(57)【要約】【課題】  耐腐食性が極めて高く、機械的強度に優れると共に、成形後及び／又は焼成後の収縮による寸法のバラツキが少なく、最終加工を最小限に抑えることにより結果的に安価で量産性のある固体高分子型などの燃料電池用に好適な燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。【解決手段】  表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータであって、該表裏面の溝パターン２０における溝部１０の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在していることを特徴とする燃料電池用セパレータＡ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータであって、該表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９５％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在している請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、上記成形型は、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型を用いて成形してな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４】
成形後又は焼成後に、位置決め用の加工、孔抜き加工及び表裏面で異なる部位の溝加工から選ばれる少なくとも１種の加工処理を行う請求項３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
焼成処理が非酸化雰囲気中で加熱して炭化させる請求項３又は４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、耐腐食性が極めて高く、機械的強度に優れると共に、表面裏面にガス流路用等の溝部を容易に製造することができる固体高分子型などの燃料電池用に好適な燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、クリーンであり、高い発電効率を発現できる次世代エネルギーとして期待が高く、特に近年、高出力が得られ作動温度域が比較的低いという利点のため固体高分子型の燃料電池が注目されている。
【０００３】
この固体高分子型の燃料電池は、一般に、イオン交換膜からなる固体高分子の電解質膜と、その両側に設けた２つの電極とそれぞれの電極に水素などの燃料ガスあるいは酸素などの酸化剤ガスを供給するガス供給溝を設けたセパレータなどからなる単セルを積層したスタック、及びその外側に設けた２つの集電体から構成されている。
この燃料電池では、電解質部分に高性能の高分子電解質膜を使用している関係で作動温度が８０〜１００℃と低いにも拘わらず高い出力の発電が可能である。
【０００４】
この固体高分子型燃料電池のセパレータには、燃料ガスと酸化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ガス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必要があり、そのために導電性が高いことが必要である。更に、電池反応に伴う発熱を効率よく放散させ、電池内温度分布を均一化するために高い熱伝導性や長期耐久性の確保のために優れた耐腐食性、耐薬品性、機械的強度を備える必要がある。
【０００５】
従来のセパレータとしては、例えば、金属セパレータ、炭素ブロックを切り出して樹脂を含浸させたもの、炭素材と樹脂を用いてモールド成形したもの、ガラス状炭素からなるものが知られている。
また、かさ密度０．６〜１．０の膨張黒鉛シートを粉砕して、最大粒子５００μｍ、平均粒子径１５０〜３００μｍの粒度に調整し、これに粒状樹脂又は液体樹脂を添加、混合し、モールド成形、真空ホットプレス成型等の方法で、成形して得られる片面又は両面にガス流路となる複数のリブを有するかさ密度が１．４〜１．７の膨張黒鉛製燃料電池用セパレータ（特許文献１参照）や、カーボンと熱硬化性樹脂とを混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することで燃料電池用セパレータの製造方法において、前記圧縮成形に用いる成形型の型締め速度を、前記熱硬化性樹脂の材料特性に応じて変更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（特許文献２参照）が知られている。
【０００６】
しかしながら、金属製のセパレータの場合、腐食性が高いため、長時間の使用に耐えるには難しいという課題がある。また、炭素ブロックからの切り出し加工樹脂含浸のセパレータは、加工にコストがかかる上、機械的強度が弱いために薄く加工することは困難であるといった課題がある。
更に、モールド成形したものや、成形後に焼成工程を経る炭素材料等のセパレータ、並びに、上記特許文献１及び２のセパレータでは、成型時の内部応力の不均一性やその形状が複雑であるために成型後及び／又は焼成後の収縮時に均等収縮させるのが難しいといった課題がある。また、不均等に収縮した場合、寸法精度が不足してしまい、ひどいものになると板全体が反ったりうねったりして使い物にならず、結局平板の成形体を作製し、それに機械加工で平面度をだしたり、溝を形成する必要が出てくるなどの課題がある。更に、軽度な変形のものでも、精度を出すためには切削、ラッピング、溝加工等の余分な後工程が増え、コストを上昇させる原因となる課題がある。
