【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、黒鉛材料とその製造方法及び燃料電池セパレータに関し、特に燃料電池セパレータ用としての成形性と成形体の物性値に優れた黒鉛材料とその製造方法及び燃料電池セパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車搭載用途等に利用される燃料電池が注目されている。この燃料電池は、化学エネルギーを熱エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして利用するものであり、通常、水素及び酸素の反応によって電気を取出す電池をいう。こうした燃料電池には、リン酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池及び固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等いくつかの方式のものがあるが、その中で固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池では導電性成形品であるセパレータが使用されている。セパレータは、電極等と共に単位セルを構成し、該単位セルを積層して使用されるものであって、ガス（水素・酸素）を隔離する一方で導電性を必要とする。そのため、１０×１０−２Ωｃｍ以下の高い電気導電性が要求される他、気体透過率が低いこと、さらには耐酸化性、耐加水分解性、耐熱水性などが要求される。
【０００３】
従来から導電性炭素材や燃料電池用セパレータに関して種々の提案がなされてきている。例えば、空隙率が５％以下、成形体のＸＹ方向の体積固有抵抗とＺ方向の体積固有抵抗の比の値が２以下の燃料電池用セパレータ用に適した炭素材を得るため、熱硬化樹脂とケッチェンブラック、真球状黒鉛粒子を配合した炭素材（例えば、特許文献１参照）、またバインダーの量を減らして、導電性を向上させるため、カーボン材料に少量のバインダーを配合して加圧成形し、その後含浸剤を含浸させる方法（例えば、特許文献２参照。）や、電極部との接触抵抗が低い燃料電池用セパレータを得るため、表面粗さを一定範囲とした燃料電池用セパレータ（例えば、特許文献３参照。）等が提案されている。また、異方性の少ない燃料電池用セパレータを得るため、人造黒鉛と天然黒鉛を併用すること（例えば、特許文献４参照。）や、ガス不透過性、熱伝導性、導電性等のバランスがとれた燃料電池用セパレータを得るため、特定の黒鉛紛末を使用すること（例えば、特許文献５参照）等も提案されている。
【０００４】
更に高導電性を得るために、黒鉛化処理前のコークスを粉砕し、炭化ホウ素を加えて黒鉛化処理して得られる黒鉛結晶中に炭化ホウ素を含む特定の黒鉛と硬化性樹脂とを配合すること（例えば、特許文献６参照）も提案されている。しかしこの場合の黒鉛化処理前に粉砕するコークスは、揮発分を飛散させたか焼コークスを対象としているために黒鉛成形体の成形性が悪く比重が上がりにくいために曲げ強度が低い等の欠点があり未だ改良の余地がある。
このように、従来から種々の提案がなされているが、燃料電池用セパレータとしての特性がより優れ、且つ、バランスの優れた燃料電池用セパレータ用として成形性の良い黒鉛材料と燃料電池セパレータが望まれている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−３１２３１号公報
【特許文献２】
特開平１１−１９５４２２号公報
【特許文献３】
特開平１１−２９７３３８号公報
【特許文献４】
特開２０００−４０５１７号公報
【特許文献５】
特開２０００−２１４２１号公報
【特許文献６】
特開２００２−６０６３９号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、成形性、ガス不透過性及び機械的強度が優れ、かつ緻密で導電性に優れた燃料電池セパレータ用黒鉛材料の製造方法とそれより得られた黒鉛材料及び燃料電池用のセパレータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決するために検討の結果、揮発分を含有する炭化処理前の生コークスを予め粉砕処理することで解決できることを見出し本発明を完成した。即ち、本発明に係る黒鉛材料の製造方法は、石炭系及び／又は石油系重質油の１種以上を原料として用い、６００℃以下で処理して生コークスを生成し、該生コークスを粉砕した後、該粉砕生コークスを７００〜１５００℃で炭化、次いで２０００℃以上で黒鉛化することを特徴とする。
【０００８】
上記本発明における生コークスは、特にディレードコーカーによって熱処理して生成させるとよい。
また粉砕生コークスの平均粒径が１〜５０μｍであることが好ましい。
さらに粉砕生コークスを、炭化後又は黒鉛化後において、解砕及び粉砕して平均粒径３〜５０μｍに粒度調整することが好ましい。
【０００９】
また、黒鉛化処理より前のいずれかの処理工程において、即ち石炭系及び／又は石油系重質油、粉砕生コークス、又は炭化処理後の炭化物に、黒鉛化触媒１種以上を処理材料に０．０５重量％〜４０重量％添加することが好ましい。黒鉛化触媒がホウ素（Ｂ）、珪素（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）単体、並びにこれらの各化合物から選択される１種以上であることが好ましい。
得られる黒鉛材料は、平均粒径３〜５０μｍ、ＢＥＴ比表面積が１０ｍ２／ｇ以下であることを特徴とする。
【００１０】
