(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さが１０〜１５０μｍとされる金属箔の少なくとも片面に、炭素粉末と熱可塑性樹脂からなるカーボン層を形成してなるカーボン複合材であって、
前記金属箔と前記カーボン層の間に前記金属箔と前記カーボン層を接着剤にて接着した接着剤層があり、前記接着剤は、官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂を含む接着剤であり、前記変性ポリオレフィン樹脂はカルボキシル基若しくはその誘導体、又は、ハロゲン基を含んでおり、
前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレン樹脂又はポリエチレン樹脂であり、
前記カーボン層は、前記炭素粉末と、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである前記熱可塑性樹脂の粉末とを、体積比で炭素粉末：熱可塑性樹脂粉末＝６：４〜９：１にて配合した粉末混合物をホットプレスして厚さが０．０５〜２．０ｍｍとされ、
圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下であることを特徴とするＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項２】
前記炭素粉末は平均粒径が４〜２００μｍであり、前記熱可塑性樹脂粉末は平均粒径が４〜２００μｍとされることを特徴とする請求項１に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項３】
前記接着剤層の厚さは０．１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項４】
前記炭素粉末が前記接着剤層を貫通して前記金属箔と接触していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項５】
前記炭素粉末は、
（１）天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末若しくは膨張黒鉛粉末であるか、又は、
（２）天然黒鉛粉末若しくは人造黒鉛粉末と、膨張黒鉛粉末とを含む、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項６】
前記金属箔は、ステンレススチール、チタン、チタン合金、又は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材。
【請求項７】
金属箔の少なくとも片面に炭素粉末と熱可塑性樹脂からなるカーボン層を形成してなるカーボン複合材であって圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下であるＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法であって、
（ａ）前記炭素粉末と前記熱可塑性樹脂の粉末とを混合した粉末混合物をホットプレスして前記カーボン層を形成する工程、
（ｂ）前記金属箔の少なくとも片面に接着剤を塗布し、前記接着剤が塗布された前記金属箔の面に前記カーボン層を積層し、ホットプレスして前記金属箔と前記カーボン層の積層体を形成する工程、
（ｃ）前記積層体をホットプレスして前記積層体の前記カーボン層に溝を成形する工程、
を有することを特徴とするＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項８】
前記工程（ｂ）と前記工程（ｃ）は、一つのホットプレス工程にて同時に行うことを特徴とする請求項７に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項９】
前記接着剤は、官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂を含む接着剤であり、前記変性ポリオレフィン樹脂はカルボキシル基若しくはその誘導体、又は、ハロゲン基を含んでおり、
前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレン樹脂又はポリエチレン樹脂である、
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１０】
前記金属箔の厚さは１０〜１５０μｍであり、
前記カーボン層は、前記炭素粉末と、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである前記熱可塑性樹脂の粉末とを、体積比で炭素粉末：熱可塑性樹脂粉末＝６：４〜９：１にて配合した粉末混合物をホットプレスして厚さが０．０５〜２．０ｍｍとされる、
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１１】
前記炭素粉末は平均粒径が４〜２００μｍであり、前記熱可塑性樹脂粉末は平均粒径が４〜２００μｍであることを特徴とする請求項７〜１０のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１２】
前記接着剤にて形成される接着剤層の厚さは０．１〜１０μｍであることを特徴とする請求項７〜１１のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１３】
前記炭素粉末が、前記接着剤にて形成される接着剤層を貫通して前記金属箔と接触していることを特徴とする請求項７〜１２のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１４】
前記炭素粉末は、
（１）天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末若しくは膨張黒鉛粉末であるか、又は、
（２）天然黒鉛粉末若しくは人造黒鉛粉末と、膨張黒鉛粉末とを含む、
ことを特徴とする請求項７〜１３のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【請求項１５】
前記金属箔は、ステンレススチール、チタン、チタン合金、又は、アルミニウム合金であることを特徴とする請求項７〜１４のいずれかの項に記載のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、黒鉛製の薄板状カーボン複合材に関するものであり、詳しくは、柔軟性があり、且つ、圧縮強度にも優れ、更には、成形性、耐食性、及び、導電性、気密性に優れた固体高分子型燃料電池用セパレータに使用されるカーボン複合材、即ち、ＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば電気自動車の発電装置として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目されている。斯かる燃料電池及び燃料電池用セパレータの一例を図７及び図８（ａ）、（ｂ）に示す。
【０００３】
