JP2003142117A - High polymer electrolyte type fuel cell and its manufacturing device - Google Patents

High polymer electrolyte type fuel cell and its manufacturing device

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JP2003142117A
JP2003142117A JP2001333989A JP2001333989A JP2003142117A JP 2003142117 A JP2003142117 A JP 2003142117A JP 2001333989 A JP2001333989 A JP 2001333989A JP 2001333989 A JP2001333989 A JP 2001333989A JP 2003142117 A JP2003142117 A JP 2003142117A
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JP
Japan
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separator
polymer electrolyte
fuel cell
conductive
conductive carbon
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Withdrawn
Application number
JP2001333989A
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Japanese (ja)
Inventor
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hideo Obara
英夫 小原
Nobunori Hase
伸啓 長谷
Susumu Kobayashi
晋 小林
Tatsuto Yamazaki
達人 山崎
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • Y02P70/00Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve a problem wherein a separator plate as a forming component of a high polymer electrolyte type fuel cell has been manufactured by machining a glassy carbon plate, pressing expansive graphite, pressing a metallic plate, or using a thermosetting conductive resin, but it has been difficult to reduce a cost whichever material is used, providing difficulty to bring the fuel cell into practical use. SOLUTION: A separator is manufactured by injection-molding a base material obtained from a composition comprising a binder of thermoplastic resin, a granular carbon grain having an average grain diameter of 80-200 μm and a carbon filler having a fiber diameter of 10 nm-30 nm and a fiber length of 1-10 μm.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a portable power source,
The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte used in a power source for electric vehicles, a cogeneration system in a home, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガ
スとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを
同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素
イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白
金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする
触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面
に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ、例え
ばカーボンペーパーで拡散層を形成し、この拡散層と触
媒反応層とを合わせて電極とする。
2. Description of the Related Art In a fuel cell using a polymer electrolyte, a fuel gas containing hydrogen and a fuel gas containing oxygen such as air are electrochemically reacted to simultaneously generate electric power and heat. It is what makes me. With this structure, first, a catalytic reaction layer containing carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst as a main component is formed on both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions. Next, a diffusion layer is formed on the outer surface of the catalytic reaction layer by using, for example, carbon paper having both fuel gas permeability and electronic conductivity, and the diffusion layer and the catalytic reaction layer are combined to form an electrode.

【0003】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEA
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEAと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
Next, in order to prevent the supplied fuel gas from leaking to the outside and the two kinds of fuel gas from mixing with each other, a gas sealing material and a gasket are arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween. The sealing material and gasket are integrated with the electrode and the polymer electrolyte membrane in advance,
This is called MEA (electrode-electrolyte membrane assembly). MEA
An electrically conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is arranged on the outer side of the. A gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away the generated gas and the surplus gas is formed in a portion of the separator plate that is in contact with the MEA. The gas flow channel may be provided separately from the separator plate, but it is common to provide a groove on the surface of the separator to form the gas flow channel.

【0004】これらのMEAとセパレータを交互に重ね
ていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板
を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から固定
するのが一般的な積層電池の構造である。
It is common to stack these MEAs and separators alternately, stack 10 to 200 cells, sandwich the plates with a current collector and an insulating plate between them, and fix them with fastening bolts from both ends. It is a structure of various laminated batteries.

【0005】このような高分子電解質型燃料電池に用い
るセパレータは、導電性が高く、かつ燃料ガスに対して
高いガス気密性を持ち、更に水素/酸素を酸化還元する
際の反応に対して高い耐食性、即ち耐酸性を持つ必要が
ある。このような理由で従来のセパレータは、グラッシ
ーカーボン板の表面に切削加工でガス流路を形成した
り、またガス流路溝を形成したプレス金型にバインダー
と共に膨張黒鉛粉末を入れ、これをプレス加工した後、
加熱焼成することで作製していた。
The separator used in such a polymer electrolyte fuel cell has a high conductivity, a high gas-tightness with respect to the fuel gas, and a high reaction with respect to the oxidation / reduction of hydrogen / oxygen. It must have corrosion resistance, that is, acid resistance. For this reason, conventional separators have a gas flow path formed by cutting on the surface of a glassy carbon plate, or put expanded graphite powder together with a binder into a press die with a gas flow path groove, and press this. After processing
It was produced by heating and firing.

【0006】また、近年、従来より使用されたカーボン
材料に代えて、ステンレスなどの金属板を用いる試みが
行われている。金属板を用いたセパレータは、金属板が
高温で酸化性の雰囲気に曝されるため、長期間使用する
と、金属板の腐食や溶解が起こる。金属板が腐食する
と、腐食部分の電気抵抗が増大し、電池の出力が低下す
る。また、金属板が溶解すると、溶解した金属イオンが
高分子電解質に拡散し、これが高分子電解質のイオン交
換サイトにトラップされ、結果的に高分子電解質自身の
イオン電導性が低下する。このような劣化を避けるため
金属板の表面にある程度の厚さを持つ金メッキを施すこ
とが通例であった。
Further, in recent years, attempts have been made to use a metal plate such as stainless steel in place of the conventionally used carbon material. The separator using the metal plate is exposed to an oxidizing atmosphere at a high temperature, so that the metal plate is corroded or dissolved when used for a long period of time. When the metal plate corrodes, the electric resistance of the corroded portion increases, and the output of the battery decreases. When the metal plate is dissolved, the dissolved metal ions diffuse into the polymer electrolyte and are trapped at the ion exchange sites of the polymer electrolyte, resulting in a decrease in the ion conductivity of the polymer electrolyte itself. In order to avoid such deterioration, it has been customary to coat the surface of the metal plate with gold having a certain thickness.

