(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板の少なくとも片面に導電剤を混合した合成樹脂シートを載置し、熱プレス法により金属基板と合成樹脂シートを積層一体化し、更にその上に導電性フィラーを載置し、ついで再度熱プレス法により導電性フィラーを没入することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータに係り、詳しくは単セルを複数積層して構成する燃料電池において隣接する単セル間に設けられ、電極との間で燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成すると共に燃料ガスと酸化ガスとを隔てるための燃料電池用セパレータであって、特に成形性、強度、耐食性に優れた燃料電池用セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、特に固体高分子型燃料電池を構成するセパレータは、固体電解質膜を両側から挟持する各電極に接触して配置されて、該電極との間に燃料ガス、酸化剤ガス等の供給ガス通路を形成するものであり、電極と接触して電流を導出する集電性能に優れたものが要求される。
【０００３】
一般に燃料電池用セパレータとしては、強度、導電性に優れた緻密カーボングラファイトカーボンや、ステンレス鋼（ＳＵＳ）、チタン、アルミニウム等の金属材料から構成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
通常、上記セパレータの電極に対向する面にはガス流路を形成するための多数の突起部、溝部等が形成される。
従って、上記の緻密カーボングラファイトにて構成されるセパレータでは、電気伝導性が高く、かつ長期間の使用によっても高い集電性能が維持されるが、非常に脆い材料であることからセパレータの表面に多数の突起部や溝部を形成すべく切削加工等の機械加工を施すことは容易ではなく加工コストが高くなるとともに量産が困難であるという問題がある。
【０００５】
一方、上記金属材料にて構成されるセパレータでは、緻密カーボングラファイトに比較して強度、延性に優れていることから、ガス流路を形成するための多数の突起部、溝部等の形成はプレス加工が可能なため加工コストが低く量産も容易であるという利点がある。
しかしながら、このような金属材料はセパレータの使用環境下では、その表面に腐食による酸化膜が生成され易く、生成された酸化膜と電極との接触抵抗が大きくなり、セパレータの集電性能を低下させるという問題がある。
【０００６】
そこで、加工性に優れた金属材料からなるセパレータ用金属基板の表面に、耐食性に優れた金等の貴金属材料をコーティングした材料が検討されている。しかしながら、このような材料は極めて高価なために汎用性に欠けるという問題がある。
【０００７】
さらに、上記金属基板の少なくとも片面に導電剤を混合した樹脂層を被覆した材料が検討されている。しかし、通常、導電剤を混合した樹脂層を被覆すると樹脂層と電極の接触抵抗が大きくなるという問題がある。
【０００８】
本発明は上記問題を解決したもので、導電剤を混合した樹脂層を被覆しても電極との接触抵抗が小さく、耐食性に優れ、比較的低コストで生産可能な金属基板を主体とした燃料電池用セパレータを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上述の問題点を解消できる燃料電池用セパレータの製造方法を見出したものであり、その要旨とするところは、金属基板の少なくとも片面に導電剤を混合した合成樹脂シートを載置し、熱プレス法により金属基板と合成樹脂シートを積層一体化し、更にその上に導電性フィラーを載置し、ついで再度熱プレス法により導電性フィラーを没入してなる燃料電池用セパレータの製造方法である。上記導電性フィラーの体積抵抗値が０．５Ωｃｍ以下であることを含み、また、導電性フィラーがカーボン、金属炭化物、金属酸化物、金属窒化物、金属粉末及び金属繊維から選ばれてなることを含んでいる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の燃料電池用セパレータで使用する金属基板としては、ステンレス鋼、チタン、アルミニウム、銅、ニッケル、鋼からなる薄板が好適に使用でき、厚みは０．１ｍｍ〜１．５ｍｍの範囲が望ましい。