図７は、燃料電池２００を構成する単位セルの構成を示す分解図であり、図８は、図７に示す燃料電池用セパレータ１の構成を示す図である。図８（ａ）は、平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の線Ｘ−Ｙにとった断面図である。
【０００４】
固体高分子型燃料電池２００は、固体高分子電解質膜６と、ＧＤＬ（Ｇａｓ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  Ｌａｙｅｒ：ガス拡散層）を含むアノード（燃料電極）７と、ＧＤＬを含むカソード（酸化剤電極）８とを接合して形成されるＭＥＡ（ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ：膜／電極接合体）を２枚の燃料電池用セパレータ１によってガスケット９を介して接合したセルを単位として数十個〜数百個積層し、アノード７に流体である燃料ガス（水素ガス）を、カソード８に流体である酸化ガス（酸素ガス）を供給することにより、外部回路に電流を取り出す構成となっている。
【０００５】
燃料電池用セパレータ１は、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用溝１１と、ガス供給排出用溝１１に燃料ガス又は酸化ガスを供給する開口部１２と、ＭＥＡを積層するための固定穴１３とを有する形状であり、燃料電池内を流れる燃料ガスと酸化ガスとが混合しないように分離する働きを有すると共に、ＭＥＡで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、ＭＥＡで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割を担っている。
【０００６】
従って、燃料電池用セパレータ１に求められる特性としては、組立時におけるボルト締め付けや、自動車などの振動に対して十分な強度があること、発電ロスを少なくするために電気抵抗を小さくすること、燃料ガスと酸化ガスをその両面で完全に分離して電極に供給するための気密性（ガス不透過性）が挙げられる。
【０００７】
このような燃料電池用セパレータ１として、生産性やコストの面から有利な熱硬化性樹脂をバインダーとして用いたカーボン複合材が提案されている（例えば、特許文献１、２、３など参照）。
【０００８】
上記特許文献には、炭素粉末と熱硬化性樹脂とからなる混合物をプレス装置により加熱圧縮成型するか、或いは、冷間圧縮成型することにより、燃料電池用セパレータを製造することが記載されている。また、炭素粉末として黒鉛粉末、膨張黒鉛粉末などを使用することが開示されており、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂が好適に使用されることを記載している。
【０００９】
燃料電池用セパレータに使用する熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂は、化学的に安定し、難燃性であり、また、黒鉛粉末又は膨張黒鉛粉末などの炭素粉末との馴染み性も良く、更には、エポキシ樹脂等に比較すると耐酸性も良好であって、多くの利点を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−２６９０７号公報
【特許文献２】特開２０００−１７３６３０号公報
【特許文献３】特許第３７１５６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献などに示すカーボン複合材は、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を使用しているので、完全硬化した後の板厚０．５〜２ｍｍ程度とされるシート化されたカーボン複合材をプレスにより高精度に賦形することは難しく、通常は、機械加工で溝などを形成することが必要とされる。勿論、硬化時に溝のついた金型でプレスして熱硬化反応させる方法が考えられる。この場合、例えば１５０℃硬化のフェノール樹脂を使用した場合には、硬化工程時間は、金型を１５０℃まで昇温させる時間、１５０℃で所定の時間硬化させる時間、金型から取り出せるまでの冷却時間の合計となる。金型が大きくなると昇温、降温の時間が支配的となり生産性が上がらない。このように、従来のフェノール樹脂を使用したカーボン複合材は、成形性（即ち、生産性）の点で課題がある。
【００１２】
また、板厚０．５〜２ｍｍ程度の薄板状のカーボン複合材は、導電性、耐食性においては優れているものの、硬過ぎて脆く、曲げ歪が０．６７％を超えると割れが生じ、柔軟性、圧縮強度の点で問題がある。
【００１３】
近年、フェノール樹脂の代わりに、熱可塑性樹脂であるポリオレフィン系樹脂を使用し、該ポリオレフィン系樹脂とカーボン材を予め混合ペレット状にした材料が提案され、市販されている。しかし、本発明者らの研究実験の結果によると、この混合ペレットを使用して１ｍｍ程度の厚さのシート状のカーボン複合材を作製する場合、このカーボン複合材シートの生産量が多くなると安定的に１ｍｍ程度の薄いシート材を製造することが困難であることが分かった。プレスによりシート化する場合、ペレットとペレットの境界面を気密性に問題ない程度にまでプレス加工するのが困難であることが分かった。
【００１４】
そこで、本発明者らは、多くの研究実験を行った結果、炭素粉末と、特定の熱可塑性樹脂の粉末との粉末混合物を使用してシート化した、所謂、薄板状のカーボン複合材を高品質にて作製し得ることが分かった。
【００１５】
つまり、斯かる黒鉛製薄板状のカーボン複合材は、柔軟性、圧縮強度、更には導電性が、固体高分子型燃料電池用セパレータに要求される値を十分に満足し得るものであることが分かった。
【００１６】
また、当然なことに、斯かる構成の熱可塑性樹脂を使用した黒鉛製薄板状のカーボン複合材は、薬品耐食性に優れており、更には、シート化後にホットプレス（加熱加圧成形）により溝などの賦形が可能であり、成形性に優れており、従来のフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を使用した炭素複合材の課題とされた成形性、柔軟性、更には薬品耐食性を更に改良するものである。
【００１７】
ただ、上述したように、炭素粉末と熱可塑性樹脂粉末との粉末混合物を使用して作製した黒鉛製薄板状のカーボン複合材を固体高分子型燃料電池用セパレータとして使用する場合には、気密性（ガス不透過性）の点で更なる向上が求められる。そのために、本発明者らは、熱可塑性樹脂を使用したカーボン複合材に金属箔を一体に接着することを試み、多くの実験研究を行った。
【００１８】
その結果、特定の接着剤を使用することにより、固体高分子型燃料電池用セパレータとしての満足な性能を有したカーボン複合材を得ることができた。
【００１９】
本発明は、本発明者らのこのような新規な知見に基づきなされたものである。
【００２０】
つまり、本発明の目的は、柔軟性があり、且つ、圧縮強度にも優れ、特に、成形性及び耐食性、更には、導電性、気密性に優れたＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記目的は本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材及びその製造方法にて達成される。要約すれば、第１の本発明によると、厚さが１０〜１５０μｍとされる金属箔の少なくとも片面に、炭素粉末と熱可塑性樹脂からなるカーボン層を形成してなるカーボン複合材であって、
