JP2006164770A - Separator for fuel cell, and manufacturing method therefor - Google Patents

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秀幸 猪谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel cell sufficiently low in contact resistance and excellent in resistance to corrosion. <P>SOLUTION: A separator for a fuel cell is made of a resin and a conductive resin composition including a carbon material containing expanded graphite and an exposure area of the carbon material on a barrier rib upper face is 10 to 90% to a whole surface area of the upper face. The resin is a phenol resin or an epoxy resin, and the carbon material is exposed so that the upper face becomes an area ratio of 10 to 90% to the whole surface area of the upper face by at least one of blast process mechanical polishing processing, heating processing, plasma processing, and oxidant processing after forming the composition in a separator shape. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関し、特に接触抵抗を低減させるための技術に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator and a method for manufacturing the same, and more particularly to a technique for reducing contact resistance.

例えば図1に概略斜視図で示すように、燃料電池用セパレータ10は、平板部11の両面に所定間隔で複数の隔壁12を立設して形成されている。燃料電池とするには、多数の燃料電池用セパレータ10を、隔壁12の突出方向(図中、上下方向)に積層する。そして、この積層により、隣接する一対の隔壁12で形成されるチャネル13に反応ガス(水素や酸素)を流通させる構成となっている。   For example, as shown in a schematic perspective view in FIG. 1, the fuel cell separator 10 is formed by standing a plurality of partition walls 12 at predetermined intervals on both surfaces of a flat plate portion 11. In order to obtain a fuel cell, a large number of fuel cell separators 10 are stacked in the protruding direction of the partition wall 12 (vertical direction in the figure). And by this lamination | stacking, it has the structure which distribute | circulates reaction gas (hydrogen and oxygen) to the channel 13 formed of a pair of adjacent partition 12.

燃料電池用セパレータは、樹脂材料と、黒鉛等の導電性材料を含む導電性樹脂組成物を上述したような形状に成形して製造される。成形方法としては、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂と導電性材料とを含有する成形材料を、隔壁13に相当する凹凸を設けた金型に入れ、これを熱間でプレスする熱圧縮成形によるものが一般的である。   The fuel cell separator is manufactured by molding a resin material and a conductive resin composition containing a conductive material such as graphite into the shape described above. As a molding method, a molding material containing a thermosetting resin such as a phenol resin or an epoxy resin and a conductive material is placed in a mold provided with irregularities corresponding to the partition wall 13, and this is hot pressed. It is common to use compression molding.

また、燃料電池は一般的に複数の燃料電池用セパレータと複数の電極膜接合体(Membrane Electrode Assembly、MEA)とを積層させる燃料電池スタックという構造が採用される。その際、隔壁の上面は、他の燃料電池用セパレータの隔壁またはMEAの拡散層と接した状態で使用され、ここを通じて燃料電池用セパレータ同士間または燃料電池用セパレータとMEA間に電流が流れる。そのため、燃料電池用セパレータ同士間またはセ燃料電池用パレータとMEA間の接触抵抗が高い場合は、発電により得られた電力が、この接触抵抗により浪費されるため、燃料電池スタックの発電効率が低くなる。   In general, a fuel cell employs a structure called a fuel cell stack in which a plurality of fuel cell separators and a plurality of electrode membrane assemblies (MEAs) are stacked. At that time, the upper surface of the partition wall is used in contact with the partition wall of another fuel cell separator or the MEA diffusion layer, and current flows between the fuel cell separators or between the fuel cell separator and the MEA. Therefore, when the contact resistance between the fuel cell separators or between the fuel cell separator and the MEA is high, the power generated by the power generation is wasted due to this contact resistance, so the power generation efficiency of the fuel cell stack is low. Become.

そこで、前記の接触抵抗を低くするために、例えば、電極部と接触する面の表面粗さを特定範囲とすることで接触抵抗を低くすることが提案されている(特許文献1参照)。しかし、本発明者らが追試をしたところ、表面粗さと接触抵抗との間には相関性が認められず、接触抵抗の低い燃料電池用セパレータを得ることが出来なかった。また、酸で処理するために、廃水処理の問題や、製造設備の腐食といった問題もある。   Therefore, in order to reduce the contact resistance, for example, it has been proposed to reduce the contact resistance by setting the surface roughness of the surface in contact with the electrode portion within a specific range (see Patent Document 1). However, when the present inventors made a further test, no correlation was observed between the surface roughness and the contact resistance, and a fuel cell separator having a low contact resistance could not be obtained. Moreover, since it processes with an acid, there also exists a problem of a wastewater treatment problem or corrosion of a manufacturing facility.

また、本体の固有抵抗値よりも小さい固有抵抗値の材料からなる導電性皮膜をコーティングすることも試みられている(特許文献2参照)。しかし、導電性皮膜を形成するために、導電性黒鉛ペースト、金ペーストまたは銀ペーストといったボンドカーボンコンパウンドを均一な厚さでコーティングすることは困難であり、高い厚さ精度が必要とされる燃料電池用セパレータには不適切な処理方法である。また、金ペーストや銀ペーストは材料が高価であり、銀ペーストでは更に腐食が発生するという問題もある。導電性黒鉛ペーストは黒鉛材料とバインダーからなるが、固有抵抗値を下げるためには黒鉛の量を増やす必要があり、ペーストの流動性が低下してコーティングすることが出来なくなる。   Further, an attempt has been made to coat a conductive film made of a material having a specific resistance value smaller than the specific resistance value of the main body (see Patent Document 2). However, in order to form a conductive film, it is difficult to coat a bond carbon compound such as conductive graphite paste, gold paste, or silver paste with a uniform thickness, and a fuel cell that requires high thickness accuracy. It is an unsuitable treatment method for separators. In addition, gold paste and silver paste are expensive materials, and silver paste also has a problem of further corrosion. The conductive graphite paste is composed of a graphite material and a binder. However, in order to reduce the specific resistance value, it is necessary to increase the amount of graphite, and the fluidity of the paste is lowered, and the coating cannot be performed.

特開平11−297338号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-297338 特開2001−196076号公報JP 2001-196076 A

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、十分に接触抵抗が低く、耐腐食性にも優れる燃料電池用セパレータを安価に提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide a fuel cell separator having sufficiently low contact resistance and excellent corrosion resistance at low cost.

