(57)【要約】【課題】燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有し、かつ、低接触抵抗を示し、流路形状が維持された固体高分子型燃料電池セパレータを提供すること。【解決手段】黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、その表面が、算術平均粗さＲａ０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍである固体高分子型燃料電池セパレータ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形してなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、
その表面が、算術平均粗さＲａ０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍであることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項２】
濡れ張力が５０〜７０ｍＮ／ｍ、静的接触角が５０〜７０°、かつ、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2である請求項１記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記表面が、砥粒を用いたブラスト処理により粗面化されたものである請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜３０μｍである請求項３記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜２０μｍである請求項３記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記砥粒が、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガラス、ナイロンおよびステンレスから選ばれる１種または２種以上である請求項３〜５のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記組成物が、黒鉛粉末１００質量部に対し、熱硬化性樹脂１０〜３０質量部、内部離型剤０．１〜１．５質量部含む請求項１〜６のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項８】
黒鉛粉末の平均粒径（ｄ＝５０）が、２０〜７０μｍである請求項１〜７のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことで直接発電させるものであり、高エネルギー変換可能で、環境適応性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸部を備えた２枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極（カーボンペーパー）とを介在させてなる単電池（単位セル）を数十個以上並設して（これをスタックという）なる電池本体（モジュール）から構成されている。
【０００４】
燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割、並びに単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路を確保するとともに、それらの分離境界膜としての役割を果たすものである。このため、セパレータには、高電気導電性、高ガス不浸透性、（電気）化学的安定性、親水性などの諸性能が要求される。
ところで、燃料電池の発電時においてガス同士の反応により生じる水は、電池特性に大きな影響を与えることが知られており、発電時に発生した水を速やかに排出できることが、セパレータに求められる特性の中で最も重要となる。この排水性能は、セパレータの親水性に依存するものであるため、これを向上させる必要がある。
【０００５】
セパレータの親水性を向上させる手法として、従来、（１）セパレータ表面に親水性無機粉末を塗布する方法（特許文献１：特開昭５８−１５０２７８号公報）、（２）セパレータ表面に親水性の無機繊維シートおよび有機繊維シートを付着させる方法（特許文献２：特開昭６３−１１０５５５号公報、特許文献３：特開２００１−７６３７号公報）、（３）セパレータ内部に親水性の無機繊維および粉末並びに有機繊維および粉末を混入させる方法（特許文献４：特開平１０−３９３１号公報）、（４）セパレータ中の電極と接触する部分を酸に浸漬する方法（特許文献５：特開平１１−２９７３３８号公報）、（５）ウエットブラスト装置を用いて数段階の表面処理をする方法（特許文献６：特開２００６−１９２５２号公報）、（６）ガス流路の接触抵抗を低く抑え、かつ、シール部のシール性を確保するためにシール部をマスキングした状態で表面処理する方法（特許文献７：特開２００３−１３２９１３号公報）、（７）アルミナ研創材などでガス流路面を表面処理し、ガス流路の親水性を高めるとともに接触抵抗を低く抑える方法（特許文献８：特開２００５−１９７２２２号公報）が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１５０２７８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１１０５５５号公報
【特許文献３】特開２００１−７６３７号公報
【特許文献４】特開平１０−３９３１号公報
