JP2010511279A - ニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターおよびその製造方法（ｆｕｅｌｃｅｌｌｓｅｐａｒａｔｏｒｐｌａｔｅｄｗｉｔｈｎｉｃｋｅｌａｎｄｉｔｓｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ） - Google Patents

Abstract

本発明は導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料を粉末化したあと、成型加工して製造される燃料電池用セパレーターにおいて、上記成型加工された燃料電池用セパレーターを原版としてその表面にニッケルをメッキして形成されたことを特徴とするニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターおよびその製造方法に関するものである。
本発明によると切削加工を経た機械的製作方式による燃料電池用セパレーターに比べて成型加工によって製作したにもかかわらず、電気伝導性が劣らないだけでなく、厚さと重量も画期的に減らすことができ、製造費用も安価で大量生産が可能なニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は水素および水素化合物燃料電池用セパレーターおよびその製造方法に関するものであって、セパレーター本体を成型した後に無電解ニッケルメッキまたは電気メッキをして性能と耐久性に優れて安価で大量生産が容易な水素および水素化合物燃料電池用セパレーターを提供するにその目的がある。

水素および水素化合物燃料電池（以下、燃料電池という）は、水素と空気中の酸素を供給して電気エネルギと熱エネルギを同時に得ることができるものであって、純粋な水以外には排出されるものがなくて親環境的なので、石油や石炭など化石燃料の枯渇に対する対比と気候変化協約に関する京都議定書など国際的な環境規定が強化される視点に注目される次世代エネルギ原として多くの研究が進行されている。

このような燃料電池が広く利用されるためには燃料電池を構成している構成要素のうち、製作費用の相当部分を占めている固体高分子膜や白金触媒、セパレーターの価格が大幅に安くならなければならない。

このような燃料電池用セパレーターに関する従来技術では日本特開平8-22241号において黒鉛版を機械的に加工して製造する方法を提案したが、機械的に黒鉛版の表裏面に溝（流路）を掘ると両面加工をする際に折ってしまう恐れがあるため、セパレーターの厚さを２−５ｍｍ以下に作ることができないとの限界点があって、セパレーターの重量が重くて価格が高いとの問題点があったし、日本特許公開2001-335695号と大韓民国特許公開公報第2003-0030885号では導電性炭素材料とエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂などを粉末に作って射出または圧縮成型して製造する方法を提示したが、黒鉛版を機械的に加工して製造する方法に比べて成型のために電気伝導性のある黒鉛に非伝導性物質である熱硬化性樹脂を含ませることによってセパレーターの効率と耐久性が劣る短所があった。

このような短所を克服するために、大韓民国特許登録第0533103号では帯電防止剤を添加して射出または圧縮成型して製造するとセパレーターの性能を増加させるというが、カーボンブラックは帯電防止剤の役目もするので、実際にはカーボンブラックを帯電防止剤として添加した場合にもセパレーターの性能を向上させることができないので、機械的に加工して製造することより射出または圧縮成型して製造したセパレーターの性能が劣るとの問題点は依然として解決できなかった。

本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたものであって、優秀な成型材料を開発して粉末にした後に、圧縮成型または射出成型方法で１次的にセパレーター原版を加工して製造し、以後、圧縮成型または射出成型されたセパレーター原版にニッケルをメッキする２次加工をして性能が向上された優秀なニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターおよびその製造方法を提供するに目的がある。

本発明はニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターに関するものであって、具体的には導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料を粉末化した後、成型加工して製造される燃料電池用セパレーターにおいて、上記成型加工された燃料電池用セパレーターを原版としてその表面にニッケルをメッキして形成されたことを特徴とする。この際、上記メッキされたニッケルの厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であるのが好ましい。

一方、本発明であるニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターは、導電性炭素材料である黒鉛が６０重量％以上８５重量％以下であり、エポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料が１５重量％以上４０重量％以下の比率で調性され、上記導電性炭素材料である黒鉛の平均粒徑が３０μｍ以上５０μｍ以下である燃料電池用セパレーターを原版とすることを特徴とする。

