JP2005251501A - 固体高分子形燃料電池用セパレータ材とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス不透過性に優れ、低電気抵抗、高強度などの材質性状に加え、アンモニアや有機炭素分の溶出が少なく、吸水時の伸び率が小さい、電池性能に優れた固体高分子形燃料電池用セパレータ材とその製造方法を提供する。
【解決手段】 黒鉛粉末をベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂との混合樹脂により結着し、それらの量比を特定し、９０℃熱水中に５００時間浸漬して吸水時の伸び率、５０時間浸漬後のアンモニウムイオンおよびＴＯＣ溶出量を特定値以下とした黒鉛／樹脂硬化成形体からなる固体高分子形燃料電池用セパレータ材。その製造方法は混合樹脂と黒鉛粉末の混練物を粉砕した成形粉を予備成形してプリフォームを作製し、次いでプリフォームを成形型に挿入して熱圧成形する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、黒鉛／樹脂硬化成形体からなる固体高分子形燃料電池用セパレータ材とその製造方法に関する。

燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するもので、電気エネルギーへの変換効率が高く、特に固体高分子形燃料電池はリン酸形燃料電池に比較して低温でかつ高出力の発電が可能であるため、自動車の電源をはじめ小型の移動型電源や定置型電源として期待されている。

固体高分子形燃料電池は、通常、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、その両面に白金などの触媒を担持させた触媒電極と、それぞれの電極に水素などの燃料ガスあるいは酸素や空気などの酸化剤ガスを供給するガス供給用の凹凸（溝）を設けたセパレータなどからなる単セルを積層したスタック、及びその外側に設けた２つの集電体から構成されている。

単セルの構造は、図１に示すように、例えばフッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜からなる電解質膜５を挟んで配置される一対の電極３、４（カソード３、アノード４）と、これをさらに両側から挟む緻密質のカーボン材からなるセパレータ１、セパレータの端部にはガス溝と平行方向に設置されたシール材６とから構成されている。電極３、４は白金などの触媒を担持させた炭素短繊維からなる多孔質体あるいは触媒を担持したカーボンブラックを樹脂で結着したものなどから形成される。

セパレータ１には複数の凹凸形状の溝２が形成され、溝２とカソード３との間に形成される空間を酸化剤ガス（空気などの酸素含有ガス）流路とし、溝２とアノード４との間に形成される空間を燃料ガス（例えば水素ガスや水素ガスを主成分とする混合ガス）流路として、燃料ガスと酸化剤ガスとが電極に接触して起こる化学反応を利用して、電極間から電流を取り出すようになっている。そして、通常、この単セルを数十層から数百層に積層して電池スタックが組み立てられている。

したがって、セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離した状態で電極に供給する必要があるために高度のガス不透過性が要求される。また、発電効率を高くするために電池の内部抵抗を小さくすることが有効であり、セパレータの板厚を薄くするとともに高い導電性が必要となる。

また、電池性能の向上を図るためにはスタック中の各単セル間を密着するように組み立て、かつ発電中も良好な接触状態が維持されてセパレータと電極との接触電気抵抗の増大を防止するとともに、単セル間のガスリークや単セル外へのガスリークを防止することが重要となる。すなわち、組み立て時に破損や欠損が生じないように材質強度が高いこと、また電池の作動温度である１００℃程度の温度においても充分な材質強度を備えていることが重要である。更に、大気中で吸湿による寸法変化が生じないように耐湿性が高いことなども要求される。

このような材質特性が要求されるセパレータ材には、従来から炭素質系の材料が用いられており、黒鉛などの炭素粉末を熱硬化性樹脂を結合材として結着し、成形した炭素／樹脂硬化成形体が好適に使用されている。

