(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粉末が８６〜９４重量％であり、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）が１．５〜９．４重量％であり、なおかつ、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）およびフェノール樹脂の合計が６〜１４重量％（フェノール樹脂が０重量％の場合を除く）である混合コンパウンドから主としてなり、該混合コンパウンドがフェノール樹脂と黒鉛粉末からなる樹脂カーボン複合材と、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）と黒鉛粉末からなるゴムカーボン複合材とを混合してなる混合コンパウンド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】
請求項１に記載の混合コンパウンドの予備成形体を金型に装入し、熱圧成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、固体高分子型、リン酸型及び溶融炭酸塩型等のタイプがある。例えば固体高分子型の燃料電池は、固体高分子膜を挟んでアノード電極およびカソード電極とセパレータとを設けて単セルを構成し、この単セルを数百個のオーダーで積み重ねて形成されている。アノード電極側に、セパレータに形成されたガス供給溝を通して水素等の燃料ガスを供給し、カソード電極側に酸素等の酸化ガスを供給して電気化学反応を生じさせて、燃料が有する化学エネルギーを電気エネルギーに変換し出力するようになっている。
【０００３】
このような燃料電池に用いられるセパレータの材質特性としては、各単セルで発生した電流がこれらセパレータを通して流れ、また、隣接する単セルは、各々のセパレータを相互に密着させることで、回路的に直列接続構造となるように形成されることから、セパレータ自身の固有抵抗と共に、セパレータ同士を重ねて締付けたときのセパレータ表面間およびセパレータとそれに密着する電極接面間の接触抵抗が極力小さいことが要求される。
【０００４】
また、このような燃料電池は、電気自動車に搭載した場合、電気自動車からの振動または衝撃によって燃料電池が破損する虞があるため、セパレータはそのような振動または衝撃に対する耐性が要求される。
【０００５】
現在、燃料電池用セパレータの材質は、樹脂カーボン複合材（ボンドカーボン）、モールドカーボン、膨張黒鉛、焼結カーボンなどが用いられており、その中でも樹脂カーボン複合材が主流となっている。しかしながら、これらのカーボン材料は導電性に優れているが、強度上、割れやすいという欠点があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、可撓性を持つと共に、電気的特性にも優れた黒鉛製の燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の燃料電池用セパレータは、黒鉛粉末が８６〜９４重量％であり、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）が１．５〜９．４重量％であり、なおかつ、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）およびフェノール樹脂の合計が６〜１４重量％（フェノール樹脂が０重量％の場合を除く）である混合コンパウンドから主としてなり、該混合コンパウンドがフェノール樹脂と黒鉛粉末からなる樹脂カーボン複合材と、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）と黒鉛粉末からなるゴムカーボン複合材とを混合してなる混合コンパウンドであることを特徴とする。
【０００８】
つまり、導電性を有する黒鉛粉末と耐衝撃性や耐振動性の高いゴムと流動性や機械的強度の高い合成樹脂を混合して成形することによって、固有抵抗及び接触抵抗が低く、衝撃や振動に強い燃料電池用セパレータとすることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の燃料電池用セパレータで使用されるゴムはエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）であり、ＥＰＭ（エチレン・プロピレン共重合体）もしくはＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエン共重合体）が挙げられる。
【００１０】
エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）は分子が少ない直線的な分子構造を有しており、この構造によって柔軟性に富む分子状態となり、補強材や軟化剤の包含性が良好となり、黒鉛粉末などを混練りする上で、これらの物質の高充填を可能とする。また、二重結合を主鎖に含有しないため、一般のジエン系ゴムと比較して安定性が大きく、耐熱性、耐酸性や耐アルカリ性などの耐薬品性に優れる。
