JP2004031008A - 燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】成形性や導電性に難があったり、薄肉化した場合、加工中や電池の組み立て中に割れ易くなったりするという従来技術の問題を解決し、成形性、導電性及び機械的強度に優れると共に、薄肉化しても成形時に割れることがない燃料電池セパレータを提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池セパレータは、黒鉛１００重量部に対して、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１５〜３０重量部、フェノール樹脂２〜４重量部、ポリカルボジイミド樹脂１〜１０重量部を含有する樹脂組成物を成形してなることを特徴とする。
【選択図】　　　　なし

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、成形性、導電性及び機械的強度に優れると共に、薄肉化しても成形時に割れることがない燃料電池セパレータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、燃料電池セパレータとしては、１）熱硬化性樹脂を成形して焼成した後、機械加工をしたもの、２）熱硬化性樹脂を含浸した緻密質カーボンを機械加工したもの、３）導電性塗料を含浸した炭素繊維不織布を積層プレスしたもの、４）炭素粉末とフェノール樹脂を混練りし、その混練り物を熱圧モールド法により成形したものや、５）炭素粉末、フェノール樹脂、炭素繊維を配合し、圧縮成形により成形したもの等が知られていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記１）及び２）の熱硬化性樹脂を成形して焼成した後、機械加工をした燃料電池セパレータや、熱硬化性樹脂を含浸した緻密質カーボンを機械加工したものには、機械加工の価格分だけ高価になるという難点があり、しかも、近年の要求にしたがって薄肉化した場合は、加工中や電池の組み立て中に割れ易くなるという問題もあった。
【０００４】
又、上記３）の導電性塗料を含浸した炭素繊維不織布を積層プレスした燃料電池セパレータには、不織布が燃料電池セパレータに不可欠の、表面の溝の成形を妨げるという問題があり、上記４）の炭素粉末とフェノール樹脂を混練りし、その混練り物を熱圧モールド法により成形したものには、導電性を向上させるために導電性フィラーの比率を上げると成形性や機械的強度が低下し、成形性や機械的強度を向上させるためにバインダー樹脂の比率を上げると導電性が低下するという問題があった。
【０００５】
更に、上記５）の炭素粉末、フェノール樹脂、炭素繊維を配合し、圧縮成形により成形した燃料電池セパレータには、強度や弾性率を非常に高くすることができるという利点があるものの、この高い弾性率のために、薄肉した場合は多少割れ易くなるという問題があったのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従って、上記のような従来技術の問題を解決し、成形性、導電性及び機械的強度に優れると共に、薄肉化しても成形時に割れることがない燃料電池セパレータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が採用した燃料電池セパレータの構成は、黒鉛１００重量部に対して、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１５〜３０重量部、フェノール樹脂２〜４重量部、ポリカルボジイミド樹脂１〜１０重量部を含有する樹脂組成物を成形してなることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を詳細に説明する。
【０００９】
本発明の燃料電池セパレータは、上記の通り、黒鉛に対して所定量のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノール樹脂及びポリカルボジイミド樹脂を含有する樹脂組成物を成形してなるものであり、これら成分のうちの黒鉛としては、塊状コークスを高度黒鉛化した人造黒鉛（塊状黒鉛）を用いることが好ましい。この塊状コークスを原料とした人造黒鉛は、成形時に配向し難いため強度が高いので、これを含有する樹脂組成物を成形してなる本発明の燃料電池セパレータは、機械的強度に優れ、又、厚さ方向の導電性も良好で抵抗値のばらつきの少ない優れたものとすることができる。
【００１０】
又、本発明で使用する黒鉛は、これとその他の成分を含有する樹脂組成物における均一な混合を可能とするために、粉末状であることが好ましく、この粉末状黒鉛の平均粒径の範囲としては、１０〜２００μｍであることが好ましく、特に３０〜１００μｍであることが好ましい。粉末状黒鉛の平均粒径が１０μｍ未満であると、樹脂分がより多く黒鉛の層間に吸着されるため、組成物の流動性が低下してしまい、逆に平均粒径が２００μｍを超えると、黒鉛粉末間の空間が大きくなるため、樹脂組成物の機械的強度が低下する恐れがある。
【００１１】
