JP2001250566A - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents
燃料電池用セパレータおよびその製造方法Info
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- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電池の高出力化および小型化を可能とする燃
料電池、とくに固体高分子型燃料電池用のセパレータお
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成
形してなる燃料電池のセパレータにおいて、片面または
両面に複数のガス流通用溝部が形成されているガス流路
部は２×１０-4Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路
部の周辺部に位置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電
気比抵抗を有し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形さ
れている。炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部用の
予備成形体と、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
３８〜９５重量部からなり、バインダー樹脂量を前記ガ
ス流路部用の予備成形体のバインダー樹脂量より２０〜
５０重量部多くした混合粉末から形成した枠体用の予備
成形体を金型に装入し、一体に熱圧成形する。
料電池、とくに固体高分子型燃料電池用のセパレータお
よびその製造方法を提供する。 【解決手段】 炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成
形してなる燃料電池のセパレータにおいて、片面または
両面に複数のガス流通用溝部が形成されているガス流路
部は２×１０-4Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路
部の周辺部に位置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電
気比抵抗を有し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形さ
れている。炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部用の
予備成形体と、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
３８〜９５重量部からなり、バインダー樹脂量を前記ガ
ス流路部用の予備成形体のバインダー樹脂量より２０〜
５０重量部多くした混合粉末から形成した枠体用の予備
成形体を金型に装入し、一体に熱圧成形する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用セパレ
ータ、とくに自動車、小型分散型電源などに使用される
固体高分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法
に関する。
ータ、とくに自動車、小型分散型電源などに使用される
固体高分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、リン酸型燃料
電池などの燃料電池に比較して低温で且つ高出力の発電
が可能であるため、自動車の電源をはじめ小型の移動型
電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、
図２に示すように、通常、スルホン酸基を有するフッ素
樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からな
る電解質膜７を挟んで配置される一対の電極４、５（ア
ノード４、カソード５）と、これをさらに両側から挟む
セパレータ１よりなる単セルを複数積層したスタックお
よびその外側に設けた２つの集電体から構成される。８
はフッ素樹脂、フッ化ゴムなどからなるシール材であ
る。
電池などの燃料電池に比較して低温で且つ高出力の発電
が可能であるため、自動車の電源をはじめ小型の移動型
電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、
図２に示すように、通常、スルホン酸基を有するフッ素
樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からな
る電解質膜７を挟んで配置される一対の電極４、５（ア
ノード４、カソード５）と、これをさらに両側から挟む
セパレータ１よりなる単セルを複数積層したスタックお
よびその外側に設けた２つの集電体から構成される。８
はフッ素樹脂、フッ化ゴムなどからなるシール材であ
る。
【０００３】電極４、５は、白金触媒を担持させた触媒
電極であり、セパレータ１は、緻密な炭素質材料から成
形され、直線状または格子状に延びる複数の溝６が形成
されており、溝６とカソード５の表面の間に形成される
空間を酸素含有ガス流路とし、溝６とアノード４の表面
の間に形成される空間を燃料ガス（例えば水素ガスや、
水素ガスを主成分とする混合ガスなど）流路として、酸
素含有ガスと燃料ガスとが電極に接触して起こる化学反
応（水素ガス側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 、酸素含有ガス
