(57)【要約】【課題】樹脂基板およびこの基板上に形成された導電性コーティング層を含む固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータの提供。【解決手段】本発明に係るセパレータは、耐熱性、機械的強度、電気伝導度、耐酸化性および耐酸性などの物性に優れ、低コストで大量生産が可能であるため固体高分子型電解質膜燃料電池に有用である。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
　樹脂基板および基板上に形成された導電性コーティング層を含む固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
　前記樹脂基板が、熱可塑性または熱硬化性樹脂基板であることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項３】
　前記熱可塑性樹脂基板が、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリアミド、ポリスルフィドおよびポリイミドからなる群から選ばれることを特徴とする請求項２記載のセパレータ。
【請求項４】
　前記熱硬化性樹脂基板が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ケイ素樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリイミド樹脂からなる群から選ばれることを特徴とする請求項２記載のセパレータ。
【請求項５】
　前記樹脂基板が、ガラス繊維、カーボン繊維、ボロン繊維、金属繊維、パルプ、紙、石綿、カーボンブラック、シリカ、粘土、ゼオライト、ポリテトラフルオロエチレン繊維およびこれらの混合物から選ばれた充填剤を含む合成樹脂基板であることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項６】
　前記導電性コーティング層が、導電性炭素粉末または金属粉末、バインダー樹脂および一つ以上の有機溶媒を含む導電性樹脂組成物から誘導されたものであることを特徴とする請求項１記載のセパレータ。
【請求項７】
　前記バインダー樹脂が、エポキシ、シリコン、ポリイミド、フェノールまたはアクリルであることを特徴とする請求項６記載のセパレータ。
【請求項８】
　前記導電性粉末が組成物中に５〜９５重量％の量で分散されていることを特徴とする請求項６記載のセパレータ。
【請求項９】
　請求項１〜８のいずれか１項に記載のセパレータを含む電極を有する固体高分子型電解質膜燃料電池。
【請求項１０】
　前記燃料電池が直接メタノール型燃料電池であることを特徴とする請求項９記載の固体高分子型電解質膜燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータに関し、さらに詳細には、耐熱性、機械的強度、電気伝導度、耐酸化性および耐酸性に優れ、大量生産が可能な固体高分子型電解質膜燃料電池に有用なセパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
　燃料電池は、（１）化石燃料を必要とせず、（２）電気生産時、実質的に雑音が発生せず、（３）他の電気生産方法に比べて効率が高いという長所がある。したがって、燃料電池は建物用や工場用の小型発電所に有用である。
【０００３】
　最近、陰極、陽極、および前記電極の間に触媒層を両面に有する固体高分子電解質膜を含む固体高分子型電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ）に対する実用化研究が活発に行われている。このような固体高分子型電解質膜燃料電池は、燃料として水蒸気とともに水素を陰極に供給するとともに、酸素または空気を陽極に供給すると、電気化学反応を通じて外部に電気エネルギーを発生させるが、水素と水蒸気の代わりに、メタノール水溶液を液状で直接陰極側に供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）もまた広い意味で固体高分子型電解質膜燃料電池に属する。図１は、メタノールと固体高分子電解質膜の作用によって発生した水素イオンが固体高分子電解質中を移動して電気エネルギーを発生させるメカニズムを有する直接メタノール型燃料電池の模式図である。
【０００４】
　固体高分子型電解質膜燃料電池において、陰極は電流を集めて外部に送る役割以外にも、供給される燃料の流れを調整して燃料電池反応の効率を極大化させる整流板の役割を果し、陽極も同様に空気または酸化剤ガスの流れを調整するだけでなく、生成される水の流れを調節して排出することにより反応を促進する役割を果すため、陰極および陽極のそれぞれの両表面のうち電解質膜と接する側には、ある一定の形状の溝が刻まれていることが必要である。整流のための電極板のこのような溝の形状は固体高分子型電解質膜燃料電池の性能に大きい影響を与える。