前記金属箔と前記カーボン層の間に前記金属箔と前記カーボン層を接着剤にて接着した接着剤層があり、前記接着剤は、官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂を含む接着剤であり、前記変性ポリオレフィン樹脂はカルボキシル基若しくはその誘導体、又は、ハロゲン基を含んでおり、
前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレン樹脂又はポリエチレン樹脂であり、
前記カーボン層は、前記炭素粉末と、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである前記熱可塑性樹脂の粉末とを、体積比で炭素粉末：熱可塑性樹脂粉末＝６：４〜９：１にて配合した粉末混合物をホットプレスして厚さが０．０５〜２．０ｍｍとされ、
圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下であることを特徴とするＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材が提供される。
【００２２】
第２の本発明は、金属箔の少なくとも片面に炭素粉末と熱可塑性樹脂からなるカーボン層を形成してなるカーボン複合材であって圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下であるＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法であって、
（ａ）前記炭素粉末と前記熱可塑性樹脂の粉末とを混合した粉末混合物をホットプレスして前記カーボン層を形成する工程、
（ｂ）前記金属箔の少なくとも片面に接着剤を塗布し、前記接着剤が塗布された前記金属箔の面に前記カーボン層を積層し、ホットプレスして前記金属箔と前記カーボン層の積層体を形成する工程、
（ｃ）前記積層体をホットプレスして前記積層体の前記カーボン層に溝を成形する工程、
を有することを特徴とするＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法が提供される。好ましくは、前記工程（ｂ）と前記工程（ｃ）は、一つのホットプレス工程にて同時に行う。また、好ましくは、前記接着剤は、官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂を含む接着剤であり、前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレン樹脂又はポリエチレン樹脂である。また、好ましくは、前記金属箔の厚さは１０〜１５０μｍであり、前記カーボン層は、前記炭素粉末と、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである前記熱可塑性樹脂の粉末とを、体積比で炭素粉末：熱可塑性樹脂粉末＝６：４〜９：１にて配合した粉末混合物をホットプレスして厚さが０．０５〜２．０ｍｍとされる。
【００２３】
上記第１及び第２の各本発明にて、前記炭素粉末は平均粒径が４〜２００μｍであり、前記熱可塑性樹脂粉末は平均粒径が４〜２００μｍである。
【００２４】
上記各本発明にて、他の実施態様によると、前記接着剤にて形成される接着剤層の厚さは０．１〜１０μｍである。
【００２５】
上記各本発明にて、他の実施態様によると、前記炭素粉末が前記接着剤層を貫通して前記金属箔と接触している。
【００２６】
上記各本発明にて、他の実施態様によると、前記炭素粉末は、
（１）天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末若しくは膨張黒鉛粉末であるか、又は、
（２）天然黒鉛粉末若しくは人造黒鉛粉末と、膨張黒鉛粉末とを含む。
【００２７】
上記各本発明にて、他の実施態様によると、前記金属箔は、ステンレススチール、チタン、チタン合金、又は、アルミニウム合金である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によるＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材は、柔軟性があり、且つ、圧縮強度にも優れ、特に、成形性及び耐食性、更には、導電性、気密性に優れている。また、本発明によるＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法によれば、生産性良くＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の構成を説明する概略図であり、図１（ｃ）は、接着剤層部の概略拡大図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材のカーボン層を作製するための原料粉末混合物を説明する概略図であり、図２（ｂ）は、本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材のカーボン層の一実施例の構成を説明する概略図であり、図２（ｃ）は、本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材のカーボン層の他の実施例の構成を説明する概略図である。
【図３】ホットプレス工程に用いられるプレス装置の構成を示す概略図である。
【図４】本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法の実施例を説明する概略図である。
【図５】接触抵抗を測定する方法を説明するための図である。
【図６】接着強度を測定する方法を説明するための図である。
【図７】燃料電池を構成する単位セルの構成を示す分解図である。
【図８】図８（ａ）は、燃料電池用セパレータの一実施例を示す平面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）の線Ｘ−Ｙに取った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明に係るＰＥＦＣセパレータに使用されるカーボン複合材、即ち、ＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材（以下、単に「カーボン複合材」ということもある。）、及び、その製造方法を図面に則して更に詳しく説明する。
【００３２】
実施例１
先ず、図１（ａ）、（ｂ）を参照して、本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１の一実施例の全体構成について説明する。本発明に係るカーボン複合材１は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）用セパレータとして有効に使用し得るものである。
【００３３】