【0007】さらに、特開2000−182630号公
報では粉末状の炭素フィラーと繊維状フィラーとバイン
ダーを混ぜ合わせた組成物から作成し、材料強度を向上
した導電性セパレータが検討されている。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-182630 examines a conductive separator made of a composition in which a powdery carbon filler, a fibrous filler and a binder are mixed to improve the material strength.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】以上のように、セパレ
ータをグラッシーカーボン板の切削で作る方法では、グ
ラッシーカーボン板の材料コストそのものが高い上に、
これを切削するためのコストを引き下げることも困難で
ある。また、金メッキを施した金属板セパレータは、金
メッキのコストに課題があった。また膨張黒鉛をプレス
加工したものは、材料の力学的強度の課題があり、特に
電気自動車の動力源として用いたときは、走行中の振動
や衝撃で、ひびが入ることがあった。さらに、二種類の
カーボンフィラーとバインダーを混合したものでは、繊
維状フィラーが長すぎると材料強度は向上するが、樹脂
の流れ性が悪化するために射出成形が困難になるという
課題を有していた。
As described above, in the method of making the separator by cutting the glassy carbon plate, the material cost itself of the glassy carbon plate is high, and
It is also difficult to reduce the cost for cutting this. Further, the gold-plated metal plate separator has a problem in the cost of gold plating. In addition, pressed graphite of expanded graphite has a problem of mechanical strength of the material, and when it is used as a power source of an electric vehicle, it may be cracked due to vibration or shock during traveling. Further, in a mixture of two kinds of carbon filler and binder, if the fibrous filler is too long, the material strength is improved, but there is a problem that injection molding becomes difficult because the flowability of the resin deteriorates. It was

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン伝導
性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子電解
質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一方に
燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出す
るガス流路を有する一対の導電性セパレータとを具備し
た高分子電解質型燃料電池において、前記導電性セパレ
ータは、熱可塑性樹脂からなるバインダーと、平均粒径
が80〜200μmの粒状の導電性炭素粒子と、繊維径
が10nm〜30nmで繊維長が1〜10μmの繊維状
導電性炭素フィラーとを混合したセパレータ用混合物を
成形したことを特徴とする。
In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is provided with a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and both surfaces of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. In a polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of electrodes and a pair of conductive separators having a gas flow path for supplying and discharging a fuel gas to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidant gas to the other, The conductive separator includes a binder made of a thermoplastic resin, granular conductive carbon particles having an average particle size of 80 to 200 μm, and a fibrous conductive carbon filler having a fiber diameter of 10 nm to 30 nm and a fiber length of 1 to 10 μm. It is characterized in that a mixture for a separator in which the above is mixed is molded.

【0010】このとき、セパレータ用混合物中で、バイ
ンダーは20〜30質量%、繊維状導電性炭素フィラー
は0.5〜10質量%、導電性炭素粒子は60〜79.
5質量%としたことが望ましい。
At this time, in the mixture for the separator, the binder is 20 to 30% by mass, the fibrous conductive carbon filler is 0.5 to 10% by mass, and the conductive carbon particles are 60 to 79% by mass.
It is desirable to set it to 5% by mass.

【0011】また、セパレータ内部で、繊維状導電性炭
素フィラーの長軸をランダムな方向を向けたことが望ま
しい。
Further, it is desirable that the major axis of the fibrous conductive carbon filler is randomly oriented inside the separator.

【0012】また、セパレータの表面から繊維状導電性
炭素フィラーの一部分を突出させたことが望ましい。
Further, it is desirable that a part of the fibrous conductive carbon filler is projected from the surface of the separator.

【0013】導電性セパレータの製造方法は、熱可塑性
樹脂と導電性炭素粒子と繊維状導電性炭素フィラーとの
混合工程と、前記混合物を硬化する硬化工程と、前記混
合物を射出成形する射出成形工程とを有することを特徴
とする。
The method for producing a conductive separator comprises a step of mixing a thermoplastic resin, conductive carbon particles and a fibrous conductive carbon filler, a curing step of curing the mixture, and an injection molding step of injection molding the mixture. And having.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本発明のポイントは、高分子電解
質型燃料電池の構成要素である導電性セパレータを、熱
可塑性樹脂からなるバインダーと、平均粒径が80〜2
00μmの導電性炭素粒子と、繊維径が10nm〜30
nm繊維長が1〜10μmの繊維状導電性炭素フィラー
からなる組成物より得られる基材から成形して作成した
点にある。このような導電性セパレータは、確かにグラ
ッシーカーボンや金属板に較べると、電気伝導性は低
い。しかし、射出成形による加工が可能なため従来セパ
レータ作製に必要であったガス流路等の切削加工が必要
なくなり、生産性を向上させることができる。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The point of the present invention is to provide a conductive separator, which is a constituent element of a polymer electrolyte fuel cell, with a binder made of a thermoplastic resin, and an average particle size of 80 to 2
00 μm conductive carbon particles and fiber diameter 10 nm to 30
It is formed by molding from a base material obtained from a composition composed of a fibrous conductive carbon filler having a nm fiber length of 1 to 10 μm. Such a conductive separator is certainly lower in electric conductivity than glassy carbon or a metal plate. However, since it is possible to perform processing by injection molding, it is possible to improve productivity by eliminating the need for cutting gas passages and the like, which has been conventionally required for producing a separator.

