JP2007149467A - Separator for fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本願発明は、燃料電池用セパレータとその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell separator and a method for producing the same.
近年、石油や石炭などの化石燃料の燃焼などによって排出される二酸化炭素が一因とされる地球温暖化が環境問題として取り上げられている。このような中、省エネルギー効果が期待でき、クリーンな発電システムとして燃料電池が注目され、様々な分野において実証実験がはじまり、実用化が検討されている。 In recent years, global warming caused by carbon dioxide emitted by burning fossil fuels such as oil and coal has been taken up as an environmental problem. Under such circumstances, an energy saving effect can be expected, and a fuel cell is attracting attention as a clean power generation system. Demonstration experiments have been started in various fields and practical applications are being studied.
図１は燃料電池の基本構造を模式的に例示した斜視図であり、この図によれば、電解質３を挟むように燃料極（マイナスの電極）２１と空気極（プラスの電極）２２とからなる電極２が配置され、その両側には、両側面に複数個の凸部４が形成されている燃料電池用セパレータ１が配置され、単位セルＡ（単電池）が構成されている。前記凸部４は、隣り合う凸部４同士の間で、燃料である水素と酸素の流路であるガス供給排出用溝５を構成している。このガス供給排出用溝５は、燃料電池内を流れる水素、酸素及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池の単位セルＡで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、単位セルＡで生じた熱を外部へ放熱したりするという重要な役割を担っている。また、前記のガス供給排出用溝５、さらに電極２が接触する面の外周域においては、図示していないが、ガス漏れ（リーク）を防ぐためにマスクによりシーリングしてもいる。 FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating the basic structure of a fuel cell. According to this figure, a fuel electrode (negative electrode) 21 and an air electrode (positive electrode) 22 are sandwiched between electrolytes 3. The fuel cell separator 1 having a plurality of convex portions 4 formed on both side surfaces is disposed on both sides of the electrode 2 to constitute a unit cell A (unit cell). The protrusion 4 constitutes a gas supply / discharge groove 5 which is a flow path of hydrogen and oxygen as fuel between adjacent protrusions 4. The gas supply / discharge groove 5 has a function of separating hydrogen, oxygen, and cooling water flowing in the fuel cell so as not to mix, and transmits electric energy generated in the unit cell A of the fuel cell to the outside. It plays an important role of radiating heat generated in the unit cell A to the outside. Further, although not shown, the gas supply / discharge groove 5 and the outer peripheral area of the surface in contact with the electrode 2 are sealed with a mask in order to prevent gas leakage.
そして、上記の単位セルＡを数十個〜数百個積み重ねて電池本体（セルスタック）を形成している。この単位セルＡにおいては、電解質３を介して対向する一対の電極２のうち燃料極２１に水素を、空気極２２に酸素を供給して、水素と酸素の電気化学反応により直接電気エネルギー変換を行う。 Then, several tens to several hundreds of the unit cells A are stacked to form a battery body (cell stack). In this unit cell A, hydrogen is supplied to the fuel electrode 21 and oxygen is supplied to the air electrode 22 of the pair of electrodes 2 facing each other through the electrolyte 3, and direct electric energy conversion is performed by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. Do.
すなわち、水素は、燃料極２１中の触媒の働きにより、電子を切り離して水素イオンになり、この水素イオンは電解質３の中を移動する。水素イオンは、対向する電極２である空気極２２に供給された酸素側で、外部回路を通じて戻ってきた電子と反応して水となる。そして、この外部回路を通じて電子が移動することで電気が発生するものである。 That is, the hydrogen is separated into electrons by the action of the catalyst in the fuel electrode 21, and the hydrogen ions move in the electrolyte 3. The hydrogen ions react with the electrons returned through the external circuit on the oxygen side supplied to the air electrode 22 that is the opposite electrode 2 to become water. Electricity is generated when electrons move through the external circuit.
電解質３は、水酸化カリウム、リン酸、高分子膜等の種類があり、その種類によって燃料電池はそれぞれアルカリ型、リン酸型、固体高分子型に分類される。 The electrolyte 3 includes potassium hydroxide, phosphoric acid, a polymer membrane, and the like, and the fuel cell is classified into an alkaline type, a phosphoric acid type, and a solid polymer type depending on the type.
これらのなかでも、特に固体高分子型燃料電池は、作動温度が常温〜約１２０℃程度と低く、小型化が可能なので、家庭向け、自動車などの用途への適用が期待されている。メタノールを燃料としたダイレクトメタノール型燃料電池はモバイル用電源として期待されている。 Among these, the polymer electrolyte fuel cell, in particular, has an operating temperature as low as about room temperature to about 120 ° C. and can be miniaturized, and therefore is expected to be applied to applications such as home use and automobiles. A direct methanol fuel cell using methanol as a fuel is expected as a mobile power source.
このような燃料電池において燃料電池用セパレータ１は、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂やポリプロピレン、ポリビニリデンフルオライド等の熱可塑性樹脂をバインダーとし、黒鉛粒子等を導電性充填材として含有する樹脂組成物を圧縮成形あるいは射出成形により、図１のようにその両側面に複数個の凸部４が形成されるようにして製造することができる。 In such a fuel cell, the fuel cell separator 1 includes, for example, a thermosetting resin such as phenol resin or epoxy resin, or a thermoplastic resin such as polypropylene or polyvinylidene fluoride as a binder, and graphite particles or the like as a conductive filler. Can be produced by compression molding or injection molding such that a plurality of convex portions 4 are formed on both sides as shown in FIG.
ところで、上記のように製造された燃料電池用セパレータ１は、スキン層と呼ばれる樹脂の層が成形時にセパレータ表面に形成されて電気抵抗が高くなってしまうという問題を有していた。 By the way, the fuel cell separator 1 manufactured as described above has a problem that a resin layer called a skin layer is formed on the surface of the separator at the time of molding and the electric resistance becomes high.
そして、上記の燃料電池は、燃料電池用セパレータ１と電極２との接触部の抵抗が大きい場合には出力が低下することから、この接触抵抗を低減することが望まれてもいる。具体的には燃料電池用セパレータ１と電極２との接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2未満であることが要求されている。これまでにも、この接触抵抗を低減するために燃料電池用セパレータ１における電極２との接触面を所定の表面粗さとする各種の燃料電池用セパレータ１が提案されている（例えば、特許文献１〜４参照）。 In the fuel cell, since the output decreases when the resistance of the contact portion between the fuel cell separator 1 and the electrode 2 is large, it is desired to reduce the contact resistance. Specifically, the contact resistance between the fuel cell separator 1 and the electrode 2 is required to be less than 10 mΩ · cm 2 . In the past, various fuel cell separators 1 have been proposed in which the contact surface of the fuel cell separator 1 with the electrode 2 has a predetermined surface roughness in order to reduce the contact resistance (for example, Patent Document 1). To 4).
また、従来では、マスクによるシーリングに際しても、燃料電池の安全性や出力効率が損われないようにするために、燃料電池用セパレータでのガス漏れ（リーク）を効果的に防止するための方策として、シール部の表面粗さを所定のものとするとのことも提案されている（例えば、特許文献５〜７）。 Conventionally, as a measure to effectively prevent gas leakage (leakage) in the separator for the fuel cell in order to prevent the safety and output efficiency of the fuel cell from being impaired even when sealing with a mask. In addition, it has also been proposed that the surface roughness of the seal portion is a predetermined one (for example, Patent Documents 5 to 7).
