KR101170197B1 - 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재와 그 제조 방법 - Google Patents

고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재와 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 가스 불투과성, 강도 특성, 장기간 사용에 있어서의 치수 안정성 및 전지 반응을 저해하는 유기물의 용출 등이 적고, 고체 고분자형 연료 전지용으로서 적합한 세퍼레이터재 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 에폭시기 당량 및 수산기 당량을 규제한 에폭시 수지와 페놀 수지를 특정 범위의 당량비로 혼합하며, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 경화 촉진제로서 첨가한 혼합 수지에 의해 흑연 분말이 결착되고, 90℃ 열수중에 500 시간 침지하여 흡수시의 신장율, 50 시간 침지 후의 암모늄 이온 및 TOC 용출량을 특정 값 이하로 한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 그 제조 방법은 혼합 수지와 흑연 분말의 혼련물을 분쇄한 성형분을 예비 성형하여 프리폼을 제작하고, 이어서 프리폼을 성형틀에 삽입하여 열압 성형한다.

Description

고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재와 그 제조 방법{SEPARATOR MATERIAL FOR SOLID POLYMER FUEL CELL AND PROCESS FOR PRODUCING THE SAME}
본 발명은, 흑연/수지 경화 성형체를 포함하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재와 그 제조 방법에 관한 것이다.
연료 전지는, 연료가 갖는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 것으로, 전기 에너지에의 변환 효율이 높고, 특히 고체 고분자형 연료 전지는 인산형 연료 전지 등의 연료 전지에 비해 저온이면서 고출력의 발전이 가능하기 때문에, 자동차의 전원을 비롯하여 소형의 이동형 전원으로서 기대되고 있다.
고체 고분자형 연료 전지는, 통상 술폰산기를 갖는 불소 수지계 이온 교환 막과 같은 고분자 이온 교환 막으로 이루어지는 전해질 막과, 그 양면에 백금 등의 촉매를 담지시킨 촉매 전극과, 각각의 전극에 수소 등의 연료 가스 또는 산소나 공기 등의 산화제 가스를 공급하기 위한 가스 유로가 되는 홈을 마련한 세퍼레이터 등으로 이루어지는 단셀을 적층한 스택, 및 그 외측에 설치한 2개의 집전체 등으로 구성되어 있다.
단셀의 구조는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 예컨대 불소계 수지의 이온 교환 막으로 이루어지는 고체 고분자의 전해질 막(5)을 사이에 두고 배치되는 한 쌍 의 전극(3, 4)[캐소드(3), 애노드(4)]과, 이것을 양측으로부터 더 협지하는 치밀질의 카본재로 이루어지는 세퍼레이터(1), 세퍼레이터의 단부에는 가스 홈과 평행 방향으로 설치된 시일재(sealing material)(6)로 구성되어 있다. 전극(3, 4)은 백금 등의 촉매를 담지시킨 탄소 단섬유로 이루어지는 다공질체 또는 촉매를 담지한 카본블랙을 수지로 결착한 것 등으로 형성된다.
세퍼레이터(1)에는 직선형 또는 격자형의 복수의 홈(2)이 형성되고, 홈(2)과 캐소드(3) 사이에 형성되는 공간을 산화제 가스(공기 등의 산소 함유 가스) 유로로 하며, 홈(2)과 애노드(4) 사이에 형성되는 공간을 연료 가스(예컨대 수소 가스나 수소 가스를 주성분으로 하는 혼합 가스) 유로로 하고, 연료 가스와 산화제 가스가 전극에 접촉하여 발생하는 하기의 전기 화학 반응을 이용하여, 전극간으로부터 전류를 발생시키도록 되어 있다. 그리고 통상, 이 단셀은 수십층에서 수백층으로 적층하여 전지 스택이 조립되어 있다.
애노드; H2→2H++2e-
캐소드; 1/2O2+2H++2e-→H2O
전체 반응; H2+1/2O2→H2O
따라서 세퍼레이터에는 연료 가스와 산화제 가스를 완전히 분리한 상태에서 전극에 공급해야 하기 때문에 고도의 가스 불투과성이 요구된다. 또한 발전 효율을 높이기 위해 전지의 내부 저항을 작게 하는 것이 유효하고, 세퍼레이터의 판 두께 를 얇게 하는 동시에 높은 도전성이 요구된다.
또한, 전지 성능의 향상을 도모하기 위해서는 스택중의 각 단셀간을 밀착시키도록 조립하면서, 발전중에도 양호한 접촉 상태가 유지되어 세퍼레이터와 전극과의 접촉 전기 저항의 증대를 방지하는 동시에, 단셀간의 가스 누설이나 단셀 밖으로의 가스 누설을 방지하는 것이 중요해진다. 즉, 조립시에 파손이나 결손이 발생하지 않도록 재질 강도가 높은 것, 또한 전지의 작동 온도인 80 내지 120℃ 정도의 온도에 있어서도 충분한 재질 강도를 구비하는 것이어야 하고, 또한 대기중에서 흡습에 의한 치수 변화가 발생하지 않도록 내습성이 높은 것 등도 요구된다.
