(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、樹脂組成物と６０〜９５体積％の充填材とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された凹凸パターン部を有する成形品を形成する工程を備え、
前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いることを特徴とするシートプレス成形方法。
【請求項２】
前記凸部の合計体積が前記凹部の合計容積よりも少なく、前記ダミーパターンがダミー凸部からなるものであることを特徴とする請求項１に記載のシートプレス成形方法。
【請求項３】
前記ダミーパターンが複数個所に設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシートプレス成形方法。
【請求項４】
前記シート状材料が均一な厚みを有するものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシートプレス成形方法。
【請求項５】
前記充填材が炭素質材料であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のシートプレス成形方法。
【請求項６】
前記ダミー凸部の高さが、前記凹凸パターンの凸部の高さと同じであることを特徴とする請求項２に記載のシートプレス成形方法。
【請求項７】
少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、樹脂組成物と８０〜９８質量％の炭素質材料とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された流路用凹部を有する燃料電池用セパレータを形成する工程を備え、
前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記凸部の合計体積が前記凹部の合計容積よりも少なく、前記ダミーパターンがダミー凸部からなるものであることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記ダミーパターンが複数の領域に設けられていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１０】
前記ダミーパターンが、前記燃料電池用セパレータのガス供給穴となる領域に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記ダミー凸部の高さが、前記凹凸パターンの凸部の高さと同じであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。さらに詳しくは、充填材（フィラー）を高濃度で含有する樹脂組成物シートを用いるシートプレス成形方法および炭素質材料を高濃度で含有する樹脂組成物シートを用いる燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
本願は、２００９年３月３０日に、日本に出願された特願２００９−０８２２７９号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄肉かつ大面積製品の成形加工方法として、シートプレス成形方法が注目されており、例えば燃料電池用セパレータの成形加工などに用いられている。以下、燃料電池用セパレータの製造方法を例に挙げて、シートプレス成形方法について説明する。【０００３】
燃料電池は、水素と酸素を利用した水の電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物が出ないクリーンな発電装置であるため、環境問題、エネルギー問題の観点から注目されている。燃料電池は、用いられる電解質の種類に応じて数種類に分類される。燃料電池の中でも、低温で作動する固体高分子型の燃料電池は、自動車や民生用として最も有望とされている。この燃料電池は、通常、固体高分子電解質として作用する固体高分子膜と、固体高分子膜を挟持する一対の触媒を担持させたガス拡散電極とを一体化してなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane-Electrode  Assembly）と、ＭＥＡの外側から挟持して燃料ガスと酸化性ガスとを分離するセパレータとを有する単セルを基本単位としている。そして、この単セルを多数個積層することによって、燃料電池において高出力の発電が達成できる。【０００４】
このような燃料電池を構成するセパレータのＭＥＡと接触する表面には、ガス拡散電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路（溝）が設けられている。このようなガス流路を利用して、一方のガス拡散電極側に燃料である水素を供給し、他方のガス拡散電極側に酸素や空気等の酸化剤ガスを供給し、両ガス拡散電極間に外部負荷回路を接続することにより、上記構成を有するデバイスを燃料電池として作用させる。
したがって、セパレータには、これらのガスを完全に分離できる高い気体不透過性と、内部抵抗を小さくするための高い導電性に加え、熱伝導性、強度等に優れていることが要求される。また、前述の通り燃料電池は、単セルを多数個積層することにより構成されているため、セパレータの軽量、薄型化が要求されている。【０００５】
これらの要求を達成するために、これまで、燃料電池用のセパレータの材料として、金属材料と炭素質材料とが検討されてきた。金属材料は、機械的特性に優れるため、薄いセパレータが得られることや、導電性が高いことが長所として挙げられる。しかしながら、金属材料は、比重が大きく、耐食性も不十分である。【０００６】
炭素質材料は、軽量で、高い導電性を有し、熱伝導性、強度等に優れた材料であり、その薄型成形技術や、量産化が検討されている。
例えば、特許文献１には、炭素質粉末に結合材を加えて加熱混合後ＣＩＰ成形（Cold  Isostatic  Pressing；冷間等方圧加工法）し、次いで焼成、黒鉛化して得られた等方性黒鉛材に熱硬化性樹脂を含浸、硬化処理したのち、スライス加工して固体高分子型燃料電池用のセパレータとするという煩雑な工程が開示されている。また、特許文献２には、炭素粉末または炭素繊維を含む紙に熱硬化性樹脂を含浸し、積層圧着し、硬化・焼成する炭素薄板の製造法が開示されている。また、特許文献３には、フェノール樹脂成形材料を、金型を用いて射出成形し、得られた成形加工品を焼成する燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。【０００７】
しかしながら、特許文献１〜３に記載の技術では、燃料電池用のセパレータに用いる材料として、焼成された材料を用いている。焼成された材料は、高い導電性および耐熱性を示すものであるが、脆性破壊しやすいという問題や、焼成に要する時間が長く生産性が乏しいという問題がある。更に、特許文献１に記載のように、セパレータを製造する工程において、スライス加工などの切削加工が必要である材料は、生産性が更に乏しく高コストとなるため、将来普及する材料としては難しい面が多い。【０００８】
この問題を解決する技術として、例えば、導電性を有する炭素質材料を含むシート状の材料をプレス成形するシートプレス成形を行うことにより、燃料電池用のセパレータを製造する方法が挙げられる。このような方法は、生産性に優れており、特に、薄型のセパレータを製造する場合に好ましく用いられる。
しかし、炭素質材料を含むシート状の材料をプレス成形して燃料電池セパレータを製造した場合、得られた燃料電池用セパレータの嵩密度のバラツキが大きいため、導電性、機械的強度、気密性等のバラツキが大きいという不都合があった。【０００９】
この問題を解決する技術として、例えば、特許文献４には、可撓性黒鉛シートからなる第１のシートと、流路に対応する部分が除去された可撓性黒鉛シートからなる第２のシートとを積層し、この積層シートにプレス成形加工を施して流路、貫通孔を形成するとともに周辺領域の高嵩密度化を図る燃料電池用セパレータの製造方法が記載されている。また、特許文献５には、膨張黒鉛の密度差が３０％未満になるように、膨張黒鉛シートの表面に凹凸を形成した後、その凹凸形状部分に相当する押し型を用いて所定の凹凸形態に成形された膨張黒鉛成形体から燃料電池用セパレータを形成する技術が記載されている。【００１０】
