(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒子径が５０μm 以下、最大粒子径が３００μm 以下、粒子径１０μm 以下の粒子の割合が２０重量％以下の粒度特性を有する炭素粉末６０〜８５重量％と熱硬化性樹脂４０〜１５重量％とからなる板状成形体であって、板状成形体の少なくとも片面に凹凸が付設され、板厚Ｄが１〜５mm、凹部の厚さｄが板厚Ｄの１０〜５０％で、厚さ方向の固有抵抗が２×１０-2Ωcm以下、気体透過量が１０-5cm3/cm2 min 以下、室温における曲げ強度が３００kgf/cm2 以上でかつ室温に対する１００℃における曲げ強度保持率が９０％以上、の材質特性を備える炭素／樹脂硬化成形体から形成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ部材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用、例えば自動車をはじめ小型分散型電源などに用いられる固体高分子型燃料電池用のセパレータ部材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、リン酸型燃料電池などの燃料電池に比較して低温でかつ高出力の発電が可能であるので、自動車の電源をはじめ小型の移動型電源として期待されている。固体高分子型燃料電池は、通常、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、その両面に白金触媒を担持させた触媒電極と、それぞれの電極に水素などの燃料ガスあるいは酸素や空気などの酸化剤ガスを供給するガス供給用の凹凸を設けたセパレータなどからなる単セルを積層したスタック、及びその外側に設けた２つの集電体から構成されている。
【０００３】
リン酸型燃料電池と類似した構造であるが、電解質部分に高性能の高分子電解質膜を使用している関係で、作動温度が８０〜１００℃とリン酸型燃料電池の作動温度１８０〜２２０℃に比較して著しく低いにもかかわらず高出力の発電が可能である。
【０００４】
このセパレータには、燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離した状態で電極に供給するために高度のガス不透過性が要求され、また、発電効率を高くするために電池の内部抵抗を小さくすることが必要である。更に、材質強度が充分でないとセパレータの破損や欠損が生じ、電池性能が低下するばかりではなく、ガスリークによる爆発の危険性もある。特に、電池の作動温度である１００℃程度の高温においても充分な材質強度を備えていることが重要である。
【０００５】
このような材質性状が要求されるセパレータ部材には、従来から炭素質系の材料が用いられており、例えば、黒鉛などの炭素粉末と熱硬化性樹脂を結合材として成形した炭素／樹脂硬化成形体が好適に使用されている。
【０００６】
また、固体高分子型燃料電池は、上記した単セルを数十層に積層して電池スタックが組み立てられるが、電池性能の高出力化と小型化を図るためには単セルの厚さを薄くすることが重要であり、単セルの厚さを薄くするためにはセパレータを薄肉化することが効果的である。
【０００７】
しかしながら、単純にセパレータの厚さを薄くすることはできない。すなわち電池スタックを組み立てる際には、各セル間が充分に密着するように組み立てることが必要である。密着性が不充分であると接触電気抵抗が大きくなり、電池の内部抵抗が増大して、温度分布が不均一化し、電池性能の低下を招くこととなるからである。通常、０．０５〜１ＭＰａ程度の締め付け力で周囲をボルト締めすることにより組み立てているが、この際に偏加重が生じてセパレータ部材、特に凹凸部に亀裂を生じて、破損や欠損し易い問題点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者は、上記の問題点を解消するために、熱圧成形法により一体的に作製された板状成形体について、原料となる炭素粉末の粒子性状、熱硬化性樹脂との混合比などを調整し、凹凸が付設された板状成形体の形状寸法、電気抵抗、緻密性、材質強度などを特定することによりセパレータを薄肉化できることを見出した。
【０００９】
