JP2008186817A - 燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 曲げ破断歪が0.5%以上、または圧縮弾性率が20GPa以下、またはショア硬度が20−50の範囲で好ましくは黒鉛及び樹脂を含む成形体から作られた燃料電池用セパレータ、並びに黒鉛及び樹脂を含む成形体からなり、80℃に保った成形体体積の30倍の水に100時間浸漬した後の浸漬水中に溶出したナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度が20ppm以下及び硫黄の濃度が30ppm以下である燃料電池用セパレータ。
【選択図】なし
Description
固体高分子型の燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる電解質膜を触媒電極で挟み、さらにその外側にセパレータと呼ばれる板状の部材を配置した単セルが基本単位となり、この電解質膜の片面に水素、メタノール等の燃料を供給し、反対の面には酸化剤である空気などを供給して、このときに生じる電気化学反応により電極間に発生する電気エネルギーを取り出すものである。なお、単セルの起電力は数百mVであることから、実際の機器に燃料電池を応用する際には、数百セルを積層したスタックの状態とすることが必要である。
この燃料電池の構成部材の一つであるセパレータは、燃料及び酸化剤を定量的かつ安定に面内に供給するための細かい流路が形成されている。
また、セパレータは発生する電気エネルギーを外部に伝達するための導電性、燃料と酸化剤が混合しないためのガス不透過性、単セルを多数積層し、圧縮、締結したときに破損しないための機械的特性等も必要とされる。
さらに、一つの燃料電池スタックに使用されるセパレータは数百枚の単位となることから、スタック全体をコンパクト化するために、セパレータの板厚を薄くしても上記特性を保つ必要があり、かつ一枚当たりのコストの低減も急務となっている。
また、固体高分子型燃料電池においては、燃料と酸化剤の反応により水が生成する。そして、運転温度を一定温度に保つため、冷却水をスタック内に流通させる必要がある。さらに、電解質膜は十分水を含んだ状態で性能を発揮するため、必要に応じて水蒸気をスタック内に供給する必要もある。
このように、燃料電池においては水が燃料、酸化剤と共に重要な役割を果たすものであり、当然セパレータも水と接触した状態で使用される。運転時にセパレータから水中に不純物が溶出すると、電解質膜や触媒電極が汚染されて発電効率が低下したり、冷却水である純水の導電率が増加し、冷却水を通じてセル間が短絡することもある。このため、水への溶出分が少ないことも、セパレータの材質への重要な要求項目の一つとなっている。
セパレータの材料としては、これまでに大きく分けて金属、黒鉛材料、黒鉛粉/樹脂成形材が研究、開発されてきた。このうちの金属については、腐食による電気抵抗値の増大や金属イオンの溶出による電池特性劣化の問題があり、比重が大きいことからスタック重量も非常に重いものとなってしまう。
これまで研究開発の段階で多く使用されてきた人造黒鉛材料のセパレータは、等方性及び異方性の人造黒鉛ブロックより黒鉛板を切りだし、表面の流路を形成するためにプログラム制御の加工機で長時間かけてドリル加工を行う製造方法である。また、多孔質材であるために、加工後に樹脂含浸を実施してガス不透過性を付与する工程も不可欠であり、セパレータの単価は極端に高いものとなっていた。
しかしながら、黒鉛粉/樹脂成形材により得られるセパレータは、樹脂により黒鉛粉を結合している構造のため、運転中に黒鉛粉と樹脂の間に水が進入し表面積が増大し易く、樹脂含浸の人造黒鉛材料セパレータに比べ樹脂含有量が多いことも相まって、金属不純物を始めとする水への溶出分が多い傾向にある。このため、成形セパレータを使用した燃料電池は、人造黒鉛材料セパレータを使用したものに比べ、運転時間が長くなると電池特性の劣化が生じやすくなることが多く、信頼性、耐久性に問題があった。
本発明は、曲げ破断歪みが0.5%以上である燃料電池用セパレータを提供する。
本発明はまた、圧縮弾性率が20GPa以下である燃料電池用セパレータを提供する。
本発明は更に、ショア硬度が20〜50の範囲である燃料電池用セパレータを提供する。
本発明は更にまた、黒鉛及び樹脂を含む成形体からなり、80℃に保った成形体体積の30倍の水に100時間浸漬した後の、浸漬水中に溶出したナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度が20ppm以下及び硫黄の濃度が30ppm以下である燃料電池用セパレータを提供する。
本発明はまた上記の燃料電池用セパレータを有してなる燃料電池を提供する。
本発明の燃料電池用セパレータ及び燃料電池の好ましい態様を述べれば以下の通りである。
(1).曲げ破断歪みが0.5%以上である燃料電池用セパレータ。
(2).圧縮弾性率が20GPa以下である上記(1)記載の燃料電池用セパレータ。
(3).ショア硬度が20〜50の範囲である上記(1)又は(2)記載の燃料電池用セパレータ。
(4).圧縮弾性率が20GPa以下である燃料電池用セパレータ。
(5).ショア硬度が20〜50の範囲である上記(4)記載の燃料電池用セパレータ。
(6).ショア硬度が20〜50の範囲である燃料電池用セパレータ。
(7).セパレータが、黒鉛及び樹脂を含む成形体である上記(1)〜(6)のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
