JP2005285552A - Fuel cell separator and manufacturing method for composite therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、黒鉛と樹脂を主成分とする燃料電池セパレータ用組成物、およびその組成物を使用した燃料電池セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a composition for a fuel cell separator mainly composed of graphite and a resin, and a method for producing a fuel cell separator using the composition.
自動車搭載用途や家庭コージェネレーション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、水素および酸素の反応によって電気を取出す。
燃料電池には、リン酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池およ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。その中で固体高分子型燃料電池や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。
Fuel cells that are used in automobile applications and household cogeneration applications are attracting attention. This fuel cell uses chemical energy directly as electric energy without converting it into thermal energy, and usually 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, in the polymer electrolyte fuel cell and the phosphoric acid fuel cell, a separator which is a conductive molded product is used.
セパレータは、電極等と共に単位セルを構成し、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、100mΩcm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、さらには機械的強度、耐食性、成形性などが要求される。
これらの要求特性を満たす材料として、黒鉛系および金属系に大別されるものが検討されている。黒鉛系では、黒鉛材を切削加工する切削カーボン、特殊な膨張黒鉛および黒鉛粉を樹脂で一体化するコンパウンド材などが挙げられる。また、金属系は、電気伝導性や機械強度などで優れるものの、耐食性が一般に不十分であり表面処理が必要とされていたが、最近ではステンレス系の材料も検討されている。
The separator constitutes a unit cell together with an electrode or the like, and is used by laminating unit cells, and requires conductivity while isolating gas (hydrogen / oxygen). Therefore, high electrical conductivity of 100 mΩcm or less is required, gas permeability is low, and mechanical strength, corrosion resistance, moldability, and the like are required.
As materials satisfying these required characteristics, materials roughly classified into graphite and metal are being studied. Examples of the graphite-based material include cutting carbon for cutting a graphite material, special expanded graphite, and a compound material for integrating graphite powder with a resin. In addition, although metal-based materials are excellent in electrical conductivity and mechanical strength, corrosion resistance is generally insufficient and surface treatment is required, but recently stainless-based materials have been studied.
黒鉛粉と樹脂のコンパウンド材は、上記の要求特性を黒鉛と樹脂とで機能分担するものであり、種々検討されている。 Graphite powder and resin compound materials share the above required characteristics between graphite and resin, and various studies have been made.
例えば、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が提案されている(特許文献1参照。)。
また、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として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が提案されている(特許文献2参照。)。
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が提案されている(特許文献3参照。)。
また、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が提案されている(特許文献4参照。)。
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が提案されている(特許文献5参照。)。
また、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、特定の黒鉛粉を使用することが提案されている(特許文献6参照。)。
For example, in order to obtain a carbon material suitable as a fuel cell separator with high density, high mechanical strength and excellent electrical conductivity, a graphitized carbon material consisting of a binder and carbonaceous particles having multiple particle sizes is proposed. (See Patent Document 1).
Further, in order to obtain a carbon material suitable as a fuel cell separator having a porosity of 5% or less and a ratio of volume specific resistance in the XY direction and volume specific resistance in the Z direction of 2 or less, A carbon material containing ketjen black and spherical graphite particles has been proposed (see Patent Document 2).
In order to improve the conductivity by reducing the amount of binder, a method has been proposed in which a small amount of binder is blended into a carbon material, pressure-molded, and then impregnated with an impregnating agent (see Patent Document 3). .
Further, in order to obtain a fuel cell separator having a low contact resistance with an electrode portion, a fuel cell separator having a surface roughness within a certain range has been proposed (see Patent Document 4).
Further, in order to obtain a fuel cell separator with little anisotropy, it has been proposed to use artificial graphite and natural graphite in combination (see Patent Document 5).
In addition, it has been proposed to use specific graphite powder in order to obtain a fuel cell separator having a balance of gas impermeability, thermal conductivity, conductivity, and the like (see Patent Document 6).
一方、黒鉛とエポキシ樹脂を含む導電性エポキシ樹脂成形材料についても種々検討されている。 On the other hand, various studies have been conducted on conductive epoxy resin molding materials containing graphite and epoxy resins.
例えば、エポキシ樹脂としてオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂またはビスフェノール型エポキシ樹脂を使用することが提案されており、ビスフェノール型エポキシ樹脂として具体的にはビスフェノールA型エポキシ樹脂が開示されている(特許文献7参照。)。
また、エポキシ樹脂としてビスフェノールF型エポキシ樹脂を用いることが提案されている(特許文献8参照。)。
また、エポキシ樹脂としてクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いることが提案されている(特許文献9、10参照。)。
Further, it has been proposed to use a bisphenol F type epoxy resin as an epoxy resin (see Patent Document 8).
In addition, it has been proposed to use a cresol novolac type epoxy resin as an epoxy resin (see Patent Documents 9 and 10).
しかしながら、黒鉛と樹脂のコンパウンド系材料において、燃料電池セパレータとしての要求特性、すなわち電気伝導性、機械的強度などを満たしつつ、成形性をより高めた、量産化に対応可能な材料が望まれている。 However, a graphite-resin compound material that satisfies the required characteristics as a fuel cell separator, that is, electrical conductivity, mechanical strength, etc., and has improved moldability and is capable of mass production. Yes.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、成形サイクルを短縮でき、また、寸法精度および離型性に優れたコンパウンド材料である燃料電池セパレータ用組成物およびその組成物を用いた燃料電池セパレータの製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and a composition for a fuel cell separator, which is a compound material that can shorten a molding cycle and is excellent in dimensional accuracy and releasability, and a composition thereof are used. It aims at providing the manufacturing method of a fuel cell separator.
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池セパレータ用組成物は、黒鉛粉65〜90wt%、熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物1〜25wt%、および熱可塑性樹脂1〜30wt%を含有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the composition for a fuel cell separator according to the present invention comprises graphite powder 65 to 90 wt%, a thermosetting resin and / or a thermosetting resin composition 1 to 25 wt%, and a thermoplastic resin 1. It is characterized by containing ~ 30 wt%.
このとき、前記黒鉛粉が硼素を含むものであってもよい。 At this time, the graphite powder may contain boron.
また、このとき、前記熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物が、下記一般式(1)で表され、150℃における粘度1〜20mPa・s、融点50〜130℃、常温で固体である結晶性エポキシ樹脂を含むと、より好適である。
(但し、Gはグルシジル基を示し、Rは1価の基を示し、nは0〜4の整数を示し、XはSまたはOを示す)
At this time, the thermosetting resin and / or the thermosetting resin composition is represented by the following general formula (1), and has a viscosity of 1 to 20 mPa · s at 150 ° C., a melting point of 50 to 130 ° C., and solid at room temperature. It is more preferable to include a crystalline epoxy resin.
