JP2006269313A - Manufacturing method of separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータに係り、特に導電性、量産性、耐食性に優れた燃料電池用セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly to a method of manufacturing a fuel cell separator excellent in conductivity, mass productivity, and corrosion resistance.
単セルを複数積層(スタック)して構成する燃料電池、特に固体高分子形燃料電池において使用される燃料電池用セパレータは、固体電解質膜を両側から挟持する各電極に接触して配置され、該電極との間に燃料ガス、酸化剤ガス等の供給ガス通路を形成すると同時に、単セル間の電気的接続をとるために、電極と接触して電流を導出する集電性能に優れたものが要求される。 A fuel cell configured by stacking a plurality of single cells, particularly a fuel cell separator used in a polymer electrolyte fuel cell, is disposed in contact with each electrode sandwiching a solid electrolyte membrane from both sides, A fuel gas, oxidant gas, and other supply gas passages are formed between the electrodes, and at the same time, in order to establish an electrical connection between the single cells, they have excellent current collecting performance in contact with the electrodes to derive current. Required.
一般に燃料電池用セパレータとしては、基材として(1)強度、導電性に優れた緻密カーボングラファイト、(2)導電性炭素材料と耐食性樹脂の混合物または(3)ステンレス鋼(SUS)、チタン、アルミニウム等の金属材料で構成されている。 In general, as a separator for a fuel cell, (1) dense carbon graphite excellent in strength and conductivity, (2) a mixture of conductive carbon material and corrosion-resistant resin, or (3) stainless steel (SUS), titanium, aluminum It is comprised with metal materials, such as.
通常、上記セパレータの電極に対向する面にはガス流路を形成するための多数の突起部、溝部等が形成される。
上記の(1)緻密カーボングラファイトにて構成されるセパレータでは、電気伝導性が高く、かつ長期間の使用によっても高い集電性能が維持されるが、非常に脆い材料であることからセパレータの表面に多数の突起部や溝部を形成すべく切削加工等の機械加工を施すことは容易ではなく加工コストが高くなるとともに量産が困難であるという問題がある。
Usually, a large number of protrusions, grooves, and the like are formed on the surface of the separator that faces the electrodes.
The separator composed of the above (1) dense carbon graphite has high electrical conductivity and high current collecting performance is maintained even after long-term use, but the separator surface is a very brittle material. However, it is not easy to perform machining such as cutting so as to form a large number of protrusions and grooves, and there is a problem that the machining cost is high and mass production is difficult.
上記(3)金属材料にて構成されるセパレータにおいては、緻密カーボングラファイトに比較して強度、延性に優れていることからガス流路を形成するための多数の突起部、溝部等の形成はプレス加工が可能であって加工コストが安価で量産も容易であるという利点がある。しかしながら、金属材料はセパレータの使用環境下では、その表面に腐蝕による酸化膜が生成され易く、生成された酸化膜と電極との接触抵抗が大きくなり、セパレータの集電性能を低下させるという問題がある。 (3) The separator composed of a metal material is superior in strength and ductility as compared with dense carbon graphite, so that a large number of protrusions and grooves are formed to form a gas flow path. There is an advantage that the processing is possible, the processing cost is low, and mass production is easy. However, a metal material has a problem that an oxide film due to corrosion tends to be generated on the surface of the separator in an environment where the separator is used, and the contact resistance between the generated oxide film and the electrode increases, thereby reducing the current collecting performance of the separator. is there.
そこで、(2)黒鉛粉等の導電性炭素材料と耐食性樹脂の混合からなるセパレータ(特許文献1、特許文献2参照)では、耐酸性に優れ、また導電性炭素材料を耐食性樹脂に対して大量に混合することで、セパレータ自体の体積抵抗を小さくすることができる。 Therefore, (2) a separator made of a mixture of a conductive carbon material such as graphite powder and a corrosion-resistant resin (see Patent Document 1 and Patent Document 2) has excellent acid resistance, and a large amount of conductive carbon material relative to the corrosion-resistant resin. By mixing them, the volume resistance of the separator itself can be reduced.