本発明者らは、鋭意検討した結果、樹脂と炭素材料とを含有する燃料電池用セパレータの隔壁の表面において、絶縁材料である樹脂を除去して炭素材料を露出させることにより導電性が大きく向上することを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明は以下の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。
(1)樹脂と、膨張黒鉛を含む炭素材料とを含む導電性樹脂組成物からなり、隔壁上面における炭素材料の露出面積が、該隔壁上面の全表面積に対して10〜90%であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
(2)炭素材料の5〜100質量%が膨張黒鉛であることを特徴とする上記(1)記載の燃料電池用セパレータ。
(3)樹脂と炭素材料との比率が、重量比で20:80〜60:40であることを特徴とする上記(1)または(2)記載の燃料電池用セパレータ。
(4)樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする上記(1)〜(3)の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータ。
(5)樹脂がフェノール樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする上記(4)記載の燃料電池用セパレータ。
(6)樹脂と、膨張黒鉛を含む炭素材料とを含む導電性樹脂組成物をセパレータ形状に成形した後、隔壁の上面を、ブラスト処理、機械的研削処理、加熱処理、プラズマ処理及び酸化剤処理の少なくとも1つにより、該隔壁上面の全表面積の10〜90%の面積比となるように炭素材料を露出させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
(7)乾式ブラスト処理することを特徴とする上記(6)記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
(8)ブラスト処理に使用する粒子がJIS R6001で規定される20〜3000番(1000〜5μm)であることを特徴とする上記(6)または(7)記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
(9)ブラスト処理に使用する粒子が金属粒子、セラミック粒子、ガラスビーズ、樹脂粒子、植物系粒子から選択される少なく一種であることを特徴とする上記(6)〜(8)の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
(10)ブラスト処理に使用する粒子が10段階モース硬度6〜9の粒子であることを特徴とする上記(6)〜(9)の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
As a result of intensive studies, the present inventors have greatly improved conductivity by removing the resin as the insulating material and exposing the carbon material on the surface of the partition wall of the fuel cell separator containing the resin and the carbon material. As a result, the present invention has been completed. That is, the present invention provides the following fuel cell separator and method for producing the same.
(1) It consists of a conductive resin composition containing a resin and a carbon material containing expanded graphite, and the exposed area of the carbon material on the upper surface of the partition wall is 10 to 90% with respect to the total surface area of the upper surface of the partition wall. A fuel cell separator.
(2) The fuel cell separator as described in (1) above, wherein 5 to 100% by mass of the carbon material is expanded graphite.
(3) The fuel cell separator as described in (1) or (2) above, wherein the weight ratio of the resin to the carbon material is 20:80 to 60:40.
(4) The fuel cell separator according to any one of (1) to (3), wherein the resin is a thermosetting resin.
(5) The fuel cell separator as described in (4) above, wherein the resin is a phenol resin or an epoxy resin.
(6) After molding a conductive resin composition containing a resin and a carbon material containing expanded graphite into a separator shape, the upper surface of the partition wall is subjected to blasting, mechanical grinding, heating, plasma treatment and oxidant treatment. A method for producing a fuel cell separator, wherein the carbon material is exposed so as to have an area ratio of 10 to 90% of the total surface area of the upper surface of the partition wall by at least one of the above.
(7) The method for producing a fuel cell separator as described in (6) above, wherein a dry blast treatment is performed.
(8) The method for producing a fuel cell separator as described in (6) or (7) above, wherein the particles used for the blast treatment are No. 20 to 3000 (1000 to 5 μm) defined by JIS R6001.
(9) Any one of the above (6) to (8), wherein the particles used for the blast treatment are at least one selected from metal particles, ceramic particles, glass beads, resin particles, and plant particles. The manufacturing method of the separator for fuel cells as described in a term.
(10) The method for producing a fuel cell separator as described in any one of (6) to (9) above, wherein the particles used for the blast treatment are particles having a 10-step Mohs hardness of 6 to 9.

本発明の燃料電池用セパレータは、隔壁表面において絶縁材料である樹脂を除去して特定面積比で炭素材料を露出させたことにより、導電性が大幅に向上する。しかも、高価な導電性ペーストも不要で、腐食の問題も無く、簡素な処理方法で十分な効果が得られるため、安価である。   In the separator for a fuel cell of the present invention, the conductivity is greatly improved by removing the resin as the insulating material on the partition wall surface and exposing the carbon material at a specific area ratio. In addition, an expensive conductive paste is unnecessary, there is no problem of corrosion, and a sufficient effect can be obtained by a simple processing method, so that it is inexpensive.

以下、本発明に関して詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail.

本発明の燃料電池用セパレータは、樹脂と、膨張黒鉛を含む炭素材料とを含む導電性樹脂組成物からなる。   The fuel cell separator of the present invention comprises a conductive resin composition containing a resin and a carbon material containing expanded graphite.

通常の鱗辺状黒鉛は、薄板状の結晶が積層されたものである。これに対して、膨張黒鉛は、鱗片状黒鉛を濃硫酸や硝酸や過酸化水素水等で処理し、薄板状結晶の隙間にこれら薬液をインターカレートさせ、さらに加熱してインターカレートされた薬液が気化する際に薄板状結晶の隙間を広げたもので、鱗片状黒鉛や球状黒鉛と比較して嵩密度が低く、表面積が大きく、粒子はより薄い薄板状となっている。このため、樹脂と混合した際に容易に導電パスを形成し、高導電性の燃料電池用セパレータを得ることが出来る。また、膨張黒鉛は薄板状となっているため、人造黒鉛や天然黒鉛と比較して柔軟であり、これを使用する燃料電池用セパレータも柔軟なものとなる。さらに、膨張黒鉛を使用することで成形体の表面付近で膨張黒鉛が表面に沿った方向に配向するため、後述する方法を用いて、表面に露出している炭素材料の面積比を高くすることが可能となる。このことは詳しく後述する。   Normal scale-like graphite is a laminate of thin plate crystals. In contrast, expanded graphite was treated with concentrated sulfuric acid, nitric acid, hydrogen peroxide, etc., intercalated with these chemicals in the gaps between the thin plate crystals, and further heated to intercalate. When the chemical solution is vaporized, the gap between the thin plate crystals is widened. Compared with the flaky graphite or the spherical graphite, the bulk density is low, the surface area is large, and the particles are in a thin plate shape. For this reason, when mixed with resin, a conductive path can be easily formed, and a highly conductive fuel cell separator can be obtained. In addition, since expanded graphite has a thin plate shape, it is more flexible than artificial graphite and natural graphite, and a fuel cell separator using the expanded graphite is also flexible. Furthermore, since expanded graphite is oriented in the direction along the surface near the surface of the compact by using expanded graphite, the area ratio of the carbon material exposed on the surface should be increased using the method described later. Is possible. This will be described in detail later.

このような理由から、本発明においては、炭素材料として膨張黒鉛を含む。炭素材料の全てを膨張黒鉛としてもよく、一部を膨張黒鉛とし、それ以外を鱗片状人造黒鉛、球状人造黒鉛、天然の鱗辺状黒鉛、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドライクカーボン、フラーレン、カーボンナノホーン等とすることができる。炭素材料に占める膨張黒鉛の割合は、好ましくは5〜100質量%、より好ましくは20〜80質量%、さらに好ましくは30〜70質量%、特に好ましくは40〜60質量%である。膨張黒鉛の比率が低い場合は、接触抵抗が高くなる。また、膨張黒鉛は嵩密度が低いため、膨張黒鉛の比率が高い場合はコンパウンド作製の混練時の材料ハンドリング性が悪く、作業環境を汚す懸念がある。   For these reasons, expanded carbon is included as a carbon material in the present invention. All of the carbon material may be expanded graphite, some are expanded graphite, and the others are flaky artificial graphite, spherical artificial graphite, natural scaly graphite, carbon black, carbon fiber, carbon nanofiber, carbon nanotube, Diamond-like carbon, fullerene, carbon nanohorn or the like can be used. The proportion of expanded graphite in the carbon material is preferably 5 to 100% by mass, more preferably 20 to 80% by mass, still more preferably 30 to 70% by mass, and particularly preferably 40 to 60% by mass. When the ratio of expanded graphite is low, the contact resistance is high. In addition, since expanded graphite has a low bulk density, when the ratio of expanded graphite is high, material handling properties during kneading for compound production are poor, and there is a concern that the working environment may be contaminated.

