JP3296801B2 - Carbon composite molding - Google Patents

Carbon composite molding

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JP3296801B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、主として電気自動
車用の電池として用いられる燃料電池用セパレータのよ
うに、機械的強度及び導電性に優れ、かつ、ガス不透過
性であることが要求され、その要求に適合する材料とし
てフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂に黒鉛粉末等のカー
ボン系導電性フィラーを混合分散させてなる複合組成物
から所定形状に成形されるカーボン複合成形体に関する
ものである。
The present invention is required to be excellent in mechanical strength and electrical conductivity and gas-impermeable, such as a fuel cell separator used mainly as a battery for electric vehicles. The present invention relates to a carbon composite molded article formed into a predetermined shape from a composite composition obtained by mixing and dispersing a carbon-based conductive filler such as graphite powder in a thermosetting resin such as a phenol resin as a material meeting the requirements.

【0002】[0002]

【従来の技術】上記した機械的強度、導電性及びガス不
透過性が強く要求される他に、高い寸法精度及び低コス
ト化も要求される燃料電池用セパレータで代表されると
ころのカーボン成形体の成形材料として、カーボン系導
電性フィラーの一つである黒鉛粉末を熱硬化性樹脂で結
合してなる複合組成物、通称、ボンドカーボンを使用す
ることは従来から知られている。
2. Description of the Related Art In addition to the above-mentioned strong mechanical strength, conductivity and gas impermeability, a carbon molded body typified by a fuel cell separator which is also required to have high dimensional accuracy and low cost. It has been conventionally known to use a composite composition formed by bonding graphite powder, which is one of the carbon-based conductive fillers, with a thermosetting resin, commonly known as bond carbon, as a molding material for the above.

【0003】ところが、ボンドカーボンを用いて成形さ
れた燃料電池用セパレータ等の成形体においては、上記
各要求項目のうち、最も重要な機械的強度、特に圧縮強
度と導電性を指標する体積抵抗率との間で相互に反する
結果が生じる。詳述すると、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂に
混合し結合してなるボンドカーボンにおいてセパレータ
等の成形体として要求される圧縮強度が得られるよう
に、樹脂の配合割合が多いボンドカーボンを用いて所定
形状に成形された成形体においては、図8の模式図で示
すように、樹脂層30のない部分、つまり、樹脂が十分
に行き渡らないで組織中に形成される空孔部分31と該
空孔部分31に接する黒鉛粒子32とによって矢印xで
示すような通電経路が形成されるだけで、それ以外の部
分は樹脂の持つ電気絶縁性によって絶縁部となり、セパ
レータ等の成形体全体として要求される導電性が得られ
ず電気抵抗の増大により燃料電池等の性能面で好ましい
結果が得られない。
However, in a molded article such as a fuel cell separator molded using bond carbon, a volume resistivity indicating the most important mechanical strength, in particular, compressive strength and conductivity, among the above-mentioned required items. Have mutually opposite results. More specifically, in order to obtain the compressive strength required for a molded article such as a separator in a bond carbon obtained by mixing and bonding a graphite powder to a thermosetting resin, a predetermined amount is set using bond carbon having a large proportion of the resin. As shown in the schematic diagram of FIG. 8, in the molded body formed into a shape, the portion without the resin layer 30, that is, the void portion 31 formed in the tissue without sufficiently spreading the resin and the void portion 31 Only the energization path as shown by the arrow x is formed by the graphite particles 32 in contact with the portion 31, and the other portion becomes an insulating portion due to the electric insulation property of the resin, and is required as a whole molded body such as a separator. No favorable results can be obtained in terms of the performance of fuel cells and the like due to the lack of conductivity and an increase in electrical resistance.

【0004】一方、樹脂の配合割合が少ないボンドカー
ボンを用いて所定形状に成形された成形体においては、
黒鉛粒子32同士を接触させるように成形面圧を大きく
することで組織中に空孔部分を形成しない、あるいは、
空孔部分の形成を非常に少なくし、それだけ通電経路が
多くとれ、セパレータ等の成形体全体の導電性を増大す
ることが可能である反面、成形体の強度を負担する樹脂
量が少ないために、成形体の機械的強度、特に圧縮強度
が余儀なく低下してしまうだけでなく、成形時のボンド
カーボンの伸びが小さく、かつ、流動性も悪いために、
成形性が悪化して寸法精度はもとより形状面からも所定
形状の成形体が得にくい。
On the other hand, in a molded article formed into a predetermined shape using a bond carbon containing a small amount of a resin,
By increasing the molding surface pressure so as to bring the graphite particles 32 into contact with each other, no void portion is formed in the tissue, or
Since the formation of voids is extremely reduced, the number of current paths can be increased and the conductivity of the entire molded body such as a separator can be increased, but the amount of resin that bears the strength of the molded body is small. , Not only the mechanical strength of the molded body, especially the compressive strength is inevitably reduced, but also the elongation of the bond carbon during molding is small and the fluidity is poor,
Moldability is deteriorated, and it is difficult to obtain a molded body having a predetermined shape from the viewpoint of shape as well as dimensional accuracy.

