JP2003020278A

JP2003020278A - 炭素質薄板

Info

Publication number: JP2003020278A
Application number: JP2001206339A
Authority: JP
Inventors: Terumasa Yoshinaga; 輝政吉永; Koji Inagaki; 孝司稲垣
Original assignee: Unitika Ltd
Current assignee: Unitika Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-24

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池用セパレータとして有用な、機械的強
度・ガス不透過性・導電性及び成形性に優れた、安価な
炭素質薄板を提供する。【解決手段】マトリックス原料であるピッチに、骨材を
混合して得られた混合物を成形加工後、炭化焼成して得
られる炭素質薄板において、前記骨材が熱硬化性樹脂か
らなる球状の硬化物および／または炭化物であることを
特徴とする炭素質薄板。また、この炭素質薄板を用いた
燃料電池用セパレータ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、マトリックス原料であ
るピッチと骨材との混合物を成形加工後炭化焼成した炭
素質薄板に関し、さらに詳しくは、燃料電池用セパレー
タとして有用な、機械的強度・ガス不透過性・導電性及
び成形性に優れた、安価な炭素質薄板に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】炭素質薄板は、優れた耐熱性及び耐食性
を有し、また導電性も良好であるため電気電子分野で広
く使用されており、例えば燃料電池用セパレータとして
利用されている。この時、セパレータとして、ガス不透
過性、良電気伝導性、機械的強度、寸法精度及び耐食性
などの特性が要求され、さらに燃料電池スタックに大量
のセパレータを使用することから、生産性すなわち低コ
スト化も必要とされる。

【０００３】一般的に炭素質薄板は、マトリックス原料
として熱硬化性樹脂を、骨材として炭素質材料を用い、
成形加工後炭化焼成することで得られる。

【０００４】例えば、炭素質材料に熱硬化性樹脂液を含
浸して硬化させ、これを非酸化性雰囲気中で炭化処理す
ることによって得られる炭素質薄板がある。

【０００５】また、例えば特開昭６０−１５０５５９号
公報で開示されているような、熱硬化性樹脂と炭素質粉
末を混練し、熱プレスまたは熱ロール成形加工後、炭化
処理することで得られる炭素質薄板がある。

【０００６】その他、フェノール樹脂等熱硬化性樹脂そ
のものを成形加工し、炭化処理することによっても炭素
質薄板は得られる。

【０００７】しかしながら、マトリックス原料である熱
硬化性樹脂を炭化焼成して炭素質薄板を得る場合、熱硬
化性樹脂の炭化収率は高々７５％程度であることから、
燃料電池用セパレータのように燃料電池スタックに多く
のセパレータを使用する場合においては、経済的に満足
されるものではない。

【０００８】また、炭化焼成後の炭素質薄板について、
熱硬化性樹脂配合量が少ない場合にはガス不透過性が十
分ではなく、樹脂配合量を多くすると亀裂が生じやす
く、機械的強度が劣るため、セパレータを狭持する際に
問題が生じる場合が多い。

【０００９】さらに、ガス不透過性を向上させるため、
例えば炭素質材料に樹脂を含浸させることによって得ら
れる炭素質薄板の場合、多孔質の炭素質薄板の空洞にさ
らに熱硬化性樹脂液を含浸させて焼成しなければなら
ず、このように含浸と焼成を繰り返し行うことで炭素質
薄板の膨張・収縮による割れが多くなるという欠点があ
る。

【００１０】またさらには、緻密性に優れた炭素質薄板
を作製するために、炭化焼成における焼成時の昇温、冷
却に要する時間が長くなるという欠点がある。

【００１１】一方で、ピッチのみを原料とした場合、炭
化収率では熱硬化性樹脂より優れるものの、成形性が悪
く、目的の成形体を得られることができないという欠点
がある。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】かかる状況に鑑み、本
発明は、優れた機械的強度・ガス不透過性・耐食性及び
導電性を有する、安価で成形性に優れた炭素質薄板を提
供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意努力
の結果後述するような炭素質薄板により、上記問題点が
解決することを見いだし本発明に到達した。

