(57)【要約】【課題】優れた導電性、耐衝撃性、及びガス遮断性を有するとともに、簡便な製造工程で安価に得ることのできる燃料電池用セパレーター及びその製造方法並びにそれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレーターは、導電性通気材が所定形状に成形されてなる。導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されてなり、導電性ペーストは、少なくとも潜在反応型熱硬化性樹脂を含有することが好ましい。導電性通気材中には、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の少なくともいずれか１種の樹脂が含有されてなることが好ましい。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性通気材が所定形状に成形されてなることを特徴とする燃料電池用セパレーター。
【請求項２】
導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項３】
導電性ペーストが少なくとも潜在反応型熱硬化性樹脂及び／又は耐熱性熱可塑性樹脂を含有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項４】
導電性通気材中に、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の少なくともいずれか１種の樹脂が含有されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項５】
導電性通気材が、不織布及び／又はフォームであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項６】
導電性通気材が金属多孔質体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項７】
導電性通気材が、通気材に導電性ペーストを塗布、乾燥してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項８】
導電性通気材の比抵抗が、１×１０−６〜１×１０−３Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項２〜７のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項９】
比抵抗が１×１０−５〜１×１０−３Ω・ｃｍであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項１０】
樹脂のガラス転移温度が１５０℃以上であることを特徴とする請求項４〜９のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーター。
【請求項１１】
導電性ペーストを内表面に塗布した又は塗布していない金型中に、導電性通気材を配置し、樹脂の存在下又は非存在下に前記導電性通気材を成形することを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーターの製造方法。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーターを用いてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セパレーター及びその製造方法並びにそれを用いた燃料電池に関する。より詳細には、高い導電性、耐熱性、及び優れたガス遮断性を有し、低い製造コストで提供できる燃料電池用セパレーター及びその製造方法並びにそれを用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、交通網の発達，走行台数の増大と共に、自動車等内燃機関の排気ガスによる都市大気汚染が問題になっている。この対策として電気自動車、ハイブリッドカーと呼ばれる電気・内燃機関併用自動車などが開発されてきている。軽量で取り扱いが容易でありかつ大気を汚染しない自動車用等のエネルギー源として、燃料電池などの利用もその一つとして挙げることができる。
【０００３】
燃料電池には電解液の種類によりアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型等、いろいろのタイプの燃料電池があるが、低温で稼動でき、扱い易く、且つ出力密度の高い固体高分子型が、電気自動車等の動力源として注目を集めている。
【０００４】
このような燃料電池において主要な体積を占めているセパレーターは、構造上の強度を左右する構成要素として重要であり、従来より、種々の材料をセパレーターに用いる試みが多く行われている。例えば、黒鉛等の炭素粉末と熱可塑性樹脂の混合物、あるいは黒鉛等の炭素粉末と熱硬化性樹脂との混合物をPEFC用セパレーターの材料として利用する試み等が開示されている。
【０００５】
具体的には、特願２０００−２０４７２８号公報には、特定の導電性炭素粉末と結合材とによりセパレーターを構成する例が開示されている（特許文献１参照）。また、特願２０００−３１４８９５号公報には、黒鉛粒子と熱硬化性樹脂による例（特許文献２参照）、特願平１０−３５１１７８号公報には、グラファイトシートとフェノール樹脂による例（特許文献３参照）、特願平１１−１８３６６０号公報には、炭素繊維とポリフェニレンスルフィド樹脂からなる導電性フェルトを使用する例等が記載されている（特許文献４参照）。