(However, G represents a glycidyl group, R represents a monovalent group, n represents an integer of 0 to 4, and X represents S or O)
また、このとき、前記熱可塑性樹脂が、クマロン樹脂および石油樹脂のうちの少なくとも1種の樹脂を含むと、より好適である。 In this case, it is more preferable that the thermoplastic resin contains at least one kind of coumarone resin and petroleum resin.
また、このとき、硬化促進剤としてウレア系硬化促進剤含むと、より好適である。 At this time, it is more preferable to include a urea-based curing accelerator as the curing accelerator.
また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、上記の燃料電池セパレータ用組成物を混練した後、粉砕して得られる粉砕物を150〜200℃で成形することを特徴とする。 The method for producing a fuel cell separator according to the present invention is characterized in that a pulverized product obtained by pulverizing after molding the above composition for a fuel cell separator is molded at 150 to 200 ° C.
本発明によれば、黒鉛と樹脂のコンパウンド系材料において、燃料電池セパレータとしての要求特性を満たしつつ、成形性をより高めた材料を提供できる。特に、成形サイクルを短縮し、かつ寸法精度および離型性も優れるため、今後のセパレータ量産化に対応可能なコンパウンド材料を提供できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the compound type | system | group material of graphite and resin, the material which improved the moldability can be provided, satisfy | filling the required characteristic as a fuel cell separator. In particular, since the molding cycle is shortened and the dimensional accuracy and mold release properties are excellent, a compound material that can be used for mass production of separators in the future can be provided.
本発明に係る燃料電池セパレータ用組成物および燃料電池セパレータの製造方法の好適な実施の形態について、以下に説明する。 Preferred embodiments of a composition for a fuel cell separator and a method for producing a fuel cell separator according to the present invention will be described below.
燃料電池セパレータは、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。本発明で製造する燃料電池セパレータは、黒鉛粉と熱硬化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、または必要により溝加工、穴あけ加工等がなされて燃料電池セパレータとして使用される。また、燃料電池セパレータは、加工前の燃料電池セパレータの部材を含む意味に解する。 The fuel cell separator is provided between adjacent unit cells in a fuel cell configured by stacking a plurality of unit cells, and forms a fuel gas channel and an oxidizing gas channel between the electrodes, and the fuel gas and the oxidizing gas. And a gas channel groove or the like is formed. The fuel cell separator produced by the present invention is obtained by molding and curing graphite powder and a thermosetting resin into a predetermined shape, and as it is or after being subjected to grooving, drilling, etc. as a fuel cell separator. used. Further, the fuel cell separator is understood to include a member of the fuel cell separator before processing.
まず、本発明の燃料電池セパレータ用組成物について説明する。
本発明の燃料電池セパレータ用組成物は、(A)黒鉛粉、(B)熱硬化性樹脂および熱硬化性樹脂組成物のうちの少なくとも1種、および(C)熱可塑性樹脂を必須成分として含有する。これらの成分の配合割合は、(A)65〜90wt%、(B)1〜25wt%、(C)1〜30wt%であり、より好ましくは、(A)75〜85wt%、(B)10〜20wt%、(C)5〜10wt%である。
First, the fuel cell separator composition of the present invention will be described.
The composition for a fuel cell separator of the present invention contains (A) graphite powder, (B) at least one of a thermosetting resin and a thermosetting resin composition, and (C) a thermoplastic resin as an essential component. To do. The blending ratio of these components is (A) 65 to 90 wt%, (B) 1 to 25 wt%, (C) 1 to 30 wt%, and more preferably (A) 75 to 85 wt%, (B) 10 -20 wt%, (C) 5-10 wt%.
また、本発明の燃料電池セパレータ用組成物は、必要に応じて、硬化促進剤を含有する。
以下、燃料電池セパレータ用組成物の各成分について詳細に説明する。
Moreover, the composition for fuel cell separators of this invention contains a hardening accelerator as needed.
Hereinafter, each component of the composition for fuel cell separators will be described in detail.
黒鉛粉の組成物における配合割合は、上記のように65〜90wt%、より好ましくは75〜85wt%である。黒鉛粉が90wt%を超えると、成形時の流動性が低下し、成形に多大な圧力が必要となって成形機のコストの増加を招くおそれがある。なお、黒鉛粉が65wt%未満では電気伝導性が不十分となるおそれがある。 The blending ratio of the graphite powder in the composition is 65 to 90 wt%, more preferably 75 to 85 wt% as described above. If the graphite powder exceeds 90 wt%, the fluidity at the time of molding is lowered, and a great deal of pressure is required for molding, which may increase the cost of the molding machine. If the graphite powder is less than 65 wt%, the electrical conductivity may be insufficient.
本発明において、黒鉛粉に硼素を含ませると、電気伝導性をより高める等の効果を得ることができる。
以下、本発明について、硼素を含む黒鉛粉を例にとり、黒鉛粉と、黒鉛粉に硼素を含ませる方法に分けて説明する。
In the present invention, when boron is included in the graphite powder, an effect such as higher electrical conductivity can be obtained.
Hereinafter, the present invention will be described by taking graphite powder containing boron as an example and dividing it into graphite powder and a method of adding boron to graphite powder.
黒鉛粉は、石炭系および/または石油系重質油の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、生コークスを粉砕した後、粉砕生コークスを700〜1500℃で炭化、次いで2000℃以上で黒鉛化したものが好ましい。
この場合、生コークスは、ディレードコーカーによって熱処理して生成させたものであると好ましい。
粉砕生コークスの平均粒径は、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した後または黒鉛化した後に、解砕および粉砕して、平均粒径3〜50μm、BET比表面積が10m2/g以下の黒鉛粉に粒度調整することが好ましい。
The graphite powder uses one or more of coal-based and / or petroleum-based heavy oil as a raw material, is processed at 600 ° C. or lower to produce raw coke, pulverizes raw coke, and then pulverizes raw coke to 700-1500. Carbonized at 0 ° C and then graphitized at 2000 ° C or higher is preferable.
In this case, the raw coke is preferably generated by heat treatment with a delayed coker.
The average particle size of the crushed raw coke is preferably 1 to 50 μm. Further, after carbonizing or graphitizing the pulverized raw coke, it is preferable to pulverize and pulverize to adjust the particle size to graphite powder having an average particle size of 3 to 50 μm and a BET specific surface area of 10 m 2 / g or less.
