JP2005216678A - Separator for fuel cell - Google Patents

Separator for fuel cell Download PDF

Info

Publication number
JP2005216678A
JP2005216678A JP2004022021A JP2004022021A JP2005216678A JP 2005216678 A JP2005216678 A JP 2005216678A JP 2004022021 A JP2004022021 A JP 2004022021A JP 2004022021 A JP2004022021 A JP 2004022021A JP 2005216678 A JP2005216678 A JP 2005216678A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
fuel cell
water
graphite
plate body
cell separator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2004022021A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshihiko Egawa
敏彦 江川
Nobuhiro Shimane
伸浩 島根
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shin Etsu Polymer Co Ltd
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Original Assignee
Shin Etsu Polymer Co Ltd
Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shin Etsu Polymer Co Ltd, Shin Etsu Chemical Co Ltd filed Critical Shin Etsu Polymer Co Ltd
Priority to JP2004022021A priority Critical patent/JP2005216678A/en
Publication of JP2005216678A publication Critical patent/JP2005216678A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel cell in which deterioration of battery performance caused by closure of the passage by water drop or water is suppressed and prevented, and a problem concerning durability can be eliminated. <P>SOLUTION: A plate body 1 is compression molded by a mixed forming material containing powder phenol resin, graphite, and a fluorine based compound. The average particle sizes of powder phenol resin and graphite are respectively made within 5-100 μm, and the contact angles of the both side surfaces of the plate body 1 and water are respectively set within 80°-120°. Since the contact angles of the both sides surfaces of the plate body 1 and water are in the range of 80°-120°, even if generation quantity of water drop increases, the water drop does not close the recessed part 4 that is the passage. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池の電極からの集電機能やガス供給機能、排水機能を有する固体高分子型の燃料電池用セパレータに関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell separator having a current collecting function, gas supply function, and drainage function from an electrode of a fuel cell.

燃料電池用セパレータは、図示しないが、燃料電池の電極から集電する機能上、高い導電性が必要とされ、この他にも、ガス不透過性、耐食性、機械的強度が必要とされる。この燃料電池用セパレータには、電極に供給されるガス、冷却水、反応生成水を流通させる流路である凹部が形成され、排出性の向上が図られている(特許文献1、2、3、4参照)。
特開2003−077487号公報 特開2000−251903号公報 特開2001−093539号公報 特開平11−339827号公報
Although not shown, the fuel cell separator is required to have high conductivity in order to collect current from the electrode of the fuel cell, and in addition to this, gas impermeability, corrosion resistance, and mechanical strength are required. The fuel cell separator is formed with a recess that is a flow path through which gas, cooling water, and reaction product water supplied to the electrodes are circulated, thereby improving the discharge performance (Patent Documents 1, 2, and 3). 4).
Japanese Patent Laid-Open No. 2003-077787 JP 2000-251903 A JP 2001-093539 A JP 11-339827 A

従来の燃料電池用セパレータは、以上のように構成されているが、湿度が高くなりすぎると、アノードガス・カソードガスの流路では、水蒸気の結露により水滴が発生する。この水滴の発生量が増加してくると、水滴が流路を閉塞してしまい、この結果、ガスが固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下してしまうという大きな問題が生じる。
特に、カソード側においては、電池反応により、反応生成水が発生するので、係る水滴の詰まりが発生しやすい。このため、仮に結露が発生したとしても、速やかに排水できる特性を流路に付与すべく、様々な取り組みがみられる。
The conventional fuel cell separator is configured as described above. However, when the humidity becomes too high, water droplets are generated in the anode gas / cathode gas flow path due to condensation of water vapor. When the amount of generated water droplets increases, the water droplets block the flow path, and as a result, the gas does not reach the solid polymer membrane, resulting in a serious problem that the battery performance is degraded.
In particular, on the cathode side, reaction product water is generated by the cell reaction, and thus clogging of water droplets is likely to occur. For this reason, even if dew condensation occurs, various efforts are made to give the flow path a characteristic that allows quick drainage.

この点に関し、上記先行技術文献には、流路の内面を親水処理する技術が開示されており、この技術によれば、結露により発生する水が流路面に濡れ広がり易くなるので、水による閉塞を解消することができる。また、シランカップリング剤により撥水処理し、結露に伴う水を転がりやすい球状とし、この水をガスの流れを利用して排水する方法も開示されている。   In this regard, the above-described prior art document discloses a technique for hydrophilic treatment of the inner surface of the flow path, and according to this technique, water generated by condensation easily spreads on the flow path surface. Can be eliminated. Also disclosed is a method in which a water repellent treatment is performed with a silane coupling agent so that the water accompanying the condensation is made into a spherical shape that is easy to roll, and this water is drained using a gas flow.

しかしながら、上記先行技術の場合には、改質皮膜の耐久性の点で問題があるので、上記問題を十分に解決することができないおそれが少なくない。   However, in the case of the above prior art, there is a problem that the modified film cannot be sufficiently solved because there is a problem in terms of durability of the modified film.

本発明は、上記に鑑みなされたもので、水滴や水が流路を閉塞して電池性能が低下するのを抑制防止し、しかも、耐久性に関する問題を解消することのできる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above, and provides a fuel cell separator that can prevent water droplets or water from blocking a flow path and thereby reducing battery performance, and can solve a problem related to durability. It is intended to provide.

