JP5623036B2

JP5623036B2 - 燃料電池セパレータ用成形材料

Info

Publication number: JP5623036B2
Application number: JP2009154103A
Authority: JP
Inventors: イム、ナム、イク; イ、クワン、ヨン; キム、ジョン、ホン; イ、ホ、スブ; リュ、スン、フン
Original assignee: 韓国タイヤ株式會社
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2009-06-29
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2029-06-29
Also published as: US20100129695A1; KR101041697B1; CN101740743A; KR20100057411A; JP2010123564A; CN101740743B; EP2192644A2; EP2192644B1; EP2192644A3

Description

本発明は燃料電池セパレータ用成形材料に関し、より詳しくは、膨張黒鉛と非膨張黒鉛を混合した黒鉛複合体にカーボンブラック、炭素繊維、および炭素ナノチューブのうちの少なくとも一つと樹脂を含ませることにより、電気導電性と機械的物性を同時に向上させることができる燃料電池セパレータ用成形材料に関する。

一般的に、燃料電池とは、燃料である水素と酸素の電気化学的反応により、燃焼過程を経ることなく、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換させるエネルギー変換装置である。この燃料電池は、充填が必要な従来の電池とは異なり、水素と酸素を供給することによって連続した電気生産が可能である。燃料電池の核心部品であるスタック（ｓｔａｃｋ）を構成しているものが膜・電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）とセパレータ（ｂｉｐｏｌａｒｐｌａｔｅ／ｓｅｐａｒａｔｏｒ）である。この中、セパレータは、水素および酸素の供給、触媒反応によって発生した電子を移動させる通路の役割、各単位電池間の絶縁を維持するための分離の役割を担う。

このような燃料電池用セパレータは、通常、樹脂に黒鉛およびカーボンブラックのような導電性充填材を配合および充填して、燃料電池用セパレータを製造する。この時、セパレータの導電性を向上させるために導電性充填材の含量を増加（樹脂含量の減少）させるが、過度に増加させる場合には、素材の流動性の低下によって成形性が劣るだけでなく、機械的強度が減少し、燃料電池スタックの締め付け時のセパレータ間の接触抵抗を減らすための締め付け圧力の増加によってセパレータが破損されやすい問題点がある。

このため、導電性向上のために導電性充填材の含量を増加させる場合に生じる問題点を解決するために、導電性充填材の含量を増加させることなくても導電性を向上できる方法が研究されている。その方法のうちの一つとして、従来から用いられていた一般黒鉛を黒鉛結晶のｃ軸方向に膨張させた膨張黒鉛の適用が試みられ、膨張黒鉛と樹脂の混合からなるセパレータが開発されている。

しかし、上記のように製造したセパレータの場合、一般黒鉛から製造したセパレータより導電性は向上するが、機械的強度が顕著に減少して燃料電池スタックの締め付け時にセパレータが容易に破損される問題点がある。

本発明は前記のような従来技術の問題点を克服するために導き出されたものであり、本発明は、特性が異なる数種の黒鉛を適切な比率で混合して用いることにより、燃料電池セパレータの電気導電性と機械的物性を同時に向上させることができる燃料電池セパレータ用成形材料を提供することを目的とする。

また、本発明は、本発明の材料から成形製作した燃料電池セパレータおよび該セパレータを備える燃料電池を提供することを他の目的とする。

上述した目的を達成するための本発明の一態様は、
平均粒子大きさ２０〜２００μｍの膨張黒鉛と非膨張黒鉛を、重量％にして１０：９０〜７０：３０で混合した黒鉛複合体４９．９〜９５重量％と、
カーボンブラック、炭素繊維、および炭素ナノチューブからなる群から少なくとも一つ選択された導電性充填材０．１〜１０重量％、および
熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうちから少なくとも一つ選択された樹脂４〜５０重量％
を含んでなる燃料電池セパレータ用成形材料である。

前記黒鉛複合体の非膨張黒鉛は、平均粒子大きさ２０〜２００μｍの板状黒鉛と粒子大きさ５〜８０μｍの球状黒鉛を、重量％にして２０：８０〜８０：２０で混合したものである。

本発明の他の態様は、本発明の燃料電池セパレータ用成形材料から製作した燃料電池セパレータおよび該燃料電池セパレータを備える燃料電池を提供する。

上記のような本発明の燃料電池セパレータ用成形材料によれば、特性が異なる数種の黒鉛を適切な比率で混合して材料を形成することにより、燃料電池セパレータの機械的強度が向上するだけでなく、表面の電気伝導度が向上する優れた効果がある。

本発明の実施例および比較例で得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を示すグラフである。

以下、本発明についてより詳細に説明する。

本発明の燃料電池セパレータ用成形材料は、黒鉛複合体と、カーボンブラック、炭素繊維、および炭素ナノチューブからなる群から少なくとも一つ選択された導電性充填材、および熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうちから少なくとも一つ選択された樹脂を混合してなる。