さらに、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水できるようにするため、表層部にブラスト処理を行い、燃料電池用セパレータに親水性を付与するとともに、フラッディング現象を防止することも提案されている（例えば、特許文献８）。
しかしながら、従来より、上記の燃料電池用セパレータは燃料電池用セパレータと電極との接触抵抗の低減やガス漏れの防止策について検討されてきてはいるものの、依然としてその効果は十分に満足できるものでなく、燃料電池のさらなる性能の向上が望まれているのが実情である。 However, conventionally, the fuel cell separator has been studied for reducing the contact resistance between the fuel cell separator and the electrode and preventing gas leakage, but the effect is still not fully satisfactory. In fact, further improvements in the performance of fuel cells are desired.
また、燃料電池は、定置用、モバイル電源用、車載用等として用いられるが、その用途により、燃料電池用セパレータに求められる特性が異なっている。特に、定置用、モバイル電源用の燃料電池用セパレータでは、その燃料電池の構造より、車載用の燃料電池用セパレータに比し、定置用は、空気側の圧力が低くなければならず、生成する水によるフラッディングが発生しやすい環境におかれるので、さらに高い親水性が求められ、しかも接触抵抗の効果的な低減、ガス漏れ対策をも考慮しながら、その用途に適した特性を発揮するものが求められている。モバイル電源用は、メタノールの水溶液が流れ、また、空気側の圧力が低くなければならず、生成する水によるフラッディングが発生しやすい環境におかれるので、さらに高い親水性が求められ、しかも接触抵抗の効果的な低減をも考慮しながら、その用途に適した特性を発揮するものが求められている。 In addition, fuel cells are used for stationary use, mobile power supply, in-vehicle use, and the like, but the characteristics required for fuel cell separators differ depending on the application. In particular, the fuel cell separator for stationary use and mobile power supply is produced because the pressure on the air side must be lower than the fuel cell separator for in-vehicle use due to the structure of the fuel cell. Since it is placed in an environment where water flooding is likely to occur, even higher hydrophilicity is required, and there are those that exhibit characteristics suitable for the application while considering effective reduction of contact resistance and measures against gas leakage. It has been demanded. For mobile power supplies, an aqueous solution of methanol flows and the pressure on the air side must be low, and it is placed in an environment where flooding due to the generated water is likely to occur, so even higher hydrophilicity is required, and contact resistance Therefore, there is a demand for a material that exhibits characteristics suitable for the application while taking into consideration effective reduction of the above.
そこで、本願発明は、以上の通りの背景からなされたものであり、特に定置用、モバイル電源用の燃料電池の性能向上に有効な、接触抵抗が低く、ガス漏れ防止性にも優れ、より高親水性化を図り、生成水排水側のガス圧力を低くし、生成水の排水をも良好に行うことができる燃料電池用セパレータとその製造方法を提供することを課題としている。 Therefore, the present invention has been made from the background as described above, and is particularly effective for improving the performance of fuel cells for stationary and mobile power sources, has low contact resistance, excellent gas leakage prevention, and higher It is an object of the present invention to provide a separator for a fuel cell that can be made hydrophilic, reduce the gas pressure on the generated water drainage side, and discharge the generated water satisfactorily, and a method for producing the same.
そこで、本願の発明者らは、上記課題を解決し、特に定置用、モバイル電源用の燃料電池へ好ましく適用できる燃料電池用セパレータを実現すべく、燃料電池用セパレータとその燃料電池用セパレータに隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗さに着目して鋭意検討し、燃料電池の性能向上のためには、この接触部を特定範囲の表面粗さに調整して接触抵抗を低減することが有効であることを見出した。そしてまた、マスクしてブラストする場合の燃料電池用セパレータのシール部の表面粗さを特定範囲に調整することでガス漏れをより効果的に防止できることを見出した。さらに、特定の粒度のブラスト砥粒を用いたブラストにより、燃料電池用セパレータとその燃料電池用セパレータに隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗さ及びマスクしてブラストする場合の燃料電池用セパレータのシール部の表面粗さと、表面削り量を特定値以下として、燃料電池における生成水排出部分でのガス圧力を低くし、親水性をより向上させ、定置用、モバイル電源用燃料電池の燃料電池用セパレータに適した特性が得られ、湿度の変動の少ない条件下でのブラスト処理により、粒子に静電気が発生して凝集することを防止でき、安定してバリの除去、削り量の安定化が図れることを見出した。事前に金型側に所定の表面粗度を形成することで、Ｒａが高くても表面削り量の少ない燃料電池用セパレータを得ることができる。 In view of this, the inventors of the present application have solved the above-described problems and are adjacent to the fuel cell separator and the fuel cell separator, particularly in order to realize a fuel cell separator that can be preferably applied to a fuel cell for stationary use and mobile power supply. In order to improve the performance of the fuel cell, the contact resistance is adjusted by adjusting the contact roughness to a specific range of surface roughness. It has been found that reducing this is effective. It has also been found that gas leakage can be more effectively prevented by adjusting the surface roughness of the seal portion of the fuel cell separator when masked and blasted to a specific range. Furthermore, when blasting using a blasting abrasive grain of a specific particle size, the surface roughness of the contact portion between the fuel cell separator and the fuel cell separator of the unit cell adjacent to the fuel cell separator is masked and blasted. The surface roughness of the seal part of the fuel cell separator and surface scraping amount are below a specific value, the gas pressure at the generated water discharge part in the fuel cell is lowered, the hydrophilicity is further improved, for stationary use, for mobile power supply Properties suitable for fuel cell separators for fuel cells can be obtained, and blasting under conditions with little fluctuation in humidity can prevent static particles from agglomerating and agglomerating, stably removing and scraping burrs It was found that the amount could be stabilized. By forming a predetermined surface roughness on the mold side in advance, it is possible to obtain a fuel cell separator with a small surface scraping amount even if Ra is high.
したがって、本願発明は、以下のことを特徴としている。 Accordingly, the present invention is characterized by the following.
第１：燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータにおいて、合成樹脂と平均粒径２０〜６０μｍの黒鉛とを含む樹脂組成物から形成されてなり、粒度＃２４０〜８００の範囲内のブラスト砥粒を用いてブラストすることにより、燃料電池用セパレータの電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内であり、且つ表面削り量が５０μｍ以下になるように調整されている。 1: A separator for a fuel cell of a unit cell constituting a fuel cell, formed from a resin composition containing a synthetic resin and graphite having an average particle size of 20 to 60 μm, and having a particle size of # 240 to 800 By blasting with abrasive grains, the surface roughness Ra of the contact portion of the fuel cell separator with the electrode and the contact portion of the adjacent unit cell with the fuel cell separator is a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. The measured value of Ra is within the range of Ra = 2.5 to 4.5 μm, and the surface scraping amount is adjusted to 50 μm or less.
第２：上記の燃料電池用セパレータにおいて、金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内の金型を用いて成形されたものである。 Second: In the fuel cell separator described above, the mold cavity surface roughness Ra is a value measured by a surface roughness meter with a probe tip diameter of 5 μm, and Ra = 2.0 to 4.0 μm. It is molded using a mold.
