(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板部と該平板部の表面に形成された凸状部とを有し、前記凸状部によって表面に凹凸形状が形成された断面構造を有する燃料電池用セパレータの作製方法であって、
凹凸形状に対応した型に膨張黒鉛粉を含む原料の充填を行う工程と、
前記型に充填された原料を加圧圧縮する工程と、
を有し、
前記充填を行う工程は、凹凸形状の山部ではその長手方向に沿って１次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、谷部においてはその平面方向に沿って２次元的に配向している膨張黒鉛粉が多くなるように充填を行い、
前記加圧圧縮する工程は、凹凸形状の山部と谷部とで独立に行うことを特徴とする燃料電池用セパレータの作製方法。
【請求項２】
山部に対する加圧圧縮用の押し型と、谷部に対する加圧圧縮用の押し型とを用い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の作製方法。
【請求項３】
平板部と該平板部の表面に形成された凸状部とを有し、前記凸状部によって表面に凹凸形状が形成された断面構造を有する燃料電池用セパレータであって、
構成材料として膨張黒鉛粉を含み、
前記凸状部においてはその長手方向に沿って１次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、前記平板部においてはその平面方向に沿って２次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、かつ、
前記凸状部における膨張黒鉛粉の平均粒径が前記平板部における膨張黒鉛粉の平均粒径よりも小さく、
前記凸状部においてはその高さ方向における電気伝導率及び熱伝導率が他の方向に比較して大きく、
前記平板部においてはその平面方向における電気伝導率及び熱伝導率が平均化されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【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作製方法に関する。特に膨張黒鉛を原料として用いた燃料電池セパレータ及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、複数の単位セルを数十〜数百個直接に重ねて所定の電圧を得ている。
【０００３】
単位セルは、例えば固体高分子型の燃料電池であれば、固体高分子膜を境にして、アノード側に水素ガスやメタノールガス（燃料ガスと称される）が流れ、カソード側に酸素ガスや空気（酸化剤と称される）が流れる。
【０００４】
単位セルの概略は、最も基本的な構造の場合、セパレータ／アノード電極／触媒膜／固体高分子膜／触媒膜／カソード電極という構成を有している。ここでは詳述しないが、この構造を基本としてその他数々のバリエーション構造がある。
【０００５】
この構成の中で特にセパレータに関して高度な技術が要求されている。具体的には、
（１）高い導電性。
（２）腐食性電解質に対する耐性。
（３）ガスを分離するための気密性。
（４）強度。
（５）複雑な形状を形成するための成形性。
（６）低コスト性。
（７）耐膨潤性（水やリン酸液に浸しても膨潤しないもの）。
（８）耐熱性（反応時の発熱に耐えるもの）。
といった要求事項を同時に満足することが要求される。
【０００６】
上記要求を満足する材料として膨張黒鉛が知られており、膨張黒鉛粉を所定の型に充填し、加圧圧縮してセパレータを作製することが行われている。
【０００７】
例えば、図５（Ａ）に示すように、メス型３２に膨張黒鉛粉３３を充填し、これを、複数の凸部３１ａを備える押し型（オス型）３１でもって圧縮成形することで、図５（Ｂ）に示すように、複数の山部３５が平板部３６上に形成された断面凹凸状の膨張黒鉛からなるセパレータ３４が得られる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記セパレータ３４は、凹凸部の山部３５で密度が低く、谷部３６ａで密度が高いものとなってしまう。これは、成形に際して、オス型３１の凸部３１ａ間に膨張黒鉛粉３３が押し込まれ、凸部３１ａの頂部の平面で膨張黒鉛粉をメス型３２に押し付けるため、セパレータ３４の山部３５においては空隙が存在し易くなり、谷部３６ａにおいては膨張黒鉛粒３３が潰れて扁平になり高密度となるためである。
【０００９】
このような状態では、山部３５が脆くなって強度不足となり、割れや変形が発生し易いものとなってしまう。
【００１０】
燃料電池は多数のセルが積層される構造を有しており、セパレータ３４にはその厚み方向、即ち山部３５の高さ方向に大きな圧力が加わる。
【００１１】
