(57)【要約】【課題】  流動性の不足を補完し、かつ特性の優れた大型の薄肉状燃料電池用セパレータを安定して高精度で成形することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】  導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、前記組成物を成形面圧１．８〜１０．０ＭＰａで成形品の１０〜４０％の平面サイズを有する予備成形体を成形し、前記予備成形体を金型内で加熱加圧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に関するものである。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、前記組成物を用いて成形面圧１．８〜１０．０ＭＰａで成形品の１０〜４０％の平面サイズを有する予備成形体を成形し、前記予備成形体を金型内で加熱加圧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。
【請求項２】
前記燃料電池用セパレータが、平面サイズが１００ｃｍ２以上で、厚さが３．０ｍｍ以下である請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記組成物が、前記導電性材料５０〜９５重量％と前記ビニルエステル樹脂５〜５０重量％とを含む請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物からなる燃料電池用セパレータを製造する方法に関するものであり、従来では成形できなかった大型で薄型の燃料電池用セパレータを容易且つ高精度に成形することにより製造する方法である。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池用セパレータを得ようとする場合、破砕状または顆粒状である成形材料を用いてコンプレッション成形またはトランスファー成形、インジェクション成形をするか、破砕状または顆粒状である成形材料を一端５ｃｍ以下の円柱状タブレットにして、それを用いて圧縮成形をしている。
しかし、従来にない大型で薄板状の燃料電池用セパレータを得ようとする場合、通常の成形方法では充填不足が生じることになる。
また、圧縮成形機を用いた高圧成形法を用い、かつ大幅に流動性を向上した成形材料を使用することにより充填不良のない成形品を得ることができるが、金型の変形等で成形品の寸法精度が悪化したり、機械的特性・成形収縮率等の特性が低下する。
特に、基材等が通常よりも多く配合された流動性の低い成形材料を成形しようとする場合、充填不足や金型の変形による成形品寸法精度の低下は避けられない。
【０００３】
前記問題点を解決する方法として、特定の樹脂複合体を特定の面圧で冷間成形し、得られた予備成形体を更に最終形状に成形する方法が開示されている（例えば特許文献１参照）。
しかし、この方法では導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物を予備成形する際、高圧力で予備成形体を冷間成形するため予備成形体が非常に固くなり、そのため加熱加圧成形する際に滑りが生じるので、予備成形体の位置がずれ、このずれにより寸法精度のばらつきが発生し高精度な成形品を安定して得ることが出来ないという問題がある。
【特許文献１】特開２０００−７７０７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、前記のような欠点を改良するものであり、従来では成形できなかった大型で薄板状の燃料電池用セパレーターを安定して、且つ高精度に成形する方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者等は、前記課題を解決するため、鋭意検討した結果、予備成形する際、比較的低い面圧で予備成形し、特定の平面サイズを有する予備成形体を成形すると、予備成形体が固くなりすぎず加熱加圧成形時の予備成形体の滑りを無くすることができ、その結果として厚み等の寸法精度の優れた大型で薄型の燃料電池用セパレータが安定して得られることを発見することにより、本発明を完成させるに至った。
すなわち本発明は、導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物からなる燃料電池用セパレータを製造する方法において、前記組成物を用いて成形面圧１．８〜１０．０ＭＰａで成形品の１０〜４０％の平面サイズを有する予備成形体を成形し、前記予備成形体を金型内で加熱加圧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を提供するものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明は大型の薄肉状燃料電池用セパレータを安定して高精度で成形することができ、特に流動性の不足を補完し、かつ特性の優れた成形品を得ることができる。従って、流動性の低い成形材料でも容易に、且つ高精度で大型の薄肉状燃料電池用セパレータを安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下本発明をさらに詳しく説明する。