しかしながら、このような材料では、導電性炭素材料が大量に混合されているため、セパレータが脆くなり易く、強度を維持するためには厚みを厚くする必要があり、セパレータに要求される軽量化が図れないという問題がある。さらに、用いられている耐食性樹脂は、いずれもフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂であり、樹脂を完全に硬化させるには長時間かかるため、生産性に劣るという問題がある。 However, in such a material, since the conductive carbon material is mixed in a large amount, the separator is likely to be brittle, and it is necessary to increase the thickness in order to maintain the strength. There is a problem that it cannot be planned. Furthermore, the corrosion-resistant resin used is a thermosetting resin such as a phenol resin, and it takes a long time to completely cure the resin, so that there is a problem that the productivity is poor.
本発明は、導電性、耐熱性、耐食性に優れた燃料電池用セパレータを生産性、量産性良く製造する方法を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the method of manufacturing the separator for fuel cells excellent in electroconductivity, heat resistance, and corrosion resistance with sufficient productivity and mass productivity.
本発明は以下の事項に関する。
1. 導電性フィラーと高分子材料とを含有するスタンパブルシートを製造する工程と、前記スタンパブルシートを、燃料電池セパレータ形状が彫り込まれた一対の金型が付設された成形機に供給する工程と、成形機に供給されたスタンパブルシートを、セパレータ形状に熱成形する工程とを含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記スタンパブルシート製造工程が、少なくとも導電性フィラーを含有する懸濁液から紙抄法によりシートを製造する工程を含む上記1記載の製造方法。
3. 前記スタンパブルシートの導電性フィラー/高分子材料の体積比率が15/85〜95/5の範囲であり、負荷荷重1.8MPaでの厚み方向の体積抵抗値が0.02〜0.5Ωcmの範囲であることを特徴とする上記1または2記載の製造方法。
4. 前記高分子材料が、熱可塑性樹脂であることを特徴とする上記1〜3のいずれかに記載の製造方法。
5. 前記導電性フィラーが、黒鉛粉、膨張黒鉛、カーボンブラック、カーボン繊維およびカーボンナノファイバーから選ばれる少なくとも1種を含むことを特徴とする上記1〜4のいずれかに記載の製造方法。
6. 前記導電性フィラーが、少なくともカーボン繊維を含むことを特徴とする上記5記載の製造方法。
The present invention relates to the following items.
1. A step of manufacturing a stampable sheet containing a conductive filler and a polymer material, a step of supplying the stampable sheet to a molding machine provided with a pair of molds engraved with a fuel cell separator shape, A process for producing a separator for a fuel cell, comprising a step of thermoforming a stampable sheet supplied to a molding machine into a separator shape.
2. The production method according to 1 above, wherein the stampable sheet production step comprises a step of producing a sheet from a suspension containing at least a conductive filler by a paper-making method.
3. The volume ratio of the conductive filler / polymer material in the stampable sheet is in the range of 15/85 to 95/5, and the volume resistance value in the thickness direction at a load of 1.8 MPa is 0.02 to 0.5 Ωcm. 3. The production method according to 1 or 2 above, wherein the production method is a range.
4). The manufacturing method according to any one of the above items 1 to 3, wherein the polymer material is a thermoplastic resin.
5. 5. The production method according to any one of 1 to 4, wherein the conductive filler contains at least one selected from graphite powder, expanded graphite, carbon black, carbon fiber, and carbon nanofiber.
6). 6. The production method according to 5 above, wherein the conductive filler contains at least carbon fiber.
本発明の製造方法によれば、導電性、耐熱性、耐食性に優れた燃料電池用セパレータを生産性、量産性良く製造することができる。 According to the production method of the present invention, a fuel cell separator excellent in conductivity, heat resistance, and corrosion resistance can be produced with high productivity and mass productivity.
以下、本発明を詳しく説明する。
本発明の第1工程で形成されるスタンパブルシートは、導電性フィラーと高分子材料とを含有し、且つ熱プレス成形法により燃料電池用のセパレータ形状にプレスできる成形性を有するものである。
本発明で使用される高分子材料には、特に制限はないが、プレス成形の際またはその予備加熱の際に、加熱により軟化する熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。例えば、エチレンを含む単独重合体又は共重合体等のポリオレフィン(PO)系樹脂又はポリオレフィン系エラストマー、環状ポリオレフィン等の非晶質ポリオレフィン樹脂(APO)、ポリスチレン(PS)、ABS、SBS等のポリスチレン系樹脂又はSEBS等の水素添加されたスチレン系エラストマー、ポリ塩化ビニル(PVC)樹脂、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、共重合アクリル等のアクリル系樹脂、ポリエチレンテレフタレート(PET)等のポリエステル系樹脂、ナイロン6、ナイロン12、共重合ナイロン等のポリアミド(PA)系樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリサルホン(PS)樹脂、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂、ポリアミドイミド(PAI)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリオキシメチレン(POM)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリビニルブチラール(PVB)樹脂、ポリアリレート(PAR)樹脂、フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(THV)、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニル(PVF)、等のフッ素系樹脂又はエラストマー、(メタ)アクリレート系樹脂などが挙げられる。
The present invention will be described in detail below.