従って、山部３５の強度が弱いと、積層時の圧力を受けてそこに割れが発生したり、変形したり、応力が緩和されて接触抵抗が増大したりするなどの問題が発生する。
【００１２】
セパレータ３４に割れが発生することは、ガスを分離する能力を低下させることになり好ましくない。即ち、セパレータ３４の気密性が低下し、ガスがセパレータ３４を透過してしまうことになるので好ましくない。
【００１３】
また、山部３５の変形は、ガスや反応で生じた水の流路が狭められ、ガスや水の流れが妨げられることになるのでやはり好ましくない。さらに、セパレータ３４の接触抵抗が高くなることは、燃料電池自体の内部抵抗が高くなることにつながりやはり好ましくない。
【００１４】
上記の問題は膨張黒鉛粉の流動性の低さにも起因しており、この問題を緩和するために樹脂バインダーを配合する方法があるが、さして効果がないのが現状である。
【００１５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、膨張黒鉛からなる燃料電池用のセパレータの山部の密度を高め、強度や電気特性、伝熱特性に優れた燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池用セパレータの山部と谷部に対応させて膨張黒鉛粉を含む原料の充填を行い、各々独立に成形することにより、最終的に得られる成型品の密度が各部で均一となるようにしたものである。
【００１７】
即ち、本発明は、平板部と該平板部の表面に形成された凸状部とを有し、前記凸状部によって表面に凹凸形状が形成された断面構造を有する燃料電池用セパレータの作製方法であって、凹凸形状に対応した型に膨張黒鉛粉を含む原料の充填を行う工程と、前記型に充填された原料を加圧圧縮する工程とを有し、前記充填を行う工程は、凹凸形状の山部ではその長手方向に沿って１次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、谷部においてはその平面方向に沿って２次元的に配向している膨張黒鉛粉が多くなるように充填を行い、前記加圧圧縮する工程は、凹凸形状の山部と谷部とで独立に行うことを特徴とする燃料電池用セパレータの作製方法である。
【００１８】
また、本発明は、平板部と該平板部の表面に形成された凸状部とを有し、前記凸状部によって表面に凹凸形状が形成された断面構造を有する燃料電池用セパレータであって、構成材料として膨張黒鉛粉を含み、前記凸状部においてはその長手方向に沿って１次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、前記平板部においてはその平面方向に沿って２次元的に配向している膨張黒鉛粉が多く、かつ、前記凸状部における膨張黒鉛粉の平均粒径が前記平板部における膨張黒鉛粉の平均粒径よりも小さく、前記凸状部においてはその高さ方向における電気伝導率及び熱伝導率が他の方向に比較して大きく、前記平板部においてはその平面方向における電気伝導率及び熱伝導率が平均化されていることを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の燃料電池用セパレータを示す斜視図（ａ）  及び（ａ）  のＡＡ断面図（ｂ）  であり、図２はその作製方法を説明するための工程図であり、図３は作製に使用される成形型の一例を示す斜視図である。
【００２０】
図１に示されるように、本発明に係る燃料電池用セパレータ１０９は、平板部１１０の一方の表面に凸状に突出した山部１１１が形成された断面構造を有し、この山部１１１により凹凸形状を表面に有したものであり、その形状自体は従来のセパレータと同様である。
【００２１】
上記セパレータ１０９は図２（Ａ）〜（Ｄ）に示す工程に従って作製される。尚、各図は図１（ａ）のＡＡ断面に沿って示してある。作製には、図３に示す成形型を用いる、この成形型は、平板部１１０に対応する枠体からなる型１０４と、山部１１１に対応して複数の深いスリット状の開口が形成された角柱状の型１０１とを用いる。また，平板部用の型１０４には充填状態を良好にするために充填用格子１０６が挿通される。
【００２２】
これらの型１０１．１０４はメス型であり、それぞれの内部に膨張黒鉛粉が充填され、それぞれと対をなす押し型（オス型）１０７，１０３によって加圧圧縮が行われる。型１０４に対応する押し型１０７は、平板部１１０と同一形状の平面を有する。また、型１０１に対応する押し型１０３は、型１０１の開口を挿通可能な平板が複数立設しており、断面略櫛状を呈する。
【００２３】
セパレータ１０９の作製は、上記の成形型を用いて、先ず図２（Ａ）に示すように山部１１１用の型１０１に、その開口底部を押し型１０３の先端で閉鎖した状態で膨張黒鉛粉１０２を充填する。
【００２４】
次いで、図２（Ｂ）に示すように平板部１１０用の型１０４を設置し、膨張黒鉛粉１０５を充填して押し型１０７を載置する。