しかしながら、燃料電池用のセパレータに用いる材料として、特許文献４においては可撓性黒鉛シートを用い、特許文献５においては膨張黒鉛シートを用いている。可撓性黒鉛シートおよび膨張黒鉛シートは多孔質であるため、これらのシートを用いて凹凸パターンをプレス成形すると、得られた成形体の厚みの異なる部分において、嵩密度に差異が生じることは本質的に避けられない。このため、燃料電池用セパレータの嵩密度のバラツキに起因する特性のバラツキをより一層小さくすることが要求されていた。また、可撓性黒鉛シートおよび膨張黒鉛シートは、プレス成形を行うことによって、表面に割れや膨れ等の欠損が生じやすいという不都合もあった。【００１１】
この問題を解決する技術として、樹脂組成物と炭素質材料とを含むシート状の材料をプレス成形することにより、成形品を得る方法がある。例えば、特許文献６には、ムーニー粘度（ＭＬ１＋４（１００℃））が２５以上であるエラストマーを含む硬化性樹脂組成物と炭素材料を、質量比で７０〜５：３０〜９５の割合で含む導電性硬化性樹脂組成物を用いて成形した未硬化シートを、圧縮成形機で硬化して得られる硬化体からなる燃料電池用セパレータが開示されている。
このようにシート状の材料として、樹脂組成物と炭素質材料とを含むものを用いた場合、可撓性黒鉛シートおよび膨張黒鉛シートを使用した場合に比べて、プレス成形することにより得られた成形品の特性のバラツキを小さくすることができるし、プレス成形時における欠損も生じにくい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開平８−２２２２４１号公報
【特許文献２】特開昭６０−１６１１４４号公報
【特許文献３】特開２００１−６８１２８号公報
【特許文献４】特開２０００−２１４２２号公報
【特許文献５】特開２０００−８２４７５号公報
【特許文献６】特開２００３−１７６３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、従来の炭素質材料などの充填材と樹脂組成物とを含むシート状の材料は、充填材の含有量を多くすると、これをプレス成形して微細化されたパターンを有する成形品を製造した場合における成形性が非常に悪くなり、成形品の板厚偏差が大きくなるという問題があった。この問題は、充填材が炭素質材料である場合だけでなく、充填材がシリカやアルミナなど他の充填材である場合であっても、同様であった。【００１４】
ところで、近年、燃料電池用のセパレータにおいては、燃料電池の発電効率を向上させるために、ガス流路パターンが微細化される傾向にある。しかしながら、微細化されたガス流路パターンを有する燃料電池用のセパレータを、従来の樹脂組成物と炭素質材料とを含むシート状の材料をプレス成形することにより製造した場合、上述したように、シート状の材料の成形性が悪いため、セパレータの板厚偏差が大きくなるという問題が生じる。また、燃料電池用のセパレータでは、高出力の発電を達成する燃料電池とするために、セパレータを備えた単セルを多数個積層するので、個々のセパレータの板厚偏差がわずかであっても、単セルが積層された状態での厚みのばらつきが非常に大きくなる場合があり、問題となっていた。【００１５】
また、従来の樹脂組成物と炭素質材料とを含むシート状の材料において、高い導電性を得るためには、多量の炭素材料を含有させる必要がある。しかしながら、シート状の材料に含まれる炭素質材料の配合量を増加させると、それに伴って、シート状の材料をプレス成形した場合に得られる成形品の強度が低下する。このため、従来の樹脂組成物と炭素質材料とを含むシート状の材料を用いた場合であっても、燃料電池用のセパレータとして十分に高い強度および導電性を有する成形品が得られない場合があった。【００１６】
本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたものであり、充填材と樹脂組成物とを含むシート状の材料が、多量の充填材を含むものであっても、これをプレス成形することによって成形品を製造した場合に、板厚偏差の小さい成形品が得られるシートプレス成形方法を提供することを課題とする。【００１７】
また、本発明は、炭素質材料と樹脂組成物とを含むシート状の材料が、高い導電性を得るために多量の炭素質材料を含むものである場合であっても、これをプレス成形することによって、厚みが薄く、板厚偏差が小さく、高い強度および高い導電性を有する燃料電池用セパレータを、効率よく製造できる生産性に優れた燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、本発明は、例えば、以下の[１]〜[１０]の事項を含む。
［１]  少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、樹脂組成物と６０〜９５体積％の充填材とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された凹凸パターン部を有する成形品を形成する工程を備え、前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いることを特徴とするシートプレス成形方法。
［２]  前記凸部の合計体積が前記凹部の合計容積よりも少なく、前記ダミーパターンがダミー凸部からなるものであることを特徴とする［１]に記載のシートプレス成形方法。
［３]  前記ダミーパターンが複数個所に設けられていることを特徴とする［１]または［２]に記載のシートプレス成形方法。
［４]  前記シート状材料が均一な厚みを有するものであることを特徴とする［１]〜［３]のいずれかに記載のシートプレス成形方法。
［５]  前記充填材が炭素質材料であることを特徴とする［１]〜［４]のいずれかに記載のシートプレス成形方法。
［６]  前記ダミー凸部の高さが、前記凹凸パターンの凸部の高さと同じであることを特徴とする［２]に記載のシートプレス成形方法。【００１９】
［７]  少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、樹脂組成物と８０〜９８質量％の炭素質材料とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された流路用パターンを有する燃料電池用セパレータを形成する工程を備え、前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
［８]  前記凸部の合計体積が前記凹部の合計容積よりも少なく、前記ダミーパターンがダミー凸部からなるものであることを特徴とする［７]に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
［９]  前記ダミーパターンが複数の領域に設けられていることを特徴とする［７]または［８]に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
［１０]  前記ダミーパターンが、前記燃料電池用セパレータのガス供給穴となる領域に対応する位置に設けられていることを特徴とする［７]〜［９]のいずれかに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
［１１]  前記ダミー凸部の高さが、前記凹凸パターンの凸部の高さと同じであることを特徴とする［８]に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のシートプレス成形方法は、少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、６０〜９５体積％の充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された凹凸パターン部を有する成形品を形成する工程を備え、前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いる方法であるので、成形体の凸部の体積が成形体の凹部の容積と同じとなり、プレス工程を行った際に、型の凸部に加圧されて押し出される軟化したシート状材料が、型の凹部と対向される部分にスムーズに埋め込まれるようになる。その結果、本発明のシートプレス成形方法によれば、充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料が多量の充填材を含むものであったり、凹凸パターンが微細化されたものであったりしても、これをプレス成形することによって成形品を製造した場合に、板厚偏差の小さい成形品が得られる。【００２１】
