KR100417050B1 - 고분자전해질형 연료전지 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수소이온전도성 고분자전해질막과, 그 막을 끼우는 양극 및 음극과, 양극에 연료가스를 공급하는 유로를 갖는 도전성 세퍼레이터와, 음극에 산화제가스를 공급하는 유로를 갖는 도전성 세퍼레이터를 구비하는 고분자전해질형 연료전지에 관한 것이다.

종래의 도전성 세퍼레이터는 카본재료로 구성되어 있었지만, 재료비용 등의 비용의 낮춤이 곤란했기 때문에, 카본재료를 대신하여 금속판을 사용하는 것이 시도되고 있다. 그러나, 금속판이 고온의 산화성 분위기에 바래지게 되기 때문에, 장시간 사용하면, 금속판의 부식 등이 발생하여, 발전효율이 점차 저하한다고 하는 문제가 있었다.

본 발명의 고분자전해질형 연료전지에서는, 도전성 세퍼레이터로서, 내산성을 갖는 도전성 기밀탄성체를 사용하였다. 이에 따라, 대폭적인 비용저감을 꾀하였다.

Description

고분자전해질형 연료전지{POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELL}

고분자전해질을 사용한 연료전지는 수소를 함유하는 연료가스와, 공기 등 산소를 함유하는 연료가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시킨다. 이 연료전지는 기본적으로는, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자전해질막의 양면에 형성된 한 쌍의 전극, 즉 양극과 음극으로 구성되다. 상기의 전극은 백금족 금속촉매를 담지한 카본분말을 주성분으로 하는 촉매층과, 이 촉매층의 바깥쪽면에 형성되는 통풍성과 전자도전성을 더불어 갖는 확산층으로 이루어진다.

또한, 전극에 공급되는 연료가스 및 산화제가스가 밖으로 누전되거나, 두 종류의 가스가 서로 혼합하지 않도록, 전극의 주위에는 고분자전해질막을 사이에 두고 가스시일재나 가스켓이 배치된다. 이들의 시일재나 가스켓은 전극 및 고분자전해질막과 일체화하여 미리 조립된다. 이것을, MEA(전해질막-전극접합체)라고 부른다. MEA의 바깥측에는, 이것을 기계적으로 고정함과 동시에, 인접한 MEA를 서로 전기적으로 직렬로 접속하기 위한 도전성의 세퍼레이터판이 배치된다. 세퍼레이터판의 MEA와 접촉하는 부분에는, 전극면에 반응가스를 공급하여, 생성가스나 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로가 형성된다. 가스유로는 세퍼레이터판과 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터판의 표면에 홈을 마련하여 가스유로로 하는 방식이 일반적이다.

이들의 홈에 연료가스 및 산화제가스를 공급하기 위해서는, 연료가스 및 산화제가스를 각각 공급하는 배관을, 사용하는 세퍼레이터판의 매수에 분기하여, 그 분기 끝을 직접 세퍼레이터판의 홈에 연결해 넣은 배관치구가 필요하게 된다. 이 치구를 매니홀드라고 부르고, 상기와 같은 연료가스 및 산화제가스의 공급배관으로부터 직접 연결해 넣은 형태를 외부 매니홀드라고 부른다. 이 매니홀드에는, 구조를 보다 간단히 한 내부 매니홀드라고 부르는 형식의 것이 있다. 내부 매니홀드란, 가스유로를 형성한 세퍼레이터판에, 관통한 구멍을 마련하여, 가스유로의 출입구를 이 구멍까지 통과시켜, 이 구멍으로부터 직접 연료가스 및 산화제가스를 공급하는 것이다.

