(57)【要約】【課題】射出成形に適した金型内での流動性と、燃料電池のセパレータに必要な電気伝導性と熱伝導性とを有する固体高分子型燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】熱可塑性樹脂４２〜２４ｖｏｌ％、炭素質材料５５〜７０ｖｏｌ％、錫３〜６ｖｏｌ％を配合した樹脂組成物を射出成形してセパレータを形成している。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂４２〜２４ｖｏｌ％、炭素質材料５５〜７０ｖｏｌ％、錫３〜６ｖｏｌ％を配合した樹脂組成物を射出成形して得られることを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記錫の配合量を４〜５ｖｏｌ％とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを使用した請求項１または２記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池用セパレータに関する。さらに詳述すると、本発明は、射出成形によって製造される固体高分子型燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高分子材料で製造されたセパレータが用いられる固体高分子型燃料電池が提案されている（特許文献１）。一般に高分子からなる樹脂は、金属に比べて電気や熱を伝導しにくい性質を持っていることから、樹脂成形品に電気を伝導させる機能を付与するためには、電気伝導性を有する金属粉や炭素材などをフィラーとして充填することが知られている。
【０００３】
ここで、電気伝導性フィラーと樹脂とからなるセパレータは、電気伝導性の低い樹脂の中に電気熱伝導性の高いフィラーが均一に分散された構成であるから、フィラーを介してセパレータの中を電気が伝導する構造となる。したがって、フィラー同士が接触してネットワークを構成することにより電気の伝導パスを確保しなければ電気が伝導せず、ネットワークの構築が不完全な部分において電気抵抗値が高くなってしまい、セパレータの導電性特性を著しく低下させてしまう。そこで、充填されたフィラー同士が物理的に接触する確率を高くすればより多くの電気の伝導パスが確保でき、結果としてより高い電気伝導性を実現できる。また、使用されるフィラーの粒径は小さいほどフィラーの分散状態が均一なものとなることが期待されるために、一般的にはμｍオーダー、例えば、特許文献１では５０〜３００μｍの粒径のフィラーが使用されている。このため、固体高分子型燃料電池用セパレータとして必要とされる導電性を得るには、確実にフィラー同士の接触を確保するために、必然的にフィラー充填率を高くする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−０８３６０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１記載の固体電解質型燃料電池用セパレータの場合、粒径の細かいフィラーを多量に充填することによってフィラー同士の接触をより多く確保して導電性をある程度満足させることはできるが、フィラーの充填率が高くなるのに伴ってフィラーにより樹脂の流動性が阻害され成形性を悪化させるという問題が生じる。即ち、フィラー充填率を高くすると、樹脂材料の金型内を流れる流動性を損ねて成形しづらく、成形品の仕上がりに問題が生じる虞がある。例えば、要求する寸法精度のセパレータを得られないという問題が生じ、最悪の場合には射出成形による成型ができない場合もある。その反面、射出成形可能とするに必要な材料の流動性を確保するため、フィラーの充填率を可能な限り少なくすると、十分な導電性が得られない。
【０００６】
また、樹脂中に粒径の細かいフィラーを多量に充填しても、成型品の表面にフィラーが露出する割合が低く、成型品の厚み方向の電気伝導に対してバリヤ層として働く樹脂リッチ層（均一に分散された樹脂複合材料本来の樹脂とフィラーの存在比率よりも樹脂比率の高い層）が、射出成型品のごく表層に存在していることがある。ここで、樹脂リッチ層は、成型工程において金型表面に接する形成品表面に形成されたり、フィラーの凝集によって、その他の場所に樹脂リッチ層が発生したりする。このような樹脂リッチ層の部分的な存在によって、素材全体として要求される電気伝導性が安定して達成できないといった問題がある。即ち、厚み方向において電気伝導性を必要とする固体高分子型燃料電池用セパレータの場合には、表面付近に存在する樹脂リッチ層で電気抵抗が大きくなってしまい、たとえ樹脂組成物の素材自体の電気伝導性が高いとしても、セパレータに成形した際に期待したほどの電気伝導性が得られないという問題がある。
【０００７】
