JP2002332328A

JP2002332328A - 射出成形用コンパウンドおよび燃料電池セパレータの製造方法

Info

Publication number: JP2002332328A
Application number: JP2001140238A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Saito; 一夫斎藤; Atsushi Miyazawa; 篤史宮澤
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc; Nisshin Spinning Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-22

Abstract

(57)【要約】【解決手段】炭素粉末と熱硬化性樹脂とを主成分とす
る射出成形用コンパウンドにおいて、炭素粉末１００質
量部に対して熱硬化性樹脂を８〜３０質量部含み、熱硬
化性樹脂のうち５０〜９０質量％がレゾール型フェノー
ル樹脂であり、１０〜５０質量％がエポキシ樹脂とノボ
ラック型フェノール樹脂であることを特徴とする射出成
形用コンパウンド。【効果】本発明のコンパウンドを用いた成形物は、硬
化が進行する際、成形物中に分散したエポキシ樹脂が先
に硬化していくと推測される。このため全体として硬化
が十分に行われていなくても、形状を損なうことなく正
確に離型でき、型への封入から離型までにかかる時間を
大幅に短縮できるので、生産性を向上することができ
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、特に燃料電池セパ
レータの製造用として好適な射出成形用コンパウンド及
びこのコンパウンドを用いた燃料電池セパレータの製造
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】燃料電
池は、電解質を介して一対の電極を接触させ、これら電
極のうちの一方に燃料を、他方に酸化剤を供給し、燃料
の酸化を電池内で電気化学的に行うことにより、化学エ
ネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。
この燃料電池には電解質によりいくつかのタイプがある
が、近年、高出力が得られる燃料電池として、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。

【０００３】固体高分子型燃料電池は、図１に示したよ
うに、左右両側面に複数個の凸部（リブ）１ａを備えた
２枚の燃料電池セパレータ１、１と、これらセパレータ
間に固体高分子電解質膜２と、ガス拡散電極（燃料電極
と酸化剤電極）３、３とを介在させてなる単電池（単位
セル）を数十個〜数百個並設してなる電池本体（セルス
タック）から構成されている。

【０００４】このような燃料電池を構成する部品のう
ち、燃料電池セパレータは、図２（Ａ）、（Ｂ）に示し
たように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス
供給排出用溝４を有する特異な形状を有しており、燃料
電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が混合
しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池セ
ルで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料
電池セルで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割
を担っているものであるが、この燃料電池セパレータ
は、炭素粉末とバインダーとして熱硬化性樹脂とを主成
分として形成されていた。

【０００５】この場合、セパレータの製造には、かかる
炭素粉末と熱硬化性樹脂とを主成分とするコンパウンド
を射出成形することが好ましいが、射出成形材料として
の熱硬化性樹脂としては、従来、レゾール型フェノール
樹脂に低分子ポリオレフィン化合物、一価の脂肪族アル
コール及び充填剤を用いた成形材料が知られている（特
開平９−２９１１９６号公報）。

【０００６】しかしながら、レゾール型フェノール樹脂
を用いると、流動性を高くし、成形圧力を低くすること
ができる利点はあるが、射出成形でバインダーにレゾー
ル系フェノール樹脂を用いると、樹脂の分子量が低い為
に硬化時間が長くなり、生産性が低下する。逆に、硬化
を早めるために高分子量の樹脂を用いると流動性が低下
し、成形できない。この場合、レゾール系フェノール樹
脂を高温で硬化させると硬化時間は短くなるが、流動性
が極端に低下して射出成形に使用することが困難とな
る。また、レゾール系フェノール樹脂を酸触媒で硬化さ
せる場合、金型が腐食する恐れがある。

【０００７】本発明は、上記事情に鑑みなされたもの
で、脱型可能までの時間が短縮され、生産性が向上し
た、レゾール系フェノール樹脂を主成分とする射出成形
用コンパウンド及びこれを用いた燃料電池セパレータの
製造方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】本
発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った
結果、炭素粉末１００質量部にバインダーとしてレゾー
ル型フェノール樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂８〜３
０質量部を配合した硬化時間が比較的長い射出成形用コ
ンパウンドにおいて、熱硬化性樹脂としてレゾール型フ
ェノール樹脂に、エポキシ樹脂とその硬化剤としてノボ
ラック型フェノール樹脂を添加すると、脱型可能までの
時間が短縮され、生産性が向上することを知見し、本発
明をなすに至った。

【０００９】即ち、本発明は、炭素粉末と熱硬化性樹脂
とを主成分とする射出成形用コンパウンドにおいて、炭
素粉末１００質量部に対して熱硬化性樹脂を８〜３０質
量部含み、熱硬化性樹脂のうち５０〜９０質量％がレゾ
ール型フェノール樹脂であり、１０〜５０質量％がエポ
キシ樹脂とノボラック型フェノール樹脂であることを特
徴とする射出成形用コンパウンドを提供する。

