(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
最大粒子径１２５μｍ以下の黒鉛粉末１００重量部に対し、熱硬化性樹脂を１０〜１００重量部の割合で加えて均一に混練し、硬化して得られた硬化樹脂成形体を金属薄板の表裏両面に熱圧接合して被着し、被着された硬化樹脂成形体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流通溝を形成することを特徴とする固体高分子型燃料電池セパレータ部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型（ＳＰＥ型）燃料電池のセパレータ部材及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池はパーフルオロカーボンスルフォン酸等のイオン交換膜からなる固体高分子の電解質膜と、その両側に設けた２つの電極とそれぞれの電極に水素等の燃料ガスあるいは酸素等の酸化剤ガスを供給するガス供給溝を設けた集電体およびセパレータから構成されている。
【０００３】
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、また電池反応に伴う発熱を効率よく放散させるために高い熱伝導性、更に、燃料ガスとして用いる水素ガスによる脆化を生じない耐蝕性等が必要である。
【０００４】
このような材質特性が要求されるセパレータとして、例えば特開平４−２６７０６２号公報にはセパレータの材質を純銅やステンレス鋼などで構成する例が開示されている。しかしながら、これらの金属系の材質では燃料ガスとして用いる水素ガスと長時間に亘って接触するために、水素脆性が生じて材質劣化が起こり電池性能が低下する欠点がある。
【０００５】
また、リン酸型燃料電池ではセパレータに炭素質系の材料、特にガス不透過性に優れているガラス状カーボン材が使用されている。ガラス状カーボン材はフェノール系樹脂やフラン系樹脂などの熱硬化性樹脂液を成形し加熱硬化後、非酸化性雰囲気中８００℃以上の温度で焼成炭化して得られるガラス質の性状を呈する特異な炭素材である。
【０００６】
しかしながら、ガラス状カーボン材は緻密な組織構造を有し、高いガス不透過性を示す反面、硬度が高く脆性であるので加工性が悪いという欠点がある。更に金属系の材質に比べて熱伝導率が低く電気抵抗も大きいという難点があり、リン酸型燃料電池に比較して高電流密度で運転される固体高分子型燃料電池のセパレータとして使用するには適当でない。
【０００７】
そこで本出願人はガス不透過性、熱伝導性、導電性、耐蝕性等に優れ、これらの性能をバランスよく備え、固体高分子型燃料電池のセパレータ等として好適な黒鉛部材の製法として、最大粒径１２５μm 以下の炭素質粉末に結合材を加えて加熱混練後ＣＩＰ成形し、次いで焼成、黒鉛化して得られた平均気孔径１０μm 以下、気孔率２０％以下の等方性黒鉛材に熱硬化性樹脂液を含浸、硬化処理する固体高分子型燃料電池用黒鉛部材の製造方法（特開平８−222241号公報）を提案した。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者は、上記特開平８−２２２２４１号公報の技術を基に更に研究を進めた結果、金属系材料のもつ優れた導電性及びガス不透過性と、炭素質材料の有する高耐蝕性とをバランスよく併せ持ち、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適な部材及びその製造方法を開発した。
【０００９】
すなわち、本発明の目的は長期間に亘って安定に稼動することのできる固体高分子型燃料電池セパレータ部材の製造方法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セパレータ部材の製造方法は、最大粒子径１２５μｍ以下の黒鉛粉末１００重量部に対し、熱硬化性樹脂を１０〜１００重量部の割合で加えて均一に混練し、硬化して得られた硬化樹脂成形体を金属薄板の表裏両面に熱圧接合して被着し、被着された硬化樹脂成形体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流通溝を形成することを構成上の特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法により製造された固体高分子型燃料電池セパレータ部材は厚さ方向の中央部に金属薄板があり、その表裏両面に硬化樹脂成形体が被着された構造からなり、この金属薄板によりガスの透過が遮断される。すなわち、金属板は薄くてもガス不透過性を充分に確保することができるのでセパレータ部材を薄くすることができ、電池スタックの積層厚さを低減することができる。金属薄板の厚さは０．０５〜１ｍｍ程度のものが用いられる。金属としては、鉄、ステンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン等多くの金属を用いることができるが、加工性が容易で安価な金属を選定することが好ましい。