【0005】また、黒鉛粉末に代わるカーボン系導電性
フィラーとしてカーボンブラックを樹脂に混合し分散さ
せた複合導電材料を用いて燃料電池用セパレータ等の所
定形状の成形体を成形することも考えられる。このよう
な複合導電材料から成形された成形体においては、カー
ボンブラックの擬グラファイト構造の結晶子が数千個集
まって形成される一次粒子が更に凝集力によって鎖状に
連結した二次粒子として存在するといったように、連鎖
状のストラクチャーを構成することになり、これによっ
て、成形体全体としての導電性が確保される。
It is also conceivable to use a composite conductive material in which carbon black is mixed and dispersed in a resin as a carbon-based conductive filler instead of graphite powder to form a molded article having a predetermined shape such as a fuel cell separator. In a molded body formed from such a composite conductive material, primary particles formed by collecting thousands of crystallites having a pseudo-graphite structure of carbon black further exist as secondary particles linked in a chain by cohesive force. As a result, a chain-like structure is formed, thereby ensuring the conductivity of the entire molded body.

【0006】しかし、導電性カーボンブラック単体の体
積固有抵抗は、2.5×10-1Ω・cmで、天然黒鉛に
代表される高結晶性の黒鉛類における一面方向の体積固
有抵抗(5×10-5Ω・cm)に比べて非常に大きく、
樹脂に導電性カーボンブラックのみを混合し分散させた
上記の複合導電材料から成形されたセパレータ等の成形
体としては、この種の成形体に要求されるだけの高導電
性を得ることができない。
However, the volume resistivity of the conductive carbon black alone is 2.5 × 10 −1 Ω · cm, and the volume resistivity (5 ×) in the one-plane direction of highly crystalline graphite represented by natural graphite. 10 -5 Ω · cm)
As a molded product such as a separator molded from the above composite conductive material in which only conductive carbon black is mixed and dispersed in a resin, it is not possible to obtain high conductivity required for this type of molded product.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】上述のように、カーボ
ン系導電性フィラーとして黒鉛粉末を単独に樹脂に混合
分散させてなるボンドカーボン、あるいは、導電性カー
ボンブラックを単独に樹脂に混合分散させてなる複合導
電材料のいずれであっても、燃料電池用セパレータ等の
成形体として最も強く要求される機械的強度と導電性の
両方を共に満足させることはできない。殊に、電気自動
車用の電池として用いられる燃料電池用セパレータで
は、電池性能の一層の向上を目指すために、圧縮強度が
80MPa以上で、体積固有抵抗が5×10-3Ω・cm
以下の特性を有するものが求められているが、このよう
な特性を有する燃料電池用セパレータは、未だ開発され
ていない。
As described above, bond carbon obtained by mixing and dispersing graphite powder alone in a resin as a carbon-based conductive filler, or conductive carbon black alone being mixed and dispersed in a resin. Any of the composite conductive materials cannot satisfy both the mechanical strength and conductivity, which are the most strongly required as a molded article such as a fuel cell separator. In particular, in a fuel cell separator used as a battery for an electric vehicle, in order to further improve the cell performance, the compressive strength is 80 MPa or more and the volume resistivity is 5 × 10 −3 Ω · cm.
Although those having the following characteristics are required, a fuel cell separator having such characteristics has not yet been developed.

【0008】本発明は上記実情に鑑みてなされたもの
で、成形性に優れていると共に、必要かつ十分な機械的
強度を確保しつつ、非常に高い導電性を発揮させること
ができる燃料電池用セパレータ等のカーボン複合成形体
を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is intended for a fuel cell which is excellent in moldability, and can exhibit extremely high conductivity while securing necessary and sufficient mechanical strength. An object is to provide a carbon composite molded article such as a separator.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るカーボン複合成形体は、熱硬化性樹脂
にカーボン系導電性フィラーを混合分散させてなる複合
組成物から所定形状に成形されているカーボン複合成形
体であって、上記カーボン系導電性フィラーとして、黒
鉛粉末及び導電性指標が60以上のストラクチャーカー
ボンを併用し、上記複合組成物における熱硬化性樹脂
配合割合が15〜30重量%であり、かつストラクチャ
ーカーボンの配合割合が3〜10重量%であることを特
徴とするものである。
In order to achieve the above-mentioned object, a carbon composite molded article according to the present invention comprises a thermosetting resin.
Composite made by mixing and dispersing carbon-based conductive fillers
Carbon composite molding molded into a predetermined shape from the composition
Body, as the carbon-based conductive filler, black
Structure car with lead powder and conductivity index of 60 or more
A combination of carbon, the thermosetting resin in the composite composition
The compounding ratio is 15 to 30% by weight and the structure
-Characterized in that the compounding ratio of carbon is 3 to 10% by weight.

