JP2006032187A - Fuel cell separator and method for producing the same - Google Patents
Fuel cell separator and method for producing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006032187A JP2006032187A JP2004211116A JP2004211116A JP2006032187A JP 2006032187 A JP2006032187 A JP 2006032187A JP 2004211116 A JP2004211116 A JP 2004211116A JP 2004211116 A JP2004211116 A JP 2004211116A JP 2006032187 A JP2006032187 A JP 2006032187A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polyphenylene ether
- separator
- fuel cell
- ether resin
- powder
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
Description
本発明は、燃料電池、特に固体高分子型燃料電池用のセパレータおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a separator for a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, and a method for producing the same.
燃料電池、例えば固体高分子型の燃料電池は、固体高分子膜を空気極と燃料極で挟持してなる単セルを、表面にガス流路用の溝を有するセパレータを介して連結してなる。 2. Description of the Related Art A fuel cell, for example, a solid polymer type fuel cell, is formed by connecting single cells each having a solid polymer membrane sandwiched between an air electrode and a fuel electrode via a separator having a gas channel groove on the surface. .
このような燃料電池用セパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガス不透過性を有し、更に水素/酸素の酸化還元反応に対する耐熱性、耐酸性、耐加水分解性を有する必要がある。また、セパレータを介しての連結に際しては、通常、数MPaの圧力での締結が必要なため、セパレータは、曲げ強度等の機械的強度が高い必要がある。 Such a separator for a fuel cell needs to have high conductivity, fuel gas impermeability, and heat resistance, acid resistance, and hydrolysis resistance against a hydrogen / oxygen oxidation-reduction reaction. Further, when connecting via a separator, since it is usually necessary to fasten with a pressure of several MPa, the separator needs to have high mechanical strength such as bending strength.
このような理由で、従来のセパレータは、フェノール樹脂等の樹脂単独、あるいは炭素粉末との混練物を平板に成形した後、非酸化雰囲気中で炭化、あるいは黒鉛化処理することにより、炭素質あるいは黒鉛質の平板を形成し、さらに切削加工等により表面にガス流路となる溝を形成することにより製造されている。しかしながら、このセパレータは2000℃以上の熱処理を必要とし、さらにガス流路を切削加工により形成するため、製造コストがかかるという問題点を有している。 For these reasons, conventional separators can be obtained by carbonizing or graphitizing a resin alone such as a phenol resin, or by molding a kneaded product with carbon powder into a flat plate and then carbonizing or graphitizing it in a non-oxidizing atmosphere. It is manufactured by forming a graphite flat plate and further forming grooves serving as gas passages on the surface by cutting or the like. However, this separator requires a heat treatment of 2000 ° C. or higher, and further has a problem that the manufacturing cost is high because the gas flow path is formed by cutting.
そこで、特許文献1〜4には、炭化工程および切削工程を経ることなく燃料電池用セパレータを製造する方法として、黒鉛粉末と熱可塑性樹脂粉末の混合物を成形する燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。 Therefore, Patent Documents 1 to 4 disclose a method for producing a fuel cell separator that forms a mixture of graphite powder and thermoplastic resin powder as a method for producing a fuel cell separator without undergoing a carbonization step and a cutting step. Has been.
特許文献1〜4の製造方法では、熱可塑性樹脂を黒鉛粉末に対して均一かつ十分な量分散させ、黒鉛粉末の結着バインダーとして有効に機能させるために、熱可塑性樹脂粉末の粒径を調整する必要がある。特許文献1〜4においては、主に耐熱性の観点から、熱可塑性樹脂としてポリフェニレンスルフィド樹脂を主体とする樹脂を用いているが、一般にポリフェニレンスルフィド樹脂を黒鉛粉末の結着バインダーとして有効に機能する程度の微粉末に粉砕するには、冷凍粉砕を何度も繰り返さなければならず、コストが高くなる問題がある。また、近年、エネルギー効率の観点から、固体高分子型燃料電池の運転温度として100℃以上の高温が要求されており、これに伴ない、ガラス転移温度が高い電解質膜が求められると同時に、周辺部材にもガラス転移温度の高いものが要求されているが、ポリフェニレンスルフィド樹脂は、ガラス転移温度が低く、耐熱的に十分ではないという問題もある。 In the production methods of Patent Documents 1 to 4, the thermoplastic resin powder is uniformly and sufficiently dispersed in the graphite powder, and the particle diameter of the thermoplastic resin powder is adjusted in order to function effectively as a binder for the graphite powder. There is a need to. In Patent Documents 1 to 4, a resin mainly composed of a polyphenylene sulfide resin is used as a thermoplastic resin mainly from the viewpoint of heat resistance, but generally the polyphenylene sulfide resin functions effectively as a binder for graphite powder. In order to pulverize to such a fine powder, the freeze pulverization must be repeated many times, which increases the cost. Further, in recent years, from the viewpoint of energy efficiency, a high temperature of 100 ° C. or higher is required as the operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell. Accordingly, an electrolyte membrane having a high glass transition temperature is required, and at the same time, A member having a high glass transition temperature is also required, but the polyphenylene sulfide resin also has a problem that the glass transition temperature is low and the heat resistance is not sufficient.
