(57)【要約】      （修正有）【課題】導電材料の添加量を増やすことなく、電気伝導性に優れた樹脂コーティング型のセパレータおよびその製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用のセパレータ１０は、金属基体１１と、導電材料１３を含有し、該金属基体１１を被覆する樹脂層１２とを備え、該導電材料１３が金属基体１１主表面に対して略垂直方向に配向している事を構成とし、上記セパレータ１０の製造方法は、金属基体１１を準備する工程と、導電材料１３を樹脂に分散させる工程と、該導電材料１３を分散させた樹脂を該金属基体１１に塗布する工程と、金属基体１１の主表面に垂直の磁場をかけ熱処理を行う工程と、を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基体と、導電材料を含有し、該金属基体を被覆する樹脂層とを備えた燃料電池用のセパレータであって、該導電材料が金属基体主表面に対して略垂直方向に配向している事を特徴とする燃料電池用のセパレータ。
【請求項２】
前記導電材料の一部がセパレータ表面に露出していること特徴とする請求項1記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項３】
前記導電材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバーの少なくとも１種であることを特徴とする請求項1または請求項2のいずれか1記載の燃料電池用のセパレータ。
【請求項４】
金属基体を準備する工程と、導電材料を樹脂に分散させる工程と、該導電材料を分散させた樹脂を該金属基体に塗布する工程と、金属基体の主表面に垂直の磁場をかけ熱処理を行うことを特徴とする燃料電池用のセパレータの製造方法
【請求項５】
前記導電材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバーの少なくとも１種であることを特徴とする請求項4に記載の燃料電池用のセパレータの製造方法。
【請求項６】
樹脂を塗布する工程において、金属基体の主表面に垂直の磁場を印加することを特徴とする請求項4または請求項5いずれか1記載の燃料電池用のセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に金属基体固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータを構成する基体は、大別して金属を基体に用いるものと炭素材料を基体に用いるものがある。前者の場合、耐食性などが課題とされ、また後者の場合、脆さや加工のしにくさ等の課題を抱えている。
これらの課題を解消すべく、金属基体に、導電性材料を含有する樹脂をコーティングさせ、金属が有する強度と樹脂が有する耐食性の両方を備えたセパレータが開発されている（引用文献1）。図３に電性材料を含有する樹脂をコーティングしたセパレータの概略図を示す。このセパレータ３０は、金属基体３１と、金属基体をコーティングする樹脂３２と、コーティング樹脂に含有された導電材料３３からなり、導電材料３３がコーティング樹脂３２内でランダムに分布している。この導電材料３３同士が接触することで、金属基体３１からセパレータの樹脂表面に電気を伝えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２４９２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら樹脂がコーティングされたセパレータは、金属製のセパレータや炭素材料製のセパレータよりも電気伝導性が低い傾向にある。これはセパレータ表面を樹脂層であり、電気を伝える役割を果たす導電材料が樹脂内に埋もれているからである。
この問題を解決するために、導電材料を含有した樹脂を塗布した後に表面処理を行い、導電材料をセパレータ表面に露出させる方法も開発されているが、更なる電気伝導度の向上が望まれている。
また、電気伝導度向上を図る別の方法として、樹脂内の導電材料の添加量を増やすことが考えられる。しかし、樹脂内に導電材料が増えることにより導電材料同士の凝集を引き起こしため、添加量を増やすことが必ずしも電気伝導度を向上させるものでもない。加えて、導電性物質が凝集している部分は樹脂との濡れ性が悪く、樹脂内に空気の層を形成してしまい、セパレータの強度低下という別の問題が発生する。
したがって、樹脂への導電性物質の添加を必要以上に行わず、かつ、効率よく電気伝導性を向上させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するために、本発明の燃料電池用セパレータは、
金属基体と、導電材料を含有し、該金属基体を被覆する樹脂層とを備えた燃料電池用のセパレータであって、該導電材料が金属基体主表面に対して略垂直方向に配向していることを構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料の一部がセパレータ表面に露出していることを構成とした。
本発明の他の態様として、前記導電材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバーの少なくとも１種であることを構成とした。
【０００６】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、
金属基体を準備する工程と、導電材料を樹脂に分散させる工程と、該導電材料を分散させた樹脂を該金属基体に塗布する工程と、金属基体の主表面に垂直の磁場をかけ熱処理を行うことを構成とした。