例えば、特許文献１には、平均粒子径５０μｍ以下、最大粒子径１００μｍ以下の粒度分布を有する黒鉛粉末６０〜８５重量％と熱硬化性樹脂１５〜４５重量％とからなる板状成形体であって、その面方向の固有抵抗が３００×１０^-4Ωｃｍ以下、厚さ方向／面方向の固有抵抗の比が７以下、曲げ強度が３００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の材質性状を備える黒鉛−樹脂硬化成形体から形成されたことを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ部材およびその製造方法が開示されている。

特許文献２には、平均粒子径５０μｍ以下、最大粒子径２５０μｍ以下の黒鉛粉末１００重量部と数平均分子量１００〜４００のフェノール樹脂１５〜３０重量部とを混合し、混合物を粉砕、篩分けして調製した粒度０．１〜５ｍｍの整粒を３０〜１８０℃の温度に調整しながら、１００〜２００℃の温度に加熱された金型に射出成形し、成形体を加熱硬化することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法が開示されている。

また、本出願人は硬化物の飽和吸水率が３％以下のフェノール樹脂溶液と黒鉛粉末を、樹脂固形分１０〜２５重量％、黒鉛粉末９０〜７５重量％の重量比に混合して混練し、混練物を乾燥した後粉砕し、粉砕粒を成形型に充填して熱圧成形することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータの製造方法（特許文献３）を開発、提案した。

特許文献３によれば、吸水率の低いフェノール樹脂を用いることにより、反りの発生が少なく、吸水に伴う電気抵抗の増加も殆どないセパレータの製造が可能となる。

更に、本出願人は熱硬化性樹脂としてノボラック型フェノール樹脂の性状に着目して研究を進め、黒鉛粉末をモノマー量が５重量％以下、ダイマー量が２０重量％以下、１２５℃におけるプレートフローが１５０ｍｍ以上のノボラック型フェノール樹脂を結合材として結着した、黒鉛／樹脂硬化成形体からなる固体高分子形燃料電池用セパレータ材とその製造方法（特許文献４）を開発した。

特許文献４によれば、モノマーおよびダイマーの含有量が少なく、溶融粘度の低い成形性に優れたノボラック型フェノール樹脂を用いることにより緻密でガス不透過性に優れ、低電気抵抗で機械的強度や耐湿性が高く、優れた材質性状を備えた固体高分子形燃料電池用のセパレータ材とその製造方法が提供される。
特開２０００−０２１４２１号公報 特開２０００−３３１６９０号公報 特願２００２−２８８５２１号 特願２００３−３９９２９６号

しかし、ノボラック型フェノール樹脂は、通常硬化剤としてヘキサミン（ヘキサメチレテトラミン）が用いられるため、硬化反応時にヘキサミンの分解ガスとしてアンモニアガスが発生し、発生したアンモニアガスの一部は樹脂硬化物中に残留してくるため、黒鉛／樹脂硬化成形体中にも微量のアンモニアが残留する。

固体高分子形燃料電池は、運転時にガスの加湿や電池反応に伴い生成する水あるいは冷却水などの水分の多い環境下に曝されるため、セパレータ中に残留したアンモニアは、アンモニウムイオンとなって電池セル内に溶出していき、アンモニウムイオンが電解質膜中のプロトンの移動を妨害したり、電極の触媒機能を低下させることとなり、結果的に電池性能の低下を招く問題がある。また、ＴＯＣ（全有機炭素）溶出量が多くなると、電池反応を引き起こす触媒表面を被覆して触媒活性を低下させたり、電解質膜に付着して汚染し電解質膜の水分保持に変化を及ぼし、プロトン移動を阻害することになる。

更に、ノボラック型フェノール樹脂を使用した場合には、例えば電池作動中の環境を模擬した９０℃熱水中の吸水伸び率が大きく、セパレータ内で不均一な伸びが生じて亀裂が発生したり、割損する問題がある。また、冷却水に不凍液であるエチレングリコールを添加した場合にはその吸液による伸び率がより大きくなることもある。

