(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
含有量が総量に対して１０〜３０質量％である樹脂と、黒鉛との混合物を原料とし、これを用いて金型によりガス流路部を一体成形した後、成形品の凸部の上表面の全面を１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧した状態で、前記成形品の両面より当接する前記凸部の上表面を機械加工すること
を特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記成形品を１００℃以上２５０℃以下に加熱した状態で機械加工することを特徴とする請求項１に記載の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、黒鉛と樹脂との混合物で形成される燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電極とする。
【０００３】
次に、供給する燃料ガスが外にリークしたり、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、これを、ＭＥＡ（電極電解質膜接合体）と呼ぶ。ＭＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板を配置する。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。このような固体高分子型の燃料電池では、セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス気密性が高く、更に水素／酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。
【０００４】
このような理由で、従来のセパレータは、フェノール樹脂等の樹脂単独、あるいは炭素粉末との混練物を平板に成形した後、非酸化雰囲気中で炭化、あるいは黒鉛化処理することにより、炭素質あるいは黒鉛質の平板を形成し、さらに切削加工等により表面にガス流路となる溝を形成することにより製造されている。しかしながら、このセパレータは２０００℃以上の熱処理を必要とし、さらにガス流路を切削加工により形成するため、製造コストがかかるという問題点を有している。
【０００５】
そこで、黒鉛粒子と樹脂との混合物を数百度の温度でガス流路を一体成形することにより、安価にセパレータを製造する方法が提案されている。この方法は、黒鉛粒子間を樹脂をバインダーとして結合させることにより、所定のセパレータ形状を得るものである。例えば、黒鉛粒子とフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形、あるいは射出成形により、セパレータを製造する方法がある。
【０００６】
しかしながら、黒鉛粉末と樹脂との混合物を成形したセパレータは、黒鉛焼結体に樹脂を含浸させて得られる不浸透黒鉛に比べて、セパレータに対し両面より当接する電極との接触抵抗が高いため、電池に組んだときの内部抵抗が高くなり、出力が低くなるという問題点がある。
【０００７】
この問題点に対し、特開平１１−２９７３３８号公報に電極部との接触抵抗が低いセパレータ及びその製造方法が記載されている。このセパレータは、前述のように黒鉛粒子と樹脂との混合物を成形するとともに、電極部と接触する面の表面粗さを、Ｒａ＝０．１〜１０μｍとしたものであり、この表面粗さはセパレータを酸性溶液に浸すことにより実現するものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特開平１１−２９７３３８号公報に記載のセパレータでは、電極部との接触抵抗が、黒鉛焼結体に樹脂を含浸させて得られる不浸透黒鉛に比べて依然として高いレベルにあり、実用上の課題を持っている。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するものであり、黒鉛粒子と樹脂との混合物を成形したセパレータにおいて、電極部との接触抵抗の低い燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、電極部との接触面の状態が接触抵抗に及ぼす影響について検討した結果、電極部との接触抵抗は、表面粗さよりも電極部との接触面の樹脂の割合に大きく関係していることを見いだした。更に、成形品の反り量を低減し、電極部との接触圧をセパレータ全面で均等にすることにより、接触抵抗を更に下げることが可能であることを見出し、本発明を完成した。
【００１４】
すなわち、本発明の請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法は、含有量が総量に対して１０〜３０質量％である樹脂と、黒鉛との混合物を原料とし、これを用いて金型によりガス流路部を一体成形した後、成形品の凸部の上表面の全面を１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧した状態で、前記成形品の両面より当接する前記凸部の上表面を機械加工することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法は、請求項１に記載の製造方法において、前記成形品を１００℃以上２５０℃以下に加熱した状態で機械加工することを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について述べる。
