燃料電池用セパレータの製造方法、前記方法により製造される燃料電池用セパレータ、及び前記方法で使用される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型
【課題】燃料電池用セパレータの製造効率を向上することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法では、
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す。
【解決手段】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法では、
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータの製造方法、前記方法により製造される燃料電池用セパレータ、及び前記方法で使用される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は複数の単セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより起電力を発生させる。
【０００３】
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、高出力の燃料電池として、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。
【０００４】
図５は、固体高分子型燃料電池の単セルの構造の一例を示す。この単セルは、セパレータ２０，２０、ガスケット１２，１２、膜−電極複合体５が重ねられることで構成されている。セパレータ２０には、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分に、燃料用マニホールド１３１と酸化剤用マニホールド１３２と冷却用マニホールド１３３とが形成されている。セパレータ２０の外周部分に、シーリングのためのガスケット１２が積層される。
【０００５】
燃料電池用セパレータ２０は、金属製のプレートや、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料などから形成される。このうち、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から形成される燃料電池用セパレータ２０は、耐久性が高いことや、溝形成にあたって溝の形状の自由度が高いことなどから、近年、開発が進んでいる。黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から燃料電池用セパレータ２０を形成するためには、圧縮成形法などが採用される。
【０００６】
一方、近年、モバイル機器用の小型の燃料電池の開発が注目されてきている。このような小型の燃料電池のためには、燃料電池用セパレータの小型化も必要となる。しかしながら、小型の燃料電池用セパレータを圧縮成形法などによって１枚ずつ製造するのでは、非常に製造効率が悪くなってしまう。
【０００７】
そこで、特許文献１では、多数個の燃料電池用セパレータを製造する金型として、少なくとも２個以上の燃料電池用セパレータ形成空間部をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部の周囲に剰余材料溜用空間部が形成されている金型が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、一度に多数個の燃料電池用セパレータが製造される。
【０００８】
しかし、特許文献１では、複数の燃料電池用セパレータ形成空間部が隔絶しているため、複数の燃料電池用セパレータ形成空間部の各々に成形用材料が供給されなければならない。そうでなければ各燃料電池用セパレータ形成空間部内に成形用材料が行き渡りにくくなる。このため成形用材料を供給する際の手間が大きくなってしまう。このため燃料電池用セパレータの製造効率は十分には向上されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２８９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、燃料電池用セパレータの製造効率を向上することができる燃料電池用セパレータの製造方法、前記方法により製造される燃料電池用セパレータ、及び前記方法で使用される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法では、
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す。
【００１２】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形用材料のディスクフローが８０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形体をウォータージェット加工により切断することが好ましい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される圧縮成形金型を用意し、
前記圧縮成形金型を用いて前記成形用材料を圧縮成形することが好ましい。
【００１５】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形体の表面にウエットブラスト処理を施してからリモート方式での大気圧プラズマ処理を施すことが好ましい。
【００１６】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記方法により製造される。
【００１７】
本発明に係る燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型は、燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池用セパレータの製造効率が向上し、特に、小型の燃料電池用セパレータの製造効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態における、燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型、及びこの金型を用いた圧縮成形の工程を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における成形体を示す平面図である。
【図３】リモート方式の大気圧プラズマ処理装置の一例を示す概略図である。
【図４】ダイレクト方式の大気圧プラズマ処理装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態における、燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態における、燃料電池を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に一実施形態について説明する。
【００２１】
図５は、セパレータ２０を備える固体高分子型燃料電池の単セル構造の一例を示す。２枚のセパレータ２０，２０の間に、固体高分子電解質膜などの電解質４とガス拡散電極（燃料電極３１と酸化剤電極３２）などからなる膜−電極複合体（ＭＥＡ）５が介在することで、単電池（単位セル）が構成されている。セパレータ２０と膜−電極複合体５の電解質４との間には、ガスケット１２が介在している。この単位セルを数十個〜数百個並設されることで電池本体（セルスタック）が構成される。
【００２２】
セパレータ２０には、燃料である水素ガス等と、酸化剤である酸素ガス等の流路であるガス供給排出用の溝２が形成される。
【００２３】
セパレータ２０は、片面のみにガス供給排出用の溝２を有するアノード側セパレータと、前記アノード側セパレータとは反対側の片面のみにガス供給排出用の溝２を有するカソード側セパレータとで構成されてもよい。このアノード側セパレータとカソード側セパレータとが重ねられることで、図５に示すような両面にガス供給排出用の溝２を有するセパレータ２０が構成される。アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には冷却水が流通する流路が形成されてもよい。この場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間にはガスケットが介在することが好ましい。
【００２４】
セパレータ２０の、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分には、六個のマニホールド１３（二つの燃料用マニホールド１３１、二つの酸化剤用マニホールド１３２、及び二つの冷却用マニホールド１３３）が形成されている。燃料用マニホールド１３１，１３１は二つ形成されており、各燃料用マニホールド１３１，１３１はセパレータ２０の燃料電極３１と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド１３２，１３２も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド１３２，１３２はセパレータ２０の酸化剤電極３２と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。この外周部分には、二つの冷却用マニホールド１３３も形成されている。セパレータ２０がアノード側セパレータとカソード側セパレータとで構成される場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータの間にある冷却水が流通する流路に、冷却用マニホールド１３３が連通する。
【００２５】
本実施形態では、図５に示されるように、セパレータ２０にはストレートタイプのガス供給排出用の溝２が形成されている。一般に、セパレータ２０におけるガス供給排出用の溝２としては、屈曲を有するサーペンタインタイプの溝と屈曲を有さないストレートタイプの溝とがある。勿論、図５に示されるセパレータ２０において、このセパレータ２０にサーペンタインタイプのガス供給排出用の溝２が形成されてもよい。
【００２６】
セパレータ２０の寸法は適宜設定されるが、小型のセパレータ２０を得る観点からは厚みが０．８〜３．０ｍｍ範囲であることが好ましく、０．８〜２．５ｍｍであれば更に好ましい。またセパレータ２０の平面視寸法は１５〜２５０ｃｍ２の範囲であることが好ましい。セパレータ２０のガス供給排出用の溝２の幅は例えば０．５〜１．５ｍｍ、深さは例えば０．５〜１．５ｍｍの範囲に形成される。マニホールド１３の開口面積は例えば０．５〜５．０ｃｍ２の範囲に形成される。
【００２７】
ガスケット１２は、セパレータ２０の外周部分に、シーリングのために積層される。このガスケット１２はその略中央部に膜−電極複合体５における燃料電極３１や酸化剤電極３２を収容するための開口１５を有し、この開口１５においてセパレータ２０のガス供給排出用の溝２が露出する。ガスケット１２には、開口１５の外周側の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１４１が、酸化剤用マニホールド１３２に合致する位置に酸化剤用貫通孔１４２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１４３が、それぞれ形成されている。
【００２８】
膜−電極複合体５における電解質４にも、その外周部分の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１６１が、酸化剤用マニホールド１３２と合致する位置に酸化剤用貫通孔１６２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１６３が、それぞれ形成されている。
【００２９】
この単セル構造では、セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１、ガスケット１２の燃料用貫通孔１４１、及び電解質４の燃料用貫通孔１６１が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、セパレータ２０の酸化剤用マニホールド１３２、ガスケット１２の酸化剤用貫通孔１４２、及び電解質４の酸化剤用貫通孔１６２が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、セパレータ２０の冷却用マニホールド１３３、ガスケット１２の冷却用貫通孔１４３、及び電解質４の冷却用貫通孔１６３が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。
【００３０】
燃料電極３１と酸化剤電極３２、並びに電解質４は、燃料電池のタイプに応じた公知の材料で形成される。固体高分子型燃料電池の場合、燃料電極３１及び酸化剤電極３２は例えばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の基材が触媒を担持することで構成される。燃料電極３１における触媒としては例えば白金触媒、白金・ルテニウム触媒、コバルト触媒等が挙げられ、酸化剤電極３２における触媒としては白金触媒、銀触媒等が挙げられる。また、固体高分子型燃料電池の場合、電解質４は例えばプロトン伝導性の高分子膜から形成され、特にメタノール直接型燃料電池の場合は例えばプロトン伝導性が高く、電子導電性やメタノール透過性を殆ど示さないフッ素系樹脂等から形成される。
【００３１】
ガスケット１２は、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、ＳＩＳ共重合体、ＳＢＳ共重合体、ＳＥＢＳ、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム、アクリルゴム、フッ素系ゴム等などから選択されるゴム材料から形成される。このゴム材料には粘着付与剤が配合されてもよい。
【００３２】
セパレータ２０にガスケット１２を積層するにあたっては、例えば予めシート状又は板状に形成されたガスケット１２がセパレータ２０に接着や融着されるなどして接合される。セパレータ２０の表面上でガスケット１２を形成するための材料が成形されることによって、セパレータ２０にガスケット１２が積層されてもよい。例えば未加硫のゴム材料がスクリーン印刷等によりセパレータ２０の表面上の所定位置に塗布され、このゴム材料の塗膜を加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成される。前記加硫にあたっては、加熱、電子線などの放射線の照射、或いはその他適宜の加硫方法が採用される。この場合、薄型のセパレータ２０に対してもガスケット１２が容易に積層される。また、セパレータ２０が金型内にセットされ、このセパレータ２０の表面上の所定位置に未加硫のゴム材料が射出されると共にこのゴム材料が加熱されるなどして加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成されてもよい。このように金型成形によりガスケット１２が形成されるにあたっては、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の成形法が採用され得る。
【００３３】
セパレータ２０は、樹脂成分と黒鉛粒子とを含有する成形用材料の硬化物から形成される。
【００３４】
成形用材料は、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。すなわち、この成形用材料が、置換基−ＮＨ及び−ＮＨ２を有する化合物を含有しないことが好ましい。更に成形用材料は第三アミンを含有しないことが好ましい。このように成形用材料がアミンを含有しないと、成形用材料から形成されるセパレータ２０が燃料電池中の白金触媒を被毒することがなく、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。
【００３５】
成形用組成物が含有する樹脂成分は、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のいずれでもよい。
【００３６】
熱可塑性樹脂としては、たとえばポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。
【００３７】
熱硬化性樹脂が使用される場合、熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂は良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００３８】
熱硬化性樹脂全量に対するエポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂のみ、熱硬化性フェノール樹脂のみ、或いはエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のみを含むのであれば特に好ましい。
【００３９】
エポキシ樹脂は固形状であることが好ましく、特に融点が７０〜９０℃の範囲であることが好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。また、エポキシ樹脂として溶融粘度が低粘度の樹脂が選択されれば、成形用材料の良好な成形性が維持されつつ、成形用材料及びセパレータ２０中に黒鉛粒子が高充填され得る。尚、前記作用が発揮される範囲内でエポキシ樹脂の一部が液状であってもよい。
【００４０】
エポキシ樹脂としては、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等が用いられることが好ましい。このオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂は、良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００４１】
特にエポキシ樹脂が、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂のみからなり、或いはオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種からなる成分（第一成分という）を含むことが好ましい。オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が必須の成分であると、成形用材料の成形性が向上すると共に、セパレータ２０の耐熱性が向上する。更に、製造コストが低減され得る。第一成分中のオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の割合は、前記成形性の向上、セパレータ２０の耐熱性の向上、製造コストの低減の観点から、５０〜１００質量％の範囲であることが好ましく、特に５０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４２】
オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と共に、ビスフェノール型エポキシ樹脂やビフェニル型エポキシ樹脂やビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が併用されることも好ましい。この場合、成形用材料の溶融粘度が更に低減し、更に薄型のセパレータ２０が作製される場合にはその靱性が向上し得る。
