JP2007035615A - Separator for fuel cell, manufacturing method thereof, and fuel cell using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 溝部における水の濡れ性を改良した燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 樹脂と導電性材料とを構成成分として含み、硫酸ガス処理によりガス流路表面の少なくとも一部にスルホン酸基が付与された燃料電池用セパレータであって、前記セパレータのガス流路表面に存在する樹脂とスルホン酸基とが結合し、かつ前記スルホン酸基中の硫黄原子のガス流路表面での比率がエネルギー分散型X線分光法により測定される値で0.1〜4.0原子数%であることを特徴とする燃料電池用セパレータ、その製造方法及び燃料電池に関する。
【選択図】 なし
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel cell with improved water wettability in a groove and a method for producing the same.
SOLUTION: A fuel cell separator including a resin and a conductive material as constituents and having a sulfonic acid group added to at least a part of a gas channel surface by sulfuric acid gas treatment, the gas channel of the separator The resin existing on the surface and the sulfonic acid group are bonded to each other, and the ratio of the sulfur atom in the sulfonic acid group on the gas flow path surface is 0.1 to 4 as a value measured by energy dispersive X-ray spectroscopy. The present invention relates to a separator for a fuel cell, a method for manufacturing the same, and a fuel cell.
[Selection figure] None
Description
本発明は、表面の親水性に優れた燃料電池用セパレータ、その製造方法および該セパレ−タを用いた燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator having excellent surface hydrophilicity, a method for producing the same, and a fuel cell using the separator.
燃料電池とは、燃料と酸化剤との電気化学反応を利用して、電気および熱エネルギ−を取り出す装置をいい、その構造は一般的には、電解質を介してその両側に設けた2つの電極を水素ガスなどの燃料あるいは酸素ガスまたは空気などの酸化剤を供給するための供給路を設けた2つのセパレ−タで挟持された単セルを基本構造とする。高出力を必要とする場合には、単セルを直列に複数積層したスタック構造とし、スタックの両端に設けた集電板で集電する。 A fuel cell refers to a device for taking out electricity and thermal energy by utilizing an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant, and generally has two electrodes provided on both sides thereof via an electrolyte. The basic structure is a single cell sandwiched between two separators provided with a supply path for supplying a fuel such as hydrogen gas or an oxidant such as oxygen gas or air. When high output is required, a stack structure in which a plurality of single cells are stacked in series is used, and current is collected by current collecting plates provided at both ends of the stack.
燃料電池としては、電解質、燃料、酸化剤などの種類により種々の型があり、中でも電解質として固体高分子電解質膜、燃料として水素ガス、酸化剤として空気を用いる固体高分子型燃料電池や、燃料電池内部で直接メタノ−ルから水素を取り出し燃料とするメタノ−ル直接型燃料電池は、発電時の作動温度が100℃以下の比較的低温で効率的発電が可能である。 There are various types of fuel cells depending on the type of electrolyte, fuel, oxidant, etc. Among them, solid polymer electrolyte membranes that use electrolyte as solid polymer electrolyte membrane, hydrogen gas as fuel, air as oxidant, and fuel A methanol direct type fuel cell that directly extracts hydrogen from methanol inside the battery and uses it as fuel can efficiently generate power at a relatively low operating temperature of 100 ° C. or lower during power generation.
これら燃料電池を構成するセパレ−タは、通常、黒鉛等の導電性材料と樹脂との混合物を用いた成形板からなるガス不透過性導電性部材によって形成されており、その表面にはガス拡散電極との間でガス流路を形成するリブ構造が形成されている。このようなセパレータとしては、燃料電池セルへ流入する反応ガスの供給路を上記ガス流路により確保すると共に、燃料電池セルで発電した電気を外部へ伝達するという役割を担っており、上記役割を充分に果たす為に、表面方向および厚み方向における高い導電性を有する材料からなることが要求されるばかりでなく、電極部と接触する表面の抵抗を低減させることが要望されている。
この要望に対し、電極部との接触抵抗を低減させたセパレ−タおよびその製造方法が提案されている(例えば特許文献1および特許文献2参照)。このセパレ−タは導電性材料と熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂との混合物を成形した後、セパレ−タ表面を研磨することにより特定の表面粗さのものに機械加工して、表面の接触抵抗を低減するものである。
しかしながら上記のセパレ−タは、電極部との接触抵抗がある程度改善されるが、十分ではなく、また親水性に関しては、表面が粗くなるため、濡れ性の悪い材料を用いると却って親水性を低下させることがある。
The separators constituting these fuel cells are usually formed by a gas-impermeable conductive member made of a molded plate using a mixture of a conductive material such as graphite and a resin, and gas diffusion is formed on the surface thereof. A rib structure that forms a gas flow path with the electrode is formed. As such a separator, the supply path of the reaction gas flowing into the fuel battery cell is secured by the gas flow path, and the role of transmitting electricity generated by the fuel battery cell to the outside is assumed. In order to perform sufficiently, it is required not only to be made of a material having high conductivity in the surface direction and the thickness direction, but also to reduce the resistance of the surface in contact with the electrode portion.
In response to this demand, a separator having a reduced contact resistance with an electrode portion and a manufacturing method thereof have been proposed (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2). This separator is formed by molding a mixture of a conductive material and a thermoplastic resin or a thermosetting resin, and then machining the surface of the separator to a specific surface roughness by polishing the surface to make contact with the surface. The resistance is reduced.
However, the above-mentioned separator improves the contact resistance with the electrode part to some extent, but is not sufficient, and the hydrophilicity is rough, and the surface becomes rough. There are things to do.
前記燃料電池用セパレータを組み込んだ燃料電池は、陰極には水素を含有する燃料ガスの供給を受け、陽極には酸素を含有する酸化ガスの供給を受けるが、各電極で電気化学反応が進行する際、陰極側又は陽極側において生成水が生じる。
通常、生じた生成水は、陽極側に供給されている酸化ガス中に気化し、酸化ガスとともに燃料電池外に排出される。しかし、生じる生成水の量が多くなると、酸化ガス中に気化させるだけでは生成水を排出しきれなくなってしまう。このように酸化ガス中に気化されずに残った生成水が陽極の周辺で水滴になると、ガス流路が閉塞されて陽極周辺での酸化ガスの流れが妨げられて電池性能の低下につながってしまう。
The fuel cell incorporating the fuel cell separator is supplied with a fuel gas containing hydrogen at the cathode and supplied with an oxidizing gas containing oxygen at the anode, but the electrochemical reaction proceeds at each electrode. At this time, generated water is generated on the cathode side or the anode side.
Usually, the produced water is vaporized in the oxidizing gas supplied to the anode side, and is discharged out of the fuel cell together with the oxidizing gas. However, when the amount of generated water increases, the generated water cannot be exhausted only by vaporizing it in the oxidizing gas. In this way, if the generated water that remains without being vaporized in the oxidizing gas becomes water droplets around the anode, the gas flow path is blocked and the flow of the oxidizing gas around the anode is hindered, leading to a decrease in battery performance. End up.
このようなガス流路の閉塞は、陽極ばかりではなく陰極でも起こり得る。燃料電池の陰極では電池反応によって上記したような生成水が生じることはないが、陰極に供給される燃料ガス中の水蒸気の凝縮が起こり得る。通常、電気化学反応が進行する時、陰極側では陰極反応で生じたプロトンは所定の数の水分子と水和した状態で電解質膜中を陽極側へ移動するので、電解質膜の陰極側において水分が不足して導電性が低下してしまうが、これを防ぐために、陽極側に供給する燃料ガスを加湿して、電解質膜に対して水を補う構成となっている。
このように燃料ガス中に加えられた水蒸気は、燃料電池の始動時や、燃料電池の運転温度が低下して飽和蒸気圧が下がった時等に、ガス流路において凝縮してしまうことがあり、この場合には、陽極側においてもガスの流路が閉塞されて燃料ガスの流れが妨げられて、電池性能の低下につながってしまう。
上記したように陰極反応で生じたプロトンは水和した状態で陽極側に移動する為、陽極側では、既述した生成水の他にプロトンの移動とともに持ち込まれる水分子も加わって、更に水が過剰な状態となり、ガス流路が閉塞され易くなる。このような閉塞現象は導電性材料と樹脂からなる燃料電池用セパレータにおいて顕著に見られる現象である。
Such blockage of the gas flow path can occur not only in the anode but also in the cathode. At the cathode of the fuel cell, the generated water as described above is not generated by the cell reaction, but the water vapor in the fuel gas supplied to the cathode may condense. Normally, when an electrochemical reaction proceeds, protons generated in the cathode reaction on the cathode side move to the anode side in a state of being hydrated with a predetermined number of water molecules. However, in order to prevent this, the fuel gas supplied to the anode side is humidified to supplement the electrolyte membrane with water.
Thus, the water vapor added to the fuel gas may condense in the gas flow path when the fuel cell is started or when the operating temperature of the fuel cell is lowered and the saturated vapor pressure is lowered. In this case, the flow path of the gas is also blocked on the anode side and the flow of the fuel gas is hindered, leading to a decrease in battery performance.
As described above, protons generated in the cathode reaction move to the anode side in a hydrated state. Therefore, on the anode side, in addition to the generated water described above, water molecules brought in along with the movement of protons are added, and water is further added. It becomes an excessive state, and the gas flow path is easily blocked. Such a clogging phenomenon is a phenomenon that is noticeable in a fuel cell separator made of a conductive material and a resin.
