燃料電池セパレータ
【課題】製造時に特別な工程を追加することなく、且つ燃料電池セパレータ１の他の諸特性が低下することなく、液体状態の水が溜まることが抑制された燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】燃料電池セパレータ１に、活性炭を含有させる。このため、活性炭によって燃料電池セパレータ１の吸水性が向上する。しかも活性炭は導電性材料であるため燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また他の諸特性が損なわれることも防止される。この活性炭の含有量は５〜１０質量％の範囲が好ましい。
【解決手段】燃料電池セパレータ１に、活性炭を含有させる。このため、活性炭によって燃料電池セパレータ１の吸水性が向上する。しかも活性炭は導電性材料であるため燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また他の諸特性が損なわれることも防止される。この活性炭の含有量は５〜１０質量％の範囲が好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に組み込まれる燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は複数の単位セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより所定の電圧を得ている。
【０００３】
単位セルの最も基本的な構造は、「燃料電池セパレータ／燃料電極（アノード）／電解質／酸化剤電極（カソード）／燃料電池セパレータ」という構成を有している。この単位セルにおいては、電解質を介して対向する一対の電極のうち燃料電極に燃料を、酸化剤電極に酸化剤を供給して、電気化学反応により燃料を酸化させることにより、反応の化学エネルギーを直接電気化学エネルギーに変換するものである。
【０００４】
このような燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力が得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００５】
図１は固体高分子型燃料電池の一例を示すものであり、左右両側面に複数個の凸部（リブ）１ａが形成されている２枚の燃料電池セパレータ１，１の間に、固体高分子電解質膜２とガス拡散電極（燃料電極と酸化剤電極）３，３とを介在させて、単電池（単位セル）が構成され、この単位セルを数十個〜数百個並設して電池本体（セルスタック）が形成されている。このとき、隣り合う前記凸部１ａ同士の間に、燃料である水素ガスと酸化剤である酸素ガスの流路となるガス供給排出用溝４が形成される。
【０００６】
このようなセルスタックは、例えば家庭用定置型のものでは５０〜１００個の単位セルで構成し、また自動車積載用では４００〜５００個の単位セルで構成される。
【０００７】
この固体高分子型燃料電池は、燃料電極に流体である水素ガスを、酸化剤電極に流体である酸素ガスを供給することにより、外部回路より電流を取り出すものであるが、この際、各電極においては下記式に示したような反応が生じている。
燃料電極反応 ： Ｈ2→ ２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
酸化剤電極反応 ： ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ…（２）
全体反応 ： Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
即ち、燃料電極上で水素（Ｈ2）はプロトン（Ｈ+）となり、このプロトンが固体高分子電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素（Ｏ2）と反応して水（Ｈ2Ｏ）を生ずる。従って、固体高分子型燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
【０００８】
また、固体高分子型燃料電池は、通常、室温〜１２０℃以下の範囲での湿潤雰囲気下での運転が想定されており、そのため水が液体状態で扱われることが多くなるので、燃料電極への液体状態の水の補給管理と酸化剤電極からの液体状態の水の排出が必要となる。
【０００９】
このような燃料電池を構成する部品のうち、燃料電池セパレータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用溝４を有する特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池セルで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池セルで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割を担っている。
【００１０】
上記燃料電池セパレータ１に関して、一般に次のような要求がなされている。即ち、（１）高導電性、（２）腐食性電解質に対する耐腐食性（耐酸性）、（３）ガスを分離するための気密性、（４）燃料電池に組み立て時のボルトとナットによる締め付け等の組み込み作業時に燃料電池セパレータ１に割れやヒビが生じないための強度、更には機械的強度を有すること、特に自動車等の移動用電源として用いる場合には優れた耐振動性及び耐衝撃性を有すること、さらに耐クリープ性、（５）複雑な形状を形成するための成形性、（６）低コスト性、（７）耐膨潤性（水や硫酸水溶液に浸しても膨潤しないもの）、（８）耐熱性（反応時の発熱（９０〜１２０℃）に耐えること）、（９）液体状態の水が溜まらないこと等の要求特性を同時に満たすことが求められている。
【００１１】
このような固体高分子型燃料電池の燃料電池セパレータ１としては、生産性やコストの面から有利な各種の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素組成物が提案されている（例えば特許文献１〜５等参照）。
【００１２】
ここで、燃料電池セパレータ１に必要とされる上記特性のうち、液体状態の水が溜まらない、という特性を発揮させるためには、燃料電池セパレータ１の表面の親水性を向上するといアプローチと、燃料電池セパレータ１の吸水性を高めるというアプローチが考えられる。このうち、燃料電池セパレータ１の吸水性を高めるためには、アルミナエアロジル等の多孔質材を燃料電池セパレータ１に含有させることが考えられる。
【特許文献１】特開昭５９−２６９０７号公報
【特許文献２】特開昭５５−６１７５２号公報
【特許文献３】特開昭５６−１１６２７７号公報
【特許文献４】特開平８−３１２３１号公報
【特許文献５】特開昭５９−２６９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、燃料電池セパレータ１にアルミナエアロジル等を含有させると、燃料電池セパレータ１の導電性が低下し、燃料電池セパレータ１が充分な機能を発揮しなくなるおそれがある。また、燃料電池セパレータ１の機能向上にあたっては、製造効率向上等の観点から、できるだけ簡易な手法が採用されることが好ましい。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、簡易な手法により、且つ燃料電池セパレータ１の他の諸特性が低下することなく、燃料電池セパレータの吸水性が向上し、液体状態の水が溜まることが抑制された燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有することを特徴とする。このため、活性炭によって燃料電池セパレータ１の吸水性が向上し、しかも活性炭は導電性材料であるため燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また他の諸特性が損なわれることも防止される。
【００１６】
上記活性炭の含有量は５〜１０質量％の範囲が好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１の吸水率の向上が著しくなると共に、特に高い成形性が維持される。
【００１７】
この燃料電池セパレータ１は、熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有し、且つ前記黒鉛の一部として活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることにより製造されることが好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１に必要とされる成形性、導電性等の諸特性に優れた燃料電池セパレータ１が得られる。
【００１８】
また、上記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。このフェノール樹脂とエポキシ樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。
【００１９】
また、上記活性炭以外の黒鉛が、平均粒径３〜１５０μｍの天然黒鉛であることが好ましい。この場合、成形性及び表面平滑性が更に高く維持される。