【０００５】
　このようなことから、電極板を「セパレータ」と呼び、以下で用いられる用語の「セパレータ」は陰極板および陽極板のような電極板を指す。
【０００６】
　固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータに求められる物性としては、まず電気抵抗が低いこと、燃料電池の作動温度で十分な耐熱性を有すること、固体高分子電解質膜と電気的疎通が円滑であること、耐酸性および耐酸化性を有すること、および特に、直接メタノール型燃料電池の場合、液状燃料の漏液を防止するために燃料電池の製作時に加えられる高い圧力によって変形しない程度の十分な機械的強度を有することなどがある。
【０００７】
　最近までグラファイト（graphite）は耐酸性および耐酸化性に優れるため、セパレータの材料として最も広く使用されてきたが、加工が非常に難しく、破砕しやすい上に、高コストによって大量生産が難しいため燃料電池の実用化に適さないという問題があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
　したがって、本発明の目的は、耐熱性、機械的強度、電気伝導度、耐酸性および耐酸化性などの物性に優れ、大量生産が可能な固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
　本発明を達成するために、本発明では樹脂基板およびこの基板上に形成された導電性コーティング層を含む、固体高分子型電解質膜燃料電池用セパレータが提供される。
【００１０】
　本発明の一実施形態によれば、樹脂基板はポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリアミド、ポリスルフィドおよびポリイミドからなる群から選ばれた熱可塑性樹脂から選ばれる。
【００１１】
　本発明の他の実施形態によれば、樹脂基板はフェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ケイ素樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリイミド樹脂からなる群から選ばれた熱硬化性樹脂から選ばれる。
【００１２】
　本発明の他の実施形態によれば、樹脂基板はガラス繊維、カーボン繊維、ボロン繊維、金属繊維、パルプ、紙、石綿、カーボンブラック、シリカ、粘土、ゼオライト、ポリテトラフルオロエチレン繊維およびこれらの混合物から選ばれた無機充填剤を含む合成樹脂基板が好ましい。
【００１３】
　本発明の他の実施形態によれば、導電性コーティング層は導電性炭素粉末または金属粉末が分散された導電性樹脂組成物から誘導されたものが好ましい。
【００１４】
　本発明の他の実施形態によれば、前記導電性樹脂組成物はエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂およびアクリル樹脂からなる群から選ばれた一つ以上のバインダーを含む。
【００１５】
　本発明の他の実施形態によれば、前記導電性粉末は組成物中に５〜９５重量％の量で分散されていることが好ましい。
【００１６】
　なお、本発明の他の目的を達成するために、本発明では前記いずれか一つのセパレータを電極として含む固体高分子型電解質膜燃料電池が提供される。
【００１７】
　本発明のセパレータは固体高分子型電解質膜燃料電池に使用可能であり、その一種である直接メタノール型燃料電池に使用してもよい。
【発明の効果】
【００１８】
　本発明のセパレータは、耐熱性、機械的強度、電気伝導度、耐酸化性および耐酸性などの物性に優れ、低コストで大量生産が可能であるため、固体高分子型電解質膜燃料電池に使用する場合、燃料電池の性能および寿命において優れた性能を発揮する。したがって、本発明に係るセパレータは固体高分子型電解質膜燃料電池の実用化に寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
　以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
　本発明に係るセパレータは耐熱性および寸法安定性に優れた樹脂成形体を基板とし、この成形体基板上に形成された、電気伝導度が優れた導電性コーティング層を含むことを技術構成上の特徴とする。
【００２１】
　本発明において、樹脂基板としては熱可塑性または熱硬化性樹脂のいずれも使用可能であり、熱可塑性樹脂の具体的な例としては、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリアセタール、ポリアミド、ポリスルフィドおよびポリイミドがあり、熱硬化性樹脂の具体的な例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ウレア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ケイ素樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリイミド樹脂があるが、これらはすべて優れた耐熱性および寸法安定性を有する。
