(57)【要約】【課題】薄型にした場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れた燃料電池セパレータを提供すること。【解決手段】多孔質人造黒鉛材料１００質量部、熱硬化性樹脂１５〜３０質量部、および内部離型剤０．１〜１．０質量部を含む組成物を、例えば、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形などにより成形してなる燃料電池セパレータ１，２。このセパレータは、曲げ強度や曲げひずみなどの機械的性質が従来のものに比べ格段に優れているため、薄型化した場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質人造黒鉛材料１００質量部、熱硬化性樹脂１５〜３０質量部、および内部離型剤０．１〜１．０質量部を含む組成物を成形してなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
最薄肉部の厚みが、０．１５〜０．３ｍｍである請求項１記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
曲げ強度が６０〜１００ＭＰａであり、曲げひずみが０．７〜１．２％である請求項１または２記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記多孔質人造黒鉛材料が、黒鉛化度６５〜８５％、真密度１．６〜２．１ｇ／ｍｌである請求項１〜３のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
前記多孔質人造黒鉛材料が、平均粒径２０〜２００μｍである請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記多孔質人造黒鉛材料が、粒径１μｍ以下の粒子を１％以下、粒径３００μｍ以上の粒子を１％以下含む請求項５記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびビスマレイミド樹脂から選択される少なくとも１種である請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【請求項８】
前記内部離型剤が、金属石けん類、および長鎖脂肪酸類から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【請求項９】
前記成形が、圧縮成形、射出成形またはトランスファー成形である請求項１〜８のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータに関し、さらに詳述すると、薄型にした場合でも十分な強度を発揮し得る燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことで直接発電させるものである。この燃料電池は、高エネルギー変換可能で、環境適応性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸部を備えた２枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極（カーボンペーパー）とを介在させてなる単電池（単位セル）を数十個以上並設して（これをスタックという）なる電池本体（モジュール）から構成されている。
燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割、並びに単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路を確保するとともに、それらの分離境界壁としての役割を果たすものである。このため、セパレータには、高電気導電性、高ガス不浸透性、（電気）化学的安定性、親水性などの諸性能が要求される。
【０００４】
ところで近年、様々な製品において小型化や薄肉化が要求されるようになっている。固体高分子型燃料電池においても、車載用の内燃機関の代替電源としての用途を考慮した場合は、容積が小さく、コンパクトなものが望まれる。
高強度の薄型燃料電池セパレータを得る手法として、従来、（１）セパレータの成形用素材に炭素繊維や金属繊維の短繊維を混合させる方法（特許文献１：特開２０００−１８２６３０号公報）、（２）セパレータの薄肉部分の強度を確保するためにセパレータの厚み方向に対してある一定角度に繊維基材を配向させる方法（特許文献２：特開２００１−１８９１６０号公報）、などが知られている。
【０００５】
しかし、上記（１）の方法で得られたセパレータは、黒鉛粉末とフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、および炭素繊維の混合物を成形したものであるため、強度は向上するものの、弾性率が非常に高くなるため、薄肉化すると割れ易いという問題があった。
また、（２）の方法で得られたセパレータも、（１）と同様に、黒鉛、熱硬化性樹脂および繊維基材を主成分とする炭素複合材組成物を成形したものであるため、強度は向上するものの、柔軟性に乏しいという問題があった。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１８２６３０号公報
