JP2005044789A - Porous fuel cell separator, manufacturing method for porous fuel cell separator and solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、多孔質燃料電池セパレータ、多孔質燃料電池セパレータの製造方法および固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a porous fuel cell separator, a method for producing a porous fuel cell separator, and a polymer electrolyte fuel cell.
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことにより直接発電させるものであり、高エネルギー変換が可能で、環境性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。 A fuel cell is a device that directly generates electricity by supplying water, such as hydrogen, and oxygen in the atmosphere to the cell and reacting them electrochemically to produce water, enabling high energy conversion and environmental friendliness. Therefore, development is progressing for various applications such as small-scale regional power generation, household power generation, simple power supply in campsites, mobile power supplies for automobiles, small ships, etc., artificial satellites, and space development power supplies. It has been.
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸凹部を備えた2枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極(カーボンペーパー)とを介在させてなる単電池(単位セル)を数十個以上並設して(これをスタックという)なる電池本体(モジュール)から構成されている。 Such a fuel cell, in particular, a polymer electrolyte fuel cell, includes two separators having convex and concave portions for forming a plurality of passages for hydrogen, oxygen, etc. on both side surfaces of the plate-like body, and between these separators. Consists of a battery body (module) in which dozens or more of unit cells (unit cells) interposing a solid polymer electrolyte membrane and a gas diffusion electrode (carbon paper) in parallel (this is called a stack) Has been.
この場合、燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせ、単位セルに供給される燃料および空気(酸素)の通路確保、分離境界膜としての役割を果たすものであり、高電気導電性、高ガス不浸透性、(電気)化学的安定性、親水性などの諸性能が要求されるものである。 In this case, the fuel cell separator has conductivity for each unit cell, ensures passage of fuel and air (oxygen) supplied to the unit cell, and serves as a separation boundary film. Various properties such as high gas impermeability, (electro) chemical stability and hydrophilicity are required.
近年、燃料電池のセパレータとして、多孔質のものが開発され、利用され始めている(特許文献1:オーストリア特許第389,020号明細書、特許文献2:米国特許第6,197,442号明細書)。
この多孔質セパレータを使用した燃料電池では、発電時に発生した水が、セパレータの気孔内に浸透し、停止した後もそのままセパレータ内部に残るという緻密質セパレータではほとんど見られない現象が生じる。
したがって、寒冷地等で使用される燃料電池が、使用後に氷点下等の低温環境に曝された場合、気孔内に浸透し、残留した水が凍結して気孔を閉塞してしまうという問題がある。また、この気孔の閉塞により、再始動時に、発電により発生した水が電池内部に溜まり、発電効率が著しく低下するという問題もある。
In recent years, porous separators for fuel cells have been developed and started to be used (Patent Document 1: Austrian Patent No. 389,020, Patent Document 2: US Pat. No. 6,197,442). ).
In a fuel cell using this porous separator, a phenomenon hardly seen in a dense separator occurs in which water generated during power generation penetrates into the pores of the separator and remains in the separator as it is after stopping.
Therefore, when a fuel cell used in a cold district or the like is exposed to a low-temperature environment such as below freezing after use, there is a problem that it penetrates into the pores and the remaining water freezes to close the pores. Further, due to the blockage of the pores, there is a problem that water generated by power generation is accumulated inside the battery at the time of restart, and power generation efficiency is remarkably lowered.
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、氷点下等の低温度に曝された場合でも、気孔内に浸透し、残留した水が凍結し難く、再始動時の発電効率の低下を抑制し得る多孔質燃料電池セパレータ、その製造方法、および固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when exposed to a low temperature such as below freezing point, it penetrates into the pores and the remaining water is difficult to freeze, and suppresses a decrease in power generation efficiency at restart. It is an object of the present invention to provide a porous fuel cell separator, a method for producing the same, and a polymer electrolyte fuel cell.
本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を重ねた結果、多孔質燃料電池セパレータに遠赤外線輻射材料を含有させることで、このセパレータを備えた燃料電池が、氷点下等の低温度に曝された場合でも、気孔内に浸透し、残留した水の凍結を防止でき、再始動時の発電効率の低下を抑制できることを見いだし、本発明を完成した。 As a result of intensive studies to achieve the above-mentioned object, the present inventors have made the porous fuel cell separator contain a far-infrared radiation material so that the fuel cell equipped with this separator can be cooled to a low temperature such as below freezing point. Even when exposed, it was found that it could penetrate into the pores and prevent the remaining water from freezing, and suppress the decrease in power generation efficiency at the time of restart, and thus the present invention was completed.
