(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エポキシ樹脂及び黒鉛粉末を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータであって、
エポキシ樹脂が主剤、硬化剤及び硬化促進剤を含み、
上記主剤が、１５０℃におけるＩＣＩ粘度が０.０３〜０.１２Ｐａ・ｓのビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含み、
上記硬化剤の重量平均分子量が４２０〜１,５００であって、かつ分散度が２.０以下であるノボラック型フェノール樹脂である
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
エポキシ樹脂の主剤中の、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の割合が５０質量％以上である請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
上記硬化促進剤が下記式（２）で表されるイミダゾール化合物のみからなる請求項１又は２記載の燃料電池セパレータ。
【化１】
0005880649.tif 000007
（式中、Ｒ1〜Ｒ3は水素原子、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基であり、Ｒ4は置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基である。）
【請求項４】
黒鉛粉末が、人造黒鉛粉末である請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割並びに単位セルに供給される燃料及び空気（酸素）の通路を確保する役割とともに、それらの分離境界壁としての役割を果たす。このため、セパレータには高導電性、高ガス不浸透性、化学的安定性、耐熱性、親水性等の諸特性が要求される。これらの諸特性を高めるための手法として特許文献１〜５に開示された方法等が知られている。
【０００３】
特許文献１には、長期間に亘って、安定に使用することのできる固体高分子型燃料電池セパレータの製造方法を提供することを目的として、硬化物の飽和吸水率が３％以下のフェノール樹脂溶液と黒鉛粉末からなる組成物を熱圧成形した固体高分子型燃料電池セパレータの製造方法が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、薄肉の燃料電池セパレータの成形が可能で十分な強度と柔軟性を有しており、かつ、薄肉化した場合でも厚さムラが少ない優れた燃料電池セパレータを提供することを目的として、多孔質人造黒鉛材料、主剤及び硬化剤を含んでなるエポキシ樹脂、並びに内部離型剤含む組成物を成形してなり、薄肉部の平均厚さが０.１２〜０.２０ｍｍである燃料電池セパレータが開示されている。
【０００５】
特許文献３には、燃料電池セパレータの薄型化、厚み精度の向上、導電性の均一化、機械的強度の向上を可能とする燃料電池セパレータ用樹脂組成物を提供することを目的として、（Ａ）黒鉛粒子と、（Ｂ）熱硬化性樹脂中のエポキシ樹脂の少なくとも一部としてオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、或いはオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種とからなるエポキシ樹脂成分、（Ｃ）硬化剤の少なくとも一部としてフェノール樹脂、（Ｄ）硬化促進剤の少なくとも一部として２位に炭化水素基を有する置換イミダゾールとを含有する液状の燃料電池セパレータ用樹脂組成物が開示されている。
【０００６】
特許文献４には、ガス不透過性、強度特性、電気的物性、成形時の離型性等の特性に優れた固体高分子形燃料電池セパレータ材及びその製造方法を提供する目的として、エポキシ樹脂の硬化剤にハイパラノボラック型フェノール樹脂を５０％以上含むフェノール樹脂を使用した燃料電池セパレータが開示されている。
【０００７】
特許文献５には、高いガラス転移温度、良好な連続成形性等を維持しつつ、高い耐湿性をも発揮させる目的として、硬化促進剤に２,３−ジヒドロ−１Ｈ−ピロロ(１,２ａ)ベンゾイミダゾールを使用した燃料電池セパレータが開示されている。
【０００８】
特許文献１のセパレータは、８０℃の熱水に１０日間浸漬させた場合の吸水率（飽和吸水率）が０.４〜０.６％と低いものではあるが、通常６０〜８０℃で運転される燃料電池の長期発電においては未だ十分ではなく、セパレータの吸水による膨張による性能低下、また、不均一な伸びによる亀裂、破損が生じる問題があった。また、フェノール樹脂の硬化剤にヘキサミンを使用しているため、ヘキサミンの分解によるアンモニウムイオンが燃料電池の運転中に溶出し、燃料電池の出力低下や、長期発電の安定性の低下を招く問題が生じる問題があった。