さらに、このような燃料電池用セパレーター原版は、上記導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量を１００重量％としたとき、０．５〜１重量％のカーボンブラック、上記導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量を１００重量％としたとき０、５〜１重量％の二酸化珪素（ＳｉＯ_２）で構成されるアエロジルおよび上記導電性炭素材料である黒鉛と、上記非炭素質材料の混合量を１００重量％としたとき０．５〜１．５重量％の骨粉または合粉（貝殻の粉末）のうちいずれ１つで構成される補強材をさらに含めて調性することもできるｓ。

本発明であるニッケルがメッキされた燃料電池油セパレーターに対して具体的に説明すると、燃料電池用セパレーター原版は熱および電気を移動させる役目をする天然の黒鉛、人造黒鉛などのような導電性炭素材料と成型を円滑にし、導電性炭素材料を固定させる役目をするエポキシ樹脂またはフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂および硬化促進剤、アエロジル、補強材などを粉末原料にして製造されるが、この際、導電性炭素材料の割合が全体成型材料粉末重量の６０重量％以上８５重量％以下でなければならない。

なぜなら、導電性炭素材料の割合が６０重量％未満であると、セパレーターの強度と耐久性は優れるが電気伝導性が劣る問題点が生じ、導電性炭素材料の割合が８５重量％を超えるとセパレーターの電気伝導性は優れるようになるが、セパレーター自体の強度と耐久性は劣る問題点が発生するからである。

セパレーター原版の成型製作に材料として使用される導電性炭素材料は黒鉛が最もいいし、アセチレンブラックなどのようなものは気穴が大きくて水素透過に問題があって使用するには不適合である。

この際、導電性炭素材料を粉末に作って材料に用いるが、黒鉛の大きさは電気伝導性と水素透過性のために平均粒徑が３０μｍ以上５０μｍ以下が最も良い。黒鉛が人造黒鉛と天然黒鉛があるがいずれを使用しても差支えがない。

一方、セパレーター原版は黒鉛粉末を成型しては製作することができないので、熱硬化性樹脂を粉末化して黒鉛とともに混合して成型を行う。

このような成型加工には燃料電池が作動されると電気とともに熱が生じる点を考慮して熱に変更がなく、強度が大きい熱硬化性樹脂を用いなければならないが、主にエポキシ樹脂が用いられる。エポキシ樹脂としては主にビスフェノールＡ型やノボラック型が良いし、軟化点が高いので粉末の製造が可能でなければならない。

硬化剤はセパレーター原版製造の時にともに投入されるエポキシ樹脂の硬化に必要である。このような硬化剤ではフェノール樹脂係が良いし、軟化点が高くて粉末製造が可能でなければならない。

硬化促進剤は燃料電池用セパレーター製造の際、製品を硬化させるための最小の時間（gell time）を短縮させて生産速度を増加させる役目を担当するので、大量生産をする時に必ず必要なものである。硬化促進剤では有機燐系が良いし、粉末製造が可能でなければならない。

カーボンブラックはその大きさが５ｎｍ以下でなければならないし、アエロジル（aerosil）とともに導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量とを１００重量％にした時、１〜２重量％が使われ、水素透過を抑制する役目を担当する。

アエロジル（aerosil）は５ｎｍ大きさの二酸化珪素（ＳｉＯ_２） 粉末を利用するが、カーボンブラックとともに水素透過を抑制させて燃料電池用セパレーターを成型して製造する際、樹脂と硬化剤に揺変性（Thixotropic ; 硬化中に流れ落ちたり遺失されないようにする性質）を付与して高圧および高熱によって液体に変わって黒鉛と分離される現象を防止する役目を担当する。

この際、添加されるアエロジルの量は導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量を１００重量％とした時、０．５〜１重量％に使われるのが望ましい。