【００２０】
また、この燃料電池セパレータ１は、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることが好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１に充分な吸水性が付与される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池セパレータの吸水性が向上することで、この燃料電池セパレータに液体状の水が付着した場合にこの水が吸収され、燃料電池セパレータに液体状の水が溜まりにくくなる。このとき、燃料電池セパレータに活性炭を含有させるという簡易な手法により燃料電池セパレータの吸水性が充分に向上され、しかも燃料電池セパレータに必要とされる他の諸特性が阻害されることもないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２３】
本発明に係る燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有する。この活性炭は、多孔質であるため吸水性が高く、このため燃料電池セパレータ１の吸水性が向上する。また活性炭は導電性材料であるため、燃料電池セパレータ１が活性炭を含有しても燃料電池セパレータ１の導電性は損なわれず、また、燃料電池セパレータ１の耐腐食性、気密性、強度、成形性等の諸特性を低下させる原因にもならない。
【００２４】
燃料電池セパレータ１の高い導電性が維持されるため、並びに燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が抑制されるためには、上記活性炭は高純度のものであることが好ましい。特に純度が９９％以上の範囲の活性炭が用いられることが好ましい。
【００２５】
ここで、上記活性炭を含有していれば、その分だけ燃料電池セパレータ１の吸水性は向上するが、特にこの含有量が燃料電池セパレータ１の全量に対して５質量％以上であれば、燃料電池セパレータ１に特に高い吸水性が付与される。また、この活性炭の含有量は多いほど吸水性の向上が大きくなるが、この含有量が過剰であると燃料電池セパレータ１を構成する他の材料が活性炭に吸着することで燃料電池セパレータ１の成形性が低下するおそれがある。このような成形性の低下を抑制するためには、前記含有量は１０質量％以下であることが望ましい。
【００２６】
このような燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることで製造される。
【００２７】
この燃料電池セパレータ用組成物は、合成樹脂と導電性材料（活性炭を含む）とを含有する混合物であることが好ましいが、特に熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有することが好ましい。このとき上記活性炭は、前記黒鉛粒子の一部として燃料電池セパレータ用組成物中に含有される。
【００２８】
燃料電池セパレータ用組成物中に黒鉛粒子を含有させることは、燃料電池セパレータ１の電気比抵抗の低減に寄与し、燃料電池セパレータ１の導電性が向上する。黒鉛粒子の含有量は、好ましくは組成物全量に対して６０〜９０質量％であり、更に好ましくは７５〜９０質量％である。この黒鉛粒子の割合が過少であると燃料電池セパレータ１に必要とされる導電性が十分に得られなくなるおそれがあり、また過剰であると燃料電池セパレータ１に必要とされるガス透過性や成形性が十分に得られなくなるおそれがある。
【００２９】
黒鉛粒子の粒径は特に制限されないが、平均粒径３〜１５０μｍの範囲が特に好ましい。前記平均粒径が３μｍ未満になると成形性が低下してしまい、１５０μｍを超えると成形品の表面平滑性が損なわれる恐れがある。
【００３０】
また、黒鉛粒子としては、粒子のアスペクト比が１０以下のものが好ましい。このアスペクト比が１０を超えると、成形される燃料電池セパレータ１に異方性が生じ反りなどが生じる恐れがある。
【００３１】
活性炭以外の黒鉛粒子は、高い導電性を示すものであれば制限なく用いられる。この黒鉛粒子の具体例としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したものの他、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等のような、適宜のものが挙げられる。このような黒鉛粒子は、一種のみが用いられるほか、複数種が併用されても良い。
【００３２】
黒鉛粒子は、人造黒鉛、天然黒鉛のいずれでも良いが、特に天然黒鉛は導電性が高いという利点を有する。また人造黒鉛は天然黒鉛粉に比べて導電性は多少劣るものの、異方性が少ないという利点がある。
【００３３】
また、黒鉛粒子が、特に球状の天然黒鉛粒子であると、黒鉛の結晶化度、すなわち導電性が高く、異方性もないことから流動性が良好で、導電性に優れた成形が可能となる。但し、球状黒鉛は導電パスを形成しにくい為、単体のみの使用では成形品としての導電性が低くなる。この為、異方性を有する黒鉛との併用が好ましい。
【００３４】
また、黒鉛粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれからなるものであっても、精製されたものであることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が抑制される。
【００３５】
ここで、黒鉛粒子における灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、また抽出水中のイオン性不純物が、黒鉛粒子全量に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。
【００３６】
上記の灰分が０．０５質量％を超えると燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。また、抽出水中のイオン性不純物がナトリウム含量５ｐｐｍを超え、或いは塩素含量５ｐｐｍを超える場合には、燃料電池セパレータ１を成形した場合に、不純物の溶出により燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。
【００３７】
ここで、上記抽出水は、対象成分（ここでは黒鉛粒子）１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で、イオン交換水中に対象成分を分散させ、９０℃で５０時間処理したものであり、また抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィにて評価されるものである。そして、導出される抽出水中のイオン性不純物量に基づいて、組成物中の対象成分中のイオン性不純物の総量を、この組成物中の対象成分の総量に対する質量比に換算して導出するものである。イオン性不純物の含有量は、黒鉛以外でも上記と同様の手法により測定される。
【００３８】
熱硬化性樹脂としては樹脂成形に適用可能な適宜のものが採用される。特に前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちの、少なくとも一方を含むことが好ましい。これらエポキシ樹脂及びフェノール樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。殊にエポキシ樹脂はイオン性不純物が少ないため、特に優れている。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含む場合は、熱硬化性樹脂全量に対して、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との合計量が、５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。
【００３９】
またこれらの樹脂と共に、更にポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が併用されても良いが、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解する恐れがある。これらの樹脂の中では、特に耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂が適している。このようなポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂などが好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが好ましい。この４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが併用されることで燃料電池セパレータ１の耐熱性が更に高められる。
【００４０】
また、これらの熱硬化性樹脂は、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に熱硬化性樹脂全量に対して質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が更に低減する。
