JP3437935B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

燃料電池用セパレータの製造方法

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  • Fuel Cell (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明、燃料電池用セパレ
タの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、燃料電池用セパレータは、黒鉛ブ
ロックから削り出す方法、天然りん片状黒鉛を強酸及び
酸化剤で処理後、熱処理して得られる膨張黒鉛、膨張黒
鉛シート等を高圧力下で成形する方法、前記成形体に液
状熱硬化性樹脂を含浸、硬化する方法などで製造されて
いた。
【0003】しかし前記の各製造法では、何れも充分な
性能のセパレータが得られなかったり、製造工程が多く
コスト高となったり、重量の大きいものとなるという欠
点があった。これらを解決するものとして、国際公開番
号WO97/02612明細書では、特定の粒子径の膨
張黒鉛粉末を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に分散させ
た燃料電池用セパレータが記載されている。しかしなが
ら、前記のような微粒子径の膨張黒鉛粉を用いた場合、
電気比抵抗や機械特性に劣り、要求特性を満足する燃料
電池用セパレータを供給できないという欠点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】請求項1〜記載の発
明は、上記問題に鑑み、電気抵抗、ガス透過性、液膨潤
性、機械的強度等のセパレータ特性において優れ、優れ
た経済性と成形性を有した燃料電池用セパレータの製造
方法を提供するものである。
【0005】
【課題を解決するための手段】発明は、密度が0.8
g/cm3〜1.6g/cm3の膨張黒鉛シートの粉砕粉
と融点が300℃以下である樹脂とを混合し成形するこ
とを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法に関す
る。また、本発明は、密度が0.8g/cm3〜1.6
g/cm3の膨張黒鉛シートの粉砕粉と融点が300℃
以下である樹脂との混合が、ドライブレンド法で混合し
たものである燃料電池用セパレータの製造方法に関す
る。
【0006】
【発明の実施の形態】本発明において使用する膨張黒鉛
粉の密度は0.8g/cm 3 〜1.6g/cm 3 である。
【0007】膨張黒鉛粉は既に公知の方法、例えば次の
ようにして製造することができる。膨張黒鉛粉の原料と
なる黒鉛としては、天然黒鉛、キツシユ黒鉛、熱分解黒
鉛等の高度に結晶が発達した黒鉛が好ましいものとして
挙げられる。得られる特性と経済性のバランスからは天
然黒鉛が好ましい。用いる天然黒鉛としては、特に制限
はなく、F48C(日本黒鉛(株)製、商品名)、H−5
0(中越黒鉛(株)製、商品名)等の市販品を用いること
ができる。
【0008】黒鉛の処理に用いられる、酸成分として
は、硫酸、硝酸、硫酸と硝酸との混液などが挙げられ、
これらに過酸化水素を添加して処理することができる。
膨張黒鉛とするための処理法としては、例えば、前記黒
鉛を前記酸成分の溶液に浸漬処理して、黒鉛層間化合物
を生成させ、ついで、水洗してから急速加熱して、黒鉛
結晶のC軸方向を膨張処理する方法が挙げられる。これ
により、虫状形で圧縮特性を有する膨張黒鉛を得ること
ができる。
【0009】上記工程で得られた膨張黒鉛を圧縮成形、
ロール等でシート状に加工し、所望の密度になるように
調整した後、粉砕して膨張黒鉛粉を得ることができる。
【0010】また、本発明においては、熱硬化性又は熱
可塑性の各種樹脂が使用されるが、これらの各種樹脂は
融点が300℃以下である樹脂を使用することが必要と
される。ここで、融点が300℃を超える樹脂を使用し
た場合、成形時の膨張黒鉛との密着性が悪化し、良好な
性能を示す燃料電池用セパレータが得られない。なお、
ここで融点は環球法により測定できる。
【0011】融点が300℃以下である樹脂に特に制限
はなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又は前記樹脂の混
合物などが使用できる。融点が300℃以下の熱硬化性
樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、
フェノール樹脂などが使用でき、熱可塑性樹脂として
は、例えば、フェノキシ樹脂、ポリカーボネート樹脂な
どが好ましいものとして挙げられる。これらの中で、コ
スト、成形性、成形品の物性等を考慮するとフェノール