側：（１／２）Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ）を利用
して電極間から電気を取り出すようになっている。
電極であり、セパレータ１は、緻密な炭素質材料から成
形され、直線状または格子状に延びる複数の溝６が形成
されており、溝６とカソード５の表面の間に形成される
空間を酸素含有ガス流路とし、溝６とアノード４の表面
の間に形成される空間を燃料ガス（例えば水素ガスや、
水素ガスを主成分とする混合ガスなど）流路として、酸
素含有ガスと燃料ガスとが電極に接触して起こる化学反
応（水素ガス側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 、酸素含有ガス
側：（１／２）Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ）を利用
して電極間から電気を取り出すようになっている。
【０００４】図２に示すように、セパレータ１は、片面
または両面に複数のガス流通用の溝６が形成されている
反応ガスの流路部（ガス流路部）Ａと、ガス流路部Ａの
端縁部（周縁部）を構成する枠体部Ｂからなり、枠体部
Ｂは、ガスを透過させず反応電流の漏れを防止するため
に、最も厚い構造となっている。
または両面に複数のガス流通用の溝６が形成されている
反応ガスの流路部（ガス流路部）Ａと、ガス流路部Ａの
端縁部（周縁部）を構成する枠体部Ｂからなり、枠体部
Ｂは、ガスを透過させず反応電流の漏れを防止するため
に、最も厚い構造となっている。
【０００５】セパレータには、燃料ガスと酸化剤ガスと
を完全に分離した状態で電極に供給するために高度のガ
ス不透過性が要求される。また、発電効率を高くするた
めに電池の内部抵抗を小さくすることが必要であり、そ
の対策として、セパレータを薄肉化して単セルの厚さを
薄くすることが考えられるが、セパレータの厚さは、発
電効率を考慮しガス圧損失に配慮した反応ガス流通路と
しての厚さと気体不透過性に必要な厚さを加味した厚さ
をそなえたものであるため、薄肉化には限界がある。
を完全に分離した状態で電極に供給するために高度のガ
ス不透過性が要求される。また、発電効率を高くするた
めに電池の内部抵抗を小さくすることが必要であり、そ
の対策として、セパレータを薄肉化して単セルの厚さを
薄くすることが考えられるが、セパレータの厚さは、発
電効率を考慮しガス圧損失に配慮した反応ガス流通路と
しての厚さと気体不透過性に必要な厚さを加味した厚さ
をそなえたものであるため、薄肉化には限界がある。
【０００６】さらに、電池スタックは、単セルを数十層
積層して組立てられるが、電池性能を確保するために、
各セル間が十分に密着するように組み立てることが必要
であり、組立ては、通常、０．０５〜１ＭＰａ程度の締
め付け力で周囲をボルト締めすることにより行われる。
この際、偏加重が生じてセパレータ、とくに溝形成部に
亀裂を生じて破損や欠損し易くなるため、セパレータを
あまり薄肉化するには問題がある。
積層して組立てられるが、電池性能を確保するために、
各セル間が十分に密着するように組み立てることが必要
であり、組立ては、通常、０．０５〜１ＭＰａ程度の締
め付け力で周囲をボルト締めすることにより行われる。
この際、偏加重が生じてセパレータ、とくに溝形成部に
亀裂を生じて破損や欠損し易くなるため、セパレータを
あまり薄肉化するには問題がある。
【０００７】電池性能の高出力化のための他の対策とし
て、セパレータを電気比抵抗の低い材質とすることが考
えられる。セパレータは、前記の組立て時の締め付け力
に耐える常温強度をそなえるとともに、電池の作動温度
である１００℃程度の高温においても十分な材質強度を
有するものでなければならず、一般には、緻密質の炭素
質材料から成形される。
て、セパレータを電気比抵抗の低い材質とすることが考
えられる。セパレータは、前記の組立て時の締め付け力
に耐える常温強度をそなえるとともに、電池の作動温度
である１００℃程度の高温においても十分な材質強度を
有するものでなければならず、一般には、緻密質の炭素
質材料から成形される。
【０００８】具体的には、黒鉛などの炭素粉末を、熱硬
化性樹脂をバインダーとして成形してなる炭素／樹脂硬
化成形体が好適に使用されており、該成形体の製造は、
黒鉛材に耐食性樹脂を含浸した複合材を機械加工する方
法や、黒鉛粉と耐食性樹脂との混合粉を熱圧成形する方
法により行われ、ガス流路部と枠体部が一体となったセ
パレータが成形される。
化性樹脂をバインダーとして成形してなる炭素／樹脂硬
化成形体が好適に使用されており、該成形体の製造は、
黒鉛材に耐食性樹脂を含浸した複合材を機械加工する方
法や、黒鉛粉と耐食性樹脂との混合粉を熱圧成形する方
法により行われ、ガス流路部と枠体部が一体となったセ
パレータが成形される。
【０００９】このように、従来、セパレータは一体に成
形されるため、ガス流通部と枠体部の材料特性は同一と
なり、従って、前記のように、電池性能の高出力化のた
めの対策として、セパレータを電気比抵抗の低い材質と
すると、枠体部では、電気比抵抗が低いため、外部への
電位漏れが生じ易くなり、分極性能が頭打ちとなるとい
う問題が生じることが見出された。
形されるため、ガス流通部と枠体部の材料特性は同一と
なり、従って、前記のように、電池性能の高出力化のた
めの対策として、セパレータを電気比抵抗の低い材質と
すると、枠体部では、電気比抵抗が低いため、外部への
電位漏れが生じ易くなり、分極性能が頭打ちとなるとい