本発明の製造方法の他の態様として、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー、カーボンファイバーの少なくとも１種であることを構成とした。
本発明の製造方法の他の態様として、樹脂を塗布する工程において、金属基体の主表面に垂直の磁場を印加することを構成とした。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のセパレータは、該導電材料が金属基体に対して略垂直方向に配向しているので、従来のランダムに分散している樹脂コーティング型のセパレータに比べ、高い電気伝導度を有する。また上記構成をとるとこで、導電材料の添加量を増やすことなく電気伝導度を保つことが出来るので、導電材料の凝集によるセパレータの強度低下を防ぐことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。
【図２】本発明のセパレータの製造方法の一実施形態を説明するための工程図である。
【図３】従来の燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１は本発明の高分子電解質型燃料電池用のセパレータの一実施形態を示す部分断面図である。図１において、本発明のセパレータ１０は、金属基体１１と、金属基体１１の両面を被覆するように形成された樹脂層１２とを備えている。そして、この樹脂層１２は、金属基体１１の主表面に対して略垂直に配向された導電材料１３を含有するものである。なお、本明細書中の「配向」とは、導電材料の向きが揃っていることをいう。また、セパレータ表面に導電材料が露出していることが望ましい。電気伝導性が向上するからである。
【００１０】
セパレータ１０を構成する金属基体１１の材質は、電気導電性が良く、所望の強度が得られ、かつ、加工性の良いものが好ましいもの、例えば、ステンレス、冷間圧延鋼板、アルミニウム、チタン、銅等が挙げられる。
【００１１】
セパレータ１０を構成する樹脂層１２は、導電性を有するとともに、金属基体１１に耐食性を付与するためのものである。この樹脂層１２は、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料を分散させた電着液を用いて電着により成膜し、その後、硬化させて形成することができる。
アニオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、マレイン化油樹脂、ポリブタジエン樹脂、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のアニオン性合成高分子樹脂とメラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。一方、カチオン性合成高分子樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、これらを単独で、あるいは任意の組み合わせによる混合物として使用することができる。また、上記のカチオン性合成高分子樹脂とポリエステル樹脂、ウレタン樹脂等の架橋性樹脂とを併用してもよい。
また、上記の電着性を有する合成高分子樹脂に粘着性を付与するために、ロジン系、テルペン系、石油樹脂等の粘着性付与樹脂を必要に応じて添加してもよい。
【００１２】
このような電着性の合成高分子樹脂は、アルカリ性または酸性物質により中和して水に可溶化された状態、あるいは水分散状態で電着に供される。すなわち、アニオン性合成高分子樹脂は、トリメチルアミン、ジエチルアミン、ジメチルエタノールアミン、ジイソプロパノールアミン等のアミン類、アンモニア、苛性カリ等の無機アルカリで中和する。また、カチオン性合成高分子樹脂は、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、乳酸等の酸で中和する。そして、中和された水可溶の高分子樹脂は、水分散型または溶解型として水に希釈された状態で使用される。
電着により形成された樹脂層１２の厚みは、０．１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍの範囲とすることができる。樹脂層１２の厚みが０．１μｍ未満であると、ピンホール等の発生により、良好な耐食性が確保できないことがあり、１００μｍを超えると、乾燥固化後のヒビ割れ等の発生や、生産性の低下、コスト高といった問題が発生し好ましくない。
【００１３】
樹脂層１２に含有される導電材料１３としては、例えば、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等のカーボン素材が挙げられる。特に、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバー等の微細繊維状炭素材料は、樹脂層１２に導電性を付与するために好適である。このような導電材料の樹脂層１２における含有量は、樹脂層12に要求される導電性に応じて適宜設定することができ、例えば、５〜９０重量％の範囲で設定することができる。
【００１４】