本発明で使用する樹脂としてはフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ジアリルフタレート樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂等の熱硬化性樹脂;低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、塩素化ポリエチレンといったポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロへキシレンジメチレンテレフタレート、液晶性ポリエステル、ポリヒドロキシブチレート、ポリカプロラクトン、ポリエチレンアジペート、ポリ乳酸、ポリブチレンサクシネート、ポリブチルアジペート、ポリエチレンサクシネートといったといったポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン(四フッ化エチレン樹脂)、テトラフルオロエチレン‐パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(四フッ化エチレン・パーフルオロアルコキシエチレン共重合樹脂)、テトラフルオロエチレン‐ヘキサフルオロプロピレン共重合体(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合樹脂)、テトラフルオロエチレン‐エチレン共重合体(四フッ化エチレン・エチレン共重合樹脂)、ポリビニリデンフルオライド(フッ化ビニリデン樹脂)、ポリクロロトリフルオロエチレン(三フッ化塩化エチレン樹脂)、クロロトリフルオロエチレン‐エチレン共重合体(三フッ化塩化エチレン・エチレン共重合樹脂)、ポリビニルフルオライド(フッ化ビニル樹脂)等のフッ素樹脂、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン46、半芳香族ナイロン6T、ナイロンMXD、ナイロン610、ナイロン612、ナイロン11、ナイロン12といったポリアミド、アタクチックポリプロピレン、アイソタクチックポリプロピレン、シンジオタックチックポリプロピレン、エチレン‐プロピレン共重合体といったポリプロピレン、ポリアセタール、ポリフタルアミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、熱可塑性ポリイミドといったポリイミド、ポリエーテルスルフォン、アタックチックポリスチレン、アイソタクチックポリスチレン、シンジオタクチックポリスチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルニトリル、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキサイド、アイオノマー、シンジオタクチック‐1,2‐ポリブタジエン、トランス‐1,4‐ポリイソプレン、ポリメチルペンテン、ポリケトン、エチレン-酢酸ビニル共重合体、エチレン-アクリル酸共重合体、エチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリ塩化ビニリデン、ポリヒドロキシブチレート、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリアリレート、ポリ酢酸ビニル、ポリアクリロニトリル、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂が挙げられるがこれらに限定されない。これらを混合して使用することも出来る。特に熱硬化性樹脂、その中で特にフェノール樹脂またはエポキシ樹脂は耐熱性と強度の高い燃料電池用セパレータが得られ、また、後述するが接触抵抗が低いものとなるため好ましい。   The resin used in the present invention is a thermosetting resin such as phenol resin, epoxy resin, diallyl phthalate resin, unsaturated polyester resin, polyimide resin, silicone resin, polyurethane resin, urea resin, melamine resin, diallyl phthalate resin; low density Polyethylene, polyethylene such as medium density polyethylene, high density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, chlorinated polyethylene, polyethylene terephthalate, polybutylene terephthalate, polycyclohexylene dimethylene terephthalate, liquid crystalline polyester, polyhydroxybutyrate, polycaprolactone, polyethylene adipate, Polyesters such as polylactic acid, polybutylene succinate, polybutyl adipate, polyethylene succinate, polyether ether Luketone, polytetrafluoroethylene (tetrafluoroethylene resin), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (tetrafluoroethylene / perfluoroalkoxyethylene copolymer resin), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (Tetrafluoroethylene / hexafluoropropylene copolymer resin), tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (tetrafluoroethylene / ethylene copolymer resin), polyvinylidene fluoride (vinylidene fluoride resin), polychlorotrifluoro Fluorine resins such as ethylene (ethylene trifluoride chloride resin), chlorotrifluoroethylene-ethylene copolymer (ethylene trifluoride chloride / ethylene copolymer resin), polyvinyl fluoride (vinyl fluoride resin), nylon 6, nylon 66, Iron 46, semi-aromatic nylon 6T, nylon MXD, nylon 610, nylon 612, nylon 11, nylon 12 and other polyamides, atactic polypropylene, isotactic polypropylene, syndiotactic polypropylene, polypropylene such as ethylene-propylene copolymer, Polyacetal, polyphthalamide, polyamideimide, polyetherimide, thermoplastic polyimide, polyethersulfone, atactic polystyrene, isotactic polystyrene, syndiotactic polystyrene, polyphenylene sulfide, polyphenylene ether, polyether nitrile, polyethylene oxide, Polypropylene oxide, ionomer, syndiotactic-1,2-polybutadiene, trans-1,4 Polyisoprene, polymethylpentene, polyketone, ethylene-vinyl acetate copolymer, ethylene-acrylic acid copolymer, ethylene-vinyl alcohol copolymer, polyvinylidene chloride, polyhydroxybutyrate, polyvinyl alcohol, acrylic resin, polycarbonate, Examples of the thermoplastic resin include, but are not limited to, polyethersulfone, polysulfone, polyarylate, polyvinyl acetate, polyacrylonitrile, and polyvinyl chloride. These can also be mixed and used. In particular, a thermosetting resin, particularly a phenol resin or an epoxy resin, is preferable because a fuel cell separator having high heat resistance and high strength can be obtained and, as will be described later, the contact resistance is low.

フェノール樹脂としては、従来公知のものとしてレゾール型フェノール樹脂、ノボラック型フェノール樹脂等が挙げられるが、これらに限定されず、何れのフェノール樹脂を用いても良い。ヘキサメチレンテトラミン等の硬化剤を用いることも可能である。   Examples of the phenol resin include conventionally known resol type phenol resins and novolac type phenol resins, but are not limited thereto, and any phenol resin may be used. It is also possible to use a curing agent such as hexamethylenetetramine.

エポキシ樹脂としては、従来公知のものとしてビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂等のビスフェノール型のエポキシ樹脂;フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂等の多官能エポキシ樹脂が挙げられるがこれらに限定されない。   As epoxy resins, bisphenol type epoxy resins such as bisphenol A type epoxy resins and bisphenol F type epoxy resins; phenol novolac type epoxy resins, cresol novolac type epoxy resins, glycidylamine type epoxy resins, biphenyl type epoxy resins are conventionally known. Examples thereof include, but are not limited to, polyfunctional epoxy resins such as resins.

エポキシ樹脂は、硬化剤と反応することによって、エポキシ硬化物を生成する。硬化剤も各種公知の化合物を使用することができる。例えばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、メンセンジアミン、イソホロンジアミン、N-アミノエチルピペラジン、m-キシレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン等の脂肪族、脂環式、芳香族のポリアミンまたはその炭酸塩;無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ドデシル無水コハク酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、無水トリメリット酸、ポリアゼライン酸無水物等の酸無水物;フェノールノボラック、クレゾールノボラックのようなポリフェノール;ポリメルカプタン;トリス(ジメチルアミノメチル)フェノール、イミダゾール、エチルメチルイミダゾール等のアニオン重合触媒;BF3やその錯体のようなカチオン重合触媒;さらには熱分解や光分解によって上記化合物を生成する潜在性硬化剤等が挙げられるが、これらに限定されない。複数の硬化剤を併用することもできる。上記の内、ポリアミンやその炭酸塩、酸無水物、ポリフェノール、ポリメルカプタン等の硬化剤は、自身がエポキシ化合物と重付加反応してエポキシ硬化物を構成するので、重付加型硬化剤と呼ばれる。重付加型硬化剤の過不足は未反応官能基の残存につながる故、添加量には適正域が存在する。一般に、エポキシ樹脂前駆体のエポキシ基1個当たり0.7〜1.2当量の、特に0.8〜1.1当量の重付加型硬化剤を使用するのが好ましい。一方、アニオン重合触媒及びカチオン重合触媒は、エポキシ基の付加重合触媒として作用するものであり、それ故、適正添加域は存在せず、添加量は反応速度に応じて決定することができる。これら触媒は、触媒型硬化剤あるいは付加型硬化剤と呼ばれる。また、これら触媒を重付加型硬化剤と併用して用いる場合は、重合付加型硬化剤による硬化反応を促進させるため、硬化促進剤とも呼ばれる。   An epoxy resin produces | generates an epoxy hardened | cured material by reacting with a hardening | curing agent. Various known compounds can also be used as the curing agent. For example, aliphatic, cycloaliphatic, aromatic polyamines or carbonates thereof such as diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, mensendiamine, isophoronediamine, N-aminoethylpiperazine, m-xylenediamine, diaminodiphenylmethane; Phthalic anhydride, methyltetrahydrophthalic anhydride, methylhexahydrophthalic anhydride, methyl nadic anhydride, dodecyl succinic anhydride, pyromellitic anhydride, benzophenone tetracarboxylic anhydride, trimellitic anhydride, polyazeline acid anhydride, etc. Acid anhydrides; polyphenols such as phenol novolac and cresol novolac; polymercaptan; anion polymerization catalyst such as tris (dimethylaminomethyl) phenol, imidazole, ethylmethylimidazole; Cationic polymerization catalysts such as 3 and complexes thereof; more like latent curing agent that produces the compound by thermal decomposition or photolysis, but not limited thereto. A plurality of curing agents can be used in combination. Among the above, curing agents such as polyamines, carbonates thereof, acid anhydrides, polyphenols, and polymercaptans are called polyaddition type curing agents because they themselves form an epoxy cured product by a polyaddition reaction with an epoxy compound. Since excess and deficiency of the polyaddition type curing agent leads to remaining unreacted functional groups, there is an appropriate range for the amount of addition. In general, it is preferred to use 0.7 to 1.2 equivalents, particularly 0.8 to 1.1 equivalents of a polyaddition type curing agent per epoxy group of the epoxy resin precursor. On the other hand, an anionic polymerization catalyst and a cationic polymerization catalyst act as an addition polymerization catalyst for an epoxy group. Therefore, there is no appropriate addition region, and the addition amount can be determined according to the reaction rate. These catalysts are called catalyst-type curing agents or addition-type curing agents. Further, when these catalysts are used in combination with a polyaddition type curing agent, the catalyst is also called a curing accelerator because it accelerates the curing reaction by the polymerization addition type curing agent.

