(57)【要約】【課題】  成形性および曲げ強度を損なうことなく、電気特性を向上させることのできる燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】  燃料電池用セパレータおよびその製造方法が開示されている。本発明の燃料用セパレータは、黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との溶融混合物から構成され、該溶融混合物における該黒鉛粒子の含有量が、該樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きくなるように設定されている。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との溶融混合物から構成される燃料電池用セパレータであって、
該溶融混合物における該黒鉛粒子の含有量が、該樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きい、セパレータ。
【請求項２】
前記バインダ樹脂の含有量が、前記溶融混合物の重量に対して５重量％から２５重量％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】
前記バインダ樹脂が熱硬化性樹脂である、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
燃料電池用セパレータの製造方法であって、
黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する樹脂コーティング粒子に対し、黒鉛粒子を少なくとも１回添加して溶融混合する工程
を包含し、
ここで、該黒鉛粒子の合計の添加量が、該樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きい、方法。
【請求項５】
前記溶融混合物における前記バインダ樹脂の含有量が、前記溶融混合物の重量に対して５重量％から２５重量％である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記バインダ樹脂が熱硬化性樹脂である、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
前記溶融混合工程において、室温に調整された前記樹脂コーティング粒子に、前記バインダ樹脂の硬化温度を超えるまで加熱された前記黒鉛粒子が添加される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記バインダ樹脂が熱可塑性樹脂である、請求項４または５に記載の方法。
【請求項９】
前記溶融混合工程において、室温に調整された前記樹脂コーティング粒子に、前記バインダ樹脂のガラス転移点または融点を超えるまで加熱された前記黒鉛粒子が添加される、請求項８に記載の方法。
【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およびその製造方法に関し、より詳細には、導電性能が向上した燃料電池用セパレータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、黒鉛粉末にフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂をバインダとして使用した材料から構成される燃料電池用セパレータが開発されている。黒鉛は電気抵抗が小さく、かつ耐食性に優れている。このため、セパレータの機械的強度を改善する観点から検討されていた金属板に代わる材料として注目されている。
【０００３】
上記セパレータは、バインダ樹脂の含有量が多いほど、機械的強度やガス不透過性が良好となるものの、これに代わり体積抵抗等の電気的特性が低下する点が懸念されている。こうした点から、表面が樹脂でコーティングされた、所定の粒子径を有する黒鉛粉末を用い、種々の成形条件にて加圧成形する燃料電池用セパレータが提案されている（特許文献１）。また、粉状の成形材料を成形用金型に充填して加熱加圧し、その後、加圧冷却して燃料電池用セパレータを得るにあたり、所定の樹脂と黒鉛粒子とを所定の樹脂の溶融開始温度以上の温度で加熱混練して予備成形材料を調製し、この予備成形材料を粉砕して粉体化し、この粉体化した予備成形材料に黒鉛粒子を添加して所定の樹脂の溶融開始温度未満の温度で混合することにより、粉状の成形材料を調製する、燃料電池用セパレータの製造方法が提案されている（特許文献２）。
【０００４】
しかし、上記のような燃料用セパレータでは、依然として電気的特性、機械的強度およびガス不透過性のすべてに対して所望すべき要求を満足するものとは言えず、さらなる開発が所望されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１９８０６６号公報
【特許文献２】特開２０１１−１１９１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記問題の解決を課題とするものであり、その目的とするところは、成形性および曲げ強度を損なうことなく、電気特性を向上させることのできる燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との溶融混合物から構成される燃料電池用セパレータであって、