本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたもので、コスト高の原因となる冷凍粉砕を行う必要のない樹脂微粉末を用いて、導電性、燃料ガス不透過性、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性、機械的強度などの諸特性に優れる燃料電池用セパレータ、特に固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and uses resin fine powder that does not require freezing and pulverization, which causes high costs, and has conductivity, fuel gas impermeability, heat resistance, and acid resistance. It aims at providing the separator for fuel cells which is excellent in various characteristics, such as property, hydrolysis resistance, and mechanical strength, especially the separator for solid polymer fuel cells.
本発明者は、導電性カーボン粉末の結着バインダーとして有効に機能し、金属製基材との密着性に優れたカーボン層を形成するためには、ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径を30μm以下、かつ導電性カーボン粉末の重量平均粒径以下とする必要があること、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性に優れるポリフェニレンエーテル樹脂が、他の熱可塑性樹脂とは相違して、きわめて微粉末化しやすく、しかも粒径コントロールも容易であり、上記要件を満たす微粉末を容易に得られること、を見出し、本発明を完成するに至ったものである。 In order to form a carbon layer that functions effectively as a binder for conductive carbon powder and has excellent adhesion to a metal substrate, the present inventor has determined the weight average particle size of the polyphenylene ether resin fine powder. The polyphenylene ether resin having excellent heat resistance, acid resistance and hydrolysis resistance is required to be 30 μm or less and not more than the weight average particle diameter of the conductive carbon powder. The inventors have found that it is easy to make a fine powder and that the particle size can be easily controlled, and that a fine powder satisfying the above requirements can be easily obtained, and the present invention has been completed.
即ち、本発明の燃料電池用セパレータは、金属製基材の両側に、導電性カーボン粉末とポリフェニレンエーテル樹脂微粉末とを含有する組成物を成形してなるカーボン層を有する燃料電池用セパレータであって、該ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径が30μm以下で、かつ該導電性カーボン粉末の重量平均粒径以下であることを特徴とする。 That is, the fuel cell separator of the present invention is a fuel cell separator having carbon layers formed by molding a composition containing conductive carbon powder and polyphenylene ether resin fine powder on both sides of a metal substrate. The polyphenylene ether resin fine powder has a weight average particle size of 30 μm or less and a conductive carbon powder of the weight average particle size or less.
本発明の燃料電池用セパレータは、「前記カーボン層表面にガス流路用の溝を有すること」を好ましい態様として含むものである。 The fuel cell separator of the present invention includes “having a gas channel groove on the surface of the carbon layer” as a preferred embodiment.
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、導電性カーボン粉末とポリフェニレンエーテル樹脂微粉末とを含有し、該ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径が30μm以下で、かつ該導電性カーボン粉末の重量平均粒径以下である組成物、または該組成物を成形してなるシートを、金属製基材の両側に配置し、該ポリフェニレンエーテル樹脂のガラス転移温度以上の温度に加熱した金型間に挟んで加圧することを特徴とする。 The method for producing a separator for a fuel cell of the present invention comprises a conductive carbon powder and a polyphenylene ether resin fine powder, wherein the polyphenylene ether resin fine powder has a weight average particle size of 30 μm or less, and the conductive carbon. A mold in which a composition having a weight average particle size of powder or less, or a sheet formed by molding the composition, is disposed on both sides of a metal substrate and heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the polyphenylene ether resin. It is characterized by pressurizing it in between.
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、「前記ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末を、常温下でポリフェニレンエーテル樹脂に衝撃を付与して粉砕すること」、「前記金型が溝付き金型であること」を好ましい態様として含むものである。 The method for producing a fuel cell separator of the present invention is as follows: "The polyphenylene ether resin fine powder is pulverized by applying an impact to the polyphenylene ether resin at room temperature", "The mold is a grooved mold. As a preferred embodiment.
本発明の燃料電池用セパレータは、カーボン層にポリフェニレンエーテル樹脂を用いているため、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性に優れる。しかも、ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径を30μm以下、かつ導電性カーボン粉末の重量平均粒径以下とすることにより、ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末が導電性カーボン粉末の結着バインダーとして有効に機能し、カーボン層と金属製基材の密着性が優れるため、導電性、燃料ガス不透過性、機械的強度にも優れる。 Since the separator for fuel cells of the present invention uses a polyphenylene ether resin for the carbon layer, it is excellent in heat resistance, acid resistance, and hydrolysis resistance. Moreover, by making the weight average particle size of the polyphenylene ether resin fine powder 30 μm or less and the weight average particle size of the conductive carbon powder or less, the polyphenylene ether resin fine powder effectively functions as a binder for the conductive carbon powder. In addition, since the adhesion between the carbon layer and the metal substrate is excellent, the conductivity, fuel gas impermeability, and mechanical strength are also excellent.
