(57)【要約】【課題】耐腐食性が高く、且つ部分的な配向の発生が抑制された燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータ２０は、熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料の硬化物から形成される。前記燃料電池用セパレータ２０にはガス供給排出用の溝２とマニホールド１３が形成されている。前記黒鉛の真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上、前記黒鉛の含有量が７０〜８０質量％の範囲である。前記燃料電池用セパレータ２０の腐食電流が１０μＡ／ｃｍ２以下である。前記燃料電池用セパレータ２０から平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から前記小片を切り出しても二つの前記小片間の接触抵抗の比が０．９〜１．１の範囲となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料の硬化物から形成され、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータであって、
前記黒鉛の真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上、前記黒鉛の含有量が７０〜８０質量％の範囲であり、
腐食電流が１０μＡ／ｃｍ２以下であり、
前記燃料電池用セパレータから平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から前記小片を切り出しても二つの前記小片間の接触抵抗の比が０．９〜１．１の範囲となる燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料を準備し、この成形用材料を成形することで、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータを製造する方法であって、
前記成形用材料を準備するにあたって、前記黒鉛として真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上の黒鉛を用い、前記成形用材料の固形分全量に対する前記黒鉛の含有量を７０〜８０質量％の範囲とし、前記成形用材料のディスクフローを８０〜１００ｍｍの範囲に調整し、
前記成形用材料を成形するにあたって、前記成形用材料を加熱圧縮成形することで前記成形用材料を前記ガス供給排出用の溝及び前記マニホールドが形成されている前記燃料電池用セパレータの形状に成形すると共にこの成形用材料を硬化させる燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータを備える燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法、及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は複数の単セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより起電力を発生させる。
【０００３】
燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力の燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００４】
図１は、固体高分子型燃料電池の単セルの構造の一例を示す。この単セルは、セパレータ２０，２０、ガスケット１２，１２、膜−電極複合体５が重ねられることで構成されている。セパレータ２０には、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分に、燃料用マニホールド１３１と酸化剤用マニホールド１３２とが形成されている。燃料用マニホールド１３１は二つ形成されており、各燃料用マニホールド１３１はセパレータ２０の燃料電極３１と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド１３２も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド１３２はセパレータ２０の酸化剤電極３２と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。また、この外周部分には、冷却用マニホールド１３３も形成されている。セパレータ２０の外周部分に、シーリングのためのガスケット１２が積層される。
【０００５】
この単セル構造では、二つのセパレータ２０の燃料用マニホールド１３１が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、二つのセパレータ２０の酸化剤用マニホールド１３２が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、二つのセパレータ２０の冷却用マニホールド１３３が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。
【０００６】
図３は複数の単セルからなる燃料電池４０（セルスタック）の一例を示す。この燃料電池４０は、燃料用流路に連通する燃料の供給口１７１及び排出口１７２と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口１８１及び排出口１８２と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口１９１及び排出口１９２とを有する。
【０００７】
固体高分子型燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、水の排出、電流の取り出しが必要となる。更に、反応の制御のために、セルスタックに水などの冷却剤が供給される必要もある。
【０００８】
すなわち、固体高分子型燃料電池は、燃料の供給口１７１から流体である水素ガスが、酸化剤の供給口１８１から流体である酸素ガスがそれぞれ供給されることにより作動し、外部回路から電流が取り出される。この際、各電極においては下記式に示したような反応が生じる。
燃料電極反応  ：  Ｈ２→２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
酸化剤電極反応  ：  ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ…（２）
全体反応  ：  Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
上記の通り、燃料電極上で水素（Ｈ２）はプロトン（Ｈ+）となり、このプロトンが固体高分子電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素（Ｏ２）と反応して水（Ｈ２Ｏ）を生ずる。
【０００９】
固体高分子型燃料電池の一種であるメタノール直接型燃料電池(ＤＭＦＣ）では、燃料として水素の代わりにメタノール水溶液を供給しており、この場合、各電極においては下記式に示したような反応が生じている。空気極では酸素還元反応（水素を燃料とする場合と同じ反応）が起こっている。
燃料極反応  ：  ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-…（１’）
空気極反応  ：  ３／２Ｏ２＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ２Ｏ…（２’）
全体反応  ：  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
更に、燃料電池に冷却水の供給口１９１から冷却水が供給されることで、燃料電池の温度が上記反応のために適正な温度に調整される。
【００１０】
このような燃料電池を構成する部品のうち、燃料電池用セパレータ２０は、図１に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用の溝２が形成されると共にマニホールドが形成されている特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料、酸化剤及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池で生じた熱を外部へ放熱したりするという重要な役割を担っている。
【００１１】
燃料電池用セパレータ２０は、金属製のプレートや、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料などから形成される。このうち、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から形成される燃料電池用セパレータ２０は軽量化が容易であることから、近年、開発が進んでいる。
【００１２】
このような燃料電池では、燃料電池の運転中に複数の燃料電池用セパレータ２０間に電位差が生じ、それに伴って燃料電池の冷却用流路内においてセパレータ２０間に通電が生じて燃料電池用セパレータ２０の冷却用マニホールド１３３付近が腐食してしまうことがある。このような腐食が進行すると最終的には燃料電池から冷却水が漏出してしまうことがある。このような通電の抑制のために冷却水としてしばしば純水が使用されるが、冷却水が流通する配管等を構成する金属や、燃料電池内の金属、樹脂等が冷却水に溶出することで、冷却水の導電性が上昇することは避けがたい。
