JP4417886B2 - 燃料電池分離板成型用素材の製造方法 - Google Patents
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Description
従来、燃料電池分離板の素材としては金属素材が用いられてきたが、金属素材の場合、電解質との接触部分で腐食現象が酷く発生し、燃料電池の性能と寿命を短縮させる原因となっていた。よって、かかる環境下においても優れた腐食抵抗力を発揮し得る炭素を素材にした分離板が出てきた。それらの代表が黒鉛である。黒鉛は耐腐食性のみならず、優秀な耐化学性を有し、電気伝導度が金属に匹敵するほど優れ、金属分離板の代替物として着目された。
しかしながら、黒鉛の場合、希望する形状への加工が難しく、黒鉛の価格より加工費が大幅に高くなり、結果的には全体の製造費用を上昇させる短所があった。従って、黒鉛の高い耐化学性及び電気伝導度のような長所を維持し、且つ低コストにて希望する形状に成型できる炭素複合材分離板が登場するようになった(特許文献1乃至5)。
このような炭素複合材分離板は、一般的に黒鉛粉末と熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂を混合し、圧縮成型又は射出成型方式で製造している。普通使用される黒鉛粉末は、粒子の形状によって球状と板状に分けられ、製造方式により天然黒鉛と膨張黒鉛に分けられる。また、熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール系樹脂などが用いられている。
粒子形状が球状である場合や、天然黒鉛粉末が用いられる場合には、ガス透過度のみならず電気伝導度と強度の特性が悪くなる問題点がある。特にここに粉末形樹脂が適用される場合、乾式混合ができ、工程が単純になる長所はあるものの、その反面、原料同士の分散度を落とし、製品内の均質度に問題が発生し、性能向上のため添加される各種の添加剤の適用も極めて制限される問題点がある。かかる問題は究極的に燃料電池スタックの製造の時にスタックエネルギー効率を落とす深刻な問題を来たすようになる。
本発明は最適の原料の選定とそれに適合した製造工程を結合することによって非常に低いガス透過度、高い電気伝導度、及び高強度を表すことと同時に製品内の物性の均一度を極大化できる燃料電池分離板成型用素材を製造することにその目的がある。
本発明の他の目的は前記方法で製造された成型用素材を適用してなる燃料電池分離板及び燃料電池を提供することにある。
本発明において、燃料電池分離板成型用素材を製造するための基本的な構成物は、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、結合剤、黒鉛粉末である。先ず、高分子物質とその他の添加剤とのより均一な混合のため、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、結合剤をアセトンに溶解させた後、黒鉛粉末とを混合させる。そしてスラリ状態の混合物を乾燥及び粉砕させると本発明による燃料電池分離板成型用素材が得られる。
本発明で用いる黒鉛粉末の含量は、エキポシ樹脂100重量部に対し400乃至2,200重量部が好ましく、黒鉛粉末の粒子形態は板状でありながら膨張黒鉛を用いた方が好ましい。尚、黒鉛粉末の粒子の大きさは用途と特性によって異ならせることができるが、0.005乃至0.15mmの範囲の大きさのものを用いた方が好ましい。
本発明で用いる樹脂とは、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂(以下、UPEという)、エポキシ樹脂などであるが、その中でエポキシ樹脂が一番好ましい。
エポキシ樹脂の硬化のための硬化剤としては、アミン系、酸無水物系を使用できる。その中で酸無水物系がより好ましい。本発明における硬化剤の含量はエポキシ樹脂100重量部に対し30乃至85重量部が好ましい。
前記エポキシ樹脂と硬化剤との硬化時間を短縮させるための硬化促進剤としてはトリフェニルホスフィン(以下、TPPという)が用いられる。該TPPの含量はエポキシ樹脂100重量部に対して0.3乃至6重量部が好ましい。
一方、黒鉛粉末と樹脂との結合特性を増加させるための結合剤としてはシランカップリング剤が用いられる。その含量としては、黒鉛粉末に対して0.3乃至6重量%が好ましい。
本発明によると、非常に均一な混合のため、アセトンに溶解されたエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、結合剤などの混合溶剤を黒鉛粉末と共に公転と自転とが同時に行われる混合容器に入れて均一に混合することができる。
高分子物質とその他の添加剤とのより均一な混合のために溶剤として用いたアセトンを蒸発させるために30乃至60℃の真空オーブン内にて1乃至6時間混合物を放置した後、乾燥及び粉砕して燃料電池分離板成型用素材が製造可能である。
かかる本発明を実施例により詳細に説明する。
均一な混合のため、エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、結合剤などをアセトンに溶かせた後、黒鉛粉末と共に容器の公転と自転とが同時に行われる混合器を用いて混合した。
混合後、アセトンの蒸発のため50℃の真空オーブン内に3時間放置した後、粉砕して粉末素材を製造し、該粉末素材を用いて圧縮成型方式で分離板(以下“発明分離板”という)を製造した。
前記実施例で用いた黒鉛粉末と同一な粒度の球状黒鉛粉末を用い、熱硬化性粉末樹脂と共に入れて乾式混合した素材を用いて圧縮成型方式で分離板(以下“既存分離板”という)を製造した。高分子物質と黒鉛粉末との混合比は実施例1と同一に設定した。それにより製造された粉末素材を用いた圧縮成型工程の条件も実施例1と完全に同一に適用した。
添付図面の中、図1乃至4は本発明の実施例1(発明分離板)と従来例である比較例1(既存分離板)に対する4つの主な物性、つまり気体透過度(図1)、電気伝導度(図2)、屈曲強度(図3)及び密度(図4)を測定し比較したグラフである。
図1より実施例1(発明分離板)は比較例1(既存分離板)に比べ非常に優秀なガス透過度の減少現象を表すことがわかる。図2と図3により電気伝導度と屈曲強度も実施例1(発明分離板)の場合が比較例1(既存分離板)よりずっと優秀であることがわかる。図4の密度の比較グラフによりも同じく実施例1(発明分離板)の密度が比較例1(既存分離板)の密度より高い、且つ表示された標準偏差バーより製品内の物性均質度も非常に優秀であることがわかる。
Claims (3)
- エポキシ樹脂100重量部に対し、酸無水物系化合物の硬化剤30乃至85重量部と、トリフェニルホスフィンの硬化促進剤0.3乃至6重量部と、黒鉛粉末と、を共に混合した後、30乃至60℃で1乃至6時間乾燥および粉砕して燃料電池分離板成型用素材を製造する方法であって、
前記エポキシ樹脂、前記硬化剤及び前記硬化促進剤を、結合剤としてのシランカップリング剤と共にアセトン溶媒に先に溶かした後、前記黒鉛粉末としての0.005乃至0.15mmの大きさを有する板状の膨張黒鉛粉末を添加して、公転と自転とが同時に行われる混合器で均質に混合し、乾燥および粉砕して製造することを特徴とする燃料電池分離板成型用素材の製造方法。 - 前記黒鉛粉末は、前記エポキシ樹脂100重量部に対し、400乃至2,200重量部の量で添加することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池分離板成型用素材の製造方法。
- 前記結合剤は、前記黒鉛粉末に対し、0.3〜6重量%を添加することを特徴とする、請求項1に記載の燃料電池分離板成型用素材の製造方法。
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