【００１３】
この金属薄板の表裏両面には、金属表面を被覆するように炭素質粉末が分散した熱硬化性樹脂の硬化樹脂成形体が被着されている。この硬化樹脂成形体はガス不透過性を有するとともに化学的安定性が高く、セパレータ部材の中央部にある金属薄板の腐食抑止に機能する。すなわち、硬化樹脂成形体は均一に分散している炭素質粉末により導電性が確保されるとともに、高ガス不透過性及び高耐蝕性を備えており、金属薄板の腐食防止に機能する。なお、この硬化樹脂成形体には燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する流通路としてガス流通溝が形成されており、ガス流通溝は金属薄板の表裏両面に被着された硬化樹脂成形体に互いに直交する方向に設けられている。
【００１４】
このように本発明の製造方法により製造された固体高分子型燃料電池セパレータ部材は、セパレータの厚さ方向の中央部にある金属薄板が燃料ガスや酸化剤ガスの透過を防止するとともに内部電気抵抗を低く抑え、またその表裏両面に被着した炭素質粉末が均一に分散した熱硬化性樹脂を硬化した硬化樹脂成形体により高耐蝕性とともに適度の導電性が付与される。したがって、金属系材料のもつ優れた導電性及びガス不透過性と、炭素・樹脂系材料の有する高耐蝕性と高ガス不透過性とがバランスよく機能して、固体高分子型燃料電池のセパレータ部材として優れた性能を発揮することができる。更に、耐衝撃性にも優れているので電池セルの組立や締め付け時、あるいは隣接するセルとのガス圧力差が生じた際の変形に対する靭性も向上し、長期運転における信頼性も高くなる。
【００１５】
この固体高分子型燃料電池セパレータ部材の製造方法は、最大粒子径１２５μｍ以下の黒鉛粉末１００重量部に対し、熱硬化性樹脂を１０〜１００重量部の割合で加えて均一に混練し、硬化して得られた硬化樹脂成形体を金属薄板の表裏両面に熱圧接合して被着し、被着された硬化樹脂成形体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流通溝を形成することを特徴とする。
【００１６】
炭素質粉末と熱硬化性樹脂との混合比は、樹脂成分が多くなるとガス不透過性は向上するが電気抵抗の増大を招き、また炭素質粉末の割合が大きくなると導電性は高くなるがガス不透過性が低下する。そのため、混合比は炭素質粉末１００重量部に対して熱硬化性樹脂を１０〜１００重量部の範囲に設定する。
【００１７】
炭素質粉末としては黒鉛粉末、コークス粉末等が用いられるが、導電性や高耐蝕性を付与するために黒鉛粉末が好ましい。また、炭素質粉末の粒子径はガス流通溝を形成する際の溝加工時における粒子脱落を防止するために最大粒子径として１２５μm 以下のものが好ましく用いられる。
【００１８】
熱硬化性樹脂は固体高分子型燃料電池の発電稼働時の温度である８０〜１２０℃の耐熱性、ｐＨ２〜３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、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂等が用いられる。
【００１９】
これらの炭素質粉末と熱硬化性樹脂とを所定の重量比で混合し、均一に混練したのち、金属薄板の形状に合わせて板状に成形し、半硬化（一次硬化）処理して板状成形体が得られる。半硬化状態の板状成形体は鉄、ステンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン等の金属の厚さ０．０５〜１mmの薄板の表裏両面に熱圧接合により強固に被着されるとともに二次硬化される。熱圧接合は、例えば温度８０〜２００℃、圧力１０〜１０００Kg/cm2の条件で適宜時間処理することにより行われ、その結果硬化樹脂成形体は金属面に強固に接合、被着する。この場合、金属薄板の両面は適度に粗面化しておくと硬化樹脂成形体をより強固に被着させることができる。
