JP3259051B2 - 燃料電池用セパレータ基体及び該基体による燃料電池用セパレータ - Google Patents

燃料電池用セパレータ基体及び該基体による燃料電池用セパレータ

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    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タ基体及び該基体による燃料電池用セパレータに関する
ものであり、更に詳しくは、耐衝撃性或いは靭性に優れ
た燃料電池用セパレータ基体及び該基体による燃料電池
用セパレータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】燃料電池は、資源の枯渇に留意する必要
のある化石燃料を使用する必要がほとんどない上に、発
電において騒音をほとんど発生せず、エネルギーの回収
率も他のエネルギー発電機関と比べて高くできる等の優
れた性質を持つために、ビルや工場の比較的小型の発電
プラントとして開発が進められている。
【0003】中でも固体高分子型燃料電池は、他タイプ
の燃料電池と比べて低温で作動するので、電池を構成す
る部品について材料面での腐食の心配が少ないばかり
か、低温作動の割に比較的大電流を放電可能といった特
徴を持ち、車載用の内燃機関の代替電源として注目を集
めている。
【0004】この固体高分子型燃料電池を構成する部品
の中で、セパレータは、一般的に平板の両面又は片面に
複数の平行する溝を形成してなるもので、燃料電池セル
内のガス拡散電極で発電した電気を外部へ伝達すると共
に、発電の過程で前記溝中に生成した水を排水し、当該
溝を燃料電池セルへ流入する反応ガスの流通路として確
保するという役割を担っている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】一方、近年の燃料電池
の軽量化や薄型化に伴い、上記のような燃料電池用セパ
レータについても薄板化することが求められるようにな
ったが、従来公知の燃料電池用セパレータ或いはそのた
めの基体は、このような要求に応えることができなかっ
た。
【0006】即ち、従来公知の燃料電池用セパレータに
は、例えば、熱硬化性樹脂を含漬した黒鉛板を機械加工
したものや、膨張黒鉛シートをセパレータの形状に加工
したもの等があるが、このような従来公知の燃料電池用
セパレータ或いはそのための基体は、薄板化することに
よって耐衝撃性或いは靭性が低下してしまい、燃料電池
に組み込む際に破損したり、或いはそうでなくとも、過
酷な環境下での使用が想定される車載用燃料電池や可搬
型燃料電池には、そのままでは適用できないという難点
を有している。
【0007】本発明は、上記のような従来技術の問題点
を解決し、耐衝撃性或いは靭性に優れ、薄板化しても燃
料電池に組み込む際に破損等することがなく、しかも、
密度や電気的特性については従来品と比較して遜色のな
い燃料電池用セパレータ基体及び該基体による燃料電池
用セパレータを提供することを目的としてなされた。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を解決するため
に、本発明は、少なくとも導電性粉末とバインダーとを
含む混合物を成形してなる燃料電池用セパレータ基体に
おいて、前記バインダーとしてゴム変性フェノール樹脂
を使用したことを特徴とする燃料電池用セパレータ基
体、及び、この基体による燃料電池用セパレータを提供
する。
【0009】
【発明の実施の形態】以下に本発明を説明する。
【0010】本発明で使用する導電性粉末としては、例
えば、リン片状黒鉛や土塊状黒鉛等の天然黒鉛、或い
は、人造黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラッ
ク、ケッチェンブラック、膨張黒鉛等に代表されるカー
ボン材料の粉末を挙げることができるが、導電性の粉末
であれば特に限定されない。
【0011】上記導電性粉末の平均粒径としては、10
nm〜100μm、好ましくは、3μm〜80μmとい
う範囲を挙げることができる。10nm以上であれば成
形性を向上させることができ、100μm以下であれば
導電性を向上させることができるのである。尚、これら
の導電性粉末は、必要に応じ、焼成条件の調整や、薬
品、ガス等による親水化処理が施されていてもよく、そ
れらのうちの1種類を、或いは2種類以上を混合して使
用してもよい。
【0012】上記導電性粉末はバインダーと共に成形さ
れて本発明の燃料電池用セパレータ基体を与えるのであ
るが、本発明ではこのバインダーとして、ゴム変性フェ
