JP2005122974A - 燃料電池用セパレータ及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電性、ガス不透過性や機械強度に対する要求性能を満足しつつ、導電性の異方性が無く、かつ高い成形性を有する燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供する。
【解決手段】 黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む導電性組成物を成形してなる燃料電池用セパレータあって、前記黒鉛が等方性黒鉛と異方性黒鉛との重量割合が５０：５０〜９０：１０の範囲で混合された混合黒鉛であり、かつ黒鉛と熱硬化性樹脂との重量割合が６０：４０〜８０：２０であることを特徴とする燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、燃料電池用セパレータに関し、更に詳述すれば、成形後の機械加工の必要性がなく、成形性が飛躍的に向上し、成形時の優れた離型性、寸法精度を有し、製品の高性能化、不良率の低下、低コスト化に寄与することができる燃料電池用セパレータ及び燃料電池に関する。

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。そのためその成形品には、１０×１０-2Ωｃｍ以下の低い電気導電性が要求される他、組立時や車載用燃料電池運転時における割れを起こさない程度の強度が要求される。

これまでに、緻密で機械的な強度が大きく、導電性に優れた燃料電池用セパレータとして適した炭素材を得るため、バインダーと複数の粒度を有する炭素質粉粒体とからなる黒鉛化炭素材を提案（たとえば特許文献１参照）している。しかし、この方法は成形後、黒鉛化処理する必要があり、生産性が悪い。

また、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として適した炭素材を得るため、熱硬化性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を提案（たとえば特許文献２参照）している。更に、異方性の少ない燃料電池用セパレータ部材を得るため、人造黒鉛と天然黒鉛を併用することを提案（たとえば特許文献３参照）している。

しかしながら、燃料電池用セパレータとしての強度及び導電性の特性がより優れ、且つ、バランスの優れた燃料電池用セパレータ部材が望まれている。

そこで、機械的強度及び導電性に優れた燃料電池セパレータを得るため、等方性黒鉛と異方性黒鉛とをブレンドする技術（例えば特許文献４参照）が提案されている。
しかしながら、かかる技術では熱硬化性樹脂の配合量が少ないために、モールド成形を行う場合組成物の流動性が低く、成形性が悪い。このため黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む組成物から溝形状を多数有する成形品を得ることは非常に困難であるという問題があった。

特開平４−２１４０７２号公報 特開平８−３１２３１号公報 特開２０００−４０５１７号公報 特開２００２−８３６０８号公報

本発明の課題は、導電性、機械強度に対する要求性能を満足しつつ、導電性の異方性が無く、かつ高い成形性を有する燃料電池用セパレータ及び燃料電池を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む導電性組成物を成形してなる燃料電池用セパレータあって、前記黒鉛が等方性黒鉛と異方性黒鉛との重量割合が５０：５０〜９０：１０の範囲で混合された混合黒鉛であり、かつ黒鉛と熱硬化性樹脂との重量割合が６０：４０〜８０：２０であることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供するものである。また本発明は、前記燃料電池用セパレータを用いてなる燃料電池を提供するものである。

本発明によれば、モールド成形を行うに際して非常に流動性及び成形性の高い導電性組成物を得ることができ、また該組成物を用いて得られるセパレータは、導電性、ガス不透過性、強度等が優れるので、燃料電池用のセパレータとしての価値が高い。

以下に本発明を詳細に説明する。
燃料電池用セパレータは、単位セルを複数積層して構成する燃料電池において、隣接する単位セル間に設けられ、電極との間で燃料ガス流路、酸化ガス流路を形成し、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる作用を有するものであり、ガス流路用の溝等が形成されている。 本発明の燃料電池用セパレータは、黒鉛と熱硬化性樹脂とが所定の形状に成形、硬化されてなるものであり、そのまま、又は必要によりこれに溝加工、穴あけ加工等を施した後に使用されるものである。

本発明に使用する等方性黒鉛及び異方性黒鉛は、高い導電性を示すものであれば制限はなく用いることができる。かかる等方性黒鉛としては、例えば特殊炭素材用やアルミ精練用に使用される石炭系及び石油系コークス等の黒鉛粉末、黒鉛化された特殊炭素材料の加工粉などが挙げられ、また異方性黒鉛としては、例えば再結晶黒鉛紛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛、黒鉛化されたニードルコークス粉、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したものや天然黒鉛などが挙げられる。