이러한 재질 특성이 요구되는 세퍼레이터재에는, 종래부터 탄소질계의 재료가 이용되고 있고, 흑연 등의 탄소 분말을 열 경화성 수지를 결합재로 하여 결착하며, 성형한 탄소/수지 경화 성형체가 적합하게 사용되고 있다.
예컨대 일본 특허 공개 제2000-021421호 공보에는, 평균 입경 50 ㎛ 이하, 최대 입경 100 ㎛ 이하의 입도 분포를 갖는 흑연 분말 60 내지 85 중량%와 열 경화성 수지 15 내지 40 중량%로 이루어지는 판형 성형체로서, 그 면 방향의 고유 저항이 300×10-4 Ωcm 이하, 두께 방향/면 방향의 고유 저항의 비가 7 이하, 굴곡 강도가 300 kgf/cm2 이상의 재질 특성을 구비하는 흑연-수지 경화 성형체로부터 형성된 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터 부재 및 그 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2000-243409호 공보에는, 탄소 분말 40 내지 90 중량%와 열 경화성 수지 60 내지 10 중량%의 조성으로 이루어지고, 실온에 있어서의 굴곡 강도가 30 MPa 이상이면서, 실온 내지 100℃에 있어서의 굴곡 강도 저하율이 30% 이하의 특성을 구비하는 탄소-수지 경화 성형체로부터 형성된 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터 부재와 그 제조 방법이 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2004-127646호 공보에는, 경화물의 포화 흡수율이 3% 이하의 페놀 수지 용액과 흑연 분말을 수지 고형분 10 내지 25 중량%, 흑연 분말 90 내지 75 중량%의 중량비로 혼합하여 혼련하고, 혼련물을 건조한 후 분쇄하며, 분쇄 입자를 성형틀에 충전하여 열압 성형하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터의 제조 방법이 제안되어 있고, 특허 문헌 3에 의하면 흡수율이 낮은 페놀 수지를 이용함으로써, 휘어짐의 발생이 적으며, 흡수에 따른 전기 저항의 증가도 거의 없는 세퍼레이터의 제조가 가능해지는 것으로 되어 있다.
또한, 연료 전지의 세퍼레이터 등에 적합한 수지 성형 재료로서, 일본 특허 공개 제2001-261935호 공보에는 오르토크레졸 노볼락형 에폭시 수지 및 비스페놀 A형 에폭시 수지와 인조 흑연을 필수 성분으로서 함유하는 것을 특징으로 하는 에폭시 수지 성형 재료, 일본 특허 공개 제2002-083609호 공보에는 흑연분과 에폭시 수지 결합제와 경화 촉진제를 함유하는 조성물에 있어서, 에폭시 수지 결합제에 대하여 흑연분을 중량비로 5 내지 15배량 배합하고, 에폭시 수지 결합제가 에폭시 수지와 에폭시 수지의 경화제로 이루어지며, 에폭시 수지 결합제의 150℃에 있어서의 점도가 0.01 내지 0.5 Pa?s이고, 25℃에 있어서의 점도가 3 Pa?s 이상의 점도 또는 고체인 것을 특징으로 하는 연료 전지용 세퍼레이터용 조성물이 제안되어 있다.
발명의 개시
결합재가 되는 열 경화성 수지에는 내열성, 내식성, 강도 등이 요구되고, 저렴하기 때문에 페놀계 수지가 적합하게 사용되고 있다. 그러나 페놀 수지는 경화시에 축합수를 생성하고, 축합수의 일부는 수지 경화 성형체 내부에 잔류하여 조직 불량을 일으켜, 높은 가스 불투과성의 재질 조직으로 하기 어렵다.
또한, 노볼락형 페놀 수지는, 통상 경화제로서 헥사민(헥사메틸렌테트라민)을 사용하기 때문에, 경화 반응시에 헥사민의 분해 가스로서 암모니아 가스가 발생하고, 발생한 암모니아 가스의 일부는 수지 경화 성형체중에 잔류하기 때문에, 흑연/수지 경화 성형체중에도 미량의 암모니아가 잔류한다.
고체 고분자형 연료 전지는, 운전시에 가스의 가습이나 전지 반응에 따라 생성되는 물 또는 냉각수 등의 수분이 많은 환경하에 노출되기 때문에, 세퍼레이터중에 잔류한 암모니아는, 암모늄 이온이 되어 전지 셀내에 용출되어 가서, 암모늄 이온이 전해질 막중의 프로톤의 이동을 방해하거나, 전극의 촉매 기능을 저하시키게 되어, 결과적으로 전지 성능의 저하를 초래하는 문제를 일으킨다.
또한, 유기물로서 예컨대 TOC(총 유기 탄소) 용출량이 많아지면 전지 반응을 촉진하는 촉매 표면을 피복하여 촉매 활성을 저하시키거나, 전해질 막에 부착되어 오염되어, 전해질 막의 수분 유지에 변화를 미쳐서, 프로톤 이동을 저해하게 된다.
