(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる燃料電池セパレータであって、前記導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比３０／７０〜７０／３０の割合で含み、厚みが０．５〜１０μｍの範囲であり、かつ、下記（１）及び（２）を満たすことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（１） ＪＩＳ Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度が５Ｂ以上
（２） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の動摩擦係数が０．２以下
【請求項２】
金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる燃料電池セパレータであって、前記導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比３０／７０〜７０／３０の割合で含み、厚みが０．５〜１０μｍの範囲であり、かつ、下記（１）及び（３）を満たすことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（１） ＪＩＳ Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度が５Ｂ以上
（３） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の静摩擦係数が０．３以下
【請求項３】
金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる燃料電池セパレータであって、前記導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比３０／７０〜７０／３０の割合で含み、厚みが０．５〜１０μｍの範囲であり、かつ、下記（１）〜（３）のすべてを満たすことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
（１） ＪＩＳ Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度が５Ｂ以上
（２） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の動摩擦係数が０．２以下
（３） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の静摩擦係数が０．３以下
【請求項４】
前記バインダー樹脂がフッ素系樹脂である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記導電性セラミックスが金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、及び金属珪化物からなる群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記金属基板がステンレス鋼、チタン若しくはその合金、アルミニウム若しくはその合金、銅若しくはその合金、ニッケル若しくはその合金、及び鋼からなる群より選ばれる少なくとも１種である請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用構造体に関わり、詳しくは単セルを複数積層して構成される燃料電池において、隣接する単セル間に設けられ、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成すると共に燃料ガスと酸化ガスとを隔てるセパレータを構成する導電樹脂被覆体であって、特にセパレータの耐摩耗性に優れ、耐食性、導電性に優れた燃料電池用セパレータ、及び該セパレータを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車用燃料電池の開発が、固体高分子材料を用いた固体高分子型燃料電池の開発成功を契機に急速に進展し始めている。固体高分子型燃料電池は、従来のアルカリ型燃料電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池などとは異なり、水素イオン選択透過型の有機物膜を電解質として用いることを特徴とする燃料電池である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、使用する燃料として純水素ガスやアルコール類の改質によって得た水素ガスなどを用い、空気中の酸素との反応を電気化学的に制御することによって、電力を取り出すシステムである。この電池に用いる固体高分子膜は、薄くても電解質が膜中に固定されていることから、電池内の露点を制御すれば電解質として機能するため、水溶液系電解質や溶融塩系電解質など流動性のある媒体を使う必要がなく、電池自体をコンパクトに単純化して設計できることが大きな特徴の一つとされている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池の基本的なユニット構成は、電解質となる固体高分子膜の両面に炭素微粒子と貴金属超微粒子からなる触媒電極部、そこで発生する電力を電流として取り出すと同時に触媒電極部へ反応ガスを供給する機能を持ったガス拡散電極（フェルト状炭素繊維集合体（通常「カーボンペーパー」という）、そこからの電流を受けると共に酸素主体及び水素主体の２種の反応ガスや冷却媒体を分離するセパレータなどが積層されることにより構成される。