本発明は、射出成形に適した金型内での流動性と、燃料電池のセパレータに必要な電気伝導性を有する固体高分子型燃料電池用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】
かかる目的を達成するために請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂４２〜２４ｖｏｌ％、炭素質材料５５〜７０ｖｏｌ％、錫３〜６ｖｏｌ％を配合した樹脂組成物を射出成形して得られるようにしている。
【０００９】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、錫の配合量を４〜５ｖｏｌ％とすることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを使用することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によると、炭素質材料と錫の２種類の導電性フィラーを配合しているので、導電性フィラー全体の充填率（配合量）を射出成形可能な流動性が得られる程度のものにした場合でも、炭素質材料と錫とが互いに補完しあってセパレータ内部に連続した導電経路(ネットワーク）を形成することができる。
【００１２】
即ち、射出成形可能な材料の流動性を確保する程度の導電性フィラーの充填率の場合には、炭素質材料だけでは互いに密接させることが不十分でセパレータ内部に連続した導電経路を十分に形成できないが、錫はそれ自身が高導電性であるばかりで無く、低融点であるためセパレータ成形時の温度上昇で軟化または溶融して炭素質材料と容易かつ密接に接触し、電気的に非接触状態の炭素質材料同士を連通させてセパレータ内部に連続した導電経路を形成し導電性を向上させることができる。この場合、炭素質材料だけを、炭素質材料と錫の２種類の導電性フィラーの全体の充填率と同量充填する場合よりも、導電性を向上させ得ることが本発明者等の実験により明らかにされた。
【００１３】
さらに、本発明にかかるセパレータは、熱可塑性樹脂を使用したことで耐食性、成形コストを低く抑えることができるとともに溝を有する複雑な形状等を容易に成形することができる。しかも、熱可塑性樹脂を４２〜２４ｖｏｌ％としたことで、セパレータとしての強度、導電性を備えることができる。また、炭素質材料を５５〜７０ｖｏｌ％としたことで、十分な導電性を備えるとともに強度を保つことができる。加えて、錫を３〜６ｖｏｌ％としたことで、炭素質材料と容易かつ密接に接触することでセパレータ内部に連続した導電経路を形成して、セパレータの導電性を著しく向上させることができる。
【００１４】
したがって、セパレータの導電性を高めると共に成形時の材料の流動性を向上して射出成形を可能とし、また、成形品の仕上がりをより良いものとし、かつ軽量化を図ることができる。また、射出成形によりセパレータを形成することができるので、低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、錫の配合量を４〜５ｖｏｌ％とした請求項２記載の発明によれば、導電性、表面析出ともに極めて良好な結果が得られる。
【００１６】
また、熱可塑性樹脂としてポリプロピレンを使用した請求項３記載の発明によれば、ポリプロピレンの耐酸性により耐食性がより向上できる。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の構成を一実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂４２〜２４ｖｏｌ％、炭素質材料５５〜７０ｖｏｌ％、錫３〜６ｖｏｌ％を配合した樹脂組成物を射出成形することによって形成されている。
【００１９】
ここで、熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂等の種々のものが使用可能である。なかでも、ポリプロピレン樹脂は安価で耐酸性に優れると共に耐熱温度が高いため、固体電解質型燃料電池用セパレータの使用環境である８０〜１２０℃程度の作動温度、電池反応による酸性雰囲気に対して特に好ましい。この熱可塑性樹脂の配合量は、４２ｖｏｌ％より多いと相対的に導電物質の含有量が少なくなり導電性が悪化し、２４ｖｏｌ％より少ないと混練り性、成形性が悪化するとともに強度が不足する。したがって、熱可塑性樹脂の配合量は４２〜２４ｖｏｌ％の範囲内であることが好ましく、その場合にセパレータとしての強度、導電性を備えることができる。
【００２０】
