JP4281471B2 - Resin composition for molding fuel cell separator and separator for fuel cell - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物及びこの組成物から形成される燃料電池用セパレータに関するものである。 The present invention relates to a resin composition for molding a fuel cell separator and a fuel cell separator formed from the composition.
一般に燃料電池は複数の単位セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより所定の電圧を得ている。 In general, a fuel cell is composed of a cell stack in which several tens to several hundreds of unit cells are stacked in series, thereby obtaining a predetermined voltage.
単位セルの最も基本的な構造は、「セパレータ/燃料電極(アノード)/電解質/酸化剤電極(カソード)/セパレータ」という構成を有している。この単位セルにおいては、電解質を介して対向する一対の電極のうち燃料電極に燃料を、酸化剤電極に酸化剤を供給して、電気化学反応により燃料を酸化させることにより、反応の化学エネルギーを直接電気化学エネルギーに変換するものである。 The most basic structure of the unit cell has a configuration of “separator / fuel electrode (anode) / electrolyte / oxidant electrode (cathode) / separator”. In this unit cell, the chemical energy of the reaction is obtained by oxidizing the fuel by electrochemical reaction by supplying fuel to the fuel electrode and supplying the oxidant to the oxidant electrode of the pair of electrodes facing each other through the electrolyte. Direct conversion to electrochemical energy.
このような燃料電池は、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、高出力が得られる燃料電池として、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。 Such fuel cells are classified into several types depending on the type of electrolyte. Recently, solid polymer fuel cells using a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte have attracted attention as fuel cells that can provide high output. Has been.
図1は固体高分子型燃料電池の一例を示すものであり、左右両側面に複数個の凸部(リブ)1aが形成されている2枚の燃料電池用セパレータ1,1の間に、固体高分子電解質膜2とガス拡散電極(燃料電極と酸化剤電極)3,3とを介在させて、単電池(単位セル)が構成され、この単位セルを数十個〜数百個並設して電池本体(セルスタック)が形成されている。前記凸部1aは、隣り合う凸部1a同士の間に、燃料である水素ガスと、酸化剤である酸素ガスの流路であるガス供給排出用溝4を構成する。
FIG. 1 shows an example of a polymer electrolyte fuel cell. A solid polymer fuel cell is disposed between two
このようなセルスタックは、例えば家庭用定置型のものでは50〜100個の単位セルで構成し、また自動車積載用では400〜500個の単位セルで構成することができる。 Such a cell stack can be composed of, for example, 50 to 100 unit cells in a stationary type for home use, and can be composed of 400 to 500 unit cells for automobile loading.
この固体高分子型燃料電池は、燃料電極に流体である水素ガスを、酸化剤電極に流体である酸素ガスを供給することにより、外部回路より電流を取り出すものであるが、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ている。
燃料電極反応 : H2→ 2H++2e-…(1)
酸化剤電極反応 : 2H++2e-+1/2O2→H2O…(2)
全体反応 : H2+1/2O2→H2O
即ち、燃料電極上で水素(H2)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(O2)と反応して水(H2O)を生ずる。従って、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、電流の取り出しが必要となる。
In this polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas, which is a fluid, is supplied to a fuel electrode, and oxygen gas, which is a fluid, is supplied to an oxidizer electrode, thereby extracting current from an external circuit. In the reaction, the reaction shown in the following formula occurs.
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
That is, 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 reacts with oxygen (O 2 ) on the oxidant electrode. To produce water (H 2 O). Therefore, for the operation of the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to supply and discharge the reactive gas and take out the current.
また、固体高分子型燃料電池は、通常、室温〜120℃以下の範囲での湿潤雰囲気下での運転が想定されており、そのため水を液体状態で扱うことが多くなるので、燃料電極への液体状態の水の補給管理と酸化剤電極からの液体状態の水の排出が必要となる。 In addition, the polymer electrolyte fuel cell is normally assumed to operate in a humid atmosphere in the range of room temperature to 120 ° C., and therefore water is often handled in a liquid state. It is necessary to manage the replenishment of liquid water and discharge the liquid water from the oxidizer electrode.
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1は、図1(a),(b)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溝4を有する特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガス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、燃料電池セルで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池セルで生じた熱を外部へ放熱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
上記燃料電池のセパレータ1に関して、一般に次のような要求がなされている。即ち、(1)高導電性、(2)腐食性電解質に対する耐腐食性(耐酸性)、(3)ガスを分離するための気密性、(4)燃料電池に組み立て時のボルトとナットによる締め付け等の組み込み作業時にセパレータ1に割れやヒビが生じないための強度、更には機械的強度を有すること、特に自動車等の移動用電源として用いる場合には優れた耐振動性及び耐衝撃性を有すること、さらに耐クリープ性、(5)複雑な形状を形成するための成形性、(6)低コスト性、(7)耐膨潤性(水や硫酸水溶液に浸しても膨潤しないもの)、(8)耐熱性(反応時の発熱(90〜120℃)に耐えること)等の要求特性を同時に満たすことが求められている。
The following demands are generally made for the
このような固体高分子型燃料電池のセパレータ1としては、生産性やコストの面から有利な各種の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素複合材料が提案されている。例えば特許文献1ではフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、また、特許文献2及び特許文献3ではポリプロピレン、ナイロン等の熱可塑性樹脂がバインダーとして用いられている。また特許文献4では、空隙率が5%以下、成形体のXY方向の体積固有抵抗とZ方向の体積固有抵抗の比の値が2以下の燃料電池用セパレータ1として適した炭素材を得るため、熱硬化性樹脂とケッチェンブラック、真球状黒鉛粒子を配合した炭素材を提案している。また、特許文献5では、バインダーの量を減らして、導電性を向上させるため、カーボン材料に少量のバインダーを配合して加圧成形し、その後含浸剤を含浸させる方法が提案されている。更に、特許文献6では、電極部との接触抵抗が低い燃料電池用セパレータ1を得るため、表面粗さを一定範囲とした燃料電池用セパレータ1を提案している。また、特許文献7では、異方性の少ない燃料電池用セパレータ1を得るため、人造黒鉛と天然黒鉛を併用することを提案している。また、特許文献8では、ガス不透過性、熱伝導性、導電性等のバランスがとれた燃料電池用セパレータ1部材を得るため、特定の黒鉛粉末を使用することを提案している。
As such a polymer electrolyte
しかしながら、これまでに提案された熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素複合材料からなる燃料電池用セパレータ1は、それ以前に使用されていたグラファイト板を機械加工して製造するセパレータ1よりも、生産性やコストの面では優れているものの、前記グラファイト板からなるセパレータ1を用いる場合では生じないような不具合が生じることが指摘されていた。すなわち、燃料電池を長時間使用するに従って、その起電力が低下するという問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素複合材料からなる燃料電池用セパレータを作製するために用いる樹脂組成物であって、この樹脂組成物にて形成されるセパレータを用いた燃料電池の起電力の低下を抑制することができる燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物及びそれから得られる燃料電池用セパレータ1を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above points, and is a resin composition used for producing a fuel cell separator made of a carbon composite material using a thermosetting resin as a binder, and the resin composition An object of the present invention is to provide a resin composition for molding a fuel cell separator capable of suppressing a decrease in electromotive force of a fuel cell using the separator formed by the above, and a
本発明者らは、鋭意研究の結果、熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素複合材料からなる燃料電池用セパレータ1を組み込んだ燃料電池の起電力低下の原因が、このセパレータ1中に含まれるアミン系の硬化開始剤や硬化触媒、或いはカップリング剤として用いられるアミノシランなどといったアミン系化合物が、燃料電池における白金触媒を被毒するためであることを見いだし、本発明の完成に至ったものである。
As a result of diligent research, the present inventors include a cause of a decrease in electromotive force of a fuel cell incorporating a
すなわち本発明に係る燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂及び黒鉛粒子を含有し、前記黒鉛粒子の含有量が75〜90重量%の範囲であり、且つ第一アミン及び第二アミンを含有しないことを特徴とするものである。この樹脂組成物を成形して得られる燃料電池用セパレータ1は、良好な導電性を有すると共に生産性が高く、且つ燃料電池中の白金触媒を被毒することがなくて、燃料電池を長時間使用した場合の起電力の低下を抑制することができるものである。
That is, the resin composition for molding a fuel cell separator according to the present invention contains a thermosetting resin and graphite particles, the content of the graphite particles is in the range of 75 to 90% by weight, and the primary amine and the second amine. It is characterized by not containing a diamine. The
上記熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を含むものを用い、且つ硬化開始剤及び硬化触媒を含有するようにする。この場合、低粘度で且つ不純物が少なくなり、成形されるセパレータに優れた耐熱性や耐酸性等を付与することができる。
また、この組成物で形成される成形品のTOCが100ppm以下であることで燃料電池としての特性低下を抑制することができると共に、この組成物中の塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量がそれぞれ組成物全量に対して重量比率で5ppm以下であることでセパレータからの不純物の溶出による起動電圧低下等の燃料電池としての特性低下が発生しないようにすることができる。
A resin containing an epoxy resin is used as the thermosetting resin, and a curing initiator and a curing catalyst are contained . In this case, the viscosity is low and impurities are reduced, and excellent heat resistance, acid resistance, and the like can be imparted to the molded separator.
