(57)【要約】【課題】ガス不透過性、導電性、耐久性が優れると共に、機械的性質が優れ、薄肉化が可能な燃料電池セパレータ及びそのセパレータを生産性よく製造する方法を提供する。【解決手段】導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）との溶融混合物から形成され、前記導電性粉粒体（Ａ）と前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋度１．３以上に高めた架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とで構成された燃料電池用セパレータに関する。【選択図】            なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）との溶融混合物から形成され、前記導電性粉粒体（Ａ）と架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とで構成されてなる燃料電池用セパレータであって、前記架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）が、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋度１．３以上に高めたものであることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記導電性粉粒体（Ａ）の重量平均粒子径が、３０〜６００μｍである請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記導電性材料粉粒体（Ａ）前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）との割合が、９５／５〜５０／５０である請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）とを用い下記の工程（１）、工程（２）及び工程（３）を経ることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
工程（１）：前記導電性粉粒体（Ａ）と前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）とを溶融混合し、成形材料を形成する工程
工程（２）：前記成形材料を加熱し、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）の架橋度が１．３以上になるまで架橋する工程
工程（３）：前記工程（２）で得られる導電性粉粒体（Ａ）と架橋度が１．３以上に架橋されたポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とを含む成形材料を成形する工程
【請求項５】
前記成形材料がシート状であり、スタンピング成形法により成形する請求項４記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
電解質の両面に電極が配置され、該電極が配置された電解質が燃料電池セパレータで挟持された積層構造を有してなる燃料電池において、該燃料電池セパレータが、導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）との溶融混合物から形成され、前記導電性粉粒体（Ａ）と架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とで構成されてなる燃料電池用セパレータであって、前記架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）が、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋度１．３以上に高めたものであることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等に用いる燐酸型燃料電池、固体高分子型燃料電池等の各種燃料電池用セパレータ、その製造方法および燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料と酸化剤との電気化学反応を利用して、電気及び熱エネルギーを取り出す所謂燃料電池は、電気自動車等種々の用途に使用されつつある。この燃料電池の基本構造は、一般的には、電解質を介してその両側に設けた２つの電極を、水素ガスなどの燃料及び酸素ガス又は空気などの酸化剤を供給するための供給路を設けた２つのセパレータで挟持する、所謂単セルから構成される。実用的な高出力を必要とする場合には、単セルを直列に複数、積層したスタック構造とし、スタックの両端に設けた集電板で集電する。
【０００３】
燃料電池は、電解質、燃料、酸化剤などの種類により各種の型があり、中でも、電解質に固体高分子電解質膜、燃料に水素ガス、酸化剤に空気を用いる固体高分子型燃料電池や、燃料電池内部で直接メタノールから水素を取り出し燃料とするメタノール直接型燃料電池は、発電時の作動温度が２００℃以下の比較的低温で効率的発電が可能である。
