JP2004213997A - Pretreatment method of separator for fuel cell, and fuel cell laminating that plate having carried out pretreatment - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池の単セルを構成するセパレータの前処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、電解質膜が、片側に燃料極触媒層と多孔質支持層からなる燃料極ともう一方の側には空気極触媒層と多孔質支持層からなる空気極で挟まれ、さらにその外側には水素や酸素といった反応ガスの供給路を兼ねたセパレータで挟持されている。燃料極側に設けられたセパレータの反応ガス供給路に供給された水素ガスは、多孔質支持層で拡散され、燃料極触媒層に吸収されて水素イオンと電子に分かれる。空気極では、セパレータの反応ガス供給路に供給された酸素が多孔質層で拡散され、空気極触媒層に吸収されて、電解質膜を移動してきた水素イオンと外部回路を移動してきた電子とで水を生成する。この反応で、燃料極触媒層で分離した電子が外部の回路を移動することにより、電流が流れることになる。この構成の単電池は単セルと呼ばれるが、起電力が1ボルト程度と小さいため、電気機器の電源として使用するためにはこの単セルを多数積層してスタックを構成し、必要な出力の電池に組み上げる。このような構成の単セルにおいて、セパレータの役割は、単セルを積層したときに、燃料極に入る燃料ガスと空気極に入る酸化剤ガス(空気など)を分離することと、単セル間を電気的に接続するという2つの役割を持っている。これらの役割を安定して果たし、低コスト化が可能なセパレータとして、カーボンを材料にしてモールド成形で作成されているものがある(例えば、参考文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−223133号公報(第2−3頁)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、モールド成形品はバインダー樹脂の含有率が高く、切削加工で使用されるバインダー樹脂の含有率の低いカーボンプレートに比較してカーボンの密度が小さいため、電気伝導度が低いものとなってしまう。そこで、これを改良するため、モールド成形品のカーボンプレートの表面を粗にする処理を行い、これを使用して単セルを構成し、さらに積層して燃料電池として運転試験を行なった。その結果、反応ガスや冷却水の出口配管部で黒色の流出物(黒い固着物)が見られた。したがって、このカーボンプレートを使用した単セルを積層して組み上げた燃料電池を含む燃料電池システムを稼動させた場合は、システム配管内での配管詰まりや、ポンプの故障が燃料電池システムのトラブルを発生させる要因となることが考えられる。この、黒色の流出物の発生を防止するために、単なる洗浄、たとえば流水洗浄、浸水洗浄、洗浄剤による表面洗浄、空気や窒素によるブローなどでは、電気伝導度は確保できるが、不安定成分を除去しきれず、電池として稼動試験を行なった際、上述の黒色流出部の発生は避けられない。一方、レーザなどの高いエネルギーを表面に与えると、表面は安定化する可能性はあるが、逆に表面が乱れ、且つ、電気伝導度も低下する可能性があり、製造コストも高くなる。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みて創案なされたものであり、燃料電池の運転による黒色の流出物の発生を阻止するための効果的な対策をとることで、低コストで安定した発電を可能にするセパレータを実現することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
そこで、上述した課題であるところの一見相反する、導電性と表面の安定性を両立させるため、また、簡単で確実な効果を得る手段として、超音波の振動によってエネルギーを与えて表面処理を行なうことが、最も簡単で効果的であることを見出した。
【0006】
つまり、上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載された発明は、電解質膜の両面に酸素極と水素極とを接合して構成された膜・電極接合体を挟むように配置され、カーボンを主成分として反応ガスまたは冷却水の供給路を有するセパレータの加工後の前処理方法であって、該前処理方法は前記セパレータを水溶液に浸漬させ、前記水溶液を超音波振動させることを特徴とするものである。
【0007】
また、本発明の請求項2に記載された発明は、請求項1において、前記水溶液は導電率が5μS/cm以下の純水、または前記導電率が5μS/cm以下の純水とエタノールとの混合液であることを特徴とするものである。
【0008】
また、本発明の請求項3に記載された発明は、請求項1又は2において前記超音波振動の周波数は20〜50kHzであり、且つ、有効超音波出力密度は5〜20kW/m3であることを特徴とするものである。
【0009】
また、本発明の請求項4に記載された発明は、請求項1乃至3の何れか1項において、前記超音波振動による前処理工程は、有効超音波出力量密度が5〜30kWh/m3であることを特徴とするものである。
【0010】
また、本発明の請求項5に記載された発明は、請求項1乃至4の何れか1項において、前記超音波振動による前処理工程は、前記超音波振動を加える毎に新しい上記水溶液を用い、且つ、30分間の超音波振動を3回繰り返して行なうことを特徴とするものである。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好適な実施形態を図1乃至2を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。
【0012】
図1は、本発明に係る燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第1実施例を示す前処理工程の流れ図である。なお、前処理工程で超音波振動のエネルギーを与える1つの手段として、具体的には水溶液を超音波振動させ、その水溶液を介してエネルギーを与えるものである。この工程で使用する振動槽は1つであり、比較的少量の被振動物へ超音波振動のエヘルギーを与える工程となっている。被振動物のセパレータは、カーボンの粉末を樹脂のバインダーに分散させてモールド成形し、これをプレス加工で所望する形状に成形し、焼成して固結させ、表面に形成された樹脂の皮膜をサンドブラストなどの表面処理によって削りとり、表面にカーボンを露出させて表面の導電率を上げたものである。但し、製造方法については、その他、切削加工、射出成形、エッチング加工、放電加工、超音波加工、彫刻加工などが挙げられるがこれらに限定されるものではない。