本発明のカーボン複合材１は、図１（ａ）に示すように、炭素粉末２と熱可塑性樹脂３を有したカーボン層１０が、金属箔２０の片面に接着剤層３０を介して一体に形成されるか、又は、図１（ｂ）に示すように、炭素粉末２と熱可塑性樹脂３を有したカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）が、金属箔２０の両面に、それぞれ、接着剤層３０（３０ａ、３０ｂ）を介して一体に形成された、カーボン層１０と金属箔２０からなる薄板状の複合材とされる。即ち、本発明にてカーボン複合材１は、金属箔２０とカーボン層１０の間に金属箔２０とカーボン層１０を接着剤にて接着した接着剤層３０が形成される。斯かる構成とされる本発明のカーボン複合材１は、詳しくは後述の実験例等を参照して説明するが、カーボン層１０と金属箔２０とが接着剤層３０を形成する接着剤にて良好な接着強度を持って一体に接着されており、気密性（ガス不透過性）に優れている。また、図１（ｃ）に示すように、本発明のカーボン複合材１は、カーボン層１０における金属箔２０との接着面近傍の炭素粉末２が、接着剤層３０を貫通して金属箔２０と接触しており、導電性においても優れている。なお、カーボン複合材１のカーボン層１０の外表面には図８（ａ）、（ｂ）に示すように、水路形成のための溝１１が成形加工される。
【００３４】
また、上記構成とされる本発明のカーボン複合材は、圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下とされ、ＰＥＦＣセパレータとして使用して極めて有用である。
【００３５】
カーボン層１０について更に説明すると、カーボン層１０は、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａと含む粉末混合物４（図２（ａ）参照）を加熱圧縮成型、即ち、ホットプレス成形加工して、図２（ｂ）（図１（ａ））に示すように、厚さ（ｔ）が０．０５〜２．０ｍｍとされるシート状の、所謂、薄板状の黒鉛製のカーボン板複合材とされる。
【００３６】
なお、図１（ｂ）に示すように金属箔２０の両側面にカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）が配置された構成の場合には、上カーボン層１０ａと下カーボン層１０ｂの厚みｔａ、ｔｂは各々０．０５〜２．０ｍｍの範囲とされるが、上カーボン層１０ａと下カーボン層１０ｂのそれぞれの板厚ｔａ、ｔｂは、同じ厚さであっても良く、また、異なる厚さとすることもできる。
【００３７】
粉末混合物４をホットプレスして得られるカーボン層１０にて、粉末混合物４中の熱可塑性樹脂粉末３ａは溶融して炭素粉末２のバインダー樹脂（熱可塑性樹脂）３として機能する。本発明にて、熱可塑性樹脂３は、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎとされ、ホットプレスされる粉末混合物４は、詳しくは後述するが、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａとを、体積比で炭素粉末２：熱可塑性樹脂粉末３ａ＝６：４〜９：１にて配合される。
【００３８】
なお、上記原料の粉末混合物４は、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａからなるものであるが、粉末混合物４は、これら材料のみからなることに限定するものではなく、粉末混合物４には、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａ以外に、必要に応じて繊維基材、充填材、離型剤、耐加水分解剤等を添加しても良い。
【００３９】
なお、上述したように、カーボン層１０の表面には、図８（ａ）、（ｂ）に示すように水路形成のための溝１１が成形加工されるが、本発明のカーボン層１０は、成型後のシート化後においても、ホットプレスにより溝などの賦形が可能であり、成形性に優れている。
【００４０】
本発明のカーボン層１０の各構成要素について更に詳しく説明する。
【００４１】
（炭素粉末）
炭素粉末２は、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末若しくは膨張黒鉛粉末等の黒鉛粉末とされる。膨張黒鉛粉末は、酸処理した鱗片状天然黒鉛粉末に熱を加え、黒鉛結晶の層間を数百倍に膨張させたものである。
【００４２】
本発明にて炭素粉末２は、粒子径が平均粒径にて４〜２００μｍとされる細粒径の粉末とされる。
【００４３】
本発明では、以下に説明する細粒径の熱可塑性樹脂粉末３ａと共に、上記細粒径の炭素粉末を使用することによって、安定した強度、電気特性が得られる。
【００４４】
（熱可塑性樹脂粉末）
本発明によれば、カーボン層１０を形成するために熱可塑性樹脂の粉末が使用される。粉末混合物４に使用される熱可塑性樹脂粉末３ａとしては炭素粉末２と同程度の細粒径の熱可塑性樹脂粉末３ａを使用するのが好ましく、粒子径が平均粒径にて４〜２００μｍとされる。
【００４５】
この熱可塑性樹脂粉末３ａは、黒鉛粉末２と混合され、均一の粉末混合物４を得ることができる。
【００４６】
このように、本発明では、上記細粒径の熱可塑性樹脂粉末３ａを使用することによって、ホットプレス成形によりカーボン層１０をシート化する場合に、樹脂組織とカーボン組織が均一にネットワークを構成することができ、均一なカーボン層１０を得ることができる。
【００４７】
つまり、樹脂粉末３及び炭素粉末２に粒子径が２００μｍを超える大きいものが含まれると、安定した強度（圧縮強度、曲げ強度）が得られず、脆くなる。場合によっては、気泡の原因となり、燃料電池用セパレータに要求される気密性が得られない場合が生じる。また、樹脂粉末３及び炭素粉末２に粒子径が４μｍ未満のものが含まれると、過度に充填された結果、柔軟性が無くなる、といった問題が生じる。
【００４８】
尚、本明細書、特許請求の範囲の記載などにおいて、粒子径は、精密粒度分布測定装置（ベックマン・コールター株式会社製  商品名：Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ  ４）を用い、電気的検知帯法で測定した。Ｄ５０（累積５０質量％粒径）の値を「平均粒径」とした。
【００４９】
更に、本発明では、上述したように、熱可塑性樹脂粉末３ａとしては、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである熱可塑性樹脂が使用される。この範囲外では、即ち、樹脂流動性（ＭＦＲ）が１０ｇ／１０ｍｉｎ未満だと、カーボン層１０の成形時の樹脂の流れが悪く、カーボン粉末２と一体化するのが困難となり、その結果、圧縮強度、曲げ強度が出ない。一方、８０ｇ／１０ｍｉｎを超えると、樹脂が流れ過ぎて、カーボン粉末２との一体化が阻害され、導電性が悪くなる。
【００５０】
本発明では、流動性（ＭＦＲ）が１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎである熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、又は、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）を使用する。これら熱可塑性樹脂は、耐食性（耐薬品性）に優れ、また、これら樹脂を使用した黒鉛製薄板状のカーボン層１０は、シート化後に熱プレスにより溝などの賦形が可能であり、成形性に優れている。