【特許文献５】特開平１１−２９７３８８号公報
【特許文献６】特開２００６−１９２５２号公報
【特許文献７】特開２００３−１３２９１３号公報
【特許文献８】特開２００５−１９７２２２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、上記（１）の方法では、電池の組立時にセパレータ表面に塗布した無機粉末からなる親水層が剥離したり、摩耗したりする結果、親水性向上効果が不充分になり易いという問題があった。
（２）の方法では、セパレータ表面上のシートが剥離したり、流路面でしわになったりする結果、親水性および排水性が低下してしまうことがあった。
（３）の方法では、親水性を向上させる目的で無機繊維や有機繊維などの混入量を多くすると、導電性が低下してしまうという新たな問題を招来していた。
（４）の方法では、セパレータ中に残存した酸性溶液が、燃料電池運転中に溶出したり、セパレータに含まれる樹脂を分解したりするという問題があった。
（５）の方法では、段階的にブラスト処理する必要があり、工数が多いため製造コストがかかってしまうという問題があった。また、粒径の大きい粒子を使用した初期段階のブラスト処理により、流路形状が崩れ、発電性能が低下してしまうという問題があった。
（６）および（７）の方法では、ガス流路の接触抵抗を低く抑えるためにブラスト処理をしているが、その処理によりシール溝部の表面が粗くなってシール性が損なわれることを防止するために、シール溝部にマスキングを施す必要があり、工程が煩雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有し、かつ、低接触抵抗を示し、流路形状が維持された固体高分子型燃料電池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】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、黒鉛粉末、熱硬化性樹脂、および内部離型剤を含む組成物を成形してなる固体高分子型燃料電池セパレータ表面を、算術平均粗さＲａ０．２７〜１．２０μｍ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍの範囲に調整することで、当該セパレータが高親水性および低接触抵抗を発揮すること、およびセパレータ表面処理の際、所定範囲の平均粒径を有する砥粒を用いてブラスト処理することで、流路形状を維持した状態で高い親水性を付与し得、シール部をマスキングすることなしにガス流路とシール溝部とを同時に処理しても、シール性を損なわずに接触抵抗を低く抑えることができることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１．  黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形してなる固体高分子型燃料電池セパレータであって、その表面が、算術平均粗さＲａ０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍであることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ、
２．  濡れ張力が５０〜７０ｍＮ／ｍ、静的接触角が５０〜７０°、かつ、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2である１の固体高分子型燃料電池セパレータ、
３．  前記表面が、砥粒を用いたブラスト処理により粗面化されたものである１または２の固体高分子型燃料電池セパレータ、
４．  前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜３０μｍである３の固体高分子型燃料電池セパレータ、
５．  前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜２０μｍである３の固体高分子型燃料電池セパレータ、
６．  前記砥粒が、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガラス、ナイロンおよびステンレスから選ばれる１種または２種以上である３〜５のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ、
７．  前記組成物が、黒鉛粉末１００質量部に対し、熱硬化性樹脂１０〜３０質量部、内部離型剤０．１〜１．５質量部含む１〜６のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ、
８．  黒鉛粉末の平均粒径（ｄ＝５０）が、２０〜７０μｍである１〜７のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ
を提供する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の固体高分子型燃料電池セパレータは、表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍであるから、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有している。また、当該セパレータは、上記表面特性を有しているので、シール材との密着性が良く、ガスリークを極めて低く抑えられるだけでなく、電極部との接触抵抗をも低く抑えることができる。したがって、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。