石炭系重質油(コールタール系原料)は、石炭を乾留する際に生成するコールタールなら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あって、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を使用する。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る。これらのタールピッチは、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、石炭系重質油は、タールピッチ、コールタールおよび高沸点タール油のうちの2または3種類を混合したものであってもよい。 Coal heavy oil (coal tar raw material) is coal tar produced when carbonizing coal, high boiling point tar oil and tar pitch separated from coal tar, and quinoline insoluble (QI) content. The removed one is desirable. Preferably tar pitch is used. The tar pitch includes a soft pitch with a softening point of 70 ° C. or lower, a medium pitch with a softening point of 70 to 85 ° C., and a high pitch with a softening point of 85 ° C. or higher. Any of these tar pitches can be used, but it is advantageous to use a soft pitch in terms of handling. Further, the coal-based heavy oil may be a mixture of two or three of tar pitch, coal tar and high boiling point tar oil.
また、石油系重質油は、接触分解油、常圧残油および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。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たものであってもよい。かかる石油系重質油には、QI分は殆ど含まれていない。 Examples of the petroleum heavy oil include catalytic cracked oil, normal pressure residual oil, and reduced pressure residual oil. In particular, decant oil (FCC-DO) which is a heavy component of petroleum fluid catalytic cracking oil is preferable. These heavy oils may be those obtained by removing light components by distillation in advance from the viewpoint of carbonization yield or by heat treatment to make them heavy by thermal polymerization. Such petroleum heavy oil contains almost no QI content.
なお、これら石炭系重質油と石油系重質油を、例えば石炭系重質油20〜90wt%、石油系重質油10〜80wt%の比率で混合して使用してもよい。 In addition, you may mix and use these coal-type heavy oil and petroleum-type heavy oil, for example in the ratio of 20-90 wt% of coal-type heavy oil, and 10-80 wt% of petroleum-type heavy oil.
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3wt%以上、好ましくは5wt%以上の半生コークスをいう。ディレードコーカーで生コークスを製造するときのコーキング温度は600℃以下、好ましくは400〜600℃、より好ましくは450〜500℃であるが、生コークスに残存させる揮発分の含量に応じて処理温度を決めればよい。 The raw coke means semi-raw coke having a volatile content (weight reduction when heated at 950 ° C. for 7 minutes) of 3 wt% or more, preferably 5 wt% or more. The coking temperature when producing raw coke with a delayed coker is 600 ° C. or lower, preferably 400 to 600 ° C., more preferably 450 to 500 ° C., but the processing temperature is set according to the volatile content remaining in the raw coke. Just decide.
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。
まずジョークラッシャー等の粗粉砕機で生コークスを粉砕した後に、さら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。
粉砕生コークスの平均粒径が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最も薄い部分の厚みよりも粉砕生コークスの粒径が大きくなることもあるため、不具合である。また、この場合、得られる黒鉛粉の比表面積が大きくなり、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、気体透過率増大等に繋がるおそれがある。一方、生コークスを平均粒径1μm未満に粉砕するのは非常に難しく、また粉砕生コークスの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、その結果、黒鉛成形体としての燃料電池セパレータの固有抵抗が大きくなり好ましくない。
使用する粉砕機は特に限定するものではなく、目的の平均粒径を得られる限りどのタイプの粉砕機であってもよい。
The raw coke produced in the delayed coker is cut out using jet water, and then the moisture is adjusted and pulverized.
First, raw coke is pulverized by a coarse pulverizer such as a jaw crusher, and further 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.
If the average particle size of the pulverized raw coke exceeds 50 μm, the particle size of the pulverized raw coke may be larger than the thickness of the thinnest portion of the fuel cell separator as the graphite molded body, which is a problem. In this case, the specific surface area of the obtained graphite powder is increased, which may lead to a decrease in physical properties of the separator, particularly a decrease in bulk density, an increase in specific resistance, a decrease in bending strength, an increase in gas permeability, and the like. On the other hand, it is very difficult to pulverize raw coke to an average particle size of less than 1 μm, and the amount of resin must be increased because the surface area of the pulverized raw coke is increased. As a result, a fuel cell as a graphite molded body The specific resistance of the separator increases, which is not preferable.
The grinder to be used is not particularly limited, and any type of grinder may be used as long as the target average particle diameter can be obtained.
粉砕した生コークス(粉砕生コークス)をさらに炭化処理して黒鉛粉を得る。
炭化処理温度は、700℃〜1500℃が好ましく、800℃〜1200℃がさらに好ましい。炭化処理は、粉砕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行ってもよいし、バーナータイプのバッチ式の炭化処理炉を用いて行ってもよい。炉の型式は特に制限するものではない。昇温速度は、揮発分が揮散する温度領域では約10℃/hrと非常に遅くする方が炭化収率を高くすることができるので好ましいが、特に制限するものではない。
The ground raw coke (ground ground coke) is further carbonized to obtain graphite powder.
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 in which crushed raw coke is put in a container and waste heat is effectively used, or may be performed using a burner type batch type carbonization furnace. Good. The type of furnace is not particularly limited. The rate of temperature increase is preferably about 10 ° C./hr, which is very slow in the temperature range where volatile components are volatilized, because it can increase the carbonization yield, but is not particularly limited.
本発明で使用する黒鉛粉は、既に説明したように、平均粒径が3〜50μmである。この平均粒径をもつ黒鉛粉は単一の種類の黒鉛粉であってもよく、また、異なる粒度分布をもつ複数種類の黒鉛粉を配合したものであってもよい。
例えば、2種類の粒度分布を有する黒鉛粉、即ち平均粒径50〜300μm、好ましくは平均粒径70〜150μmの大粒径黒鉛粉と、平均粒径50μm未満、好ましくは平均粒径5〜20μmの小粒径黒鉛粉を配合したものを用いることができる。このときの大粒径黒鉛粉と小粒径黒鉛粉の割合は質量比で40:60〜90:10とする。
2種類の黒鉛粉を使用することにより、大きい粒子については、混練後の粉砕の際、粉砕されて新しいコークス面が出るために、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。小さい粒子については、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、嵩密度を上げるためにも有効である。
また、本発明で使用する黒鉛粉は、所望により、等方性黒鉛粉と異方性黒鉛粉を例えば40:60〜90:10で混合したものであってもよい。
As described above, the graphite powder used in the present invention has an average particle size of 3 to 50 μm. The graphite powder having this average particle diameter may be a single type of graphite powder, or may be a mixture of a plurality of types of graphite powder having different particle size distributions.
