(57)【要約】  本発明は、分離板、及びこれを含む燃料電池スタックに関し、本発明の一側面によると、金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は親水性表面を有し、他の一部の領域は疎水性表面を有する分離板が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は親水性表面を有し、他の一部の領域は疎水性表面を有する分離板。
【請求項２】
前記親水性表面を有する第１金属ワイヤと、
所定のサイズの気孔が形成されるように前記第１金属ワイヤと製織され、前記疎水性表面を有する第２金属ワイヤとを含む請求項１に記載の分離板。
【請求項３】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤは、第１方向に沿って連続して製織された請求項２に記載の分離板。
【請求項４】
前記第１方向に沿った製織地点の間の間隔が一定である請求項３に記載の分離板。
【請求項５】
前記第１方向に沿った製織地点の間の間隔が異なる請求項３に記載の分離板。
【請求項６】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤの直径が同一である請求項２から５のいずれか一項に記載の分離板。
【請求項７】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤの直径が互いに異なる請求項２から５のいずれか一項に記載の分離板。
【請求項８】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤは、５０から５００μｍの直径を有する請求項２から７のいずれか一項に記載の分離板。
【請求項９】
膜−電極接合体と、
前記膜−電極接合体の一面に配置されたガス拡散層と、
少なくとも一部の領域で前記ガス拡散層と接触するように配置された分離板と、を含み、
前記分離板は、金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は親水性表面を有し、他の一部の領域は疎水性表面を有する燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記親水性表面を有する第１金属ワイヤと、
所定のサイズの気孔が形成されるように前記第１金属ワイヤと製織され、前記疎水性表面を有する第２金属ワイヤとを含む請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤは、第１方向に沿って連続して製織された請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第１方向に沿った製織地点の間の間隔が一定である請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記第１方向に沿った製織地点の間の間隔が異なる請求項１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤの直径が同一である請求項１０から１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤの直径が互いに異なる請求項１０から１３のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記第１金属ワイヤ及び前記第２金属ワイヤは、５０から５００μｍの直径を有する請求項１０から１５のいずれか一項に記載の燃料電池スタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分離板、及びこれを含む燃料電池スタックに関する。
【０００２】
本出願は、２０１７年２月１０日付の韓国特許出願第１０−２０１７−００１８６３１号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は、本明細書の一部として含まれる。
【背景技術】
【０００３】
一般に、燃料電池（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、燃料と酸化剤の電気化学反応を通じて電気エネルギーを発生させるエネルギー変換装置であり、燃料が継続的に供給される限り持続的に発電が可能な長所がある。
【０００４】
高分子電解質燃料電池スタックは、高分子物質で構成された電解質膜を中心にアノード（Ａｎｏｄｅ）とカソード（Ｃａｔｈｏｄｅ）がそれぞれ塗布されて形成された電極層を備える膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）、反応気体を反応領域の全体にわたって均等に分布させ、アノード電極の酸化反応により発生した電子をカソード電極側に伝達する役割のガス拡散層（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ、ＧＤＬ）、反応気体をガス拡散層に供給し、電気化学反応により発生した水を外部に排出させる分離板（Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｐｌａｔｅ）、分離板、または、膜−電極接合体の反応領域の外周に配置されて反応気体及び冷却水の漏れを防止する、弾性を有するゴム素材のガスケット（Ｇａｓｋｅｔ）を含み得る。
【０００５】