こうして製造された黒鉛材料を使用し、該黒鉛材料と樹脂とを樹脂に対して黒鉛材料を１〜１０倍量で配合し混練し、該混練物を３〜５０μｍに解砕及び粉砕した後、成形することによって得られる燃料電池セパレータは、嵩密度１．９０ｇ／ｃｍ２以上、固有抵抗１０ｍΩｃｍ以下、曲げ強度３０ＭＰａ以上、気体透過率１×１０−１４ｃｍ２以下であることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明において使用される石炭系重質油（コールタール系原料）は、石炭を乾留する際生成するコールタール並びにコールタールから分離される高沸点タール油およびタールピッチ等でキノリン不溶分（ＱＩ分）を除去したものが望ましい。好ましくはタールピッチである。タールピッチは、軟化点７０℃以下の軟ピッチ、軟化点７０〜８５℃程度の中ピッチおよび軟化点８５℃以上の高ピッチがあり、いずれも使用可能であるが、取扱いの点で軟ピッチを使用することが有利である。また、タールピッチ、コールタール又は高沸点タール油の２又は３種類を混合したものであってもよい。
【００１２】
コールタール系原料からキノリン不溶分（ＱＩ分）を除去する方法については、濾過、遠心分離などの機械的な方法で除去することも可能であるが、ＱＩ分の粒径が極めて小さいことから、分離速度が遅く、濾過の際目詰まりを生じるなど分離効率が低く、工業的には実施できない。溶媒を加えて低粘度にしても同様である。工業的に実施できる方法としては特開昭５７−３０１５９号公報および特開昭５３−６６９０１号公報に開示されているように、コールタール系原料にヘキサン、オクタン、灯油、ナフサ、ブタノール等の脂肪族系溶剤とベンゼン、トルエン、キシレン、メチルナフタリン、フェノール類等の芳香族系溶剤との混合溶剤を添加混合して不溶性生成物をＱＩ粒子のまわりに生成させ、粒子を増大させて沈降分離除去する方法が効果的である。
【００１３】
本発明において使用される石油系重質油は、接触分解油、常圧残油、減圧残油等が挙げられる。特に、石油の流動接触分解油重質成分であるデカント油（ＦＣＣ−ＤＯ）が好ましい。更に、これらの重質油は、炭化収率の面からあらかじめ軽質成分を蒸留により除去するかまたは熱処理して熱重合により重質化しても良い。かかる石油系重質油には、ＱＩ分は殆ど含まれていない。
尚、これら石炭系重質油と石油系重質油とを、例えば石炭系重質油に対する石油系重質油の混合率を１０〜８０ｗｔ％で混合して使用してもよい。
【００１４】
ここで、生コークスとは、揮発分（９５０℃で７分間加熱した時の重量減少）が３％以上、好ましくは５％以上の半生コークスをいう。ディレードコーカーでの生コークスの製造は、コーキング温度が６００℃以下、通常４００℃〜６００℃、特に好ましくは４５０〜５００℃が望ましいが、目的とする揮発分に応じて、処理温度を決めればよい。ディレードコーカー内で製造した生コークスは、ジェット水を用いて切り出された後、水分を調整し、粉砕する。粉砕はまずジョークラッシャー等の粗粉砕機で粉砕した後に、ハンマークラッシャータイプ等の微粉砕機で平均粒径１〜５０μｍ、好ましくは平均粒径１５〜３５μｍに粉砕する。平均粒径５０μｍを超えると、黒鉛成形体としての燃料電池セパレータの厚みが最も薄い部分より大きくなることもあるため、得られる黒鉛材の比表面積が大きくなり、ひいてはセパレータの物性低下、特に嵩密度低下、固有抵抗増大、曲げ強度低下、気体透過率増大に繋がる。一方、平均粒径１μｍ未満に粉砕するのは非常に難しく、また表面積が増大するために樹脂の量を増やさなければならず、固有抵抗が大きくなり好ましくない。
【００１５】
ここでの粉砕機は特に限定するものではなく、目的の平均粒径になればどのタイプの粉砕機を使用しても良い。目的の粉砕を行った後生コークスを炭化処理する。炭化処理温度は、７００℃〜１５００℃が好ましく、８００℃〜１２００℃がさらに望ましい。炭化処理は、生コークスを容器に入れて、廃熱を有効に利用するリードハンマータイプの炭化炉を用いても良いし、バーナータイプのバッチ式の炭化処理炉を用いても良く、炉の型式は特に制限するものではない。昇温速度は揮発分が飛散する温度では、約１０℃／ｈｒと非常に遅くする方が、炭化収率が高くなるので好ましいが、特に制限するものではない。
【００１６】
また、ディレードコーカーでの生コークスを製造する時に黒鉛化触媒を原料に配合した後にコーキングを行うことが出来る。黒鉛化触媒は、炭素と炭化物を作るものや炭素に溶解するものが好ましい。特に硼素化合物、鉄化合物、珪素化合物やそれらの金属が望ましい。これらの化合物や金属は固体の場合は粉砕をした後に原料に配合することが出来るし、溶媒、例えばアルコール類に溶解するものについては原料に配合して使用しても良い。特に制限するものではない。黒鉛化触媒の配合割合は、処理する炭化物に０．０５重量％以上４０質量％以下になるように添加を行う。黒鉛化触媒を添加することによって、得られる黒鉛材の黒鉛構造をより発達させることができるため、ひいては燃料電池セパレータの物性向上、即ち嵩密度向上、固有抵抗低減、曲げ強度向上、気体透過率低減に繋げることができる。
【００１７】
生コークスを製造する時に黒鉛化触媒を添加しない場合は、生コークスを粉砕した後に、７００から１５００℃で熱処理した炭化物に配合してもよい。ここでの黒鉛化触媒も炭素と炭化物を作るものや炭素に溶解するものが好ましく、特に硼素化合物、鉄化合物、珪素化合物やそれらの金属が望ましい。これらの化合物や金属は固体の場合は粉砕をした後に炭化物に配合することが出来るし、溶媒に溶解するものについては炭化物に配合しても良い。特に制限するものではない。黒鉛化触媒の配合割合は、炭化物に対し０．０５重量％以上４０質量％以下になるように行う。
【００１８】
