JP2004079233A - 燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ - Google Patents
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Abstract
【課題】安価かつ大量に生産できるとともに、複雑な溝形状を有するセパレータであっても必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、密度および気孔を均一にできる燃料電池セパレータの製造方法を提供すること。
【解決手段】親水性原料１４Ｂおよび撥水性原料１４Ａをプレス金型２２に投入後、各原料１４Ａ，１４Ｂを圧縮成形して親水性部３１および撥水性部３２を有する燃料電池セパレータ３を製造するにあたり、親水性部３１に親水性原料１４Ｂを投入するとともに、撥水性部３２に撥水性原料１４Ａを投入して一体成形する。
【選択図】 図３
【解決手段】親水性原料１４Ｂおよび撥水性原料１４Ａをプレス金型２２に投入後、各原料１４Ａ，１４Ｂを圧縮成形して親水性部３１および撥水性部３２を有する燃料電池セパレータ３を製造するにあたり、親水性部３１に親水性原料１４Ｂを投入するとともに、撥水性部３２に撥水性原料１４Ａを投入して一体成形する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セパレータの製造方法、および該方法により得られる燃料電池セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことにより直接発電させるものであり、高エネルギー変換可能で、環境性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸凹部を備えた２枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極（カーボンペーパー）とを介在させてなる単電池（単位セル）を数十個以上並設して（これをスタックという）なる電池本体（モジュール）から構成されている。
【０００４】
この場合、燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせ、単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路確保、分離境界膜としての役割を果たすものであり、高電気導電性、高ガス不浸透性、（電気）化学的安定性、親水性などの諸性能が要求されるものである。
特に、ガス同士の反応により生じ、燃料電池の特性に大きな影響を与える水を速やかに排出できることがセパレータには要求されるが、これを満たすには、上記性能のうち、特に親水性を向上させることが重要となる。
【０００５】
従来から、このような燃料電池セパレータは、多孔質焼成カーボンを切削加工して溝を形成する方法や、黒鉛粉末、バインダー樹脂およびセルロース繊維をスラリー状にしたものを抄紙後、黒鉛化する方法（米国特許第６，１８７，４６６号明細書）などにより製造されているが、これらの材質からなるセパレータは親水性に劣るものであるため、このようなカーボンを主成分とするセパレータ表面に親水性を付与するべく、酸化処理、プラズマ処理、紫外線照射処理等が行われている。
また、米国特許第５，８４０，４１４号明細書には、高温、アルカリ条件下で、セパレータ表面に親水性金属酸化物皮膜を形成する方法も報告されている。
【０００６】
さらに、親水性を付与する手法が種々検討されているのと同時に、その一方でセパレータに撥水性を付与する試みもなされており、現在までのところ、例えば、セパレータ表面に金めっきを施す方法（特開平９−２９８０６４号公報）や、セパレータ表面にフッ素樹脂コーティングを施す方法等が開発されている。
【０００７】
しかしながら、従来のセパレータの製法では、黒鉛化することによりコスト上昇を招く上、切削加工を必要とする場合、工数増加によるコスト増を招くとともに、歩留まりの低下を招く上、複雑な溝形状を有するセパレータの製造には不向きであるという問題があった。
また、親水性処理については、酸化処理では基板強度の低下を招く、プラズマおよび紫外線照射処理では親水性の持続が困難である、高温，アルカリ条件下で親水性金属皮膜を形成する方法は、特殊環境下で行う必要があるため、一般的ではなく、しかも成形カーボンセパレータには不向きであるという種々の問題があった。
さらに、撥水処理については、セパレータ表面に金めっきを施す方法、フッ素樹脂コーティングを施す方法のどちらもコスト増を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、安価かつ大量に生産できるとともに、複雑な溝形状を有するセパレータであっても必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、密度および気孔を均一にできる燃料電池セパレータの製造方法、およびこの方法によって得られた燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およ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重ねた結果、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、これら各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを製造するにあたって、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形することで、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、その密度および気孔を容易に均一化し得ることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１． 親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、前記各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを得る燃料電池セパレータの製造方法であって、前記親水性部に前記親水性原料を投入するとともに、前記撥水性部に前記撥水性原料を投入して一体成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法、
２． 前記燃料電池セパレータがガス流路を有し、このガス流路の流路面の一部または全部に前記親水性原料を投入するとともに、その他の部位に前記撥水性原料を投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
３． 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層および撥水性原料層の２層を形成させるように投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
４． 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層をこの順に形成させるように投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
５． 前記燃料電池セパレータの体積が異なる部位に応じて前記親水性原料および撥水性原料の投入量を変化させることを特徴とする１〜４のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
６． 前記燃料電池セパレータの密度のバラツキが、５％未満であることを特徴とする１〜５のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
７． 前記燃料電池セパレータが、多孔質であることを特徴とする１〜６のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
８． 前記燃料電池セパレータの気孔率が、１〜５０％であることを特徴とする７の燃料電池セパレータの製造方法、
９． 前記圧縮成形時の圧力が、０．９８〜１４．７ＭＰａであることを特徴とする７または８の燃料電池セパレータの製造方法、
１０． １〜９のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池セパレータ
を提供する。
