(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板部および平板部上に形成されて平板部とともに凹凸のある表面を形成する多孔質の凸部とを有し、
該平板部および凸部は、黒鉛と、該黒鉛の存在下での焼成により得られたガラス状炭素を含み、
前記凸部の多孔質は、炭素化処理の過程で消失して多孔質を形成する微粒子ポリマーを使用して形成されたものである、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
繊維状炭素をさらに含む請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
樹脂および黒鉛を含む第１の材料で平板を形成し、平板上に、樹脂、黒鉛および、炭素化処理の過程で消失して多孔質を形成する微粒子ポリマーを含む第２の材料で凸部を選択的に形成することによって平板上に凹凸のある表面を形成し、該凹凸のある表面を有する平板を炭素化処理するステップを具備する燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記微粒子ポリマーの平均粒径が１００μｍ以下である請求項３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記第１および第２の材料はともに繊維状炭素材をさらに含む請求項３記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
繊維状炭素材が、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、黒鉛繊維より選ばれた少なくとも一種である請求項５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関するものであり、更には薄板化しても強度やガス不透過性、導電性が低下することなく、特には溝形状部を容易に製造可能な固体高分子型燃料電池用セパレータとその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、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。
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出力の発電が可能である。
【０００３】
固体高分子型燃料電池のセパレータには、燃料ガスと酸化剤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導電性や長期耐久性の確保のために優れた耐蝕性を備える必要がある。これらのことから、固体高分子型燃料電池のセパレータの材料としては主として炭素材料が使用されている。
【０００４】
燃料電池用セパレータの形状は、一般的に平板の両面又は片面に複数の平行する溝を形成してなるもので、燃料電池セル内のガス拡散電極で発電した電気を外部へ伝達すると共に、発電の過程で前期溝中に生成した水を排水し、当該溝を燃料電池セルへ流入する反応ガスの流通路として確保するという役割を担っている。
【０００５】
近年の燃料電池の軽量化や薄型化に伴い、上記のような燃料電池用セパレータについても薄板化することが求められるようになったが、従来の易切削加工性を有す一般炭素素材のみからなる燃料電池セパレータでは、単に薄板化すると強度が低下し、ガス浸透性が高くなってしまうという問題があった。
【０００６】
そのため、薄型化しても強度およびガス不浸透性を維持させるために、例えば、特開平１０−４０９３８号公報には、熱膨張黒鉛粉末または鱗片状の天然黒鉛粉末に、主として粒径が５μｍ以上で２００μｍ以下で所定の樹脂よりなるバインダを被覆した球状または塊状の炭素粉末を混合し、該混合物を成形することで燃料電池用セパレータを製造する方法が開示されている。
【０００７】
また、特開２０００−３３１６９０号公報には、平均粒子径５０μｍ以下の黒鉛粉末とフェノール樹脂とを混合し粉砕、篩分けして調製した粒度０．１〜５mmの整粒を１００〜２００℃の温度に加熱された金型に射出成形し、成形体を加熱硬化する燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。
【０００８】
しかし、これらの方法で得られたセパレータは炭素材のみからなる燃料電池セパレータに比べて導電性や放熱効果が劣るうえ長期耐久性の確保が困難である。
【０００９】
また、セパレータの製造方法として一般的に使用されているモールド成形法によって成形する場合、予めガス供給溝をセパレータに賦形するニアネットシェイブ成形が難しい欠点があり、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するための通路となるガス供給溝は、後処理的に機械加工して形成することが必要であり生産性が低く、コスト高となる難点がある。
【００１０】
一方、射出成形法は寸法精度に優れるうえ燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するための通路となるガス供給溝を一体成形可能であるなど、成形段階では生産性の優れた成形方法ではあるが、成形時に成形原料に流動性を保持させるためにバインダーとなる熱硬化性樹脂の配合量を多くする必要が生じ配合の自由度が限定されるうえ、導電性向上のために配合する炭素粉体等のフィラーが板方向と溝方向とで異方向に配向してしまうため、得られた成形体を焼成炭素化すると、焼成収縮率に差異が生じることで反りの発生や寸法がばらつくなどの難点がある。
【００１１】
本願出願人は、特願２００１−１４９８６５号において、導電性、放熱特性、長期耐久性に優れ、生産性の高い成形方法により製造し得る燃料電池用セパレータとして、熱硬化性樹脂の液状組成物に黒鉛粉末を均一に分散複合させて得られた材料により平板部および平板部上の凸部を形成し、それを焼成して得られる燃料電池用セパレータを提案した。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上記の燃料電池用セパレータとして要求された特性がさらに改良された燃料電池用セパレータとその製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池用セパレータは、黒鉛と、該黒鉛の存在下での焼成により得られたガラス状炭素を含み、平板部および平板部上に形成されて平板部とともに凹凸のある表面を形成する多孔質の凸部とを有することを特徴とするものである。
