JP2005197222A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有し、しかも電極部との接触抵抗が低い燃料電池セパレータを提供すること。
【解決手段】 熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の平均粗さＲａが、１．０〜５．０μｍである燃料電池セパレータ。
【選択図】 なし

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関する。

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る。この燃料電池は、高エネルギー変換可能で、環境適応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。

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。

燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割、並びに単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路を確保するとともに、それらの分離境界壁としての役割を果たすものである。このため、セパレータには、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。
ところで、燃料電池の発電時においてガス同士の反応により生じる水は、電池特性に大きな影響を与えることが知られており、発電時に発生した水を速やかに排出できることが、セパレータに求められる特性の中で最も重要となる。この排水性能は、セパレータの親水性に依存するものであるため、これを向上させる必要がある。

セパレータの親水性を向上させる手法として、従来、（１）セパレータ表面に親水性無機粉末を塗布する方法（特許文献１：特開昭５８−１５０２７８号公報）、（２）セパレータ表面に親水性の無機繊維および有機繊維シートを付着させる方法（特許文献２：特開昭６３−１１０５５５号公報）、（３）セパレータに、親水性の無機繊維および粉末または有機繊維および粉末を混入させた予備成形体シートを付着させる方法（特許文献３：特開平１０−３９３１号公報）、（４）セパレータ中の電極と接触する部分を酸に浸漬する方法（特許文献４：特開平１１−２９７３３８号公報）などが知られている。

特開昭５８−１５０２７８号公報 特開昭６３−１１０５５５号公報 特開平１０−３９３１号公報 特開平１１−２９７３３８号公報

しかしながら、上記（１）の方法では、電池の組立時にセパレータ表面に塗布した無機粉末からなる親水層が剥離したり、摩耗したりする結果、親水性向上効果が不充分になり易いという問題があった。
（２）の方法では、セパレータ表面上のシートが剥離したり、流路面でしわになったりする結果、親水性および排水性が低下してしまうことがあった。
（３）の方法では、親水性を向上させる目的で無機繊維や有機繊維などの混入量を多くすると、導電性が低下してしまうという新たな問題を招来していた。
（４）の方法では、セパレータ中に残存した酸性溶液が、燃料電池運転中に溶出したり、セパレータに含まれる樹脂を分解したりするという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有し、しかも電極部との接触抵抗が低い燃料電池セパレータを提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、熱硬化性樹脂、人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータにおいて、人造黒鉛として所定範囲の平均粒径を有するものを用いるとともに、セパレータ表面の平均粗さＲａを所定範囲とすることで、親水性を高めることができる結果、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水でき、しかも電極部との接触抵抗を低く抑えることができることを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、
１．熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の平均粗さＲａが、１．０〜５．０μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータ、
２．前記人造黒鉛１００質量部に対し、前記熱硬化性樹脂が１０〜３０質量部および前記内部離型剤が０．１〜１．５質量部含まれることを特徴とする１の燃料電池セパレータ、３．前記人造黒鉛が、針状コークスを２０００〜３０００℃で焼成してなることを特徴とする１または２の燃料電池セパレータ、
４．前記表面のＳｍ値が、１００〜２００μｍであることを特徴とする１〜３のいずれかの燃料電池セパレータ、
５．前記表面が、ガス流路面であることを特徴とする１〜４のいずれかの燃料電池セパレータ、
６．前記ガス流路面が、＃１５０〜＃３２０のアルミナ研創材により表面処理されていることを特徴とする５の燃料電池セパレータ、
７．前記ガス流路面が、濡れ張力４０〜７０ｍＮ／ｍであることを特徴とする５の燃料電池セパレータ、
８．前記表面が、燃料電池セパレータと電極との接する面であることを特徴とする１〜４のいずれかの燃料電池セパレータ、
９．前記燃料電池セパレータと電極との接する面が、＃１５０〜＃３２０のアルミナ研創材により表面処理されていることを特徴とする８の燃料電池セパレータ
を提供する。

本発明の燃料電池セパレータは、熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍのものであるから、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有しているだけでなく、接触抵抗が低く抑えられている。したがって、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。

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は、熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍであることを特徴とする。
本発明において、熱硬化性樹脂としては、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種熱硬化性樹脂が挙げられる。例えば、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ベンゾキサジン樹脂等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐熱性および機械的強度に優れていることから、ベンゾキサジン樹脂、エポキシ樹脂、レゾール型フェノール樹脂が好適に用いられる。

熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物（以下、燃料電池セパレータ用組成物という）中における、熱硬化性樹脂の含有量は、特に限定されるものではないが、人造黒鉛１００質量部に対して１０〜３０質量部、特に、１５〜２５質量部であることが好ましい。熱硬化性樹脂の含有量が１０質量部未満であると、セパレータのガスリークおよび強度低下を招く虞があり、３０質量部を超えると、導電性低下を招く虞がある。