【特許文献１】特開２０００−２２３１３３号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開２００２−３７３６６６号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来の課題等に鑑み、これを解消しようとするものであり、耐腐食性が極めて高く、機械的強度に優れると共に、成形後や焼成後の収縮による寸法のバラツキが少なく、最終加工を最小限に抑えることにより結果的に安価で量産性のある固体高分子型などの燃料電池用に好適な燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータ及びその製造方法であって、該表裏面の溝パターンにおける溝部の特定の面積比が表面と裏面で面対照の位置に存在せしめることにより、また、表裏面の溝パターンにおける溝部の特定の面積比が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型を用いて成形することにより、上記目的の燃料電池用セパレータ及びその製造方法が得られることを見い出し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（５）に存する。
（１）  表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータであって、該表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在していることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（２）  表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９５％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在している上記（１）記載の燃料電池用セパレータ。
（３）  表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、上記成形型は、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型を用いて成形してなることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
（４）  成形後又は焼成後に、位置決め用の加工、孔抜き加工及び表裏面で異なる部位の溝加工から選ばれる少なくとも１種の加工処理を行う上記（３）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（５）  焼成処理が非酸化雰囲気中で加熱して炭化させる上記（３）又は（４）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、耐腐食性が極めて高く、機械的強度に優れると共に、成形後や焼成後の収縮による寸法のバラツキが少なく、最終加工を最小限に抑えることにより結果的に安価で量産性のある固体高分子型などの燃料電池用に好適な燃料電池用セパレータ及びその製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態を詳しく説明する。
本発明の燃料電池用セパレータは、表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータであって、該表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在していることを特徴とするものである。
また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、表面と裏面の両面に溝部を成形型により形成した後、焼成処理により構成される燃料電池用セパレータの製造方法であって、上記成形型は、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型を用いて成形してなることを特徴とするものである。
以下で、「本発明」というときは、上記の燃料電池用セパレータとその製造方法の両方を含むことをいう。
【００１２】
本発明において、燃料電池用セパレータの原材料としては、所定の溝部を成形型により形成した後、焼成処理により目的の燃料電池用セパレータが成形できる金属材料以外のものであれば、特に限定されず、例えば、炭素材料、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、及びこれらの混合材料、更に、硬化促進剤、可塑剤、溶剤などの各セパレータ成形用添加剤が挙げられる。
本発明では、上述の如く、金属材料を用いないため、金属材質に見られる腐食を考慮する必要がないものである。
【００１３】
使用することができる炭素材料としては、特に限定されず、例えば、ガラス状炭素、等方性炭素材、黒鉛粉末〔高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、フラーレンを含む〕、炭素繊維〔気相成長炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、黒鉛繊維を含む〕、カーボンナノチューブ、膨張黒鉛シート等が挙げられる。これらの炭素材料は、必要とする電気伝導性値等により、適宜選択され、各単独でも２種以上の混合物でも使用することができるが、特に伝導性向上効果が高いものが望ましい。
また、炭素材料をつなぐバインダー又は熱可塑性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、キシレン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、アルキッド樹脂、コプナ樹脂などが挙げられ、加熱により分子間架橋を生じ三次元化して硬化し、特別の炭素前駆体化処理を行うことなく高い炭素残さ収率を示すものが好適に用いられる。
