(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱硬化性樹脂をマトリックスとし、組成物中40〜90重量%を占める量の炭素繊維および黒鉛が充填材として添加され、この炭素繊維および黒鉛の少くとも一種類が導電性金属で被覆されていることを特徴とする、燃料電池用セパレータの成形材料として用いられる導電性樹脂組成物。
【請求項２】
熱硬化性樹脂がフェノール樹脂である請求項１記載の導電性樹脂組成物。
【請求項３】
炭素繊維と黒鉛とがそれぞれ組成物中5〜85重量%の割合で用いられた請求項１記載の導電性樹脂組成物。
【請求項４】
導電性金属がニッケルである請求項１記載の導電性樹脂組成物。
【請求項５】
平均繊維長L/平均繊維径Dが2以上の炭素繊維が用いられた請求項１記載の導電性樹脂組成物。
【請求項６】
平均粒径が50μm以下の黒鉛が用いられた請求項１記載の導電性樹脂組成物。
【請求項７】
請求項１記載の導電性樹脂組成物を成形して得られた燃料電池セパレータ。
【請求項８】
金属製薄板状物をインサート成形し、請求項１記載の導電性樹脂組成物よりなる樹脂被覆層を形成せしめた樹脂被覆金属薄板状物。
【請求項９】
金属製薄板状物が金属製プレート、パンチメタルまたは金網である請求項８記載の樹脂被覆金属薄板状物。
【請求項１０】
樹脂被覆層の厚さが3mm以下である請求項８記載の樹脂被覆金属薄板状物。
【請求項１１】
フェノール樹脂をマトリックスとして用い、組成物中40〜90重量%を占める量の炭素繊維および黒鉛を充填材として添加した導電性樹脂組成物であって、炭素繊維および黒鉛の少くとも一種類が導電性金属で被覆されているものを成形材料として用い、燃料電池用セパレータを成形した後、130〜300℃でポストキュアすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造法。
【請求項１２】
導電性金属がニッケルである請求項１１記載の燃料電池用セパレータの製造法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電性樹脂組成物に関する。更に詳しくは、燃料電池用セパレータの成形材料として好適に用いられる導電性樹脂組成物に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、燃料電池用セパレータとしては、大きく分けて金属製とカーボン製のものが検討されている。
【０００３】
金属製のものとしては、電気化学的安定性という見地からは金等の貴金属が望ましいが、これは非常に高価であり実用性に欠けている。鉄等の他の金属の場合には、電気化学的腐食の問題があり、貴金属を用いてその表面をコーティング法などにより被覆する必要があるため、工程的にも高価であるという欠点を有している。
【０００４】
一方、カーボン製のものは、電気化学的には安定であるが、黒鉛基板にはフェノール樹脂、フラン樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸して焼成する方法あるいは黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを混練し、これを板状に成形した後焼成する方法などがとられている。これらの方法では、焼成工程でカーボン化あるいは黒鉛化させることにより、高導電化しているため高価であるばかりではなく、冷却水流路等の形成においては後加工を必要とすることもあり、さらに高価なものにしてしまうのを避けることができない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高導電性を有し、燃料電池用セパレータの成形材料として好適に用いられる導電性樹脂組成物を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる本発明の目的は、熱硬化性樹脂をマトリックスとし、組成物中40〜90重量%を占める量の炭素繊維および黒鉛が充填材として添加され、この炭素繊維および黒鉛の少くとも一種類が導電性金属で被覆されていることを特徴とする、燃料電池用セパレータの成形材料として用いられる導電性樹脂組成物によって達成される。
【０００７】
【発明の実施の形態】
マトリックスとして用いられる熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等が用いられ、好ましくはフェノール樹脂が用いられる。フェノール樹脂としては、ノボラック型樹脂、レゾール型樹脂のいずれをも用いることができ、ノボラック型樹脂が好んで用いられる。用いられるノボラック型フェノール樹脂の重量平均分子量は、1000〜5000であることが好ましい。1000以下では流動性が良すぎて、成形時にバリが発生したり、ガス発生による焼けが生じたりするおそれがある。一方、5000以上では流動性が悪くなり、一般に成形が困難となる。これらのフェノール樹脂には、それの硬化剤としてヘキサメチレンテトラミン等が、フェノール樹脂100重量部当り10〜30重量部程度配合されて用いられる。ヘキサメチレンテトラミン等は、予めフェノール樹脂と均一に混合された上で用いられることが好ましい。
