燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ
【課題】燃料電池用セパレータに優れた電気的性質や機械的性質、リン酸に対する高い耐腐食性、及び耐熱性を簡易に付与することのできる燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】成形材料を使用した成形法により曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する製法であり、成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とする。成形材料としてポリフェニルサルホン樹脂を用い、このポリフェニルサルホン樹脂に炭素系の導電性材料を添加するので、リン酸に対する高い腐食性を確保できる。
【解決手段】成形材料を使用した成形法により曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する製法であり、成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とする。成形材料としてポリフェニルサルホン樹脂を用い、このポリフェニルサルホン樹脂に炭素系の導電性材料を添加するので、リン酸に対する高い腐食性を確保できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特にリン酸形の燃料電池のセパレータの製造に好適な燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年注目されている燃料電池は、水素と酸素との化学反応により生じるエネルギーを電力として取り出す装置で、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量が少なく、排出物の殆んどが水であり、発電効率が高いクリーンな発電システムであるという特徴を有している。この燃料電池は、使用される電解質の種類により、一般的な固体高分子形、古くから研究されているリン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、今後の開発が注目される固体酸化物形等に分類される。
【０００３】
これらの中でも、リン酸形（リン酸型ともいう）の燃料電池（ＰＡＦＣ）は、電力出力と排熱出力との比が１：１であるので、電力の他、排出熱をも利用可能なコージェネレーションとして提案されており、既にオフィスビル、ホテル、病院、工場等のコージェネレーションシステムとして実用化されている。具体的には、例えば９０℃の高温水が冷暖房に使用され、５０℃の温水が給湯予熱に使用されている。
【０００４】
このリン酸形の燃料電池は、電解質に高濃度のリン酸を使用して１５０〜２００℃の温度で作動するが、リン酸が１００℃以上で非常に強い縮合リン酸となり、２００℃前後で殆んど全ての金属を腐食させる超酸となる関係上、構成部品である燃料電池用セパレータには、優れた電気的性質（導電性）や機械的性質（曲げ強度）の他、リン酸に対する高い耐腐食性や耐熱性が要求される。
【０００５】
この燃料電池用セパレータとしては、金属系、樹脂／導電性材料複合系、黒鉛系が提案され、実施されてきた。金属系の燃料電池用セパレータは、優れた電気的性質や機械的性質、耐熱性を有し、固体高分子形として使用することができるものの、リン酸に対する腐食性に問題が生じる。
【０００６】
樹脂／導電性材料複合系の燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂をバインダー樹脂として使用し、このバインダー樹脂と、金属、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、炭素繊維等からなる導電性材料とを混合した成形材料の成形により製造されるセパレータである。
【０００７】
熱可塑性樹脂がバインダー樹脂の燃料電池用セパレータとしては、ポリプロピレン樹脂と導電性充填材とからなるセパレータ（特許文献１参照）、シンジオタクチックポリスチレン樹脂と黒鉛粉とからなる固体高分子形のセパレータ（特許文献２参照）、ポリアリーレンサルファイド及び又は液晶ポリマーである熱可塑性樹脂に黒鉛を添加した組成物からなるセパレータ（特許文献３参照）等があげられる。これに対し、熱硬化性樹脂がバインダー樹脂の燃料電池用セパレータとしては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの混合系に、粉状黒鉛を添加したセパレータが該当する（特許文献４参照）。
【０００８】
このような樹脂／導電性材料複合系の燃料電池用セパレータは、金属系と同様に固体高分子形として使用することができるものの、リン酸に対する腐食性や耐熱性に問題がある。そこで、リン酸形の燃料電池用セパレータは、リン酸に対する高い腐食性を有する黒鉛系が従来より実施されてきた。このリン酸形の燃料電池用セパレータは、黒鉛のシートがプレス成形された後、燃料と酸化剤とを供給したり、あるいは発電時に生成した生成水を排出する流路が溝形に切削加工されることにより製造される。
【０００９】
しかしながら、リン酸形の燃料電池用セパレータは、リン酸に対する腐食性を有するが、機械的性質が低いので、切削加工時やスタック組立時に破損するおそれがある。また、プレス成形後に複雑な流路が切削加工されるので、製造コストが高く、高価になるという問題がある。
【００１０】
これらの点に鑑み、係るリン酸形の燃料電池用セパレータとして、（１）フェノール樹脂及び膨張黒鉛を含有する成形体中の樹脂分の炭化により得られるセパレータ（特許文献５参照）、（２）鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、マグネシウム、これらを基とする合金、ステンレス鋼である基板上にクロムオキシカーバイト又はクロムオキシカーバイトを主成分とする皮膜を備えたセパレータ（特許文献６参照）が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６‐１２７９８号公報
【特許文献２】特開２００６‐３３９０６９号公報
【特許文献３】特開２００６‐３０７０１７号公報
【特許文献４】特許第３９２５８０６号公報
【特許文献５】特開２００１‐７６７３９号公報
【特許文献６】特開２００６‐２７８０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、（１）の方法の場合には、フェノール樹脂及び膨張黒鉛を含有する組成物を一旦成形した後、成形体中の樹脂分を炭化させるため、２００℃以上の高温で長時間加熱しなければならないので、製造工程の複雑化を招き、しかも、炭化処理中に成形体が反ったり、クラックが生じたり、破損するおそれがある。また、（２）の方法の場合には、基板上に皮膜を形成する特殊な装置を必要とするので、コストや価格の上昇を招くこととなる。さらに、皮膜に損傷や剥離が発生したときに基板がリン酸で腐食し、しかも、リン酸に対する高い腐食性を確認することもできない。
【００１３】
本発明は上記に鑑みなされたもので、燃料電池用セパレータに優れた電気的性質や機械的性質、リン酸に対する高い耐腐食性、及び耐熱性を簡易に付与することのできる燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明においては上記課題を解決するため、成形材料を使用した成形法により、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とすることを特徴としている。
【００１５】
なお、成形材料を粉体状とするとともに、導電性材料を黒鉛とし、この成形材料をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度の金型に充填し、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形した後、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型することができる。
【００１６】
また、燃料電池用セパレータの表面性や体裁等を整えるため、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して成形材料を調製することができる。
また、リン酸を用いて１５０〜２００℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造することができる。
【００１７】
また、本発明においては上記課題を解決するため、請求項１、２、又は３記載の燃料電池用セパレータの製造方法により燃料電池用セパレータを製造することを特徴としている。
【００１８】
ここで、特許請求の範囲における燃料電池用セパレータは、リン酸形の他、固体高分子形として使用可能であるのが好ましい。また、長方形や正方形、矩形、多角形、星形等の形に形成することができる。燃料電池用セパレータの表裏面、表面、裏面には、流路を単数複数形成することができる。また、金型には、ポリフェニルサルホン樹脂の離型性を向上させるため、離型剤を塗布することができる。さらに、溶融開始温度とは、ポリフェニルサルホン樹脂が非晶性樹脂であるので、ガラス転移点（Ｔｇ）をいう。ポリフェニルサルホン樹脂のガラス転移点は、１８０〜２５０℃である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池用セパレータに優れた電気的性質や機械的性質、リン酸に対する高い耐腐食性、及び耐熱性を付与することができるという効果がある。また、燃料電池用セパレータの製造時に特殊な装置や硬化処理等を何ら必要としないので、製造工程の簡素化やコスト削減を図ることができる。
【００２０】
また、成形材料を粉体状としてその導電性材料を黒鉛とすれば、燃料電池用セパレータの機械的性質や電気的性質の異方性を抑制し、これら機械的性質や電気的性質の局部的なバラツキを小さくすることができる。また、燃料電池用セパレータの加工性や機械的性質を向上させ、安価な製造が期待できる。さらに、燃料電池用セパレータを圧縮成形すれば、燃料電池用セパレータの寸法精度を向上させたり、ポリフェニルサルホン樹脂量を増加させ、導電性材料を削減しつつ良好な導電性を得ることが可能になる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータの製造方法は、図示しないが、成形材料を使用した各種の成形法により燃料電池用セパレータを製造する製法であり、成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とするようにしている。
【００２２】
成形材料は、少なくとも安価なポリフェニルサルホン樹脂（ＰＰＳＵ樹脂）と、導電性材料とにより調製される。ポリフェニルサルホン樹脂（ポリフェニルサルフォン樹脂ともいう）は、例えば特表２００９−５３０４６１号公報に記載の樹脂があげられ、繰り返し単位の５０質量％を超えるものが〔化１〕の繰り返し単位を有する樹脂である。
【００２３】
【化１】
【００２４】
このポリフェニルサルホン樹脂は、〔化１〕で表される繰り返し単位が７０質量％、好ましくは８０質量％を超えるのが良いが、全ての繰り返し単位が〔化１〕である樹脂、換言すれば、ホモポリマーが良い。繰り返し単位数は、機械的特性の観点から、１０以上、好ましくは２０以上が良い。ポリフェニルサルホン樹脂のガラス転移点は、１８０〜２５０℃である。このポリフェニルサルホン樹脂の製法としては、特に限定されるものではないが、例えば米国特許第３６３４３５５号明細書、米国特許第４００８２０３号明細書、米国特許第４１０８８３７号明細書、米国特許公報第４１７５１７５号に記載の製造方法があげられる。
【００２５】
ポリフェニルサルホン樹脂は、粉体状、顆粒状、塊状、粉状、ペレット状等を特に問うものではない。また、１種単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良く、他の共重合可能な化合物とのブロック共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、変性体をも使用することができる。具体的なポリフェニルサルホン樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばレーデルＲ（ソルベイアドバンストポリマーズ社製：商品名）やウルトラゾーンＰ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名）等が使用される。
【００２６】