該溶融混合物における該黒鉛粒子の含有量が、該樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きい、セパレータである。
【０００８】
１つの実施形態では、上記バインダ樹脂の含有量は、上記溶融混合物の重量に対して５重量％から２５重量％である。
【０００９】
１つの実施形態では、上記バインダ樹脂は熱硬化性樹脂である。
【００１０】
本発明はまた、燃料電池用セパレータの製造方法であって、
黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する樹脂コーティング粒子に対し、黒鉛粒子を少なくとも１回添加して溶融混合する工程を包含し、
ここで、該黒鉛粒子の合計の添加量が、該樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きい、方法である。
【００１１】
１つの実施形態では、上記溶融混合物における上記バインダ樹脂の含有量は、上記溶融混合物の重量に対して５重量％から２５重量％である。
【００１２】
１つの実施形態では、上記バインダ樹脂は熱硬化性樹脂である。
【００１３】
さらなる実施形態では、上記溶融混合工程において、室温に調整された上記樹脂コーティング粒子に、上記バインダ樹脂の硬化温度を超えるまで加熱された上記黒鉛粒子が添加される。
【００１４】
１つの実施形態では、上記バインダ樹脂は熱可塑性樹脂である。
【００１５】
さらなる実施形態では、上記溶融混合工程において、室温に調整された上記樹脂コーティング粒子に、上記バインダ樹脂のガラス転移点または融点を超えるまで加熱された上記黒鉛粒子が添加される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電気的特性、機械的強度およびガス不透過性のすべてに対して良好な燃料電池用セパレータを提供することができる。特に本発明の燃料電池用セパレータは、種々の温度に対する機械的強度が従来のバインダ樹脂を含む燃料電池用セパレータと同等またはそれ以上の値を達成し、当該従来のセパレータよりも優れた電気的特性を有する。さらに、このような従来のセパレータよりも優れたガス不透過性を有する。このようなセパレータを用いることにより、より軽量かつ高性能の燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明について詳述する。
【００１８】
（燃料電池用セパレータ）
本発明の燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータということがある）は、例えば、固体高分子膜を介してアノード電極とカソード電極とともに単セルを構成し、当該単セルを複数積み重ねて構成される固形高分子型燃料電池に使用されるものであって、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との溶融混合物から構成されている。
【００１９】
樹脂コーティング粒子は、黒鉛成分およびバインダ樹脂を含有する。
【００２０】
樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分は、それ自体が粒子または粉末から構成されるものである。黒鉛成分自体の形態は特に限定されず、任意の形態を有するものが使用され得る。黒鉛成分の例としては、天然黒鉛（例えば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛）、人造黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、カーボンブラック、およびキッシュ黒鉛、ならびにこれらの組合せが挙げられる。天然黒鉛および／または人工黒鉛から構成されていることが好ましい。これらの黒鉛成分は、好ましくは５μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜３００μｍの平均粒子径を有する。
【００２１】
樹脂コーティング粒子に含まれるバインダ樹脂は、上記黒鉛成分の外表面の全面または一部にコーティングされた樹脂であり、後述するような隣接する他の粒子と付着することにより、付着した粒子の間での黒鉛成分の接触により導電性を達成し得る樹脂である。
【００２２】
バインダ樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂である。なお、本明細書中に用いられる用語「熱硬化性樹脂」とは、加熱により重合可能な樹脂であり、かつ硬化後の加熱に対しては塑性変形しない樹脂を言い、加熱による重合が可能な樹脂であれば、すでに部分的に重合または硬化された、いわゆる半硬化した硬化性樹脂をも包含する。この点で用語「熱硬化性樹脂」は、すでに完全に硬化または重合して元に戻らなくなった「熱硬化（した）樹脂」とは明確に区別される。
【００２３】
バインダ樹脂を構成する熱硬化性樹脂は、例えば、３０℃〜４００℃、好ましくは５０℃〜２５０℃の硬化温度を有するもの、すなわちこのような温度で硬化または重合可能なものである。