第３：上記の燃料電池用セパレータにおいて、燃料電池用セパレータのマスクしてブラストする場合において、シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内である。 Third: In the above fuel cell separator, when the fuel cell separator is masked and blasted, the surface roughness Ra of the seal portion is a value measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and Ra = 0. It is in the range of 2 to 1.6 μm.
第４：上記の燃料電池用セパレータにおいて、シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内であり、非シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内である金型を用いて成形されたものである。 Fourth: In the fuel cell separator, the surface roughness Ra of the mold cavity corresponding to the seal portion is a value measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, Ra = 0.2 to 1.6 μm The surface roughness Ra of the cavity of the mold corresponding to the non-sealed portion is a value measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and within a range of Ra = 2.0 to 4.0 μm. It is molded using a certain mold.
第５：上記の燃料電池用セパレータにおいて、樹脂組成物が平均粒径４０〜６０μｍの黒鉛を含む。 Fifth: In the above fuel cell separator, the resin composition contains graphite having an average particle size of 40 to 60 μm.
第６：上記の燃料電池用セパレータにおいて、粒度＃２４０〜８００の範囲内のアルミナを用いてブラストされている。 Sixth: In the above fuel cell separator, blasting is performed using alumina in the range of particle size # 240-800.
第７：燃料電池を構成する単位セルの燃料電池用セパレータの製造方法であって、合成樹脂と平均粒径２０〜６０μｍの黒鉛とを含む樹脂組成物を金型で成形し、粒度＃２４０〜８００の範囲内のブラスト砥粒を用いてブラストすることにより、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内となり、且つ表面削り量が５０μｍ以下となるように調整する。 Seventh: A method for producing a separator for a fuel cell of a unit cell constituting a fuel cell, wherein a resin composition containing a synthetic resin and graphite having an average particle size of 20 to 60 μm is molded with a mold, and particle size # 240 By blasting with blasting abrasive grains in the range of 800, the skin layer formed on the surface of the contact portion between the molded product and the electrode and the contact portion between the fuel cell separator of the adjacent unit cell is removed. At the same time, the surface roughness Ra of these contact portions is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and Ra is in the range of 2.5 to 4.5 μm, and the surface scraping amount is 50 μm or less. adjust.
第８：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内の金型を用いる。 Eighth: In the fuel cell separator manufacturing method described above, the surface roughness Ra of the mold cavity is a value measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and Ra = 2.0 to 4.0 μm. Use the inner mold.
第９：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、燃料電池用セパレータのマスクしてブラストする場合において、シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内になるようにブラストすることにより調整する。 Ninth: In the fuel cell separator manufacturing method described above, when the fuel cell separator is masked and blasted, the surface roughness Ra of the seal portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. = Adjust by blasting to be in the range of 0.2 to 1.6 μm.
第１０：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、非シール部をマスクしてブラストすることによりシール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内になるように調整した後、シール部をマスクしてブラストすることにより非シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内になるように調整する。 Tenth: In the above method for manufacturing a fuel cell separator, Ra = 0 as measured by a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm by masking and blasting a non-sealed portion. After adjusting to be in the range of 2 to 1.6 μm, the surface roughness Ra of the non-sealed portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm by masking and blasting the seal portion. It adjusts so that it may become in the range of Ra = 2.5-4.5 micrometers.
第１１：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、金型として、シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内であり、非シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内である金型を用いる。 Eleventh: In the method for manufacturing a fuel cell separator described above, as a mold, a surface roughness Ra of a cavity of a mold corresponding to a seal portion is a measured value with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. The surface roughness Ra of the cavity of the mold corresponding to the non-sealed portion is in the range of 0.2 to 1.6 μm, and Ra = 2.0 to the measured value with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. A mold that is within the range of 4.0 μm is used.
第１２：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、黒鉛として平均粒径４０〜６０μｍのものを用いる。 Twelfth: In the above method for producing a fuel cell separator, graphite having an average particle diameter of 40 to 60 μm is used.
第１３：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、粒度＃２４０〜８００の範囲内のアルミナを用いてブラストを行う。 13th: In the above method for producing a fuel cell separator, blasting is performed using alumina in the range of particle size # 240-800.
第１４：上記の燃料電池用セパレータの製造方法において、ブラスト処理を、相対湿度が５０〜７０％の範囲内の条件下で行う。 14th: In the above method for producing a fuel cell separator, the blast treatment is performed under conditions where the relative humidity is in the range of 50 to 70%.
上記第１の発明では、ブラスト砥粒として粒度＃２４０〜８００の範囲内のアルミナを用いてブラストすることにより、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗度がプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内であり、且つ表面削り量が５０μｍ以下となるように調整されていることにより、電極との接触抵抗を１０ｍΩ・ｃｍ2未満に、隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触抵抗を１５ｍΩ・ｃｍ2未満に低減することができ、しかもより高親水性化を図り、生成水排水側のガス圧力を低くし、生成水の排水をも良好に行うことができ、燃料電池の性能を向上させることができる。そして、特に、定置用、モバイル電源用燃料電池の燃料電池用セパレータとして優れた特性を発揮する。 In the first invention, the surface of the contact portion with the electrode and the fuel cell separator of the adjacent unit cell is blasted by using alumina in the range of particle size # 240 to 800 as the blast abrasive grain. The roughness measured by a surface roughness meter with a probe tip diameter of 5 μm is within the range of Ra = 2.5 to 4.5 μm, and the surface scraping amount is adjusted to be 50 μm or less, the contact resistance between the electrode to less than 10 m [Omega · cm 2, it is possible to reduce the contact resistance between the fuel cell separator of the adjacent unit cells to less than 15mΩ · cm 2, yet achieving a higher hydrophilicity of generated water The gas pressure on the drain side can be lowered, the generated water can be drained well, and the performance of the fuel cell can be improved. In particular, it exhibits excellent properties as a fuel cell separator for stationary and mobile power source fuel cells.
上記第２の発明では、制御された表面粗度のキャビティーを有する金型を用いて成形していることで、上記の効果をより一層向上させることができる。 In the said 2nd invention, said effect can be improved further by shape | molding using the metal mold | die which has the cavity of the controlled surface roughness.
上記第３の発明では、マスクしてブラストする場合において、シール部の表面粗度がＲａ＝０．２〜１．６μｍの特定の範囲とされていることで、シール部でのガス漏れが効果的に抑止できる。 In the third aspect of the invention, when masking and blasting are performed, gas leakage at the seal portion is effective because the surface roughness of the seal portion is in a specific range of Ra = 0.2 to 1.6 μm. Can be deterred.
上記第４の発明では、シール部に相当する金型のキャビティーと非シール部に相当する金型のキャビティーの両方の表面粗度を制御した金型を用いて成形していることで、上記のとおりの接触抵抗の低減、より高親水性化を図ること、生成水排水側のガス圧力を低くして生成水の排水を良好に行うことを可能にし、燃料電池の性能のより一層の向上が図れるとともに、シール部でのガス漏れを効果的に抑止できる。また、予め必要な表面粗度を制御した金型を用いることで表面削り量の少ない燃料電池用セパレータができる。 In the fourth aspect of the invention, by molding using a mold in which the surface roughness of both the mold cavity corresponding to the seal part and the mold cavity corresponding to the non-seal part is controlled, It is possible to reduce the contact resistance as described above, achieve higher hydrophilicity, lower the gas pressure on the generated water drainage side and drain the generated water well, and further improve the performance of the fuel cell. Improvement can be achieved and gas leakage at the seal portion can be effectively suppressed. Moreover, a fuel cell separator with a small amount of surface scraping can be obtained by using a mold whose surface roughness is controlled in advance.