そこで、従来、導電性材料と樹脂とからなる燃料電池用セパレータの全表面あるいはガス流路の表面に対して親水処理を施し、これによって生成水の排出性の向上が図られてきた。導電性材料と樹脂とからなる燃料電池用セパレータを構成する部材を親水処理することによって、生成水は水滴として留まることなく、所定の流路まで導かれるようになり、生成水によるガスの拡散阻害を防ぐことができる。
既述した固体高分子型燃料電池は、電解質層として固体高分子膜を用い、この固体高分子膜を挟持する一対のガス拡散電極と、ガス拡散電極を更に外側から挟持して燃料ガスと酸化ガスとを分離するセパレ−タとを有する単セルを基本単位として、この単セルを複数個積層した構造を備えている。このような固体高分子型燃料電池では、上記したような親水処理は、セパレ−タに対して行われるが、その他ガス拡散電極に対しても行われる。
Therefore, conventionally, the entire surface of the fuel cell separator made of a conductive material and a resin or the surface of the gas flow path has been subjected to a hydrophilic treatment, thereby improving the discharge of generated water. By subjecting the members of the fuel cell separator made of a conductive material and a resin to hydrophilic treatment, the generated water can be guided to a predetermined flow path without staying as water droplets. Can be prevented.
The previously described solid polymer fuel cell uses a solid polymer membrane as an electrolyte layer, a pair of gas diffusion electrodes sandwiching the solid polymer membrane, and a gas diffusion electrode from the outside to oxidize the fuel gas A single cell having a separator for separating gas is used as a basic unit, and a plurality of single cells are stacked. In such a polymer electrolyte fuel cell, the hydrophilic treatment as described above is performed on the separator, but is also performed on other gas diffusion electrodes.
このような導電性材料と樹脂とからなる燃料電池用セパレータを親水処理する方法としては、以下の方法が挙げられる。
まず古くはガス流路の入り口または出口に気孔率が30〜80%の吸水性を有するポ−ラスなカ−ボン部材を備え付ける方法(例えば特許文献3参照)が提案されている。しかしこの方法で得られるセパレータは、時間の経過により親水性能が低下するという問題があり、また成形時あるいは成形後に吸水性部材を配設する複雑な工程を経なければならず、工程上の問題もあった。
また親水処理の方法として、燃料ガス流路表面と好ましくは酸化ガス流路表面にも種々の親水性樹脂、親水性の有機化合物及び無機化合物等により被膜あるいは塗膜を形成させる方法(例えば特許文献4及び特許文献5参照)が提案されている。しかしこれらの方法で得られるセパレ−タは、表面に絶縁性の膜を形成することになるため、導電性が著しく低下したり、あるいは膜からの溶出物により燃料電池の耐久性が低下する要因になっていた。
Examples of a method for hydrophilic treatment of such a separator for a fuel cell made of a conductive material and a resin include the following methods.
First, a method has been proposed in which a porous carbon member having a water absorption rate of 30 to 80% is provided at the entrance or exit of a gas flow path (see, for example, Patent Document 3). However, the separator obtained by this method has a problem that the hydrophilic performance is lowered with the passage of time, and it is necessary to go through a complicated process of disposing a water absorbing member at the time of molding or after molding. There was also.
Further, as a hydrophilic treatment method, a method of forming a coating or a coating film on the surface of the fuel gas channel and preferably on the surface of the oxidizing gas channel with various hydrophilic resins, hydrophilic organic compounds and inorganic compounds (for example, patent documents) 4 and Patent Document 5) have been proposed. However, since the separator obtained by these methods forms an insulating film on the surface, the conductivity is remarkably reduced, or the elution from the film causes a decrease in the durability of the fuel cell. It was.
更に親水処理の他の方法としては、樹脂バインダ−を含む導電性セパレ−タを構成する原材料中に、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、デンプン、アクリル酸共重合体樹脂、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコ−ル等の親水性物質、吸水性樹脂を添加混合して、セパレ−タ材質自体を親水化する方法(例えば特許文献6参照)が提案されているが、これらの親水性あるいは吸水性物質は容易に水を吸収し、その水中に親水性、吸水性物質からの種々の不純物が溶出するため、これらのセパレータを組み込んだ燃料電池の特性を著しく阻害されるという問題があった。
また親水処理方法として、各種素材からなる導電性セパレ−タ表面を、親水化ガス中で低温プラズマ処理、コロナ処理、紫外線照射等の処理を行うことにより親水性を付与する方法(例えば特許文献7参照)が提案されている。しかしこれらの方法による親水化は、時間とともにその効果が減少する性質があり、また真空中で親水化処理しなければならない場合もあり、工程上問題があった。
さらに処理用ガスとして硫黄元素含有化合物等を用いて常圧放電プラズマ処理することにより、表面を親水化処理する方法(例えば特許文献8参照)が提案されている。しかしこの提案では黒鉛製燃料電池セパレータに強い条件でプラズマ処理しており、このため、セパレータ表面の黒鉛が酸化して灰化し、導電性の低下や成型品形状の破損を引き起こし、セパレータとして使用に耐えなくなるという問題がある。
Further, as a hydrophilic treatment method, a surface of a conductive separator made of various materials is imparted with hydrophilicity by performing treatments such as low-temperature plasma treatment, corona treatment, and ultraviolet irradiation in a hydrophilization gas (for example, Patent Document 7). Have been proposed). However, the hydrophilization by these methods has a property that the effect decreases with time, and there are cases where the hydrophilization treatment must be performed in a vacuum, which causes a problem in the process.
Further, there has been proposed a method for hydrophilizing the surface by performing atmospheric pressure discharge plasma treatment using a sulfur element-containing compound or the like as a treatment gas (see, for example, Patent Document 8). However, in this proposal, the graphite fuel cell separator is plasma-treated under strong conditions, so the graphite on the separator surface oxidizes and ashes, causing a decrease in conductivity and damage to the shape of the molded product. There is a problem of being unable to endure.
上述するように、リブ構造を有するセパレ−タにおいて、溝部に生成し滞留した水をスム−ズに外部に排出できないことにより、燃料電池の起電力の低下を招いているという問題を解決するための最適の方法は未だ見出されていないのが現状であった。
本発明は、溝部における水の濡れ性を改良した燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的としている。
As described above, in the separator having the rib structure, in order to solve the problem that the electromotive force of the fuel cell is reduced because the water generated and retained in the groove portion cannot be smoothly discharged to the outside. At present, the optimal method has not been found yet.
An object of the present invention is to provide a fuel cell separator having improved water wettability in a groove and a method for producing the same.
本発明者は、セパレータの表面を硫酸ガス処理することにより表面に存在する樹脂に特定量のスルホン酸基を付与すれば、安定した親水性を有するセパレータが得られることを発見するに及んで、本発明を完成させるに至った。
すなわち、本発明は、樹脂と導電性材料とを構成成分として含み、硫酸ガス処理によりガス流路表面の少なくとも一部にスルホン酸基が付与された燃料電池用セパレータであって、前記セパレータのガス流路表面に存在する樹脂とスルホン酸基とが結合し、かつ前記スルホン酸基中の硫黄原子のガス流路表面での比率がエネルギー分散型X線分光法により測定される値で0.1〜4.0原子数%であることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供するものである。また本発明は、硫黄原子のガス流路表面での比率がエネルギー分散型X線分光法による測定値で0.1〜4.0原子数%である燃料電池用セパレータの製造方法であって、樹脂と導電性材料とを含む導電性組成物を成形して得られる燃料電池用セパレータ材のガス流路表面に、硫酸含有ガスを接触させることを特徴とする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。さらに前記燃料電池用セパレータを組み込んでなる燃料電地を提供するものである。
The present inventors have found that a separator having a stable hydrophilic property can be obtained by applying a specific amount of a sulfonic acid group to the resin present on the surface by treating the surface of the separator with sulfuric acid gas. The present invention has been completed.
That is, the present invention is a fuel cell separator comprising a resin and a conductive material as constituent components, and having a sulfonic acid group added to at least a part of a gas flow path surface by sulfuric acid gas treatment, A resin and a sulfonic acid group existing on the flow path surface are bonded to each other, and a ratio of sulfur atoms in the sulfonic acid group on the gas flow path surface is 0.1 as a value measured by energy dispersive X-ray spectroscopy. The present invention provides a separator for a fuel cell, characterized by being -4.0 atomic%. The present invention also relates to a method for producing a fuel cell separator in which the ratio of sulfur atoms on the gas flow path surface is 0.1 to 4.0 atomic% as measured by energy dispersive X-ray spectroscopy, Provided is a method for producing a fuel cell separator, characterized in that a sulfuric acid-containing gas is brought into contact with a gas channel surface of a fuel cell separator material obtained by molding a conductive composition containing a resin and a conductive material. To do. Furthermore, the present invention provides a fuel cell in which the fuel cell separator is incorporated.
本発明の燃料電池用セパレ−タは、硫酸含有ガス中でセパレータのガス流路表面に存在する樹脂にスルホン酸基を付与することにより水の濡れ性が良くなるので、このセパレータを組み込んだ燃料電池は、燃料ガスの流入による水の滞留がなく、外部への水の排出性に優れるものである。このため本発明の燃料電池は、過剰な水により燃料ガスの供給が妨げられることが無く、起電力が安定し、また溶出等の不純物の影響が少なく、長期間に亘って安定的な発電が可能となる。 The separator for a fuel cell according to the present invention improves the wettability of water by adding a sulfonic acid group to a resin present on the surface of the separator gas flow path in a sulfuric acid-containing gas. The battery has no stagnation of water due to the inflow of fuel gas, and is excellent in discharging water to the outside. For this reason, the fuel cell of the present invention does not hinder the supply of fuel gas due to excessive water, the electromotive force is stable, there is little influence of impurities such as elution, and stable power generation is possible over a long period of time. It becomes possible.
本発明の燃料電池用セパレータは、硫酸ガス処理により燃料電池用セパレータ材のガス流路表面の少なくとも一部にスルホン酸基を付与して、親水化し、水の濡れ性を高めたものである。
この親水化の程度は、セパレータ流路表面に存在するスルホン酸基中の硫黄原子の含有量に基づくものである。
スルホン酸基中の硫黄原子の量は、ガス流路表面での存在比率がエネルギー分散型X線分析法により測定される値で0.1〜4.0原子数%であり、このうち2.0〜4.0原子数%が好ましい。硫黄原子の量が0.1〜4.0原子数%であれば、親水性に優れ、しかもその効果を長期にわたって維持することができる。一方硫黄原子の量が4.0原子数%を越えて表面に存在する場合、必然的に処理条件が強くならざるを得ず、これにより成型品表面の粗さが増加したり、吸水率が増加したり、強度が低下する等、セパレータとしての物性が著しく低下する。
ガス流路表面の一部とは、主にガス流路表面の溝部をいい、その他の部分を含んでいてもよい。
The fuel cell separator of the present invention is made hydrophilic by imparting sulfonic acid groups to at least a part of the gas flow path surface of the fuel cell separator material by sulfuric acid gas treatment, thereby improving the wettability of water.