【００４１】
上記エポキシ樹脂は、固形状のエポキシ樹脂が好ましく、特に融点が７０〜１３０℃の範囲のエポキシ樹脂が好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなエポキシ樹脂は、熱硬化性樹脂全量に対して５０〜１００質量％の割合で含有されていることが好ましい。
【００４２】
また、低粘度のエポキシ樹脂の使用も好ましい。この場合、組成物の成形性が維持され、また黒鉛粒子の高充填化も図られる。
【００４３】
また、上記フェノール樹脂は、特に開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂が好ましい。このようなフェノール樹脂としては、例えばベンゾオキサジン樹脂等を挙げることができる。この場合、成形工程で脱水によるガスが発生しないので成形品中にボイドが発生せず、ガス透過性の低下等が抑制される。このようなフェノール樹脂の含有量は、熱硬化性樹脂全量に対して５〜５０質量％の範囲が好ましい。
【００４４】
また、フェノール樹脂がレゾール型フェノール樹脂であることも好ましい。この場合、レゾール型フェノール樹脂は、例えば１３Ｃ−ＮＭＲ分析で、オルト−オルト２５〜３５％、オルト−パラ６０〜７０％、パラ−パラ５〜１０％の構造を有することが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、上記のレゾール型フェノール樹脂は軟化点の調整が容易であり、融点が７０〜８０℃のフェノール樹脂が容易に得られる。これにより、材料の変化が少なくなり成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなレゾール型フェノール樹脂の含有量は熱硬化性樹脂全量に対して１０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４５】
また、組成物中には、必要に応じて硬化開始剤、硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有させることができる。このとき、組成物中には第一アミン及び第二アミンを含有させないことが好ましく、また更に第三アミンも含有させないことが好ましい。この場合、燃料ガスに混入した前記アミンによる燃料電池中の白金触媒の被毒が防止され、燃料電池が長時間使用される場合の起電力の低下が抑制される。
【００４６】
すなわち、エポキシ樹脂が使用される場合の硬化開始剤（硬化剤）は、非アミン系の化合物が好ましい。アミン系の場合は、燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。また硬化開始剤は、酸無水物系の化合物ではないことも好ましい。酸無水物系の化合物は硫酸酸性環境下等の耐酸性の環境下で加水分解することで、燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が増大するおそれがある。
【００４７】
上記硬化開始剤（硬化剤）としては、特にフェノール系化合物が好ましい。この場合、成形品の特性が優れたものとなる。
【００４８】
硬化開始剤の含有量は適宜設定されるが、エポキシ樹脂に対する硬化開始剤の化学量論上の当量比が、１〜１．１２となることが好ましい。
【００４９】
また、エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、組成物中に第一アミン及び第二アミンを含有させないようにするため、非アミン系の化合物が好ましい。例えば、アミン系のジアミノジフェニルメタンなどは残存物が燃料電池の触媒を被毒する恐れがあって好ましくない。また、イミダゾール類は硬化後、塩素イオンを放出しやすくなるので不純物溶出の恐れがあり好ましくない。
【００５０】
エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒としては、好ましくはリン系化合物が用いられる。その一例としては、トリフェニルホスフィンが挙げられる。このようなリン系化合物を含有させると、成形品である燃料電池セパレータ１からの塩素イオンの溶出が抑制される。
【００５１】
上記のような硬化開始剤や硬化触媒も、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、それぞれ質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からのイオン性不純物の溶出が更に抑制される。
【００５２】
上記硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくはエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。
【００５３】
また、組成物中にはカップリング剤を含有させることができる。このカップリング剤としては、適宜のものが用いられるが、組成物が第一アミン及び第二アミンを含有しないことが好ましいため、アミノシランではないことが好ましい。また、カップリング剤はメルカプトシランではないことも好ましい。メルカプトシランが用いられる場合も、同様に燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。
【００５４】
使用されるカップリング剤の例としては、シリコン系のシラン化合物、チタネート系、アルミニウム系等が挙げられる。例えばシリコン系のカップリング剤としては、エポキシシランが適している。
【００５５】
カップリング剤は黒鉛粒子の表面に予め噴霧等により付着させておくことが好ましい。カップリング剤の添加量は適宜設定されるが、好ましくは、カップリング剤による被覆面積の総量が、黒鉛粒子の表面積の総量に対して、０．５〜２倍の範囲となるようにする。この値が多くなると成形品表面にカップリング剤がブリードしてしまい、成形時に金型表面が汚染されるおそれがある。
【００５６】
また、組成物がワックス（離型剤）を含有する場合、ワックスとしては適宜のものが用いられるが、特に天然カルナバワックスが好ましい。また、ワックスの含有量は適宜設定されるが、組成物全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲が好ましい。この含有量が１質量％未満では金型成形時に十分な離型性が得られず、また２．５質量％を超えると燃料電池セパレータ１に必要とされる水との濡れ性が十分に得られなくなる恐れがある。
【００５７】
また、このワックスも、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に質量換算した値で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００５８】
また、本発明にて調製される組成物は、この組成物で形成される成形品のＴＯＣ（ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。ＴＯＣが１００ｐｐｍを超えると燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００５９】
ここで、上記ＴＯＣは、比表面積２０ｃｍ2／ｇの成形品を９０℃で５０時間処理した後の水溶液を用いて測定した数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳ Ｋ０１０２に準拠して株式会社島津製作所製の全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定される。測定方法は次の通りである。まず、サンプルを燃焼して熱分解させ、発生したＣＯ2濃度を非分散型赤外線ガス分析法で測定して、サンプル中の全炭素（ＴＣ）を定量する。また、サンプルに酸を添加するなどして遊離させたＣＯ2濃度を同様に測定して、ＴＣと同様に無機炭素（ＩＣ）を定量する。この全炭素と無機炭素の差（ＴＣ−ＩＣ）から、全有機炭素（ＴＯＣ）が導出される。
【００６０】
ここで上記ＴＯＣの低減は、例えば高純度の原材料の使用、樹脂の当量比の調整、後硬化処理の採用等により達成される。
【００６１】
また、組成物全体における、水溶性イオンである塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、それぞれ組成物全量に対する質量比率で５ｐｐｍ以下が好ましい。この値が５ｐｐｍを超えると成形される燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出によって、燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００６２】
上記の塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、組成物を成形して得られる成形品から水溶性のイオンを抽出し、これをイオンクロマトグラフ法で評価測定したものを、組成物の質量に基づいて換算することで導出される。このとき、比表面積２０ｃｍ2／ｇの成形品を成形品１０ｇに対してイオン交換水１００ｍＬとして、成形品をイオン交換水中に浸漬し、９０℃で５０時間処理することでイオン交換水中にイオンを抽出することによって、水溶性イオンの抽出が行われる。
