(57)【要約】【課題】燃料電池セパレータの材料として使用済みＰＥＴボトルを利用することで、多量の使用済みＰＥＴボトルが日々蓄積するのを抑制することができるＰＥＴボトルのリサイクル方法を提供するものである。また、リサイクルＰＥＴボトルを使用した燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供するものである。【解決手段】リサイクルＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）粉砕片１００重量部に対して黒鉛粉３００〜８００重量部の混合物を過熱加圧成型して燃料電池用セパレータを作製する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂と黒鉛粉の配合量が、前記ＰＥＴ樹脂１００重量部に対して前記黒鉛粉３００〜８００重量部であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記ＰＥＴ樹脂が、使用済みＰＥＴボトルを粉末状に粉砕した材料からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
固体高分子電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータを設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記固体高分子電解質膜がスルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記触媒層が、プロトン伝導性物質、電子伝導性物質、および、触媒からなることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記プロトン伝導性物質が、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記触媒が、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムから選ばれた１種または２種以上の金属からなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記触媒の平均粒径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が１％〜８０％であることを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、使用済みＰＥＴボトルを原料とした燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、河川の水質汚染が進むに連れ、水道水の殺菌用塩素の量が増え、水道水の安全性が危惧されている。
それに伴い、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）ボトルに入った飲料の普及が著しい。
（特許文献１参照）
【０００３】
【特許文献１】特開平７−７６３２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、現行法では、上述のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）ボトルを、飲料用途に再使用することは許されていない。
従って、多量の使用済みＰＥＴボトルが日々蓄積されていることが問題となっている。
【０００５】
本発明の課題は、使用済みＰＥＴボトルを原料とした燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）樹脂と黒鉛粉の配合量が、前記ＰＥＴ樹脂１００重量部に対して前記黒鉛粉３００〜８００重量部であることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【０００７】
ＰＥＴ樹脂１００重量部に黒鉛粉３００重量部未満であると、燃料電池用セパレータの導電率は０．２Ｓ／ｃｍを下回ってしまう。
導電率０．２Ｓ／ｃｍは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
【０００８】
また、ＰＥＴ樹脂１００重量部に黒鉛粉８００重量部以上であると、燃料電池用セパレータの曲げ強度は４ｋｇｆ／ｍｍ2を下回ってしまう。
曲げ強度４ｋｇｆ／ｍｍ2は、燃料電池用セパレータの強度の許容下限値である。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記ＰＥＴ樹脂が、使用済みＰＥＴボトルを粉末状に粉砕した材料からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、固体高分子電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、該触媒層の前記固体高分子電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられ、該ガス拡散材の前記触媒層と反対側の面に、請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータを設けたことを特徴とする燃料電池である。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、前記固体高分子電解質膜がスルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池である。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、前記触媒層が、プロトン伝導性物質、電子伝導性物質、および、触媒からなることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料電池である。