う問題が生じることが見出された。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】発明者らは、固体高分
子型燃料電池のセパレータにおける上記従来の問題点を
解決し、高性能のセパレータを得るために、試験、検討
を行った結果、燃料電池用セパレータにおいて、ガス流
路部Ａ（図２）には、高効率の発電に寄与させるため
に、ガス遮断性（気体不透過性）をそなえた電気比抵抗
の低い材質性状のものを選択しなければならず、枠体部
Ｂは、必要に応じてガス導入部が形成されるので、外部
への反応ガス漏れを防止し、燃料電池反応により生じる
電流漏れ、ガス漏れを防止することが重要な要件となる
から、ガス流路部と同様の気体不透過性を有し、且つガ
ス流路部より電気比抵抗の高い材質性状のもので形成す
る必要があることがわかった。
子型燃料電池のセパレータにおける上記従来の問題点を
解決し、高性能のセパレータを得るために、試験、検討
を行った結果、燃料電池用セパレータにおいて、ガス流
路部Ａ（図２）には、高効率の発電に寄与させるため
に、ガス遮断性（気体不透過性）をそなえた電気比抵抗
の低い材質性状のものを選択しなければならず、枠体部
Ｂは、必要に応じてガス導入部が形成されるので、外部
への反応ガス漏れを防止し、燃料電池反応により生じる
電流漏れ、ガス漏れを防止することが重要な要件となる
から、ガス流路部と同様の気体不透過性を有し、且つガ
ス流路部より電気比抵抗の高い材質性状のもので形成す
る必要があることがわかった。
【００１１】本発明は、上記の知見に基づいて、固体高
分子型燃料電池のセパレータにおけるガス流通部と枠体
部の材質性状の組合わせについてさらに検討を加えた結
果としてなされたものであり、その目的は、分極特性に
優れ、且つ高出力化を可能とする燃料電池とくに固体高
分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供
することにある。
分子型燃料電池のセパレータにおけるガス流通部と枠体
部の材質性状の組合わせについてさらに検討を加えた結
果としてなされたものであり、その目的は、分極特性に
優れ、且つ高出力化を可能とする燃料電池とくに固体高
分子型燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供
することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の請求項１による燃料電池用セパレータは、
炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成形してなる燃料
電池のセパレータにおいて、片面または両面に複数のガ
ス流路用溝部が形成されているガス流路部は２×１０-4
Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路部の周辺部に位
置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電気比抵抗を有
し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形されていること
を特徴とする。
めの本発明の請求項１による燃料電池用セパレータは、
炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成形してなる燃料
電池のセパレータにおいて、片面または両面に複数のガ
ス流路用溝部が形成されているガス流路部は２×１０-4
Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路部の周辺部に位
置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電気比抵抗を有
し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形されていること
を特徴とする。
【００１３】本発明の請求項２による燃料電池用セパレ
ータの製造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー
樹脂１８〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流
路部用の予備成形体と、炭素粉末１００重量部とバイン
ダー樹脂３８〜９５重量部からなり、バインダー樹脂量
を前記ガス流路部用の予備成形体のバインダー樹脂量よ
り２０〜５０重量部多くした混合粉末から形成した枠体
用の予備成形体を金型に装入し、一体に熱圧成形するこ
とを特徴とする。
ータの製造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー
樹脂１８〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流
路部用の予備成形体と、炭素粉末１００重量部とバイン
ダー樹脂３８〜９５重量部からなり、バインダー樹脂量
を前記ガス流路部用の予備成形体のバインダー樹脂量よ
り２０〜５０重量部多くした混合粉末から形成した枠体
用の予備成形体を金型に装入し、一体に熱圧成形するこ
とを特徴とする。
【００１４】請求項３による燃料電池用セパレータの製
造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部用の
予備成形体と、前記炭素粉末の１０〜１００重量部を高
電気比抵抗を有する骨材成分で置換してなる混合粉末か
ら形成した枠体用の予備成形体を金型に装入し、一体に
熱圧成形することを特徴とする。