ここで、前記材料の混合比率は、前記黒鉛複合体４９．９〜９５重量％；前記カーボンブラック、炭素繊維、および炭素ナノチューブからなる群から少なくとも一つ選択された導電性充填材０．１〜１０重量％；および前記熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうちから少なくとも一つ選択された樹脂４〜５０重量％である。

本発明において、前記黒鉛複合体は膨張黒鉛と非膨張黒鉛を混合してなるものであり、導電性向上のために膨張黒鉛だけを用いる場合には、燃料電池セパレータの機械的強度が低下する問題点があるため、機械的強度の低下を防止するために膨張黒鉛と非膨張黒鉛を混合して用いる。好ましくは、前記膨張黒鉛と非膨張黒鉛を重量％にして１０：９０〜７０：３０で混合して用いることが良い。

前記非膨張黒鉛は、導電性向上のために、粒子大きさの相対的に小さい球状黒鉛と、粒子大きさの相対的に大きい板状黒鉛を配合して形成することが好ましく、前記板状黒鉛と球状黒鉛を重量％にして２０：８０〜８０：２０で配合して形成することが良い。

ここで、前記黒鉛複合体の平均粒子大きさは、前記膨張黒鉛が２０〜２００μｍ、前記板状黒鉛が２０〜２００μｍ、前記球状黒鉛が５〜８０μｍの大きさを有することが好ましい。

ここで、粒子大きさの小さい球状黒鉛を採択した理由は粒子が小さくなることによる流動性低下を防止するためである。

前記導電性充填材としてのカーボンブラックは前記非膨張黒鉛を混合することに伴い膨張黒鉛に比べて導電性が低下するのを補うために混合されるものであり、導電性の向上および機械的強度を向上させるために用いるが、場合によっては、前記カーボンブラックの代わりに炭素繊維または炭素ナノチューブを用いることができる。本発明によれば、導電性充填材は０．１〜１０重量％の量で含ませることが好ましい。０．１重量％未満含ませる場合には導電性向上の効果が現れにくい問題点があり、逆に１０重量％を超過して含ませる場合には流動性の急激な低下による成形不良および強度低下のような問題が発生する。

前記樹脂としては熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、またはこれらの混合樹脂を用いることができ、前記熱可塑性樹脂はポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅＦｌｕｏｒｉｄｅ）、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）、液晶性ポリマー（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＰｏｌｙｍｅｒ）、ポリエーテルエーテルケトン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、およびポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）からなる群から選択された１種または２種以上を含むことができる。

前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちから選択された１種またはこれらの混合樹脂を含むことができる。

本発明によれば、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のうちから少なくとも一つ選択された樹脂は４〜５０重量％の量で含ませることが好ましい。４重量％未満含ませる場合には流動性の急激な低下による成形不良および強度低下のような問題点があり、逆に５０重量％を超過して含ませる場合には導電性が非常に劣る問題が発生する。

本発明の他の態様は本発明の材料から製作した燃料電池セパレータに関するものである。本発明の燃料電池セパレータは成形材料を射出成形または圧縮成形して製造される。前記燃料電池セパレータの一側には空気流路が形成され、他側には燃料流路が形成され、中央には冷却流路が形成されて一つの電極を形成することにより、各流路を通してガスが流れ、電極のガス拡散層に移動し、触媒層において電気化学反応が起こる。

本発明のまた他の態様は、本発明の材料から製造した燃料電池セパレータを備えた燃料電池に関するものである。本発明の燃料電池の構造は特に制限されるものではない。一例として、本発明の燃料電池は、水素の酸化反応によって水素イオンと電子が生成される酸化電極と、空気の還元反応によって水が生成される還元電極と、酸化電極から発生した水素イオンを還元電極に伝達する電解質とから構成される。酸化電極と還元電極との間に電解質層を介在させた形態を膜・電極接合体（ＭＥＡ）といい、この膜・電極接合体がセパレータとセパレータとの間に位置して単位電池を構成する。燃料電池において、電気化学反応によって発生した電流は電気導体であるセパレータを通して流れ、最後にそのセパレータから電気を取り出して使うようになる。また、電気化学反応によって生成された水はセパレータの流路を通して外部に排出される。

以下では具体的な実施例と比較例を挙げて本発明についてより具体的に説明する。但し、下記実施例は本発明を説明するためのものであって、本発明が下記実施例によって限定されるものではない。

実施例
平均粒子サイズ７０μｍの板状黒鉛と平均粒子サイズ２０μｍの球状黒鉛を３：１重量比で混合した黒鉛と平均粒子サイズ１７０μｍの膨張黒鉛とを３：１重量比で混合して乾式ミキサーで混合した。上記のように混合された黒鉛とカーボンブラックおよび熱可塑性樹脂であるポリプロピレン樹脂を各々７５重量％、２重量％、２３重量％で押出機によって混合してペレット状に製造した。このように製造されたペレット状のセパレータ素材を射出機によって射出成形してセパレータを製造した。得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を測定して下記表１および図１に示す。

