KR20030030885A

KR20030030885A - 연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법

Info

Publication number: KR20030030885A
Application number: KR1020020060982A
Authority: KR
Inventors: 조통래; 소오이치 사또오
Original assignee: 조통래; 소오이치 사또오
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2003-04-18
Also published as: KR100485285B1; JP2003126858A

Abstract

본 발명의 과제는 탄화공정 및 절삭공정을 거치지 않고 가스불투과성, 전기도전성, 열전도성, 기계강도, 내산성등의 재료특성이 우수하고 치수의 정밀도가 높은 골(溝)(가스유로)을 만들 수 있고, 균일하고 두께가 엷은 연료전지용 세퍼레이터(특히 고체고분자형연료전지용 세퍼레이터) 및 그 제조방법을 제공하는 것이다. 본 발명은 평균입경이 일정범위인 흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)등을 가지고 조입(造粒)하여 조립물을 얻은 후 이 조입물(造粒物)을 원료로해서 성형하는 (사출성형 혹은 압축성형한다) 것을 특징으로 하는 성능이 좋은 연료전지용(특히 고체고분자형연료전지용)세퍼레이터 및 그 제조방법이다.

Description

연료전지용 세퍼레이터 및 그 제조방법{The production procedure for separator of fuel cell}

본 발명은 연료전지(특히 고체고분자형연료전지)의 세퍼레이터 및 그 제조법에 관한 것이다.

연료전지 예를 들면 고체고분자형연료전지는 고체고분자막(듀폰사의 나피온막 및 다우케미칼사의 다우막등)을 전해질막으로 사용하여, 이 전해질막의 양측에 두께 0.1∼0.3mm정도의 폴러스(다공질)한 흑연질로 막을 만들고, 이 막 표면에 전극촉매로서 백금합금촉매를 담지(擔持)시키고 있다. 또 앞서 기술한 흑연질막의 외측에는 가스유로인 골(溝)이 형성된 두께 1∼3mm정도의 다공질 흑연판과 두께 0.5mm정도의 치밀질탄소판인 평판세퍼레이터를 순차적으로 배치해서 셀을 구성 한다든가 가스유로인 골(溝)이 만들어진 두께 1∼3mm정도의 치밀탄소판인 세퍼레이터를 배치해서 셀을 구성하고 있다.

앞서 기술한 평판세퍼레이터에는 산소 수소에 대한 가스불투과성, 전기도전성, 열전도성, 기계강도, 내산성등이 요구된다. 또 자체에 골(溝)을 갖은 세퍼레이터는 평판세퍼레이터가 갖는 요구성능을 반듯이 갖어야 할 뿐만 아니라, 가스유로의 치수(크기)가 아주 정밀하여야 한다.

이와 같은 세퍼레이터는 페놀수지 및 흑연분말의 성형판을 탄화 혹은 흑연화처리 해서 평판을 만든다던가 절삭가공에 의해 평판의 표면에 골(溝)을 만드는 방법으로 제조 되었다. 또 페놀수지 대신에 석유 또는 석탄계피치를 사용해서 같은 방법으로 제조 되고 있다.

그러나 세퍼레이터의 두께방향으로의 높은 도전성을 달성하기 위해서는 페놀수지 및 피치와 흑연분말의 성형판을 탄화하여, 페놀수지 및 피치의 낮은 도전성을 해소 할 필요가 있다. 따라서 세퍼레이터의 제조에는 탄화공정이 필요하며, 미소성(未燒成)(즉 비탄소질)의 수지를 함유하는 성형체로서는 도저히 연료전지 세퍼레이터에 공급 가능한 도전성에는 미치지 못한다. 그리고 이 공정은 탄화후의 판의 갈라짐 등에 의해 생산율의 저하 및 탄화후 판의 수축등에 의해 평판세퍼레이터 및 골(溝)을 갖는 세퍼레이터 모두 절삭가공이 필요하게 되여 가격이 비싸진다. 더구나 탄화공정에 의해 가스에 대한 불투과성이 손상되는 경우가 많다.

따라서 본 발명의 목적은 탄화공정 및 절삭공정을 거치지 않고, 가스불투과성, 전기도전성, 열전도성, 기계강도, 내산성등의 재료특성이 우수하고, 치수가 정밀한 골(溝)(가스유로)을 형성할 수 있고, 균일하고 두께가 엷은 연료전지용 세퍼레이터(특히 고체고분자형연료전지용 세퍼레이터) 및 그 제조법을 제공하는 것이다.