【００１０】本発明の射出成形用コンパウンドは、燃料
電池セパレータの製造に好適に使用され、従って本発明
は、燃料電池セパレータ成形モールドのキャビティ内に
上記射出成形用コンパウンドを射出することを特徴とす
る燃料電池セパレータの製造方法を提供する。

【００１１】以下、本発明につき更に詳しく説明する。

【００１２】本発明の射出成形用コンパウンドは、炭素粉末、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、必要に応じて硬化促進剤、その他の添加剤（離型剤、
繊維等）を含有する。

【００１３】この場合、炭素粉末としては、天然黒
鉛、人造黒鉛（鱗片状黒鉛、針状黒鉛、球状黒鉛等）、
ケッチェンブラック、アセチレンブラック等のカーボン
ブラックなどを使用することができ、これらの一種を単
独で又は二種以上を組合せて用いることができる。

【００１４】上記炭素粉末の平均粒径は、３０〜５００
μｍが好ましく、より好ましくは１００〜４００μｍ、
更に好ましくは１５０〜３５０μｍである。平均粒径が
５００μｍ以下であれば、セパレータなどの厚みの薄い
成形体でも十分なガス遮蔽性が確保できる。３０μｍ以
上であれば、コンパウンドの流動性がよく、射出充填し
やすくなる。また、電気導電性が良好である。

【００１５】本発明においては、炭素粉末１００質量
部に対して熱硬化性樹脂（レゾール型フェノール樹
脂、エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂）
８〜３０質量部、好ましくは１２〜２５質量部を配合す
る。熱硬化性樹脂の配合量が８質量部より少ないと、コ
ンパウンドの流動性が低下して射出成形が困難になり、
３０質量部より多いと成形体の電気抵抗が高くなり、こ
のセパレータを組み込んだ燃料電池は、その出力が低下
してしまう恐れがある。

【００１６】この場合、熱硬化性樹脂のうち、５０〜９
０％（質量％、以下同じ）、好ましくは６５〜８０％が
レゾール型フェノール樹脂であり、残部（１０〜５０
％、好ましくは２０〜３５％）がエポキシ樹脂とノ
ボラック型フェノール樹脂である。このとき、成分
を合わせた量が多いと成形体の脱型可能時間が短くな
り、少ないと電気抵抗が低くなる傾向がある。

【００１７】エポキシ樹脂とノボラック型フェノー
ル樹脂との配合としては、成形温度における溶融粘度の
低い方の樹脂に対して溶融粘度の高い方の樹脂を１〜
１．５倍当量になるようにすることが好ましい。さらに
詳しくは、成形温度における溶融粘度の低い方の樹脂
（ａ）の化学当量数が、溶融粘度の高い方の樹脂（ｂ）
の化学当量数に対し、１／３倍未満の場合は（ａ）に対
して（ｂ）を当量配合し、１／３倍以上、３倍未満の場
合は（ａ）に対して（ｂ）を１超〜１．３倍当量配合
し、３倍以上の場合は（ａ）に対して（ｂ）を１．３超
〜１．５倍当量配合する。

【００１８】上記配合において、成形温度における溶融
粘度が高い方の、すなわち流動性が低い方の樹脂を、流
動性が低いものほど、あるいは、を合わせた量がコ
ンパウンド組成全体に対して少ない場合ほど当量換算で
多めに配合することで、その低流動性の樹脂をコンパウ
ンド中により均一に希釈分散させることができ、このコ
ンパウンドを使った成形体全体を均一に硬化させること
ができる。

【００１９】ここで、比較する溶融粘度は、一般的な方
法を用いて温度条件を成形温度とし、その他測定条件を
同じくして測定すればよく、また、それぞれの樹脂をス
パイラルフロー金型等を用いて同一条件で成形し、その
成形具合から判断してもよい。

【００２０】また、レゾール型フェノール樹脂として
は、液状のものが好ましく、液状のものを用いるとコン
パウンド、成形体の電気抵抗を低くすることができる。
この場合、２５℃における粘度は３００〜１，０００ｃ
ｐ、特に６００〜７００ｃｐのものが好ましい。１，０
００ｃｐ以下であるとコンパウンドの流動性が良好で射
出充填しやすくなる。３００ｃｐ以上であれば硬化時間
を短くすることができる。

【００２１】エポキシ樹脂としては、結晶性エポキシ樹
脂、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等のいずれのものでもよい。この場
合、粉状のものであれば流動性が高いもの、常温で液状
のものを用いると、コンパウンドの流動性が良好であ
る。特に常温で液状のものは、成形体の電気抵抗を低く
することができ最良である。