【0010】上記構成の本発明によれば、複合組成物に
おける熱硬化性樹脂の配合割合を15〜30重量%と多
くすることで、成形時の伸び及び流動性を良くして成形
むらの発生を抑え、寸法精度及び形状精度に優れている
だけでなく、機械的強度、特に圧縮強度を大きく保ちつ
つ、カーボン系導電性フィラーとして黒鉛粉末と導電性
指標が60以上のストラクチャーカーボンを併用するこ
とにより、図5の模式図でも示すように、カーボンブラ
ックより一桁低い体積固有抵抗を有する黒鉛粒子32同
士を樹脂層30中に存在するストラクチャーカーボンが
形成する連鎖状のストラクチャー33で相互に連結させ
て成形体全体としての導電性を高めることに成功したの
であり、以下、この点について詳述する。
According to the present invention having the above-described structure, by increasing the blending ratio of the thermosetting resin in the composite composition to 15 to 30% by weight, the elongation and fluidity during molding are improved, and uneven molding occurs. Not only excels in dimensional accuracy and shape accuracy, but also maintains high mechanical strength, especially compressive strength.
By index in combination with 60 or more structure carbon, as shown in the schematic view of FIG. 5, the structure carbon emissions present graphite particles 32 each having an order of magnitude lower volume resistivity than the carbon black in the resin layer 30 <br/> The interconnected structure 33 to be formed has succeeded in improving the conductivity of the whole molded body by being connected to each other, and this point will be described in detail below.

【0011】すなわち、黒鉛の結晶構造は、図6に示す
ように、多数の共役六員環が縮合した網平面が3.35
オングストロームの間隔で重なっており、この面に平行
な方向(矢印a方向)の体積固有抵抗は5×10-5Ω・
cmと極めて小さいが、これと垂直方向(矢印b方向)
の体積固有抵抗は5×10-1Ω・cmと大きいといって
電気的異方性を有する。一方、ストラクチャーカーボン
は、図7に示すように、炭素原子の六員環平面が3.4
〜3.6オングストロームの面間隔で平均3〜4層重な
り合ってできた擬グラファイト構造の結晶子34が数千
個集まって一次粒子35を形成し、この一次粒子35が
更に凝集力により3〜100個、鎖状に連結した二次粒
子36として存在し、樹脂層30中に連鎖状のカーボン
ストラクチャー33を形成する。このように樹脂層30
中に形成される連鎖状のカーボンストラクチャー33で
黒鉛粒子32同士を接触連鎖することにより、図5の矢
印yで示すように、成形体の組織中に多数の通電経路を
形成させ、これによって、成形体の組織中に多量に充填
された黒鉛粒子32の一面方向の低い体積固有抵抗を有
効に活用して成形体全体として非常に高い導電性を確保
することが可能となったのである。
That is, as shown in FIG. 6, the crystal plane of graphite has a network plane formed by condensing a large number of conjugated six-membered rings at 3.35.
It overlaps at intervals of angstrom, and the volume resistivity in the direction parallel to this plane (direction of arrow a) is 5 × 10 −5 Ω ·
cm, very small, but perpendicular to this (arrow b direction)
Has a large electrical resistivity of 5 × 10 −1 Ω · cm and has electrical anisotropy. On the other hand, as shown in FIG. 7, the structure carbon has a six-membered ring plane of carbon atoms of 3.4.
Thousands of crystallites 34 having a pseudo-graphite structure formed by stacking three to four layers at an average spacing of ~ 3.6 angstroms form primary particles 35, and the primary particles 35 are further coagulated by 3-100. The carbon particles 33 are present as individual, chain-like secondary particles 36 and form a chain-like carbon structure 33 in the resin layer 30. Thus, the resin layer 30
By contacting and linking the graphite particles 32 with each other by the chain-like carbon structure 33 formed therein, as shown by an arrow y in FIG. 5, a large number of energization paths are formed in the structure of the molded body. The very high conductivity of the entire molded body can be secured by effectively utilizing the low volume resistivity in one direction of the graphite particles 32 filled in the structure of the molded body in a large amount.

【0012】本発明において用いられるストラクチャー
カーボンとしては、比表面積が大きく、導電性指標が6
0以上の値を有し、かつ、ストラクチャーの発達した高
ストラクチャーカーボンが好ましい。その代表的なもの
としては、オイルファーネスブラック及びアセチレンブ
ラックがある。
The structure carbon used in the present invention has a large specific surface area and a conductivity index of 6
High-structure carbon having a value of 0 or more and having a developed structure is preferable. Typical examples are oil furnace black and acetylene black.