一方、必要によってはセパレーター原版の屈曲強度を補強するために動物骨粉や合粉（貝殻の粉末） のうちいずれ一つ以上で構成される補強材を追加してセパレーター原版を成型加工することができるし、上記のような補強材は導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量を１００重量％とした時、０．５〜１重量％に使われるのが望ましい。

上記のようなセパレーター原版材料を粉末化した後に原版を成型加工した後、その原版にニッケルをメッキするようになるが、このようにセパレーター原版にニッケルを材料としてメッキする理由は、セパレーターの電気伝導度を高めることと同時に表面にメッキされたニッケルによってセパレーター自体の耐久性を強化させることができる。何故ならセパレーター原版の主材料である黒鉛は腐食性がないので、金属材の原版にメッキをしたことよりも付着性が良くて、またメッキした一部分が損傷や毀損されるとしても、その周り部分が腐食される恐れがないからである。

この際、セパレーター原版にニッケルをメッキする時には１０μｍ 以上５０μｍ 以下の厚さにメッキされるようにすることが望ましい。これのようにメッキ厚を数値で限定したことはメッキの厚さを１０μｍ 未満に薄くした場合にはセパレーターの電気伝導性を向上させるに問題があり、メッキの厚さを５０μｍを超過して形成させる場合には電気伝導性の向上とは無関係にメッキ費用が高くなるので経済性が劣ってしまう。

一方、本発明の他の内容であるニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターの製造方法は、導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料を粉末化する段階（Ｓ１００）と、上記粉末化段階を経った材料のうち導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、上記導電性炭素材料である黒鉛と硬化剤をそれぞれ分けて部分的に混練しながら追加に粉末化する段階（Ｓ２００）と、上記部分混練および追加粉末化段階を経った材料に硬化促進剤を入れて再び全体に混合する段階（Ｓ３００）と、上記全体混合段階を経った粉末材料を金型に入れて燃料電池用セパレーター原版を成型加工する段階（Ｓ４００）および成型加工された燃料電池用セパレーター原版にニッケルをメッキする段階（Ｓ５００）とで構成されることを特徴とする。

この際、上記ニッケルをメッキする段階は無電解メッキまたは電気メッキのうちいずれ１つを特徴とする。

以上のように、黒鉛と熱硬化性樹脂、黒鉛と硬化剤をそれぞれ粉砕した後、混練したものを再び全体的に粉末化して燃料電池用セパレーターを成型加工した後に、これを原版に再びニッケルをメッキさせると、機械的方式、すなわち切削加工を介して製造された燃料電池用セパレーターに比べ電気伝導性が劣らないだけでなく、厚さと重さも画期的に減らすことができるとの長所がある。

さらにニッケルメッキを介して優れる耐久性を有しながらも切削加工ではない圧縮成型または射出成型方式介して製造費用も安価で大量生産の可能なニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを提供することができるとの他の長所がある。

図面を用いて本発明であるニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターに対して具体的に説明すると次のようである。

図１はこのようなニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを製作するための全体工程図を示したものである。

先ず、上記した黒鉛、熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤、アエロジル、カーボンブラックおよび補強材で構成されるセパレーター原版成型材料らをすべて粉碎して粉末に作らなければならない。

この際、黒鉛を非炭素質樹脂によく合わせるためにはそれぞれ部分的に分けて混練をしなければならない。したがって黒鉛とエポキシ樹脂を黒鉛５０重量％にエポキシ樹脂１０重量％の割合で配合して混練し、以後黒鉛と硬化剤とを再び黒鉛２５重量％に硬化剤８重量％の割合で配合して加圧し混練をしなければならない.このようにそれぞれ部分的に混練しないと硬化反応を起こしてセパレーター原版成型をする時、一定の成型温度を定め難いし、完成された原版を金型から脱型がよくできないので、生産に難しいことが発生するという問題点が生ずるためである。このように部分混練が終わるとそれぞれ粉末化工程を再度経たり他の粉末材料と混合した後、もう１度粉末化工程を追加的に経るのが望ましい。