(8).黒鉛及び樹脂を含む成形体からなり、80℃に保った成形体体積の30倍の水に100時間浸漬した後の、浸漬水中に溶出したナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度が20ppm以下及び硫黄の濃度が30ppm以下である燃料電池用セパレータ。
(9).セパレータが、リブ部及び平坦部を有する上記(1)〜(8)のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
(10).黒鉛が、膨張黒鉛である上記(7)又は(8)記載の燃料電池用セパレータ。
(11).膨張黒鉛が、膨張黒鉛シート粉砕粉である上記(10)記載の燃料電池用セパレータ。
(12).樹脂が、熱硬化性樹脂である上記(7)又は(8)記載の燃料電池用セパレータ。
(13).セパレータが、リブ部及び平坦部以外に穴部を有する上記(1)〜(12)記載の燃料電池用セパレータ。
(14).上記(1)〜(13)のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを有してなる燃料電池。
(15).燃料電池が固体高分子型である上記(14)記載の燃料電池。
また、セパレータをスタックに組み立てる際に、強く締め付けられるが、このときにも強靱で破壊しないようにするためには、曲げ強度ではなく、曲げ破断歪みが重要である。さらに、セパレータ内に固体高分子膜やカーボンペーパーを挟むときに、密着性がよくなり、燃料電池としての性能をよくするために上記の曲げ破断歪みが重要である。
なお、本発明における燃料電池用セパレータは、その曲げ破断歪みが0.5%以上である場合は、その圧縮弾性率及びショア硬度については特に制限はないが、その圧縮弾性率は20GPa以下とすることが好ましく、15GPa以下とすることがより好ましく、0.5GPa〜10GPaの範囲とすることがさらに好ましい。ショア硬度は20〜50の範囲とすることが好ましく、20〜45の範囲とすることがより好ましく、20〜40の範囲とすることがさらに好ましい。
また、本発明においては、曲げ破断歪みが0.5%未満であっても、圧縮弾性率が20GPa以下、好ましくは15Pa以下、さらに好ましくは0.5GPa〜10GPaの範囲であるか又はショア硬度が20〜50の範囲、好ましくは20〜45の範囲、さらに好ましくは20〜40の範囲であれば本発明の目的を達成することができる。しかし、上記の範囲から外れた場合、即ち圧縮弾性率が20GPaを超えると荷重がかかる際の変形が生じ難くなるため、スタック組立の際に、板厚ばらつきの大きいセパレータではセパレータ間でのガスシール性が確保できなくなったり、電極又は隣り合うセパレータとの接触が悪くなり、接触抵抗が大きくなって発電効率が低下し易くなる。
なお、ショア硬度が20未満であると材質が柔らかくなりすぎるため、スタック組立時に板厚のばらつきが大きいセパレータでは、リブ部に非常に大きな偏荷重がかかり、リブが破損する可能性がある。反対にショア硬度が50を超えると、材質が硬すぎて、板厚のばらつきが大きいセパレータに偏荷重がかかってもこれを緩和することができず、電極又は隣り合うセパレータとの接触抵抗が大きくなる。
本発明において、浸漬水の温度を80℃としたのは、一般的な固体高分子型燃料電池の使用温度に合わせたものである。また浸漬時間を100時間としたのは、浸漬液中の不純物量が十分飽和する時間であるため、安定した分析が可能となるからである。なお、浸漬の温度、時間共に±5%程度のずれは測定結果に影響を及ぼさないため、実際の測定においては±5%の範囲内で温度、時間が異なっていても実質的に請求範囲の条件とみなす。
浸漬する水の体積は、成形体が完全に水中に浸漬することが必要であるが、あまり多すぎると溶出された不純物の濃度が低下し、分析の精度が低下する。このような観点から、本発明において水の体積は、被分析物である成形体の30倍とした。なお、実際の測定において、加熱保持中に水の蒸発が生じ体積が減少する場合には、浸漬後に減少した分の水を加え30倍の体積に戻すようにした。
水の体積は±5%程度ずれても不純物濃度分析の誤差範囲となる。従って、本発明でいう水の体積は、実際の測定において±5%の範囲内で異なっていても、実質的に本発明に含まれる範囲の条件とみなす。
浸漬に使用する水は測定のバックグラウンドとなるため、不純物が多いと正確な測定ができなくなるが、極端に純度の高い、所謂、超純水のレベルは不必要である。ナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度が3ppm以下であることが望ましい。
なお、これら金属不純物の分析は、誘導結合プラズマ発光分光法(ICP分析)、原子吸光光度計等の公知の分析方法で実施すればよく、特に分析方法に制限はない。
成形体(セパレータ)を、80℃に保ったセパレータ体積の30倍の水に100時間浸漬した後の、浸漬水中に溶出したナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度を20ppm以下及び硫黄の濃度を30ppm以下にするには、灰分の少ない黒鉛を特に選択して使用する。灰分は、試料を高温(通常800℃〜1000℃)の空気中で加熱して、炭素分を完全に燃焼させて得られた残留分(通常灰分と呼称される金属不純物の酸化物)の量として定義される。灰分が1重量%以下の黒鉛を使用することが好ましく、0.3重量%以下の黒鉛を使用することがさらに好ましい。また、硫黄の濃度を30ppm以下にするには、硫黄含有分が0.5重量%以下の黒鉛を使用することが好ましく、0.3重量%以下の黒鉛を使用することがさらに好ましい。
