WO2011037428A2 - 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 - Google Patents

연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 Download PDF

Info

Publication number
WO2011037428A2
WO2011037428A2 PCT/KR2010/006544 KR2010006544W WO2011037428A2 WO 2011037428 A2 WO2011037428 A2 WO 2011037428A2 KR 2010006544 W KR2010006544 W KR 2010006544W WO 2011037428 A2 WO2011037428 A2 WO 2011037428A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
channel
separator
fuel
fine
fuel cell
Prior art date
Application number
PCT/KR2010/006544
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011037428A3 (ko
Inventor
이상민
황운봉
Original Assignee
포항공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 포항공과대학교 산학협력단 filed Critical 포항공과대학교 산학협력단
Priority to EP10819069.5A priority Critical patent/EP2485309A4/en
Priority to US13/498,479 priority patent/US9219281B2/en
Priority to CN201080043051.2A priority patent/CN102576883B/zh
Publication of WO2011037428A2 publication Critical patent/WO2011037428A2/ko
Publication of WO2011037428A3 publication Critical patent/WO2011037428A3/ko

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0206—Metals or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204—Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0223—Composites
    • H01M8/0228—Composites in the form of layered or coated products
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell stack, and more particularly, to a separator disposed in close contact with a membrane-electrode assembly and a method of manufacturing the separator.
  • a fuel cell is a power generation device that generates electrical energy by an oxidation reaction of a fuel and a reduction reaction of oxygen supplied separately from the fuel.
  • the fuel may be a liquid or gaseous fuel or may include hydrogen cracked from the liquid or gaseous fuel.
  • the fuel cell stack has a structure in which several to tens of electricity generating units including a membrane electrode assembly and a separator are stacked.
  • the separator is disposed on both sides of the membrane-electrode assembly, and forms a channel for supplying fuel or oxygen on one surface facing the membrane-electrode assembly.
  • the separator is made of a conductive material to connect the cathode electrode of any one membrane-electrode assembly and the anode electrode of the neighboring membrane-electrode assembly in series.
  • the present invention provides a fuel cell separator, a method for manufacturing the same, and a fuel cell including the same, by which water generated in a membrane-electrode assembly is directly absorbed on a surface of a channel without being accumulated in a separator. We want to provide a stack.
  • a fuel cell separator is formed in a concave shape on at least one surface of a main body of a plate and a main body, and includes a fuel or an acid in a membrane-electrode assembly. And a channel for supplying cattle, and a metal layer provided on the surface of the channel and having an oxide film by anodizing and nanoscale fine grooves formed in the oxide film to make the surface of the channel extremely water-soluble.
  • the metal layer may form microscale irregularities on a micro scale, and the oxide layer and the fine grooves may be formed along the fine irregularities.
  • the fine grooves may have a diameter of 20 nm to 200 nm and an aspect ratio of 10 to 2000.
  • the body forms a fuel manifold and an oxygen manifold, and the channel can be connected to either the fuel manifold or the oxygen manifold.
  • Channels may be formed on both sides of the body.
  • the channel formed on one side of the body may be connected to one of the fuel manifold and the oxygen manifold, and the channel formed on the opposite side of the body may be connected to the other of the fuel manifold and the oxygen manifold.
  • a concave channel on at least one surface of the body forming a metal film on the surface of the channel, and anodizing the metal film nano Making the surface of the channel extremely hydrophilic by forming fine grooves on the scale.
  • the method for manufacturing a fuel cell separator further includes forming a mask layer on the surface of the main body except the channel before forming the metal film, and removing the mask layer after the step of forming the fine grooves. It may include.
  • the method of manufacturing a fuel cell separator may further include forming fine scale irregularities on the surface of the metal film by spraying fine particles onto the metal film after the forming of the metal film.
  • the fine particles are water-soluble fine particles, and when the water-soluble fine particles are sprayed, dry ice may be sprayed together to generate water on the surface of the metal layer. Fine particles
  • It may have a diameter of 10/50 kHz.
  • a fuel cell stack includes an electricity generating unit having a membrane electrode assembly and a separator in close contact with both sides of the membrane electrode assembly.
  • the separator is formed in a plate-shaped body, and at least one surface of the body is concave, provided on the surface of the channel and the channel for supplying fuel or oxygen to the membrane-electrode assembly and formed on the oxide film and the oxide film by anodizing. It comprises a metal layer having fine grooves to make the surface of the channel extremely hydrophilic.
  • a separator for a fuel cell may have an extremely hydrophilic surface. Since the branch forms a channel, it directly absorbs the water generated in the membrane-electrode assembly, thereby efficiently delivering fuel and air. As a result, the chemical reaction efficiency of the fuel cell stack can be increased to generate more electrical energy.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded attempt showing the fuel cell stack generator shown in FIG.
  • FIG. 3 and 4 are exploded and coupled state cross-sectional views of the electricity generating unit shown in FIG. 2, respectively.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view illustrating another example of the metal layer illustrated in FIG. 4.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing another embodiment of the electricity generating unit shown in FIG. 4.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a fuel cell separator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the separator of the first stage shown in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating the separator of the second stage illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a separator of a third stage illustrated in FIG. 7.
  • FIG. 11A is a schematic diagram illustrating an injector used in the fourth step of FIG. 7.
  • FIG. Lib is an enlarged cross-sectional view schematically illustrating a metal layer that has undergone a fourth step.
  • FIG. 12 is a schematic view showing an anodizing device used in the fifth step of FIG.
  • 13 and 14 are photographs showing the results of experiments of contact angles by dropping water droplets on the surface of the metal layer.
  • FIG. 1 is a perspective view of a fuel cell stack according to an embodiment of the present invention.
  • the fuel cell stack 100 includes a plurality of cell generation units 20 that generate electric energy by electrochemically reacting fuel and oxygen. That is, the plurality of electricity generating units 20 are arranged in series and connected in series with each other to constitute the fuel cell stack 100.
  • the fuel may be a liquid or gaseous fuel containing hydrogen, such as methanol, ethanol, liquefied petroleum gas (LPG), liquefied natural gas (LNG), gasoline and the like.
  • the fuel cell stack 100 is configured in a direct oxidation fuel cell manner in which electrical energy is generated by direct reaction of liquid or gaseous fuel and oxygen.
  • the fuel may include hydrogen cracked from the liquid or gaseous fuel through conventional reformers.
  • the fuel cell stack 100 is constituted by a polymer electrode membrane fuel cell that generates electrical energy by reaction of hydrogen and oxygen.
  • FIG. 2 is an exploded attempt showing the fuel cell stack generator shown in FIG. 1 and 2, the electricity generation unit 20 includes a membrane electrode assembly 30 and a pair of separators 40 closely disposed on both sides of the membrane electrode assembly 30. Include.
  • the membrane-electrode assembly 30 includes an electrolyte membrane 31, an anode electrode 32 positioned on one surface of the electrolyte membrane 31, and another electrode of the electrolyte membrane 31. And a gas diffusion layer 34 positioned on an outer surface of the anode electrode 32 and an outer surface of the cathode electrode 33.
  • the anode electrode 32 separates the provided fuel into electrons and hydrogen ions, and the electrolytic membrane 31 moves hydrogen ions to the cathode electrode 33.
  • the cathode electrode 33 reacts the electrons transferred from the electrolytic membrane 31 with hydrogen ions and oxygen provided separately to generate moisture and heat.
  • the gas diffusion layer 34 functions to uniformly supply fuel to the anode electrode 32 and to uniformly supply oxygen to the cathode electrode 33.
  • a gasket 35 is positioned along the edge of the membrane-electrode assembly 30. gasket
  • the gasket 35 supports the membrane-electrode assembly 30 and maintains airtight between the separator 40 and the membrane-electrode assembly 30.
  • the gasket 35 may be made of a polymeric material such as elastic silicone rubber or polyethylene terephthalate (PET).
  • the separator 40 disposed on both surfaces of the membrane-electrode assembly 30 functions to disperse and supply fuel to the anode electrode 32 and to disperse and supply oxygen to the cathode electrode 33. To this end, the separator 40 forms a channel 41 for receiving fuel or oxygen and uniformly supplying it to the membrane-electrode assembly 30.
  • the separator 40 includes a plate-shaped body 42 and a membrane.
  • the body 42 may be made of a carbon material or metal such as graphite.
  • the manifolds 43a and 43b include a pair of fuel manifolds 43a for providing fuel and a pair of oxygen manifolds 43b for supplying oxygen.
  • the channel 41 of the separator 40 facing the anode electrode 32 is connected to the pair of fuel manifolds 43a, and the channel 41 of the separator 40 facing the cathode electrode 33 is It is connected with a pair of oxygen manifolds 43b.
  • the separator 40 facing the anode electrode 32 is shown on the left side of the drawing, and the separator 40 facing the cathode electrode 33 is shown on the right side of the drawing.