造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部用の
予備成形体と、前記炭素粉末の１０〜１００重量部を高
電気比抵抗を有する骨材成分で置換してなる混合粉末か
ら形成した枠体用の予備成形体を金型に装入し、一体に
熱圧成形することを特徴とする。
【００１５】請求項４による燃料電池用セパレータの製
造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末と、炭素
粉末１００重量部とバインダー樹脂３８〜９５重量部か
らなり、バインダー樹脂量を前記ガス流路部用の予備成
形体のバインダー樹脂量より２０〜５０重量部多くした
枠体用の混合粉末を、それぞれ金型の所定位置に装入
し、一体に熱圧成形することを特徴とする。
造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂１８
〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末と、炭素
粉末１００重量部とバインダー樹脂３８〜９５重量部か
らなり、バインダー樹脂量を前記ガス流路部用の予備成
形体のバインダー樹脂量より２０〜５０重量部多くした
枠体用の混合粉末を、それぞれ金型の所定位置に装入
し、一体に熱圧成形することを特徴とする。
【００１６】また、請求項５による燃料電池用セパレー
タの製造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹
脂１８〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末
と、前記炭素粉末の１０〜１００重量部を高電気比抵抗
を有する骨材成分で置換してなる枠体用の混合粉末を、
それぞれ金型の所定位置に装入し、一体に熱圧成形する
ことを特徴とする。
タの製造方法は、炭素粉末１００重量部とバインダー樹
脂１８〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末
と、前記炭素粉末の１０〜１００重量部を高電気比抵抗
を有する骨材成分で置換してなる枠体用の混合粉末を、
それぞれ金型の所定位置に装入し、一体に熱圧成形する
ことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池用セパレータ
は、炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成形してな
り、ガス流通用の溝が形成されているガス流路部は２×
１０-4Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路部の周縁
部に位置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電気比抵抗
を有し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形されている
ことを特徴とする。
は、炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成形してな
り、ガス流通用の溝が形成されているガス流路部は２×
１０-4Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路部の周縁
部に位置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電気比抵抗
を有し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形されている
ことを特徴とする。
【００１８】ガス流路部の電気比抵抗が２×１０-4Ωｍ
を越えると、所望の高出力化が得難く、枠体部の電気比
抵抗が３×１０-4Ωｍ未満では、外部への電流漏れが生
じ易くなり、高出力、高分極特性は、ガス流通部と枠体
部についての上記の電気比抵抗値の組合わせによって達
成される。
を越えると、所望の高出力化が得難く、枠体部の電気比
抵抗が３×１０-4Ωｍ未満では、外部への電流漏れが生
じ易くなり、高出力、高分極特性は、ガス流通部と枠体
部についての上記の電気比抵抗値の組合わせによって達
成される。
【００１９】ガス流路部と枠体部の気体透過度は、とも
に２×１０-10 ｍ3 ／ｍ2 ・秒以下であることが好まし
い。枠体部とガス流路部との境界部は、ガス遮断性が十
分に確保されることが重要であるから、枠体部とガス流
路部とは一体に成形されていることが好ましい。
に２×１０-10 ｍ3 ／ｍ2 ・秒以下であることが好まし
い。枠体部とガス流路部との境界部は、ガス遮断性が十
分に確保されることが重要であるから、枠体部とガス流
路部とは一体に成形されていることが好ましい。
【００２０】以下、本発明の燃料電池用セパレータの製
造方法について説明する。 （ガス流路部の原料調製）ガス流路部を構成する材質
は、炭素粉末とバインダーとしての熱硬化性樹脂を混練
したものを原料として使用するが、ガス流路部のよう
に、薄型で複雑な形状の板状成形体を得るためには、混
練物の流動性の良好なことが必要であり、また、成形後
の強度や緻密性、導電性などが所定のレベルに維持され
ることも必要である。
造方法について説明する。 （ガス流路部の原料調製）ガス流路部を構成する材質
は、炭素粉末とバインダーとしての熱硬化性樹脂を混練
したものを原料として使用するが、ガス流路部のよう
に、薄型で複雑な形状の板状成形体を得るためには、混
練物の流動性の良好なことが必要であり、また、成形後
の強度や緻密性、導電性などが所定のレベルに維持され