本発明では、セパレータ１を構成する樹脂層１２が、電解重合により形成され、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントのような樹脂層であってもよい。電解重合は、基本的には、芳香族化合物をモノマーとして含む電解液に電極を浸漬し通電して行い、電気化学的に酸化または還元して重合する公知の方法である。樹脂層中へのドーパントの含有は、電解重合の際にドーパントを含ませる電気的ドーピング、あるいは、電解重合後に導電性高分子をドーパントの液体、またはドーパント分子を含む溶液に浸漬する液相ドーピングにより行うことができる。ドーパントとしては、アルカリ金属、アルキルアンモニウムイオン等のドナー型のドーパント、ハロゲン類、ルイス酸、プロトン酸、遷移金属ハライド、有機酸等のアクセプタ型のドーパントを挙げることができる。
なお、樹脂層１２中のドーパント量は、樹脂層１２に要求される導電性に応じて適宜設定することができる。
【００１５】
図２は、上述のような本発明のセパレータの製造方法を、図１に示されるセパレータ１を例として説明する図である。この金属基体２１（図２（Ａ））の両面に、電着性を有する各種アニオン性、またはカチオン性の合成高分子樹脂中に導電材料２３を分散させた電着液を用いて電着により成膜し（図２（Ｂ））、その後、金属基体２１の主表面に対して垂直に磁場をかけながら硬化させて樹脂層２２を形成する（図２（Ｃ））。このように形成された樹脂層１２は、導電材料が金属基体２０主表面に対し略垂直に配向しているので、良好な導電性と高い耐食性を具備したものとなる。これにより、セパレータ２０が得られる。
なお、金属基体に電着をする工程においてさらに磁場をかけることが望ましい。導電材料が配向しやすくなるからである。
【実施例】
【００１６】
次に、具体的な実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
金属板材として、厚み４．５ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を準備し、表面の脱脂処理を行った。
次に、このステンレス板の両面に、感光材料（カゼインと重クロム酸アンモニウムとの混合物）をディップコート法により塗布して厚み２０μｍの塗膜を形成し、溝部形成用のフォトマスクを介して露光（５ｋＷ水銀灯により６０秒間照射）、現像（４０℃温水をスプレー）してレジストを形成した。
【００１７】
次いで、上記のレジストを介してステンレス板の両面から７０℃に加熱した塩化第二鉄溶液をスプレーして、所定の深さまでハーフエッチングを行った。その後、８０℃の苛性ソーダ水溶液でレジストを剥離し、洗浄処理を施した。これにより、幅が１ｍｍ、深さが０．５ｍｍのほぼ半円形状の断面を有し、振れ幅１００ｍｍ、ピッチ５０ｍｍで蛇行した長さ１０００ｍｍの溝部を備えた金属基体を得た。
【００１８】
一方、以下のようにして、エポキシ電着液を調製した。
まず、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（エポキシ当量９１０）１０００重量部を撹拌下に７０℃に保ちながら、エチレングリコールモノエチルエーテル４６３重量部に溶解させ、さらに、ジエチルアミン８０．３重量部を加えて１００℃で２時間反応させてアミンエポキシ付加物（Ａ）を調製した。
また、コロネートＬ（日本ポリウレタン（株）製  ジイソシアネート：ＮＣＯ１３％の不揮発分７５重量％）８７５重量部にジブチル錫ラウレート０．０５重量部を加え５０℃に加熱し、これに２−エチルヘキサノール３９０重量部を添加し、その後、１２０℃で９０分間反応させた。得られた反応生成物をエチレングリコールモノエチルエーテル１３０重量部で希釈した成分（Ｂ）を得た。
【００１９】
次に、上記のアミンエポキシ付加物（Ａ）１０００重量部と成分（Ｂ）４００重量部からなる混合物を、氷酢酸３０重量部で中和した後、脱イオン水５７０重量部を用いて希釈し、不揮発分５０重量％の樹脂Ａを調製した。この樹脂Ａ２００．２重量部（樹脂成分８６．３容量）、脱イオン水５８３．３重量部、およびジブチル錫ラウレート２．４重量部を配合してエポキシ電着液を調製した。
次いで、上記のエポキシ電着液に、導電材料としてカーボンナノファイバー（昭和電工（株）製  気相法炭素繊維  ＶＧＣＦ（登録商標））を樹脂固形分に対して６０重量％、撥水性材料として、ポリテトラフルオロエチレン微粒子（旭硝子（株）製  フルオン）を樹脂固形分に対して１０重量％添加し分散させて、電着液とした。
【００２０】
上記の電着液を２０℃に保って撹拌し、この中に上記の金属基体を浸漬し、極間４０ｍｍ、電圧５０Ｖで１分間電着を行い、引き上げた金属基体を純水洗浄した。その後、ホットプレート上で１５０℃、３分間乾燥し、さらに、セパレータ主表面に対し垂直になるように１０Ｔの磁場をかけながら窒素雰囲気中で１８０℃、１時間の加熱硬化処理を施した。これにより、金属基体上には、厚み１５μｍの均一な樹脂層が形成され、樹脂内部にはカーボンナノファイバーの長軸方向がステンレス板の主表面に対して垂直に配向したセパレータが得られた。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
本発明は、燃料電池用のセパレータに関し、特に金属基体固体高分子電解質膜の両側に電極を配した単位セルを複数個接続した燃料電池の各単位セルに使用するセパレータと、セパレータの製造方法に適用することができる。
【符号の説明】
【００２２】
１０，２０，３０…セパレータ
１１，２１，３１…金属基体
１２，２２，３２…樹脂層
１３，２３，３３…導電材料
【図１】
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【図２】
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【図３】
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