JP2007128803A - Separator and manufacturing method therefor, as well as fuel cell using separator - Google Patents

Separator and manufacturing method therefor, as well as fuel cell using separator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell separator which can contribute to suppressing destruction of natural environment by reducing wastes, even though it may be small, by utilizing biodegradable plastics for fuel cell separators, when fuel cells are unfortunately illegally dumped, provide its manufacturing method, and to provide the fuel cell that uses the separator. <P>SOLUTION: By means that the wastes are reduced by utilizing the biodegradable plastics for the separators, when the fuel cells are illegally dumped, this separator can contribute to suppressing destruction of the natural environment. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、生分解性プラスチックと導電ピンからなるセパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a separator comprising a biodegradable plastic and a conductive pin, a method for producing the separator, and a fuel cell using the separator.

燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源など様々な用途に利用され、その使用量は増加してきている。 Fuel cells are used in various applications such as electric vehicle power supplies and mobile phone power supplies, and their usage is increasing.

燃料電池は、電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、その触媒層の電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられたMEA(固体高分子電解質膜電極接合体)を、セパレータを介して複数積層して構成されている。 A fuel cell has an MEA (solid polymer electrolyte membrane electrode assembly) in which a catalyst layer is provided on the front and back surfaces of an electrolyte membrane, and a gas diffusion material is provided on the surface opposite to the electrolyte membrane of the catalyst membrane, and a separator. A plurality of layers are stacked.

燃料電池のセパレータとしては、導電性カーボン材料を成型したものか、金属を成型したものが採用されている。(特許文献1参照) As the separator of the fuel cell, a molded one of a conductive carbon material or a molded metal is used. (See Patent Document 1)

特開2003−249237JP 2003-249237 A

しかし、こうしたセパレータは、燃料電池使用後にも永久に残存してしまい、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合には、自然環境の破壊につながる。 However, such separators remain permanently after using the fuel cell, and if the fuel cell is unfortunately dumped illegally, the natural environment is destroyed.

本発明の課題は、燃料電池セパレータに生分解性プラスチックを利用することで、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合に際して、例え少しであっても廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる燃料電池セパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池を提供するものである。 The object of the present invention is to use biodegradable plastic for the fuel cell separator, so that when the fuel cell is unfortunately dumped illegally, even if it is a little, the waste is reduced and the destruction of the natural environment is suppressed. The present invention provides a fuel cell separator and a method for manufacturing the same, and a fuel cell using the separator.

請求項1に記載の発明は、導電性ピンにより、反応ガス流通用チャネルが形成された面と、該面と対向する面を導通していることを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータである。
セパレータに生分解性プラスチックを利用することにより、燃料電池が不法投棄された場合、廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる。
The invention according to claim 1 is a biodegradable plastic separator characterized in that the surface on which the reaction gas flow channel is formed is electrically connected to the surface opposite to the surface by the conductive pin. .
By using biodegradable plastic for the separator, when the fuel cell is illegally dumped, it can contribute to reducing waste and suppressing destruction of the natural environment.

請求項2に記載の発明は、前記導電性ピンが、炭素、金、銀、銅、鉄からなることを特徴とする請求項1に記載の生分解性プラスチック製セパレータである。
生分解性プラスチックには導電性が無いので、炭素、金、銀、銅、鉄の導電性ピンを用いることにより、セパレータの反応ガス流通用チャネルが形成された面と、反応ガス流通用チャネルが形成された面と対向する面を導通する。
The invention according to claim 2 is the biodegradable plastic separator according to claim 1, wherein the conductive pin is made of carbon, gold, silver, copper, or iron.
Since biodegradable plastics are not electrically conductive, the use of carbon, gold, silver, copper, and iron conductive pins makes it possible to provide a surface on which the reaction gas flow channel of the separator is formed, and the reaction gas flow channel. Conduction is conducted between the surface opposite to the formed surface.