尚、先記したように、本発明において熱硬化性樹脂の量とは、熱硬化性樹脂、硬化剤及び硬化促進剤の合計重量に等しい。これら硬化剤の種類、量と熱硬化性樹脂樹脂の種類、硬化促進剤の種類、量を種々に選択することにより、熱硬化性樹脂樹脂の硬化速度を任意に変化させることができる。当業者であれば、所望の硬化条件に合わせ、熱硬化性樹脂や硬化剤や硬化促進剤の種類及び使用量を決定することは容易であろう。   As described above, in the present invention, the amount of the thermosetting resin is equal to the total weight of the thermosetting resin, the curing agent, and the curing accelerator. The curing rate of the thermosetting resin can be arbitrarily changed by variously selecting the type and amount of the curing agent, the type of the thermosetting resin, the type and the amount of the curing accelerator. Those skilled in the art will be able to easily determine the type and amount of thermosetting resin, curing agent and curing accelerator according to the desired curing conditions.

本発明では、樹脂と炭素材料との比率は、重量比で20:80〜60:40とすることが好ましい。樹脂の比率が高すぎる場合は導電性が低下する。一方で、炭素材料の比率が高すぎる場合は強度が低くなり、また、コンパウンドの流動性が低くなるため、金型内に射出した再に金型内で成形材料の圧力分布が大きくなり、成形する燃料電池用セパレータの寸法精度が悪くなるため問題である。   In the present invention, the ratio of resin to carbon material is preferably 20:80 to 60:40 by weight. If the resin ratio is too high, the conductivity will decrease. On the other hand, if the ratio of the carbon material is too high, the strength will be low, and the fluidity of the compound will be low, so that the pressure distribution of the molding material will increase in the mold once injected into the mold, and the molding will This is a problem because the dimensional accuracy of the fuel cell separator deteriorates.

本発明では、カルナバワックス等の滑剤を添加して、成形加工時に金型や混練機への貼りつきを防止することも可能である。滑剤としてはステアリン酸やモンタン酸ワックスやこれらの金属塩等の使用も可能である。また、導電性を低下させない範囲で、ガラス繊維、シリカ、タルク、クレー、炭酸カルシウム等の無機充填材や、木粉等の有機充填材、可塑剤を添加することも可能である。   In the present invention, a lubricant such as carnauba wax can be added to prevent sticking to a mold or a kneader during molding. As the lubricant, stearic acid, montanic acid wax, and metal salts thereof can be used. In addition, an inorganic filler such as glass fiber, silica, talc, clay, calcium carbonate, an organic filler such as wood powder, and a plasticizer can be added as long as the conductivity is not lowered.

上記の導電性樹脂組成物は、種々の慣用の方法によって製造することができる。例えば、樹脂と炭素材料等とをドライミックスして得られる。また、樹脂を加熱溶融または溶剤に溶解させて、炭素材料等を添加してもよい。また、ドライミックスによって予備混合を行った材料を加熱溶融させる等、複数の混合方法を併用しても良い。   The conductive resin composition can be produced by various conventional methods. For example, it can be obtained by dry mixing a resin and a carbon material. Further, a carbon material or the like may be added by heating and melting the resin or dissolving it in a solvent. Also, a plurality of mixing methods may be used in combination, such as heating and melting the material that has been premixed by dry mix.

混合に使用する装置としては各種の混合装置を使用することができる。例えば、ヘンシェルミキサー、リボンミキサー、プラネタリーミキサー、モルタルミキサー、コーンミキサー、Vミキサー、加圧ニーダー、パドルミキサー、二軸押出機、単軸押出機、バンバリーミキサー、二本ロールミル、三本ロールミル等が挙げられるがこれらに限定されない。さらに必要に応じて、混合した材料を粉砕又は造粒化し、分級することもできる。   Various mixing apparatuses can be used as an apparatus used for mixing. For example, Henschel mixer, ribbon mixer, planetary mixer, mortar mixer, cone mixer, V mixer, pressure kneader, paddle mixer, twin screw extruder, single screw extruder, Banbury mixer, two roll mill, three roll mill, etc. Although it is mentioned, it is not limited to these. Furthermore, the mixed material can be pulverized or granulated and classified as necessary.

こうして得られた導電性樹脂組成物は、従来公知の熱硬化性樹脂成形材料の成形方法に従い燃料電池用セパレータに成形される。成形方法としては、例えば、以下に示す圧縮成形がある。すなわち予熱した型に導電性樹脂組成物を充填し、熱硬化性樹脂と硬化剤に応じた温度で加熱圧縮して成形し、型から取り出せばよい。型温は150℃〜220℃程度が一般的によく使用される温度である。また、必要に応じて二次架橋を実施しても良い。その他、射出成形やトランスファー成形で成形しても良いが、成形方法はこれらに限定されない。また、必要に応じて、成形後に切削加工を施すことも可能である。   The conductive resin composition thus obtained is molded into a fuel cell separator according to a conventionally known method for molding a thermosetting resin molding material. As a molding method, for example, there is the following compression molding. In other words, the preheated mold is filled with the conductive resin composition, molded by heating and compression at a temperature corresponding to the thermosetting resin and the curing agent, and taken out from the mold. The mold temperature is generally about 150 ° C to 220 ° C. Moreover, you may implement secondary bridge | crosslinking as needed. In addition, although you may shape | mold by injection molding and transfer molding, a shaping | molding method is not limited to these. Moreover, it is also possible to cut after shaping | molding as needed.

本発明では、上記の燃料電池用セパレータを成形後、隔壁上面において炭素材料を露出させる工程を設けることが重要である。上述した様に、本発明の燃料電池用セパレータは炭素材料と樹脂からなる成形体であるため、炭素材料を露出させるには、隔壁上面に存在する絶縁材料である樹脂を選択的に除去すればよい。   In the present invention, it is important to provide a step of exposing the carbon material on the upper surface of the partition wall after forming the fuel cell separator. As described above, since the fuel cell separator of the present invention is a molded body made of a carbon material and a resin, the carbon material can be exposed by selectively removing the resin that is an insulating material on the upper surface of the partition wall. Good.

樹脂を除去して炭素材料を露出させる方法としては、ブラスト処理、機械的研削処理、加熱処理、プラズマ処理、酸化剤処理を挙げることが出来るが、これらに限定されない。また、これら手法を併用することも可能である。樹脂は炭素材料と比較して強度が低いため、これらの処理により選択的に除去することが出来る。   Examples of the method for exposing the carbon material by removing the resin include, but are not limited to, blast treatment, mechanical grinding treatment, heat treatment, plasma treatment, and oxidant treatment. These methods can be used in combination. Since the resin has a lower strength than the carbon material, it can be selectively removed by these treatments.

