JP3595207B2

JP3595207B2 - Fuel cell separator and method for producing the same

Info

Publication number: JP3595207B2
Application number: JP24756599A
Authority: JP
Inventors: 光雄山本; 満起白石; 昭浅野; 剛稲垣; 滋坂本; 光雄唐金; 泰夫三宅
Original assignee: Nichias Corp; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Nichias Corp; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2004-12-02
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001076737A

Description

【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ーに関し、さらに詳しくは、表面が親水化された膨張黒鉛製燃料電池用セパレーターに関する。また、本発明は、前記燃料電池用セパレーターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、複数の単位セルを数十〜数百個直接重ねて所定の電圧を得ている。
単位セルは、最も基本的な構造の場合、「セパレーター／アノード／固体高分子膜／カソード／セパレーター」という構成であり、セパレータは図３に示すように、平板部１ａと平板部１ａの表面１ｂに形成された凸状部２とを有する成形体Ａであり、隣接する凸状部２によって形成される複数のチャネル３が形成される。そして、例えば固体高分子型の燃料電池であれば、アノード側のセパレーターのチャネル３には水素ガスやメタノールガス等（「燃料ガス」と総称する）が流され、カソード側のセパレーターのチャネル３には酸素ガスや空気（「酸化ガス」と総称する）が流される。
【０００３】
上記燃料電池のセパレーターに関して、一般に次のような要求がなされている。
即ち、（１）高い導電性、（２）腐食性電解質に対する耐性、（３）ガスを分離するための気密性、（４）強度、（５）複雑な形状を形成するための成形性、（６）低コスト性、（７）耐膨潤性（水やリン酸液に浸しても膨潤しないもの）、（８）耐熱性（反応時の発熱に耐えるもの）等の要求特性を同時に満たすことが求められている。
【０００４】
上記各要求特性を同時に満たす材料として膨脹黒鉛が知られており、膨脹黒鉛と結合材との混合物を、所定形状の型に充填し、加熱、加圧圧縮して硬化させて、膨脹黒鉛を構成成分とするセパレーターを作製することが行われている。
【０００５】
しかし、膨脹黒鉛を構成成分とするセパレーターは、上記各要求を同時に満足するものの、その表面の親水性が十分でないという問題がある。
燃料電池用セパレーターにおいては、酸化ガスの流れるカソード電極側では、生成する水が水滴となってガス詰まり等を起こすことを防ぐために、一方燃料ガスの流れるアノード電極側では、燃料ガスの加湿水分が凝縮水となって析出してもそれが水滴となってガス詰まり等を起こすことを防ぐために、それぞれの水を速やかに排出させる必要がある。従って、燃料電池用セパレーターには、上記の諸特性に加えて、チャネル３の表面が親水性であることも求められている。
【０００６】
これに関して、セパレーターの表面に親水性を付与する方法として、（ａ）セパレーターの表面に親水性の無機粉を塗布する方法（特開昭５８−１５０２７８号公報）、（ｂ）セパレーターの表面に親水性の無機繊維シートを介在させる方法（特開昭６３−１１０５５５号公報）、（ｃ）セパレーターの本体の構成材料に親水性の無機粉を混ぜ込む方法（特開平１０−３９３１号公報）などが提案されている。
【０００７】
しかし、上記（ａ）の従来方法では、セパレーターの表面に塗布された親水性無機粉の層が剥離したり、摩耗したり、更には塗布された親水性無機粉の層が薄すぎて所望の親水性付与効果を得にくいという問題がある。また、上記（ｂ）の従来方法では、セパレーターの表面に介在させた親水性無機繊維シートが剥離したり、更にはこのシートが厚く、単位セルを多数重ねて燃料電池を構成した場合に燃料電池が大きくなるという問題がある。また、上記（ｃ）の従来方法では、期待できる親水性付与効果が小さいという問題がある。
【０００８】
このように、従来の親水性付与技術は十分満足できるものではなく、膨張黒鉛を構成成分とするセパレータにおいても有効な技術とは言えない状況にある。更には、燃料電池用セパレーターにおいては、上記諸特性に加えて、燃料電池の一般的運転温度である約８０〜１１０℃において水中に金属イオンが溶出しないことも求められており、膨張黒鉛を構成成分とするセパレーターはこの要求に対しても十分満足するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、上記に挙げた諸特性に加えて、表面が十分に親水性であり、しかもこの親水性が長期間安定して維持され、更に金属イオンの溶出も少ない燃料電池用セパレーターを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、本発明の、膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂からなる結合材とを含む成形体の反応ガス流通側表面に、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布がその一方の面を露出し、かつ他方の面を成形体中に埋設して一体化されていることを特徴とする燃料電池用セパレーター、並びに成形型にレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布を敷きつめ、その上に膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む成形原料を充填し、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加圧することを特徴とする燃料電池用セパレーターの製造方法により達成される。