JP2007134225A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

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Abstract

【課題】薄型にした場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れた燃料電池セパレータを提供すること。
【解決手段】多孔質人造黒鉛材料100質量部、熱硬化性樹脂15〜30質量部、および内部離型剤0.1〜1.0質量部を含む組成物を、例えば、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形などにより成形してなる燃料電池セパレータ1,2。このセパレータは、曲げ強度や曲げひずみなどの機械的性質が従来のものに比べ格段に優れているため、薄型化した場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れている。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池セパレータに関し、さらに詳述すると、薄型にした場合でも十分な強度を発揮し得る燃料電池セパレータに関する。
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことで直接発電させるものである。この燃料電池は、高エネルギー変換可能で、環境適応性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸部を備えた2枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極(カーボンペーパー)とを介在させてなる単電池(単位セル)を数十個以上並設して(これをスタックという)なる電池本体(モジュール)から構成されている。
燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割、並びに単位セルに供給される燃料および空気(酸素)の通路を確保するとともに、それらの分離境界壁としての役割を果たすものである。このため、セパレータには、高電気導電性、高ガス不浸透性、(電気)化学的安定性、親水性などの諸性能が要求される。
ところで近年、様々な製品において小型化や薄肉化が要求されるようになっている。固体高分子型燃料電池においても、車載用の内燃機関の代替電源としての用途を考慮した場合は、容積が小さく、コンパクトなものが望まれる。
高強度の薄型燃料電池セパレータを得る手法として、従来、(1)セパレータの成形用素材に炭素繊維や金属繊維の短繊維を混合させる方法(特許文献1:特開2000−182630号公報)、(2)セパレータの薄肉部分の強度を確保するためにセパレータの厚み方向に対してある一定角度に繊維基材を配向させる方法(特許文献2:特開2001−189160号公報)、などが知られている。
しかし、上記(1)の方法で得られたセパレータは、黒鉛粉末とフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、および炭素繊維の混合物を成形したものであるため、強度は向上するものの、弾性率が非常に高くなるため、薄肉化すると割れ易いという問題があった。
また、(2)の方法で得られたセパレータも、(1)と同様に、黒鉛、熱硬化性樹脂および繊維基材を主成分とする炭素複合材組成物を成形したものであるため、強度は向上するものの、柔軟性に乏しいという問題があった。
特開2000−182630号公報 特開2001−189160号公報
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、薄型にした場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れた燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂および内部離型剤をそれぞれ所定割合で含む組成物を、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形などにより成形して得られた燃料電池セパレータが、曲げ強度や曲げひずみなどの機械的性質が従来のものに比べ格段に優れているため、薄型化した場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れていることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、
1. 多孔質人造黒鉛材料100質量部、熱硬化性樹脂15〜30質量部、および内部離型剤0.1〜1.0質量部を含む組成物を成形してなることを特徴とする燃料電池セパレータ、
2. 最薄肉部の厚みが、0.15〜0.3mmである1の燃料電池セパレータ、
3. 曲げ強度が60〜100MPaであり、曲げひずみが0.7〜1.2%である1または2の燃料電池セパレータ、
4. 前記多孔質人造黒鉛材料が、黒鉛化度65〜85%、真密度1.6〜2.1g/mlである1〜3のいずれかの燃料電池セパレータ、
5. 前記多孔質人造黒鉛材料が、平均粒径20〜200μmである1〜4のいずれかの燃料電池セパレータ、
6. 前記多孔質人造黒鉛材料が、粒径1μm以下の粒子を1%以下、粒径300μm以上の粒子を1%以下含む5の燃料電池セパレータ、
7. 前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびビスマレイミド樹脂から選択される1〜6のいずれかの燃料電池セパレータ、
8. 前記内部離型剤が、金属石けん類および長鎖脂肪酸類から選ばれる少なくとも1種である1〜6のいずれかの燃料電池セパレータ、
9. 前記成形が、圧縮成形、射出成形またはトランスファー成形である1〜8のいずれかの燃料電池セパレータ
を提供する。
本発明の燃料電池セパレータは、樹脂との馴染みに優れる多孔質人造黒鉛材料を含む組成物を成形して得られるものであるため、衝撃を吸収し易く、薄型化した場合でも十分な強度を有し、金型からの脱型時や、スタック組立時の破損が発生しにくい。
また、本発明の燃料電池セパレータは、柔軟性にも優れているので、大量生産時の自動搬送中に破損が生じにくく、ハンドリング性も良好である。
さらに、本発明の燃料電池セパレータは、薄肉化した場合でも良好なガス不浸透性能を有している。
以上のような本発明の燃料電池セパレータを用いることで、固体高分子型燃料電池の小型化および薄型化を容易に達成することができる。