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、前記プロトン伝導性物質が、パーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、または、スルホン化ポリイミドであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池である。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、前記電子伝導性物質が、二酸化珪素、または、炭素であることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の燃料電池である。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、前記触媒が、金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムから選ばれた１種または２種以上の金属からなることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００１６】
触媒の材料としては、酸素還元能力、水素酸化能力の高い１Ｂ族または８族の金属を用いることが好ましい。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、前記触媒の平均粒径が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００１８】
触媒となる金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウムおよびイリジウムの最小粒径自体が１ｎｍ以上であり、触媒の平均粒径が５ｎｍを超える時は、触媒の単位重量当たりの表面積が非常に小さく、触媒活性も小さく、燃料電池の出力特性が悪い。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、前記電子伝導性物質の前記触媒の担持率が１％〜８０％であることを特徴とする請求項５乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００２０】
触媒の担持率が１％未満では燃料電池の出力特性が悪く、触媒の担持率が８０％を超える範囲では電池の出力は変わらず、触媒の無駄使いとなる。
【００２１】
請求項１１に記載の発明は、前記ガス拡散材が、導電性多孔性基材であることを特徴とする請求項３乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００２２】
請求項１２に記載の発明は、前記導電性多孔性基材が、カーボンペーパー、カーボンクロスであることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、使用済みＰＥＴボトルを燃料電池のセパレータとしてリサイクルすることによって、多量の使用済みＰＥＴボトルが日々蓄積するのを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
まず、使用済みＰＥＴボトルを周知の破砕装置（図示せず）を用いて５〜７ｍｍ程度のフレーク状片に破砕する。
【００２５】
次に、ＰＥＴフレーク状片を、加熱温度１２０℃〜１７０℃で３時間〜４時間加熱処理する。
非結晶状態のＰＥＴフレーク状片は水分を吸収し易く、含水率が大きい。
加熱処理することによりＰＥＴフレーク状片は結晶化して、水分を殆ど吸収しなくなる。
【００２６】
次に、加熱処理したＰＥＴフレーク状片を、切断カッタ部を有する一対のカッタローラを備えた周知の粉砕装置（図示せず）で１００μｍ〜４ｍｍの大きさに粉砕する。
ＰＥＴ粒子の大きさが５〜７ｍｍであると、ＰＥＴ粒子を型内に密に充填することができない。
一方、ＰＥＴ粒子の大きさが１００μｍ未満の場合は、静電気によりＰＥＴ粒子が凝集し、セパレータに導電性を付与するための黒鉛粉とＰＥＴ樹脂を均一に混合できない。
このＰＥＴ粉砕片（結晶化物）は、リサイクル樹脂材料として市販されており、それを用いることもできる。
【００２７】
次に、ＰＥＴ粉砕片に、黒鉛粉を添加した後に加熱加圧成型し、セパレータを作製する。
【００２８】
黒鉛粉の材料としては、天然黒鉛、キッシュ黒鉛を用いることができる。
中でも、経済性を考慮すると天然黒鉛が好ましい。
【００２９】
黒鉛粉の製造方法としては、原料炭素を酸性物質及び酸化剤を含む溶液中に浸漬して炭素化合物を生成させ、粉砕する方法を用いることができる。
【００３０】
原料炭素を処理する酸性物質としては、酸濃度９０重量％以上の硫酸または硫酸と硝酸の混合液を用いることができる。
【００３１】
原料炭素と酸性物質の混合比は、原料炭素１００重量部に対して酸性物質１００重量部〜１０００重量部が好ましい。
【００３２】
酸化剤としては、酸濃度１０重量％〜４０重量％の過酸化水素または塩酸を用いることができる。
【００３３】
原料炭素と酸化剤の混合比は、原料炭素１００重量部に対して酸化剤１０重量部〜６０重量部が好ましい。
【００３４】
黒鉛粉の粒径は、１０μｍ〜１０００μｍが好ましい。
粒径が１０μｍ未満の場合、セパレータの導電率は０．２Ｓ／ｃｍを下回ってしまう。
また、粒径が１０００μｍを超える場合、黒鉛粉とＰＥＴ樹脂との相溶性が悪く、セパレータの導電率は０．２Ｓ／ｃｍを下回ってしまう。
導電率０．２Ｓ／ｃｍは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
【００３５】
ＰＥＴ樹脂と黒鉛粉との配合割合は、ＰＥＴ樹脂１００重量部に黒鉛粉３００〜８００重量部を用いることができる。
【００３６】