【００５１】
（炭素粉末と熱可塑性樹脂粉末の配合比）
炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａとは、体積比で炭素粉末２：熱可塑性樹脂粉末３ａ＝６：４〜９：１にて配合されて均一に混合される。この範囲外では、即ち、熱可塑性樹脂粉末３ａが４０％（体積）を超えると、得られたカーボン層１０が硬くなり過ぎ、柔軟性が損なわれる。また、接触抵抗が増大する。即ち、接触抵抗は、２０ｍΩ・ｃｍ２以下とされるが、この値を大きく上回ることとなる。従って、燃料電池用セパレータとして使用する場合に問題が生じる。また、炭素粉末２が９０％（体積）を超えると、得られたカーボン層１０が柔らかくなり過ぎ、カーボン層１０の圧縮強度が３ＭＰａ未満となり、永久変形を生じやすくなる。また、金属箔２０とカーボン層１０との接着強度も著しく低下する。所要接着強度は１ＭＰａ以上とされるが、この値を大きく下回ることとなる。従って、燃料電池用セパレータとして使用する場合に、その耐久性に問題が生じる。
【００５２】
なお、本発明では、粉末混合物４の総容量、並びに、炭素粉末２及び熱可塑性樹脂粉末３ａの所望の配合比（体積比）が決まると、配合比に応じて各粉末の使用容量を求め、密度を基に使用重量を計算にて求める。このようにして求めた使用重量の各粉末を得、例えば２枚ブレードのプラネタリーミキサにて混合して所望の組成の粉末混合物４を調製する。
【００５３】
上記実施例の図２（ｂ）に示す本発明のカーボン層１０は、炭素粉末２は、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末若しくは膨張黒鉛粉末等の黒鉛粉末とされるものとして説明したが、本発明はこれに限定されることはない。
【００５４】
つまり、本発明のカーボン層１０は、図２（ｃ）に示すように、炭素粉末２は、第１の黒鉛粉末２ａと、第２の黒鉛粉末２ｂとを含むことができ、第１黒鉛粉末２ａとしては、天然黒鉛粉末若しくは人造黒鉛粉末とされ、第２の黒鉛粉末２ｂとしては、膨張黒鉛粉末とされる。
【００５５】
なお、本実施例においても、カーボン層１０にて炭素粉末２（２ａ、２ｂ）と熱可塑性樹脂粉末３ａとは、体積比で炭素粉末２（２ａ、２ｂ）：熱可塑性樹脂粉末３ａ＝６：４〜９：１にて配合され、この粉末混合物４をホットプレスにより加熱加圧成形して厚さが０．０５〜２．０ｍｍとされる。
【００５６】
なお、上記原料の粉末混合物４の組成は、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａのみに限定されるものではなく、粉末混合物４には、上述したように、炭素粉末２と熱可塑性樹脂粉末３ａ以外に、必要に応じて繊維基材、充填材、離型剤、耐加水分解剤等を添加しても良い。
【００５７】
尚、各粉末の配合比による各粉末の混合調製法は、上述の通りである。
【００５８】
（カーボン層の製造方法）
次に、本発明のカーボン層１０の製造方法について説明する。本発明のカーボン層１０は、種々の成型法にて製造することができるが、以下に、代表的なプレス成型法につき説明する。
【００５９】
製造例１
本発明のカーボン層１０は、原料粉末混合物４を加熱加圧（ホットプレス）することにより製造することができる。図３に、本発明のカーボン層１０を製造するためのプレス装置１００の一例を示す。
【００６０】
本製造例１にて、プレス装置１００は一軸加熱圧縮成型装置とされ、一組の雄型１０１と雌型１０２とから成る金型１０３を有しており、雄型１０１は機枠１０４に固定されている。雌型１０２は、雄型１０１の下方に対向配置され、油圧シリンダ１０５で昇降動可能とされる。なお、本製造例１のプレス装置１００は、金型１０３にはヒータ（図示せず）が内嵌されている。
【００６１】
上記のような配合割合にて調製された原料混合物４を、金型１０３に入れて成形後０．０５〜２．０ｍｍ厚となるようにプレス装置１００にてホットプレスし、その後冷却することで樹脂硬化させて薄板状のカーボン層１０を得ることができる。
【００６２】
（ＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材の製造方法）
次に、図１（ａ）、（ｂ）に示される本発明のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１の製造方法について説明する。
【００６３】
製造例２
本発明のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１は、上述の製造例１に説明するように加熱圧縮成型にて作製されたシート状のカーボン層１０を使用して製造することができる。
【００６４】
つまり、本製造例２によると、上述のようにして製造されたカーボン層１０は、図４に示すように、接着剤層３０を形成する接着剤３０Ｍを介して金属箔２０が積層され、このカーボン層１０と金属箔２０との積層体は、温度Ｔ、圧力Ｐにて加熱加圧（ホットプレス）される。これにより、カーボン層１０と金属箔２０はその間に接着剤層３０が形成され、接着剤３０Ｍにて一体に接着され、図１（ａ）に示すカーボン複合材１が作製される。斯かるホットプレスは、上記製造例１で説明したと同様のプレス装置１００を使用して行なうことができる。
【００６５】
金属箔２０は、ステンレススチール、チタン、チタン合金、又は、アルミニウム合金にて作製されるのが好ましく、素材によっては前処理として、金属素材表面の酸化皮膜を除去するために酸溶液による表面処理が必要である。酸化皮膜除去に使用する溶液は、硫酸、塩酸、硝酸、フッ化水素酸、リン酸などの無機酸のうち一種以上を含む酸溶液、或いはこの酸溶液にさらに過酸化水素、塩化第二鉄、硫酸第二鉄を含んだものである。また、金属箔２０の厚さ（ｔ２０）は１０〜１５０μｍとされる。金属箔２０の板厚が１０μｍ未満では、機械的強度の増大が望めず、また、１５０μｍを超えると、柔軟性の点で問題が生じる。
【００６６】
接着剤３０Ｍは、図４に示す製造例２では、金属箔２０の片側面に塗布した態様を示すが、勿論、金属箔２０に塗布する代わりにカーボン層１０の側面に塗布することもでき、又、カーボン層１０及び金属箔２０の両部材に塗布することもできる。
【００６７】
（接着剤）
次に本発明にて使用される接着剤３０Ｍについて説明する。
【００６８】
本発明にては接着剤３０Ｍとして、例えばカルボキシル基、ハロゲン基などの官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂を含有する接着剤とされ、例えば、変性ポリオレフィン樹脂としては、ポリオレフィン樹脂が無水マレイン酸によってグラフト変性された樹脂が好適である。このような接着剤組成物としては、具体的には、三井化学株式会社製の接着性ポリオレフィン樹脂（商品名：アドマー）を挙げることができる。変性ポリオレフィン樹脂を含有した接着剤３０Ｍは、カーボン層１０及び金属箔２０の双方に対する接着性が良好であり、カーボン層１０と金属箔２０との接着強度を向上させることができる。接着強度としては、上述したように、１ＭＰａ以上とされる。