請求項3に記載の発明は、前記生分解性プラスチックが、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の生分解性プラスチック製セパレータである。
PAFC(リン酸型)燃料電池の動作温度は約90℃、PEFC(固体高分子型)燃料電池の動作温度は約120℃である。
一般的に使用されているポリ乳酸樹脂からなる生分解性プラスチックの耐熱性は約60℃であるが、ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチックの耐熱性は約140℃である。
ポリ乳酸樹脂に、層状ケイ酸塩を添加したことにより、耐熱性および機械的強度を付与することができる。
セパレータが、燃料電池の動作温度に耐久できるように、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチックを用いる。
The invention according to claim 3 is the biodegradable plastic separator according to claim 1 or 2, wherein the biodegradable plastic is made of polylactic acid resin and layered silicate.
The operating temperature of the PAFC (phosphoric acid type) fuel cell is about 90 ° C., and the operating temperature of the PEFC (solid polymer type) fuel cell is about 120 ° C.
The heat resistance of a biodegradable plastic made of polylactic acid resin that is generally used is about 60 ° C., whereas the heat resistance of a biodegradable plastic made of polylactic acid resin and layered silicate is about 140 ° C. .
Heat resistance and mechanical strength can be imparted by adding layered silicate to the polylactic acid resin.
A biodegradable plastic made of polylactic acid resin and layered silicate is used so that the separator can withstand the operating temperature of the fuel cell.

請求項4に記載の発明は、射出成形金型に導電性ピンを配置し、生分解性プラスチックを射出して一体成形することを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータの製造方法である。
生分解性プラスチックに錐で孔を開け、その孔に導電性ピンを挿入する製造方法では、生分解性プラスチックと導電性ピンの間に隙間ができ、その隙間を通り、反応ガスが電極へと流れ込んで電極の酸化を引き起こし、ひいては、燃料電池が発電できなくなってしまう。
これに対処するために、射出成形金型に導電性ピンを配置し、しかる後に生分解性プラスチックを射出して一体成形してセパレータを製造する。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a biodegradable plastic separator, wherein a conductive pin is disposed in an injection mold and the biodegradable plastic is injected and integrally molded.
In a manufacturing method in which a hole is drilled in a biodegradable plastic and a conductive pin is inserted into the hole, a gap is formed between the biodegradable plastic and the conductive pin, and the reaction gas passes to the electrode through the gap. It flows in and causes oxidation of the electrode, and as a result, the fuel cell cannot generate electricity.
In order to cope with this, a conductive pin is arranged in an injection mold, and then a biodegradable plastic is injected and integrally molded to manufacture a separator.

請求項5に記載の発明は、固体高分子電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、セパレータとして、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の生分解性プラスチック製セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池である。 In the invention according to claim 5, a catalyst layer is provided on the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion material is provided on the surface of the catalyst layer opposite to the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion is provided. A fuel cell using the biodegradable plastic separator according to any one of claims 1 to 3 as a separator on a surface of the material opposite to the catalyst layer.

請求項6に記載の発明は、前記固体高分子電解質膜がスルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。 The invention according to claim 6 is the fuel cell according to claim 5, wherein the solid polymer electrolyte membrane is a sulfone group-containing perfluorocarbon or a carboxyl group-containing perfluorocarbon.

請求項7に記載の発明は、前記触媒層が、プロトン伝導性物質、電子伝導性物質、および、触媒からなることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 7 is the fuel cell according to claim 5 or 6, wherein the catalyst layer is made of a proton conductive material, an electron conductive material, and a catalyst.

請求項8に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 8 is characterized in that the proton conductive material is perfluorocarbon sulfonic acid, polyether sulfone, sulfonated polyether ether ketone, or sulfonated polyimide. It is a fuel cell.

請求項9に記載の発明は、前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 9 is the fuel cell according to claim 7 or claim 8, wherein the electron conductive material is silicon dioxide or carbon.

請求項10に記載の発明は、前記触媒が、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムから選ばれた1種または2種以上の金属からなることを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 10 is characterized in that the catalyst is made of one or more metals selected from gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium and iridium. 10. The fuel cell according to any one of items 9.