【０００９】
特許文献２では、厚さ０.２ｍｍ以下で機械的強度に優れたセパレータが得られており、特許文献３では、厚さ０.２〜０.６ｍｍで厚みムラが±１５μｍ以内と薄くて厚み精度が良好なセパレータが得られている。しかし、いずれのセパレータもバインダー樹脂として吸水性の高いオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を主成分として使用していることから、燃料電池の長期発電中にセパレータの吸水によって性能低下、破損が生じる問題があった。
【００１０】
特許文献４及び特許文献５のセパレータは、使用するエポキシ樹脂の一例として、吸水性の低いビフェニルノボラック型エポキシ樹脂（ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂）を使用している。ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂は硬化反応時に生成する極性基濃度が低いため低吸湿性であるが、その反面、架橋密度が低いことから耐熱性に乏しいという問題があり、そのため高分子量な樹脂を選択しなければならなかった。高分子量な樹脂は溶融粘度が高いため、成形時に組成物の流動性が悪くなることから厚さムラが大きくなるとともに、初期の接触抵抗が高くなるという問題があった。
【００１１】
また、特許文献４では、硬化剤としてハイパラノボラック型フェノール樹脂を使用している。ハイパラノボラック型フェノール樹脂は結晶性が低いため、溶融粘度が高くなり、成形時に組成物の流動性が悪くなることから、厚さムラが大きくなるとともに初期の接触抵抗が高くなるという問題があった。特許文献５では、硬化促進剤として反応が遅い２,３−ジヒドロ−１Ｈ−ピロロ(１,２ａ)ベンゾイミダゾールを使用しているので、成形に２分間の時間を要し、生産性に問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１２７６４６号公報
【特許文献２】国際公開第２００９／０３４８７０号
【特許文献３】特開２０１１−１１３８１０号公報
【特許文献４】特開２００９−１５８１１８号公報
【特許文献５】特開２０１１−２０４６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、耐湿熱性に優れ、湿熱環境にさらされた後においても接触抵抗の変化が少なく、更に厚さ精度に優れた燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、主剤として所定のＩＣＩ粘度を有するビフェニルノボラック型エポキシ樹脂及び硬化剤として所定のフェノール樹脂を含むエポキシ樹脂、並びに黒鉛粉末を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータによって、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１５】
すなわち、本発明は、下記燃料電池セパレータを提供する。
１．エポキシ樹脂及び黒鉛粉末を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータであって、
エポキシ樹脂が主剤、硬化剤及び硬化促進剤を含み、
上記主剤が、１５０℃におけるＩＣＩ粘度が０.０３〜０.１２Ｐａ・ｓのビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含み、
上記硬化剤の重量平均分子量が４２０〜１,５００であって、かつ分散度が２.０以下であるノボラック型フェノール樹脂である
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
２．エポキシ樹脂の主剤中の、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の割合が５０質量％以上である１の燃料電池セパレータ。
３．上記硬化促進剤が下記式（２）で表されるイミダゾール化合物のみからなる１又は２の燃料電池セパレータ。
【化１】
0005880649.tif 000002
（式中、Ｒ1〜Ｒ3は水素原子、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基であり、Ｒ4は置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基である。）