上記第５の発明では、樹脂組成物が平均粒径が４０〜６０μｍの黒鉛を含むことにより、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗度をより確実に制御させることができる。 In the fifth invention, the resin composition contains graphite having an average particle size of 40 to 60 μm, so that the surface roughness of the contact portion with the electrode and the contact portion with the fuel cell separator of the adjacent unit cell is further increased. It can be surely controlled.
上記第６の発明では、粒度＃２４０〜８００の範囲内のアルミナを用いてブラストされていることにより、より確実に、上記した優れた特性を得ることができる。 In the said 6th invention, the above-mentioned outstanding characteristic can be acquired more reliably by being blasted using the alumina in the range of particle size # 240-800.
また、上記第７の発明の製造方法によれば、粒度＃２４０〜８００の範囲内のブラスト砥粒を用いてブラストすることにより、接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度および表面削り量を制御、調整することにより、電極との接触抵抗を１０ｍΩ・ｃｍ2未満に、隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触抵抗を１５ｍΩ・ｃｍ2未満に低減することができ、表面削り量が抑えられ、しかもより高親水性化を図り、生成水排水側のガス圧力を低くし、生成水の排水をも良好に行うことができ、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータを製造することができる。そして、特に、定置用、モバイル電源用の燃料電池に好ましく適用可能な優れた特性の燃料電池用セパレータが提供できる。 Moreover, according to the manufacturing method of the said 7th invention, while blasting using the blasting abrasive grain in the range of particle size # 240-800, while removing the skin layer formed in the surface of a contact part, these By controlling and adjusting the surface roughness and surface scraping amount of the contact area, the contact resistance with the electrode is less than 10 mΩ · cm 2 and the contact resistance with the fuel cell separator of the adjacent unit cell is less than 15 mΩ · cm 2. The amount of surface scraping can be reduced, the surface can be made more hydrophilic, the gas pressure on the generated water drainage side can be lowered, and the generated water can be drained well. A fuel cell separator capable of improving performance can be produced. In particular, it is possible to provide a fuel cell separator having excellent characteristics that can be preferably applied to a fuel cell for stationary use and mobile power supply.
上記第８の発明の製造方法では、制御された表面粗度のキャビティーを有する金型を用いて成形していることで、上記の優れた特性を有する燃料電池用セパレータをより容易に製造できる。 In the manufacturing method of the eighth invention, the fuel cell separator having the above excellent characteristics can be more easily manufactured by molding using a mold having a cavity having a controlled surface roughness. .
上記第９の発明の製造方法では、シール部の表面粗度を制御することで、シール部でのガス漏れを効果的に防止することができる燃料電池用セパレータが製造できる。 In the manufacturing method according to the ninth aspect of the invention, a fuel cell separator that can effectively prevent gas leakage at the seal portion can be manufactured by controlling the surface roughness of the seal portion.
上記第１０の発明の製造方法では、シール部と非シール部をそれぞれ別々にブラストすることで、ガス漏れ防止性、メタノール水溶液漏れ防止性に優れた燃料電池用セパレータが製造可能できる。 In the manufacturing method of the tenth aspect of the invention, a fuel cell separator having excellent gas leakage prevention properties and methanol aqueous solution leakage prevention properties can be produced by separately blasting the sealing portion and the non-sealing portion.
上記第１１の発明の製造方法では、シール部に相当する金型のキャビティーと非シール部に相当する金型のキャビティーの両方の表面粗度を制御した金型を用いて成形することで、上記のとおりの接触抵抗の低減、より高親水性化を図ること、生成水排水側のガス圧力を低くして生成水の排水を良好に行うことを可能にし、燃料電池の性能をより一層向上させ、シール部でのガス漏れを効果的に抑止できる燃料電池用セパレータをより容易に製造できる。 In the manufacturing method of the eleventh aspect of the invention, molding is performed using a mold in which the surface roughness of both the mold cavity corresponding to the seal part and the mold cavity corresponding to the non-seal part is controlled. It is possible to reduce the contact resistance as described above, achieve higher hydrophilicity, lower the gas pressure on the generated water drainage side and drain the generated water well, and further improve the performance of the fuel cell. Thus, a fuel cell separator capable of improving and effectively suppressing gas leakage at the seal portion can be more easily manufactured.
上記第１２の発明の製造方法では、黒鉛として平均粒径４０〜６０μｍのものを用いることにより、電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面粗度を容易に上記特定の範囲内に制御できる燃料電池用セパレータを製造することができる。 In the manufacturing method of the twelfth aspect of the present invention, the surface roughness of the contact portion with the electrode and the contact portion with the fuel cell separator of the adjacent unit cell is easily obtained by using graphite having an average particle size of 40 to 60 μm. In addition, a fuel cell separator that can be controlled within the above specific range can be manufactured.
上記第１３の発明の製造方法では、粒度＃２４０〜８００の範囲内のアルミナを用いてブラストされていることにより、より確実に、上記の優れた特性を有する燃料電池用セパレータを製造できる。 In the manufacturing method of the thirteenth aspect of the present invention, the fuel cell separator having the above excellent characteristics can be manufactured more reliably by being blasted using alumina in the range of particle size # 240-800.
さらに、上記第１４の発明の製造方法では、ブラスト処理を、相対湿度が５０〜７０％の範囲内の条件下で行うことで、バリ除去性の向上、削り量の抑制の安定化を図ることができ、より性能が向上した燃料電池用セパレータを容易に製造できる。 Furthermore, in the manufacturing method according to the fourteenth aspect of the present invention, the blast treatment is performed under the condition where the relative humidity is in the range of 50 to 70%, thereby improving the burr removal property and stabilizing the shaving amount. Thus, a fuel cell separator with improved performance can be easily produced.
本願発明は前記のとおりの特徴をもつものであるが、以下に、発明を実施するための最良の形態を説明する。 The present invention has the above-described features, and the best mode for carrying out the invention will be described below.
