(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂からなる結合材とを含む成形体の反応ガス流通側表面に、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布がその一方の面を露出し、かつ他方の面を成形体中に埋設して一体化されていることを特徴とする燃料電池用セパレーター。
【請求項２】
前記反応ガス流通側表面に形成されているチャネル形成用の複数の凸状部の頂上部は成形体が露出していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項３】
結合材が、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂およびメラミン樹脂から選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項４】
成形型にレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布を敷きつめ、その上に膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む成形原料を充填し、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加圧することを特徴とする燃料電池用セパレーターの製造方法。
【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ーに関し、さらに詳しくは、表面が親水化された膨張黒鉛製燃料電池用セパレーターに関する。また、本発明は、前記燃料電池用セパレーターの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、燃料電池は、複数の単位セルを数十〜数百個直接重ねて所定の電圧を得ている。
単位セルは、最も基本的な構造の場合、「セパレーター／アノード／固体高分子膜／カソード／セパレーター」という構成であり、セパレータは図３に示すように、平板部１ａと平板部１ａの表面１ｂに形成された凸状部２とを有する成形体Ａであり、隣接する凸状部２によって形成される複数のチャネル３が形成される。そして、例えば固体高分子型の燃料電池であれば、アノード側のセパレーターのチャネル３には水素ガスやメタノールガス等（「燃料ガス」と総称する）が流され、カソード側のセパレーターのチャネル３には酸素ガスや空気（「酸化ガス」と総称する）が流される。
【０００３】
上記燃料電池のセパレーターに関して、一般に次のような要求がなされている。
即ち、（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）等の要求特性を同時に満たすことが求められている。
【０００４】
上記各要求特性を同時に満たす材料として膨脹黒鉛が知られており、膨脹黒鉛と結合材との混合物を、所定形状の型に充填し、加熱、加圧圧縮して硬化させて、膨脹黒鉛を構成成分とするセパレーターを作製することが行われている。
【０００５】
しかし、膨脹黒鉛を構成成分とするセパレーターは、上記各要求を同時に満足するものの、その表面の親水性が十分でないという問題がある。
燃料電池用セパレーターにおいては、酸化ガスの流れるカソード電極側では、生成する水が水滴となってガス詰まり等を起こすことを防ぐために、一方燃料ガスの流れるアノード電極側では、燃料ガスの加湿水分が凝縮水となって析出してもそれが水滴となってガス詰まり等を起こすことを防ぐために、それぞれの水を速やかに排出させる必要がある。従って、燃料電池用セパレーターには、上記の諸特性に加えて、チャネル３の表面が親水性であることも求められている。
【０００６】
これに関して、セパレーターの表面に親水性を付与する方法として、（ａ）セパレーターの表面に親水性の無機粉を塗布する方法（特開昭５８−１５０２７８号公報）、（ｂ）セパレーターの表面に親水性の無機繊維シートを介在させる方法（特開昭６３−１１０５５５号公報）、（ｃ）セパレーターの本体の構成材料に親水性の無機粉を混ぜ込む方法（特開平１０−３９３１号公報）などが提案されている。
【０００７】
しかし、上記（ａ）の従来方法では、セパレーターの表面に塗布された親水性無機粉の層が剥離したり、摩耗したり、更には塗布された親水性無機粉の層が薄すぎて所望の親水性付与効果を得にくいという問題がある。また、上記（ｂ）の従来方法では、セパレーターの表面に介在させた親水性無機繊維シートが剥離したり、更にはこのシートが厚く、単位セルを多数重ねて燃料電池を構成した場合に燃料電池が大きくなるという問題がある。また、上記（ｃ）の従来方法では、期待できる親水性付与効果が小さいという問題がある。
【０００８】