【００６９】
接着剤３０Ｍについて更に説明すると、接着剤組成物の主成分としての変性ポリオレフィン樹脂は、含有される不飽和カルボン酸もしくはその誘導体の、一部または全部がポリオレフィン樹脂にグラフトして含有される。
【００７０】
この変性ポリオレフィンの原料樹脂であるポリオレフィン樹脂としてはポリエチレン、ポリプロピレン、などが使用される。
【００７１】
変性ポリオレフィン樹脂において、不飽和カルボン酸もしくはその誘導体の、変性ポリオレフィン樹脂全体に占めるグラフト量（グラフト率）は通常、０．０５〜１５重量％、好ましくは０．１〜１０重量％、さらに好ましくは０．１〜３重量％とされる。
【００７２】
変性前のポリオレフィン樹脂にグラフトする不飽和カルボン酸もしくはその誘導体の具体的なものとしては、アクリル酸、メタクリル酸、マレイン酸、イタコン酸、シトラコン酸、メサコン酸、無水マレイン酸、無水ハイミック酸、４−メチルシクロヘキセ−４−エン−１，２−ジカルボン酸無水物、α−エチルアクリル酸、フマール酸、テトラヒドロフタル酸、メチルテトラヒドロフタル酸、エンドシス−ビシクロ〔２，２，１〕ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸（ナジック酸〔商標〕）、ビシクロ［２．２．２］オクト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、１，２，３，４，５，８，９，１０−オクタヒドロナフタレン−２，３−ジカルボン酸無水物、２−オクタ−１，３−ジケトスピロ［４．４］ノン−７−エン、ビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、マレオピマル酸、テトラヒドロフタル酸無水物、ｘ−メチル−ビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、ｘ−メチル−ノルボルネン−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物、ノルボルン−５−エン−２，３−ジカルボン酸無水物などとされる。また上記不飽和カルボン酸の酸ハライド、アミド、イミド、エステル等の誘導体などがあげられる。これらの中では不飽和ジカルボン酸またはその酸無水物が好ましく、特に無水マレイン酸または無水ハイミック酸が好ましい。不飽和カルボン酸もしくはその誘導体を１種単独で使用することもできるし、２種以上を組み合せて使用することもできる。ハロゲン基としては、塩素或いは臭素を好適に使用することができる。
【００７３】
また、上記接着剤３０Ｍにて形成される接着剤層３０の層厚（ｔ３０）は、０．１〜１０μｍとされる。
【００７４】
また、接着剤層３０の層厚が、０．１μｍ未満だと接着強度が低下するといった問題があり、一方、１０μｍを超えると、カーボン複合体１の導電性が低下するといった問題が生じてくる。
【００７５】
尚、上述したように、本発明によれば、ホットプレスにより、金属箔２０とカーボン層１０が互いに押圧するように加熱加圧される。従って、例えば図１（ｃ）に示すように、カーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）における金属箔２０との接着面近傍の炭素粉末２が、接着剤層３０（３０ａ、３０ｂ）を貫通して金属箔２０と接触することとなる。このため、本発明のカーボン複合材１は、導電性においても著しく向上したものとなる。
【００７６】
上記製造法によれば、金属箔２０の片側面にカーボン層１０を配置した図１（ａ）に示す構成のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１が作製されるが、金属箔２０の両側面にカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）を配置して一体に接合することにより、図１（ｂ）に示す構成の、即ち、金属箔２０をカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）で挟持した構成の燃料電池用セパレータ１が作製される。
【００７７】
この場合においても、上述したプレス装置１００を使用して作製することができる。つまり、製造例１にて説明したと同様にして作製されたカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）を、上記したと同じ接着剤３０Ｍを介して金属箔２０の両面に積層して積層体を形成し、該積層体を加熱加圧（ホットプレス）して、一体とされる。接着剤３０Ｍは、金属箔２０の両側面に塗布してもよく、また、金属箔２０に塗布する代わりにカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）の側面に塗布することもでき、又、カーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）及び金属箔２０の両部材に塗布することもできる。
【００７８】
上記のように、カーボン層１０と金属箔２０とをプレス装置１００にて加熱圧縮成型し、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示す構成の本発明に係るＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１を作製することができるが、この時、雄型１０１及び／又は雌型１０２の加圧面に所定の形状、例えば、セパレータの溝形状１１（図８（ａ）、（ｂ）参照）に対応した形状を施しておくことにより、カーボン複合材、即ち、成型板（カーボン層）１０にガス供給排出用溝１１を反転して形成することができる。つまり、カーボン層１０と金属箔２０との積層体の成形と、積層体のカーボン層に対する溝成形とを同時に行うことができる。
【００７９】
従来の熱硬化性樹脂を使用したカーボン複合材の製造に比べると、短時間で成形が可能である。これにより、セパレータの生産性が大幅に向上する。
【００８０】
上記構成とされる本発明によるＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１は、圧縮強度が３ＭＰａ以上であり、曲げ歪が０．６７％で割れが無く、接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２以下とされる。また、斯かる構成の本発明のカーボン複合材１は、成形性及び耐食性に優れており、更には、カーボン層１０と金属箔２０とが良好な接着性を持って一体に接着されているので、上述のように導電性に優れていると共に、気密性にも優れており、ＰＥＦＣセパレータとして使用して極めて有用である。
【００８１】
実験例及び比較例
本発明のＰＥＦＣセパレータ用カーボン複合材１の性能を実証するために、種々の試験を行った。次に、本発明の実験例及び比較例について説明する。本試験にて使用した材料は次の通りである。
【００８２】
（金属素材）
金属素材は以下の通りである。
【００８３】
Ｍ１：純チタン１種
Ｍ２：ＳＵＳ３１６Ｌ
Ｍ３：ＳＵＳ３１０Ｓ
Ｍ４：ＳＵＳ４４４
Ｍ５：チタン合金  ２．５〜３．５質量％Ａｌ−２〜３質量％Ｖ−Ｔｉ
