JP6326958B2 - 燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明の目的は、所望のチキソ性を有する燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法を提供することである。
(1) 4%水溶液としたときの粘度が4〜50mPa・sであるポリビニルアルコールおよび2種類以上の導電性材料を含む混合物であって、前記混合物中の前記導電性材料の含有量が、60〜80wt%である混合物を、密閉式混練機を用いて20〜80℃に保ち、2000〜5000MJ/m3のエネルギーで混練する第1混練工程と、前記第1混練工程において混練された前記混合物に水系分散粒子状アクリル系バインダーを添加し、混練する第2混練工程とを含む燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法、
(2) 前記導電性材料は、二次粒子の体積平均粒子径が100〜1000μmのカーボンブラックと体積平均粒子径が10〜60μmのグラファイトとを含むことを特徴とする(1)記載の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法
が提供される。
(導電性材料)
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法の第1混練工程において用いる導電性材料としては、カーボン等を用いることができる。カーボンとしては、グラファイト(具体的には鱗片状黒鉛、人造黒鉛、球状黒鉛など)、黒鉛質の炭素微結晶が数層集まって乱層構造を形成した球状集合体であるカーボンブラック(具体的にはアセチレンブラック、ケッチェンブラック、その他のファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルランプブラックなど)、炭素繊維やカーボンウィスカーなどを用いることができ、グラファイトとカーボンブラックとを併用することが好ましい。
比較的大きい粒子径を有するカーボンブラックと比較的小さい粒子径を有するグラファイトとを併用することで密に充填することができる。
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法の第1混練工程においてはポリビニルアルコールを用いる。ポリビニルアルコールを用いることにより、得られる水系導電性ペーストにより形成されるセパレーターの耐酸性を向上させることができ、また、導電性材料の分散性を向上させることができる。
(高沸点アルコール)
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法においては、乾燥速度を調整し、平滑な塗膜を形成する観点から、導電性材料、ポリビニルアルコールの他に高沸点アルコールを用いてもよい。高沸点アルコールは、第1混練工程及び第2混練工程のいずれにおいて添加してもよいが、導電性ペーストの固形分濃度が高い状態で混練ができる観点から、第1混練工程が終了した後、即ち後述する第2混練工程における混練を行う際に添加することが好ましい。
第1混練工程においては、上述の導電性材料、ポリビニルアルコール、水および必要に応じて添加される高沸点アルコールを含む混合物を混練機にて混練する。
また、第1混練工程においては、混練中の極端な発熱を抑制する観点から、温度を20〜80℃の範囲に、好ましくは30〜70℃の範囲に、特に好ましくは40〜60℃の範囲に保つ。
(アクリル系バインダー)
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法の第2混練工程に用いる水系分散粒子状アクリル系バインダーは、通常、水等の水系の分散媒に分散された分散液の状態で使用される。また、アクリル系バインダーとしては、酸変性ポリアクリレート、ニトリル変性ポリアクリレート等を用いるのが好ましい。酸変性ポリアクリレートとしては、酸モノマーとアクリレートモノマーとの共重合体等が挙げられ、ニトリル変性ポリアクリレートとしては、アクリロニトリルとアクリレートモノマーとの共重合体等が挙げられる。また、酸モノマー及びアクリロニトリルとアクリレートモノマーとを共重合させた共重合体を用いてもよい。
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法に係る水系導電性ペーストは、上述の第1混練工程において混練した混合物にアクリル系バインダー及び必要に応じて添加される高沸点アルコールや添加剤を添加し、混合することにより得られる。即ち、本発明に係る水系導電性ペーストは第1混練工程および第2混練工程の二段階練りを行うことにより得られ、二段階練りを行うことにより分散性を向上させることができる。
本発明の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法に係る水系導電性塗料を、燃料電池のセパレーターの基材として用いられる金属材料または炭素材料等の上に塗布して乾燥することにより導電性塗膜を形成することができる。塗布方法としては、例えば、ダイコート法、ドクターブレード法、ディップ法、リバースロール法、ダイレクトロール法、グラビア法、エクストルージョン法、スクリーン印刷、ハケ塗りなどが挙げられる。基材上に導電性塗膜を形成することにより、燃料電池のセパレーター、電磁波吸収体、導電回路、導電コネクタ等として用いることができる。
本発明によれば、チキソ性に優れた水系導電性ペーストを得ることができる燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法を提供することができる。