연료전지는 운전중에 발열하기 때문에, 전지를 양호한 온도상태로 유지하기 위해서, 냉각수 등으로 냉각해야 한다. 통상, 1∼3셀 마다 냉각수를 흐르게 하는 냉각부가 설치된다. 냉각부를 세퍼레이터판과 세퍼레이터판과의 사이에 삽입하는 형식과, 세퍼레이터판의 배면에 냉각수유로를 설치하여 냉각부로 하는 형식이 있어, 후자가 많이 이용된다. 이들의 MEA와 세퍼레이터 및 냉각부를 교대로 포개어 가서, 10∼200셀 적층하여, 그 적층체를 집전판과 절연판을 통해 끝판에서 끼워, 체결 볼트로 양끝으로부터 고정하는 것이 일반적인 적층전지의 구조이다.

이러한 고분자전해질형 연료전지에서는, 세퍼레이터판은 도전성이 높고 또한 연료가스 및 산화제가스에 대하여 기밀성이 높고, 또 수소/산소를 산화환원할 때의 반응에 대하여 높은 내식성을 가질 필요가 있다. 이러한 이유로부터, 종래의 세퍼레이터판은 통상 구랏시카본이나 팽창흑연 등의 카본재료로 구성되고, 가스유로도 그 표면의 절삭이나, 팽창흑연의 경우는 형태에 의한 성형에 의해 제작되어 있었다.

종래의 카본판의 절삭에 의한 방법으로는, 카본판의 재료비용과 함께, 이것을 절삭하기 위한 비용을 내리는 것이 곤란하였다. 또한, 팽창흑연을 사용하는 방법도 재료비용이 비싸, 이것이 실용화를 위한 장해라고 생각되고 있다.

최근, 종래부터 사용된 카본재료 대신에, 스테인리스강 등의 금속판을 사용하는 시도가 행해지고 있다.

그러나, 상술의 금속판을 사용하는 방법으로는, 금속판이 고온에서 pH2∼3 정도의 산화성의 분위기에 바래지기 때문에, 장기간 사용하면, 금속판의 부식이나 용해가 일어난다. 금속판이 부식하면, 부식부분의 전기저항이 증대하여, 전지의 출력이 저하한다. 또한, 금속판이 용해하면, 용해한 금속이온이 고분자전해질에 확산하여, 이것이 고분자전해질의 이온교환 사이트에 트랩되어, 결과적으로 고분자전해질 자신의 이온전도성이 저하한다. 이들의 원인에 의해, 금속판을 그대로 세퍼레이터판에 사용하여, 전지를 장기간 운전하면, 발전효율이 점차로 저하한다고 하는 문제가 있었다.

이러한 열화를 피하기 위해서, 금속판의 표면에 어느 정도의 두께를 갖는 금도금을 입히는 것이 통례이었다. 또한, 에폭시수지 등에 금속가루를 섞음으로써 제작한 도전성수지로 제작한 세퍼레이터가 검토되고 있다(일본국 특개평 6-333580호 공보).

이상과 같이, 세퍼레이터를 구랏시카본판을 절삭하여 만드는 방법에서는 구랏시카본판의 재료비용 그 자체가 높은 데다가, 이것을 절삭하기 위한 비용을 내리는 것도 곤란하다. 팽창흑연을 프레스가공한 것은 재료의 역학적 강도의 문제가 있고, 특히 전기자동차의 동력원으로서 사용하면, 주행중의 진동이나 충격에 의해서, 균열이 들어갈 수가 있다. 금도금을 입힌 금속판제 세퍼레이터는 금도금의 비용에 문제가 있다. 도전성수지로 제작한 세퍼레이터는 구랏시카본이나 금속판에 비교하여 도전성이 낮고, 또 수지의 표면이 딱딱하기 때문에, 전극과의 접점부분의 전기저항을 내리기 위해서는, 강한 압력으로 죄일 필요가 있어, 그만큼 전지구조가 복잡하게 된다.

[발명의 개시]

본 발명은 이상의 과제를 해결하기 위해서, 신규한 도전성 세퍼레이터를 구비한 고분자전해질형 연료전지를 제공한다.

