JPH11354138A - リブ付き燃料電池セパレ―タ、その製造法及び燃料電池 - Google Patents
リブ付き燃料電池セパレ―タ、その製造法及び燃料電池Info
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Abstract
スの不浸透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保し、更に
リブの高さが高い形状においても平板部の板厚を薄く形
成でき、軽量化が可能なリブ付きセパレータ、ガスの不
浸透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保し、更にリブの
高さが高い形状においても平板部の板厚を薄く形成で
き、軽量化が可能なリブ付きセパレータの製造法及びガ
スの不浸透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保し、更に
リブの高さが高い形状においても平板部の板厚が薄く、
軽量化されたリブ付きセパレータを有することにより、
高性能な燃料電池を提供する。 【解決手段】 樹脂中に膨張黒鉛が分散されてなり、リ
ブと平板が一体成形されてなるリブ付き燃料電池セパレ
ータ、膨張黒鉛造粒粉と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂
の混合物を原料とし、これを金型を用いて一体熱圧成形
することを特徴とするリブ付き燃料電池セパレータの製
造法及び前記リブ付き燃料電池セパレータ又は前記の製
造法により得られる燃料電池セパレータを有してなる燃
料電池。
Description
スと酸化剤ガス(空気又は酸素)を分離するリブ付き燃
料電池セパレータ、その製造法及び燃料電池に関する。
汚染を低くできることより、将来小型発電機、EV用電
源に広く普及することが期待されている。燃料電池は電
解質層の上下に電極(正負極)を配し電極の上下に燃料
ガスと酸化剤ガス(空気又は酸素)を流し電極における
酸化、還元反応、電解質層での陽イオン、電子の移動反
応で化学エネルギーが電気エネルギーに変換され電位差
が得られる原理となっている。燃料電池は上記電極、電
解質層を交互に多段積層する構造で製造される為、積層
する正極と負極の間に燃料ガスと酸化剤ガスを分離する
分離板(セパレータ)が設けられる。また、ガスの供給
路を確保する為、セパレータにリブ(溝)を付ける構造
が一般的に使われている。さらに単電池で得られた電位
差は一般的には多段に積層した外側の集電板で集電する
構造となっている。
剤ガスの分離(ガスの不浸透性)、2)電気の導電性、
3)負極で生成される水、電解液に膨潤しないこと等の
特性が要求される。このセパレータは、一般的には黒鉛
ブロック、ガラス状炭素に溝を機械加工しリブをたて燃
料ガスと、酸化剤ガスの供給路を確保する方法で製造す
る。
理して得られる膨張黒鉛や膨張黒鉛シートを高圧で成形
する方法、もしくは、液に対する膨潤を対策する為、前
膨張黒鉛成形体に液状の熱硬化性樹脂を含浸硬化する方
法で作られていた(特開昭60−65781号公報、特
開昭60−12672号公報等)。
明細書では、特定の粒子径の膨張黒鉛粉末を熱可塑性樹
脂又は熱硬化性樹脂に分散させ、ブロック状の成形体を
得た後、溝を機械加工する方法が記載されている。しか
し、前記の各種の機械加工する製造方法では、コスト高
となり、さらに膨張黒鉛を用いる製造方法では、製造可
能なリブの寸法が限られ更に成形時に発生するガスが原
因で製品に膨れが発生しやすく、安定して製品を供給で
きない問題を有していた。
れる発明は、前記問題を解決するものであり、リブ付き
の燃料電池セパレータにおいて、ガスの不浸透性、電気
伝導性、液未膨潤性を確保し、更にリブの高さが高い形
状においても平板部の板厚を薄く形成でき、軽量化が可
能なリブ付きセパレータを提供するものである。
は、上記課題に加えて電池の熱圧成形作業が容易なリブ
付きセパレータを提供するものである。また、請求項1
0に記載される発明は、上記課題に加えて、セパレータ
を長期間使用しても安定した電池特性が確保できるリブ
付きセパレータを提供するものである。
ブ付きの燃料電池セパレータの製造法において、ガスの
不浸透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保し、更にリブ
の高さが高い形状においても平板部の板厚を薄く形成で
き、軽量化が可能なリブ付きセパレータの製造法を提供
するものである。また、請求項12に記載される発明
