燃料電池用セパレータ及びその製造方法
【課題】導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成する工夫により、自動車用等に好適な軽量、コンパクト化が図れるよう、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、成形性も優れるように改善する。
【解決手段】板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて、予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られるシート状体にフェノール樹脂を含浸させて成る第１シート１４Ａを、黒鉛にフェノール樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装するサンドイッチ構造に構成する。
【解決手段】板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて、予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られるシート状体にフェノール樹脂を含浸させて成る第１シート１４Ａを、黒鉛にフェノール樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装するサンドイッチ構造に構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータ、並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータとは、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を適切に燃料電池セル（燃料電池用セパレータの間にＭＥＡを挟み込んだ単位体）内に保持するとともに前記電気化学反応に必要な燃料（水素）及び空気（酸素）を供給する役割、さらには燃料電池として機能するための電気化学反応により得られた電子を損失なく集電する役割等を担っている。これらの役割を担うために燃料電池用セパレータには、１．機械的強度、２．可撓性、３．導電性、４．成形加工性、５．ガス不透過性という特性が要求される。
【０００３】
従来、この種の燃料電池用セパレータの材料としては、耐食性に優れたものとする点から黒鉛を主原料とするものが一般的であり、開発の初期段階では、焼結カーボンを切削することによって燃料電池用セパレータを製作していた。しかしながら、コスト的な問題から近年ではフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛とのコンパウンドを成形材料として作成し、そのコンパウンドを圧縮成形することによって燃料電池用セパレータとする手段が採られていた。成形材料のコンパウンドは、通常、粉末の状態で供給されるので、一旦樹脂の反応しない低温で予備成形体を作成する一次成形を行ってから、二次成形であるプレス成形型に送られるようになる。このように、一次成形によって一旦予備成形体を作ってから二次成形を行うことで、前記成形加工性に優れる燃料電池用セパレータやその製造方法としては特許文献１において開示されたものが知られている。
【０００４】
一方、燃料電池用セパレータの主原料である黒鉛として膨張黒鉛を用いるものがあり、例えば特許文献２において開示されたものが知られている。膨張黒鉛を用いた燃料電池用セパレータでは、膨張黒鉛が本来有する耐熱性、耐食性、電気特性（導電性）、熱伝導特性等を有効に利用して所定の電池性能を発揮させることができる手段として望ましいものである。つまり、前記導電性に優れるものとすることができる。そして、数百枚〜千枚といった多量のセパレータを用いる自動車用等として求められる軽量でコンパクトな燃料電池とするには、セパレータ単体での厚さを、必要な機能を損なうことなく極力薄くすることが必要になる。
【０００５】
しかしながら、膨張黒鉛を主原料とする従来の燃料電池用セパレータでは、薄くすると割れ易くなるとともに、ガスを透過し易くなるので、前述の機械的強度、ガス不透過性の各点で難点がある。
【特許文献１】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３１９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるようにする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて、
前記予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａが、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装されて成るサンドイッチ構造に構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記第１シート１４Ａは、前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を有していることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、燃料電池用セパレータにおいて、請求項１に記載の前記第２シート及び／又は請求項２に記載の前記第１シートに用いられる前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型１５を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記予備成形体１４を、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いて抄造する抄造工程ａと、前記抄造工程ａによって得られる第１シート１４Ａを、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して積層する積層工程ｃと、を有する一次工程Ｓ１によって作成することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記一次工程Ｓ１は、前記抄造工程ａによって抄造されたシート状体に熱硬化性樹脂を含浸させて前記第１シート１４Ａを作成する後含浸工程ｂを有していることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に係る発明は、燃料電池用セパレータの製造方法において、請求項４に記載の前記第２シート１４Ｂ及び／又は請求項５に記載の前記第１シート１４Ａを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項において説明するが、予備成形体が、抄造による第１シートが黒鉛と熱硬化性樹脂とを主原料とする第２シートの二枚の間に挟まれる計三層のサンドイッチ構造のもの、即ち、機械的、電気的特性に優れ、薄肉で、かつ、固有抵抗値等の特性のばらつきが少なく、大量生産が容易で製造コストも有利となる第１シートを、成形性に優れる第２シートの一対の間に挟む構成となっている。