(57)【要約】【課題】燃料電池セパレータに生分解性プラスチックを利用することで、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合に際して、例え少しであっても廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる燃料電池セパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池を提供するものである。【解決手段】セパレータに生分解性プラスチックを利用することにより、燃料電池が不法投棄された場合、廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性ピンにより、反応ガス流通用チャネルが形成された面と、該面と対向する面を導通していることを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータ。
【請求項２】
前記導電性ピンが、炭素、金、銀、銅、鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の生分解性プラスチック製セパレータ。
【請求項３】
前記生分解性プラスチックが、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の生分解性プラスチック製セパレータ。
【請求項４】
射出成形金型に導電性ピンを配置し、生分解性プラスチックを射出して一体成形することを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータの製造方法。
【請求項５】
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、セパレータとして、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の生分解性プラスチック製セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
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５に記載の燃料電池。
【請求項７】
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５または請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
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７に記載の燃料電池。
【請求項９】
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７または請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
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７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７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７から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１３】
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５から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１４】
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１３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、生分解性プラスチックと導電ピンからなるセパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源など様々な用途に利用され、その使用量は増加してきている。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の表裏面に触媒層が設けられ、その触媒層の電解質膜と反対側の面にガス拡散材が設けられたＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を、セパレータを介して複数積層して構成されている。
【０００４】
燃料電池のセパレータとしては、導電性カーボン材料を成型したものか、金属を成型したものが採用されている。（特許文献１参照）
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２４９２３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、こうしたセパレータは、燃料電池使用後にも永久に残存してしまい、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合には、自然環境の破壊につながる。
【０００７】
本発明の課題は、燃料電池セパレータに生分解性プラスチックを利用することで、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合に際して、例え少しであっても廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる燃料電池セパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータ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】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、導電性ピンにより、反応ガス流通用チャネルが形成された面と、該面と対向する面を導通していることを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータである。
セパレータに生分解性プラスチックを利用することにより、燃料電池が不法投棄された場合、廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、前記導電性ピンが、炭素、金、銀、銅、鉄からなることを特徴とする請求項１に記載の生分解性プラスチック製セパレータである。
生分解性プラスチックには導電性が無いので、炭素、金、銀、銅、鉄の導電性ピンを用いることにより、セパレータの反応ガス流通用チャネルが形成された面と、反応ガス流通用チャネルが形成された面と対向する面を導通する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、前記生分解性プラスチックが、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の生分解性プラスチック製セパレータである。
ＰＡＦＣ（リン酸型）燃料電池の動作温度は約９０℃、ＰＥＦＣ（固体高分子型）燃料電池の動作温度は約１２０℃である。
一般的に使用されているポリ乳酸樹脂からなる生分解性プラスチックの耐熱性は約６０℃であるが、ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチックの耐熱性は約１４０℃である。
ポリ乳酸樹脂に、層状ケイ酸塩を添加したことにより、耐熱性および機械的強度を付与することができる。
セパレータが、燃料電池の動作温度に耐久できるように、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチックを用いる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、射出成形金型に導電性ピンを配置し、生分解性プラスチックを射出して一体成形することを特徴とする生分解性プラスチック製セパレータの製造方法である。
生分解性プラスチックに錐で孔を開け、その孔に導電性ピンを挿入する製造方法では、生分解性プラスチックと導電性ピンの間に隙間ができ、その隙間を通り、反応ガスが電極へと流れ込んで電極の酸化を引き起こし、ひいては、燃料電池が発電できなくなってしまう。