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、少なくとも一方に凹部と凸部とからなる所定の凹凸パターンを有する一対の型を用いて、８０〜９８質量％の炭素質材料と樹脂組成物とを含むシート状材料を加圧することにより、前記凹凸パターンの転写された流路用パターンを有する燃料電池用セパレータを形成する工程を備え、前記一対の型として、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが、前記内部に設けられたものを用いる方法であるので、燃料電池用セパレータの凸部の体積が燃料電池用セパレータの凹部の容積と同じとなり、プレス工程を行った際に、型の凸部に加圧されて押し出される軟化したシート状材料が、型の凹部と対向される部分にスムーズに埋め込まれるようになる。その結果、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、炭素質材料と樹脂組成物とを含むシート状材料として、多量の炭素質材料を含むものを用い、これをプレス成形することによって、板厚偏差が小さく、高い強度および高い導電性を有する燃料電池用セパレータが得られる。
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法においては、シート状材料を一対の型を用いて加圧することにより、流路用パターンを有する燃料電池用セパレータを形成するので、厚みの薄い燃料電池用セパレータが得られるとともに、焼成や切削加工を行う場合と比較して効率よく製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、従来のシート状材料を用いるシートプレス成形方法の一例を説明するための図であり、図１（Ａ）は、シートプレス成形方法で用いられる金型の一例を示した断面図である。また、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）は、従来のシートプレス成形方法の一例を示した工程図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明のシートプレス成形方法および本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を説明するための工程図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明のシートプレス成形方法および本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を説明するための工程図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明のシートプレス成形方法および本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を説明するための工程図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明のシートプレス成形方法および本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一の変形例を説明する模式図である。
【図３Ａ】図３Ａは実施例の燃料電池用セパレータの平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ’断面の断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは比較例の燃料電池用セパレータの平面図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは図３ＣのＢ−Ｂ’断面の断面図である。
【図４】図４は、実施例の燃料電池用セパレータを示した平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施例の燃料電池用セパレータの板厚偏差の評価結果を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、比較例の燃料電池用セパレータの板厚偏差の評価結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明のシートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法について、図面を参照して詳細に説明する。
ここで、本発明を説明しやすくするために、従来の充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料をプレス成形して成形品を形成するシートプレス成形方法について、図面を用いて説明する。図１は、従来のシート状材料を用いるシートプレス成形方法の一例を説明するための図であり、図１（Ａ）は、シートプレス成形方法で用いられる金型の一例を示した断面図である。また、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）は、従来のシートプレス成形方法の一例を示した工程図である。
【００２４】
図１（Ａ）に示す金型１０は、下金型１１と上金型１２とからなるものである。下金型１１は、複数の凸部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ（図１（Ａ）に示す例においては４つ）からなる所定の凹凸パターン１３を有している。
図１（Ａ）に示す金型１０を用いて、成形品を形成するには、まず、図１（Ｂ）に示すように、下金型１１と上金型１２と間に、充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料２１を配置させる。次いで、図１（Ｃ）に示すように、下金型１１、上金型１２、シート状材料２１を、シート状材料２１が軟化されて変形可能とされる温度とし、下金型１１および上金型１２を加圧してシート状材料２１を圧縮して、所定の時間保持するプレス工程を行う。このことにより、図１（Ｄ）に示すようにシート状材料２１が成形されて、凹凸パターン１３の転写された成形品２３が形成される。
【００２５】
ここで、本発明者は、シート状材料２１に含まれる充填材の含有量のみを種々変化させたシート状材料２１を用意し、各シート状材料２１を同じ金型１０を用いて同じ条件で成形し、シート状材料２１の充填材の含有量と成形品２３の板厚偏差との関係を調べた。
その結果、充填材の含有量が少なく、相対的に樹脂組成物の含有量の多いシート状材料２１をプレス成形した場合、略均一な厚みを有する成形品２３が得られるが、充填材の含有量の多いシート状材料２１をプレス成形した場合、得られた成形品２３の板厚偏差が大きいことが分かった。
【００２６】
本発明者は、このような結果となった原因について、以下に示すように、検討を重ねた。すなわち、相対的に樹脂組成物の含有量の多いシート状材料２１は、プレス工程を行うことによって軟化したシート状材料の流動性が良好である。このため、プレス工程を行うことによって過剰となった軟化したシート状材料は、外周（ｘ−ｙ（平面））方向にスムーズに押し出される。このことにより、略均一な厚みを有する成形体２１が得られるものと推定される。
これに対して、充填材の含有量の多いシート状材料２１は、プレス工程を行ってもほとんど流動しない。このため、プレス工程を行うことによって過剰となった軟化したシート状材料は、外周（ｘ−ｙ（平面））方向に押し出されずに、その場に留まり、主に厚み（z）方向に圧縮変形する。その結果、成形品２３の板厚偏差が大きくなるものと推定される。
【００２７】
また、本発明者は、成形品２３の板厚の分布について検討を重ねた。その結果、充填材の含有量の多いシート状材料２１を用いた場合、成形品２３の中央部において板厚が厚くなり、成形品２３の外周部において板厚が薄くなることが分かった。さらに、このような成形品２３の板厚の分布の傾向は、シート状材料２１に含まれる充填材の含有量が多いほど、また、成形品２３に転写される凹凸パターン１３が微細であるほど、顕著であることが分かった。
このような成形品２３の板厚の分布の傾向は、成形品２３の中央部では、プレス工程を行うことによって軟化したシート状材料が流れ出にくいため板厚が厚くなり、成形品２３の外周部では、軟化したシート状材料が流れ出やすいため板厚が薄くなったことによるものと、推定される。
【００２８】
さらに、本発明者は、上記の知見に基づいて鋭意検討を重ね、凹凸パターン部を有する成形品をプレス成形する際に、内部に形成された凸部の合計体積と、前記凸部と前記内部の側面との間および前記凸部間に配置された凹部の合計容積との差を相殺するダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンが内部に設けられた型を用い、成形体の凸部の体積が成形体の凹部の容積と同じとなるようにすることで、プレス工程を行った際に、型の凸部に加圧されて押し出される軟化したシート状材料が、型の凹部と対向される部分にスムーズに埋め込まれるようになり、シート状材料が、プレス工程を行ってもほとんど流動しない充填材の含有量が多いものである場合であっても、成形品の板厚偏差を小さくできる本発明のシートプレス成形方法およびこれを用いる本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を想到した。