【0015】また、上記熱可塑性樹脂としては、例え
ば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、メ
タクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカー
ボネイト、ポリアミド、ポリイミド、ポリビニルアルコ
ール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケト
ン、ポリエーテルイミド、フッ素樹脂、エステル樹脂、
液晶ポリマー、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、
ポリフェニレンエーテルなどが挙げられる。
Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polystyrene, polypropylene, methacrylic resin, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyamide, polyimide, polyvinyl alcohol, polyphenylene sulfide, polyether ketone, polyetherimide, fluororesin and ester. resin,
Liquid crystal polymer, aromatic polyester, polyacetal,
Examples thereof include polyphenylene ether.

【0016】また、上記粉末状カーボン粒子としては、
例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、メソフェーズ
カーボン、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、
カーボンブラック、グラッシーカーボンなどを挙げるこ
とができるが、前述の粒子径を満たすものであれば特に
限定はしない。さらに、上記繊維状カーボンフィラーと
しては、カーボンナノチューブなどが用いられる。
As the powdery carbon particles,
For example, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, mesophase carbon, acetylene black, Ketjen black,
Carbon black, glassy carbon, etc. can be mentioned, but not particularly limited as long as they satisfy the above-mentioned particle size. Furthermore, carbon nanotubes or the like are used as the fibrous carbon filler.

【0017】[0017]

【実施例】(実施例1)まず、触媒層を形成した電極の
作成方法を、図1を用いて説明する。アセチレンブラッ
ク粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担
持したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプ
ロパノ−ルに分散させた溶液にパーフルオロカーボンス
ルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパ
ージョン溶液を混合し、触媒ペースト状にした。
EXAMPLES Example 1 First, a method for producing an electrode having a catalyst layer will be described with reference to FIG. An acetylene black powder carrying 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30Å was used as the electrode catalyst. A dispersion solution prepared by dispersing perfluorocarbon sulfonic acid powder in ethyl alcohol was mixed with a solution prepared by dispersing the catalyst powder in isopropanol to form a catalyst paste.

【0018】一方、電極の支持体になるカーボンペーパ
ーを撥水処理した。外寸8cm×10cm、厚み360
μmのカ−ボン不織布11(東レ製、TGP−H−12
0)を、フッ素樹脂含有の水性ディスパージョン(ダイ
キン工業製、ネオフロンND1)に含浸した後、これを
乾燥し、400℃で30分加熱することで、撥水性を与
えた。このカ−ボン不織布11の一方の面に、触媒ペー
ストをクリ−ン印刷法を用いて塗布することで触媒層1
2を形成した。このとき、触媒層12の一部は、カ−ボ
ン不織布11の中に埋まり込んでいる。このようにして
作成した触媒層12とカ−ボン不織布11とを合わせて
電極13とした。形成後の反応電極中に含まれる白金量
は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスルホン
酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
On the other hand, the carbon paper which becomes the support of the electrode was subjected to water repellent treatment. External size 8 cm x 10 cm, thickness 360
μm carbon nonwoven fabric 11 (Toray, TGP-H-12
0) was impregnated into a fluororesin-containing aqueous dispersion (Neotron ND1 manufactured by Daikin Industries, Ltd.), which was then dried and heated at 400 ° C. for 30 minutes to impart water repellency. The catalyst layer 1 is formed by applying a catalyst paste to one surface of the carbon nonwoven fabric 11 using a screen printing method.
Formed 2. At this time, a part of the catalyst layer 12 is embedded in the carbon nonwoven fabric 11. The catalyst layer 12 thus produced and the carbon nonwoven fabric 11 were combined to form an electrode 13. Amount of platinum contained in the reaction electrode after forming the 0.5 mg / cm 2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm 2.

【0019】次に、外寸が10cm×20cmのプロト
ン伝導性高分子電解質膜14の裏表両面に、一対の電極
13を触媒層12が電解質膜14の側に接するようにホ
ットプレスで接合し、これを電極電解質膜接合体(ME
A)15とした。ここでは、プロトン伝導性高分子電解
質として、パーフルオロカーボンスルホン酸を50μm
の厚みに薄膜化したものを用いた。
Next, a pair of electrodes 13 are bonded on both sides of the proton conductive polymer electrolyte membrane 14 having an outer dimension of 10 cm × 20 cm by hot pressing so that the catalyst layer 12 is in contact with the electrolyte membrane 14 side. This is an electrode electrolyte membrane assembly (ME
A) It was set to 15. Here, perfluorocarbon sulfonic acid is 50 μm as the proton conductive polymer electrolyte.
The thin film was used.