【０００５】
このような固体高分子型燃料電池では、高温で作動するアルカリ型燃料電池や燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池に比較して、作動温度が余り高くないこと（１５０℃以下で稼動できる）、及びその環境下で耐食性・耐久性を十分発揮させることが可能であること、軽量化やコンパクト化が図り易い等の理由から、電池の部品を構成するセパレータの材料としてカーボン等の炭素系材料が使用されているが、さらに低価格化の要求、強度面から金属基板を用いた金属製セパレータの使用が検討されている。
【０００６】
上記の炭素系材料からなるセパレータは、自動車への搭載を考慮した場合、加工に手間がかかるためコストが高い、電池の容積が大きくなるという問題点があり、この分野でも金属製セパレータの適用が検討され始めている。金属製セパレータにおいては、隣接して接することとなるガス拡散電極との接触抵抗が大きいため、燃料電池としてのエネルギー効率を大幅に低下させることが問題となっている。
【０００７】
このような問題を解決するために、使用される素材間の接触抵抗を検討し、固体高分子型燃料電池のエネルギー変換効率を最大限に発揮させるための固体高分子型燃料電池部材用の接触抵抗が低い材料も検討されつつある。このような例として、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）をプレス成形することにより内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成し、膨出先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メッキ層を形成させた燃料電池セパレータが開示されている（例えば特許文献１参照）。
【０００８】
また、他の部分に接触し接触抵抗を生ずる部分に貴金属又は貴金属の合金を付着させていることを特徴とする固体高分子型燃料電池用の低接触抵抗ステンレス鋼、チタン、及びセパレータなどが開示されている（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
これらは、いずれも接触抵抗を低下させるために高コストの貴金属（金や白金、パラジウムなど）を用いているため、さらにコスト低下や希少資源の節約の観点から、貴金属を使わないで接触抵抗を下げる方法が望まれている。
【００１０】
貴金属を使わないで接触抵抗を下げる方法として、ステンレス鋼製セパレータと、それに接触する炭素材料との間に、厚み０．１〜２００μｍの窒化チタン層を設けて、ステンレス鋼製セパレータとガス拡散電極材の界面の接触抵抗を低減させる方法が開示されている（例えば特許文献３参照）。
【００１１】
しかしながらこの方法では、接触抵抗の低減に限界があり、又窒化チタン層内にピンホールが発生し、金属基板から金属イオンが溶出し易いという問題があった。
【００１２】
さらには、金属基板表面に黒鉛又は非晶質炭素材料を含む撥水性樹脂を含む、撥水性導電層を形成した燃料電池セパレータが提案されている。（例えば特許文献４参照）
【００１３】
しかしながら、この方法では、導電剤に黒鉛や非晶質炭素材料を使用しているため、耐食性には優れるが、金属基板と導電層との接触抵抗が大きくなり易いので、結果的に樹脂中に多くの黒鉛や非晶質炭素材料を添加する必要があり、金属基板と導電層の接着性に劣るばかりでなく、導電層が脆く、摩耗しやすいという問題がある。
【特許文献１】特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献２】特開２００１−６７１３号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１８６１号公報
【特許文献４】特開２００２−２１６７８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、燃料電池本体をコンパクト化でき、貴金属を使用しなくても十分な耐食性を発揮しつつ、セパレータとガス拡散電極との接触抵抗値を低下させることができ、耐摩耗性、長期耐久性に優れる燃料電池用セパレータ、及び該セパレータを用いた燃料電池を提供することをその課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを用いて鋭意検討した結果、上述の課題を解決できる燃料電池用セパレータ及び燃料電池を完成するに至った。