すなわち、本発明は、
1. 導電性材料および樹脂を含んで構成される多孔質プレートの少なくとも一方の表面にガス流通用の溝部が形成された多孔質燃料電池セパレータであって、遠赤外線輻射材料を含むことを特徴とする多孔質燃料電池セパレータ、
2. 導電性材料および樹脂を含んで構成される多孔質プレートを焼成してなる焼成プレートの少なくとも一方の表面にガス流通用の溝部が形成された多孔質燃料電池セパレータであって、遠赤外線輻射材料を含むことを特徴とする多孔質燃料電池セパレータ、
3. 前記遠赤外線輻射材料が、前記多孔質燃料電池セパレータの少なくとも気孔内表面に存在することを特徴とする1または2の多孔質燃料電池セパレータ、
4. 導電性材料、樹脂および遠赤外線輻射材料を混合してなる原料組成物を金型に投入後、前記原料組成物を成形することを特徴とする多孔質燃料電池セパレータの製造方法、
5. 導電性材料および樹脂を混合してなる原料組成物を金型に投入後、前記原料組成物を成形して多孔質プレートを作製し、得られた多孔質プレートに遠赤外線輻射材料を含む塗料を含浸させることを特徴とする多孔質燃料電池セパレータの製造方法、
6. 固体高分子膜を挟む一対の電極と、この電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルを多数並設した固体高分子型燃料電池であって、前記セパレータの一部または全部が、1〜3のいずれかの多孔質燃料電池セパレータであることを特徴とする固体高分子型燃料電池
を提供する。
That is, the present invention
1. A porous fuel cell separator in which a groove for gas flow is formed on at least one surface of a porous plate comprising a conductive material and a resin, the porous fuel cell separator comprising a far-infrared radiation material Quality fuel cell separator,
2. A porous fuel cell separator in which a groove for gas flow is formed on at least one surface of a calcined plate obtained by calcining a porous plate comprising a conductive material and a resin, and a far-infrared radiation material A porous fuel cell separator, comprising:
3. 1 or 2 porous fuel cell separators, wherein the far infrared radiation material is present on at least the pore inner surface of the porous fuel cell separator;
4). A method for producing a porous fuel cell separator, characterized by forming a raw material composition obtained by mixing a conductive material, a resin and a far-infrared radiation material into a mold, and then molding the raw material composition,
5. A raw material composition obtained by mixing a conductive material and a resin is put into a mold, and then the raw material composition is molded to produce a porous plate, and the resulting porous plate is coated with a paint containing a far-infrared radiation material. A method for producing a porous fuel cell separator, characterized by being impregnated,
6). A solid polymer fuel cell comprising a large number of unit cells arranged in parallel with a pair of electrodes sandwiching a solid polymer membrane and a pair of separators forming a gas supply / discharge channel sandwiching the electrodes, A solid polymer fuel cell is provided, wherein a part or all of the separator is any one of 1 to 3 porous fuel cell separators.
本発明の多孔質燃料電池セパレータによれば、氷点下等の低温度に曝された場合でも、気孔内に浸透し、残留した水の凍結を防止でき、再始動時の発電効率の低下を抑制することができる。 According to the porous fuel cell separator of the present invention, even when exposed to a low temperature such as below freezing, it can penetrate into the pores and prevent freezing of the remaining water, and suppress a decrease in power generation efficiency at restart. be able to.
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る多孔質燃料電池セパレータは、導電性材料および樹脂を含んで構成される多孔質プレート、またはこれを焼成してなる焼成プレートの少なくとも一方の表面に、ガス流通用の溝部が形成された多孔質燃料電池セパレータであって、遠赤外線輻射材料を含むことを特徴とするものである。
本発明において、多孔質プレートを構成する導電性材料としては、特に限定はなく、多孔質燃料電池セパレータに通常用いられる導電性材料を用いることができ、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、高導電性カーボンブラック(ケッチェンブラック、ライオン(株)製)、コークス等の炭素質材料を用いることができる。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail.
The porous fuel cell separator according to the present invention has a gas distribution groove formed on at least one surface of a porous plate comprising a conductive material and a resin, or a fired plate obtained by firing the porous plate. A porous fuel cell separator comprising a far-infrared radiation material.
In the present invention, the conductive material constituting the porous plate is not particularly limited, and a conductive material usually used for a porous fuel cell separator can be used. For example, natural graphite, artificial graphite, expanded graphite, Carbonaceous materials such as carbon black, highly conductive carbon black (Ketjen Black, manufactured by Lion Corporation), and coke can be used.
また、樹脂としても多孔質燃料電池セパレータに通常用いられる熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等から適宜選択することができ、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フェノキシ樹脂等を用いることができる。なお、これらの樹脂には、必要に応じて熱処理を施してもよい。 Also, as the resin, it can be appropriately selected from thermosetting resins, thermoplastic resins and the like that are usually used for porous fuel cell separators, for example, phenol resins, epoxy resins, unsaturated polyester resins, acrylic resins, melamine resins, Polyamide resin, polyimide resin, polyamideimide resin, polyetherimide resin, phenoxy resin, or the like can be used. In addition, you may heat-process these resins as needed.