【００１７】
本発明におけるセパレータは、黒鉛粒子と樹脂との混合物から成る。前記黒鉛粒子は、黒鉛質、または炭素質を意味し、高い導電性を有する限り、黒鉛構造を有する必要は無いが、高い結晶性の黒鉛構造を有することが好ましい。このような黒鉛粒子として、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛があげられる。黒鉛粒子の粒径は特に規定されるものではないが、高導電性を得るために平均粒径１０μｍ〜２００μｍ、好ましくは３０μｍ〜１００μｍのものを用いることができる。
【００１８】
樹脂としては、フェノール、エポキシ、ポリイミドなどの熱硬化性樹脂、ポリフェニレンスルフィド系樹脂、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリスルホン系樹脂、ポリアミド樹脂、アクリル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂が例示できる。これらの樹脂の中で耐薬品性、耐久性、機械的強度の点から、ポリフェニレンスルフィド系樹脂あるいは、フェノール樹脂が好ましい。
【００１９】
上記混合物に含まれる樹脂の含有量は、黒鉛粒子と樹脂の総量に対して、１０〜３０質量％である。樹脂の含有量が総量に対して１０質量％より少なくなるとセパレータとしての強度が弱くなる。一方、総量に対して３０質量％より多くなると、導電性が低くなり、セパレータとしての特性を確保することができなくなる。
【００２０】
セパレータには両面より電極部が当接し、このセパレータの電極部との接触面において、黒鉛と樹脂の総量に対する樹脂の含有量が、電極部との非接触面における樹脂の含有量よりも小さいことが必要である。
【００２１】
また、成形品の反り量は１００μｍ以下であり、好ましくは５０μｍ以下である。反り量が１００μｍより大きくなると、電極部との接触性が悪くなり、接触抵抗が高くなるとともに、セパレータを複数枚積層した状態で機械的に固定したときに破損する可能性がある。
【００２５】
また、ガス流路を一体成形した成形品の電極部との接触面全体を１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧した状態で、成形品の電極部との接触面を機械加工することにより、成形品の反り量が低減でき、その結果、電極部との接触圧をセパレータ全面で均等に受けることとなり、接触抵抗を更に下げることが可能である。圧力が１ｋｇｆ／ｃｍ2より小さいと成形品の反り量を改善することができない。また、圧力が５０ｋｇｆ／ｃｍ2を超えると成形品が破損することがある。
【００２６】
更に、ガス流路を一体成形した成形品の電極部との接触面全体を１〜５０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧した状態で、成形品を１００℃以上２５０℃以下に加熱しながら成形品の電極部との接触面を機械加工することにより、成形品の反り量をより低減することが可能となる。
【００２８】
（参考例）
黒鉛粒子として、人造黒鉛粉末（エスイーシー製、ＳＧＰグレード、平均粒径５０μｍ）、樹脂として、ポリフェニレンスルフィド系樹脂ＰＰＳ粉末（東レ製、トレリナ粉末）を、人造黒鉛粉末８０質量％、ＰＰＳ粉末２０質量％の割合でミキサーにより１５分間混合し、セパレータの原料となる混合物を作製した。
【００２９】
この混合物１を金型２に供給し、平坦化した状態を図１（ａ）に示す。次に、図１（ｂ）に示す通り、ホットプレス機３（コータキ製型締め力８０ｔｏｎ、熱盤温度３３０℃）により、金型２内の混合物１を圧力７００ｋｇｆ／ｃｍ2で３３０℃まで加熱した後室温まで冷却し、両面に図１（ｃ）に示すようなガス流路１０を形成したセパレータ４を取り出した。
【００３０】
次に図１（ｃ）に示すように、このセパレータ４の電極部との接触面５を研磨機７（１５００番サンドペーパー）で研磨することにより、図１（ｄ）に示す表面層１１を除去したセパレータ４を得ることができる。
【００３１】
このセパレータ４において、電極部との接触面５における樹脂の含有量と、電極部との非接触面６における樹脂の含有量を比較するため、Ｘ線微小分析計（日本電子製、ＪＸＭ−８９００）により、ＰＰＳに含まれる硫黄の分布をマッピングした。この結果、セパレータ４の電極部との接触面５における硫黄は、電極部との非接触面６における硫黄よりも３０％少ないことが確認できた。このことから、セパレータ４における電極部との接触面５におけるＰＰＳの割合が、電極部との非接触面６におけるＰＰＳの割合よりも少ないことがわかる。
【００３２】
次に、このセパレータ４の接触抵抗、及び単電池特性を測定した。接触抵抗の測定は、セパレータ４を３０ｍｍ×３０ｍｍに切断し、その両面を同じサイズのカーボンペーパー（東レ製ＴＧＰＨ−１２０）で挟んだ状態で圧力をかけ、セパレータとカーボンペーパーとの接触抵抗を測定した。その結果を図３に示す。
【００３３】
次に、このセパレータ４を用いて固体高分子型の燃料電池を組み、単電池特性を測定した。測定条件は燃料を水素、酸化剤を空気とし、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％、セル温度７０℃とした。このときの単電池特性を図４に示す。後述の比較例１に示すセパレータを用いた燃料電池より、接触抵抗が低く、また、単電池特性も向上していることが確認できた。
