(57)【要約】【課題】  燃料電池用セパレータにおける導電性の悪化および強度低下を防止する。【解決手段】  カーボンと樹脂との混合材料を所定形状に圧縮成形して燃料電池用セパレータを製造する。混合材料中のカーボンを、粒径大のカーボン粉末１５と、表面に樹脂膜１９を備えた粒径小のカーボン粉末１７とで構成し、粒径大のカーボン粉末１５相互の隙間に、粒径小のカーボン粉末１７を入り込ませる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンと樹脂との混合材料を所定形状に圧縮成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記混合材料中のカーボンを、粒径大のカーボン粉末と、表面に樹脂を備えた粒径小のカーボン粉末とで構成し、前記粒径大のカーボン粉末相互の隙間に、前記粒径小のカーボン粉末を入り込ませ、この状態で前記混合材料を圧縮成形して前記樹脂を溶融させカーボン粉末相互を密着させ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】
前記粒径小の樹脂を含むカーボン粉末の体積は、前記粒径大のカーボン粉末相互の隙間の容積の少なくとも３０％とす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の製造方法。
【請求項３】
前記樹脂は、前記粒径小のカーボン粉末の表面全体を被覆する樹脂膜で構成した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の製造方法。
【請求項４】
前記樹脂を粉末状とし、前記粒径小のカーボン粉末の表面に、前記粉末状の樹脂との密着力を高めるための静電処理を施す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の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂を粉末状とし、この粉末状の樹脂をあらかじめ加熱した状態で前記粒径小のカーボン粉末の表面に付着させ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の製造方法。
【請求項６】
加熱手段を備えた塗布ガンによって前記粉末状の樹脂をあらかじめ加熱しつつ前記粒径小のカーボン粉末に吹き付けて表面に付着させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を挟み込む一対の電極に接触する燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。
【０００３】
このような燃料電池は、電解質膜を一対の電極で挟み込み、この電極に接触して電極からの集電に用いるとともに、電極側にガス供給用のガス流路を、電極と反対側に冷却水流路をそれぞれ有するセパレータを備えている。
【０００４】
このような燃料電池用セパレータとして、導電性を確保するためのカーボンと、成形性を維持して強度を確保するための熱硬化性樹脂とを混合した材料を、所定形状に圧縮成形するものが、下記特許文献１に記載されている。
【０００５】
ここで使用する材料中のカーボンは、粒状カーボン粉末であり、微小結晶を複数凝集させることによって粒状カーボン粉末を構成している。
【特許文献１】特開２００３−１７０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記した従来の燃料電池用セパレータでは、粒状カーボン粉末が微小結晶を複数凝集させたものであることから、微小結晶同士での接触抵抗によって電気抵抗が高まり、導電性の悪化を引き起こすとともに、複数の微小結晶を凝集した粒状カーボン粉末に含む樹脂分が少なくなって強度低下を引き起こすという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池用セパレータにおける導電性の悪化および強度低下を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、カーボンと樹脂との混合材料を所定形状に圧縮成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記混合材料中のカーボンを、粒径大のカーボン粉末と、表面に樹脂を備えた粒径小のカーボン粉末とで構成し、前記粒径大のカーボン粉末相互の隙間に、前記粒径小のカーボン粉末を入り込ませ、この状態で前記混合材料を圧縮成形して前記樹脂を溶融させカーボン粉末相互を密着させることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