JP2012155942A - Fuel cell separator, method for producing fuel cell separator, and fuel cell - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell separator high in corrosion resistance and suppressed in generation of partial orientation.SOLUTION: A fuel cell separator 20 is formed of a cured product made of a molding material containing a thermosetting resin and graphite. In the fuel cell separator 20, a groove 2 for gas supply/discharge and a manifold 13 are formed. A true density of the graphite is 2.22 g/cmor more, and a content of the graphite is in a range of 70 to 80 mass%. A corrosion current of the fuel cell separator 20 is 10 μA/cmor less. When two small pieces having a dimension of 30 mm×30 mm in plan view are cut out from the fuel cell separator 20, a ratio of contact resistances between the two small pieces falls in a range of 0.9 to 1.1 even if the small pieces are cut out at any positions.

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法、及び燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator, a method for producing a fuel cell separator, and a fuel cell.

一般に燃料電池は複数の単セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより起電力を発生させる。   Generally, a fuel cell is composed of a cell stack formed by stacking several tens to several hundreds of single cells in series, thereby generating an electromotive force.

燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力の燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。   Fuel cells are classified into several types according to the type of electrolyte. Recently, solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte have attracted attention as high-power fuel cells.

図1は、固体高分子型燃料電池の単セルの構造の一例を示す。この単セルは、セパレータ20,20、ガスケット12,12、膜−電極複合体5が重ねられることで構成されている。セパレータ20には、ガス供給排出用の溝2が形成されている領域を取り囲む外周部分に、燃料用マニホールド131と酸化剤用マニホールド132とが形成されている。燃料用マニホールド131は二つ形成されており、各燃料用マニホールド131はセパレータ20の燃料電極31と重なる面におけるガス供給排出用の溝2の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド132も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド132はセパレータ20の酸化剤電極32と重なる面におけるガス供給排出用の溝2の両端にそれぞれ連通する。また、この外周部分には、冷却用マニホールド133も形成されている。セパレータ20の外周部分に、シーリングのためのガスケット12が積層される。   FIG. 1 shows an example of a single cell structure of a polymer electrolyte fuel cell. This single cell is configured by stacking separators 20 and 20, gaskets 12 and 12, and membrane-electrode assembly 5. In the separator 20, a fuel manifold 131 and an oxidant manifold 132 are formed in an outer peripheral portion surrounding a region where the gas supply / discharge groove 2 is formed. Two fuel manifolds 131 are formed, and each fuel manifold 131 communicates with both ends of the gas supply / discharge groove 2 on the surface of the separator 20 overlapping the fuel electrode 31. Two oxidant manifolds 132 are also formed, and each oxidant manifold 132 communicates with both ends of the gas supply / discharge groove 2 on the surface of the separator 20 overlapping the oxidant electrode 32. A cooling manifold 133 is also formed on the outer peripheral portion. A gasket 12 for sealing is laminated on the outer peripheral portion of the separator 20.

この単セル構造では、二つのセパレータ20の燃料用マニホールド131が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、二つのセパレータ20の酸化剤用マニホールド132が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、二つのセパレータ20の冷却用マニホールド133が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。   In this single cell structure, the fuel manifold 131 of the two separators 20 communicates to form a fuel flow path for supplying and discharging fuel to the fuel electrode. Further, the oxidant manifolds 132 of the two separators 20 communicate with each other to form an oxidant flow path for supplying and discharging the oxidant to the oxidant electrode. In addition, the cooling manifold 133 of the two separators 20 communicates to form a cooling channel through which cooling water or the like flows.

図3は複数の単セルからなる燃料電池40(セルスタック)の一例を示す。この燃料電池40は、燃料用流路に連通する燃料の供給口171及び排出口172と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口181及び排出口182と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口191及び排出口192とを有する。   FIG. 3 shows an example of a fuel cell 40 (cell stack) composed of a plurality of single cells. The fuel cell 40 communicates with a fuel supply port 171 and a discharge port 172 communicating with the fuel flow channel, an oxidant supply port 181 and a discharge port 182 communicating with the oxidant flow channel, and a cooling flow channel. A cooling water supply port 191 and a discharge port 192.

固体高分子型燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、水の排出、電流の取り出しが必要となる。更に、反応の制御のために、セルスタックに水などの冷却剤が供給される必要もある。   For the operation of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to supply and discharge reaction gas, discharge water, and extract current. In addition, a coolant such as water needs to be supplied to the cell stack for reaction control.

すなわち、固体高分子型燃料電池は、燃料の供給口171から流体である水素ガスが、酸化剤の供給口181から流体である酸素ガスがそれぞれ供給されることにより作動し、外部回路から電流が取り出される。この際、各電極においては下記式に示したような反応が生じる。
燃料電極反応 : H→2H++2e-…(1)
酸化剤電極反応 : 2H++2e-+1/2O→HO…(2)
全体反応 : H+1/2O→H
上記の通り、燃料電極上で水素(H)はプロトン(H+)となり、このプロトンが固体高分子電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素(O)と反応して水(HO)を生ずる。
That is, the polymer electrolyte fuel cell operates when hydrogen gas, which is a fluid, is supplied from a fuel supply port 171 and oxygen gas, which is a fluid, is supplied from an oxidant supply port 181, and current flows from an external circuit. It is taken out. At this time, a reaction shown in the following formula occurs in each electrode.
Fuel electrode reaction: H 2 → 2H + + 2e (1)
Oxidant electrode reaction: 2H + + 2e + 1 / 2O 2 → H 2 O (2)
Overall reaction: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O
As described above, hydrogen (H 2 ) becomes proton (H + ) on the fuel electrode, and this proton moves through the solid polymer electrolyte membrane to the oxidant electrode, and oxygen (O 2 ) and oxidant on the oxidant electrode. Reacts to give water (H 2 O).

固体高分子型燃料電池の一種であるメタノール直接型燃料電池(DMFC)では、燃料として水素の代わりにメタノール水溶液を供給しており、この場合、各電極においては下記式に示したような反応が生じている。空気極では酸素還元反応(水素を燃料とする場合と同じ反応)が起こっている。
燃料極反応 : CHOH+HO→CO+6H++6e-…(1’)
空気極反応 : 3/2O+6H++6e-→3HO…(2’)
全体反応 : CHOH+3/2O→CO+2H
更に、燃料電池に冷却水の供給口191から冷却水が供給されることで、燃料電池の温度が上記反応のために適正な温度に調整される。
In a methanol direct fuel cell (DMFC), which is a type of polymer electrolyte fuel cell, a methanol aqueous solution is supplied instead of hydrogen as a fuel. In this case, the reaction shown in the following formula is performed at each electrode. Has occurred. An oxygen reduction reaction (the same reaction as when hydrogen is used as fuel) occurs at the air electrode.
Fuel electrode reaction: CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e (1 ′)
Air electrode reaction: 3/2 O 2 + 6H + + 6e → 3H 2 O (2 ′)
Overall reaction: CH 3 OH + 3 / 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
Furthermore, the cooling water is supplied from the cooling water supply port 191 to the fuel cell, whereby the temperature of the fuel cell is adjusted to an appropriate temperature for the reaction.

このような燃料電池を構成する部品のうち、燃料電池用セパレータ20は、図1に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用の溝2が形成されると共にマニホールドが形成されている特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料、酸化剤及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池で生じた熱を外部へ放熱したりするという重要な役割を担っている。   Among the components constituting such a fuel cell, the fuel cell separator 20 has a plurality of gas supply / discharge grooves 2 formed on one or both sides of a thin plate-like body as shown in FIG. In addition, the manifold has a unique shape and functions to separate the fuel, oxidant, and cooling water flowing in the fuel cell so that they do not mix, and the electric energy generated by the fuel cell is sent to the outside. It plays an important role in transferring heat and radiating heat generated in the fuel cell to the outside.

燃料電池用セパレータ20は、金属製のプレートや、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料などから形成される。このうち、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から形成される燃料電池用セパレータ20は軽量化が容易であることから、近年、開発が進んでいる。   The fuel cell separator 20 is formed of a metal plate, a molding material containing graphite particles and a resin component, or the like. Of these, the fuel cell separator 20 formed of a molding material containing graphite particles and a resin component has been developed in recent years because it is easy to reduce the weight.

このような燃料電池では、燃料電池の運転中に複数の燃料電池用セパレータ20間に電位差が生じ、それに伴って燃料電池の冷却用流路内においてセパレータ20間に通電が生じて燃料電池用セパレータ20の冷却用マニホールド133付近が腐食してしまうことがある。このような腐食が進行すると最終的には燃料電池から冷却水が漏出してしまうことがある。このような通電の抑制のために冷却水としてしばしば純水が使用されるが、冷却水が流通する配管等を構成する金属や、燃料電池内の金属、樹脂等が冷却水に溶出することで、冷却水の導電性が上昇することは避けがたい。   In such a fuel cell, a potential difference is generated between the plurality of fuel cell separators 20 during operation of the fuel cell, and energization is generated between the separators 20 in the cooling flow path of the fuel cell. The vicinity of the 20 cooling manifolds 133 may corrode. If such corrosion progresses, the cooling water may eventually leak from the fuel cell. In order to suppress such energization, pure water is often used as the cooling water, but the metal constituting the piping through which the cooling water circulates, the metal in the fuel cell, the resin, etc. are eluted into the cooling water. It is inevitable that the conductivity of the cooling water will increase.

燃料電池用セパレータ20の耐食性を向上するための技術が、特許文献1で提案されてはいる。特許文献1には、平均粒子径50μm以下、最大粒子径100μm以下の粒度分布を有する黒鉛粉末60〜85重量%と熱硬化性樹脂15〜40重量%とからなる板状成形体、或いはその硬化物であってその面方向の固有抵抗が300×10−4Ωcm以下、厚さ方向/面方向の固有抵抗の比が7以下、曲げ強度が300kgf/cm以上の材質性状を備える硬化物に、溝加工等を施すことで、固体高分子型燃料電池用セパレータ20部材を得ることが開示されている。更に特許文献1では、黒鉛粉末の真比重が2.15以上、X線回折法による平均格子面間隔d002の値が0.34nm以下、結晶子の大きさLc(002)の値が30nm以上であることで、黒鉛−樹脂硬化成形体の腐食電流が小さくなること(特許文献1に記載されている測定条件で1μA/cm以下)も開示されている。 A technique for improving the corrosion resistance of the fuel cell separator 20 is proposed in Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a plate-like molded article composed of 60 to 85% by weight of graphite powder having a particle size distribution with an average particle size of 50 μm or less and a maximum particle size of 100 μm or less and a thermosetting resin of 15 to 40% by weight, or curing thereof. A cured product having a material property having a specific resistance in the plane direction of 300 × 10 −4 Ωcm or less, a ratio of specific resistance in the thickness direction / plane direction of 7 or less, and a bending strength of 300 kgf / cm 2 or more. It is disclosed that a separator 20 for a polymer electrolyte fuel cell is obtained by performing groove processing or the like. Further, in Patent Document 1, the true specific gravity of graphite powder is 2.15 or more, the average lattice plane distance d002 by X-ray diffraction method is 0.34 nm or less, and the crystallite size Lc (002) is 30 nm or more. It is also disclosed that the corrosion current of the graphite-resin cured molded body is small (1 μA / cm 2 or less under the measurement conditions described in Patent Document 1).

特開2000−21421号公報JP 2000-21421 A

しかし、結晶性の高い黒鉛を含有する組成物から形成される成形体には配向(異方性)が生じやすくなる。特に燃料電池用セパレータはガス供給排出用溝やマニホールドが形成されている複雑な形状を有するため、配向が特に著しくなる。燃料電池用セパレータ内に配向が生じると、部分的な強度の低下や導電性の低下が生じ、燃料電池用セパレータの耐久性及び燃料電池用セパレータを備える燃料電池の特性に悪影響が与えられてしまう。   However, orientation (anisotropy) tends to occur in a molded body formed from a composition containing highly crystalline graphite. In particular, since the fuel cell separator has a complicated shape in which a gas supply / discharge groove and a manifold are formed, the orientation is particularly remarkable. When the orientation occurs in the fuel cell separator, a partial decrease in strength or conductivity is caused, which adversely affects the durability of the fuel cell separator and the characteristics of the fuel cell including the fuel cell separator. .

尚、特許文献1では燃料電池用セパレータ内の配向に関し、厚さ方向/面方向の固有抵抗の比が7以下であることが記載されてはいるが、結晶性の高い黒鉛が使用されることに配慮して配向を抑制したものではない。更に、特許文献1に記載の技術では単に厚さ方向/面方向の固有抵抗の比を小さくしているだけであり、燃料電池用セパレータが複雑な形状を有することで生じる部分的な配向は抑制されていない。更に、特許文献1に記載の技術では組成物が板状に成形された後、更に溝加工等が施されるため、多段階の工程が必要となり、生産効率の悪化を招いてしまう。   Although Patent Document 1 describes that the ratio of the specific resistance in the thickness direction / plane direction is 7 or less regarding the orientation in the fuel cell separator, graphite having high crystallinity should be used. The orientation is not suppressed in consideration of the above. Furthermore, the technique described in Patent Document 1 merely reduces the ratio of the specific resistance in the thickness direction / plane direction, and suppresses partial orientation caused by the fuel cell separator having a complicated shape. It has not been. Furthermore, in the technique described in Patent Document 1, since the composition is formed into a plate shape and further subjected to grooving or the like, a multi-step process is required, leading to a deterioration in production efficiency.

本発明は上記の事由に鑑みてなされたものであり、耐腐食性が高く、且つ部分的な配向の発生が抑制された燃料電池用セパレータ、その製造方法、及びこの燃料電池用セパレータを備える燃料電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned reasons, and has a high corrosion resistance and a fuel cell separator in which the occurrence of partial orientation is suppressed, a manufacturing method thereof, and a fuel including the fuel cell separator. An object is to provide a battery.

本発明に係る燃料電池用セパレータは、熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料の硬化物から形成され、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛の真密度が2.22g/cm以上、前記黒鉛の含有量が70〜80質量%の範囲であり、腐食電流が10μA/cm以下であり、前記燃料電池用セパレータから平面視30mm×30mmの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から前記小片を切り出しても、二つの前記小片間の接触抵抗の比が0.9〜1.1の範囲となる。 A fuel cell separator according to the present invention is a fuel cell separator formed from a cured product of a molding material containing a thermosetting resin and graphite, and having a gas supply / discharge groove and a manifold. The true density of the graphite is 2.22 g / cm 3 or more, the graphite content is in the range of 70 to 80% by mass, the corrosion current is 10 μA / cm 2 or less, and it is a plan view from the fuel cell separator. When two pieces having a size of 30 mm × 30 mm are cut out, the contact resistance ratio between the two pieces is in a range of 0.9 to 1.1 regardless of the position at which the piece is cut out.

