(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料或いは金属複合材料による導電性コア部と、該導電性コア部を被覆する導電性接着層と、該導電性接着層上に形成した導電性スキン部とよりなり、導電性コア部と導電性スキン部とが導電性接着層により接着されている燃料電池用セパレータであって、前記導電性接着層は、２種以上の炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとすると共に、導電性フィラー１００重量部に対して樹脂を１０〜６７重量部とした炭素含有導電性接着剤により形成され、前記導電性スキン部は、炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとすると共に、導電性フィラー１００重量部に対して樹脂を３〜２０重量部とした炭素含有複合材料により形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
導電性コア部が金属板により形成されている請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータを使用してなる固体高分子型燃料電池。
【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に関するものであリ、更に詳しくは、薄板化してもその強度やガス不浸透性が低下することのない燃料電池用セパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池用セパレータは、一般的に平板の両面又は片面に複数の平行する溝を形成してなるもので、燃料電池セル内のガス拡散電極で発電した電気を外部へ伝達すると共に、発電の過程で前記溝中に生成した水を排水し、当該溝を燃料電池セルへ流入する反応ガスの流通路として確保するという役割を担っている。
【０００３】
近年の燃料電池の軽量化や薄型化に伴い、上記のような燃料電池用セパレータについても薄板化することが求められるようになったが、従来の燃料電池用セパレータは、単に薄板化すると強度が低下し、ガス浸透性が高くなってしまうという問題があった。
【０００４】
上記の問題を解決するために、カーボン粉末とフェノール樹脂との混合物をモールド成形し、金属メッシュ或いは金属片を中心部に含む構造の燃料電池用セパレータ（特開昭５９−１４９６５７号公報参照）や、圧縮可能な導電性シート間に金属シートを挿入し、圧力をかけて圧着すると同時にガス流路を打ち出すことにより得られた燃料電池用セパレータ（米国特許明細書第５，５２７，３６３号参照）が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記カーボン粉末とフェノール樹脂とモールド成形品で金属メッシュ等を中心部に含む燃料電池用セパレータには、燃料電池の組み立て時の衝撃や、締め付け等の外圧により、モールド成形品内で金属メッシュ等が剥離しやすく、導電性やガス浸透性が高くなってしまうという、従来のものと同様の問題がある。
【０００６】
又、圧縮可能な導電性シート間に金属シートを挿入し、圧力をかけて圧着することにより得られた燃料電池用セパレータには、導電性シートと金属シートを単に圧着しているだけなので、接着強度が不十分であり、このため、熱水中での使用に際してそれらが剥離してしまうという問題を生じる恐れがあるばかりか、導電性シートと金属シートの密着性が悪いために、導電性シートと金属シートとの間の接触抵抗が高くなってしまい、燃料電池用セパレータとしての抵抗値が高く、特に熱水中での経時変化が激しくなるという難点がある。
【０００７】
本発明は、上記のような従来技術の難点を解消し、薄板化してもその強度やガス不浸透性が低下することのない燃料電池用セパレータを提供することを目的としてなされた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が採用した燃料電池用セパレータの構成は、金属材料或いは金属複合材料による導電性コア部と、該導電性コア部を被覆する導電性接着層と、該導電性接着層上に形成した導電性スキン部とよりなり、導電性コア部と導電性スキン部とが導電性接着層により接着されている燃料電池用セパレータであって、前記導電性接着層は、２種以上の炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとすると共に、導電性フィラー１００重量部に対して樹脂を１０〜６７重量部とした炭素含有導電性接着剤により形成され、前記導電性スキン部は、炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとすると共に、導電性フィラー１００重量部に対して樹脂を３〜２０重量部とした炭素含有複合材料により形成されていることを特徴とするものである。
【０００９】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１０】
本発明の燃料電池用セパレータは、例えば図１に示すように、金属材料或いは金属複合材料による導電性コア部１と、該導電性コア部１を被覆する導電性接着層２と、該導電性接着層２上に形成した導電性スキン部３とよりなるものである。尚、４は燃料電池セルへ流入する反応ガスの流通路である。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレータは、図１に示す形状に限定されることはなく、例えば反応ガスの流通路４を上部にも形成したものであってもよい。
【００１２】
上記導電性コア部１は、チタン、アルミニウム、ステンレス等に代表される金属材料、具体的には例えばアルミニウム板或いはステンレス板や、これら金属材料に貴金属やカーボン材料等をコーティングした金属複合材料により形成されている。
【００１３】
上記導電性コア部１の形状としては、例えば、図１に示されているような厚さ５μｍ乃至３ｍｍ程度のシート状物、或いは、燃料電池用セパレータに対応する形状を有しているものや、燃料電池用セパレータに対応する形状をその一部に有しているものを挙げることができる。