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、きわめて微粉末化しやすく、しかも粒径コントロールも容易なポリフェニレンエーテル樹脂を用いているため、導電性カーボン粉末の結着バインダーとして有効に機能する粒径の微粉末を安価に得られ、その結果、導電性、燃料ガス不透過性、耐熱性、耐酸性、耐加水分解性、機械的強度などの諸特性に優れる燃料電池用セパレータを安価に製造することができる。 Further, the method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention uses a polyphenylene ether resin that is very easy to be finely powdered and easy to control the particle size, so that the particles effectively function as a binder for the conductive carbon powder. Fine powder with a small diameter can be obtained at low cost, and as a result, fuel cell separators with excellent properties such as conductivity, fuel gas impermeability, heat resistance, acid resistance, hydrolysis resistance, and mechanical strength can be manufactured at low cost. can do.
本発明の燃料電池用セパレータは、金属製基材の両側に、導電性カーボン粉末とポリフェニレンエーテル樹脂微粉末とを含有する組成物を成形してなるカーボン層を有する。 The separator for fuel cells of the present invention has carbon layers formed by molding a composition containing conductive carbon powder and polyphenylene ether resin fine powder on both sides of a metal substrate.
導電性カーボン粉末としては、例えば、黒鉛粒子、導電性カーボンブラック(ファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなど)、コロイダル黒鉛などが例示でき、これらは単独で又は二種以上組み合わせて使用できる。 Examples of the conductive carbon powder include graphite particles, conductive carbon black (furnace black, acetylene black, ketjen black, etc.), colloidal graphite and the like, and these can be used alone or in combination of two or more.
黒鉛粒子としては、球状の黒鉛粒子(例えば、メソカーボンマイクロビーズの黒鉛化品、球状化された天然及び人造黒鉛、フリュートコークス、ギルソナイトコークスなど)、アスペクト比2.0以下の黒鉛粉末(例えば、アスペクト比1〜2.0程度の天然及び人造黒鉛粉末など)などが挙げられる。 As the graphite particles, spherical graphite particles (for example, graphitized mesocarbon microbeads, spheroidized natural and artificial graphite, flute coke, gilsonite coke, etc.), graphite powder having an aspect ratio of 2.0 or less ( For example, natural and artificial graphite powder having an aspect ratio of about 1 to 2.0).
メソカーボンマイクロビーズ(以下、MCMBと称する)は、高度に結晶が配向し、黒鉛類似の構造を有する球状体(メソフェーズ小球体)である。球形のMCMBの平均粒径は、通常、5〜50μm(例えば、5〜25μm)、好ましくは10〜40μm(例えば、10〜25μm)、特に10〜30μm程度である。MCMBは、コールタール,コールタールピッチ,重質油などの歴青物を300〜500℃程度で加熱することにより生成する。MCMBの黒鉛化品とは、通常の方法でMCMBを黒鉛化したものである。 Mesocarbon microbeads (hereinafter referred to as MCMB) are spherical bodies (mesophase microspheres) having highly oriented crystals and a graphite-like structure. The average particle size of the spherical MCMB is usually about 5 to 50 μm (for example, 5 to 25 μm), preferably 10 to 40 μm (for example, 10 to 25 μm), and particularly about 10 to 30 μm. MCMB is produced by heating bituminous materials such as coal tar, coal tar pitch, heavy oil at about 300 to 500 ° C. The MCMB graphitized product is obtained by graphitizing MCMB by an ordinary method.
黒鉛粉末の平均粒径は、例えば、2〜35μm,好ましくは5〜30μm程度である。人造黒鉛粉は、石油コークスなどを原料とし、成形、焼成し、さらに2000℃以上の高温で黒鉛化することにより得られる。 The average particle size of the graphite powder is, for example, about 2 to 35 μm, preferably about 5 to 30 μm. Artificial graphite powder is obtained by using petroleum coke or the like as a raw material, molding and firing, and further graphitizing at a high temperature of 2000 ° C. or higher.
本発明で用いるポリフェニレンエーテルは、ポリフェニレンエーテルの単独重合体と、ポリフェニレンエーテル構造を主体とするポリフェニレンエーテル共重合体のいずれでも良いが、粉砕しやすいことから、ポリフェニレンエーテルの単独重合体が好ましい。また、ポニフェニレンエーテルの製造方法としては、2,6−ジメチルフェノールに代表されるフェーノール性化合物をモノマーとして利用する多くの合成方法が知られているが、既知のいかなるモノマーおよび重合方法によって製造されたポリフェニレンエーテルでも用いることができる。 The polyphenylene ether used in the present invention may be either a polyphenylene ether homopolymer or a polyphenylene ether copolymer mainly composed of a polyphenylene ether structure, but is preferably a polyphenylene ether homopolymer because it is easily pulverized. In addition, as a method for producing poniphenylene ether, many synthetic methods using a phenolic compound typified by 2,6-dimethylphenol as a monomer are known, but they are produced by any known monomer and polymerization method. Polyphenylene ether can also be used.
