(57)【要約】  本発明のカーボン集電体は、体積固有抵抗が０．５〜８ｍΩｃｍ以下である第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる主導電部と、体積固有抵抗が主導電部の１．２〜１００倍であり、かつ２〜１００ｍΩｃｍ以下である第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる副導電部を備え、前記主電導部の占める割合が５vol％以上７０vol％以下であり、発電側から集電側の端子への導通路が前記主導電部で構成されたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
体積固有抵抗が０．５ｍΩｃｍ以上８ｍΩｃｍ以下である第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる主導電部と、体積固有抵抗が前記主導電部の１．２倍以上１００倍以下であり、かつ、２ｍΩｃｍ以上１００ｍΩｃｍ以下である第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる副導電部を備え、前記主電導部の占める割合が５vol％以上７０vol％以下であり、発電側から集電側の端子への導通路が前記主導電部で構成されたカーボン集電体。
【請求項２】
線膨張係数の比率、（副導電部の線膨張係数）／（主導電部の線膨張係数）が０．５以上２以下である請求項１に記載のカーボン集電体。
【請求項３】
前記主導電部、及び副導電部に含まれるカーボン材料の平均粒子径（Ｄ５０）が１０μｍ以上４００μｍ以下である請求項１または請求項２に記載のカーボン集電体。
【請求項４】
前記第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａのカーボン材料中にホウ素が５ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下含まれている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項５】
前記主導電部、及び副導電部のカーボン材料充填率が８０質量％以上９７質量％以下であり、前記カーボン材料充填率の比（主導電部のカーボン材料充填率/副導電部のカーボン材料充填率）が０．９以上１．１以下である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項６】
前記主導電部の第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の平均分子量Ｍｎ１が５００以上３００００以下、前記副導電部の第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の平均分子量Ｍｎ２が４０００以上３０００００以下であり、かつ前記第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の方が、前記第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂よりも平均分子量が大きい、または同じである請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項７】
前記主導電部の第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂および前記副導電部の第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂が、１．２−ポリブタジエン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリオレフィンのいずれかから選択される請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項８】
１つ以上の主導電部と前記主導電部の両側部または周囲を取り囲む板状の副導電部を備えた板状である請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項９】
前記副導電部の表面側または裏面側に第２の主導電部が形成された請求項８に記載のカーボン集電体。
【請求項１０】
板状の副導電部とこの副導電部の表裏両面側に積層された主導電部を備えた請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載のカーボン集電体。
【請求項１１】
請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載のカーボン集電体を用いる燃料電池用カーボン集電体。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池用カーボン集電体を備えた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、貫通抵抗、生産性に優れたカーボン材料と樹脂の複合材料からなり、各種電池、キャパシタ等で用いられるカーボン集電体およびそれを備えた燃料電池に関する。
本願は、２０１４年４月２４日に、日本に出願された特願２０１４−０９０６８３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題、エネルギー問題の観点から、さまざまエネルギーデバイスが開発されてきている。それらいずれのエネルギーデバイスにおいても必ず集電部材が用いられているが、用途によって様々な集電部材が利用されている。
本来、集電部材は電気を取り出すための部品であるため、特に抵抗ロスを限りなく小さくすることが求められる。したがって、多くの場合、素材として金属が用いられている。また、耐食性が重要である場合は、カーボン素材、または貴金属メッキなどで対策することが一般に行われている。たとえば、特許文献１、特許文献２、および特許文献３では、金属基材の表面にカーボン素材を被覆することで、耐食性に優れる集電部材を提供している。また、特許文献４では金属多孔質体の穴にカーボン樹脂組成物を充填し成形することで、高い導電性と耐食性を両立している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５０３４６５１号公報
【特許文献２】特許第５１１０３８０号公報
【特許文献３】特許第４９０９４４３号公報
【特許文献４】特開平５−３８０９８号公報
【特許文献５】特許第３７３１２５５号公報
【特許文献６】特開２０１３−１６４９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
カーボン樹脂組成物からなるカーボン集電体は、焼結させず高い導電性を得ようとする場合、カーボン粒子を高充填する必要があるが、樹脂に対しカーボン粒子の高充填を行うと成形加工性が低下するため歩留りも低くなりコストも上がってしまう問題がある。
また、従来技術においてカーボン集電体から金属端子へ抵抗ロスなく集電させるためには、カーボン集電体と金属端子の接触面積を広くとる方法が唯一の良好な対策であり、他に良好な対策が見出されていなかった。【０００５】
本発明では、このような課題に対し、狭い接触面積であっても、抵抗ロスが少なく効率的に電気を集電することができるカーボン材料含有樹脂組成物を主体とするカーボン集電体およびそれを備えた燃料電池の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
すなわち、本発明は例えば以下の（１）〜（１３）の事項を含む。
（１）本発明のカーボン集電体は、体積固有抵抗が０．５ｍΩｃｍ以上８ｍΩｃｍ以下である第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる主導電部と、体積固有抵抗が主導電部の１．２倍以上１００倍以下であり、かつ、２ｍΩｃｍ以上１００ｍΩｃｍ以下である第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる副導電部を備え、前記主電導部の占める割合がカーボン集電体の全体積に対し５vol％以上７０vol％以下であり、発電側から集電側の端子への導通路が前記主導電部で構成されたことを特徴とする。【０００７】
（２）本発明のカーボン集電体において、線膨張係数の比率、（副導電部の線膨張係数）／（主導電部の線膨張係数）が０．５以上２以下であることが好ましい。
