JP2007141704A - Separator for fuel cell, and its manufacturing method, as well as fuel cell using it - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a recycling method of PET bottles which suppresses daily accumulation of a large number of used PET bottles by utilizing the used PET bottles as a material for a fuel cell separator, and also to provide the separator for the fuel cell using the recycled PET bottles, and a manufacturing method of the fuel cell using them. <P>SOLUTION: The separator for the fuel cell is fabricated by mixing graphite powder of 300 to 800 pts.wt. to the recycled PET (polyethylene terephthalate) crushed pieces of 100 pts.wt., and heating, pressurizing and molding it. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、使用済みPETボトルを原料とした燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator using a used PET bottle as a raw material, a method for producing the same, and a fuel cell using the same.

近年、河川の水質汚染が進むに連れ、水道水の殺菌用塩素の量が増え、水道水の安全性が危惧されている。
それに伴い、PET(ポリエチレンテレフタレート)ボトルに入った飲料の普及が著しい。
(特許文献1参照)
In recent years, the amount of chlorine for sterilization of tap water has increased as the water pollution of rivers has progressed, and the safety of tap water is feared.
Accordingly, the spread of beverages in PET (polyethylene terephthalate) bottles is remarkable.
(See Patent Document 1)

特開平7−76324号公報JP-A-7-76324

しかし、現行法では、上述のPET(ポリエチレンテレフタレート)ボトルを、飲料用途に再使用することは許されていない。
従って、多量の使用済みPETボトルが日々蓄積されていることが問題となっている。
However, the current method does not allow the above-mentioned PET (polyethylene terephthalate) bottle to be reused in beverage applications.
Therefore, there is a problem that a large amount of used PET bottles are accumulated every day.

本発明の課題は、使用済みPETボトルを原料とした燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供するものである。 The subject of this invention is providing the separator for fuel cells which used the used PET bottle as a raw material, its manufacturing method, and a fuel cell using the same.

請求項1に記載の発明は、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂と黒鉛粉の配合量が、前記PET樹脂100重量部に対して前記黒鉛粉300〜800重量部であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。 The invention according to claim 1 is characterized in that the blending amount of the PET (polyethylene terephthalate) resin and the graphite powder is 300 to 800 parts by weight of the graphite powder with respect to 100 parts by weight of the PET resin. It is a separator.

PET樹脂100重量部に黒鉛粉300重量部未満であると、燃料電池用セパレータの導電率は0.2S/cmを下回ってしまう。
導電率0.2S/cmは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
If the amount of the PET resin is less than 300 parts by weight of the graphite resin, the electrical conductivity of the fuel cell separator is less than 0.2 S / cm.
The conductivity of 0.2 S / cm is an allowable lower limit value of the conductivity of the fuel cell separator.

また、PET樹脂100重量部に黒鉛粉800重量部以上であると、燃料電池用セパレータの曲げ強度は4kgf/mm2を下回ってしまう。
曲げ強度4kgf/mm2は、燃料電池用セパレータの強度の許容下限値である。
On the other hand, when the graphite resin is 800 parts by weight or more with respect to 100 parts by weight of the PET resin, the bending strength of the fuel cell separator is less than 4 kgf / mm 2 .
The bending strength of 4 kgf / mm 2 is an allowable lower limit value of the strength of the fuel cell separator.

請求項2に記載の発明は、前記PET樹脂が、使用済みPETボトルを粉末状に粉砕した材料からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータである。 The invention according to claim 2 is the fuel cell separator according to claim 1, wherein the PET resin is made of a material obtained by pulverizing a used PET bottle into a powder form.

請求項3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、請求項1または請求項2に記載の燃料電池用セパレータを設けたことを特徴とする燃料電池である。 According to a third aspect of the present invention, a catalyst layer is provided on the front and back surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a gas diffusion material is provided on the surface of the catalyst layer opposite to the solid polymer electrolyte membrane, A fuel cell comprising the separator for a fuel cell according to claim 1 or 2 provided on a surface of the material opposite to the catalyst layer.

請求項4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3に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 4 is the fuel cell according to claim 3, wherein the solid polymer electrolyte membrane is a sulfone group-containing perfluorocarbon or a carboxyl group-containing perfluorocarbon.

請求項5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3または請求項4に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 5 is the fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the catalyst layer is made of a proton conductive material, an electron conductive material, and a catalyst.