【００２９】
より詳細には、凹凸パターン部を有する成形品をプレス成形する際に、上述したダミーパターンを有する型を用いた場合、ダミーパターンによって、型の内部における凸部の合計体積と、凸部と内部の側面との間および凸部間に配置された凹部の合計容積との差が相殺されて、型の内部における凸部の体積合計と凹部の容積合計とが同じとなっているので、プレス工程を行うことにより、型の凸部の体積分に相当する軟化したシート状材料が、型の凸部周辺に押し出されるが、押し出された体積分と丁度同じ体積分の軟化したシート状材料が型の凹部に埋め込まれる。このことにより、軟化したシート状材料がスムーズに流動されるので、成形品の板厚偏差が小さくなる。
これに対し、凹凸パターン部を有する成形品をプレス成形する際に、例えば、型の内部における凸部の合計体積と、凸部と内部の側面との間および凸部間に配置された凹部の合計容積とが異なっていて、ダミーパターンが設けられていない型を用いた場合、プレス工程を行うことにより型の凸部周辺に押し出される軟化したシート状材料の量と、型の凹部に埋め込まれる軟化したシート状材料の量とが均一でないため、凸部周辺に押し出される軟化したシート状材料が過剰になったり、不足したりする。このため、軟化したシート状材料がスムーズに流動されず、成形品の板厚偏差が大きくなる。
【００３０】
ここで、本発明のシートプレス成形方法を用いる本発明の燃料電池用セパレータの製造方法について、図面を用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明のシートプレス成形方法および本発明の燃料電池用セパレータの製造方法の一例を説明するための工程図である。
本発明のシートプレス成形方法は、図２Ａに示すように、上金型１２と、所定の凹凸パターン３を有する下金型１とからなる一対の金型４０を用いて、シート状材料２０を加圧することにより、図２Ｃに示すように、凹凸パターン３の転写されてなる凹凸パターン部３２を有する成形品３０を形成するシートプレス成形方法である。
【００３１】
シート状材料２０は、６０〜９５体積％の充填材と樹脂組成物とを含むものである。充填材は、成形品３０の用途などに応じて適宜決定することができ、特に限定されないが、例えば、シリカ、アルミナ、酸化チタン等の無機微粒子や、ポリエチレン、ポリスチレン等の有機微粒子の他、繊維状のものや、炭素質材料などが挙げられる。なお、本発明のシートプレス成形方法を用いて、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合には、充填材として炭素質材料を用いることが好ましい。
また、シート状材料２０を構成する樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などが挙げられる。
【００３２】
シート状材料２０に含まれる充填材の含有量は、６０〜９５体積％とされている。充填材の種類によりその比重は異なるが、充填材として炭素質材料を用いる場合、充填材の含有量６０〜９５体積％は含有量８０〜９８質量％に相当する。また、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合など充填材が炭素質材料である場合、充填材の含有量は、８５〜９８質量％であることがより好ましい。なお、充填材の含有量（体積％）は、樹脂組成物と充填材の比重から算出される。
充填材の含有量が、上記範囲未満であっても、本発明のシートプレス成形方法を用いることは可能であるが、充填材の含有量が少ない場合、本発明を適用する効果が小さく有効ではない。また、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合であって充填材が炭素質材料である場合、充填材の含有量が、上記範囲未満であると、成形品３０の導電性が不十分となる。また、充填材の含有量が、上記範囲を超えると、プレス工程を行うことによって軟化したシート状材料の流動性が低下するため、板厚偏差の十分に小さい成形品３０が得られなくなる。
【００３３】
また、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合、成形品３０としての厚みが２ｍｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する場合に本発明は好適である。燃料電池用セパレータの厚みが２ｍｍ以下である場合、十分に厚みの薄いものとなる。
【００３４】
また、シート状材料２０は均一な厚みを有するものであることが好ましい。均一な厚みを有するシート状材料２０は、例えば、６０〜９５体積％の充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料となる成分を、ロールミル、押出機、ニーダー、バンバリーミキサー等の樹脂分野で一般的に用いられている混練機を使用して均一に混合した後、圧延ロールを用いて成形する方法などによって形成することができる。なお、充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料となる成分は、混合した後に、成形機への材料供給を容易にするなどの目的で、粉砕あるいは造粒することができる。粉砕には、ホモジナイザー、ウィレー粉砕機、高速回転粉砕機（ハンマーミル、ピンミル、ケージミル、ブレンダー）等を使用でき、材料同士の凝集を防ぐため冷却しながら粉砕することが好ましい。造粒には、押出機、ルーダー、コニーダー等を用いてペレット化する方法、あるいはパン型造粒機等を使用する方法などを用いることができる。
【００３５】
図２Ａに示す金型４０は、下金型１と上金型１２とからなるものである。下金型１の内部１４には、凹凸パターン３と、ダミーパターン２４とを有するものである。
なお、本発明において、金型４０の内部１４とは、下金型１の内部だけでなく、上金型１２の内部も含まれ、プレス成形時にシート状材料２０が収容される内部全体を意味している。したがって、図２Ａにおいては、一対の金型４０のうちの一方の金型である下金型に凹凸パターン３およびダミーパターン２４が両方とも設けられているものを例に挙げて説明したが、例えば、凹凸パターンが一対の金型のうちの一方の金型に設けられ、ダミーパターンが他方の金型に設けられていてもよい。
例えば、図２Ｄに示す変形例では、ダミー凸部２２４ａが上金型２１２のみに設けられている。この変形例の上金型２１２と下金型２０１とを用いてプレス成形を行うと、図２Ｄに示したような断面形状の成形品２３０が得られる。
【００３６】
また、図２Ａにおいては、凹凸パターンおよびダミーパターンは下金型にのみ設けられているが、凹凸パターンおよびダミーパターンが両方の金型に設けられていてもよい。さらに、一対の型の内部に設けられる凹凸パターンおよびダミーパターンの数については、特に限定されるものではなく、各々１つであってもよいし、各々複数であってもよい。また、凹凸パターンとダミーパターンとの数は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。なお、一対の型の内部に複数の凹凸パターンが形成されている場合、複数の凹凸パターンは、全て同じであってもよいし、一部または全部が異なるものであってもよい。
【００３７】
凹凸パターン３は、成形品３０の用途などに応じて決定することができ、特に限定されないが、本実施形態においては、図２Ａに示すように、断面視四角形で等間隔に配置された平面視ストライプ状の複数の凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの間に配置されている凹部３ａ、３ｂ、３ｃとからなるものとされている。本実施形態においては、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄは、断面視同形のものとされているが、凸部形状は、各々異なっていてもよい。なお、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合、凹凸パターン３の形状は、燃料電池用セパレータの流路用凹部（溝）の形状に対応するものとされ、成形品３０の凹凸パターン部３２が流路用パターンとされる。
【００３８】