【００６３】
燃料電池セパレータ用組成物は、適宜の手法で調製されるが、例えば上記のような各成分が適宜の手法で混合して混合物を調製し、この混合物を必要に応じて攪拌或いは混練し、或いは更に造粒し、更に必要に応じて粉砕して小径化することによって、燃料電池セパレータ用組成物が調製される。
【００６４】
燃料電池セパレータ用組成物の調製方法の具体的な一例について説明する。
【００６５】
例えば、まず組成物を構成する各成分を配合して得られる混合物を攪拌する。このとき、熱硬化性樹脂を除く成分を配合しても良い。このときこの混合物が熱硬化性樹脂を含む場合は、熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で、攪拌がなされることが好ましい。前記加熱温度は、熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定されるが、加熱温度の上限は好ましくは１２０℃とする。また、攪拌等の時間は例えば５〜３０分間とすることができる。このように熱硬化性樹脂が溶融した状態で混合物が攪拌等されることで、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とが均一に混合される。
【００６６】
次いで、この混合物に、熱硬化性樹脂を溶解させる溶媒（例えばイソプロピルアルコール、メタノール等）を滴下、噴霧等により加え、更に攪拌することで、混合物を更に混合する。ここで、この段階で混合物が熱硬化性樹脂を含んでいない場合には、前記攪拌前に混合物中に熱硬化性樹脂を加える。この攪拌時間は例えば５〜３０分間とする。このとき特に溶媒が噴霧により加えられると、樹脂分と黒鉛粒子とが馴染み良く混合されると共に、組成物中に大きな塊が発生することが防止され、微細な粒状の組成物が得られる。溶媒が噴霧により加えられる場合の噴射条件は、噴霧圧０．０５〜０．３ＭＰａ、噴霧空気量５〜５０ｍｌ／分、液圧０．０５〜０．５ＭＰａとすることが好ましい。前記溶媒の使用量は、熱硬化性樹脂を全て溶解することができるように適宜の量に調整されるが、好ましくは溶媒の使用量が、原料の全固形分に対して５０質量％以下となるようにする。溶媒の使用量が過剰であると溶媒の揮散に要する時間が長くなって生産性が低下する。またこの使用量は、更に好ましくは２５質量％以下とする。また、この攪拌時にも、上記と同様に熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で攪拌がなされると、更に均一な混合が可能となる。
【００６７】
次いで、混合物を攪拌すると共に溶媒を揮散させることで、造粒が行われる。このときの攪拌時間は５〜３０分間とすることが好ましい。溶媒の揮散は、混合物の加熱や、混合物の周囲の雰囲気の減圧等により行うことができる。加熱と同時に減圧がなされても良い。加熱温度は、混合物中の熱硬化性樹脂が溶解する温度以上の温度とすることができ、また減圧時の圧力は例えば０．１ＭＰａ〜０．０１ＭＰａの範囲とすることができる。このとき混合物中の溶媒が充分に揮散することが好ましく、この溶媒が残存すると成形品中に空隙が発生してしまうおそれがある。
【００６８】
上記のようにして組成物が調製されるが、この組成物は、更に整粒機等で粉砕するなどして、更に小径の粒状に形成することができる。このとき組成物を、例えば粒径５００μｍ以下の粒状に形成すると、成形時の未充填を更に抑制することができる。
【００６９】
上記のようにして得られる燃料電池セパレータ用組成物は、燃料電池セパレータ１の成形に供される。このときの成形法としては、射出成形や圧縮成形など、適宜の手法が採用される。燃料電池セパレータ１は例えば既述のように図１に示すような形状に形成される。
【００７０】
このように形成される燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有するため、吸水性が高い。このため、この燃料電池セパレータ１の表面に液体状の水が付着しても、この水は燃料電池セパレータに吸収され、燃料電池セパレータ１に液体状態の水が溜まることが抑制される。このとき、燃料電池セパレータ１の吸水性の向上は、活性炭を含有させるという簡易な手法により達成されるため、燃料電池セパレータ１の製造効率を低下させることがない。また、前記のように活性炭が用いられるため、燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また強度等の他の特性の低下を引き起こすこともない。
【００７１】
このようにして形成された燃料電池セパレータ１は、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることが好ましい。この吸水率は、燃料電池セパレータ１を構成する成分に応じて活性炭の含有量が調整されることで、達成される。燃料電池セパレータ１の吸水率が前記範囲であると、燃料電池セパレータ１は充分な吸水性を発揮し、燃料電池セパレータ１に液体状態の水が溜まることが、充分に抑制される。
【実施例】
【００７２】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００７３】
（実施例１〜１０、比較例１〜３）
各実施例及び比較例につき、表１に示す組成の混合物を攪拌混合機（ダルトン社製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に投入し、攪拌混合機を温水で９０℃に加熱しながら混合物を攪拌した。次に、この混合物に溶媒（メタノール）を表１に示す分量添加した後、更に１０分攪拌を続けた。次に９０℃で真空ポンプを用いて減圧乾燥して混合物から溶媒を完全に除去した。更にこの混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕し、燃料電池セパレータ用組成物を得た。
【００７４】
この組成物を温度１７５℃、圧力３４．３ＭＰａ（３５０ｋｇ／ｃｍ2）、成形時間２０分間の条件で圧縮成形した後、脱型して、成形品を得た。
【００７５】
尚、表１中における各成分の配合量は、質量部で示されている。
【００７６】
（評価）
・吸水率評価：各実施例及び比較例で得られた成形品を、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露し、その前後の質量の差に基づいて吸水率を測定した。
【００７７】
・体積抵抗率評価：ＪＩＳ Ｋ ７１９４に準拠して測定した。
【００７８】
・３点曲げ強度：支点間の距離を試験片の厚み（４ｍｍ）の１６倍に設定して３点曲げ強度を測定した。
【００７９】
・成形性評価：各実施例及び比較例につき、同一条件で３０個のサンプルを成形し、その外観を観察して未充填の有無を確認した。そして、未充填が発生したものを「不良」としてその発生数にて、不良数１以下を「○」、不良数２以上５以下を「△」、不良数６以上を「×」と評価した。
【００８０】
・温水導電性：各実施例及び比較例につき、同一条件で１０ｍｍ×４０ｍｍ×４ｍｍの寸法を有する各二個のサンプルを作製し、この二個のサンプルを５０ｇのイオン交換水中に浸漬して加圧容器内で１５０℃で１６８時間保持した。次いで、処理後のイオン交換水の導電性を導電性測定器（ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＭＥＴＥＲ ＥＳ−１２）を用いて測定した。
【００８１】
以上の結果を表１に示す。
【００８２】
【表１】
【００８３】
これらの結果から明らかなように、活性炭を含有させた実施例１〜１２では導電性等の特性を維持しつつ、高い吸水性を有する成形品が得られた。また、特に活性炭の純度が高く、且つこの活性炭の含有量が５〜１０質量％の範囲である実施例１，２，４，５では、吸水性が特に高くなり、また高い導電性が維持され、更に成形性も優れていた。一方、活性炭が使用されていない比較例１，３では充分な吸水性が得られず、また、活性炭に代えて絶縁性多孔質材料であるアルミナエアロジルが使用されている比較例２では吸水性は高いものの、導電性が著しく低下した。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】燃料電池セパレータの一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 燃料電池セパレータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に組み込まれる燃料電池セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は複数の単位セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより所定の電圧を得ている。
【０００３】
単位セルの最も基本的な構造は、「燃料電池セパレータ／燃料電極（アノード）／電解質／酸化剤電極（カソード）／燃料電池セパレータ」という構成を有している。この単位セルにおいては、電解質を介して対向する一対の電極のうち燃料電極に燃料を、酸化剤電極に酸化剤を供給して、電気化学反応により燃料を酸化させることにより、反応の化学エネルギーを直接電気化学エネルギーに変換するものである。