さらに、所定範囲の平均粒径を有する砥粒を用いたブラスト処理によりセパレータ表面を粗面化することで、上記範囲のＲａおよびＲｚに容易に調整することができ、その結果、例えば、表面の濡れ張力を５０〜７０ｍＮ／ｍ程度、接触角を５０〜７０°程度に容易に改質することができる。この際、セパレータのシール溝部をマスキングせずに、セパレータ表面全面に対してブラスト処理を施しても、シール部のシール性を損なわずに所定の電気導電性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータは、黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形してなり、表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍであることを特徴とする。
ここで、算術平均粗さＲａが０．２７μｍ未満、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０μｍ未満の場合、水の表面張力が保持されるため、セパレータ表面で生成した水が流路内で凝集し易くなる結果、排水性が悪くなる。また、セパレータの表層において、黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在するため電極と黒鉛との接触面積が小さくなる結果、接触抵抗が高くなる可能性が高い。
一方、算術平均粗さＲａが１．２０μｍ超、最大高さ粗さＲｚが８．０μｍ超の場合、セパレータとシール材との密着性が悪くなるためガスリークが発生する虞がある。
【００１３】
燃料電池セパレータの親水性向上効果および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、その表面の算術平均粗さＲａ０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．３〜８．０μｍが好ましく、Ｒａ０．３５〜１．００μｍ、かつ、Ｒｚ２．４５〜７．９５μｍがより好ましく、Ｒａ０．５０〜０．９０μｍ、かつ、Ｒｚ４．０〜６．０μｍがより一層好ましい。
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池セパレータは、その表面特性が上記範囲に調整される結果、濡れ張力が５０〜７０ｍＮ／ｍ、特に５４〜７０ｍＮ／ｍ、静的接触角が５０〜７０°、特に６０〜７０°、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2、特に４〜６．６ｍΩｃｍ2であることが好ましい。
これにより、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、充分な親水性および導電性を有することになり、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。
【００１５】
本発明で用いられる黒鉛材料としては、例えば、天然黒鉛、針状コークスを焼成した人造黒鉛、塊状コークスを焼成した人造黒鉛、電極を粉砕したもの、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、コークス、活性炭、ガラス状カーボン、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
上記黒鉛材料の平均粒径（ｄ＝５０）は、特に限定されるものではないが、２０〜７０μｍが好ましく、３０〜６０μｍがより好ましく、４０〜５０μｍがより一層好ましい。
平均粒径が２０μｍ未満であると、熱硬化性樹脂が黒鉛の表面を覆い易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。このため、セパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。一方、平均粒径が７０μｍを超えると、黒鉛粒子間の空隙に熱硬化性樹脂が侵入し易くなり、黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなる。その結果、この場合もセパレータ自体の導電性が悪化する可能性が高い。
すなわち、黒鉛材料の平均粒径が２０〜７０μｍの範囲外にあるものは、黒鉛粒子表面または粒子同士の間隙に熱硬化性樹脂層が発生し易くなり、いずれにしてもセパレータ自体の導電性の悪化を招来する可能性が高い。
【００１６】
平均粒径（ｄ＝５０）が２０〜７０μｍの範囲に調整された黒鉛粉末を含む組成物を成形してなるセパレータは、通常、その表層において、黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在しているが、セパレータの表面粗さを先に詳述した算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚに調整することで、この熱硬化性樹脂層が除去され、親水性に優れるとともに、接触抵抗の低いセパレータとすることができる。
固体高分子型燃料電池セパレータの親水性向上効果および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、平均粒径（ｄ＝５０）３０〜６０μｍで粒径５μｍ以下の微粉の含有量が５％以下、かつ、粒径１００μｍ以上の粗粉の含有量が３％以下のものがより好ましく、さらに平均粒径（ｄ＝５０）４０〜５０μｍで粒径５μｍ以下の微粉の含有量が３％以下、かつ、粒径１００μｍ以上の粗粉が１％以下のものが一層好ましい。
なお、平均粒径（ｄ＝５０）は、粒度分布測定装置（日機装（株）製）による測定値である。