炭化物の黒鉛化処理は、炭化物を黒鉛容器に入れた後に、黒鉛粉のジュール熱で黒鉛化する間接通電タイプのアチソン炉や黒鉛容器に電流を流し加熱するＬＷＧタイプの黒鉛化炉や高周波誘導炉や黒鉛化雰囲気が調整できる連続黒鉛化炉等で黒鉛化するのが良い。黒鉛化温度は、２０００℃以上が好ましく、２５００℃以上がさらに望ましい。黒鉛化処理をした材料の比表面積は、樹脂と混練するときの使用量が出来るだけ少なくなるように１０ｍ２／ｇ以下であることが好ましく、５ｍ２／ｇ以下が望ましい。
【００１９】
また、得られる黒鉛材は、所定の粒度分布を有することが好ましい。すなわち、黒鉛材の粒度分布をロジンラムラー分布（Ｒｏｓｉｎ−Ｒａｍｍｌｅｒ’ｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）の式：Ｒ＝１００ｅｘｐ（−ａｄｎ）
（式中、Ｒは分布量累積値の篩上（％）、ｄは粒径（μｍ）、ａは定数を示す）で表したとき、ｎの値が１．２〜２．０、好ましくは１．３〜１．６の範囲にあることが好ましい。この場合の粒度測定は篩分け法による。ロジンラムラー分布の式において、黒鉛材が正規分布をとるとき、ｎは分布の広狭を示し、ｎが大きいほどシャープな分布を示す。ｎの値が１．２未満であると、分布が広すぎて大粒子が含まれ成形品の表面に荒れが生じ易くなる。一方、ｎの値が２．０を超えると、分布がシャープになって比重が上がらず、抵抗が高くなる傾向となる。このｎの値の制御は、分級条件、粉砕機やその運転条件を選定することにより可能である。尚、樹脂との混練後においても、同様な粒度分布を有することが好適である。
【００２０】
これらの黒鉛は燃料電池セパレータを製造するために、樹脂と混錬した後、解砕または粉砕した後に成形機により成形される。使用する樹脂については、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂いずれを用いても良い。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等が挙げられるが、エポキシ樹脂が好ましく用いられる。セパレータとしての溶出物が出ないようにエポキシ樹脂が望ましいが特に制限するものではない。なお、エポキシ樹脂硬化促進剤としては、アミン類、イミダゾール類、有機ホスフィン類、ルイス酸等の公知の促進剤が使用できる。また、熱可塑性樹脂としては、ポリエステル、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、更には液晶ポリマー等が挙げられる。
黒鉛と樹脂との割合は、黒鉛１００重量部に対し、樹脂１０〜１００重量部、好ましくは２０〜５０重量部の範囲であることがよいが、セパレータの必要な特性である電気伝導性や強度や気体透過性を勘案し割合を決めればよい。
【００２１】
セパレータの成形方法は、黒鉛と樹脂の配合割合にもよるが、セパレータの穴や溝を加工した金型を使用するプレス成形やトランスファー成形、射出成形が使用できる。プレス成形の場合は、樹脂の添加量の低い場合に適し、樹脂の添加量が比較的多くコンパウンドに流動性がある場合は、トランスファー成型や射出成形が好ましい。また、熱可塑性樹脂を使用した場合は、穴溝を加工したデザインロールを用いた連続成形も適用できる。
【００２２】
上記成形方法で得られる本発明の燃料電池用セパレータは、緻密でガス透過率が低く、機械的強度が高く、導電性に優れたものとなる。
本発明の燃料電池用セパレータは、嵩密度が１．９０ｇ／ｃｍ３以上、好ましくは１．９５ｇ／ｃｍ３以上とすることが可能であり、ガス不透過性、機械的強度も優れたものとなる。嵩密度が１．９０ｇ／ｃｍ３未満では、ガス不透過性が劣るだけでなく、機械的強度も劣る。また、固有抵抗は、燃料電池の効率を上げるために、低い方が望ましく、１０ｍΩｃｍ以下が求められているが、本製造方法によれば、その要求特性を十分に達成することができる。この固有抵抗は、使用する黒鉛の種類を結晶度の高いものとしたり、熱硬化樹脂の配合量を少なくすることにより低くすることが可能であり、また成形圧力等によっても変化しうる。なお、固有抵抗は、後記する実施例に記載した測定法に従うものとする。
【００２３】
更に、本発明の燃料電池用セパレータは、曲げ強度が３０ＭＰａ以上の特性を有することが望ましい。曲げ強度が３０ＭＰａ以下であると、セパレータは振動や衝撃で壊れてしまう可能性が高い。
本発明の燃料電池用セパレータは、緻密で機械的強度が高く、導電性に優れ、異方性が少なく、気体透過率が小さいので、これを燃料電池に使用したとき、効率の高い、寿命の長い燃料電池とすることができる。
なお、上記した本発明では、揮発分を含有した状態の生コークスを粉砕して、焼成、黒鉛化処理して得られた材料は、揮発分を含有していない状態のか焼コークスを粉砕して黒鉛化したものよりも形状が丸くなっており、燃料電池用セパレータとしての成形歩留り（成形時の割れやかけ、成形後の外観目視検査）や物性値等の向上に大いに寄与しているものと考えられる。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は下記実施例により限定されるものではない。
【００２５】
実施例１
石炭系重質油として、予めＱＩ分を除去したコールタールピッチをディレードコーキング法によって、４８０℃において８時間処理して揮発分を７％含有する塊状生コークスを得た。この塊状生コークスをレイモンドミルにて粉砕し、平均粒径２５μｍとした。これを、リードハンマー炉で約８００℃で１時間、アルゴン雰囲気で焼成し炭化物を得た。この炭化物を３０００℃で黒鉛化を行った。黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。ここで、結合剤としての樹脂は、オルソクレゾールノボラックのエポキシ樹脂（融点６５℃、１５０℃粘度０．３Ｐａ・ｓ）２重量部、フェノールノボラック（軟化点８３℃、１５０℃粘度０．２２〜０．３５Ｐａ・ｓ）１重量部とトリフェニルホスフィン０．０３重量部からなる。この結合剤としての樹脂の１５０℃における粘度は０．３８Ｐａ・である。