【0013】
上述した方法で作成されたセパレータに超音波振動のエネルギーを与える前処理工程1は、セパレータを振動槽へセットS1し、次いで振動槽へ水溶液の供給S2を行い振動槽を水溶液で満たす。水溶液としては、導電率が5μS/cm以下の純水、または導電率が5μS/cm以下の純水とエタノールとの混合液が用いられる。これは、イオン交換水出口に取り付けられた導電率計の表示が5μS/cm以下であるため、導電率の管理が厳密に行なえること、特殊な溶液でなくコストも高くないことなどを考慮したものである。次に超音波振動の発振周波数が20〜50kHzで、好ましくは24〜40kHz、有効超音波出力密度(kW/m3)は、超音波発振器から出力される超音波出力を振動槽の容積で割って、単位容積当たりに相当する超音波出力を表したもので、5〜20kW/m3で、好ましくは9〜16kW/m3の超音波印加条件で1回目の超音波振動30が30分間の印加時間で行なわれる。1回目の超音波振動S3が終わると新しい水溶液に交換S4して1回目と同様の超音波印加条件及び印加時間で2回目の超音波振動S5が行なわれ、さらに水溶液の交換S6をして1回目および2回目と同様の超音波印加条件および印加時間で3回目の超音波振動S7が行なわれる。超音波振動を3回に分けて行なうのは、超音波振動が終わる毎に超音波振動によるエネルギーを与えた結果の水溶液を観察することにより、表面の不安定成分が除去されて浮いてこなくなるのを確認するためである。合計3回の超音波振動によるエネルギーで与えられる総有効超音波出力密度は有効超音波出力密度×総超音波印加時間となり、これを有効超音波出力量密度(kWh/m3)として表すと、5〜30kWh/m3で、好ましくは9〜24kWh/m3である。その後、振動槽からセパレータが引上げS8られて、仕上げ洗浄S9を経て前処理工程が終わる。仕上げ洗浄にも導電率が5μS/cm以下の純水または導電率が5μS/cm以下の純水とエタノールとの混合液が使用される。
【0014】
図2は、本発明に係る燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第2実施例を示す前処理工程の模式図である。なお、この工程で使用する振動槽は3つであり、比較的多量の被振動物へ超音波振動のエヘルギーを与える工程となっている。被振動物のセパレータは上述した第1実施例の方法で作成されたものである。まず、3つの振動槽10、11、12を用意し、夫夫の振動槽に実施例1で使用したと同様の導電率が5μS/cm以下の純水または導電率が5μS/cm以下の純水とエタノールとの混合液を満たしておく。そして、最初に第1振動槽10にセパレータを浸漬させて、これも実施例1と同様の超音波印加条件および印加時間で超音波振動を行なう。次に第2振動槽11、第3振動槽12で順次超音波振動のエネルギーを与え、最後に第3振動槽12から引き上げて最後に仕上げ洗浄をおこなって前処理工程を完了する。
【0015】
超音波振動によってエネルギーを与える有効超音波出力密度は、超音波が弱すぎると、表面のバインダーの樹脂に辛うじて接着されたカーボンが分離されないで残り、強すぎると表面に露出した粗なカーボンが離脱し、樹脂面が多く露出すると表面は安定化する変わりに表面の導電性が低下する。また、超音波振動を印加する時間が短すぎると表面処理が不完全になって表面にカーボンが残存し超音波振動で与えたエネルギー効果が十分得られないことになり、長すぎると印加時間に相当するコストほどには超音波振動によるエネルギー効果が得られないことになる。これは、振動回数についても同様なことがいえる。以上のことを踏まえ、本発明による前処理方法は、超音波発振周波数及び印加時間の条件を変えて実験を繰り返し、その結果を検証し、表面処理効果と作業コストの整合を見極めながら導いた結果に基づいて見出されたものである。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池で前処理されたセパレータは、バインダーに弱い結合力で結びついたカーボンが除去されているため、水溶液を介して超音波振動のエネルギーで表面処理したセパレータを使って単セルを作成し、その単セルを積層して組み上げた燃料電池では、反応ガス流路または冷却水流路に高速の気体や液体が流れてもカーボンが離脱することがない、従って、夫夫の流路が閉塞することによる発電反応の低下や、気体及び液体の流れる配管内の汚れや閉塞が原因で起こる運転障害による発電能力の低下や装置のトラブルといった問題も生じることがない。したがって、初期の運転トラブルがなく、運転開始から安定した発電能力が維持できるなどの優れた効果が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係わる燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第1実施例を示す前処理工程の流れ図である。
【図2】本発明に係わる燃料電池用セパレータの前処理方法およびその前処理を施したプレートを積層した燃料電池の第2実施例を示す前処理工程の模式図である。
【符号の説明】
1 前処理工程
S1 セット
S2 水溶液の供給
S3 1回目の超音波振動
S4 水溶液の交換
S5 2回目の超音波振動
S6 水溶液の交換
S7 3回目の超音波振動
S8 引上
S9 仕上げ洗浄
10 第1振動槽
11 第2振動槽
12 第3振動槽[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for pretreating a separator constituting a single cell of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, an electrolyte membrane is sandwiched between a fuel electrode comprising a fuel electrode catalyst layer and a porous support layer on one side and an air electrode comprising an air electrode catalyst layer and a porous support layer on the other side. Are sandwiched by separators which also serve as supply paths for reaction gases such as hydrogen and oxygen. Hydrogen gas supplied to the reaction gas