【００２０】
なお、この金属薄板の表裏両面に被着した硬化樹脂成形体に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給する流通路となるガス流通溝を互いに直交する方向に形成することにより、本発明の固体高分子型燃料電池セパレータ部材が製造される。
【００２１】
【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。
【００２２】
実施例１〜２
炭素質粉末として１２０メッシュ篩下（最大粒子径１２５μm ）の黒鉛粉末を用い、黒鉛粉末１００重量部に対しフェノール樹脂初期縮合物を２０重量部、及び３５重量の割合で加えて充分に混練し均一な混練物を調製した。この混練物を半硬化（一次硬化）して板状に成形し、金属薄板として縦横２００mm、厚さ０．２mmのステンレス板を用い、その表裏両面に板状成形体を１８０℃、２５０Kg/cm2の条件で熱圧接合して被着した。このようにして、ステンレス薄板の両面に、フェノール樹脂中に黒鉛粉末が均一に分散した硬化樹脂成形体が被着した縦横２００mm、厚さ１．５mmのセパレータ部材を製造した。
【００２３】
実施例３
炭素質粉末として最大粒子径１２５μm の黒鉛粉末を用い、黒鉛粉末１００重量部にフェノール樹脂初期縮合物を７０重量部の割合で加え、金属薄板として厚さ０．２mmのニッケル板を用いた他は、実施例１と同一の条件により縦横２００mm、厚さ１．５mmのセパレータ部材を得た。
【００２４】
比較例１
金属薄板を使用しない他は実施例１と同一の方法、すなわち１２０メッシュ篩下（最大粒子径１２５μm ）の黒鉛粉末１００重量部にフェノール樹脂初期縮合物を２０重量部の割合で加えて混練し、混練物を半硬化（一次硬化）して板状に成形し、次いで１８０℃、２５０Kg/cm2の条件で熱圧処理して縦横２００mm、厚さ１．５mmの黒鉛粉末が分散した硬化フェノール樹脂の板状成形体を作製した。
【００２５】
比較例２
フェノール樹脂初期縮合物の配合割合を、黒鉛粉末１００重量部に対し１２０重量部とした他は実施例１と同一の方法によりセパレータ部材を作製した。
【００２６】
これらの各セパレータ部材の特性を下記の方法により測定し、その結果を表１に示した。
▲１▼固有抵抗（Ω・cm）： JIS R7202「人造黒鉛電極の試験方法」の電圧降下法による。
▲２▼曲げ強度（Kg/cm2）： JIS K7203「硬質プラスチックの曲げ強度試験方法」による。
▲３▼腐食電流（μA/cm2 ）：温度80℃、濃度0.02％ベンゼンスルホン酸水溶液中における0.8 V/RHE の定電位腐食試験における 500分後の腐食電流を測定。
▲４▼ガス透過率（cc/cm2・sec)：窒素ガス 1Kg/cm2の圧力（差圧）で、単位断面積当たり、単位時間当たりの通過窒素ガス体積を測定。なお、ガス透過率はセパレータ部材の両面に深さ 0.5mmの溝を切った試料について測定。
【００２７】
【表１】
0004037955.tif 000002
【００２８】
表１の結果から、実施例の部材は比較例の部材に比べて固有抵抗、曲げ強度、腐食電流、ガス透過率ともバランスよく備えていることが判る。また、比較例１は金属薄板を使用していないために曲げ強度が低く、ガス不透過性にも劣る結果となっている。比較例２では金属薄板を用いているが熱硬化性樹脂の配合量が高いために固有抵抗の増大が大きく、固体高分子型燃料電池用のセパレータ部材として性能低下が認められる。
【００２９】
【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セパレータ部材によれば、金属薄板と、その表裏両面に炭素質粉末が分散した熱硬化性樹脂の硬化樹脂成形体が被着し、硬化樹脂成形体には燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流通溝が形成された構造からなるので、金属薄板による優れたガス不透過性と導電性、またその表裏両面に被着した硬化樹脂成形体による優れた耐蝕性及びガス不透過性の機能が付与され、更に強度特性もバランスよく付与される。したがって、長期間に亘って安定に発電を行うことが可能となる。また、本発明の製造方法によれば、炭素質粉末と熱硬化性樹脂との混合割合を特定した硬化樹脂成形体を被着することにより金属薄板の両面に強固に被着し、本発明の優れた性能を有する固体高分子型燃料電池セパレータ部材を製造することができる。