上記のような黒鉛は、例えば、黒鉛を高温で熱処理(必要に応じてハロゲンガス雰囲気とする)することにより得ることができる。
例えば、硫黄分の少ない膨張黒鉛シート粉砕粉を使用する場合、その作製工程中、硫酸処理黒鉛の作製工程で水を加えた後の撹拌時間を10分以上、好ましくは20分以上とするとよい。また、酸処理に使用する装置、容器の材質は、金属不純物の溶出の少ないホーロー製のもの又はプラスチック製のものを使用することが好ましい。
セパレータの原料の一つとして使用する樹脂に対しても、金属不純物の含有量が少ないものが好ましい。また、セパレータの作製工程で、成形後にとる賦形後の後硬化処理において、加熱処理を長く行う。
(1)成形用混合粉の製造
板厚が1.0mm及び嵩密度が1.0g/cm3の膨張黒鉛シート(日立化成工業(株)製、商品名カーボフィットHGP−105)を粗粉砕機及び微粉砕機で粉砕し、目開き425μmのフルイを通して粗粉を除去し、灰分が0.6重量%及び硫黄分が0.12重量%で、平均粒径が250μmの膨張黒鉛シート粉砕粉を得た。この膨張黒鉛シート粉砕粉と前記一般式(A)及び(B)に示す化学構造単位を有する数平均粒径が20μmの粉末状フェノール樹脂(日立化成工業(株)製、商品名HR1060)を重量比で膨張黒鉛シート粉砕粉:粉末状フェノール樹脂が70:30の割合で配合し、Vブレンダーで乾式混合して混合粉を得た。
(2)燃料電池用セパレータの製造
次に、図1A、図1B、図2、図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータを得るために金型を使用した。このうち図1A、図1B及び図2に示す形状のセパレータを得るための下型〔成形後図1B(裏面)となる部分〕を、成形面(縦、横200mm)が平坦な型とし、上型〔成形後図1A(表面)となる部分〕を、突起部を有する型とした。ただし、上型は、成形後リブの高さが0.6mm、リブピッチが2mm、リブの幅が2mm及びリブテーパが10度になるような形状とした。なおリブ部1が形成される領域は中央部の150mm×150mmとした。
一方、図3A、図3B及び図4に示す形状のセパレータを得るための下型〔成形後図3B(裏面)となる部分〕及び上型〔成形後図3A(表面)となる部分〕の両金型を突起部を有する型とした。このうち下型は、成形後リブの高さが0.6mm、リブピッチが6mm、リブの幅が6mm及びリブテーパが10度になるような形状とした。また上型は、図1A、図1B及び図2に示す形状のセパレータを得るための上型と同じ形状とした。
(1)で得た混合粉を圧延ロールを有するシート成形機を用いて成形し、単位面積当たりの重量が0.23g/cm2で、寸法が200mm×200mm及び厚さが5mmの成形用シートを得た。
また、上記と同様のシート成形機を用いて単位面積当たりの重量が0.09g/cm2で、寸法が200mm×200mm及び厚さが5mmの成形用シートを作製し、その中央部の150mm×150mmの領域をくり抜いた。
この後、図1A、図1B及び図2に示す形状のセパレータを得るための下型を180℃に加熱し、この下型に前記で得た成形用シートを1枚載置した後、さらにその上に中央部をくり抜いた成形用シートを1枚載置した。その後、その上部に上型の突起部を有する部分を下に向けてセットし、得られる成形体の板厚が1.9mmになるような条件、即ち180℃、面圧19.6MPa(2×106kg/m2)の条件で10分間成形し、次いで、平坦部3の6カ所に穴部2を簡易打ち抜き機で打ち抜いて図1A、図1B及び図2に示す形状の燃料電池用セパレータ(a)を52枚得た。なお図1A、図1B及び図2において、4は突起部、5は溝部及び6は底部(底面)である。
一方、図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータ(b)52枚も前記と同様の工程を経て得た。燃料電池用セパレータ(b)の板厚は2.0mmであった。
また、得られた燃料電池用セパレータ(a)のリブ部の嵩密度は1.44g/cm3及び平坦部の嵩密度は1.68g/cm3であり、燃料電池用セパレータ(b)のリブ部の嵩密度は1.58g/cm3及び平坦部の嵩密度は1.60g/cm3であった。なお、以下の実施例及び比較例において、燃料電池用セパレータ(a)及び(b)の板厚、リブ部の嵩密度及び平坦部の嵩密度は上記と同じ値である。
実施例1の(1)で得た膨張黒鉛シート粉砕粉を、さらに目開き180μmのフルイを通して粗粉を除去し、平均粒径が130μmの膨張黒鉛シート粉砕粉を得た。以下実施例1と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を、各々52枚ずつ得た。
実施例1の(1)で得た膨張黒鉛シート粉砕粉を、さらに目開き106μmのフルイを通して粗粉を除去し、平均粒径が83μmの膨張黒鉛シート粉砕粉を得た。以下実施例1と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を、各々52枚ずつ得た。
実施例1の(1)で得た平均粒径が250μmの膨張黒鉛シート粉砕粉と実施例1の(1)で用いた数平均粒径が20μmの粉末状フェノール樹脂を重量比で膨張黒鉛シート粉砕粉:粉末状フェノール樹脂が75:25の割合で配合し、Vブレンダーで乾式混合して混合粉を得た以外は、実施例1と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を、各々52枚ずつ得た。