導電性材料は、金属系の場合には、リン酸により腐食するおそれがあるので、炭素系が好ましい。この炭素系の導電性材料としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、アモルファスカーボン、炭素繊維、黒鉛等があげられる。また、カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等があげられる。
【００２７】
カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等があげられる。また、炭素繊維としては、パン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維があげられる。また、黒鉛には、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛や土状黒鉛等からなる天然黒鉛、鱗片状黒鉛を濃硫酸等で化学処理した後に加熱して得られる膨張黒鉛、膨張黒鉛を高温で加熱処理して得られる膨張化黒鉛、人造黒鉛等が該当する。
【００２８】
これらの炭素系の導電性材料の中では、加工性や機械的性質に優れ、化学的に安定で安価な黒鉛が最も好ましい。この黒鉛の中では、不純物や溶出性が少なく、高い純度で優れた導電性が得られる人造黒鉛が最適である。また、炭素系の導電性材料は、粉体状、顆粒状、塊状、繊維状を特に問うものではないが、機械的性質の異方性が少なく、加工性に優れる粉体状が最適である。また、１種単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。
【００２９】
炭素系の導電性材料の平均粒子径は、１〜５００μｍ以下、好ましくは５〜３００μｍ以下、より好ましくは１０〜２００μｍ以下の範囲が良い。これは、１μｍ未満の場合には、作業時に導電性材料が舞い上がって作業環境の汚染を招いたり、二次凝集が生じてポリフェニルサルホン樹脂との均一分散性が低下し、燃料電池用セパレータの導電性が低下するからである。また、成形材料の溶融流動性が低下するので、薄肉の燃料電池用セパレータの成形が困難になるからである。
【００３０】
これに対し、導電性材料の平均粒子径が５００μｍを超える場合には、導電性材料間の隙間が拡大して高充填が困難になり、ポリフェニルサルホン樹脂との接触面積が低下して機械的特性が低下するという理由に基づく。また、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との混合性が低下して均一な成形体を得ることが困難になるという理由に基づく。
導電性材料は、粒子径の異なる２種類以上を併用することができ、この併用する場合には、高充填化が可能になるので、高導電性の燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００３１】
炭素系の導電性材料には、例えばシランカップリング剤〔３‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３‐メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３‐アミノプロピルエトキシシラン、イミダゾールシラン等〕、チタネート系カップリング剤〔イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、テトラオクチルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、イソプロピルトリ（Ｎ‐アミトエチル・アミノエチル）チタネート等〕、アルミネート系カップリング剤〔アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等〕等からなる各種のカップリング剤で選択的に処理が施される。
【００３２】
成形材料には、ポリフェニルサルホン樹脂や導電性材料の他、融点が２５０℃以上の結晶性熱可塑性樹脂、ガラス転移点が２００℃以上の非晶性熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂を添加することができる。具体的には、ポリエステル系樹脂（例えば、ポリエチレンナフタレート樹脂やポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート樹脂等）、ポリアミド系樹脂（例えば、ナイロン４６やポリアミド９Ｔ等）、ポリフタルアミド樹脂、ポリアリーレン樹脂、フッ素系樹脂（例えば、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピル共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂等）、ポリサルホン系樹脂（例えば、ポリサルホン樹脂やポリエーテルサルホン樹脂等）、ポリアリーレンサルファイド系樹脂（例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリフェニレンサルファイドスルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイドケトン樹脂等）、液晶ポリマーあるいはポリアリーレンケトン系樹脂（例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等）、ポリイミド系樹脂（例えば、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等）が該当する。
【００３３】
また、成形材料には、ポリフェニルサルホン樹脂、導電性材料、熱可塑性樹脂の他にも、所定の添加剤を選択的に添加することができる。具体的には、結晶核剤、耐衝撃改良剤、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、難燃剤、帯電防止剤、耐熱向上剤、無機充填剤、有機充填剤等が該当する。
【００３４】
成形材料のポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料との調製方法は、特に限定されるものではないが、（１）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度（ガラス転移点温度）未満の温度で混合して調製する方法、（２）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して調製する方法、（３）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して予備成形材料を調整し、この予備成形材料に導電性材料をさらに添加してポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度で混合し、成形材料を調製する方法があげられる。
【００３５】
（１）の調製方法の場合には、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とがナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合調製される。ポリフェニルサルホン樹脂や導電性材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、機械的性質や電気的性質の異方性を抑制でき、燃料電池用セパレータ内での機械的性質や電気的性質の局部的なバラツキを小さくすることができ、しかも、加工性に優れる粉体状が良い。
【００３６】
（２）の調製方法の場合には、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とが加圧ニーダー、フラッシングニーダー、ケーエックスニーダー等からなる各種ニーダー、単軸押出機、二軸押出機、三軸押出機、四軸押出機等からなる各種の押出機、バンバリーミキサーやプラネタリーミキサー等の溶融混練機により溶融混練される。
【００３７】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋５０℃以上熱分解温度未満、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃以上溶融開始温度＋２００℃以下、さらに好ましくは溶融開始温度＋１３０℃以上溶融開始温度＋１６０℃以下で溶融混練される。
【００３８】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、均一分散性に優れる成形材料を調製する観点から、溶融混練前にポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度でナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合されることが好ましい。
【００３９】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との溶融混練物は、塊状、棒状、糸状、シート状で得られ、粉砕あるいは裁断され、その後、粉体、顆粒、粒、ペレット等の所定形状に加工されることにより成形材料に調製される。溶融混練物の粉砕や裁断には、カッターミル、ハンマーミル、スパイラルミル、ピンミル、ボールミル、インパクトミル、ビクトリミル、ジェットミル等からなる粉砕機や裁断機が使用される。
【００４０】
粉砕あるいは裁断された溶融混練物は、篩網、振動網、振動スクリーン、超音波篩、ミクロンセパレータ、ターボクラシフィア等の分級機で選択的に分級される。溶融混練された成形材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、（１）の場合と同様に粉体状が良い。
【００４１】
（３）の調製方法の場合、導電性材料の添加量は、成形材料中の導電性材料の添加量×０．５以上、かつ成形材料中の導電性材料の添加量×１．０未満が良い。予備成形材料は、加圧ニーダー、フラッシングニーダー、ケーエックスニーダー等からなる各種ニーダー、単軸押出機、二軸押出機、三軸押出機、四軸押出機等からなる各種の押出機、バンバリーミキサーやプラネタリーミキサー等の溶融混練機により溶融混練され、粉砕裁断された後に調製される。
【００４２】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋５０℃以上熱分解温度未満、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃以上溶融開始温度＋２００℃以下、さらに好ましくは溶融開始温度＋１３０℃以上溶融開始温度＋１６０℃以下で溶融混練される。
【００４３】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、均一分散性に優れる成形材料を調製するため、溶融混練前にポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度でナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合されることが好ましい。
【００４４】
溶融混練物の粉砕や裁断には、カッターミル、ハンマーミル、スパイラルミル、ピンミル、ボールミル、インパクトミル、ビクトリミル、ジェットミル等からなる粉砕機や裁断機が使用される。また、粉砕あるいは裁断された溶融混練物は、篩網、振動網、振動スクリーン、超音波篩、ミクロンセパレータ、ターボクラシフィア等の分級機で選択的に分級される。
【００４５】
予備成形材料に導電性材料をさらに添加してポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度で混合するときには、ナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルが使用される。
成形材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、（１）の場合と同様、粉体状が良い。
【００４６】
燃料電池用セパレータは各種の成形法により製造されるが、具体的な成形方法としては、圧縮成形法、射出成形法、トランスファー成形法、射出圧縮成形法等のいずれでも良い。但し、機械的性質と電気的性質の異方性が少なく、寸法精度の向上が期待できる圧縮成形法が最適である。また、圧縮成形法によれば、ポリフェニルサルホン樹脂量を増加させ、導電性材料を削減しつつ良好な導電性を得ることができる。
【００４７】
成形材料のポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との比率は、導電性材料の組成体積比率で６０〜９０体積％以下、６５〜８５体積％以下とされる。これは、組成体積比率が６０体積％未満の場合には、燃料電池用セパレータに導電性を付与することができないという理由に基づく。これに対し、組成体積比率が９０体積％を超える場合には、機械的特性や加工性の低下を招くからである。