【００２４】
熱硬化性樹脂の例としては、必ずしも限定されないが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、おジアリルフタレート樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、およびこれらの組合せなどの有機系熱硬化性樹脂；ならびにシリコーン樹脂、フッ素樹脂のような無機系熱硬化性樹脂；が挙げられ、いずれも未硬化または半硬化のものである。セパレータへの汎用性に優れているとの理由から、有機系熱硬化性樹脂が好ましく、フェノール樹脂がさらに好ましい。
【００２５】
バインダ樹脂を構成する熱可塑性樹脂は、例えば、３０℃〜４００℃、好ましくは１００℃〜３５０℃のガラス転移点、融点または溶融温度を有する樹脂である。
【００２６】
熱可塑性樹脂の例としては、必ずしも限定されないが、オレフィン系樹脂（例えば、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、超低密度ポリエチレン（ＶＬＤＰＥ）、直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）、および超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）のようなポリエチレン（ＰＥ）；ポリプロピレン（ＰＰ）;ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）；ならびにポリ環状オレフィン）、ビニル系樹脂（例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）；およびポリ塩化ビニリデン（ＰＶＤＣ））、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡｃ）、アクリロニトリル−スチレン−ブタジエン樹脂（ＡＢＳ）、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリアミド樹脂（ＰＡ）（例えば、ナイロン６；ナイロン１１；ナイロン１２；ナイロン４６；ナイロン６６；ナイロン６Ｔ；ナイロン６１；ナイロン９Ｔ；ナイロンＭ５Ｔ；ナイロンＭＸＤ；ナイロン６１０；およびナイロン６１２）、ポリフタルアミド樹脂、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエステル系樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）；ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）;およびポリトリメチレンナフタレート（ＰＴＴ））、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）；および熱可塑性ポリイミド（ＰＩ）；ならびにこれらの組合せが挙げられる。使用温度における物性および経済性の両方が良好であるという理由から、ポリプロピレン（ＰＰ）が好ましい。
【００２７】
樹脂コーティング粒子における上記バインダ樹脂の含有量（付着量）は必ずしも限定されないが、樹脂コーティング粒子の重量を基準として、例えば、１０重量％〜８０重量％、好ましくは１５重量％〜５０重量％である。上記の通り、バインダ樹脂は、樹脂コーティング粒子において、コアとなる黒鉛成分の粒子の外表面の全部または一部にコーティングされているが、そのコーティング層の厚みもまた特に限定されず、任意の厚みに設定されたものが使用され得る。
【００２８】
さらに、樹脂コーティング粒子としての平均粒子径は、特に限定されないが、好ましくは１０μｍ〜５００μｍ、より好ましくは２０μｍ〜３１０μｍである。樹脂コーティング粒子の平均粒子径が１０μｍ未満であると、黒鉛粒子間で空隙が生じ機械的強度が低下するおそれがある。樹脂コーティング粒子の平均粒子径が５００μｍを超えると、後述の黒鉛粒子との溶融混合の際に、粒子間の間隙が大きくなり、得られる溶融混合物の機械的強度や電気的特性の低下に影響を及ぼすおそれがある。
【００２９】
黒鉛成分へのバインダ樹脂のコーティングは、特に限定されず、例えば、特許文献１に記載されるような方法を用いることができる。このような樹脂コーティング粒子は、例えば、液状フェノールと黒鉛とをミキサー等で撹拌混合して得られた物が市販されている。
【００３０】
本発明のセパレータにおいて、上記樹脂コーティング粒子とともに溶融混合物に含まれる黒鉛粒子は、任意の形態を有するものが使用され得る。黒鉛粒子の例としては、天然黒鉛（例えば、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛、土状黒鉛）、人造黒鉛、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、カーボンブラック、およびキッシュ黒鉛、ならびにこれらの組合せが挙げられる。天然黒鉛および／または人工黒鉛から構成されていることが好ましい。これらの黒鉛粒子は、好ましくは５μｍ〜５００μｍ、より好ましくは１０μｍ〜３００μｍの平均粒子径を有する。黒鉛粒子の平均粒子径が５μｍ未満であると、二次凝集により上記樹脂コーティング粒子への均一分散が困難となるおそれがある。また、製造途中に粉塵となって作業者が吸い込む危険性が高くなり、作業環境が劣化する懸念が残る。黒鉛粒子の平均粒子径が５００μｍを超えると、上記樹脂コーティング粒子との溶融混合の際に、粒子間の間隙が大きくなり、得られる溶融混合物の機械的強度や電気的特性の低下に影響を及ぼすおそれがある。