또 본 발명의 다른 목적은 용융혼연(溶融混練)한 조입물(造粒物)의 유동성을높여, 골(溝)이 있는등 복잡하면서도 얇은(2.0mm이하 혹은 1.5mm이하) 연료전지용 세퍼레이터이면서 성형이 쉽고, 재료특성의 오차가 적고, 더 나아가 두께방향의 도전성이 높은 성형체이다.) 연료전지용 세퍼레이터를 제공하는 것이다.

본 발명자들은 상기 목적을 달성하기 위해서 예의검토한 결과 평균입경이 일정범위의 흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)등으로 조입(造粒)해서 조입물(造粒物)을 얻은 후, 이 조립물을 원료로 해서 성형 (사출성형 또는 압축성형한다)하면 탄화공정 및 절삭공정을 거치지 않고도 성능이 높은 연료전지용(특히 고체고분자형연료전지용)세퍼레이터를 얻을 수 있는 것을 발견하여 본 발명을 완성하였다. 본 발명은 구체적으로는 전술한 청구항에 기재(記載)한 발명이다.

(용어의 설명)

·흑연입자란 흑연질의 입자(MCMB메소카본 마이크로비스의 흑연화품, 천연흑연, 인조흑연등)를 의미한다. 높은 도전성을 갖는 한 흑연구조를 갖을 필요는 없으나, 높은 결정성의 흑연구조를 갖는 것이 바람직하다. 흑연입자의 형상은 구형, 타원형, 판상, 비늘상등이 있다. 그리고 흑연입자는 흑연조입자(黑鉛粗粒子)만의 집합체의 경우, 혹은 흑연조입자(黑鉛粗粒子)와 흑연세입자(黑鉛細粒子)의 혼합체인 경우도 있다. 입자란 특별히 언급하지 않은 한 입자의 집합체를 말하지만 단일 입자의 경우도 있다.

또 흑연조입자(黑鉛粗粒子)와 흑연세입자의 혼합체 평균입자경이 55∼65㎛일 때, 흑연조입자(黑鉛粗粒子)와 흑연세입자의 혼합체는 혼합체라고도 생각 할 수 있으며, 혹은 흑연조입자(黑鉛粗粒子)단체라고도 생각 할 수 있으나, 본명세서에서는혼합물이라는 것이 증명되면 전자라고 생각하고, 증명되지 않으면 후자라고 생각하는 것으로 한다.

·흑연조입자(黑鉛粗粒子)란 평균입자경이 55∼65㎛의 흑연입자를 말한다.

·흑연세입자(黑鉛細粒子)란 평균입자경이 55㎛미만의 흑연입자를 말한다. 흑연세입자의 평균입자경은 예를 들면 통상 5∼40㎛이고, 좋은 것은 5∼30㎛, 더 좋은 것은 10∼20㎛이다.

·대입경흑연입자(大粒徑黑鉛粒子)란 평균입자경이 65㎛ 넘는 흑연질의 입자를 말한다.

·비탄소질수지(非炭素質樹脂)(단지 수지라고도 한다.)란 일종의 수지(바인다)이고 탄화처리 또는 흑연화처리를 한 수지는 제외한다. 비탄소질수지(非炭素質樹脂)에는 예를 들면 열경화성수지, 열가소성수지, 열경화성수지 및 열가소성수지로부터 선택된 적어도 일종(一種)의 수지이다.

또 고체고분자형연료전지의 작동온도는 통상 80℃정도이다. 그 때문에 고온에서 내구성이 높은 수지(예를 들면 가수분해에 의해 생성되기 어려운 엔지니어링 프라스틱등)가 좋다. 특히 내약품성 및 강도가 높은 수지이어야 하며, 예를 들면 열경화성수지로서는 페놀수지, 디아릴프타래이트수지, 또 열가소성수지로서는 성형성, 내약품성, 내구성, 기계적강도등의 점에서 포리페닐랜설파이드계수지, 불소계수지등이 좋다.

·D란 흑연입자(흑연조입자(黑鉛粗粒子)의 경우도 흑연세입자의 경우를 포함.)의 평균입경(㎛)를 말한다.

·D1이란 흑연조입자(黑鉛粗粒子)의 평균입경(㎛)을 말한다.

·D2란 흑연세입자의 평균입경(㎛)을 말한다.

·체적저항이란 특별히 언급하지 않은 한, 평판상세퍼레이터의 두께방향의 체적저항(Ω㎝)을 말한다.

·Rv란 세퍼레이터의 두께 방향의 체적저항(Ω㎝)을 말한다.

·Rh란 세퍼레이터의 평판방향의 체적저항(Ω㎝)을 말한다.