【０００６】
また、特開２００１−２１６９７６号公報では、黒鉛１００重量部に対しエポキシ樹脂１５重量部以下を加えてコンパウンドを作り、これを射出成形することにより、セパレーターを得ている（特許文献５参照）。このときのセパレーターは成形性は良好であるものの、曲げ強度は０．６〜０．８ＭＰａ 、固有抵抗は５〜９ｍΩ・cｍと低強度、高抵抗なものである。この例に見られるように、黒鉛粉末と樹脂を単純に混合しただけでは成形体の強度を低下させ、電気抵抗を増すという、燃料電池用セパレーターにとっては望ましくない問題点がある。このため、成形体の導電率を向上させるために樹脂と黒鉛の成形体を成形した後に還元雰囲気中数百度〜３０００℃で焼成して炭化する（国際公開番号W００９７／０２６１２）、等の手法が採られている。
【０００７】
【特許文献１】特願２０００−２０４７２８号公報
【特許文献２】特願２０００−３１４８９５号公報
【特許文献３】特願平１０−３５１１７８号公報
【特許文献４】特願平１１−１８３６６０号公報
【特許文献５】特開２００１−２１６９７６号公報
【特許文献６】国際公開番号ＷＯ００９７／０２６１２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の手法では、燃料電池用セパレーターの個々の特性を向上させる上では役に立っているが、製造工程を増やし、煩雑となり、その結果、製造コストを高めるという問題点を有している。
【０００９】
例えば、上記各種炭素材を用いたセパレーターでは、セパレーターとして必要とされる程度の導電性、強度、耐熱性、ガス遮断性を得るためには、燃料ガス供給排出用溝を形成するための切削工程や、さらに焼成して炭化する工程等を採用しなければならず製造工程が煩雑となる。
【００１０】
従って、これらに代表される従来の技術では、燃料電池用セパレーターに必要な導電性、強度、耐熱性、ガス遮断性等の性能を満足した燃料電池用セパレーターを安定して供給することが困難であるという問題点を有している。例えば、黒鉛製のセパレーターが一枚、数万円もする現状では、燃料電池システム全体として実用化レベルの５０００円／ｋｗには到底、及ばない。実用化レベルのセパレーターのコスト目標としては、数百円／枚が求められている。
【００１１】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、優れた導電性、耐衝撃性、及びガス遮断性を有するとともに、簡便な製造工程で安価に得ることのできる燃料電池用セパレーター及びその製造方法並びにそれを用いた燃料電池を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明者等は、上記目的を達成するために鋭意検討した。その結果、導電性通気材を所定形状に成形したセパレーターを用いることにより、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、請求項１の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材が所定形状に成形されてなることを特徴としている。
【００１４】
上記の構成によれば、セパレーターが導電性通気材を所定形状に成形してなることで、従来のカーボン板を用いる場合等のような、焼成工程や切削工程を経ることなく、従来と同等又はそれ以上の優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストで簡便に燃料電池用セパレーターを提供することができる。
【００１５】
請求項２の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されてなることを特徴としている。
【００１６】
上記の構成によれば、多孔質体等からなる導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されていることで、導電性をさらに向上させることができる。
【００１７】
請求項３の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性ペーストが少なくとも潜在反応型熱硬化性樹脂及び／又は耐熱性熱可塑性樹脂を含有することを特徴としている。
【００１８】
上記の構成によれば、成形時に加熱することにより、潜在反応型熱硬化性樹脂の重合が開始され、又、耐熱性熱可塑性樹脂が成形されるので、高弾性で耐熱性に優れた燃料電池用セパレーターを得ることができる。
【００１９】
請求項４の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材中に、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の少なくともいずれか１種の樹脂が含有されてなることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、上記熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂により、導電性通気材が補強され、かつ、表面方向、厚み方向にも均一な導電性を有する燃料電池用セパレーターを得ることができる。
【００２１】
請求項５の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材が、不織布及び／又はフォームであることを特徴としている。
【００２２】
