(57)【要約】【課題】燃料電池のセパレータの製造に際して、主にコンクリートブロックの技術分野で行われている振動成形の手法を応用することにより、金型との離型性を向上させ、また型に充填した原材料を均一化し、結果として熱伝導性、強度等の性能を高めた新規なセパレータを得ること。【解決手段】フェノール樹脂及び炭素質粉末を配合した原材料を、金型に振動を加えつつ板状に圧縮成形することを特徴とする。振動はセパレータの板厚方向に加えられ、周波数２０〜８０Ｈｚ、加速度０．２〜２Ｇ、及び振幅０．１〜１ｍｍであることが好ましい。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェノール樹脂及び炭素質粉末を配合した原材料を、金型に振動を加えつつ板状に圧縮成形する燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の製造方法において、振動がセパレータの板厚方向に加えられ、周波数２０〜８０Ｈｚ、加速度０．２〜８Ｇ、及び振幅０．１〜１ｍｍであることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の製造方法において、振動を加えつつ圧縮するとともに、セパレータの板厚方向に対して間欠的に衝撃を加えることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の製造方法において、炭素質粉末の配合量が、原材料の７０〜９９重量％であることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか記載の製造方法において、炭素質粉末の粒径が２０〜５００μｍであり、アスペクト比が３以下であることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のセパレータの製造方法に関する。さらに詳しくは、高分子固体電解質型（ＰＥＦＣ）等の燃料電池において、各セルの間に挟んで燃料ガスと空気とを遮断するためのセパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、Ｈ２等の燃料とＯ２（空気）等の酸化剤とを電極に供給することによって化学エネルギーを電気エネルギーに変換するシステムであり、家庭用電源（コージェネレーションシステム）、自動車用電源等として研究開発が盛んに行われている。
【０００３】
この燃料電池は、一般的に、高分子固体電解質膜等の電解質をアノードとカソードとで挟み、さらにその外側をセパレータで挟んだものを一単位のセルとし、このセルを何枚も積層させることによって構成されている。そして、アノードに供給された水素は、触媒反応によって水素イオンとなり、電解質中を移動してカソードに供給された酸素と反応して水となる。一方、上記水素イオンとともに生成する電子は、電気エネルギーとして外部回路を伝わり、カソードに移動するしくみになっている。
【０００４】
上記セパレータは、燃料電池の各セルの間に挟まれ、水素（燃料ガス）と酸素（空気）とを遮断するための部品であり、一般的には、その表面に燃料ガス及び空気を送り込むための流路（例えば幅２ｍｍ深さ１ｍｍの細い溝）が様々な形状に作り込まれている。また、セパレータは、ガス遮断性の他に、高い導電性、熱伝導性を有することが必要とされ、さらに、特に自動車等に搭載する場合には、板厚を薄く形成するとともに耐衝撃性や強度が高いことも重要となる。
【０００５】
このような燃料電池のセパレータ及びその製造方法として、フェノール樹脂等のバインダーと黒鉛粉末を混合したものを、圧縮成形、射出成形等の手段によりセパレータ形状に成形し、必要に応じてさらに焼結し炭素化することによって製造する方法が広く知られている。
【０００６】
例えば、（特許文献１）には、黒鉛粉末が８５〜９７％、熱硬化性樹脂が３〜１５％の組成割合の複合体を成形して構成される固体高分子型の燃料電池用セパレータの製造方法であって、上記複合体を１００〜１５０ｋｇｆ／ｃｍ２の範囲の面圧により予め最終成形形状に近似する形状に冷間成形した後、その予備成形体を金型内に充填し１５０〜１５００ｋｇｆ／ｃｍ２の面圧を加えて最終形状に成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。
【０００７】
上記の（特許文献１）に示すような従来のセパレータの製造方法は、黒鉛粉末及び樹脂からなるセパレータと金型との離型性が悪く、製造効率が低いという問題があった。
特に、セパレータの表面に細い流路を何本も形成する場合には、流路部分の離型が円滑に行われないため、スタックに組み立てたときに各層の接触面に凸凹ができて電池特性が低下したり、気密性が損なわれて電池寿命が短くなるという問題を有していた。
【０００８】