【0013】また、本発明において用いられる熱硬化性
樹脂としては、黒鉛粉末との濡れ性に優れたフェノール
樹脂が最も好ましいが、それ以外に、エポキシ樹脂、尿
素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アル
キド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フルフリルアルコ
ール樹脂の中から選択された少なくとも一種類で、加熱
時に熱硬化反応を起こし、燃料電池等の成形体の使用温
度及び供給ガス成分に対して安定なものであればよい。
The thermosetting resin used in the present invention is most preferably a phenol resin having excellent wettability with graphite powder, but other than that, an epoxy resin, a urea resin, a melamine resin, and an unsaturated polyester resin. , At least one selected from alkyd resins, polycarbodiimide resins, and furfuryl alcohol resins, which cause a thermosetting reaction when heated, and are stable to the operating temperature and supply gas components of molded articles such as fuel cells. Should be fine.

【0014】また、本発明において用いられる黒鉛粉末
としては、天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒
鉛等いかなる種類のものであってもよく、コストなどの
条件を考慮して任意に選択することができる。
The graphite powder used in the present invention may be of any type such as natural graphite, artificial graphite, quiche graphite, expanded graphite, etc., and may be arbitrarily selected in consideration of conditions such as cost. Can be.

【0015】さらに、本発明における複合組成物から所
定形状に成形された成形体の機械的及び電気的特性とし
ては、特に燃料電池用セパレータを対象とする場合、そ
の体積固有抵抗が5×10-3Ω・cm以下、より好まし
くは、×10-3Ω・cm以下であり、また、圧縮強度が
80MPa以上、より好ましくは、100MPa以上で
ある。
Further, the mechanical and electrical properties of the molded article formed into a predetermined shape from the composite composition according to the present invention have a volume specific resistance of 5 × 10 , particularly when a fuel cell separator is targeted. It is 3 Ω · cm or less, more preferably × 10 −3 Ω · cm or less, and the compressive strength is 80 MPa or more, more preferably 100 MPa or more.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。まず、本発明に係るカーボン複
合成形体の一例となる燃料電池用セパレータを備えた固
体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について図1
〜図3を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型
燃料電池20は、例えばフッ素系樹脂より形成されたイ
オン交換膜である電解質膜1と、炭素繊維糸で織成した
カーボンクロスやカーボンペーパーあるいはカーボンフ
ェルトにより形成され、上記電解質膜1を両側から挟み
サンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード2
及びカソード3と、そのサンドイッチ構造をさらに両側
から挟むセパレータ4,4とから構成される単セル5の
複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置
したスタック構造に構成されている。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the configuration and operation of a solid polymer electrolyte fuel cell provided with a fuel cell separator as an example of a carbon composite molded article according to the present invention are shown in FIG.
This will be briefly described with reference to FIGS. The solid polymer electrolyte fuel cell 20 is formed of, for example, an electrolyte membrane 1 which is an ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin and a carbon cloth, carbon paper or carbon felt woven with carbon fiber yarns. 2 serving as a gas diffusion electrode with a sandwich structure
And a plurality of sets of unit cells 5 each comprising a cathode 3 and separators 4 and 4 sandwiching the sandwich structure from both sides, to form a stack structure in which current collectors (not shown) are arranged at both ends. I have.

【0017】上記両セパレータ4は、図2に明示するよ
うに、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔6,7
と酸素を含有する酸化ガス孔8,9と冷却水孔10とが
形成されており、上記単セル5の複数組を積層した時、
各セパレータ4の各孔6,7、8,9、10がそれぞれ
燃料電池20内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供
給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス
供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水
路を形成するようになされている。
As shown in FIG. 2, the two separators 4 have fuel gas holes 6 and 7 containing hydrogen at their peripheral portions.
And oxidizing gas holes 8 and 9 containing oxygen and cooling water holes 10 are formed. When a plurality of sets of the single cells 5 are stacked,
Each hole 6, 7, 8, 9, 10 of each separator 4 penetrates through the inside of the fuel cell 20 in the longitudinal direction, and the fuel gas supply manifold, fuel gas discharge manifold, oxidizing gas supply manifold, oxidizing gas discharge manifold, cooling It is designed to form a channel.

【0018】また、上記両セパレータ4の表面には、所
定形状のリブ部11が形成されており、そのリブ部11
とアノード2の表面との間に燃料ガス流路12が形成さ
れているとともに、リブ部11とカソード3の表面との
間に酸化ガス流路13が形成されている。
A rib 11 having a predetermined shape is formed on the surface of each of the separators 4.
A fuel gas flow channel 12 is formed between the rib 11 and the surface of the anode 2, and an oxidizing gas flow channel 13 is formed between the rib portion 11 and the surface of the cathode 3.

