단면도이고, 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터와를 맞춘 상태를 나타내고;
도 22는 본 발명의 제7 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법중, 코어를 성형하는 공정을 나타내는 도이고;
도 23은 본 발명의 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법으로 제조되는 연료전지의 분해사시도이고;
도 24는 도 23의 24-24선에 따라 절단된 세퍼레이터의 단면도이고;
도 25는 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제1 공정을 나타내고, 제1 가스 통로용 코어를 성형하는 공정을 나타내는 도이고;
도 26은 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제2 공정을 나타내고, 냉각수 통로용 코어를 성형하는 공정을 나타내는 도이고;
도 27은 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에서 사용되는제1 가스 통로용 코어, 제2 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어의 사시도이고;
도 28 및 도 29는, 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제3 공정 및 제4 공정을 나타내고, 세퍼레이터를 성형하는 공정을 나타내는 도이다.
본 발명에 의하면, 카본과 열경화성 수지와의 혼련물로부터 프리폼(preform)을 성형하고, 이 프리폼을 사용하여 인접하는 세퍼레이터 간에 냉각수 통로를 형성하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에서, 2개의 상기 프리폼 간에 상기 냉각수 통로를 형성하기 위한 코어 및 이 코어를 보지(保持)하는 보지부재를 개재시키는 단계와, 이들 프리폼, 코어 및 보지부재를 일괄하여 압축 가열하는 것으로 세퍼레이터를 성형하는 단계와, 이후의 가열공정에서 상기 코어를 용융시켜 배출하는 것에 의해 상기 냉각수 통로를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법이 제공된다.
이렇게, 본 발명 방법에 있어서는, 코어 및 보지부재를 매입(embedded)한 세퍼레이터를 성형하고, 코어를 용융 배출시킴으로써 냉각수 통로를 형성하기 때문에, 종래의 2장의 세퍼레이터를 맞추는 것이 필요 없게 되므로 실(sealing)이 필요 없게 된다. 또한, 2개의 프리폼 사이에 코어 및 보지부재를 개재시켜, 프리폼, 코어 및 보지부재를 일괄하여 압축 가열하고, 이후의 가열공정에서 코어를 용융시켜 배출하기 때문에, 세퍼레이터로의 코어의 매입, 코어의 배출을 용이하게 행하는 것이 가능하고, 냉각수 통로를 용이하게 형성하는 것이 가능하다. 그리고 또한, 세퍼레이터를 맞출 필요가 없기 때문에, 전기적인 접촉저항이 발생하지 않고, 연료전지의 출력을 저하시키는 것이 없다.
본 발명에서 사용되는 코어로써는, 바람직하게는 저융점 금속이다. 코어를 용이하게 용융하는 것이 가능하고, 용융 후에는 세퍼레이터 내부로부터 용이하게 배출하는 것이 가능하여, 세퍼레이터의 생산성을 높이는 것이 가능하다. 더욱이, 세퍼레이터 내부로부터 배출된 저융점 금속은 몇 번이라도 코어로써 사용하는 것이 가능하여, 재료 코스트를 억제하는 것이 가능하다.
세퍼레이터를 성형한 후의 가열공정의 일례로써는, 바람직하게는 어닐링 처리를 행한다. 어닐링 처리의 가열공정에서 코어를 용융 배출하기 때문에, 코어의 용융을 위해 특별하게 가열공정을 마련할 필요가 없고, 세퍼레이터의 제조공정수를 줄이는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 의하면, 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에서, 가스 통로를 형성하기 위한 코어를 수용성 폴리머로 형성하는 공정과, 당해 코어를 금형의 캐비티 내에 배치하고, 당해 코어 및 캐비티면 간의 간극에 전극 확산층을 배치하는 공정과, 당해 캐비티 내에 용융수지를 채우는 공정과, 당해 용융수지를 응고시킨 세퍼레이터를, 코어 및 전극 확산층과 일체로 형성한 후에 캐비티 내로부터 취출하는 공정과, 당해 코어를 세퍼레이터로부터 물로 용출하는 것에 의해, 세퍼레이터 및 전극 확산층에서 세퍼레이터의 표면에 가스 통로를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법이 제공된다.
즉, 본 발명에 있어서는, 가스 통로를 형성하기 위한 코어를 수용성 폴리머로 형성하고, 세퍼레이터의 성형 후에 코어를 물로 용출하는 것에 의해, 가스 통로를 형성한다. 이렇게, 세퍼레이터 내부의 코어를 물로 용출하는 것이 가능하기 때문에, 세퍼레이터에 가스 통로를 간단하게 형성하는 것이 가능하고, 세퍼레이터를 간단하게 제조하는 것이 가능하다.
여기에서, 통상의 연료전지는, 애노드측 전극과 세퍼레이터와의 사이에 애노드 전극 확산층을 설비함과 동시에, 캐쏘드측 전극과 세퍼레이터와의 사이에 캐쏘드 전극 확산층을 설비한다. 이에 따라, 세퍼레이터에 애노드 전극 확산층을 부가하고, 세퍼레이터에 캐쏘드 전극 확산층을 부가하기 때문에, 세퍼레이터 및 애노드 전극 확산층 간의 전기적 접촉저항과, 세퍼레이터 및 캐쏘드 전극 확산층 간의 전기적 접촉저항이 증가함이 고려된다. 이 접촉저항으로 연료전지의 전압이 강하되어 버리고, 연료전지의 출력이 작아질 우려가 있다.
그래서, 본 발명에 있어서는, 세퍼레이터를 전극 확산층과 일체적으로 형성한다. 이에 따라, 세퍼레이터와 전극 확산층과의 사이의 전기적 접촉저항을 억제하는 것이 가능하고, 연료전지의 출력 저하를 방지하는 것이 가능하다.
그리고 또한, 본 발명에 의하면, 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에서, 가스 통로 및 냉각수 통로를 형성하기 위한 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어를 수용성 폴리머로 형성하는 공정과, 당해 가스 통로용 코어를 금형의 캐비티면에 대향하도록 배치하고, 당해 가스 통로용 코어 및 캐비티면 간의 사이에 전극 확산층을 배치함과 동시에, 가스 통로용 코어로부터 소정간격을 두어 냉각수 통로용 코어를 배치하는 공정과, 당해 캐비티 내에 용융수지를 충진하는 공정과, 가스 통로용 코어, 냉각수 통로용 코어 및 전극 확산층을 일체적으로 형성한 후에 캐비티 내부로부터 당해 용융수지를 응고시킨 세퍼레이터를 취출하는 공정과, 당해 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어를 세퍼레이터로부터 물로 용출함에 의해, 세퍼레이터 및 전극 확산층에서 세퍼레이터의 표면에 가스 통로를 형성하고, 세퍼레이터 내부에 냉각수 통로를 형성하는 공정을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법이 제공된다.
이 발명에 있어서는, 가스 통로를 형성하기 위한 가스 통로용 코어를 수용성 폴리머로 형성하고, 세퍼레이터의 성형 후에 가스 통로용 코어를 물로 용출하는 것에 의해, 가스 통로를 형성하는 것이 가능하다. 이와 같이, 세퍼레이터 내부의 가스 통로용 코어를 물로 용출하는 것이 가능하므로, 세퍼레이터에 가스 통로를 간단하게 형성하는 것이 가능하다. 또한, 세퍼레이터와 전극 확산층과를 일체적으로 형성하는 것에 의해, 세퍼레이터와 전극 확산층과의 사이의 전기적 접촉저항을 억제한다.
여기에서, 통상의 세퍼레이터는, 한 쌍의 세퍼레이터를 서로 겹치게 하는 것에 의해, 한 쪽 세퍼레이터의 냉각수 통로구(溝)와, 다른 쪽 세퍼레이터의 냉각수 통로구를 맞추어 냉각수 통로를 형성한다. 이렇게, 한 쌍의 세퍼레이터를 서로 겹치게 하는 것의 결과로, 한 쌍의 세퍼레이터 간의 전기적 접촉저항이 늘어난다. 이 접촉저항으로 연료전지의 전압이 강하해 버리고, 연료전지의 출력이 작게 될 우려가 있다.
여기서, 상기 발명에 있어서는, 냉각수용 코어를 수용성 폴리머로 형성하고, 세퍼레이터의 성형 후에 냉각수용 코어를 물로 용출하는 것으로, 세퍼레이터 내부에 냉각수 통로를 형성한다. 세퍼레이터 내부에 냉각수 통로를 형성하는 것이 가능하므로, 한 쌍의 세퍼레이터를 서로 겹치게 하여 냉각수 통로를 형성할 필요는 없고, 종래와 같이 한 쌍의 세퍼레이터 간에 발생하는 전기적 접촉 저항을 없애는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조 플로우챠트를 도시하고 있다.
스텝(이하, ST로 함.) 01: 소정의 배합 비율로 카본 분말과 열경화성 수지 분말을 블렌드하고, 적당량의 바인더를 가하고, 혼련한다.
STO2: 혼련한 것을 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 성형하는 것에 의해 프리폼을 만든다. 우선, 도 2a에 있어서, 프리폼 성형 하형(11)의 성형면(12)에 혼련물(13)을 재치한다. 그리고, 프리폼 성형 상형(15)을 화살표 a에 나타난 바와 같이 하강시키고, 혼련물(13)을 가압 성형한다. 다음에, 도 2b에 보이듯이, 프리폼 성형 하형(11)과 프리폼 성형 상형(15)으로, 소망하는 형상의 프리폼(17)을 성형한다.