【００１１】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、上述のように、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、これら各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを得る燃料電池セパレータの製造方法であって、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形するものである。
ここで、親水性原料および撥水性原料の主成分は、一般的に、燃料電池セパレータの製造に用いられるものであれば、特に限定はなく、例えば、導電性粉末および樹脂を混合した組成物をコンパウンド化したものを用いることができる。
【００１２】
上記導電性粉末としては、特に限定はなく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等を用いることができ、その平均粒径は、１０〜１００μｍ、特に２０〜６０μｍであることが好ましい。
また、樹脂としても燃料電池セパレータに通常用いられる熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等から適宜選択することができ、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フェノキシ樹脂等を用いることができる。なお、これらの樹脂は、必要に応じて熱処理を施してもよい。
【００１３】
これら各成分の配合割合は、特に限定されるものではないが、親水性原料、撥水性原料ともに、全組成物を１００質量部として、導電性粉末５０〜９９質量部、特に６５〜９０質量部、樹脂１〜５０質量部、特に５〜２０質量部で配合すればよい。
上記親水性原料としては、導電性粉末および樹脂を混合した組成物をそのまま用いることもできるが、活性炭，活性アルミナ等の吸水性多孔質物質、酸化チタン，酸化錫の微粉末などの親水性物質等を配合することが好ましい。なお、上記吸水性多孔質物質は、吸水した際に膨潤せず、溶出成分を含まないものであることが好ましい。
これら各親水性成分の配合量は、上記組成物に対して、０．１〜２０質量部、特に１〜１０質量部であることが好ましい。この配合量が２０質量部を超えると、セパレータの抵抗が上昇する虞がある。一方、配合量が少ない場合、親水性効果が発揮されない虞がある。
【００１４】
一方、撥水性原料としては、上記導電性粉末および樹脂からなる組成物に撥水性を付与する材料を配合したものを用いる。ここで、撥水性を付与する材料としては、特に限定されるものではなく、公知の種々の撥水性材料を用いることができ、例えば、フッ素樹脂、ワックス、天然黒鉛などの撥水性フィラー等を用いることができる。
これらの撥水性材料の配合量は、特に限定されるものではないが、上記組成物に対して、０．１〜２０質量部、特に１〜１０質量部が好ましい。ここで、配合量が０．１質量部未満であると、撥水性が充分に発揮されない虞があり、一方、２０質量％を超えると、セパレータ強度が低下する虞があるとともに、抵抗が上昇する虞がある。
なお、上記各原料には、強度向上のために、炭素繊維、有機繊維、無機繊維等の各種繊維を、上記組成物に対して、１〜２０質量部、特に１〜１０質量部配合することもできる。
【００１５】
本発明においては、上記親水性原料および撥水性原料を、別々にコンパウンド化して用いることが好ましいが、その方法としては特に制限はなく、公知の方法により、撹拌、造粒、乾燥したものを用いることができる。この場合、二次凝集しないように篩い分けして粒度を揃えたものを、原料として用いることが好ましく、その粒度としては、用いる導電性粉末の粒径にもよるが、平均粒径６０μｍ以上が好ましく、粒度分布としては、１０μｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは３０μｍ〜１．５ｍｍ、特に５０μｍ〜１．０ｍｍとすることが好適である。
【００１６】
この際、親水性原料と撥水性原料との粒度分布は、原料投入時のかさ密度を同等にするという点から、同程度とすることが好ましい。
また、原料投入時の分散性の均一化という点から、各原料の含水率も同程度とすることが好ましく、この含水率としては、例えば、０〜５％、特に、０．５〜３％が好適である。
【００１７】
上記親水性原料および撥水性原料を投入する部位は、それぞれ燃料電池セパレータの親水性部および撥水性部であるが、特に、燃料電池セパレータがガス流路を有するものである場合、このガス流路の流路面の一部または全部に上記親水性原料を投入するとともに、その他の部分に上記撥水性原料を投入することが好ましい。
このようにすることで、得られた燃料電池セパレータのガス流路面の少なくとも一部が親水性部となり、この部位において発電時に発生した水が吸収されるため、発生した水によりガス流路が閉塞することを防止できる。
【００１８】
また、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入する場合、金型の転写面上で親水性原料層／撥水性原料層（または撥水性原料層／親水性原料層）の２層を形成させるように各原料を投入することが好ましく、この場合、燃料電池セパレータの発生水の吸水性をできるだけ均一にするということを考慮すると、各層は転写面と平行であることが好ましい。
さらに、金型の転写面上で、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層をこの順に形成させるように各原料を投入するともでき、この場合も上記と同様の理由から、各層を転写面と平行とすることが好ましい。
【００１９】
以上のように、各原料を金型の転写面上に層状に投入する方法を用いることで、燃料電池セパレータに親水性部および撥水性部を容易に、かつ、確実に形成させることができる上、発生水の吸水性が均一になり、セパレータ面内の発電ムラを減少させることができる。
【００２０】
さらに、親水性原料および撥水性原料を投入する場合、燃料電池セパレータの体積が異なる部位に応じて各原料の投入量を変化させることが好ましい。
ここで、体積の異なる部位とは、換言すれば、成形時の圧縮率の異なる部位のことである。すなわち、体積の大きい部位（圧縮率の低い部位）には、各原料の投入割合を多くし、一方、体積の小さい部位（圧縮率の大きい部位）には、各原料の投入割合を少なくし、燃料電池セパレータを製造するものである。
【００２１】
この際、体積の異なる部位を、燃料電池セパレータに形成されるガス流路の凹部（溝）、凸部（リブ）とすることがより好ましく、凹部となる部分には、各原料の投入割合を少なくする一方、凸部となる部位には、各原料の投入割合を多くすることが好ましい。
このように凹部および凸部となる部位において粉末原料の投入量を変化させることで、圧縮率の高い凹部と圧縮率の低い凸部とで、密度差が生じることを容易に防止でき、密度および気孔径の均一な燃料電池セパレータを簡便に製造することができる。
【００２２】
上記圧縮成形時の圧力は、特に限定はなく、必要とするセパレータの緻密性に応じて適宜設定すればよいが、通常０．０９８〜１９．６ＭＰａであり、好ましくは０．９８〜１４．７ＭＰａ、より好ましくは１．９６〜９．８ＭＰａである。ここで、成形圧力が０．０９８ＭＰａ未満であると、燃料電池セパレータの形状を維持できるほどの強度が得られない虞があり、一方、１９．６ＭＰａを超えると、成形機および金型の歪みが発生し、燃料電池セパレータの面および寸法精度が低下する虞がある。
【００２３】
以上において、得られる燃料電池セパレータの密度のバラツキは５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満であることが望ましい。ここで、密度のバラツキとは、燃料電池セパレータの各部位毎の重量および体積の測定結果から、算出した密度のバラツキを意味する。
この密度のバラツキが５％以上になると、局所的な強度低下、抵抗、熱伝導のバラツキが生じる虞がある。
【００２４】
また、本発明の製造方法で得られる燃料電池セパレータを多孔質とする場合には、気孔径が０．０１〜５０μｍ、気孔率が１〜５０％、特に１０〜３０％であることが好ましい。
ここで、気孔径が０．０１μｍ未満であると、生成水が浸透しにくくなり、ガス流路を閉塞する虞があり、一方、５０μｍを超えると、溝形状を精密に形成できない虞がある。