すなわち、固体高分子型燃料電池のセパレータ材には、従来から言われているガス不透過性に優れ、電気抵抗が低く、機械的強度が高いなどの材質性状に加えて、電池性能を低下させるアンモニアや有機質分の溶出が少なく、吸水時の伸び率が小さいことなどが必要となる。

そこで、本発明者らはこれらの問題を解決するために鋭意研究を行った結果、ジメチレンエーテル結合を有するベンジリックエーテル型のフェノール樹脂を併用することにより窒素分を含む硬化剤を使用することなく加熱のみにより硬化が可能であり、アンモニアの発生および残留を抑止して、更にＴＯＣ（全有機炭素）の溶出を低減化して、これらの問題が解消できることを確認した。すなわち、本発明の目的は、これらの問題を解消した優れた性能を有する固体高分子型燃料電池用セパレータ材とその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による固体高分子形燃料電池用セパレータ材は、黒鉛粉末を、ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比が９０：１０〜４０：６０の混合樹脂を結合材として結着し、９０℃の熱水中に浸漬した時の
(1) ５００時間浸漬後の吸水伸び率が０．２０％以下、
(2) ５０時間浸漬後のアンモニウムイオン溶出量が２μｇ／ｇ以下、
(3) ５０時間浸漬後のＴＯＣ（全有機炭素）溶出量が１００μｇ／ｇ以下
である黒鉛／樹脂硬化成形体からなることを構成上の特徴とする。

また、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比は１０：９０〜３５：６５であることが好ましい。

本発明による固体高分子形燃料電池用セパレータ材の製造方法は、ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比を９０：１０〜４０：６０に調整して有機溶剤に溶解した混合樹脂溶液と、黒鉛粉末を混練したのち有機溶剤を揮散除去し、次いで混練物を粉砕して得られた成形粉を予備成形型に充填し、上型を載せて１〜１０ＭＰａに加圧して予備成形したプリフォームを成形型に挿入し、圧力２０〜５０ＭＰａ、温度１５０〜２５０℃で熱圧成形することを構成上の特徴とする。

また、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比は１０：９０〜３５：６５であることが好ましい。

また、ノボラック型フェノール樹脂は、モノマー量が５重量％以下、ダイマー量が２０重量％以下、１２５℃でのプレートフローが１５０ｍｍ以上であることが好ましい。

黒鉛粉末の結合樹脂としてベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の混合樹脂を用い、その樹脂固形分の重量比、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比を特定し、電池稼働時の環境を模擬した９０℃の熱水中に５００時間浸漬した時の吸水伸び率、５０時間浸漬後のアンモニウムイオン溶出量およびＴＯＣ（全有機炭素）溶出量が少ない黒鉛／樹脂硬化成形体から形成した本発明の固体高分子形燃料電池用セパレータ材によれば、電池性能が優れ、長期発電後の出力低下も少なく、安定した発電が可能となる。

また、黒鉛粉末の結合樹脂としてベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の混合樹脂を用い、その樹脂固形分の重量比、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比を特定した混練物を粉砕して得られた成形粉で予めプリフォームを作製し、次いでこのプリフォームを成形型に挿入して熱圧成形することにより、上記セパレータ材を製造することが可能となる。

本発明の固体高分子形燃料電池用セパレータ材は、黒鉛粉末をベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂との混合樹脂を結合材として結着し、一体化した黒鉛／樹脂硬化成形体からなり、この黒鉛／樹脂硬化成形体を厚さ１〜３ｍｍ程度の板状に成形し、その表裏両面あるいは片面に燃料ガス及び酸化剤ガスの流路となる深さ０．５〜１ｍｍ程度の溝が多数形成されたものである。

