KR20020094908A

KR20020094908A - 연료전지의 제조방법 및 연료전지

Info

Publication number: KR20020094908A
Application number: KR1020020032770A
Authority: KR
Inventors: 오하라히데오; 하토가즈히토; 도미타가쓰미; 하세노부히로; 구사카베히로키; 야마자키다쓰토; 다케구치신스케; 고바야시스스무; 무라카미히카루; 다케자와미키오; 고바야시히로시; 오니시다카유키; 마쓰오카히로아키
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
Priority date: 2001-06-13
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2002-12-18
Also published as: US20020197523A1; EP1267434A2; CN1391301A

Abstract

사출성형에 의해, 도전성 무기재료 및 수지로 이루어지는 혼합물을 금형 내에 주입하고, 가스유로 또는 냉각수유로를 가진 세퍼레이터를 성형하는 공정 A, 전해질 및 상기 전해질을 끼워 지지하는 한 쌍의 전극으로 이루어지는 접합체를 제작하는 공정 B, 및 상기 세퍼레이터와 상기 접합체를 조합하여, 연료전지를 조립하는 공정 C로 이루어진 연료전지의 제조방법.

Description

연료전지의 제조방법 및 연료전지{Method for producing fuel cell, and fuel cell}

연료전지는, 수소를 함유한 연료가스와, 공기 등의 산소를 함유한 산화제가스를, 전기화학적으로 반응시킴으로써, 전력과 열을 동시에 발생시키는 것이다. 이하에, 그 일반적인 제조공정에 대하여, 고분자 전해질형 연료전지를 예로 들어 설명한다.

우선, 수소이온을 선택적으로 수송하는 고분자 전해질막의 양면에, 백금계의 금속촉매를 담지한 카본분말로 이루어지는 촉매반응층을 형성한다. 다음에, 이 촉매반응층의 바깥면에, 연료가스의 통기성과, 전자전도성을 함께 가진, 예를 들면카본페이퍼로 확산층을 형성한다. 이 확산층과 촉매반응층을 합하여 전극으로 한다.

다음에, 공급하는 가스가 외부로 누출하거나, 연료가스와 산화제가스가 서로 혼합하지 않도록, 전극의 주위에는 고분자 전해질막을 끼워 가스시일재 또는 가스킷을 배치한다. 이 시일재 또는 가스킷을 전극 및 고분자전해질막과 일체화한 것을 전해질막/전극접합체(MEA)라고 한다. MEA의 바깥쪽에는, 이것을 고정함과 동시에 인접한 MEA와 전기적으로 직렬로 접속시키기 위한 도전성 세퍼레이터를 배치한다. 세퍼레이터의 MEA와 접촉하는 면에는, 전극에 반응가스를 공급하고, 생성가스와 잉여가스를 운반하기 위한 가스유로를 형성한다. 가스유로는 세퍼레이터와 별도로 설치할 수도 있지만, 세퍼레이터의 표면에 홈을 형성하여 가스유로로 하는 것이 일반적이다.

이 홈에 연료가스를 공급하기 위해서는, 연료가스를 공급하는 배관을, 사용하는 세퍼레이터의 매수로 분기하고, 그 분기되는 끝을 직접 세퍼레이터의 홈에 이어 넣는 배관치구가 필요하다. 이 치구를 외부 매니폴드라고 한다. 또한, 구조를 보다 간단히 한 것을 내부 매니폴드라고 한다. 내부 매니폴드는, 가스유로를 형성한 세퍼레이터에 형성한 관통구멍으로 이루어지며, 가스유로의 출입구를 그 관통구멍과 연통(連通)시키고, 거기에서 가스유로로 직접 가스를 공급·배출한다.

연료전지는 운전중에 발열하기 때문에, 전지를 적절한 온도로 유지하기 위해서, 냉각할 필요가 있다. 그래서, 1∼3셀마다에, 냉각수의 유통부를 세퍼레이터와 세퍼레이터의 사이에 삽입하거나, 소정의 세퍼레이터의 배면에 냉각수유로를 형성하는 경우가 많다.

MEA와 세퍼레이터를 냉각부를 포함해서 교대로 겹쳐 나가며, 10∼200셀을 적층한다. 이어서, 얻어진 적층체를, 집전판과 절연판을 통해, 한 쌍의 끝단판으로 끼워, 체결 볼트로 고정한다.

종래에, MEA와 세퍼레이터와의 접촉저항을 저감하기 위해서, 또한, 가스시일성을 확보하기 위해서, 1O∼2Okg/cm²정도의 체결압력으로 적층체를 체결하고 있다. 그 때문에 기계적 강도에 뛰어난 금속재료로 이루어지는 끝단판을 사용하여, 체결 볼트에 스프링을 조합하여, 양 끝단으로부터 적층체를 고정하는 것이 일반적이다. 또한, 전극에 공급하는 가스 및 냉각수가, 끝단판의 일부에 접촉하기 때문에, 내식성이 뛰어난 스테인레스강이 끝단판으로 사용된다. 집전판에는, 카본재료보다 도전성이 높은 금속재료를 사용한다. 접촉저항을 저하시키는 관점에서, 집전판의 표면처리를 실시하는 경우도 있다. 양쪽의 끝단판끼리는, 체결 볼트를 통해 전기적으로 접속되어 있기 때문에, 집전판과 끝단판의 사이에는 절연판을 삽입한다.

이러한 고분자 전해질형 연료전지에 사용하는 세퍼레이터는, 도전성이 높고, 높은 가스기밀성을 가지며, 더구나 수소와 산소의 산화환원반응에 의해 부식하지 않도록, 높은 내산성을 가질 필요가 있다. 이러한 이유로부터, 종래, 세퍼레이터는, 절삭가공으로 형성된 가스유로를 가진, 가스불투과성의 치밀한 카본판이 사용되고 있다. 그러나, 이 세퍼레이터는, 매우 고가이다. 또한, 역학적강도가 불충분하다. 특히, 전기자동차의 동력원으로 사용하면, 주행중의 진동이나 충격으로세퍼레이터에 금이 가는 경우가 있다.

근래, 스테인레스강판 등의 금속판을 세퍼레이터에 사용하는 시도가 있다. 그러나, 세퍼레이터는, 고온에서 산화분위기에 노출되기 때문에, 금속판으로 이루어지는 세퍼레이터를 장기간 사용하면, 금속판의 부식이 일어난다. 금속판이 부식하면, 부식부분의 전기저항이 증대하여, 전지출력이 저하한다. 또한, 금속판으로부터 녹아 나온 금속이온이 고분자 전해질막에 확산하여, 그 이온교환사이트에 트랩되면, 고분자 전해질 자체의 수소이온전도성이 저하한다. 이러한 열화를 피하기 위해서, 금속판의 표면에는, 금도금이 실시된다. 그러나, 금도금을 실시한 금속판으로 이루어진 세퍼레이터는 비용이 상승한다고 하는 문제가 있다.