請求項11に記載の発明は、前記触媒の平均粒径が1nm以上5nm以下であることを特徴とする請求項7乃至請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池である。
触媒となる金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムの最小粒径自体が1nm以上であり、触媒の平均粒径が5nmを超える時は、触媒の単位重量当たりの表面積が非常に小さく、触媒活性も小さく、燃料電池の出力特性が悪い。
The invention according to claim 11 is the fuel cell according to any one of claims 7 to 10, wherein an average particle diameter of the catalyst is 1 nm or more and 5 nm or less.
When the minimum particle size of gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, and iridium serving as a catalyst is 1 nm or more and the average particle size of the catalyst exceeds 5 nm, the surface area per unit weight of the catalyst is very small. The activity is also small, and the output characteristics of the fuel cell are poor.

請求項12に記載の発明は、前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が1%〜80%であることを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の燃料電池である。
触媒の担持率が1%未満では燃料電池の出力特性が悪く、触媒の担持率が80%を超える範囲では電池の出力は変わらず、触媒の無駄使いとなる。
The invention according to claim 12 is the fuel cell according to any one of claims 7 to 11, wherein a supporting rate of the catalyst of the electron conductive material is 1% to 80%. It is.
When the catalyst loading is less than 1%, the output characteristics of the fuel cell are poor, and when the catalyst loading exceeds 80%, the battery output does not change and the catalyst is wasted.

請求項13に記載の発明は、前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項5から請求項12のいずれか1項に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 13 is the fuel cell according to any one of claims 5 to 12, wherein the gas diffusion material is a conductive porous substrate.

請求項14に記載の発明は、前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 14 is the fuel cell according to claim 13, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth.

本発明では、燃料電池セパレータに生分解性プラスチックを利用することで、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合に際して、例え少しであっても廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる燃料電池セパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池を提供することができる。 In the present invention, by using a biodegradable plastic for the fuel cell separator, when the fuel cell is unfortunately dumped illegally, even if it is a little, the waste is reduced and the destruction of the natural environment is suppressed. It is possible to provide a fuel cell separator that can contribute, a manufacturing method thereof, and a fuel cell using the separator.

本発明の燃料電池の形成方法の例を、図1を基にして説明する。 An example of a method for forming a fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG.

まず、ガス拡散材1またはガス拡散材5上に触媒層2または触媒層4を形成する。(図1(a)) First, the catalyst layer 2 or the catalyst layer 4 is formed on the gas diffusion material 1 or the gas diffusion material 5. (Fig. 1 (a))

ガス拡散材1またはガス拡散材5の材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。 As a material of the gas diffusion material 1 or the gas diffusion material 5, carbon paper or carbon cloth can be used.

触媒層2および触媒層4の材料としては、プロトン伝導性物質であるパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド等、および、電子伝導性物質である二酸化珪素、炭素等、および、触媒である金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムを用いることができる。 Examples of the material of the catalyst layer 2 and the catalyst layer 4 include perfluorocarbon sulfonic acid, polyether sulfone, sulfonated polyether ether ketone, sulfonated polyimide, etc., which are proton conductive materials, and silicon dioxide, which is an electron conductive material, Carbon and the like, and catalysts such as gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium and iridium can be used.

触媒層2および触媒層4の製造方法としては、触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を、IPAやNPA等のアルコール、および、水に溶解して触媒インクを生成した後、触媒インクをガス拡散材1または5上に、バーコート、スプレー、または、スクリーン印刷する方法を用いることができる。 The catalyst layer 2 and the catalyst layer 4 are produced by dissolving a catalyst-supported electron conductive material and proton conductive material in alcohol such as IPA and NPA and water to produce a catalyst ink, A method of bar coating, spraying, or screen printing on the gas diffusion material 1 or 5 can be used.

触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質は、重量比で1:1〜50:1の範囲にすることが好ましい。 The weight ratio of the electron conductive material carrying the catalyst and the proton conductive material is preferably in the range of 1: 1 to 50: 1.

次に、触媒層2および触媒層4を向かい合わせにして、固体高分子電解質膜3を挟み込み、固体高分子電解質膜電極接合体6(以下MEAと記述する)を作製する。(図1(c)) Next, with the catalyst layer 2 and the catalyst layer 4 facing each other, the solid polymer electrolyte membrane 3 is sandwiched to produce a solid polymer electrolyte membrane electrode assembly 6 (hereinafter referred to as MEA). (Fig. 1 (c))

固体高分子電解質膜3の材料としては、スルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンを用いることができる。 As a material for the solid polymer electrolyte membrane 3, a sulfone group-containing perfluorocarbon or a carboxyl group-containing perfluorocarbon can be used.