【０００８】
これらの熱硬化性樹脂は、組成物中60〜10重量%、好ましくは50〜20重量%となるような割合で用いられる。これ以下の使用割合では、マトリックス樹脂としての役目を果さないようになり、成形性を著しく悪化させる。一方、これ以上の割合で用いられると、所望の導電性が得られなくなる。
【０００９】
炭素繊維としては、平均繊維長L/平均繊維径Dが2以上、一般には2〜1800のものが用いられる。L/Dが2より小さいものを用いると、所望の導電性が得られなくなるばかりではなく、強度も低下するようになる。また、炭素繊維は，ニッケルなどの導電性金属をメッキするなどの方法で被覆したものが用いられる。この場合、繊維の切断面などは金属被覆されていなくともよい。
【００１０】
また、黒鉛としては、人造黒鉛、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、天然黒鉛または天然黒鉛を化学的に処理して製造された膨張黒鉛等であって、その粒径が50μm以下、好ましくは20μm以下のものが用いられる。平均粒径がこれ以上の黒鉛を用いると、所望の導電性が得られなくなるばかりではなく、強度も低下するようになる。また、黒鉛についても、ニッケル等の導電性金属で被覆した上で用いられる。
【００１１】
炭素繊維と黒鉛は、それぞれ組成物中5〜85重量%の割合で用いられ、これら両者は合計して熱硬化性樹脂マトリックスと共に形成される組成物中、40〜90重量%、好ましくは50〜80重量%を占めるような量で用いられる。これら充填剤の使用割合がこれよりも少ないと、所望の導電性を得ることができず、一方これ以上の割合で用いられると、熱硬化性樹脂マトリックスの使用割合が少なくなり、成形性が著しく悪化するようになる。
【００１２】
充填剤としては、炭素繊維および黒鉛を必須成分とし、他にガラス繊維、アラミド繊維、ウィスカ繊維、ポリテトラフルオロエチレン樹脂粉末、カーボンブラック、鉱物類等を本発明の目的を阻害しない範囲内で任意に添加することができ、これらのニッケル被覆物または粒状、フレーク状、繊維状等のニッケルそのものを充填剤として用いることもできる。また、滑剤等のフェノール樹脂に一般に用いられている添加剤を必要に応じて添加することもできる。
【００１３】
組成物は、射出成形法、圧縮成形法、移送成形法などの熱硬化性樹脂の成形法として用いられている任意の成形法で成形することができ、その導電性は体積固有抵抗(JIS K-7194準拠)として10-2Ω・cm以下の値を示している。
【００１４】
このようにして成形される成形品は、一度の成形で、高導電性を有しかつ複雑な形状の成形品をも成形し得るという特徴を有しているが、金属製薄板状物をインサート成形し、この組成物で樹脂被覆層を形成させて、樹脂被覆金属薄板状物を得ることもできる。
【００１５】
インサート成形される金属製薄板状物としては、厚さが2mm以下、一般には0.1〜0.5mmの金属製プレート、パンチメタル、金網、繊維状金属不織布等が用いられ、そこにインサート成形法を適用することによって、樹脂被覆層が形成される。
【００１６】
形成される樹脂被覆層の厚さは、それが薄ければ薄い程導電性効果が高まるので、3mm以下、好ましくは0.1〜0.5mmとすることが望ましい。樹脂被覆層の薄肉化は、樹脂被覆金属薄板状物そのものの薄肉化につながり、プレートとしての電気抵抗は低減される。
【００１７】
このようにして形成される樹脂被覆金属薄板状物は、燃料電池用セパレータとして有効に利用され、燃料電池をコンパクト化させる。
【００１８】
熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂、好ましくはノボラック型フェノール樹脂を用い、炭素繊維および黒鉛の少くとも一種を導電性金属、好ましくはニッケルで被覆して用いた場合には、金属製薄板状物をインサート成形しなくとも、導電性樹脂組成物だけから燃料電池用セパレータを成形することができる。
【００１９】
このような導電性樹脂組成物から成形されたセパレータは、所望形状に成形した後、130〜300℃、好ましくは180〜230℃で3〜5時間程度ポストキュアすることが好ましい。これ以下の温度でポストキュアしたセパレートプレートは、初期発電性能は良好なものの、くり返し評価するたびに発電能力が低下するようになる。一方、これ以上の温度では、フェノール樹脂が熱分解するようになる。
【００２０】
このような温度で行われるポストキュア工程は、従来技術にみられる熱硬化性樹脂のカーボン化あるいは黒鉛化を生じさせるための焼成温度よりもはるかに低い温度が用いられており、また空気雰囲気中での処理も可能である。したがって、このポストキュア工程は、高導電化させるための熱硬化性樹脂の焼成工程とは全く異なる処理工程である。