【００４３】
特にビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が使用されると、成形用材料の粘度が低減し、成形用材料の成形性が特に高くなる。この場合の第一成分中におけるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４４】
ビフェニル型エポキシ樹脂が使用されると、このビフェニル型樹脂は溶融粘度が低いため、成形用材料の流動性が著しく向上し、成形用材料の薄型成形性が特に向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニル型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４５】
ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が使用されると、セパレータ２０の強度及び靱性が向上し、更にセパレータ２０の吸湿性が低減し得る。このため、セパレータ２０の機械的特性、導電性、並びに長期使用時の特性の安定性が向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂の割合は、３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４６】
成形用材料中の熱硬化性樹脂全量に対する第一成分の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。
【００４７】
前記第一成分は熱硬化性樹脂中のエポキシ樹脂の少なくとも一部として成形用材料中に含有される。すなわち、この第一成分以外の他の熱硬化性樹脂として、例えば前記第一成分以外のエポキシ樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、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用いられてもよい。但し、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おそれがあるため、使用されないことが望ましい。また、熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。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用いられることも好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられることが好ましい。４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられると、セパレータ２０の耐熱性が更に向上する。
【００４８】
熱硬化性フェノール樹脂が用いられる場合には、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用いられることが好ましい。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が挙げられる。この場合は、成形用材料の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、このためセパレータ２０のガス透過性の低下が抑制される。また、レゾール型フェノール樹脂が用いられることも好ましく、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％の構造を有するレゾール型フェノール樹脂が用いられることが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、レゾール型フェノール樹脂の軟化点は容易に調整され得るため、融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が容易に得られる。融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が使用されることで、成形用材料の変質が抑制され、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。
【００４９】
エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂以外の他の樹脂が併用されてもよい。例えばポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、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ため、使用されないことが望ましい。
【００５０】
熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。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も好ましく、その具体例として例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが挙げられる。このような樹脂が併用されることで、セパレータ２０の耐熱性が更に向上され得る。
【００５１】
エポキシ樹脂が使用される場合、樹脂成分は硬化剤を含有することが好ましく、この硬化剤はフェノール系化合物を含有することが好ましい。このフェノール系化合物としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック型フェノール樹脂、多官能フェノール樹脂、アラルキル変性フェノール樹脂等が挙げられる。
【００５２】
硬化剤全量に対するフェノール系化合物の含有量は、エポキシ樹脂の使用量に依存して決定される。また、硬化剤がフェノール系化合物のみであれば特に好ましい。
【００５３】
フェノール系化合物以外の硬化剤が使用される場合、硬化剤として非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。この場合、セパレータ２０の電気伝導度が高い状態に維持されると共に、燃料電池の触媒の被毒が抑制される。硬化剤として酸無水物系の化合物が用いられないことも好ましい。酸無水物系の化合物が使用される場合は硬化物が硫酸酸性環境下等の酸性環境下で加水分解して、セパレータ２０の電気伝導度の低下が引き起こされたり、セパレータ２０からの不純物の溶出が増大してしまうおそれがある。
【００５４】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が用いられる場合は、熱硬化性樹脂におけるエポキシ樹脂と硬化剤におけるフェノール系化合物とは、前記フェノール系化合物に対する前記エポキシ樹脂の当量比が０．８〜１．２の範囲となるように配合されることが好ましい。
【００５５】
炭素質粒子は、セパレータ２０の電気比抵抗を低減して、セパレータ２０の導電性を向上させるために使用される。炭素質粒子は黒鉛粒子であることが好ましい。黒鉛粒子としては、高い導電性を示すものであれば制限なく用いられ、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、適宜のものが用いられる。このような黒鉛粒子は、一種のみが用いられるほか、複数種が併用される。
【００５６】
黒鉛粒子は、人造黒鉛粉、天然黒鉛粉のいずれでもよい。天然黒鉛粉は導電性が高いという利点を有し、また人造黒鉛粉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。
【００５７】
黒鉛粒子は、天然黒鉛粉、人造黒鉛粉のいずれの場合であっても、精製されていることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品であるセパレータ２０からの不純物の溶出が抑制される。
【００５８】
黒鉛粒子は、精製されていることが好ましい。この場合は、黒鉛粒子中の灰分やイオン性不純物が低いため、セパレータ２０からの不純物の溶出が抑制される。黒鉛粒子における不純物である灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、灰分が０．０５質量％を超えると、セパレータ２０を備える燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００５９】
黒鉛粒子の平均粒径は１５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。この平均粒径が１０μｍ以上であることで成形用材料の成形性が向上し、平均粒径が１００μｍ以下となることでセパレータ２０の表面平滑性が向上する。成形性の向上のためには、特に前記平均粒径が３０μｍ以上であることが好ましく、またセパレータ２０の表面平滑性が特に向上して後述するようにセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）が０．４〜１．６μｍの範囲、特に１．０μｍ未満となるためには前記平均粒径が７０μｍ以下であることが好ましい。特に前記平均粒径が３０〜７０μｍの範囲であることが好ましい。
【００６０】
特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、黒鉛粒子は１００メッシュ篩（目開き１５０μｍ）を通過する粒径を有することが好ましい。この黒鉛粒子中に１００メッシュ篩を通過しない粒子が含まれていると、成形用材料中に粒径の大きい黒鉛粒子が混入してしまい、特に成形用材料が薄型のシート状に成形される際の成形性が低下してしまう。
【００６１】
黒鉛粒子のアスペクト比は１０以下であることが好ましく、この場合、セパレータ２０に異方性が生じることが抑制される共に反りなどの変形も抑制される。
【００６２】
尚、セパレータ２０の異方性の低減に関しては、セパレータ２０における成形時の成形用材料の流動方向（セパレータ２０の厚み方向と直交する方向）と、この流動方向と直交する方向（セパレータ２０の厚み方向）との間での接触抵抗の比が、２以下となることが好ましい。
【００６３】
黒鉛粒子全体は、特に２種以上の粒度分布を有すること、すなわち黒鉛粒子全体が平均粒径の異なる２種以上の粒子群の混合物であることも好ましい。この明細書において、粒子群とは、黒鉛粒子全体のうちの少なくとも一部を構成する複数の粒子の集合を意味する。黒鉛粒子全体が、特に平均粒径１〜５０μｍの範囲の粒子群と、平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合物であることが好ましい。このような粒度分布を有する黒鉛粒子が用いられると、粒径の大きい粒子は表面積が小さいため、樹脂成分の含有量が少量であっても成形用材料の混練が可能になることが期待される。更に粒径の小さい粒子によって粒子同士の接触性が向上すると共に、セパレータ２０の強度向上も期待され、これにより、セパレータ２０の密度の向上、導電性の向上、ガス不透過性の向上、強度の向上等といった、性能の向上が図られる。平均粒径１〜５０μｍの粒子群と平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合比は、適宜調整されるが、特に前者対後者の混合質量比が４０：６０〜９０：１０、特に６５：３５〜８５：１５であることが好ましい。
【００６４】
尚、黒鉛粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計（日機装株式会社製のマイクロトラックＭＴ３０００ＩＩシリーズなど）でレーザー回折散乱法により測定される体積平均粒径である。
【００６５】
成形用材料中の黒鉛粒子の割合は、成形用材料中の固形分全体に対して７０〜８０質量％の範囲であることが好ましい。すなわち、板体６中の黒鉛粒子の割合は板体６全体に対して７０〜８０質量％の範囲であると共にそれに伴って板体６中の熱硬化性樹脂硬化物の含有量が２０〜３０質量％の範囲であることが好ましい。このように黒鉛粒子の割合が７０質量％以上であると、セパレータ２０に充分に優れた導電性が付与されと共に、セパレータ２０の機械的強度が充分に向上する。またこの割合が８０質量％以下であると、成形用材料に充分に優れた成形性が付与されると共にセパレータ２０に充分に優れたガス透過性が付与される。黒鉛粒子の割合が７５質量％以上であると共にそれに伴って熱硬化性樹脂硬化物の割合が２５質量％以下であれば更に好ましい。
【００６６】
成形用材料は、必要に応じて硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有してもよい。
【００６７】
硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。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り、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、あまり好ましくない。
【００６８】
但し、測定開始温度３０℃、昇温速度１０℃／分、保持温度１２０℃、保持温度での保持時間３０分の条件で加熱された場合の重量減少が５％以下であり、且つ２位に炭化水素基を有する置換イミダゾールが用いられることは、成形用材料の保存安定性が向上する点で好ましい。更に、特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、ワニス状に調製された成形用材料からシート状のセパレータ２０が形成される際の溶剤の揮発性、セパレータ２０の平滑性などが良好となる。この置換イミダゾールとして、特に２位の炭化水素基の炭素数が６〜１７の置換イミダゾールが使用されることが好ましく、その具体例としては、２−ウンデシルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール等が挙げられる。このうち、２−ウンデシルイミダゾール及び２−ヘプタデシルイミダゾールが好適である。これらの化合物は一種単独で用いられ、或いは二種以上が併用される。このような置換イミダゾールの含有量は適宜調整され、それにより成形硬化時間が調整され得る。この置換イミダゾールの含有量は好ましくは成形用材料中の熱硬化性樹脂と硬化剤の合計量に対して、０．５〜３質量％の範囲であることが好ましい。
【００６９】
また、硬化触媒として、好ましくはリン系化合物が用いられる。リン系化合物と前記置換イミダゾールとが併用されてもよい。リン系化合物の一例として、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が用いられると、セパレータ２０からの塩素イオンの溶出が抑制される。
【００７０】
成形用材料は、硬化促進剤として、次の［化１］で示される化合物を含有することも好ましい。この場合、セパレータ２０の耐湿性が向上する。しかも、この構造式（１）で示される化合物は、セパレータ２０のガラス転移温度の低下や、熱時剛性の低下や、連続成形性の悪化などを引き起こすことがない。むしろこの構造式［化１］で示される化合物が使用されることにより、セパレータ２０のガラス転移温度が上昇し、熱時剛性が向上し、更に成形用組成物の成形時の離型性が向上して連続成形性が向上し得る。
【００７１】
【化１】
【００７２】
更に、この構造式［化１］で示される化合物からは、イオン性不純物の溶出が生じにくい。このため、構造式［化１］で示される化合物が使用されることで、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。構造式［化１］で示される化合物からイオン性不純物の溶出が生じにくいのは、この化合物の酸解離定数（ｐＫａ）が小さいためであると推察される。
【００７３】
構造式［化１］で示される化合物の、硬化促進剤全量に対する割合は、２０〜１００質量％の範囲であることが好ましい。この割合が２０質量％未満であると、セパレータ２０のガラス転移温度（Ｔｇ）の上昇が充分ではないおそれがある。
【００７４】
このような硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくは成形用材料中のエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。
【００７５】
カップリング剤としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、アミノシランが用いられないことが好ましい。アミノシランが用いられると、燃料電池の触媒が被毒される恐れがあり好ましくない。カップリング剤としてメルカプトシランが用いられないことも好ましい。この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。
【００７６】
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、アルミニウム系のカップリング剤が挙げられる。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。
【００７７】
エポキシシランカップリング剤が使用される場合の使用量は、成形用材料の固形分中の含有量が０．５〜１．５質量％となる範囲であることが好ましい。この範囲において、カップリング剤がセパレータ２０の表面にブリードすることを充分に抑制することができる。
【００７８】
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れていてもよい。その場合の添加量は、黒鉛粒子の比表面積と、カップリング剤の単位質量当たりの被覆可能面積（カップリング剤によって被覆され得る面積）とを考慮して適宜設定される。カップリング剤の添加量は、特にカップリング剤の被覆可能面積の総量が黒鉛粒子の表面積の総量の０．５〜２倍の範囲となるように調整されることが好ましい。この範囲において、セパレータ２０の表面におけるカップリング剤のブリードが充分に抑制され、これにより金型表面の汚染が抑制される。
【００７９】
ワックス（内部離型剤）としては、特に制限されないが、１２０〜１９０℃で成形用材料中の熱硬化性樹脂及び硬化剤と相溶せずに相分離する内部離型剤が用いられることが好ましい。このような内部離型剤として、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、及び長鎖脂肪酸系のワックスから選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このような内部離型剤が成形用材料の成形過程で熱硬化性樹脂及び硬化剤と相分離することで、セパレータ２０の離型性が向上する。
【００８０】
内部離型剤の含有量は、板体６の形状の複雑さ、溝深さ、抜き勾配など金型面との離形性の容易さなどに応じて適宜設定されるが、成形用材料中の固形分全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲であることが好ましい。この含有量が０．１質量％以上であることで金型成形時にセパレータ２０が十分な離型性を発揮し、またこの含有量が２．５質量％以下であることでセパレータ２０の親水性が充分に高く維持される。このワックスの含有量は０．１〜１質量％の範囲であれば更に好ましく、０．１〜０．５質量％の範囲であれば特に好ましい。
【００８１】
