KR101402391B1

KR101402391B1 - 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 제조방법

Info

Publication number: KR101402391B1
Application number: KR1020097007739A
Authority: KR
Inventors: 노부유키 히라노
Original assignee: 도까이 카본 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2014-06-03
Anticipated expiration: 2027-11-08
Also published as: CN101529631B; TW200835032A; EP2091100A1; KR20090088859A; EP2091100A4; WO2008059903A1; EP2091100B1; US20090263701A1; CN101529631A; JP2008123971A; TWI418078B

Abstract

연료전지의 소형화를 위해 세퍼레이터의 두께가 균일하게 얇고, 재질 특성도 양호한 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재를 능률적으로 생산하는 제조방법을 제공하는 것이고, 다음의 하기의 공정 1∼3을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 한다. 수지 결합재 10∼35 중량부, 분산제 0.1∼10 중량부를 유기 용매에 용해한 수지 용액에, 탄소질 분말 100 중량부를 분산시켜 점도 100 mPa·s∼1500 mPa·s의 슬러리를 제작하는 공정 1, 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 유기물 시트를 상기 슬러리중에 침지하여 유기물 시트의 양면에 상기 슬러리를 부착시킨 후, 건조하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 피착하여 그린시트를 제작하는 공정 2, 그린시트를 소정 형상으로 절단하고, 1장 또는 2장 이상을 적층하여 열압 성형하는 공정 3.

Description

고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 제조방법{METHOD FOR PRODUCING SEPARATOR MATERIAL FOR SOLID POLYMER FUEL CELL}

본 발명은, 고체 고분자형 연료전지의 세퍼레이터재의 제조방법에 관한 것이다.

연료전지는, 연료가 갖는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 것으로, 전기 에너지로의 변환 효율이 높고, 예컨대 고체 고분자형 연료전지는 비교적 저온에서 고출력의 발전이 가능하기 때문에, 자동차의 전원을 비롯해 소형의 이동형 전원으로서 기대되고 있다.

고체 고분자형 연료전지는, 통상 술폰산기를 갖는 불소수지계 이온 교환막과 같은 고분자 이온 교환막으로 이루어지는 전해질막과, 그 양면에 백금 등의 촉매를 담지시킨 촉매 전극과, 각각의 전극에 수소 등의 연료 가스 또는 산소나 공기 등의 산화제 가스를 공급하는 가스 공급용 요철(홈)을 마련한 세퍼레이터 등으로 이루어지는 단위 셀을 적층한 스택, 및 그 외측에 설치한 2개의 집전체 등으로 구성되어 있다.

단위 셀의 구조는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 예컨대 불소계수지에 의해 형성된 이온 교환막으로 이루어지는 전해질막(10)을 사이에 두고 배치되는 한 쌍의 전극(8, 9)[캐소드(8), 애노드(9)]과, 이들을 양측으로부터 끼우는 치밀질의 카본재로 이루어지는 세퍼레이터(6), 세퍼레이터의 단부에는 가스홈과 평행 방향으로 설치된 고무 등으로 이루어지는 시일재(11)로 구성되어 있다. 전극(8, 9)은 백금 등의 촉매를 담지시킨 탄소 단섬유로 이루어지는 다공질체 또는 촉매를 담지한 카본 블랙을 수지로 결착한 것 등으로부터 형성된다.

세퍼레이터(6)에는 복수의 요철 형상의 홈(7)이 형성되고, 홈(7)과 캐소드(8)와의 사이에 형성되는 공간을 산화제 가스(산소나 공기 등의 산소 함유 가스) 유로로 하며, 홈(7)과 애노드(9) 사이에 형성되는 공간을 연료 가스(예컨대 수소 가스나 수소 가스를 주성분으로 하는 혼합 가스) 유로로 하여, 연료 가스와 산화제 가스가 전극에 접촉하여 발생하는 화학 반응을 이용하여, 전극 사이로부터 전류를 취출하게 되어 있다. 그리고, 통상 이 단위 셀을 수십층 내지 수백층으로 적층하여 전지 스택이 조립되어 있다.

이 연료전지의 발전 기구는, 셀의 애노드측에 공급된 연료 가스(예컨대 수소 가스)와 캐소드측에 공급된 산화제 가스(예컨대 산소 가스)가, 전극에 접촉하여 발생하는 하기의 반응에 의해 생기는 전자(e^-)를 전극 사이로부터 전기 에너지로서 외부에 취출하는 것이다.