本発明は上記の知見に基づいて開発されたものであって、その目的は高出力化及び小型化を可能とする固体高分子型燃料電池用セパレータ部材を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための本発明による固体高分子型燃料電池用セパレータ部材は、平均粒子径が５０μm 以下、最大粒子径が３００μm 以下、粒子径１０μm 以下の粒子の割合が２０重量％以下の粒度特性を有する炭素粉末６０〜８５重量％と熱硬化性樹脂４０〜１５重量％とからなる板状成形体であって、板状成形体の少なくとも片面に凹凸が付設され、板厚Ｄが１〜５mm、凹部の厚さｄが板厚Ｄの１０〜５０％で、厚さ方向の固有抵抗が２×１０-2Ωcm以下、気体透過量が１０-5cm3/cm2 min 以下、室温における曲げ強度が３００kgf/cm2 以上でかつ室温に対する１００℃における曲げ強度保持率が９０％以上、の材質特性を備える炭素／樹脂硬化成形体から形成されたことを構成上の特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ部材は、炭素粉末が熱硬化性樹脂を結合材として一体化した炭素／樹脂硬化成形体からなる板状成形体で形成されており、炭素粉末には人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、コークス粉、カーボンブラック、有機物の炭化品及びこれらの混合物などが用いられる。炭素粉末の結合材として機能する熱硬化性樹脂は、固体高分子型燃料電池の作動時の温度である８０〜１２０℃の温度に耐える耐熱性、及びｐＨ２〜３程度のスルフォン酸や硫酸酸性に耐え得る耐酸性があれば特に制限はなく、例えばフェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂などの樹脂を単独または混合して用いられる。
【００１２】
板状成形体は、炭素粉末と熱硬化性樹脂とを混練し、混練物を金型に充填し、モールド成形や射出成形などにより熱圧成形して所望形状に成形されるが、セパレータ部材のような薄型複雑形状の成形体を得るには混練物の流動性の良いことが必要であり、また、成形体の材質強度や緻密性、電導性などを所定のレベルに維持することも必要となる。そのため、原料となる炭素粉末には平均粒子径が５０μm 以下、最大粒子径が３００μm 以下、粒子径１０μm 以下の粒子の割合が２０重量％以下、に調整された粒度特性のものが用いられる。
【００１３】
平均粒子径が５０μm を越え、最大粒子径が３００μm を上回ると、薄型で凹凸が付設された複雑形状の成形体を得ることが困難であり、特に板状成形体の周縁部や凹凸部の角などの強度が不充分となり、欠落し易くなる。また、粒子径が小さい微細粉は表面積が大きいので、表面に吸着、補足される樹脂量が増大し、樹脂との混練物の流動性が著しく低下する。そのため、粒子径１０μm 以下の粒子の割合を２０重量％以下に設定する。
【００１４】
これらの粒度特性を有する炭素粉末と熱硬化性樹脂は、炭素粉末を６０〜８５重量％、熱硬化性樹脂を４０〜１５重量％の量比で混合して混練する。炭素粉末の量比が６０重量％を下回り、熱硬化性樹脂の量比が４０重量％を上回ると導電性が著しく低下する。一方、炭素粉末の量比が８５重量％を越え、熱硬化性樹脂の量比が１５重量％を下回ると混練物の流動性が低下するので、熱圧成形により形状精度の高い板状成形体を作製することが困難となり、成形性の悪化によりガス不透過性や強度が低下する。
【００１５】
炭素粉末と熱硬化性樹脂との混合は、ニーダー、加圧型ニーダー、二軸スクリュー式混練機など常用の混練機により行われれるが、均一に混合するためには熱硬化性樹脂をアルコールやエーテルなどの適宜な有機溶媒に溶解して粘度を下げて混練したのち、必要に応じて有機溶媒を除去する方法を用いることもできる。
【００１６】
炭素粉末と熱硬化性樹脂との混練物は、熱圧成形により、片面もしくは両面に多数の凹凸部が形成されたセパレータ部材が作製される。この場合、特定された粒度特性の炭素粉末を用い、熱硬化性樹脂との混合比を調整することにより、混練物は適度の流動性を有し、熱圧成形により板厚Ｄが１〜５mmで、凹部の厚さｄが板厚Ｄの１０〜５０％の形状寸法を備えた板状成形体とすることが可能となる。このような形状寸法とすることにより、単セルを積層して電池スタックを組み立てる際の締め付け力に抗して、セパレータ部材、特に凹部に生じる亀裂や破損を抑止することが可能となる。