上記の構成によれば、導電性通気材が不織布及び／又はフォーム等の多孔質体であることで、導電性のネットワークが効率的に形成できるので、導電性に優れているとともに、安価な燃料電池用セパレーターを提供することができる。
【００２３】
請求項６の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材が金属多孔質体であることを特徴としている。
【００２４】
上記の構成によれば、導電性通気材が金属多孔質体であることで、例えば、通気材に金属を電気メッキする方法や、導電性ペーストを塗布、乾燥する方法等により燃料電池用セパレーターを得ることができるので、少量の金属で高い導電性を得ることができ、安価に燃料電池用セパレーターを提供することができる。
【００２５】
請求項７の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材が、通気材に導電性ペーストを塗布、乾燥してなることを特徴としている。
【００２６】
請求項８の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性通気材の比抵抗が、１×１０−６〜１×１０−３Ω・ｃｍであることを特徴としている。
【００２７】
上記の構成によれば、燃料電池用として必要とされる高い導電性を有する実用的なセパレーターを得ることができる。
【００２８】
請求項９の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、比抵抗が１×１０−５〜１×１０−３Ω・ｃｍであることを特徴としている。
【００２９】
上記の構成によれば、燃料電池用として必要とされる、より高い導電性を有する実用的なセパレーターを得ることができる。
【００３０】
請求項１０の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、樹脂のガラス転移温度が１５０℃以上であることを特徴としている。
【００３１】
上記の構成によれば、燃料電池用として必要とされる高い耐熱性を有する実用的なセパレーターを得ることができる。
【００３２】
請求項１１の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、導電性ペーストを内表面に塗布した又は塗布していない金型中に、導電性通気材を配置し、樹脂の存在下又は不存在下に前記導電性通気材を成形することを特徴としている。
【００３３】
上記の構成によれば、導電性通気材を所定形状に成形してなることで、従来のカーボン板を用いる場合等のような、焼成工程や切削工程を経ることなく、従来と同等又はそれ以上の優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストで簡便に燃料電池用セパレーターを提供することができる。
【００３４】
請求項１２の燃料電池用セパレーターは、上記の課題を解決するために、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーターを用いてなる。
【００３５】
上記の構成によれば、優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストな燃料電池を提供できる。
【００３６】
本発明の燃料電池用セパレーターは、導電性通気材が所定形状に成形されて構成されている。本発明に係る導電性通気材は、通常、下記のような状態で燃料電池内に装着されている。
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池20と、燃料電池20に装着されたセパレーター（燃料電池用セパレーター）１の概略構成を示す斜視図である。同図に示すように、本発明の燃料電池20（固体高分子型燃料電池）においては、板状体からなる一対のセパレーター１が、固体高分子電解質膜２と、該固体高分子電解質膜２を挟持する一対のガス拡散電極３（例えばカーボンペーパー）とを挟持して単位セルを構成している。該単位セルは、通常、数十個〜数百個併設されて実用規模に供される。
【００３７】
セパレーター１には、上記ガス拡散電極３と対向する面、及び／又は、その面と反対側の面に、水素、酸素、空気等の燃料ガス供給排出用溝（ガス流路４）を形成するための、複数個の凸部であるリブ１aが所定の辺に対し平行に設けられている。ガス流路４の形式は金型によって形成されていても、機械加工によって形成されていてもよい。
【００３８】
図２は、本発明の燃料電池用セパレーターの製造方法の概略を示す説明図である。本発明の製造方法では、まず、ウレタンフォーム等の通気材５´の表面に導電性ペーストを塗布し、導電性通気材５を作製する（S1）。次に、リブ形状が形成されている一対の金型７の内表面に、導電性ペースト６を塗布し、前記導電性通気材５をそれらの間に配置する（S2）。さらに、導電性ペースト６が塗布された一対の金型７にて加熱圧縮成形を施しセパレーター１を作製する（S3）。
【００３９】
上記工程に示すように、セパレーター１は、導電性通気材５の多孔質表面に導電性ペーストが塗布されている。本発明における導電性ペーストは通常、導電性粉末、バインダー、溶剤から構成される。
【００４０】
導電性粉末の例としては、金属粉末、カーボン粉末等が挙げられる。前者の例としては銀、銅、アルミ、金等、これらのメッキが、後者の例としてはケッチンブラック、アセチレンブラックが挙げられる。これらのうち、通常、金属粉末が用いられることが好ましく、より好ましくは銀、銅への銀メッキ粉末である。これら導電性粉末は１種のみを使用してもよく、２種以上を混合して使用してもよい。導電性粉末の含量は導電性ペースト中、通常５０〜８０重量％である。