또한 노볼락형 페놀 수지를 사용한 경우에는, 예컨대 전지 작동중의 환경을 모의한 90℃ 열수중의 흡수 신장율이 크고, 세퍼레이터내에서 불균일한 신장이 발생하여 균열이 발생하거나, 파손되는 문제가 있다. 특히 수지 경화 성형체중에 페놀성 수산기가 잔류한 경우에는 흡수, 신장 등을 조장하는 문제도 있다. 또한, 냉각수에 부동액인 에틸렌글리콜을 첨가한 경우에는 그 흡액에 의한 신장율이 보다 커지는 경우도 있다.
한편, 경화 촉진제로서, 트리페닐포스핀 등의 인계 경화 촉진제를 사용하면, 내습성, 특히 온수에 침지하였을 때의 내습성이 저하되는 난점이 있고, 또한 유기질분의 용출이 많아진다.
즉 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터재에는, 종래부터 전해져 오는 가스 불투과성이 우수하고, 전기 저항이 낮으며, 기계적 강도가 높은 등의 재질 특성에 추가로, 전지 성능을 저하시키는 암모니아나 유기질분의 용출이 적고, 흡수시의 신장율이 작은 것 등이 요구된다.
그래서 본 발명자들은 세퍼레이터재의 재질 특성의 향상에 대해서 예의 검토를 행하고, 수지 특성, 경화제, 경화 촉진제의 성상, 조합의 최적화에 대해서 연구를 진행시켰다. 그 결과, 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지를 이용하고, 경화제에 노볼락형 페놀 수지를 이용하며, 에폭시 수지의 에폭시기 당량, 페놀 수지의 수산기 당량 및 그 당량비 등을 특정하는 동시에, 경화 촉진제에 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 이용함으로써, 세퍼레이터재로서 우수한 성상을 부여할 수 있는 것을 확인하였다.
즉, 본 발명의 목적은 세퍼레이터재로서 요구되는 가스 불투과성, 강도 특성, 전기 전도성, 내식성 등의 특성을 만족시키는 동시에, 장기간 사용에 있어서의 치수 안정성이 높고, 전지 반응을 저해하는 유기물의 용출이 적으며, 또한 강도 저하나 전기 저항의 상승 등의 물성 열화가 작고, 장기간 안정된 발전이 가능한 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의해 제공되는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재는, 에폭시기 당량이 170 내지 250 g/eq의 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 수산기 당량이 120 내지 200 g/eq의 노볼락형 페놀 수지가, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비가 0.5 내지 1.5의 중량비로 혼합되고, 경화 촉진제로서 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 배합한 혼합 수지를 결합재로 하여 흑연 분말을 결착한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하며, 90℃의 열수중에 침지하였을 때의,
(1) 500 시간 침지 후의 흡수 신장율이 0.10% 이하,
(2) 50 시간 침지 후의 암모늄 이온 용출량이 2 ㎍/g 이하,
(3) 50 시간 침지 후의 TOC(총 유기 탄소) 용출량이 50 ㎍/g 이하
인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법은, 에폭시기 당량이 170 내지 250 g/eq의 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 수산기 당량이 120 내지 200 g/eq의 노볼락형 페놀 수지를, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비를 0.5 내지 1.5의 중량비로 혼합하고, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 첨가하여 유기 용제에 용해하며, 이 혼합 수지 용액과 흑연 분말을 혼련한 후 유기 용제를 휘산 제거하고, 이어서 혼련물을 분쇄하여 얻어진 성형분을 예비 성형틀에 충전하며, 상형(上型)을 얹어 1 내지 10 MPa로 가압하여 예비 성형한 프리폼을 성형틀에 삽입하고, 압력 20 내지 50 MPa, 온도 150 내지 250℃에서 열압 성형하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재 및 그 제조 방법에 있어서, 혼합 수지의 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비는 10:90 내지 35:65인 것이 바람직하다.
도 1은 고체 고분자형 연료 전지의 개략 구조를 도시하는 일부 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재는, 흑연 분말을 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 경화제가 되는 노볼락형 페놀 수지, 및 경화 촉진제가 되는 이미다졸 화합물을 배합한 혼합 수지를 결합재로 하여 결착하여 일체화한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하고, 이 흑연/수지 경화 성형체를 두께 1 내지 3 ㎜ 정도의 판형으로 성형하며, 그 표리 양면 또는 한쪽 면에 연료 가스 및 산화제 가스의 유로가 되는 깊이 0.5 내지 1 ㎜ 정도의 홈이 다수 형성된 것이다.
에폭시 수지의 에폭시기 당량을 170 내지 250 g/eq의 범위로 설정하는 것은, 에폭시기 당량이 170 g/eq를 밑돌면 미반응 에폭시기가 잔존하기 때문에 수지 경화 성형체의 흡수, 흡습이 일어나고, 팽윤이 커지기 때문이다. 한편 에폭시기 당량이 250 g/eq를 넘으면 고온 강도나 내열성이 저하되기 때문이다.