また、離型性が悪いことに加えて、成形する際に黒鉛樹脂と樹脂とを十分に均一な状態で混合することが困難であるため、セパレータの表面が粗くなる傾向があり、そのために熱伝導性、強度などの性能が低下する問題があった。
【０００９】
そこで本発明者は、上記問題を解決する方法として、振動成形に注目した。振動成形は、主に耐火性ブロックの製造に用いられる手法であり、原料を調整して型に入れ、型を機械的に振動させて材料を固める方法である。
従来、この振動成形を燃料電池のセパレータの製造に応用したものは無かった。なお、耐火性のコンクリートブロックではなく、樹脂の成形に応用した例としては、（特許文献２）が挙げられる。（特許文献２）は、ポリイミド樹脂またはポリイミド樹脂と充填剤からなるポリイミド樹脂配合物を金型内で圧縮成形し、その後、焼成して成形品を製造するに際し、圧縮成形を加振装置によって加振下で行うことを特徴とするポリイミド樹脂成形品の製造方法である。しかしながら、この発明は、燃料電池のセパレータの製造を意図したものではなく、また「振動数として３ｋＨｚ」（２ページ左下欄）等の条件についても、高精度・高性能が要求されるセパレータの製造には適用できないものであった。
【００１０】
【特許文献１】
特許第３００８０２２号公報
【００１１】
【特許文献２】
特開平４−２０１４３５号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の状況に鑑み、燃料電池のセパレータの製造に際して、主にコンクリートブロックの技術分野で行われている振動成形の手法を応用することにより、金型との離型性を向上させ、また型に充填した原材料を均一化し、結果として熱伝導性、強度等の性能を高めた新規なセパレータを得ることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の燃料電池のセパレータの製造方法は、請求項１として、フェノール樹脂及び炭素質粉末を配合した原材料を、金型に振動を加えつつ板状に圧縮成形することを特徴とする。
【００１４】
上記手段によれば、振動を加えつつ圧縮する過程で、フェノール樹脂と炭素質粉末との混合状態が均一化され、密度が高まる。そして、成形したセパレータの表面は鏡面状態となり、金型との離型性が向上する。
【００１５】
また、請求項２は、請求項１記載の製造方法において、振動がセパレータの板厚方向に加えられ、周波数２０〜８０Ｈｚ、加速度０．２〜８Ｇ、及び振幅０．１〜１ｍｍであることを特徴とする。
【００１６】
上記手段によれば、原材料の種類、及びセパレータに要求される性能等を考慮して、金型に加える振動の条件が最適化される。
【００１７】
また、請求項３は、請求項１又は２記載の製造方法において、振動を加えつつ圧縮するとともに、セパレータの板厚方向に対して間欠的に衝撃を加えることを特徴とする。
【００１８】
上記手段によれば、衝撃力によって原材料の均一化が瞬間的に起こり、密度がさらに高まる。なお、間欠的とは、一定時間をおいて衝撃を複数回加える意味である。また、衝撃はセパレータの面全体に均等に加えることが好ましい。
【００１９】
また、請求項４は、請求項１〜３のいずれか記載の製造方法において、炭素質粉末の配合量が、原材料の７０〜９９重量％であることを特徴とする。
さらに、請求項５は、請求項１〜４のいずれか記載の製造方法において、炭素質粉末の粒径が２０〜５００μｍであり、アスペクト比が３以下であることを特徴とする。
【００２０】
上記請求項４及び５によれば、振動を加えたときの炭素質粉末とフェノール樹脂の流動状態を考慮し、各々の配合量が最適化される。また、製造したセパレータの導電性・熱伝導性と、吸水性・機械的強度等とのバランスが良好になる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料電池のセパレータの製造方法は、フェノール樹脂及び炭素質粉末を配合した原材料を、金型に振動を加えつつ板状に圧縮成形することを特徴としている。すなわち、振動を加えることによって、原材料を均一化して密度を高め、セパレータの熱伝導性、機械的強度等を向上させるとともに、金型からの離型性を大幅に改善するものである。
【００２２】
金型に振動を加える方向は、原材料の圧縮方向、すなわちセパレータの板厚方向（Ｚ方向）であることが好ましい。これにより、原材料の均一化が進み、セパレータの密度をより高めることができる。また、成形したセパレータの表面が鏡面状態となり、金型からの離型を容易に行うことができる。
なお、本発明に包含される範囲は上記に限定されるものではなく、例えば、セパレータの面方向（Ｘ、Ｙ方向）に振動を加えることも可能である。あるいは、面方向と板厚方向とを組み合わせて、３次元的に振動を加えても良い。
【００２３】
