JP2003142118A - High polymer electrolyte type fuel cell - Google Patents

High polymer electrolyte type fuel cell

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JP2003142118A
JP2003142118A JP2001336318A JP2001336318A JP2003142118A JP 2003142118 A JP2003142118 A JP 2003142118A JP 2001336318 A JP2001336318 A JP 2001336318A JP 2001336318 A JP2001336318 A JP 2001336318A JP 2003142118 A JP2003142118 A JP 2003142118A
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Japan
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polymer electrolyte
fuel cell
separator
conductive
sec
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JP2001336318A
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Japanese (ja)
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Hideo Obara
英夫 小原
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Susumu Kobayashi
晋 小林
Tatsuto Yamazaki
達人 山崎
Nobunori Hase
伸啓 長谷
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein a separator plate forming a component of a high polymer electrolyte type fuel cell has been manufactured by machining a glassy carbon plate, pressing expansive graphite, pressing a metallic plate, or using a thermosetting conductive resin, but it has been difficult to reduce a cost whichever material is used, providing difficulty in bringing the fuel cell into practical use. SOLUTION: The separator is manufactured by a composite of a conductive filler and a binder resin prepared by heating and mixing them so as to make its melt viscosity stay in a range of 10-10<5> (Pa/sec) (shear rate of 6-6000 (1/sec)) at a shear rate of 6-6000 (1/sec).

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a portable power source,
The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte used in a power source for electric vehicles, a cogeneration system in a home, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガ
スとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを
同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素
イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白
金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする
触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面
に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ、例え
ばカーボンペーパーで拡散層を形成し、この拡散層と触
媒反応層とを合わせて電極とする。
2. Description of the Related Art In a fuel cell using a polymer electrolyte, a fuel gas containing hydrogen and a fuel gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted to simultaneously generate electric power and heat. It is what makes me. With this structure, first, a catalytic reaction layer containing carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst as a main component is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, a diffusion layer is formed on the outer surface of the catalytic reaction layer by using, for example, carbon paper having both fuel gas permeability and electronic conductivity, and the diffusion layer and the catalytic reaction layer are combined to form an electrode.

【0003】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEA
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEAと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
Next, in order to prevent the supplied fuel gas from leaking to the outside and the two kinds of fuel gas from mixing with each other, a gas sealing material and a gasket are arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween. The sealing material and gasket are integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane in advance,
This is called MEA (electrode-electrolyte membrane assembly). MEA
An electrically conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is arranged on the outer side of the. A gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away the generated gas and the surplus gas is formed in a portion of the separator plate that is in contact with the MEA. The gas flow channel may be provided separately from the separator plate, but it is common to provide a groove on the surface of the separator to form the gas flow channel.

【0004】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドを呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
In order to supply the fuel gas to this groove, a pipe jig for branching the pipe for supplying the fuel gas into the number of separators to be used and directly connecting the branch destination to the separator-shaped groove is required. . This jig is called a manifold, and the type directly connected from the fuel gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold having a simpler structure. The internal manifold is one in which a through hole is provided in a separator plate having a gas flow path, the inlet and outlet of the gas flow path are passed to this hole, and the fuel gas is directly supplied from this hole.

【0005】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのMEAとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the cell in a good temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water for every 1 to 3 cells is inserted between the separators, but a cooling water channel is often provided on the back surface of the separator to serve as the cooling unit. It is common to stack these MEAs, separators, and cooling parts alternately, stack 10 to 200 cells, sandwich the plates with a collector plate and an insulating plate, end plates, and fix them with fastening bolts from both ends. It is a structure of various laminated batteries.

【0006】このような高分子電解質型燃料電池に用い
るセパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガスに対して
高いガス気密性を持ち、更に水素/酸素を酸化還元する
際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要が
ある。このような理由で従来のセパレータは、グラッシ
ーカーボン板の表面に切削加工でガス流路を形成した
り、またガス流路溝を形成したプレス金型にバインダー
と共に膨張黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、
加熱焼成することで作製していた。
The separator used in such a polymer electrolyte fuel cell has a high conductivity, a high gas-tightness with respect to the fuel gas, and a high reaction with respect to the oxidation / reduction of hydrogen / oxygen. It must have corrosion resistance, that is, acid resistance. For this reason, conventional separators have a gas flow path formed by cutting on the surface of a glassy carbon plate, or put expanded graphite powder together with a binder into a press die with a gas flow path groove, and press this. After processing
It was produced by heating and firing.

