(57)【要約】【課題】保存安定性が良好となる複合材を得ることや、その改良された複合材を用いることで、可撓性やその他の要求特性を十分に具備する燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】エポキシ樹脂による熱硬化性樹脂組成物と黒鉛粉末との複合材から構成される燃料電池用セパレータ４において、熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化剤を酸無水物系硬化剤とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粉末と熱硬化性樹脂組成物との複合材から構成される燃料電池用セパレータであって、
前記熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化材が酸無水物系硬化剤である燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記酸無水物系硬化剤がメチルヘキサヒドロ無水フタル酸である請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記熱硬化性樹脂組成物に含まれる希釈剤が反応性希釈剤である請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記反応性希釈剤は構造式（Ａ），（Ｂ）を有するものである請求項３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記熱硬化性樹脂組成物がエポキシ樹脂組成物である請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記エポキシ樹脂組成物は、一液型のエポキシ樹脂からなるものである請求項５に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
前記熱硬化性樹脂組成物の２０℃における粘度が２００〜１５００ＣＰである請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】
前記熱硬化性樹脂組成物に、ガラス転移温度が９０〜１３０℃の硬化物が含まれている請求項１〜７の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】
前記黒鉛粉末が、天然黒鉛又は人造黒鉛若しくは天然黒鉛と人造黒鉛との複合物の粉末である請求項１〜８の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】
前記黒鉛粉末と前記熱硬化性樹脂組成物との配合比率が９７：３〜５０：５０である請求項１〜９の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１１】
固体高分子型燃料電池のセパレータとして使用される請求項１〜１０の何れか一項に記載の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、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂組成物との複合材から構成される燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池とは、アノード側において式（１）の化学反応、カソード側において式（２）の化学反応が行われ、電池全体として式（３）に表す電気化学反応を起こし、発生する電子の授受によって発電機としての機能を有するものである。
Ｈ２   →  ２Ｈ＋    ＋  ２ｅ-  ……（１）
1/2Ｏ２   ＋  ２Ｈ＋    ＋  ２ｅ-  →  Ｈ２Ｏ  ……（２）
Ｈ２   ＋  1/2Ｏ２   →  Ｈ２Ｏ  ……（３）
【０００３】
燃料電池を構成するための必要不可欠な部品の一つとして燃料電池用セパレータがある。燃料電池用セパレータとは、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を適切に燃料電池セル（燃料電池用セパレータの間にＭＥＡを挟み込んだ単位体）内に保持するとともに前記電気化学反応に必要な燃料（水素）及び空気（酸素）を供給する役割、さらには前記電気化学反応により得られた電子を損失なく集電する役割等を担っている。これらの役割を担うための燃料電池用セパレータとして要求される特性としては、
１．機械的強度
２．可撓性
３．導電性
４．成形加工性
５．ガス不透過性
等が挙げられる。
【０００４】
