JP2001126744A

JP2001126744A - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2001126744A
Application number: JP30685299A
Authority: JP
Inventors: Arata Sakamoto; 新坂本; Hiroyuki Okazaki; 博行岡崎; Hiroyuki Tajiri; 博幸田尻; Yoshiteru Nakagawa; 喜照中川
Original assignee: Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 1999-10-28
Filing date: 1999-10-28
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】炭化及び黒鉛化工程並びに切削工程を経るこ
となく、成形・賦型により、導電性、熱伝導性、機械強度、
溝の寸法精度の高い燃料電池用セパレータを得る。【解決手段】平均粒子径（Ｄ５０％）４０〜１２０μ
ｍの導電性粗粒子（黒鉛粗粒子など）を含む導電性粒子
と、非炭素質熱可塑性樹脂（ポリフェニレンスルフィド
系樹脂など）とを含む樹脂組成物を成形（射出成形、圧
縮成形やスタンピング成形など）し、炭化及び黒鉛化す
ることなく、燃料電池用セパレータを得る。前記導電性
粒子は、前記粗粒子と、平均粒子径の小さな細粒子（５
〜３０μｍ程度の球状黒鉛、薄片状天然黒鉛粒子など）
とを、前者／後者＝１００／０〜４０／６０（重量比）
の割合で組み合わせて使用できる。熱可塑性樹脂と導電
性粒子との割合は、前者／後者＝５／９５〜５０／５０
（重量比）程度である。

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(特に固体
高分子型燃料電池、ＰＥＦＣと称する)におけるセパレ
ータおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電池
は、固体高分子膜(デュポン社のナフィオン膜やダウケミ
カル社のダウ膜など)を電解質膜として用い、この電解質
膜の両側に、厚み０．１〜０．３ｍｍ程度のポーラスな
黒鉛質ペーパーを設け、このペーパーの表面に電極触媒
として白金合金触媒を担持させている。また、前記黒鉛質
ペーパーの外側には、ガス流路である溝が形成された厚
み１〜３ｍｍ程度の多孔質黒鉛板と、厚み０．５ｍｍ程
度の緻密質炭素板である平板セパレータとを順次配設し
てセルを構成したり、ガス流路である溝が形成された厚
み１〜３ｍｍ程度の緻密質炭素板であるセパレータを配
設してセルを構成している。

【０００３】前記平板セパレータには、酸素、水素に対す
るガス不透過性、電気導電性、熱伝導性、機械強度、耐酸性
などが要求される。また、溝付きセパレータには、平板セ
パレータに対する要求性能に加えて、ガス流路の寸法精
度が高いことが要求される。

【０００４】このようなセパレータとしては、フェノー
ル樹脂等の樹脂単独及び炭素粉末との混練物を平板に成
形した後、非酸化性雰囲気中で炭化又は黒鉛化処理する
ことにより全体が炭素質又は黒鉛質の平板を形成し、さ
らに切削加工により、平板の表面に溝を形成することに
より製造されている。また、フェノール樹脂に代えて、炭
化収率の高い石油又は石炭系ピッチをバインダーとして
用いて同様に製造されている。

【０００５】しかし、セパレータにはガス不透過性に加
え、厚み方向の高い導電性(例えば、１０^-1〜１０^-3Ωｃ
ｍ程度の導電性)が要求される。そのため、前述のように、
フェノール樹脂やピッチと黒鉛粉末の成形板を炭化する
ことにより、フェノール樹脂やピッチの導電性の低さを
解消する必要がある。すなわち、セパレータの製造には炭
化工程が必要であり、未焼成(すなわち非炭素質)の樹脂
を含む成形体では、とうてい燃料電池セパレータに必要
な導電性には達し得ない。

【０００６】そこで、常法としては、成形板を不活性雰
囲気中で焼成、炭化させ、更に２０００℃以上の温度で
熱処理することにより黒鉛化処理を施し、全体が炭素質
の板を得ている。

【０００７】しかし、この工程は、重縮合反応を伴う炭化
後の板の反りや割れなどにより歩留まりが低下すること
と、平板セパレータおよび溝付きセパレータのいずれも
切削加工が必要なことなどの理由から、非常にコスト高
となる。さらに、炭化工程により、ガスに対する不透過性
が損なわれるため、更に樹脂を含浸することが必要とな
る。

【０００８】ＷＯ９９／４９５３０号には、非炭素質樹
脂と導電剤とを含む樹脂組成物を射出成形又は圧縮成形
し、燃料電池用セパレータを製造することが開示されて
いる。この文献には、フェノール樹脂と黒鉛粉末との前
記混合樹脂組成物を金型に入れて加熱加圧により圧縮成
形することが開示されている。しかし、この方法では、
樹脂組成物中の樹脂含有量が少ないため、樹脂が偏析し
やすい。そのためか、高い電気伝導性及び熱伝導性と機
械的強度とのバランスが崩れ、いずれか一方の特性が低
下する場合がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、炭化工程を必要とすることなく、ガス不透過性、電気
導電性、熱伝導性、機械強度、耐酸性などの諸特性に優れ
る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)およびその製造方法を提供することにある。