본 발명의 고분자전해질형 연료전지는 수소이온전도성 고분자전해질막과, 상기 수소이온전도성 고분자전해질막을 끼우는 양극 및 음극과, 상기양극에 연료가스를 공급하는 가스유로를 갖는 양극측 도전성 세퍼레이터 및 상기 음극에 산화제가스를 공급가스유로를 갖는 음극측 도전성 세퍼레이터를 구비하고, 상기 양극측 및 음극측 도전성 세퍼레이터가 내산성을 갖는 도전성 기밀탄성체로 이루어진다.

상기 도전성 기밀탄성체는 식(1)에서 나타나는 폴리이소부틸렌 또는 식(2)에서 나타나는 에틸렌프로필렌랜덤 공중합체를 주 사슬골격으로 한, 모제로서의 고분자탄성체와, 상기 모제에 혼합된 적어도 무기도전제로 이루어지는 것이 바람직하다.

단지, X 및 Y는 중합성 관능기, m은 이소부틸렌올리고머의 반복수를 나타내는 1이상의 정수이다.

단지, X 및 Y는 중합성 관능기, l, m 및 n은 1 이상의 정수이다.

본 발명은 포터블전원, 전기자동차용 전원, 가정내 코제네시스템 등에 사용되는 고분자전해질을 사용한 연료전지에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 있어서의 연료전지의 MEA의 구성을 도시하는 주요부의 종단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 연료전지에 사용한 세퍼레이터의 음극측에서 본 정면도이다.

도 3은 동 세퍼레이터의 배면도이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 연료전지에 사용한 다른 세퍼레이터의 정면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예의 연료전지에 사용한 MEA 시트의 정면도이다.

도 6은 본 발명의 실시예의 연료전지의 출력특성의 시간변화를 도시하는 도면이다.

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

본 발명의 고분자전해질형 연료전지는 그 도전성 세퍼레이터가 내산성의 도전성 기밀탄성체로 이루어진다. 도전성 기밀탄성체는 바람직하게는, 상기 식(1) 또는 (2)에서 나타나는, 모제로서의 고분자탄성체와, 이 모제에 혼합된 적어도 카본분말이나 카본섬유 등의 도전제로 이루어진다. 이 도전성 기밀탄성체는 확실히 구랏시카본이나 금속판에 비교하면, 전기전도성은 낮다. 그러나, 탄력성을 가지기 때문에, 이 도전성 기밀탄성체로 이루어지는 세퍼레이터와 MEA를 적당한 가압하에서 접촉시키면, MEA의 바깥측에 위치하는 다공성전극을 구성하는 예를 들면 카본 페이퍼의 표면에, 도전성탄성체가 침투하여, 세퍼레이터와 MEA와의 접촉저항을 낮출 수 있다.

도전성 기밀탄성체로 이루어지는 세퍼레이터는 카본판과 같이 가압상태에서 진동하였을 때, 균열이 발생할 우려는 없다. 또한, 그 모제와 도전제를 선택함으로써, 금속판제 세퍼레이터와 같이, 산성분위기하에서 부식하는 일도 없다.

본 발명자들은, 이상과 같은 요건을 만족하는 모제를 탐색한 결과, 상기의 식(1)에서 나타나는 폴리이소부틸렌 또는 식(2)에서 나타나는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체를 주 사슬골격으로 하는 고분자탄성체가 가스기밀성, 내산성 및 내열성에뛰어나고, 세퍼레이터용 재료의 모제로서 특히 적당한 것을 발견하였다.

식(1) 또는 (2)를 주 사슬골격으로 하는 고분자탄성체는 그 중합도를 선택함으로써, 고분자전해질형 연료전지의 세퍼레이터에 최적의 탄성을 실현할 수가 있다. 또한, 중합전의 액체상태일 때, 아세틸렌블랙분말이나 그라파이트섬유 등의 도전제를 혼합하여, 이 액체형상물을 적당한 형태에 유연하여, 전자선을 조사하여 경화시켜, 시트를 얻는다. 또는, 상기의 액체형상물을 사출성형하여 시트를 만든다. 이와 같이 하여 연료 또는 산화제의 가스공급용의 홈을 갖는 시트를 연속하여 형성할 수가 있다. 이 점에서도, 종래의 카본이나 금속판에 비교하여, 세퍼레이터 제작시의 가공을 대폭으로 간략화 할 수가 있다.

