(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とからなる板状成形体の片面または両面に複数のガス流通用溝部が形成されたガス流路部材と、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部との量比で混合した炭素材１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから形成された枠体部材とが、一体に成形されてなることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車をはじめ小型分散型電源などに用いられる固体高分子型燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、リン酸型燃料電池などの燃料電池に比較して低温でかつ高出力の発電が可能であるので、自動車の電源をはじめ小型の移動型電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、図２に示すように、通常、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からなる電解質膜７を挟んで配置される一対の電極４、５（アノード４、カソード５）と、これをさらに両側から挟むセパレータ１よりなる単セルを複数積層したスタック、およびその外側に設けた２つの集電体から構成されている。８はフッ素樹脂、フッ化ゴムなどからなるシール材である。
【０００３】
電極４、５は、例えば白金触媒を担持させた触媒電極であり、セパレータ１は緻密な炭素質材料から形成され、直線状または格子状に延びる複数の溝６が形成されており、溝６とカソード５の表面の間に形成される空間を空気などの酸素含有ガス流路とし、溝６とアノード４の表面の間に形成される空間を水素や水素を主成分とする燃料ガス流路として、酸素含有ガスと燃料ガスとが電極に接触して起こる化学反応（水素ガス側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- 、酸素含有ガス側；(1/2) Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ）を利用して電極間から電気を取り出すようになっている。
【０００４】
図２に示すように、セパレータ１は、片面または両面に複数のガス流通用の溝６が形成されている反応ガスの流路部（ガス流路部）Ａと、ガス流路部Ａの端縁部（周縁部）を構成する枠体部Ｂからなり、枠体部Ｂは、ガスを透過させず反応ガスの漏れを防止するために、最も厚い構造となっている。
【０００５】
このセパレータには、燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離した状態で電極に供給するために高度の気体不透過性が要求され、また、発電効率を高くするために電池の内部抵抗を小さくすることが必要とされている。固体高分子型燃料電池は、単セルを数十層に積層して電池スタックが組み立てられるため、電池性能の高出力化と小型化を図るためには単セルの厚さを薄くすることが重要であり、単セルの厚さを薄くするためにはセパレータを薄肉化することが効果的である。
【０００６】
電池スタックの組立においては、セル間が充分に密着するように組み立てることが必要であり、密着性が不充分であると接触電気抵抗が大きくなり、電池の内部抵抗が増大して、温度分布が不均一化し、電池性能の低下を招くこととなるからである。
【０００７】
通常、０．０５〜１ＭＰａ程度の締め付け力で周囲をボルト締めすることにより組み立てているが、この際に偏加重によりセパレータ部材に亀裂が発生して、破損や欠損が起こる難点があるため、単純にセパレータの厚さを薄くすることは困難である。したがって、セパレータには材質強度が高く、特に電池の作動温度である１００℃程度の高温においても充分な材質強度を備えていることが重要となる。すなわち、セパレータの薄肉化を図るためには材質強度が高く、電気比抵抗の低い材質で作製することが効果的である。
【０００８】
このような材質性状が要求されるセパレータ部材には、従来から炭素質系の材料が用いられており、例えば、黒鉛などの炭素粉末と熱硬化性樹脂を結合材として成形した炭素／樹脂硬化成形体が好適に使用されている。該成形体の製造は、黒鉛材に熱硬化性樹脂を含浸して機械加工する方法や、黒鉛粉と熱硬化性樹脂の混合粉を熱圧成形する方法、などによりガス流路部と枠体部とが一体化したセパレータが作製される。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガス流路部と枠体部に要求される材質特性は同一ではなく、例えば、気体不透過性に優れていることはともに必要とされるが、電気比抵抗はガス流路部では低く、枠体部では高いことが、また強度特性は枠体部でより高いことが望ましいこととなる。
【００１０】
すなわち、固体高分子型燃料電池の性能向上を図るために、図２に示したセパレータにおいて、ガス流路部Ａには発電効率を上げるために電気比抵抗が低く、一方、枠体部Ｂにはガス流路部に比べて電気比抵抗が相対的に高く、また強度特性に優れた材質性状が要求される。
【００１１】