本発明においては、上記課題を解決するため、少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とを含む混合成形材料により、板体に成形されたものであって、
板体の水との接触角を80°〜120°の範囲としたことを特徴としている。
なお、粉末フェノール樹脂と黒鉛の平均粒径をそれぞれ5〜100μmとし、比重を1.9g/cm3以上とすることができる。
In the present invention, in order to solve the above-mentioned problem, the molded body is formed of a mixed molding material containing at least a powdered phenol resin and graphite,
The contact angle between the plate body and water is in the range of 80 ° to 120 °.
In addition, the average particle diameter of a powder phenol resin and graphite can be 5-100 micrometers, respectively, and specific gravity can be 1.9 g / cm < 3 > or more.

また、混合成形材料を、少なくとも自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、及びフッ素樹脂により調製し、板体両面の少なくとも一方に、複数の凹凸部を並べ設けることができる。
さらに、研磨後における板体両面の少なくとも一方と水との接触角を80°〜120°の範囲とすることが好ましい。
Further, the mixed molding material can be prepared with at least a self-curing powdery phenol / formaldehyde resin, scaly graphite, and a fluororesin, and a plurality of uneven portions can be provided side by side on at least one of both surfaces of the plate.
Furthermore, it is preferable that the contact angle between at least one of both surfaces of the plate body after polishing and water is in the range of 80 ° to 120 °.

ここで、特許請求の範囲における混合成形材料には、少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とが含まれれば良く、フッ素樹脂、各種のカップリング剤、改質剤、充填剤等の他の材料が含まれても良い。板体は、平面視で正方形、長方形、多角形等に適宜形成することができ、大小の大きさや厚さが限定されるものではない。この板体は、部分的に薄くても厚くても良い。また、複数の凹凸部は、露出面である板体表面や板体裏面に連続して並べ設けることもできるし、板体表裏両面にそれぞれ連続して並べ設けることもできる。   Here, the mixed molding material in the claims only needs to contain at least powdered phenol resin and graphite, and includes other materials such as fluororesin, various coupling agents, modifiers, and fillers. May be. The plate body can be appropriately formed into a square, a rectangle, a polygon or the like in plan view, and the size and thickness are not limited. This plate may be partially thin or thick. Moreover, a several uneven | corrugated | grooved part can also be continuously provided in the plate body surface which is an exposed surface, and a board body back surface, and can also be provided in a row continuously on both the plate body front and back surfaces, respectively.

本発明によれば、水滴や水が流路を閉塞して電池性能が低下するのを抑制あるいは防止することができるという効果がある。また、耐久性に関する問題を有効に解消することができる。   Advantageous Effects of Invention According to the present invention, there is an effect that it is possible to suppress or prevent a drop in battery performance due to water droplets or water closing a flow path. Moreover, the problem regarding durability can be effectively solved.

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータは、図1に示すように、所定の混合成形材料により板体1に成形され、1.9g/cm3以上の比重(密度)に設定されるとともに、露出面である板体1の表裏両面と水との接触角がそれぞれ80°〜120°の範囲に設定されており、板体1が複数枚積層されることにより、燃料電池用セパレータを構成する。 Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. A fuel cell separator in the present embodiment is molded into a plate 1 by a predetermined mixed molding material as shown in FIG. The specific gravity (density) of 9 g / cm 3 or more is set, and the contact angle between the front and back surfaces of the plate 1 that is the exposed surface and water is set in the range of 80 ° to 120 °. A fuel cell separator is formed by laminating a plurality of layers.

混合成形材料は、少なくとも粉末フェノール樹脂、黒鉛、フッ素系化合物により配合される。この混合成形材料は、燃料電池用セパレータの特性を喪失しない範囲において、炭酸カルシウム、タルク、カオリン、珪藻土、天然あるいは合成のシリカ、ウォラストナイト、ベントナイト、ゼオライト、マイカ、水酸化アルミニウム、酸化チタン、ガラスビーズ、ガラスバルーン、活性炭、木炭、竹炭、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維等の充填剤、導電性オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、PAN系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維等のカーボン系導電性充填剤、金、銀、銅、パラジウム、アルミニウム、ステンレス等の金属粉末が適宜添加される。これらの添加により、導電性の補助や密度を向上させ、ガス不透過性を補い、しかも、接触角を調整することが可能となる。   The mixed molding material is blended at least with a powdered phenol resin, graphite, and a fluorine compound. This mixed molding material can be used as long as the characteristics of the fuel cell separator are not lost, such as calcium carbonate, talc, kaolin, diatomaceous earth, natural or synthetic silica, wollastonite, bentonite, zeolite, mica, aluminum hydroxide, titanium oxide, Carbon type such as fillers such as glass beads, glass balloon, activated carbon, charcoal, bamboo charcoal, glass fiber, aramid fiber, metal fiber, conductive oil furnace black, acetylene black, thermal black, PAN type carbon fiber, pitch type carbon fiber, etc. Conductive fillers, metal powders such as gold, silver, copper, palladium, aluminum, and stainless steel are appropriately added. By adding these, it is possible to improve conductivity support and density, supplement gas impermeability, and adjust the contact angle.

粉末フェノール樹脂と黒鉛とは、板体1の表裏両面と水との接触角を80°〜120°の範囲に設定するため、自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂と鱗片状黒鉛が選択され、任意の方法で混合される。混合方法については、特に制限されるものではないが、黒鉛の微粉化を防止する観点から、黒鉛に大きなせん断力が作用しないようにタンブラーミキサー、Vブレンダー、ナウターミキサー等を用いる乾式混合法が好ましい。黒鉛の微粉化を防止するのは、微粉化に伴い燃料電池用セパレータの抵抗値が上昇し、機械的強度が急激に低下する傾向があるからである。   For powdered phenolic resin and graphite, self-curing powdery phenol / formaldehyde resin and scaly graphite are selected because the contact angle between the front and back surfaces of the plate 1 and water is set in the range of 80 ° to 120 °. And mixed in any way. The mixing method is not particularly limited, but from the viewpoint of preventing the pulverization of graphite, there is a dry mixing method using a tumbler mixer, a V blender, a nauter mixer, etc. so that a large shearing force does not act on the graphite. preferable. The reason why the pulverization of graphite is prevented is that the resistance value of the fuel cell separator increases with the pulverization, and the mechanical strength tends to decrease rapidly.