このように、従来の親水性付与技術は十分満足できるものではなく、膨張黒鉛を構成成分とするセパレータにおいても有効な技術とは言えない状況にある。  更には、燃料電池用セパレーターにおいては、上記諸特性に加えて、燃料電池の一般的運転温度である約８０〜１１０℃において水中に金属イオンが溶出しないことも求められており、膨張黒鉛を構成成分とするセパレーターはこの要求に対しても十分満足するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の状況に鑑みなされたものであり、上記に挙げた諸特性に加えて、表面が十分に親水性であり、しかもこの親水性が長期間安定して維持され、更に金属イオンの溶出も少ない燃料電池用セパレーターを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的は、本発明の、膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂からなる結合材とを含む成形体の反応ガス流通側表面に、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布がその一方の面を露出し、かつ他方の面を成形体中に埋設して一体化されていることを特徴とする燃料電池用セパレーター、並びに成形型にレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布を敷きつめ、その上に膨脹黒鉛と熱硬化性樹脂とを含む成形原料を充填し、熱硬化性樹脂の硬化温度にて加圧することを特徴とする燃料電池用セパレーターの製造方法により達成される。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレーターは、セパレーター本体を膨張黒鉛を含有する成形体とすることにより上記した諸特性を同時に満足するとともに、その反応ガス流通側表面に親水性を有するレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布の一方の面が露出した状態で成形体中に埋設されて一体化されているため、これらの不織布は剥離することがなく、親水性が長期にわたり安定して付与される。また、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布がチャネルの全面を覆うため、金属イオンの溶出も抑えられる。しかも、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布は、その厚さにおいて、約半分程が成形体中に埋設されているため、特開昭６３−１１０５５５号公報に記載されているような親水性不織布を介在させたものに比べて装置全体を薄くすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用セパレーターに関して図面を参照して詳細に説明する。
本発明の燃料電池用セパレーターは、膨脹黒鉛と結合材とを含む成形体の反応ガス流通側表面、即ちチャネル形成面を親水性不織布で覆い、一体化したものである。
用いられる膨脹黒鉛としては、従来から知られているものを適宜選択して用いることができる。
結合材も従来から知られている種々の熱硬化性樹脂を適宜選択して用いることができるが、後述される親水性不織布との一体化の点で、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂あるいはメラミン樹脂が好ましい。これらの結合材は、必要に応じて複数種併用することができる。
また、膨脹黒鉛と結合材の配合割合は、必要に応じて適宜設定することができるが、膨脹黒鉛１００重量部に対して結合材５〜５０重量部が適当である。更に、必要に応じて、他の導電性材料や補強用フィラー等の配合材を適量配合することができる。
【００１３】
成形体の形状は適宜選択でき、例えば、図３に示されるように、平板部１ａと平板部１ａの表面１ｂに形成された凸状部２とを有する断面凹凸形状とし、隣接する凸状部２により複数のチャネル３を形成する形状とすることができる。あるいは、図示は省略するが、平板部１ａの両面に凸状部２を形成して両面にチャネル３を形成した形状としてもよい。また、凸状部２の断面形状も制限されるものではなく、図示されるような頂部に向かってやや円弧状に狭窄する略釣鐘状の他、矩形であってもよい。
そして、図１（図３の一点鎖線円部の拡大図）に示すように、この成形体Ａのチャネル３が形成された側の全面を覆うように、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４がその一方の面を露出し、他方の面を成形体Ａ中に埋設した状態で一体化されている。
【００１４】
レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の目付および厚さは、特に限定されるものではないが、目付３０〜８０ｇ／ｍ2 、厚さ０．２２〜０．５ｍｍであることが好ましい。尚、同じレーヨン製であっても、長繊維のものは十分な親水性を付与できない。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレーターは、成形体Ａの成形時に、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一方の面を該成形体Ａの表面に埋没させることにより得られる。
