JP2004149695A

JP2004149695A - 導電性樹脂成形体の処理法及びこれにより処理された燃料電池セパレータ

Info

Publication number: JP2004149695A
Application number: JP2002317560A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Mitani; 徹男三谷; Takamitsu Fujimoto; 隆光藤本; Michio Murai; 道雄村井; Tatsuya Hayashi; 龍也林; Fumiyuki Miyamoto; 文行宮本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-10-31
Filing date: 2002-10-31
Publication date: 2004-05-27

Abstract

【課題】導電性樹脂成形体、とくに固体高分子型燃料電池用セパレータ成形体からの、運転時における不純物イオンの溶出を低減する。
【解決手段】導電性樹脂からなるセパレータ成形体を、加熱された水性処理液に浸漬して、あらかじめ成形体からのイオン成分の溶出を促進して除去しておく。水性処理液としては、水又は水にアルコール、グリコール若しくはアルカリを添加した溶液を用いることができる。水性処理液の加熱温度は１００〜１７０℃が好適である。又、成形体を水性媒体中に浸漬して超音波を印加したり、アルカリ性の水に浸漬して電圧を印加することもできる。また、これらの方法を併用することもできる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性樹脂成形体の処理法に関する。さらに詳しくは本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）に用いられるセパレータの使用中における不純物イオンの遊離抽出がないようにする、導電性樹脂成形体を処理する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、イオン交換膜、白金触媒担持のガス拡散電極及びセパレータからなる単位セルで構成されており、中でもセパレータは、単位セルに供給される水素及び酸素（空気）の分離境界膜の機能と集電の機能を果たす重要な構成部材である。
このような、固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータ材料には、高導電性、耐腐食性および耐熱水性が求められる。このため、溶融粘度が低いフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂にグラファイト粉末を高充填して作成されているが、反応により生ずる熱水で不純物イオンが抽出されたり、セパレータを冷却する冷却水の導電率が増大する等の問題がある。冷却水の導電率が増えると、燃料電池の金属等の構成材料が腐食しやすくなり、さらに大幅に導電率が増大すれば、電池スタックの内部でショートに近い状態になる等のおそれがある。
【０００３】
これらの欠点を除去するため、従来、何らかの方法で樹脂を精製して不純物イオンの遊離・溶出を低減する方法がとられていた。
例えば、不純物を含有する電子部品用樹脂を熱水処理、もしくは希酸処理して含有不純物を除去する工程と、これを乾燥処理する工程を具備する方法がある（特許文献１参照）。
さらにまた、フォトレジスト用の樹脂として、金属不純物の量を低減させたフェノール樹脂を提供するために、フェノール樹脂を溶媒に溶解させて溶液状態にしてイオン交換繊維と接触処理を行い金属不純物を除去する方法も知られている（特許文献２参照）。
さらにまた、ノボラック型とレゾール型を混合したフェノール樹脂を用いて、有機物やイオン成分の溶出を低減しようとする試みも知られている（特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−３２８１４号公報
【特許文献２】
特開２００１−２６１８４０号公報
【特許文献３】
特開２００２−８６７６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１や２の方法においては、いずれも使用前（成形前）の材料の状態で処理するため、分離、乾燥等の操作が煩雑となり、コストも上昇する。
また、前記特許文献３の方法においては、特殊な樹脂を使用する必要があり、それらの混合によるコストの上昇は避けられず、イオン性不純物の抽出防止効果も不十分である。
したがって本発明の目的は、前記のような問題を解決し、より簡単な方法で、かつ低コストで、使用中に不純物イオンの遊離や溶出のない導電性樹脂成形体を得ることのできる処理方法、及びこれにより得られる成形体を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、黒鉛と樹脂とを主成分とする導電性樹脂組成物からなる成形体を、加熱された水性処理液に浸漬して、大部分のイオン性不純物を抽出し、使用時における成形体からのイオン成分の溶出を低減することを特徴とする導電性樹脂成形体の処理法を提供するものである。本発明はまた、加熱された水性処理液への浸漬処理に代えて、もしくはこれと併用して、超音波又は電圧を印加してイオン性不純物を抽出する方法を提供するものである。