【００４１】
バインダーとしては、潜在反応型熱硬化性樹脂、耐熱性熱可塑性樹脂等を使用することができる。潜在反応型熱硬化性樹脂は、加熱により重合が開始され最終的には熱硬化性樹脂となる。具体的には潜在反応型ポリウレタン樹脂、一液型エポキシ樹脂等が挙げられる。前者の例として▲１▼ブロックイソシアネートと必要により触媒を添加した活性水素含有化合物との混合物、▲２▼重合凍結型ポリウレア樹脂等が挙げられる。
【００４２】
ブロックイソシアネートは芳香族、脂肪族、脂環族のイソシアネート基をフェノールやオキシムで封鎖したものが挙げられる。このうちオキシムで封鎖したものが好ましい。
【００４３】
重合凍結型ポリウレア樹脂の具体例は特願平１０−２６３９６０号公報に記載の製造方法、すなわち、ポリイソシアネートと分子中に活性水素を２個以上含有する化合物との反応物で、その熱軟化温度が５０℃〜１１０℃で、かつ、その温度での軟化熱が０〜−３０ジュール／グラムである反応物を粉体化し、加熱・加圧して成形する方法により得られる熱硬化性樹脂等が挙げられる。
【００４４】
上記触媒としては、通常、ウレタン反応に使用される有機金属化合物、アミン化合物が挙げられる。前者の例として、ジブチル錫ジラウレート等の錫化合物、後者の例にはトリエチレンジアミン等の第３級アミンが挙げられる。これらの触媒は併用して使用できる。
【００４５】
活性水素含有化合物としては、ポリオール、ポリアミンが挙げられる。前者の例としてはポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール、ポリカーボネートポリオール等が挙げられる。後者の例としては芳香族ジアミン、ポリエーテルポリアミンが挙げられる。活性水素含有化合物の水酸基価、又はアミン価は通常、５０〜１０００、好ましくは１００〜５００である。必要によりこれらは混合して使用してもよい。この場合のＮＣＯ指数は通常、８０〜１１０、好ましくは９０〜１０５である。
【００４６】
耐熱性熱可塑性樹脂としてはポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂等が挙げられる。
【００４７】
上記例示のバインダーのうち、より好ましいものは、１）ブロックイソシアネートを使用するもの、２）重合凍結型ポリウレア樹脂及び３）耐熱性熱可塑性樹脂のうちポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂である。その含有量は導電性ペースト中、通常、１０〜６０重量％、好ましくは３０〜５０重量％である。バインダーには必要により塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂等が併用できる。
溶剤の例としてはアセトン、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、テトラヒドロフラン、トルエン等が挙げられる。
本発明の導電性通気材は通気材に電気メッキとするか、あるいは導電性ペーストを塗布、乾燥し、金属多孔質体とすることにより得ることができる。
【００４８】
通気材としては、不織布、ウレタンフォームや、そのセル膜を除去したものが挙げられる。好ましくはセル膜を除去した軟質フォームである。不織布及びウレタンフォームは単独で用いてもよく、またこれらを併用してもよい。
【００４９】
不織布の比重は、通常０．３〜０．８、好ましくは０．３〜０．６である。不織布の繊維の種類は特に限定はないが、天然繊維、合成繊維が好ましい。前者の例としては木綿等が、後者の例としてはポリアクリルニトリル、ポリエステル、ポリフェニレンサルファイド、芳香族アラミド、フェノールが挙げられる。これらは１種類のみを用いてもよく、２種以上を併用してもよい。
【００５０】
ウレタンフォームの密度は特に限定はないが、通常２０〜１００ｋｇ／ｃｍ３、好ましくは２０〜６０ｋｇ／ｃｍ３である。セル数は特に限定はないが、通常３０〜９０ヶ／２５ｍｍ、好ましくは４０〜９０ヶ／２５ｍｍである。
電気メッキは通常、無電解メッキと呼ばれる方法で、その工程は１）脱脂、２）エッチング、３）酸中和、４）触媒付与、５）触媒の活性化、６）無電解銅メッキ、７）電解メッキ、８）乾燥である。
電気メッキするのに好ましい金属としては、例えば、銀、金、ニッケル、銅が挙げられる。好ましくは銅、銀、金で、更に好ましくは銅、銀である。
本発明における成形とは加熱圧縮成形、射出成形、注型成形が挙げられる。成形法は樹脂の特性に応じて選択される。
【００５１】
本発明における金型中で、導電性通気材中に含有させるために必要により使用される樹脂としては、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂が挙げられる。
【００５２】
熱可塑性樹脂としては、ポリエステル、ポリアレート、ポリアリルスルホン、液晶プラスチック、ポリアミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルスルフォン、ポリケトン、ポリスルフォン、ポリプロピレン等が挙げられる。
【００５３】
上記の熱硬化性樹脂の例としてはＩ）ポリウレタン樹脂、ＩＩ）エポキシ樹脂、ＩＩＩ）フェノール樹脂、ＩＶ）カルボジイミド樹脂、Ｖ）フラン樹脂、ＶＩ）不飽和ポリエステル等が使用できる。
【００５４】