가스유로패턴을 가진 금형으로 도전성수지를 열프레스하여 제조된 세퍼레이터도 사용하고 있다. 예를 들면, 일본 특개평6-333580호 공보에 제안되어 있는 바와 같이, 에폭시수지 등의 열경화성수지와 금속분말로 이루어지는 도전성수지로 제작한 세퍼레이터가 검토되고 있다. 또한, 열가소성수지와 도전성분말로 이루어지는 도전성수지의 사용도 검토되고 있다. 단, 열가소성수지를 사용할 경우, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 등은, 내열성이 불충분하고, 폴리부틸렌테레프탈레이트는, 가수분해 등의 문제가 발생한다. 또한, 폴리페닐렌술파이드나 액정폴리머는, 도전성과 성형성의 양립이 곤란하다. 또한, 성형성이 양호하고 내열성도 있는 다음 식의 폴리아미드수지:

또는

를 사용한 경우라도, 가스발생이나 치수안정성에 문제가 생긴다.

또한, 도전성수지를 열프레스하여 세퍼레이터를 제조할 경우, 생산성이 향상하지 않기 때문에, 저비용화하기 위해서는 대폭적인 설비투자가 필요하다. 왜냐하면, 열경화성수지를 사용할 경우에는, 뜨겁게 한 금형 중에, 열경화성수지가 경화할 때까지 도전성수지를 유지시켜 둘 필요가 있기 때문이며, 그 시간은 짧아도 수분간이다. 열가소성수지를 사용하는 열 프레스성형의 경우라도, 연화하고 있는 열가소성수지가 경화할 때까지 금형을 냉각하고 나서, 성형체를 꺼낼 필요가 있다. 또한, 이후의 열프레스성형을 하기 위해서는, 냉각한 금형을 재가열할 필요가 있다. 또한, 금형에의 도전성수지가 균일한 투입과, 열프레스 중인 도전성수지의 유동성의 제어가 어렵고, 성형체의 치수정밀도를 관리하는 것도 곤란하다. 실용상으로는, ±50㎛ 정도의 치수정밀도가 한계이다. 세퍼레이터의 치수정밀도가 낮으면, MEA를 적층하여 연료전지의 스택을 제작하였을 때, 가스시일재 또는 가스킷에 의한 가스시일성이 불충분하다.

본 발명은, 사출성형에 의해, 도전성 무기재료 및 수지로 이루어지는 혼합물을 금형 내에 주입하여, 가스유로 또는 냉각수유로를 가진 세퍼레이터를 성형하는 공정 A, 전해질 및 상기 전해질을 끼워 지지하는 한 쌍의 전극으로 이루어지는 접합체를 제작하는 공정 B, 및 상기 세퍼레이터와 상기 접합체를 조합하여, 연료전지를 조립하는 공정 C로 이루어지는 연료전지의 제조방법에 관한 것이다.

도 1은, 식(1)로 나타내는 폴리아미드의 장쇄 디아민구조 중의 탄소수 l과, 폴리아미드의 융점(X), 분해온도(Y) 및 성형가능온도(Z)와의 관계를 도시한 도면이다.

도 2는, 식(1)로 나타내는 구조를 가지며, 탄소수 l이 9인 폴리아미드(PAl), 식(2)로 나타내는 구조를 가진 폴리아미드(PA46), 식(3)으로 나타내는 구조를 가진 폴리아미드(PA6T) 및 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)와, 그 흡수율과의 관계를 도시한 도면이다.

도 3은, 폴리아미드(PA1), 폴리아미드(PA46) 및 폴리아미드(PA6T)의 치수변화율을 도시한 도면이다.

도 4는, 폴리아미드(PA1)의 용융온도와 용융점도와의 관계(A), 폴리아미드 (PA6T)의 용융온도와 용융점도와의 관계(B), 및 폴리아미드(PA46)의 용융온도와 용융점도와의 관계(C)를 도시한 도면이다.

도 5는, MEA의 구조를 도시한 단면도이다.

도 6은, 본 발명의 실시예 1로 제작한 세퍼레이터(S1)의 산화제가스유로측의 상면도이다.

도 7은, 본 발명의 실시예 1로 제작한 세퍼레이터(S1)의 연료가스유로측의 상면도이다.

도 8은, 본 발명의 실시예 1로 제작한 세퍼레이터(S2) 또는 (S3)의 냉각수유로측의 상면도이다.

도 9는, 세퍼레이터(S1)의 제작에 사용한 금형의 핀 게이트의 위치를 도시한 도면이다.

도 10은, 본 발명의 실시예 6으로 제작한 세퍼레이터(S11)의 산화제가스유로측의 상면도이다.

도 11은, 본 발명의 실시예 6으로 제작한 세퍼레이터(S11)의 연료가스유로측의 상면도이다.

도 12는, 본 발명의 실시예 6으로 제작한 세퍼레이터(S22) 또는 (S33)의 냉각수유로측의 상면도이다.

도 13은, 매니폴드구멍을 형성한 실시예 6에 관한 MEA의 상면도이다.

도 14는, 실시예 6의 연료전지의 출력과 구동시간과의 관계를 도시한 도면이다.

도 15는, 실시예 7의 연료전지의 출력과 구동시간과의 관계를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

501 : 촉매층 502 : 확산층

503 : 전극 504 : 수소이온 전도성 고분자 전해질막

505 : MEA 601, 701, 801, 1001, 1101, 1201 : 홈부

602, 702, 802, 1002, 1102 : 리브부

606 : 필름형상 게이트 S1, S2, S3, S11, S22, S33 : 세퍼레이터

603a,803a,1003a,1203a : 산화제가스입구 매니폴드구멍

603b,803b,1003b,1203b : 산화제가스출구매니폴드구멍

604a,804a,1004a,1204a : 연료가스입구매니폴드구멍

604b,804b,1004b,1204b : 연료가스출구매니폴드구멍

605a,805a,1005a,1205a : 냉각수입구매니폴드구멍

605b,805b,1005b,1205b : 냉각수출구매니폴드구멍

1202 : 볼록부 1302 : 전극과의 접촉부분

상기 공정 A는, 상기 금형에 10kHz 이상의 진동을 주면서, 상기 혼합물을 상기 금형내에 주입하는 공정으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 사출성형은, 사출압축성형인 것이 바람직하다.

상기 금형은, 필름형상 게이트를 가지며, 상기 필름형상 게이트는, 상기 금형내의 세퍼레이터수용부(캐버티부)가 위치한 평면을 따라 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 금형은, 복수의 핀 게이트를 가지며, 상기 복수의 핀 게이트는, 각각 상기 금형내의 세퍼레이터수용부가 위치한 평면에 실질적으로 수직으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 금형은, 핫 러너 금형인 것이 바람직하다.

상기 수지는, 열가소성수지로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 열가소성수지는, 폴리페닐렌술파이드, 액정폴리머, 폴리프로필렌 및 폴리아미드로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 폴리아미드는, 식(1) :

(단, l은 5이상의 정수, 중합도를 나타내는 m은 100이상의 정수)로 표시되는 아미드구조를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 도전성 무기재료는, 흑연으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 금형내에서의 상기 혼합물의 유동방향은, 형성하고자 하는 세퍼레이터의 가스유로 또는 냉각수유로의 최장 직선부분에 대하여, 실질적으로 평행한 것이 바람직하다.