【００１３】
燃料電池用セパレータ２０の耐食性を向上するための技術が、特許文献１で提案されてはいる。特許文献１には、平均粒子径５０μｍ以下、最大粒子径１００μｍ以下の粒度分布を有する黒鉛粉末６０〜８５重量％と熱硬化性樹脂１５〜４０重量％とからなる板状成形体、或いはその硬化物であってその面方向の固有抵抗が３００×１０−４Ωｃｍ以下、厚さ方向／面方向の固有抵抗の比が７以下、曲げ強度が３００ｋｇｆ／ｃｍ２以上の材質性状を備える硬化物に、溝加工等を施すことで、固体高分子型燃料電池用セパレータ２０部材を得ることが開示されている。更に特許文献１では、黒鉛粉末の真比重が２．１５以上、Ｘ線回折法による平均格子面間隔ｄ００２の値が０．３４ｎｍ以下、結晶子の大きさＬｃ（００２）の値が３０ｎｍ以上であることで、黒鉛−樹脂硬化成形体の腐食電流が小さくなること（特許文献１に記載されている測定条件で１μＡ／ｃｍ２以下）も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２０００−２１４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、結晶性の高い黒鉛を含有する組成物から形成される成形体には配向（異方性）が生じやすくなる。特に燃料電池用セパレータはガス供給排出用溝やマニホールドが形成されている複雑な形状を有するため、配向が特に著しくなる。燃料電池用セパレータ内に配向が生じると、部分的な強度の低下や導電性の低下が生じ、燃料電池用セパレータの耐久性及び燃料電池用セパレータを備える燃料電池の特性に悪影響が与えられてしまう。
【００１６】
尚、特許文献１では燃料電池用セパレータ内の配向に関し、厚さ方向／面方向の固有抵抗の比が７以下であることが記載されてはいるが、結晶性の高い黒鉛が使用されることに配慮して配向を抑制したものではない。更に、特許文献１に記載の技術では単に厚さ方向／面方向の固有抵抗の比を小さくしているだけであり、燃料電池用セパレータが複雑な形状を有することで生じる部分的な配向は抑制されていない。更に、特許文献１に記載の技術では組成物が板状に成形された後、更に溝加工等が施されるため、多段階の工程が必要となり、生産効率の悪化を招いてしまう。
【００１７】
本発明は上記の事由に鑑みてなされたものであり、耐腐食性が高く、且つ部分的な配向の発生が抑制された燃料電池用セパレータ、その製造方法、及びこの燃料電池用セパレータを備える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】
【００１８】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料の硬化物から形成され、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛の真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上、前記黒鉛の含有量が７０〜８０質量％の範囲であり、腐食電流が１０μＡ／ｃｍ２以下であり、前記燃料電池用セパレータから平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から前記小片を切り出しても、二つの前記小片間の接触抵抗の比が０．９〜１．１の範囲となる。
【００１９】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、熱硬化性樹脂と黒鉛とを含有する成形用材料を準備し、この成形用材料を成形することで、ガス供給排出用の溝とマニホールドが形成されている燃料電池用セパレータを製造する方法であって、前記成形用材料を準備するにあたって、前記黒鉛として真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上の黒鉛を用い、前記成形用材料の固形分全量に対する前記黒鉛の含有量を７０〜８０質量％の範囲とし、前記成形用材料のディスクフローを８０〜１００ｍｍの範囲に調整し、前記成形用材料を成形するにあたって、前記成形用材料を加熱圧縮成形することで前記成形用材料を前記ガス供給排出用の溝及び前記マニホールドが形成されている前記燃料電池用セパレータの形状に成形すると共にこの成形用材料を硬化させる。
【００２０】
本発明に係る燃料電池は、前記燃料電池用セパレータを備える。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、耐腐食性が高く、且つ部分的な配向の発生が抑制された燃料電池用セパレータ、及びこの燃料電池用セパレータを備える燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態の一例における、燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。
【図２】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態の一例における、燃料電池用セパレータを形成するための圧縮成形金型を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態の一例における、燃料電池を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、セパレータ２０を備える固体高分子型燃料電池の一例を示す。２枚のセパレータ２０，２０の間に、固体高分子電解質膜などの電解質４とガス拡散電極（燃料電極３１と酸化剤電極３２）などからなる膜−電極複合体（ＭＥＡ）５が介在することで、単電池（単位セル）が構成されている。セパレータ２０と膜−電極複合体５の電解質４との間には、ガスケット１２が介在している。この単位セルを数十個〜数百個並設されることで電池本体（セルスタック）が構成される。
【００２４】
セパレータ２０には、燃料である水素ガス等と、酸化剤である酸素ガス等の流路であるガス供給排出用の溝２が形成される。
【００２５】
セパレータ２０は、片面のみにガス供給排出用の溝２を有するアノード側セパレータと、前記アノード側セパレータとは反対側の片面のみにガス供給排出用の溝２を有するカソード側セパレータとで構成されてもよい。このアノード側セパレータとカソード側セパレータとが重ねられることで、図１に示すような両面にガス供給排出用の溝２を有するセパレータ２０が構成される。アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には冷却水が流通する流路が形成されてもよい。この場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間にはガスケットが介在することが好ましい。
【００２６】
セパレータ２０の、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分には、六個のマニホールド１３（二つの燃料用マニホールド１３１、二つの酸化剤用マニホールド１３２、及び二つの冷却用マニホールド１３３）が形成されている。燃料用マニホールド１３１，１３１は二つ形成されており、各燃料用マニホールド１３１，１３１はセパレータ２０の燃料電極３１と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド１３２，１３２も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド１３２，１３２はセパレータ２０の酸化剤電極３２と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。この外周部分には、二つの冷却用マニホールド１３３も形成されている。セパレータ２０がアノード側セパレータとカソード側セパレータとで構成される場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータの間にある冷却水が流通する流路に、冷却用マニホールド１３３が連通する。
【００２７】
本実施形態では、図１に示されるように、セパレータ２０にはストレートタイプのガス供給排出用の溝２が形成されている。一般に、セパレータ２０におけるガス供給排出用の溝２としては、屈曲を有するサーペンタインタイプの溝と屈曲を有さないストレートタイプの溝とがある。勿論、図１に示されるセパレータ２０において、このセパレータ２０にサーペンタインタイプのガス供給排出用の溝２が形成されてもよい。
【００２８】
セパレータ２０の厚みは例えば０．５〜３．０ｍｍの範囲に形成される。セパレータ２０のガス供給排出用の溝２の幅は例えば１．０〜１．５ｍｍ、深さは例えば０．５〜１．５ｍｍの範囲に形成される。マニホールド１３の開口面積は例えば０．５〜５．０ｃｍ２の範囲に形成される。
【００２９】
ガスケット１２は、セパレータ２０の外周部分に、シーリングのために積層される。このガスケット１２はその略中央部に膜−電極複合体５における燃料電極３１や酸化剤電極３２を収容するための開口１５を有し、この開口１５においてセパレータ２０のガス供給排出用の溝２が露出する。ガスケット１２には、開口１５の外周側の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１４１が、酸化剤用マニホールド１３２に合致する位置に酸化剤用貫通孔１４２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１４３が、それぞれ形成されている。