また、気孔率が１％未満であると、発電時に生じた水の吸収力が低下する結果、ガス流路を閉塞する虞があり、一方、５０％を超えると、形状を精密に形成できない虞がある。
【００２５】
特に、本発明において、多孔質の燃料電池セパレータを製造する場合には、上述した成形圧力を０．９８〜１４．７ＭＰａとすることが好ましく、０．９８ＭＰａ未満では、強度が低下する虞があり、１４．７ＭＰａを超えると、気孔が埋まってしまい、多孔質セパレータが得られない虞が高くなる。
【００２６】
さらに、本発明の燃料電池セパレータには、必要に応じて、親水性処理を施すこともできる。この親水性処理は、含浸法、スプレー法、ディップ法等の適当な手法を用いて燃料電池セパレータを公知の親水性物質で処理するものである。これらの処理法の中でも、セパレータの親水性部の内部まで親水性物質をより一層浸透させるという観点から、含浸法を用いることが好ましく、この際、−０．０６〜−０．１ＭＰａの減圧下で含浸処理をすることが好ましい。
なお、撥水部は親水性処理を施しても影響はないため、後処理等を行う必要はない。
【００２７】
上記親水性処理に使用可能な親水性物質としては、特に限定はないが、デナコールＥＸ−１３１０，デナコールＥＸ−１６１０，デナコールＥＸ８６１（以上、ナガセケムテックス（株）製）、ディックファインＥＮ−０２７０（大日本インキ化学工業（株）製）、ＳＲ−８ＥＧ，ＳＲ−４ＰＧ（阪本薬品工業（株）製）などを好適に用いることができ、上記含浸処理の場合は、これらを水に０．１〜９９質量％溶かし、水溶液として使用することができる。
なお、親水性原料に予め親水性物質を配合している場合、親水処理の際に親水性物質が気孔内部まで浸透し易くなるので、好適である。
【００２８】
本発明において、上記各原料をプレス金型に投入する方法としては、製造する燃料電池セパレータの親水性部および撥水性部に応じた部位毎に原料を投入できる方法であれば、特に限定はなく、例えば、図１に示されるような投入装置１を用いることができる。
ここで、粉末原料の投入装置１について説明すると、投入装置１は、投入部１１と、この投入部１１の下部に設けられたスライドプレート１２と、投入部１１と一体成形され、スライドプレート１２を囲むように枠状に形成されたベース１３とを備えて構成されている。
【００２９】
投入部１１には、略矩形状の投入口１１Ａが縦横に一定の間隔でマトリックス状に配置されている。
投入口１１Ａは投入部１１を垂直に貫通しているとともに、その底部が開放されている。なお、投入口１１Ａの口径は製造するセパレータに応じて適宜設定することができる。
【００３０】
ベース１３は、上述のように、投入部１１と一体的に形成されているが、図１（ｂ）に示されるように、上部に投入口１１Ａが存在する部分はくり抜かれた状態となっている。
このベース１３と投入部１１との間には所定間隔の隙間が形成されており、この隙間にスライドプレート１２が摺動自在に設置されている。
スライドプレート１２は、投入口１１Ａの下部を閉塞した状態から、開放した状態まで自由に移動できるようにされている。
【００３１】
このように構成された投入装置１を用いた成形用粉末原料のプレス金型への投入操作および圧縮成形は以下のようにして行うことができる。
まず、図２（ａ）に示されるように、撥水性部を構成する撥水性原料１４Ａを投入部１１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り、所定量の撥水性原料１４Ａを投入口１１Ａに充填する。
次に、図２（ｂ）に示されるように、撥水性原料１４Ａを充填した投入装置１を上金型２１および下金型２２を有するプレス機の下金型２２にセットする。
上記上金型２１には、燃料電池セパレータにガス流路を形成するためのパターン２１Ａが形成されている。
なお、この場合、予備成形体を下金型に設置しておくこともできる。
【００３２】
投入装置１を下金型２２にセットした後、図２（ｃ）に示されるように、スライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、それらの中に充填された撥水性原料１４Ａを下金型２２の上に落下させた後、スライドプレート１２を再びもとの位置まで移動させる。
続いて、図３に示されるように、投入口１１Ａに親水性原料１４Ｂを同様にして充填する。
【００３３】
この状態で、図３（ｃ）に示されるように、再びスライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、それらの中に充填された親水性原料１４Ｂを先に投入した撥水性原料１４Ａの上に落下させる。
これら２回の投入操作により、下金型２２の内部において、底部に撥水性原料１４Ａが下金型２２の転写面と平行に投入され、その上に親水性原料１４Ｂが同じく転写面と平行に投入された２層を形成することになる。
【００３４】
この状態で図３（ｄ）に示されるように、上金型２１で型締めし、例えば、金型温度１００〜２５０℃、特に１４０〜２００℃、成形圧力０．９８〜１９．６ＭＰａで圧縮成形することで、図４に示されるように、ガス流路３３における流路面３３Ａの周囲が親水性部３１であり、その他の部分が撥水性部３２である燃料電池セパレータ３を得ることができる。
【００３５】
なお、親水性原料および撥水性原料の投入順序は、上記実施形態に限定されるものではなく、親水性原料を先に投入してもよい。また、上記実施形態では、親水性原料層と撥水性原料層との２層を金型内に形成したが、これに限定されるものではなく、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層を形成するように各原料を投入することもでき、また３層以上になるように各原料を投入することもできる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では下金型にガス流路を形成するためのパターンが形成されていないものを用いているが、ガス流路を形成するためのパターンが形成されていてもよく、このようにすれば、両表面にガス流路を有する燃料電池セパレータを得ることができる。
また、セパレータが有するガス流路等の体積の異なる部位に応じて、各原料投入量を変化させることもでき、この場合、上記投入装置を用いて、必要な部位のみ複数回原料を投入して投入量を変える方法を用いてもよく、また、例えば、図５に示されるような、口径の異なる第１投入口１１Ａおよび第２投入口１１Ｂを有する投入部１１を用い、各原料の投入量を変える手法を用いることもできる。
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与できるとともに、密度および気孔が均一な燃料電池セパレータを安価にかつ大量に製造することができる。また、溝板成形も可能であるため、機械加工を施す手間を省ける上、焼成工程が無いため、製造コストの低減化を図ることが可能となる。
また、親水性原料として親水性物質を予め配合したものを用いた場合、得られた燃料電池セパレータの親水性部は気孔内部まで親水性を有しているため、燃料電池セパレータの吸水、透水、保水性を高めることができる。
さらに、成形後に親水性処理が必要な場合でも、撥水性部は親水処理による影響を受けないため、容易に親水性処理を施すことができ、必要に応じて、親水部の親水性の程度を調整することができる。
以上のような特徴を有する本発明の製法により得られた燃料電池セパレータは、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に使用することができる。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の説明において、平均粒径は、粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）により測定した値である。
【００３９】
［実施例１］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、およびフェノール樹脂１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５〜１．０ｍｍの粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、フェノール樹脂９質量部、および撥水成分ワックス（カルナバ、大日化学工業（株）製）１質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
【００４０】
〈セパレータの成形〉