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレーターは、セパレーター本体を膨張黒鉛を含有する成形体とすることにより上記した諸特性を同時に満足するとともに、その反応ガス流通側表面に親水性を有するレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布の一方の面が露出した状態で成形体中に埋設されて一体化されているため、これらの不織布は剥離することがなく、親水性が長期にわたり安定して付与される。また、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布がチャネルの全面を覆うため、金属イオンの溶出も抑えられる。しかも、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布は、その厚さにおいて、約半分程が成形体中に埋設されているため、特開昭６３−１１０５５５号公報に記載されているような親水性不織布を介在させたものに比べて装置全体を薄くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用セパレーターに関して図面を参照して詳細に説明する。
本発明の燃料電池用セパレーターは、膨脹黒鉛と結合材とを含む成形体の反応ガス流通側表面、即ちチャネル形成面を親水性不織布で覆い、一体化したものである。
用いられる膨脹黒鉛としては、従来から知られているものを適宜選択して用いることができる。
結合材も従来から知られている種々の熱硬化性樹脂を適宜選択して用いることができるが、後述される親水性不織布との一体化の点で、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂あるいはメラミン樹脂が好ましい。これらの結合材は、必要に応じて複数種併用することができる。
また、膨脹黒鉛と結合材の配合割合は、必要に応じて適宜設定することができるが、膨脹黒鉛１００重量部に対して結合材５〜５０重量部が適当である。更に、必要に応じて、他の導電性材料や補強用フィラー等の配合材を適量配合することができる。
【００１３】
成形体の形状は適宜選択でき、例えば、図３に示されるように、平板部１ａと平板部１ａの表面１ｂに形成された凸状部２とを有する断面凹凸形状とし、隣接する凸状部２により複数のチャネル３を形成する形状とすることができる。あるいは、図示は省略するが、平板部１ａの両面に凸状部２を形成して両面にチャネル３を形成した形状としてもよい。また、凸状部２の断面形状も制限されるものではなく、図示されるような頂部に向かってやや円弧状に狭窄する略釣鐘状の他、矩形であってもよい。
そして、図１（図３の一点鎖線円部の拡大図）に示すように、この成形体Ａのチャネル３が形成された側の全面を覆うように、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４がその一方の面を露出し、他方の面を成形体Ａ中に埋設した状態で一体化されている。
【００１４】
レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の目付および厚さは、特に限定されるものではないが、目付３０〜８０ｇ／ｍ ² 、厚さ０．２２〜０．５ｍｍであることが好ましい。尚、同じレーヨン製であっても、長繊維のものは十分な親水性を付与できない。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレーターは、成形体Ａの成形時に、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一方の面を該成形体Ａの表面に埋没させることにより得られる。
具体的には、成形体Ａを成形するための成形型にレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を敷きつめ、その上に膨脹黒鉛と結合材とを含む成形原料を充填し、結合材の熱硬化性樹脂の硬化温度にて所定時間圧縮することにより、結合材がレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一方の面を保持した状態で硬化して成形体Ａとレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４とが固着される。この時の成形圧力が高過ぎたり、成形保持時間が長過ぎたりすると、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布全体が結合材で被覆された状態となり、生成体Ａに十分な親水性が付与されなくなる。従って、結合材である熱硬化性樹脂の種類に応じて、適当な成形圧力や成形保持時間を設定する必要がある。例えば、結合材にフェノール樹脂を用いた場合には、成形温度１８０℃で成形圧力１００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ²、成形保持時間０．５〜１０分とし、結合材にエポキシ樹脂を用いた場合には、成形温度１８０℃で成形圧力１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ²、成形保持時間０．５〜３０分とするとが好ましい。
【００１６】
また、上記のような同時形成の他に、成形体Ａを別途形成しておき、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を添設することもできる。