【００１４】すなわち本発明の要旨は、第一に、マトリ
ックス原料であるピッチに、骨材を混合して得られた混
合物を成形加工後、炭化焼成して得られる炭素質薄板に
おいて、前記骨材が熱硬化性樹脂からなる球状の硬化物
または炭化物であることを特徴とする炭素質薄板であ
り、第二に、上記骨材が熱硬化性樹脂からなる球状の硬
化物及び炭化物の混合物であることを特徴とするもので
あり、第三に、前記混合物が、マトリックス原料である
ピッチ５０〜９５質量％に対して、骨材５０〜５質量％
を混合したことを特徴とするものであり、第四に、上記
混合物の成形加工手段が、射出成形であることを特徴と
するものであり、第五に、上記炭素質薄板が燃料電池用
セパレータであることを特徴とするものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照にして詳細に説明する。

【００１６】本発明の炭素質薄板のマトリックス原料と
なるピッチとしては、特に制限されるものではないが、
石炭系、石油系ピッチ及び合成系ピッチいずれであって
もよく、また光学的等方性または光学的異方性いずれの
ピッチであっても良い。さらにこれらピッチは、必要に
応じて濾過、蒸留などの公知の方法によって改質された
ものを使用しても良い。ピッチは一種単独で用いる他
に、異なる種類のピッチを混合した混合物であっても良
い。

【００１７】ピッチの軟化点は特に限定されるのもので
はないが、成形性及び不融化を考慮すると、１００〜３
００℃が好ましく、２００〜３００℃のものがさらに好
ましい。

【００１８】本発明の骨材には、熱硬化性樹脂からなる
球状の硬化物または炭化物が用いられる。硬化物または
炭化物となる熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール
樹脂、フラン樹脂、フルフリルアルコール樹脂、キシレ
ン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、ポリイミド樹脂、不
飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂またはカルボジイ
ミド樹脂等である。硬化物とは、単に硬化したもののみ
でなく、一旦硬化したものをさらに炭化直前まで熱処理
したものを含む。また炭化物とは、さらに加熱処理し炭
化したものである。

【００１９】球状の熱硬化性樹脂としてとは、硬化物お
よび炭化物粒子の長軸および短軸の比が小さいものが好
ましく、例えば長軸／短軸比で１．０〜１．５の範囲の
ものが好ましく、また真球状の熱硬化性樹脂硬化物およ
び炭化物がさらに好ましい。

【００２０】球状の熱硬化性硬化物または炭化物の粒径
としては、５００μm以下が好ましく、緻密性の高い炭
素質薄板を作製するためには、２００μm以下がさらに
好ましい。粒径が５００μmを越える場合、炭素質薄板
の密度が上がらず、ガス不透過性、電気伝導性が満足す
るものにならない場合がある。

【００２１】本発明の骨材が熱硬化性樹脂からなる球状
の硬化物である場合、硬化度の異なる球状熱硬化性樹脂
硬化物の混合物を骨材として用いてもよい。

【００２２】マトリックス原料であるピッチと骨材と
は、ある一定の割合で混合される。これらの混合比はピ
ッチ５０〜９５質量％に対して、骨材５０〜５質量％で
あることが好ましい。

【００２３】これらの混合方法は、特に限定されるもの
ではなく、湿式法あるいは乾式法等従来より知られた混
合方法を採用し得る。例えば乾式法では、マトリックス
原料をボールミル、ヘンジェルミキサー等の粉砕混合機
で微粉末として骨材と混合する方法が好ましい。

【００２４】成形加工方法は、射出成形や圧縮成形、ト
ランスファー成形など、常法の成形加工方法を採用する
ことができる。このうち、射出成形は、サイクルタイム
が短く、原料樹脂に起因する粒界がなく均質であり、複
雑な形状にも容易に対応可能であり、また製品の寸法精
度も良好であるという利点を有する。圧縮成形は、サイ
クルタイムは中程度であるが、原料樹脂に起因する粒界
が生じやすいことで不均一になりやすく、複雑な製品形
状には対応しにくく、また製品の寸法精度も悪い。トラ
ンスファー成形は、サイクルタイムが長くなる傾向にあ
り、金型構造も複雑であるが、原料樹脂に起因する粒界
が生じにくく、従って均一性は中程度である。また複雑
な製品形状にもある程度対応可能であり、製品の寸法精
度も中程度である。以上の点を加味すると、成形加工方
法として射出成形が最適である。