【００３１】
上記黒鉛粒子はまた、その外表面において特に上記バインダ樹脂のコーティングがなされていないものが使用される。さらに、黒鉛粒子は、未処理のものであるか、あるいは任意のカップリング剤（例えば、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルエトキシシランなどのシランカップリング剤；イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、テトラオクチルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、イソプロピルトリ（Ｎ−アミトエチル・アミノエチル）チタネートなどのチタネート系カップリング剤；アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレートなどのアルミネート系カップリング剤）、界面活性剤（例えば、陰イオン系界面活性剤、陽イオン系界面活性剤、両性イオン系界面活性剤、非イオン性界面活性剤）で予め表面処理が施されたものであってもよい。
【００３２】
本発明のセパレータにおいて、溶融混合物は、好ましくは上記樹脂コーティング粒子と上記黒鉛粒子とがほぼ均一に混合されたものであり、樹脂コーティング粒子を構成する樹脂バインダが黒鉛粒子に付着して、隣接する粒子同士が互いに電気的に接続された状態を形成している。
【００３３】
本発明においては、この溶融混合物における黒鉛粒子の含有量が、樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きくなるように設定されている。例えば、本発明の溶融混合物において、上記黒鉛粒子の重量は、上記樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の重量の好ましくは１倍〜３倍、より好ましくは１．２倍〜２．１倍である。あるいは、本発明においては、この溶融混合物におけるバインダ樹脂の含有量は、当該溶融混合物の重量を基準として、好ましくは５重量％〜２５重量％、より好ましくは１０重量％〜２０重量％の割合を有する。溶融混合物中におけるバインダ樹脂の含有量が５重量％未満であると、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子とが適切に溶融混合せず、均質な材料が得られないおそれがある溶融混合物中におけるバインダ樹脂の含有量が２５重量％を上回ると、得られる混合物の電気的特性が劣る場合がある。
【００３４】
本発明のセパレータにおいて、溶融混合物は、上記樹脂コーティング粒子および黒鉛粒子以外に他の添加物を含有していてもよい。このような他の添加物の例としては、導電性材料（例えば、金属性材料および炭素系材料）、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、難燃剤、帯電防止剤、耐熱向上剤、無機充填剤、および有機充填剤、ならびにこれらの組合せが挙げられる。
【００３５】
金属性材料の具体的な例としては、ニッケル、鉄、コバルト、ホウ素、鉛、クロム、銅、アルミニウム、チタン、ビスマス、錫、タングステン、モリブデン、白金、金、銀、当業者に公知の導電性セラミックなどが挙げられる。炭素系材料の具体的な例としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、アモルファスカーボン、炭素繊維などが挙げられる。
【００３６】
本発明のセパレータにおいて、上記他の添加剤の含有量は、その種類や添加する目的に応じて当業者が任意の量を選択することができる。
【００３７】
本発明のセパレータは、このような溶融混合物を成形金型内に充填して所定の形状に成形したものである。成形すべき形状は特に限定されず、使用する燃料電池の大きさや形状、必要となるセパレータの数等によって当業者に任意に設計され得る。
【００３８】
（燃料電池用セパレータの製造方法）
本発明のセパレータは、例えば、以下のようにして製造することができる。
【００３９】
本発明においては、上記樹脂コーティング粒子に対し、上記黒鉛粒子が少なくとも１回添加されて溶融混合される。
【００４０】
樹脂コーティング粒子に対する黒鉛粒子の添加は、樹脂コーティング粒子を構成する樹脂の種類によって、例えば以下のようにして行われる。
【００４１】
例えば、樹脂コーティング粒子を構成するバインダ樹脂が熱硬化性樹脂である場合、樹脂コーティング粒子は、例えば特に加温することなく、室温と同等の温度となるように調整されている。これに対し、黒鉛粒子は、予め、当該樹脂コーティング粒子に含まれるバインダ樹脂の硬化温度（例えば、３０℃〜４００℃、好ましくは５０℃〜２５０℃）を超えるまで加熱されている。ここで、本明細書中に用いられる用語「バインダ樹脂の硬化温度を超えるまで加熱する」とは、バインダ樹脂（熱硬化性樹脂）の硬化温度よりも、例えば、０．５℃〜１００℃、好ましくは０．５℃〜９０℃高い温度にまで加熱することを言う。