【０００４】
これらの燃料電池に用いられるセパレータには、燃料と酸化剤ガスを分離した状態で安定的に電極に供給するためのガス不透過性、発電効率を高めるための導電性、更には燃料電池の作動環境下での耐久性などの性能が必要とされる。また、近年、電気自動車を始めとした用途では燃料電池の小型化が要求され、それに伴いセパレータの薄肉化も必要である。更に、経済的な面から、高い生産性で低コストの製造方法が求められている。
【０００５】
このような性能が要求される燃料電池用セパレータとして、例えば、炭素質粉末に結合材を加え、加熱混合後成形し、焼成黒鉛化して得られた黒鉛材を切削加工してセパレータ形状とする方法がある。しかしながら、この方法は、焼成黒鉛化工程で揮発物が発生するために多孔質となり、セパレータのガス不透過性に問題があった。
【０００６】
そこで、該焼成黒鉛材の問題点を解決する方法として、黒鉛材の細孔に熱硬化性樹脂を含浸し、硬化させたセパレータ基材を得る方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。しかしながら、この方法では、黒鉛化工程、成形工程、樹脂を含浸硬化する工程、更にセパレータ形状への機械加工の工程等を要するため、工程が複雑で量産性、経済性に問題がある。
【０００７】
また、特定粒度の黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との溶融混合物を成形硬化してセパレータを作製する方法が提案されている（例えば特許文献２及び特許文献３参照）が、該方法に使用する汎用フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた場合には、反応時に発生する縮合水やガスが原因で、成形物の内部や表面に気泡や空孔が発生して不均質な成形品となり、反りや膨れ等の欠陥を生じ、燃料電池用セパレータとして使用するには問題を有する。更に、熱硬化性樹脂であることからセパレータを作製する成形サイクルが長く、経済性の面でも不利であった。
【０００８】
他方、熱可塑性樹脂を用いて導電性粉粒体あるいは繊維を加熱混合し、該溶融混合物を射出成形する試みもなされている。しかしながら、射出成形法はセパレータを作製する工程の大幅な短縮が可能である一方で、セパレータの導電性を満足するには多量の導電性粉粒体あるいは繊維を加熱混合する必要があり、その場合には、溶融粘度が非常に高くなり、溶融物の金型内流動性が低下し、特に薄肉の成形品では射出成形が困難になる。従って、溶融粘度を硬化前の熱硬化性樹脂並に低くすることが求められるが、一般的に、熱可塑性樹脂では樹脂の分子量を下げて溶融粘度を低くしようとすると、耐久性や機械的性質の低下が大きく抜本的解決とならないのが現状である。
【０００９】
一方、射出成形でない加工方法として、非炭素質熱可塑性樹脂と導電材とを含む樹脂組成物で形成されたシートを、スタンピング成形してセパレータを製造することが提案されている（例えば特許文献４を参照）。ここでは、非炭素質熱可塑性樹脂であるポリフェニレンスルフィド系樹脂と黒鉛化品又は人造黒鉛粉の粉末混合物を、３２０℃でロールプレス成形してスタンパブルシートを得、該シート裁断物をオーブン内で３２０℃、１０分間プレヒートし、次いで２００℃の金型で３０秒間、加圧成形している。セパレータの耐久性や機械的性質等を考慮すると、高分子量のポリフェニレンスルフィド系樹脂を原料として用いることが適しているが、この場合溶融粘度が高くなり、黒鉛粉のような導電性材料粉粒体と熱可塑性樹脂との緊密な接触が困難となり、必ずしも機械的強度が高くならないのが現状である。
【００１０】
【特許文献１】
特開平８−２２２２４１号公報
【特許文献２】
特開昭６４−３４０号公報
【特許文献３】
特開平１０−３３４９２７号公報
【特許文献４】
特開２００１−１２２６７７公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明が解決しようとする課題は、これらの問題に鑑み、ガス不透過性（ガスシール性）、導電性、耐久性が優れると共に、機械的性質が優れ、薄肉化が可能な燃料電池セパレータであり、かつその製造方法において従来品よりも格段に工程上の煩雑さが少なく生産性に優れた製造方法、及び該燃料電池セパレータを用いてなる燃料電池を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、溶融粘度の低いポリアリーレンスルフィド樹脂を溶融状態で導電性粉粒体と接触させ、加熱処理すると、導電性、ガスシール性、特に機械的性質を満足した燃料電池用セパレータが得られ、さらにこれを用いることにより省スペース化に適合し、かつ自動車搭載、持ち運びに耐えうる小型燃料電池を提供できることを見出し本発明を完成させるに至った。
【００１３】