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータは、多孔質人造黒鉛材料100質量部、熱硬化性樹脂15〜30質量部、および内部離型剤0.1〜1.0質量部を含む組成物を成形して得られる。
本発明における多孔質人造黒鉛材料の平均粒径は、粒度分布d50にて20〜200μmが好ましく、より好ましくは20〜100μmである。平均粒径が20μm未満であると、熱硬化性樹脂が多孔質人造黒鉛材料の表面を覆い易くなり、多孔質人造黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなるため、セパレータ自体の導電性が悪化する可能性がある。反対に、平均粒径が200μmを超えると、多孔質人造黒鉛粒子と熱硬化性樹脂との接触面積が小さくなり、十分な機械的強度が得られない可能性がある。
燃料電池セパレータを薄型化した際にも十分な強度を発揮させるためには、粒径1μm以下が1%以下、粒径300μm以上が1%以下の多孔質人造黒鉛材料がより好ましく、粒径3μm以下が1%以下、250μm以上が1%以下の多孔質人造黒鉛材料が最適である。
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。
また、多孔質人造黒鉛材料の黒鉛化度は65〜85%が好ましく、真密度は1.6〜2.1g/mlが好ましい。黒鉛化度が65%未満、かつ、真密度が1.6g/ml未満であると、黒鉛の気孔が過剰になって導電性の低下を招く虞があり、黒鉛化度が85%を超え、かつ、真密度が2.1g/mlを超えると、黒鉛の気孔が少なくなり過ぎるため、十分な強度が得られない虞がある。
より好ましくは、黒鉛化度70〜85%、真密度1.7〜2.1g/mlである。
なお、黒鉛化度とは、炭素材中に積層規則性を持った黒鉛構造がどの程度発達しているかの度合いを示す指標であり、本発明においては、ラマン分光法による測定値である。
また、真密度は、ピクノメータ法による測定値である。
熱硬化性樹脂は、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を用いることができる。具体例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂等が挙げられ、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、フェノール樹脂、エポキシ樹脂が好適に用いられる。なお、必要に応じて硬化促進剤を用いてもよい。
内部離型剤としては、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内部離型剤を用いることができる。例えば、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類、ポリエチレンワックス等の炭化水素系合成ワックス、ステアリン酸,カルナバワックス等の長鎖脂肪酸類などが挙げられ、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。
本発明において、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂および内部離型剤の配合割合は、多孔質人造黒鉛材料100質量部に対して、熱硬化性樹脂15〜30質量部、内部離型剤0.1〜1.0質量部であるが、多孔質人造黒鉛材料100質量部に対し、好ましくは熱硬化性樹脂17〜27質量部、より好ましくは20〜24質量部、好ましくは内部離型剤0.2〜0.7質量部、より好ましくは0.3〜0.5質量部である。
熱硬化性樹脂の含有量が15質量部未満では、黒鉛粉末間に隙間が生じ易くなるため、ガス不浸透性および強度の低下を招く虞がある。また、熱硬化性樹脂の含有量が30質量部を超えると、熱硬化性樹脂が黒鉛粉末の表面を覆ってしまい、導電性が低下する虞がある。
なお、本発明においては、成形体の物性値を損なわない程度であれば、燃料電池セパレータ用組成物中に、その他の添加剤(炭素繊維や金属繊維などの短繊維)を配合してもよい。
本発明の燃料電池セパレータの製造方法は、上述の各成分を配合して燃料電池セパレータ用組成物を調製し、この組成物から成形体を作製するものである。
この場合、組成物の調製方法および成形体の成形方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の種々の方法を用いることができる。
例えば、組成物の調製は、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂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すればよい。組成物調製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、トランスファー成形、圧縮成形、押出成形等を採用することができる。
成形時の金型温度、成形圧力、成形時間についても、従来公知の条件を用いればよく、例えば、金型温度150〜180℃、成形圧力20〜50MPa、成形時間1〜5分程度の条件を採用することができる。
本発明の燃料電池セパレータは、最薄肉部の厚みを0.15〜0.3mmまで薄肉化することができるうえに、曲げ強度60〜100MPa、曲げ弾性率8〜12GPa、曲げひずみ0.7〜1.2%という、高強度、かつ、高靭性のものとすることも可能である。
なお、図1(A)に示されるように、一方の表面11にガス流通溝11Aが形成されたセパレータ1においては、流通溝底部11Bと、流通溝が形成されていないセパレータ表面12とで構成される部分が最薄肉部13であり、図1(B)に示されるように、両表面21,22にガス流通溝21A,22Aがそれぞれ形成されたセパレータ2にあっては、相対向する各流通溝底部21B,22Bで構成される部分が最薄肉部23である。
以上のような特性を有する燃料電池セパレータは、特に、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に用いることができる。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。
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。なお、以下において平均粒径、真密度、黒鉛化度は、下記手法により測定した。
[1]平均粒径
粒度測定装置(Microtrak社製)により測定した。
[2]真密度
ピクノメータ法により測定した。
[3]黒鉛化度
ラマン分光法により測定した。
[実施例1]