【００４２】
上記のように室温に調整された樹脂コーティング粒子に、バインダ樹脂の硬化温度を超えるまで加熱した黒鉛粒子を添加かつ混合することにより、加熱した黒鉛粒子の温度が、隣接する樹脂コーティング粒子中のバインダ樹脂に伝わり、当該バインダ樹脂（熱硬化性樹脂）は熱硬化を開始する。その際に、隣接する樹脂コーティング粒子に黒鉛粒子が付着し、全体として溶融混合物が形成される。本発明において樹脂コーティング粒子中のバインダ樹脂（熱硬化性樹脂）は予め可能な限り、熱硬化が生じないかまたは生じ難い温度に設定されていることより、加熱した黒鉛粒子との接触により初めて熱硬化が起こり、より効率的に溶融混合物が形成される。なお、上記では、樹脂コーティング粒子に黒鉛粒子を添加した例を説明したが、本発明はこれに限定されず、上記添加は、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子とを単に混合することを意味する。よって、本発明においては、黒鉛粒子に樹脂コーティング粒子を添加するものであってもよい。さらに、本発明において、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との混合には、加熱手段が必ずしも用いられなくてもよく、例えば、常温（例えば、室温）下で行われてもよい。
【００４３】
一方、樹脂コーティング粒子を構成するバインダ樹脂が熱可塑性樹脂である場合、樹脂コーティング粒子は、例えば特に加温することなく、室温と同等の温度となるように調整されている。これに対し、黒鉛粒子は、予め、当該樹脂コーティング粒子に含まれるバインダ樹脂のガラス転移温度または融点（例えば、３０℃〜４００℃、好ましくは１００℃〜３５０℃）を超えるまで加熱されているか、当該バインダ樹脂のガラス転移温度または融点に満たない温度まで加熱されているか、あるいは特に加温することなく、室温と同等の温度となるように調整されている。ここで、本明細書中に用いられる用語「バインダ樹脂のガラス転移温度または融点を超えるまで加熱する」とは、バインダ樹脂（熱可塑性樹脂）のガラス転移温度または融点よりも高い温度（当該バインダ樹脂がガラス転移温度および融点の両方を有する場合は融点よりも高い温度）であって、当該ガラス転移温度または融点に対して、例えば、０．５℃〜１００℃、好ましくは０．５℃〜９０℃高い温度にまで加熱することを言う。
【００４４】
上記のように室温に調整された樹脂コーティング粒子に、バインダ樹脂のガラス転移温度または融点を超えるまでに加熱した黒鉛粒子を添加かつ混合することにより、加熱した黒鉛粒子の温度が隣接する樹脂コーティング粒子中のバインダ樹脂に伝わり、当該バインダ樹脂（熱可塑性樹脂）は溶融を開始する。その際に、隣接する樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子とが結合し、全体として溶融混合物が形成される。なお、上記では、樹脂コーティング粒子に黒鉛粒子を添加した例を説明したが、本発明はこれに限定されず、上記添加は、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子とを単に混合することを意味する。よって、本発明においては、黒鉛粒子に樹脂コーティング粒子を添加するものであってもよい。さらに、本発明において、樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子との混合には、加熱手段が必ずしも用いられなくてもよく、例えば、常温（例えば、室温）下で行われてもよい。
【００４５】
なお、本発明において、樹脂コーティング粒子を構成するバインダ樹脂が熱可塑性樹脂である場合、樹脂コーティング粒子および黒鉛粒子のいずれもがバインダ樹脂のガラス転移温度または融点まで加熱されたものではない状態（すなわち、樹脂コーティング粒子および黒鉛粒子を、ともにバインダ樹脂のガラス転移点または融点以下の温度にまで加熱したもの；樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子とをいずれも室温と同様の温度に調整したもの；ならびに樹脂コーティング粒子と黒鉛粒子のいずれか一方をバインダ樹脂のガラス転移点または融点以下の温度にまで加熱し、他方を室温と同様の温度に調整したもの）で混合され、加熱を通じて両者を溶融混合してもよい。
【００４６】
上記工程において、黒鉛粒子は、その合計の添加量が樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量よりも大きくなるように添加される。すなわち、このような黒鉛粒子の合計の添加量と樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量との関係が満たされる限り、黒鉛粒子の添加は、少なくとも１回、すなわち一度に行われてもよく、あるいは複数回に分けて行われてもよい。また、各回の添加は、例えば、樹脂コーティング粒子に含まれる黒鉛成分の含有量を下回る量であっても、同量であっても、上回る量であってもよい。