【００４８】
上記において、燃料電池用セパレータを製造する場合には、調製した粉体状の成形材料を専用の金型の上型と下型とに所定量充填して型締めし、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形する。この際、ポリフェニルサルホン樹脂は、離型性が悪いので、離型剤の活用が好ましいが、成形材料に離型剤を単に添加すると、成形時の高熱で離型剤が機能しなくなるおそれがある。そこで、金型に予め離型剤を均一に塗布しておくことが好ましい。また、金型をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度、好ましくは常温にしておくと良い。
【００４９】
金型の加熱加圧時間は、複数の導電性材料間に所定の熱可塑性樹脂が流入するのに要する時間であれば良い。具体的には、１０〜１００秒で十分である。また、金型の加熱加圧に際しては、４００ｔ圧縮成形機の所定温度まで加熱した一対の熱板間にセットするのが好ましい。金型の温度は、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋１００℃〜溶融開始温度＋２００℃以下、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃〜溶融開始温度＋１８０℃以下が良い。
【００５０】
燃料電池用セパレータを圧縮成形したら、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型することにより、燃料電池用セパレータを得ることができる。金型を加圧冷却する方法としては、（１）金型を取り出して冷却された別の圧縮成形機の一対の熱板間にセットする方法、（２）金型を圧縮成形機の一対の熱板間にセットしたままで加圧冷却する方法があげられる。金型の冷却温度は、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満、好ましくは溶融開始温度−１００℃以下、より好ましくは溶融開始温度−１５０℃以下が良い。
【００５１】
燃料電池用セパレータの表裏面、表面、裏面には、燃料と酸化剤とを供給したり、あるいは発電時に生成した生成水を排出する複数の流路が配列形成されるが、この流路の形成方法としては、（１）燃料電池用セパレータの成形後、複数の流路を切削等の機械加工により形成する方法、（２）燃料電池用セパレータの成形時に複数の流路を一体成形する方法、（３）燃料電池用セパレータに複数の流路をスタッピング法により形成する方法等が該当する。
【００５２】
複数の流路は、例えば直線形や蛇行形、略Ｓ字形、略Ｚ字形に形成される。各流路断面形状は、特に限定されるものではないが、長方形、台形、三角形、半円形等に形成される。また、製造した燃料電池用セパレータには、火炎処理やブラスト処理等の表面処理を施して親水性を向上させることができる。
【００５３】
燃料電池用セパレータは、機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、好ましくは５０ＭＰａ以上が良い。これは、曲げ強度が４０ＭＰａ未満の場合には、スタック組立時に燃料電池用セパレータが強度不足で破損したり、ヒビやクラックの発生するおそれがあるからである。また、燃料電池用セパレータの電気的性質は、体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下、好ましくは８ｍΩ・ｃｍ以下、より好ましくは５ｍΩ・ｃｍ以下が良い。これは、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを超えると、燃料電池の内部抵抗が増大するからである。
【００５４】
上記によれば、成形材料としてポリフェニルサルホン樹脂を用い、このポリフェニルサルホン樹脂に炭素系の導電性材料を添加するので、リン酸形の燃料電池用セパレータに必要なリン酸に対する高い腐食性を容易に確保し、リン酸形の燃料電池用セパレータの腐食、変色、損傷等を有効に防止することができる。また、ポリフェニルサルホン樹脂の選択により、燃料電池用セパレータに優れた強靭性、耐加水分解性、難燃性、吸湿性を付与することができる。
【００５５】
また、燃料電池用セパレータの機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下であるので、燃料電池用セパレータに十分な強度を付与し、燃料電池の内部抵抗の増大防止が期待できる。さらに、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とを単に混合するのではなく、溶融混練して成形材料を調製することができるので、燃料電池用セパレータの外観悪化を防止し、燃料電池用セパレータの表面性を向上させることが可能になる。
【００５６】
なお、上記実施形態では金型を単に加熱加圧したり、加圧冷却したが、これらの作業の際にエネルギーコスト対策の観点から電気ヒーター等の加熱機構や冷却水路等の冷却機構を使用しても良い。また、蒸気を使用して加熱する場合には、常温で高温を得ることのできる過熱蒸気を使用すると良い。
【００５７】
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータの実施例を比較例と共に説明する。
【００５８】
〔実施例１〕
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてウルトラゾーンＰ３０１０Ｎａｔｕｒａｌ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名、ガラス転移点：２２０℃）を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器（セイシン社製：商品名ロボットシフターＲＰＳ‐１０５）により測定したところ、粒度分布はＸ１０＝４０．５μｍ、Ｘ５０＝６４．４μｍ、Ｘ９０＝９４．２μｍだった。
【００５９】
ポリフェニルサルホン樹脂を粉砕したら、このポリフェニルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表１に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００６０】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３５０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を３９０℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００６１】
金型の側面温度が３５０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が８０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。加熱冷却は、成形圧力２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００６２】
・燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性
オーブンで１８０℃に加熱したフッ素樹脂容器のリン酸中に燃料電池用セパレータを１５日間浸漬し、浸漬前後の燃料電池用セパレータの特性、リン酸の色、浸漬後の燃料電池用セパレータの外観により評価した。リン酸は、ＪＩＳ試薬特級（和光純薬社製：含量８５％）を使用した。リン酸の色は、１８０℃で１５日経過後の燃料電池用セパレータの浸漬前後における色彩で評価した。
【００６３】
・燃料電池用セパレータの機械的特性
ＪＩＳ Ｋ７１７１に準拠し、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の曲げ強度により評価した。評価用の試験片については、燃料電池用セパレータを１００ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに２枚裁断し、１枚をリン酸浸漬前用とし、もう１枚をリン酸浸漬後用とした。
【００６４】
リン酸浸漬後の試験片については、１８０℃に加熱したリン酸中に１５日間浸漬し、その後、水中に投入放置し、イオン交換水で洗浄して１１０℃、２４時間乾燥させた後、２３℃、５０％ＲＨ環境下に２４時間放置した。
【００６５】
・燃料電池用セパレータの電気的性質
四端子四探針法により、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の体積抵抗値により評価した。評価用の試験片やリン酸浸漬後の試験片については、上記と同様である。
【００６６】
・燃料電池用セパレータの外観
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の外観について、目視により評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
【００６７】
・燃料電池用セパレータの表面性
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の表面性について、手触りの感触で評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
【００６８】
〔実施例２〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛との体積組成率を表１に示すように変更し、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。
【００６９】
〔実施例３〕
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてレーデル Ｒ‐５０００ＮＴ（ソルベイアドバンストポリマーズ社製：商品名、ガラス転移点：２２０℃）を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器（セイシン社製：商品名ロボットシフターＲＰＳ‐１０５）により測定したところ、粒度分布はＸ１０＝４５．０μｍ、Ｘ５０＝７２．３μｍ、Ｘ９０＝１７５．３μｍだった。
【００７０】
ポリフェニルサルホン樹脂を粉砕したら、このポリフェニルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５０μｍの鱗片状黒鉛（中越黒鉛工業社製：商品名ＨＧ‐５０Ａ）とを表１に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させた後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００７１】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。
【００７２】
〔実施例４〕
先ず、成形材料を調製するため、表２に示す粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００７３】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７４】
〔実施例５〕
ポリフェニルサルホン樹脂と黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７５】
〔実施例６〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７６】
〔実施例７〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７７】
〔実施例８〕
先ず、実施例４で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂３３．３体積％と、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）６６．７体積％とを加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
【００７８】
こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却し、φ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、この粉砕した溶融混練物をφ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルに投入して再び粉砕することにより、予備成形材料を調製した。この予備成形材料の平均粒径については、実施例４と同様の方法により測定した。
