(57)【要約】【課題】  導電性材料を高充填しても高い流動性が得られ、寸法精度や導電性に優れた燃料電池用セパレータが得られる燃料電池用セパレータ用組成物、並びに寸法精度や導電性に優れた燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】  燃料電池用セパレータを製造するための樹脂組成物であって、該樹脂組成物全量に対し熱硬化性樹脂を１５〜５０質量％、炭素材料を８５〜５０質量％含有するとともに、前記熱硬化性樹脂と前記炭素材料との合計量１００重量部に対する量で、滑剤が１〜１０重量部、帯電防止剤が０．０１〜１重量部内添されている燃料電池用セパレータ用組成物。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用セパレータを製造するための樹脂組成物であって、該樹脂組成物全量に対し熱硬化性樹脂を１５〜５０質量％、炭素材料を８５〜５０質量％含有するとともに、前記熱硬化性樹脂と前記炭素材料との合計量１００重量部に対する量で、滑剤が１〜１０重量部、帯電防止剤が０．０１〜１重量部内添されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ用組成物。
【請求項２】
熱硬化性樹脂がフェノール樹脂及びエポキシ樹脂の少なくとも１種であ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用組成物。
【請求項３】
炭素材料の１０〜１００質量％が膨張黒鉛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用組成物。
【請求項４】
滑剤が脂肪酸系滑剤であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
【請求項５】
帯電防止剤がフッ素系界面活性剤であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物を所定形状に硬化してな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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータ用組成物、並びに前記燃料電池用セパレータ用組成物からなる燃料電池用セパレータに関し、特に燃料電池用セパレータ用組成物における流動性と、燃料電池用セパレータにおける導電特性を改善するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば図１に概略斜視図で示すように、燃料電池用セパレータ１０は、平板部１１の両面に所定間隔で複数の隔壁１２を立設して形成されている。燃料電池とするには、多数の燃料電池用セパレータ１０を、隔壁１２の突出方法（図中、上下方向）に積層する。そして、この積層により隣接する一対の隔壁１２で形成されるチャネル１３に、反応ガス（水素や酸素）を流通させる構成となっている。
【０００３】
燃料電池用セパレータは、樹脂材料と、黒鉛等の導電性材料とを混練した混練物を上記したような形状に成形して製造されるのが一般的である。こうした樹脂材料と導電性材料を用いた場合、高い導電性を確保するためには導電性材料を少なくとも５０質量％以上充填する必要がある。しかし、導電性材料の充填量を多くすると成形材料の流動性が下がり、薄肉かつ複雑な形状を有した燃料電池用セパレータの成形は極めて困難となる。
【０００４】
こうした導電性と流動性の問題を解決すべく、従来では、流動性の良好な樹脂を選択したり（例えば、特許文献１参照）、滑剤で表面処理した導電粒子を配合する（例えば、特許文献２参照）等の対策が採られている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２１６９７６号公報
【特許文献２】特開２００３−２２６８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
流動性の良好な樹脂を選択することで導電性材料の充填量を増量でき、導電性と流動性とを両立することが可能となるが、流動性の良好な樹脂は、分子量が低いため、得られる燃料電池用セパレータの機械的強度、耐熱性等の特性が低下してしまう可能性がある。また、滑剤で表面処理した導電粒子を用いた場合には、良好な流動性改善効果を得るためには、導電粒子の表面をより広い面積にわたって滑剤で被覆する必要があり、導電パスの遮断が起こり、導電性の低下を招くという問題がある。
【０００７】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、導電性材料を高充填しても高い流動性が得られ、寸法精度や導電性に優れた燃料電池用セパレータが得られる燃料電池用セパレータ用組成物を提供することを目的とする。また、本発明は前記の燃料電池用セパレータ用組成物からなる寸法精度や導電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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明は下記に示す燃料電池用セパレータ用組成物及び燃料電池用セパレータを提供する。