請求項6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5に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 6 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7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 electron conductive material is silicon dioxide or carbon.

請求項8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5乃至請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 8 is characterized in that the catalyst is made of one or more metals selected from gold, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, osmium and iridium. 8. The fuel cell according to any one of items 7.

触媒の材料としては、酸素還元能力、水素酸化能力の高い1B族または8族の金属を用いることが好ましい。 As a catalyst material, it is preferable to use a Group 1B or Group 8 metal having high oxygen reduction ability and hydrogen oxidation ability.

請求項9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5乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 9 is the fuel cell according to any one of claims 5 to 8, wherein the average particle diameter of the catalyst is 1 nm or more and 5 nm or less.

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。 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10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5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 the fuel cell according to any one of claims 5 to 9, characterized in that the supporting rate of the catalyst of the electron conductive material is 1% to 80%. It is.

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。 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11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3乃至請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 11 is the fuel cell according to any one of claims 3 to 10, wherein the gas diffusion material is a conductive porous substrate.

請求項12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11に記載の燃料電池である。 The invention according to claim 12 is the fuel cell according to claim 11, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth.

本発明では、使用済みPETボトルを燃料電池のセパレータとしてリサイクルすることによって、多量の使用済みPETボトルが日々蓄積するのを抑制することができる。 In the present invention, by recycling used PET bottles as fuel cell separators, it is possible to suppress the daily accumulation of a large amount of used PET bottles.

まず、使用済みPETボトルを周知の破砕装置(図示せず)を用いて5〜7mm程度のフレーク状片に破砕する。 First, a used PET bottle is crushed into flaky pieces of about 5 to 7 mm using a known crushing device (not shown).

次に、PETフレーク状片を、加熱温度120℃〜170℃で3時間〜4時間加熱処理する。
非結晶状態のPETフレーク状片は水分を吸収し易く、含水率が大きい。
加熱処理することによりPETフレーク状片は結晶化して、水分を殆ど吸収しなくなる。
Next, the PET flake-shaped piece is heat-treated at a heating temperature of 120 ° C. to 170 ° C. for 3 hours to 4 hours.
The amorphous PET flake-like piece is easy to absorb moisture and has a high water content.
By the heat treatment, the PET flake-like piece crystallizes and hardly absorbs moisture.

次に、加熱処理したPETフレーク状片を、切断カッタ部を有する一対のカッタローラを備えた周知の粉砕装置(図示せず)で100μm〜4mmの大きさに粉砕する。
PET粒子の大きさが5〜7mmであると、PET粒子を型内に密に充填することができない。
一方、PET粒子の大きさが100μm未満の場合は、静電気によりPET粒子が凝集し、セパレータに導電性を付与するための黒鉛粉とPET樹脂を均一に混合できない。
このPET粉砕片(結晶化物)は、リサイクル樹脂材料として市販されており、それを用いることもできる。
Next, the heat-treated PET flake-like piece is pulverized to a size of 100 μm to 4 mm by a known pulverization apparatus (not shown) provided with a pair of cutter rollers having a cutting cutter part.
When the size of the PET particles is 5 to 7 mm, the PET particles cannot be densely filled in the mold.
On the other hand, when the size of the PET particles is less than 100 μm, the PET particles aggregate due to static electricity, and the graphite powder and the PET resin for imparting conductivity to the separator cannot be mixed uniformly.
This PET pulverized piece (crystallized product) is commercially available as a recycled resin material, and can also be used.

次に、PET粉砕片に、黒鉛粉を添加した後に加熱加圧成型し、セパレータを作製する。 Next, after adding graphite powder to the PET pulverized piece, it is heated and pressed to prepare a separator.

黒鉛粉の材料としては、天然黒鉛、キッシュ黒鉛を用いることができる。
中でも、経済性を考慮すると天然黒鉛が好ましい。
Natural graphite and quiche graphite can be used as the material of the graphite powder.
Among these, natural graphite is preferable in consideration of economy.

黒鉛粉の製造方法としては、原料炭素を酸性物質及び酸化剤を含む溶液中に浸漬して炭素化合物を生成させ、粉砕する方法を用いることができる。 As a method for producing graphite powder, a method of pulverizing raw material carbon by immersing it in a solution containing an acidic substance and an oxidizing agent to produce a carbon compound can be used.