Ｍ６：アルミニウム合金  品種  Ａｌ０５０
なお、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４のステンレスはふっ化水素酸が５ｇ／Ｌ、硝酸が１５ｇ／Ｌの水溶液に３５℃で１分間浸漬したものを使用した。
【００８４】
（カーボン粉末）
カーボン粉末の粒径は、３μｍ（富士黒鉛工業株式会社製  商品名：ＢＦ−３Ａ）、４μｍ（伊藤黒鉛株式会社製  商品名：Ｚ−５Ｆ）、２０μｍ（伊藤黒鉛株式会社製  商品名：Ｘ−２０）、３０μｍ（伊藤黒鉛株式会社製  商品名：Ｚ−２５）、４０μｍ（伊藤黒鉛株式会社製  商品名：ＣＮＰ−３５）、２００μｍ（富士黒鉛工業株式会社製  商品名：ＢＳＰ−８０）、２５０μｍ（伊藤黒鉛株式会社製  商品名：ＸＤ１００）のものを使用した。
【００８５】
（熱可塑性樹脂）
ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）は、粒径が４μｍ（株式会社セイシン企業製  商品名：ＰＰＷ−５、ＭＦＲ：２０ｇ／１０ｍｉｎ）、２０μｍ（住友精化株式会社製  商品名：フローブレンＨＰ−８５２２、ＭＦＲ：４０ｇ／１０ｍｉｎ）、４０μｍ（株式会社セイシン企業製  商品名：ＰＰＷ−４０、ＭＦＲ：６０ｇ／１０ｍｉｎ）、２００μｍ（住友精化株式会社製  商品名：フローブレンＦ１６１７２Ｎ、ＭＦＲ：８０ｇ／１０ｍｉｎ）、２５０μｍ（住友精化株式会社製  商品名：Ｂ２００−３０−５０Ｍ、ＭＦＲ：０．５ｇ／１０ｍｉｎ）のものを使用した。また、ポリエチレン樹脂（ＰＥ）は、粒径が２０μｍ（住友精化株式会社製  商品名：フローセンＰＥ−ＵＦ−２０Ｓ、ＭＦＲ:２０ｇ／１０ｍｉｎ）を使用した。
【００８６】
（接着剤）
接着剤は以下の通りである。
Ａ１: 不飽和カルボン酸によりグラフト変性された変性ポリオレフィン樹脂を含有した接着剤（三井化学株式会社製  商品名：ユニストール）
Ａ２：ハロゲンによりグラフト変性された変性ポリオレフィン樹脂を含有した接着剤（東洋紡株式会社製  商品名：トーヨータック）
Ａ３：５ｗｔ％フェノール樹脂接着剤（溶媒：イソプロピルアルコール、フェノール樹脂：リグナイト株式会社製  商品名：ＬＰＳ−５０Ａ）
【００８７】
炭素粉末３及び熱可塑性樹脂粉末３ａとの混合割合（体積比）を下記表に示すように、種々に変えて十分に混合して原料粉末混合物４とし、製造例１で説明したと同様にして、カーボン層１０を作製した。つまり、炭素粉末３及び熱可塑性樹脂粉末３ａが所定の配合比（体積比）にて混合された粉末混合物１．６ｇをプレス装置１００の金型に投入し、プレスして、厚さ０．３ｍｍ、縦・横５０ｍｍ×５０ｍｍのカーボン層成形サンプルＳ１０を作製した。つまり、本実験では、粉末混合物をプレス装置１００にて加熱温度２００℃、圧力１０ＭＰａで成形し、その後、１０ＭＰａの加圧状態で常温まで冷却してカーボン層成形サンプルＳ１０を得た。
【００８８】
カーボン層１０としての上記成形サンプルＳ１０を金属箔２０の両面に一体に接合してカーボン複合材成形サンプルＳを作製した。
【００８９】
本実験では、上述のようにして製造されたカーボン層成形サンプルＳ１０は、接着剤３０Ｍを介して金属箔２０の両面に積層した。なお、該接着剤３０Ｍは、乾燥後の接着剤層３０の厚さが設定値となるようにミニコータ（宝泉株式会社製  商品名：ＭＣ２０ｍｏｄｅｌ）で塗布した。その後、このカーボン層成形サンプルＳ１０と金属箔２０との積層体は、プレス装置１００により、加熱温度（Ｔ）２００℃、成型圧力（Ｐ）１０ＭＰａ、成型時間１０分にて加熱加圧され、厚さ略０．６ｍｍ、縦・横５０ｍｍ×５０ｍｍのカーボン複合材成形サンプルＳを作製した。
【００９０】
各実験例及び各比較例について、圧縮強度、曲げ強度（曲げ歪み）、電気抵抗（接触抵抗）、気密性（ガス不透過性）、接着強度、などを測定して比較したが、圧縮強度、曲げ歪み、接触抵抗、気密性、接着強度の測定方法は、以下の通りである。
・圧縮強度
厚さ１０ｍｍ以上の鉄板の上に、５０ｍｍ角の成形サンプルＳを試験材として置き、この試験材を直径１０ｍｍの鉄芯を用いて大きさの異なる応力（３ＭＰａ、５ＭＰａ）で押圧し、目視で圧痕の有無を確認した。
○：圧痕が残らない場合
×：圧痕が残る場合
・曲げ強度
５０ｍｍ角のカーボン複合材成形サンプルＳを試験材として、直径３０ｍｍの鉄棒に巻き付け、０．６７％の曲げ歪み（０．６７％歪）での表面の割れを観察した。
○：０．６７％で割れ無しの場合
×：０．６７％で割れの場合
・接触抵抗
図５に接触抵抗の測定方法を示す。成形サンプルＳを、長さ１７〜２０ｍｍ、幅３〜５ｍｍに加工して試験材とした。試験材Ｓとカーボンペーパ（東レ株式会社：商品名「ＴＧＰ−Ｈ−１２０」）３０１とを重ね、これを２つの金メッキ銅製金具３０２で所定の圧力（１ＭＰａ）で挟み込み、２つの金メッキ銅製金具３０２の間に、試験材Ｓ／カーボンペーパ３０１の接触面積値（単位ｃｍ２）と同じ値の直流電流（単位Ａ）を流して、金メッキ製金具３０２／カーボンペーパ３０１／試験材Ｓの接続部に生じる電圧降下（単位：ｍΩ・ｃｍ２）を測定し、これを接触抵抗とした。
・気密性（ガス不透過性）
ガス不透過性は、水素透過率（ｍｏｌ／ｍ２ｓＰａ）にて判断した。水素透過率は、ＪＩＳ  Ｋ７１２６のＡ法（差圧法）にて準じて行い、試料調湿：２３℃、５０％ＲＨ＊４８Ｈｒ以上、測定温度：２３℃、使用ガス種：水素ガス、の条件下で行った。
・接着強度
図６にカーボン複合材接着剤層３０の接着強度の測定方法を示す。カーボン複合材成形サンプルＳを幅１２ｍｍ、長さ１２ｍｍに加工して試験材とした。厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ５０ｍｍの短冊状のステンレス（ＳＵＳ３０４）製支持板４０１、４０１を互いに対向配置して設け、各支持板４０１の対向した先端部に接着剤４０２にて試験材Ｓを接着した。接着面積は、１０ｍｍ×１０ｍｍとした。接着剤４０２としては、スリーエムジャパン株式会社製のエポキシ樹脂（商品名：ＥＷ２０２０（１液タイプ））を使用した。
【００９１】
更に、各支持板４０１の試験材Ｓが接着された面側に、厚さ０．５ｍｍ、幅１０ｍｍ、長さ３５ｍｍの短冊状のステンレス（ＳＵＳ３０４）製当板４０３を、本試験では２枚ずつ接着剤にて接着して、試験装置のためのチャック用の把持部を形成した。
【００９２】
上記試験材Ｓの把持部を、本試験にて引張試験機として使用したインストロン５５Ｒ１１８５型万能試験機（最大荷重５ｋＮ）のチャックに固定した。チャック間距離は５０ｍｍとした。引張速度１ｍｍ／ｍｉｎの等速度で引っ張り、試験材Ｓにおける接着剤層３０の最大剪断荷重（ＭＰａ）を求めた。
【００９３】
表１〜表７に、本発明の実験例及び比較例にて使用した原料粉の配合割合等、並びに、実験例及び比較例の測定結果、総合評価等を示す。
【００９４】
尚、従来、燃料電池用セパレータに要求される物性値は、次の通りである。
・圧縮強度：３ＭＰａ以上
・曲げ強度：０．６７％歪で割れが無い
【００９５】
表１〜表７に本発明の実験例及び比較例を示す。これらのカーボン複合材１は（比較例９、比較例１７、比較例１８を除く）、図１（ｂ）に示す、即ち、金属箔２０の両面に、接着剤層３０（３０ａ、３０ｂ）を介してカーボン層１０（１０ａ、１０ｂ）が形成された構造である。