본 발명은, 또한, 상기 방법으로 제조된 연료전지에 관한 것이다. 즉, 본 발명은, 전해질, 상기 전해질을 끼워 지지하는 한 쌍의 전극, 한쪽의 전극에 연료가스를 공급하는 연료가스유로를 가진 양극측 세퍼레이터, 및 다른 쪽의 전극에 산화제가스를 공급하는 산화제가스유로를 가진 음극측 세퍼레이터로 이루어지는 연료전지로서, 상기 양극측 세퍼레이터 및 음극측 세퍼레이터로부터 선택되는 적어도 한쪽의 세퍼레이터가, 도전성 무기재료 및 수지로 구성된 혼합물로 이루어지며, 상기 적어도 한쪽의 세퍼레이터가, 사출성형에 의해 얻어진 상기 혼합물의 성형체인 연료전지에 관한 것이다.

본 발명의 연료전지는, 예를 들면, 포터블전원, 전기자동차용 전원 또는 가정내 코제너레이션 시스템에 사용이 가능하다.

본 발명은, 연료전지에 사용하는 도전성 세퍼레이터로서, 수지 및 도전성무기재료로 이루어지는 혼합물(이하, 도전성수지라고 함)의, 사출성형법으로 제작한 성형체를 채용한 점에 특징이 있다.

사출성형법에 의하면, 도전성수지의 사출시간은 일순간이며, 도전성수지의 유지, 성형체를 꺼냄, 다음 공정인 세팅을 합한 택트 시간을 1분이내로 하는 것이 가능해진다. 이렇게, 상술한 열프레스성형에 비해서, 사출성형법의 성형택트는 짧고, 보다 염가로 세퍼레이터를 제작할 수 있다. 또한, 사출성형법의 경우, 도전성수지의 이탈 등을 미리 예측하여 금형을 설계해 놓으면, 기본적으로 금형의 형상이 그대로 성형체의 형상에 반영되기 때문에, 성형체의 치수정밀도를, 특히 두께 방향에서 향상시킬 수 있다.

이러한 본 발명의 도전성 세퍼레이터는, 치밀한 카본판 또는 금속판으로 이루어진 세퍼레이터에 비하면 도전성은 비교적 낮다. 그러나, 본 발명의 세퍼레이터는, 사출성형법에 의해 제작되기 때문에, 종래에는 가스유로 등을 형성하기 위해서 필요했던 절삭가공이 불필요해지고, 생산성이 향상한다.

충분한 도전성을 세퍼레이터에 부여하기 위해서는, 도전성수지중의 도전성 무기재료의 함유율을 60중량% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 도전성수지의 유동성은 비교적 낮아진다. 그래서, 도전성 수지를 얻기 위한 도전성 무기재료와 수지와의 혼련공정에는, 고도의 혼련기술이 필요하다. 또, 유동성이 높은 수지의 선택이 필수적이기 때문에, 폴리페닐렌술파이드, 액정폴리머, 폴리프로필렌, 폴리아미드 등을 채용하는 것이 바람직하다.

도전성 무기재료로는, 예를 들면, 평균입자지름 50∼200㎛(일차입자지름 20∼50nm)의 카본분말이나, 평균지름 5∼10㎛이고 평균길이 100∼10000㎛의 카본섬유 등을 사용할 수 있다. 그 중에서도 흑연분말, 흑연섬유, 아세틸렌블랙 등이 바람직하다.

상기 수지 중에서도, 식(1):

(단, l은 5이상의 정수, 중합도를 나타내는 m은 100이상의 정수)로 표시되는 아미드구조를 포함한 폴리아미드가 특히 바람직하다. 또, 상기폴리아미드의 말단은 H, OH 등이다.

이러한 폴리아미드는, 예를 들면, 장쇄 디아민과 프탈산으로 합성할 수 있다. 성형성, 가스기밀성, 내열성 및 치수안정성이 뛰어난 세퍼레이터를 얻기 위해서는, 장쇄 디아민의 탄소수 l은 5이상, 특히 9이상인 것이 바람직하지만, 탄소사슬이 지나치게 길면 폴리아미드의 용융점도가 커지기 때문에, 탄소수 l은 12이하가 바람직하다.

식(1)로 나타내는 구조를 가진 폴리아미드로 이루어지는 도전성수지를 사용할 경우, 에폭시수지 등의 열경화성수지를 경화시키는 경우와 같이, 용융수지를 가열압축상태로 금형내에 장시간 유지할 필요가 없어, 가스발생의 문제도 없다. 또한, 폴리페닐렌술파이드, 액정폴리머 등의 열가소성수지를 사용하는 경우와 같은, 도전성 무기재료를 복합시키는 것에 의한 유동성의 저하나 약화가 억제되어, 성형성과 질김성이 뛰어난 성형체를 얻을 수 있다. 또한, 탄소사슬의 탄소수 l의 보다 작은 폴리아미드를 사용하는 경우와 같이, 성형시의 가스발생도 없고, 성형체의 치수안정성도 우수하다.

도 1에, 식(1)로 나타내는 폴리아미드의 장쇄 디아민구조 중의 탄소수 l과, 폴리아미드의 융점(X), 분해온도(Y) 및 성형가능온도(Z)와의 관계를 나타낸다.

이들 도면으로부터, 식(1)로 나타내는 구조를 가진 폴리아미드는, 그 장쇄 디아민구조 중의 탄소수를 선택함으로써, 성형성 등을 제어할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 폴리아미드를 사용하면, 치수안정성이 양호하고, 최적의 기계적 특성을 가진 세퍼레이터를 얻는 것이 가능하다.

도 2에는, 식(1)로 나타내는 구조를 가지며, 탄소수 l이 9인 폴리아미드 (PA1)와, 그 흡수율(%)과의 관계를 나타낸다. 또한, 도 2에는, 식(2):

로 나타내는 구조를 가진 폴리아미드(PA6T)와, 그 흡수율(%)과의 관계, 식 (3):

으로 나타내어지는 구조를 가지는 폴리아미드(PA6T)와, 그 흡수율(%)와의 관계 및 참고로서 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT)와, 그 흡수율(%)과의 관계를 동시에 나타낸다. 한편, 흡수율의 측정은, ASTM D570법(23℃×24시간)에 따라서 행하였다.

도 3에는, 폴리아미드(PA1), 폴리아미드(PA46) 및 폴리아미드(PA6T)의 치수변화율(%)을 나타낸다. 한편, 치수변화율의 측정은, ASTM D570시험법에 따라서, 온도 23℃에서, 수중침지에 의해 행하였다.