In addition, since the TOC of the molded product formed with this composition is 100 ppm or less, it is possible to suppress deterioration in characteristics as a fuel cell, and the contents of chlorine ions and sodium ions in the composition are respectively compositions. When the weight ratio is 5 ppm or less with respect to the total amount of the object, it is possible to prevent deterioration in characteristics as a fuel cell such as a decrease in starting voltage due to elution of impurities from the separator.
また、上記エポキシ樹脂として、その融点が70〜90℃の範囲のものを用いることが好ましく、この場合、成形時の取り扱い性が良く好ましい。 Moreover, it is preferable to use the said epoxy resin whose melting | fusing point is the range of 70-90 degreeC, In this case, the handleability at the time of shaping | molding is good and preferable.
また、上記硬化触媒としてリン系化合物を含有するようにしても好ましく、この場合、成形されるセパレータからの不純物の溶出を低減することができる。 Moreover, it is preferable to contain a phosphorus compound as the curing catalyst. In this case, the elution of impurities from the separator to be molded can be reduced.
また、上記熱硬化性樹脂として、フェノール樹脂を含むものを用いることも好ましく、この場合、成形されるセパレータの耐酸性を向上することができる。 Moreover, it is also preferable to use what contains a phenol resin as said thermosetting resin, In this case, the acid resistance of the separator shape | molded can be improved.
また、上記フェノール樹脂として、融点が70〜90℃のレゾール型フェノール樹脂を含有することも好ましく、この場合、成形時の取り扱い性が良く好ましい。 Moreover, it is also preferable to contain the resol type phenol resin whose melting | fusing point is 70-90 degreeC as said phenol resin, In this case, the handleability at the time of shaping | molding is good and preferable.
また、上記フェノール樹脂として、開環重合により重合反応が進行するものを含有することも好ましく、この場合、硬化成形時におけるガスの発生をなくして、成形品であるセパレータ中の空隙の発生を抑制することができるものである。 In addition, it is preferable that the phenol resin contains a polymer that undergoes a polymerization reaction by ring-opening polymerization. In this case, generation of gas at the time of curing molding is eliminated, and generation of voids in a separator that is a molded product is suppressed. Is something that can be done.
また、上記黒鉛粒子として、平均粒径1〜150μmのものを含有することが好ましく、この場合、良好な成形性を維持すると共に形成されるセパレータ1の良好な表面平滑性を維持することができる。
The graphite particles preferably include those having an average particle diameter of 1 to 150 μm. In this case, it is possible to maintain good formability and maintain good surface smoothness of the formed
本発明に係る燃料電池用セパレータ1は、上記のような燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物を成形して成ることを特徴とするものである。このため、この燃料電池用セパレータ1は、良好な導電性を有すると共に生産性が高く、且つ燃料電池中の白金触媒を被毒することがなくて、燃料電池を長時間使用した場合の起電力の低下を抑制することができるものである。
The
本発明では、上記のように第一アミン及び第二アミンを含有しないことから、燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物を成形して得られる燃料電池用セパレータ1は、良好な導電性を有すると共に生産性が高く、且つ燃料電池中の白金触媒を被毒することがなくて、燃料電池を長時間使用した場合の起電力の低下を抑制することができるものである。
In the present invention, since the primary amine and the secondary amine are not contained as described above, the
以下本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.
本発明に係る燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂及び黒鉛粒子を、必須成分として含有するが、第一アミン及び第二アミンは含有させない。すなわち、この組成物中には、置換基−NH及び−NH2を有する化合物は含有させないものである。また、更に第三アミンを含有させないようにすることが好ましい。このため、この組成物から形成される燃料電池用セパレータ1は、燃料電池中の白金触媒を被毒することがなくて、燃料電池を長時間使用した場合の起電力の低下を抑制することができる。
The fuel cell separator molding resin composition according to the present invention contains a thermosetting resin and graphite particles as essential components, but does not contain a primary amine and a secondary amine. That is, this composition does not contain compounds having substituents —NH and —NH 2 . Further, it is preferable not to contain a tertiary amine. For this reason, the
熱硬化性樹脂としては樹脂成形に適用可能な適宜のものを用いることができるが、エポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちの、一方又は双方を含むことが好ましく、これらは、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。殊にエポキシ樹脂はイオン性不純物が少ないため、特に優れている。このように熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含む場合は、熱硬化性樹脂全量に対して、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との合計量が、50〜100重量%の範囲にあることが好ましい。 As the thermosetting resin, appropriate ones applicable to resin molding can be used, but it is preferable to include one or both of epoxy resin and phenol resin, and these have good resin viscosity. It is suitable because it has few impurities. In particular, epoxy resins are particularly excellent because they contain few ionic impurities. Thus, when including at least one among an epoxy resin and a phenol resin as a thermosetting resin, the total amount of an epoxy resin and a phenol resin is in the range of 50 to 100 weight% with respect to the thermosetting resin whole quantity. Preferably there is.
またこれらの樹脂と共に、更にポリイミド樹脂、メラミン樹脂、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を併用することもできるが、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。これらの樹脂の中では、特に耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂を用いることが適している。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を用いることも好ましく、例えば、4,4−ジアミノジフェニルビスマレイミドが挙げられる。これを併用することで成形品の耐熱性を更に高めることができる。 In addition to these resins, one or more resins selected from polyimide resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins and the like can be used in combination. There is a risk of hydrolysis. Among these resins, it is particularly suitable to use a polyimide resin because it contributes to improvement of heat resistance and acid resistance. As such a polyimide resin, it is particularly preferable to use a bismaleimide resin, for example, 4,4-diaminodiphenyl bismaleimide. By using this together, the heat resistance of the molded product can be further increased.
また、これらの熱硬化性樹脂は、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に熱硬化性樹脂全量に対して重量比率で5ppm以下であることが好ましい。この場合、成形品であるセパレータからの不純物の溶出を更に低減することができる。 Further, in these thermosetting resins, it is preferable that the content of chlorine ions, which are ionic impurities, and the content of sodium ions are both 5 ppm or less by weight with respect to the total amount of the thermosetting resin. In this case, the elution of impurities from the separator which is a molded product can be further reduced.
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合には、固形状のものを用いることが好ましく、特に融点が70〜90℃の範囲のものを用いることが好ましい。これにより、材料の変化が少なく成形時の取り扱い性が向上する。この融点が70℃未満であると、作製した成形材料が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。 When an epoxy resin is used as the thermosetting resin, it is preferable to use a solid resin, and it is particularly preferable to use a resin having a melting point in the range of 70 to 90 ° C. Thereby, there is little change of material and the handleability at the time of shaping | molding improves. If the melting point is less than 70 ° C., the produced molding material tends to aggregate and the handleability may be reduced.