ＰＥＴ樹脂１００重量部に黒鉛粉３００重量部未満であると、セパレータの導電率は０．２Ｓ／ｃｍを下回ってしまう。
導電率０．２Ｓ／ｃｍは、燃料電池用セパレータの導電率の許容下限値である。
【００３７】
また、ＰＥＴ樹脂１００重量部に黒鉛粉８００重量部以上であると、セパレータの曲げ強度は４ｋｇｆ／ｍｍ2を下回ってしまう。
曲げ強度４ｋｇｆ／ｍｍ2は、燃料電池用セパレータの強度の許容下限値である。
【００３８】
セパレータの成型方法としては、加圧加熱成型法を用いることができる。
成型温度は、２８０〜３００℃を用いることができる。
成型圧力は、１×１０１〜１．５×１０２ＭＰａを用いることができる。
【００３９】
金型は、セパレータ７（燃料極側）およびセパレータ８（空気極側）の片面にガス流路を形成するための凹凸部を有する金型を用いることができる。
【００４０】
次に、ガス拡散材１またはガス拡散材５上に触媒層２または触媒層４を形成する。（図１（ａ））
【００４１】
ガス拡散材１またはガス拡散材５の材料としては、カーボンペーパー、カーボンクロスを用いることができる。
【００４２】
触媒層２および触媒層４の材料としては、プロトン伝導性物質であるパーフルオロカーボンスルホン酸、ポリエーテルスルフォン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド等、および、電子伝導性物質である二酸化珪素、炭素等、および、触媒である金、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、オスミニウムおよびイリジウムを用いることができる。
【００４３】
触媒層２および触媒層４の製造方法としては、触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質を、ＩＰＡやＮＰＡ等のアルコール、および、水に溶解して触媒インクを生成した後、触媒インクをガス拡散材１または５上に、バーコート、スプレー、または、スクリーン印刷する方法を用いることができる。
【００４４】
触媒を担持した電子伝導性物質とプロトン伝導性物質は、重量比で１：１〜５０：１の範囲にすることが好ましい。
【００４５】
次に、触媒層２および触媒層４を向かい合わせにして、固体高分子電解質膜３を挟み込み、固体高分子電解質膜電極接合体６（以下ＭＥＡと記述する）を作製する。（図１（ｃ））
【００４６】
固体高分子電解質膜３の材料としては、スルホン基含有パーフルオロカーボン、または、カルボキシル基含有パーフルオロカーボンを用いることができる。
【００４７】
ＭＥＡ６の製造方法としては、触媒層４（燃料極側）と触媒層２（空気極側）を向かい合わせにして固体高分子電解質膜３を挟み、熱圧着する方法を用いることができる。
加熱温度としては、触媒層２、触媒層４および固体高分子電解質膜３の樹脂の軟化温度やガラス転位温度を超える温度を用いることができる。
触媒層２、触媒層４および固体高分子電解質膜３の樹脂がパーフルオロカーボンスルホン酸の場合は、温度＝１００℃〜３００℃、圧力＝１ＭＰａ〜１５ＭＰａ、時間＝５秒〜４００秒の熱圧着条件を用いることができる。
【００４８】
最後に、セパレータ７（燃料極側）およびセパレータ８（空気極側）のガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、ＭＥＡ６を挟み込み、その両側に集電板９（燃料極側）およびセパレータ１０（空気極側）を配置してロッドで締結して燃料電池を得た。（図１（ｄ））
【００４９】
集電板９（燃料極側）およびセパレータ１０（空気極側）の材料としては、ＳＵＳを用いることができる。
【実施例】
【００５０】
まず、ＰＥＴボトルを、破砕装置を用いて５〜７ｍｍ程度のフレーク状片に破砕した。
【００５１】
次に、ＰＥＴのフレーク状片を、加熱温度１５０℃で３．５時間加熱処理した。
【００５２】
次に、ＰＥＴのフレーク状片を、切断カッタ部を有する一対のカッタローラを備えた周知の粉砕装置で１００μｍ〜４ｍｍの大きさに粉砕した。
【００５３】
次に、以下の組成になるように、平均粒径が３ｎｍの白金を担持した電子伝導性物質（白金：電子伝導性物質＝１：１（重量比））、プロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを調整した。
・白金を担持したカーボン（電子伝導性物質）              ７．５重量％
・パーフロロカーボンスルホン酸（プロトン伝導性物質）    ２．５重量％
・水                                                  ３０．０重量％
・ＩＰＡ                                              ３０．０重量％
・ＮＰＡ                                              ３０．０重量％
【００５４】
次に、この触媒インクを、バーコーターを使用して、２００ｍｍ×２００ｍｍのサイズに断裁した厚さ１９０μｍのカーボンペーパー上に塗布した。
【００５５】
次に、窒素雰囲気中、１２０℃、１時間の熱処理を施した後、３０分間放冷し、燃料電池用触媒電極を作製した。
【００５６】
次に、上記の方法で作製した２枚の燃料電池用触媒電極の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、１３０℃、３０分、３ＭＰａの条件で加熱成型しＭＥＡを作製した。
【００５７】
次に、上記１００μｍ〜４ｍｍの大きさに粉砕したＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）１００重量部に対して黒鉛粉３００〜８００重量部の混合物を、面中央の１１ｃｍ×１１ｃｍの領域に２０本の並行した溝（幅：２ｍｍ、長さ：１０ｃｍ、深さ：３ｍｍ、溝間隔：２ｍｍ）が刻んであるオスメス金型を用い、温度２９０℃、成型圧力５×１０１ＭＰａで加圧加熱成型して、厚さ３ｍｍのセパレータを作製した。
