(57)【要約】【課題】機械的強度を保持しつつ導電性を向上させた燃料電池用セパレ−タおよびその製造方法ならびにこれを用いた燃料電池を提供する。【解決手段】シート状成形材料により形成された積層成形体からなる燃料電池用セパレータであって、シート状成形材料は樹脂と炭素材料とを含有し、積層成形体は、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造を有し、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、中間層Ｂ中の炭素材料の含有量ｂと、中間層Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ’と、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、５５≦ａ≦８５、５５≦ｃ≦８５、５５≦ｃ’≦８５、１０≦ａ−ｂ≦３０、１０≦ｃ−ｂ≦３０、１０≦ａ−ｂ’≦３０、１０≦ｃ’−ｂ’≦３０（ただし、ａ，ｂ，ｂ’，ｃおよびｃ’の単位は体積％である）を満たす、燃料電池用セパレータである。【選択図】図１
2007227363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状成形材料により形成された積層成形体からなる燃料電池用セパレータであって、
前記シート状成形材料は樹脂と炭素材料とを含有し、
前記積層成形体は、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造を有し、
前記中心層Ａ、前記中間層Ｂ，Ｂ’および前記表面層Ｃ，Ｃ’はそれぞれ単層または多層の前記シート状成形材料からなり、
前記中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、前記中間層Ｂ中の炭素材料の含有量ｂと、前記中間層Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ’と、前記表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、前記表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、以下の関係、
５５≦ａ≦８５
５５≦ｃ≦８５
５５≦ｃ’≦８５
１０≦ａ−ｂ≦３０
１０≦ｃ−ｂ≦３０
１０≦ａ−ｂ’≦３０
１０≦ｃ’−ｂ’≦３０
（ただし、ａ，ｂ，ｂ’，ｃおよびｃ’の単位は体積％である）
を満たす、燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、前記表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、前記表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、以下の関係、
０≦ｃ−ａ
０≦ｃ’−ａ
を満たす、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記表面層Ｃおよび前記表面層Ｃ’の厚みが、ともに前記積層成形体の厚みの１／４０〜１／５の範囲内である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
前記表面層Ｃおよび前記表面層Ｃ’の厚みが、ともに前記積層成形体の厚みの１／２０〜１／１０の範囲内である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】
前記中間層Ｂおよび前記中間層Ｂ’の厚みが、ともに前記積層成形体の厚みの１／２０〜２／５の範囲内である、請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項６】
前記シート状成形材料が、樹脂シートの少なくとも片面に炭素粒子層を形成してなる、請求項１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得るための製造方法であって、
前記中心層Ａ、前記中間層Ｂ，Ｂ’、前記表面層Ｃ，Ｃ’のそれぞれを構成するシート状成形材料を、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造となるように積層する工程と、
前記積層された前記シート状成形材料を加熱加圧成形し、前記積層成形体を形成する工程とを含む、燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータまたは請求項７に記載の製造方法により得られる燃料電池用セパレータを用いてなる燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等に対して適用されるリン酸型燃料電池、ダイレクトメタノ−ル型燃料電池、固体高分子型燃料電池等の燃料電池に対して使用可能な燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびにこれを用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応から電力を得る燃料電池においては、近年ポ−タブル機器、自動車等の種々の用途への適用が検討されている。燃料電池は、電解質膜、電極およびセパレータからなる基本構成単位、すなわち単位セルが通常直列に数十〜数百セル積層された構造を有する。一般的な燃料電池の製造方法では電解質膜および電極は予め電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ）として形成され、これにセパレータが配置される。セパレータとしては、水素ガス等の燃料ガス、空気または酸素からなる酸化剤およびセルを冷却するための冷媒をそれぞれ供給するための流路を少なくとも片面に形成したものが用いられる。
【０００３】
セパレータは、隣接するＭＥＡとの電気的な接続を確保して燃料電池の発電効率を高めるために十分な導電性を備えることが必要であるが、これに加えて、単位セルの積層構造を支えるために十分な機械的強度が必要とされる。また、燃料電池の小型化の要求に伴い、近年ではセパレータの薄肉化も求められている。さらに、単位セルの積層構造における単位セル間の接触抵抗を低減するために厚み精度の向上も求められている。
【０００４】
燃料電池用セパレータの導電性を向上させるための方法としては、炭素材料と樹脂バインダーとを少なくとも含むモールド成形品における炭素材料の含有量を増加させる方法が挙げられる。この方法でも導電性の向上は可能であるが、炭素材料の含有量を過度に増加させると、セパレータの機械的強度が低下する傾向があるため、炭素材料と樹脂バインダーとの比率は、セパレータの導電性と機械的強度とのバランスに基づき設計されるのが実情であった。
【０００５】
そこで、燃料電池用セパレータの導電性と機械的強度とを共に向上させる技術及び薄肉化された燃料電池用セパレータに関する技術が種々提案されている。
【０００６】