【００１７】
本発明の熱硬化性樹脂としては、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種熱硬化性樹脂が挙げられる。例えば、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、シリコーン樹脂、ビニルエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ベンゾオキサジン樹脂等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐熱性および機械的強度に優れていることから、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシ樹脂、レゾール型フェノール樹脂が好適に用いられる。
【００１８】
内部離型剤としても、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種内部離型剤が挙げられる。例えば、ステアリン酸系ワックス、アマイド系ワックス、モンタン酸系ワックス、カルナバワックス、ポリエチレンワックス等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
【００１９】
黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物（以下、燃料電池セパレータ用組成物という）中における、熱硬化性樹脂の含有量は、特に限定されるものではないが、黒鉛粉末１００質量部に対して１０〜３０質量部、特に、１５〜２５質量部であることが好ましい。熱硬化性樹脂の含有量が１０質量部未満であると、セパレータのガスリークおよび強度低下を招く虞があり、３０質量部を超えると、導電性低下を招く虞がある。
また、燃料電池セパレータ用組成物中における内部離型剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、黒鉛粉末１００質量部に対して０．１〜１．５質量部、特に０．３〜１．０質量部であることが好ましい。内部離型剤の含有量が０．１質量部未満では離型不良を招く虞があり、１．５質量部を超えると、熱硬化性樹脂の硬化を妨げるなどの問題が生じる虞がある。
【００２０】
本発明の固体高分子型燃料電池セパレータは、上記燃料電池セパレータ用組成物を成形してなるものである。この場合、組成物の調製方法およびセパレータの成形方法は、特に限定されるものではなく、従来公知の種々の方法を用いることができる。
組成物の調製は、例えば、上述の熱硬化性樹脂、黒鉛粉末および内部離型剤のそれぞれを任意の順序で所定割合混合して行えばよい。混合に用いられる混合機としては、例えば、プラネタリーミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等が挙げられる。
セパレータの成形方法としても、特に限定されるものではなく、射出成形、トランスファ成形、圧縮成形、押出成形等を採用することができる。これらの中でも、成形されたセパレータの精度および機械的強度に優れていることから、圧縮成形が好ましい。
【００２１】
上記で述べた成形方法により成形されたセパレータは、その表面を、砥粒を用いたブラスト処理により粗面化することが好ましい。これにより、セパレータ表面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚを上記範囲に調整することができる。
この際、ブラスト処理に用いられる砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）は、６〜３０μｍが好ましく、６〜２５μｍがより好ましく、６〜２０μｍがより一層好ましい。
ここで、砥粒の平均粒径が６μｍ未満では、算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上に処理し難いため、表層に樹脂が残り易く、３０μｍ超では、粒度が粗すぎるため、セパレータ表面に砥粒が突き刺さり易くなり、その結果、セパレータの表層に砥粒が残存し易くなる。
【００２２】
また、上記範囲の平均粒径を有する砥粒を用いることで、シール溝部をマスキングせずにガス流路部とシール溝部とを同時にブラスト処理しても、シール溝部のシール性を損なうことなく、接触抵抗を低く抑えることができる。
すなわち、平均粒径（ｄ＝５０）が６〜３０μｍの砥粒を用いてセパレータ全面をブラスト処理することで、セパレータ表面の算術平均粗さＲａを０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚを２．０〜８．０μｍに調整すると、流路内表面に（微細な凹凸）が形成されるので、水の表面張力のバランスが崩れるため親水性が向上し、さらに、セパレータ表層にある熱硬化性樹脂が除去されることで、電極との接触面積が大きくなり接触抵抗を低減させることができる。しかも、シール部分においても最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍの範囲であるため、良好なシール性を発揮させることができる。
【００２３】
ブラスト処理法としては、セパレータ表面の粗面化が可能であれば特に限定されるものでなく、例えば、ショットブラスト、エアブラスト、ウエットブラストを採用できる。これらの中でもエアブラスト、ウエットブラストが好ましく、セパレータ表面における砥粒の残留が少ないことから、ウエットブラストが最適である。