  • a plurality of ribs are formed on one surface of the body 42 facing the membrane-electrode assembly 30.
  • a separator 40 having a structure in which 44 is disposed at a distance from each other to form a plurality of channels 41 between the ribs 44 and the ends of the channels 41 are connected to each other is illustrated as an example.
  • the shape of the channel 41 is not limited to the above-described example, and any shape can be applied as long as it can provide a fuel or oxygen movement path.
  • the surface of the channel 41 refers to the entire surface of the channel 41 including the bottom surface 411 and the side surface 412 of the channel 41 (see enlargement of Figure 3), the nanoscale is lnm It means the range belonging to the size less than lOOOnm.
  • An oxide film 47 is formed on the surface of the metal layer 46, and nanoscale micro-studdles 45 are located on the oxide film 47.
  • the oxide film 47 and the fine flaws 45 are formed through the anodic oxidation process described below.
  • the metal layer 46 may be formed of aluminum, and the oxide film 47 may be formed of aluminum oxide.
  • the fine groove 45 may have a diameter of 20 nm to 200 nm, and may have an aspect ratio in a range of 10 to 2000.
  • the diameter of the fine flaw 45 is large, hydrophilicity is exhibited even at a small aspect ratio, but when the aspect ratio is less than 10, the hydrophilicity is weakened.
  • the hydrophilicity is exhibited better as the aspect ratio is larger.
  • the aspect ratio of the fine scratches 45 is preferably 2000 or less.
  • the channel 41 having the metal layer 46 has an extremely hydrophilic surface due to the fine cracks 45, so that the water generated in the membrane-electrode assembly 30 during the operation of the fuel cell is the channel 41.
  • the microgrooves 45 are absorbed directly to the surface of the formed channel 41 without being accumulated in the grooves.
  • the separator 40 can smoothly provide fuel and oxygen to the anode electrode 32 and the cathode electrode 33, respectively, while minimizing the interference of fuel and hydrogen caused by water droplets.
  • the chemical reaction efficiency can be improved.
  • the metal layer 46 is formed over the entire surface of the channel 41 and is not provided on the surface of the rib 44 in close contact with the membrane-electrode assembly 30.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view illustrating another example of the metal layer illustrated in FIG. 4.
  • the metal layer 46 forms microscale irregularities on a micro scale.
  • microscale means the size which falls in the range of 1 or more and less than lOOOOtmi.
  • Microscale fine irregularities also function to increase the hydrophilicity of the surface of the channel 41.
  • Such fine irregularities may be formed by spraying fine particles onto the surface of the metal layer 46 using the pressure of compressed air. That is, the surface of the metal layer 46 may be modified by the lamellar energy of the fine particles to form micro irregularities in micro units.
  • the fuel cell stack 100 may include a concave plate 21 that provides cooling water for each of the electricity generating units 20.
  • the square plate 21 forms a channel 22 for moving the coolant on one surface thereof.
  • Coolant manifolds 22 are formed at the edges of the curved plate 21 and the separator 40 and the gasket 35 to supply the pentagonal water, and the channel 22 of the cold plate 21 has a coolant manifold ( 23).
  • One membrane-electrode assembly 30 and two separators 40 may constitute one electricity generation unit 20.
  • the channel 41 may be formed on both sides of the separator 40 to arrange one separator 40 between two adjacent membrane-electrode assemblies 30.
  • a metal layer 46 having nanoscale fine grooves is formed on the surface of the channel 41 to make the surface of the channel 41 extremely aqueous.
  • a method of manufacturing a fuel cell separator includes a first step (S100) of forming a concave channel on at least one surface of a main body, and a method of forming a mask layer on the surface of the main body except for the channel.
  • the fourth step S400 may be omitted as an option.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating the separator of the first step shown in FIG. 7.
  • the body 42 is manufactured from a carbon material or a metal.
  • the main body 42 may be manufactured by an extrusion molding method using a mold, and the main body 42 and the channel 41 may be simultaneously manufactured by forming a convex portion formed in the mold to shape the channel 41.
  • the body 42 can be stamped to form the concave channel 41.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a separator of a second stage illustrated in FIG. 7.
  • a mask layer 50 is formed on the surface of the body 42 except for the channel 41. That is, the mask layer 50 is formed on the entire surface of the rib 44 facing the membrane-electrode assembly 30 to expose only the channel 41 to the outside. As such, as the mask layer 50 covers the surface of the ribs 44, fine irregularities and fine grooves are formed only on the surface of the channel 41 in the third and fourth steps S300 and S400. can do.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view illustrating a separator of a third stage illustrated in FIG. 7.
  • a metal for example aluminum, is deposited on the surface of the channel 41 to form the metal layer 46.
  • the metal layer 46 is not formed on the surface of the rib 44.
  • FIG. 11A is a schematic view showing an injector used in a fourth step shown in FIG. 7, and FIG. Lib is an enlarged cross-sectional view schematically showing a metal layer having undergone four steps.
  • the injector 60 injects fine particles at a predetermined speed toward the metal layer 46 of the separator 40.
  • the injector 60 may be pneumatic using the pressure of compressed air, and may control the injection speed and the injection pressure of the fine particles by adjusting the compression force of the air.
  • the injector 60 supplies the air supply unit 61, a pressure control unit 62 for adjusting the pressure of the air, a storage unit 63 for storing the fine particles, and the fine particles to the injector 60. May be connected to the pump 64.
  • the fine particles stratify the surface of the metal layer 46 to deform the surface of the metal layer 46. Ouch As a result, microscale fine unevenness 48 is formed on the surface of the metal layer 46.
  • the fine particles can be metallic spheres, sand, or sodium hydrogen carbonate particles called baking soda.
  • the fine particles may have a diameter of 10 to 50. If the size of the fine particles is less than 10 / ⁇ it is difficult to form the micro-scale fine concave-convex 48, if the size of the fine particles exceeds 50!
  • the fine particles are water-soluble sodium hydrogen carbonate particles, the fine particles are sprayed to form fine concavo-convex 48, and then the metal layer 46 is washed with water to facilitate the fine particles adhered to the surface of the metal layer 46. Can be removed.
  • the metal layer 46 may be washed with water at least once. By using water-soluble fine particles, it is possible to effectively suppress foreign matter remaining on the surface of the metal layer 46.
  • the injector 60 can be used to spray the water-soluble fine particles and dry ice together. Dry ice generates moisture on the surface of the metal layer 46 by the temperature difference with the metal layer 46, and melt
  • the size of the fine concavo-convex 48 that is, the height of the convex portion 481 or the depth or convex portion of the concave portion 482.
  • the spacing between the 481 may vary depending on the type, diameter, injection speed, and injection pressure of the fine particles, and the shape of the fine unevenness 48 can be controlled by appropriately adjusting these values.
  • FIG. 12 is a schematic view showing an anodizing device used in step 5 shown in FIG.
  • the anodic oxidation device 70 is a circulating water tank in which cooling water is circulated.
  • the electrolyte may include phosphoric acid (3 ⁇ 4PO 4 ) or oxalic acid (C 2 33 ⁇ 40 4 ), and the counter electrode 73 may be platinum (Pt) or aluminum.
  • the fine hull 45 may be formed by anodizing for 10 minutes at an electrolyte solution of 0.3M oxalic acid at a temperature of 40V and a temperature of 15 ° C. Then, for 10 minutes under an electrolyte solution of 0.1 M phosphoric acid and a voltage of 165 V to 195 V and a temperature of O.rc to 2 ° C. Polar oxidation can be used to enlarge the diameter of the fine grooves 45.
  • the fourth step S400 may be omitted, and the metal layer 46 may be immediately anodized.
  • the oxide film 47 and the fine hull 45 may be formed on the metal layer 46 by anodizing for 24 hours under an electrolyte of 0.3M oxalic acid, a voltage of 40V, and a silver condition of 24 ° C. to 3CC. .
  • an oxide film 47 is formed on the surface of the metal layer 46, and nanoscale fine grooves 45 are formed in the oxide film 47.
  • the oxide film 47 and the fine grooves 45 are formed along the fine unevenness.
  • the diameter and depth of the fine groove 45 may be controlled by adjusting the concentration of the electrolyte, the intensity of the applied voltage or the etching time.
  • the mask layer 50 is removed to complete the separator 40.
  • FIG. 13 is a photograph showing a result of experiments of contact angles by dropping water droplets on a surface of a metal layer in a separator in which fine concavo-convex and fine grooves are formed together in a metal layer
  • FIG. 14 shows only fine grooves in a metal layer. It is a photograph showing the result of experiment of contact angle by dropping water droplets on the surface of the metal layer in the separator.
  • the state before dropping the water droplet is shown on the left side of the drawing, and the state after dropping is shown on the right side of the drawing.
  • the bar at the top of the figure represents the instrument used to drop the water droplets. Referring to FIGS. 13 and 14, when the micro-roughness and the microgrooves are formed together in the metal layer, the contact angle is extremely low when the microcavities are formed in the metal worm. You can see that.
  • the separator of the present embodiment forms a channel having an extremely hydrophilic surface, thereby directly absorbing water droplets generated in the membrane-electrode assembly, thereby efficiently delivering fuel and air.
  • the chemical reaction efficiency of the fuel cell stack can be increased to generate more electric energy.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