すなわち、本発明の課題を解決する手段は、金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる燃料電池セパレータであって、前記導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比３０／７０〜７０／３０の割合で含み、厚みが０．５〜１０μｍの範囲であり、かつ、下記（１）及び（２）、（１）及び（３）、又は（１）〜（３）のすべてを満たすことを特徴とする燃料電池用セパレータ、及び該セパレータを用いた燃料電池である。
（１） ＪＩＳ Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度が５Ｂ以上
（２） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の動摩擦係数が０．２以下
（３） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の静摩擦係数が０．３以下
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、上述のとおり、金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる燃料電池セパレータであって、前記導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比３０／７０〜７０／３０の割合で含み、厚みが０．５〜１０μｍの範囲であり、かつ、下記（１）及び（２）、（１）及び（３）、又は（１）〜（３）のすべてを満たすことを特徴とする。
（１） ＪＩＳ Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度が５Ｂ以上
（２） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の動摩擦係数が０．２以下
（３） ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される前記導電性樹脂層の静摩擦係数が０．３以下
そのため、本発明によれば、耐食性、長期耐久性に優れた燃料電池用セパレータを提供できる。また、本発明において、ＪＩＳ Ｋ７１２５に従って測定される導電樹脂層の静摩擦係数が０．２以下、及び／又は動摩擦係数が０．３以下である場合には、優れた耐摩耗性、長期耐久性を有する燃料電池用セパレータを提供できる。また、本発明はバインダー樹脂としてフッ素系樹脂を用いた場合には、特に優れた耐熱性、耐食性、及び撥水性を有する燃料電池セパレータを提供できる。また、本発明は導電性セラミックスとして金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、及び金属珪化物からなる群から選ばれる少なくとも１種を用いた場合には、金属セパレータとガス拡散電極との接触抵抗を軽減した燃料電池用セパレータを提供できる。また、本発明は金属基板としてステンレス鋼、チタン若しくはその合金、アルミニウム若しくはその合金、銅若しくはその合金、ニッケル若しくはその合金、及び鋼からなる群より選ばれる１種を用いた場合には、さらに成形性に優れた燃料電池セパレータを提供できる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池用セパレータを用いれば、全体としてコンパクトであり、長時間運転が可能で、かつエネルギー効率を大幅に向上させた燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池用セパレータ及び該セパレータを用いた燃料電池（以下、それぞれ「本発明のセパレータ」「本発明の燃料電池」ともいう。）を詳しく説明する。
【００１９】
なお、本発明において、「金属基板の少なくとも片面」には、金属基板の片面はもちろん、金属基板の両面も含まれる。また、「少なくとも１層の導電性樹脂層を被覆してなる」には、１層はもちろん、２層以上導電性樹脂層を被覆してなる場合も含まれる。
【００２０】
［燃料電池用セパレータ］
本発明のセパレータは、金属基板の少なくとも片面に少なくとも１層の導電性樹脂層を有している。この導電性樹脂層は導電性セラミックス粉末とバインダー樹脂を含んでなる。
【００２１】
＜バインダー樹脂＞
導電性樹脂層を構成するバインダー樹脂としては、様々なバインダー樹脂が挙げられるが、中でもフッ素系樹脂が好ましい。フッ素系樹脂としては、具体的には、ＴＨＶ（フッ化ビニリデン−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）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（フッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（フッ化ビニル樹脂）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体）、パーフロ環状重合体等が挙げられる。
【００２２】