ブラスト処理で使用する砥粒の材質としては、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガラス、ナイロン、ステンレス等を用いることができ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
【００２４】
以上で説明した本発明の固体高分子型燃料電池セパレータは、極めて高い親水性を有するとともに、接触抵抗が低く抑えられているから、このセパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができるものである。
一般的に固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、これらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部または全部として本発明の固体高分子型燃料電池セパレータを用いることができる。
【実施例】
【００２５】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明において、平均粒径は、粒度分布測定装置（日機装社製）により測定した値である。
【００２６】
［実施例１〜９，比較例１〜８］
表１に示す各種平均粒径（ｄ＝５０）を有する、針状コークスを焼成してなる人造黒鉛粉末を１００質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂２４質量部、および内部離型剤であるカルナバワックス０．３質量部を、ヘンシェルミキサ内に投入し、１５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物を、３００ｍｍ×３００ｍｍの金型に投入し、金型温度１８０℃、成形圧力２９．４ＭＰａ、成形時間２分間にて圧縮成形し、成形体を得た。得られた成形体に下記に示す各表面処理を施し、表１に示される各種表面粗さ特性を有する燃料電池セパレータサンプルを得た。
【００２７】
（表面処理方法、実施例１〜９、比較例１，４）
表１に記載のアルミナ研創材（砥粒）を用いて、ノズル圧０．２５ＭＰａの条件下、ウエットブラストにより表面処理を施した。なお、表面処理の際、シール溝部にはマスキングを施さなかった。
（表面処理方法、実施例１０〜１２、比較例２，３，５〜８）
表１に記載のアルミナ研創材（砥粒）を用いて、ノズル圧０．２５ＭＰａの条件下、エアブラストにより表面処理を施した。なお、表面処理の際、シール溝部にはマスキングを施さなかった。
【００２８】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータサンプルについて、表面粗さの算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚ、輪郭曲線要素の平均長さＲＳｍ、局部山頂の平均間隔Ｓ、固有抵抗、接触抵抗、濡れ張力、および接触角を測定・評価した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、各評価項目は以下の方法により、測定・評価した。
【００２９】
［１］表面特性（Ｒａ、Ｒｚ、ＲＳｍ、Ｓ）
プローブ先端径５μｍの表面粗さ計（型番サーフコム１４０００、東京精密（株）製）により測定した。
［２］固有抵抗
ＪＩＳ  Ｃ２５２５に規定される金属抵抗材料の導体抵抗および体積抵抗率試験方法に
基づいて測定した。
［３］接触抵抗
（１）カーボンペーパー＋セパレータサンプル
上記で得られた各セパレータサンプルを２枚重ね合わせ、その上下にカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ０６０、東レ（株）製）を配置し、さらにその上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（２）カーボンペーパー
カーボンペーパーの上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（３）接触抵抗算出方法
上記（１），（２）で求めた各電圧値よりセパレータサンプルとカーボンペーパーとの電圧降下を求め、下記式により接触抵抗を算出した。
接触抵抗＝（電圧降下×接触面積）／電流
［４］濡れ性
ＪＩＳ  Ｋ６７６８  プラスチック−フィルムおよびぬれ張力試験方法に基づいて測定した。
［５］接触角
接触角計（協和界面化学（株）製、ＣＡ−ＤＴ・Ａ型）を用いて測定した。
【００３０】
【表１】
2008053052.tif 000002
Ｒａ、算術平均粗さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
Ｒｚ、最大高さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
ＲＳｍ、輪郭曲線要素の平均長さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
Ｓ、局部山頂の平均間隔、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  １９９４
【００３１】
表１に示されるように、上記各実施例の燃料電池セパレータは、平均粒径２０〜７０μｍのカーボン粉末を用いるとともに、セパレータ表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜１．２０μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍの範囲にあるから、比較例の燃料電池セパレータと比べ接触抵抗が低く抑えられているとともに、接触角が低く、濡れ張力が高いので親水性に優れている。