노볼락형 페놀 수지의 수산기 당량은 수지 경화 성형체의 물질이나 성형시의 이형성에 영향을 미치고, 수산기 당량을 120 내지 200 g/eq로 설정하는 것은 200 g/eq을 넘으면 경화 성형체의 내열성이 저하되어 고온 강도도 낮아지기 때문이다. 한편 120 g/eq을 밑도는 경우에는 수지의 흡습이 일어나기 때문에 경화 성형체의 조직이 불균질화되고, 가스 불투과성이 낮아지며, 흡수 신장율도 크고, 이형성도 악화되기 때문이다.
에폭시 수지와 페놀 수지의 혼합비를 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비를 0.5 내지 1.5의 중량비로 설정하는 것은, 0.5를 밑도는 경우나 1.5를 웃도는 경우에는 에폭시 수지와 페놀 수지와 결합 반응이 충분히 진행하지 않아, 수지 경화 성형체의 내습성 및 내열성이 저하되며, TOC 용출량도 증대하기 때문이다.
그리고 에폭시 수지와 페놀 수지의 혼합물에, 경화 촉진제로서 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 배합한 혼합 수지를 결합재로 한다. 아미노기를 갖는 이미다졸 화합물을 경화 촉진제로 하면, 미반응 아미노기가 잔류하고, 수지 경화 성형체중에 잔류한 아미노기는 전지 작동시에 암모늄 이온이 되어 전지 셀내에 용출되어 가서, 전해질 막중의 프로톤의 이동을 방해하거나, 전극의 촉매 기능을 저하시키고, 전지 성능의 저하를 초래하게 된다. 또한 이미다졸 화합물의 배합 비율이 0.001 중량% 미만에서는 경화 촉진제로서의 기능을 충분히 다할 수 없고, 한편 2.0 중량%를 넘어 배합하면 경화 반응의 속도가 빨라져 성형성이 악화되며, 가스 불투과성이나 강도가 저하된다.
흑연 분말에는 인조 흑연, 천연 흑연, 팽창 흑연 또는 이들의 혼합물 등이 이용되고, 적절한 분쇄기에 의해 분쇄하며, 체에 걸러서 입도 조정한 흑연 분말이 사용된다. 흑연 분말의 입도는 세퍼레이터에 가스 홈을 마련할 때에 흑연 분말 입자의 탈락이나 입자간 크랙의 발생을 방지하기 위해, 예컨대 평균 입경은 50 ㎛ 이하로, 최대 입경은 100 ㎛ 이하로 입도 조정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재는, 흑연 분말이 상기한 혼합 수지에 의해 결착되어 일체화한 흑연/수지 경화 성형체로부터 형성된 것이며, 그리고 90℃의 열수중에 침지하였을 때의,
(1) 500 시간 침지 후의 흡수 신장율이 0.10% 이하,
(2) 50 시간 침지 후의 암모늄 이온 용출량이 2 ㎍/g 이하,
(3) 50 시간 침지 후의 TOC(총 유기 탄소) 용출량이 50 ㎍/g 이하
의 성상을 갖고 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재는, 흑연 분말이 상기한 혼합 수지에 의해 결착되어 일체화한 것이며, 이 혼합 수지를 결합재로 함으로써 흑연/수지 경화 성형체의 흡수에 의한 팽윤을 작게 할 수 있기 때문에, 전지 가동시의 흡수에 의한 신장이나 대기중에 놓였을 때의 흡습에 의한 경시적 신장을 억제할 수 있다.
즉, 연료 전지를 가동하였을 때의 환경을 모의한 90℃의 열수중에, (1) 500 시간 침지하였을 때의 흡수 신장율을 0.10% 이하로 하는 것이다. 신장율이 0.10% 이하이면 흡수에 의한 세퍼레이터의 휘어짐이나, 세퍼레이터내에 있어서의 흡수에 의한 불균일한 신장에 의한 균열의 발생 등을 억제할 수 있기 때문에 세퍼레이터의 손상을 방지할 수 있다. 또한, 신장율은 90℃의 열수중에 500 시간 침지하였을 때의 길이 또는 폭의 변화로부터 측정된다. 예컨대 신장율=[(침지 후 길이-침지 전 길이)/(침지 전 길이)]×100으로부터 산출된다.
또한, 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 경화제가 되는 노볼락형 페놀 수지 및 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물의 경화 촉진제로 이루어지는 혼합 수지를 결합재로 하고 있기 때문에, 노볼락형 페놀 수지를 단독으로 결합재로 한 것에 비해 경화시에 암모니아의 발생이나 유기 탄소의 생성이 억제되어, 흑연/수지 경화 성형체중에 함유되는 이들 성분이 매우 적어진다. 그 결과, 전지 가동시에 이들 성분이 전지 셀내에 용출되어 가서, 고체 고분자 막의 프로톤 이동을 방해하거나, 전극의 촉매 기능을 저하시키는 현상을 억제할 수 있다. 또한 경화 반응시에 물의 생성을 수반하지 않기 때문에, 조직중에 물의 휘산에 의한 구멍의 발생도 억제되어 고도의 가스 불투과성을 부여할 수도 있다.