（３）本発明のカーボン集電体において、前記主導電部、及び副導電部に含まれるカーボン材料の平均粒子径（Ｄ５０）が１０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。【０００８】
（４）本発明のカーボン集電体において、前記第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａのカーボン材料中にホウ素が５ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下含まれていることが好ましい。
（５）本発明のカーボン集電体において、前記主導電部、及び副導電部のカーボン材料充填率が８０質量％以上９７質量％以下であり、前記カーボン材料充填率の比（主導電部のカーボン材料充填率/副導電部のカーボン材料充填率）が０．９以上１．１以下であることが好ましい。【０００９】
（６）本発明のカーボン集電体において、前記主導電部の第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の平均分子量Ｍｎ１が５００以上３００００以下、前記副導電部の第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の平均分子量Ｍｎ２が４０００以上３０００００以下であり、かつ前記第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の方が、前記第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂よりも平均分子量が大きい、または同じであることが好ましい。
（７）本発明のカーボン集電体において、（１）〜（６）のいずれかに記載の主導電部の第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂および前記副導電部の第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂が、１．２−ポリブタジエン、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリオレフィンのいずれかから選択されることが好ましい。
（８）本発明のカーボン集電体において、１つ以上の主導電部と前記主導電部の両側部または周囲を取り囲む板状の副導電部を備えた板状に構成できる。
（９）本発明のカーボン集電体において、前記副導電部の表面側または裏面側に第２の主導電部が形成された構成にできる。
（１０）本発明のカーボン集電体において、板状の副導電部とこの副導電部の表裏両面側に積層された主導電部を備えた構成にできる。
（１１）本発明の燃料電池用カーボン集電体は、（１）〜（１０）のいずれかに記載のカーボン集電体を用いることが好ましい。
（１２）本発明の燃料電池は、（１１）に記載の燃料電池用カーボン集電体を備えたことが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、抵抗の低い第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる主導電部を発電側から集電側の端子への導通路として設け、主導電部の側部または周囲に設けた主導電部よりも抵抗の高い第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる副導電部で前記導通路以外の部分を構成することで、成形品として良好な歩留まりで製造を可能としながら、ロスの少ない低抵抗接続を可能とするカーボン集電体を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る第１実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図２】本発明に係る第２実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図３】本発明に係る第３実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図４】本発明に係る第４実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図５】本発明に係る第５実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図６】本発明に係る第６実施形態のカーボン集電体を示す斜視図。
【図７】本発明に係るカーボン集電体を適用して構成された燃料電池スタックの一例を示す分解斜視図。
【図８】実施例において製造したカーボン集電体の貫通抵抗を測定する方法の一例を示す斜視図。
【図９】実施例において製造したカーボン集電体の貫通抵抗測定箇所を示す説明図。
【図１０】比較例７において製造したカーボン集電体の貫通抵抗を測定する方法の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した第１実施形態のカーボン集電体について図面に基づき以下に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
第１実施形態のカーボン集電体１は、図１に示すように、平面視長方形板状のカーボン材料含有樹脂成形体からなる主導電部２と、この主導電部２の全周囲を取り囲む枠板状のカーボン材料含有樹脂成形体からなる副導電部３とから構成された矩形板状に形成されている。本実施形態のカーボン集電体１の場合、電池用途に使用するために、一例として、上面側を端子側、下面側を発電側として使用することができる。一例として、主導電部２の外面中央部に金属製の端子部４が形成され、この端子部４に接続導体４Ａが接続されている。
主導電部２は、以下に説明する第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなり、副導電部３は以下に説明する第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる。なお、以下の説明において量比を表す「％」は、特に断らない限り質量基準とする。
【００１３】
「カーボン材料」
本実施形態で用いるカーボン材料成分としては、カーボンブラック、炭素繊維、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレンの中から選ばれた１ないし２種類以上の組み合わせが挙げられる。
上述したカーボン材料の一例であるカーボンブラックとしては、天然ガス等の不完全燃焼、アセチレンの熱分解により得られるケッチェンブラック、アセチレンブラック、炭化水素油や天然ガスの不完全燃焼により得られるファーネスカーボン、天然ガスの熱分解により得られるサーマルカーボン等が挙げられる。
前記した炭素繊維としては、重質油、副生油、コールタール等から作られるピッチ系と、ポリアクリロニトリルから作られるＰＡＮ系が挙げられる。
【００１４】
前記したアモルファスカーボンを得るためには、フェノール樹脂を硬化させて焼成処理し粉砕して粉末とする方法、または、フェノール樹脂を球状、不定形状の粉末の状態で硬化させて焼成処理する方法等がある。導電性の高いアモルファスカーボンを得るためには２０００℃以上に加熱処理することが適する。
前記した膨張黒鉛粉末は、例えば、天然黒鉛、熱分解黒鉛等高度に結晶構造が発達した黒鉛を、濃硫酸と硝酸との混液、濃硫酸と過酸化水素水との混液の強酸化性の溶液に浸漬処理して黒鉛層間化合物を生成させ、水洗してから急速加熱して、黒鉛結晶のＣ軸方向を膨張処理することによって得られた粉末や、それを一度シート状に圧延したものを粉砕した粉末である。
【００１５】
前記したキッシュ黒鉛は、溶けた銑鉄が、溶銑予備処理等で温度低下するのに伴い析出した、平面的に結晶化した炭素のことである。このキッシュ黒鉛はスラグや酸化鉄に混じったものとして発生するため、選鉱によって純度の高いキッシュ黒鉛を回収してさらに粉砕して用途に合うサイズに仕上げた粉末である。  