燃料電池用セパレータは、原材料の点からは金属製セパレータと樹脂製（合成樹脂製）セパレータの二つに大別され、樹脂製燃料電池用セパレータは金属製燃料電池用セパレータと比較して、前述の要求特性１．〜５．のうち、特に４．の「成形加工性」に優れている。即ち、限定された空間内において十分な発電機能を実現すべく燃料と空気とを適切、かつ、大量に供給する必要がある場合には、複雑な燃料流路溝を施した燃料電池用セパレータを使用するのが好都合であり、それには「成形加工性」に富むことから複雑な燃料流路溝の形成が容易な樹脂製燃料電池用セパレータ（高分子樹脂を原材料としたものなど）が好適である。このような理由から現在では樹脂製燃料電池用セパレータが主流となっている。
【０００５】
樹脂製燃料電池用セパレータは、主として黒鉛粉末や導電性フィラー等の導電材と、所定の燃料流路溝形状に成形するに好適な樹脂組成物（高分子樹脂）との複合材から製造される。高分子樹脂としては、一般のフェノール樹脂やエポキシ樹脂等に代表される熱硬化性樹脂と、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）やＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）等に代表される熱可塑性樹脂とから選択される。これらのうち、分子量が比較的大きい熱可塑性樹脂よりも分子量が小さい熱硬化性樹脂を使用する方が、前記要求特性１．と３．との双方（機械的強度と導電性）を必要とする場合においては有利である。何故なら、熱可塑性樹脂を使用する場合において機械的強度を十分なものとするには、比較的モノマーの分子量が大である熱可塑性樹脂を選択しなければならないが、そうすると導電性を付与する機能を有する黒鉛等の複合材を十分に混合することができないので、結果として前記要求特性３．（導電性）を満たすことが困難になるからである。
【０００６】
そこで熱硬化性樹脂を選択するに際して要求される特性としては、
１．機械的強度
２．可撓性
６．導電材との親和性
が挙げられる。さらに量産時の前記複合材の取扱いにおいて重要である、
７．保存安定性
も要求される。現状では要求特性１．と６．を満たし、かつ、コスト面において有利なフェノール樹脂を選択することが多い。フェノール樹脂は硬化前状態においては比較的低分子量であり、黒鉛等の導電材を比較的容易に混合することが可能であることから、現在、樹脂製セパレータについてはフェノール樹脂と黒鉛との混合物からなる複合材を使用するものが主流である。尚、フェノール樹脂と黒鉛とから成る複合材を使用した燃料電池用セパレータやその製造方法に関しては、特許文献１や特許文献２において開示されたものが知られている。
【特許文献１】特許第３００８０２２号
【特許文献２】特開２００３−５１３１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を使用したものは、種々の要求特性のうち、１．（機械的強度）は有するものの、２．（可撓性）には乏しく、外部から等の衝撃によって割れや破壊等の損傷を招き易いという問題がある。要求特性７．（保存安定性）の点に関しても、ホルムアルデヒドを原材料中に含有することから環境面において問題を生じるおそれもある。また、一般のエポキシ樹脂を使用する場合、導電材との複合材を作製する際に、黒鉛粉末等との混合と同時に硬化剤、硬化促進剤、触媒等を所定量配合し、一時に混合する必要があるが、当該製造方法で得られた複合材は保存安定性が悪く、取扱い性に乏しいものであった。
【０００８】
硬化剤に関しては、一般的にアミン系硬化剤、ポリアミド系硬化剤が使用されるが、これらはいわゆる保存安定性が悪いものが多く、複合材の製造後、直ちに燃料電池用セパレータの形状に加熱加圧成形しなければ、その加熱加圧成形が不可能となる場合が多かった。さらに、これらの硬化剤を使用した場合には前記要求特性２．（可撓性）を十分に満足するものではなく、とりわけ固体高分子型燃料電池用セパレータの使用温度領域である９０℃前後においては可撓性に乏しく、その結果、衝撃によって割れや破壊を招くおそれがあった。
【０００９】
本発明の目的は、上記実情に鑑みることにより、配合材料の見直しや工夫を行うことにより、保存安定性が良好となる複合材を得ることや、その改良された複合材を用いることで、可撓性やその他の要求特性を十分に具備する燃料電池用セパレータを提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に係る発明は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂組成物との複合材から構成される燃料電池用セパレータにおいて、前記熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化剤が酸無水物系硬化剤であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記酸無水物系硬化剤がメチルヘキサヒドロ無水フタル酸であることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記熱硬化性樹脂組成物に含まれる希釈剤が反応性希釈剤であることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記反応性希釈剤が構造式（Ａ），（Ｂ）を有するものであることを特徴とする。