混合により得られた混合粉は、そのまま混合成形材料として使用可能であるが、混合性の向上と成形時の作業性を向上させるため、常温〜80℃、0.1〜15MPaの条件下で加圧成形され、シート化されることが好ましい。この予備成形の条件温度が80℃以下なのは、80℃を超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂の反応が進み、シートから板体1にしたとき、燃料電池用セパレータの抵抗値が上昇し、機械的な強度が急激に低下するからである。   The mixed powder obtained by mixing can be used as a mixed molding material as it is. However, in order to improve the mixing property and workability at the time of molding, it is added under conditions of normal temperature to 80 ° C. and 0.1 to 15 MPa. It is preferable that it is pressure-molded and formed into a sheet. The condition temperature of this preforming is 80 ° C. or lower. When the temperature exceeds 80 ° C., the reaction of the powdered phenol / formaldehyde resin proceeds and the resistance value of the fuel cell separator increases when the sheet is changed to the plate 1. This is because the mechanical strength sharply decreases.

成形圧力が上記範囲なのは、0.1MPa未満の場合には、シート化が困難化し、逆に15MPaを超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂が鱗片状黒鉛の周囲を覆い、燃料電池用セパレータの電気的特性の低下を招くからである。   When the molding pressure is in the above range, it is difficult to form a sheet when the pressure is less than 0.1 MPa. Conversely, when the pressure exceeds 15 MPa, the powdery phenol / formaldehyde resin covers the scale-like graphite and is used for fuel cells. This is because the electrical characteristics of the separator are deteriorated.

粉末フェノール樹脂は、上記したように粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂からなり、ベース材料として機能する。この粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂は、例えば特公昭62−30211号公報記載の製造方法により製造され、レゾール型やノボラック型のフェノール樹脂と比較して不純物が少ないという特徴を有している。また、粒子形状が球状で高分子量であり、黒鉛の高充填化が可能であり、しかも、成形時の溶融温度が高いので黒鉛粒子の表面被覆が他のフェノール樹脂と比較して小さく、硬化反応も緩やかなので、燃料電池用セパレータの製造には最適である。   The powdered phenol resin is made of powdered phenol / formaldehyde resin as described above and functions as a base material. This powdery phenol / formaldehyde resin is produced, for example, by the production method described in Japanese Patent Publication No. 62-3021, and has a feature that it has fewer impurities than a resol type or novolac type phenol resin. In addition, the particle shape is spherical and has a high molecular weight, which makes it possible to increase the filling of graphite, and because the melting temperature during molding is high, the surface coating of graphite particles is small compared to other phenol resins, and the curing reaction It is ideal for manufacturing fuel cell separators.

粉末フェノール樹脂は、平均粒径5〜100μmの球状に形成される。これは、平均粒径が5μm未満の場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂が黒鉛との混合時に舞い上がり、作業環境が悪化するからである。逆に、平均粒径が100μmを超える場合には、黒鉛との混合が不均一になり、燃料電池用セパレータに凹凸模様が生じるおそれがあるからである。   The powdered phenol resin is formed in a spherical shape having an average particle diameter of 5 to 100 μm. This is because when the average particle size is less than 5 μm, the powdery phenol / formaldehyde resin rises when mixed with graphite, and the working environment deteriorates. On the contrary, when the average particle size exceeds 100 μm, the mixing with the graphite becomes non-uniform, and there is a possibility that a concavo-convex pattern is formed on the fuel cell separator.

粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂の平均分子量は、3,000〜2,0000、好ましくは4,000〜15,000、より好ましくは5,000〜10,000の範囲が良い。平均分子量が3,000以上必要なのは、平均分子量が3,000未満の場合には、黒鉛との高充填化が困難になり、溶融温度の低下に伴い黒鉛粒子の表面被覆が大きくなり、電気的特性が低下して燃料電池用セパレータの電気的特性が悪化するという理由に基づく。   The average molecular weight of the powdery phenol / formaldehyde resin is in the range of 3,000 to 20,000, preferably 4,000 to 15,000, more preferably 5,000 to 10,000. The average molecular weight is required to be 3,000 or more. When the average molecular weight is less than 3,000, it becomes difficult to achieve high packing with graphite, and as the melting temperature decreases, the surface coating of graphite particles increases, This is based on the reason that the characteristics deteriorate and the electrical characteristics of the fuel cell separator deteriorate.

黒鉛は、上記したように鱗片状黒鉛が選択されるが、他のタイプが適宜併用される。鱗片状黒鉛が必ず選択されるのは、成形時に鱗片状であるため、黒鉛同士の繋がる可能性が高く、導電性の目安となる抵抗値が低くなるという理由に基づく。仮に、球状黒鉛を選択すると、黒鉛同士を繋げるために配合量を多くしなければならず、成形したときに成形品の物性が劣化する。   As described above, scaly graphite is selected as described above, but other types are appropriately used in combination. The reason why scale-like graphite is always selected is because it is scale-like at the time of molding, so that there is a high possibility that the graphites are connected to each other, and the resistance value that is a measure of conductivity is low. If spherical graphite is selected, the blending amount must be increased in order to connect the graphite to each other, and the physical properties of the molded product deteriorate when molded.