본 발명은 막-전극 어셈블리에서 발생하는 물이 세퍼레이터의 채널에 쌓이지 않도록 하여 연료전지의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 스택을 제공한다. 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터는 플레이트 향상의 본체와, 본체의 적어도 일면에 오목하게 형성되며 막-전극 어셈블리에 연료 또는 산소를 공급하기 위한 채널과, 채널의 표면에 제공되며 양극 산화처리에 의한 산화막 및 산화막에 형성된 나노 스케일의 미세흠들을 구비하여 채널의 표면을 극친수성으로 만드는 금속층을 포함한다.

Description

【명세서】
【발명의 명칭】
연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 【기술분야】
<1> 본 발명은 연료 전지 스택에 관한 것으로서， 보다 상세하게는 막 -전극 어셈 블리에 밀착 배치되는 세퍼레이터 및 이 세퍼레이터의 제조 방법에 관한 것이다. 【배경기술】
<2> 일반적으로 연료 전지 (fuel cell)는 연료의 산화 반웅 및 연료와 별도로 공 급되는 산소의 환원 반웅에 의해 전기 에너지를 발생하는 발전 장치이다. 연료는 액체 또는 기체 연료이거나， 액체 또는 기체 연료로부터 크랙킹 (cracking)된 수소 를 포함할 수 있다.
<3> 연료 전지 스택은, 막 -전극 어셈블리 (membrane electrode assembly)와 세퍼 레이터로 이루어진 전기 생성 유닛이 수개 내지 수십개 적층된 구조로 이루어진다. 세퍼레이터는 막 -전극 어셈블리의 양측에 배치되며, 막 -전극 어셈블리를 향한 일면 에 연료 또는 산소를 공급하기 위한 채널을 형성한다. 또한， 세퍼레이터는 도전성 소재로 제조되어 어느 한 막 -전극 어셈블리의 캐소드 전극과 이웃한 막 -전극 어셈 블리의 애노드 전극을 직렬로 연결시킨다.
<4> 연료 전지 스택의 작용시 막 -전극 어셈블리에는 캐소드 전극에 의한 산소의 환원 반웅에 의해 물이 생성된다. 그런데 이 물은 세퍼레이터의 채널을 통해 원활 하게 외부로 배출되지 못하고 채널의 내벽에 쌓이게 된다. 세퍼레이터에 쌓인 물방 을들은 수소와 산소의 이동을 방해하므로 막 -전극 어셈블리의 캐소드 전극에 산소 를 원활하게 제공할 수 없으몌 그 결과 연료 전지의 화학반웅 효율을 크게 저하시 킨다.
【발명의 상세한 설명】
【기술적 과제】
<5> 본 발명은 막 -전극 어셈블리에서 발생한 물이 세퍼레이터에 쌓이지 않고 채 널 표면에 바로 흡수되게 함으로써 연료 전지의 화학반응 효율을 향상시킬 수 있는 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택을 제 공하고자 한다.
【기술적 해결방법】
<6> 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터는, 플레이트 형상의 본 체와, 본체의 적어도 일면에 오목하게 형성되며 막 -전극 어셈블리에 연료 또는 산 소를 공급하기 위한 채널과， 및 채널의 표면에 제공되며 양극 산화 처리에 의한 산 화막 및 산화막에 형성된 나노 스케일의 미세 홈들을 구비하여 채널의 표면을 극친 수성으로 만드는 금속층을 포함한다.
<7> 금속층은 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성할 수 있으며, 산화막과 미세 홈들은 미세 요철을 따라 형성될 수 있다. 미세 홈들은 20nm 내지 200nm의 직경과, 10 내지 2000의 종횡비를 가질 수 있다.
<8> 본체는 연료 매니폴드와산소 매니폴드를 형성하고， 채널은 연료 매니폴드와 산소 매니플드 증 어느 하나에 연결될 수 있다. 채널은 본체의 양면에 형성될 수 있다. 본체의 일면에 형성된 채널은 연료 매니폴드와 산소 매니폴드 중 어느 하나 에 연결되고, 본체의 반대면에 형성된 채널은 연료 매니폴드와 산소 매니폴^ 중 다른 하나에 연결될 수 있다.
<9> 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은， 본체의 적어도 일면에 오목한 채널을 형성하는 단계와， 채널의 표면에 금속막을 형성하는 단계와, 금속막을 양극 산화 처리하여 나노 스케일의 미세 홈들을 형성함으로써 채 널의 표면을 극친수성으로 만드는 단계를 포함한다.
<10> 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은， 금속막을 형성하는 단계 이전에 채 널을 제외한 본체의 표면에 마스크층을 형성하는 단계와, 미세 홈들을 형성하는 단 계 이후 마스크층을 제거하는 단계를 더욱 포함할 수 있다.
<11> 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은， 금속막을 형성하는 단계 이후， 금속 막에 미세 입자를 분사하여 금속막의 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성 하는 단계를 더욱 포함할수 있다.
<12> 미세 입자는 수용성 미세 입자이고, 수용성 미세 입자를 분사할 때 드라이 아이스를 함께 분사하여 금속층의 표면에 수분을 생성시킬 수 있다. 미세 입자는
10/ 내지 50卿의 직경을 가질 수 있다.
<13> 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택은, 막ᅳ전극 어셈블리 및 막-전 극 어셈블리의 양면에 밀착되는 세퍼레이터를 구비한 전기 생성 유닛을 포함한다. 세퍼레이터는 플레이트 형상의 본체와， 본체의 적어도 일면에 오목하게 형성되며 막 -전극 어셈블리에 연료 또는 산소를 공급하기 위한 채널과ᅳ 채널의 표면에 제공 되며 양극 산화 처리에 의한 산화막 및 산화막에 형성된 나노 스케일의 미세 홈들 을 구비하여 채널의 표면을 극친수성으로 만드는 금속층을 포함한다.
【유리한 효과】
<14> 본 발명의 일 실시예에 따르면, 연료 전지용 세퍼테이터가 극친수성 표면을 가지는 채널을 형성하므로 막 -전극 어셈블리에서 생성된 물방을을 바로 흡수하여 연료와 공기를 효을적으로 전달할 수 있다. 그 결과, 연료 전지 스택의 화학반옹 효율을 증대시켜 보다 많은 전기 에너지를 생성할 수 있다.
【도면의 간단한 설명】
<15> 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
<16> 도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 증 전기 생성 유닛을 나타낸 분해 사 시도이다.
<17> 도 3과 도 4는 각각 도 2에 도시한 전기 생성 유닛의 분해 상태 및 결합 상 태 단면도이다.