本発明は、上記の要求にこたえるためになされたものであり、セパレータのガス流路部と枠体部とを、それぞれの好ましい材質性状に適合するように別個に形成した予備成形体を一体化成形してなり、強度が高く、内部抵抗損失の少ない固体高分子型燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による固体高分子型燃料電池用セパレータは、炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とからなる板状成形体の片面または両面に複数のガス流通用溝部が形成されたガス流路部材と、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部との量比で混合した炭素材１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから形成された枠体部材とが、一体に成形されてなることを構成上の特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、ガス流路部材と枠体部材とを異なる材質性状の炭素／樹脂硬化成形体から形成したものであり、気体不透過性に優れ、低い電気比抵抗が要求されるガス流路部材は、炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから作製した炭素／樹脂硬化成形体により形成されている。また、気体不透過性に優れ、ガス流路部材に比べて電気比抵抗が高く、強度の大きな材質性状が要求される枠体部材は、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部との量比で混合した炭素材１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから作製した炭素／樹脂硬化成形体により形成されている。そして、このガス流路部材と枠体部材とは、熱圧成形により一体的に成形されている。
【００１５】
ガス流路部材は、上記した炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とからなる板状成形体で、その片面または両面に複数のガス流通用溝部が形成されたものであり、炭素粉末には人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有機物の炭化品、これらの混合物などが用いられる。炭素粉末の結合材として機能する熱硬化性樹脂は、固体高分子型燃料電池の作動時の温度である８０〜１２０℃の温度に耐える耐熱性、ｐＨ２〜３程度のスルフォン酸や硫酸酸性に耐え得る耐酸性があれば特に制限はなく、例えばフェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を単独または混合して使用される。
【００１６】
炭素粉末と熱硬化性樹脂の混合比を、炭素粉末１００重量部に対して熱硬化性樹脂を２０〜４０重量部の範囲に設定するのは、熱硬化性樹脂の量比が４０重量部を越えると導電性が低下して電気比抵抗が高くなり、一方、２０重量部未満では成形性が悪化し、気体不透過性や強度が低下するためである。
【００１７】
枠体部材は、ガス流路部材に比べて電気比抵抗が高く、強度の大きな材質性状が要求され、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部との量比で混合した炭素材１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから作製した炭素／樹脂硬化成形体により形成されている。
【００１８】
炭素繊維はＰＡＮ系、ピッチ系あるいはカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどいずれも使用され、炭素繊維シートに炭素粉末と熱硬化性樹脂を混合して含浸、積層する、あるいは炭素繊維チョップに炭素粉末を混合し、熱硬化性樹脂を混練して成形したものなどが用いられる。また炭素粉末にはガス流路部材と同様に、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有機物の炭化品、これらの混合物などが用いられるが、更に電気比抵抗の高い炭素粉末、例えばコークス粉末、活性炭、木炭などを使用することもできる。
【００１９】
炭素材として、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部の混合物を用いるのは、枠体部として必要な強度を保有させるためであり、炭素繊維が１０重量部を下回ると充分な強度特性を付与することができないためである。また、炭素材と熱硬化性樹脂は、炭素材１００重量部に対して熱硬化性樹脂を２０〜４０重量部の割合で混合した混合物から枠体部材が形成される。
【００２０】
本発明の固体高分子型燃料電池用のセパレータは、このようにして形成されたガス流路部材と枠体部材とが一体に成形されたものである。
【００２１】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
（ガス流路部の原料調製）
ガス流路部を構成する材質は、炭素粉末と結合材としての熱硬化性樹脂を混練したものであり、ガス流路部材のように、薄型で複雑な形状の板状成形体を得るためには、混練物の流動性の良好なことが必要であり、また、成形後の強度や緻密性、導電性などを所定のレベルに維持することも必要である。
【００２２】
そのため、炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部の量比で混練されるが、更に、炭素粉末には平均粒子径が５０μm 以下、最大粒子径が３００μm 以下、粒子径１０μm 以下の粒子の割合が２０重量％以下に調整された粒度特性を備えたものを使用することが好ましい。
【００２３】
平均粒子径が５０μm を越え、最大粒子径が３００μm を越えると、薄型で溝を設けた複雑な形状のガス流路用の成形が難しくなり、特に成形体の周縁部や溝部の角などの強度が不充分となり、欠落し易くなる。また、粒子径が小さい微粉末は表面積が大きいため、表面に吸着、捕捉される樹脂量が増大し、樹脂との混練物の流動性が著しく低下するため、粒子径１０μm 以下の粒子の割合は２０重量％以下に調整するのが好ましい。
【００２４】