상기의 식(1)에서 나타나는 폴리머는 반복수 m의 이소부틸렌올리고머에 말단관능기 X와 Y를 부가한 것을 1단위로 하여, 말단관능기부분으로 가교한 것이다. X, Y로서는 아릴기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 이소시아네이트기, 에폭시기 등을 사용할 수가 있다. 이들의 관능기는 다관능기이기 때문에, 이들을 가교점으로 하면, 중합후의 폴리머는 매트릭스형상으로 가교한 그물코형상구조가 된다. 그와 같은 구조의 폴리머의 물성은 식(1)에서 나타나는 고분자재료중의, 이소부틸렌올리고머의 반복수 m과, 전체의 중합도와, 말단관능기의 종류에 크게 영향을 받는다. 본 발명자들의 검토결과, 이 재료를 고분자전해질형 연료전지의 시일재에 사용할 때는, 이소부틸렌올리고머의 반복수 m은 56 ≤m ≤72이고, 평균 64인 것이 바람직하다.

식(1)에서 표시되는 이소부틸렌올리고머의 말단관능기 X, Y가 아릴기, 아크릴로일기, 또는 메타크릴로일기일 때는, 전자선조사에 의해 경화한다. 또한, 말단관능기가 이소시아네이트기일 때는, 수분에 의해 우레탄결합을 하여, 에폭시기일 때는, 에틸디아민 등의 공지의 아민계 경화제를 사용하여, 가열에 의해 경화시킨다.

식(2)에서 표시되는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체의 말단관능기 X 및 Y로서는, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 이소시아네이트기, 에폭시기 등을 사용할 수가 있다. 이들의 다관능기를 가교점으로 하면, 매트릭스형상으로 가교한 그물코형상구조의 폴리머가 된다. 그 폴리머의 물성은 식(2)의 l, m 및 n과, 전체의 중합도 l + m + n과, 말단관능기의 종류에 크게 영향을 받는다. 본 발명자들의 검토 결과, 이 재료를 고분자전해질형 연료전지의 시일재에 사용할 때는, l 및 m은 2,000∼15,000, n은 100∼500정도인 것이 바람직하고, 중합도 l + m + n은 5,000∼ 20,000인 것이 바람직하다. 말단관능기의 종류에 따라서, 식(l)에서 나타나는 이소부틸렌올리고머의 경우와 같이, 전자선조사, 수분에 의한 우레탄결합, 또는 아민계 경화제를 사용하여 가열에 의한 경화반응에 의해 가교시킬 수 있다.

이상으로 나타낸 식(1)에서 표시되는 폴리이소부틸렌 또는 식(2)에서 표시되는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체를 주 사슬골격으로 하는 모제로서의 고분자탄성체에 혼합되는 무기도전제로서는 도전성카본의 분말 및 섬유, 은분말이 알맞게 사용된다. 상기 모제와 무기도전제와의 혼합비율은 전자의 90∼30 wt%과, 후자의 l0∼ 70 wt%의 범위가 적당하다. 무기도전제가 lOwt% 미만이면 전기저항이 높고, 또한 무기도전제가 70 wt%를 넘으면 경화하지 않게 된다.

이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하면서 설명한다.

도 1은 MEA의 구성을 나타내는 종단면도이다. 11은 카본페이퍼로 이루어지는 확산층, 12는 그 한쪽면에 형성한 촉매층이고, 양자를 함께 전극(13)이라고 부른다. 이 한 쌍의 전극에 의해 고분자전해질막(14)을 사이에 두고 MEA(15)가 구성된다.