The stampable sheet formed in the first step of the present invention contains a conductive filler and a polymer material, and has a moldability that can be pressed into a separator shape for a fuel cell by a hot press molding method.
The polymer material used in the present invention is not particularly limited, but a thermoplastic resin that is softened by heating during press molding or preheating thereof is preferably used. For example, polyolefin (PO) resins such as homopolymers or copolymers containing ethylene or polyolefin elastomers, amorphous polyolefin resins (APO) such as cyclic polyolefins, polystyrenes such as polystyrene (PS), ABS, SBS, etc. Resin or hydrogenated styrene elastomer such as SEBS, polyvinyl chloride (PVC) resin, polyvinylidene chloride (PVDC) resin, polymethyl methacrylate (PMMA), acrylic resin such as copolymer acrylic, polyethylene terephthalate (PET) Polyester resin such as nylon 6,
上記例示した高分子材料の中でも、耐熱性に優れ、耐酸性を有し、且つ熱成形に適した軟化温度を有するものが好ましく、ポリオレフィン(PO)系樹脂又はポリオレフィン系エラストマー、環状ポリオレフィン等の非晶質ポリオレフィン樹脂(APO)、ポリイミド(PI)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリサルホン(PS)樹脂、ポリエーテルサルホン(PES)樹脂、ポリアミドイミド(PAI)樹脂、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリオキシメチレン(POM)樹脂、フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(THV)、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体(FEP)、フッ化ビニリデン(PVDF)、フッ化ビニル(PVF)等のフッ素系樹脂又はエラストマー等の使用が好ましい。 Among the polymer materials exemplified above, those having excellent heat resistance, acid resistance, and softening temperature suitable for thermoforming are preferred, and polyolefin (PO) resin or polyolefin elastomer, non-cyclic polyolefin, etc. Amorphous polyolefin resin (APO), polyimide (PI) resin, polyetherimide (PEI) resin, polysulfone (PS) resin, polyethersulfone (PES) resin, polyamideimide (PAI) resin, polyetheretherketone (PEEK) ) Resin, polyphenylene sulfide (PPS) resin, polyphenylene ether (PPE), polyoxymethylene (POM) resin, vinylidene fluoride-tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (THV), tetrafluoroethylene-6 Propylene fluoride copolymer (FEP), fluorine Fluoride (PVDF), the use of such fluorine-based resin or elastomer, such as vinyl fluoride (PVF) are preferred.
導電性フィラーは、耐食性に優れた、黒鉛粉、膨張黒鉛およびカーボンブラック等の粒子状炭素系材料、カーボン繊維およびカーボンナノファイバー等の繊維状(微細な繊維を含む)炭素系材料の使用が好ましい。黒鉛粉には、人造黒鉛や天然黒鉛などが含まれる。膨張黒鉛は、黒鉛粉を酸などで化学処理することにより、製造されたものであり、これを高温で加熱処理した膨張化黒鉛も含まれる。カーボンブラックは、オイルファーネス法(液状炭化水素を部分燃焼反応で生成する方法)やサーマル法(天然ガスや液状炭化水素の熱分解により生成する方法)などにより製造されたものが含まれる。また、カーボン繊維は、ピッチ系カーボン繊維やPAN系カーボン繊維などがこれに含まれ、長繊維、短繊維いずれも含まれる。 For the conductive filler, it is preferable to use particulate carbon-based materials such as graphite powder, expanded graphite and carbon black, and fibrous (including fine fibers) carbon-based materials such as carbon fibers and carbon nanofibers, which are excellent in corrosion resistance. . The graphite powder includes artificial graphite and natural graphite. Expanded graphite is produced by chemically treating graphite powder with an acid or the like, and includes expanded graphite obtained by heat-treating this at a high temperature. Carbon black includes those produced by an oil furnace method (a method for producing liquid hydrocarbons by a partial combustion reaction), a thermal method (a method for producing natural hydrocarbons or liquid hydrocarbons by thermal decomposition), and the like. The carbon fibers include pitch-based carbon fibers and PAN-based carbon fibers, and include both long fibers and short fibers.