【００７９】
次いで、樹脂容器に、予備成形材料、人造黒鉛の体積比率が７５．９体積％となるように、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）、φ１０ｍｍのジルコニアボールをそれぞれ投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させて予備成形材料、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８０】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表３にまとめた。
【００８１】
〔実施例９〕
先ず、実施例６で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂３０．４体積％と、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）６９．６体積％とを加圧ニーダーに投入して２５℃、１０分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
【００８２】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却し、φ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、この粉砕した溶融混練物をφ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルに投入して再び粉砕することにより、予備成形材料を調製した。この予備成形材料の平均粒径については、実施例４と同様の方法により測定した。
【００８３】
次いで、樹脂容器に、予備成形材料、人造黒鉛の体積比率が８０．１体積％となるように、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）、φ１０ｍｍのジルコニアボールをそれぞれ投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させて予備成形材料、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８４】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表３にまとめた。
【００８５】
【表１】
【００８６】
【表２】
【００８７】
【表３】
【００８８】
〔比較例１〕
先ず、成形材料を調製するため、実施例１、２で使用したポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛とを表４に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８９】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを超えていたため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
【００９０】
〔比較例２〕
実施例６で使用したポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表４に示す組成体積比率で加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで粉砕して成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００９１】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、曲げ強度が４０ＭＰａ未満と劣悪であったため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
【００９２】
〔比較例３〕
粉体化されたポリフェニレンサルファイド樹脂としてトレリナＥ２１８０（東レ社製：商品名）を用意し、このポリフェニレンサルファイド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にジルコニアボールを併せて投入した。
【００９３】
ポリフェニレンサルファイド樹脂は、結晶性樹脂であるので、融点を溶融開始温度とすることとした。トレリナＥ２１８０の融点を示差走査熱量測定した結果、融点が２８６℃であるのを確認した。示差走査熱量測定による融点は、トレリナＥ２１８０の試料を約１０ｍｇ精量し、示差走査熱量計（セイコー電子工業社製：商品名ＤＳＣ２２０）により１０℃／分の昇温速度で昇温させ、このとき得られる示差走査熱量曲線から求めた。ここで融点は、示差走査熱量曲線において最大吸熱ピークを示す温度とした。
【００９４】
樹脂容器にジルコニアボールを投入したら、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニレンサルファイド樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００９５】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３２０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を３８０℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００９６】
金型の側面温度が３２０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が７０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
【００９７】
〔比較例４〕
粒子形状がペレットのポリエーテルサルホン樹脂としてウルトラゾーンＥ２０１０ Ｎａｔｕｒａｌ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名、ガラス転移点：２２５℃）を用意し、このポリエーテルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して３３０℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
【００９８】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００９９】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３６０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を４００℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【０１００】
金型の側面温度が３６０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が８０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型した後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。加熱加圧に際しては、熱板の温度や成形圧力を上記と同様とした。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は中止した。
【０１０１】
〔比較例５〕
粒子形状がペレットのポリエーテルイミド樹脂としてウルテム１０１０‐１０００（ＳＡＢＩＣ イソベーティブプラスチックスジャパン社製：商品名）を用意し、このポリエーテルイミド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
【０１０２】
ウルテム１０１０‐１０００のガラス転移点を示差走査熱量測定した結果、ガラス転移点は２１２℃だった。示差走査熱量測定によるガラス転移点は、ウルテム１０１０‐１０００の試料を約１０ｍｇ精量し、示差走査熱量計（セイコー電子工業社製：商品名ＤＳＣ２２０）により１０℃／分の昇温速度で昇温させ、このとき得られる示差走査熱量曲線から求めた。ここでガラス転移点は、示差走査熱量曲線のベースラインと変曲点の接線の交点とした。
【０１０３】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【０１０４】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
ところが、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
【０１０５】
【表４】
【０１０６】
〔結 果〕
実施例の燃料電池用セパレータは、機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍ以下であり、十分に使用可能であるのを確認した。１８０℃のリン酸に浸漬した場合についても、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍ以下であるのを確認した。加えて、燃料電池用セパレータを１８０℃で１５日浸漬したリン酸の色は、浸漬前の色と同様に無色透明であった。
【０１０７】
燃料電池用セパレータを１８０℃のリン酸に浸漬した前後の曲げ強度の変化については、５％以内であり、リン酸浸漬による機械的性質の低下は認められなかった。また、１８０℃のリン酸に１５日間浸漬したが、燃料電池用セパレータに反り等の変形は認められず、燃料電池用セパレータの耐熱性に問題がないのが確認された。
【０１０８】
燃料電池用セパレータの表面を目視で評価したところ、浸漬の前後で差異は認めなかった。また、燃料電池用セパレータの表面を指触で評価したが、べたつきやぬめり感は認められず、浸漬の前後で差異は生じなかった。
以上のことから、実施例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとして十分に使用可能である。
【０１０９】
これに対し、比較例１の燃料電池用セパレータは、機械的性質が十分であるものの、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを大幅に超え、電気的特性に問題が生じた。また、比較例２の燃料電池用セパレータは、電気的特性が十分ではあるものの、曲げ強度が４０ＭＰａを下回り、機械的性質に問題が生じた。
【０１１０】
また、比較例３、４、５の燃料電池用セパレータは、十分な電気的特性ではあるものの、１８０℃に加熱したリン酸に１５日浸漬したところ、リン酸の色が黒色に変色した。また、燃料電池用セパレータの表面を目視で評価したところ、表面に小さな斑点を発見した。また、燃料電池用セパレータの表面を指触で評価したところ、激しいぬめり感を認めた。
以上のことから、比較例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとしては不十分であるのが確認された。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特にリン酸形の燃料電池のセパレータの製造に好適な燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年注目されている燃料電池は、水素と酸素との化学反応により生じるエネルギーを電力として取り出す装置で、窒素酸化物や硫黄酸化物の排出量が少なく、排出物の殆んどが水であり、発電効率が高いクリーンな発電システムであるという特徴を有している。この燃料電池は、使用される電解質の種類により、一般的な固体高分子形、古くから研究されているリン酸形、アルカリ形、溶融炭酸塩形、今後の開発が注目される固体酸化物形等に分類される。
【０００３】
これらの中でも、リン酸形（リン酸型ともいう）の燃料電池（ＰＡＦＣ）は、電力出力と排熱出力との比が１：１であるので、電力の他、排出熱をも利用可能なコージェネレーションとして提案されており、既にオフィスビル、ホテル、病院、工場等のコージェネレーションシステムとして実用化されている。具体的には、例えば９０℃の高温水が冷暖房に使用され、５０℃の温水が給湯予熱に使用されている。
【０００４】
このリン酸形の燃料電池は、電解質に高濃度のリン酸を使用して１５０〜２００℃の温度で作動するが、リン酸が１００℃以上で非常に強い縮合リン酸となり、２００℃前後で殆んど全ての金属を腐食させる超酸となる関係上、構成部品である燃料電池用セパレータには、優れた電気的性質（導電性）や機械的性質（曲げ強度）の他、リン酸に対する高い耐腐食性や耐熱性が要求される。
【０００５】