For example, graphite powder having two types of particle size distribution, that is, a large particle size graphite powder having an average particle size of 50 to 300 μm, preferably an average particle size of 70 to 150 μm, and an average particle size of less than 50 μm, preferably an average particle size of 5 to 20 μm. What blended the small particle size graphite powder of this can be used. The ratio of the large particle size graphite powder and the small particle size graphite powder at this time is 40:60 to 90:10 in mass ratio.
By using two types of graphite powder, large particles are crushed after kneading to produce a new coke surface, so that a conductive path can be made by contact, while large particles have a small surface area. It is expected that kneading is possible even with a small amount of resin. About small particle | grains, while improving the contact property between graphite particles, raising the intensity | strength of a molded article is anticipated. It is also effective for increasing the bulk density.
Further, the graphite powder used in the present invention may be a mixture of isotropic graphite powder and anisotropic graphite powder at, for example, 40:60 to 90:10, if desired.
また、得られる黒鉛粉は、所定の粒度分布を有することが好ましい。すなわち、黒鉛粉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。 The obtained graphite powder preferably has a predetermined particle size distribution. That is, the particle size distribution of graphite powder is expressed by the Rosin-Rammler's distribution formula: R = 100exp (-adn) (where R is the distribution amount accumulated value on the sieve (%), and d is the particle size (μm)). , A represents a constant), the value of n is preferably in the range of 1.2 to 2.0, preferably 1.3 to 1.6.
黒鉛粉に硼素を含ませるには、黒鉛化処理より前のいずれかの処理工程にける材料、すなわち石炭系および/または石油系重質油、粉砕生コークス、または炭化処理後の炭化物のうちのいずれかの材料に硼素または硼素化合物を配合する。このとき、材料100質量部に対して、硼素または硼素化合物を硼素として0.05〜40質量部配合することが好ましい。
硼素を配合することによって、得られる黒鉛粉の黒鉛構造をより発達させることができるため、燃料電池セパレータの物性向上、すなわち嵩密度向上、固有抵抗低減、曲げ強度向上、気体透過率低減を図ることができる。
なお、硼素または硼素化合物(以下、両者をまとめて硼素材料という。)に代えて、珪素、鉄およびこれらの化合物などの、炭素と炭化物を作るものや炭素に溶解する黒鉛化触媒を用いてもよい。
In order to include boron in the graphite powder, any of the materials in any of the processing steps prior to the graphitization treatment, that is, coal-based and / or petroleum-based heavy oil, crushed raw coke, or carbonized carbide Boron or a boron compound is mixed in any of the materials. At this time, it is preferable to mix 0.05 to 40 parts by mass of boron or a boron compound as boron with respect to 100 parts by mass of the material.
By compounding boron, the graphite structure of the resulting graphite powder can be further developed, so that 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 do.
Instead of boron or a boron compound (hereinafter collectively referred to as a boron material), carbon or carbides such as silicon, iron and these compounds, or a graphitization catalyst dissolved in carbon may be used. Good.
硼素材料を石炭系および/または石油系重質油に添加してディレードコーカーで硼素を含む生コークスを製造することができる。この場合、硼素材料が固体のときは、予め硼素材料を粉砕した後に重質油に配合することができる。また、硼素材料が溶媒、例えばアルコール類に溶解するものについては硼素材料をそのまま重質油に配合してもよい。配合方法は特に制限するものではない。 A raw coke containing boron can be produced in a delayed coker by adding a boron material to coal-based and / or petroleum-based heavy oil. In this case, when the boron material is solid, it can be blended in heavy oil after the boron material is pulverized in advance. In the case where the boron material is soluble in a solvent, for example, alcohols, the boron material may be blended in the heavy oil as it is. The blending method is not particularly limited.
生コークスを製造する時に硼素材料を添加しない場合は、生コークスを粉砕した後に、700〜1500℃で熱処理した炭化物に硼素材料を配合してもよい。このときの配合方法も特に制限するものではない。 When a boron material is not added when producing raw coke, the boron material may be blended with carbides heat treated at 700 to 1500 ° C. after pulverizing the raw coke. The blending method at this time is not particularly limited.
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を使用して行うことができる。黒鉛化温度は、2000℃以上が好ましく、2500℃以上がより好ましい。黒鉛化処理によって得られる硼素を含む黒鉛粉は、樹脂と混練するときの使用量ができるだけ少なくなるように、比表面積が10m2/g以下であることが好ましく、5m2/g以下がより好ましい。 The graphitization treatment of carbides includes indirect energization type atchison furnaces where graphite is graphitized by Joule heat of graphite powder, LWG type graphitization furnaces and high-frequency induction furnaces that heat by supplying current to the graphite container. Or a continuous graphitization furnace in which the graphitizing atmosphere can be adjusted. The graphitization temperature is preferably 2000 ° C. or higher, more preferably 2500 ° C. or higher. Graphite powder containing boron obtained by graphitization treatment, so that the amount of time of the resin and kneaded becomes as small as possible, it is preferable that the specific surface area is less than 10 m 2 / g, more preferably less 5 m 2 / g .
上記の硼素を含む黒鉛粉に、熱硬化性樹脂および熱硬化性樹脂組成物のうちの少なくともいずれか1種(以下、これを熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物と表記する。他の成分についてこの表記を用いる場合も同様の意である。)、熱可塑性樹脂からなる樹脂結合剤、さらに必要により加えられる硬化促進剤等の少量成分(黒鉛材料以外の成分は樹脂を主とするものであるので、以下、これらの成分をまとめて樹脂成分ということがある。)を配合する。なお、本発明の燃料電池セパレータ用組成物(以下、単に組成物ということがある。)における樹脂成分はさらに少量の他の成分を含み得る。 The above graphite powder containing boron is at least one of a thermosetting resin and a thermosetting resin composition (hereinafter referred to as a thermosetting resin and / or a thermosetting resin composition). The same applies to the case where this notation is used for other components.), Resin binders made of thermoplastic resins, and minor components such as curing accelerators added if necessary (components other than graphite materials are mainly resins) Therefore, hereinafter, these components may be collectively referred to as a resin component). The resin component in the composition for a fuel cell separator of the present invention (hereinafter sometimes simply referred to as a composition) may further contain a small amount of other components.