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料を準備し、この成形用材料を成形することで、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータを製造する方法であって、前記成形用材料を準備するにあたって、前記黒鉛として真密度が2.22g/cm以上の黒鉛を用い、前記成形用材料の固形分全量に対する前記黒鉛の含有量を70〜80質量%の範囲とし、前記成形用材料のディスクフローを80〜100mmの範囲に調整し、前記成形用材料を成形するにあたって、前記成形用材料を加熱圧縮成形することで前記成形用材料を前記ガス供給排出用の溝及び前記マニホールドが形成されている前記燃料電池用セパレータの形状に成形すると共にこの成形用材料を硬化させる。 The fuel cell separator manufacturing method according to the present invention includes forming a molding material containing a thermosetting resin and graphite, and molding the molding material to form a gas supply / discharge groove and a manifold. The fuel cell separator is manufactured by using graphite having a true density of 2.22 g / cm 3 or more as the graphite when the molding material is prepared, and the total solid content of the molding material. When the molding material is molded by adjusting the disk flow of the molding material to a range of 80 to 100 mm, the content of the graphite is 70 to 80% by mass. Then, the molding material is molded into the shape of the fuel cell separator in which the gas supply / discharge groove and the manifold are formed. Is cured.

本発明に係る燃料電池は、前記燃料電池用セパレータを備える。   The fuel cell according to the present invention includes the fuel cell separator.

本発明によれば、耐腐食性が高く、且つ部分的な配向の発生が抑制された燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備える燃料電池が提供される。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the corrosion resistance is high, and the fuel cell separator provided with this fuel cell separator provided with the separator for fuel cells in which generation | occurrence | production of the partial orientation was suppressed is provided.

本発明の実施の形態の一例における、燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows the single cell structure of the fuel cell in an example of embodiment of this invention. (a)及び(b)は、本発明の実施の形態の一例における、燃料電池用セパレータを形成するための圧縮成形金型を示す断面図である。(A) And (b) is sectional drawing which shows the compression molding die for forming the separator for fuel cells in an example of embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の一例における、燃料電池を示す斜視図である。It is a perspective view showing a fuel cell in an example of an embodiment of the invention.

図1は、セパレータ20を備える固体高分子型燃料電池の一例を示す。2枚のセパレータ20,20の間に、固体高分子電解質膜などの電解質4とガス拡散電極(燃料電極31と酸化剤電極32)などからなる膜−電極複合体(MEA)5が介在することで、単電池(単位セル)が構成されている。セパレータ20と膜−電極複合体5の電解質4との間には、ガスケット12が介在している。この単位セルを数十個〜数百個並設されることで電池本体(セルスタック)が構成される。   FIG. 1 shows an example of a polymer electrolyte fuel cell including a separator 20. A membrane-electrode assembly (MEA) 5 comprising an electrolyte 4 such as a solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion electrode (fuel electrode 31 and oxidant electrode 32) is interposed between the two separators 20 and 20. Thus, a unit cell (unit cell) is configured. A gasket 12 is interposed between the separator 20 and the electrolyte 4 of the membrane-electrode assembly 5. A battery body (cell stack) is formed by arranging several tens to several hundreds of unit cells.

セパレータ20には、燃料である水素ガス等と、酸化剤である酸素ガス等の流路であるガス供給排出用の溝2が形成される。   The separator 20 is formed with a gas supply / discharge groove 2 which is a flow path for hydrogen gas or the like as fuel and oxygen gas or the like as an oxidant.

セパレータ20は、片面のみにガス供給排出用の溝2を有するアノード側セパレータと、前記アノード側セパレータとは反対側の片面のみにガス供給排出用の溝2を有するカソード側セパレータとで構成されてもよい。このアノード側セパレータとカソード側セパレータとが重ねられることで、図1に示すような両面にガス供給排出用の溝2を有するセパレータ20が構成される。アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には冷却水が流通する流路が形成されてもよい。この場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間にはガスケットが介在することが好ましい。   The separator 20 is composed of an anode side separator having a gas supply / discharge groove 2 only on one surface, and a cathode side separator having a gas supply / discharge groove 2 only on one side opposite to the anode side separator. Also good. By superposing the anode-side separator and the cathode-side separator, a separator 20 having gas supply / discharge grooves 2 on both sides as shown in FIG. 1 is formed. A channel through which cooling water flows may be formed between the anode side separator and the cathode side separator. In this case, a gasket is preferably interposed between the anode side separator and the cathode side separator.

セパレータ20の、ガス供給排出用の溝2が形成されている領域を取り囲む外周部分には、六個のマニホールド13(二つの燃料用マニホールド131、二つの酸化剤用マニホールド132、及び二つの冷却用マニホールド133)が形成されている。燃料用マニホールド131,131は二つ形成されており、各燃料用マニホールド131,131はセパレータ20の燃料電極31と重なる面におけるガス供給排出用の溝2の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド132,132も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド132,132はセパレータ20の酸化剤電極32と重なる面におけるガス供給排出用の溝2の両端にそれぞれ連通する。この外周部分には、二つの冷却用マニホールド133も形成されている。セパレータ20がアノード側セパレータとカソード側セパレータとで構成される場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータの間にある冷却水が流通する流路に、冷却用マニホールド133が連通する。   The outer periphery of the separator 20 surrounding the region where the gas supply / discharge groove 2 is formed has six manifolds 13 (two fuel manifolds 131, two oxidant manifolds 132, and two cooling manifolds). A manifold 133) is formed. Two fuel manifolds 131, 131 are formed, and each fuel manifold 131, 131 communicates with both ends of the gas supply / discharge groove 2 on the surface overlapping the fuel electrode 31 of the separator 20. Two oxidant manifolds 132, 132 are also formed, and each oxidant manifold 132, 132 communicates with both ends of the gas supply / discharge groove 2 on the surface overlapping the oxidant electrode 32 of the separator 20. Two cooling manifolds 133 are also formed on the outer peripheral portion. When the separator 20 is composed of an anode-side separator and a cathode-side separator, the cooling manifold 133 communicates with a flow path through which cooling water between the anode-side separator and the cathode-side separator flows.

本実施形態では、図1に示されるように、セパレータ20にはストレートタイプのガス供給排出用の溝2が形成されている。一般に、セパレータ20におけるガス供給排出用の溝2としては、屈曲を有するサーペンタインタイプの溝と屈曲を有さないストレートタイプの溝とがある。勿論、図1に示されるセパレータ20において、このセパレータ20にサーペンタインタイプのガス供給排出用の溝2が形成されてもよい。   In the present embodiment, as shown in FIG. 1, a straight type gas supply / discharge groove 2 is formed in the separator 20. Generally, the gas supply / discharge groove 2 in the separator 20 includes a serpentine type groove having a bend and a straight type groove having no bend. Of course, in the separator 20 shown in FIG. 1, a serpentine type gas supply / discharge groove 2 may be formed in the separator 20.

セパレータ20の厚みは例えば0.5〜3.0mmの範囲に形成される。セパレータ20のガス供給排出用の溝2の幅は例えば1.0〜1.5mm、深さは例えば0.5〜1.5mmの範囲に形成される。マニホールド13の開口面積は例えば0.5〜5.0cmの範囲に形成される。 The thickness of the separator 20 is formed in the range of 0.5-3.0 mm, for example. The width of the gas supply / discharge groove 2 of the separator 20 is, for example, 1.0 to 1.5 mm, and the depth is, for example, 0.5 to 1.5 mm. The opening area of the manifold 13 is formed in a range of 0.5 to 5.0 cm 2 , for example.

ガスケット12は、セパレータ20の外周部分に、シーリングのために積層される。このガスケット12はその略中央部に膜−電極複合体5における燃料電極31や酸化剤電極32を収容するための開口15を有し、この開口15においてセパレータ20のガス供給排出用の溝2が露出する。ガスケット12には、開口15の外周側の、前記セパレータ20の燃料用マニホールド131と合致する位置に燃料用貫通孔141が、酸化剤用マニホールド132に合致する位置に酸化剤用貫通孔142が、冷却用マニホールド133と合致する位置に冷却用貫通孔143が、それぞれ形成されている。   The gasket 12 is laminated on the outer peripheral portion of the separator 20 for sealing. The gasket 12 has an opening 15 for accommodating the fuel electrode 31 and the oxidant electrode 32 in the membrane-electrode assembly 5 at a substantially central portion, and the gas supply / discharge groove 2 of the separator 20 is formed in the opening 15. Exposed. The gasket 12 has a fuel through hole 141 at a position on the outer peripheral side of the opening 15 that matches the fuel manifold 131 of the separator 20, and an oxidant through hole 142 at a position that matches the oxidant manifold 132. Cooling through holes 143 are formed at positions that match the cooling manifold 133.

膜−電極複合体5における電解質4にも、その外周部分の、前記セパレータ20の燃料用マニホールド131と合致する位置に燃料用貫通孔161が、酸化剤用マニホールド132と合致する位置に酸化剤用貫通孔162が、冷却用マニホールド133と合致する位置に冷却用貫通孔163が、それぞれ形成されている。   The electrolyte 4 in the membrane-electrode assembly 5 also has a fuel through-hole 161 at a position that matches the fuel manifold 131 of the separator 20 on the outer peripheral portion thereof, and an oxidant for the position that matches the oxidant manifold 132. Cooling through holes 163 are formed at positions where the through holes 162 coincide with the cooling manifold 133, respectively.

この単セル構造では、セパレータ20の燃料用マニホールド131、ガスケット12の燃料用貫通孔141、及び電解質4の燃料用貫通孔161が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、セパレータ20の酸化剤用マニホールド132、ガスケット12の酸化剤用貫通孔142、及び電解質4の酸化剤用貫通孔162が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、セパレータ20の冷却用マニホールド133、ガスケット12の冷却用貫通孔143、及び電解質4の冷却用貫通孔163が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。   In this single cell structure, the fuel manifold 131 of the separator 20, the fuel through hole 141 of the gasket 12, and the fuel through hole 161 of the electrolyte 4 communicate with each other to supply and discharge fuel to the fuel electrode. A fuel flow path is configured. Further, the oxidant manifold 132 of the separator 20, the oxidant through hole 142 of the gasket 12, and the oxidant through hole 162 of the electrolyte 4 communicate with each other to supply and discharge the oxidant to the oxidant electrode. The oxidizing agent flow path is configured. Further, the cooling manifold 133 of the separator 20, the cooling through hole 143 of the gasket 12, and the cooling through hole 163 of the electrolyte 4 communicate with each other, thereby forming a cooling channel through which cooling water or the like flows.

燃料電極31と酸化剤電極32、並びに電解質4は、燃料電池のタイプに応じた公知の材料で形成される。固体高分子型燃料電池の場合、燃料電極31及び酸化剤電極32は例えばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の基材が触媒を担持することで構成される。燃料電極31における触媒としては例えば白金触媒、白金・ルテニウム触媒、コバルト触媒等が挙げられ、酸化剤電極32における触媒としては白金触媒、銀触媒等が挙げられる。また、固体高分子型燃料電池の場合、電解質4は例えばプロトン伝導性の高分子膜から形成され、特にメタノール直接型燃料電池の場合は例えばプロトン伝導性が高く、電子導電性やメタノール透過性を殆ど示さないフッ素系樹脂等から形成される。   The fuel electrode 31, the oxidant electrode 32, and the electrolyte 4 are formed of a known material corresponding to the type of fuel cell. In the case of a polymer electrolyte fuel cell, the fuel electrode 31 and the oxidant electrode 32 are configured by supporting a catalyst on a substrate such as carbon cloth, carbon paper, or carbon felt. Examples of the catalyst in the fuel electrode 31 include a platinum catalyst, a platinum / ruthenium catalyst, and a cobalt catalyst. Examples of the catalyst in the oxidant electrode 32 include a platinum catalyst and a silver catalyst. In the case of a solid polymer fuel cell, the electrolyte 4 is formed of, for example, a proton conductive polymer membrane. In particular, in the case of a methanol direct fuel cell, for example, the proton conductivity is high, and the electronic conductivity and methanol permeability are high. It is formed from a fluorine resin or the like that is hardly shown.

ガスケット12は、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、SIS共重合体、SBS共重合体、SEBS、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム(EPDM)、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム(HNBR)、クロロプレンゴム、アクリルゴム、フッ素系ゴム等などから選択されるゴム材料から形成される。このゴム材料には粘着付与剤が配合されてもよい。   The gasket 12 is, for example, natural rubber, silicone rubber, SIS copolymer, SBS copolymer, SEBS, ethylene-propylene rubber, ethylene-propylene-diene rubber (EPDM), acrylonitrile-butadiene rubber, hydrogenated acrylonitrile-butadiene rubber (HNBR). ), A rubber material selected from chloroprene rubber, acrylic rubber, fluorine rubber, and the like. This rubber material may contain a tackifier.

セパレータ20にガスケット12を積層するにあたっては、例えば予めシート状又は板状に形成されたガスケット12がセパレータ20に接着や融着されるなどして接合される。セパレータ20の表面上でガスケット12を形成するための材料が成形されることによって、セパレータ20にガスケット12が積層されてもよい。例えば未加硫のゴム材料がスクリーン印刷等によりセパレータ20の表面上の所定位置に塗布され、このゴム材料の塗膜を加硫されることで、セパレータ20の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット12が形成される。前記加硫にあたっては、加熱、電子線などの放射線の照射、或いはその他適宜の加硫方法が採用される。この場合、薄型のセパレータ20に対してもガスケット12が容易に積層される。また、セパレータ20が金型内にセットされ、このセパレータ20の表面上の所定位置に未加硫のゴム材料が射出されると共にこのゴム材料が加熱されるなどして加硫されることで、セパレータ20の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット12が形成されてもよい。このように金型成形によりガスケット12が形成されるにあたっては、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の成形法が採用され得る。   When laminating the gasket 12 on the separator 20, for example, the gasket 12 formed in a sheet shape or a plate shape in advance is bonded or bonded to the separator 20. The gasket 12 may be laminated on the separator 20 by molding a material for forming the gasket 12 on the surface of the separator 20. For example, an unvulcanized rubber material is applied to a predetermined position on the surface of the separator 20 by screen printing or the like, and a desired shape is formed on the predetermined position on the surface of the separator 20 by vulcanizing the coating film of the rubber material. The gasket 12 is formed. In the vulcanization, heating, irradiation with radiation such as an electron beam, or other appropriate vulcanization methods are employed. In this case, the gasket 12 is easily laminated even on the thin separator 20. Further, the separator 20 is set in a mold, and an unvulcanized rubber material is injected into a predetermined position on the surface of the separator 20 and the rubber material is heated and vulcanized. A gasket 12 having a desired shape may be formed at a predetermined position on the surface of the separator 20. Thus, when the gasket 12 is formed by die molding, a molding method such as transfer molding, compression molding, injection molding or the like can be employed.