Ｉ）のポリウレタン樹脂はポリイソシアネートと、必要により触媒の存在下でアミン系ポリオール及び／又はポリアミンとを反応させたものが挙げられる。
【００５５】
上記、Ｉ）で使用されるポリイソシアネートとしては芳香族ポリイソシアネートおよびこの誘導体が挙げられる。これらのうち、メタフェニレンジイソシアネート(以下、ＭＤＩと称す)が好ましい。ＮＣＯ％は通常、１０〜４６％、好ましくは３０〜４６％である。ポリイソシアネートは必要により、２種類以上、混合して使用してもよい。
【００５６】
上記、Ｉ）で使用されるアミン系ポリオールとしてはエチレンジアミン、トリエタノールアミン等のアミン化合物にアルキレンオキサイドを付加重合したものが挙げられる。ポリアミンとしては分子中にアミノベンゾエート基を２個以上有する化合物が使用される。
【００５７】
アミン系ポリオールの水酸基価、ポリアミンのアミン価は通常、５０〜１０００、好ましくは１００〜５００である。必要によりこれらは混合して使用してもよい。これらのうち、好ましくはアミン系ポリオールである。
【００５８】
上記、Ｉ）で使用される触媒はウレタン反応に通常、使用される有機金属化合物、アミン化合物が挙げられる。前者の例として、ジブチル錫ジラウレート等の錫化合物、後者の例にはトリエチレンジアミン等の第３級アミンが挙げられる。これらの触媒は混合して使用できる。これらの触媒のうち、第３級アミンが好ましく、その中でもイソシアヌレート化触媒が更に、好ましい。
【００５９】
ポリイソシアネートとアミン系ポリオールもしくはポリアミンとを反応させる場合のＮＣＯ指数は通常、９０〜１０，０００、好ましくは９０〜８，０００、更に好ましくは１，０００〜５，０００である。この範囲外では良好な耐熱性、強度が得られない。ＮＣＯ指数が１０００以上の場合は１００〜２００℃で熱処理することにより、耐熱性に優れたイソシアヌレート樹脂を得ることができる。
【００６０】
上記、ＩＩ）に記載のエポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するものであれば特に制限されず、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂等が挙げられる。このうち、ノボラック型エポキシ樹脂が好ましい。硬化剤としては脂肪族ポリアミン、アミドアミン、芳香族ポリアミン、酸無水物が挙げられる。このうち、芳香族ポリアミン、酸無水物が好ましい。触媒としてはトリフェニルホスフィン、ジアザビシクロウンデセン、ジメチルベンジルアミン、２−メチルイミダゾール等が挙げられ、必要に応じて使用される。
【００６１】
上記、ＩＩＩ）に記載のフェノール樹脂としては、レゾール型、ノボラック型フェノール樹脂が挙げられる。
【００６２】
上記、ＩＶ）に記載のカルボジイミド樹脂としては特開２００１−５５４９３号公報に記載のものが挙げられる。具体的には有機ジイソシアネートの脱二酸化炭素を伴う縮合反応によりイソシアネート末端ポリカルボジイミドを合成することにより製造することができるものである。ポリカルボジイミド化合物の合成原料である有機ジイソシアネートとしては、例えば芳香族ジイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、脂環族ジイソシアネートやこれらの混合物が使用でき、具体的には、１，５−ナフタレンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート、４，４’−ジフェニルジメチルメタンジイソシアネート、１，３−フェニレンジイソシアネート、１，４−フェニレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート、２，４−トリレンジイソシアネートと２，６−トリレンジイソシアネートの混合物、ヘキサメチレンジイソシアネート、シクロヘキサン−１，４−ジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、ジシクロヘキシルメタン−４、４’−ジイソシアネート、メチルシクロヘキサンジイソシアネート、テトラメチルキシリレンジイソシアネート、２，６−ジイソプロピルフェニルイソシアネート、１，３，５−トリイソプロピルベンゼン−２，４−ジイソシアネート等を例示することができる。又、上記有機ジイソシアネートからのポリカルボジイミド化合物の製造においては、モノイソシアネート等の、ポリカルボジイミド化合物の末端イソシアネートと反応する化合物を用いて、適当な重合度に制御して使用することができる。このようにポリカルボジイミドの末端を封止してその重合度に制御するためのモノイソシアネートとしては、例えば、フェニルイソシアネート、トリルイソシアネート、ジメチルフェニルイソシアネート、シクロヘキシルイソシアネート、ブチルイソシアネート、ナフチルイソシアネート等を例示することができる。又、以上の他にも、封止剤としての末端イソシアネートと反応し得る活性水素化合物には、脂肪族、芳香族、脂環族化合物の中で、−ＯＨ基を持つメタノール、エタノール、フェノール、シクロヘキサノール、Ｎ−メチルエタノールアミン、ポリエチレングリコールモノメチルエーテル、ポリプロピレングリコールモノメチルエーテル；＝ＮＨ基を持つジエチルアミン、ジシクロヘキシルアミン；−ＮＨ2基を持つブチルアミン、シクロヘキシルアミン；−ＣＯＯＨ基を持つコハク酸、安息香酸、シクロヘキサン酸；−ＳＨ基を持つエチルメルカプタン、アリルメルカプタン、チオフェノールやエポキシ基等を有する化合物を使用することができる。有機ジイソシアネートの脱炭酸縮合反応は、カルボジイミド化触媒の存在下に進行するのであり、この触媒としては、例えば、１−フェニル−２−ホスホレン−１−オキシド、３−メチル−１−フェニル−２−ホスホレン−１−オキシド、１−エチル−２−ホスホレン−１−オキシド、３−メチル−２−ホスホレン−１−オキシド及びこれらの３−ホスホレン異性体等のホスホレンオキシド等を使用することができ、これらの内、反応性の面から３−メチル−１−フェニル−２−ホスホレン−１−オキシドが好適である��
上記、Ｖ）に記載のフラン樹脂としては通常のフルフリールアルコール誘導体を酸で重合したものが挙げられる。
【００６３】
上記、ＶＩ）に記載の不飽和ポリエステル樹脂は通常のアクリル酸誘導体とスチレンのラジカル重合体が挙げられる。
以上、金型中で必要により使用される樹脂のうち好ましいのは熱硬化性樹脂中、ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、カルボジイミド樹脂である。より好ましくはポリウレタン樹脂のうち、イソシアヌレート樹脂、カルボジイミド樹脂である。これらは混合して使用してもよい。
【００６４】
導電性通気材が導電性ペーストを使用して作成された場合はその中のバインダーの潜在反応型熱硬化性樹脂が成形時の熱で硬化するので、成形時、その他の樹脂の存在は特に必要ない。しかしながら導電性通気材が電気メッキで作成された場合は導電性ペーストを金型に塗布することや樹脂の存在下で成形する方が好ましい。
【００６５】
本発明における導電性ペーストの乾燥膜及び導電性通気材の比抵抗は好ましくは、１×１０−６〜１×１０−３Ω・ｃｍ、より好ましくは１×１０−６〜１×１０−４Ω・ｃｍである。１×１０−６〜１×１０−３Ω・ｃｍの範囲外では燃料電池用セパレーターとして必要な導電性が得られないおそれがある。
【００６６】
本発明における燃料電池用セパレーターの比抵抗は好ましくは、１×１０−５〜１×１０−３Ω・ｃｍであり、好ましくは１×１０−５〜１×１０−４Ω・ｃｍである。この範囲外では燃料電池用セパレーターとして必要な導電性が得られないおそれがある。
本発明における樹脂のガラス転移温度は、好ましくは１５０℃以上である。ガラス転移温度が上記範囲未満である場合は、燃料電池用として必要な耐熱性が得られないおそれがある。
【００６７】
本発明の燃料電池用セパレーターの製造方法は、上述したように、導電性ペーストを内表面に塗布した金型中に、上記導電性通気材を配置して、上記樹脂の存在下又は不存在下に導電性通気材を所定形状に成形する構成である。所定形状への成形は、上述のように、例えば、加熱圧縮成形等による。上記導電性ペーストを塗布する工程は必要に応じ省略してもよく、また導電性ペーストの塗布量を加減してもよい。
【００６８】
本発明の燃料電池用セパレーターの製造方法によれば、従来の燃料電池用セパレーターの製造工程において必要とされる焼成工程や、カーボン板の切削加工工程等を経る必要がなく、低コストかつ簡便に燃料電池用セパレーターを得ることが可能である。
【００６９】
本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用セパレーターを用いてなる。本発明の燃料電池は、例えば、薄い板状体からなる一対の燃料電池用セパレーターが、固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極（例えばカーボンペーパー）とを挟持して単位セルを構成してなる。該単位セルは、通常、数十個〜数百個併設されて実用規模に供される。
【００７０】
本発明の燃料電池は、上記本発明の燃料電池用セパレーターを用いていることで、組み立て時の締め付けによりセパレーターに割れやヒビが生じることがなく、高いガス遮断性と優れた耐衝撃性を有し、また、低コストで簡便に製造することができるため、例えば，自動車等の移動体電源として好適に用いることができる。さらに、本発明の燃料電池は、小規模地域発電、家庭用発電、屋外用簡易電源等に幅広く用いることができる。
【００７１】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれら実施例により限定されるものではない。
【００７２】
<曲げ弾性率>
曲げ弾性率は、JIS K 7203により測定した。
【００７３】
<比抵抗>
比抵抗は、JIS K 7194により測定した。
【００７４】
<ガラス転移温度>
ガラス転移温度は、JIS K 7207(荷重kgf/cm2)により測定した。
【００７５】
<ガス遮断性>
燃料電池用セパレーターのガス遮断性は、JISK  ７１２６の「プラスチックフィルムのガス透過度評価方法」のB法（等圧法）に準じて、セパレーターから切り出した２ｍｍ圧φ１００の試験片の２３℃におけるN２ガス透過度（ｍｌ/ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ）を測定した。
【００７６】
〔実施例１〕
導電性ペーストの作成：ポリエステル樹脂中にメチルエチルケトン、銀とカーボンとを分散した導電性ペースト（ＤＸ−１１６１−1（東洋紡（株）製）７０部に３，３‘−ジクロロ−４，４’−ジアミノジフェニルメタン／エラストマー１０００Ｐ（イハラケミカル工業（株）製）＝７／３（重量比）溶液とポレアＲ−６０３Ｂ（イハラケミカル工業（株）製）を ＮＣＯ指数 ９０で混合したもの３０部を加え均一に混合した。硬化膜の比抵抗は２×１０−４Ω・ｃｍであった。導電性通気材の作成：脱膜エステルフォーム（４０Ｒ５０（クラボウ（株）製）７５×７５×６ｔ（ｍｍ３）に導電性ペースト６ｇを塗布し、室温で１日、乾燥した。