·도전미입자(導電微粒子)란 도전성수지등의 도전성재료의 미입자이고, 평균입자경이 통상 5∼100㎚, 좋은 것은 10∼70㎚, 더 좋은 것은 10∼60㎚, 더욱 더 좋은 것은 10∼35㎚이다. 도전미입자(導電微粒子)를 혼입하는 이유는 혼합물의 점성을 조절하기 위한 것이고, 도전미입자(導電微粒子)의 혼입량이 많아 질수록 혼합물의 점성은 높아진다. 도전재료를 사용하는 것은 연료전지용 세퍼레이터의 도전성을 높이기 위한 것이다.

·S1이란 흑연조입자(黑鉛粗粒子)의 BET비표면적(㎡/g)을 말한다. S1은 통상 0.5∼10㎠/g, 좋은 것은 1.0∼5.0㎠/g 더 좋은 것은 2.0∼5.0㎠/g이다. 이 이유는 비표면적이 작으면 수지량을 크게 저감(低減) 하여도, 가스투과성이 작고, 일체성(一體性) 및 기계적강도가 높은 평판상세퍼레이터을 형성 할 수 있다.

·S2란 흑연세입자의 BET비표면적(㎡/g)을 말한다. S2는 통상 1∼10㎠/g, 좋은 것은 2∼8㎠/g, 더 좋은 것는 2.0∼5.0㎠/g이다. 비표면적이 작은 흑연세입자를 이용하면 비탄소질수지(非炭素質樹脂)의 함유량이 적어도, 두께방향의 도전성이 높은 고강도, 가스불투과성의 연료전지용 세퍼레이터를 제조 할 수 있다.

·DBT흡유량(吸油量)이란 디부칠프타레이트(DBT)를 사용한 흡유량(吸油量)(㎖/100g)을 말한다. DBT흡유량(吸油量)이 적으면, 수지가 흑연입자에 함침(含浸)하기 어렵기 때문에 세퍼레이터의 수지량을 줄일 수 있다.

흑연조입자(黑鉛粗粒子) 또는 흑연세입자의 DBT흡유량(吸油量)은 통상 50∼100, 좋은 것은 60∼70(㎖/100g)이다.

(발명의 실시의 형태)

본 발명의 연료전지용 세퍼레이터는 소성(燒成)하지 않는 비탄소질수지(非炭素質樹脂)와 흑연입자등으로 구성 된다. 그 때문에 비탄소질수지(非炭素質樹脂)를 함유하는 수지조성물은 연료전지용 세퍼레이터에 대응한 특성 (예를 들면 체적저항, 굴곡강도, 열전도율등 (특히 시트형태인 두께방향의 체적저항, 굴곡강도, 두께방향의 열전도율등))을 갖고 있고, 이들의 특성이 우수하다고 하는 특징을 갖는다. 본 발명의 연료전지용 세퍼레이터는 구체적으로 다음과 같은 발명이다.

본 발명은 흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)로 되어 있고, 흑연입자/비탄소질수지(非炭素質樹脂)의 비율이 90/10∼75/25인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

흑연입자/비탄소질수지(非炭素質樹脂)의 비율이 95/5∼70/30 (통상은 95/5∼70/30, 좋은 것은 90/10∼75/25, 더욱 좋은 것은 85/15∼80/20)이다. 흑연입자가 너무 적으면, 두께방향의 체적저항이 높아지고, 수지가 과다하면 세퍼레이터의 강도(특히 세퍼레이터의 굴곡 강도)가 부족하여지므로 바람직하지않다. 흑연입자의 함유량에 대해서는 흑연입자의 함유량이 적으면 세퍼레이터의 도전성 및 열도전성이 저하하고, 흑연입자의 함유량이 많으면 굴곡강도가 저하하고, 세퍼레이터의 가스투과율도 크게 된다. 이 범위의 수치를 조절하면 도전성, 기계적강도 및 열도전성등의 판상(板狀)세퍼레이터의 물성(物性)을 향상시킬 수 있다.

흑연입자의 평균입자경이 55∼65㎛인 것을 특징으로 하는 청구항1 기재(記載)의 연료전지 세퍼레이터를 제공한다.

흑연입자의 평균입자경은 통상 55∼70㎛, 좋은 것은 55∼65㎛, 더 좋은 것은 57.5∼62.5㎛이다.

이것은 이론적으로는 흑연입자의 평균입자경이 클수록 연료전지용 세퍼레이터의 두께방향의 체적저항이 작아진다. 즉 흑연입자의 평균입자경이 50∼120㎛의 범위에서는, 이론적으로는 평균입자경이 증가하면 두께방향의 체적저항은 완만하게 감소한다. 이 이유는 성형후의 세퍼레이터의 체적저항은 흑연입자간의 접촉부분의 접촉저항에 크게 좌우되는 것이라고 생각되어지며, 흑연입자의 평균입자경이 클수록 흑연의 접촉부분의 수가 적어지게 되고 또 접촉부분의 접촉면적이 크게 되므로, 전체의 접촉저항이 적어지기 때문이라고 생각된다.