【0020】次に、本発明のポイントであるカーボンナ
ノチューブを含む熱可塑性樹脂を用いて作成した導電性
セパレータについて記載する。熱可塑性樹脂であるポリ
フェニレンサルファイドを20gと、平均粒径が80〜
200μmの導電性炭素粒子75gと、繊維径が10n
m〜30nm繊維長が1〜10μmのカーボンナノチュ
ーブ5gを充分に加熱混練することでセパレータ用ペレ
ットを作成した。このペレットを射出成型機に投入し所
定の金型に射出成形することで、導電性セパレータを作
製した。このとき、射出圧力は1600kgf/cm
2、金型温度は150℃、成型時間は20秒とした。
Next, a conductive separator prepared by using a thermoplastic resin containing carbon nanotubes, which is a feature of the present invention, will be described. Polyphenylene sulfide, which is a thermoplastic resin, has an average particle size of 80 to 20 g.
75g of 200μm conductive carbon particles and 10n of fiber diameter
m-30 nm 5 g of carbon nanotubes having a fiber length of 1-10 μm were sufficiently heated and kneaded to prepare separator pellets. The pellets were put into an injection molding machine and injection-molded in a predetermined mold to prepare a conductive separator. At this time, the injection pressure is 1600 kgf / cm
2. Mold temperature was 150 ° C. and molding time was 20 seconds.

【0021】以上の方法で作成したセパレータを図2に
示した。図2は導電性セパレータの表面に形成したガス
流通用溝の形状を示したものである。図2(a)は表面
に形成した酸化剤ガス流通溝の形状を示したものであ
り、(b)はその裏面の燃料ガス流通溝の形状を示した
ものである。セパレータの大きさは10cm×20c
m、厚さは4mmであり、溝部21は幅2mmで深さ
1.5mmの凹部であり、この部分をガスが流通する。
また、ガス流路間のリブ部22は幅1mmの凸部であ
る。また、酸化剤ガスのマニホルド孔(注入口23a、
出口23b)と、燃料ガスのマニホルド孔(注入口24
a、出口24b)と、冷却水のマニホルド孔(注入口2
5a、出口25b)を形成した。
The separator produced by the above method is shown in FIG. FIG. 2 shows the shape of the gas flow grooves formed on the surface of the conductive separator. 2A shows the shape of the oxidant gas flow groove formed on the front surface, and FIG. 2B shows the shape of the fuel gas flow groove on the back surface thereof. The size of the separator is 10 cm x 20 c
m, the thickness is 4 mm, the groove portion 21 is a concave portion having a width of 2 mm and a depth of 1.5 mm, and gas flows through this portion.
The rib portion 22 between the gas flow paths is a convex portion having a width of 1 mm. In addition, a manifold hole for the oxidant gas (the injection port 23a,
Outlet 23b) and a fuel gas manifold hole (inlet 24
a, outlet 24b) and a cooling water manifold hole (inlet 2
5a, outlet 25b) was formed.

【0022】またm図3は、冷却水を流すための冷却流
路の形状を示したものであり、図2(a)に示した導電
性セパレータの裏面に切削加工したものである。図3
で、冷却水のマニホルド孔(注入口31a、出口31
b)の位置と大きさは、図2で示した冷却水のマニホル
ド孔25a及び25bと同一の位置に形成し、また、ガ
ス流通用のマニホールド穴34a、34b、35a、3
5bの位置と大きさも、図2のガスマニホルド孔と同一
位置に形成した。また、32は、冷却水の注入口31a
から流入した水の流通部分であり、凹状の深さは1.5
mmとした。33は冷却水通路の途中にあり、冷却水の
流路32を形成したときの凸部として残した部分であ
り、元々の導電性シート36と同じ高さである。冷却水
は注入口31aから流入し、33により分流するため、
流路32の全面を流れて出口31bへと到達する。
Further, FIG. 3 shows the shape of the cooling flow path for flowing the cooling water, in which the back surface of the conductive separator shown in FIG. 2 (a) is cut. Figure 3
Then, the cooling water manifold hole (the inlet 31a, the outlet 31
The position and size of b) are formed at the same positions as the manifold holes 25a and 25b of the cooling water shown in FIG. 2, and the manifold holes 34a, 34b, 35a, 3 for gas circulation are provided.
The position and size of 5b were also formed at the same position as the gas manifold hole in FIG. Further, 32 is a cooling water inlet 31a.
It is a circulation part of water flowing in from, and the concave depth is 1.5.
mm. Reference numeral 33 denotes a portion left in the middle of the cooling water passage as a convex portion when the cooling water passage 32 is formed, and has the same height as the original conductive sheet 36. Since the cooling water flows from the inlet 31a and is split by 33,
It flows through the entire surface of the flow path 32 and reaches the outlet 31b.

【0023】以上のようにして作製されたセパレータの
体積固有抵抗を測定した結果を表1に示した。カーボン
ナノチューブを含有しない場合に比較して、固有抵抗が
100分の1以下に低減され、20mΩ・cm以下とな
った。
Table 1 shows the results of measuring the volume resistivity of the separator manufactured as described above. The specific resistance was reduced to 1/100 or less as compared with the case where the carbon nanotube was not contained, and was 20 mΩ · cm or less.