即ち、膨脹黒鉛と結合材とを含む成形原料を成形型に充填、硬化させて予備成形体を形成し、一端成形型から取り出してレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を敷きつめた後、予備成形体を再度成形型に装填して上記した条件にて本成形する方法も可能である。
【００１７】
ところで、燃料電池の単位セルは「アノード／固体高分子膜／カソード」という構成の積層体が２枚のセパレーター間に挟持されて構成されており、セパレーターのチャネルを形成する凸状部２の頂上部がアノード及びカソードと直接接している。そのため、セパレーターは、単位セル同士を電気的に接続するための導電性接続体としての機能を有しており、アノード及びカソードとの間の接触抵抗をできるだけ小さくすることが望ましい。
これに対して、図１に示したような、凸状部２の頂上部もレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４で覆われている構成では、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の露出状態によっては良好な接触抵抗が得られない場合がある。そこで、図２に示すように、凸状部２の頂上部２ａのみ、成形体Ａを露出させることが好ましい。
【００１８】
凸状部２の頂上部２ａを露出してレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を埋設させる方法として、例えば以下の方法を例示することができる。
（１）凸状部２の頂上部２ａに位置する部分に切り目を設けたレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を使用して成形を行い、成形時の圧力によりこの切り目を破ることにより、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（２）（１）の切り目に代えて頂上部２ａと同形状のスリット（開口）を設けたレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を使用して成形を行うことによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（３）成形体Ａの表面に頂上部２ａを除いて細長いレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を配置し、成形を行うことによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（４）レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４には加工を施さず、図１に示したセパレーターを作製後、凸状部２の頂上部２ａを研磨して頂上部２ａからレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を除去することによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
尚、凸状部２の頂上部２ａは成形体Ａが完全に露出する必要はなく、（４）の方法において、一部のレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４が成形体内に埋設されて残存していてもよい。また、（１）〜（３）の方法において、成形体Ａとレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４との位置ずれにより、頂上部２ａにレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一部が埋設されていてもよい。この場合、研磨により頂上部２ａのレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を除去することが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
膨脹黒鉛粉末（嵩密度１５ｋｇ／ｍ^３）８５重量部とフェノール樹脂粉末（平均粒径２０μｍ）１５重量部とを混合した混合物を、ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ^２：二村化学社製「ＴＣＦ♯４０８」）を敷きつめた成形型に充填して、３００ｋｇｆ／ｃｍ^２、１８０℃にて２分間保持してセパレータ（成形体密度：１．７ｇ／ｃｍ^２）を作製した。尚、セパレータは図２に示すような外観を呈する、一辺が１００ｍｍの正方形で厚さ０．５ｍｍの平板部に、高さ１．５ｍｍで平面部側の幅が１．５ｍｍの断面略釣鐘状の凸状部が１．５ｍｍ間隔で形成された形状とした。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２０】
（実施例２）
膨脹黒鉛粉末（嵩密度１５ｋｇ／ｍ^３）８５重量部とエポキシ樹脂粉末（平均粒径４０μｍ）１５重量部とを混合した混合物を、ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ^２：二村化学社製「ＴＣＦ♯４０８」）を敷きつめた成形型に充填して、６００ｋｇｆ／ｃｍ^２、１８０℃にて５分間保持して図１に示す外観のセパレータ（成形体密度：１．６ｇ／ｃｍ^３）を作製した。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２１】
（比較例１）
ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布をビスコースレーヨン長繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ^２：旭化成社製「ベンリーゼ」）に代えた以外は、実施例２と同様にしてセパレータ（成形体密度：１．６ｇ／ｃｍ^３）を作製した。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２２】
（比較例２）