MEA6の製造方法としては、触媒層4(燃料極側)と触媒層2(空気極側)を向かい合わせにして固体高分子電解質膜3を挟み、熱圧着する方法を用いることができる。
加熱温度としては、触媒層2、触媒層4および固体高分子電解質膜3の樹脂の軟化温度やガラス転位温度を超える温度を用いることができる。
触媒層2、触媒層4および固体高分子電解質膜3の樹脂がパーフルオロカーボンスルホン酸の場合は、温度=100℃〜300℃、圧力=1MPa〜15MPa、時間=5秒〜400秒の熱圧着条件を用いることができる。
As a method for producing the MEA 6, a method in which the solid polymer electrolyte membrane 3 is sandwiched with the catalyst layer 4 (fuel electrode side) and the catalyst layer 2 (air electrode side) facing each other and thermocompression bonded can be used.
As the heating temperature, a temperature exceeding the softening temperature of the resin of the catalyst layer 2, the catalyst layer 4, and the solid polymer electrolyte membrane 3 or the glass transition temperature can be used.
When the resin of catalyst layer 2, catalyst layer 4 and solid polymer electrolyte membrane 3 is perfluorocarbon sulfonic acid, thermocompression bonding conditions of temperature = 100 ° C. to 300 ° C., pressure = 1 MPa to 15 MPa, time = 5 seconds to 400 seconds Can be used.

次に、セパレータ9(燃料極側)およびセパレータ12(空気極側)を成型する。(図2) Next, the separator 9 (fuel electrode side) and the separator 12 (air electrode side) are molded. (Figure 2)

セパレータ9または、セパレータ12の材料としては、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチック7または生分解性プラスチック10、および、炭素、金、銀、銅、鉄からなる導電性ピン8または導電性ピン11を用いることができる。 The material of the separator 9 or the separator 12 includes biodegradable plastic 7 or biodegradable plastic 10 made of polylactic acid resin and layered silicate, and conductive pins 8 made of carbon, gold, silver, copper, and iron. Alternatively, the conductive pin 11 can be used.

セパレータ9(燃料極側)およびセパレータ12(空気極側)の製造方法としては、慣用の成型法、例えば、射出成型、熱プレス成型などを用いることができる。 As a manufacturing method of the separator 9 (fuel electrode side) and the separator 12 (air electrode side), a conventional molding method such as injection molding or hot press molding can be used.

射出成型の場合、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩を溶融混練し、金型内に導電性ピン8または導電性ピン11をセットして、射出成型することによりセパレータ9(燃料極側)およびセパレータ12(空気極側)を製造することができる。 In the case of injection molding, the polylactic acid resin and the layered silicate are melt-kneaded, the conductive pin 8 or the conductive pin 11 is set in the mold, and injection molding is performed, whereby the separator 9 (fuel electrode side) and the separator 12 (air electrode side) can be manufactured.

金型は、セパレータ9(燃料極側)およびセパレータ12(空気極側)の片面にガス流路を形成するための凹凸部を有する金型を用いることができる。 As the mold, a mold having an uneven portion for forming a gas flow path on one side of the separator 9 (fuel electrode side) and the separator 12 (air electrode side) can be used.

ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩の配合は、ポリ乳酸樹脂100質量部に対して、層状ケイ酸塩0.1〜50質量部とするのが好ましい。 The blend of the polylactic acid resin and the layered silicate is preferably 0.1 to 50 parts by mass of the layered silicate with respect to 100 parts by mass of the polylactic acid resin.

ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩の混合物の溶融温度は、170℃〜190℃、滞留時間は、3〜5分を用いることができる。 The melting temperature of the mixture of the polylactic acid resin and the layered silicate can be 170 ° C. to 190 ° C., and the residence time can be 3 to 5 minutes.

