JP2006059567A

JP2006059567A - 燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2006059567A
Application number: JP2004237453A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nogami; 隆野上; Hiroshi Hasebe; 浩長谷部; Hiroshi Obara; 広小原; Toshihide Sakuta; 俊秀作田
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】厚さ方向の導電性と機械的特性の両立を図ることのできる燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータの成形材料を少なくともラジカル硬化型で粉末のフェノール樹脂と多数の導電フィラーとするとともに、フェノール樹脂の粘度を０．１〜１０Ｐａ・ｓとする。ラジカル硬化型フェノール樹脂の粘度を８０〜１００℃の温度で０．１〜１０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．５〜５Ｐａ・ｓの範囲に設定するので、厚さ方向の抵抗値を従来の５０Ω・ｃｍから１５〜３０Ω・ｃｍと低くし、導電性を十分に確保することができる。したがって、成形材料中の黒鉛の配合量を増加したり、黒鉛を大きくする必要が全くなく、これを通じて曲げ強度の低下や歪み量の縮小を有効に抑制防止することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池を構成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。

従来の燃料電池用セパレータは、図示しないが、所定の成形材料を使用して略板体にプレス成形され、この板体の表裏両面に、流路を形成する複数の凹凸部がそれぞれ配列されており、複数枚が積層されることにより燃料電池を構成する（特許文献１、２参照）。所定の成形材料は、例えばレゾール型やノボラック型のフェノール樹脂と黒鉛とが混合されることにより調製される。
特開平１０‐３３４９２７号公報特開２００３‐２８２０２６号公報

従来の燃料電池用セパレータは、以上のように構成され、厚さ方向の抵抗値が高く、導電性を十分に確保することができないという問題がある。
この問題を解消する方法としては、成形材料中の黒鉛の配合量を増加したり、黒鉛を大きくする方法が提案されているが、これらの方法では、厚さ方向の導電性をある程度確保することができるものの、曲げ強度が低下したり、歪み量が小さくなる等、機械的特性が低下するという大きな問題が新たに生じることとなる。

本発明は上記に鑑みなされたもので、厚さ方向の導電性と機械的特性の両立を図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。

本発明においては上記課題を解決するため、成形材料を用いて成形され、表裏面に凹凸部がそれぞれ配列されるものであって、
成形材料を少なくともラジカル硬化型のフェノール樹脂と導電フィラーとにより調製するとともに、８０〜１００℃におけるフェノール樹脂の粘度を０．１〜１０Ｐａ・ｓとしたことを特徴としている。
なお、フェノール樹脂は、１００〜２００℃の温度により硬化する硬化成分を含有してなることが好ましい。

ここで、特許請求の範囲における成形材料は、少なくともラジカル硬化型のフェノール樹脂と導電フィラーとからなれば良く、フッ素化合物、カップリング剤、改質剤、充填剤等を適宜加えることができる。ラジカル硬化型のフェノール樹脂と導電フィラーとは、混練しても良いし、混合しても良い。

本発明によれば、ラジカル硬化型フェノール樹脂を用いることにより、縮合水の生成がなく、細かいボイドの発生を抑えることができる。また、ラジカル硬化型フェノール樹脂の粘度を８０〜１００℃の温度で０．１〜１０Ｐａ・ｓの範囲とするので、導電性と機械的特性の両立を図ることができるという効果がある。

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、成形材料を使用して薄い板体１にプレス成形され、この板体１の表裏両面には、流路となる複数の凹凸部２がそれぞれ交互に配列されており、成形材料が少なくとも水との接触角調整の容易化、耐水性、寸法安定性、機械的強度に優れるラジカル硬化型で粉末のフェノール樹脂と多数の導電フィラーとされるとともに、８０〜１００℃におけるフェノール樹脂の粘度が０．１〜１０Ｐａ・ｓとされている。

成形材料は、少なくともフェノール樹脂と多数の導電フィラーとから調製され、これらがミキサー等により混合して使用される。この成形材料には、そ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、シリカ、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、活性炭、木炭、ガラス繊維、アラミド繊維等が適宜添加される。