本発明における遠赤外線輻射材料は、遠赤外線の輻射作用を有するものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、酸化チタン、シリカ、アルミナ、炭化珪素、窒化珪素、ジルコニア、酸化鉄、酸化マンガン、チタン酸アルミニウムおよびこれらの混合物等が挙げられるが、特に、シリカ、アルミナ、炭化珪素およびこれらの混合物を用いることが好ましい。これら遠赤外線輻射材料の市販品としては、セラジット(オーケートレーディング(株)製)、セラヒート((株)サプライ・コントロール製)等が挙げられる。
この遠赤外線輻射材料のセパレータ内における含有量は、特に限定されるものではないが、遠赤外線が充分に輻射され、セパレータ内に残留した水の凍結を効率的に防止するという点から、セパレータ全体に対して、0.1〜20質量%、特に1〜10質量%であることが好ましい。
The far-infrared radiation material in the present invention is not particularly limited as long as it has a far-infrared radiation action. For example, titanium oxide, silica, alumina, silicon carbide, silicon nitride, zirconia, iron oxide, oxidation Manganese, aluminum titanate, and a mixture thereof may be mentioned, and it is particularly preferable to use silica, alumina, silicon carbide, and a mixture thereof. Examples of commercially available far-infrared radiation materials include Seragit (manufactured by OK Trading Co., Ltd.), Seraheat (manufactured by Supply Control Co., Ltd.), and the like.
The content of the far-infrared radiation material in the separator is not particularly limited. However, the far-infrared radiation is sufficiently radiated to effectively prevent freezing of water remaining in the separator, and thus the entire separator. The content is preferably 0.1 to 20% by mass, particularly 1 to 10% by mass.
上記遠赤外線輻射材料は、セパレータ内に含まれていればよく、そのセパレータ中における含有部位は特に限定されるものではないが、多孔質燃料電池セパレータの少なくとも気孔内表面に存在することが好ましい。このように、気孔内表面に遠赤外線輻射材料が存在することで、気孔内に残留した水の近傍に遠赤外線輻射材料が存在することになるから、凍結防止効果を充分に発揮させることができる。 The far-infrared radiation material only needs to be contained in the separator, and the containing site in the separator is not particularly limited, but is preferably present on at least the pore inner surface of the porous fuel cell separator. Thus, since the far-infrared radiation material is present on the inner surface of the pores, the far-infrared radiation material is present in the vicinity of the water remaining in the pores, so that the antifreezing effect can be sufficiently exhibited. .
本発明において、多孔質プレートの気孔率は、1〜50%、特に10〜30%であることが好ましい。ここで、気孔率が1%未満であると、発電時に生じた水の吸収力が低下する結果、ガス流路となる溝部を閉塞する虞があり、50%を超えると、溝部の形状を精密に形成できない上、強度が低下する虞がある。
また、多孔質プレートの気孔径が、0.01〜50μm、特に、0.1〜10μmであることが好ましい。ここで、気孔径が0.01μm未満であると、生成水の浸透性が低下し、その結果、ガス流路となる溝部を閉塞する虞があり、50μmを超えると、溝部の形状を精密に形成できない上、強度が低下する虞がある。
In the present invention, the porosity of the porous plate is preferably 1 to 50%, particularly preferably 10 to 30%. Here, if the porosity is less than 1%, the absorbability of water generated during power generation is reduced, and as a result, there is a possibility of closing the groove serving as the gas flow path. If the porosity exceeds 50%, the shape of the groove is precise. In addition, there is a risk that the strength may be reduced.
Moreover, it is preferable that the pore diameter of a porous plate is 0.01-50 micrometers, especially 0.1-10 micrometers. Here, when the pore diameter is less than 0.01 μm, the permeability of the generated water is lowered, and as a result, there is a possibility that the groove portion serving as a gas flow path may be blocked. When the pore diameter exceeds 50 μm, the shape of the groove portion is precisely set. It cannot be formed and the strength may be reduced.
なお、本発明の多孔質燃料電池セパレータには、導電性材料、樹脂および赤外線輻射材料に加えて、炭素繊維、セルロース繊維等の有機繊維、無機繊維などの各種繊維や、アルミナ、シリカ、炭化珪素などの無機フィラー等のその他の添加剤が含まれていてもよい。 In addition to the conductive material, resin and infrared radiation material, the porous fuel cell separator of the present invention includes various fibers such as organic fibers such as carbon fibers and cellulose fibers, inorganic fibers, alumina, silica and silicon carbide. Other additives such as inorganic fillers may be included.