特開昭６３−２９４６１０号公報（特許文献１）には、有機繊維またはセラミック繊維の多孔質シートに、熱硬化性樹脂および炭素粉末をシートの厚み方向に連通して含有させることにより、シートの厚み方向の電気比抵抗が１０Ωｃｍ以下とされた導電性成形板が提案されている。
【０００７】
特開２０００−３２３１５０号公報（特許文献２）には、炭素材料より形成された微小部材を含有する樹脂により形成され、該微小部材が内部に比して外表面に多く含有されるようにすることにより、微小部材を多く含有する樹脂で外表面を形成することにより十分な導電性を確保し、微小部材の少ない樹脂で内部を形成することにより十分な強度を確保した燃料電池用セパレータ等が提案されている。
【０００８】
特開２００１−１２６７４４号公報（特許文献３）には、少なくとも平均粒子径（Ｄ５０％）４０〜１２０μｍの黒鉛粗粒子を含む黒鉛粒子と非炭素質熱可塑性樹脂との合成樹脂成形体の少なくとも片面または内部に導電材を有し、高い導電性、機械的強度、熱伝導性、高い寸法精度などを有する燃料電池用セパレータが提案されている。
【０００９】
特開２００１−５２７２１号公報（特許文献４）には、黒鉛粒子と熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂から選択された少なくとも一種の非炭素質樹脂とで構成され、黒鉛粒子が少なくとも平均粒子径（Ｄ５０％）が４０〜１２０μｍの黒鉛粗粒子を含む成形体と、この成形体の少なくとも片面に導電材を被覆したことにより、ガス不透過性、機械的強度、厚み方向の導電性等に優れる燃料電池セパレータが提案されている。
【００１０】
また小型化・薄肉化の要請に対し、特開２００５−１００７０３号公報（特許文献５）には、炭素質基材と熱可塑性樹脂繊維とを水と懸濁せしめて得られるスラリーを湿式抄造しシート化し成形した、炭素質基材（Ａ）と熱可塑性樹脂繊維（Ｂ）とを必須成分として含有する導電性成形材料であって、Ａ／Ｂ（質量比）が９０／１０〜６２／３８とされる導電性成形材料が提案されている。
【００１１】
特許文献１〜４の方法によれば、燃料電池用セパレータの導電性、機械的強度をある程度両立させることが可能であるが、これらの性能をバランスよく高度に発揮させる程度には至っていない。また特許文献５の方法によれば、小型化・薄肉化が可能なセパレータを得ることができるが、この方法は導電性と機械的強度とを同時に満足させるようなセパレータを開示するものではない。
【特許文献１】特開昭６３−２９４６１０号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３１５０号公報
【特許文献３】特開２００１−１２６７４４号公報
【特許文献４】特開２００１−５２７２１号公報
【特許文献５】特開２００５−１００７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は上記の課題を解決し、機械的強度を良好に保持しつつ導電性が向上し、薄肉化された燃料電池用セパレータおよびその製造方法、ならびに、該燃料電池用セパレータを用いた小型の燃料電池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】
【００１３】
本発明者は、導電性の高いシート状成形材料の両表面に機械的強度の高いシート状成形材料を積層して得られる、導電性を有し機械的強度に優れる積層シート材料の両表面に、さらに導電性の高いシート状成形材料を積層して得られるシート状成形材料を成形すると、機械的強度と導電性とがバランスよく維持された燃料電池用セパレータが得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。
【００１４】
すなわち本発明は、シート状成形材料により形成された積層成形体からなる燃料電池用セパレータであって、シート状成形材料は樹脂と炭素材料とを含有し、積層成形体は、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造を有し、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’はそれぞれ単層または多層の該シート状成形材料からなり、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、中間層Ｂ中の炭素材料の含有量ｂと、中間層Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ’と、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、以下の関係、
５５≦ａ≦８５
５５≦ｃ≦８５
５５≦ｃ’≦８５
１０≦ａ−ｂ≦３０
１０≦ｃ−ｂ≦３０
１０≦ａ−ｂ’≦３０
１０≦ｃ’−ｂ’≦３０
（ただし、ａ，ｂ，ｂ’，ｃおよびｃ’の単位は体積％である）
を満たす、燃料電池用セパレータに関する。
【００１５】
本発明はまた、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、前記表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、以下の関係、
０≦ｃ−ａ
０≦ｃ’−ａ
を満たす、燃料電池用セパレータに関する。
【００１６】
また本発明は、上記の表面層Ｃおよび表面層Ｃ’の厚みが、ともに上記の積層成形体の厚みの１／４０〜１／５の範囲内である、燃料電池用セパレータに関する。
【００１７】
また本発明は、上記の表面層Ｃおよび表面層Ｃ’の厚みが、ともに上記の積層成形体の厚みの１／２０〜１／１０の範囲内である、燃料電池用セパレータに関する。
【００１８】
本発明はまた、上記の中間層Ｂおよび中間層Ｂ’の厚みが、ともに上記の積層成形体の厚みの１／２０〜２／５の範囲内である、燃料電池用セパレータに関する。
【００１９】
本発明はまた、上記のシート状成形材料が、樹脂シートの少なくとも片面に炭素粒子層を形成してなる燃料電池用セパレータに関する。
【００２０】
本発明はさらに、上記の燃料電池用セパレータを得るための製造方法であって、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’、表面層Ｃ，Ｃ’のそれぞれを構成するシート状成形材料を、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造となるように積層する工程と、積層されたシート状成形材料を加熱加圧成形し、積層成形体を形成する工程とを含む燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【００２１】
本発明はさらに、上述の燃料電池セパレータを用いてなる燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、機械的強度を大きく損なうことなく良好な導電性が付与され、薄肉化された燃料電池用セパレータが得られ、このセパレータを用いることにより燃料電池を小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の燃料電池用セパレータは、樹脂と炭素材料とを含有するシート状成形材料を積層した積層成形体からなる。