ることも必要である。
【００２１】そのため、炭素粉末としては、平均粒子径
が５０μｍ以下、最大粒子径が３００μｍ以下で、粒子
径１０μｍ以下の粒子の割合が２０重量％以下に調整さ
れた粒度特性をそなえたものを使用するのが好ましい。
が５０μｍ以下、最大粒子径が３００μｍ以下で、粒子
径１０μｍ以下の粒子の割合が２０重量％以下に調整さ
れた粒度特性をそなえたものを使用するのが好ましい。
【００２２】平均粒子径が５０μｍを越え、最大粒子径
が３００μｍを越えると、薄型で溝を設けた複雑な形状
のガス流通部の成形が難しくなり、とくに成形体の周縁
部や溝部の角などの強度が不十分となり、欠落が生じ易
くなる。また、粒子径が小さい微粉末は表面積が大きい
ため、表面に吸着、捕捉される樹脂量が増大し、樹脂と
の混練物の流動性が著しく低下するため、粒子径が１０
μｍ以下の粒子の割合は２０重量％以下に調整するのが
好ましい。
が３００μｍを越えると、薄型で溝を設けた複雑な形状
のガス流通部の成形が難しくなり、とくに成形体の周縁
部や溝部の角などの強度が不十分となり、欠落が生じ易
くなる。また、粒子径が小さい微粉末は表面積が大きい
ため、表面に吸着、捕捉される樹脂量が増大し、樹脂と
の混練物の流動性が著しく低下するため、粒子径が１０
μｍ以下の粒子の割合は２０重量％以下に調整するのが
好ましい。
【００２３】炭素粉末としては、人造黒鉛、天然黒鉛、
膨張黒鉛、黒鉛化カーボンブラック、有機物の黒鉛化
品、およびこれらの混合物の黒鉛粉を使用するのが、電
気比抵抗を２×１０-4Ωｍ以下とする上で好ましい。バ
インダー（結合剤）として機能する樹脂は、固体高分子
型燃料電池の作動温度の８０〜１２０℃の温度に耐える
耐熱性、ｐＨ２〜３程度のスルフォン酸や硫酸酸性に耐
え得る耐酸性があればよく、例えば、フェノール系樹
脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール−エポ
キシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を単独または混合して使
用される。
膨張黒鉛、黒鉛化カーボンブラック、有機物の黒鉛化
品、およびこれらの混合物の黒鉛粉を使用するのが、電
気比抵抗を２×１０-4Ωｍ以下とする上で好ましい。バ
インダー（結合剤）として機能する樹脂は、固体高分子
型燃料電池の作動温度の８０〜１２０℃の温度に耐える
耐熱性、ｐＨ２〜３程度のスルフォン酸や硫酸酸性に耐
え得る耐酸性があればよく、例えば、フェノール系樹
脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール−エポ
キシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を単独または混合して使
用される。
【００２４】これらの炭素粉末とバインダー樹脂は、炭
素粉末１００重量部と、バインダー樹脂１８〜４５重量
部の量比で混合して混練する。混練は、ニーダー、加圧
型ニーダー、二軸スクリュー式混練機など常用の混練機
を使用して行う。バインダー樹脂の量比が４５重量部を
越えると、導電性が著しく低下し、１８重量部未満で
は、混練物の流動性が低下して、熱圧成形により形状精
度の良い板状成形体を得ることが困難となり、成形性の
悪化によりガス不透過性や強度の低下が生じる。炭素粉
末とバインダー樹脂をより均一に混合するために、樹脂
をアルコール、エーテルなど、適宜の有機溶媒に溶解
し、粘度を下げて混練した後、必要に応じて、有機溶媒
を除去する方法を適用することもできる。
素粉末１００重量部と、バインダー樹脂１８〜４５重量
部の量比で混合して混練する。混練は、ニーダー、加圧
型ニーダー、二軸スクリュー式混練機など常用の混練機
を使用して行う。バインダー樹脂の量比が４５重量部を
越えると、導電性が著しく低下し、１８重量部未満で
は、混練物の流動性が低下して、熱圧成形により形状精
度の良い板状成形体を得ることが困難となり、成形性の
悪化によりガス不透過性や強度の低下が生じる。炭素粉
末とバインダー樹脂をより均一に混合するために、樹脂
をアルコール、エーテルなど、適宜の有機溶媒に溶解
し、粘度を下げて混練した後、必要に応じて、有機溶媒
を除去する方法を適用することもできる。
【００２５】（枠体部の原料調製）炭素粉末としては、
人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有
機物の炭化品、およびこれらの混合物を使用することが
でき、さらに、電気抵抗の高い炭素粉末、例えばコーク
ス粉、活性炭、木炭などを用いることもできる。
人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有
機物の炭化品、およびこれらの混合物を使用することが
でき、さらに、電気抵抗の高い炭素粉末、例えばコーク
ス粉、活性炭、木炭などを用いることもできる。
【００２６】配合としては、炭素粉末１００重量部とバ
インダー樹脂３８〜９５重量部からなり、バインダー樹
脂量をガス流路部のバインダー樹脂量より２０〜５０重
量部多くした混合粉末として混練する。混練はガス流路
部の原料の混練の場合と同様にして行われる。
インダー樹脂３８〜９５重量部からなり、バインダー樹
脂量をガス流路部のバインダー樹脂量より２０〜５０重
量部多くした混合粉末として混練する。混練はガス流路
部の原料の混練の場合と同様にして行われる。
【００２７】ガス流路部の原料構成、すなわち、炭素粉
末１００重量部と、バイダー樹脂１８〜４５重量部のう
ちの炭素粉末の１０〜１００重量部を高電気比抵抗を有
