(57)【要約】【課題】  水滴や水が流路を閉塞して電池性能が低下するのを抑制防止し、耐久性に関する問題を解消できる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】  粉末フェノール樹脂、黒鉛、フッ素系化合物を含有する混合成形材料により板体１を圧縮成形する。粉末フェノール樹脂と黒鉛の平均粒径をそれぞれ５〜１００μｍの範囲とし、板体１の表裏両面と水との接触角をそれぞれ８０°〜１２０°の範囲に設定する。板体１の表裏両面と水との接触角が８０°〜１２０°の範囲なので、例え水滴の発生量が増加しても、水滴が流路である凹部４を閉塞することがない。【選択図】  図１
2005216678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とを含む混合成形材料により、板体に成形された燃料電池用セパレータであって、
板体の水との接触角を８０°〜１２０°の範囲としたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
粉末フェノール樹脂と黒鉛の平均粒径をそれぞれ５〜１００μｍとし、比重を１．９ｇ／ｃｍ3以上とした請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
混合成形材料を、少なくとも自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、及びフッ素樹脂により調製し、板体両面の少なくとも一方に、複数の凹凸部を並べ設けた請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
研磨後における板体両面の少なくとも一方と水との接触角を８０°〜１２０°の範囲とした請求項３記載の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、燃料電池の電極からの集電機能やガス供給機能、排水機能を有する固体高分子型の燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータは、図示しないが、燃料電池の電極から集電する機能上、高い導電性が必要とされ、この他にも、ガス不透過性、耐食性、機械的強度が必要とされる。この燃料電池用セパレータには、電極に供給されるガス、冷却水、反応生成水を流通させる流路である凹部が形成され、排出性の向上が図られている（特許文献１、２、３、４参照）。
【特許文献１】特開２００３−０７７４８７号公報
【特許文献２】特開２０００−２５１９０３号公報
【特許文献３】特開２００１−０９３５３９号公報
【特許文献４】特開平１１−３３９８２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の燃料電池用セパレータは、以上のように構成されているが、湿度が高くなりすぎると、アノードガス・カソードガスの流路では、水蒸気の結露により水滴が発生する。この水滴の発生量が増加してくると、水滴が流路を閉塞してしまい、この結果、ガスが固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下してしまうという大きな問題が生じる。
特に、カソード側においては、電池反応により、反応生成水が発生するので、係る水滴の詰まりが発生しやすい。このため、仮に結露が発生したとしても、速やかに排水できる特性を流路に付与すべく、様々な取り組みがみられる。
【０００４】
この点に関し、上記先行技術文献には、流路の内面を親水処理する技術が開示されており、この技術によれば、結露により発生する水が流路面に濡れ広がり易くなるので、水による閉塞を解消することができる。また、シランカップリング剤により撥水処理し、結露に伴う水を転がりやすい球状とし、この水をガスの流れを利用して排水する方法も開示されている。
【０００５】
しかしながら、上記先行技術の場合には、改質皮膜の耐久性の点で問題があるので、上記問題を十分に解決することができないおそれが少なくない。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、水滴や水が流路を閉塞して電池性能が低下するのを抑制防止し、しかも、耐久性に関する問題を解消することのできる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、上記課題を解決するため、少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とを含む混合成形材料により、板体に成形されたものであって、
板体の水との接触角を８０°〜１２０°の範囲としたことを特徴としている。
なお、粉末フェノール樹脂と黒鉛の平均粒径をそれぞれ５〜１００μｍとし、比重を１．９ｇ／ｃｍ3以上とすることができる。