【００２６】
これを１００℃に加熱したロールで混練した。得られた混練物を解砕した後、金型に入れ、温度１７５℃、圧力３５０ｋｇ／ｃｍ２の条件で１０分間成形し、脱型してセパレータを得た。成形サイズは１５×２５×１００ｍｍｍｍである。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表１に示す。
尚、平均粒径はレーザー回折法により測定した粒度分布から求め、同５０％での最大粒径を平均粒径とした。ロジンラムラー分布はその粒度分布から計算により求めた。比表面積は窒素ガス吸着によるＢＥＴ法によって測定した。固有抵抗は４端子電圧降下法で測定した。曲げ強度はＪＩＳ Ｋ６９１１に準拠し３点曲げ法により測定した。
【００２７】
実施例２
石炭系重質油を用いて、ディレードコーキング法によって製造した実施例１で使用したものと同じ塊状生コークスを、レイモンドミルにて粉砕し、平均粒径２５μｍとした。これを、リードハンマー炉で約８００℃で炭化処理して炭化物を得た。この炭化物に炭化硼素を０．５％添加し、２８００℃で黒鉛化を行った。黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。以下の処理は、実施例１と同様とした。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表１に示す。
【００２８】
実施例３
石炭系重質油を用いて、ディレードコーキング法によって製造した塊状生コークスを、レイモンドミルにて粉砕し、平均粒径２５μｍとした。これを、リードハンマー炉で約８００℃で炭化処理して炭化物を得た。この炭化物に炭化珪素を２５％添加したものを２８００℃で黒鉛化を行った。黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。以下の処理は、実施例１と同様とした。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表１に示す。
【００２９】
実施例４
石炭系重質油を用いて、ディレードコーキング法によって製造した塊状生コークスを、レイモンドミルにて粉砕し、平均粒径２５μｍとした。これを、リードハンマー炉で約８００℃で炭化処理して炭化物を得た。この炭化物に酸化鉄を２５％添加したものを２８００℃で黒鉛化を行った。黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。以下の処理は、実施例１と同様とした。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表１に示す。
【００３０】
比較例１
石炭系重質油を用いて、ディレードコーキング法によって製造した塊状生コークスを、ロータリーキルンで１３００℃か焼してか焼コクスとした後、３０００℃で黒鉛化を行った。黒鉛化した塊状コークスを平均粒径２５μｍで粉砕した後、黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。以下の処理は、実施例１と同様とした。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表２に示す。
【００３１】
比較例２
石炭系重質油を用いて、ディレードコーキング法によって製造した塊状生コークスを、ロータリーキルンで１３００℃か焼した後、該か焼コークスを平均粒径２５μｍに粉砕し、炭化硼素を０．５％添加した後、３０００℃で黒鉛化を行った。黒鉛粉合計１００重量部に、エポキシ樹脂、硬化剤及び硬化促進剤からなる結合剤としての樹脂２０重量部を配合した。以下の処理は、実施例１と同様とした。黒鉛粉の平均粒径、ロジンラムラーｎ値及び比表面積、並びに成形体の比重、固有抵抗及び曲げ強度を表２に示す。
【００３２】
【表１】
【００３３】
【表２】
【００３４】
実施例１〜４は、いずれも成形性が良く（成形時の割れの発生が少なく）、嵩密度も高くなり、曲げ強度も優れたものとなる。
一方、比較例１は、成形性が悪く（成形時に割れの発生率が高い）、固有抵抗も高く、しかも比重が上がりにくいため曲げ強度が低くなってしまう。比較例２は、固有抵抗はかなり低いが、比較例１と同様に、成形性が悪く、比重が上がりにくいため曲げ強度が低くなってしまう。
【００３５】
【発明の効果】
本発明では、特に生コークスを粉砕してから、焼成、黒鉛化処理をして得られた黒鉛材料は、か焼コークスを粉砕して黒鉛化したものよりも形状が丸くなるため、成形性が良く、成形歩留り（成形時の割れやかけ、成形後の外観目視検査）や物性強度等が向上する。かかる黒鉛材料を使用して成形された燃料電池セパレータは、固有抵抗や曲げ強度、気体透過率などに優れたものが得られる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a graphite material, a method for producing the same, and a fuel cell separator, and more particularly, to a graphite material excellent in moldability for a fuel cell separator and a physical property value of the molded body, a method for producing the graphite material, and a fuel cell separator.