すなわち本発明は、導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）との溶融混合物から形成され、前記導電性粉粒体（Ａ）と架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とで構成されてなる燃料電池用セパレータであって、前記架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）が、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋度１．３以上に高めたものであることを特徴とする燃料電池用セパレータを提供するものである。
また本発明は、導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂とを用い下記の工程（１）、工程（２）及び工程（３）を経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。
工程（１）：前記導電性粉粒体（Ａ）前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）とを溶融混合し、成形材料を形成する工程
工程（２）：前記成形材料を加熱し、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）の架橋度が１．３以上になるまで架橋する工程
工程（３）：前記工程（２）で得られる導電性粉粒体（Ａ）と架橋度が１．３以上に架橋されたポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とを含む成形材料を成形する工程
さらに本発明は、電解質の両面に電極が配置され、該電極が配置された電解質が燃料電池セパレータで挟持された積層構造を有してなる燃料電池において、該燃料電池セパレータが、導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）との溶融混合物から形成され、前記導電性粉粒体（Ａ）と架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とで構成されてなる燃料電池用セパレータであって、前記架橋したポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）が、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋度１．３以上に高めたものであることを特徴とする燃料電池と提供するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下本発明を詳細に説明する。
本発明に使用する導電性粉粒体（Ａ）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。
【００１５】
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。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。
【００１６】
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粉粒体表面に被覆されたものも使用可能である。
【００１７】
非導電性材料としては、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。
【００１８】
前記導電性粉粒体（Ａ）の大きさは、１０〜２０００μｍの範囲のものであれは使用できるが、導電性と加熱加圧して賦形する際の流動性、及び機械的性質の点から、重量平均粒子径で２０〜８００μｍが好ましく、特に３０〜６００μｍが好ましい。
また、本発明の目的を逸脱しない範囲内で、該導電性粉粒体に非導電性粉粒体あるいは半導電性の粉粒体を混合して使用してもよい。
かかる非導電性粉粒体、半導電性粉粒体としては、前記の非導電性材料、半導電性材料の粉粒体として掲載したものが挙げられる。
【００１９】
また本発明に使用するポリアリーレンスルフィド樹脂は、３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度（フローテスター、荷重２ＭＰａ、Ｌ／Ｄ＝１０）を有するものである。このうち２５Ｐａ・ｓ以下が好ましく、２０Ｐａ・ｓ以下であることが特に好ましい。
【００２０】
かかる溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を、溶融状態で導電性粉粒体に接触せしめることにより、燃料電池用セパレータ中に、導電性粉粒体を高濃度に均一にかつ緊密に分散させることができる。ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）の溶融粘度が３００℃℃３０Ｐａ．ｓを越えると、ポリアリーレンスルフィド樹脂の導電性粉粒体表面への濡れが不十分となり、ボイドが発生するなどによりセパレータのガスシール性や機械的性質の低下を招くことになる。またこの場合でも強い剪断力で長時間、両者を混合すれば導電性粉粒体の表面への濡れを良好にすることはできるが、強い剪断力のため、却って導電性粉粒体の破砕を伴い、成形時の溶融物の流動性が悪化し、かつセパレータの導電性の低下をもたらすことになる。