本願発明の燃料電池用セパレータ１は、例えば図１に示すような燃料電池を構成する単位セルＡにおいて、合成樹脂と平均粒径２０〜６０μｍ、より好ましくは平均粒径４０〜６０μｍの黒鉛とを含む樹脂組成物から形成されてなり、粒度＃２４０〜８００のブラスト砥粒（研磨材粒子）を用いてブラストすることにより、電極２との接触部および隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触部の表面に形成されたスキン層が除去されているとともに、これら接触部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍ、より好ましくは２．７〜４．３μｍに調整され、表面削り量が５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下で、その下限は１μｍ程度であることを特徴としている（「Ｒａ」は算術平均粗さを表す（ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１））。ここで、表面に形成されたスキン層は絶縁層であるため、このスキン層が除去されていることで接触抵抗が低減する。さらに、上記のように電極２との接触部および隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触部を所定の表面粗度とすることで接触抵抗を低減している。すなわち、これら接触部を所定の表面粗度となるようにその表面に凹凸を形成し、燃料電池用セパレータ１と電極２間および燃料電池用セパレータ１と隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１間の接触部分を増大させることで接触抵抗を低減している。なお、本明細書において、「表面削り量」とは、表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計（東京精密製 表面粗さ・輪郭形状測定機：サーフコム１８００Ｄ）を用いて、一部をマスクして、そのブラスト有無での境界の段差を評価した数値である。 The fuel cell separator 1 of the present invention comprises, for example, a synthetic resin and graphite having an average particle size of 20 to 60 μm, more preferably an average particle size of 40 to 60 μm, in a unit cell A constituting a fuel cell as shown in FIG. The fuel cell separator 1 of the contact portion with the electrode 2 and the adjacent unit cell A is formed by blasting using blast abrasive grains (abrasive material particles) of particle size # 240-800. The skin layer formed on the surface of the contact portion is removed, and the surface roughness Ra of the contact portion is a value measured with a surface roughness meter with a probe tip diameter of 5 μm, Ra = 2.5-4. It is adjusted to 5 μm, more preferably 2.7 to 4.3 μm, the amount of surface grinding is 50 μm or less, more preferably 20 μm or less, and the lower limit is about 1 μm (“Ra” is characterized by Represents arithmetic average roughness (JIS B 0601-2001)). Here, since the skin layer formed on the surface is an insulating layer, the contact resistance is reduced by removing the skin layer. Furthermore, contact resistance is reduced by setting the contact portion with the electrode 2 and the contact portion with the fuel cell separator 1 of the adjacent unit cell A to have a predetermined surface roughness as described above. That is, these contact portions are formed with irregularities on the surface so as to have a predetermined surface roughness, and the fuel cell separator 1 of the unit cell A between the fuel cell separator 1 and the electrode 2 and adjacent to the fuel cell separator 1. The contact resistance is reduced by increasing the contact portion between them. In this specification, the “surface shaving amount” is a value obtained by using a surface roughness meter (surface roughness / contour shape measuring machine: Surfcom 1800D, manufactured by Tokyo Seimitsu) having a surface roughness Ra of 5 μm. This is a numerical value obtained by evaluating a boundary step with and without blasting by masking a portion.
このような所定の表面粗度の接触部において、電極２は一般的に柔軟性であるため、燃料電池用セパレータ１と電極２間の接触部分は増大しやすく接触抵抗をより大きく低減することができる。また、燃料電池用セパレータ１と隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１間では、各々の接触部の表面に形成された凹凸が効果的にかみ合い、接触部分が増大して接触抵抗が低減する。具体的には、上記のような構成の燃料電池用セパレータ１とすることで、電極２との接触抵抗を１０ｍΩ・ｃｍ2未満に、隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触抵抗を１５ｍΩ・ｃｍ2未満に低減することを実現している。接触部の表面粗度について、Ｒａが２．５μｍ未満の場合には、燃料電池用セパレータ１のわずかな反りや厚み精度が影響して接触部分が少なくなるため、接触抵抗を低減することができない。４．５μｍを超える場合には、表面削り量が多くなり燃料電池用セパレータ１の溝が浅くなり電力発生効率が低下するため好ましくなく、また、電極２との接触部分および隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触部分が少なくなるため、接触抵抗を低減することができない。特に隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触部分では、相互の接触部の表面に形成された凹凸が効果的にかみ合わなくなり接触部分が少なくなる。表面刷り量が５０μｍを超えると燃料電池用セパレータ１の溝が浅くなり電力発生効率が低下するため好ましくなく、少なすぎると適度な表面粗さを得ることができなくなる。 In such a contact portion having a predetermined surface roughness, since the electrode 2 is generally flexible, the contact portion between the fuel cell separator 1 and the electrode 2 tends to increase, and the contact resistance can be greatly reduced. it can. Moreover, between the fuel cell separator 1 and the fuel cell separator 1 of the unit cell A adjacent to each other, the unevenness formed on the surface of each contact portion is effectively meshed, and the contact portion is increased to reduce the contact resistance. . Specifically, by using the fuel cell separator 1 having the above-described configuration, the contact resistance with the electrode 2 is less than 10 mΩ · cm 2 and the contact resistance with the fuel cell separator 1 of the adjacent unit cell A. Is reduced to less than 15 mΩ · cm 2 . Regarding the surface roughness of the contact portion, when Ra is less than 2.5 μm, the contact portion is reduced due to the slight warpage and thickness accuracy of the fuel cell separator 1, so that the contact resistance cannot be reduced. . If it exceeds 4.5 μm, the amount of surface scraping increases and the groove of the fuel cell separator 1 becomes shallow and the power generation efficiency decreases, which is not preferable. Also, the contact portion with the electrode 2 and the adjacent unit cell A Since the contact portion with the fuel cell separator 1 is reduced, the contact resistance cannot be reduced. In particular, in the contact portion of the adjacent unit cell A with the fuel cell separator 1, the unevenness formed on the surface of the mutual contact portion is not effectively engaged, and the contact portion is reduced. If the surface printing amount exceeds 50 μm, the groove of the fuel cell separator 1 becomes shallow and power generation efficiency is lowered, which is not preferable. If the surface printing amount is too small, an appropriate surface roughness cannot be obtained.
そして本願発明の燃料電池用セパレータでは、上記のとおりの接触抵抗の低減化のための接触部の表面粗さとともに、ガス漏れを抑止するとの観点から、前記のとおりに、燃料電池用セパレータの、たとえば厚み１ｍｍのステンレス板（特にこれに限定されないが）より切り出したものなどを治具としてマスクしてシールする場合のシール部の表面粗度Ｒａを、同様のプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍという特定の範囲とすることが極めて有効である。この場合の表面粗度Ｒａが１．６μｍを超える場合にはガス漏れ防止効果は大きくなく、実用的に満足できるものではない。一方、０．２μｍ未満とすることは、これを実現するためのプロセス、手段の負荷が大きくなり、また実質的にガス漏れ防止効果をさらに大きくするものでもない。 And in the fuel cell separator of the present invention, from the viewpoint of suppressing gas leakage along with the surface roughness of the contact portion for reducing the contact resistance as described above, as described above, For example, the surface roughness Ra of the probe tip diameter of 5 μm is the same as the surface roughness Ra of the seal portion when sealing with a jig cut out from a stainless steel plate having a thickness of 1 mm (not limited to this) as a jig. It is extremely effective to set Ra = 0.2 to 1.6 [mu] m in the measured value at. In this case, when the surface roughness Ra exceeds 1.6 μm, the effect of preventing gas leakage is not so great that it is not practically satisfactory. On the other hand, if the thickness is less than 0.2 μm, the load of the process and means for realizing this will increase, and the effect of preventing gas leakage will not be further increased.