実施例2で得た平均粒径が130μmの膨張黒鉛シート粉砕粉と実施例1の(1)で用いた数平均粒径が20μmの粉末状フェノール樹脂を重量比で膨張黒鉛シート粉砕粉:粉末状フェノール樹脂を65:35の割合で配合し、Vブレンダーで乾式混合して混合粉を得た以外は、実施例1と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を、各々52枚ずつ得た。
実施例3で得た平均粒径が83μmの膨張黒鉛シート粉砕粉と実施例1の(1)で用いた数平均粒径が20μmの粉末状フェノール樹脂を重量比で膨張黒鉛シート粉砕粉:粉末状フェノール樹脂を65:35の割合で配合し、Vブレンダーで乾式混合して混合粉を得た以外は、実施例1と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を、各々52枚ずつ得た。
また、前記の実施例1〜4及び比較例1〜2で得た燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を各々2枚ずつ用い、各セパレータの平坦部から、50mm×10mmの試片を5枚及び20mm×20mmの試片を2枚作製し、以下に示す特性を求めた。
上記の試片のうち50mm×10mmの試片を用いて、オートグラフ(島津製作所製S−500)により支点間距離40mmで3点曲げ試験を行い、破断時の変形量から治具、装置の歪み量を除いて曲げ破断歪みを算出した。なお参考値として曲げ強度も求めた。またD型ショア硬度計(仲井精機製作所製)を使用し、上記破断後の試片についてのショア硬度を求めた。
次に、上記のオートグラフを使用し、20mm×20mmの試片について圧縮試験を実施し、荷重に対する変形量の関係を求めた。この変形量から治具、装置の歪み量を除いて圧縮弾性率を算出した。これらの特性をまとめて表1に示す。
また、前記の実施例1〜4及び比較例1〜2で得た燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を用いて燃料電池を組立て、電池特性を確認した。
先ず、白金触媒を担持したカーボン粉及びパーフルオロスルホン酸粉末をエタノールに分散させてペーストを作製し、これをカーボンペーパーに均一に塗布し電極触媒層を形成した。このペーストを塗布したカーボンペーパー2枚を150mm角に切断し、ペースト面が内側になるようにして厚さ50μmのパーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製、商品名ナフィオン)を挟み込み、加熱しながら圧着して膜電極複合体(MEK)を作製した。
次に、各実施例及び各比較例で得た図1A、図1B及び図2に示す形状の燃料電池用セパレータ(a)並びに図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータ(b)を各各50枚用い、前記MEKを図1Aに示す燃料電池用セパレータ(a)の面(表面)と図3Aに示す燃料電池用セパレータ(b)の面(表面)の間に挟み込み、両セパレータのリブ部1及び穴部2周辺を液体パッキン(シリコーンゴム)でシールし、単セルを50セット作製した。
次いで、得られた50セットの単セルを、外側面である図1Bに示す燃料電池用セパレータ(a)の面(裏面)と隣り合う図3Bに示す燃料電池用セパレータ(b)の面(裏面)のリブ部1及び穴部2周辺を液体パッキン(シリコーンゴム)でシールしながら積層し、積層体の上下を剛性のある板で挟み込み、500KPaの面圧をかけて固定し、電池特性確認用のスタックを得た。
このようにして得られた電池特性確認用のスタックに穴(マニホールド)部2を通じて水素ガス、空気及び冷却水を供給し、80℃に保持して0.4mA/
cm2の電流密度で100時間の運転を行い、各単セルのそれぞれの出力電圧を測定した。表1に100時間経過後の50セル中の最大電圧と最小電圧を示す。なお、スタック組立中に破壊した比較例1及び比較例2については電圧の測定は行わなかった。
(3)膨張黒鉛シート粉砕粉の製造
濃硫酸(濃度98重量%)15リットルを容積40リットルのガラスフラスコに入れ、ここに天然黒鉛(中国産、固定炭素99%以上、粒径50メッシュ以下)3kgを投入し、ガラス羽根を取り付けた攪拌モータ(回転数150min−1)で5分間攪拌した。その後、過酸化水素水(濃度35重量%)0.75リットルを添加し、15分攪拌した後、減圧濾過で固形分を分離した。この固形分を別容器に移し10リットルの水を加え、30分間攪拌した後に再度減圧濾過を実施して水を分離し、酸処理黒鉛を得た。
得られた酸処理黒鉛をホーロー製のバットに移し平らにならし、110℃に昇温した乾燥機で1時間熱処理して水分を除去した。このものをさらに800℃に昇温した加熱炉に5分間入れ、膨張黒鉛を得た。冷却後、この膨張黒鉛をロールで圧延して密度が1.0g/cm3及び厚みが1.0mmのシートに加工した。得られたシートを粗粉砕機(ホソカワミクロン(株)製、ロートプレックス(商品名))で粉砕後、微粉砕機(奈良機械製作所(株)製、自由粉砕機M−3(商品名))で粉砕し、灰分が0.6重量%及び硫黄分が0.11重量%、数平均粒径が250μmで、嵩密度が0.25g/cm3の膨張黒鉛シート粉砕粉を得た。
(4)成形用混合粉の製造
(3)で得た膨張黒鉛シート粉砕粉と粉末状フェノール樹脂(日立化成工業(株)製、商品名HR1060、数平均粒径が20μm )を重量比で膨張黒鉛シート粉砕粉:粉末状フェノール樹脂が70:30の割合で配合し、Vブレンダーで乾式混合して混合粉を得た。