STO3: 2개의 프리폼의 사이에 코어 및 이 코어를 보지하는 보지판을 개재시키고, 이들 프리폼, 코어 및 보지판을 일괄하여 압축 성형한다.
STO4: 상기 압축성형의 개시와 거의 동시에 가열경화처리를 행하고, 완전히 경화시켜 세퍼레이터를 만든다.
STO5: 성형 후의 세퍼레이터를 어닐링 처리한다.
어닐링(annealing)은, 일반적으로, 변형의 제거 및 방지를 위해, 유리, 도자기, 금속 등을 굽는 것이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 관련된 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 사용되는 제조장치를 보이고 있다.
우선, 히터(21)를 가지는 세퍼레이터 성형 하형(22)의 성형면(23)에 프리폼(17)을 재치하고, 세퍼레이터의 냉각수 통로를 형성하기 위한 물 통로 성형부재(25)를 당해 프리폼(17)에 재치하고, 이 물 통로 성형부재(25)에 다시 프리폼(17)을 재치한다. 그리고, 세퍼레이터 성형 하형(22)의 상방으로부터, 히터(27)를 가지는 세퍼레이터 성형 상형(28)을 하강시켜, 세퍼레이터 성형 하형(22)에 세퍼레이터 성형 상형(28)을 형 맞춤 한다.
물 통로 형성부재(25)는, 다수의 코어(31)와, 이들 코어(31)를 보지하는 열전도율이 큰 경금속, 예컨대 알루미늄 합금제 보지 부재로써의 보지판(32)과, 이 보지판(32)을 캐비티 내부에 위치결정하는 다수의 위치결정부재(33)를 가진다. 성형 하형(22)의 성형면(23)에는 연료가스와 산화제 가스가 흐르는 가스 유로 구를 형성하기 위한 철부(35)가 일정 간격으로 다수 형성되어 있다. 성형 상형(28)의 성형면에도 같은 철부(36)가 다수 형성되어 있다.
도 4에 보이듯이, 히터(21, 27)로 세퍼레이터 성형 하형(22) 및 세퍼레이터 성형 상형(28)을 가열하면서, 도 3에 도시된 프리폼(17, 17) 및 물 통로 형성부재(25)를 일괄하여 프레스 성형하고, 양면에 가스 유로 구(38, 38)를 가지는코어 함유 세퍼레이터(41)를 만든다.
도 5는 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터의 어닐링 처리의 수순을 보이고 있다.
STll: 세퍼레이터를 교정판으로 협지(俠持)한다.
ST12: 교정판으로 협지한 상태에서 세퍼레이터를 가열한다.
STl3: 세퍼레이터의 냉각시에 교정판을 조이고, 가압 보지하는 것으로써 세퍼레이터를 교정한다.
상술한 제1 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출에 관해서, 도 6a∼도 7b에 기해 상세하게 설명한다.
도 6a 및 도 6b는, 제1 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 위한 장치를 보이고 있다.
도 6a 및 도 6b에 있어서, 코어함유 세퍼레이터(41)를 교정하기 위한 상하 한 쌍의 교정판(48, 43)중, 하측에 배치한 하측 교정판(43)의 네 귀퉁이 및 길이방향 중앙에 다수의 볼트(44)를 취부함과 동시에, 중앙부에 모터(45)의 출력축(46)을 취부하고, 하측 교정판(43)의 길이 방향으로 코어함유 세퍼레이터(41)의 코어(31)가 놓이도록 하측 교정판(43)상에 코어함유 세퍼레이터(41, 41)를 재치한다. 출력축(46)은 그 단부에 숫나사(male thread)를 가진다.
도 7a에 보이듯이, 하측 교정판(43)의 볼트(44) 및 출력축(46)의 위치에 대응하는 위치에 구멍을 낸 상측 교정판(48)을, 볼트(44) 및 출력축(46)을 각 구멍에 통과시키면서, 코어함유 세퍼레이터(41, 41) 위에 재치한다. 그리고, 볼트(44)에너트(51)를 조여, 코어함유 세퍼레이터(41, 41)가 흔들리지 않는 정도로 임시로 체결한다. 또, 출력축(46)에 너트(52)를 채운다.
도 7b에 있어서, 하측 교정판(43) 및 상측 교정판(48)의 각각에 코일(53)을 근접시킴과 동시에, 모터(45)를 작동시켜, 출력축(46)을 회전시키는 것으로, 하측 교정판(43)과 상측 교정판(48)에 끼운 코어함유 세퍼레이터(41, 41)를 회전시킨다. 그리고, 각 코일(53)에 통전하여, 코어(31)가 도전성 재료인 경우에, 코어함유 세퍼레이터(41, 41) 내부의 코어(31)에 유도 전류를 발생시켜 유도 가열을 발생시킨다. 융점에 이른 코어(31)는 용융과 동시에 원심력에 의하여 세퍼레이터(41) 내에서부터 외부로 배출된다. 이렇게 하여, 코어(31)가 배출된 부분에 냉각수 통로(54)가 형성된다.
코어(31)가 전부 세퍼레이터에서부터 배출되면, 모터(45)를 정지시켜 당해 세퍼레이터의 회전을 정지시키고, 각 코일(53)의 통전을 멈추어 가열을 중지한다. 그리고, 너트(51, 6개소)를 조여서, 코어가 제거된 세퍼레이터를 소정 하중으로 소정시간 가압 유지한다. 소정시간이 경과하면, 세퍼레이터의 가압을 해제하기 위해 각 너트(51)를 풀어, 세퍼레이터의 교정을 종료한다.
상기한 유도 가열은, 2개의 코일간에 도전성 재료를 배치하고, 코일간에 고주파수의 교류 전압을 가하는 것에 의해, 도전성 재료 내부에 유도 전류를 발생시키고, 이 유도 전류로서 도전성 재료 자체를 발열시켜 가열하는 방식이다. 따라서, 유도 가열에서는, 단시간에 또한 도전성 재료를 전체적으로 가열하는 것이 가능하고, 가열 효율을 높이는 것이 가능하다.
도 1, 도 3 및 도 7b에서 설명한 것처럼, 본 발명은 첫째, 카본과 열경화성 수지와의 혼련물에서 프리폼(17)을 성형하고, 이 프리폼(17)을 이용하여 인접하는 세퍼레이터 사이에 냉각수 통로(54)를 형성하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 있어서, 2개의 프리폼(17,17) 간에 냉각수 통로(54)를 형성하기 위한 코어(31) 및 이 코어(31)를 보지하는 보지판(32)을 개재시키고, 이들 프리폼(17, 17), 코어(31) 및 보지판(32)을 일괄하여 압축 가열하는 것으로 세퍼레이터를 성형하고, 이 후의 가열공정에서 코어(31)를 용융시켜 배출하는 것에 의해 냉각수 통로(54)를 형성하는 것을 특징으로 한다.
코어(31) 및 보지판(32)을 매입한 코어함유 세퍼레이터(41)를 성형하고, 코어(31)를 용융 배출시키는 것으로 냉각수 통로(54)를 형성하기 때문에, 종래와 같이 2장의 세퍼레이터를 맞추는 것이 필요 없게 된다. 따라서, 실재(sealant)의 사용필요성이 없고, 실재의 두께, 형상, 재질 등의 사양을 검토하는 수고를 덜 수 있어, 연료전지의 제조비용을 줄이는 것이 가능하다.
또한, 2개의 프리폼(17, 17) 간에 코어(31) 및 보지판(32)을 개재시켜, 프리폼(17, 17), 코어(31) 및 보지판(32)을 일괄하여 압축 가열하고, 이 후의 가열공정에서 코어(31)를 용융시켜 배출하는 것으로, 세퍼레이터로의 코어(31)의 매입 및 코어(31)의 배출을 용이하게 행하는 것이 가능하여, 냉각수 통로(54)를 용이하게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 세퍼레이터 끼리 맞출 필요가 없기 때문에, 전기적인 접촉저항이 발생하지 않고, 연료전지의 출력 저하를 방지하는 것이 가능하다.
상기 실시예에 있어서, 코어(31)를 저융점 금속으로 하면, 당해 코어(31)를 용이하게 용융하는 것이 가능하고, 용융 후에는 세퍼레이터 내에서부터 용이하게 배출하는 것이 가능하여, 세퍼레이터의 생산성을 높이는 것이 가능하다. 또, 세퍼레이터 내에서부터 배출된 저융점 금속은 몇 번이라도 코어로써 사용하는 것이 가능하므로, 재료비용 상승을 억제하는 것이 가능하다.
더욱이, 상기 실시예에 있어서, 코어함유 세퍼레이터(41)를 성형한 후의 가열공정을, 어닐링 처리로 하면, 어닐링 처리의 가열공정에서 코어(31)를 용융하여 배출하기 때문에, 코어(31)의 용융을 위해 특별하게 가열공정을 마련하지 않아도 되므로, 세퍼레이터의 제조공정수를 줄이는 것이 가능하다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 위한 장치를 보이고 있다. 도 7a 및 도 7b에 보인 제1 실시예의 장치와 동일한 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
우선, 코어함유 세퍼레이터(41)를 한 쌍의 교정판(61, 61)에 끼우고, 이들 교정판(61, 61) 내부에 매입한 복수의 히터(62)로 코어(31)를 가열한다.