<18> 도 5는 도 4에 도시한금속층의 다른 실시예를 나타낸 확대 단면도이다.
<19> 도 6은 도 4에 도시한 전기 생성 유닛의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
<20> 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
<2i> 도 8은 도 7에 도시한 제 1 단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<22> 도 9는 도 7에 도시한 제 2 단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<23> 도 10은 도 7에 도시한 제 3 단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<24> 도 11a는 도 7의 제 4 단계에서 사용되는 분사기를 나타낸 개략도이다.
<25> 도 lib는 제 4 단계를 거친 금속층을 개략적으로 나타낸 확대 단면도이다.
<26> 도 12는 도 7의 제 5 단계에서 사용되는 양극 산화 장치를 나타낸 개략도이 다.
<27> 도 13과 도 14는 금속층의 표면에 물방을을 떨어뜨려 접촉각을 실험한 결과 를 나타낸 사진이다.
【발명의 실시를 위한 형태】
<28> 이하， 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속 하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하 는 실시예에 한정되지 않는다.
<29> 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지 스택의 사시도이다.
<30> 도 1을 참고하면， 연료 전지 스택 (100)은 연료와산소를 전기 화학적으로 반 응시켜 전기 에너지를 발생시키는 셀 (cell) 단위의 전기 생성 유닛 (20)을 복수로 구비한다. 즉, 복수의 전기 생성 유닛 (20)이 연속으로 배치되고 서로 직렬로 연결 되어 연료 전지 스택 (100)을 구성한다， <3i> 연료는 메탄올， 에탄올， 액화석유가스 (LPG), 액화천연가스 (LNG) 및 가솔린 등과 같이 수소를 함유한 액체 또는 기체 연료일 수 있다. 이 경우 연료 전지 스택 (100)은 액체 또는 기체 연료와 산소의 직접적인 반웅에 의해 전기 에너지를 발생 시키는 직접 산화형 연료 전지 (direct oxidation fuel cell) 방식으로 구성된다.
<32> 다른 한편으로， 연료는 통상의 개질기를 통해 액체 또는 기체 연료로부터 크 랙킹 (cracking)된 수소를 포함할 수 있다. 이 경우, 연료 전지 스택 (100)은 수소와 산소의 반응에 의해 전기 에너지를 발생시키는 고분자 전해질형 연료 전지 (polymer electrode membrane fuel cell) 방식으로 구성된다.
<33> 도 2는 도 1에 도시한 연료 전지 스택 증 전기 생성 유닛을 나타낸 분해 사 시도이다. 도 1과 도 2를 참고하면， 전기 생성 유닛 (20)은 막 -전극 어셈블리 (membrane electrode assembly) (30)와, 막 -전극 어셈블리 (30)의 양면에 밀착 배치 되는 한쌍의 세퍼레이터 (40)를 포함한다.
<34> 도 3은 도 2에 도시한 전기 생성 유닛의 분해 상태 단면도이고, 도 4는 도 2 에 도시한 전기 생성 유닛의 결합 상태 단면도이다. 도 3과 도 4를 참고하면, 막- 전극 어셈블리 (30)는 전해질막 (31)과， 전해질막 (31)의 일면에 위치하는 애노드 전 극 (32)과， 전해질막 (31)의 다른ᅵ 일면에 위치하는 캐소드 전극 (33)과， 애노드 전극 (32)의 외면과 캐소드 전극 (33)의 외면에 위치하는 가스 확산층 (34)을 포함한다.
<35> 애노드 전극 (32)은 제공받은 연료를 전자와 수소 이온으로 분리시키고， 전해 질막 (31)은 수소 이온을 캐소드 전극 (33)으로 이동시킨다. 캐소드 전극 (33)은 전해 질막 (31)으로부터 전달받은 전자와 수소 이온 및 별도로 제공받은 산소를 반응시켜 수분과 열을 발생시킨다. 가스 확산층 (34)은 연료를 애노드 전극 (32)에 균일하게 공급하고， 산소를 캐소드 전극 (33)에 균일하게 공급하는 기능을 한다.
<36> 막—전극 어셈블리 (30)의 가장자리를 따라 가스켓 (35)이 위치한다. 가스켓
(35)은 막 -전극 어셈블리 (30)를 지지하며 , 세퍼레이터 (40)와 막 -전극 어셈블리 (30) 사이의 기밀을 유지시킨다. 가스켓 (35)은 탄성을 지닌 실리콘 고무 또는 플리에틸 렌테레프탈레이트 (PET)와 같은 고분자 소재로 제조될 수 있다.
<37> 이러한 막 -전극 어셈블리 (30)의 양면에 배치되는 세퍼레이터 (40)는 애노드 전극 (32)으로 연료를 분산 공급하고， 캐소드 전극 (33)으로 산소를 분산 공급하는 기능을 한다. 이를 위해 세퍼레이터 (40)는 연료 또는 산소를 공급받아 이를 막-전 극 어셈블리 (30)에 균일하게 공급하기 위한 채널 (41)을 형성한다.
<38> 도 1과 도 2를 참고하면， 세퍼레이터 (40)는 플레이트 형상의 본체 (42)와, 막
-전극 어셈블리 (30)를 향한 본체 (42)의 일면에 오목하게 형성되어 연료 또는 산소 。의 이동 경로를 제공하는 채널 (41)과， 본체 (42)의 가장자리에 위치하면서 채널 (41) 과 연결되어 채널 (41)에 연료 또는 산소를 공급하는 매니폴드 (43a, 43b)를 포함한 다. 본체 (42)는 흑연과 같은 카본 소재 또는 금속으로 제조될 수 있다.
<39> 매니폴드 (43a, 43b)는 연료를 제공하는 한 쌍의 연료 매니폴드 (43a)와， 산소 를 공급하는 한 쌍의 산소 매니플드 (43b)를 포함한다. 애노드 전극 (32)과 마주하는 세퍼레이터 (40)의 채널 (41)은 한 쌍의 연료 매니폴드 (43a)와 연결되고， 캐소드 전 극 (33)과 마주하는 세퍼레이터 (40)의 채널 (41)은 한 쌍의 산소 매니플드 (43b)와 연 결된다. 도 2에서 애노드 전극 (32)과 마주하는 세퍼레이터 (40)를 도면 좌측에 도시 하였고， 캐소드 전극 (33)과 마주하는 세퍼레이터 (40)를 도면 우측에 도시하였다.
<40> 도 2에서는 막 -전극 어셈블리 (30)를 향한 본체 (42)의 일면에 복수의 리브
(44)가 서로간 거리를 두고 배치되어 리브들 (44) 사이로 복수의 채널 (41)이 형성되 고， 채널 (41)의 단부가 서로 연결되는 구조의 세퍼레이터 (40)를 예로 들어 도시하 였다. 그러나 채널 (41)의 형상은 전술한 예에 한정되지 않으며， 연료 또는 산소의 이동 경로를 제공할 수 있는 형상이면 모두 적용 가능하다.