本願発明の燃料電池用セパレータ１を構成する樹脂組成物に用いられる合成樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。中でも特に好ましいのはエポキシ樹脂とフェノール樹脂である。エポキシ樹脂は、低粘度、不純物溶出性、車載用耐酸性、モバイル電源用耐メタノール性の点で優れているからである。フェノール樹脂も同様である。 Examples of the synthetic resin used in the resin composition constituting the fuel cell separator 1 of the present invention include thermosetting resins such as epoxy resins, phenol resins, polyimide resins, melamine resins, unsaturated polyester resins, diallyl phthalate resins, Examples thereof include thermoplastic resins such as polyphenylene sulfide resins, polyphenylene ether resins, polysulfone resins, polyamide resins, acrylic resins, polystyrene resins, and polycarbonate resins. Of these, epoxy resins and phenol resins are particularly preferred. This is because the epoxy resin is excellent in terms of low viscosity, impurity elution, acid resistance for in-vehicle use, and methanol resistance for mobile power supply. The same applies to phenolic resins.
黒鉛としては、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもの、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛などの黒鉛粒子が挙げられ、一種のみを用いてもよいし、複数種を混合して用いてもよい。この平均粒径としては、高導電性を得るために一般的には１０〜２００μｍの範囲のものを用いることが考慮されるが、燃料電池用セパレータとしての凹凸部、薄肉部０．２〜０．５ｍｍがあるので成形性が必要であり、電極２との接触部および隣接する単位セルＡの燃料電池用セパレータ１との接触部の表面粗度の制御のし易さの観点から、２０〜６０μｍが好ましく、４０〜６０μｍがより好ましい。 Graphite includes graphitized carbonaceous materials such as mesocarbon microbeads, graphitized coal-based coke and petroleum-based coke, processed powder of graphite electrodes and special carbon materials, natural graphite, quiche graphite, expanded graphite, etc. Graphite particles, and only one kind may be used, or a plurality of kinds may be mixed and used. As this average particle diameter, in order to obtain high conductivity, it is generally considered that a particle having a range of 10 to 200 μm is used. From the viewpoint of easy control of the surface roughness of the contact portion with the electrode 2 and the contact portion with the fuel cell separator 1 of the adjacent unit cell A, it is 20 to 20 mm. 60 micrometers is preferable and 40-60 micrometers is more preferable.
本願発明で用いる黒鉛については、特に天然黒鉛が好適なものとして考慮される。これは、天然黒鉛が結晶性が高く、接触抵抗値を低くするとともに、人造黒鉛に比べて硬度が低く、接触面積が表面粗度に影響されにくいという特徴を有していることによる。 As for the graphite used in the present invention, natural graphite is considered particularly suitable. This is due to the fact that natural graphite has high crystallinity, lowers the contact resistance value, has lower hardness than artificial graphite, and the contact area is hardly affected by surface roughness.
この樹脂組成物における合成樹脂と黒鉛の配合割合は、例えば、燃料電池用セパレータの強度、導電性を考慮すると、黒鉛７０〜９０質量部に対して合成樹脂が１０〜３０質量部の範囲で配合されることが好ましい。 The blending ratio of the synthetic resin and graphite in the resin composition is, for example, in the range of 10 to 30 parts by mass of the synthetic resin with respect to 70 to 90 parts by mass of graphite in consideration of the strength and conductivity of the fuel cell separator. It is preferred that
そして、以上のとおりの樹脂組成物は適宜の方法で配合され、必要に応じて混練することにより得られる。混練には通常の混練機が使用でき、例えば、ニーダー、ミキサー、ボールミルなどが挙げられる。 And the resin composition as mentioned above is mix | blended by a suitable method, and is obtained by kneading | mixing as needed. A normal kneader can be used for the kneading, and examples thereof include a kneader, a mixer, and a ball mill.
こうして得られた樹脂組成物を用いて、例えば、図１に示すように、最終形状が、その両側面に複数個の凸部４が形成され、隣り合う凸部４同士の間でガス供給排出用溝５を構成する燃料電池セパレータ１となるように金型で成形する。成形方法としては、特に限定されることはなく、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形など一般に用いられている方法が考慮される。これらいずれの方法においても、本願発明のセパレータ用の樹脂成形品の成形に際しては、金型の表面粗度を制御しておくことが有効でもある。 Using the resin composition thus obtained, for example, as shown in FIG. 1, the final shape is formed with a plurality of convex portions 4 on both side surfaces thereof, and gas supply / discharge between adjacent convex portions 4 is performed. It molds with a metal mold | die so that it may become the fuel cell separator 1 which comprises the groove | channel 5 for use. The molding method is not particularly limited, and generally used methods such as compression molding, injection molding and transfer molding are considered. In any of these methods, it is effective to control the surface roughness of the mold when molding the resin molded product for the separator of the present invention.
金型の表面粗度の制御の仕方は、製造方法により異なるが、いくつかの例を下記に例示する。 Although the method of controlling the surface roughness of the mold varies depending on the manufacturing method, some examples are illustrated below.
（１）金型の成形表面の表面粗度Ｒａをプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内とする。ここで上記範囲とした理由は、合成樹脂と平均粒径２０〜６０μｍの黒鉛とを含む樹脂組成物を金型で成形した後、粒度＃２４０〜８００の範囲内のブラスト砥粒を用いてブラストすることにより、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともにこれら接触部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内となり、且つ表面削り量が５０μｍ以下となるように調整する必要があるからである。 (1) The surface roughness Ra of the molding surface of the mold is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and Ra is in the range of 2.0 to 4.0 μm. The reason why the above range is adopted is that a resin composition containing a synthetic resin and graphite having an average particle diameter of 20 to 60 μm is molded with a mold, and then blasted using blast abrasive grains in the range of particle size # 240 to 800. By removing the skin layer formed on the surface of the contact portion between the molded product and the electrode and the contact portion between the fuel cell separator of the adjacent unit cell, the surface roughness Ra of the contact portion is determined by the probe tip. This is because it is necessary to adjust the measured value with a surface roughness meter having a diameter of 5 μm so that Ra is in the range of 2.5 to 4.5 μm and the surface scraping amount is 50 μm or less.
この場合、金型成形後、燃料電池用セパレータのマスクしてブラストする場合において、シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内になるようにブラストすることにより調整するようにしてもよい。 In this case, when molding and blasting with a fuel cell separator mask, the surface roughness Ra of the seal portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and Ra = 0.2 to 1 You may make it adjust by blasting so that it may become in the range of .6 micrometer.
（２）金型のキャビティーの表面粗度Ｒａをプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内とする。 (2) The surface roughness Ra of the cavity of the mold is set to Ra = 0.2 to 1.6 μm as measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm.
この場合、金型成形後、シール部をマスクしてブラストすることにより非シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内になるように調整することができる。 In this case, the surface roughness Ra of the non-sealed portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm by masking and blasting the seal portion after molding, and Ra = 2.5 to 4.5 μm It can be adjusted to be within the range.
（３）シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａをプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内になるように調整し、非シール部に相当する金型のキャビティーの表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．０〜４．０μｍの範囲内になるように調整する。 (3) The surface roughness Ra of the cavity of the mold corresponding to the seal portion is adjusted to be within a range of Ra = 0.2 to 1.6 μm as measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. Then, the surface roughness Ra of the cavity of the mold corresponding to the non-sealed portion is adjusted so that it is within the range of Ra = 2.0 to 4.0 μm as measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. To do.
この場合、金型成形後、シール部をマスクしてブラストすることにより非シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内になるように容易に調整することができる。 In this case, the surface roughness Ra of the non-sealed portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm by masking and blasting the seal portion after molding, and Ra = 2.5 to 4.5 μm It can be easily adjusted to be within the range.