【0019】上記構成の固体高分子電解質型燃料電池2
0においては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から
燃料電池20に対して供給された水素を含有する燃料ガ
スが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル
5の燃料ガス流路12に供給されて各単セル5のアノー
ド2側において、 H2 →2H´+2e´ …(1) なる式の電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは
各単セル5の燃料ガス流路12から上記燃料ガス排出マ
ニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部
に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池20に対し
て供給された酸素を含有する酸化ガス(空気)が上記酸
化ガス供給マニホールドを経由して各単セル5の酸化ガ
ス流路13に供給されて各単セル5のカソード3側にお
いて、 (1/2)O2 +2H´+2e´→H2 O …(2) なる式の電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは
各単セル5の酸化ガス流路13から上記酸化ガス排出マ
ニホールドを経由して外部に排出される。
The solid polymer electrolyte fuel cell 2 having the above structure
At 0, the fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel cell 20 from the fuel gas supply device provided outside is supplied to the fuel gas flow channel 12 of each unit cell 5 via the fuel gas supply manifold. The supplied and presents an electrochemical reaction on the anode 2 side of each unit cell 5 on the anode 2 side as follows: H 2 → 2H ′ + 2e ′ (1), and the fuel gas after the reaction is supplied to the fuel gas passage 12 of each unit cell 5. From the fuel gas exhaust manifold to the outside. At the same time, an oxidizing gas (air) containing oxygen supplied to the fuel cell 20 from an oxidizing gas supply device provided outside is supplied to the oxidizing gas passage 13 of each unit cell 5 via the oxidizing gas supply manifold. At the cathode 3 side of each unit cell 5, an electrochemical reaction of the formula (1/2) O 2 + 2H ′ + 2e ′ → H 2 O (2) is obtained, and the oxidizing gas after the reaction is The gas is discharged from the oxidizing gas passage 13 of the single cell 5 to the outside via the oxidizing gas discharge manifold.

【0020】上記(1)及び(2)式の電気化学反応に
伴い、燃料電池20全体としては、 H2 +(1/2)O2 →H2 O …(3) なる(3)の電気化学反応が進行して、燃料が有する化
学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、
所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池20
は、電解質膜1の性質から約80〜100℃の温度範囲
で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池20
の運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から該燃
料電池20に対して冷却水を供給し、これを上記冷却水
路に循環させることによって、燃料電池20内部の温度
上昇を抑制している。
Along with the electrochemical reactions of the above formulas (1) and (2), the fuel cell 20 as a whole becomes H 2 + (1 /) O 2 → H 2 O (3) The chemical reaction progresses, converting the chemical energy of the fuel directly into electrical energy,
A predetermined battery performance is exhibited. The fuel cell 20
Is operated in a temperature range of about 80 to 100 ° C. due to the properties of the electrolyte membrane 1 and thus generates heat. Therefore, the fuel cell 20
During the operation of, cooling water is supplied to the fuel cell 20 from a cooling water supply device provided outside, and the cooling water is circulated through the cooling water passage to suppress a rise in temperature inside the fuel cell 20. I have.

【0021】次に、上記のような構成及び動作を有する
固体高分子電解質型燃料電池20におけるセパレータ4
の製造方法について図4を参照して説明する。このセパ
レータ4は、硬化性樹脂の配合割合が15〜30重量
であり、かつカーボン系導電性フィラーとして併用さ
れる黒鉛粉末と導電性指標が60以上のストラクチャー
カーボンとのうち、ストラクチャーカーボンの配合割合
3〜10重量%で残部が黒鉛粉末の配合量に設定され
た複合組成物を用いて成形されるものであって、上記黒
鉛粉末、熱硬化性樹脂及びストラクチャーカーボンを均
一に混合し調整して所定のコンパウンドを作成する(ス
テップS100)。ついで、このコンパウンドを金型1
4内に充填する(ステップS101)。この状態で、金
型14を150〜170℃に加熱昇温するとともに、図
外のプレスを動作させ図4中の矢印f方向から150〜
1500kgf/cm2 、好ましくは、300〜100
0kgf/cm2 の範囲の面圧を加えることにより(ス
テップS102)、金型14の形状に応じた最終形状の
セパレータ4が製造される(ステップS103)。
Next, the separator 4 in the solid polymer electrolyte fuel cell 20 having the above configuration and operation is described.
Will be described with reference to FIG. The separator 4, the mixing ratio of the thermosetting resin is 15 to 30 wt%, and is used in combination as the carbon-based conductive filler
Graphite powder and structure with conductivity index of 60 or more
Composition ratio of structural carbon with carbon
Is formed using a composite composition having 3 to 10% by weight and the balance being the blending amount of graphite powder, wherein the graphite powder, thermosetting resin and structural carbon are uniformly mixed and adjusted. Thus, a predetermined compound is created (step S100). Then, this compound is put in mold 1
4 (step S101). In this state, the mold 14 is heated and heated to 150 to 170 ° C., and a press (not shown) is operated to move the mold 14 to 150 to 170 ° C. from the direction of arrow f in FIG.
1500 kgf / cm 2 , preferably 300 to 100
By applying a surface pressure in a range of 0 kgf / cm 2 (step S102), the separator 4 having a final shape corresponding to the shape of the mold 14 is manufactured (step S103).