ポリフェニレンエーテル単独重合体の例としては、ポリ(2,6−ジメチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−エチル1,4フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−エチル−6−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ−n−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−エチル−6−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ−i−プロピル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−フェニル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジフェニル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−クロロ−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−ヒドロキシエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−クロロエチル−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル−6−メトキシ−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2−メチル1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(−1,4−フェニレン)エーテル、ポリ(2,6−ジ(p−フルオロフェニル)−1,4−フェニレン)エーテルなどのホモポリマーを挙げることができる。 Examples of polyphenylene ether homopolymers include poly (2,6-dimethyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-ethyl 1,4 phenylene) ether, poly (2,6-diethyl- 1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-ethyl-6-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly ( 2,6-di-n-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-i-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-ethyl-6-i-propyl)- 1,4-phenylene) ether, poly (2,6-di-i-propyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-phenyl-1,4-phenylene) ether, poly ( , 6-diphenyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-chloro-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-hydroxyethyl-1,4-phenylene) ether, Poly (2-methyl-6-chloroethyl-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-6-methoxy-1,4-phenylene) ether, poly (2-methyl-1,4-phenylene) ether, poly Mention may be made of homopolymers such as (-1,4-phenylene) ether and poly (2,6-di (p-fluorophenyl) -1,4-phenylene) ether.
ポリフェニレンエーテル共重合体の例としては、2,6−ジメチルフェノールとo−クレゾールの共重合体、2,6−ジメチルフェノールと2,3,6−トリメチルフェノールの共重合体などを挙げることができる。 Examples of the polyphenylene ether copolymer include a copolymer of 2,6-dimethylphenol and o-cresol, a copolymer of 2,6-dimethylphenol and 2,3,6-trimethylphenol, and the like. .
また、本発明で用いるポリフェニレンエーテルは、従来ポリフェニレンエーテルに存在させても良いことが提案されている他の種々のフェニレンエーテルユニットを含有することができる。例えば、2,6−ジメチルフェノールを主体とするモノマーから誘導されるポリフェニレンエーテルについての例を挙げれば、次のような異種構造体を挙げることができる。 In addition, the polyphenylene ether used in the present invention can contain other various phenylene ether units that have been proposed to exist in the polyphenylene ether. For example, the following heterostructures can be cited as examples of polyphenylene ether derived from a monomer mainly composed of 2,6-dimethylphenol.
まず、末端に異種構造を有するポリフェニレンエーテルとしては、化1に示すようなアミノアルキル置換末端基や、化2に示すような4−ヒドロキシビフェニル末端基を有するポリフェニレンエーテルを挙げることができる。 First, examples of the polyphenylene ether having a different structure at the terminal include an aminoalkyl-substituted terminal group as shown in Chemical Formula 1 and a polyphenylene ether having a 4-hydroxybiphenyl terminal group as shown in Chemical Formula 2.
高分子鎖中に異種構造を有するポリフェニレンエーテルとしては、化3に示すような2−(ジアルキルアミノメチル)−6−メチルフェニレンエーテルユニットや、化4に示すような2−(N−アルキル−N−フェニル−アミノメチル)−6−メチルフェニレンエーテルユニットを有するポリフェニレンエーテルを挙げることができる。 Examples of the polyphenylene ether having a heterogeneous structure in the polymer chain include 2- (dialkylaminomethyl) -6-methylphenylene ether unit as shown in Chemical Formula 3 and 2- (N-alkyl-N as shown in Chemical Formula 4). Mention may be made of polyphenylene ethers having -phenyl-aminomethyl) -6-methylphenylene ether units.
さらに、特殊な構造を有するポリフェニレンエーテルとしては、化5に示すようなキノン結合ポリフェニレンエーテルや、化6に示すような二官能性ポリフェニレンエーテルを挙げることができる。 Furthermore, examples of the polyphenylene ether having a special structure include quinone-bonded polyphenylene ether as shown in Chemical formula 5 and bifunctional polyphenylene ether as shown in Chemical formula 6.
また、本発明で用いるポリフェニレンエーテルは、例えば、マレイン酸、無水マレイン酸、マレイン酸イミド、ビニルメトキシシラン、γ−アミノプロピルメトキシシラン、クエン酸、リンゴ酸等で変性されていてもよい。 The polyphenylene ether used in the present invention may be modified with, for example, maleic acid, maleic anhydride, maleic imide, vinyl methoxysilane, γ-aminopropyl methoxysilane, citric acid, malic acid and the like.