４．黒鉛粉末が、人造黒鉛粉末である１〜３のいずれかの燃料電池セパレータ。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池セパレータは、耐湿熱性に優れ、また、その耐湿熱性が長期間持続する。つまり、長期間湿熱環境にさらされた後でも接触抵抗の変化が少ないため、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、長期にわたって安定した発電効率を維持することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の燃料電池セパレータは、黒鉛粉末及びエポキシ樹脂を含む組成物（以下、燃料電池セパレータ用組成物と称する。）を成形して得られるものである。
【００１８】
［燃料電池セパレータ用組成物］
燃料電池セパレータ用組成物に含まれる黒鉛粉末としては、天然黒鉛でも人造黒鉛でもよいが、特に塊状黒鉛あるいは塊状黒鉛を球形化した人造黒鉛粉末が好ましい。黒鉛粉末の平均粒径ｄ50は、２０〜１００μｍが好ましく、より好ましくは３０〜８０μｍである。平均粒径ｄ50が２０μｍ未満であると、熱硬化性樹脂が黒鉛材料の表面を覆いやすくなり、粒子同士の接触面積が小さくなるため、セパレータ自体の導電性が悪化するおそれがある。また、平均粒径が１００μｍを超えると、黒鉛粒子と熱硬化性樹脂との接触面積が小さくなり、十分な機械的強度が得られないおそれがある。なお、本発明における平均粒径ｄ50は、レーザ回折法による粒度分布測定におけるメジアン径として表される。
【００１９】
燃料電池セパレータを薄型化した際にも十分な強度を発揮させるためには、粒径１μｍ以下の黒鉛粒子が１質量％以下、かつ粒径３００μｍ以上の黒鉛粒子が１質量％以下の多孔質人造黒鉛材料がより好ましく、粒径３μｍ以下が１質量％以下、２５０μｍ以上が１質量％以下の人造黒鉛材料が最適である。
【００２０】
黒鉛粉末の比表面積は１〜５ｍ2／ｇが好ましい。黒鉛粉末の比表面積が１ｍ2／ｇ未満であると、黒鉛材料と樹脂の馴染みが悪くなり、十分な強度が得られなくなるおそれがある。また、黒鉛粉末の比表面積が５ｍ2／ｇを超えると、黒鉛材料が樹脂を吸収してしまい、成形材料の流動性が悪くなり、結果として厚さ精度が悪く、接触抵抗が高くなるおそれがある。また、燃料電池の電池反応に伴って生成する水及び冷却水を吸収してしまい、セパレータに反りが生じ、結果として接触抵抗が高くなるおそれがある。
【００２１】
燃料電池セパレータ用組成物に含まれるエポキシ樹脂は、主剤、硬化剤及び硬化促進剤を含む。
【００２２】
上記主剤は、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含む。ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂としては、下記式（１）で表されるものが好ましい。
【化２】
0005880649.tif 000003
（式中、Ｒは、それぞれ独立にハロゲン原子又は炭素数１〜４のアルキル基である。ｍは、それぞれ独立に０〜４の整数である。ｎは０以上の整数である。）
【００２３】
ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子等が挙げられる。炭素数１〜４のアルキル基は、直鎖状、分岐状、環状のいずれでもよく、メチル基、エチル基、ｎ−プロピル基、イソプロピル基、シクロプロピル基、ｎ−ブチル基、イソブチル基、ｓｅｃ−ブチル基、ｔｅｒｔ−ブチル基及びシクロブチル基が挙げられる。
【００２４】
ｍは、０又は１が好ましく、０がより好ましい。ｎは、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂が後述するＩＣＩ粘度を満たすような数である限り特に限定されない。ＩＣＩ粘度は、Ｒの構造やｍの値によっても変わるため、ｎの値を一概に規定することはできないが、通常、ｎは０〜３程度である。
【００２５】
ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の１５０℃におけるＩＣＩ粘度は、得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより高めるとともに、成形加工性を良好にすることを考慮すると、０.０３〜０.１２Ｐａ・ｓが好ましく、０.０５〜０.１１Ｐａ・ｓがより好ましい。この範囲のＩＣＩ粘度のエポキシ樹脂を用いることで、樹脂の分子量が適度となるため、得られる燃料電池セパレータの耐熱性が良好になるとともに、樹脂の流動性が良好であるため成形時の圧力が低くできる等、成形加工性も良好になる。１５０℃におけるＩＣＩ粘度が０.１２Ｐａ・ｓより大きいと、成形時の組成物の流動性が悪くなることから厚さムラが大きくなるとともに、初期の接触抵抗が大きくなるおそれがある。また、生産性も低下するおそれがある。
【００２６】