애노드측; H₂→2H⁺+2e^-

캐소드측; (1/2)O₂+2H⁺+2e^-→H₂O

전체 반응; H₂+(1/2)O₂→H₂O

따라서, 세퍼레이터에는 연료 가스와 산화제 가스를 완전히 분리한 상태로 전극에 공급해야 하기 때문에 고도의 가스 불투과성이 요구된다. 또한 발전 효율을 높이기 위해 전지의 내부 저항을 작게 하는 것이 유효하고, 세퍼레이터의 판 두께를 얇게 하는 것과 함께 높은 도전성이 필요하게 된다.

또한, 전지 성능의 향상을 도모하기 위해서는 스택중의 각 단위 셀 사이를 밀착하도록 조립하고, 발전중에도 양호한 접촉 상태가 유지되어 세퍼레이터와 전극과의 접촉 전기 저항의 증대를 방지하며, 단위 셀 사이의 가스 누설이나 단위 셀 밖으로의 가스 누설을 방지하는 것이 중요해진다. 즉, 조립시에 파손이나 결손이 생기지 않도록 재질 강도가 높은 것, 또한 전지의 작동 온도인 80℃∼120℃ 정도의 온도에서도 충분한 재질 강도를 갖추고 있는 것 등이 필요하다.

이러한 재질 특성이 요구되는 세퍼레이터재에는 탄소질계의 재료가 적합하지만, 흑연재는 가공성에 어려움이 있고, 또한 재질상 기밀성이 낮으며, 가스 불투과성이 충분하지 않은 난점이 있다. 또한 유리상 카본재는 재질 조직이 치밀하고 가스 불투과성이 우수하지만, 경도가 높고 취성이기 때문에 기계 가공성이 좋지 않다는 난점이 있다.

그래서, 종래부터, 흑연 등의 탄소질 분말과 열경화성 수지를 결합재로 하여 결착하고, 성형한 탄소/수지 경화 성형체로 이루어지는 세퍼레이터재가 적합하게 사용되고 있으며, 이것에 관한 발명도 많이 제안되어 있다.

예컨대 일본 특허 공개 제2000-021421호 공보 1에는, 평균 입자 지름 50 ㎛이하, 최대 입자 지름 100 ㎛ 이하의 입도 분포를 갖는 흑연 분말 60 중량%∼85 중량%와 열경화성 수지 15 중량%∼45 중량%로 이루어지는 판형 성형체로서, 그 면 방향의 고유 저항이 300×10^-4Ω㎝ 이하, 두께 방향/면 방향의 고유 저항의 비가 7 이하, 굽힘 강도가 300 kgf/㎝² 이상의 재질 성상을 갖추는 흑연-수지 경화 성형체로부터 형성된 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 부재 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제2000-243409호 공보에는, 탄소 분말 40 중량%∼90 중량%와 열경화성 수지 60 중량%∼10 중량%의 조성으로 이루어지고, 실온에서의 굽힘 강도가 30 MPa 이상이며, 실온부터 100℃에서의 굽힘 강도 저하율이 30% 이하,의 특성을 갖는 탄소-수지 경화 성형체로부터 형성된 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료전지용 세퍼레이터 부재 및 그 제조방법이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 제2006-172776호 공보에는, 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 유기물 시트의 양면에, 탄소질 분말과 수지 결합재를 90:10∼65:35의 중량비로 혼합한 혼합물이 피복되고, 상기 유기물 시트의 관통 구멍 내에 탄소질 분말과 수지 결합재와의 혼합물이 충전되는 연료전지용 세퍼레이터재와 그 제조방법이 제안되어 있다.

한편, 연료전지의 소형화에 대한 요구도 강하여, 예컨대 자동차에 탑재하는 연료전지에는 전지 스택의 소형화, 경량화, 박육화(薄肉化) 등이 요구되고, 또한 진동 등에 의한 균열이 발생하지 않는 강도 특성도 필요하게 된다.

그러나, 상기 일본 특허 공개 제2006-172776호 공보에 개시된 세퍼레이터재에 있어서는, 탄소질 분말과 수지 결합재와의 혼합물 또는 이 혼합물을 시트화한 것을 유기물 시트의 양면에 피착하는 것이기 때문에, 균일하게 피착하여 박육화하는 데에는 한계가 있고, 또한 제조 프로세스도 비능률화되는 문제가 있다.