鱗片状黒鉛の大きさは、平均粒径5〜100μm、好ましくは10〜70μmの範囲が良い。これは、平均粒径5μm未満の場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との混合時に舞い上がり、作業環境が悪化するからである。逆に、平均粒径が100μmを超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との混合が不均一になり、燃料電池用セパレータの機械的特性の低下を招くおそれがあるからである。他のタイプの黒鉛については、平均粒径が同一でも良いし、異なるものでも良い。   The scale-like graphite has a mean particle size of 5 to 100 μm, preferably 10 to 70 μm. This is because when the average particle size is less than 5 μm, the working environment deteriorates when mixed with the powdery phenol / formaldehyde resin. Conversely, when the average particle size exceeds 100 μm, mixing with the powdered phenol / formaldehyde resin becomes non-uniform, which may lead to a decrease in mechanical characteristics of the fuel cell separator. Other types of graphite may have the same or different average particle diameter.

鱗片状黒鉛の嵩密度については、特に限定されるものではないが、0.1g/cm3〜1.0g/cm3の範囲が好適である。これは、鱗片状黒鉛の嵩密度が小さ過ぎると、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との均一混合性が低下し、燃料電池用セパレータのシール特性が低下するからである。逆に、鱗片状黒鉛の嵩密度が大き過ぎると、燃料電池用セパレータの機械的強度及び導電性が低下するという理由に基づく。 The bulk density of the flake graphite, but are not particularly limited, the range of 0.1g / cm 3 ~1.0g / cm 3 are preferred. This is because if the bulk density of the flaky graphite is too small, the uniform mixing property with the powdered phenol / formaldehyde resin is lowered, and the sealing characteristics of the fuel cell separator are lowered. Conversely, when the bulk density of the flake graphite is too large, the mechanical strength and conductivity of the fuel cell separator are lowered.

なお、アセトアルコキシアルミニウムジイソピロピレート等のアルミネートカップリング剤、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、ビス(ジオクチルバイロホスフェート)、オキシアセテート、イソプロピルトリデシルベンゼンスルホニルチタネート等のチタネート系カップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、N−β(アミノエチル)γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等からなるシランカップリング剤等の表面改質剤、あるいはアセチレンアルコール、アセチレングリコール、グリセリン脂肪族エステル、ソルビタンエステル、脂肪族ポリグリセリン脂肪族エステル、プロピレングリコール脂肪族エステル、高級アルコール脂肪族エステル等の各種界面活性剤で表面処理された黒鉛も燃料電池用セパレータの特性を失わない範囲で使用可能である。   In addition, aluminate coupling agents such as acetoalkoxy aluminum diisopyropyrate, titanate coupling agents such as isopropyl triisostearoyl titanate, bis (dioctyl borophosphate), oxyacetate, isopropyl tridecylbenzenesulfonyl titanate, γ-glycol Surface modifiers such as silane coupling agents composed of Sidoxypropylmethyldiethoxysilane, β- (3,4 epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, N-β (aminoethyl) γ-aminopropyltrimethoxysilane, and the like; Or acetylene alcohol, acetylene glycol, glycerin aliphatic ester, sorbitan ester, aliphatic polyglycerin aliphatic ester, propylene glycol aliphatic ester, higher alcohol fat Graphite surface-treated with various surface active agents such as esters may be used within a range which does not impair the characteristics of the fuel cell separator.

粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂と黒鉛との配合は、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部に対して黒鉛900〜2,000質量部、好ましくは粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部に対して黒鉛1,100〜1,900質量部、より好ましくは粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部に対して黒鉛1,200〜1,700質量部が好適である。   The compounding of the powdery phenol / formaldehyde resin and the graphite is 900 to 2,000 parts by weight of graphite with respect to 100 parts by weight of the powdery phenol / formaldehyde resin, preferably 100 parts by weight of the powdery phenol / formaldehyde resin. The graphite is preferably 1,100 to 1,900 parts by mass, more preferably 1,200 to 1,700 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the powdered phenol / formaldehyde resin.

これは、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部に対して黒鉛900質量部未満の場合には、燃料電池用セパレータの電気的特性に支障を来たしたり、密度の低下により接触角が最適範囲から外れるという理由に基づく。逆に、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部に対して黒鉛2000質量部を超える場合には、実用的な燃料電池用セパレータの機械的特性を得ることができないという理由に基づく。   This is because, when the powdered phenol / formaldehyde resin is less than 900 parts by mass of graphite with respect to 100 parts by mass of the powder, the electrical characteristics of the fuel cell separator may be hindered or the contact angle may be reduced from the optimum range due to the decrease in density. Based on the reason for losing. On the contrary, when it exceeds 2000 parts by mass of graphite with respect to 100 parts by mass of the powdery phenol / formaldehyde resin, it is based on the reason that the mechanical characteristics of a practical fuel cell separator cannot be obtained.

フッ素系化合物は、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、及び上記低分子化合物、フッ素ゴム、パーフルオロポリエーテル油、パーフルオロアルキルカルボン酸塩等のフッ素系界面活性剤、フッ化カーボン等が該当し、表面研磨後における板体両面と水との接触角を80°〜120°の範囲に維持するよう機能する。   Fluorine compounds include polytetrafluoroethylene, tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer, tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, tetrafluoroethylene-ethylene copolymer, polychlorotrifluoroethylene, and the above Fluorosurfactants such as low molecular weight compounds, fluororubber, perfluoropolyether oil, perfluoroalkylcarboxylate, carbon fluoride, etc. are applicable, and the contact angle between the both surfaces of the plate after surface polishing and water is 80 It functions to maintain in the range of ° to 120 °.