得られた混合粉を圧延ロールなどからなるシート成形機を用いて成形し、燃料電池用セパレータ(a)用として単位面積当たりの重量が0.28g/cm2、厚さが5mmで寸法が200×200mmの成形用シートを11枚得た。また燃料電池用セパレータ(b)用として単位面積当たりの重量が0.34g/cm2、厚さが6mmで寸法が200×200mmの成形用シートを11枚得た。
(5)燃料電池用セパレータの製造
次に、図1A、図1B、図2、図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータを得るために金型を使用した。このうち図1A、図1B、及び図2に示す形状のセパレータを得るための下型〔成形後図1B(裏面)となる部分〕を、成形面(縦、横200mm)が平坦な型とし、上型〔成形後図1A(表面)となる部分〕を、突起部を有する型とした。ただし、上型は、成形後リブの高さが0.6mm、リブピッチが2mm、リブの幅が2mm及びリブテーパが10度になるような形状とした。なおリブ部1が形成される領域は中央部の150mm×150mmとした。
一方、図3A、図3B及び図4に示す形状のセパレータを得るための下型〔成形後図3B(裏面)となる部分〕及び上型〔成形後図3A(表面)となる部分〕の両金型を突起部を有する型とした。このうち下型は、成形後リブの高さが0.5mm、リブピッチが6mm、リブの幅が6mm及びリブテーパが10度になるような形状とした。また上型は、図1A、図1B及び図2に示す形状のセパレータを得るための上型と同じ形状とした。
先ず、燃料電池用セパレータ(a)用の上下金型及び金型外枠を180℃に加熱し、下型に(4)で得た単位面積当たりの重量が0.28g/cm2の成形用シートを載置し、その上部に上型の突起部を有する部分を下に向けてセットし、その後180℃、面圧19.6MPa(2×106kg/m2)の条件で10分間成形し成形体を取り出した。次いで200℃30分間の後硬化処理を実施し、平均板厚が2.0mmの成形体を得た。この成形を11回繰り返して得られた成形体のうちの10枚について、平坦部3の所定の位置に穴部2を簡易打ち抜き機で打ち抜いて図1A、図1B、及び図2に示す形状の燃料電池用セパレータ(a)を得た。
一方、燃料電池用セパレータ(b)用の上下金型及び金型外枠を180℃に加熱し、下型に(4)で得た単位面積当たりの重量が0.34g/cm2の成形用シートを載置し、以下上記と同様の工程を経て成形体を得た。得られた成形体の平均板厚は2.6mmであり、この成形を11回繰り返して得られた成形体のうちの10枚について、平坦部3の所定の位置に穴部2を簡易打ち抜き機で打ち抜いて図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータ(b)を得た。
実施例5で得た膨張黒鉛シート粉砕粉を、電気炉を用いて大気雰囲気中で400℃、3時間の熱処理を行った。この熱処理工程を追加した数平均粒径が250μmで、嵩密度が0.25g/cm3の膨張黒鉛シート粉砕粉を用いた以外は実施例5と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)をそれぞれ10枚、穴部打ち抜き未実施の成形体をそれぞれ1枚得た。なお、熱処理後の膨張黒鉛シート粉砕粉の灰分は0.6重量%及び硫黄分は0.08重量%であった。
実施例5で得た膨張黒鉛シート粉砕粉を、電気炉を用いて塩素ガスを添加した窒素雰囲気中で2800℃、12時間の熱処理を行った。この熱処理工程を追加した数平均粒径が250μmで、嵩密度が0.25g/cm3の膨張黒鉛シート粉砕粉を用いた以外は実施例5と同様の工程を経て燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)をそれぞれ10枚、穴部打ち抜き未実施の成形体をそれぞれ1枚得た。なお熱処理後の膨張黒鉛シート粉砕粉の灰分は0.002重量%及び硫黄分は0.01重量%であった。
実施例5の(3)における酸処理黒鉛の作製工程で、水を加えた後の撹拌時間を5分間とした以外は実施例5と同様の工程を経て灰分が0.6重量%及び硫黄分が0.4重量%、数平均粒径が250μmで、嵩密度が0.25g/cm3の膨張黒鉛シート粉砕粉を得、さらに燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)をそれぞれ10枚、穴部打ち抜き未実施の成形体をそれぞれ1枚得た。
実施例5の(3)における酸処理黒鉛の膨張工程で用いた容器を、ステンレスのバットとした以外は実施例5と同様の工程を経て灰分が0.9重量%及び硫黄分が0.10重量%、数平均粒径が250μmで、嵩密度が0.25g/cm3の膨張黒鉛粉砕粉を得、さらに燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)をそれぞれ10枚、穴部打ち抜き未実施の成形体をそれぞれ1枚得た。
実施例5の(5)における成形後の後硬化処理を省略した以外は実施例5と同様の工程を経て実施例5と同一の膨張黒鉛シート粉砕粉を得、さらに燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)をそれぞれ10枚、穴部打ち抜き未実施の成形体をそれぞれ1枚得た。
これを温度が80±2℃及び湿度が95%に保った恒温恒湿槽に入れ100時間保持した。冷却後の浸漬水に含有される金属不純物を誘導結合プラズマ発光分光法で測定した。さらに、各試料を燃焼させたガスを捕集液中に採取し、これをイオンクロマトグラフで分析する方法によって, 浸漬水に含有される硫黄分を測定した。これらの結果を表2に示す。