このようなエポキシ樹脂は、熱硬化性樹脂全量に対して50〜100重量%の割合で含有させることが好ましい。 Such an epoxy resin is preferably contained in a proportion of 50 to 100% by weight with respect to the total amount of the thermosetting resin.
また特にエポキシ樹脂を用いる場合には、低粘度の樹脂を選択することによって、成形性を維持し、黒鉛粒子を高充填化できる。 In particular, when an epoxy resin is used, by selecting a low-viscosity resin, the moldability can be maintained and the graphite particles can be highly filled.
また、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いる場合には、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を用いることが好ましい。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を挙げることができる。この場合は、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、ガス透過性の低下を抑制することができるものである。このような開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂を含有させる場合には、その含有量は熱硬化性樹脂全量に対して5〜50重量%の範囲であることが好ましい。 Moreover, when using a phenol resin as a thermosetting resin, it is preferable to use the phenol resin which a polymerization reaction advances especially by ring-opening polymerization. Examples of such phenol resins include benzoxazine resins. In this case, no gas is generated due to dehydration in the molding process, so no voids are generated in the molded product, and a decrease in gas permeability can be suppressed. When the phenol resin in which the polymerization reaction proceeds by such ring-opening polymerization is contained, the content is preferably in the range of 5 to 50% by weight with respect to the total amount of the thermosetting resin.
また、特にフェノール樹脂を用いる場合には、レゾール型フェノール樹脂を用いることも好ましく、このとき例えば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を用いることが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、上記のレゾール型フェノール樹脂は軟化点を容易に調整することができて、融点が70〜90℃のものを容易に得ることができる。これにより、材料の変化が少なく成形時の取り扱い性が向上する。この融点が70℃未満であると、作製した成形材料が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなレゾール型フェノール樹脂を含有させる場合には、その含有量は熱硬化性樹脂全量に対して10〜70重量%の範囲であることが好ましい。 In particular, when a phenol resin is used, it is also preferable to use a resol type phenol resin. At this time, for example, in 13C-NMR analysis, ortho-ortho 25-35%, ortho-para 60-70%, para-para 5 It is preferable to use a resol type phenol resin having a structure of 10%. The resol resin is usually in a liquid state, but the above-mentioned resol type phenol resin can easily adjust the softening point, and can easily obtain a resin having a melting point of 70 to 90 ° C. Thereby, there is little change of material and the handleability at the time of shaping | molding improves. If the melting point is less than 70 ° C., the produced molding material tends to aggregate and the handleability may be reduced. When such a resol type phenol resin is contained, the content thereof is preferably in the range of 10 to 70% by weight based on the total amount of the thermosetting resin.
また、黒鉛粒子は、成形されるセパレータ1の電気比抵抗を低減して、セパレータ1の導電性を向上させるために含有される。黒鉛粒子の含有量は、組成物全量に対して75〜90重量%の範囲であることが好ましい。この黒鉛粒子の割合が75重量%未満となるとセパレータ1に必要とされる導電性が十分に得られなくなるおそれがあり、また90重量%を超えるとセパレータ1に必要とされるガス透過性や成形性が十分に得られなくなるおそれがある。
Further, the graphite particles are contained in order to reduce the electrical specific resistance of the molded
黒鉛粒子は、高い導電性を示すものであれば制限はなく用いることができ、例えば、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したものの他、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等のような、適宜のものを用いることできる。このような黒鉛粒子は、一種のみを用いるほか、複数種を併用することもできる。 The graphite particles can be used without limitation as long as they exhibit high conductivity, such as graphitized carbonaceous materials such as mesocarbon microbeads, graphitized coal-based coke and petroleum-based coke. Any suitable powder such as a graphite electrode, a processed powder of a special carbon material, natural graphite, quiche graphite, expanded graphite, or the like can be used. Such graphite particles can be used alone or in combination of two or more.
黒鉛粒子は、人造黒鉛粉、天然黒鉛粉のいずれでも良いが、天然黒鉛粉は導電性が高いという利点を有し、また人造黒鉛粉は天然黒鉛粉に比べて導電性は多少劣るものの、異方性が少ないという利点がある。 The graphite particles may be either artificial graphite powder or natural graphite powder, but natural graphite powder has the advantage of high conductivity, and artificial graphite powder is slightly inferior in conductivity to natural graphite powder. There is an advantage that there is little directivity.
また、黒鉛粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれからなるものであっても、精製されたものであることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品であるセパレータからの不純物の溶出を抑制することができる。 Moreover, it is preferable that the graphite particles are purified from natural graphite or artificial graphite. In this case, since the ash content and ionic impurities are low, the graphite particles are separated from the molded article separator. The elution of impurities can be suppressed.
ここで、黒鉛粒子における灰分は0.05重量%以下であることが好ましく、また抽出水中のイオン性不純物が、黒鉛粒子全量に対して重量比率でナトリウム含量5ppm以下、塩素含量5ppm以下となるようにすることが好ましい。ここで、前記抽出水は、対象成分(ここでは黒鉛粒子)10gに対してイオン交換水100mlの割合で、イオン交換水中に対象成分を分散させ、90℃で50時間処理したものであり、また抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィにて評価されるものである。そして、導出される抽出水中のイオン性不純物量に基づいて、組成物中の対象成分中のイオン性不純物の総量を、この組成物中の対象成分の総量に対する重量比に換算して導出するものである。イオン性不純物の含有量は、黒鉛以外でも上記と同様の手法により測定できる。 Here, the ash content in the graphite particles is preferably 0.05% by weight or less, and the ionic impurities in the extracted water have a sodium content of 5 ppm or less and a chlorine content of 5 ppm or less in a weight ratio with respect to the total amount of the graphite particles. It is preferable to make it. Here, the extracted water is obtained by dispersing the target component in ion-exchanged water at a rate of 100 ml of ion-exchanged water with respect to 10 g of the target component (here, graphite particles) and treating at 90 ° C. for 50 hours. Ionic impurities in the extracted water are evaluated by ion chromatography. Based on the derived amount of ionic impurities in the extracted water, the total amount of ionic impurities in the target component in the composition is converted into a weight ratio to the total amount of the target component in the composition and is derived. It is. The content of ionic impurities can be measured by the same method as above except for graphite.
上記の灰分が0.05重量%を超えると燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。また、抽出水中のイオン性不純物がナトリウム含量5ppmを超え、或いは塩素含量5ppmを超える場合には、セパレータを成形した場合に、不純物の溶出により燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。 If the above ash content exceeds 0.05% by weight, there is a risk that the characteristics of the fuel cell will deteriorate. Further, when the ionic impurities in the extracted water exceed the sodium content of 5 ppm or the chlorine content exceeds 5 ppm, the characteristics of the fuel cell may deteriorate due to the elution of the impurities when the separator is molded.