도 2는 도전성 세퍼레이터를 음극측에서 본 정면도이고, 도 3은 그 배면도로, 양극측에서 본 정면도이다. 이 도전성 세퍼레이터(20)는 음극측 도전성 세퍼레이터와 양극측 도전성 세퍼레이터를 겸하고 있다. 세퍼레이터(20)는 한쪽의 끝부에, 산화제가스의 공급측 관통구멍(23a), 연료가스의 공급측 관통구멍(24a) 및 냉각수의 공급측 관통구멍(25a)를 갖고, 다른쪽의 끝부에, 산화제가스의 배출측 관통구멍(23b), 연료가스의 배출측 관통구멍(24b) 및 냉각수의 배출측 관통구멍(25b)를 갖는다. 세퍼레이터(20)의 음극과 대향하는 면에는, 관통구멍(23a)에서 (23b)에 연속해 있는 홈(26)이 형성되고, 이 홈내에는 중앙을 칸막이하는 리브(27)와 복수의 평행하는 가스유로(29)를 형성하기 위한 리브군(28)이 설치되어 있다.

한편, 세퍼레이터(20)의 양극과 대향하는 면에는, 관통구멍(24a)에서 (24b)에 연속해 있는 홈(30)이 형성되고, 이 홈내에는 중앙을 칸막이하는 리브(31)와 복수의 평행하는 가스유로(33)를 형성하기 위한 리브군(32)이 설치되어 있다.

여기에 도시한 도전성 세퍼레이터(20)는 단전지 사이에 삽입되는 것이고, 단전지를 여러개 적층한 적층전지의 끝부에 위치하는 음극측의 세퍼레이터는 한쪽면에는 도 2와 같은 가스유로를 갖지만, 다른쪽면은 평면이다. 또한, 적층전지의 끝부에 위치하는 양극측의 세퍼레이터는 도 3과 같은 가스유로를 갖는 다른쪽면은 평면이다.

도 4는 도전성 세퍼레이터의 냉각수의 유로를 갖는 면측의 정면도이다. 이 도전성 세퍼레이터(41)는 세퍼레이터(20)와 같이, 한쪽의 끝부에, 산화제가스의 공급측 관통구멍(43a), 연료가스의 공급측 관통구멍(44a) 및 냉각수의 공급측 관통구멍(45a)을 갖고, 다른쪽의 끝부에, 산화제가스의 배출측 관통구멍(43b), 연료가스의 배출측 관통구멍(44b) 및 냉각수의 배출측관통구멍(45b)을 갖는다. 세퍼레이터 (41)의 한쪽의 표면에는, 관통구멍(44a)에서 (44b)에 연속해 있는 냉각수의 유로를 형성하는 홈(46)이 형성되고, 이 홈내에는 복수의 원형의 리브(47)가 설치되어 있다.

이 도전성 세퍼레이터(41)은 그 한 쌍을, 냉각수의 유로(46)를 갖는 면을 대향시켜 접합하여, 양자사이에 냉각수를 흐르게 하는 냉각부를 구성한다. 그리고, 한쪽의 세퍼레이터의 이면에는 산화제가스의 유로를 형성하고, 다른쪽의 세퍼레이터의 이면에는 연료가스의 유로를 형성한다.

도 5는 MEA의 정면도이다. MEA(50)는 고분자전해질막(51)과 이것을 끼우는 전극(52)으로 이루어지고, 고분자전해질막(51)에는 한쪽의 끝부에, 산화제가스의 공급측 관통구멍(53a), 연료가스의 공급측 관통구멍(54a) 및 냉각수의 공급측 관통구멍(55a)을 갖고, 다른쪽의 끝부에, 산화제가스의 배출측 관통구멍(53b), 연료가스의 배출측 관통구멍(54b) 및 냉각수의 배출측관통구멍(55b)을 갖는다.

이하에 나타내는 실시예에 있어서는, 도 5에 나타내는 MEA(50)를 세퍼레이터(20)를 통해 적층하여, 2셀 마다 상기의 냉각부를 형성하는 한 쌍의 세퍼레이터 (41)를 삽입하여 50셀을 적층하였다. 그리고, 전극(52)의 주위를 둘러싸도록, 전해질막(51)과 도전성 세퍼레이터와의 사이에는, 산화제가스, 연료가스 및 냉각수를 위한 각 한 쌍의 관통구멍을 마련한 가스켓을 개재시켰다.