【００２１】
ポストキュアは、空気中での処理でも全く問題がなく、不活性ガス等の特別の雰囲気に限定されるものではない。また、ポストキュア時には、製品の変形を抑えるための矯正治具を用いながら処理しても何らさし支えはなく、また製品の設置状態にも無関係で処理を行なうことができる。
【００２２】
本発明で用いられる導電性樹脂組成物は、良好な成形性を有しており、一度の成形で複雑な形状のセパレートプレートを成形することができ、その後ポストキュアすることで硬化反応を完全に終了させるので、固体高分子型燃料電池のMEA(膜・電極接合体)を無害なものとし、化学的に安定したセパレートプレートを廉価に供給することができる。
【００２３】
【発明の効果】
導電性材料を樹脂成形材料からだけで製造できれば、それは加工性およびコストの面からみて望ましいが、樹脂成形材料だけでは導電性に限界がみられ、しかるに本発明に係る導電性樹脂組成物においては、一度の成形でいいという加工性にすぐれ、しかも高導電性を有する複雑な形状の成形品をも得ることができ、これを金属製薄板状物とインサート成形してそこに樹脂被覆層を形成させたものは、コンパクトであって燃料電池用セパレータ等として有効に使用することができる。
【００２４】
特に、酸化され難く、電気化学的に安定なニッケル金属で炭素繊維および黒鉛の少くとも一種を被覆して用いているので、金属製薄板状物をインサート成形しなくとも、導電性樹脂組成物だけから、発電性能の安定した燃料電池用セパレータを成形することができる。
【００２５】
【実施例】
次に、実施例について本発明を説明する。
【００２６】
比較例１〜４
ヘキサメチレンテトラミンを20重量%含有するノボラック型フェノール樹脂(オタライト製品)、炭素繊維(東邦レーヨン製品HTA-C3S;平均繊維長L=3mm、平均繊維径D=7μm、L/D=429)および黒鉛(オリエンタル産業製品AT-10S;平均粒径26μm)の各所定量(フェノール樹脂は純分として)をニーダで混練し、混練物を圧縮成形して、直径100mm、厚さ2mmの円板状試験片を作製し、JIS K-7194に準拠して体積固有抵抗を測定した。
【００２７】
得られた結果は、各成分割合と共に、次の表1に示される。
表１
成分割合(重量%)     体積固有
実施例 フェノール樹脂 炭素繊維 黒鉛 抵抗(Ω・cm)
1          20           45      35        2×10-2
2          25           40      35        3×10-2
3          30           35      35        4×10-2
4          40           25      35        8×10-2
【００２８】
比較例５
比較例3において、炭素繊維としてペトカ製品FM14(L=18μm、D=7μm、L/D=2.5)が、また黒鉛としてオリエンタル産業製品AT-20TN(平均粒径9μm)がそれぞれ同量用いられた。
【００２９】
比較例６
比較例3において、炭素繊維として三井鉱山製品UCF1000-C2.5(L=2.5mm、D=1.5μm、L/D=1670)が、また黒鉛としてAT-20TNがそれぞれ同量用いられた。
【００３０】
比較例７
比較例3において、炭素繊維としてFM14が、また黒鉛としてオリエンタル産業製品AT-15S(平均粒径12μm)がそれぞれ同量用いられた。
【００３１】
以上の比較例5〜7で得られた測定結果は、次の表2に示される。
表２
比較例 体積固有抵抗(Ω・cm)
5                           4×10-2
6                           6×10-2
7                           5×10-2
【００３２】
比較例８
比較例4において、炭素繊維量が22重量%に変更され、また黒鉛として人造黒鉛（中越黒鉛工業所製品RAS-12A;平均粒径12μm）が38重量%用いられた。
【００３３】
比較例９
比較例8において、黒鉛として鱗片状黒鉛（中越黒鉛工業所製品BF-8A;平均粒径8μm）が同量用いられた。
【００３４】
比較例１０
比較例8において、黒鉛として鱗状黒鉛（中越黒鉛工業所製品CP-8A;平均粒径8μm）が同量用いられた。
【００３５】
比較例１１
比較例8において、黒鉛として膨張黒鉛（中越黒鉛工業所製品BSF-8A;平均粒径8μm）が同量用いられた。
【００３６】
実施例１
ヘキサメチレンテトラミンを20重量%含有するノボラック型フェノール樹脂(オタライト製品)35重量%、ニッケルメッキPAN法炭素繊維(東邦レーヨン製品ベスファイトMC;平均繊維長L=3mm、平均繊維径D=7.5μm、L/D=400;繊維カット断面にはニッケルメッキがされていない)30重量%および人造黒鉛(中越黒鉛工業所製品RAS-12A;平均粒径12μm)35重量%を比較例1と同様に混練、圧縮成形して、試験片を作成した。