樹脂が好ましい。また、使用される上記樹脂の性状に特
に制限はなく、粉状、液状などで使用される。上記液状
とは、水又は有機溶剤に溶解した固形樹脂の溶液も含ま
れるが、この場合一般的には、膨張黒鉛粉と混合後乾燥
して脱溶剤し使用される。
【0012】張黒鉛粉と融点が300℃以下である樹
脂との混合比率に特に制限はないが、成形性、成形品の
物性を考慮すると、膨張黒鉛粉/樹脂=90/10〜2
0/80(重量比)の範囲が好ましく、膨張黒鉛粉/樹
脂=85/15〜30/70の範囲が特に好ましい。混
合する膨張黒鉛粉の量が、90/10を超えると成形性
が悪化し、樹脂不足により機械強度が急激に低下する傾
向にある。また、20/80未満の場合、導電性が低下
する傾向にある。
【0013】張黒鉛粉と樹脂との混合方法に制限はな
く、無溶剤型の樹脂と膨張黒鉛粉を混合する場合は、前
記材料を容器に秤量し、撹拌機で均一に混合する方法、
水あるいは有機溶媒に溶解した樹脂と膨張黒鉛粉を混合
する場合は、前記方法で混合した後、乾燥して脱溶剤す
る方法などがある。また、粉末樹脂と膨張黒鉛粉の混合
の場合は、簡便なドライブレンド(乾式混合)法があ
る。
【0014】燃料電池用セパレータを成形する方法に特
に制限はなく、圧縮成形法、押し出し成形法、移送成形
法などが使用できる。成形条件は、樹脂の種類に応じて
選択することができ、通常、常温〜400℃の温度を用
いることができる。また樹脂の種類に応じて、硬化の際
に発生する、縮合水等の不要物のガスを抜く工程を設け
ることもできる。更に、得られる成形物の硬化を更に進
めるために、成形後に熱処理を行ってもよい。
【0015】成形方法としては、所望のセパレータの形
状の金型等を使用する方法が直接にセパレータを成形で
きるので好ましいが、予め大きめの成形体を作成し、こ
れを切削して所望の形状と大きさのセパレータにするこ
ともできる。本発明により製造される燃料電池用セパレ
ータの大きさ、厚さ、形状等に特に制限はない。図1
に、本発明の燃料電池用セパレータの一例の斜視図を示
す。一般に、燃料電池用セパレータ1には、反応ガスの
流路を確保するため、図1に示されるようなリブが設け
られている。2はリブ部、3は溝部である。図1の
(a)は両面にリブが設けられているものであり、
(b)は片面にリブが設けられているものである。
【0016】本発明により製造される燃料電池用セパレ
ータは、固体高分子型、アルカリ水溶液型、酸水溶液型
等種々の形式の燃料電池用セパレータとして使用可能で
ある。
【0017】燃料電池は、一般に、電解質層をはさんで
燃料極及び空気極の各電極層が存在し、その両側から挟
むセパレータを単位とするセルを含む。電解質として
は、アルカリ水溶液型の場合は水酸化カリウム等が用い
られ、酸水溶液型の場合はリン酸等が用いられ、固体高
分子型の場合はイオン交換膜等が用いられる。電極の基
材としては、カーボン繊維等のカーボン材などが挙げら
れ、必要に応じて、白金、パラジウム、銀、ニッケル等
の触媒層を表面に設けたものが用いられる。燃料ガスで
ある水素は、水の分解物や天然ガス、石油、石炭、メタ
ノールなどの原料を必要に応じて水素と反応させて水素
リッチな改質ガスを取り出し、これを用いることにより
供給される。本発明のセパレータは中でも、固体高分子
型燃料電池用として、特に好適である。
【0018】図2に固体高分子型燃料電池の一例のセル
の構造を表す斜視図を示す。電池の反応を起こす最小単
位のセル4は、固体高分子電解質膜5、燃料極6、空気
極7の各層から構成される3層膜8と、それを両側から
挟むセパレータ9a、9bにより構成されている。この
ように構成されたセル3が図1に示すように数段積み重
ねられ、集合体としてのセルスタック10が得られる。
【0019】
【実施例】次に本発明の実施例を説明する。以下、%は
重量%を意味する。 実施例1 (1)膨張黒鉛粉の製造 硫酸(濃度99%)600gと硝酸(濃度99%)20
0gを3リットルのガラスビーカに入れ、このものに黒
鉛F48C(固体炭素数99%以上、日本黒鉛(株)製、
商品名)400gを配合しガラス羽ねを取り付けた撹拌
モータ(60rpm)で5分間撹拌し、その後過酸化水素
(濃度35%)32gを添加し15分間撹拌した。撹拌
終了後、減圧濾過で酸化黒鉛と酸成分を分離し、得られ
た酸化黒鉛を別容器に移し5リットルの水を加え10分
間撹拌し、減圧濾過で水洗した酸化黒鉛と洗浄水を分離
した。
【0020】得られた洗浄酸化黒鉛をホーロー製のバッ
トに移し平らに均し、110℃に昇温した乾燥器に1時
間放置し水分を除去した。このものを更に800℃に昇
温した加熱炉で5分間熱処理して、膨張黒鉛を得た。得
られた膨張黒鉛の密度は、0.01g/cm3であった。前
記膨張黒鉛の一部をロールで圧延して密度が0.8g/cm