【００１１】
エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）の中で、ＥＰＭは加硫剤として硫黄を使用することができないため、より好ましくは加硫剤として硫黄や過酸化物を使用することができるＥＰＤＭが挙げられる。
【００１２】
本発明の燃料電池用セパレータで使用される黒鉛粉末は、固定炭素が９０質量％以上の物を用いることを特徴とし、炭素質粉末であれば特に制限されることなく使用することができる。このような黒鉛粉末としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、メソカーボン、コークス粉、木炭粉、籾殻炭、炭素繊維の粉末などが挙げられ、これらの黒鉛粉末はコストなどの条件を考慮して任意に選択することができる。この中でも天然黒鉛や人造黒鉛が電気特性の点で好ましい。上記黒鉛粉末の平均粒子径は特に制限されるものではないが、１〜２５０μｍの範囲であることが好ましく、より好ましくは５０〜１５０μｍ、特に好ましくは１００μｍである。１μｍより小さいと電気抵抗を充分に小さなものとすることができず、２５０μｍを超えると強度が弱くなる。
【００１３】
本発明の燃料電池用セパレータで使用される合成樹脂は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フルフリルアルコール樹脂などのフラン系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂などが挙げられる。これらの樹脂は単独で使用しても良いし、２種以上を組み合わせて用いても良い。
【００１４】
黒鉛粉末、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）および合成樹脂の混合割合は、黒鉛粉末が８６〜９４重量％であり、エチレン・プロピレンゴムが１．５〜９．４重量％であり、なおかつ、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）および合成樹脂の合計が６〜１４重量％である。
【００１５】
黒鉛粉末の配合割合が８６重量％以上であると、固有抵抗および接触抵抗の値が格段に低くなり、セパレータの導電性を高くすることができる。また、黒鉛粉末の配合割合が９４重量％を超えると、混練り時に粘性が高くなりすぎるため、製造上、均一な混合コンパウンドを得ることが困難となる。
【００１６】
エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）の配合割合が１．５重量％以上であると、耐振動性や耐衝撃性が向上するが、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）の配合割合が９．４重量％を超えると、セパレータの導電性が低下する。また、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）と合成樹脂の合計が６重量％以上であると、流動性、機械的強度、耐振動性、および耐衝撃性が向上するが、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）と合成樹脂の合計が１４重量％を超えると、セパレータの導電性が低下する。
【００１７】
また、本発明の燃料電池用セパレータには、本発明の作用を阻害しない範囲で、加硫剤、加硫促進剤、加硫促進助剤、加硫防止剤、軟化剤、老化防止剤、着色剤、可塑剤、熱安定剤、酸化防止剤、難燃剤、離型剤などを加えることができる。
【００１８】
例えば、加硫剤としては、硫黄、有機酸化物、ポリアミン、亜鉛華、マグネシア、酸化鉛などが挙げられる。但し、ＥＰＭを用いる場合、硫黄を使用することはできない。
【００１９】
加硫促進剤としては、グアニジン系、チラウム系、チアゾール系、チオウレア系、スルフェンアミド系、ジチオカルバミン酸系などが挙げられ、上記加硫促進剤と共に使用する促進助剤としては金属酸化物、有機酸などが挙げられる。また、この際、加硫を調節するために加硫防止剤を入れても良い。
【００２０】
軟化剤としては鉱油、石油樹脂、動植物油脂、脂肪酸、タール、ピッチ、アスファルトなどが挙げられる。例えば、ステアリン酸及び粘着剤を添加することにより、ゴムと黒鉛粉末の加工性を向上させることが可能である。
【００２１】
老化防止剤としては、芳香族アミン類、フェノール類の誘導体が挙げられる。
【００２２】
可塑剤としては、フタル酸系、リン酸系、脂肪酸系、エポキシ系などの可塑剤が挙げられる。
【００２３】
熱安定剤としては、金属の塩類が挙げられ、例えば鉛塩、カドミウム塩、バリウム塩、カルシウム塩、スズ塩などが挙げられる。
【００２４】
酸化防止剤としては、アルキルフェノールなどが挙げられる。