カーボンナノファイバーは、繊維径が0.001〜0.5μm、好ましくは0.003〜0.2μmであり、繊維長が1〜100μm、好ましくは1〜30μmのもので、所謂カーボンナノチューブが含まれる。カーボンナノファイバーには、炭素のチューブ構造が単一チューブであるシングル型、チューブ構造が二重のチューブであるダブル型、およびチューブ構造が三重以上となっているマルチ型構造を含み、さらに、チューブの一方の端が閉じて他方の端が開いているナノホーン型、一方の端の開口が他方の端の開口よりも大きいカップ型等の形態も含まれる。 The carbon nanofiber has a fiber diameter of 0.001 to 0.5 μm, preferably 0.003 to 0.2 μm, a fiber length of 1 to 100 μm, preferably 1 to 30 μm, and includes so-called carbon nanotubes. . The carbon nanofiber includes a single type in which the tube structure of the carbon is a single tube, a double type in which the tube structure is a double tube, and a multi-type structure in which the tube structure is triple or more. Nanohorn type with one end closed and the other end open, and cup type with an opening at one end larger than the opening at the other end are also included.
上記導電剤の中では、導電性に優れる、黒鉛粉、カーボン繊維、及びカーボンナノファイバーの使用が好ましい。これらは混合して使用することも好ましい。 Among the conductive agents, it is preferable to use graphite powder, carbon fiber, and carbon nanofiber that are excellent in conductivity. These are also preferably used in combination.
導電性フィラー/高分子材料の体積比率は、15/85〜95/5、好ましくは30/70〜90/10の範囲が良く、導電性フィラー/高分子材料の体積比率が15/85未満では、導電性が発現しにくく、燃料電池セパレータの内部抵抗が大きくなり、更には電極材料との接触抵抗も大きくなり、燃料電池の性能が悪くなるという問題が生じ易い。また、導電性フィラー/高分子材料の体積比率が95/5より大きくなると、導電性フィラーの割合が大きくなり、セパレータが脆くなりやすく、薄くできないという問題がある。 The volume ratio of the conductive filler / polymer material is 15/85 to 95/5, preferably 30/70 to 90/10. When the volume ratio of the conductive filler / polymer material is less than 15/85, Further, it is difficult to develop conductivity, the internal resistance of the fuel cell separator is increased, the contact resistance with the electrode material is also increased, and there is a problem that the performance of the fuel cell is deteriorated. In addition, when the volume ratio of the conductive filler / polymer material is larger than 95/5, the ratio of the conductive filler increases, and the separator tends to become brittle and cannot be thinned.
導電性フィラーの種類、高分子材料および両者の体積比は、目的とする燃料電池用セパレータに必要な体積抵抗値、厚み、強度等を勘案して適宜選ぶことができる。本発明の1態様では、導電性フィラーは粒子状炭素系材料であり、成形性に優れた高分子材料と組み合わせて、体積比を適切に選ぶことでスタンパブルシートを形成することができる。 The type of the conductive filler, the polymer material, and the volume ratio of the two can be appropriately selected in consideration of the volume resistance value, thickness, strength, and the like necessary for the intended fuel cell separator. In one embodiment of the present invention, the conductive filler is a particulate carbon-based material, and a stampable sheet can be formed by appropriately selecting a volume ratio in combination with a polymer material excellent in moldability.
本発明の異なる1態様では、導電性フィラーの少なくとも一部が、繊維状のもの、特にカーボン繊維である。繊維状の導電性フィラーを含有することにより、成形性を保ちながら導電性フィラーの量を増やすことができるので、高分子材料の選択および体積比等の自由度が大きくなる。この態様では、特に導電性フィラーのうちカーボン繊維が5体積%以上含まれることが好ましく、さらに10〜100体積%、特に40〜100体積%の量で含まれることが好ましい。 In a different embodiment of the present invention, at least a part of the conductive filler is fibrous, particularly carbon fiber. By containing the fibrous conductive filler, the amount of the conductive filler can be increased while maintaining the moldability, so that the degree of freedom such as selection of the polymer material and volume ratio is increased. In this aspect, it is preferable that carbon fiber is contained in an amount of 5% by volume or more, particularly 10 to 100% by volume, particularly 40 to 100% by volume, of the conductive filler.