本発明で使用するビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、そのエポキシ当量が５００〜４０００の範囲であるものが好ましく、特に８００〜１５００の範囲であるものが好ましい。後述するように、エポキシ樹脂の硬化剤としてフェノール樹脂とポリカルボジイミド樹脂を機能させた本発明の燃料電池セパレータは、エポキシ当量が５００未満であるエポキシ樹脂を用いると硬く脆くなってしまい、逆にエポキシ当量が４０００を超えると、ポリカルボジイミド樹脂が反応する部位であるエポキシ樹脂分子中のエポキシ基の量が樹脂組成物全体に対して少なくなり、その結果ガラス転移点を向上させる作用と、熱間での機械的強度特性を向上させる作用が発揮されにくくなるため、耐熱性が劣ったり、常温と熱間での機械的強度特性を一定に保てなくなる恐れがある。
【００１２】
本発明で使用する上記のようなビスフェノールＡ型エポキシ樹脂は、靭性に優れているので、薄肉部を０．２〜０．５ｍｍと薄肉化しても成形時に割れることがなく、しかも耐衝撃性及び機械的強度に優れ、電池組み立て時や運転時にも割れることがない燃料電池セパレータの成形を可能にしている。
【００１３】
一方、エポキシ樹脂の硬化剤としては、一般的には酸無水物系やアミン系硬化剤が知られているが、本発明では上記のようにガラス転移点を上げて耐熱性を向上させ、且つ、熱間での機械的強度特性を向上させるという観点から、フェノール樹脂とポリカルボジイミド樹脂を併用している。
【００１４】
上記フェノール樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾール型フェノール樹脂、アルキル変性フェノール樹脂を挙げることができ、中でもエポキシ樹脂とポリカルボジイミド樹脂との反応性のコントロールのしやすさ、フェノール樹脂及び樹脂組成物の保存安定性の観点から、フェノールノボラック樹脂が好ましい。
【００１５】
又、上記ポリカルボジイミド樹脂は、分子中に１個以上のカルボジイミド基を有するものであり、下式で表わされる。
（−Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｎ−Ｒ−）ｎ
ここでＲは炭素原子を１個以上有する基であり、重合度ｎは上記範囲内の整数である。
【００１６】
上記ポリカルボジイミド樹脂は、有機ジイソシアネートの脱炭酸反応から合成され、上記式の基Ｒになる合成原料の有機ジイソシアネートとしては、芳香族ジイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、脂環式ジイソシアネートを使用することができ、耐熱性、成形性の観点からは、ＭＤＩ、ＴＤＩ等の芳香族ジイソシアネートを使用することが好ましい。
【００１７】
本発明で使用するポリカルボジイミド樹脂の重合度としては、ｎ＝５〜２０の範囲が好ましく、特にｎ＝８〜１２の範囲が好ましい。ポリカルボジイミド樹脂の重合度ｎが５未満の低分子量であると、樹脂組成物の耐熱性が乏しくなる恐れがあり、逆に重合度ｎが２０を越える高分子量であると、流動性が低くなり、均一な樹脂組成物を得られない恐れがある。
【００１８】
本発明では、上記のようにビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の硬化剤として、ポリカルボジイミド樹脂とフェノールノボラック樹脂を併用しているので、通常のビスフェノールＡ型エポキシ樹脂の成形品に比べ、本発明の燃料電池セパレータにおいてはバインダー樹脂の吸湿が少なく、加湿時においても物性が安定に保たれ、しかも耐熱性が良く、燃料電池の運転時においても物性が安定に保たれることになる。
【００１９】
本発明で使用する上記成分の量比としては、黒鉛１００重量部に対して、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂が１５〜３０重量部、フェノール樹脂が２〜４重量部、ポリカルボジイミド樹脂が１〜１０重量部、好ましくは１〜５重量部であり、この量比の範囲を外れると、本発明で使用する樹脂組成物の成形性が悪くなる恐れがある。
【００２０】
又、本発明では、必要に応じ上記成分以外の成分を樹脂組成物に対して加えることができ、例えば、エポキシ樹脂の硬化促進剤として、トリフェニルフォスフィン、テトラフェニルフォスフィン、ジアザビシクロウンデセン、ジメチルベンジルアミン、イミダゾール系化合物１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００２１】
又、離型剤として、カルナバワックス、ステアリン酸系の金属石鹸、モンタン酸系の金属石鹸等を用いることもでき、更に、有機繊維や無機繊維を配合することも可能である。
【００２２】
本発明の燃料電池セパレータは、上記説明した黒鉛、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、硬化剤としてのフェノール樹脂及びポリカルボジイミド樹脂、更に必要に応じて用いられる上記成分を、ヘンシェルミキサー等の適宜の手段で攪拌混合し、得られた樹脂組成物をニーダーや二軸押し出し機等を用いて溶融混練り、ペレット化した後、射出成形、トランスファー成形或いは圧縮成形により、燃料電池セパレータに成形することにより製造することができる。
【００２３】
以下に本発明を実施例によって詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００２４】
実施例１