【特許文献２】特開２００１−１８９１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、薄型にした場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れた燃料電池セパレータ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】
本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂および内部離型剤をそれぞれ所定割合で含む組成物を、圧縮成形、射出成形、トランスファー成形などにより成形して得られた燃料電池セパレータが、曲げ強度や曲げひずみなどの機械的性質が従来のものに比べ格段に優れているため、薄型化した場合でも十分な強度を有し、かつ、柔軟性にも優れていることを見出し、本発明を完成した。
【０００９】
すなわち、本発明は、
１．  多孔質人造黒鉛材料１００質量部、熱硬化性樹脂１５〜３０質量部、および内部離型剤０．１〜１．０質量部を含む組成物を成形してなることを特徴とする燃料電池セパレータ、
２．  最薄肉部の厚みが、０．１５〜０．３ｍｍである１の燃料電池セパレータ、
３．  曲げ強度が６０〜１００ＭＰａであり、曲げひずみが０．７〜１．２％である１または２の燃料電池セパレータ、
４．  前記多孔質人造黒鉛材料が、黒鉛化度６５〜８５％、真密度１．６〜２．１ｇ／ｍｌである１〜３のいずれかの燃料電池セパレータ、
５．  前記多孔質人造黒鉛材料が、平均粒径２０〜２００μｍである１〜４のいずれかの燃料電池セパレータ、
６．  前記多孔質人造黒鉛材料が、粒径１μｍ以下の粒子を１％以下、粒径３００μｍ以上の粒子を１％以下含む５の燃料電池セパレータ、
７．  前記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、およびビスマレイミド樹脂から選択される１〜６のいずれかの燃料電池セパレータ、
８．  前記内部離型剤が、金属石けん類および長鎖脂肪酸類から選ばれる少なくとも１種である１〜６のいずれかの燃料電池セパレータ、
９．  前記成形が、圧縮成形、射出成形またはトランスファー成形である１〜８のいずれかの燃料電池セパレータ
を提供する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池セパレータは、樹脂との馴染みに優れる多孔質人造黒鉛材料を含む組成物を成形して得られるものであるため、衝撃を吸収し易く、薄型化した場合でも十分な強度を有し、金型からの脱型時や、スタック組立時の破損が発生しにくい。
また、本発明の燃料電池セパレータは、柔軟性にも優れているので、大量生産時の自動搬送中に破損が生じにくく、ハンドリング性も良好である。
さらに、本発明の燃料電池セパレータは、薄肉化した場合でも良好なガス不浸透性能を有している。
以上のような本発明の燃料電池セパレータを用いることで、固体高分子型燃料電池の小型化および薄型化を容易に達成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータは、多孔質人造黒鉛材料１００質量部、熱硬化性樹脂１５〜３０質量部、および内部離型剤０．１〜１．０質量部を含む組成物を成形して得られる。
本発明における多孔質人造黒鉛材料の平均粒径は、粒度分布ｄ５０にて２０〜２００μｍが好ましく、より好ましくは２０〜１００μｍである。平均粒径が２０μｍ未満であると、熱硬化性樹脂が多孔質人造黒鉛材料の表面を覆い易くなり、多孔質人造黒鉛粒子同士の接触面積が小さくなるため、セパレータ自体の導電性が悪化する可能性がある。反対に、平均粒径が２００μｍを超えると、多孔質人造黒鉛粒子と熱硬化性樹脂との接触面積が小さくなり、十分な機械的強度が得られない可能性がある。
【００１２】
燃料電池セパレータを薄型化した際にも十分な強度を発揮させるためには、粒径１μｍ以下が１％以下、粒径３００μｍ以上が１％以下の多孔質人造黒鉛材料がより好ましく、粒径３μｍ以下が１％以下、２５０μｍ以上が１％以下の多孔質人造黒鉛材料が最適である。
なお、平均粒径は、粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）による測定値である。
【００１３】
また、多孔質人造黒鉛材料の黒鉛化度は６５〜８５％が好ましく、真密度は１．６〜２．１ｇ／ｍｌが好ましい。黒鉛化度が６５％未満、かつ、真密度が１．６ｇ／ｍｌ未満であると、黒鉛の気孔が過剰になって導電性の低下を招く虞があり、黒鉛化度が８５％を超え、かつ、真密度が２．１ｇ／ｍｌを超えると、黒鉛の気孔が少なくなり過ぎるため、十分な強度が得られない虞がある。
より好ましくは、黒鉛化度７０〜８５％、真密度１．７〜２．１ｇ／ｍｌである。
なお、黒鉛化度とは、炭素材中に積層規則性を持った黒鉛構造がどの程度発達しているかの度合いを示す指標であり、本発明においては、ラマン分光法による測定値である。
また、真密度は、ピクノメータ法による測定値である。
【００１４】