さらにまた本発明は、このように処理して使用中におけるイオンの溶解が少ない燃料電池用のセパレータを提供するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、導電性樹脂成形体の例として燃料電池用セパレータを取り上げ、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
燃料電池、とくに固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータ材料には、高導電性、耐腐食性および耐熱水性が求められる。このため、熱可塑性あるいは熱硬化性樹脂例えばフェノール樹脂に、導電性材料例えば黒鉛粉末を高濃度に配合して加熱成形してセパレータとし、これで固体高分子電解質と電極を挟んで単位セルとし、これを複数個並設して燃料電池が組み立てられる。
図１は、本発明の方法により処理されたセパレータの一例を示す平面図であり、図２は同上セパレータのＡ−Ａ’断面図である。両図において、１はセパレータ、２は水素、酸素（または空気）等のガス流路をそれぞれ示す。
【０００８】
実施の形態１．
黒鉛と熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂とを主成分とする導電性樹脂で成形した燃料電池セパレータ用成形体を、加熱された水性処理液、例えば水、またはアルコール、グリコール若しくはアルカリを添加した水に浸漬してイオン性不純物を溶出させる。このように、あらかじめ高温の水性処理液でイオン不純物の溶出を促進して除いておくことにより、燃料電池運転時のイオンの溶出を低減するので、冷却水の導電率が増大したり、燃料電池の金属等の構成材料が腐食したりすることがない。
【０００９】
水性処理液の成分としては、以下に示す物を用いることができる。
１）水のみ
２）水＋アルコール（ＭｅＯＨ、ＥｔＯＨ、ＩＰＡ）１〜２０ｗｔ％
３）水＋グリコール（ＥＧ、ＰＧ）１〜２０ｗｔ％
４）水＋アルカリ（ＮａＯＨ、ＫＯＨ）０．１〜５ｗｔ％
（ＭｅＯＨ：メチルアルコール、ＥｔＯＨ：エチルアルコール、ＩＰＡ：イソプロピルアルコール、ＥＧ：エチレングリコール、ＰＧ：プロピレングリコール）
ここで、２）のアルコール添加は有機不純物イオンの抽出を促進する。この場合１ｗｔ％以下ではほとんどアルコール添加の効果は無く、２０ｗｔ％以上ではアルコールが過剰に浸透し、かえって樹脂中のイオンが抽出されやすい状態になる。
【００１０】
３）では不凍液成分のＥＧやＰＧを加えて処理するもので、不凍液中でのイオン溶出を抑制する。この場合も２）と同様に、１ｗｔ％以下ではほとんど添加の効果は無く、２０ｗｔ％以上ではグリコールが過剰に浸透し、かえって樹脂中のイオンが抽出されやすい状態になる。
この場合、使用するアルコールが、メチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、またはそれらの混合物であれば、材料としてのコストも安くまた効果も大きい。
４）ではフェノール樹脂の場合に多い有機酸イオンに対応するため、アルカリを水に添加する。０．１ｗｔ％以下では添加効果は無く、５ｗｔ％以下では樹脂の分解を促進してしまうおそれがある。
【００１１】
処理温度および時間は１００℃、５００ｈｒ〜１７０℃、５ｈｒが望ましい。１００℃以下の低温では効果が少なく、１７０℃以上では樹脂の分解が始まる場合があり好ましくない。
本実施の形態によれば、成形体そのものを加熱された水性処理液に浸漬し乾燥するだけであるため、処理が簡単であり、凍結防止剤（ＥＧ）等、添加剤を配合した冷却水にも対応が可能である。
【００１２】
実施の形態２．
さらに、超音波によりイオン溶出を促進することができる。通常の超音波洗浄機を用い、導電性樹脂成形体を水性媒体に浸漬し、超音波を印加する。このことにより、不純物イオンの溶出が促進され、燃料電池運転時のイオンの溶出を低減する。この場合の水性媒体としては、実施の形態１に示した水性処理液と同じ物を使用することができ、水又は水にアルコール、グリコール若しくはアルカリを添加した溶液を使用することができる。
【００１３】
実施の形態３．
また、電界によるイオン除去を行うこともできる。この場合は、導電性樹脂成形体を温水に浸漬し、該成形体を負極、カーボン電極を正極として、水の電解電圧以下の１．２Ｖ以下の電圧を印加することにより、効果的にイオン除去を行うことができる。使用する温水としては、イオン交換水を用いることが好ましく、とくに好ましくはアルカリを添加したイオン水である。アルカリとしては水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム又はそれらの混合物が好ましく、添加量は０．１ｗｔ％〜５ｗｔ％、好ましくは０．５ｗｔ％〜２ｗｔ％である。
【００１４】
なお、前記の超音波および電界による処理は、実施の形態１に述べたオートクレーブ処理と併せて実行することもできる。