多孔質人造黒鉛材料1(粒度分布d50にて平均粒径30μm、黒鉛化度80%、真密度1.7g/ml)100質量部、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂16質量部、同じく熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂8質量部、硬化促進剤であるトリフェニルフォスフィン0.2質量部、および内部離型剤(カルナバワックス)1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4gを、100mm×100mm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、図1に示されるような、最薄肉部13の厚みが0.15mmの燃料電池セパレータ1を得た。
[実施例2]
多孔質人造黒鉛材料1 100質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂24質量部、および内部離型剤(カルナバワックス)1質量部を用いた以外は、実施例1と同様にして、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を得た。
[実施例3]
多孔質人造黒鉛材料1を、多孔質人造黒鉛材料2(粒度分布d50にて平均粒径40μm、黒鉛化度80%、真密度1.7g/ml)に代えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[実施例4]
多孔質人造黒鉛材料1を、多孔質人造黒鉛材料2に代えた以外は、実施例2と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[実施例5]
多孔質人造黒鉛材料1を、多孔質人造黒鉛材料3(粒度分布d50にて平均粒径30μm、黒鉛化度80%、真密度2.1g/ml)に代えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[実施例6]
多孔質人造黒鉛材料1を、多孔質人造黒鉛材料3に代えた以外は、実施例2と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[比較例1]
多孔質人造黒鉛材料1を、針状人造黒鉛(平均粒径60μm、黒鉛化度100%)に代えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[比較例2]
多孔質人造黒鉛材料1を、比較例1と同一の針状人造黒鉛に代えた以外は、実施例2と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[比較例3]
多孔質人造黒鉛材料1を、天然黒鉛(平均粒径30μm、黒鉛化度100%)に代えた以外は、実施例1と同様にして燃料電池セパレータを得た。
[比較例4]
多孔質人造黒鉛材料1を、比較例3と同一の天然黒鉛に代えた以外は、実施例2と同様にして燃料電池セパレータを得た。
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、固有抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率、曲げひずみを測定・評価した。これらの結果を表1に併せて示す。
Figure 2007134225
なお、表1における各特性は、以下の方法により測定した。
[1]固有抵抗
JIS H0602(シリコン単結晶及びシリコンウエーハの4探針による抵抗率測定方法)に基づいて測定した。
[2]曲げ強度、曲げ弾性率、曲げひずみ
ASTM D790 (Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials)に基づいて測定した。
表1に示されるように、実施例1〜6の燃料電池セパレータの曲げ強度は、比較例1〜4のそれよりも約1.5〜2倍程度高強度であることがわかる。また実施例1〜6の燃料電池セパレータの曲げ弾性率は、比較例1〜4のそれの約0.5〜0.75倍程度であり、柔軟性に優れていることがわかる。さらに、実施例1〜6の燃料電池セパレータの曲げひずみは、比較例1〜4の評価結果の約2倍程度であり、柔軟性に優れていることが裏付けられている。
(A)本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。(B)本発明の他の実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。
符号の説明
1,2 燃料電池セパレータ
13,23 最薄肉部

Claims (9)

  1. 多孔質人造黒鉛材料100質量部、熱硬化性樹脂15〜30質量部、および内部離型剤0.1〜1.0質量部を含む組成物を成形してなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
  2. 最薄肉部の厚みが、0.15〜0.3mmである請求項1記載の燃料電池セパレータ。
  3. 曲げ強度が60〜100MPaであり、曲げひずみが0.7〜1.2%である請求項1または2記載の燃料電池セパレータ。
  4. 前記多孔質人造黒鉛材料が、黒鉛化度65〜85%、真密度1.6〜2.1g/mlである請求項1〜3のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
  5. 前記多孔質人造黒鉛材料が、平均粒径20〜200μmである請求項1〜4のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
  6. 前記多孔質人造黒鉛材料が、粒径1μm以下の粒子を1%以下、粒径300μm以上の粒子を1%以下含む請求項5記載の燃料電池セパレータ。
  7. 前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびビスマレイミド樹脂から選択される少なくとも1種である請求項1〜6のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
  8. 前記内部離型剤が、金属石けん類、および長鎖脂肪酸類から選ばれる少なくとも1種である請求項1〜6のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
  9. 前記成形が、圧縮成形、射出成形またはトランスファー成形である請求項1〜8のいずれか1項記載の燃料電池セパレータ。
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