【0022】上記のようにして製造されるセパレータ4
においては、該セパレータ4の構成材料である複合組成
物における熱硬化性樹脂の配合割合が15〜30重量%
と多いために、成形時の伸び及び流動性が良くて成形む
らの発生を抑え、優れた寸法精度及び形状精度が得られ
るだけでなく、機械的強度、特に圧縮強度が80MPa
以上と大きくなる。また、カーボン系導電性フィラーと
して黒鉛粉末とストラクチャーカーボンが併用されてい
るので、図5の模式図に基づいて既述したように、カー
ボンブラックより一桁低い体積固有抵抗を有する黒鉛粒
子32同士を樹脂層30中に存在するストラクチャーカ
ーボンが形成する連鎖状のストラクチャー33で相互に
連結させてセパレータ4全体の導電性を高めることがで
きる。
The separator 4 manufactured as described above
In the above, the compounding ratio of the thermosetting resin in the composite composition as a constituent material of the separator 4 is 15 to 30% by weight.
Because of this, it has good elongation and fluidity during molding and suppresses the occurrence of molding unevenness, and not only obtains excellent dimensional accuracy and shape accuracy, but also has mechanical strength, especially compressive strength of 80 MPa.
It becomes big as above. Further, since graphite powder and structural carbon are used in combination as the carbon-based conductive filler, as described above based on the schematic diagram of FIG. The structure existing in the resin layer 30
It is possible to increase the conductivity of the entire separator 4 by connecting them with each other by a chain-like structure 33 formed by carbon .

【0023】以下、実施例によって本発明を更に詳しく
説明する。 <実施例1> 粒径50μの天然黒鉛70重量%、フェノール樹脂(住
友ベークライト株式会社製のPR−50273)24重
量%、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製の
デンカブラック)6重量%を各々用意し、自動乳鉢で上
記フェノール樹脂とアセチレンブラックをアルコールと
共に表面が鏡面状の光沢になるまで摺合わせ混合してペ
ースト状物を作成する。このペースト状物を別の器に移
して上記天然黒鉛粒と共にミキサーで2〜3分混合して
フレーク状の混合物を得る。このフレーク状混合物をP
TFEシート上に2〜3mmの厚さに拡げて残留アルコ
ールの乾燥を行なう。乾燥後、家庭用ミキサーで粉砕
し、150メッシュ下の粉体とし、この粉体を成形金型
に充填して2.5mm厚さで100×100mmの大き
さの板状成形体を製造した。 <比較例1> 粒径50μの天然黒鉛70重量%、フェノール樹脂30
重量%の配合割合のボンドカーボンコンパウンドを作成
し、このコンパウンドを金型に充填して、170℃の成
形温度下で100kgf/cm2 の成形面圧を10分間
加えて2.5mm厚さで100×100mmの大きさの
板状成形体を製造した。 <比較例2> 導電性カーボンブラック50重量%、フェノール樹脂5
0重量%の配合割合の複合カーボンコンパウンドを作成
し、このコンパウンドを金型に充填して、170℃の成
形温度下で100kgf/cm2 の成形面圧を10分間
加えて2.5mm厚さで100×100mmの大きさの
板状成形体を製造した。 <比較例3> 粒径50μの天然黒鉛55重量%、フェノール樹脂(住
友ベークライト株式会社製のPR−50273)30重
量%、アセチレンブラック(電気化学工業株式会社製の
デンカブラック)15重量%の配合割合の複合カーボン
コンパウンドを作成し、このコンパウンドを金型に充填
して、170℃の成形温度下で100kgf/cm2
成形面圧を10分間加えて2.5mm厚さで100×1
00mmの大きさの板状成形体を製造した。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. <Example 1> 70% by weight of natural graphite having a particle diameter of 50μ, 24% by weight of a phenol resin (PR-50273 manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), and 6% by weight of acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) A paste is prepared by preparing a mortar and slidingly mixing the phenol resin and acetylene black together with alcohol until the surface has a mirror-like gloss. This paste is transferred to another vessel and mixed with the above natural graphite particles for 2 to 3 minutes with a mixer to obtain a flake-like mixture. This flaky mixture is
The residual alcohol is dried by spreading to a thickness of 2 to 3 mm on the TFE sheet. After drying, the powder was pulverized with a household mixer to obtain a powder having a size of 150 mesh or less. This powder was filled in a molding die to produce a plate-like molded body having a thickness of 2.5 mm and a size of 100 × 100 mm. <Comparative Example 1> 70% by weight of natural graphite having a particle size of 50μ, phenol resin 30
A bond carbon compound having a compounding ratio of 100% by weight was prepared, and the compound was filled in a mold, and a molding surface pressure of 100 kgf / cm 2 was applied at a molding temperature of 170 ° C. for 10 minutes, and a thickness of 2.5 mm was applied. A plate-shaped molded body having a size of × 100 mm was manufactured. <Comparative Example 2> 50% by weight of conductive carbon black, phenol resin 5
A composite carbon compound having a compounding ratio of 0% by weight was prepared, this compound was filled in a mold, and a molding surface pressure of 100 kgf / cm 2 was applied at a molding temperature of 170 ° C. for 10 minutes to a thickness of 2.5 mm. A plate-shaped molded body having a size of 100 × 100 mm was manufactured. Comparative Example 3 55% by weight of natural graphite having a particle size of 50 μm, 30% by weight of a phenol resin (PR-50273 manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.), and 15% by weight of acetylene black (Denka Black manufactured by Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) A composite carbon compound was prepared at a ratio of 1: 1 and filled in a mold, and a molding surface pressure of 100 kgf / cm 2 was applied at a molding temperature of 170 ° C. for 10 minutes, and a 100 mm × 1 × 2.5 mm thickness was applied.
A plate-shaped molded body having a size of 00 mm was produced.