セパレータ２０中のイオン性不純物の含有量は、成形用材料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以下とであることが好ましい。そのためには成形用材料のイオン性不純物の含有量が、成形用材料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以下であることが好ましい。この場合、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、このため不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。
【００８２】
セパレータ２０及び成形用材料のイオン性不純物の含有量が上記のように低減するためには、成形用材料を構成する熱硬化性樹脂、硬化剤、黒鉛、その他添加剤等の各成分のそれぞれのイオン性不純物の含有量が、各成分に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００８３】
イオン性不純物の含有量は、対象物（成形用材料、熱硬化性樹脂など）から溶出したイオン性不純物を含む抽出水中の、イオン性不純物の量に基づいて導出される。抽出水は、イオン交換水中に対象物が対象物１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合となるように投入された状態で、このイオン交換水及び対象物が９０℃で５０時間加熱されることで、得られる。抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィで評価される。この抽出水中のイオン性不純物量が対象物に対する質量比に換算されることで、対象物中のイオン性不純物の量が導出される。
【００８４】
成形用材料は、この組成物から形成されるセパレータ２０のＴＯＣ（ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下となるように調製されることが好ましい。
【００８５】
ＴＯＣは、イオン交換水中にセパレータ２０が、セパレータ２０の質量１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で投入され、このイオン交換水及びセパレータ２０が９０℃で５０時間加熱されることで得られる溶液から測定される数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳ Ｋ０１０２に準拠して島津製全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定され得る。測定にあたっては、サンプルの燃焼により発生したＣＯ２濃度が非分散型赤外線ガス分析法で測定され、これによりサンプル中の炭素濃度が定量される。炭素濃度が測定されることによって、間接的にセパレータ２０が含有する有機物質濃度が測定される。サンプル中の無機炭素（ＩＣ）、全炭素（ＴＣ）が測定されると、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。
【００８６】
上記のＴＯＣが１００ｐｐｍ以下であると、燃料電池の特性低下が更に抑制される。
【００８７】
ＴＯＣの値は、成形用材料を構成する各成分として高純度の成分が選択されたり、樹脂の当量比が調整されたり、成形時に後硬化処理が施されたりすることによって、低減され得る。
【００８８】
原料成分中には不純物として金属成分が混入している可能性があり、成形用材料及びセパレータ２０には不純物として原料成分に由来する金属成分、製造時に混入する金属成分などが混入している可能性がある。セパレータ２０に金属成分が混入していると、セパレータ２０の表面に金属酸化物（錆）が生じ、この金属酸化物から金属イオンが脱離する殊で、電解質４のプロトン伝導性の低下や電解質４の分解が引き起こされるおそれがある。また、この金属成分によりセパレータ２０の腐食電流が増大してしまう。そこで、セパレータ２０が製造されるにあたり、原料成分、成形用材料、及びセパレータ２０のうち少なくともいずれかに対し、金属成分の含有量を低減するための処理を施すことが好ましい。この場合、セパレータ２０の金属成分の含有量が低減する。特に、少なくとも成形用材料に対し、金属成分の含有量を低減するための処理施すことが好ましい。
【００８９】
原料成分に対する、金属成分の含有量を低減するための処理の一例として、原料成分中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理が挙げられる。原料成分のうち、特に黒鉛粒子に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、黒鉛粒子を、ｐＨ２以下の強酸性溶液を用いて洗浄する処理も挙げられる。強酸性溶液としては、例えば濃度６９質量％の濃硝酸と濃度３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３の割合で混合して得られる王水、濃度１５質量％以上の塩酸水、濃度１５質量％以上の硫酸水、及び濃度１５質量％以上の硝酸水から選ばれる少なくとも一種を使用することができる。この場合、黒鉛粒子中の金属成分の含有量が容易に低減される。前記塩酸水、硫酸水及び硝酸水の濃度は、操作性の観点から３０質量％以下であることが好ましい。
【００９０】
成形用材料に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、原料成分に対する金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、成形用材料中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理などが挙げられる。
【００９１】
前記のような原料成分が配合されることで成形用材料が調製され、この成形用材料が成形されることでセパレータ２０が得られる。成形用材料は、粒状、シート状等の適宜の形状に形成される。
【００９２】
成形用材料が粒状である場合には、上記のような原料成分が例えば攪拌混合機などで攪拌混合され、或いは更に整粒機などで整粒されることで、成形用材料が得られる。
【００９３】
成形用材料はシート状であってもよい。特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、シート状の成形用材料が使用されることが好ましい。シート状の成形用材料が使用されると、例えば０．２〜１．０ｍｍの厚みの薄型のセパレータ２０が容易に得られ、しかもこのセパレータ２０の厚み精度が高くなる。
【００９４】
シート状の成形用材料の調製のためには、まず上記のような原料成分を含有する液状の組成物が調製される。液状の組成物は必要に応じて溶媒を含有する。溶媒としては、たとえばメチルエチルケトン、メトキシプロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒が好ましい。溶媒は一種のみが用いられても二種以上が併用されてもよい。溶媒の使用量は成形性等を考慮して適宜設定されるが、好ましくは液状の組成物の粘度が１０００〜５０００ｃｐｓの範囲となるように調整される。尚、前記の通り溶媒は必要に応じて使用されていればよく、原料成分中の熱硬化性樹脂が液状樹脂である場合などには、溶媒が使用されなくてもよい。
【００９５】
この液状の組成物がシート状に成形されることで、シート状の成形用材料が得られる。液状の組成物が、例えばキャスティング（展進）成形によりシート状に成形されると共に、キャスティングにともなって加熱されることで乾燥され、或いは半硬化することにより、シート状の成形用材料が得られる。このシート状の成形用材料は、必要に応じて所定の平面寸法にカット（切断）もしくは打ち抜かれることで適当な寸法に形成される。
【００９６】
キャスティング法によりシート状の成形用材料が形成される際には、複数種の膜厚調節手段が適用され得る。このような複数種の膜厚調節手段が用いられるキャスティング法は、例えばすでに実用化されているマルチコータを用が用いられることで実現される。キャスティングのための膜厚調節手段としては、スリットダイとともに、ドクターナイフおよびワイヤーバーの少なくともいずれか、すなわちいずれか一方もしくは両方を用いることが好ましい。このシート状の成形用材料の厚みは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であれば更に好ましい。また、この厚みは０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以下であれば更に好ましい。このようにシート状の成形用材料の厚みが０．５ｍｍ以下であると、セパレータ２０の薄型化や軽量化、並びにそれによる低コスト化が達成され、特に厚みが０．３ｍｍ以下であれば溶媒を使用する場合のシート状の成形用材料内部の溶媒の残存が効果的に抑制される。またこの厚みが０．０５ｍｍ未満の場合にはセパレータ２０の製造にあたっての有利さが充分に発揮されなくなり、特に成形性を考慮するとこの厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００９７】
成形用材料のディスクフローは８０ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、圧縮成形時の成形用材料の流動性が高くなり、このため成形時間の短縮化及び未充填の抑制が図れる。このディスクフローの上限は特に制限されないが、圧縮成形時の金型からの成形用材料の過度の流出を抑制する観点からは１００ｍｍ以下であることが好ましい。ディスクフローは、平面上の一箇所に３ｇの成形用材料を密集させて配置し、これを温度１７０℃、圧力５ＭＰａの条件で３０秒間圧縮した場合に形成される成形体の、長径（最も長い径）の測定値である。成形用材料のディスクフローは、成形用材料の組成を変更することで適宜調整し得る。例えば、成形用材料中の黒鉛含有量が減少すればディスクフローは増大し、黒鉛含有量が増大すればディスクフローは減少する。成形用材料中の硬化促進剤の含有量が減少すればディスクフローは増大し、成形用材料中の硬化促進剤の含有量が増大すればディスクフローは低減する。更に成形用材料中の成分の種類が適宜変更されると、それに応じてディスクフローが増減する。
【００９８】
成形用材料が成形されることで、セパレータ２０が得られる。成形法としては、圧縮成形が採用される。
【００９９】
図１に、セパレータ２０を製造するために用いられる圧縮成形金型３の例を示す。この圧縮成形金型３は、互いに対向する第一の型板３０１と第二の型板３０２とを備える。第一の型板３０１には、成形用材料が供給される複数の凹部３０３が形成され、この凹部３０３の各々の底面には、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に第一の型板３０１には複数の凹部３０３の各々の底面で開口する複数の通孔３０５が形成されている。本実施形態では、一つの第一の型板３０１に四個の凹部３０３が形成されている。第一の型板３０１において四個の凹部３０３は二行二列に配列されている。
【０１００】
圧縮成形金型３は、エジェクタピン３０６及びエジェクタプレート３０７も備える。第一の型板３０１における複数の通孔の各々にはエジェクタピン３０６が挿入されている。複数のエジェクタピン３０６はエジェクタプレート３０７に連結されている。
【０１０１】
第二の型板３０２には、第一の型板３０１における複数の凹部３０３の各々と対向する領域に、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に、前記の領域の各々には、セパレータ２０の複数の各マニホールド１３に対応する複数の凸部３０８が形成されている。
【０１０２】
このように第一の型板３０１と第二の型板３０２の双方に突条３０４が形成されていると、圧縮成形により両面にガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０が得られる。尚、片面のみにガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０を得る場合には、第一の型板３０１と第二の型板３０２のうち一方のみに突条３０４が形成される。
【０１０３】
第一の型板３０１と第二の型板３０２とが型締めされると、第一の型板３０１と第二の型板３０２との間には、セパレータ２０の形状と合致する複数の空間（成形空間３０９）が形成される。成形空間３０９は凹部３０３の内側に形成される。成形空間３０９の各々と、これと隣接する別の成形空間３０９とは、連通空間３１０により連通している。連通空間３１０は隣り合う成形空間３０９の間の隙間を埋めるように形成され、且つ全ての成形空間３０９に連通するように形成されている。このため、圧縮成形金型３が型締めされると、第一の型板３０１と第二の型板３０２との間には、複数の成形空間３０９とこれらの成形空間３０９に連通する連通空間３１０とを備える一つの空洞３１１が形成される。
【０１０４】
成形空間３０９は、セパレータ２０の形状に合致した形状を有する。成形空間３０９の形状及び寸法は、所望の形状及び寸法を有するセパレータ２０が得られるように適宜設定されるが、小型のセパレータ２０を得る観点からは、厚みが０．８〜３．０ｍｍ範囲であることが好ましく、０．８〜２．５ｍｍであれば更に好ましい。また成形空間３０９の平面視寸法は１５〜２５０ｃｍ２の範囲であることが好ましい。
【０１０５】
連通空間３１０の厚みは成形空間３０９の厚みと比較して小さいことが好ましい。具体的には連通空間３１０の厚みは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることが好ましく、０．３〜０．８ｍｍの範囲であれば更に好ましい。また、連通空間３１０の幅（すなわち、隣り合う成形空間３０９の間の間隔）は、特に制限されないが、０．３〜０．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【０１０６】
圧縮成形金型３内に形成される成形空間３０９の数は特に制限されないが、セパレータ２０の生産性向上のためには本実施形態のように四個或いはそれ以上であることが好ましい。例えば圧縮成形金型３内に、六個、八個、九個、或いはそれ以上の複数の成形空間３０９と、これら複数の成形空間３０９を互いに接続する連通空間３１０とが形成されてもよい。
【０１０７】
圧縮成形によるセパレータ２０の製造にあたっては、適宜の量の成形用材料が、第一の型板３０１上の空洞３１１が形成される領域に供給される。シート状の成形用材料が使用される場合には、セパレータ２０の厚み等に応じて１枚のシート状の成形用材料が使用され、或いは第一の型板３０１上に複数枚のシート状の成形用材料が重ねられる。本実施形態では一つの空洞３１１内で複数のセパレータ２０が形成されるため、成形用材料は空洞３１１が形成される領域に配置されていれば、個々のセパレータ２０ごとに小分けして配置されるような必要はない。このため圧縮成形金型３への成形材料の供給が容易である。
【０１０８】
第一の型板３０１及び第二の型板３０２は、成形可能な温度に保持される。第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型締めされることで、成形用材料が圧縮成形される（図１（ａ））。これにより、空洞３１１内で成形体２１が形成される。成形条件は、成形用材料の組成に応じて適宜調整されるが、例えば成形温度１２０〜１９０℃、成形圧力１〜４０ＭＰａ、成形時間１〜１０分間の条件に調整される。
【０１０９】
このようにして圧縮成形金型３内で成形体２１が形成されたら、必要に応じて第一の型板３０１及び第二の型板３０２が冷却され、更に第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型開きされる。これにより、成形体２１は第一の型板３０１上に残存する。続いて、エジェクタプレート３０７が駆動されることでエジェクタピン３０６が凹部３０３の底面から突出し、これにより成形体２１が第一の型板３０１から取り外される。
【０１１０】
成形体２１は、図２に示すように、成形空間３０９内で形成された複数（四個）の部位（セパレータ部位２２）と、連通空間３１０内で形成された部位（連結部位２３）とを備える。成形体２１は複数のセパレータ部位２２と連結部位２３とが連結した形状を有する。
【０１１１】
成形体２１に切断処理が施されることで、成形体２１から複数（本実施形態では四個）のセパレータ２０が切り出される。切断処理は、レーザー加工、打ち抜き加工、カッターの使用、ルーター加工など適宜の手法でおこなわれる。特に切断処理はウォータージェット加工により施されることが好ましく、この場合、成形体２１が効率良く切断されると共に、切断面の平滑性が高くなる。更に、ウォータージェット加工時には粉塵が飛散しにくくなり、このためセパレータ２０への粉塵の付着によるセパレータ２０表面の親水性の低下が抑制される。
【０１１２】
切断処理にあたっては、セパレータ部位２２と連結部位２３とが切り離される。連結部位２３の幅寸法が小さい場合（例えばこの幅寸法が０．３〜０．５ｍｍの範囲の場合）には成形体２１が連結部位２３で切断されてもよく、この場合は隣り合うセパレータ部位２２間で連結部位２３が取り除かれることで隣り合うセパレータ部位２２同士が切り離される。これにより、成形体２１からセパレータ２０が切り出される。
【０１１３】
セパレータ２０には、ブラスト処理が施されるなどして、表層のスキン層が除去されると共にこのセパレータ２０の表面粗さが調整されることが好ましい。
【０１１４】
ブラスト処理が、切断処理が施される前の成形体２１に対して施されることも好ましい。すなわち、成形体２１にブラスト処理が施されてから、この成形体２１が切断されることでセパレータ２０が得られてもよい。特に小型のセパレータ２０に対してブラスト処理が施される場合には重量の小さいセパレータ２０を安定して保持しながらこのセパレータ２０に対して砥粒などを噴射することが難しくなる。またセパレータ２０のサイズに応じて特殊な搬送設備が必要となる場合もある。これに対して、成形体２１にブラスト処理を施せば、成形体２１を安定して保持した状態でブラスト処理を施すことが可能となり、また特殊な搬送設備を用意する必要性も低くなる。
【０１１５】
セパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）は、０．４〜１．６μｍの範囲に調整されることが好ましい。この場合、セパレータ２０の腐食電流が小さくなり、セパレータ２０の耐食性が向上する。更に、セパレータ２０とガスケット１２との接合部でのガスリークが抑制される。このためウエットブラスト処理時にセパレータ２０におけるガスケット１２と接合する部位をマスクする必要がなくなり、セパレータ２０の生産効率が向上する。尚、前記算術平均高さＲａが０．４μｍ未満となることは困難であり、またこの値が１．６μｍより大きいと前記ガスリークが充分に抑制されなくなるおそれがある。このセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは特に１．２μｍ以下であることが好ましい。更にこのセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａが１．０μｍ未満であると、前記ガスリークが特に抑制され、セパレータ２０の薄型化に伴ってセルスタック作製時の締結力が低くなっても、前記ガスリークが充分に抑制される。セパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは前記のとおり０．４μｍ以上であることが好ましく、０．６μｍ以上であれば更に好ましい。