【０００４】
このような燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力が得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００５】
図１は固体高分子型燃料電池の一例を示すものであり、左右両側面に複数個の凸部（リブ）１ａが形成されている２枚の燃料電池セパレータ１，１の間に、固体高分子電解質膜２とガス拡散電極（燃料電極と酸化剤電極）３，３とを介在させて、単電池（単位セル）が構成され、この単位セルを数十個〜数百個並設して電池本体（セルスタック）が形成されている。このとき、隣り合う前記凸部１ａ同士の間に、燃料である水素ガスと酸化剤である酸素ガスの流路となるガス供給排出用溝４が形成される。
【０００６】
このようなセルスタックは、例えば家庭用定置型のものでは５０〜１００個の単位セルで構成し、また自動車積載用では４００〜５００個の単位セルで構成される。
【０００７】
この固体高分子型燃料電池は、燃料電極に流体である水素ガスを、酸化剤電極に流体である酸素ガスを供給することにより、外部回路より電流を取り出すものであるが、この際、各電極においては下記式に示したような反応が生じている。
燃料電極反応 ： Ｈ2→ ２Ｈ+＋２ｅ-…（１）
酸化剤電極反応 ： ２Ｈ+＋２ｅ-＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ…（２）
全体反応 ： Ｈ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏ
即ち、燃料電極上で水素（Ｈ2）はプロトン（Ｈ+）となり、このプロトンが固体高分子電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素（Ｏ2）と反応して水（Ｈ2Ｏ）を生ずる。従って、固体高分子型燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。
【０００８】
また、固体高分子型燃料電池は、通常、室温〜１２０℃以下の範囲での湿潤雰囲気下での運転が想定されており、そのため水が液体状態で扱われることが多くなるので、燃料電極への液体状態の水の補給管理と酸化剤電極からの液体状態の水の排出が必要となる。
【０００９】
このような燃料電池を構成する部品のうち、燃料電池セパレータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用溝４を有する特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池セルで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池セルで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割を担っている。
【００１０】
上記燃料電池セパレータ１に関して、一般に次のような要求がなされている。即ち、（１）高導電性、（２）腐食性電解質に対する耐腐食性（耐酸性）、（３）ガスを分離するための気密性、（４）燃料電池に組み立て時のボルトとナットによる締め付け等の組み込み作業時に燃料電池セパレータ１に割れやヒビが生じないための強度、更には機械的強度を有すること、特に自動車等の移動用電源として用いる場合には優れた耐振動性及び耐衝撃性を有すること、さらに耐クリープ性、（５）複雑な形状を形成するための成形性、（６）低コスト性、（７）耐膨潤性（水や硫酸水溶液に浸しても膨潤しないもの）、（８）耐熱性（反応時の発熱（９０〜１２０℃）に耐えること）、（９）液体状態の水が溜まらないこと等の要求特性を同時に満たすことが求められている。
【００１１】
このような固体高分子型燃料電池の燃料電池セパレータ１としては、生産性やコストの面から有利な各種の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素組成物が提案されている（例えば特許文献１〜５等参照）。
【００１２】
ここで、燃料電池セパレータ１に必要とされる上記特性のうち、液体状態の水が溜まらない、という特性を発揮させるためには、燃料電池セパレータ１の表面の親水性を向上するといアプローチと、燃料電池セパレータ１の吸水性を高めるというアプローチが考えられる。このうち、燃料電池セパレータ１の吸水性を高めるためには、アルミナエアロジル等の多孔質材を燃料電池セパレータ１に含有させることが考えられる。
【特許文献１】特開昭５９−２６９０７号公報
【特許文献２】特開昭５５−６１７５２号公報
【特許文献３】特開昭５６−１１６２７７号公報
【特許文献４】特開平８−３１２３１号公報
【特許文献５】特開昭５９−２６９０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、燃料電池セパレータ１にアルミナエアロジル等を含有させると、燃料電池セパレータ１の導電性が低下し、燃料電池セパレータ１が充分な機能を発揮しなくなるおそれがある。また、燃料電池セパレータ１の機能向上にあたっては、製造効率向上等の観点から、できるだけ簡易な手法が採用されることが好ましい。
【００１４】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、簡易な手法により、且つ燃料電池セパレータ１の他の諸特性が低下することなく、燃料電池セパレータの吸水性が向上し、液体状態の水が溜まることが抑制された燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有することを特徴とする。このため、活性炭によって燃料電池セパレータ１の吸水性が向上し、しかも活性炭は導電性材料であるため燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また他の諸特性が損なわれることも防止される。
【００１６】
上記活性炭の含有量は５〜１０質量％の範囲が好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１の吸水率の向上が著しくなると共に、特に高い成形性が維持される。
【００１７】
この燃料電池セパレータ１は、熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有し、且つ前記黒鉛の一部として活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることにより製造されることが好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１に必要とされる成形性、導電性等の諸特性に優れた燃料電池セパレータ１が得られる。
【００１８】
また、上記熱硬化性樹脂は、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。このフェノール樹脂とエポキシ樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。
【００１９】
また、上記活性炭以外の黒鉛が、平均粒径３〜１５０μｍの天然黒鉛であることが好ましい。この場合、成形性及び表面平滑性が更に高く維持される。
【００２０】
また、この燃料電池セパレータ１は、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることが好ましい。この場合、燃料電池セパレータ１に充分な吸水性が付与される。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、燃料電池セパレータの吸水性が向上することで、この燃料電池セパレータに液体状の水が付着した場合にこの水が吸収され、燃料電池セパレータに液体状の水が溜まりにくくなる。このとき、燃料電池セパレータに活性炭を含有させるという簡易な手法により燃料電池セパレータの吸水性が充分に向上され、しかも燃料電池セパレータに必要とされる他の諸特性が阻害されることもないものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００２３】
本発明に係る燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有する。この活性炭は、多孔質であるため吸水性が高く、このため燃料電池セパレータ１の吸水性が向上する。また活性炭は導電性材料であるため、燃料電池セパレータ１が活性炭を含有しても燃料電池セパレータ１の導電性は損なわれず、また、燃料電池セパレータ１の耐腐食性、気密性、強度、成形性等の諸特性を低下させる原因にもならない。
【００２４】
燃料電池セパレータ１の高い導電性が維持されるため、並びに燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が抑制されるためには、上記活性炭は高純度のものであることが好ましい。特に純度が９９％以上の範囲の活性炭が用いられることが好ましい。
【００２５】