【0024】[0024]

【表1】 [Table 1]

【0025】次に、図1で作成したMEAのプロトン伝
導性高分子電解質膜に、冷却水と燃料ガス及び酸化剤ガ
ス流通用のマニホールド穴を形成した。その構成を図4
に示した。図4で、44は電極部分、45はプロトン伝
導性高分子電解質膜、41a、41b、42aおよび4
2bは燃料ガス及び酸化剤ガス流通用のマニホールド
穴、43a及び43bは冷却水流通用マニホールド穴で
あり、これらの穴は図2及び図3に示したセパレータと
同じ位置で同じ大きさとした。
Next, manifold holes for circulating cooling water, fuel gas and oxidant gas were formed in the proton conductive polymer electrolyte membrane of the MEA prepared in FIG. The structure is shown in FIG.
It was shown to. In FIG. 4, 44 is an electrode part, 45 is a proton conductive polymer electrolyte membrane, 41a, 41b, 42a and 4
2b is a manifold hole for fuel gas and oxidant gas flow, and 43a and 43b are cooling water flow manifold holes, and these holes have the same positions and sizes as the separators shown in FIGS. 2 and 3.

【0026】このようにして作成したセパレータ2枚を
用い、図4で示したMEAシートの表面に図2(a)
を、裏面に図2(b)を重ね合わせ、これを単電池とし
た。この単電池を2セル積層した後、図3に示した冷却
水路溝を形成したセパレータでこの2セル積層電池を挟
み込み、このパターンを繰り返して50セル積層の電池
スタックを作成した。この時、電池スタックの両端部に
は、ステンレス製の集電板と電気絶縁材料の絶縁板、さ
らに端板と締結ロッドで固定した。この時の締結圧はセ
パレータの面積当たり10kgf/cm2とした。
Using the two separators thus prepared, the surface of the MEA sheet shown in FIG.
FIG. 2 (b) was overlaid on the back side, and this was used as a unit cell. After stacking 2 cells of this unit cell, the 2-cell stack battery was sandwiched by the separators having the cooling water channel grooves shown in FIG. 3, and this pattern was repeated to form a 50 cell stack battery stack. At this time, the both ends of the battery stack were fixed with a stainless steel collector plate and an insulating plate made of an electrically insulating material, and further with an end plate and a fastening rod. The fastening pressure at this time was 10 kgf / cm 2 per area of the separator.

【0027】このように作製した本実施例の高分子電解
質型燃料電池を、85℃に保持し、一方の電極側に83
℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガスを、もう一
方の電極側に78℃の露点となるように加湿・加温した
空気を供給した。その結果、電流を外部に出力しない無
負荷時には、50Vの電池開放電圧を得た。
The polymer electrolyte fuel cell of this example produced in this manner was held at 85 ° C., and 83 was provided on one electrode side.
Hydrogen gas humidified and heated to a dew point of ° C was supplied, and air humidified and heated to a dew point of 78 ° C was supplied to the other electrode side. As a result, a battery open circuit voltage of 50 V was obtained when no load was applied and the current was not output to the outside.

【0028】この電池を燃料利用率80%、酸素利用率
40%、電流密度0.5A/cm2の条件で連続発電試
験を行い、出力特性の時間変化を図5に示した。その結
果、本実施例の電池は、8000時間以上にわたって平
均電圧0.5V以上の電池出力を維持することを確認し
た。
This cell was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 0.5 A / cm 2 , and the time-dependent change in output characteristics is shown in FIG. As a result, it was confirmed that the battery of this example maintained a battery output of an average voltage of 0.5 V or more for 8000 hours or more.

【0029】(実施例2)次に本発明の第2の実施例に
ついて説明する。表2は本発明の組成物のバインダーの
含有量およびカーボンナノチューブの含有量を変化させ
たときの、セパレータの射出性および体積抵抗を示した
ものである。
(Second Embodiment) Next, a second embodiment of the present invention will be described. Table 2 shows the ejectability and volume resistance of the separator when the binder content and the carbon nanotube content of the composition of the present invention were changed.

【0030】[0030]

【表2】 [Table 2]

【0031】バインダーの量を20重量%以下にすると
射出時の流れ性が極端に悪化し、射出成形が困難であっ
た。また、バインダー量を30重量%以上とすると、成
形性は向上するものの、成形後のセパレータの固有抵抗
が極端に悪化する。また、カーボンナノチューブを0.
5重量%〜10重量%混合した場合は、定積抵抗の低減
が顕著であるのに対し、10重量%以上混合してもその
効果は得られないことが判った。さらに、カーボンナノ
チューブの替わりに他のカーボン繊維(繊維長60〜7
0μm)を混合した場合は、組成物の流れ性が極端に悪
化し、射出成形が困難であった。
When the amount of the binder was 20% by weight or less, the flowability during injection was extremely deteriorated, and injection molding was difficult. When the amount of the binder is 30% by weight or more, the moldability is improved, but the specific resistance of the molded separator is extremely deteriorated. In addition, carbon nanotube
It was found that when 5% by weight to 10% by weight was mixed, the reduction of the isochoric resistance was remarkable, but even if 10% by weight or more was mixed, the effect was not obtained. Furthermore, instead of carbon nanotubes, other carbon fibers (fiber length 60 to 7
When 0 μm) was mixed, the flowability of the composition was extremely deteriorated, and injection molding was difficult.