따라서 두께방향의 체적저항이 큰 세퍼레이터를 얻을 려면, 흑연입자의 평균입자경을 예를 들면 100㎛이상으로 크게 할 필요가 있는 것으로 이론적으로 생각 할 수 있다.

그러나 실제로 가압성형 혹은 사출성형등으로 성형 할 경우, 흑연입자의 평균입자경을 크게 하면 (예를 들면 65㎛를 초과하면) 흑연입자 서로가 물려서 혼합유체의 유동성이 나빠져 성형작업이 곤란해진다. 그 때문에 특히 두께가 얇은 세퍼레이터를 제조하는 경우에는 물성의 불균일성이 크게 되어, 의외로 성형체인 세퍼레이터의 두께방향의 체적저항이 오히려 나빠지는 것으로 판명 되었다.

그러나 발명자들은 오히려 역으로 평균입자경을 작게 함으로서 (65㎛이하의 본 발명의 수치범위) 연료전지용 세퍼레이터의 성능중 하나인 체적저항이 다소 커지는 성능저하를 미리 예상했음에도 불구하고, 본 발명의 수치범위를 선정하여 성형성을 개선한 방법이 일체성형체(一體成形體)인 연료전지용 세퍼레이터의 두께방향의 체적저항은 같던가, 오히려 향상 한다는 것이 판명되어 본 발명을 하게 되었다.

흑연입자의 평균입자입경이 65㎛ 넘으면, 흑연입자 서로가 물려서 혼합유체의 점성이 높아지고 혼합유체의 유동성이 나빠져 그 결과 성형이 곤란하게 된다.

한편 흑연입자의 평균입자경입이 55㎛ 미만에서 설험해 보면, 평균입자경입이 65㎛을 넘은 경우와 같이 혼합유체의 점성이 커지고, 혼합유체의 유동성이 나빠져 그 결과 성형작업이 곤란해진다. 성형작업이 곤란해지면 거기에 수반되어 물성의 불균일성이 커져서, 세퍼레이터의 두께방향의 체적저항이 오히려 커지는 것으로판명되었다.

흑연입자가 평균입자경이 55∼65㎛의 흑연입자와 평균입자경이 55㎛미만의 흑연세입자의 혼합체이며, 평균입자경이 55∼65㎛의 흑연입자/평균입자경이 55㎛미만의 흑연세입자의 비율이 100/0∼50/50(통상은 100/0∼50/50, 좋은 것은90/10∼60/40)인 것을 특징으로 하는 청구항1 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

흑연입자가 평균입자경이 55∼65㎛의 흑연입자와 평균입자경이 55㎛미만의 흑연세입자의 혼합체로 하는 것은 이하(以下)의 이유이다. 흑연세입자를 가하면 충진된 흑연조입자(黑鉛粗粒子)간의 공극(空隙)을 흑연세입자가 메움으로서, 수지함유량을 줄일 수 있고, 흑연입자의 도전재료의 충전밀도가 높아져 세퍼레이터의 도전성을 크게 할 수 있다. 흑연세입자는 흑연조입자(黑鉛粗粒子)간의 공격에의 충전도가 높기때문에, 효율 좋게 세퍼레이터의 도전성을 높일 수 있다. 흑연조입자(黑鉛粗粒子) 및 흑연세입자의 평균입자경은 분쇄조작과 분급조작에 의해 임의로 조정할 수 있다.

흑연조입자(黑鉛粗粒子)와 흑연세입자의 조합에 의해 성형시에 흑연입자의 고밀도충전이 가능하게 되어, 연료전지용 세퍼레이터에 높은 도전성을 유효하게 부여 할 수 있다. 또한 자기윤활성(自己潤滑性)이 높은 흑연세입자의 첨가에 의해 성형시의 내부응력이 완화되여 응력변형이 잔존하기 어렵게 되어, 세퍼레이터에 휨이나 변형이 생기는 것을 방지할 수 있다.

적어도 비표면적이 적은 흑연입자(흑연조입자(黑鉛粗粒子)는 입자경이 크고 비표면적은 적다. 흑연세입자라도 MCMB등과 같이 비표면적이 적은 것도 있다.)를 사용하면 흑연입자표면과 용융수지의 유체저항이 줄어 혼합체의 점성이 감소한다.