【0007】また、近年、従来より使用されたカーボン
材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが
行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が
高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用する
と、金属板の腐食や溶解が起こる。金属板が腐食する
と、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下す
る。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオンが
高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオン交
換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自身の
イオン電導性が低下する。このような劣化を避けるため
金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッキを施すこ
と通例であった。
Further, in recent years, attempts have been made to use a metal plate such as stainless steel in place of the conventionally used carbon material. The separator using the metal plate is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature, so that the metal plate is corroded or dissolved when used for a long period of time. When the metal plate corrodes, the electric resistance of the corroded portion increases, and the output of the battery decreases. When the metal plate is dissolved, the dissolved metal ions diffuse into the polymer electrolyte and are trapped at the ion exchange sites of the polymer electrolyte, resulting in a decrease in the ion conductivity of the polymer electrolyte itself. In order to avoid such deterioration, it has been customary to coat the surface of the metal plate with gold having a certain thickness.

【0008】さらに、特開平6−333580号公報で
提案されているように、エポキシ樹脂など熱硬化性樹脂
に金属粉を混ぜることで作成した導電性樹脂で作成した
セパレータや熱可塑性樹脂と導電剤を混ぜることで作成
した導電性樹脂が検討されている。
Further, as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-333580, a separator made of a conductive resin made by mixing a metal powder with a thermosetting resin such as an epoxy resin, a thermoplastic resin and a conductive agent. A conductive resin prepared by mixing is being studied.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、セパレ
ータをグラッシーカーボン板の切削で作る方法では、グ
ラッシーカーボン板の材料コストそのものが高い上に、
これを切削するためのコストを引き下げることも困難で
ある。また、金メッキを施した金属板セパレータは、金
メッキのコストに課題があった。また膨張黒鉛をプレス
加工したものは、材料の力学的強度の課題があり、特に
電気自動車の動力源として用いたときは、走行中の振動
や衝撃で、ひびが入ることがあった。さらに、導電性樹
脂で作成したセパレータは、熱硬化性樹脂の硬化に時間
が必要なため、生産性が向上せず、低コスト化のために
大幅な設備投資が必要であり、ガス発生等の課題があっ
た。
As described above, in the method of making the separator by cutting the glassy carbon plate, the material cost itself of the glassy carbon plate is high, and
It is also difficult to reduce the cost for cutting this. Further, the gold-plated metal plate separator has a problem in the cost of gold plating. In addition, pressed graphite of expanded graphite has a problem of mechanical strength of the material, and when it is used as a power source of an electric vehicle, it may be cracked due to vibration or shock during traveling. Furthermore, a separator made of a conductive resin requires a long time to cure the thermosetting resin, so the productivity does not improve, and a large capital investment is required to reduce the cost. There were challenges.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導
性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解
質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に
燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出す
るガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備し
た高分子電解質型燃料電池において、前記導電性セパレ
ータは導電性フィラーとバインダー樹脂との混合物より
構成され、前記混合物は溶融時の粘性が10〜10
5(Pa・sec)でありかつ剪断速度が6〜6000(1/s
ec)であることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is provided with a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and both surfaces of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of electrodes and a pair of conductive separators having a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas to the other, The conductive separator is composed of a mixture of a conductive filler and a binder resin, and the mixture has a viscosity of 10 to 10 when melted.
5 (Pa · sec) and a shear rate of 6 to 6000 (1 / s
ec).