ここで、上記活性炭を含有していれば、その分だけ燃料電池セパレータ１の吸水性は向上するが、特にこの含有量が燃料電池セパレータ１の全量に対して５質量％以上であれば、燃料電池セパレータ１に特に高い吸水性が付与される。また、この活性炭の含有量は多いほど吸水性の向上が大きくなるが、この含有量が過剰であると燃料電池セパレータ１を構成する他の材料が活性炭に吸着することで燃料電池セパレータ１の成形性が低下するおそれがある。このような成形性の低下を抑制するためには、前記含有量は１０質量％以下であることが望ましい。
【００２６】
このような燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることで製造される。
【００２７】
この燃料電池セパレータ用組成物は、合成樹脂と導電性材料（活性炭を含む）とを含有する混合物であることが好ましいが、特に熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有することが好ましい。このとき上記活性炭は、前記黒鉛粒子の一部として燃料電池セパレータ用組成物中に含有される。
【００２８】
燃料電池セパレータ用組成物中に黒鉛粒子を含有させることは、燃料電池セパレータ１の電気比抵抗の低減に寄与し、燃料電池セパレータ１の導電性が向上する。黒鉛粒子の含有量は、好ましくは組成物全量に対して６０〜９０質量％であり、更に好ましくは７５〜９０質量％である。この黒鉛粒子の割合が過少であると燃料電池セパレータ１に必要とされる導電性が十分に得られなくなるおそれがあり、また過剰であると燃料電池セパレータ１に必要とされるガス透過性や成形性が十分に得られなくなるおそれがある。
【００２９】
黒鉛粒子の粒径は特に制限されないが、平均粒径３〜１５０μｍの範囲が特に好ましい。前記平均粒径が３μｍ未満になると成形性が低下してしまい、１５０μｍを超えると成形品の表面平滑性が損なわれる恐れがある。
【００３０】
また、黒鉛粒子としては、粒子のアスペクト比が１０以下のものが好ましい。このアスペクト比が１０を超えると、成形される燃料電池セパレータ１に異方性が生じ反りなどが生じる恐れがある。
【００３１】
活性炭以外の黒鉛粒子は、高い導電性を示すものであれば制限なく用いられる。この黒鉛粒子の具体例としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したものの他、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等のような、適宜のものが挙げられる。このような黒鉛粒子は、一種のみが用いられるほか、複数種が併用されても良い。
【００３２】
黒鉛粒子は、人造黒鉛、天然黒鉛のいずれでも良いが、特に天然黒鉛は導電性が高いという利点を有する。また人造黒鉛は天然黒鉛粉に比べて導電性は多少劣るものの、異方性が少ないという利点がある。
【００３３】
また、黒鉛粒子が、特に球状の天然黒鉛粒子であると、黒鉛の結晶化度、すなわち導電性が高く、異方性もないことから流動性が良好で、導電性に優れた成形が可能となる。但し、球状黒鉛は導電パスを形成しにくい為、単体のみの使用では成形品としての導電性が低くなる。この為、異方性を有する黒鉛との併用が好ましい。
【００３４】
また、黒鉛粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれからなるものであっても、精製されたものであることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が抑制される。
【００３５】
ここで、黒鉛粒子における灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、また抽出水中のイオン性不純物が、黒鉛粒子全量に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。
【００３６】
上記の灰分が０．０５質量％を超えると燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。また、抽出水中のイオン性不純物がナトリウム含量５ｐｐｍを超え、或いは塩素含量５ｐｐｍを超える場合には、燃料電池セパレータ１を成形した場合に、不純物の溶出により燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。
【００３７】
ここで、上記抽出水は、対象成分（ここでは黒鉛粒子）１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で、イオン交換水中に対象成分を分散させ、９０℃で５０時間処理したものであり、また抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィにて評価されるものである。そして、導出される抽出水中のイオン性不純物量に基づいて、組成物中の対象成分中のイオン性不純物の総量を、この組成物中の対象成分の総量に対する質量比に換算して導出するものである。イオン性不純物の含有量は、黒鉛以外でも上記と同様の手法により測定される。
【００３８】
熱硬化性樹脂としては樹脂成形に適用可能な適宜のものが採用される。特に前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちの、少なくとも一方を含むことが好ましい。これらエポキシ樹脂及びフェノール樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。殊にエポキシ樹脂はイオン性不純物が少ないため、特に優れている。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含む場合は、熱硬化性樹脂全量に対して、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との合計量が、５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。
【００３９】
またこれらの樹脂と共に、更にポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が併用されても良いが、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解する恐れがある。これらの樹脂の中では、特に耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂が適している。このようなポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂などが好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが好ましい。この４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが併用されることで燃料電池セパレータ１の耐熱性が更に高められる。
【００４０】
また、これらの熱硬化性樹脂は、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に熱硬化性樹脂全量に対して質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が更に低減する。
【００４１】
上記エポキシ樹脂は、固形状のエポキシ樹脂が好ましく、特に融点が７０〜１３０℃の範囲のエポキシ樹脂が好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなエポキシ樹脂は、熱硬化性樹脂全量に対して５０〜１００質量％の割合で含有されていることが好ましい。
【００４２】
また、低粘度のエポキシ樹脂の使用も好ましい。この場合、組成物の成形性が維持され、また黒鉛粒子の高充填化も図られる。
【００４３】
また、上記フェノール樹脂は、特に開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂が好ましい。このようなフェノール樹脂としては、例えばベンゾオキサジン樹脂等を挙げることができる。この場合、成形工程で脱水によるガスが発生しないので成形品中にボイドが発生せず、ガス透過性の低下等が抑制される。このようなフェノール樹脂の含有量は、熱硬化性樹脂全量に対して５〜５０質量％の範囲が好ましい。
【００４４】
また、フェノール樹脂がレゾール型フェノール樹脂であることも好ましい。この場合、レゾール型フェノール樹脂は、例えば１３Ｃ−ＮＭＲ分析で、オルト−オルト２５〜３５％、オルト−パラ６０〜７０％、パラ−パラ５〜１０％の構造を有することが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、上記のレゾール型フェノール樹脂は軟化点の調整が容易であり、融点が７０〜８０℃のフェノール樹脂が容易に得られる。これにより、材料の変化が少なくなり成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなレゾール型フェノール樹脂の含有量は熱硬化性樹脂全量に対して１０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４５】
