JP2003203643A - 燃料電池セパレーター用成形材料とその製造方法、及び燃料電池セパレーター - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形性、導電性に優れた燃料電池セパレータ
ー用成形材料と、これを煩雑な工程を得ることなく製造
する方法、および前記成形材料を成形してなる燃料電池
用セパレーターを提供する。 【解決手段】 熱硬化性樹脂と導電性を有する炭素系基
材とを必須成分として含有し、成形材料化された段階で
の成形材料中の前記導電性を有する炭素系基材が、平均
粒径が５０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内にあり、
かつ、全粒子の８５％以上が粒径１０μｍ以上、２００
μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする燃料電池セパ
レーター用成形材料であって、好ましくは、導電性を有
する炭素系基材が、全粒子の３０〜５０％が粒径５０μ
ｍ以上、２００μｍ以下の範囲内にあり、かつ、全粒子
の３５〜５５％が粒径１０μｍ以上、５０μｍ未満の範
囲内にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術的分野】本発明は燃料電池セパレー
ター用成形材料とその製造方法、及び燃料電池セパレー
ターに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子形燃料電池は燃料ガスと酸化
ガスとの電気化学的反応によって生ずる電気を取り出す
一種の発電装置である。セパレーターとは電極の間で燃
料ガス及び酸化ガスの流路を形成すると共に、両ガスを
隔てる分離板である。また、発生した電気を集める集電
板としての役割も果たしている。従って、セパレーター
には高導電性とガス不透過性が要求される。

【０００３】固体高分子形燃料電池セパレーターの製造
方法としては、カーボン粉末を原料としてこれにフェノ
ール樹脂をバインダとして加え、混練、成形した後に炭
化及び黒鉛化する方法が知られている（例えば特開平８
−２２２２４１号公報等）。しかし、この場合、１００
０〜３０００℃の高温で長時間加熱を行う焼成の工程を
含むとともに、焼成したカーボン板にガス流路を切削加
工する工程を含むために、製造に要する時間とコストが
高くなるという問題があった。或いは、金属板などに溝
をプレス加工した上で樹脂コートを行うなどの金属樹脂
コンポジットを素材とする方法（例えば、特開平１１−
３４５６１８号公報、新エネルギー産業技術総合開発機
構 平成12年度固体高分子形燃料電池研究開発成果報告
会要旨集Ｐ７０）などにより製作が試みられてきたが、
使用される環境において金属と樹脂との界面層で層剥離
及び金属板の腐食問題外が解決せず、品質と価格で適切
なセパレーターを供給する目処が立っていない。