この燃料電池用セパレータとしては、金属系、樹脂／導電性材料複合系、黒鉛系が提案され、実施されてきた。金属系の燃料電池用セパレータは、優れた電気的性質や機械的性質、耐熱性を有し、固体高分子形として使用することができるものの、リン酸に対する腐食性に問題が生じる。
【０００６】
樹脂／導電性材料複合系の燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂をバインダー樹脂として使用し、このバインダー樹脂と、金属、カーボンブラック、黒鉛、カーボンナノチューブ、炭素繊維等からなる導電性材料とを混合した成形材料の成形により製造されるセパレータである。
【０００７】
熱可塑性樹脂がバインダー樹脂の燃料電池用セパレータとしては、ポリプロピレン樹脂と導電性充填材とからなるセパレータ（特許文献１参照）、シンジオタクチックポリスチレン樹脂と黒鉛粉とからなる固体高分子形のセパレータ（特許文献２参照）、ポリアリーレンサルファイド及び又は液晶ポリマーである熱可塑性樹脂に黒鉛を添加した組成物からなるセパレータ（特許文献３参照）等があげられる。これに対し、熱硬化性樹脂がバインダー樹脂の燃料電池用セパレータとしては、例えばフェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、又はこれらの混合系に、粉状黒鉛を添加したセパレータが該当する（特許文献４参照）。
【０００８】
このような樹脂／導電性材料複合系の燃料電池用セパレータは、金属系と同様に固体高分子形として使用することができるものの、リン酸に対する腐食性や耐熱性に問題がある。そこで、リン酸形の燃料電池用セパレータは、リン酸に対する高い腐食性を有する黒鉛系が従来より実施されてきた。このリン酸形の燃料電池用セパレータは、黒鉛のシートがプレス成形された後、燃料と酸化剤とを供給したり、あるいは発電時に生成した生成水を排出する流路が溝形に切削加工されることにより製造される。
【０００９】
しかしながら、リン酸形の燃料電池用セパレータは、リン酸に対する腐食性を有するが、機械的性質が低いので、切削加工時やスタック組立時に破損するおそれがある。また、プレス成形後に複雑な流路が切削加工されるので、製造コストが高く、高価になるという問題がある。
【００１０】
これらの点に鑑み、係るリン酸形の燃料電池用セパレータとして、（１）フェノール樹脂及び膨張黒鉛を含有する成形体中の樹脂分の炭化により得られるセパレータ（特許文献５参照）、（２）鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、マグネシウム、これらを基とする合金、ステンレス鋼である基板上にクロムオキシカーバイト又はクロムオキシカーバイトを主成分とする皮膜を備えたセパレータ（特許文献６参照）が提示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６‐１２７９８号公報
【特許文献２】特開２００６‐３３９０６９号公報
【特許文献３】特開２００６‐３０７０１７号公報
【特許文献４】特許第３９２５８０６号公報
【特許文献５】特開２００１‐７６７３９号公報
【特許文献６】特開２００６‐２７８０４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、（１）の方法の場合には、フェノール樹脂及び膨張黒鉛を含有する組成物を一旦成形した後、成形体中の樹脂分を炭化させるため、２００℃以上の高温で長時間加熱しなければならないので、製造工程の複雑化を招き、しかも、炭化処理中に成形体が反ったり、クラックが生じたり、破損するおそれがある。また、（２）の方法の場合には、基板上に皮膜を形成する特殊な装置を必要とするので、コストや価格の上昇を招くこととなる。さらに、皮膜に損傷や剥離が発生したときに基板がリン酸で腐食し、しかも、リン酸に対する高い腐食性を確認することもできない。
【００１３】
本発明は上記に鑑みなされたもので、燃料電池用セパレータに優れた電気的性質や機械的性質、リン酸に対する高い耐腐食性、及び耐熱性を簡易に付与することのできる燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明においては上記課題を解決するため、成形材料を使用した成形法により、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とすることを特徴としている。
【００１５】
なお、成形材料を粉体状とするとともに、導電性材料を黒鉛とし、この成形材料をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度の金型に充填し、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形した後、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型することができる。
【００１６】
また、燃料電池用セパレータの表面性や体裁等を整えるため、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して成形材料を調製することができる。
また、リン酸を用いて１５０〜２００℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造することができる。
【００１７】
また、本発明においては上記課題を解決するため、請求項１、２、又は３記載の燃料電池用セパレータの製造方法により燃料電池用セパレータを製造することを特徴としている。
【００１８】
ここで、特許請求の範囲における燃料電池用セパレータは、リン酸形の他、固体高分子形として使用可能であるのが好ましい。また、長方形や正方形、矩形、多角形、星形等の形に形成することができる。燃料電池用セパレータの表裏面、表面、裏面には、流路を単数複数形成することができる。また、金型には、ポリフェニルサルホン樹脂の離型性を向上させるため、離型剤を塗布することができる。さらに、溶融開始温度とは、ポリフェニルサルホン樹脂が非晶性樹脂であるので、ガラス転移点（Ｔｇ）をいう。ポリフェニルサルホン樹脂のガラス転移点は、１８０〜２５０℃である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、燃料電池用セパレータに優れた電気的性質や機械的性質、リン酸に対する高い耐腐食性、及び耐熱性を付与することができるという効果がある。また、燃料電池用セパレータの製造時に特殊な装置や硬化処理等を何ら必要としないので、製造工程の簡素化やコスト削減を図ることができる。
【００２０】
また、成形材料を粉体状としてその導電性材料を黒鉛とすれば、燃料電池用セパレータの機械的性質や電気的性質の異方性を抑制し、これら機械的性質や電気的性質の局部的なバラツキを小さくすることができる。また、燃料電池用セパレータの加工性や機械的性質を向上させ、安価な製造が期待できる。さらに、燃料電池用セパレータを圧縮成形すれば、燃料電池用セパレータの寸法精度を向上させたり、ポリフェニルサルホン樹脂量を増加させ、導電性材料を削減しつつ良好な導電性を得ることが可能になる。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータの製造方法は、図示しないが、成形材料を使用した各種の成形法により燃料電池用セパレータを製造する製法であり、成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とするようにしている。
【００２２】
成形材料は、少なくとも安価なポリフェニルサルホン樹脂（ＰＰＳＵ樹脂）と、導電性材料とにより調製される。ポリフェニルサルホン樹脂（ポリフェニルサルフォン樹脂ともいう）は、例えば特表２００９−５３０４６１号公報に記載の樹脂があげられ、繰り返し単位の５０質量％を超えるものが〔化１〕の繰り返し単位を有する樹脂である。
【００２３】
【化１】
【００２４】
このポリフェニルサルホン樹脂は、〔化１〕で表される繰り返し単位が７０質量％、好ましくは８０質量％を超えるのが良いが、全ての繰り返し単位が〔化１〕である樹脂、換言すれば、ホモポリマーが良い。繰り返し単位数は、機械的特性の観点から、１０以上、好ましくは２０以上が良い。ポリフェニルサルホン樹脂のガラス転移点は、１８０〜２５０℃である。このポリフェニルサルホン樹脂の製法としては、特に限定されるものではないが、例えば米国特許第３６３４３５５号明細書、米国特許第４００８２０３号明細書、米国特許第４１０８８３７号明細書、米国特許公報第４１７５１７５号に記載の製造方法があげられる。
【００２５】
ポリフェニルサルホン樹脂は、粉体状、顆粒状、塊状、粉状、ペレット状等を特に問うものではない。また、１種単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良く、他の共重合可能な化合物とのブロック共重合体、ランダム共重合体、交互共重合体、変性体をも使用することができる。具体的なポリフェニルサルホン樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばレーデルＲ（ソルベイアドバンストポリマーズ社製：商品名）やウルトラゾーンＰ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名）等が使用される。
【００２６】
導電性材料は、金属系の場合には、リン酸により腐食するおそれがあるので、炭素系が好ましい。この炭素系の導電性材料としては、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン、アモルファスカーボン、炭素繊維、黒鉛等があげられる。また、カーボンブラックとしては、ファーネスブラック、チャンネルブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック等があげられる。
【００２７】
カーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ等があげられる。また、炭素繊維としては、パン系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維があげられる。また、黒鉛には、鱗片状黒鉛、塊状黒鉛や土状黒鉛等からなる天然黒鉛、鱗片状黒鉛を濃硫酸等で化学処理した後に加熱して得られる膨張黒鉛、膨張黒鉛を高温で加熱処理して得られる膨張化黒鉛、人造黒鉛等が該当する。
【００２８】
これらの炭素系の導電性材料の中では、加工性や機械的性質に優れ、化学的に安定で安価な黒鉛が最も好ましい。この黒鉛の中では、不純物や溶出性が少なく、高い純度で優れた導電性が得られる人造黒鉛が最適である。また、炭素系の導電性材料は、粉体状、顆粒状、塊状、繊維状を特に問うものではないが、機械的性質の異方性が少なく、加工性に優れる粉体状が最適である。また、１種単独で使用しても良いし、２種以上を併用しても良い。
【００２９】
炭素系の導電性材料の平均粒子径は、１〜５００μｍ以下、好ましくは５〜３００μｍ以下、より好ましくは１０〜２００μｍ以下の範囲が良い。これは、１μｍ未満の場合には、作業時に導電性材料が舞い上がって作業環境の汚染を招いたり、二次凝集が生じてポリフェニルサルホン樹脂との均一分散性が低下し、燃料電池用セパレータの導電性が低下するからである。また、成形材料の溶融流動性が低下するので、薄肉の燃料電池用セパレータの成形が困難になるからである。
【００３０】
これに対し、導電性材料の平均粒子径が５００μｍを超える場合には、導電性材料間の隙間が拡大して高充填が困難になり、ポリフェニルサルホン樹脂との接触面積が低下して機械的特性が低下するという理由に基づく。また、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との混合性が低下して均一な成形体を得ることが困難になるという理由に基づく。
導電性材料は、粒子径の異なる２種類以上を併用することができ、この併用する場合には、高充填化が可能になるので、高導電性の燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００３１】
炭素系の導電性材料には、例えばシランカップリング剤〔３‐グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３‐メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、３‐アミノプロピルエトキシシラン、イミダゾールシラン等〕、チタネート系カップリング剤〔イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、テトラオクチルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、ビス（ジオクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタネート、テトライソプロピルビス（ジオクチルホスファイト）チタネート、イソプロピルトリ（Ｎ‐アミトエチル・アミノエチル）チタネート等〕、アルミネート系カップリング剤〔アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等〕等からなる各種のカップリング剤で選択的に処理が施される。