실시예1

우선, 전극의 제작방법을 설명한다.

아세틸렌블랙분말에 평균 입자지름 약 30A의 백금입자를 담지시켰다. 아세틸렌블랙과 백금과의 중량비는 3:1로 하였다. 이 촉매분말을 이소프로판올에 분산시켰다. 이 분산액에, 식(3)에서 나타나는 퍼플오로카본술폰산분말의 에틸알코올분산액을 혼합하여, 촉매페스트를 조제하였다.

식중, 5 ≤x ≤13.5, y ≒ 1000, m = 1, n= 2이다.

한편, 전극의 지지체가 되는 카본페이퍼를 발수처리하였다. 바깥치수 8 cm ×10 cm, 두께 360㎛의 카본부직포(도오레제, TGP-H-120)를, 불소수지의 수성 디스파존(다이킨공업제, 네오프론 ND1)에 함침한 후, 건조하여, 400℃에서 30분 가열함으로써, 발수성을 부여하였다. 이 카본부직포의 한쪽면에, 상기의 촉매페스트를 스크린인쇄법에 의해 도포하고, 건조하여 촉매층을 형성하였다. 촉매층의 일부는 카본부직포의 속에 메워 넣어져 있었다. 이와 같이 하여 촉매층과 카본부직포로 이루어지는 전극을 제작하였다. 전극중에 포함되는 백금량은 0.5 mg/㎠, 퍼플오로카본술폰산의 양은 1.2 mg/㎠가 되도록 조정하였다.

다음에, 바깥치수가 10cm ×20cm의 프로톤전도성 고분자전해질막의 표리양면에, 한 쌍의 전극을 촉매층이 전해질막에 접하도록 핫프레이스에 의해 접합하여 MEA를 제작하였다. 프로톤전도성 고분자전해질막은 상기 식(3)에 있어서, 5 ≤X ≤13.5, y ≒ 1000, m = 2, n = 2인 퍼플오로카본술폰산을 50㎛의 두께로 박막화한 것을 사용하였다.

다음에, 도전성 세퍼레이터의 제작법에 대해서 설명한다.

식(1)에서 나타나는 이소부틸렌올리고머의 반복수 m을 56∼72의 범위에서 평균 64로 하여, 관능기 X 및 Y를 함께 아릴기로 한 액체형상 원재료 100g, 아세틸렌블랙 50g에, 섬유형상 그라파이트(평균 입자지름 50㎛, 평균 길이 0.5 mm) 50g, 및 점도조정용 메틸에틸케톤 200g을 첨가하여, 충분히 혼합하여 세퍼레이터용 원액을 조제하였다. 이 원액을 스테인리스강제의 금형에 흘려 넣고, 50℃에서 0.2기압의 감압분위기중에서 1시간 보존함으로써, 메틸에틸케톤을 휘발시켰다. 다음에, 이것에 가속전압 500 keV, 조사선량 50 Mrad의 전자선조사를 함으로써 이소부틸렌올리고머의 말단의 아릴기를 중합하여, 도전성시트를 제작하였다. 중합도는 약 10,000이었다.

이소부틸렌올리고머의 반복수 m을 56보다도 작게 하면, 중합후의 시트는 긴장하게 되어, 전지조립 시의 죄는 압력을 크게 하지 않으면, MEA와의 접촉저항을 낮출 수가 없었다. 또한, m을 72보다 크게 하면, 지나치게 부드러워, 전지조립시의 죄는 압력으로, 세퍼레이터표면에 형성한 가스유로의 홈이 찌그러져 버렸다. 전자선의 조사량을 제어하여, 중합도가 주는 영향을 검토한 결과, 중합도가 5,000보다 작으면, 시트가 지나치게 부드럽고, 상기와 같이 가스유로도 홈이 찌그러져 버렸다.