まず、撥水性原料を図１〜３に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、図２に示されるように、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に撥水性原料１４Ａを投入した。
なお、この場合、投入口１１Ａの口径を１５ｍｍ角とし、その数は３６個とした。
【００４１】
続いて、図３に示されるように、投入口１１Ａには親水性原料１４Ｂを先と同様にして充填した。
この状態で、再びスライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、親水性原料１４Ｂを先に投入した撥水性原料１４Ａの上に落下させた。
これら２回の投入操作により、図３（ｃ）に示されるように、下金型２２の内部において、下金型２２の転写面と平行に撥水性原料１４Ａが層状に投入され、さらにこの上に親水性原料１４Ｂが同じく転写面と平行に層状に投入された状態となった。
【００４２】
この状態で上金型２１で型締めし、金型温度１７０℃、成形圧力１０ＭＰａで圧縮成形することで、図４に示されるように、ガス流路３３の流路面３３Ａの周囲が親水性部３１であり、その他の部分が撥水性部３２である燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
デナコールＥＸ−１３１０（ナガセケムテックス（株）製）の３質量％水溶液を調製し、この水溶液を−０．０９ＭＰａの減圧下で上記セパレータに含浸させた。
【００４３】
［実施例２］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末７５質量部、フェノール樹脂１５重量部、および活性炭１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
親水処理は行わなかった。
【００４４】
［実施例３］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末８０質量部、フェノール樹脂１０質量部、および活性アルミナ１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４５】
［実施例４］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末７５質量部、フェノール樹脂１５重量部、および炭素繊維１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４６】
［実施例５］
〈親水性原料〉
実施例１と同じ。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部およびフッ素樹脂１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４７】
［実施例６］
〈親水性原料〉
実施例１と同じ。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、フェノール樹脂８質量部、およびフッ素樹脂２質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４８】
［比較例１］
実施例１と同様にして親水性原料を調製した。
この親水性原料を単独で用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に親水性原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して親水性部のみからなる燃料電池セパレータを作製した。
【００４９】
［比較例２］
実施例１と同様にして撥水性原料を調製した。
この撥水性原料を単独で用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に撥水性原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して撥水性部のみからなる燃料電池セパレータを作製した。
【００５０】
［比較例３］
親水性原料および撥水性原料を、ともに実施例１と同様にして調製し、これらの原料を予め質量比１：１で混合し、成形用原料とした。
この成形用原料を用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に成形用原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して燃料電池セパレータを作製した。
【００５１】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、親水部の吸水時間、撥水部の接触角度、セパレータの気孔率、密度バラツキ、固有抵抗、接触抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率について、測定・評価し、結果を表１にまとめて示した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
ここで、上記各特性は以下の方法により測定した。
［１］親水部の吸水時間
湿度８０％に設定した恒温槽中で、セパレータ表面に０．００２５ｇのイオン交換水を垂らし、セパレータ表面に水が吸い込まれるまでの時間を測定した。
［２］撥水部の接触角度
水平にしたセパレータの表面にスポイトでイオン交換水を垂らし、ＦＡＣＥ接触角計（ＣＡ−Ｄ型、協和界面化学（株）製）により測定した。
［３］気孔率
水銀圧入法により測定した。
［４］密度バラツキ
１枚のセパレータから任意に５箇所切り出し、その密度の最大値、最小値の差から算出した。
［５］固有抵抗
ＪＩＳ Ｈ−０６０２に記載された４探針法により測定した。
［６］接触抵抗
金めっきを施した平滑な銅板２枚の間にセパレータを挟み込み、一定の電流を流した際の電圧の降下から測定した。
［７］曲げ強度、曲げ弾性率
ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準拠した方法により測定した。
【００５４】
表１に示されるように、各実施例で得られた燃料電池セパレータは、親水性部の吸水性および撥水性部の撥水性に優れるとともに、固有抵抗、接触抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率等のその他の特性も良好なものであることがわかる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを製造するにあたり、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形しているから、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、その密度および気孔を容易に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る投入装置を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る撥水性原料投入の各工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る親水性原料投入から圧縮までの各工程を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータを示す概略断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る投入部を示す上面図である。
【符号の説明】
１ 投入装置
１１ 投入部
１１Ａ 投入口
１２ スライドプレート
１３ ベース
１４Ａ 撥水性原料
１４Ｂ 親水性原料
２１ 上金型
２２ 下金型
３ 燃料電池セパレータ
３１ 親水性部
３２ 撥水性部
３３ ガス流路
３３Ａ 流路面
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池セパレータの製造方法、および該方法により得られる燃料電池セパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
燃料電池は、水素等の燃料と大気中の酸素とを電池に供給し、これらを電気化学的に反応させて水を作り出すことにより直接発電させるものであり、高エネルギー変換可能で、環境性に優れていることから、小規模地域発電、家庭用発電、キャンプ場等での簡易電源、自動車、小型船舶等の移動用電源、人工衛星、宇宙開発用電源等の各種用途向けに開発が進められている。