【００１４】
又、後述する導電性スキン部３との接着性を高めるために、導電性コア部１に対して、例えばブラスト処理、放電処理、ラッピング、ポリッシング等の機械的な研磨方法による表面処理を施してもよい。
【００１５】
図１において、導電性コア部１を被覆する導電性接着層２は、導電性を有する接着剤を用いて形成されるものであり、この導電性を有する接着剤としては、例えば、炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとする炭素含有導電性接着剤を挙げることができる。
【００１６】
上記導電性を有する接着剤における導電性フィラーとしての炭素粉末は、導電性を付与する目的に使用し得るものであれば特に制限はないが、例えば、リン片状黒鉛、土塊状黒鉛等の天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラックより選ばれた２種類以上の混合物を挙げることができる。
【００１７】
又、上記導電性を有する接着剤におけるバインダとしての樹脂としては、導電性を向上させると共に、スキン部とコア部との接合を強化する目的に使用し得るものであれば特に制限はないが、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ゴムより選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができ、これらは液状のものであっても、エマルジョン状のものであってもよい。
【００１８】
上記熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリアミノビスマレイミド樹脂、芳香族ポリイミド樹脂より選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができる。
【００１９】
又、上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルフォン、ポリカーボネート、ポリオキサメチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、ポリフェニールサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、ポリエーテルケトン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン、フッ素系樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル樹脂、液晶ポリエステル樹脂、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルニトリル、ポリチオエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルより選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができる。
【００２０】
更にゴムとしては、例えば、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、二トリルゴム、二トリルクロロプレンゴム、塩素化ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイドゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド−アクリルグリシルエーテル３次元共重合体、ウレタンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、天然ゴムより選ばれた１種類又は２種類以上の混合物を挙げることができる。
【００２１】
尚、上記導電性を有する接着剤には、必要に応じて、分散剤、増粘剤、安定剤、消泡材等の添加剤を添加してもよい。
【００２２】
上記導電性を有する接着剤における炭素粉末と樹脂との量比としては、炭素粉末１００重量部に対して、樹脂１０〜６７重量部という範囲を挙げることができる。尚、樹脂が１０重量部を下回る場合は、十分な接着層を得ることができないという問題が生じ、６７重量部を上回る場合には、固有抵抗が高くなるという問題が生じ、いずれも好ましくない。
【００２３】
上記炭素粉末と樹脂とは単に混合するだけでよく、こうして得られた導電性接着剤を導電性コア部１に適用し、導電性接着層２により該導電性コア部１を被覆する方法としては、キャスティング、ディップコーティング、スプレー、刷毛塗り、スクリーン印刷等の従来公知の方法を挙げる事ができ、こうして塗布された導電性接着剤については、塗布したままの状態で、後述する導電性スキン部との接合工程へ導入してもよいし、或いは、例えば乾燥機の中に入れて、乾燥・硬化させてもよい。尚、この乾燥工程における乾燥温度としては、３０℃〜２００℃という範囲を例示することができる。
【００２４】
尚、導電性接着層２の厚さとしては、０．１μｍ〜２００μｍという範囲を例示することができ、この範囲を上回る場合には、十分な接着強度を得ることができず、好ましくない。
【００２５】
本発明の導電性スキン部３は、被接触体(膜電極、カーボンペーパー等)との接触抵抗を低減することを目的としており、導電性スキン部３を構成する、接触抵抗を低減するための素材としては、炭素粉末を導電性フィラーとし、樹脂をバインダとする炭素含有複合材料を挙げることができる。
【００２６】
上記接触抵抗を低減するための素材における導電性フィラーとしての炭素粉末は、導電性を付与する目的に使用し得るものであれば特に制限はないが、上記導電性を有する接着剤の場合と同様に、例えば、リン片状黒鉛、土塊状黒鉛等の天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、アセチレンブラック、カーボンブラック、ケッチェンブラックより選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができる。
【００２７】