作製した水系導電性ペーストをイオン交換水で30倍に希釈した後、超音波装置を用いて5分間分散処理を行った。次に、分散処理を行った水系導電性ペーストの吸光度が0.1〜0.2となるように測定サンプルを調製し、レーザー回折式粒子径分布測定装置(島津製作所製 SALD−2300)を用いてカーボンの体積基準における粒子径分布を得た。この粒子径分布からピークの粒子径を求めた。
実施例および比較例で得られた水系導電性ペーストのせん断速度が0.01(1/s)の場合の粘度η1およびせん断速度が10(1/s)の場合の粘度η2をレオメーター(アントンパール社製 MCR302)を用いて、25℃で測定した。
PETフィルム上に、実施例および比較例で得られた水系導電性ペーストをギャップ500μmのドクターブレードで塗工した。形成した塗膜を90℃で1時間乾燥し、試験シートとした。該シート表面の外観をレーザー顕微鏡(KEYENCE社製 形状測定レーザマイクロスコープ VK-8700)にて、10倍の倍率で0.5cm×0.5cmの塗膜の亀裂を観察し、下記の基準により評価した。結果を表1〜3に示した。
A:0.5cm×0.5cmの塗膜上に0.01mm以上の亀裂がない
B:0.05mm以上の亀裂がない
C:0.1mm以上の亀裂がある
上述の流動性の評価において用いた試験シートと同様に試験シートを作製し、塗膜の表面の粗さをレーザー式深度計(KEYENCE社製 形状測定レーザマイクロスコープ VK-8700)を用いて、3回測定した平均値をRaとして求めた。Raは、下記の基準により評価した。Raは、10μm未満であると平滑であることを示している。
A:Ra<10μm
B:10μm≦Ra<15μm
C:Ra≧15μm
PETフィルム上に、実施例および比較例で得られた水系導電性ペーストを幅60mm、ギャップ500μmのドクターブレードで塗布形成した塗膜を90℃で1時間乾燥し、試験シートを作製した。試験シートの乾燥前後の塗工幅の広がりをノギスで測定し、下記の基準により形状維持性を評価した。
A:塗工幅の広がりが0.1mm未満
B:塗工幅の広がりが0.1mm以上0.3mm未満
C:塗工幅の広がりが0.3mm以上
上述の形状維持性の評価において用いた試験シートと同様の試験シートを作製した。この試験シートを所定の大きさに切り出し、金属端子を表面に接触させて体積抵抗率を測定し、下記の基準により評価した。体積抵抗率は、10mΩcm以下であると良好である。
A:10mΩcm未満
B:10mΩcm以上20mΩcm未満
C:20mΩcm以上
(バインダーポリマー1の製造)
攪拌装置を備えたステンレス製耐圧反応器に、シードラテックス(スチレン38部、メチルメタアクリレート60部及びメタクリル酸2部を重合して得られる、粒子径70nmの重合体粒子のラテックス)を固形分にて3部、2エチルヘキシルアクリレート80部、アクリロニトリル20部、アンモニウムラウリルサルフェート(アニオン性界面活性剤)2部、およびイオン交換水108部を添加し、攪拌した。次いで、反応器内の温度を60℃に昇温した後、4%過硫酸カリウム水溶液10部を投入して重合反応を開始させた。そして、重合反応を進行させ、重合転化率が70%に達したとき、反応温度を70℃に昇温した。反応温度を70℃に維持しながら、重合転化率が97%に達するまで、重合反応を継続した。反応系を室温まで冷却して、重合反応を停止し、減圧して未反応単量体を除去した。イオン交換水を添加し、固形分濃度を45%、分散液のpHを7.5に調整することにより、バインダーポリマー1の分散液を得た。なお、分散液のpHの調整は、10%アンモニア水溶液を添加することにより行った。得られた粒子状のバインダーポリマーの体積平均粒子径は、0.33μmであった。
カーボン、ポリビニルアルコール及び水を含む混合物を、バンバリーミキサー(ラボプラストミル 株式会社東洋精機製作所製)を用いて、50℃において60rpmで25分間混練、粉砕し、この混合物にかけるエネルギーが3500MJ/m3となるまで混練することにより1段階目の混練工程を行った。その後、プロピレングリコールおよびバインダーポリマー1の分散液を加え、10rpmで15分間混錬する2段階目の混練工程を行い、水系導電性ペーストを作製した。
・グラファイト:伊藤黒鉛工業株式会社 鱗状黒鉛 SRP−150 (体積平均粒子径:28μm)
・カーボンブラック:電気化学工業株式会社製 デンカブラック (二次粒子の体積平均粒子径:500μm、DBP(ジブチルフタレート)吸油量50〜400ml/100g)
用いるポリビニルアルコール水溶液を、4%水溶液とした場合の粘度が20mPa・s(20℃)であるポリビニルアルコール(日本酢ビ・ポバール株式会社製JF−7とJF−10を7:3(重量比)で混合したもの、ケン化度:98〜99%)をとした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
用いるポリビニルアルコールの種類を、4%水溶液とした場合の粘度が40mPa・s(20℃))であるポリビニルアルコール(日本酢ビ・ポバール株式会社製JF−20、ケン化度:98〜99%)をとした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混合物全体(100部)に対してカーボンを85部用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
用いるカーボンの組成を、グラファイト70部に対してカーボンブラックを30部とした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