【手続補正書】
【提出日】平成18年11月28日(2006.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
セパレータの親水性を向上させる手法として、従来、（１）セパレータ表面に親水性無機粉末を塗布する方法（特許文献１：特開昭５８−１５０２７８号公報）、（２）セパレータ表面に親水性の無機繊維シートおよび有機繊維シートを付着させる方法（特許文献２：特開昭６３−１１０５５５号公報、特許文献３：特開２００１−７６７３７号公報）、（３）セパレータ内部に親水性の無機繊維および粉末並びに有機繊維および粉末を混入させる方法（特許文献４：特開平１０−３９３１号公報）、（４）セパレータ中の電極と接触する部分を酸に浸漬する方法（特許文献５：特開平１１−２９７３３８号公報）、（５）ウエットブラスト装置を用いて数段階の表面処理をする方法（特許文献６：特開２００６−１９２５２号公報）、（６）ガス流路の接触抵抗を低く抑え、かつ、シール部のシール性を確保するためにシール部をマスキングした状態で表面処理する方法（特許文献７：特開２００３−１３２９１３号公報）、（７）アルミナ研創材などでガス流路面を表面処理し、ガス流路の親水性を高めるとともに接触抵抗を低く抑える方法（特許文献８：特開２００５−１９７２２２号公報）が提案されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５８−１５０２７８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１１０５５５号公報
【特許文献３】特開２００１−７６７３７号公報
【特許文献４】特開平１０−３９３１号公報
【特許文献５】特開平１１−２９７３３８号公報
【特許文献６】特開２００６−１９２５２号公報
【特許文献７】特開２００３−１３２９１３号公報
【特許文献８】特開２００５−１９７２２２号公報
【手続補正書】
【提出日】平成19年3月23日(2007.3.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形した後、砥粒を用いたブラスト処理により表面を粗面化してなり、
前記表面が、算術平均粗さＲａ０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍであることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項２】
ＪＩＳ  Ｋ６７６８によるぬれ張力が５４〜７０ｍＮ／ｍ、静的接触角が６４〜７０°、かつ、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2である請求項１記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記最大高さ粗さＲｚが、２．０〜２．５１μｍである請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜３０μｍである請求項３記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜２０μｍである請求項３記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記砥粒が、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガラス、ナイロンおよびステンレスから選ばれる１種または２種以上である請求項３〜５のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記組成物が、黒鉛粉末１００質量部に対し、熱硬化性樹脂１０〜３０質量部、内部離型剤０．１〜１．５質量部含む請求項１〜６のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【請求項８】
黒鉛粉末の平均粒径（ｄ＝５０）が、２０〜７０μｍである請求項１〜７のいずれか１項記載の固体高分子型燃料電池セパレータ。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、黒鉛粉末、熱硬化性樹脂、および内部離型剤を含む組成物を成形してなる固体高分子型燃料電池セパレータ表面を、砥粒を用いたブラスト処理により粗面化して、算術平均粗さＲａ０．２７〜０．４２μｍ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍの範囲に調整することで、当該セパレータが高親水性および低接触抵抗を発揮すること、およびセパレータ表面処理の際、所定範囲の平均粒径を有する砥粒を用いてブラスト処理することで、流路形状を維持した状態で高い親水性を付与し得、シール部をマスキングすることなしにガス流路とシール溝部とを同時に処理しても、シール性を損なわずに接触抵抗を低く抑えることができることを見出し、本発明を完成した。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
すなわち、本発明は、
１．  黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形した後、砥粒を用いたブラスト処理により表面を粗面化してなり、前記表面が、算術平均粗さＲａ０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜８．０μｍであることを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ、