ポリフェニレンエーテルは、重量平均粒径が30μm以下の微粉末として用いられる。ポリフェニレンエーテルの微粉末化は、本来粉粒状をなすポリフェニレンエーテルを気流で搬送し、金属などの硬質の衝壁に吹き付けて粉砕し、必要に応じて分級することで容易かつ効率的に行うことができる。特にポリフェニレンエーテルは微粉化しやすい性質を有することから、他の熱可塑性樹脂のように、冷凍粉砕することなく重量平均粒径が30μm以下の微粉末とすることができる。 Polyphenylene ether is used as a fine powder having a weight average particle size of 30 μm or less. The fine pulverization of polyphenylene ether can be done easily and efficiently by conveying the polyphenylene ether, which is essentially in the form of powder, by airflow, blowing it to a hard barrier such as metal, and classifying it as necessary. it can. In particular, since polyphenylene ether has the property of being easily pulverized, it can be made into a fine powder having a weight average particle diameter of 30 μm or less without freeze pulverization like other thermoplastic resins.
ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末は、重量平均粒径が30μm以下であることが必要で、20μm以下であることが好ましい。微粉末の粒径が大きすぎると、この微粉末を導電性カーボン粉末と混合するときに、均一に分散しにくくなると共に、ポリフェニレンエーテルが溶融粘度が高く、その後の加熱加圧によっても展延しにくいことから、導電性カーボン粉末の結着バインダーとして有効に機能しにくくなり、金属製基材とカーボン層の密着性が低下する。 The polyphenylene ether resin fine powder needs to have a weight average particle diameter of 30 μm or less, and preferably 20 μm or less. If the particle size of the fine powder is too large, it becomes difficult to disperse uniformly when this fine powder is mixed with the conductive carbon powder, and the polyphenylene ether has a high melt viscosity. Since it is difficult, it becomes difficult to function effectively as a binder for the conductive carbon powder, and the adhesion between the metal substrate and the carbon layer decreases.
更に、ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径は、導電性カーボン粉末の重量平均粒径以下であることが必要である。微粉末の重量平均粒径が導電性カーボン粉末の重量平均粒径を超えると、やはり、この微粉末を導電性カーボン粉末と混合するときに、均一に分散しにくくなると共に、ポリフェニレンエーテルが溶融粘度が高く、その後の加熱加圧によっても展延しにくいことから、導電性カーボン粉末の結着バインダーとして有効に機能しにくくなり、金属製基材とカーボン層の密着性が低下する。 Furthermore, the weight average particle diameter of the polyphenylene ether resin fine powder needs to be not more than the weight average particle diameter of the conductive carbon powder. If the weight average particle size of the fine powder exceeds the weight average particle size of the conductive carbon powder, it is difficult to uniformly disperse the fine powder with the conductive carbon powder, and the polyphenylene ether has a melt viscosity. Since it is difficult to spread even by subsequent heating and pressing, it becomes difficult to function effectively as a binder for the conductive carbon powder, and the adhesion between the metal substrate and the carbon layer is reduced.
ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径と、導電性カーボン粉末の重量平均粒径の比(ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の重量平均粒径/導電性カーボン粉末の重量平均粒径)は特に限定されないが、1/20〜1/1が好ましく、1/10〜7/10がより好ましい。 The ratio of the weight average particle diameter of the polyphenylene ether resin fine powder to the weight average particle diameter of the conductive carbon powder (weight average particle diameter of the polyphenylene ether resin fine powder / weight average particle diameter of the conductive carbon powder) is not particularly limited. 1/20 to 1/1 is preferable, and 1/10 to 7/10 is more preferable.
ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末の混合割合は、要求される導電性、強度を勘案して適宜決定すればよいが、導電性カーボン粉末100重量部に対して10〜60重量部であることが好ましく、15〜40重量部であることがより好ましい。ポリフェニレンエーテル樹脂微粉末が10重量部未満では、燃料ガス不透過性、機械的強度が不十分となる可能性があり、60重量部を超えると、導電性が不十分となる可能性がある。 The mixing ratio of the polyphenylene ether resin fine powder may be appropriately determined in consideration of required conductivity and strength, but is preferably 10 to 60 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the conductive carbon powder. More preferably, it is -40 weight part. If the polyphenylene ether resin fine powder is less than 10 parts by weight, the fuel gas impermeability and mechanical strength may be insufficient, and if it exceeds 60 parts by weight, the conductivity may be insufficient.