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリアミドなどが挙げられる。
【００１４】
本発明では、燃料電池用セパレータに要求されるガス不透過性、導電性、熱伝導性や耐腐食性、耐薬品性、機械的強度等を考慮して、上記各原材料を種々選択して好適な配合量等となる混合物（組成物）を用いる。例えば、炭素材料、バインダー及び硬化促進剤などからなる混合物、炭素材料及び熱硬化性樹脂などからなる混合物、炭素材料、熱可塑性樹脂及び可塑剤などからなる混合物などが挙げられる。
上記で得られた混合物等は、溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する溝パターンの成形型に好適な量を充填して成形する（成形工程）。
成形型の溝の形状（断面Ｖ状、凹状等）、深さ、幅及びそのパターンは、特に限定されず、燃料電池種、用途、構造などにより、適宜好適な溝形状、深さ、幅、溝パターン（後述する図１参照）などに設定される。
【００１５】
本発明では、上記成形型は、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型を用いることが必要であり、好ましくは９５％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在する成形型、更に好ましくは表面と裏面で面対照で一致する（１００％となる）位置に存在する成形型を用いることが望ましい。
この表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比が９０％未満の場合は、得られるセパレータは溝形状が表裏異なる部分で平面に対して凹凸状のうねりなどが発生したりして、本発明の効果を発揮する目的のセパレータが得られなくなり、好ましくない。
【００１６】
本発明において、焼成処理では、例えば、上記成形型を７０〜１５０℃に加熱して固化処理し（乾燥工程）、得られた樹脂プレートを型から外し、更に、非酸化雰囲気下で加熱処理を行って焼成せしめ（焼成工程）、目的のセパレータが得られる。
非酸化雰囲気下としては、窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性雰囲気中、真空中の少なくとも１種、すなわち、これらの各単独雰囲気中、または、各雰囲気中を二工程、三工程で焼成することにより、バインダー等を炭素化して表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在してなる燃料電池用セパレータが作製されることとなる。
上記焼成処理は、好ましくは、上記各雰囲気中で昇温速度を制御しつつ焼成することが望ましい。焼成温度は、上記炭素化を好適に発揮せしめる温度とすることが望ましい。
【００１７】
本発明において、必要に応じて、上記成形（工程）後や焼成（工程）後に、積層スタックのための位置決め用の外周部加工、孔抜き加工、及び最終仕上げのための表裏面で異なる部位の溝加工等、最低限の加工処理を行うことができる。
なお、表裏面で異なる溝加工は、この溝加工後も、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在してなることが必要である。
【００１８】
図１（ａ）は、本発明の燃料電池用セパレータの具体的実施形態を示す上面図であり、（ｂ）は図１（ａ）の上面図（裏面を上からみた図）である。
本実施形態の燃料電池用セパレータＡは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、凹状溝部１０の溝パターン２０を表裏９６％面対照としたものである。２１は、上記成形（工程）後や焼成（工程）後、孔抜き加工により形成した貫通孔である。
なお、図２（ａ）は、本発明の範囲外となる燃料電池用セパレータの上面図であり、（ｂ）は図２（ａ）の上面図（裏面を上からみた図）である。この燃料電池用セパレータＢは、溝部１０の溝パターン２０を表裏で７０％面対照としたものであり、成形後の収縮や変形のバラツキが大きくなり、本発明の効果を発揮しないものである。
【００１９】
このように構成される本発明では、耐腐食性が極めて高く、機械的強度に優れると共に、成形後や焼成後の収縮による寸法のバラツキが少なく、最終加工を最小限に抑えることにより結果的に安価で量産性のある固体高分子型などの燃料電池用に好適な燃料電池用セパレータ及びその製造方法が得られることとなる。
すなわち、得られるセパレータは、その製造工程において、成形型を用いており、最終製品に寸法が成形工程、乾燥工程、焼成工程の少なくとも何れか一工程を経ることにより成型直後の型から取り外したものの寸法よりも小さくなるものである。この収縮が大きいほど、また、形状が複雑であるほど、均等に収縮させることは難しい。
【００２０】
本発明では、用いる成形型を、上述の如く、表裏面の溝パターンにおける溝部の面積比９０％以上が表面と裏面で面対照の位置に存在してなる成形型を用いているので、成形後の収縮や変形のバラツキを極力抑えることが可能となるものである。
そのため、寸法調整のための最終的な加工をなくすこと、または、極力減らすことができ、結果的に安価に効率よく製造することができるものとなる。また、もともと加工を必要としないものでも、寸法精度が上がるために、更に不良品率が下がり、コストダウンを図ることができる。更に、成形時の溝パターンを表裏１００％面対照にて成形した場合、均一に収縮させることができるため、成形後の寸法調整のための加工部位をかなり削減することができることとなる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、その材質に金属材料以外の炭素材料、熱硬化性材料などを用いているため、金属材質に見られる腐食を考慮する必要がないものであり、耐腐食性、機械的強度に優れると共に、ガス不透過性、導電性、熱伝導性や耐薬品性に優れたものとなる。