【００２２】ノボラック型フェノール樹脂は、エポキシ
樹脂の硬化剤として用いるもので、ノボラックフェノー
ル樹脂としては、ＩＣＩ粘度（１５０℃）で１．５〜
２．５ポイズのものを用いるとコンパウンドの流動性が
良好である。なお、添加量が少ないほどコンパウンド、
成形体は低電気抵抗、高成形性である。これは、レゾー
ル型に比べてノボラック型は充填性が悪いためと推測さ
れる。

【００２３】常温で液状のエポキシ樹脂とＩＣＩ粘度
（１５０℃）が１．５〜２．５ポイズのノボラック型フ
ェノール樹脂とを組み合わせた場合、エポキシ樹脂に対
してノボラック型フェノール樹脂を、前記のようにそれ
ぞれの化学当量数に応じて、１〜１．５倍当量の範囲で
配合すればよい。

【００２４】本発明においては、必要により、上記成分
に加えて、硬化促進剤を配合することができる。硬化促
進剤としては、エポキシ樹脂で用いる既知の硬化促進剤
を用いることができ、トリフェニルホスフィン、Ｒ−Ｎ
Ｈ₂の一般式で示されるアルキルアミン類、イミダゾー
ル系等の化合物などを挙げることができる。その配合量
は、促進剤の種類によって適宜選定されるが、炭素粉末
１００質量部に対して０．０５〜１質量部とすることが
できる。

【００２５】更に、本発明のコンパウンドには、離型剤
を配合することができる。離型剤としては、シリコーン
系、フッ素系、脂肪族金属系、アマイド系、ワックス等
の公知のものを用いることができ、その配合量は、炭素
粉末１００質量部に対して０．５〜５質量部、特に１〜
３質量部が好ましい。

【００２６】なおまた、繊維として、カーボン、金属、
ガラス、アラミド、セルロース、アクリル、ボロン、チ
タン酸カルシウム、セラミック、天然鉱物等の繊維を炭
素粉末１００質量部に対し０．５〜１０質量部配合し得
るなど、必要に応じ公知の各種配合剤を常用量で配合す
ることができる。

【００２７】本発明の射出成形用コンパウンドは、炭素
粉末に対し、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹
脂、さらに、エポキシ樹脂とノボラック型フェノール樹
脂、必要により硬化促進剤、離型剤、その他の添加剤を
ミキサー等で混合して製造することができる。この場
合、レゾール型フェノール樹脂に対してエポキシ樹脂／
ノボラック型フェノール樹脂の比率が低いので、混合は
それぞれ別々の攪拌工程で行い、それぞれの系で樹脂と
カーボンを十分に混合させた後に、全ての材料系を攪拌
混合させることが望ましい。この方法は、エポキシ樹脂
が比較的早く硬化が進んでしまい長期保存が難しい場
合、別々に材料を準備して成形材料を作成できる利点が
ある。

【００２８】本発明の射出成形用コンパウンドは、特に
燃料電池セパレータを射出成形によって製造するのに好
適に用いられる。

【００２９】ここで、セパレータとしては、ガス供給溝
を有する厚さ０．１〜３ｍｍの平板状のものとし得る
が、大きさ、ガス流路溝の形状、必要な種々の構造は組
み立てる燃料電池に応じて適宜選択する。

【００３０】射出成形機は市販の汎用型成形機を用い、
シリンダ温度５５〜１００℃、射出圧力１０〜１９０Ｍ
Ｐａ、金型温度１５０〜１９０℃、硬化時間１５〜９０
秒の条件で成形し得るが、使用する樹脂の種類、硬化
剤、硬化促進剤により適宜条件を設定できる。なお、同
じ組成、成形圧力、成形温度のとき、硬化時間は成形体
の厚みにほぼ比例する。

【００３１】本発明によれば、上述したコンパウンド組
成としたことにより、脱型時間が短縮されたものであ
る。

【００３２】なお、脱型後の処理としては、得られた成
形体を加熱処理することが好ましい。この加熱処理は、
熱風、マイクロ波を用い、成形機の金型温度以上の高
温、特に１５０〜２００℃の高温で０．２〜４８時間程
度処理する（後硬化する）ことが好ましい。

【００３３】

【発明の効果】本発明のコンパウンドを用いた成形物
は、硬化が進行する際、成形物中に分散したエポキシ樹
脂が先に硬化していくと推測される。このため全体とし
て硬化が十分に行われていなくても、形状を損なうこと
なく正確に離型でき、型への封入から離型までにかかる
時間を大幅に短縮できるので、生産性を向上することが
できる。