前記した人造黒鉛を得るためには、通常は先ずコークスを製造する。コークスの原料は石油系ピッチ、石炭系のピッチ等が用いられる。これらの原料を炭化してコークスとする。コークスから黒鉛化粉末にするには一般的にコークスを粉砕後黒鉛化処理する方法、コークス自体を黒鉛化した後粉砕する方法、あるいはコークスにバインダーを加え成形、焼成した焼成品（コークスおよびこの焼成品を合わせてコークス等という）を黒鉛化処理後粉砕して粉末とする方法等がある。原料のコークス等はできるだけ、結晶が発達していない方が良いので、２０００℃以下、好ましくは１２００℃以下で加熱処理したものが適する。
黒鉛化方法は、粉末を黒鉛ルツボに入れ直接通電するアチソン炉を用いる方法、黒鉛発熱体により粉末を加熱する方法等を使用することができる。
【００１６】
更に、前記カーボン材料中にホウ素が５ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下含まれることが好ましい。ホウ素量が５ｐｐｍ未満では、目的とする高導電性の黒鉛粉末が得られ難い傾向がある。ホウ素量が１００００ｐｐｍを超えるとホウ素が含まれていても、不純物として溶出する量が多くなり問題となる場合がある。カーボン材料中にホウ素を添加することで導電性が格段に向上するが、５ｐｐｍ未満ではその効果が小さくなる。上述の範囲内であっても、５０ｐｐｍ以上５０００ｐｐｍ以下の範囲が望ましく、５０ｐｐｍ以上１０００ｐｐｍ以下がより好ましい。
カーボン材料に含まれるホウ素の量の測定方法としては特に制限はない。本実施形態では誘導型プラズマ発光分光分析法（以下、「ＩＣＰ」と略す。）又は誘導型プラズマ発光分光質量分析法（以下、「ＩＣＰ−ＭＳ」と略す。）により測定した値を用いる。具体的には試料に硫酸および硝酸を加え、マイクロ波加熱（２３０℃）して分解（ダイジェスター法）し、更に過塩素酸（ＨＣｌＯ４）を加えて分解したものを水で希釈し、これをＩＣＰ発光分析装置にかけて、ホウ素量を測定できる。
【００１７】
ホウ素を含有させる方法としては、天然黒鉛、人造黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、炭素繊維、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ等の単品、あるいはそれらの１種以上の混合物にホウ素源として、Ｂ単体、Ｂ４Ｃ、ＢＮ、Ｂ２０３、Ｈ３Ｂ０３等を添加し、よく混合して約２３００〜３２００℃で黒鉛化処理することによって、炭素質材料中にホウ素を含有させることができる。ホウ素化合物の混合が不均一な場合には、黒鉛粉末が不均一になるだけでなく、黒鉛化時に焼結する可能性が高くなる。ホウ素化合物を均一に混合させるために、これらのホウ素源は５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下程度の粒径を有する粉末にしてコークス等の粉末に混合することが好ましい。
【００１８】
また、黒鉛中にホウ素および／またはホウ素化合物が混合されている限り、ホウ素の含有の形態は特に制限されないが、黒鉛結晶の層間に存在するもの、黒鉛結晶を形成する炭素原子の一部がホウ素原子に置換されたものも、より好適なものとして挙げられる。また、炭素原子の一部がホウ素原子に置換された場合のホウ素原子と炭素原子の結合は、共有結合、イオン結合等どのような結合様式であっても構わない。
【００１９】
コークス、人造黒鉛および天然黒鉛等の粉砕には、高速回転粉砕機（ハンマーミル、ピンミル、ケージミル）や各種ボールミル（転動ミル、振動ミル、遊星ミル）、撹拌ミル（ビーズミル、アトライター、流通管型ミル、アニュラーミル）等が使用できる。また、微粉砕機であるスクリーンミル、ターボミル、スーパーミクロンミル、ジェットミルでも条件を選定することによって使用可能である。これらの粉砕機を用いてコークスおよび天然黒鉛等を粉砕し、その際の粉砕条件の選定、および必要により粉末を分級し、平均粒径や粒度分布をコントロールする。
【００２０】
コークス粉末、人造黒鉛粉末および天然黒鉛粉末等を分級する方法としては、分離が可能であれば何れでも良いが、例えば、篩分法や強制渦流型遠心分級機（ミクロンセパレーター、ターボプレックス、ターボクラシファイアー、スーパーセパレーター）、慣性分級機（改良型バーチュウアルインパクター、エルボジェット）等の気流分級機が使用できる。また湿式の沈降分離法や遠心分級法等も使用できる。
【００２１】
本実施形態に係る第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａ中には、気相法炭素繊維、および／またはカーボンナノチューブを０．１質量％以上５０質量％以下含むことが好ましい。より好ましくは、０．１質量％以上４５質量％以下であり、更に好ましくは、０．２質量％以上４０質量％以下である。気相法炭素繊維、および／またはカーボンナノチューブが０．１質量％未満では、導電性の向上効果が得られ難い。また、５０質量％を超えると成形性が悪くなる傾向がある。
【００２２】
更に気相法炭素繊維またはカーボンナノチューブ中には０．０５質量％以上５質量％以下のホウ素を含有することが好ましい。より好ましくは、０．０６質量％以上４質量％以下であり、更に好ましくは、０．０６質量％以上３質量％以下である。０．０５質量％未満では、ホウ素を添加したことで導電性を向上させる効果が小さい。また、５質量％を超えた添加では、不純物量が多くなり、他の物性の低下をもたらす傾向が生じ易くなる。
【００２３】
気相法炭素繊維とは、例えばベンゼン、トルエン、天然ガス、炭化水素系ガス等の有機化合物を原料に、フェロセン等の遷移金属触媒の存在下で、水素ガスとともに８００℃以上１３００℃以下で熱分解反応させることによって得られる、繊維長が約０．５μｍ以上１０μｍ以下、繊維径が２００ｎｍ以下の炭素繊維である。繊維径のより好ましいサイズは１６０ｎｍ以下であり、更に好ましくは１２０ｎｍ以下である。２００ｎｍよりも大きいサイズでは、高い導電性を得る効果が小さくなるので好ましくない。更に、その後繊維を約２３００〜３２００℃で黒鉛化処理することが好ましい。より好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに約２３００〜３２００℃、不活性ガス雰囲気中で黒鉛化処理する。
【００２４】
カーボンナノチューブとは、近年その機械的強度のみでなく、電界放出機能や、水素吸蔵機能が産業上注目され、更に磁気機能にも目が向けられ始めている。この種のカーボンナノチューブは、グラファイトウィスカー、フィラメンタスカーボン、グラファイトファイバー、極細炭素チューブ、カーボンチューブ、カーボンフィブリル、カーボンマイクロチューブ、カーボンナノファイバー等とも呼ばれており、繊維径が約０．５ｎｍ以上１００ｎｍのものである。カーボンナノチューブにはチューブを形成するグラファイト膜が一層である単層カーボンナノチューブと、多層である多層カーボンナノチューブがある。本発明では、単層および多層カーボンナノチューブのいずれも使用可能であるが、単層カーボンナノチューブを用いた方が、より高い導電性や機械的強度の組成物が得られる傾向があるため好ましい。
【００２５】
カーボンナノチューブは、例えば、斉藤・板東「カーボンナノチューブの基礎」（２３〜５７頁、コロナ社出版、１９９８年発行）に記載のアーク放電法、レーザー蒸発法および熱分解法等により作製し、更に純度を高めるために水熱法、遠心分離法、限外ろ過法、および酸化法等により精製することによって得られる。より好ましくは、不純物を取り除くために約２３００℃以上３２００℃以下の不活性ガス雰囲気中で高温処理する。更に好ましくは、ホウ素、炭化ホウ素、ベリリウム、アルミニウム、ケイ素等の黒鉛化触媒とともに、不活性ガス雰囲気中、約２３００℃以上３２００℃以下で高温処理する。
【００２６】
本実施形態において、カーボン材料の平均粒子径は、レーザー回折散乱法、（日機装（株）製のマイクロトラックＨＲＡ装置）で測定した。その測定条件は、サンプル５０ｍｇを秤量し、５０ｍｌの蒸留水に添加する。更に２％Ｔｒｉｔｏｎ（界面活性剤；和光純薬工業社製）水溶液０．２ｍｌを加えて３分間超音波分散させた後、積算粒度分布（体積基準）を求め、それより平均粒子径（Ｄ５０）を算出した。
また、カーボン材料含有樹脂組成物中に含まれる炭素質繊維の平均繊維長の測定は、ＳＥＭ（日本電子社製、ＪＳＭ−５５１０）を用いて観察した１００本の繊維長を画像解析することによって数平均繊維長を測定した。（ここで言う繊維とは、（長軸の長さ／短軸の長さ）の比が１０以上ものをいう。）
【００２７】
「バインダー樹脂」