更に、溝形状が表裏ほぼ同一（９０％以上）であるため、溝の配置が電解質膜を通して同じ位置となるため、電気化学的反応の効率も上がり、発電効率を上げるといった効果を発揮せしめることとなる。
【実施例】
【００２２】
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００２３】
〔実施例１〕
フラン樹脂〔日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０３〕９０重量部と天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業（株）製  平均粒径５μｍ）１０重量部に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を１．５重量部加え、３０００ｒｐｍで２分間混合撹拌した混合物を内寸法５９ｍｍ×５９ｍｍ×１．５ｍｍで図１（ａ）及び（ｂ）に示される表裏で面対照（９６％）となる溝パターンのプレート成形用金型に適量流し込み、この型を１００℃に加熱して固化処理後、できた樹脂プレートを型から外し、焼成炉を用いて１５００℃の加熱処理を行い、炭素製セパレータを得た。
得られたセパレータの寸法は、４７．３ｍｍ×４７．３ｍｍ×１．２１ｍｍ（溝部の幅
０．８０ｍｍ、深さ０．４８ｍｍ）であり、反りうねりはなかった。
【００２４】
〔比較例１〕
上記実施例１と同様に、フラン樹脂〔日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０３〕９０重量部と天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業（株）製  平均粒径５μｍ）１０重量部に、硬化促進剤としてｐ−トルエンスルホン酸を１．５重量部加え、３０００ｒｐｍで２分間混合撹拌した混合物を内寸法５９ｍｍ×５９ｍｍ×１．５ｍｍで図２（ａ）及び（ｂ）に示される表裏で面対照７０％の溝パターンのプレート成形用金型に適量流し込み、この型を１００℃に加熱して固化処理後、できた樹脂プレートを型から外し、焼成炉を用いて１５００℃の加熱処理を行い、炭素製セパレータを得た。
得られたセパレータの寸法は、４７．３ｍｍ×４７．３ｍｍ×１．２１ｍｍ（溝部の幅
０．８０ｍｍ、深さ０．４８ｍｍ）であり、溝形状が表裏異なる部分で平面に対して０．２ｍｍの凹凸状のうねりが発生した。
【００２５】
〔実施例２〕
上記実施例１において、図１（ａ）及び（ｂ）に準拠するものであるが、表裏で面対照９０％となる溝パターンのプレート成形用金型を用いた以外は、上記実施例１と同様にして、炭素製セパレータを得た。得られたセパレータの寸法は、４７．３ｍｍ×４７．３ｍｍ×１．２１ｍｍ（溝部の幅０．８０ｍｍ、深さ０．４８ｍｍ）であり、反りうねりはなかった。
【００２６】
〔実施例３〕
フラン樹脂〔日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０３〕１０重量部とポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体（新第一塩ビ社製  ＺＥＳＴ−Ｃ１５０Ｓ）４０重量部との混合樹脂に、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業（株）製  平均粒径５μｍ）５０重量部を加え、更に可塑剤としてジアリルフタレートモノマーを２０重量％添加した材料を、ヘンシェル・ミキサーを用いて分散し、ミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して組成物を得た。この組成物をミキサーで粉砕した後、ふるいにかけて１００μｍ以下の粉末を得た。
得られた粉末を内寸法５９ｍｍ×５９ｍｍ×１．５ｍｍで図１（ａ）及び（ｂ）に示される表裏で面対照（９６％）となる溝パターンのプレート成形用金型でプレス成形した後に、有酸素雰囲気中で３００℃の温度で乾燥硬化させ、真空焼成炉を用いて１０００℃の加熱処理を行い炭素製セパレータを得た。
得られたセパレータの寸法は、５７．８ｍｍ×５７．８ｍｍ×１．２４ｍｍ（溝部の幅０．９８ｍｍ、深さ０．５０ｍｍ）であり、反りうねりはなかった。
【００２７】
〔比較例２〕
上記実施例３と同様に、但し、金型が図２（ａ）及び（ｂ）に示される表裏で面対照７０％の溝パターンのプレート成形用金型を用いた以外は上記実施例３と同様にして炭素製セパレータを得た。
得られたセパレータの寸法は、５７．８ｍｍ×５７．８ｍｍ×１．２４ｍｍ（溝部の幅０．９８ｍｍ、深さ０．５０ｍｍ）であり、溝形状が表裏異なる部分で平面に対して０．１９ｍｍの凹凸状のうねりが発生した。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの実施形態を示す上面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図（裏面を上からみた図）である。
【図２】（ａ）は、本発明の範囲外となる燃料電池用セパレータの上面図であり、（ｂ）は（ａ）の上面図（裏面を上からみた図）である。
【符号の説明】
【００２９】
Ａ  燃料電池用セパレータ
１０  凹状溝部
２０  溝パターン
【図１】
2005235656.tif 000003
【図２】
2005235656.tif 000004