(57)【要約】【課題】  導電性に優れる燃料電池用セパレータを、少ない製造工程で効率良く、安価に製造する。【解決手段】  導電性材料からなり、貫通孔を有するシート状の導電性基材を充填した金型に、樹脂をインサート成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料からなり、貫通孔を有するシート状の導電性基材を充填した金型に、樹脂をインサート成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
導電性基材が炭素繊維、天然黒鉛またはカーボンナノチューブ、もしくは導電処理を施したガラス繊維、アルミナ繊維またはアラミド繊維の少なくとも１種からなる不織布、ペーパまたはフェルトであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
導電性基材を、嵩密度0.4〜0.8g/cm3となるように充填することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
導電性基材を、厚み方向において、中心部分が低密度で、該中心部分の上下部分が高密度となるように充填することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
金型に注入する直前に主剤と硬化剤とを混合させる２色成型を行うことを特徴とする請求項６記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項８】
熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項６または７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項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であって、導電性基材同士が接触し、かつ該導電性基材の隙間に樹脂が充填されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、燃料の有する化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池の需要が高まってきている。一般に燃料電池は、電解質を含有するマトリックスを電極板が挟み、更にその外側にセパレータが配置された単位セルを、多数積層した形になっている。
【０００３】
上記の燃料電池用セパレータには、発生した電気を電極板から集電をする都合上、高い導電性が必要である。更に、ガス不透過性、耐食性、機械的強度等も必要とされる。また、単位セルを多数積層して用いるため、重量が小さく、低コスト化、生産タクトの短縮が要求される。
【０００４】
また、燃料電池用セパレータは、電極にガスを供給するためのガス流路や冷却溝を必要とする。従来使用されていた燃料電池用セパレータには、高密度グラファイト或いはグラファイト材に熱硬化樹脂を含浸し、更にその両面または片面にガス流路となる複数の並行する溝を機械加工したものがある。しかし、切削加工は非常に多くの作業時間を要し、更には切削工具の磨耗による精度の低下といった問題があり、生産効率が悪く、非常にコスト高になり実用に至っていない。
【０００５】
また、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂と、カーボンブラックや黒鉛粉末との混合物を加熱溶融してシート化し、このシートをスタンピング成形等により溝形状を付与することで燃料電池用セパレータを製造する方法も提案されている（例えば特許文献１参照）。この方法では、切削加工する必要が無くなり、大幅な加工コストを削減することが可能で、加工精度も高いという利点がある。しかしながら、シートの作製、形状を付与するためのスタンピング成形など多くの工程を必要とするため、生産効率が悪く、コスト高になっている。
【０００６】
そこで、予備成形体等を必要とせず、製造工程が単純な射出成形により燃料電池用セパレータを製造する方法も提案されている（例えば特許文献２参照）。この方法では、製造工程低減によって生産効率が良くなり、コストを低減させることが可能である。しかしながら、導電性を確保するために大量の導電性フィラーを充填する必要があり、そのため、流動性が極端に悪くなり、非常に高速高圧の射出成形機が必要で、汎用性がなく、実用化は非常に困難である。そのため、導電性フィラーと樹脂のコンパウンドに射出成形可能な流動性を確保するために導電性フィラーの充填量を減らさなければならず、セパレータ形状が得られたとしても、燃料電池用セパレータの基本特性である導電性が著しく劣ったものしか得られていない。また、高速高圧で成形を行うと、金型内に樹脂を注入する時に大きな剪断力がかかり、樹脂の分解による物性の低下や、導電性フィラーの破壊による導電性の低下を招く。
【０００７】
ここで、流動性と導電性の両方を向上させる手段としては、射出成型後に燃料電池用セパレータを焼成し、樹脂を黒鉛化させることにより導電性を向上させる方法（例えば特許文献３参照）等がある。しかしながら、この方法では樹脂の燃焼に長い時間を要し、工程増加によるコスト増といった問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開2001-122677号公報