また、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂のエポキシ当量は、得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより高めることを考慮すると、２６０〜２９０ｇ／ｅｑが好ましい。この範囲のエポキシ当量のエポキシ樹脂を用いることで、樹脂の分子量が適度であるとともに、硬化物の架橋密度が高まる結果、得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより一層向上し得る。
【００２７】
エポキシ樹脂の主剤は、更に上記ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂以外のエポキシ樹脂（以下、その他のエポキシ樹脂と称する。）を含んでもよい。その他のエポキシ樹脂は特に限定されず、従来、セパレータの成形に用いられている各種エポキシ樹脂を用いることができる。具体例としては、ｏ−クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ナフタレン型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等が挙げられる。これらは１種単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００２８】
この場合、その他のエポキシ樹脂のＩＣＩ粘度は、０.０１〜０.３Ｐａ・ｓが好ましい。
【００２９】
上記主剤中のビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の割合は、得られるセパレータ樹脂組成物の溶融粘度を低くし、かつセパレータの吸水性を小さくする点から、５０質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、１００質量％が更に好ましい。５０質量％以上にすることで、得られる燃料電池セパレータの耐熱水性が高くなり、長期にわたる燃料電池の運転において導電性、強度の低下を防ぐことができる。エポキシ樹脂中の主剤中のビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の割合が５０質量％未満であると、耐熱水性が低下することがある。
【００３０】
上記エポキシ樹脂に含まれる硬化剤は、フェノール樹脂であって、具体例としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂、アラルキル変性フェノール樹脂、ビフェニルノボラック型フェノール樹脂、トリスフェノールメタン型フェノール樹脂等が挙げられる。これらのうち、ノボラック型フェノール樹脂が好ましい。これらは１種単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００３１】
上記ノボラック型フェノール樹脂は、重量平均分子量（Ｍｗ）が４２０〜１,５００であって、かつ、分散度（Ｍｗ／Ｍｎ、Ｍｎは数平均分子量である。）が２.０以下であるものが好ましい。Ｍｗが４２０以下であると、ガラス転移点が低くなり、耐熱性が乏しくなるおそれがある。一方、Ｍｗが１,５００を超えると、１５０℃におけるＩＣＩ粘度が高くなり、結果として、成形時の組成物の流動性が乏しくなるおそれがある。そのため、薄肉のセパレータが成形できない、厚さムラが大きくなる、初期の接触抵抗が大きくなるといった問題が生じることがある。また、分散度が２.０を超えるとモノマーやダイマー成分が多くなるため、耐熱性が乏しくなるおそれがある。
【００３２】
上記硬化剤の配合量は、未反応成分の残存を防ぐという点から、主剤に対して０.９８〜１.０２当量が好ましい。硬化剤の配合量をこの範囲とすることで、残存する未反応成分（主剤又は硬化剤）が少なくなって、燃料電池の発電中に未反応成分が溶出するという不都合を防止することができる。
【００３３】
上記エポキシ樹脂に含まれる硬化促進剤は、下記式（２）で表されるイミダゾール化合物のみからなることが好ましい。
【化３】
0005880649.tif 000004
（式中、Ｒ1〜Ｒ3は水素原子、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基であり、Ｒ4は置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルキル基、置換基を含んでもよい炭素数６〜２０の芳香族基、置換基を含んでもよい炭素数１〜２０のアルコキシ基、又は置換基を含んでもよいフェノキシ基である。）
【００３４】
イミダゾール化合物の分子量は、燃料電池セパレータ用樹脂組成物の熱安定性、硬化成形する際の適度な活性を考慮すると、１００〜３５０が好ましく、１４０〜１８０がより好ましい。分子量が１００未満であると、樹脂組成物の熱安定性が悪くなり、硬化が早くなりすぎることがあるために金型所定の形状が得られないことがある。分子量が３５０より大きいと硬化促進剤としての活性が低く硬化成形する際に効果に長時間必要となることがある。
【００３５】
