JP2000331690A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 生産性の高い射出成形法による燃料電池用セ
パレータの製造方法を提供する。 【解決手段】 平均粒子径５０μm 以下、最大粒子径２
５０μm 以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子量１
００〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部とを混
合し、混合物を粉砕、篩分けして調製した粒度０．１〜
５mmの整粒を３０〜１８０℃の温度に調整しながら、１
００〜２００℃の温度に加熱された金型に射出成形し、
成形体を加熱硬化する製法。及び、平均粒子径５０μm
以下、最大粒子径２５０μm 以下の黒鉛粉末１００重量
部と数平均分子量１００〜４００のフェノール樹脂１５
〜３０重量部とを混合し、混合物を造粒機により造粒、
篩分けして調製した粒度０．１〜５mmの整粒を３０〜１
８０℃の温度に調整しながら、１００〜２００℃の温度
に加熱された金型に射出成形し、成形体を加熱硬化する
製法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タ、特に固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池はパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸などのイオン交換膜からなる固体高
分子の電解質膜と、その両側に設けた２つの電極とそれ
ぞれの電極に水素などの燃料ガスあるいは酸素などの酸
化剤ガスを供給するガス供給溝を設けたセパレータなど
からなる単セルを積層したスタック、及びその外側に設
けた２つの集電体から構成されている。電解質部分に高
性能の高分子電解質膜を使用している関係で作動温度が
８０〜１００℃と低いにも拘わらず高出力の発電が可能
である。

【０００３】このセパレータには、燃料ガスと酸化剤ガ
スとを完全に分離した状態で電極に供給するために高度
のガス不透過性が要求され、また発電効率を高くするた
めに電池の内部抵抗を小さくするために導電性が高いこ
とが必要である。更に、電池反応に伴う発熱を効率よく
放散させ、電池内温度分布を均一化するために高い熱伝
導性や長期耐久性の確保のために優れた耐蝕性を備える
などの材質特性が必要とされている。

【０００４】これらの要求特性を満たす材料として、緻
密質の炭素質系材料が用いられており、例えば、特開平
１０−４０９３８号公報には熱膨張黒鉛粉末または鱗片
状の天然黒鉛粉末に、主として粒径が５μm 以上で２０
０μm 以下である球状または塊状の炭素粉末を混合する
工程と、該工程による混合物を成形する工程とを備える
燃料電池用セパレータの製造方法、及び、球状または塊
状の炭素粉末に所定の樹脂よりなるバインダを被覆する
工程と、熱膨張黒鉛粉末または鱗片状の天然黒鉛粉末
に、上記バインダの被覆がなされた炭素粉末を混合する
工程と、該工程による混合物を成形する工程とを備える
燃料電池用セパレータの製造方法、が開示されている。

【０００５】また、本出願人は、最大粒径１２５μm 以
下の炭素質粉末に結合材を加えて加熱混練後ＣＩＰ成形
し、次いで焼成、黒鉛化して得られた平均気孔径１０μ
m 以下、気孔率２０％以下の等方性黒鉛材に熱硬化性樹
脂液を含浸、硬化処理する固体高分子型燃料電池用黒鉛
部材の製造方法（特開平８−222241号公報）を開発提案
した。

【０００６】更に本出願人は、平均粒子径５０μm 以
下、最大粒子径１００μm 以下、アスペクト比３以下の
黒鉛粉末６０〜８５重量％に不揮発分６０％以上の熱硬
化性樹脂１５〜４０重量％を加えて加圧混練し、混練物
を粉砕して型に充填し減圧脱気したのち加圧成形し、成
形体を所定形状に加工した後１５０〜２８０℃の温度で
加熱硬化する、あるいは１５０〜２８０℃の温度で加熱
硬化した後所定形状に加工することを特徴とする固体高
分子型燃料電池用セパレータ部材の製造方法（特願平10
−188800号）、炭素粉末とバインダー樹脂の混合物粉末
を金型に装入して加圧成形する燃料電池用セパレータの
製造方法において、混合物粉末中のバインダー樹脂の割
合を４０重量％以下とし、混合物粉末を４０メッシュ以
下に粉砕、篩分けした後、該混合粉末を、溝部を形成す
るための突条部を備え、該突条部が曲面状に形成された
金型に装入して予圧し、予圧後に金型を開放して揮発分
および残留空気を除いた後、所定圧で成形を行い、予圧
工程および成形工程中における金型内の温度差を１０℃
以内に制御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（特願平10−188801号）を開発した。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】一般的に、モールド成
形法によって成形する場合、予めガス供給溝をセパレー
タに賦形するニアネットシェイプ成形が難しい欠点があ
り、燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するための通路
となるガス供給溝は、後処理的に機械加工して形成する
こととなる。

【０００８】更に、モールド成形法は生産性が低く、コ
スト高となる難点がある。一方、射出成形法は寸法精度
に優れ、生産性が高く、高能率で生産することができる
が、成形時に成形原料に流動性を保持させるために、バ
インダーとなる熱硬化性樹脂の配合量を多くする必要が
生じ、また射出成形温度を高温に設定することが好まし
い。

【０００９】しかしながら、熱硬化性樹脂の配合量を上
げると導電性が低下し、熱伝導性も低くなる問題があ
り、また射出成形温度を高く設定すると、成形の過程で
熱硬化性樹脂の硬化反応が進み易く、流動性が低下して
成形トラブルを生じる問題がある。

【００１０】そこで、本発明者らは射出成形時に生じる
これらの問題点を解消するために、鋭意研究を進めた結
果、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用い、その分
子量を特定するとともに配合割合を最適化し、更に原料
混合物を整粒して特定粒度の原料を用いることによっ
て、導電性を損なうことなく流動性が保持できることを
見出した。本発明はこの知見に基づいて開発されたもの
であって、その目的とする解決課題は、生産性の高い射
出成形法による燃料電池用セパレータの製造方法を提供
することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の第１の発明に係る燃料電池用セパレータの
製造方法は、平均粒子径５０μm 以下、最大粒子径２５
０μm 以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子量１０
０〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部とを混合
し、混合物を粉砕、篩分けして調製した粒度０．１〜５
mmの整粒を３０〜１８０℃の温度に調整しながら、１０
０〜２００℃の温度に加熱された金型に射出成形し、成
形体を加熱硬化することを構成上の特徴とする。

【００１２】また、第２の発明に係る燃料電池用セパレ
ータの製造方法は、平均粒子径５０μm 以下、最大粒子
径２５０μm 以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子
量１００〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部と
を混合し、混合物を造粒機により造粒、篩分けして調製
した粒度０．１〜５mmの整粒を３０〜１８０℃の温度に
調整しながら、１００〜２００℃の温度に加熱された金
型に射出成形し、成形体を加熱硬化することを構成上の
特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】燃料電池用のセパレータは、厚さ
１〜３mm程度の板状体に加工され、その表裏両面には燃
料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するための、通常、深
さ０．５〜１mmのガス供給溝が形成されている。したが
って黒鉛粉末の粒径が大きいと、これらの加工時に黒鉛
粒子の脱落などが起こって気孔空隙が形成され、ガス不
透過性が低下したり電池内を汚染することとなり、電池
性能が損なわれる。

【００１４】また、黒鉛粉末の粒径が大きくなると、硬
化時に大粒部でクラックが生じ易くなり、セパレータと
した場合にガスリークが発生する原因となる。そのた
め、黒鉛粉末は平均粒子径５０μm 以下、最大粒子径２
５０μm 以下のものが用いられる。しかしながら、黒鉛
粉末の粒子径が小さくなると黒鉛粉末の表面を濡らすた
めに費やされるフェノール樹脂量が相対的に多くなるた
めにバインダーとしての機能が低下し、強度低下を招く
こととなる。また、バインダー量を増やせば電気抵抗が
増大することになるので、好ましくは平均粒子径が１〜
５０μm の黒鉛粉末が用いられる。なお、ここでいう黒
鉛とは人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛などを指す。

【００１５】フェノール樹脂は黒鉛粉末のバインダーと
して機能し、数平均分子量が１００〜４００のものが用
いられる。数平均分子量が１００未満では成形時の流動
性は良好であるが硬化時に多量のガスを発生することと
なり、硬化成形体に気孔が生じ易く、クラックも発生す
る。また、硬化反応に長時間を要すことになるので生産
性も低下することとなる。しかしながら、数平均分子量
が４００を越えると流動性の低下が大きくなり良好な成
形体が得難くなる。なお、数平均分子量は高速液体クロ
マトグラフィーを用いて凝固点降下法により測定した値
である。

【００１６】黒鉛粉末とフェノール樹脂は、黒鉛粉末１
００重量部に対してフェノール樹脂１５〜３０重量部の
量比で配合し、加圧式ニーダー、二軸スクリュウ式ニー
ダーなどの適宜な混練機で均一な混合物を作製する。フ
ェノール樹脂の配合量は黒鉛粉末の大きさとも関連する
が、配合量が１５重量部を下回ると均一な混合物の作製
が難しく、バインダー機能も小さくなるので、良好な成
形体を得ることが困難となりガス不透過性も低下する。
一方、配合量が３０重量部を上回ると硬化樹脂成形体の
電気抵抗が増大するために、セパレータとして充分な導
電性を付与することが困難となる。なお、フェノール樹
脂の配合量はフェノール樹脂の不揮発分を基に算出して
求め、不揮発分はＪＩＳ Ｋ６９０９に基づき大気中で
７０℃の温度に２時間保持した後の残分をいう。

【００１７】本発明の第１の発明は、このようにして作
製した黒鉛粉末とフェノール樹脂との混合物を粉砕し、
篩分けして調製した粒度０．１〜５mmの整粒を原料とし
て使用する。このような整粒を原料とするのは射出成形
性を向上させるためであり、粒度が０．１mm未満の微
粒、あるいは５mmを越える粗粒、では射出量が安定せ
ず、寸法精度が優れ、均質で緻密な成形体を連続して作
製することが困難である。なお、混合物は予め乾燥して
揮発性成分を除去したのち、粉砕し、整粒することが好
ましい。

【００１８】この射出成形用の原料粒子を３０〜１８０
℃の温度に調整しながら、１００〜２００℃の温度に加
熱した金型に射出成形する。原料粒子の予熱温度が３０
℃未満、金型温度が１００℃未満の場合には、流動性が
充分でないので射出成形性が低下して均質、緻密な成形
体、特に複雑形状の成形体を連続して作製することが困
難となる。一方、予熱温度が１８０℃を越え、金型温度
が２００℃を越えるとフェノール樹脂の硬化反応が少し
ずつ進行するために射出成形性が低下し、同様に均質、
緻密な成形体、特に複雑形状の成形体を連続して作製す
ることが困難になる。

【００１９】本発明の第２の発明は、黒鉛粉末とフェノ
ール樹脂との混合物を造粒機により造粒し、篩分けして
調製した粒度０．１〜５mmの整粒を原料として射出成形
を行うものである。造粒機としては、回転ドラム型、パ
ン型などの転動造粒機が用いられる。このような整粒を
原料とするのは第１の発明と同じ理由からであり、射出
成形性の向上を図るためである。すなわち、原料の粒度
が０．１mm未満の微粒、あるいは５mmを越える粗粒、で
は均質で緻密な成形体を連続して作製することが困難な
ためである。なお、混合物を造粒した造粒物は乾燥して
揮発性成分を除去して原料とすることが好ましい。この
射出成形用の原料粒子は、第１の発明と同様に３０〜１
８０℃の温度に調整しながら、１００〜２００℃の温度
に加熱した金型に射出成形される。

【００２０】このようにして射出成形により作製した成
形体は、１５０〜２８０℃の温度に加熱してフェノール
樹脂を硬化することにより黒鉛粉末とフェノール樹脂硬
化成形体からなる燃料電池用のセパレータが製造され
る。したがって、生産能率の高い射出成形法によって効
率良く燃料電池用セパレータの製造が可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して説
明する。

【００２２】実施例１〜２、比較例１〜２ 平均粒子径および最大粒子径の異なる黒鉛粉末１００重
量部に、数平均分子量の異なるレゾール型フェノール樹
脂を異なる量比で配合し、混練機で充分に混合した。得
られた混合物を真空乾燥により揮発性成分を除去した
後、奈良式粉砕機（Ｍ−３型）で粉砕し、篩分けして粒
度の異なる整粒を調製して成形用の原料とした。

【００２３】この成形用原料を用いて、原料の予熱温度
および金型温度を変えて射出成形を行い、次いで２００
℃に加熱してフェノール樹脂を硬化し、縦１００mm、横
１００mm、厚さ２mmの板状成形体を作製した。更に、板
状成形体の表裏両面に溝加工を施して、互いに直交する
方向に幅１mm、深さ０．５mm、長さ７０mmの溝をそれぞ
れ３５本づつ形成した。このようにして作製した溝付き
板状成形体の製造条件を対比して表１に示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】このようにして作製した板状成形体の外観
検査およびガス透過度を測定したのち、サンプル(2×10
×80mm) を切り出して電気抵抗および曲げ強さを測定し
た。得られた結果を表２に示した。

【００２６】

【表２】

【００２７】実施例３〜５、比較例３〜１１ 平均粒子径および最大粒子径が異なる黒鉛粉末１００重
量部に、数平均分子量の異なるレゾール型フェノール樹
脂を異なる量比で配合し、混練機で充分に混合した。得
られた混合物を回転ドラム型造粒機に入れて転動造粒し
たのち、篩分けして粒度の異なる整粒を調製し、整粒を
真空乾燥により揮発性成分を除去して成形用の原料とし
た。

【００２８】この成形用原料を用いて、原料の予熱温度
および金型温度を変えて射出成形を行い、次いで２００
℃に加熱してフェノール樹脂を硬化して、縦１００mm、
横１００mm、厚さ２mmの板状成形体を作製した。更に、
板状成形体の表裏両面に溝加工を施して、互いに直交す
る方向に幅１mm、深さ０．５mm、長さ７０mmの溝をそれ
ぞれ３５本づつ形成した。このようにして作製した溝付
き板状成形体の製造条件を対比して表３に示した。

【００２９】

【表３】

【００３０】このようにして作製した板状成形体の外観
検査およびガス透過度を測定したのち、サンプル(2×10
×80mm) を切り出して電気抵抗および曲げ強さを測定し
た。得られた結果を表４に示した。

【００３１】

【表４】 注；*2 射出成形過程でラインの一部が閉塞し、成形不能

【００３２】本発明の請求項１を満たす実施例１、２で
は、外観良好でガス透過度が低く電気抵抗が低く曲げ強
さが強いセパレータとして好適な成形体が得られた。ま
た、本発明の請求項１の条件を外れる比較例１、２では
ガス透過度が高く、曲げ強さも低下した。更に、本発明
による請求項２を満足する実施例３〜５においても、外
観良好でガス透過度が低く電気抵抗が低く曲げ強さが強
いセパレータとして好適な成形体が得られた。また、本
発明の条件を外れる比較例３〜１１では以下のような不
具合が生じた。 ・比較例３では黒鉛粉の平均粒子径および最大粒子径が
大きく、曲げ強さが低下した。 ・比較例４では最大粒子径が大きく、ガス透過度が大き
くなった。 ・比較例５ではフェノール樹脂の分子量が大きく、成形
体に粗な部分が生じガス透過度が大きくなった。 ・比較例６では樹脂重量部数が少なく、成形体に粗な部
分が生じガス透過度も大きくなった。 ・比較例７では樹脂重量部数が大きく、ガス透過度およ
び曲げ強度が良好であるものの電気抵抗が高くなった。 ・比較例８、９では整粒の粒度範囲が外れ、射出量が不
安定なため粗な部分を有する成形品やバリの多い成形品
であった。 ・比較例１０では原料温度が高く、射出成形過程で硬化
反応が進みラインの一部が閉塞し成形不能であった。 ・比較例１１では金型温度が高く、成形体に膨れが生じ
また曲げ強さも小さくなった。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、数分子のフェノールが重合し
た程度の分子量の小さなフェノール樹脂（レゾール型）
の数平均分子量を特定するとともに黒鉛粉末との配合割
合を最適化し、更に原料混合物を整粒した特定粒度の原
料を用いることによって、樹脂量が少ない領域でも優れ
た流動性を保持し、射出成形が可能である。また、配合
樹脂量が相対的に少ないので導電性が損なわれることな
く、ガス不透過性および材質強度が高く、優れた性能を
備えた燃料電池用セパレータを製造することができる。
したがって、射出成形による量産化が可能となり、生産
性の向上、コスト低減化を図ることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 原 義之 東京都港区北青山一丁目２番３号 東海カ ーボン株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB00 BB01 BB06 BB08 EE06 EE18 HH01 HH05 HH08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平均粒子径５０μm 以下、最大粒子径２
   ５０μm 以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子量１
   ００〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部とを混
   合し、混合物を粉砕、篩分けして調製した粒度０．１〜
   ５mmの整粒を３０〜１８０℃の温度に調整しながら、１
   ００〜２００℃の温度に加熱された金型に射出成形し、
   成形体を加熱硬化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。
2. 【請求項２】 平均粒子径５０μm 以下、最大粒子径２
   ５０μm 以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子量１
   ００〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部とを混
   合し、混合物を造粒機により造粒、篩分けして調製した
   粒度０．１〜５mmの整粒を３０〜１８０℃の温度に調整
   しながら、１００〜２００℃の温度に加熱された金型に
   射出成形し、成形体を加熱硬化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。