[0002]
[Prior art]
Fuel cells that are used in automobile applications are attracting attention. This fuel cell is used directly as electric energy without converting chemical energy into heat energy, and usually refers to a battery that takes out electricity by reaction of hydrogen and oxygen. There are several types of fuel cells, such as phosphoric acid fuel cells, solid electrolyte fuel cells, and polymer electrolyte fuel cells (PEFC). Among them, solid polymer fuel cells, phosphoric acid, and the like. In the type fuel cell, a separator which is a conductive molded product is used. The separator constitutes a unit cell together with an electrode or the like, and is used by laminating the unit cell, and requires conductivity while isolating gas (hydrogen / oxygen). Therefore, in addition to high electrical conductivity of 10 × 10 −2 Ωcm or less, low gas permeability, oxidation resistance, hydrolysis resistance, hot water resistance, and the like are required.
[0003]
Conventionally, various proposals have been made on conductive carbon materials and fuel cell separators. For example, in order to obtain a carbon material suitable for a fuel cell separator having a porosity of 5% or less and a ratio of volume specific resistance in the XY direction to volume specific resistance in the Z direction of 2 or less, the thermosetting resin And Ketjen Black, carbon material containing spherical graphite particles (see, for example, Patent Document 1), and in order to reduce the amount of binder and improve conductivity, a small amount of binder is added to the carbon material and pressurized. A method for molding and then impregnating with an impregnating agent (see, for example, Patent Document 2), and a fuel cell separator having a surface roughness within a certain range in order to obtain a fuel cell separator with low contact resistance with the electrode part ( For example, see Patent Document 3). In addition, in order to obtain a separator for a fuel cell with little anisotropy, a combination of artificial graphite and natural graphite (see, for example, Patent Document 4) and balance of gas impermeability, thermal conductivity, conductivity, etc. In order to obtain a fuel cell separator, it has been proposed to use a specific graphite powder (see, for example, Patent Document 5).
[0004]
In order to obtain higher electrical conductivity, coke before graphitization treatment is pulverized, and boron carbide is added to the graphite crystal obtained by graphitization treatment to mix specific graphite containing boron carbide and a curable resin. (For example, refer to Patent Document 6). However, the coke to be pulverized before graphitization in this case is for calcined coke in which volatile components are scattered, so that the molding properties of the graphite compact are poor and the specific gravity is difficult to increase. There is still room for improvement.
As described above, various proposals have been made in the past. However, a graphite material and a fuel cell separator having excellent moldability and excellent properties as a fuel cell separator and a well-balanced fuel cell separator are desired. It is rare.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 8-31231 [Patent Document 2]
JP-A-11-195422 [Patent Document 3]
JP-A-11-297338 [Patent Document 4]
JP 2000-40517 A [Patent Document 5]
JP 2000-21421 [Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-60639
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a method for producing a graphite material for a fuel cell separator which is excellent in moldability, gas impermeability and mechanical strength, is dense and has excellent conductivity, and a graphite material and a fuel cell obtained therefrom. To provide a separator.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of investigations to solve the above problems, the present inventors have found that the raw coke before carbonization treatment containing volatile matter can be pulverized in advance, thereby completing the present invention. That is, the method for producing a graphite material according to the present invention uses one or more coal-based and / or petroleum-based heavy oils as raw materials, generates raw coke by processing at 600 ° C. or lower, and pulverizes the raw coke. Then, the pulverized raw coke is carbonized at 700 to 1500 ° C. and then graphitized at 2000 ° C. or higher.
[0008]
In particular, the raw coke in the present invention is preferably produced by heat treatment using a delayed coker.
Moreover, it is preferable that the average particle diameter of a grinding | pulverization raw coke is 1-50 micrometers.
Furthermore, it is preferable that the pulverized raw coke is pulverized and pulverized after carbonization or graphitization to adjust the particle size to an average particle size of 3 to 50 μm.
[0009]
Further, in any processing step prior to the graphitization treatment, that is, in the case of coal-based and / or petroleum-based heavy oil, pulverized raw coke, or carbonized carbonized material, one or more graphitization catalysts are treated as 0. It is preferable to add 0.05% by weight to 40% by weight. The graphitization catalyst is preferably at least one selected from boron (B), silicon (Si) and iron (Fe) alone, and each of these compounds.