【０１１６】
セパレータ２０の表面の接触抵抗は１５ｍΩｃｍ２以下であることが好ましい。この場合、燃料電池で発電された電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ２０の機能が高いレベルで維持される。
【０１１７】
前記ブラスト処理時には、セパレータ２０或いは成形体２１にウエットブラスト処理が施されると共に、この処理においてアルミナ粒子等の砥粒を含むスラリーから磁石で金属成分が吸引されることが好ましい。ブラスト処理に用いられる砥粒には不純物として金属成分が混入している可能性があり、またブラスト処理時に砥粒を含むスラリーに金属成分が混入することがある。このような金属成分を含むスラリー用いてブラスト処理が施されると、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に砥粒から金属成分が打ち込まれてしまう。しかし、前記のようにスラリーから磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によりウエットブラスト処理が施されると、ブラスト処理時にセパレータ２０或いは成形体２１に金属成分が付着しにくくなる。すなわち、ウエットブラスト処理によってスキン層の除去や表面粗さの調整などがされつつ、このウエットブラスト処理時に、スラリー中の砥粒に含まれる金属異物などの金属成分がセパレータ２０或いは成形体２１へ打ち込まれにくくなる。また、このウエットブラスト処理において、スラリーが循環されながら繰り返し使用されると共に、このスラリーの循環時にスラリーから金属成分が磁石などで吸引されると、スラリー中の砥粒から磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によってウエットブラスト処理が施される。
【０１１８】
更に、黒鉛粒子の金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、セパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が磁石によって吸引されてもよい。この場合、例えばセパレータ２０或いは成形体２１が一対の磁石の間に配置されることで、セパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が吸引される。尚、磁石を用いた吸引以外の適宜の方法でセパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が除去されてもよい。但し、強酸性溶液によって洗浄する方法ではセパレータ２０或いは成形体２１を構成する樹脂が溶解してしまうおそれがあり、また超音波洗浄ではセパレータ２０或いは成形体２１から黒鉛粒子が脱離してしまうおそれがあるため、好ましくない。
【０１１９】
ウエットブラスト処理後のセパレータ２０或いは成形体２１はイオン交換水等で洗浄されてもよい。
【０１２０】
以上のようにして得られるセパレータ２０における、金属成分の付着の程度は、このセパレータ２０を９０℃の温水で１時間洗浄した後、９０℃の温度で１時間加熱乾燥する処理を施した後に、このセパレータ２０の表面を観察することで確認される。セパレータ２０に金属成分が付着していると、前記処理によりセパレータ２０の表面に金属酸化物（錆）が生成する。前記処理後のセパレータ２０の表面が目視で観察されても前記金属酸化物（錆）の存在が確認されないことが好ましい。特に、前記処理後のセパレータ２０の表面に、直径１００μｍより大きい金属酸化物が存在しないことが好ましく、直径５０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ更に好ましい。また、直径３０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ特に好ましい。
【０１２１】
また、このセパレータ２０の表面に表出しているＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。更に、このセパレータ２０の表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。
【０１２２】
セパレータ２０或いは成形体２１には、ウエットブラスト処理に続いて大気圧プラズマ処理が施されることも好ましい。このようにセパレータ２０或いは成形体２１における水酸基が分布する表面に対してウエットブラスト処理と大気圧プラズマ処理とが施されると、セパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が向上すると共に、この高い親水性が長期に亘って維持されるようになる。この親水化のメカニズムの詳細は不明であるが、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に水酸基が分布することでこの表面に水分が吸着して官能基が生成しやすくなり、更に大気圧プラズマ処理により、セパレータ２０或いは成形体２１の表面から汚染物質が除去されて活性の高い状態となると共にこの活性化された表面に水酸基等の親水性の官能基が導入されて、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に親水性の官能基が多く形成し、このことが親水性向上に寄与していると考えられる。
【０１２３】
成形体２１に対してウエットブラスト処理が施される場合には、この成形体２１に切断処理が施されることでセパレータ２０が得られた後、このセパレータ２０に対して大気圧プラズマ処理が施されてもよいが、成形体２１に対して大気圧プラズマ処理が施される方が好ましい。成形体２１に対して大気圧プラズマ処理が施されると、小型のセパレータを取り扱う場合と比べて、搬送などの手間が削減される。
【０１２４】
ウエットブラスト処理後のセパレータ２０或いは成形体２１には、大気圧プラズマ処理に先立って乾燥処理が施されることが好ましい。この場合、水分子によってセパレータ２０或いは成形体２１への大気圧プラズマ処理が阻害されることが抑制され、大気圧プラズマ処理の効率が向上する。この乾燥処理では、セパレータ２０或いは成形体２１がエアブローなどにより風乾されることが好ましい。風乾にあたっては、例えば必要に応じて常温若しくは温風によるエアブローがおこなわれ、或いは常温でのエアブローの後に温風によるエアブローが追加的に施される。また、乾燥処理にあたっては、セパレータ２０或いは成形体２１がシリカゲル等の乾燥剤を入れたデシケータ中に静置される方法、セパレータ２０或いは成形体２１が室温以上（例えば５０℃）の温度の乾燥機中に静置される方法、真空乾燥機によってセパレータ２０或いは成形体２１から水分が除去される方法等が採用されてもよい。この乾燥処理により、セパレータ２０或いは成形体２１が、吸湿率０．１％以下になるまで乾燥されることが好ましい。
【０１２５】
セパレータ２０或いは成形体２１への大気圧プラズマ処理は、リモート方式での大気圧プラズマ処理であることが好ましい。リモート方式での大気圧プラズマ処理では、例えば図３に示されるような、吹き出し口９を有する放電空間１０と、この放電空間１０に電界を発生させるための放電用電極６，６とを備えるプラズマ処理装置が用いられる。このプラズマ処理装置では、放電空間１０にプラズマ生成用ガス７が供給されると共にこの放電空間１０内の圧力が大気圧近傍に維持され、更に放電用電極６，６間に電圧が印加されて放電空間１０に放電が発生すると、放電空間１０内でプラズマが生成する。このプラズマを含むガス流８を吹き出し口９から吹き出してセパレータ２０或いは成形体２１に吹き付けられることによって、プラズマ処理がおこなわれる。このようなプラズマ処理装置としては、例えば積水化学工業株式会社製のＡＰＴシリーズが挙げられるが、パナソニック電工株式会社、ヤマトマテリアル株式会社などから提供されている適宜のプラズマ処理装置が用いられてもよい。
【０１２６】
このようなリモート方式のプラズマ処理が採用することで、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に向けてプラズマが吹き付けられ、このためセパレータ２０或いは成形体２１のガス供給排出用溝２の内面まで充分に処理がなされる。またプラズマ処理時にセパレータ２０或いは成形体２１が放電に直接曝されなくなり、このためセパレータ２０或いは成形体２１がプラズマ処理時に損傷しにくくなる。
【０１２７】
尚、大気圧プラズマ処理として、処理対象１１の周囲にプラズマ生成用ガス７を供給すると共にこの処理対象１１の周囲で放電用電極６，６により放電を生じさせてプラズマを生成するダイレクト方式（図４参照）が採用されてもよい。但し、放電によるセパレータ２０或いは成形体２１の損傷を抑制する観点、並びに処理効率を向上する観点からは、リモート方式が採用される方が好ましい。
【０１２８】
リモート方式での大気圧プラズマ処理は、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に所望の親水性を付与できるように適宜設定された条件でおこなうことができる。この大気圧プラズマ処理におけるプラズマ生成用ガス７は、窒素ガスであることが好ましく、特にこの窒素ガス中の酸素含有量が２０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、大気圧プラズマ処理によってセパレータ２０或いは成形体２１に特に高い親水性が付与される。
【０１２９】
また、この大気圧プラズマ処理は、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に結露が生じないようにセパレータ２０或いは成形体２１の温度及び雰囲気温度が調整された条件下で行われることが好ましい。この場合、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に付着した水滴によりプラズマが消費されてしまうことを防止して、処理効率を向上することができる。セパレータ２０或いは成形体２１の温度は、前記のとおりこのセパレータ２０或いは成形体２１の表面に結露が生じない温度（露点温度）以上であることが好ましく、安定した大気圧プラズマ処理のためには７０℃以下であることが好ましい。大気圧プラズマ処理の安定のためには、セパレータ２０或いは成形体２１の温度及び雰囲気温度が一定に保たれることも重要である。雰囲気温度の調節にあたっては、通常、プラズマ処理装置のプラズマユニット部分の温度が調節され、プラズマ処理装置の構成によってはプラズマ処理時にセパレータ２０或いは成形体２１を支える台の温度が調節される。
【０１３０】
大気圧プラズマ処理後のセパレータ２０或いは成形体２１は、そのまま大気中に放置してもよいが、イオン交換水などの水に浸漬するなどして、このセパレータ２０或いは成形体２１の表面と水とを接触させることが好ましい。この場合、セパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が更に向上する。その詳細なメカニズムは明らかではないが、大気圧プラズマ処理によって活性化されたセパレータ２０或いは成形体２１の表面に水分子が吸着することに起因してセパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が向上すると考えられる。
【０１３１】
セパレータ２０或いは成形体２１にウエットブラスト処理及び大気圧プラズマ処理が施される場合には、ガス供給排出用溝２の幅Ａと深さＢとの比Ａ／Ｂが１以上であることが好ましい。この場合、ウエットブラスト処理時のスラリーや、大気圧プラズマ処理時のプラズマを含むガス流８がガス供給排出用溝２の内部に行き渡りやすくなる。これにより表面処理の均一性が更に高くなってガス供給排出用溝２の内面が充分に親水化される。前記比Ａ／Ｂの値の上限は特に制限されないが、ガス供給排出用溝２を高密度に形成するためには、実用上、１０以下であることが好ましい。
【０１３２】
表面処理により、処理後のセパレータ２０或いは成形体２１の表面の水との静的接触角が０°〜５０°の範囲となるようにすることが好ましい。この静的接触角は特に０°〜１０°の範囲であることが好ましく、０°〜５°の範囲であれば更に好ましい。この水との静的接触角は、表面処理条件を適宜設定することにより調整することができる。これにより、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に充分に高い親水性を付与することができる。
【０１３３】
表面処理により、セパレータ２０或いは成形体２１の前記表面処理された面の接触抵抗が１５ｍΩｃｍ２以下となるようにすることが好ましい。この接触抵抗も、表面処理条件を適宜設定することにより調整することができる。これにより、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ２０の機能を高いレベルで維持することができる。
【０１３４】
図６は複数の単セルからなる燃料電池４０（セルスタック）の一例を示す。この燃料電池４０は、燃料用流路に連通する燃料の供給口１７１及び排出口１７２と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口１８１及び排出口１８２と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口１９１及び排出口１９２とを有する。
【０１３５】
この燃料電池４０の燃料の供給口１７１から水素ガス等の燃料が、酸化剤の供給口１８１から酸素ガス等の酸化剤が、それぞれ供給されることにより、燃料電池４０が作動する。燃料電池４０が作動する間、燃料電池に冷却水の供給口１９１から冷却水が供給され、このため、燃料電池の温度が運転のための適正な温度に調節される。冷却水としては、純水が使用されることが好ましい。
【実施例】
【０１３６】
各実施例につき、表１に示す原料成分を用意し、これらの原料成分を表に１示す割合で攪拌混合機（ダルトン製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に入れて攪拌混合し、得られた混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕した。これにより、成形用材料を得た。
【０１３７】
図１に示す構造を有する圧縮成形金型３を用意した。この圧縮成形金型３内には２行２列に配列する四個の成形空間３０９が形成される。各成形空間３０９の寸法は、平面視１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み２ｍｍであり、連通空間３１０の寸法は幅０．３ｍｍ、厚み０．８ｍｍである。
【０１３８】
この圧縮成形金型３に成形用材料を供給し、金型温度１７０℃、成形圧力３５．３ＭＰａ、成形時間２分の条件で圧縮成形した。これにより成形体２１を得た。
【０１３９】
この成形体２１の表面に、マコー株式会社製のウエットブラスト処理装置（形式ＰＦＥ−３００Ｔ／Ｎ）を用い、砥粒としてアルミナ粒子を含むスラリー用いてブラスト処理を施した後、イオン交換水で洗浄し、更に温風乾燥した。この処理後の成形体２１の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）を測定した結果を表１に示す。
【０１４０】
続いて、成形体２１に対してリモート方式での大気圧プラズマ処理を施した。プラズマ処理装置としては積水化学工業株式会社製のＡＰ−Ｔシリーズを使用した。処理条件は、処理幅３００ｍｍ、プラズマユニット数１、サンプル−電極間距離３ｍｍ、プラズマ生成用ガス種は窒素、ガス中の酸素含有量１０００ｐｐｍ、ガス流量１５０Ｌ／分、搬送速度０．２５ｍ／分、処理時温度（成形体２１の温度）２５℃とした。大気圧プラズマ処理後、成形体２１をイオン交換水中に浸漬した。
【０１４１】
続いて、この成形体２１に切断処理を施すことで、四個のセパレータ２０を得た。切断処理にあたっては、各実施例において表１に示す方法を採用した。表１において、ウォータジェット加工はイオン交換水を用い、加工幅０．３ｍｍ、水圧３００ＭＰａ、搬送速度１００ｍｍ／ｓの条件で実施した。ルーター加工は、ドリル径０．３ｍｍ、回転速度２４０００ｒｐｍ、搬送速度２０ｍｍ／ｓの条件で実施した。
【０１４２】
以上により、平面視１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み２．０ｍｍの寸法を有するセパレータ２０を得た。セパレータ２０の一面には圧縮成形時に長さ５０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍのガス供給排出用の溝を形成した
［ディスクフロー評価］
各実施例において用いられた成形用材料のディスクフローを、上述の方法で測定した。その結果を表１に示す。
【０１４３】
［充填性評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の外観を目視で観察することで、未充填の有無を確認した。各実施例で１０個のサンプルにつき評価をおこない、未充填の認められた不良数で評価した。その結果を表１に示す。
【０１４４】
［寸法精度評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の四隅の位置及び中央の位置の合計５点の厚みをマイクロメーターで測定し、測定値の最大値と最小値との差で評価した。その結果を表１に示す。
【０１４５】
［切断面評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の切断面を観察し、外観について目視により異常の有無について評価行ったその結果を表１に示す。
【０１４６】
［静的接触角評価］
各実施例で得られたセパレータ２０を水平に配置し、このセパレータ２０の凸部（リブ）１ａの上にスポイトでイオン交換水を垂らし、協和界面科学株式会社製の測定器（品番「ＣＡ−Ｗ１５０」）を用いて、水との静的接触角を測定した。
【０１４７】
【表１】
【０１４８】
表中の各成分の詳細は次の通りである。
・熱硬化性樹脂Ａ：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬社製「ＥＯＣＮ−１０２０−７５」、エポキシ当量１９９、融点７５℃）
・硬化剤Ａ：ノボラック型フェノール樹脂（群栄化学社製「ＰＳＭ６２００」、ＯＨ当量１０５）
・硬化剤Ｂ：多官能フェノール樹脂（明和化成株式会社製「ＭＥＨ−７５００」、ＯＨ当量１００）
・硬化促進剤Ａ：トリフェニルホスフィン（北興化学社製「ＴＰＰ」）
・硬化促進剤Ｂ：構造式（１）で示される化合物。
・黒鉛粒子Ａ：平均粒子径５０μｍ、天然黒鉛。
・黒鉛粒子Ｂ：平均粒子径５０μｍ、人造黒鉛。
・カップリング剤：エポキシシラン（日本ユニカー社製「Ａ１８７」）
・ワックス：天然カルナバワックス（大日化学社製「Ｈ１−１００」、融点８３℃）
【符号の説明】
【０１４９】
２０ 燃料電池用セパレータ
２１ 成形体
３ 圧縮成形金型
３０９ 成形空間
３１０ 連通空間
３１１ 空洞
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータの製造方法、前記方法により製造される燃料電池用セパレータ、及び前記方法で使用される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に燃料電池は複数の単セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより起電力を発生させる。