上記例示したフッ素系樹脂の中では、耐熱性に優れ、耐食性と撥水性とを有するＴＨＶ（フッ化ビニリデン−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）、ＦＥＰ（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）、ＰＶＤＦ（フッ化ビニリデン）、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（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）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）が好ましい。
【００２３】
また上記フッ素系樹脂には、金属基板との接着性を向上させる目的で、本発明の効果を阻害しない範囲において、他の樹脂を添加してもよい。添加可能な樹脂としては、例えば、フェノール樹、エポキシ樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリエーテルサルホンなどが挙げられる。前記ポリイミド系樹脂としては、縮合型の全芳香族ポリイミド、付加型のビスマレイミド系ポリイミド、やポリアミドイミド、ポリエーテルイミドなどの熱可塑性ポリイミド等が挙げられる。
【００２４】
＜導電性セラミックス＞
本発明のセパレータにおいて、上記バインダー樹脂と共に使用可能な導電性セラミックスは、体積抵抗値が１０−２Ω・ｃｍ未満の金属化合物であり、例えば、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、金属珪化物、金属酸化物などが該当する。それらの中でも、耐食性に優れ、体積抵抗値の小さい、金属炭化物、金属窒化物、金属炭窒化物、金属ホウ化物、及び金属珪化物からなる群より選ばれた少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００２５】
上記金属炭化物としては、例えば、炭化タングステン、炭化ケイ素、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ニオブ、炭化ジルコニウム、炭化モリブデン、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化ホウ素等が挙げられる。
【００２６】
上記金属窒化物としては、例えば、窒化クロム、窒化アルミニウム、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ガリウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム、窒化スカンジウム、窒化ランタン、窒化珪素及び窒化ホウ素等が挙げられる。
【００２７】
上記金属炭窒化物としては、例えば、炭窒化チタン、炭窒化ジルコニウム等が挙げられる。
【００２８】
上記金属ホウ化物としては、例えば、ホウ化チタン、ホウ化ジルコニウム、ホウ化ハフニウム、ホウ化バナジウム、ホウ化ニオブ、ホウ化タンタル、ホウ化クロム、ホウ化モリブデン、ホウ化タングステン、及びホウ化ランタンが挙げられる。
【００２９】
上記金属珪化物としては、例えば、珪化チタン、珪化ジルコニウム、珪化ハフニウム、珪化ニオブ、珪化タンタル、珪化クロム、珪化モリブデン、珪化バナジウム、珪化ランタン、珪化マンガン、珪化コバルト、珪化ニッケル、珪化銅及び珪化タングステンが挙げられる。
【００３０】
上記導電性セラミックスの中では、耐食性に優れ、比較的比重の小さい、炭化チタン粉末、炭化ニオブ粉末、炭化バナジウム粉末を使用することが好ましい。
【００３１】
導電性セラミックスの粒径は、平均粒径が０．１μｍ以上、好ましくは０．２μｍ以上であり、かつ５．０μｍ以下、好ましくは４．０μｍ以下、さらに好ましくは３．０μｍ以下の範囲であることが望ましい。平均粒径が０．１μｍ以上であれば、粒径が小さ過ぎて取り扱いにくいという問題が発生しない。一方、平均粒径が５．０μｍ以下であれば、導電性樹脂層から導電性セラミックス粒子が欠落しにくく、導電パスも形成しやすいため、高導電性が発現しやすい。
【００３２】
なお、上記導電性セラミックスの平均粒径は、顕微鏡法、光散乱法、ふるい分け法、液相沈降法、慣性衝突法を用いて測定されるが、測定精度や簡便性などを考慮すると、光散乱法を用いて測定することが好ましい。
【００３３】
導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを質量比で３０／７０〜７０／３０の割合で、好ましくは３５／６５〜７０／３０の割合で、さらに好ましくは４０／６０〜６５／３５の割合で含む。バインダー樹脂の含有量が全質量の３０質量％以上であれば、セパレータの耐摩耗性の低下に起因したキズの発生が抑えられ、セパレータ基材を腐食し難くさせ、また導電性樹脂層が金属基板から欠落するのを抑えられる。また、バインダー樹脂の含有量が全質量の７０質量％以下であれば、導電成分の比率の低下による金属基板とガス拡散電極材との接触抵抗の増大を抑えられる。
【００３４】