【００２１】
かかるポリアリーレンスルフィド樹脂は、（−Ａｒ−Ｓ−）（Ａｒはアリーレン基である）で表される構造単位を含む重合体である。アリーレン基は、例えばＰ−フェニレン基、ｍ−フェニレン基、ｏ−フェニレン基、２，６−ナフタレン基、４，４’−ビフェニレン基などが挙げられ、かかるアリーレン基はアルキル基、ニトロ基、フェニル基、カルボキシル基、カルボン酸の金属塩基、アルコキシ基、アミノ基等の置換基を有していてもよい。さらに、前記重合体には、例えばカルボニル結合、オキシエーテル結合、スルフォン結合、ビフェニル結合、メチレン結合、イソプロピリデン結合等の結合、更には３官能の結合を含むことができる。またこのポリアリーレンスルフィド樹脂は、単独重合体であっても、ランダム共重合体であってもよく、また線状でも、分岐状であってもよい。
【００２２】
これらのポリアリーレンスルフィド樹脂としては、例えばポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンスルフィドケトン、ポリフェニレンスルフィドスルフォン、ポリフェニレンスルフィドケトンスルフォンなどが挙げられるが、特にポリフェニレンスルフィド及びその共重合体が好ましい。かかる共重合体は、ポリフェニレンスルフィド単位が７０モル％以上であるものが好ましい。
【００２３】
またポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）は、３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するものであれば、酸化性物質又は熱で一部が分岐した架橋構造を有するものであってもよい。ポリフェニレンスルフィド樹脂の重量平均分子量は溶融粘度の低いものが得られる点で、３万以下であるものが好ましい。
【００２４】
また本発明の燃料電池用セパレータは、溶融混合物中の前記ポリアリーレンスルフィド樹脂を架橋度１．３以上に高めたもので構成されるものである。このうち、１．５以上高めたものが好ましい。架橋度の高め方が１．３未満では、燃料電池用セパレータの機械的性質の向上が少なく好ましくない。
架橋は、燃料電池用セパレータを成形する前に行っても成形した後に行ってもどちらでも構わない。成形後に架橋するとソリや収縮により寸法精度の低下を伴い、工程にも不利なので、成形前にポリアリーレンスルフィド樹脂を架橋することが好ましい。
ここで、ポリアリーレンスルフィド樹脂の架橋度とは、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）のメルトフロー値を架橋した後のポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）のメルトフロー値で割った値を意味する。
【００２５】
メルトフロー値は、前記組成物をポリアリーレンスルフィド樹脂の溶剤（１−クロロナフタレン）で溶解し、固形分の導電性粉粒体を除去した後、次式の溶液粘度から計算される。
［η］＝３．３  Ｘ  １０−５  Ｘ  １／ＭＦ
（ここで、［η］は溶液粘度、ＭＦはメルトフロー値であり、ＡＳＴＭ  Ｄ−１２３８に準拠した３１５℃、５ＫＧ加重下でのｇ／１０分の値である）
【００２６】
前記導電性粉粒体（Ａ）と前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）との重量割合は、９５／５〜５０／５０の範囲であることが好ましい。導電性粉粒体（Ａ）の量が該範囲より多いと、セパレータの機械的性質が低下し、ガス透過性が増加し、他方該範囲より少ないと導電性が低下する。
【００２７】
本発明の燃料電池用セパレータの電気抵抗は２００ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。電気抵抗が２００ｍΩ・ｃｍを超える場合は導電性能に劣り燃料電池に好ましくない。
【００２８】
更に、燃料電池用セパレータは厚いほどガスシール性の点で有利となるが、一方、電池の小型化からは、薄肉のものが要求される。本発明で得られるセパレータの厚さは０．０２〜５．０ｍｍであり、０．１〜３．０ｍｍの範囲が好ましい。
【００２９】
本発明の燃料電池用セパレータは、薄肉で、ガスシール性に優れるものである。具体的にはガス透過率が１０−３ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ以下なる範囲が好ましい。
本発明の燃料電池用セパレータの形状は、特に制限はなく、例えば図１に示すような、ガス又は液体の供給路を両面に有する形状のものが挙げられる。
【００３０】
また、本発明の燃料電池用セパレータは、具体的には、ヒドラジン型、直接メタノール型、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等、種々の形式の燃料電池用セパレータとして使用できる。