セパレータ20は、熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有する成形用材料の硬化物から形成される。このセパレータ20に含まれる黒鉛粒子の真密度は2.22g/cm以上であり、セパレータ20全体に対する黒鉛粒子の含有量は70〜80質量%の範囲である。更に、セパレータ20の腐食電流は10μA/cm以下である。成形用材料、並びにこれに含有される熱硬化性樹脂及び黒鉛粒子の詳細については、後述する。 Separator 20 is formed from a cured product of a molding material containing a thermosetting resin and graphite particles. The true density of the graphite particles contained in the separator 20 is 2.22 g / cm 3 or more, and the content of the graphite particles with respect to the whole separator 20 is in the range of 70 to 80% by mass. Furthermore, the corrosion current of the separator 20 is 10 μA / cm 2 or less. Details of the molding material and the thermosetting resin and graphite particles contained therein will be described later.

真密度の高い黒鉛粒子は結晶性が高く、セパレータ20がこのような黒鉛粒子を含有するとセパレータ20の腐食電流が低くなる。このためセパレータ20の耐腐食性が高くなり、特に燃料電池中に組み込まれているセパレータ20の冷却用マニホールド133内に冷却水が流通しても、冷却用マニホールド133の内面で腐食が発生しにくくなる。黒鉛粒子の詳細については後述する。   Graphite particles having a high true density have high crystallinity, and when the separator 20 contains such graphite particles, the corrosion current of the separator 20 becomes low. For this reason, the corrosion resistance of the separator 20 is increased. In particular, even when the cooling water flows through the cooling manifold 133 of the separator 20 incorporated in the fuel cell, corrosion hardly occurs on the inner surface of the cooling manifold 133. Become. Details of the graphite particles will be described later.

黒鉛粒子の含有量が70〜80質量%の範囲であることで、セパレータ20の腐食電流が低減されつつ、セパレータ20に優れた導電性と機械的強度が付与され、更にセパレータ20に高いガス透過性が付与される。   When the graphite particle content is in the range of 70 to 80% by mass, the corrosion current of the separator 20 is reduced, the separator 20 is provided with excellent conductivity and mechanical strength, and the separator 20 has high gas permeability. Sex is imparted.

セパレータ20の腐食電流は上記のとおり10μA/cm以下である必要がある。腐食電流とは、導電率200μS/cmに調整されている硫酸ナトリウム水溶液中に、作用極としてセパレータ20を、対極として白金電極を30mmの間隔で配置し、液温80℃で電極間に20Vの電圧を48時間印加した時点で測定される、電極間を通電する電流値をさす。このようにセパレータ20の腐食電流が小さいことで、セパレータ20の耐腐食性が特に高くなる。このセパレータ20の腐食電流は、成形用材料の構成成分に応じ、黒鉛粒子の含有量が70〜80質量%の範囲で調整されることで、適宜調整可能である。 The corrosion current of the separator 20 needs to be 10 μA / cm 2 or less as described above. Corrosion current means that a separator 20 as a working electrode and a platinum electrode as a counter electrode are arranged at intervals of 30 mm in an aqueous solution of sodium sulfate adjusted to an electric conductivity of 200 μS / cm, and a liquid temperature of 80 ° C. is 20 V between the electrodes. The value of the current flowing between the electrodes, measured when a voltage is applied for 48 hours. Thus, the corrosion resistance of the separator 20 becomes especially high because the corrosion current of the separator 20 is small. The corrosion current of the separator 20 can be appropriately adjusted by adjusting the content of the graphite particles in the range of 70 to 80% by mass according to the constituent components of the molding material.

セパレータ20から平面視30mm×30mmの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から小片を切り出した場合でも二つの小片間の接触抵抗の比が0.9〜1.1の範囲となること(片方の小片の接触抵抗を1とした場合にもう片方の小片の接触抵抗が0.9〜1.1の範囲であること)が必要である。小片はセパレータ20が厚み方向に切断されることで得られ、平面視とはセパレータ20をその厚み方向に観察することを意味する。この場合、セパレータ20における接触抵抗のバラツキが少なくなり、このようなセパレータ20では黒鉛粒子の部分的な配向が抑制されている。これにより、セパレータ20の良好な電気的特性が確保される。更に、セパレータ20における黒鉛粒子の部分的な配向が抑制されることでセパレータ20の高い機械的強度も確保される。   When two small pieces having a size of 30 mm × 30 mm in plan view are cut out from the separator 20, the contact resistance ratio between the two pieces is in the range of 0.9 to 1.1 regardless of the position at which the small pieces are cut out. (If the contact resistance of one small piece is 1, the contact resistance of the other small piece is in the range of 0.9 to 1.1). A small piece is obtained by cutting the separator 20 in the thickness direction, and the plan view means observing the separator 20 in the thickness direction. In this case, variation in contact resistance in the separator 20 is reduced, and in such a separator 20, partial orientation of the graphite particles is suppressed. Thereby, the favorable electrical property of the separator 20 is ensured. Furthermore, the high mechanical strength of the separator 20 is also ensured by suppressing the partial orientation of the graphite particles in the separator 20.

尚、接触抵抗は、小片の上下にカーボンペーパーを配置し、更にその上下に銅板を配置し、上下方向に面圧1.0MPaの圧力をかけた状態で、2枚のカーボンペーパー間の電圧を電圧計で測定すると共に2枚の銅板間に流れる電流を電流計で測定し、その結果から算出される値である。   The contact resistance is determined by placing the carbon paper on the top and bottom of the small piece, further placing the copper plates on the top and bottom, and applying a surface pressure of 1.0 MPa in the up and down direction. It is a value calculated from the result of measuring with a voltmeter and measuring the current flowing between two copper plates with an ammeter.

このようなセパレータ20を製造するために用いられる成形用材料は、樹脂成分び黒鉛粒子を含有する。   The molding material used for manufacturing such a separator 20 contains a resin component and graphite particles.

成形用材料は、第一アミン及び第二アミンを含有しないことが好ましい。すなわち、この成形用材料が、置換基−NH及び−NHを有する化合物を含有しないことが好ましい。更に成形用材料は第三アミンを含有しないことが好ましい。このように成形用材料がアミンを含有しないと、成形用材料から形成されるセパレータ20が燃料電池中の白金触媒を被毒することがなく、燃料電池が長時間使用される場合の起電力の低下が抑制される。 The molding material preferably does not contain a primary amine and a secondary amine. That is, it is preferable that this molding material does not contain a compound having substituents —NH and —NH 2 . Furthermore, it is preferable that the molding material does not contain a tertiary amine. Thus, if the molding material does not contain an amine, the separator 20 formed from the molding material does not poison the platinum catalyst in the fuel cell, and the electromotive force when the fuel cell is used for a long time. Reduction is suppressed.

樹脂成分は、熱硬化性樹脂を含有する。熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂は良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。   The resin component contains a thermosetting resin. The thermosetting resin preferably contains at least one of an epoxy resin and a thermosetting phenol resin. Epoxy resins and thermosetting phenol resins are excellent in that they have a good melt viscosity and a small amount of impurities, in particular, a small amount of ionic impurities.

熱硬化性樹脂全量に対するエポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂の含有量は50〜100質量%の範囲にあることが好ましい。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂のみ、熱硬化性フェノール樹脂のみ、或いはエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のみを含むのであれば特に好ましい。   The content of the epoxy resin and the thermosetting phenol resin with respect to the total amount of the thermosetting resin is preferably in the range of 50 to 100% by mass. It is particularly preferable if the thermosetting resin contains only an epoxy resin, only a thermosetting phenol resin, or only an epoxy resin and a thermosetting phenol resin.

エポキシ樹脂は固形状であることが好ましく、特に融点が70〜90℃の範囲であることが好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が70℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。また、エポキシ樹脂として溶融粘度が低粘度の樹脂が選択されれば、成形用材料の良好な成形性が維持されつつ、成形用材料及びセパレータ20中に黒鉛粒子が高充填され得る。尚、前記作用が発揮される範囲内でエポキシ樹脂の一部が液状であってもよい。   The epoxy resin is preferably solid, and particularly preferably has a melting point in the range of 70 to 90 ° C. Thereby, the change of material decreases and the handleability of the molding material at the time of shaping | molding improves. When this melting point is less than 70 ° C., aggregation tends to occur in the molding material, and the handleability may be lowered. If a resin having a low melt viscosity is selected as the epoxy resin, the molding material and the separator 20 can be highly filled with graphite particles while maintaining good moldability of the molding material. In addition, a part of epoxy resin may be liquid within the range where the said effect | action is exhibited.

エポキシ樹脂としては、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等が用いられることが好ましい。このオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂は、良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。   As the epoxy resin, an ortho cresol novolak type epoxy resin, a bisphenol type epoxy resin, a biphenyl type epoxy resin, a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton, or the like is preferably used. This ortho-cresol novolac type epoxy resin, bisphenol type epoxy resin, and phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton are excellent in that they have a good melt viscosity and a small amount of impurities, and in particular, a small amount of ionic impurities.

特にエポキシ樹脂が、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂のみからなり、或いはオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種からなる成分(第一成分という)を含むことが好ましい。オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が必須の成分であると、成形用材料の成形性が向上すると共に、セパレータ20の耐熱性が向上する。更に、製造コストが低減され得る。第一成分中のオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の割合は、前記成形性の向上、セパレータ20の耐熱性の向上、製造コストの低減の観点から、50〜100質量%の範囲であることが好ましく、特に50〜70質量%の範囲であることが好ましい。   In particular, the epoxy resin is composed only of an ortho cresol novolac type epoxy resin, or at least one selected from an ortho cresol novolac type epoxy resin, a bisphenol type epoxy resin, a biphenyl type epoxy resin, and a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton. It is preferable that the component (it is called 1st component) which becomes. When the ortho-cresol novolac type epoxy resin is an essential component, the moldability of the molding material is improved and the heat resistance of the separator 20 is improved. Furthermore, manufacturing costs can be reduced. The proportion of the ortho-cresol novolac type epoxy resin in the first component is preferably in the range of 50 to 100% by mass from the viewpoint of improving the moldability, improving the heat resistance of the separator 20, and reducing the manufacturing cost. In particular, the range is preferably 50 to 70% by mass.

オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と共に、ビスフェノール型エポキシ樹脂やビフェニル型エポキシ樹脂やビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が併用されることも好ましい。この場合、成形用材料の溶融粘度が更に低減し、更に薄型のセパレータ20が作製される場合にはその靱性が向上し得る。   It is also preferable to use a bisphenol type epoxy resin, a biphenyl type epoxy resin, or a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton together with the orthocresol novolac type epoxy resin. In this case, the melt viscosity of the molding material is further reduced, and the toughness can be improved when a thinner separator 20 is produced.

特にビスフェノールF型エポキシ樹脂が使用されると、成形用材料の粘度が低減し、成形用材料の成形性が特に高くなる。この場合の第一成分中におけるビスフェノールF型エポキシ樹脂の含有量は30〜50質量%の範囲であることが好ましい。   In particular, when a bisphenol F type epoxy resin is used, the viscosity of the molding material is reduced, and the moldability of the molding material is particularly improved. In this case, the content of the bisphenol F-type epoxy resin in the first component is preferably in the range of 30 to 50% by mass.

ビフェニル型エポキシ樹脂が使用されると、このビフェニル型樹脂は溶融粘度が低いため、成形用材料の流動性が著しく向上し、成形用材料の薄型成形性が特に向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニル型エポキシ樹脂の含有量は30〜50質量%の範囲であることが好ましい。   When a biphenyl type epoxy resin is used, since this biphenyl type resin has a low melt viscosity, the fluidity of the molding material is remarkably improved, and the thin moldability of the molding material is particularly improved. In this case, the content of the biphenyl type epoxy resin in the first component is preferably in the range of 30 to 50% by mass.

ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が使用されると、セパレータ20の強度及び靱性が向上し、更にセパレータ20の吸湿性が低減し得る。このため、セパレータ20の機械的特性、導電性、並びに長期使用時の特性の安定性が向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂の割合は、30〜50質量%の範囲であることが好ましい。   When a phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton is used, the strength and toughness of the separator 20 can be improved, and the hygroscopicity of the separator 20 can be further reduced. For this reason, the stability of the mechanical characteristics, electrical conductivity, and characteristics during long-term use of the separator 20 is improved. In this case, the ratio of the phenol aralkyl type epoxy resin having a biphenylene skeleton in the first component is preferably in the range of 30 to 50% by mass.

成形用材料中の熱硬化性樹脂全量に対する第一成分の含有量は50〜100質量%の範囲にあることが好ましい。   The content of the first component with respect to the total amount of the thermosetting resin in the molding material is preferably in the range of 50 to 100% by mass.

前記第一成分は熱硬化性樹脂中のエポキシ樹脂の少なくとも一部として成形用材料中に含有される。すなわち、この第一成分以外の他の熱硬化性樹脂として、例えば前記第一成分以外のエポキシ樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解するおそれがあるため、使用されないことが望ましい。また、熱硬化性樹脂として、セパレータ20の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。ポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂などが用いられることも好ましく、例えば、4,4−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられることが好ましい。4,4−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられると、セパレータ20の耐熱性が更に向上する。   The first component is contained in the molding material as at least a part of the epoxy resin in the thermosetting resin. That is, the thermosetting resin other than the first component is selected from, for example, an epoxy resin other than the first component, a thermosetting phenol resin, a vinyl ester resin, a polyimide resin, an unsaturated polyester resin, a diallyl phthalate resin, and the like. One or more kinds of resins may be used. However, it is desirable not to use a resin containing an ester bond because it may hydrolyze in an acid resistant environment. A polyimide resin is also suitable as the thermosetting resin in that it contributes to improving the heat resistance and acid resistance of the separator 20. As the polyimide resin, it is particularly preferable to use a bismaleimide resin, and it is preferable to use 4,4-diaminodiphenyl bismaleimide, for example. When 4,4-diaminodiphenyl bismaleimide is used, the heat resistance of the separator 20 is further improved.

