JP2006331673A - 燃料電池セパレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 熱硬化性樹脂、平均粒径20〜80μmの黒鉛材料および内部離型剤を含む組成物からなる成形体を粗面化処理し、さらに大気圧プラズマ処理してなり、少なくともガス流路面が、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜である燃料電池セパレータ。
【選択図】 なし
Description
燃料電池の発電時にガス同士の反応により生じる水は、電池特性に大きな影響を与えることが知られており、発電時に発生した水を速やかに排出できることが、セパレータに求められる特性の中で最も重要となる。この排水性能は、セパレータの親水性に依存するものであるため、これを向上させる必要がある。
(2)の方法では、セパレータ表面上のシートが剥離したり、流路面でしわになったりする結果、親水性および排水性が低下してしまうことがあった。
(3)の方法では、親水性を向上させる目的で無機繊維や有機繊維などの混入量を多くすると、導電性が低下してしまうという新たな問題を招来していた。
(4)の方法では、セパレータ中に残存した酸性溶液が、燃料電池運転中に溶出したり、セパレータに含まれる樹脂を分解したりするという問題があった。
(5)の方法では、親水化処理表面の耐久性に乏しく、親水性および排水性が経時的に著しく低下するという問題があった。
1. 熱硬化性樹脂、平均粒径20〜80μmの黒鉛材料および内部離型剤を含む組成物からなる成形体を粗面化処理し、さらに大気圧プラズマ処理してなり、少なくともガス流路面が、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜であることを特徴とする燃料電池セパレータ、
2. 前記ガス流路面のみが、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜であることを特徴とする1の燃料電池セパレータ、
3. 濡れ張力が、60mN/m以上であることを特徴とする1または2の燃料電池セパレータ、
4. 接触抵抗が、3.5〜7mΩ・cm2であることを特徴とする1〜3のいずれかの燃料電池セパレータ、
5. 前記粗面化処理が、#150〜#320のアルミナ研創材を用いたブラスト処理であることを特徴とする1〜4のいずれかの燃料電池セパレータ、
6. 大気圧下、相対湿度40%、温度25℃の条件で1ヶ月保存後の静的接触角が、20〜70゜であることを特徴とする1〜5のいずれかの燃料電池セパレータ、
7. 大気圧下、相対湿度40%、温度25℃の条件で1ヶ月保存後の濡れ張力が、60mN/m以上であることを特徴とする1〜6のいずれかの燃料電池セパレータ、
8. 前記黒鉛材料100質量部に対し、前記熱硬化性樹脂が10〜30質量部および前記内部離型剤が0.1〜1.5質量部含まれることを特徴とする1〜7のいずれかの燃料電池セパレータ
を提供する。
本発明に係る燃料電池セパレータは、熱硬化性樹脂、平均粒径20〜80μmの黒鉛材料および内部離型剤を含む組成物からなる成形体を粗面化処理し、さらに大気圧プラズマ処理してなり、少なくともガス流路面が、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜であることを特徴とする。
本発明において、熱硬化性樹脂としては、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種熱硬化性樹脂が挙げられる。例えば、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ベンゾキサジン樹脂等が挙げられ、これらは1種単独で、または2種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐熱性および機械的強度に優れていることから、ベンゾキサジン樹脂、エポキシ樹脂、レゾール型フェノール樹脂が好適に用いられる。
平均粒径が20μm未満であると、熱硬化性樹脂が黒鉛の表面を覆い易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。このため、セパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。一方、平均粒径が80μmを超えると、黒鉛粒子間の空隙に熱硬化性樹脂が侵入し易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。その結果、この場合もセパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。
すなわち、黒鉛材料の平均粒径が本発明で規定した範囲外にあるものは、黒鉛粒子表面または粒子同士の間隙に熱硬化性樹脂層が発生し易くなり、いずれにしてもセパレータ自体の導電性の悪化を招来する可能性が高い。