は、ガスの不浸透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保
し、更にリブの高さが高い形状においても平板部の板厚
が薄く、軽量化されたリブ付きセパレータを有すること
により、高性能な燃料電池を提供するものである。さら
に、請求項13に記載される発明は、上記課題に加え
て、セパレータを長期間使用しても安定した電池特性が
確保できる燃料電池を提供するものである。
黒鉛が分散されてなり、リブと平板が一体成形されてな
るリブ付き燃料電池セパレータに関する。また、本発明
は、0.5mm以上のリブの高さを有する前記の燃料電池
セパレータに関する。また、本発明は、1.0mm以上の
リブの高さを有する前記の燃料電池セパレータに関す
る。また、本発明は、前記のリブの高さ(A)と平板の
板厚(B)の比(A/B)が2以上である燃料電池セパ
レータに関する。また、本発明は、前記のリブが平板の
片面に配置される燃料電池セパレータに関する。
に配置される燃料電池セパレータに関する。また、本発
明は、前記の平板の板厚が0.25mm以上1.0mm以下
である燃料電池セパレータに関する。また、本発明は、
前記のリブが2度以上90度未満のテーパを有する燃料
電池セパレータに関する。また、本発明は、前記のリブ
が2度〜20度のテーパを有する燃料電池セパレータに
関する。また、本発明は、前記の燃料電池が固体高分子
型である燃料電池セパレータに関する。
性樹脂又は熱可塑性樹脂の混合物を原料とし、これを金
型を用いて一体熱圧成形することを特徴とするリブ付き
燃料電池セパレータの製造法に関する。また、本発明
は、前記の燃料電池セパレータを有してなる燃料電池に
関する。さらに、本発明は、前記の燃料電池が固体高分
子型である燃料電池に関する。
セパレータを図を用いて説明する。図1は平板2の両面
にリブ1を配置する両リブのセパレータの断面図、図2
は平板2の片面にリブ1を配置する片リブのセパレータ
の断面図である。また、図3はセパレータ3と電解質層
8、電極(4及び6)を組み合わせた、燃料電池の部分
断面図で、セパレータ3は正極4を流れる燃料ガス5と
負極6を流れる酸化剤ガス(空気又は酸素)7を分離す
る箇所に組み付けられる。
張黒鉛が分散されたものからなり、その素材は一般に、
膨張黒鉛粉と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を原料と
し、これを一体成形、好ましくは一体熱圧成形して得ら
れる。膨張黒鉛粉に用いる膨張黒鉛は、特開昭54−3
3799号公報等に示される公知の製法で作製したもの
などを使用することができる。例えば、天然黒鉛、キッ
シュ黒鉛、熱分解黒鉛等高度に結晶構造が発達した黒鉛
を、濃硫酸と硝酸との混液、濃硫酸と過酸化水素水との
混液等の強酸化性の溶液に浸漬処理して黒鉛層間化合物
を生成させ、水洗してから急速加熱して、黒鉛結晶のC
軸方向を膨張処理した虫状形で圧縮特性を有する膨張黒
鉛が用いられる。
は、膨張した状態の膨張黒鉛でも、これを一度粉砕し所
定形状に微細化した粉砕粉でも良い。樹脂が粉末の場合
は、一定圧力に予備成形したシートを粉砕した造粒粉の
方が、樹脂粉末と混合し成形する際膨張黒鉛に含まれる
ガス発生が少なく、更に膨張黒鉛の絡み合いが残り、樹
脂の補強効果が確保しやすくセパレータの強度を向上さ
せることができるので好ましい。
シール性を確保する為には、高い方が好ましく、150
倍以上であることがより好ましい。樹脂と混合する膨張
黒鉛粉の平均粒度は50μm以上であることが好まし
く、50〜500μmの範囲であることがより好まし
く、50〜300μmの範囲であることがさらに好まし
く、50〜200μmの範囲であることが最も好まし
い。50μm未満では、膨張黒鉛の絡み合いの効果が少
なくなり、セパレータの強度低下が起こる傾向がある。
なお、本発明において平均粒度は数平均値であり、(株)
島津製作所製、SALD−3000Jなどの粒度分布測
定装置により測定できる。
エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂等の熱硬
化性樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポ
リカーボネート樹脂、フェノキシ樹脂等の耐熱性のある
熱可塑性樹脂が使用される。
性樹脂が好ましく、特に作業性では熱圧成形時にガス発
生が少ない粉末のフェノール樹脂が好ましい。フェノー
ル樹脂としては、開環重合により重合する樹脂、例え
ば、ジヒドロベンゾオキサジン環を含むフェノール樹脂