본 발명자는 이러한 문제를 해결하는 방책에 대해서 예의 연구하여, 유기물 시트의 양면에 탄소질 분말을 분산시킨 슬러리를 피착시킨 그린(green) 시트를 이용함으로써, 균일하고 두께가 얇은 세퍼레이터재를 능률적으로 제조할 수 있고, 또한 탄소질 분말의 결합재로서 열경화성 수지뿐만 아니라, 가요성 엘라스토머를 이용할 수도 있으며, 파단 왜곡이 큰 세퍼레이터재를 제조할 수 있는 것을 발견하였다.

본 발명은, 상기한 발견에 기초하여 이루어진 것으로, 그 목적은 두께가 균일하고, 얇은 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재를 능률적으로 생산할 수 있는 제조방법을 제공하는 것에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 제조방법은,

하기의 공정 1∼3을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 한다.

수지 결합재 10∼35 중량부, 분산제 0.1∼10 중량부를 유기 용매에 용해한 수지 용액에, 탄소질 분말 100 중량부를 분산시켜 점도 100 mPa·s∼1500 mPa·s의 슬러리를 제작하는 공정 1,

관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 유기물 시트를 상기 슬러리중에 침지하여 유기물 시트의 양면에 상기 슬러리를 부착시킨 후, 건조하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 피착하여 그린시트를 제작하는 공정 2,

그린시트를 소정 형상으로 절단하고, 1장 또는 2장 이상을 적층하여 열압 성형하는 공정 3.

본 발명에 의하면, 두께가 균일하고, 얇으며, 강도나 전기 특성 등의 재질 성상이 우수한 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재를 능률적으로 제조하는 것이 가능해진다.

도 1은 본 발명에 의해 제조된 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 구조를 모식적으로 도시한 사시도이다.

도 2는 고체 고분자형 연료전지의 개략 구조를 도시하는 일부 단면도이다.

이하, 본 발명의 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 제조방법을, 각 공정별로 상세히 설명한다.

공정 1;

공정 1은, 수지 결합재 10∼35 중량부, 분산제 0.1∼10 중량부를 유기 용매에 용해한 수지 용액에, 탄소질 분말 100 중량부를 분산시켜 점도 100 mPa·s∼1500 mPa·s의 슬러리를 제작하는 공정이다.

수지 결합재로서는 술폰산 등의 전해질에 대한 내산성 및 연료전지의 작동 온도에 견디는 내열성을 갖고 있으면 특별히 한정되지 않고, 열경화성 수지, 열가소성 수지 모두 이용할 수 있다.

열경화성 수지로서는, 예컨대 레졸형의 페놀수지, 노볼락형의 페놀수지로 대표되는 페놀계 수지, 푸르푸릴알코올수지, 푸르푸릴알코올푸르푸랄수지, 푸르푸릴알코올페놀수지 등의 푸란계 수지, 폴리이미드수지, 폴리카르보디이미드수지, 폴리아크릴로니트릴수지, 피렌-페난트렌수지, 에폭시수지, 우레아수지, 디알릴프탈레이트수지, 불포화폴리에스테르수지, 멜라민수지 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 2종 이상을 조합하여 이용할 수도 있다.

또한, 열가소성 수지로서는, 아크릴로니트릴부타디엔스티렌(ABS)수지, 아크릴로니트릴스티렌공중합체(AS), 내충격성 폴리스티렌(HIPS), 폴리스티렌(PS), 메틸메타크릴레이트부타디엔스티렌공중합체(MBS), 메타크릴산메틸-스티렌공중합체(MS), 아크릴로니트릴에틸렌프로필렌고무스티렌공중합체(AES), 아크릴로니트릴스티렌아크릴레이트(AAS) 등의 스티렌계 수지, 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리부텐-1, 에틸렌초산비닐공중합체(EVA), 에틸렌비닐알코올공중합체(EVOH) 등의 폴리올레핀계수지, 폴리아미드수지, 열가소성 폴리에스테르수지, 폴리카보네이트(PC)계 수지, 전방향족 폴리에스테르수지, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 염화비닐계 수지(PVC), 폴리술폰수지, 폴리에테르에테르케톤수지, (변성)폴리페닐렌에테르수지, 폴리옥시메틸렌(P0M), 폴리메타크릴산메틸(아크릴)(PMMA), 불소수지, 폴리케톤(PK), 노르보넨, 폴리아미드이미드(PAI), 폴리프탈아미드(PPA) 등이 예시되고, 이들을 단독 또 는 2종 이상을 혼합하여 이용할 수도 있다.