【００２５】この成形時には、ピッチ原料を予め焼成時
の寸法収縮を見込んだ寸法形状の金型を用い、射出成形
により成形加工することが好ましい。例えば、炭化焼成
後の炭素薄板を燃料電池用セパレータとして用いる場合
には、焼成時の寸法収縮を見込んだ金型を用いて射出成
形し、セパレータの外形を規定するとともに、片面また
は表裏両面に反応ガスまたは冷却媒体の流路となる溝な
どの凹部を形成させ、得られた成形加工品を炭化焼成す
ると、切削加工のような後加工処理を必要とせず、ある
いは省略することが可能となり、良好な形状の燃料電池
用セパレータを量産性よく製造することができる。

【００２６】成形加工後の成形体は、必要に応じて乾
燥、不融化処理を行う。不融化処理は、溶融性を示すピ
ッチに対して酸化性雰囲気中にて加熱処理等を行うこと
によって、ピッチを不溶融性とする処理である。これに
より、焼成時における成形体の形状維持を容易にするこ
とができる。

【００２７】不融化処理方法は特に限定されるものでは
ないが、従来より公知の方法を適宜適用すればよく、例
えば、空気、酸素、オゾン、ＮＯ_X等の気体またはこれ
ら混合気体中などの酸化性雰囲気中で加熱処理される方
法によって行われる。

【００２８】不融化処理は、室温から４００℃で、１〜
５０時間程度行われることが好ましいが、成形体を一様
に不融化するためには３００〜３５０℃、２０〜５０時
間行われることがさらに好ましい。

【００２９】炭化焼成は、真空または不活性ガス雰囲気
中で行うことが好ましく、不活性ガスとしては窒素ガ
ス、ヘリウムガス、アルゴンガス等が挙げられ、炭化焼
成温度は７００〜１６００℃が好ましく、８００〜１５
００℃がより好ましい。

【００３０】図１は燃料電池（単電池セル）の基本的な
構成例を示す概略斜視図である。ここで１はアノード、
２は電解質膜、３はカソードであり、４はセパレータあ
る。セパレータ表裏両面にアノードガス及びカソードガ
スなどの反応ガスの流路となる凹部５が多数形成されて
いる。

【００３１】本発明において、セパレータ４は、マトリ
ックス原料であるピッチに骨材を混合して得られた混合
物を、成形加工後炭化焼成したものである。

【００３２】セパレータ４に形成されている、反応ガス
流路となる凹部５は、少なくとも一方の面に備えられて
いればよく、燃料電池動作温度を安定させるため、片側
の面に冷却水などの熱媒体を流す凹部を備えても良い。
この凹部５は、図示のような溝形態の他に、セパレータ
４の表面から突出する多数の突起を有することによって
反対に凹状の流路を形成した形態などであっても差し支
えない。

【００３３】セパレータの寸法は特に限定されるもので
はなく、目的に応じて種々設計変更可能であり、またそ
の平面形状、溝形状および寸法も目的に応じて種々に変
更可能である。

【００３４】

【作用】従来の炭素質薄板においては、前記したように
炭化焼成後炭化収率が小さく、さらにガス不透過性、機
械的強度などの要求を十分に満たすものがなかった。さ
らに、ガス不透過性などを向上させるために、焼成時間
が長くなり、高コストである問題点があった。しかし、
本発明の炭素質薄板は、ピッチと骨材を混合した混合物
を、成形加工後炭化処理したことにより、炭化収率の向
上と焼成時間の短縮が図れるため、安価でさらにガス不
透過性、機械的強度、電気伝導率が良好で成形性に優れ
ている。特に成形加工方法として、予め焼成収縮を見込
んだ金型を用いて射出成形する方法を採用すると、複雑
な形状の成形体を容易に得ることができ、切削加工など
の後加工が不要となり、量産性に優れ、加工費をさらに
低くすることが可能となる。このようなガス不透過性・
機械的強度・電気伝導性に優れ、安価な炭素質薄板は、
燃料電池用セパレータとして最適である。

【００３５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を示す。但し本発明
は、これら実施例によって限定されるものではない。