上記の硼素を含む黒鉛粉に配合する熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物は、黒鉛粉を所定の強度に結合、固化するものである。熱硬化性樹脂および熱硬化性樹脂組成物のうちの少なくとも1種の配合割合は、前記したように、硼素を含む黒鉛粉との機能分担のバランスとして選定される。
熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物は、好ましくは、エポキシ樹脂と硬化剤からなる。エポキシ樹脂は、低粘度エポキシ樹脂が好ましく、例えば、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、直接結合のビフェニル型エポキシ樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物の組成物における配合割合は、1〜25wt%であり、より好ましくは、10〜20wt%である。
The thermosetting resin and / or thermosetting resin composition blended with the above graphite powder containing boron bonds and solidifies the graphite powder to a predetermined strength. As described above, the blending ratio of at least one of the thermosetting resin and the thermosetting resin composition is selected as a balance of functional sharing with the graphite powder containing boron.
The thermosetting resin and / or thermosetting resin composition preferably comprises an epoxy resin and a curing agent. The epoxy resin is preferably a low-viscosity epoxy resin, and examples thereof include bisphenol F-type epoxy resins and direct-bonded biphenyl-type epoxy resins. The blending ratio of the thermosetting resin and / or thermosetting resin composition in the composition is 1 to 25 wt%, and more preferably 10 to 20 wt%.
エポキシ樹脂は、150℃における粘度1〜20mPa・s、融点50℃〜130℃、常温で固体である低粘度結晶性エポキシ樹脂を1種以上含むことが好ましい。粘度は、好ましくは15mPa・s以下、より好ましくは10mPa・s以下である。
これによって、常温時にはコンパウンドとしての保存安定性に優れると共に、150℃〜200℃程度の成形時の温度において、例えば黒鉛粉を75〜85wt%程度含有するときでも、良好な流動性を示すことができる。このような粘度に調整することは、上記エポキシ樹脂と硬化剤の軟化点や粘度を選択することにより容易である。
低粘度結晶性エポキシ樹脂は、エポキシ当量として150〜300g/eq程度、好ましくは170〜250g/eqのものがよい。
The epoxy resin preferably contains at least one low-viscosity crystalline epoxy resin having a viscosity of 1 to 20 mPa · s at 150 ° C., a melting point of 50 ° C. to 130 ° C., and a solid at room temperature. The viscosity is preferably 15 mPa · s or less, more preferably 10 mPa · s or less.
Thereby, it is excellent in storage stability as a compound at room temperature, and exhibits good fluidity even when, for example, about 75 to 85 wt% of graphite powder is contained at a molding temperature of about 150 ° C. to 200 ° C. it can. Adjustment to such a viscosity is easy by selecting the softening point and viscosity of the epoxy resin and the curing agent.
The low-viscosity crystalline epoxy resin has an epoxy equivalent of about 150 to 300 g / eq, preferably 170 to 250 g / eq.
低粘度結晶性エポキシ樹脂は、下記一般式(1)で表されるエーテル型またはチオエーテル型エポキシ樹脂であることが好ましい。一般式(1)において、Gはグリシジル基であり、Rは同一であっても異なってもよい水素原子、ハロゲン原子または炭素数1〜6の炭化水素基を示すが、好ましくは水素原子または炭素数1〜3のアルキル基であり、一つのベンゼン環が有する水素原子以外の置換基は0〜4個であることがよい。
なお、周知のように、エポキシ樹脂はオリゴマーを含むことが多い。低粘度結晶性エポキシ樹脂は、一般式(1)で表されるエポキシ樹脂をm(重合度)=0とすると、m=1以上のオリゴマーを50wt%以下、好ましくは10wt%以下含むことがよい。
エポキシ樹脂は、上記の常温で固体である低粘度結晶性エポキシ樹脂を30wt%以上、好ましくは50wt%以上、更に好ましくは80wt%以上含有したものを用いる。
As is well known, epoxy resins often contain oligomers. When the epoxy resin represented by the general formula (1) is m (degree of polymerization) = 0, the low-viscosity crystalline epoxy resin may contain 50 wt% or less, preferably 10 wt% or less of oligomers with m = 1 or more. .
As the epoxy resin, one containing 30 wt% or more, preferably 50 wt% or more, more preferably 80 wt% or more of the low-viscosity crystalline epoxy resin that is solid at room temperature is used.
硬化剤は、フェノール系、アミン系あるいはフタル酸類のようなカルボン酸系等、公知のものを使用することができるが、好ましくは多価フェノール類であり、より好ましくはフェノ−ル、アルキルフェノールとホルマリンから得られるノボラック系のものを用いる。ノボラック系の硬化剤は、軟化点が常温以上であるものが有利である。
エポキシ樹脂と硬化剤の当量比は特に限定されないが、0.5〜1.5の範囲が好ましい。
As the curing agent, known ones such as phenols, amines or carboxylic acids such as phthalic acids can be used, preferably polyhydric phenols, more preferably phenol, alkylphenol and formalin. The novolak type obtained from As the novolac-based curing agent, those having a softening point of room temperature or higher are advantageous.
The equivalent ratio of the epoxy resin and the curing agent is not particularly limited, but a range of 0.5 to 1.5 is preferable.
熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物に 所望により、さらに硬化促進剤を配合してもよい。なお、この場合、硬化促進剤は、熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物としては計算しない。硬化促進剤としては、アミン類、イミダゾール類、ウレア類、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が、特にウレア類が好ましい。さらに、ウレア系硬化促進剤のなかでもジメチルウレア系硬化促進剤が特に好ましい。硬化促進剤の配合量は特に限定されないが熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物100質量部に対し、0.01〜10質量部の範囲が好ましい。 If desired, a curing accelerator may be added to the thermosetting resin and / or thermosetting resin composition. In this case, the curing accelerator is not calculated as a thermosetting resin and / or a thermosetting resin composition. As the curing accelerator, known accelerators such as amines, imidazoles, ureas, organic phosphines and Lewis acids can be used, and ureas are particularly preferable. Furthermore, a dimethylurea hardening accelerator is particularly preferable among the urea hardening accelerators. Although the compounding quantity of a hardening accelerator is not specifically limited, The range of 0.01-10 mass parts is preferable with respect to 100 mass parts of thermosetting resins and / or thermosetting resin compositions.