【００２４】
樹脂と炭素材料とを含有するシート状成形材料は、セパレータの良好な導電性と薄肉性とを確保する点で好適である。
【００２５】
本発明の燃料電池用セパレータは、炭素材料の含有量を調整した異種のシート状成形材料を積層し成形した積層成形体からなるものである。
【００２６】
図１は、本発明に係る燃料電池用セパレータを構成する積層成形体の構造について説明する断面図である。本発明の燃料電池用セパレータを構成する積層成形体１は、表面層Ｃ１１／中間層Ｂ１２／中心層Ａ１３／中間層Ｂ’１４／表面層Ｃ’１５の順に積層された構造を有する。本発明において、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’は、単層でも２層以上の多層でも良く、また多層の場合、１種類のシート状成形材料を積層したものでも２種以上の異なるシート状成形材料を積層したものでも良い。
【００２７】
本発明においては、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、中間層Ｂ中の炭素材料の含有量ｂと、中間層Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ’と、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とが、以下の関係、
５５≦ａ≦８５
５５≦ｃ≦８５
５５≦ｃ’≦８５
１０≦ａ−ｂ≦３０
１０≦ｃ−ｂ≦３０
１０≦ａ−ｂ’≦３０
１０≦ｃ’−ｂ’≦３０
（ただし、ａ，ｂ，ｂ’，ｃおよびｃ’の単位は体積％である）
を満たすように調製される。該含有量ａ，ｂ，ｂ’，ｃ，ｃ’は、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’、表面層Ｃ，Ｃ’の少なくともいずれかが多層のシート状成形材料で構成される場合には、特に記載がない限り、該多層のシート状成形材料中の炭素材料の量の平均値を意味する。
【００２８】
一般的に樹脂と炭素材料とを含む成形材料を用いた成形品において、樹脂と炭素材料との比率によって機械的強度と導電性とが大きく変化する。樹脂の比率が多くなると成形品の機械的強度は高くなる一方、導電性が低くなる傾向がある。また炭素材料の比率が高くなると成形品の導電性は高くなる一方、機械的強度が低くなる傾向がある。
【００２９】
本発明は、シート状成形材料を積層した積層成形体を用い、中心層Ａの両表面に該中心層Ａより炭素材料の含有量が一定範囲で少ない中間層Ｂ，Ｂ’が形成され、さらにその両表面に、該中間層Ｂ，Ｂ’より炭素材料の含有量が一定範囲で多い表面層Ｃ，Ｃ’が形成された構成を有するものであり、機械的強度と導電性とがともに向上した燃料電池用セパレータに関する。
【００３０】
上記の、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃと、表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’とは、導電性を向上させる点で、次の関係、
０≦ｃ−ａ
０≦ｃ’−ａ
を有することが好ましい。すなわち、表面層Ｃ中の炭素材料の含有量ｃ、および表面層Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ’は、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａと同一またはそれより多いことが好ましい。セパレータの導電性は、セパレータ内部よりも表面部の導電性により大きく左右されるため、セパレータ表面に導電性が高い材料を形成することは、セパレータの導電性を向上させる上で有効である。本発明においては、表面に導電性が高い表面層を設けることによって、セパレータ全体の機械的強度を中間層によって確保しつつ、さらに高い導電性が付与される。該含有量ｃ，ｃ’が該含有量ａより少ない場合、セパレータ全体の導電性の向上効果が十分得られない場合がある。
【００３１】
このような構成により、炭素材料の含有量が比較的少ない中間層Ｂ，Ｂ’によってセパレータとしての機械的強度を十分な範囲内に確保しつつ、比較的炭素材料の含有量が多い中心層Ａおよび表面層Ｃ，Ｃ’を積層することによってセパレータとしての導電性を良好なものとすることができる。
【００３２】
すなわち、炭素材料の含有量の比較的高い層は、厚み方向における中心部よりも表面部に存在する方が、積層成形体全体の導電性の向上効果は顕著に得られるので、中心部に加えて、中間層Ｂ，Ｂ’による機械的強度を低下させない範囲で、表面に炭素材料の含有量が比較的高い層を形成することによって、機械的強度と導電性とを同時に向上させるものである。
【００３３】
中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａ（体積％）および表面層Ｃ，Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ，ｃ’（体積％）は、５５体積％以上８５体積％以下である。該含有量ａ（体積％）および該含有量ｃ，ｃ’（体積％）が５５体積％より少ない場合、セパレータに十分な導電性が付与されず、８５体積％より多い場合、中心層Ａの機械的強度が低いためにセパレータ全体の強度が十分得られない。該含有量ａ（体積％）および該含有量ｃ，ｃ’（体積％）は、６０体積％以上、さらに７０体積％以上とされることがより好ましい。中心層Ａ、表面層Ｃ，Ｃ’が多層とされる場合、該含有量ａ（体積％）、該含有量ｃ，ｃ’（体積％）は中心層Ａ全体、表面層Ｃ，Ｃ’全体としてそれぞれ上記の範囲内に含まれれば良いが、中心層Ａ、表面層Ｃ，Ｃ’の各層を構成するシート状成形材料のすべてにおける該含有量ａおよび該含有量ｃ，ｃ’が上記の範囲内に含まれることがより好ましい。
【００３４】
本発明において、中心層Ａ中の炭素材料の含有量ａ（体積％）と、中間層Ｂ，Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ，ｂ’（体積％）との差（ａ−ｂ）、（ａ−ｂ’）（体積％）、および表面層Ｃ，Ｃ’中の炭素材料の含有量ｃ，ｃ’（体積％）と、中間層Ｂ，Ｂ’中の炭素材料の含有量ｂ，ｂ’（体積％）との差（ｃ−ｂ）、（ｃ’−ｂ’）（体積％）は、それぞれ１０体積％以上３０体積％以下である。該（ａ−ｂ）、（ａ−ｂ’）（体積％）および該（ｃ−ｂ）、（ｃ’−ｂ’）（体積％）の値が１０体積％より小さい場合、炭素材料の含有量を中心層Ａおよび表面層Ｃ，Ｃ’と中間層Ｂ，Ｂ’とで変化させることによってセパレータ全体の導電性および機械的強度を向上させるという効果が十分得られない場合がある。また該（ａ−ｂ）、（ａ−ｂ’）（体積％）および該（ｃ−ｂ）、（ｃ’−ｂ’）（体積％）の値が３０体積％より大きい場合、中心層Ａおよび表面層Ｃ，Ｃ’と中間層Ｂ，Ｂ’とで大きく材料組成が異なることにより、中心層Ａと中間層Ｂ，Ｂ’との間、および中間層Ｂ，Ｂ’と表面層Ｃ，Ｃ’との間での層間剥離が生じる場合があるとともに、中間層Ｂ，Ｂ’における炭素材料の含有量が少なくなり過ぎてセパレータ全体の導電性が十分得られない場合がある。