そして、本発明はこの黒鉛／樹脂硬化成形体を９０℃の熱水中に浸漬した場合に、
(1) ５００時間浸漬後の吸水伸び率が０．２０％以下、
(2) ５０時間浸漬後のアンモニウムイオン溶出量が２μｇ／ｇ以下、
(3) ５０時間浸漬後のＴＯＣ（全有機炭素）溶出量が１００μｇ／ｇ以下、
の性状を有していることを特徴とする。

黒鉛粉末には人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、あるいは、これらの混合物などが用いられ、適宜な粉砕機により粉砕し、篩分けして粒度調整した黒鉛粉末が使用される。黒鉛粉末の粒度は、セパレータにガス溝を設ける際に黒鉛粉末粒子の脱落や粒子間クラックの発生を防止するために、例えば平均粒子径は５０μｍ以下に、最大粒子径は１００μｍ以下に粒度調整することが好ましい。

本発明の固体高分子型燃料電池用セパレータ材は、この黒鉛粉末がベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂との混合樹脂により結着されて一体化したものであり、この混合樹脂を結合材とすることにより黒鉛／樹脂硬化成形体の吸水による膨潤を小さくすることができるので、電池稼働時の吸水による伸びや大気中に置かれた際の吸湿による経時的伸びを抑えることができる。

すなわち、電池稼働時の環境を模擬した９０℃の熱水中に(1) ５００時間浸漬した時の吸水伸び率を０．２０％以下とするものである。伸び率が０．２０％以下であれば、吸水によるセパレータの反りや、セパレータ内における吸水による不均一な伸びによる亀裂の発生などを抑制できるのでセパレータの割損を防止することができる。なお、伸び率は、９０℃の熱水中に５００時間浸漬した時の長さ、あるいは、幅の変化から測定される。例えば、伸び率＝〔（浸漬後長さ−浸漬前長さ）／（浸漬前長さ）〕×１００から算出される。

また、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂との混合樹脂を結合材としているので、ノボラック型フェノール樹脂を単独で結合材としたものに比べて硬化時にアンモニアの発生や有機炭素の生成が抑制され、黒鉛／樹脂硬化成形体中に含有されるこれらの成分が極めて少なくなる。その結果、電池稼働時にこれらの成分が電池セル内に溶出していき、固体高分子膜のプロトン移動を妨害したり、電極の触媒機能を低下させる現象を抑制することができる。

すなわち、これらの現象を抑制するために、電池稼働時の環境を模擬した９０℃の熱水中に５０時間浸漬した後の、(2) アンモニウムイオンの溶出量を２μｇ／ｇ以下に、(3) ＴＯＣ（全有機炭素）溶出量を１００μｇ／ｇ以下に抑制することにより、電圧低下、出力低下などの電池性能の低下を効果的に防止することが可能となる。なお、アンモニウムイオンはイオンクロマトグラフィの方法により、またＴＯＣ（全有機炭素）はＴＯＣ計（ＪＩＳ Ｋ０８０５）の方法により測定される。

この場合、混合樹脂中におけるベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比は９０：１０〜４０：６０に設定される。ベンジリックエーテル型フェノール樹脂量が９０重量％を越え、ノボラック型フェノール樹脂量が１０重量％未満の重量比では黒鉛／樹脂硬化成形体の組織が不均一化し、一方、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂量が４０重量％を下回り、ノボラック型フェノール樹脂量が６０重量％を上回る重量比では混合樹脂の硬化速度が遅くなり、成形に時間が掛かり生産性が低下するからである。より好ましい範囲は９０：１０〜５０：５０である。

また、好ましくは、本発明の固体高分子形燃料電池用セパレータ材を形成する黒鉛／樹脂硬化成形体は、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比が１０：９０〜３５：６５に設定される。樹脂固形分が１０重量％未満で、黒鉛粉末が９０重量％を越える重量比では樹脂分が少なく、成形時の流動性も低下するので成形体の組織が不均一化し、一方、樹脂固形分が３５重量％を上回り、黒鉛粉末が６５重量％を下回る場合には電気抵抗が増大して、電池性能の低下を招くことになる。