がガス発生が特に少ないので好ましい。
制限ないが、膨張黒鉛造粒粉との乾式で均一に混合する
為には、成形時の樹脂の流れを考慮し、1μm〜100
μmの平均粒度とすることが好ましく、5μm〜50μ
mの平均粒度とすることがより好ましい。
量に影響する流路断面積と、垂直方向の導電に影響する
リブと電極の接触面積、電極とガスの接触面積等を考慮
し最適化した値で設定される。以上の検討より、リブの
高さは、0.5mm以上であることが好ましく、1.0mm
以上であることがより好ましく、1.0mm〜3.0mm
であることがさらに好ましい。0.50mm未満では、
電極とセパレータの寸法が狭く流路抵抗が大きくなる
為、ガスの供給量を安定化にすることが難しくなる傾向
にある。一方3.0mmを超える寸法では電池の寸法が大
型になり好ましくない。
(A/B)は2以上であることが好ましく、2〜5であ
ることが電池サイズを小型化し、軽量化する上でより好
ましい。A/Bが2未満では、安定した流量を確保する
為には平板板厚が必要以上に厚くなりすぎ、厚さ方向の
導電性が悪化する傾向にある。一方5を超えると平板板
厚に対してセパレータのリブが高くなりすぎ、セパレー
タの剛性が不足し、電池組み付け時にセパレータが破損
する不具合を起こすことがある。なお、リブの高さ
(A)と平板の板厚(B)の定義は図1及び図2に示さ
れる。
リブを配置してなる両リブでもよく、図2に示す平板の
片面にリブを配置してなる片リブでもよい。両リブは平
板が一枚で済む為、片リブに比べて電池の小型軽量化が
図れる。
ことが好ましい。0.25mm未満になると、セパレータ
のガスシールレベルが悪化する傾向にある。一方、1.
0mmを超えるとセパレータの軽量化が図れないと共に電
気比抵抗も増大する傾向にある。
パ(C)を付けることが好ましく、2度〜20度のテー
パ(C)を付けることがより好ましい。Cの角度の定義
を図1に示す。テーパの角度が2度未満では、一体成形
した製品を金型より分離させることが困難となる傾向に
あり、一方、リブの角度が90度を超えると電極の接触
面積、流路の断面積が縮小する為小型軽量化の上で好ま
しくない。
の形状を形成できる金型を用いて、前記膨張黒鉛造粒粉
と樹脂の混合物を充填し、一体成形、好ましくは熱圧成
形する。膨張黒鉛造粒粉と樹脂の混合比率に特に制限は
ないが、成形性及び特性を考慮すると膨張黒鉛造粒粉/
樹脂=95/5〜20/80(重量比)の範囲が好まし
く、特に10/90〜30/70の範囲が好ましい。こ
こで、混合する膨張黒鉛造粒粉の量が、95/5を超え
ると成形性が低下する傾向にあり、マトリックス不足に
より機械的強度が急激に低下する傾向にある。一方、2
0/80未満では、導電性が低下する傾向にある。
性樹脂との混合方法に制限はない。液状樹脂及び固形樹
脂を溶剤に溶解したものを使用する場合、容器に所定量
の膨張黒鉛粉と樹脂溶液を配合し、撹拌機を用い均一に
撹拌することで得ることができる。ここで、溶剤を含ん
だ樹脂を使用して製造した混合は、通常、減圧乾燥器等
で脱溶剤し粉砕して使用される。また、膨張黒鉛粉と粉
末状の樹脂をドライブレンドする方法(シエイカー、ミ
キサー等で溶媒無しで混合する方法)を用いることもで
きる。コスト、作業性を考慮するとドライブレンドする
方法が好ましい。
種類に応じて選択することができ、特に制限はないが、
通常、成形温度は、常温〜400℃の温度を用いること
ができ、好ましい温度は、150〜200℃である。1
50℃未満の低温では成形物の硬化が不十分で実使用中
に未硬化分が溶出する恐れがある。また、200℃を超
えると急激に硬化する為、均一に硬化させることが難し
く、製品が変形する場合がある。また、好ましい成形圧
力は、20〜100kg/cm2である。20kg/cm2未満では
成形物が低密度となり、ガス通気性の低下、電気比抵抗
増大等電池性能が低下する傾向にある。また、100kg
/cm2を超えると、成形物が高密度となり熱圧成形時に製
品バリが発生しやすく作業性が悪化する傾向にある。
する、縮合水等の不要物のガスを抜く工程を設けること
もできる。更に、得られる成形物の硬化を更に進めるた
めに、成形後に熱処理を行ってもよい。
カリ水溶液型、酸水溶液型、固体高分子型、固体酸化物
型、溶融炭酸塩型等の燃料電池が考えられる。燃料電池
の電解質としては、アルカリ水溶液型の場合は水酸化カ
リウム等が用いられ、酸水溶液型の場合はリン酸等が用
いられ、固体高分子型の場合はイオン交換膜等が用いら
れ、溶融炭酸塩型の場合は炭酸リチウム等が用いられ、
固体酸化物型の場合は安定化ジルコニア等が用いられ