【００３６】実施例１石炭系等方性ピッチ（軟化点約２８０℃）８０質量％に
対し、球状熱硬化性樹脂炭化物（ユニベックスＧＣＰ−
３０，平均粒径３０μm）２０質量％を配合し均一に混
合した後、混合物を金型に供給して、プレス温度３２０
℃、プレス圧６ＭＰａ、プレス時間１５分の条件で熱プ
レス成形することで厚さ２．５ｍｍ、縦１２５ｍｍ×横
１２５ｍｍの溝を備えた成形体を得た。この成形体を３
００℃、２４時間大気中で加熱処理した後、焼成炉にて
窒素ガス雰囲気中１０００℃、２４時間炭化焼成するこ
とにより、縦１１５ｍｍ×横１１５ｍｍ、厚さ２ｍｍで
表裏両面にガス流路となる溝を備えた炭素質薄板を得
た。得られた炭素質薄板の炭化収率は８３％であった。

【００３７】実施例２石炭系等方性ピッチ（軟化点約２８０℃）７０質量％に
対し、球状熱硬化性樹脂炭化物（ユニベックスＧＣＰ−
３０，平均粒径３０μm）２０質量％、真球状熱硬化性
樹脂硬化物（平均粒径３０μm）１０質量％を配合し均
一に混合した後、実施例１と同様の条件にて熱プレス成
形することで厚さ２．５ｍｍ、縦１２５ｍｍ×横１２５
ｍｍの溝を備えた成形体を得た。この成形体を３００
℃、２４時間大気中で加熱処理した後、焼成炉にて窒素
ガス雰囲気中１０００℃、２４時間炭化焼成することに
より、縦１１５ｍｍ×横１１５ｍｍ、厚さ２ｍｍで表裏
両面にガス流路となる溝を備えた炭素質薄板を得た。得
られた炭素質薄板の炭化収率は８０％であった。

【００３８】実施例３実施例１に記載の混合物を、予め焼成収縮を見込んだ金
型を用いて射出成形を行い、厚さ２．５ｍｍ、縦１２５
ｍｍ×横１２５ｍｍの溝を備えた成形体を得た。この成
形体を３００℃、２４時間大気中で加熱処理した後、焼
成炉にて窒素ガス雰囲気中１０００℃、２４時間炭化焼
成することにより、縦１１５ｍｍ×横１１５ｍｍ、厚さ
２ｍｍで表裏両面にガス流路となる溝を備えた炭素質薄
板を得た。得られた炭素質薄板の炭化収率は８２％であ
った。

【００３９】実施例１、２および３から得られた炭素質
薄板を、図１に示すような燃料電池用セパレータとして
用いたところ、ガス不透過性、電気伝導度および機械的
強度などセパレータとして十分な性能を示した。

【００４０】比較例１石炭系等方性ピッチ（軟化点約２８０℃）を金型に供給
して、実施例１と同様の条件にて熱プレス成形したとこ
ろ、金型より取り出せない程度の脆さの成形体しか得ら
れず、さらに成形体表面に凹凸のある不良な成形体しか
得られなかった。

【００４１】

【発明の効果】本発明の炭素質薄板は、安価で優れた機
械的強度・ガス不透過性・耐食性・導電性及び成形性を
示すものであり、また予め焼成収縮を見込んだ金型を用
いて射出成形することで、切削加工など後加工を必要と
しないもしくは省略可能な、生産性に優れた炭素質薄板
を提供できる。さらに本発明の炭素質薄板が安価で優れ
た機械的強度・ガス不透過性・耐食性及び導電性を示す
ことから、安価で優れた特性の燃料電池用セパレータと
することができる。

【００４２】

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池の基本構成例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１アノード２電解質膜３カソード４セパレータ５溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリックス原料であるピッチに、骨材を
混合して得られた混合物を成形加工後、炭化焼成して得
られる炭素質薄板であって、前記骨材が熱硬化性樹脂か
らなる球状の硬化物または炭化物であることを特徴とす
る炭素質薄板。
【請求項２】マトリックス原料であるピッチに、骨材を
混合して得られた混合物を成形加工後、炭化焼成して得
られる炭素質薄板であって、前記骨材が熱硬化性樹脂か
らなる球状の硬化物及び炭化物の混合物であることを特
徴とする炭素質薄板。
【請求項３】ピッチ５０〜９５質量％に対して、骨材５
０〜５質量％を混合し、成型加工後炭化焼成したもので
ある、請求項１または２に記載の炭素質薄板。
【請求項４】上記ピッチと骨材との混合物の成形加工手
段が、射出成形であることを特徴とする請求項１〜３い
ずれかに記載の炭素質薄板。
【請求項５】上記の炭素質薄板が燃料電池用セパレータ
である請求項１〜４いずれかに記載の炭素質薄板。