The degree of hydrophilization is based on the content of sulfur atoms in the sulfonic acid group present on the separator channel surface.
The amount of sulfur atoms in the sulfonic acid group is 0.1 to 4.0 atomic% as measured by the energy dispersive X-ray analysis, with the abundance ratio on the gas flow path surface being 2. 0 to 4.0 atomic% is preferable. If the amount of sulfur atoms is 0.1 to 4.0 atomic percent, the hydrophilicity is excellent and the effect can be maintained over a long period of time. On the other hand, if the amount of sulfur atoms exceeds 4.0% by number on the surface, the treatment conditions inevitably become stronger, which increases the roughness of the surface of the molded product and increases the water absorption rate. The physical properties as a separator are remarkably reduced, such as an increase or a decrease in strength.
The part of the gas channel surface mainly refers to a groove on the gas channel surface, and may include other parts.
本発明の硫酸ガス処理とは、硫酸含有ガスを基材に接触させることにより、基材表面にスルホン酸基を付与することを意味する。硫酸含有ガスを用いてスルホン酸基を付与する方法としては、公知の方法が用いられる。例えば無水硫酸ガス、発煙硫酸ガスの気体中でセパレータ材を接触させる方法が挙げられる。これらの中、基材との反応性が高い点で無水硫酸ガスの気体中で接触させる方法が好ましい。
スルホン酸基は、ガス流路表面に存在する樹脂と結合することによりセパレータに付与される。
スルホン酸基と樹脂との結合形態としては、共有結合、配位結合、イオン結合、水素結合、ファンデルワールス結合等が挙げられる。これらの中、スルホン酸基が解離したり、脱離しにくい点から共有結合にて結合している状態が好ましい。
The sulfuric acid gas treatment of the present invention means that a sulfonic acid group is imparted to the substrate surface by bringing the sulfuric acid-containing gas into contact with the substrate. As a method for imparting a sulfonic acid group using a sulfuric acid-containing gas, a known method is used. For example, a method in which the separator material is brought into contact in a gas of anhydrous sulfuric acid gas or fuming sulfuric acid gas. Among these, the method of contacting in a gas of anhydrous sulfuric acid gas is preferable because of its high reactivity with the substrate.
The sulfonic acid group is imparted to the separator by bonding with a resin present on the surface of the gas flow path.
Examples of the bonding form between the sulfonic acid group and the resin include a covalent bond, a coordination bond, an ionic bond, a hydrogen bond, and a van der Waals bond. Among these, a state in which the sulfonic acid group is bonded by a covalent bond is preferable because it is not easily dissociated or easily detached.
本発明の燃料電池用セパレータの製造に用いることのできる無水硫酸含有ガスとしては、ガス状の無水硫酸、及び不活性ガスにより希釈されたガス状の無水硫酸を挙げることができる。
前記無水硫酸含有ガスとしては、前記セパレータ材に対する無水硫酸の割合を厳密に制御することができるため、不活性ガスにより希釈されたガス状の無水硫酸が好ましい。
スルホン酸基中の硫黄原子のガス流路表面での存在比率は、エネルギー分散型X線分析法により測定される値、具体的にはエネルギー分散型X線分析装置を用いて測定される数値に基づくものである。
このエネルギー分散型X線分析装置は、元素から発生するX線をエネルギー分散型の半導体検出器で分光分析するものである。
具体的な測定法としては、エネルギー分散型X線分析装置を用い、セパレータ表面を100倍の倍率で分析を行うことにより、電子線照射で発生する元素固有の特性X線を検出し、得られたスペクトルのピーク位置と強度とから元素を定性、定量するものである。
エネルギー分散型X線分析装置としては、例えばJSM−5900LV(日本電子株式会社製)が挙げられる。
またセパレータ表面のスルホン酸基は、X線光電子分光分析装置(ESCA)を用いて検出することができる。
Examples of the anhydrous sulfuric acid-containing gas that can be used for the production of the fuel cell separator of the present invention include gaseous anhydrous sulfuric acid and gaseous anhydrous sulfuric acid diluted with an inert gas.
The anhydrous sulfuric acid-containing gas is preferably gaseous anhydrous sulfuric acid diluted with an inert gas because the ratio of anhydrous sulfuric acid to the separator material can be strictly controlled.
The abundance ratio of sulfur atoms in the sulfonic acid group on the gas flow path surface is a value measured by an energy dispersive X-ray analysis method, specifically, a value measured using an energy dispersive X-ray analyzer. Is based.
This energy dispersive X-ray analyzer performs spectroscopic analysis of X-rays generated from elements using an energy dispersive semiconductor detector.
As a specific measurement method, by using an energy dispersive X-ray analyzer and analyzing the separator surface at a magnification of 100 times, characteristic X-rays specific to elements generated by electron beam irradiation are detected and obtained. The element is qualitatively and quantitatively determined from the peak position and intensity of the spectrum.
Examples of the energy dispersive X-ray analyzer include JSM-5900LV (manufactured by JEOL Ltd.).
The sulfonic acid group on the separator surface can be detected using an X-ray photoelectron spectrometer (ESCA).
前記不活性ガスとしては、無水硫酸及びセパレータ材を構成する材料の何れとも実質的に反応せず、かつ乾燥した水分の含有量を極力低くしたガスを挙げることができ、具体的には空気、炭酸ガス、ヘリウム、乾燥窒素、及び乾燥アルゴン、並びにこれらの混合物を挙げることができる。
不活性ガスにより希釈された無水硫酸は、無水硫酸(沸点44.8℃)をガス化させたものを空気、炭酸ガス、窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガスで希釈したものである。不活性ガスにより希釈された無水硫酸中の無水硫酸ガスの濃度は、特に制限はないが、0.1〜80体積%が好ましい。
前記無水硫酸含有ガスとしては、その他にガス状のルイス塩基と無水硫酸との混合物、及びガス状のルイス塩基と無水硫酸と前記不活性ガスとの混合物等を挙げることができる。
前記無水硫酸含有ガスにおける無水硫酸とルイス塩基とのモル比は、通常、材料または目的により自由に選ぶことができる。
Examples of the inert gas include a gas that does not substantially react with any of sulfuric anhydride and the material constituting the separator material, and has a dry water content as low as possible. Specifically, air, Mention may be made of carbon dioxide, helium, dry nitrogen, and dry argon, and mixtures thereof.
The anhydrous sulfuric acid diluted with an inert gas is obtained by diluting sulfuric acid (boiling point 44.8 ° C.) gasified with an inert gas such as air, carbon dioxide, nitrogen, helium, or argon. The concentration of anhydrous sulfuric acid gas in anhydrous sulfuric acid diluted with an inert gas is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 80% by volume.
Other examples of the sulfuric anhydride-containing gas include a mixture of a gaseous Lewis base and anhydrous sulfuric acid, a mixture of a gaseous Lewis base, anhydrous sulfuric acid, and the inert gas.
The molar ratio of sulfuric anhydride to Lewis base in the sulfuric anhydride-containing gas can usually be freely selected depending on the material or purpose.
燃料電池用セパレータを無水硫酸含有ガスと接触させ、ガス流路表面にスルホン酸基を付与する方法としては、例えば燃料電池用セパレータを無水硫酸含有ガスが流通する耐酸性の密閉容器に収容し、接触させるバッチ法、無水硫酸含有ガスが内部を流通する室内にセパレータを連続的に通過させる連続法等を挙げることができる。
具体的には、セパレータと無水硫酸含有ガスとの接触時間、ガス温度、密閉容器の温度、無水硫酸ガスの流量を定めることにより達成することができる。接触時間は、通常は0.1秒〜120分の範囲であり、好ましくは1〜60分の範囲である。0.1秒〜120分の範囲であれば、均一に処理することができ、それ相応の効果が期待できる。密閉容器の温度は、通常、0℃〜100℃の範囲が好ましく、さらに10℃〜90℃の範囲が好ましく、特に20℃〜80℃の範囲が好ましい。
As a method for bringing the fuel cell separator into contact with the anhydrous sulfuric acid-containing gas and imparting a sulfonic acid group to the gas flow path surface, for example, the fuel cell separator is housed in an acid-resistant sealed container in which the anhydrous sulfuric acid-containing gas flows, Examples thereof include a batch method in which the separator is brought into contact and a continuous method in which a separator is continuously passed through a chamber through which an anhydrous sulfuric acid-containing gas flows.
Specifically, this can be achieved by determining the contact time between the separator and the anhydrous sulfuric acid-containing gas, the gas temperature, the temperature of the sealed container, and the anhydrous sulfuric acid gas flow rate. The contact time is usually in the range of 0.1 seconds to 120 minutes, and preferably in the range of 1 to 60 minutes. If it is in the range of 0.1 second to 120 minutes, it can be uniformly processed and a corresponding effect can be expected. The temperature of the sealed container is usually preferably in the range of 0 ° C to 100 ° C, more preferably in the range of 10 ° C to 90 ° C, and particularly preferably in the range of 20 ° C to 80 ° C.