【特許文献２】特開2003-297386号公報
【特許文献３】特開2003-257445号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、導電性に優れる燃料電池用セパレータを、少ない製造工程で効率良く、安価に製造することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは上記課題を解決すべく燃料電池用セパレータの製造方法について鋭意研究を行った結果、導電性材料からなり多数の貫通孔が形成されたシート状の導電性基材を金型に充填し、そこへ樹脂をインサート成形する方法が有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は上記目的を達成するために下記に示す燃料電池セパレータの製造方法を提供する。
（１）  導電性材料からなり、貫通孔を有するシート状の導電性基材を充填した金型に、樹脂をインサート成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
（２）導電性基材が炭素繊維、天然黒鉛またはカーボンナノチューブ、もしくは導電処理を施したガラス繊維、アルミナ繊維またはアラミド繊維の少なくとも１種からなる不織布、ペーパまたはフェルトであることを特徴とする上記（１）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（３）導電性基材を、嵩密度0.4〜0.8g/cm3となるように充填することを特徴とする上記（１）または（２）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（４）導電性基材を、厚み方向において、中心部分が低密度で、該中心部分の上下部分が高密度となるように充填することを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（５）樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（６）樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（７）金型に注入する直前に主剤と硬化剤とを混合させる２色成型を行うことを特徴とする上記（６）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（８）熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂であることを特徴とする上記（６）または（７）記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
（９）上記（１）〜（８）の何れか１項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であって、導電性基材同士が接触し、かつ該導電性基材の隙間に樹脂が充填されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、成形に際して溶融樹脂のみを注入すればよいため、流動性が高く、成形工程を効率良く行うことができる。また、導電性基材がシート状であるため、個々の導電性基材は導電性が良好であり、更に隣接する導電性基材同士が接触して燃料電池用セパレータ全体にわたり導電性の良好なネットワークが形成される。そのため、焼成等の導電性を高める工程が不要となる。このように、本発明によれば、導電性に優れる燃料電池用セパレータを効率良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。
【００１４】
図１は、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を模式的に示す工程図である。先ず（１）に示されるように、導電性基材１を成形金型２に充填する。導電性基材１は、例えば、炭素繊維、天然黒鉛、カーボンナノチューブ等のそれ自身導電性を有する材料、あるいは、ガラス繊維やアルミナ繊維、アラミド繊維等に導電処理を施したものを、それぞれ単独で、もしくは複数種を混合して、不織布やペーパ、フェルト等のように多数の貫通孔を有するシート状に加工したものを使用できる。尚、導電処理方法としては、黒鉛や金属等をスパッタリング法、蒸着法、CVD法、PVD法等により成膜すればよい。
【００１５】
中でも、燃料電池用セパレータの強度を高める効果が高く、取り扱い性が良いこと等を考慮すると、炭素繊維からなる導電性基材を用いることが好ましい。炭素繊維には様々な製法により、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維等があるが、これらを単独、または数種混合して用いることができる。導電性の観点から、炭素繊維を高温で焼成し、黒鉛結晶が発達した黒鉛質の炭素繊維を用いる方が好ましい。
【００１６】