このようなイミダゾール化合物としては、特に限定されないが、２−ウンデシルイミダゾール（分子量２２４）、２−ヘプタデシルイミダゾール（分子量３０７）、２−エチル−４−メチルイミダゾール（分子量１１０）、２−フェニルイミダゾール（分子量１４４）、２−フェニル−４−メチルイミダゾール（分子量１５８）、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール（分子量１７２）、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール（分子量２３４）、１−シアノエチル−２−メチルイミダゾール（分子量１３５）、１−シアノエチル−２−エチル−４−メチルイミダゾール（分子量１６３）、１−シアノエチル−２−ウンデシルイミダゾール（分子量２７５）、１−シアノエチル−２−フェニルイミダゾール（分子量１９７）、２−フェニル−４,５−ジヒドロキシメチルイミダゾール（分子量２０４）、２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾール（分子量１８８）が挙げられる。これらの中でも、２−フェニルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール等が好ましい。なお、イミダゾール化合物は、１種単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００３６】
硬化促進剤の配合量は、効率的かつ穏やかに硬化反応を進行させることを考慮すると、上記エポキシ樹脂の主剤及び硬化剤との合計１００質量部に対して、０.６５〜１.０２質量部が好ましい。硬化促進剤の配合量が０.６５質量部未満であると、エポキシ樹脂の硬化反応が十分に進行しないことがある。また、配合量が１.０２質量部を超えると、成形時に、金型内で急激に硬化反応が進行して溶融粘度が上昇することがある。また、保存中に硬化反応が進行してしまうことがある。
【００３７】
燃料電池セパレータ用組成物におけるエポキシ樹脂の配合量は、黒鉛粉末１００質量部に対してエポキシ樹脂２２〜４３質量部が好ましく、２８〜３８質量部がより好ましく、３１〜３５質量部がより一層好ましい。エポキシ樹脂の配合量が２２質量部未満であると、成形材料の流動性が小さくなりすぎて成形性が低下するとともに得られる燃料電池セパレータの導電性が低下することがある。また、配合量が４３質量部を超えると、成形材料の流動性が大きくなりすぎてやはり成形性が低下するとともに、過剰なバインダー成分が黒鉛粉末を覆ってしまい、接触抵抗が高くなってしまい、得られる燃料電池セパレータの導電性が低下することがある。
【００３８】
燃料電池セパレータ用組成物には、金型離型性を向上させる目的で内部離型剤を配合させてもよい。内部離型剤としては、特に限定されず、従来、燃料電池セパレータの成形に用いられている各種内部離型剤を用いることができる。例えば、ステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸、ポリエチレンワックス等の炭化水素系合成ワックス、カルナバワックス等のその他の長鎖脂肪酸等が挙げられ、これらは１種単独で又は２種以上組み合わせて用いることができる。
【００３９】
内部離型剤の配合量は、特に限定されないが、黒鉛粉末１００質量部に対して０.０５〜１質量部が好ましく、０.１〜０.８質量部がより好ましく、０.３〜０.７質量部がより一層好ましい。
【００４０】
燃料電池セパレータ用組成物は、例えば、上述の黒鉛粉末、エポキシ樹脂、及び必要に応じて硬化促進剤や内部離型剤を任意の順序で所定割合混合して調製すればよい。この際、混合機としては、例えば、プラネタリミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等を用いることができる。
【００４１】
［燃料電池セパレータ］
本発明の燃料電池セパレータは、上記燃料電池セパレータ用組成物を所望のセパレータの形状に成形してなるものである。セパレータの成形方法は特に限定されず、射出成形、トランスファー成形、圧縮成形、押出成形、シート成形等を採用することができる。成形時に金型を使用する際は、成形体の表面の一方の面又は両面にガス供給排出用流路となる溝を形成できる燃料電池セパレータ作製用の金型を使用するとよい。
【００４２】
これらの中でも、精度及び機械的強度に優れているセパレータを得るためには、圧縮成形を採用することが好ましい。圧縮成形の条件は、金型温度が１５０〜２００℃、成形圧力が１０〜５０ＭＰａ、成形時間１５〜６０秒が好ましい。
【００４３】
このようにして得られた燃料電池セパレータは、その表面に、ブラスト処理、プラズマ処理、コロナ放電、フレーム処理、ＵＶ処理等の既存の親水化処理を施してもよい。更に、セパレータにレーザを照射して表面処理を行い、セパレータ表層の樹脂成分を除去し、セパレータの表面抵抗を下げることも可能である。