また、黒鉛粒子としては、平均粒径1〜150μmのものを用いることが好ましく、また粒子のアスペクト比が10以下のものが好ましい。平均粒径が1μm未満になると成形性が低下してしまい、150μmを超えると成形品の表面平滑性が損なわれる恐れがある。また上記のアスペクト比が10を超えると、成形されるセパレータ1に異方性が生じ反りなどが生じる恐れがある。
Further, graphite particles having an average particle diameter of 1 to 150 μm are preferably used, and those having an aspect ratio of 10 or less are preferable. If the average particle size is less than 1 μm, the moldability is lowered, and if it exceeds 150 μm, the surface smoothness of the molded product may be impaired. On the other hand, if the aspect ratio exceeds 10, anisotropy may occur in the molded
また、この黒鉛粒子としては、特に2種以上の粒度分布を有するもの、すなわち平均粒径の異なる2種以上の粒子群を混合したものを用いることが好ましい。この場合、特に平均粒径1〜50μmの範囲のものと、平均粒径50〜100μmのものとを混合したもの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を用いると、粒径の大きい粒子は表面積が小さいため、少量の樹脂量でも混練を可能とすることが期待され、更に粒径の小さい粒子によって、黒鉛粒子同士の接触性を高める一方、成形品の強度を高めることが期待され、これにより、セパレータ1の嵩密度の向上、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、性能の向上を図ることができる。このとき、平均粒径1〜50μmの粒子と平均粒径50〜100μmとの粒子の混合比は、適宜調整されるものであるが、特に前者対後者の混合比が、重量比で40:60〜90:10、特に65:35〜85:15であることが好ましい。
Further, as the graphite particles, it is particularly preferable to use those having two or more kinds of particle size distributions, that is, those obtained by mixing two or more kinds of particle groups having different average particle diameters. In this case, it is particularly preferable that the average particle size is in the range of 1 to 50 μm and the average particle size is in the range of 50 to 100 μm. When graphite particles having such a particle size distribution are used, particles having a large particle size have a small surface area, so that it is expected that kneading is possible even with a small amount of resin. It is expected that the strength of the molded product will be increased while improving the contact property of the separator, thereby improving the performance such as improvement of the bulk density of the
また、組成物中には、必要に応じて硬化開始剤、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させることができる。このとき、組成物中には第一アミン及び第二アミンを含有させないため、これらの添加剤としても、このようなアミン系化合物は用いないようにする。 The composition may contain additives such as a curing initiator, a curing catalyst, a wax (release agent), and a coupling agent as necessary. At this time, since a primary amine and a secondary amine are not contained in the composition, such an amine compound is not used as these additives.
すなわち、エポキシ樹脂を用いる場合に使用される硬化開始剤(硬化剤)としては、非アミン系の化合物を用いる。アミン系のものを用いる場合では、得られるセパレータ1の電気伝導度を高い状態に維持することが困難となり、また燃料電池の触媒を被毒する恐れもある。また硬化開始剤としては、酸無水物系の化合物も用いないようにすることが好ましい。酸無水物の化合物は硫酸酸性環境下等の耐酸性の環境下で加水分解して、電気伝導度が低下したり、不純物の溶出が増大してしまうおそれがある。
That is, a non-amine compound is used as a curing initiator (curing agent) used when an epoxy resin is used. In the case of using an amine-based material, it is difficult to maintain the electric conductivity of the obtained
上記の硬化開始剤(硬化剤)としては、特にフェノール系化合物を用いることが好ましいものであり、この場合、優れた特性の硬化物を得ることができる。 As the curing initiator (curing agent), it is particularly preferable to use a phenol compound, and in this case, a cured product having excellent characteristics can be obtained.
このような硬化開始剤の含有量は適宜設定されるが、硬化開始剤に対するエポキシ樹脂の化学量論上の当量比が、1〜0.85となるようにすることが好ましい。 The content of such a curing initiator is appropriately set, but it is preferable that the stoichiometric equivalent ratio of the epoxy resin to the curing initiator is 1 to 0.85.
また、エポキシ樹脂を用いる場合に使用される硬化触媒(硬化促進剤)としては、適宜のものを含有することができるが、組成物中に第一アミン及び第二アミンを含有させないようにするため、非アミン系の化合物が用いられる。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好ましくない。 Moreover, as a curing catalyst (curing accelerator) used when using an epoxy resin, although an appropriate thing can be contained, in order not to contain a primary amine and a secondary amine in a composition. Non-amine compounds are used. For example, amine-based diaminodiphenylmethane is not preferable because the residue may poison the fuel cell catalyst. In addition, imidazoles are not preferred because they easily release chlorine ions after curing, which may cause impurity elution.
エポキシ樹脂の硬化触媒としては、好ましくはリン系化合物が用いられる。その一例としては、トリフェニルホスフィンを挙げることができる。このようなリン系化合物を含有させると、成形品であるセパレータからの塩素イオンの溶出を抑制することができる。 As a curing catalyst for the epoxy resin, a phosphorus compound is preferably used. An example thereof is triphenylphosphine. When such a phosphorus compound is contained, elution of chlorine ions from the separator which is a molded product can be suppressed.
上記のような硬化開始剤や硬化触媒においても、それぞれ、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、それぞれ重量比率で5ppm以下であることが好ましい。この場合、成形品であるセパレータからのイオン性不純物の溶出を更に抑制することができるものであり、各含有量が5ppmを超えると不純物の溶出量が多くなって、燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。 Also in the above-described curing initiator and curing catalyst, it is preferable that the content of chlorine ions, which are ionic impurities, and the content of sodium ions are each 5 ppm or less in weight ratio. In this case, elution of ionic impurities from the separator, which is a molded product, can be further suppressed. If each content exceeds 5 ppm, the amount of impurities elution increases, resulting in deterioration of characteristics as a fuel cell. There is a fear.
このような硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくはエポキシ樹脂に対して0.5〜3重量部の範囲となるようにするものである。 The content of such a curing catalyst is appropriately adjusted, but is preferably in the range of 0.5 to 3 parts by weight with respect to the epoxy resin.
また、組成物中にはカップリング剤を含有させることができる。このカップリング剤としては、適宜のものが用いられるが、組成物中には第一アミン及び第二アミンは含有させないため、アミノシランは用いないようにすることが好ましい。アミノシランを用いる場合には、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、カップリング剤としてはメルカプトシランも用いないようにすることが好ましい。このメルカプトシランを用いた場合も、同様に燃料電池の触媒を被毒する恐れがあり好ましくない。 Moreover, a coupling agent can be contained in the composition. As this coupling agent, an appropriate one is used, but it is preferable not to use aminosilane since the primary amine and secondary amine are not contained in the composition. When aminosilane is used, there is a risk of poisoning the fuel cell catalyst, which is not preferable. Further, it is preferable not to use mercaptosilane as a coupling agent. The use of this mercaptosilane is also not preferable because it may similarly poison the fuel cell catalyst.
使用される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、アルミニウム系のものを使用することができる。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。 As an example of the coupling agent used, a silicon-based silane compound, titanate-based, or aluminum-based one can be used. For example, epoxy silane is suitable as a silicon-based coupling agent.
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せておくことが好ましい。その添加量は適宜設定されるものであり、黒鉛粒子の比表面積に比し使用するカップリング剤の単位重量当たりの被覆面積を考慮する必要があるが、好ましくは、カップリング剤の被覆面積の総量が、黒鉛粒子の表面積の総量に対して、0.5〜2倍の範囲となるようにする。この値が多くなると成形品表面にブリードしてしまい金型表面を汚染するなどして、好ましくない。 The coupling agent is preferably attached to the surface of the graphite particles by spraying or the like in advance. The amount of addition is appropriately set, and it is necessary to consider the coating area per unit weight of the coupling agent to be used as compared with the specific surface area of the graphite particles. The total amount is in the range of 0.5 to 2 times the total surface area of the graphite particles. When this value increases, it is not preferable because it bleeds on the surface of the molded product and contaminates the mold surface.
また、組成物中にはワックス(離型剤)を含有させる場合には、適宜のものが用いられるが、特に天然カルナバワックスを用いることが好ましい。また、ワックスの含有量は適宜設定されるが、組成物全量に対して0.1〜2.5重量%の範囲であることが好ましく、この含有量が1重量%未満では金型成形時に十分な離型性が得られず、また2.5重量%を超えると、セパレータ1に必要とされる水との濡れ性が十分に得られなくなる恐れがある。
In addition, when a wax (release agent) is contained in the composition, an appropriate one is used, and natural carnauba wax is particularly preferably used. Further, the content of the wax is appropriately set, but it is preferably in the range of 0.1 to 2.5% by weight with respect to the total amount of the composition. If the mold release property is not obtained, and if it exceeds 2.5% by weight, sufficient wettability with water required for the
また、このようなワックスにおいても、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に重量換算した値で5ppm以下であることが好ましい。各イオン性不純物の含有量が5ppmを超えると燃料電池としてその成形品を使用した場合、不純物が溶出し特性低下が発生する恐れがある。 Also in such a wax, it is preferable that the content of chlorine ions, which are ionic impurities, and the content of sodium ions are both 5 ppm or less in terms of weight. If the content of each ionic impurity exceeds 5 ppm, when the molded product is used as a fuel cell, the impurities may elute and the characteristics may deteriorate.