次に、セパレータ9(燃料極側)およびセパレータ12(空気極側)のガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、MEA6を挟み込み、電池セルを作製する。(図3(b)) Next, the MEA 6 is sandwiched with the gas flow path forming surfaces of the separator 9 (fuel electrode side) and the separator 12 (air electrode side) facing each other, thereby producing a battery cell. (Fig. 3 (b))

次に、電池セルの両面に集電板(燃料極側)13と集電板(空気極側)14を積層し、燃料電池を得る。(図3(c)) Next, a current collector plate (fuel electrode side) 13 and a current collector plate (air electrode side) 14 are laminated on both surfaces of the battery cell to obtain a fuel cell. (Fig. 3 (c))

固体高分子電解質膜3、セパレータ9(燃料極側)、セパレータ12(空気極側)、集電板(燃料極側)13、および、集電板(空気極側)14の積層方法としては、締結ロッドで固定する方法を用いることができる。 As a lamination method of the solid polymer electrolyte membrane 3, the separator 9 (fuel electrode side), the separator 12 (air electrode side), the current collector plate (fuel electrode side) 13, and the current collector plate (air electrode side) 14, A method of fixing with a fastening rod can be used.

集電板(燃料極側)13、および、集電板(空気極側)14の材料としては、ステンレス、銅を用いることができる。 As materials for the current collector plate (fuel electrode side) 13 and the current collector plate (air electrode side) 14, stainless steel and copper can be used.

まず、以下の組成になるように、平均粒径が3nmの白金を担持した電子伝導性物質(白金:電子伝導性物質=1:1(重量比))、プロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを調整した。
・白金を担持したカーボン(電子伝導性物質) 7.5重量%
・パーフロロカーボンスルホン酸(プロトン伝導性物質) 2.5重量%
・水 30.0重量%
・IPA 30.0重量%
・NPA 30.0重量%
First, an electron conductive material carrying platinum having an average particle diameter of 3 nm (platinum: electron conductive material = 1: 1 (weight ratio)) and a proton conductive material were dissolved in a solvent so as to have the following composition. A catalyst ink was prepared.
-Carbon carrying platinum (electron-conducting substance) 7.5% by weight
・ Perfluorocarbon sulfonic acid (proton conductive material) 2.5% by weight
・ Water 30.0% by weight
・ IPA 30.0% by weight
・ NPA 30.0% by weight

次に、この触媒インクを、バーコーターを使用して、200mm×200mmのサイズに断裁した厚さ190μmのカーボンペーパー上に塗布した。 Next, this catalyst ink was applied onto carbon paper having a thickness of 190 μm cut into a size of 200 mm × 200 mm using a bar coater.

次に、窒素雰囲気中、120℃、1時間の熱処理を施した後、30分間放冷し、燃料電池用触媒電極を作製した。 Next, after heat treatment at 120 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the mixture was allowed to cool for 30 minutes to produce a fuel cell catalyst electrode.

次に、上記の方法で作製した2枚の燃料電池用触媒電極の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ50μmのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、130℃、30分、3MPaの条件で加熱成型しMEAを作製した。 Next, the catalyst layers of the two fuel cell catalyst electrodes produced by the above method are face to face, and a sulfone group-containing perfluorocarbon having a thickness of 50 μm is sandwiched between 130 ° C., 30 minutes, and 3 MPa. MEA was produced by heat molding.

次に、直径0.5mm、高さ6mmの円柱状の導電性ピンを、導電性ピンの高さ方向とセパレータ厚み方向を平行にして、面中央の11cm×11cmの領域に20本の並行した溝(幅:2mm、長さ:10cm、深さ:3mm、溝間隔:2mm)が刻んであるオスメス金型にセットした後、ポリ乳酸樹脂100質量部に対して層状ケイ酸塩25質量部の配合物を溶融温度180℃で滞留時間4分の条件で溶融混練してなる生分解性プラスチックを、130℃、30分、3MPaの条件で金型内に射出し、厚さ3mmのセパレータを作製した。 Next, 20 cylindrical conductive pins having a diameter of 0.5 mm and a height of 6 mm were arranged in parallel in the area of 11 cm × 11 cm in the center of the surface, with the height direction of the conductive pins and the separator thickness direction being parallel. After setting in a male-female mold with grooves (width: 2 mm, length: 10 cm, depth: 3 mm, groove spacing: 2 mm), 25 parts by mass of layered silicate with respect to 100 parts by mass of polylactic acid resin A biodegradable plastic obtained by melting and kneading the compound at a melting temperature of 180 ° C. under a residence time of 4 minutes is injected into a mold under the conditions of 130 ° C., 30 minutes, and 3 MPa to produce a separator having a thickness of 3 mm. did.