【0032】上記結果をもとにセパレータの作製は、熱
可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド25g
と、平均粒径が80〜200μmの導電性炭素粒子70
gと、繊維径が10nm〜30nm繊維長が1〜10μ
mのカーボンナノチューブ5gを充分に加熱混練するこ
とでセパレータ用ペレットを作成した。このペレットを
射出成型機に投入し所定の金型に射出成形することで、
導電性セパレータを作製した。このとき、射出圧力は1
600kgf/cm2、金型温度は150℃、成型時間
は20秒とした。
Based on the above results, the separator was prepared by using 25 g of polyphenylene sulfide, which is a thermoplastic resin.
And conductive carbon particles 70 having an average particle size of 80 to 200 μm
g, fiber diameter 10 nm to 30 nm, fiber length 1 to 10 μ
5 g of m carbon nanotubes was sufficiently heated and kneaded to prepare a pellet for a separator. By putting these pellets in an injection molding machine and injection molding into a predetermined mold,
A conductive separator was produced. At this time, the injection pressure is 1
The pressure was 600 kgf / cm 2, the mold temperature was 150 ° C., and the molding time was 20 seconds.

【0033】以下、この材料を用いて、実施例1の電池
と同一のものを作成し、実施例1と同一条件でその特性
を評価した。その結果を図6に示した。図6に於いて、
本実施例の電池も実施例1と電池と同様に優れた特性を
有することを確認した。また、セパレータとして靱性、
対摩耗性、対衝撃性は実施例1のセパレータに比較し、
優れたものであった。
Hereinafter, using this material, the same battery as that of Example 1 was prepared, and its characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Fig. 6. In FIG.
It was confirmed that the battery of this example also had the same excellent characteristics as the battery of Example 1. Also, toughness as a separator,
Wear resistance and impact resistance are compared with the separator of Example 1,
It was excellent.

【0034】(実施例3)次に本発明の第3の実施例に
ついて説明する。図7は、第3の実施例におけるセパレ
ータの断面部分の拡大図を表したものである。セパレー
タの断面は熱可塑性樹脂71中に、直径80〜200μ
mの導電性炭素粒子72が高密度に積層されており、さ
らに、その周辺にはカーボンナノチューブ73がランダ
ムに存在している構造となっている。通常、セパレータ
の体積抵抗は導電性炭素粒子の積層数が多いほど大きく
なる傾向を示す。導電性炭素粒子の平均粒径を大きくす
ることによって積層数は減らせるが、カーボン粒子同士
の接触点自体も減少してしまうため大きな効果が得られ
ていなかった。本実施例では導電性炭素粒子と導電性炭
素粒子との間にカーボンナノチューブが存在するため
に、接触点を増加でき大幅に体積抵抗を低減できた。ま
た、このような大きな粒子のカーボンと短繊維状のカー
ボンナノチューブを射出成形すると、射出時にカーボン
粒子とカーボンナノチューブが衝突してカーボンナノチ
ューブの長軸の方向がランダムとなる傾向を示した。こ
のため、カーボン繊維の配向よって生じる抵抗値異方性
を解消でき、セパレータの面方向および厚み方向の両方
において良好な電気伝導性を得ることができた。
(Embodiment 3) Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows an enlarged view of the cross-sectional portion of the separator in the third embodiment. The cross section of the separator has a diameter of 80 to 200 μ in the thermoplastic resin 71.
The conductive carbon particles 72 of m are stacked at a high density, and the carbon nanotubes 73 are randomly present around the conductive carbon particles 72. Usually, the volume resistance of the separator tends to increase as the number of conductive carbon particles stacked increases. Although the number of stacked layers can be reduced by increasing the average particle size of the conductive carbon particles, the contact points between the carbon particles themselves are also decreased, and a large effect has not been obtained. In this example, since carbon nanotubes were present between the conductive carbon particles, the number of contact points could be increased, and the volume resistance could be significantly reduced. Further, when such large particles of carbon and short fiber-like carbon nanotubes were injection-molded, the carbon particles and the carbon nanotubes collided with each other at the time of injection, and the major axis direction of the carbon nanotubes tended to be random. Therefore, the resistance value anisotropy caused by the orientation of the carbon fibers can be eliminated, and good electrical conductivity can be obtained in both the plane direction and the thickness direction of the separator.

【0035】上記結果をもとにセパレータの作製は、熱
可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイドを25g
と、平均粒径が80〜200μmの導電性炭素粒子70
gと繊維径が10nm〜30nm、繊維長が1〜10μ
mのカーボンナノチューブ5gを充分に加熱混練するこ
とでセパレータ用ペレットを作成した。このペレットを
射出成型機に投入し所定の金型に射出成形することで、
導電性セパレータを作製した。このとき、射出圧力は1
600kgf/cm2、金型温度は150℃、成型時間
は20秒とした。
Based on the above results, the separator was prepared by using 25 g of polyphenylene sulfide, which is a thermoplastic resin.
And conductive carbon particles 70 having an average particle size of 80 to 200 μm
g and fiber diameter 10 nm to 30 nm, fiber length 1 to 10 μ
5 g of m carbon nanotubes was sufficiently heated and kneaded to prepare a pellet for a separator. By putting these pellets in an injection molding machine and injection molding into a predetermined mold,
A conductive separator was produced. At this time, the injection pressure is 1
The pressure was 600 kgf / cm 2, the mold temperature was 150 ° C., and the molding time was 20 seconds.