以上で説明した遠赤外線輻射材料を含有する多孔質燃料電池セパレータの製造方法としては、遠赤外線輻射材料をセパレータ内に含有させることができる方法であれば、特に限定されるものではないが、以下の各方法を用いることが好ましい。
第1の方法としては、上述した導電性材料、樹脂および遠赤外線輻射材料を混合してなる原料組成物を金型に投入後、この原料組成物を成形して、遠赤外線輻射材料を含むセパレータを得るものである。
The method for producing the porous fuel cell separator containing the far-infrared radiation material described above is not particularly limited as long as the method can contain the far-infrared radiation material in the separator. It is preferable to use these methods.
As a first method, a raw material composition obtained by mixing the above-described conductive material, resin, and far infrared radiation material is put into a mold, and then this raw material composition is molded to provide a separator containing the far infrared radiation material. Is what you get.
この場合、導電性材料、樹脂および遠赤外線輻射材料の配合割合は、特に限定はなく、例えば、全組成物を100質量部として、導電性材料50〜99質量部、特に65〜90質量部、樹脂1〜50質量部、特に10〜20質量部、遠赤外線輻射材料0.1〜20質量部、特に1〜10質量部で配合すればよい。
なお、原料組成物には、強度向上等を目的として、炭素繊維、セルロース繊維等の有機繊維、無機繊維などの各種繊維や、アルミナ、シリカ、炭化珪素などの無機フィラーを、上記組成物に対して、1〜20質量部、好ましくは、1〜10質量部配合してもよい。
In this case, the blending ratio of the conductive material, the resin and the far infrared radiation material is not particularly limited. For example, the total composition is 100 parts by mass, and the conductive material is 50 to 99 parts by mass, particularly 65 to 90 parts by mass. What is necessary is just to mix | blend 1-50 mass parts of resin, especially 10-20 mass parts, 0.1-20 mass parts of far-infrared radiation materials, especially 1-10 mass parts.
For the purpose of improving the strength, the raw material composition contains various fibers such as organic fibers such as carbon fibers and cellulose fibers, inorganic fibers, and inorganic fillers such as alumina, silica, and silicon carbide. 1 to 20 parts by mass, preferably 1 to 10 parts by mass.
上記原料組成物は、コンパウンド化して用いることが好ましい。コンパウンド化法としては特に制限はなく、公知の方法により、撹拌、造粒、乾燥したものを用いることができる。特に、二次凝集しないように篩い分けして粒度を揃えたものを用いることが好ましく、その粒度としては、用いる導電性材料等の粒径にもよるが、平均粒径60μm以上が好ましく、粒度分布としては、10μm〜2.0mm、好ましくは30μm〜1.5mm、特に50μm〜1.0mmとすることが好適である。 The raw material composition is preferably used after being compounded. There is no restriction | limiting in particular as a compounding method, The thing stirred, granulated, and dried by the well-known method can be used. In particular, it is preferable to use one having a uniform particle size by sieving so as not to agglomerate, and the particle size is preferably an average particle size of 60 μm or more, although it depends on the particle size of the conductive material used. The distribution is preferably 10 μm to 2.0 mm, preferably 30 μm to 1.5 mm, particularly 50 μm to 1.0 mm.
上記原料組成物を金型で成形する方法としては、多孔質プレートが作製できる成形法であれば特に限定はなく、圧縮成形、射出成形、押出成形、シート成形等を採用することができるが、均一な気孔形成が可能ということから、圧縮成形を採用することが好ましい。
圧縮成形を行う際の圧力は、特に限定はなく、必要とする多孔質プレート(燃料電池セパレータ)に応じて適宜設定すればよいが、通常0.098〜19.6MPaであり、好ましくは0.98〜14.7MPa、より好ましくは1.96〜9.8MPaである。ここで、成形圧力が0.098MPa未満であると、多孔質プレートの形状を維持できるほどの強度が得られない虞があり、一方、19.6MPaを超えると、成形機および金型の歪みが発生し、多孔質プレートの面および寸法精度が低下する虞があるとともに、多孔質プレートの気孔が埋まってしまう虞がある。
The method of molding the raw material composition with a mold is not particularly limited as long as it is a molding method capable of producing a porous plate, and compression molding, injection molding, extrusion molding, sheet molding and the like can be employed. It is preferable to employ compression molding because uniform pore formation is possible.
The pressure at the time of compression molding is not particularly limited, and may be appropriately set according to the required porous plate (fuel cell separator), but is usually 0.098 to 19.6 MPa, preferably 0.8. 98 to 14.7 MPa, more preferably 1.96 to 9.8 MPa. Here, if the molding pressure is less than 0.098 MPa, there is a possibility that the strength sufficient to maintain the shape of the porous plate may not be obtained. On the other hand, if the molding pressure exceeds 19.6 MPa, the molding machine and the mold may be distorted. It may occur, and the surface and dimensional accuracy of the porous plate may be lowered, and the pores of the porous plate may be filled.