また、本発明では成形されるセパレータにおける、成形時の樹脂の流動方向と、この流動方向と直交する方向との間での接触抵抗の比が、2以下となるようにすることが好ましい。この値が2を超えると抵抗値に異方性が生じてしまい、燃料電池用セパレータ1としての特性が低下してしまう。
In the present invention, it is preferable that the ratio of the contact resistance between the flow direction of the resin during molding and the direction orthogonal to the flow direction in the molded separator is 2 or less. When this value exceeds 2, the resistance value becomes anisotropic, and the characteristics as the
また、本発明にて調製される組成物は、この組成物で形成される成形品のTOC(total organic carbon)が100ppm以下となるようにする。 Furthermore, compositions prepared by the present invention, you like molded article TOC formed by the composition (total organic carbon) is 100ppm or less.
ここで、TOCは、比表面積20cm2/gの成形品を90℃で50時間処理した後の水溶液を用いて測定した数値である。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」などで測定することができる。測定方法は、サンプルの燃焼により発生したCO2濃度を非分散型赤外線ガス分析法で測定して、サンプル中の炭素濃度を定量する。炭素濃度を測定することによって、間接的に含有している有機物質濃度を測定でき、サンプル中の無機炭素(IC)、全炭素(TC)を測定し、全炭素と無機炭素の差(TC−IC)から全有機炭素(TOC)を計測する。 Here, TOC is a numerical value measured using an aqueous solution after processing a molded article having a specific surface area of 20 cm 2 / g at 90 ° C. for 50 hours. Such a TOC can be measured by, for example, Shimadzu total organic carbon analyzer “TOC-50” in accordance with JIS K0102. In the measurement method, the concentration of carbon in the sample is quantified by measuring the CO 2 concentration generated by burning the sample by a non-dispersive infrared gas analysis method. By measuring the carbon concentration, the concentration of organic substances contained indirectly can be measured, the inorganic carbon (IC) and total carbon (TC) in the sample are measured, and the difference between the total carbon and inorganic carbon (TC− IC) to measure total organic carbon (TOC).
上記のTOCが100ppmを超えると燃料電池としての特性低下が発生する恐れがあり、100ppm以下であるとこのような特性低下を抑制することができるものである。 If the above TOC exceeds 100 ppm, there is a risk that the characteristics of the fuel cell will deteriorate, and if it is 100 ppm or less, such characteristics deterioration can be suppressed.
ここで本発明においては、TOCの値は、原材料として高純度のものを選択したり、更に樹脂の当量比の調整や、後硬化処理を行うことなどで低減して調整することができる。 Here, in the present invention, the TOC value can be reduced and adjusted by selecting a high-purity raw material, adjusting the equivalent ratio of the resin, or performing post-curing treatment.
また、組成物全体における、水溶性イオンである塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量が、それぞれ組成物全量に対して重量比率で5ppm以下である。この値が5ppmを超えると成形されるセパレータからの不純物の溶出によって、起動電圧低下等の燃料電池としての特性低下が発生するおそれがあり、この値が5ppm以下となるようにすることで、このような特性低下が発生しないようにすることができる。
Further, in the overall composition, the chloride ion is water-soluble ions, the content of sodium ions, Ru der 5ppm or less in weight ratio relative to each total amount of the composition. If this value exceeds 5 ppm, the elution of impurities from the molded separator may cause a decrease in characteristics as a fuel cell such as a decrease in starting voltage. By making this
上記の塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、組成物を成形して得られる成形品から水溶性のイオンを抽出し、これをイオンクロマトグラフ法で評価測定したものを、組成物重量に基づいて換算することで導出することができる。このときの水溶性イオンの抽出は、比表面積20cm2/gの成形品を成形品10gに対してイオン交換水100mLとして、成形品をイオン交換水中に浸漬し、90℃で50時間処理することでイオン交換水中にイオンを抽出することで、行うことができる。 Based on the weight of the composition, the content of the above-mentioned chlorine ions and sodium ions is obtained by extracting water-soluble ions from a molded product obtained by molding the composition and evaluating and measuring the ions by ion chromatography. It can be derived by conversion. Extraction of water-soluble ions at this time is performed by immersing the molded product having a specific surface area of 20 cm 2 / g in 100 mL of ion-exchanged water with respect to 10 g of the molded product and immersing the molded product in ion-exchanged water and treating at 90 ° C. for 50 hours. This can be done by extracting ions in ion-exchanged water.
燃料電池用セパレータ用樹脂組成物を調製する場合は、上記のような各成分を適宜の手法で混合し、必要に応じて混練・造粒等を行う。以下に、燃料電池用セパレータ1の調製方法の例を示す。
When preparing the resin composition for a fuel cell separator, the above components are mixed by an appropriate method, and kneading and granulation are performed as necessary. Below, the example of the preparation method of the
図2は、組成物調製のための混合攪拌機の一例を示す。これは、上方に開口する容器5に対して、この容器5内で遊星回転駆動する攪拌具6(攪拌羽根)を配置して構成されている。攪拌具6はこの攪拌具6を回転駆動する回転駆動装置10に連結して設けられており、この回転駆動装置10から下方に突出し、略鉛直方向の回転軸(自転軸8)を中心に自転駆動するように形成され、且つこの自転軸8から偏心した略鉛直方向の回転軸(公転軸7)を中心に公転駆動するように形成されている。図示の例では、攪拌具6は共通の公転軸7を有すると共に互いに偏心した自転軸8を有するものが、二つ設けられている。攪拌具6としては適宜の形状のものを用いることができるが、例えば図示のように螺旋状に捻れた形状を有するフック状のものを用いることができる。
FIG. 2 shows an example of a mixing stirrer for preparing the composition. This is configured by arranging a stirring tool 6 (stirring blade) that drives planetary rotation in the
また、容器5の内容物を加熱することができるように形成することが好ましい。例えば容器5の隔壁を中空に形成して、この隔壁内に熱媒を流通させるなどして、内容物を加熱可能に形成することができる。
Moreover, it is preferable to form so that the contents of the
また、容器5内を減圧する減圧機構を設けることが好ましい。例えば上記回転駆動装置10に、容器5の上部開口を閉塞するカバー体11を一体に設けると共に、このカバー体11に吸引口9を設け、この吸引口9からの吸引により容器5内部を減圧可能に形成することができる。
Moreover, it is preferable to provide a decompression mechanism for decompressing the inside of the
このような混合攪拌機を用いて組成物の調製を行うにあたっては、容器5内に組成物の原料を投入した状態で、攪拌具6を公転数10〜180rpm、自転数15〜380rpmの範囲で回転させることで攪拌混合を行うことが好ましい。このような回転速度で攪拌混合を行うことで、内容物を十分に攪拌混合して、熱硬化性樹脂に対して黒鉛粒子等の他の成分が十分に分散混合された組成物を得ることができるものであり、また攪拌混合の過程における黒鉛粒子の劈開が抑制されて、調製される組成物の流動性の悪化が防止され、この組成物によるセパレータ1の作製時における高い成形性を維持することができるものである。