ダミーパターン２４は、金型４０の内部１４に形成された凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの合計体積と、凹部の合計容積との差を相殺するものである。本実施形態において、ダミーパターン２４を含めない凸部の合計体積とは、図２Ａに示すように、下金型１の底部から突出している凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの合計体積である。また、本実施形態において、ダミーパターン２４を含めない凹部の合計容積とは、下金型１の上面に沿う仮想面と下金型１との間の容積であって、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ間に配置された凹部３ａ、３ｂ、３ｃの内側の容積と、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと内部１４の側面１４ｂとの間に配置された凹部３ｄの内側の容積との合計容積である。したがって、本実施形態においては、図２Ａに示すように、ダミーパターン２４を含めない場合、凸部の合計体積が凹部の合計容積よりも少なくなっている。
【００３９】
本実施形態においては、ダミーパターン２４として、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと内部１４の側面１４ｂとの間に、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと同じ高さの断面視四角形で平面視ストライプ状のダミー凸部２４ａ、２４ａが、凹凸パターン３を挟むように並行に設けられている。したがって、ダミーパターン２４を含めた場合、図２Ｂに示すように、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと内部１４の側面１４ｂとの間に配置された凹部３ｄの容積がダミー凸部２４ａ、２４ａの体積分減少し、凸部の合計体積がダミー凸部２４ａ、２４ａの体積分増加し、凸部の合計体積と凹部の合計容積との差が相殺され、凸部の合計体積と凹部の合計容積とが略等しくなっている。
【００４０】
なお、本実施形態においては、凸部の合計体積が凹部の合計容積よりも小さくなっているため、ダミーパターン２４としてダミー凸部２４ａ、２４ａを設けたが、凸部の合計体積が凹部の合計容積よりも多くなっている場合には、ダミーパターンとしてダミー凹部が設けられる。
【００４１】
また、ダミーパターン２４の形状は、凸部の合計体積と凹部の合計容積との差を相殺できる容積（体積）であればよく、特に限定されないが、図２Ａに示すように、ダミーパターン２４がダミー凸部２４ａ、２４ａである場合、ダミー凸部２４ａ、２４ａの高さが凸パターン３の凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと同じ高さであることが好ましく、ダミーパターンがダミー凹部である場合、凹凸パターンの凹部３ａ、３ｂ、３ｃと同じ深さであることが好ましい。この場合、ダミー凸部（ダミー凹部）の高さ（深さ）が、凹凸パターン３の凸部（凹部）の高さ（深さ）と異なっている場合と比較して、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量のばらつきが低減されるので、成形品３０の板厚偏差をより一層小さくできる。
【００４２】
また、ダミーパターン２４の配置は、特に限定されないが、複数個所に設けられていることが好ましい。ダミーパターン２４が複数個所に設けられている場合、ダミーパターンが１箇所に設けられている場合と比較して、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量のばらつきが低減されるので、成形品３０の板厚偏差をより一層小さくできる。なお、本実施形態においては、ダミーパターン２４として、凹凸パターン３を挟むように並行に２箇所設けたが、１箇所であってもよいし、３箇所以上であってもよい。
【００４３】
また、ダミーパターンの配置は、図２Ａに示す例に限定されるものではなく、凹凸パターンを構成する凹部および凸部の配置に応じて決定されることが好ましい。凹凸パターンを構成する凹部および凸部の配置に偏りがある場合、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量のばらつきが大きくなりやすく、成形品３０の板厚偏差も大きくなりやすい。したがって、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量のばらつきを効果的に低減させるためには、凹凸パターンを構成する凹部および凸部の配置の偏りが大きい領域の近傍に、ダミーパターンを配置することが好ましい。例えば、ダミーパターンとしてダミー凸部を設ける場合、シート状材料２０の圧縮変形量の小さい領域の近傍に配置されることが好ましく、ダミーパターンとしてダミー凹部を設ける場合、シート状材料２０の圧縮変形量の大きい領域の近傍に配置されることが好ましい。より具体的には、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量を効果的に均一化するために、ダミーパターンを、凹凸パターン３を取り囲むように複数配置することが好ましい。ダミーパターンを凹凸パターン３の外周部に設けると、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造した場合に、燃料電池用セパレータの導電性に支障を来たす恐れや、流路用パターンの流動性に支障を来たす恐れがなく、好ましい。しかし、凹凸パターンを構成する凹部および凸部の幅が不均一である場合には、プレス工程を行った際におけるシート状材料２０の圧縮変形量のばらつきを効果的に低減させるために、凹凸パターンの中にダミーパターンを配置することが好ましい。
【００４４】
なお、金型設計時の制約条件等により凹凸パターン３を有する型にダミーパターンを配置することが困難な場合などには、凹凸パターン３と対向する別の型（図２Ａに示す例においては上金型１２）の内面にダミーパターンを配置してもよい。この場合のダミーパターンの平面配置は、凹凸パターン３を有する型にダミーパターンを設ける場合と同様に、凹凸パターン３を取り囲むように複数配置することが好ましい。また、凹凸パターン３と対向する別の型にダミーパターンを設ける場合においても、凹凸パターンを構成する凹部および凸部の幅が不均一である場合には、凹凸パターンの中にダミーパターンを配置することが好ましい。
【００４５】
また、ダミーパターン２４は、図２Ａに示すように、凹凸パターン３の外側に設けられていてもよいし、成形品３０に支障を来たすことがなければ、凹凸パターン３の内側に設けられていてもよい。
また、ダミーパターン２４は、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合、燃料電池用セパレータのガス供給穴となる領域に対応する位置に設けられていることが好ましい。この場合、成形品３０にダミーパターン２４が転写されてなるパターンを、燃料電池用セパレータにガス供給穴を形成する際のガイドなどとして用いることができる。この場合、ガス供給穴を容易に形成できるため、好ましい。なお、燃料電池用セパレータのガス供給穴は、通常、燃料電池用セパレータを貫通する穴を設けることにより形成される。したがって、ガス供給穴が形成されることにより、ダミーパターンが転写されてなるパターンは消失されるが、燃料電池用セパレータの成形後であるので消失しても問題ない。
【００４６】
また、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合、成形品３０の凹凸パターン部３２である流路用パターンの外縁部や、燃料ガス等を通すためのマニホールド穴（ガス供給穴）の外縁部には、パッキンが配置される。このため、ダミーパターン２４は、パッキンの配置される位置を避けて配置されることが好ましい。
なお、ダミー凹部またはダミー凸部からなるダミーパターンは、流路用パターンの外縁部や、燃料ガス等を通すためのマニホールド穴の外縁部に沿って配置した場合、流路用パターンを形成した後や、マニホールド穴を形成した後に、パッキンとして機能するものとすることができる。この場合、ダミーパターンは、パッキンとしても用いられるものであるので、パッキンの配置されるべき位置に設けられる。
【００４７】
ここで、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合に用いられるシート状材料２０について、説明する。成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する場合に用いられるシート状材料２０は、充填材である炭素質材料（Ａ）と、樹脂組成物（Ｂ）を必須成分として含むものである。「炭素質材料（Ａ）」