【００１０】本発明の他の目的は、炭化・黒鉛化工程お
よび切削工程を経ることなく、成形・賦型工程を経るだ
けで、高い導電性,熱伝導性などの特性に加えて、寸法精
度の高い溝(ガス流路)を形成できる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
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記目的
を達成するため鋭意検討の結果、非炭素質の熱可塑性樹
脂と特定の黒鉛粒子とを組み合わせた組成物で平板を成
形すると、炭化・黒鉛化工程および切削工程を経ること
なく、性能の高いセパレータが得られることを見いだし、
本発明を完成した。

【００１２】すなわち、本発明の特色は、導電性粒子
（黒鉛粒子など）と非炭素質熱可塑性樹脂とで構成され
た燃料電池用セパレータ（又は導電性プレート）であっ
て、導電性粒子を、少なくとも平均粒子径（Ｄ５０％）
４０〜１２０μｍの粗粒子（黒鉛粗粒子など）で構成す
る点にある。導電性粗粒子（黒鉛粗粒子など）は、通
常、非球形の無定形粒子であり、粗粒子の粒度分布の均
斉度（Ｄ８０％／Ｄ２０％）は、通常、５．０以下であ
る。導電性粒子は、前記粗粒子（黒鉛粗粒子など）と、
この粗粒子よりも平均粒子径が小さく、前記粗粒子の粒
子間の間隙に充填可能な細粒子（黒鉛細粒子など）とを
組み合わせて構成してもよく、前記粗粒子と細粒子との
割合は、例えば、前者／後者＝４０／６０〜１００／０
（重量比）程度である。熱可塑性樹脂には、ポリフェニ
レンスルフィド系樹脂などが含まれ、前記非炭素質樹脂
と前記導電性粒子との割合は、例えば、前者／後者＝５
／９５〜５０／５０（重量比）程度の範囲から選択でき
る。より具体的には、本発明の燃料電池用セパレータ
（又は導電性プレート）は、少なくとも平均粒子径（Ｄ
５０％）４０〜１２０μｍの黒鉛粗粒子と、非炭素質熱
可塑性樹脂とを必須成分とする組成物、必要によりさら
に前記黒鉛粗粒子よりも平均粒子径が小さく、黒鉛粗粒
子間を充填可能な黒鉛細粒子を含む組成物で形成されて
いることを特色とする。前記セパレータ又はプレート
は、前記組成物を成形することにより製造できる。

【００１３】なお、本明細書において、「黒鉛粒子」と
は黒鉛質又は炭素質粒子を意味し、高い導電性を有する
限り黒鉛構造を有する必要はないが、高い結晶性の黒鉛
構造を有するのが好ましい。また、「非炭素質熱可塑性
樹脂」には、例えば、７００℃以下（特に５００℃以
下）の温度で熱処理された非炭素質樹脂又は成形履歴を
受けた非炭素質樹脂が含まれ、５００℃（特に７００
℃）を越える温度で焼成した炭化又は黒鉛化樹脂は含ま
れない。

【００１４】粉体粒子群の粒度分布は、レーザー光回折
法によって容易に測定でき、得られる累積粒度分布曲線
より累積度２０％、５０％、８０％点での粒子径を得る
ことができる。ここで、累積度５０％の粒径を記号Ｄ５
０％で表し、平均粒子径と称す。また、粒度分布の広が
りは、累積度２０％粒度（Ｄ２０％）と、累積度８０％
粒度（Ｄ８０％）との比で表すことができ、前記比（Ｄ
８０％／Ｄ２０％）を均斉度と呼ぶ。この均斉度の数値
が大きいと、大粒径から小粒径までさまざまな粒子から
なるブロードな粒度特性であることを示し、この数値が
小さいと、粒径が揃った粒度特性であることを示す。

【００１５】なお、燃料電池用セパレータは高い導電性
を示す。そのため、「燃料電池用セパレータ」を、「導
電性プレート」と同義に用いるとともに、燃料電池用セ
パレータ及び導電性プレートを単にプレート又はセパレ
ータと称する場合がある。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明のプレート又はセパレータ
(特に固体高分子型燃料電池用セパレータなど）は、炭化
又は黒鉛化工程を経ることなく、非炭素質の樹脂を含む
にも拘わらず、厚み方向の体積抵抗が小さく、曲げ強度
が高いという特色がある。プレート又はセパレータの厚
さ方向の体積抵抗は、０．００１〜０．１５Ωｃｍ、好
ましくは０．００１〜０．１Ωｃｍ、さらに好ましくは
０．００１〜０．０８Ωｃｍ程度であり、通常、０．０
０１〜０．０５Ωｃｍ、好ましくは０．００１〜０．０
３Ωｃｍ（例えば、０．００１〜０．０２５Ωｃｍ）程
度である。セパレータの厚み方向の熱伝導率は２〜６０
Ｗ／ｍＫ（例えば、３〜６０Ｗ／ｍＫ）、好ましくは５
〜６０Ｗ／ｍＫ、さらに好ましくは１０〜６０Ｗ／ｍＫ
程度であってもよい。