When preparing a composition using such a mixing stirrer, the stirring
図3は、組成物調製のための混合攪拌機の別の例を示す。これは、容器5内に、この容器5内で、略鉛直方向の回転軸12を中心に回転する攪拌具6が設けられている。
FIG. 3 shows another example of a mixing stirrer for preparing the composition. This is provided in the
図示の例では、容器5内の底部に攪拌具6として、同一の回転軸12を中心に回転する下羽根6aと上羽根6bが設けられている。下羽根6aは、回転軸12から互いに反対方向に向けて放射状に延出する二つの回転腕19から形成されている。また上羽根6bは、回転軸から放射状に外方に突出した複数の支持腕16の先端にて輪状の回転輪17を支持し、この回転輪17の外縁から二つの腕部18を放射状に外方に突出させた形状を有している。
In the illustrated example, a
また、容器5の内容物を加熱することができるように形成することが好ましい。例えば容器5の隔壁を中空に形成して、この隔壁内に熱媒を流通させるなどして、内容物を加熱可能に形成することができる。
Moreover, it is preferable to form so that the contents of the
また、容器5内を減圧する減圧機構を設けることが好ましい。例えば容器5を密閉可能に形成すると共にこの容器5に吸引口を設け、この吸引口からの吸引により容器5内部を減圧可能に形成することができる。
Moreover, it is preferable to provide a decompression mechanism for decompressing the inside of the
また、図4は、組成物調製のための混合攪拌機の、更に別の例を示す。これは、図3と同様に容器5内に、この容器5内で回転軸12を中心に回転する攪拌具6が設けられているが、図示の例では攪拌具6は略水平方向の回転軸12を中心に回転駆動するように形成されている。
FIG. 4 shows still another example of a mixing stirrer for preparing the composition. As shown in FIG. 3, the
攪拌具6は適宜の構成のものを用いることができ、また複数種の攪拌具6を複数個設けることもできる。図示のものでは、攪拌具6としてミキシングアーム6cとチョッパー6dとが設けられている。ミキシングアーム6cとチョッパー6dは、それぞれ容器の互いに対向し合う内側壁に沿った位置において、それぞれ異なる略水平方向の回転軸12に接続されている。
The
ミキシングアーム6cには、回転軸12(12a)に接続されている基端部からその外側に向けて放射状に突出する複数のアーム13が設けられており、この各アーム13は、対向する内側壁側に向けて略水平方向に曲成されている。
The mixing
また、容器5内を減圧する減圧機構を設けることが好ましい。例えば容器5を密閉可能に形成すると共にこの容器5に吸引口を設け、この吸引口からの吸引により容器5内部を減圧可能に形成することができる。
Moreover, it is preferable to provide a decompression mechanism for decompressing the inside of the
またチョッパー6dは図示の例では二つ設けられている。このチョッパー6dは、回転軸12(12b)に接続されている基端部から、対向する内側壁側に向けて略水平方向に延出するように形成されており、またこのチョッパー6dは上記の複数のアーム13に囲まれた位置に配置されている。チョッパー6dの外周面には、複数の攪拌棒14が外側に向けて放射状に突設されている。
Two
また図中の15は、容器5内に液体をスプレー状に噴射するスプレーノズルを示す。
このような図3,4に示す混合攪拌機を用いて組成物の調製を行うにあたっては、容器5内に組成物の原料を投入した状態で、攪拌具6を、その最外縁部の周速度が15m/秒以下となるように回転させることが好ましい。このような条件で攪拌混合を行うことで、内容物を十分に攪拌混合して、熱硬化性樹脂に対して黒鉛粒子等の他の成分が十分に分散混合された組成物を得ることができるものであり、また攪拌混合の過程における黒鉛粒子の劈開が抑制されて、調製される組成物の流動性の悪化が防止され、この組成物によるセパレータ1の作製時における高い成形性を維持することができるものである。ここで、上記の攪拌具6の最外縁部の周速度の下限は特に制限されないが、均一に混合するためにはこの周速度を5m/秒以上とすることが好ましい。
In preparing the composition using such a mixing stirrer shown in FIGS. 3 and 4, the peripheral speed of the outermost edge portion of the
上記の図2〜図4に示されるような混合攪拌機を用いた組成物の調製方法の、更に具体的な例を説明する。 A more specific example of a method for preparing a composition using a mixing stirrer as shown in FIGS. 2 to 4 will be described.
例えば、まず組成物を構成する各成分を配合したものを容器5内に投入し、攪拌具6を所定の条件で回転駆動して混合する。このとき容器5を加熱することで、その内容物を組成物中の熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱することが好ましい。この容器5の加熱温度は、組成物を構成する熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定されるが、好ましくはこの加熱温度の上限を120℃となるようにする。またこのときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。このように熱硬化性樹脂が溶融した状態で混合することで、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とを均一に混合することができる。
For example, first, a mixture of components constituting the composition is put into the
次いで、容器5内に、上記の熱硬化性樹脂が溶解する溶媒を加え、更に攪拌具6を所定の条件で回転駆動して混合を続ける。このときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。これにより更に熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とを更に均一に混合することができる。またこのとき同時に、上記と同様に容器5を加熱することで、その内容物を組成物中の熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱すれば、更に均一な混合を可能にすることができる。
Next, a solvent in which the thermosetting resin is dissolved is added into the
上記の溶媒は熱硬化性樹脂の種類等に応じて適宜選択されるが、例えばイソプロピルアルコールを挙げることができる。また溶媒の使用量は、熱硬化性樹脂を全て溶解することができるように適宜の量に調整されるが、好ましくは溶媒の使用量が、組成物の原料の全固形分に対して50重量%以下となるようにするものであり、溶媒の使用量がこの範囲を超えると、溶媒の揮散に要する時間が長くなって生産性が低下する。またこの使用量は、更に好ましくは25重量%以下となるようにする。 Although said solvent is suitably selected according to the kind etc. of thermosetting resin, isopropyl alcohol can be mentioned, for example. The amount of the solvent used is adjusted to an appropriate amount so that all the thermosetting resin can be dissolved. Preferably, the amount of the solvent used is 50% by weight based on the total solid content of the composition raw material. %, And if the amount of the solvent used exceeds this range, the time required for the solvent to evaporate becomes longer and the productivity decreases. The amount used is more preferably 25% by weight or less.
溶媒を加える際には適宜の手法を採用できるが、溶媒を容器5内に滴下し、或いは噴霧することが好ましい。特に噴霧により添加すると、樹脂分と黒鉛粒子とを馴染ませながら混合することができると共に、組成物中に大きな塊が発生することを防いで微細な粒状の組成物を得ることが可能となり、優れた成形性を有する組成物を得ることができる。溶媒の噴射条件は、噴霧圧0.05〜0.3MPa、噴霧空気量5〜50ml/分、液圧0.05〜0.5MPaとすることが好ましく、この範囲において、上記効果が十分に発揮される
次いで、更に攪拌具6を所定の条件で回転駆動させると共に溶媒を揮散させることで、組成物の造粒が行われる。このときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。
溶媒の揮散は、容器5内を加熱したり、或いは容器5内を減圧したりすることで行うことができる。例えば、容器5内を加熱すると共に減圧することで溶媒を揮散させることができ、このとき例えば容器5内を熱硬化性樹脂が溶解する温度以上の温度に加熱すると共に、この容器5内を0.1MPa〜0.01MPaの圧力範囲に減圧することができる。このような状態で攪拌混合を続けると、溶媒が揮散して内容物の粘度が高まり、造粒がなされ、粒状の組成物が調製される。溶媒が残存すると成形品中に空隙が発生しガス透過性が低下してしまう恐れがある。
An appropriate method can be adopted when adding the solvent, but it is preferable to drop or spray the solvent into the
Volatilization of the solvent can be performed by heating the inside of the
また、得られた組成物は、更に整粒機等で粉砕するなどして、更に小径の粒状に形成することができ、例えば粒径500μm以下となるようにすることができる。 Moreover, the obtained composition can be further pulverized with a granulator or the like to be formed into a smaller particle size, for example, a particle size of 500 μm or less.
上記のような混合攪拌機を用いた組成物の調製方法の他例を説明する。 Another example of the method for preparing the composition using the above mixing stirrer will be described.