또한, 엘라스토머도 이용할 수 있고, 예컨대 이소프렌계 엘라스토머를 비롯해, 부타디엔계 엘라스토머, 디엔계 엘라스토머, 올레핀계 엘라스토머, 에테르계 엘라스토머, 폴리설파이드계 엘라스토머, 우레탄계 엘라스토머, 불소계 엘라스토머, 실리콘계 엘라스토머, 이들의 2종 이상을 블렌드한 엘라스토머 등 외, 열가소성 엘라스토머나 에폭시수지 등의 가요성을 갖는 열경화성 수지, 또한 상기한 열경화성 수지나 열가소성 수지와 블렌드한 것, 또한 열경화성 수지 변성 엘라스토머 등을 이용할 수도 있다.

분산제는, 슬러리의 분산 안정화를 위해 첨가하는 것이고, 예컨대 계면활성제가 적합하게 이용된다. 계면활성제로서는, 예컨대 방향족 에테르형, 카르복실산에스테르형, 아크릴산에스테르형, 인산에스테르형, 술폰산에스테르형, 지방산에스테르형, 우레탄형, 불소형, 아미노아마이드형, 아크릴아마이드형 등의 비이온 계면활성제, 암모늄, 술포늄, 포스포늄 함유 폴리머 등의 양이온 계면활성제, 카르복실산형, 인산형, 술폰산형, 히드록시지방산형, 지방산아마이드형 등의 음이온 계면활성제 등을 단독, 또는 2종 이상을 조합시켜 사용할 수 있다.

또한, 분산제는 겔 침투 크로마토그래피에 의한 폴리스티렌 환산 중량 평균 분자량이 2000∼100000의 범위에 있는 것이 바람직하다. 이 분자량이 2000 미만인 경우는 탄소질 분말에 흡착한 분산제의 폴리머 성분이 입체 반발층으로서 충분하지 않고, 탄소질 분말의 재응집이 발생하기 때문이며, 또한, 분자량이 100000을 초과하는 경우에는 재현성 좋게 제조하는 것이 어렵고, 반대로 응집제로서 작용하는 경 우도 있어, 바람직하지 않다.

또한, 분산제 외에, 유기물 시트에 부착시킨 슬러리가 흘러내리는 것을 막기 위해, 세퍼레이터재의 물성에 영향을 미치지 않는 정도의 미량의 흘러내림 방지제를 첨가하는 것도 유효하고, 균질인 두께의 그린시트를 제작할 수 있다. 흘러내림 방지제로서는, 고급 지방산에스테르, 고급 지방산아마이드와 같은 아마이드계 왁스, 아마이드왁스계 용해 페이스트나 아마이드왁스계 팽윤 페이스트를 주성분으로 주용제로서 미네랄스플리트, 크실렌, 이소파라핀, 이소부탄올, N-메틸피롤리돈, 벤질알코올, 메탄올, 에탄올 등의 용제 또는 혼합 용액을 사용할 수 있다.

또한, 필요에 따라서, 습식 침투제, 방부제, 소포제, 습윤제, 색분리 방지제 등의 첨가제를 첨가하여 슬러리의 안정성을 향상시킴으로써, 표면이 매끄러운 그린시트를 얻을 수도 있다.

유기 용매는, 일반적으로 입수 가능하고, 수지를 용해시키는 것이면 특별히 제한 없이 사용할 수 있으며, 예컨대 메틸알코올, 에틸알코올, 이소프로필알코올 등의 알코올류, 아세톤, 메틸에틸케톤 등의 케톤류를 예시할 수 있고, 슬러리의 점도, 안정성, 건조 속도 등을 고려하면, 메틸에틸케톤이 적합하다.