【００１７】セパレータの見掛け密度（嵩密度）は、
１．１〜２．２ｇ／ｃｍ³程度の範囲から選択でき、例
えば、１．７〜２．１ｇ／ｃｍ³、好ましくは１．８〜
２．１ｇ／ｃｍ³（例えば、１．８〜２ｇ／ｃｍ³）であ
る。

【００１８】さらに、セパレータの曲げ強度は、３０〜
２００ＭＰａ（例えば、３０〜１５０ＭＰａ）、好まし
くは５０〜２００ＭＰａ程度であり、セパレータの厚み
は、例えば、０．５〜３ｍｍ、好ましくは０．８〜２．
５ｍｍ程度である。さらに好ましくは燃料電池用セパレ
ータは、未焼成（未炭化および未黒鉛化)であり、少なく
とも一種の非炭素質熱可塑性樹脂 (バインダー)と導電
性粒子とで構成される。

【００１９】［非炭素質樹脂］熱可塑性樹脂としては、
例えば、ポリオレフィン系樹脂（ポリプロピレン樹脂，
エチレン−プロピレン共重合体など）、ポリエステル系
樹脂（ポリアルキレンテレフタレート，ポリアルキレン
ナフタレート又はこれらのコポリエステル，ポリアリレ
ートなど）、ポリカーボネート樹脂（ビスフェノールＡ
型ポリカーボネート樹脂など）、ポリスチレン系樹脂
（スチレンなどのスチレン系単量体の単独又は共重合体
など）、アクリル系樹脂（メタクリル酸メチルなどのア
クリル系単量体の単独又は共重合体など）、ポリアミド
樹脂（ポリアミド６，ポリアミド６６，ポリアミド６１
０など）、ポリフェニレンエーテル系樹脂、ポリフェニ
レンスルフィド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系
樹脂、ポリスルホン系樹脂（ポリスルホン樹脂、ポリエ
ーテルスルホン樹脂など）などが例示できる。これらの
熱可塑性樹脂も単独で又は二種以上組合わせて使用でき
る。

【００２０】なお、固体高分子型燃料電池の作動温度
は、通常、８０℃程度である。そのため、高温での耐久
性の高い樹脂（例えば、加水分解などによる劣化が生じ
にくいエンジニアリングプラスチックなど）が好まし
い。特に、前記熱可塑性樹脂のうち、成形性、耐薬品
性、耐久性、機械的強度などの点から、ポリフェニレン
スルフィド系樹脂が好ましい。

【００２１】ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、ポリ
フェニレンスルフィド骨格を有していればよく、ポリフ
ェニレンスルフィドと同族ポリマー（例えば、ポリフェ
ニレンスルフィドケトンＰＰＳＫ，ポリフェニレンスル
フィドスルホンＰＰＳＳ，ポリビフェニレンスルフィド
ＰＢＰＳなど）も含まれる。ポリフェニレンスルフィド
系樹脂は、部分的な架橋構造を有していてもよく、架橋
構造を有していなくてもよい。ポリフェニレンスルフィ
ド系樹脂は、直鎖構造を有する直鎖型（通常、リニア型
又はセミリニア型と称する）であってもよく、分岐構造
を有する分岐型であってもよいが、通常、直鎖型ポリフ
ェニレンスルフィド系樹脂が好ましい。さらに、ポリフ
ェニレンスルフィド系樹脂は、ベンゼン環に置換基（例
えば、Ｃ _1-4アルキル基など）を有していてもよい。

【００２２】［導電性粒子］導電性粒子は、少なくとも
粗粒子を含んでおり、粗粒子の平均粒子径（Ｄ５０％）
は、例えば、４０〜１５０μｍ（例えば、５０〜１２５
μｍ）、好ましくは５０〜１５０μｍ（例えば、５０〜
１２５μｍ）程度であり、通常、５０〜１２０μｍ程度
である。このような導電性粗粒子は、プレート又はセパ
レータにおいて導電骨格を形成し、導電に寄与する実効
断面積を増加できるとともに、比表面積が小さいため樹
脂量を大きく低減しても、ガス透過性が小さく、一体性
及び機械的強度の高いプレート又はセパレータを形成で
きる。

【００２３】このような導電性粗粒子は、種々の導電性
粒子、例えば、金属、非金属の粒子から選択できる。好
ましい導電性粗粒子は、黒鉛粒子、例えば、天然黒鉛、
人造黒鉛から選択できる。前記黒鉛粒子は、通常、ブタ
ノール置換真比重が２．１以上（例えば、２．１〜２．
３程度）であり、石油系又は石炭系の針状コークスを素
原料とした黒鉛粒子などが例示できる。導電性粗粒子
（特に黒鉛粒子）のＢＥＴ比表面積は、通常、１０ｍ²
／ｇ以下（例えば、１〜５ｍ²／ｇ）、好ましくは２〜
５ｍ²／ｇ程度である。また、ＪＩＳＫ６２２１に
規定するＡ法（ジブチルフタレート（DBP）を使用）に
よる吸油量は、例えば、６０〜７５ｃｃ／１００ｇ程度
である。