また、炭素質材料としては、例えば黒鉛やカーボンブラックなどの使用が好ましい。この場合の炭素質材料の形態は、特定の形状に限定されるものではなく、粒状でも、繊維状でも構わない。さらに、カーボン材としては表面活性の高いカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーなどを使用しても良い。これら炭素質材料はアスペクト比の大きなフィラーを採用することによってフィラー同士の接触を確保することも有用である。この炭素質材料の配合量は、７０ｖｏｌ％より多いと混練り性、成形性が悪化するとともにセパレータとしての強度が不足し、５５ｖｏｌ％より少ないと導電性が悪化する。したがって、炭素質材料の配合量は、５５〜７０ｖｏｌ％の範囲内であることが好ましく、その場合には十分な導電性を備えるとともに強度を保つことができる。
【００２１】
さらに、錫は金属の中でも低コストで耐酸性の耐食性が高く溶出の危険が低い。しかしながら錫と熱可塑性樹脂とは分離しやすい（相溶性が悪い）ため、セパレータとしての強度を保持することが難しく、また錫がセパレータ表面に介在する確率が高くなり錫が剥離して燃料電池の電解質膜等の他部品を損傷する危険が高まり、さらに錫の比重が高いことからセパレータが重くなる。このことから、錫の配合量は６ｖｏｌ％以下とすることが好ましい。また錫が３ｖｏｌ％より少ないと炭素質材料との接触が少なくなり導電性向上効果が低下する。したがって、錫の配合量は、３〜６ｖｏｌ％の範囲内であることが好ましく、より好ましくは４〜５ｖｏｌ％とすることである。この場合には、高導電性である錫が炭素質材料と容易かつ密接に接触することでセパレータ内部に連続した導電経路を形成することによって、セパレータの導電性を著しく向上することができる。
【００２２】
以上の組成のセパレータ用材料によれば、錫と炭素質材料とで連続した導電経路(ネットワーク）を形成することにより固体高分子型燃料電池用セパレータとして必要な導電性を確保しながら、成形時の材料の流動性を向上させているので、射出成形によってセパレータを成形可能である。したがって、成形品の仕上がりをより良いものとし、かつ軽量化を図ることができる。しかも、射出成形は他の工法に比べ、成形サイクルが早く、また加工もし易いため、生産性が高く生産コストを低減できる。
【００２３】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【実施例１】
【００２４】
錫の充填量を特定するため、黒鉛を６０ｖｏｌ％一定とし、錫の量を３ｖｏｌ％〜６ｖｏｌ％の間で１ｖｏｌ％単位で変化させた表１に示す配合の黒鉛及び錫をポリプロピレン中に添加して全体を１００ｖｏｌ％とした樹脂組成物を射出成形してセパレータを形成し、導電性並びに錫の表面析出について測定した。測定結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2013246928.tif 000002
【００２６】
本結果より、錫の添加量は３〜６ｖｏｌ％（実施例１〜４）の範囲が好ましいことが分かった。特に錫の添加量を４〜５ｖｏｌ％の範囲にすると（実施例２，３）、導電性、表面析出ともに極めて良好であった。一方、錫の添加量が３ｖｏｌ％未満であると（比較例１，２）、導電性が著しく落ちてしまい、セパレータとしての性能を満足できなかった。他方、錫の添加量が６ｖｏｌ％を超えると（比較例３，４）、導電性は良好なものの錫がセパレータの表面に析出して剥離してしまった。したがって、錫の添加量は、３〜６ｖｏｌ％が好ましく、より好ましくは４〜５ｖｏｌ％とすることである。
【実施例２】
【００２７】
次に、黒鉛の充填量を特定するため、表２に示す配合の黒鉛及び錫をポリプロピレン中に添加して全体を１００ｖｏｌ％とした樹脂組成物を射出成形してセパレータを形成し、導電性並びに成形性について測定した。ここで、黒鉛及び錫の配合は、燃料電池のセパレータ固体高分子型燃料電池用セパレータとして必要な導電性を満足している実施例１及び４で特定された錫の量（３及び６ｖｏｌ％）に対して、黒鉛を５５ｖｏｌ％、６５ｖｏｌ％及び７０ｖｏｌ％に変更して添加することにより、実施例５〜１０の６例を作製した。また、同様に、実施例１及び４で特定された錫の量（３及び６ｖｏｌ％）に対して、黒鉛を５０ｖｏｌ％及び７５ｖｏｌ％添加した比較例５〜８の４例を作製した。測定結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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【００２９】
本結果より、黒鉛の添加量は５５〜７０ｖｏｌ％の範囲が好ましいことが分かった。黒鉛の添加量が５５ｖｏｌ％未満であると導電性が落ちてしまい、セパレータとしての性能を満足できなかった。一方、黒鉛の添加量が７０ｖｏｌ％を超えると成形品が脆くなりすぎてセパレータとしての強度が得られなかった。したがって、黒鉛の添加量は、５５〜７０ｖｏｌ％が好ましい範囲である。