도 4에는, 폴리아미드(PA1)의 용융온도와 용융점도(poise)와의 관계(A)를 나타낸다. 또한, 도 4에는, 폴리아미드(PA46)의 용융온도와 용융점도(poise)와의 관계(C), 및 폴리아미드(PA6T)의 용융온도와 용융점도(poise)와의 관계(B)를 동시에 나타낸다. 용융점도가 낮을수록, 그 수지의 성형성은 양호하다고 할 수 있다.

도전성수지는, 수지와 도전성 무기재료를 혼합하여, 사출성형에 앞서 조제해 두는 것이 바람직하다. 또한, 얻어진 도전성수지는, 펠릿으로 가공하여 작게 나누어 두고, 펠릿마다 용융시켜 사출성형을 실시하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는, 또한, 초고속의 사출성형기를 사용하는 것이 바람직하다. 초고속의 사출성형기를 사용하여도 성형이 곤란한 경우에는, 초음파사출성형을 함으로써, 도전성수지의 유동성을 크게 개선할 수가 있다. 초음파 사출성형에서는, 금형 전체를 초음파진동에 의해 공진시키면서 사출성형을 한다. 특히, 금형에 10kHz 이상의 진동을 주면서 도전성수지를 금형내에 주입하는 것이 바람직하다. 초음파 사출성형에 의하면, 용융한 도전성수지와 금형과의 벽면사이에 미끄러짐이 발생하기 때문에, 도전성수지의 사출시의 저항을 저감할 수 있다. 따라서, 통상의 사출성형과 비교해서, 사출속도를 저감하거나, 도전성수지중의 도전성 무기재료를증량하거나, 금형온도를 낮추거나 하는 것이 가능하다.

초음파 사출성형을 효과적으로 하기 위해서는, 금형 전체를 공진시키기 위한 금형 설계 등이 필요하다. 예를 들어, 금형의 캐버티부(세퍼레이터수용부)를 초음파진동의 변위가 가장 큰 부분과 일치시키고, 금형고정부분이나 사출노즐부분은 초음파진동의 변위가 가장 작은 부분과 일치시킴에 따라, 초음파사출성형의 효과가 커진다. 따라서, 초음파진동자의 위치, 초음파진동자와 금형과의 거리, 초음파의 진폭 및 주파수 등을 고려하여 금형을 설계한다.

초음파 사출성형기를 사용하여도 성형이 곤란한 경우에는, 사출압축성형을 채용하는 것이 바람직하다. 사출압축성형에서는, 금형이 약간 열린 상태로 금형에 도전성수지를 충전하고, 이어서 금형을 닫아 도전성수지를 압축하고, 부형(賦形)한다. 이 때의 압축력을 다단계로 제어함으로써, 도전성수지의 잔류응력과 성형시의 휨을 저감하여, 치수정밀도를 향상시킬 수 있다.

본 발명에서는, 또한, 고도의 금형구성기술을 채용하는 것이 바람직하다. 금형의 러너부는 핫 러너구조인 것이 바람직하다. 이러한 핫 러너금형을 채용함으로써, 용융한 도전성수지가 러너부에서 냉각되고, 경화하는 것을 억제하는 동시에 연속성형을 가능하게 하고, 또한 러너부에서 발생하는 폐재료를 삭감할 수 있다.

또한, 사출시의 도전성수지의 유동성을 향상시키기 위해서, 금형내벽면을 용융한 도전성수지와의 접촉각이 큰 재료로 표면처리하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 수지가 친수성인 경우에는, 금형내벽면을 발수처리하고, 수지가 친유성인 경우에는, 금형내벽면을 친수처리함으로써, 수지와 금형내벽면의 사이에 미끄러짐을 발생시킬 수 있다.

세퍼레이터는, 통상, 두께가 얇고 면적이 크기 때문에, 필름형상 게이트를 사용하여 사출성형을 하는 것이 바람직하다. 필름형상 게이트는, 금형내의 세퍼레이터수용부가 위치하는 평면을 따라 설치하는 것이 바람직하다.

또한, 사출성형시의 도전성수지의 유동성을 좋게 하기 위해서, 금형내에서의 도전성수지의 유동방향을, 형성하고자 하는 세퍼레이터의 가스유로 또는 냉각수유로의 최장 직선부분에 대하여, 실질적으로 평행하게 설정하는 것이 바람직하다. 이것은, 사출성형시의 용융한 도전성수지는, 금형내의 세퍼레이터수용부의 두께가 큰 부분일수록, 흐름성이 양호하기 때문에, 두께가 두꺼운 세퍼레이터의 리브부를 따라 도전성수지를 유동시키는 편이 바람직하기 때문이다. 냉각수유로 또는 가스유로가, 서펜타인형(사행형)유로이더라도, 턴부를 제외한 실질적으로 직선적인 유로부가, 사출시의 도전성수지의 게이트로부터의 유동방향과 실질적으로 평행방향이 되도록 금형 설계를 하는 것이 바람직하다. 또한, 사출시의 도전성수지의 유동방향에 대하여 수직방향의 매니폴드구멍은, 적어도 게이트에 가까운 쪽의 가장자리부에서, r을 가진 것이 바람직하다. 이것은, 가장자리부에 r이 있는 쪽이, 도전성수지의 유동성을 방해하지 않기 때문이다.

금형의 게이트에는, 복수의 핀 게이트를 채용할 수도 있다. 복수의 핀 게이트는, 각각 금형내의 세퍼레이터수용부가 위치하는 평면에 실질적으로 수직으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

[실시예]

실시예 1

(i) MEA의 제작

먼저, 도 5를 참조하면서, 촉매층(501)과 확산층(502)으로 이루어진 전극 (503)의 제작방법을 설명한다.

아세틸렌블랙분말에, 평균입자지름 약 3nm의 백금입자를 담지시켜, 촉매분말을 조제하였다. 촉매분말에 있어서의 백금함유량은 25중량%으로 하였다. 이 촉매분말을 함유한 이소프로판올의 분산액과, 퍼플루오로카본술폰산의 분말을 함유한 에틸알콜의 분산액을 혼합하여, 촉매페이스트를 얻었다. 퍼플루오로카본술폰산에는, 식(4):

을 사용하였다.

한편, 확산층(502)이 되는 카본페이퍼를 조제하였다. 외치수 9cm×20cm, 두께 360㎛의 카본페이퍼(도오레(주)제, TGP-H-120)를, 불소수지를 함유한 수성분산액(다이킨공업(주)제, 네오프론 NDl)에 함침하였다. 이어서, 이것을 건조하여, 400℃에서 30분간 가열함으로써, 카본페이퍼에 발수성을 부여하였다.

이 카본페이퍼(502)의 한쪽의 면에, 촉매페이스트를 스크린인쇄법을 사용하여 도포함으로써 촉매층(501)을 형성하여, 전극으로 하였다. 이 때, 촉매분말과 퍼플루오로카본술폰산의 일부는, 카본페이퍼의 세공(細孔)중에 들어갔다.

전극 중에 포함되는 백금량은, 0.5mg/cm², 퍼플루오로카본술폰산의 양은, 1.2mg/cm²가 되도록 조정하였다.