熱硬化性樹脂の作成：ポリウレタン樹脂のうち、ポリイソシアヌレート樹脂を使用した。ポリイソシアネート成分として変性ＭＤＩのルプラネートＭＭ−１０３（ＢＡＳＦ ＩＮＯＡＣポリウレタン（株）製 ）８０部、ポリオール成分としてトリエタノールアミンにプロピレンオキサイドとエチレンオキサイドを反応させ水酸基価５３のもの２０部にポリキャット４２（アボット・ラボラトリーズ社製）０．２部、ＳＡＧ−４７（日本ユニカー製）０．０１部を混合したものを作成した。
燃料電池用セパレーターの作成：金型面に上記導電性ペーストを塗布し、導電性通気材を金型に入れ、ポリウレタン樹脂の各成分を混合、脱泡したものを注入して２００℃、３０分、２００ｋｇ／ｃｍ２で加熱、圧縮成形し作成した。曲げ弾性率は２．０ＧＰａ、比抵抗は３×１０−４Ω・ｃｍ、ガラス転移温度は１６０℃であった。
【００７７】
〔実施例２〕
導電性ペーストの作成：銀とカーボンとを分散した導電性ペースト（ＤＸ−１１６１−1（東洋紡（株）製）７０部に３，３’−ジエチル−４，４’−ジアミノ−５，５’−ジメチルジフェニルメタン６．９部、ＶＥＳＴＡＮＡＴ Ｂ １３５８Ａ（デグサジャパン（株）製）２３．１部を加え均一混合した。
燃料電池用セパレーターの作成：上記記載の導電性ペーストを使用した以外は実施例１と同様にして作成した。曲げ弾性率は２．０ＧＰａ、比抵抗は３×１０−４Ω・ｃｍ、ガラス転移温度は１６０℃であった。
【００７８】
〔実施例３〕
導電性通気材の作成：実施例１の導電性通気材に使用した脱膜エステルフォームに対し、エタノールによる脱脂・希塩酸によるエッチングを行い、次いでこれを塩化スズの塩酸溶液に含浸、さらに塩化パラジウムの塩酸溶液に含浸し、水酸化ナトリウム、硝酸銀、アンモニアからなる銀メッキ液中で銀をメッキし、乾燥した。
燃料電池用セパレーターの作成：導電性通気材として上記の銀メッキしたフォームを使用した以外は実施例１と同様に行った。曲げ弾性率は１．９ＧＰａ、比抵抗は８×１０−５Ω・ｃｍ、ガラス転移温度は１６０℃であった。
【００７９】
〔実施例４〕
熱硬化性樹脂の作成：エポキシ樹脂を使用した。エピコート８２８（油化シェルエポキシ（株）製）とｍ−フェニレンジアミンとを当量で反応させた。
燃料電池用セパレーターの作成：熱硬化性樹脂に代えて、熱可塑性樹脂として上記記載のエポキシ樹脂を用いる以外は実施例２と同様に行った。曲げ弾性率は２．８ＧＰａ、比抵抗は４×１０−４Ω・ｃｍ、ガラス転移温度は１５５℃であった。
【００８０】
〔実施例５〕
熱可塑性樹脂の作成：ポリアレート樹脂のＵポリマー「Ｕ−１００」（ユニチカ（株）製）を使用した。
燃料電池用セパレーターの作成：熱硬化性樹脂に代えて、熱可塑性樹脂として上記記載のポリアレートを用い、射出成形条件が樹脂温度３２０℃、射出圧１００ＭＰａ、金型温度１３５℃である以外は実施例３と同様に行った。曲げ弾性率は２．６ＧＰａ、比抵抗は９×１０−５Ω・ｃｍ、ガラス転移温度は１７５℃であった。
【００８１】
〔実施例６〕
固体高分子電解質膜（商品名：Nafion）を挟持する一対の電極として、カーボンペーパー（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を用いた。これらを常法により接合して一体化電極を作成した。この一体化電極を実施例１で作成した一対の燃料電池用セパレーターで挟持し、燃料ガス供給排出流路を有する単位セルを得た。この単位セルを５０個併設し、ボルトとナットで締め付けて燃料電池を組み立てた。この燃料電池は、充放電可能であり、燃料電池として有効に機能することが認められた。また、単位セルについてJISK７０８５「炭素繊維強化プラスチックの多軸衝撃試験」に準拠して耐衝撃性試験を行ったところ、燃料電池用セパレーターに破損は認められなかった。また、上記測定方法によりガス遮断性を測定したところ、N２ガス透過度は２０（ｍｌ/ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ）未満であった。
【００８２】
〔実施例７〕
固体高分子電解質膜（商品名：Nafion）を挟持する一対の電極として、カーボンペーパー（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を用いた。これらを常法により接合して一体化電極を作成した。この一体化電極を実施例２で作成した一対の燃料電池用セパレーターで挟持し、燃料ガス供給排出流路を有する単位セルを得た。この単位セルを５０個併設し、ボルトとナットで締め付けて燃料電池を組み立てた。この燃料電池は、充放電可能であり、燃料電池として有効に機能することが認められた。また、単位セルについてJISK７０８５「炭素繊維強化プラスチックの多軸衝撃試験」に準拠して耐衝撃性試験を行ったところ、燃料電池用セパレーターに破損は認められなかった。また、上記測定方法によりガス遮断性を測定したところ、N２ガス透過度は２０（ｍｌ/ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ）未満であった。
【００８３】
【発明の効果】
請求項１の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材が所定形状に成形されてなる構成である。
【００８４】
