JP2004079236A

JP2004079236A - 燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP2004079236A
Application number: JP2002234737A
Authority: JP
Inventors: Ayumi Horiuchi; 堀内　歩
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2004-03-11
Also published as: CA2436901A1; US20040028982A1

Abstract

【課題】安価かつ大量に生産できるとともに、複雑な溝形状を有するセパレータであっても容易に密度および気孔を均一にでき、しかも、面および寸法精度の高い緻密質構造を有する燃料電池セパレータの製造方法を提供すること。
【解決手段】多孔質用原料をプレス金型に投入後、この多孔質用原料を圧縮成形して多孔質成形体とし、続いて、この多孔質成形体の所定部位にバインダーを含浸させて緻密質部を形成させる。
【選択図】　なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セパレータの製造方法、および該方法により得られる燃料電池セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことにより直接発電させるものであり、高エネルギー変換可能で、環境性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸凹部を備えた２枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極（カーボンペーパー）とを介在させてなる単電池（単位セル）を数十個以上並設して（これをスタックという）なる電池本体（モジュール）から構成されている。
この場合、燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせ、単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路確保、分離境界膜としての役割を果たすものであり、高電気導電性、高ガス不浸透性、（電気）化学的安定性、親水性などの諸性能が要求されるものである。
【０００４】
従来から、このような燃料電池セパレータは、多孔質焼成カーボンを切削加工して溝を形成する方法や、黒鉛粉末、バインダー樹脂およびセルロース繊維をスラリー状にしたものを抄紙後、黒鉛化する方法（米国特許第６，１８７，４６６号明細書）などにより製造されている。
また、これらの多孔質セパレータは強度的に問題があるため、気孔を埋めて緻密質部を形成し、強度を高めたセパレータも用いられている。
このような気孔を埋める手法としては、特開平１１−１９５４２２号公報に示されているように、理論的に必要なバインダー量よりも少ない量のバインダーを使用し、高圧成形により成形したセパレータの空隙部に含浸剤を含浸させ、緻密質部を形成する方法が知られている。
【０００５】
しかしながら、従来のセパレータの製法では、黒鉛化することによりコスト上昇を招くという問題があった。しかも、切削加工を必要とする場合、工数増加によるコスト増を招くとともに、歩留まりの低下を招く上、複雑な溝形状を有するセパレータの製造には不向きであるという問題があった。
また、緻密質化を図るための上記公報記載の方法は、流動性の悪い材料を用いて高圧成形を行う方法であるため、金型および成形機に歪みが生じ、得られた燃料電池セパレータの面および寸法精度が出ないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、安価かつ大量に生産できるとともに、複雑な溝形状を有するセパレータであっても容易に密度および気孔を均一にでき、しかも、面および寸法精度の高い、緻密質構造を有する燃料電池セパレータの製造方法、およびこの方法によって得られた燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段および発明の実施の形態】
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、多孔質用原料をプレス金型に投入後、この多孔質用原料を圧縮成形して多孔質成形体とし、続いて、この多孔質成形体の所定部位にバインダーを含浸させて緻密質部を形成させること、特に、この場合に成形圧力を所定圧力範囲に設定することで、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、その密度および気孔を容易に均一化し得、しかも面および寸法精度の高い、緻密質構造を有する燃料電池セパレータが得られることを見いだし、本発明を完成した。
【０００８】
すなわち、本発明は、
１．　多孔質用原料をプレス金型に投入後、前記多孔質用原料を０．９８〜１９．６ＭＰａの圧力で圧縮成形して多孔質成形体とし、続いて、この多孔質成形体の所定部位にバインダー成分を含浸させて緻密質部を形成させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法、
２．　前記圧縮成形時の圧力が、４．９〜１４．７ＭＰａであることを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
３．　前記多孔質成形体の気孔率が、１〜５０％であることを特徴とする１または２の燃料電池セパレータの製造方法、
４．　前記バインダー成分の含浸を、０〜２００℃、−０．１〜２．０ＭＰａで行うことを特徴とする１〜３のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
５．　１〜４のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池セパレータ
を提供する。
【０００９】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、上述のように、多孔質用原料をプレス金型に投入後、この多孔質用原料を０．９８〜１９．６ＭＰａの圧力で圧縮成形して多孔質成形体とし、続いて、この多孔質成形体の所定部位にバインダー成分を含浸させて緻密質部を形成させるものである。
ここで、多孔質用原料としては、一般的に、多孔質の燃料電池セパレータを製造する際に用いられるものであれば、特に限定はなく、例えば、導電性粉末および樹脂を混合した組成物をコンパウンド化した原料を用いることができる。
【００１０】