【００３１】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、導電性粉粒体（Ａ）と３００℃で３０Ｐａ．ｓ以下の溶融粘度を有するポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）とを溶融混合し、成形材料を得る工程（１）、前記成形材料を加熱し、前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（ｂ）を架橋し、導電性粉粒体（Ａ）と架橋度が１．３以上に高められたポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）と含む成形材料を得る工程（２）及び前記導電性粉粒体（Ａ）と前記ポリアリーレンスルフィド樹脂（Ｂ）とを含む成形材料を成形する工程（３）を経るものである。
【００３２】
工程（１）の溶融混合の方法は、導電性粉粒体が破砕せず、かつポリアリーレンスルフィド樹脂が導電性粉粒体の表面に緊密に接触しうるものである限り、特に制限はない。例えば導電性粉粒体とポリアリーレンスルフィド樹脂とを、ポリアリーレンスルフィド樹脂の溶融温度以上に加熱し混合せしめる方法が挙げられる。かかる混合装置としては、乾式、気流式（流動層式）、スプレー法あるいは混練式の混合装置が挙げられ、具体的にはヘンシェルミキサー、Ｖ型ミキサー等の各種ミキサー類、回転・ロール式、気流式等の各種ミル類、一軸又は２軸押し出し機、ロータリ押し出し機、せん断ロール押し出し機等を挙げることができる。かかる混合装置を用いて溶融混合物をシート状に押し出すことによりシート状の成形材料を得たり、あるいは溶融混合物を粉粒化し、粉粒状の成形材料を得ることができる。
【００３３】
また前記工程（２）において加熱することにより、前記成形材料中のポリアリーレンスルフィド樹脂の架橋度を高めるものである。燃料電池用セパレータの機械的性質やガスシール性を高めるためには、かかるポリアリーレンスルフィド樹脂の架橋度は１．３以上であることが必要である。
【００３４】
加熱の方法は、例えば酸素、空気、オゾン等、更には過酸化水素、有機過酸化物等の酸化性物質の存在下で行うことができる。
酸化性物質が気体の場合は、この気体に前記溶融混合物を接触せしめる方法で行うことができる。具体的には、例えば２００℃〜４００℃の雰囲気温度で、１０秒〜１００時間接触せしめる方法が挙げられる。また酸化性物質が液状あるいは固体状の場合は、例えばポリアリーレンスルフィド樹脂を溶融状態で導電性粉粒体に接触せしめるときに、酸化性物質を均一分散せしめた後、５０〜４００℃の範囲に保持する方法が挙げられる。また酸化性物質を添加しない場合は、減圧下もしくは不活性物質の雰囲気下で、２５０℃〜４００℃の範囲に保持して行う方法が挙げられるが、酸化性物質を使用する場合に比較し、長時間保持することを必要とする。
【００３５】
次ぎに前記工程（３）において前記の成形材料を成形する方法としては、特に制限されるものではなく、例えば従来からのバッチ式あるいは連続式のプレス成形法が挙げられる。
具体的には、例えば成形材料がシート状である場合、まずかかるシート状成形材料をポリアリーレンスルフィド樹脂の溶融温度前後の温度に加熱、加圧して、該ポリアリーレンスルフィド樹脂が架橋し、次いで金型を用いて該シート状成形材料を目的とするセパレータ形状に賦形する、いわゆるスタンピング成形法が挙げられる。また成形材料が粉粒状である場合は、金型を用いて直接該粉粒状成形材料をポリアリーレンスルフィド樹脂の溶融温度以上に加熱、加圧し賦形する方法が挙げられる。
これらの方法のうち、特に、前者のスタンピング成形法は、加熱されたシート状成形材料をポリアリーレンスルフィド樹脂が溶融あるいは軟化状態で次工程に供給し、金型内でシート形状物を賦型しながら冷却することになり、成形サイクルが大幅に短縮され、生産性が高くなるので好ましい。
【００３６】
本発明に使用する溶融混合物には、導電性粉粒体（Ａ）及び前記ポリアリーレンスルフィド樹脂以外に、各種の添加物を含むことができる。かかる添加物としては、例えば、有機シラン、チタネート、ジルコネート、ジルコアルミネート、アルミニムキレート化合物等のカップリング剤などの表面処理剤、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物又は炭酸塩などの腐食防止剤、滑剤、着色剤、結晶核剤、シリコンオイル、ポリアリーレンスルフィド樹脂以外の樹脂などが挙げられる。
【００３７】