最後に、2つのセパレータのガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、MEAを挟み込み、その両側にSUS製の厚さ0.3mmの集電板を配置して、ロッドで締結して、燃料電池を得た。 Finally, the gas flow path forming surfaces of the two separators face each other, the MEA is sandwiched between them, SUS-made current collector plates with a thickness of 0.3 mm are arranged on both sides, and fastened with rods. A battery was obtained.

次に、燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース(ソーラトロン社製SI−1287)、周波数応答アナライザー(ソーラトロン社製SI−1260)、電子負荷器(スクリブナー社製890CL)が用いられている燃料電池測定システムGFT−SG1(株式会社東陽テクニカ製)を用いて、以下のように測定した。 Next, the output of the fuel cell is measured by a fuel cell using an electrochemical interface (Solaron SI-1287), a frequency response analyzer (Solartron SI-1260), and an electronic loader (Scribner 890CL). Using system GFT-SG1 (manufactured by Toyo Corporation), the measurement was performed as follows.

まず、上記の燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、40℃、相対湿度100%の条件にて1時間保管した。
この間、厚さ50μmのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で、燃料電池には1A/cmの直流電流を発電モードで流し続けた。
First, after mounting the fuel cell on a power generation cell made of graphite, it was stored for 1 hour under the conditions of 40 ° C. and relative humidity of 100%.
During this time, a direct current of 1 A / cm 2 was continuously supplied to the fuel cell in the power generation mode in order to sufficiently wet the sulfone group-containing perfluorocarbon membrane having a thickness of 50 μm.

次に、セル温度を80℃、アノード加湿器温度を80℃、カソード加湿器温度を80℃、配管温度を120℃、アノードの水素ガス流量を0.3リットル/分、カソードの酸素ガス流量を1.0リットル/分の条件で燃料電池の出力を測定した。
燃料電池の出力は1.0W/cmであり、良好な発電特性を示した。
Next, the cell temperature is 80 ° C., the anode humidifier temperature is 80 ° C., the cathode humidifier temperature is 80 ° C., the piping temperature is 120 ° C., the anode hydrogen gas flow rate is 0.3 liter / min, and the cathode oxygen gas flow rate is The output of the fuel cell was measured under the condition of 1.0 liter / min.
The output of the fuel cell was 1.0 W / cm 2 , indicating good power generation characteristics.

<比較例>
まず、以下の組成になるように、平均粒径が3nmの白金を担持した電子伝導性物質(白金:電子伝導性物質=1:1(重量比))、プロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを調整した。
・白金を担持したカーボン(電子伝導性物質) 7.5重量%
・パーフロロカーボンスルホン酸(プロトン伝導性物質) 2.5重量%
・水 30.0重量%
・IPA 30.0重量%
・NPA 30.0重量%
<Comparative example>
First, an electron conductive material carrying platinum having an average particle diameter of 3 nm (platinum: electron conductive material = 1: 1 (weight ratio)) and a proton conductive material were dissolved in a solvent so as to have the following composition. A catalyst ink was prepared.
-Carbon carrying platinum (electron-conducting substance) 7.5% by weight
・ Perfluorocarbon sulfonic acid (proton conductive material) 2.5% by weight
・ Water 30.0% by weight
・ IPA 30.0% by weight
・ NPA 30.0% by weight

次に、この触媒インクを、バーコーターを使用して、200mm×200mmのサイズに断裁した厚さ190μmのカーボンペーパー上に塗布した。 Next, this catalyst ink was applied onto carbon paper having a thickness of 190 μm cut into a size of 200 mm × 200 mm using a bar coater.

次に、窒素雰囲気中、120℃、1時間の熱処理を施した後、30分間放冷し、燃料電池用触媒電極を作製した。 Next, after heat treatment at 120 ° C. for 1 hour in a nitrogen atmosphere, the mixture was allowed to cool for 30 minutes to produce a fuel cell catalyst electrode.