【００２５】
尚、上記において膨張黒鉛粉は単独使用の他に、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等のバインダーを２０重量％程度配合してもよい。更に、他の導伝性材料や補強用フィラー等を適量配合してもよい。
【００２６】
次いで、図２（Ｃ）に示すように押し型１０３，１０７を所定の圧力で押し込み膨張黒鉛粉１０２，１０５を所定厚みとなるように圧縮する。この圧縮により、平板部１１０と山部１１１とが一体に成形され、図２（Ｄ）に示すようにセパレータの予備成形体１０８が得られる。尚、この予備成形は、例えば１００ｋｇｆ／ｃｍ２  程度の圧力で行う。
【００２７】
そして、得られた予備成形体１０８を所定の型に装填して本成形を行うことにより、本発明の燃料電池用セパレータ１０９が完成する。尚、この本成形は、例えば５０〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ２  、１２０〜３００℃の条件で行う。
【００２８】
得られたセパレータ１０９は、図４に模式的に示すように、その山部１１１においては膨張黒鉛粒１０２はその長軸が山部１１１の長手方向に沿って１次元的に配向しており、平板部１１０においては膨張黒鉛粒１０５はその長軸が平板部１１０の平面に沿って２次元的にランダムな方向を向いた状態となっている。膨張黒鉛粉は略針状の粉末であり、その長軸方向における電気伝導率及び熱伝導率がその短軸（径）方向におけるそれよりも格段に小さい（電気伝導率では約１／１０００倍、熱伝導率で約１／１００倍程度）。従って、山部１１１においてはその高さ方向（セパレータの厚さ方向）における電気伝導率及び熱伝導率が他の方向に比較して大きくなり、平板部１１０においては、その垂直方向（厚さ方向）における電気伝導率及び熱伝導率が他の方向に比較して大きくなるとともに、その平面方向における電気伝導率及び熱伝導率は平均化されたものとなる。
また、膨張黒鉛粒の粒径については、山部１１１の膨張黒鉛粒１０２の方が平板部１１０の膨張黒鉛粒１０５よりも平均して小さくなる。
【００２９】
上記のような状態は、以下の理由によるものと考えられる。
膨張黒鉛粉は、揮発分が１０〜１５％の酸処理黒鉛を１０００℃程度の高温で処理して２〜５ｍｍ程度に膨張させたものであり、略針状の粉末である。尚、本発明においては、この膨張黒鉛粉を目開き０．８４〜０．１７７ｍｍメッシュにより篩分けしたもの（嵩密度７〜１００ｋｇ／ｃｍ３  ）を用いることが好ましい。一般に燃料電池用セパレータの山部１１１の幅は１〜５ｍｍ程度で、隣接する山部との間隔も１〜５ｍｍ程度である。従って、成形用の型１０１のスリット状の開口の幅も１〜５ｍｍ程度となり、図２（Ａ）において、膨張黒鉛粉１０２はその長軸が型１０１内では開口の長手方向（図中、スリットの延在方向）に沿って１次元的に配向するように充填され、一方図２（Ｂ）  においては、膨張黒鉛粉１０５はその長軸が押し型１０７の平面方向に２次元的にランダムな方向を向いた状態で充填される。
【００３０】
そして、図２（Ｃ）において上記の充填状態を保ったまま加圧圧縮される。その際、型１０１内では押し型１０３のストロークが長くなるので、膨張黒鉛粉１０２はその長軸に沿って押し潰つぶされる割合が高くなり、平均的に粒が小さくなる。その結果、セパレータ１０９の山部１１１では膨張黒鉛粒１０２が高密度化されて強度が高まり、また膨張黒鉛粒１０２の長軸が山部１１１の長手方向に１次元的に配向するので、山部１１１の高さ方向における電気伝導率及び熱伝導率が高くなる。
【００３１】
他方、型１０４内では、その平面方向に膨張黒鉛粉１０５の長軸が２次元的にランダムに配向しており、そのままの状態で成形される。また、押し型１０７のストロークも短い。従って、セパレータ１０９の平板部１１０では、膨張黒鉛粉１０５は加圧圧縮の際に粉砕されにくく、またその垂直方向における電気伝導率及び熱伝導率が高くなる。更に、型１０４内では、その平面方向に膨張黒鉛粉１０５の長軸が２次元的にランダムに配向しているので、平板部１１０の平面方向における電気伝導率及び熱伝導率は平均化されたものとなる。
【００３２】
上記のように、膨張黒鉛粉は、その長軸方向における電気伝導率が短軸方向に比べて約１／１０００倍で、熱伝導率が約１／１００倍程度である。
しかし、本発明においては、単結晶構造ではなく、また完全に配向している訳ではないので、上記ほどの異方性配向とはならないが、電気伝導度の異方性は１／１０〜１／１００倍程度の違い、熱伝導率の異方性は１／２〜１／１０倍程度の違いとなる。尚、この異方性は成型時の条件によって変化する。
【００３３】
【作用】
以上のように，本発明によれば、膨張黒鉛粉の充填を個別に行える型を用い、加圧圧縮をそれぞれ独立に行うことで、山部１１１の密度が高められて平板部１１０との密度差が無くなり、均質で、電気導電率及び熱伝導率が高いセパレータが得られる。