該（ａ−ｂ）、（ａ−ｂ’）（体積％）および該（ｃ−ｂ）、（ｃ’−ｂ’）（体積％）は、それぞれ１５体積％以上が好ましく、また、それぞれ２５体積％以下が好ましい。中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’の少なくともいずれかが多層とされる場合、該（ａ−ｂ）、（ａ−ｂ’）（体積％）および該（ｃ−ｂ）、（ｃ’−ｂ’）（体積％）は中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’の全体として上記の範囲内に含まれれば良いが、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’または表面層Ｃ，Ｃ’における多層の各層を構成するシート状成形材料の任意の組合せにおける含有量ａと含有量ｂ，ｂ’と含有量ｃ，ｃ’との関係が上記の範囲内に含まれることがより好ましい。
【００３５】
本発明の積層成形体全体における炭素材料の含有量は６０体積％以上８５体積％未満の範囲内であることが好ましい。該含有量が６０体積％以上の場合、セパレータとして用いる際の導電性が良好であり、８５体積％未満の場合、セパレータとして用いる際の機械的強度およびガスシール性が良好である。積層成形体全体における炭素材料の含有量は、７０体積％以上、さらに７５体積％以上がより好ましい。
【００３６】
シート状成形材料を用いて得られる積層成形体の中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’のそれぞれの層における炭素材料の含有量の測定方法としては、たとえば光学顕微鏡を用いた断面観察を行ない、観察視野に占める炭素材料部分の面積の割合（面積％）を画像解析により読み取り、該割合を炭素材料の含有量（体積％）として算出する方法を採用することができる。
【００３７】
本発明において、中間層Ｂ，Ｂ’の曲げ強さは３０〜７０ＭＰａの範囲内であることが好ましい。中間層Ｂ，Ｂ’の曲げ強さが３０〜７０ＭＰａの範囲内である場合、セパレータ全体の機械的強度が確保され、かつ中間層Ｂ，Ｂ’の導電性を大きく低下させることがないため、セパレータ全体の導電性が良好に維持される。中間層Ｂ，Ｂ’の曲げ強さは４０ＭＰａ以上、さらに５０ＭＰａ以上がより好ましい。曲げ強さはたとえばＪＩＳ  Ｋ−６９１１に準拠した方法により測定される。
【００３８】
また本発明においては、表面層Ｃ，Ｃ’の体積抵抗率が、２．０〜１０．０ｍΩ・ｃｍの範囲内であることが好ましい。該体積抵抗率が２．０〜１０．０ｍΩ・ｃｍの範囲内である場合、セパレータの機械的強度を維持しつつセパレータとして必要な導電性を確保することができる。該体積抵抗率は、８．０ｍΩ・ｃｍ以下が特に好ましい。上記の体積抵抗率は、たとえばＪＩＳ  Ｃ−２５２５−１９９９に準拠して求めることができる。
【００３９】
本発明においては、たとえば図１で示される中心層Ａ１３の厚みｔＡが、積層成形体１の厚みｔの１／５〜２／５の範囲内であることが好ましい。中心層Ａの厚みが積層成形体の１／５以上である場合、セパレータ全体の導電性が良好であり、２／５以下である場合、中間層Ｂ，Ｂ’の厚みも一定以上確保することができるため、セパレータ全体の機械的強度が良好である。この場合、セパレータ全体の導電性および機械的強度が良好に両立される。
【００４０】
本発明においては、たとえば図１で示される中間層Ｂ１２，表面層Ｂ’１４の各々の厚みｔＢ１，ｔＢ２が、積層成形体１の厚みｔの１／２０〜２／５の範囲内であることが好ましく、１／１５〜２／５がより好ましく、１／１０〜２／５が特に好ましい。中間層Ｂ，表面層Ｂ’の各々の厚みが積層成形体の厚みの１／２０以上である場合、セパレータ全体の機械的強度が良好であり、２／５以下である場合、セパレータ全体の導電性が良好である。
【００４１】
本発明においては、たとえば図１で示される表面層Ｃ１１，表面層Ｃ’１５の各々の厚みｔＣ１，ｔＣ２が、積層成形体１の厚みｔの１／４０〜１／５の範囲内であることが好ましい。表面層Ｃ，表面層Ｃ’の各々の厚みが積層成形体の厚みの１／４０以上である場合セパレータ全体の導電性が良好であり、１／５以下である場合セパレータ全体、特にセパレータ表面の機械的強度の低下が防止できる。表面層Ｃ１１，表面層Ｃ’１５の各々の厚みｔＣ１，ｔＣ２は、積層成形体１の厚みｔの１／２０〜１／１０の範囲内であることが特に好ましい。
【００４２】
本発明の燃料電池用セパレータの厚みは、０．２〜２．０ｍｍの範囲内に設計されることが好ましい。厚みが０．２〜２．０ｍｍの範囲内である場合、ガスシール性が特に良好で、薄型のセパレータを得ることができる。
【００４３】
本発明に使用するシート状成形材料としては、例えば（１）樹脂シートの少なくとも片面に粒子状炭素材料を付着させ炭素粒子層を形成したもの、（２）樹脂と炭素材料とを混合することにより樹脂シート内部に粒子状炭素材料が分散しているものが挙げられるが、前者の（１）のものが好ましく用いられる。
【００４４】
上記（２）のシート状成形材料は、炭素材料と樹脂との混合物を流動状態で圧縮成形、射出成形等することによりシート内部に炭素材料を分散させたものであり、流動性を確保する必要性から、炭素材料の含有量を一定以上増やすことは困難であるが、表面に炭素粒子層を形成した上記（１）のシート状成形材料を用いると、シート状成形材料中の炭素材料の含有量を所望の程度高くすることができるとともに、良好な厚み精度も確保でき、その結果セパレータの薄肉化が可能となる。
【００４５】
（１）のシート状成形材料は、例えば樹脂シート上に粒子状炭素材料を散布した後、樹脂シートを加熱溶融させてシートに炭素材料を付着する方法等により形成することができる。この（１）のシート状成形材料は樹脂と炭素材料との混合物を流動状態にするという操作を行うことなく、導電性のシート状成形材料を形成することができるため、（２）のシート状成形材料と比べて、作製時における炭素材料粒子の損傷が少なく、シート状成形材料中で炭素材料が互いに接する点の数が少なくなるので、導電性の向上効果が得られる。（１）のシート状成形材料における炭素粒子層は、樹脂シートの片面のみに形成されても両面に形成されても良いが、取り扱い性の点で樹脂シートの片面に形成されることが好ましい。
【００４６】
（１）のシート状成形材料を用いる場合、セパレータとしての実用性を確保するために十分な厚みを有する成形体を得るという点や、中心層、中間層および表面層における単位面積当たりの炭素材料の含有量を大きくすることが可能であるという点で、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’がそれぞれ多層構造とされることが好ましい。例えば中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’のそれぞれを厚みが１００〜４００μｍの範囲内であるシート状成形材料の単層または多層構造とした積層成形体は本発明において好ましく用いられる。