【０００３】
このような燃料電池、特に固体高分子型燃料電池は、板状体の両側面に複数個の水素、酸素などの通路を形成するための凸凹部を備えた２枚のセパレータと、これらセパレータ間に固体高分子電解質膜と、ガス拡散電極（カーボンペーパー）とを介在させてなる単電池（単位セル）を数十個以上並設して（これをスタックという）なる電池本体（モジュール）から構成されている。
【０００４】
この場合、燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせ、単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路確保、分離境界膜としての役割を果たすものであり、高電気導電性、高ガス不浸透性、（電気）化学的安定性、親水性などの諸性能が要求されるものである。
特に、ガス同士の反応により生じ、燃料電池の特性に大きな影響を与える水を速やかに排出できることがセパレータには要求されるが、これを満たすには、上記性能のうち、特に親水性を向上させることが重要となる。
【０００５】
従来から、このような燃料電池セパレータは、多孔質焼成カーボンを切削加工して溝を形成する方法や、黒鉛粉末、バインダー樹脂およびセルロース繊維をスラリー状にしたものを抄紙後、黒鉛化する方法（米国特許第６，１８７，４６６号明細書）などにより製造されているが、これらの材質からなるセパレータは親水性に劣るものであるため、このようなカーボンを主成分とするセパレータ表面に親水性を付与するべく、酸化処理、プラズマ処理、紫外線照射処理等が行われている。
また、米国特許第５，８４０，４１４号明細書には、高温、アルカリ条件下で、セパレータ表面に親水性金属酸化物皮膜を形成する方法も報告されている。
【０００６】
さらに、親水性を付与する手法が種々検討されているのと同時に、その一方でセパレータに撥水性を付与する試みもなされており、現在までのところ、例えば、セパレータ表面に金めっきを施す方法（特開平９−２９８０６４号公報）や、セパレータ表面にフッ素樹脂コーティングを施す方法等が開発されている。
【０００７】
しかしながら、従来のセパレータの製法では、黒鉛化することによりコスト上昇を招く上、切削加工を必要とする場合、工数増加によるコスト増を招くとともに、歩留まりの低下を招く上、複雑な溝形状を有するセパレータの製造には不向きであるという問題があった。
また、親水性処理については、酸化処理では基板強度の低下を招く、プラズマおよび紫外線照射処理では親水性の持続が困難である、高温，アルカリ条件下で親水性金属皮膜を形成する方法は、特殊環境下で行う必要があるため、一般的ではなく、しかも成形カーボンセパレータには不向きであるという種々の問題があった。
さらに、撥水処理については、セパレータ表面に金めっきを施す方法、フッ素樹脂コーティングを施す方法のどちらもコスト増を招くという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、安価かつ大量に生産できるとともに、複雑な溝形状を有するセパレータであっても必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、密度および気孔を均一にできる燃料電池セパレータの製造方法、およびこの方法によって得られた燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段およ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重ねた結果、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、これら各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを製造するにあたって、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形することで、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、その密度および気孔を容易に均一化し得ることを見いだし、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１． 親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、前記各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを得る燃料電池セパレータの製造方法であって、前記親水性部に前記親水性原料を投入するとともに、前記撥水性部に前記撥水性原料を投入して一体成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法、
２． 前記燃料電池セパレータがガス流路を有し、このガス流路の流路面の一部または全部に前記親水性原料を投入するとともに、その他の部位に前記撥水性原料を投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
３． 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層および撥水性原料層の２層を形成させるように投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
４． 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層をこの順に形成させるように投入することを特徴とする１の燃料電池セパレータの製造方法、
５． 前記燃料電池セパレータの体積が異なる部位に応じて前記親水性原料および撥水性原料の投入量を変化させることを特徴とする１〜４のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
６． 前記燃料電池セパレータの密度のバラツキが、５％未満であることを特徴とする１〜５のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
７． 前記燃料電池セパレータが、多孔質であることを特徴とする１〜６のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法、
８． 前記燃料電池セパレータの気孔率が、１〜５０％であることを特徴とする７の燃料電池セパレータの製造方法、
９． 前記圧縮成形時の圧力が、０．９８〜１４．７ＭＰａであることを特徴とする７または８の燃料電池セパレータの製造方法、
１０． １〜９のいずれかの燃料電池セパレータの製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池セパレータ
を提供する。
【００１１】
以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、上述のように、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、これら各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを得る燃料電池セパレータの製造方法であって、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形するものである。
ここで、親水性原料および撥水性原料の主成分は、一般的に、燃料電池セパレータの製造に用いられるものであれば、特に限定はなく、例えば、導電性粉末および樹脂を混合した組成物をコンパウンド化したものを用いることができる。
【００１２】
上記導電性粉末としては、特に限定はなく、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛等を用いることができ、その平均粒径は、１０〜１００μｍ、特に２０〜６０μｍであることが好ましい。
また、樹脂としても燃料電池セパレータに通常用いられる熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等から適宜選択することができ、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、メラミン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、フェノキシ樹脂等を用いることができる。なお、これらの樹脂は、必要に応じて熱処理を施してもよい。