無水硫酸含有ガスの流量および処理時間は、セパレータ全体を密閉容器に入れ、ガス流量を多く、時間を長くかけてもそれ相応の効果が得られるが、セパレータのガス流路にのみ無水硫酸含有ガスが供給すれば、少量かつ短時間でも所定量のスルホン酸基を表面に結合することができる。セパレータ全体を密閉容器に入れる場合は、通常100%無水硫酸ガスに換算して、0.01〜10000ml/分の流量である。この流量であれば、処理時間が適度で、効率的である。この流量は、密閉容器の大きさに依存し、1分当たり密閉容器1容量に対し、0.5〜5倍量の範囲であることが好ましい。
また前記スルホン酸基の付与においては、燃料電池用セパレータ材を前処理してから無水硫酸含有ガスに接触させることが好ましい。前処理することにより、前処理しない場合と比べてより短い時間でスルホン酸基を付与することができる。
前処理方法としては、例えば乾燥が挙げられる。これは系内に水分が少しでも存在すると、無水硫酸含有ガス中の無水硫酸が濃硫酸に変化する可能性があるからである。
乾燥の方法としては、シリカゲル等の乾燥剤を入れたデシケータ中に静置する方法、50℃等室温以上に温度をかけた乾燥機中に静置する方法、真空乾燥機を使用して水分を除去する方法等が挙げられる。
また前処理方法としては、乾燥のほか、加熱処理、火炎処理、コロナ処理、紫外線照射処理、プラズマ処理等を挙げることができる。
The flow rate and treatment time of sulfuric anhydride-containing gas can be obtained even if the entire separator is placed in a closed container and the gas flow rate is increased and the time is increased. Can supply a predetermined amount of the sulfonic acid group to the surface in a small amount and in a short time. When the whole separator is put in a closed container, the flow rate is usually 0.01 to 10,000 ml / min in terms of 100% sulfuric anhydride gas. With this flow rate, the processing time is moderate and efficient. This flow rate depends on the size of the sealed container and is preferably in the range of 0.5 to 5 times the volume of the sealed container per minute.
In addition, in the application of the sulfonic acid group, it is preferable that the fuel cell separator material is pretreated and then brought into contact with sulfuric anhydride-containing gas. By performing the pretreatment, the sulfonic acid group can be imparted in a shorter time than in the case where the pretreatment is not performed.
Examples of the pretreatment method include drying. This is because anhydrous sulfuric acid in the anhydrous sulfuric acid-containing gas may be changed to concentrated sulfuric acid if any moisture is present in the system.
As a drying method, a method of standing in a desiccator containing a desiccant such as silica gel, a method of standing in a dryer at a temperature higher than room temperature such as 50 ° C., and moisture using a vacuum dryer. The method of removing etc. are mentioned.
Examples of the pretreatment method include drying, heat treatment, flame treatment, corona treatment, ultraviolet irradiation treatment, plasma treatment and the like.
更に、本発明では、セパレータにスルホン酸基を付与した後、直ちに後処理をし、該セパレータの表面に残存する硫酸を除去することが好ましい。前記後処理方法としては、例えば、水洗、重曹水溶液及び石灰水等のアルカリ溶液による処理等を挙げることができる。アルカリ溶液で洗浄した後、さらに10℃以上のイオン交換水で洗浄することが好ましい。
本発明のセパレータは、そのガス流路表面にスルホン酸基を付与することにより、ガス流路表面のぬれ性が改善されたものとなる。
濡れ性は、燃料電池用セパレータとして使用される場合、水との接触角に基づき評価することができる。その接触角の値は、80度以下、好ましくは70度以下であることが好ましい。このように水との接触角が80度以下の場合、燃料電池用セパレータとして稼働中に生成する生成水がセパレ−タ溝流路で留まることなく排水されるので、安定した電圧を維持することができる。
Furthermore, in the present invention, it is preferable that after the sulfonic acid group is added to the separator, it is immediately post-treated to remove sulfuric acid remaining on the surface of the separator. Examples of the post-treatment method include washing with water, treatment with an aqueous solution of sodium bicarbonate and lime water, and the like. It is preferable to wash with ion exchange water at 10 ° C. or higher after washing with an alkaline solution.
In the separator of the present invention, the wettability of the gas channel surface is improved by adding a sulfonic acid group to the gas channel surface.
The wettability can be evaluated based on the contact angle with water when used as a fuel cell separator. The contact angle value is 80 degrees or less, preferably 70 degrees or less. Thus, when the contact angle with water is 80 degrees or less, the generated water generated during operation as a fuel cell separator is drained without staying in the separator groove flow path, so that a stable voltage is maintained. Can do.
また、スルホン酸基を付与した後の燃料電池用セパレータは、付与化前の溶出性をそのまま維持していることが必要である。このように溶出性が低下しなければ、長期安定性に優れ、かつ排水性の優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。
この場合の溶出性としては、95℃のイオン交換水中での60時間放置を2回繰り返した後に、そのイオン交換水の電気伝導度を測定した場合、スルホン酸基の付与前の値の2倍以下であることが好ましい。
Moreover, the separator for fuel cells after imparting the sulfonic acid group needs to maintain the elution property before imparting. Thus, if elution property does not fall, the separator for fuel cells which was excellent in long-term stability and excellent in drainage property can be obtained.
In this case, as the elution property, when the electric conductivity of the ion-exchanged water was measured after being left in the ion-exchanged water at 95 ° C. for 60 hours twice, it was twice the value before the addition of the sulfonic acid group. The following is preferable.
本発明で使用される燃料電池用セパレ−タは、樹脂と導電性材料とを含む導電性組成物を成形したものである。
導電性材料としては、金属粉、金属繊維、酸化錫等の金属あるいは導電性無機酸化物、人造黒鉛、りん片状天然黒鉛、塊状天然黒鉛、膨張黒鉛、カ−ボンナノチュ−ブ、PAN系あるいはピッチ系の黒鉛繊維、PAN系あるいはピッチ系の炭素繊維、球晶(メソフェ−ス)ピッチから得られた黒鉛粉、カ−ボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック又は非晶質炭素等が挙げられる。これらの1種類、或いは2種類以上の混合物を用いることができる。これらのうち、セパレータの導電性が良好になる点で黒鉛が好ましい。また平均粒径としては、100〜400μmであることが好ましく、アスペクト比が1〜5で且つ平均粒径が200〜300μmであることが特に好ましい。又導電性材料として、上記の繊維状導電材料から得られるミルド繊維、チョップド繊維、不織布、マット、シ−ト、ペ−パ−、フィルムなどを使用することができる。
導電性材料の使用量は、導電性組成物中50〜90重量%が好ましく、これらのうち、60〜85重量%が特に好ましい。
The fuel cell separator used in the present invention is formed by molding a conductive composition containing a resin and a conductive material.
Examples of conductive materials include metal powders, metal fibers, tin oxide, and other metals or conductive inorganic oxides, artificial graphite, flake-like natural graphite, massive natural graphite, expanded graphite, carbon nanotubes, PAN-based or pitch Graphite-based fibers, PAN-based or pitch-based carbon fibers, graphite powder obtained from spherulite (mesoface) pitch, carbon black, acetylene black, ketjen black, or amorphous carbon. One kind of these or a mixture of two or more kinds can be used. Of these, graphite is preferable in that the separator has good conductivity. Moreover, as an average particle diameter, it is preferable that it is 100-400 micrometers, and it is especially preferable that an aspect ratio is 1-5 and an average particle diameter is 200-300 micrometers. As the conductive material, milled fiber, chopped fiber, non-woven fabric, mat, sheet, paper, film or the like obtained from the above fibrous conductive material can be used.
The amount of the conductive material used is preferably 50 to 90% by weight in the conductive composition, and among these, 60 to 85% by weight is particularly preferable.
本発明で使用される樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂の何れでもよく、あるいはこれらの樹脂から選ばれる2種以上を混合して用いても差し支えない。
熱硬化性樹脂としては、例えばポリカルボジイミド、フェノ−ル樹脂、フルフリルアルコ−ル樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリアミノビスマレイミド樹脂、ジアリルフタレ−ト樹脂などを挙げることができる。これらの熱硬化性樹脂のうち、耐酸性の点でフェノール樹脂、ビニルエステル樹脂が好ましい。これらの熱硬化性樹脂は、粉末状や液状のものをそのまま用いたり、また水、アルコ−ル、ケトンなどの溶媒やスチレンなどの反応性希釈剤に溶解して用いる。
The resin used in the present invention may be either a thermosetting resin or a thermoplastic resin, or a mixture of two or more selected from these resins may be used.
Examples of the thermosetting resin include polycarbodiimide, phenol resin, furfuryl alcohol resin, epoxy resin, urea resin, melamine resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, bismaleimide triazine resin, polyamino bismaleimide resin. And diallyl phthalate resin. Of these thermosetting resins, phenol resins and vinyl ester resins are preferred from the viewpoint of acid resistance. These thermosetting resins are used in the form of powder or liquid as they are, or dissolved in a solvent such as water, alcohol or ketone, or a reactive diluent such as styrene.
又、熱可塑性樹脂としては、ポリアリ−レンスルフィド、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリイミド、ポリスルホン、ポリフェニレンオキシド、液晶ポリエステル、ポリエステルなどを挙げることができる。これらの熱可塑性樹脂のうち、耐熱性の点でポリアリーレンスルフィドが好ましく、硫黄原子含有基が付着しやすい点でポリオレフィンが好ましい。
かかる熱可塑性樹脂の形状としては、粉末、粒状物、フィルム、織布、不織布、マット、シ−トなどが挙げられるが、取り扱いの簡便さから特に不織布、フィルムが好ましい。
Examples of the thermoplastic resin include polyarylene sulfide, polyolefin, polyamide, polyimide, polysulfone, polyphenylene oxide, liquid crystal polyester, and polyester. Of these thermoplastic resins, polyarylene sulfide is preferable from the viewpoint of heat resistance, and polyolefin is preferable from the viewpoint that a sulfur atom-containing group is easily attached.
Examples of the shape of the thermoplastic resin include powders, granules, films, woven fabrics, non-woven fabrics, mats, sheets, and the like, but non-woven fabrics and films are particularly preferable because of easy handling.