本実施形態に用いることのできるバインダー樹脂としては特に制限するものではなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマー・ゴム等どのバインダーでも用いることができる。また、１種類の樹脂だけではなく、複数の樹脂を組み合わせることもできる。
本実施形態において、熱硬化性樹脂の例としては、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アルキド樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、キシレン樹脂、グアナミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、アリルエステル樹脂、１，２−ポリブタジエン、フラン樹脂、イミド樹脂、ウレタン樹脂、ユリア樹脂等が挙げられる。これらの中でも、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アリルエステル樹脂、１，２−ポリブタジエンから選ばれた１種類または複数の熱硬化性樹脂であることが好ましい。
【００２８】
特に、気密性が要求される分野では、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の組み合わせ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル樹脂、アリルエステル樹脂、１，２−ポリブタジエン等を選択することが好ましい。これらの樹脂を用いることによって硬化体中に空隙がない、気密性の高い成形体を得ることが更に容易となる。
更に、耐熱性、耐酸性等が要求される場合は、ビスフェノールＡ型、ノボラック型、クレゾールノボラック型等の分子骨格をもつ樹脂や、オレフィン系の分子骨格をもつ樹脂が好ましい。例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、また、１，２−ポリブタジエン等が好ましい。
【００２９】
熱可塑性樹脂の例としては、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリシクロオレフィン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルホンから選ばれる１種類、または複数の組み合わせからなる熱可塑性樹脂が挙げられる。
【００３０】
これらの中でも、融点が１００℃以上のポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシクロオレフィン、ポリエーテルスルホン、及びガラス転移温度が１００℃以上のポリカーボネート、ポリスチレン、ポリフェニレンオキシドから選ばれた１種類または複数の熱可塑性樹脂であることが好ましい。
【００３１】
エラストマー・ゴム類の例としては、常温付近でゴム状弾性を有する高分子である。このエラストマーとしては、例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体、エチレンプロピレンジエン三元共重合ゴム、エチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ハイスチレンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、ポリエーテル系特殊ゴム、四フッ化エチレン・プロピレンゴム、エピクロロヒドリンゴム、ノルボルネンゴム、ブチルゴム、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、１，２−ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、フッ素系熱可塑性エラストマー、軟質アクリル樹脂等の中から選ばれた１〜２種類以上の組み合わせが使用可能である。
【００３２】
「添加材」
本実施形態で使用するカーボン材料含有樹脂組成物において、硬度、強度、導電性、成形性、耐久性、耐候性、耐水性等を改良する目的で、更にガラスファイバー、ウィスカー、金属酸化物、有機繊維、紫外線安定剤、硬化開始剤、硬化促進剤、酸化防止剤、離型剤、滑剤、撥水剤、増粘剤、低収縮剤、親水性付与剤等の添加材を必要に応じて添加することができる。
【００３３】
「２色構成パターン」
本実施形態における主導電部２と副導電部３の構成は、体積固有抵抗が０．５mΩｃｍ以上８mΩｃｍ以下である第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる主導電部２と、体積固有抵抗が主導電部の１．２倍以上１００倍以下であり、かつ２mΩｃｍ以上１００ｍΩｃｍ以下である第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂの副導電部３を備え、主電導部の占める割合がカーボン集電体の全体積に対し５vol％以上７０vol％以下であり、発電側から集電側の端子４への導通路が主導電部２でつながっていれば、その形態はなんら制限するものではない。
導電性が高い主導電部２とそれよりも導電性が低い副導電部３を設けることによって、電気を端子４へ誘導する道筋が明確になるため、全体として貫通抵抗のロスを少なくすることができる。一方、全体の抵抗が均等な従来構造の集電体の場合、導通経路があいまいなため端子へ電気を誘導するときのロスが大きくなる。
【００３４】
主導電部２を構成する第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａの体積固有抵抗は、０．５ｍΩｃｍ以上８ｍΩｃｍ以下とする必要がある。主導電部２の体積固有抵抗が０．５ｍΩｃｍ未満であると、成形品の寸法精度が悪くなるので好ましくない。主導電部２の体積固有抵抗が８ｍΩｃｍを超えると貫通方向（カーボン集電体１の厚さ方向）の抵抗が高くなり、集電部材としてロスが大きくなるので好ましくない。主導電部２の体積固有抵抗は０．５ｍΩｃｍ以上５ｍΩｃｍの範囲が好ましく、１ｍΩｃｍ以上４ｍΩｃｍ以下の範囲がより好ましい。
【００３５】
副導電部３を構成する第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂの体積固有抵抗は、２ｍΩｃｍ以上１００ｍΩｃｍ以下とする必要がある。副導電部３の体積固有抵抗が２ｍΩｃｍ未満であると、成形加工性が悪く歩留まりが低下するので好ましくない。副導電部３の体積固有抵抗が１００ｍΩｃｍを超えると貫通方向（カーボン集電体１の厚さ方向）の抵抗が高くなり、集電部材としてロスが大きくなるので好ましくない。副導電部３の体積固有抵抗は２ｍΩｃｍ以上５０ｍΩｃｍの範囲が好ましく、３ｍΩｃｍ以上２０ｍΩｃｍ以下の範囲がより好ましい。
【００３６】
副導電部３の体積固有抵抗は主導電部２の体積固有抵抗に対し１．２倍以上１００倍以下である必要がある。副導電部３の体積固有抵抗が主導電部２の体積固有抵抗の１．２倍未満では、成形加工性が悪く歩留まりが低下するので好ましくない。副導電部３の体積固有抵抗が主導電部２の体積固有抵抗の１００倍を超えると貫通方向の抵抗が高くなり、集電部材としてロスが大きくなるので好ましくない。副導電部３の体積固有抵抗は主導電部２の体積固有抵抗に対し、１．２倍以上５０倍以下の範囲が好ましく、２倍以上２０倍以下の範囲がより好ましい。
【００３７】
カーボン集電体１において主導電部２と副導電部３が占める割合は、カーボン集電体１の全体積に対し主導電部２の占める割合が５vol％以上７０vol％以下である。主導電部２の占める割合が５vol％以上であると十分な貫通抵抗が得られ、集電部材としてのロスが小さくなる。このような構成とすることにより平均体積固有抵抗に対する貫通抵抗の比（貫通抵抗／平均体積固有抵抗）を１．５未満とすることができ、１．３未満が好ましく、１未満がより好ましい。また、主導電部２の占める割合が７０vol％以下であると成形加工性が良好である。主導電部２の占める割合は５vol％以上６０vol％以下の範囲であることが好ましく、１０vol％以上５０vol％以下の範囲であることがより好ましい。
【００３８】
カーボン集電体１において、線膨張係数の比率、（副導電部３の線膨張係数）／（主導電部２の線膨張係数）が０．５以上２以下であることが好ましい。線膨張係数の比率が０．５以上２以下の範囲であることによりカーボン集電体１を電池用途とした場合、発電中に場所による寸法変化差が小さくなり、発電のロスを低減できる。線膨張係数の比率は、０．５以上１．８以下の範囲であることがより好ましく、０．６以上１．５以下の範囲であることが更に好ましい。