多孔体に形成された分離板は、原料ガス（エア、酸素）をよく分散させて原料ガスが水素イオンと反応して水がよく生成されるようにし、具体的に、分離板は、酸素と水素イオンの反応性を高め、生成された水をよく排出させるべきである。
【０００６】
一方、多量の水が発生することになると、水が分離板内に凝結するにつれて原料ガスの流れの妨げとなり、原料ガスと触媒層との反応面が減少することになり、結果的に反応性が低くなる。これらの連続した現象によって、高出力運転では、多量の水が発生することになり、電圧降下、または出力低下のような現象が発生する。
【０００７】
これとは異なり、水が過度に排出されて電極表面の湿度が低くなると、イオン伝導度が低くなり、電池の抵抗が増加する。このため、電極内で一定の湿度を維持し、それ以上発生する水は適切に排出されることが重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、表面処理を通じて、水の経路と反応ガスの経路を分離することができる分離板及び燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
【０００９】
また、本発明は、水と反応ガスの移動経路のサイズを調節でき、一定の水分を維持することができる分離板及び燃料電池スタックを提供することを、解決しようとする課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前述の課題を解決するために、本発明の一側面によると、金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は親水性表面を有し、他の一部の領域は疎水性表面を有する分離板が提供される。
【００１１】
前記分離板は、親水性表面を有する第１金属ワイヤと、所定のサイズの気孔が形成されるように第１金属ワイヤと製織され、疎水性表面を有する第２金属ワイヤとを含み得る。
【００１２】
また、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤは、第１方向に沿って連続して製織されることができる。
【００１３】
また、第１方向に沿った製織地点の間の間隔が一定であり得る。
【００１４】
また、第１方向に沿った製織地点の間の間隔が異なり得る。
【００１５】
また、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤの直径が同一であり得る。
【００１６】
また、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤの直径が互いに異なり得る。
【００１７】
また、第１及び第２金属ワイヤは、５０から５００μｍの直径を有し得る。
【００１８】
また、本発明の他の膜−電極接合体と、膜−電極接合体の一面に配置されたガス拡散層と、少なくとも一部の領域でガス拡散層と接触するように配置された分離板と、を含み、分離板は金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は、親水性表面を有し、他の一部の領域は、疎水性表面を有する燃料電池スタックが提供される。
【発明の効果】
【００１９】
以上で示したように、本発明の一実施例に係る分離板、及びこれを含む燃料電池スタックは、次のような効果を有する。
【００２０】
本発明によると、表面の性質が互いに異なる金属ワイヤを製織することにより、様々な構造的、性能的適用の拡大が可能である。
【００２１】
金属ワイヤの表面を様々な方式（熱処理、ａｎｏｄｉｚｉｎｇ、プラズマなど）で処理することによって、金属表面の物性が異なるようにし得る。
【００２２】
また、金属ワイヤを編む方法（例えば、０．５回の回転、１．５回の回転、またはそれ以上も可能）の差によって、流体（液体、気体）のサイズを制御できる。
【００２３】
また、製織される２つの金属ワイヤの厚さを互いに異なるようにして、それぞれの流体通路を別々に設定でき、製織地点の間の間隔を調節して多孔体の垂直面についての気孔のサイズを制御できる。
【００２４】
また、停滞した液体と流動する気体との界面で、２つの物質の速度差によって、液体が分散したり、流動を誘導し得る。このような表面の性質は、親水性の金属ワイヤの表面張力と、注入される湿度、気体の流動速度に応じて、それぞれの範囲が決定され得る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施例に係る燃料電池スタックの概念図である。
【００２６】
【図２】本発明の一実施例に係る分離板の概念図である。
【００２７】
【図３】図２に示された分離板における流体の流れを示す概念図である。
【００２８】
【図４】製織方式の一例を説明するための概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の一実施例による分離板、及びこれを含む燃料電池スタックを添付された図面を参考して詳しく説明する。
【００３０】
また、図面符号にかかわらず、同一または対応する構成要素は、同一または類似の参照番号を付与し、これについての重複説明は省略することとし、説明の便宜のために、示された各構成部材の大きさ及び形状は、誇張されたり縮小され得る。
【００３１】
図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池スタック１の概念図であり、図２は、本発明の一実施例に係る分離板１００の概念図であり、図３は、図２に示された分離板における流体の流れを示す概念図であり、図４は、製織方式の一例（０．５回の回転編み）を説明するための概念図である。