즉, 이들 현상을 억제하기 위해 전지 가동시의 환경을 모의한 90℃의 열수중에 50 시간 침지한 후의, (2) 암모늄 이온의 용출량을 2 ㎍/g 이하로, (3) TOC(총 유기 탄소) 용출량을 50 ㎍/g 이하로 저감화함으로써, 전압 저하, 출력 저하 등의 전지 성능의 저하를 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다. 또한 암모늄 이온은 이온 크로마토그래피 방법에 의해, 또한 TOC(총 유기 탄소)는 TOC계(JIS K0805)의 방법에 의해 측정된다.
또한, 바람직하게는 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재를 형성하는 흑연/수지 경화 성형체는, 혼합 수지의 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비가 10:90 내지 35:65로 설정된다. 수지 고형분이 10 중량% 미만이고, 흑연 분말이 90 중량%를 넘는 중량비로는 수지분이 적으며, 성형시의 유동성도 저하되기 때문에 성형체의 조직이 불균일화되고, 한편 수지 고형분이 35 중량%를 웃돌며, 흑연 분말이 65 중량%를 밑도는 경우에는 전기 저항이 증대하여 전지 성능의 저하를 초래하게 된다.
본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법은, 에폭시기 당량이 170 내지 250 g/eq의 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 수산기 당량이 120 내지 200 g/eq의 노볼락형 페놀 수지를, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비를 0.5 내지 1.5의 중량비로 혼합하며, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 첨가하여 유기 용제에 용해하고, 이 혼합 수지 용액과 흑연 분말을 혼련한 후 유기 용제를 휘산 제거하며, 이어서 혼련물을 분쇄하여 얻어진 성형분을 예비 성형틀에 충전하고, 상형을 얹어 1 내지 10 MPa로 가압하여 예비 성형한 프리폼을 성형틀에 삽입하며, 압력 20 내지 50 MPa, 온도 150 내지 250℃에서 열압 성형하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서 이용하는 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지의 에폭시기 당량을 170 내지 250 g/eq의 범위로 설정하는 것은, 전술한 바와 같이 에폭시기 당량이 170 g/eq를 밑돌면 미반응 에폭시기가 잔존하기 때문에 수지 경화 성형체의 흡수, 흡습이 발생하고, 팽윤이 커지며, 에폭시기 당량이 250 g/eq를 넘으면 고온 강도나 내열성이 저하되기 때문이다. 또한 노볼락형 페 놀 수지의 수산기 당량을 120 내지 200 g/eq로 설정하는 것은, 200 g/eq을 넘으면 경화 성형체의 내열성이 저하되어 고온 강도도 낮아지고, 120 g/eq를 밑도는 경우에는 수지의 흡습이 발생하기 때문에 경화 성형체의 조직이 불균질화되며, 가스 불투과성이 낮아지고, 흡수 신량율도 커지며, 이형성도 악화되기 때문이다.
이 에폭시 수지와 페놀 수지는, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비 [(에폭시 수지의 에폭시 당량)/(페놀 수지의 수산기 당량)]의 값이 0.5 내지 1.5의 중량비, 바람직하게는 0.9 내지 1.3의 중량비로 혼합한다. 당량비가 0.5를 밑도는 경우나 1.5를 웃도는 경우에는 에폭시 수지와 페놀 수지와 결합 반응이 충분히 진행되지 않고, 수지 경화 성형체의 내습성 및 내열성이 저하되며, TOC 용출량도 증대하기 때문이다. 또한 에폭시기 당량은 JIS K7236로 표시되는 과염소산 적정법에 의해, 또한 페놀성 수산기 당량은 JIS K0070로 표시되는 아세틸화법에 의해 측정된다.
또한, 경화 촉진제에는 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물이 이용된다. 아미노기를 갖는 이미다졸 화합물을 이용하면 미반응 아미노기가 잔류하고, 흑연/수지 경화 성형체중에 잔류한 아미노기는 전지 작동시에 암모늄 이온이 되어 전지 셀내에 용출되어 가서, 전술과 같이 전지 성능의 저하를 초래하기 때문이다.
아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물로서는, 2-메틸이미다졸, 2-페닐이미다졸, 2-에틸-4-메틸이미다졸, 2-운데실이미다졸, 1-벤질-2-메틸이미다졸 등을 예시할 수 있고, 이들 화합물을 1종 또는 2종 이상을 혼합하여 이용된다.
페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 노볼락형 페놀 수지를, 에폭시기/페놀성 수산기의 당량비를 소정의 값으로 혼합한 중에, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 첨가하고, 알코올, 에테르, 케톤 등의 유기 용제에 용해하여 혼합 수지 용액을 제작한다. 이미다졸 화합물의 배합 비율이 0.001 중량% 미만에서는 경화 촉진제로서의 기능을 충분히 다할 수 없고, 한편 2.0 중량%를 넘어 배합하면 경화 반응의 속도가 빨라져 성형성이 악화되며, 가스 불투과성이나 강도가 저하된다.