<4i> 도 3과 도 4를 참고하면， 전술한 구성의 전기 생성 유닛 (20)에 있어서， 채널
(41)의 표면에는 나노 스케일의 미세 훔들 (45)을 구비하여 채널 (41)의 표면을 극친 수성으로 만드는 금속층 (46)이 위치한다. 여기서, 채널 (41)의 표면은 채널 (41)의 바닥면 (411)과 측면 (412)을 포함하는 채널 (41)의 표면 전체를 의미하고 (도 3의 확 대원 참조)， 나노 스케일은 lnm 이상 lOOOnm 미만의 크기에 속하는 범위를 의미한 다.
<42> 금속층 (46)의 표면에는 산화막 (47)이 형성되며ᅳ 이 산화막 (47)에 나노 스케 일의 미세 훔들 (45)이 위치한다. 산화막 (47)과 미세 흠들 (45)은 다음에 설명하는 ■ 양극 산화 과정을 거쳐 형성된다. 금속층 (46)은 알루미늄으로 형성될 수 있고, 산 화막 (47)은산화알루미늄으로 형성될 수 있다.
<43> 통상의 금속은 액체의 접촉각이 90° 보다 작은 친수성 물질이다. 이러한 금 속층 (46)의 표면에 나노 스케일의 미세 훔들 (45)을 형성하면， 접촉각이 5° 미만으 로 극히 작아져 친수성이 극대화되는 현상이 나타난다.
<44> 본 실시예에서 미세 홈 (45)은 20nm 내지 200nm의 직경을 가질 수 있으며， 10 이상 2000 이하의 범위에 속하는 종횡비를 가질 수 있다. 미세 흠 (45)의 직경이 큰 경우에는 작은 종횡비로도 친수성이 발휘되지만， 종횡비가 10 미만이면 친수성이 약화된다. 미세 홈 (45)의 직경이 작은 경우에는 종횡비가 클수록 친수성이 잘 발휘 되지만， 종횡비가 2000을 초과하여도 친수성은 크게 개선되지 않으므로, 공정 시간 등을 고려할 때 미세 흠 (45)의 종횡비는 2000 이하가 바람직하다.
<45> 이와 같이 금속층 (46)을 구비한 채널 (41)은 미세 흠들 (45)에 의해 극친수성 표면을 가지므로， 연료 전지 작용시 막 -전극 어셈블리 (30)에서 발생한 물은 채널 (41)에 쌓이지 않고 미세 홈들 (45)이 형성된 채널 (41) 표면에 바로 흡수된다.
<46> 따라서 세퍼레이터 (40)는 물방울에 의한 연료 및 수소의 이동 방해를 최소화 하면서 애노드 전극 (32)과 캐소드 전극 (33)에 연료와 산소를 각각 원활하게 제공할 수 있으며, 그 결과 연료 전지의 화학반웅 효율을 높일 수 있다. 금속층 (46)은 채 널 (41)의 표면 전체에 형성되며， 막 -전극 어셈블리 (30)에 밀착되는 리브 (44)의 표 면에는 제공되지 않는다.
<47> 도 5는 도 4에 도시한 금속층의 다른 실시예를 나타낸 확대 단면도이다.
<48> 도 5를 참고하면， 금속층 (46)은 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성한다.
그리고 산화막 (47)이 마이크로 스케일의 미세 요철을 따라 형성되면서 그 표면에 나노 스케일의 미세 홈들 (45)을 구비한다. 여기서， 마이크로 스케일은 1 ！ 이상 lOOOjtmi미만의 범위에 속하는 크기를 의미한다.
<49> 마이크로 스케일의 미세 요철 또한 채널 (41) 표면의 친수성을 높이는 기능을 한다. 이러한 미세 요철은 미세 입자를 압축 공기의 압력을 이용하여 금속층 (46)의 표면에 분사하는 방법으로 형성될 수 있다. 즉, 미세 입자들의 층돌 에너지로 금속 층 (46)의 표면을 변형시켜 마이크로 단위의 미세 요철을 형성할 수 있다.
<50> 한편， 연료 전지 스택 (100)은 작용시 열이 발생하므로 도 1에 도시한 바와 같이 전기 발생 유닛 (20)마다 냉각수를 제공하는 넁각판 (21)을 구비할 수 있다. 넁 각판 (21)은 그 일면에 냉각수를 이동시키는 채널 (22)을 형성한다. 넁각판 (21)과 세 퍼레이터 (40) 및 가스켓 (35)의 가장자리에는 넁각수를 공급하는 냉각수 매니폴드 (22)가 형성되고, 냉각판 (21)의 채널 (22)은 냉각수 매니폴드 (23)와 연결된다.
<5i> 하나의 막 -전극 어셈블리 (30)와 2개의 세퍼레이터 (40)가 하나의 전기 생성 유닛 (20)올 구성할 수 있다. 다른 한편으로, 도 6에 도시한 바와 같이 세퍼레이터 (40)의 양면에 채널 (41)을 형성하여 이웃한 2개의 막 -전극 어셈블리 (30) 사이에 하 나의 세퍼레이터 (40)를 배치할 수 있다. 이 경우에 있어서도 채널 (41)의 표면에는 나노 스케일의 미세 홈들을 구비한 금속층 (46)이 형성되어 채널 (41)의 표면을 극친 수성으로 만든다.
<52> 다음으로， 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법에 대해 설명한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법을 나타낸 공정 순서 도이다. <53> 도 7을 참고하면, 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법은, 본체의 적어도 일 면에 오목한 채널을 형성하는 제 1 단계 (S100)와， 채널을 제외한 본체의 표면에 마 스크층을 형성하는 제 2 단계 (S200)와, 채널의 표면에 금속을 증착하여 금속층을 형 성하는 제 3 단계 (S300)와， 금속층에 미세 입자를 분사하여 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하는 제 4 단계 (S400)와， 금속층을 양극 산화 처리하여 산화막과 나노 스케일의 미세 홈들을 형성하는 제 5 단계 (S500)와， 마스크층을 제거하는 제 6 단계 (S600)를 포함한다. 이때 제 4단계 (S400)는 선택 사항으로서 생략 가능하다.
<54> 도 8은 도 7에 도시한 제 1단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<55> 도 8을 참고하면, 카본 소재 또는 금속으로 본체 (42)를 제조한다. 카본 소재 의 경우 본체 (42)는 금형을 이용한 압출 성형 방식으로 제조할 수 있으며, 금형에 채널 (41) 형상에 대웅하는 볼록부를 형성하여 본체 (42)와 채널 (41)을 동시에 제작 할 수 있다. 금속의 경우 본체 (42)를 스탬핑 (stamping) 가공하여 오목한 채널 (41) 을 형성할수 있다.
<56> 도 9는 도 7에 도시한 제 2 단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<57> 도 9를 참고하면， 채널 (41)을 제외한 본체 (42)의 표면에 마스크층 (50)을 형 성한다. 즉， 막 -전극 어셈블리 (30)와 마주하는 리브 (44)의 표면 전체에 마스크층 (50)을 형성하여 채널 (41)만 바깥으로 노출시킨다. 이와 같이 마스크층 (50)으로 리 브 (44)의 표면을 가림에 따라, 다음에 이어지는 제 3 단계 (S300)와 제 4 단계 (S400) 에서 미세 요철과 미세 홈들을 채널 (41) 표면에만 형성할 수 있다.