導電性樹脂層は、導電性セラミックスとバインダー樹脂とを上記質量比となるように、水又は有機溶媒中に分散又は溶解した塗料組成物を調製し、該塗料組成物を金属基板に塗布することにより形成できる。使用する有機溶媒としては、例えばメチルエチルケトン、ＴＨＦ、シクロヘキサン、Ｎ−メチルピロリドン、ジメチルホルムアミド等が挙げられる。
【００３５】
上記塗料組成物は、２５℃における粘度が５０〜２５０ｍＰａ・Ｓの範囲、より好ましくは１００〜２５０ｍＰａ・Ｓの範囲であることが好ましい。粘度が前記下限値以上であれば、塗布時に塗料が流れることもなく、下記の適切な厚みの導電樹脂層を付設できる。また、粘度が前記上限値以下であれば、導電性樹脂層の厚みを精度よく付設できる。
【００３６】
導電性樹脂層の厚みは、０．５μｍ以上、好ましくは２．０μｍ以上、さらに好ましくは３．０μｍ以上であり、かつ１０μｍ以下、好ましくは９．０μｍ以下、さらに好ましくは８．０μｍ以下であることが望ましい。導電性樹脂層の厚みが０．５μｍ以上であれば、金属基板への防食効果を充分に発現でき、金属基板が腐食するのを抑えることができ、また厚みが１０μｍ以下であれば、燃料電池自体の容積が大きくなりすぎることもない。
【００３７】
導電性樹脂層のＪＩＳ  Ｋ５４００に従って測定される鉛筆硬度は、５Ｂ以上であり、好ましくは４Ｂ以上であり、さらに好ましくは３Ｂ以上である。鉛筆硬度が５Ｂ以上であれば、耐摩耗性があり、燃料電池セパレータをプレス成形したり、スタックに組み上げたりする際にキズが入りにくく、セパレータ基材の腐食を防止できる。
一方、本発明に係る導電性樹脂層の鉛筆硬度としての上限は特に定まるものでは無いが、燃料電池を自動車や携帯用機器に用いた場合に発生する振動等による他の部材との摩擦を考慮すると６Ｈ以下であることが望ましい。
【００３８】
ＪＩＳ  Ｋ７１２５に従って測定される導電性樹脂層の摩擦係数は、耐摩耗性の観点と、燃料電池セパレータをプレス成形したり、スタックに組み上げたりする際にキズが入りにくく、またセパレータ基板の腐食を防止できる等の観点からできるだけ低い方が好ましい。具体的には、動摩擦係数は０．２以下、好ましくは０．１８以下、さらに好ましくは０．１５以下であり、下限は０．０１以上であることが望ましい。また、静摩擦係数は、０．３以下、好ましくは０．２５以下、さらに好ましくは０．２０以下であり、下限は０．０５以上であることが望ましい。
【００３９】
前記フッ素系樹脂中には、金属基板との接着性をさらに向上させる目的で、シラン系カップリング剤やチタン系カップリング剤、アルミネート系カップリング剤を適宜添加してもよい。
【００４０】
＜金属基板＞
本発明のセパレータを構成する金属基板は、各種の金属からなる基板を用いることができる。例えば、ステンレス鋼、チタン若しくはその合金、アルミニウム若しくはその合金、銅若しくはその合金、ニッケル若しくはその合金、及び鋼からなる群より選ばれる少なくとも１種の金属を好適に使用できる。中でも、耐食性と成形性とに優れる、ステンレス鋼、チタン及びその合金が好ましい。
【００４１】
金属基板の厚みは、燃料電池全体をコンパクトにする観点からは０．０５ｍｍ以上、好ましくは０．０８ｍｍ以上であり、かつ３．０ｍｍ以下、好ましくは２．０ｍｍ以下の範囲であることが望ましい。  
【００４２】
本発明のセパレータの形状は特に限定されるものではないが、例えば、凹部と凸部とが復次的に成形された溝形状はガス流路の表面積を大きするのに寄与できる観点から好ましい。前記の凹凸の溝形状としては、例えばｍ幅０．５〜２．０ｍｍ、深さ０．２〜０．８ｍｍ、ピッチ１．０〜４．０ｍｍで両面に加工された形状が挙げられる。
【００４３】
＜接触抵抗＞
燃料電池用セパレータとガス拡散電極材（例えば材質カーボンペーパー）との接触抵抗は、発電効率の観点から５０ｍΩｃｍ２以下であることが好ましく、３０ｍΩｃｍ２以下であることがより好ましく、２０ｍΩｃｍ２以下であることがさらに好ましく、下限は１ｍΩｃｍ２以上が好ましく、３ｍΩｃｍ２以上がさらに好ましい。
【００４４】
＜溶出試験＞
金属イオンの溶出量は、環境安全性の観点から、土壌汚染の溶出基準である、２４ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）以下であり、好ましくは１．５ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）以下であり、０．３ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）以下であることが望ましい。
【００４５】
＜セパレータの製造方法＞
本発明のセパレータは、金属基板の少なくとも片面に導電性セラミックスとバインダー樹脂とを含む塗布液を塗布し、導電性樹脂層を形成させる。塗布液は導電性セラミックスとバインダー樹脂とを３０／７０〜７０／３０で含むように水や有機溶媒で分散又は溶解した塗料を用いることができる。
【００４６】