코어함유 세퍼레이터(41)의 코어(31)가 용융되면, 세퍼레이터(41) 한쪽의 측면에 취부한 공기 공급관(63)으로 공기를 분출시키고, 세퍼레이터(41) 내부로 주입시켜 용융된 코어(31)를 외부로 배출시킨다.
코어(31)가 전부 세퍼레이터(41)에서부터 배출되면, 히터(62)로의 통전을 중지하고, 볼트(64)에 끼워진 너트(65)를 조여, 코어가 제거된 세퍼레이터를 소정 하중으로 소정 시간 가압 유지하여 세퍼레이터를 교정한다.
도 9는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 어닐링 처리 및 코어 배출을 위한 장치를 보이고 있다. 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일한 부재에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
우선, 코어함유 세퍼레이터(41)를 한 쌍의 교정판(71, 71)에 끼우고, 이들 교정판(71, 71)에 취부한 다수의 하부 전극(72)과 상부 전극(73)과의 사이에 전기를 통하게 하고, 세퍼레이터(41)에 직접 전류를 흘리는 것으로 코어함유 세퍼레이터(41)의 저항가열(상세하게는, 직접 저항가열이다)을 실시한다.
코어함유 세퍼레이터(41)의 코어(31)가 용융되면, 세퍼레이터(41)의 측면에 취부한 공기 공급관(63)으로 공기를 분출시키고, 세퍼레이터(41) 내에 주입시켜 용융된 코어(31)를 외부로 배출시킨다.
코어(31)가 전부 세퍼레이터(41)로부터 배출되면, 하부 전극(72) 및 상부 전극(73)으로의 통전을 멈추고, 볼트(64)에 채워진 너트(65)를 조여, 코어가 제거된 세퍼레이터를 소정하중으로 소정시간 가압 유지하여, 세퍼레이터를 교정한다.
도 lOa∼도 llb는 본 발명의 제4 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 이용되는 제조장치를 보이고 있다. 제1 실시예와 동일 부재에 대해서는 동일 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다.
도 lOa에 있어서, 프리폼(17)에 코어용구(87, 87, 도 lOb 참조)를 형성하기 위한 홈 형성용 철부(81, 81)를 가지는 프리폼 성형 상형(82)과, 재치면(85)을 가지는 프리폼 성형 하형(84)과를 준비한다. 프리폼 성형 하형(84)의 재치면(85)에 프리폼(17)을 재치하고, 프리폼 성형 상형(82)을 화살표와 같이 하강시킨다.
도 10b에 있어서, 프리폼 성형 상형(82)의 홈 형성용 철부(81, 81)로 프리폼에 코어용구(87, 87)를 형성하고, 당해 코어용구(87)를 가지는 프리폼(90)을 얻는다.
도 lla에 있어서, 세퍼레이터 성형 하형(22)의 성형면(23)에 프리폼(90)을 재치하고, 이 프리폼(90)에 세퍼레이터의 냉각수 통로를 형성하기 위한 물 통로 형성부재(91)를 재치하고, 이 물 통로 성형부재(91)에 다시 프리폼(90)을 재치한다. 그리고, 세퍼레이터 성형 하형(22)의 상방에서, 세퍼레이터 성형 상형(28)을 하강시켜, 세퍼레이터 성형 하형(22)에 세퍼레이터 성형 상형(28)을 형 맞춤 한다.
물 통로 형성부재(91)는, 저융점 금속으로 성형한 보지부재로써의 철망(93)과, 이 철망(93)에 일체 성형한 저융점 금속으로 이루어지는 봉상의 코어(94, 94)로 구성된다. 프리폼(90)에 물 통로 성형부재(91)를 재치시키는 경우, 프리폼(90)의 코어용구(87, 87)에 코어(94, 94)를 수납한다.
철망(93)은, 다음에 설명하는 프리폼(90, 90)의 프레스 성형시의 융합을 좋게 하고, 프리폼(90, 90)의 일체화를 촉진하는 것이다.
도 llb에 있어서, 히터(21, 27)로 세퍼레이터 성형 하형(22), 세퍼레이터 상형(28) 및 프리폼(90, 90)을 가열하면서, 프리폼(90, 90) 및 물 통로 형성부재(91)를 일괄하여 프레스 성형하고, 양면에 가스 유로 구(38, 38)를 가지는 코어함유 세퍼레이터(95)를 만든다.
이 후의 코어함유 세퍼레이터(95)의 어닐링 처리 및 코어 배출에 대해서는, 제1∼제3 실시예와 같고, 그 설명은 생략한다.
철망(93)에 대해서는, 코어(94)처럼 용융 배출시킨다.
도 l2a∼도 13b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 이용되어지는 제조장치를 보이고 있다. 제1 실시예와 동일 부재에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 그 설명은 생략한다.
도 l2a에 있어서, 프리폼 성형 하형(11)의 성형면(12)에 프리폼(101)을 재치하고, 이 프리폼(101)에, 세퍼레이터의 냉각수 통로를 형성하기 위한 저융점 금속으로 이루어지는 코어로써의 복수의 물 통로 형성용 봉재(102)를 재치하고, 당해 물 통로 형성용 봉재(102)의 위에 다시 프리폼(101)을 재치한다. 그리고, 프리폼 성형 하형(11)의 상방에서, 프리폼 성형 상형(15)을 화살표와 같이 하강시켜, 프리폼 성형 하형(11)에 프리폼 성형 상형(15)을 형 맞춤 한다.
도 l2b에 있어서, 도 12a에 보이는 프리폼(101, l01) 및 물 통로 형성용 봉재(102)를 일괄하여 프레스 성형해 코어함유 프리폼(103)을 제조한다.
도 13a에 보이듯이, 세퍼레이터 성형 하형(22)의 성형면(23)에 코어함유 프리폼(103)을 재치하고, 이 코어함유 프리폼(103)에, 저융점 금속으로 되는 철망(105)을 재치하고, 이 철망(105)에 다시 코어함유 프리폼(103)을 재치한다. 그리고, 세퍼레이터 성형 하형(22)의 상방에서, 세퍼레이터 성형 상형(28)을 화살표와 같이 하강시켜, 세퍼레이터 성형 하형(22)에 세퍼레이터 성형 상형(28)을 형 맞춤 한다.
철망(105)은 다음에 설명하는 코어함유 프리폼(103, 103)의 프레스 성형시의 융합을 좋게 하고, 코어함유 프리폼(103, 103)의 일체화를 촉진하는 것이다.
도 13b에 보이듯이, 히터(21, 27)로 세퍼레이터 성형 하형(22), 세퍼레이터 상형(28) 및 코어함유 프리폼(103, 103, 도 13a 참조)을 가열하면서 코어함유 프리폼(103, 103) 및 철망(105)을 일괄하여 프레스 성형하고, 양면에 가스 유로 구(38, 38)를 가지는 코어함유 세퍼레이터(107)를 제조한다.
이 후의 코어함유 세퍼레이터(107)의 어닐링 처리 및 코어 배출에 대해서는, 제1∼제3 실시예와 같고 그 설명은 생략한다.
철망(105)에 대해서는 물 통로 형성용 봉재(102)처럼 용융 배출시킨다.
상기 세퍼레이터를 구성하는 열경화성 수지는, 예컨대, 페놀수지이고, 그 경화온도가 약 l90℃이고, 어닐링 처리온도는 약 170℃이다.
코어는, 210℃∼240℃의 범위에서 용융하는 수지, 왁스, 저융점 금속 등을 적당히 선택하지만, 저융점 금속의 경우는, 융점이 220℃인 Sn-Ag-Cu합금이나 융점이 230℃인 Sn이 적합하다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 코어를 유도가열로 가열하고 원심력으로 배출하고, 제2 실시예에서는, 코어를 간접적으로 히터로 가열하고 압축공기로 배출하는 예를 보였지만, 이것에 한하지 않고, 코어를 유도가열로 가열하고 압축 공기로 배출해도 좋고, 코어를 히터로 가열하고 원심력으로 배출해도 좋다.
또한, 제3 실시예에서는, 코어에 전기를 통하게 하여 직접 가열하고 압축공기로 배출하는 예를 보였지만, 이것에 한하지 않고, 코어에 전기를 통하게 하여 직접 가열함과 동시에 원심력으로 배출해도 좋다.
또한, 제5 실시예에서는, 프리폼 내부에 코어로 되는 물 통로 형성용 봉재를매입하고 이 프리폼 2개를 압축 성형하는 것으로 세퍼레이터를 성형하는 예를 보였지만, 이것에 한하지 않고, 물 통로 형성용 봉재를 직접 2개의 프리폼(예를 들어, 도 2b에 보인 프리폼(17)) 사이에 끼워서 일괄하여 압축 성형하는 것으로 세퍼레이터를 성형해도 좋다.
도 14∼도 21은 본 발명에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제6 실시예를 보이고 있다.
도 14∼도 16을 참조하면, 연료전지(200)는 고체 고분자형 연료전지이고, 다수 겹쳐 쌓여진 셀 모듈(211)로 구성된다. 각각의 셀 모듈(211)은, 전해질 막(212)과, 애노드 전극(213) 및 캐쏘드 전극(214)과, 제1 세퍼레이터(220) 및 제2 세퍼레이터(240)를 가진다. 전해질 막(212)은, 일례로써 고체 고분자 전해질을 사용하고 있다. 당해 전해질 막(212)은, 애노드 전극(213)과 캐쏘드 전극(214) 사이에 끼워진다. 애노드 전극(213)의 외측면에는, 애노드 전극 확산층(215)을 통해 제1 세퍼레이터(220)가 배치된다. 캐쏘드 전극(214)의 외측면에는, 캐쏘드 전극 확산층(235)을 통하여 제2 세퍼레이터(240)가 배치된다.