【0024】そして、上記実施例1及び比較例1〜3で
製造された各板状成形体それぞれの体積固有抵抗、曲げ
強度、圧縮強度を測定したところ、表1に示すような結
果が得られた。
When the volume resistivity, flexural strength and compressive strength of each of the plate-like molded bodies manufactured in Example 1 and Comparative Examples 1 to 3 were measured, the results shown in Table 1 were obtained. Was.

【0025】[0025]

【表1】 [Table 1]

【0026】上記表1の結果からも明らかなように、本
発明に相当する実施例1のごとく樹脂量を多くし、か
つ、導電性フィラーとして黒鉛粉末と導電性指標が60
以上のストラクチャーカーボンを併用して製造された成
形体は、比較例に比べて、同等あるいは遜色のない曲げ
強度及び圧縮強度を確保しつつ、成形体全体としての体
積固有抵抗を低下させて導電性の向上を図ることができ
る。
As is evident from the results shown in Table 1, the amount of resin was increased as in Example 1 corresponding to the present invention, and graphite powder and a conductive index of 60 were used as conductive fillers.
The molded body manufactured using the above structure carbon in combination has a lower bending resistance and compressive strength than that of the comparative example, while lowering the volume resistivity of the entire molded body, and has a higher conductivity. Can be improved.

【0027】なお、本発明は、上記実施の形態で示した
ような固体高分子電解質型燃料電池におけるセパレータ
に適用することで、電池性能の向上を達成することが可
能であり、最も有効であるが、燃料電池用セパレータ以
外に、機械的強度及び導電性の両方が要求されるあらゆ
る成形体に適用可能である。
By applying the present invention to a separator in a solid polymer electrolyte fuel cell as described in the above embodiment, it is possible to achieve an improvement in cell performance, which is the most effective. However, other than the fuel cell separator, the present invention can be applied to any molded article requiring both mechanical strength and conductivity.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上のように、請求項1ないし請求項5
に記載の本発明によれば、熱硬化性樹脂に混合分散させ
る導電性フィラーとして、黒鉛粉末とオイルファーネス
ブラックまたはアセチレンブラックのように導電性指標
が60以上のストラクチャーカーボンとを適正比率で併
用することによって、従来のボンドカーボンや複合導電
材料のように、黒鉛粉末または導電性カーボンブラック
を単独に使用したものに比べて、樹脂量を多くして成形
性を容易にし、高い寸法精度及び形状精度が得られるだ
けでなく、機械的強度、特に圧縮強度を大きく保ちつ
つ、樹脂層中の黒鉛粒子間をストラクチャーカーボン
形成する連鎖状のストラクチャーで相互に連結して黒鉛
粒子の有する非常に低い体積固有抵抗を有効に利用し、
成形体全体として非常に高い導電性を確保することがで
きるという効果を奏し、特に、機械的強度において80
MPa以上の高い圧縮強度と、体積抵抗率5×10-3Ω
・cm以下の高い導電性とが要求されている燃料電池用
セパレータとしてそれらを両立した特性のものを提供す
ることができる。
As described above, claims 1 to 5 are as described above.
According to the present invention, graphite powder and oil furnace are used as the conductive filler mixed and dispersed in the thermosetting resin.
By using a structural index of 60 or more in combination with a conductive index such as black or acetylene black at an appropriate ratio, graphite powder or conductive carbon black was used alone, as in a conventional bond carbon or composite conductive material. Compared with those, the resin amount is increased to facilitate moldability, not only high dimensional accuracy and shape accuracy are obtained, but also mechanical strength, especially compressive strength, while maintaining large graphite particles in the resin layer. By utilizing the very low volume resistivity of graphite particles that are interconnected by a chain-like structure formed by structural carbon ,
This has the effect that very high conductivity can be ensured as a whole of the molded body, and in particular, the mechanical strength is 80%.
High compressive strength over MPa and volume resistivity 5 × 10 -3 Ω
-It is possible to provide a separator for a fuel cell, which is required to have a high conductivity of not more than cm, that has both of these characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るカーボン複合成形体の一例となる
燃料電池用セパレータを備えた固体高分子電解質型燃料
電池を構成するスタック構造の構成を示す分解斜視図で
ある。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a stack structure of a solid polymer electrolyte fuel cell provided with a fuel cell separator as an example of a carbon composite molded article according to the present invention.