【００１５】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって更に説明するが、これらに限定されるものではない。
実施例１．
人造黒鉛微粉末（昭和電工製ＵＦＧ−１０）１００重量部をプレポリマー状態の粉末フェノール樹脂（住友デュレズ（株）製、ＰＲ３１１）１０重量部と共にヘンシェルミキサーを用いて５分間混合した。この混合物に液状のフェノール樹脂プレポリマー（住友デュレズ（株）製、ＰＲ９４０）１５重量部を配合し、ニーダーで予備混練をおこなったのち、これを混練押出成形装置に投入して、温度５０℃で混練押出成形をおこなってシート状の一次成形品を得た。
得られた一次成形体をプレス機に設置した金型キャビティ内にセットし、温度１７０℃で１００ｋｇｆ／ｃｍ^２に２０分加圧して硬化し、これを熱風乾燥器で１８０℃に加熱して硬化を完結し、図１及び図２に示すような多数の溝を持つ縦１９０ｍｍ横１３０ｍｍ、厚さ２ｍｍの燃料電池用セパレータ成形体を得た。
このセパレータ成形体を水性処理液であるイオン交換水１０００ｃｍ^３とともにオートクレーブ中に投入し、１６０℃で１５時間加熱した。室温に冷却後、イオン交換水で十分に洗浄し、乾燥した。この成形体１個の重量は７８ｇであり、表面積は５８０ｃｍ^２であった。
【００１６】
このようにして処理した燃料電池用セパレータからの使用時におけるイオンの溶出の程度を評価するため、上記セパレータ１個を９０℃に加熱したイオン交換水１０００ｃｍ^３に浸漬し、イオン交換水の導電率変化を測定した。イオン交換水の導電率は初期０．７μＳ／ｃｍから２０００時間後４．１μＳ／ｃｍとなったが、以降は、時間を延長しても５μＳ／ｃｍ以下に留まった。
【００１７】
実施例２．
セパレータ成形体の水性処理液を、イオン交換水に代えてイオン交換水９０ｗｔ％＋エチルアルコール１０ｗｔ％とした以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は２．８μＳ／ｃｍであった。
【００１８】
実施例３．
セパレータ成形体の水性処理液を、イオン交換水に代えてイオン交換水９０ｗｔ％＋エチレングリコール１０ｗｔ％とした以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は３．２μＳ／ｃｍであった。
【００１９】
実施例４．
セパレータ成形体の水性処理液を、イオン交換水に代えてイオン交換水９８ｗｔ％＋ＮａＯＨ２ｗｔ％とした以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は３．８μＳ／ｃｍであった。
【００２０】
実施例５．
実施例１と同じ方法でセパレータ成形体を作成し、イオン交換水を水性媒体とし、温度６０℃でこの中にセパレータ成形体を浸漬し、超音波洗浄機（４３ｋＨｚ、９５ｋＷ、（株）アルト製Ｑ１４０）で１５時間超音波を印加した。
処理された成形体を、実施例１と同じイオン溶出試験法で試験した結果、２０００時間後の導電率は４．８μＳ／ｃｍであった。
【００２１】
実施例６．
実施例１と同じ方法でセパレータ成形体を作成し、ＮａＯＨを１ｗｔ％含有するイオン交換水中に、温度は９０℃でセパレータ成形体を浸漬し、セパレータを負極、カーボン電極を正極として１Ｖの電圧を１５時間印加した。
処理された成形体を、実施例１と同じイオン溶出試験法で試験した結果、２０００時間後の導電率は３．３μＳ／ｃｍであった。
比較例１．
セパレータ成形体のイオン溶出処理を行わなかった以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は１４．８μＳ／ｃｍであった。
【００２２】
比較例２．
セパレータ成形体の水性処理液を、イオン交換水に代えてイオン交換水７０ｗｔ％＋エチルアルコール３０ｗｔ％とした以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は３１．２μＳ／ｃｍであった。
【００２３】
比較例３．
セパレータ成形体の水性処理液を、イオン交換水に代えてイオン交換水７０ｗｔ％＋エチレングリコール３０ｗｔ％とした以外は、実施例１と同じセパレータ成形体の作成方法及びイオン溶出試験法を採った。
２０００時間後の導電率は２２．５μＳ／ｃｍであった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明においては、あらかじめ高温の水でイオン不純物の溶出を促進して除いておくことができるので、燃料電池運転時のイオン溶出を著しく低減することができ、生成水や冷却水の導電率の上昇を防ぐことができ、また装置の腐食やスタック内部での電気的ショートを防止することができる。
また本発明においては、導電性樹脂を成形体にしてからイオン溶出処理をするので、処理工程も簡単であり、コスト低減も図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法により処理されたセパレータの一例を示す平面図である。
【図２】同上セパレータのＡ−Ａ’断面図である。
【符号の説明】
１セパレータ、２ガス流路。