【０００８】
また、混合成形材料を、少なくとも自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、及びフッ素樹脂により調製し、板体両面の少なくとも一方に、複数の凹凸部を並べ設けることができる。
さらに、研磨後における板体両面の少なくとも一方と水との接触角を８０°〜１２０°の範囲とすることが好ましい。
【０００９】
ここで、特許請求の範囲における混合成形材料には、少なくとも粉末フェノール樹脂と黒鉛とが含まれれば良く、フッ素樹脂、各種のカップリング剤、改質剤、充填剤等の他の材料が含まれても良い。板体は、平面視で正方形、長方形、多角形等に適宜形成することができ、大小の大きさや厚さが限定されるものではない。この板体は、部分的に薄くても厚くても良い。また、複数の凹凸部は、露出面である板体表面や板体裏面に連続して並べ設けることもできるし、板体表裏両面にそれぞれ連続して並べ設けることもできる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、水滴や水が流路を閉塞して電池性能が低下するのを抑制あるいは防止することができるという効果がある。また、耐久性に関する問題を有効に解消することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータは、図１に示すように、所定の混合成形材料により板体１に成形され、１．９ｇ／ｃｍ3以上の比重（密度）に設定されるとともに、露出面である板体１の表裏両面と水との接触角がそれぞれ８０°〜１２０°の範囲に設定されており、板体１が複数枚積層されることにより、燃料電池用セパレータを構成する。
【００１２】
混合成形材料は、少なくとも粉末フェノール樹脂、黒鉛、フッ素系化合物により配合される。この混合成形材料は、燃料電池用セパレータの特性を喪失しない範囲において、炭酸カルシウム、タルク、カオリン、珪藻土、天然あるいは合成のシリカ、ウォラストナイト、ベントナイト、ゼオライト、マイカ、水酸化アルミニウム、酸化チタン、ガラスビーズ、ガラスバルーン、活性炭、木炭、竹炭、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維等の充填剤、導電性オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ＰＡＮ系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維等のカーボン系導電性充填剤、金、銀、銅、パラジウム、アルミニウム、ステンレス等の金属粉末が適宜添加される。これらの添加により、導電性の補助や密度を向上させ、ガス不透過性を補い、しかも、接触角を調整することが可能となる。
【００１３】
粉末フェノール樹脂と黒鉛とは、板体１の表裏両面と水との接触角を８０°〜１２０°の範囲に設定するため、自己硬化性の粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂と鱗片状黒鉛が選択され、任意の方法で混合される。混合方法については、特に制限されるものではないが、黒鉛の微粉化を防止する観点から、黒鉛に大きなせん断力が作用しないようにタンブラーミキサー、Ｖブレンダー、ナウターミキサー等を用いる乾式混合法が好ましい。黒鉛の微粉化を防止するのは、微粉化に伴い燃料電池用セパレータの抵抗値が上昇し、機械的強度が急激に低下する傾向があるからである。
【００１４】
混合により得られた混合粉は、そのまま混合成形材料として使用可能であるが、混合性の向上と成形時の作業性を向上させるため、常温〜８０℃、０．１〜１５ＭＰａの条件下で加圧成形され、シート化されることが好ましい。この予備成形の条件温度が８０℃以下なのは、８０℃を超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂の反応が進み、シートから板体１にしたとき、燃料電池用セパレータの抵抗値が上昇し、機械的な強度が急激に低下するからである。
【００１５】
成形圧力が上記範囲なのは、０．１ＭＰａ未満の場合には、シート化が困難化し、逆に１５ＭＰａを超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂が鱗片状黒鉛の周囲を覆い、燃料電池用セパレータの電気的特性の低下を招くからである。
【００１６】
粉末フェノール樹脂は、上記したように粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂からなり、ベース材料として機能する。この粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂は、例えば特公昭６２−３０２１１号公報記載の製造方法により製造され、レゾール型やノボラック型のフェノール樹脂と比較して不純物が少ないという特徴を有している。また、粒子形状が球状で高分子量であり、黒鉛の高充填化が可能であり、しかも、成形時の溶融温度が高いので黒鉛粒子の表面被覆が他のフェノール樹脂と比較して小さく、硬化反応も緩やかなので、燃料電池用セパレータの製造には最適である。