【００４７】
本発明の燃料電池用セパレータを構成する積層成形体において、中心層Ａを挟んで形成される２つの中間層Ｂ，Ｂ’および該中間層Ｂ，Ｂ’の外側に形成される２つの表面層Ｃ，Ｃ’は、炭素材料の含有量が本発明の所定の範囲内とされる限り、それぞれ使用されるシート状成形材料の種類が異なっていてもよく、また層を構成するシート状成形材料の枚数等が異なっていてもよい。この場合、積層成形体が厚み方向の中心に対して対称な構造を有することにより優れた形状安定性等が得られるため、中間層Ｂと中間層Ｂ’とが同一の構造を有することが好ましく、また表面層Ｃと表面層Ｃ’とが同一の構造を有することが好ましい。特に中間層Ｂ，Ｂ’および／または表面層Ｃ，Ｃ’がそれぞれ多層構造とされる場合には、それぞれ材質、積層枚数等の点で厚み方向の中心に対して完全に対称となるように中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’が配置されることが好ましい。
【００４８】
上記の炭素材料としては、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。これらの炭素材料は単独で、もしくは２種以上を組合せて用いることができる。また、黒鉛を化学処理して得られる膨張黒鉛も使用することができる。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。
【００４９】
これらの炭素材料の形態としては、粉粒体が好ましい。炭素材料の粉粒体は、導電性と機械的性質とのバランスの点で、平均粒子径が１〜８００μｍの範囲内のものが好ましく、さらに５０〜６００μｍの範囲内のものが特に好ましい。これらの炭素材料の粉粒体の形状に特に制限はなく、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。
【００５０】
上記（１）のシート状成形材料に使用する樹脂シートとしては、熱硬化性樹脂シート、熱可塑性樹脂シートが挙げられる。かかる熱硬化性樹脂シートの熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。
【００５１】
熱硬化性樹脂シートは１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したシ−トや２種類以上の樹脂を層状に形成した複合シートも使用することができる。熱硬化性樹脂シ−トは、熱硬化性樹脂と硬化触媒とを溶剤で希釈した樹脂溶液を作製し、この溶液を離型紙等の上に塗布した後、加熱や減圧を行うことにより塗膜から溶剤を除去することで得ることができる。この樹脂シ−トは、最終的にセパレ−タ成形工程で硬化させるべく、未硬化状態で使用する。
【００５２】
熱可塑性樹脂シートの熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、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、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、ポリフェニレンスルフィド、ポリチオエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、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、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライドなどのフッ素樹脂、ポリエステル、ポリ乳酸、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マーなどの熱可塑性エラストマー等が挙げられる。
【００５３】
又、熱硬化性樹脂シートと同様に、熱可塑性樹脂シートは１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したシ−トや２種類以上の樹脂を層状に形成した複合シートも使用することができる。さらに熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との複合シートも使用することができる。
【００５４】
上記の樹脂は、用いる燃料電池の動作温度に対する耐熱性や耐久性に応じて、適宜選択して用いることができる。例えばリン酸型燃料電池に用いる場合においては、耐蝕性、耐熱性の点から、たとえばポリフェニレンスルフィド樹脂が好ましく、また固体高分子型燃料電池に用いる場合においては、耐蝕性、機械的強度の点から、たとえばポリフェニレンスルフィド樹脂やポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂が好ましい。
【００５５】
本発明においては、上述のような樹脂を用いたシート状成形材料を形成して用いることができる。たとえば、ポリフェニレンスルフィド樹脂は、融点以上での加熱加圧成形により炭素材料を付着する場合に、樹脂溶融物の炭素材料への親和性が大きく、炭素材料がシート状成形材料中で均一に分散し、セパレータ全体の導電性や機械的強度を高めることができる点で好ましい。
【００５６】
本発明に使用するシート状成形材料は、樹脂および炭素材料のみから構成されても良いが、シート状成形材料の所望の特性が損なわれない範囲で、他の非導電性材料または半導電性の材料を含んでいても良い。このような材料としては、たとえば、非導電性粉粒体として、炭酸カルシウム、シリカ、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が挙げられる。また半導電性粉粒体としては、酸化亜鉛、酸化錫、酸化チタン等がそれぞれ例示される。
【００５７】
樹脂シートとしては、例えば不織布、織物、フィルム等が挙げられるが、特に適度な空隙を有するものが好ましい。かかる適度な空隙を有するものとしては、不織布が好ましく採用される。ここで不織布とは、例えば上記の樹脂を材料とする繊維同士を化学的または機械的な方法またはそれらの組合せにより結合や絡み合わせを行った構造物をいうものである。具体的には、繊維同士を接着剤によって接合させたもの、ニードルパンチ等により繊維同士を機械的に接合させたもの、例えばスパンボンドのように直接溶融によって繊維同士を接合させたもの等が挙げられる。不織布の厚みを均一にするという点では、スパンボンドのように直接溶融によって繊維同士が接合された不織布が好ましい。
【００５８】
不織布を構成する樹脂としては、繊維化が容易であるという点で、特に熱可塑性樹脂が好ましい。特にスパンボンドのように繊維を溶融させることによって繊維同士を接合する方法を用いる場合には、熱可塑性樹脂からなる繊維を用いることが必要となる。
【００５９】
なお不織布を形成する繊維は１種から構成されても良いが、形状および／または材料組成が異なる２種以上の繊維から構成されても良い。