The obtained graphite material has an average particle diameter of 3 to 50 μm and a BET specific surface area of 10 m 2 / g or less.
[0010]
Using the graphite material thus produced, the graphite material and the resin are mixed and kneaded with the graphite material in an amount of 1 to 10 times the resin, and the kneaded product is crushed and pulverized to 3 to 50 μm. The fuel cell separator obtained by molding has a bulk density of 1.90 g / cm 2 or more, a specific resistance of 10 mΩcm or less, a bending strength of 30 MPa or more, and a gas permeability of 1 × 10 −14 cm 2 or less.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The coal-based heavy oil (coal tar-based raw material) used in the present invention is a coal tar-insoluble component (QI component) such as coal tar generated when coal is carbonized, high-boiling tar oil separated from coal tar, and tar pitch. ) Is preferred. Tar pitch is preferred. Tar pitches include soft pitches with a softening point of 70 ° C. or lower, medium pitches with a softening point of about 70 to 85 ° C., and high pitches with a softening point of 85 ° C. or higher, both of which can be used. It is advantageous to use. Moreover, what mixed 2 or 3 types of tar pitch, coal tar, or high boiling point tar oil may be used.
[0012]
About the method for removing quinoline insoluble matter (QI content) from coal tar-based raw materials, it is possible to remove by mechanical methods such as filtration and centrifugation, but since the particle size of QI content is extremely small, Separation speed is slow, and the separation efficiency is low, such as clogging during filtration. The same applies to the addition of a solvent to reduce the viscosity. As methods that can be carried out industrially, as disclosed in JP-A-57-30159 and JP-A-53-66901, coal tar-based raw materials include fats such as hexane, octane, kerosene, naphtha, and butanol. A mixed solvent of an aromatic solvent and an aromatic solvent such as benzene, toluene, xylene, methylnaphthalene, and phenols is added and mixed to produce an insoluble product around the QI particles, and the particles are increased to settle and remove. Is effective.
[0013]
Examples of the petroleum heavy oil used in the present invention include catalytic cracked oil, atmospheric residue, and vacuum residue. In particular, decant oil (FCC-DO) which is a heavy component of petroleum fluid catalytic cracking oil is preferable. Furthermore, these heavy oils may be made heavy by thermal polymerization by removing light components in advance from the viewpoint of carbonization yield or by heat treatment. Such petroleum heavy oil contains almost no QI content.
In addition, you may use these coal-type heavy oil and petroleum-type heavy oil, for example, mixing the mixing rate of petroleum-type heavy oil with respect to coal-type heavy oil at 10-80 wt%.
[0014]
Here, the raw coke means semi-raw coke having a volatile content (weight reduction when heated at 950 ° C. for 7 minutes) of 3% or more, preferably 5% or more. In the production of raw coke in a delayed coker, the coking temperature is 600 ° C. or lower, usually 400 ° C. to 600 ° C., particularly preferably 450 to 500 ° C., but the processing temperature may be determined according to the intended volatile content. . The raw coke produced in the delayed coker is cut out using jet water, and then the moisture is adjusted and pulverized. The pulverization is first pulverized by a coarse pulverizer such as a jaw crusher, and then pulverized by a fine pulverizer such as a hammer crusher type to an average particle diameter of 1 to 50 μm, preferably an average particle diameter of 15 to 35 μm. When the average particle diameter exceeds 50 μm, the thickness of the fuel cell separator as a graphite molded body may be larger than the thinnest part, so that the specific surface area of the obtained graphite material becomes large, and as a result, the physical properties of the separator are lowered, particularly the bulk density. This leads to a decrease, an increase in specific resistance, a decrease in bending strength, and an increase in gas permeability. On the other hand, it is very difficult to pulverize to an average particle size of less than 1 μm, and since the surface area increases, the amount of resin must be increased, which is not preferable because the specific resistance increases.
[0015]
The pulverizer here is not particularly limited, and any type of pulverizer may be used as long as the target average particle diameter is obtained. After the desired grinding, the raw coke is carbonized. The carbonization temperature is preferably 700 ° C to 1500 ° C, more preferably 800 ° C to 1200 ° C. Carbonization treatment may be performed using a lead hammer type carbonization furnace that puts raw coke in a container and effectively uses waste heat, or may use a burner type batch type carbonization furnace. Is not particularly limited. The rate of temperature rise is preferably about 10 ° C./hr, which is very slow at the temperature at which volatile matter is scattered, because the carbonization yield is high, but is not particularly limited.
[0016]
In addition, when raw coke is produced in a delayed coker, coking can be performed after blending the graphitization catalyst with the raw material. The graphitization catalyst is preferably one that forms carbon and carbides or one that dissolves in carbon. Boron compounds, iron compounds, silicon compounds and their metals are particularly desirable. In the case of a solid, these compounds and metals can be blended into the raw material after being pulverized, or those dissolved in a solvent, for example, alcohols, may be blended into the raw material. There is no particular limitation. The graphitization catalyst is added so that the mixing ratio of the graphitized catalyst is 0.05 wt% or more and 40 wt% or less. By adding a graphitization catalyst, the graphite structure of the resulting graphite material can be further developed. Consequently, the physical properties of the fuel cell separator are improved, that is, the bulk density is improved, the specific resistance is reduced, the bending strength is improved, and the gas permeability is reduced. Can be connected.