用いるグラファイトの種類をグラファイト(伊藤黒鉛工業株式会社 鱗片状黒鉛 Z−50(体積平均粒子径:45μm))とした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
カーボン、ポリビニルアルコールおよび水を含む混合物を混練する際のエネルギーが2300MJ/m3となるように混練した以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
カーボン、ポリビニルアルコールおよび水を含む混合物を混練する際のエネルギーが4400MJ/m3となるように混練した以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
プロピレングリコールに代えて、エチレングリコールを用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
プロピレングリコールに代えて、ジプロピレングリコールを用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
第2混練工程において添加したプロピレングリコールを、第1混練工程および第2混練工程において分けて添加した以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
プロピレングリコールを加えなかった以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
水系導電性ペーストの製造においてプロピレングリコールとして、プロピレングリコール70部に対して水30部の組成を有する溶液を用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
水系導電性ペーストの製造においてプロピレングリコールとして、プロピレングリコール30部に対して水70部の組成を有する溶液を用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
カーボン100部に対して用いるポリビニルアルコールの量を2部とした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
カーボン100部に対して用いるバインダーポリマー1の量を5部とした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
用いるポリビニルアルコールの種類を、4%水溶液とした場合の粘度が3.5mPa・s(20℃))であるポリビニルアルコール(日本酢ビ・ポバール株式会社製JF−3、ケン化度:98〜99%)をとした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
用いるポリビニルアルコールの種類を、4%水溶液とした場合の粘度が67mPa・s(20℃))であるポリビニルアルコール(日本酢ビ・ポバール株式会社製JC−25、ケン化度:98〜99%)をとした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混合物全体(100部)に対してカーボンを50部用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混合物全体に対してカーボンを93部用いた以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混練の際に用いる混練機をディスパーとした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混練の際の温度を100℃とした以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
カーボン、ポリビニルアルコール水溶液、プロピレングリコールを含む混合物を混練する際のエネルギーが5700MJ/m3となるように混練した以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
混練後のカーボンの粒子径分布は、1.2μmおよび20μmの2つのピークを有していた。
カーボン、ポリビニルアルコール水溶液、プロピレングリコールを含む混合物を混練する際のエネルギーが1400MJ/m3となるように混練した以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
1段階目の混練工程においてカーボン、ポリビニルアルコール及び水に加えて、プロピレングリコール及びバインダーポリマー1分散液を混練し、1段階目の混練工程の終了後何も添加せずに2段階目の混練工程を行った以外は、実施例1と同様に水系導電性ペーストの製造を行った。
Claims (2)
- 4%水溶液としたときの粘度が4〜50mPa・sであるポリビニルアルコールおよび2種類以上の導電性材料を含む混合物であって、前記混合物中の前記導電性材料の含有量が、60〜80wt%である混合物を、密閉式混練機を用いて20〜80℃に保ち、2000〜5000MJ/m3のエネルギーで混練する第1混練工程と、
前記第1混練工程において混練された前記混合物に水系分散粒子状アクリル系バインダーを添加し、混練する第2混練工程と
を含む燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法。 - 前記導電性材料は、二次粒子の体積平均粒子径が100〜1000μmのカーボンブラックと体積平均粒子径が10〜60μmのグラファイトとを含むことを特徴とする請求項1記載の燃料電池セパレーター用水系導電性ペーストの製造方法。
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