【００３４】
また、山部１１１において、その厚さ方向における電気伝導率と熱伝導率とが他の方向に比較して大きいことは、セパレータ１０９の体積抵抗（厚さ方向の抵抗）を低減させることに寄与する。また、発電電流の損失やそれによる発熱を抑えることに寄与する。更に、山部１１１の強度が高いことから、気密性にも優れる。
【００３５】
また、平板部１１０において、面方向における電気伝導率及び熱伝導率が平均化されていることは、面方向における発電のための反応ムラを抑制することに寄与する。更に、平板部１１０においては、面方向に膨張黒鉛粒が配向しているので、ピンホール等の存在が少なく、気密性を維持する上で有利となる。しかも、クラックが発生しにくい構造にもなり、セパレータ１０９に柔軟性を付与する点でも効果がある。
【００３６】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を更に説明する。
膨張黒鉛粉体８０重量％とフェノール樹脂粉末２０重量％とを混合した原料を用い、図３に示す成形型を用いて図２（Ａ）〜（Ｃ）に従って１００ｋｇｆ／ｃｍ２  で予備成形を行い、図２（Ｅ）に示す予備成形体を作製した。次いで、２００ｋｇｆ／ｃｍ  ２、１８０℃で本成形を行いセパレータを作製した（実施例）。セパレータの寸法は、平板部は厚さが０．５ｍｍで、山部の長手方向に沿う一辺が１００ｍｍ、それと直交直行する方向の一辺が１００ｍｍであり、山部は高さ１．５ｍｍ、幅１．５ｍｍで、山部の間隔は１．５ｍｍである。
【００３７】
また、同一原料を用いて，図５に示す従来の方法に従い圧縮圧力３００ｋｇｆ／ｃｍ  ２で予備成形を行い、その後２００ｋｇｆ／ｃｍ  ２、１８０℃で本成形を行ってセパレータを作製した（比較例）。
【００３８】
得られた各セパレータについて、表１に示すような物性値が得られた。表１から明らかなように、比較例のセパレータでは山部の密度が小さくなってしまうが、実施例のセパレータではそのようなことはなく、密度を均一なものにできる。
【００３９】
また、実施例のセパレータは比較例のセパレータに比べてガス透過性が低く、また初期変形量や水中での５００時間後のクリープ量も小さいことが分かる。
【００４０】
【表１】
0003549765.tif 000002
【００４１】
以上、本発明に関して説明してきたが、本発明は種々の変更が可能である。
例えば，山部と平板部との充填密度を独立に調整することができるので、原材料やその配合の違いによる流動性の影響を考慮した充填が可能である。
【００４２】
また、山部と谷部への充填密度を独立に調整することができることを利用することで、燃料電池用セパレータの山部と谷部とにおいて、個別に充填密度（最終状態における原料の密度）を設定することもできる。例えば、セパレータ全体において充填密度を均一にする場合のみではなく、故意に山部と谷部とで最終的な充填密度を異ならせることができる。
【００４３】
更に、ここでは燃料電池用セパレータとして、一方の面に凹凸が形成された構造のものを示したが、両面に凹凸構造を有するものを作製することもできる。また、凹凸の形状も本実施の形態で示すもの以外に対応することもできる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、密度が均一で、電気伝導率や熱伝導率に優れ、また強度も高く、気密性にも優れた膨張黒鉛粉を成形してなるセパレータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）  は本発明の燃料電池用セパレータを示す斜視図であり、（ｂ）  は  （ａ）のＡＡ断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池用セパレータを作製する工程を示す図である。
【図３】図２に示す工程で使用される成形型の一例を示す斜視図である。
【図４】本発明により得られた燃料電池用セパレータの構造を示す模式図である。
【図５】従来技術における燃料電池用セパレータの作製工程を示す図である。
【符号の説明】
１０１    メス型
１０２    メス型１０１に充填された原料粉末
１０３    オス形
１０４    メス型
１０５    メス型１０４に充填された原料粉末
１０６    充填用格子
１０７    オス型
１０８    予備成形体
１０９    燃料電池用セパレータ
１１０    平板部
１１１    山部
【図１】
0003549765.tif 000003
【図２】
0003549765.tif 000004
【図３】
0003549765.tif 000005
【図４】
0003549765.tif 000006
【図５】
0003549765.tif 000007