【図2】同上固体高分子電解質型燃料電池におけるセパ
レータの外観正面図である。
FIG. 2 is an external front view of a separator in the solid polymer electrolyte fuel cell.

【図3】同上固体高分子電解質型燃料電池の構成単位で
ある単セルの構成を示す要部の拡大断面図である。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a configuration of a single cell, which is a structural unit of the solid polymer electrolyte fuel cell;

【図4】同上セパレータの製造工程及び製造の様子を説
明する説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view illustrating a manufacturing process and a manufacturing state of the separator.

【図5】同上セパレータにおける要部の拡大断面模式図
である。
FIG. 5 is an enlarged schematic sectional view of a main part of the separator.

【図6】黒鉛の結晶構造を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a crystal structure of graphite.

【図7】導電性カーボンブラックの内部構造を説明する
図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating the internal structure of conductive carbon black.

【図8】従来のボンドカーボンにより成形された成形体
における要部の拡大断面模式図である。
FIG. 8 is an enlarged schematic cross-sectional view of a main part of a molded body formed using conventional bond carbon.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 電解質膜 2 アノード 3 カソード 4 セパレータ 5 単セル 14 金型 20 固体高分子電解質型燃料電池 30 樹脂層 32 黒鉛粒子 33 カーボンストラクチャー 34 導電性カーボンブラックの結晶子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Anode 3 Cathode 4 Separator 5 Single cell 14 Die 20 Solid polymer electrolyte fuel cell 30 Resin layer 32 Graphite particle 33 Carbon structure 34 Crystallite of conductive carbon black

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01B 1/24 H01M 8/02 Continuation of the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01B 1/24 H01M 8/02

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 熱硬化性樹脂にカーボン系導電性フィラ
ーを混合分散させてなる複合組成物から所定形状に成形
されているカーボン複合成形体であって、 上記カーボン系導電性フィラーとして、黒鉛粉末及び導
電性指標が60以上のストラクチャーカーボンを併用
し、上記複合組成物における 熱硬化性樹脂の配合割合が
15〜30重量%であり、かつストラクチャーカーボン
の配合割合が3〜10重量%であることを特徴とするカ
ーボン複合成形体。
1. A carbon-based conductive filler is added to a thermosetting resin.
Into a predetermined shape from a composite composition obtained by mixing and dispersing
A carbon composite formed body is, as the carbon-based conductive filler, graphite powder and a conductive
Combined use of structural carbon with electrical index of 60 or more
And the compounding ratio of the thermosetting resin in the composite composition is 15 to 30% by weight , and the structure carbon
Is 3 to 10% by weight.
【請求項2】 上記ストラクチャーカーボンが、オイル
ファーネスブラックまたはアセチレンブラックである請
求項1に記載のカーボン複合成形体。
Wherein said structure carbon is carbon composite formed body of claim 1 which is O-yl furnace black or acetylene black.
【請求項3】 上記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、
エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエ
ステル樹脂、アルキド樹脂、ポリカルポジイミド樹脂、
フリフリルアルコール樹脂の中から選択された少なくと
も一種類である請求項1または2に記載のカーボン複合
成形体。
3. The thermosetting resin is a phenol resin,
Epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, alkyd resin, polycarboimide resin,
The carbon composite molded product according to claim 1, wherein the carbon composite molded product is at least one type selected from a furfuryl alcohol resin.
【請求項4】 上記複合組成物から成形された成形体
は、その体積固有抵抗が5×10-3Ω・cm以下で、圧
縮強度が80MPa以上である請求項1ないし3のいず
れかに記載のカーボン複合成形体。燃料電池用セパレー
タ。
4. The molded article molded from the composite composition has a volume resistivity of 5 × 10 −3 Ω · cm or less and a compressive strength of 80 MPa or more. Of carbon composite moldings. Fuel cell separator.
【請求項5】 対象とする成形体が、燃料電池用セパレ
ータである請求項1ないしのいずれかに記載のカーボ
ン複合成形体。
5. A molded product of interest is, claims 1 is a separator for a fuel cell-carbon composite formed body according to any of the 4.
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