상기한 수지 결합재를 10∼35 중량부 및 분산제를 0.1∼10 중량부의 비율로 유기 용매에 혼합하고, 교반하여 수지 용액을 제작한다. 수지 결합제의 양비가 10 중량부보다 적으면 탄소/경화수지 성형체의 강도가 저하되고, 35 중량부를 초과하면 전기 저항이 높아진다. 또한, 분산제의 양비가 O.1 중량부보다 적으면 수지 용액중에 탄소질 분말을 안정 분산시키기가 어려워지고, 10 중량부보다 많으면 수지 의 특성을 저하시켜, 결과적으로 세퍼레이터재의 기계적 특성의 악화를 초래하며, 내약품성, 특히 황산산성액중에서의 특성 열화를 더 초래하게 된다. 또한, 유기 용매의 양은 제작하는 슬러리의 점도를 고려하여 적절하게 설정한다.

이 수지 용액중에 탄소질 분말을 100 중량부의 비율로 첨가하고, 만능 교반기, 초음파 교반기, 커터믹서, 미츠모토롤 등에 의해 수지 용액중에 탄소질 분말을 분산시켜, 점도 100 mPa·s∼1500 mPa·s의 슬러리를 제작한다.

탄소질 분말로서는 흑연 분말이 적합하고, 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연, 이들 혼합물 등이 이용된다. 용매량이 적은 경우에도 유동성을 높이기 위해, 안정적인 슬러리로 하기 위해, 또한 그린시트 제작을 위한 건조시에 건조 수축을 적게 하기 위해, 또 균열을 방지하기 위해 입도 조정한 탄소질 분말을 이용하는 것이 바람직하다.

즉, 입도 분포가 넓을수록 조대 입자 탄소질 분말 사이의 공극에 미세 입자 탄소질 분말이 들어가는 충전 효과에 의해 분산 안정성이 높은 슬러리를 얻을 수 있다. 예컨대 안드레아센 분포식에 의한 평균 입자 지름을 30 ㎛∼70 ㎛, 5 ㎛∼10 ㎛, 1 ㎛∼3 ㎛로 입도 조정하여 적절한 양비로 혼합한 탄소질 분말을 배합하여 이용하면, 균열도 없고, 치밀한 그린시트를 얻을 수 있으며, 이것을 열압 성형한 세퍼레이터는 얇아도 높은 가스 불투과성이 확보된다.

또한, 슬러리 제작시에 슬러리중에 들어간 공기가 그린시트의 표면에 요철을 만들어, 균질성이 저하되는 경우도 있기 때문에, 원심 탈기나 진공 탈기로 들어간 공기를 탈기하는 것이 바람직하다. 슬러리의 점도는 100 mPa·s∼1500 mPa·s로 조 정하지만, 슬러리의 점도는 수지 결합재, 분산제, 탄소질 분말의 양비에 의해 조정할 수도 있지만, 유기 용매의 양에 의해 조정하는 것이 바람직하다.

슬러리의 점도가 100 mPa·s를 하회하면 슬러리중의 탄소질 분말의 농도가 낮기 때문에 유기물 시트를 침지하여 슬러리를 부착시킬 때에 탄소질 분말을 균일하게 부착시키기 어렵고, 성형체에 차지하는 유기물 시트의 비율이 높아져 고저항이 된다. 한편, 1500 mPa·s를 초과하는 고점도가 되면 슬러리를 얇고, 균일하게 부착시키는 것이 어려우며, 또한 부분적으로 두껍게 부착된 슬러리가 생기기 쉬워져, 제작한 그린시트의 두께의 변동이 커진다.

공정 2;

공정 2는, 이와 같이 하여 제작된 슬러리중에, 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 유기물 시트를 침지하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 부착시킨 후, 건조하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 피착하여 그린시트를 제작하는 공정이다.

유기물 시트의 재질로서는 올레핀계, 비닐계, 스티렌계, 에틸렌계, 우레탄계, 에스테르계, 아미드계, 폴리프로필렌, 불소수지 등의 열가소성 수지, 페놀수지, 실리콘수지, 에폭시수지 등의 열경화성 수지 등이 이용된다.

관통 구멍을 갖는 유기물 시트로서는, 상기의 수지류의 평직, 능직, 헤링본(herringbone), 마름모, 육각형 등의 메시 외, 카드식, 습식 또는 건식 케미컬본드, 서멀본드 스펀레이스 또는 스펀본드, 멜트블로우식, 플래시 방사, 토우 개섬식 등의 부직포 등도 예시할 수 있다.