[0017]
When a graphitization catalyst is not added when producing raw coke, the raw coke may be pulverized and then blended with a carbide heat-treated at 700 to 1500 ° C. The graphitization catalyst used here is preferably one that forms carbon and carbides or one that dissolves in carbon, and boron compounds, iron compounds, silicon compounds and their metals are particularly desirable. In the case of a solid, these compounds and metals can be blended into the carbide after pulverization, and those that dissolve in the solvent may be blended into the carbide. There is no particular limitation. The blending ratio of the graphitization catalyst is 0.05% by weight or more and 40% by weight or less with respect to the carbide.
[0018]
The graphitization treatment of carbides includes indirect energization type atchison furnaces in which carbides are graphitized by Joule heat of graphite powder, LWG type graphitization furnaces and high frequency induction furnaces in which current is passed through and heated in graphite containers Or graphitizing in a continuous graphitizing furnace or the like in which the graphitizing atmosphere can be adjusted. The graphitization temperature is preferably 2000 ° C. or higher, more preferably 2500 ° C. or higher. The specific surface area of the graphitized material is preferably 10 m 2 / g or less, and more preferably 5 m 2 / g or less so that the amount used when kneaded with the resin is as small as possible.
[0019]
The obtained graphite material preferably has a predetermined particle size distribution. That is, the particle size distribution of the graphite material is expressed by the Rosin-Ramler's distribution formula: R = 100exp (−ad n ).
(Wherein, R is the distribution amount cumulative value on the sieve (%), d is the particle size (μm), and a is a constant), the value of n is 1.2 to 2.0, preferably It is preferable that it exists in the range of 1.3-1.6. In this case, the particle size is measured by a sieving method. In the Rosin-Rammler distribution equation, when the graphite material has a normal distribution, n indicates the distribution range, and the larger n, the sharper the distribution. When the value of n is less than 1.2, the distribution is too wide and large particles are contained, and the surface of the molded product is likely to be rough. On the other hand, when the value of n exceeds 2.0, the distribution becomes sharp, the specific gravity does not increase, and the resistance tends to increase. The control of the value of n is possible by selecting the classification conditions, the pulverizer and the operating conditions. In addition, it is suitable to have the same particle size distribution even after kneading with the resin.
[0020]
In order to produce a fuel cell separator, these graphites are kneaded with a resin, crushed or pulverized, and then molded by a molding machine. As the resin to be used, either a thermosetting resin or a thermoplastic resin may be used. Examples of the thermosetting resin include an epoxy resin, a phenol resin, and a melamine resin, and an epoxy resin is preferably used. An epoxy resin is desirable but not particularly limited so as to prevent elution as a separator. In addition, as an epoxy resin hardening accelerator, well-known accelerators, such as amines, imidazoles, organic phosphines, and Lewis acid, can be used. Further, examples of the thermoplastic resin include polyester, nylon, polyethylene, polystyrene, polyvinyl chloride, and further a liquid crystal polymer.
The ratio of graphite to resin should be in the range of 10 to 100 parts by weight, preferably 20 to 50 parts by weight of resin, with respect to 100 parts by weight of graphite. And the ratio may be determined in consideration of gas permeability.
[0021]
The method of molding the separator depends on the blending ratio of graphite and resin, but press molding, transfer molding, and injection molding using a mold in which holes and grooves of the separator are processed can be used. In the case of press molding, it is suitable when the amount of resin added is low, and when the amount of resin added is relatively large and the compound is fluid, transfer molding or injection molding is preferred. Further, when a thermoplastic resin is used, continuous molding using a design roll in which hole grooves are processed can also be applied.
[0022]
The fuel cell separator of the present invention obtained by the above molding method is dense and has low gas permeability, high mechanical strength, and excellent conductivity.
The fuel cell separator of the present invention can have a bulk density of 1.90 g / cm 3 or more, preferably 1.95 g / cm 3 or more, and has excellent gas impermeability and mechanical strength. Become. When the bulk density is less than 1.90 g / cm 3 , not only the gas impermeability is inferior, but also the mechanical strength is inferior. Further, the specific resistance is desirably low in order to increase the efficiency of the fuel cell, and 10 mΩcm or less is required. However, according to the present manufacturing method, the required characteristics can be sufficiently achieved. This specific resistance can be lowered by making the type of graphite used to have a high degree of crystallinity, or by reducing the blending amount of the thermosetting resin, and can also vary depending on the molding pressure or the like. In addition, specific resistance shall follow the measuring method described in the Example mentioned later.
[0023]
Furthermore, the fuel cell separator of the present invention desirably has a bending strength of 30 MPa or more. If the bending strength is 30 MPa or less, the separator is likely to break due to vibration or impact.
The separator for a fuel cell of the present invention is dense and has high mechanical strength, excellent conductivity, low anisotropy, and low gas permeability. Therefore, when it is used in a fuel cell, it has high efficiency and long life. A long fuel cell can be obtained.