前記等方性黒鉛と異方性黒鉛との重量割合は、５０：５０〜８０:２０の範囲であることが必要であり、７０:３０〜８０:２０の範囲であることが好ましい。この範囲を外れると、嵩密度が低下し、導電性、ガス不透過性、強度等の性質が低下する。

また前記等方性黒鉛は、平均粒径５０〜３００μｍ、好ましくは平均粒径７０〜２８０μｍであることが好ましく、異方性黒鉛は、平均粒径５０μｍ未満、好ましくは平均粒径１〜３０μｍであることが好ましい。
本発明は、２種類の黒鉛を使用することにより、異方性のない導電性、機械的強度、成形性に優れたセパレータを得ることができる。

また平均粒径の大きい等方性黒鉛粒子については、混練後に粉砕する際、粉砕されて新しい黒鉛の断面が出るために、接触して導電パスができる一方、大きい粒子は表面積が小さいため、少量の樹脂量でも混練を可能とすることが期待される。平均粒径の小さい異方性黒鉛粒子については、黒鉛粒子同士の接触性を高める一方、成形品の強度を高めることが期待される。
また等方性黒鉛は、天然黒鉛に比べて導電性は多少劣るものの、異方性が少ないという特徴もある。

本発明に使用する熱硬化性樹脂としては、例えばレゾールタイプのフェノール樹脂、ノボラックタイプのフェノール樹脂に代表されるフェノール系樹脂、フルフリルアルコール樹脂、フルフリルアルコールフルフラール樹脂、フルフリルアルコールフェノール樹脂などのフラン系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリアクリロニトリル樹脂、ピレン−フェナントレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ビニルエステル樹脂などが挙げられる。これらの熱硬化性樹脂のうち、耐腐食性の点で、ビニルエステル樹脂が好ましい。
これらの樹脂を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。

黒鉛と熱硬化性樹脂との配合割合は、重量比で６０：４０〜８０：２０であることが、必要な導電性を与えるために重要である。熱硬化性樹脂が多すぎても、少なすぎても固有抵抗が増大するので、黒鉛と熱硬化性樹脂との重量比が７０：３０〜８０：２０の範囲であることが好ましい。
一般に黒鉛の分率が高くなった場合、組成物の流動性がある領域から極端に低下し、多数の溝を有する特殊な形状のセパレータを成形することは非常に困難となる。この点を考慮した場合においても、好適な黒鉛と熱硬化性樹脂との重量比は、７０：３０〜８０：２０の範囲である。

黒鉛と熱硬化性樹脂との混合は、これらを同時に混合してもよく、少なくとも２種類の粒度分布を有する黒鉛を事前に混合したのち、熱硬化性樹脂と混合してもよいが、後者の方法が好ましい。
本発明に使用する導電性組成物には、黒鉛と熱硬化性樹脂の他に、硬化促進剤や離型剤、他の導電性フィラー等を本発明の効果を妨げない範囲で配合することもできる。

本発明に使用する導電性組成物は、前記配合成分を適切な重量比に調整して混合、混練することにより得られる。
混練は、ニーダー、加圧型ニーダー、二軸スクリュー式混練機など常用の混練機を使用して行う。混練する際温度の上昇を伴う場合においては、熱硬化性樹脂成分の変質を防止する目的でその温度は１０〜７０℃の範囲で調節することが好ましい。

本発明の燃料電池用セパレータは、前記導電性組成物を成形することによって得ることができる。
成形する方法については、公知慣用の手法を用いることができ、例えばプレス成形、トランスファー成形、押し出し成形、射出成形等が挙げられる。これらの成形法のうち、セパレータ用導電性組成物の流動性、及び成形品の寸法精度安定性を考慮すると、プレス成形、トランスファー成形が好ましい。

本発明の燃料電池は、電解質が電極で挟持され、更に外側に、前記セパレータが配設された基本構成単位である単セルのみから構成されるものでもよいし、この単セルを複数積層してなるものである。