이 혼합 수지 용액과 흑연 분말을 혼합하여 균일하게 혼련한다. 이 경우, 혼합 수지의 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비를 10:90 내지 35:65의 비율이 되도록 조정하는 것이 바람직하고, 수지 고형분이 10 중량% 미만이고, 흑연 분말이 90 중량%를 넘는 중량비로는 수지분이 적기 때문에 성형시의 유동성이 저하되기 때문에 성형체의 조직이 불균일화되며, 한편 수지 고형분이 35 중량%를 웃돌고, 흑연 분말이 65 중량%를 밑도는 경우에는 전기 저항이 증대하여 전지 성능의 저하를 초래하기 때문이다.
혼합 수지 용액과 흑연 분말의 혼합, 혼련은 니더, 가압형 니더, 2축 스크류식 혼련기 등의 적절한 혼련기를 이용하고, 충분히 혼련하여 균일한 혼련물을 조제한다. 혼련 후, 유기 용제는 진공 건조 또는 풍건 등에 의해 혼련물로부터 휘산 제거한다. 또한 이용하는 흑연 분말은 평균 입경이 50 ㎛ 이하로, 최대 입경이 100 ㎛ 이하로 입도 조정하여 사용하는 것이 바람직하다.
혼련물의 표면은 수지 피막으로 덮여 있어 도전성이 낮아지기 때문에, 흑연부를 노출시킴으로써 도전성의 저하를 방지하기 위해 혼련물은 분쇄된다. 분쇄는, 예비 성형틀에 균일하게 충전하기 위해 0.1 내지 1 ㎜ 정도로 분쇄하여 성형분을 얻을 수 있다. 또한, 혼련물의 분쇄에 의해 재질 성상의 이방성의 시정을 도모할 수 있고, 세퍼레이터가 되는 판형 성형체의 두께 방향의 전기 저항을 저하시키며, 면 방향과의 이방성을 감소시킬 수 있다.
성형분을 예비 성형틀의 캐비티에 균일하게 충전하여, 수지의 융점 이상의 온도, 예컨대 수지 융점 +10℃ 정도로 가열한 상형을 얹어 1 내지 10 MPa의 압력으로 예비 성형하여 판형의 프리폼을 제작한다.
이 판형의 프리폼을, 세퍼레이터의 가스 유로가 되는 홈부를 형성하는 요철부가 새겨진 성형틀에, 이형제를 도포하여 삽입하고, 압력 20 내지 50 MPa, 온도 150 내지 250℃에서 열압 성형함으로써, 수지를 경화시켜 흑연 분말을 경화 수지로 결착하여 일체화한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하는 세퍼레이터재가 제조된다. 이와 같이 하여 제조된 세퍼레이터재는 필요에 따라 기계 가공이 추가로 실시된다.
이하, 본 발명의 실시예를 비교예와 대비하여 구체적으로 설명한다.
실시예 1 내지 6, 비교예 1 내지 8
에폭시기 당량이 다른 페놀 노볼락형 에폭시 수지와 수산기 당량이 다른 노볼락형 페놀 수지를, 중량비를 바꿔 혼합하여 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비가 다른 수지 혼합물을 제작하고, 이 수지 혼합물의 수지 고형분이 70 중량%가 되도록 메틸에틸케톤에 용해하며, 수지 용액에 경화 촉진제로서 2에틸 4메틸이미다졸을 첨가하였다.
이 혼합 수지 용액과 흑연 분말을 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비가 20:80이 되도록 혼합하고, 니더에 넣어 1시간 혼련하였다. 또한 흑연 분말에는 평균 입경 40 ㎛, 최대 입경 80 ㎛ 이하로 입도 조정한 인조 흑연 분말을 이용하였다. 혼련물을 실온에서 24 시간 통기 건조하고, 추가로 진공 건조하여 메틸에틸케톤을 휘산 제거하며, 이어서 혼련물을 분쇄한 후, 입도 조정하여 0.1 내지 0.5 ㎜의 성형분을 얻었다.
성형분을 예비 성형틀에 균등하게 되도록 충전하고, 70℃로 가열한 상형을 얹어 3 MPa의 압력으로 10초간 가압하여 예비 성형한 판형의 프리폼을 제작하였다.
200×200 ㎜의 범위셀내에 폭 1 ㎜, 깊이 0.6 ㎜의 홈 형상이 새겨진 외형(外型) 270×270 ㎜의 성형 금형에 불소계의 이형제를 도포하여, 이 성형 금형에 프리폼을 삽입하고, 40 MPa의 압력, 180℃의 온도로 열압 성형하였다. 이와 같이 하여, 흑연 분말이 경화수지로 결착한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하고, 가스 유로가 되는 폭 1 ㎜, 깊이 0.6 ㎜의 홈부가 형성된 세퍼레이터재(200×200 ㎜, 두께가 가장 얇은 부분의 두께 0.45 ㎜)를 제조하였다.
비교예 9
실시예 1에 있어서, 경화 촉진제를 2메틸이미다졸아진으로 바꿔 1.0 중량% 첨가한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법에 의해 세퍼레이터재를 제조하였다.