樹脂として熱硬化性樹脂を使用する場合には、導電性組成物中、増粘剤、低収縮化剤、ラジカル重合開始剤、重合禁止剤、内部離型剤、相溶化剤、その他の充填剤、着色剤などを含むことができる。
これらの添加剤の使用量は、熱硬化性樹脂の種類、成形体の使用目的により自由に選ぶことができる。
When using a thermosetting resin as the resin, in the conductive composition, thickener, low shrinkage agent, radical polymerization initiator, polymerization inhibitor, internal mold release agent, compatibilizing agent, other fillers , Colorants and the like.
The amount of these additives used can be freely selected depending on the type of thermosetting resin and the purpose of use of the molded body.
かかる増粘剤として、イソシアネート系化合物、粉末アクリル樹脂、金属酸化物等が用いられる。
低収縮化剤としては、例えば熱可塑性樹脂が挙げられる。かかる熱可塑性樹脂としては、例えばポリスチレン、スチレンと(メタ)アクリル酸エステルとの共重合体、スチレン−共役ジエンブロック共重合体、スチレン−水添共役ジエンブロック共重合体等のスチレン系共重合体、ポリメタクリル酸メチル、ポリアクリル酸n−ブチルエステル等のスチレンを含まない(メタ)アクリル酸エステル系重合体、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリフェニレンエ−テル、ポリビニルカルバゾ−ル等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂のうち、耐水性の点でポリスチレン、ポリフェニレンエ−テルが好ましい。
As such a thickener, an isocyanate compound, a powder acrylic resin, a metal oxide, or the like is used.
Examples of the low shrinkage agent include thermoplastic resins. Examples of such thermoplastic resins include polystyrene, styrene copolymers such as styrene and (meth) acrylic acid ester copolymers, styrene-conjugated diene block copolymers, and styrene-hydrogenated conjugated diene block copolymers. , (Meth) acrylic acid ester polymers not containing styrene such as polymethyl methacrylate and polyacrylic acid n-butyl ester, polyvinyl chloride, polyethylene, polyphenylene ether, polyvinyl carbazole and the like. Of these thermoplastic resins, polystyrene and polyphenylene ether are preferable from the viewpoint of water resistance.
またラジカル重合開始剤としては、例えば熱重合開始剤、紫外線重合開始剤、電子線重合開始剤等が挙げられる。ラジカル重合開始剤の使用量は、樹脂成分100重量部に対して、好ましくは0.1〜10重量部、特に好ましくは1〜5重量部である。熱重合開始剤としては、例えばジアシルパ−オキサイド、パ−オキシエステル、ハイドロパ−オキサイド、ケトンパ−オキサイド、アルキルパ−エステル、パ−カ−ボネ−ト等の有機過酸化物が挙げられる。これらは、成形条件に応じて好ましいものが適宜選択される。紫外線重合開始剤としては、例えばアシルホスフィンオキサイド、ベンゾインエ−テル、ベンゾフェノン、アセトフェノン、チオキサントン等の光増感物質が挙げられる。これらは、成形条件に応じて好ましいものを適宜選択して使用することができる。また電子線重合開始剤としては、ハロゲン化アルキルベンゼン、ジサルファイド等が挙げられる。 Examples of the radical polymerization initiator include a thermal polymerization initiator, an ultraviolet polymerization initiator, and an electron beam polymerization initiator. The amount of the radical polymerization initiator used is preferably 0.1 to 10 parts by weight, particularly preferably 1 to 5 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the resin component. Examples of the thermal polymerization initiator include organic peroxides such as diacyl peroxide, peroxy ester, hydroperoxide, ketone peroxide, alkyl perester, and carbonate. These are suitably selected according to the molding conditions. Examples of the ultraviolet polymerization initiator include photosensitizers such as acylphosphine oxide, benzoin ether, benzophenone, acetophenone, and thioxanthone. These can be used by appropriately selecting preferred ones according to molding conditions. Examples of the electron beam polymerization initiator include halogenated alkylbenzene and disulfide.
重合禁止剤としては、従来公知の重合禁止剤を用いることができる。具体的には、ハイドロキノン、p−t−ブチルカテコ−ル、t−ブチルハイドロキノン、トルハイドロキノン、p−ベンゾキノン、ナフトキノン、ハイドロキノンモノメチルエ−テル、フェノチアジン、ナフテン酸銅、塩化銅等が挙げられる。これらの重合禁止剤は、一種のみを用いても良く、また二種以上を適時混合して用いても良い。
内部離型剤としては、例えば、カルナバロウなどのパラフィン系化合物、ステアリン酸、モンタン酸などの高級脂肪酸、ステアリン酸亜鉛などの高級脂肪酸塩、あるいは脂肪酸エステル化合物、アルキルリン酸エステル、変性シリコンオイル、変性フッ素系化合物などが挙げられる。これらは、成形条件、各種用途に応じて好ましいものを適宜選択し、使用することができる。
A conventionally known polymerization inhibitor can be used as the polymerization inhibitor. Specific examples include hydroquinone, pt-butylcatechol, t-butylhydroquinone, toluhydroquinone, p-benzoquinone, naphthoquinone, hydroquinone monomethyl ether, phenothiazine, copper naphthenate, copper chloride and the like. These polymerization inhibitors may be used alone or in a combination of two or more.
Examples of the internal release agent include paraffinic compounds such as carnauba wax, higher fatty acids such as stearic acid and montanic acid, higher fatty acid salts such as zinc stearate, or fatty acid ester compounds, alkyl phosphate esters, modified silicone oils, modified Fluorine compounds are exemplified. These can be used by appropriately selecting preferred ones according to molding conditions and various uses.
前記の相溶化剤は、前記のポリスチレン等の低収縮化剤を添加することによる経時的な分離を防止し、低収縮化剤を微分散させる効果を有するものである。相溶化剤としては、ビニル基含有ポリスチレン、ビニル基含有スチレン系共重合体、ビニル基含有アクリルエステル系共重合体等のビニル基含有化合物を挙げることができる。
その他の充填材としては、硬化を促進するため、前記ラジカル重合開始剤と併用してラジカル重合促進剤、すなわち硬化促進剤を用いることができる。かかる硬化促進剤としては、例えばナフテン酸コバルトやオクテン酸コバルト等の金属塩類、N,N−ジメチルアニリン、N,N−ジ(ヒドロキシエチル)パラトルイジン、ジメチルアセトアセタミド等の3級アミン類等が挙げられる。これらは、必要により適宜選択して使用することができる。
The compatibilizing agent has an effect of preventing the time-dependent separation due to the addition of the low shrinkage agent such as polystyrene and finely dispersing the low shrinkage agent. Examples of the compatibilizer include vinyl group-containing compounds such as vinyl group-containing polystyrene, vinyl group-containing styrene copolymers, vinyl group-containing acrylic ester copolymers, and the like.
As other fillers, in order to accelerate the curing, a radical polymerization accelerator, that is, a curing accelerator can be used in combination with the radical polymerization initiator. Examples of the curing accelerator include metal salts such as cobalt naphthenate and cobalt octenoate, and tertiary amines such as N, N-dimethylaniline, N, N-di (hydroxyethyl) paratoluidine, and dimethylacetoacetamide. Etc. These can be appropriately selected and used as necessary.
また充填材として、靭性、耐衝撃性等を改良するため、ゴム系樹脂を添加することが好ましい。ゴム系樹脂としては、アクリロニトリルブタンジエン系樹脂、架橋性ゴム微粒子などが挙げられる。
熱硬化性樹脂を用いる場合には、さらに必要に応じて熱安定剤、希釈剤、反応性希釈剤、導電性充填剤、酸化防止剤、離型剤、滑剤、耐電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、難燃剤等の各種添加剤を加えることができる。
これらの添加剤の使用量は樹脂の種類、成形体の使用目的により自由に選ぶことができる。
Moreover, it is preferable to add a rubber-based resin as a filler in order to improve toughness, impact resistance and the like. Examples of the rubber resin include acrylonitrile butanediene resin and crosslinkable rubber fine particles.
When using a thermosetting resin, if necessary, a heat stabilizer, a diluent, a reactive diluent, a conductive filler, an antioxidant, a release agent, a lubricant, an antistatic agent, a light stabilizer, Various additives such as ultraviolet absorbers and flame retardants can be added.
The amount of these additives used can be freely selected according to the type of resin and the purpose of use of the molded body.
また樹脂として熱可塑性樹脂を含む場合、熱可塑性樹脂に耐衝撃性改良剤として熱可塑性弾性体を加えることができる。かかる熱可塑性弾性体としては、分子内に有機官能基を持つオレフィン系樹脂、有機官能基を有するアクリルゴム、有機官能基を有するスチレン系弾性体および有機官能基を有するニトリル系弾性体等が挙げられる。 When a thermoplastic resin is included as the resin, a thermoplastic elastic body can be added to the thermoplastic resin as an impact resistance improver. Examples of the thermoplastic elastic body include an olefin resin having an organic functional group in the molecule, an acrylic rubber having an organic functional group, a styrene elastic body having an organic functional group, and a nitrile elastic body having an organic functional group. It is done.
本発明に用いられる導電性組成物から燃料電池用セパレータ材を得るには、例えば以下に説明する製造方法によって製造することができる。
まず、導電性組成物を構成する材料として熱硬化性樹脂を用いる場合、該樹脂と導電性材料とからなる未硬化状態のプリフォ−ムを形成し、次いでセパレ−タ成形金型に該プリフォ−ムを入れ、加熱圧縮して成形することにより製造することができる。この際の加熱温度は、使用する熱硬化性樹脂により相違するが、通常100〜200℃であり、又加圧は通常5〜60MPaの条件が適切である。
また樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、公知の方法を用いることによりセパレータ材を製造することができる。公知の方法としては、1)材料を溶融混練りする工程を含む方法、2)溶融混練りする工程を含まない方法が挙げられる。
1)材料を溶融混練りする工程を含む方法としては、具体的には熱可塑性樹脂と導電性材料とを予め押出機等で溶融混練りし、ペレット状、不定型な粒子状、粉体、シ−ト状、フィルム状に押し出し、かかる押し出し物を乾燥した後、射出成形機、射出圧縮機等で成形する方法、前記の乾燥したシ−トまたはフィルムをプレス成形機等を用いてスタンパブル成形法により成形する方法等が挙げられる。
In order to obtain the fuel cell separator material from the conductive composition used in the present invention, it can be produced, for example, by the production method described below.