炭素質材料（Ａ）としては、カーボンブラック、炭素繊維（ピッチ系、ＰＡＮ系）、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、キッシュ黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素質材料の中から選ばれる１種または２種類以上の混合物などが挙げられる。これらの中でカーボンブラックは導電性および充填性が他の材料に比べて低いので、炭素繊維（ピッチ系、ＰＡＮ系）、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、キッシュ黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンの中から選ばれる一種又は二種以上の混合物が好ましい。
また、炭素質材料（Ａ）は、ホウ素を含有するものであることが好ましく、中でも、ホウ素を含有する人造黒鉛が特に好適に使用可能である。
【００４８】
（カーボンブラック）
炭素質材料（Ａ）の一例であるカーボンブラックとしては、天然ガス等の不完全燃焼、アセチレンの熱分解により得られるケッチェンブラック、アセチレンブラック、炭化水素油や天然ガスの不完全燃焼により得られるファーネスカーボン、天然ガスの熱分解により得られるサーマルカーボン等が挙げられる。
【００４９】
（炭素繊維）
炭素質材料（Ａ）の一例である炭素繊維（ピッチ系、ＰＡＮ系）としては、重質油、副生油、コールタール等から作られるピッチ系や、ポリアクリロニトリルから作られるＰＡＮ系などが挙げられる。
炭素繊維の平均繊維長は、ＳＥＭ（日本電子社製、ＪＳＭ−５５１０）を用いて観察した１００本の繊維長を画像解析することによって数平均繊維長を測定して得られる。なお、ここで言う炭素繊維とは、（長軸の長さ／短軸の長さ）の比が１０以上のものをいう。
【００５０】
（アモルファスカーボン）
炭素質材料（Ａ）の一例であるアモルファスカーボンとしては、フェノール樹脂を硬化させて焼成処理し粉砕して粉末とする方法、または、フェノール樹脂を球状、不定形状の粉末の状態で硬化させて焼成処理する方法等によって得られたものなどが挙げられる。導電性の高いアモルファスカーボンを得るためには２０００℃以上の加熱処理を行うことが好ましい。
【００５１】
（膨張黒鉛）
炭素質材料（Ａ）の一例である膨張黒鉛としては、例えば、天然黒鉛、熱分解黒鉛等の高度に結晶構造が発達した黒鉛を、濃硫酸と硝酸との混液、濃硫酸と過酸化水素水との混液の強酸化性の溶液に浸漬処理して黒鉛層間化合物を生成させ、水洗してから急速加熱し、黒鉛結晶のＣ軸方向を膨張処理することによって得られた粉末や、それを一度シート状に圧延したものを粉砕して得られた粉末などが挙げられる。
【００５２】
（キッシュ黒鉛）
炭素質材料（Ａ）の一例であるキッシュ黒鉛としては、溶けた銑鉄が、溶銑予備処理等で温度低下するのに伴い析出した、平面的に結晶化した炭素などが挙げられる。このキッシュ黒鉛は、スラグや酸化鉄に混じったものとして発生するため、選鉱によって純度の高いキッシュ黒鉛を回収して更に粉砕して用途に合うサイズに仕上げた粉末が好ましく用いられる。
【００５３】
（人造黒鉛）
炭素質材料（Ａ）の一例である人造黒鉛としては、例えば以下に示す方法により得られた黒鉛化粉末などが用いられる、通常、人造黒鉛を得るためには、コークスを製造する。コークスの原料としては、石油系ピッチや石炭系のピッチ等が用いられる。これらの原料を炭化してコークスとする。コークスから黒鉛化粉末を得るには、一般的に、コークスを粉砕した後に黒鉛化処理する方法、コークス自体を黒鉛化した後に粉砕する方法、あるいはコークスにバインダーを加え成形、焼成した焼成品（コークスおよびこの焼成品を合わせてコークス等という）を黒鉛化処理した後に粉砕して粉末とする方法等がある。原料のコークス等は、できるだけ結晶が発達していない方が良いので、２０００℃以下、好ましくは１２００℃以下で加熱処理したものが適する。また、黒鉛化処理する方法は、粉末を黒鉛ルツボに入れて直接通電するアチソン炉を用いる方法や、黒鉛発熱体により粉末を加熱する方法等を使用することができる。
【００５４】
（気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ）
炭素質材料（Ａ）は、気相法炭素繊維および／またはカーボンナノチューブを０．１〜５０質量％含むことが好ましい。より好ましくは、０．１〜４５質量％であり、更に好ましくは、０．２〜４０質量％である。
【００５５】
（気相法炭素繊維）
気相法炭素繊維としては、例えば、ベンゼン、トルエン、天然ガス、炭化水素系ガス等の有機化合物を原料とし、フェロセン等の遷移金属触媒の存在下で、水素ガスとともに８００〜１３００℃で熱分解反応させることによって得られる、繊維長約０．５〜１０μｍ、繊維径２００ｎｍ以下の炭素繊維などが挙げられる。繊維径のより好ましいサイズは１６０ｎｍ以下であり、更に好ましくは１２０ｎｍ以下である。繊維径が２００ｎｍよりも大きいと、高い導電性を得る効果が小さくなるので好ましくない。更に、上記の方法によって得られた炭素繊維は、約２３００〜３２００℃で黒鉛化処理されることが好ましい。なお、ここでの黒鉛化処理は、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに、不活性ガス雰囲気中で行われることがより好ましい。
【００５６】
（カーボンナノチューブ）
カーボンナノチューブは、近年その機械的強度のみでなく、電界放出機能や、水素吸蔵機能が産業上注目され、更に磁気機能にも目が向けられ始めている。この種のカーボンナノチューブは、グラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ、カーボンナノファイバー等とも呼ばれており、繊維径が約０．５〜１００ｎｍのものである。カーボンナノチューブには、チューブを形成するグラファイト膜が一層である単層カーボンナノチューブと、多層である多層カーボンナノチューブがある。本発明では、単層および多層カーボンナノチューブのいずれも使用可能であるが、単層カーボンナノチューブを用いた方が、より高い導電性や機械的強度の組成物が得られる傾向があるため好ましい。
【００５７】
カーボンナノチューブは、例えば、斉藤・板東「カーボンナノチューブの基礎」（２３〜５７頁、コロナ社出版、１９９８年発行）に記載のアーク放電法、レーザー蒸発法および熱分解法等により作製し、更に純度を高めるために水熱法、遠心分離法、限外ろ過法、および酸化法等により精製することによって得られる。より好ましくは、不純物を取り除くために約２３００〜３２００℃の不活性ガス雰囲気中で高温処理する。更に好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに、不活性ガス雰囲気中、約２３００〜３２００℃で高温処理する。
【００５８】
（ホウ素を含有する炭素質材料）
ホウ素は、炭素質材料（Ａ）中に０．０５〜５質量％含まれることが好ましく、０．０６〜４質量％含まれることがより好ましく、０．０６〜３質量％含まれることが更に好ましい。ホウ素の含有量が０．０５質量％未満であると、目的とする高導電性の炭素質材料が得られ難い傾向がある。また、ホウ素の含有量が５質量％を超えて含まれていても、炭素質材料の導電性の向上に寄与し難くなる傾向があるし、不純物量が多くなり、他の物性の低下をもたらす傾向が生じ易くなる。
【００５９】
炭素質材料に含まれるホウ素の含有量の測定方法としては特に制限はない。例えば、誘導型プラズマ発光分光分析法（以下、「ＩＣＰ」と略記する）や、誘導型プラズマ発光分光質量分析法（以下、「ＩＣＰ−ＭＳ」と略記する）により測定した値を用いることができる。具体的には、例えば、試料であるホウ素を含有する炭素質材料に、硫酸および硝酸を加え、マイクロ波で２３０℃に加熱して分解（ダイジェスター法）し、更に過塩素酸（ＨＣｌＯ4）を加えて分解したものを水で希釈し、これをＩＣＰ発光分析装置にかけて、ホウ素量を測定する方法などが挙げられる。
【００６０】
炭素質材料（Ａ）中にホウ素を含有させる方法としては、例えば、カーボンブラック、炭素繊維、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、キッシュ黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンなどの炭素質材料の中から選ばれる１種または２種類以上の混合物と、ホウ素源であるＢ単体、Ｂ4Ｃ、ＢＮ、Ｂ2Ｏ3、Ｈ3ＢＯ3等とを混合して、約２３００〜３２００℃で黒鉛化処理する方法などが挙げられる。炭素質材料とホウ素源との混合が不均一である場合には、ホウ素を含有する炭素質材料が不均一になるのみならず、黒鉛化処理時に焼結する可能性が高くなる。炭素質材料とホウ素源とを均一に混合させるためには、上記のホウ素源を５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下程度の粒径を有する粉末にしてから、上記の炭素質材料の粉末に混合することが好ましい。