スタンパブルシートは、負荷荷重1.8MPaでのシートの厚み方向の体積抵抗値が、0.02〜0.5Ωcm、好ましくは0.03〜0.3Ωcmの範囲である。厚み方向の体積抵抗値が0.5Ωcmを越えると燃料電池セパレータに使用したときの内部抵抗が大きくなり、燃料電池の性能が悪くなるという問題が生じ易い。また厚み方向の体積抵抗値を0.02Ωcm未満にするには、導電性フィラーを多量に混合する必要がありセパレータが脆くなりやすく、薄くできないという問題がある。尚、負荷荷重1.8MPaで測定するのは、燃料電池の実使用時に近い条件での抵抗値が重要であるからである。即ち、燃料電池用スタックは、適当な圧力で締め付けられており、締め付け荷重が小さいと燃料電池を構成する電解質膜、電極及びセパレータにずれが生じやすく、また各構成部材の接触抵抗が大きくなり、一方締め付け荷重が大き過ぎると電極が破壊する。 The stampable sheet has a volume resistance value in the thickness direction of the sheet at a load of 1.8 MPa in the range of 0.02 to 0.5 Ωcm, preferably 0.03 to 0.3 Ωcm. If the volume resistance value in the thickness direction exceeds 0.5 Ωcm, the internal resistance when used in a fuel cell separator increases, and the problem of poor fuel cell performance tends to occur. Further, in order to make the volume resistance value in the thickness direction less than 0.02 Ωcm, it is necessary to mix a large amount of conductive filler, and there is a problem that the separator tends to become brittle and cannot be thinned. The reason why the load is measured at 1.8 MPa is that the resistance value under conditions close to the actual use of the fuel cell is important. That is, the fuel cell stack is tightened with an appropriate pressure, and if the tightening load is small, the electrolyte membrane, electrode, and separator constituting the fuel cell are likely to be displaced, and the contact resistance of each component increases. On the other hand, if the tightening load is too large, the electrode is destroyed.
また、製造されるスタンパブルシートの厚みは、100μm〜1,000μm、好ましくは100μm〜300μmである。
スタンパブルシートは種々の方法により製造することができる。例えば導電性フィラーの懸濁液からの紙抄法による製造、繊維状導電性フィラーの不織布マットからの製造法等が挙げられる。ここでは、紙抄法による製造方法を説明する。
Moreover, the thickness of the stampable sheet to be produced is 100 μm to 1,000 μm, preferably 100 μm to 300 μm.
The stampable sheet can be manufactured by various methods. For example, the manufacturing method by the paper-making method from the suspension of a conductive filler, the manufacturing method from the nonwoven fabric mat of a fibrous conductive filler, etc. are mentioned. Here, the manufacturing method by paper-making method is demonstrated.
紙抄法による製造では、導電性フィラーと高分子材料とを液体中に混合・分散させて懸濁液とし、この懸濁液を微細な孔を多数設けた網を用いて抄いて、網上の固形物を脱水乾燥したウェブからスタンパブルシートを形成する。ここで、高分子材料は、懸濁液中で不溶性でも可溶性でもよい。懸濁媒体に対して不溶性である場合は粉末状(顆粒状を含む)または繊維状で存在して導電性フィラーと共に抄かれてウェブを構成し、また可溶性である場合は導電性フィラーが抄かれたときにフィラーに付着してウェブ中に取り込まれる。不溶性と可溶性の高分子材料を併用してもよい。 In the paper-making method, a conductive filler and a polymer material are mixed and dispersed in a liquid to form a suspension, and this suspension is made using a mesh having a large number of fine pores. A stampable sheet is formed from a web obtained by dehydrating and drying the solid material. Here, the polymeric material may be insoluble or soluble in the suspension. If it is insoluble in the suspending medium, it will exist in the form of powder (including granules) or fiber and will be made together with the conductive filler to form the web, and if it is soluble, the conductive filler will be made. When adhering to the filler, it is taken into the web. Insoluble and soluble polymer materials may be used in combination.