【0011】このとき、導電性フィラーは、平均粒子径
50μm〜200μmの粒状黒鉛と、繊維径10μm以下
の導電性炭素繊維の少なくとも一方を有することが望ま
しい。さらに、バインダー樹脂が熱可塑性樹脂からなる
ことが望ましい。
At this time, the conductive filler preferably has at least one of granular graphite having an average particle diameter of 50 μm to 200 μm and conductive carbon fiber having a fiber diameter of 10 μm or less. Furthermore, it is desirable that the binder resin is made of a thermoplastic resin.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
は、構成要素である導電性セパレータを、溶融時の粘性
が10〜105(Pa・sec)(剪断速度6〜6000(1
/sec))を示す、導電性フィラーとバインダー樹脂の組
成物より構成した点にある。導電性セパレータは、例え
ばポリフェニレンサルファイド樹脂を母剤とし、これに
粒状黒鉛やカーボン繊維などの導電剤を混合することで
作成する。このような導電性セパレータは、確かにグラ
ッシーカーボンや金属板に較べると、電気伝導性は低
い。しかし、射出成形による加工が可能なため従来セパ
レータ作製に必要であったガス流路等の切削加工が必要
なくなり、生産性を向上させることができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In a polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a conductive separator as a constituent element has a viscosity of 10 to 10 5 (Pa · sec) when melted (shear rate of 6 to 6000 (1
/ sec)), which is composed of a composition of a conductive filler and a binder resin. The conductive separator is prepared, for example, by using a polyphenylene sulfide resin as a base material and mixing this with a conductive agent such as granular graphite or carbon fiber. Such a conductive separator is certainly lower in electric conductivity than glassy carbon or a metal plate. However, since it is possible to perform processing by injection molding, it is possible to improve productivity by eliminating the need for cutting gas passages and the like, which has been conventionally required for producing a separator.

【0013】また、エポキシ樹脂等熱硬化性樹脂を用い
た導電性樹脂セパレータの場合のような、樹脂硬化の際
に必要な加熱圧縮状態での保持時間が不要であり、ガス
発生等の問題もない。
Further, unlike the case of a conductive resin separator using a thermosetting resin such as an epoxy resin, there is no need for a holding time in a heated and compressed state necessary for resin curing, and there is a problem such as gas generation. Absent.

【0014】以上の要件を具体的に満足する母剤を評価
したところ、樹脂と無機導電材料の組成物で、溶融粘度
が10〜105(Pa・sec)(剪断速度6〜6000(1
/sec))を示す材料が、成型性、ガス気密性、及び耐熱
性、寸法安定性に優れ、本発明を実現するセパレータ用
材料として特に適したものであった。
When a base material which specifically satisfies the above requirements was evaluated, the composition of the resin and the inorganic conductive material had a melt viscosity of 10 to 10 5 (Pa · sec) (shear rate of 6 to 6000 (1
/ sec)) was excellent in moldability, gas-tightness, heat resistance, and dimensional stability, and was particularly suitable as a separator material for realizing the present invention.

【0015】バインダー樹脂としては、ポリエチレン、
ポリスチレン、ポリプロピレン、AS樹脂、ABS樹
脂、メタクリル酸メチル樹脂、ポリアミド、ポリアセタ
ール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポ
リブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレー
ト、ポリメチルペンテン、シンジオタクチックポリスチ
レン、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリ
フタルアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリシク
ロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリアリレー
ト、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリイ
ミド、液晶ポリマー、フッ素樹脂より選ばれた1種類あ
るいは2種類以上の混合物を用いることが出来た。以
下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明す
る。
As the binder resin, polyethylene,
Polystyrene, polypropylene, AS resin, ABS resin, methyl methacrylate resin, polyamide, polyacetal, polycarbonate, polyphenylene ether, polybutylene terephthalate, polyethylene terephthalate, polymethylpentene, syndiotactic polystyrene, polysulfone, polyether sulfone, polyphthalamide It was possible to use one kind or a mixture of two or more kinds selected from polyphenylene sulfide, polycyclohexylene dimethylene terephthalate, polyarylate, polyetherimide, polyetherketone, polyimide, liquid crystal polymer and fluororesin. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0016】[0016]

【実施例】(実施例1)まず、触媒層を形成した電極の
作成方法を図1を用いて説明する。アセチレンブラック
粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持
したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロ
パノ−ルに分散させた溶液に、(化1)で示したパーフ
ルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに
分散したディスパージョン溶液を混合し、触媒ペースト
状にした。
EXAMPLES Example 1 First, a method for producing an electrode having a catalyst layer will be described with reference to FIG. An acetylene black powder carrying 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30Å was used as the electrode catalyst. The catalyst powder was dispersed in isopropanol, and the dispersion solution prepared by dispersing the perfluorocarbon sulfonic acid powder shown in Chemical formula 1 in ethyl alcohol was mixed to form a catalyst paste.