【００１３】
これら各成分の配合割合は、特に限定されるものではないが、親水性原料、撥水性原料ともに、全組成物を１００質量部として、導電性粉末５０〜９９質量部、特に６５〜９０質量部、樹脂１〜５０質量部、特に５〜２０質量部で配合すればよい。
上記親水性原料としては、導電性粉末および樹脂を混合した組成物をそのまま用いることもできるが、活性炭，活性アルミナ等の吸水性多孔質物質、酸化チタン，酸化錫の微粉末などの親水性物質等を配合することが好ましい。なお、上記吸水性多孔質物質は、吸水した際に膨潤せず、溶出成分を含まないものであることが好ましい。
これら各親水性成分の配合量は、上記組成物に対して、０．１〜２０質量部、特に１〜１０質量部であることが好ましい。この配合量が２０質量部を超えると、セパレータの抵抗が上昇する虞がある。一方、配合量が少ない場合、親水性効果が発揮されない虞がある。
【００１４】
一方、撥水性原料としては、上記導電性粉末および樹脂からなる組成物に撥水性を付与する材料を配合したものを用いる。ここで、撥水性を付与する材料としては、特に限定されるものではなく、公知の種々の撥水性材料を用いることができ、例えば、フッ素樹脂、ワックス、天然黒鉛などの撥水性フィラー等を用いることができる。
これらの撥水性材料の配合量は、特に限定されるものではないが、上記組成物に対して、０．１〜２０質量部、特に１〜１０質量部が好ましい。ここで、配合量が０．１質量部未満であると、撥水性が充分に発揮されない虞があり、一方、２０質量％を超えると、セパレータ強度が低下する虞があるとともに、抵抗が上昇する虞がある。
なお、上記各原料には、強度向上のために、炭素繊維、有機繊維、無機繊維等の各種繊維を、上記組成物に対して、１〜２０質量部、特に１〜１０質量部配合することもできる。
【００１５】
本発明においては、上記親水性原料および撥水性原料を、別々にコンパウンド化して用いることが好ましいが、その方法としては特に制限はなく、公知の方法により、撹拌、造粒、乾燥したものを用いることができる。この場合、二次凝集しないように篩い分けして粒度を揃えたものを、原料として用いることが好ましく、その粒度としては、用いる導電性粉末の粒径にもよるが、平均粒径６０μｍ以上が好ましく、粒度分布としては、１０μｍ〜２．０ｍｍ、好ましくは３０μｍ〜１．５ｍｍ、特に５０μｍ〜１．０ｍｍとすることが好適である。
【００１６】
この際、親水性原料と撥水性原料との粒度分布は、原料投入時のかさ密度を同等にするという点から、同程度とすることが好ましい。
また、原料投入時の分散性の均一化という点から、各原料の含水率も同程度とすることが好ましく、この含水率としては、例えば、０〜５％、特に、０．５〜３％が好適である。
【００１７】
上記親水性原料および撥水性原料を投入する部位は、それぞれ燃料電池セパレータの親水性部および撥水性部であるが、特に、燃料電池セパレータがガス流路を有するものである場合、このガス流路の流路面の一部または全部に上記親水性原料を投入するとともに、その他の部分に上記撥水性原料を投入することが好ましい。
このようにすることで、得られた燃料電池セパレータのガス流路面の少なくとも一部が親水性部となり、この部位において発電時に発生した水が吸収されるため、発生した水によりガス流路が閉塞することを防止できる。
【００１８】
また、親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入する場合、金型の転写面上で親水性原料層／撥水性原料層（または撥水性原料層／親水性原料層）の２層を形成させるように各原料を投入することが好ましく、この場合、燃料電池セパレータの発生水の吸水性をできるだけ均一にするということを考慮すると、各層は転写面と平行であることが好ましい。
さらに、金型の転写面上で、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層をこの順に形成させるように各原料を投入するともでき、この場合も上記と同様の理由から、各層を転写面と平行とすることが好ましい。
【００１９】
以上のように、各原料を金型の転写面上に層状に投入する方法を用いることで、燃料電池セパレータに親水性部および撥水性部を容易に、かつ、確実に形成させることができる上、発生水の吸水性が均一になり、セパレータ面内の発電ムラを減少させることができる。
【００２０】
さらに、親水性原料および撥水性原料を投入する場合、燃料電池セパレータの体積が異なる部位に応じて各原料の投入量を変化させることが好ましい。
ここで、体積の異なる部位とは、換言すれば、成形時の圧縮率の異なる部位のことである。すなわち、体積の大きい部位（圧縮率の低い部位）には、各原料の投入割合を多くし、一方、体積の小さい部位（圧縮率の大きい部位）には、各原料の投入割合を少なくし、燃料電池セパレータを製造するものである。
【００２１】
この際、体積の異なる部位を、燃料電池セパレータに形成されるガス流路の凹部（溝）、凸部（リブ）とすることがより好ましく、凹部となる部分には、各原料の投入割合を少なくする一方、凸部となる部位には、各原料の投入割合を多くすることが好ましい。
このように凹部および凸部となる部位において粉末原料の投入量を変化させることで、圧縮率の高い凹部と圧縮率の低い凸部とで、密度差が生じることを容易に防止でき、密度および気孔径の均一な燃料電池セパレータを簡便に製造することができる。
【００２２】
上記圧縮成形時の圧力は、特に限定はなく、必要とするセパレータの緻密性に応じて適宜設定すればよいが、通常０．０９８〜１９．６ＭＰａであり、好ましくは０．９８〜１４．７ＭＰａ、より好ましくは１．９６〜９．８ＭＰａである。ここで、成形圧力が０．０９８ＭＰａ未満であると、燃料電池セパレータの形状を維持できるほどの強度が得られない虞があり、一方、１９．６ＭＰａを超えると、成形機および金型の歪みが発生し、燃料電池セパレータの面および寸法精度が低下する虞がある。
【００２３】
以上において、得られる燃料電池セパレータの密度のバラツキは５％未満、好ましくは３％未満、より好ましくは２％未満であることが望ましい。ここで、密度のバラツキとは、燃料電池セパレータの各部位毎の重量および体積の測定結果から、算出した密度のバラツキを意味する。
この密度のバラツキが５％以上になると、局所的な強度低下、抵抗、熱伝導のバラツキが生じる虞がある。
【００２４】
また、本発明の製造方法で得られる燃料電池セパレータを多孔質とする場合には、気孔径が０．０１〜５０μｍ、気孔率が１〜５０％、特に１０〜３０％であることが好ましい。
ここで、気孔径が０．０１μｍ未満であると、生成水が浸透しにくくなり、ガス流路を閉塞する虞があり、一方、５０μｍを超えると、溝形状を精密に形成できない虞がある。
また、気孔率が１％未満であると、発電時に生じた水の吸収力が低下する結果、ガス流路を閉塞する虞があり、一方、５０％を超えると、形状を精密に形成できない虞がある。
【００２５】
特に、本発明において、多孔質の燃料電池セパレータを製造する場合には、上述した成形圧力を０．９８〜１４．７ＭＰａとすることが好ましく、０．９８ＭＰａ未満では、強度が低下する虞があり、１４．７ＭＰａを超えると、気孔が埋まってしまい、多孔質セパレータが得られない虞が高くなる。
【００２６】
さらに、本発明の燃料電池セパレータには、必要に応じて、親水性処理を施すこともできる。この親水性処理は、含浸法、スプレー法、ディップ法等の適当な手法を用いて燃料電池セパレータを公知の親水性物質で処理するものである。これらの処理法の中でも、セパレータの親水性部の内部まで親水性物質をより一層浸透させるという観点から、含浸法を用いることが好ましく、この際、−０．０６〜−０．１ＭＰａの減圧下で含浸処理をすることが好ましい。
なお、撥水部は親水性処理を施しても影響はないため、後処理等を行う必要はない。
【００２７】
上記親水性処理に使用可能な親水性物質としては、特に限定はないが、デナコールＥＸ−１３１０，デナコールＥＸ−１６１０，デナコールＥＸ８６１（以上、ナガセケムテックス（株）製）、ディックファインＥＮ−０２７０（大日本インキ化学工業（株）製）、ＳＲ−８ＥＧ，ＳＲ−４ＰＧ（阪本薬品工業（株）製）などを好適に用いることができ、上記含浸処理の場合は、これらを水に０．１〜９９質量％溶かし、水溶液として使用することができる。
なお、親水性原料に予め親水性物質を配合している場合、親水処理の際に親水性物質が気孔内部まで浸透し易くなるので、好適である。
【００２８】