이어서, 한 쌍의 전극에서, 촉매층(501)을 안쪽으로 하고, 외치수 10cm ×26cm의 수소이온 전도성 고분자 전해질막(504)을 끼워 지지하고, 핫 프레스로 이들을 접합하여, MEA(505)를 얻었다. 여기서는, 수소이온 전도성 고분자 전해질막으로서, 식(5):

로 나타내는 퍼플루오로카본술폰산을 50㎛의 두께로 성형한 것을 사용하였다.

(ⅱ) 세퍼레이터의 제작

60중량%의 피치계 흑연분말(평균입자지름 100㎛)과, 3중량%의 카본블랙분말(일차입자지름 30∼50nm)과, 37중량%의 폴리프로필렌으로 이루어지는 도전성수지(이하, 사출성형용 화합물 또는 간단히 화합물이라고 한다)를 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형을 하고, 치밀하고 가스투과성이 없는 도 6∼9에 나타낸 세퍼레이터를 제작하였다.

사출성형용 화합물은, 80℃에서 3시간 건조 후, 고속사출성형기를 사용하여 성형하였다. 성형조건은, 형(型)체결압력:180ton, 사출압력:최대320MPa, 사출속도:최대 160mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력:약 170MPa, 유지압력시간:약 7sec, 냉각시간:약 50sec, 노즐온도:약 250℃, 금형온도:약 100℃, 1사이클시간:약 60sec으로 하였다.

금형에는, 도 6에 파선으로 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터의 유로를 따라 사출성형용 화합물이 유동하도록, 금형내의 세퍼레이터수용부가 위치한 평면을 따라 필름형상 게이트(606)를 설치하였다.

얻어진 세퍼레이터의 도전성을 측정한 바, 25mΩ·cm이고, 연료전지용 세퍼레이터로서 사용하는 데에 충분한 도전성을 가짐을 확인하였다. 또한, 세퍼레이터의 치수정밀도에 관해서는, 최대 휨량:50㎛, 두께의 치수정밀도:±25㎛이었다. 이들 값은, 세퍼레이터에 공급되는 가스 또는 냉각수를 가스킷에 의해서 시일하기 위해서 필요한 치수정밀도의 한계보다도, 충분히 작은 값이다.

여기서는, 한쪽 면에 산화제가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 연료가스유로를 가진 세퍼레이터(S1)와, 한쪽 면에 산화제가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수유로를 가진 세퍼레이터(S2)와, 한쪽 면에 연료가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수유로를 가진 세퍼레이터(S3)를 제작하였다.

도 6은, 세퍼레이터(S1)의 산화제가스유로측의 상면도이고, 도 7은, 그 뒷편의 연료가스유로측의 상면도이다. 또한, 도 8은, 세퍼레이터(S2) 또는 (S3)의 냉각수유로측의 상면도이다.

각 세퍼레이터의 크기는 10cm×26cm, 두께는 2mm로 하였다. 산화제가스유로 및 연료가스유로의 홈부(601,701)는, 폭 1.9mm이고 깊이 0.7mm의 오목부 형상이고,이 부분을 가스가 유통한다. 또한, 홈부사이의 리브부(602,702)는, 폭 1mm의 볼록부형상이다. 한편, 냉각수유로의 홈부(801)는, 폭 1.9mm이고 깊이 0.5mm의 오목부형상이며, 이 부분을 냉각수가 흘러 통과한다. 또한, 홈부(801)사이의 리브부 802)는, 폭 1mm의 볼록부형상이다.

각 세퍼레이터에는, 산화제가스입구 매니폴드구멍(603a,803a), 산화제가스출구매니폴드구멍(603b,803b), 연료가스입구매니폴드구멍(604a,804a), 연료가스출구매니폴드구멍(604b,804b), 냉각수입구매니폴드구멍(605a,805a), 냉각수출구매니폴드구멍(605b,805b)을 형성하였다. 모든 세퍼레이터에 있어서, 동일종류의 매니폴드구멍끼리는 각각 동일한 크기로 하고, 세퍼레이터의 동일한 위치에 형성하였다.

세퍼레이터(S2)의 냉각수유로측과, 세퍼레이터(S3)의 냉각수유로측을 대면시켜, 도전성 접착제를 사용하여 맞붙임으로써, 한쪽 면에 산화제가스유로를, 다른 쪽 면에 연료가스유로를 가진 냉각수유로장비형 세퍼레이터로 하였다.

(ⅲ) MEA의 가공

MEA의 수소이온 전도성 고분자 전해질막의 소정의 위치에, 산화제가스, 연료가스 및 냉각수용의 매니폴드구멍을 각각 형성하였다. 다음에, 전해질막의 전극과의 접촉부분의 주위와, 매니폴드구멍의 주위에, 불소고무제의 O-링 형상의 가스시일재를 붙였다.

(ⅳ) 연료전지의 제작

한 쌍의 세퍼레이터(S1)를 준비하여, 한쪽의 세퍼레이터의 연료가스유로측과, 다른 쪽의 세퍼레이터의 산화제가스유로측에서 MEA를 끼워 지지하여, 단전지를구성하였다. 이 단전지를 2셀 적층한 후, 상기의 냉각수유로장비형 세퍼레이터를 배치하고, 더욱 그 위에 단전지를 2셀 적층한다고 하는 패턴을 반복하여, 100셀 단전지로 이루어지는 연료전지 스택을 조립하였다.

연료전지 스택의 양 끝단부에는, 표면에 금도금을 실시한 한 쌍의 동제 집전판을 배치하고, 또한 수지제의 절연판을 통해 한 쌍의 SUS제의 끝단판으로 스택을 끼워 지지하고, 체결 로드로 끝단판을 고정하였다. 이 때의 체결압력은, 세퍼레이터의 면적당 1Okgf/cm²로 하였다.

(v) 연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 80℃로 유지하고, 연료가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않는 무부하시에는, 98V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스 누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 작성한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 증명할 수 있었다.

다음에, 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 이 전지의 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 측정하였다. 그 결과, 본 실시예의 전지는, 8000시간 이상에 걸쳐 6kW이상(67V-90A)의 전지출력을 유지하는 것을 확인하였다.

실시예 2

(ⅰ) 세퍼레이터의 제작

62중량%의 천연흑연분말(평균입자지름 100㎛)과, 3중량%의 카본블랙분말(일차입자지름30∼50nm)과, 35중량%의 리니어형 폴리페닐렌술파이드로 이루어지는 사출성형용 화합물을 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형을 하여, 실시예 1에서 제작한 것과 동일한 형상의, 치밀하고 가스투과성이 없는 세퍼레이터를 제작하였다.

사출성형용 화합물은, 80℃에서 3시간 건조후, 초음파 고속사출성형기를 사용하여 성형하였다. 성형조건은, 형체결압력:180ton, 사출압력:최대 320MPa, 사출속도:최대 160mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력:약 170MPa, 유지압력시간:약 7sec, 냉각시간:약 50sec, 노즐온도:약 320℃, 금형온도:약 240℃, 1사이클시간:약 60sec, 인가한 초음파의 주파수 19kHz, 초음파의 진폭:약 20㎛으로 하였다.