炭素繊維の形状に特に限定はないが、繊維径としては１〜20μm、繊維長としては0.1〜500mm程度のものを使用できる。繊維長が長いものを用いると、炭素繊維が互いに絡み合い易くなり、補強効果が期待できるが、燃料電池用セパレータの表面の平滑性が低下する恐れがある。また繊維長が短いものを用いると、補強効果はあまり期待できない。
【００１７】
天然黒鉛には、土壌黒鉛、鱗片状黒鉛、葉片状黒鉛等があるが、鱗片状黒鉛に濃硫酸等をインターカレートし、熱処理することにより黒鉛結晶構造の層間を拡張して得られる膨張黒鉛を使用するのが好ましい。膨張黒鉛は極めて嵩高く、鱗片状黒鉛、球状黒鉛と比較して比表面積が大きく、粒子はより薄い薄板状となっている。このため、導電パスを形成し易く、燃料電池用セパレータに必要とされる導電フィラーとして好適である。膨張黒鉛の嵩密度としては、0.001〜0.1g/cm3が好ましい。嵩密度が高すぎると、膨張黒鉛同士の絡み合いが少なくなり、燃料電池用セパレータとして必要とされる、強度、導電性が得られない。
【００１８】
カーボンナノチューブの種類に特に限定はなく、単層構造をとるもの、多層構造をとるもの両方を使用することができる。また、カーボンナノチューブではないが、気相成長させたナノオーダーの炭素繊維を使用しても構わない。カーボンナノチューブの繊維径としては0.1〜100nm、繊維長としては1〜1000μmが好ましい。
【００１９】
尚、導電性基材１は、これら導電性材料と、ガラス繊維やアルミナ繊維、アラミド繊維等を併用してもよい。これらの混合比率に制限はないが、導電性や強度、コスト等を基に決定する。
【００２０】
導電性基材１の充填は、嵩密度が0.4〜0.8g/cm3となるようにすることが好ましい。嵩密度が0.4g/cm3未満になると、絶縁物である樹脂の比率が大きくなるため、導電パスが少なくなり、燃料電池用セパレータの導電性が低下する。また逆に0.8g/cm3超になると、導電パスが多くなり導電性は向上するが、導電性基材の隙間に樹脂が入り難くなり、ガス透過性、強度の低下といった問題を引き起こす。導電性、ガス透過性、強度のバランスから嵩密度は0.4〜0.6g/cm3が好ましく、さらに好ましくは0.4〜0.5g/cm3である。尚、嵩密度は、充填した導電性基材１の重量と体積から算出できる。
【００２１】
また、導電性基材１を、厚み方向において、中心部分が低密度で、その上下部分が高密度となるように充填することで、燃料電池用セパレータの表層部に多くの導電性材料が存在することとなり、導電性が向上する。このような充填密度の勾配を設けるには、目付量の異なる導電性基材を組み合わせて積層すればよい。尚、個々の導電性基材の目付量には特に制限はない。
【００２２】
導電性基材１を充填後、図１の（２）に示すように、樹脂３を注入して成形を行う。成形装置としては、図２に示すようなプランジャー型射出成形機を用いることができ、シリンダー５により溶融した樹脂３を成形金型２のキャビティに押し込めばよい。また、図３に示すように、複数（図の例では２基）のシリンダー５を用いることで、樹脂の移動距離が短くなり、硬化速度の速い樹脂を選択することが可能となるため、より効率的に成形することができるようになる。
【００２３】
樹脂３としては特に制限はなく、熱硬化性樹脂であればフェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の１種または複数種類を混合したものを用いることができる。また、熱可塑性樹脂であれば、ポリプロピレン、ポリメチルペンテン、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、液晶ポリエステル等の１種または複数種類を混合したものを用いることができる。中でも、成形性や耐熱性を考慮した場合、エポキシ樹脂を使用するのが好ましい。エポキシ樹脂は、エポキシ基を持つ化合物が自己重合する、または硬化剤との反応により、エポキシ樹脂化合物となる。
【００２４】
尚、樹脂３として熱硬化性樹脂を使用する場合、反応が早い樹脂を用いることが好ましい。しかし、反応が早い熱硬化性樹脂は常温から反応が開始していることが多く、注入前に硬化が開始し、流動性が低下してしまう恐れがある。そこで、図４に示すように、主剤７と硬化剤８とを金型注入直前に混合する２色成形を行うことが好ましい。
【００２５】
尚、上記の各例では、樹脂３の注入を成形金型２の上方から行っているが、成形金型２の上下から注入してもよい。これにより、成形効率及び樹脂３の均質性がより高まる。
【００２６】
本発明で採用する上記のインサート成形では、樹脂３のみが注入されるため、従来のように導電性フィラーと樹脂との溶融混合物に比べて流動性が格段に高く、高速高圧の成形装置を必要とせず、成形作業を効率よく実施できる。尚、成形条件には制限がなく、導電性基材１や樹脂３の特性に合わせて適宜設定する。
【００２７】
樹脂注入後、図１の（３）に示すように、成形体である燃料電池用セパレータ４が得られる。燃料電池用セパレータ４の形状は任意であり、例えば図５に例示したような、表裏面にガス流路用の溝が平行に形成された形状とすることができる。
【００２８】