原料炭素を処理する酸性物質としては、酸濃度90重量%以上の硫酸または硫酸と硝酸の混合液を用いることができる。 As an acidic substance for treating raw material carbon, sulfuric acid or a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid having an acid concentration of 90% by weight or more can be used.

原料炭素と酸性物質の混合比は、原料炭素100重量部に対して酸性物質100重量部〜1000重量部が好ましい。 The mixing ratio of the raw material carbon and the acidic substance is preferably 100 parts by weight to 1000 parts by weight of the acidic substance with respect to 100 parts by weight of the raw material carbon.

酸化剤としては、酸濃度10重量%〜40重量%の過酸化水素または塩酸を用いることができる。 As the oxidizing agent, hydrogen peroxide or hydrochloric acid having an acid concentration of 10 to 40% by weight can be used.

原料炭素と酸化剤の混合比は、原料炭素100重量部に対して酸化剤10重量部〜60重量部が好ましい。 The mixing ratio of the raw material carbon and the oxidizing agent is preferably 10 to 60 parts by weight of the oxidizing agent with respect to 100 parts by weight of the raw material carbon.

黒鉛粉の粒径は、10μm〜1000μmが好ましい。
粒径が10μm未満の場合、セパレータの導電率は0.2S/cmを下回ってしまう。
また、粒径が1000μmを超える場合、黒鉛粉とPET樹脂との相溶性が悪く、セパレータの導電率は0.2S/cmを下回ってしまう。
導電率0.2S/cmは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
The particle size of the graphite powder is preferably 10 μm to 1000 μm.
When the particle size is less than 10 μm, the conductivity of the separator is less than 0.2 S / cm.
Moreover, when a particle size exceeds 1000 micrometers, the compatibility of graphite powder and PET resin is bad, and the electrical conductivity of a separator will be less than 0.2 S / cm.
The conductivity of 0.2 S / cm is an allowable lower limit value of the conductivity of the fuel cell separator.

PET樹脂と黒鉛粉との配合割合は、PET樹脂100重量部に黒鉛粉300〜800重量部を用いることができる。 As for the blending ratio of PET resin and graphite powder, 300 to 800 parts by weight of graphite powder can be used for 100 parts by weight of PET resin.

PET樹脂100重量部に黒鉛粉300重量部未満であると、セパレータの導電率は0.2S/cmを下回ってしまう。
導電率0.2S/cmは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
If the amount of the PET resin is less than 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the PET resin, the conductivity of the separator is less than 0.2 S / cm.
The conductivity of 0.2 S / cm is an allowable lower limit value of the conductivity of the fuel cell separator.

また、PET樹脂100重量部に黒鉛粉800重量部以上であると、セパレータの曲げ強度は4kgf/mm2を下回ってしまう。
曲げ強度4kgf/mm2は、燃料電池用セパレータの強度の許容下限値である。
Moreover, the bending strength of a separator will be less than 4 kgf / mm < 2 > that it is 800 weight part or more of graphite powder with respect to 100 weight part of PET resin.
The bending strength of 4 kgf / mm 2 is an allowable lower limit value of the strength of the fuel cell separator.

セパレータの成型方法としては、加圧加熱成型法を用いることができる。
成型温度は、280〜300℃を用いることができる。
成型圧力は、1×10〜1.5×10MPaを用いることができる。
As a method for molding the separator, a pressure heating molding method can be used.
The molding temperature can be 280 to 300 ° C.
As the molding pressure, 1 × 10 1 to 1.5 × 10 2 MPa can be used.

金型は、セパレータ7(燃料極側)およびセパレータ8(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 7 (fuel electrode side) and the separator 8 (air electrode side) can be used.

次に、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)) Next, 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.

最後に、セパレータ7(燃料極側)およびセパレータ8(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、その両側に集電板9(燃料極側)およびセパレータ10(空気極側)を配置してロッドで締結して燃料電池を得た。(図1(d)) Finally, the gas flow path forming surfaces of the separator 7 (fuel electrode side) and the separator 8 (air electrode side) face each other and the MEA 6 is sandwiched between the current collector plate 9 (fuel electrode side) and the separator 10 on both sides thereof. (Air electrode side) was placed and fastened with a rod to obtain a fuel cell. (Fig. 1 (d))

集電板9(燃料極側)およびセパレータ10(空気極側)の材料としては、SUSを用いることができる。 SUS can be used as the material for the current collector plate 9 (fuel electrode side) and the separator 10 (air electrode side).