本発明は、まず導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物を成形品の１０〜４０％の平面サイズを有する該組成物を成形面圧１．８〜１０．０ＭＰａで予備成形し、得られた予備成形体を形成するものである。
本発明に使用する導電性材料としては、例えば炭素材料、金属、金属化合物などの粉粒体等を挙げることができ、これらの導電材性粉粒体の１種あるいは２種以上を組み合わせて使用できる。
【０００８】
かかる炭素材料としては、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、ガラス状カーボン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらの粒子状、粉末状物を単独で、もしくは併用して用いることができる。これらの粒子、粉末の形状に特に制限はなく粒子状、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。また黒鉛を化学処理して得られる膨張黒鉛も使用できる。導電性を考慮すれば、より少量で高度の導電性を有するセパレータが得られるという点で、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛が好ましい。
【０００９】
また、前記の金属、金属化合物としては、例えばアルミニウム、亜鉛、鉄、銅、金、ステンレス、パラジウム、チタンなど、更には、チタン、ジルコニウム、ハフニウム等のホウ化物などが挙げられる。これらの金属、金属化合物を単独で、もしくは２種以上組み合わせて用いることができる。これらの粒子、粉末の形状に特に制限はなく粒子状、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。更に、これらの金属、金属化合物が非導電性あるいは半導電性材料の導電材表面に被覆されたものも使用可能である。
【００１０】
導電性材料の大きさは、３００μｍ以下であることが好ましい。通常は３００μｍを越えるものが存在すると予備成形体にしたときの空隙が大きく成形時に成形品のボイド等の問題が発生し外観不良となるため適当でない。
また、本発明の目的を逸脱しない範囲内で、前記導電材料に非導電材あるいは半導電性の材料を混合して使用してもよい。
【００１１】
非導電材としては、例えば炭酸カルシウム、シライカ、カオリン、クレー、タルク、マイカ、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ガラスパウダー、ハイドロタルサイト、ウオラストナイト等の無機フィラーが挙げられ、更に、半導電性材料としては、例えば酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタン等が挙げられる。
【００１２】
また本発明に使用するビニルエステル樹脂としては、例えばエポキシ樹脂と重合性不飽和カルボン酸との反応生成物を、スチレン、ジアリルフタレート等の重合性不飽和単量体に溶解したものが挙げられる。エポキシ樹脂に反応させる重合性不飽和カルボン酸としては、アクリル酸、メタクリル酸が挙げられるが、これらは単独で反応させてもよく、フマル酸、マレイン酸等の多塩基酸やカルボン酸無水物と併用して反応させてもよい。エポキシ樹脂としては、例えばビスフェノール型エポキシ樹脂、臭素化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等が挙げられる。
【００１３】
本発明に使用する導電性材料とビニルエステル樹脂とを含む組成物は、導電性材料５０〜９５重量％、ビニルエステル樹脂５〜５０重量％を含むものであるものが好ましい。
【００１４】
前記組成物を成形面圧１．８〜１０．０ＭＰａの圧力で予備成形し、予備成形体を作製する。このうち成形面圧は、３．６〜１０．０ＭＰａであることが好ましい。成形面圧が１．８ＭＰａ未満では密度が低くなるため予備成形体が脆く形状を維持できない。また、成形面圧が１０．０ＭＰａを越えると密度が高くなりすぎるため予備成形体が固くなり本成形時予備成形体の滑りが起こりやすく寸法精度の安定した成形品を得ることが出来ない。
本発明は、平面サイズが１００ｃｍ２以上、厚さ３．０ｍｍ以下の燃料電池用セパレータの成形に好ましい方法である。