【００６０】
上記の不織布は炭素材料を保持することができるものであれば良いが、通常１〜２００μｍの範囲内の直径を有する繊維からなる不織布が好ましく使用される。
【００６１】
樹脂シートの空隙の形状、空隙率等の特性は、目的とするセパレータの性状によって適宜設計され得るが、炭素材料をより多量に含有するシート状成形材料を容易に調製できる点で、樹脂シートの表面に空隙の開口部が存在することが好ましい。また、下記の式、
樹脂シートの空隙率（％）＝（１−（樹脂シートの真の体積）／（樹脂シートの見かけ上の体積））×１００（％）
で表される樹脂シートの空隙率（％）は、３０〜９０％の範囲内が好ましい。該空隙率が３０％以上である場合、炭素材料の付着性が良好となり、また９０％以下である場合、取り扱い性に優れるシート状成形材料を得ることができる。該空隙率（％）は、さらに７０〜８５％の範囲内がより好ましい。ここで、樹脂シートの真の体積は、樹脂シートの質量を測定し、得られた数値をシートの比重で割ることにより算出できる。また、樹脂シートの見かけ上の体積は、シートの見かけ上の厚み、幅、長さの測定値から算出される。なお樹脂シート表面に空隙の開口部を有する場合、見かけ上の厚みは樹脂シートの上下平面間の厚みとする。
【００６２】
樹脂シートとして不織布が用いられる場合、該不織布の空隙の平均孔径は、たとえば１０〜８００μｍの範囲内とすることが好ましい。該空隙の平均孔径が１０〜８００μｍの範囲内である場合、本発明において用いられる炭素材料の付着性が良好である傾向があり、不織布に付着させた炭素材料が脱落し難く、均一なシート状成形材料が得られ易い傾向がある。該空隙の平均孔径は、さらに３０〜５００μｍの範囲内とされることが好ましい。該空隙の平均孔径は、たとえば実体顕微鏡を用いて得られる樹脂シート表面の空隙の外接円直径の平均値として測定することができる。
【００６３】
樹脂シートの目付、すなわち単位面積当たりの質量は、５〜３００ｇ／ｍ2の範囲内とすることが好ましい。該目付が５ｇ／ｍ2以上であれば、十分な量の炭素材料を樹脂シートに付着させることができるとともに、シート状成形材料の厚み精度も良好となり、さらに該シート状成形材料の機械的強度も良好となる。また３００ｇ／ｍ2以下であれば、樹脂シートが厚くなり過ぎることがなく、シート状成形材料の導電性が良好となる。該目付は、さらに５〜５０ｇ／ｍ2の範囲内とすることが特に好ましい。
【００６４】
樹脂シートの厚みは、５〜３００μｍの範囲内とすることが好ましい。該厚みが５μｍ以上であれば、十分な量の炭素材料を樹脂シートに付着させることができるとともに、シート状成形材料の厚み精度も良好となり、さらに該シート状成形材料の機械的強度も良好となる。また３００μｍ以下であれば、シート状成形材料の導電性が良好となる。該厚みは、さらに５〜２００μｍの範囲内とすることが特に好ましい。
【００６５】
本発明においては、樹脂シート、特に不織布を構成する材料として、上記の熱可塑性樹脂および／または熱硬化性樹脂と導電性繊維とを併用しても良い。導電性繊維を併用することにより燃料電池用セパレータの導電性および機械的強度をさらに向上させることができる。
【００６６】
上記の導電性繊維としては、ステンレス繊維等の金属繊維、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、フェノール系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、気相成長法により生成した炭素繊維等の炭素繊維、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、ポリアセン等の導電性高分子繊維、無機繊維または有機繊維の表面に金属を蒸着またはメッキした繊維等が挙げられ、これらを単独または２種以上の組合せで使用できる。
【００６７】
本発明の燃料電池用セパレータは、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’の５層の多層構造を有するが、例えば、中心層Ａと中間層Ｂ，Ｂ’との間の各々、ならびに／または、中間層Ｂと表面層Ｃとの間および中間層Ｂ’と表面層Ｃ’との間の各々、にさらに異なる層を設け、７層以上の積層構造にすることもできる。
【００６８】
本発明の燃料電池用セパレータは、たとえば以下のような方法で製造することができる。以下に、上記（１）のシート状成形材料を用いて燃料電池用セパレータを製造する場合について説明する。
【００６９】
まず、積層成形体を構成するシート状成形材料を作製する。サンプル支持台上で、樹脂シートの片面に、ホッパーから供給された黒鉛粒子等の炭素粒子を散布し、スキージ板で余分の炭素粒子を除去することによって、該炭素粒子の厚みを所定の値に調整する。次に、炭素粒子と該炭素粒子が散布された樹脂シートとを一対の加熱ロールで加圧し、炭素粒子が付着した樹脂シートを得た後、冷却装置を備えたサンプル支持台上に、上記の炭素粒子が付着した樹脂シートを送り、樹脂シートを冷却する。次いで、樹脂シートに付着していない炭素粒子を除去することにより、シート状成形材料を得ることができる。除去した炭素粒子は、回収し再利用することができる。
【００７０】
上記の方法で（１）のシート状成形材料を作製する場合、樹脂シートに付着させる炭素材料の量は、炭素粒子の粒径、スキージ板の設計、加熱ロールのロール圧、加熱温度等によって調整できる。また、シート状成形材料中の炭素材料の含有量は、樹脂シートの目付、すなわち単位面積当たりの質量と、該樹脂シートに付着させる炭素材料の量との関係の調整により増減させることができる。本発明においては、このような方法で炭素材料の含有量を増減させたシート状成形材料を中心層、中間層および表面層として用いることにより所望の積層成形体を作製することができる。
【００７１】
次に、上記のような方法で作製したシート状成形材料を中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’として用い、本発明の燃料電池用セパレータを形成することができる。まず、中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’を構成するシート状成形材料を、表面層Ｃ／中間層Ｂ／中心層Ａ／中間層Ｂ’／表面層Ｃ’の順の積層構造となるように積層した後、積層されたシート状成形材料を加熱加圧成形して、本発明に用いられる積層成形体を形成する。本発明における中心層Ａ、中間層Ｂ，Ｂ’および表面層Ｃ，Ｃ’の少なくともいずれかに多層構造が採用される場合には、上記の積層の際に同種または異種のシート状材料を複数枚積層して多層構造を形成すれば良い。
【００７２】
加熱加圧成形は、たとえば金型を用いたプレス成形やスタンパブル成形等の従来公知の方法により行なうことができる。たとえば熱可塑性樹脂を用いる場合には、該熱可塑性樹脂の融点以上の温度で０．０５〜１００ＭＰａ程度に加圧し、１０〜２００秒間プレス成形した後、該熱可塑性樹脂の融点以下の温度で０．５〜１００ＭＰａ程度に加圧して冷却プレスする方法等が採用できる。また熱硬化性樹脂を用いる場合には、該硬化性樹脂の硬化温度近傍で、０．５〜１００ＭＰａ程度に加圧し、１０〜２００秒間プレス成形する方法等が採用できる。