また、組成物中には、必要に応じて硬化開始剤、硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有させることができる。このとき、組成物中には第一アミン及び第二アミンを含有させないことが好ましく、また更に第三アミンも含有させないことが好ましい。この場合、燃料ガスに混入した前記アミンによる燃料電池中の白金触媒の被毒が防止され、燃料電池が長時間使用される場合の起電力の低下が抑制される。
【００４６】
すなわち、エポキシ樹脂が使用される場合の硬化開始剤（硬化剤）は、非アミン系の化合物が好ましい。アミン系の場合は、燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。また硬化開始剤は、酸無水物系の化合物ではないことも好ましい。酸無水物系の化合物は硫酸酸性環境下等の耐酸性の環境下で加水分解することで、燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が増大するおそれがある。
【００４７】
上記硬化開始剤（硬化剤）としては、特にフェノール系化合物が好ましい。この場合、成形品の特性が優れたものとなる。
【００４８】
硬化開始剤の含有量は適宜設定されるが、エポキシ樹脂に対する硬化開始剤の化学量論上の当量比が、１〜１．１２となることが好ましい。
【００４９】
また、エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、組成物中に第一アミン及び第二アミンを含有させないようにするため、非アミン系の化合物が好ましい。例えば、アミン系のジアミノジフェニルメタンなどは残存物が燃料電池の触媒を被毒する恐れがあって好ましくない。また、イミダゾール類は硬化後、塩素イオンを放出しやすくなるので不純物溶出の恐れがあり好ましくない。
【００５０】
エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒としては、好ましくはリン系化合物が用いられる。その一例としては、トリフェニルホスフィンが挙げられる。このようなリン系化合物を含有させると、成形品である燃料電池セパレータ１からの塩素イオンの溶出が抑制される。
【００５１】
上記のような硬化開始剤や硬化触媒も、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、それぞれ質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からのイオン性不純物の溶出が更に抑制される。
【００５２】
上記硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくはエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。
【００５３】
また、組成物中にはカップリング剤を含有させることができる。このカップリング剤としては、適宜のものが用いられるが、組成物が第一アミン及び第二アミンを含有しないことが好ましいため、アミノシランではないことが好ましい。また、カップリング剤はメルカプトシランではないことも好ましい。メルカプトシランが用いられる場合も、同様に燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。
【００５４】
使用されるカップリング剤の例としては、シリコン系のシラン化合物、チタネート系、アルミニウム系等が挙げられる。例えばシリコン系のカップリング剤としては、エポキシシランが適している。
【００５５】
カップリング剤は黒鉛粒子の表面に予め噴霧等により付着させておくことが好ましい。カップリング剤の添加量は適宜設定されるが、好ましくは、カップリング剤による被覆面積の総量が、黒鉛粒子の表面積の総量に対して、０．５〜２倍の範囲となるようにする。この値が多くなると成形品表面にカップリング剤がブリードしてしまい、成形時に金型表面が汚染されるおそれがある。
【００５６】
また、組成物がワックス（離型剤）を含有する場合、ワックスとしては適宜のものが用いられるが、特に天然カルナバワックスが好ましい。また、ワックスの含有量は適宜設定されるが、組成物全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲が好ましい。この含有量が１質量％未満では金型成形時に十分な離型性が得られず、また２．５質量％を超えると燃料電池セパレータ１に必要とされる水との濡れ性が十分に得られなくなる恐れがある。
【００５７】
また、このワックスも、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に質量換算した値で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００５８】
また、本発明にて調製される組成物は、この組成物で形成される成形品のＴＯＣ（ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。ＴＯＣが１００ｐｐｍを超えると燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００５９】
ここで、上記ＴＯＣは、比表面積２０ｃｍ2／ｇの成形品を９０℃で５０時間処理した後の水溶液を用いて測定した数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳ Ｋ０１０２に準拠して株式会社島津製作所製の全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定される。測定方法は次の通りである。まず、サンプルを燃焼して熱分解させ、発生したＣＯ2濃度を非分散型赤外線ガス分析法で測定して、サンプル中の全炭素（ＴＣ）を定量する。また、サンプルに酸を添加するなどして遊離させたＣＯ2濃度を同様に測定して、ＴＣと同様に無機炭素（ＩＣ）を定量する。この全炭素と無機炭素の差（ＴＣ−ＩＣ）から、全有機炭素（ＴＯＣ）が導出される。
【００６０】
ここで上記ＴＯＣの低減は、例えば高純度の原材料の使用、樹脂の当量比の調整、後硬化処理の採用等により達成される。
【００６１】
また、組成物全体における、水溶性イオンである塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、それぞれ組成物全量に対する質量比率で５ｐｐｍ以下が好ましい。この値が５ｐｐｍを超えると成形される燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出によって、燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００６２】
上記の塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、組成物を成形して得られる成形品から水溶性のイオンを抽出し、これをイオンクロマトグラフ法で評価測定したものを、組成物の質量に基づいて換算することで導出される。このとき、比表面積２０ｃｍ2／ｇの成形品を成形品１０ｇに対してイオン交換水１００ｍＬとして、成形品をイオン交換水中に浸漬し、９０℃で５０時間処理することでイオン交換水中にイオンを抽出することによって、水溶性イオンの抽出が行われる。
【００６３】
燃料電池セパレータ用組成物は、適宜の手法で調製されるが、例えば上記のような各成分が適宜の手法で混合して混合物を調製し、この混合物を必要に応じて攪拌或いは混練し、或いは更に造粒し、更に必要に応じて粉砕して小径化することによって、燃料電池セパレータ用組成物が調製される。
【００６４】
燃料電池セパレータ用組成物の調製方法の具体的な一例について説明する。
【００６５】
例えば、まず組成物を構成する各成分を配合して得られる混合物を攪拌する。このとき、熱硬化性樹脂を除く成分を配合しても良い。このときこの混合物が熱硬化性樹脂を含む場合は、熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で、攪拌がなされることが好ましい。前記加熱温度は、熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定されるが、加熱温度の上限は好ましくは１２０℃とする。また、攪拌等の時間は例えば５〜３０分間とすることができる。このように熱硬化性樹脂が溶融した状態で混合物が攪拌等されることで、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とが均一に混合される。
【００６６】