このように部分混練および追加粉末化段階を経った後、全体的にともに混合して上記粉末らを撹拌機を用いてよく混合しなければならないが、撹拌機としてはヘンセルミキサーを用いることができる。

以後、上記のように良く混練されて粉末化された成型材料を水素や空気が通るように流路がセパレーターの表面に一体的に形成されることができるように製作されたセパレーター原版製作用の金型に入れて、７００ｋｇ／ｃｍ^２〜１５００ｋｇ／ｃｍ^２以下の圧力に、１８０℃〜３００℃の温度で、１分〜３分位の時間を置いて成型加工をして冷却するとセパレーター原版が１次的に完成される。

以後、上記セパレーター原版にニッケルを無電解メッキや電気メッキのうちいずれ一つの方法を使用してニッケルがセパレーター原版の外部表面に均一にメッキされるようにする。

ニッケルをセパレーター原版にメッキさせる時には無電解メッキを用いるのが望ましいが、無電解メッキとは化学メッキあるいは磁気触媒メッキとも言い、水溶液内のフォルムアルデヒドやハイドリジンのような還元剤が金属イオンが金属分子に還元されるように電子を供給するが、この反応は触媒表面にて起きる。最も常用化されたメッキ剤では銅、ニッケル-燐、ニッケル-ボロン合金がある。

このような無電解メッキを使用すると電気メッキに比べてメッキ層が緻密で１５μｍ 以上５０μｍ 以下のうちいずれ特定の厚さを維持することができるだけでなく、導体以外にプラスチックや有機体のような多様な基板に対しても優秀にメッキをさせることができるという長所がある。

勿論、上記のような無電解メッキ以外に必要によっては電気メッキによってもニッケルを上記セパレーター原版にメッキすることができる。このようにニッケルメッキ工程まで済むと本発明であるニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターが完成される。

本発明に対する理解を助けるために、次のように比較例と実施例を記述する。

本発明に係る粉末材料を用いた圧縮成型又は射出成型をすると、燃料電池用セパレーターの厚さが０．８ｍｍまで生産が可能であるが、ゼットミルやヘンセルミキサー、精巧な圧縮成型プレス、精密な値数の流路を有する金型などを購入する費用を用意し難いし、セパレーターの横長１００ｍｍ、縦長１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ、流路深さ０．５ｍｍの燃料電池用セパレーターを原版として次のような比較例と実施例を試した。

（比較例１）
黒鉛７５重量％その他樹脂など２５重量％をボールミルに入れて平均粒徑が３０μｍになるように粉碎して作った粉末を横長１００ｍｍ、縦長さ１００ｍｍ、幅２ｍｍ、流路深さ０．５ｍｍで形成されている金型に入れて８００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の下で１８０℃で９０秒間成型して屈曲強度２５００ｐｓｉ、電気伝導度７０Ｓ／ｃｍ、熱変更温度１９８℃の燃料電池用セパレーターを製作する。

（実試例１）
黒鉛７５重量％その他樹脂など２５重量％をボールミルに入れて平均粒徑が３０μｍになるように粉碎して作った粉末を横長１００ｍｍ、縦長さ１００ｍｍ、幅２ｍｍ、流路深さ０．５ｍｍで形成されている金型に入れて８００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の下で１８０℃で９０秒間成型して製作した燃料電池用セパレーターを原版として無電解メッキ方式でニッケルを厚さ１５μｍにメッキして屈曲強度２８００ｐｓｉ、電気伝導度２５０ Ｓ／ｃｍ、熱変更温度１９８℃のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを製作する。