なお、浸漬に使用した純水の中の、ナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウム、硫黄は全て検出下限以下であった。
また、実施例5〜7及び比較例3〜5で得た燃料電池用セパレータ(a)及び燃料電池用セパレータ(b)を用いて燃料電池を組立て、電池特性を確認した。先ず、白金触媒を担持したカーボン粉及びパーフルオロスルホン酸粉末をエタノールに分散させペーストを作製し、これをカーボンペーパーに均一に塗布し電極触媒層を形成した。このペーストを塗布したカーボンペーパー2枚を150mm角に切断し、ペースト面が内側になるようにして厚さ50μmのパーフルオロスルホン酸膜(デュポン社製、商品名:ナフィオン)を挟み込み、加熱しながら圧着して膜電極複合体(MEA)を作製した。
次に、実施例5〜7及び比較例3〜5で得た図1A、図1B及び図2に示す形状の燃料電池用セパレータ(a)並びに図3A、図3B及び図4に示す形状の燃料電池用セパレータ(b)を各々10枚ずつ用い、上記MEAを図1Aに示す燃料電池用セパレータ(a)の面(表面)と図3Aに示す燃料電池用セパレータ(b)の面(表面)の間に挟み込み、両セパレータのリブ部1及び穴部2周辺を液体パッキン(シリコーンゴム)でシールし、単セルを10セット作製した。
次いで、得られた10セットの単セルを、外側面である図1Bに示す燃料電池用セパレータ(a)の面(裏面)と隣り合う図3Bに示す燃料電池用セパレータ(b)の面(裏面)のリブ部1及び穴部2周辺を液体パッキン(シリコーンゴム)でシールしながら積層し、積層体の上下を剛性のある板で挟み込み、500KPaの面圧をかけて固定し、電池特性確認用のスタックを得た。
このようにして得られた電池特性確認用のスタックに穴(マニホールド)部2を通じて水素ガス、空気及び冷却水を供給し、80℃に保持して0.4mA/cm2の電流密度で、各単セルの出力電圧を測定しながら運転を行った。運転時間は100時間を目標とし、問題のなかった場合は100時間の時点での10セルの平均電圧を、問題が発生し運転が停止した場合は、その直前の時点での10セルの平均電圧を、それぞれ表2に示す。
これに対し、比較例3の燃料電池用セパレータは、浸漬水への硫黄の溶出量が多く、2時間でセル間が短絡し、また比較例4の燃料電池用セパレータは、浸漬水への金属不純物及び硫黄の溶出量が多く、平均電圧が低い、さらに比較例5の燃料電池用セパレータは、浸漬水への金属不純物及び硫黄の溶出量が多く、浸漬水の導電率が高く、60時間で短絡するという欠点が生じた。
本発明の燃料電池用セパレータは、燃料電池スタックの組立健全性に優れ及び/又は長時間運転しても電池特性の劣化が生じ難く、かつ安価な燃料電池用セパレータである。
また、本発明の燃料電池は、燃料電池スタックの組立健全性に優れ及び/又は長時間運転しても電池特性の劣化が生じ難く、かつ安価な燃料電池用セパレータを有する高性能な燃料電池である。
Claims (15)
- 曲げ破断歪みが0.5%以上である燃料電池用セパレータ。
- 圧縮弾性率が20GPa以下である請求項1記載の燃料電池用セパレータ。
- ショア硬度が20〜50の範囲である請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータ。
- 圧縮弾性率が20GPa以下である燃料電池用セパレータ。
- ショア硬度が20〜50の範囲である請求項4記載の燃料電池用セパレータ。
- ショア硬度が20〜50の範囲である燃料電池用セパレータ。
- セパレータが、黒鉛及び樹脂を含む成形体である請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 黒鉛及び樹脂を含む成形体からなり、80℃に保った成形体体積の30倍の水に100時間浸漬した後の、浸漬水中に溶出したナトリウム、カリウム、鉄、ニッケル、マグネシウムの合計濃度が20ppm以下及び硫黄の濃度が30ppm以下である燃料電池用セパレータ。
- セパレータが、リブ部及び平坦部を有する請求項1〜8のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 黒鉛が、膨張黒鉛である請求項7又は8記載の燃料電池用セパレータ。
- 膨張黒鉛が、膨張黒鉛シート粉砕粉である請求項10記載の燃料電池用セパレータ。
- 樹脂が、熱硬化性樹脂である請求項7又は8記載の燃料電池用セパレータ。
- セパレータが、リブ部及び平坦部以外に穴部を有する請求項1〜12のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
- 請求項1〜13のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池。
- 固体高分子型である請求項14記載の燃料電池。
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN102897755A (zh) * | 2012-09-14 | 2013-01-30 | 中科恒达石墨股份有限公司 | 一种去金属离子膨胀石墨材料的制造方法 |
US8595276B2 (en) | 2004-04-30 | 2013-11-26 | Microsoft Corporation | Randomized signal transforms and their applications |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR100536250B1 (ko) * | 2004-03-30 | 2005-12-12 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료전지용 분리판과 그 제조방법 및 이로부터 제조되는연료전지 시스템 |