【0017】[0017]

【化1】 [Chemical 1]

【0018】一方、電極の支持体になるカーボンペーパ
ーを撥水処理した。外寸8cm×10cm、厚み360
μmのカ−ボン不織布11(東レ製、TGP−H−12
0)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイ
キン工業製、ネオフロンND1)に含浸した後、これを
乾燥し、400℃で30分加熱することで、撥水性を与
えた。このカ−ボン不織布11の一方の面に、触媒ペー
ストをクリ−ン印刷法を用いて塗布することで触媒層1
2を形成した。このとき、触媒層12の一部は、カ−ボ
ン不織布11の中に埋まり込んでいる。このようにして
作成した触媒層12とカ−ボン不織布11とを合わせて
電極13とした。形成後の反応電極中に含まれる白金量
は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン
酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
On the other hand, the carbon paper which becomes the support of the electrode was subjected to water repellent treatment. External size 8 cm x 10 cm, thickness 360
μm carbon nonwoven fabric 11 (Toray, TGP-H-12
0) was impregnated into a fluororesin-containing aqueous dispersion (Neotron ND1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), which was then dried and heated at 400 ° C. for 30 minutes to impart water repellency. The catalyst layer 1 is formed by applying a catalyst paste to one surface of the carbon nonwoven fabric 11 using a screen printing method.
Formed 2. At this time, a part of the catalyst layer 12 is embedded in the carbon nonwoven fabric 11. The catalyst layer 12 thus produced and the carbon nonwoven fabric 11 were combined to form an electrode 13. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.

【0019】次に、外寸が10cm×20cmのプロト
ン伝導性高分子電解質膜14の裏表両面に、一対の電極
13を触媒層12が電解質膜14の側に接するようにホ
ットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体(ME
A)15とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解
質として、(化2)に示したパーフルオロカーボンスル
ホン酸を50μmの厚みに薄膜化したものを用いた。
Next, a pair of electrodes 13 are bonded on both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane 14 having an outer dimension of 10 cm × 20 cm by hot pressing so that the catalyst layer 12 is in contact with the electrolyte membrane 14 side. This is an electrode electrolyte membrane assembly (ME
A) It was set to 15. Here, as the proton-conductive polymer electrolyte, a thin film of the perfluorocarbon sulfonic acid shown in (Chemical Formula 2) was used in a thickness of 50 μm.

【0020】[0020]

【化2】 [Chemical 2]

【0021】次に、本発明のポイントである溶融時の粘
性が10〜105(Pa・sec)(剪断速度6〜6000
(1/sec))を示す導電性フィラーとバインダー樹脂の
組成物より作製した導電性セパレータについて記載す
る。
Next, the viscosity at the time of melting, which is the point of the present invention, is 10 to 10 5 (Pa · sec) (shear rate 6 to 6000).
A conductive separator prepared from a composition of a conductive filler exhibiting (1 / sec)) and a binder resin will be described.

【0022】PPS樹脂を、平均粒子径50μm〜20
0μmの粒状黒鉛を80kgとを、溶融粘度が温度32
0〜370℃、剪断速度6〜6000(1/sec)で、10
〜105(Pa・sec)の範囲になるよう加熱混練し調整
した。この材料を使用しセパレータ製作用ペレットを作
成した。このとき溶融粘度の計測には、株式会社東洋精
機製キャピログラフを用いた。PPS樹脂を20kg
と、平均粒子径50μm〜200μmの粒状黒鉛を80k
gとを、充分に加熱混練することでセパレータ用ペレッ
トを作成した。このとき株式会社東洋精機製キャピログ
ラフを用いて組成物の溶融粘度を計測した結果、温度3
20〜370℃、剪断速度6〜6000(1/sec)で、1
0〜105(Pa・sec)の範囲であった。このペレット
を射出成型機に投入し所定の金型に射出成形すること
で、導電性セパレータを作製した。このとき、射出圧力
は2500kgf/cm2、金型温度は240℃、成型
時間は60secであった。
The PPS resin has an average particle size of 50 μm to 20 μm.
80 μg of 0 μm granular graphite and a melt viscosity of 32
0 to 370 ° C, shear rate 6 to 6000 (1 / sec), 10
The mixture was heated and kneaded so as to be in the range of -10 5 (Pa · sec). This material was used to make pellets for producing a separator. At this time, a Capirograph manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. was used to measure the melt viscosity. 20 kg of PPS resin
And 80k of granular graphite having an average particle size of 50 to 200 μm
g was sufficiently kneaded with heat to prepare separator pellets. At this time, the melt viscosity of the composition was measured using Toyo Seiki Co., Ltd.
20 ~ 370 ℃, shear rate 6 ~ 6000 (1 / sec), 1
It was in the range of 0 to 10 5 (Pa · sec). The pellets were put into an injection molding machine and injection-molded in a predetermined mold to prepare a conductive separator. At this time, the injection pressure was 2500 kgf / cm 2, the mold temperature was 240 ° C., and the molding time was 60 sec.