흑연세입자의 비표면적은 통상은 1∼10㎠/g, 좋은 것은 2∼8㎠/g) 더 좋은 것은 2.0∼5.0㎠/g이다. 이와 같이 해서 비탄소질수지(非炭素質樹脂)의 함유량이적어도 일체성(一體性), 기계성강도가 높은 세퍼레이터를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 탄화 또는 흑연화공정을 거치지 않고 높은 도전성 및 열도전성의 세퍼레이터를 얻을 수 있다.

흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂) 이외에 도전미입자(導電微粒子)를 함유하고, 도전미입자/(도전미입자(導電微粒子)+비탄소질수지(非炭素質樹脂))의 비율이 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 청구항1∼3 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

게다가 도전미입자(導電微粒子)를 가하면 직쇠상의 수지분자에 도전성수지의 연쇠구조가 복합해서, 가교제로서 작용함으로서 수지의 점도를 높일 수 있다. 그 결과 성형압력분포 및 원료페렛(pellet)의 충전밀도의 흐트러짐(달라짐)에 기인하는 제품의 수지의 편재(偏在) 및 편석(偏析)을 일으키기 어렵고, 게다가 과잉의 수지를 필요로 하지 않으므로, 성형에 필요한 수지량을 저감 할 수 있어, 도전성을 더욱 더 높일 수 있다. 예를 들면 55∼65㎛의 흑연입자로 구성되는 세퍼레이터는 유동성이 높아서 복잡하고 얇은 판상체라도 균일하고 쉽게 성형 할 수 있다. 또 흑연입자는 구상입자이어야 할 필요는 없고, 무정형입자이어도 좋고, 입도분포의 균일도가 높고 비표면적을 작게 설계하는 것이 중요하다.

더 나아가 앞의 성분으로 구성된 세퍼레이터원료의 조성물(수지복합재료)에는 필요에 따라 커프링제, 이형제, 윤활제, 가소제, 경화제, 경화조제, 안정제등의 다른 성분을 적당히 배합해도 좋다.

도전미입자(導電微粒子)/(도전미입자(導電微粒子)+비탄소질수지(非炭素質樹脂))의 비율이 0.2 이하인 이유는 도전미입자(導電微粒子)의 배합량이 0.2를 넘으면 수지의 점성이 너무 높아, 보다 높은 성형압력을 필요로해서 좋은 성형체를 얻기 어려워지기 때문이다.

체적저항이 0.03Ω㎝이하인 것을 특징으로 하는 청구항1∼4 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

세퍼레이터의 체적저항은 작을수록 좋으나, 본 발명의 제조법에 의해 0.03Ω㎝이하를 달성할 수 있었고, 더 나아가 미리 제조한 조입물(造粒物)을 원료로해서 성형함으로서 0.02Ω㎝이하, 더 나아가 0.015Ω㎝이하, 더 나아가서 0.010Ω㎝이하를 달성하였다.

두께가 2㎜이하인 것을 특징으로 하는 청구항1∼5 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

연료전지용 세퍼레이터는 일정 이상의 재료특성을 만족하고, 또 얇은 것이 좋은 조건이다. 본 발명에서는 두께가 2㎜이하, 좋은 것은 1.5㎜이하, 더 좋은 것은 1.0mm이하이다.

골(溝) 혹은 凹凸부가 일체형성(一體形成)된 것을 특징으로 하는 청구항1∼6기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

본 발명에 의하면 고체고분자형연료전지용 세퍼레이터는 골(溝) 혹은 凹凸부를 가지고 있으면서 정밀도가 좋고 또한 효율이 좋게 제조 할 수 있다.

사출성형 혹은 압축성형하는 것을 특징으로 하는 청구항1∼7 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제공한다.

본 발명에 의하면 탄화공정 및 절삭공정을 거치지 않고, 가스불투과성, 전기도전성, 열전도성, 기계강도, 내산성등의 재료특성이 우수하고, 치수의 정밀도가 높은 골(가스 유료)을 형성 할 수 있고, 균일하고 두께가 얇은 연료전지용 세퍼레이터(특히 고분자형연료전지용 세퍼레이터) 및 그 제조방법을 제공 할 수 있다.

청구항1∼8기재(記載)의 연료전기용 세퍼레이터를 이용한 연료전지을 제공한다.

청구항1∼8기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 이용해서 연료전지(특히 고체고분자형연료전지)를 만들 수 있다.