【００３２】
成形材料には、ポリフェニルサルホン樹脂や導電性材料の他、融点が２５０℃以上の結晶性熱可塑性樹脂、ガラス転移点が２００℃以上の非晶性熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂を添加することができる。具体的には、ポリエステル系樹脂（例えば、ポリエチレンナフタレート樹脂やポリシクロヘキサンジメチレンテレフタレート樹脂等）、ポリアミド系樹脂（例えば、ナイロン４６やポリアミド９Ｔ等）、ポリフタルアミド樹脂、ポリアリーレン樹脂、フッ素系樹脂（例えば、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピル共重合体樹脂、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体樹脂等）、ポリサルホン系樹脂（例えば、ポリサルホン樹脂やポリエーテルサルホン樹脂等）、ポリアリーレンサルファイド系樹脂（例えば、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリフェニレンサルファイドスルホン樹脂、ポリフェニレンサルファイドケトン樹脂等）、液晶ポリマーあるいはポリアリーレンケトン系樹脂（例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトンケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等）、ポリイミド系樹脂（例えば、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等）が該当する。
【００３３】
また、成形材料には、ポリフェニルサルホン樹脂、導電性材料、熱可塑性樹脂の他にも、所定の添加剤を選択的に添加することができる。具体的には、結晶核剤、耐衝撃改良剤、酸化防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、難燃剤、帯電防止剤、耐熱向上剤、無機充填剤、有機充填剤等が該当する。
【００３４】
成形材料のポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料との調製方法は、特に限定されるものではないが、（１）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度（ガラス転移点温度）未満の温度で混合して調製する方法、（２）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して調製する方法、（３）ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とをポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上の温度で溶融混練して予備成形材料を調整し、この予備成形材料に導電性材料をさらに添加してポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度で混合し、成形材料を調製する方法があげられる。
【００３５】
（１）の調製方法の場合には、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とがナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合調製される。ポリフェニルサルホン樹脂や導電性材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、機械的性質や電気的性質の異方性を抑制でき、燃料電池用セパレータ内での機械的性質や電気的性質の局部的なバラツキを小さくすることができ、しかも、加工性に優れる粉体状が良い。
【００３６】
（２）の調製方法の場合には、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とが加圧ニーダー、フラッシングニーダー、ケーエックスニーダー等からなる各種ニーダー、単軸押出機、二軸押出機、三軸押出機、四軸押出機等からなる各種の押出機、バンバリーミキサーやプラネタリーミキサー等の溶融混練機により溶融混練される。
【００３７】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋５０℃以上熱分解温度未満、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃以上溶融開始温度＋２００℃以下、さらに好ましくは溶融開始温度＋１３０℃以上溶融開始温度＋１６０℃以下で溶融混練される。
【００３８】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、均一分散性に優れる成形材料を調製する観点から、溶融混練前にポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度でナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合されることが好ましい。
【００３９】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との溶融混練物は、塊状、棒状、糸状、シート状で得られ、粉砕あるいは裁断され、その後、粉体、顆粒、粒、ペレット等の所定形状に加工されることにより成形材料に調製される。溶融混練物の粉砕や裁断には、カッターミル、ハンマーミル、スパイラルミル、ピンミル、ボールミル、インパクトミル、ビクトリミル、ジェットミル等からなる粉砕機や裁断機が使用される。
【００４０】
粉砕あるいは裁断された溶融混練物は、篩網、振動網、振動スクリーン、超音波篩、ミクロンセパレータ、ターボクラシフィア等の分級機で選択的に分級される。溶融混練された成形材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、（１）の場合と同様に粉体状が良い。
【００４１】
（３）の調製方法の場合、導電性材料の添加量は、成形材料中の導電性材料の添加量×０．５以上、かつ成形材料中の導電性材料の添加量×１．０未満が良い。予備成形材料は、加圧ニーダー、フラッシングニーダー、ケーエックスニーダー等からなる各種ニーダー、単軸押出機、二軸押出機、三軸押出機、四軸押出機等からなる各種の押出機、バンバリーミキサーやプラネタリーミキサー等の溶融混練機により溶融混練され、粉砕裁断された後に調製される。
【００４２】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋５０℃以上熱分解温度未満、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃以上溶融開始温度＋２００℃以下、さらに好ましくは溶融開始温度＋１３０℃以上溶融開始温度＋１６０℃以下で溶融混練される。
【００４３】
ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とは、均一分散性に優れる成形材料を調製するため、溶融混練前にポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度でナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルにより混合されることが好ましい。
【００４４】
溶融混練物の粉砕や裁断には、カッターミル、ハンマーミル、スパイラルミル、ピンミル、ボールミル、インパクトミル、ビクトリミル、ジェットミル等からなる粉砕機や裁断機が使用される。また、粉砕あるいは裁断された溶融混練物は、篩網、振動網、振動スクリーン、超音波篩、ミクロンセパレータ、ターボクラシフィア等の分級機で選択的に分級される。
【００４５】
予備成形材料に導電性材料をさらに添加してポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度で混合するときには、ナウターミキサー、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、Ｖ型混合機等からなる攪拌機やボールミルが使用される。
成形材料はいかなる形状でも良いが、最適な形状は燃料電池用セパレータの成形法により異なる。例えば、成形法が圧縮成形法のときには、（１）の場合と同様、粉体状が良い。
【００４６】
燃料電池用セパレータは各種の成形法により製造されるが、具体的な成形方法としては、圧縮成形法、射出成形法、トランスファー成形法、射出圧縮成形法等のいずれでも良い。但し、機械的性質と電気的性質の異方性が少なく、寸法精度の向上が期待できる圧縮成形法が最適である。また、圧縮成形法によれば、ポリフェニルサルホン樹脂量を増加させ、導電性材料を削減しつつ良好な導電性を得ることができる。
【００４７】
成形材料のポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料との比率は、導電性材料の組成体積比率で６０〜９０体積％以下、６５〜８５体積％以下とされる。これは、組成体積比率が６０体積％未満の場合には、燃料電池用セパレータに導電性を付与することができないという理由に基づく。これに対し、組成体積比率が９０体積％を超える場合には、機械的特性や加工性の低下を招くからである。
【００４８】
上記において、燃料電池用セパレータを製造する場合には、調製した粉体状の成形材料を専用の金型の上型と下型とに所定量充填して型締めし、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形する。この際、ポリフェニルサルホン樹脂は、離型性が悪いので、離型剤の活用が好ましいが、成形材料に離型剤を単に添加すると、成形時の高熱で離型剤が機能しなくなるおそれがある。そこで、金型に予め離型剤を均一に塗布しておくことが好ましい。また、金型をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度、好ましくは常温にしておくと良い。
【００４９】
金型の加熱加圧時間は、複数の導電性材料間に所定の熱可塑性樹脂が流入するのに要する時間であれば良い。具体的には、１０〜１００秒で十分である。また、金型の加熱加圧に際しては、４００ｔ圧縮成形機の所定温度まで加熱した一対の熱板間にセットするのが好ましい。金型の温度は、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度以上熱分解温度未満、好ましくは溶融開始温度＋１００℃〜溶融開始温度＋２００℃以下、より好ましくは溶融開始温度＋１００℃〜溶融開始温度＋１８０℃以下が良い。
【００５０】
燃料電池用セパレータを圧縮成形したら、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型することにより、燃料電池用セパレータを得ることができる。金型を加圧冷却する方法としては、（１）金型を取り出して冷却された別の圧縮成形機の一対の熱板間にセットする方法、（２）金型を圧縮成形機の一対の熱板間にセットしたままで加圧冷却する方法があげられる。金型の冷却温度は、ポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満、好ましくは溶融開始温度−１００℃以下、より好ましくは溶融開始温度−１５０℃以下が良い。
【００５１】
燃料電池用セパレータの表裏面、表面、裏面には、燃料と酸化剤とを供給したり、あるいは発電時に生成した生成水を排出する複数の流路が配列形成されるが、この流路の形成方法としては、（１）燃料電池用セパレータの成形後、複数の流路を切削等の機械加工により形成する方法、（２）燃料電池用セパレータの成形時に複数の流路を一体成形する方法、（３）燃料電池用セパレータに複数の流路をスタッピング法により形成する方法等が該当する。
【００５２】
複数の流路は、例えば直線形や蛇行形、略Ｓ字形、略Ｚ字形に形成される。各流路断面形状は、特に限定されるものではないが、長方形、台形、三角形、半円形等に形成される。また、製造した燃料電池用セパレータには、火炎処理やブラスト処理等の表面処理を施して親水性を向上させることができる。
【００５３】