フェノール樹脂と多数の導電フィラーの配合は、樹脂１００質量部に対して導電フィラー１００〜２，０００質量部、好ましくは樹脂１００質量部に対して導電フィラー２００〜１，５００質量部、より好ましくは樹脂１００質量部に対して導電フィラー３００〜１，０００質量部が良い。これは、樹脂１００質量部に対して導電フィラー１００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すからである。逆に、導電フィラー２，０００質量部を越える場合には、燃料電池用セパレータの気密性（ガス透過率）や機械的特性に難が生じるからである。

フェノール樹脂は、８０〜１００℃の温度で０．１〜１０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．５〜５Ｐａ・ｓの粘度に設定され、１００〜２００℃の温度により硬化する硬化成分が含有される。

フェノール樹脂の粒子は、分散させる関係上、細かいほうが好ましい。具体的には、平均粒径１〜３５μｍ、好ましくは３〜２０μｍの範囲にあるのが良い。また、フェノール樹脂の平均分子量は、３，０００〜２０，０００、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。これは、フェノール樹脂の平均分子量が３，０００未満の場合には、導電フィラーの高充填が困難化するとともに、溶融温度の低下に伴い導電フィラーの表面被覆が大きくなり、しかも、燃料電池用セパレータの電気的特性が低下するという理由に基づく。

導電フィラーは、例えば黒鉛、金属繊維、カーボン繊維等からなり、その大部分が相互に点接触して厚さ方向に導電路を形成する。この導電フィラーとしては、水との接触角を容易に調整したり、相互に接触して抵抗値を低下させたり、機械的強度の低下を防止する観点から鱗片状の黒鉛を使用することが好ましい。これは、例えば球状の黒鉛を使用すれば、黒鉛同士を接触させるために配合量を増やさなければならず、成形品である燃料電池用セパレータの物性が低下するという理由に基づく。

導電フィラーは、ＸＹＺ表示法により表示可能な鱗片状に形成され、ＸＹのアスペクト比が好ましくは２〜１００、さらに好ましくは１０〜５０の範囲に設定されており、ＸＹにより表示されるＸＹ面が凹凸部２の配列方向と交わる方向に指向する。アスペクト比が係る範囲なのは、アスペクト比が２未満の場合には、十分な配向効果を得にくいからである。逆に、アスペクト比が１００を越える場合には、フェノール樹脂との十分な配合を得にくいからである。

導電フィラーである鱗片状の黒鉛の大きさは、平均粒径５〜１５０μｍ、好ましくは１０〜１００μｍの範囲が良い。これは、平均粒径５μｍ未満の場合、フェノール樹脂との配合時に舞い上がり、作業環境が悪化したり、電気的特性が低下するからである。逆に、平均粒径１５０μｍを越える場合、燃料電池用セパレータの機械的特性が低下するからである。

鱗片状の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、０．１〜１．０ｇ／ｃｍ³の範囲が好適である。これは、黒鉛の嵩密度が小さすぎる場合、燃料電池用セパレータのシール特性が低下するという理由に基づく。逆に、黒鉛の嵩密度が大きすぎる場合、燃料電池用セパレータの機械的強度や導電性が低下するという理由に基づく。

燃料電池用セパレータは、図１に示すように、その露出面である表裏両面に、ガスや冷却水の流路となる凹凸部２がそれぞれ配列され、１．９ｇ／ｃｍ³以上の密度（比重）に設定されており、複数枚が電解質膜、燃料極、空気極等を介し重ねて積層されることにより燃料電池を形成する。

燃料電池用セパレータの密度は、フェノール樹脂と導電フィラー（黒鉛）との配合比にもよるが、概ね１．９ｇ／ｃｍ³以上、好ましくは１．９５ｇ／ｃｍ³以上に設定される。これは、密度が１．９ｇ／ｃｍ³以上であれば、十分なガス不透過性や撥水効果を得ることができるからである。