次に、上記の方法で作製した2枚の燃料電池用触媒電極の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ50μmのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、130℃、30分、3MPaの条件で熱圧着し平板状のMEAを作製した。 Next, the catalyst layers of the two fuel cell catalyst electrodes produced by the above method are face to face, and a sulfone group-containing perfluorocarbon having a thickness of 50 μm is sandwiched between 130 ° C., 30 minutes, and 3 MPa. A plate-like MEA was produced by thermocompression bonding.

最後に、面中央の11cm×11cmの領域に20本の並行した溝(幅:2mm、長さ:10cm、深さ:3mm、溝間隔:2mm)が刻んである厚さ3mmの銅製のセパレータを2組用意し、2つのセパレータのガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、MEAを挟み込み、その両側にSUS製の厚さ0.3mmの集電板を配置して、ロッドで締結して、燃料電池を得た。 Finally, a 3 mm thick copper separator with 20 parallel grooves (width: 2 mm, length: 10 cm, depth: 3 mm, groove spacing: 2 mm) in an 11 cm × 11 cm region in the center of the surface Two sets are prepared, the gas flow path forming surfaces of the two separators face each other, the MEA is sandwiched, SUS current collector plates with a thickness of 0.3 mm are arranged on both sides, and fastened with rods A fuel cell was obtained.

次に、燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース(ソーラトロン社製SI−1287)、周波数応答アナライザー(ソーラトロン社製SI−1260)、電子負荷器(スクリブナー社製890CL)が用いられている燃料電池測定システムGFT−SG1(株式会社東陽テクニカ製)を用いて、以下のように測定した。 Next, the output of the fuel cell is measured by a fuel cell using an electrochemical interface (Solartron SI-1287), a frequency response analyzer (Solartron SI-1260), and an electronic loader (Scribner 890CL). Using system GFT-SG1 (manufactured by Toyo Corporation), the measurement was performed as follows.

まず、上記の燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、40℃、相対湿度100%の条件にて1時間保管した。
この間、厚さ50μmのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で燃料電池には1A/cmの直流電流を発電モードで流し続けた。
First, after mounting the fuel cell on a power generation cell made of graphite, it was stored for 1 hour under the conditions of 40 ° C. and relative humidity of 100%.
During this time, a direct current of 1 A / cm 2 was continuously supplied to the fuel cell in the power generation mode in order to sufficiently wet the sulfone group-containing perfluorocarbon membrane having a thickness of 50 μm.

次に、セル温度を80℃、アノード加湿器温度を80℃、カソード加湿器温度を80℃、配管温度を120℃、アノードの水素ガス流量を0.3リットル/分、カソードの酸素ガス流量を1.0リットル/分の条件で燃料電池の出力を測定した。
固体高分子型燃料電池の出力は1.0W/cmであった。
Next, the cell temperature is 80 ° C., the anode humidifier temperature is 80 ° C., the cathode humidifier temperature is 80 ° C., the piping temperature is 120 ° C., the anode hydrogen gas flow rate is 0.3 liter / min, and the cathode oxygen gas flow rate is The output of the fuel cell was measured under the condition of 1.0 liter / min.
The output of the polymer electrolyte fuel cell was 1.0 W / cm 2 .

本発明のセパレータを使用した燃料電池は、従来使用されている銅製のセパレータを使用した燃料電池と同等の出力特性が有ることが確認された。 It has been confirmed that the fuel cell using the separator of the present invention has output characteristics equivalent to those of a fuel cell using a copper separator that has been conventionally used.

本発明のセパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に利用できる。 The separator of the present invention, the manufacturing method thereof, and the fuel cell using the separator can be used for a power source for electric vehicles, a power source for mobile phones, and the like.