第2の方法としては、上述した導電性材料および樹脂を混合してなる原料組成物を金型に投入後、この原料組成物を成形して多孔質プレートを作製し、得られた多孔質プレートに遠赤外線輻射材料を含む塗料を含浸させて遠赤外線輻射材料を含有するセパレータを得るものである。このように、遠赤外線輻射材料を含む塗料を含浸させることで、多孔質プレートの気孔表面近傍に効率的に遠赤外線輻射材料を存在させることができる。 As a second method, a raw material composition obtained by mixing the above-described conductive material and resin is put into a mold, and then the raw material composition is molded to produce a porous plate. A separator containing a far-infrared radiation material is obtained by impregnating a paint containing a far-infrared radiation material. Thus, by impregnating the paint containing the far-infrared radiation material, the far-infrared radiation material can be efficiently present in the vicinity of the pore surface of the porous plate.
また、この遠赤外線輻射材料を含む塗料を使用する場合は、多孔質プレートを成形した後、一旦これを焼成し、焼成後の多孔質プレートに上記塗料を含浸させる方法を採用することもできる。焼成を行う場合、その温度および時間については、特に限定はないが、通常、1200〜1500℃、特に1200〜1400℃で、12〜24時間、特に12〜18時間程度焼成を施せばよい。 Moreover, when using the coating material containing this far-infrared radiation material, after shape | molding a porous plate, this can be once baked and the method of impregnating the said coating material to the porous plate after baking can also be employ | adopted. When firing, the temperature and time are not particularly limited, but the firing is usually performed at 1200 to 1500 ° C., particularly 1200 to 1400 ° C., for 12 to 24 hours, particularly 12 to 18 hours.
第2の方法の場合、導電性材料および樹脂の配合割合は、特に限定はなく、例えば、全組成物を100質量部として、導電性材料50〜99質量部、特に65〜90質量部、樹脂1〜50質量部、特に5〜20質量部で配合すればよい。なお、この場合にも、前述の方法と同様に、原料組成物をコンパウンド化して用いることが好ましい。また、必要に応じて、上記繊維や無機フィラーを原料組成物に上述の割合で配合することもできる。さらに、原料組成物の成形方法については、上記第1の方法と同様であり、第2の方法でも圧縮成形を用いることが好ましい。 In the case of the second method, the blending ratio of the conductive material and the resin is not particularly limited. For example, the total composition is 100 parts by mass, and the conductive material is 50 to 99 parts by mass, particularly 65 to 90 parts by mass, the resin. What is necessary is just to mix | blend by 1-50 mass parts, especially 5-20 mass parts. Also in this case, it is preferable to use the raw material composition after compounding, as in the above-described method. Moreover, the said fiber and an inorganic filler can also be mix | blended with the above-mentioned ratio in a raw material composition as needed. Furthermore, the method for forming the raw material composition is the same as the first method, and it is preferable to use compression molding in the second method.
遠赤外線輻射材料を含む塗料としては、上述した遠赤外線輻射材料20〜99質量部、特に40〜70質量部と、熱硬化性樹脂1〜80質量部、特に30〜60質量部とを、任意の方法で混合してなる塗料を用いることができる。
この塗料の多孔質プレートへの含浸量は、遠赤外線輻射材料が、導電性材料および樹脂を含んでなる原料組成物に対して、0.01〜10質量部、特に0.05〜5質量部となる量とすることが好ましい。上述したように、含浸法を用いた場合、遠赤外線輻射材料が、多孔質プレートの気孔表面近傍に存在し易くなるから、第1の方法に比べて遠赤外線輻射材料の使用量を少なくしても、効率的に凍結防止効果を発揮させることができる。
塗料の含浸法としては、特に限定はなく、例えば、−0.01〜−0.1MPaの減圧下で行うことができる。
As a paint containing a far-infrared radiation material, 20-99 mass parts of the far-infrared radiation material mentioned above, especially 40-70 mass parts, and 1-80 mass parts of thermosetting resins, especially 30-60 mass parts are arbitrary. A paint obtained by mixing by the above method can be used.
The amount of impregnation of the paint into the porous plate is such that the far-infrared radiation material is 0.01 to 10 parts by mass, particularly 0.05 to 5 parts by mass with respect to the raw material composition comprising the conductive material and the resin. It is preferable that the amount is as follows. As described above, when the impregnation method is used, the far-infrared radiation material is likely to be present in the vicinity of the pore surface of the porous plate. Therefore, the amount of the far-infrared radiation material used is reduced as compared with the first method. In addition, the antifreezing effect can be efficiently exhibited.
The impregnation method of the paint is not particularly limited, and can be performed, for example, under a reduced pressure of -0.01 to -0.1 MPa.