上記において、燃料電池用セパレータを製造する場合には、先ず、少なくともフェノール樹脂と多数の導電フィラーとを混練することなく混合して成形材料を調製し、この成形材料を予備成形型に充填して中間体を圧縮成形する。この際、フェノール樹脂が流動して導電フィラー間の空隙を埋め、鱗片状の黒鉛からなる大部分の導電フィラーが圧縮成形時の圧縮に伴い、圧縮方向と直交する方向、すなわち圧縮面と略平行に配向される。

こうして中間体を圧縮成形したら、この中間体を純水により水洗いし、この中間体を本成形金型にセットして加熱プレス成形するとともに、中間体にせん断力を作用させて大部分の導電フィラーを厚さ方向に配向し、その後、燃料電池用セパレータの表裏両面に凹凸部２をそれぞれ配列して純水により水洗いすれば、燃料電池用セパレータを製造することができる。

上記構成によれば、ラジカル硬化型フェノール樹脂を用いるので、通常のフェノール樹脂が硬化する際に生じるアンモニアガスや水の発生がないことから、微小なボイドの発生をきわめて有効に抑えることができる。また、ラジカル硬化型フェノール樹脂の粘度を８０〜１００℃の温度で０．１〜１０Ｐａ・ｓ、好ましくは０．５〜５Ｐａ・ｓの範囲に設定するので、厚さ方向の抵抗値を従来の５０Ω・ｃｍから１５〜３０Ω・ｃｍと低くし、導電性を十分に確保することができる。したがって、成形材料中の黒鉛の配合量を増加したり、黒鉛を大きくする必要が全くなく、これを通じて曲げ強度の低下や歪み量の縮小を有効に抑制防止することができる。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例について説明する。
先ず、ラジカル硬化型のフェノール樹脂として、フェノールノボラックレジンのフェノール性−ＯＨをグリシジルアクリレートで変性したＦＣＮ−００１〔昭和高分子社製商品名〕を用意し、このラジカル硬化型のフェノール樹脂１００質量部に対し、導電フィラーである黒鉛粉末５００質量部を加えて室温で混合した。ＦＣＮ−００１の８０℃における溶融温度は１Ｐａ・ｓであり、黒鉛粉末として、平均粒径１５μｍ、平均アスペクト比２０のＲＳＡ−１５〔中越黒鉛社製商品名〕を使用した。

次いで、ラジカル硬化型のフェノール樹脂と黒鉛粉末の混合物に１分半減期１７９．８℃の有機化合物であるパーヘキサ２５Ｂ〔日本油脂製商品名〕を５質量部添加してさらに混合し、粉体状の成形用組成物を得た。

次いで、上記成形用組成物を５０℃、５ＭＰａの条件で板体に予備プレス成形し、この板体を上下に凹凸の溝を複数備えた金型にセットし、１８０℃、５ＭＰａの条件で３分間保持し、そのまま２００℃に昇温して３０分間保持、加圧したまま５０℃まで冷却し、その後、金型から本成形した燃料電池用セパレータを取り出した。
燃料電池用セパレータについて、厚さ方向の体積抵抗率を測定したところ２３．１Ω・ｃｍであり、曲げ破断強度は４９ＭＰａであった。このことから十分良好な特性を有する燃料電池用セパレータを製造できるのを確認した。

本発明に係る燃料電池用セパレータの実施形態を示す斜視説明図である。

符号の説明

１板体
２凹凸部

Claims

成形材料を用いて成形され、表裏面に凹凸部がそれぞれ配列される燃料電池用セパレータであって、
成形材料を少なくともラジカル硬化型のフェノール樹脂と導電フィラーとにより調製するとともに、８０〜１００℃におけるフェノール樹脂の粘度を０．１〜１０Ｐａ・ｓとしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
フェノール樹脂は、１００〜２００℃の温度により硬化する硬化成分を含有してなる請求項１記載の燃料電池用セパレータ。