이 때, 금형전체를 공진시킴으로써, 금형내에 변위분포를 발생시키 도록 하였다. 또한, 캐버티부를 초음파의 변위파형의 진폭이 가장 큰 가운데 위치와 일치시켜, 초음파의 진동에너지를 가장 효율적으로 금형에 수용되어 있는 세퍼레이터에 부여할 수 있도록 하였다. 또한, 금형의 고정 및 사출유니트의 노즐터치부의 위치를, 초음파의 변위파형의 진폭이 가장 작은 마디의 위치와 일치시켜, 금형 이외에의 진동의 유출을 막아, 금형의 공진상태를 어지럽히지 않도록 하였다.

이러한 초음파 사출성형을 함으로써, 실시예 1에서 사용한 사출성형용 화합물에 비해서 유동성이 낮은 본 실시예의 화합물을 사용하여도, 실시예 1과 같은 형상의 세퍼레이터를 사출성형으로 제작하는 것이 가능하였다.

또, 금형에는, 실시예 1과 같은 필름형상 게이트를 가진 금형을 사용하였다.

얻어진 세퍼레이터의 도전성을 측정한 바, 20mΩ·cm이고, 연료전지용 세퍼레이터로서 사용하는 데 충분한 도전성을 가진 것을 확인하였다. 또한, 세퍼레이터의 치수정밀도에 관해서는, 최대 휨량:50㎛, 두께의 치수정밀도:±25㎛였다. 이들 값은, 세퍼레이터에 공급되는 가스 또는 냉각수를 가스킷에 의해서 시일하기 위해서 필요한 치수정밀도의 한계보다도, 충분히 작은 값이다.

(ⅱ)연료전지의 제작

이상의 방법으로 제조한 세퍼레이터를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 100셀의 단전지로 이루어지는 연료전지를 제작하였다.

(ⅲ)연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 80℃로 유지하고, 연료가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 97.5V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 작성한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 실증할 수 있었다.

다음에, 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 이 전지의 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 측정하였다. 그 결과, 본 실시예의 전지는, 8000시간 이상에 걸쳐 6kW이상(66V-90A)의 전지출력을 유지하는 것을 확인하였다.

실시예 3

(ⅰ)세퍼레이터의 제작

60중량%의 천연흑연분말(평균입자지름100㎛)과, 2중량%의 피치계 흑연섬유(평균지름7㎛, 평균길이6mm)와, 3중량%의 카본블랙분말과, 35중량%의 액정폴리머로 이루어지는 사출성형용 화합물을 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형하여, 실시예 1에서 제작한 것과 같은 형상의, 치밀하고 가스투과성이 없는 세퍼레이터를 제작하였다.

먼저, 금형을 약간 연 상태로, 사출성형용 화합물을 금형내에 사출충전하고, 이어서, 금형을 닫고, 화합물을 압축·부형하였다. 압축력을 다단계로 변화시킴으로써, 성형체의 잔류응력을 저감하도록 하였다.

사출성형용 화합물은, 80℃에서 3시간 건조 후, 사출압축성형기를 사용하여 성형하였다. 성형조건은, 사출 후의 금형압축력:250ton, 사출압력:최대 300MPa, 사출속도:최대 80mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력시간:약 50sec, 노즐온도:약 300℃, 금형온도:약 200℃, 1사이클시간:약 60sec으로 하였다.

이러한 압축사출성형을 함으로써, 실시예 2로 나타낸 사출성형용 화합물에 비해서 유동성이 낮은 본 실시예의 화합물을 사용하여도, 실시예 1에 나타낸 구조와 같은 형상의 세퍼레이터를 사출성형으로 제작하는 것이 가능하였다.

얻어진 세퍼레이터의 도전성을 측정한 바, 22mΩ·cm이고, 연료전지용 세퍼레이터로서 사용하는 데에 충분한 도전성을 가진 것을 확인하였다. 또한, 세퍼레이터의 치수정밀도는 크게 향상하고, 최대 휨량:50㎛, 두께의 치수정밀도:±15㎛을 달성할 수 있었다.

(ⅱ)연료전지의 제작

(ⅲ)연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 80℃로 유지하여, 연료가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 97V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 제작한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 실증할 수 있었다.

이어서, 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 이 전지의 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 측정하였다. 그 결과, 본 실시예의 전지는, 8000시간 이상에 걸쳐 6kW이상(66V-90A)의 전지출력을 유지하는 것을 확인하였다.

실시예 4

(ⅰ)세퍼레이터의 제작

60중량%의 피치계 흑연분말(평균입자지름 100㎛)과, 2중량%의 피치계 흑연섬유(평균지름 7㎛, 평균길이 6㎛)와, 3중량%의 카본블랙분말(일차입자지름 30∼ 0nm)과, 35중량%의 식(1)로 나타내어 l=9의 폴리아미드로 이루어지는 사출성형용 화합물을 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형을 하고, 실시예 1에서 제작한 것과 같은 형상의, 치밀하고 가스투과성이 없는 세퍼레이터를 제작하였다.

사출성형용 화합물은, 80℃에서 3시간 건조후, 핫 러너부의 금형과 고속사출성형기를 사용하여 성형하였다. 성형조건은, 형체결압력:180ton, 사출압력:최대 320MPa, 사출속도:최대 160mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력:약 170MPa, 유지압력시간:약 7sec, 냉각시간:약 50sec, 노즐온도:약 280℃, 게이트온도:사출시 약 270℃, 금형온도:약 200℃, 1사이클시간:약 60 sec으로 하였다.

이러한 압축사출성형을 함으로써, 실시예 1에서 나타낸 사출성형용 화합물에 비해서 유동성이 낮은 본 실시예의 화합물을 사용하여도, 실시예 1에서 나타낸 구조와 같은 형상의 세퍼레이터를 사출성형으로 제작하는 것이 가능하였다.

얻어진 세퍼레이터의 도전성을 측정한 바, 22mΩ·cm이고, 연료전지용 세퍼레이터로서 사용하는 데에 충분한 도전성을 가진 것을 확인하였다.

(ⅱ)연료전지의 제작

이상의 방법으로 제조한 세퍼레이터를 사용한 것 이외에는, 실시예 1과 같은 100셀의 단전지로 이루어진 연료전지를 제작하였다.

(ⅲ)연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 80℃로 유지하고, 연료가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 97V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 제작한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 증명할 수 있었다.

실시예 5

(ⅰ)세퍼레이터의 제작

60중량%의 피치계 흑연분말(평균입자지름 100㎛)과, 3중량%의 카본블랙분말(일차입자지름 30∼50nm)과, 37중량%의 폴리프로필렌으로 이루어지는 사출성형용 화합물을 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형을 하고, 실시예 1에서 제작한 것과 같은 형상의, 치밀하고 가스투과성이 없는 세퍼레이터를 제작하였다.