る。電極の基材としては、カーボン繊維等のカーボン材
などが挙げられ、必要に応じて、白金、パラジウム、
銀、ニッケル等の触媒層を表面に設けたものが用いられ
る。燃料ガスである水素は、水の分解物や、天然ガス、
石油、石炭、メタノールなどの原料を必要に応じ水等と
反応させて水素リッチな改質ガスを取り出し、これを用
いることにより供給される。作動温度、電解質に対する
耐食性等の点を考慮すると本発明のセパレータは、固体
高分子型の燃料電池に適用することが最も好ましい。
立化成工業(株)製、商品名 カーボフィットHGP−1
05)を粗粉砕機、微粉砕機で粉砕し平均粒径100μ
mの膨張黒鉛造粒粉700gを得た。次にレゾール型フ
ェノール樹脂粉末(大日本インキ(株)製、商品名 TD
2040C)300gを加え、小型V型ブレンダで乾式
混合し1000gの混合粉を得た。
でリブの凹部が2mm、凸部が2mmの等ピッチの形状で1
0度のリブテーパを有する100mm×100mmのセパレ
ータを成形する為、セパレータ形状を転写した形状の金
型を予め180度に加熱し前述の混合粉を坪量2000
g/m2、重量20g計量後金型に均一に投入した。180
度の熱プレスで面圧50kg/cm2、成形時間10分、ガス
抜き3回の条件で圧縮成形して規定のリブ形状を有する
密度1.4g/cm3のセパレータを得た。
キサジン環を含む樹脂)の製造 フェノール1.9kg、ホルマリン(37%水溶液)1.
0kg及びしゅう酸4gを5リットルのフラスコに仕込
み、環流温度で6時間反応させた。引き続き、内部を6
666.1Pa(50mmHg)以下に減圧して未反応のフェ
ノール及び水を除去し、フェノールノボラック樹脂を合
成した。得られた樹脂は、軟化点84℃(環球法)、3
核体〜多核体/2核体比92/18(ゲルパーミエーシ
ョンクロマトグラフィー法によるピーク面積比)であっ
た。
1.7kg(ヒドロキシル基16モルに相当)をアニリン
0.93kg(10モルに相当)と混合し、80℃で5時
間攪拌し、均一な混合溶液を調製した。ついで5リット
ルフラスコ中に、ホルマリン1.62kgを仕込み90℃
に加熱し、さらに前記のノボラック/アニリン混合溶液
を30分かけて少しずつ添加した。添加終了後、30分
間、環流温度に保ち、しかる後に100℃で2時間66
66.1Pa(50mmHg)以下に減圧して縮合水を除去
し、反応し得るヒドロキシル基の71モル%がジヒドロ
ベンゾオキサジン化されたジヒドロベンゾオキサジン環
を含む樹脂を得た。
立化成工業(株)製、商品名 カーボフィットHGP−1
05)を粗粉砕機、微粉砕機で粉砕し平均粒径100μ
mの造粒粉700gを得た。次に前記の方法で製造した
フェノール樹脂粉末300gを加え小型V型ブレンダで
乾式混合し1000gの混合粉を得た。
でリブの凹部が2mm、凸部が2mmの等ピッチの形状で1
0度のリブテーパを有する100mm×100mmのセパレ
ータを成形する為、セパレータ形状を転写した形状の金
型を予め180度に加熱し前述の混合粉を坪量2000
g/m2、重量20g計量後金型に均一に投入した。180
度の熱プレスで面圧50kg/cm2、成形時間10分、ガス
抜き1回の条件で圧縮成形して規定のリブ形状を有する
密度1.4g/cm3のセパレータを得た。
0.5mm、平板板厚0.25mmでリブの凹部が0.4m
m、凸部が0.4mmの等ピッチの形状で89.9度のリ
ブテーパを有する100mm×100mmのセパレータを成
形する為、セパレータ形状を転写した形状の金型を予め
180度に加熱し前述の混合粉を坪量2000g/m2、重
量4.43g計量後金型に均一に投入した。180度の
熱プレスで面圧50kg/cm2、成形時間10分、ガス抜き
1回の条件で圧縮成形して規定のリブ形状を有する密度
1.4g/cm3のセパレータを得た。
(株)製、商品名 カーボフィットHGP−1)を14g
計量し実施例1で用いた成形金型に均一に投入し常温の
温度条件で面圧50kg/cm2、ガス抜き3回の成形条件で
加圧成形して、密度1.0g/cm3の膨張黒鉛単体のセパ
レータを得た。
ル樹脂(日立化成工業(株)製、商品名 PR−406
0)中に12時間浸漬し、成形体の表面の樹脂をトルエ
ンで洗浄後、25〜160℃まで昇温し、加熱硬化し樹
脂含浸率30重量%、密度1.3g/cm3のセパレータを
得た。
たセパレータについて、電気比抵抗、ガス通気率、液膨
潤性、を確認した。なお、電気比抵抗は、実機のセパレ
ータとは別にセパレータと同一密度で50mm×50mm板
厚12mmのサンプルを圧縮成形し板厚方向の電気比抵抗