또한 본 발명은 도전미입자(導電微粒子) 및/ 또는 흑연세입자와 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)등을 예비혼합해서, 예비분산체를 얻은 후 얻은 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)로 조입(造粒)해서 얻은 조입물(造粒物)을 원료로한 성형방법에 의한 일체성형품(一體成形品)인 연료전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 성형법은 관용(慣用)의 성형법을 사용하면 좋고, 예를 들면 사출성형법 또는 압축성형법에 의해 탄화공정 혹은 절삭공정을 거치지 않고, 가스불투과성, 전기도전성, 열전도성, 기계강도, 내산성등의 재료특성이 우수한 연료전지용 세퍼레이터를 제조할 수 있다.

도전미입자(導電微粒子) 및/ 또는 흑연세입자와 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)를 예비혼합해서 예비분산체를 얻는다. 이와 같이 해서 얻은 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)로 조입(造粒)해서 조입물(造粒物)을 제조한다. 다음으로 조입물(造粒物)을 용융혼연(溶融混練)해서 관용(慣用)의 성형법, 예를 들면 사출성형법 또는 압축성형법에 의해 연료전지용 세퍼레이터를 제조 할 수 있다.

종래는 가압 때문에 입자의 배열화가 일어나 (이방성(異方性)이 높아져) 두께방향(가압방향)이 평면방향에 비해서 도전성 및 열전도성이 나빠지는 (1/2∼1/5) 문제가 있었다. 흑연미입자 및/ 또는 흑연세입자와 분입상탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)을 미리혼합해서 예비분산체를 얻은 후, 얻은 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)를 조입해서 얻은 입상물(粒狀物)을 원료로 한 성형방법에 의해 연료전지용 세퍼레이터를 얻는다. 이렇게 함으로써 문제로 되어 있던 제품특성의 방향성을 균일화(평면방향의 체적저항/두께 방향의 체적저항 비율이 1/2∼1/1, 경우에 따라 2/3∼1/1)할 수 있었다. 이렇게 함으로써 연료전지에서 필요한 두께방향의 도전성을 더욱 개선할 수 있었다.

분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)의 평균입자경이 5∼25㎛인 것을 특징으로 하는 청구항10 기재(記載)의 연료전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법을 제공한다.

여기에 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)의 평균입자경은 통상은 5∼25㎛, 좋은 것은 10∼20㎛이다.

(실시예)

실시예, 비교예을 기본으로 해서 본 발명을 이하(以下)와 같이 상세히 설명하지만, 본 발명은 이들의 실시예에만 한정된 것만은 아니다. 실시예 및 비교예에 있어서 여러 가지 물성의 측정은 일방적인 방법을 사용하였다. 세퍼레이터의 표면상태등의 외관검사는 숙련자가 눈으로 보고 판정하였다. 그리고 실시예 및 비교예에서는 하기 기재(記載)의 흑연조입자(黑鉛粗粒子), 흑연세입자, 비탄소질수지(非炭素質樹脂), 도전미입자(導電微粒子)를 사용해서, 이하 기재(記載)의 조입(造粒)방법 및 성형방법을 사용하였다. 여기에서의 성형방법은 성형압축법 또는 사출성형법을 사용하였다.

<흑연조입자(黑鉛粗粒子), 흑연세입자>

인조흑연으로서 침상흑연을 원료로해서 온도 2800℃에서 흑연화한 후, 분쇄 및 분급조작을 하여 고결정성인조흑연입자(高結晶性人造黑鉛粒子)를 얻었다. 흑연입자의 재료특성은 표1과 같다.

흑연 입자의 특성

평균입경(㎛)	BET비표면적(㎡/g)	DBT흡유량(吸油量)(㎖/100g)	균제도(D80%/D20%)
10	3.2	60∼70	2.0∼3.0
50	2.5	60∼70	2.0∼3.0
55	2.1	60∼70	2.0∼3.0
60	2.0	60∼70	2.0∼3.0
65	1.9	60∼70	2.0∼3.0
70	1.9	60∼70	2.0∼3.0
110	1.7	60∼70	2.0∼3.0

<비탄소질수지(非炭素質樹脂)>

직쇄상의 포리페니렌설페이드계수지(300℃에서 용융점도550∼650ps, 중량평균분자량29000∼33000)을 사용하였다. 사용한 비탄소질수지(非炭素質樹脂)는 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)이며, 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)의 평균입자경은 20㎛이였다.

<도전미입자(導電微粒子)>

도전미입자(導電微粒子)로는 평균입자경 30㎚인 카본부렉을 사용하였다. BET비표면적은 750∼9000㎠/g이였다.

<조입(造粒)방법>

도전미입자(導電微粒子) 및 / 또는 흑연세입자와 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)를 고속회전믹서 속에 넣어 예비혼합하여, 예비분산체를 얻은 후 이 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)로 조입(造粒)하여, 수지분말이 균일하게 분산된 조입물(造粒物)을 얻었다.