人造黒鉛（塊状黒鉛）、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、硬化促進剤、内部離型剤を表１に示した割合で配合し、ヘンシェルミキサーで撹拌混合して樹脂組成物を調製した。この樹脂組成物を、８０〜１００℃に加熱下、ニーダーで溶融混練し、次いで二軸押出機を用いて樹脂組成物のペレットを得た。得られたペレットを用い、成形温度１５０℃、成形圧力１５０ｋｇ／ｃｍ^２、５分の条件で圧縮成形して、最肉薄部が０．３ｍｍの燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００２５】
実施例２
実施例１の樹脂組成物の成分比において、エポキシ樹脂の配合割合を表１のように増やした一方、硬化剤であるポリカルボジイミド樹脂の配合割合を減らした以外は同様にして、燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００２６】
実施例３
実施例１の樹脂組成物の成分比において、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の配合割合を表１のように増やした一方、ポリカルボジイミド樹脂の配合割合を減らした以外は同様にして、燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００２７】
実施例４
実施例１の樹脂組成物の成分比において、更にガラス繊維を添加した以外は同様にして、燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００２８】
比較例１
実施例１の樹脂組成物において、硬化剤であるカルボジイミド樹脂を使用しない以外は同様にして、燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００２９】
比較例２
実施例４の樹脂組成物において、硬化剤であるカルボジイミド樹脂を使用しない以外は同様にして、燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００３０】
比較例３
人造黒鉛（塊状黒鉛）、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、硬化剤としてフェノール樹脂のみ、硬化促進剤、内部離型剤を表１に示したように配合して燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表１に示す。
【００３１】
比較例４
鱗片状黒鉛、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、硬化剤としてフェノール樹脂のみ、硬化促進剤、内部離型剤を表１に示したように配合して燃料電池セパレータを作製した。得られたセパレータの表面状態、２５℃と８０℃の曲げ強度と曲げ弾性率、熱変形温度及び固有抵抗を表に示す。
【００３２】
【表１】

【００３３】
【発明の効果】
上記実施例から、実施例の燃料電池セパレータではいずれも２５℃での強度特性（燃料電池の組み立て時及び分解してメンテナンスを行うときを含む停止状態を想定）と８０℃での強度特性（作動状態を想定）とで、全く数値的に変動がないといってよいほどに差がないことがわかる。一方、比較例１、２及び４では８０℃での強度特性が２５℃での強度特性に比べて著しく低下し、又、エポキシ当量が２０５程度のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を用いた比較例３では、硬化物の架橋密度が高くなるので高温時の影響が少ないが、曲げ弾性率が高く耐衝撃性に乏しい。上記実施例及び比較例から、本願発明の燃料電池セパレータは、条件のかわる実際の使用において機械的強度が安定した優れたものであることは明らかである。
【００３４】
燃料電池であれば、他の構成部品からの（締め付け）圧力を、可搬型・車載型燃料電池であれば、いろいろな方向の加速度を受けることになるが、これらに使用される燃料電池セパレータにおいて、実施例のものは燃料電池が作動状態になっても強度的に変化がないので、セパレータが変形、破損する恐れがないという優れた効果を有しているが、比較例では、温度による強度特性の差が大きく、組み立て時にセパレータにかかっていた圧力のバランスが崩れ、セパレータが変形、破損したり、スタックの組み付け自体が変形したりしてしまう恐れがある。

Claims (4)

1. 黒鉛１００重量部に対して、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂１５〜３０重量部、フェノール樹脂２〜４重量部、ポリカルボジイミド樹脂１〜１０重量部を含有する樹脂組成物を成形してなることを特徴とする燃料電池セパレータ。
2. 黒鉛は平均粒径１０〜２００μｍの人造黒鉛（塊状黒鉛）である請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
3. エポキシ樹脂はエポキシ当量が５００〜４０００のものである請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
4. フェノール樹脂とポリカルボジイミド樹脂が、エポキシ樹脂の硬化剤として機能している請求項１に記載の燃料電池セパレータ。