（比較例２）
黒鉛５０重量％とエポキシ樹脂１０重量％とをボールミルに入れて平均粒徑が３０μｍになるように粉碎して作った粉末を加圧ニーダに入れ、１００℃で５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を与えて８０分間混練して冷凍させる。また黒鉛２５重量％と硬化剤としてフェノール樹脂８重量％とを平均粒徑が３０μｍになるように粉碎し、これを加圧ニーダに入れて１００℃で５ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を与え８０分間混練して冷却させる。上の２種類の粉末をボールミルにともに入れて硬化促進剤５重量％、カーボンブラック０．５重量％、アエロジル０．５重量％、骨粉１重量％をともに混合した後、平均粒徑が３０μｍになるように粉碎して粉末を製造する。製造された粉末を横長１００ｍｍ、縦長さ１００ｍｍ、幅２ｍｍ、流路深さ０．５ｍｍに形成されている金型に入れ、８００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力の下で１８０℃から９０秒間成型して屈曲強度３５００ｐｓｉ、電気伝導度９０Ｓ／ｃｍ、熱変更温度１９８℃の燃料電池用セパレーターを製作する。

（実施例２）
比較例２のように燃料電池用セパレーターを作った後、これを原版として無電解メッキ方式でニッケルを厚さ１５μｍでメッキし、屈曲強度３８００ｐｓｉ、電気伝導度２５０ Ｓ／ｃｍ、熱変更温度１９８℃のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを製作する。

このような実試例の結果から見るように黒鉛と樹脂とを混練して無電解メッキや電気メッキ方式でニッケルをセパレーター原版にメッキすると、燃料電池用セパレーターへの強度および電気伝導性が大きく向上することを確認することができる。

以上の説明のように本発明は望ましい具体的な例らに対してのみ記述したが、上記の具体的な例らに基づき、一本発明の技術思想の範囲内における多様な変形および修正が可能であることは当業者にとって明白なことであり、また、このような変更および修正が添付された特許請求範囲に属することは当然のことである。

ニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターを製作するための全体工程図を示したものである。

Ｓ１００：粉末化段階
Ｓ２００：部分混練および追加粉末化段階
Ｓ３００：全体混合段階
Ｓ４００：原版成型加工段階
Ｓ５００：ニッケルメッキ段階

Claims (6)

1. 導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料を粉末した後、成型加工して製造される燃料電池用セパレーターであって、
   上記成型加工された燃料電池用セパレーターを原版としてその表面にニッケルをメッキして形成されたことを特徴とするニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーター。
2. 上記メッキされたニッケルの厚さは１０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーター。
3. 上記セパレーター原版は、
   導電性炭素材料である黒鉛が６０重量％以上８５重量％以下であり、エポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料が１５重量％以上４０重量％以下の比率で調性され、
   上記導電性炭素材料である黒鉛の大きさは３０μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーター。
4. 上記導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質の混合量を１００重量％としたとき、０．５重量％以上１重量％以下のカーボンブラックと、
   上記導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質の混合量を１００重量％としたとき、０．５重量％以上１重量％以下の二酸化珪素とから構成されるアエロジルおよび、
   上記導電性炭素材料である黒鉛と上記非炭素質材料との混合量を１００重量％としたとき、０．５重量％以上１．５重量％以下の骨粉または合粉のうちいずれ１つ以上で構成される補強材をさらに含めて調性された燃料電池用セパレーターを原版とすることを特徴とする請求項３に記載のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーター。
5. 導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、硬化剤および硬化促進剤のような非炭素質材料を粉末化する段階と、
   上記粉末化の段階を経た材料のうち、導電性炭素材料である黒鉛とエポキシ樹脂、上記導電性炭素材料である黒鉛と硬化剤をそれぞれ分けて部分的に混練しながら追加的に粉末化する段階と、
   上記部分混練および追加粉末化段階とを経た材料に硬化促進剤を入れて再び全体に混合する段階と、
   上記全体混合段階を経た粉末材料を金型に入れて燃料電池用セパレーター原版を成型加工する段階および成型加工された燃料電池用セパレーター原版にニッケルをメッキする段階とから構成されることを特徴とするニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターの製造方法。
6. 上記ニッケルをメッキする段階は、
   無電解メッキまたは電気メッキのうちいずれか１つであることを特徴とする請求項５に記載のニッケルがメッキされた燃料電池用セパレーターの製造方法。

Images