【0036】以下、この材料を用いて、実施例1の電池
と同一のものを作成し、実施例1と同一条件でその特性
を評価した。その結果を図8に示した。図8に於いて、
本実施例の電池も実施例1と電池と同様に優れた特性を
有することを確認した。また、セパレータとして靱性、
対摩耗性、対衝撃性は実施例1のセパレータに比較し、
優れたものであった。
Hereinafter, using this material, the same battery as the battery of Example 1 was prepared, and its characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. The result is shown in FIG. In FIG.
It was confirmed that the battery of this example also had the same excellent characteristics as the battery of Example 1. Also, toughness as a separator,
Wear resistance and impact resistance are compared with the separator of Example 1,
It was excellent.

【0037】(実施例4)次に本発明の第4の実施例に
ついて説明する。第4の実施例におけるセパレータの作
製は、熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド
を25gと、平均粒径が80〜200μmの導電性炭素
粒子70gと、繊維径が10nm〜30nm、繊維長が
1〜10μmのカーボンナノチューブ5gを充分に加熱
混練することでセパレータ用ペレットを作成した。この
ペレットを射出成型機に投入し所定の金型に射出成形す
ることで、導電性セパレータを作製した。このとき、射
出圧力は1600kgf/cm2、金型温度は150
℃、成型時間は20秒とした。ここで、射出成形の金型
表面には予め離形剤と共にカーボンナノチューブを塗布
していおいた。得られたセパレータの表面付近の断面部
分の拡大図を、図9に示した。セパレータ表面には、金
型より転写されたカーボンナノチューブ93が突出して
いる。これによって、セパレータと拡散層との接触点を
増加させることが可能となり、接触抵抗を大幅に低減す
ることができた。また、通常の射出成形によって作製し
たセパレータ表面を約500℃で処理することによって
表面の樹脂層を除去することによっても、同様にカーボ
ンナノチューブが表面から突出し、接触抵抗の効果が得
られた。
(Fourth Embodiment) Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The production of the separator in the fourth example was carried out by using 25 g of polyphenylene sulfide which is a thermoplastic resin, 70 g of conductive carbon particles having an average particle size of 80 to 200 μm, a fiber diameter of 10 nm to 30 nm and a fiber length of 1 to 10 μm. The pellets for a separator were prepared by sufficiently heating and kneading 5 g of the carbon nanotubes. The pellets were put into an injection molding machine and injection-molded in a predetermined mold to prepare a conductive separator. At this time, the injection pressure was 1600 kgf / cm 2, and the mold temperature was 150.
C., molding time was 20 seconds. Here, carbon nanotubes were previously applied together with a release agent on the surface of the mold for injection molding. An enlarged view of a cross-sectional portion near the surface of the obtained separator is shown in FIG. The carbon nanotubes 93 transferred from the mold are projected on the surface of the separator. As a result, the number of contact points between the separator and the diffusion layer can be increased, and the contact resistance can be significantly reduced. Also, by treating the surface of the separator prepared by ordinary injection molding at about 500 ° C. to remove the resin layer on the surface, the carbon nanotubes similarly protruded from the surface, and the effect of contact resistance was obtained.

【0038】以下、この材料を用いて、実施例1の電池
と同一のものを作成し、実施例1と同一条件でその特性
を評価した。その結果を図10に示した。図10に於い
て、本実施例の電池も実施例1と電池と同様に優れた特
性を有することを確認した。また、セパレータとして靱
性、対摩耗性、対衝撃性は実施例1のセパレータに比較
し、優れたものであった。
Hereinafter, using this material, the same battery as the battery of Example 1 was prepared and its characteristics were evaluated under the same conditions as in Example 1. The results are shown in Fig. 10. In FIG. 10, it was confirmed that the battery of this example also had the same excellent characteristics as the battery of Example 1. The toughness, abrasion resistance and impact resistance of the separator were superior to those of the separator of Example 1.

【0039】[0039]

【発明の効果】本発明によると、前記導電性セパレータ
として、従来のカーボン板の切削工法に替わり、熱可塑
性樹脂からなるバインダーと平均粒径が80〜200μ
mの導電性炭素粒子と繊維径が10nm〜30nm、繊
維長が1〜10μmの繊維状カーボンフィラーからなる
組成物より得られる基材から射出成形したことで、大幅
なコスト低減を図ることができ、かつ体積抵抗の増加を
最小限に抑えることが可能となる。さらに靱性、対摩耗
性と対衝撃性を有することから、燃料電池組立における
歩留まり向上にその効果が有効である。
According to the present invention, as the conductive separator, a binder made of a thermoplastic resin and an average particle size of 80 to 200 μm are used instead of the conventional carbon plate cutting method.
By injection molding from a base material obtained from a composition consisting of m conductive carbon particles, a fiber diameter of 10 nm to 30 nm, and a fibrous carbon filler having a fiber length of 1 to 10 μm, a significant cost reduction can be achieved. In addition, it is possible to minimize the increase in volume resistance. Further, since it has toughness, wear resistance and impact resistance, its effect is effective in improving the yield in fuel cell assembly.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたME
Aの構成を示した図
FIG. 1 is an ME used in a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
Diagram showing the configuration of A

【図2】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたセパ
レータの構成を示した図
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a separator used in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いた冷却
水路板の構成を示した図
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a cooling water channel plate used in the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第1の実施例の燃料電池で用いたME
Aシートの構成を示した図
FIG. 4 ME used in the fuel cell of Example 1 of the present invention
Diagram showing the structure of A sheet

【図5】本発明の第1の実施例の燃料電池の出力特性の
時間変化を示した図
FIG. 5 is a diagram showing a change over time in the output characteristics of the fuel cell according to the first embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第2の実施例の燃料電池の出力特性の
時間変化を示した図
FIG. 6 is a diagram showing a change over time in the output characteristics of the fuel cell according to the second embodiment of the present invention.