【００３９】
カーボン集電体１において、主導電部２および副導電部３に含まれるカーボン材料の平均粒子径（Ｄ５０）が１０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。カーボン材料の平均粒子径（Ｄ５０）が１０μｍ以上であると、黒鉛粒子などのカーボン材料間の接触抵抗が十分に小さくなる。カーボン材料の平均粒子径（Ｄ５０）が４００μｍ以下であると成形品表面にできる凹凸が小さくなり、端子との接触抵抗が小さくなるので好ましい。カーボン材料間の接触抵抗は、１０μｍ以上３００μｍ以下の範囲がより好ましく、２０μｍ以上２００μｍ以下の範囲が更に好ましい。
カーボン集電体１において、主導電部２および副導電部３のカーボン材料充填率が８０質量％以上９７質量％以下であることが好ましい。
カーボン材料充填率が８０質量％以上では集電部材としての導電性が十分であり、９７質量％以下では不純物として溶出する量を抑えることができる。カーボン材料充填率は、８０質量％以上９５質量％以下の範囲がより好ましく、８５質量％以上９５質量％以下の範囲が更に好ましい。
カーボン集電体１において、前記カーボン材料充填率の比（主導電部のカーボン材料充填率/副導電部のカーボン材料充填率）が０．９以上１．１以下であることが好ましい。前記カーボン材料充填率をこの範囲内とすることにより、主導電部２及び副導電部３のカーボン材料充填率の相違に伴う両者の圧縮成形後の厚みの相違（カーボン材料充填率が低い樹脂組成物を圧縮成形する場合カーボン材料充填率が高い樹脂組成物を圧縮成形する場合に比べて成形後の厚みが薄くなる傾向がある）を低減できる。
【００４０】
カーボン集電体１において、主導電部２を構成する第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ１が５００以上３００００以下であることが好ましい。
第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ１が５００以上ではカーボンのローディング性が良好であり、硬化時間も適度に早くなり、数平均分子量Ｍｎ１が３００００以下であると導電性が向上するので好ましい。第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ１は、５００以上２００００以下の範囲がより好ましく、１０００以上２００００以下の範囲が更に好ましい。
カーボン集電体１において、副導電部３を構成する第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ２が４０００以上３０００００以下であることが好ましい。
第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ２が４０００以上では樹脂とカーボンの均一分散性が増し、樹脂だけがバリとして流れることを防ぐため、金型の清掃の時間が短縮され、生産性が向上する。また、第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ２が３０００００以下であると成形性と導電性が良好である。第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂の数平均分子量Ｍｎ２は、４０００以上２０００００以下の範囲がより好ましく、６０００以上１５００００以下の範囲が更に好ましい。
さらに、第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａに含まれる樹脂の方が、第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂに含まれる樹脂よりも数平均分子量が大きい、または同じであることがより好ましい。
【００４１】
「製造方法」
コンパウンド
本実施形態におけるカーボン材料含有樹脂組成物の製造方法は特に制限されないが、例えば、樹脂組成物の製造方法において、上記した各成分をロールミル、押出機、ニーダー、バンバリーミキサー等の樹脂分野で一般的に用いられている混練機を使用し、なるべく均一に混合させることが好ましい。
本実施形態における樹脂組成物は、混練または混合した後、成形機や金型への材料供給を容易にする目的で、粉砕あるいは造粒することができる。粉砕には、ホモジナイザー、ウィレー粉砕機、高速回転粉砕機（ハンマーミル、ピンミル、ケージミル、ブレンダー）等が使用でき、材料同士の凝集を防ぐため冷却しながら粉砕することが好ましい。造粒には、押出機、ルーダー、コニーダー等を用いてペレット化する方法、あるいはパン型造粒機等を使用する方法がある。
【００４２】
「集電体の成形」
本実施形態の集電体の成形方法は、なんら制限されないが例えば次のように成形することができる。
金型キャビティの所定の位置へ所定の量の主導電部２および副導電部３となるカーボン材料含有樹脂組成物を充填するため、それぞれのカーボン材料含有樹脂組成物が混ざり合わないように、仕切りとなる治具を金型のキャビティへ設置し、それぞれのカーボン材料含有樹脂組成物を投入したのち仕切り治具を取り除く。その後、圧縮成形機を用いて５〜３０ＭＰa程度の圧力で加圧成形する。また、主導電部２と副導電部３を別々のパーツとして別々にプリフォーム成形してから金型に投入し、加圧成形してもよい。
熱硬化性のバインダー樹脂からなる樹脂組成物の場合、予め金型を加熱した状態で樹脂組成物を充填して硬化反応させて成形品を得る。また、一度硬化しない温度でプリフォームを圧縮成形してから、加熱プレス機で本成形することもできる。さらにはプリフォームをそのままオーブンに投入して硬化することもできる。プリフォームは半硬化の状態まで、金型内で成形してからオーブンでアフターキュアすることもできる。
熱可塑性のバインダーからなる樹脂組成物の場合は、バインダーが溶融する温度以上に設定された加熱プレス機で成形後、冷却プレス機で冷却することで成形できる。圧縮成形機は多段の成形機を用いることもできる。
【００４３】
図１に示すカーボン集電体１の構成は本発明に係るカーボン集電体の一例であって、本発明のカーボン集電体は、以下の図２〜図６に示すような種々形態のカーボン集電体に適用可能である。
図２は、全体として矩形板状のカーボン集電体であるが、カーボン集電体５が、平面視短冊状の長方形板状の主導電部６を中央に備え、その幅方向両側に平面視短冊状の長方形板状の副導電部７を一体化してなる。主導電部６は、先に説明した第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなり、副導電部７は、先に説明した第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる。この実施形態の集電体５の場合、電池用途に使用するためには、一例として、上面側を端子側、下面側を発電側に配置することができる。
【００４４】
図３は全体として矩形板状のカーボン集電体であるが、カーボン集電体８が、平面視短冊状の長方形板状の主導電部９の全周を矩形枠板状の副導電部１０で囲むとともに、主導電部９と副導電部１０の裏面側全面に第２の主導電部１１が積層一体化されている。
主導電部９、１１は、先に説明した第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなり、副導電部１０は、先に説明した第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる。この実施形態のカーボン集電体８の場合、電池用途に使用するためには、一例として、上面側を端子側として主導電部９に端子を接続し、下面側を発電側に配置して使用することができる。
【００４５】
図４は全体として矩形板状のカーボン集電体であるが、カーボン集電体１３が、正方形板状の均等配置された４つの主導電部１４の全周を矩形枠板状の副導電部１５で囲んでなる。
主導電部１４は、先に説明した第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなり、副導電部１５は、先に説明した第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる。この実施形態のカーボン集電体１３の場合、電池用途に使用するためには、一例として、上面側を端子側として４つの主導電部１４のいずれかに端子を接続し、下面側を発電側に配置して使用することができる。