尚、上記において、成形金型２のキャビティを図５に対応する形状とし、直接成形する方法が効率的であるが、例えば板状の成形体とし、図５に示すような形状にスタンピング成形することもできる。
【００２９】
上記の如く得られる本発明の燃料電池用セパレータ４は、導電性基材１が導電性材料からなるシート状であるため、個々の導電性基材１は導電性が良好であり、更に隣接する導電性基材同士が接触して燃料電池用セパレータ４の全体にわたり導電性の良好なネットワークが形成され、導電性に優れたものとなる。
【実施例】
【００３０】
以下に実施例を挙げて本発明についてさらに説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。
【００３１】
（実施例１〜２、比較例１〜２）
導電性基材として炭素繊維不織布（繊維径13μm、目付量300g/m2）を用い、先ず、表１に示すように、厚さ方向に嵩密度が異なるように、充填した。次いで、図２に示すようなプランジャー型射出成形機を用いて樹脂としてエポキシ樹脂（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、酸無水物、イミダゾールを用いた常温で液状のエポキシ樹脂）をインサート成形した。このときのシリンダー５の温度は常温であり、成形金型２の温度は150℃とし、幅100mm、長さ100mm、厚さ0.5mmの板状の成形体を得た。そして、成形体について、下記の（１）ガス透過性評価、（２）導電性評価及び（３）曲げ強度測定を行った。結果を表１に併記する。
【００３２】
（１）ガス透過性評価
図６に示すように、作製した成形体から適当な大きさの試験片２０を切り出し、アクリル板１０で挟み込み、試験片２０の下から窒素ガス１１（0.2MPa）を供給した。そして、試験片２０とアクリル板１０との境界部分に石鹸水１２を塗布し、泡の発生状況を目視により観察した。石鹸水１２に泡が発生しない場合を合格とし、表１に「○」を記した。また、泡が発生した場合を不可とし、表１に「×」を記した。
【００３３】
（２）導電性評価
図７に示すように、作製した成形体から幅30mm、長さ30mm、厚さ0.5mm試験片２０を切り出し、カーボンペーパー１３を介して電極１４にセットし、電極間に流した電流とカーボンペーパー間の電圧から、電気抵抗を算出し、更にこれに試験片２０と電極１４との接触面積を乗じて貫通方向の抵抗率とした。従って、貫通方向の抵抗には、カーボンペーパー１３と試験片２０の接触抵抗２つと試験片２０の体積固有抵抗が含まれる。
【００３４】
（３）曲げ強度測定
曲げ強度はJIS K7171に準じ、島津製作所製「オートグラフ AG-100kND」を用いて、100℃雰囲気下で３点曲げ試験を行った。即ち、作製した成形体から幅10mm、長さ50mm、厚さ0.5mmの試験片を切り出し、この試験半を支点間距離40mmで支えるとともに、試験片の中央部に荷重を加え、試験片が折れるまでの荷重を測定した。曲げ強度は、燃料電池用セパレータの実用上、50MPa以上が好ましい。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
表１に示されるように、導電性基材の嵩密度が小さい試験片（比較例１）では、樹脂層が表面に出やすくなるため、貫通抵抗が大きくなる。また、炭素繊維の補強効果が薄れるため、強度が小さくなる。逆に導電性基材の嵩密度が大きい試験片（比較例２）では、基材隙間に樹脂が入り難くなるため空隙が生じ、ガス透過性において燃料電池用セパレータとして実用的でない。
【００３７】
一方、本発明に従い、導電性基材の嵩密度を適当にすることにより（実施例１）、貫通抵抗が小さく、高強度の燃料電池用セパレータを得ることが可能である。また、本発明に従い、表面部と中心部の導電性基材の嵩密度を適当にすることにより（実施例２）、表面部と中心部の導電性基材の嵩密度に差がない試験片（実施例１）よりも貫通抵抗が小さく、高強度の燃料電池用セパレータを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の燃料電池用セパレータの製造方法を模式的に示す工程図である。
【図２】成形装置の一例を示す模式図である。
【図３】成形装置の他の例を示す模式図である。
【図４】成形装置の更に他の例を示す模式図である。
【図５】燃料電池用セパレータの一例を示す斜視図である。
【図６】ガス透過性の評価方法を示す図である。
【図７】貫通抵抗の測定方法を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    導電性を有する基材
２    成形用金型
３    樹脂組成物
４    燃料電池セパレータ
５    シリンダー
６    ２色成形用シリンダー
７    主剤成分
８    硬化剤成分
９    多口注入シリンダー
１０  アクリル板
１１  窒素ガス
１２  石鹸水
１３  カーボンペーパー
１４  電極
２０  試験片
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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