尚、構造式（Ａ），（Ｂ）は、図６に記載した通りであり、「特許請求の範囲」における請求項４の構造式（Ａ），（Ｂ）も図６に記載した通りである。
【００１４】
請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記熱硬化性樹脂組成物がエポキシ樹脂組成物であることを特徴とするものである。
【００１５】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記エポキシ樹脂組成物は、一液型のエポキシ樹脂からなるものであることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記熱硬化性樹脂組成物の２０℃における粘度が２００〜１５００ＣＰであることを特徴とするものである。
【００１７】
請求項８に係る発明は、請求項１〜７の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記熱硬化性樹脂組成物に、ガラス転移温度が９０〜１３０℃の硬化物が含まれていることを特徴とするものである。
【００１８】
請求項９に係る発明は、請求項１〜８の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記黒鉛粉末が、天然黒鉛又は人造黒鉛若しくは天然黒鉛と人造黒鉛との複合物の粉末であることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項１０に係る発明は、請求項１〜９の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記黒鉛粉末と前記熱硬化性樹脂組成物との配合比率が９７：３〜５０：５０であることを特徴とするものである。
【００２０】
請求項１１に係る発明は、請求項１〜１０の何れか一項に記載の燃料電池用セパレータが、固体高分子型燃料電池のセパレータとして使用されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明によれば、熱硬化性樹脂組成物に含まれる硬化剤を酸無水物系硬化剤とする工夫により、コストやアミン系溶出物を抑えることができるとともに、保存安定性に優れる複合材とすることができ、曲げ強度、曲げ歪み、体積抵抗率等の要求特性の向上が可能となる改善された燃料電池用セパレータを提供することができる。この場合、請求項２のように、酸無水物系硬化剤をメチルヘキサヒドロ無水フタル酸に設定すれば、低融点で取扱い性が容易であるとともに、可使時間が比較的長く保存安定性に優れる熱硬化性樹脂組成物にできる利点がある。
【００２２】
請求項３の発明によれば、熱硬化性樹脂組成物に含まれる希釈剤を反応性希釈剤としてあるので、熱硬化性樹脂、硬化剤、硬化促進剤との親和性が良い、耐環境性や取扱い性が良い、可撓性が付与される、といった種々の効果が得られる利点がある。この場合、請求項４のように、希釈剤として構造式（Ａ）、（Ｂ）［図６参照］を有するものとすることができる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、熱硬化性樹脂組成物がエポキシ樹脂を主体とするものとしたので、破壊靭性に芳しいものとなり、振動や外力に対して耐久力のある燃料電池用セパレータを提供することができる。この場合、請求項６のように、一液型のエポキシ樹脂とすれば、製造工程中における硬化ムラが回避され、より均一な材質のセパレータとすることができる利点がある。
【００２４】
請求項７のように、熱硬化性樹脂組成物の２０℃における粘度を２００〜１５００ＣＰに設定すれば、より安定的な複合材の作成に寄与するとともに、請求項８のように、熱硬化性樹脂組成物中の硬化物のガラス転移温度を９０〜１３０℃とすれば、電気化学反応が促進されて可撓性に富むものとなる利点が得られる。
【００２５】
請求項９のように、導電材として黒鉛粉末を用いるので、コストや量産性、熱硬化性樹脂組成物（エポキシ樹脂組成物等）との親和性等の点で好ましいとともに、天然黒鉛、人造黒鉛、或いはこれら両者の混合物としてあるので、エポキシ樹脂組成物との親和性が極めて良好であり、比較的高充填、即ち大量に混合することにより導電性向上が可能と成る利点がある。