炭素粉末には人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有機物の炭化品、これらの混合物などが、熱硬化性樹脂には、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂などが用いられ、炭素粉末と熱硬化性樹脂の混合は、ニーダー、加圧型ニーダー、二軸スクリュー式混練機など常用の混練機により混練して混合物が作製される。この場合、均一に混合するためには熱硬化性樹脂をアルコールやエーテルなどの適宜な有機溶媒に溶解して粘度を下げて混練したのち、必要に応じて有機溶媒を除去する方法を適用することもできる。
【００２５】
（枠体部の原料調製）
枠体部を構成する材料は、炭素繊維と炭素粉末とを混合した炭素材と、熱硬化性樹脂との混合物であり、炭素材は炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部の量比で混合したものであり、この炭素材１００重量部に熱硬化性樹脂２０〜４０重量部の割合で混合して、枠体部の原料が調製される。
【００２６】
炭素繊維はＰＡＮ系、ピッチ系あるいはカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどいずれも使用され、炭素繊維シートに炭素粉末と熱硬化性樹脂を混合して含浸、積層する方法、あるいは炭素繊維チョップに炭素粉末を混合し、熱硬化性樹脂を混練、成形する方法などが適用される。なお、炭素繊維チョップとしては、長さ３〜２０mm程度のものが好ましい。また、炭素粉末にはガス流路部材と同様に、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、カーボンブラック、有機物の炭化品、これらの混合物などが用いられるが、更に電気比抵抗の高い炭素粉末、例えばコークス粉末、活性炭、木炭などを使用することもできる。
【００２７】
（予備成形体の作製）
ガス流路部用として調製した原料、および枠体部用として調製した原料を、常温で、ニーダーなどの混練機で混練した後、室温に保持した金型に装入し、３〜３０ＭＰａの圧力で加圧して、図１に示すような、ガス流路用の予備成形体２、および枠体部材用の予備成形体３を作製する。
【００２８】
（一体成形）
固体高分子型燃料電池のセパレータにおいては、枠体部とガス流路部との境界部の気体不透過性を充分に確保することが必要であり、ガス流路用の予備成形体２と枠体部材用の予備成形体３を金型内の所定位置に装入して、熱圧成形する方法により一体化される。なお、熱圧成形の条件は熱硬化性樹脂種により適宜に設定されるが、概ね温度１５０〜２８０℃、圧力１０〜５０ＭＰａの条件で熱圧成形する。
【００２９】
このようにして、炭素粉末１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部との板状成形体からなるガス流路部材と、炭素繊維１０〜１００重量部と炭素粉末９０〜０重量部との量比で混合した炭素材１００重量部と熱硬化性樹脂２０〜４０重量部とから形成された枠体部材とが、一体に成形された固体高分子型燃料電池用セパレータが製造される。
【００３０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
【００３１】
実施例１〜６、比較例１〜３
ガス流路部用の原料粉末、枠体用の原料粉末を、表１に示すように配合し、配合された原料粉末を加圧ニーダーにより充分に混練した。熱硬化性樹脂としてはいずれも液状フェノール樹脂を使用した。得られた混練物を金型に装入し、室温で１０ＭＰａの圧力を加えて、図１に示したガス流路部用の予備成形体２および枠体部材用の予備成形体３を作製した。
【００３２】
【表１】
0004725872.tif 000002
【００３３】
得られた予備成形体を、ガス流路用の予備成形体２の外側に枠体部用の予備成形体３が配置されるように金型内に装入し、温度１８０℃、圧力３０ＭＰａの熱圧条件で成形を行い、ガス流路部と枠体部とが一体化した固体高分子型燃料電池用のセパレータを作製した。
【００３４】
成形されたセパレータについて、以下の方法により電気比抵抗、気体透過度、曲げ強度を測定し、また、このセパレータを使用して単セルを組み立てて、出力密度を測定した。測定結果を表２および表３に示した。
▲１▼電気比抵抗（Ωm ）；ＪＩＳ  Ｒ７２０２により測定。
▲２▼気体透過度（cm3/cm2 min ）；窒素ガスにより０．１ＭＰａの圧力をかけた際の窒素ガス透過量を測定。
▲３▼曲げ強度（ＭＰａ）；ＪＩＳ  Ｋ６９１１により測定。
▲４▼出力密度（Ｗ／cm2 ）；単セルのセル電圧０．７Ｖにおける出力密度を測定。
【００３５】
【表２】
0004725872.tif 000003
【００３６】
【表３】
0004725872.tif 000004
【００３７】
表１〜３の結果から、本発明に従う固体高分子型燃料電池用セパレータは、ガス流路部の電気比抵抗が低く、また枠体部ではガス流路部に比べて電気比抵抗が高く、曲げ強度が大きいことが認められる。これに対し、比較例１では気体透過度が高いため、結果として電池出力の測定ができず、また比較例２は曲げ強度が小さく、比較例３では出力密度が低位にあった。
【００３８】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータによれば、電池の高出力化を達成することができ、枠体部も優れた強度特性を備えているから、セパレータの薄肉化を図ることができ、電池性能を維持した上で、電池スタックの積層高さを低くすることができ、電池の小型化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】セパレータのガス流路部用と枠体部用の予備成形体、およびそれらの配置を示す概略斜視図である。
【図２】固体高分子型燃料電池の概略構造を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１  セパレータ
２  ガス流路用の予備成形体
３  枠体部用の予備成形体
４  カソード
５  アノード
６  溝
７  電解質膜
８  シール材
【図１】
0004725872.tif 000005
【図２】
0004725872.tif 000006