<58> 도 10은 도 7에 도시한 제 3단계의 세퍼레이터를 나타낸 단면도이다.
<59> 도 10을 참고하면， 채널 (41)의 표면에 금속， 예를 들어 알루미늄을 증착하여 금속층 (46)을 형성한다. 이때 리브 (44)는 마스크층 (50)으로 가려져 있으므로 리브 (44) 표면에는 금속층 (46)이 형성되지 않는다.
<60> 도 11a는 도 7에 도시한 제 4 단계에서 사용되는 분사기를 나타낸 개략도이 고， 도 lib는 계 4단계를 거친 금속층을 개략적으로 나타낸 확대 단면도이다.
<6i> 도 11a와 도 lib를 참고하면， 분사기 (60)는 세퍼레이터 (40)의 금속층 (46)을 향해 미리 설정된 속도로 미세 입자를 분사한다. 분사기 (60)는 압축 공기의 압력을 이용하는 공압식일 수 있으며， 공기의 압축력을 조절하여 미세 입자의 분사 속도와 분사 압력을 제어할 수 있다. 이 경우 분사기 (60)는 공기 공급부 (61)와, 공기의 압 력을 조절하는 압력 조절부 (62)와, 미세 입자를 저장하는 저장부 (63)와 미세 입자 를 분사기 (60)에 공급하는 펌프 (64)와 연결될 수 있다.
<62> 미세 입자는 금속층 (46)의 표면에 층돌하여 금속층 (46)의 표면에 변형을 일 으킨다. 그 결과, 금속층 (46)의 표면에는 마이크로 스케일의 미세 요철 (48)이 형성 된다. 미세 입자는 금속구， 모래， 또는 베이킹 소다로 불리는 탄산수소나트륨 입자 일 수 있다. 미세 입자는 10 내지 50 의 직경을 가질 수 있다. 미세 입자의 크 기가 10/皿 미만이면 마이크로 스케일의 미세 요철 (48)을 형성하기 어'렵고， 50 !를 초과하면 미세 요철 (48)의 크기가 과대해져 금속층 (46)의 친수성을 저하시킨다. <63> 미세 입자가 수용성인 탄산수소나트륨 입자인 경우， 미세 입자를 분사하여 미세 요철 (48)을 형성한 다음 금속층 (46)을 물로 세척하여 금속층 (46)의 표면에 부 착된 미세 입자를 용이하게 제거할 수 있다. 물론 계 4 단계 (S400)의 중간 과정에서 도 필요에 따라 한번 이상 금속층 (46)을 물로 세척할 수 있다. 수용성 미세 입자를 사용하면 금속층 (46)의 표면에 이물질이 잔류하는 것을 효과적으로 억제할 수 있 다.
<64> 또한, 분사기 (60)를 이용하여 수용성 미세 입자와 드라이 아이스를 함께 분 사할 수 있다. 드라이 아이스는 금속층 (46)의 표면에 층돌시 금속층 (46)과의 온도 차이에 의해 수분을 생성하며， 이 수분으로 수용성 미세 입자를 녹인다. 그리고 분 사기 (60)의 분사 압력을 이용하여 물과 수용성 미세 입자의 흔합물을 금속층 (46)의 표면으로부터 용이하게 제거할 수 있다. 따라서 금속층 (46)의 물 세적 공정을 생략 할 수 있어 전체 공정을 간소화할 수 있다.
<65> 미세 요철 (48)의 크기, 즉 철부 (481)의 높이나 요부 (482)의 깊이 또는 철부
(481) 사이의 간격 등은 미세 입자의 종류， 직경, 분사 속도， 및 분사 압력 둥에 따라 달라질 수 있으며, 이들 값을 적절하게 조절하여 미세 요철 (48)의 형상을 제 어할수 있다.
<66> 도 12는 도 7에 도시한 겨] 5 단계에서 사용되는 양극 산화 장치를 나타낸 개 략도이다.
<67> 도 12를 참고하면， 양극 산화 장치 (70)는 냉각수가 순환하는 순환식 수조
(71)와， 수조 (71) 내부의 전해액을 일정한 속도로 교반하는 자석 교반기 (72)를 포 함한다. 수조 (71) 내부의 전해액에 세퍼레이터 (40)의 채널 전체와 상대 전극 (73)을 담그고, 세퍼레이터 (40)와 상대 전극 (73)에 양극 전원과 음극 전원을 각각 인가하 여 양극 산화 공정을 실시한다. 전해액은 인산 (¾P04) 또는 옥살산 (C2¾04)을 포함할 수 있으며, 상대 전극 (73)은 백금 (Pt) 또는 알루미늄일 수 있다.
<68> 예를 들어， 옥살산 0.3M의 전해액과 40V 전압 및 15°C의 온도 조건에서 10분 동안 양극 산화 처리하여 미세 훔들 (45)을 형성할 수 있다. 그런 다음 인산 0.1M의 전해액과 165V내지 195V의 전압 및 O.rc 내지 2°C의 온도 조건에서 10분 동안 양 극 산화 처리하여 미세 홈들 (45)의 직경을 확대시킬 수 있다.
<69> 한편, 제 4 단계 (S400)를 생략하고 금속층 (46)을 바로 양극 산화 처리할 수 있다. 이 경우， 옥살산 0.3M의 전해액과 40V의 전압 및 24 °C 내지 3CC의 은도 조 건에서 24시간 동안 양극 산화 처리하여 금속층 (46)에 산화막 (47)과 미세 훔들 (45) 을 형성할 수 있다.
<70> 도 5를 참고하면 양극 산화 공정이 진행되면서 금속층 (46)의 표면에는 산화 막 (47)이 형성되고， 산화막 (47)에 나노 스케일의 미세 홈들 (45)이 형성된다. 산화 막 (47)과 미세 홈들 (45)은 미세 요철을 따라 형성된다. 미세 홈 (45)의 직경과 깊이 는 전해액의 농도, 인가 전압의 세기 또는 식각 시간 등을 조절하여 제어할 수 있 다.
<7i> 이와 같이 금속층 (46)에 미세 흠들 (45) 또는 미세 요철 (48)과 미세 홈들 (45) 을 같이 형성한 후 마스크층 (50)을 제거하여 세퍼레이터 (40)를 완성한다.
<72> 도 13은 금속층에 미세 요철과 미세 홈들을 함께 형성한 세퍼레이터에 있어 서 금속층의 표면에 물방을을 떨어뜨려 접촉각을 실험한 결과를 나타낸 사진이고, 도 14는 금속층에 미세 홈들만 형성한 세퍼레이터에 있어서 금속층의 표면에 물방 을을 떨어뜨려 접촉각을 실험한 결과를 나타낸 사진이다.
<73> 도 13과 도 14에서 물방을을 떨어뜨리기 전 상태를 도면 좌측에 도시하였고, 떨어뜨린 후 상태를 도면 우측에 도시하였다. 도면 상부의 막대기는 물방울을 떨어 뜨리기 위해 사용된 기구를 나타낸다. 도 13과 도 14를 참고하면， 금속층에 미세 요철과 미세 홈들을 함께 형성한 경우 대략 5° 이하의 극히 낮은 접촉각을 나타내 몌 금속충에 미세 흠들만 형성한 경우 물방을이 금속층에 닿자마자 흡수된 것을 확인할 수 있다.
<74> 전술한 바와 같이， 본 실시예의 세퍼레이터는 극친수성 표면을 가지는 채널 을 형성함에 따라， 막 -전극 어셈블리에서 생성된 물방울을 바로 흡수하여 연료와 공기를 효율적으로 전달할 수 있다. 그 결과， 연료 전지 스택의 화학반응 효율을 증대시켜 보다 많은 전기 에너지를 생성할 수 있다.
<75> 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범 위에 속하는 것은 당연하다.

