(57)【要約】【課題】片面のみに溝構造を有するようなガラス状炭素板状体を形成するに際し、炭化焼成時の寸法収縮がより均一に起こるようにし、焼成対象物の反りを低減することのできる製造方法を提供する。【解決手段】片面のみに溝構造を有し、その溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％以上である樹脂成形品を形成し、これを炭化焼成することを特徴とするガラス状炭素板状体の製造方法。成形品に用いられる樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、カルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面のみに溝構造を有し、その溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％以上である樹脂成形品を形成し、これを炭化焼成することを特徴とするガラス状炭素板状体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガラス状炭素板状体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガラス状炭素は、不浸透性、ガス不透過性を有し化学的にも安定なことから、金属・化学工学分野において広く用いられている。また、導電性にも優れることから、電気・電子工業分野においても多く使用されている。
【０００３】
さらに、ガラス状炭素板状体は、物理的特性、電気的特性、機械的特性が優れており、また種々の成形加工方法によって成形された成形加工品を炭化焼成することで、様々な形状の板状体として得られることから、複雑な流路形状を有する燃料電池用セパレータとしても用いられている。
【０００４】
燃料電池は、電極、電解質層を交互に多段積層する構造であるが、積層する正・負極の間に燃料ガスと酸化剤ガスを分離するセパレータが設けられる。このため、燃料電池用セパレータには、導電性を有すること、ガス透過性が小さいこと、軽量であること、耐熱性及び耐食性があること、アノードガス及びカソードガスと反応しないことなどの物理的、化学的な性質を必要とするほかに、燃料ガス及び酸化剤ガスを有効に利用するため、またはガス湿度管理のため、流路パターンや溝形状から厚みなどに非常に複雑な形状を必要とする。例えば特許文献１には、複雑形状を有する燃料電池用セパレータが開示されている。
【０００５】
ガラス状炭素は、通常、セルロース等のような非熱可塑性の高分子或いはフェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂等の前駆体よりなる成形体を炭化焼成して得られる。例えば、特許文献２では熱硬化性樹脂を含浸したセルロース質の紙を積層圧着し、硬化、焼成する方法が開示されている。また、特許文献３には、炭素質粉末と熱硬化性樹脂粉末及び熱硬化性樹脂液を添加混合し、成形硬化した後不活性雰囲気中にて炭化焼成する方法が開示されている。このような炭化焼成の際には、樹脂成形体を炭化焼成炉内に搬入して不活性ガス雰囲気中で徐々に昇温しながら最終的に目標温度に到達させるような温度制御がなされており、通常昇温速度を調整しながら炭化焼成される。
【０００６】
しかしながら、セルロース等の非熱可塑性の高分子、或いはフェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂からなる成形体を炭化焼成する場合、炭化の進行と共に成形体中の非炭化成分がガス化して放出されるため、質量の減少と併せて約４３〜４５％の体積収縮および１７％〜２０％の寸法収縮が生じる。ところが、片面のみに溝構造を有するような形状の成形加工品の場合、この寸法収縮が成形加工品の表裏において均一に起こらず、その結果、樹脂成形品を炭化焼成した後に得られる焼成物において反りが発生するという問題があった。
【０００７】
さらに、ガラス状炭素板状体を燃料電池用セパレータとして用いた場合には、燃料電池スタックの構造がセパレータと他の構成部材を多段積層するため、セパレータに反りが発生すると、セパレータと電極あるいはセパレータ同士の接触抵抗が大きくなり、充分な燃料電池の発電性能が出せないほか、セパレータが割れる可能性が生じるなどの問題が発生する。
すなわち、燃料電池用セパレータとしてガラス状炭素板状体を使用する場合には、複雑形状を有しながら反りの少ない板状体である必要がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２―１１０１８９号公報
【特許文献２】
特開昭６０−１６１１４４号公報
【特許文献３】
特公平６−１０４５９１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
かかるに現状に鑑み、本発明は、片面のみに溝構造を有するようなガラス状炭素板状体を形成するに際し、炭化焼成時の寸法収縮がより均一に起こるようにし、焼成対象物の反りを低減することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、このような課題を解決すべく鋭意研究を行った結果、片面のみに溝構造を有するような樹脂成形加工品を炭化焼成することによりガラス状炭素板状体を形成するに際し、その溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％以上であることを特徴とする樹脂成形品を形成し、炭化焼成処理を行うことにより、上記課題が解決されることを見出した。
【００１１】
すなわち本発明の要旨は、片面のみに溝構造を有し、その溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％以上であることを特徴とする樹脂成形品を形成し、これを炭化焼成することを特徴とするガラス状炭素板状体の製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の製造方法は、樹脂材料を成形加工する工程と、得られた成形体を炭化焼成してガラス状炭素化する工程を含む。
【００１３】
成形品に用いられる樹脂材料としては、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、カルボジイミド樹脂、フルフリルアルコール樹脂等の熱硬化性樹脂が使用でき、１種類であってもよいし、２種類以上の混合物であってもよい。この中で、フェノール樹脂を主成分とした熱硬化性樹脂を用いることが、成形性やコスト面から最も好ましい。また、主成分の樹脂に、熱硬化性樹脂の低分子量物を添加してもよい。また、加工性や成形性等を改良する目的で添加剤を含有していてもよい。熱硬化性樹脂は成形加工し硬化することで、目的とする形状にすることができ、その形状で炭化焼成することが可能となる。