上記の硼素を含む黒鉛粉に配合する熱可塑性樹脂は、金型からの成形品の離型性を向上させるために配合するものであり、各種の熱可塑性樹脂を用いることができるが、より好ましくは、クマロン樹脂または石油樹脂、あるいはクマロン樹脂および石油樹脂の双方を用いる。
熱可塑性樹脂の組成物における配合割合は、1〜30wt%、より好ましくは5〜10wt%である。熱可塑性樹脂が30wt%を超えると、電気伝導性および機械的強度が不十分となり、一方、熱可塑性樹脂が1wt%未満では成形時の離型性が顕著に悪化する。
The thermoplastic resin blended with the graphite powder containing boron is blended in order to improve the releasability of the molded product from the mold, and various thermoplastic resins can be used, but more preferably. Uses coumarone resin or petroleum resin, or both coumarone resin and petroleum resin.
The compounding ratio in the composition of the thermoplastic resin is 1 to 30 wt%, more preferably 5 to 10 wt%. When the thermoplastic resin exceeds 30 wt%, the electrical conductivity and mechanical strength are insufficient, while when the thermoplastic resin is less than 1 wt%, the releasability during molding is significantly deteriorated.
また、上記の硼素を含む黒鉛粉に、さらに内部離型剤や他の導電性フィラー等の添加材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。これらは、樹脂あるいは黒鉛粉としては計算しない。 Further, an additive such as an internal mold release agent or other conductive filler can be further blended with the above graphite powder containing boron within a range not impeding the effects of the present invention. These are not calculated as resin or graphite powder.
硼素を含む黒鉛粉に上記の熱硬化性樹脂および熱硬化性樹脂組成物のうちの少なくとも1種および上記の熱可塑性樹脂等を配合して、本発明の燃料電池セパレータ用組成物が得られる。
このとき、硼素を含む黒鉛粉と熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物と熱可塑性樹脂は、これらを同時に混合してもよく、また、少なくとも2種類の粒度分布を有する硼素を含む黒鉛粉を事前に混合したのち、熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物と熱可塑性樹脂と混合してもよい。
The fuel cell separator composition of the present invention can be obtained by blending graphite powder containing boron with at least one of the above thermosetting resin and thermosetting resin composition, the above thermoplastic resin, and the like.
At this time, the graphite powder containing boron and the thermosetting resin and / or the thermosetting resin composition and the thermoplastic resin may be mixed at the same time, or contain boron having at least two kinds of particle size distributions. After the graphite powder is mixed in advance, the thermosetting resin and / or the thermosetting resin composition and the thermoplastic resin may be mixed.
以上説明した本発明の燃料電池セパレータ用組成物は、黒鉛粉、熱硬化性樹脂および熱硬化性樹脂組成物のうちの少なくとも1種、および熱可塑性樹脂を含むため、成形サイクルを短縮することができ、かつ寸法精度および離型性も優れる。また、黒鉛粉が硼素を含むとき、固有抵抗の低減等の燃料電池セパレータの物性向上に寄与することができる。 Since the composition for a fuel cell separator of the present invention described above contains graphite powder, at least one of a thermosetting resin and a thermosetting resin composition, and a thermoplastic resin, the molding cycle can be shortened. It has excellent dimensional accuracy and releasability. Further, when the graphite powder contains boron, it can contribute to improvement of physical properties of the fuel cell separator such as reduction of specific resistance.
つぎに、本発明の燃料電池セパレータの製造方法について説明する。
燃料電池セパレータは、上記の燃料電池セパレータ用組成物を成形して得られる。
このとき、硼素を含む黒鉛粉と、熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物と、熱可塑性樹脂と、硬化促進剤と、必要により配合される添加材等からなる樹脂成分とを配合して燃料電池セパレータ用組成物(以下、単に組成物という。)とし、これを加熱混練後、平均粒径が20〜50μmとなるように粉砕または解砕し、得られた粉砕物を150℃〜200℃で成形、硬化することが有利である。
成形方法は、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。プレス成形は樹脂の添加量の低い場合に適し、トランスファー成型や射出成形は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に適する。また、燃料電池セパレータ用組成物が熱可塑性樹脂を含むため、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。
Next, a method for producing the fuel cell separator of the present invention will be described.
The fuel cell separator is obtained by molding the above composition for a fuel cell separator.
At this time, a graphite powder containing boron, a thermosetting resin and / or a thermosetting resin composition, a thermoplastic resin, a curing accelerator, and a resin component made up of additives, etc., blended as necessary are blended. Then, a composition for a fuel cell separator (hereinafter simply referred to as a composition) was heated and kneaded, and then pulverized or crushed so that the average particle size became 20 to 50 μm. It is advantageous to mold and cure at ~ 200 ° C.
Although the molding method depends on the blending ratio of the resin, press molding, transfer molding, or injection molding using a mold in which the holes and grooves of the separator are processed can be used. Press molding is suitable when the amount of resin added is low, and transfer molding and injection molding are suitable when the amount of resin added is relatively large and the compound is fluid. Moreover, since the composition for fuel cell separators contains a thermoplastic resin, continuous molding using a design roll in which hole grooves are processed can also be applied.
混練工程では、混練機を用いて組成物を混練する。混練機としては、汎用の例えば、ニーダー、ロール等を用いることができるが、これらに制限されるものではない。混練は、樹脂と硼素を含む黒鉛粉とが可及的に均一な組成物を形成するように行う。混練中は樹脂の粘度を低下させる目的で加熱したり、低沸点溶媒を添加したりすることもできるが、硬化を完了させないことが必要である。 In the kneading step, the composition is kneaded using a kneader. As a kneading machine, general-purpose, for example, a kneader, a roll or the like can be used, but is not limited thereto. The kneading is performed so that the resin and the graphite powder containing boron form as uniform a composition as possible. During kneading, heating can be performed for the purpose of reducing the viscosity of the resin, or a low boiling point solvent can be added, but it is necessary not to complete the curing.
次に、混練して得られた組成物を粉砕または解砕する。粉砕は公知の粉砕機を使用して行うことができる。ここで使用する粉砕機としては、例えばせん断粉砕としてパルペライザー、圧縮粉砕としてディスクミルなどを挙げることができる。粉砕物の平均粒径は50μm以下、好ましくは30μm以下または20〜50μmとすることが有利である。
この粉砕工程では平均粒径の異なる黒鉛粉のうち、大粒径黒鉛粉が優先的に粉砕されて、樹脂の付着していない面が生じるために、電気比抵抗を下げる効果が生じるものと推定される。そのため、原料として使用する平均粒径が50〜300μmの大粒径黒鉛粉を選択的に粉砕して50μm以下にし、平均粒径が50μm未満の小粒径黒鉛粉はなるべく粉砕しないようにすることが有利であり、必要以上に粉砕し過ぎると、樹脂が十分に行き渡らなくなるため成形品の強度が低下してしまう恐れがある。
Next, the composition obtained by kneading is pulverized or crushed. The pulverization can be performed using a known pulverizer. Examples of the pulverizer used here include a pulverizer for shear pulverization and a disk mill for compression pulverization. The average particle size of the pulverized product is 50 μm or less, preferably 30 μm or less, or 20 to 50 μm.