熱硬化性フェノール樹脂が用いられる場合には、特に開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂が用いられることが好ましい。このようなフェノール樹脂としては、例えばベンゾオキサジン樹脂等が挙げられる。この場合は、成形用材料の成形工程で脱水によるガスが発生しないので成形品中にボイドが発生せず、このためセパレータ20のガス透過性の低下が抑制される。また、レゾール型フェノール樹脂が用いられることも好ましく、例えば13C−NMR分析で、オルト−オルト25〜35%、オルト−パラ60〜70%、パラ−パラ5〜10%の構造を有するレゾール型フェノール樹脂が用いられることが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、レゾール型フェノール樹脂の軟化点は容易に調整され得るため、融点が70〜90℃のレゾール型フェノール樹脂が容易に得られる。融点が70〜90℃のレゾール型フェノール樹脂が使用されることで、成形用材料の変質が抑制され、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が70℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。   When a thermosetting phenol resin is used, it is particularly preferable to use a phenol resin that undergoes a polymerization reaction by ring-opening polymerization. Examples of such phenol resins include benzoxazine resins. In this case, since gas due to dehydration is not generated in the molding process of the molding material, voids are not generated in the molded product, so that a decrease in gas permeability of the separator 20 is suppressed. It is also preferable to use a resol-type phenol resin, for example, a resol-type phenol having a structure of ortho-ortho 25-35%, ortho-para 60-70%, para-para 5-10% by 13C-NMR analysis. A resin is preferably used. The resol resin is usually in a liquid state, but since the softening point of the resol type phenol resin can be easily adjusted, a resol type phenol resin having a melting point of 70 to 90 ° C. can be easily obtained. By using a resol type phenolic resin having a melting point of 70 to 90 ° C., alteration of the molding material is suppressed, and the handleability of the molding material during molding is improved. When this melting point is less than 70 ° C., aggregation tends to occur in the molding material, and the handleability may be lowered.

エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂以外の他の樹脂が併用されてもよい。例えばポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解する恐れがあるため、使用されないことが望ましい。   Other resins other than the epoxy resin and the thermosetting phenol resin may be used in combination. For example, one or more kinds of resins selected from polyimide resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, vinyl ester resins, and the like may be used. However, it is desirable not to use a resin containing an ester bond because it may hydrolyze in an acid resistant environment.

熱硬化性樹脂として、セパレータ20の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。このようなポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂なども好ましく、その具体例として例えば、4,4−ジアミノジフェニルビスマレイミドが挙げられる。このような樹脂が併用されることで、セパレータ20の耐熱性が更に向上され得る。   A polyimide resin is also suitable as the thermosetting resin in that it contributes to improving the heat resistance and acid resistance of the separator 20. As such a polyimide resin, a bismaleimide resin and the like are particularly preferable, and specific examples thereof include 4,4-diaminodiphenyl bismaleimide. By using such a resin in combination, the heat resistance of the separator 20 can be further improved.

エポキシ樹脂が使用される場合、樹脂成分は硬化剤を含有することが好ましく、この硬化剤はフェノール系化合物を含有することが好ましい。このフェノール系化合物としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック型フェノール樹脂、多官能フェノール樹脂、アラルキル変性フェノール樹脂等が挙げられる。   When an epoxy resin is used, the resin component preferably contains a curing agent, and this curing agent preferably contains a phenolic compound. Examples of the phenol compound include novolak type phenol resins, cresol novolac type phenol resins, polyfunctional phenol resins, aralkyl-modified phenol resins, and the like.

硬化剤全量に対するフェノール系化合物の含有量は、エポキシ樹脂の使用量に依存して決定される。また、硬化剤がフェノール系化合物のみであれば特に好ましい。   The content of the phenolic compound relative to the total amount of the curing agent is determined depending on the amount of the epoxy resin used. Further, it is particularly preferable that the curing agent is only a phenol compound.

フェノール系化合物以外の硬化剤が使用される場合、硬化剤として非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。この場合、セパレータ20の電気伝導度が高い状態に維持されると共に、燃料電池の触媒の被毒が抑制される。硬化剤として酸無水物系の化合物が用いられないことも好ましい。酸無水物系の化合物が使用される場合は硬化物が硫酸酸性環境下等の酸性環境下で加水分解して、セパレータ20の電気伝導度の低下が引き起こされたり、セパレータ20からの不純物の溶出が増大してしまうおそれがある。   When a curing agent other than a phenol compound is used, a non-amine compound is preferably used as the curing agent. In this case, the electrical conductivity of the separator 20 is maintained at a high level, and poisoning of the fuel cell catalyst is suppressed. It is also preferred that no acid anhydride compound is used as the curing agent. When an acid anhydride compound is used, the cured product is hydrolyzed in an acidic environment such as a sulfuric acid acidic environment, causing a decrease in the electrical conductivity of the separator 20 or elution of impurities from the separator 20. May increase.

熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が用いられる場合は、熱硬化性樹脂におけるエポキシ樹脂と硬化剤におけるフェノール系化合物とは、前記フェノール系化合物に対する前記エポキシ樹脂の当量比が0.8〜1.2の範囲となるように配合されることが好ましい。   When an epoxy resin is used as the thermosetting resin, the epoxy resin in the thermosetting resin and the phenolic compound in the curing agent have an equivalent ratio of the epoxy resin to the phenolic compound of 0.8 to 1.2. It is preferable to mix | blend so that it may become a range.

黒鉛粒子は、セパレータ20の電気比抵抗を低減してセパレータ20の導電性を向上する。黒鉛粒子としては、真密度が2.22g/cm以上の黒鉛粒子が用いられる。真密度の高い黒鉛粒子は結晶性が高く、セパレータ20がこのような黒鉛粒子を含有するとセパレータ20の腐食電流が低くなり、このためセパレータ20の耐腐食性が高くなる。黒鉛粒子の真密度は特に2.25g/cm以上であることが好ましい。黒鉛粒子の真密度の上限に特に制限はないが、入手可能な黒鉛粒子の真密度を考慮すると、真密度が2.32g/cm以下であることが好ましく、2.30g/cm以下であれば更に好ましい
上記黒鉛粒子の真密度は定容積膨張法により測定される値である。この黒鉛粒子の真密度は、例えば株式会社島津製作所製の乾式自動密度計(アキュピックII 1340)を用い、測定にあたってはヘリウムガスを用い、導入圧(ゲージ圧)を134.45kPag、パージ回数10回、ラン回数10回、平衡判定圧力(ゲージ圧)0.345kPagの条件で、測定される。
The graphite particles improve the electrical conductivity of the separator 20 by reducing the electrical specific resistance of the separator 20. As the graphite particles, graphite particles having a true density of 2.22 g / cm 3 or more are used. Graphite particles with a high true density have high crystallinity, and when the separator 20 contains such graphite particles, the corrosion current of the separator 20 is lowered, and thus the corrosion resistance of the separator 20 is enhanced. The true density of the graphite particles is particularly preferably 2.25 g / cm 3 or more. There is no particular limitation on the upper limit of the true density of the graphite particles, considering the true density of the available graphite particles, it is preferable that the true density of 2.32 g / cm 3 or less, 2.30 g / cm 3 or less More preferably, the true density of the graphite particles is a value measured by a constant volume expansion method. The true density of the graphite particles is, for example, by using a dry automatic density meter (Accuic II 1340) manufactured by Shimadzu Corporation. Helium gas is used for the measurement, the introduction pressure (gauge pressure) is 134.45 kPag, and the number of purges is 10 times. Measured under the conditions of 10 run times and equilibrium determination pressure (gauge pressure) of 0.345 kPag.

このような真密度の高い黒鉛粒子は、天然黒鉛粉から適宜選択され得る。黒鉛粒子として、結晶性の高い人造黒鉛粉(例えば結晶性向上のための処理が施された人造黒鉛粉)が使用されてもよい。   Such high-density graphite particles can be appropriately selected from natural graphite powder. As the graphite particles, artificial graphite powder having high crystallinity (for example, artificial graphite powder subjected to a treatment for improving crystallinity) may be used.

黒鉛粒子は、精製されていることが好ましい。この場合は、黒鉛粒子中の灰分やイオン性不純物が低いため、セパレータ20からの不純物の溶出が抑制される。黒鉛粒子における灰分は0.05質量%以下であることが好ましく、灰分が0.05質量%を超えると、セパレータ20が用いられることで作製される燃料電池の特性が低下するおそれがある。   The graphite particles are preferably purified. In this case, since ash and ionic impurities in the graphite particles are low, elution of impurities from the separator 20 is suppressed. The ash content in the graphite particles is preferably 0.05% by mass or less. If the ash content exceeds 0.05% by mass, the characteristics of the fuel cell produced by using the separator 20 may be deteriorated.

黒鉛粒子の平均粒径は15〜100μmの範囲であることが好ましい。この平均粒径が10μm以上であることで成形用材料の成形性が向上し、平均粒径が100μm以下となることでセパレータ20の表面平滑性が向上する。成形性の向上のためには、特に前記平均粒径が30μm以上であることが好ましく、またセパレータ20の表面平滑性が特に向上して後述するようにセパレータ20の表面の算術平均高さRa(JIS B0601:2001)が0.4〜1.6μmの範囲、特に1.0μm未満となるためには前記平均粒径が70μm以下であることが好ましい。特に前記平均粒径が30〜70μmの範囲であることが好ましい。   The average particle size of the graphite particles is preferably in the range of 15 to 100 μm. When the average particle size is 10 μm or more, the moldability of the molding material is improved, and when the average particle size is 100 μm or less, the surface smoothness of the separator 20 is improved. In order to improve the moldability, the average particle size is preferably 30 μm or more, and the surface smoothness of the separator 20 is particularly improved so that the arithmetic average height Ra ( In order for JIS B0601: 2001) to be in the range of 0.4 to 1.6 μm, particularly less than 1.0 μm, the average particle size is preferably 70 μm or less. In particular, the average particle size is preferably in the range of 30 to 70 μm.

特に薄型のセパレータ20が作製される場合には、黒鉛粒子は100メッシュ篩(目開き150μm)を通過する粒径を有することが好ましい。この黒鉛粒子中に100メッシュ篩を通過しない粒子が含まれていると、成形用材料中に粒径の大きい黒鉛粒子が混入してしまい、特に成形用材料が薄型のシート状に成形される際の成形性が低下してしまう。   In particular, when the thin separator 20 is produced, the graphite particles preferably have a particle size that passes through a 100 mesh sieve (aperture 150 μm). If the graphite particles contain particles that do not pass through a 100-mesh sieve, graphite particles having a large particle size will be mixed in the molding material, especially when the molding material is molded into a thin sheet. The moldability of the will be reduced.

黒鉛粒子のアスペクト比は10以下であることが好ましく、この場合、セパレータ20に異方性が生じることが抑制される共に反りなどの変形も抑制される。   The aspect ratio of the graphite particles is preferably 10 or less. In this case, anisotropy is suppressed in the separator 20 and deformation such as warpage is also suppressed.

尚、セパレータ20の異方性の低減に関しては、セパレータ20における成形時の成形用材料の流動方向(セパレータ20の厚み方向と直交する方向)と、この流動方向と直交する方向(セパレータ20の厚み方向)との間での接触抵抗の比が、2以下となることが好ましい。   Regarding the reduction of the anisotropy of the separator 20, the flow direction of the molding material at the time of molding in the separator 20 (direction perpendicular to the thickness direction of the separator 20) and the direction perpendicular to the flow direction (thickness of the separator 20). The ratio of the contact resistance with respect to (direction) is preferably 2 or less.

黒鉛粒子全体は、特に2種以上の粒度分布を有すること、すなわち黒鉛粒子全体が平均粒径の異なる2種以上の粒子群の混合物であることも好ましい。この明細書において、粒子群とは、黒鉛粒子全体のうちの少なくとも一部を構成する複数の粒子の集合を意味する。黒鉛粒子全体が、特に平均粒径1〜50μmの範囲の粒子群と、平均粒径30〜100μmの粒子群との混合物であることが好ましい。このような粒度分布を有する黒鉛粒子が用いられると、粒径の大きい粒子は表面積が小さいため、樹脂成分の含有量が少量であっても成形用材料の混練が可能になることが期待される。更に粒径の小さい粒子によって粒子同士の接触性が向上すると共に、セパレータ20の強度向上も期待され、これにより、セパレータ20の密度の向上、導電性の向上、ガス不透過性の向上、強度の向上等といった、性能の向上が図られる。平均粒径1〜50μmの粒子群と平均粒径30〜100μmの粒子群との混合比は、適宜調整されるが、特に前者対後者の混合質量比が40:60〜90:10、特に65:35〜85:15であることが好ましい。   It is also preferable that the entire graphite particles have particularly two or more particle size distributions, that is, the entire graphite particles are a mixture of two or more particle groups having different average particle diameters. In this specification, the particle group means an aggregate of a plurality of particles constituting at least a part of the entire graphite particle. It is preferable that the entire graphite particles are a mixture of a particle group having an average particle diameter of 1 to 50 μm and a particle group having an average particle diameter of 30 to 100 μm. When graphite particles having such a particle size distribution are used, it is expected that particles having a large particle size have a small surface area, so that the molding material can be kneaded even if the resin component content is small. . Further, the contact between the particles is improved by the particles having a small particle size, and the strength of the separator 20 is also expected to be improved. As a result, the density of the separator 20 is improved, the conductivity is improved, the gas impermeability is improved, and the strength is improved. Improvement of performance such as improvement is achieved. The mixing ratio of the particle group having an average particle diameter of 1 to 50 μm and the particle group having an average particle diameter of 30 to 100 μm is appropriately adjusted, and the mixing mass ratio of the former to the latter is particularly 40:60 to 90:10, particularly 65. : It is preferable that it is 35-85: 15.