【００５８】
最後に、２つのセパレータのガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、ＭＥＡを挟み込み、その両側にＳＵＳ製の厚さ０．３ｍｍの集電板を配置して、ロッドで締結して、燃料電池を得た。
【００５９】
次に、燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース（ソーラトロン社製ＳＩ−１２８７）、周波数応答アナライザー（ソーラトロン社製ＳＩ−１２６０）、電子負荷器（スクリブナー社製８９０ＣＬ）が用いられている燃料電池測定システムＧＦＴ−ＳＧ１（株式会社東陽テクニカ製）を用いて、以下のように測定した。
【００６０】
まず、上記の燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、４０℃、相対湿度１００％の条件にて１時間保管した。
この間、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で、燃料電池には１Ａ／ｃｍ２の直流電流を発電モードで流し続けた。
【００６１】
次に、セル温度を８０℃、アノード加湿器温度を８０℃、カソード加湿器温度を８０℃、配管温度を１２０℃、アノードの水素ガス流量を０．３リットル／分、カソードの酸素ガス流量を１．０リットル／分の条件で燃料電池の出力を測定した。
燃料電池の出力は１．０Ｗ／ｃｍ２であり、良好な発電特性を示した。
【００６２】
＜比較例＞
まず、以下の組成になるように、平均粒径が３ｎｍの白金を担持した電子伝導性物質（白金：電子伝導性物質＝１：１（重量比））、プロトン伝導性物質を溶媒に溶解した触媒インクを調整した。
・白金を担持したカーボン（電子伝導性物質）              ７．５重量％
・パーフロロカーボンスルホン酸（プロトン伝導性物質）    ２．５重量％
・水                                                  ３０．０重量％
・ＩＰＡ                                              ３０．０重量％
・ＮＰＡ                                              ３０．０重量％
【００６３】
次に、この触媒インクを、バーコーターを使用して、２００ｍｍ×２００ｍｍのサイズに断裁した厚さ１９０μｍのカーボンペーパー上に塗布した。
【００６４】
次に、窒素雰囲気中、１２０℃、１時間の熱処理を施した後、３０分間放冷し、燃料電池用触媒電極を作製した。
【００６５】
次に、上記の方法で作製した２枚の燃料電池用触媒電極の触媒層どうしを向かい合わせにして、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボンを挟んで、１３０℃、３０分、３ＭＰａの条件で熱圧着し平板状のＭＥＡを作製した。
【００６６】
最後に、面中央の１１ｃｍ×１１ｃｍの領域に２０本の並行した溝（幅：２ｍｍ、長さ：１０ｃｍ、深さ：３ｍｍ、溝間隔：２ｍｍ）が刻んである厚さ３ｍｍの銅製のセパレータを２組用意し、２つのセパレータのガス流路形成面どうしを向かい合わせにして、ＭＥＡを挟み込み、その両側にＳＵＳ製の厚さ０．３ｍｍの集電板を配置して、ロッドで締結して、燃料電池を得た。
【００６７】
次に、燃料電池の出力を、エレクトロケミカルインターフェース（ソーラトロン社製ＳＩ−１２８７）、周波数応答アナライザー（ソーラトロン社製ＳＩ−１２６０）、電子負荷器（スクリブナー社製８９０ＣＬ）が用いられている燃料電池測定システムＧＦＴ−ＳＧ１（株式会社東陽テクニカ製）を用いて、以下のように測定した。
【００６８】
まず、上記の燃料電池をグラファイト製の発電セルに装着後、４０℃、相対湿度１００％の条件にて１時間保管した。
この間、厚さ５０μｍのスルホン基含有パーフルオロカーボン膜を十分に湿潤させる目的で燃料電池には１Ａ／ｃｍ２の直流電流を発電モードで流し続けた。
【００６９】
次に、セル温度を８０℃、アノード加湿器温度を８０℃、カソード加湿器温度を８０℃、配管温度を１２０℃、アノードの水素ガス流量を０．３リットル／分、カソードの酸素ガス流量を１．０リットル／分の条件で燃料電池の出力を測定した。
固体高分子型燃料電池の出力は１．０Ｗ／ｃｍ２であった。
【００７０】
本発明のセパレータを使用した燃料電池は、従来使用されている銅製のセパレータを使用した燃料電池と同等の出力特性が有ることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明の、燃料電池用セパレータおよびその製造方法、並びに、それを用いた燃料電池は、ＰＥＴボトルのリサイクルに利用できる。
また、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に用いるＰＡＦＣ（リン酸型）、ＰＥＦＣ（固体高分子型）燃料電池に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明のリサイクルＰＥＴボトルを用いた燃料電池の作製方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００７３】
１・・・・ガス拡散材（空気極側）
２・・・・触媒層（空気極側）
３・・・・固体高分子電解質膜
４・・・・触媒層（燃料極側）
５・・・・ガス拡散材（燃料極側）
６・・・・ＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）
７・・・・セパレータ（燃料極側）
８・・・・セパレータ（空気極側）
９・・・・集電板（燃料極側）
１０・・・集電板（空気極側）
【図１】
2007141704.tif 000003