ブラスト処理とは、細かな粒子(ブラスト粒子)を、流体とともに衝突させる処理をいう。流体として空気等の気体を用いる場合は乾式ブラスト、水等の液体を用いる場合は湿式ブラストと呼ぶ。本発明では空気による乾式ブラストを用いることが好ましい。湿式ブラストでは、廃液が発生するため、環境問題を引き起こす可能性がある。乾式ブラストの気体の圧力が高すぎる場合は、樹脂だけでなく炭素材料も除去されてしまい、接触抵抗を低くすることが出来なくなる。また、燃料電池用セパレータを破損する可能性がある。気体の圧力が低すぎる場合は、ブラスト処理に長時間要する。よって、乾式ブラストの圧力としては好ましい範囲がある。乾式ブラストの圧力としては、好ましくは0.05〜2MPa、さらに好ましくは0.1〜1MPa、さらにより好ましくは0.15〜0.5MPaである。   The blasting process is a process of causing fine particles (blast particles) to collide with a fluid. When a gas such as air is used as the fluid, it is called dry blasting, and when a liquid such as water is used, it is called wet blasting. In the present invention, air dry blasting is preferably used. In wet blasting, waste liquid is generated, which may cause environmental problems. When the gas pressure of the dry blast is too high, not only the resin but also the carbon material is removed, and the contact resistance cannot be lowered. In addition, the fuel cell separator may be damaged. If the gas pressure is too low, the blasting process takes a long time. Therefore, there is a preferred range for the pressure of dry blasting. The pressure of dry blasting is preferably 0.05 to 2 MPa, more preferably 0.1 to 1 MPa, and even more preferably 0.15 to 0.5 MPa.

ブラスト粒子としては、鉄や炭素鋼等の金属粒子、炭化珪素やアルミナ等のセラミックス粒子、ガラスビーズ、アクリル等の樹脂ビーズ、クルミやトウモロコシ殻等の植物系粒子等を用いることが出来る。これ以外に、ダイヤモンドや、ドライアイスも用いることができる。硬い粒子を用いた方が、研削力が強くなるが、樹脂だけでなく炭素材料も除去されてしまい、接触抵抗を低くすることが出来なくなる。また、燃料電池用セパレータを破損する可能性がある。粒子が柔らかすぎる場合はブラスト処理に長時間を要する。よって、粒子の硬さは好ましい範囲がある。粒子の硬さとしては、好ましくは10段階法のモース硬度6〜9、さらに好ましくは8〜9である。具体的にはモース硬度8のアルミナ、モース硬度9の炭化珪素が本発明では好適に使用される。大きい粒子を用いた方が、研削力が強くなるが、樹脂だけでなく炭素材料も除去されてしまい、接触抵抗を低くすることが出来なくなる。また、燃料電池用セパレータを破損する可能性がある。粒子が小さすぎる場合はブラスト処理に長時間を要する。そこで、粒径はJIS R6001で規定される20〜3000番(1000μm〜5μm)が好ましい。理想的には低い圧力で、切削力の低い粒子を用いて長時間ブラスト処理を施すことで、樹脂のみが選択的に除去されるが、想定される処理時間により、ブラスト処理の気体圧力、粒子の硬さ、粒子の種類を、適宜設定すればよい。   As blast particles, metal particles such as iron and carbon steel, ceramic particles such as silicon carbide and alumina, glass beads, resin beads such as acrylic, and plant particles such as walnuts and corn husks can be used. Besides this, diamond and dry ice can also be used. The use of hard particles increases the grinding force, but not only the resin but also the carbon material is removed, and the contact resistance cannot be lowered. In addition, the fuel cell separator may be damaged. If the particles are too soft, blasting takes a long time. Therefore, the hardness of the particles has a preferable range. The hardness of the particles is preferably a 10-step Mohs hardness of 6-9, more preferably 8-9. Specifically, alumina having a Mohs hardness of 8 and silicon carbide having a Mohs hardness of 9 are preferably used in the present invention. The use of large particles increases the grinding force, but not only the resin but also the carbon material is removed, and the contact resistance cannot be lowered. In addition, the fuel cell separator may be damaged. If the particles are too small, the blasting process takes a long time. Therefore, the particle size is preferably 20 to 3000 (1000 μm to 5 μm) defined by JIS R6001. Ideally, only the resin is selectively removed by performing blasting for a long time using particles with low cutting force at low pressure, but depending on the assumed processing time, gas pressure and particles for blasting The hardness and particle type may be set as appropriate.

機械的研削処理とは、マシニングやフライス等の研削装置により表面のみを削る操作をいう。また、サンドペーパーにより研磨や、アルミナやダイヤモンド等の硬質粒子による研磨も包含する。機械的研削処理により研削されて除去される厚さは、好ましくは0.1〜20μm、さらに好ましくは0.5〜15μm、さらにより好ましくは1〜10μmの範囲である。研削される厚さがこの範囲よりも少ない場合は、炭素材料の露出が少なくなるため、導電性が不十分となる。また、この範囲よりも大きい場合は、研削に時間がかかるため生産性が悪くなる。   The mechanical grinding process refers to an operation of cutting only the surface with a grinding apparatus such as machining or milling. Moreover, polishing with sandpaper and polishing with hard particles such as alumina and diamond are also included. The thickness removed by grinding by the mechanical grinding process is preferably in the range of 0.1 to 20 μm, more preferably 0.5 to 15 μm, and even more preferably 1 to 10 μm. When the thickness to be ground is less than this range, the carbon material is less exposed and the conductivity is insufficient. Moreover, when larger than this range, since grinding takes time, productivity will worsen.

加熱処理とは、加熱により表層の樹脂のみを熱分解させて炭素材料を露出される処理である。このとき、酸素雰囲気下で行った場合は、樹脂と炭素材料とがともに熱分解するが、炭素材料の熱分解は樹脂の熱分解よりも遅いため、結果的に炭素材料が露出することになる。また、窒素雰囲気下で熱処理を行った場合は、樹脂材料のみが選択的に除去されやすいため、本発明では好ましい熱処理方法である。熱処理の温度としては、窒素雰囲気下では、200〜800℃、好ましくは300〜750℃、さらに好ましくは400〜700℃である。この範囲よりも温度が高いと、炭素材料の分解が起こる場合がある。また、この範囲よりも低い温度では、樹脂の分解に長時間を要する。   The heat treatment is a treatment in which only the surface layer resin is thermally decomposed by heating to expose the carbon material. At this time, when performed in an oxygen atmosphere, both the resin and the carbon material are thermally decomposed, but the carbon material is exposed to heat as a result because the thermal decomposition of the carbon material is slower than the thermal decomposition of the resin. . In addition, when heat treatment is performed in a nitrogen atmosphere, only the resin material is easily removed selectively, and thus the heat treatment method is preferable in the present invention. The temperature of the heat treatment is 200 to 800 ° C., preferably 300 to 750 ° C., more preferably 400 to 700 ° C. in a nitrogen atmosphere. When the temperature is higher than this range, decomposition of the carbon material may occur. Further, at a temperature lower than this range, it takes a long time to decompose the resin.

酸化剤処理とは、酸化機能を有する化学物質で、表層の樹脂を分解する工程である。この処理に使用される物質としては過マンガン酸カリウム水溶液、オゾン、過酸化水素、次亜塩素酸ソーダ、次亜塩素酸カルシウム、二酸化マンガン、塩化銀、塩化銅等を挙げることが出来る。   Oxidant treatment is a process of decomposing a surface resin with a chemical substance having an oxidizing function. Substances used for this treatment include aqueous potassium permanganate solution, ozone, hydrogen peroxide, sodium hypochlorite, calcium hypochlorite, manganese dioxide, silver chloride, copper chloride and the like.

上記の処理の中でも、簡便でありながらも、樹脂の除去効果の高いブラスト処理が好ましい。   Among the above treatments, a blast treatment which is simple but has a high resin removal effect is preferable.