In this pulverization process, among the graphite powders with different average particle diameters, it is presumed that the large particle diameter graphite powder is preferentially pulverized, resulting in a surface with no resin attached, resulting in an effect of reducing the electrical resistivity. Is done. Therefore, the large particle size graphite powder having an average particle size of 50 to 300 μm used as a raw material is selectively pulverized to 50 μm or less, and the small particle size graphite powder having an average particle size of less than 50 μm should be crushed as much as possible. It is advantageous, and if it is pulverized more than necessary, the resin will not spread sufficiently and the strength of the molded product may be reduced.
組成物を粉砕した後、金型による加熱型の成形機などを使用して成形する。このとき、成形と同時に熱硬化性樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物を硬化するために、100〜350℃、好ましくは150〜200℃程度の成形温度に保持するとよい。成形温度は使用する熱硬化樹脂および/または熱硬化性樹脂組成物の硬化温度以上、炭化温度未満の条件とする。成形圧力は面方向の電気比抵抗を下げ、嵩密度を高くするためには高いほうが好ましいが、圧力を高くすると設備費用が増大するため、20〜1000kg/cm2程度、好ましくは100〜500kg/cm2程度が適当である。
これによって、厚み2mm、面積300mm2のセパレータを、成形時間5分以内、好ましくは3分以内、寸法精度100μm以内、好ましくは50μm以内で成形可能である。
After the composition is pulverized, it is molded using a heating mold molding machine using a mold. At this time, in order to cure the thermosetting resin and / or the thermosetting resin composition simultaneously with the molding, the molding temperature may be kept at 100 to 350 ° C, preferably about 150 to 200 ° C. The molding temperature is set to be not less than the curing temperature and less than the carbonization temperature of the thermosetting resin and / or thermosetting resin composition to be used. The molding pressure is preferably high in order to lower the electrical resistivity in the surface direction and increase the bulk density. However, since the equipment cost increases when the pressure is increased, the pressure is about 20 to 1000 kg / cm 2 , preferably 100 to 500 kg / About cm 2 is appropriate.
Thus, a separator having a thickness of 2 mm and an area of 300 mm 2 can be molded within a molding time of 5 minutes, preferably 3 minutes, and a dimensional accuracy of 100 μm or less, preferably 50 μm or less.
成形の際、組成物を所定の燃料電池セパレータの形状とし、しかも所定の溝等を同時に設ければ、それをそのまままたは簡単な加工のみで燃料電池セパレータとすることができる。また、組成物を板状等に成形したのち、これに溝加工や孔加工を加えて燃料電池セパレータとすることもできる。 If the composition is formed into a predetermined fuel cell separator shape and a predetermined groove or the like is provided at the same time, the fuel cell separator can be formed as it is or with simple processing. In addition, after forming the composition into a plate shape or the like, a fuel cell separator can be formed by adding groove processing or hole processing to the composition.
本発明の製造方法によれば、成形サイクルを短縮することができ、かつ得られる燃料電池用セパレータの寸法精度および離型性も優れる。また、緻密でガス透過率が低く、機械的強度が高く、導電性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。
燃料電池用セパレータは、嵩密度を1.80g/cm3以上、好ましくは1.85g/cm3以上とすることが可能であり、また、気体透過率(ガス不透過性)を1×10−14以下、曲げ強度を30MPa以上とすることができる。嵩密度が1.80g/cm3未満では、ガス不透過性が劣るだけでなく、機械的強度(曲げ強度)も劣る。気体透過率が1×10−14以上を超えると、燃料としての水素および酸素が混じって発電効率を損なうおそれがある。また、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おそれがある。
According to the production method of the present invention, the molding cycle can be shortened, and the dimensional accuracy and releasability of the obtained fuel cell separator are excellent. In addition, a fuel cell separator that is dense, has low gas permeability, high mechanical strength, and excellent electrical conductivity can be obtained.
The fuel cell separator, the bulk density of 1.80 g / cm 3 or more, preferably it is possible to 1.85 g / cm 3 or more, gas permeability (gas impermeability) 1 × 10 - 14 or less and the bending strength can be 30 MPa or more. When the bulk density is less than 1.80 g / cm 3 , not only the gas impermeability is inferior, but also the mechanical strength (bending strength) is inferior. If the gas permeability exceeds 1 × 10 −14 or more, hydrogen and oxygen as fuel may be mixed and power generation efficiency may be impaired. Further, if the bending strength is 30 MPa or less, the separator may be broken by vibration or impact.
また、燃料電池用セパレータの固有抵抗は、燃料電池の効率を上げるために、低い方が望ましく、100mΩcm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。使用する黒鉛の種類を結晶度の高いものとしあるいは熱硬化樹脂の配合量を少なくすることにより固有抵抗を低くすることが可能である。また、固有抵抗は、成形圧力等によっても変化しうる。 In addition, the specific resistance of the fuel cell separator is preferably low in order to increase the efficiency of the fuel cell, and is required to be 100 mΩcm or less. However, according to this manufacturing method, the required characteristics can be sufficiently achieved. Can do. It is possible to reduce the specific resistance by making the type of graphite used to have a high crystallinity or by reducing the blending amount of the thermosetting resin. Further, the specific resistance can be changed by the molding pressure or the like.
本発明の製造方法で得られる燃料電池用セパレータは、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。 When the fuel cell separator obtained by the production method of the present invention is used in a fuel cell, it can be a fuel cell with high efficiency and long life.
なお、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る黒鉛粉は、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による不良品あるいは成形後の外観目視検査による不良品を除いた良品歩留まり)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。 Note that the graphite powder obtained by pulverizing raw coke containing volatile components and firing and graphitizing is more than the one obtained by pulverizing and graphitizing calcined cokes not containing volatile components. The rounded shape greatly contributes to improving the yield of molding as a fuel cell separator (non-defective product due to cracks and cracks during molding or non-defective product by visual inspection after molding) and physical properties. It is thought that.