振動させる際の条件は、原材料であるフェノール樹脂及び炭素質粉末の流動状態を考慮して適宜設定することができる。具体的には、振動をセパレータの板厚方向に加える場合、周波数が２０〜８０Ｈｚ、加速度０．２〜８Ｇ、及び振幅は０．１〜１ｍｍ程度とすることが好ましい。これらの範囲から大きく外れた場合には、熱伝導率の向上等の効果がほとんど得られないか、逆に原材料の分離、凝集等が起こる可能性があるため不適である。
【００２４】
また、振動は、原材料を金型へ充填する時点から、板状に圧縮加熱・硬化するまで連続して加え続けることもできるし、あるいは、圧縮成形の過程が、例えば低圧加圧（ガス抜き）及び高圧加圧（加熱硬化）の２段階から構成される場合に、低圧の段階のみ振動を加えて高圧の段階では加えない等、適宜手段により行うことができる。
振動を加える時間は、圧縮成形の過程やセパレータの寸法等に応じて適宜設定することができる。基本的には振動を加えるとともに原材料の均一性は上がる傾向にあるが、３分〜２０分程度の加振時間が最も効果的である。
【００２５】
金型に充填する原材料の種類としては、フェノール樹脂と炭素質粉末との混合物が採用される。これらの原材料は、成形性、機械的強度、導電性、価格等のバランスに優れ、また、振動を加えたときに速やかに応答して均一化する傾向があるため好ましい。この原因は、フェノール樹脂及び炭素質粉末同士の摩擦係数、表面エネルギー等に依存すると考えられるが定かではない。
【００２６】
炭素質粉末としては、炭素を主成分とし、導電性を有するものであれば種々の粉末を適用可能であり、具体的には、黒鉛（グラファイト）粒子、カーボンウィスカー、カーボンナノチューブあるいはアセチレンブラック等の導電性カーボンブラック等を挙げることができる。
【００２７】
炭素質粉末の大きさ・形状は、振動を加えたときの粉末の流動性や、成形するセパレータの導電性、熱伝導性等を考慮して適宜設定することができる。具体的には、炭素質粉末の大きさは２０〜５００μｍ程度とすることが適当であり、就中５０〜２００μｍとすることが好ましい。また形状は、細長い繊維状であると、振動に対して流動し難くなり、またフェノール樹脂中での粉末同士の結合が阻害され、その結果、導電性や熱伝導性が低下する傾向があるため、比較的球状に近いことが望ましい。具体的には、アスペクト比にして３以下のものが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２８】
炭素質粉末の配合量は、少な過ぎるとセパレータの導電性、熱伝導性が低下するため不適であり、逆に多過ぎると、セパレータの吸水率が上がったり、機械的強度が低下するため、これらのバランスを考慮して適宜設定される。具体的には、炭素質粉末の配合量が、原材料の７０〜９９重量％とすることが好ましい。
【００２９】
上記原材料を金型に充填し、振動を加えつつ板状に圧縮、１４０〜２００℃程度で加熱硬化させ、金型から離型することにより目的のセパレータを得ることができる。その際の圧縮圧力は、原材料の組成等に応じて適宜設定することができるが、従来の振動を加えない場合に比較して小さい圧力で行うことが可能であり、振動を加える点を考慮しても製造効率、コスト等の観点から優れている。具体的には０．３〜１ｔ／ｃｍ２程度が適当である。
【００３０】
なお、金型には、一般に所定形状の流路が形成されるが、その際の流路の幅、深さ、形状等は適宜設定することができる。また、圧縮成形する前に、必要に応じて予備成形を行っても良い。さらに、上記フェノール樹脂と炭素質粉末との混合物から製造したセパレータは、必要に応じて、さらに１０００℃程度で焼成し、全体を炭素化させることもできる。
【００３１】
また、金型の表面には予め離型剤を塗布することができる。離型剤としては、金型の材質に応じて従来知られたものから適宜選択して用いることができる。具体例としては、シリコーン系、ワックス系、フッ素系、ＰＶＡ系等の離型剤を挙げることができる。また、ワックス系とＰＶＡ系など、異種の離型剤を併用できることもできる。
これらの離型剤を金型の表面に塗布するに際しては、スプレー塗り、刷毛塗り等の種々の手段により行うことができる。
【００３２】
さらに、本発明に係る別の製造方法として、上記のように金型に振動を加えつつ圧縮するとともに、セパレータの板厚方向に対して間欠的に衝撃を加えることができる。衝撃力によって原材料の均一化が瞬間的に起こり、密度をさらに高めることができる。また、セパレータ表面がさらに整面化され、離型性、熱伝導性等も大きく向上する。
【００３３】
衝撃力の大きさは、一定以上に大きくしても効果はあまり上がらない傾向にある。具体的には、０．５〜１０Ｎ／ｃｍ２程度とすることが好ましい。また、衝撃を加える間隔は、成形段階（充填直後の粉末の状態、加熱硬化中の状態など）によって大きく異なるが、総じて短か過ぎず、衝撃力が原材料（セパレータ）全体に十分伝わるような間隔に設定する。具体的には１〜１０秒程度の間隔とすることが好ましい。
【００３４】