上記の塗布液を金属基板上に塗装する方法としては、特に限定されないが、スプレーコート、カーテンフローコート、浸漬法、エアドクタコータ、ブレードコータ、ロッドコータ、ナイフコータ、スクイズコータ、含浸コータ、リバースロールコータ、トランファロールコータ、キスロールコータ、キャストコータ、ホワードロールコータなどの各種コーティング法が適用できる。中でも均一な厚さで塗装でき、量産性に優れる、リバースロールコータ法が好ましい。塗布後は、オーブンなどを用いて０．５〜３０分間程度乾燥、焼き付けさせることが好ましい。
【００４７】
［燃料電池］
一般に燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等に分類できる。本発明のセパレータは、そのうちの固体高分子電解質型燃料電池用のセパレータとして用いることができる。固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する高分子樹脂膜を使用して、高分子樹脂膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池であり、本発明のセパレータを用いた燃料電池は、セパレータが耐摩耗性、耐食性導電性に優れているため、比較的低温で作動し、発電効率も高く、電気自動車搭載用を始めとする各種の用途での使用が見込める。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
［評価方法］
＜燃料電池用セパレータとガス拡散電極材との接触抵抗の測定＞
得られた燃料電池用セパレータとガス拡散電極材との接触抵抗の評価は以下のようにして行った。
１．    測定装置
抵抗計：「ＹＭＲ−３型」（（株）山崎精機研究所社製）
負荷装置：「ＹＳＲ−８型」（（株）山崎精機研究所社製）
電極：真鍮製平板２枚（面積１平方インチ、鏡面仕上げ）
２．    測定条件
方法：４端子法
印加電流：１０ｍＡ（交流、２８７Ｈｚ）
開放端子電圧：２０ｍＶピーク以下
見かけの面圧：１８×１０５Ｐａ
カーボンペーパー：東レ社製「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」（厚み０．２８ｍｍ）
３．測定方法
得られたセパレータを、カーボンペーパーを介して両側から真鍮製電極で挟み、所定の荷重を加えながら、４端子法にて所定の電流印加時の電圧を測定して以下の計算式にて接触抵抗値を求めた。
接触抵抗値（ｍΩｃｍ２）＝抵抗測定値（ｍΩ）×電極面積（ｃｍ２）
【００４９】
＜導電性樹脂層の鉛筆硬度＞
金属基板上に導電性樹脂層を形成した燃料電池用セパレータを作製し、ＪＩＳ  Ｋ５４００に準じて、導電性樹脂層の鉛筆硬度を、鉛筆硬さ試験機（ＴＯＹＯＳＥＩＫＩ製）を用いて測定した。
【００５０】
＜導電性樹脂層の静摩擦係数及び動摩擦係数＞
金属基板上に導電性樹脂層を形成した燃料電池用セパレータを作製し、ＪＩＳ  Ｋ７１２５に準じて導電性樹脂層の静摩擦係数及び動摩擦係数を、スベリ試験機（インテスコ社製）を用いて測定した。なお、滑り片の底面は、フェルトで覆い、導電性樹脂層の静摩擦係数及び動摩擦係数を測定した。
【００５１】
＜塗料組成物の粘度測定＞
塗料組成物の粘度測定は、ＪＩＳ  Ｋ５４００（回転粘度計法）に従い、粘度測定を実施した。測定条件は、１５０ｍｌのビーカーに深さ５０ｍｍになるまで塗料を入れ、温度を２０℃に保った状態で、東機産業社製のＴＶＢ−１０形粘度計「ＴＶＢ−１０Ｈ」にＨ３形ローターを取り付け、回転数１００ｒｐｍで測定した。
【００５２】
＜耐食性試験＞      
得られた燃料電池用セパレータをプレス成形し、大きさ３０ｍｍ×３０ｍｍに裁断後、端部をフッ素樹脂（住友スリーエム（株）製  「ＴＨＶ２２０Ｇ」  比重２、融点＝１３０℃）をアセトンに溶解させた溶液（固形分濃度１５質量％）に浸して封止した。次いで、高圧用反応分解容器（三愛科学（株）製  「ＨＵ−５０」、内部容器はテフロン（登録商標）製）の中に０．００５ｍｏｌの硫酸水溶液５０ｍｌと、封止した上記サンプルを浸漬し、８０℃のオーブンに入れて、２０日後サンプルを取り出し、硫酸水溶液中の金属イオン量をＩＣＰ（プラズマ発光分析装置  セイコー電子工業製  ＳＰＳ１５００ＶＲ）装置を用いて測定した。
なお、ＩＣＰ測定による各金属イオン（Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｔｉ，Ｎｂ，Ｖ）の検出限界は、０．０２ｐｐｍであった。
【００５３】
＜実施例１〜３＞
フッ素系塗料（三井・デュポンフロロケミカル（株）製  「ＰＦＡ系エマルジョン」固形分濃度２４質量％  ＰＦＡ比重２．１５）と炭化チタン粒子（「（株）アライドマテリアル」製「ＯＲ０７」  比重４．９  平均粒径０．７μｍ）を表１記載の割合で混合し塗料組成物を作製した。作製した塗料組成物の粘度は２００ｍＰａ・ｓであった。
上記塗料組成物をＳＵＳ３１６Ｌ製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られたセパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１と表２に記載した。
【００５４】
＜実施例４及び５＞