人造黒鉛としては、例えば、針状コークスを焼成したもの、塊状コークスを焼成したもの、電極を粉砕したもの、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、コークス、活性炭、ガラス状カーボン、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラック等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。中でも、黒鉛化度が高く、導電性に優れていることから、針状コークスを２０００〜３０００℃で焼成してなるものが好適である。

本発明において、人造黒鉛の平均粒径は２０〜７０μｍ、特に、３０〜６０μｍ、より好ましくは４０〜５０μｍである。
平均粒径が２０μｍ未満であると、熱硬化性樹脂が黒鉛の表面を覆い易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。このため、セパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。一方、平均粒径が７０μｍを超えると、黒鉛粒子間の空隙に熱硬化性樹脂が侵入し易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。その結果、この場合もセパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。
すなわち、人造黒鉛の平均粒径が本発明で規定した範囲外にあるものは、黒鉛粒子表面または粒子同士の間隙に熱硬化性樹脂層が発生し易くなり、いずれにしてもセパレータ自体の導電性の悪化を招来する可能性が高い。

これに対して、平均粒径２０〜７０μｍの範囲に調整された人造黒鉛粉末を含む組成物を成形してなるセパレータは、通常、その表層において、黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在しているが、セパレータの表面粗さを後に詳述する平均粗さＲａに調整することで、この熱硬化性樹脂層が除去され、親水性に優れるとともに、接触抵抗の低いセパレータとすることができる。
燃料電池セパレータの親水性向上および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、人造黒鉛としては、平均粒径３０〜６０μｍで、粒径５μｍ以下が５％以下、粒径１００μｍ以上が３％以下のものがより好ましく、平均粒径４０〜５０μｍで、粒径５μｍ以下が５％以下、粒径１００μｍ以上が１％以下のものが最適である。
なお、平均粒径は、粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）による測定値である。

内部離型剤としても、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種内部離型剤が挙げられる。例えば、ステアリン酸系ワックス、アマイド系ワックス、モンタン酸系ワックス、カルナバワックス、ポリエチレンワックス等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
セパレータ成形用組成物中における内部離型剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、人造黒鉛１００質量部に対して０．１〜１．５質量部、特に０．３〜１．０質量部であることが好ましい。内部離型剤の含有量が１．５質量部を超えると、セパレータ表面に内部離型剤がしみ出してくるなどの問題が生じる虞がある。

本発明の燃料電池セパレータは、その表面の平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍの範囲にあるものである。
ここで、平均粗さＲａが１．０μｍ未満の場合、水の表面張力が保持されるためセパレータ表面に形成された流路内で水が凝集し易いのみならず、セパレータの表層において黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在するため電極と黒鉛との接触面積が小さくなる結果、接触抵抗が高くなる可能性が高い。一方、平均粗さＲａが５．０μｍを超えると、親水性は向上するものの、セパレータ表面から黒鉛が脱落し易くなる。その結果、この場合も電極とセパレータとの接触面積が小さくなって接触抵抗が高くなる可能性が高い。

これに対して、平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍであると、水の表面張力のバランスが崩れるため、セパレータ表面に形成された流路内表面の親水性が向上する。しかも、セパレータ表層にある熱硬化性樹脂層が除去されるため、電極との接触面積が大きくなり接触抵抗を低減させることができる。
燃料電池セパレータの親水性向上および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、平均粗さＲａは、１．５〜４．０μｍがより好ましく、３．５〜４．０μｍがより一層好ましい。
なお、セパレータの表面粗さは、従来公知の種々の表面処理法を用いることが可能であるが、中でも、ショットブラスト法により調整することが好適であり、＃１５０〜＃３２０のアルミナ研創材（以下、ＷＡと記すことがある）を用いて、平均粗さＲａを１．０〜５．０μｍの範囲に適宜調整する手法が最適である。

ＷＡの粒度は、上記のように＃１５０〜＃３２０のものが好ましく、＃１５０未満では、平均粗さＲａを１．０μｍ以上に処理し難いため、表層に樹脂が残り易く、＃３２０を超えると研創材の粒度が粗すぎるため、表面処理自体にムラが生じ易くなる結果、表層に樹脂が残り易くなる。
燃料電池セパレータの表層にある樹脂をより一層効率良く除去するためには、＃１８０〜＃２８０の粒度のＷＡを用いることがより好ましく、＃２２０〜＃２４０の粒度のＷＡを用いることがより一層好ましい。
なお、表面処理を施す部分は、セパレータ表面におけるガス流路面や、セパレータと電極との接する面であってもよい。

また、本発明の燃料電池セパレータは、その表面のＳｍ値を、１００〜２００μｍ、好ましくは１５０〜２００μｍ、より好ましくは１８０〜２００μｍの範囲とすることが好適である。Ｓｍ値をこの範囲とすることで、セパレータ表面の親水性をより高めることができる。