【００１７】
粉末フェノール樹脂は、平均粒径５〜１００μｍの球状に形成される。これは、平均粒径が５μｍ未満の場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂が黒鉛との混合時に舞い上がり、作業環境が悪化するからである。逆に、平均粒径が１００μｍを超える場合には、黒鉛との混合が不均一になり、燃料電池用セパレータに凹凸模様が生じるおそれがあるからである。
【００１８】
粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂の平均分子量は、３，０００〜２，００００、好ましくは４，０００〜１５，０００、より好ましくは５，０００〜１０，０００の範囲が良い。平均分子量が３，０００以上必要なのは、平均分子量が３，０００未満の場合には、黒鉛との高充填化が困難になり、溶融温度の低下に伴い黒鉛粒子の表面被覆が大きくなり、電気的特性が低下して燃料電池用セパレータの電気的特性が悪化するという理由に基づく。
【００１９】
黒鉛は、上記したように鱗片状黒鉛が選択されるが、他のタイプが適宜併用される。鱗片状黒鉛が必ず選択されるのは、成形時に鱗片状であるため、黒鉛同士の繋がる可能性が高く、導電性の目安となる抵抗値が低くなるという理由に基づく。仮に、球状黒鉛を選択すると、黒鉛同士を繋げるために配合量を多くしなければならず、成形したときに成形品の物性が劣化する。
【００２０】
鱗片状黒鉛の大きさは、平均粒径５〜１００μｍ、好ましくは１０〜７０μｍの範囲が良い。これは、平均粒径５μｍ未満の場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との混合時に舞い上がり、作業環境が悪化するからである。逆に、平均粒径が１００μｍを超える場合には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との混合が不均一になり、燃料電池用セパレータの機械的特性の低下を招くおそれがあるからである。他のタイプの黒鉛については、平均粒径が同一でも良いし、異なるものでも良い。
【００２１】
鱗片状黒鉛の嵩密度については、特に限定されるものではないが、０．１ｇ／ｃｍ3〜１．０ｇ／ｃｍ3の範囲が好適である。これは、鱗片状黒鉛の嵩密度が小さ過ぎると、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂との均一混合性が低下し、燃料電池用セパレータのシール特性が低下するからである。逆に、鱗片状黒鉛の嵩密度が大き過ぎると、燃料電池用セパレータの機械的強度及び導電性が低下するという理由に基づく。
【００２２】
なお、アセトアルコキシアルミニウムジイソピロピレート等のアルミネートカップリング剤、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、ビス（ジオクチルバイロホスフェート）、オキシアセテート、イソプロピルトリデシルベンゼンスルホニルチタネート等のチタネート系カップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等からなるシランカップリング剤等の表面改質剤、あるいはアセチレンアルコール、アセチレングリコール、グリセリン脂肪族エステル、ソルビタンエステル、脂肪族ポリグリセリン脂肪族エステル、プロピレングリコール脂肪族エステル、高級アルコール脂肪族エステル等の各種界面活性剤で表面処理された黒鉛も燃料電池用セパレータの特性を失わない範囲で使用可能である。
【００２３】
粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂と黒鉛との配合は、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部に対して黒鉛９００〜２，０００質量部、好ましくは粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部に対して黒鉛１，１００〜１，９００質量部、より好ましくは粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部に対して黒鉛１，２００〜１，７００質量部が好適である。
【００２４】