ポリアリーレンスルフィド樹脂以外の樹脂とは、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド６，ポリアミド６６、ポリアミド１１、ポリアミド１２，ポリアミド４６，変性ポリアミド６Ｔ、ポリアミド９Ｔ、ポリアミドＭＸＤ６、ポリフタルアミドなどのポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンテレフタレート、ポリチオエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルニトリル、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリイミド、各種液晶ポリマー類、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオライドなどのフッ素樹脂及びその共重合体、全芳香族ポリエステル、半芳香族ポリエステル、フェノキシ樹脂、ポリ乳酸、水添スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレンゴム、ポイソプレン、ポリイソブチレン、ポリブテン、ポリエステル・ポリエステルエラストマー、ポリエステル・ポリエーテルエラストー、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート（ＤＡＰ）樹脂、ビニルエステル樹脂などの各種の熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂が挙げられる。
【００３８】
更に、本発明では、本発明の目的を逸脱しない範囲で、導電性粉粒体と共に導電性繊維を使用することができる。導電性繊維としては、特に制限されるものではないが、ステンレスなどの各種金属繊維、アクリル繊維を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、石炭や石油ピッチ、もしくはナフタレン系ピッチを原料とするピッチ系炭素繊維、フェノール樹脂を原料とする炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、気相成長法炭素繊維などの各種炭素繊維、ポリアセチレン、ポリフェニレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリアセンなどの各種導電性高分子の繊維、無機または有機繊維に金属を蒸着またはメッキした繊維などが挙げられる。これらの導電性繊維を、単独で、もしくは併用して用いることができる。これらのなかでも特に耐食性の点から炭素繊維が好ましく、なかでも導電性に優れる点からピッチ系炭素繊維が好ましい。
【００３９】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、導電性粉粒体の粒子の好ましくない破砕を起こさず、ポリアリーレンスルフィド樹脂マトリックスに緊密かつ高密度に均一分散させることができるので、導電性粉粒体同士の接触点を充分確保すると共に、熱可塑性樹脂の連続層を形成することが可能となる。従って、導電性、機械的性質及びガスシール性の良好な燃料電池用セパレータが得られる。
【００４０】
本発明の燃料電池は、上記で得られる燃料電池用セパレータは、電解質が電極で挟持され、更にその外側に、前記セパレータが配設された基本構成単位である単セルのみから構成されるものでもよいし、この単セルを複数積層してなるものである。
【００４１】
ここで、燃料電池は、燃料を改質して得られた水素を主燃料として、この水素が酸素と反応した時の化学エネルギーを電力として取り出す発電方式を利用するものであり、本発明における燃料電池は、この発電を生ぜしめる単セルを単一あるいは直列に複数重ねたスタック構造とし、スタックの両端に設けた集電板で集電することにより形成されるものである。
【００４２】
固体高分子型燃料電池セルの構造の一例を図２に示す。燃料電池の基本構成単位である単セル２は固体高分子電解質膜３、燃料極４、酸化剤極５からなる電解質膜電極接合体６の両面をセパレータ１で挟んだ構造を持つ。セパレータの表面に形成された流路７は燃料や酸化剤を電極に安定的に供給するのに好適である。また、酸化剤極５側に設置したセパレータの酸化剤極５の反対面に熱媒として、水を導入することにより燃料電池から熱を取り出すことができる。このように構成された単セル２を複数、直列に積層したセルスタック（燃料電池スタック）の一例を図３に示す。
【００４３】
以上詳述した本発明の燃料電池は、衝撃に対して強くかつ小型化が可能であるため、例えば電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等の他、人工衛星、飛行機、宇宙船等各種の移動体用電源として使用できる。
【００４４】
【実施例】
以下、本発明を実施例で説明する。
実施例中の通気性試験、導電性評価試験、曲げ試験は以下の通りにして行った。
【００４５】
［通気性試験］後記実施例で得られた平板状成形品から幅１ｃｍ、厚み４ｍｍ、長さ２０ｃｍの試験片を切り出し、この試験片について、ＪＩＳ  Ｋ−７１２６に準拠してガス透過率を測定した。
【００４６】
［導電性評価試験］  上記試験片について、ＪＩＳ  Ｃ−２５２５に準拠して体積抵抗率を測定した。
【００４７】
［曲げ試験］後記実施例で得られた平板状成形品をそのまま試験片とし、ＪＩＳＫ−６９１１に準拠して曲げ強さを測定した。