【００７３】
図２は、本発明に係る燃料電池用セパレータの形状の例を示す図である。燃料電池用セパレータとしては、この図２中に示す燃料電池用セパレータ２のように、ガスまたは液体の供給路となるリブ形状を両面に設けたものや、該リブ形状を片面に設けたものが挙げられ、本発明の燃料電池用セパレータにはいずれの形状も採用され得る。燃料電池用セパレータの形状は、積層成形体を形成する際の金型の形状を適宜選択することにより任意に設計され得る。なお本発明に係る燃料電池用セパレータがたとえば図２に示すようなリブ形状を有する場合、本明細書に記載される積層成形体の各層の炭素材料の含有量および各層の厚みとは、リブ形状が設けられていない平面部位において評価される値を意味する。
【００７４】
本発明の燃料電池用セパレータは、シート状成形材料の積層成形体により形成されるためガスシール性に優れる。
【００７５】
上記のようにして得られた本発明の燃料電池用セパレータを用いて燃料電池を形成することができる。図３は、本発明に係る燃料電池のセル構造の例を示す図である。本発明の燃料電池用セパレータ３１は、たとえば、燃料極３２、酸化剤極３３および固体高分子電解質膜３４からなる電解質膜／膜接合体３５を挟むように配置され、固体高分子型の燃料電池セル３とすることができる。本発明の燃料電池は、単一の燃料電池セル３を用いても利用可能であるが、発電性能を高める目的で通常は該燃料電池セル３が複数直列に配置された燃料電池スタックとされる。
【００７６】
本発明で得られる燃料電池用セパレータは、上記の固体高分子型の他、ヒドラジン型、直接メタノール型、アルカリ型、リン酸型等の種々の燃料電池に対して好適に適用され得る。
【００７７】
上記のような方法で作製される本発明の燃料電池は、導電性および機械的強度に優れ、かつセパレータの薄肉化により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、非常用電源や、人工衛星、飛行機、宇宙船等の移動体用電源、等として好適に使用され得る。
【実施例】
【００７８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（シート状成形材料１の調製）
１５０ｍｍ×１５０ｍｍのポリプロピレン（以下ＰＰという）／ポリエチレン（以下ＰＥという）繊維からなる不織布（目付１０ｇ／ｍ2、厚み６５μｍ、平均空隙孔径３８μｍ、空隙率８５％）の上に、平均粒子径が２５０μｍの黒鉛粒子（人造黒鉛）１０ｇを散布した後、不織布の両端に高さ０．８ｍｍのスペーサーを置き、スペーサーの一方の端から他方の端に向かってスキージ板を移動させることによって黒鉛粒子を不織布全面に広げた。
【００７９】
次いで、あらかじめ１４０〜１６０℃に加熱した加圧ロールで上記の黒鉛粒子を広げた不織布を加圧し、不織布を部分的に溶融させることによって不織布に黒鉛粒子を付着させ、自然冷却した後、不織布に付着していない黒鉛粒子をエアーブローにて除去した。以上の方法により、厚み３００μｍ、目付１００ｇ／ｍ2のシート状成形材料１を得た。
（シート状成形材料２の調製）
１５０ｍｍ×１５０ｍｍのＰＰ／ＰＥ繊維からなる不織布（目付２０ｇ／ｍ2、厚み１２０μｍ、平均空隙孔径３８μｍ、空隙率８５％）の上に、平均粒子径が１５０μｍの黒鉛粒子（人造黒鉛）１０ｇを散布した後、不織布の両端に高さ０．８ｍｍのスペーサーを置き、スペーサーの一方の端から他方の端に向かってスキージ板を移動させることによって黒鉛粒子を不織布全面に広げた。
【００８０】
次いで、あらかじめ１４０〜１６０℃に加熱した加圧ロールで上記の黒鉛粒子を広げた不織布を加圧し、不織布を部分的に溶融させることによって不織布に黒鉛粒子を付着させ、自然冷却した後、不織布に付着していない黒鉛粒子をエアーブローにて除去した。以上の方法により、厚み２５０μｍ、目付８０ｇ／ｍ2のシート状成形材料２を得た。
（シート状成形材料３の調製）
１５０ｍｍ×１５０ｍｍのポリフェニレンスルフィド樹脂（以下ＰＰＳという）繊維からなる不織布（目付２５ｇ／ｍ2、厚み１５０μｍ、空隙率８５％）の上に、平均粒子径が２５０μｍの黒鉛粒子（人造黒鉛）１０ｇを散布した後、不織布の両端に高さ０．８ｍｍのスペーサーを置き、スペーサーの一方の端から他方の端に向かってスキージ板を移動させることによって黒鉛粒子を不織布全面に広げた。
【００８１】
次いで、あらかじめ２６５〜２８０℃に加熱した加圧ロールで上記の黒鉛粒子を広げた不織布を加圧し、不織布を部分的に溶融させることによって不織布に黒鉛粒子を付着させ、自然冷却した後、不織布に付着していない黒鉛粒子をエアーブローにて除去した。以上の方法により、厚み３２０μｍ、目付１６５ｇ／ｍ2のシート状成形材料３を得た。
（シート状成形材料４の調製）
１５０ｍｍ×１５０ｍｍのＰＰＳ繊維からなる不織布（目付２５ｇ／ｍ2、厚み１５０μｍ、空隙率８５％）の上に、平均粒子径が１５０μｍの黒鉛粒子（人造黒鉛）１０ｇを散布した後、不織布の両端に高さ０．８ｍｍのスペーサーを置き、スペーサーの一方の端から他方の端に向かってスキージ板を移動させることによって黒鉛粒子を不織布全面に広げた。
【００８２】
次いで、あらかじめ２６５〜２８０℃に加熱した加圧ロールで上記の黒鉛粒子を広げた不織布を加圧し、不織布を部分的に溶融させることによって不織布に黒鉛粒子を付着させ、自然冷却した後、不織布に付着していない黒鉛粒子をエアーブローにて除去した。以上の方法により、厚み２８０μｍ、目付８５ｇ／ｍ2のシート状成形材料４を得た。
【００８３】
＜実施例１〜６，比較例１〜１２＞
樹脂シートおよび炭素材料として、上述の方法により調製した表１または表４に示すシート状成形材料をそれぞれ用い、中心層、中間層、表面層とした。なお、中心層、中間層、表面層は、表１または表４に示すシート状成形材料の表２または表５に示す枚数を積層してそれぞれ形成した。
【００８４】
上述の方法で得られたシート状成形材料を１００×１００ｍｍに裁断し、実施例１〜６については、表面層／中間層／中心層／中間層／表面層の順の積層構造、比較例１〜４，７〜１０については、中間層／中心層／中間層の順の積層構造、比較例５，１１については中心層のみからなる積層構造、比較例６，１２については中間層のみからなる積層構造となるように表２または表５に示す枚数のシート状成形材料を重ね合わせた。たとえば実施例１について説明すると、シート状成形材料１を１枚（表面層）／シート状成形材料２を８枚（中間層）／シート状成形材料１を２２枚（中心層）／シート状成形材料２を８枚（中間層）／シート状成形材料１を１枚（表面層）、の順で重ね合わせた。
【００８５】
このような方法でシート状成形材料を重ね合わせたものを常温の金型に入れて、金型とともに加熱したプレス成形機にセットし、所定の温度（ＰＰＳ；３００℃、ＰＰ／ＰＥ；１８５℃）まで加熱・加圧して不織布を溶融させた後、直ちに別の冷却・加圧プレス成形機に入れて、３５．０ＭＰａの圧力で所定の温度（ＰＰＳ；１５０℃、ＰＰ／ＰＥ；８０℃）まで冷却し、図２に示すようなリブ形状を両面に有するセパレータを形成した。なお該セパレータの成形サイクルは１２０秒間とした。これを各実施例および比較例に係るセパレータとした。