実施例２と同様の成形材料を用い、不織布を添えることなく同様の条件にて成形を行い、成形体（密度：１．６ｇ／ｃｍ^３）を得た。この得られた成形体の凸状部が形成された表面に、ＴｉＯ_２光触媒（石原産業社製「ＳＴ−Ｋ０３」）を塗布量１４ｇ／ｍ^２となるように塗布し、１５０℃で３０分間乾燥してセパレーターを得た。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２３】
【表１】

【００２４】
＊１…吸水時間：約０．００１ｃｃの水滴を垂らし、吸い込まれるまでの時間を測定した。
＊２…テープ剥離強度（Ｘカットテープ法、ＪＩＳＫ５４００）：親水性膜の表面にナイフで切れ目をＸ状に入れ、セロファンテープを当てて消しゴムでこすって圧着させ、セロファンテープをはぎ取り、該テープに付着した割合を評価した。
評価点数…１０点＝全く付着しない。０点＝Ｘカット部より大きく付着する。
＊３…接触抵抗：２枚の金メッキ付き銅電極間に１００ｍｍ×１００ｍｍのリブ付き試験片とカーボン繊維製シート（厚さ０．５ｍｍ）を挟み、１８００ｋｇの荷重をかけ（感圧紙から求めた試験片のリブ有効接触面積は約１０ｃｍ^２）、電極間に１０ｍＡの電流を流し、試験片とカーボン繊維製シート間の電圧差から抵抗を求めた。
＊４…溶出試験：試験片（２３ｇ）２枚を、２Ｌの水に８０℃で８日間浸漬した後、水中の溶出イオン濃度をＩＣＰ発光分析法により測定した。
＊５…不織布なしのときの値は０．２１ｍΩであった。
【００２５】
表１から、各実施例のセパレーターは優れた親水性を示し、しかも親水性不織布の剥離強度も高いことから親水性を長期にわたり維持できることがわかる。また、導電性にも優れ、金属イオンの溶出も低く抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、（１）高い導電性、（２）腐食性電解質に対する耐性、（３）ガスを分離するための気密性、（４）強度、（５）複雑な形状を形成するための成形性、（６）低コスト性、（７）耐膨潤性、（８）耐熱性等の諸特性に加えて、長期にわたる高い親水性を備える燃料電池用セパレーターが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレーターを示す拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレーターの他の例を示す拡大断面図である。
【図３】本発明並びに従来の燃料電池用セパレーターの成形体の斜視図である。
【符号の説明】
１ａ平板部
１ｂ平面部表面
２凸状部
３チャネル
４親水性不織布
Ａ成形体[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly, to an expanded graphite fuel cell separator having a hydrophilic surface. The present invention also relates to a method for producing the fuel cell separator.
[0002]
[Prior art]
Generally, in a fuel cell, a predetermined voltage is obtained by directly stacking tens to hundreds of unit cells.
In the most basic structure, the unit cell has a structure of “separator / anode / solid polymer membrane / cathode / separator”. As shown in FIG. 3, the separator is a flat plate portion 1a and a surface 1b of the flat plate portion 1a. And a plurality of channels 3 formed by adjacent convex portions 2. For example, in the case of a polymer electrolyte fuel cell, hydrogen gas, methanol gas, or the like (collectively referred to as “fuel gas”) flows through the channel 3 of the separator on the anode side, and flows through the channel 3 of the separator on the cathode side. Is supplied with oxygen gas or air (generically referred to as "oxidizing gas").
[0003]
The following requirements are generally made for the fuel cell separator.
That is, (1) high conductivity, (2) resistance to corrosive electrolyte, (3) airtightness for separating gas, (4) strength, (5) moldability for forming a complicated shape, ( 6) low cost, (7) swelling resistance (which does not swell even when immersed in water or phosphoric acid solution), and (8) heat resistance (which resists heat generated during reaction). It has been demanded.