尚、黒鉛粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計(日機装株式会社製のマイクロトラックMT3000IIシリーズなど)でレーザー回折散乱法により測定される体積平均粒径である。   The average particle size of the graphite particles is a volume average particle size measured by a laser diffraction / scattering method with a laser diffraction / scattering particle size analyzer (such as Microtrack MT3000II series manufactured by Nikkiso Co., Ltd.).

成形用材料中の黒鉛粒子の割合は、成形用材料中の固形分全体に対して70〜80質量%の範囲であることが好ましい。このように黒鉛粒子の割合が70質量%以上であると、セパレータ20に充分に優れた導電性が付与されと共に、セパレータ20の機械的強度が充分に向上する。またこの割合が80質量%以下であると、成形用材料に充分に優れた成形性が付与されると共にセパレータ20に充分に優れたガス透過性が付与される。   The ratio of the graphite particles in the molding material is preferably in the range of 70 to 80% by mass with respect to the entire solid content in the molding material. As described above, when the ratio of the graphite particles is 70% by mass or more, the separator 20 is provided with sufficiently excellent conductivity, and the mechanical strength of the separator 20 is sufficiently improved. Further, when this ratio is 80% by mass or less, sufficiently excellent moldability is imparted to the molding material and sufficiently excellent gas permeability is imparted to the separator 20.

成形用材料は、必要に応じて硬化触媒、ワックス(離型剤)、カップリング剤等の添加剤を含有してもよい。   The molding material may contain additives such as a curing catalyst, a wax (release agent), and a coupling agent as necessary.

硬化触媒(硬化促進剤)としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。例えば、アミン系のジアミノジフェニルメタンなどは残存物が燃料電池の触媒を被毒する恐れがあり、好ましくない。また、イミダゾール類は硬化後、塩素イオンを放出しやすくなるので不純物溶出の恐れがあり、あまり好ましくない。   Although it does not restrict | limit especially as a curing catalyst (curing accelerator), In order that a molding material does not contain a primary amine and a secondary amine, it is preferable that a non-amine type compound is used. For example, amine-based diaminodiphenylmethane and the like are not preferable because the residue may poison the fuel cell catalyst. In addition, imidazoles are less preferred because they easily release chlorine ions after curing, and may cause impurity elution.

但し、測定開始温度30℃、昇温速度10℃/分、保持温度120℃、保持温度での保持時間30分の条件で加熱された場合の重量減少が5%以下であり、且つ2位に炭化水素基を有する置換イミダゾールが用いられることは、成形用材料の保存安定性が向上する点で好ましい。更に、特に薄型のセパレータ20が作製される場合には、ワニス状に調製された成形用材料からシート状のセパレータ20が形成される際の溶剤の揮発性、セパレータ20の平滑性などが良好となる。この置換イミダゾールとして、特に2位の炭化水素基の炭素数が6〜17の置換イミダゾールが使用されることが好ましく、その具体例としては、2−ウンデシルイミダゾール、2−ヘプタデシルイミダゾール、2−フェニルイミダゾール、1−ベンジル−2−フェニルイミダゾール等が挙げられる。このうち、2−ウンデシルイミダゾール及び2−ヘプタデシルイミダゾールが好適である。これらの化合物は一種単独で用いられ、或いは二種以上が併用される。このような置換イミダゾールの含有量は適宜調整され、それにより成形硬化時間が調整され得る。この置換イミダゾールの含有量は好ましくは成形用材料中の熱硬化性樹脂と硬化剤の合計量に対して、0.5〜3質量%の範囲であることが好ましい。   However, the weight loss when heated under the conditions of a measurement start temperature of 30 ° C., a heating rate of 10 ° C./min, a holding temperature of 120 ° C., and a holding time of 30 minutes at the holding temperature is 5% or less, and is in the second place. The use of a substituted imidazole having a hydrocarbon group is preferable in that the storage stability of the molding material is improved. Furthermore, particularly when the thin separator 20 is produced, the volatility of the solvent when the sheet-like separator 20 is formed from the molding material prepared in a varnish shape, the smoothness of the separator 20 and the like are good. Become. As this substituted imidazole, a substituted imidazole having 6 to 17 carbon atoms in the hydrocarbon group at the 2-position is particularly preferably used. Specific examples thereof include 2-undecylimidazole, 2-heptadecylimidazole, 2- Examples include phenylimidazole and 1-benzyl-2-phenylimidazole. Of these, 2-undecylimidazole and 2-heptadecylimidazole are preferred. These compounds are used alone or in combination of two or more. The content of such a substituted imidazole can be adjusted as appropriate, whereby the molding curing time can be adjusted. The content of the substituted imidazole is preferably in the range of 0.5 to 3% by mass with respect to the total amount of the thermosetting resin and the curing agent in the molding material.

また、硬化触媒として、好ましくはリン系化合物が用いられる。リン系化合物と前記置換イミダゾールとが併用されてもよい。リン系化合物の一例として、トリフェニルホスフィンが挙げられる。このようなリン系化合物が用いられると、セパレータ20からの塩素イオンの溶出が抑制される。   Further, a phosphorus compound is preferably used as the curing catalyst. A phosphorus compound and the substituted imidazole may be used in combination. An example of a phosphorus compound is triphenylphosphine. When such a phosphorus compound is used, elution of chlorine ions from the separator 20 is suppressed.

成形用材料は、硬化促進剤として、次の構造式(1)で示される化合物を含有することも好ましい。この場合、セパレータ20の耐湿性が向上する。しかも、この構造式(1)で示される化合物は、セパレータ20のガラス転移温度の低下や、熱時剛性の低下や、連続成形性の悪化などを引き起こすことがない。むしろこの構造式(1)で示される化合物が使用されることにより、セパレータ20のガラス転移温度が上昇し、熱時剛性が向上し、更に成形用組成物の成形時の離型性が向上して連続成形性が向上し得る。   It is also preferred that the molding material contains a compound represented by the following structural formula (1) as a curing accelerator. In this case, the moisture resistance of the separator 20 is improved. In addition, the compound represented by the structural formula (1) does not cause a decrease in the glass transition temperature of the separator 20, a decrease in rigidity during heat, a deterioration in continuous formability, and the like. Rather, by using the compound represented by the structural formula (1), the glass transition temperature of the separator 20 is increased, the thermal rigidity is improved, and the releasability at the time of molding of the molding composition is improved. Thus, the continuous formability can be improved.

Figure 2012155942
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更に、この構造式(1)で示される化合物からは、イオン性不純物の溶出が生じにくい。このため、構造式(1)で示される化合物が使用されることで、セパレータ20からのイオン性不純物の溶出が抑制され、不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。構造式(1)で示される化合物からイオン性不純物の溶出が生じにくいのは、この化合物の酸解離定数(pKa)が小さいためであると推察される。   Furthermore, ionic impurities are not easily eluted from the compound represented by the structural formula (1). For this reason, by using the compound represented by the structural formula (1), elution of ionic impurities from the separator 20 is suppressed, and deterioration of characteristics such as a decrease in starting voltage of the fuel cell due to the elution of impurities is suppressed. . It is assumed that the elution of ionic impurities from the compound represented by the structural formula (1) hardly occurs because the acid dissociation constant (pKa) of this compound is small.

構造式(1)で示される化合物の、硬化促進剤全量に対する割合は、20〜100質量%の範囲であることが好ましい。この割合が20質量%未満であると、セパレータ20のガラス転移温度(Tg)の上昇が充分ではないおそれがある。   The ratio of the compound represented by the structural formula (1) to the total amount of the curing accelerator is preferably in the range of 20 to 100% by mass. If this proportion is less than 20% by mass, the glass transition temperature (Tg) of the separator 20 may not be sufficiently increased.

このような硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくは成形用材料中のエポキシ樹脂に対して0.5〜3質量部の範囲とする。   The content of such a curing catalyst is appropriately adjusted, but is preferably in the range of 0.5 to 3 parts by mass with respect to the epoxy resin in the molding material.

カップリング剤としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、アミノシランが用いられないことが好ましい。アミノシランが用いられると、燃料電池の触媒が被毒される恐れがあり好ましくない。カップリング剤としてメルカプトシランが用いられないことも好ましい。このメルカプトシランが用いられる場合も、同様に燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。   Although it does not restrict | limit especially as a coupling agent, In order that a molding material does not contain a primary amine and a secondary amine, it is preferable that aminosilane is not used. If aminosilane is used, the fuel cell catalyst may be poisoned, which is not preferable. It is also preferred that mercaptosilane is not used as a coupling agent. Similarly, when this mercaptosilane is used, the fuel cell catalyst may be poisoned.

カップリング剤の例としては、シリコン系のシラン化合物、チタネート系、アルミニウム系のカップリング剤が挙げられる。例えばシリコン系のカップリング剤としては、エポキシシランが適している。   Examples of coupling agents include silicon-based silane compounds, titanate-based, and aluminum-based coupling agents. For example, epoxy silane is suitable as a silicon-based coupling agent.

エポキシシランカップリング剤が使用される場合の使用量は、成形用材料の固形分中の含有量が0.5〜1.5質量%となる範囲であることが好ましい。この範囲において、カップリング剤がセパレータ20の表面にブリードすることを充分に抑制することができる。   When the epoxysilane coupling agent is used, the amount used is preferably in the range where the content in the solid content of the molding material is 0.5 to 1.5% by mass. In this range, the coupling agent can be sufficiently suppressed from bleeding on the surface of the separator 20.

カップリング剤は黒鉛粒子の表面に予め噴霧等により付着されていてもよい。その場合の添加量は、黒鉛粒子の比表面積と、カップリング剤の単位質量当たりの被覆可能面積(カップリング剤によって被覆され得る面積)とを考慮して適宜設定される。カップリング剤の添加量は、特にカップリング剤の被覆可能面積の総量が黒鉛粒子の表面積の総量の0.5〜2倍の範囲となるように調整されることが好ましい。この範囲において、セパレータ20の表面におけるカップリング剤のブリードが充分に抑制され、これにより金型表面の汚染が抑制される。   The coupling agent may be previously attached to the surface of the graphite particles by spraying or the like. The addition amount in that case is appropriately set in consideration of the specific surface area of the graphite particles and the coatable area per unit mass of the coupling agent (area that can be coated with the coupling agent). The addition amount of the coupling agent is preferably adjusted so that the total amount of the area that can be coated with the coupling agent is in the range of 0.5 to 2 times the total amount of the surface area of the graphite particles. In this range, the bleeding of the coupling agent on the surface of the separator 20 is sufficiently suppressed, thereby suppressing contamination of the mold surface.

ワックス(内部離型剤)としては、特に制限されないが、120〜190℃で成形用材料中の熱硬化性樹脂及び硬化剤と相溶せずに相分離する内部離型剤が用いられることが好ましい。このような内部離型剤として、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、及び長鎖脂肪酸系のワックスから選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このような内部離型剤が成形用材料の成形過程で熱硬化性樹脂及び硬化剤と相分離することで、セパレータ20の離型性が向上する。   Although it does not restrict | limit especially as a wax (internal mold release agent), The internal mold release agent which phase-separates without being incompatible with the thermosetting resin and hardening | curing agent in a molding material at 120-190 degreeC may be used. preferable. Examples of such an internal mold release agent include at least one selected from polyethylene wax, carnauba wax, and long-chain fatty acid wax. Such an internal release agent is phase-separated from the thermosetting resin and the curing agent in the molding process of the molding material, so that the release property of the separator 20 is improved.

内部離型剤の含有量はセパレータ20の形状の複雑さ、溝深さ、抜き勾配など金型面との離形性の容易さなどに応じて適宜設定されるが、成形用材料中の固形分全量に対して0.1〜2.5質量%の範囲であることが好ましい。この含有量が0.1質量%以上であることで金型成形時にセパレータ20が十分な離型性を発揮し、またこの含有量が2.5質量%以下であることでセパレータ20の親水性が充分に高く維持される。このワックスの含有量は0.1〜1質量%の範囲であれば更に好ましく、0.1〜0.5質量%の範囲であれば特に好ましい。   The content of the internal mold release agent is appropriately set according to the complexity of the shape of the separator 20, the groove depth, the ease of release from the mold surface such as the draft, etc., but the solid content in the molding material It is preferably in the range of 0.1 to 2.5% by mass with respect to the total amount. When the content is 0.1% by mass or more, the separator 20 exhibits sufficient releasability at the time of molding the mold, and when the content is 2.5% by mass or less, the hydrophilicity of the separator 20 Is kept high enough. The content of the wax is more preferably in the range of 0.1 to 1% by mass, and particularly preferably in the range of 0.1 to 0.5% by mass.

セパレータ20中のイオン性不純物の含有量は、成形用材料全量に対して質量比率でナトリウム含量5ppm以下、塩素含量5ppm以下とであることが好ましい。そのためには成形用材料のイオン性不純物の含有量が、成形用材料全量に対して質量比率でナトリウム含量5ppm以下、塩素含量5ppm以下であることが好ましい。この場合、セパレータ20からのイオン性不純物の溶出が抑制され、このため不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。   The content of ionic impurities in the separator 20 is preferably a sodium content of 5 ppm or less and a chlorine content of 5 ppm or less in terms of mass ratio with respect to the total amount of the molding material. For this purpose, it is preferable that the content of ionic impurities in the molding material is a sodium content of 5 ppm or less and a chlorine content of 5 ppm or less by mass ratio with respect to the total amount of the molding material. In this case, the elution of the ionic impurities from the separator 20 is suppressed, and therefore, a decrease in characteristics such as a decrease in starting voltage of the fuel cell due to the elution of impurities is suppressed.

セパレータ20及び成形用材料のイオン性不純物の含有量が上記のように低減するためには、成形用材料を構成する熱硬化性樹脂、硬化剤、黒鉛、その他添加剤等の各成分のそれぞれのイオン性不純物の含有量が、各成分に対して質量比率でナトリウム含量5ppm以下、塩素含量5ppm以下であることが好ましい。   In order to reduce the content of ionic impurities in the separator 20 and the molding material as described above, each component of each component such as a thermosetting resin, a curing agent, graphite, and other additives constituting the molding material. The content of ionic impurities is preferably a sodium content of 5 ppm or less and a chlorine content of 5 ppm or less by mass ratio with respect to each component.