JP5041309B2 (ja) * | 2005-09-26 | 2012-10-03 | 東海カーボン株式会社 | 燃料電池用セパレータ材とその製造方法 |
KR20080105255A (ko) * | 2007-05-30 | 2008-12-04 | 현대자동차주식회사 | 전기전도도가 향상된 5-레이어 mea 제조 방법 |
DK2190048T3 (da) * | 2007-09-12 | 2012-01-23 | Nisshinbo Holdings Inc | Bipolær plade til brændselscelle |
JP5283113B2 (ja) * | 2008-10-03 | 2013-09-04 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | 微量液滴の体積測定方法及び装置 |
JP5857213B2 (ja) * | 2011-09-21 | 2016-02-10 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 燃料電池セパレータ成形用材料、燃料電池セパレータ、及び燃料電池 |
JP5849229B2 (ja) * | 2011-12-13 | 2016-01-27 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 燃料電池用セパレータ、及び燃料電池 |
KR101477190B1 (ko) * | 2012-07-23 | 2014-12-29 | 주식회사 엑스에프씨 | 그라파이트 시트를 이용한 연료전지용 분리판의 제조방법 |
US9718688B2 (en) | 2013-03-22 | 2017-08-01 | Nippon Steel & Sumikin Materials Co., Ltd. | Carbon plate and composite carbon plate |
KR101741010B1 (ko) * | 2014-09-01 | 2017-05-29 | 한국생산기술연구원 | 레독스 플로우 전지용 바이폴라 플레이트의 제조방법 |
JP5934948B2 (ja) * | 2014-12-24 | 2016-06-15 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 燃料電池セパレータ用成形材料 |
JP6004357B2 (ja) * | 2015-11-02 | 2016-10-05 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | 燃料電池セパレータの製造方法 |
CN111640930A (zh) * | 2020-06-16 | 2020-09-08 | 陕西中丰新能源有限公司 | 一种高效低成本电极制作材料及工艺 |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000021422A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Toshiba Corp | 燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ |
JP2000090941A (ja) * | 1998-07-13 | 2000-03-31 | Nisshinbo Ind Inc | 燃料電池用セパレ―タ基体及び該基体による燃料電池用セパレ―タ |
JP2000251903A (ja) * | 1999-02-25 | 2000-09-14 | Hitachi Chem Co Ltd | 燃料電池用セパレータ及びその製造法並びに燃料電池用セパレータを用いた燃料電池 |
Family Cites Families (21)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
IT1077612B (it) * | 1977-02-07 | 1985-05-04 | Nora Oronzo Impianti Elettroch | Setto bipolare conduttore per celle elettrochimiche e metodo di preparazione |
JP3407320B2 (ja) * | 1992-12-25 | 2003-05-19 | 松下電器産業株式会社 | 固体高分子型燃料電池 |
JP3383953B2 (ja) * | 1995-02-09 | 2003-03-10 | 東海カーボン株式会社 | 固体高分子型燃料電池用黒鉛部材の製造方法 |
JPH10125337A (ja) * | 1996-10-18 | 1998-05-15 | Nippon Carbon Co Ltd | 燃料電池用セパレーター |
JP3413368B2 (ja) * | 1998-06-18 | 2003-06-03 | 日立化成工業株式会社 | 燃料電池、燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