【００１４】
樹脂材料には、さらに、成形性や電気特性を改良する目的或いはフィラーとして、黒鉛粒子、カーボンブラック粉末、熱硬化性樹脂硬化物粉、無機粒子、無機繊維、炭素繊維、活性炭繊維、木粉やセルロース粒子等を含有していてもよい。
【００１５】
樹脂材料の成形加工方法としては、射出成形法、プレス成形法、トランスファー成形法等が適応できるが、複雑な流路形状を有する成形体を得る場合には、射出成形法が最も好ましい。
【００１６】
本発明においては、片面のみに溝構造を有するようなガラス状炭素板状体を形成するに際し、成形加工品の溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率を５０％以上、より好ましくは６０％以上とすることによって、炭化焼成時に対象物に発生する反りを抑制することができる。
片面のみに溝構造を有するようなガラス状炭素板状体を形成するに際し、成形加工品の溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％未満の場合、炭化焼成後の対象物に生じる反りが大きくなる。
【００１７】
炭化焼成は、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下、温度７００〜１６００℃で炭化焼成することが好ましい。７００℃以下の温度での炭化焼成では、充分に炭化することができないため、電気伝導度などガラス状炭素の特性が発現しない。一方、１６００℃以上の温度を適応させても得られるガラス状炭素の特性に大きな変化は生じない。製造時におけるエネルギーを有効に活用する観点から、さらに好ましい炭化焼成温度は９００〜１５００℃である。
【００１８】
炭化焼成に際しては、成形品を耐熱性を有する板状体を用いて挟持することが好ましく、耐熱性を有する板状体としては黒鉛材料、Ｃ／Ｃコンポジット材料、セラミックス材料などを用いることができる。
【００１９】
また、炭化焼成期間中においては昇温速度をコントロールすることが好ましい。高分子あるいは熱硬化性樹脂の種類により、焼成温度に対する炭化焼成時の体積収縮率は一定でない。例えば、フェノール樹脂の場合、炭化焼成温度が４００〜６００℃の範囲においてガスの発生が多く、この温度範囲における重量減少、および体積収縮が他の温度範囲におけるそれよりも大きくなるため、この温度範囲において昇温速度が速いと対象物にクラックが発生しやすい。このため、４００〜６００℃の範囲における昇温速度を他の温度範囲における昇温速度に比べて低くすることにより、すなわち、４００〜６００℃の範囲の重量減少速度、及び体積収縮速度を小さくすることにより、クラックの発生を防止することができる。なお、割れの発生を防止するためには、焼成対象品の厚みが厚くなるにしたがってトータルの焼成期間を長く設定することが好ましい。
【００２０】
【作用】
炭化焼成を行うと、焼成対象物中の非炭化成分がガス化して対象物外に放出され、それにつれて対象物の質量および寸法が徐々に減少して行くのであるが、炭化焼成時における寸法減少の不均一さは、この対象物の形状にもとづく収縮の不均一さによるものであると考えることができる。対象物が片面のみに溝構造を有する場合、対象物表裏の収縮の不均一さによって対象物に反りが生じる。本発明の方法では、焼成対象物がより均一に収縮すると考えられ、反りの発生が抑制されていると推定される。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明は実施例により限定されない。
【００２２】
使用した成形品の寸法は２５０ｍｍ×１５０ｍｍ×２．５ｍｍｔであり、炭化焼成時の最高温度は１，０００℃とした。焼成終了後の対象物の評価方法として、反り測定を実施した。反り測定に際しては、対象物の凹に反っている面に対して定規を接触させ、生じる隙間に各種厚みの隙間ゲージを差込み、通過する隙間ゲージの最大厚みをもって反り値とした。また、良品の判定基準は反り０．５ｍｍ以下とした。
【００２３】
実施例１
片面のみに溝構造をし、その溝山部の厚み２．５ｍｍに対する溝谷部の厚みが１．５ｍｍである樹脂成形品を形成し、これを炭化焼成した。得られたガラス状炭素板状体の反りは０．１ｍｍであった。
【００２４】
実施例２
溝谷部の厚みを１．２５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の操作を行った。得られたガラス状炭素板状体の反りは０．４ｍｍであった。
【００２５】
比較例１
溝谷部の厚みを１．０ｍｍとした以外は、実施例１と同様の操作を行った。得られたガラス状炭素板状体の反りは１．０ｍｍであった。
【００２６】
比較例２
溝谷部の厚みを０．７５ｍｍとした以外は、実施例１と同様の操作を行った。得られたガラス状炭素板状体の反りは１．５ｍｍであった。
【００２７】
実施例１〜２および比較例１〜２の結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
2004277185.tif 000003
【００２９】
上記の結果から明らかなように、実施例１〜２では反り量が良品の判定基準値を満たしていたのに対し、比較例１〜２では、反り量が大きかった。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、片面のみに溝構造を有するようなガラス状炭素板状体を形成するに際し、その溝山部の厚みに対する溝谷部の厚みの比率が５０％以上であることを特徴とする樹脂成形品を形成し、これを炭化焼成することにより、反りの少ない良好なガラス状炭素板状体を製造することができ、金属・化学工学分野、電気・電子工業分野において使用することができ、複雑な流路形状を必要とする、燃料電池用セパレータとしても用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の片面のみに溝構造を有するガラス状炭素板状体の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  ガラス状炭素板状体
２  溝山部
３  溝谷部
【図１】
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