First, when a thermosetting resin is used as a material constituting the conductive composition, an uncured preform composed of the resin and a conductive material is formed, and then the preform is applied to a separator mold. It can be manufactured by putting the mold and heating and compressing it. The heating temperature at this time varies depending on the thermosetting resin to be used, but is usually 100 to 200 ° C., and the pressure is usually 5 to 60 MPa.
Moreover, when using a thermoplastic resin as resin, a separator material can be manufactured by using a well-known method. Known methods include 1) a method including a step of melt-kneading materials, and 2) a method not including a step of melt-kneading.
1) As a method including a step of melt-kneading materials, specifically, a thermoplastic resin and a conductive material are melt-kneaded in advance with an extruder or the like to form pellets, irregular particles, powders, After extruding into a sheet or film, drying the extrudate and then molding it with an injection molding machine, injection compressor, etc., stamping the dried sheet or film with a press molding machine, etc. The method of shape | molding by the method is mentioned.
また2)溶融混練りする工程を含まない方法としては、別の方法で作成したシ−ト状成形材料を成形する方法、黒鉛粉末又は黒鉛粒状体に熱可塑性樹脂粉末を混合したものを成形する方法等が挙げられる。
前記2)のシート状成形材料の製造方法としては、例えばa)不織布等の樹脂シ−トに接着剤を介さず粒子状導電性材料(以下導電材粒子という)を付着させる方法、b)不織布等の樹脂シ−トに接着剤を介して導電材粒子を接着する方法等が挙げられる。これらのうち、成形材料中の導電材粒子の含有量を高くすることができる点でa)の方法が好ましい。a)の方法は、具体的には下記の工程(a1)及び工程(a2)を順次実施することにより行われる。
工程(a1)は、樹脂シ−トの表面に導電材粒子を均一に散布する工程である。
導電材粒子を樹脂シ−ト表面の全面を覆うように散布し、導電材粒子と樹脂シ−トとの接触面積がなるべく大きくなるように散布することが好ましい。
Moreover, 2) As a method not including the step of melt-kneading, a method of molding a sheet-shaped molding material prepared by another method, a method of molding a graphite powder or a mixture of a graphite powder and a thermoplastic resin powder is molded. Methods and the like.
Examples of the method for producing the sheet-shaped molding material of 2) include: a) a method of attaching a particulate conductive material (hereinafter referred to as conductive material particles) to a resin sheet such as a nonwoven fabric without using an adhesive; b) a nonwoven fabric For example, a method of adhering conductive material particles to a resin sheet such as an adhesive via an adhesive may be used. Among these, the method a) is preferable in that the content of the conductive material particles in the molding material can be increased. Specifically, the method a) is performed by sequentially performing the following steps (a1) and (a2).
Step (a1) is a step of uniformly dispersing the conductive material particles on the surface of the resin sheet.
It is preferable to spread the conductive material particles so as to cover the entire surface of the resin sheet, and to spread the contact area between the conductive material particles and the resin sheet as much as possible.
導電材粒子の散布方法としては、特に限定はないが、例えばイ)多数のノズルを有する散布装置で必要な量の導電材粒子を均等に樹脂シ−ト上に散布する方法、ロ)多めの導電材粒子を樹脂シ−ト表面の一端に載せ、スキ−ジ板で樹脂シ−トの全面に均一に広げる方法等が挙げられる。より均一で凹凸のない導電材粒子層が得られる点でロ)の方法が好ましい。この場合、導電材粒子の量は付着することが予定されている量の2倍以上の量であることが好ましい。
工程(a2)は、前記樹脂シ−トに導電材粒子の一部を付着させる工程である。
樹脂シ−トに導電材粒子を付着させる方法としては、(a2−1)樹脂シ−ト表面に導電材粒子を散布した後、加圧ロ−ルやプレスを用いて導電材粒子を樹脂シ−トに押しつけ、導電材粒子を樹脂シ−トに貫入させる方法、(a2−2)樹脂シ−トが不織布等繊維から構成される場合には、導電材粒子を樹脂シ−トに押しつけて、導電材粒子と繊維の絡まりを起こさせる方法、(a2−3)樹脂シ−トが加熱により軟化もしくは溶融する場合には、樹脂シ−ト及び/又は導電材粒子に熱を加えて樹脂シ−トの全部又は一部を溶融させた後、導電材粒子を樹脂シ−トに熱融着する方法が挙げられる。又これらの(a2−1)、(a2−2)及び(a2−3)の方法を組み合わせても良い。
There are no particular restrictions on the method of spraying the conductive material particles. For example, a) a method of spraying the required amount of conductive material particles evenly on a resin sheet with a spraying device having a large number of nozzles; Examples thereof include a method in which conductive material particles are placed on one end of the resin sheet surface and spread uniformly over the entire surface of the resin sheet with a squeegee plate. The method (b) is preferred in that a more uniform and uneven conductive material particle layer can be obtained. In this case, the amount of the conductive material particles is preferably twice or more the amount that is expected to adhere.
Step (a2) is a step of attaching a part of the conductive material particles to the resin sheet.
As a method of attaching the conductive material particles to the resin sheet, (a2-1) After the conductive material particles are dispersed on the surface of the resin sheet, the conductive material particles are attached to the resin sheet using a pressure roll or a press. -A method of pressing the conductive material particles into the resin sheet, and (a2-2) When the resin sheet is composed of non-woven fabric or other fibers, the conductive material particles are pressed against the resin sheet. (A2-3) When the resin sheet is softened or melted by heating, heat is applied to the resin sheet and / or the conductive material particles to heat the resin sheet and fiber. -A method in which all or part of the sheet is melted and then the conductive material particles are thermally fused to the resin sheet. These methods (a2-1), (a2-2), and (a2-3) may be combined.
前記方法(a2−3)における熱融着の方法としては、例えばカレンダ−ロ−ル、熱風ヒ−タ−、遠赤外線ヒ−タ−、水蒸気による加熱などの方法があるが、導電材粒子の飛散防止の点から、カレンダ−ロ−ル又は遠赤外線ヒ−タ−による加熱が好ましい。熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移温度以上に、結晶性でも結晶化していない場合はガラス転移温度以上でかつ結晶化が始まらない温度に、結晶化している結晶性熱可塑性樹脂の場合は融点より10℃以上低い温度に調整することにより熱融着させることが好ましい。
前記2)溶融混練りする工程を含まない方法のうち、黒鉛粉末又は黒鉛粒状体に熱可塑性樹脂粉末を混合したものを成形する際、黒鉛と樹脂とが分離しやすいので、この分離を防ぐため、加熱により黒鉛へ樹脂を熱融着させたり、樹脂を接着剤として黒鉛を固着したり、スラリー化した樹脂と黒鉛とを混合させたりすることによって均一に分散させることが好ましい。
Examples of the heat fusion method in the method (a2-3) include a calender roll, a hot air heater, a far infrared heater, and a heating method using water vapor. From the viewpoint of preventing scattering, heating with a calender roll or a far infrared heater is preferred. In the case of a crystalline thermoplastic resin that is crystallized above the glass transition temperature if the thermoplastic resin is amorphous, or above the glass transition temperature if it is crystalline but not crystallized, and at a temperature at which crystallization does not start Is preferably heat-sealed by adjusting the temperature to 10 ° C. or lower than the melting point.
2) Among methods not including the step of melt-kneading, when molding a graphite powder or a graphite granule mixed with a thermoplastic resin powder, the graphite and the resin are easily separated, so that this separation is prevented. It is preferable to uniformly disperse the resin by heat fusing the resin to graphite, fixing the graphite using the resin as an adhesive, or mixing the slurryed resin and graphite.
本発明に使用する燃料電池用セパレータ材は、導電性組成物中の熱可塑性樹脂が非晶性樹脂の場合はガラス転移温度より高い温度、結晶性樹脂の場合は融点より高い温度に設定した成形金型に入れ、加圧し、加圧の状態で冷却して圧縮成形することにより得ることができる。この際の冷却速度は任意に選ぶことができる。また圧力は通常5〜100MPaの条件が適切である。また熱可塑性樹脂シートまたは予めブロック化した粉末原料を用い、前記したスタンパブル成形することにより得ることができる。
本発明に使用する燃料電池用セパレ−タ材は、通常片面に燃料ガス、例えば水素ガスの流路の溝が形成され、他の面に冷却水の流路の溝が形成されたものと、他の片面に酸化剤ガス、例えば空気の流路の溝が形成され、他の面に冷却水の流路の溝が形成されたものとが一対となって使用される。又、片面のみにガス流路の溝を形成し、他の片面を平板状としたセパレ−タを一対で用いてもよい。
而して、本発明の燃料電池用セパレ−タを電解質膜・電極接合体(MEA)の両側に直接接合するか、ガス拡散膜(GDL)を介して接合した単一セルを複数個組み合わせることによって燃料電池スタックに使用されるが、かかる燃料電池としては、固体高分子型燃料電池などが挙げられる。
The separator for a fuel cell used in the present invention is a molding set at a temperature higher than the glass transition temperature when the thermoplastic resin in the conductive composition is an amorphous resin, and higher than the melting point when the resin is a crystalline resin. It can be obtained by putting in a mold, pressurizing, cooling in a pressurized state, and compression molding. The cooling rate at this time can be selected arbitrarily. The pressure is usually 5 to 100 MPa. Further, it can be obtained by stampable molding using a thermoplastic resin sheet or a powder material previously blocked.
The separator material for a fuel cell used in the present invention usually has a groove of a flow path of fuel gas, for example, hydrogen gas formed on one side and a groove of a flow path of cooling water formed on the other side, A pair of grooves having a channel for an oxidant gas, for example air, formed on the other surface and channels for a cooling water formed on the other surface is used as a pair. Alternatively, a pair of separators in which a gas channel groove is formed only on one surface and the other surface is a flat plate may be used.
