JP5465091B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ - Google Patents
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Description
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を10〜40体積%以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を60〜90体積%以下とすることを特徴としている。
また、リン酸を用いて150〜200℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造することができる。
導電性材料は、粒子径の異なる2種類以上を併用することができ、この併用する場合には、高充填化が可能になるので、高導電性の燃料電池用セパレータを得ることができる。
成形材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、(1)の場合と同様、粉体状が良い。
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてウルトラゾーンP3010Natural(BASFジャパン社製:商品名、ガラス転移点:220℃)を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器(セイシン社製:商品名ロボットシフターRPS‐105)により測定したところ、粒度分布はX10=40.5μm、X50=64.4μm、X90=94.2μmだった。
オーブンで180℃に加熱したフッ素樹脂容器のリン酸中に燃料電池用セパレータを15日間浸漬し、浸漬前後の燃料電池用セパレータの特性、リン酸の色、浸漬後の燃料電池用セパレータの外観により評価した。リン酸は、JIS試薬特級(和光純薬社製:含量85%)を使用した。リン酸の色は、180℃で15日経過後の燃料電池用セパレータの浸漬前後における色彩で評価した。
JIS K7171に準拠し、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の曲げ強度により評価した。評価用の試験片については、燃料電池用セパレータを100mm×150mmのサイズに2枚裁断し、1枚をリン酸浸漬前用とし、もう1枚をリン酸浸漬後用とした。
四端子四探針法により、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の体積抵抗値により評価した。評価用の試験片やリン酸浸漬後の試験片については、上記と同様である。
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の外観について、目視により評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の表面性について、手触りの感触で評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛との体積組成率を表1に示すように変更し、実施例1と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表1にまとめた。
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてレーデル R‐5000NT(ソルベイアドバンストポリマーズ社製:商品名、ガラス転移点:220℃)を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器(セイシン社製:商品名ロボットシフターRPS‐105)により測定したところ、粒度分布はX10=45.0μm、X50=72.3μm、X90=175.3μmだった。
先ず、成形材料を調製するため、表2に示す粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを加圧ニーダーに投入して325℃、10分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を50℃以下に冷却してφ4mmのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ0.3mmのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
ポリフェニルサルホン樹脂と黒鉛とを表2に示すように変更し、実施例4と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表2にまとめた。
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表2に示すように変更し、実施例4と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表2にまとめた。
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表2に示すように変更し、実施例4と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表2にまとめた。
先ず、実施例4で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂33.3体積%と、平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛(オリエンタル産業社製:商品名人造黒鉛粉AT‐No.5S)66.7体積%とを加圧ニーダーに投入して325℃、10分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
先ず、実施例6で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂30.4体積%と、平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛(オリエンタル産業社製:商品名人造黒鉛粉AT‐No.5S)69.6体積%とを加圧ニーダーに投入して25℃、10分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
先ず、成形材料を調製するため、実施例1、2で使用したポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料として平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛とを表4に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ10mmのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを23℃、1時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、体積抵抗値が10mΩ・cmを超えていたため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
実施例6で使用したポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表4に示す組成体積比率で加圧ニーダーに投入して325℃、10分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を50℃以下に冷却してφ4mmのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、φ0.3mmのパンチングメタルを備えたピンミルで粉砕して成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、曲げ強度が40MPa未満と劣悪であったため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
粉体化されたポリフェニレンサルファイド樹脂としてトレリナE2180(東レ社製:商品名)を用意し、このポリフェニレンサルファイド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛(オリエンタル産業社製:商品名AT‐No.5S)とを表4に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にジルコニアボールを併せて投入した。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
粒子形状がペレットのポリエーテルサルホン樹脂としてウルトラゾーンE2010 Natural(BASFジャパン社製:商品名、ガラス転移点:225℃)を用意し、このポリエーテルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛(オリエンタル産業社製:商品名AT‐No.5S)とを表4に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して330℃、10分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は中止した。
粒子形状がペレットのポリエーテルイミド樹脂としてウルテム1010‐1000(SABIC イソベーティブプラスチックスジャパン社製:商品名)を用意し、このポリエーテルイミド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が53.3μmの人造黒鉛(オリエンタル産業社製:商品名AT‐No.5S)とを表4に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して325℃、10分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
ところが、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
実施例の燃料電池用セパレータは、機械的性質が曲げ強度で40MPa以上、体積抵抗値が10mΩ・cm以下であり、十分に使用可能であるのを確認した。180℃のリン酸に浸漬した場合についても、曲げ強度が40MPa以上、体積抵抗値が10mΩ・cm以下であるのを確認した。加えて、燃料電池用セパレータを180℃で15日浸漬したリン酸の色は、浸漬前の色と同様に無色透明であった。
以上のことから、実施例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとして十分に使用可能である。
以上のことから、比較例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとしては不十分であるのが確認された。
Claims (4)
- 成形材料を使用した成形法により、曲げ強度が40MPa以上、電気的性質が体積抵抗値で10mΩ・cm以下の燃料電池用セパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を10〜40体積%以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を60〜90体積%以下と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。 - 成形材料を粉体状とするとともに、導電性材料を黒鉛とし、この成形材料をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度の金型に充填し、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形した後、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型する請求項1記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- リン酸を用いて150〜200℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造する請求項1又は2記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
- 請求項1、2、又は3記載の燃料電池用セパレータの製造方法により製造されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
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