本発明で使用する組成物は、さらに炭素繊維を含んでいてもよい。炭素繊維の種類は制限されず、石油系又は石炭系のピッチ系炭素繊維、PAN(ポリアクリロニトリル)系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、フェノール樹脂系炭素繊維などが使用できる。炭素繊維の平均繊維径は、例えば、0.5〜50μm、好ましくは1〜30μm、さらに好ましくは5〜20μmの範囲から選択できる。炭素繊維の平均繊維長は、適当に選択でき、例えば、10μm〜5mm、好ましくは20μm〜3mm程度である。炭素繊維の使用量は、組成物全体の1〜10重量%程度の範囲から選択できる。炭素繊維の含有量が10重量%を超えると気密性が低下し、ガス透過率が大きくなる可能性がある。 The composition used in the present invention may further contain carbon fibers. The type of carbon fiber is not limited, and petroleum-based or coal-based pitch-based carbon fiber, PAN (polyacrylonitrile) -based carbon fiber, rayon-based carbon fiber, phenol resin-based carbon fiber, or the like can be used. The average fiber diameter of carbon fiber can be selected from the range of 0.5-50 micrometers, for example, Preferably 1-30 micrometers, More preferably, it is 5-20 micrometers. The average fiber length of the carbon fibers can be appropriately selected, and is, for example, about 10 μm to 5 mm, preferably about 20 μm to 3 mm. The amount of carbon fiber used can be selected from a range of about 1 to 10% by weight of the entire composition. If the carbon fiber content exceeds 10% by weight, the gas tightness may be lowered, and the gas permeability may be increased.
熱可塑性樹脂微粉末、導電性カーボン粉末及び必要により炭素繊維などで構成された組成物には、必要に応じて、カップリング剤、離型剤、滑剤、可塑剤、安定剤などを適宜配合してもよい。 Coupling agents, mold release agents, lubricants, plasticizers, stabilizers, etc. are appropriately blended in the composition composed of thermoplastic resin fine powder, conductive carbon powder and, if necessary, carbon fiber. May be.
上記組成物を成形してなるカーボン層の厚みは、特に限定されないが、水素もしくは空気の流路形成の観点から、0.3mm〜3mmが好ましく、0.5mm〜2mmがより好ましい。 The thickness of the carbon layer formed by molding the above composition is not particularly limited, but is preferably 0.3 mm to 3 mm, more preferably 0.5 mm to 2 mm, from the viewpoint of forming a hydrogen or air flow path.
金属製基材としては、特に限定されないが、耐酸性の観点よりフェライト系ステンレス鋼、銅板等が好ましい。また、金属製基材の厚みは、燃料ガス不透過性、機械的強度、導電性の観点から、0.05mm〜1mmが好ましく、0.1mm〜0.5mmがより好ましい。 Although it does not specifically limit as a metal base material, Ferritic stainless steel, a copper plate, etc. are preferable from an acid-resistant viewpoint. In addition, the thickness of the metal substrate is preferably 0.05 mm to 1 mm, more preferably 0.1 mm to 0.5 mm, from the viewpoints of fuel gas impermeability, mechanical strength, and conductivity.
本発明の燃料電池用セパレータは、上記組成物を金属製基材の両側に配置し、加熱加圧し、所定の形状に成形することで得られる。また、あらかじめ、上記組成物を加熱加圧してシートを成形しておき、該シートを金属製基材の両側に配置し、加熱加圧し、所定の形状に成形してもよい。 The separator for a fuel cell of the present invention can be obtained by arranging the above composition on both sides of a metal substrate, heating and pressurizing, and molding the composition into a predetermined shape. Alternatively, the above composition may be preliminarily heated and pressed to form a sheet, and the sheet may be placed on both sides of a metal substrate, heated and pressed, and formed into a predetermined shape.
あらかじめシートを成形する際、あるいはセパレータ成形の際の加熱加圧は、ポリフェニレンエーテルのガラス転移温度以上に加熱した金型間に、組成物、あるいは金属製基材の両側に配置した組成物またはシートを挟み込むことで行うことができる。組成物を加熱加圧する際は、粉末状で加圧し、その後ガラス転移温度以上に加熱する方が、ポリフェニレンエーテル樹脂が流動し易く、均一プレスが可能となり、好ましい。また、溝付き金型を用いることで、表面にガス流路用の溝を形成することができる。 When the sheet is formed in advance or when the separator is formed, the composition or sheet is disposed between the molds heated on the glass transition temperature of polyphenylene ether or higher on both sides of the metal substrate. It can be done by sandwiching. When the composition is heated and pressurized, it is preferable that the composition is pressurized in a powder form and then heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature because the polyphenylene ether resin can easily flow and can be uniformly pressed. Moreover, the groove | channel for gas channels can be formed in the surface by using a metal mold | die with a groove | channel.
金型を加熱する方法は、高周波誘導加熱等、従来公知の方法が使用できる。また、プレス圧は10〜50MPaであることが好ましい。プレス圧が低すぎると、機械的強度、導電性が不十分となる可能性がある。また、過剰にプレス圧を高くしても、機械的強度、導電性を大きく向上させることはできない反面、設備的負担が大きくなる。 As a method of heating the mold, a conventionally known method such as high frequency induction heating can be used. Moreover, it is preferable that a press pressure is 10-50 Mpa. If the pressing pressure is too low, the mechanical strength and conductivity may be insufficient. Moreover, even if the press pressure is increased excessively, the mechanical strength and conductivity cannot be greatly improved, but the equipment burden increases.