以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。この場合、成形体の固有抵抗、曲げ強度、寸法精度および離型性の測定方法は、それぞれ次の通りである。
○曲げ強度
JIS K6911によった。
○寸法精度
所定成形条件にて得た成形体の所定部位の厚みを測定し、該厚み精度から金型面精度を差し引き算出した。
○固有抵抗
上記成形体について、4端子電圧降下法により測定した。
○離型性
金型に離型剤を噴霧し、連続して加熱加圧成形可能な成形回数を測定した。
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated concretely based on an Example, this invention is not limited to this. In this case, the measurement methods of the specific resistance, bending strength, dimensional accuracy, and releasability of the molded body are as follows.
○ Bending strength According to JIS K6911.
○ Dimensional accuracy The thickness of a predetermined portion of a molded body obtained under predetermined molding conditions was measured, and the mold surface accuracy was subtracted from the thickness accuracy.
○ Specific Resistance The above molded product was measured by a four-terminal voltage drop method.
○ Releasability A mold release agent was sprayed on the mold, and the number of moldings that could be continuously performed under heat and pressure was measured.
使用した原料は次のとおりである。
○高伝導性黒鉛
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30μmとした。これをリードハンマー炉で約800℃の温度で炭化処理して炭化物を得た。この炭化物に炭化硼素を5wt%添加したものを2800℃で黒鉛化した。
○エーテル型エポキシ樹脂
東都化成株式会社製、商品名YSLV-80DE(融点79℃、150℃粘度0.006Pa・s)を使用した。
○チオエーテル型エポキシ樹脂
東都化成株式会社製、商品名YSLV-50TE(融点50℃、150℃粘度0.006Pa・s)を使用した。
○フェノールノボラック樹脂
荒川化学工業株式会社製タマノル758(軟化点83℃、150℃粘度0.22〜0.35Pa・s)を使用した。
○クマロン樹脂
新日鐵化学株式会社製、商品名N-100Sを使用した。
○石油樹脂
三井石油化学製 商品名HRT-100Xを使用した。
○硬化促進剤
ジメチルウレア系硬化促進剤として、サンアプロ株式会社製、商品名U-CAT3502Tを使用した。
The raw materials used are as follows.
O Highly conductive graphite Coal-based heavy oil was used to grind the bulk raw coke produced by the delayed coking method with a Raymond mill to an average particle size of 30 μm. This was carbonized in a lead hammer furnace at a temperature of about 800 ° C. to obtain a carbide. This carbide added with 5 wt% boron carbide was graphitized at 2800 ° C.
○ Ether type epoxy resin The product name YSLV-80DE (melting point 79 ° C, 150 ° C viscosity 0.006 Pa · s) manufactured by Toto Kasei Co., Ltd. was used.
○ Thioether type epoxy resin The product name YSLV-50TE (melting point 50 ° C., 150 ° C. viscosity 0.006 Pa · s) manufactured by Toto Kasei Co., Ltd. was used.
○ Phenol novolac resin Tamanol 758 (softening point 83 ° C., 150 ° C. viscosity 0.22 to 0.35 Pa · s) manufactured by Arakawa Chemical Industries, Ltd. was used.
○ Coumarone resin The product name N-100S manufactured by Nippon Steel Chemical Co., Ltd. was used.
○ Petroleum resin The product name HRT-100X manufactured by Mitsui Petrochemical was used.
○ Curing accelerator The product name U-CAT3502T manufactured by Sun Apro Co., Ltd. was used as a dimethylurea based curing accelerator.
(実施例1)
エーテル型エポキシ樹脂11質量部に、フェノールノボラック樹脂7質量部、硬化促進剤0.2質量部、クマロン樹脂7質量部および高伝導性黒鉛75質量部(黒鉛/樹脂比=3)を配合して組成物とした。この組成物を、100℃に加熱したロールで混練した。得られた混練物をディスクミルで粉砕した。粉砕物の粘度および成形体の寸法精度と固有抵抗の測定結果を表1に示す。なお、表1において、実施例1以外の他の実施例や比較例についても各成分の配合割合は、全て質量部で表示した。
この粉砕物を金型に入れ、温度175℃、圧力300kg/cm2の条件で3分間成形し、脱型した。得られた成形体の物性を測定した。
(Example 1)
11 parts by mass of ether type epoxy resin, 7 parts by mass of phenol novolac resin, 0.2 part by mass of curing accelerator, 7 parts by mass of coumarone resin and 75 parts by mass of highly conductive graphite (graphite / resin ratio = 3) It was set as the composition. This composition was kneaded with a roll heated to 100 ° C. The obtained kneaded material was pulverized by a disk mill. Table 1 shows the measurement results of the viscosity of the pulverized product, the dimensional accuracy of the molded product, and the specific resistance. In Table 1, all the blending ratios of the respective components were also expressed in parts by mass with respect to other examples and comparative examples other than Example 1.
This pulverized product was put into a mold, molded for 3 minutes under conditions of a temperature of 175 ° C. and a pressure of 300 kg / cm 2 , and demolded. The physical properties of the obtained molded body were measured.
(実施例2〜5)
実施例1と同様にして、粉砕物および成形体を製造し、それぞれ物性を測定した。配合割合および測定結果を表1に示す。
(Examples 2 to 5)
In the same manner as in Example 1, a pulverized product and a molded product were produced, and their physical properties were measured. The blending ratio and measurement results are shown in Table 1.
(比較例1〜3)
実施例1と同様にして、粉砕物および成形体を製造し、それぞれ物性を測定した。配合割合および測定結果を表1に示す。
(Comparative Examples 1-3)
In the same manner as in Example 1, a pulverized product and a molded product were produced, and their physical properties were measured. The blending ratio and measurement results are shown in Table 1.
表1の測定結果によって、本発明の燃料電池セパレータ用組成物および該セパレータの製造方法の優れた特性を確認した。
Based on the measurement results in Table 1, the excellent characteristics of the composition for a fuel cell separator of the present invention and the method for producing the separator were confirmed.
Claims (6)
(但し、Gはグルシジル基を示し、Rは1価の基を示し、nは0〜4の整数を示し、XはSまたはOを示す) The thermosetting resin and / or the thermosetting resin composition is a crystalline epoxy represented by the following general formula (1), having a viscosity of 1 to 20 mPa · s at 150 ° C., a melting point of 50 to 130 ° C., and a solid at room temperature. 2. The fuel cell separator composition according to claim 1, comprising a resin.
(However, G represents a glycidyl group, R represents a monovalent group, n represents an integer of 0 to 4, and X represents S or O)
A method for producing a fuel cell separator, comprising kneading the composition for a fuel cell separator according to claim 1 and then molding the pulverized product obtained by pulverization at 150 to 200 ° C.
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