本発明の固体高分子形燃料電池用セパレータ材の製造方法は、ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂を有機溶剤に溶解して調製した混合樹脂溶液と、黒鉛粉末を混練したのち有機溶剤を揮散除去し、次いで混練物を粉砕して得られた成形粉を予備成形型に充填し、上型を載せて１〜１０ＭＰａに加圧して予備成形したプリフォームを成形型に挿入し、圧力２０〜５０ＭＰａ、温度１５０〜２５０℃で熱圧成形することを特徴とする。

この場合、混合樹脂中におけるベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比は９０：１０〜４０：６０に設定される。また、好ましくは、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比は１０：９０〜３５：６５に設定される。

ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂は単独では流動性が低く、黒鉛粉末と均一に混練することが難しく、また成形性が悪化するので、ノボラック型フェノール樹脂を添加、混合して流動性を高めて使用に供される。その際、ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂は、その樹脂固形分の重量比が９０：１０〜４０：６０になるように調整してアルコールやエーテルなどの適宜な有機溶剤に溶解して低粘度の混合樹脂溶液を調製する。

混合樹脂中におけるベンジリックエーテル型フェノール樹脂量が９０重量％を越え、ノボラック型フェノール樹脂量が１０重量％未満の重量比では混合樹脂の流動性が低くなるので均一に成形することが難しく、黒鉛／樹脂硬化成形体の組織が不均一化してくる。一方、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂量が４０重量％を下回り、ノボラック型フェノール樹脂量が６０重量％を上回る重量比では混合樹脂の硬化速度が遅くなり、成形に時間が掛かり生産性が低下する。より好ましい範囲は９０：１０〜５０：５０である。

混合樹脂溶液を黒鉛粉末と混合して均一に混練する。この場合、混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比が１０：９０〜３５：６５の割合となるように調整して、ニーダー、加圧型ニーダー、２軸スクリュー式混練機などの適宜な混練機により充分に混練して均一な混練物を調製する。混練後、有機溶剤は真空乾燥あるいは風乾などにより混練物から揮散除去する。なお、用いる黒鉛粉末は平均粒子径が５０μｍ以下に、最大粒子径が１００μｍ以下に粒度調整して使用することが好ましい。

混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比は１０：９０〜３５：６５に設定することが好ましく、樹脂固形分が１０重量％未満で、黒鉛粉末が９０重量％を越える重量比では樹脂分が少ないために成形時の流動性が低下するので成形体の組織が不均一化し、一方、樹脂固形分が３５重量％を上回り、黒鉛粉末が６５重量％を下回る場合には電気抵抗が増大し、電池性能の低下を招くからである。

混練物の表面は樹脂被膜で覆われているため導電性が低くなるので、黒鉛部を露出させることにより導電性の低下を防止するために混練物は粉砕される。粉砕は、予備成形型に均一に充填するために０．１〜１ｍｍ程度に粉砕して成形粉が得られる。なお、混練物の粉砕により材質性状の異方性の是正を図ることもでき、セパレータとなる板状成形体の厚さ方向の電気抵抗を低下させ、面方向との異方性を減少させることもできる。

成形粉を予備成形型のキャビティに均一に充填して、樹脂の融点以上の温度、例えば樹脂融点＋１０℃程度に加熱した上型を載せて１〜１０ＭＰａの圧力で予備成形して板状のプリフォームを作製する。

この板状のプリフォームを、セパレータのガス流路となる溝部を形成する凹凸部が彫られた成形型に、離型剤を塗布して挿入し、圧力２０〜５０ＭＰａ、温度１５０〜２５０℃で熱圧成形することにより、樹脂を硬化させて黒鉛粉末を硬化樹脂で結着して一体化した黒鉛／樹脂硬化成形体からなるセパレータ材が製造される。このようにして製造されたセパレータ材は必要に応じて更に機械加工が施される。