以下、実施例および比較例によって本発明をさらに説明する。 Hereinafter, the present invention will be further described by examples and comparative examples.
尚、実施例における評価方法は以下の通りである。
(1)曲げ強度
ASTM D790に準じ測定した。作成したセパレータを幅約15mmで切り出し、スパン間50.8mm、クロスヘッドスピード2mm/minで測定した。
In addition, the evaluation method in an Example is as follows.
(1) Bending strength Measured according to ASTM D790. The created separator was cut out with a width of about 15 mm and measured at a span interval of 50.8 mm and a crosshead speed of 2 mm / min.
(2)体積抵抗
低抵抗率計「ロレスターEP」((株)ダイアインスツルメンツ製)を用いて、体積抵抗を測定した。
(2) Volume resistance Volume resistance was measured using a low resistivity meter “Lorester EP” (manufactured by Dia Instruments Co., Ltd.).
(3)水素透過係数
ASTM D1434 気体透過度試験(差圧法)により、40℃環境下で水素透過係数を測定した。
(3) Hydrogen Permeation Coefficient The hydrogen permeation coefficient was measured under an environment of 40 ° C. by ASTM D1434 gas permeability test (differential pressure method).
<実施例1>
ジェットミルで常温粉砕したポリフェニレンエーテル樹脂粉末(重量平均径10μm、旭化成ケミカルズ(株)製)20wt%と、導電性カーボン粉末(重量平均径50μm、オリエンタル産業(株)製「OSカーボンパウダーAT−NO.5S」)80wt%を、ジェットミルで乾式混合し、厚さ0.2mmのステンレス鋼SUS304板の両面に配置し、240℃、25MPaで加熱プレス後、冷却し、100mm×100mm×厚さ2.2mm(カーボン層の厚さ:各1mm)のセパレータを作成した。
<Example 1>
20 wt% of polyphenylene ether resin powder (weight average diameter 10 μm, manufactured by Asahi Kasei Chemicals Corporation) ground at room temperature with a jet mill and conductive carbon powder (weight average diameter 50 μm, manufactured by Oriental Sangyo Co., Ltd. “OS Carbon Powder AT-NO” .5S ") 80 wt% was dry mixed with a jet mill, placed on both sides of a 0.2 mm thick stainless steel SUS304 plate, heated and pressed at 240 ° C and 25 MPa, cooled, 100 mm x 100 mm x thickness 2 A separator having a thickness of 2 mm (carbon layer thickness: 1 mm each) was prepared.
このセパレータの曲げ強度を測定したところ、50MPaでカーボン層が破壊したが、金属製基材から剥離はしなかった。また、体積抵抗は3mΩ・cm、水素透過係数は1×10-16mol・m/m2・s・Pa以下であった。 When the bending strength of this separator was measured, the carbon layer was destroyed at 50 MPa, but it was not peeled off from the metal substrate. The volume resistance was 3 mΩ · cm, and the hydrogen permeability coefficient was 1 × 10 −16 mol · m / m 2 · s · Pa or less.
<実施例2>
導電性カーボン粉末として、オリエンタル産業(株)製「OSカーボンパウダーAT−NO.15S」(重量平均径10.5μm)を用いた以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作成した。
<Example 2>
A separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that “OS carbon powder AT-NO.15S” (weight average diameter 10.5 μm) manufactured by Oriental Sangyo Co., Ltd. was used as the conductive carbon powder.
このセパレータの曲げ強度を測定したところ、50MPaでカーボン層が破壊したが、金属製基材から剥離はしなかった。また、体積抵抗は3mΩ・cm、水素透過係数は1×10-16mol・m/m2・s・Pa以下であった。 When the bending strength of this separator was measured, the carbon layer was destroyed at 50 MPa, but it was not peeled off from the metal substrate. The volume resistance was 3 mΩ · cm, and the hydrogen permeability coefficient was 1 × 10 −16 mol · m / m 2 · s · Pa or less.
<比較例1>
金属製基材をサンドイッチしない以外は、実施例1と同様にして、100mm×100mm×厚さ2mmのセパレータを作成した。
<Comparative Example 1>
A separator having a size of 100 mm × 100 mm × thickness 2 mm was prepared in the same manner as in Example 1 except that the metal substrate was not sandwiched.
このセパレータの曲げ強度を測定したところ、50MPaで破壊した。また、体積抵抗は8mΩ・cm、水素透過係数は2×10-13mol・m/m2・s・Paであった。 When the bending strength of this separator was measured, it was broken at 50 MPa. The volume resistance was 8 mΩ · cm, and the hydrogen permeability coefficient was 2 × 10 −13 mol · m / m 2 · s · Pa.