【００４６】
図５は全体として矩形板状のカーボン集電体であるが、カーボン集電体１６が、長方形板状の２つの主導電部１７とこれら主導電部１７の間に挟まれて一体化された図１に示す構成と同等の副導電部３とこの副導電部３の中央部を貫通するように設けられた主導電部２とからなる。
主導電部２、１７、１７は、先に説明した第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなり、副導電部３は、先に説明した第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなる。この実施形態のカーボン集電体１６の場合、電池用途に使用するためには、一例として、上面側を端子側として端子を接続し、下面側を発電側に配置して使用することができる。
【００４７】
図６は全体として矩形板状のカーボン集電体であるが、カーボン集電体２０が、長方形板状の副導電部２１の全周を矩形枠板状の主導電部２２で囲んでなる。
副導電部２１は、先に説明した第２のカーボン材料含有樹脂組成物Ｂからなり、主導電部２２は、先に説明した第１のカーボン材料含有樹脂組成物Ａからなる。この実施形態のカーボン集電体２０の場合、電池用途に使用するためには、一例として、上面側を端子側として主導電部２２に端子を接続し、下面側を発電側に配置して使用することができる。
【００４８】
図７は上述の各構成のカーボン集電体を燃料電池スタックに適用した実施形態について示すもので、この実施形態の燃料電池スタック（燃料電池）３０において、所定間隔をあけて対向配置したセパレーター３１、３２の間にガス拡散層３３、アノード触媒層３４、電解質層３５、カソード触媒層３６、ガス拡散層３７を挟持して燃料電池単セル３８が構成されている。この燃料電池単セル３８を厚さ方向に複数積層して燃料電池スタック３０が構成されている。図７では説明の便宜のためにセパレーター３１、３２間に設けられた各層を分解して描いている。
【００４９】
この形態の燃料電池スタック３０において、セパレーター３１、３２の両面側にそれぞれスリット溝３１ａ、３２ａが形成され、セパレーター３１、３２においてアノード触媒層３４側のスリット溝に水素の通路が形成され、他方のスリット溝に酸素（あるいは空気）の通路が形成されている。
燃料電池単セル３８が複数積層されるとともにそれらの積層体の厚さ方向両側に先の各実施形態に係る例えばカーボン集電体１が一体化されている。各カーボン集電体１の主導電部２の外側に電極端子４が接続され、電極端子４に接続導体４Ａが接続されている。
【００５０】
図７に示す構成の燃料電池スタック３０は、カーボン集電体１を備えているので、発電側から集電側の端子へ主導電部２で繋ぐ構造を採用することによって、端子との接触面積が小さくとも抵抗ロスが少なく効率的に集電できる集電体１を備えた燃料電池を提供できる。
さらに、このような２種類のカーボン材料含有樹脂組成物を組み合わせることによって、副導電部３で集電体としての強度や製造の際の離型性を確保できるため、導電性と歩留りの向上を両立させることができる。
（実施例）
【００５１】
以下に本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明は以下の実施例になんら限定されるものではない。
（カーボン材料）
実施例で用いたカーボン材料を下記に示した。
黒鉛微粉１：天然黒鉛  Grafine996100 (Nacional De Grafite 社製）
平均粒子径（Ｄ５０）１４０μｍ
黒鉛微粉２：人造黒鉛  ショーカライザーＳ（昭和電工株式会社商品名）より分級することで得た。平均粒子径（Ｄ５０）１５０μｍ
黒鉛微粉３：後述の通り黒鉛微粉１にホウ素をドーピングすることで得た。
黒鉛微粉４：後述の通り黒鉛微粉２にホウ素をドーピングすることで得た。
黒鉛微粉５：非針状コークスであるエム・シー・カーボン株式会社製ＭＣコークスをパルベライザー（ホソカワミクロン株式会社製）で２ｍｍ〜３ｍｍ以下の大きさに粗粉砕した。この粗粉砕品をジェットミル（ＩＤＳ２ＵＲ、日本ニューマチック株式会社製）で微粉砕した。その後、分級により所望の粒径に調整した。５μｍ以下の粒子除去は、ターボクラシファイアー（ＴＣ１５Ｎ、日清エンジニアリング株式会社製）を用い、気流分級を行い平均粒子径（Ｄ５０）５０μｍの粉末を得た。この粉末を蓋付き黒鉛ルツボに封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れて、炉内を一旦真空にしてアルゴンガス置換し、内圧１．２ａｔｍ、アルゴンガス雰囲気の気流下で２８００℃の温度で約５時間黒鉛化することで得た。
黒鉛微粉６：人造黒鉛  ショーカライザー（昭和電工株式会社商品名）を分級することで平均粒子径（Ｄ５０）５００μｍの粉末を得た。  
黒鉛微粉７：ＵＧＦ−１０（昭和電工株式会社商品名）平均粒子径（Ｄ５０）５μｍの粉末を使用した。
活性炭：クラレコールＰＷ（クラレケミカル株式会社製）を分級して平均粒子径（Ｄ５０）５０μｍの粉末を得た。
【００５２】
（バインダー樹脂）
実施例で用いたバインダー樹脂材料を下記に示した。数平均分子量はゲルパーミエーションクロマトグラフィー（ＧＰＣ）を用いて測定した。
樹脂１−７のＧＰＣ測定条件：
装置：Ｓｈｏｄｅｘ ＧＰＣ−１０１（昭和電工社製）
カラム：ＬＦ−８０４（昭和電工社製）
カラムの温度：４０℃
試料：０．２質量％テトラヒドロフラン溶液
流量：１ｍｌ／ｍｉｎ
溶離液：テトラヒドロフラン
検出器：ＲＩ検出器
樹脂８−９のＧＰＣ測定条件：
試験管に０．１質量％の酸化防止剤であるＢＨＴ（ジブチルヒドロキシトルエン）を含む５ｍｌの１，２，４−トリクロロベンゼンを取り、これにポリプロピレン（試料）約２．５ｍｇを投入した。この試験管に栓をした後、１６０℃の恒温槽で２時間かけて試料を溶解させた。得られた溶液を焼結フィルターで濾過した。
装置：Ｗａｔｅｒｓ社製 １５０Ｃ ＡＬＣ／ＧＰＣ
カラム：昭和電工(株)製Ｓｈｏｄｅｘ ＨＴ−Ｇ（１本）および昭和電工（株）製Ｓｈｏｄｅｘ ＨＴ−８０６Ｍ（２本）を直列に接続したもの 
カラムの温度： １４０℃
流量：１ｍｌ／分
溶離液：１，２，４−トリクロロベンゼン（ＢＨＴ（ジブチルヒドロキシトルエン）０．１質量％を含む。）検出器：示差屈折率計
樹脂１：１．２−ポリブタジエン（Ｂ−３０００：日本曹達株式会社製）
数平均分子量３２００
樹脂２：１．２−ポリブタジエン（Ｒｉｃｏｎ（登録商標）１５４ クレイバレー株式会社製）数平均分子量５２００  
樹脂３：１．２−ポリブタジエン（ＲＢ８１０  ＪＳＲ株式会社製）  数平均分子量１２００００
樹脂４：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂  エポキシ当量２０２  数平均分子量  ５００
樹脂５：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂  エポキシ当量２００  数平均分子量  １００００
樹脂６：ノボラック型フェノール樹脂  ＯＨ当量１０５  数平均分子量６２０
樹脂７：ノボラック型フェノール樹脂  ＯＨ当量１０４  数平均分子量２００００
樹脂８：ポリプロピレン  ランダム  融点１４１℃  数平均分子量２２００００
樹脂９：ポリプロピレン  ランダム  融点１４３℃  数平均分子量９６００
【００５３】
（ホウ素含有法）
原料となる黒鉛粉末（黒鉛微粉１、黒鉛微粉２）９５．５ｋｇに炭化ホウ素粉（Ｂ4Ｃ）０．５ｋｇを加え、ヘンシェルミキサーにて８００ｒｐｍで５分間混合した。この粉末を蓋付き黒鉛ルツボに封入し、黒鉛ヒーターを用いた黒鉛化炉に入れて、炉内をアルゴンガス置換し、内圧１．２ａｔｍ、アルゴンガス雰囲気の気流下で２４００℃の温度で約５時間保持することでホウ素原子をドーピングした。これをアルゴンガス雰囲気で放冷後、粉末を取り出してホウ素含有黒鉛微粉（黒鉛微粉３、黒鉛微粉４）を得た。
【００５４】
（平均体積固有抵抗率）
平均体積固有抵抗率の算出は、試験片サイズ１００×１００×２ｍｍｔの平板を成形して体積固有抵抗を測定して行った。
装  置  ：ロレスタＧＰ（三菱化学アナリテック株式会社製）
体積固有抵抗：主導電部  Ｒａ（ｍΩｃｍ）、副導電部  Ｒｂ（ｍΩｃｍ）
体積分率：主導電部  ρａ、  副導電部  ρｂ