【００２４】導電性粗粒子（黒鉛粗粒子など）の形状は
特に制限されないが、通常、非球形であり、無定形粒子
である。特に黒鉛粒子などの導電性粗粒子は、通常、扁
平で断面形状が無定形の形状を有している。導電性粗粒
子（特に黒鉛粗粒子）の粒度分布の均斉度（Ｄ８０％／
Ｄ２０％）は、例えば、５以下（すなわち１〜５程度）
の範囲から選択でき、通常、１．５〜５，好ましくは２
〜５，特に２．２〜４．８程度である。

【００２５】前記導電性粗粒子は、導電性細粒子と組み
合わせて使用できる。導電性細粒子は、導電性粗粒子よ
りも平均粒子径が小さく、導電性粗粒子間の間隙に充填
可能であれば、種々の導電性粒子が使用できる。粗粒子
間の空隙を細粒子で埋めることにより、導電性を大きく
向上できる。

【００２６】前記導電性粗粒子の平均粒子径をＤ１とす
るとき、導電性微粒子の平均粒子径（Ｄ５０％）Ｄ２
は、Ｄ２＝Ｄ１×０．００１〜Ｄ１×０．６程度の範囲
から選択でき、通常、Ｄ１×０．０１〜Ｄ１×０．５、
好ましくはＤ１×０．０２〜Ｄ１×０．５、特にＤ１×
０．０５〜Ｄ１×０．５程度である。

【００２７】導電性を付与するため、細粒子の平均粒子
径（Ｄ５０％）は、粗粒子の平均粒子径に応じて、例え
ば、０．１〜５０μｍ程度の範囲から選択でき、通常、
１〜５０μｍ、好ましくは５〜４０μｍ、さらに好まし
くは５〜３０μｍ（例えば、１０〜２５μｍ）程度であ
る。

【００２８】導電性細粒子としては、粗粒子と同様、金
属粒子、非金属粒子から選択できるが、通常、天然黒
鉛、人造黒鉛などの黒鉛粒子から選択できる。細粒子の
形状は特に制限されず、例えば、球形、楕円形、方形な
どの多角形状の他、鱗片又は薄片状などの板状、ロッド
状、無定形状などであってもよい。これらの導電性細粒
子のうち充填性や成形時の潤滑性を付与するためには、
球状粒子（球状黒鉛）および薄片状粒子（薄片状天然黒
鉛粒子又は黒鉛粉）から選択された少なくとも一種が好
適に使用できる。球状の導電性細粒子は、粗粒子間の間
隙に対する充填性が高いので、効率よく導電性を向上で
きる。また、薄片状粒子は、球状細粒子と同じく粗粒子
間の間隙に対する充填性が高く、導電骨格として機能す
る導電性粗粒子と面接触するので、効率よく導電性を向
上できる。

【００２９】球状黒鉛粒子には、メソカーボンマイクロ
ビーズ（以下、単にＭＣＭＢという）の黒鉛化品、球状
化された天然及び人造黒鉛、フリュードコークス、ギルソ
ナイトコークスなどが含まれる。これらの球状黒鉛粒子
のうち、ＭＣＭＢは、高度に結晶が配向し、黒鉛類似の
構造を有する球状体（メソフェーズ小球体）である。Ｍ
ＣＭＢの平均粒径は、通常、５〜５０μｍ、好ましくは
１０〜４０μｍ、特に１０〜２５μｍ程度である。ＭＣ
ＭＢは、コールタール，コールタールピッチ，重質油な
どの歴青物を３００〜５００℃程度で加熱することによ
り生成する。このようなＭＣＭＢの製造方法は、例え
ば、特公平１−２７９６８号公報、特開平１−２４２６
９１号公報などに記載されている。ＭＣＭＢの黒鉛化品
とは、通常の方法でＭＣＭＢを黒鉛化したものである。

【００３０】薄片状天然黒鉛粒子（又は薄片状天然黒鉛
粉）は、高結晶性天然黒鉛を公知の方法で（例えば硫酸
を用いて）膨張化処理し、ジェットミルなどにより粉砕
した粉粒体である。膨張化処理によって黒鉛結晶の積層
構造が層間で剥離した生成物を粉砕することにより、非
常に平面的な黒鉛粉末（鱗片又は薄片状粉末）が得られ
る。このような粉末は加圧によって容易に圧縮可能であ
り、充填性を改善することができる。薄片状天然黒鉛粒
子の平均粒子径は、粉砕操作により任意に調整できる。

【００３１】導電性粗粒子と導電性細粒子（特に黒鉛粒
子）との組み合わせにより、成形時に黒鉛粒子の高密度
充填が可能となり、プレートやセパレータに高い導電性
を有効に付与できる。更に、自己潤滑性の高い黒鉛細粒
子の添加により成形時の内部応力が緩和され、応力ひず
みが残存しにくくなり、プレートやセパレータに反りや
変形が生じるのを防止できる。