이상과 같이 하여 제작한 도전성시트에, 절삭 및 프레스 꿰뚫음 블랭킹 가공을 입혀, 도 2 및 도 3에 도시한 구조의 도전성 세퍼레이터(20), 및 도 4에 도시한 냉각수의 유로를 갖는 세퍼레이터(41)를 제작하였다. 세퍼레이터(2O)의 크기는 10 cm ×20 cm, 두께는 4 mm이고, 홈(26 및 30)의 깊이는 1.5 mm, 리브(28 및 32)의 폭은 1 mm, 이들 리브 사이의 가스유로(29 및 33)의 폭은 폭 2 mm이다.

세퍼레이터(41)는 세퍼레이터(20)와 같은 크기이고, 냉각수의 유로가 되는 홈(46)의 깊이는 1.5 mm이다.

다음에, 상기에서 제작한 MEA의 프로톤전도성 고분자전해질막에, 도 5와 같이, 산화제가스, 연료가스 및 냉각수 유통용의 관통구멍을 형성하였다. 이 MEA 50개에 상기의 도전성 세퍼레이터(20 및 41)을 조합하여 전지스택을 조립하였다. 전지스택의 양끝부에는, 스테인리스강제의 집전판, 전기절연재료의 절연판, 및 끝판을 서로 포개어, 이들을 체결로드로 고정하였다. 이 때의 체결압력은 세퍼레이터의 면적 당 4 kgf/㎠으로 하였다. 체결은 종래의 카본판으로 이루어지는 세퍼레이터를 사용한 연료전지에서는, 20 kgf/㎠ 정도의 높은 체결압력이 필요한 것과 비교하면, 본 실시예의 것은 작은 체결압력으로 전지특성을 얻을 수 있다. 체결압력이 이것보다 작으면, 가스가 누전 되거나, 구성요소사이의 접촉저항이 커지기도 하거나 하여 전지성능이 저하하였다. 또한, 체결압력이 너무 강해지면, 도전성 세퍼레이터의 리브가 찌그러지고, 가스나 냉각수의 유통이 손상되기 때문에, 역시 전지성능은 저하하였다. 즉, 도전성 세퍼레이터의 탄력성에 의해, 체결압력을 조정하는 것이 중요하였다.

이와 같이 제작한 본 실시예의 고분자전해질형 연료전지를, 85℃로 유지하여, 양극에 83℃의 이슬점이 되도록 가습ㆍ가온한 수소가스를, 음극에 78℃의 이슬점이 되도록 가습ㆍ가온한 공기를 각각 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 50 V의 전지개방전압을 얻었다.

이 전지를 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5 A/㎠의 조건으로 연속발전시험을 하였다. 이 때의 출력특성의 시간변화를 도 6에 도시하였다. 본 실시예의 전지는 8,000시간 이상에 걸쳐서 1,000W(22V-45A)의 전지출력을 유지하는 것이 확인되었다.

본 실시예의 전지는 MEA를 탄력성의 세퍼레이터로 끼워 넣은 구성이기 때문에, 특히 진동이나 충격에 강한 것으로 되었다. 종래의 카본제의 세퍼레이터로 구성한 전지를 2 m의 높이로부터 낙하시키면, 평균으로 약 10회 정도로, 세퍼레이터에 균열이 들어갔다. 본 실시예의 전지는 약 100회의 낙하시험 후에도, 체결부분의 롯드가 느슨해지는 이외, 회복불능의 파손은 없었다.

실시예2

본 실시예에서는, 도전성 기밀탄성체로서, 식(2)으로 나타나는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체를 주 사슬골격으로 하는 고분자탄성체를 모제로 하여, 이것에 무기도전성을 혼합한 것을 사용하였다.