、粒径大のカーボン粉末相互の隙間に、表面に樹脂を備えた粒径小のカーボン粉末を入り込ませた状態で、混合材料を圧縮成形するようにしたので、従来の微小結晶同士の接触部位に比べ、カーボン同士の接触部位が少なくなる粒径大のカーボン粉末同士の接触によって、電気抵抗が小さくなって導電性を確保でき、また粒径大のカーボン粉末相互の隙間は、粒径小のカーボン粉末によって埋められ、しかも粒径小のカーボン粉末の表面に設けた樹脂によってカーボン同士を密着させることとなり、強度低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法によって製造したセパレータ１を備えた燃料電池の断面図である。この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜３を両側から一対の電極５で挟み、さらにその両側に前記したセパレータ１を配置する構造としており、これらで構成する単電池７を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。
【００１２】
セパレータ１は、電極５側にガス供給用のガス流路１ａを、電極５と反対側に冷却水流路１ｂを、それぞれ備えている。一方のセパレータ１のガス流路１ａには、燃料となる水素を供給し、他方のセパレータ１のガス流路１ａには酸化剤となる空気を供給する。
【００１３】
このようなセパレータ１は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂とを所定の割合で混合した混合材料９を、図２に示した下型１１と上型１３とを用いて成形する。下型１１には、前記したガス流路１ａまたは冷却水流路１ｂに対応する凸部１１ａを設け、外周側には全周にわたり上型１３に向けて突出する側壁部１１ｂを設けている。一方上型１３には、冷却水流路１ｂまたはガス流路１ａに対応する凸部１３ａを設けている。
【００１４】
上記した下型１１と上型１３との間の型内に供給した混合材料９を、型内で圧縮し、さらに加熱することで硬化して成形品となり、この成形品を硬化後取り出して冷却することで、セパレータ１が得られる。加熱の際には、図示していないが、下型１１および上型１３にそれぞれ埋め込んだヒータなどを用いる。
【００１５】
図３（ａ）は、上記した混合材料９の圧縮成形前の拡大した概略図である。この混合材料９は、カーボンとして、粒径大のカーボン粉末１５と、粒径小のカーボン粉末１７とで構成している。そして、図４にも拡大して示すように、粒径小のカーボン粉末１７の表面には、その全周を覆うように熱硬化性樹脂からなる樹脂膜１９を化学的表面処理によって被覆してある。
【００１６】
粒径大のカーボン粉末１５は、平均直径を５０μｍ〜１５０μｍとし、粒径小のカーボン粉末１７は、平均直径を１０μｍ〜５０μｍとする。なお、ここでの平均直径とは粒子の最大直径と最小直径との平均値とする。そして、樹脂膜１９を含む粒径小のカーボン粉末１７の体積が、粒径大のカーボン粉末１５相互の隙間の容積の少なくとも３０％となるように、各粒径および樹脂膜１９の量を決定する。
【００１７】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂やエポキシ樹脂がある。
【００１８】
上記図３（ａ）に示した混合材料９を、前記図２に示したように、上型１３および下型１１相互間に供給して加熱圧縮成形すると、図３（ｂ）に示すように、樹脂膜１９が溶融して空間を満たすように広がりカーボン粉末相互をつなぐ役目を果たす。
【００１９】
この場合、成形後のセパレータ１は、カーボン粉末として粒径大のカーボン粉末１５同士が接触するので、従来のようにカーボン粉末を複数の微小結晶を凝集させて微小結晶同士が接触する場合に比較して、カーボン同士の接触部位が少なくなり、接触抵抗が低下して導電性が向上する。
【００２０】
また、粒径大のカーボン粉末１５相互の隙間は、粒径小のカーボン粉末１７によって埋められ、しかも粒径小のカーボン粉末１７の表面に設けた樹脂膜１９によって、粒径大のカーボン粉末１５と粒径小のカーボン粉末１７との間および、粒径大のカーボン粉末１５同士など、カーボン粉末同士をつなぐことになるので、強度向上に寄与することができる。
【００２１】
図５は、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態は、粒径小のカーボン粉末１７の表面に、熱硬化性樹脂からなる粉末状の樹脂としての樹脂粒２１を複数付着させている。樹脂粒２１を付着させる際には、図５（ａ）に示す粒径小のカーボン粉末１７に対して静電処理を行う。静電処理した後、図５（ｂ）のように、粒径小のカーボン粉末１７に樹脂粒２１を付着させる。
