JP2009099475A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面方向における導電性を安定させることのできる燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】粉末の導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形するものであり、成形されたセパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを水洗いで洗浄する。セパレータの表面層をサンドブラストにより物理的、かつ高精度に除去した後、サンドブラストに伴う塵等を水洗いにより除去するので、セパレータ表面の溝の有無に拘わらず、セパレータの表面方向における導電性を安定させることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、燃料電池に使用される燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関するものである。

近年、燃料電池が注目されているが、この燃料電池とは、燃料と酸化剤との電気化学反応を利用して電気及び熱エネルギーを取り出す電池をいう（特許文献１参照）。この燃料電池は、一般的には、電解質を介してその両側部の一対の電極を水素等の燃料、あるいは酸素ガスや空気等の酸化剤を供給するための供給路を設けた２つのセパレータで挟持された単セルを基本構造とする。燃料電池に高出力を必要とする場合には、単セルを直列に複数積層したスタック構造とし、スタックの両端に設けた集電板で集電することとなる。

ところで、燃料電池には、電解質、燃料、酸化剤等の種類により様々なタイプがあり、中でも、電解質に固体高分子電解質膜、燃料に水素ガス、酸化剤に空気を用いる固体高分子型燃料電池、あるいは燃料電池の内部で直接メタノールから水素を取り出して燃料とするメタノール直接型燃料電池は、発電時の作動温度が２００℃以下という比較的低温で効率的な発電が可能である。
特開２００７‐１６９５４９号公報

従来における燃料電池用セパレータは、燃料電池のセルに流入する反応ガスの供給路を確保するとともに、燃料電池のセルで発電した電気を外部に伝達するという役割を担っているので、上記役割を十分に果たすため、表面方向における安定した導電性が強く要求される。
しかしながら、従来における燃料電池用セパレータは、表面方向における導電性が安定しないという問題がある。

本発明は上記に鑑みなされたもので、表面方向における導電性を安定させることのできる燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的としている。

本発明者等は、上記課題を鋭意検討した結果、セパレータの表面層の研磨方法に着目し、セパレータの表面層をサンドブラスト処理により除去した後、このセパレータを水洗いすれば、セパレータの表面方向における抵抗値を低くすることができるのを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明においては上記課題を解決するため、導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形するものであって、
成形材料を、粉末化された導電性材料と熱可塑性樹脂とを溶融させることなく混合することにより調製し、セパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを水洗いするようにしたことを特徴としている。

なお、導電性材料を、少なくとも黒鉛、カーボンブラック、及び焼成黒鉛のいずれかとすることが好ましい。
また、熱可塑性樹脂を、少なくともポリフェニルサルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、及びポリカーボネートのいずれかとすることが好ましい。
また、表面層が除去されたセパレータの表面を純水、イオン交換水、あるいは蒸留水により水洗いすることが好ましい。

また、本発明においては上記課題を解決するため、導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、粉末化された導電性材料と熱可塑性樹脂とを溶融させることなく混合することにより調製し、セパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを純水、イオン交換水、あるいは蒸留水により水洗いすることを特徴としている。

本発明によれば、セパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを水洗いするので、燃料電池用セパレータの表面方向における導電性を安定させることができるという効果がある。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータは、粉末の導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形するものであり、成形されたセパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを水洗いで洗浄するようにしている。

成形材料は、少なくとも粉末化された導電性材料と熱可塑性樹脂とが樹脂の過度の付着を防止する観点から、溶融されたり、混練（ｋｎｅａｄｉｎｇ）されることなく、混合されることにより調製される。

成形材料の導電性材料としては、少なくとも粉末の黒鉛、カーボンブラック、及び焼成黒鉛のいずれかが使用され、好ましくは導電性に優れる安価な黒鉛が最適である。この導電性材料の平均粒径としては、１０〜２００μｍ、好ましくは３０〜１５０μｍの範囲が良い。これは、１０μｍ未満の場合には、作業時に導電性材料が舞い上がり、作業環境や電気特性が悪化するからである。逆に、２００μｍを超える場合には、機械的特性が低下したり、セパレータの薄型化が困難になるからである。また、成形材料中の導電性材料の比率は、６０〜９０ｖｏｌ％、好ましくは７０〜８５ｖｏｌ％の範囲とされる。

成形材料の熱可塑性樹脂としては、加熱により溶融軟化して流動性を示す粉末タイプであれば、特に限定されるものではないが、少なくとも粉末のポリフェニルサルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、及びポリカーボネートのいずれかが使用される。

熱可塑性樹脂の平均粒径は、導電性材料の平均粒径の０．１〜３倍、好ましくは０．２〜２．５倍の範囲が良い。これは、平均粒径が０．１倍未満の場合には、熱可塑性樹脂の粒子数が必要以上に増大し、導電性材料と熱可塑性樹脂とが過度に付着し、導電性が低下するからである。逆に、平均粒径が３倍を超える場合には、熱可塑性樹脂の粒子数が減少し、熱可塑性樹脂量に濃淡が生じて機械的強度が低下するからである。

導電性材料や熱可塑性樹脂の平均粒径の求め方としては、例えばＸ線を用いたＸ線小角散乱法、透過型電子顕微鏡を使用する方法、動的光散乱法、微分型電気移動度測定法、高感度な分析が可能な飛行時間型質量分析法等があげられる。