【００４４】
本発明の燃料電池セパレータは、通常、ガラス転移点が１００℃以上であり、熱水浸漬処理（９０℃、１,０００時間浸漬）後の吸水率も０.７％以下と低いため、耐熱性及び耐湿性が高いものとなる。
【００４５】
また、本発明の燃料電池セパレータは、通常、初期接触抵抗が１２ｍΩ・ｃｍ2以下であり、熱水浸漬処理（９０℃、１,０００時間浸漬）後の接触抵抗変化率が２０％以下であるため、発電性能が良好であり、長期間に亘り良好な発電性能を維持することが可能である。
【００４６】
燃料電池セパレータの厚さムラは、通常、１０％以下であり、初期曲げ強度が４０ＭＰａ以上であるため、電極部との接触抵抗が小さく、割れを生じることなく燃料電池の組立てが可能である。
【００４７】
本発明の燃料電池セパレータは、高い耐熱性、親水性を有する上、その親水性が長期間持続する。したがって、このセパレータを備えた燃料電池は、長期にわたって安定した発電効率を維持することができる。このような特性を有する本発明の燃料電池セパレータは、特に固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に用いることができる。
【００４８】
固体高分子型燃料電池は、一般的に固体高分子膜を挟む一対の電極とこれらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部又は全部に本発明の燃料電池セパレータを用いることができる。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
【００５０】
各物性値及び評価項目は以下の方法により、測定・評価した。
［ＩＣＩ粘度］
（株）コーデックス社製ＩＣＩコーンプレート粘度計を用いてプレート温度１５０℃で測定した。
［平均粒径ｄ50］
粒度分布測定装置（日機装（株）製マイクロトラックＭＴ３０００）を用いて測定した。
［厚さムラ］
マイクロメータ（（株）ミツヨト製デジマチックＰＭＵ１５０−２５ＤＭ）により、セパレータの厚さを２０点ずつ測定して、平均厚さを算出し、更に下記式により厚さムラを算出した。
厚さムラ（％）＝（最大厚さ−最小厚さ）／平均厚さ×１００
［ガラス転移点］
熱分析装置（セイコーインスツルメンツ社製、ＴＭＡ６１００）を使用し、昇温速度１℃／ｍｉｎ、荷重５ｇの条件で測定を行い、得られた熱膨張係数の変曲点をガラス転移点とした。
［熱水浸漬後の吸水率］
５００ｍＬフッ素樹脂製容器に、上記の各試験片とイオン交換水５００ｍＬを入れ、内温９０℃で１０００時間加熱した。加熱終了後に試験片を取り出し、表面付着水をエアブローで除去し、次いで２３℃で１時間風乾した。セパレータから切り出した１００×２０×２ｍｍの試験片５本をイオン交換水５００ｍＬ中に入れ、その重量を測定し、初期重量とした。この試験片に上記熱水浸漬処理を行った後の試験片の重量を測定して熱水浸漬後の重量とし、下記式より熱水浸漬後の吸水率を算出した。
熱水浸漬後の吸水率（％）＝｜熱水浸漬後の重量−初期重量｜／初期重量×１００
［熱水浸漬後の接触抵抗変化率］
セパレータから切り出した３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍの試験片を２枚重ね合わせ、その上下に銅電極を配置して上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定し、下記式により接触抵抗を算出して、初期接触抵抗とした。
接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ2）＝（電圧×接触面積）／電流
上記接触抵抗測定用の試験片１０枚をイオン交換水５００ｍＬ中に入れ、この試験片を用い、上記熱水浸漬処理を行った後の接触抵抗を測定して熱水浸漬後の接触抵抗とし、初期接触抵抗に対する下記式により熱水浸漬後の接触抵抗変化率を算出した。
熱水浸漬後の接触抵抗変化率（％）＝｜熱水浸漬後の接触抵抗−初期接触抵抗｜／初期接触抵抗×１００
試験は、同じセパレータから切り出した５組の試験片で行い、熱水浸漬後の接触抵抗変化率の平均を求めた。
［熱水浸漬後の曲げ強度変化率］
セパレータから切り出した１００×２０×２ｍｍの試験片を用い、ＪＩＳ Ｋ ６９１１「熱硬化性プラスチックの一般試験方法」に準じて、支点間距離４０ｍｍで３点曲げ試験を行い、初期曲げ強度とした。上記曲げ試験片５本をイオン交換水５００ｍＬ中に入れ、同じセパレータから切り出した試験片を用い、上記熱水浸漬処理を行った後の曲げ強度を測定して熱水浸漬後の曲げ強度とし、初期曲げ強度に対する下記式により熱水浸漬後の曲げ変化率を算出した。
熱水浸漬後の曲げ強度変化率（％）＝｜熱水浸漬後の曲げ強度−初期曲げ強度｜／初期曲げ強度×１００
試験は、初期及び熱水浸漬後それぞれ５本ずつ行い、熱水浸漬後の曲げ強度変化率の平均値を求めた。