【００２５】
難燃剤としては、リン酸エステル、塩素化パラフィンなどのハロゲン化炭化水素、酸化アンチモンなどが挙げられる。
【００２６】
離型剤としては、ステアリン酸、ステアリン酸塩やシリコンオイルなどが挙げられる。
【００２７】
本発明の燃料電池用セパレータは、まず合成樹脂と黒鉛粉末を熱ロール、加圧ニーダまたはミル混合機などで混練後、粉砕、分級し、樹脂カーボン複合材（コンパウンド）とする。また、別にエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）をロール、加圧ニーダ、またはバンバリミキサーなどにて素練りし、その後、徐々に黒鉛粉末を設定量になるまで添加し、均一になるまで混練りし、これらの混合物に、更に加硫剤を添加し混練した後、粉砕、分級してゴム・カーボン複合材（コンパウンド）とする。
【００２８】
上記の樹脂カーボン複合材とゴム・カーボン複合材を各配合比に秤量し、ミキサーにて混合し、混合コンパウンドとする。
【００２９】
上記混合コンパウンドをプレス成形して本成形金型形状に出来る限り近い形状の予備成形体とし、その後、予備成形体を本成形の金型に装入し、成形温度１５０〜２００度、成形圧力１５Ｍｐａ〜５０Ｍｐａにて熱圧成形することにより、最終形状の燃料電池用セパレータが製造される。
【００３０】
上記のようにして製造される本発明の燃料電池用セパレータは、導電性を有する黒鉛粉末と耐衝撃性の高いゴムと流動性や機械的強度の高い合成樹脂衝撃や振動に強く、またエチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）を使用することにより、黒鉛粉末含量を増加させる事が出来、その結果、高い導電性を有する。
【００３１】
以下、実施例によって本発明を更に詳しく説明する。
【００３２】
【実施例】
実施例１〜３と参考例１及び比較例１〜３
樹脂カーボン複合材として、フェノール樹脂（住友ベークライト（株）製、ＰＲ−５１２８３）１５重量％および平均粒子径１００μｍの黒鉛粉末（（株）エスイーシー製、ＳＮ−１００）８５重量％を、熱ロール、加圧ニーダ、またはミル混合機などで混練後、粉砕、分級する。また、ゴムカーボン複合材として、ＥＰＤＭ（ＪＳＲ（株）製、ＥＰ２４）１００重量部をロール、加圧ニーダ、またはバンバリミキサーなどにて素練りし、その後、平均粒子径１００μｍの黒鉛粉末（（株）エスイーシー製、ＳＮ−１００）１２００重量部を設定量になるまで添加し、均一になるまで混練りし、更に、パーヘキサ２５Ｂ（日本油脂（株）製）を添加し混練した後、粉砕、分級する。
【００３３】
上記の樹脂カーボン複合材とゴム・カーボン複合材を表１に示す配合比に秤量し、ミキサーにて混合して混合コンパウンドとし、この混合コンパウンドを予備成形した後、金型に入れて、１７０度、圧力２０ＭＰａにて熱圧成形し、所定形状の成形品を作製した。
【００３４】
【表１】
0003608658.tif 000002
【００３５】
実施例１〜３と参考例１および比較例１〜３で各々得られた各試験片を用いて、固有抵抗・接触抵抗・たわみ量・耐衝撃性を以下の測定法に従って測定した。
測定方法
（１）固有抵抗
体積抵抗率をＪＩＳ  Ｋ  ７１９４に準じて測定した（板厚２ｍｍ）。
（２）接触抵抗
２枚の試験片（□２０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）を測定電極間に重ねて配置し、接触面圧１０ｋｇ／ｃｍ２で加圧し、電流１Ａ流した時の電圧を測定して接触抵抗を求めた。
（３）たわみ量
ＪＩＳ  Ｋ  ６９１１に準じて測定した（試験片：８０ｍｍ×１０ｍｍ×４ｍｍ）。
（４）耐衝撃性
ＪＩＳ  Ｋ  ６７４５に順じて準じて測定した（落下高さ：５０ｃｍ、板厚：２ｍｍ）。なお、試験片１００個のうち、割れたものが存在しない場合を○で、割れたものが存在した場合を×で表した。
【００３６】
【表２】
0003608658.tif 000003
【００３７】
表２に示すように、実施例１〜３は比較例１より固有抵抗値および接触抵抗値が低くなり、特に接触抵抗値が顕著に低下した。
【００３８】
また、表２に示すように、ゴムが添加されていない場合（比較例２）やゴムの添加量が低い場合（比較例３）は、たわみ量が低下し、更に衝撃試験において割れる試験片も存在した。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の燃料電池用セパレータは、導電性を有する黒鉛粉末と耐衝撃性の高いゴムと流動性や機械的強度の高い合成樹脂を混合して成形することによって、衝撃や振動に強い燃料電池用セパレータとすることができ、また、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ，ＥＰＤＭ）を使用することにより、黒鉛粉末を高充填する事が可能となり、それによって高い導電性を有する燃料用セパレータとすることができた。