【０００３】
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、高出力の燃料電池として、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。
【０００４】
図５は、固体高分子型燃料電池の単セルの構造の一例を示す。この単セルは、セパレータ２０，２０、ガスケット１２，１２、膜−電極複合体５が重ねられることで構成されている。セパレータ２０には、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分に、燃料用マニホールド１３１と酸化剤用マニホールド１３２と冷却用マニホールド１３３とが形成されている。セパレータ２０の外周部分に、シーリングのためのガスケット１２が積層される。
【０００５】
燃料電池用セパレータ２０は、金属製のプレートや、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料などから形成される。このうち、黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から形成される燃料電池用セパレータ２０は、耐久性が高いことや、溝形成にあたって溝の形状の自由度が高いことなどから、近年、開発が進んでいる。黒鉛粒子と樹脂成分とを含有する成形用材料から燃料電池用セパレータ２０を形成するためには、圧縮成形法などが採用される。
【０００６】
一方、近年、モバイル機器用の小型の燃料電池の開発が注目されてきている。このような小型の燃料電池のためには、燃料電池用セパレータの小型化も必要となる。しかしながら、小型の燃料電池用セパレータを圧縮成形法などによって１枚ずつ製造するのでは、非常に製造効率が悪くなってしまう。
【０００７】
そこで、特許文献１では、多数個の燃料電池用セパレータを製造する金型として、少なくとも２個以上の燃料電池用セパレータ形成空間部をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部の周囲に剰余材料溜用空間部が形成されている金型が開示されている。特許文献１に開示されている技術では、一度に多数個の燃料電池用セパレータが製造される。
【０００８】
しかし、特許文献１では、複数の燃料電池用セパレータ形成空間部が隔絶しているため、複数の燃料電池用セパレータ形成空間部の各々に成形用材料が供給されなければならない。そうでなければ各燃料電池用セパレータ形成空間部内に成形用材料が行き渡りにくくなる。このため成形用材料を供給する際の手間が大きくなってしまう。このため燃料電池用セパレータの製造効率は十分には向上されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２８９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は上記事由に鑑みてなされたものであり、燃料電池用セパレータの製造効率を向上することができる燃料電池用セパレータの製造方法、前記方法により製造される燃料電池用セパレータ、及び前記方法で使用される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型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】
【００１１】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法では、
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す。
【００１２】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形用材料のディスクフローが８０ｍｍ以上であることが好ましい。
【００１３】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形体をウォータージェット加工により切断することが好ましい。
【００１４】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される圧縮成形金型を用意し、
前記圧縮成形金型を用いて前記成形用材料を圧縮成形することが好ましい。
【００１５】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形体の表面にウエットブラスト処理を施してからリモート方式での大気圧プラズマ処理を施すことが好ましい。
【００１６】
本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記方法により製造される。
【００１７】
本発明に係る燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型は、燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、燃料電池用セパレータの製造効率が向上し、特に、小型の燃料電池用セパレータの製造効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の一実施形態における、燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型、及びこの金型を用いた圧縮成形の工程を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における成形体を示す平面図である。
【図３】リモート方式の大気圧プラズマ処理装置の一例を示す概略図である。
【図４】ダイレクト方式の大気圧プラズマ処理装置の一例を示す概略図である。
【図５】本発明の一実施形態における、燃料電池の単セル構造を示す分解斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態における、燃料電池を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に一実施形態について説明する。
【００２１】
図５は、セパレータ２０を備える固体高分子型燃料電池の単セル構造の一例を示す。２枚のセパレータ２０，２０の間に、固体高分子電解質膜などの電解質４とガス拡散電極（燃料電極３１と酸化剤電極３２）などからなる膜−電極複合体（ＭＥＡ）５が介在することで、単電池（単位セル）が構成されている。セパレータ２０と膜−電極複合体５の電解質４との間には、ガスケット１２が介在している。この単位セルを数十個〜数百個並設されることで電池本体（セルスタック）が構成される。
【００２２】
セパレータ２０には、燃料である水素ガス等と、酸化剤である酸素ガス等の流路であるガス供給排出用の溝２が形成される。
【００２３】
セパレータ２０は、片面のみにガス供給排出用の溝２を有するアノード側セパレータと、前記アノード側セパレータとは反対側の片面のみにガス供給排出用の溝２を有するカソード側セパレータとで構成されてもよい。このアノード側セパレータとカソード側セパレータとが重ねられることで、図５に示すような両面にガス供給排出用の溝２を有するセパレータ２０が構成される。アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間には冷却水が流通する流路が形成されてもよい。この場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータとの間にはガスケットが介在することが好ましい。
【００２４】
セパレータ２０の、ガス供給排出用の溝２が形成されている領域を取り囲む外周部分には、六個のマニホールド１３（二つの燃料用マニホールド１３１、二つの酸化剤用マニホールド１３２、及び二つの冷却用マニホールド１３３）が形成されている。燃料用マニホールド１３１，１３１は二つ形成されており、各燃料用マニホールド１３１，１３１はセパレータ２０の燃料電極３１と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。酸化剤用マニホールド１３２，１３２も二つ形成されており、各酸化剤用マニホールド１３２，１３２はセパレータ２０の酸化剤電極３２と重なる面におけるガス供給排出用の溝２の両端にそれぞれ連通する。この外周部分には、二つの冷却用マニホールド１３３も形成されている。セパレータ２０がアノード側セパレータとカソード側セパレータとで構成される場合、アノード側セパレータとカソード側セパレータの間にある冷却水が流通する流路に、冷却用マニホールド１３３が連通する。
【００２５】
本実施形態では、図５に示されるように、セパレータ２０にはストレートタイプのガス供給排出用の溝２が形成されている。一般に、セパレータ２０におけるガス供給排出用の溝２としては、屈曲を有するサーペンタインタイプの溝と屈曲を有さないストレートタイプの溝とがある。勿論、図５に示されるセパレータ２０において、このセパレータ２０にサーペンタインタイプのガス供給排出用の溝２が形成されてもよい。
【００２６】
セパレータ２０の寸法は適宜設定されるが、小型のセパレータ２０を得る観点からは厚みが０．８〜３．０ｍｍ範囲であることが好ましく、０．８〜２．５ｍｍであれば更に好ましい。またセパレータ２０の平面視寸法は１５〜２５０ｃｍ２の範囲であることが好ましい。セパレータ２０のガス供給排出用の溝２の幅は例えば０．５〜１．５ｍｍ、深さは例えば０．５〜１．５ｍｍの範囲に形成される。マニホールド１３の開口面積は例えば０．５〜５．０ｃｍ２の範囲に形成される。
【００２７】
ガスケット１２は、セパレータ２０の外周部分に、シーリングのために積層される。このガスケット１２はその略中央部に膜−電極複合体５における燃料電極３１や酸化剤電極３２を収容するための開口１５を有し、この開口１５においてセパレータ２０のガス供給排出用の溝２が露出する。ガスケット１２には、開口１５の外周側の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１４１が、酸化剤用マニホールド１３２に合致する位置に酸化剤用貫通孔１４２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１４３が、それぞれ形成されている。
【００２８】
膜−電極複合体５における電解質４にも、その外周部分の、前記セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１と合致する位置に燃料用貫通孔１６１が、酸化剤用マニホールド１３２と合致する位置に酸化剤用貫通孔１６２が、冷却用マニホールド１３３と合致する位置に冷却用貫通孔１６３が、それぞれ形成されている。
【００２９】
この単セル構造では、セパレータ２０の燃料用マニホールド１３１、ガスケット１２の燃料用貫通孔１４１、及び電解質４の燃料用貫通孔１６１が連通することで、燃料電極への燃料の供給及び排出のための燃料用流路が構成される。また、セパレータ２０の酸化剤用マニホールド１３２、ガスケット１２の酸化剤用貫通孔１４２、及び電解質４の酸化剤用貫通孔１６２が連通することで、酸化剤電極への酸化剤の供給及び排出のための酸化剤用流路が構成される。また、セパレータ２０の冷却用マニホールド１３３、ガスケット１２の冷却用貫通孔１４３、及び電解質４の冷却用貫通孔１６３が連通することで、冷却水等が流通する冷却用流路が構成される。
【００３０】
燃料電極３１と酸化剤電極３２、並びに電解質４は、燃料電池のタイプに応じた公知の材料で形成される。固体高分子型燃料電池の場合、燃料電極３１及び酸化剤電極３２は例えばカーボンクロス、カーボンペーパー、カーボンフェルト等の基材が触媒を担持することで構成される。燃料電極３１における触媒としては例えば白金触媒、白金・ルテニウム触媒、コバルト触媒等が挙げられ、酸化剤電極３２における触媒としては白金触媒、銀触媒等が挙げられる。また、固体高分子型燃料電池の場合、電解質４は例えばプロトン伝導性の高分子膜から形成され、特にメタノール直接型燃料電池の場合は例えばプロトン伝導性が高く、電子導電性やメタノール透過性を殆ど示さないフッ素系樹脂等から形成される。
【００３１】
ガスケット１２は、例えば天然ゴム、シリコーンゴム、ＳＩＳ共重合体、ＳＢＳ共重合体、ＳＥＢＳ、エチレン−プロピレンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、アクリロニトリル−ブタジエンゴム、水素化アクリロニトリル−ブタジエンゴム（ＨＮＢＲ）、クロロプレンゴム、アクリルゴム、フッ素系ゴム等などから選択されるゴム材料から形成される。このゴム材料には粘着付与剤が配合されてもよい。
【００３２】
セパレータ２０にガスケット１２を積層するにあたっては、例えば予めシート状又は板状に形成されたガスケット１２がセパレータ２０に接着や融着されるなどして接合される。セパレータ２０の表面上でガスケット１２を形成するための材料が成形されることによって、セパレータ２０にガスケット１２が積層されてもよい。例えば未加硫のゴム材料がスクリーン印刷等によりセパレータ２０の表面上の所定位置に塗布され、このゴム材料の塗膜を加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成される。前記加硫にあたっては、加熱、電子線などの放射線の照射、或いはその他適宜の加硫方法が採用される。この場合、薄型のセパレータ２０に対してもガスケット１２が容易に積層される。また、セパレータ２０が金型内にセットされ、このセパレータ２０の表面上の所定位置に未加硫のゴム材料が射出されると共にこのゴム材料が加熱されるなどして加硫されることで、セパレータ２０の表面上の所定位置に所望の形状のガスケット１２が形成されてもよい。このように金型成形によりガスケット１２が形成されるにあたっては、トランスファー成形、コンプレッション成形、インジェクション成形等の成形法が採用され得る。
【００３３】
セパレータ２０は、樹脂成分と黒鉛粒子とを含有する成形用材料の硬化物から形成される。
【００３４】
成形用材料は、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。すなわち、この成形用材料が、置換基−ＮＨ及び−ＮＨ２を有する化合物を含有しないことが好ましい。更に成形用材料は第三アミンを含有しないことが好ましい。このように成形用材料がアミンを含有しないと、成形用材料から形成されるセパレータ２０が燃料電池中の白金触媒を被毒することがなく、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。
【００３５】
成形用組成物が含有する樹脂成分は、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂のいずれでもよい。
【００３６】
熱可塑性樹脂としては、たとえばポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリプロピレン樹脂等が挙げられる。
【００３７】
熱硬化性樹脂が使用される場合、熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂は良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００３８】
熱硬化性樹脂全量に対するエポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂のみ、熱硬化性フェノール樹脂のみ、或いはエポキシ樹脂と熱硬化性フェノール樹脂のみを含むのであれば特に好ましい。
【００３９】
エポキシ樹脂は固形状であることが好ましく、特に融点が７０〜９０℃の範囲であることが好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。また、エポキシ樹脂として溶融粘度が低粘度の樹脂が選択されれば、成形用材料の良好な成形性が維持されつつ、成形用材料及びセパレータ２０中に黒鉛粒子が高充填され得る。尚、前記作用が発揮される範囲内でエポキシ樹脂の一部が液状であってもよい。
【００４０】
エポキシ樹脂としては、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂等が用いられることが好ましい。このオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂は、良好な溶融粘度を有すると共に不純物が少なく、特にイオン性不純物が少ない点で優れている。
【００４１】
特にエポキシ樹脂が、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂のみからなり、或いはオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂から選択される少なくとも一種からなる成分（第一成分という）を含むことが好ましい。オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂が必須の成分であると、成形用材料の成形性が向上すると共に、セパレータ２０の耐熱性が向上する。更に、製造コストが低減され得る。第一成分中のオルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂の割合は、前記成形性の向上、セパレータ２０の耐熱性の向上、製造コストの低減の観点から、５０〜１００質量％の範囲であることが好ましく、特に５０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４２】
オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と共に、ビスフェノール型エポキシ樹脂やビフェニル型エポキシ樹脂やビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が併用されることも好ましい。この場合、成形用材料の溶融粘度が更に低減し、更に薄型のセパレータ２０が作製される場合にはその靱性が向上し得る。
【００４３】
特にビスフェノールＦ型エポキシ樹脂が使用されると、成形用材料の粘度が低減し、成形用材料の成形性が特に高くなる。この場合の第一成分中におけるビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４４】
ビフェニル型エポキシ樹脂が使用されると、このビフェニル型樹脂は溶融粘度が低いため、成形用材料の流動性が著しく向上し、成形用材料の薄型成形性が特に向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニル型エポキシ樹脂の含有量は３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４５】
ビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂が使用されると、セパレータ２０の強度及び靱性が向上し、更にセパレータ２０の吸湿性が低減し得る。このため、セパレータ２０の機械的特性、導電性、並びに長期使用時の特性の安定性が向上する。この場合の第一成分中におけるビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂の割合は、３０〜５０質量％の範囲であることが好ましい。
【００４６】