する骨材成分、例えば、電気抵抗の高い熱硬化性樹脂
や、ＳｉＣ、アルミナ、石英、ガラスなどの絶縁性無機
材料の粉粒状物、繊維状物の１種または２種以上で置換
した混合粉末を用いることもでき、これらの骨材成分の
添加量により電気比抵抗を調整することができる。な
お、この場合、炭素粉末に加える電気抵抗の高い熱硬化
性樹脂としては、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エ
ポキシ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などが用い
られる。
末１００重量部と、バイダー樹脂１８〜４５重量部のう
ちの炭素粉末の１０〜１００重量部を高電気比抵抗を有
する骨材成分、例えば、電気抵抗の高い熱硬化性樹脂
や、ＳｉＣ、アルミナ、石英、ガラスなどの絶縁性無機
材料の粉粒状物、繊維状物の１種または２種以上で置換
した混合粉末を用いることもでき、これらの骨材成分の
添加量により電気比抵抗を調整することができる。な
お、この場合、炭素粉末に加える電気抵抗の高い熱硬化
性樹脂としては、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エ
ポキシ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などが用い
られる。
【００２８】バインダー（結合剤）として機能する樹脂
は、前記ガス流路部を構成するために配合されるバイン
ダー樹脂と同様、固体高分子型燃料電池の作動温度の８
０〜１２０℃の温度に耐える耐熱性、ｐＨ２〜３程度の
スルフォン酸や硫酸酸性に耐え得る耐酸性があればよ
く、例えば、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキ
シ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などの熱硬化性
樹脂を単独または混合して使用される。
は、前記ガス流路部を構成するために配合されるバイン
ダー樹脂と同様、固体高分子型燃料電池の作動温度の８
０〜１２０℃の温度に耐える耐熱性、ｐＨ２〜３程度の
スルフォン酸や硫酸酸性に耐え得る耐酸性があればよ
く、例えば、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキ
シ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などの熱硬化性
樹脂を単独または混合して使用される。
【００２９】（予備成形体の製造）ガス流路部用として
配合された原料、および枠体部用として配合された原料
を、それぞれ常温でニーダーなどの混練機で混練した
後、室温に保持した金型に装入し、３〜３０ＭＰａの圧
力で加圧することにより、図１に示すような、ガス流路
用の予備成形体２および枠体部用の予備成形体３を作製
する。
配合された原料、および枠体部用として配合された原料
を、それぞれ常温でニーダーなどの混練機で混練した
後、室温に保持した金型に装入し、３〜３０ＭＰａの圧
力で加圧することにより、図１に示すような、ガス流路
用の予備成形体２および枠体部用の予備成形体３を作製
する。
【００３０】（一体成形）固体高分子型燃料電池のセパ
レータにおいて、枠体部とガス流路部の境界部は、気体
不透過性を十分に確保することが必要であるから、これ
らは一体に成形するのが好ましい。一体成形する方法と
しては、金型内の所定位置にガス流路用の原料粉末およ
び枠体用の原料粉末を装入して熱圧成形する方法、前記
の予備成形体を金型の所定位置に装着して熱圧成形する
方法があるが、枠体部とガス流路部とが明確に分けられ
るため、予備成形体を使用する方法がより好ましい。い
ずれの方法においても、１５０〜２８０℃の温度に保持
された金型を用い、１０〜５０ＭＰａの圧力で熱圧成形
する。
レータにおいて、枠体部とガス流路部の境界部は、気体
不透過性を十分に確保することが必要であるから、これ
らは一体に成形するのが好ましい。一体成形する方法と
しては、金型内の所定位置にガス流路用の原料粉末およ
び枠体用の原料粉末を装入して熱圧成形する方法、前記
の予備成形体を金型の所定位置に装着して熱圧成形する
方法があるが、枠体部とガス流路部とが明確に分けられ
るため、予備成形体を使用する方法がより好ましい。い
ずれの方法においても、１５０〜２８０℃の温度に保持
された金型を用い、１０〜５０ＭＰａの圧力で熱圧成形
する。
【００３１】上記のように、特定範囲に配合調製された
原料粉末を使用し、好ましくは特定された粒度特性の炭
素粉末を用い、一体に熱圧成形することによって、枠体
部とガス流路部における好ましい電気比抵抗の組み合わ
せによる高出力化、高分極特性が実現され、気体不透過
性をそなえ、単セルを積層して電池スタックを組立てる
際の締め付け力に抗して亀裂や破損を生じることのない
セパレータを得ることができる。
原料粉末を使用し、好ましくは特定された粒度特性の炭
素粉末を用い、一体に熱圧成形することによって、枠体
部とガス流路部における好ましい電気比抵抗の組み合わ
せによる高出力化、高分極特性が実現され、気体不透過
性をそなえ、単セルを積層して電池スタックを組立てる
際の締め付け力に抗して亀裂や破損を生じることのない
セパレータを得ることができる。
【００３２】
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。
明する。
【００３３】実施例１〜６、比較例１〜３ ガス流路部用の原料粉末、枠体用の原料粉末を、表１に
示すように配合し、配合された原料粉末を加圧ニーダー