【００４７】
上記工程における溶融混合は、適切な混合手段（例えば、ヘンシルミキサー、タンブルミキサー、ナウターミキサー、ボールミルなどの混合機またはミル）内で行われることが好ましい。上記工程に要する時間は、バインダ樹脂の種類、溶融混合する量などによって変動するため、必ずしも限定されないが、例えば、５分間〜１２０分間、好ましくは１０分間〜９０分間かけて行われる。溶融混合物は所望の成形用金型にて加熱かつ加圧下で圧縮成形され、その後加圧冷却を通じて所望の燃料電池用セパレータに成形される。本発明において、成形用金型を用いた溶融混合物の成形条件は特に限定されず、当業者によって任意の条件が設定され得る。
【００４８】
このようにして、本発明の燃料電池用セパレータを製造することができる。本発明の燃料用セパレータは、電気的特性、機械的強度およびガス不透過性のすべてに対して良好であり、例えば、より高性能または小型化が要求される固定型燃料電池において有用である。
【実施例】
【００４９】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００５０】
（実施例１−１）
室温に調整されたレゾール系フェノール樹脂をコーティングした天然鱗片状黒鉛粒子（市販の反応混合品，平均粒子径６０μｍ，フェノール樹脂および黒鉛の重量比は２４：７６であった。またレゾール系フェノール樹脂の硬化開始温度は１２０℃であり、分解開始温度を２００℃と想定した。）１００ｇに、予め１５０℃に加熱した黒鉛粒子（平均粒子径６０μｍ）４１ｇを添加し（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、３５重量％に相当）、その後常温下にて混合することにより、溶融混合物を得（溶融混合物におけるフェノール樹脂と黒鉛（合計）の重量比は１７：８３であった）、これを成形温度１７０℃で幅８０ｍｍ×厚み２ｍｍ×長さ８０ｍｍに成形し、室温まで放冷してサンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００５１】
このサンプルプレートにおいて以下の物性をそれぞれ測定した。
【００５２】
（１）接触抵抗値
卓上引張圧縮試験機（今田製作所株式会社製）を用いて、１つのサンプルプレートを２枚の平板（３０ｍｍ×３６ｍｍ）で挟持し、任意の３点について測定し、得られた結果の平均値（ｍΩ・ｃｍ２）を算出した。得られた結果を表１に示す。
【００５３】
（２）固有抵抗値
ロレスター測定器（ＭＣＰ−Ｔ６００；三菱化学株式会社製）を用い、ＪＩＳ−Ｈ０６０２に基づいて、１つのサンプルプレートあたり、任意の１点について測定した（ｍΩ・ｃｍ）。得られた結果を表１に示す。
【００５４】
（３）曲げ強度（２０℃）
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠し、２０℃における曲げ強度を測定した。得られた結果を表１に示す。
【００５５】
（４）曲げひずみ（２０℃）
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠し、２０℃における曲げひずみを測定した。得られた結果を表１に示す。
【００５６】
（５）曲げ強度（８０℃）
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠し、８０℃における曲げ強度を測定した。得られた結果を表１に示す。
【００５７】
（６）曲げひずみ（８０℃）
ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠し、８０℃における曲げひずみを測定した。得られた結果を表１に示す。
【００５８】
（７）ガス透過率
ＪＩＳ  Ｋ７１２６に準拠し、サンプルプレートの長さ方向の両端を把持し、プレートの中央部分に２０ｋＰａの差圧でヘリウムガスを供給し、プレートを透過するヘリウムガスをＧＴＲ−１０００ＭＡＳＳ測定器（ＧＴＲテック株式会社製）を用いて測定した。得られた結果を表１に示す。
【００５９】
（８）流れ試験
ＤＩＳＫ  ＣＵＲＥ  ＴＥＳＴＥＲ測定器（神藤金属株式会社製）を用いて、サンプルプレートの流れ試験を行い、単位重量あたりの面積を測定した（ｃｍ２／ｇ）。得られた結果を表１に示す。
【００６０】
（９）外観
得られたサンプルプレートの表面を、当該技術分野における熟練者が目視で観察し、燃料電池用セパレータとして使用可能か否かを判定した。製品として使用可能なものを「良好」と判定し、要求レベルの高い製品としては適さないもののセパレータとして使用可能なもの「使用可」と判定し、製品として適さずかつセパレータとしての機能も期待できないものを「使用不可」と判定した。
【００６１】
（実施例１−２）
予め１５０℃に加熱した黒鉛粒子の添加量を９４ｇに変更（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、５８重量％に相当）したこと以外は、実施例１−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００６２】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表１に示す。