具体的には、成形体Ａを成形するための成形型にレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を敷きつめ、その上に膨脹黒鉛と結合材とを含む成形原料を充填し、結合材の熱硬化性樹脂の硬化温度にて所定時間圧縮することにより、結合材がレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一方の面を保持した状態で硬化して成形体Ａとレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４とが固着される。この時の成形圧力が高過ぎたり、成形保持時間が長過ぎたりすると、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布全体が結合材で被覆された状態となり、生成体Ａに十分な親水性が付与されなくなる。従って、結合材である熱硬化性樹脂の種類に応じて、適当な成形圧力や成形保持時間を設定する必要がある。例えば、結合材にフェノール樹脂を用いた場合には、成形温度１８０℃で成形圧力１００〜５００ｋｇｆ／ｃｍ2 、成形保持時間０．５〜１０分とし、結合材にエポキシ樹脂を用いた場合には、成形温度１８０℃で成形圧力１００〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ2 、成形保持時間０．５〜３０分とするとが好ましい。
【００１６】
また、上記のような同時形成の他に、成形体Ａを別途形成しておき、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を添設することもできる。
即ち、膨脹黒鉛と結合材とを含む成形原料を成形型に充填、硬化させて予備成形体を形成し、一端成形型から取り出してレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を敷きつめた後、予備成形体を再度成形型に装填して上記した条件にて本成形する方法も可能である。
【００１７】
ところで、燃料電池の単位セルは「アノード／固体高分子膜／カソード」という構成の積層体が２枚のセパレーター間に挟持されて構成されており、セパレーターのチャネルを形成する凸状部２の頂上部がアノード及びカソードと直接接している。そのため、セパレーターは、単位セル同士を電気的に接続するための導電性接続体としての機能を有しており、アノード及びカソードとの間の接触抵抗をできるだけ小さくすることが望ましい。
これに対して、図１に示したような、凸状部２の頂上部もレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４で覆われている構成では、レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の露出状態によっては良好な接触抵抗が得られない場合がある。そこで、図２に示すように、凸状部２の頂上部２ａのみ、成形体Ａを露出させることが好ましい。
【００１８】
凸状部２の頂上部２ａを露出してレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を埋設させる方法として、例えば以下の方法を例示することができる。
（１）凸状部２の頂上部２ａに位置する部分に切り目を設けたレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を使用して成形を行い、成形時の圧力によりこの切り目を破ることにより、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（２）（１）の切り目に代えて頂上部２ａと同形状のスリット（開口）を設けたレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を使用して成形を行うことによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（３）成形体Ａの表面に頂上部２ａを除いて細長いレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を配置し、成形を行うことによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
（４）レーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４には加工を施さず、図１に示したセパレーターを作製後、凸状部２の頂上部２ａを研磨して頂上部２ａからレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を除去することによっても、頂上部２ａのみレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の無いセパレーターを得ることができる。
尚、凸状部２の頂上部２ａは成形体Ａが完全に露出する必要はなく、（４）の方法において、一部のレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４が成形体内に埋設されて残存していてもよい。また、（１）〜（３）の方法において、成形体Ａとレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４との位置ずれにより、頂上部２ａにレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４の一部が埋設されていてもよい。この場合、研磨により頂上部２ａのレーヨン短繊維スパンボンド型不織布または綿スパンボンド型不織布４を除去することが好ましい。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例および比較例により本発明をさらに説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