【００２６】
請求項１０の発明によれば、次のような作用効果が得られる。黒鉛とエポキシ樹脂組成物との配合比率は、成型加工性、ガス不透過性、導電性に影響を及ぼす。即ち、黒鉛比率が多過ぎると、相対的に熱硬化性樹脂組成物成分が少なくなって成型加工性が悪化、つまりは成形性が悪化し、複雑な燃料流路溝を有するセパレータを所定形状に成形加工できないとか、ガス不透過性の要求を満たすことができない等の弊害が発生する。そして、黒鉛比率が少な過ぎると、導電性の要求を満たすことができない。従って、請求項１０のように、黒鉛とエポキシ樹脂組成物との配合比率を９７：３〜５０：５０の範囲内に設定すれば、成型加工性、ガス不透過性、導電性の改善される燃料電池セパレータが可能になる。また、請求項１〜１０の発明による燃料電池用セパレータは、請求項１１のように、固体高分子型燃料電池に好適に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下に、本発明による燃料電池用セパレータ（以後、セパレータと略称する）の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について、図１〜図３を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型燃料電池２０は、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあるいはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。
【００２８】
前記両セパレータ４は、図２に示すように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、前記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池２０内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。また、前記両セパレータ４の表面には、所定形状のリブ部１１が形成されており、そのリブ部１１とアノード２の表面との間に燃料ガス流路１２が形成されているとともに、リブ部１１とカソード３の表面との間に酸化ガス流路１３が形成されている。
【００２９】
前記構成の固体高分子電解質型燃料電池２０においては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池２０に対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池２０に対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００３０】
前述の電気化学反応に伴い、燃料電池２０全体としての電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池２０は、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池２０の運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池２０に対して冷却水を供給し、これを前記冷却水路に循環させることによって、燃料電池２０内部の温度上昇を抑制している。
【００３１】
次に、セパレータ４について詳述する。セパレータ４は、導電材と熱硬化性樹脂組成物との複合材（以下、コンパウンドと呼ぶ）から構成される。導電材としては、コストや量産性、熱硬化性樹脂組成物（後述するエポキシ樹脂組成物）との親和性等の観点から黒鉛粉末を用いる。黒鉛粉末の種類については特に限定されるものではなく、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェースカーボン、球状化黒鉛、球晶黒鉛等を単一又は二以上を混合して使用することができ、成形加工性、導電性、コストの要求に対応して選択される。
【００３２】
黒鉛のうち、エポキシ樹脂組成物（後述）との親和性が極めて良好であり、比較的高充填、即ち大量に混合することにより導電性向上が可能である天然黒鉛、人造黒鉛が好ましい。これらの黒鉛は単独種類で使用してもよいし、天然黒鉛と人造黒鉛とを一定の割合で混合して使用してもよい。使用する黒鉛の黒鉛粒径に間しては、十分な導電性を維持し、かつ、機械的強度及び可僥性の最適化を図るために、３〜６００μｍを中心粒径とした粒度分布を有する黒鉛粉末が好ましく、さらには５〜１５０μｍがより好ましい。
【００３３】