Claims

黒鉛と樹脂とを主成分とする導電性樹脂組成物からなる成形体を、加熱された水性処理液に浸漬して、成形体からのイオン成分の溶出を低減することを特徴とする導電性樹脂成形体の処理法。
樹脂が熱硬化性樹脂である請求項１に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
水性処理液が、水又は水にアルコール、グリコール若しくはアルカリを添加した溶液である請求項１又は２に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
アルコールがメチルアルコール、エチルアルコール、イソプロピルアルコール又はそれらの混合物である請求項３に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
グリコールがエチレングリコール、プロピレングリコール又はそれらの混合物である請求項３に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
アルカリが水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム又はそれらの混合物である請求項３に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
水性処理液の温度が１００℃〜１７０℃である請求項１乃至６のいずれかに記載の導電性樹脂成形体の処理法。
黒鉛と樹脂とを主成分とする導電性樹脂組成物からなる成形体を、水性媒体中に浸漬して超音波を印加し、成形体からのイオン成分の溶出を低減することを特徴とする導電性樹脂成形体の処理法。
水性媒体が、請求項３乃至６のいずれかに記載の水性処理液である請求項８に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
黒鉛と樹脂とを主成分とする導電性樹脂組成物からなる成形体を、アルカリ性の水に浸漬して電圧を印加し、成形体からのイオン成分の溶出を低減することを特徴とする導電性樹脂成形体の処理法。
アルカリ性の水が、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウム又はそれらの混合物を含有する、請求項１０に記載の導電性樹脂成形体の処理法。
導電性樹脂成形体が、燃料電池用セパレータである請求項１乃至１１のいずれかに記載の導電性樹脂成形体の処理法。