【0023】なお、表1で示すように溶融粘度が10
(Pa・sec)よりも少なくすると、成型時にバリの発生
と導電性の低下が見られた。導電性は東海カーボン
(株)製等方性黒鉛板Φ30、板厚2mmのテストピー
スの抵抗値をリファレンスに相対値で評価した。また、
溶融粘度が106(Pa・sec)を越えると成型時に金型
内でショートショットとなりセパレータが得られなかっ
た。
As shown in Table 1, the melt viscosity is 10
If it is less than (Pa · sec), burrs are generated and the conductivity is lowered during molding. The conductivity was evaluated by a relative value using a resistance value of an isotropic graphite plate Φ30 manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd. and a test piece having a plate thickness of 2 mm as a reference. Also,
If the melt viscosity exceeds 10 6 (Pa · sec), a short shot occurs in the mold during molding, and a separator cannot be obtained.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】また、表2で示すように粒状黒鉛の平均粒
子径を50μm以下にした場合、導電性の低下が生じ、
平均粒子径を200μm以上にした場合は、セパレータ
の最薄部の充填性悪化とガス透過性の悪化が確認され
た。
Further, as shown in Table 2, when the average particle diameter of the granular graphite is 50 μm or less, the conductivity is lowered,
When the average particle size was 200 μm or more, deterioration of filling property and gas permeability of the thinnest part of the separator was confirmed.

【0026】[0026]

【表2】 [Table 2]

【0027】以上の方法で作成したセパレータを図2に
示した。図2は導電性セパレータの表面に形成したガス
流通用溝の形状を示したものである。図2(a)は表面
に形成した酸化剤ガス流通溝の形状を示したものであ
り、(b)はその裏面の燃料ガス流通溝の形状を示した
ものである。セパレータの大きさは10cm×20c
m、厚さは4mmであり、溝部21は幅2mmで深さ
1.5mmの凹部であり、この部分をガスが流通する。
また、ガス流路間のリブ部22は幅1mmの凸部であ
る。また、酸化剤ガスのマニホルド孔(注入口23a、
出口23b)と、燃料ガスのマニホルド孔(注入口24
a、出口24b)と、冷却水のマニホルド孔(注入口2
5a、出口25b)を形成した。
The separator produced by the above method is shown in FIG. FIG. 2 shows the shape of the gas flow grooves formed on the surface of the conductive separator. 2A shows the shape of the oxidant gas flow groove formed on the front surface, and FIG. 2B shows the shape of the fuel gas flow groove on the back surface thereof. The size of the separator is 10 cm x 20 c
m, the thickness is 4 mm, the groove portion 21 is a concave portion having a width of 2 mm and a depth of 1.5 mm, and gas flows through this portion.
The rib portion 22 between the gas flow paths is a convex portion having a width of 1 mm. In addition, a manifold hole for the oxidant gas (the injection port 23a,
Outlet 23b) and a fuel gas manifold hole (inlet 24
a, outlet 24b) and a cooling water manifold hole (inlet 2
5a, outlet 25b) was formed.