熱硬化性樹脂は、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種熱硬化性樹脂を用いることができる。具体例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリカルボジイミド樹脂等が挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。これらの中でも、耐熱性および機械的強度に優れていることから、フェノール樹脂、エポキシ樹脂が好適に用いられる。なお、必要に応じて硬化促進剤を用いてもよい。
【００１５】
内部離型剤としては、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種内部離型剤を用いることができる。例えば、ステアリン酸亜鉛等の金属石鹸類、ポリエチレンワックス等の炭化水素系合成ワックス、ステアリン酸，カルナバワックス等の長鎖脂肪酸類などが挙げられ、これらは１種単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
【００１６】
本発明において、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂および内部離型剤の配合割合は、多孔質人造黒鉛材料１００質量部に対して、熱硬化性樹脂１５〜３０質量部、内部離型剤０．１〜１．０質量部であるが、多孔質人造黒鉛材料１００質量部に対し、好ましくは熱硬化性樹脂１７〜２７質量部、より好ましくは２０〜２４質量部、好ましくは内部離型剤０．２〜０．７質量部、より好ましくは０．３〜０．５質量部である。
熱硬化性樹脂の含有量が１５質量部未満では、黒鉛粉末間に隙間が生じ易くなるため、ガス不浸透性および強度の低下を招く虞がある。また、熱硬化性樹脂の含有量が３０質量部を超えると、熱硬化性樹脂が黒鉛粉末の表面を覆ってしまい、導電性が低下する虞がある。
なお、本発明においては、成形体の物性値を損なわない程度であれば、燃料電池セパレータ用組成物中に、その他の添加剤（炭素繊維や金属繊維などの短繊維）を配合してもよい。
【００１７】
本発明の燃料電池セパレータの製造方法は、上述の各成分を配合して燃料電池セパレータ用組成物を調製し、この組成物から成形体を作製するものである。
この場合、組成物の調製方法および成形体の成形方法としては、特に限定されるものではなく、従来公知の種々の方法を用いることができる。
例えば、組成物の調製は、多孔質人造黒鉛材料、熱硬化性樹脂および内部離型剤のそれぞれを任意の順序で所定割合混合すればよい。組成物調製に用いられる混合機としては、例えば、プラネタリーミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等が挙げられる。
【００１８】
セパレータの成形方法としても、特に限定されるものではなく、射出成形、トランスファー成形、圧縮成形、押出成形等を採用することができる。
成形時の金型温度、成形圧力、成形時間についても、従来公知の条件を用いればよく、例えば、金型温度１５０〜１８０℃、成形圧力２０〜５０ＭＰａ、成形時間１〜５分程度の条件を採用することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池セパレータは、最薄肉部の厚みを０．１５〜０．３ｍｍまで薄肉化することができるうえに、曲げ強度６０〜１００ＭＰａ、曲げ弾性率８〜１２ＧＰａ、曲げひずみ０．７〜１．２％という、高強度、かつ、高靭性のものとすることも可能である。
なお、図１（Ａ）に示されるように、一方の表面１１にガス流通溝１１Ａが形成されたセパレータ１においては、流通溝底部１１Ｂと、流通溝が形成されていないセパレータ表面１２とで構成される部分が最薄肉部１３であり、図１（Ｂ）に示されるように、両表面２１，２２にガス流通溝２１Ａ，２２Ａがそれぞれ形成されたセパレータ２にあっては、相対向する各流通溝底部２１Ｂ，２２Ｂで構成される部分が最薄肉部２３である。
【００２０】
以上のような特性を有する燃料電池セパレータは、特に、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に用いることができる。一般的に固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、これらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部または全部として本発明の燃料電池セパレータを用いることができる。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。なお、以下において平均粒径、真密度、黒鉛化度は、下記手法により測定した。
［１］平均粒径
粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）により測定した。
［２］真密度
ピクノメータ法により測定した。
［３］黒鉛化度
ラマン分光法により測定した。
【００２２】
［実施例１］