イオン性不純物の含有量は、対象物(成形用材料、熱硬化性樹脂など)から溶出したイオン性不純物を含む抽出水中の、イオン性不純物の量に基づいて導出される。抽出水は、イオン交換水中に対象物が対象物10gに対してイオン交換水100mlの割合となるように投入された状態で、このイオン交換水及び対象物が90℃で50時間加熱されることで、得られる。抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィで評価される。この抽出水中のイオン性不純物量が対象物に対する質量比に換算されることで、対象物中のイオン性不純物の量が導出される。   The content of the ionic impurities is derived based on the amount of the ionic impurities in the extraction water containing the ionic impurities eluted from the object (molding material, thermosetting resin, etc.). The extraction water is heated in 90 ° C. for 50 hours in a state where the object is put in the ion-exchanged water so that the object has a ratio of 100 ml of ion-exchanged water to 10 g of the object. It can be obtained. Ionic impurities in the extracted water are evaluated by ion chromatography. The amount of ionic impurities in the target is derived by converting the amount of ionic impurities in the extracted water into a mass ratio with respect to the target.

成形用材料は、この組成物から形成されるセパレータ20のTOC(total organic carbon)が100ppm以下となるように調製されることが好ましい。   The molding material is preferably prepared such that the TOC (total organic carbon) of the separator 20 formed from this composition is 100 ppm or less.

TOCは、イオン交換水中にセパレータ20が、セパレータ20の質量10gに対してイオン交換水100mlの割合で投入され、このイオン交換水及びセパレータ20が90℃で50時間加熱されることで得られる溶液から測定される数値である。このようなTOCは、例えばJIS K0102に準拠して島津製全有機炭素分析装置「TOC−50」などで測定され得る。測定にあたっては、サンプルの燃焼により発生したCO濃度が非分散型赤外線ガス分析法で測定され、これによりサンプル中の炭素濃度が定量される。炭素濃度が測定されることによって、間接的にセパレータ20が含有する有機物質濃度が測定される。サンプル中の無機炭素(IC)、全炭素(TC)が測定されると、全炭素と無機炭素の差(TC−IC)から全有機炭素(TOC)が導出される。 TOC is a solution obtained by putting separator 20 in ion-exchanged water at a ratio of 100 ml of ion-exchanged water with respect to 10 g of mass of separator 20, and heating the ion-exchanged water and separator 20 at 90 ° C. for 50 hours. It is a numerical value measured from Such a TOC can be measured by, for example, a total organic carbon analyzer “TOC-50” manufactured by Shimadzu in accordance with JIS K0102. In the measurement, the CO 2 concentration generated by the combustion of the sample is measured by a non-dispersive infrared gas analysis method, thereby quantifying the carbon concentration in the sample. By measuring the carbon concentration, the organic substance concentration contained in the separator 20 is indirectly measured. When inorganic carbon (IC) and total carbon (TC) in a sample are measured, total organic carbon (TOC) is derived from the difference between total carbon and inorganic carbon (TC-IC).

上記のTOCが100ppm以下であると、燃料電池の特性低下が更に抑制される。   When the TOC is 100 ppm or less, deterioration of the characteristics of the fuel cell is further suppressed.

TOCの値は、成形用材料を構成する各成分として高純度の成分が選択されたり、樹脂の当量比が調整されたり、成形時に後硬化処理が施されたりすることによって、低減され得る。   The value of TOC can be reduced by selecting a high-purity component as each component constituting the molding material, adjusting the equivalent ratio of the resin, or performing a post-curing treatment during molding.

原料成分中には不純物として金属成分が混入している可能性があり、成形用材料及びセパレータ20には不純物として原料成分に由来する金属成分、製造時に混入する金属成分などが混入している可能性がある。セパレータ20に金属成分が混入していると、セパレータ20の腐食電流が増大してしまう。そこで、セパレータ20が製造されるにあたり、原料成分、成形用材料、及びセパレータ20のうち少なくともいずれかに対し、金属成分の含有量を低減するための処理を施すことが好ましい。この場合、セパレータ20の金属成分の含有量が低減し、これによりセパレータ20の腐食電流が更に低くなる。特に、少なくとも成形用材料に対し、金属成分の含有量を低減するための処理施すことが好ましい。   There is a possibility that a metal component is mixed as an impurity in the raw material component, and a metal component derived from the raw material component or a metal component mixed during manufacture may be mixed as an impurity in the molding material and the separator 20. There is sex. If a metal component is mixed in the separator 20, the corrosion current of the separator 20 increases. Therefore, when the separator 20 is manufactured, it is preferable to perform a treatment for reducing the content of the metal component on at least one of the raw material component, the molding material, and the separator 20. In this case, the content of the metal component of the separator 20 is reduced, thereby further reducing the corrosion current of the separator 20. In particular, at least the molding material is preferably subjected to a treatment for reducing the content of the metal component.

原料成分に対する、金属成分の含有量を低減するための処理の一例として、原料成分中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理が挙げられる。原料成分のうち、特に黒鉛粒子に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、黒鉛粒子を、pH2以下の強酸性溶液を用いて洗浄する処理も挙げられる。強酸性溶液としては、例えば濃度69質量%の濃硝酸と濃度36質量%の濃塩酸とを体積比で1:3の割合で混合して得られる王水、濃度15質量%以上の塩酸水、濃度15質量%以上の硫酸水、及び濃度15質量%以上の硝酸水から選ばれる少なくとも一種を使用することができる。この場合、黒鉛粒子中の金属成分の含有量が容易に低減される。前記塩酸水、硫酸水及び硝酸水の濃度は、操作性の観点から30質量%以下であることが好ましい。   An example of a process for reducing the content of the metal component relative to the raw material component is a process of attracting the metal component in the raw material component using a magnet. Among the raw material components, the treatment for reducing the content of the metal component, particularly with respect to the graphite particles, includes a treatment for washing the graphite particles with a strongly acidic solution having a pH of 2 or less. As the strongly acidic solution, for example, aqua regia obtained by mixing concentrated nitric acid having a concentration of 69% by mass and concentrated hydrochloric acid having a concentration of 36% by mass in a ratio of 1: 3 by volume ratio, hydrochloric acid having a concentration of 15% by mass or more, At least one selected from sulfuric acid having a concentration of 15% by mass or more and nitric acid having a concentration of 15% by mass or more can be used. In this case, the content of the metal component in the graphite particles is easily reduced. The concentration of the hydrochloric acid water, the sulfuric acid water and the nitric acid water is preferably 30% by mass or less from the viewpoint of operability.

成形用材料に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、原料成分に対する金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、成形用材料中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理などが挙げられる。   The treatment for reducing the metal component content for the molding material is similar to the treatment for reducing the metal component content for the raw material component, and the metal component in the molding material is sucked using a magnet. And the like.

前記のような原料成分が配合されることで成形用材料が調製され、この成形用材料が成形されることでセパレータ20が得られる。成形用材料は、粒状、シート状等の適宜の形状に形成される。   The molding material is prepared by blending the raw material components as described above, and the separator 20 is obtained by molding the molding material. The molding material is formed into an appropriate shape such as a granular shape or a sheet shape.

成形用材料が粒状である場合には、上記のような原料成分が例えば攪拌混合機などで攪拌混合され、或いは更に整粒機などで整粒されることで、成形用材料が得られる。   When the molding material is granular, the raw material components as described above are stirred and mixed with, for example, a stirrer or the like, or further sized with a granulator or the like, whereby a molding material is obtained.

成形用材料はシート状であってもよい。特に薄型のセパレータ20が作製される場合には、シート状の成形用材料が使用されることが好ましい。シート状の成形用材料が使用されると、例えば0.2〜1.0mmの厚みの薄型のセパレータ20が容易に得られ、しかもこのセパレータ20の厚み精度が高くなる。   The molding material may be in the form of a sheet. In particular, when a thin separator 20 is produced, it is preferable to use a sheet-shaped molding material. When a sheet-shaped molding material is used, for example, a thin separator 20 having a thickness of 0.2 to 1.0 mm can be easily obtained, and the thickness accuracy of the separator 20 is increased.

シート状の成形用材料の調製のためには、まず上記のような原料成分を含有する液状の組成物が調製される。液状の組成物は必要に応じて溶媒を含有する。溶媒としては、たとえばメチルエチルケトン、メトキシプロパノール、N,N−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒が好ましい。溶媒は一種のみが用いられても二種以上が併用されてもよい。溶媒の使用量は成形性等を考慮して適宜設定されるが、好ましくは液状の組成物の粘度が1000〜5000cpsの範囲となるように調整される。尚、前記の通り溶媒は必要に応じて使用されていればよく、原料成分中の熱硬化性樹脂が液状樹脂である場合などには、溶媒が使用されなくてもよい。   In order to prepare the sheet-shaped molding material, first, a liquid composition containing the raw material components as described above is prepared. The liquid composition contains a solvent as necessary. As the solvent, for example, polar solvents such as methyl ethyl ketone, methoxypropanol, N, N-dimethylformamide, dimethyl sulfoxide are preferable. Only 1 type may be used for a solvent, or 2 or more types may be used together. The amount of the solvent used is appropriately set in consideration of moldability and the like, but is preferably adjusted so that the viscosity of the liquid composition is in the range of 1000 to 5000 cps. In addition, as above-mentioned, the solvent should just be used as needed, and when the thermosetting resin in a raw material component is a liquid resin, a solvent does not need to be used.

この液状の組成物がシート状に成形されることで、シート状の成形用材料が得られる。液状の組成物が、例えばキャスティング(展進)成形によりシート状に成形されると共に、キャスティングにともなって加熱されることで乾燥され、或いは半硬化することにより、シート状の成形用材料が得られる。このシート状の成形用材料は、必要に応じて所定の平面寸法にカット(切断)もしくは打ち抜かれることで適当な寸法に形成される。   By forming this liquid composition into a sheet shape, a sheet-shaped molding material is obtained. The liquid composition is formed into a sheet shape by, for example, casting (progressive) molding, and is dried by heating with casting, or is semi-cured to obtain a sheet-shaped molding material. . This sheet-shaped molding material is formed into an appropriate dimension by cutting (cutting) or punching into a predetermined plane dimension as necessary.

キャスティング法によりシート状の成形用材料が形成される際には、複数種の膜厚調節手段が適用され得る。このような複数種の膜厚調節手段が用いられるキャスティング法は、例えばすでに実用化されているマルチコータを用が用いられることで実現される。キャスティングのための膜厚調節手段としては、スリットダイとともに、ドクターナイフおよびワイヤーバーの少なくともいずれか、すなわちいずれか一方もしくは両方を用いることが好ましい。このシート状の成形用材料の厚みは、0.05mm以上であることが好ましく、0.1mm以上であれば更に好ましい。また、この厚みは0.5mm以下であることが好ましく、0.3mm以下であれば更に好ましい。このようにシート状の成形用材料の厚みが0.5mm以下であると、セパレータ20の薄型化や軽量化、並びにそれによる低コスト化が達成され、特に厚みが0.3mm以下であれば溶媒を使用する場合のシート状の成形用材料内部の溶媒の残存が効果的に抑制される。またこの厚みが0.05mm未満の場合にはセパレータ20の製造にあたっての有利さが充分に発揮されなくなり、特に成形性を考慮するとこの厚みは0.1mm以上であることが好ましい。   When a sheet-shaped molding material is formed by a casting method, a plurality of types of film thickness adjusting means can be applied. The casting method using such a plurality of types of film thickness adjusting means is realized by using a multi-coater that has already been put into practical use, for example. As a film thickness adjusting means for casting, it is preferable to use a slit knife and at least one of a doctor knife and a wire bar, that is, either one or both. The thickness of the sheet-shaped molding material is preferably 0.05 mm or more, and more preferably 0.1 mm or more. The thickness is preferably 0.5 mm or less, and more preferably 0.3 mm or less. Thus, when the thickness of the sheet-shaped molding material is 0.5 mm or less, the separator 20 can be made thinner and lighter, and the cost thereof can be reduced. The residual solvent inside the sheet-shaped molding material when using is effectively suppressed. Further, when this thickness is less than 0.05 mm, the advantage in producing the separator 20 is not sufficiently exhibited, and this thickness is preferably 0.1 mm or more in consideration of moldability.

成形用材料が成形されることで、セパレータ20が得られる。成形法としては、圧縮成形が採用されることが好ましい。   The separator 20 is obtained by molding the molding material. As a molding method, compression molding is preferably employed.

図2に、圧縮成形のための成形金型の例を示す。この成形用金型は、互いに対向する第一の型板301と第二の型板302とを備える。第一の型板301には、成形用材料が供給される凹部303が形成され、この凹部303の底面には、セパレータ20に形成されるガス供給排出用の溝2に対応する突条304が形成されている。更に第一の型板301には凹部303の底面で開口する複数の通孔305が形成されている。   FIG. 2 shows an example of a molding die for compression molding. The molding die includes a first template 301 and a second template 302 that face each other. The first template 301 is formed with a recess 303 to which a molding material is supplied, and a protrusion 304 corresponding to the gas supply / discharge groove 2 formed in the separator 20 is formed on the bottom surface of the recess 303. Is formed. Further, the first template 301 is formed with a plurality of through holes 305 that open at the bottom surface of the recess 303.

成形金型は、エジェクタピン306及びエジェクタプレート307も備える。第一の型板301における通孔にはエジェクタピン306が挿入されている。複数のエジェクタピン306はエジェクタプレート307に連結されている。   The molding die also includes an ejector pin 306 and an ejector plate 307. Ejector pins 306 are inserted into the through holes in the first template 301. The plurality of ejector pins 306 are connected to the ejector plate 307.

第二の型板302には、第一の型板301の凹部303と対向する面に、セパレータ20に形成されるガス供給排出用の溝2に対応する突条304が形成されている。更に、第二の型板302には、セパレータ20の複数の各マニホールド13に対応する複数の凸部308が形成されている。   On the second template plate 302, protrusions 304 corresponding to the gas supply / discharge grooves 2 formed in the separator 20 are formed on the surface of the first template plate 301 that faces the recess 303. Furthermore, a plurality of convex portions 308 corresponding to the plurality of manifolds 13 of the separator 20 are formed on the second template 302.

このように第一の型板301と第二の型板302の双方に突条304が形成されていると、圧縮成形により両面にガス供給排出用の溝2が形成されているセパレータ20が得られる。尚、片面のみにガス供給排出用の溝2が形成されているセパレータ20を得る場合には、第一の型板301と第二の型板302のうち一方のみに突条304が形成される。   Thus, when the protrusions 304 are formed on both the first template 301 and the second template 302, the separator 20 in which the gas supply / discharge grooves 2 are formed on both sides by compression molding is obtained. It is done. In the case of obtaining the separator 20 in which the gas supply / discharge groove 2 is formed only on one side, the protrusion 304 is formed on only one of the first template 301 and the second template 302. .