比較例１
球状黒鉛を添加することなく、板状黒鉛と膨張黒鉛とを３：１重量比で混合した黒鉛７５重量％に、カーボンブラック２重量％、熱可塑性樹脂であるポリプロピレン２３重量％を混合したことを除いては、実施例と同様に実施してセパレータを製造した。得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を測定して下記表１および図１に示す。

比較例２
球状黒鉛とカーボンブラックを添加することなく、板状黒鉛と膨張黒鉛だけを３：１で混合した黒鉛７７重量％に、熱可塑性樹脂であるポリプロピレン２３重量％混合したことを除いては、実施例と同様に実施してセパレータを製造した。得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を測定して下記表１および図１に示す。

比較例３
板状黒鉛、球状黒鉛、カーボンブラックを添加して混合するのではなく、膨張黒鉛だけを用い、該膨張黒鉛と熱可塑性樹脂であるポリプロピレンを各々７７重量％、２３重量％で混合したことを除いては、実施例と同様に実施してセパレータを製造した。得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を測定して下記表１および図１に示す。

比較例４
膨張黒鉛、球状黒鉛、カーボンブラックを添加して混合するのではなく、一般板状黒鉛だけを用い、該一般板状黒鉛と熱可塑性樹脂であるポリプロピレンを各々７７重量％、２３重量％で混合したことを除いては、実施例と同様に実施してセパレータを製造した。得られたセパレータの曲げ強度および電気伝導度を測定して下記表１および図１に示す。

［物性評価方法］
＊曲げ強度
ＡＳＴＭＤ７９０−０３試験条件に準じ、厚さ１．６ｍｍ以下の場合に該当する５０．８ｍｍ＊１２．７ｍｍの試験片を使用してｓｐａｎ２５．４ｍｍで測定した。
＊電気伝導度
ｆｏｕｒ−ｐｏｉｎｔｐｒｏｂｅ面抵抗測定によるものであり、測定装置規定に準じ、５０ｍｍ＊５０ｍｍ試験片を使用した。試験片の厚さはシート抵抗（ｓｈｅｅｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）および電気伝導度の換算時に換算式に変数として入力され、また、厚さに応じて補正係数も異なるように換算される。

表１および図１の結果から確認することができるように、膨張黒鉛だけを適用して製造した比較例３の場合、膨張させていない板状黒鉛だけを適用した比較例４より電気伝導度は優れているが、曲げ強度は急激に低下した。このような曲げ強度の低下を防止するために板状黒鉛と膨張黒鉛を混合した比較例２においては、曲げ強度はある程度向上させたものの、電気伝導度は再び低下した。そこで、板状黒鉛と膨張黒鉛の混合にカーボンブラックをさらに混合した比較例１においては、低下した電気伝導度を再び回復させることができた。

実施例においては、粒子が板状黒鉛に比べて相対的に小さい黒鉛を配合することによって電気伝導度が向上されており、カーボンブラックの添加によって低下した流動性を回復させるために粒子形態は球状の黒鉛を選択した。この結果、実施例により、機械的強度の向上と共に電気伝導度を大幅に向上させることができた。

以上、本発明の好ましい実施例を参考に本発明についてより詳細に説明したが、これは単に例示的なことに過ぎず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、これより多様な変形および均等な他の実施例が可能であるという点を理解できることである。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、添付した特許請求の範囲の技術的思想により決められるべきである。

Claims

膨張黒鉛および非膨張黒鉛を重量％にして１０：９０〜７０：３０で混合した黒鉛複合体４９．９〜９５重量％、
カーボンブラック、炭素繊維、および炭素ナノチューブからなる群から少なくとも一つ選択された導電性充填材０．１〜１０重量％、および
熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のうちから少なくとも一つ選択された樹脂４〜５０重量％を含み、
前記非膨張黒鉛は、粒子大きさが相対的に大きい板状黒鉛と粒子大きさが相対的に小さい球状黒鉛を重量％にして２０：８０〜８０：２０で混合してなることを特徴とする燃料電池セパレータ用成形材料。
前記黒鉛複合体は、平均粒子大きさ２０〜２００μｍの膨張黒鉛、平均粒子大きさ２０〜２００μｍの板状黒鉛、および平均粒子大きさ５〜８０μｍの球状黒鉛を含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セパレータ用成形材料。
前記熱可塑性樹脂はポリプロピレン（Ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）、ポリエチレン（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅＦｌｕｏｒｉｄｅ）、ポリメチルメタクリレート（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ポリカーボネート（Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ポリフェニレンサルファイド（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｓｕｌｆｉｄｅ）、液晶性ポリマー（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｌｉｎｅＰｏｌｙｍｅｒ）、ポリエーテルエーテルケトン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ）、ポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）、およびポリエーテルスルホン（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｓｕｌｆｏｎｅ）からなる群から選択された１種または２種以上であり、前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちから選択された１種または２種以上の混合樹脂であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池セパレータ用成形材料。
請求項１〜３のうちのいずれか１項の燃料電池セパレータ用成形材料を成形して製作した燃料電池セパレータ。
請求項４の燃料電池セパレータを備えた燃料電池。