これに対処するために、射出成形金型に導電性ピンを配置し、しかる後に生分解性プラスチックを射出して一体成形してセパレータを製造する。
【００１２】
請求項５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、セパレータとして、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の生分解性プラスチック製セパレータを用いたことを特徴とする燃料電池である。
【００１３】
請求項６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５に記載の燃料電池。
【００１４】
請求項７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７に記載の燃料電池である。
【００１６】
請求項９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７または請求項８に記載の燃料電池である。
【００１７】
請求項１０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７乃至請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００１８】
請求項１１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７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池である。
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１２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７から請求項１１のいずれか１項に記載の燃料電池である。
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。
【００２０】
請求項１３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５から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池である。
【００２１】
請求項１４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１３に記載の燃料電池である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明では、燃料電池セパレータに生分解性プラスチックを利用することで、不幸にして燃料電池が不法投棄された場合に際して、例え少しであっても廃棄物を減らし、自然環境の破壊を抑えることに貢献できる燃料電池セパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の燃料電池の形成方法の例を、図１を基にして説明する。
【００２４】
まず、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））
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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））
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
次に、セパレータ９（燃料極側）およびセパレータ１２（空気極側）を成型する。（図２）
【００３３】
セパレータ９または、セパレータ１２の材料としては、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩からなる生分解性プラスチック７または生分解性プラスチック１０、および、炭素、金、銀、銅、鉄からなる導電性ピン８または導電性ピン１１を用いることができる。
【００３４】
セパレータ９（燃料極側）およびセパレータ１２（空気極側）の製造方法としては、慣用の成型法、例えば、射出成型、熱プレス成型などを用いることができる。
【００３５】
射出成型の場合、ポリ乳酸樹脂および層状ケイ酸塩を溶融混練し、金型内に導電性ピン８または導電性ピン１１をセットして、射出成型することによりセパレータ９（燃料極側）およびセパレータ１２（空気極側）を製造することができる。
【００３６】
金型は、セパレータ９（燃料極側）およびセパレータ１２（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。
【００３７】
ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩の配合は、ポリ乳酸樹脂１００質量部に対して、層状ケイ酸塩０．１〜５０質量部とするのが好ましい。
【００３８】
ポリ乳酸樹脂と層状ケイ酸塩の混合物の溶融温度は、１７０℃〜１９０℃、滞留時間は、３〜５分を用いることができる。
【００３９】
次に、セパレータ９（燃料極側）およびセパレータ１２（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、電池セルを作製する。（図３（ｂ））
【００４０】
次に、電池セルの両面に集電板（燃料極側）１３と集電板（空気極側）１４を積層し、燃料電池を得る。（図３（ｃ））
【００４１】
固体高分子電解質膜３、セパレータ９（燃料極側）、セパレータ１２（空気極側）、集電板（燃料極側）１３、および、集電板（空気極側）１４の積層方法としては、締結ロッドで固定する方法を用いることができる。
【００４２】
集電板（燃料極側）１３、および、集電板（空気極側）１４の材料としては、ステンレス、銅を用いることができる。
【実施例】
【００４３】
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％
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
次に、直径０．５ｍｍ、高さ６ｍｍの円柱状の導電性ピンを、導電性ピンの高さ方向とセパレータ厚み方向を平行にして、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にセットした後、ポリ乳酸樹脂１００質量部に対して層状ケイ酸塩２５質量部の配合物を溶融温度１８０℃で滞留時間４分の条件で溶融混練してなる生分解性プラスチックを、１３０℃、３０分、３ＭＰａの条件で金型内に射出し、厚さ３ｍｍのセパレータを作製した。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
＜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％
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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】
【００６１】
本発明のセパレータおよびその製造方法、並びに、セパレータを用いた燃料電池は、電気自動車用電源、携帯電話用電源等に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の燃料電池のＭＥＡ（固体高分子電解質膜電極接合体）を説明するための断面図である。
【図２】本発明の燃料電池のセパレータを説明するための断面図である。
【図３】本発明の燃料電池を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
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・・・・セパレータの生分解性プラスチック部分（燃料極側）
８・・・・導電性ピン（燃料極側）
９・・・・セパレータ（燃料極側）
１０・・・セパレータの生分解性プラスチック部分（空気極側）
１１・・・導電性ピン（空気極側）
１２・・・セパレータ（空気極側）
１３・・・集電板（燃料極側）
１４・・・集電板（空気極側）
【図１】
2007128803.tif 000003
【図２】
2007128803.tif 000004
【図３】
2007128803.tif 000005