【００３０】
膜−電極複合体５における電解質４にも、その外周部分の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１６１が、酸化剤用マニホールド１３２と合致する位置に酸化剤用貫通孔１６２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１６３が、それぞれ形成されている。
【００３１】
この単セル構造では、セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１、ガスケット１２の燃料用貫通孔１４１、及び電解質４の燃料用貫通孔１６１が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、セパレータ２０の酸化剤用マニホールド１３２、ガスケット１２の酸化剤用貫通孔１４２、及び電解質４の酸化剤用貫通孔１６２が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、セパレータ２０の冷却用マニホールド１３３、ガスケット１２の冷却用貫通孔１４３、及び電解質４の冷却用貫通孔１６３が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。
【００３２】
燃料電極３１と酸化剤電極３２、並びに電解質４は、燃料電池のタイプに応じた公知の材料で形成される。固体高分子型燃料電池の場合、燃料電極３１及び酸化剤電極３２は例えばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の基材が触媒を担持することで構成される。燃料電極３１における触媒としては例えば白金触媒、白金・ルテニウム触媒、コバルト触媒等が挙げられ、酸化剤電極３２における触媒としては白金触媒、銀触媒等が挙げられる。また、固体高分子型燃料電池の場合、電解質４は例えばプロトン伝導性の高分子膜から形成され、特にメタノール直接型燃料電池の場合は例えばプロトン伝導性が高く、電子導電性やメタノール透過性を殆ど示さないフッ素系樹脂等から形成される。
【００３３】
ガスケット１２は、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、ＳＩＳ共重合体、ＳＢＳ共重合体、ＳＥＢＳ、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム、アクリルゴム、フッ素系ゴム等などから選択されるゴム材料から形成される。このゴム材料には粘着付与剤が配合されてもよい。
【００３４】
セパレータ２０にガスケット１２を積層するにあたっては、例えば予めシート状又は板状に形成されたガスケット１２がセパレータ２０に接着や融着されるなどして接合される。セパレータ２０の表面上でガスケット１２を形成するための材料が成形されることによって、セパレータ２０にガスケット１２が積層されてもよい。例えば未加硫のゴム材料がスクリーン印刷等によりセパレータ２０の表面上の所定位置に塗布され、このゴム材料の塗膜を加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成される。前記加硫にあたっては、加熱、電子線などの放射線の照射、或いはその他適宜の加硫方法が採用される。この場合、薄型のセパレータ２０に対してもガスケット１２が容易に積層される。また、セパレータ２０が金型内にセットされ、このセパレータ２０の表面上の所定位置に未加硫のゴム材料が射出されると共にこのゴム材料が加熱されるなどして加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成されてもよい。このように金型成形によりガスケット１２が形成されるにあたっては、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の成形法が採用され得る。
【００３５】
セパレータ２０は、熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有する成形用材料の硬化物から形成される。このセパレータ２０に含まれる黒鉛粒子の真密度は２．２２ｇ／ｃｍ３以上であり、セパレータ２０全体に対する黒鉛粒子の含有量は７０〜８０質量％の範囲である。更に、セパレータ２０の腐食電流は１０μＡ／ｃｍ２以下である。成形用材料、並びにこれに含有される熱硬化性樹脂及び黒鉛粒子の詳細については、後述する。
【００３６】
真密度の高い黒鉛粒子は結晶性が高く、セパレータ２０がこのような黒鉛粒子を含有するとセパレータ２０の腐食電流が低くなる。このためセパレータ２０の耐腐食性が高くなり、特に燃料電池中に組み込まれているセパレータ２０の冷却用マニホールド１３３内に冷却水が流通しても、冷却用マニホールド１３３の内面で腐食が発生しにくくなる。黒鉛粒子の詳細については後述する。
【００３７】
黒鉛粒子の含有量が７０〜８０質量％の範囲であることで、セパレータ２０の腐食電流が低減されつつ、セパレータ２０に優れた導電性と機械的強度が付与され、更にセパレータ２０に高いガス透過性が付与される。
【００３８】
セパレータ２０の腐食電流は上記のとおり１０μＡ／ｃｍ２以下である必要がある。腐食電流とは、導電率２００μＳ／ｃｍに調整されている硫酸ナトリウム水溶液中に、作用極としてセパレータ２０を、対極として白金電極を３０ｍｍの間隔で配置し、液温８０℃で電極間に２０Ｖの電圧を４８時間印加した時点で測定される、電極間を通電する電流値をさす。このようにセパレータ２０の腐食電流が小さいことで、セパレータ２０の耐腐食性が特に高くなる。このセパレータ２０の腐食電流は、成形用材料の構成成分に応じ、黒鉛粒子の含有量が７０〜８０質量％の範囲で調整されることで、適宜調整可能である。
【００３９】
セパレータ２０から平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の二つの小片を切り出した場合、いかなる位置から小片を切り出した場合でも二つの小片間の接触抵抗の比が０．９〜１．１の範囲となること（片方の小片の接触抵抗を１とした場合にもう片方の小片の接触抵抗が０．９〜１．１の範囲であること）が必要である。小片はセパレータ２０が厚み方向に切断されることで得られ、平面視とはセパレータ２０をその厚み方向に観察することを意味する。この場合、セパレータ２０における接触抵抗のバラツキが少なくなり、このようなセパレータ２０では黒鉛粒子の部分的な配向が抑制されている。これにより、セパレータ２０の良好な電気的特性が確保される。更に、セパレータ２０における黒鉛粒子の部分的な配向が抑制されることでセパレータ２０の高い機械的強度も確保される。
【００４０】
尚、接触抵抗は、小片の上下にカーボンペーパーを配置し、更にその上下に銅板を配置し、上下方向に面圧１．０ＭＰａの圧力をかけた状態で、２枚のカーボンペーパー間の電圧を電圧計で測定すると共に２枚の銅板間に流れる電流を電流計で測定し、その結果から算出される値である。
【００４１】
このようなセパレータ２０を製造するために用いられる成形用材料は、樹脂成分び黒鉛粒子を含有する。
【００４２】
成形用材料は、第一アミン及び第二アミンを含有しないことが好ましい。すなわち、この成形用材料が、置換基−ＮＨ及び−ＮＨ２を有する化合物を含有しないことが好ましい。更に成形用材料は第三アミンを含有しないことが好ましい。このように成形用材料がアミンを含有しないと、成形用材料から形成されるセパレータ２０が燃料電池中の白金触媒を被毒することがなく、燃料電池が長時間使用される場合の起電力の低下が抑制される。
【００４３】
樹脂成分は、熱硬化性樹脂を含有する。熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂は良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００４４】
熱硬化性樹脂全量に対するエポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂のみ、熱硬化性フェノール樹脂のみ、或いはエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のみを含むのであれば特に好ましい。
【００４５】
エポキシ樹脂は固形状であることが好ましく、特に融点が７０〜９０℃の範囲であることが好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。また、エポキシ樹脂として溶融粘度が低粘度の樹脂が選択されれば、成形用材料の良好な成形性が維持されつつ、成形用材料及びセパレータ２０中に黒鉛粒子が高充填され得る。尚、前記作用が発揮される範囲内でエポキシ樹脂の一部が液状であってもよい。
【００４６】
エポキシ樹脂としては、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等が用いられることが好ましい。このオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂は、良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００４７】