平均体積固有抵抗率：  Ｒａｖｅ＝Ｒａρａ＋Ｒｂρｂ（ｍΩｃｍ）
【００５５】
（貫通抵抗測定法）
試験片：１５０×１１０×１０ｍｍ、電極材質：金メッキ真鍮、第１電極：接触面積；１５０×１１０×１ｍｍ、第２電極：接触面積；１５×２０×１ｍｍ
加圧力：１ＭＰａ（試験片全面）、印加電流：２０Ａ、押し板：ＭＣナイロン  １５０×１１０×１０ｍｍ
図８に示すように、集電体の試験片５０に対し、試験片５０の底面全面に接触可能な大きさの第１電極５１と試験片５０の上面の一部に接触可能な大きさの第２電極５２を用い、電圧計５３の一方の測定端子５３Ａを第１電極５１に接続し、他方の測定端子５３Ｂを第２電極５２に接続する。定電流電源５５の一方の端子５５Ａを第１電極５１に接続し、他方の端子５５Ｂを第２電極５２に接続する。この状態から集電体の試験片５０の上下を押し板５６、５７で上下から挟み、加圧力を作用させながら、試験片５０の貫通抵抗を測定した。
（厚み偏差）
マイクロゲージ（ミツトヨ株式会社製）により測定した。測定箇所は、貫通抵抗評価試験片（１５０×１１０×１０ｍｍ）を用いて、図９に示した格子の交点の位置（４０点）を測定し、最大厚みと最小厚みの差で評価した。図９において、試験片５０を平面視して描かれる長方形の短辺と長辺に沿って規定した格子の間隔をｍｍ単位で示した。長方形のコーナー部分から内側５ｍｍの位置、２０ｍｍ、２５ｍｍの位置を基準として格子を規定し、格子の交差位置が測定点であり交差位置４０箇所を測定点とした。
【００５６】
「実施例１〜６、比較例４〜５」
（コンパウンド方法）
主導電部（Ａ１〜Ａ２）、副導電部（Ｂ１〜Ｂ８）を構成する樹脂組成物はそれぞれ同じ方法によりコンパウンドした。組成比率は以下の表１に示した。
装置：加圧式１０Ｌニーダー（株式会社トーシン製）、仕込み量：１４．５ｋｇ、温度：１００℃、回転数：４０ｒｐｍ。
手順
１．表１に示した硬化開始剤以外の原料をニーダーへ投入
２．上記温度、回転数の条件で加圧して５分混練
３．加圧ラムを上昇させて無加圧で、同じ回転数で１分撹拌
４．再び加圧して３分混練
５．加圧ラムを上昇させ硬化開始剤を添加して１分無加圧で撹拌
６．再び加圧して３分混練
７．混練終了後排出
８．コンパウンドに塊がある場合は、その後解砕機、または粉砕機を通して粉末状のコンパウンドを得る
【００５７】
（体積固有抵抗試験片成形方法）
装置：圧縮成形機（渡辺機械株式会社製）、出力：５０ｔ、試験片サイズ：１００×１００×２ｍｍ
手順
１．上記のコンパウンドを１２０℃の金型へ仕込む
２．１２０℃、無加圧で２分予熱する
３．その後５０ｔまで加圧し、１８０℃まで６分かけて昇温する
４．１８０℃到達後、７分間５０ｔの圧力で保持して硬化する
５．その後５０ｔで１２０℃まで冷却し取り出すことで試験片を得る
【００５８】
（貫通抵抗測定試験片成形法）
貫通抵抗測定の試験片における主導電部と副導電部の構成、及び各ディメンジョンについて以下に説明する。
図１に示す構成の集電体１をＯ型、図２に示す構成の集電体５をＩ型、図３に示す試験片８をＴ型と呼称し、Ｏ型、Ｉ型、Ｔ型の３種類製作して評価した。Ｏ型の試験片において主導電部のサイズ２２×９０×１０ｍｍ、Ｉ型の試験片において主導電部のサイズ２２×１５０×１０ｍｍ、Ｔ型の試験片において主導電部のサイズ２２×９０×８ｍｍ、第２の主導電部のサイズ１１０×１５０×２ｍｍとした。
各試験片において主導電部の中心は、試験片の中心に来るように配置して成形した。また、各構成における主導電部と副導電部の体積分率を表３に示した。
装置：圧縮成形機、出力：５０ｔ、試験片サイズ：１５０×１１０×１０ｍｍ
【００５９】
手順
１．上記で作製したコンパウンドを室温の金型へ投入。主導電部と副導電部が混ざらないよう仕切り治具を設置し、所定の位置へコンパウンドを仕込んだのち仕切り治具を外す。
２．金型を１８０℃に加熱された圧縮成形機へ移し、５０ｔまで加圧し、１８０℃に到達後１０分間硬化させる。
３．その後、金型を２５℃の冷却圧縮成形機へ移動し、室温まで冷却して各試験片を得た。
【００６０】
（評価）
体積固有抵抗、及び平均体積固有抵抗は前記の方法により、体積固有抵抗を測定して平均体積固有抵抗率を算出し評価した。貫通抵抗、厚み偏差は、前記の方法により評価した。
金型汚染については、バインダー樹脂とカーボン粉末が分離せずに成形できた場合を〇、分離してバリの出かたが激しかった場合を×と評価した。
【００６１】
「比較例１〜３」
（コンパウンド方法）
実施例１と同様な方法で、表１に示した組成（主導電部Ａ１〜Ａ２）でコンパウンドした。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で、主導電部組成のみのコンパウンドで成形して評価した。
（貫通抵抗測定サンプル成形法）
実施例１と同様な方法で、主導電部組成のみのコンパウンドで成形して評価した。
【００６２】
「比較例６」
（コンパウンド方法）
実施例１と同様な組成で、実施例１のコンパウンドと同様な方法で行った。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で成形して評価した。
（貫通抵抗測定試験片成形法）
表３に示したように主導電部の体積分率が４％となるような、Ｏ型の集電体試験片になるように、実施例１と同様な方法で成形し評価した。比較例６の主導電部のサイズは、２２×３０×１０ｍｍである。
【００６３】
「比較例７」
（コンパウンド方法）
実施例１と同様な組成で、実施例１のコンパウンドと同様な方法で行った。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で成形して評価した。
（貫通抵抗測定試験片成形法）
図１０に示したように主導電部６０が上下面にそれぞれ１１０×１５０×１ｍｍの体積で、主導電部６０/副導電部６１/主導電部６０の３層構造となっており、発電側６２から集電側６３へは主導電部材料が導通しない構成のカーボン集電体１６’となるように実施例１と同様な方法で成形し評価した。
【００６４】
【表１】
2015163253.tif 000003
【００６５】
【表２】
2015163253.tif 000004
【００６６】
「実施例１〜６、比較例１〜７の評価結果」
【００６７】
実施例１〜６では、平均体積固有抵抗に対する貫通抵抗の比（貫通抵抗／平均体積固有抵抗）が全体が均一な組成で形成されている比較例１〜３に比べて小さな値（最も大きな実施例１でも約１．２８）を示し、金属端子の面積が小さくとも、効率的に電気をロスなく取り出せることができた。主導電部を構成する第１のカーボン材料含有樹脂組成物は、副導電部を構成する第２のカーボン材料含有樹脂組成物よりも高価であるため、本発明の構成とすることによりコストの増加を招くことなく効率的に電気をロスなく取り出せる集電体が得られる。また、副導電部／主導電部の体積固有抵抗比率が約５倍程度まで差を設けた場合に貫通抵抗が最も小さくなる傾向があった。
【００６８】
比較例１〜３は全体が均一な樹脂組成物からなる集電体であるが、その平均体積固有抵抗に対する貫通抵抗の比（貫通抵抗／平均体積固有抵抗）は最も小さい比較例１でも１．７５であり、実施例１〜６ほど上記比は小さくならなかった。
比較例２については、さらにバインダー樹脂の分子量が低いため、樹脂とカーボンが成形時に分離してバリが多く発生し、金型を汚染してしまうため歩留りが低下した。
比較例４については、副導電部の体積固有抵抗率が大きすぎるため、貫通抵抗に大きなロスを生じた。また、バインダー樹脂の分子量が低いため、金型汚染性が悪化した。
比較例５は、黒鉛の充填率が低かったため、集電体としては不十分な貫通抵抗となった。
比較例６は、主導電部の占める割合がカーボン集電体の全体積に対し５vol％未満と小さいため、平均体積固有抵抗に対する貫通抵抗の比（貫通抵抗／平均体積固有抵抗）が約１．６とやや大きく、実施例１に比べて主導電部と副導電部を設けた構成とした効果を十分発現していない。
比較例７は、主導電部が貫通方向でつながっていないため、貫通抵抗があまり下がらなかった。
【００６９】
「実施例７〜８」
（コンパウンド方法）
主導電部（Ａ９〜Ａ１０）、副導電部（Ｂ９〜Ｂ１０）の組成物（表４参照）はそれぞれ同じ方法によりコンパウンドした。組成比率は表４に示した。
装置：加圧式１０Ｌニーダー（トーシン製）、仕込み量：１４．５ｋｇ、温度：９０℃、回転数：４０ｒｐｍ
手順
１．表４に示した原料をニーダーへ投入
２．上記温度、回転数の条件で加圧して５分混練