식(2)로 나타나는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체의 말단기 X와 Y를 각각 아크릴로일기로 하여, 공중합비를 l : m : n = 1 : 1 : 1, l + m + n을 약 60으로 한 액체형상의 올리고머를 100g에, 아세틸렌블랙을 50g, 섬유형상 그라파이트(평균 입자지름 50㎛, 평균 길이 0.5 mm)를 50g, 및 점도조정용으로서 메틸에틸케톤을 200g 첨가하여, 충분히 혼합함으로써 세퍼레이터용 원액을 제작하였다. 이 원액을 스테인리스강제의 금형에 흘려 넣고, 이것을 50℃에서 0.1기압의 감압중에 2시간 보존함으로써, 메틸에틸케톤을 휘발시켰다. 다음에, 이것에 가속전압 500 keV, 조사선량 80 Mrad의 전자선조사를 하여, 올리고머의 말단의 아크릴로일기를 중합함으로써, 도전성시트를 제작하였다. 이 때의 중합도 즉 l + m + n은 약 7, 000이었다.

상기 올리고머의 중합도를 20,000보다도 크게 하면, 시트는 지나치게 긴장하여, 전지조립 시의 죄는 압력을 크게 하지 않으면, MEA와의 접촉저항을 낮출 수가 없었다. 또한, 중합도를 4,000보다 작게 하면, 지나치게 부드럽고, 전지조립시의 죄는 압력으로, 세퍼레이터표면에 형성된 가스유통홈이 찌그러져 버렸다. 전자선의 조사량을 제어하여, 중합도가 주는 영향을 검토한 결과, 중합도가 5,000보다 작으면, 시트가 지나치게 부드러워, 상기와 같이 가스유통홈이 찌그러져 버렸다.

이 도전성시트로 이루어지는 세퍼레이터를 사용하여, 실시예 1과 같은 전지를 구성하여, 실시예 1과 동일조건으로 특성을 평가하였다. 그 결과, 본 실시예의 전지도 실시예 1의 전지와 같이 뛰어난 특성을 갖는 것이 확인되었다. 대 진동성과 대 충격성도 실시예 1의 전지와 같이, 뛰어난 것이었다.

본 발명에 의하면, 세퍼레이터로서, 종래의 카본판의 절삭공법에 대신하여, 내산성을 갖는 도전성 기밀탄성체로 만듦으로써, 대폭적인 비용저감을 꾀할 수가 있다. 또한, 지극히 뛰어난 대진동성과 대충격성을 갖는 것으로부터, 특히 전기자동차의 동력원으로서 적당하다.

Claims (4)

1. 수소이온전도성 고분자전해질막과, 상기 수소이온전도성 고분자전해질막을 끼우는 양극 및 음극과, 상기 양극에 연료가스를 공급하는 가스유로를 갖는 양극측 도전성 세퍼레이터 및 상기 음극에 산화제가스를 공급가스유로를 갖는 음극측 도전성 세퍼레이터를 구비하여, 상기 양극측 및 음극측 도전성 세퍼레이터가 내산성을 갖는 도전성 기밀탄성체로 이루어지고, 상기 도전성 기밀탄성체가 식(1)에서 표시되는 폴리이소부틸렌 또는 식(2)에서 나타나는 에틸렌프로필렌 랜덤공중합체를 주 사슬골격으로 하는 모제로서의 고분자 탄성체와, 상기 모제에 혼합된 적어도 무기도전제로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고분자전해질형 연료전지.

   단지, X 및 Y는 중합성 관능기, m은 이소부틸렌올리고머의 반복수를 나타내는 1이상의 정수이다.

   단지, X 및 Y는 중합성 관능기, l, m 및 n은 1이상의 정수이다.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 식(1)에 있어서의 중합성 관능기 X 및 Y가 아릴기, 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 이소시아네이트기, 및 에폭시기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자전해질형 연료전지.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 식(2)에 있어서의 중합성 관능기 X 및 Y가 아크릴로일기, 메타크릴로일기, 이소시아네이트기 및 에폭시기로 이루어지는 군으로부터 선택되는 고분자전해질형 연료전지.