以上のような方法で製造したセパレータは、従来に比して密度が高く、全体として優れた熱伝導性、機械的強度を有している。また、金型との離型性に優れるため、精密かつ複雑な形状の流路を作り込む場合であっても、寸法の精度が非常に高い。さらに、表面が良く整面化され、表面部分の導電性を向上させることができる。
したがって、高分子固体電解質型等の燃料電池のスタックとして組み立てた場合に、隣接する電極層等との密着性が良く、発電効率等の特性にも優れる。また、全体の気密性を保てるため、燃料電池の寿命を向上させることができる。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、これらに限定されるものではない。
（実施例１、比較例１）
グラファイト粉末（粒径５０〜２００μｍ）８５重量部とフェノール樹脂１５重量部とを混練し、原材料を調整した。
続いて、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの流路を形成した金型を用いて、上記原材料を２００℃、１ｔ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形した。この際、加振装置によって、周波数５０Ｈｚ、加速度５Ｇ、振幅０．５ｍｍの振動を、セパレータの板厚方向に１０分間加えつつ行った。そして、得られたセパレータについて、比重、熱抵抗、及び熱伝導率（計算値）を測定した。その結果を（表１）に示す。
また、比較例として、プレス圧を３ｔ／ｃｍ２とし、振動を加えない以外は、上記実施例１と同様にしてセパレータを製造し、同じく比重等を測定した。その結果を（表１）に併せて示す。
（表１）の結果から、本発明に係るセパレータは、振動を加えない比較例に対して、プレス圧が小さいにも関わらず比重が高くなり、また熱抵抗、熱伝導率ともに向上することが明らかとなった。
また、実施例のセパレータは、金型からの離型が非常に容易であり、表面は鏡面状態で良く整面化されていた。
【００３６】
【表１】
2004235061.tif 000002
【００３７】
（実施例２）
上記実施例１と同様に、グラファイト粉末（粒径５０〜２００μｍ）８５重量部とフェノール樹脂１５重量部とを混練し、原材料を調整した。
続いて、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの流路を形成した金型を用いて、セパレータの板厚方向に様々な条件で振動を加えつつ圧縮成形を行った。そして、得られるセパレータについて、振動の周波数、加振時間、及び加速度を変化させたときの熱抵抗を測定した。その結果を（図１）〜（図３）に示す。
その結果、金型に振動を加えることによって、セパレータの熱抵抗が低下することが証明された。特に、図１に示すように、周波数２０〜８０Ｈｚの範囲で熱抵抗が大幅に低下することが明らかとなり、上記数値範囲の臨界的意義が認められた。
【００３８】
（実施例３）
上記実施例１と同様に、グラファイト粉末（粒径５０〜２００μｍ）８５重量部とフェノール樹脂１５重量部とを混練し、原材料を調整した。
続いて、幅２ｍｍ、深さ１ｍｍの流路を形成した金型を用いて、上記原材料を２００℃、０．５ｔ／ｃｍ２の圧力で圧縮成形し、目的のセパレータを製造した。この際、加振装置によって、周波数５０Ｈｚ、加速度５Ｇ、振幅０．５ｍｍの振動を、セパレータの板厚方向に１０分間加えた。また同時に、セパレータの板厚方向に対して、１０Ｎ／ｍ２の衝撃力を５秒間隔で間欠的に加えた。
得られたセパレータは、上記実施例１に比べてプレス圧を小さく設定したにも関わらず、比重が約２０％増加し、また熱抵抗も低下して、より高性能であった。
【００３９】
【発明の効果】
以上、本発明のセパレータの製造方法は、原材料を圧縮成形するに際し、金型に振動を加えつつ行うため、フェノール樹脂と炭素質粉末との混合が均一化される。これにより、セパレータの熱伝導性、強度等の性能を大幅に向上させることができる。特に、周波数２０〜８０Ｈｚ等の特定の振動条件を採用した場合にはセパレータの性能向上が顕著である。また、成形したセパレータの表面が鏡面状態となり、金型との離型性を高めることができる。
さらに、間欠的な衝撃を併用して加えることにより、原材料を瞬間的に均一化させ、目的のセパレータをより効率的に製造することができる。
したがって、本発明の方法で製造したセパレータにより、発電効率等の種々の特性、寿命が向上した新規な燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例２における周波数と熱抵抗の関係を示すグラフである。
【図２】実施例２における加振時間と熱抵抗の関係を示すグラフである。
【図３】実施例２における加速度と熱抵抗の関係を示すグラフである。
【図１】
2004235061.tif 000003
【図２】
2004235061.tif 000004
【図３】
2004235061.tif 000005