[0004]
Expanded graphite is known as a material that simultaneously satisfies each of the above-mentioned required characteristics, and a mixture of expanded graphite and a binder is filled in a mold having a predetermined shape, and is heated, pressed and cured to form expanded graphite. Production of a separator as a component has been performed.
[0005]
However, although the separator containing expanded graphite as a constituent component simultaneously satisfies the above requirements, there is a problem that the surface is not sufficiently hydrophilic.
In the fuel cell separator, on the cathode electrode side where the oxidizing gas flows, in order to prevent the generated water from becoming water droplets to cause gas clogging and the like, on the other hand, the humidified moisture of the fuel gas flows on the anode electrode side where the fuel gas flows. Even if condensed water precipitates, it is necessary to promptly discharge each water in order to prevent water droplets from becoming clogged with gas or the like. Therefore, in addition to the above-mentioned various properties, it is also required that the surface of the channel 3 be hydrophilic in the fuel cell separator.
[0006]
In this regard, as a method for imparting hydrophilicity to the surface of the separator, (a) a method of applying a hydrophilic inorganic powder to the surface of the separator (JP-A-58-150278), and (b) a method of imparting hydrophilicity to the surface of the separator (Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 63-110555), (c) a method of mixing hydrophilic inorganic powder into the constituent material of the separator body (Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 10-3931), and the like. Proposed.
[0007]
However, in the above-mentioned conventional method (a), the layer of the hydrophilic inorganic powder applied to the surface of the separator is peeled off or worn, and furthermore, the layer of the applied hydrophilic inorganic powder is too thin to obtain a desired layer. There is a problem that it is difficult to obtain the effect of imparting hydrophilicity. Further, in the conventional method (b), when the hydrophilic inorganic fiber sheet interposed on the surface of the separator is peeled off, or when the sheet is thick and a large number of unit cells are stacked to constitute a fuel cell, There is a problem that becomes large. Further, the conventional method (c) has a problem that the expected effect of imparting hydrophilicity is small.
[0008]
As described above, the conventional hydrophilicity-imparting technology is not sufficiently satisfactory, and cannot be said to be an effective technology for a separator containing expanded graphite as a component. Furthermore, in the fuel cell separator, in addition to the above characteristics, it is also required that metal ions do not elute in water at a general operating temperature of the fuel cell of about 80 to 110 ° C., which constitutes expanded graphite. The separator as a component does not sufficiently satisfy this requirement.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and in addition to the above-mentioned various properties, the surface is sufficiently hydrophilic, and the hydrophilicity is stably maintained for a long time, and furthermore, the metal ion It is an object of the present invention to provide a fuel cell separator with little elution.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
An object of the present invention is to provide a rayon short-fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric on the surface of the molded article containing expanded graphite and a binder made of a thermosetting resin , on the reactive gas flow side surface. A fuel cell separator characterized in that the surface is exposed and the other surface is integrated by being embedded in the molded body, and a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric as a molding die. This is achieved by a method for producing a separator for a fuel cell, which comprises laying, filling a molding material containing expanded graphite and a thermosetting resin thereon, and pressurizing at a curing temperature of the thermosetting resin .
[0011]
Fuel cell separator of the present invention is to satisfy the various properties Ri described above by the fact that the molded body of the separator body containing expanded graphite simultaneously, rayon short fiber spans having a hydrophilic to the reaction gas flow surface Bonded non-woven fabric or cotton spun-bonded non-woven fabric is embedded and integrated in a molded body with one surface exposed, so these non-woven fabrics do not peel off, and the hydrophilicity is stable for a long time. Granted. In addition, since the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric covers the entire surface of the channel, elution of metal ions is suppressed. In addition, the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric is embedded in the molded body in about half of its thickness, so that it is described in JP-A-63-110555. The entire device can be made thinner than a device in which a hydrophilic nonwoven fabric is interposed.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the fuel cell separator of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The separator for a fuel cell of the present invention is obtained by integrating the surface of the molded body containing the expanded graphite and the binder, on the reactive gas flow side, that is, the channel forming surface, with a hydrophilic non-woven fabric.