사출성형용 화합물은, 80℃에서 3시간 건조후, 고속사출성형기를 사용하여성형하였다. 성형조건은, 형체결압력:180ton, 사출압력:최대 320MPa, 사출속도:최대 160mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력:약 170MPa, 유지압력시간:약 7sec, 냉각시간:약 50sec, 노즐온도:약 320℃, 금형온도:약 240℃, 1사이클시간:약 60sec으로 하였다.

여기서는, 세퍼레이터수용부에 실질적으로 수직방향에 31개소의 핀 게이트를 마련한 금형을 사용하여, 세퍼레이터의 유로를 따라 용융수지가 유동하도록 사출성형을 하였다. 예를 들면 세퍼레이터(S1)의 제작의 경우, 핀 게이트의 위치는, 도 9에 나타낸 연료가스 유로측의 위치(901)에 대응시켜 설치하였다.

얻어진 세퍼레이터의 도전성을 측정한 바, 20 mΩ·cm이고, 연료전지용 세퍼레이터로서 사용하는 데에 충분한 도전성을 가진 것을 확인하였다. 또한, 세퍼레이터의 치수정밀도에 관해서는, 최대 휨량:50㎛, 두께의 치수정밀도:±25㎛였다. 이들 값은, 세퍼레이터에 공급되는 가스 또는 냉각수를 시일하기 위해서 필요한 치수정밀도의 한계보다 충분히 작은 값이다.

(ⅱ)연료전지의 제작

(ⅲ)연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 80℃로 유지하고, 연료가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 97.5V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스 누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 제작한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 증명할 수 있었다.

실시예 6

(i)MEA의 제작

먼저, 실시예 1과 같은 조성의 촉매페이스트를 조제하였다. 또한, 확산층이 되는 카본페이퍼에도 실시예 1과 동일한 것을 사용하였지만, 외치수는 8cm×10cm으로 하였다. 카본페이퍼에는, 실시예 1과 같은 방법으로 발수성을 부여하였다. 이 카본페이퍼의 한쪽 면에, 촉매페이스트를 스크린인쇄법을 사용하여 도포함으로써 촉매층을 형성하여, 전극으로 하였다. 이 때, 촉매분말과 퍼플루오로카본술폰산의 일부는, 카본페이퍼의 세공 중에 들어간다. 전극 중에 포함되는 백금량은, 0.5mg/ cm², 퍼플루오로카본술폰산의 양은, 1.2mg/cm²가 되도록 조정하였다.

다음에, 한 쌍의 전극으로, 촉매층을 안쪽으로 하여, 외치수 10cm×20cm의 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 끼워 지지하여, 핫 프레스로 이들을 접합하여 MEA를 얻었다. 여기서도 실시예 1과 같은 수소이온 전도성 고분자 전해질막을 사용하였다.

(ⅱ) 세퍼레이터의 제작

40중량%의 섬유형상 흑연(평균지름 50㎛, 평균길이 0.5mm)과, 40중량%의 아세틸렌블랙과, 20중량%의 식(1):

로 표시되는 아미드구조를 포함한 폴리아미드를 충분히 가열혼련하여, 사출성형용 화합물을 조제하였다. 이 화합물을 사용하여, 이하의 조건으로 사출성형을 하여, 치밀하고 가스투과성이 없는 세퍼레이터를 제작하였다.

성형조건은, 형체결압력:180ton, 사출압력:최대 320MPa, 사출속도:최대 160mm/sec, 사출시간:약 5sec, 유지압력:약 170MPa, 유지압력시간:약 7sec, 냉각시간:약 50sec, 노즐온도:약 280℃, 게이트온도:사출시 약 270℃, 금형온도:약 200℃, 1사이클시간:약 60sec으로 하였다. 금형에는, 실시예 1과 같은 필름형상 게이트를 가진 금형을 사용하였다.

또, 상기 폴리아미드에 있어서, 탄소수 l을 9보다도 작게 하면, 폴리아미드의 융점이 그 분해온도에 접근하기 때문에, 가스발생 등이 일어나고, 사출성형의 안정성이 저하하였다. 한편, 탄소수 l이 9이상인 경우에는, 종래의 폴리아미드 PA46,PA6T)에 비하여 PBT 및 흡수율이 낮고, 치수안정성이 높은 세퍼레이터를 얻을 수 있었다. 또한, 사출성형용 화합물의 용융점도는 PBT와 동등한 레벨을 달성할수 있었다.

여기서는, 한쪽 면에 산화제가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 연료가스유로를 가진 세퍼레이터(S11)와, 한쪽 면에 산화제가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수유로를 가진 세퍼레이터(S22)와, 한쪽 면에 연료가스유로를 가지며, 다른 쪽 면에 냉각수유로를 가진 세퍼레이터(S33)를 제작하였다.

도 10은, 세퍼레이터(S11)의 산화제가스유로측의 상면도이고, 도 11는, 그 뒷편의 연료가스유로측의 상면도이다. 또한, 도 12는, 세퍼레이터 (S22 또는 S33)의 냉각수유로측의 상면도이다.

각 세퍼레이터의 크기는 10cm×20cm, 두께는 4mm으로 하였다. 산화제가스유로 및 연료가스유로의 홈부(1001,1101)는, 폭 2mm이고 깊이 1.5mm의 오목부이고, 이 부분을 가스가 흘러 통과한다. 또한, 홈부사이의 리브부(1002,1102)는, 폭 1mm의 볼록부이다. 한편, 냉각수유로의 홈부(1201)는, 깊이 1.5mm의 오목부이고, 이 부분을 냉각수가 흘러 통과한다. 또한, 홈부(1201)에 형성된 원형의 볼록부(1202)는, 냉각수를 분류시키는 역할을 가진다.

각 세퍼레이터에는, 산화제가스입구매니폴드구멍(1003a,1203a), 산화제가스출구매니폴드구멍(1003b,1203b), 연료가스입구매니폴드구멍(1004a,1204a), 연료가스출구매니폴드구멍(1004b,1204b), 냉각수입구매니폴드구멍(1005a,1205a), 냉각수출구매니폴드구멍(1005b,1205b)를 형성하였다. 모든 세퍼레이터에 있어서, 동일종류의 매니폴드구멍끼리는 각각 같은 크기로 하여, 세퍼레이터의 동일한 위치에 설치하였다.

세퍼레이터(S22)의 냉각수유로측과, 세퍼레이터(S33)의 냉각수유로측을 대면시켜, 도전성 접착제를 사용하여 맞붙이는 것으로, 한쪽 면에 산화제가스유로를, 다른 쪽 면에 연료가스유로를 가진 냉각수유로장비형 세퍼레이터로 하였다.