次いで、この混合物に、熱硬化性樹脂を溶解させる溶媒（例えばイソプロピルアルコール、メタノール等）を滴下、噴霧等により加え、更に攪拌することで、混合物を更に混合する。ここで、この段階で混合物が熱硬化性樹脂を含んでいない場合には、前記攪拌前に混合物中に熱硬化性樹脂を加える。この攪拌時間は例えば５〜３０分間とする。このとき特に溶媒が噴霧により加えられると、樹脂分と黒鉛粒子とが馴染み良く混合されると共に、組成物中に大きな塊が発生することが防止され、微細な粒状の組成物が得られる。溶媒が噴霧により加えられる場合の噴射条件は、噴霧圧０．０５〜０．３ＭＰａ、噴霧空気量５〜５０ｍｌ／分、液圧０．０５〜０．５ＭＰａとすることが好ましい。前記溶媒の使用量は、熱硬化性樹脂を全て溶解することができるように適宜の量に調整されるが、好ましくは溶媒の使用量が、原料の全固形分に対して５０質量％以下となるようにする。溶媒の使用量が過剰であると溶媒の揮散に要する時間が長くなって生産性が低下する。またこの使用量は、更に好ましくは２５質量％以下とする。また、この攪拌時にも、上記と同様に熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で攪拌がなされると、更に均一な混合が可能となる。
【００６７】
次いで、混合物を攪拌すると共に溶媒を揮散させることで、造粒が行われる。このときの攪拌時間は５〜３０分間とすることが好ましい。溶媒の揮散は、混合物の加熱や、混合物の周囲の雰囲気の減圧等により行うことができる。加熱と同時に減圧がなされても良い。加熱温度は、混合物中の熱硬化性樹脂が溶解する温度以上の温度とすることができ、また減圧時の圧力は例えば０．１ＭＰａ〜０．０１ＭＰａの範囲とすることができる。このとき混合物中の溶媒が充分に揮散することが好ましく、この溶媒が残存すると成形品中に空隙が発生してしまうおそれがある。
【００６８】
上記のようにして組成物が調製されるが、この組成物は、更に整粒機等で粉砕するなどして、更に小径の粒状に形成することができる。このとき組成物を、例えば粒径５００μｍ以下の粒状に形成すると、成形時の未充填を更に抑制することができる。
【００６９】
上記のようにして得られる燃料電池セパレータ用組成物は、燃料電池セパレータ１の成形に供される。このときの成形法としては、射出成形や圧縮成形など、適宜の手法が採用される。燃料電池セパレータ１は例えば既述のように図１に示すような形状に形成される。
【００７０】
このように形成される燃料電池セパレータ１は、活性炭を含有するため、吸水性が高い。このため、この燃料電池セパレータ１の表面に液体状の水が付着しても、この水は燃料電池セパレータに吸収され、燃料電池セパレータ１に液体状態の水が溜まることが抑制される。このとき、燃料電池セパレータ１の吸水性の向上は、活性炭を含有させるという簡易な手法により達成されるため、燃料電池セパレータ１の製造効率を低下させることがない。また、前記のように活性炭が用いられるため、燃料電池セパレータ１の導電性が損なわれることがなく、また強度等の他の特性の低下を引き起こすこともない。
【００７１】
このようにして形成された燃料電池セパレータ１は、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることが好ましい。この吸水率は、燃料電池セパレータ１を構成する成分に応じて活性炭の含有量が調整されることで、達成される。燃料電池セパレータ１の吸水率が前記範囲であると、燃料電池セパレータ１は充分な吸水性を発揮し、燃料電池セパレータ１に液体状態の水が溜まることが、充分に抑制される。
【実施例】
【００７２】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。
【００７３】
（実施例１〜１０、比較例１〜３）
各実施例及び比較例につき、表１に示す組成の混合物を攪拌混合機（ダルトン社製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に投入し、攪拌混合機を温水で９０℃に加熱しながら混合物を攪拌した。次に、この混合物に溶媒（メタノール）を表１に示す分量添加した後、更に１０分攪拌を続けた。次に９０℃で真空ポンプを用いて減圧乾燥して混合物から溶媒を完全に除去した。更にこの混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕し、燃料電池セパレータ用組成物を得た。
【００７４】
この組成物を温度１７５℃、圧力３４．３ＭＰａ（３５０ｋｇ／ｃｍ2）、成形時間２０分間の条件で圧縮成形した後、脱型して、成形品を得た。
【００７５】
尚、表１中における各成分の配合量は、質量部で示されている。
【００７６】
（評価）
・吸水率評価：各実施例及び比較例で得られた成形品を、１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露し、その前後の質量の差に基づいて吸水率を測定した。
【００７７】
・体積抵抗率評価：ＪＩＳ Ｋ ７１９４に準拠して測定した。
【００７８】
・３点曲げ強度：支点間の距離を試験片の厚み（４ｍｍ）の１６倍に設定して３点曲げ強度を測定した。
【００７９】
・成形性評価：各実施例及び比較例につき、同一条件で３０個のサンプルを成形し、その外観を観察して未充填の有無を確認した。そして、未充填が発生したものを「不良」としてその発生数にて、不良数１以下を「○」、不良数２以上５以下を「△」、不良数６以上を「×」と評価した。
【００８０】
・温水導電性：各実施例及び比較例につき、同一条件で１０ｍｍ×４０ｍｍ×４ｍｍの寸法を有する各二個のサンプルを作製し、この二個のサンプルを５０ｇのイオン交換水中に浸漬して加圧容器内で１５０℃で１６８時間保持した。次いで、処理後のイオン交換水の導電性を導電性測定器（ＣＯＮＤＵＣＴＩＶＩＴＹ ＭＥＴＥＲ ＥＳ−１２）を用いて測定した。
【００８１】
以上の結果を表１に示す。
【００８２】
【表１】
【００８３】
これらの結果から明らかなように、活性炭を含有させた実施例１〜１２では導電性等の特性を維持しつつ、高い吸水性を有する成形品が得られた。また、特に活性炭の純度が高く、且つこの活性炭の含有量が５〜１０質量％の範囲である実施例１，２，４，５では、吸水性が特に高くなり、また高い導電性が維持され、更に成形性も優れていた。一方、活性炭が使用されていない比較例１，３では充分な吸水性が得られず、また、活性炭に代えて絶縁性多孔質材料であるアルミナエアロジルが使用されている比較例２では吸水性は高いものの、導電性が著しく低下した。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】燃料電池セパレータの一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は斜視図である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 燃料電池セパレータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性炭を含有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
上記活性炭の含有量が５〜１０質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有し、且つ前記黒鉛の一部として活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることにより製造されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
上記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
上記活性炭以外の黒鉛が、平均粒径３〜１５０μｍの天然黒鉛であることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１】
活性炭を含有することを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２】
上記活性炭の含有量が５〜１０質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項３】
熱硬化性樹脂と黒鉛粒子とを含有し、且つ前記黒鉛の一部として活性炭を含有する燃料電池セパレータ用組成物が成形されることにより製造されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項４】
上記熱硬化性樹脂が、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項５】
上記活性炭以外の黒鉛が、平均粒径３〜１５０μｍの天然黒鉛であることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項６】
１０５℃、１００ＲＨの雰囲気下に５００時間曝露された場合の吸水率が１％以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
【図１】
【公開番号】特開２００９−２１１８８７（Ｐ２００９−２１１８８７Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５２３７４（Ｐ２００８−５２３７４）
【出願日】平成２０年３月３日（２００８．３．３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３日（２００８．３．３）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]