서로 이웃하는 셀 모듈(211, 211)을 적층하는 경우, 일방 셀 모듈(211)을 구성하는 제1 세퍼레이터(220)와, 타방 셀 모듈(211)을 구성하는 제2 세퍼레이터(240)와를, 각각 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 냉각수 통로 형성면(220a, 240a)에서 맞춘다. 이에 따라, 제1 세퍼레이터(220)에 형성된 다수의 냉각수 통로구(221)와, 제2 세퍼레이터(240)에 형성된 다수의 냉각수 통로구(241)에 의해, 도 21에 보이는 다수의 냉각수 통로(230)를 형성한다. 당해 냉각수통로(230)는, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 230)의 상부 중앙에 형성된 냉각수 공급공부(222a, 242a)로 연통하고, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 하부 중앙에 형성된 냉각수 배출공부(222b, 242b)로 연통한다.
제1 세퍼레이터(220)는 연료가스 통로 형성면(제1 세퍼레이터의 표면, 220b)에 애노드 전극 확산층(전극 확산층, 215)을 일체적으로 접합(즉, 일체화)하는 것으로, 도 15에 보이듯이 연료가스 통로 형성면(220b)에 다수의 연료가스 통로(가스 통로, 223)를 가진다. 당해 연료가스 통로(223)는, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 상부 좌측에 형성된 연료가스 공급공부(224a, 244a)로 연통함과 동시에, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 하부 우측에 형성된 연료가스 배출공부(224b, 244b)로 연통한다.
제2 세퍼레이터(240)는, 산화제 가스 통로 형성면(제2 세퍼레이터의 표면, 240b)에 캐쏘드 전극 확산층(전극 확산층, 235)을 일체적으로 접합(즉, 일체화)하는 것으로, 산화제 가스 통로 형성면(240b)에, 도 21에 보이는 다수의 산화제 가스 통로(가스 통로, 246)를 가진다. 당해 산화제 가스 통로(246)는, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 상부 우측에 형성된 산화제 가스 공급공부(225a, 245a)로 연통함과 동시에, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 하부 좌측에 형성된 산화제 가스 배출공부(225b, 245b)로 연통한다.
제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 구성하는 수지로써는, 일례로써 내산성을 갖춘 열가소성 수지에, 천연 흑연, 인조 흑연, 케첸 블랙(Ketjen black), 아세틸렌 블랙 등을 단독 혹은 혼합 배합하고, 탄소 재료를 60∼90wt% 포함한 수지 조성물이 들어진다.
내산성을 갖춘 열가소성 수지로써는, 예컨대 에틸렌, 초산비닐공중합체, 에틸렌·에틸아크릴레이트공중합체, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 폴리페닐렌설파이드, 변성 폴리페닐렌옥사이드 등이 들어지지만, 이들에 한정되지 않는다.
제1 세퍼레이터(220)는 거의 장방형 형상을 하고, 도 15에 보이듯이 연료가스 통로 형성면(220b)에 다수의 연료가스 통로용구(223)를 가진다. 이 연료가스 통로 형성면(220b)에 애노드 전극 확산층(215)을 일체로 구비하는 것으로, 연료가스 통로용구(223)와 애노드 전극 확산층(215)에 다수의 연료가스 통로(226)가 형성된다. 제1 세퍼레이터(220)는, 또한 냉각수 통로 형성면(220a)에 형성된 다수의 냉각수 통로용구(221)를 가진다.
도 16에 보이듯이, 제1 세퍼레이터(220)의 연료가스 통로 형성면(22Ob)에 애노드 전극 확산층(215)을 접합한다. 이에 따라, 연료가스 통로구(223)와 애노드 전극 확산층(215) 사이에 연료가스 통로(226)가 형성된다. 당해 연료가스 통로(226)는, 제1 세퍼레이터(220)에 형성된 연료가스 공급공부(224a)에 연통한다.
다음에, 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 대해서, 도 17∼도 2Oc에 기하여 설명한다.
우선, 도 17∼도 l8에 기하여 수용성 폴리머로 연료가스 통로(226) 및 냉각수 통로구(221)를 형성하기 위한 코어(250)를 성형하는 공정에 대해서 설명한다.
도 17(a)∼(c)는 본 발명의 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제1 공정을 보이고 있다.
도 17(a)에 보이듯이, 코어 성형형(256, mold)을 연 상태로, 가동형(257)에 애노드 전극 확산층(215)을 세트한 후, 가동형(257)을 화살표와 같이 고정형(258)을 향해 하강시켜 코어 성형형(256)을 형합(型合) 한다.
다음에, 도 17(b)에 보이듯이, 코어 성형형(256)의 캐비티(256a) 내부에, 용융상태의 수용성 폴리머를 화살표 ①과 같이 충진한다. 수용성 폴리머를 응고시키고, 코어(25O)와 애노드 전극 확산층(215)과를 접합한(즉, 일체화) 후, 가동형(257)을 화살표와 같이 상승시킨다.
수용성 폴리머로써는, 예컨대, 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리이타콘산, 폴리비닐알콜 등을 드는 것이 가능하지만, 이들에 한정되지 않는다. 즉 수용성 폴리머로써는, 코어로 사용하는 것이 가능하고, 수용성을 갖춘 재질이라면 좋다.
마지막으로, 도 17(c)에 보이듯이, 가동형(257)을 상승하는 것으로 형 열림된 코어 성형형(256)의 캐비티(256a) 내부로부터, 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 성형된 코어(250)를 꺼낸다.
도 l8은 도 17에 도시된 제1 공정에서 제조된 코어(250)를 보이고 있다. 코어(250)는, 그 형상을 이해하기 쉽게, 상향으로 한 상태로 보여지고 있다.
애노드 전극 확산층(215)은, 일단측에 연료가스 공급공부(216a), 냉각수 공급공부(218a) 및 산화제 가스 공급공부(217a)를 가지고, 타단측에 연료가스 배출공부(216b), 냉각수 배출공부(218b) 및 산화제 가스 배출공부(217b)를 가진다.
연료가스 공급공부(216a), 냉각수 공급공부(218a) 및 산화제 가스공급공부(217a)는, 연료가스 공급공 코어(251a), 냉각수 공급공 코어(252a) 및 산화제 가스 공급공 코어(253a)를 가진다.
연료가스 배출공부(216b), 냉각수 배출공부(218b) 및 산화제 가스 배출공부(217b)는, 연료 가스 배출공 코어(251b), 냉각수 배출공 코어(252b) 및 산화제 가스 배출공 코어(253b)를 가진다.
애노드 전극 확산층(215)에 연료가스 통로 코어(254)를 일체로 성형하고, 연료가스 통로 코어(254)의 공급측(254a)을 연료가스 공급공 코어(251a)에 접속하고, 연료가스 통로 코어(254)의 배출측(254b)을 연료가스 배출공 코어(25lb)에 접속한다. 이에 따라, 애노드 전극 확산층(215), 연료가스 공급공 코어(251a), 냉각수 공급공 코어(252a), 산화제 가스 공급공 코어(253a), 연료가스 배출공 코어(251b), 냉각수 배출공 코어(252b), 산화제 가스 배출공 코어(253b) 및 연료가스 통로 코어(254)를 일체적으로 통합하는 것이 가능하다.
연료가스 공급공 코어(251a), 냉각수 공급공 코어(252a), 산화제 가스 공급공 코어(253a), 연료가스 배출공 코어(251b), 냉각수 배출공 코어(252b), 산화제 가스 배출공 코어(253b), 및 연료가스 통로 코어(254)는 코어(250)를 구성한다.
상기 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)을 금형의 캐비티에 세트하는 경우, 연료가스 공급공 코어(251a)의 선단(251c), 냉각수 공급공 코어(252a)의 선단(252c), 산화제 가스 공급공 코어(253a)의 선단(253c), 연료가스 배출공 코어(251b)의 선단(251e), 냉각수 배출공 코어(252b)의 선단(252e), 및 산화제 가스 배출공 코어(253b)의 선단(253e)을 금형의 캐비티면에 재치한다.
다음에, 도 19 및 도 20에 기하여 제1 세퍼레이터를 성형하는 공정에 대해서 설명한다.
도 19(a) 및 (b)는, 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제2 공정을 보이고 있다.
도 19(a)에 보이듯이, 금형(260)의 고정형(261)에 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)을 세트하고, 가동형(262)을 화살표와 같이 하강시켜 금형(60)을 형합한다.
도 18에서 설명한 것처럼, 연료가스 공급공 코어(251a)의 선단(251c), 냉각수 공급공 코어(252a)의 선단(252c), 산화제 가스 공급공 코어(253a)의 선단(253c), 연료가스 배출공 코어(251b)의 선단(251e), 냉각수 배출공 코어(252b)의 선단(252e), 및 산화제 가스 배출공 코어(253b)의 선단(253e)이 금형(260)의 캐비티면(263a) 상에 오도록 코어(250)를 재치한다. 다시 말하면, 고정형(261)의 캐비티면(263a)에 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)을 세트한다.