尚、樹脂としては熱硬化性樹脂を用いた方が熱可塑性樹脂を用いた場合と比較して、樹脂のみをブラスト処理や機械的研削処理により選択的に除去することが可能であり、上述した炭素材料を露出させる工程で、効率よく炭素材料を露出させることができる。この工程での成形体の厚さ変化を最小限に抑えることが可能となるため好ましい。これは、熱硬化性樹脂は一般的に熱可塑性樹脂と比較して硬くて脆いために、ブラスト処理時のブラスト粒子衝突や、機械的研削処理の研削ツールの研磨による衝撃で、表層の樹脂が崩壊するためである。   In addition, it is possible to selectively remove only the resin by blasting or mechanical grinding as compared with the case where a thermoplastic resin is used as the resin, as described above. The carbon material can be efficiently exposed in the step of exposing the carbon material. This is preferable because the thickness change of the molded body in this step can be minimized. This is because the thermosetting resin is generally harder and more brittle than the thermoplastic resin, and the surface layer resin is affected by the impact of blast particle collision during blasting or polishing by a grinding tool during mechanical grinding. Because it collapses.

このように表面の樹脂を除去して炭素材料を露出させる工程では、炭素材料が薄片状であれば、燃料電池用セパレータの隔壁の表面と平行に、面状に炭素材料が配向するために、僅かに樹脂を除去するだけで炭素材料の露出部分を多くすることが出来る。逆に球状の形状であれば、炭素材料の露出面積を大きくするためには、多くの樹脂を除去する必要があり、ブラスト処理を用いる場合は、強い研削力が発揮される条件、すなわち圧力を高くするか、処理時間を長くする必要がある。しかしながら研削力を強くすると、炭素材料も樹脂をとともに研削されることから、炭素材料のみを露出させることが困難となり、また、燃料電池用セパレータの一部が破損する。炭素材料として、カーボンブラックを用いた場合は、カーボンブラック表面に存在する官能基と樹脂とが反応して、樹脂とカーボンブラック間に強固な結合を形成するために、樹脂のみを除去してカーボンブラックを露出させることが困難となる。よって、炭素材料としては薄片状の膨張黒鉛が好ましく、他の黒鉛材料も好ましい。このことを図によって説明する。図2は樹脂マトリックス中に薄片状の炭素材料が分散して状態を模式的に示す断面図であるが、この状態では表面における炭素材料の露出が少ないが、図3に示すように表層部の樹脂を除去することで、炭素材料を広い面積で露出させることが出来る。これに対し、図4は樹脂マトリックス中に球状の炭素材料が分散している状態を示すが、図5に示すように表層部の樹脂を除去しても炭素材料の露出面積の増加が僅かであり、薄片状の炭素材料を使用した場合(図3)と比較すると炭素材料の露出面積はかなり少ないものとなる。また、図3から判るように、薄片状の炭素材料を用いることで、燃料電池用セパレータ中の炭素材料の体積比よりも大きい割合で炭素材料を露出させることが出来る。薄片状の炭素材料を用いることで、炭素材料の露出面積の比率が大きくなる機構を本発明者らは以上のように考えているが、本発明はこの機構により限定されるものではない。   In this process of removing the resin on the surface and exposing the carbon material, if the carbon material is in the form of flakes, the carbon material is oriented in a plane parallel to the surface of the partition wall of the fuel cell separator. The exposed portion of the carbon material can be increased by removing the resin slightly. On the contrary, if the shape is spherical, it is necessary to remove a lot of resin in order to increase the exposed area of the carbon material. It is necessary to increase the processing time or the processing time. However, when the grinding force is increased, the carbon material is also ground together with the resin, so that it becomes difficult to expose only the carbon material, and a part of the fuel cell separator is damaged. When carbon black is used as the carbon material, the functional group present on the carbon black surface reacts with the resin to form a strong bond between the resin and carbon black. It becomes difficult to expose black. Therefore, as the carbon material, flaky expanded graphite is preferable, and other graphite materials are also preferable. This will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing the state in which the flaky carbon material is dispersed in the resin matrix. In this state, the carbon material is not exposed on the surface, but as shown in FIG. By removing the resin, the carbon material can be exposed over a wide area. On the other hand, FIG. 4 shows a state in which spherical carbon materials are dispersed in the resin matrix. However, as shown in FIG. 5, even if the surface layer resin is removed, the increase in the exposed area of the carbon material is slight. Yes, the exposed area of the carbon material is considerably smaller than when a flaky carbon material is used (FIG. 3). Further, as can be seen from FIG. 3, by using a flaky carbon material, the carbon material can be exposed at a rate larger than the volume ratio of the carbon material in the fuel cell separator. Although the present inventors consider a mechanism in which the ratio of the exposed area of the carbon material is increased by using the flaky carbon material as described above, the present invention is not limited to this mechanism.

本発明では、上記の処理により、炭素材料を隔壁上面の全表面積の10〜90%、好ましくは15〜85%となるように露出させる。炭素材料の露出面積が少ないと接触抵抗が高くなり問題である。一方で、炭素材料の露出面積が多すぎる場合は、これを繋ぎとめる樹脂が少なくなるために、表面から炭素材料が脱離することがある。   In the present invention, the carbon material is exposed to 10 to 90%, preferably 15 to 85% of the total surface area of the upper surface of the partition wall by the above treatment. If the exposed area of the carbon material is small, the contact resistance increases, which is a problem. On the other hand, if the exposed area of the carbon material is too large, the carbon material may be detached from the surface because there is less resin to hold it together.

表面に露出した炭素材料の面積を測定する方法としては、例えば光学顕微鏡により観察された画像を画像解析する方法が間便で、好ましい。この方法では炭素材料は白い部分として、樹脂は黒い部分として、コントラストが明確に観察される。また、光学顕微鏡としてはレーザーフォーカス式のものを用いることが好ましい。通常の光学顕微鏡では、観察面に凹凸がある場合、視野全体の焦点を併せることが困難なためである。光学顕微鏡により観察された画像の例を図6〜図8に例示するが、図6は後述する実施例1(膨張黒鉛を含有する樹脂表面を#800のアルミナ粒子でブラスト処理)、図7は実施例3(膨張黒鉛を含有する樹脂表面を#1000のサンドペーパで研磨)、図8は比較例1(露出処理なし)であり、これらの画像を二値化処理して白い部分の面積比を求め、これを炭素材料の露出面積とすることが出来る。二値化処理は従来公知の画像処理方法である。また、光学顕微鏡以外の方法として、特性X線による方法を用いてもよい。この方法では走査型電子顕微鏡に内蔵された、WDS装置によるマッピングを行えばよい。特性X線は、元素周りの環境、すなわち物質の結合状態によって微妙に変化することが知られている。炭素に関しては、ダイヤモンド、グラファイト、C60、C70といった炭素だけで構成される物質において、1s軌道への遷移によって発生するC-K 特性X線のスペクトル形状が異なることが報告されている(元山,橋詰:分光研究29(2),92 (1980)、J. Kawai, M. Motoyama; Phys. Rev. B 47(19), 12998 (1993))。炭素材料と樹脂とでは炭素の結合状態が大きく異なることから、特性X線スペクトル形状も異なる。従って、炭素材料に特有のピークエネルギーに分光エネルギーを固定して試料内でのX線の強度分布を調べることにより、炭素材料の分布の評価が可能となる。   As a method for measuring the area of the carbon material exposed on the surface, for example, a method of image analysis of an image observed with an optical microscope is convenient and preferable. In this method, the carbon material is observed as a white part, and the resin is observed as a black part, and the contrast is clearly observed. Further, it is preferable to use a laser focus type as the optical microscope. This is because, in a normal optical microscope, when the observation surface is uneven, it is difficult to focus the entire field of view. Examples of images observed with an optical microscope are illustrated in FIGS. 6 to 8. FIG. 6 shows Example 1 (blasting treatment of resin surface containing expanded graphite with # 800 alumina particles), which will be described later, and FIG. Example 3 (resin surface containing expanded graphite is polished with # 1000 sand paper), FIG. 8 is Comparative Example 1 (no exposure treatment), and these images are binarized to obtain an area ratio of white portions. This can be determined as the exposed area of the carbon material. The binarization process is a conventionally known image processing method. Further, as a method other than the optical microscope, a method using characteristic X-rays may be used. In this method, mapping by a WDS device built in a scanning electron microscope may be performed. It is known that the characteristic X-ray changes slightly depending on the environment around the element, that is, the bonding state of the substance. Regarding carbon, it has been reported that the spectrum shape of CK characteristic X-rays generated by transition to 1s orbital is different in materials composed only of carbon such as diamond, graphite, C60, C70 (Motoyama, Hashizume: Spectroscopic studies 29 (2), 92 (1980), J. Kawai, M. Motoyama; Phys. Rev. B 47 (19), 12998 (1993)). Since the carbon bonding state is greatly different between the carbon material and the resin, the characteristic X-ray spectrum shape is also different. Accordingly, the distribution of the carbon material can be evaluated by fixing the spectral energy to the peak energy peculiar to the carbon material and examining the X-ray intensity distribution in the sample.