【００２２】
この実施形態においては、前記第１の実施形態における樹脂膜１９に代えて樹脂粒２１を用いており、他の部分は同様であり、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、粒径小のカーボン粉末１７に付着させる樹脂を、粉末状の樹脂粒２１とした構成であっても、粒径小のカーボン粉末１７にあらかじめ静電処理しているので、粒径大のカーボン粉末１５と混合する際にも、樹脂粒２１の粒径小のカーボン粉末１７に対する付着を確実に維持でき、粒径大のカーボン粉末１５相互の隙間に対し溶融した樹脂を確実に満たすことができる。また、静電処理した粒径小のカーボン粉末１７に対して付着させる樹脂の量をコントロールしやすく、樹脂量を所望のものとすることができて強度確保に有効である。
【００２３】
図６は、本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態は、粒径小のカーボン粉末１７の表面に熱硬化性樹脂からなる樹脂粒２１を付着させる別の例であり、加熱手段としてのプレヒータ２３を備えた塗布ガン２５により樹脂粒２１を粒径小のカーボン粉末１７に向けて吹き付けている。
【００２４】
塗布ガン２５内の樹脂粒２１をプレヒータ２３で反応直前まで加熱し、加熱した樹脂粒２１を塗布ガン２５の吐出口から粒径小のカーボン粉末１７の表面に向けて吹き付けて付着させる。加熱温度としては、例えばフェノール樹脂で９０℃±１０℃の範囲で制御する。
【００２５】
上記した第３の実施形態においては、第２の実施形態と同様の効果を得ることができるほか、粒径小のカーボン粉末１７に対する樹脂粒２１の付着作業が容易にできる。
【００２６】
本発明によれば、粒径小の樹脂を含むカーボン粉末の体積は、粒径大のカーボン粉末相互の隙間の容積の少なくとも３０％とすることで、粒径大のカーボン粉末相互の隙間を、溶融した樹脂で充分満たすことができる。
【００２７】
前記樹脂は、粒径小のカーボン粉末の表面全体を被覆する樹脂膜で構成しているので、粒径大のカーボン粉末相互の隙間を溶融した樹脂が効率よく満たすことができる。
【００２８】
前記樹脂を粉末状とし、粒径小のカーボン粉末の表面に、粉末状の樹脂との密着力を高めるための静電処理を施しているので、粒径大のカーボン粉末と混合する際にも、粉末状の樹脂の付着を確実に維持でき、粒径大のカーボン粉末相互の隙間に対し溶融した樹脂を確実に満たすことができる。また、静電処理した粒径小のカーボン粉末に対して付着させる樹脂の量をコントロールしやすく、樹脂量を所望のものとすることができて強度確保に有効である。
【００２９】
前記樹脂を粉末状とし、この粉末状の樹脂をあらかじめ加熱した状態で粒径小のカーボン粉末の表面に付着させるようにしたので、粒径大のカーボン粉末と混合する際にも、粉末状の樹脂の付着を確実に維持でき、粒径大のカーボン粉末相互の隙間に対し溶融した樹脂を確実に満たすことができる。また、粒径小のカーボン粉末に対して付着させる樹脂の量をコントロールしやすく、樹脂量を所望のものとすることができて強度確保に有効である。
【００３０】
加熱手段を備えた塗布ガンによって前記粉末状の樹脂をあらかじめ加熱しつつ粒径小のカーボン粉末に吹き付け表面に付着させるようにしたので、粒径小のカーボン粉末に対する樹脂の付着作業が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法によって製造したセパレータを備えた燃料電池の断面図である。
【図２】図１のセパレータを圧縮成形する状態を示す断面図である。
【図３】（ａ）は混合材料の圧縮成形前の拡大した概略図、（ｂ）は圧縮成形後の同概略図である。
【図４】表面に樹脂を備えた粒径小のカーボン粉末の拡大図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す、粒径小のカーボン粉末表面に樹脂を付着させる説明図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す、粒径小のカーボン粉末表面に樹脂を付着させる説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１５  粒径大のカーボン粉末
１７  粒径小のカーボン粉末
１９  樹脂膜（樹脂）
２１  樹脂粒（樹脂）
２３  プレヒータ（加熱手段）
２５  塗布ガン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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