【００６１】
また、ホウ素を含有する炭素質材料中に含まれるホウ素の含有の形態は、ホウ素および／またはホウ素化合物が炭素質材料中に混合されていればよく、特に制限されないが、炭素質材料が黒鉛結晶を有する場合、ホウ素および／またはホウ素化合物が黒鉛結晶の層間に存在するものや、黒鉛結晶を形成する炭素原子の一部がホウ素原子に置換されたものであることが、より好ましい。また、炭素原子の一部がホウ素原子に置換されている場合、ホウ素原子と炭素原子との結合は、共有結合、イオン結合等どのような結合様式であっても構わない。
【００６２】
（コークス等の粉砕）
炭素質材料の製造に用いられるコークスや、炭素質材料として用いられる人造黒鉛や天然黒鉛等の粉砕には、高速回転粉砕機（ハンマーミル、ピンミル、ケージミル）や各種ボールミル（転動ミル、振動ミル、遊星ミル）、撹拌ミル（ビーズミル、アトライター、流通管型ミル、アニュラーミル）等の粉砕機が使用できる。また、微粉砕機であるスクリーンミル、ターボミル、スーパーミクロンミル、ジェットミルなども、条件を選定することによって使用可能である。コークスおよび天然黒鉛等は、これらの粉砕機を用いて粉砕し、その際の粉砕条件の選定、および必要により粉末を分級し、平均粒径や粒度分布をコントロールして用いることが好ましい。
【００６３】
（コークス等の分級）
コークス粉末、人造黒鉛粉末および天然黒鉛粉末等を分級する方法としては、分離が可能であれば何れでも良いが、例えば、篩分法や強制渦流型遠心分級機（ミクロンセパレーター、ターボプレックス、ターボクラシファイアー、スーパーセパレーター）、慣性分級機（改良型バーチュウアルインパクター、エルボジェット）等の気流分級機が使用できる。また、湿式の沈降分離法や遠心分級法等も使用できる。
【００６４】
「樹脂組成物（Ｂ）」
樹脂組成物（Ｂ）としては、例えば、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂が挙げられる。
燃料電池用セパレータの耐久性の観点から、燃料電池用セパレータの融点、またはガラス転移温度が１２０℃以上となる樹脂を用いることが好ましい。
また、燃料電池用セパレータの耐熱水性を向上させるためには、樹脂組成物（Ｂ）として、１，２−ポリブタジエン、３，４−ポリイソプレン、ノボラック型エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリシクロオレフィン、ポリブテン−１、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂、または液晶ポリマーより選ばれる１成分以上をシート状材料である炭素質材料（Ａ）および樹脂組成物（Ｂ）を含む導電性樹脂組成物中に２質量％〜２０質量％含有するものであることが望ましく、特に１，２−ポリブタジエン、３，４−ポリイソプレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン−１より選ばれる１成分以上が上記含有量で含まれていることが好ましい。
【００６５】
（他の添加剤）
成形品３０が燃料電池用セパレータである場合に用いられるシート状材料２０には、充填材である炭素質材料（Ａ）と、樹脂組成物（Ｂ）の他に、必要に応じてモノマー、反応開始剤、エラストマー、ゴム、及び樹脂改質剤などを含有させることができる。さらに、成形品３０が燃料電池用セパレータである場合に用いられるシート状材料２０には、硬度、強度、導電性、成形性、耐久性、耐候性、耐水性等を改良する目的で、ガラスファイバー、ウィスカー、金属酸化物、有機繊維、紫外線安定剤、酸化防止剤、離型剤、滑剤、撥水剤、増粘剤、低収縮剤、親水性付与剤等の添加剤を、必要に応じて含有させることができる。
【００６６】
本実施形態のシートプレス成形方法は、少なくとも一方に凹部３ａ、３ｂ、３ｃと凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄとからなる所定の凹凸パターン３を有する一対の金型４０を用いて、６０〜９５体積％の充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料２０を加圧することにより、凹凸パターン３の転写された凹凸パターン部３２を有する成形品３０を形成する工程を備え、一対の金型４０として、内部１４に形成された凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄの合計体積と、凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄと内部１４の側面１４ｂとの間および凸部２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ間に配置された凹部３ａ、３ｂ、３ｃの合計容積との差を相殺するダミー凸部２４ａからなるダミーパターン２４が、内部１４に設けられたものを用いる方法である。このため、成形体３０の凸部の体積が成形体３０の凹部の容積と同じとなり、プレス工程を行った際に、金型４０の凸部に加圧されて押し出される軟化したシート状材料２０が、金型４０の凹部と対向される部分にスムーズに埋め込まれるようになる。よって、プレス工程を行った際のシート状材料２０の圧縮変形量の差を小さくすることができる。
その結果、本実施形態のシートプレス成形方法によれば、充填材と樹脂組成物とを含むシート状材料２０が多量の充填材を含むものであったり、凹凸パターン３が微細化されたものであったりしても、これをプレス成形することによって成形品３０を製造した場合に、板厚偏差の小さい成形品３０が得られる。
【００６７】
本実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法は、充填材が炭素質材料であるシート状材料２０を用いる本実施形態のシートプレス成形方法を用いて、成形品３０として燃料電池用セパレータを製造する方法であるので、炭素質材料と樹脂組成物とを含むシート状材料２０として、多量の炭素質材料を含むものを用い、これをプレス成形することによって、板厚偏差が小さく、高い強度および高い導電性を有する燃料電池用セパレータが得られる。
また、本実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法においては、凹凸パターン３として微細化されたものを用いることで、板厚偏差が小さく、微細な流路用パターンを有する燃料電池用セパレータが容易に得られる。
また、本実施形態の燃料電池用セパレータの製造方法においては、シート状材料を一対の型を用いて加圧することにより、流路用パターンを有する燃料電池用セパレータを形成するので、厚みの薄い燃料電池用セパレータを効率よく製造でき、量産に好適である。
【実施例】
【００６８】
以下、実施例を示して本発明を具体的に説明する。
（実施例）
充填材が炭素質材料であるシート状材料を用い、本発明のシートプレス成形方法を用いて、成形品として実施例の燃料電池用セパレータを製造した。
すなわち、凹凸パターンを有する以下に示す一対の型を用いて、以下に示すシート状材料を加圧することにより、凹凸パターンの転写された流路用パターン３１と、ダミーパターンの転写された複数の凹部２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅとを片面に有する図３に示す燃料電池用セパレータ３５を得た。図３Ａ〜図３Ｄは、実施例および比較例の燃料電池用セパレータを示した図面である。図３Ａは実施例の燃料電池用セパレータの平面図であり、図３Ｂは図３ＡのＡ−Ａ’断面の断面図である。また、図３Ｃは比較例の燃料電池用セパレータの平面図であり、図３Ｄは図３ＣのＢ−Ｂ’断面の断面図である。【００６９】
「金型」
ここで、図３Ａおよび図３Ｂを用いて、実施例の燃料電池用セパレータをプレス成形する際に用いた下金型の内部形状について説明する。
実施例においては、金型として、下金型の内部に、凹部と凸部とからなる下記の凹凸パターンと、下記のダミー凸部からなるダミーパターンとが設けられた上下一対の金型を用いた。なお、実施例において用いた金型は、ダミーパターンを含めない場合、内部に形成された凸部の合計体積が凹部の合計容積よりも少なくなっているが、ダミーパターンを含めた場合には、内部に形成された凸部の合計体積と凹部の合計容積との差が相殺されて同じとなっているものである。【００７０】
凹凸パターン（図３Ａおよび図３Ｂにおける流路用パターン３１に対応する）：深さ０．５ｍｍ、幅下辺（底部幅）２．１ｍｍ、幅上辺（上部幅）１．９ｍｍ、平均幅２ｍｍの断面視台形形の凸部（燃料電池用セパレータにおける溝）を、長さ１６０ｍｍ、幅６２ｍｍの領域に４ｍｍピッチ（幅上辺間の間隔２ｍｍ）で、長さ方向が凸部（溝）の長さ方向となるように、ストライプ状に配置した。【００７１】