【００３２】
図１を参照すると、本発明の一実施例に係る燃料電池スタック１は、膜−電極接合体１０と、膜−電極接合体の一面に配置されたガス拡散層２０と、少なくとも一部の領域でガス拡散層と接触するように配置された分離板１００と、を含む。また、前記燃料電池スタック１は、分離板１００の一面を支持するプレート３０を含む。ここで、前記分離板１００は、少なくとも一部の領域がプレート３０に付着し得、例えば、スポット溶接され得る。前記プレート３０は、分離板３０と共に反応ガス及び生成水の流動通路を形成する。
【００３３】
前記分離板１００は、金属材質で形成され、複数の気孔を有し、一部の領域は親水性表面を有し、他の一部の領域は疎水性表面を有する。前記分離板は、複数の気孔を有する多孔体である。
【００３４】
図１及び図２を参照すると、分離板１００は、親水性表面を有する第１金属ワイヤＡ、Ａ'と、所定のサイズの気孔が形成されるように第１金属ワイヤＡ、Ａ'と製織され、疎水性表面を有する第２金属ワイヤＢ、Ｂ'とを含み得る。第１及び第２金属ワイヤは、様々な処理によって、互いに異なる表面物性（親水性または疎水性）を有し得る。このとき、第１方向に沿って第１金属ワイヤと第２金属ワイヤを規則的または不規則的に編んで、所定の密度の金属網（多孔体）を製造することができる。また、２つの金属ワイヤを編むこともでき、３つ以上の金属ワイヤを編んで分離板１００を製造することもできる。
【００３５】
２つの金属ワイヤで構成された多孔体を詳細に観察すると、親水性金属ワイヤ（第１金属ワイヤ）と、疎水性金属ワイヤ（第２金属ワイヤ）とが交差して編まれているため、一定の水分を維持することができる。
【００３６】
また、２つの金属ワイヤが交差する位相（製織地点）では、金属ワイヤが垂直に配列されるため、上下の通路が開放され得る。この上下の通路には、反応ガスが垂直に抵抗なしに流動することができる。
【００３７】
すなわち、親水性性質の金属ワイヤ側には、一定量の水が吸着することによって、全体の湿度が低くなることを防止することができ、疎水性性質の金属ワイヤ側では、水が吸着しないため、多孔体に必要以上の水が残っていることを防止することができる。
【００３８】
また、金属ワイヤの編みによって、水の移動経路と反応ガスの移動経路を分離させることができる。
【００３９】
また、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤは、第１方向（所定の方向）に沿って連続して製織されることができる。このとき、第１方向に沿った製織地点の間の間隔が一定であり得、第１方向に沿った製織地点の間の間隔が異なり得る。
【００４０】
また、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤの直径が同一であり得、第１金属ワイヤ及び第２金属ワイヤの直径が互いに異なり得る。このように、金属ワイヤの直径（厚さ）を調節して、水と反応ガスの移動経路のサイズを調節できる。
【００４１】
また、金属ワイヤの直径（厚さ）によって、流体（液体、気体）のサイズを制御できる。具体的に、金属ワイヤの厚さが細すぎる場合には、分離板（「多孔体」とも呼ばれる）多孔体の全体の厚さが薄くなり水平方向の流体移動通路のサイズが狭くなるため、進入段と排出段の圧力差が大きくなる。これとは異なり、金属ワイヤの厚さが厚すぎる場合には、多孔体の通路の厚さが大きくなり流体の偏向移動が発生し得る。したがって、第１及び第２金属ワイヤは、５０から５００μｍの直径を有することが好ましい。
【００４２】
図１及び図２を参照すると、流体（水、反応ガス）が上下方向に流れる場合には、ＡとＡ'領域（第１金属ワイヤ、Ａの矢印及びＡ'の矢印）では、液体（水分）または相対的に湿度の高い気体が流れることになる。また、ＢとＢ'領域（第２金属ワイヤ、Ｂの矢印及びＢ'の矢印）では、疎水性表面に連続して露出するため、乾いた気体または相対的に湿度の低い気体が流れることになる。
【００４３】
また、ＡとＡ'領域では、水分が第１金属ワイヤの親水性表面に吸着するため、全体的に一定の湿度を維持することができる。また、ＢとＢ'領域では、水が凝結または凝集されにくいため、反応ガスが流れる通路となる。
【００４４】
したがって、多孔体は、一定の水分を維持すると共に一定量の気孔も維持することで、反応ガスの円滑な流動を容易にする。
【００４５】
以上で説明した本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明についての通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で様々な修正、変更、付加が可能であり、これらの修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に属するものと理解すべきである。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明によると、表面の性質が互いに異なる金属ワイヤを製織することにより、分離板の様々な構造的、性能的適用の拡大が可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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