【００１７】
本発明のセパレータ部材は、上記の形状寸法を有する板状成形体であって、かつ、電気抵抗、緻密性、強度などを特定した材質特性を備えたことを特徴とするものである。すなわち、板状成形体の厚さ方向の固有抵抗は２×１０-2Ωcm以下に設定される。セパレータ部材の電気抵抗、特に厚さ方向の電気抵抗が高いと電池の内部抵抗の増大を招き、電池性能が低下することとなるため、厚さ方向の固有抵抗を２×１０-2Ωcm以下に設定する。
【００１８】
セパレータ部材には高度のガス不透過性が必要であり、本発明のセパレータ部材は、炭素質粉末と熱硬化性樹脂との混練物の流動性が良好であるので熱圧成形時の成形性が改善されて緻密化し、不通気性の組織構造が形成されて、気体透過量が１０-5cm3/cm2 min 以下の材質性状を備えることができる。
【００１９】
更に、本発明のセパレータ部材には、室温における曲げ強度が３００kgf/cm2 以上で、かつ室温に対する１００℃における曲げ強度保持率が９０％以上の強度特性を備えたものであることが必要である。電池起動時の昇温過程や電池停止時の降温過程、また発電中の電池反応による発熱により電池内部には温度分布が生じて熱応力が発生し、機械的な歪みが発生する。特に、セパレータ部材の凹部は厚さが薄く、この機械的歪みにより破損や欠損し易いので、本発明においては材質強度として室温における曲げ強度を３００kgf/cm2 以上に設定される。また、固体高分子型燃料電池の発電作動時の温度である８０〜１２０℃の温度に耐える強度特性として、１００℃における曲げ強度保持率を９０％以上に設定する。なお、曲げ強度はＪＩＳ  Ｋ６９１１により測定した値である。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比して説明する。
【００２１】
実施例１〜４、比較例１〜５
平均粒子径、最大粒子径、及び粒度分布の異なる黒鉛粉末とフェノール樹脂とを混合比を変えて混合し、加圧ニーダーにより充分に混練した。混練物を凹凸部を形成するための凸凹部を設けた金型に装填し、異なる成形圧、成形温度により熱圧成形して、幅１mmで凹部の厚さｄが異なる凹凸部を備え、板厚Ｄが１．５〜３．０mmの板状成形体を作製した。この作製条件と凹部の厚さを対比して表１に示した。
【００２２】
【表１】
0003980229.tif 000002
【００２３】
このようにして作製した黒鉛／フェノール樹脂硬化成形体からなる板状成形体について、下記の材質特性を測定し、測定した結果を表２に示した。
▲１▼固有抵抗（Ωcm）；ＪＩＳ  Ｒ７２２２により測定。
▲２▼気体透過量（cm3/cm2 min ）；窒素ガスにより１kg/cm2の圧力をかけた際の窒素ガス透過量を測定。
▲３▼曲げ強度（kgf/cm2 ）；ＪＩＳ  Ｋ６９１１により測定。
【００２４】
次に、これらのセパレータ部材を１２枚積層して１ＭＰａの締付け力で電池スタックを組み立て、電池スタックの高さ及びセル電圧０．７Ｖにおける出力密度を測定した。その結果を表２に併載した。
【００２５】
【表２】
0003980229.tif 000003
【００２６】
表１、２の結果から本発明で特定した凹凸部の形状寸法を備えた実施例のセパレータ部材は、比較例に比べてセパレータを薄肉化したにもかかわらずセル組み立て時における破損もなく、電池スタックの高さを小さくすることができ、更に出力密度も高いことが判る。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ部材によれば、特定の粒度特性を有する炭素粉末と熱硬化性樹脂とを所定の混合比で混練、熱圧成形した炭素／樹脂硬化成形体からなる板状成形体であり、板面に付設した凹凸部の凹部の厚さｄを、板厚Ｄとの関係において特定範囲に設定し、かつ、固有抵抗、気体透過量、曲げ強度などの材質特性を特定したもので、セパレータ部材の薄肉化を可能としたものである。したがって、電池性能を維持した上で、積層した電池スタックの高さを小さくすることができ、固体高分子型燃料電池の小型化及び高出力化を図ることが可能となる。