熱硬化性樹脂組成物として用いられるエポキシ樹脂組成物は、少なくともエポキシ樹脂、硬化剤、希釈剤から成るものであり、必要に応じて一又は二以上の硬化剤や硬化促進剤が配合される。エポキシ樹脂組成物は、後の工程における不都合（いわゆる硬化ムラ）を生じないよう、予め所定量を十分に混合して攪拌し、一液型にしておくことが好ましい。エポキシ樹脂に関しては、ポリシラン環を有し、直鎖状構造又は分枝構造を有することのある構造の化合物であればよく、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、ノボラック型エポキシ樹脂、環状脂肪族型エポキシ樹脂、長鎖脂肪族型エポキシ樹脂、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂等が使用される。ここでは、比較的安価で汎用性のあるビスフェノールＡ型エポキシ樹脂や、反応性が比較的高くて硬化物からのアミン系溶出物がほとんど存在しないグリシジルエーテル型エポキシ樹脂、或いはグリシジルエステル型エポキシ樹脂が好ましい。
【００３４】
エポキシ樹脂組成物に含まれる硬化剤に関しては、コスト、保存安定性、前述したアミン系溶出物が少ない等の観点から酸無水物系硬化剤を使用することが好ましい。具体的には無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ドデセニル無水コハク酸、無水ピロメリット酸と無水マレイン酸との混合物、無水クロレンディック酸等の酸無水物系硬化剤が使用される。酸無水物系硬化剤は必要に応じ一又は二以上のものが選択される。ここでは、可使時間が比較的長く保存安定性が優れており、かつ、低融点で取扱い性が容易なメチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸等の酸無水物系硬化剤を使用するのが好ましい。
【００３５】
エポキシ樹脂組成物に含まれる硬化促進剤に関しても特に制限はなく、ベンジルジメチルアミン、芳香族ジメチルウレア等が使用される。エポキシ樹脂組成物に含まれる希釈剤に関しては、メチルエチルケトン、アセトン、キシレン、トルエン等のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤との親和性が良いものが選択される。耐環境性及び取扱い性の観点からメチルエチルケトン又はアセトンを使用することが好ましく、さらにはモノグリシジルエステル型、モノグリシジルエーテル型脂肪族等の反応性を有する反応性希釈剤を使用すれば、可撓性を付与する点でより好ましい。コンパウンド作製時において使用する黒鉛の種類、量等によって希釈剤の種類、量を調整し、混合時において最適な粘度となるようにする。そして、エポキシ樹脂組成物の粘度として、具体的には２５℃において２００〜１５００ＣＰであることが好ましい。
【００３６】
エポキシ樹脂組成物の組成比率に関しては、エポキシ樹脂組成物硬化後のＴｇ（ガラス転移温度）が９０〜１３０℃付近であるようエポキシ樹脂、硬化剤、希釈剤等の配合比率を調整することが好ましい。特に、固体高分子型燃料電池においては、電気化学反応が９０℃付近で起こるため、その温度付近で可撓性を十分に有することが好ましい。黒鉛とエポキシ樹脂組成物との配合比率については、４．成型加工性及び５．ガス不透過性と３．導電性との関係から一定の比率内に設定することが好ましく、具体的には黒鉛とエポキシ樹脂組成物との配合比率が９７：３〜５０：５０の範囲内であることが好ましい。黒鉛比率が多すぎると相対的にエポキシ樹脂組成物成分が少なくなる結果、４．成型加工性が悪化、すなわち成形性が悪化し複雑な燃料流路溝を有するセパレータを所定形状に成形加工できない、及び５．ガス不透過性の要求を満たさない等の弊害が発生する。また、黒鉛比率が少なすぎると３．導電性の要求を満たさないからである。
【００３７】
黒鉛粉末とエポキシ樹脂組成物の混合手段についても、特に制限はなく、一般的な攪拌や、混合機による混合を採ることができる。具体的にはヘンシェルミキサー、バンバリーミキサー、ニーダー、熱ロール等を用いて混合することができる。黒鉛粉末とエポキシ樹脂組成物の混合条件に関しても特に制限はなく、使用する混合機、エポキシ樹脂組成物の粘度及び黒鉛との親和性等により決定される。また混合に際し、コンパウンドの流動性を向上させるためにも、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸マグネシウム、ステアリン酸等の内部離型剤を混合時所定量添加することも有効である。コンパウンドの流動性は成形加工性を向上させるが、導電性や機械的強度を劣化させる要因となるため、必要最低量に留めるのが望ましい。
【００３８】