【００１１】
本発明の燃料電池用セパレータでは上記金属基板の少なくとも片面に導電剤を含む合成樹脂層を被覆して金属積層体を形成する。
合成樹脂層に使用する原料としては耐薬品性の点からフッ素樹脂又はフッ素ゴムが好適に使用できる。具体的には、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＥＰＥ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＦ（ポリビニルフルオライド）、ＴＨＶ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体）、ＶＤＦ−ＨＦＰ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＴＦＥ−Ｐ（フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体）、
【００１２】
含フッ素シリコーン系ゴム、含フッ素ビニルエーテル系ゴム、含フッ素フォスファゼン系ゴム、含フッ素熱可塑性エラストマーからなる少なくとも１種類以上のフッ素樹脂又はフッ素ゴムが使用できる。
上記例示した樹脂では、成形性の点から特にフッ化ビニリデンを含むＰＶＤＦ、ＴＨＶ、ＶＤＦ−ＨＦＰ及びＴＦＥ−Ｐが好ましい。
【００１３】
上記フッ素樹脂又はフッ素ゴム等からなる合成樹脂層には導電剤を混合する必要があり、導電剤としては、カーボン、金属炭化物、金属酸化物、金属窒化物、金属粉末及び金属繊維が好適に使用できる。
【００１４】
カーボンとしては黒鉛、カーボンブラック、膨張黒鉛、炭素繊維、金属炭化物としては炭化タングステン、炭化珪素、炭化カルシウム、炭化ジルコニウム、炭化タンタル、炭化チタン、炭化ニオブ、炭化モリブデン、炭化バナジウム、炭化クロム、炭化ハフニウム、金属酸化物としては、酸化チタン、酸化ルテニウム、酸化インジウム、酸化錫、酸化亜鉛、金属窒化物としては窒化クロム、窒化アルミニウム、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化チタン、窒化ガリウム、窒化ニオブ、窒化バナジウム、窒化ホウ素、金属粉末としては、チタン粉、ニッケル粉、錫紛、銅粉、アルミ粉、亜鉛粉、銀粉タンタル紛、ニオブ粉、金属繊維としては、鉄繊維、銅繊維、ステンレス繊維が例示できる。
上記の導電剤の中では、特に導電性、耐酸性に優れていることから金属炭化物が好適に使用できる。
【００１５】
合成樹脂中の導電剤の混合比率は樹脂層の体積抵抗率が１Ω・ｃｍ以下（ＪＩＳ  Ｋ  ７１９４による）になるように適宜決めれば良く、通常、合成樹脂中４０重量％〜９５重量％の範囲が好ましく、混合比率が４０重量％未満では体積抵抗率が１Ω・ｃｍを越えて導電性に劣り、９５重量％を越えると成形が困難になり易い。
【００１６】
合成樹脂層の厚みは１０〜３００μｍの範囲が好ましく、１０μｍ未満では金属基板への耐食効果が少なく、３００μｍを越えるものではセパレータが厚くなりスタックされた燃料電池が大きくなるという問題が生じ易い。
【００１７】
上記内容の金属基板の少なくとも片面に合成樹脂層を被覆してなる金属積層体の合成樹脂層に、更に体積抵抗値が０．５Ωｃｍ以下の導電性フィラーを熱プレス等により没入する必要がある。
上記導電性フィラーは、体積抵抗値が０．５Ωｃｍ以下（ＪＩＳ  Ｋ  ７１９４による）、好ましくは０．００００１〜０．１Ωｃｍであれば良く、金属炭化物が好適に使用できる。金属炭化物としては、炭化珪素、炭化タングステン、炭化チタン等が挙げられる。
【００１８】
導電性フィラーの平均粒径は０．１〜２０μｍの範囲、好ましくは０．３〜１５μｍの範囲が良い。導電性フィラーの平均粒径が０．１μｍ未満では、粒子が細かく取り扱いにくく、生産性に劣るという問題がある。また平均粒径が２０μｍを越えると合成樹脂層への没入時にピンホールが発生し、セパレータの耐酸性が劣るという問題がある。
【００１９】
導電性フィラーはそのまま使用しても良いが、溶剤等を用いスラリー状にしたり、界面活性剤やシランカップリング剤等で表面処理し塗料を作成して使用しても良い。
【００２０】