燃料電池用セパレータは、機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、好ましくは５０ＭＰａ以上が良い。これは、曲げ強度が４０ＭＰａ未満の場合には、スタック組立時に燃料電池用セパレータが強度不足で破損したり、ヒビやクラックの発生するおそれがあるからである。また、燃料電池用セパレータの電気的性質は、体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下、好ましくは８ｍΩ・ｃｍ以下、より好ましくは５ｍΩ・ｃｍ以下が良い。これは、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを超えると、燃料電池の内部抵抗が増大するからである。
【００５４】
上記によれば、成形材料としてポリフェニルサルホン樹脂を用い、このポリフェニルサルホン樹脂に炭素系の導電性材料を添加するので、リン酸形の燃料電池用セパレータに必要なリン酸に対する高い腐食性を容易に確保し、リン酸形の燃料電池用セパレータの腐食、変色、損傷等を有効に防止することができる。また、ポリフェニルサルホン樹脂の選択により、燃料電池用セパレータに優れた強靭性、耐加水分解性、難燃性、吸湿性を付与することができる。
【００５５】
また、燃料電池用セパレータの機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下であるので、燃料電池用セパレータに十分な強度を付与し、燃料電池の内部抵抗の増大防止が期待できる。さらに、ポリフェニルサルホン樹脂と導電性材料とを単に混合するのではなく、溶融混練して成形材料を調製することができるので、燃料電池用セパレータの外観悪化を防止し、燃料電池用セパレータの表面性を向上させることが可能になる。
【００５６】
なお、上記実施形態では金型を単に加熱加圧したり、加圧冷却したが、これらの作業の際にエネルギーコスト対策の観点から電気ヒーター等の加熱機構や冷却水路等の冷却機構を使用しても良い。また、蒸気を使用して加熱する場合には、常温で高温を得ることのできる過熱蒸気を使用すると良い。
【００５７】
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータの実施例を比較例と共に説明する。
【００５８】
〔実施例１〕
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてウルトラゾーンＰ３０１０Ｎａｔｕｒａｌ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名、ガラス転移点：２２０℃）を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器（セイシン社製：商品名ロボットシフターＲＰＳ‐１０５）により測定したところ、粒度分布はＸ１０＝４０．５μｍ、Ｘ５０＝６４．４μｍ、Ｘ９０＝９４．２μｍだった。
【００５９】
ポリフェニルサルホン樹脂を粉砕したら、このポリフェニルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表１に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００６０】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３５０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を３９０℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００６１】
金型の側面温度が３５０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が８０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。加熱冷却は、成形圧力２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００６２】
・燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性
オーブンで１８０℃に加熱したフッ素樹脂容器のリン酸中に燃料電池用セパレータを１５日間浸漬し、浸漬前後の燃料電池用セパレータの特性、リン酸の色、浸漬後の燃料電池用セパレータの外観により評価した。リン酸は、ＪＩＳ試薬特級（和光純薬社製：含量８５％）を使用した。リン酸の色は、１８０℃で１５日経過後の燃料電池用セパレータの浸漬前後における色彩で評価した。
【００６３】
・燃料電池用セパレータの機械的特性
ＪＩＳ Ｋ７１７１に準拠し、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の曲げ強度により評価した。評価用の試験片については、燃料電池用セパレータを１００ｍｍ×１５０ｍｍのサイズに２枚裁断し、１枚をリン酸浸漬前用とし、もう１枚をリン酸浸漬後用とした。
【００６４】
リン酸浸漬後の試験片については、１８０℃に加熱したリン酸中に１５日間浸漬し、その後、水中に投入放置し、イオン交換水で洗浄して１１０℃、２４時間乾燥させた後、２３℃、５０％ＲＨ環境下に２４時間放置した。
【００６５】
・燃料電池用セパレータの電気的性質
四端子四探針法により、燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片の体積抵抗値により評価した。評価用の試験片やリン酸浸漬後の試験片については、上記と同様である。
【００６６】
・燃料電池用セパレータの外観
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の外観について、目視により評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
【００６７】
・燃料電池用セパレータの表面性
燃料電池用セパレータから裁断した評価用の試験片をリン酸に浸漬した後の表面性について、手触りの感触で評価した。リン酸浸漬後の試験片については、機械的特性の場合と同様である。
【００６８】
〔実施例２〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛との体積組成率を表１に示すように変更し、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。
【００６９】
〔実施例３〕
先ず、成形材料を調製するため、ポリフェニルサルホン樹脂としてレーデル Ｒ‐５０００ＮＴ（ソルベイアドバンストポリマーズ社製：商品名、ガラス転移点：２２０℃）を選択し、このポリフェニルサルホン樹脂をスパイラルミリにより粉砕した。粉砕したポリフェニルサルホン樹脂の粒度分布を自動乾式音波ふるい分け測定器（セイシン社製：商品名ロボットシフターＲＰＳ‐１０５）により測定したところ、粒度分布はＸ１０＝４５．０μｍ、Ｘ５０＝７２．３μｍ、Ｘ９０＝１７５．３μｍだった。
【００７０】
ポリフェニルサルホン樹脂を粉砕したら、このポリフェニルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５０μｍの鱗片状黒鉛（中越黒鉛工業社製：商品名ＨＧ‐５０Ａ）とを表１に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させた後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００７１】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表１にまとめた。
【００７２】
〔実施例４〕
先ず、成形材料を調製するため、表２に示す粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００７３】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７４】
〔実施例５〕
ポリフェニルサルホン樹脂と黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７５】
〔実施例６〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７６】
〔実施例７〕
ポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表２に示すように変更し、実施例４と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、その後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表２にまとめた。
【００７７】
〔実施例８〕
先ず、実施例４で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂３３．３体積％と、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）６６．７体積％とを加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
【００７８】
こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却し、φ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、この粉砕した溶融混練物をφ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルに投入して再び粉砕することにより、予備成形材料を調製した。この予備成形材料の平均粒径については、実施例４と同様の方法により測定した。
【００７９】
次いで、樹脂容器に、予備成形材料、人造黒鉛の体積比率が７５．９体積％となるように、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）、φ１０ｍｍのジルコニアボールをそれぞれ投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させて予備成形材料、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８０】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表３にまとめた。
【００８１】
〔実施例９〕
先ず、実施例６で使用した粒子形状がペレットのポリフェニルサルホン樹脂３０．４体積％と、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）６９．６体積％とを加圧ニーダーに投入して２５℃、１０分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
【００８２】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却し、φ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、この粉砕した溶融混練物をφ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルに投入して再び粉砕することにより、予備成形材料を調製した。この予備成形材料の平均粒径については、実施例４と同様の方法により測定した。
【００８３】
次いで、樹脂容器に、予備成形材料、人造黒鉛の体積比率が８０．１体積％となるように、平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名人造黒鉛粉ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）、φ１０ｍｍのジルコニアボールをそれぞれ投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させて予備成形材料、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８４】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表３にまとめた。
【００８５】
【表１】
【００８６】
【表２】
【００８７】
【表３】
【００８８】
〔比較例１〕