又、上記接触抵抗を低減するための素材におけるバインダとしての樹脂としては、導電性を向上させると共に、スキン部の強度を向上する目的に使用し得るものであれば特に制限はないが、上記導電性を有する接着剤の場合と同様に、例えば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ゴムより選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができ、これらは液状のものであっても、エマルジョン状のものであってもよい。
【００２８】
上記熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂、エポキシ樹脂、セルロース、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、ポリアミノビスマレイミド樹脂、芳香族ポリイミド樹脂より選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができる。
【００２９】
又、上記熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルスルフォン、ポリカーボネート、ポリオキサメチレン、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルアルコール、ポリビニルクロライド、ポリフェニールサルフォン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、ポリエーテルケトン、ポリアリレート、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン、フッ素樹脂、ポリオキシベンゾイルエステル樹脂、液晶ポリエステル樹脂、芳香族ポリエステル、ポリアセタール、ポリアリルスルホン、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテルニトリル、ポリチオエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテルより選ばれた1種類又は2種類以上の混合物を挙げることができる。
【００３０】
更にゴムとしては、例えば、フッ素ゴム、シリコーンゴム、ブチルゴム、クロロプレンゴム、ニトリルゴム、ニトリルクロロプレンゴム、塩素化ブチルゴム、エピクロルヒドリンゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイドゴム、エピクロルヒドリン−エチレンオキサイド−アクリルグリシルエーテル３次元共重合体、ウレタンゴム、アクリルゴム、エチレン−プロピレンゴム、スチレンゴム、ブタジエンゴム、天然ゴムより選ばれた１種類又は２種類以上の混合物を挙げることができる。
【００３１】
本発明の導電性スキン部３を構成する接触抵抗を低減するための素材における炭素粉末と樹脂との量比としては、炭素粉末１００重量部に対して、樹脂３〜２０重量部という範囲を挙げることができる。尚、樹脂が３重量部未満の場合には、導電性スキン部３が十分な強度を保つことができず、例えば燃料電池発電の際の生成水によって導電性スキン部３が崩壊してしまうというおそれがあり、又、２０重量部を超える場合には、固有抵抗が高くなるという問題がある。
【００３２】
尚、上記導電性を有する接着剤と接触抵抗を低減するための素材を同一のものとすることにより、導電性接着層２と導電性スキン部３とを一体化させることもできる。
【００３３】
一方、本発明の燃料電池セパレータは、導電性スキン部３を形成する態様に応じ、少なくとも３種類の方法によって製造することができる。
【００３４】
即ち、第1の製造方法は、図２に示すように、導電性スキン部３を予め作製しておき、導電性接着剤で導電性コア部１と接合する方法であり、第2の製造方法は、図３に示すように、導電性接着剤を塗布して張り合わせてある導電性コア部−スキン部接合体を金型内に投入して、セパレータ形状に成形する方法であり、そして第3の製造方法は、図４に示すように、導電性接着剤を塗布してある導電性コア部１に対して、両面又は片面に導電性スキン部の原料を投入して成形する方法である。
【００３５】
本発明では、上記の通り、導電性コア部１と、導電性スキン部３とを、導電性接着層２により接着することにより燃料電池用セパレータを得るのであるが、この工程でも従来公知の方法を用いることができ、例えば、モールド成形、射出成形、押し出し成形、ロール成形、静水圧成形等の方法を採用することができる。
【００３６】
以下に本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００３７】
実施例１〜４
リン片状黒鉛（平均粒径３μｍ）５０重量部とアセチレンブラック（平均粒径４０ｎｍ）５０重量部とフェノール樹脂３２重量部をボールミルにて混合し、導電性接着剤を作製した。又、コア部としてステンレス鋼板（ＳＵＳ３１６、厚さ０．１ｍｍ、溝なしの平板）を用い、この全面に前記導電性接着剤をスプレーで塗布し、導電性接着剤を乾燥し、厚さ３０μｍの導電性接着剤層を形成した。
【００３８】
図２に示すように、リブのついたセパレータ成形用金型に、表１に示すスキン部原料混合物を投入して、あらかじめ導電性スキン部のみを２つ成形し、成形した導電性スキン部を金型内に残して、コア部を接合させる側の上型又は下型を除いた。２つの成形した導電性スキン部を残した金型間に、前記導電性接着層を被覆した導電性コア部を装着し、１５２℃、１２０kg／cm2で５分間成形を行い、中心部に導電性コア層を有する、厚さ２ｍｍのセパレータを製造した。
【００３９】
作製した燃料電池用セパレータの固有抵抗及びガス透過率を測定し、更に、JIS K6400（軟質ウレタンフォーム試験方法）で使用されている繰り返し圧縮試験機に作製した燃料電池用セパレータを装着し、２０回の繰り返し圧縮を与えた後のセパレータの状態を観察した。又、この燃料電池セパレータを固体高分子型燃料電池に組み入れ、１００kg/cm2の圧力で締め付け、この状態で燃料電池を５００時間発電し、初期の電圧を１００とした時の５００時間後の電圧降下を測定した。又、５００時間発電した後でこの燃料電池を解体し、セパレータの様子を観察した。これら試験、観察結果を表１に示す。