이와 같이, 각 공급공 코어(25la, 252a, 253a)와, 각 배출공 코어(25lb, 252b, 253b)를 이용해 코어(250)를 캐비티(263) 내부에 배치하는 것이 가능하므로, 코어(250)를 캐비티(263) 내부에 배치하기 위해 통상 필요한 채플릿(chaplet) 같은 코어 지지부재가 필요 없게 된다. 코어 지지부재를 사용할 때에는, 캐비티(263) 내부에 수지를 충진하고 세퍼레이터를 성형한 후에, 당해 코어 지지부재 부분이 세퍼레이터에 틈으로써 남을 염려가 있다. 이때에는, 남은 틈을 실리콘제 등의 실재로 막을 필요가 있지만, 제6 실시예에 의하면 그 필요가 없다.
도 19(b)에 있어서, 금형(260)을 형합(lock)하는 것으로, 코어(250)를 금형(260)의 캐비티(263) 내부에 배치함과 동시에, 당해 코어(250)와 가동형(262)의 캐비티면(263b)과의 사이의 틈에 애노드 전극 확산층(215)을 배치한다. 이 상태에서, 캐비티(263) 내부에 용융수지를 화살표 ②와 같이 충진한다. 이후 캐비티(263) 내부의 용융수지를 응고시킨다.
도 20(a)∼(c)는, 제6 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제3 공정을 보이고 있다.
전술한 것처럼, 용융수지를 응고시키는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(220)를 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 형성한다. 그 후, 도 20(a)에 보이듯이, 가동형(262)을 상승시켜 금형(260)을 형 열림 시키고, 제1 세퍼레이터(220), 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)을 캐비티(263) 내부에서 꺼낸다.
다음에, 캐비티 내부에서부터 꺼낸 제1 세퍼레이터(220), 코어(250) 및 애노드 전극 확산층(215)을, 도 20(b)에 보이듯이 수조(265)에 비축해 놓은 물(266)중에 담근다. 이에 의해, 코어(250)를 물로 녹여 제1 세퍼레이터(220) 내부에서부터 코어(250)를 용출한다. 코어(250)를 수용성 폴리머로 성형하는 것으로써, 코어(250)를 물로 용출하는 것이 가능하다. 이 때문에, 코어(250)를 용출하는 설비를 간단하게 하는 것이 가능하므로, 설비비를 절약하여, 비용 감소를 꾀하는 것이 가능하다.
마지막으로, 수조(265) 내부로부터 제1 세퍼레이터(220) 및 애노드 전극 확산층(215)을 꺼낸다. 꺼낸 제1 세퍼레이터(220)는, 도 20(c)에 보인 바와 같이 코어(250)가 용출되어 연료가스 통로(226)가 형성된다. 제1 세퍼레이터(220)의 냉각수 통로구(221)는, 도 20(a)에 보이는 고정형(261)의 캐비티면(263a)에 성형된다. 이에 의해, 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 형성한 제1 세퍼레이터(220)를 얻는다.
도 1에 보이는 캐쏘드 전극 확산층(235)에 일체적으로 형성한 제2 세퍼레이터(240)도, 도 17∼도 20에서 보인 공정을 순차적으로 실시하는 것에 의해, 제1 세퍼레이터(220)와 같이 얻는 것이 가능하다.
이와 같이 하여 얻은, 애노드 전극 확산층(215)을 가지는 제1 세퍼레이터(220)와, 캐쏘드 전극 확산층(235)을 가지는 제2 세퍼레이터(240)와를 도 21에 도시된 바와 같이 맞춘다. 즉, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)의 냉각수 통로 형성면(220a, 240a)과를 맞추고, 제1 세퍼레이터(220)와 제2 세퍼레이터(240)와를 접합한다. 따라서, 제1 세퍼레이터(220)의 냉각수 통로구(221)와 제2 세퍼레이터(240)의 냉각수 통로구(241)에 의해 냉각수 통로(230)가 형성된다.
또한, 애노드 전극 확산층(215)에 제1 세퍼레이터(220)를 일체적으로 성형하는 것으로, 연료가스 통로 형성면(220b)에 다수의 연료가스 통로(226)가 형성된다. 또한, 캐쏘드 전극 확산층(235)에 제2 세퍼레이터(240)를 일체적으로 형성하는 것으로, 산화제 가스 통로 형성면(240b)에 다수의 산화제 가스 통로(246)가 형성된다.
이상 설명한 것처럼, 제6 실시예에 의하면, 코어(250)를 수용성 폴리머로 형성하고, 당해 코어(250)로 제1 세퍼레이터(220)에 다수의 연료가스 통로(226)를 형성한다. 다시 말하면, 제1 세퍼레이터(220)의 성형 후에 코어(250)를 물(266)로 용출하는 것으로써, 다수의 연료가스 통로(226)를 형성하는 것이 가능하다.
또한, 제2 세퍼레이터(240)도, 제1 세퍼레이터(220)와 같이, 코어를 수용성 폴리머로 형성하고, 당해 코어로 제2 세퍼레이터(240)에 다수의 산화제 가스 통로(246)를 성형한다. 다시 말하면, 제2 세퍼레이터(240)의 성형 후에 코어를 물(266)로 용출하는 것으로써, 다수의 연료가스 통로(246)를 형성하는 것이 가능하다.
이렇게, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240) 내의 코어를 물(266)로 용출하는 것이 가능하므로, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)에 연료가스 통로(226) 및 산화제 가스 통로(246)를 간단하게 형성하는 것이 가능하다.
또한, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 각각 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)과 일체적으로 형성한다. 이에 의해, 제1 세퍼레이터(220)와 애노드 전극 확산층(215)과의 사이의 전기적 접촉저항을 억제하는 것이 가능하고, 제2 세퍼레이터(240)와 캐쏘드 전극 확산층(235)과의 사이의 전기적 접촉저항을 억제하는 것이 가능하다. 이와 같이, 전기적 접촉저항을 억제함으로써, 과전압을 감소시켜 연료전지의 출력저하를 막는 것이 가능하다.
다음에, 제6 실시예에서 설명한 전기적 접촉저항에 따르는 과전압(저항 과전압)에 대하여 표 1에 기하여 설명한다.
제1 비교예 제6 실시예
애노드 가스 연료가스(pure H2) 연료가스(pure H2)
셀 모듈 온도 80℃ 80℃
캐쏘드 가스 산화제가스(공기) 산화제가스(공기)
가스온도 애노드 80℃ 80℃
캐쏘드 80℃ 80℃
가스압력 애노드 50㎪ 50㎪
캐쏘드 100㎪ 100㎪
전류밀도 0.883A/㎠ 0.883A/㎠
결과 제1 비교예에 비하여 제6실시예의 저항 과전압이 1셀 모듈당 0.014V 감소한다.
제1 비교예는, 제1 세퍼레이터와 애노드 전극 확산층과를 일체화하지 않고, 제1 세퍼레이터에 애노드 전극 확산층을 맞추어 접촉시킨 구조이다.
제6 실시예는, 제1 세퍼레이터와 애노드 전극 확산층과를 일체화한 구조이다.
제1 비교예와 제6 실시예와의 저항 과전압을 이하의 조건에서 측정했다.
즉, 셀 모듈의 온도를 80℃로 설정하고, 애노드 가스(연료가스)로써 순(純) H2를 공급함과 동시에, 캐쏘드 가스(산화제 가스)로써 공기를 공급했다.
애노드측의 연료가스 온도를 80℃, 캐쏘드측의 산화제 가스 온도를 80℃로 하고, 애노드측의 연료가스 압력을 5O㎪, 캐쏘드측의 산화제 가스 압력을 1OO㎪로 했다. 이 조건하에서, 전류 밀도가 0.883A/㎠인 전류를 흘렸다.
이 결과, 제6 실시예의 저항 과전압을, 제1 비교예의 저항 과전압과 비교하여, 1셀 모듈당 0.0l4V 감소시키는 것이 가능했다. 따라서, 제6 실시예와 같이, 제1 세퍼레이터와 애노드 전극 확산층과를 일체화하는 것에 의해, 저항 과전압을감소시켜 연료전지의 출력저하를 막는 것이 가능하다는 결과를 얻었다.
다음에, 본 발명의 제7 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 대해서, 도 22(a)∼(c)에 기하여 설명한다. 제7 실시예에 있어서 제6 실시예와 동일 부재에 대해서는 동일 부호를 부여하고, 그 설명을 생략한다.
도 22(a)에 보이듯이, 코어 성형형(276)을 형합한 상태에서, 코어 성형형(276)의 캐비티(276a) 내부에, 용융상태의 수용성 폴리머를 화살표 ③과 같이 충진한다. 수용성 폴리머를 응고시켜 코어(250)를 성형한 후, 가동형(277)을 화살표와 같이 상승시킨다.
다음으로, 도 22(b)에 보이듯이, 가동형(277)을 상승하는 것으로 형 열림한 코어 성형형(276)의 캐비티(276a) 내부로부터 코어(250)를 꺼낸다.
마지막으로, 도 22(c)에 보이듯이, 금형(260)의 고정형(261)에 코어(250)를 세트하고, 그 후, 당해 코어(250)에 애노드 전극 확산층(215)을 화살표와 같이 재치한다. 이와 같이, 코어(250)나, 애노드 전극 확산층(215)을 캐비티(263) 내부에 세트한 후, 가동형(262)을 화살표와 같이 하강시켜 금형(260)을 형합한다.