多孔質人造黒鉛材料１（粒度分布ｄ５０にて平均粒径３０μｍ、黒鉛化度８０％、真密度１．７ｇ／ｍｌ）１００質量部、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂１６質量部、同じく熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂８質量部、硬化促進剤であるトリフェニルフォスフィン０．２質量部、および内部離型剤（カルナバワックス）１質量部を、ヘンシェルミキサ内に投入し、１５００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
得られた組成物４ｇを、１００ｍｍ×１００ｍｍの金型に投入し、金型温度１８０℃、成形圧力２９．４ＭＰａ、成形時間２分間にて圧縮成形し、図１に示されるような、最薄肉部１３の厚みが０．１５ｍｍの燃料電池セパレータ１を得た。
【００２３】
［実施例２］
多孔質人造黒鉛材料１  １００質量部、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂２４質量部、および内部離型剤（カルナバワックス）１質量部を用いた以外は、実施例１と同様にして、燃料電池セパレータ用組成物および燃料電池セパレータを得た。
【００２４】
［実施例３］
多孔質人造黒鉛材料１を、多孔質人造黒鉛材料２（粒度分布ｄ５０にて平均粒径４０μｍ、黒鉛化度８０％、真密度１．７ｇ／ｍｌ）に代えた以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００２５】
［実施例４］
多孔質人造黒鉛材料１を、多孔質人造黒鉛材料２に代えた以外は、実施例２と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００２６】
［実施例５］
多孔質人造黒鉛材料１を、多孔質人造黒鉛材料３（粒度分布ｄ５０にて平均粒径３０μｍ、黒鉛化度８０％、真密度２．１ｇ／ｍｌ）に代えた以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００２７】
［実施例６］
多孔質人造黒鉛材料１を、多孔質人造黒鉛材料３に代えた以外は、実施例２と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００２８】
［比較例１］
多孔質人造黒鉛材料１を、針状人造黒鉛（平均粒径６０μｍ、黒鉛化度１００％）に代えた以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００２９】
［比較例２］
多孔質人造黒鉛材料１を、比較例１と同一の針状人造黒鉛に代えた以外は、実施例２と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００３０】
［比較例３］
多孔質人造黒鉛材料１を、天然黒鉛（平均粒径３０μｍ、黒鉛化度１００％）に代えた以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００３１】
［比較例４］
多孔質人造黒鉛材料１を、比較例３と同一の天然黒鉛に代えた以外は、実施例２と同様にして燃料電池セパレータを得た。
【００３２】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、固有抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率、曲げひずみを測定・評価した。これらの結果を表１に併せて示す。
【００３３】
【表１】
2007134225.tif 000003
【００３４】
なお、表１における各特性は、以下の方法により測定した。
［１］固有抵抗
ＪＩＳ  Ｈ０６０２（シリコン単結晶及びシリコンウエーハの４探針による抵抗率測定方法）に基づいて測定した。
［２］曲げ強度、曲げ弾性率、曲げひずみ
ＡＳＴＭ  Ｄ７９０  (Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and  Electrical Insulating Materials)に基づいて測定した。
【００３５】
表１に示されるように、実施例１〜６の燃料電池セパレータの曲げ強度は、比較例１〜４のそれよりも約１．５〜２倍程度高強度であることがわかる。また実施例１〜６の燃料電池セパレータの曲げ弾性率は、比較例１〜４のそれの約０．５〜０．７５倍程度であり、柔軟性に優れていることがわかる。さらに、実施例１〜６の燃料電池セパレータの曲げひずみは、比較例１〜４の評価結果の約２倍程度であり、柔軟性に優れていることが裏付けられている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（Ａ）本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。（Ｂ）本発明の他の実施形態に係る燃料電池セパレータの概略断面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，２  燃料電池セパレータ
１３，２３  最薄肉部
【図１】
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