本例では、組成物を構成する各成分のうち、まず熱硬化性樹脂を除いたものを容器5内に投入し、攪拌具6を回転駆動して混合する。このときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。
In this example, out of the components constituting the composition, the one excluding the thermosetting resin is first put into the
次いで、容器5内に熱硬化性樹脂を溶媒に溶解した状態で加え、更に攪拌混合を続ける。溶媒は熱硬化性樹脂の種類等に応じて適宜選択されるが、例えばイソプロピルアルコールを挙げることができる。また溶媒の使用量は、熱硬化性樹脂を全て溶解することができるように適宜の量に調整されるが、好ましくは溶媒の使用量が、組成物の原料の全固形分に対して50重量%以下となるようにするものであり、溶媒の使用量がこの範囲を超えると、溶媒の揮散に要する時間が長くなって生産性が低下する。またこの使用量は、更に好ましくは25重量%以下となるようにする。
Next, the thermosetting resin is added to the
溶媒に溶解した熱硬化性樹脂を加える際には適宜の手法を採用できるが、このものを容器5内に滴下し、或いは噴霧することが好ましい。特に噴霧により添加を行うと、樹脂分と黒鉛粒子とを馴染ませながら混合することができると共に、組成物中に大きな塊が発生することを防いで微細な粒状の組成物を得ることが可能となり、優れた成形性を有する組成物を得ることができる。溶媒に溶解した熱硬化性樹脂の噴射条件は、噴霧圧0.05〜0.3MPa、噴霧空気量5〜50ml/分、液圧0.05〜0.5MPaとすることが好ましく、この範囲において、上記効果が十分に発揮される。
An appropriate method can be adopted when adding the thermosetting resin dissolved in the solvent, but it is preferable to drop or spray this into the
このときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。このように熱硬化性樹脂が溶媒に溶解した状態で攪拌混合を行うことで、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とが更に均一に混合される。 The stirring time at this time is preferably 5 to 30 minutes. Thus, by performing stirring and mixing in a state where the thermosetting resin is dissolved in the solvent, the thermosetting resin and other components such as graphite particles are further uniformly mixed.
また、この攪拌混合の際には、容器5を加熱することで、その内容物を組成物中の熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱することが好ましい。この容器5の加熱温度は、組成物を構成する熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定されるが、加熱温度の上限は、130℃とすることが好ましい。これにより、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とが更に均一に混合される。
Moreover, in the case of this stirring and mixing, it is preferable to heat the
次いで、更に攪拌具6を所定の条件で回転駆動させると共に溶媒を揮散させることで、組成物の造粒が行われる。このときの攪拌時間は5〜30分間とすることが好ましい。
Next, the composition is granulated by further rotating the
溶媒の揮散は、容器5内を加熱したり、或いは容器5内を減圧したりすることで行うことができる。例えば、容器5内を加熱すると共に減圧することで溶媒を揮散させることができ、このとき例えば容器5内を熱硬化性樹脂が溶解する温度以上の温度に加熱すると共に、この容器5内を0.1MPa〜0.01MPaの圧力範囲に減圧することができる。このような状態で攪拌混合を続けると、溶媒が揮散して内容物の粘度が高まり、造粒がなされ、粒状の組成物が調製される。溶媒が残存すると成形品中に空隙が発生しガス透過性が低下してしまう恐れがある。
Volatilization of the solvent can be performed by heating the inside of the
また、得られた組成物は、更に整粒機等で粉砕するなどして、更に小径の粒状に形成することができ、例えば粒径500μm以下となるようにすることができる。 Moreover, the obtained composition can be further pulverized with a granulator or the like to be formed into a smaller particle size, for example, a particle size of 500 μm or less.
上記のようにして得られる燃料電池用セパレータ成形用樹脂組成物は、燃料電池用セパレータ1の成形に供される。このときの成形法としては、射出成形や圧縮成形など、適宜の手法を採用することができる。セパレータ1は既述のように図1に示すような形状に形成することができる。
The resin composition for molding a fuel cell separator obtained as described above is used for molding the
このような成形の過程においては、組成物の調製方法として特に上記のような調製方法を採用すると、この組成物は成形過程において上記のように黒鉛粒子に劈開が生じにくくなっており、この結果、組成物は良好な流動性を有し、優れた成形性を有するものである。このため、セパレータ1に複数の微細な凸部(リブ)1aを形成する場合などのように複雑な形状に形成する場合にも成形時の未充填の発生を抑制して成形不良を防止することができる。また、上記のように組成物の粒径を500μm以下となるようにすると、成形時の未充填を更に抑制することができる。
In such a molding process, when the above-described preparation method is employed as a method for preparing the composition, the composition is less likely to cleave the graphite particles as described above during the molding process. The composition has good fluidity and excellent moldability. For this reason, also when forming in a complicated shape like the case where a plurality of fine convex parts (ribs) 1a are formed in the
また、セパレータ1は、上記のように第一アミン及び第二アミンを含有しない組成物から形成されるので、このセパレータ1を用いて燃料電池を作製し、これを稼動させた場合、白金触媒の被毒を抑制することができ、これにより燃料電池の出力低下を抑制することができるものである。
Moreover, since the
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples.
(実施例1,2,4〜11、参考例、比較例)
攪拌混合機としては、図2に示す構成のもの(ダルトン製「5XDMV−rr型」)を用い、その容器に、表1に示す組成となるように原料を入れ、容器を温水で90℃に加熱した状態で、表1の「攪拌具回転数」の欄に記載された公転数及び自転数にて攪拌具6を遊星回転させて5分間、攪拌した後、溶媒(イソプロパノール)を表1に示す分量添加した。溶媒の添加は、表1中に「噴霧」とある場合は、噴霧圧0.2MPa、噴霧空気量25ml/分、液圧0.3MPaの条件で噴霧を行い、「滴下」とある場合は滴下により添加した。この溶媒の添加後に更に10分攪拌を続けた。次に90℃で真空ポンプを用いて減圧乾燥して溶媒イソプロパノールを完全に除去した。得られた混練物を整粒機で粒径500μm以下に粉砕した。
(Examples 1 , 2, 4 to 11, reference examples, comparative examples)
As a stirring mixer, the one having the structure shown in FIG. 2 (Dalton “5XDMV-rr type”) is used. The raw materials are put into the container so as to have the composition shown in Table 1, and the container is heated to 90 ° C. with warm water. In a heated state, the
得られた粉砕物を、温度175℃、圧力34.3MPa(350kg/cm2)の条件で20分間成形し、脱型して、図1に示すような形状のセパレータ1を得た。
The obtained pulverized product was molded for 20 minutes under conditions of a temperature of 175 ° C. and a pressure of 34.3 MPa (350 kg / cm 2 ), and demolded to obtain a
(評価)
・TOC測定:JIS K0551−4.3に準拠し、まず成形品をメタノールで1分間洗浄した後、イオン交換水にて1分間洗浄した。次いで、ガラスビン中に成形品とイオン交換水とを、成形品10gに対してイオン交換水が100mlとなるように入れ、90℃で50時間処理した。処理後のイオン交換水中に燐酸を添加してpH2以下に調整した後、湿式酸化−赤外線式TOC測定法(東レエンジニアリング社製「東レアストロTOC自動分析計MODEL1800」を使用)にて、有機炭酸量を測定した。
(Evaluation)
-TOC measurement: According to JIS K0551-4.3, the molded article was first washed with methanol for 1 minute and then washed with ion-exchanged water for 1 minute. Next, the molded product and ion-exchanged water were placed in a glass bottle so that the amount of ion-exchanged water was 100 ml with respect to 10 g of the molded product, and treated at 90 ° C for 50 hours. After adjusting the pH to 2 or less by adding phosphoric acid to the ion-exchanged water after the treatment, the amount of organic carbonic acid is measured by a wet oxidation-infrared TOC measurement method (using “Toray Stro TOC Automatic Analyzer MODEL1800” manufactured by Toray Engineering Co., Ltd.). Was measured.