３．加圧ラムを上昇させて無加圧で、同じ回転数で１分撹拌
４．再び加圧して３分混練
５．加圧ラムを上昇させ１分無加圧で撹拌
６．再び加圧して３分混練
７．混練終了後排出
８．コンパウンドに塊がある場合は、その後解砕機、または粉砕機を通して粉末状のコンパウンドを得る
【００７０】
【表３】
2015163253.tif 000005
【００７１】
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で、表４の組成でコンパウンドして評価した。
（貫通抵抗測定試験片成形法）
実施例１と同様な方法で、表４の組成でコンパウンドして評価した。
主導電部と副導電部の構成についてはＯ型のみで評価した。
【００７２】
「比較例８〜９」
（コンパウンド方法）
実施例７〜８と同様な方法で、表４に示した組成でコンパウンドした。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例７〜８と同様な方法で、主導電部組成のみのコンパウンドで成形して評価した。
（貫通抵抗測定サンプル成形法）
実施例７〜８と同様な方法で、主導電部組成のみのコンパウンドで成形して評価した。
【００７３】
【表４】
2015163253.tif 000006
【００７４】
（実施例７〜８、比較例８〜９の評価結果）
実施例７〜８、比較例８〜９ではバインダー樹脂としてエポキシ樹脂を用いた時の集電体の特性について表４にまとめた。
実施例７〜８の結果より、エポキシ樹脂系の組成物についても、実施例１〜７と同様に、平均体積固有抵抗に比べて、貫通抵抗が小さな値を示し、金属端子の面積が小さくとも、効率的に電気をロスなく取り出せることができた。
一方、比較例８〜９は全体が均一な組成物からなる集電体であるが、その平均体積固有抵抗に比べて、実施例７〜８ほど貫通抵抗は小さくならなかった。比較例７については樹脂と黒鉛微粉が分離してしまい、金型汚染が悪化し歩留りを低下させた。
【００７５】
「実施例９〜１０」
主導電部（Ａ１１〜Ａ１２）、副導電部（Ｂ１１〜Ｂ１２）の組成物（表５）はそれぞれ同じ方法によりコンパウンドした。組成比率は表５に示した。
装置：加圧式１０Ｌニーダー（トーシン製）、仕込み量：１４．５ｋｇ、温度：２００℃、回転数：４０ｒｐｍ
手順
１．表５に示した原料をニーダーへ投入
２．上記温度、回転数の条件で加圧して５分混練
３．加圧ラムを上昇させて無加圧で、同じ回転数で３０秒撹拌
４．再び加圧して３分混練
５．加圧ラムを上昇させ硬化開始剤を添加して３０秒無加圧で撹拌
６．再び加圧して３分混練
７．混練終了後排出
８．コンパウンドに塊がある場合は、その後解砕機、または粉砕機を通して粉末状のコンパウンドを得る
【００７６】
（体積固有抵抗試験片成形方法）
装置：圧縮成形機（渡辺機械株式会社製）、出力：５０ｔ、試験片サイズ：１００×１００×２ｍｍ
手順
１．上記のコンパウンドを２００℃の金型へ仕込む
２．２００℃、無加圧で５分予熱する
３．その後５０ｔまで加圧し、２００℃で３分間圧力保持する
４．次に、圧縮成形機の熱板に水を流して５０℃以下まで５０ｔの加圧下で冷却する
５．冷却後取り出す
【００７７】
（貫通抵抗測定試験片成形法）
貫通抵抗測定の試験片における主導電部と副導電部の構成はＯ型で製作し評価した。
主導電部の中心は、試験片の中心に来るように配置して成形した。また、主導電部と副導電部の体積分率は、０．１２と０．８８で行った。
装置：圧縮成形機、出力：５０ｔ、試験片サイズ：１５０×１１０×１０ｍｍ
手順
１．上記で作製したコンパウンドを２００℃の金型へ投入。主導電部と副導電部が混ざらないよう仕切り治具を設置し、所定の位置へコンパウンドを仕込んだのち仕切り治具を外す。
２．金型を２００℃に加熱された圧縮成形機へ移し、２ｔの荷重をかけて６分間予熱する。
３．その後、５０ｔまで加圧して、３分間保持し、その後加圧した状態で、熱板に水を流して金型を５０℃以下まで冷却した。
４．金型から成形品を取り出して評価する
【００７８】
「比較例１０〜１１」
（コンパウンド方法）
実施例９〜１０と同様な方法で、表５に示した組成でコンパウンドした。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例９〜１０と同様な方法で成形して評価した。
（貫通抵抗測定サンプル成形法）
実施例９〜１０と同様な方法で成形して評価した。
【００７９】
【表５】
2015163253.tif 000007
【００８０】
「実施例９〜１０、比較例１０〜１１の評価結果」
実施例９〜１０、比較例１０〜１１ではバインダー樹脂として熱可塑性樹脂のポリプロピレンを用いた時の集電体の特性について表５にまとめた。
実施例９〜１０の結果より、熱可塑性樹脂組成物の場合も、実施例１〜８と同様に、平均体積固有抵抗に対する貫通抵抗の比（貫通抵抗／平均体積固有抵抗）が１．３未満と小さな値を示し、金属端子の面積が小さくとも、効率的に電気をロスなく取り出せることができた。
一方、比較例１０〜１１は全体が均一な組成物からなる集電体であるが、その平均体積固有抵抗に比べて、実施例９〜１０ほど貫通抵抗は小さくならなかった。比較例１０については樹脂と黒鉛微粉が分離してしまい、金型汚染が悪化し歩留りを低下させた。
【００８１】
「比較例１２〜１５」
（コンパウンド方法）
実施例１と同様な方法で、表６に示した組成（主導電部Ａ２，Ａ１３〜Ａ１４、副導電部Ｂ１、Ｂ１３〜Ｂ１４）でコンパウンドした。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で、主導電部組成のみのコンパウンドで成形して評価した。
（貫通抵抗測定サンプル成形法）
実施例１〜５と同様な方法で成形して評価した。
【００８２】
【表６】
2015163253.tif 000008
【００８３】
「比較例１６」
（コンパウンド方法）
表６に示した組成で、実施例１のコンパウンドと同様な方法で行った。
（体積固有抵抗試験片成形方法）
実施例１と同様な方法で成形して評価した。
（貫通抵抗測定試験片成形法）
先の表３に示したように主導電部の体積分率が７５％となるような、Ｏ型の集電体試験片になるように、実施例１と同様な方法で成形し評価した。参考例の主導電部のサイズは、１３４×８４×１０ｍｍである。
【００８４】
＜評価結果＞
比較例１２は貫通抵抗は低い値を示したが、主導電部（Ａ１３）の成形性が悪く寸法精度に問題があった。
比較例１３は成形性は問題ないが、貫通抵抗が高いため、集電部材としては性能が劣る。
比較例１４は貫通抵抗は低いが、樹脂と黒鉛が分離して金型汚染が激しいため、成形サイクルが長く歩留りが悪かった。
比較例１５は副導電部の体積固有抵抗が高いため、集電体の貫通抵抗が高く、集電機能としては不十分であった。
比較例１６では、実施例１と同等のコストで同等な性能が発現できる組成で比較したが、導電性を上げるために粘度の低い樹脂をバインダーに使用したため、金型汚染が激しく、成形サイクルが長く、歩留りも悪かった。
【符号の説明】
【００８５】
１、５、８、１３、１６、２０…カーボン集電体、２、６、９、１４、１７、２２…主導電部、１１…第２の主導電部、３、７、１０、１５、２１…副導電部、４…接続端子、４Ａ…接続導体、３０…燃料電池スタック（燃料電池）、３１、３２…セパレーター、３１ａ、３２ａ…スリット溝、３３、３７…ガス拡散層、３４…アノード触媒層、３５…電解質層、３６…カソード触媒層、３８…燃料電池単セル。
【図１】
2015163253.tif 000009
【図２】
2015163253.tif 000010
【図３】
2015163253.tif 000011
【図４】
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【図５】
2015163253.tif 000013
【図６】
2015163253.tif 000014
【図７】
2015163253.tif 000015
【図８】
2015163253.tif 000016
【図９】
2015163253.tif 000017
【図１０】
2015163253.tif 000018
【国際調査報告】
2015163253.tif 000019
2015163253.tif 000020
2015163253.tif 000021
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