その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成する抄造シートを間に挟んで成形性に優れる第２シートが表面に位置するサンドイッチ構造に工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善されながら成形性に優れ、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、膨張黒鉛を主原料とする抄造によって成る第１シートに熱硬化性樹脂を後から含浸させてあるので、熱硬化性樹脂が配合されることによる一般的な作用、効果に加えて、抄造されたシート状体における隙間に熱硬化性樹脂が入り込んで隙間を埋めるようになり、ガス透過性やかさ密度に好影響を与えてさらなる性能向上が可能となる利点がある。この場合、請求項３のように、第１シートに用いられる熱硬化性樹脂を、フェノール類とアルデヒド類との縮重合により合成されるフェノール樹脂とすれば、絶縁性・耐水性・耐薬品性等に優れるというより好ましい作用、効果が追加されるとか、第２シートに用いられる熱硬化性樹脂をフェノール樹脂として、ガス透過係数の向上と優れた成形性との双方をより効果的に得ることができるといったサンドイッチ構造の燃料電池用セパレータを提供可能である。また、次の１．〜５．のような手段を採用しても良い。
【００１５】
１．フェノール樹脂の含浸率を５〜３０％の範囲に設定したり、２．膨張黒鉛の材料比率を６０〜９０％に設定することにより、接触抵抗３０ｍΩ・ｃｍ2 以下 、曲げ強度２５ＭＰａ以上、曲げ歪０．６〜２．１％、ガス透過係数１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下の各特性の目標値をクリヤすることができて好都合である（図７，８参照）。３．黒鉛が含有されているフェノール樹脂を後含浸したものや、４．フェノール樹脂の含浸後において塗される黒鉛を有するものでは、前述の各特性値がより高レベルなものとなる（図７参照）燃料電池用セパレータを提供することができる。５．繊維質充填材を、機械的強度の改善に有効な炭素繊維或いはアクリル繊維を有するものとすることができる。
【００１６】
請求項４の発明は請求項１の発明を、請求項５の発明は請求項２の発明を、そして請求項６の発明は請求項３の発明を夫々方法化したものであり、対応する請求項の作用、効果と同等の作用、効果を発揮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ことができる。
【００１７】
以下に、本発明による燃料電池用セパレータ及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、スタック構造の分解斜視図、セパレータの外観正面図、セル構造を示す要部の拡大断面図、図４は別構造の単セルを示す要部の拡大図、図５は抄造の原理を示す概略図、図６はセパレータの製造原理を示す工程図、図７，８は各種実施例や比較例のデータを示す図表である。尚、以下においては「燃料電池用セパレータ」を、単に「セパレータ」と略称するものとする。
【００１８】
〔実施例１〕
まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について、図１〜図３を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型燃料電池Ｅは、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあるいはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。
【００１９】
両セパレータ４は、図２に示すように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、前記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池Ｅ内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。各セパレータ４は、基本の断面形状が角波型となるように表裏に凸条（リブ）１１が形成されており、アノード２と各凸条１１とが当接することによる燃料ガス流路１２、及びカソード３と各凸条１１とが当接することによる酸化ガス流路１３が形成されている。また、電解質膜１の存在側を内とした場合において、各セパレータ４，４における外向き凸条１１の裏側（内側）部分が隣合わされることにより、独立した冷却水通路１０に形成することができる。
【００２０】
前記構成の固体高分子電解質型燃料電池Ｅにおいては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００２１】
前述の電気化学反応に伴い、燃料電池Ｅ全体としての電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池Ｅは、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池Ｅの運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池Ｅに対して冷却水を供給し、これを前記冷却水路に循環させることによって、燃料電池Ｅ内部の温度上昇を抑制している。
【００２２】
尚、セルの構造としては、図４に示す構造のものでも良い。即ち、図４のセルは、各セパレータ４を、その表面が縦横に点状のリブ（所定形状のリブ）１１の多数が均等間隔毎に並べられて成るものとして、それらリブ１１とアノード２の表面との間に縦横の燃料ガス流路１２が形成されるとともに、リブ１１とカソード３の表面との間に縦横の酸化ガス流路１３が形成される構造のものに構成してある。二次成形Ｓ２において、中間層で成形性の良い第２シート１４Ｂが厚みの大きい部分に流れて密度不均一状態に容易に変化できることから、機械的、電気的特性を向上させるべく両端に厚み変化が不得意な第１シート１４Ａを設ける構成としながらも、従来では困難であったリブ１１等の凹凸を有する（厚み分布のある）タイプのセパレータ４の実現を可能としている。
【００２３】
次に、セパレータ４の作り方（製造方法）について説明する。セパレータ４の製造方法は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成するものであり、図６に示すように、セパレータの形に近似した板状の予備成形体１４を作成する一次成形工程Ｓ１と、その予備成形体１４を成形金型１５で加圧して最終形状のセパレータ４を形成する二次成形工程Ｓ２とから成る。ここで、セパレータ４の目標とする特性は、接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ２以下、曲げ強度が２５ＭＰａ以上、曲げ歪が０．６〜２．１％、ガス透過係数が１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下である。
【００２４】
一次成形工程Ｓ１は、図６に示すように、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａを、熱硬化性樹脂に黒鉛粉末を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して成るサンドイッチ構造の予備成形体１４を作成する工程であり、抄造工程ａと後含浸工程ｂと積層工程ｃとを有している。
【００２５】