膨脹黒鉛粉末（嵩密度１５ｋｇ／ｍ３  ）８５重量部とフェノール樹脂粉末（平均粒径２０μｍ）１５重量部とを混合した混合物を、ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ２  ：二村化学社製「ＴＣＦ♯４０８」）を敷きつめた成形型に充填して、３００ｋｇｆ／ｃｍ２  、１８０℃にて２分間保持してセパレータ（成形体密度：１．７ｇ／ｃｍ２  ）を作製した。尚、セパレータは図２に示すような外観を呈する、一辺が１００ｍｍの正方形で厚さ０．５ｍｍの平板部に、高さ１．５ｍｍで平面部側の幅が１．５ｍｍの断面略釣鐘状の凸状部が１．５ｍｍ間隔で形成された形状とした。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２０】
（実施例２）
膨脹黒鉛粉末（嵩密度１５ｋｇ／ｍ３  ）８５重量部とエポキシ樹脂粉末（平均粒径４０μｍ）１５重量部とを混合した混合物を、ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ２  ：二村化学社製「ＴＣＦ♯４０８」）を敷きつめた成形型に充填して、６００ｋｇｆ／ｃｍ２  、１８０℃にて５分間保持して図１に示す外観のセパレータ（成形体密度：１．６ｇ／ｃｍ３  ）を作製した。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２１】
（比較例１）
ビスコースレーヨン短繊維スパンボンド型不織布をビスコースレーヨン長繊維スパンボンド型不織布（目付８０ｇ／ｍ２  ：旭化成社製「ベンリーゼ」）に代えた以外は、実施例２と同様にしてセパレータ（成形体密度：１．６ｇ／ｃｍ３  ）を作製した。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２２】
（比較例２）
実施例２と同様の成形材料を用い、不織布を添えることなく同様の条件にて成形を行い、成形体（密度：１．６ｇ／ｃｍ３  ）を得た。この得られた成形体の凸状部が形成された表面に、ＴｉＯ２  光触媒（石原産業社製「ＳＴ−Ｋ０３」）を塗布量１４ｇ／ｍ２  となるように塗布し、１５０℃で３０分間乾燥してセパレーターを得た。
得られたセパレーターについて、吸水時間、テープ剥離強度、接触抵抗を測定し、また溶出試験を行った。その結果を表１に示した。
【００２３】
【表１】
0003595207.tif 000002
【００２４】
＊１…吸水時間：約０．００１ｃｃの水滴を垂らし、吸い込まれるまでの時間を測定した。
＊２…テープ剥離強度（Ｘカットテープ法、ＪＩＳ  Ｋ  ５４００）：親水性膜の表面にナイフで切れ目をＸ状に入れ、セロファンテープを当てて消しゴムでこすって圧着させ、セロファンテープをはぎ取り、該テープに付着した割合を評価した。
評価点数…１０点＝全く付着しない。０点＝Ｘカット部より大きく付着する。
＊３…接触抵抗：２枚の金メッキ付き銅電極間に１００ｍｍ×１００ｍｍのリブ付き試験片とカーボン繊維製シート（厚さ０．５ｍｍ）を挟み、１８００ｋｇの荷重をかけ（感圧紙から求めた試験片のリブ有効接触面積は約１０ｃｍ２  ）、電極間に１０ｍＡの電流を流し、試験片とカーボン繊維製シート間の電圧差から抵抗を求めた。
＊４…溶出試験：試験片（２３ｇ）２枚を、２Ｌの水に８０℃で８日間浸漬した後、水中の溶出イオン濃度をＩＣＰ発光分析法により測定した。
＊５…不織布なしのときの値は０．２１ｍΩであった。
【００２５】
表１から、各実施例のセパレーターは優れた親水性を示し、しかも親水性不織布の剥離強度も高いことから親水性を長期にわたり維持できることがわかる。また、導電性にも優れ、金属イオンの溶出も低く抑えることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、（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、（８）耐熱性等の諸特性に加えて、長期にわたる高い親水性を備える燃料電池用セパレーターが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池用セパレーターを示す拡大断面図である。
【図２】本発明の燃料電池用セパレーターの他の例を示す拡大断面図である。
【図３】本発明並びに従来の燃料電池用セパレーターの成形体の斜視図である。
【符号の説明】
１ａ  平板部
１ｂ  平面部表面
２    凸状部
３    チャネル
４    親水性不織布
Ａ    成形体
【図１】
0003595207.tif 000003
【図２】
0003595207.tif 000004
【図３】
0003595207.tif 000005