【００３４】

【実施例】以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具
体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるも
のではない。なお、表中の各成分の配合量はいずれも質
量部である。

【００３５】[実施例、比較例]人造黒鉛（平均粒径３５
０μｍ）１００質量部に対して、表１に示す組成で実施
例１、２及び比較例１、２の射出成形用コンパウンドを
製造した。

【００３６】次いで、１００ｔｏｎ汎用型射出成形機を
用い、金型として５５×５５×２ｍｍｔの平板２枚取り
を用い、シリンダ温度６５℃、金型温度１７０℃、射出
圧力及び速度はコンパウンド組成に合せて最適条件を選
択し、射出成形を行った。このときの成形性、脱型可能
時間及び成形体の電気抵抗を下記方法で評価した。その
結果を表１に示す。

【００３７】成形性： ◎：特に問題なく成形、脱型できる。 △：金型に充填できるが、成形体にふくれや顕著なウェ
ルドラインが生じる脱型可能時間の評価方法：硬化クロムメッキを施したキ
ャビティ面全体が成形完了後に２度突き出すエジェクタ
を備えた金型を用いた。エジェクタの突き出しにより、
硬化した平板を、どこにもひびや欠けを生じることなく
金型から自然落下できるようになるまでの最短の硬化時
間である。成形体の電気抵抗：ＪＩＳＨ０６０２シリコン単結晶
及びシリコンウエハの４探針法による抵抗率測定方法に
準拠し、成形体の四隅と中央部の計５点の電気抵抗を測
定し、１０ショット計２０枚の平板の平均値を求めた。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の一例を示した斜視図である。

【図２】本発明の一実施例にかかる燃料電池セパレータ
の斜視図を示し、（Ａ）は両面にガス供給排出用溝を有
するもの、（Ｂ）は片面にガス供給排出用溝を有するも
のである。

【符号の説明】

１セパレータ１ａリブ２固体高分子電解質膜３ガス拡散電極４ガス供給排出用溝（流路）

フロントページの続きＦターム(参考） 4J002 CD001 CD051 CD061 DE036 FD15 FD16 GQ00 4J036 AD08 AF06 DC02 DC41 FB08 GA04 JA15 5H026 AA06 BB00 BB01 BB02 BB08 CC03 EE18 HH00 HH05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素粉末と熱硬化性樹脂とを主成分とす
る射出成形用コンパウンドにおいて、炭素粉末１００質
量部に対して熱硬化性樹脂を８〜３０質量部含み、熱硬
化性樹脂のうち５０〜９０質量％がレゾール型フェノー
ル樹脂であり、１０〜５０質量％がエポキシ樹脂とノボ
ラック型フェノール樹脂であることを特徴とする射出成
形用コンパウンド。
【請求項２】エポキシ樹脂とノボラック型フェノール
樹脂のうち、成形温度における溶融粘度の低い方の樹脂
に対して溶融粘度の高い方の樹脂を１〜１．５倍当量配
合したものである請求項１に記載の射出成形用コンパウ
ンド。
【請求項３】エポキシ樹脂とノボラック型フェノール
樹脂のうち、成形温度における溶融粘度の低い方の樹脂
（ａ）の化学当量数が、溶融粘度の高い方の樹脂（ｂ）
の化学当量数に対し、１／３倍未満の場合、（ａ）に対
して（ｂ）を当量配合し、１／３倍以上、３倍未満の場
合、（ａ）に対して（ｂ）を１超〜１．３倍当量配合
し、３倍以上の場合、（ａ）に対して（ｂ）を１．３超
〜１．５倍当量配合したものである請求項２に記載の射
出成形用コンパウンド。
【請求項４】エポキシ樹脂が、常温で液状のエポキシ
樹脂である請求項１に記載の射出成形用コンパウンド。
【請求項５】ノボラック型フェノール樹脂が、ＩＣＩ
粘度（１５０℃）で１．５〜２．５ポイズのノボラック
型フェノール樹脂である請求項１又は４に記載の射出成
形用コンパウンド。
【請求項６】エポキシ樹脂が常温で液状のエポキシ樹
脂であり、ノボラック型フェノール樹脂がＩＣＩ粘度
（１５０℃）で１．５〜２．５ポイズのノボラック型フ
ェノール樹脂であり、当該エポキシ樹脂に対して当該ノ
ボラックフェノール樹脂を１〜１．５倍当量配合したも
のである請求項１に記載の射出成形用コンパウンド。
【請求項７】燃料電池セパレータ製造用である請求項
１〜６のいずれか１項記載の射出成形用コンパウンド。
【請求項８】燃料電池セパレータ成形モールドのキャ
ビティ内に請求項７記載の射出成形用コンパウンドを射
出することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方
法。