本発明のセパレータの製造方法は、予め製膜された上述した組成からなるフッ素樹脂シートを金属基板の片面又は両面に載置し、熱プレス法で積層一体化した後、導電性フィラーを載置しさらに再度熱プレス法により導電性フィラーをフッ素樹脂シート表面に没入する方法が生産性等の点から好ましい。フッ素樹脂シートの製膜法は通常の押出成形、ロール成形法によればよく、熱プレス法の条件も通常のプレス条件、加熱温度１２０℃〜３００℃、圧力２．９×１０６Ｐａ〜９．８×１０６Ｐａ（３０ｋｇｆ／ｃｍ２〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２）程度にて行なえばよい。
以下、実施例について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２１】
【実施例】
フッ素樹脂（「住友スリーエム（株）」製  ＴＨＶ２２０Ｇ）１５重量部と導電性フィラー（炭化タングステン  「（株）アライドマテリアル」製  ＷＣ２０）８５重量部を２軸押出機（押出機温度２５０℃）にて混合した。
上記混合物をロール成形（ロール温度２４０℃）にて厚さ２００μｍの導電性フッ素樹脂シートを作成した。得られたシートの体積抵抗値は０．１Ωｃｍであった。
金属基板はアルミ５０５２板（厚み０．５ｍｍ）を電解エッチング法にて２０μｍのエッチング層を形成したものを使用し、導電性フッ素樹脂シート／エッチングアルミ５０５２板／導電性フッ素樹脂シートの順に載置し、熱プレス加工にて積層一体化した。熱プレス条件は温度２００℃、１０分、圧力３．５×１０６Ｐａ（３６ｋｇｆ／ｃｍ２）にて行った。
得られた樹脂・金属積層体の片面に、予めエタノールでスラリー化した導電性フィラーをバーコーターで塗布し、熱プレス加工にて成形した。更に他方面上にも同じように、エタノールでスリラー化した導電性フィラーをバーコーターで塗布し、熱プレス加工にて成形した。熱プレス条件はいずれも温度２００℃、５分、圧力３．５×１０６Ｐａ（３６ｋｇｆ／ｃｍ２）にて行った。
導電性フィラーは（株）アライドマテリアルより入手した炭化チタン（平均粒径１．２μｍ、体積抵抗値１×１０−４Ωｃｍ）を使用した。得られた複合板の総厚みは０．８６ｍｍであった。
上記積層体を用い、再度、プレス加工してガス流路を形成し燃料電池用セパレータを得た。プレス条件は室温、１分、圧力１．８×１０７Ｐａ（１８０ｋｇｆ／ｃｍ２）にて行った。
【００２２】
得られた燃料電池用セパレータは導電性フィラーと導電剤を含むフッ素樹脂層及び導電剤を含むフッ素樹脂層とアルミ板との接着性が良好で剥離等がなかった。
【００２３】
得られた上記のセパレータを用いて接触抵抗を測定した。接触抵抗の評価は以下のように行った。測定結果を図２のＮｏ．１サンプルで示した。
0004082484.tif 000002
【００２４】
上記方法で評価したセパレータの接触抵抗値を図２のグラフに示した。比較のためにＮｏ．１サンプルの同組成の導電性フッ素シート／エッチングアルミ５０５２板／導電性フッ素シートで流路をプレス形成したセパレータ（Ｎｏ．２）を得た。また、比較サンプルとして東海カーボン社製樹脂含浸黒鉛Ｇ３４７Ｂ（Ｎｏ．３）も評価した。
【００２５】
図２のグラフに示す通り、導電剤を含む樹脂層を金属板に被覆し、さらに樹脂層の表面下に導電性フィラーを没入させたサンプルＮｏ．１は、導電剤を含む樹脂層を金属板に被覆したサンプルＮｏ．２に比べ、燃料電池の電極材として使用されるカーボンペーパーとの接触抵抗値が格段に小さくなり、Ｎｏ．３の樹脂含浸黒鉛とほぼ同等の接触抵抗値であった。
【００２６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の燃料電池用セパレータは電極との接触抵抗が小さく、耐食性に優れ、比較的低コストで生産可能なことから、長時間の運転が可能な燃料電池用としての利用性が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】接触抵抗の測定方法を示す装置の概略図。
【図２】接触荷重と接触抵抗値の関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１：真鍮製電極
２：カーボンペーパー
３：セパレータ
【図１】
0004082484.tif 000003
【図２】
0004082484.tif 000004