【００５１】
［実施例１〜４、比較例１〜５］
黒鉛粉末として人造黒鉛粉末、エポキシ樹脂の主剤としてビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、エポキシ樹脂の硬化剤としてノボラック型フェノール樹脂、硬化促進剤として２−フェニルイミダゾール、内部離型剤としてカルナバワックスを表１に示すとおりの配合量でヘンシェルミキサに投入し、５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物を２００×２００×２ｍｍの燃料電池セパレータ作成用の金型に投入し、金型温度１８５℃、成形圧力３０ＭＰａ、成形時間３０秒間の条件により圧縮成形し、燃料電池セパレータを得た。
【００５２】
［実施例５〜８、比較例６、７］
黒鉛粉末として人造黒鉛粉末、エポキシ樹脂の主剤としてビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂及び／又はフェノールノボラック型エポキシ樹脂、エポキシ樹脂の硬化剤としてノボラック型フェノール樹脂、硬化促進剤として２−フェニルイミダゾール、内部離型剤としてカルナバワックスを表２に示すとおりの配合量でヘンシェルミキサに投入し、５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調整した。
得られた組成物を２００×２００×２ｍｍの燃料電池セパレータ作製用の金型に投入し、金型温度１８５℃、成形圧力３０ＭＰａ、成形時間３０秒間の条件により圧縮成形し、燃料電池セパレータを得た。
【００５３】
各実施例及び比較例で用いた、人造黒鉛粉末、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、及びノボラック型フェノール樹脂は以下のとおりである。
・人造黒鉛粉末：平均粒径ｄ50 ５０μｍ、比表面積２.３ｍ2／ｇ
・ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製ＮＣ−３０００（実施例１〜８及び比較例３〜５）、日本化薬（株）製ＮＣ−３０００Ｌ（比較例１）、日本化薬（株）製ＮＣ−３０００Ｈ（比較例２）
・オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製ＥＯＣＮ−１０２０−６５（実施例６〜８）、ＤＩＣ（株）製Ｎ−６５５−ＥＸＰ−Ｓ（比較例６）
・フェノールノボラック型エポキシ樹脂：日本化薬（株）製ＥＰＰＮ-２０１（比較例７）
・ノボラック型フェノール樹脂：昭和電工（株）製（実施例１、２、４、５〜８、比較例１、２、６、７）、明和化成（株）製（実施例３、比較例４）
【００５４】
各実施例及び比較例で得られた燃料電池セパレータを用いて、上述した方法によって、厚さムラ、ガラス転移点、熱水浸漬後の吸水率、初期接触抵抗及びその変化率、並びに初期曲げ強さ及びその変化率を測定した。結果を表１及び２に併記する。
【００５５】
【表１】
0005880649.tif 000005
【００５６】
ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂の１５０℃におけるＩＣＩ粘度が０.０３〜０.１２Ｐａ・ｓの範囲内であり、硬化剤のＭｗが４５０〜１,５００であって、かつ分散度が２.０以下であると、上記範囲外のものと比べて、成形性が良好で、厚さムラが小さく、また、成形体のガラス転移点も十分高いセパレータが得られた（実施例１〜４）。
【００５７】
【表２】
0005880649.tif 000006
【００５８】
エポキシ樹脂の主剤としてビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含むと、ビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含まないものと比べて、熱水浸漬時の吸水率が低いため、接触抵抗及び曲げ強度の変化が小さく、良好な導電性と強度を長期間維持した（実施例５〜８）。
【要約】
【課題】耐湿熱性に優れ、湿熱環境にさらされた後においても接触抵抗の変化が少なく、更に厚さ精度に優れた燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】エポキシ樹脂及び黒鉛粉末を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータであって、エポキシ樹脂が主剤、硬化剤及び硬化促進剤を含み、上記主剤が、１５０℃におけるＩＣＩ粘度が０.０３〜０.１２Ｐａ・ｓのビフェニルノボラック型エポキシ樹脂を含み、上記硬化剤の重量平均分子量が４２０〜１,５００であって、かつ分散度が２.０以下であるノボラック型フェノール樹脂である燃料電池セパレータ。
【選択図】なし