図1に、紙抄法によるスタンパブルシート製造方法の1例を示す。図に示すように、分散容器1の上方に第1のホッパー2と第2のホッパー3が配置されており、第1のホッパー2から分散容器1へ高分子材料粒子5が供給され、第2のホッパー3からは導電性フィラー6が供給される。 FIG. 1 shows an example of a stampable sheet manufacturing method by paper sheeting. As shown in the figure, a first hopper 2 and a second hopper 3 are arranged above the dispersion container 1, and the polymer material particles 5 are supplied from the first hopper 2 to the dispersion container 1, and the second The conductive filler 6 is supplied from the hopper 3.
分散容器1に所定の割合で供給された高分子材料粒子5、および導電性フィラー6は、液体L中に混合・分散されて懸濁液となる。上記分散容器1には供給ライン8の一端が接続されている。この供給ライン8の中途部には第1の循環ポンプ9が設けられている。供給ライン8の他端はヘッドボックス10に接続されている。このヘッドボックス10の下方には一対のローラ11によって無端走行される微細な孔を多数設けた網12が配置されている。
The polymer material particles 5 and the conductive filler 6 supplied to the dispersion container 1 at a predetermined ratio are mixed and dispersed in the liquid L to become a suspension. One end of a
分散容器1中の混濁液は上記第1の循環ポンプ9によってヘッドボックス10に供給される。ヘッドボックス10に供給された混濁液は無端走行する網12によって溶液のみが孔から抜け落ち丁度紙抄きの要領で抄かれて脱水される。このときに脱水された水分はウェットボックス13に集溜される。このウェットボックス13には回収ライン14の一端が接続されている。この回収ライン14の中途部には第2の循環ポンプ15が設けられ、他端は上記分散容器1の開口した上面側に対向位置している。したがって、ウェットボックス13に集溜された混濁液中の液体Lは上記分散容器1に回収される。
The turbid liquid in the dispersion container 1 is supplied to the
ウェットボックス13で抄かれ網12上に残った導電性フィラーおよび高分子材料は、ウェブ16となって熱風乾燥炉17に供給されて乾燥される。熱風乾燥炉17の出口側には一対のベルトコンベア18を上下に配置して形成された連続プレス19が設けられている。この連続プレス19で上記ウェブ16が押し固められて導電樹脂シート21、即ちスタンパブルシートが形成される。
The conductive filler and the polymer material which are made in the
上記の説明で、導電性フィラーは繊維状でも粒子状でもどちらでもよい。また、高分子材料も粉末状でも繊維状でもよい。
上記の紙抄法以外の方法としては、例えば、繊維状の導電性フィラーと繊維状の高分子材料を同時に供給して両方の繊維が混合した不織布または織布を形成した後、加熱、圧縮してスタンパブルシートを形成する方法が挙げられる。特に、燃料電池用セパレータ用の薄いシートを形成する方法としては、紙抄法が好ましい。
In the above description, the conductive filler may be either fibrous or particulate. Further, the polymer material may be powdery or fibrous.
Examples of methods other than the paper-making method described above include, for example, supplying a fibrous conductive filler and a fibrous polymer material simultaneously to form a nonwoven fabric or woven fabric in which both fibers are mixed, and then heating and compressing. And a method of forming a stampable sheet. In particular, as a method for forming a thin sheet for a fuel cell separator, paper making is preferred.
本発明の第2の工程では、このように形成されたスタンパブルシートから熱成形によりセパレータ形状を形成する。
図2に示すように、まず導電樹脂シート21、即ちスタンパブルシートを赤外線加熱炉32へ供給し、所定温度に予備加熱する。ついで、加熱された導電樹脂シート21を、スタンピング成形機33へ供給してプレス成形する。そのとき、上記スタンピング成形機33の一対の金型33aの間隔を、上記導電樹脂シート21の厚さに応じたクリアランスに維持する。それによって、上記導電樹脂シート21から燃料電池セパレータ形状に成形後、カッター34によって切断することで、燃料電池用セパレータ材31を得ることができる。成形温度、成形圧力等の成形条件は、スタンパブルシートの材料に合わせて適宜設定することが好ましいが、例えば、温度は180〜400℃、好ましくは200〜350℃、圧力は3×106〜5×108Pa、好ましくは5×106〜5×107Paである。
In the second step of the present invention, a separator shape is formed by thermoforming from the stampable sheet thus formed.