【００６３】
（実施例１−３）
予め１５０℃に加熱した黒鉛粒子の添加量を１２９ｇに変更（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、６８重量％に相当）したこと以外は、実施例１−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００６４】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表１に示す。
【００６５】
（実施例１−４）
二軸押出機内に平均粒子径６０μｍの天然鱗片黒鉛粒子に、レゾール系フェノール樹脂を仕込み、押出しすることにより、フェノール樹脂でコーティングされた樹脂複合化黒鉛粒子を得た。得られた樹脂複合化黒鉛粒子におけるフェノール樹脂および黒鉛の重量比は３９：６１であった。
【００６６】
上記市販の反応混合品の代わりに、室温に調整されたこの樹脂複合化黒鉛粒子１００ｇを用い、かつ予め１５０℃に加熱した黒鉛粒子の添加量を１２９ｇに変更（添加後の黒鉛量を１００重量％とする場合、６８重量％に相当）したこと以外は、実施例１−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００６７】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表１に示す。
【００６８】
（実施例１−５）
予め室温に調整された黒鉛粒子９４ｇを添加（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、５８重量％に相当）したこと以外は、実施例１−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００６９】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表１に示す。
【００７０】
（比較例１−１）
黒鉛粒子の添加を行わなかったこと以外は、実施例１−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９５であった。
【００７１】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表１に示す。
【００７２】
【表１】
2015207467.tif 000002
【００７３】
表１に示すように、実施例１−１〜１−５で得られたサンプルプレートは、優れた固有抵抗値および機械的強度を有し、燃料電池用セパレータとして使用可能なことがわかる。さらに、実施例１−１〜１−４で得られたサンプルプレートでは、接触抵抗値も低く抑えられ、電気的特性がさらに向上することがわかる。
【００７４】
（実施例２−１）
室温に調整されたレゾール系フェノール樹脂をコーティングした天然鱗片状黒鉛粒子（市販の反応混合品），平均粒子径６０μｍ，フェノール樹脂および黒鉛の重量比は３３：６７であった。またレゾール系フェノール樹脂の硬化開始温度は１２０℃であり、分解開始温度を２００℃と想定した。）１００ｇに、予め７０℃に加熱した黒鉛粒子（平均粒子径６０μｍ）９４ｇを添加し（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、５８重量％に相当）、その後常温にて混合することにより、溶融混合物を得（溶融混合物におけるフェノール樹脂と黒鉛（合計）の重量比は１７：８３であった）、これを成形温度１７０℃にて幅８０ｍｍ×厚み２ｍｍ×長さ８０ｍｍに成形し、室温まで放冷してサンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９６であった。
【００７５】
このサンプルプレートの物性を実施例１−１と同様にして測定した。得られた結果を表２に示す。
【００７６】
（実施例２−２）
予め２３０℃に加熱した黒鉛粒子９４ｇを添加（フェノール樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、５８重量％に相当）したこと以外は、実施例２−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９５であった。
【００７７】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。得られた結果を表２に示す。
【００７８】
さらに、比較のため、実施例１−２および１−５、ならびに比較例１−１の結果も表２に示す。
【００７９】
【表２】
2015207467.tif 000003
【００８０】
表２に示すように、実施例２−１、２−２、１−２および１−５で得られたサンプルプレートは、添加黒鉛に対して予め加熱した温度が高いほど接触抵抗値および固有抵抗値がともに低下し、優れた電気的特性が得られていることがわかる。また、上記実施例で得られたサンプルプレートは、機械的強度やガス透過率には悪影響がなく、電気的特性、機械的強度およびガス不透過率のすべてにおいて良好な物性を示していたことが分かる。