【0028】また図3は、冷却水を流すための冷却流路
の形状を示したものであり、図2(a)に示した導電性
セパレータの裏面に切削加工したものである。図3で、
冷却水のマニホルド孔(注入口31a、出口31b)の
位置と大きさは、図2で示した冷却水のマニホルド孔2
5a及び25bと同一の位置に形成し、また、ガス流通
用のマニホールド穴34a、34b、35a、35bの
位置と大きさも、図2のガスマニホルド孔と同一位置に
形成した。また、32は、冷却水の注入口31aから流
入した水の流通部分であり、凹状の深さは1.5mmと
した。33は冷却水通路の途中にあり、冷却水の流路3
2を形成したときの凸部として残した部分であり、元々
の導電性シート36と同じ高さである。冷却水は注入口
31aから流入し、33により分流するため、流路32
の全面を流れて出口31bへと到達する。
FIG. 3 shows the shape of a cooling flow path for flowing cooling water, in which the back surface of the conductive separator shown in FIG. 2 (a) is cut. In Figure 3,
The position and size of the cooling water manifold holes (injection port 31a, outlet 31b) are the same as those of the cooling water manifold hole 2 shown in FIG.
5a and 25b, and the manifold holes 34a, 34b, 35a, 35b for gas flow were also formed at the same positions and sizes as the gas manifold holes in FIG. Further, 32 is a flow portion of the water that has flowed in from the cooling water inlet 31a, and the depth of the concave shape is 1.5 mm. 33 is in the middle of the cooling water passage,
2 is a portion left as a convex portion when forming 2, and has the same height as the original conductive sheet 36. Since the cooling water flows in from the inlet 31a and is split by 33, the flow path 32
To reach the exit 31b.

【0029】次に、図1で作成したMEAのプロトン伝
導性高分子電解質膜に、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガ
ス流通用のマニホールド穴を形成した。その構成を図4
に示した。図4で、44は電極部分、45はプロトン伝
導性高分子電解質膜、41a、41b、42aおよび4
2bは燃料ガス及び酸化剤ガス流通用のマニホールド
穴、43a及び43bは冷却水流通用マニホールド穴で
あり、これらの穴は図2及び図3に示したセパレータと
同じ位置で同じ大きさとした。
Next, in the proton conductive polymer electrolyte membrane of the MEA prepared in FIG. 1, manifold holes for circulating cooling water, fuel gas and oxidant gas were formed. The structure is shown in FIG.
It was shown to. In FIG. 4, 44 is an electrode part, 45 is a proton conductive polymer electrolyte membrane, 41a, 41b, 42a and 4
2b is a manifold hole for fuel gas and oxidant gas flow, and 43a and 43b are cooling water flow manifold holes, and these holes have the same positions and sizes as the separators shown in FIGS. 2 and 3.

【0030】このようにして作成したセパレータ2枚を
用い、図4で示したMEAシートの表面に図2(a)
を、裏面に図2(b)を重ね合わせ、これを単電池とし
た。この単電池を2セル積層した後、図3に示した冷却
水路溝を形成したセパレータでこの2セル積層電池を挟
み込み、このパターンを繰り返して50セル積層の電池
スタックを作成した。この時、電池スタックの両端部に
は、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さ
らに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセ
パレータの面積当たり10kgf/cm2とした。
Using the two separators thus prepared, the surface of the MEA sheet shown in FIG.
FIG. 2 (b) was overlaid on the back side, and this was used as a unit cell. After stacking 2 cells of this unit cell, the 2-cell stack battery was sandwiched by the separators having the cooling water channel grooves shown in FIG. 3, and this pattern was repeated to form a 50 cell stack battery stack. At this time, the both ends of the battery stack were fixed with a stainless steel collector plate and an insulating plate made of an electrically insulating material, and further with an end plate and a fastening rod. The fastening pressure at this time was 10 kgf / cm 2 per area of the separator.

【0031】このように作製した本実施例の高分子電解
質型燃料電池を、85℃に保持し、一方の電極側に83
℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一
方の電極側に78℃の露点となるように加湿・加温した
空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無
負荷時には、50Vの電池開放電圧を得た。
The polymer electrolyte fuel cell of this example produced in this manner was held at 85 ° C., and 83
Hydrogen gas humidified and heated to a dew point of ° C was supplied, and air humidified and heated to a dew point of 78 ° C was supplied to the other electrode side. As a result, a battery open circuit voltage of 50 V was obtained when no load was applied and the current was not output to the outside.

【0032】この電池を燃料利用率80%、酸素利用率
40%、電流密度0.5A/cm2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を図5に示した。その結
果、本実施例の電池は、8000時間以上にわたって1
000W(22V−45A)の電池出力を維持すること
を確認した。
This cell was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40% and a current density of 0.5 A / cm 2 , and the time-dependent change in output characteristics is shown in FIG. As a result, the battery of the present example has 1
It was confirmed that the battery output of 000 W (22V-45A) was maintained.