これは、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部に対して黒鉛９００質量部未満の場合には、燃料電池用セパレータの電気的特性に支障を来たしたり、密度の低下により接触角が最適範囲から外れるという理由に基づく。逆に、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部に対して黒鉛２０００質量部を超える場合には、実用的な燃料電池用セパレータの機械的特性を得ることができないという理由に基づく。
【００２５】
フッ素系化合物は、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、及び上記低分子化合物、フッ素ゴム、パーフルオロポリエーテル油、パーフルオロアルキルカルボン酸塩等のフッ素系界面活性剤、フッ化カーボン等が該当し、表面研磨後における板体両面と水との接触角を８０°〜１２０°の範囲に維持するよう機能する。
【００２６】
フッ素系化合物の粒子は、分散させるため、細かいほうが好ましい。具体的には、平均粒径１〜２０μｍ、より好ましくは３〜１０μｍが良い。フッ素系化合物の配合量は、物性低下を回避するため、導電性や機械的強度の妨げにもならず、接触角も可能な限り大きな角度になる量である必要がある。具体的には、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂に対して１〜３０％、好ましくは３〜１５％である。
【００２７】
板体１は、図１に示すように、その大部分を占有するリブ領域２と、このリブ領域２を囲んで作業時の把持部となる平坦領域６とを備えた平面長方形あるいは正方形に成形され、図示しない他の板体に電解質膜、燃料極、空気極を介し重ねて積層される。この成形品である板体１は、製造方法が特に限定されるものではないが、成形機のコスト、寸法精度、電気的特性や機械的特性を決定する鱗片状黒鉛粉の最適な配向等を考慮すると、圧縮成形されることが好ましい。
【００２８】
リブ領域２の両面には、図１の奥方向に伸びる複数の凹凸部３が連続して並設され、この複数の凹凸部３は、板体１の表面と裏面とにそれぞれ異なるピッチで配列されており、表面の凹部４の下方に裏面の凸部５が位置するとともに、表面の凸部５の下方に裏面の凹部４が位置する。複数の凹凸部３は、導電性や通電性を有し、板体１の積層に伴いガス、冷却水、反応生成水の流路を形成するよう機能する。凹凸部３の凹部４は、水素ガス、酸素ガス、冷却水を流通させる流通孔（図示せず）が穿孔され、隣接する一対の凸部５に区画されて流路を形成する。
【００２９】
平坦領域６は、基本的にはガスや水が漏れないよう平坦に形成され、凹部４の流通孔と連通する複数の連通孔７が厚さ方向に穿孔されており、各連通孔７が他の板体１の連通孔７に連通して長孔を形成するとともに、この長孔が水素ガス、酸素ガス、冷却水を流通させる。この平坦領域６の両側部や周縁四隅部等には、取付固定用の貫通孔が適宜穿孔され、この貫通孔に図示しないボルトが挿入される。
【００３０】
燃料電池用セパレータの比重は、特に限定されるものではないが、リブ領域２と平坦領域６の比重が１．９ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは１．９５ｇ／ｃｍ3以上が良い。これは、比重を１．９ｇ／ｃｍ3以上とすれば、十分な気密性が確保でき、ガス不透過性や撥水効果が大きくなるからである。
【００３１】
板体１の表裏両面と水との接触角は、８０°〜１２０°の範囲、好ましくは９０°〜１１０°の範囲に設定される。これは、接触角が８０°未満の場合には、凸部５と水との撥水性に問題があるので、凹部４に水滴や冷却水が介在し易く、安定した流路の確保が困難になるからである。流路を確保する方法としては、ガスの圧力を増大し、水を強制的に排除する方法が考えられるが、この場合には、ガスシール性、機械的強度、燃料電池全体のガスシール性能の向上が必要となり、好ましくない。
【００３２】
また、接触角が１２０°を超える場合には、コストアップを招いたり、燃料電池用セパレータの製造が困難になるからである。
【００３３】
上記において、水との接触角が８０°〜１２０°の範囲の燃料電池用セパレータを製造する場合には、先ず、粉末状フェノール・ホルムアルデヒド系樹脂、鱗片状黒鉛、フッ素系化合物を所定の配合比率で混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を所定の条件下で予備成形してシート化し、この中間品であるシートを予め加熱しておいた金型にセットして圧縮成形する。こうして板体１を圧縮成形し、取り出した板体１の凹凸部３等を必要に応じ適宜加工すれば、水との接触角が８０°〜１２０°の範囲の燃料電池用セパレータを製造することができる。
【００３４】
そして、製造した複数枚の燃料電池用セパレータを電解質膜、燃料極、空気極を介し重ねて積層し、これらをボルト等により強固に固定すれば、電池特性、成形性、排水性、排水耐久性、ガス不浸透性、電気的特性、機械的特性に優れる燃料電池を得ることができる。
【００３５】