JP3437937B2 (ja) * | 1998-06-25 | 2003-08-18 | 日立化成工業株式会社 | 燃料電池、燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
JP3616255B2 (ja) * | 1998-07-03 | 2005-02-02 | 東海カーボン株式会社 | 固体高分子型燃料電池用セパレータ部材及びその製造方法 |
US6444344B1 (en) * | 1998-07-13 | 2002-09-03 | Nisshinbo Industries, Inc. | Material for fuel cell separator and fuel cell separator made from said material |
JP3438865B2 (ja) * | 1998-07-24 | 2003-08-18 | 日立化成工業株式会社 | 燃料電池用セパレータ、その製造法及びこのセパレータを用いた燃料電池 |
JP3824795B2 (ja) * | 1998-12-02 | 2006-09-20 | 東海カーボン株式会社 | 固体高分子型燃料電池用セパレータ部材の製造方法 |
JP4028940B2 (ja) * | 1998-12-17 | 2008-01-09 | 日清紡績株式会社 | 燃料電池セパレータ、その製造方法及び当該燃料電池セパレータを使用した固体高分子型燃料電池 |
DE60016295T2 (de) * | 1999-02-16 | 2005-05-04 | Nichias Corp. | Harzzusammensetzung |
JP3807708B2 (ja) * | 1999-02-22 | 2006-08-09 | 東海カーボン株式会社 | 固体高分子型燃料電池用セパレータ部材の製造方法 |
JP2000348740A (ja) * | 1999-06-08 | 2000-12-15 | Ibiden Co Ltd | 固体高分子型燃料電池のセパレータ及びその製造方法 |
JP3475869B2 (ja) * | 1999-09-17 | 2003-12-10 | 松下電器産業株式会社 | 高分子電解質型燃料電池とその特性回復方法 |
JP2001106831A (ja) * | 1999-10-07 | 2001-04-17 | Sumitomo Bakelite Co Ltd | 熱硬化性樹脂成形材料及びそれを用いた成形体 |
JP2001189159A (ja) * | 1999-10-20 | 2001-07-10 | Nisshinbo Ind Inc | 燃料電池セパレータ及び固体高分子型燃料電池 |
CA2391894C (en) * | 1999-12-06 | 2007-11-06 | Hitachi Chemical Company, Ltd. | Fuel cell, fuel cell separator, and method of manufacture thereof |
JP2002184420A (ja) * | 2000-10-03 | 2002-06-28 | Mitsubishi Chemicals Corp | 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 |
JP2002198063A (ja) * | 2000-10-18 | 2002-07-12 | Mitsubishi Chemicals Corp | 燃料電池用セパレータの製造方法 |
JP5240737B2 (ja) * | 2010-11-02 | 2013-07-17 | 三菱電機株式会社 | 充電システム、充電方法及びプログラム |
-
2002
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Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000021422A (ja) * | 1998-06-30 | 2000-01-21 | Toshiba Corp | 燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ |
JP2000090941A (ja) * | 1998-07-13 | 2000-03-31 | Nisshinbo Ind Inc | 燃料電池用セパレ―タ基体及び該基体による燃料電池用セパレ―タ |
JP2000251903A (ja) * | 1999-02-25 | 2000-09-14 | Hitachi Chem Co Ltd | 燃料電池用セパレータ及びその製造法並びに燃料電池用セパレータを用いた燃料電池 |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8595276B2 (en) | 2004-04-30 | 2013-11-26 | Microsoft Corporation | Randomized signal transforms and their applications |
CN102897755A (zh) * | 2012-09-14 | 2013-01-30 | 中科恒达石墨股份有限公司 | 一种去金属离子膨胀石墨材料的制造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
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