（１）燃料電池用セパレータを製造するための樹脂組成物であって、該樹脂組成物全量に対し熱硬化性樹脂を１５〜５０質量％、炭素材料を８５〜５０質量％含有するとともに、前記熱硬化性樹脂と前記炭素材料との合計量１００重量部に対する量で、滑剤が１〜１０重量部、帯電防止剤が０．０１〜１重量部内添されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ用組成物。
（２）熱硬化性樹脂がフェノール樹脂及びエポキシ樹脂の少なくとも１種であることを特徴とする上記（１）に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
（３）炭素材料の１０〜１００質量％が膨張黒鉛であることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
（４）滑剤が脂肪酸系滑剤であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
（５）帯電防止剤がフッ素系界面活性剤であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物。
（６）上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物を所定形状に硬化してなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、滑剤及び帯電防止剤を熱硬化性樹脂に内添したため、炭素材料の導電パスを遮断することがなく、高導電性の燃料電池用セパレータが得られる。また、滑剤により流動性も高まるため、燃料電池用セパレータは寸法精度に優れたものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に関して詳細に説明する。
【００１１】
本発明における炭素材料とは、主成分を炭素原子とする導電性材料であり、具体的には膨張黒鉛、鱗片状人造黒鉛、球状人造黒鉛、天然の鱗片状黒鉛、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドライクカーボン、フラーレン、カーボンナノホーン等が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらを混合して使用することもできる。
【００１２】
中でも、炭素材料として膨張黒鉛が好ましい。通常の鱗片状黒鉛は、薄板状の結晶が積層されたものである。これに対して、膨張黒鉛は、鱗片状黒鉛を濃硫酸や硝酸、過酸化水素水等で処理し、薄板状結晶の隙間にこれら薬液をインターカレートさせ、さらに加熱してインターカレートされた薬液が気化する際に薄板状結晶の隙間を広げることによって得られる黒鉛であり、鱗片状黒鉛や球状黒鉛と比較して高密度が低く、表面積が大きく、粒子はより薄い薄板状となっている。このため、樹脂と混合した際に容易に導電パスを形成し、機械的な補強効果も発現するために高導電性で高強度の燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００１３】
また、膨張黒鉛と他の炭素材料とを併用する場合は、全炭素材料に対する膨張黒鉛の割合を１０質量％以上とすることが好ましく、６０質量％以上がより好ましく、７０質量％以上が更に好ましい。膨張黒鉛の比率が１０質量％より低いと、均一な組成物が得られず、得られる燃料電池用セパレータも導電性や強度に劣るようになる。
【００１４】
本発明で使用する熱硬化性樹脂としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂等が挙げられるがこれらに限定されない。これらを混合して使用することも出来る。特にフェノール樹脂またはエポキシ樹脂は強度の高い燃料電池用セパレータが得られるため好ましい。フェノール樹脂としては、レゾール型フェノール樹脂、ノボラック型フェノール樹脂等が挙げられるが、これらに限定されず、何れのフェノール樹脂を用いても良い。ヘキサメチレンテトラミン等の硬化剤を用いることも可能である。エポキシ樹脂としては、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、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されない。また、エポキシ樹脂用の硬化剤としては、上述したフェノール樹脂やアミン化合物、酸無水物、ポリアミノアミド化合物、ジシアンジアミド、イミダゾール化合物、ポリメルカプタン化合物、イソシアネート化合物等が挙げられるが、これらに限定されない。
【００１５】
上記熱硬化性樹脂と炭素材料との比率は、燃料電池用セパレータ用組成物全量に対して熱硬化性樹脂が１５〜５０質量％、炭素材料が８５〜５０質量％である。熱硬化性樹脂の比率が５０質量％より高い場合は、得られる燃料電池用セパレータにおいて十分な導電性が得られない。一方で、炭素材料の比率が８５質量％より高い場合は、得られる燃料電池量セパレータの強度が低くなり、また、成形性も悪くなる。