２．  ＪＩＳ  Ｋ６７６８によるぬれ張力が５４〜７０ｍＮ／ｍ、静的接触角が６４〜７０°、かつ、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2である１の固体高分子型燃料電池セパレータ、
３．  前記最大高さ粗さＲｚが、２．０〜２．５１μｍである１または２の固体高分子型燃料電池セパレータ、
４．  前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜３０μｍである３の固体高分子型燃料電池セパレータ、
５．  前記砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）が、６〜２０μｍである３の固体高分子型燃料電池セパレータ、
６．  前記砥粒が、アルミナ、炭化珪素、ジルコニア、ガラス、ナイロンおよびステンレスから選ばれる１種または２種以上である３〜５のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ、
７．  前記組成物が、黒鉛粉末１００質量部に対し、熱硬化性樹脂１０〜３０質量部、内部離型剤０．１〜１．５質量部含む１〜６のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ、
８．  黒鉛粉末の平均粒径（ｄ＝５０）が、２０〜７０μｍである１〜７のいずれかの固体高分子型燃料電池セパレータ
を提供する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
本発明の固体高分子型燃料電池セパレータは、表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍであるから、燃料電池の発電により生じた水を容易に排水可能な高い親水性を有している。また、当該セパレータは、上記表面特性を有しているので、シール材との密着性が良く、ガスリークを極めて低く抑えられるだけでなく、電極部との接触抵抗をも低く抑えることができる。したがって、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。
さらに、所定範囲の平均粒径を有する砥粒を用いたブラスト処理によりセパレータ表面を粗面化することで、上記範囲のＲａおよびＲｚに容易に調整することができ、その結果、例えば、表面のぬれ張力を５４〜７０ｍＮ／ｍ程度、接触角を６４〜７０°程度に容易に改質することができる。この際、セパレータのシール溝部をマスキングせずに、セパレータ表面全面に対してブラスト処理を施しても、シール部のシール性を損なわずに所定の電気導電性を得ることができる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータは、黒鉛粉末、熱硬化性樹脂および内部離型剤を含む組成物を成形した後、砥粒を用いたブラスト処理により表面を粗面化してなり、表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍであることを特徴とする。
ここで、算術平均粗さＲａが０．２７μｍ未満、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０μｍ未満の場合、水の表面張力が保持されるため、セパレータ表面で生成した水が流路内で凝集し易くなる結果、排水性が悪くなる。また、セパレータの表層において、黒鉛粒子間に熱硬化性樹脂層が介在するため電極と黒鉛との接触面積が小さくなる結果、接触抵抗が高くなる可能性が高い。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
燃料電池セパレータの親水性向上効果および接触抵抗低減効果をより一層高めることを考慮すると、その表面の算術平均粗さＲａ０．２７〜０．３５μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚ２．０〜２．５１μｍが好ましい。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
また、本発明に係る燃料電池セパレータは、その表面特性が上記範囲に調整される結果、ぬれ張力が５４〜７０ｍN／ｍ、静的接触角が６４〜７０°、接触抵抗が４〜７ｍΩｃｍ2、特に４〜６．６ｍΩｃｍ2であることが好ましい。
これにより、本発明の燃料電池セパレータを備えた燃料電池は、充分な親水性および導電性を有することになり、長期に亘って安定した発電効率を維持することができる。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
上記で述べた成形方法により成形されたセパレータは、その表面を、砥粒を用いたブラスト処理により粗面化する。これにより、セパレータ表面の算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚを上記範囲に調整することができる。
この際、ブラスト処理に用いられる砥粒の平均粒径（ｄ＝５０）は、６〜３０μｍが好ましく、６〜２５μｍがより好ましく、６〜２０μｍがより一層好ましい。
ここで、砥粒の平均粒径が６μｍ未満では、算術平均粗さＲａを０．３μｍ以上に処理し難いため、表層に樹脂が残り易く、３０μｍ超では、粒度が粗すぎるため、セパレータ表面に砥粒が突き刺さり易くなり、その結果、セパレータの表層に砥粒が残存し易くなる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