ノール樹脂を使用する。
【0013】上記ゴム変成フェノール樹脂とは、未加硫
ゴムとフェノール樹脂とを反応させることにより得るこ
とができるもので、ここで未加硫ゴムとしては、フッ素
ゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴ
ム、ニトリルゴム、ニトリルクロロプレンゴム、塩素化
ブチルゴム、塩素化ポリエチレン、エピクロルヒドリン
ゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイドゴム、
エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド−アクリルグ
リシジエーテル3次元共重合体、ウレタンゴム、アクリ
ルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレンゴム、ブ
タジエンゴム、天然ゴム等より選ばれた1種類、又は2
種類以上の混合物を挙げることができる。
【0014】ゴム変成フェノール樹脂のゴム変性率とし
ては、10〜90%という範囲を挙げることができ、こ
のゴム変性率が10%以上であれば、ゴム変成フェノー
ル樹脂の弾性率が低くなり、得られるセパレータの耐衝
撃性を向上させることができる。一方、このゴム変性率
が90%以下、特に40%以下であれば、フェノール樹
脂そのものの物性を大きく変化させたり、得られるセパ
レータの強度を低下させたりすることがない。
【0015】尚、上記ゴム変率は、式 未加硫のゴム重量/(未加硫のゴム重量+フェノール樹
脂重量)×100 により求めることができる。
【0016】本発明の燃料電池用セパレータ基体は、上
記導電性粉末とバインダーとしてのゴム変性フェノール
樹脂を成形することにより得ることができるものである
が、導電性粉末とゴム変性フェノール樹脂の配合比とし
ては、導電性粉末100重量部に対して、ゴム変性フェ
ノール5重量部〜50重最部、好ましくは10〜30重
量部という範囲を挙げることができる。尚、ゴム変性フ
ェノールの量が5重量部以上であれば、得られる燃料電
池用セパレータ基体の耐衝撃性を向上させることがで
き、又、50重量部以下であれば、燃料電池用セパレー
タとした場合に必要な導電性を確保することができる。
【0017】上記導電性粉末とゴム変性フェノール樹脂
を成形して本発明の燃料電池用セパレータ基体とするに
は、まず、これら原料成分を混合するのであり、この混
合は、従来公知の工業的な混合方法、具体的には攪拌
棒、ニーダー、ボールミル、サンプルミル、ミキサー、
スタィックミキサー、リボンミキサー等を用いて行うこ
とができ、その際、成形性を向上させるために、ゴム変
性フェノール樹脂を適当な溶媒に溶かして造粒してもよ
い。
【0018】得られた混合物を成形する成形工程は、例
えば加圧成形、静水圧成形、押出成形、射出成形、ベル
トプレス、プレス成形、プレス加熱、ロールプレス等の
従来公知の成形方法より選ばれた1種類の成形方法によ
り、或いは2種類以上の成形方法を組み合わせた方法に
より行うことができる。
【0019】この成形工程における成形温度について
は、使用する樹脂に応じて選択すればよいが、常温から
400℃という範囲を、成形圧力としては100〜25
0kg/cm2という範囲をそれぞれ挙げることができ
る。尚、得られる成形物を化学的に安定化させるため
に、成形後に更に熱処理を行ってもよい。
【0020】一方、本発明の燃料電地用セパレータは、
上記のようにして得られた本発明の燃料電地用セパレー
タ用基体よりなるものであり、一般にこの燃料電地用セ
パレータは、ガスを流すための流路及び電池の動作反応
で生成する水を排出する溝等の構造を有するものである
ので、上記成形工程においてこのような形状を同時に付
したり、或いは、上記成形工程後に機械加工等の適宜の
手段により、前記のような形状を付したりして製造する
ことができる。
【0021】上記のようにして得られた本発明の燃料電
地用セパレータは、曲げ弾性率が40GPa〜1GPa
であって、しかも曲げ試験の際の破断時のたわみ量が
0.1〜3mmであるので、耐衝撃性或いは靭性に優
れ、薄板化しても燃料電池に組み込む際に破損等するこ
とがないという優れた効果を有する。
【0022】尚、上記曲げ弾性率は、J1S K691
1に準じて測定した。即ち、長さ100mm、高さ4m
m±0.2mm、幅10±0.5mmの試験片を作製
し、この試験片を64±0.5mmの支点間距離でささ
え、その中央に加圧くさびで荷重を加え、試験片が折れ
るまでの荷重とたわみ量(mm)を測定し、荷重−たわ
み曲線を作成した。曲げ弾性率を下記式から算出した。