フッ素系化合物の粒子は、分散させるため、細かいほうが好ましい。具体的には、平均粒径1〜20μm、より好ましくは3〜10μmが良い。フッ素系化合物の配合量は、物性低下を回避するため、導電性や機械的強度の妨げにもならず、接触角も可能な限り大きな角度になる量である必要がある。具体的には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂に対して1〜30%、好ましくは3〜15%である。   Since the fluorine compound particles are dispersed, finer particles are preferable. Specifically, the average particle diameter is 1 to 20 μm, more preferably 3 to 10 μm. In order to avoid deterioration of physical properties, the blending amount of the fluorine-based compound needs to be an amount that does not hinder the electrical conductivity and mechanical strength and also makes the contact angle as large as possible. Specifically, it is 1 to 30%, preferably 3 to 15%, based on the powdery phenol / formaldehyde resin.

板体1は、図1に示すように、その大部分を占有するリブ領域2と、このリブ領域2を囲んで作業時の把持部となる平坦領域6とを備えた平面長方形あるいは正方形に成形され、図示しない他の板体に電解質膜、燃料極、空気極を介し重ねて積層される。この成形品である板体1は、製造方法が特に限定されるものではないが、成形機のコスト、寸法精度、電気的特性や機械的特性を決定する鱗片状黒鉛粉の最適な配向等を考慮すると、圧縮成形されることが好ましい。   As shown in FIG. 1, the plate body 1 is formed into a planar rectangle or square having a rib area 2 that occupies most of the plate body 1 and a flat area 6 that surrounds the rib area 2 and serves as a grip portion during operation. Then, they are stacked on another plate (not shown) with the electrolyte membrane, fuel electrode, and air electrode interposed therebetween. The plate 1 which is this molded product is not particularly limited in its production method, but has the optimum orientation of the scale-like graphite powder which determines the cost, dimensional accuracy, electrical characteristics and mechanical characteristics of the molding machine. In consideration, compression molding is preferable.

リブ領域2の両面には、図1の奥方向に伸びる複数の凹凸部3が連続して並設され、この複数の凹凸部3は、板体1の表面と裏面とにそれぞれ異なるピッチで配列されており、表面の凹部4の下方に裏面の凸部5が位置するとともに、表面の凸部5の下方に裏面の凹部4が位置する。複数の凹凸部3は、導電性や通電性を有し、板体1の積層に伴いガス、冷却水、反応生成水の流路を形成するよう機能する。凹凸部3の凹部4は、水素ガス、酸素ガス、冷却水を流通させる流通孔(図示せず)が穿孔され、隣接する一対の凸部5に区画されて流路を形成する。   A plurality of concavo-convex portions 3 extending in the depth direction of FIG. 1 are continuously arranged on both surfaces of the rib region 2, and the plurality of concavo-convex portions 3 are arranged at different pitches on the front surface and the back surface of the plate body 1. The back surface convex portion 5 is positioned below the front surface concave portion 4, and the back surface concave portion 4 is positioned below the front surface convex portion 5. The plurality of concavo-convex portions 3 have conductivity and electrical conductivity, and function to form flow paths of gas, cooling water, and reaction product water as the plate bodies 1 are stacked. The concave portion 4 of the concave-convex portion 3 is formed with a flow hole (not shown) through which hydrogen gas, oxygen gas, and cooling water are circulated, and is partitioned into a pair of adjacent convex portions 5 to form a flow path.

平坦領域6は、基本的にはガスや水が漏れないよう平坦に形成され、凹部4の流通孔と連通する複数の連通孔7が厚さ方向に穿孔されており、各連通孔7が他の板体1の連通孔7に連通して長孔を形成するとともに、この長孔が水素ガス、酸素ガス、冷却水を流通させる。この平坦領域6の両側部や周縁四隅部等には、取付固定用の貫通孔が適宜穿孔され、この貫通孔に図示しないボルトが挿入される。   The flat region 6 is basically formed flat so that gas and water do not leak, and a plurality of communication holes 7 communicating with the flow holes of the recess 4 are formed in the thickness direction. The plate body 1 communicates with the communication hole 7 to form a long hole, and this long hole allows hydrogen gas, oxygen gas, and cooling water to flow therethrough. Through-holes for mounting and fixing are appropriately drilled in both sides of the flat region 6 and the four corners of the periphery, and bolts (not shown) are inserted into the through-holes.

燃料電池用セパレータの比重は、特に限定されるものではないが、リブ領域2と平坦領域6の比重が1.9g/cm3以上、好ましくは1.95g/cm3以上が良い。これは、比重を1.9g/cm3以上とすれば、十分な気密性が確保でき、ガス不透過性や撥水効果が大きくなるからである。 The specific gravity of the fuel cell separator is not particularly limited, but the specific gravity of the rib region 2 and the flat region 6 is 1.9 g / cm 3 or more, preferably 1.95 g / cm 3 or more. This is because if the specific gravity is set to 1.9 g / cm 3 or more, sufficient airtightness can be secured, and gas impermeability and water repellent effect are increased.