特にエポキシ樹脂が、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂のみからなり、或いはオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種からなる成分（第一成分という）を含むことが好ましい。オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が必須の成分であると、成形用材料の成形性が向上すると共に、セパレータ２０の耐熱性が向上する。更に、製造コストが低減され得る。第一成分中のオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の割合は、前記成形性の向上、セパレータ２０の耐熱性の向上、製造コストの低減の観点から、５０〜１００質量％の範囲であることが好ましく、特に５０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４８】
オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と共に、ビスフェノール型エポキシ樹脂やビフェニル型エポキシ樹脂やビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が併用されることも好ましい。この場合、成形用材料の溶融粘度が更に低減し、更に薄型のセパレータ２０が作製される場合にはその靱性が向上し得る。
【００４９】
特にビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が使用されると、成形用材料の粘度が低減し、成形用材料の成形性が特に高くなる。この場合の第一成分中におけるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００５０】
ビフェニル型エポキシ樹脂が使用されると、このビフェニル型樹脂は溶融粘度が低いため、成形用材料の流動性が著しく向上し、成形用材料の薄型成形性が特に向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニル型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００５１】
ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が使用されると、セパレータ２０の強度及び靱性が向上し、更にセパレータ２０の吸湿性が低減し得る。このため、セパレータ２０の機械的特性、導電性、並びに長期使用時の特性の安定性が向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂の割合は、３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００５２】
成形用材料中の熱硬化性樹脂全量に対する第一成分の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。
【００５３】
前記第一成分は熱硬化性樹脂中のエポキシ樹脂の少なくとも一部として成形用材料中に含有される。すなわち、この第一成分以外の他の熱硬化性樹脂として、例えば前記第一成分以外のエポキシ樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解するおそれがあるため、使用されないことが望ましい。また、熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。ポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂などが用いられることも好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられることが好ましい。４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられると、セパレータ２０の耐熱性が更に向上する。
【００５４】
熱硬化性フェノール樹脂が用いられる場合には、特に開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂が用いられることが好ましい。このようなフェノール樹脂としては、例えばベンゾオキサジン樹脂等が挙げられる。この場合は、成形用材料の成形工程で脱水によるガスが発生しないので成形品中にボイドが発生せず、このためセパレータ２０のガス透過性の低下が抑制される。また、レゾール型フェノール樹脂が用いられることも好ましく、例えば１３Ｃ−ＮＭＲ分析で、オルト−オルト２５〜３５％、オルト−パラ６０〜７０％、パラ−パラ５〜１０％の構造を有するレゾール型フェノール樹脂が用いられることが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、レゾール型フェノール樹脂の軟化点は容易に調整され得るため、融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が容易に得られる。融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が使用されることで、成形用材料の変質が抑制され、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。
【００５５】
エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂以外の他の樹脂が併用されてもよい。例えばポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解する恐れがあるため、使用されないことが望ましい。
【００５６】
熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。このようなポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂なども好ましく、その具体例として例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが挙げられる。このような樹脂が併用されることで、セパレータ２０の耐熱性が更に向上され得る。
【００５７】
エポキシ樹脂が使用される場合、樹脂成分は硬化剤を含有することが好ましく、この硬化剤はフェノール系化合物を含有することが好ましい。このフェノール系化合物としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック型フェノール樹脂、多官能フェノール樹脂、アラルキル変性フェノール樹脂等が挙げられる。
【００５８】
硬化剤全量に対するフェノール系化合物の含有量は、エポキシ樹脂の使用量に依存して決定される。また、硬化剤がフェノール系化合物のみであれば特に好ましい。
【００５９】
フェノール系化合物以外の硬化剤が使用される場合、硬化剤として非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。この場合、セパレータ２０の電気伝導度が高い状態に維持されると共に、燃料電池の触媒の被毒が抑制される。硬化剤として酸無水物系の化合物が用いられないことも好ましい。酸無水物系の化合物が使用される場合は硬化物が硫酸酸性環境下等の酸性環境下で加水分解して、セパレータ２０の電気伝導度の低下が引き起こされたり、セパレータ２０からの不純物の溶出が増大してしまうおそれがある。
【００６０】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が用いられる場合は、熱硬化性樹脂におけるエポキシ樹脂と硬化剤におけるフェノール系化合物とは、前記フェノール系化合物に対する前記エポキシ樹脂の当量比が０．８〜１．２の範囲となるように配合されることが好ましい。
【００６１】
黒鉛粒子は、セパレータ２０の電気比抵抗を低減してセパレータ２０の導電性を向上する。黒鉛粒子としては、真密度が２．２２ｇ／ｃｍ３以上の黒鉛粒子が用いられる。真密度の高い黒鉛粒子は結晶性が高く、セパレータ２０がこのような黒鉛粒子を含有するとセパレータ２０の腐食電流が低くなり、このためセパレータ２０の耐腐食性が高くなる。黒鉛粒子の真密度は特に２．２５ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。黒鉛粒子の真密度の上限に特に制限はないが、入手可能な黒鉛粒子の真密度を考慮すると、真密度が２．３２ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、２．３０ｇ／ｃｍ３以下であれば更に好ましい
上記黒鉛粒子の真密度は定容積膨張法により測定される値である。この黒鉛粒子の真密度は、例えば株式会社島津製作所製の乾式自動密度計（アキュピックII  １３４０）を用い、測定にあたってはヘリウムガスを用い、導入圧(ゲージ圧)を１３４．４５ｋＰａｇ、パージ回数１０回、ラン回数１０回、平衡判定圧力(ゲージ圧)０．３４５ｋＰａｇの条件で、測定される。
【００６２】
このような真密度の高い黒鉛粒子は、天然黒鉛粉から適宜選択され得る。黒鉛粒子として、結晶性の高い人造黒鉛粉（例えば結晶性向上のための処理が施された人造黒鉛粉）が使用されてもよい。