In the above-described present invention, raw coke containing volatile components is pulverized, and the material obtained by firing and graphitizing is obtained by pulverizing calcined coke not containing volatile components. The shape is rounder than that of graphitized material, and greatly contributes to the improvement of molding yield (cracking and cracking during molding, visual inspection after molding) and physical properties as a fuel cell separator. Conceivable.
[0024]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to the following examples.
[0025]
Example 1
As coal-based heavy oil, coal tar pitch from which QI content had been removed in advance was treated at 480 ° C. for 8 hours by a delayed coking method to obtain massive raw coke containing 7% of volatile matter. The bulk raw coke was pulverized by a Raymond mill to obtain an average particle size of 25 μm. This was baked in an argon atmosphere at about 800 ° C. for 1 hour in a lead hammer furnace to obtain a carbide. This carbide was graphitized at 3000 ° C. 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was blended with 100 parts by weight of the graphite powder. Here, the resin as the binder is an ortho-cresol novolac epoxy resin (melting point 65 ° C., 150 ° C. viscosity 0.3 Pa · s) 2 parts by weight, phenol novolac (softening point 83 ° C., 150 ° C. viscosity 0.22 to 0). .35 Pa · s) 1 part by weight and 0.03 part by weight of triphenylphosphine. The viscosity of the resin as the binder at 150 ° C. is 0.38 Pa ·.
[0026]
This was kneaded with a roll heated to 100 ° C. The obtained kneaded material was crushed, put into a mold, molded for 10 minutes under conditions of a temperature of 175 ° C. and a pressure of 350 kg / cm 2 , and demolded to obtain a separator. The molding size is 15 × 25 × 100 mmmm. Table 1 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
The average particle size was determined from the particle size distribution measured by the laser diffraction method, and the maximum particle size at 50% was defined as the average particle size. Rosin Ramler distribution was calculated from the particle size distribution. The specific surface area was measured by the BET method using nitrogen gas adsorption. The specific resistance was measured by a four-terminal voltage drop method. The bending strength was measured by a three-point bending method according to JIS K6911.
[0027]
Example 2
The same massive raw coke as that used in Example 1 produced by the delayed coking method using coal-based heavy oil was pulverized by a Raymond mill to obtain an average particle size of 25 μm. This was carbonized at about 800 ° C. in a lead hammer furnace to obtain a carbide. 0.5% of boron carbide was added to the carbide and graphitized at 2800 ° C. 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was blended with 100 parts by weight of the graphite powder. The following processing was the same as in Example 1. Table 1 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
[0028]
Example 3
Bulk raw coke produced by a delayed coking method using coal-based heavy oil was pulverized by a Raymond mill to obtain an average particle size of 25 μm. This was carbonized at about 800 ° C. in a lead hammer furnace to obtain a carbide. This carbide was graphitized at 2800 ° C. with 25% silicon carbide added. 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was blended with 100 parts by weight of the graphite powder. The following processing was the same as in Example 1. Table 1 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
[0029]
Example 4
Bulk raw coke produced by a delayed coking method using coal-based heavy oil was pulverized by a Raymond mill to obtain an average particle size of 25 μm. This was carbonized at about 800 ° C. in a lead hammer furnace to obtain a carbide. This carbide added with 25% iron oxide was graphitized at 2800 ° C. 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was blended with 100 parts by weight of the graphite powder. The following processing was the same as in Example 1. Table 1 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
[0030]
Comparative Example 1
Bulk raw coke produced by a delayed coking method using coal-based heavy oil was calcined at 1300 ° C. in a rotary kiln to obtain calcined coke, and then graphitized at 3000 ° C. After the graphitized block coke was pulverized with an average particle size of 25 μm, 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was added to a total of 100 parts by weight of graphite powder. The following processing was the same as in Example 1. Table 2 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
[0031]
Comparative Example 2
Bulk coke produced by a delayed coking method using coal-based heavy oil is calcined at 1300 ° C in a rotary kiln, and then the calcined coke is pulverized to an average particle size of 25 µm and boron carbide is added at 0.5%. Then, graphitization was performed at 3000 ° C. 20 parts by weight of a resin as a binder composed of an epoxy resin, a curing agent and a curing accelerator was blended with 100 parts by weight of the graphite powder. The following processing was the same as in Example 1. Table 2 shows the average particle diameter, rosin lambler n value and specific surface area of the graphite powder, and the specific gravity, specific resistance and bending strength of the compact.
[0032]
[Table 1]
[0033]
[Table 2]
[0034]
Each of Examples 1 to 4 has good moldability (low occurrence of cracking during molding), high bulk density, and excellent bending strength.
On the other hand, Comparative Example 1 has poor moldability (high occurrence rate of cracks during molding), high specific resistance, and low specific gravity, resulting in low bending strength. In Comparative Example 2, the specific resistance is considerably low, but, as in Comparative Example 1, the moldability is poor and the specific gravity is difficult to increase, resulting in a low bending strength.
[0035]
【The invention's effect】
In the present invention, the graphite material obtained by pulverizing raw coke and then firing and graphitizing is rounder than the one obtained by pulverizing calcined coke and graphitizing. The molding yield (cracking and cracking during molding, visual inspection after molding) and physical strength are improved. A fuel cell separator formed using such a graphite material is excellent in specific resistance, bending strength, gas permeability, and the like.