【０００４】このため、更に種々の試みがなされてお
り、黒鉛やカーボンブラック等の導電性炭素系基材を樹
脂でバインドして成形材料化し、これを加熱成形するこ
とにより溝形状を付与するモールド成形がコストと特性
の両立する手法として有望視されている。この手法では
セパレーターとして高導電性を得るために、成形材料中
の炭素系基材の配合量を多くする必要がある。しかし、
炭素系基材をこのように大量に配合した場合、材料の流
動性が十分でないために充填不足となったり、燃料ガス
や酸化ガスが透過してしまったりするなどの問題が発生
してしまう。従って、成形性と導電性を両立させるため
の技術が必要となるが、これには炭素系基材の粒子形状
の最適化が重要なポイントとなる。このため、成形性に
優れ、導電性が高い成形体を得るのに炭素系基材として
使用する黒鉛粒子のアスペクト比を小さくし、粒径を揃
えることが試みられてきた（例えば、特公昭６４−３４
０号公報）。しかし、この方法は黒鉛粒子の粉砕や磨
砕、及び分級工程が必要となり生産コストが高くなる欠
点があった。しかも、粒度調整により最適化した黒鉛粒
子の粒径を保持して、成形体中に残すためには、樹脂と
黒鉛を混合して、溶剤を大量に用いてスラリー状にして
造粒するなどの方法（特開平１１−２０４１２０号公
報）により、材料化しなければならず、工程が長くなる
問題があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、成形性、導
電性に優れた燃料電池セパレーター用成形材料と、これ
を煩雑な工程を経ることなく製造する方法、およびこの
成形材料を成形してなる燃料電池用セパレーターを提供
するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的は、下記
の本発明（１）〜（６）によって達成される。 （１）熱硬化性樹脂と導電性を有する炭素系基材とを必
須成分として含有し、成形材料化された段階での成形材
料中の前記導電性を有する炭素系基材が、平均粒径が５
０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内にあり、かつ、全
粒子の８５％以上が粒径１０μｍ以上、２００μｍ以下
の範囲内にあることを特徴とする燃料電池セパレーター
用成形材料。 （２）前記成形材料化された段階での成形材料中の導電
性を有する炭素系基材が、全粒子の３０〜５０％が粒径
５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内にあり、かつ、
全粒子の３５〜５５％が粒径１０μｍ以上、５０μｍ未
満の範囲内にある上記（１）に記載の燃料電池セパレー
ター用成形材料。 （３）導電性を有する炭素系基材の含有量が、熱硬化性
樹脂１００重量部に対して３００〜９００重量部である
上記（１）または（２）に記載の燃料電池セパレーター
用成形材料。 （４）上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の燃料
電池セパレーター用成形材料を成形してなる燃料電池セ
パレーター。 （５）上記（１）ないし（３）のいずれかに記載の燃料
電池セパレーター用成形材料を製造する方法であって、
熱硬化性樹脂と導電性を有する炭素系基材とを必須成分
として含有する原材料混合物を、溶融混練装置を用いて
混練することを特徴とする燃料電池セパレーター用成形
材料の製造方法。 （６）上記（５）に記載の燃料電池セパレーター用成形
材料の製造方法により得られた成形材料を成形してなる
燃料電池セパレーター。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明について詳しく説明
する。本発明の燃料電池セパレーター用成形材料（以
下、単に「成形材料」という）は、熱硬化性樹脂と導電
性を有する炭素系基材とを必須成分として含有し、成形
材料化された段階での成形材料中の導電性を有する炭素
系基材が、平均粒径が５０〜１００μｍであり、かつ、
全粒子の８５％以上が粒径１０μｍ以上、２００μｍ以
下の範囲内にあることを特徴とする。また、本発明の成
形材料の製造方法は、熱硬化性樹脂と導電性を有する炭
素系基材とを必須成分として含有する原材料混合物を、
溶融混練装置を用いて混練することを特徴とする。そし
て、本発明の燃料電池セパレーターは、前記成形材料、
あるいは前記製造方法により得られた成形材料を成形し
てなることを特徴とする。まず、本発明の成形材料につ
いて述べる。

【０００８】本発明の成形材料で用いられる熱硬化性樹
脂としては特に限定されないが、例えばフェノール樹
脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ジアリルフタレ
ート樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。これらの中
でも、フェノール樹脂、エポキシ樹脂を用いた場合は、
耐熱性、機械的強度、電気安定性、価格などにおいて優
れている。また、ベースとなる樹脂を低分子量のものか
ら選択することができるため、導電性を有する炭素系基
材の配合比率が高い本発明の成形材料においても、成形
材料製造時の材料粘度を調整しやすく、さらに、成形時
に流動性を付与しやすいという点でも好ましいものであ
る。

【０００９】本発明の成形材料には、成形品に導電性を
付与するために導電性を有する炭素系基材（以下、単に
「炭素系基材」という）を配合する。炭素系基材として
は特に限定されないが、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラ
ックなどの炭素材が挙げられる。これらの炭素材の中で
も導電性の優れているものが好ましく用いられ、具体的
にはグラファイト構造が成長したものであり、天然や人
造の黒鉛がこれに該当する。天然に算出する鉱物として
の黒鉛には天然黒鉛と称される鱗片状の黒鉛と土壌黒鉛
があるが、これらの中でも天然黒鉛が導電性に優れてい
る。また、人造黒鉛については、石炭系コークスを熱処
理したものと石油系コークスを熱処理したものがあり、
形状としては鱗状、針状、塊状、球状、凝集体などがあ
るが、いずれのものも、Ｘ線解析による格子定数精密法
で求めるｃ軸（００２）層面間距離（ｄ₀₀₂）が０．３
３５〜０．４６０ｎｍの範囲にあって、真比重が２．０
４〜２．３４の範囲にあることが好ましい。なお、天然
黒鉛や人造黒鉛を後加工により球形状化したものは、成
形時に流動性を付与することができるため、これも好ま
しいものである。炭素系基材には主として黒鉛が好まし
く用いられるが、必要に応じてカーボンブラックや炭素
繊維を併用してもよい。カーボンブラックは樹脂相内に
分散して導電補助剤として働き、炭素繊維はその形状に
よる効果として、曲げや強靭性などの機械的特性を改善
する効果がある。