Thus, the fuel cell separator of the present invention is directly bonded to both sides of the electrolyte membrane / electrode assembly (MEA), or a plurality of single cells bonded through the gas diffusion membrane (GDL) are combined. The fuel cell includes a polymer electrolyte fuel cell and the like.
以下、本発明を実施例及び比較例により具体的に説明する。以下において、部および%は特に説明のない限り、すべて重量基準である。
本発明の燃料電池用セパレータおよび燃料電池について、電気抵抗、濡れ性、溶出特性および排水性に関する測定方法および評価基準を述べる。
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples. In the following, all parts and percentages are by weight unless otherwise specified.
The measurement method and evaluation criteria regarding electrical resistance, wettability, elution characteristics, and drainage are described for the fuel cell separator and fuel cell of the present invention.
〔試料の作成〕
後記実施例で使用する熱硬化性樹脂を含む導電性組成物を所定量取り出し、平面板金型に充填し、圧縮成形機で、圧力140kgf/cm2(ゲ−ジ圧力)、上型150℃、下型145℃、成形時間5分の条件で成形し、幅130mm、長さ200mm、厚み3mmの平板状成形品を製造した。この平板状成形品を下記に示す所定の大きさに切り出し、電気抵抗、濡れ性評価、溶出性の評価を行った。
また財団法人日本自動車研究所(JARI)から提案されている実験用燃料電池用セパレータ(幅80mm×長さ80mm)と同寸法で、厚み5.0mmの燃料電池用セパレータを成形した。このセパレ−タを用い、燃料電池単セルスタックを組み立てた。
<燃料電池用セパレータ>
[Sample preparation]
A predetermined amount of a conductive composition containing a thermosetting resin used in the examples described later is taken out, filled in a flat plate mold, and pressure is 140 kgf / cm 2 (gauge pressure), an upper mold is 150 ° C., Molding was performed under the conditions of a lower mold of 145 ° C. and a molding time of 5 minutes to produce a flat molded product having a width of 130 mm, a length of 200 mm, and a thickness of 3 mm. This flat molded product was cut into a predetermined size shown below, and electrical resistance, wettability evaluation, and dissolution property evaluation were performed.
In addition, a fuel cell separator having the same dimensions as the experimental fuel cell separator (width 80 mm × length 80 mm) proposed by the Japan Automobile Research Institute (JARI) was formed. A fuel cell single cell stack was assembled using this separator.
<Separator for fuel cell>
〔電気抵抗の測定法〕
前記平板状成形品を切削加工により、長さ50mm×幅50mm×厚み3mmの大きさに切り出したものを試験片として、厚み方向の電気抵抗を測定することにより評価した。
実際には、試験片と同じ寸法の銅板に金メッキ電極を2枚の間に試験片を挟み、さらに油圧プレスにて1MPaの圧力下、10mAの交流を印加した。この時の電極間の電圧降下ΔV(μV)から厚み方向の電気抵抗を測定した。測定3回の平均値を結果とした。
[Measurement method of electrical resistance]
Evaluation was made by measuring the electrical resistance in the thickness direction using a test piece that was obtained by cutting the flat molded product into a size of 50 mm long, 50 mm wide and 3 mm thick.
Actually, a test piece was sandwiched between two gold-plated electrodes on a copper plate having the same dimensions as the test piece, and an alternating current of 10 mA was applied with a hydraulic press under a pressure of 1 MPa. The electrical resistance in the thickness direction was measured from the voltage drop ΔV (μV) between the electrodes at this time. The average of three measurements was taken as the result.
〔濡れ性評価〕
電気抵抗測定用の試験片と同形状の試験片を用い成形品表面の接触角を、イオン交換水を用いた液滴法にて測定した。用いた機械は、協和界面科学製CA−Z型である。測定8回の平均値を結果とする。測定雰囲気は、22℃、湿度60%である。一般に濡れ性が良好であるほど、接触角は小さい値を示す。
(Wettability evaluation)
Using a test piece having the same shape as the test piece for measuring electrical resistance, the contact angle on the surface of the molded product was measured by a droplet method using ion-exchanged water. The machine used is a CA-Z type manufactured by Kyowa Interface Science. The average value of 8 measurements is taken as the result. The measurement atmosphere is 22 ° C. and humidity 60%. In general, the better the wettability, the smaller the contact angle.
〔溶出特性〕
成形品を25mm×70mmのサイズに切断し試料片を作製した。この試料片4本を400gのイオン交換水の入ったフッ素樹脂製容器に入れ封をし、この容器を95℃の乾燥器に入れ、60時間煮沸を行う。その後、室温まで徐冷し試料片を取り出した。その後、イオン交換水を新しい液に交換し、再度同条件で煮沸を行った。溶出性の評価は2回目の試料片(以後これを試料片1という)を取り出した残りのイオン交換水の電気伝導度を(堀場製作所製 ES−51)を用いて測定することにより、溶出性の評価とする。一般に電解質性の溶出物が少ないほど電気伝導度は小さい値を示す。
[Elution characteristics]
The molded product was cut into a size of 25 mm × 70 mm to prepare a sample piece. Four sample pieces are put in a fluororesin container containing 400 g of ion exchange water, and the container is put in a 95 ° C. drier and boiled for 60 hours. Thereafter, the sample was slowly cooled to room temperature and taken out. Thereafter, ion-exchanged water was replaced with a new solution, and boiling was performed again under the same conditions. The evaluation of the dissolution property was carried out by measuring the electric conductivity of the remaining ion-exchanged water from which the second sample piece (hereinafter referred to as sample piece 1) was taken out using ES-51 (Horiba Seisakusho). It is assumed that In general, the smaller the amount of electrolyte elution, the smaller the electrical conductivity.
〔硫黄含有量の測定〕
前記試料片1を、その表面をエネルギー分散型X線分析装置(JED−2200、日本電子製)を用いて、100倍の倍率で元素分析を行い、硫黄原子の原子数%を測定した。
[Measurement of sulfur content]
The surface of the sample piece 1 was subjected to elemental analysis at a magnification of 100 times using an energy dispersive X-ray analyzer (JED-2200, manufactured by JEOL Ltd.), and the atomic percentage of sulfur atoms was measured.
〔スルホン酸基の同定〕
前記試料片1の表面を高性能X線光電子分光分析装置(AXIS−HS、Kratos社製)を用いて、Mg−kα線、15kV、10mAの条件下でスルホン酸基の同定を行った。S2pナロースキャン光電子スペクトルの分析から、169eVにスルホン酸基由来の結合エネルギーピークを確認した。
(Identification of sulfonic acid group)
The surface of the sample piece 1 was identified using a high performance X-ray photoelectron spectrometer (AXIS-HS, manufactured by Kratos) under the conditions of Mg-kα rays, 15 kV, 10 mA. From the analysis of the S2p narrow scan photoelectron spectrum, a binding energy peak derived from a sulfonic acid group was confirmed at 169 eV.
<燃料電池>
〔排水性評価〕
前記で得られた燃料電池を電流密度0.2A/cm2、セパレ−タ温度80℃、加湿用水温度70℃、利用率30〜80%まで10%毎に利用率を変化させ、各利用率で10分間発電試験を行い、電圧が大きく振れ(ΔV=最大値−最小値≧0.01)始める利用率の値を測定した。生成水の排水性が良いほど電圧の振れが発生する利用率が高く、安定な発電特性を維持していると言える。
<Fuel cell>
[Drainage evaluation]
The utilization rate of the fuel cell obtained above was changed every 10% from a current density of 0.2 A / cm 2 , a separator temperature of 80 ° C., a humidifying water temperature of 70 ° C., and a utilization rate of 30 to 80%. A power generation test was conducted for 10 minutes, and the value of the utilization rate at which the voltage started to fluctuate greatly (ΔV = maximum value−minimum value ≧ 0.01) was measured. It can be said that the better the drainage of the generated water, the higher the utilization rate that voltage fluctuation occurs, and the stable power generation characteristics are maintained.
実施例1及び2
以下に示す原料および組成の配合物を均一に混合し、スチレンモノマ−不透過性の多層フィルムに密閉した後、室温で24時間放置し導電性組成物を作成した。
1)ビニルエステル樹脂
(ビスフェノ−ルA型、数平均分子量=633(GPC測定値)) 18.8%
2)ターシャリブチルパーオキシイソプロピルカーボネート(硬化剤) 0.2%
3)粉末アクリル樹脂 3.0%
4)黒鉛粉末(平均粒子径が300μm) 78%
この導電性組成物を前記に示した条件で成形し、評価用の成形板を得た。この成形板を以下に示す条件にてスルホン酸基を付与(以下スルホン化処理という)した。
はじめに、前記成形板を100℃/3hrs乾燥してから、この成形板を窒素ガスにて10倍に希釈された無水硫酸が流量5000ml/分で流通する耐酸性の5L密閉容器に収容した。前記容器に収容された成形板を60℃の温度で5、10分間放置し、該成形板にスルホン化処理した。次いで、重曹水溶液で洗浄し、更にイオン交換水にて水洗し、乾燥してスルホン化処理された成形板を得た。
この成形板を所定の大きさに切削加工し、硫黄原子含有量、電気抵抗、濡れ特性、溶出性を評価した。結果を表−1に示す。また前記高性能X線光電子分光分析装置を用いて得られたスペクトルから169eVにスルホン酸基由来の結合エネルギーピークが確認された。
Examples 1 and 2
The following raw materials and composition blends were uniformly mixed, sealed in a styrene monomer-impermeable multilayer film, and allowed to stand at room temperature for 24 hours to prepare a conductive composition.
1) Vinyl ester resin (bisphenol A type, number average molecular weight = 633 (GPC measurement value)) 18.8%
2) Tertiary butyl peroxyisopropyl carbonate (curing agent) 0.2%
3) Powdered acrylic resin 3.0%
4) Graphite powder (average particle size is 300 μm) 78%
This conductive composition was molded under the conditions described above to obtain a molded plate for evaluation. This molded plate was imparted with sulfonic acid groups (hereinafter referred to as sulfonation treatment) under the following conditions.