【００１６】
尚、上記の熱硬化性樹脂の量は、熱硬化性樹脂と硬化剤との合計重量である。熱硬化性樹脂と硬化剤との比率は、両者の種類や硬化条件等により適宜設定する。
【００１７】
本発明の燃料電池用セパレータ用組成物は、該組成物の流動性を高めるために滑剤を内添する。ここで、内添とは、従来のような滑剤で表面処理した炭素材料を熱硬化性樹脂に分散させる方式ではなく、未処理の上記炭素材料とともに熱硬化性樹脂中に分散させることを意味する。そのため、炭素材料が滑剤で被覆されて導電パスが遮断されることがなくなり、得られる燃料電池用セパレータの導電性を低下させることがない。また、燃料電池用セパレータ用組成物全体に滑剤が分散しているため、滑剤で表面処理された炭素材料を分散させる場合に比べて、流動性も高まる。但し、滑剤が過剰に存在すると導電パスを遮断することと同様の現象が起こるため、本発明では流動性と導電性とを両立するために、滑剤の含有量を、熱硬化性樹脂と炭素材料との合計量１００重量部に対する値で、１〜１０重量部、好ましくは１〜３重量部とする。
【００１８】
滑剤の種類には特に限定はなく、樹脂の練り込み型滑剤として一般的に用いられているものを使用でき、大別すると炭化水素系、脂肪酸系、脂肪酸アミド系、エステル系、金属石けん系に分類される。具体例を示すと、炭化水素系滑剤としては流動パラフィン、パラフィンワックス、マイクロワックス、ポリエチレンワックス、カルナバワックス等が、脂肪酸系滑剤としてはラウリン酸、パルミチン酸、ステアリン酸、ベヘニン酸、１２−ヒドロキシステアリン酸等が、脂肪酸アミド系滑剤としてはステアリン酸アミド、オレイン酸アミド、エルカ酸アミド、メチレンビスステアリン酸アミド、エチレンビスステアリン酸アミド、エチレンビスオレイン酸アミド等が、エステル系滑剤としてはステアリン酸ブチル、ステアリン酸モノグリセリド、ペンタエリスリトールテトラステアレート、硬化ひまし油、ステアレルステアレート等が、金属石けん系滑剤としてはステアリン酸カルシウム、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸鉛等が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらは単独あるいは２種以上の混合物として用いられる。中でも、脂肪酸系滑剤が流動性を高める効果が高く、好ましい。
【００１９】
また、本発明の燃料電池用セパレータ用組成物は、得られる燃料電池用セパレータの導電性を高めるために帯電防止剤を内添する。但し、帯電防止剤が過剰に添加されると分散性が悪く偏在するようになり、むしろ導電性を低下させるおそれがあるため、本発明では帯電防止剤の含有量を、熱硬化性樹脂と炭素材料との合計量１００重量部に対する値で、０．０１〜１重量部、好ましくは０．０１〜０．１重量部とする。帯電防止剤の含有量が０．０１重量部未満では、導電性の改善効果が見られない。
【００２０】
帯電防止剤の種類には特に限定はなく、樹脂の練り込み型帯電防止剤として一般的に用いられるものが使用でき、大別すると陰イオン性帯電防止剤、非イオン性帯電防止剤、陽イオン性帯電防止剤、両性帯電防止剤に分類される。具体例を示すと、陰イオン性帯電防止剤としてはアルキルスルホン酸塩、アルキルホスフェート、アルキルサルフェート、アルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルキルベンゼンホスフォン酸塩等が、陽イオン性帯電防止剤としてはテトラアルキルアンモニウム塩、トリアルキルベンジルアンモニウム塩、アルキルピリジニウム塩、アルキルキノリニウム塩、アルキルホスフォニウム塩等が、両性帯電防止剤としてはアルキルベタイン、スルホベタイン、サルフェートベタイン、イミダゾリン型両性界面活性剤等が、非イオン性帯電防止剤としては、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシエチル）アルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルアミン、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル、ポリエチレングリコール縮合物、アルキルフェノール・ポリエチレングリコール縮合物、ポリプロピレングリコール・ポリエチレングリコール縮合物、パーフルオロアルキルエチレンオキシド付加物、パーフルオロアルキルオリゴマー等のフッ素系帯電防止剤等が挙げられるが、これらに限定されない。また、これらは単独あるいは２種以上の混合物として用いられる。中でも、フッ素系帯電防止剤が帯電を防止して導電性を高める効果が高く、好ましい。
【００２１】
本発明の燃料電池用セパレータ用組成物は、上記の熱硬化性樹脂、炭素材料、滑剤及び帯電防止剤を必須成分とするが、導電性を低下させない範囲で、ガラス繊維、シリカ、タルク、クレー、炭酸カルシウム等の無機充填材や、木粉等の有機充填材、可塑剤を添加することも可能である。
【００２２】