本発明の燃料電池セパレータは、燃料電池セパレータ用組成物を成形してなるものである。この場合、組成物の調製方法およびセパレータの成形方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の種々の方法を用いることができる。
例えば、組成物の調製は、上述の熱硬化性樹脂、人造黒鉛および内部離型剤のそれぞれを任意の順序で所定割合混合して調製すればよい。混合に用いられる混合機としては、例えば、プラネタリーミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等が挙げられる。セパレータの成形方法としても、特に限定されるものではなく、射出成形、トランスファ成形、圧縮成形、押出成形、シート成形等を採用することができる。

なお、本発明の燃料電池セパレータには、本発明の効果を損なわない限りにおいて、上記各材料に加えて、炭素繊維、セルロース繊維等の有機繊維、無機繊維などの各種繊維や、アルミナ、シリカ、炭化珪素などの無機フィラー等のその他の添加剤が含まれていてもよい。

以上で説明した本発明の燃料電池セパレータは、極めて高い親水性を有するとともに、接触抵抗が低く抑えられているから、このセパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。このような特性を有する燃料電池セパレータは、特に、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に用いることができる。
一般的に固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、これらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部または全部として本発明の燃料電池セパレータを用いることができる。

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、下記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。

［実施例１〜９，比較例１〜８］
表１に示す各種平均粒径を有する人造黒鉛粉末（ＳＧＰ、（株）エスイーシー製、針状コークスを焼成してなるもの）１００質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂（ＰＬ４８０４、群栄化学工業（株）製）２４質量部、および内部離型剤であるカルナバワックス（カルナバワックス Ｆ２、大日化学工業（株）製）０．３質量部を、ヘンシェルミキサ内に投入し、１５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物を、３００ｍｍ×３００ｍｍの金型に投入し、金型温度１８０℃、成形圧力２９．４ＭＰａ、成形時間２分間にて圧縮成形し、成形体を得た。得られた成形体に下記に示す各表面処理を施し、表１に示される各種表面の平均粗さＲａおよびＳｍ値を有する燃料電池セパレータサンプルを得た。
〈表面処理方法〉
表１に記載のＷＡ（アルミナ研創材、ホワイトモランダム ＷＡ Ｆ２２０、昭和電工（株）製）を用い、ノズル圧０．２５ＭＰａの条件下、ショットブラストにより成形体に表面処理を施した。

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サンプルについて、表面粗さの平均粗さＲａ、Ｓｍ値、固有抵抗、接触抵抗および濡れ張力を測定・評価した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、各評価項目は以下の方法により、測定・評価した。
［１］平均粗さＲａおよびＳｍ値
プローブ先端径５μｍの表面粗さ計（サーフコム１８００Ｄ、東京精密（株）製）を用い、ＪＩＳ Ｂ０６０１ １９９４に準拠した方法により測定した。
［２］固有抵抗
ＪＩＳ Ｃ２５２５に規定される金属抵抗材料の導体抵抗および体積抵抗率試験方法に基づいて測定した。

［３］接触抵抗
（１）カーボンペーパー＋セパレータサンプル
上記で得られた各セパレータサンプルを２枚重ね合わせ、その上下にカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ０６０、東レ（株）製）を配置し、さらにその上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（２）カーボンペーパー
カーボンペーパーの上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（３）接触抵抗算出方法
上記（１），（２）で求めた各電圧値よりセパレータサンプルとカーボンペーパーとの電圧降下を求め、下記式により接触抵抗を算出した。
接触抵抗＝（電圧降下×接触面積）／電流
［４］濡れ張力
ＪＩＳ Ｋ６７６８プラスチック−フィルムおよびぬれ張力試験方法に基づいて測定した。

表１に示されるように、上記各実施例の燃料電池セパレータは、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛を用いるとともに、セパレータ表面の平均粗さＲａが１．０〜５．０μｍの範囲にあるから、比較例の燃料電池セパレータと比べ、固有抵抗および接触抵抗が低く抑えられているとともに、濡れ性に優れていることがわかる。

Claims (9)

1. 熱硬化性樹脂、平均粒径２０〜７０μｍの人造黒鉛および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の平均粗さＲａが、１．０〜５．０μｍであることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 前記人造黒鉛１００質量部に対し、前記熱硬化性樹脂が１０〜３０質量部および前記内部離型剤が０．１〜１．５質量部含まれ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。
3. 前記人造黒鉛が、針状コークスを２０００〜３０００℃で焼成してな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。
4. 前記表面のＳｍ値が、１００〜２００μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
5. 前記表面が、ガス流路面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
6. 前記ガス流路面が、＃１５０〜＃３２０のアルミナ研創材により表面処理されていることを特徴とする請求項５記載の燃料電池セパレータ。
7. 前記ガス流路面が、濡れ張力４０〜７０ｍＮ／ｍであることを特徴とする請求項５記載の燃料電池セパレータ。
8. 前記表面が、燃料電池セパレータと電極との接する面であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
9. 前記燃料電池セパレータと電極との接する面が、＃１５０〜＃３２０のアルミナ研創材により表面処理されていることを特徴とする請求項８記載の燃料電池セパレータ。