ここで、燃料電池は、燃料を改質して得られた水素を主燃料として、この水素が酸素と反応した時の化学エネルギーを電力として取り出す発電方式を利用するものであり、本発明における燃料電池は、この発電を生ぜしめる単セルを単一あるいは直列に複数重ねたスタック構造とし、スタックの両端に設けた集電板で集電することにより形成されるものである。

固体高分子型燃料電池セルの構造の一例を図２に示す。燃料電池の基本構成単位である単セルは固体高分子電解質膜３、燃料極４、酸化剤極５からなる電解質膜電極接合体６の両面をセパレータ１で挟んだ構造を持つ。セパレータの表面に形成された流路７は燃料や酸化剤を電極に安定的に供給するのが好適である。また酸化剤極５に設置したセパレータの酸化剤極５の反対面に熱源として、水を導入することにより燃料電池から熱を取り出すことができる。このように構成された単セル２を複数、直列に積層したセルスタック（燃料電池スタック）の一例を図３に示す。

以上詳述した本発明の燃料電池は、例えば電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等の他、人工衛生、飛行機、宇宙船等各種の移動体電源として使用できる。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。なお、「部」とあるのは、特にことわりがない限り重量部を表わす。

＜曲げ強度＞ 後記実施例で得られた成形板を試験片として、ＪＩＳ Ｋ６９１１の熱硬化性プラスチックの一般試験方法に準じて支点間距離８０ｍｍでの曲げ強度を測定した。

＜体積抵抗率＞ 後記実施例で得られた成形板を試験片として、ＪＩＳ Ｒ７２２２の黒鉛素材の物理特性測定方法に準じて、端子間距離５ｃｍにおける成形品の体積抵抗率を測定した。

＜成形性＞ 後記実施例で得られた燃料電池用セパレータを試験片として、セパレータの形状を再現しているか否かについては、端部などの充填性などを目視で判定した。
成形品端部などに欠損や微少空隙（ボイドなど）が見られるものを「不良」とし、反対にそのような特徴が見られない充填性を示すものを「良」とした。

黒鉛；平均粒径２５０μｍの等方性人造黒鉛（以下単に「黒鉛１」と表記する）、平均粒子径５μｍの針状黒鉛（同様に「黒鉛２」と表記する）
樹脂；レゾール型フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂
上記の原料を用いて、表−１及び表−２の配合比率に従い、森山製作所製ＤＳ１−５型加圧ニーダーで２０分間混合し、各導電性組成物を得た。
次いで前記組成物を所定量計量し、１００ｍｍ×１７０ｍｍの金型に充填して１５０℃、１０ＭＰａで１０分間熱プレス成形して、３ｍｍ厚の成形板を作成した。

また、所定の溝形状を有する１００ｍｍ×１７０ｍｍの金型にも同様に充填して、１５０℃、１０ＭＰａで１０分間熱プレス成形して、３ｍｍ厚のセパレータを作成した。

表−１及び表−２の評価結果のとおり、黒鉛分率を適切に調整した場合（実施例１〜４）では、適切に調整しなかった場合（比較例１〜４）に比べて組成物の流動性が大きく向上し、成形性の高い組成物を得ることができることが分かった。

本発明の燃料電池セパレータを示す斜視図である。 本発明の燃料電池セル構造を示す斜視図である。 本発明の燃料電池スタック構造を示す斜視図である。

符号の説明

１ セパレータ
２ 燃料、酸化剤、冷却水流路
３ 単セル
４ 固体高分子型電解質膜
５ 燃料極
６ 酸化剤極
７ 電解質膜電極接合体
８ 燃料電池スタック
９ 酸化剤流路
１０ 燃料流路
１１ 冷却水流路

Claims (4)

1. 黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む導電性組成物を成形してなる燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛が等方性黒鉛と異方性黒鉛との重量割合が５０：５０〜９０：１０の範囲で混合された混合黒鉛であり、かつ黒鉛と熱硬化性樹脂との重量割合が６０：４０〜８０：２０であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記等方性黒鉛の平均粒子径が５０〜３００μmであり、かつ前記異方性黒鉛の平均粒子径が１〜３０μmである請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記熱硬化性樹脂が、ビニルエステル樹脂である請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１〜3のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを用いてなる燃料電池。
   
   

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