抄造工程ａは、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって第１シート１４Ａを作成する工程であり、図６に示すように、主原料である膨張黒鉛（導電材）と繊維質充填材とを所定の配合比率で有する原料を用いて抄造し、それによって予備成形体１４用の第１シート１４Ａを形成する。抄造の本来の意味は「紙の原料をすいて紙を作ること」であるが、ここで言う抄造は『第１シート用の上記材料をすいて第１シートを作ること』である。次に、抄造について簡単に説明しておく。
【００２６】
図５に、第１シート１４Ａを作成する概略の抄造工程ａが示されている。即ち、黒鉛（膨張黒鉛）、繊維質充填材、軟質硬化樹脂、及び水の分散液をホッパー２０に入れておき、ホッパー２０下端の出口２０ａから、ローラ２１，２２に巻回されている無端回動帯状の金網２３の搬送始端側の上面に前記分散液を垂らし供給させる。金網２３上で矢印イ方向に搬送される間に分散液が漉かされて（抄かされて）概略のシート状体に形成され、金網２３の搬送終端からは大径の持上げドラム２４に沿って持上げ搬送されてから、複数の上下の仕上げローラ２５，２６の間を通ることにより、第１シート１４Ａ（抄造シート）が形成される。
【００２７】
後含浸工程ｂは、抄造工程ａによって抄造された第１シート１４Ａにフェノール樹脂を含浸する工程であり、それによって予備成形体１４の構成部品となる状態の第１シート１４Ａが作成される。積層工程ｃは、抄造工程ａ及び後含浸工程ｂで作成された第１シート１４Ａを、黒鉛（黒鉛粉末等）にフェノール樹脂（熱硬化性樹脂の一例）を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して一体化することにより、図６に示すように、中間のの第１シート１４Ａと表裏（上下）第２シート１４Ｂ，１４Ｂとの三層によるサンドイッチ構造の予備成形体１４を作成する工程である。
【００２８】
二次成形工程Ｓ２は、例えば、上金型１５ａと下金型１５ｂから成る成形金型１５を用いて三層構造の予備成形体１４をプレスによって加圧することにより、所定の最終形状を呈するセパレータ４を作成する工程である。以下に、具体的な作り方とその実施例等について説明する。
【００２９】
まず、一次成形工程Ｓ１における抄造工程ａに関しては、次のようである。炭素繊維３％、アクリル繊維７％、ＰＥＴ繊維１％、アラミド繊維１％を配合して成る繊維質充填材を、家庭用ミキサーを用いて離解し、所定のパルプ濃度（例：１％）に調整する。調整後のパルプスラリーに、例えば４０μｍの膨張黒鉛を８３％添加し、さらに水を追加して固形分濃度０．１％に再調整してから、若干のその他の配合材［硫酸バンド、歩留り向上材〔ハイモロックＮＲ１１−ＬＨ（商品名）〕］を添加して抄紙用原料（図７の実施例１を参照）として抄造（図５参照）する。抄造工程ａによってできたシート状体を、標準角型シートマシンを用いて加工することにより、坪量１００ｇ／ｍ２で２５ｃｍ角シート形状の第１シート１４Ａを得る。
【００３０】
一次成形工程Ｓ１における後含浸工程ｂに関しては、フェノール樹脂液を用いて含浸を行い、予備成形体１４用の第１シート１４Ａを得る。実施例１におけるフェノール樹脂の含浸量は、含浸後における配合率が５％になるように定められる。抄造による第１シート１４Ａは、曲げ難い等、成形性にはやや劣る面があるが、優れた機械的及び電気的特性を持っている。
【００３１】
一次成形工程Ｓ１における第２シート形成工程は、図示は省略するが、黒鉛粉末（粒径１〜２００μｍ程度が好ましい）にフェノール樹脂をコーティングして樹脂カーボンである第２シート１４Ｂを作成する工程である。樹脂カーボンである第２シート１４Ｂは、機械的特性の点では劣るが成形性には優れている。
【００３２】
第２シート１４Ｂとしては、次のようにして作成されたものでも良い。即ち、フェノール類とアルデヒド類とカーボンとを触媒の存在下で混合及び反応させて調製されたカーボン・フェノール樹脂成形材料を成形した薄板状成形体からなるものであり、フェノール類とアルデヒド類とを触媒の存在下でカーボンと混合しつつ反応させることによって、カーボン・フェノール樹脂成形材料はカーボンがフェノール樹脂で薄く均一に被覆されたものとして得られている。この場合、カーボン量を増加させた場合でも、カーボン粒子間が確実に結着されていると共にカーボン粒子間の間隙がフェノール樹脂で充填された薄板状成形体を得ることができるものであり、機械的強度及び電気伝導性に優れ、ガス透過率の小さな燃料電池用セパレータを容易に得ることができる。
【００３３】
二次成形工程Ｓ２に関しては、一次成形工程Ｓ１によって作成された三層構造の予備成形体１４を、１７０℃の金型を用いて２０ＭＰａの面圧で５分間加熱加圧成形し（図６参照）、セパレータ４を得る。この場合（実施例１）のセパレータ４の各種特性は、接触抵抗１０ｍΩ・ｃｍ２、ガス透過係数４×１０−１１mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa、曲げ強さ５０ＭＰａ、曲げ歪２％、厚さ０．１５ｍｍであった。
【００３４】
図７，８に、本発明によるセパレータ４の実施例１〜１０及び比較例１〜３の物性及び特性表（図７）と、実施例１１〜１７の物性及び特性（図８）とを示す。各実施例は第１シート１４Ａの諸元が異なるものであり、第２シート１４Ｂについては全て互いに同じものを用いている。ここで、各特性のテスト条件を述べておく。接触抵抗に関しては次のようである。まず、試験片２枚を２枚のフラットな銅板に挟み込み、１ＭＰａの圧力下での電圧を、電圧Ａとして測定する。次いで、試験片４枚を前記と同様にして電圧Ｂとして測定し、電圧Ａと電圧Ｂとの差を２で割り、さらに試験片の面積で割ることにより、接触抵抗（単位：ｍΩ・ｃｍ２）とする。
【００３５】
曲げ試験（曲げ強度、曲げ歪）に関しては、３点曲げ試験により曲げ強度、及び曲げ歪の測定を行う。支点間距離は７．８ｍｍとし、クロスヘッドスピードを１０ｍｍ／ｍｉｎ、試験片の幅を１５ｍｍとして測定した。ガス透過係数に関しては、ＪＩＳ，Ｋ７１２６Ａ法（差圧法）に従い、ガス透過測定器（東洋精機製作所製ＢＴ−１）を用いて測定を行った。
【００３６】
さて、図７において、実施例１〜６は、後含浸工程ｂにおけるフェノール樹脂の配合率を５〜３０％の範囲において５％刻みで変化させた場合のデータであり、実施例７は、フェノール樹脂の後含浸に代えて、フェノール樹脂と天然黒鉛とを後含浸させた場合のデータである。実施例８は、フェノール樹脂の後含浸に代えて、フェノール樹脂で被覆された黒鉛を後含浸させた場合のデータであり、実施例９は、フェノール樹脂の後含浸を１３％に、かつ、フェノール樹脂の内填（内填とは、「抄造工程ａの原料として、フェノール樹脂が７％配合されている」の意である）を７％とした場合のデータである。
【００３７】
また、実施例１０は、予備成形体１４の表面、即ち第２シート体１４Ｂ，１４Ｂの表面側に黒鉛を塗した場合のデータである。つまり、実施例１０のものは、カーボン・フェノール樹脂成形材料から成る第２シート体１４Ｂの表面に黒鉛を塗す塗し工程が追加されたものである。これら実施例１〜１０のものでは、繊維質充填材を構成する炭素繊維、アクリル繊維、ＰＥＴ繊維、アラミド繊維の配合率（配合量）は全て同じとしてある。
【００３８】
図８において、実施例１１〜１７は、第１シートの膨張黒鉛の配合率を６０〜９０％の範囲において５％刻みで変化させた場合のデータである。後含浸されるフェノール樹脂の配合率は、実施例１０〜１３では実施例４の場合と同様に２０％に設定するものであるが、膨張黒鉛の配合率が８０％以上となる実施例１５〜１７においては無理なので、繊維質充填材とのバランスを考慮した値として定めてある。
【００３９】
図７において、比較例１，２は、実施例４と５による第１シート１４Ａを三枚積層して成る第２シート１４Ｂを有さない全抄造型のセパレータ４に設定された場合のデータであり、比較例３は、第２シート１４Ｂを三枚積層して成る第１シート１４Ａを有さない全樹脂カーボン型のセパレータ４に設定された場合のデータである。
【００４０】
図７から分るように、全抄造型の比較例１，２のものでは、特性は優れるものの、接触抵抗とガス透過係数に関しては規定値を大きく逸脱しているとともに、角の欠けが多く成形性も劣り、不合格である。また、全樹脂カーボン型の比較例３のものでは、曲げ歪が範囲外であるとともに角の欠けも認められており、やはり不合格である。また、曲げ強さが５０ＭＰａ以上となる高強度なセパレータ（第１シート１４Ａ）を得るには、膨張黒鉛の配合比率（材料比率）が６０〜８０％の範囲に設定すれば良く、フェノール樹脂の含浸率を２０〜３０％の範囲とすれば、曲げ強さを８０ＭＰａ以上の超高強度なものとすることが可能である。そして、フェノール樹脂の含浸率が２０〜３０％の範囲で、かつ、膨張黒鉛の配合比率（材料比率）が６０〜７０％の範囲のものでは、曲げ強さが１０５ＭＰａ以上の超々高強度な燃料電池用セパレータが実現できる利点がある。
【００４１】
以上説明したように、本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成されるセパレータにおいて、予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対の間に、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートが介装されて成るサンドイッチ構造に構成されていることにより、厚さを０．１５ｍｍとした場合において、接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ２以下 、曲げ強度２５ＭＰａ以上、曲げ歪０．６〜２．１％、ガス透過係数１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下の各特性値目標をクリヤすることができる。その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、抄造法による二枚の第１シートの間に、樹脂カーボン製の第２シートを挟むサンドイッチ構造のものとする工夫により、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるセパレータを提供することができる。
【００４２】
また、機械的、電気的特性に優れる一対の第１シート１４Ａの間に、成形性に優れる第２シート１４Ｂを挟むサンドイッチ構造としてあるので、上述の各特性を満たすに加えて、シール性（ガス透過係数）のさらなる向上を図りながら成形性も良好なものとなっており、トータル性能により優れる燃料電池用セパレータ、及び燃料電池用セパレータの製造方法が実現できている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す分解斜視図
【図２】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータを示す正面図
【図３】単セルの構成を示す要部の拡大断面図
【図４】別構造によるセルの構成を示す要部の拡大断面図
【図５】第１シートの抄造工程を示す原理図
【図６】セパレータの製造方法を示す原理図
【図７】実施例１〜１０及び比較例１〜３のセパレータの各種データを示す図表
【図８】実施例１１〜１７のセパレータの各種データを示す図表
【符号の説明】
【００４４】
４ 燃料電池用セパレータ
１４ 予備成形体
１４Ａ 第１シート（抄造シート）
１４Ｂ 第２シート（樹脂カーボン）
１５ 成形型
ａ 抄造工程
ｂ 後含浸工程
ｃ 積層工程
Ｓ１ 一次工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータ、並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用セパレータとは、ＭＥＡ（膜・電極接合体）を適切に燃料電池セル（燃料電池用セパレータの間にＭＥＡを挟み込んだ単位体）内に保持するとともに前記電気化学反応に必要な燃料（水素）及び空気（酸素）を供給する役割、さらには燃料電池として機能するための電気化学反応により得られた電子を損失なく集電する役割等を担っている。これらの役割を担うために燃料電池用セパレータには、１．機械的強度、２．可撓性、３．導電性、４．成形加工性、５．ガス不透過性という特性が要求される。
【０００３】
従来、この種の燃料電池用セパレータの材料としては、耐食性に優れたものとする点から黒鉛を主原料とするものが一般的であり、開発の初期段階では、焼結カーボンを切削することによって燃料電池用セパレータを製作していた。しかしながら、コスト的な問題から近年ではフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛とのコンパウンドを成形材料として作成し、そのコンパウンドを圧縮成形することによって燃料電池用セパレータとする手段が採られていた。成形材料のコンパウンドは、通常、粉末の状態で供給されるので、一旦樹脂の反応しない低温で予備成形体を作成する一次成形を行ってから、二次成形であるプレス成形型に送られるようになる。このように、一次成形によって一旦予備成形体を作ってから二次成形を行うことで、前記成形加工性に優れる燃料電池用セパレータやその製造方法としては特許文献１において開示されたものが知られている。
【０００４】
一方、燃料電池用セパレータの主原料である黒鉛として膨張黒鉛を用いるものがあり、例えば特許文献２において開示されたものが知られている。膨張黒鉛を用いた燃料電池用セパレータでは、膨張黒鉛が本来有する耐熱性、耐食性、電気特性（導電性）、熱伝導特性等を有効に利用して所定の電池性能を発揮させることができる手段として望ましいものである。つまり、前記導電性に優れるものとすることができる。そして、数百枚〜千枚といった多量のセパレータを用いる自動車用等として求められる軽量でコンパクトな燃料電池とするには、セパレータ単体での厚さを、必要な機能を損なうことなく極力薄くすることが必要になる。
【０００５】
しかしながら、膨張黒鉛を主原料とする従来の燃料電池用セパレータでは、薄くすると割れ易くなるとともに、ガスを透過し易くなるので、前述の機械的強度、ガス不透過性の各点で難点がある。
【特許文献１】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献２】特開２０００−２３１９２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで本発明の目的は、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるようにする点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて、
前記予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａが、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装されて成るサンドイッチ構造に構成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池用セパレータにおいて、前記第１シート１４Ａは、前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を有していることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に係る発明は、燃料電池用セパレータにおいて、請求項１に記載の前記第２シート及び／又は請求項２に記載の前記第１シートに用いられる前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に係る発明は、板状に形成された予備成形体１４を、成形型１５を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記予備成形体１４を、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いて抄造する抄造工程ａと、前記抄造工程ａによって得られる第１シート１４Ａを、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して積層する積層工程ｃと、を有する一次工程Ｓ１によって作成することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、前記一次工程Ｓ１は、前記抄造工程ａによって抄造されたシート状体に熱硬化性樹脂を含浸させて前記第１シート１４Ａを作成する後含浸工程ｂを有していることを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に係る発明は、燃料電池用セパレータの製造方法において、請求項４に記載の前記第２シート１４Ｂ及び／又は請求項５に記載の前記第１シート１４Ａを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、詳しくは実施形態の項において説明するが、予備成形体が、抄造による第１シートが黒鉛と熱硬化性樹脂とを主原料とする第２シートの二枚の間に挟まれる計三層のサンドイッチ構造のもの、即ち、機械的、電気的特性に優れ、薄肉で、かつ、固有抵抗値等の特性のばらつきが少なく、大量生産が容易で製造コストも有利となる第１シートを、成形性に優れる第２シートの一対の間に挟む構成となっている。その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成する抄造シートを間に挟んで成形性に優れる第２シートが表面に位置するサンドイッチ構造に工夫することにより、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善されながら成形性に優れ、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となる燃料電池用セパレータを提供することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、膨張黒鉛を主原料とする抄造によって成る第１シートに熱硬化性樹脂を後から含浸させてあるので、熱硬化性樹脂が配合されることによる一般的な作用、効果に加えて、抄造されたシート状体における隙間に熱硬化性樹脂が入り込んで隙間を埋めるようになり、ガス透過性やかさ密度に好影響を与えてさらなる性能向上が可能となる利点がある。この場合、請求項３のように、第１シートに用いられる熱硬化性樹脂を、フェノール類とアルデヒド類との縮重合により合成されるフェノール樹脂とすれば、絶縁性・耐水性・耐薬品性等に優れるというより好ましい作用、効果が追加されるとか、第２シートに用いられる熱硬化性樹脂をフェノール樹脂として、ガス透過係数の向上と優れた成形性との双方をより効果的に得ることができるといったサンドイッチ構造の燃料電池用セパレータを提供可能である。また、次の１．〜５．のような手段を採用しても良い。
【００１５】
１．フェノール樹脂の含浸率を５〜３０％の範囲に設定したり、２．膨張黒鉛の材料比率を６０〜９０％に設定することにより、接触抵抗３０ｍΩ・ｃｍ2 以下 、曲げ強度２５ＭＰａ以上、曲げ歪０．６〜２．１％、ガス透過係数１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下の各特性の目標値をクリヤすることができて好都合である（図７，８参照）。３．黒鉛が含有されているフェノール樹脂を後含浸したものや、４．フェノール樹脂の含浸後において塗される黒鉛を有するものでは、前述の各特性値がより高レベルなものとなる（図７参照）燃料電池用セパレータを提供することができる。５．繊維質充填材を、機械的強度の改善に有効な炭素繊維或いはアクリル繊維を有するものとすることができる。
【００１６】
請求項４の発明は請求項１の発明を、請求項５の発明は請求項２の発明を、そして請求項６の発明は請求項３の発明を夫々方法化したものであり、対応する請求項の作用、効果と同等の作用、効果を発揮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ことができる。
【００１７】
以下に、本発明による燃料電池用セパレータ及びその製造方法の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。図１〜図３は、スタック構造の分解斜視図、セパレータの外観正面図、セル構造を示す要部の拡大断面図、図４は別構造の単セルを示す要部の拡大図、図５は抄造の原理を示す概略図、図６はセパレータの製造原理を示す工程図、図７，８は各種実施例や比較例のデータを示す図表である。尚、以下においては「燃料電池用セパレータ」を、単に「セパレータ」と略称するものとする。
【００１８】
〔実施例１〕
まず最初に、本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成及び動作について、図１〜図３を参照して簡単に説明する。固体高分子電解質型燃料電池Ｅは、例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である電解質膜１と、炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあるいはカーボンフェルトにより形成され、上記電解質膜１を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散電極となるアノード２及びカソード３と、そのサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ４，４とから構成される単セル５の複数組を積層し、その両端に図示省略した集電板を配置したスタック構造に構成されている。
【００１９】
両セパレータ４は、図２に示すように、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔６，７と酸素を含有する酸化ガス孔８，９と冷却水孔１０とが形成されており、前記単セル５の複数組を積層した時、各セパレータ４の各孔６，７、８，９、１０がそれぞれ燃料電池Ｅ内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水路を形成するようになされている。各セパレータ４は、基本の断面形状が角波型となるように表裏に凸条（リブ）１１が形成されており、アノード２と各凸条１１とが当接することによる燃料ガス流路１２、及びカソード３と各凸条１１とが当接することによる酸化ガス流路１３が形成されている。また、電解質膜１の存在側を内とした場合において、各セパレータ４，４における外向き凸条１１の裏側（内側）部分が隣合わされることにより、独立した冷却水通路１０に形成することができる。
【００２０】
前記構成の固体高分子電解質型燃料電池Ｅにおいては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された水素を含有する燃料ガスが上記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の燃料ガス流路１２に供給されて各単セル５のアノード２側において電気化学反応を呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル５の燃料ガス流路１２から燃料ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装置から燃料電池Ｅに対して供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が上記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸化ガス流路１３に供給されて各単セル５のカソード３側において電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路１３から上記酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排出される。
【００２１】
前述の電気化学反応に伴い、燃料電池Ｅ全体としての電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性能が発揮される。なお、この燃料電池Ｅは、電解質膜１の性質から約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるために発熱を伴う。そこで、燃料電池Ｅの運転中は、外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池Ｅに対して冷却水を供給し、これを前記冷却水路に循環させることによって、燃料電池Ｅ内部の温度上昇を抑制している。
【００２２】
尚、セルの構造としては、図４に示す構造のものでも良い。即ち、図４のセルは、各セパレータ４を、その表面が縦横に点状のリブ（所定形状のリブ）１１の多数が均等間隔毎に並べられて成るものとして、それらリブ１１とアノード２の表面との間に縦横の燃料ガス流路１２が形成されるとともに、リブ１１とカソード３の表面との間に縦横の酸化ガス流路１３が形成される構造のものに構成してある。二次成形Ｓ２において、中間層で成形性の良い第２シート１４Ｂが厚みの大きい部分に流れて密度不均一状態に容易に変化できることから、機械的、電気的特性を向上させるべく両端に厚み変化が不得意な第１シート１４Ａを設ける構成としながらも、従来では困難であったリブ１１等の凹凸を有する（厚み分布のある）タイプのセパレータ４の実現を可能としている。
【００２３】
次に、セパレータ４の作り方（製造方法）について説明する。セパレータ４の製造方法は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成するものであり、図６に示すように、セパレータの形に近似した板状の予備成形体１４を作成する一次成形工程Ｓ１と、その予備成形体１４を成形金型１５で加圧して最終形状のセパレータ４を形成する二次成形工程Ｓ２とから成る。ここで、セパレータ４の目標とする特性は、接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ２以下、曲げ強度が２５ＭＰａ以上、曲げ歪が０．６〜２．１％、ガス透過係数が１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下である。
【００２４】
一次成形工程Ｓ１は、図６に示すように、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シート１４Ａを、熱硬化性樹脂に黒鉛粉末を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して成るサンドイッチ構造の予備成形体１４を作成する工程であり、抄造工程ａと後含浸工程ｂと積層工程ｃとを有している。
【００２５】
抄造工程ａは、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって第１シート１４Ａを作成する工程であり、図６に示すように、主原料である膨張黒鉛（導電材）と繊維質充填材とを所定の配合比率で有する原料を用いて抄造し、それによって予備成形体１４用の第１シート１４Ａを形成する。抄造の本来の意味は「紙の原料をすいて紙を作ること」であるが、ここで言う抄造は『第１シート用の上記材料をすいて第１シートを作ること』である。次に、抄造について簡単に説明しておく。
【００２６】
図５に、第１シート１４Ａを作成する概略の抄造工程ａが示されている。即ち、黒鉛（膨張黒鉛）、繊維質充填材、軟質硬化樹脂、及び水の分散液をホッパー２０に入れておき、ホッパー２０下端の出口２０ａから、ローラ２１，２２に巻回されている無端回動帯状の金網２３の搬送始端側の上面に前記分散液を垂らし供給させる。金網２３上で矢印イ方向に搬送される間に分散液が漉かされて（抄かされて）概略のシート状体に形成され、金網２３の搬送終端からは大径の持上げドラム２４に沿って持上げ搬送されてから、複数の上下の仕上げローラ２５，２６の間を通ることにより、第１シート１４Ａ（抄造シート）が形成される。
【００２７】
後含浸工程ｂは、抄造工程ａによって抄造された第１シート１４Ａにフェノール樹脂を含浸する工程であり、それによって予備成形体１４の構成部品となる状態の第１シート１４Ａが作成される。積層工程ｃは、抄造工程ａ及び後含浸工程ｂで作成された第１シート１４Ａを、黒鉛（黒鉛粉末等）にフェノール樹脂（熱硬化性樹脂の一例）を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装して一体化することにより、図６に示すように、中間のの第１シート１４Ａと表裏（上下）第２シート１４Ｂ，１４Ｂとの三層によるサンドイッチ構造の予備成形体１４を作成する工程である。
【００２８】
二次成形工程Ｓ２は、例えば、上金型１５ａと下金型１５ｂから成る成形金型１５を用いて三層構造の予備成形体１４をプレスによって加圧することにより、所定の最終形状を呈するセパレータ４を作成する工程である。以下に、具体的な作り方とその実施例等について説明する。
【００２９】
まず、一次成形工程Ｓ１における抄造工程ａに関しては、次のようである。炭素繊維３％、アクリル繊維７％、ＰＥＴ繊維１％、アラミド繊維１％を配合して成る繊維質充填材を、家庭用ミキサーを用いて離解し、所定のパルプ濃度（例：１％）に調整する。調整後のパルプスラリーに、例えば４０μｍの膨張黒鉛を８３％添加し、さらに水を追加して固形分濃度０．１％に再調整してから、若干のその他の配合材［硫酸バンド、歩留り向上材〔ハイモロックＮＲ１１−ＬＨ（商品名）〕］を添加して抄紙用原料（図７の実施例１を参照）として抄造（図５参照）する。抄造工程ａによってできたシート状体を、標準角型シートマシンを用いて加工することにより、坪量１００ｇ／ｍ２で２５ｃｍ角シート形状の第１シート１４Ａを得る。
【００３０】
一次成形工程Ｓ１における後含浸工程ｂに関しては、フェノール樹脂液を用いて含浸を行い、予備成形体１４用の第１シート１４Ａを得る。実施例１におけるフェノール樹脂の含浸量は、含浸後における配合率が５％になるように定められる。抄造による第１シート１４Ａは、曲げ難い等、成形性にはやや劣る面があるが、優れた機械的及び電気的特性を持っている。
【００３１】
一次成形工程Ｓ１における第２シート形成工程は、図示は省略するが、黒鉛粉末（粒径１〜２００μｍ程度が好ましい）にフェノール樹脂をコーティングして樹脂カーボンである第２シート１４Ｂを作成する工程である。樹脂カーボンである第２シート１４Ｂは、機械的特性の点では劣るが成形性には優れている。
【００３２】
第２シート１４Ｂとしては、次のようにして作成されたものでも良い。即ち、フェノール類とアルデヒド類とカーボンとを触媒の存在下で混合及び反応させて調製されたカーボン・フェノール樹脂成形材料を成形した薄板状成形体からなるものであり、フェノール類とアルデヒド類とを触媒の存在下でカーボンと混合しつつ反応させることによって、カーボン・フェノール樹脂成形材料はカーボンがフェノール樹脂で薄く均一に被覆されたものとして得られている。この場合、カーボン量を増加させた場合でも、カーボン粒子間が確実に結着されていると共にカーボン粒子間の間隙がフェノール樹脂で充填された薄板状成形体を得ることができるものであり、機械的強度及び電気伝導性に優れ、ガス透過率の小さな燃料電池用セパレータを容易に得ることができる。
【００３３】
二次成形工程Ｓ２に関しては、一次成形工程Ｓ１によって作成された三層構造の予備成形体１４を、１７０℃の金型を用いて２０ＭＰａの面圧で５分間加熱加圧成形し（図６参照）、セパレータ４を得る。この場合（実施例１）のセパレータ４の各種特性は、接触抵抗１０ｍΩ・ｃｍ２、ガス透過係数４×１０−１１mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa、曲げ強さ５０ＭＰａ、曲げ歪２％、厚さ０．１５ｍｍであった。
【００３４】
図７，８に、本発明によるセパレータ４の実施例１〜１０及び比較例１〜３の物性及び特性表（図７）と、実施例１１〜１７の物性及び特性（図８）とを示す。各実施例は第１シート１４Ａの諸元が異なるものであり、第２シート１４Ｂについては全て互いに同じものを用いている。ここで、各特性のテスト条件を述べておく。接触抵抗に関しては次のようである。まず、試験片２枚を２枚のフラットな銅板に挟み込み、１ＭＰａの圧力下での電圧を、電圧Ａとして測定する。次いで、試験片４枚を前記と同様にして電圧Ｂとして測定し、電圧Ａと電圧Ｂとの差を２で割り、さらに試験片の面積で割ることにより、接触抵抗（単位：ｍΩ・ｃｍ２）とする。
【００３５】
曲げ試験（曲げ強度、曲げ歪）に関しては、３点曲げ試験により曲げ強度、及び曲げ歪の測定を行う。支点間距離は７．８ｍｍとし、クロスヘッドスピードを１０ｍｍ／ｍｉｎ、試験片の幅を１５ｍｍとして測定した。ガス透過係数に関しては、ＪＩＳ，Ｋ７１２６Ａ法（差圧法）に従い、ガス透過測定器（東洋精機製作所製ＢＴ−１）を用いて測定を行った。
【００３６】
さて、図７において、実施例１〜６は、後含浸工程ｂにおけるフェノール樹脂の配合率を５〜３０％の範囲において５％刻みで変化させた場合のデータであり、実施例７は、フェノール樹脂の後含浸に代えて、フェノール樹脂と天然黒鉛とを後含浸させた場合のデータである。実施例８は、フェノール樹脂の後含浸に代えて、フェノール樹脂で被覆された黒鉛を後含浸させた場合のデータであり、実施例９は、フェノール樹脂の後含浸を１３％に、かつ、フェノール樹脂の内填（内填とは、「抄造工程ａの原料として、フェノール樹脂が７％配合されている」の意である）を７％とした場合のデータである。
【００３７】
また、実施例１０は、予備成形体１４の表面、即ち第２シート体１４Ｂ，１４Ｂの表面側に黒鉛を塗した場合のデータである。つまり、実施例１０のものは、カーボン・フェノール樹脂成形材料から成る第２シート体１４Ｂの表面に黒鉛を塗す塗し工程が追加されたものである。これら実施例１〜１０のものでは、繊維質充填材を構成する炭素繊維、アクリル繊維、ＰＥＴ繊維、アラミド繊維の配合率（配合量）は全て同じとしてある。
【００３８】
図８において、実施例１１〜１７は、第１シートの膨張黒鉛の配合率を６０〜９０％の範囲において５％刻みで変化させた場合のデータである。後含浸されるフェノール樹脂の配合率は、実施例１０〜１３では実施例４の場合と同様に２０％に設定するものであるが、膨張黒鉛の配合率が８０％以上となる実施例１５〜１７においては無理なので、繊維質充填材とのバランスを考慮した値として定めてある。
【００３９】
図７において、比較例１，２は、実施例４と５による第１シート１４Ａを三枚積層して成る第２シート１４Ｂを有さない全抄造型のセパレータ４に設定された場合のデータであり、比較例３は、第２シート１４Ｂを三枚積層して成る第１シート１４Ａを有さない全樹脂カーボン型のセパレータ４に設定された場合のデータである。
【００４０】
図７から分るように、全抄造型の比較例１，２のものでは、特性は優れるものの、接触抵抗とガス透過係数に関しては規定値を大きく逸脱しているとともに、角の欠けが多く成形性も劣り、不合格である。また、全樹脂カーボン型の比較例３のものでは、曲げ歪が範囲外であるとともに角の欠けも認められており、やはり不合格である。また、曲げ強さが５０ＭＰａ以上となる高強度なセパレータ（第１シート１４Ａ）を得るには、膨張黒鉛の配合比率（材料比率）が６０〜８０％の範囲に設定すれば良く、フェノール樹脂の含浸率を２０〜３０％の範囲とすれば、曲げ強さを８０ＭＰａ以上の超高強度なものとすることが可能である。そして、フェノール樹脂の含浸率が２０〜３０％の範囲で、かつ、膨張黒鉛の配合比率（材料比率）が６０〜７０％の範囲のものでは、曲げ強さが１０５ＭＰａ以上の超々高強度な燃料電池用セパレータが実現できる利点がある。
【００４１】
以上説明したように、本発明は、板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成されるセパレータにおいて、予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートの一対の間に、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートが介装されて成るサンドイッチ構造に構成されていることにより、厚さを０．１５ｍｍとした場合において、接触抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ２以下 、曲げ強度２５ＭＰａ以上、曲げ歪０．６〜２．１％、ガス透過係数１×１０−８mol・ｍ/ｍ２・ｓ・ＭＰa以下の各特性値目標をクリヤすることができる。その結果、導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、抄造法による二枚の第１シートの間に、樹脂カーボン製の第２シートを挟むサンドイッチ構造のものとする工夫により、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、自動車用等に好適となる軽量、コンパクト化が可能となるセパレータを提供することができる。
【００４２】
また、機械的、電気的特性に優れる一対の第１シート１４Ａの間に、成形性に優れる第２シート１４Ｂを挟むサンドイッチ構造としてあるので、上述の各特性を満たすに加えて、シール性（ガス透過係数）のさらなる向上を図りながら成形性も良好なものとなっており、トータル性能により優れる燃料電池用セパレータ、及び燃料電池用セパレータの製造方法が実現できている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す分解斜視図
【図２】固体高分子電解質型燃料電池のセパレータを示す正面図
【図３】単セルの構成を示す要部の拡大断面図
【図４】別構造によるセルの構成を示す要部の拡大断面図
【図５】第１シートの抄造工程を示す原理図
【図６】セパレータの製造方法を示す原理図
【図７】実施例１〜１０及び比較例１〜３のセパレータの各種データを示す図表
【図８】実施例１１〜１７のセパレータの各種データを示す図表
【符号の説明】
【００４４】
４ 燃料電池用セパレータ
１４ 予備成形体
１４Ａ 第１シート（抄造シート）
１４Ｂ 第２シート（樹脂カーボン）
１５ 成形型
ａ 抄造工程
ｂ 後含浸工程
ｃ 積層工程
Ｓ１ 一次工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータであって、
前記予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートが、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートの一対の間に介装されて成るサンドイッチ構造に構成されている燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１シートは、前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を有している請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の前記第２シート及び／又は請求項２に記載の前記第１シートに用いられる前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂である燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記予備成形体を、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いて抄造する抄造工程と、前記抄造工程によって得られる第１シートを、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートの一対の間に介装して積層する積層工程と、を有する一次工程によって作成する燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記一次工程は、前記抄造工程によって抄造されたシート状体に熱硬化性樹脂を含浸させて前記第１シートを作成する後含浸工程を有している請求項４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４に記載の前記第２シート及び／又は請求項５に記載の前記第１シートを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いる燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータであって、
前記予備成形体が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られる第１シートが、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートの一対の間に介装されて成るサンドイッチ構造に構成されている燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
前記第１シートは、前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を有している請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
請求項１に記載の前記第２シート及び／又は請求項２に記載の前記第１シートに用いられる前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂である燃料電池用セパレータ。
【請求項４】
板状に形成された予備成形体を、成形型を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記予備成形体を、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いて抄造する抄造工程と、前記抄造工程によって得られる第１シートを、黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第２シートの一対の間に介装して積層する積層工程と、を有する一次工程によって作成する燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記一次工程は、前記抄造工程によって抄造されたシート状体に熱硬化性樹脂を含浸させて前記第１シートを作成する後含浸工程を有している請求項４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４に記載の前記第２シート及び／又は請求項５に記載の前記第１シートを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いる燃料電池用セパレータの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−３１１０６１（Ｐ２００７−３１１０６１Ａ）
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１３６４４９（Ｐ２００６−１３６４４９）
【出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月２９日（２００７．１１．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年５月１６日（２００６．５．１６）
【出願人】（０００２２９７３７）日本ピラー工業株式会社 (337)
【Ｆターム（参考）】
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