なお、上記第1および第2の方法において、ガス流通用の溝部の形成は、溝形状に対応した金型を用いて型締めと同時に行ってもよく、平板を作製した後に、切削加工を施してもよい。また、溝部は、多孔質プレート(セパレータ)の一方の面のみに形成してもよく、両方の面に形成してもよい。
さらに、使用する金型としては、特に限定はなく、一般的にセパレータの成形に使用される公知の金型から、多孔質セパレータの溝部の形状等に応じて適宜選択して使用することができる。
In the first and second methods, the gas flow groove may be formed at the same time as the mold clamping using a mold corresponding to the groove shape. May be. Moreover, a groove part may be formed only in one surface of a porous plate (separator), and may be formed in both surfaces.
Furthermore, the mold to be used is not particularly limited, and can be appropriately selected from known molds generally used for molding a separator according to the shape of the groove portion of the porous separator. .
また、上述した各製造方法により得られた多孔質燃料電池セパレータには、必要に応じて、親水性処理を施すこともできる。この親水性処理は、含浸法、スプレー法、ディップ法等の適当な手法を用いて燃料電池セパレータを公知の親水性物質で処理するものである。これらの処理法の中でも、多孔質燃料電池セパレータの気孔内部まで親水性物質をより一層浸透させるという観点から、含浸法を用いることが好ましく、この際、−0.06〜−0.1MPaの減圧下で含浸処理をすることが好ましい。 Moreover, the porous fuel cell separator obtained by each manufacturing method described above can be subjected to a hydrophilic treatment as necessary. In this hydrophilic treatment, the fuel cell separator is treated with a known hydrophilic substance using an appropriate method such as an impregnation method, a spray method, or a dip method. Among these treatment methods, it is preferable to use an impregnation method from the viewpoint of further infiltrating a hydrophilic substance into the pores of the porous fuel cell separator, and in this case, a reduced pressure of -0.06 to -0.1 MPa is used. It is preferable to perform the impregnation treatment below.
上記親水性処理に使用可能な親水性物質としては、特に限定はないが、デナコールEX−1310,デナコールEX−1610,デナコールEX861(以上、ナガセケムテックス(株)製)、ディックファインEN−0270(大日本インキ化学工業(株)製)、SR−8EG,SR−4PG(阪本薬品工業(株)製)などを好適に用いることができ、含浸処理を施す場合は、これらを水に0.1〜99質量%溶かし、水溶液として使用すればよい。 The hydrophilic substance that can be used for the hydrophilic treatment is not particularly limited, but Denacol EX-1310, Denacol EX-1610, Denacol EX861 (manufactured by Nagase ChemteX Corporation), Dick Fine EN-0270 ( Dainippon Ink Chemical Co., Ltd.), SR-8EG, SR-4PG (Sakamoto Yakuhin Kogyo Co., Ltd.) and the like can be suitably used. What is necessary is just to melt | dissolve -99 mass% and use it as aqueous solution.
以上説明したように、本発明の多孔質燃料電池セパレータは、その内部に遠赤外線輻射材料を含んでいるから、この材料から輻射される遠赤外線により、気孔内部に残留した水の凍結を防止することができる。したがって、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池を氷点下等の低温下で再始動する場合に、従来見られた発電効率の低下を防止することができる。 As described above, since the porous fuel cell separator of the present invention contains a far-infrared radiation material, the far-infrared radiation radiated from this material prevents water remaining in the pores from freezing. be able to. Therefore, when the fuel cell equipped with the fuel cell separator of the present invention is restarted at a low temperature such as below freezing point, it is possible to prevent a decrease in power generation efficiency seen in the past.
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、この電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルを多数並設した固体高分子型燃料電池であって、セパレータの一部または全部として、上述した遠赤外線輻射材料を含む多孔質燃料電池セパレータを用いるものである。 A polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a large number of unit cells each composed of a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane and a pair of separators forming a gas supply / discharge channel sandwiching the electrodes. In the solid polymer fuel cell provided, a porous fuel cell separator including the above-described far-infrared radiation material is used as a part or all of the separator.
ここで、セパレータの一部または全部とは、具体的には、燃料電池中の全セパレータの50%以上、好ましくは50〜100%、より好ましくは70〜100%、さらに好ましくは80〜100%が本発明の燃料電池セパレータであることが望ましい。燃料電池中の全セパレータに占める本発明の燃料電池セパレータの割合が少なすぎると、遠赤外線輻射材料を含有しないセパレータの気孔内に残留した水の凍結が発生し、再始動時に電池出力が低下する虞がある。なお、本発明の燃料電池セパレータ以外のセパレータとしては燃料電池に一般的に用いられているセパレータを用いることができる。 Here, the part or all of the separator specifically means 50% or more of the total separator in the fuel cell, preferably 50 to 100%, more preferably 70 to 100%, and still more preferably 80 to 100%. Is preferably the fuel cell separator of the present invention. If the ratio of the fuel cell separator of the present invention to the total separator in the fuel cell is too small, the water remaining in the pores of the separator not containing the far-infrared radiation material is frozen, and the battery output is reduced at the time of restart. There is a fear. In addition, as a separator other than the fuel cell separator of the present invention, a separator generally used for a fuel cell can be used.