supply passage of the separator provided on the fuel electrode side is diffused in the porous support layer, absorbed by the fuel electrode catalyst layer and separated into hydrogen ions and electrons. At the air electrode, oxygen supplied to the reaction gas supply path of the separator is diffused in the porous layer, absorbed by the air electrode catalyst layer, and formed by hydrogen ions moving through the electrolyte membrane and electrons moving through the external circuit. Produces water. In this reaction, the electrons separated in the fuel electrode catalyst layer move through an external circuit, so that a current flows. The unit cell having this configuration is called a unit cell. However, since the electromotive force is as small as about 1 volt, in order to use it as a power source for electric equipment, a large number of such unit cells are stacked to form a stack, and a battery having a required output is formed. Assemble. In the unit cell having such a configuration, the role of the separator is to separate the fuel gas entering the fuel electrode and the oxidizing gas (such as air) entering the air electrode when the unit cells are stacked, and to separate the unit cells from each other. It has two roles of electrical connection. As a separator that can stably fulfill these roles and reduce cost, there is a separator formed by molding using carbon as a material (for example, see Reference Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-223133 (pages 2-3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the molded article has a high binder resin content, and has a lower carbon density than a carbon plate having a lower binder resin content used in cutting, resulting in lower electric conductivity. . Therefore, in order to improve this, a process of roughening the surface of the carbon plate of the molded article was performed, and a single cell was formed using the carbon plate. As a result, a black effluent (black solid matter) was observed at the outlet pipe of the reaction gas and the cooling water. Therefore, when operating a fuel cell system including a fuel cell assembled by stacking single cells using this carbon plate, clogging in the system piping and failure of the pump may cause problems in the fuel cell system. This can be a factor that causes In order to prevent the generation of this black effluent, electric conductivity can be secured by simple washing, for example, washing with running water, washing with water, washing with a cleaning agent, or blowing with air or nitrogen. When the battery cannot be completely removed and an operation test is performed as a battery, occurrence of the black outflow portion described above is inevitable. On the other hand, when high energy such as laser is applied to the surface, the surface may be stabilized, but conversely, the surface may be disturbed and the electrical conductivity may be reduced, and the manufacturing cost may be increased.