As shown in FIG. 2, first, the
なお、上記の説明では導電樹脂シート21から燃料電池セパレータ材31を得る成形方法としてスタンピング成形を挙げたが、それに代わり圧空気成形やフローモールデイングなどの方法を用いてもよい。
In the above description, the stamping molding is exemplified as a molding method for obtaining the fuel
また、本発明ではスタンパブルシートは多層の積層構造でもよく、例えば成形性に強い層と、接触抵抗および/または体積抵抗の小さい層とに機能分担させて、成形性と性能との両立をさらに図ることもできる。 Further, in the present invention, the stampable sheet may have a multi-layered structure. For example, the stampable sheet is divided into functions that are divided into a layer having a high formability and a layer having a small contact resistance and / or volume resistance. You can also plan.
本発明の製造方法で製造された燃料電池用セパレータは、成形前のスタンパブルシートと同等の体積抵抗値を有する。 The fuel cell separator manufactured by the manufacturing method of the present invention has a volume resistance equivalent to that of the stampable sheet before being molded.
以下、実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
<体積抵抗値の測定方法>
燃料電池セパレータの厚み方向への体積抵抗値は以下の方法で評価できる。
Hereinafter, although an example is described, the present invention is not limited to this.
<Measurement method of volume resistance value>
The volume resistance value in the thickness direction of the fuel cell separator can be evaluated by the following method.
1.測定装置
抵抗計:YMR−3型((株)山崎精機研究所社製)
負荷装置:YSR−8型((株)山崎精機研究所社製)
電極:真鍮製平板2枚(面積6.45cm2、鏡面仕上げ、表面金メッキ)
1. Measuring device Resistance meter: YMR-3 type (manufactured by Yamazaki Seiki Laboratory Co., Ltd.)
Load device: YSR-8 type (manufactured by Yamazaki Seiki Laboratory Co., Ltd.)
Electrode: Two brass flat plates (area 6.45 cm2, mirror finish, surface gold plating)
2.測定条件
方法:4端子法
印加電流:10mA(交流、287Hz)
開放端子電圧:20mVピーク以下
荷重:1.8MPa(18.6kgf/cm2)
カーボンペーパー:東レ社製TGP−H−090(厚み0.28mm)
2. Measurement conditions Method: 4-terminal method Applied current: 10 mA (AC, 287 Hz)
Open terminal voltage: 20 mV peak or less Load: 1.8 MPa (18.6 kgf / cm 2 )
Carbon paper: TGP-H-090 (thickness 0.28 mm) manufactured by Toray Industries, Inc.
3.測定方法
図3に示した測定装置により、セパレータ42をカーボンペーパー43を介して、両側から真鍮製平板電極41で挟み、荷重1.8MPaを加えながら、4端子法にて所定の電流印加時の電圧を測定した。
3. Measuring Method With the measuring device shown in FIG. 3, the
4.体積抵抗算出方法
上記方法で測定された抵抗値R(Ω)と電極面積(6.45cm2)及びサンプル厚みt(cm)から、厚み方向への体積抵抗値を次の式により算出した。
厚み方向への体積抵抗値(Ωcm)=R×(6.45cm2/t)
4). Volume Resistance Calculation Method From the resistance value R (Ω), electrode area (6.45 cm 2 ), and sample thickness t (cm) measured by the above method, the volume resistance value in the thickness direction was calculated by the following formula.
Volume resistance value in the thickness direction (Ωcm) = R × (6.45 cm 2 / t)
(実施例1)
高分子材料として、PPS(「ポリプラスチックス(株)」製 W220A 比重1.35)、導電性フィラーとしてカーボン短繊維(「東邦テナックス(株)」製 HTA−0040 比重1.77)を用い、導電性フィラー/高分子材料の体積比率が85/15、即ち導電性フィラー/高分子材料の重量比率が88.14/11.86になるように、第1のホッパー2及び第2のホッパー3から、高分子材料粒子及び導電性フィラーを、分散容器1に供給し、液体L中に分散させて懸濁液とした。尚、(導電性フィラーと高分子材料)/液体Lの重量比は、2重量%になるように投入した。
Example 1
PPS (W220A specific gravity 1.35 manufactured by "Polyplastics Co., Ltd.") is used as the polymer material, and carbon short fibers (HTA-0040 specific gravity 1.77 manufactured by "Toho Tenax Co., Ltd.") are used as the conductive filler. The first hopper 2 and the second hopper 3 so that the conductive filler / polymer material volume ratio is 85/15, that is, the conductive filler / polymer material weight ratio is 88.14 / 11.86. Then, the polymer material particles and the conductive filler were supplied to the dispersion container 1 and dispersed in the liquid L to form a suspension. The weight ratio of (conductive filler and polymer material) / liquid L was added so as to be 2% by weight.