まず、PETボトルを、破砕装置を用いて5〜7mm程度のフレーク状片に破砕した。 First, the PET bottle was crushed into flaky pieces of about 5 to 7 mm using a crushing apparatus.

次に、PETのフレーク状片を、加熱温度150℃で3.5時間加熱処理した。 Next, the PET flake-shaped piece was heat-treated at a heating temperature of 150 ° C. for 3.5 hours.

次に、PETのフレーク状片を、切断カッタ部を有する一対のカッタローラを備えた周知の粉砕装置で100μm〜4mmの大きさに粉砕した。 Next, the PET flake-like piece was pulverized to a size of 100 μm to 4 mm by a known pulverizer equipped with a pair of cutter rollers having a cutting cutter part.

次に、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%
Next, an electron conductive material carrying platinum having an average particle diameter of 3 nm (platinum: electron conductive material = 1: 1 (weight ratio)) and proton conductive material are dissolved in a solvent so as to have the following composition. The prepared 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、上記100μm〜4mmの大きさに粉砕したPET(ポリエチレンテレフタレート)100重量部に対して黒鉛粉300〜800重量部の混合物を、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を用い、温度290℃、成型圧力5×10MPaで加圧加熱成型して、厚さ3mmのセパレータを作製した。 Next, a mixture of 300 to 800 parts by weight of graphite powder with respect to 100 parts by weight of PET (polyethylene terephthalate) pulverized to a size of 100 μm to 4 mm, and 20 parallel grooves in an area of 11 cm × 11 cm in the center of the surface. Using a male-female mold in which (width: 2 mm, length: 10 cm, depth: 3 mm, groove interval: 2 mm) is engraved, the thickness is press-heated and molded at a temperature of 290 ° C. and a molding pressure of 5 × 10 1 MPa. A separator having a thickness of 3 mm was produced.

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 (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。
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、燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池は、PETボトルのリサイクルに利用できる。
また、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に用いるPAFC(リン酸型)、PEFC(固体高分子型)燃料電池に利用できる。
The separator for a fuel cell, the method for producing the same, and the fuel cell using the same of the present invention can be used for recycling PET bottles.
Further, it can be used for PAFC (phosphoric acid type) and PEFC (solid polymer type) fuel cells used for power sources for electric vehicles, cellular phones and the like.

本発明のリサイクルPETボトルを用いた燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the fuel cell using the recycle PET bottle 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(燃料極側)
8・・・・セパレータ(空気極側)
9・・・・集電板(燃料極側)
10・・・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 ... Separator (fuel electrode side)
8 ... Separator (air electrode side)
9 ... Current collector (fuel electrode side)
10 ... collector plate (air electrode side)

Claims (12)

PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂と黒鉛粉の配合量が、前記PET樹脂100重量部に対して前記黒鉛粉300〜800重量部であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A fuel cell separator, wherein a blending amount of a PET (polyethylene terephthalate) resin and graphite powder is 300 to 800 parts by weight of the graphite powder with respect to 100 parts by weight of the PET resin. 前記PET樹脂が、使用済みPETボトルを粉末状に粉砕した材料からなることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。 The fuel cell separator according to claim 1, wherein the PET resin is made of a material obtained by pulverizing a used PET bottle. 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、請求項1または請求項2に記載の燃料電池用セパレータを設け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 comprising the fuel cell separator according to claim 1 or 2 on a surface thereof. 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3に記載の燃料電池。 4. The fuel cell according to claim 3, 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3または請求項4に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3 or 4, wherein the catalyst layer includes 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5に記載の燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 5, 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5または請求項6に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 5 or 6, 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5乃至請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池。 8. The catalyst according to claim 5, 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5乃至請求項8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 8, wherein an average particle diameter of the catalyst is 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5乃至請求項9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 9, wherein a supporting rate 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3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 3 to 10, 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11に記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 11, wherein the conductive porous substrate is carbon paper or carbon cloth.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2009117069A (en) * 2007-11-02 2009-05-28 Equos Research Co Ltd Paste for electrode of fuel cell, membrane electrode assembly, and method of manufacturing paste for electrode

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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