【００４０】
実施例５〜８
実施例１〜４において、コア部材料としてアルミ板（厚み０．１ｍｍ、溝なしの平板）を用いた以外は同様にして、スキン部に表１に示すスキン部原料混合物を用いた燃料電池セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表１に示す。
【００４１】
【表１】
0003692274.tif 000002
【００４２】
実施例９〜１８
実施例４において、導電性接着層を形成する導電性接着剤の種類、組成、及び導電性接着層の厚みを変えた以外は同様にして、燃料電池用セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表２に示す。
【００４３】
【表２】
0003692274.tif 000003
【００４４】
実施例１８
実施例４において、セパレータの成形を図３に従い、平板状に成形した導電性スキン部を導電性接着層でコア部と張り合わせて接合前駆体を作製し、次にリブのついたセパレータ成形金型にこの接合前駆体を装着して、導電性スキン部とコア部とを接合した以外は同様にして、燃料電池用セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表３に示す。
【００４５】
実施例１９
実施例４において、セパレータの成形を図４に従い、リブのついたセパレータ成形金型の下型に導電性スキン部の原料のうち半分を投入し、ついで導電性接着剤を塗布したコア部を投入し、更にその上に導電性スキン部の残りの原料を投入して成形した以外は同様にして、燃料電池用セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表３に示す。
【００４６】
比較例１
実施例２のスキン部の組成を用いてモールド成形を行い、厚さ１．０ｍｍの燃料電池用セパレータを製造した。実施例１と同様に、燃料電池内に組み入れて締付けた後に解体し、その際の燃料電池用セパレータの固有抵抗、ガス透過率、電圧値及び燃料電池用セパレータの外観状態について観察した。結果を表３に示す。
【００４７】
比較例２
アルミ板の両面に液晶ポリマーを射出成形して、セパレータ基材を形成し、その上に金を蒸着して、厚さ１．０ｍｍの燃料電池用セパレータを製造した。実施例１と同様に、燃料電池内に組み入れて締付けた後に解体し、その際の燃料電池用セパレータの固有抵抗、ガス透過率、電圧値及び燃料電池用セパレータの外観状態について観察した。結果を表３に示す。
【００４８】
比較例３
実施例１においてコア部分にかわりにアルミメッシュを入れて、モールド成形を行い、厚さ１．０ｍｍの燃料電池用セパレータを製造した。実施例１と同様に、燃料電池内に組み入れて締付けた後に解体し、その際の燃料電池用セパレータの固有抵抗、ガス透過率、電圧値及び燃料電池用セパレータの外観状態について観察した。結果を表３に示す。
【００４９】
比較例４
アルミシート（厚さ１．０ｍｍ）の両面に膨張黒鉛シートを挟み込み、モールド成形を行い、厚さ１．０ｍｍの燃料電池用セパレータを製造した。実施例１と同様に、固体高分子型燃料電池内に組み入れて締付けた後に解体し、その際の燃料電池用セパレータの固有抵抗、ガス透過率、電圧値及び燃料電池用セパレータの外観状態について観察した。結果を表３に示す。
【００５０】
【表３】
0003692274.tif 000004
【００５１】
比較例５
実施例１において、スキン部の樹脂量を３５重量％とした以外は同様にして燃料電池セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表４に示す。
【００５２】
比較例６
実施例１３において導電性接着剤における樹脂の量を１５０重量部とした以外は同様にして燃料電池セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表４に示す。
【００５３】
【表４】
0003692274.tif 000005
【００５４】
比較例７
実施例５において、スキン部の樹脂量を３５重量％とした以外は同様にして燃料電池セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表５に示す。
【００５５】
比較例８及び９
実施例１７において、導電性接着剤における炭素粉末を１種類とした以外は同様にして燃料電池セパレータを作製し、実施例１〜４と同様に評価した。その結果を表５に示す。
【００５６】
【表５】
0003692274.tif 000006
【００５７】
【発明の効果】
本発明では、導電性コア部と導電性スキン部とが導電性接着層により接着されているので、導電性コア部と導電性スキン部との間で剥離を生じにくく、薄板化してもその強度やガス不浸透性が低下することがない。
【００５８】
又、導電性コア部と導電性スキン部とが導電性接着層により接着されている、即ち、導電性コア部と導電性スキン部とが密着しているので、接触抵抗の増加による燃料電池用セパレータとしての抵抗の増加の抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池用セパレータの構造の一例を示す断面図である。
【図２】燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示す概念図である。
【図３】燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示す概念図である。
【図４】燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示す概念図である。
【符号の説明】
１      導電性コア部
２      導電性接着層
３      導電性スキン部
４      反応ガスの流通路
【図１】
0003692274.tif 000007
【図２】
0003692274.tif 000008
【図３】
0003692274.tif 000009
【図４】
0003692274.tif 000010