分散容器1中の混濁液を循環ポンプ9によってヘッドボックス10に供給し、無端走行する網12によって丁度紙抄きの要領で抄かして脱水した。ウエトボックス13で抄かれた混濁液は、ウエブ16Aとなって熱風乾燥炉17に供給し、330℃の温度で乾燥した。熱風乾燥炉17の出口側には一対のベルトコンベア18を上下に配置して形成された連続プレス19が設けられており、1×106Paの圧力で、上記ウエブ16Aを押し固め、導電樹脂シート21Aを形成した。得られた導電樹脂シート21Aの厚みは200μmであった。
The turbid liquid in the dispersion container 1 was supplied to the
導電樹脂シート21Aを赤外線加熱炉32へ供給し、予め350℃に加熱した後、燃料電池セパレータ形状が彫り込まれた一対の金型33Aが付設されたスタンピング成形機33へ供給して1×107Paの圧力でプレス成形した。その後、カッター34によって切断し、燃料電池セパレータ材31Aを得た。
The conductive resin sheet 21A is supplied to the
燃料電池セパレータ材31Aの負荷荷重1.8MPa時の厚み方向の体積抵抗値を測定した結果、0.045Ωcmであった。 It was 0.045 Ωcm as a result of measuring the volume resistance value in the thickness direction when the load load of the fuel cell separator material 31A was 1.8 MPa.
得られた燃料電池セパレータは、厚み方向の体積抵抗率値が0.045Ω・cmと導電性に優れ、耐熱性、耐酸性とも良好で、燃料電池セパレータとして性能上問題は無かった。 The obtained fuel cell separator had a volume resistivity value in the thickness direction of 0.045 Ω · cm, excellent conductivity, good heat resistance and acid resistance, and had no problems in performance as a fuel cell separator.
上述したように、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、特に生産性、量産性に優れ、導電性、耐熱性、耐酸性にも優れており、長時間の運転が可能な燃料電池用セパレータとしての利用性が大きい。 As described above, according to the method for manufacturing a separator for a fuel cell of the present invention, the fuel is particularly excellent in productivity, mass productivity, excellent conductivity, heat resistance, and acid resistance, and can be operated for a long time. The utility as a battery separator is great.
1…分散容器
2…第1のホッパー
3…第2のホッパー
5…高分子材料粒子
6…導電性フィラー
8供給ライン
9…循環ポンプ
10…ヘッドボックス
11…ローラ
12…網
13…ウェットボックス
14…回収ライン
15…循環ポンプ
16…ウェブ
17…熱風乾燥炉
18…ベルトコンベア
19…連続プレス
21…導電樹脂シート
31…燃料電池セパレータ材
32…赤外線加熱炉
33…スタンピング成型機
33a…金型
34…カッター
41…電極:真鍮製平板2枚、
42…燃料電池セパレータ、
43…カーボンペーパー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Dispersion container 2 ... 1st hopper 3 ... 2nd hopper 5 ... Polymer material particle 6 ...
42 ... Fuel cell separator,
43 ... carbon paper
Claims (6)
前記スタンパブルシートを、燃料電池セパレータ形状が彫り込まれた一対の金型が付設された成形機に供給する工程と、
成形機に供給されたスタンパブルシートを、セパレータ形状に熱成形する工程と
を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 Producing a stampable sheet containing a conductive filler and a polymer material;
Supplying the stampable sheet to a molding machine provided with a pair of dies engraved with a fuel cell separator shape;
A process for producing a separator for a fuel cell, comprising a step of thermoforming a stampable sheet supplied to a molding machine into a separator shape.
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KR100764008B1 (en) | 2006-10-27 | 2007-10-09 | 이중희 | Preparing method of polymer hybrid composite for bipolar plate of fuel cell and resin composition for bipolar plate |
CN104321904A (en) * | 2012-01-05 | 2015-01-28 | 百拉得动力系统公司 | Method of manufacturing multiple fuel cell separtator plate assemblies |
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-
2005
- 2005-03-25 JP JP2005087768A patent/JP2006269313A/en not_active Withdrawn
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