(ⅲ)MEA의 가공

도 13에 나타낸 바와 같이, MEA의 수소이온 전도성 고분자 전해질막(1301)의 소정의 위치에, 산화제가스입구매니폴드구멍(1303a), 산화제가스출구매니폴드구멍 (1303b), 연료가스입구매니폴드구멍(1304a), 연료가스출구매니폴드구멍(1304b), 냉각수입구매니폴드구멍(1305a) 및 냉각수출구매니폴드구멍(1305b)을 각각 형성하였다. 각 매니폴드구멍은, 각각 각 세퍼레이터에 설치한 동일종류의 매니폴드구멍과 동일한 크기로 하여, 각 세퍼레이터와 동일한 위치에 설치하였다. 다음에, 전해질막의 전극과의 접촉부분(1302)의 주위와, 매니폴드구멍의 주위에, 0-링형상의 가스시일재를 붙였다.

(ⅳ)연료전지의 제작

한 쌍의 세퍼레이터(S11)를 준비하고, 한쪽의 세퍼레이터의 연료가스유로측과, 다른 쪽의 세퍼레이터의 산화제가스유로측에서 MEA를 끼워 지지하여, 단전지를 구성하였다. 이 단전지를 2셀 적층한 후, 상기의 냉각수유로장비형세퍼레이터를 배치하고, 더욱 그 위에 단전지를 2셀 적층하는 패턴을 반복하여, 50셀의 단전지로 이루어지는 연료전지 스택을 조립하였다.

연료전지 스택의 양 끝단부에는, 표면에 금도금을 실시한 한 쌍의 스테인레스강제 집전판을 배치하고, 또한 수지제의 절연판을 통해 한 쌍의 SUS 제의 끝단판으로 스택을 끼워 지지하고, 체결로드로 끝단판을 고정하였다. 이 때의 체결압은, 세퍼레이터의 면적당 1Okgf/cm²로 하였다.

(v)연료전지의 평가

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 85℃로 유지하여, 연료가스유로에 83℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 50V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스 누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예로 작성한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 실증할 수 있었다.

다음에, 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 이 전지의 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 측정하였다. 그 결과를 도 14에 나타낸다. 도 14로부터, 본 실시예의 전지는, 8000시간 이상에 걸쳐 1000W이상(22V-45A)의 전지출력을 유지하는 것을 확인하였다.

실시예 7

사출성형용 화합물에 사용하는 수지로서, 식(1)로 표시되는 구조를 가지며, 장쇄 디아민의 탄소수 l이 11인 폴리아미드를 사용한 것 이외에는, 실시예 6과 같은 세퍼레이터를 제작하여, 그것들을 사용하여 실시예 6과 같은 연료전지를 제작하였다.

이렇게 제작한 고분자 전해질형 연료전지를, 85℃로 유지하고, 연료가스유로에 83℃의 노점이 되도록 가습·가온한 수소가스를, 산화제가스유로에 78℃의 노점이 되도록 가습·가온한 공기를 공급하였다. 그 결과, 전류를 외부에 출력하지 않은 무부하시에는, 50V의 전지개방전압을 얻었다. 또한, 스택의 가스 누출을 측정하였지만, 측정한계이하의 누출량이고, 본 실시예에서 작성한 세퍼레이터의 치수정밀도가 충분한 것을 실증할 수 있었다.

다음에, 연료이용율 80%, 산소이용율 40%, 전류밀도 0.5A/cm²의 조건으로 이 전지의 연속발전시험을 하여, 출력특성의 시간변화를 측정하였다. 그 결과를 도 15에 나타낸다. 도 15로부터, 본 실시예의 전지는, 8000시간 이상에 걸쳐 1000W이상 (22V-45A)의 전지출력을 유지하는 것을 확인하였다.

한편, 본 실시예에서 제작한 세퍼레이터의 치수정밀도 및 성형성은, 실시예 6의 세퍼레이터와 비교하여 우수하였다.

이상의 실시예 1∼7로부터, 본 발명에 의하면, 도전성 무기재료 및 수지로 이루어지는 혼합물(도전성수지)을 금형 내에 주입하고, 가스유로 또는 냉각수유로를 가진 세퍼레이터를 성형함으로써, 종래의 고가의 세퍼레이터의 제조에 비해서, 대폭적인 비용저감을 도모할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 종래의 열 프레스성형법 등으로 세퍼레이터를 제작하는 경우에 비하여, 성형체의 치수정밀도를 대폭 향상시킬 수 있다.

특히, 실시예 6, 7로부터, 본 발명에 의하면, 수지로서 소정의 폴리아미드를사용함으로써, 세퍼레이터의 치수정밀도, 성형성을 더욱 향상시킬 수 있고, 연료전지의 제작에 있어서의 수율의 향상에 큰 효과가 있다.

Claims

사출성형에 의해, 도전성 무기재료 및 수지로 이루어지는 혼합물을 금형 내에 주입하고, 가스유로 또는 냉각수유로를 가진 세퍼레이터를 성형하는 공정 A,

전해질 및 상기 전해질을 끼워 지지하는 한 쌍의 전극으로 이루어지는 접합체를 제작하는 공정 B, 및

상기 세퍼레이터와 상기 접합체를 조합하여, 연료전지를 조립하는 공정 C로 이루어지는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 공정 A가, 상기 금형에 10kHz 이상의 진동을 주면서, 상기 혼합물을 상기 금형내에 주입하는 공정으로 이루어지는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 사출성형이, 사출압축성형인 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금형이, 필름형상 게이트를 가지며, 상기 필름형상 게이트가, 상기 금형 내의 세퍼레이터수용부가 위치한 평면을 따라 형성되어 있는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금형이, 복수의 핀 게이트를 가지며, 상기 복수의핀 게이트가, 각각 상기 금형 내의 세퍼레이터수용부가 위치한 평면에 실질적으로 수직으로 형성되어 있는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금형이, 핫 러너 금형인 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 수지가, 열가소성수지로 이루어지는 연료전지의 제조방법.
제 7 항에 있어서, 상기 열가소성수지가, 폴리페닐렌술파이드, 액정폴리머, 폴리프로필렌 및 폴리아미드로 이루어지는 군에서 선택된 적어도 1종으로 이루어지는 연료전지의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 폴리아미드가, 식:

(단, l은 5이상의 정수, 중합도를 나타내는 m은 100이상의 정수)로 표시되는 아미드구조를 포함하는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 도전성 무기재료가, 흑연으로 이루어지는 연료전지의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 금형 내에서의 상기 혼합물의 유동방향이, 형성하고자 하는 세퍼레이터의 가스유로 또는 냉각수유로의 제일 긴 직선부분에 대하여, 실질적으로 평행한 연료전지의 제조방법.
전해질, 상기 전해질을 끼워 지지하는 한 쌍의 전극, 한쪽의 전극에 연료가스를 공급하는 연료가스유로를 가진 양극측 세퍼레이터, 및 다른 쪽의 전극에 산화제가스를 공급하는 산화제가스유로를 가진 음극측 세퍼레이터로 이루어지는 연료전지로서,

상기 양극측 세퍼레이터 및 음극측 세퍼레이터로부터 선택되는 적어도 한쪽의 세퍼레이터가, 도전성 무기재료 및 수지로 이루어지는 혼합물로 이루어지며,

상기 적어도 한쪽의 세퍼레이터가, 사출성형에 의해 얻어진 상기 혼합물의 성형체인 연료전지.