【００３２】導電性粗粒子と導電性細粒子との割合は、
高い導電性を付与できる範囲、例えば、前者／後者（重
量比）＝１００／０〜４０／６０、好ましくは１００／
０〜５０／５０（例えば、１００／０〜６０／４０）程
度である。

【００３３】なお、導電性粒子と非炭素質樹脂との総量
を基準にして、前記導電性粗粒子の含有量は、通常、５
０〜９５重量％（好ましくは５５〜９０重量％、特に６
０〜９０重量％）、導電性細粒子の含有量は、０〜４０
％（好ましくは０〜３５重量％）程度である。

【００３４】前記導電性粒子が少なくとも粗粒子を含む
ため、導電性粒子の比表面積や吸油量を低減できる。そ
のため、非炭素質樹脂の含有量が少なくても、一体性、
機械的強度の高いプレート（セパレータなど）を得るこ
とができるとともに、炭化又は黒鉛化工程を経ることな
く、高い導電性及び熱伝導性のプレート（セパレータな
ど）を得ることができる。

【００３５】熱可塑性樹脂と導電性粒子との割合は、導
電性，機械的強度や熱伝導性などを損なわない範囲、例
えば、前者／後者＝５／９５〜５０／５０（重量比）程
度の範囲から選択でき、通常、１０／９０〜５０／５０
（重量比）、好ましくは１０／９０〜４０／６０（重量
比）、さらに好ましくは１０／９０〜３５／６５（重量
比）、特に１０／８０〜３０／７０（重量比）程度であ
る。導電性粒子の含有量が５０重量％未満であると、導
電性及び熱伝導性が低下し、９５重量％を越えると曲げ
強度が低下し、ガス透過率も大きくなる。特に、非炭素
質樹脂の含有量は、通常、導電性粒子および非炭素質樹
脂の総量に対して２５重量％以下（好ましくは５〜２５
重量％程度）である。より具体的には、前記非炭素質樹
脂と導電性粒子とを、前者／後者＝５／９５〜２５／７
５（重量比）、好ましくは１０／９０〜２０／８０（重
量比）程度の割合で用いると、導電性,機械的強度や熱
伝導性などのプレート（セパレータ）の物性を向上でき
る。

【００３６】上記組成物（樹脂複合材料）は、さらに炭
素繊維を含んでいてもよい。炭素繊維の種類は制限され
ず、石油系又は石炭系のピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ（ポ
リアクリロニトリル）系炭素繊維、レーヨン系炭素繊
維、フェノール樹脂系炭素繊維などが使用できる。炭素
繊維の平均繊維径は、例えば、０．５〜５０μｍ、好ま
しくは１〜３０μｍ、さらに好ましくは５〜２０μｍの
範囲から選択できる。炭素繊維の平均繊維長は、適当に
選択でき、例えば、１０μｍ〜５ｍｍ、好ましくは２０
μｍ〜３ｍｍ程度である。炭素繊維の使用量は、セパレ
ータを構成する複合材全体の１〜１０重量％程度の範囲
から選択できる。炭素繊維の含有量が１０重量％を超え
ると気密性が低下し、ガス透過率が大きくなる。

【００３７】さらに、非炭素質樹脂の導電性を改善する
ため、必要に応じ導電性カーボンブラック（ファーネス
ブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックな
ど）、コロイダル黒鉛などの導電性微粒子を含有させて
もよい。

【００３８】さらには、前記成分で構成された組成物
（樹脂複合材料）には、必要に応じて、カップリング剤、
離型剤、滑剤、可塑剤、硬化剤、硬化助剤、安定剤などを適
宜配合してもよい。

【００３９】このようなプレート（セパレータ）は、合
成樹脂に対する慣用の成形法、例えば、射出成形又は圧
縮成形により製造できる。射出成形では、前記樹脂，導
電性粒子（黒鉛粒子など）、および必要により炭素繊維
で構成された複合材成分（樹脂組成物）を溶融混練し
（必要によりペレットを調製して溶融混練し）、所定の
金型に射出成形することにより平板状プレート（平板状
セパレータ）を製造できる。圧縮成形では、例えば、圧
力２〜２００ＭＰａ（例えば、１０〜１００ＭＰａ）、
温度１００〜３００℃程度で、前記複合材成分（樹脂組
成物）を金型内で加熱して加圧成形することにより平板
状プレート（平板状セパレータ）を製造できる。

【００４０】さらに、プレート（セパレータ）は、スタ
ンピング成形法、例えば、樹脂組成物（複合材）を、慣
用の方法でシート成形し、このシートをスタンピング法
により成形することにより製造してもよい。シート成形
においては、熱可塑性樹脂中に導電性粒子を均一に分散
できる種々の方法、例えば、樹脂組成物を加熱混練して
シート状に押し出す押し出し成形法、熱ロールにより圧
延した後、冷却してシートを作製するカレンダ加工法、
ロールプレス法などが利用できる。なお、シート成形に
おいては、組織が緻密な導電性シート又は燃料電池用セ
パレータを得るため、気孔率２０％以下（特に１０％以
下）に加熱加圧するのが有利である。成形により得られ
る複合シートの厚みは、例えば、１〜１０ｍｍ、好まし
くは１〜５ｍｍ（例えば、１〜４ｍｍ）程度である。