【００８６】
また、上記のセパレータの作製とは別に、上述の方法で得られたシート状成形材料を用い、金型の形状を変えた他は上記と同様の操作で長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚み２．２〜３．０ｍｍの平板状の積層成形体を作製し、試験用成形体とした。該試験用成形体を用いて、炭素材料の含有量、各層の厚み、体積抵抗率、曲げ強さの測定を行なった。
＜積層成形体中の各層における炭素材料の含有量＞
上記で得た平板状の試験用成形体から断面形態観察用の試料５サンプルを採取し、光学顕微鏡［（株）キーエンス製］を用いて各サンプルの断面形態を観察した。また、断面形態画像を画像解析ソフト［（株）プラネトン製］を用いて解析し、中心層、中間層および表面層それぞれの観察視野に占める黒鉛粒子部分の面積の割合（面積％）を算出し、この値を、中心層、中間層および表面層をそれぞれ構成するシート状成形材料中の黒鉛粒子の含有量（体積％）とした。結果を表１および表４に示す。
＜積層成形体中の各層の厚み＞
上記で得た平板状の試験用成形体から採取した断面形態観察用のサンプルを用いて上記と同様に断面形態を観察すると同時に、光学顕微鏡にセットされたスケールを用いて中心層、中間層および表面層それぞれの厚みを測定した。結果を表３および表６に示す。
＜積層成形体の曲げ強さ＞
上記で得られた平板状の試験用成形体から切り出した長さ７０ｍｍ、幅２５ｍｍ、厚み２．２〜３．０ｍｍの試験片を用い、ＪＩＳ  Ｋ−６９１１に準拠して曲げ強さを測定した。結果を表３および表６に示す。
＜積層成形体の体積抵抗率＞
上記で得られた平板状の試験用成形体から切り出した長さ８０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚み２．２〜３．０ｍｍの試験片を用い、ＪＩＳ  Ｃ−２５２５−１９９９に準拠して体積抵抗率（単位：ｍΩ・ｃｍ）を測定した。結果を表３および表６に示す。
【００８７】
【表１】
2007227363.tif 000003
【００８８】
【表２】
2007227363.tif 000004
【００８９】
【表３】
2007227363.tif 000005
【００９０】
【表４】
2007227363.tif 000006
【００９１】
【表５】
2007227363.tif 000007
【００９２】
【表６】
2007227363.tif 000008
【００９３】
実施例１〜３および比較例１〜６においては、樹脂シートおよび炭素材料として同一の材料が用いられているが、中心層と該中心層を挟む表面層とが形成された比較例１〜４、本発明の中心層に相当する層のみが形成された比較例５、および本発明の中間層に相当する層のみが形成された比較例６と比べて、実施例１〜３は、曲げ強さおよび体積抵抗率のバランスにおいていずれも良好な値を示している。また実施例１〜３ではセパレータ全体の厚みは同一であるが、実施例３、実施例２、実施例１の順で低い体積抵抗率を示していることから、表面層の厚みを厚くすることにより導電性が向上していることが分かる。一方曲げ強さは、実施例１と実施例２とが同一で、実施例３はそれより若干小さい値を示していることから、本発明においては、所望される曲げ強さと体積抵抗率とのバランスに応じて積層成形体の層構成を適宜調整できることが分かる。
【００９４】
特に、実施例１〜３と比較例２とを比較すると、実施例１〜３におけるシート状成形材料１の合計厚みと、比較例２におけるシート状成形材料１の厚みは同一とされ、実施例１〜３および比較例２においてシート状成形材料２の合計厚みは同一とされている。実施例１〜３および比較例２においては、セパレータ全体の材料組成は同一である。しかし、実施例１〜３においては比較例２とほぼ同等の曲げ強さが見られた一方、体積抵抗率が著しく低減されていた。これらの結果から、セパレータ全体の材料組成が同様であっても、本発明の積層構造を採用することにより導電性と機械的強度とを高度に両立することが可能であることが分かる。
【００９５】
実施例４〜６および比較例７〜１２においても、中心層と該中心層を挟む表面層とが形成された比較例７〜１０、本発明の中心層に相当する層のみが形成された比較例１１、および本発明の中間層に相当する層のみが形成された比較例１２と比べて、実施例４〜６は、曲げ強さおよび体積抵抗率のバランスにおいていずれも良好な値を示していることが分かる。また実施例４〜６においても実施例１〜３と同様の傾向が見られ、表面層の厚みを厚くすることにより導電性が向上する一方、曲げ強さは実施例４と実施例５とで同一で、実施例６はそれより若干小さい値を示していることから、これらの結果からも、本発明において、所望される曲げ強さと体積抵抗率とのバランスに応じて積層成形体の層構成を適宜調整できることが分かる。
【００９６】
また、実施例４〜６と比較例８との比較においては、実施例１〜３と比較例２との比較における傾向と同様の傾向が見られ、実施例４〜６においては、比較例８とほぼ同等の曲げ強さが見られた一方、体積抵抗率が著しく低減されていた。これらの結果からも、セパレータ全体の材料組成が同様であっても、本発明の積層構造を採用することにより導電性と機械的強度とを高度に両立することが可能であることが分かる。
【００９７】
なお、実施例１〜６においては、比較例１〜１２と同様、断面形態の観察においてセパレータの膨れや層間剥離は認められなかったことから、本発明の燃料電池用セパレータにおいては中心層、中間層および表面層の密着性が良好であることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
本発明の燃料電池用セパレータは、機械的強度を維持しつつ良好な導電性を有し、これを用いた軽量かつ高信頼性の燃料電池は、ポ−タブル電池、自動車用電源、非常用電源等の燃料電池として有効に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータを構成する積層成形体の構造について説明する断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用セパレータの形状の例を示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池のセル構造の例を示す図である。
【符号の説明】
【０１００】
１  積層成形体、１１  表面層Ｃ、１２  中間層Ｂ、１３  中心層Ａ、１４  中間層Ｂ’、１５  表面層Ｃ’、２，３１  燃料電池用セパレータ、３  燃料電池セル、３２  燃料極、３３  酸化剤極、３４  固体高分子電解質膜、３５  電解質膜／電極接合体。
【図１】
2007227363.tif 000009
【図２】
2007227363.tif 000010
【図３】
2007227363.tif 000011