成形用材料中の熱硬化性樹脂全量に対する第一成分の含有量は５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。
【００４７】
前記第一成分は熱硬化性樹脂中のエポキシ樹脂の少なくとも一部として成形用材料中に含有される。すなわち、この第一成分以外の他の熱硬化性樹脂として、例えば前記第一成分以外のエポキシ樹脂、熱硬化性フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、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用いられてもよい。但し、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おそれがあるため、使用されないことが望ましい。また、熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。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用いられることも好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられることが好ましい。４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが用いられると、セパレータ２０の耐熱性が更に向上する。
【００４８】
熱硬化性フェノール樹脂が用いられる場合には、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用いられることが好ましい。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が挙げられる。この場合は、成形用材料の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、このためセパレータ２０のガス透過性の低下が抑制される。また、レゾール型フェノール樹脂が用いられることも好ましく、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％の構造を有するレゾール型フェノール樹脂が用いられることが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、レゾール型フェノール樹脂の軟化点は容易に調整され得るため、融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が容易に得られる。融点が７０〜９０℃のレゾール型フェノール樹脂が使用されることで、成形用材料の変質が抑制され、成形時の成形用材料の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、成形用材料中で凝集が生じやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。
【００４９】
エポキシ樹脂及び熱硬化性フェノール樹脂以外の他の樹脂が併用されてもよい。例えばポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ビニルエステル樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が用いられてもよい。但し、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ため、使用されないことが望ましい。
【００５０】
熱硬化性樹脂として、セパレータ２０の耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂も適している。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も好ましく、その具体例として例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが挙げられる。このような樹脂が併用されることで、セパレータ２０の耐熱性が更に向上され得る。
【００５１】
エポキシ樹脂が使用される場合、樹脂成分は硬化剤を含有することが好ましく、この硬化剤はフェノール系化合物を含有することが好ましい。このフェノール系化合物としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾールノボラック型フェノール樹脂、多官能フェノール樹脂、アラルキル変性フェノール樹脂等が挙げられる。
【００５２】
硬化剤全量に対するフェノール系化合物の含有量は、エポキシ樹脂の使用量に依存して決定される。また、硬化剤がフェノール系化合物のみであれば特に好ましい。
【００５３】
フェノール系化合物以外の硬化剤が使用される場合、硬化剤として非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。この場合、セパレータ２０の電気伝導度が高い状態に維持されると共に、燃料電池の触媒の被毒が抑制される。硬化剤として酸無水物系の化合物が用いられないことも好ましい。酸無水物系の化合物が使用される場合は硬化物が硫酸酸性環境下等の酸性環境下で加水分解して、セパレータ２０の電気伝導度の低下が引き起こされたり、セパレータ２０からの不純物の溶出が増大してしまうおそれがある。
【００５４】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂が用いられる場合は、熱硬化性樹脂におけるエポキシ樹脂と硬化剤におけるフェノール系化合物とは、前記フェノール系化合物に対する前記エポキシ樹脂の当量比が０．８〜１．２の範囲となるように配合されることが好ましい。
【００５５】
炭素質粒子は、セパレータ２０の電気比抵抗を低減して、セパレータ２０の導電性を向上させるために使用される。炭素質粒子は黒鉛粒子であることが好ましい。黒鉛粒子としては、高い導電性を示すものであれば制限なく用いられ、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、適宜のものが用いられる。このような黒鉛粒子は、一種のみが用いられるほか、複数種が併用される。
【００５６】
黒鉛粒子は、人造黒鉛粉、天然黒鉛粉のいずれでもよい。天然黒鉛粉は導電性が高いという利点を有し、また人造黒鉛粉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。
【００５７】
黒鉛粒子は、天然黒鉛粉、人造黒鉛粉のいずれの場合であっても、精製されていることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品であるセパレータ２０からの不純物の溶出が抑制される。
【００５８】
黒鉛粒子は、精製されていることが好ましい。この場合は、黒鉛粒子中の灰分やイオン性不純物が低いため、セパレータ２０からの不純物の溶出が抑制される。黒鉛粒子における不純物である灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、灰分が０．０５質量％を超えると、セパレータ２０を備える燃料電池の特性が低下するおそれがある。
【００５９】
黒鉛粒子の平均粒径は１５〜１００μｍの範囲であることが好ましい。この平均粒径が１０μｍ以上であることで成形用材料の成形性が向上し、平均粒径が１００μｍ以下となることでセパレータ２０の表面平滑性が向上する。成形性の向上のためには、特に前記平均粒径が３０μｍ以上であることが好ましく、またセパレータ２０の表面平滑性が特に向上して後述するようにセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）が０．４〜１．６μｍの範囲、特に１．０μｍ未満となるためには前記平均粒径が７０μｍ以下であることが好ましい。特に前記平均粒径が３０〜７０μｍの範囲であることが好ましい。
【００６０】
特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、黒鉛粒子は１００メッシュ篩（目開き１５０μｍ）を通過する粒径を有することが好ましい。この黒鉛粒子中に１００メッシュ篩を通過しない粒子が含まれていると、成形用材料中に粒径の大きい黒鉛粒子が混入してしまい、特に成形用材料が薄型のシート状に成形される際の成形性が低下してしまう。
【００６１】
黒鉛粒子のアスペクト比は１０以下であることが好ましく、この場合、セパレータ２０に異方性が生じることが抑制される共に反りなどの変形も抑制される。
【００６２】
尚、セパレータ２０の異方性の低減に関しては、セパレータ２０における成形時の成形用材料の流動方向（セパレータ２０の厚み方向と直交する方向）と、この流動方向と直交する方向（セパレータ２０の厚み方向）との間での接触抵抗の比が、２以下となることが好ましい。
【００６３】
黒鉛粒子全体は、特に２種以上の粒度分布を有すること、すなわち黒鉛粒子全体が平均粒径の異なる２種以上の粒子群の混合物であることも好ましい。この明細書において、粒子群とは、黒鉛粒子全体のうちの少なくとも一部を構成する複数の粒子の集合を意味する。黒鉛粒子全体が、特に平均粒径１〜５０μｍの範囲の粒子群と、平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合物であることが好ましい。このような粒度分布を有する黒鉛粒子が用いられると、粒径の大きい粒子は表面積が小さいため、樹脂成分の含有量が少量であっても成形用材料の混練が可能になることが期待される。更に粒径の小さい粒子によって粒子同士の接触性が向上すると共に、セパレータ２０の強度向上も期待され、これにより、セパレータ２０の密度の向上、導電性の向上、ガス不透過性の向上、強度の向上等といった、性能の向上が図られる。平均粒径１〜５０μｍの粒子群と平均粒径３０〜１００μｍの粒子群との混合比は、適宜調整されるが、特に前者対後者の混合質量比が４０：６０〜９０：１０、特に６５：３５〜８５：１５であることが好ましい。
【００６４】
尚、黒鉛粒子の平均粒径は、レーザー回折・散乱式粒度分析計（日機装株式会社製のマイクロトラックＭＴ３０００ＩＩシリーズなど）でレーザー回折散乱法により測定される体積平均粒径である。
【００６５】
成形用材料中の黒鉛粒子の割合は、成形用材料中の固形分全体に対して７０〜８０質量％の範囲であることが好ましい。すなわち、板体６中の黒鉛粒子の割合は板体６全体に対して７０〜８０質量％の範囲であると共にそれに伴って板体６中の熱硬化性樹脂硬化物の含有量が２０〜３０質量％の範囲であることが好ましい。このように黒鉛粒子の割合が７０質量％以上であると、セパレータ２０に充分に優れた導電性が付与されと共に、セパレータ２０の機械的強度が充分に向上する。またこの割合が８０質量％以下であると、成形用材料に充分に優れた成形性が付与されると共にセパレータ２０に充分に優れたガス透過性が付与される。黒鉛粒子の割合が７５質量％以上であると共にそれに伴って熱硬化性樹脂硬化物の割合が２５質量％以下であれば更に好ましい。
【００６６】
成形用材料は、必要に応じて硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有してもよい。
【００６７】
硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、非アミン系の化合物が用いられることが好ましい。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り、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、あまり好ましくない。
【００６８】
但し、測定開始温度３０℃、昇温速度１０℃／分、保持温度１２０℃、保持温度での保持時間３０分の条件で加熱された場合の重量減少が５％以下であり、且つ２位に炭化水素基を有する置換イミダゾールが用いられることは、成形用材料の保存安定性が向上する点で好ましい。更に、特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、ワニス状に調製された成形用材料からシート状のセパレータ２０が形成される際の溶剤の揮発性、セパレータ２０の平滑性などが良好となる。この置換イミダゾールとして、特に２位の炭化水素基の炭素数が６〜１７の置換イミダゾールが使用されることが好ましく、その具体例としては、２−ウンデシルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、１−ベンジル−２−フェニルイミダゾール等が挙げられる。このうち、２−ウンデシルイミダゾール及び２−ヘプタデシルイミダゾールが好適である。これらの化合物は一種単独で用いられ、或いは二種以上が併用される。このような置換イミダゾールの含有量は適宜調整され、それにより成形硬化時間が調整され得る。この置換イミダゾールの含有量は好ましくは成形用材料中の熱硬化性樹脂と硬化剤の合計量に対して、０．５〜３質量％の範囲であることが好ましい。
【００６９】
また、硬化触媒として、好ましくはリン系化合物が用いられる。リン系化合物と前記置換イミダゾールとが併用されてもよい。リン系化合物の一例として、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が用いられると、セパレータ２０からの塩素イオンの溶出が抑制される。
【００７０】
成形用材料は、硬化促進剤として、次の［化１］で示される化合物を含有することも好ましい。この場合、セパレータ２０の耐湿性が向上する。しかも、この構造式（１）で示される化合物は、セパレータ２０のガラス転移温度の低下や、熱時剛性の低下や、連続成形性の悪化などを引き起こすことがない。むしろこの構造式［化１］で示される化合物が使用されることにより、セパレータ２０のガラス転移温度が上昇し、熱時剛性が向上し、更に成形用組成物の成形時の離型性が向上して連続成形性が向上し得る。
【００７１】
【化１】
【００７２】
更に、この構造式［化１］で示される化合物からは、イオン性不純物の溶出が生じにくい。このため、構造式［化１］で示される化合物が使用されることで、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。構造式［化１］で示される化合物からイオン性不純物の溶出が生じにくいのは、この化合物の酸解離定数（ｐＫａ）が小さいためであると推察される。
【００７３】
構造式［化１］で示される化合物の、硬化促進剤全量に対する割合は、２０〜１００質量％の範囲であることが好ましい。この割合が２０質量％未満であると、セパレータ２０のガラス転移温度（Ｔｇ）の上昇が充分ではないおそれがある。
【００７４】
このような硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくは成形用材料中のエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。
【００７５】
カップリング剤としては、特に制限されないが、成形用材料が第一アミン及び第二アミンを含有しないためには、アミノシランが用いられないことが好ましい。アミノシランが用いられると、燃料電池の触媒が被毒される恐れがあり好ましくない。カップリング剤としてメルカプトシランが用いられないことも好ましい。この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。
【００７６】
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、アルミニウム系のカップリング剤が挙げられる。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。
【００７７】
エポキシシランカップリング剤が使用される場合の使用量は、成形用材料の固形分中の含有量が０．５〜１．５質量％となる範囲であることが好ましい。この範囲において、カップリング剤がセパレータ２０の表面にブリードすることを充分に抑制することができる。
【００７８】
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れていてもよい。その場合の添加量は、黒鉛粒子の比表面積と、カップリング剤の単位質量当たりの被覆可能面積（カップリング剤によって被覆され得る面積）とを考慮して適宜設定される。カップリング剤の添加量は、特にカップリング剤の被覆可能面積の総量が黒鉛粒子の表面積の総量の０．５〜２倍の範囲となるように調整されることが好ましい。この範囲において、セパレータ２０の表面におけるカップリング剤のブリードが充分に抑制され、これにより金型表面の汚染が抑制される。
【００７９】
ワックス（内部離型剤）としては、特に制限されないが、１２０〜１９０℃で成形用材料中の熱硬化性樹脂及び硬化剤と相溶せずに相分離する内部離型剤が用いられることが好ましい。このような内部離型剤として、ポリエチレンワックス、カルナバワックス、及び長鎖脂肪酸系のワックスから選ばれる少なくとも一種が挙げられる。このような内部離型剤が成形用材料の成形過程で熱硬化性樹脂及び硬化剤と相分離することで、セパレータ２０の離型性が向上する。
【００８０】
内部離型剤の含有量は、板体６の形状の複雑さ、溝深さ、抜き勾配など金型面との離形性の容易さなどに応じて適宜設定されるが、成形用材料中の固形分全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲であることが好ましい。この含有量が０．１質量％以上であることで金型成形時にセパレータ２０が十分な離型性を発揮し、またこの含有量が２．５質量％以下であることでセパレータ２０の親水性が充分に高く維持される。このワックスの含有量は０．１〜１質量％の範囲であれば更に好ましく、０．１〜０．５質量％の範囲であれば特に好ましい。
【００８１】
セパレータ２０中のイオン性不純物の含有量は、成形用材料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以下とであることが好ましい。そのためには成形用材料のイオン性不純物の含有量が、成形用材料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以下であることが好ましい。この場合、セパレータ２０からのイオン性不純物の溶出が抑制され、このため不純物の溶出による燃料電池の起動電圧低下等の特性低下が抑制される。
【００８２】
セパレータ２０及び成形用材料のイオン性不純物の含有量が上記のように低減するためには、成形用材料を構成する熱硬化性樹脂、硬化剤、黒鉛、その他添加剤等の各成分のそれぞれのイオン性不純物の含有量が、各成分に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００８３】
イオン性不純物の含有量は、対象物（成形用材料、熱硬化性樹脂など）から溶出したイオン性不純物を含む抽出水中の、イオン性不純物の量に基づいて導出される。抽出水は、イオン交換水中に対象物が対象物１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合となるように投入された状態で、このイオン交換水及び対象物が９０℃で５０時間加熱されることで、得られる。抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィで評価される。この抽出水中のイオン性不純物量が対象物に対する質量比に換算されることで、対象物中のイオン性不純物の量が導出される。