이들 유기물 시트는, 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 것이 적용된다. 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%를 하회하면 관통 방향의 전기 저항이 증대하고, 85%를 상회하면 강도 저하가 커지기 때문이다. 또한, 개구 면적비(R)란 단위 면적당의 개구 면적의 비율(개구 면적/전체 면적×100%)이고, 유기물 시트를 적당한 배율로 확대하여 사진 촬영하며, 이것을 메시로 나누고 개구부를 카운트하여 총 메시 수로 나눠 100배한 값으로 나타난다.

또한, 슬러리를 유기물 시트의 관통 구멍의 내부에 충분히 침투, 충전시키기 위해서는, 관통 구멍의 개구 지름은 O.1 ㎜ 이상인 것이 바람직하고, 관통 개구는 기계 가공이나 재단 또는 레이저 가공 등으로 마련할 수 있다.

또한, 관통 구멍을 갖는 유기물 시트로서는 어느 정도의 가요성과 강도를 구비하고 있는 것이 필요하고, 예컨대 테이버 강성이 작고, JIS P8125-1976「하중 굽힘 방법에 의한 판지의 강성 시험 방법」으로 측정되는 테이버 강성이 10 mN·m 이하이며, 또한 시트 두께는 500 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

유기물 시트를 슬러리중에 침지하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 부착시킨다. 슬러리의 부착량은, 예컨대 슬러리의 점도, 슬러리중에의 침지 시간 등에 의해 조정할 수 있고, 그 후, 송풍 건조 또는 자연 건조 등의 건조에 의해 유기 용매를 휘발 제거하여, 유기물 시트의 양면에 슬러리 성분을 피착시켜 그린시트가 제작된다.

또한, 유기물 시트를 슬러리중에 침지하는 경우, 예컨대 유기물 시트의 다발을 롤에 감고, 롤로부터 유기물 시트를 풀어 슬러리조를 가라앉게 한 후, 건조기 내를 통과시키면서 연속적으로 권취하는 방법에 의해, 연속적, 능률적으로 그린시트를 제작할 수도 있다.

공정 3;

공정 3은, 공정 2에서 제작한 그린시트를 커터나 펀칭 가공하여 소정의 형상으로 절단하고, 1장, 또는 필요에 따라 2장 이상을 적층하여 열압 성형하는 공정이다.

소정 형상으로 절단한 그린시트는 1장 또는 필요에 따라서 2장 이상을 금형 내에 세팅하여, 수지 결합재의 종류에 의해 적절한 온도 및 압력 하, 예컨대 열경화성 수지의 경우에는 150℃∼250℃ 정도의 온도, 10 MPa∼100 MPa 정도의 압력으로 열압 성형한다.

이와 같이 하여, 그린시트를 열압 성형함으로써, 도 1에 도시한 바와 같은 유기물 시트(4)의 양면에 슬러리 성분인 탄소질 분말과 수지 결합재의 혼합물이 피착된 혼합물층(2), 및 유기물 시트의 관통 구멍 내에 탄소질 분말과 수지 결합재의 혼합물이 충전된 충전층(3)이 일체화된 구조로 이루어지는, 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재(1)가 제조된다. 또한, 5는 유기물 시트의 관통 구멍 내에 충전된 탄소질 분말과 수지 결합재의 혼합물이다.

또한, 도 1은 그린시트를 1장 열압 성형한 경우이지만, 마찬가지로 하여, 원하는 세퍼레이터재의 두께에 따라 2장 이상의 그린시트를 적층하여, 열압 성형함으로써 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재를 제조할 수도 있다.

이와 같이 하여, 두께가 얇고, 가스 불투과성이 높으며, 재질 강도 및 도전 성 등의 재질 특성이 우수한 고체 고분자형 연료전지의 세퍼레이터재를 제조하는 것이 가능해진다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다. 이들 실시예는 본 발명의 일 실시형태를 나타내는 것이고, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.

실시예 1∼4, 비교예 1∼4

수지 결합재로서 에폭시 수지(주요제 오르토 크레졸 노볼락에 경화제 페놀노볼락) 25 중량부를, 유기 용매로서 80∼120 중량부의 메틸에틸케톤(MEK)에 용해하고, 분산제로서 유중 분산제(음이온성 계면활성제; 폴리카르복실산염, 카오사제 호모게놀 L-18) 1 중량부, 흘러내림 방지제(쿄에이샤화학제, 타렌) 1 중량부를 가하여 수지 용액을 제작하였다.