【００２２】
　また、本発明の熱可塑性または熱硬化性樹脂基板として、ガラス繊維、カーボン繊維、ボロン繊維、金属繊維、パルプ、紙、石綿、カーボンブラック、シリカ、粘土、ゼオライト、ポリテトラフルオロエチレン繊維およびこれらの混合物から選ばれた無機充填剤を含む合成樹脂基板を使用してもよい。
【００２３】
　このような熱可塑性または熱硬化性樹脂基板は一方の面が、成形物の表面に溝をつくるために凸凹を持った金型から射出成形してよく、他の成形法（例：圧縮成形およびトランスファー（transfer）成形など）によって成形してもよい。
【００２４】
　本発明の導電性コーティング層は、前記熱可塑性または熱硬化性樹脂基板の凸凹面上に導電性樹脂組成物を液状でコーティング（例：スクリーン印刷、スプレーコーティング、含浸など）した後、加熱するか、常温で硬化または乾燥して形成するが、この際に用いられる導電性樹脂組成物はコーティング可能な流動性、基板材料との十分な接着力および優れた電気伝導度を有しなければならず、基板材料を変形させるか、損傷しない程度の温度で硬化または乾燥を完了しなければならない。
【００２５】
　導電性樹脂組成物においてバインダーの役割をする樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂およびアクリル樹脂からなる群から選択して使用してもよい。
【００２６】
　また、導電性樹脂組成物は導電性炭素粉末またはＡｇ、Ｃｕ、Ｎｉなどの金属粉末が分散された組成物であってもよく、導電性粉末は組成物中に５〜９５重量％で分散されていてもよい。導電性樹脂組成物において導電性粉末が５重量％未満であれば、セパレータの電気伝導度が低くなり、燃料電池の性能が低下し、９５重量％を超えると基板に対する接着力に劣り、耐久性が低下する問題がある。
【００２７】
　前記導電性樹脂組成物は樹脂および導電性粉末以外にも必要に応じて分散剤、硬化剤およびコーティング能を向上させるための溶剤などを通常の量で含んでもよく、構成成分が単一である１液型だけでなく、必要に応じて構成成分が一つ以上から構成された２液型または３液型導電性樹脂組成物を使用してもよい。本発明の導電性樹脂組成物としては、ＤＳ−７２６０ＴＨ、ＤＳ−７２６０ＴＨＭ、ＤＳ−０７１５ＡＴ、ＤＳ−０９１５ＡＴおよびＤＳ−０９１６ＡＴのような市販の製品（DAEJOO Electric Materials社製）を購入して使用してもよい。
【００２８】
　前記のように製造されたいずれか一つのセパレータを陰極および陽極として固体高分子型電解質膜燃料電池を製造してもよい。本発明に係る燃料電池は固体高分子電解質膜直接メタノール型燃料電池に適用してもよい。
【００２９】
（実施例）
　以下、本発明を下記実施例および試験例によってさらに詳細に説明する。ただし、これらは本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲を制限しない。
【００３０】
　下記の表１は、実施例で用いられた組成物の具体的な組成を示す。
【表１】
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【実施例１】
【００３１】
　成形物の表面に一定の形状の溝をつくるように予め製作された金型を用い、ポリフェニレンスルフィド樹脂であるＲｙｔｏｎ（登録商標）ＰＲ２６（Chevron Phillips社製）を射出成形して厚さ７．５ｍｍのポリフェニレンスルフィド樹脂基板を製造した。この基板上に導電性エポキシ樹脂組成物であるＤＳ−０９１６ＡＴ（DAEJOO Electric Materials社製）をスプレーコーティングした後、１７５℃で２時間加熱硬化させて厚さ７．５２ｍｍの導電性電極セパレータを製造した。
【実施例２】
【００３２】
　成形物の表面に一定の形状の溝をつくるように予め製作された金型を用いてポリアセタール樹脂であるＴｅｎａｃ（登録商標）（旭化成社製）を射出成形して６．３ｍｍのポリアセタール樹脂基板を製造した。この基板上に導電性エポキシ樹脂組成物であるＤＳ−７２６０ＴＨ（DAEJOO Electric Materials社製）をスプレーコーティングした後１５０℃で２時間加熱硬化させ、厚さ６．３１ｍｍの導電性電極セパレータを製造した。
【実施例３】
【００３３】
　成形物の表面に一定の形状の溝をつくるように予め製作された金型を用い、フェノールノボラック型樹脂であるＰｈｅｎｏｌｉｔｅ　ＫＣ−３０２０（Kangnam chemicals社製）をトランスファー成形および熱硬化して１０．０ｍｍのフェノールノボラック樹脂基板を製造した。この基板上に導電性エポキシ樹脂組成物であるＤＳ−７２６０ＴＨＭ（DAEJOO Electric Materials社製）をスプレーコーティングした後１５０℃で２時間加熱硬化させて厚さ１０．０１ｍｍの導電性セパレータを製造した。