비교예 10
노볼락형 페놀 수지 90 중량%와 헥사민 10 중량%를 혼합하여, 같은 방법으로 세퍼레이터재를 제조하였다.
이들 세퍼레이터재로부터 잘라낸 테스트 피스(6×30 ㎜)를 50 ㎖의 증류수를 넣은 밀폐 용기에 침지하여 90℃의 항온조에 유지하였다. 50 시간 유지한 후의 암모늄 이온 농도 및 TOC(총 유기 탄소) 농도를 측정하여 암모늄 이온 용출량 및 TOC(총 유기 탄소) 용출량을 구하였다.
또한, 테스트 피스를 50 ㎖의 증류수를 넣은 밀폐 용기에 침지하여, 90℃의 항온조에 500 시간 유지한 후의 길이의 변화를 측정하여 흡수 신장율을 구하였다.
또한, 테스트 피스에 대해서 하기의 방법에 의해 재질 특성을 측정하였다.
(1) 굴곡 강도(MPa);
JISR1601에 의해 실온 및 90℃에 대해서 측정.
(2) 고유 저항율(mΩ?cm);
JISC2525에 의해 측정.
(3) 접촉 저항(mΩ?cm2);
테스트 피스끼리를 1 MPa의 압력으로 접촉시키면서, 통전량 1A에서 측정.
(4) 가스 투과 계수(몰?m?m-2?초-1?MPa-1);
질소 가스에 의해 0.2 MPa의 차압을 걸었을 때의 단위 시간, 단위 단면적당 가스 투과량을 측정.
이들 결과를 제조 조건과 함께 하기 표 1, 2에 나타내었다.

실시예 비교예
1 2 3 4 5 6 1 2
제
조
조
건		 에폭시 수지 중량%
에폭시기 당량(g/eq)		 61
200		 67
200		 56
200		 61.5
200		 53
200		 65
240		 71
200		 40
200
페놀 수지 중량%
수산기 당량(g/eq)		 38
125		 32
125		 43
125		 *1
125		 46
170		 34
125		 28
125		 59
125
당량비 1.0 1.3 0.8 1.0 1.0 1.0 1.6 0.4
경화 촉진제 중량% 1 1 1 0.01 1 1 1 1
재
질
특
성		 NH4+ 용출량(㎍/g) < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2
TOC 용출량(㎍/g) 40 35 41 38 44 46 115 120
신장율(%) 0.05 0.08 0.07 0.06 0.04 0.04 0.25 0.22
굴곡 강도, 상온(MPa) 57 55 54 54 52 55 39 35
굴곡 강도, 80℃(MPa) 55 52 53 52 50 54 38 32
고유 저항(mΩ?㎝) 6.1 6.5 6.5 6.4 7.1 6.9 8.6 10.2
접촉 저항(mΩ?㎝2) 5.6 6.2 6.0 5.9 6.5 7.0 7.8 9.5
가스 투과 계수(×10- 12몰?
m?m-2?초-1?MPa-1)		 2.3 1.5 2.0 2.5 2.2 2.8 15 32
성형품 외관 양호 양호 양호 양호 양호 양호 불량 불량
(주) *1 38.49

비교예
3 4 5 6 7 8 9 10
제
조
조
건		 에폭시 수지 중량%
에폭시기 당량(g/eq)		 61
200		 60
200		 67
260		 56
160		 66
200		 47
200		 61
200		 --
--
페놀 수지 중량%
수산기 당량(g/eq)		 39
125		 37
125		 32
125		 43
125		 33
100		 52
200		 38
125		 90
*3
당량비 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 --
경화 촉진제 중량% 0 3 1 1 1 1 *2 --
재
질
특
성		 NH4+ 용출량(㎍/g) < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 < 2 24 20
TOC 용출량(㎍/g) 100 65 49 48 40 46 43 90
신장율(%) 0.2 0.09 0.04 0.12 0.11 0.04 0.06 0.29
굴곡 강도, 상온(MPa) 53 48 50 52 54 51 55 56
굴곡 강도, 80℃(MPa) 26 45 31 51 51 29 50 47
고유 저항(mΩ?㎝) 7.0 7.8 6.5 7.0 6.8 6.4 6.2 8.2
접촉 저항(mΩ?㎝2) 6.5 8.1 6.0 6.3 6.4 6.6 6.6 4.6
가스 투과 계수(×10- 12몰?
m?m-2?초-1?MPa-1)		 11.3 10.2 3.1 3.5 9.8 2.8 3.1 6.5
성형품 외관 양호 불량 양호 양호 양호 양호 양호 양호
(주) *2 2-메틸이미다졸아진을 1 중량% 첨가
*3 경화제에 헥사민을 사용(10 중량%)
표 1, 2의 결과로부터, 90℃의 열수중에 침지하였을 때의 흡수 신장율, 암모늄 이온 용출량 및 TOC 용출량이 적은 실시예 1 내지 6의 세퍼레이터재는 굴곡 강도, 고유 저항, 가스 투과 계수 등이 양호한 수준에 있는 것을 알 수 있다. 이에 대하여, 페놀 노볼락형 에폭시 수지의 에폭시기와 노볼락형 페놀 수지의 수산기와의 당량비가 큰 비교예 1 또는 당량비가 작은 비교예 2에서는 에폭시 수지와 페놀 수지와의 반응이 충분히 진행되지 않기 때문에, 흡수 신장율이 크고, TOC 용출량도 많으며, 굴곡 강도, 고유 저항, 가스 투과 계수 등의 세퍼레이터재로서의 재질 성상에 있어서 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.