なお、上記の製造プロセスにおいて用いるノボラック型フェノール樹脂はモノマー量が５重量％以下、ダイマー量が２０重量％以下、１２５℃でのプレートフローが１５０ｍｍ以上の性状を備えているものが好ましい。

モノマー量が５重量％、ダイマー量が２０重量％を越えるとノボラック型フェノール樹脂中の低分子量成分が多くなり、成形、硬化時に低沸点成分がガス化して揮散する量が多くなるため、黒鉛／樹脂硬化成形体中に気孔が形成され易くなり、ガス不透過性が低下することになる。

また、プレートフローはＪＩＳ Ｋ６９０９「研削といし用フェノール樹脂試験方法」により測定され、１２５℃に加熱溶融時のフェノール樹脂の流動性を示すパラメータであり、この値が１５０ｍｍを下回ると高分子量成分が多くなって成形性が悪化するので、組織が不均一化し易くなる。

なお、樹脂性状の調整は、例えば減圧加熱によりモノマーやダイマーの低揮発性成分を除去する方法、モノマー、ダイマーとポリマー成分との溶媒への溶解性の違いを利用して分離除去する方法、あるいは樹脂合成時に触媒や反応温度を制御して選択的にモノマー、ダイマーの重合を促進する方法、などにより調整される。

以下、本発明の実施例を比較例と対比して具体的に説明する。

実施例１〜４、比較例４
ベンジリックエーテル型フェノール樹脂を樹脂固形分が６０重量％になるようにアセトンに溶解して樹脂溶液Ａを、また、モノマー量が１重量％未満、ダイマー量が１０重量％以下、１２５℃でのプレートフローが２２６ｍｍのノボラック型フェノール樹脂を樹脂固形分が７０重量％になるようにメタノールに溶解して樹脂溶液Ｂを作製した。この樹脂溶液ＡとＢを異なる量比で混合して、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比が異なる混合樹脂溶液を調製した。

黒鉛粉末には平均粒子径４０μｍ、最大粒子径８０μｍ以下に粒度調整した人造黒鉛粉末を使用し、樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比が２０：８０になるように混合樹脂溶液と黒鉛粉末をニーダーに入れて１時間混練した。混練物を室温で２４時間通気乾燥し、更に真空乾燥して有機溶剤を揮散除去した。次いで、混練物を粉砕した後、粒度調整して０．１〜０．５ｍｍの成形粉を得た。

成形粉を予備成形型に均等になるように充填し、７０℃に加熱した上型を載せて３ＭＰａの圧力で１０秒間加圧して、予備成形した板状のプリフォームを作製した。

２００×２００ｍｍの範囲内に幅１ｍｍ、深さ０．６ｍｍの溝形状が彫られた外形２７０×２７０ｍｍの成形金型にフッ素系の離型剤を塗布して、この成形金型にプリフォームを挿入し、４０ＭＰａの圧力、１８０℃の温度で熱圧成形した。このようにして、黒鉛粉末が硬化樹脂で結着した黒鉛／樹脂硬化成形体からなり、ガス流路となる幅１ｍｍ、深さ０．６ｍｍの溝部が形成されたセパレータ材（２００×２００ｍｍ、最薄肉部厚さ０．４５ｍｍ）を製造した。

これらのセパレータ材から切り出したテストピース（６×３０ｍｍ）を５０ｍｌの蒸留水を入れた密閉容器に浸漬して、９０℃の恒温槽に保持した。５０時間保持した後のアンモニウムイオン濃度およびＴＯＣ（全有機炭素）濃度を測定して、アンモニウムイオン溶出量およびＴＯＣ（全有機炭素）溶出量を求めた。

また、テストピースを５０ｍｌの蒸留水を入れた密閉容器に浸漬して、９０℃の恒温槽に５００時間保持した後の長さの変化を測定して吸水伸び率を求めた。更に、５０％エチレングリコール水溶液中に浸漬して９０℃の恒温槽に５００時間保持した後の長さの変化を測定して吸水伸び率を求めた。