また、上記固体高分子電解質膜としては、固体高分子型燃料電池に一般的に用いられているものを使用することができる。例えば、フッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であるポリトリフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボンスルフォン酸(商品名:Nafion)などを用いることができる。この電解質膜の表面には、触媒である白金または白金とその他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を調製し、このカーボン粉をパーフルオロカーボンスルフォン酸を含む低級脂肪酸族アルコールと水との混合溶液(Nafion117溶液)等の有機溶剤に分散させたペーストを塗布している。 In addition, as the solid polymer electrolyte membrane, those generally used for solid polymer fuel cells can be used. For example, polytrifluorostyrene sulfonic acid, perfluorocarbon sulfonic acid (trade name: Nafion), which is a proton conductive ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin, can be used. On the surface of this electrolyte membrane, carbon powder carrying platinum or an alloy composed of platinum and other metals as a catalyst is prepared, and this carbon powder is mixed with a lower fatty acid alcohol containing perfluorocarbon sulfonic acid and water. A paste dispersed in an organic solvent such as a solution (Nafion 117 solution) is applied.
上記固体高分子電解質膜を挟む一対の電極としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスなどにより形成することができる。
これら電解質膜および電極は、一対の電極の間に電解質膜を介在させ、120〜130℃で熱圧着することにより一体化させる。
なお、接着剤を用いて電解質膜と一対の電極とを接合して一体化することもできる。
このようにして一体化した電解質膜および電極を、一対のセパレータの間に燃料ガスを供給排出可能な流路を形成するように取り付けて、単位セルが得られる。この場合、セパレータの電極と接する部分(リブ)に接着剤を塗布して取り付ける方法などを採用することができる。
The pair of electrodes sandwiching the solid polymer electrolyte membrane can be formed by, for example, carbon paper, carbon felt, carbon cloth woven with yarn made of carbon fiber, or the like.
These electrolyte membrane and electrode are integrated by interposing an electrolyte membrane between a pair of electrodes and thermocompression bonding at 120 to 130 ° C.
Note that the electrolyte membrane and the pair of electrodes can be joined and integrated using an adhesive.
The unit membrane is obtained by attaching the electrolyte membrane and the electrode integrated in this way so as to form a flow path capable of supplying and discharging the fuel gas between the pair of separators. In this case, a method of applying an adhesive to the portion (rib) in contact with the electrode of the separator can be employed.
本発明の固体高分子型燃料電池は、この燃料電池中の全セパレータの一部(好ましくは50%以上)または全部として本発明の多孔質燃料電池セパレータを用いているから、発電時に発生した水がセパレータの気孔内に残留した状態で氷点下に曝されても、残留水が凍結し難く、再始動時に発電効率が低下することを防止でき、特に、寒冷地等で使用される自動車、小型船舶等の移動用電源として好適なものである。 Since the polymer electrolyte fuel cell of the present invention uses the porous fuel cell separator of the present invention as a part (preferably 50% or more) or all of all separators in the fuel cell, water generated during power generation is used. Even if it is exposed to below freezing while remaining in the pores of the separator, it is difficult for the residual water to freeze, and it is possible to prevent the power generation efficiency from being reduced at the time of restart. In particular, automobiles and small vessels used in cold regions, etc. It is suitable as a power source for movement.
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の説明において、平均粒径は、粒度測定装置(Microtrak社製)により測定した値である。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example are given and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to a following example.
In the following description, the average particle size is a value measured by a particle size measuring device (manufactured by Microtrak).
[実施例1]
導電性材料として人造黒鉛、樹脂としてフェノール樹脂、および遠赤外線輻射材料(遠赤外線輻射セラミックス:セラヒート、平均粒径80μm、(株)サプライ・コントロール製)を、表1に示される割合で混合、攪拌し、さらに造粒、乾燥、篩い分け(コンパウンド化)してなる粒度分布10〜1000μm(平均粒径500μm)の原料組成物を、溝部が形成された金型に投入後、面圧10MPa、170℃で5分間圧縮成形し、凹凸状の溝部を有する多孔質燃料電池セパレータを成形した。
[Example 1]
Artificial graphite as the conductive material, phenol resin as the resin, and far-infrared radiation material (far-infrared radiation ceramics: Ceraheat, average particle size 80 μm, manufactured by Supply Control Co., Ltd.) in the proportions shown in Table 1 and mixed Further, after a raw material composition having a particle size distribution of 10 to 1000 μm (average particle size of 500 μm) obtained by granulation, drying and sieving (compounding) is introduced into a mold having grooves, a surface pressure of 10 MPa, 170 The porous fuel cell separator having a concavo-convex groove was molded by compression molding at 5 ° C. for 5 minutes.