【0033】(実施例2)上記の実施例では、セパレー
タを作るための無機導電材料に粒状黒鉛を用いたが、本
実施例ではさらに炭素繊維を無機導電性材料に添加し
た。PPS樹脂を、平均粒子径50μm〜200μmの粒
状黒鉛を80kgと繊維径7μmの炭素繊維1kgを、
溶融粘度が温度320〜370℃、剪断速度6〜600
0(1/sec)で、10〜105(Pa・sec)の範囲になる
よう加熱混練し調整した。この材料を使用しセパレータ
製作用ペレットを作成した。このとき溶融粘度の計測に
は、株式会社東洋精機製キャピログラフを用いた。この
ペレットを射出成型機に投入し所定の金型に射出成形す
ることで、導電性セパレータを作製した。このとき、射
出圧力は2500kgf/cm2、金型温度は240
℃、成型時間は60secであった。表3で示すように
炭素繊維を入れることで導電性の向上が確認された。
Example 2 In the above example, granular graphite was used as the inorganic conductive material for making the separator, but in this example, carbon fiber was further added to the inorganic conductive material. PPS resin, 80 kg of granular graphite having an average particle diameter of 50 μm to 200 μm and 1 kg of carbon fiber having a fiber diameter of 7 μm,
Melt viscosity is 320-370 ° C, shear rate is 6-600
The content was adjusted to 0 (1 / sec) by heating and kneading so as to be in the range of 10 to 10 5 (Pa · sec). This material was used to make pellets for producing a separator. At this time, a Capirograph manufactured by Toyo Seiki Co., Ltd. was used to measure the melt viscosity. The pellets were put into an injection molding machine and injection-molded in a predetermined mold to prepare a conductive separator. At this time, the injection pressure was 2500 kgf / cm2 and the mold temperature was 240.
C., molding time was 60 sec. As shown in Table 3, improvement in conductivity was confirmed by adding carbon fiber.

【0034】[0034]

【表3】 [Table 3]

【0035】なお、実施例1と同様に表4で示すように
溶融粘度が10(Pa・sec)よりも少なくすると、成型
時にバリの発生と導電性の低下が見られた。また、溶融
粘度が106(Pa・sec)を越えると成型時に金型内で
ショートショットとなりセパレータが得られなかった。
As in Example 1, when the melt viscosity was less than 10 (Pa · sec) as shown in Table 4, burrs were generated and the conductivity was lowered during molding. Further, if the melt viscosity exceeds 10 6 (Pa · sec), a short shot occurs in the mold during molding, and a separator cannot be obtained.

【0036】[0036]

【表4】 [Table 4]

【0037】また、表5で示すように粒状黒鉛の平均粒
子径を50μm以下にした場合、導電性の低下が生じ、
平均粒子径を200μm以上にした場合は、セパレータ
の最薄部の充填性悪化とガス透過性の悪化が確認され
た。さらに、図3で示すように繊維径10μm以上の炭
素繊維を混合しても導電性の向上は確認されなかった。
Further, as shown in Table 5, when the average particle diameter of the granular graphite is 50 μm or less, the conductivity is lowered,
When the average particle size was 200 μm or more, deterioration of filling property and gas permeability of the thinnest part of the separator was confirmed. Furthermore, as shown in FIG. 3, even if carbon fibers having a fiber diameter of 10 μm or more were mixed, no improvement in conductivity was confirmed.

【0038】[0038]

【表5】 [Table 5]

【0039】以下、この材料を用いて、実施例1の電池
と同一のものを作成し、実施例1と同一条件でその特性
を評価した。その結果を図6に示した。図6に於いて、
本実施例の電池は実施例1で作製した電池よりも優れた
特性を有することを確認した。
Hereinafter, using this material, the same battery as the battery of Example 1 was prepared, and its characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Fig. 6. In FIG.
It was confirmed that the battery of this example had better characteristics than the battery prepared in Example 1.

【0040】[0040]

【発明の効果】本発明によると、従来のカーボン板の切
削工法に替わり、溶融粘度を剪断速度6〜6000(1/s
ec)で、10〜105(Pa・sec)(剪断速度6〜60
00(1/sec))の範囲になるよう加熱混練し調整した導
電性フィラーとバインダー樹脂の組成物より、セパレー
タ板を成形し構成することで、大幅なコスト低減を図る
ことができる。
According to the present invention, instead of the conventional method of cutting a carbon plate, the melt viscosity is changed to a shear rate of 6 to 6000 (1 / s).
ec) 10 to 10 5 (Pa · sec) (shear rate 6 to 60
It is possible to drastically reduce the cost by forming the separator plate from the composition of the conductive filler and the binder resin, which is heat-kneaded and adjusted to be in the range of 00 (1 / sec)).