【００６３】
黒鉛粒子は、精製されていることが好ましい。この場合は、黒鉛粒子中の灰分やイオン性不純物が低いため、セパレータ２０からの不純物の溶出が抑制される。黒鉛粒子における灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、灰分が０．０５質量％を超えると、セパレータ２０が用いられることで作製される燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００６４】
黒鉛粒子の平均粒径は１５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。この平均粒径が１０μｍ以上であることで成形用材料の成形性が向上し、平均粒径が１００μｍ以下となることでセパレータ２０の表面平滑性が向上する。成形性の向上のためには、特に前記平均粒径が３０μｍ以上であることが好ましく、またセパレータ２０の表面平滑性が特に向上して後述するようにセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１）が０．４〜１．６μｍの範囲、特に１．０μｍ未満となるためには前記平均粒径が７０μｍ以下であることが好ましい。特に前記平均粒径が３０〜７０μｍの範囲であることが好ましい。
【００６５】
特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、黒鉛粒子は１００メッシュ篩（目開き１５０μｍ）を通過する粒径を有することが好ましい。この黒鉛粒子中に１００メッシュ篩を通過しない粒子が含まれていると、成形用材料中に粒径の大きい黒鉛粒子が混入してしまい、特に成形用材料が薄型のシート状に成形される際の成形性が低下してしまう。
【００６６】
黒鉛粒子のアスペクト比は１０以下であることが好ましく、この場合、セパレータ２０に異方性が生じることが抑制される共に反りなどの変形も抑制される。
【００６７】
尚、セパレータ２０の異方性の低減に関しては、セパレータ２０における成形時の成形用材料の流動方向（セパレータ２０の厚み方向と直交する方向）と、この流動方向と直交する方向（セパレータ２０の厚み方向）との間での接触抵抗の比が、２以下となることが好ましい。
【００６８】
黒鉛粒子全体は、特に２種以上の粒度分布を有すること、すなわち黒鉛粒子全体が平均粒径の異なる２種以上の粒子群の混合物であることも好ましい。この明細書において、粒子群とは、黒鉛粒子全体のうちの少なくとも一部を構成する複数の粒子の集合を意味する。黒鉛粒子全体が、特に平均粒径１〜５０μｍの範囲の粒子群と、平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合物であることが好ましい。このような粒度分布を有する黒鉛粒子が用いられると、粒径の大きい粒子は表面積が小さいため、樹脂成分の含有量が少量であっても成形用材料の混練が可能になることが期待される。更に粒径の小さい粒子によって粒子同士の接触性が向上すると共に、セパレータ２０の強度向上も期待され、これにより、セパレータ２０の密度の向上、導電性の向上、ガス不透過性の向上、強度の向上等といった、性能の向上が図られる。平均粒径１〜５０μｍの粒子群と平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合比は、適宜調整されるが、特に前者対後者の混合質量比が４０：６０〜９０：１０、特に６５：３５〜８５：１５であることが好ましい。
【００６９】
尚、黒鉛粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計（日機装株式会社製のマイクロトラックＭＴ３０００ＩＩシリーズなど）でレーザー回折散乱法により測定される体積平均粒径である。
【００７０】
成形用材料中の黒鉛粒子の割合は、成形用材料中の固形分全体に対して７０〜８０質量％の範囲であることが好ましい。このように黒鉛粒子の割合が７０質量％以上であると、セパレータ２０に充分に優れた導電性が付与されと共に、セパレータ２０の機械的強度が充分に向上する。またこの割合が８０質量％以下であると、成形用材料に充分に優れた成形性が付与されると共にセパレータ２０に充分に優れたガス透過性が付与される。
【００７１】
成形用材料は、必要に応じて硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有してもよい。
【００７２】
硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。例えば、アミン系のジアミノジフェニルメタンなどは残存物が燃料電池の触媒を被毒する恐れがあり、好ましくない。また、イミダゾール類は硬化後、塩素イオンを放出しやすくなるので不純物溶出の恐れがあり、あまり好ましくない。
【００７３】
但し、測定開始温度３０℃、昇温速度１０℃／分、保持温度１２０℃、保持温度での保持時間３０分の条件で加熱された場合の重量減少が５％以下であり、且つ２位に炭化水素基を有する置換イミダゾールが用いられることは、成形用材料の保存安定性が向上する点で好ましい。更に、特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、ワニス状に調製された成形用材料からシート状のセパレータ２０が形成される際の溶剤の揮発性、セパレータ２０の平滑性などが良好となる。この置換イミダゾールとして、特に２位の炭化水素基の炭素数が６〜１７の置換イミダゾールが使用されることが好ましく、その具体例としては、２−ウンデシルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール等が挙げられる。このうち、２−ウンデシルイミダゾール及び２−ヘプタデシルイミダゾールが好適である。これらの化合物は一種単独で用いられ、或いは二種以上が併用される。このような置換イミダゾールの含有量は適宜調整され、それにより成形硬化時間が調整され得る。この置換イミダゾールの含有量は好ましくは成形用材料中の熱硬化性樹脂と硬化剤の合計量に対して、０．５〜３質量％の範囲であることが好ましい。
【００７４】
また、硬化触媒として、好ましくはリン系化合物が用いられる。リン系化合物と前記置換イミダゾールとが併用されてもよい。リン系化合物の一例として、トリフェニルホスフィンが挙げられる。このようなリン系化合物が用いられると、セパレータ２０からの塩素イオンの溶出が抑制される。
【００７５】
成形用材料は、硬化促進剤として、次の構造式（１）で示される化合物を含有することも好ましい。この場合、セパレータ２０の耐湿性が向上する。しかも、この構造式（１）で示される化合物は、セパレータ２０のガラス転移温度の低下や、熱時剛性の低下や、連続成形性の悪化などを引き起こすことがない。むしろこの構造式（１）で示される化合物が使用されることにより、セパレータ２０のガラス転移温度が上昇し、熱時剛性が向上し、更に成形用組成物の成形時の離型性が向上して連続成形性が向上し得る。
【００７６】
【化１】
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【００７７】
更に、この構造式（１）で示される化合物からは、イオン性不純物の溶出が生じにくい。このため、構造式（１）で示される化合物が使用されることで、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。構造式（１）で示される化合物からイオン性不純物の溶出が生じにくいのは、この化合物の酸解離定数（ｐＫａ）が小さいためであると推察される。
【００７８】
構造式（１）で示される化合物の、硬化促進剤全量に対する割合は、２０〜１００質量％の範囲であることが好ましい。この割合が２０質量％未満であると、セパレータ２０のガラス転移温度（Ｔｇ）の上昇が充分ではないおそれがある。
【００７９】
このような硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくは成形用材料中のエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。
【００８０】
カップリング剤としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、アミノシランが用いられないことが好ましい。アミノシランが用いられると、燃料電池の触媒が被毒される恐れがあり好ましくない。カップリング剤としてメルカプトシランが用いられないことも好ましい。このメルカプトシランが用いられる場合も、同様に燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。
【００８１】
カップリング剤の例としては、シリコン系のシラン化合物、チタネート系、アルミニウム系のカップリング剤が挙げられる。例えばシリコン系のカップリング剤としては、エポキシシランが適している。
【００８２】
エポキシシランカップリング剤が使用される場合の使用量は、成形用材料の固形分中の含有量が０．５〜１．５質量％となる範囲であることが好ましい。この範囲において、カップリング剤がセパレータ２０の表面にブリードすることを充分に抑制することができる。
【００８３】