フッ素系塗料（三井・デュポンフロロケミカル（株）製  「ＰＦＡ系エマルジョン」固形分濃度２４質量％  ＰＦＡ比重２．１５）と炭化ニオブ粒子（「日本新金属（株）製「ＮｂＣ」  比重７．８２  平均粒径１．０〜３．０μｍ」及び炭化バナジウム粒子（「日本新金属（株）製「ＶＣ」  比重５．４８  平均粒径１．０〜３．０μｍ」を表１記載の割合で混合し塗料組成物を作製した。作製した塗料組成物の粘度は２００ｍＰａ・ｓであった。
上記塗料組成物をＳＵＳ３１６Ｌ製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られたセパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１と表２に記載した。
【００５５】
＜実施例６〜１０＞
実施例１〜５で作製した塗料組成物を、チタン製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られたセパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１と表２に記載した。
【００５６】
＜実施例１１＞
実施例１で作製した塗料組成物を、ＳＵＳ３１６Ｌ製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られたセパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１と表２に記載した。
【００５７】
＜実施例１２＞
実施例１で作製した塗料組成物を、チタン製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られたセパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１と表２に記載した。
【００５８】
＜参考例１及び２＞
Ｎ−メチル−２ピロリドンに固形分として１２質量％になるように、ポリエーテルサルフォン（住友化学工業（株）製  「スミカエクセル５００３Ｐ」  比重１．３７）と炭化チタン粒子（（株）アライドマテリアル」製  「ＯＲ０７」  比重４．９  平均粒径０．７μｍ）を表１記載の割合で混合し塗料を作製した。
上記塗料をＳＵＳ３１６Ｌ製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られた金属製セパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１及び表２に記載した。
【００５９】
＜比較例１＞
フッ素系塗料（三井・デュポンフロロケミカル（株）製  「ＰＦＡ系エマルジョン」固形分濃度２４質量％  ＰＦＡ比重２．１５）と炭化チタン粒子（「（株）アライドマテリアル」製「ＯＲ０７」  比重４．９  平均粒径０．７μｍ）を表１記載の割合で混合し塗料組成物を作製した。
上記塗料組成物をＳＵＳ３１６Ｌ製金属基板（厚み０．１ｍｍ）上にバーコータで塗布し、１２０℃で１５分間加熱し溶剤を乾燥させ、その後３００℃で１０分間焼き付けを行い、表１に記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成した。
同じ方法で、他方の面にも表１記載の厚さを有する導電性樹脂層を形成し、燃料電池用セパレータを作製した。
得られた金属製セパレータの接触抵抗値、導電性樹脂層の鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数及び金属イオンの溶出量をそれぞれ測定し、表１及び表２に記載した。
【表１】
0005111893.tif 000002
【００６０】
【表２】
0005111893.tif 000003
【００６１】
表１より、本発明の範囲である実施例１〜１２のセパレータは、鉛筆硬度が５Ｂ以上と大きく、静摩擦係数が０．３以下、動摩擦係数が０．２以下と小さいセパレータを得た。表２より、本発明の範囲内である実施例１〜１２のセパレータは、鉛筆硬度、静摩擦係数、動摩擦係数が特定の範囲内にあるために耐摩耗性に優れており、耐酸試験後の金属イオンの溶出がほとんどないことから耐食性に優れていることが分かった。
これに対して、表１より、バインダー樹脂と導電性セラミックスの質量比が本発明の範囲から外れている比較例１は、鉛筆硬度が５Ｂ以下であった。また表２より、比較例１は鉛筆硬度が５Ｂ以下であり耐摩耗性が劣るために基板のＳＵＳ３１６Ｌより鉄イオンの溶出があり、耐食性に劣ることが分かった。
尚、表１より、鉛筆硬度の値が低いものに関しては（参考例１および２）、耐摩耗性に劣るため基板のＳＵＳ３１６Ｌより鉄イオンが多く溶出する傾向があった。
【００６２】
これより、本発明のセパレータは導電性、耐熱性に優れ、特に耐摩耗性、耐食性にも優れていることから、本発明のセパレータを用いた燃料電池は長時間の運転が可能であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明のセパレータは、導電性、耐熱性、耐摩耗性、耐食性に優れるため、燃料電池用セパレータや燃料電池の分野で利用することができる。