이에 따라, 제6 실시예의 도 19(b)의 상태로 된다. 이후, 제6 실시예와 같은 공정을 순차적으로 반복하는 것에 의해, 도 14에 보이는 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 형성한 제1 세퍼레이터(220)를 얻는다.
또한, 도 22와 같은 공정으로, 도 14에 보이는 캐쏘드 전극 확산층(235)에 일체적으로 형성한 제2 세퍼레이터(240)를 얻는다.
이와 같이, 제7 실시예에 의하면, 제6 실시형태와 같은 효과를 얻는 것이 가능하다.
또한, 제7 실시예의 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 의하면, 코어(250)를 애노드 전극 확산층(215)과 개별적으로 성형하는 것이 가능하다. 이에 의해, 코어(250)의 성형방법을 제6 및 제7 실시예중 어느 일방으로부터 적당히 선택하는 것이 가능하므로, 설계의 자유도를 높일 수 있다.
다음에, 본 발명의 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 대해서, 도 23∼도 29에 기하여 설명한다. 제8 실시예를 설명할 때에 있어 제6 실시예와 동일 부재에 대해서는 동일 부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
도 10은, 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터를 가지는 연료전지를 보이고 있다.
제8 실시예의 연료전지(280)는, 전해질 막(212)에 애노드 전극(213) 및 캐쏘드 전극(214)을 부가하고, 애노드 전극(213)측에 애노드 전극 확산층(215)을 통해 연료전지용 세퍼레이터(세퍼레이터, 282)를 합치고, 캐쏘드 전극(214)측에 캐쏘드 전극 확산층(235)을 통하여 세퍼레이터(282)를 합치는 것에 의해 구성된 셀 모듈(281)을 가진다.
세퍼레이터(282)는, 도 24에 보이듯이, 연료가스 통로 형성면(세퍼레이터의 양면중 어느 한 면, 282a)측에 애노드 전극 확산층(215)을 일체적으로 성형하는 것에 의해, 연료가스 통로 형성면(282a)측에 다수의 연료가스 통로(가스 통로, 283)가 형성된다.
또한, 세퍼레이터(282)는, 산화제 가스 통로 형성면(세퍼레이터의 양면중 다른 쪽의 면, 282b)측에 캐쏘드측 전극 확산층(235)을 일체적으로 성형하는 것에 의해, 산화제 가스 통로 형성면(282b)측에 다수의 산화제 가스 통로(가스 통로, 284)가 형성된다.
또한, 세퍼레이터(282)는, 연료가스 통로(283)와 산화제 가스 통로(284)와의 사이에 형성된 다수의 냉각수 통로(285)를 가진다.
세퍼레이터(282)를 구성하는 수지로서는, 제6 실시예와 같이, 일례로써 내산성을 갖춘 열가소성 수지에, 천연 흑연, 인조 흑연, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙 등을 단독 혹은 혼합 배합하고, 탄소 재료를 60∼9Owt% 포함한 수지조성물이 들어진다.
내산성을 갖춘 열가소성 수지로서는, 예컨대 에틸렌·초산비닐공중합체, 에틸렌·에칠아크릴레이트공중합체, 직쇄상 저밀도 폴리에틸렌, 폴리페닐렌 설파이드, 변성 폴리페닐렌 옥사이드 등이 들어지지만, 이들로 한정되지는 않는다.
연료가스 통로(283)는, 도 23에 보이는 세퍼레이터(282)의 상부 좌측의 연료가스공급공부(291a)로 연통함과 동시에, 세퍼레이터(282)의 하부 우측의 연료가스배출공부(291b)로 연통한다.
도 24에 보이는 산화제 가스 통로(284)는, 도 23에 보이는 세퍼레이터(282)의 상부 우측의 산화제 가스 공급공부(292a)로 연통함과 동시에, 세퍼레이터(282)의 하부 좌측의 산화제 가스 배출공부(292b)로 연통한다.
또한, 도 24에 보이는 냉각수 통로(285)는, 도 23에 보이는 세퍼레이터(282)의 상부 중앙의 냉각수 공급공부(293a)로 연통함과 동시에, 세퍼레이터(282)의 하부 중앙의 냉각수 배출공부(293b)로 연통한다.
즉, 제8 실시예의 연료전지용 세퍼레이터(282)는, 연료가스 통로(283)와 산화제 가스 통로(284)와의 사이에 냉각수 통로(285)를 형성하는 것에서, 제6 실시예의 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 일체 성형한 점에서, 제6 실시예와 다르지만, 기타의 구성에 대해서는 제6 실시예와 같다.
이와 같이, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 일체 성형하는 것으로써, 한 쌍의 세퍼레이터(220, 240) 간에 발생하는 전기적 접촉저항을 없이하고, 연료전지의 출력저하를 보다 적합하게 방지한다.
다음에, 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 대해서, 도 25∼도 29에 기하여 설명한다.
우선, 도 25∼도 27에 기하여 수용성 폴리머로 연료가스 통로(283), 산화제 가스 통로(284) 및 냉각수 통로(285, 도 24 참조)를 형성하기 위한 코어(300, 도 27 참조)를 성형하는 공정에 대해서 설명한다. 당해 코어(300)는, 제1 가스 통로용 코어, 제2 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어로 이루어 되고, 제1 가스 통로용 코어, 제2 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어의 제조공정을 이하에 설명한다. 코어(300)는, 제6 실시예와 같이 수용성 폴리머로 성형한다. 수용성 폴리머로서는, 예컨대 폴리아크릴아미드, 폴리아크릴산, 폴리메타크릴산, 폴리이타콘산, 폴리비닐알콜 등을 드는 것이 가능하지만, 이들로 한정할 수 없다. 즉, 수용성 폴리머로서는, 코어로써 사용하는 것이 가능하고, 수용성을 가지는 재질의 것이면 좋다.
도 25(a)∼(c)는, 제8 실시예에 관련된 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제1 공정을 보이고 있다. 우선, 도 24에 보이는 연료가스 통로(283)의 제1 가스 통로용 코어를 성형하는 예에 대해서 설명한다.
도 25(a)에 보이듯이, 코어 성형형(286)을 형 열림 한 상태에서, 가동형(287)에 애노드 전극 확산층(215)을 세트한 후, 가동형(287)을 화살표와 같이 고정형(288)을 향해 하강시켜 코어 성형형(286)을 형합한다.
도 25(b)에 있어서, 코어 성형형(286)의 캐비티(286a) 내부에, 용융상태의 수용성 폴리머를 화살표 ④와 같이 충진한다. 수용성 폴리머를 응고시키고, 제1 가스 통로용 코어(301)와 애노드 전극 확산층(215)과를 접합(즉, 일체화)시킨 후, 가동형(287)을 화살표와 같이 상승시킨다.
도 25(c)에 보이듯이, 가동형(287)을 상승하는 것으로 형 열림한 코어 성형형(286)의 캐비티(286a) 내부로부터, 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 성형된 제1 가스 통로용 코어(301)를 꺼낸다.
도 25에 보이는 공정과 같은 공정으로, 도 24에 보이는 산화제 가스 통로(284)의 제2 가스 통로용 코어(305, 도 27 참조)를 캐쏘드측 전극 확산층(235)과 일체로 성형하는 것이 가능하다.
연료가스 통로(283)의 제1 가스 통로용 코어(301) 및 애노드 전극 확산층(215)과, 산화제 가스 통로(284)의 제2 가스 통로용 코어(305) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)에 대해서는 도 27에서 상세하게 설명한다.
도 26(a), (b)는, 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의제2 공정을 보이고, 도 24에 보이는 냉각수 통로(285)의 냉각수 통로용 코어의 성형예에 대해서 설명한다.
도 26(a)에 보이듯이, 코어 성형형(296)을 형합한 상태에서, 당해 코어 성형형(296)의 캐비티(296a) 내부에, 용융상태의 수용성 폴리머를 화살표 ⑤와 같이 충진한다. 수용성 폴리머를 응고시켜 냉각수 통로용 코어(311)를 성형한 후, 가동형(297)을 화살표와 같이 상승시킨다.
다음에, 도 26(b)에 보이듯이, 가동형(297)을 상승하는 것으로 형 열림된 코어 성형형(296)의 캐비티(296a) 내부로부터 냉각수 통로용 코어(311)를 취출한다.
또한, 성형한 냉각수 통로(285)의 냉각수 통로용 코어(311)에 대해서는 도 27에서 상세하게 설명한다.
도 27은, 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 있어서 사용되는 코어(제1 및 제2 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어)를 보이고 있다.
애노드 전극 확산층(215)은, 일단측에 연료가스 공급공부(216a), 냉각수 공급공부(218a) 및 산화제 가스 공급공부(217a)를 가지고, 타단측에 연료가스 배출공부(216b), 냉각수 배출공부(218b) 및 산화제 가스배출공부(217b)를 가진다. 이 애노드 전극 확산층(215)에 제1 가스 통로용 코어(301)가 일체적으로 성형되어 있다.
즉, 제1 가스 통로용 코어(301)는, 연료가스 공급공부(216a)에 연료가스 공급공 코어(302)를 가지며, 연료가스 배출공부(216b)에 연료가스 배출공 코어(303) 를 가진다. 이들 연료가스 공급공 코어(302) 및 연료가스 배출공 코어(303)에 연료가스 통로 코어(304)를 일체적으로 성형하는 것으로 제1 가스 통로용 코어(30l)를 얻는다. 연료가스 통로 코어(304)는 애노드 전극 확산층(215)에 일체적으로 성형되어 있다. 이에 의해, 애노드 전극 확산층(215) 및 제1 가스 통로용 코어(301)를 일체적으로 통합하는 것이 가능하다.