Claims

【청구의 범위】
【청구항 11
플레이트 형상의 본체 ;
상기 본체의 적어도 일면에 오목하게 형성되며, 막 -전극 어셈블리에 연료 또 는산소를 공급하기 위한 채널; 및
상기 채널의 표면에 제공되며, 양극 산화 처리에 의한 산화막 및 상기 산화 막에 형성된 나노 스케일의 미세 홈들을 구비하여 상기 채널의 표면을 극친수성으 로 만드는 금속층
을 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터ᅳ
【청구항 2]
제 1항에 있어서,
상기 금속층은 마이크로 스케'일의 미세 요철을 형성하며, 상기 산화막과 상 기 미세 홈들은 상기 미세 요철을 따라 형성되는 연료 전지용 세퍼레이터.
【청구항 3]
제 1항 또는 계 2항에 있어서， .
상기 미세 홈들은 20nm 내지 200nm의 직경과， 10 내지 2000의 종횡비를 가지 는 연료 전지용 세퍼레이터.
【청구항 4】
제 1항에 있어서，
상기 본체는 연료 매니폴드와 산소 매니폴드를 형성하고， 상기 채널은 상기 연료 매니폴드와 상기 산소 매니폴드 중 어느 하나에 연결되는 연료 전지용 세퍼레 이터.
【청구항 5]
제 4항에 있어서,
상기 채널은 상기 본체의 양면에 형성되고, 상기 본체의 일면에 형성된 채널 은 상기 연료 매니폴드와 상기 산소 매니폴드 증 어느 하나에 연결되며, 상기 본체 의 반대면에 형성된 채널은 상기 연료 매니폴드와 상기 산소 매니플드 중 다른 하 나에 연결되는 연료 전지용 세퍼레이터.
【청구항 6]
본체의 적어도 일면에 오목한 채널을 형성하는 단계;
상기 채널의 표면에 금속막을 형성하는 단계; 및
상기 금속막을 양극 산화 처리하여 나노 스케일의 미세 흠들을 형성함으로써 상기 채널의 표면을 극친수성으로 만드는 단계
를 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법 .
【청구항 7]
제 6항에 있어서，
상기 금속막을 형성하는 단계 이전, 상기 채널을 제외한 상기 본체의 표면에 마스크층을 형성하는 단계 ; 및
상기 미세 홈들을 형성하는 단계 이후 상기 마스크층을 제거하는 단계 를 더욱 포함하는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법 .
【청구항 8】
제 6항 또는 제 7항에 있어서,
상기 금속막을 형성하는 단계 이후, 상기 금속막에 미세 입자를 분사하여 상 기 금속막의 표면에 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하는 단계를 더욱 포함하 는 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법.
【청구항 9】
ᅳ 제 8항에 있어서，
상기 미세 입자는 수용성 미세 입자이며， 상기 수용성 미세 입자를 분사할 때 드라이 아이스를 함깨 분사하여 상기 금속층의 표면에 수분을 생성시키는 연료 전지용 세퍼테이터의 제조 방법.
【청구항 10】
제 8항에 있어서，
상기 미세 입자는 10^ 내지 의 직경을 가지는 연료 전지용 세퍼레이터 의 제조 방법 .
【청구항 11】
막 -전극 어셈블리 및 상기 막 -전극 어셈블리의 양면에 밀착되는 세퍼레이터 를 구비한 전기 생성 유닛을 포함하며，
상기 세퍼레이터는，
플레이트 형상의 본체 ;
상기 본체의 적어도 일면에 오목하게 형성되며, 막 -전극 어셈블리에 연료 또 는산소를 공급하기 위한 채널; 및
상기 채널의 표면에 제공되며, 양극 산화 처리에 의한 산화막 및 상기 산화 막에 형성된 나노 스케일의 미세 홈들을 구비하여 상기 채널의 표면을 극친수성으 로 만드는 금속층 을 포함하는 연료 전지 스택 .
【청구항 12]
제 11항에 있어서，
상기 금속층은 마이크로 스케일의 미세 요철을 형성하며， 상기 산화막과 상 기 미세 홈들은 상기 미세 요철을 따라 형성되는 연료 전지 스택 .
【청구항 13]
제 11항 또는 제 12항에 있어서 ,
상기 미세 홈들은 20nm 내지 200nm의 직경과， 10 내지 2000의 종횡비를 가지 는 연료 전지 스택 .
PCT/KR2010/006544 2009-09-28 2010-09-27 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택 WO2011037428A2 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP10819069.5A EP2485309A4 (en) 2009-09-28 2010-09-27 SEPARATOR FOR A FUEL CELL, METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND STACKING OF FUEL CELLS COMPRISING THE SAME
US13/498,479 US9219281B2 (en) 2009-09-28 2010-09-27 Separator for a fuel cell, a production method therefor and a fuel cell stack comprising the same
CN201080043051.2A CN102576883B (zh) 2009-09-28 2010-09-27 用于燃料电池的分离器、其制造方法以及包括分离器的燃料电池堆