上記構成によれば、凹凸部３を含む板体１の表裏両面と水との接触角が８０°〜１２０°の範囲なので、例え水滴の発生量が増加しても、水滴が流路である凹部４を閉塞することがない。したがって、ガスが固体高分子膜に行き渡らず、電池性能が低下するという問題を有効に解消することができる。
【００３６】
また、粉末フェノール樹脂、黒鉛、フッ素系化合物を混合して成形するので、耐久性を向上させることができる。また、燃料電池用セパレータの比重を１．９ｇ／ｃｍ3以上とし、フッ素系化合物を添加するので、接触角が大きくなり、撥水効果の向上が期待できる。さらに、フッ素系化合物の添加により、表面研磨後における板体両面と水との接触角を８０°〜１２０°の範囲に維持することができる。
【００３７】
次に、図２は本発明の他の実施の形態を示すもので、この場合には、複数の凹凸部３を、板体１の表面と裏面とに同一ピッチで配列し、表面の凹部４の下方に裏面の凹部４を位置させ、表面の凸部５の下方に裏面の凸部５を位置させるようにしている。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、凹凸部３のパターンの多様化を図ることができるのは明らかである。
【実施例】
【００３８】
以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例を比較例と共に説明する。
【００３９】
実施例１
先ず、平均分子量１０，０００、平均粒径２０μｍのフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂〔カネボウ株式会社製：商品名ベルパールＳ８９０〕１００質量部、平均粒径５０μｍ、嵩比重０．３ｇ／ｃｍ3の鱗片状黒鉛〔株式会社中越黒鉛工業所製：商品名ＨＧ−５０Ａ〕１，５００質量部、フッ素樹脂〔ダイキン工業株式会社製：商品名ルブロンＬ−５〕１０質量部をタンブラーミキサーにより３０分間ドライブレンドし、混合成形材料を調製した。
【００４０】
次いで、混合成形材料を成形温度３０℃、成形圧力０．１５ＭＰａ、加圧時間１０ｓｅｃの条件下で予備成形し、平板状のシート体からなる中間品を成形した。こうして中間品を成形したら、１８０℃の温度に加熱しておいた金型にインサートし、成形圧力７ＭＰａ、加熱加圧時間２０分間の条件下で成形し、図１に示す燃料電池用セパレータを得た。
【００４１】
実施例２
先ず、平均粒径２０μｍのフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂〔カネボウ株式会社製：商品名ベルパールＳ９９Ｗ〕１００質量部、平均粒径５０μｍ、嵩比重０．３ｇ／ｃｍ3の鱗片状黒鉛〔株式会社中越黒鉛工業所製：商品名ＨＧ−５０Ａ〕１，５００質量部とをタンブラーミキサーにより３０分間ドライブレンドし、混合成形材料を調製した。
【００４２】
次いで、混合成形材料を実施例１と同様に予備成形して平板状のシート体からなる中間品を成形し、この中間品を実施例１と同様に本成形し、図１に示す燃料電池用セパレータを得た。
【００４３】
比較例
実施例２と同様のフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂１００質量部と鱗片状黒鉛２５０質量部とをタンブラーミキサーにより３０分間ドライブレンドして混合成形材料を調製し、この混合成形材料を金型温度６０℃、材料温度１８０℃の条件でトランスファー成形法により成形し、図１に示す燃料電池用セパレータを得た。
【００４４】
接触角の測定
実施例１、２、比較例で得た燃料電池用セパレータの研磨前後における水との接触角をそれぞれ測定した。具体的には、イオン交換水と接触角測定器〔協和界面科学株式会社製：商品名ＣＡ−Ｘ型〕とを使用して測定し、表１にまとめた。
【００４５】
【表１】
2005216678.tif 000003
【００４６】
実施例１、２の燃料電池用セパレータは、水との接触角が８０°〜１２０°の範囲なので、離型性が良く、表面研磨しても接触角の変化が少なく、耐久性に優れるという効果を得た。
これに対し、比較例の燃料電池用セパレータは、離型剤により水との接触角が大きくなっているが、表面研磨により接触角が大きく変化するので、排水性や冷却性が長期間の使用により変化し、出力低下を招くおそれがある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セパレータの他の実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１          板体
２          リブ領域
３          凹凸部
４          凹部
５          凸部
６          平坦領域
【図１】
2005216678.tif 000004
【図２】
2005216678.tif 000005