【００１０】本発明の炭素系基材は、成形材料化された
段階での平均粒径が５０μｍ以上、１００μｍ以下の範
囲内にあり、かつ、全粒子の８５％以上が粒径１０μｍ
以上、２００μｍ以下の範囲内にあることを特徴とす
る。これにより、成形材料を燃料電池セパレーターに成
形する際の成形性や、成形品の導電性を良好なものにす
ることができる。平均粒径が前記上限値を越えたり、粒
径２００μｍを越える粒子が多くなったりすると、硬化
した熱硬化性樹脂の間に破壊されやすい大きな炭素系基
材が存在することになるため、成形品の機械的強度が低
下する。さらに、炭素系基材間の大きな空間を熱硬化性
樹脂で完全に埋められないことにより、成形品のガス不
透過性も低下するようになる。また、大きな粒径の炭素
系基材が表面に現れ、成形品の表面平滑性が損なわれる
ためにガスケットとの密着性が低下する。一方、燃料電
池セパレーターは高い板厚精度が要求されるが、平均粒
径が前記下限値未満であったり、粒径１０μ未満の粒子
が多くなったりすると、成形時の流動性が小さくなるた
め成形性が低下し、十分な厚み精度が得られない。ま
た、成形品内で熱硬化性樹脂を介して炭素系基材どうし
が接触する部分が多くなるため、導電性が低下するよう
になる。

【００１１】また、本発明の炭素系基材は特に限定され
ないが、成形材料化された段階で全粒子の３０〜５０％
が粒径５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内にあり、
かつ、全粒子の３５〜５５％が粒径１０μｍ以上、５０
μｍ未満の範囲内にあることが好ましい。このような粒
径分布の炭素系基材を含有する成形材料を成形した成形
品においては、炭素系基材は粒径５０μｍ以上、２００
μｍ以下のものが比較的規則正しく配列した構造を基本
とし、この間にできた比較的大きな隙間に、粒径１０μ
ｍ以上、５０μｍ未満のものが隙間を充填する形態で配
置する。このような構造は炭素系基材間に大きな隙間が
残存しにくいため、熱硬化性樹脂でこれを充填する際
に、炭素系基材に対する熱硬化性樹脂の配合量が少ない
場合でも未充填が発生しにくく、これにより、成形性、
ガス不透過性を向上させることができる。

【００１２】本発明の成形材料において、熱硬化性樹脂
と炭素系基材との配合割合については特に限定されない
が、熱硬化性樹脂１００重量部に対して炭素系基材３０
０〜９００重量部であることが好ましい。さらに好まし
くは熱硬化性樹脂１００重量部に対して炭素系基材５０
０〜８００重量部である。かかる範囲内の炭素系基材を
配合することにより、成形材料を成形する際に十分な流
動性と、成形品である燃料電池セパレーターに良好な導
電性を付与することができる。炭素系基材の配合量が前
記上限値を上回ると、成形時の流動性が不足し精密な形
状を成形することが難しいことがある。一方、前記下限
値を下回ると、燃料電池セパレーターとして要求される
導電性が十分でなくなることがある。これは、成形品内
において熱硬化性樹脂が占有する体積が増えることで、
炭素系基材粒子間に絶縁層である樹脂が多く存在する確
率が高くなり、結果として絶縁体部分が増えて導電性を
低下させるものと考えられる。

【００１３】なお、本発明の成形材料には、これまで説
明した熱硬化性樹脂、炭素系基材以外にも、本発明の目
的および効果に反しない範囲内において、燃料電池セパ
レーター用成形材料として一般的に用いられる滑材、離
型剤、着色剤、硬化促進剤、難燃剤などを用いることが
できる。

【００１４】次に、本発明の成形材料の製造方法（以
下、単に「製造方法」という）について説明する。本発
明の製造方法としては特に限定されないが、熱硬化性樹
脂と炭素系基材とを必須成分として含有する原材料混合
物を、溶融混練装置を用いて混練する方法が挙げられ
る。溶融混練装置としては特に限定されないが、二軸ニ
ーダー、二軸押出機、単軸押出機、ロール混練装置など
の公知のものを用いることができる。混練条件としても
特に限定されず、用いる原料炭素系基材の粒度分布・性
状、溶融混練装置の種類、成形材料の組成・性状、およ
び目的とする成形材料中の炭素系基材の粒度分布などを
考慮し、最適な混練条件を選定して用いることができ
る。この方法は、熱硬化性樹脂と炭素系基材とを混合
し、溶剤を大量に用いてスラリー状にして造粒する方法
などと比較すると、工程を簡略化でき、溶剤の処理を行
う必要がなく好ましいものである。また、市販されてい
る黒鉛のような炭素系基材は、粒度分布が比較的シャー
プであるものが多い。このような炭素系基材を用いた場
合でも、溶融混練装置で混練することにより、前もって
分級や組合せ等の処理を必要とせずに用いることができ
る。例えば、成形材料化された段階での平均粒径よりも
大きい平均粒径を有する炭素系基材を原料として用い、
熱硬化性樹脂等を配合して溶融混練装置で混練すること
により、平均粒径を小径粒子化し、分布をブロード化す
る。このようにして、成形材料中の炭素系基材を本発明
の効果を有する粒度分布とすることができる。このよう
に溶融混練装置を用いて混練した後、冷却して粉砕する
か、あるいは溶融混練の直後にペレタイザーなどにより
顆粒化することにより、成形材料とすることができる。

【００１５】また、前記溶融混練装置を用いる方法とは
別に、目的とする成形材料中の炭素系基材の粒度分布に
近い粒度分布を有した炭素系基材を原料として用いる場
合は、成形材料製造時に大きな混練エネルギーを与えず
に成形材料化する方法を用いることが好ましい。このよ
うな製造方法としては特に限定されないが、例えば、熱
硬化性樹脂、炭素系基材、その他必要に応じて配合する
原材料を配合した原材料混合物を、ヘンシェルミキサ
ー、リボンブレンダー、ユニバーサルミキサーのような
撹拌装置を用いて混合し、必要に応じて加温しながら処
理することにより、混合しながら造粒化して成形材料と
する方法が挙げられる。この方法を用いる場合は、炭素
系基材以外の原材料を予め微粉砕し、予備混合等を行っ
ておくことが好ましい。これにより、大きな混練エネル
ギーを与えなくても炭素系基材との混合精度を充分なも
のとすることができ、かつ、成形材料中の炭素系基材を
目的とする粒度分布に容易に調製することができる。

【００１６】次に、本発明の燃料電池セパレーターにつ
いて説明する。本発明の燃料電池セパレーターは、前記
成形材料、あるいは前記製造方法により得られた成形材
料を成形してなるものである。本発明の燃料電池セパレ
ーターの成形方法としては特に限定されないが、通常、
圧縮成形やトランスファー成形が用いられる。圧縮成形
を用いる場合は、成形品の形状に合わせて予備成形品を
成形し、これを成形することで成形性を補助することも
できる。圧縮成形の一例を挙げると、圧力５０〜４００
ｋｇ／ｃｍ²、温度２０〜７０℃、時間０.１〜２分で予
備成形品を成形し、これをさらに圧力２００〜１５００
ｋｇ／ｃｍ²、温度１５０〜２００℃、時間１〜３０分
で成形することにより、燃料電池セパレーター用成形品
を得ることができる。

【００１７】

【実施例】以下、実施例により本発明を説明する。 １．成形材料の製造 表1に示した原料配合比で、原料混合物をヘンシェルミ
キサー（三井鉱山社製・ＦＭ２０Ｂ）を用い、室温で１
分間３５０ｒｐｍで混合した後、引き続き、二軸押出機
（東芝機械製・ＴＥＭ−５０）を用い、８０℃で混練、
造粒した。なお、表１において、「混練時の比エネルギ
ー」とは、二軸混練機の駆動に要した電力量（ｋW）
を、材料の吐出量（ｋｇ）で除した値であり、混練度の
指標とした。

【００１８】２．成形材料化された段階での炭素系基材
の粒度分布測定 実施例および比較例で得られた成形材料約１ｇを採取
し、これに含有される樹脂分をろ紙を用いてアセトンで
洗い流し、炭素系基材だけを取り出した。これを十分に
乾燥させた後に、レーザー回折型粒度分布測定器（堀場
製作所製・ＬＡ９２０）を用いて測定した。

【００１９】３．燃料電池セパレーター用材料としての
諸特性評価 （１）貫通方向抵抗率の測定 図１に示す方法で行った。実施例および比較例で得られ
た成形材料を用いて、金型温度１７０℃、成形圧力３０
０ｋｇ／ｃｍ²、成形時間３分で圧縮成形して、８０×
８０×１５ｍｍの試料３、及び８０×８０×５ｍｍの試
料４を得た。これらの試料を用いて貫通方向の抵抗を測
定した。即ち、厚さの異なる２枚の試料３、４を組み合
わせて、カーボンペーパー２を介して電極１にセット
し、成形体の厚みが異なった状態での抵抗値より、貫通
方向の固有抵抗を求めた。

【００２０】４．燃料電池セパレーター用素材としての
諸特性評価 実施例又は比較例で得られた成形材料を用いて、金型温
度１７０℃、成形圧力４００ｋｇ／ｃｍ²、成形時間３
分で圧縮成形して３００×３００×２ｍｍの大きさの成
形品を得た。これよりテストピースを切り出して作成し
て評価を行った。 （１）曲げ弾性率、曲げ強さ：ＪＩＳＫ７２０３により
測定した。 （２）ガス透過率：窒素ガスを用いてＪＩＳＫ７１２６
Ａ法により測定した。 （３）モノホール流動性：ＪＩＳＫ６９１１により測定
した。 （４）厚み精度：３００×３００×２ｍｍの大きさの成
形品を用い、ミツトヨ社製・３次元測定器を用いて等間
隔に１６ヶ所の厚みを測定し、最大値と最小値の差を厚
み精度とした。

【００２１】実施例、比較例における原材料の配合、成
形材料ならびに成形品の評価結果を表１に示す。

【表１】 （表の注） （１）フェノール樹脂：以下の方法により製造したもの
を用いた。２リットルフラスコにホルムアルデヒド
（Ｆ）とフェノール（Ｐ）をモル比（Ｆ／Ｐ）＝１．７
で投入し、ナフテン酸亜鉛と蓚酸を用いてＰＨを５．５
に調整し、１２０ｒｐｍで攪拌しながら４時間反応させ
た。次に常圧のまま１２０℃まで脱水昇温したあと、減
圧かで脱水しながら１６０℃まで昇温した後、フラスコ
から取り出してフェノール樹脂（フリーフェノール除外
平均分子量＝８６４）を得た。 （２）エポキシ樹脂：ジャパンエポキシレジン社製・エ
ピコート１００１（ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、
数平均分子量９００） （３）硬化剤：四国化成工業社製・２ＭＺ （４）脂肪酸：東亜化成社製カルナバワックス（平均炭
素数２６、融点８３℃） （５）人造黒鉛１：日本黒鉛工業社製・ＰＡＧ−６０
（平均粒径５８０μｍ） （６）人造黒鉛２：日本黒鉛工業社製・ＰＡＧ−８０
（平均粒径４００μｍ） （７）人造黒鉛３：日本黒鉛工業社製・ＰＡＧ−１２０
（平均粒径１２０μｍ）

【００２２】実施例１、２、３では熱硬化性樹脂、炭素
系基材、脂肪酸などを所定量配合した原材料混合物を、
二軸押出機を用いて成形材料化した。これらは原材料と
して使用した炭素系基材の平均粒径は大きく異なるが、
溶融混練装置で混練することにより炭素系基材が小径粒
子化され、成形材料化された段階での炭素系基材の粒度
分布を好ましい範囲とすることができた。そして、これ
らを用いた成形品は導電性、機械的強度、ガス不透過
性、および厚み精度に優れたものとなった。特に、実施
例１、２では、成形材料化された段階での炭素系基材の
粒度分布が最も好ましいものであったので、厚み精度を
さらに良好なものにすることができた。一方、比較例１
は実施例３で使用したものと同じ炭素系基材を原材料と
して用い、低い混練度で混練したものであるが、炭素系
基材の小径粒子化が不十分であり、成形材料化された段
階での炭素系基材の粒度分布は平均粒径が大きいものと
なった。この結果、これを用いた成形品はガス不透過性
が劣る結果となった。また、比較例2では実施例１で使
用したものと同じ炭素系基材を原材料として用い、高い
混練度で混練したものであるが、炭素系基材の小径粒子
化が進みすぎ、成形材料化された段階での炭素系基材の
粒度分布は平均粒径が小さいものとなった。この結果、
これを用いた成形品は導電性、厚み精度がいずれも低下
した。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、熱硬化性樹脂と導電性を有す
る炭素系基材とを必須成分として含有し、成形材料化さ
れた段階での成形材料中の前記導電性を有する炭素系基
材が、平均粒径が５０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲
内にあり、かつ、全粒子の８５％以上が粒径１０μｍ以
上、２００μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする燃
料電池セパレーター用成形材料である。本発明の成形材
料を用いた成形品は、導電性と成形性に優れたものであ
り、燃料電池セパレーター用として好適に使用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 貫通方向抵抗率の測定法を示す概略図

【符号の説明】

１ 電極 ２ カーボンペーパー ３ 本発明の樹脂組成物の成形物（厚さ１５ｍｍ） ４ 本発明の樹脂組成物の成形物（厚さ５ｍｍ） ５ 定電流装置 ６ 電圧計

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱硬化性樹脂と導電性を有する炭素系基
   材とを必須成分として含有し、成形材料化された段階で
   の成形材料中の前記導電性を有する炭素系基材が、平均
   粒径が５０μｍ以上、１００μｍ以下の範囲内にあり、
   かつ、全粒子の８５％以上が粒径１０μｍ以上、２００
   μｍ以下の範囲内にあることを特徴とする燃料電池セパ
   レーター用成形材料。
2. 【請求項２】 前記成形材料化された段階での成形材料
   中の導電性を有する炭素系基材が、全粒子の３０〜５０
   ％が粒径５０μｍ以上、２００μｍ以下の範囲内にあ
   り、かつ、全粒子の３５〜５５％が粒径１０μｍ以上、
   ５０μｍ未満の範囲内にある請求項１に記載の燃料電池
   セパレーター用成形材料。
3. 【請求項３】 導電性を有する炭素系基材の含有量が、
   熱硬化性樹脂１００重量部に対して３００〜９００重量
   部である請求項１または２に記載の燃料電池セパレータ
   ー用成形材料。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃
   料電池セパレーター用成形材料を成形してなる燃料電池
   セパレーター。
5. 【請求項５】 請求項１ないし３のいずれかに記載の燃
   料電池セパレーター用成形材料を製造する方法であっ
   て、熱硬化性樹脂と導電性を有する炭素系基材とを必須
   成分として含有する原材料混合物を、溶融混練装置を用
   いて混練することを特徴とする燃料電池セパレーター用
   成形材料の製造方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の燃料電池セパレーター
   用成形材料の製造方法により得られた成形材料を成形し
   てなる燃料電池セパレーター。