【００４１】複合シート（スタンパブルシート）のスタ
ンピング成形は、例えば、必要により所定寸法に切断し
た前記シート（ブランク）を、加熱又は予熱手段（加熱
炉や赤外線加熱など）により加熱軟化させ、前記シート
の固化温度よりも低い温度に加熱した型を用いて冷却圧
縮成形することにより行うことができる。前記スタンピ
ング成形は、熱可塑性樹脂の種類や含有量、複合シート
の特性に応じて成形条件を選択でき、例えば、熱可塑性
樹脂の融点又は軟化点（溶融温度）Ｔ℃以上の温度（例
えば、Ｔ℃〜（Ｔ＋８０）℃、好ましくはＴ℃〜（Ｔ＋
５０）℃程度）で、所定時間（例えば、約３〜１０分
間）シートを予熱し、金型温度が熱可塑性樹脂の融点又
は軟化点Ｔよりも低い温度（例えば、（Ｔ−３０）〜
（Ｔ−１７０）℃、好ましくは（Ｔ−５０）〜（Ｔ−１
５０）℃程度）の金型を用い、圧力１０〜２００ＭＰａ
（好ましくは３０〜２００ＭＰａ、さらに好ましくは５
０〜１５０ＭＰａ）程度で加圧成形することにより行う
ことができる。

【００４２】より具体的には、熱可塑性樹脂として溶融
温度Ｔ＝２５０〜２９０℃のポリフェニレンスルフィド
系樹脂を用いる場合、例えば、温度２５０〜３７０℃
（好ましくは２８０〜３５０℃）程度で加熱し、温度１
００〜２５０℃（好ましくは１２０〜２３０℃）程度の
金型内で圧力１０〜２００ＭＰａ（好ましくは３０〜２
００ＭＰａ、さらに好ましくは５０〜１５０MＰａ）程
度で加圧成形することにより行うことができる。

【００４３】金型は、セパレータの表面形態に応じて選
択でき、平滑面又平坦面を有する金型を用いて、平滑面
を有する平板状セパレータを成形してもよく、凹凸部を
有する金型（特に連続した凸部（突条）又は溝を有する
溝付き金型）を用いることにより凹凸部を有するセパレ
ータ（特に溝付きセパレータ）を成形してもよい。

【００４４】このようなスタンピング成型法を利用する
と、樹脂組成物中の樹脂含有量が少なくても均質なスタ
ンパブルシートを容易に調製できると共に、スタンパブ
ルシートを圧縮成型することによりセパレータ又はプレ
ートを得ることができ、成形サイクルを短縮して高い生
産性でセパレータを製造できる。特に、炭化又は黒鉛化
工程及び切削工程を経ることなく、溝付きセパレータ又
はプレートを高い精度で得ることができる。

【００４５】本発明の方法では、炭化又は黒鉛化工程及
び切削工程を経ることなく、炭化温度以下での成形・賦
型工程のみで経済的にセパレータを製造できる。更に成
形時の金型として、連続した凸部(突条)又は溝を形成し
た金型（射出成形や圧縮成形法では、キャビティ側及び
コア側のうち少なくとも一方(特にコア側)に連続した凸
部(突条)又は溝を形成した金型）を用いることにより、
溝付きセパレータを低コストでありながら高い精度で得
ることができる。

【００４６】本発明のセパレータは、燃料電池、特に、固
体高分子膜を電解質膜とする固体高分子型燃料電池用セ
パレータとして有用である。

【００４７】

【発明の効果】本発明のセパレータは、炭化・黒鉛化工
程及び切削工程を経ることなく、ガス不透過性、電気導電
性、熱伝導性、機械強度、耐酸性などの諸特性に優れてい
る。本発明の方法では、炭化・黒鉛化工程および切削工
程を経ることなく、成形・賦型工程により、高い導電性,
熱伝導性などの特性に加えて、寸法精度の高い溝(ガス流
路)を形成できる。そのため、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)に有効に
適用できる。

【００４８】

【実施例】以下に、実施例に基づいて本発明をより詳細
に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定され
るものではない。なお、実施例及び比較例において、下記
の材料を用いた。

【００４９】（１）黒鉛粗粒子人造黒鉛として、針状コークスを素原料とし、温度２８
００℃で黒鉛化を施した後、粉砕分級することにより、
下記の高純度人造黒鉛粉を得た。

【００５０】（1a）平均粒径（Ｄ５０％）１１０μｍの
黒鉛粗粒子は、Ｄ２０％＝７３μｍ、Ｄ８０％＝１８０
μｍであり、均斉度Ｄ８０％／Ｄ２０％＝２．５であ
り、ＢＥＴ比表面積は２ｍ²／ｇ、ジブチルフタレート
（DBP）を用いた吸油量６５ｃｃ／１００ｇであった。
この黒鉛粗粒子のＪＩＳ−Ｒ−７２２２によるブタノー
ル置換真比重は２．２４であった。

【００５１】（1b）平均粒径（Ｄ５０％）５０μｍの黒
鉛粗粒子は、Ｄ２０％＝２０μｍ、Ｄ８０％＝９０μｍ
であり、均斉度Ｄ８０％／Ｄ２０％＝４．５であり、Ｂ
ＥＴ比表面積は５ｍ²／ｇ、ジブチルフタレート（DBP）
を用いた吸油量７０ｃｃ／１００ｇであった。この黒鉛
粗粒子のＪＩＳ−Ｒ−７２２２によるブタノール置換真
比重は２．２４であった。

【００５２】（２）黒鉛細粒子（2a）上記黒鉛粗粒子と同様にして、平均粒径（Ｄ５０
％）が２５μｍの黒鉛細粒子を得た。この黒鉛細粒子
は、Ｄ２０％＝１０μｍ、Ｄ８０％＝４２μｍであり、
均斉度Ｄ８０％／Ｄ２０％＝４．２であり、ＢＥＴ比表
面積は８ｍ²／ｇ、ジブチルフタレート（DBP）を用いた
吸油量８０ｃｃ／１００ｇであった。この黒鉛粗粒のＪ
ＩＳ−Ｒ−７２２２によるブタノール置換真比重は２．
２４であった。

【００５３】(2b)ＭＣＭＢの黒鉛化品（大阪ガス（株）
製、「ＭＣＭＢ」：平均粒径２０μｍ） (2c)薄片状天然黒鉛粒子（（株）エスイーシー製、「Ｓ
ＮＥ−１０Ｇ」：平均粒径１０μｍ）（３）樹脂 (3a)ポリフェニレンスルフィド系樹脂ＰＰＳ（（株）ト
ープレン製：「Ｔ−１」，「ＬＣ−５Ｇ」，「Ｔ−
４」） (3b)ポリフェニレンエーテル系樹脂（三菱エンジニアリ
ングプラスチック（株）製、「ユピエースＮＸ−７００
０Ｎ」） (3c)不飽和ポリエステル樹脂（昭和高分子（株）製，
「リゴラック」）（４）ピッチ系炭素繊維（（株）ドナック製「ドナカー
ボＳ」、平均繊維径１３μｍ、平均繊維長３ｍｍ）（５）導電性カーボンブラック（三菱化学（株）製、導
電性カーボンブラック、「＃３０５０」：特殊ファーネ
スブラック、単位粒子径０．０４μｍ、ＤＢＰ吸油量１
７５ｃｃ／１００ｇ）比較例１〜４黒鉛細粒子として、人造黒鉛２５μｍ(2a)、黒鉛化ＭＣ
ＭＢ２０μｍ品(2b)、粉末状ポリフェニレンスルフィド
系樹脂(3a)、不飽和ポリエステル樹脂(3c)、導電性カー
ボンブラック(5)とを表１に示す割合でミキサーを用い1
0分間乾式混合した。この粉末混合物を金型に投入し、成
形圧力５ＭＰａ、３２０℃×２０分間の条件で成形し
た。

【００５４】実施例１〜８黒鉛粗粒子として、人造黒鉛粗粒子１１０μｍ(1a)、人
造黒鉛粒子５０μｍ(1b)、黒鉛細粒子として、人造黒鉛
２５μｍ(2a)、黒鉛化ＭＣＭＢ２０μｍ品(2b)、薄片状
天然黒鉛ＳＮＥ−１０Ｇ（2c）、粉末状ポリフェニレン
スルフィド系樹脂(3a)、導電性カーボンブラック(5)と
を表1に示す割合でミキサーを用い10分間乾式混合した。
この粉末混合物を金型に投入し、成形圧力５ＭＰａ、３
２０℃×２０分間の条件でプレス成形した。

【００５５】結果を表１に示す。なお、実施例及び比較
例において、種々物性の測定は常法に基いて行った。表
面状態は、熟練者が目視により判定した。

【００５６】

【表１】

【００５７】表１から明らかなように、比較例では、良
好な成形体が得られたものの、厚み方向の固有抵抗は
０．０４Ωｃｍ以上であり目的とする低抵抗の成形体は
得られなかった。これに対して、実施例では、成形体の
表面状態は良好であり、また、厚み方向の固有抵抗も
０．０１〜０．０２Ωｃｍという高い導電性を示した。

【００５８】実施例９粉末状ポリフェニレンスルフィド系樹脂(3a)「Ｔ−１」
１００重量部と、導電性カーボンブラック(5)１００重
量部とを予めミキサーを用い１０分間乾式混合した。更
に、人造黒鉛粗粒子１１０μｍ品（1a）を４８０重量
部、黒鉛細粒子として黒鉛化ＭＣＭＢ２０μｍ品(2b)を
１２０重量部加え、ミキサーを用い10分間乾式混合し
た。この粉末混合物を金型に投入し、成形圧力５ＭＰａ、
３２０℃×２０分間の条件でプレス成形した。その結
果、得られた成形板の見掛け密度は１．８０ｇ／ｃ
ｍ³、厚み方向の固有抵抗は０．０２０Ωｃｍであっ
た。

【００５９】実施例１０人造黒鉛粗粒子１１０μｍ品（1a）を４８０重量部、黒
鉛細粒子として黒鉛化ＭＣＭＢ２０μｍ品(2b)を１２０
重量部、炭素繊維(4)を１０重量部、粉末状ポリフェニ
レンスルフィド系樹脂(3a)「Ｔ−１」を１００重量部の
割合で秤り取り、ミキサーを用い10分間乾式混合した。
この粉末混合物を金型に投入し、成形圧力５ＭＰａ、３
２０℃×２０分間の条件でプレス成形した。その結果、
得られた成形板の見掛け密度は１．８１ｇ／ｃｍ³、厚
み方向の固有抵抗は０．０１５Ωｃｍであった。

【００６０】実施例１１ポリフェニレンスルフィド系樹脂 (3a)「Ｔ−１」を１
００重量部、人造黒鉛粗粒子１１０μｍ品（1a）を４０
０重量部、黒鉛細粒子として黒鉛化ＭＣＭＢ２０μｍ品
(2b)を１００重量部加え、ミキサーを用い10分間乾式混
合した。この粉末混合物を押出し成形機に供給し、ペレ
ットを調製した。調製したペレットを用い、射出成形機
により平板を射出成形した。その結果、得られた成形板
の見掛け密度は１．９０ｇ／ｃｍ³、厚み方向の固有抵
抗は０．０１２Ωｃｍであった。

【００６１】実施例１２ポリフェニレンスルフィド系樹脂 (3a)「Ｔ−１」１０
０重量部に代えて、ポリフェニレンエーテル系樹脂(3b)
１００重量部を用いる以外、実施例１１と同様にしてペ
レットを調製すると共に、射出成形機により平板を射出
成形した。その結果、得られた成形板の見掛け密度は
１．９０ｇ／ｃｍ³、厚み方向の固有抵抗は０．０１４
Ωｃｍであった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田尻博幸大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者中川喜照大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内Ｆターム(参考） 4G046 EA03 EA05 EC01 EC02 EC05 EC06 4J002 BB121 BB151 BC031 BG061 CF051 CF081 CG001 CH071 CH091 CL011 CL031 CN011 CN031 DA018 DA026 DA027 FA016 FA017 FA048 FA086 FA087 GQ00 5G301 CD10 DA19 DA20 DA60 5H026 AA06 BB00 CX02 EE06 EE18 HH01 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛粒子と非炭素質熱可塑性樹脂とで構
成された燃料電池用セパレータであって、前記黒鉛粒子
が、少なくとも平均粒子径（Ｄ５０％）４０〜１２０μ
ｍの黒鉛粗粒子を含む燃料電池用セパレータ。
【請求項２】黒鉛粗粒子が非球形の無定形粒子である
請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】黒鉛粗粒子の粒度分布の均斉度（Ｄ８０
％／Ｄ２０％）が５．０以下である請求項1記載の燃料
電池用セパレータ。
【請求項４】黒鉛粒子が、平均粒子径（Ｄ５０％）４
０〜１２０μｍの黒鉛粗粒子と、この黒鉛粗粒子よりも
平均粒子径の小さな黒鉛細粒子とを、前者／後者＝１０
０／０〜４０／６０（重量比）の割合で含む請求項１記
載の燃料電池用セパレータ。
【請求項５】黒鉛粗粒子の平均粒子径をＤ１とすると
き、黒鉛細粒子の平均粒子径（Ｄ５０％）Ｄ２が、Ｄ２
＝Ｄ１×０．０５〜Ｄ１×０．５である請求項４記載の
燃料電池用セパレータ。
【請求項６】黒鉛細粒子が、球状黒鉛および薄片状天
然黒鉛粒子から選択された少なくとも一種である請求項
４又は５記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項７】非炭素質熱可塑性樹脂と黒鉛粒子との割
合が、前者／後者＝５／９５〜５０／５０（重量比）で
ある請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項８】熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルフィ
ド系樹脂である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項９】さらに炭素繊維を含む請求項１〜８のい
ずれかの項に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１０】導電性粒子と非炭素質熱可塑性樹脂と
で構成されたプレートであって、導電性粒子が、平均粒
子径（Ｄ５０％）４０〜１２０μｍの粗粒子４０〜１０
０重量％と、この粗粒子の粒子間に充填可能な微粒子０
〜６０重量％とで構成され、かつ前記導電性粒子と前記
非炭素質樹脂との割合が、前者／後者＝９５／５〜７５
／２５（重量比）である導電性プレート。
【請求項１１】請求項１記載の黒鉛粒子と非炭素質熱
可塑性樹脂とを含む組成物を成形し、請求項１〜９のい
ずれかの項に記載の燃料電池用セパレータを製造する方
法。