경화 촉진제를 배합하지 않는 비교예 3에서는 경화 반응이 불충분해지고, 고온 강도가 낮으며, 흡수 신장률이 높고, 가스 불투과성도 뒤떨어진다. 경화 촉진제를 많이 첨가한 비교예 4에서는, 경화 반응 속도가 빨라져 성형성이 저하되고, 가스 투과 계수가 커져 굴곡 강도의 저하가 확인되었다.
또한, 에폭시기 당량 또는 페놀성 수산기 당량이 본 발명에서 규제하는 범위 외에 있는 비교예 5 내지 8에서는, 고온 강도나 흡수 신장율 등에 있어서 세퍼레이터재로서 뒤떨어지는 것을 알 수 있다.
아미노기를 갖는 이미다졸 화합물인 2메틸이미다졸아진을 경화 촉진제로서 사용한 비교예 9, 또는 경화제로서 헥사민을 사용한 비교예 10에서는 전지 성능의 저하를 초래하는 암모늄 이온의 용출량이 많아, 고체 고분자형 연료 전지의 세퍼레이터재로서 뒤떨어지는 것이 확인되었다.
본 발명에 의하면, 흑연 분말의 결합 수지로서, 에폭시기 당량을 특정한 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지를 이용하고, 또한 경화제에 수산기 당량을 특정한 노볼락형 페놀 수지를 이용하며, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비를 특정하는 동시에, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 경화 촉진제로서 특정량 배합한 혼합 수지를 이용하여, 열수중에 침지하였을 때의 흡수 신장율이 작고, 암모늄 이온 용출량 및 TOC(총 유기 탄소) 용출량이 적은 흑연/수지 경화 성형체로부터 형성한 본 발명의 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재에 의하면, 전지 성능이 우수하며, 장기간 발전 후의 출력 저하도 적어 안정된 발전이 가능해진다.
또한, 흑연 분말과 상기한 혼합 수지와의 혼련물을 분쇄하여 얻어진 성형분을 예비 성형틀에 충전하고, 상형을 얹어 1 내지 10 MPa에 가압하여 예비 성형한 프리폼을 성형틀에 삽입하며, 압력 20 내지 50 MPa, 온도 150 내지 250℃에서 열압 성형함으로써, 상기한 세퍼레이터재를 제조하는 것이 가능해진다.

Claims (4)

  1. 에폭시기 당량이 170 내지 250 g/eq의 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 수산기 당량이 120 내지 200 g/eq의 노볼락형 페놀 수지가, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비가 0.5 내지 1.5의 중량비로 혼합되고, 경화 촉진제로서 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 배합한 혼합 수지를 결합재로 하여 흑연 분말을 결착한 흑연/수지 경화 성형체를 포함하며, 90℃의 열수중에 침지하였을 때의,
    (1) 500 시간 침지 후의 흡수 신장율이 0.10% 이하,
    (2) 50 시간 침지 후의 암모늄 이온 용출량이 2 ㎍/g 이하,
    (3) 50 시간 침지 후의 TOC(총 유기 탄소) 용출량이 50 ㎍/g 이하
    인 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재.
  2. 제1항에 있어서, 혼합 수지의 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비가 10:90 내지 35:65인 것인 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재.
  3. 에폭시기 당량이 170 내지 250 g/eq의 페놀 노볼락형 에폭시 수지 또는 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와, 수산기 당량이 120 내지 200 g/eq의 노볼락형 페놀 수지를, 에폭시기에 대한 페놀성 수산기의 당량비를 0.5 내지 1.5의 중량비로 혼합하고, 아미노기를 갖지 않는 이미다졸 화합물을 0.001 내지 2.0 중량%의 비율로 첨가 하여 유기 용제에 용해하며, 상기 혼합 수지 용액과 흑연 분말을 혼련한 후 유기 용제를 휘산 제거하고, 이어서 혼련물을 분쇄하여 얻어진 성형분을 예비 성형틀에 충전하며, 상형(上型)을 얹어 1 내지 10 MPa로 가압하여 예비 성형한 프리폼을 성형틀에 삽입하고, 압력 20 내지 50 MPa, 온도 150 내지 250℃에서 열압 성형하는 것을 특징으로 하는 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서, 혼합 수지의 수지 고형분과 흑연 분말의 중량비가 10:90 내지 35:65인 것인 고체 고분자형 연료 전지용 세퍼레이터재의 제조 방법.
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