【００３７】
以上の比較例8〜11および実施例1で得られた測定結果は、次の表3に示される。
表３
例   体積固有抵抗(Ω・cm)
比較例8                        6×10-2
〃  9                        5×10-2
〃 10                        4×10-2
〃 11                        4×10-2
実施例1                        5×10-3
【００３８】
比較例１２
ヘキサメチレンテトラミンを20重量%含有するノボラック型フェノール樹脂(オタライト製品)40重量%およびガラス繊維(旭ファイバーグラス製品チョップドストランドCS03MB498A)60重量%よりなる各成分を用い、ロール混練、圧縮成形および測定を行った。得られた円板状試験片の体積固有抵抗は、107Ω・cm以上であった。
【００３９】
比較例１３〜１４
厚さ約0.1mm、120メッシュ、線径91μm、隙間121μmのSUS304製金網を圧縮プレス下型内に置き、その上に比較例7の混練物を均一に敷き、圧縮成形した後、被覆厚さ0.2mm(比較例13)または1.5mm(比較例14)の樹脂被覆層を設けた金網を直径150mmの円板状に打ち抜き、それについて体積固有抵抗を測定した。
【００４０】
比較例１５〜１６
比較例13〜14において、比較例7の混練物の代りに、比較例12の混練物が用いられた。
【００４１】
以上の比較例13〜16で得られた測定結果は、次の表4に示される。
表４
比較例  被覆厚さ(mm) 体積固有抵抗(Ω・cm)
13               0.2                    5×10-3
14               1.5                    1×10-2
15               0.2                     >107
16               1.5                     >107
【００４２】
実施例２
実施例1で用いられた導電性樹脂組成物から、燃料電池用セパレータ(燃料ガス流路用溝を1.8mmの深さで形成させたもの)を圧縮成形した後、それを230℃で3時間ポストキュアした。
【００４３】
このセパレータを、PEMFCタイプのエレクトケム社燃料電池試験装置(シングルセル；電極面積50cm2)に取り付け、くり返し発電能力(0.5V時の出力)の測定を行った。参考例は、この試験装置に本来取り付けられているカーボン製セパレータについての測定値を示しており、また比較例17は、本実施例においてポストキュアを120℃で3時間行った場合の測定値を示している。
(測定条件)
セル温度：65℃
アノード流量：700ml/分
カソード流量：700ml/分
アノード圧力：0.3MPa
カソード圧力：0.3MPa
くり返し回数 実施例2(W) 参考例(W) 比較例17(W)
1               6.7           4.9           5.6
2               5.7           5.0           5.3
3               5.6           5.4           4.8
4               5.6           5.9           4.6
5               5.7           5.9           4.3
6               6.6           7.7           4.1
7               6.3           6.9           3.9
8               6.2           5.9           3.8
9               6.3           5.1            -
【００４４】
以上の結果から、次のようなことがいえる。
(1)本発明に係る導電性樹脂組成物から成形された燃料電池用セパレータを用いた場合には、発電能力の点でカーボン製セパレータを用いた場合に匹敵しており、くり返し発電能力の安定性の点では、カーボン製セパレータを用いた場合よりもすぐれている。
(2)比較例17の場合には、くり返し回数の増加と共に、発電能力は漸次低下する。
(3)カーボン製セパレータの溝部は切削加工されるため、溝の角度はエッジ状となる。実施例2では、カーボン製セパレータと比較するため、溝の角度はエッジ状に加工されているが、本発明の導電性樹脂組成物は成形性にすぐれているため、溝の角度をエッジ状ではなく、湾曲部をとった状態で成形することができる。