上記導電性粉末としては、特に限定はなく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等を用いることができ、その平均粒径は、１０〜１００μｍ、特に２０〜６０μｍであることが好ましい。
また、樹脂としても燃料電池セパレータに通常用いられる熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等から適宜選択することができ、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フェノキシ樹脂等を用いることができる。なお、これらの樹脂は、必要に応じて熱処理を施してもよい。
【００１１】
これら各成分の配合割合は、特に限定されるものではないが、原料の全組成を１００質量部として、導電性粉末５０〜９９質量部、特に６５〜９５質量部、樹脂１〜５０質量部、特に５〜２０質量部で配合すればよい。
本発明においては、これらを配合したものを、コンパウンド化して用いることが好ましいが、その方法には特に限定はなく、公知の方法により、撹拌、造粒、乾燥したものを用いることができる。この場合、二次凝集しないように篩い分けして粒度を揃えたものを、原料として用いることが好ましく、その粒度としては、用いる導電性粉末の粒径にもよるが、平均粒径６０μｍ以上が好ましく、粒度分布としては、１０μｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは３０μｍ〜１．５ｍｍ、特に５０μｍ〜１．０ｍｍとすることが好適である。
なお、上記多孔質用原料には、必要に応じて炭素繊維、炭素質材料、活性アルミナなどの無機フィラーなどを原料全体に対して、０．１〜２０質量部、特に１〜１０質量部添加することもできる。
【００１２】
上記圧縮成形時の圧力は、０．９８〜１９．６ＭＰａ、特に、４．９〜１４．７ＭＰａであることが好ましい。
ここで、成形圧力が０．９８ＭＰａ未満であると、多孔質成形体の形状を維持できるほどの強度が得られない虞があり、一方、１９．６ＭＰａを超えると、成形機および金型の歪みが発生し、最終的に得られる燃料電池セパレータの面および寸法精度が低下する虞があるだけでなく、気孔が埋まってしまい、多孔質成形体における気孔の制御が困難になる虞がある。
つまり、上記圧力範囲で圧縮成形することで、精度を良好にしつつ、多孔質成形体の気孔の制御を容易に行えることになり、後に詳述するバインダーを含浸させる際に、必要な部分への選択的な含浸を容易に行うことができるようになる。
【００１３】
上記バインダーとしては、多孔質成形体に含浸して緻密質を形成し得る材料であれば、特に限定はなく、例えば、レゾール型フェノール樹脂、液状エポキシ樹脂、液状シリコーンゴム、液状アクリルゴム、フッ素樹脂ディスパージョン（分散液）、シリコーン樹脂、フッ素ゴム等を好適に使用することができる。
このようなバインダーを多孔質成形体に含浸させる方法としては、特に限定されるものではなく、ディップコート、スプレーコートなどを使用できるが、例えば、上記バインダー原液またはバインダーを水、メタノール，エタノール等のアルコール類、アセトン，メチルエチルケトン等のケトン類、シクロヘキサン等の無極性溶媒、トルエン等の芳香族化合物などの溶媒に固形分が１００質量％未満になるように分散させた溶液を、バインダーの硬化温度以下の温度で多孔質成形体にディップコートした後、３０〜８０℃で０．５〜４時間脱溶媒し、さらにバインダーの硬化温度以上の温度で１〜２４時間加熱して硬化させる方法を採用することが好ましい。
【００１４】
上記バインダーを多孔質成形体に含浸させる際の条件としては、特に限定されるものではなく、減圧条件または加圧条件、かつ、バインダーが硬化しない温度条件下で行うことができるが、０〜２００℃、特に１５〜１５０℃、より好ましくは２０〜８０℃、−０．１〜２．０ＭＰａ、特に−０．９〜１．０ＭＰａで含浸させることが望ましい。
ここで、上記温度が０℃未満であると、バインダーの粘度が高くなるため多孔質成形体への含浸が困難となる虞があり、一方、２００℃を超えると、溶剤の蒸発により溶液の粘度調製が困難となる虞がある。
また、上記圧力が、−０．１ＭＰａ未満では、真空以下であり、一方、２．０ＭＰａを超えると、バインダーの選択的含浸が困難となる虞がある。
【００１５】
本発明において、上記バインダーを含浸させる所定部位とは、特に限定されるものではなく、任意の位置とすることができるが、少なくともセパレータ中の緻密質が必要とされる部位であることが好ましく、多孔質成形体全体であってもよい。なお、緻密質が必要とされる部位とは、スタック組立時のボルト締結部などの強度が必要とされる部位である場合が多い。
なお、本発明においては、バインダーで含浸処理をした後に、さらに親水処理や撥水処理を施すこともできる。
【００１６】
また、上記多孔質成形体の気孔率が１〜５０％、特に１０〜３０％であることが好ましい。
ここで、気孔率が１％未満であると、バインダーが含浸されにくくなる虞があり、一方、気孔率が５０％を超えると、形状を精密に形成できなくなる虞がある。
【００１７】
本発明において、上記各原料をプレス金型に投入する方法としては、特に限定はなく、任意の方法を用いることができ、例えば、図１に示されるような投入装置１を用いることができる。
ここで、粉末原料の投入装置１について説明すると、投入装置１は、投入部１１と、この投入部１１の下部に設けられたスライドプレート１２と、投入部１１と一体成形され、スライドプレート１２を囲むように枠状に形成されたベース１３とを備えて構成されている。
【００１８】
投入部１１には、略矩形状の投入口１１Ａが縦横に一定の間隔でマトリックス状に配置されている。
投入口１１Ａは投入部１１を垂直に貫通しているとともに、その底部が開放されている。なお、投入口１１Ａの口径は製造するセパレータに応じて適宜設定することができる。
【００１９】
ベース１３は、上述のように、投入部１１と一体的に形成されているが、図１（ｂ）に示されるように、上部に投入口１１Ａが存在する部分はくり抜かれた状態となっている。
このベース１３と投入部１１との間には所定間隔の隙間が形成されており、この隙間にスライドプレート１２が摺動自在に設置されている。
スライドプレート１２は、投入口１１Ａの下部を閉塞した状態から、開放した状態まで自由に移動できるようにされている。
【００２０】
このように構成された投入装置１を用いた多孔質用原料のプレス金型への投入操作および圧縮成形は以下のようにして行うことができる。
まず、図２（ａ）に示されるように、多孔質用原料１４を投入部１１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り、所定量の多孔質用原料１４を投入口１１Ａに充填する。