第一の型板301と第二の型板302とが型締めされると、第一の型板301と第二の型板302との間には、セパレータ20の形状と合致する空間(成形空間309)が形成される。   When the first template plate 301 and the second template plate 302 are clamped, a space (molding) that matches the shape of the separator 20 is formed between the first template plate 301 and the second template plate 302. A space 309) is formed.

圧縮成形によるセパレータ20の製造にあたっては、適宜の量の成形用材料が第一の型板301の凹部303内に配置される。シート状の成形用材料が使用される場合には、セパレータ20の厚み等に応じて1枚のシート状の成形用材料が使用され、或いは凹部303の上に複数枚のシート状の成形用材料が重ねられる。   In manufacturing the separator 20 by compression molding, an appropriate amount of molding material is disposed in the recess 303 of the first template 301. When a sheet-shaped molding material is used, one sheet-shaped molding material is used according to the thickness of the separator 20 or the like, or a plurality of sheet-shaped molding materials are formed on the recess 303. Are superimposed.

第一の型板301及び第二の型板302は、成形可能な温度に保持される。第一の型板301及び第二の型板302が型締めされることで、成形用材料が圧縮成形される(図2(a))。これにより、成形空間309内でセパレータ20が形成される。成形条件は、成形用材料の組成に応じて適宜調整されるが、例えば成形温度120〜190℃、成形圧力1〜40MPa、成形時間1〜10分間の条件に調整される。   The first template 301 and the second template 302 are maintained at a moldable temperature. The molding material is compression-molded by clamping the first template 301 and the second template 302 (FIG. 2A). Thereby, the separator 20 is formed in the molding space 309. The molding conditions are appropriately adjusted according to the composition of the molding material. For example, the molding conditions are adjusted to a molding temperature of 120 to 190 ° C., a molding pressure of 1 to 40 MPa, and a molding time of 1 to 10 minutes.

このように成形用空間309内でセパレータ20が形成されたら、必要に応じて第一の型板301及び第二の型板302が冷却され、更に第一の型板301及び第二の型板302が型開きされる(図2(b))。これにより、セパレータ20は、第一の型板301の凹部303内に残存する。続いて、エジェクタプレート307が駆動されることでエジェクタピン306が凹部303の底面から凹部303へ向けて突出し、これによりセパレータ20が凹部303内から取り出される。   When the separator 20 is thus formed in the molding space 309, the first template 301 and the second template 302 are cooled as necessary, and the first template 301 and the second template are further cooled. 302 is opened (FIG. 2B). As a result, the separator 20 remains in the recess 303 of the first template 301. Subsequently, when the ejector plate 307 is driven, the ejector pin 306 protrudes from the bottom surface of the recess 303 toward the recess 303, whereby the separator 20 is taken out from the recess 303.

成形用材料が圧縮成形されることでセパレータ20が製造される場合、成形用材料のディスクフローは80〜100mmであることが好ましい。ディスクフローは、平面上の一箇所に3gの成形用材料を密集させて配置し、これを温度170℃、圧力5MPaの条件で30秒間圧縮した場合に形成される成形体の、長径(最も長い径)の測定値である。成形用材料のディスクフローは、成形用材料の組成を変更することで適宜調整し得る。例えば、成形用材料中の黒鉛含有量が減少すればディスクフローは増大し、黒鉛含有量が増大すればディスクフローは減少する。成形用材料中の硬化促進剤の含有量が減少すればディスクフローは増大し、成形用材料中の硬化促進剤の含有量が増大すればディスクフローは低減する。更に成形用材料中の成分の種類が適宜変更されると、それに応じてディスクフローが増減する。   When the separator 20 is manufactured by compression molding the molding material, the disk flow of the molding material is preferably 80 to 100 mm. In the disk flow, 3 g of a molding material is densely arranged at one place on a flat surface, and a long diameter (longest length) of a molded body formed when this is compressed for 30 seconds under conditions of a temperature of 170 ° C. and a pressure of 5 MPa. Diameter). The disk flow of the molding material can be adjusted as appropriate by changing the composition of the molding material. For example, if the graphite content in the molding material decreases, the disk flow increases, and if the graphite content increases, the disk flow decreases. If the content of the curing accelerator in the molding material decreases, the disk flow increases. If the content of the curing accelerator in the molding material increases, the disk flow decreases. Furthermore, when the types of components in the molding material are appropriately changed, the disk flow increases or decreases accordingly.

このように成形用材料のディスクフローが80〜100mmであると、圧縮成形時の成形用材料の流動性が高くなる。このため、成形用材料が結晶性の高い黒鉛粒子を含有し、且つこの成形用材料から圧縮成形により複雑な形状を有するセパレータ20が製造されるにもかかわらず、セパレータ20内で黒鉛粒子が配向しにくくなる。この結果、セパレータ20内における部分的な配向が抑制され、セパレータ20から平面視30mm×30mmの寸法の二つの小片を切り出す場合には、いかなる位置から前記小片を切り出した場合でも小片間の接触抵抗の比が0.9〜1.1の範囲となる。   Thus, when the disk flow of the molding material is 80 to 100 mm, the fluidity of the molding material during compression molding is increased. Therefore, although the molding material contains highly crystalline graphite particles, and the separator 20 having a complicated shape is produced from the molding material by compression molding, the graphite particles are oriented in the separator 20. It becomes difficult to do. As a result, partial orientation in the separator 20 is suppressed, and when two small pieces having a size of 30 mm × 30 mm in plan view are cut out from the separator 20, the contact resistance between the small pieces is cut out from any position. The ratio is in the range of 0.9 to 1.1.

セパレータ20には、ブラスト処理が施されるなどして、表層のスキン層が除去されると共にこのセパレータ20の表面粗さが調整されることが好ましい。   The separator 20 is preferably subjected to blasting or the like to remove the surface skin layer and adjust the surface roughness of the separator 20.

このセパレータ20の表面の算術平均高さRa(JIS B0601:2001)は、0.4〜1.6μmの範囲であることが好ましい。この場合、セパレータ20の腐食電流が更に小さくなり、セパレータ20の耐食性が更に向上する。更に、セパレータ20とガスケット12との接合部でのガスリークが抑制される。このためウエットブラスト処理時にセパレータ20におけるガスケット12と接合する部位をマスクする必要がなくなり、セパレータ20の生産効率が向上する。尚、前記算術平均高さRaが0.4μm未満となることは困難であり、またこの値が1.6μmより大きいと前記ガスリークが充分に抑制されなくなるおそれがある。このセパレータ20の表面の算術平均高さRaは特に1.2μm以下であることが好ましい。更にこのセパレータ20の表面の算術平均高さRaが1.0μm未満であると、前記ガスリークが特に抑制され、セパレータ20の薄型化に伴ってセルスタック作製時の締結力が低くなっても、前記ガスリークが充分に抑制される。セパレータ20の表面の算術平均高さRaは前記のとおり0.4μm以上であることが好ましく、0.6μm以上であれば更に好ましい。   The arithmetic average height Ra (JIS B0601: 2001) of the surface of the separator 20 is preferably in the range of 0.4 to 1.6 μm. In this case, the corrosion current of the separator 20 is further reduced, and the corrosion resistance of the separator 20 is further improved. Furthermore, gas leakage at the joint between the separator 20 and the gasket 12 is suppressed. For this reason, it is not necessary to mask the part joined to the gasket 12 in the separator 20 during the wet blasting process, and the production efficiency of the separator 20 is improved. It is difficult for the arithmetic average height Ra to be less than 0.4 μm, and if this value is greater than 1.6 μm, the gas leak may not be sufficiently suppressed. The arithmetic average height Ra of the surface of the separator 20 is particularly preferably 1.2 μm or less. Further, when the arithmetic average height Ra of the surface of the separator 20 is less than 1.0 μm, the gas leak is particularly suppressed, and even when the fastening force at the time of manufacturing the cell stack is lowered as the separator 20 is thinned, Gas leakage is sufficiently suppressed. As described above, the arithmetic average height Ra of the surface of the separator 20 is preferably 0.4 μm or more, and more preferably 0.6 μm or more.

セパレータ20の表面の接触抵抗は15mΩcm以下であることが好ましい。この場合、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ20の機能が高いレベルで維持される。 The contact resistance on the surface of the separator 20 is preferably 15 mΩcm 2 or less. In this case, the function of the separator 20 for transmitting the electric energy generated by the fuel cell to the outside is maintained at a high level.

前記ブラスト処理時には、セパレータ20にウエットブラスト処理が施されると共に、この処理においてアルミナ粒子等の砥粒を含むスラリーから磁石で金属成分が吸引されることが好ましい。ブラスト処理に用いられる砥粒には不純物として金属成分が混入している可能性があり、またブラスト処理時に砥粒を含むスラリーに金属成分が混入することがある。このような金属成分を含むスラリー用いてブラスト処理が施されると、セパレータ20の表面に砥粒から金属成分が打ち込まれてしまう。しかし、前記のようにスラリーから磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によりウエットブラスト処理が施されると、ブラスト処理時にセパレータ20に金属成分が付着しにくくなる。すなわち、ウエットブラスト処理によってスキン層の除去や表面粗さの調整などがされつつ、このウエットブラスト処理時に、スラリー中の砥粒に含まれる金属異物などの金属成分がセパレータ20へ打ち込まれにくくなる。また、このウエットブラスト処理において、スラリーが循環されながら繰り返し使用されると共に、このスラリーの循環時にスラリーから金属成分が磁石などで吸引されると、スラリー中の砥粒から磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によってウエットブラスト処理が施される。   In the blasting process, it is preferable that the separator 20 is subjected to a wet blasting process, and in this process, a metal component is attracted by a magnet from a slurry containing abrasive grains such as alumina particles. There is a possibility that a metal component is mixed as an impurity in the abrasive grains used in the blasting process, and a metal component may be mixed in the slurry containing the abrasive grains during the blasting process. When blasting is performed using a slurry containing such a metal component, the metal component is driven from the abrasive grains onto the surface of the separator 20. However, when the metal component is attracted from the slurry by the magnet as described above and wet blasting is performed with the abrasive grains, the metal component is difficult to adhere to the separator 20 during the blasting. That is, while the skin layer is removed and the surface roughness is adjusted by the wet blasting process, metal components such as metal foreign matters contained in the abrasive grains in the slurry are less likely to be driven into the separator 20 during the wet blasting process. In the wet blasting process, the slurry is repeatedly used while being circulated, and when the metal component is attracted from the slurry by a magnet or the like during the circulation of the slurry, the metal component is attracted by the magnet from the abrasive grains in the slurry. However, wet blasting is performed by the abrasive grains.

更に、黒鉛粒子の金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、セパレータ20から金属成分が磁石によって吸引されてもよい。この場合、例えばセパレータ20が一対の磁石の間に配置されることで、セパレータ20から金属成分が吸引される。尚、磁石を用いた吸引以外の適宜の方法でセパレータ20から金属成分が除去されてもよい。但し、強酸性溶液によって洗浄する方法ではセパレータ20を構成する樹脂が溶解してしまうおそれがあり、また超音波洗浄ではセパレータ20から黒鉛粒子が脱離してしまうおそれがあるため、好ましくない。   Furthermore, the metal component may be attracted by the magnet from the separator 20 in the same manner as the processing for reducing the content of the metal component of the graphite particles. In this case, for example, the metal component is attracted from the separator 20 by arranging the separator 20 between the pair of magnets. Note that the metal component may be removed from the separator 20 by an appropriate method other than attraction using a magnet. However, the method of washing with a strong acid solution is not preferable because the resin constituting the separator 20 may be dissolved, and the ultrasonic cleaning may cause the graphite particles to be detached from the separator 20.

以上のようにして得られるセパレータ20における、金属成分の付着の程度は、このセパレータ20を90℃の温水で1時間洗浄した後、90℃の温度で1時間加熱乾燥する処理を施した後に、このセパレータ20の表面を観察することで確認される。セパレータ20に金属成分が付着していると、前記処理によりセパレータ20の表面に金属酸化物(錆)が生成する。前記処理後のセパレータ20の表面が目視で観察されても前記金属酸化物(錆)の存在が確認されないことが好ましい。特に、前記処理後のセパレータ20の表面に、直径100μmより大きい金属酸化物が存在しないことが好ましく、直径50μmより大きい金属酸化物が存在しなければ更に好ましい。また、直径30μmより大きい金属酸化物が存在しなければ特に好ましい。   In the separator 20 obtained as described above, the degree of adhesion of the metal component was determined by washing the separator 20 with 90 ° C. warm water for 1 hour, and then subjecting the separator 20 to heat drying at 90 ° C. for 1 hour. This is confirmed by observing the surface of the separator 20. If a metal component adheres to the separator 20, a metal oxide (rust) is generated on the surface of the separator 20 by the treatment. Even if the surface of the separator 20 after the treatment is visually observed, it is preferable that the presence of the metal oxide (rust) is not confirmed. In particular, it is preferable that no metal oxide larger than 100 μm in diameter is present on the surface of the separator 20 after the treatment, and it is more preferable if no metal oxide larger than 50 μm in diameter exists. Further, it is particularly preferable if there is no metal oxide having a diameter larger than 30 μm.

また、このセパレータ20の表面に表出しているFe、Co、及びNiの総量が0.01μg/cm以下となっていることが好ましい。更に、このセパレータ20の表面に表出しているCr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びZnの総量が0.01μg/cm以下となっていることが好ましい。 The total amount of Fe, Co, and Ni exposed on the surface of the separator 20 is preferably 0.01 μg / cm 2 or less. Furthermore, the total amount of Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu and Zn exposed on the surface of the separator 20 is preferably 0.01 μg / cm 2 or less.

図3は複数の単セルからなる燃料電池40(セルスタック)の一例を示す。この燃料電池40は、燃料用流路に連通する燃料の供給口171及び排出口172と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口181及び排出口182と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口191及び排出口192とを有する。   FIG. 3 shows an example of a fuel cell 40 (cell stack) composed of a plurality of single cells. The fuel cell 40 communicates with a fuel supply port 171 and a discharge port 172 communicating with the fuel flow channel, an oxidant supply port 181 and a discharge port 182 communicating with the oxidant flow channel, and a cooling flow channel. A cooling water supply port 191 and a discharge port 192.