得られたコンパウンドが湿潤状態である場合には、必要に応じて、すなわち後述する予備成形体の作製や以下の工程における取扱い性を考慮して、乾燥工程が必要となる場合がある。特に混合時のエポキシ樹脂組成物の粘度調整に前述の溶剤を使用した場合には本工程が必要となる場合が多い。風乾や電気炉等による加熱乾燥方法を選択しても良いが、電気炉による加熱乾燥条件としては、エポキシ樹脂組成物の熱硬化反応が進行しない温度及び時間で乾燥させる必要がある。尚、湿潤状態においても後述する加熱加圧成形が可能である場合は、本工程は不要である。
【００３９】
得られたコンパウンドが凝集している場合には、すり鉢や粉砕機（ジェットミルやハンマーミル等）にて粉砕し、その後ふるい等により分級し、所定の粒径を有する粉状物を得る。このコンパウンドを用いてセパレータを作製するに際しては、所定の燃料流路溝形状に加工された金型を、硬化反応が進行する温度に予め加熱しておき、コンパウンドをそのまま、即ち粉状物のまま供給するか、又は後述する予備成形体により、コンパウンドの供給後に加熱加圧成型を行う。
【００４０】
作業性、取扱い性を向上させるためには予備成形体により供給する方法を選択することが好ましい。予備成形体とは、常温又はこれに近い温度にて予め平板状又は最終成形体に近似した形状に加圧したものである。特に複雑な燃料流路溝を施したセパレータを得る為には、最終成形品の形状に合わせて原材料の質量分布を持たせ、その後加熱加圧成型を行う必要があるため、予備成形体により供給する方法を採用することが好ましい。このコンパウンドを用いて、まず予備成形体を作製する。コンパウンドを所定量計量し、平板状又は適当な質量分布を有する予備成形体用金型に投入する。投入後、すり切りヘラにて表面を平らにし、その後適当な荷重にて成形プレス等にて加圧成形し、予備成形体を得る。得られた予備成形体を用いてセパレータを作製する。所定の燃料流路溝形状を施した金型を、予め硬化反応が進行する温度に加熱しておいて予備成形体を投入し、その後成形プレスにて所定の圧力、時間にて加熱加圧成形し、セパレータを得る。
【００４１】
本発明により、原材料としてフェノール樹脂を使用したコンパウンドよりも耐環境性が良好なコンパウンドを得ることができる。また、原材料として一般のエポキシ樹脂を使用したコンパウンドよりも保存安定性が良好なコンパウンドを得ることができる。さらに、本発明により得られたコンパウンドを使用することにより、十分な可撓性を有し、かつ、その他の要求特性を十分に具備した燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００４２】
〔実施例１〕
実施例１によるセパレータのエポキシ樹脂組成物はＯＳＫ‐ＲＥＳＩＮ９０（岡村製油株式会社製）を使用した。これはエポキシ樹脂として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（エピコート８３０）、硬化剤としてメチルヘキサヒドロ無水フタル酸、反応性希釈剤としてＣＲ−Ｇ（岡村製油株式会社製）を配合し一液型にしたものである。２５℃におけるＯＳＫ‐ＲＥＳＩＮ９０の粘度は２００〜３５０ＣＰであり、硬化後のＴｇは９０℃であった。以下、実施例１で使用するエポキシ樹脂組成物をエポキシ樹脂組成物１と称する。
【００４３】
黒鉛としては、天然黒鉛であり、かつ、中心粒径が６０μｍのもの（エス・イー・シー社製、ＳＮ‐６０）を使用した。エポキシ樹脂組成物１を１５０ｇ秤量し、黒鉛粉末８５０ｇ、内部離型剤としてステアリン酸マグネシウム１０ｇを加え混合した。混合器はスーパーミキサ（ＳＭＶ‐２０Ａ：川田製作所製）を使用した。混合条件については、回転数３０００ｒｐｍ、混合器内の温度は３０℃に設定し、混合時間は３０分間とした。混合後、得られたコンパウンドを採取し電気炉にて６５℃で３時間乾燥させた後、得られたコンパウンドのうち所定の粒径を有する粉状物をふるいにより篩い分け、所望のコンパウンドを得た。最終的な収率は９５％であった。このコンパウンドを用いて、まず予備成形体を作製した。このコンパウンドを所定量計量し、平板状の予備成形体用金型に投入する。投入後、すり切りヘラにて表面を平らにし、その後１０Ｍｐａの荷重にて加圧成形し、予備成形体を得る。得られた予備成形体を予め１４５℃に加熱しておいた金型に投入し、加圧時間６０秒、１００Ｍｐａの荷重にて加熱加圧成形を行い、セパレータを得た。
【００４４】
得られたセパレータについて、機械的強度については曲げ強度測定、可僥性評価については曲げ歪み測定、導電性については固有抵抗測定を行った。曲げ強度測定、曲げ歪み測定はセパレータの周辺部分を切り取り、３点曲げ試験を行った。固有抵抗値測定は、セパレータの平滑部分の固有抵抗値を測定した。また保存安定性についてはエポキシ樹脂組成物を一液型にした混合した後、２５℃においてコンパウンドを保存し、加熱加圧成形が可能である経過日数について調べた。