燃料電池セパレータの親水性向上および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、黒鉛粉末としては、平均粒径30〜70μm、かつ、粒径5μm以下が5%以下、粒径100μm以上が3%以下のものがより好ましく、平均粒径40〜60μm、かつ、粒径5μm以下が5%以下、粒径100μm以上が1%以下のものが最適である。
なお、平均粒径は、粒度測定装置(Microtrak社製)による測定値である。
セパレータ成形用組成物中における内部離型剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、黒鉛粉末100質量部に対して0.1〜1.5質量部、特に0.3〜1.0質量部であることが好ましい。内部離型剤の含有量が1.5質量部を超えると、セパレータ表面に内部離型剤がしみ出してくるなどの問題が生じる虞がある。
ここで、平均粗さRaが1.0μm未満、Sm値が100μm未満の場合、水の表面張力が保持されるためセパレータ表面に形成された流路内で水が凝集し易いのみならず、セパレータの表層において黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在するため電極と黒鉛との接触面積が小さくなる結果、接触抵抗が高くなる可能性が高い。一方、平均粗さRaが5.0μm超、Sm値が200μm超であると、親水性は向上するものの、セパレータ表面から黒鉛が脱落し易くなる。その結果、この場合も電極とセパレータとの接触面積が小さくなって接触抵抗が高くなる可能性が高い。
燃料電池セパレータの親水性向上および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、平均粗さRaは1.5〜5.0μmが、Sm値は120〜200μmがより好ましく、Ra3.5〜4.0μm、Sm値170〜200μmがより一層好ましい。
ここで、WAの粒度が、#150未満では、平均粗さRaを1.0μm以上に処理し難いため、表層に樹脂が残り易く、#320を超えると、研創材の粒度が粗すぎるため、表面処理自体にムラが生じ易くなる結果、表層に樹脂が残り易くなる。
燃料電池セパレータの表層に存在する樹脂をより一層効率良く除去するためには、#180〜#280の粒度のWAを用いることがより好ましく、#220〜#240の粒度のWAを用いることがより一層好ましい。
ここで接触角が、20゜未満であると、プラズマ処理における電極移動速度を遅くする必要があり、生産効率が低下してコスト高となる虞があり、一方、70゜を超えると、濡れ性が不足するため、燃料電池の運転中に生成した水がセパレータから排水されない可能性が生じる。
大気圧プラズマ処理の手法としては、特に限定されるものではなく、大気圧下での酸素ガスプラズマ処理、窒素ガスプラズマ処理などの公知の大気圧プラズマ処理を適宜採用することができる。本発明では、特に、常圧プラズマ表面処理装置(AP−T02−S、積水化学工業(株)製)による酸素ガスプラズマ処理、窒素ガスプラズマ処理を採用することが好適である。
また、本発明の燃料電池セパレータは、接触抵抗が、3.5〜7mΩ・cm2であることが好ましく、5〜7mΩ・cm2であることがより好ましい。
接触抵抗が、7mΩ・cm2を超えると、導電性が不足して発電性を低下させる可能性がある。
すなわち、これら2つの表面処理を併用してなる本発明の燃料電池セパレータは、大気圧下、相対湿度40%、温度25℃の条件で1ヶ月保存後の静的接触角が20〜70゜、濡れ張力が60mN/m以上を維持することが可能となる。
ガス流路面にのみ表面処理を施す場合、表面処理の不要な部位はマスキングしておくことになる。この際、マスキング材およびマスキング法は公知の材料および方法から適宜選択すればよい。
例えば、組成物の調製は、上述の熱硬化性樹脂、黒鉛材料および内部離型剤のそれぞれを任意の順序で所定割合混合して調製すればよい。混合に用いられる混合機としては、例えば、プラネタリーミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等が挙げられる。セパレータの成形方法としても、特に限定されるものではなく、射出成形、トランスファ成形、圧縮成形、押出成形、シート成形等を採用することができる。
一般的に固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、これらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部または全部として本発明の燃料電池セパレータを用いることができる。