上記金型のキャビティーの表面粗度Ｒａの値は、後のブラスト処理による表面粗度の調整が考慮された値である。 The value of the surface roughness Ra of the mold cavity is a value that takes into account the adjustment of the surface roughness by the subsequent blast treatment.
また、本願発明では、上記以外の表面粗度Ｒａのキャビティーを有する金型を使用することもできる。この場合、金型成形後、非シール部をマスクしてブラストすることによりシール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝０．２〜１．６μｍの範囲内になるように調整した後、シール部をマスクしてブラストすることにより非シール部の表面粗度Ｒａがプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍの範囲内になるように調整する手法を用いて、燃料電池用セパレータを製造することができる。 Moreover, in this invention, the metal mold | die which has the cavity of surface roughness Ra other than the above can also be used. In this case, after molding the mold, the non-sealed portion is masked and blasted so that the surface roughness Ra of the sealed portion is a value measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. Ra = 0.2 to 1.6 μm After adjusting to be within the range, the surface roughness Ra of the non-sealed portion is measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm by masking and blasting the seal portion, and Ra = 2.5˜ A fuel cell separator can be manufactured using a method of adjusting the thickness to be within a range of 4.5 μm.
このように、本願発明は、金型で成形した後、この成形品と電極との接触部および隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触部の表面に形成されたスキン層を除去するとともに、これら接触部の表面粗度がプローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍとなるように粗面化する。これによって、接触抵抗を低減することができ、燃料電池の性能を向上させることができ、親水性が高く、生成水の排水をも良好に行うことができる燃料電池用セパレータ１を容易に製造することができる。 As described above, the present invention removes the skin layer formed on the surface of the contact portion between the molded product and the electrode and the contact portion between the fuel cell separator of the adjacent unit cell after being molded with the mold. The surface roughness of these contact portions is roughened so that Ra = 2.5 to 4.5 μm as measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm. Thereby, the contact resistance can be reduced, the performance of the fuel cell can be improved, the hydrophilicity is high, and the separator 1 for the fuel cell that can well drain the generated water is easily manufactured. be able to.
スキン層の除去もしくは接触部の粗面化の方法は、特に限定されるものではなく、例えばＹＡＧレーザ照射による方法、ブラスト加工、エッチング、研削（ラッピング、ポリッシング）など挙げられるが、本願発明では、ブラスト加工を好ましく用いる。このブラスト加工は、自動化が可能で、スキン層の除去と表面の粗面化を同時並行的に行うことができるとともに、金型で確保された成形品の厚み精度、すなわち金型で精度高く形成された成形品の厚み精度を損なうことなく短時間で簡便に行うことができる。ブラスト加工は、生成水が流れる燃料電池用セパレータにおいて凹凸の凹の底部まで樹脂を除去できるので好ましい。ブラスト加工は、アルミナ、ガラスビーズ、ガラスパウダー、炭化珪素などのブラスト砥粒（研磨剤粒子）をショットブラストビーズ用ガンなどで吹き付けて行うもので、ブラスト砥粒の種類、粒径、その粒径の組合わせ、吐出圧力、処理時間などのブラスト加工条件を目的に応じて適宜に設定する。 The method of removing the skin layer or roughening the contact portion is not particularly limited, and examples include a method using YAG laser irradiation, blasting, etching, grinding (lapping, polishing), etc. Blasting is preferably used. This blasting process can be automated, and the removal of the skin layer and the roughening of the surface can be performed in parallel, and the thickness accuracy of the molded product secured by the mold, that is, the mold is formed with high accuracy. This can be carried out easily in a short time without impairing the thickness accuracy of the molded product. Blasting is preferable because the resin can be removed to the bottom of the concave and convex portions in the fuel cell separator through which the generated water flows. Blasting is performed by spraying blasting abrasive grains (abrasive particles) such as alumina, glass beads, glass powder, silicon carbide, etc. with a gun for shot blasting beads. The blasting conditions such as the combination, the discharge pressure, and the processing time are appropriately set according to the purpose.
本願発明においては、ブラスト加工に際して特定粒度の、すなわち、粒度♯２４０〜８００の範囲のブラスト砥粒を好ましく用いる。粒度がこの範囲であると、スキン層の除去、接触部の表面粗度の制御を容易に行うことができる利点がある。また、ブラスト砥粒としては、アルミナを用いることが好適に考慮される。このアルミナの使用によって、確実に、且つ、効率的に本願発明の燃料電池用セパレータの製造が可能とされる。アルミナは、靭性が高く、砥粒の変化が少なく適しているので好ましい。例えば、燃料電池用セパレータは、不純物溶出性が重要であり、残存した場合に備えて、高純度の白色電解アルミナ質粉が好ましい。このようなものとしては、例えば、昭和電工製のホワイトモランダムが使用される。 In the present invention, blasting abrasive grains having a specific particle size, that is, in the range of particle size # 240 to 800, are preferably used for blasting. When the particle size is within this range, there is an advantage that the removal of the skin layer and the control of the surface roughness of the contact portion can be easily performed. Also, it is preferable to use alumina as the blasting abrasive. By using this alumina, the fuel cell separator of the present invention can be reliably and efficiently manufactured. Alumina is preferable because it has high toughness and is suitable for a small change in abrasive grains. For example, impurity elution is important for fuel cell separators, and high-purity white electrolytic alumina powder is preferable in case it remains. As such, for example, White Morundum manufactured by Showa Denko is used.
また、本願発明では、ブラスト処理において、バリ除去性の向上、表面削り量の緩和を目的として湿度制御を行うこともできる。この場合、例えば、相対湿度が５０〜７０％の範囲内での条件下で行うことが望ましい。湿度を管理することで、静電気などで燃料電池用セパレータの未処理のスキン層に砥粒が残ることがなくなり均一に処理ができる。 In the present invention, humidity control can also be performed in the blasting process for the purpose of improving burr removal and reducing the amount of surface abrasion. In this case, for example, it is desirable that the relative humidity is 50 to 70%. By controlling the humidity, abrasive grains do not remain on the untreated skin layer of the fuel cell separator due to static electricity or the like, and the treatment can be performed uniformly.
ブラスト処理の後は、純水で洗浄して燃料電池用セパレータとして使用することができる。 After the blast treatment, it can be washed with pure water and used as a fuel cell separator.
以下に実施例を示し、さらに詳しく説明する。もちろん以下の例によって本願発明が限定されることはない。
実施例
＜実施例１〜１３、比較例１、２＞
表１に示した条件の配合物にイソプロピルアルコールを１５％噴霧し、攪拌した後、１２０℃に加熱した混練機に投入した。なお、混練機としては、Ｓ２ＫＲＣニーダー（（株）栗本鉄工所製）を使用した。
Hereinafter, examples will be shown and described in more detail. Of course, the present invention is not limited by the following examples.
Examples <Examples 1 to 13, Comparative Examples 1 and 2>
After 15% of isopropyl alcohol was sprayed on the compound having the conditions shown in Table 1 and stirred, the mixture was put into a kneader heated to 120 ° C. As a kneader, an S2KRC kneader (manufactured by Kurimoto Iron Works) was used.