조입(造粒)장치에 상기(上記)에서 조정하여 얻은 예비분산체를 소정비율로 넣어 회전 교반(攪拌)하면서 물을 떨어뜨리던가 (또는 분무)해서 첨가하면서, 습식조입(造粒)법에 의해 조입물(造粒物)을 얻었다.

얻은 조입물(造粒物)을 원료로 한 성형방법에 의해, 일체성형품(一體成形品)인 연료전지용 세퍼레이터를 조립하는 방법. 조입물(造粒物)의 평균입경은 0.5∼1.0㎜이었다.

<성형방법>···제1(압축성형법)

금형(외형치수 20㎝×20㎝, 폭 1㎜, 깊이 0.5㎜의 골(溝)을 갖는)을 사용해서 양면에 골(溝)이 형성된 판을 성형했다. 상기와 같이 만든 조입물(造粒物)을 금형에 투입해서, 성형압력 500㎏/㎠(50MPa), 180℃×10분간의 조건에서 판의 두께가 2㎜이하인 좋은 성형체를 얻었다.

<성형방법>···제2(사출성형법)

금형(외형치수 20㎝×20㎝, 폭 1㎜, 깊이 0.5㎜의 골(溝)을 갖는)을 사용해서 양면에 골(溝)이 성형된 판을 성형했다. 상기와 같이 만든 조입물(造粒物)을 금형에 투입해서, 최대성형압력 1000㎏/㎠(100MPa), 300∼350℃의 조건에서 판의 두께가 2㎜이하인 좋은 성형체를 얻었다.

(실시예1∼3, 비교예1∼4)

**********압축성형법**********

실시예1∼3, 비교예1∼4는 흑연입자의 평균입자경 D의 영향을 나타내는 데이타를 취득한 것이다. 그 결과를 표2에 나타낸다.

흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)를 혼합분산 시켜서, 그 혼합분산체를 전술(前述)한 압축성형법에 의해(조입공정(造粒工程) 없는 조건에서) 연료전지용 세퍼레이터를 제조한 것이다.

비교예1에서는 흑연입자의 평균입자경이 10㎛으로 너무 작기 때문에 압축성형 할 때에 혼합체(고온에서 용융한 것)의 유동저항이 너무 커서 성형할 수 없었다.

비교예2∼4는 성형시의 혼합물의 유동성이 나빠서, 성형체의 재질의 불균일(달라짐)등에 기인해서 체적저항Rv(Ω㎝) , Rh(Ω㎝)등 모두가 크게 상승하고 있다.

따라서 흑연입자의 평균입자경D가 55∼65㎛이면 성형시의 혼합물의 유동성이 향상되어 아주 바람직한 Rv(Ω㎝)값이 달성하는 당업자(當業者) 예기(豫期)밖의 효과를 발휘하고 있다.

표2에서 55㎛미만과 65㎛초과한 범위의 Rv(Ω㎝)와 55∼65㎛의 범위의 세퍼레이터의 Rv(Ω㎝)는 효과상(效果上)현저한 차이를 갖고 있다.

흑연입자의 평균입자경D의 영향

	비교예1	비교예2	실시예1	실시예2	실시예3	비교예3	비교예4
평균입경D	10㎛	50㎛	55㎛	60㎛	65㎛	70㎛	110㎛
흑연입자	80부	80부	80부	80부	80부	80부	80부
수지	20부	20부	20부	20부	20부	20부	20부
조입공정	없음	없음	없음	없음	없음	없음	없음
두께(㎜)	─	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4
Rv(Ω㎝)	─	0.030	0.019	0.018	0.019	0.030	0.032
Rh(Ω㎝)	─	0.012	0.010	0.010	0.010	0.012	0.013
외관관찰	성형불가	양호	양호	양호	양호	부분적으로 성형 얼룩 있음	부분적으로 성형 얼룩 있음

(실시예4∼6, 비교예5∼8)

실시예4∼6, 비교예5∼8은 조입공정(造粒工程)이 있는 경우의 영향을 나타내는 데이터를 취득한 것이다. 그 결과를 표3에 나타낸다.

실시예4∼6, 비교예5∼8은 흑연세입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)를 예비분산한 다음에, 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)등으로 조입(造粒)한 후, 얻은 조입물(造粒物)을 원료로 해서 실시예1∼3과 같은 성형방법으로 성형해서 연료전지용 세퍼레이터를 얻었다.

흑연입자의 평균입자경D가 55∼65㎛이면 성형시의 혼합물의 유동성 향상에 기인(起因)해서 현저한 Rv(Ω㎝)값을 달성하는 당업자(當業者) 예기(豫期)밖의 효과를 발휘하고 있다.