【００８１】
（実施例３−１）
二軸押出機内に平均粒子径６０μｍの天然鱗片黒鉛粒子と、ポリフェニレンサルファイド樹脂（融点：２８０℃で、ガラス転移温度：９２℃）とを仕込み、３６０℃の成形温度下で押出すことによりフェノール樹脂でコーティンされた樹脂複合化黒鉛粒子を得た。得られた樹脂複合化黒鉛粒子におけるフェノール樹脂および黒鉛の重量比は３０：７０であった。
【００８２】
室温に調整されたこの樹脂複合化黒鉛粒子に、予め３００℃に加熱した黒鉛粒子（平均粒子径６０μｍ）５０ｇを添加し（ポリフェニレンサルファイド樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、４２重量％に相当）、その後常温にて混合することにより、溶融混合物を得（溶融混合物におけるフェノール樹脂と黒鉛（合計）の重量比は２０：８０であった）、これを成形温度３６０で幅８０ｍｍ×厚み２ｍｍ×長さ８０ｍｍに成形し、室温まで放冷してサンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９７であった。
【００８３】
このサンプルプレートの物性を実施例１−１と同様にして測定した。なお、曲げ強度および曲げひずみの各評価について、２０℃と８０℃で行う代わりに、２０℃と１８０℃で行った。また、流れ試験の評価は行わなかった。得られた結果を表３に示す。
【００８４】
（実施例３−２）
予め３００℃に加熱した黒鉛粒子の添加量を１００ｇに変更（添加後の黒鉛量を１００重量％とする場合、５０重量％に相当）したこと以外は、実施例３−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９８であった。
【００８５】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。なお、曲げ強度および曲げひずみの各評価について、２０℃と８０℃で行う代わりに、２０℃と１８０℃で行った。また、流れ試験の評価は行わなかった。得られた結果を表３に示す。
【００８６】
（実施例３−３）
予め３００℃に加熱した黒鉛粒子の添加量を１５０ｇに変更（添加後の黒鉛量を１００重量％とする場合、７５重量％に相当）したこと以外は、実施例３−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９８であった。
【００８７】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。なお、曲げ強度および曲げひずみの各評価について、２０℃と８０℃で行う代わりに、２０℃と１８０℃で行った。また、流れ試験の評価は行わなかった。得られた結果を表３に示す。
【００８８】
（実施例３−４）
予め室温に調整された黒鉛粒子１００ｇを添加（ポリフェニレンサルファイド樹脂コーティング粒子内の黒鉛成分の含有量と、添加した黒鉛粒子の添加量との合計を１００重量％とする場合、５０重量％に相当）したこと以外は、実施例３−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９８であった。
【００８９】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。なお、曲げ強度および曲げひずみの各評価について、２０℃と８０℃で行う代わりに、２０℃と１８０℃で行った。また、流れ試験の評価は行わなかった。得られた結果を表３に示す。
【００９０】
（比較例３−１）
黒鉛粒子の添加を行わなかったこと以外は、実施例３−１と同様にして溶融混合かつ成形を行い、サンプルプレートを得た。得られたサンプルプレートの比重は１．９８であった。
【００９１】
得られたサンプルプレートについて、実施例１−１と同様の物性について測定した。なお、曲げ強度および曲げひずみの各評価について、２０℃と８０℃で行う代わりに、２０℃と１８０℃で行った。また、流れ試験の評価は行わなかった。得られた結果を表３に示す。
【００９２】
【表３】
2015207467.tif 000004
【００９３】
表３に示すように、実施例３−１〜３−４および比較例３−１において、樹脂複合化黒鉛粒子に別に添加する黒鉛粒子の量が多いほど、得られたサンプルプレートの接触抵抗値および固有抵抗値は低下しており、優れた電気的特性を示していたことがわかる。さらに、実施例３−１〜３−４の結果によれば、このような黒鉛粒子の添加の際、予め３００℃もの高温に加熱することにより、サンプルプレートの電気的特性がさらに向上していたことがわかる。また、上記実施例で得られたサンプルプレートは、機械的強度やガス透過率には悪影響がなく、電気的特性、機械的強度およびガス不透過率のすべてにおいて良好な物性を示していたことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
本発明によれば、電気的特性、機械的強度およびガス不透過性のすべてに対して良好な燃料電池用セパレータを提供することができる。本発明の燃料電池用セパレータを用いることにより、より軽量かつ高性能の燃料電池を提供することができるため、当該技術分野および燃料電理を利用する、例えば、自動車産業、住宅産業の各種分野において有用である。