As the expanded graphite to be used, conventionally known expanded graphite can be appropriately selected and used.
As the binder, various kinds of conventionally known thermosetting resins can be appropriately selected and used.However, in terms of integration with a hydrophilic nonwoven fabric described later, an epoxy resin, a polyimide resin, a phenol resin, or a melamine resin is used. Resins are preferred. These binders can be used in combination of two or more as necessary.
Further, the mixing ratio of the expanded graphite and the binder can be appropriately set as required, but 5 to 50 parts by weight of the binder is appropriate for 100 parts by weight of the expanded graphite. Further, if necessary, a suitable amount of a compounding material such as another conductive material or a reinforcing filler can be compounded.
[0013]
The shape of the molded body can be appropriately selected. For example, as shown in FIG. 3, the cross-sectional unevenness having a flat portion 1 a and a convex portion 2 formed on the surface 1 b of the flat portion 1 a is formed. 2 can form a plurality of channels 3. Alternatively, although not shown, the shape may be such that the convex portions 2 are formed on both surfaces of the flat plate portion 1a and the channels 3 are formed on both surfaces. Further, the cross-sectional shape of the convex portion 2 is not limited, and may be a rectangular shape other than a substantially bell-shaped narrowing slightly in an arc toward the top as shown in the figure.
Then, as shown in FIG. 1 (enlarged view of a dashed-dotted circle in FIG. 3), a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spun The bond type nonwoven fabric 4 is integrated with one surface thereof exposed and the other surface embedded in the molded body A.
[0014]
The basis weight and thickness of the rayon staple fiber spunbond nonwoven fabric or cotton spunbond nonwoven fabric 4 are not particularly limited, but the basis weight is 30 to 80 g / m ² and the thickness is 0.22 to 0.5 mm. Is preferred . Even if they are made of the same rayon, those made of long fibers cannot impart sufficient hydrophilicity .
[0015]
The separator for a fuel cell of the present invention is obtained by embedding one surface of a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4 in the surface of the molded product A during molding of the molded product A.
Specifically, a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4 is laid on a molding die for molding the molded body A, and a molding material containing expanded graphite and a binder is filled thereon, By compressing for a predetermined time at the curing temperature of the thermosetting resin of the binder, the binder is cured while holding one surface of the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric 4 to form a molded body. A and rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spunbonded nonwoven fabric 4 are fixed. If the molding pressure at this time is too high or the molding holding time is too long, the entire rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spunbonded nonwoven fabric is covered with the binder, and the product A has a sufficient hydrophilicity. Property is not given. Therefore, it is necessary to set an appropriate molding pressure and a molding holding time according to the type of the thermosetting resin as the binder. For example, when a phenol resin is used as the binder, the molding temperature is 180 ° C., the molding pressure is 100 to 500 kgf / cm ² , the molding holding time is 0.5 to 10 minutes, and when the epoxy resin is used as the binder, Preferably, the molding temperature is 180 ° C., the molding pressure is 100 to 1000 kgf / cm ² , and the molding holding time is 0.5 to 30 minutes.
[0016]
In addition to the above simultaneous formation, a molded body A may be separately formed, and a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4 may be additionally provided.
That is, a molding material containing expanded graphite and a binder is filled in a molding die and cured to form a preform, which is taken out of the molding die and laid with a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4. After that, a method is also possible in which the pre-formed body is loaded again into the forming die and the main forming is performed under the above-described conditions.
[0017]
By the way, the unit cell of the fuel cell is constituted by sandwiching a laminate having the structure of “anode / solid polymer membrane / cathode” between two separators, and the top of the convex portion 2 forming a channel of the separator. The part is in direct contact with the anode and the cathode. Therefore, the separator has a function as a conductive connecting body for electrically connecting the unit cells, and it is desirable that the contact resistance between the anode and the cathode be as small as possible.