本発明の燃料電池のMEA(固体高分子電解質膜電極接合体)を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating MEA (solid polymer electrolyte membrane electrode assembly) of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池のセパレータを説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the separator of the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the fuel cell of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・・ガス拡散材(空気極側)
2・・・・触媒層(空気極側)
3・・・・固体高分子電解質膜
4・・・・触媒層(燃料極側)
5・・・・ガス拡散材(燃料極側)
6・・・・MEA(固体高分子電解質膜電極接合体)
7・・・・セパレータの生分解性プラスチック部分(燃料極側)
8・・・・導電性ピン(燃料極側)
9・・・・セパレータ(燃料極側)
10・・・セパレータの生分解性プラスチック部分(空気極側)
11・・・導電性ピン(空気極側)
12・・・セパレータ(空気極側)
13・・・集電板(燃料極側)
14・・・集電板(空気極側)
1. Gas diffusion material (air electrode side)
2 .... Catalyst layer (Air electrode side)
3 ... Solid polymer electrolyte membrane 4 ... Catalyst layer (fuel electrode side)
5. Gas diffusion material (fuel electrode side)
6 ... MEA (Solid polymer electrolyte membrane electrode assembly)
7 ··· Biodegradable plastic part of separator (fuel electrode side)
8 ... Conductive pin (fuel electrode side)
9 ... Separator (fuel electrode side)
10 ... Biodegradable plastic part of separator (air electrode side)
11 ... Conductive pin (air electrode side)
12 ... Separator (Air electrode side)
13 ... collector plate (fuel electrode side)
14 ... collector plate (air electrode side)

Claims (14)

導電性ピンにより、反応ガス流通用チャネルが形成された面と、該面と対向する面を導通していることを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータ。 A biodegradable plastic separator, characterized in that a conductive pin is connected between a surface on which a reaction gas flow channel is formed and a surface facing the surface. 前記導電性ピンが、炭素、金、銀、銅、鉄からなることを特徴とする請求項1に記載の生分解性プラスチック製セパレータ。 The biodegradable plastic separator according to claim 1, wherein the conductive pin is made of carbon, gold, silver, copper, or iron. 前記生分解性プラスチックが、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の生分解性プラスチック製セパレータ。 The biodegradable plastic separator according to claim 1 or 2, wherein the biodegradable plastic comprises a polylactic acid resin and a layered silicate. 射出成形金型に導電性ピンを配置し、生分解性プラスチックを射出して一体成形することを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータの製造方法。 A method for producing a biodegradable plastic separator, wherein a conductive pin is disposed in an injection mold and the biodegradable plastic is injected and integrally molded. 固体高分子電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、セパレータとして、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の生分解性プラスチック製セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。 A catalyst layer is provided on the front and back surfaces of the solid polymer electrolyte membrane, a gas diffusion material is provided on the surface of the catalyst layer opposite to the solid polymer electrolyte membrane, and the gas diffusion material on the side opposite to the catalyst layer is provided. A fuel cell using the biodegradable plastic separator according to any one of claims 1 to 3 on the surface as a separator. 前記固体高分子電解質膜がスルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項5に記載の燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein the solid polymer electrolyte membrane is a sulfone group-containing perfluorocarbon or a carboxyl group-containing perfluorocarbon. 前記触媒層が、プロトン伝導性物質、電子伝導性物質、および、触媒からなることを特徴とする請求項5または請求項6に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 5, wherein the catalyst layer is made of a proton conductive material, an electron conductive material, and a catalyst. 前記プロトン伝導性物質が、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項7に記載の燃料電池。 8. The fuel cell according to claim 7, wherein the proton conductive material is perfluorocarbon sulfonic acid, polyether sulfone, sulfonated polyether ether ketone, or sulfonated polyimide. 前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 7 or 8, wherein the electron conductive material is silicon dioxide or carbon. 前記触媒が、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムから選ばれた1種または2種以上の金属からなることを特徴とする請求項7乃至請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池。 10. The catalyst according to claim 7, wherein the catalyst is made of one or more metals selected from gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium and iridium. Fuel cell. 前記触媒の平均粒径が1nm以上5nm以下であることを特徴とする請求項7乃至請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 7 to 10, wherein the catalyst has an average particle diameter of 1 nm or more and 5 nm or less. 前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が1%〜80%であることを特徴とする請求項7から請求項11のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 7 to 11, wherein a loading ratio of the catalyst of the electron conductive material is 1% to 80%. 前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項5から請求項12のいずれか1項に記載の燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 5 to 12, wherein the gas diffusion material is a conductive porous substrate. 前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項13に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 13, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth.
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