次に、図２（ｂ）に示されるように、多孔質用原料１４を充填した投入装置１を上金型２１および下金型２２を有するプレス機の下金型２２にセットする。
上記上金型２１には、燃料電池セパレータにガス流路を形成するためのパターン２１Ａが形成されている。
なお、この場合、予備成形体を下金型に設置しておくこともできる。
【００２１】
投入装置１を下金型２２にセットした後、図２（ｃ）に示されるように、スライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、それらの中に充填された多孔質用原料１４を下金型２２の上に落下させる。
この状態で図２（ｄ）に示されるように、上金型２１で型締めし、例えば、金型温度１００〜２５０℃、特に１４０〜２００℃、成形圧力０．９８〜１９．６ＭＰａで圧縮成形することで、多孔質成形体３を得ることができる。
【００２２】
このようにして得られた多孔質成形体において、強度を高める等の理由で緻密質とする必要がある所定部位に、バインダーを固形分が１００質量％未満となるように水等に分散させた分散液をディップコート等により含浸させ、０〜８０℃で０．５〜４時間脱溶媒後、３０〜２５０℃で１〜２４時間硬化させて、多孔質部および緻密質部の両部位を有する燃料電池セパレータを得ることができる。
【００２３】
なお、上記実施形態では下金型にガス流路を形成するためのパターンが形成されていないものを用いているが、ガス流路を形成するためのパターンが形成されていてもよく、このようにすれば、両表面にガス流路を有する燃料電池セパレータを得ることができる。
また、セパレータが有するガス流路等の体積の異なる部位に応じて、多孔質用原料の投入量を変化させることもでき、この場合、上記投入装置を用いて、必要な部位のみ複数回原料を投入して投入量を変える方法を用いてもよく、また、例えば、図３に示されるような、口径の異なる第１投入口１１Ａおよび第２投入口１１Ｂを有する投入部１１を用い、各原料の投入量を変える手法を用いることもできる。
【００２４】
以上説明したように、本発明によれば、多孔質用原料をプレス金型に投入後、多孔質用原料を圧縮成形して多孔質成形体とし、この多孔質成形体の所定部位にバインダーを含浸させて緻密質部を形成させているから、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、密度および気孔を容易に均一にすることができ、しかも面および寸法精度の高い、緻密質構造を有する燃料電池セパレータを安価に製造することができる。
また、単一材料を用いて成形を行うことができるため、複合材料で起こりがちな、材料の膨張収縮率等の違いによるセパレータの歪み、割れ等を防止することができる。
【００２５】
さらに、低圧成形が可能であるから、より精度が高いセパレータを得ることができるとともに、気孔を容易に制御できるため、必要な部分のみにバインダーを含浸させて緻密質部を形成し易くなり、また、このように形成された緻密質部がセパレータ全体の強度をカバーできるため、多孔質部を有するセパレータであっても、その強度、および衝撃に対する耐久性を維持することができる。
以上のような特徴を有する本発明の製法により得られた燃料電池セパレータは、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に使用することができる。
【００２６】
【実施例】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の説明において、平均粒径は、粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）により測定した値である。
【００２７】
［実施例１］
〈多孔質成形体の製造〉
平均粒径９０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、およびフェノール樹脂１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した多孔質用原料を得た。
この多孔質用原料を図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に多孔質用原料１４を投入した。
なお、この場合、投入口１１Ａの口径を１５ｍｍ角とし、その数は３６個とした。
この状態で上金型２１で型締めし、金型温度１７０℃、成形圧力１３ＭＰａで圧縮成形することで多孔質成形体３を得た。
【００２８】
〈バインダー含浸処理〉
レゾール型フェノール樹脂を固形分が６４質量％となるように水中に分散させた分散液を、以上で得られた多孔質成形体３の図２中左右両端部の所定部位に室温にてディップコートした後、８０℃で１時間脱溶媒し、さらに１４０℃で４時間硬化させて緻密質部を形成し、多孔質部および緻密質部を有する燃料電池セパレータを得た。
【００２９】
［実施例２］
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末８８質量部、およびフェノール樹脂１２質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した多孔質用原料を得た。
この多孔質用原料を用い、成形圧力を１１ＭＰａに変えた以外は実施例１と同様にして多孔質成形体３を得た後、実施例１と同様にしてバインダー含浸処理を行い、燃料電池セパレータを得た。
【００３０】
［実施例３］
平均粒径２０μｍの人造黒鉛粉末８６質量部、およびフェノール樹脂１４質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５〜１．０ｍｍの粒度に調整した多孔質用原料を得た。
この多孔質用原料を用い、成形圧力を５ＭＰａに変えた以外は実施例１と同様にして多孔質成形体３を得た後、実施例１と同様にしてバインダー含浸処理を行い、燃料電池セパレータを得た。
【００３１】
［比較例１］
実施例１と同じ多孔質用原料を用い、成形圧力を５０ＭＰａに変えた以外は実施例１と同様にして多孔質成形体を得た後、実施例１と同様にしてバインダー含浸処理を行い、燃料電池セパレータを得た。
【００３２】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、多孔質部および緻密質部のそれぞれにおける成形体の性状、密度、厚さムラ、曲げ強度、曲げ弾性率、固有抵抗について測定・評価するとともに、多孔質部の気孔率，ガス透過率および緻密質部の含浸率を測定・評価し、結果を表１，２にまとめて示した。
【００３３】
【表１】