板体1の表裏両面と水との接触角は、80°〜120°の範囲、好ましくは90°〜110°の範囲に設定される。これは、接触角が80°未満の場合には、凸部5と水との撥水性に問題があるので、凹部4に水滴や冷却水が介在し易く、安定した流路の確保が困難になるからである。流路を確保する方法としては、ガスの圧力を増大し、水を強制的に排除する方法が考えられるが、この場合には、ガスシール性、機械的強度、燃料電池全体のガスシール性能の向上が必要となり、好ましくない。   The contact angle between the front and back surfaces of the plate 1 and water is set in the range of 80 ° to 120 °, preferably in the range of 90 ° to 110 °. This is because when the contact angle is less than 80 °, there is a problem in water repellency between the convex portion 5 and water, so that water droplets or cooling water is likely to intervene in the concave portion 4, making it difficult to ensure a stable flow path. Because it becomes. As a method of securing the flow path, a method of forcibly removing water by increasing the gas pressure is conceivable. In this case, however, the gas sealability, mechanical strength, and the gas seal performance of the entire fuel cell are improved. Improvement is necessary, which is not preferable.

また、接触角が120°を超える場合には、コストアップを招いたり、燃料電池用セパレータの製造が困難になるからである。   Further, when the contact angle exceeds 120 °, the cost is increased, and it is difficult to manufacture a fuel cell separator.

上記において、水との接触角が80°〜120°の範囲の燃料電池用セパレータを製造する場合には、先ず、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、フッ素系化合物を所定の配合比率で混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を所定の条件下で予備成形してシート化し、この中間品であるシートを予め加熱しておいた金型にセットして圧縮成形する。こうして板体1を圧縮成形し、取り出した板体1の凹凸部3等を必要に応じ適宜加工すれば、水との接触角が80°〜120°の範囲の燃料電池用セパレータを製造することができる。   In the above, when producing a fuel cell separator having a contact angle with water in the range of 80 ° to 120 °, first, powdered phenol / formaldehyde resin, scaly graphite, and fluorine compound are mixed at a predetermined blending ratio. To prepare a mixed molding material, preform the mixed molding material under a predetermined condition to form a sheet, and set the intermediate sheet in a preheated mold for compression molding . Thus, if the plate body 1 is compression-molded, and the uneven portion 3 of the plate body 1 taken out is appropriately processed as necessary, a fuel cell separator having a contact angle with water in the range of 80 ° to 120 ° is manufactured. Can do.

そして、製造した複数枚の燃料電池用セパレータを電解質膜、燃料極、空気極を介し重ねて積層し、これらをボルト等により強固に固定すれば、電池特性、成形性、排水性、排水耐久性、ガス不浸透性、電気的特性、機械的特性に優れる燃料電池を得ることができる。   Then, if the manufactured separators for multiple fuel cells are stacked with the electrolyte membrane, fuel electrode, and air electrode overlapped, and these are firmly fixed with bolts, etc., battery characteristics, moldability, drainage, drainage durability A fuel cell excellent in gas impermeability, electrical characteristics, and mechanical characteristics can be obtained.

上記構成によれば、凹凸部3を含む板体1の表裏両面と水との接触角が80°〜120°の範囲なので、例え水滴の発生量が増加しても、水滴が流路である凹部4を閉塞することがない。したがって、ガスが固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下するという問題を有効に解消することができる。   According to the above configuration, since the contact angle between the front and back surfaces of the plate body 1 including the concavo-convex portion 3 and water is in the range of 80 ° to 120 °, even if the amount of generated water droplets increases, the water droplets are flow paths. The recess 4 is not blocked. Therefore, it is possible to effectively solve the problem that the gas does not reach the solid polymer film and the battery performance is deteriorated.

また、粉末フェノール樹脂、黒鉛、フッ素系化合物を混合して成形するので、耐久性を向上させることができる。また、燃料電池用セパレータの比重を1.9g/cm3以上とし、フッ素系化合物を添加するので、接触角が大きくなり、撥水効果の向上が期待できる。さらに、フッ素系化合物の添加により、表面研磨後における板体両面と水との接触角を80°〜120°の範囲に維持することができる。 Moreover, since it mixes and shape | molds powdered phenol resin, graphite, and a fluorine-type compound, durability can be improved. Further, since the specific gravity of the fuel cell separator is set to 1.9 g / cm 3 or more and the fluorine-based compound is added, the contact angle is increased, and an improvement in the water repellency effect can be expected. Furthermore, the contact angle between the both surfaces of the plate and the water after the surface polishing can be maintained in the range of 80 ° to 120 ° by adding the fluorine-based compound.

次に、図2は本発明の他の実施の形態を示すもので、この場合には、複数の凹凸部3を、板体1の表面と裏面とに同一ピッチで配列し、表面の凹部4の下方に裏面の凹部4を位置させ、表面の凸部5の下方に裏面の凸部5を位置させるようにしている。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、凹凸部3のパターンの多様化を図ることができるのは明らかである。
Next, FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. In this case, a plurality of concavo-convex portions 3 are arranged at the same pitch on the front surface and the back surface of the plate 1, and the concave portions 4 on the front surface are arranged. The back surface concave portion 4 is positioned below the front surface, and the back surface convex portion 5 is positioned below the front surface convex portion 5. The other parts are the same as those in the above embodiment, and the description thereof is omitted.
In the present embodiment, it is obvious that the same effects as those of the above embodiment can be expected, and the pattern of the uneven portion 3 can be diversified.

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例を比較例と共に説明する。   Examples of the fuel cell separator according to the present invention will be described below together with comparative examples.