【００４８】
実施例１
導電性粉粒体として人造黒鉛（重量平均粒子径３００μｍ）を８０重量部、ポリフェニレンスルフィド樹脂（３００℃での溶融粘度が１０Ｐａ・ｓ）２０重量部を、２軸押出機中で３２０℃、滞留時間３分で溶融混合し、板状の３ｍｍ強の厚さのシートを押出加工した。該押出加工中のポリフェニレンスルフィド樹脂の架橋度の増加は殆どなかった。該シートを空気中、２６０℃で６時間、更に２７５℃で２時間加熱することで、架橋度が１２のポリフェニレンスルフィド樹脂と導電性粉粒体からなるシートを得た。該シートをセパレータ形状に合わせた所定の寸法に裁断した後、裁断物を加熱炉中で３２０℃に加熱し、直ちにセパレータ形状及び平板状のキャビティを有する、１５０℃に加熱した金型に供給した。次いで、プレス成形機にて６０ＭＰａで加圧することにより賦形し冷却固化させ、幅２０ｃｍ、厚み３ｍｍ、長さ２０ｃｍのセパレータ成形品及び平板状成形品を得た。成形サイクルは３５秒であった。該平板状成形品のガス透過率は１０−５ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ、体積抵抗率は５ｍΩ・ｃｍ、曲げ強さは８０ＭＰａであった。
【００４９】
実施例２
実施例１で用いたのと同じ人造黒鉛とポリフェニレンスルフィド樹脂を、それぞれ８５重量部、１５重量部混合し、２軸押出機中で同様にして溶融混合した押出物を、２００℃以下に冷却しつつ約２ｍｍ大に粒状化した。該粒状化物を空気中、２６０℃で４時間、加熱することで、架橋度が８．０のポリフェニレンスルフィド樹脂と導電性粉粒体からなる粒状物を得た。該粒状化物を３２０℃、５ＭＰａの加圧下でロールプレスし、厚さ３ｍｍのシートを得た。該シートを３２０℃に加熱し、直ちにセパレータ形状及び平板状のキャビティを有する、１５０℃に加熱した金型に供給した。次いで、プレス成形機にて７０ＭＰａで加圧することにより賦形し冷却固化させ、幅２０ｃｍ、厚み３ｍｍ、長さ２０ｃｍのセパレータ成形品及び平板状成形品を得た。成形サイクルは３５秒であった。該平板状成形品のガス透過率は１０−５ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ、体積抵抗率は３ｍΩ・ｃｍ、曲げ強さは７０ＭＰａであった。
【００５０】
実施例３
実施例１で用いた２軸押出機で得られたシートを３５０℃で１時間、空気中で加熱処理し、架橋度が２．０のポリアリーレンスルフィド樹脂と導電性材料粉粒体からなるシートを得た。更に実施例１と同様にしてセパレータ及び平板状成形品を作製した。該平板状成形品のガス透過率は１０−５ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ、、体積抵抗率は５．０ｍΩ・ｃｍ、曲げ強さは５５ＭＰａであった。
【００５１】
比較例１
実施例３に於いて、加熱処理しないシートからなる、架橋度が１．０のポリアリーレンスルフィド樹脂と導電性粉粒体からなる組成物を用いて、同様に成形を行い、性能を測定した。平板状成形品のガス透過率は１０−５ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ、、体積抵抗率は５．０ｍΩ・ｃｍ、曲げ強さは３０ＭＰａであった。
【００５２】
比較例２
比較例１のポリフェニレンスルフィド樹脂を３００℃での溶融粘度が２００Ｐａ・ｓのリニア型ポリマーとする以外は比較例１と同様にして行い、加熱処理しないシートからなる、架橋度が１．０のポリアリーレンスルフィド樹脂と導電性粉粒体からなる組成物を用いて、同様に成形を行い、性能を測定した。平板状成形品のガス透過率は１０−４ｃｍ３／ｓｅｃ・ｃｍ２・ａｔｍ、体積抵抗率は２５．０ｍΩ・ｃｍ、曲げ強さは３０ＭＰａであった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスシール性と導電性とに優れると共に、従来になく薄肉化が可能でかつ可撓性に優れる燃料電池用セパレータを高い生産性で経済的に製造でき、さらにこのセパレータを用いてなる燃料電池を提供できる。
【００５４】
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係わる、燃料電池用セパレータを示す斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係わる、燃料電池セル構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係わる、燃料電池スタック構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
１  ・・・・・セパレータ
２  ・・・・・単セル
３  ・・・・・固体高分子電解質膜
４  ・・・・・燃料極
５  ・・・・・酸化剤極
６  ・・・・・電解質膜電極接合体
７  ・・・・・流路
【図１】
2005005094.tif 000002
【図２】
2005005094.tif 000003
【図３】
2005005094.tif 000004