を電圧降下法で測定したものである。ガス通気率はセパ
レータの周囲をシリコン系のゴムでシールし、片側に1
kg/cm2の空気圧をかけ、水中置換法により空気の漏洩量
Qを測定、次式により算出したものである。
(mm)、Sは受圧面積(cm2)である。液膨潤性は、セ
パレータを90℃の温水に24時間浸漬し板厚変化率を
測定したものである。セパレータの外観、物性確認結果
を表1に示す。
に、本発明のリブ付き燃料電池セパレータは小型軽量化
が必要な燃料電池において、リブの高さが0.5mm以
上、好ましくは1.0mm以上で平板の板厚を0.25〜
1.0mm、リブの高さ(A)平板の厚み(B)との比を
2〜5の範囲の理想的な形状が、膨張黒鉛造粒粉と熱硬
化性及び熱可塑性樹脂を混合し一体熱圧成形することで
確保できる。また、得られたセパレータは電気伝導性、
ガス通気性、液膨潤特性に優れ、長期間セパレータに使
用した場合も安定した特性が確保できる。
レータは、ガスの不浸透性、電気伝導性、液未膨潤性に
優れ、更にリブの高さが高い形状においても平板部の板
厚を薄く形成でき、軽量化が可能なものである。請求項
8及び9に記載されるリブ付きセパレータは、上記効果
に加えて電池の熱圧成形作業が容易なものである。
タは、上記効果に加えて、セパレータを長期間使用して
も安定した電池特性が確保できる。請求項11に記載さ
れるリブ付きセパレータの製造法によれば、ガスの不浸
透性、電気伝導性、液未膨潤性を確保し、更にリブの高
さが高い形状においても平板部の板厚を薄く形成でき、
軽量化が可能なセパレータを製造できる。請求項12に
記載される燃料電池は、ガスの不浸透性、電気伝導性、
液未膨潤性に優れ、更にリブの高さが高い形状において
も平板部の板厚が薄く、軽量化されたリブ付きセパレー
タを有するため、高性能である。請求項13に記載され
る燃料電池は、上記効果に加えて、セパレータを長期間
使用しても安定した電池特性が確保できる。
である。
である。
図である。
Claims (13)
- 【請求項1】 樹脂中に膨張黒鉛が分散されてなり、リ
ブと平板が一体成形されてなるリブ付き燃料電池セパレ
ータ。 - 【請求項2】 0.5mm以上のリブの高さを有する請求
項1記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項3】 1.0mm以上のリブの高さを有する請求
項1記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項4】 リブの高さ(A)と平板の板厚(B)の
比(A/B)が2以上である請求項1、2又は3記載の
燃料電池セパレータ。 - 【請求項5】 リブが平板の片面に配置される請求項
1、2、3又は4記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項6】 リブが平板の両面に配置される請求項
1、2、3又は4記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項7】 平板の板厚が0.25mm以上1.0mm以
下である請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池セパ
レータ。 - 【請求項8】 リブが2度以上90度未満のテーパを有
する請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池セパレー
タ。 - 【請求項9】 リブが2度〜20度のテーパを有する請
求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項10】 燃料電池が固体高分子型である請求項
1〜9のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。 - 【請求項11】 膨張黒鉛造粒粉と熱硬化性樹脂又は熱
可塑性樹脂の混合物を原料とし、これを金型を用いて一
体熱圧成形することを特徴とするリブ付き燃料電池セパ
レータの製造法。 - 【請求項12】 請求項1〜10のいずれかに記載され
るか又は請求項11記載の製造法により得られる燃料電
池セパレータを有してなる燃料電池。 - 【請求項13】 燃料電池が固体高分子型である請求項
12記載の燃料電池。
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JP9444398 | 1998-04-07 | ||
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