In contrast, as shown in FIG. 1, in the configuration in which the top of the convex portion 2 is also covered with the rayon short fiber spunbond nonwoven fabric or the cotton spunbond nonwoven fabric 4, the rayon short fiber spunbond nonwoven fabric Alternatively, good contact resistance may not be obtained depending on the exposed state of the cotton spunbonded nonwoven fabric 4. Therefore, as shown in FIG. 2, it is preferable to expose the molded body A only at the top 2 a of the convex portion 2.
[0018]
As a method of exposing the top 2a of the convex portion 2 and embedding the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric 4, the following method can be exemplified.
(1) Molding is performed using a rayon staple fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4 having a cut at a portion located at the top 2a of the convex portion 2, and the cut is formed by the pressure at the time of forming. By breaking, a separator having no rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spunbonded nonwoven fabric 4 only at the top 2a can be obtained.
(2) Alternatively, molding may be performed using a rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric 4 provided with slits (openings) having the same shape as the top portion 2a in place of the cuts in (1). It is possible to obtain a separator having no rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spunbonded nonwoven fabric 4 only at the top 2a.
(3) except for the top portion 2a on the surface of the molded body A is disposed an elongated rayon short fiber spunbonded type nonwoven or cotton spun bond type nonwoven fabric 4, by performing the shaping, only the top portion 2a rayon short fiber spun bonded It is possible to obtain a separator without the mold nonwoven fabric or the cotton spunbond nonwoven fabric 4.
(4) The rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric 4 is not processed, and after the separator shown in FIG. 1 is manufactured, the top 2a of the convex portion 2 is polished and the top 2a is polished. by removing the rayon staple fibers spunbonded type nonwoven or cotton spun bond type nonwoven fabric 4, it is possible to obtain a rayon short fiber spunbonded type nonwoven or without separators cotton spun bond type nonwoven fabric 4 only the top portion 2a.
The top 2a of the convex portion 2 does not need to completely expose the molded body A, and in the method (4), a part of the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric 4 is used. It may be buried in and remain. Further, (1) A method to (3), the molded body A and the misalignment between the rayon short fiber spunbonded type nonwoven or cotton spun bond type nonwoven fabric 4, rayon short fiber spunbonded type nonwoven fabric or cotton top portion 2a A part of the spunbonded nonwoven fabric 4 may be embedded. In this case, it is preferable to remove the rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or the cotton spunbonded nonwoven fabric 4 at the top 2a by polishing.
[0019]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be further described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
(Example 1)
A mixture of 85 parts by weight of expanded graphite powder (bulk density: 15 kg / m ³ ) and 15 parts by weight of phenol resin powder (average particle size: 20 μm) was mixed with a viscose rayon short fiber spun bond nonwoven fabric (basis weight: 80 g / m ² : A filling mold filled with “TCF @ 408” manufactured by Nimura Chemical Co., Ltd.) was filled and held at 300 kgf / cm ² at 180 ° C. for 2 minutes to produce a separator (molding density: 1.7 g / cm ² ). . The separator has an external appearance as shown in FIG. 2. The separator has a square shape with a side of 100 mm, a thickness of 0.5 mm, and a 1.5 mm height and a width of 1.5 mm on the flat surface side. Were formed at 1.5 mm intervals.
About the obtained separator, water absorption time, tape peeling strength, and contact resistance were measured, and a dissolution test was performed. The results are shown in Table 1.
[0020]
(Example 2)
A mixture of 85 parts by weight of expanded graphite powder (bulk density: 15 kg / m ³ ) and 15 parts by weight of epoxy resin powder (average particle size: 40 μm) was mixed with a viscose rayon short fiber spun bond nonwoven fabric (basis weight: 80 g / m ² : A filling mold filled with “TCF♯408” manufactured by Nimura Chemical Co., Ltd.) was filled and held at 600 kgf / cm ² and 180 ° C. for 5 minutes, and the separator having the appearance shown in FIG. 1 (molding density: 1.6 g / cm ²⁾ cm ³ ).
About the obtained separator, water absorption time, tape peeling strength, and contact resistance were measured, and a dissolution test was performed. The results are shown in Table 1.