カップリング剤は黒鉛粒子の表面に予め噴霧等により付着されていてもよい。その場合の添加量は、黒鉛粒子の比表面積と、カップリング剤の単位質量当たりの被覆可能面積（カップリング剤によって被覆され得る面積）とを考慮して適宜設定される。カップリング剤の添加量は、特にカップリング剤の被覆可能面積の総量が黒鉛粒子の表面積の総量の０．５〜２倍の範囲となるように調整されることが好ましい。この範囲において、セパレータ２０の表面におけるカップリング剤のブリードが充分に抑制され、これにより金型表面の汚染が抑制される。
【００８４】
ワックス（内部離型剤）としては、特に制限されないが、１２０〜１９０℃で成形用材料中の熱硬化性樹脂及び硬化剤と相溶せずに相分離する内部離型剤が用いられることが好ましい。このような内部離型剤として、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、及び長鎖脂肪酸系のワックスから選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このような内部離型剤が成形用材料の成形過程で熱硬化性樹脂及び硬化剤と相分離することで、セパレータ２０の離型性が向上する。
【００８５】
内部離型剤の含有量はセパレータ２０の形状の複雑さ、溝深さ、抜き勾配など金型面との離形性の容易さなどに応じて適宜設定されるが、成形用材料中の固形分全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲であることが好ましい。この含有量が０．１質量％以上であることで金型成形時にセパレータ２０が十分な離型性を発揮し、またこの含有量が２．５質量％以下であることでセパレータ２０の親水性が充分に高く維持される。このワックスの含有量は０．１〜１質量％の範囲であれば更に好ましく、０．１〜０．５質量％の範囲であれば特に好ましい。
【００８６】
セパレータ２０中のイオン性不純物の含有量は、成形用材料全量に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下とであることが好ましい。そのためには成形用材料のイオン性不純物の含有量が、成形用材料全量に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、このため不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。
【００８７】
セパレータ２０及び成形用材料のイオン性不純物の含有量が上記のように低減するためには、成形用材料を構成する熱硬化性樹脂、硬化剤、黒鉛、その他添加剤等の各成分のそれぞれのイオン性不純物の含有量が、各成分に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００８８】
イオン性不純物の含有量は、対象物（成形用材料、熱硬化性樹脂など）から溶出したイオン性不純物を含む抽出水中の、イオン性不純物の量に基づいて導出される。抽出水は、イオン交換水中に対象物が対象物１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合となるように投入された状態で、このイオン交換水及び対象物が９０℃で５０時間加熱されることで、得られる。抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィで評価される。この抽出水中のイオン性不純物量が対象物に対する質量比に換算されることで、対象物中のイオン性不純物の量が導出される。
【００８９】
成形用材料は、この組成物から形成されるセパレータ２０のＴＯＣ（ｔｏｔａｌ  ｏｒｇａｎｉｃ  ｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下となるように調製されることが好ましい。
【００９０】
ＴＯＣは、イオン交換水中にセパレータ２０が、セパレータ２０の質量１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で投入され、このイオン交換水及びセパレータ２０が９０℃で５０時間加熱されることで得られる溶液から測定される数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳ  Ｋ０１０２に準拠して島津製全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定され得る。測定にあたっては、サンプルの燃焼により発生したＣＯ２濃度が非分散型赤外線ガス分析法で測定され、これによりサンプル中の炭素濃度が定量される。炭素濃度が測定されることによって、間接的にセパレータ２０が含有する有機物質濃度が測定される。サンプル中の無機炭素（ＩＣ）、全炭素（ＴＣ）が測定されると、全炭素と無機炭素の差（ＴＣ−ＩＣ）から全有機炭素（ＴＯＣ）が導出される。
【００９１】
上記のＴＯＣが１００ｐｐｍ以下であると、燃料電池の特性低下が更に抑制される。
【００９２】
ＴＯＣの値は、成形用材料を構成する各成分として高純度の成分が選択されたり、樹脂の当量比が調整されたり、成形時に後硬化処理が施されたりすることによって、低減され得る。
【００９３】
原料成分中には不純物として金属成分が混入している可能性があり、成形用材料及びセパレータ２０には不純物として原料成分に由来する金属成分、製造時に混入する金属成分などが混入している可能性がある。セパレータ２０に金属成分が混入していると、セパレータ２０の腐食電流が増大してしまう。そこで、セパレータ２０が製造されるにあたり、原料成分、成形用材料、及びセパレータ２０のうち少なくともいずれかに対し、金属成分の含有量を低減するための処理を施すことが好ましい。この場合、セパレータ２０の金属成分の含有量が低減し、これによりセパレータ２０の腐食電流が更に低くなる。特に、少なくとも成形用材料に対し、金属成分の含有量を低減するための処理施すことが好ましい。
【００９４】
原料成分に対する、金属成分の含有量を低減するための処理の一例として、原料成分中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理が挙げられる。原料成分のうち、特に黒鉛粒子に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、黒鉛粒子を、ｐＨ２以下の強酸性溶液を用いて洗浄する処理も挙げられる。強酸性溶液としては、例えば濃度６９質量％の濃硝酸と濃度３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３の割合で混合して得られる王水、濃度１５質量％以上の塩酸水、濃度１５質量％以上の硫酸水、及び濃度１５質量％以上の硝酸水から選ばれる少なくとも一種を使用することができる。この場合、黒鉛粒子中の金属成分の含有量が容易に低減される。前記塩酸水、硫酸水及び硝酸水の濃度は、操作性の観点から３０質量％以下であることが好ましい。
【００９５】
成形用材料に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、原料成分に対する金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、成形用材料中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理などが挙げられる。
【００９６】
前記のような原料成分が配合されることで成形用材料が調製され、この成形用材料が成形されることでセパレータ２０が得られる。成形用材料は、粒状、シート状等の適宜の形状に形成される。
【００９７】
成形用材料が粒状である場合には、上記のような原料成分が例えば攪拌混合機などで攪拌混合され、或いは更に整粒機などで整粒されることで、成形用材料が得られる。
【００９８】
成形用材料はシート状であってもよい。特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、シート状の成形用材料が使用されることが好ましい。シート状の成形用材料が使用されると、例えば０．２〜１．０ｍｍの厚みの薄型のセパレータ２０が容易に得られ、しかもこのセパレータ２０の厚み精度が高くなる。
【００９９】
シート状の成形用材料の調製のためには、まず上記のような原料成分を含有する液状の組成物が調製される。液状の組成物は必要に応じて溶媒を含有する。溶媒としては、たとえばメチルエチルケトン、メトキシプロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒が好ましい。溶媒は一種のみが用いられても二種以上が併用されてもよい。溶媒の使用量は成形性等を考慮して適宜設定されるが、好ましくは液状の組成物の粘度が１０００〜５０００ｃｐｓの範囲となるように調整される。尚、前記の通り溶媒は必要に応じて使用されていればよく、原料成分中の熱硬化性樹脂が液状樹脂である場合などには、溶媒が使用されなくてもよい。
【０１００】
この液状の組成物がシート状に成形されることで、シート状の成形用材料が得られる。液状の組成物が、例えばキャスティング（展進）成形によりシート状に成形されると共に、キャスティングにともなって加熱されることで乾燥され、或いは半硬化することにより、シート状の成形用材料が得られる。このシート状の成形用材料は、必要に応じて所定の平面寸法にカット（切断）もしくは打ち抜かれることで適当な寸法に形成される。
【０１０１】