この燃料電池40の燃料の供給口171から水素ガス等の燃料が、酸化剤の供給口181から酸素ガス等の酸化剤が、それぞれ供給されることにより、燃料電池40が作動する。燃料電池40が作動する間、燃料電池に冷却水の供給口191から冷却水が供給され、このため、燃料電池の温度が運転のための適正な温度に調節される。冷却水としては、純水が使用されることが好ましい。   The fuel cell 40 is operated by supplying a fuel such as hydrogen gas from the fuel supply port 171 and an oxidant such as oxygen gas from the oxidant supply port 181. While the fuel cell 40 is operating, cooling water is supplied to the fuel cell from the cooling water supply port 191. For this reason, the temperature of the fuel cell is adjusted to an appropriate temperature for operation. As the cooling water, pure water is preferably used.

本実施形態によるセパレータ20を備える燃料電池40は、セパレータ20の耐腐食性及び強度が高いため、長期に亘って安定に動作する。特に、冷却水が流通する配管等を構成する金属や、燃料電池内の金属、樹脂等が冷却水に溶出するなどして、冷却水の導電性が上昇したとしても、セパレータ20の冷却用マニホールド133は腐食が発生しにくく、従ってこのような腐食による燃料電池40からの冷却水の漏出も生じにくくなる。   The fuel cell 40 including the separator 20 according to the present embodiment operates stably for a long time because the separator 20 has high corrosion resistance and strength. In particular, the cooling manifold of the separator 20 even if the conductivity of the cooling water rises due to the metal constituting the piping through which the cooling water circulates, the metal in the fuel cell, the resin, etc. are eluted into the cooling water. 133 is less likely to corrode, and accordingly, leakage of cooling water from the fuel cell 40 due to such corrosion is less likely to occur.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例には限定されない。   Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited to this Example.

[実施例及び比較例]
各実施例及び比較例につき、表1に示す原料成分を攪拌混合機(ダルトン製「5XDMV−rr型」)に表1に示す組成となるように入れて攪拌混合し、得られた混合物を整粒機で粒径500μm以下に粉砕した。これにより、成形用材料を得た。
[Examples and Comparative Examples]
For each Example and Comparative Example, the raw material components shown in Table 1 were placed in a stirring mixer (“5XDMV-rr type” manufactured by Dalton) so as to have the composition shown in Table 1, and mixed by stirring. The resulting mixture was prepared. It grind | pulverized to the particle size of 500 micrometers or less with the granulator. Thereby, a molding material was obtained.

得られた成形用材料を、金型温度170℃、成形圧力35.3MPa、成形時間2分の条件で圧縮成形した。   The obtained molding material was compression molded under the conditions of a mold temperature of 170 ° C., a molding pressure of 35.3 MPa, and a molding time of 2 minutes.

この圧縮成形により、セパレータ20を200mm×250mm、厚み1.5mmの寸法に形成した。更にこの圧縮成形により、セパレータ20の一面に長さ250mm、幅1mm、深さ0.5mmのガス供給排出用の溝2を57本、他面には長さ250mm、幅0.5mm、深さ0.5mmのガス供給排出用の溝2を58本形成した。更に、この圧縮成形により、セパレータ20の外周部には、開口面積3.5cmの六個のマニホールドを形成した。 By this compression molding, the separator 20 was formed in a size of 200 mm × 250 mm and a thickness of 1.5 mm. In addition, by this compression molding, 57 gas supply / discharge grooves 2 having a length of 250 mm, a width of 1 mm, and a depth of 0.5 mm are formed on one surface of the separator 20, and a length of 250 mm, a width of 0.5 mm, and a depth are formed on the other surface. 58 grooves for gas supply / discharge of 0.5 mm were formed. Further, six manifolds having an opening area of 3.5 cm 2 were formed on the outer periphery of the separator 20 by this compression molding.

このセパレータ20の表面に、マコー株式会社製のウエットブラスト処理装置(形式PFE−300T/N)を用い、砥粒としてアルミナ粒子を含むスラリー用いてブラスト処理を施した後、イオン交換水で洗浄し、更に温風乾燥した。この処理後のセパレータ20の表面の算術平均高さRa(JIS B0601:2001)を測定した結果を表1に示す。   The surface of the separator 20 is subjected to a blasting process using a slurry containing alumina particles as abrasive grains using a wet blasting apparatus (model PFE-300T / N) manufactured by Macau Corporation, and then washed with ion-exchanged water. Further, it was dried with warm air. Table 1 shows the results of measuring the arithmetic average height Ra (JIS B0601: 2001) of the surface of the separator 20 after this treatment.

[ディスクフロー評価]
各実施例及び比較例において用いられた成形用材料のディスクフローを、上述の方法で測定した。その結果を表1に示す。
[Disk flow evaluation]
The disk flow of the molding material used in each example and comparative example was measured by the method described above. The results are shown in Table 1.

[接触抵抗評価]
各実施例及び比較例で得られたセパレータ20を切断することで、一つのセパレータ20から平面視30mm×30mmの寸法の9個の小片を切り出した。
[Contact resistance evaluation]
By cutting the separator 20 obtained in each example and comparative example, nine small pieces having a size of 30 mm × 30 mm in plan view were cut out from one separator 20.

これらの小片の上下にカーボンペーパーを配置し、更にその上下に銅板を配置し、上下方向に面圧1MPaの圧力をかけた。そして、2枚のカーボンペーパー間の電圧を電圧計で測定すると共に2枚の銅板間の電流を電流計で測定し、その結果から接触抵抗を計算した。なお、使用したカーボンペーパーは、東レ社製のTGP−H−Mシリーズ(090M:厚さ0.28mm、120M:厚さ0.38mm)である。   Carbon paper was placed above and below these small pieces, copper plates were further placed above and below them, and a surface pressure of 1 MPa was applied in the vertical direction. The voltage between the two carbon papers was measured with a voltmeter, and the current between the two copper plates was measured with an ammeter, and the contact resistance was calculated from the result. The carbon paper used is TGP-HM series (090M: thickness 0.28 mm, 120M: thickness 0.38 mm) manufactured by Toray.

各実施例及び比較例につき、9個の小片の接触抵抗の平均値を算出した。更に、接触抵抗の最小値に対する最大値の比率(百分率)を算出した。その結果を表1に示す。   For each example and comparative example, the average value of the contact resistance of nine pieces was calculated. Furthermore, the ratio (percentage) of the maximum value to the minimum value of the contact resistance was calculated. The results are shown in Table 1.

[曲げ強度評価]
各実施例及び比較例で得られたセパレータ20の四つの辺に沿った外周部分(各辺につき二箇所、合計八箇所)の3点曲げ強度を、JIS R1601に準拠して測定した。支点間距離は30mm、クロスヘッドスピードは2mm/分とした。測定結果の平均値、並びに測定結果の最大値と最小値との差の値を、表1に示す。
[Bending strength evaluation]
The three-point bending strength of the outer peripheral portions (two locations on each side, a total of eight locations) along the four sides of the separator 20 obtained in each example and comparative example was measured according to JIS R1601. The distance between fulcrums was 30 mm, and the crosshead speed was 2 mm / min. Table 1 shows the average value of the measurement results and the difference between the maximum value and the minimum value of the measurement results.

[腐食電流評価]
各実施例及び比較例で得られたセパレータ20の腐食電流を測定した。測定にあたっては、導電率200μS/cmに調整された硫酸ナトリウム水溶液中に、作用極としてセパレータ20を、対極として白金電極を30mmの間隔で配置し、液温80℃で電極間に20Vの電圧を48時間印加した時点で、電極間を通電する電流値を測定した。その結果を表1に示す。
[Corrosion current evaluation]
The corrosion current of the separator 20 obtained in each example and comparative example was measured. In the measurement, a separator 20 as a working electrode and a platinum electrode as a counter electrode are arranged at intervals of 30 mm in a sodium sulfate aqueous solution adjusted to have a conductivity of 200 μS / cm, and a voltage of 20 V is applied between the electrodes at a liquid temperature of 80 ° C. At the time of application for 48 hours, the value of current flowing between the electrodes was measured. The results are shown in Table 1.

[耐腐食性(摩耗量)評価]
腐食電流評価において、電圧が印加される前のセパレータ20の重量に対する、電圧印加後のセパレータ20の重量の減量率を測定し、これを、セパレータ20の耐腐食性の指標とした。その結果を表1に示す。
[Evaluation of corrosion resistance (amount of wear)]
In the corrosion current evaluation, the weight loss rate of the separator 20 after the voltage application relative to the weight of the separator 20 before the voltage application was measured, and this was used as an index of the corrosion resistance of the separator 20. The results are shown in Table 1.

Figure 2012155942
Figure 2012155942

表中の各成分の詳細は次の通りである。
・熱硬化性樹脂A:クレゾールノボラック型エポキシ樹脂(日本化薬社製「EOCN−1020−75」、エポキシ当量199、融点75℃)
・硬化剤A:ノボラック型フェノール樹脂(群栄化学社製「PSM6200」、OH当量105)
・硬化剤B:多官能フェノール樹脂(明和化成株式会社製「MEH−7500」、OH当量100)
・硬化促進剤A:トリフェニルホスフィン(北興化学社製「TPP」)
・硬化促進剤B:構造式(1)で示される化合物。
・黒鉛粒子A:平均粒子径50μm、真密度2.28g/cm、天然黒鉛。
・黒鉛粒子B:平均粒子径50μm、真密度2.25g/cm、人造黒鉛。
・黒鉛粒子C:平均粒子径50μm、真密度2.30g/cm、天然黒鉛。
・黒鉛粒子D:平均粒子径5μm、真密度2.30g/cm、天然黒鉛。
・黒鉛粒子E:平均粒子径50μm、真密度2.20g/cm、人造黒鉛。
・カップリング剤:エポキシシラン(日本ユニカー社製「A187」)
・ワックス:天然カルナバワックス(大日化学社製「H1−100」、融点83℃)
上記黒鉛粒子の真密度は、株式会社島津製作所製の乾式自動密度計(アキュピックII 1340)を用い、定容積膨張法により測定した値である。測定にあたって、ヘリウムガスを用い、導入圧(ゲージ圧)を134.45kPag、パージ回数を10回、ラン回数を10回、平衡判定圧力(ゲージ圧)を0.345kPagとした。
Details of each component in the table are as follows.
Thermosetting resin A: Cresol novolac type epoxy resin (“EOCN-1020-75” manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd., epoxy equivalent 199, melting point 75 ° C.)
Curing agent A: Novolac type phenolic resin ("PSM6200" manufactured by Gunei Chemical Co., OH equivalent 105)
Curing agent B: polyfunctional phenol resin (Maywa Kasei Co., Ltd. "MEH-7500", OH equivalent 100)
Curing accelerator A: Triphenylphosphine (“TPP” manufactured by Hokuko Chemical Co., Ltd.)
Curing accelerator B: a compound represented by the structural formula (1).
Graphite particles A: average particle diameter 50 μm, true density 2.28 g / cm 3 , natural graphite.
Graphite particles B: average particle diameter 50 μm, true density 2.25 g / cm 3 , artificial graphite.
Graphite particles C: average particle diameter 50 μm, true density 2.30 g / cm 3 , natural graphite.
Graphite particles D: average particle diameter 5 μm, true density 2.30 g / cm 3 , natural graphite.
Graphite particles E: average particle diameter 50 μm, true density 2.20 g / cm 3 , artificial graphite.
Coupling agent: Epoxy silane (“A187” manufactured by Nihon Unicar)
Wax: Natural carnauba wax ("H1-100" manufactured by Dainichi Chemical Co., Ltd., melting point 83 ° C)
The true density of the graphite particles is a value measured by a constant volume expansion method using a dry automatic densimeter (Acupic II 1340) manufactured by Shimadzu Corporation. In the measurement, helium gas was used, the introduction pressure (gauge pressure) was 134.45 kPag, the number of purges was 10, the number of runs was 10, and the equilibrium judgment pressure (gauge pressure) was 0.345 kPag.

13 マニホールド
2 ガス供給排出用の溝
20 燃料電池用セパレータ
40 燃料電池
13 Manifold 2 Gas supply / discharge groove 20 Fuel cell separator 40 Fuel cell

Claims (3)

熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料の硬化物から形成され、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータであって、
前記黒鉛の真密度が2.22g/cm以上、前記黒鉛の含有量が70〜80質量%の範囲であり、
腐食電流が10μA/cm以下であり、
前記燃料電池用セパレータから平面視30mm×30mmの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から前記小片を切り出しても二つの前記小片間の接触抵抗の比が0.9〜1.1の範囲となる燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator formed from a cured product of a molding material containing a thermosetting resin and graphite, and having a gas supply / discharge groove and a manifold,
The true density of the graphite is 2.22 g / cm 3 or more, and the graphite content is in the range of 70 to 80% by mass.
The corrosion current is 10 μA / cm 2 or less,
When two small pieces having a size of 30 mm × 30 mm in plan view are cut out from the fuel cell separator, the contact resistance ratio between the two pieces is 0.9 to 1.1 no matter where the small piece is cut out. Fuel cell separator that will be in the range.
熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料を準備し、この成形用材料を成形することで、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
前記成形用材料を準備するにあたって、前記黒鉛として真密度が2.22g/cm以上の黒鉛を用い、前記成形用材料の固形分全量に対する前記黒鉛の含有量を70〜80質量%の範囲とし、前記成形用材料のディスクフローを80〜100mmの範囲に調整し、
前記成形用材料を成形するにあたって、前記成形用材料を加熱圧縮成形することで前記成形用材料を前記ガス供給排出用の溝及び前記マニホールドが形成されている前記燃料電池用セパレータの形状に成形すると共にこの成形用材料を硬化させる燃料電池用セパレータの製造方法。
In this method, a molding material containing a thermosetting resin and graphite is prepared, and the molding material is molded to produce a fuel cell separator in which a groove for supplying and discharging gas and a manifold are formed. And
In preparing the molding material, graphite having a true density of 2.22 g / cm 3 or more is used as the graphite, and the graphite content with respect to the total solid content of the molding material is in the range of 70 to 80% by mass. , Adjusting the disk flow of the molding material to a range of 80 to 100 mm,
In molding the molding material, the molding material is heated and compression-molded to mold the molding material into the shape of the fuel cell separator in which the gas supply / discharge groove and the manifold are formed. A method for producing a separator for a fuel cell in which the molding material is cured.
請求項1に記載の燃料電池用セパレータを備える燃料電池。   A fuel cell comprising the fuel cell separator according to claim 1.
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