次いで、得られた樹脂組成物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕した。 Next, the obtained resin composition was pulverized to a particle size of 500 μm or less with a granulator.
なお、表１において、＊１〜＊７は次のものを表す。
＊１ ＥＯＣＮ−１０２０（日本化薬製）
＊２ ＰＳＭ４３５７（群栄化学工業製）
＊３ トリフェニルホスフィン（北興化学工業製）
＊４ 天然黒鉛：ＷＲ−５０Ａ（中越黒鉛工業所製）平均粒径５０μｍ
＊５ Ａ１８７（日本ユニカー製）
＊６ Ｆ１−１００（大日化学工業製）
＊７ Ｊ−９００（大日化学工業製）
上記で得られた粉砕物を、１７５℃、２０ＭＰａで３分間成形し、２ｍｍ厚の□１００ｍｍ平板とした。その平板より□５０ｍｍを切り出して、接触抵抗を測定するための試験片とした。次いで、この試験片の表面が表２に示す表面粗度（プローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値）になるように、砥粒子として粒度♯８００のアルミナ（昭和電工製、ホワイトモランダム）を用い、処理時間などの加工条件を設定してブラスト加工により仕上げた（ただし、比較例１の試験片はブラスト加工していない）。ブラスト加工後、純水で洗浄しアルミナを除去した。
In Table 1, * 1 to * 7 represent the following.
* 1 EOCN-1020 (Nippon Kayaku)
* 2 PSM4357 (manufactured by Gunei Chemical Industry)
* 3 Triphenylphosphine (Hokuko Chemical Industries)
* 4 Natural graphite: WR-50A (manufactured by Chuetsu Graphite Industries Co., Ltd.) average particle size 50 μm
* 5 A187 (Nihon Unicar)
* 6 F1-100 (Daiichi Chemical Industries)
* 7 J-900 (manufactured by Dainichi Chemical Industry)
The pulverized material obtained above was molded at 175 ° C. and 20 MPa for 3 minutes to form a 2 mm-thick □ 100 mm flat plate. A 50 mm square was cut out from the flat plate to obtain a test piece for measuring contact resistance. Next, alumina with a particle size of # 800 (made by Showa Denko, White MO) was used as abrasive particles so that the surface of the test piece had the surface roughness shown in Table 2 (measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm). Random) was used, and processing conditions such as processing time were set and finished by blasting (however, the test piece of Comparative Example 1 was not blasted). After blasting, the alumina was removed by washing with pure water.
燃料電池用セパレータと電極との接触抵抗は、図２に示す方法で代用して測定した（接触抵抗Ｉ）。図２に示すように、上記で作製した試験片１枚の両側をカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−０３０ 東レ（株）製）で挟み、それをさらに導電性ブロック（アルミニウム製ブロックに金メッキを施したもの）の間に挟み、１ＭＰａの加圧下で電流１Ａを流したときのカーボンペーパー間に生じる電圧を測定し、下記の式から接触抵抗Ｉを算出した。この結果を表２に示した。 The contact resistance between the fuel cell separator and the electrode was measured in place of the method shown in FIG. 2 (contact resistance I). As shown in FIG. 2, both sides of one of the test pieces prepared above were sandwiched between carbon papers (TGP-H-030 manufactured by Toray Industries, Inc.), and further conductive blocks (aluminum blocks were plated with gold). The voltage generated between the carbon papers when a current of 1 A was passed under a pressure of 1 MPa was measured, and the contact resistance I was calculated from the following equation. The results are shown in Table 2.
接触抵抗（Ｉ，ＩＩ）＝測定電圧／電流（１Ａ）×接触面積
燃料電池用セパレータと隣接する単位セルの燃料電池用セパレータとの接触抵抗は、図３に示す方法で代用して測定した（接触抵抗ＩＩ）。図３に示すように、上記で作製した試験片２枚を導電性ブロックの間に挟み、１ＭＰａの加圧下で電流１Ａを流したときの試験片間に生じる電圧を測定し、上記の式から接触抵抗ＩＩを算出した。この結果を表２に示した。
Contact resistance (I, II) = measured voltage / current (1 A) × contact area The contact resistance between the fuel cell separator and the fuel cell separator of the adjacent unit cell was measured by the method shown in FIG. Contact resistance II). As shown in FIG. 3, the two test pieces prepared above are sandwiched between conductive blocks, and the voltage generated between the test pieces when a current of 1 A is passed under a pressure of 1 MPa is measured. Contact resistance II was calculated. The results are shown in Table 2.
また、シール部におけるＨｅガスリーク（漏れ）についても測定した。その結果も表２に示した。Ｈｅガスリークについては、セパレータ成形品（０．２ｍｍ薄肉の平板）に１．５ＭＰａスタックを想定して圧をかけ、ガス圧（３０ｋＰａ）をかけた場合の圧力の低下からリーク量（ｃｃ／ｍｉｎ）を算出した。 Further, the He gas leak (leakage) in the seal portion was also measured. The results are also shown in Table 2. For He gas leak, pressure is applied assuming a 1.5 MPa stack on the molded separator (0.2 mm thin flat plate), and the amount of leak (cc / min) due to pressure drop when gas pressure (30 kPa) is applied. Was calculated.
また、親水性は、平板成形品に濡れ試薬ＪＩＳ＃３５を５μｍ滴下して、その濡れ試薬の広がる直径を測定し評価した。 In addition, the hydrophilicity was evaluated by dropping 5 μm of a wetting reagent JIS # 35 onto a flat molded article and measuring the diameter of the spreading of the wetting reagent.
表２より、プローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値でＲａ＝２．５〜４．５μｍであり、表面削り量が５０μｍ以下であることで（実施例１〜１３）、接触抵抗Ｉが１０ｍΩ・ｃｍ２未満に、接触抵抗ＩＩが１５ｍΩ・ｃｍ２未満に低減することが確認された。 From Table 2, Ra = 2.5 to 4.5 μm as measured with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm, and the amount of surface abrasion is 50 μm or less (Examples 1 to 13), contact resistance I is less than 10mΩ · cm 2, the contact resistance II it was confirmed that to reduce to less than 15mΩ · cm 2.
一方、プローブ先端径５μｍの表面粗さ計での測定値がＲａ＝２．５〜４．５μｍでない場合には（比較例１、２）、接触抵抗Ｉ，ＩＩの低減が十分でないことが確認された。 On the other hand, when the measured value with a surface roughness meter having a probe tip diameter of 5 μm is not Ra = 2.5 to 4.5 μm (Comparative Examples 1 and 2), it is confirmed that the contact resistances I and II are not sufficiently reduced. It was done.
また、シール部でのＨｅガスリークの抑止については、シール部表面粗度をＲａ＝０．２〜１．６μｍとすることによって優れた効果が得られることが確認された。 Moreover, about suppression of He gas leak in a seal part, it was confirmed that the outstanding effect is acquired by making seal part surface roughness Ra = 0.2-1.6 micrometer.
Ａ 単位セル
１ 燃料電池用セパレータ
２ 電極
２１ 燃料極
２２ 空気極
３ 電解質
４ 凸部
５ ガス供給排出用溝
A Unit cell 1 Fuel cell separator 2 Electrode 21 Fuel electrode 22 Air electrode 3 Electrolyte 4 Convex part 5 Gas supply / discharge groove
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