により十分に混練した。バインダー樹脂としては、いず
れも液状フェノール樹脂を使用した。得られた混練物を
金型に装入し、室温で１０ＭＰａの圧力を加え、図１に
示すような形状の予備成形体を作製した。
示すように配合し、配合された原料粉末を加圧ニーダー
により十分に混練した。バインダー樹脂としては、いず
れも液状フェノール樹脂を使用した。得られた混練物を
金型に装入し、室温で１０ＭＰａの圧力を加え、図１に
示すような形状の予備成形体を作製した。
【００３４】得られた予備成形体を、金型内に、ガス流
路用の予備成形体の外側に枠体部用の予備成形体が配置
されるよう装着し、金型を１８０℃の温度に保持して、
３０ＭＰａの圧力で熱圧成形を行い、ガス流路部と枠体
部とが一体となった燃料電池用セパレータを作製した。
路用の予備成形体の外側に枠体部用の予備成形体が配置
されるよう装着し、金型を１８０℃の温度に保持して、
３０ＭＰａの圧力で熱圧成形を行い、ガス流路部と枠体
部とが一体となった燃料電池用セパレータを作製した。
【００３５】成形されたセパレータについて、以下の方
法によって電気比抵抗、気体透過度、曲げ強度を測定
し、成形されたセパレータを使用して単セルを組立て、
出力密度を測定した。測定結果を表２および表３に示
す。
法によって電気比抵抗、気体透過度、曲げ強度を測定
し、成形されたセパレータを使用して単セルを組立て、
出力密度を測定した。測定結果を表２および表３に示
す。
【００３６】電気比抵抗（Ωｍ）：ＪＩＳ Ｒ７２０２
に基づいて測定。 気体透過度（ｍ3 ／ｍ2 ・秒）：窒素ガスにより０．１
ＭＰａの圧力をかけた際の窒素ガスの透過量を測定。 曲げ強度（ＭＰａ）：ＪＩＳ Ｋ６９１１に基づいて測
定。 出力密度（Ｗ／ｃｍ2 ）：単セルでのセル電圧０．７Ｖ
における出力密度を測定。
に基づいて測定。 気体透過度（ｍ3 ／ｍ2 ・秒）：窒素ガスにより０．１
ＭＰａの圧力をかけた際の窒素ガスの透過量を測定。 曲げ強度（ＭＰａ）：ＪＩＳ Ｋ６９１１に基づいて測
定。 出力密度（Ｗ／ｃｍ2 ）：単セルでのセル電圧０．７Ｖ
における出力密度を測定。
【００３７】
【表１】 《表注１》炭素粉末の種類 実施例１〜５、比較例１〜３：ガス流路部、枠体部 いずれも人造黒鉛粉末、実施例６：ガス流路部、枠体部いずれも天然黒鉛粉末 《表注２》添加粉の種類 実施例４※：フェノール樹脂硬化粉
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】 《表注》出力密度 ※：ガス流路部と枠体部との境界部よりガス漏れが生じたた め出力密度の測定ができなかった。
【００４０】表１〜３にみられるように、実施例１〜３
および６は、枠体部を構成する成形体の原料のバインダ
ー樹脂の配合量を、ガス流路部を構成する成形体の原料
のバインダー樹脂の配合量より２０〜５０重量部多くし
て、枠体部の電気比抵抗を高め、実施例４〜５は、炭素
粉末の一部をフェノール樹脂硬化粉、およびＳｉＣ粉で
置換して電気比抵抗を高めたものであり、いずれも出力
密度が大きく、電池性能の向上が認められ、枠体部の曲
げ強度も高くなっている。これに対して、本発明の配合
条件を外れる比較例１〜３は、出力密度が低く、枠体部
の曲げ強度も劣っている。
および６は、枠体部を構成する成形体の原料のバインダ
ー樹脂の配合量を、ガス流路部を構成する成形体の原料
のバインダー樹脂の配合量より２０〜５０重量部多くし
て、枠体部の電気比抵抗を高め、実施例４〜５は、炭素
粉末の一部をフェノール樹脂硬化粉、およびＳｉＣ粉で
置換して電気比抵抗を高めたものであり、いずれも出力
密度が大きく、電池性能の向上が認められ、枠体部の曲
げ強度も高くなっている。これに対して、本発明の配合
条件を外れる比較例１〜３は、出力密度が低く、枠体部
の曲げ強度も劣っている。
【００４１】
【発明の効果】以上のとおり、本発明の燃料電池用セパ
レータによれば、電池の高出力化を達成することがで
き、枠体部も優れた強度特性をそなえているから、セパ
レータの薄肉化が可能となり、電池性能を維持した上
で、積層した電池スタックの高さを小さくすることがで
き、電池の小型化を図ることが可能となる。
レータによれば、電池の高出力化を達成することがで
き、枠体部も優れた強度特性をそなえているから、セパ
レータの薄肉化が可能となり、電池性能を維持した上
で、積層した電池スタックの高さを小さくすることがで
き、電池の小型化を図ることが可能となる。
【図１】セパレータのガス流路部用と枠体部用の予備成
形体、およびそれらの配置を示す概略斜視図である。
形体、およびそれらの配置を示す概略斜視図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の概略構造を示す一部断
面図である。
面図である。
１ セパレータ ２ ガス流路用の予備成形体 ３ 枠体部用の予備成形体 ４ カソード ５ アノード ６ 溝 ７ 電解質膜 ８ シール材
Claims (5)
- 【請求項１】 炭素粉末と樹脂との混合粉末を板状に成
形してなる燃料電池のセパレータにおいて、片面または
両面に複数のガス流通用溝部が形成されているガス流路
部は２×１０-4Ωｍ以下の電気比抵抗を有し、ガス流路
部の周縁部に位置する枠体部は３×１０-4Ωｍ以上の電
気比抵抗を有し、ガス流路部と枠体部とが一体に成形さ
れていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
１８〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部
用の予備成形体と、炭素粉末１００重量部とバインダー