<比較例2>
導電性カーボン粉末として、オリエンタル産業(株)製「OSカーボンパウダーAT−NO.40S」(重量平均径6μm)を用いた以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作成したが、ポリフェニレンエーテル樹脂による結合が充分ではなく、カーボン層の形状が保持されなかったため、物性評価は行わなかった。
<Comparative example 2>
A separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that “OS carbon powder AT-NO.40S” (weight average diameter 6 μm) manufactured by Oriental Sangyo Co., Ltd. was used as the conductive carbon powder. The physical properties were not evaluated because the bonding due to was not sufficient and the shape of the carbon layer was not maintained.
<比較例3>
ポリフェニレンエーテル樹脂粉末に代えて、ポリフェニレンスルフィド樹脂粉末(重量平均径径20μm、大日本インキ化学工業(株)製)を用いた以外は、実施例1と同様にしてセパレータを作成した。
<Comparative Example 3>
A separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that polyphenylene sulfide resin powder (weight average diameter 20 μm, manufactured by Dainippon Ink & Chemicals, Inc.) was used in place of the polyphenylene ether resin powder.
このセパレータの曲げ強度を測定したところ、30MPaでカーボン層が破壊し金属製基材から剥離した。また、体積抵抗は3mΩ・cm、水素透過係数は1×10-16mol・m/m2・s・Pa以下であった。 When the bending strength of the separator was measured, the carbon layer was broken at 30 MPa and peeled off from the metal substrate. The volume resistance was 3 mΩ · cm, and the hydrogen permeability coefficient was 1 × 10 −16 mol · m / m 2 · s · Pa or less.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004211116A JP2006032187A (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Fuel cell separator and method for producing the same |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2004211116A JP2006032187A (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Fuel cell separator and method for producing the same |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2006032187A true JP2006032187A (en) | 2006-02-02 |
Family
ID=35898271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2004211116A Withdrawn JP2006032187A (en) | 2004-07-20 | 2004-07-20 | Fuel cell separator and method for producing the same |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2006032187A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007250189A (en) | 2006-02-20 | 2007-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
| JP2008004291A (en) * | 2006-06-20 | 2008-01-10 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of press metal separator for fuel cell |
-
2004
- 2004-07-20 JP JP2004211116A patent/JP2006032187A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007250189A (en) | 2006-02-20 | 2007-09-27 | Nissan Motor Co Ltd | Fuel cell stack |
| JP2008004291A (en) * | 2006-06-20 | 2008-01-10 | Toyota Motor Corp | Manufacturing method of press metal separator for fuel cell |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2002530819A (en) | Fuel cell collector plate and fabrication method | |
| WO2002001660A1 (en) | Conductive composition for solid polymer type fuel cell separator, solid polymer type fuel cell separator, solid polymer type fuel cell and solid polymer type fuel cell system using the separator | |
| CA2424701A1 (en) | Fuel cell separator and method of manufacture | |
| JP2001126744A (en) | Separator for fuel cell and fabricating method therefor | |
| JP2001122677A (en) | Method for manufacturing separator for fuel battery | |
| JP2001052721A (en) | Separator for fuel cell and its manufacture | |
| CN110061258A (en) | A kind of fuel battery pole board and preparation method thereof and a kind of fuel cell | |
| JPH04214072A (en) | Carbonaceous composition, carbon material for fuel cell and its manufacture | |
| JP5057263B2 (en) | Separator material for polymer electrolyte fuel cell and method for producing the same | |
| CN110963817A (en) | Preparation method of carbon fiber reinforced pure carbon slip strip material for pantograph | |
| JP4537809B2 (en) | Carbon / phenolic resin composite material, carbon / phenolic resin composite cured material, carbon / phenolic resin composite carbonized material, fuel cell separator, conductive resin composition, battery electrode, electric double layer capacitor | |
| KR20210058849A (en) | Composition for bipolar plate and method for manufacturing same | |
| JP2006032187A (en) | Fuel cell separator and method for producing the same | |
| JP2002083608A (en) | Fuel cell separator and method of manufacturing the same | |
| JP4937529B2 (en) | Conductive resin composition for fuel cell separator and fuel cell separator | |
| KR20210060499A (en) | Composition for bipolar plate and method for preparing the composition | |
| JP2004119346A (en) | Molding material for polymer electrolyte fuel cell separator, method for producing the same, and polymer electrolyte fuel cell separator | |
| JP5057260B2 (en) | Method for producing separator material for fuel cell | |
| JP2002075394A (en) | Fuel cell separator members | |
| JP4854979B2 (en) | Composition for fuel cell separator, method for producing fuel cell separator, and fuel cell separator | |
| JP2001139696A (en) | Method for producing conductive resin molded article and separator for fuel cell | |
| JPH06135770A (en) | Carbonaceous preformed body, its production and production of electrode substrate | |
| JP2004281261A (en) | Fuel cell separator and method of manufacturing the same | |
| JP4633356B2 (en) | Composition for fuel cell separator and method for producing fuel cell separator | |
| KR100819478B1 (en) | Conductive Resin Composition for Fuel Cell Separator and Fuel Cell Separator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20071002 |