[0021]
(Comparative Example 1)
A separator (molded body) was prepared in the same manner as in Example 2 except that the viscose rayon short fiber spunbond type nonwoven fabric was replaced with a viscose rayon long fiber spunbond type nonwoven fabric (basis weight 80 g / m ² : “Benlyse” manufactured by Asahi Kasei Corporation) Density: 1.6 g / cm ³ ).
About the obtained separator, water absorption time, tape peeling strength, and contact resistance were measured, and a dissolution test was performed. The results are shown in Table 1.
[0022]
(Comparative Example 2)
Using the same molding material as in Example 2, molding was performed under the same conditions without adding a nonwoven fabric, to obtain a molded body (density: 1.6 g / cm ³ ). A TiO ₂ photocatalyst (“ST-K03” manufactured by Ishihara Sangyo Co., Ltd.) was applied to the surface of the obtained molded body on which the convex portions were formed so as to have an application amount of 14 g / m ^2, and the coating was performed at 150 ° C. for 30 minutes. It was dried to obtain a separator.
About the obtained separator, water absorption time, tape peeling strength, and contact resistance were measured, and a dissolution test was performed. The results are shown in Table 1.
[0023]
[Table 1]

[0024]
* 1: Water absorption time: A water drop of about 0.001 cc was dropped, and the time until it was sucked was measured.
* 2: Tape peeling strength (X-cut tape method, JIS K 5400): A cut is made in an X-shape on the surface of the hydrophilic film with a knife, applied with a cellophane tape, rubbed with an eraser and pressed, and the cellophane tape is peeled off. The rate of adhesion to the tape was evaluated.
Evaluation score: 10 points = no adhesion. 0 point = adhered more than the X cut portion.
* 3: Contact resistance: A 100 mm x 100 mm ribbed test piece and a carbon fiber sheet (0.5 mm thick) were sandwiched between two gold-plated copper electrodes, and a load of 1800 kg was applied (test determined from pressure-sensitive paper). The rib had an effective contact area of about 10 cm ² ), and a current of 10 mA was passed between the electrodes. The resistance was determined from the voltage difference between the test piece and the carbon fiber sheet.
* 4: Dissolution test: Two test pieces (23 g) were immersed in 2 L of water at 80 ° C. for 8 days, and then the dissolution ion concentration in the water was measured by ICP emission spectrometry.
* 5: The value without the nonwoven fabric was 0.21 mΩ.
[0025]
From Table 1, it can be seen that the separators of the respective examples show excellent hydrophilicity and that the hydrophilicity can be maintained for a long time because the peel strength of the hydrophilic nonwoven fabric is high. In addition, it is excellent in conductivity, and the elution of metal ions can be suppressed low.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, (1) high conductivity, (2) resistance to corrosive electrolyte, (3) airtightness for separating gas, (4) strength, (5) complicated In addition to a moldability for forming a shape, (6) low cost, (7) swelling resistance, and (8) heat resistance, etc., a fuel cell separator having long-term high hydrophilicity is provided. You.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged sectional view showing a fuel cell separator of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing another example of the fuel cell separator of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view of a molded article of the present invention and a conventional fuel cell separator.
[Explanation of symbols]
1a Flat plate part 1b Flat part surface 2 Convex part 3 Channel 4 Hydrophilic non-woven fabric A molded article

Claims

A rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or a cotton spunbonded nonwoven fabric exposes one surface on the reactive gas flow side surface of a molded product containing expanded graphite and a binder made of a thermosetting resin , and the other surface thereof. Embedded in a molded article to be integrated.

2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a molded body is exposed at a top of the plurality of convex portions for channel formation formed on the surface of the reaction gas flow side. 3.

3. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the binder is at least one selected from an epoxy resin, a polyimide resin, a phenol resin, and a melamine resin .

Spread rayon short fiber spunbonded nonwoven fabric or cotton spunbonded nonwoven fabric in the mold, fill it with molding material containing expanded graphite and thermosetting resin, and pressurize at the curing temperature of thermosetting resin. A method for producing a fuel cell separator, comprising: