燃料電池セパレータ及びその製造方法
【課題】導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるようにする。
【解決手段】板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いて熱プレス成形することによって作成される燃料電池セパレータにおいて、予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に天然黒鉛が４０〜７５重量％で含まれる材料による厚みが４０〜２５０μｍの第２シート１４Ｂを介装して成るサンドイッチ構造のものとして形成される。
【解決手段】板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いて熱プレス成形することによって作成される燃料電池セパレータにおいて、予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂に天然黒鉛が４０〜７５重量％で含まれる材料による厚みが４０〜２５０μｍの第２シート１４Ｂを介装して成るサンドイッチ構造のものとして形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータ、並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セパレータとは、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を適切に燃料電池セル（燃料電池セパレータの間にＭＥＡを挟み込んだ単位体）内に保持するとともに前記電気化学反応に必要な燃料（水素）及び空気（酸素）を供給する役割、さらには燃料電池として機能するための電気化学反応により得られた電子を損失なく集電する役割等を担っている。これらの役割を担うために燃料電池セパレータには、１．機械的強度、２．可撓性、３．導電性、４．成形加工性、５．ガス不透過性という特性が要求される。
【０００３】
従来、この種の燃料電池セパレータの材料としては、耐食性に優れたものとする点から黒鉛を主原料とするものが一般的であり、開発の初期段階では、焼結カーボンを切削することによって燃料電池セパレータを製作していた。しかしながら、コスト的な問題から近年ではフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛とのコンパウンドを成形材料として作成し、そのコンパウンドを圧縮成形することによって燃料電池セパレータとする手段が採られていた。成形材料のコンパウンドは、通常、粉末の状態で供給されるので、一旦樹脂の反応しない低温で予備成形体を作成する一次成形を行ってから、二次成形であるプレス成形型に送られるようになる。このように、一次成形によって一旦予備成形体を作ってから二次成形を行うことで、前記成形加工性に優れる燃料電池セパレータやその製造方法としては特許文献１において開示されたものが知られている。
【０００４】
一方、燃料電池セパレータの主原料である黒鉛として膨張黒鉛を用いるものがあり、例えば特許文献２において開示されたものが知られている。膨張黒鉛を用いた燃料電池セパレータでは、膨張黒鉛が本来有する耐熱性、耐食性、電気特性（導電性）、熱伝導特性等を有効に利用して所定の電池性能を発揮させることができる手段として望ましいものである。つまり、前記導電性に優れるものとすることができる。そして、数百枚〜千枚といった多量のセパレータを用いる自動車用等として求められる軽量でコンパクトな燃料電池とするには、セパレータ単体での厚さを、必要な機能を損なうことなく極力薄くすることが必要になる。
【０００５】
しかしながら、膨張黒鉛を主原料とする従来の燃料電池セパレータでは、薄くすると割れ易くなるとともに、ガスを透過し易くなるので、前述の機械的強度、ガス不透過性の各点で難点がある。また、カーボン材料（黒鉛）は脆性材料であって、やはり薄くすると割れ易い。
【特許文献１】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３１９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるようにする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータにおいて、
前記予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装されるサンドイッチ構造に構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記熱可塑性樹脂がＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡであることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記第２シート１４Ｂが、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍに形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型１５を用いてプレス成形する二次成形工程Ｓ２を有する燃料電池セパレータの製造方法において、
膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対と、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂとを用意し、
前記第１シート１４Ａの一対の間に前記第２シート１４Ｂが介装されて成る積層体ｓを成形型１５で加熱加圧させることにより、前記第１シート１４Ａの一対及び前記第2シート１４Ｂとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程ｅを有することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記熱可塑性樹脂としてＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項５又は６に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記第２シート１４Ｂとして、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されるものを用いることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項５〜７の何れか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記第２シート１４Ｂとして、その厚みが４０〜２５０μｍのものを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項において説明するが、予備成形体が、抄造による第１シートの一対の間に熱可塑性樹脂による第２シートが介装されて熱圧着されるサンドイッチ構造を有するもの、要するに機械的、電気的特性に優れ、薄肉で、かつ、固有抵抗値等の特性のばらつきが少なく、大量生産が容易で製造コストも有利となる抄紙シートである第１シートに、熱可塑性樹脂による第２シートが重ねられて熱圧着されて形成されている。従って、熱可塑性樹脂が配合されることによる一般的な作用、効果に加えて、抄造された抄紙シートの隙間に熱可塑性樹脂が入り込んで隙間を埋めるようになり、ガス不透過性が明確に向上する。そして、可撓性も良好になり、成型加工性にも優れるようになる。
【００１６】
その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、導電性を良好なものとしながらガス不透過性を改善することができ、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となる燃料電池用セパレータを提供することができる。そして、添加される樹脂が熱可塑性のものであるから、容易に再利用が可能であって、優れたリサイクル性を有する利点もある。
【００１７】
請求項２のように、熱可塑性樹脂として一般的な材料で入手し易いＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いれば性能面及び生産性の各点において好都合であり、請求項３のように、熱可塑性樹脂に含まれる黒鉛の重量比率を４０〜７５％の範囲とすれば、導電性等の電気的特性も良好なものとすることができる利点がある。また、請求項４のように、第2シートの厚みを４０〜２５０μｍとすれば一層好都合である。
【００１８】
請求項５〜８の発明は、請求項１〜４の発明に対応して方法化されたものであり、請求項５は請求項１と、請求項６は請求項２と、請求項７は請求項３と、そして請求項８は請求項４とそれぞれ同等の作用や効果を発揮可能な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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明による燃料電池セパレータの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、スタック構造の分解斜視図、セパレータの外観正面図、セル構造を示す要部の拡大断面図、図４は別構造の単セルを示す要部の拡大図、図５，６はセパレータの製造原理例を示す概略の工程図、図７，８はセパレータの各種実施例や比較例の特性表を示す図である。尚、以下においては「燃料電池セパレータ」を、単に「セパレータ」と略称する。また、ポリプロピレンを「ＰＰ」と省略することもある。
【００２０】
まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について、図１〜図３を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型燃料電池Ｅは、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパー或いはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。電解質膜１、アノード２、カソード３でＭＥＡが構成される。
【００２１】
両セパレータ４は、図２に示すように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、前記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池Ｅ内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。各セパレータ４は、基本の断面形状が角波型となるように表裏に凸条（リブ）１１が形成されており、アノード２と各凸条１１とが当接することによる燃料ガス流路１２、及びカソード３と各凸条１１とが当接することによる酸化ガス流路１３が形成されている。また、電解質膜１の存在側を内とした場合において、各セパレータ４，４における外向き凸条１１の裏側（内側）部分が隣合わされることにより、独立した冷却水通路１０に形成することができる。
【００２２】
前記構成の固体高分子電解質型燃料電池Ｅにおいては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００２３】
前述の電気化学反応に伴い、燃料電池Ｅ全体としての電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池Ｅは、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池Ｅの運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池Ｅに対して冷却水を供給し、これを前記冷却水路に循環させることによって、燃料電池Ｅ内部の温度上昇を抑制している。
【００２４】
尚、セルの構造としては、図４に示す構造のものでも良い。即ち、図４のセルは、各セパレータ４を、その表面が縦横に点状のリブ（所定形状のリブ）１１の多数が均等間隔毎に並べられて成るものとして、それらリブ１１とアノード２の表面との間に縦横の燃料ガス流路１２が形成されるとともに、リブ１１とカソード３の表面との間に縦横の酸化ガス流路１３が形成される構造のものに構成してある。
【００２５】
次に、セパレータ４についてその作り方（製造方法）の例も交えて説明する。セパレータ４は、図３，図５，図６に示すように、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成されるものである。予備成形体１４は、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装される３層のサンドイッチ構造のものに構成されている。尚、三枚の第１シート１４Ａと二枚の第２シート１４Ｂとを交互に積層一体化して成る５層構造の予備成形体としても良い。
【００２６】
セパレータ４の製造方法は、図５，図６に示すように、セパレータの大きさに近似した板状の予備成形体１４を作成する一次成形工程Ｓ１と、その予備成形体１４を成形金型２０で加圧して最終形状のセパレータ４を形成する二次成形工程Ｓ２とから成る。ここで、セパレータ４の目標とする特性は、厚さ０．２ｍｍ以下において、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ２以下、ガス透過係数が２×１０−９mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下、曲げ強度（曲げ強さ）が３５ＭＰａ以上である。尚、曲げ歪が０．７％以上、固有抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ以下、という目標特性を掲げても良い。
【００２７】
一次成形工程Ｓ１は、図５に示すように、抄造工程ａと一体化工程ｂとを有している。まず、抄造工程ａは、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって抄紙シートである第１シート１４Ａを作成する工程であり、主原料である膨張黒鉛（導電材）と繊維質充填材と（その他配合材もある）を所定の配合比率で有する原料を用いて抄造し、それによって予備成形体１４用の第１シート１４Ａを形成する。抄造の本来の意味は「紙の原料をすいて紙を作ること」であるが、ここで言う抄造は『抄紙シート用の上記材料をすいて抄紙シートを作ること』である。
【００２８】
一体化工程ｂ（一体化装置Ｉ）は、図５，６に示すように、ＰＰ樹脂、即ちポリプロピレン樹脂（熱可塑性樹脂の一例）による第２シート１４Ｂを、一対の第１シート１４Ａ，１４Ａの間に挟んでの熱圧着で一体化されて成る予備成形体１４を得る工程であり、積層工程ｃと一体化処理工程ｄとを有している。積層工程ｃは、一対の第１シート１４Ａの間に第２シート１４Ｂを介装して三層の積層体ｓを形成する工程である。一体化処理工程ｄは、積層体ｓを加熱及び加圧して一対の第１シート１４Ａ，１４Ａ及び第２シート１４Ｂの三者を熱圧着させる工程である。
【００２９】
即ち、図６に示すように、抄造工程で作成されてドラム（リールコア）２０に巻回されている状態の第１シート１４Ａの二つと、ドラム（リールコア）１６に巻回されている状態の第２シート（ＰＰシート）１４Ｂの一つと、ドラム（リールコア）１９に巻回されている状態の離型フィルム１８の二つとが用意されており、離型フィルム１８，第１シート１４Ａ，第２シート１４Ｂ，第１シート１４Ａ，離型フィルム１８という順番で上下に積層される状態に上下一対の誘導ローラ１７，１７間に導くように、各ドラム２０，１６，１９が相対配置されている。積層工程ｃにおいて、一対の第１シート１４Ａと第２シート１４Ｂとが互い違いに積層されて３層構造の積層体ｓが形成されるとともに、その上下両面に離型フィルム１８が積層された計５層のものが一対の誘導ローラ１７，１７間で形成され、次の予備過熱工程ｅへ送られる。
【００３０】
予備過熱工程ｅは、上下に離型フィルム１８を有する積層体ｓを、複数の転動ローラ２１に掛け渡して搬送しつつ、それら転動ローラ２１の上下に配した予備加熱器２２によって積層体ｓを予備加熱させる工程である。予備加熱された離型フィルム付積層体ｓは、加熱加圧機２３によって上下に（厚み方向に）加圧及び加熱されながら搬送され、ポリプロピレン樹脂の溶融によって２層の第１シート１４Ａと１層の第２シート１４Ｂによる積層体ｓが一体化され、３層構造の予備成形体１４が作成される。
【００３１】
つまり、加熱加圧機２３により、積層体ｓを熱圧着しての一体化によって予備成形体１４とする本加熱加圧工程ｆが行われる。本加熱加圧工程ｆでは、互いに隣合う第１シート１４Ａ，１４Ａの間に介装されている第２シート１４Ｂが溶融して各第１シート１４Ａ，１４Ａに浸透し、各第１シート１４Ａの目詰めを行うとともに第１シート１４Ａどうしを接着させる機能も生じるのであり、言わば、第１シート１４ＡにＰＰ樹脂を後含浸（熱可塑性樹脂を後含浸）させるような工程とも言える。
【００３２】
本加熱加圧工程ｆで形成された予備成形体１４は、上下の複数の送りローラ２４で搬送されながら冷却される冷却工程ｇの後に、上下一対の仕分けローラ２５によって上下の離型フィルム１８が各々の巻取りドラム２６に巻き取られて行くとともに、一対の離型フィルム１８が除去された３層構造の予備成形体１４を仕上げドラム２７に巻き取って行く仕上げ工程ｈが行われる。従って、本実施例による一体化処理工程ｄは、予備過熱工程ｅと本加熱加圧工程ｆと冷却工程ｇと仕上げ工程ｈとを含む工程に設定されている。以上のように、一次成形工程Ｓ１においては、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、ＰＰ等の熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装されるサンドイッチ構造の予備成形体１４が構成される。
【００３３】
二次成形工程Ｓ２は、図５に示すように、一次成形工程Ｓ１で作成され、かつ、適宜の長さに切断された３層構造の予備成形体１４を、例えば、上金型１５ａと下金型１５ｂから成り、かつ、熱せられた状態の成形金型１５を用いてのプレスによって加圧することにより、所定の最終形状を呈するセパレータ４を作成する工程である。つまり、第１シート１４Ａの一対の間に第２シート１４Ｂが介装されて成る積層体ｓを成形型１５で加熱加圧することにより、第１シート１４Ａの一対及び第2シート１４Ｂとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程ｊを有している。次に、作り方やその実施例等について説明する。
【００３４】
まず、一次成形工程Ｓ１における抄造工程ａに関しては、次のようである。炭素繊維３％、アクリル繊維１０％、ＰＥＴ繊維５％を配合して成る繊維質充填材を、家庭用ミキサーを用いて離解し、所定のパルプ濃度（例：１％）に調整する。調整後のパルプスラリーに、例えば４０μｍの膨張黒鉛を８２％添加し、さらに水を追加して固形分濃度０．１％に再調整してから、若干のその他の配合材［硫酸バンド、歩留り向上材〔ハイモロックＮＲ１１−ＬＨ（商品名）〕］を添加して抄紙用原料として抄造（図５参照）し、シート状体の第１シート１４Ａを得る。尚、この段階で、標準角型シートマシンを用いて加工することにより、坪量７０g/ｍ２で２５ｃｍ角シート形状の第１シートを得ることも可能である。抄造による第１シート１４Ａは、曲げ難い等、成形性にはやや劣る面があるが、優れた機械的及び電気的特性を持っている。
【００３５】
一次成形工程Ｓ１において別途作成されるポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）製の第２シート１４Ｂは、図示は省略するが、その厚みが４０〜２５０μｍの範囲に設定されるものであり、場合により、種々の導電性フィラー（天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック等）が添加される。本実施形態においては、導電性フィラーとしてカーボンブラックと天然黒鉛とを用いており、天然黒鉛の第２シート１４Ｂに対する重量比率が４０〜７５％の範囲に設定されている。樹脂カーボンであるシート状体１４Ｂは、機械的特性の点では劣るが成形性には優れている。二次成形工程Ｓ２に関しては、一次成形工程Ｓ１によって作成された３層構造の予備成形体１４を、一例として、１７０℃の金型（成形型１５）を用いて２０ＭＰａの面圧で５分間加熱加圧成形し、所定形状のセパレータ４を得る。
【００３６】
上述の製造方法を用いて作成されたセパレータ４の各比較例及び各実施例における緒元（組成）や特性を図７，図８に示す。図７，８における「ＰＰフィルムの厚み」の『ＰＰフィルム』とは第２シート１４Ｂのことであり、「最終成形体厚み」の『最終成形体』とは予備成形体１４のことである。
【００３７】
実施例１〜実施例９においては、第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍであり、かつ、天然黒鉛の重量％が４０〜７５に設定される予備成形体１４を用いて形成されている。これら実施例１〜９のものの厚みは０．１４９〜０．１５４ｍｍとなっている。比較例１〜比較例３においては、第２シート１４Ｂの厚みが３５μｍであって「４０〜２５０μｍ」という条件より少ない設定であり、比較例４〜比較例６においては、天然黒鉛含有量が４０〜７５重量％よりも少ないか多いかの設定となっている。また、比較例７，８においては、第２シート１４Ｂの厚みが２６０μｍであって「４０〜２５０μｍ」という条件より多い設定である。これら比較例１〜８のものの厚みは０．１３５〜０．１６８ｍｍとなっている。
【００３８】
図７，図８に示す特性表から、実施例１〜９における第２シート１４Ｂの厚みは０．１４９〜０．１５４ｍｍとなっている。第２シート１４Ｂ（ＰＰ樹脂フィルム）の厚みが４０〜２５０μｍの範囲よりも小さい（３５μｍ）比較例１〜３のものでは、ガス透過係数が目標値（２×１０−９mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下）をクリアできず、ＮＧである。天然黒鉛含有量が４０重量％未満（０、３０）である比較例４，５のものでは、接触抵抗が目標値（１０ｍΩ・ｃｍ２以下）をクリアできず、ＮＧである。
【００３９】
そして、天然黒鉛含有量が７５重量％超（８０）である比較例６のものでは、曲げ強さが目標値（３５ＭＰａ以上）をクリアできないとともに、ガス透過係数も目標値をクリアできていない。加えて、第２シート１４Ｂ（ＰＰ樹脂フィルム）の厚みが４０〜２５０μｍの範囲よりも大きい（２６０μｍ）比較例７，８のものは、接触抵抗が目標値（１０ｍΩ・ｃｍ２以下）をクリアできず、やはりＮＧである。これに対して、第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍの範囲内にあり、かつ、天然黒鉛含有量が４０〜７５重量％の範囲内にある実施例１〜実施例９のものは、全ての項目で目標値をクリアしていることが理解できる。
【００４０】
本発明によるセパレータ４では、一対の第１シート１４Ａ，１４間に第２シート１４Ｂを介装して成るサンドイッチ構造の予備成形体１４を有しており、二次成形工程Ｓ２における熱プレスにより、溶融する第２シート１４Ｂが流動して主に凹凸や起伏を形成するとともに、その溶融した第２シート１４Ｂが各第１シート１４Ａの隙間を満たすように浸潤してゆく後含浸のような作用を伴いながらそれら三者１４Ａ，１４Ｂ，１４Ａが一体化される。
【００４１】
故に、ガス不透過性能が向上し、機械的強度や可撓性も良好であり、成型加工性も良好である。全くのシート化生産なので、量産化に好適なものとなっており、低コストセパレータを提供することができる。第１シート１４Ａの主原料に膨張黒鉛を使用しているので導電性は良好であり、表面層に樹脂層が無く接触抵抗も低い。この場合、ポリプロピレン樹脂に膨張黒鉛、カーボンブラック等の導電性フィラーを添加すれば、層間の導電性が向上し、尚一層効果がある。
【００４２】
〔別実施例〕
熱可塑性樹脂としてはＰＰの他、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＡでも良く、その他の合成樹脂でも良い。また、一次成形工程Ｓ１においては、一対の第１シート１４Ａ，１４Ａと第２シート１４Ｂの三者が単に積層されるに止まり（積層工程ｓ迄）、二次成形工程Ｓ２における熱プレス工程ｊにより、加熱時における第２シート１４Ｂの優れた流動性を活かして所定の起伏や凹凸を形成しつつ前記三者１４Ａ，１４Ｂ，１４Ａを一体化させる、という製造方法、並びにそれによって得られる燃料電池セパレータも可能である。また、三層の第１シート１４Ａと二層の第２シート１４Ｂとが交互に積層されて成る５層構造や７層以上の燃料電池セパレータも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す分解斜視図
【図２】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータを示す正面図
【図３】単セルの構成を示す要部の拡大断面図
【図４】別構造によるセルの構成を示す要部の拡大断面図
【図５】概略のセパレータ製造方法を示すブロック図
【図６】一体化工程の概要を示す作用図
【図７】実施例１〜９のセパレータの特性表を示す図表
【図８】比較例１〜８のセパレータの特性表を示す図表
【符号の説明】
【００４４】
１４ 予備成形体
１４Ａ 第１シート
１４Ｂ 第２シート
１５ 成形型
Ｓ２ 二次成形工程
ｊ 熱プレス工程
ｓ 積層体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータ、並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池セパレータとは、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を適切に燃料電池セル（燃料電池セパレータの間にＭＥＡを挟み込んだ単位体）内に保持するとともに前記電気化学反応に必要な燃料（水素）及び空気（酸素）を供給する役割、さらには燃料電池として機能するための電気化学反応により得られた電子を損失なく集電する役割等を担っている。これらの役割を担うために燃料電池セパレータには、１．機械的強度、２．可撓性、３．導電性、４．成形加工性、５．ガス不透過性という特性が要求される。
【０００３】
従来、この種の燃料電池セパレータの材料としては、耐食性に優れたものとする点から黒鉛を主原料とするものが一般的であり、開発の初期段階では、焼結カーボンを切削することによって燃料電池セパレータを製作していた。しかしながら、コスト的な問題から近年ではフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛とのコンパウンドを成形材料として作成し、そのコンパウンドを圧縮成形することによって燃料電池セパレータとする手段が採られていた。成形材料のコンパウンドは、通常、粉末の状態で供給されるので、一旦樹脂の反応しない低温で予備成形体を作成する一次成形を行ってから、二次成形であるプレス成形型に送られるようになる。このように、一次成形によって一旦予備成形体を作ってから二次成形を行うことで、前記成形加工性に優れる燃料電池セパレータやその製造方法としては特許文献１において開示されたものが知られている。
【０００４】
一方、燃料電池セパレータの主原料である黒鉛として膨張黒鉛を用いるものがあり、例えば特許文献２において開示されたものが知られている。膨張黒鉛を用いた燃料電池セパレータでは、膨張黒鉛が本来有する耐熱性、耐食性、電気特性（導電性）、熱伝導特性等を有効に利用して所定の電池性能を発揮させることができる手段として望ましいものである。つまり、前記導電性に優れるものとすることができる。そして、数百枚〜千枚といった多量のセパレータを用いる自動車用等として求められる軽量でコンパクトな燃料電池とするには、セパレータ単体での厚さを、必要な機能を損なうことなく極力薄くすることが必要になる。
【０００５】
しかしながら、膨張黒鉛を主原料とする従来の燃料電池セパレータでは、薄くすると割れ易くなるとともに、ガスを透過し易くなるので、前述の機械的強度、ガス不透過性の各点で難点がある。また、カーボン材料（黒鉛）は脆性材料であって、やはり薄くすると割れ易い。
【特許文献１】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３１９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるようにする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータにおいて、
前記予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装されるサンドイッチ構造に構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記熱可塑性樹脂がＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡであることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記第２シート１４Ｂが、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池セパレータにおいて、前記第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍに形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型１５を用いてプレス成形する二次成形工程Ｓ２を有する燃料電池セパレータの製造方法において、
膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対と、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂとを用意し、
前記第１シート１４Ａの一対の間に前記第２シート１４Ｂが介装されて成る積層体ｓを成形型１５で加熱加圧させることにより、前記第１シート１４Ａの一対及び前記第2シート１４Ｂとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程ｅを有することを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に係る発明は、請求項５に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記熱可塑性樹脂としてＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７に係る発明は、請求項５又は６に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記第２シート１４Ｂとして、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されるものを用いることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項８に係る発明は、請求項５〜７の何れか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記第２シート１４Ｂとして、その厚みが４０〜２５０μｍのものを用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項において説明するが、予備成形体が、抄造による第１シートの一対の間に熱可塑性樹脂による第２シートが介装されて熱圧着されるサンドイッチ構造を有するもの、要するに機械的、電気的特性に優れ、薄肉で、かつ、固有抵抗値等の特性のばらつきが少なく、大量生産が容易で製造コストも有利となる抄紙シートである第１シートに、熱可塑性樹脂による第２シートが重ねられて熱圧着されて形成されている。従って、熱可塑性樹脂が配合されることによる一般的な作用、効果に加えて、抄造された抄紙シートの隙間に熱可塑性樹脂が入り込んで隙間を埋めるようになり、ガス不透過性が明確に向上する。そして、可撓性も良好になり、成型加工性にも優れるようになる。
【００１６】
その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、導電性を良好なものとしながらガス不透過性を改善することができ、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となる燃料電池用セパレータを提供することができる。そして、添加される樹脂が熱可塑性のものであるから、容易に再利用が可能であって、優れたリサイクル性を有する利点もある。
【００１７】
請求項２のように、熱可塑性樹脂として一般的な材料で入手し易いＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いれば性能面及び生産性の各点において好都合であり、請求項３のように、熱可塑性樹脂に含まれる黒鉛の重量比率を４０〜７５％の範囲とすれば、導電性等の電気的特性も良好なものとすることができる利点がある。また、請求項４のように、第2シートの厚みを４０〜２５０μｍとすれば一層好都合である。
【００１８】
請求項５〜８の発明は、請求項１〜４の発明に対応して方法化されたものであり、請求項５は請求項１と、請求項６は請求項２と、請求項７は請求項３と、そして請求項８は請求項４とそれぞれ同等の作用や効果を発揮可能な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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明による燃料電池セパレータの実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、スタック構造の分解斜視図、セパレータの外観正面図、セル構造を示す要部の拡大断面図、図４は別構造の単セルを示す要部の拡大図、図５，６はセパレータの製造原理例を示す概略の工程図、図７，８はセパレータの各種実施例や比較例の特性表を示す図である。尚、以下においては「燃料電池セパレータ」を、単に「セパレータ」と略称する。また、ポリプロピレンを「ＰＰ」と省略することもある。
【００２０】
まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について、図１〜図３を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型燃料電池Ｅは、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパー或いはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。電解質膜１、アノード２、カソード３でＭＥＡが構成される。
【００２１】
両セパレータ４は、図２に示すように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、前記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池Ｅ内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。各セパレータ４は、基本の断面形状が角波型となるように表裏に凸条（リブ）１１が形成されており、アノード２と各凸条１１とが当接することによる燃料ガス流路１２、及びカソード３と各凸条１１とが当接することによる酸化ガス流路１３が形成されている。また、電解質膜１の存在側を内とした場合において、各セパレータ４，４における外向き凸条１１の裏側（内側）部分が隣合わされることにより、独立した冷却水通路１０に形成することができる。
【００２２】
前記構成の固体高分子電解質型燃料電池Ｅにおいては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００２３】
前述の電気化学反応に伴い、燃料電池Ｅ全体としての電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池Ｅは、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池Ｅの運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池Ｅに対して冷却水を供給し、これを前記冷却水路に循環させることによって、燃料電池Ｅ内部の温度上昇を抑制している。
【００２４】
尚、セルの構造としては、図４に示す構造のものでも良い。即ち、図４のセルは、各セパレータ４を、その表面が縦横に点状のリブ（所定形状のリブ）１１の多数が均等間隔毎に並べられて成るものとして、それらリブ１１とアノード２の表面との間に縦横の燃料ガス流路１２が形成されるとともに、リブ１１とカソード３の表面との間に縦横の酸化ガス流路１３が形成される構造のものに構成してある。
【００２５】
次に、セパレータ４についてその作り方（製造方法）の例も交えて説明する。セパレータ４は、図３，図５，図６に示すように、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成されるものである。予備成形体１４は、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装される３層のサンドイッチ構造のものに構成されている。尚、三枚の第１シート１４Ａと二枚の第２シート１４Ｂとを交互に積層一体化して成る５層構造の予備成形体としても良い。
【００２６】
セパレータ４の製造方法は、図５，図６に示すように、セパレータの大きさに近似した板状の予備成形体１４を作成する一次成形工程Ｓ１と、その予備成形体１４を成形金型２０で加圧して最終形状のセパレータ４を形成する二次成形工程Ｓ２とから成る。ここで、セパレータ４の目標とする特性は、厚さ０．２ｍｍ以下において、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ２以下、ガス透過係数が２×１０−９mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下、曲げ強度（曲げ強さ）が３５ＭＰａ以上である。尚、曲げ歪が０．７％以上、固有抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ以下、という目標特性を掲げても良い。
【００２７】
一次成形工程Ｓ１は、図５に示すように、抄造工程ａと一体化工程ｂとを有している。まず、抄造工程ａは、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって抄紙シートである第１シート１４Ａを作成する工程であり、主原料である膨張黒鉛（導電材）と繊維質充填材と（その他配合材もある）を所定の配合比率で有する原料を用いて抄造し、それによって予備成形体１４用の第１シート１４Ａを形成する。抄造の本来の意味は「紙の原料をすいて紙を作ること」であるが、ここで言う抄造は『抄紙シート用の上記材料をすいて抄紙シートを作ること』である。
【００２８】
一体化工程ｂ（一体化装置Ｉ）は、図５，６に示すように、ＰＰ樹脂、即ちポリプロピレン樹脂（熱可塑性樹脂の一例）による第２シート１４Ｂを、一対の第１シート１４Ａ，１４Ａの間に挟んでの熱圧着で一体化されて成る予備成形体１４を得る工程であり、積層工程ｃと一体化処理工程ｄとを有している。積層工程ｃは、一対の第１シート１４Ａの間に第２シート１４Ｂを介装して三層の積層体ｓを形成する工程である。一体化処理工程ｄは、積層体ｓを加熱及び加圧して一対の第１シート１４Ａ，１４Ａ及び第２シート１４Ｂの三者を熱圧着させる工程である。
【００２９】
即ち、図６に示すように、抄造工程で作成されてドラム（リールコア）２０に巻回されている状態の第１シート１４Ａの二つと、ドラム（リールコア）１６に巻回されている状態の第２シート（ＰＰシート）１４Ｂの一つと、ドラム（リールコア）１９に巻回されている状態の離型フィルム１８の二つとが用意されており、離型フィルム１８，第１シート１４Ａ，第２シート１４Ｂ，第１シート１４Ａ，離型フィルム１８という順番で上下に積層される状態に上下一対の誘導ローラ１７，１７間に導くように、各ドラム２０，１６，１９が相対配置されている。積層工程ｃにおいて、一対の第１シート１４Ａと第２シート１４Ｂとが互い違いに積層されて３層構造の積層体ｓが形成されるとともに、その上下両面に離型フィルム１８が積層された計５層のものが一対の誘導ローラ１７，１７間で形成され、次の予備過熱工程ｅへ送られる。
【００３０】
予備過熱工程ｅは、上下に離型フィルム１８を有する積層体ｓを、複数の転動ローラ２１に掛け渡して搬送しつつ、それら転動ローラ２１の上下に配した予備加熱器２２によって積層体ｓを予備加熱させる工程である。予備加熱された離型フィルム付積層体ｓは、加熱加圧機２３によって上下に（厚み方向に）加圧及び加熱されながら搬送され、ポリプロピレン樹脂の溶融によって２層の第１シート１４Ａと１層の第２シート１４Ｂによる積層体ｓが一体化され、３層構造の予備成形体１４が作成される。
【００３１】
つまり、加熱加圧機２３により、積層体ｓを熱圧着しての一体化によって予備成形体１４とする本加熱加圧工程ｆが行われる。本加熱加圧工程ｆでは、互いに隣合う第１シート１４Ａ，１４Ａの間に介装されている第２シート１４Ｂが溶融して各第１シート１４Ａ，１４Ａに浸透し、各第１シート１４Ａの目詰めを行うとともに第１シート１４Ａどうしを接着させる機能も生じるのであり、言わば、第１シート１４ＡにＰＰ樹脂を後含浸（熱可塑性樹脂を後含浸）させるような工程とも言える。
【００３２】
本加熱加圧工程ｆで形成された予備成形体１４は、上下の複数の送りローラ２４で搬送されながら冷却される冷却工程ｇの後に、上下一対の仕分けローラ２５によって上下の離型フィルム１８が各々の巻取りドラム２６に巻き取られて行くとともに、一対の離型フィルム１８が除去された３層構造の予備成形体１４を仕上げドラム２７に巻き取って行く仕上げ工程ｈが行われる。従って、本実施例による一体化処理工程ｄは、予備過熱工程ｅと本加熱加圧工程ｆと冷却工程ｇと仕上げ工程ｈとを含む工程に設定されている。以上のように、一次成形工程Ｓ１においては、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａの一対の間に、ＰＰ等の熱可塑性樹脂による第２シート１４Ｂが介装されるサンドイッチ構造の予備成形体１４が構成される。
【００３３】
二次成形工程Ｓ２は、図５に示すように、一次成形工程Ｓ１で作成され、かつ、適宜の長さに切断された３層構造の予備成形体１４を、例えば、上金型１５ａと下金型１５ｂから成り、かつ、熱せられた状態の成形金型１５を用いてのプレスによって加圧することにより、所定の最終形状を呈するセパレータ４を作成する工程である。つまり、第１シート１４Ａの一対の間に第２シート１４Ｂが介装されて成る積層体ｓを成形型１５で加熱加圧することにより、第１シート１４Ａの一対及び第2シート１４Ｂとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程ｊを有している。次に、作り方やその実施例等について説明する。
【００３４】
まず、一次成形工程Ｓ１における抄造工程ａに関しては、次のようである。炭素繊維３％、アクリル繊維１０％、ＰＥＴ繊維５％を配合して成る繊維質充填材を、家庭用ミキサーを用いて離解し、所定のパルプ濃度（例：１％）に調整する。調整後のパルプスラリーに、例えば４０μｍの膨張黒鉛を８２％添加し、さらに水を追加して固形分濃度０．１％に再調整してから、若干のその他の配合材［硫酸バンド、歩留り向上材〔ハイモロックＮＲ１１−ＬＨ（商品名）〕］を添加して抄紙用原料として抄造（図５参照）し、シート状体の第１シート１４Ａを得る。尚、この段階で、標準角型シートマシンを用いて加工することにより、坪量７０g/ｍ２で２５ｃｍ角シート形状の第１シートを得ることも可能である。抄造による第１シート１４Ａは、曲げ難い等、成形性にはやや劣る面があるが、優れた機械的及び電気的特性を持っている。
【００３５】
一次成形工程Ｓ１において別途作成されるポリプロピレン樹脂（ＰＰ樹脂）製の第２シート１４Ｂは、図示は省略するが、その厚みが４０〜２５０μｍの範囲に設定されるものであり、場合により、種々の導電性フィラー（天然黒鉛、人造黒鉛、カーボンブラック等）が添加される。本実施形態においては、導電性フィラーとしてカーボンブラックと天然黒鉛とを用いており、天然黒鉛の第２シート１４Ｂに対する重量比率が４０〜７５％の範囲に設定されている。樹脂カーボンであるシート状体１４Ｂは、機械的特性の点では劣るが成形性には優れている。二次成形工程Ｓ２に関しては、一次成形工程Ｓ１によって作成された３層構造の予備成形体１４を、一例として、１７０℃の金型（成形型１５）を用いて２０ＭＰａの面圧で５分間加熱加圧成形し、所定形状のセパレータ４を得る。
【００３６】
上述の製造方法を用いて作成されたセパレータ４の各比較例及び各実施例における緒元（組成）や特性を図７，図８に示す。図７，８における「ＰＰフィルムの厚み」の『ＰＰフィルム』とは第２シート１４Ｂのことであり、「最終成形体厚み」の『最終成形体』とは予備成形体１４のことである。
【００３７】
実施例１〜実施例９においては、第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍであり、かつ、天然黒鉛の重量％が４０〜７５に設定される予備成形体１４を用いて形成されている。これら実施例１〜９のものの厚みは０．１４９〜０．１５４ｍｍとなっている。比較例１〜比較例３においては、第２シート１４Ｂの厚みが３５μｍであって「４０〜２５０μｍ」という条件より少ない設定であり、比較例４〜比較例６においては、天然黒鉛含有量が４０〜７５重量％よりも少ないか多いかの設定となっている。また、比較例７，８においては、第２シート１４Ｂの厚みが２６０μｍであって「４０〜２５０μｍ」という条件より多い設定である。これら比較例１〜８のものの厚みは０．１３５〜０．１６８ｍｍとなっている。
【００３８】
図７，図８に示す特性表から、実施例１〜９における第２シート１４Ｂの厚みは０．１４９〜０．１５４ｍｍとなっている。第２シート１４Ｂ（ＰＰ樹脂フィルム）の厚みが４０〜２５０μｍの範囲よりも小さい（３５μｍ）比較例１〜３のものでは、ガス透過係数が目標値（２×１０−９mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下）をクリアできず、ＮＧである。天然黒鉛含有量が４０重量％未満（０、３０）である比較例４，５のものでは、接触抵抗が目標値（１０ｍΩ・ｃｍ２以下）をクリアできず、ＮＧである。
【００３９】
そして、天然黒鉛含有量が７５重量％超（８０）である比較例６のものでは、曲げ強さが目標値（３５ＭＰａ以上）をクリアできないとともに、ガス透過係数も目標値をクリアできていない。加えて、第２シート１４Ｂ（ＰＰ樹脂フィルム）の厚みが４０〜２５０μｍの範囲よりも大きい（２６０μｍ）比較例７，８のものは、接触抵抗が目標値（１０ｍΩ・ｃｍ２以下）をクリアできず、やはりＮＧである。これに対して、第２シート１４Ｂの厚みが４０〜２５０μｍの範囲内にあり、かつ、天然黒鉛含有量が４０〜７５重量％の範囲内にある実施例１〜実施例９のものは、全ての項目で目標値をクリアしていることが理解できる。
【００４０】
本発明によるセパレータ４では、一対の第１シート１４Ａ，１４間に第２シート１４Ｂを介装して成るサンドイッチ構造の予備成形体１４を有しており、二次成形工程Ｓ２における熱プレスにより、溶融する第２シート１４Ｂが流動して主に凹凸や起伏を形成するとともに、その溶融した第２シート１４Ｂが各第１シート１４Ａの隙間を満たすように浸潤してゆく後含浸のような作用を伴いながらそれら三者１４Ａ，１４Ｂ，１４Ａが一体化される。
【００４１】
故に、ガス不透過性能が向上し、機械的強度や可撓性も良好であり、成型加工性も良好である。全くのシート化生産なので、量産化に好適なものとなっており、低コストセパレータを提供することができる。第１シート１４Ａの主原料に膨張黒鉛を使用しているので導電性は良好であり、表面層に樹脂層が無く接触抵抗も低い。この場合、ポリプロピレン樹脂に膨張黒鉛、カーボンブラック等の導電性フィラーを添加すれば、層間の導電性が向上し、尚一層効果がある。
【００４２】
〔別実施例〕
熱可塑性樹脂としてはＰＰの他、変性ＰＰＥ（ポリフェニレンエーテル）、ＰＰＳ、ＬＣＰ、ＰＡでも良く、その他の合成樹脂でも良い。また、一次成形工程Ｓ１においては、一対の第１シート１４Ａ，１４Ａと第２シート１４Ｂの三者が単に積層されるに止まり（積層工程ｓ迄）、二次成形工程Ｓ２における熱プレス工程ｊにより、加熱時における第２シート１４Ｂの優れた流動性を活かして所定の起伏や凹凸を形成しつつ前記三者１４Ａ，１４Ｂ，１４Ａを一体化させる、という製造方法、並びにそれによって得られる燃料電池セパレータも可能である。また、三層の第１シート１４Ａと二層の第２シート１４Ｂとが交互に積層されて成る５層構造や７層以上の燃料電池セパレータも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す分解斜視図
【図２】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータを示す正面図
【図３】単セルの構成を示す要部の拡大断面図
【図４】別構造によるセルの構成を示す要部の拡大断面図
【図５】概略のセパレータ製造方法を示すブロック図
【図６】一体化工程の概要を示す作用図
【図７】実施例１〜９のセパレータの特性表を示す図表
【図８】比較例１〜８のセパレータの特性表を示す図表
【符号の説明】
【００４４】
１４ 予備成形体
１４Ａ 第１シート
１４Ｂ 第２シート
１５ 成形型
Ｓ２ 二次成形工程
ｊ 熱プレス工程
ｓ 積層体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータであって、
前記予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シートが介装されるサンドイッチ構造に構成されている燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂がＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡである請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記第２シートが、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記第２シートの厚みが４０〜２５０μｍに形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池セパレータの製造方法であって、
膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対と、熱可塑性樹脂による第２シートとを用意し、
前記第１シートの一対の間に前記第２シートが介装されて成る積層体を成形型で加熱加圧することにより、前記第１シートの一対及び前記第２シートとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程を有する燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記熱可塑性樹脂としてＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いる請求項５に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記第２シートとして、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されるものを用いる請求項５又は６に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記第２シートとして、その厚みが４０〜２５０μｍのものを用いる請求項５〜７の何れか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池セパレータであって、
前記予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対の間に、熱可塑性樹脂による第２シートが介装されるサンドイッチ構造に構成されている燃料電池セパレータ。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂がＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡである請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
前記第２シートが、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されている請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
前記第２シートの厚みが４０〜２５０μｍに形成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池セパレータの製造方法であって、
膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対と、熱可塑性樹脂による第２シートとを用意し、
前記第１シートの一対の間に前記第２シートが介装されて成る積層体を成形型で加熱加圧することにより、前記第１シートの一対及び前記第２シートとが一体化されるとともに表面に所定の凹凸が施される熱プレス工程を有する燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記熱可塑性樹脂としてＰＰ又は変性ＰＰＥ又はＰＰＳ又はＬＣＰ又はＰＡを用いる請求項５に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記第２シートとして、前記熱可塑性樹脂に黒鉛をその重量比率が４０〜７５％の範囲で有する材料によって形成されるものを用いる請求項５又は６に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記第２シートとして、その厚みが４０〜２５０μｍのものを用いる請求項５〜７の何れか一項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１２３３６０（Ｐ２０１０−１２３３６０Ａ）
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２９５１７６（Ｐ２００８−２９５１７６）
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年６月３日（２０１０．６．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１１月１９日（２００８．１１．１９）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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