キャスティング法によりシート状の成形用材料が形成される際には、複数種の膜厚調節手段が適用され得る。このような複数種の膜厚調節手段が用いられるキャスティング法は、例えばすでに実用化されているマルチコータを用が用いられることで実現される。キャスティングのための膜厚調節手段としては、スリットダイとともに、ドクターナイフおよびワイヤーバーの少なくともいずれか、すなわちいずれか一方もしくは両方を用いることが好ましい。このシート状の成形用材料の厚みは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であれば更に好ましい。また、この厚みは０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以下であれば更に好ましい。このようにシート状の成形用材料の厚みが０．５ｍｍ以下であると、セパレータ２０の薄型化や軽量化、並びにそれによる低コスト化が達成され、特に厚みが０．３ｍｍ以下であれば溶媒を使用する場合のシート状の成形用材料内部の溶媒の残存が効果的に抑制される。またこの厚みが０．０５ｍｍ未満の場合にはセパレータ２０の製造にあたっての有利さが充分に発揮されなくなり、特に成形性を考慮するとこの厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【０１０２】
成形用材料が成形されることで、セパレータ２０が得られる。成形法としては、圧縮成形が採用されることが好ましい。
【０１０３】
図２に、圧縮成形のための成形金型の例を示す。この成形用金型は、互いに対向する第一の型板３０１と第二の型板３０２とを備える。第一の型板３０１には、成形用材料が供給される凹部３０３が形成され、この凹部３０３の底面には、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に第一の型板３０１には凹部３０３の底面で開口する複数の通孔３０５が形成されている。
【０１０４】
成形金型は、エジェクタピン３０６及びエジェクタプレート３０７も備える。第一の型板３０１における通孔にはエジェクタピン３０６が挿入されている。複数のエジェクタピン３０６はエジェクタプレート３０７に連結されている。
【０１０５】
第二の型板３０２には、第一の型板３０１の凹部３０３と対向する面に、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に、第二の型板３０２には、セパレータ２０の複数の各マニホールド１３に対応する複数の凸部３０８が形成されている。
【０１０６】
このように第一の型板３０１と第二の型板３０２の双方に突条３０４が形成されていると、圧縮成形により両面にガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０が得られる。尚、片面のみにガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０を得る場合には、第一の型板３０１と第二の型板３０２のうち一方のみに突条３０４が形成される。
【０１０７】
第一の型板３０１と第二の型板３０２とが型締めされると、第一の型板３０１と第二の型板３０２との間には、セパレータ２０の形状と合致する空間（成形空間３０９）が形成される。
【０１０８】
圧縮成形によるセパレータ２０の製造にあたっては、適宜の量の成形用材料が第一の型板３０１の凹部３０３内に配置される。シート状の成形用材料が使用される場合には、セパレータ２０の厚み等に応じて１枚のシート状の成形用材料が使用され、或いは凹部３０３の上に複数枚のシート状の成形用材料が重ねられる。
【０１０９】
第一の型板３０１及び第二の型板３０２は、成形可能な温度に保持される。第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型締めされることで、成形用材料が圧縮成形される（図２（ａ））。これにより、成形空間３０９内でセパレータ２０が形成される。成形条件は、成形用材料の組成に応じて適宜調整されるが、例えば成形温度１２０〜１９０℃、成形圧力１〜４０ＭＰａ、成形時間１〜１０分間の条件に調整される。
【０１１０】
このように成形用空間３０９内でセパレータ２０が形成されたら、必要に応じて第一の型板３０１及び第二の型板３０２が冷却され、更に第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型開きされる（図２（ｂ））。これにより、セパレータ２０は、第一の型板３０１の凹部３０３内に残存する。続いて、エジェクタプレート３０７が駆動されることでエジェクタピン３０６が凹部３０３の底面から凹部３０３へ向けて突出し、これによりセパレータ２０が凹部３０３内から取り出される。
【０１１１】
成形用材料が圧縮成形されることでセパレータ２０が製造される場合、成形用材料のディスクフローは８０〜１００ｍｍであることが好ましい。ディスクフローは、平面上の一箇所に３ｇの成形用材料を密集させて配置し、これを温度１７０℃、圧力５ＭＰａの条件で３０秒間圧縮した場合に形成される成形体の、長径（最も長い径）の測定値である。成形用材料のディスクフローは、成形用材料の組成を変更することで適宜調整し得る。例えば、成形用材料中の黒鉛含有量が減少すればディスクフローは増大し、黒鉛含有量が増大すればディスクフローは減少する。成形用材料中の硬化促進剤の含有量が減少すればディスクフローは増大し、成形用材料中の硬化促進剤の含有量が増大すればディスクフローは低減する。更に成形用材料中の成分の種類が適宜変更されると、それに応じてディスクフローが増減する。
【０１１２】
このように成形用材料のディスクフローが８０〜１００ｍｍであると、圧縮成形時の成形用材料の流動性が高くなる。このため、成形用材料が結晶性の高い黒鉛粒子を含有し、且つこの成形用材料から圧縮成形により複雑な形状を有するセパレータ２０が製造されるにもかかわらず、セパレータ２０内で黒鉛粒子が配向しにくくなる。この結果、セパレータ２０内における部分的な配向が抑制され、セパレータ２０から平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の二つの小片を切り出す場合には、いかなる位置から前記小片を切り出した場合でも小片間の接触抵抗の比が０．９〜１．１の範囲となる。
【０１１３】
セパレータ２０には、ブラスト処理が施されるなどして、表層のスキン層が除去されると共にこのセパレータ２０の表面粗さが調整されることが好ましい。
【０１１４】
このセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１）は、０．４〜１．６μｍの範囲であることが好ましい。この場合、セパレータ２０の腐食電流が更に小さくなり、セパレータ２０の耐食性が更に向上する。更に、セパレータ２０とガスケット１２との接合部でのガスリークが抑制される。このためウエットブラスト処理時にセパレータ２０におけるガスケット１２と接合する部位をマスクする必要がなくなり、セパレータ２０の生産効率が向上する。尚、前記算術平均高さＲａが０．４μｍ未満となることは困難であり、またこの値が１．６μｍより大きいと前記ガスリークが充分に抑制されなくなるおそれがある。このセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは特に１．２μｍ以下であることが好ましい。更にこのセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａが１．０μｍ未満であると、前記ガスリークが特に抑制され、セパレータ２０の薄型化に伴ってセルスタック作製時の締結力が低くなっても、前記ガスリークが充分に抑制される。セパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは前記のとおり０．４μｍ以上であることが好ましく、０．６μｍ以上であれば更に好ましい。
【０１１５】
セパレータ２０の表面の接触抵抗は１５ｍΩｃｍ２以下であることが好ましい。この場合、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ２０の機能が高いレベルで維持される。
【０１１６】
前記ブラスト処理時には、セパレータ２０にウエットブラスト処理が施されると共に、この処理においてアルミナ粒子等の砥粒を含むスラリーから磁石で金属成分が吸引されることが好ましい。ブラスト処理に用いられる砥粒には不純物として金属成分が混入している可能性があり、またブラスト処理時に砥粒を含むスラリーに金属成分が混入することがある。このような金属成分を含むスラリー用いてブラスト処理が施されると、セパレータ２０の表面に砥粒から金属成分が打ち込まれてしまう。しかし、前記のようにスラリーから磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によりウエットブラスト処理が施されると、ブラスト処理時にセパレータ２０に金属成分が付着しにくくなる。すなわち、ウエットブラスト処理によってスキン層の除去や表面粗さの調整などがされつつ、このウエットブラスト処理時に、スラリー中の砥粒に含まれる金属異物などの金属成分がセパレータ２０へ打ち込まれにくくなる。また、このウエットブラスト処理において、スラリーが循環されながら繰り返し使用されると共に、このスラリーの循環時にスラリーから金属成分が磁石などで吸引されると、スラリー中の砥粒から磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によってウエットブラスト処理が施される。