[実施例2]
導電性材料として人造黒鉛および樹脂としてフェノール樹脂を、表1に示される割合で混合、攪拌し、さらに造粒、乾燥、篩い分け(コンパウンド化)してなる粒度分布10〜1000μm(平均粒径500μm)の原料組成物を、溝部が形成された金型に投入後、面圧10MPa、170℃で5分間圧縮成形し、凹凸状の溝部を有する多孔質プレートを成形した。
続いて、人造黒鉛7質量部、フェノール樹脂6質量部、遠赤外線輻射材料(遠赤外線輻射セラミックス:セラヒート、平均粒径0.3μm、(株)サプライ・コントロール製)7質量部および水80質量部を配合後、ボールミルに投入し、24時間混合して塗料を調製した。
この塗料を、−0.09MPaの減圧下、先に作製した多孔質プレートに含浸させた後、150℃で1時間加熱し、樹脂を硬化させて燃料電池セパレータを得た。
[Example 2]
Artificial graphite as a conductive material and phenol resin as a resin are mixed and stirred in the proportions shown in Table 1, and further granulated, dried, and sieved (compounded) to a particle size distribution of 10 to 1000 μm (average particle size of 500 μm) ) Was injected into a mold having grooves formed thereon, and then compression molded at a surface pressure of 10 MPa and 170 ° C. for 5 minutes to form a porous plate having uneven grooves.
Subsequently, 7 parts by mass of artificial graphite, 6 parts by mass of phenol resin, 7 parts by mass of far-infrared radiation material (far-infrared radiation ceramics: Ceraheat, average particle size 0.3 μm, manufactured by Supply Control Co., Ltd.) and 80 parts by mass of water Was added to a ball mill and mixed for 24 hours to prepare a paint.
This paint was impregnated into the previously prepared porous plate under a reduced pressure of −0.09 MPa, and then heated at 150 ° C. for 1 hour to cure the resin to obtain a fuel cell separator.
[比較例1]
遠赤外線輻射材料を用いない以外は、実施例1と同様にして、燃料電池セパレータを得た。
[Comparative Example 1]
A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 1 except that no far-infrared radiation material was used.
各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、その気孔率、曲げ強度、曲げ弾性率、固有抵抗および水の凝固点を測定・評価し、結果を表2に示した。 The fuel cell separators obtained in each Example and Comparative Example were measured and evaluated for the porosity, bending strength, bending elastic modulus, specific resistance and freezing point of water, and the results are shown in Table 2.
表2において、各評価項目は、以下のようにして測定、評価した。
[1]気孔率
水銀圧入法により測定した。
[2]曲げ強度、曲げ弾性率
ASTM D790に準拠した方法により測定した。
[3]固有抵抗
JIS H−0602に記載された4探針法により測定した。
[4]水の凝固点
3mm角立方体に切り出したサンプルにイオン交換水を含浸させた後、DSCを用い、窒素雰囲気下、5℃/分で冷却して測定した。
In Table 2, each evaluation item was measured and evaluated as follows.
[1] Porosity Measured by mercury porosimetry.
[2] Flexural strength, flexural modulus Measured by a method based on ASTM D790.
[3] Resistivity Measured by a four-probe method described in JIS H-0602.
[4] Freezing point of water A sample cut into a 3 mm square cube was impregnated with ion-exchanged water, and then measured by using DSC and cooling at 5 ° C./min in a nitrogen atmosphere.
表2に示されるように、実施例1および2で得られた燃料電池セパレータは、遠赤外線輻射材料を含んでいるから、比較例1のセパレータのように、セパレータ中に浸透した水の凍結を防止できていることがわかる。また、強度および導電性も良好であることがわかる。
As shown in Table 2, since the fuel cell separators obtained in Examples 1 and 2 contain a far-infrared radiation material, freezing of water that has permeated into the separator as in the separator of Comparative Example 1 is prevented. It turns out that it can prevent. Moreover, it turns out that intensity | strength and electroconductivity are also favorable.
Claims (6)
遠赤外線輻射材料を含むことを特徴とする多孔質燃料電池セパレータ。 A porous fuel cell separator in which a groove for gas circulation is formed on at least one surface of a porous plate comprising a conductive material and a resin,
A porous fuel cell separator comprising a far-infrared radiation material.
遠赤外線輻射材料を含むことを特徴とする多孔質燃料電池セパレータ。 A porous fuel cell separator in which a groove for gas circulation is formed on at least one surface of a fired plate formed by firing a porous plate comprising a conductive material and a resin,
A porous fuel cell separator comprising a far-infrared radiation material.
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