【００４５】
〔実施例２〕
実施例２において使用されるエポキシ樹脂組成物としてＯＳＫ‐ＲＥＳＩＮ１２０（岡村製油株式会社製）を用い、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製してセパレータを得た。ＯＳＫ‐ＲＥＳＩＮ１２０は実施例１に記載のＯＳＫ‐ＲＥＳＩＮ９０と同一の組成物によって構成され、その配合比率を変更することにより２５℃における粘度を５００ＣＰ、硬化物のＴｇを１３０℃としたものである。以下、この実施例２において使用されるエポキシ樹脂組成物は、エポキシ樹脂組成物２と称することとする。
【００４６】
〔実施例３〕
実施例３において使用される黒鉛としては、天然黒鉛であって、かつ、中心粒径が１００μｍのもの（エス・イー・シー社製、ＳＮ‐１００）を用い、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製し、セパレータを得た。
【００４７】
〔実施例４〕
実施例４において使用される黒鉛としては、人造黒鉛であって、かつ、中心粒径が１００μｍのもの（エス・イー・シー社製、ＳＰＧ−１００）を使用し、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製し、セパレータを得た。
【００４８】
〔実施例５〕
実施例５において使用される黒鉛として、人造黒鉛と天然黒鉛との複合物であって、かつ、中心粒径が１００μｍのもの（エス・イー・シー社製、ＳＮ‐１００：ＳＰＧ−１００＝５０：５０）を使用し、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製し、セパレータを得た。
【００４９】
〔比較例１〕
比較例１において使用される熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂（ＡＶライトレジン、旭有機材(株)製）を用い、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製し、セパレータを得た。
【００５０】
〔比較例２〕
比較例２において使用されるエポキシ樹脂組成物として、硬化剤にメタフェニレンジアミンを使用し、実施例１と同様の方法でコンパウンドを作製し、セパレータを得た。以下、この比較例２で使用されるエポキシ樹脂組成物を、エポキシ樹脂組成物３と称することとする。
【００５１】
さて、実施例１〜５、比較例１〜２によって作製された燃料電池用セパレータの組成比率及び作成条件については、図５の表１に示す。また、実施例１〜５、比較例１，２によって作製されたセパレータの評価結果を図６の表２に示す。ここで、各物性の基準値は、曲げ強度が４０Ｍｐａ、曲げ歪みが１．０％、体積抵抗値が５ｍΩ・ｃｍ、保存安定性が６０日である。以下の如く、本発明による実施例１〜５のものは、実験データによってもその有効性が裏付けられている。
【００５２】
実施例１〜５については、曲げ強度４２Ｍｐａ以上、曲げ歪み１．０％以上、体積抵抗値４．２ｍΩ・ｃｍ以下であり、セパレータの要求特性を満たしている。また、保存安定性についても約９０日であり、原材料であるコンパウンドの保存安定性向上を図ることが可能であった。これに対して比較例１，２については、保存安定性がそれぞれ３日、１日であり、原材料であるコンパウンドの保存安定性向上を回ることが全くもって困難であった。曲げ強度は、両比較例のものは共に３８Ｍｐａであり、機械的強度を満たすことができないとともに、曲げ歪みが０．４以下で、体積抵抗値も９，７ｍΩ・ｃｍ以上となり、いずれの要求特性をも満たすことができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】固体高分子電解質型燃料電池を構成するスタック構造を示す分解斜視図
【図２】図１の燃料電池におけるセパレータの外観正面図
【図３】図１の燃料電池における単セルの構成を示す要部の拡大断面図
【図４】燃料電池用セパレータの材料組成比率等を示す表１
【図５】燃料電池用セパレータの物性を示す表２
【図６】熱硬化性樹脂組成物に含まれる希釈剤の構造式を示す図
【符号の説明】
【００５４】
１          電解質膜
２          アノード
３          カソード
４          セパレータ（燃料電池用セパレータ）
５          単セル
２０        燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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