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明に更に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be further described with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited thereto.

(成形材料の調製)
表1に示す配合に従い、材料合計500gを10Lのヘンシェルミキサーで予備混合した後、1Lの加圧ニーダーで、チャンバー温度100℃で5分間混練した。これを粉砕機で粒径約2mmの粒子状に粉砕して成形材料とした。表1の配合の単位は質量%である。
(Preparation of molding material)
According to the formulation shown in Table 1, a total of 500 g of the material was premixed with a 10 L Henschel mixer and then kneaded with a 1 L pressure kneader at a chamber temperature of 100 ° C. for 5 minutes. This was pulverized into particles having a particle diameter of about 2 mm by a pulverizer to obtain a molding material. The unit of the formulation in Table 1 is mass%.

(成形体の作製)
100×100×2mmの形状の金型を予め170℃に加熱しておき、そこへ成形材料約35gを充填し、熱プレスで170℃で10分間熱圧縮成形した。また、100×100×4mmの形状の金型を予め170℃に加熱しておき、そこへ成形材料約70gを充填し、熱プレスで170℃で10分間熱圧縮成形した。尚、何れの金型も、表面粗さRa=0.1で鏡面仕上げしたものを用いた。そして、得られた成形体を所定形状に切断し、更に下記に示す如くブラスト処理または機械的研削処理を施して供試体とした。
(Production of molded body)
A mold having a shape of 100 × 100 × 2 mm was preheated to 170 ° C., filled therein with about 35 g of a molding material, and hot compression molded at 170 ° C. for 10 minutes with a hot press. In addition, a 100 × 100 × 4 mm-shaped mold was heated in advance to 170 ° C., filled with about 70 g of a molding material, and hot compression molded at 170 ° C. for 10 minutes with a hot press. All the molds used were mirror-finished with a surface roughness Ra = 0.1. Then, the obtained molded body was cut into a predetermined shape, and further subjected to blasting or mechanical grinding as shown below to obtain a specimen.

(実施例1)
成形体に、#800のアルミナ粒子(モース硬度8)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
(実施例2)
成形体に、#800のアルミナ粒子(モース硬度8)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
(実施例3)
成形体に、#1000のサンドペーパで時間60sec/cm2の条件で研磨処理を行った。
(実施例4)
成形体に、#800の炭化珪素粒子(モース硬度9)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
(実施例5)
前述した方法で熱圧縮成形した成形体に、#1000のアルミナ粒子(モース硬度8)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
(実施例6)
成形体に、#300のアルミナ粒子(モース硬度8)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
(比較例1)
成形体を、ブラスト処理及び機械的研削処理の何れも施さず、そのまま試験体とした。
(比較例2)
成形体に、#800のアルミナ粒子(モース硬度8)を用いて、圧力0.2MPa、処理時間0.1sec/cm2の条件でブラスト処理を行った。
Example 1
The molded body was subjected to blasting using # 800 alumina particles (Mohs hardness 8) under conditions of pressure 0.2 MPa and processing time 0.1 sec / cm 2 .
(Example 2)
The molded body was subjected to blasting using # 800 alumina particles (Mohs hardness 8) under conditions of pressure 0.2 MPa and processing time 0.1 sec / cm 2 .
(Example 3)
The molded body was polished with # 1000 sand paper at a time of 60 sec / cm 2 .
Example 4
The molded body was subjected to blasting using # 800 silicon carbide particles (Mohs hardness 9) under the conditions of pressure 0.2 MPa and processing time 0.1 sec / cm 2 .
(Example 5)
Blasting was performed on the compact that was hot compression molded by the above-described method using # 1000 alumina particles (Mohs hardness 8) under the conditions of a pressure of 0.2 MPa and a processing time of 0.1 sec / cm 2 .
(Example 6)
The molded body was subjected to blasting using # 300 alumina particles (Mohs hardness 8) under the conditions of pressure 0.2 MPa and processing time 0.1 sec / cm 2 .
(Comparative Example 1)
The molded body was used as it was as a test body without being subjected to blasting or mechanical grinding.
(Comparative Example 2)
The molded body was subjected to blasting using # 800 alumina particles (Mohs hardness 8) under conditions of pressure 0.2 MPa and processing time 0.1 sec / cm 2 .

(炭素材料の露出面積及び表面粗さの測定)
レーザーテック社製レーザー顕微鏡にて供試体の上面から観察した画像を取得し、これをメディアサイバネティック社の画像解析ソフトImageProPlusを用いて二値化処理を行い、白色部分の面積比を求め、これを炭素材料の露出面積比とした。実施例1によるレーザー顕微鏡画像を図6に、実施例3によるレーザー顕微鏡画像を図7に、比較例1によるレーザー顕微鏡画像を図8にそれぞれ示す。尚、画像の一辺の長さは約1.5mmであり、白い部分が黒鉛、黒い部分が樹脂である。また、供試体の表面粗さRaの測定もレーザー顕微鏡にて同時に行った。それぞれの結果を表2に示す。
(Measurement of exposed area and surface roughness of carbon material)
An image observed from the upper surface of the specimen is acquired with a laser microscope manufactured by Lasertec, and binarized using the image analysis software ImageProPlus of Media Cybernetic to determine the area ratio of the white part, The exposed area ratio of the material was used. The laser microscope image according to Example 1 is shown in FIG. 6, the laser microscope image according to Example 3 is shown in FIG. 7, and the laser microscope image according to Comparative Example 1 is shown in FIG. The length of one side of the image is about 1.5 mm, the white part is graphite and the black part is resin. Further, the surface roughness Ra of the specimen was also measured simultaneously with a laser microscope. The results are shown in Table 2.

(接触抵抗の測定)
図9に示すように、供試体から切り出した試料81を、カーボンペーパー82を介して電極83にセットし、電極間に流した電流(電流計84で測定)とカーボンペーパー間の電圧(電圧計85で測定)から電気抵抗を計算し、これに試料面積を掛けて貫通方向の抵抗率とした。測定は、厚さ2mmまたは4mmの両試料について行ない、横軸に厚さ、縦軸に貫通方向抵抗率をプロットし、得られた直線の縦軸切片を2で除したものを接触抵抗とした。プロットした直線の傾きは、体積抵抗に起因する電気抵抗抵抗である。直線の切片は試料81の厚さが0mmとなった場合の貫通方向抵抗率であり、体積抵抗の影響が除かれているためカーボンペーパー82と試料81の接触抵抗のみに起因する。また、試料81の上下面それぞれで接触抵抗が発生しているため、切片を2で除したものが、試料81とカーボンペーパー82との接触部1面あたりの接触抵抗となる。結果を表2に示す。
(Measurement of contact resistance)
As shown in FIG. 9, a sample 81 cut out from a specimen is set on an electrode 83 through a carbon paper 82, and a current (measured with an ammeter 84) passed between the electrodes and a voltage (voltmeter) between the carbon papers. The electrical resistance was calculated from (measured at 85) and multiplied by the sample area to obtain the resistivity in the penetration direction. Measurements were made on both 2mm and 4mm thick samples. The horizontal axis represents the thickness, the vertical axis plotted the penetration direction resistivity, and the vertical axis intercept of the obtained straight line divided by 2 was defined as the contact resistance. . The slope of the plotted straight line is the electric resistance resistance resulting from the volume resistance. The straight intercept is the penetration direction resistivity when the thickness of the sample 81 becomes 0 mm, and is caused only by the contact resistance between the carbon paper 82 and the sample 81 since the influence of the volume resistance is excluded. Further, since the contact resistance is generated on each of the upper and lower surfaces of the sample 81, the value obtained by dividing the section by 2 is the contact resistance per surface of the contact portion between the sample 81 and the carbon paper 82. The results are shown in Table 2.