【００３４】
【表２】

【００３５】
ここで、上記表１，２における各特性は以下の方法により測定した。
［１］成形体の性状（多孔質部、緻密質部）
目視により観察した。
［２］密度
各部の重量および体積の測定結果から算出した。
［３］厚さムラ
２ｍｍ厚の成形体に対する公差を、マイクロメータ（ミツトヨ（株）製）により測定した。
［４］気孔率
水銀圧入法により測定した。
［５］含浸率
多孔質部気孔率に対する含浸率を、下記式によりに算出した。
（（含浸後の質量−含浸前の質量）／全気孔にバインダーが含浸した場合の理論質量）×１００
［６］ガス透過率
ＪＩＳ　Ｋ−７１２６同圧法に準拠した方法により測定した。
［７］曲げ強度、曲げ弾性率
ＡＳＴＭ　Ｄ７９０に準拠した方法により測定した。
［８］固有抵抗
ＪＩＳ　Ｈ−０６０２に記載された４探針法により測定した。
【００３６】
表１，２に示されるように、各実施例で得られた燃料電池セパレータは、多孔質および緻密質の双方において、比較例のセパレータよりも厚さムラが少なく、また、多孔質部の気孔率が高いため、バインダーの含浸率も高く、バインダーの含浸性に優れていることがわかる。さらに、ガス透過率、曲げ強度、曲げ弾性率等のその他の特性は、実用上問題のない値であることがわかる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、多孔質用原料をプレス金型に投入後、圧縮成形して多孔質成形体とし、この多孔質成形体の所定部位にバインダーを含浸させて緻密質部を形成させているから、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、密度および気孔を容易に均一にすることができ、しかも面および寸法精度の高い緻密質構造を有する燃料電池セパレータを安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る多孔質用原料投入装置を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る多孔質用原料投入から圧縮成形までの各工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る投入部を示す上面図である。
【符号の説明】
１　投入装置
１１　投入部
１１Ａ　第１投入口
１２　スライドプレート
１３　ベース
１４　多孔質用原料
２１　上金型
２２　下金型
３　多孔質成形体

Claims

多孔質用原料をプレス金型に投入後、前記多孔質用原料を０．９８〜１９．６ＭＰａの圧力で圧縮成形して多孔質成形体とし、続いて、この多孔質成形体の所定部位にバインダーを含浸させて緻密質部を形成させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
前記圧縮成形時の圧力が、４．９〜１４．７ＭＰａであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。
前記多孔質成形体の気孔率が、１〜５０％であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池セパレータの製造方法。
前記バインダー成分の含浸を、０〜２００℃、−０．１〜２．０ＭＰａで行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池セパレータ。