表1に示す各種平均粒径を有する人造黒鉛粉末(SGP、(株)エスイーシー製、針状コークスを焼成してなるもの)100質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂(PL4804、群栄化学工業(株)製)24質量部、および内部離型剤であるカルナバワックス(カルナバワックスF2、大日化学工業(株)製)0.3質量部を、ヘンシェルミキサ内に投入し、1500rpmで3分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物を、300mm×300mmの金型に投入し、金型温度180℃、成形圧力29.4MPa、成形時間2分間にて圧縮成形し、成形体を得た。得られた成形体の全表面に対し、実施例1〜9および比較例1〜6,8では下記に示す粗面化処理および酸素ガスプラズマ処理を施し、実施例10〜13では粗面化処理および窒素ガスプラズマ処理を施し、比較例7では酸素ガスプラズマ処理のみを施し、比較例9では、粗面化処理のみを施し、表1に示される表面特性を有する各燃料電池セパレータサンプルを得た。
表1に記載の粒度を有するWA(アルミナ研創材、ホワイトモランダム WA F220、昭和電工(株)製)を用い、ノズル圧0.25MPaの条件下、ショットブラスト(装置名:AMC127、(株)ニッチュー製)により、セパレータの搬送速度0.5m/分にて成形体に表面処理を施した。
<酸素ガスプラズマ処理方法>
常圧プラズマ表面処理装置(AP−T02−S、積水化学工業(株)製)により、酸素ガス流量20リットル/分、電極移動速度0.2m/分の条件で表面処理を施した。
<窒素ガスプラズマ処理方法>
常圧プラズマ表面処理装置(AP−T02−S、積水化学工業(株)製)により、窒素ガス流量20リットル/分、電極移動速度0.2m/分の条件で表面処理を施した。
[1]平均粗さRaおよびSm値
プローブ先端径5μmの表面粗さ計(サーフコム1800D、東京精密(株)製)を用い、JIS B0601 1994に準拠した方法により測定した。
[2]接触抵抗
(1)カーボンペーパー+セパレータサンプル
上記で得られた各セパレータサンプルを2枚重ね合わせ、その上下にカーボンペーパー(TGP−H060、東レ(株)製)を配置し、さらにその上下に銅電極を配置し、上下方向に1MPaの面圧をかけ、4端子法により電圧を測定した。
(2)カーボンペーパー
カーボンペーパーの上下に銅電極を配置し、上下方向に1MPaの面圧をかけ、4端子法により電圧を測定した。
(3)接触抵抗算出方法
上記(1),(2)で求めた各電圧値よりセパレータサンプルとカーボンペーパーとの電圧降下を求め、下記式により接触抵抗を算出した。
接触抵抗=(電圧降下×接触面積)/電流
[3]接触角
接触角計(CA−DT A型、協和界面科学(株)製)を用い、製造直後、および製造後大気中、相対湿度40%、温度25℃で1ヶ月保存後の接触角を測定した。
[4]濡れ張力
JIS K6768プラスチック−フィルムおよびぬれ張力試験方法に基づいて、製造直後、および製造後大気中、相対湿度40%、温度25℃で1ヶ月保存後の接触角を測定した。
また、粗面化処理を施していない比較例7と比べると、1ヶ月後も接触角が低く保たれ、濡れ張力が高く保たれている。さらに、大気圧プラズマ処理を施していない比較例9と比べ、接触角が低減化されていることがわかる。
Claims (8)
- 熱硬化性樹脂、平均粒径20〜80μmの黒鉛材料および内部離型剤を含む組成物からなる成形体を粗面化処理し、さらに大気圧プラズマ処理してなり、
少なくともガス流路面が、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜であることを特徴とする燃料電池セパレータ。 - 前記ガス流路面のみが、平均粗さRa1.0〜5.0μm、Sm値100〜200μm、静的接触角20〜70゜であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池セパレータ。
- 濡れ張力が、60mN/m以上であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池セパレータ。
- 接触抵抗が、3.5〜7mΩ・cm2であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
- 前記粗面化処理が、#150〜#320のアルミナ研創材を用いたショットブラスト処理であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
- 大気圧下、相対湿度40%、温度25℃の条件で1ヶ月保存後の静的接触角が、20〜70゜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
- 大気圧下、相対湿度40%、温度25℃の条件で1ヶ月保存後の濡れ張力が、60mN/m以上であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
- 前記黒鉛材料100質量部に対し、前記熱硬化性樹脂が10〜30質量部および前記内部離型剤が0.1〜1.5質量部含まれることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
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