それゆえ、セパレーターが導電性通気材を所定形状に成形してなることで、従来のカーボン板を用いる場合等のような、焼成工程や切削工程を経ることなく、従来と同等又はそれ以上の優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストで簡便に燃料電池用セパレーターを提供できるという効果を奏する。
【００８５】
請求項２の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されてなる構成である。
【００８６】
それゆえ、多孔質体等からなる導電性通気材の表面に導電性ペーストが塗布されていることで、導電性をさらに向上させることができるという効果を奏する。
【００８７】
請求項３の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性ペーストが少なくとも潜在反応型熱硬化性樹脂及び／又は耐熱性熱可塑性樹脂を含有する構成である。
【００８８】
それゆえ、成形時に加熱することにより、潜在反応型熱硬化性樹脂の重合が開始され、又、耐熱性熱可塑性樹脂が成形されるので、高弾性で耐熱性に優れた燃料電池用セパレーターを得ることができるという効果を奏する。
【００８９】
請求項４の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材中に、熱可塑性樹脂及び熱硬化性樹脂の少なくともいずれか１種の樹脂が含有されてなる構成である。
【００９０】
それゆえ、上記熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂により、導電性通気材が補強され、かつ、表面方向、厚み方向にも均一な導電性を有する燃料電池用セパレーターを得ることができるという効果を奏する。
【００９１】
請求項５の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材が、不織布及び／又はフォームである構成である。
【００９２】
それゆえ、導電性通気材が不織布及び／又はフォーム等の多孔質体であることで、導電性のネットワークが効率的に形成できるので、導電性に優れているとともに、安価な燃料電池用セパレーターを提供できるという効果を奏する。
【００９３】
請求項６の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材が金属多孔質体である構成である。
【００９４】
それゆえ、導電性通気材が金属多孔質体であることで、例えば、通気材に金属を電気メッキする方法や、導電性ペーストを塗布、乾燥する方法等により燃料電池用セパレーターを得ることができるので、少量の金属で高い導電性を得ることができ、安価に燃料電池用セパレーターを提供できるという効果を奏する。
【００９５】
請求項７の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材が、通気材に導電性ペーストを塗布、乾燥してなる構成である。
【００９６】
請求項８の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性通気材の比抵抗が、１×１０−６〜１×１０−３Ω・ｃｍである構成である。
【００９７】
それゆえ、燃料電池用として必要とされる高い導電性を有する実用的なセパレーターを得ることができるという効果を奏する。
【００９８】
請求項９の燃料電池用セパレーターは、以上のように、比抵抗が１×１０−５〜１×１０−３Ω・ｃｍである構成である。
【００９９】
それゆえ、燃料電池用として必要とされる、より高い導電性を有する実用的なセパレーターを得ることができるという効果を奏する。
【０１００】
請求項１０の燃料電池用セパレーターは、以上のように、樹脂のガラス転移温度が１５０℃以上である構成である。
【０１０１】
それゆえ、燃料電池用として必要とされる高い耐熱性を有する実用的なセパレーターを得ることができるという効果を奏する。
【０１０２】
請求項１１の燃料電池用セパレーターは、以上のように、導電性ペーストを内表面に塗布した又は塗布していない金型中に、導電性通気材を配置し、樹脂の存在下又は不存在下に前記導電性通気材を成形する構成である。
【０１０３】
それゆえ、導電性通気材を所定形状に成形してなることで、従来のカーボン板を用いる場合等のような、焼成工程や切削工程を経ることなく、従来と同等又はそれ以上の優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストで簡便に燃料電池用セパレーターを提供できるという効果を奏する。
【０１０４】
請求項１２の燃料電池用セパレーターは、以上のように、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレーターを用いてなる。
【０１０５】
それゆえ、優れた導電性、耐衝撃性、ガス遮断性を有し、しかも低コストな燃料電池を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る固体高分子型燃料電池の単位セルの概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係る燃料電池用セパレーターの製造工程を示す説明図である。
【符号の説明】
１        セパレーター（燃料電池用セパレーター）
５        導電性通気材
６        導電性ペースト
７        金型
２０      燃料電池
【図１】
2004213899.tif 000002
【図２】
2004213899.tif 000003