実施例1
先ず、平均分子量10,000、平均粒径20μmのフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂〔カネボウ株式会社製:商品名ベルパールS890〕100質量部、平均粒径50μm、嵩比重0.3g/cm3の鱗片状黒鉛〔株式会社中越黒鉛工業所製:商品名HG−50A〕1,500質量部、フッ素樹脂〔ダイキン工業株式会社製:商品名ルブロンL−5〕10質量部をタンブラーミキサーにより30分間ドライブレンドし、混合成形材料を調製した。
Example 1
First, flaky graphite having an average molecular weight of 10,000 and an average particle size of 20 μm, phenol / formaldehyde resin (manufactured by Kanebo Co., Ltd .: trade name Belpearl S890), 100 parts by mass, an average particle size of 50 μm, and a bulk specific gravity of 0.3 g / cm 3. [Made by Chuetsu Graphite Industry Co., Ltd .: trade name HG-50A] 1,500 parts by mass, fluorine resin [Daikin Kogyo Co., Ltd .: trade name Lubron L-5] 10 parts by weight are dry blended for 30 minutes with a tumbler mixer, A mixed molding material was prepared.

次いで、混合成形材料を成形温度30℃、成形圧力0.15MPa、加圧時間10secの条件下で予備成形し、平板状のシート体からなる中間品を成形した。こうして中間品を成形したら、180℃の温度に加熱しておいた金型にインサートし、成形圧力7MPa、加熱加圧時間20分間の条件下で成形し、図1に示す燃料電池用セパレータを得た。   Next, the mixed molding material was preformed under the conditions of a molding temperature of 30 ° C., a molding pressure of 0.15 MPa, and a pressurization time of 10 sec, thereby molding an intermediate product composed of a flat sheet. After the intermediate product is molded in this way, it is inserted into a mold heated to a temperature of 180 ° C., and molded under conditions of a molding pressure of 7 MPa and a heating and pressing time of 20 minutes to obtain a fuel cell separator shown in FIG. It was.

実施例2
先ず、平均粒径20μmのフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂〔カネボウ株式会社製:商品名ベルパールS99W〕100質量部、平均粒径50μm、嵩比重0.3g/cm3の鱗片状黒鉛〔株式会社中越黒鉛工業所製:商品名HG−50A〕1,500質量部とをタンブラーミキサーにより30分間ドライブレンドし、混合成形材料を調製した。
Example 2
First, 100 parts by mass of phenol / formaldehyde resin having an average particle size of 20 μm (manufactured by Kanebo Co., Ltd .: trade name Belpearl S99W), an average particle size of 50 μm and a bulk specific gravity of 0.3 g / cm 3 (Product name: HG-50A) 1,500 parts by mass was dry blended with a tumbler mixer for 30 minutes to prepare a mixed molding material.

次いで、混合成形材料を実施例1と同様に予備成形して平板状のシート体からなる中間品を成形し、この中間品を実施例1と同様に本成形し、図1に示す燃料電池用セパレータを得た。   Next, the mixed molding material is preformed in the same manner as in Example 1 to form an intermediate product made of a flat sheet, and this intermediate product is finally molded in the same manner as in Example 1 to produce the fuel cell shown in FIG. A separator was obtained.

比較例
実施例2と同様のフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂100質量部と鱗片状黒鉛250質量部とをタンブラーミキサーにより30分間ドライブレンドして混合成形材料を調製し、この混合成形材料を金型温度60℃、材料温度180℃の条件でトランスファー成形法により成形し、図1に示す燃料電池用セパレータを得た。
Comparative Example 100 parts by mass of phenol-formaldehyde resin similar to Example 2 and 250 parts by mass of flaky graphite were dry blended for 30 minutes with a tumbler mixer to prepare a mixed molding material. The fuel cell separator shown in FIG. 1 was obtained by molding by transfer molding under the conditions of ℃ and material temperature of 180 ℃.

接触角の測定
実施例1、2、比較例で得た燃料電池用セパレータの研磨前後における水との接触角をそれぞれ測定した。具体的には、イオン交換水と接触角測定器〔協和界面科学株式会社製:商品名CA−X型〕とを使用して測定し、表1にまとめた。
Measurement of contact angle The contact angles with water before and after polishing of the fuel cell separators obtained in Examples 1 and 2 and Comparative Example were measured. Specifically, it measured using ion-exchange water and a contact angle measuring device [Kyowa Interface Science Co., Ltd. make: brand name CA-X type], and summarized in Table 1.

Figure 2005216678
Figure 2005216678

実施例1、2の燃料電池用セパレータは、水との接触角が80°〜120°の範囲なので、離型性が良く、表面研磨しても接触角の変化が少なく、耐久性に優れるという効果を得た。
これに対し、比較例の燃料電池用セパレータは、離型剤により水との接触角が大きくなっているが、表面研磨により接触角が大きく変化するので、排水性や冷却性が長期間の使用により変化し、出力低下を招くおそれがある。
Since the fuel cell separators of Examples 1 and 2 have a contact angle with water in the range of 80 ° to 120 °, the release property is good, and even if the surface is polished, there is little change in the contact angle and the durability is excellent. The effect was obtained.
In contrast, the fuel cell separator of the comparative example has a large contact angle with water due to the release agent, but the contact angle changes greatly due to surface polishing, so drainage and cooling properties are used for a long time. There is a risk that the output will be reduced.