また、上記範囲の平均粒径を有する砥粒を用いることで、シール溝部をマスキングせずにガス流路部とシール溝部とを同時にブラスト処理しても、シール溝部のシール性を損なうことなく、接触抵抗を低く抑えることができる。
すなわち、平均粒径（ｄ＝５０）が６〜３０μｍの砥粒を用いてセパレータ全面をブラスト処理することで、セパレータ表面の算術平均粗さＲａを０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚを２．０〜８．０μｍに調整すると、流路内表面に（微細な凹凸）が形成されるので、水の表面張力のバランスが崩れるため親水性が向上し、さらに、セパレータ表層にある熱硬化性樹脂が除去されることで、電極との接触面積が大きくなり接触抵抗を低減させることができる。しかも、シール部分においても最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍの範囲であるため、良好なシール性を発揮させることができる。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
［実施例１〜４，比較例１〜８］
表１に示す各種平均粒径（ｄ＝５０）を有する、針状コークスを焼成してなる人造黒鉛粉末を１００質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂２４質量部、および内部離型剤であるカルナバワックス０．３質量部を、ヘンシェルミキサ内に投入し、１５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物を、３００ｍｍ×３００ｍｍの金型に投入し、金型温度１８０℃、成形圧力２９．４ＭＰａ、成形時間２分間にて圧縮成形し、成形体を得た。得られた成形体に下記に示す各表面処理を施し、表１に示される各種表面粗さ特性を有する燃料電池セパレータサンプルを得た。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
（表面処理方法、実施例１〜３、比較例１，４）
表１に記載のアルミナ研創材（砥粒）を用いて、ノズル圧０．２５ＭＰａの条件下、ウエットブラストにより表面処理を施した。なお、表面処理の際、シール溝部にはマスキングを施さなかった。
（表面処理方法、実施例４、比較例２，３，５〜８）
表１に記載のアルミナ研創材（砥粒）を用いて、ノズル圧０．２５ＭＰａの条件下、エアブラストにより表面処理を施した。なお、表面処理の際、シール溝部にはマスキングを施さなかった。
【手続補正１２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータサンプルについて、表面粗さの算術平均粗さＲａ、最大高さ粗さＲｚ、輪郭曲線要素の平均長さＲＳｍ、局部山頂の平均間隔Ｓ、固有抵抗、接触抵抗、ぬれ張力、および接触角を測定・評価した。これらの結果を表１に併せて示す。なお、各評価項目は以下の方法により、測定・評価した。
【手続補正１３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
［１］表面特性（Ｒａ、Ｒｚ、ＲＳｍ、Ｓ）
プローブ先端径５μｍの表面粗さ計（型番サーフコム１４０００、東京精密(株)製）により測定した。
［２］固有抵抗
ＪＩＳ  Ｃ２５２５に規定される金属抵抗材料の導体抵抗および体積抵抗率試験方法に
基づいて測定した。
［３］接触抵抗
（１）カーボンペーパー＋セパレータサンプル
上記で得られた各セパレータサンプルを２枚重ね合わせ、その上下にカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ０６０、東レ（株）製）を配置し、さらにその上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（２）カーボンペーパー
カーボンペーパーの上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（３）接触抵抗算出方法
上記（１），（２）で求めた各電圧値よりセパレータサンプルとカーボンペーパーとの電圧降下を求め、下記式により接触抵抗を算出した。
接触抵抗＝（電圧降下×接触面積）／電流
［４］ぬれ性
ＪＩＳ  Ｋ６７６８  プラスチック−フィルムおよびぬれ張力試験方法に基づいて測定した。
［５］接触角
接触角計（協和界面化学（株）製、ＣＡ−ＤＴ・Ａ型）を用いて測定した。
【手続補正１４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
【表１】
2008053052.tif 000003
Ｒａ、算術平均粗さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
Ｒｚ、最大高さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
ＲＳｍ、輪郭曲線要素の平均長さ、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  ２００１
Ｓ、局部山頂の平均間隔、ＪＩＳ  Ｂ０６０１  １９９４
【手続補正１５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
表１に示されるように、上記各実施例の燃料電池セパレータは、平均粒径２０〜７０μｍのカーボン粉末を用いるとともに、セパレータ表面の算術平均粗さＲａが０．２７〜０．４２μｍ、かつ、最大高さ粗さＲｚが２．０〜８．０μｍの範囲にあるから、比較例の燃料電池セパレータと比べ接触抵抗が低く抑えられているとともに、接触角が低く、ぬれ張力が高いので親水性に優れている。