【００３４】
（実施例）
参考例と同様に、黒鉛粒子として、人造黒鉛粉末（エスイーシー製、ＳＧＰグレード、平均粒径５０μｍ）、樹脂として、ポリフェニレンスルフィド系樹脂ＰＰＳ粉末（東レ製、トレリナ粉末）を、人造黒鉛粉末８０質量％、ＰＰＳ粉末２０質量％の割合でミキサーにより１５分間混合し、セパレータの原料となる混合物を作製した。
【００３５】
この混合物１を金型２に供給し、平坦化した状態を図２（ａ）に示す。次に、図２（ｂ）に示す通り、ホットプレス機３（コータキ製型締め力８０ｔｏｎ、熱盤温度３００℃）により、金型２内の混合物１を圧力４００ｋｇｆ／ｃｍ2で３００℃まで加熱した後室温まで冷却し、両面に図２（ｃ）に示すようなガス流路１０を形成したセパレータ４を取り出した。
【００３６】
次に図２（ｃ）に示すように、このセパレータ４の電極部との接触面５をラッピングテープ８を貼った円盤９により１０ｋｇｆ／ｃｍ2で加圧しながら回転させ、図２（ｄ）に示すセパレータ４を得る。
【００３７】
このセパレータ４において、電極部との接触面５における樹脂の含有量と、電極部との非接触面６における樹脂の含有量を比較するため、Ｘ線微小分析計（日本電子製、ＪＸＭ−８９００）により、ＰＰＳに含まれる硫黄の分布をマッピングした。この結果、セパレータ４の電極部との接触面５における硫黄は、電極部との非接触面６における硫黄よりも３０％少ないことが確認できた。このことから、セパレータ４における電極部との接触面５におけるＰＰＳの割合が、電極部との非接触面６におけるＰＰＳの割合よりも少ないことがわかる。
【００３８】
次に、このセパレータ４の反り量、及び単電池特性を測定した。反り量の測定は、レーザフォーカス変位計（キーエンス製、ＬＴ−８１００）を使用した。その結果、セパレータ４の反り量は、最大５０μｍであった。
【００３９】
次に、このセパレータ４を用いて固体高分子型の燃料電池を組み、単電池特性と電池内部の抵抗を測定した。測定条件は燃料を水素、酸化剤を空気とし、燃料利用率７０％、酸化剤利用率４０％、セル温度７０℃とした。この単電池性能を図５に、電池内部の抵抗を図６に示す。後術の比較例２に示すセパレータと比較して、反り量が小さいため、電池内部の抵抗が低減し、電池特性が向上することが確認できた。
【００４０】
（比較例１）
実施例１において、電極部との接触面が研磨前の状態であるセパレータについて、実施例１と同様に電極部との接触面における樹脂量と電極部との非接触面における樹脂量、接触抵抗、電池性能を測定した。
【００４１】
このセパレータの電極部との接触面における樹脂量は、電極部との非接触面における樹脂量と同等であった。また、接触抵抗は図３、電池性能は図４に示す。
【００４２】
（比較例２）
実施例２において、電極部との接触面が研磨前の状態であるセパレータについて、電極部との接触面における樹脂量と電極部との非接触面における樹脂量、反り量、電池性能、及び電池内部の抵抗を測定した。
【００４３】
このセパレータの電極部との接触面における樹脂量は、電極部との非接触面における樹脂量と同等であり、反り量は、１２０μｍであった。また、電池性能は図５、電池内部の抵抗は図６に示す。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、含有量が総量に対して１０〜３０質量％である樹脂と、黒鉛との混合物を成形したセパレータにおいて、電極部との接触抵抗が小さく且つセパレータの反り量を低減した燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施例１において、混合物を金型内に供給した状態を示す図
（ｂ）金型内の混合物を加圧し、セパレータを成形する状態を示す図
（ｃ）セパレータの電極部との接触面を研磨する状態を示す図
（ｄ）研磨により表面層を除去されたセパレータを示す図
【図２】（ａ）本発明の実施例２において、混合物を金型内に供給した状態を示す図
（ｂ）金型内の混合物を加圧し、セパレータを成形する状態を示す図
（ｃ）セパレータの電極部との接触面を加圧しながら研磨する状態を示す図
（ｄ）研磨されたセパレータを示す図
【図３】実施例１と比較例１に示すセパレータの接触抵抗の測定データを示す図
【図４】実施例１と比較例１に示すセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の電池性能測定データを示す図
【図５】実施例２と比較例２に示すセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の電池性能測定データを示す図
【図６】実施例２と比較例２に示すセパレータを用いた固体高分子型燃料電池の内部抵抗測定データを示す図
【符号の説明】
１    黒鉛と樹脂の混合物
２    金型
３    ホットプレス機
４    セパレータ
５    セパレータの電極部との接触面
６    セパレータの電極部との非接触面
７    研磨機
８    ラッピングテープ
９    円盤
１０  ガス流路
１１  表面層
【図１】
0004269551.tif 000002
【図２】
0004269551.tif 000003
【図３】
0004269551.tif 000004
【図４】
0004269551.tif 000005
【図５】
0004269551.tif 000006
【図６】
0004269551.tif 000007