표3에서 55㎛미만과 65㎛를 넘는 범위의 Rv(Ω㎝)와 55∼65㎛의 범위의 세퍼레이터의 Rv(Ω㎝)는 효과상(效果上) 현저한 차이를 갖고 있다.

조입공정(造粒工程)이 있는 경우

	비교예5	비교예6	실시예4	실시예5	실시예6	실시예7	실시예8
평균입경D	60㎛	60㎛	60㎛	60㎛	60㎛	50㎛	70㎛
흑연입자	55부	55부	55부	55부	55부	55부	55부
흑연세입자	25부	25부	25부	25부	25부	25부	25부
수지	20부	20부	20부	20부	20부	20부	20부
조입공정	있음	있음	있음	있음	있음	있음	있음
두께(㎜)	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4	1.4
Rv(Ω㎝)	─	0.023	0.010	0.009	0.011	0.021	0.022
Rh(Ω㎝)	─	0.020	0.008	0.007	0.009	0.017	0.018
외관관찰	성형불가	양호	양호	양호	양호	부분적으로 성형 얼룩 있음	부분적으로 성형 얼룩 있음

(실시예7∼11, 비교예9∼10)

실시예7∼11은 흑연세입자의 비표면적S2(㎠/g), 수지의 함유량을 변화시킨 경우의 데이터를 얻은 것으로 그 결과를 표4에 나타낸다. 흑연세입자의 비표면적 S2를 작게 하면 수지가 함침(含侵)하는 량이 적어서 결과적으로 두께방향의 체적저항Rv(Ω㎝)을 작게 할 수 있었다. (실시예7∼11을 참조할 것)

실시예10에서는 흑연세입자의 비표면적S2가 큰 경우의 실시예를 나타낸다. 흑연세입자의 비표면적S2가 크면 수지가 함침(含侵)하는 량이 많아져 두께방향의 체적저항Rv(Ω㎝)가 약간 커졌다.

실시예11에서는 도전미입자(導電微粒子)를 혼합한 경우의 결과를 나타내기로 한다. 그이외의 조건은 실시예10과 같게 하였다. 이것으로부터 청구항4기재(記載)의 발명 효과를 확인할 수 있었다.

기타(압축성형법)

본 발명에 의한 연료전지용 세퍼레이터는 소성하지 않는 비탄소질수지(非炭素質樹脂)와 흑연입자등으로 구성되기 때문에 비탄소질수지(非炭素質樹脂)를 함유하는 수지조성물은 연료전지용 세퍼레이터에 대응한 특성((예를 들면 체적저항, 굴곡강도, 열전도율등)특히 시트형태인 두께방향의 체적저항, 굴곡강도, 두께방향의 열전도율등))을 갖고 있고 이들의 특성이 우수하다.

Claims

흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂)로 되어 있는 흑연입자/비탄소질수지 (非炭素質樹脂)의 비율이 90/10∼75/25인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,

흑연입자의 평균입자경이 55∼65μm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항에 있어서,

흑연입자가 평균입경이 55∼65μm의 흑연입자와 평균입자경이 55μm미만의 흑연세입자인 혼합체이고 평균입자경이 55∼65㎛의 흑연입자/평균입자경이 55μm미만의 흑연세입자의 비율이 100/0∼50/50인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 3 항에 있어서,

흑연입자와 비탄소질수지(非炭素質樹脂) 이외에 도전미입자(導電微粒子)를 함유하고 도전미입자(導電微粒子)/(도전미입자(導電微粒子)+비탄소질수지(非炭素質樹脂))의 비율이 0.2 이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 4 항에 있어서,

체적저항이 0.03Ωm이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 5 항에 있어서,

두께가 2mm이하인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 6 항에 있어서,

골(溝) 혹은 凹凸부가 하나로 성형(一體成形)된 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 7 항에 있어서,

사출성형 또는 압축성형하는 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터.
제 1 항 내지 제 8 항의 연료전지용 세퍼레이터를 사용한 연료전지.
도전미입자(導電微粒子) 및/ 또는 흑연세입자와 분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)를 예비혼합해서 예비분산체를 얻은 후, 얻은 예비분산체와 흑연조입자(黑鉛粗粒子)로 조입(造粒)해서 얻은 조입물(造粒物)을 원료로한 성형 방법에의해 성형된 일체성형품(一體成形品)인 연료전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법.
제 10 항에 있어서,

분입상비탄소질수지(粉粒狀非炭素質樹脂)의 평균입자경이 5∼25μm인 것을 특징으로 하는 연료전지용 세퍼레이터를 제조하는 방법.