캐쏘드 전극 확산층(235)은, 일단측에 연료가스 공급공부(236a), 냉각수 공급공부(238a) 및 산화제 가스 공급공부(237a)를 가지고, 타단측에 연료가스 배출공부(236b), 냉각수 배출공부(238b) 및 산화제 가스 배출공부(237b)를 가진다. 이 캐쏘드 전극 확산층(235)에 제2 가스 통로용 코어(305)가 일체적으로 성형된다.
즉, 제2 가스 통로용 코어(305)는, 산화제 가스 공급공부(237a)에 산화제 가스 공급공 코어(306)를 가지고, 산화제 가스 배출공부(237b)에 산화제 가스 배출공 코어(307)를 가진다. 이들 산화제 가스 공급공 코어(306) 및 산화제 가스 배출공 코어(307)에 산화제 가스 통로 코어(308)를 일체적으로 성형하는 것으로 제2 가스 통로용 코어(305)를 얻는다. 산화제 가스 통로 코어(308)는 캐쏘드 전극 확산층(235)에 일 애노드 전극 확체적으로 성형된다. 이에 따라, 캐쏘드 전극 확산층(235) 및 제2 가스 통로용 코어(305)를 일체적으로 통합하는 것이 가능하다.
제1 가스 통로용 코어(301)와 제2 가스 통로용 코어(305)와의 사이에 배치되는 냉각수 통로용 코어(311)는, 냉각수 통로 코어 본체(312)의 일단측에 냉각수 공급공 코어(313)를 일체적으로 형성함과 동시에, 타단측에 냉각수 배출공 코어(314)를 일체적으로 성형한다. 이 냉각수 공급공 코어(313)를, 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)의 각각의 냉각수 공급공부(218a, 238a)에 끼워 넣음과 동시에, 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)의 각각의 냉각수 배출공부(218b, 238b)에 끼워 넣는다.
동시에, 애노드 전극 확산층(215)측의 연료가스 공급공 코어(302) 및 연료가스 배출공 코어(303)를, 캐쏘드 전극 확산층(235)의 연료가스 공급공부(236a) 및 연료가스 배출공부(236b)에 각각 끼워 넣는다.
또한, 캐쏘드 전극 확산층(235)측의 산화제 가스 공급공 코어(306) 및 산화제 가스 배출공 코어(307)를, 애노드 전극 확산층(215)의 산화제 가스 공급공부(2l7a) 및 산화제 가스 배출공부(217b)에 각각 끼워 넣는다.
이에 의해, 냉각수 공급공 코어(313) 및 냉각수 배출공 코어(314)의 각각의 하단(313a, 314a)이 애노드 전극 확산층(215)과 동일 평면상으로 된다. 또한, 냉각수 공급공 코어(313) 및 냉각수 배출공 코어(314)의 각각의 상단(313b, 314b)이 캐쏘드 전극 확산층(235)과 동일 평면상으로 된다.
또한, 연료가스 공급공 코어(302) 및 연료가스 배출공 코어(303)의 각각의 상단(302a, 303a)이 캐쏘드 전극 확산층(235)과 동일평면상으로 된다.
또한, 산화제 가스 공급공 코어(306) 및 산화제 가스 배출공 코어(307)의 각각의 하단(306a, 307a)이 애노드 전극 확산층(215)과 동일면상에 놓이게 된다.
다음에, 도 28 및 도 29에 기하여 세퍼레이터를 성형하는 공정에 대해서 설명한다.
도 28(a), (b)는 본 발명의 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제3 공정을 보이고 있다.
도 28(a)에 보이듯이, 금형(320)의 고정형(321)에 제1 가스 통로용코어(301) 및 애노드 전극 확산층(215)을 세트하고, 제1 가스 통로용 코어(301)에 냉각수 통로용 코어(311)를 화살표와 같이 재치한다.
다음에, 냉각수 통로용 코어(311)에 제2 가스 통로용 코어(305) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)을 화살표와 같이 재치한 후, 가동형(322)을 화살표와 같이 하강시켜 금형(320)을 형합한다.
여기에서, 도 27에 보이는 제2 가스 통로용 코어(305) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)은, 산화제 가스 공급공 코어(306) 및 산화제 가스 배출공 코어(307)로 캐비티면(323a)에 지지된다. 냉각수 통로용 코어(311)는, 냉각수 공급공 코어(313) 및 냉각수 배출공 코어(314)로 캐피티(323a) 면에 지지된다.
이렇게, 제2 가스 통로용 코어(305)는, 산화제 가스 공급공 코어(306) 및 산화제 가스 배출공 코어(307)를 통하여 캐비티(323) 내에 배치되고, 냉각수 통로용 코어(311)는, 냉각수 공급공 코어(313) 및 냉각수 배출공 코어(314)를 개재하여 캐피티(323) 내에 배치된다. 따라서, 제2 가스 통로용 코어(305) 및 냉각수 통로용 코어(311)는 캐비티(323) 내에 배치되기 때문에, 통상 필요로 되는 코어 지지부재가 필요 없게 된다.
코어 지지부재를 갖출 때에는, 캐비티(323) 내부에 수지를 채우고 세퍼레이터를 성형한 후에, 코어 지지부재 부분이 세퍼레이터에 틈으로써 남을 우려가 있다. 그 경우, 남은 틈을 실리콘제 등의 실재로 막을 필요가 있지만, 제8 실시예에 의하면 그 필요가 없다.
도 28(b)에 보이듯이, 금형(320)을 형합하는 것으로, 제1 및 제2 가스 통로용 코어(301, 305) 및 냉각수 통로용 코어(311)를 금형(320)의 캐비티(323) 내부에 배치한다. 제1 가스 통로용 코어(301)와 고정형(321)의 캐비티면(323a)과의 사이의 틈에 애노드 전극 확산층(215)이 배치된다. 제2 가스 통로용 코어(305)와 가동형(322)의 캐비티면(323b)과의 사이의 틈에 캐쏘드 전극 확산층(235)이 배치된다. 이 상태에서, 캐비티(323) 내부에 용융수지를 화살표 ⑥과 같이 충진한다.
도 29(a)∼(c)는 제8 실시예에 따른 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법의 제4 공정을 보이고 있다.
도 29(a)에 보이듯이, 충진한 용융수지를 응고시킨 세퍼레이터(282)를, 코어{300, 제1 가스 통로용 코어(301), 제2 가스 통로용 코어(305) 및 냉각수 통로용 코어(311)}, 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)과 일체적으로 형성한 후, 가동형(322)을 상승해 금형(320)을 형 열림한다. 형 열림 후, 세퍼레이터(282), 코어(300), 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)을 금형(320)의 캐비티(323) 내로부터 취출한다.
도 29(b)에 보이듯이, 일체화된 세퍼레이터(282), 코어(300), 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)을, 수조(325)에 비축한 물(326) 중에 담근다. 이에 의해, 코어(300)를 물(326)로 녹이는 것에 의해, 세퍼레이터(282) 내부로부터 용출시킨다.
이렇게, 코어(300)를 수용성 폴리머로 성형하는 것으로, 당해 코어(300)를 물(326)로 용출하는 것이 가능하기 때문에, 코어(300)를 용출하는 설비를 간단하게 하는 것이 가능하여, 설비비를 억제하여, 비용 감소를 꾀하는 것이 가능하다.
도 29(c)에 있어서, 세퍼레이터(282) 내부로부터 제1 및 제2 가스 통로용 코어(301, 305) 및 냉각수 통로용 코어(311)를 용출하는 것으로, 세퍼레이터(282)에 다수의 연료가스 통로(283), 다수의 냉각수 통로(285) 및 다수의 산화제 가스 통로(284)를 형성하는 것이 가능하다.
이 상태에서, 수조(325) 내부에서부터 세퍼레이터(282), 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)을 취출하는 것에 의해, 애노드 전극 확산층(215)과 캐쏘드 전극 확산층(235)간에 일체적으로 형성된 세퍼레이터(282)를 얻는다. 이 세퍼레이터(282)는, 도 24에 보인 세퍼레이터(282)에 대해 반전(反轉)된 상태이다.
이상 설명한 제8 실시예에 의하면, 제6 실시예와 같은 효과를 얻는 것이 가능하다. 즉, 제8 실시예에 의하면, 코어(300)를 수용성 폴리머로 형성하는 것에 의해, 세퍼레이터(282)의 성형 후에 코어(300)를 물(326)로 용출하는 것으로써, 다수의 연료가스 통로(283) 및 산화제 가스 통로(284)를 간단하게 형성할 수 있다.
또한, 세퍼레이터(282)를 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)과 일체적으로 형성하는 것에 의해, 세퍼레이터(282)와 애노드 전극 확산층(215)과의 사이의 전기적 접촉 저항을 억제하는 것이 가능하고, 그 외 세퍼레이터(282)와 캐쏘드 전극 확산층(235)과의 사이의 전기적 접촉 저항을 억누르는 것이 가능하고, 연료전지의 출력 저하를 막는 것이 가능하다.