【図7】本発明の第3の実施例のセパレータの断面部分
の拡大図
FIG. 7 is an enlarged view of a cross section of a separator according to a third embodiment of the present invention.

【図8】本発明の第3の実施例の燃料電池の出力特性の
時間変化を示した図
FIG. 8 is a diagram showing the time change of the output characteristics of the fuel cell according to the third embodiment of the present invention.

【図9】本発明の第4の実施例のセパレータ表面付近の
断面部分の拡大図
FIG. 9 is an enlarged view of a cross-sectional portion near a separator surface according to a fourth embodiment of the present invention.

【図10】本発明の第4の実施例の燃料電池の出力特性
の時間変化を示した図
FIG. 10 is a diagram showing the time change of the output characteristics of the fuel cell according to the fourth embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 カ−ボン不織布 12 触媒層 13 電極 14 プロトン伝導性高分子電解質膜 15,45 MEA 21 溝部 22 ガス流路間のリブ部 23,34,41 酸化剤ガスのマニホルド孔 24,35,42 燃料ガスのマニホルド孔 25,31,43 冷却水のマニホルド孔 32 水の流通部分 33 凸状残部 36,45 導電性シート 71 バインダ 72 粒状カーボン粒子 73 カーボンナノチューブ 91 バインダ 92 粒状カーボン粒子 93 カーボンナノチューブ 11 carbon nonwoven fabric 12 Catalyst layer 13 electrodes 14 Proton conductive polymer electrolyte membrane 15,45 MEA 21 groove 22 Rib section between gas channels 23,34,41 Manifold holes for oxidant gas 24, 35, 42 Fuel gas manifold holes 25,31,43 Cooling water manifold hole 32 Distribution of water 33 convex remainder 36,45 Conductive sheet 71 binder 72 granular carbon particles 73 carbon nanotubes 91 Binder 92 granular carbon particles 93 carbon nanotubes

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小原 英夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 長谷 伸啓 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 小林 晋 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 山崎 達人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 竹口 伸介 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CX02 CX07 EE05 EE18 HH01 HH03 HH05    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Hideo Ohara             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Nobuhiro Hase             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Shin Kobayashi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuto Yamazaki             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Shinsuke Takeguchi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F term (reference) 5H026 AA06 CC03 CX02 CX07 EE05                       EE18 HH01 HH03 HH05

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一
対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、
他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有する一対
の導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料電
池において、前記導電性セパレータは、熱可塑性樹脂か
らなるバインダーと、平均粒径が80〜200μmの粒
状の導電性炭素粒子と、繊維径が10nm〜30nmで
繊維長が1〜10μmの繊維状導電性炭素フィラーとを
混合したセパレータ用混合物を成形したことを特徴とす
る高分子電解質型燃料電池。
1. A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes arranged on both sides of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, and a fuel gas is supplied to and discharged from one of the electrodes,
On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell comprising a pair of conductive separators having a gas flow path for supplying and discharging an oxidant gas, the conductive separator comprises a binder made of a thermoplastic resin and an average particle size of 80. To 200 μm granular conductive carbon particles and a fibrous conductive carbon filler having a fiber diameter of 10 nm to 30 nm and a fiber length of 1 to 10 μm, which is molded into a separator mixture, and a polymer electrolyte type is formed. Fuel cell.
【請求項2】 セパレータ用混合物中で、バインダーは
20〜30質量%、繊維状導電性炭素フィラーは0.5
〜10質量%、導電性炭素粒子は60〜79.5質量%
としたことを特徴とする請求項1記載の高分子電解質型
燃料電池。
2. In the mixture for a separator, the binder is 20 to 30 mass%, and the fibrous conductive carbon filler is 0.5.
-10 mass%, conductive carbon particles are 60-79.5 mass%
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein
【請求項3】 セパレータ内部で、繊維状導電性炭素フ
ィラーの長軸をランダムな方向を向けたことを特徴とす
る請求項1または請求項2記載の高分子電解質型燃料電
池。
3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the major axis of the fibrous conductive carbon filler is oriented randomly in the separator.
【請求項4】 セパレータの表面から繊維状導電性炭素
フィラーの一部分を突出させたことを特徴とする請求項
1、2または請求項3記載の高分子電解質型燃料電池。
4. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2 or 3, wherein a part of the fibrous conductive carbon filler is projected from the surface of the separator.
【請求項5】 導電性セパレータの製造方法は、熱可塑
性樹脂と導電性炭素粒子と繊維状導電性炭素フィラーと
の混合工程と、前記混合物を硬化する硬化工程と、前記
混合物を射出成形する射出成形工程とを有することを特
徴とする請求項1、2、3または4記載の高分子電解質
型燃料電池の製造方法。
5. The method for producing a conductive separator comprises a step of mixing a thermoplastic resin, conductive carbon particles, and a fibrous conductive carbon filler, a curing step of curing the mixture, and an injection molding of the mixture. The method for producing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, 2, 3 or 4, further comprising a molding step.
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