이 수지 용액에, 평균 입자 지름 55 ㎛가 55%, 10 ㎛가 5%, 3 ㎛가 40%인 인편상(鱗片狀) 천연 흑연 분말 100 중량부를 가하여 만능 교반기에 의해 충분히 교반 혼합하고, 원심법에 의해 들어간 공기를 탈기하여 점도가 상이한 슬러리를 제작하였다.

유기물 시트에는 올레핀계의 실을 이용하여, 스펀본드법에 의해 관통 구멍의 개구 면적비(R)가 상이한, 두께 90 ㎛의 부직포를 이용하였다. 이 유기물 시트의 다발을 롤에 감고, 권취롤에 의해 연속적으로 유기물 시트를 풀어 슬러리조를 가라앉게 한 후, 건조기 내를 통과시키는 방법에 의해, 유기물 시트의 양면에 슬러리를 연속적으로 피착하여 그린시트를 제작하였다.

이 그린시트를 300 ㎜×480 ㎜로 절단하여 금형에 넣고, 온도 180℃, 압력 40 MPa의 조건으로 5분간 열압 성형하여, 도 1에 도시하는 구조의 세퍼레이터재(300 ㎜×480 ㎜, 최박부(最薄部) 두께 0.15 ㎜)를 제조하였다. 또한, 실시예 4는, 이 그린시트를 2장 적층하고, 동일한 방법으로 열압 성형하여 세퍼레이터재(최박부 두께 0.3 ㎜)를 제조한 경우이다.

이들 세퍼레이터재에 대해서, 하기의 방법에 의해 그 특성을 측정하였다. 측정 결과를, 제조 조건과 함께 표 1에 나타낸다.

(1) 두께(㎜);

마이크로미터를 사용하여 세퍼레이터재 내의 9점의 두께를 측정하여, 평균값, 변동(최대값-최소값)을 구했다.

(2) 굽힘 강도(MPa);

JIS R1601에 준거하여 측정하였다.

(3) 파단 왜곡(%);

JIS R1601에 준거하여 측정하였다.

(4) 전기 저항률(mΩ·㎝);

JIS C2525에 의해 길이 방향을 측정하였다.

시험편 치수: 폭 4 ㎜×길이 35 ㎜×두께 0.3 ㎜

(5) 접촉 저항(mΩ·㎝²);

시험편 치수 30 ㎜×36 ㎜의 세퍼레이터재를, 접촉면 치수가 30 ㎜×30 ㎜가 되도록 어긋나게 하여 2장 적층하고, 1 MPa의 하중을 걸고 접촉면에 1A의 직류 전류를 흘려, 2장의 시험면의 전압 강하로부터 저항값을 산출하였다.

(6) 가스 투과량(×10^-12 mol·m·m^-2·sec^-1·MPa);

질소 가스에 의해, 차압 0.2 MPa의 압력을 가했을 때의 질소 가스 투과량을 측정하였다. 시험편 치수: 직경 70 ㎜×두께 0.3 ㎜

본 발명의 실시예 1∼4는, 세퍼레이터로서 양호한 특성을 갖고 있다. 한편, 용매량이 발명의 범위를 벗어나는 비교예 1, 2에서는, 굽힘 강도나 파단 왜곡은 실시예와 동등했지만, 전기 저항률이나 접촉 저항이 높아지고, 또한 가스 불투과성이 뒤떨어져 있다. 유기물 시트의 개공 면적비가 발명의 범위를 벗어나는 비교예 3, 4에서는 굽힘 강도, 파단 왜곡이나 가스 불투과성은 실시예와 동등하지만, 전기 저항률이나 접촉 저항이 뒤떨어져 있다.

Claims

수지 결합재 10∼35 중량부, 분산제 0.1∼10 중량부를 유기 용매에 용해한 수지 용액에, 탄소질 분말 100 중량부를 분산시켜 점도 100 mPa·s∼1500 mPa·s의 슬러리를 제작하는 공정 1,

관통 구멍의 개구 면적비(R)가 25%∼85%인 유기물 시트를 상기 슬러리중에 침지하여 유기물 시트의 양면에 상기 슬러리를 부착시킨 후, 건조하여 유기물 시트의 양면에 슬러리를 피착하여 그린시트를 제작하는 공정 2,

그린시트를 소정 형상으로 절단하고, 1장 또는 2장 이상을 적층하여 열압 성형하는 공정 3을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료전지 세퍼레이터재의 제조방법.