직접 액체형 연료 전지용 격막 및 그의 제조 방법 document_id A220623108066

이온 교환막은 고체 고분자형 연료 전지, 산화 환원 플로우 전지, 아연-브롬 전지 등의 전지용 격막, 투석용 격막 등으로서 범용적으로 사용되고 있다. 고체 고분자형 연료 전지는 이온 교환막을 전해질 격막으로서 이용한다. 이 연료 전지는 연료와 산화제를 연속적으로 공급함으로써, 이들이 반응했을 때의 화학 에너지를 전력으로서 취출하는 깨끗하고 고효율의 발전 시스템의 하나이다. 고체 고분자형 연료 전지는 저온 작동이나 소형화를 기대할 수 있는 점에서, 최근 자동차 용도, 가정 용도, 휴대 용도로서 그의 중요성이 증가하고 있다. 고체 고분자형 연료 전지는 일반적으로 전해질로서 작용하는 고체 고분자를 포함하는 격막의 양면에, 촉매가 담지된 가스 확산 전극이 각각 접합된 구조를 갖는다. 고체 고분자형 연료 전지를 이용하여 발전을 하는 경우에는 한쪽의 가스 확산 전극이 존재하는 측의 실(연료실)에 수소 가스 또는 메탄올 등의 액체 연료를 공급하고, 다른 쪽의 가스 확산 전극이 존재하는 측의 실에 산화제인 산소나 공기 등의 산소 함유 가스를 각각 공급한다. 이 상태에서 양 가스 확산 전극 사이에 외부 부하 회로를 접속함으로써, 연료 전지로서 작용하고, 외부 부하 회로에 전력이 공급된다. 고체 고분자형 연료 전지 중에서도 직접 메탄올 등을 연료로서 이용하는 직접 액체형 연료 전지는 연료가 취급하기 쉬운 액체인 점, 연료가 저렴한 점이 평가받고 있다. 따라서, 고체 고분자형 연료 전지는 특히 휴대 기기용의 비교적 소출력 규모의 전원으로서 기대되고 있다. 직접 액체형 연료 전지의 기본 구조를 도 1에 나타낸다. 도면 중, (1a, 1b)는 전지 격벽이다. 전지 격벽 (1a, 1b)는 격막으로서 이용하는 고체 고분자 전해질막 (6)을 사이에 두고, 상기 고체 고분자 전해질막 (6)의 양측에 각각 형성되어 있다. (2)는 한쪽의 전지 격벽 (1a)의 내벽에 형성된 연료 유통 구멍이고, (3)은 다른 쪽의 전지 격벽 (1b)의 내벽에 형성된 산화제 가스 유통 구멍이다. (4)는 연료실측 확산 전극, (5)는 산화제실측 가스 확산 전극이다. 이 직접 액체형 연료 전지에 있어서, 연료실 (7)에 알코올 등의 액체 연료가 공급되면, 연료실측 확산 전극 (4)에 있어서 양성자(수소 이온)와 전자가 생성된다. 생성된 양성자는 고체 고분자 전해질막 (6) 내를 통과하여 다른 쪽의 산화제실 (8)에 도달하고, 여기서 산소 가스 또는 공기 중의 산소와 반응하여 물이 생성된다. 이 때, 연료실측 확산 전극 (4)에서 생성되는 전자는 도시되지 않은 외부 부하 회로를 통해 산화제실측 가스 확산 전극 (5)로 보내진다. 이 때, 외부 부하에 전기 에너지가 제공된다. 상기 구조의 직접 액체형 연료 전지에 있어서, 상기 고체 고분자 전해질막 (6)에는 통상 양이온 교환막이 사용된다. 상기 양이온 교환막은 전기 저항이 작고, 물리적인 강도가 강하며, 추가로 연료로서 사용되는 액체 연료의 투과성이 낮은 특성이 요구된다. 양이온 교환막에 대한 액체 연료의 투과성이 높은 경우에는 연료실에 공급하는 액체 연료가 산화실측으로 이동하고, 그 결과 전지 출력이 저하된다. 종래, 연료 전지용 격막으로서 사용되는 양이온 교환막으로서는, 예를 들면 폴리올레핀계나 불소계 수지제의 다공질막의 공극부에 양이온 교환 수지를 충전한 것이 알려져 있다. 이 양이온 교환막은 다공질막의 공극부에, 양이온 교환기 도입 가능한 관능기를 갖는 중합성 단량체 및 가교성 중합성 단량체를 포함하는 중합성 조성물을 충전하여 중합하고, 이어서 얻어지는 수지에 있는, 상기 양이온 교환기 도입 가능한 관능기에 양이온 교환기를 도입하는 방법에 의해 제조된다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2). 이 방법에 따르면, 연료 전지용 격막은 비교적 저렴하게 제조되고, 얻어지는 격막은 전기 저항이 작고, 수소 가스의 투과성도 작고, 용매에 대한 팽윤, 변형도 적다. 특허 문헌 1: 일본 특허 공개 제2001-135328호 공보 특허 문헌 2: 일본 특허 공개 (평)11-310649호 공보