上記において、燃料電池用セパレータを製造する場合には、先ず、粉末化された所定量の導電性材料と熱可塑性樹脂とをボールミルやタンブラー等により混合して成形材料を調製する。この際の混合は、熱可塑性樹脂の融点以下の温度、好ましくは常温で行うと良い。こうして成形材料を調製したら、金型に所定量の成形材料を充填して加熱粉体成形、具体的には加熱プレス機を使用した所定の条件で加熱加圧してセパレータを圧縮成形し、その後、冷却してセパレータを脱型する。

次いで、セパレータの表面層をサンドブラスト処理により除去し、この表面層が除去されたセパレータの表裏両面をスプレーガンの純水、イオン交換水、あるいは蒸留水により洗浄した後、塵等の除去されたセパレータを乾燥機により乾燥させれば、燃料電池用セパレータを製造することができる。具体的なサンドブラスト法としては、セパレータの表裏両面を含む表面層に微細なアルミナ粒子をサンドブラスト装置により圧縮空気で吹き付け、導電性に欠けるスキンの表面層を除去する加工方法があげられる。

上記によれば、セパレータの表面層をグラインダではなく、サンドブラスト処理により物理的、かつ高精度に除去した後、サンドブラストに伴う塵等をエアカッタではなく、水洗いにより除去するので、セパレータ表面の溝の有無に拘わらず、セパレータの表面方向における抵抗値やそのバラツキを小さくし、導電性を大いに安定させることができる。したがって、本実施形態によれば、電極部分の接触抵抗が低く均一で、高い導電性を安定して示す燃料電池用セパレータを得ることができる。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施例を比較例と共に説明するが、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

実施例
先ず、表１、表２に示す粉末化された所定量の黒鉛とポリフェニルサルファイドとをボールミルにより３０分間混合して成形材料を調製し、金型に３７０ｇの成形材料を充填して加熱プレス機を使用した所定の条件で加熱加圧してＡ４サイズ（２１０×２９７ｍｍ）で厚さ２ｍｍのセパレータを圧縮成形し、その後、冷却してセパレータを脱型した。成形の際の所定の条件としては、４００℃、１５０ｋｇｆ／ｃｍ^２とした。

次いで、セパレータの表面層をサンドブラスト処理により除去し、この表面層が除去されたセパレータの表裏面をスプレーガンのイオン交換水により洗浄した後、塵等の除去されたセパレータを１００℃の乾燥機により８時間乾燥させ、実施例１〜１０の燃料電池用セパレータをそれぞれ製造した。具体的なサンドブラスト処理としては、セパレータの表裏両面を含む表面層に粒子径約１００μｍのアルミナビーズ〔不二製作所製：商品名Ｗ２２０〕をサンドブラスト装置〔不二製作所製：商品名ニューマブラスター〕により０．２ＭＰａ、射出距離２００ｍｍの条件で吹き付け、スキンの表面層を除去した。

実施例１〜１０の燃料電池用セパレータをそれぞれ製造したら、各燃料電池用セパレータの表面抵抗値を横方向に１０点、縦方向に１５点、約１５ｍｍ置きに合計１５０点測定し、平均値と標準偏差を表１、表２にまとめた。

比較例
表１、表２に示す粉末化された所定量の黒鉛とポリフェニルサルファイドとをボールミルにより３０分間混合して成形材料を調製し、金型に３７０ｇの成形材料を充填して加熱プレス機を使用した所定の条件で加熱加圧してＡ４サイズで厚さ２ｍｍのセパレータを圧縮成形し、その後、冷却して比較例１、２のセパレータを脱型・製造した。成形の際の所定条件は、実施例と同様とした。

比較例１、２の燃料電池用セパレータをそれぞれ製造したら、各燃料電池用セパレータの表面抵抗値を横方向に１０点、縦方向に１５点、約１５ｍｍ置きに合計１５０点測定し、平均値と標準偏差を表１、表２にまとめた。

実施例と比較例の燃料電池用セパレータを検討したところ、実施例の燃料電池用セパレータは、配合に違いがあっても、標準偏差が小さく、安定した抵抗値を得ることができ、比較例の燃料電池用セパレータよりも抵抗値のバラツキが少ないのが判明した。

Claims (4)

1. 導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形する燃料電池用セパレータであって、
   成形材料を、粉末化された導電性材料と熱可塑性樹脂とを溶融させることなく混合することにより調製し、セパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを水洗いするようにしたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 導電性材料を、少なくとも黒鉛、カーボンブラック、及び焼成黒鉛のいずれかとした請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
3. 熱可塑性樹脂を、少なくともポリフェニルサルファイド、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、及びポリカーボネートのいずれかとした請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
4. 導電性材料と熱可塑性樹脂とを含む成形材料を使用して燃料電池のセパレータを加熱粉体成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   成形材料を、粉末化された導電性材料と熱可塑性樹脂とを溶融させることなく混合することにより調製し、セパレータの表面層をサンドブラストにより除去し、この表面層が除去されたセパレータを純水、イオン交換水、あるいは蒸留水により水洗いすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。