ダミーパターン：高さ（深さ）０．５ｍｍのダミー凸部（図３Ａおよび図３Ｂにおける凹部２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅに対応する）を、流路用パターン３１を２重に取り囲むように、流路用パターン３１の外周部に設けた。なお、各ダミー凸部の面積は、下金型の内部に形成された凸部の合計体積と凹部の合計容積とが同じとなるように調整した。
内側のダミー凸部（図３Ａおよび図３Ｂにおける凹部２４ｂに対応する）は、燃料電池用セパレータのガス供給穴となる領域３６に対応する位置に、パッキンの配置される位置を避けることのできる幅で分割して６箇所配置し、燃料電池用セパレータ３５の凹部２４ｂを、燃料電池用セパレータにガス供給穴を形成する際のガイドとして用いることができるようにした。また、外側のダミー凸部（図３Ａおよび図３Ｂにおける凹部２４ｃに対応する）は、パッキンの配置される位置を避けて内側のダミー凸部の外側に、４箇所配置した。また、ダミー凸部（図３Ａにおける凹部２４ｄに対応する）は、流路用パターン３１の外周部であって、内側のダミー凸部の配置されていない領域である燃料電池用セパレータ３５の中央部に２箇所設けた。さらに、燃料電池用セパレータ３５の４つの角部に、それぞれダミー凸部（図３Ａにおける凹部２４ｅに対応する）を設けた。【００７２】
「シート状材料」
（炭素質材料の製造）
まず、非針状コークス（ＭＣコークス：エム・シー・カーボン株式会社製）をパルベライザー（ホソカワミクロン株式会社製）で３ｍｍ以下の大きさに粗粉砕した。次いで、この粗粉砕品をジェットミル（ＩＤＳ２ＵＲ：日本ニューマチック株式会社製）で微粉砕し、分級により粒径を調整した。この分級においては、ターボクラシファイアー（ＴＣ１５Ｎ：日清エンジニアリング株式会社製）を用いる気流分級を行うことにより、５μｍ以下の粒子を除去した。次に、粒径を調整した微粉砕品１４．８５ｋｇに、炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）０．１５ｋｇを加えて、ヘンシェルミキサーにて回転数８００ｒｐｍで５分間混合した。続いて、得られた混合物１ｋｇを容量１．５リットルの蓋付き黒鉛ルツボに封入して黒鉛ヒータを用いた黒鉛化炉に入れ、黒鉛化炉内を一旦真空にしてからアルゴンガスに置換し、内圧１．２ａｔｍ、アルゴンガス雰囲気の気流下で２８００℃の温度で黒鉛化し、アルゴンガス雰囲気で放冷した。このようにして、０．４９ｋｇの人造黒鉛微粉が得られた。なお、得られた人造黒鉛微粉の平均粒径は２０μｍであった。【００７３】
また、平均粒径１８μｍの中国製の天然黒鉛（商品名ＢＴＲＳＧ１８：ＢＴＲ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ社）を用いて、上記の粒径を調整した微粉砕品を用いた場合と同様にして炭化ホウ素と混合し、ホウ素含有天然黒鉛を得た。なお、得られたホウ素含有天然黒鉛の平均粒径は２５μｍであった。
このようにして得られた人造黒鉛微粉とホウ素含有天然黒鉛とを等量混合して炭素質材料とした。【００７４】
なお、人造黒鉛微粉およびホウ素含有天然黒鉛の平均粒径は、以下に示す方法により測定した。
まず、サンプル５０ｍｇを秤量して５０ｍｌの蒸留水に添加した。更に２％Ｔｒｉｔｏｎ（界面活性剤；和光純薬工業製社製）水溶液０．２ｍｌを加えて３分間超音波分散させた後、レーザー回折散乱法（日機装（株）製のマイクロトラックＨＲＡ装置）で数平均粒子径を測定した。【００７５】
（シート状材料の製造）
このようにして得られた炭素質材料と、表１に示す樹脂組成物と、表１に示す反応開始剤とを、ラボプラストミル（東洋精機製）を用いて温度１００℃、回転数４０ｒｐｍで５分間混練し、シート状材料となる成分を含む混練物を得た。この混練物を、ウィレー粉砕機（吉田製作所）を用いて粉砕し、篩下２ｍｍ以下の微粉とした。この微粉をオーブンで９０℃まで加熱してロール表面温度３０℃の１０インチの圧延ロール（ダイハン製）に供給してシート化することにより、長さ２００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚み０．９ｍｍのシート状材料を得た。
得られたシート状材料の炭素質材料の含有量は８５質量％であり、炭素質材料中におけるホウ素の含有量は２質量％であり、密度は１．５ｇ／ｃｍ３であった。
なお、ホウ素の含有量については、［0058］に記載の方法で測定した。また、ホウ素の密度については、ＪＩＳ  Ｋ７１１２のＡ法に規定された水中置換法（アルキメデス法）に基づいて測定された比重を密度として採用した。【００７６】
【表１】
0005548680.tif 000002
【００７７】
「プレス条件」
荷重２５０ｔ、温度１８０℃、硬化時間２．５分とした。【００７８】
このようにして得られた実施例の燃料電池用セパレータ３５の複数位置の厚みをマイクロメータにて実測し、板厚偏差を評価した。なお、燃料電池用セパレータ３５の厚みの測定位置は、図４に示すように、外縁に沿って５ｍｍの幅で設けられた余白領域の内側を、図４に示す寸法（図４に示す寸法の単位は（ｍｍ））で長さ方向および幅方向に各々略４等分し、長さ方向の分割した線および余白領域の内側境界線（図４において符号１〜５で示される点線）と、幅方向の分割した線および余白領域の内側境界線（図４において符号Ｓ１〜Ｓ５で示される点線）との交点位置とした。また、図４においては、図面を見やすくするために、凹部２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅの記載を省略して示している。その結果を図５Ａおよび表２に示す。図５Ａは、実施例の燃料電池用セパレータの板厚偏差の評価結果を示すグラフである。【００７９】
【表２】
0005548680.tif 000003
【００８０】
（比較例）
ダミーパターンが設けられていないこと以外は同じ金型を用いたこと以外は、実施例と同様にして、図３Ｃおよび図３Ｄに示す比較例の燃料電池用セパレータを形成した。
そして、得られた比較例の燃料電池用セパレータの板厚偏差を、実施例と同様にして評価した。その結果を図５Ｂおよび表３に示す。図５Ｂは、比較例の燃料電池用セパレータの板厚偏差の評価結果を示すグラフである。【００８１】
【表３】
0005548680.tif 000004
【００８２】
図５Ａ、図５Ｂ、表２および表３より、ダミーパターンが設けられていない金型を用いた比較例では、板厚の最大値と最小値との差が７３μｍであった。これに対して、ダミーパターンが設けられている金型を用いた実施例では、板厚の最大値と最小値との差が３２μｍと小さかった。このことより、本発明のシートプレス成形方法は、成形体の板厚偏差を低減する効果があることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００８３】
本発明は、シートプレス成形方法および燃料電池用セパレータの製造方法に適用できる。
【符号の説明】
【００８４】
３ａ、３ｂ、３ｃ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２４ｅ…凹部、
１０、４０…金型（型）、
１、１１、２０１…下金型、
１２、２１２…上金型、
３、１３…凹凸パターン、
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ…凸部、
１４…内部、
１４ｂ…側面、
２０、２１…シート状材料、
２３、３０、１３０、２３０…成形品、
２４…ダミーパターン、
２４ａ、２２４ａ…ダミー凸部、
３１…流路用パターン、
３２…凹凸パターン部、
３５…燃料電池用セパレータ。
【図１】
0005548680.tif 000005
【図２Ａ】
0005548680.tif 000006
【図２Ｂ】
0005548680.tif 000007
【図２Ｃ】
0005548680.tif 000008
【図２Ｄ】
0005548680.tif 000009
【図３Ａ】
0005548680.tif 000010
【図３Ｂ】
0005548680.tif 000011
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
0005548680.tif 000013
【図４】
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【図５Ａ】
0005548680.tif 000015
【図５Ｂ】
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