【化1】 f=曲げ弾性率(Gpa) LV=支点間距離(mm) W=試験片の幅(mm) h=試験片の高さ(mm) F/Y=荷重−たわみ曲線の直線部のこう配(N/m
m)
【0023】しかも、かさ密度は1.7〜2.0g/c
3、固有抵抗は5〜40mΩ・cm、ショア硬度は2
〜30と、密度や電気的特性については従来品と比較し
て遜色がない。
【0024】
【実施例】以下、実施例によって本発明を更に詳細に説
明する。
【0025】実施例1−5 表1に示すリン片状黒鉛粉末(平均粒径30μm)と、
ゴム変性率を変化させたアクリルゴム変性フェノール樹
脂とを、ミキサーによって10分間混合し、得られた混
合物を200mm角の金型内に投入し、金型温度160
℃、成形圧力150kg/cm2、成形時間5分の成形
を行い、セパレータ形状に成形した。得られた成形体の
かさ密度、固有抵抗、曲げ弾性率、曲げ試験の際の破断
時のたわみ量、ショア硬度を測定した。又、別に厚み
1.0mmの燃料電池用セパレータを作製し、燃料電池
内に組み込んだ際の状態を観察した。結果を表1に示し
た。
【0026】実施例6、7 実施例1又は5において、アクリルゴム変性フェノール
樹脂をシリコーンゴム変性フェノール樹脂(変性量20
%)に変えた以外は同様にして、燃料電池用セパレータ
を作製した。得られた燃料電池用セパレータの諸物性を
実施例1〜5と同様に測定すると共に、燃料電池内に組
み込んだ際の状態を観察した。結果を表1に示した。
【0027】
【表1】
【0028】比較例1 実施例1において、アクリルゴム変性フェノールをフェ
ノール樹脂に変えた以外は同様にして燃料電他用セパレ
ータを作製した。得られた燃料電池用セパレータの諸物
性を実施例1〜5と同様に測定すると共に、燃料電池内
に組み込んだ際の状態を観察した。結果を表2に示し
た。
【0029】比較例2 実施例1において、アクリルゴム変性フェノールを使用
しない以外は同様にして燃料電池用セパレータを作製し
た。得られた燃料電池用セパレータの諸物性を実施例1
〜5と同様に測定すると共に、燃料電池内に組み込んだ
際の状態を観察した。結果を表2に示した。
【0030】
【表2】
【0031】
【発明の効果】以上のように、本発明の燃料電池用セパ
レータは、少なくとも導電性粉末とバインダーとを含む
混合物を成形してなる燃料電池用セパレータ基体におい
て、前記バインダーとしてゴム変性フェノール樹脂を使
用した燃料電池用セパレータ基体よりなり、耐衝撃性或
いは靭性に優れ、薄板化しても燃料電池に組み込む際に
破損等することがなく、しかも、密度や電気的特性につ
いては従来品と比較して遜色がないという優れたもので
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開2000−21423(JP,A) 特開2000−82476(JP,A) 特開 昭62−133674(JP,A) 特開 昭60−150559(JP,A) 特開 昭62−252073(JP,A) 特開 平4−214072(JP,A) 特開 昭61−19069(JP,A) 特表 平8−501896(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも導電性粉末とバインダーとを
    含む混合物を成形してなる燃料電池用セパレータ基体に
    おいて、前記バインダーとしてゴム変性フェノール樹脂
    を使用したことを特徴とする燃料電池用セパレータ基
    体。
  2. 【請求項2】 ゴム変性フェノール樹脂の割合が、導電
    性粉末100重量部に対して5重量部〜50重最部であ
    る請求項1に記載の燃料電池用セパレータ基体。
  3. 【請求項3】 ゴム変性フェノール樹脂のゴム変性率
    が、10%〜90%である請求項1又は2に記載の燃料
    電池セパレータ基体。
  4. 【請求項4】 導電性粉末の平均粒径が、10nm〜1
    00μmである請求項1に記載の燃料電池セパレータ用
    基体。
  5. 【請求項5】 請求項1乃至4いずれかに記載の基体に
    よりなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
  6. 【請求項6】 曲げ弾性率が40GPa〜1GPa、曲
    げ試験の際の破断時のたわみ量が0.1〜3mmである
    請求項5に記載の燃料電池用セパレータ。
  7. 【請求項7】 請求項5又は6に記載の燃料電池用セパ
    レータを使用してなることを特徴とする燃料電池。
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