先ず、成形材料を調製するため、実施例１、２で使用したポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛とを表４に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にφ１０ｍｍのジルコニアボールを併せて投入し、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニルサルホン樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００８９】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを超えていたため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
【００９０】
〔比較例２〕
実施例６で使用したポリフェニルサルホン樹脂と人造黒鉛とを表４に示す組成体積比率で加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。こうして溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕し、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで粉砕して成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００９１】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかしながら、製造した燃料電池用セパレータは、曲げ強度が４０ＭＰａ未満と劣悪であったため、リン酸に対する腐食性を評価しなかった。
【００９２】
〔比較例３〕
粉体化されたポリフェニレンサルファイド樹脂としてトレリナＥ２１８０（東レ社製：商品名）を用意し、このポリフェニレンサルファイド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で樹脂容器に投入し、かつ樹脂容器にジルコニアボールを併せて投入した。
【００９３】
ポリフェニレンサルファイド樹脂は、結晶性樹脂であるので、融点を溶融開始温度とすることとした。トレリナＥ２１８０の融点を示差走査熱量測定した結果、融点が２８６℃であるのを確認した。示差走査熱量測定による融点は、トレリナＥ２１８０の試料を約１０ｍｇ精量し、示差走査熱量計（セイコー電子工業社製：商品名ＤＳＣ２２０）により１０℃／分の昇温速度で昇温させ、このとき得られる示差走査熱量曲線から求めた。ここで融点は、示差走査熱量曲線において最大吸熱ピークを示す温度とした。
【００９４】
樹脂容器にジルコニアボールを投入したら、樹脂容器に蓋を取り付けてタンブラーミキサーに装着するとともに、このタンブラーミキサーを２３℃、１時間の条件で回転させてポリフェニレンサルファイド樹脂、人造黒鉛、ジルコニアボールを分散混合させ、その後、ジルコニアボールを取り出して成形材料を調製した。
【００９５】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３２０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を３８０℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【００９６】
金型の側面温度が３２０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が７０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
【００９７】
〔比較例４〕
粒子形状がペレットのポリエーテルサルホン樹脂としてウルトラゾーンＥ２０１０ Ｎａｔｕｒａｌ（ＢＡＳＦジャパン社製：商品名、ガラス転移点：２２５℃）を用意し、このポリエーテルサルホン樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して３３０℃、１０分間の条件で溶融混練し、溶融混練物を得た。
【００９８】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【００９９】
次いで、平型の金型に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ‐６０１０）を均一に塗布し、金型に所定量の成形材料を充填して型締めし、４００ｔ圧縮成形機の上下一対の熱板間にセットしてその一対の熱板により加熱加圧し、燃料電池用セパレータを圧縮成形した。この際、金型の側面温度が３６０℃に達するまで加熱加圧した。この加熱加圧に際しては、一対の熱板の温度を４００℃とし、成形圧力を２５ＭＰａ（ゲージ圧力）とした。
【０１００】
金型の側面温度が３６０℃に達したら、そのままの状態で３０秒間加熱加圧し、その後、金型を上下一対の熱板の温度が２０℃の冷却用の別の４００ｔ圧縮成形機に直ちに移載し、金型の側面温度が８０℃以下になるまで加圧冷却して２１０ｍｍ×２９７ｍｍ×２ｍｍの大きさを有する燃料電池用セパレータを脱型した後、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。加熱加圧に際しては、熱板の温度や成形圧力を上記と同様とした。
しかし、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は中止した。
【０１０１】
〔比較例５〕
粒子形状がペレットのポリエーテルイミド樹脂としてウルテム１０１０‐１０００（ＳＡＢＩＣ イソベーティブプラスチックスジャパン社製：商品名）を用意し、このポリエーテルイミド樹脂と、炭素系の導電性材料として平均粒子径が５３．３μｍの人造黒鉛（オリエンタル産業社製：商品名ＡＴ‐Ｎｏ．５Ｓ）とを表４に示す体積組成率で加圧ニーダーに投入して３２５℃、１０分間の条件で溶融混練することにより、溶融混練物を得た。
【０１０２】
ウルテム１０１０‐１０００のガラス転移点を示差走査熱量測定した結果、ガラス転移点は２１２℃だった。示差走査熱量測定によるガラス転移点は、ウルテム１０１０‐１０００の試料を約１０ｍｇ精量し、示差走査熱量計（セイコー電子工業社製：商品名ＤＳＣ２２０）により１０℃／分の昇温速度で昇温させ、このとき得られる示差走査熱量曲線から求めた。ここでガラス転移点は、示差走査熱量曲線のベースラインと変曲点の接線の交点とした。
【０１０３】
溶融混練物を調製したら、この溶融混練物を５０℃以下に冷却してφ４ｍｍのパンチングメタルを備えたカッターミルで粉砕した後、φ０．３ｍｍのパンチングメタルを備えたピンミルで再び粉砕し、成形材料を調製した。この成形材料の平均粒径については、レーザ回折散乱法、又はマイクロトラック法により測定した。
【０１０４】
その後、実施例１と同様に燃料電池用セパレータを圧縮成形して脱型し、燃料電池用セパレータのリン酸に対する腐食性、機械的特性、電気的性質を評価・測定して表４にまとめようとした。
ところが、リン酸に浸漬した燃料電池用セパレータの表面を指で触れたところ、ぬめり感が激しかったので、リン酸浸漬後の機械的特性や電気的性質の評価は見合わせた。
【０１０５】
【表４】
【０１０６】
〔結 果〕
実施例の燃料電池用セパレータは、機械的性質が曲げ強度で４０ＭＰａ以上、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍ以下であり、十分に使用可能であるのを確認した。１８０℃のリン酸に浸漬した場合についても、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍ以下であるのを確認した。加えて、燃料電池用セパレータを１８０℃で１５日浸漬したリン酸の色は、浸漬前の色と同様に無色透明であった。
【０１０７】
燃料電池用セパレータを１８０℃のリン酸に浸漬した前後の曲げ強度の変化については、５％以内であり、リン酸浸漬による機械的性質の低下は認められなかった。また、１８０℃のリン酸に１５日間浸漬したが、燃料電池用セパレータに反り等の変形は認められず、燃料電池用セパレータの耐熱性に問題がないのが確認された。
【０１０８】
燃料電池用セパレータの表面を目視で評価したところ、浸漬の前後で差異は認めなかった。また、燃料電池用セパレータの表面を指触で評価したが、べたつきやぬめり感は認められず、浸漬の前後で差異は生じなかった。
以上のことから、実施例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとして十分に使用可能である。
【０１０９】
これに対し、比較例１の燃料電池用セパレータは、機械的性質が十分であるものの、体積抵抗値が１０ｍΩ・ｃｍを大幅に超え、電気的特性に問題が生じた。また、比較例２の燃料電池用セパレータは、電気的特性が十分ではあるものの、曲げ強度が４０ＭＰａを下回り、機械的性質に問題が生じた。
【０１１０】
また、比較例３、４、５の燃料電池用セパレータは、十分な電気的特性ではあるものの、１８０℃に加熱したリン酸に１５日浸漬したところ、リン酸の色が黒色に変色した。また、燃料電池用セパレータの表面を目視で評価したところ、表面に小さな斑点を発見した。また、燃料電池用セパレータの表面を指触で評価したところ、激しいぬめり感を認めた。
以上のことから、比較例の燃料電池用セパレータは、リン酸型燃料電池用セパレータとしては不十分であるのが確認された。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形材料を使用した成形法により、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
成形材料を粉体状とするとともに、導電性材料を黒鉛とし、この成形材料をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度の金型に充填し、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形した後、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型する請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
リン酸を用いて１５０〜２００℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造する請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
請求項１、２、又は３記載の燃料電池用セパレータの製造方法により製造されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１】
成形材料を使用した成形法により、曲げ強度が４０ＭＰａ以上、電気的性質が体積抵抗値で１０ｍΩ・ｃｍ以下の燃料電池用セパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
成形材料を、少なくともポリフェニルサルホン樹脂と炭素系の導電性材料とにより調製し、ポリフェニルサルホン樹脂の組成体積比率を１０〜４０体積％以下とするとともに、導電性材料の組成体積比率を６０〜９０体積％以下とすることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
成形材料を粉体状とするとともに、導電性材料を黒鉛とし、この成形材料をポリフェニルサルホン樹脂の溶融開始温度未満の温度の金型に充填し、この金型を加熱加圧して燃料電池用セパレータを圧縮成形した後、金型を加圧冷却して燃料電池用セパレータを脱型する請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
リン酸を用いて１５０〜２００℃の温度で作動する燃料電池に使用されるリン酸形の燃料電池用セパレータを製造する請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
請求項１、２、又は３記載の燃料電池用セパレータの製造方法により製造されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【公開番号】特開２０１１−２５３７０４（Ｐ２０１１−２５３７０４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２６５６０（Ｐ２０１０−１２６５６０）
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００１９０１１６）信越ポリマー株式会社 (1,394)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２日（２０１０．６．２）
【出願人】（０００１９０１１６）信越ポリマー株式会社 (1,394)
【Ｆターム（参考）】
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