【００１５】
本発明では、予め組成物を用いて成形品の１０〜４０％の平面サイズを有する予備成形体を成形するものである。好ましくは、予備成形体の平面サイズは成形品の１５〜３５％が適当である。
かかる平面サイズを有する予備成形体を予め成形することで、樹脂の流動性不足を補完することができるからである。
また、予備成形体の形状は特に限定されないが、寸法精度をより向上させるためには予備成形体内の密度が平準化していることが好ましい。
予備成形体の平面サイズが成形品の１０％未満では予備成形体内の密度が平準化していても周辺部まで十分に充填しない。また４０％を越えると、予備成形体の流動しろが少ないため粒子同士の界面が完全に消滅せずボイドが発生し外観不良となり機械的特性の低下が起こる。
【００１６】
予備成形体の密度を平準化するためには、成形速度が０．３〜１．０ｍ／ｓで、成形保持時間が３０〜１２０秒であることが好ましい。予備成形体の成形速度は０．３〜１．０ｍ／ｓで、成形保持時間は６０秒以上１２０秒以内であることが特に好ましい。かかる成形条件で予備成形することにより、形状が保持され密度の平準化した予備成形体を得ることができる。
【００１７】
予備成形体の成形速度が０．３ｍ／ｓ未満では、必要以上に時間を費やし無駄になる。また予備成形体の成形速度１．０ｍ／ｓを越えると、成形材料が型内に充填出来ず予備成形体の密度がばらつき本成型時に寸法精度が安定しないため適当でない。
【００１８】
予備成形体の成形保持時間が３０秒に達しないと、予備成形体内の密度がばらつき、本成型時充填ムラが発生する。そのため寸法精度の安定した成形品を得ることが出来ない。また予備成形体の成形保持時間が１２０秒を越えると、予備成形体内の密度が安定するためこれ以上時間を必要としない。
【００１９】
上記のようにして得られたビニルエステル樹脂成形材料の予備成形体は、成形型内で加熱加圧成形することにより、本発明の目的とする燃料電池用セパレータを得ることができる。成形は、通常コンプレッション成形機に投入して成形することができる。      
成形方法としては、例えば、金型温度１４０〜１８０℃、成形面圧力２０〜８０ＭＰａの条件で、２２０×２２０×２ｍｍの大きさの燃料電池用セパレータを安定して得ることができる。
【００２０】
本発明で得られる燃料電池用セパレータは、固体高分子型燃料電池に使用されるものであり、イオン導電性の固体電解質膜、触媒が担持されたガス拡散電極からなる陽極と陰極とで挟み、これを挟むことによりセルを構成するものである。セパレータは、表面に燃料ガスや酸化剤のための流路を形成するものであり、燃料ガスや酸化剤を遮断する役割を果たすものである。
燃料電池は、前記セル単独でもよいが、これを直列に複数積層してスタック構造にすることもできる。
【実施例】
【００２１】
実施例１
予め粒度を３００μｍ以下に調整した導電性材料とビニルエステル樹脂を含む成形材料１５０ｇを１３０ｍｍ×１３０ｍｍのキャビティを持つ金型に均一に投入し、成形面圧３．８ＭＰａ、成形速度０．８ｍ／ｓとし、保持時間４０秒で予備成形体を成形した。（予備成形体の大きさは金型投入面積の３４．９％である）。２２０ｍｍ×２２０ｍｍ、深さ２ｍｍの金型の中央にこの予備成形体を配置し、金型温度１５０℃、成形面圧力３０ＭＰａ、成形時間５分でコンプレッション成形して２２０×２２０×２ｍｍの大きさの成形品を得た。得られた成形品の特性を表１に示す。
実施例２
予備成形体形状を８６ｍｍ×８６ｍｍ（成形品の平面サイズ：１５．３％）とした以外は、実施例１と同じ方法にて２２０×２２０×２ｍｍの大きさの成形品を成形した。
比較例１
予備成形体成形条件の成形面圧３０．０ＭＰａ、成形速度１．０ｍ／ｓ、保持時間２０秒で予備成形体を成形した以外は実施例１と同じ方法にて２２０×２２０×２ｍｍの大きさの成形品を成形した。
比較例２
予備成形体形状を１７０ｍｍ×１７０ｍｍ（成形品の平面サイズ：５９．７％）とした以外は、実施例１と同じ方法にて２２０×２２０×２ｍｍの大きさの成形品を成形した。
比較例３
予備成形体形状を１９０ｍｍ×１９０ｍｍ（成形品の平面サイズ：７４．６％）とした以外は、実施例１と同じ方法にて２２０×２２０×２ｍｍの大きさの成形品を成形した。
【００２２】
【表１】
2005158275.tif 000002
【００２３】
＜測定方法及び評価基準＞
［外観］：前記実施例で得られた成形品を試験片として、外観を目視観察した。充填不足、ボイド等がないものを「良」とし、それ以外のものを「不良」とした。
［厚み精度］：前記実施例で得られた成形品の中央部１点と外周部８点（４角、及び角と角とを結ぶ外周の中間部の４箇所）の厚みをマイクロメーターで測定し、その（最大値−最小値）（μｍ）を厚み精度とした。充填不足のため測定できないものを「測定不能」とした。