本発明において、上記各原料をプレス金型に投入する方法としては、製造する燃料電池セパレータの親水性部および撥水性部に応じた部位毎に原料を投入できる方法であれば、特に限定はなく、例えば、図１に示されるような投入装置１を用いることができる。
ここで、粉末原料の投入装置１について説明すると、投入装置１は、投入部１１と、この投入部１１の下部に設けられたスライドプレート１２と、投入部１１と一体成形され、スライドプレート１２を囲むように枠状に形成されたベース１３とを備えて構成されている。
【００２９】
投入部１１には、略矩形状の投入口１１Ａが縦横に一定の間隔でマトリックス状に配置されている。
投入口１１Ａは投入部１１を垂直に貫通しているとともに、その底部が開放されている。なお、投入口１１Ａの口径は製造するセパレータに応じて適宜設定することができる。
【００３０】
ベース１３は、上述のように、投入部１１と一体的に形成されているが、図１（ｂ）に示されるように、上部に投入口１１Ａが存在する部分はくり抜かれた状態となっている。
このベース１３と投入部１１との間には所定間隔の隙間が形成されており、この隙間にスライドプレート１２が摺動自在に設置されている。
スライドプレート１２は、投入口１１Ａの下部を閉塞した状態から、開放した状態まで自由に移動できるようにされている。
【００３１】
このように構成された投入装置１を用いた成形用粉末原料のプレス金型への投入操作および圧縮成形は以下のようにして行うことができる。
まず、図２（ａ）に示されるように、撥水性部を構成する撥水性原料１４Ａを投入部１１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り、所定量の撥水性原料１４Ａを投入口１１Ａに充填する。
次に、図２（ｂ）に示されるように、撥水性原料１４Ａを充填した投入装置１を上金型２１および下金型２２を有するプレス機の下金型２２にセットする。
上記上金型２１には、燃料電池セパレータにガス流路を形成するためのパターン２１Ａが形成されている。
なお、この場合、予備成形体を下金型に設置しておくこともできる。
【００３２】
投入装置１を下金型２２にセットした後、図２（ｃ）に示されるように、スライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、それらの中に充填された撥水性原料１４Ａを下金型２２の上に落下させた後、スライドプレート１２を再びもとの位置まで移動させる。
続いて、図３に示されるように、投入口１１Ａに親水性原料１４Ｂを同様にして充填する。
【００３３】
この状態で、図３（ｃ）に示されるように、再びスライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、それらの中に充填された親水性原料１４Ｂを先に投入した撥水性原料１４Ａの上に落下させる。
これら２回の投入操作により、下金型２２の内部において、底部に撥水性原料１４Ａが下金型２２の転写面と平行に投入され、その上に親水性原料１４Ｂが同じく転写面と平行に投入された２層を形成することになる。
【００３４】
この状態で図３（ｄ）に示されるように、上金型２１で型締めし、例えば、金型温度１００〜２５０℃、特に１４０〜２００℃、成形圧力０．９８〜１９．６ＭＰａで圧縮成形することで、図４に示されるように、ガス流路３３における流路面３３Ａの周囲が親水性部３１であり、その他の部分が撥水性部３２である燃料電池セパレータ３を得ることができる。
【００３５】
なお、親水性原料および撥水性原料の投入順序は、上記実施形態に限定されるものではなく、親水性原料を先に投入してもよい。また、上記実施形態では、親水性原料層と撥水性原料層との２層を金型内に形成したが、これに限定されるものではなく、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層を形成するように各原料を投入することもでき、また３層以上になるように各原料を投入することもできる。
【００３６】
さらに、上記実施形態では下金型にガス流路を形成するためのパターンが形成されていないものを用いているが、ガス流路を形成するためのパターンが形成されていてもよく、このようにすれば、両表面にガス流路を有する燃料電池セパレータを得ることができる。
また、セパレータが有するガス流路等の体積の異なる部位に応じて、各原料投入量を変化させることもでき、この場合、上記投入装置を用いて、必要な部位のみ複数回原料を投入して投入量を変える方法を用いてもよく、また、例えば、図５に示されるような、口径の異なる第１投入口１１Ａおよび第２投入口１１Ｂを有する投入部１１を用い、各原料の投入量を変える手法を用いることもできる。
【００３７】
以上説明したように、本発明によれば、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与できるとともに、密度および気孔が均一な燃料電池セパレータを安価にかつ大量に製造することができる。また、溝板成形も可能であるため、機械加工を施す手間を省ける上、焼成工程が無いため、製造コストの低減化を図ることが可能となる。
また、親水性原料として親水性物質を予め配合したものを用いた場合、得られた燃料電池セパレータの親水性部は気孔内部まで親水性を有しているため、燃料電池セパレータの吸水、透水、保水性を高めることができる。
さらに、成形後に親水性処理が必要な場合でも、撥水性部は親水処理による影響を受けないため、容易に親水性処理を施すことができ、必要に応じて、親水部の親水性の程度を調整することができる。
以上のような特徴を有する本発明の製法により得られた燃料電池セパレータは、固体高分子型燃料電池のセパレータとして好適に使用することができる。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以下の説明において、平均粒径は、粒度測定装置（Ｍｉｃｒｏｔｒａｋ社製）により測定した値である。
【００３９】
［実施例１］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、およびフェノール樹脂１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５〜１．０ｍｍの粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、フェノール樹脂９質量部、および撥水成分ワックス（カルナバ、大日化学工業（株）製）１質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
【００４０】
〈セパレータの成形〉
まず、撥水性原料を図１〜３に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、図２に示されるように、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に撥水性原料１４Ａを投入した。
なお、この場合、投入口１１Ａの口径を１５ｍｍ角とし、その数は３６個とした。
【００４１】
続いて、図３に示されるように、投入口１１Ａには親水性原料１４Ｂを先と同様にして充填した。
この状態で、再びスライドプレート１２をスライドさせて投入口１１Ａの底部を開放させ、親水性原料１４Ｂを先に投入した撥水性原料１４Ａの上に落下させた。
これら２回の投入操作により、図３（ｃ）に示されるように、下金型２２の内部において、下金型２２の転写面と平行に撥水性原料１４Ａが層状に投入され、さらにこの上に親水性原料１４Ｂが同じく転写面と平行に層状に投入された状態となった。
【００４２】
この状態で上金型２１で型締めし、金型温度１７０℃、成形圧力１０ＭＰａで圧縮成形することで、図４に示されるように、ガス流路３３の流路面３３Ａの周囲が親水性部３１であり、その他の部分が撥水性部３２である燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
デナコールＥＸ−１３１０（ナガセケムテックス（株）製）の３質量％水溶液を調製し、この水溶液を−０．０９ＭＰａの減圧下で上記セパレータに含浸させた。
【００４３】
［実施例２］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末７５質量部、フェノール樹脂１５重量部、および活性炭１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
親水処理は行わなかった。
【００４４】