【００９６】
表１に、カーボンと樹脂の配合比（体積）が６：４〜９：１の範囲内の場合の実験例と、範囲外の場合の比較例を示す。比較例１のカーボンの配合比が９以上の条件ではバインダーの役割をする樹脂が少な過ぎるために、カーボン同士間や金属とカーボン間の密着性が劣り、そのために、接着強度や曲げ強度、圧縮強度が基準以下になっている。一方、比較例２〜５のように樹脂の比率が５以上になると、カーボン間の接触が少なくなり、その結果、複合材の接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２を超過する結果が得られている。実験例２〜６ではカーボンと樹脂の配合比が７：３〜８：２の場合であり、この範囲ではカーボン同士の接触が維持されているために比較的接触抵抗が低い結果が得られている。また、実験例１は、カーボン比が多いので接触抵抗は低いが、樹脂が少ないためカーボン間のカーボンと金属間の接着が弱く、接着強度は基準を満たしているが小さい結果となっている。実験例７〜９では比較的樹脂が多いため、実験例２〜６と比べると接触抵抗が大きい傾向があるが、１０ｍΩ・ｃｍ２以下である。また、使用する樹脂がポリプロピレン樹脂（ＰＰ）の水準とポリエチレン樹脂（ＰＥ）の水準では、接触抵抗、機械特性とも傾向は同じであった。
【００９７】
表２は金属箔の種類を変えたものである。表１をも参照すると、チタン（Ｍ１）、チタン合金（Ｍ５）、アルミニウム合金（Ｍ６）を使った場合のカーボン複合材の接触抵抗はどれも１０ｍΩ・ｃｍ２以下であった。ステンレススチール（Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４）を使ったカーボン複合材の場合も、予めステンレススチールを酸溶液の処理により表面酸化皮膜を除去しているため、接触抵抗は１０ｍΩ・ｃｍ２以下であった。
【００９８】
表３はカーボン粉末の粒径を変えた場合の結果である。比較例６と比較例７は、それぞれ、カーボン粉末の粒径が４〜２００μｍより小さい場合と大きい場合である。粒径が小さ過ぎると、過度に充填されるため柔軟性が無くなり曲げ強度が基準を満たさない。一方、粒径が大き過ぎる場合は、充填率が低くなり安定した強度が得られないため、圧縮強度や曲げ強度において、それぞれ基準を満たさない結果となった。実験例１〜９と実験例１５〜２０から、粒径４〜２００μｍでは安定的に機械特性の基準を満たす結果が得られるが、特に２０〜４０μｍでは接着強度が３ＭＰａ以上を満たす結果となった。
【００９９】
表４は樹脂の流動性（ＭＦＲ）を変えた場合の結果である。比較例８のように樹脂粒径が２５０μｍと大きく、ＭＦＲが０．５ｇ／１０ｍｉｎと小さいポリプロピレン樹脂（ＰＰ）を使った複合材は、樹脂の流動が小さいために、結果的にカーボン間の接着が弱くなり安定した強度が得られず、圧縮強度や曲げ強度において基準を満たさない結果であった。実験例１〜９、実験例２１〜２５より、樹脂粒径が４〜２００μｍ、ＭＦＲが１０〜８０ｇ／１０ｍｉｎで接触抵抗、機械特性とも基準を満たしていた。特に樹脂粒径が２０〜４０μｍ、ＭＦＲが２０〜６０ｇ／１０ｍｉｎでは接着強度が３ＭＰａ以上であった。
【０１００】
表５は金属箔の厚みを変えた時の結果である。比較例９は、金属箔を有さないカーボン複合材であり、図２（ｂ）に示す構造である。金属箔がなくカーボン層のみの場合、曲げ強度が基準を満たさないだけでなく、ガスが透過し易くなり、結果的に水素透過性が基準を満たさない。一方、０．０１ｍｍ（１０μｍ）〜０．１５ｍｍ（１５０μｍ）の金属箔を使用した実験例１〜９と実験例２６〜３０では、曲げ強度、水素透過性とも基準を満たす結果が得られた。
【０１０１】
表６は接着剤層厚さを変えた場合の結果である。比較例１０のように接着剤層が薄すぎると、カーボンと金属箔の接着が弱く接着強度が低下し、基準を下回る結果となった。比較例１１、１２のように接着剤層厚みが大きい場合は、カーボンと金属の接触による導通が起きにくくなり、その結果接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２を大きく上回っている。接着剤層厚みが０．１μｍ〜１０μｍであれば安定的にカーボンと金属箔間の導通が確保でき、その結果接触抵抗も１０ｍΩ・ｃｍ２以下であった。なお、これらの特性の傾向はポリプロピレン樹脂（ＰＰ）やポリエチレン樹脂（ＰＥ）の樹脂に関係なく同じであった。
【０１０２】
表７は接着剤の種類を変えた水準である。比較例１４〜１６は、接着剤としてフェノール樹脂を使用した場合で、接着性が弱いために接着強度、曲げ強度、接触抵抗とも基準を下回る結果であった。比較例１７〜１８では接着剤を使用していないので、接着強度、曲げ強度が基準を満たさないだけでなく、カーボンと金属箔の接触が維持されないために接触抵抗が２０ｍΩ・ｃｍ２を大きく超過している。一方、実験例３６〜４５は、ハロゲン基の官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂接着剤を使った場合で、実験例１〜９のカルボキシル基の官能基をポリオレフィン樹脂に導入した変性ポリオレフィン樹脂接着剤と同様、接着剤層厚さが０．１〜１０μｍであれば機械物性、接触抵抗とも基準内に収まる結果となっている。なお、比較例１３ではハロゲン基の官能基を持つ変性ポリオレフィン樹脂接着剤でも、接着剤層厚みが１０μｍより大きいと、カーボンと金属箔の接触が保持されず、接触抵抗が基準値を上回る結果が得られている。なお、接着剤層厚みと特性の傾向はポリプロピレン樹脂（ＰＰ）とポリエチレン樹脂（ＰＥ）では共通であった。
【０１０３】
【表１】
0006639777.tif 000002
【０１０４】
【表２】
0006639777.tif 000003
【０１０５】
【表３】
0006639777.tif 000004
【０１０６】
【表４】
0006639777.tif 000005
【０１０７】
【表５】
0006639777.tif 000006
【０１０８】
【表６】
0006639777.tif 000007
【０１０９】
【表７】
0006639777.tif 000008
【符号の説明】
【０１１０】
１                  固体高分子型燃料電池用セパレータ
２                  炭素粉末
３                  熱可塑性樹脂
３ａ                熱可塑性樹脂粉末
４                  粉末混合物
１０、１０ａ、１０ｂ    カーボン層
２０                    金属箔
３０、３０ａ、３０ｂ    接着剤層
３０Ｍ                  接着剤
【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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【図７】
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【図８】
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