First, the molded plate was dried at 100 ° C./3 hrs, and then the molded plate was housed in an acid-resistant 5 L sealed container in which anhydrous sulfuric acid diluted 10-fold with nitrogen gas circulated at a flow rate of 5000 ml / min. The molded plate accommodated in the container was allowed to stand at a temperature of 60 ° C. for 5 and 10 minutes to sulfonate the molded plate. Subsequently, it was washed with an aqueous sodium bicarbonate solution, further washed with ion-exchanged water, dried to obtain a sulfonated molded plate.
This molded plate was cut into a predetermined size, and the sulfur atom content, electrical resistance, wetting characteristics, and dissolution properties were evaluated. The results are shown in Table-1. Further, a binding energy peak derived from a sulfonic acid group was confirmed at 169 eV from a spectrum obtained using the high performance X-ray photoelectron spectrometer.
比較例1
実施例1において、スルホン化処理をしない代わりに、表面を平均粗さRa=1.1μmになるようにブラスト処理した成形板を用いて、実施例と同様に各物性を評価した。結果を表−1に示す。
比較例2
親水性樹脂被膜用樹脂として以下に示す組成で配合し、実施例1において、スルホン化処理をしない代わりに、表面を平均粗さRa=1.1μmになるようにブラスト処理した成形板を用いた成形板にハンドコ−タ−を用いて約12μmになるように塗布した。
1)デコナ−ルEXB614B(親水性エポキシ樹脂、ナガセケムテック製) 90%
2)アミノエチルエタノ−ルアミン(硬化剤) 10%
塗布した成形板を60℃/10分、ついで180℃/60分加熱し、硬化被膜を作成した。硬化被膜の厚みは約10μmであった。
この親水性樹脂で被膜形成した成形品を実施例1と同様に各物性を評価した。結果を表−1に示す。
比較例3
黒鉛板(東洋炭素製IG−11)を前記大きさに切削加工し、実施例1と同様にスルホン化処理した。このスルホン化処理黒鉛板を実施例1と同様に各物性を評価した。結果を表−1に示す。また前記高性能X線光電子分光分析装置を用いて得られたスペクトルから169eVにスルホン酸基由来の結合エネルギーピークは確認されなかった。
Comparative Example 1
In Example 1, each physical property was evaluated in the same manner as in Example, using a molded plate whose surface was blasted so as to have an average roughness Ra = 1.1 μm instead of not sulfonating. The results are shown in Table-1.
Comparative Example 2
As a hydrophilic resin coating resin, the following composition was used. In Example 1, a molded plate having a surface blasted to have an average roughness Ra = 1.1 μm was used instead of the sulfonation treatment. It apply | coated to the molded board so that it might become about 12 micrometers using a hand coater.
1) DECONAL EXB614B (hydrophilic epoxy resin, manufactured by Nagase Chemtech) 90%
2) Aminoethylethanolamine (curing agent) 10%
The applied molded plate was heated at 60 ° C./10 minutes and then at 180 ° C./60 minutes to form a cured film. The thickness of the cured coating was about 10 μm.
Each physical property of the molded article formed with a coating with the hydrophilic resin was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table-1.
Comparative Example 3
A graphite plate (IG-11 manufactured by Toyo Tanso Co., Ltd.) was cut into the above size and sulfonated in the same manner as in Example 1. Each physical property of this sulfonated graphite plate was evaluated in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table-1. Further, a binding energy peak derived from a sulfonic acid group was not confirmed at 169 eV from the spectrum obtained using the high performance X-ray photoelectron spectrometer.
本発明の製造方法により得た成形品は、濡れ性に優れ、かつ水に対する溶出物の発生が抑えられ、導電性に優れていることがわかる。これに対し、ブラスト処理をした比較例1は、水に対する濡れ性が著しく劣る。比較例2の親水性エポキシ樹脂の被膜を形成させた成形品は濡れ性が良くなるが、導電性が低下し、かつ水に対する溶出性が大きい。比較例3のスルホン化黒鉛板はスルホン化処理しても親水性が付与されず、接触角が高い。
It can be seen that the molded product obtained by the production method of the present invention is excellent in wettability, is less likely to be eluted with water, and is excellent in conductivity. On the other hand, the comparative example 1 which performed the blast process is remarkably inferior in the wettability with respect to water. The molded article formed with the hydrophilic epoxy resin film of Comparative Example 2 has good wettability, but has a low conductivity and a high elution property with respect to water. Even if the sulfonated graphite plate of Comparative Example 3 is sulfonated, no hydrophilicity is imparted and the contact angle is high.
実施例3及び比較例4
大きさが150mm×150mmのPPS繊維不織布(目付は15g/m2、厚さは60μm、空隙の平均大きさは38μm、空隙率は85%、融点は285℃)の上に、人造黒鉛粒子(無定形、平均粒子径は88μm)5gを散布し、続いて不織布の両端に高さが0.8mmのスペ−サ−を置き、スペ−サ−の片側からもう一方の側に沿ってスキ−ジ板を移動し、人造黒鉛粒子が不織布全面に載るように広げた。
次に、予め285℃に加熱したカレンダ−ロ−ルを前記不織布の黒鉛側に押し付けながら、片側からもう一方の側に移動した。次いで自然冷却した後、エア−ブロ−(5kgf/cm2)によって不織布繊維と融着していない黒鉛を除去することにより、見かけ上の厚さが0.15mm、目付が75g/m2、空隙率が約73%であるシ−ト状成形材料を得た。
このシ−トをスタンパブル成形法によって成形した。即ち該シ−ト状成形材料を70枚積み重ねたものを遠赤外線ヒ−タ−で340℃に加熱し、PPS繊維を溶融させ、直ちにプレス成形機に装着された150℃に加熱した金型に供給し、40MPaで加圧することにより賦型し冷却固化させ、実施例1と同様の成形板を成形した。
このセパレ−タを実施例2と同様にスルホン化処理を行った。このセパレータについて前記高性能X線光電子分光分析装置を用いて得られたスペクトルから169eVにスルホン酸基由来の結合エネルギーピークが確認された。
また比較例3としてスルホン化処理をしていない成形板を平均粗さRa=1.1μmになるようにブラスト処理し、評価用試料を作成した。
これらのセパレ−タを用い、実施例1と同様に電気抵抗、濡れ性、溶出性の試験を行った。結果を表−2に示す。
Example 3 and Comparative Example 4
On a PPS fiber nonwoven fabric having a size of 150 mm × 150 mm (weight is 15 g / m 2 , thickness is 60 μm, average void size is 38 μm, porosity is 85%, melting point is 285 ° C.), artificial graphite particles ( (Amorphous, average particle diameter is 88 μm) 5 g is sprayed, and then a spacer having a height of 0.8 mm is placed on both ends of the non-woven fabric, and the spacer is scanned from one side of the spacer along the other side. The plate was moved and spread so that the artificial graphite particles were placed on the entire surface of the nonwoven fabric.
Next, the calender roll previously heated to 285 ° C. was moved from one side to the other side while being pressed against the graphite side of the nonwoven fabric. Next, after natural cooling, the non-fused graphite is removed by air-blowing (5 kgf / cm 2 ), so that the apparent thickness is 0.15 mm, the basis weight is 75 g / m 2 , the gap A sheet-shaped molding material having a rate of about 73% was obtained.
This sheet was molded by a stampable molding method. That is, a stack of 70 sheets of the sheet-shaped molding material was heated to 340 ° C. with a far-infrared heater to melt the PPS fiber, and immediately put into a mold heated to 150 ° C. mounted on a press molding machine. The resulting molded plate was shaped by cooling and solidifying by pressurizing at 40 MPa, and the same molded plate as in Example 1 was formed.
This separator was sulfonated in the same manner as in Example 2. About this separator, the binding energy peak derived from a sulfonic acid group was confirmed at 169 eV from the spectrum obtained using the high performance X-ray photoelectron spectrometer.
As Comparative Example 3, a molded plate not subjected to sulfonation treatment was blasted so as to have an average roughness Ra = 1.1 μm, and an evaluation sample was prepared.
Using these separators, the electrical resistance, wettability, and elution properties were tested in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table-2.
実施例4及び比較例5
前記「試料の作成」で得られたセパレ−タを実施例2と同条件でスルホン化処理を行った。このセパレ−タを用い、排水性評価を行った。
比較例5として、スルホン化未処理で表面を平均粗さRa=1.1μmになるようにブラスト処理したセパレ−タを用い、実施例3と同様に燃料電池としての発電特性を評価した。
その結果、電圧の振れは実施例4では、利用率70%から始まるのに対して、比較例5では利用率50%から始まった。また実施例4では、前記高性能X線光電子分光分析装置を用いて得られたスペクトルから169eVにスルホン酸基由来の結合エネルギーピークが確認された。
本発明のセパレ−タを用いた燃料電池は生成水の排水性が良いため、比較例より高い利用率で、安定した発電特性を示した。
Example 4 and Comparative Example 5
The separator obtained in “Preparation of Sample” was subjected to sulfonation treatment under the same conditions as in Example 2. Using this separator, drainage evaluation was performed.
As Comparative Example 5, the power generation characteristics as a fuel cell were evaluated in the same manner as in Example 3 by using a separator that was not sulfonated and the surface was blasted so as to have an average roughness Ra = 1.1 μm.
As a result, the voltage fluctuation started from a utilization factor of 70% in Example 4, whereas it started from a utilization factor of 50% in Comparative Example 5. In Example 4, a binding energy peak derived from a sulfonic acid group was confirmed at 169 eV from the spectrum obtained using the high performance X-ray photoelectron spectrometer.
Since the fuel cell using the separator of the present invention has good drainage of generated water, it exhibits stable power generation characteristics at a higher utilization rate than the comparative example.
Claims (6)
A fuel electric field comprising the fuel cell separator according to claim 1 or 2.
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