【０１１７】
更に、黒鉛粒子の金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、セパレータ２０から金属成分が磁石によって吸引されてもよい。この場合、例えばセパレータ２０が一対の磁石の間に配置されることで、セパレータ２０から金属成分が吸引される。尚、磁石を用いた吸引以外の適宜の方法でセパレータ２０から金属成分が除去されてもよい。但し、強酸性溶液によって洗浄する方法ではセパレータ２０を構成する樹脂が溶解してしまうおそれがあり、また超音波洗浄ではセパレータ２０から黒鉛粒子が脱離してしまうおそれがあるため、好ましくない。
【０１１８】
以上のようにして得られるセパレータ２０における、金属成分の付着の程度は、このセパレータ２０を９０℃の温水で１時間洗浄した後、９０℃の温度で１時間加熱乾燥する処理を施した後に、このセパレータ２０の表面を観察することで確認される。セパレータ２０に金属成分が付着していると、前記処理によりセパレータ２０の表面に金属酸化物（錆）が生成する。前記処理後のセパレータ２０の表面が目視で観察されても前記金属酸化物（錆）の存在が確認されないことが好ましい。特に、前記処理後のセパレータ２０の表面に、直径１００μｍより大きい金属酸化物が存在しないことが好ましく、直径５０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ更に好ましい。また、直径３０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ特に好ましい。
【０１１９】
また、このセパレータ２０の表面に表出しているＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。更に、このセパレータ２０の表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。
【０１２０】
図３は複数の単セルからなる燃料電池４０（セルスタック）の一例を示す。この燃料電池４０は、燃料用流路に連通する燃料の供給口１７１及び排出口１７２と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口１８１及び排出口１８２と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口１９１及び排出口１９２とを有する。
【０１２１】
この燃料電池４０の燃料の供給口１７１から水素ガス等の燃料が、酸化剤の供給口１８１から酸素ガス等の酸化剤が、それぞれ供給されることにより、燃料電池４０が作動する。燃料電池４０が作動する間、燃料電池に冷却水の供給口１９１から冷却水が供給され、このため、燃料電池の温度が運転のための適正な温度に調節される。冷却水としては、純水が使用されることが好ましい。
【０１２２】
本実施形態によるセパレータ２０を備える燃料電池４０は、セパレータ２０の耐腐食性及び強度が高いため、長期に亘って安定に動作する。特に、冷却水が流通する配管等を構成する金属や、燃料電池内の金属、樹脂等が冷却水に溶出するなどして、冷却水の導電性が上昇したとしても、セパレータ２０の冷却用マニホールド１３３は腐食が発生しにくく、従ってこのような腐食による燃料電池４０からの冷却水の漏出も生じにくくなる。
【実施例】
【０１２３】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例には限定されない。
【０１２４】
［実施例及び比較例］
各実施例及び比較例につき、表１に示す原料成分を攪拌混合機（ダルトン製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に表１に示す組成となるように入れて攪拌混合し、得られた混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕した。これにより、成形用材料を得た。
【０１２５】
得られた成形用材料を、金型温度１７０℃、成形圧力３５．３ＭＰａ、成形時間２分の条件で圧縮成形した。
【０１２６】
この圧縮成形により、セパレータ２０を２００ｍｍ×２５０ｍｍ、厚み１．５ｍｍの寸法に形成した。更にこの圧縮成形により、セパレータ２０の一面に長さ２５０ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍのガス供給排出用の溝２を５７本、他面には長さ２５０ｍｍ、幅０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍのガス供給排出用の溝２を５８本形成した。更に、この圧縮成形により、セパレータ２０の外周部には、開口面積３．５ｃｍ２の六個のマニホールドを形成した。
【０１２７】
このセパレータ２０の表面に、マコー株式会社製のウエットブラスト処理装置（形式ＰＦＥ−３００Ｔ／Ｎ）を用い、砥粒としてアルミナ粒子を含むスラリー用いてブラスト処理を施した後、イオン交換水で洗浄し、更に温風乾燥した。この処理後のセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１）を測定した結果を表１に示す。
【０１２８】
［ディスクフロー評価］
各実施例及び比較例において用いられた成形用材料のディスクフローを、上述の方法で測定した。その結果を表１に示す。
【０１２９】
［接触抵抗評価］
各実施例及び比較例で得られたセパレータ２０を切断することで、一つのセパレータ２０から平面視３０ｍｍ×３０ｍｍの寸法の９個の小片を切り出した。
【０１３０】
これらの小片の上下にカーボンペーパーを配置し、更にその上下に銅板を配置し、上下方向に面圧１ＭＰａの圧力をかけた。そして、２枚のカーボンペーパー間の電圧を電圧計で測定すると共に２枚の銅板間の電流を電流計で測定し、その結果から接触抵抗を計算した。なお、使用したカーボンペーパーは、東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−Ｍシリーズ（０９０Ｍ：厚さ０．２８ｍｍ、１２０Ｍ：厚さ０．３８ｍｍ）である。
【０１３１】
各実施例及び比較例につき、９個の小片の接触抵抗の平均値を算出した。更に、接触抵抗の最小値に対する最大値の比率（百分率）を算出した。その結果を表１に示す。
【０１３２】
［曲げ強度評価］
各実施例及び比較例で得られたセパレータ２０の四つの辺に沿った外周部分（各辺につき二箇所、合計八箇所）の３点曲げ強度を、ＪＩＳ  Ｒ１６０１に準拠して測定した。支点間距離は３０ｍｍ、クロスヘッドスピードは２ｍｍ／分とした。測定結果の平均値、並びに測定結果の最大値と最小値との差の値を、表１に示す。
【０１３３】
［腐食電流評価］
各実施例及び比較例で得られたセパレータ２０の腐食電流を測定した。測定にあたっては、導電率２００μＳ／ｃｍに調整された硫酸ナトリウム水溶液中に、作用極としてセパレータ２０を、対極として白金電極を３０ｍｍの間隔で配置し、液温８０℃で電極間に２０Ｖの電圧を４８時間印加した時点で、電極間を通電する電流値を測定した。その結果を表１に示す。
【０１３４】
［耐腐食性（摩耗量）評価］
腐食電流評価において、電圧が印加される前のセパレータ２０の重量に対する、電圧印加後のセパレータ２０の重量の減量率を測定し、これを、セパレータ２０の耐腐食性の指標とした。その結果を表１に示す。
【０１３５】
【表１】
2012155942.tif 000004
【０１３６】
表中の各成分の詳細は次の通りである。
・熱硬化性樹脂Ａ：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬社製「ＥＯＣＮ−１０２０−７５」、エポキシ当量１９９、融点７５℃）
・硬化剤Ａ：ノボラック型フェノール樹脂（群栄化学社製「ＰＳＭ６２００」、ＯＨ当量１０５）
・硬化剤Ｂ：多官能フェノール樹脂（明和化成株式会社製「ＭＥＨ−７５００」、ＯＨ当量１００）
・硬化促進剤Ａ：トリフェニルホスフィン（北興化学社製「ＴＰＰ」）
・硬化促進剤Ｂ：構造式（１）で示される化合物。
・黒鉛粒子Ａ：平均粒子径５０μｍ、真密度２．２８ｇ／ｃｍ３、天然黒鉛。
・黒鉛粒子Ｂ：平均粒子径５０μｍ、真密度２．２５ｇ／ｃｍ３、人造黒鉛。
・黒鉛粒子Ｃ：平均粒子径５０μｍ、真密度２．３０ｇ／ｃｍ３、天然黒鉛。
・黒鉛粒子Ｄ：平均粒子径５μｍ、真密度２．３０ｇ／ｃｍ３、天然黒鉛。
・黒鉛粒子Ｅ：平均粒子径５０μｍ、真密度２．２０ｇ／ｃｍ３、人造黒鉛。
・カップリング剤：エポキシシラン（日本ユニカー社製「Ａ１８７」）
・ワックス：天然カルナバワックス（大日化学社製「Ｈ１−１００」、融点８３℃）
上記黒鉛粒子の真密度は、株式会社島津製作所製の乾式自動密度計（アキュピックII  １３４０）を用い、定容積膨張法により測定した値である。測定にあたって、ヘリウムガスを用い、導入圧(ゲージ圧)を１３４．４５ｋＰａｇ、パージ回数を１０回、ラン回数を１０回、平衡判定圧力(ゲージ圧)を０．３４５ｋＰａｇとした。
【符号の説明】
【０１３７】
１３  マニホールド
２    ガス供給排出用の溝
２０  燃料電池用セパレータ
４０  燃料電池
【図１】
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【図２】
2012155942.tif 000006
【図３】
2012155942.tif 000007