In view of the above, the present invention has been made in view of the above-described problems. By taking effective measures to prevent the generation of black effluent due to the operation of a fuel cell, stable power generation at low cost is achieved. It is to realize a separator that makes it possible.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in order to achieve both the conductivity and the stability of the surface, which are seemingly contradictory, which are the above-mentioned problems, and as a means for obtaining a simple and reliable effect, surface treatment is performed by applying energy by ultrasonic vibration. Has been found to be the easiest and most effective.
[0006]
That is, in order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
[0007]
Further, in the invention described in
[0008]
Also, in the invention described in claim 3 of the present invention, in
[0009]
Further, in the invention described in
[0010]
Further, in the invention described in
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The embodiment described below is a preferred specific example of the present invention, and thus various technically preferable limitations are given. However, the scope of the present invention particularly limits the present invention in the following description. The embodiments are not limited to these embodiments unless otherwise described.
[0012]
FIG. 1 is a flowchart of a pretreatment process showing a first embodiment of a fuel cell separator pretreatment method according to the present invention and a fuel cell in which plates subjected to the pretreatment are stacked. In addition, as one means for applying ultrasonic vibration energy in the pretreatment step, specifically, an aqueous solution is subjected to ultrasonic vibration and energy is applied through the aqueous solution. One vibration tank is used in this step, and this is a step of applying the ultrasonic vibration energy to a relatively small amount of the vibrating object. The separator of the vibrating object is obtained by dispersing carbon powder in a resin binder, molding the resultant, molding it into a desired shape by press working, baking and consolidating the resin film formed on the surface. This is obtained by shaving off by surface treatment such as sand blasting to expose carbon on the surface to increase the conductivity of the surface. However, other manufacturing methods include, but are not limited to, cutting, injection molding, etching, electric discharge, ultrasonic processing, engraving, and the like.
[0013]
In the
[0014]
FIG. 2 is a schematic diagram of a pretreatment step showing a second embodiment of a fuel cell in which a fuel cell separator pretreatment method according to the present invention and plates subjected to the pretreatment are laminated. The number of the vibrating tanks used in this step is three, and this is a step of applying the ultrasonic vibration energy to a relatively large amount of the vibrating object. The separator of the vibrating object is formed by the method of the first embodiment described above. First, three
[0015]
The effective ultrasonic output density, which gives energy by ultrasonic vibration, is that if the ultrasonic waves are too weak, the carbon barely adhered to the binder resin on the surface remains without being separated, and if it is too strong, the coarse carbon exposed on the surface separates However, when the resin surface is largely exposed, the conductivity of the surface decreases instead of stabilizing the surface. Also, if the time for applying the ultrasonic vibration is too short, the surface treatment becomes incomplete and carbon remains on the surface, and the energy effect given by the ultrasonic vibration cannot be sufficiently obtained. The energy effect by the ultrasonic vibration cannot be obtained as much as the corresponding cost. The same can be said for the number of vibrations. Based on the above, the pretreatment method according to the present invention was repeated while changing the conditions of the ultrasonic oscillation frequency and the application time, verifying the results, and deriving while confirming the matching between the surface treatment effect and the operation cost. Was found based on
[0016]
【The invention's effect】
As described above, the pretreatment method of the fuel cell separator of the present invention and the separator pretreated in the fuel cell in which the plates subjected to the pretreatment are stacked, the carbon bonded to the binder by a weak bonding force is removed. Therefore, a single cell is created using a separator surface-treated with the energy of ultrasonic vibrations through an aqueous solution, and in a fuel cell that is assembled by stacking the single cells, a high-speed Even if gas or liquid flows, the carbon does not desorb.Therefore, the operation that occurs due to the deterioration of the power generation reaction due to the blockage of the respective flow paths and the contamination or blockage in the pipes through which the gas and liquid flow. There is no problem such as a decrease in power generation capacity due to a failure or a trouble in the device. Therefore, there are no initial driving troubles, and excellent effects such as stable power generation capability from the start of operation can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flow chart of a pretreatment process showing a first embodiment of a fuel cell separator according to the present invention, which is a pretreatment method for a fuel cell separator and a fuel cell in which plates subjected to the pretreatment are stacked.
FIG. 2 is a schematic view of a pretreatment process showing a second embodiment of a fuel cell in which a pretreatment method for a fuel cell separator according to the present invention and a plate subjected to the pretreatment are stacked.
[Explanation of symbols]
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