3のシートに加工し、得られたシートを粗粉砕機(ホソ
カワミクロン(株)製、ロートプレックス(商品名))で
粉砕後、微粉砕機(奈良機械社製、自由粉砕機M−3
(商品名))で粉砕し、密度が0.8g/cm3、平均粒径
150μmの膨張黒鉛粉90gを得た。
【0021】(2)燃料電池用セパレータの製造 実施例1(1)で製造した膨張黒鉛粉56gとレゾール
型フェノール樹脂粉末(TD2040C、大日本インキ
(株)製、商品名)24g(比率70/30)を、ビニ
ール袋に計り取り空気を入れて袋を膨らませた状態で3
0秒間ドライブレンドを行った。
【0022】前記ブレンド粉を、180℃に昇温した燃
料電池用セパレータ成形用金型に均一に充填し、前記温
度に昇温した圧縮成型機で、圧力50kgf/cm2(ゲージ
圧力)、成形時間10分(ガス抜き3回)の条件成形
し、外観良好の片面に2mm(高さ)のリブ状突起物を形
成した縦140mm、横180mmの、燃料電池用セパレー
タを製造した。このものを厚さ3mmの鉄板2枚で挟み、
200℃に昇温した乾燥機に入れ30分間熱処理した。
【0023】実施例2 (1)膨張黒鉛粉の製造 実施例1(1)で得た膨張黒鉛を密度が1.6g/cm3
なるようロールで圧延しシートを作製し、以下実施例1
(1)と同様に粉砕し、密度が1.6g/cm3、平均粒径
150μmの膨張黒鉛粉90gを得た。 (2)燃料電池用セパレータの製造 上記膨張黒鉛粉を用いた以外は実施例1(2)同様にブ
レンド粉を作製し、同様に成形及び熱処理を行ない燃料
電池用セパレータ成形品を得た。
【0024】比較例1 (1)膨張黒鉛粉の製造 実施例1(1)で得た膨張黒鉛の密度が、0.5g/cm3
になるようロールで圧延しシートを作製し、以下実施例
1(1)と同様に粉砕し、密度が0.5g/cm3の膨張黒
鉛粉90gを得た。 (2)燃料電池用セパレータの製造 上記膨張黒鉛粉を用いた以外は実施例1(2)同様にブ
レンド粉を作製し、同様に成形及び熱処理を行ない燃料
電池用セパレータ成形品を得た。
【0025】比較例2 (1)膨張黒鉛粉の製造 実施例1(1)で得た膨張黒鉛の密度が、2.0g/cm3
になるようロールで圧延しシートを作製し、以下実施例
1(1)と同様に粉砕し、密度が2.0g/cm3の膨張黒
鉛粉90gを得た。 (2)燃料電池用セパレータの製造 上記膨張黒鉛粉を用いた以外は実施例1(2)同様にブ
レンド粉を作製し、同様に成形及び熱処理を行ない燃料
電池用セパレータ成形品を得た。
【0026】上記実施例1、2及び比較例1、2で製造
した燃料電池用セパレータの外観と、各セパレータのリ
ブ部を平らに研磨し厚さ1.5mmの平板を作製し、曲げ
強さ及び電気抵抗を測定した。結果を表1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】
【発明の効果】請求項1〜記載の燃料電池用セパレー
タの製造方法によれば、電気抵抗が小さく、ガス透過
性、液膨潤性、機械的強度等のセパレータ特性において
バランスよく優れ、成形性の良好な燃料電池用セパレー
タを簡易な工程で安価に、かつ安定に生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池用セパレータの一例を示す斜
視図であり、(a)は両面にリブが存在するもの、
(b)は片面にリブが存在するものである。
【図2】本発明の燃料電池の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 セパレータ 2 リブ部 3 溝部 4 セル 5 固体高分子電解質膜 6 燃料極 7 空気極 8 3層膜 9a、9b セパレータ 10 セルスタック
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−311570(JP,A) 特開 昭60−65781(JP,A) 特開 平8−96798(JP,A) 国際公開97/002612(WO,A1) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02,8/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 密度が0.8g/cm3〜1.6g/c
    3の膨張黒鉛シートの粉砕粉と融点が300℃以下で
    ある樹脂とを混合し成形することを特徴とする燃料電池
    用セパレータの製造方法。
  2. 【請求項2】 密度が0.8g/cm3〜1.6g/c
    3の膨張黒鉛シートの粉砕粉と融点が300℃以下で
    ある樹脂との混合が、ドライブレンド法で混合したもの
    である請求項記載の燃料電池用セパレータの製造方
    法。
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