本発明の燃料電池用セパレータ用組成物は、上記の各材料を混練することで得られる。その際、上記の各材料を一度に混合装置に投入して混練してもよく、予め滑剤及び帯電防止剤を練り込んでおいた熱硬化性樹脂に、炭素材料を添加して混練することもできる。混合には各種の混合装置を使用することができ、例えば、ヘンシェルミキサー、リボンミキサー、プラネタリーミキサー、モルタルミキサー、コーンミキサー、Ｖミキサー、ニーダー、パドルミキサー、二軸押出機、単軸押出機、バンバリーミキサー、二本ロールミル、三本ロールミル等を使用できるが、これらに限定されない。
【００２３】
こうして得られた燃料電池用セパレータ用組成物は、公知の方法により成形され、燃料電池用セパレータとされる。成形方法としては圧縮成形が一般的であり、予熱した型に本発明の燃料電池用セパレータ用組成物を充填し、熱硬化性樹脂と硬化剤に応じた温度で加熱圧縮して成形し、型から取り出せばよい。型温は１５０℃〜２２０℃程度が一般的である。また、必要に応じて二次架橋を実施しても良く、成形後に切削加工を施すことも可能である。
【００２４】
また、本発明の燃料電池用セパレータ用組成物は、上記のように滑剤により流動性が高められていることから、射出成形やトランスファー成形も適する。射出成形やトランスファー成形は、圧縮成形に比べて生産性が高く、これらの成形方法に適用できることは工業的に有利である。
【実施例】
【００２５】
以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００２６】
＜実施例１〜４及び比較例１〜３＞
（成形材料の作製）
表１に示す配合に従い、材料合計８００ｇをヘンシェルミキサーで予備混合した後、８０℃に昇温したニーダーに投入して３分間混合した。さらに粉砕機で粒径約１ｍｍ以下の粒子状に粉砕し、成形材料とした。成形材料の外観は何れも均一であった。尚、表中の炭素材料Ａは膨張黒鉛、炭素材料Ｂはアセチレンブラックであり、膨張黒鉛が全炭素材料の８０質量％を占めている。また、熱硬化性樹脂と炭素材料との比率が重量比で３８：６２であり、熱硬化性樹脂、炭素材料及び硬化剤の合計量を１００重量部とし、これに滑剤及び帯電防止剤を表記の量（重量部）配合している。
【００２７】
（成形体の作製）
各実施例及び各比較例の成形材料約３５ｇを、予め１７０℃に予熱した１００×１００×２ｍｍの形状の金型に充填し、１７０℃に昇温した熱プレスで１０分間圧縮成形した。そして、得られた成形体に切断加工を施して、試験体とした。
【００２８】
（導電性の評価）
図２に示す方法で試験体の貫通方向（厚み方向）の電気抵抗を測定し、導電性の評価を行った。即ち、試験体２１を、カーボンペーパー２２を介して電極２３にセットし、電極間に流した電流（電流計２４で測定）とカーボンペーパー間の電圧（電圧計２５で測定）から、電気抵抗を計算し、さらにこれに試験体２１の面積を掛けて貫通方向の抵抗率とした。
【００２９】
（流動性の測定）
ＪＩＳ  ６９１１の熱硬化性プラスチック一般試験方法「押出式流れ、フェノール樹脂の流れの良いもの」準じて、各実施例及び各比較例の成形材料の流出量を測定し、流動性の指標とした。
【００３０】
上記の測定結果を表１及び図３にグラフ化して示す。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
各実施例は本発明に従い、滑剤及び帯電防止剤を内添したものであり、成形材料の分散状態は良好であり、良好な流動性及び導電性が発現している。これに対し、滑剤のみを内添した比較例１では、流出量は７．０４ｇと流動性の改善効果が表れたが、貫通方向電気抵抗は２４ｍΩ・ｃｍ2であり導電性に問題がある。また、帯電防止剤のみを添加した比較例２では、流動性及び導電性の改善効果は殆ど確認されなかった。更に、滑剤及び帯電防止剤を添加しなかった比較例３では、電気抵抗は１４．３ｍΩ・ｃｍ2と実施例と同等であったが、流動性が著しく悪く、流出物が得られなかったため測定不能であった。
【００３３】
また、図３に示すように、滑剤を増量することで流動性の改善効果はより大きくなるが、逆に導電性は悪化する傾向にあることがわかる。また、実施例１と実施例２から、帯電防止剤の添加量は０．１質量％で流動性及び導電性の改善効果が現われ、０．１質量％を越えて添加しても改善効果は大きくならないと判断できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明及び従来の燃料電池用セパレータの一例を示す概略斜視図である。
【図２】電気抵抗率の測定方法を示す模式図である。
【図３】実施例で得られた貫通方向電気抵抗と流出量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３５】
１０  燃料電池用セパレータ
１１  平板部
１２  隔壁
１３  チャネル
２１  試験体
２２  カーボンペーパー
２３  電極
２４  電流発生器
２５  電圧計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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