게다가, 제8 실시예에 의하면, 수용성 폴리머의 코어(300)를 이용하여 세퍼레이터(282) 내부에 다수의 냉각수 통로(285)를 형성하는 것에 의해, 종래 기술과같이 한 쌍의 세퍼레이터를 서로 겹치게 하여 냉각수 통로를 형성할 필요가 없다. 따라서, 종래 기술처럼 한 쌍의 세퍼레이터 간에 발생하는 전기적 접촉 저항이 없게 된다. 이와 같이, 접촉 저항을 억제하는 것으로, 저항 과전압을 감소시켜 연료전지의 출력 저하를 막는 것이 가능하다.
다음에, 제8 실시예의 저항 과전압을 표 2에 기하여 설명한다.
제2 비교예 제8 실시예
셀 모듈 온도 80℃ 80℃
애노드 가스 연료가스(pure H2) 연료가스(pure H2)
캐쏘드 가스 산화제가스(공기) 산화제가스(공기)
가스온도 애노드 80℃ 80℃
캐쏘드 80℃ 80℃
가스압력 애노드 50㎪ 50㎪
캐쏘드 100㎪ 100㎪
전류밀도 0.883A/㎠ 0.883A/㎠
결과 제2 비교예에 비하여 제8실시예의 저항 과전압이 1셀 모듈당 0.027V 감소한다.
제2 비교예는 제1 세퍼레이터와 제2 세퍼레이터와를 일체화하지 않고, 제1 세퍼레이터에 제2 세퍼레이터를 맞춘 것이다.
제8 실시예는 세퍼레이터를 일체화한 제8 실시예의 것이다.
제2 비교예와 제8 실시예와의 저항 과전압(over-voltage)을 이하의 조건에서 측정했다.
즉, 셀 모듈의 온도를 80℃로 설정하고, 애노드 가스(연료가스)로써 순 H2를 공급하고, 캐쏘드 가스(산화제 가스)로써 공기를 공급했다.
애노드측의 연료가스 온도를 80℃, 캐쏘드측의 산화제 가스 온도를 80℃로 하고, 애노드측의 연료가스 압력을 5O㎪, 캐쏘드측의 산화제 가스 압력을 lOO㎪로 했다. 이 조건하에서, 전류 밀도가 0.883A/㎠의 전류를 흘렸다.
이 결과, 제8 실시예의 저항 과전압을, 제2 비교예의 저항 과전압과 비교하여, 1셀 모듈당 0.027V 감소시키는 것이 가능했다. 따라서, 제8 실시예와 같이, 세퍼레이터를 일체화하는 것에 의해, 저항 과전압을 감소시켜 연료전지의 출력 저하를 막는 것이 가능한 것이 밝혀진다.
다음에, 제9 실시예에 대해서 설명한다.
제8 실시예에서는, 도 27에 보이듯이, 제1 가스 통로용 코어(301)를 애노드 전극 확산층(215)과 일체적으로 성형하고, 제2 가스 통로용 코어(305)를 캐쏘드 전극 확산층(235)과 일체적으로 성형한 예에 대해서 설명했지만, 본 발명에 있어서는 이에 한정되지 않고, 제1 가스 통로용 코어(301)를 애노드 전극 확산층(215)에서 분리하여 성형하고, 제2 가스 통로용 코어(305)를 캐쏘드 전극 확산층(235)에서 분리하여 성형하는 것도 가능하다.
이 경우, 도 28에 보이는 금형(320)의 캐비티(323) 내에, 우선, 애노드 전극 확산층(215)을 배치하고, 당해 애노드 전극 확산층(215)에 제1 가스 통로용 코어(301)를 재치한다. 이 제1 가스 통로용 코어(301)에 냉각수 통로용 코어(311)를 재치하고, 냉각수 통로용 코어(311)에 제2 가스 통로용 코어(305)를 재치한 후, 제2 가스 통로용 코어(305)에 캐쏘드 전극 확산층(235)을 재치한다.
이 상태에서 금형(320)을 형 열림시키는 것에 의해, 제8 실시예의 도 28(b)와 같이, 제1 가스 통로용 코어(301), 제2 가스 통로용 코어(305), 냉각수 통로용 코어(311), 애노드 전극 확산층(215) 및 캐쏘드 전극 확산층(235)을 캐비티(323) 내부에 세트하는 것이 가능하다. 따라서, 제9 실시예에 대해서도, 제8 실시예와 같은 효과를 얻는 것이 가능하다.
제9 실시예의 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 의하면, 제1 가스 통로용 코어(301)를 애노드 전극 확산층(215)과 개별적으로 성형하는 것이 가능하고, 또 제2 가스 통로용 코어(305)를 캐쏘드 전극 확산층(235)과 개별적으로 성형하는 것이 가능하다. 이에 의해, 제1 및 제2 가스 통로용 코어(301, 305)의 성형방법을 제8 및 제9 실시예 중 어느 일방으로부터 적당히 선택하는 것이 가능하므로, 설계의 자유도를 높이는 것이 가능하다.
제6 실시예∼제8 실시예에서는, 전해질 막(212)으로써 고체 고분자 전해질을 사용한 고체 고분자형 연료전지(200, 280)에 대해서 설명했지만, 이것에 한하지 않고, 다른 연료전지에 적용하는 것도 가능하다.
제6 및 제7 실시예에서는, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 사출성형방법으로 성형하는 예에 대해서 설명했지만, 이것에 한하지 않고, 예컨대 가열 프레스 성형방법과 트랜스퍼 성형방법으로 성형하는 것도 가능하다. 트랜스퍼 성형방법은, 성형 재료를 캐비티와는 다른 포트부에 1샷(shot)분을 넣고, 플런저로 용융상태의 재료를 캐비티로 이송해 성형하는 방법이다.
가열 프레스 성형방법으로 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 성형하는 것은, 제1 및 제2 세퍼레이터(220, 240)를 구성하는 수지로써는, 예컨대, 내산성을갖춘 열경화성 수지에, 천연 흑연, 인조 흑연, 케첸 블랙, 아세틸렌 블랙 등을 단독 혹은 혼합 배합하고, 탄소 재료를 60∼90wt% 포함한 수지조성물이 들어진다. 내산성을 가지는 열경화성 수지로써는, 예컨대 페놀, 비닐에스테르 등이 들어지지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
연료전지를 구성하는 세퍼레이터를 제조함에 있어서, 연료 가스용의 통로와 냉각수용의 통로를 형성하는데 코어를 사용하는 경우, 당해 코어를 저융점 금속 혹은 수용성 폴리머를 사용하고, 가열 혹은 물에 의해 코어를 용출하도록 하기 때문에, 상기 통로를 용이하게 형성하는 것이 가능하고, 그 외 세퍼레이터를 맞추는 것에 의해 각종 통로를 형성하던 종래 기술에 비해 전기적 접촉 저항이 작아지고, 실성도 향상된다. 이 때문에, 연료전지를 제조하는 각종 산업에 유용하다.

Claims (5)

  1. 카본과 열경화성 수지와의 혼련물로부터 프리폼을 성형하고, 이 프리폼을 이용해 인접하는 세퍼레이터 사이에 냉각수 통로를 형성하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에서,
    2개의 상기 프리폼 사이에 상기 냉각수 통로를 형성하기 위한 코어 및 이 코어를 보지하는 보지부재를 개재시키는 단계와;
    이들 프리폼, 코어 및 보지부재를 일괄하여 압축 가열하는 것으로 세퍼레이터를 성형하는 단계와;
    이 후의 가열공정에서 상기 코어를 용융시켜 배출하는 것에 의해 상기 냉각수 통로를 형성하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 코어는 저융점 금속인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 세퍼레이터를 성형한 후의 가열공정은, 어닐링 처리 공정인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  4. 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 있어서,
    가스 통로를 형성하기 위한 코어를 수용성 폴리머로 형성하는 공정과;
    상기 코어를 금형의 캐비티 내부에 배치하고, 상기 코어 및 캐비티면 사이의 간격에 전극 확산층을 배치하는 공정과;
    상기 캐비티 내부에 용융수지를 충진하는 공정과;
    상기 용융수지를 응고시킨 세퍼레이터를, 코어 및 전극 확산층과 일체로 형성한 후 캐비티 내부로부터 취출하는 공정과;
    상기 코어를 세퍼레이터로부터 물로 용출하는 것에 의해, 세퍼레이터 및 전극 확산층으로 세퍼레이터의 표면에 가스 통로를 형성하는 공정;
    을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법.
  5. 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법에 있어서,
    가스 통로 및 냉각수 통로를 형성하기 위한 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어를 수용성 폴리머로 형성하는 공정과;
    상기 가스 통로용 코어를 금형의 캐비티면에 대향하도록 배치하고, 상기 가스 통로용 코어 및 캐비티면 사이의 간극에 전극 확산층을 배치하고, 가스 통로용 코어로부터 소정 간격을 두고 냉각수 통로용 코어를 배치하는 공정과;
    상기 캐비티 내부에 용융수지를 충진하는 공정과;
    가스 통로용 코어, 냉각수 통로용 코어 및 전극 확산층을 일체로 형성한 후 캐비티 내부로부터 상기 용융수지를 응고시킨 세퍼레이터를 취출하는 공정과;
    상기 가스 통로용 코어 및 냉각수 통로용 코어를 세퍼레이터로부터 물로 용출하는 것에 의해, 세퍼레이터 및 전극 확산층으로 세퍼레이터의 표면에 가스 통로를 형성함과 함께, 세퍼레이터 내부에 냉각수 통로를 형성하는 공정;
    을 포함하는 연료전지용 세퍼레이터의 제조방법.
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