・水溶性イオン分析(イオンクロマト測定):成形品をメタノールにて1分間洗浄した後、イオン交換水で1分間洗浄した。次いで、ポリエチレンビン中に成形品とイオン交換水とを、成形品10gに対してイオン交換水が100mlとなるように入れ、90℃で50時間処理した。処理後のイオン交換水(抽出水)をイオンクロマトグラフィ(島津製作所社製「CDD−6A」)で測定した。 Water-soluble ion analysis (ion chromatography measurement): The molded product was washed with methanol for 1 minute and then washed with ion-exchanged water for 1 minute. Next, the molded product and ion-exchanged water were placed in a polyethylene bottle so that the amount of ion-exchanged water was 100 ml with respect to 10 g of the molded product, and treated at 90 ° C. for 50 hours. The ion-exchanged water (extracted water) after the treatment was measured by ion chromatography (“CDD-6A” manufactured by Shimadzu Corporation).
・電気伝導度評価:成形品をメタノールにて1分間洗浄した後、イオン交換水で1分間洗浄した。次いで、ポリエチレンビン中に成形品とイオン交換水とを、成形品10gに対してイオン交換水が100mlとなるように入れ、90℃で50時間処理した。処理後のイオン交換水(抽出水)を導電率計で測定した。 Electrical conductivity evaluation: The molded product was washed with methanol for 1 minute and then washed with ion-exchanged water for 1 minute. Next, the molded product and ion-exchanged water were placed in a polyethylene bottle so that the amount of ion-exchanged water was 100 ml with respect to 10 g of the molded product, and treated at 90 ° C. for 50 hours. The ion-exchanged water (extracted water) after the treatment was measured with a conductivity meter.
・接触抵抗(面積抵抗)の測定方法:厚さ3mmの試料(セパレータ)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0.5MPa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読むと同時に、2枚の銅板間の電流を電流計で読んで抵抗(平均値)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。 ・ Measurement method of contact resistance (area resistance): Carbon paper was placed above and below a 3 mm thick sample (separator), copper plates were further placed above and below it, and a surface pressure of 0.5 MPa was applied vertically. . The voltage between the two carbon papers was read with a voltmeter, and simultaneously the current between the two copper plates was read with an ammeter to calculate the resistance (average value). The carbon paper used is TGP-HM series (090M: thickness 0.28 mm, 120M: thickness 0.38 mm) manufactured by Toray Industries, Inc.
・成形性評価:各実施例、参考例及び比較例につき、同一条件で10個のサンプルを成形し、その外観を観察して未充填の有無を確認し、未充填が発生したものを「不良」としてその発生数にて評価した。 -Formability evaluation: For each example , reference example, and comparative example, 10 samples were molded under the same conditions, and the appearance was observed to confirm whether there was any unfilled. As the number of occurrences.
・燃料電池の起電力電力値の変化率評価:各実施例、参考例及び比較例につき、得られたセパレータ1,1の間に、固体高分子電解質膜2とガス拡散電極(燃料電極と酸化剤電極)3,3とを介在させて、図1に示す構造の燃料電池を作製した。そして、外部回路を接続した状態でこれらの燃料電池1を1000時間連続的に動作させ、起電力の電圧値(V)の経時的な変動の様子をそれぞれ調査した。初期値に対する変化率で表示した。
・ Evaluation of change rate of electromotive force of fuel cell: For each of Examples , Reference Examples and Comparative Examples, between the obtained
表中の各成分の詳細は次の通りである
・エポキシ樹脂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℃)
・エポキシ樹脂B:ビスフェノールF型エポキシ樹脂(大日本インキ化学工業社製「830CRP」、エポキシ当量171、25℃で液状)
・硬化開始剤:フェノールノボラック樹脂(群栄化学社製「PSM6200」、OH当量105)
・フェノール樹脂A:レゾール型フェノール樹脂(群栄化学社製「サンプルA」、融点75℃、13C−NMR分析によるオルト−オルト25〜35%、オルト−パラ60〜70%、パラ−パラ5〜10%)
・フェノール樹脂B:ベンゾオキサジン樹脂(四国化成工業社製「B−m」、融点80℃)
・硬化触媒A:トリフェニルホスフィン(北興化学社製「TPP」)
・硬化触媒B:2−フェニル−4−メチル−5−ヒドロキシメチルイミダゾール(四国化成社製「2PHZ−PW」)
・黒鉛粒子A:人造黒鉛(中越黒鉛工業所社製「SGS30A」、平均粒径30μm、灰分0.05%、ナトリウムイオン3ppm、塩化物イオン1ppm)
・黒鉛粒子B:人造黒鉛(中越黒鉛工業所社製「SGS60」、平均粒径60μm、灰分0.03%、ナトリウムイオン2ppm、塩化物イオン1ppm)
・黒鉛粒子C:天然黒鉛(中越黒鉛工業所社製「WR50A」、平均粒径50μm、灰分0.05%、ナトリウムイオン4ppm、塩化物イオン2ppm)
・黒鉛粒子D:人造黒鉛(エスイーシー社製「SGP100」、平均粒径100μm、灰分0.05%、ナトリウムイオン3ppm、塩化物イオン1ppm)
・黒鉛粒子E:人造黒鉛(エスイーシー社製「SGP5」、平均粒径5μm、灰分0.05%、ナトリウムイオン8ppm、塩化物イオン1ppm)
・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A:天然カルナバワックス(大日化学社製「H1−100」、融点83℃)
・ワックスB:モンタン酸ビスアマイド(大日化学社製「J−900」、融点123℃)
The details of each component in the table are as follows: Epoxy resin A: Cresol novolak type epoxy resin (“EOCN-1020-75” manufactured by Nippon Kayaku Co., Ltd., epoxy equivalent 199, melting point 75 ° C.)
-Epoxy resin B: Bisphenol F type epoxy resin ("830CRP" manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc., epoxy equivalent 171, liquid at 25 ° C)
Curing initiator: phenol novolac resin (Gunei Chemical Co., Ltd. “PSM6200”, OH equivalent 105)
Phenol resin A: resol type phenol resin (“Sample A” manufactured by Gunei Chemical Co., Ltd., melting point 75 ° C., ortho-ortho 25-35% by 13C-NMR analysis, ortho-para 60-70%, para-para 5 10%)
Phenol resin B: benzoxazine resin (“Bm” manufactured by Shikoku Kasei Kogyo Co., Ltd., melting point 80 ° C.)
Curing catalyst A: Triphenylphosphine (“TPP” manufactured by Hokuko Chemical Co., Ltd.)
Curing catalyst B: 2-phenyl-4-methyl-5-hydroxymethylimidazole (“2PHZ-PW” manufactured by Shikoku Chemicals)
Graphite particles A: artificial graphite (“SGS30A” manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd., average particle size 30 μm, ash content 0.05%, sodium ion 3 ppm,
Graphite particles B: artificial graphite (“SGS60” manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd., average particle size 60 μm, ash content 0.03%, sodium ion 2 ppm,
Graphite particles C: Natural graphite (“WR50A” manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd., average particle size 50 μm, ash content 0.05%, sodium ion 4 ppm, chloride ion 2 ppm)
Graphite particles D: Artificial graphite (“SGP100” manufactured by ESC Corporation, average particle size 100 μm, ash content 0.05%, sodium ion 3 ppm,
Graphite particles E: Artificial graphite (“SGP5” manufactured by ESC Corporation,
Coupling agent: Epoxy silane (“A187” manufactured by Nihon Unicar)
Wax A: natural carnauba wax (“H1-100” manufactured by Dainichi Chemical Co., Ltd., melting point: 83 ° C.)
Wax B: Montanic acid bisamide (“J-900” manufactured by Dainichi Chemical Co., Ltd., melting point: 123 ° C.)
1 セパレータ 1 Separator
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