［実施例３］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末８０質量部、フェノール樹脂１０質量部、および活性アルミナ１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４５】
［実施例４］
〈親水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末７５質量部、フェノール樹脂１５重量部、および炭素繊維１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した親水性原料を得た。
〈撥水性原料〉
実施例１と同じ。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４６】
［実施例５］
〈親水性原料〉
実施例１と同じ。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部およびフッ素樹脂１０質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４７】
［実施例６］
〈親水性原料〉
実施例１と同じ。
〈撥水性原料〉
平均粒径６０μｍの人造黒鉛粉末９０質量部、フェノール樹脂８質量部、およびフッ素樹脂２質量部を混合してなる組成物を造粒、乾燥後、篩い分けして０．５ｍｍ以下の粒度に調整した撥水性原料を得た。
〈セパレータの成形〉
上記親水性原料および撥水性原料を用い、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ３を得た。
〈親水性処理〉
実施例１と同じ。
【００４８】
［比較例１］
実施例１と同様にして親水性原料を調製した。
この親水性原料を単独で用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に親水性原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して親水性部のみからなる燃料電池セパレータを作製した。
【００４９】
［比較例２］
実施例１と同様にして撥水性原料を調製した。
この撥水性原料を単独で用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に撥水性原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して撥水性部のみからなる燃料電池セパレータを作製した。
【００５０】
［比較例３］
親水性原料および撥水性原料を、ともに実施例１と同様にして調製し、これらの原料を予め質量比１：１で混合し、成形用原料とした。
この成形用原料を用い、図１，２に示される投入装置１の投入口１１Ａに投入し、擦り切り棒１５で擦り切り充填した。続いて、スライドプレート１２をスライドさせ、投入口１１Ａの底部を開放し、下金型２２上に成形用原料を投入した。
続いて上金型２１を型締めし、１７０℃、１０ＭＰａで圧縮成形して燃料電池セパレータを作製した。
【００５１】
上記各実施例および比較例で得られた燃料電池セパレータについて、親水部の吸水時間、撥水部の接触角度、セパレータの気孔率、密度バラツキ、固有抵抗、接触抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率について、測定・評価し、結果を表１にまとめて示した。
【００５２】
【表１】
ここで、上記各特性は以下の方法により測定した。
［１］親水部の吸水時間
湿度８０％に設定した恒温槽中で、セパレータ表面に０．００２５ｇのイオン交換水を垂らし、セパレータ表面に水が吸い込まれるまでの時間を測定した。
［２］撥水部の接触角度
水平にしたセパレータの表面にスポイトでイオン交換水を垂らし、ＦＡＣＥ接触角計（ＣＡ−Ｄ型、協和界面化学（株）製）により測定した。
［３］気孔率
水銀圧入法により測定した。
［４］密度バラツキ
１枚のセパレータから任意に５箇所切り出し、その密度の最大値、最小値の差から算出した。
［５］固有抵抗
ＪＩＳ Ｈ−０６０２に記載された４探針法により測定した。
［６］接触抵抗
金めっきを施した平滑な銅板２枚の間にセパレータを挟み込み、一定の電流を流した際の電圧の降下から測定した。
［７］曲げ強度、曲げ弾性率
ＡＳＴＭ Ｄ７９０に準拠した方法により測定した。
【００５４】
表１に示されるように、各実施例で得られた燃料電池セパレータは、親水性部の吸水性および撥水性部の撥水性に優れるとともに、固有抵抗、接触抵抗、曲げ強度、曲げ弾性率等のその他の特性も良好なものであることがわかる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを製造するにあたり、親水性部に親水性原料を投入するとともに、撥水性部に撥水性原料を投入して一体成形しているから、複雑な溝形状を有するセパレータであっても、必要な場所に容易に親水性および撥水性を付与でき、かつ、その密度および気孔を容易に均一化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る投入装置を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る撥水性原料投入の各工程を示す概略断面図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る親水性原料投入から圧縮までの各工程を示す概略断面図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池セパレータを示す概略断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態に係る投入部を示す上面図である。
【符号の説明】
１ 投入装置
１１ 投入部
１１Ａ 投入口
１２ スライドプレート
１３ ベース
１４Ａ 撥水性原料
１４Ｂ 親水性原料
２１ 上金型
２２ 下金型
３ 燃料電池セパレータ
３１ 親水性部
３２ 撥水性部
３３ ガス流路
３３Ａ 流路面
Claims (10)
- 親水性原料および撥水性原料をプレス金型に投入後、前記各原料を圧縮成形して親水性部および撥水性部を有する燃料電池セパレータを得る燃料電池セパレータの製造方法であって、
前記親水性部に前記親水性原料を投入するとともに、前記撥水性部に前記撥水性原料を投入して一体成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。 - 前記燃料電池セパレータがガス流路を有し、このガス流路の流路面の一部または全部に前記親水性原料を投入するとともに、その他の部位に前記撥水性原料を投入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層および撥水性原料層の２層を形成させるように投入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記プレス金型の転写面上に前記親水性原料および撥水性原料を、親水性原料層／撥水性原料層／親水性原料層の３層をこの順に形成させるように投入することを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記燃料電池セパレータの体積が異なる部位に応じて前記親水性原料および撥水性原料の投入量を変化させることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記燃料電池セパレータの密度のバラツキが、５％未満であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記燃料電池セパレータが、多孔質であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記燃料電池セパレータの気孔率が、１〜５０％であることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 前記圧縮成形時の圧力が、０．９８〜１４．７ＭＰａであることを特徴とする請求項７または８記載の燃料電池セパレータの製造方法。
- 請求項１〜９のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造方法により得られたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
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