本発明に係る燃料電池用セパレータの実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows embodiment of the separator for fuel cells which concerns on this invention. 本発明に係る燃料電池用セパレータの他の実施形態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows other embodiment of the separator for fuel cells which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 板体
2 リブ領域
3 凹凸部
4 凹部
5 凸部
6 平坦領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Plate body 2 Rib area | region 3 Uneven part 4 Concave part 5 Convex part 6 Flat area

Claims (4)

少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とを含む混合成形材料により、板体に成形された燃料電池用セパレータであって、
板体の水との接触角を80°〜120°の範囲としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator formed into a plate body by a mixed molding material containing at least a powdered phenol resin and graphite,
A separator for a fuel cell, wherein the contact angle of the plate with water is in the range of 80 ° to 120 °.
粉末フェノール樹脂と黒鉛の平均粒径をそれぞれ5〜100μmとし、比重を1.9g/cm3以上とした請求項1記載の燃料電池用セパレータ。 2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the average particle diameter of the powdered phenol resin and graphite is 5 to 100 μm, and the specific gravity is 1.9 g / cm 3 or more. 混合成形材料を、少なくとも自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、及びフッ素樹脂により調製し、板体両面の少なくとも一方に、複数の凹凸部を並べ設けた請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータ。   3. The mixed molding material is prepared from at least a self-curing powdery phenol / formaldehyde resin, scaly graphite, and a fluororesin, and a plurality of concave and convex portions are provided side by side on at least one of both surfaces of the plate. The fuel cell separator as described. 研磨後における板体両面の少なくとも一方と水との接触角を80°〜120°の範囲とした請求項3記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 3, wherein a contact angle between at least one of both surfaces of the plate body after polishing and water is in the range of 80 ° to 120 °.
JP2004022021A 2004-01-29 2004-01-29 Separator for fuel cell Pending JP2005216678A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004022021A JP2005216678A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Separator for fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004022021A JP2005216678A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Separator for fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005216678A true JP2005216678A (en) 2005-08-11

Family

ID=34905486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004022021A Pending JP2005216678A (en) 2004-01-29 2004-01-29 Separator for fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005216678A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007149466A (en) * 2005-11-25 2007-06-14 Matsushita Electric Works Ltd Fuel cell separator, resin composition for it, and its manufacturing method
JP2007258107A (en) * 2006-03-24 2007-10-04 Asahi Organic Chem Ind Co Ltd Carbonaceous molding material capable of providing excellent molding characteristic, and separator for polymer electrolyte fuel cell provided by using it
WO2008016041A1 (en) * 2006-07-31 2008-02-07 Seikoh Giken Co., Ltd. Process for producing separator for fuel cell and separator for fuel cell
WO2009113717A1 (en) 2008-03-14 2009-09-17 昭和電工株式会社 Fuel cell separator and method of manufacturing the same
JP2013120737A (en) * 2011-12-08 2013-06-17 Shin Etsu Polymer Co Ltd Water-repellent fuel cell separator, and method of manufacturing the same
CN111640960A (en) * 2020-06-02 2020-09-08 浙江锋源氢能科技有限公司 Single cell assembly and fuel cell stack

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007149466A (en) * 2005-11-25 2007-06-14 Matsushita Electric Works Ltd Fuel cell separator, resin composition for it, and its manufacturing method
JP2007258107A (en) * 2006-03-24 2007-10-04 Asahi Organic Chem Ind Co Ltd Carbonaceous molding material capable of providing excellent molding characteristic, and separator for polymer electrolyte fuel cell provided by using it
WO2008016041A1 (en) * 2006-07-31 2008-02-07 Seikoh Giken Co., Ltd. Process for producing separator for fuel cell and separator for fuel cell
WO2009113717A1 (en) 2008-03-14 2009-09-17 昭和電工株式会社 Fuel cell separator and method of manufacturing the same
JP2013120737A (en) * 2011-12-08 2013-06-17 Shin Etsu Polymer Co Ltd Water-repellent fuel cell separator, and method of manufacturing the same
CN111640960A (en) * 2020-06-02 2020-09-08 浙江锋源氢能科技有限公司 Single cell assembly and fuel cell stack

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2070143B1 (en) Separator for fuel cell, single cell unit for fuel cell, short stack unit for fuel cell, and production methods of separator for fuel cell and cell unit (single cell unit or short stack unit) for fuel cell
US6050331A (en) Coolant plate assembly for a fuel cell stack
JP4747804B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator
US8252483B2 (en) Fuel cell separator having a corrugated electrically conducting flow path
JP2005216678A (en) Separator for fuel cell
JP2006269403A (en) Separator for fuel battery and its manufacturing method
JP5766106B2 (en) Water repellent fuel cell separator and method for producing the same
JP5465091B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator and fuel cell separator
JP5266304B2 (en) Fuel cell separator and method of manufacturing the same
JP4508574B2 (en) Fuel cell separator and method for producing fuel cell separator
US20220140357A1 (en) Fuel cell separator
JP2010153311A (en) Method of manufacturing fuel cell separator, and fuel cell separator
JP2005216679A (en) Separator for fuel cell and its manufacturing method
JP2005235699A (en) Separator for fuel cell
JP5520104B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator
JP5979529B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator
JP2006059567A (en) Separator for fuel cell
JP2003303598A (en) Mold for molding separator for solid polymer type fuel cell, method of manufacturing the separator, and the separator
WO2023002560A1 (en) Separator and method for producing same
KR100801593B1 (en) Bipolar plate for fuel cell
JP5000853B2 (en) Method for producing fuel cell separator material, fuel cell separator and fuel cell
JP6202420B2 (en) Manufacturing method of fuel cell separator
WO2024029234A1 (en) Air-blast abrasion material and fuel cell separator
JP2005339899A (en) Resin composite for fuel cell separator
JP3925806B2 (en) Fuel cell separator material, fuel cell separator using the material, and fuel cell