【００８４】
成形用材料は、この組成物から形成されるセパレータ２０のＴＯＣ（ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下となるように調製されることが好ましい。
【００８５】
ＴＯＣは、イオン交換水中にセパレータ２０が、セパレータ２０の質量１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で投入され、このイオン交換水及びセパレータ２０が９０℃で５０時間加熱されることで得られる溶液から測定される数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳ Ｋ０１０２に準拠して島津製全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定され得る。測定にあたっては、サンプルの燃焼により発生したＣＯ２濃度が非分散型赤外線ガス分析法で測定され、これによりサンプル中の炭素濃度が定量される。炭素濃度が測定されることによって、間接的にセパレータ２０が含有する有機物質濃度が測定される。サンプル中の無機炭素（ＩＣ）、全炭素（ＴＣ）が測定されると、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。
【００８６】
上記のＴＯＣが１００ｐｐｍ以下であると、燃料電池の特性低下が更に抑制される。
【００８７】
ＴＯＣの値は、成形用材料を構成する各成分として高純度の成分が選択されたり、樹脂の当量比が調整されたり、成形時に後硬化処理が施されたりすることによって、低減され得る。
【００８８】
原料成分中には不純物として金属成分が混入している可能性があり、成形用材料及びセパレータ２０には不純物として原料成分に由来する金属成分、製造時に混入する金属成分などが混入している可能性がある。セパレータ２０に金属成分が混入していると、セパレータ２０の表面に金属酸化物（錆）が生じ、この金属酸化物から金属イオンが脱離する殊で、電解質４のプロトン伝導性の低下や電解質４の分解が引き起こされるおそれがある。また、この金属成分によりセパレータ２０の腐食電流が増大してしまう。そこで、セパレータ２０が製造されるにあたり、原料成分、成形用材料、及びセパレータ２０のうち少なくともいずれかに対し、金属成分の含有量を低減するための処理を施すことが好ましい。この場合、セパレータ２０の金属成分の含有量が低減する。特に、少なくとも成形用材料に対し、金属成分の含有量を低減するための処理施すことが好ましい。
【００８９】
原料成分に対する、金属成分の含有量を低減するための処理の一例として、原料成分中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理が挙げられる。原料成分のうち、特に黒鉛粒子に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、黒鉛粒子を、ｐＨ２以下の強酸性溶液を用いて洗浄する処理も挙げられる。強酸性溶液としては、例えば濃度６９質量％の濃硝酸と濃度３６質量％の濃塩酸とを体積比で１：３の割合で混合して得られる王水、濃度１５質量％以上の塩酸水、濃度１５質量％以上の硫酸水、及び濃度１５質量％以上の硝酸水から選ばれる少なくとも一種を使用することができる。この場合、黒鉛粒子中の金属成分の含有量が容易に低減される。前記塩酸水、硫酸水及び硝酸水の濃度は、操作性の観点から３０質量％以下であることが好ましい。
【００９０】
成形用材料に対する、金属成分の含有量を低減するための処理としては、原料成分に対する金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、成形用材料中の金属成分を磁石を用いて吸引する処理などが挙げられる。
【００９１】
前記のような原料成分が配合されることで成形用材料が調製され、この成形用材料が成形されることでセパレータ２０が得られる。成形用材料は、粒状、シート状等の適宜の形状に形成される。
【００９２】
成形用材料が粒状である場合には、上記のような原料成分が例えば攪拌混合機などで攪拌混合され、或いは更に整粒機などで整粒されることで、成形用材料が得られる。
【００９３】
成形用材料はシート状であってもよい。特に薄型のセパレータ２０が作製される場合には、シート状の成形用材料が使用されることが好ましい。シート状の成形用材料が使用されると、例えば０．２〜１．０ｍｍの厚みの薄型のセパレータ２０が容易に得られ、しかもこのセパレータ２０の厚み精度が高くなる。
【００９４】
シート状の成形用材料の調製のためには、まず上記のような原料成分を含有する液状の組成物が調製される。液状の組成物は必要に応じて溶媒を含有する。溶媒としては、たとえばメチルエチルケトン、メトキシプロパノール、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒が好ましい。溶媒は一種のみが用いられても二種以上が併用されてもよい。溶媒の使用量は成形性等を考慮して適宜設定されるが、好ましくは液状の組成物の粘度が１０００〜５０００ｃｐｓの範囲となるように調整される。尚、前記の通り溶媒は必要に応じて使用されていればよく、原料成分中の熱硬化性樹脂が液状樹脂である場合などには、溶媒が使用されなくてもよい。
【００９５】
この液状の組成物がシート状に成形されることで、シート状の成形用材料が得られる。液状の組成物が、例えばキャスティング（展進）成形によりシート状に成形されると共に、キャスティングにともなって加熱されることで乾燥され、或いは半硬化することにより、シート状の成形用材料が得られる。このシート状の成形用材料は、必要に応じて所定の平面寸法にカット（切断）もしくは打ち抜かれることで適当な寸法に形成される。
【００９６】
キャスティング法によりシート状の成形用材料が形成される際には、複数種の膜厚調節手段が適用され得る。このような複数種の膜厚調節手段が用いられるキャスティング法は、例えばすでに実用化されているマルチコータを用が用いられることで実現される。キャスティングのための膜厚調節手段としては、スリットダイとともに、ドクターナイフおよびワイヤーバーの少なくともいずれか、すなわちいずれか一方もしくは両方を用いることが好ましい。このシート状の成形用材料の厚みは、０．０５ｍｍ以上であることが好ましく、０．１ｍｍ以上であれば更に好ましい。また、この厚みは０．５ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以下であれば更に好ましい。このようにシート状の成形用材料の厚みが０．５ｍｍ以下であると、セパレータ２０の薄型化や軽量化、並びにそれによる低コスト化が達成され、特に厚みが０．３ｍｍ以下であれば溶媒を使用する場合のシート状の成形用材料内部の溶媒の残存が効果的に抑制される。またこの厚みが０．０５ｍｍ未満の場合にはセパレータ２０の製造にあたっての有利さが充分に発揮されなくなり、特に成形性を考慮するとこの厚みは０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００９７】
成形用材料のディスクフローは８０ｍｍ以上であることが好ましい。この場合、圧縮成形時の成形用材料の流動性が高くなり、このため成形時間の短縮化及び未充填の抑制が図れる。このディスクフローの上限は特に制限されないが、圧縮成形時の金型からの成形用材料の過度の流出を抑制する観点からは１００ｍｍ以下であることが好ましい。ディスクフローは、平面上の一箇所に３ｇの成形用材料を密集させて配置し、これを温度１７０℃、圧力５ＭＰａの条件で３０秒間圧縮した場合に形成される成形体の、長径（最も長い径）の測定値である。成形用材料のディスクフローは、成形用材料の組成を変更することで適宜調整し得る。例えば、成形用材料中の黒鉛含有量が減少すればディスクフローは増大し、黒鉛含有量が増大すればディスクフローは減少する。成形用材料中の硬化促進剤の含有量が減少すればディスクフローは増大し、成形用材料中の硬化促進剤の含有量が増大すればディスクフローは低減する。更に成形用材料中の成分の種類が適宜変更されると、それに応じてディスクフローが増減する。
【００９８】
成形用材料が成形されることで、セパレータ２０が得られる。成形法としては、圧縮成形が採用される。
【００９９】
図１に、セパレータ２０を製造するために用いられる圧縮成形金型３の例を示す。この圧縮成形金型３は、互いに対向する第一の型板３０１と第二の型板３０２とを備える。第一の型板３０１には、成形用材料が供給される複数の凹部３０３が形成され、この凹部３０３の各々の底面には、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に第一の型板３０１には複数の凹部３０３の各々の底面で開口する複数の通孔３０５が形成されている。本実施形態では、一つの第一の型板３０１に四個の凹部３０３が形成されている。第一の型板３０１において四個の凹部３０３は二行二列に配列されている。
【０１００】
圧縮成形金型３は、エジェクタピン３０６及びエジェクタプレート３０７も備える。第一の型板３０１における複数の通孔の各々にはエジェクタピン３０６が挿入されている。複数のエジェクタピン３０６はエジェクタプレート３０７に連結されている。
【０１０１】
第二の型板３０２には、第一の型板３０１における複数の凹部３０３の各々と対向する領域に、セパレータ２０に形成されるガス供給排出用の溝２に対応する突条３０４が形成されている。更に、前記の領域の各々には、セパレータ２０の複数の各マニホールド１３に対応する複数の凸部３０８が形成されている。
【０１０２】
このように第一の型板３０１と第二の型板３０２の双方に突条３０４が形成されていると、圧縮成形により両面にガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０が得られる。尚、片面のみにガス供給排出用の溝２が形成されているセパレータ２０を得る場合には、第一の型板３０１と第二の型板３０２のうち一方のみに突条３０４が形成される。
【０１０３】
第一の型板３０１と第二の型板３０２とが型締めされると、第一の型板３０１と第二の型板３０２との間には、セパレータ２０の形状と合致する複数の空間（成形空間３０９）が形成される。成形空間３０９は凹部３０３の内側に形成される。成形空間３０９の各々と、これと隣接する別の成形空間３０９とは、連通空間３１０により連通している。連通空間３１０は隣り合う成形空間３０９の間の隙間を埋めるように形成され、且つ全ての成形空間３０９に連通するように形成されている。このため、圧縮成形金型３が型締めされると、第一の型板３０１と第二の型板３０２との間には、複数の成形空間３０９とこれらの成形空間３０９に連通する連通空間３１０とを備える一つの空洞３１１が形成される。
【０１０４】
成形空間３０９は、セパレータ２０の形状に合致した形状を有する。成形空間３０９の形状及び寸法は、所望の形状及び寸法を有するセパレータ２０が得られるように適宜設定されるが、小型のセパレータ２０を得る観点からは、厚みが０．８〜３．０ｍｍ範囲であることが好ましく、０．８〜２．５ｍｍであれば更に好ましい。また成形空間３０９の平面視寸法は１５〜２５０ｃｍ２の範囲であることが好ましい。
【０１０５】
連通空間３１０の厚みは成形空間３０９の厚みと比較して小さいことが好ましい。具体的には連通空間３１０の厚みは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲であることが好ましく、０．３〜０．８ｍｍの範囲であれば更に好ましい。また、連通空間３１０の幅（すなわち、隣り合う成形空間３０９の間の間隔）は、特に制限されないが、０．３〜０．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【０１０６】
圧縮成形金型３内に形成される成形空間３０９の数は特に制限されないが、セパレータ２０の生産性向上のためには本実施形態のように四個或いはそれ以上であることが好ましい。例えば圧縮成形金型３内に、六個、八個、九個、或いはそれ以上の複数の成形空間３０９と、これら複数の成形空間３０９を互いに接続する連通空間３１０とが形成されてもよい。
【０１０７】
圧縮成形によるセパレータ２０の製造にあたっては、適宜の量の成形用材料が、第一の型板３０１上の空洞３１１が形成される領域に供給される。シート状の成形用材料が使用される場合には、セパレータ２０の厚み等に応じて１枚のシート状の成形用材料が使用され、或いは第一の型板３０１上に複数枚のシート状の成形用材料が重ねられる。本実施形態では一つの空洞３１１内で複数のセパレータ２０が形成されるため、成形用材料は空洞３１１が形成される領域に配置されていれば、個々のセパレータ２０ごとに小分けして配置されるような必要はない。このため圧縮成形金型３への成形材料の供給が容易である。
【０１０８】
第一の型板３０１及び第二の型板３０２は、成形可能な温度に保持される。第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型締めされることで、成形用材料が圧縮成形される（図１（ａ））。これにより、空洞３１１内で成形体２１が形成される。成形条件は、成形用材料の組成に応じて適宜調整されるが、例えば成形温度１２０〜１９０℃、成形圧力１〜４０ＭＰａ、成形時間１〜１０分間の条件に調整される。
【０１０９】
このようにして圧縮成形金型３内で成形体２１が形成されたら、必要に応じて第一の型板３０１及び第二の型板３０２が冷却され、更に第一の型板３０１及び第二の型板３０２が型開きされる。これにより、成形体２１は第一の型板３０１上に残存する。続いて、エジェクタプレート３０７が駆動されることでエジェクタピン３０６が凹部３０３の底面から突出し、これにより成形体２１が第一の型板３０１から取り外される。
【０１１０】
成形体２１は、図２に示すように、成形空間３０９内で形成された複数（四個）の部位（セパレータ部位２２）と、連通空間３１０内で形成された部位（連結部位２３）とを備える。成形体２１は複数のセパレータ部位２２と連結部位２３とが連結した形状を有する。
【０１１１】
成形体２１に切断処理が施されることで、成形体２１から複数（本実施形態では四個）のセパレータ２０が切り出される。切断処理は、レーザー加工、打ち抜き加工、カッターの使用、ルーター加工など適宜の手法でおこなわれる。特に切断処理はウォータージェット加工により施されることが好ましく、この場合、成形体２１が効率良く切断されると共に、切断面の平滑性が高くなる。更に、ウォータージェット加工時には粉塵が飛散しにくくなり、このためセパレータ２０への粉塵の付着によるセパレータ２０表面の親水性の低下が抑制される。
【０１１２】
切断処理にあたっては、セパレータ部位２２と連結部位２３とが切り離される。連結部位２３の幅寸法が小さい場合（例えばこの幅寸法が０．３〜０．５ｍｍの範囲の場合）には成形体２１が連結部位２３で切断されてもよく、この場合は隣り合うセパレータ部位２２間で連結部位２３が取り除かれることで隣り合うセパレータ部位２２同士が切り離される。これにより、成形体２１からセパレータ２０が切り出される。
【０１１３】
セパレータ２０には、ブラスト処理が施されるなどして、表層のスキン層が除去されると共にこのセパレータ２０の表面粗さが調整されることが好ましい。
【０１１４】
ブラスト処理が、切断処理が施される前の成形体２１に対して施されることも好ましい。すなわち、成形体２１にブラスト処理が施されてから、この成形体２１が切断されることでセパレータ２０が得られてもよい。特に小型のセパレータ２０に対してブラスト処理が施される場合には重量の小さいセパレータ２０を安定して保持しながらこのセパレータ２０に対して砥粒などを噴射することが難しくなる。またセパレータ２０のサイズに応じて特殊な搬送設備が必要となる場合もある。これに対して、成形体２１にブラスト処理を施せば、成形体２１を安定して保持した状態でブラスト処理を施すことが可能となり、また特殊な搬送設備を用意する必要性も低くなる。
【０１１５】
セパレータ２０の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）は、０．４〜１．６μｍの範囲に調整されることが好ましい。この場合、セパレータ２０の腐食電流が小さくなり、セパレータ２０の耐食性が向上する。更に、セパレータ２０とガスケット１２との接合部でのガスリークが抑制される。このためウエットブラスト処理時にセパレータ２０におけるガスケット１２と接合する部位をマスクする必要がなくなり、セパレータ２０の生産効率が向上する。尚、前記算術平均高さＲａが０．４μｍ未満となることは困難であり、またこの値が１．６μｍより大きいと前記ガスリークが充分に抑制されなくなるおそれがある。このセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは特に１．２μｍ以下であることが好ましい。更にこのセパレータ２０の表面の算術平均高さＲａが１．０μｍ未満であると、前記ガスリークが特に抑制され、セパレータ２０の薄型化に伴ってセルスタック作製時の締結力が低くなっても、前記ガスリークが充分に抑制される。セパレータ２０の表面の算術平均高さＲａは前記のとおり０．４μｍ以上であることが好ましく、０．６μｍ以上であれば更に好ましい。
【０１１６】
セパレータ２０の表面の接触抵抗は１５ｍΩｃｍ２以下であることが好ましい。この場合、燃料電池で発電された電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ２０の機能が高いレベルで維持される。
【０１１７】
前記ブラスト処理時には、セパレータ２０或いは成形体２１にウエットブラスト処理が施されると共に、この処理においてアルミナ粒子等の砥粒を含むスラリーから磁石で金属成分が吸引されることが好ましい。ブラスト処理に用いられる砥粒には不純物として金属成分が混入している可能性があり、またブラスト処理時に砥粒を含むスラリーに金属成分が混入することがある。このような金属成分を含むスラリー用いてブラスト処理が施されると、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に砥粒から金属成分が打ち込まれてしまう。しかし、前記のようにスラリーから磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によりウエットブラスト処理が施されると、ブラスト処理時にセパレータ２０或いは成形体２１に金属成分が付着しにくくなる。すなわち、ウエットブラスト処理によってスキン層の除去や表面粗さの調整などがされつつ、このウエットブラスト処理時に、スラリー中の砥粒に含まれる金属異物などの金属成分がセパレータ２０或いは成形体２１へ打ち込まれにくくなる。また、このウエットブラスト処理において、スラリーが循環されながら繰り返し使用されると共に、このスラリーの循環時にスラリーから金属成分が磁石などで吸引されると、スラリー中の砥粒から磁石により金属成分が吸引されながら、この砥粒によってウエットブラスト処理が施される。
【０１１８】
更に、黒鉛粒子の金属成分の含有量を低減するための処理と同様に、セパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が磁石によって吸引されてもよい。この場合、例えばセパレータ２０或いは成形体２１が一対の磁石の間に配置されることで、セパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が吸引される。尚、磁石を用いた吸引以外の適宜の方法でセパレータ２０或いは成形体２１から金属成分が除去されてもよい。但し、強酸性溶液によって洗浄する方法ではセパレータ２０或いは成形体２１を構成する樹脂が溶解してしまうおそれがあり、また超音波洗浄ではセパレータ２０或いは成形体２１から黒鉛粒子が脱離してしまうおそれがあるため、好ましくない。