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたME
Aの構成を示した図
FIG. 1 is an ME used in a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
Diagram showing the configuration of A

【図2】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたセパ
レータの構成を示した図
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a separator used in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いた冷却
水路板の構成を示した図
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a cooling water channel plate used in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたME
Aシートの構成を示した図
FIG. 4 ME used in the fuel cell of Example 1 of the present invention
Diagram showing the structure of A sheet

【図5】本発明の第1の実施例の燃料電池の出力特性の
時間変化を示した図
FIG. 5 is a diagram showing a change over time in the output characteristics of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例の燃料電池の出力特性の
時間変化を示した図
FIG. 6 is a diagram showing a change over time in the output characteristics of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 カ−ボン不織布 12 触媒層 13 電極 14 プロトン伝導性高分子電解質膜 15,45 MEA 21 溝部 22 ガス流路間のリブ部 23,34,41 酸化剤ガスのマニホルド孔 24,35,42 燃料ガスのマニホルド孔 25,31,43 冷却水のマニホルド孔 32 水の流通部分 33 凸状残部 36,45 導電性シート 11 carbon nonwoven fabric 12 Catalyst layer 13 electrodes 14 Proton conductive polymer electrolyte membrane 15,45 MEA 21 groove 22 Rib section between gas channels 23,34,41 Manifold holes for oxidant gas 24, 35, 42 Fuel gas manifold holes 25,31,43 Cooling water manifold hole 32 Distribution of water 33 convex remainder 36,45 Conductive sheet

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 日下部 弘樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小林 晋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山崎 達人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 長谷 伸啓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 竹口 伸介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 4J002 BB031 BB121 BB171 BC031 BC061 BD121 BG061 BN151 CB001 CF051 CF061 CF071 CF161 CG001 CH071 CH091 CL001 CL061 CM041 CM051 CN011 CN031 DA017 DA026 FD116 FD117 GQ00 5H026 AA06 BB01 BB02 BB08 CC01 CC03 CC08 CX00 CX02 CX07 EE05 EE06 EE18 HH00 HH01   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hiroki Kusakabe             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Shin Kobayashi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuto Yamazaki             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Nobuhiro Hase             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Shinsuke Takeguchi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 4J002 BB031 BB121 BB171 BC031                       BC061 BD121 BG061 BN151                       CB001 CF051 CF061 CF071                       CF161 CG001 CH071 CH091                       CL001 CL061 CM041 CM051                       CN011 CN031 DA017 DA026                       FD116 FD117 GQ00                 5H026 AA06 BB01 BB02 BB08 CC01                       CC03 CC08 CX00 CX02 CX07                       EE05 EE06 EE18 HH00 HH01

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一
対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、
他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対
の導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電
池において、前記導電性セパレータは導電性フィラーと
バインダー樹脂との混合物より構成され、前記混合物は
溶融時の粘性が10〜105(Pa・sec)でありかつ剪
断速度が6〜6000(1/sec)であることを特徴とす
る高分子電解質型燃料電池。
1. A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes arranged on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a fuel gas is supplied to and discharged from one of the electrodes,
In a polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of conductive separators having a gas flow path for supplying and discharging an oxidant gas to the other, the conductive separator is composed of a mixture of a conductive filler and a binder resin, The polymer electrolyte fuel cell, wherein the mixture has a viscosity when melted of 10 to 10 5 (Pa · sec) and a shear rate of 6 to 6000 (1 / sec).
【請求項2】 導電性フィラーは、平均粒子径50μm
〜200μmの粒状黒鉛と、繊維径10μm以下の導電性
炭素繊維の少なくとも一方を有することを特徴とする請
求項1記載の高分子電解質型燃料電池。
2. The conductive filler has an average particle diameter of 50 μm.
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, comprising at least one of granular graphite having a diameter of ˜200 μm and conductive carbon fiber having a fiber diameter of 10 μm or less.
【請求項3】 バインダー樹脂は熱可塑性樹脂からなる
ことを特徴とする請求項1または2記載の高分子電解質
型燃料電池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein the binder resin is a thermoplastic resin.
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