また、各実施例と比較例について、表面粗さと接触抵抗との関係を図10に、炭素材料の露出面積比と接触抵抗との関係を図11にそれぞれ示す。   For each example and comparative example, the relationship between the surface roughness and the contact resistance is shown in FIG. 10, and the relationship between the exposed area ratio of the carbon material and the contact resistance is shown in FIG.

上記の各測定結果に示されるように、各実施例の供試体は炭素材料として膨張黒鉛を含み、炭素材料の露出面積比が10%以上と大きいことから、接触抵抗が3.8〜5.6mΩcm2と非常に低い値を示しており、燃料電池用セパレータとしては理想的な成形体といえる。炭素材料の露出面積が大きいことは図6及び図7からも判る。これに対して、比較例1では炭素材料を露出させる処理を行っておらず、炭素材料の露出面積が10%未満であることから、接触抵抗が高くなっている。比較例1の炭素材料の露出面積が小さいことは、図8からも判る。また、比較例2の供試体は、実施例1と同様のブラスト処理を行なっているもの、膨張黒鉛を含まないことから炭素材料の露出面積が10%未満であり、接触抵抗が高くなっている。 As shown in each measurement result above, the specimen of each example contains expanded graphite as a carbon material, and since the exposed area ratio of the carbon material is as large as 10% or more, the contact resistance is 3.8 to 5.6 mΩcm 2 . It shows a very low value and can be said to be an ideal molded article as a fuel cell separator. It can also be seen from FIGS. 6 and 7 that the exposed area of the carbon material is large. On the other hand, in the comparative example 1, since the process which exposes a carbon material is not performed, since the exposed area of a carbon material is less than 10%, contact resistance is high. It can be seen from FIG. 8 that the exposed area of the carbon material of Comparative Example 1 is small. Further, the specimen of Comparative Example 2 is subjected to the same blasting treatment as that of Example 1, and since it does not contain expanded graphite, the exposed area of the carbon material is less than 10%, and the contact resistance is high. .

また、図10から、表面粗さと接触抵抗との間には相関が認められないことがわかる。一方で、図11から、炭素材料の露出面積比と接触抵抗との間には強い相関が認められ、炭素材料の露出面積比が大きいほど接触抵抗が低くなることがわかる。特に炭素材料の露出面積比が10%未満になると、接触抵抗は急激に増大する。   Further, it can be seen from FIG. 10 that there is no correlation between the surface roughness and the contact resistance. On the other hand, FIG. 11 shows that there is a strong correlation between the exposed area ratio of the carbon material and the contact resistance, and the larger the exposed area ratio of the carbon material, the lower the contact resistance. In particular, when the exposed area ratio of the carbon material is less than 10%, the contact resistance increases rapidly.

燃料電池用セパレータの一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of the separator for fuel cells. 炭素材料として膨張黒鉛を用いた燃料電池用セパレータにおいて、膨張黒鉛を露出する前の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state before exposing expanded graphite in the separator for fuel cells using expanded graphite as a carbon material. 炭素材料として膨張黒鉛を用いた燃料電池用セパレータにおいて、膨張黒鉛を露出させた状態を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic view showing a state in which expanded graphite is exposed in a fuel cell separator using expanded graphite as a carbon material. 炭素材料として球状黒鉛を用いた燃料電池用セパレータにおいて、膨張黒鉛を露出する前の状態を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the state before exposing expanded graphite in the separator for fuel cells using spherical graphite as a carbon material. 炭素材料とし球状黒鉛を用いた燃料電池用セパレータにおいて、膨張黒鉛を露出させた状態を示す模式図である。It is a schematic diagram showing a state in which expanded graphite is exposed in a fuel cell separator using spherical graphite as a carbon material. 実施例1の供試体のレーザー顕微鏡画像である。2 is a laser microscope image of the specimen of Example 1. 実施例3の供試体のレーザー顕微鏡画像である。2 is a laser microscope image of a specimen of Example 3. 比較例1の供試体のレーザー顕微鏡画像である。2 is a laser microscope image of a specimen of Comparative Example 1. 貫通方向抵抗率の測定方法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the measuring method of penetration direction resistivity. 表面粗さと接触抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between surface roughness and contact resistance. 炭素材料の露出面積比と接触抵抗との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the exposure area ratio of carbon material, and contact resistance.

符号の説明Explanation of symbols

10 燃料電池用セパレータ
11 平板部
12 隔壁
13 チャネル
10 Fuel Cell Separator 11 Flat Plate 12 Bulkhead 13 Channel

Claims (10)

樹脂と、膨張黒鉛を含む炭素材料とを含む導電性樹脂組成物からなり、隔壁上面における炭素材料の露出面積が、該隔壁上面の全表面積に対して10〜90%であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。   The conductive resin composition comprising a resin and a carbon material containing expanded graphite, wherein the exposed area of the carbon material on the upper surface of the partition wall is 10 to 90% with respect to the total surface area of the upper surface of the partition wall Fuel cell separator. 炭素材料の5〜100質量%が膨張黒鉛であることを特徴とする請求項1記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1, wherein 5 to 100% by mass of the carbon material is expanded graphite. 樹脂と炭素材料との比率が、重量比で20:80〜60:40であることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the ratio of the resin to the carbon material is 20:80 to 60:40 by weight. 樹脂が熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the resin is a thermosetting resin. 樹脂がフェノール樹脂またはエポキシ樹脂であることを特徴とする請求項4記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 4, wherein the resin is a phenol resin or an epoxy resin. 樹脂と、膨張黒鉛を含む炭素材料とを含む導電性樹脂組成物をセパレータ形状に成形した後、隔壁の上面を、ブラスト処理、機械的研削処理、加熱処理、プラズマ処理及び酸化剤処理の少なくとも1つにより、該隔壁上面の全表面積の10〜90%の面積比となるように炭素材料を露出させることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。   After forming a conductive resin composition containing a resin and a carbon material containing expanded graphite into a separator shape, the upper surface of the partition wall is at least one of blast treatment, mechanical grinding treatment, heat treatment, plasma treatment, and oxidant treatment. Thus, the carbon material is exposed so that the area ratio is 10 to 90% of the total surface area of the upper surface of the partition wall. 乾式ブラスト処理することを特徴とする請求項6記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a separator for a fuel cell according to claim 6, wherein dry blasting is performed. ブラスト処理に使用する粒子がJIS R6001で規定される20〜3000番(1000〜5μm)であることを特徴とする請求項6または7記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   8. The method for producing a fuel cell separator according to claim 6 or 7, wherein the particles used for the blasting treatment are No. 20 to 3000 (1000 to 5 [mu] m) defined by JIS R6001. ブラスト処理に使用する粒子が金属粒子、セラミック粒子、ガラスビーズ、樹脂粒子、植物系粒子から選択される少なく一種であることを特徴とする請求項6〜8の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The fuel cell according to any one of claims 6 to 8, wherein the particles used for the blasting are at least one selected from metal particles, ceramic particles, glass beads, resin particles, and plant particles. Manufacturing method for the separator. ブラスト処理に使用する粒子が10段階モース硬度6〜9の粒子であることを特徴とする請求項6〜9の何れか1項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

The method for producing a separator for a fuel cell according to any one of claims 6 to 9, wherein the particles used for the blast treatment are particles having a 10-step Mohs hardness of 6 to 9.

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