また、テストピースについて下記の方法により材質特性を測定した。
(1)曲げ強度（ＭＰａ）；
ＪＩＳＲ１６０１により室温および９０℃について測定。
(2)固有抵抗率（ｍΩ・ｃｍ）；
ＪＩＳＣ２５２５により測定。
(3)接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ² ）；
テストピース同士を１ＭＰａの圧力で接触させながら、通電量１Ａで測定。
(4)ガス透過係数（ｍｏｌ・ｍ・ｍ^-2・ｓｅｃ^-1・ＭＰａ^-1）；
窒素ガスにより、０．２ＭＰａの差圧をかけた時の単位時間、単位断面積当たりの ガス透過量を測定。

比較例１〜３
結合材樹脂として、ノボラック型フェノール樹脂のみを使用した場合（比較例１）、ベンジリックエーテル型フェノール樹脂のみを使用した場合（比較例２）、レゾール樹脂を使用した場合（比較例３）について、上記実施例と同様にして黒鉛／樹脂硬化成形体を製造し、同じ方法によりその特性を測定した。

得られた結果を表１に示した。

実施例１のセパレータ材を固体高分子膜、ガス拡散電極と組み合わせて１０セル分の燃料電池を組み立てた。９０℃の温度に上げて、加湿した水素ガスおよび空気をマニホールドから電池の燃料極および空気極に送り、燃料電池反応を起生させて発電させた。２４時間経過後の各セルにおける電圧を測定したところ、平均の電圧は０．７５Ｖであった。更に、２０００時間まで連続発電させて、２０００時間後の各セルの電圧を測定した結果、０．７３Ｖであり、電圧低下率は３％であった。これに対し、比較例１のセパレータ材を用いて同様の電池スタックを組み立てて発電させた結果、２４時間経過後の電圧は０．７３Ｖであったが、２０００時間経過後の電圧は０．６３Ｖに低下し、電圧低下率は１４％であった。

固体高分子型燃料電池の概略構造を示す一部断面図である。

符号の説明

１ セパレータ
２ ガス流路用溝
３ カソード
４ アノード
５ 電解質膜
６ シール材

Claims (5)

1. 黒鉛粉末を、ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比が９０：１０〜４０：６０の混合樹脂を結合材として結着し、９０℃の熱水中に浸漬した時の
   (1) ５００時間浸漬後の吸水伸び率が０．２０％以下、
   (2) ５０時間浸漬後のアンモニウムイオン溶出量が２μｇ／ｇ以下、
   (3) ５０時間浸漬後のＴＯＣ（全有機炭素）溶出量が１００μｇ／ｇ以下
   である黒鉛／樹脂硬化成形体からなることを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ材。
2. 混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比が１０：９０〜３５：６５である、請求項１記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ材。
3. ベンジリックエ−テル型フェノール樹脂とノボラック型フェノール樹脂の樹脂固形分の重量比を９０：１０〜４０：６０に調整して有機溶剤に溶解した混合樹脂溶液と、黒鉛粉末を混練したのち有機溶剤を揮散除去し、次いで混練物を粉砕して得られた成形粉を予備成形型に充填し、上型を載せて１〜１０ＭＰａに加圧して予備成形したプリフォームを成形型に挿入し、圧力２０〜５０ＭＰａ、温度１５０〜２５０℃で熱圧成形することを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ材の製造方法。
4. 混合樹脂の樹脂固形分と黒鉛粉末の重量比を１０：９０〜３５：６５に調整して混練する、請求項３記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ材の製造方法。
5. ノボラック型フェノール樹脂のモノマー量が５重量％以下、ダイマー量が２０重量％以下、１２５℃でのプレートフローが１５０ｍｍ以上である、請求項３又は４記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ材の製造方法。
   

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