樹脂３８〜９５重量部からなり、バインダー樹脂量を前
記ガス流路部用の予備成形体のバインダー樹脂量より２
０〜５０重量部多くした混合粉末から形成した枠体用の
予備成形体を金型に装入し、一体に熱圧成形することを
特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項３】 炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
１８〜４５重量部との混合粉末から形成したガス流路部
用の予備成形体と、前記炭素粉末の１０〜１００重量部
を高電気比抵抗を有する骨材成分で置換してなる混合粉
末から形成した枠体用の予備成形体を金型に装入し、一
体に熱圧成形することを特徴とする燃料電池用セパレー
タの製造方法。 - 【請求項４】 炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
１８〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末と、
炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂３８〜９５重量
部からなり、バインダー樹脂量を前記ガス流路部用の予
備成形体のバインダー樹脂量より２０〜５０重量部多く
した枠体用の混合粉末を、それぞれ金型の所定位置に装
入し、一体に熱圧成形することを特徴とする燃料電池用
セパレータの製造方法。 - 【請求項５】 炭素粉末１００重量部とバインダー樹脂
１８〜４５重量部からなるガス流路部用の混合粉末と、
前記炭素粉末の１０〜１００重量部を高電気比抵抗を有
する骨材成分で置換してなる枠体用の混合粉末を、それ
ぞれ金型の所定位置に装入し、一体に熱圧成形すること
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000062884A JP2001250566A (ja) | 2000-03-08 | 2000-03-08 | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000062884A JP2001250566A (ja) | 2000-03-08 | 2000-03-08 | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001250566A true JP2001250566A (ja) | 2001-09-14 |
Family
ID=18582836
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000062884A Pending JP2001250566A (ja) | 2000-03-08 | 2000-03-08 | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001250566A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005071635A (ja) * | 2003-08-26 | 2005-03-17 | Ibiden Co Ltd | 多孔質黒鉛板、多孔質黒鉛板の製造方法、高分子電解質型燃料電池用セパレータ |
| JP2005276796A (ja) * | 2004-02-24 | 2005-10-06 | Dainippon Ink & Chem Inc | 燃料電池用セパレータ、その製造方法及び燃料電池 |
| JP2007026828A (ja) * | 2005-07-14 | 2007-02-01 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
| JP2013125747A (ja) * | 2011-12-15 | 2013-06-24 | Hankook Tire Co Ltd | 燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池 |
-
2000
- 2000-03-08 JP JP2000062884A patent/JP2001250566A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005071635A (ja) * | 2003-08-26 | 2005-03-17 | Ibiden Co Ltd | 多孔質黒鉛板、多孔質黒鉛板の製造方法、高分子電解質型燃料電池用セパレータ |
| JP4656823B2 (ja) * | 2003-08-26 | 2011-03-23 | イビデン株式会社 | 多孔質黒鉛板、多孔質黒鉛板の製造方法、高分子電解質型燃料電池用セパレータ |
| JP2005276796A (ja) * | 2004-02-24 | 2005-10-06 | Dainippon Ink & Chem Inc | 燃料電池用セパレータ、その製造方法及び燃料電池 |
| JP2007026828A (ja) * | 2005-07-14 | 2007-02-01 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 |
| JP2013125747A (ja) * | 2011-12-15 | 2013-06-24 | Hankook Tire Co Ltd | 燃料電池用分離板及びこれを含む燃料電池 |
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