【実施例４】
【００３４】
　成形物の表面に一定の形状の溝をつくるように予め製作された金型を用いてメラミン樹脂（Samsung fine chemicals社製）を圧縮成形および熱硬化して厚さ１０．０ｍｍのメラミン樹脂基板を製造した。この基板上に導電性エポキシ樹脂組成物としてＤＳ−７２６０ＴＨＭ（DAEJOO Electric Materials社製）をスプレーコーティングした後１５０℃で２時間加熱硬化させ、厚さ１０．０１ｍｍの導電性セパレータを製造した。
【実施例５】
【００３５】
　成形物の表面に一定の形状の溝をつくるように予め製作された金型を用い、エポキシモールディングコンパウンドであるＣＥＬ−４００（Hitachi Chemical Co., Ltd.製品）を圧縮成形および熱硬化して厚さ１０．０ｍｍのエポキシ樹脂コンパウンド基板を製造した。この基板上に導電性エポキシ樹脂組成物としてＤＳ−０９１６ＡＴ（DAEJOO Electric Materials社製）をスプレーコーティングした後１７５℃で２時間加熱硬化させ、厚さ１０．０１ｍｍの導電性電極セパレータを製造した。
【比較例】
【００３６】
　厚さ１０．０ｍｍのグラファイトセパレータ（米国、Electro Chem, Inc.製品）を用いた。
【試験例１】
【００３７】
　セパレータの物性測定
　実施例１〜５および比較例で準備されたセパレータの両面の中央に端子を連結して電気伝導度を測定し、機械的性質を測定するために標準試験法ＡＳＴＭ　Ｄ６３８に従って引張強度を、ＡＳＴＭ　Ｄ７９０に従って曲げ強度を測定した値を表２に示す。
【表２】
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【００３８】
　前記表２に示したように、実施例１〜実施例５によって製造されたセパレータは比較例のセパレータに比べて電気伝導度は９５〜２７５％向上し、曲げ強度は１５１〜４８５％向上し、引張強度は６１〜２６３％向上したことが分かる。
【試験例２】
【００３９】
　燃料電池の性能試験
　前記実施例１〜５および比較例で準備されたセパレータを用い、固体高分子電解質膜の製造のために陰極触媒としてＰｔ／Ｒｕ　２．０ｍｇ／ｃｍ2、陽極触媒としてＰｔ２．０ｍｇ／ｃｍ2を担持したナフィオン（Nafion）膜の両面にそれぞれ１枚のカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰＨ−０６０）を載せ、１１０℃で１０分間１ｋｇ／ｃｍ2の圧力で加熱圧着して電解質膜組立体（ＭＥＡ）を製造した。このようにして組立てられたＭＥＡの両側に実施例で準備された導電性セパレータをそれぞれ取り付けて単位電池を製造した。
【００４０】
　前記単位電池を燃料電池性能試験装置シリーズ８９０Ｂ（Scribner Associates Inc.）に取り付け、９０℃の条件下で０．５Ｍメタノール水溶液を陰極に、空気を陽極に５０ｍｌ／分の速度で供給して燃料電池性能を測定し、その結果を図２に示す。
【００４１】
　図２から分かるように、実施例１〜５に係るセパレータを用いた場合が比較例として従来のグラファイトをセパレータとして用いた場合よりも電流密度に対するオープン回路電圧が高いことを確認できる。
【００４２】
　また、図３は実施例１〜５および比較例で準備されたセパレータを電解質膜組立体に用いて性能試験した結果を示す。５０℃の温度で０．５Ｍメタノール水溶液を陰極に、空気を陽極に１００ｍｌ／分の速度に供給し、３，６００時間単位電池を作動させながら単位電池のセルポテンシャルを測定した結果、実施例１〜５のセパレータを採用した単位電池のセルポテンシャルが比較例のセルポテンシャルより高く保持された。
【００４３】
　図２、図３から、本発明に係るセパレータを採用した燃料電池の性能が通常用いられる黒鉛セパレータを採用した燃料電池よりも優れることが分かる。
【００４４】
　また、本発明に係るセパレータは低コストで量産できることを実験的に確認した。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】通常の直接メタノール型燃料電池の模式図を示す。
【図２】実施例１〜５および比較例で製造されたセパレータを含む電解質膜組立体単位電池の電流密度の変化に対するセル電位グラフである。
【図３】実施例１〜５および比較例で製造されたセパレータを含む電解質膜組立体単位電池の寿命測定グラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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