【０１１９】
ウエットブラスト処理後のセパレータ２０或いは成形体２１はイオン交換水等で洗浄されてもよい。
【０１２０】
以上のようにして得られるセパレータ２０における、金属成分の付着の程度は、このセパレータ２０を９０℃の温水で１時間洗浄した後、９０℃の温度で１時間加熱乾燥する処理を施した後に、このセパレータ２０の表面を観察することで確認される。セパレータ２０に金属成分が付着していると、前記処理によりセパレータ２０の表面に金属酸化物（錆）が生成する。前記処理後のセパレータ２０の表面が目視で観察されても前記金属酸化物（錆）の存在が確認されないことが好ましい。特に、前記処理後のセパレータ２０の表面に、直径１００μｍより大きい金属酸化物が存在しないことが好ましく、直径５０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ更に好ましい。また、直径３０μｍより大きい金属酸化物が存在しなければ特に好ましい。
【０１２１】
また、このセパレータ２０の表面に表出しているＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。更に、このセパレータ２０の表面に表出しているＣｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎの総量が０．０１μｇ／ｃｍ２以下となっていることが好ましい。
【０１２２】
セパレータ２０或いは成形体２１には、ウエットブラスト処理に続いて大気圧プラズマ処理が施されることも好ましい。このようにセパレータ２０或いは成形体２１における水酸基が分布する表面に対してウエットブラスト処理と大気圧プラズマ処理とが施されると、セパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が向上すると共に、この高い親水性が長期に亘って維持されるようになる。この親水化のメカニズムの詳細は不明であるが、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に水酸基が分布することでこの表面に水分が吸着して官能基が生成しやすくなり、更に大気圧プラズマ処理により、セパレータ２０或いは成形体２１の表面から汚染物質が除去されて活性の高い状態となると共にこの活性化された表面に水酸基等の親水性の官能基が導入されて、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に親水性の官能基が多く形成し、このことが親水性向上に寄与していると考えられる。
【０１２３】
成形体２１に対してウエットブラスト処理が施される場合には、この成形体２１に切断処理が施されることでセパレータ２０が得られた後、このセパレータ２０に対して大気圧プラズマ処理が施されてもよいが、成形体２１に対して大気圧プラズマ処理が施される方が好ましい。成形体２１に対して大気圧プラズマ処理が施されると、小型のセパレータを取り扱う場合と比べて、搬送などの手間が削減される。
【０１２４】
ウエットブラスト処理後のセパレータ２０或いは成形体２１には、大気圧プラズマ処理に先立って乾燥処理が施されることが好ましい。この場合、水分子によってセパレータ２０或いは成形体２１への大気圧プラズマ処理が阻害されることが抑制され、大気圧プラズマ処理の効率が向上する。この乾燥処理では、セパレータ２０或いは成形体２１がエアブローなどにより風乾されることが好ましい。風乾にあたっては、例えば必要に応じて常温若しくは温風によるエアブローがおこなわれ、或いは常温でのエアブローの後に温風によるエアブローが追加的に施される。また、乾燥処理にあたっては、セパレータ２０或いは成形体２１がシリカゲル等の乾燥剤を入れたデシケータ中に静置される方法、セパレータ２０或いは成形体２１が室温以上（例えば５０℃）の温度の乾燥機中に静置される方法、真空乾燥機によってセパレータ２０或いは成形体２１から水分が除去される方法等が採用されてもよい。この乾燥処理により、セパレータ２０或いは成形体２１が、吸湿率０．１％以下になるまで乾燥されることが好ましい。
【０１２５】
セパレータ２０或いは成形体２１への大気圧プラズマ処理は、リモート方式での大気圧プラズマ処理であることが好ましい。リモート方式での大気圧プラズマ処理では、例えば図３に示されるような、吹き出し口９を有する放電空間１０と、この放電空間１０に電界を発生させるための放電用電極６，６とを備えるプラズマ処理装置が用いられる。このプラズマ処理装置では、放電空間１０にプラズマ生成用ガス７が供給されると共にこの放電空間１０内の圧力が大気圧近傍に維持され、更に放電用電極６，６間に電圧が印加されて放電空間１０に放電が発生すると、放電空間１０内でプラズマが生成する。このプラズマを含むガス流８を吹き出し口９から吹き出してセパレータ２０或いは成形体２１に吹き付けられることによって、プラズマ処理がおこなわれる。このようなプラズマ処理装置としては、例えば積水化学工業株式会社製のＡＰＴシリーズが挙げられるが、パナソニック電工株式会社、ヤマトマテリアル株式会社などから提供されている適宜のプラズマ処理装置が用いられてもよい。
【０１２６】
このようなリモート方式のプラズマ処理が採用することで、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に向けてプラズマが吹き付けられ、このためセパレータ２０或いは成形体２１のガス供給排出用溝２の内面まで充分に処理がなされる。またプラズマ処理時にセパレータ２０或いは成形体２１が放電に直接曝されなくなり、このためセパレータ２０或いは成形体２１がプラズマ処理時に損傷しにくくなる。
【０１２７】
尚、大気圧プラズマ処理として、処理対象１１の周囲にプラズマ生成用ガス７を供給すると共にこの処理対象１１の周囲で放電用電極６，６により放電を生じさせてプラズマを生成するダイレクト方式（図４参照）が採用されてもよい。但し、放電によるセパレータ２０或いは成形体２１の損傷を抑制する観点、並びに処理効率を向上する観点からは、リモート方式が採用される方が好ましい。
【０１２８】
リモート方式での大気圧プラズマ処理は、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に所望の親水性を付与できるように適宜設定された条件でおこなうことができる。この大気圧プラズマ処理におけるプラズマ生成用ガス７は、窒素ガスであることが好ましく、特にこの窒素ガス中の酸素含有量が２０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、大気圧プラズマ処理によってセパレータ２０或いは成形体２１に特に高い親水性が付与される。
【０１２９】
また、この大気圧プラズマ処理は、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に結露が生じないようにセパレータ２０或いは成形体２１の温度及び雰囲気温度が調整された条件下で行われることが好ましい。この場合、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に付着した水滴によりプラズマが消費されてしまうことを防止して、処理効率を向上することができる。セパレータ２０或いは成形体２１の温度は、前記のとおりこのセパレータ２０或いは成形体２１の表面に結露が生じない温度（露点温度）以上であることが好ましく、安定した大気圧プラズマ処理のためには７０℃以下であることが好ましい。大気圧プラズマ処理の安定のためには、セパレータ２０或いは成形体２１の温度及び雰囲気温度が一定に保たれることも重要である。雰囲気温度の調節にあたっては、通常、プラズマ処理装置のプラズマユニット部分の温度が調節され、プラズマ処理装置の構成によってはプラズマ処理時にセパレータ２０或いは成形体２１を支える台の温度が調節される。
【０１３０】
大気圧プラズマ処理後のセパレータ２０或いは成形体２１は、そのまま大気中に放置してもよいが、イオン交換水などの水に浸漬するなどして、このセパレータ２０或いは成形体２１の表面と水とを接触させることが好ましい。この場合、セパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が更に向上する。その詳細なメカニズムは明らかではないが、大気圧プラズマ処理によって活性化されたセパレータ２０或いは成形体２１の表面に水分子が吸着することに起因してセパレータ２０或いは成形体２１の表面の親水性が向上すると考えられる。
【０１３１】
セパレータ２０或いは成形体２１にウエットブラスト処理及び大気圧プラズマ処理が施される場合には、ガス供給排出用溝２の幅Ａと深さＢとの比Ａ／Ｂが１以上であることが好ましい。この場合、ウエットブラスト処理時のスラリーや、大気圧プラズマ処理時のプラズマを含むガス流８がガス供給排出用溝２の内部に行き渡りやすくなる。これにより表面処理の均一性が更に高くなってガス供給排出用溝２の内面が充分に親水化される。前記比Ａ／Ｂの値の上限は特に制限されないが、ガス供給排出用溝２を高密度に形成するためには、実用上、１０以下であることが好ましい。
【０１３２】
表面処理により、処理後のセパレータ２０或いは成形体２１の表面の水との静的接触角が０°〜５０°の範囲となるようにすることが好ましい。この静的接触角は特に０°〜１０°の範囲であることが好ましく、０°〜５°の範囲であれば更に好ましい。この水との静的接触角は、表面処理条件を適宜設定することにより調整することができる。これにより、セパレータ２０或いは成形体２１の表面に充分に高い親水性を付与することができる。
【０１３３】
表面処理により、セパレータ２０或いは成形体２１の前記表面処理された面の接触抵抗が１５ｍΩｃｍ２以下となるようにすることが好ましい。この接触抵抗も、表面処理条件を適宜設定することにより調整することができる。これにより、燃料電池で発電した電気エネルギーを外部へ伝達するというセパレータ２０の機能を高いレベルで維持することができる。
【０１３４】
図６は複数の単セルからなる燃料電池４０（セルスタック）の一例を示す。この燃料電池４０は、燃料用流路に連通する燃料の供給口１７１及び排出口１７２と、酸化剤用流路に連通する酸化剤の供給口１８１及び排出口１８２と、冷却用流路に連通する冷却水の供給口１９１及び排出口１９２とを有する。
【０１３５】
この燃料電池４０の燃料の供給口１７１から水素ガス等の燃料が、酸化剤の供給口１８１から酸素ガス等の酸化剤が、それぞれ供給されることにより、燃料電池４０が作動する。燃料電池４０が作動する間、燃料電池に冷却水の供給口１９１から冷却水が供給され、このため、燃料電池の温度が運転のための適正な温度に調節される。冷却水としては、純水が使用されることが好ましい。
【実施例】
【０１３６】
各実施例につき、表１に示す原料成分を用意し、これらの原料成分を表に１示す割合で攪拌混合機（ダルトン製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に入れて攪拌混合し、得られた混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕した。これにより、成形用材料を得た。
【０１３７】
図１に示す構造を有する圧縮成形金型３を用意した。この圧縮成形金型３内には２行２列に配列する四個の成形空間３０９が形成される。各成形空間３０９の寸法は、平面視１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み２ｍｍであり、連通空間３１０の寸法は幅０．３ｍｍ、厚み０．８ｍｍである。
【０１３８】
この圧縮成形金型３に成形用材料を供給し、金型温度１７０℃、成形圧力３５．３ＭＰａ、成形時間２分の条件で圧縮成形した。これにより成形体２１を得た。
【０１３９】
この成形体２１の表面に、マコー株式会社製のウエットブラスト処理装置（形式ＰＦＥ−３００Ｔ／Ｎ）を用い、砥粒としてアルミナ粒子を含むスラリー用いてブラスト処理を施した後、イオン交換水で洗浄し、更に温風乾燥した。この処理後の成形体２１の表面の算術平均高さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１）を測定した結果を表１に示す。
【０１４０】
続いて、成形体２１に対してリモート方式での大気圧プラズマ処理を施した。プラズマ処理装置としては積水化学工業株式会社製のＡＰ−Ｔシリーズを使用した。処理条件は、処理幅３００ｍｍ、プラズマユニット数１、サンプル−電極間距離３ｍｍ、プラズマ生成用ガス種は窒素、ガス中の酸素含有量１０００ｐｐｍ、ガス流量１５０Ｌ／分、搬送速度０．２５ｍ／分、処理時温度（成形体２１の温度）２５℃とした。大気圧プラズマ処理後、成形体２１をイオン交換水中に浸漬した。
【０１４１】
続いて、この成形体２１に切断処理を施すことで、四個のセパレータ２０を得た。切断処理にあたっては、各実施例において表１に示す方法を採用した。表１において、ウォータジェット加工はイオン交換水を用い、加工幅０．３ｍｍ、水圧３００ＭＰａ、搬送速度１００ｍｍ／ｓの条件で実施した。ルーター加工は、ドリル径０．３ｍｍ、回転速度２４０００ｒｐｍ、搬送速度２０ｍｍ／ｓの条件で実施した。
【０１４２】
以上により、平面視１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み２．０ｍｍの寸法を有するセパレータ２０を得た。セパレータ２０の一面には圧縮成形時に長さ５０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍのガス供給排出用の溝を形成した
［ディスクフロー評価］
各実施例において用いられた成形用材料のディスクフローを、上述の方法で測定した。その結果を表１に示す。
【０１４３】
［充填性評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の外観を目視で観察することで、未充填の有無を確認した。各実施例で１０個のサンプルにつき評価をおこない、未充填の認められた不良数で評価した。その結果を表１に示す。
【０１４４】
［寸法精度評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の四隅の位置及び中央の位置の合計５点の厚みをマイクロメーターで測定し、測定値の最大値と最小値との差で評価した。その結果を表１に示す。
【０１４５】
［切断面評価］
各実施例で得られたセパレータ２０の切断面を観察し、外観について目視により異常の有無について評価行ったその結果を表１に示す。
【０１４６】
［静的接触角評価］
各実施例で得られたセパレータ２０を水平に配置し、このセパレータ２０の凸部（リブ）１ａの上にスポイトでイオン交換水を垂らし、協和界面科学株式会社製の測定器（品番「ＣＡ−Ｗ１５０」）を用いて、水との静的接触角を測定した。
【０１４７】
【表１】
【０１４８】
表中の各成分の詳細は次の通りである。
・熱硬化性樹脂Ａ：クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（日本化薬社製「ＥＯＣＮ−１０２０−７５」、エポキシ当量１９９、融点７５℃）
・硬化剤Ａ：ノボラック型フェノール樹脂（群栄化学社製「ＰＳＭ６２００」、ＯＨ当量１０５）
・硬化剤Ｂ：多官能フェノール樹脂（明和化成株式会社製「ＭＥＨ−７５００」、ＯＨ当量１００）
・硬化促進剤Ａ：トリフェニルホスフィン（北興化学社製「ＴＰＰ」）
・硬化促進剤Ｂ：構造式（１）で示される化合物。
・黒鉛粒子Ａ：平均粒子径５０μｍ、天然黒鉛。
・黒鉛粒子Ｂ：平均粒子径５０μｍ、人造黒鉛。
・カップリング剤：エポキシシラン（日本ユニカー社製「Ａ１８７」）
・ワックス：天然カルナバワックス（大日化学社製「Ｈ１−１００」、融点８３℃）
【符号の説明】
【０１４９】
２０ 燃料電池用セパレータ
２１ 成形体
３ 圧縮成形金型
３０９ 成形空間
３１０ 連通空間
３１１ 空洞
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す
燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記成形用材料のディスクフローが８０ｍｍ以上である請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記成形体をウォータージェット加工により切断する請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される圧縮成形金型を用意し、
前記圧縮成形金型を用いて前記成形用材料を圧縮成形する
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
成形体の表面にウエットブラスト処理を施してからリモート方式での大気圧プラズマ処理を施す請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法により製造された燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型。
【請求項１】
黒鉛粒子と樹脂成分とを含有し、前記黒鉛粒子の割合が７０〜８０質量％の範囲である成形用材料を準備し、
前記成形用材料を圧縮成形することで成形体を形成し、
前記成形体を切断することで前記成形体から複数個の燃料電池用セパレータを切り出す
燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記成形用材料のディスクフローが８０ｍｍ以上である請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記成形体をウォータージェット加工により切断する請求項１又は２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される圧縮成形金型を用意し、
前記圧縮成形金型を用いて前記成形用材料を圧縮成形する
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
成形体の表面にウエットブラスト処理を施してからリモート方式での大気圧プラズマ処理を施す請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法により製造された燃料電池用セパレータ。
【請求項７】
燃料電池用セパレータの形状に合致する複数の成形空間と、複数の前記成形空間に連通する連通空間とを備える空洞が内部に形成される燃料電池用セパレータ製造用圧縮成形金型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２２７０１２（Ｐ２０１２−２２７０１２Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９４２７１（Ｐ２０１１−９４２７１）
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２０日（２０１１．４．２０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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