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2009-0091832 2009-09-28
KR1020090091832A KR101100858B1 (ko) 2009-09-28 2009-09-28 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2011037428A2 true WO2011037428A2 (ko) 2011-03-31
WO2011037428A3 WO2011037428A3 (ko) 2011-08-18

Family

ID=43796402

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2010/006544 WO2011037428A2 (ko) 2009-09-28 2010-09-27 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9219281B2 (ko)
EP (1) EP2485309A4 (ko)
KR (1) KR101100858B1 (ko)
CN (1) CN102576883B (ko)
WO (1) WO2011037428A2 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102888638A (zh) * 2011-07-20 2013-01-23 现代自动车株式会社 在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101395419B1 (ko) * 2012-06-05 2014-05-15 현대하이스코 주식회사 반응면에서의 습기 제거력이 우수한 연료전지용 분리판 제조 방법
JP7081307B2 (ja) * 2018-05-28 2022-06-07 トヨタ紡織株式会社 燃料電池用セパレータ
DE102019205574A1 (de) * 2019-04-17 2020-10-22 Robert Bosch Gmbh Bipolarplatte für eine Brennstoffzelle, Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte und Brennstoffzelle

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA1341327C (en) * 1989-09-05 2001-12-18 Dan Fern Methods for depositing finish coatings on substrates of anodisable metals and the products thereof
EP1326297B1 (en) 2000-09-12 2014-11-05 Nisshin Steel Co., Ltd. Separator for low-temperature type fuel cell and production method therefor
JP3857873B2 (ja) * 2000-11-09 2006-12-13 三洋電機株式会社 燃料電池用セパレータとその製造方法、および燃料電池
ATE324673T1 (de) 2002-11-18 2006-05-15 Gencell Corp Bipolarplatte mit zwei-durchgängen-anode
KR100669373B1 (ko) 2004-11-25 2007-01-15 삼성에스디아이 주식회사 연료전지용 금속 세퍼레이터 및 그 제조방법과 이를포함하는 연료전지
EP1922286A1 (en) * 2005-08-09 2008-05-21 The University Of British Columbia Microporous metals and methods for hydrogen generation from water split reaction
US8389174B2 (en) * 2006-01-27 2013-03-05 GM Global Technology Operations LLC Super-hydrophilic nanoporous electrically conductive coatings for PEM fuel cells
US20080044716A1 (en) 2006-08-16 2008-02-21 Gm Global Technology Operations, Inc. Durable layer structure and method for making same
KR101002044B1 (ko) * 2008-01-15 2010-12-17 한국과학기술연구원 초소형 연료전지 및 그 제조 방법과 이를 이용한 초소형연료전지 스택
DE102008006038B4 (de) 2008-01-25 2013-02-21 Elringklinger Ag Verfahren zur Herstellung einer Bipolarplatte für eine Brennstoffzelleneinheit und Bipolarplatte
US9136545B2 (en) * 2008-02-27 2015-09-15 GM Global Technology Operations LLC Low cost fuel cell bipolar plate and process of making the same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None
See also references of EP2485309A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102888638A (zh) * 2011-07-20 2013-01-23 现代自动车株式会社 在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法
CN102888638B (zh) * 2011-07-20 2016-09-07 现代自动车株式会社 在燃料电池组用集成块上形成氧化层的设备和方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2485309A4 (en) 2014-01-15
CN102576883B (zh) 2015-02-18
KR101100858B1 (ko) 2012-01-02
EP2485309A2 (en) 2012-08-08
US20120183882A1 (en) 2012-07-19
KR20110034335A (ko) 2011-04-05
US9219281B2 (en) 2015-12-22
CN102576883A (zh) 2012-07-11
WO2011037428A3 (ko) 2011-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100346520C (zh) 燃料电池系统的重整器及其制造方法以及包含它的燃料电池系统
KR101228226B1 (ko) 막 전극 조립체 및 연료 전지
JP4723437B2 (ja) バイポーラプレート、これを備えた単位電池及び燃料電池システム
WO2021213497A1 (zh) 一种带有表面微结构的燃料电池金属极板及其制造方法
KR101240973B1 (ko) 국부 친수성 가스 확산층과 이를 포함하는 연료전지 스택
JP5261412B2 (ja) 燃料電池用ｍｅａ及びこれを含む燃料電池スタック
KR20180058571A (ko) 그래핀폼을 포함하는 가스유로/가스확산층 복합 기능 연료전지용 부재
WO2011037428A2 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
CN1599111A (zh) 燃料电池用电解质膜及其制造方法和使用它的燃料电池
JP2009181936A (ja) 燃料電池用セパレータと燃料電池
US8465632B2 (en) Thin film catalyst on porous media and electrochemical cell employing the same
US20170187042A1 (en) Reversible fuel cell oxygen electrode, reversible fuel cell including the same, and method for preparing the same
US20150295247A1 (en) Perforated Electrodes for Achieving High Power in Flow Batteries
KR102084567B1 (ko) 그래핀폼을 포함하는 연료전지용 가스유로
JP2009218161A (ja) ガス拡散層、膜電極接合、固体高分子型燃料電池、およびこれらの製造方法
JP4561239B2 (ja) 燃料電池セパレータおよびそれを用いた燃料電池
US8980501B2 (en) Fuel cell metal separator and noble metal coating method therefor
JP2004134134A (ja) 多孔質ガス拡散体とそれを用いた可逆セル
WO2021179201A1 (zh) 质子交换膜燃料电池的气体扩散层及其制备方法
KR20220059516A (ko) 양성자 교환 막 연료 전지용 가스 확산층 및 그 제조 방법
US20240039012A1 (en) Discrete microchannels and microstructures embedded in metal foam gas diffusion layer for pem fuel cells
KR100990489B1 (ko) 연료 전지용 세퍼레이터와 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 연료 전지 스택
JP7021537B2 (ja) 燃料電池スタック
JP5593604B2 (ja) 膜電極接合体、セパレータ及び燃料電池
안치영 Structural Modification of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells Components

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080043051.2

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10819069

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13498479

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010819069

Country of ref document: EP