【００１４】
この燃料電池用セパレータは、繊維状炭素をさらに含むことが望ましい。
【００１５】
本発明の燃料電池用セパレータはまた、繊維状炭素と、該繊維状炭素の存在下での焼成により得られたガラス状炭素を含むことを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、樹脂および黒鉛を含む第１の材料で平板を形成し、平板上に、樹脂、黒鉛および消失性微粒子ポリマーを含む第２の材料で凸部を選択的に形成することによって平板上に凹凸のある表面を形成し、該凹凸のある表面を有する平板を炭素化処理するステップを具備することを特徴とするものである。
【００１７】
消失性微粒子ポリマーは例えば、平均粒径１００μｍ以下の微粒子ポリマーであり７００℃以下で消失して多孔質を形成する。
【００１８】
前記第１および第２の材料はともに繊維状炭素材をさらに含むことが好ましい。
【００１９】
繊維状炭素材は、カーボンナノチューブ、気相成長炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、黒鉛繊維等より選ばれた少なくとも一種である。気相成長炭素繊維とは、水素をキャリアガスとしたベンゼン、メタン等の炭化水素系ガスを１０００℃付近で熱分解し、数百Åの超微粒金属の触媒効果を利用して炭素繊維を成長させて得られるものであり、ＰＡＮ系炭素繊維などのような有機繊維を炭化処理することにより得られるものとは異なる。このような気相成長炭素繊維は、結晶学的に完全なウィスカーではないが、炭素層面が繊維軸に優先配列した年輪構造を有しており、さらに２５００℃以上の温度で熱処理によって、高度に発達した黒鉛構造と形成されたものは、特にグラフィトウィスカーと類似構造を有している（該気相成長炭素繊維は本願発明者の一人である開発者の名前にちなみ“エンドウファイバー”と呼ばれている）。そのため引っ張り強度、弾性率が大きく、良好な熱伝導性、電気伝導性、および自己潤滑性を有する。
【００２０】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法はまた、樹脂および繊維状炭素を含む第１の材料で平板を形成し、平板上に、樹脂および繊維状炭素を含む第２の材料で凸部を選択的に形成することによって平板上に凹凸のある表面を形成し、該凹凸のある表面を有する平板を炭素化処理するステップを具備することを特徴とする。
【００２１】
本発明の燃料電池セパレータにおいては、凸部に消失性ポリマーを用いて多孔質にすることで、燃料ガス及び酸化剤ガスが凸部のリブの中も拡散して行き、より反応を起こしやすくなる。
【００２２】
また、平板及び凸部に繊維状炭素材を用いることで、機械的強度を付与するだけでなく電子の通るパスを作り電気伝導性が向上する。
【００２３】
【実施例】
（実施例１）
フラン樹脂（日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０３）７０部、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業（株）製  平均粒径５μｍ）２０部および気相成長炭素繊維（平均径０．１μｍ  長さ５μｍ）１０部を充分に分散、混合して、平板作成用液状材料を得た。
【００２４】
上記液状材料８０部に消失性微粒子ポリマー（ＰＭＭＡ、１０μｍ）２０部を添加し、充分に分散、混合して凸部作成用液状材料を得た。
【００２５】
平板部はドクターブレードタイプ塗工機に液状材料を投入しグリーンシートを作成、グリーンシートを切断機で切断後、乾燥機で加熱硬化処理をすることで得た。得られた平板は、厚さ０．５mm、２４．５cm角の寸法を有していた。凸部は、凸部形状パターンが形成されたスクリーンメッシュを組み込んだスクリーン印刷機に平板をセットし、凸部作成用液状材料を印刷した後、乾燥炉内で加熱硬化処理を施した後再度、印刷・加熱硬化を行い凸部を得た。片面に凸部作成後、反対面にも印刷・加熱硬化を行うことで両面に凸部を有する成形体を得た。得られた凸部は、０．４mmの厚みを有していた。
【００２６】
得られた成形体を、窒素ガス雰囲気中１５００℃処理を行うことで、平板部厚み０．３５mm、凸部厚み０．３mm、２００mm角の寸法を有する燃料電池用セパレータを得た。
（実施例２）
フラン樹脂（日立化成工業（株）製  ヒタフランＶＦ−３０３）８５部、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業（株）製  平板粒径５μｍ）１０部および気相成長炭素繊維（平均径０．１μｍ  長さ５μｍ）５部を充分に分散、混合して、平板作成用液状材料を得た。
【００２７】
上記液状材料９０部に消失性微粒子ポリマー（ＰＭＭＡ、１０μｍ）１０部を添加し、充分に分散、混合して凸部作成用液状材料を得た。
【００２８】
これを実施例１と同様な工程で成形を行い、平板部厚み０．３５mm、凸部厚み０．３mm、２００mm角の寸法を有する燃料電池用セパレータを得た。
【００２９】
このようにして得られた燃料電池用セパレータについて外観検査を行ないガス不浸透性を測定した後、電気抵抗、曲げ強さ等の物性を測定した。得られた結果を表１に示す。
【００３０】
【表１】
0004587632.tif 000002
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池用セパレータは、ガラス状炭素と黒鉛粉末及び／または炭素繊維の複合材料からなるため、ガラス状炭素並のガス不浸透性と一般炭素材料並みの電気伝導性、機械加工性を有し、また、凸部に消失性ポリマーを用い多孔質にすることで材料ガス及び酸化剤ガスが凸部のリブの中も拡散して行き、より反応を起こしやすい。さらに樹脂／炭素複合体よりも耐久性、耐腐食性に優れている。