JP2007122884A

JP2007122884A - 導電性シートおよび燃料電池用セパレータ

Info

Publication number: JP2007122884A
Application number: JP2005309228A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Takemura; 一也竹村; Yutaka Araki; 豊荒木; Joichi Takenaka; 穣一竹中; Hitomi Hatano; 仁美羽多野
Original assignee: JFE Chemical Corp
Current assignee: JFE Chemical Corp
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2007-05-17
Anticipated expiration: 2025-10-25
Also published as: JP4933078B2

Abstract

【課題】導電性、強度及び表面外観に優れた導電性シートおよび燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】本発明に係る導電性シートは、マトリックスとしての樹脂、導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの少なくとも片面に、マトリックスとしての樹脂及び導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層が積層された構造を有する。
また、本発明に係る燃料電池用セパレータは、前記導電性シートを成形してなるものである。
【選択図】無し

Description

本発明は、強度、導電性および表面外観に優れた導電性シートおよび燃料電池用セパレータに関する。

固体高分子型燃料電池は、単位セルを数十個〜数百個程度直列に積層した構造（スタック構造）からなり、各単位セルは、固体高分子膜、水素極側触媒、空気極側触媒、及び、水素ガスと空気を遮断するセパレータなどから構成されている。前記セパレータには、少なくとも片面に空気や水素ガスを導入するためのガス流路が形成されており、また、高い導電性、強度、厚み精度、空気や水素に対するガスバリアー性、及び、高分子膜の劣化に影響するイオン性不純物の溶出が少ないことなどの性能が要求される。

このような状況に対し、従来より、燃料電池用セパレータとしては様々なものが検討されている。

例えば、特開２００２−２５５７２号公報（特許文献１）には、炭素繊維５〜１５重量％、黒鉛粉末６５〜８０重量％、熱硬化性樹脂１５〜３０重量％からなる固体高分子型燃料電池用溝付セパレータが開示（請求項１参照）されている。また、特開２００１−２３６９６６号公報（特許文献２）には、メソカーボン小球体の黒鉛化物１００重量部に対して、樹脂１０〜３５重量部、黒鉛粉末、カーボンブラックおよび微細炭素繊維から選ばれる１種または２種以上を合計で１〜４０重量部を含有する燃料電池用セパレータが開示（請求項１参照）されている。

また、特開２００２−９３４３１号公報（特許文献３）には、膨張黒鉛粒子、アラミドなどの有機系補強繊維（繊維長が０．９〜２ｍｍ）、結合剤としての樹脂を抄造したシートからなる燃料電池用セパレータが開示（請求項１及び明細書の段落番号［００１７］、［００１８］参照）されている。また、特開２０００−１３３２８１号公報（特許文献４）には、抄造法により導電性繊維（含有量２０〜５５重量％）を合成樹脂で結着固化させたシート形状物である燃料電池用セパレータが開示されている（請求項１及び明細書の段落番号［００２４］参照）。
特開２００２−２５５７２号公報特開２００１−２３６９６６号公報特開２００２−９３４３１号公報特開２０００−１３３２８１号公報

燃料電池用セパレータに含まれる導電性繊維（炭素繊維）及び導電性粉末（炭素粉末）は、燃料電池用セパレータの導電性を向上させる役目を有する。また、燃料電池用セパレータに含まれる導電性繊維（炭素繊維）は、燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪などの曲げ特性を向上させる役目を有する。ここで、前記導電性繊維の長さが長いほど導電性、曲げ特性は向上し、前記導電性繊維及び導電性粉末の含有量が多いほど導電性が向上すると考えられる。

しかし、上記特許文献１及び２に記載の技術は、炭素繊維、黒鉛粉末、樹脂粉末を単純に混合して圧縮成形するものであり、均一な混合物とするためには、炭素繊維の長さはそれぞれ、特許文献１で１ｍｍ未満（請求項６参照）、特許文献２で平均繊維長が５００μｍ以下（請求項２参照）と非常に短くする必要がある。そのため、燃料電池用セパレータとして必要な導電性及び曲げ特性を確保することが困難であるという問題がある。

これに対し、仮に繊維長の長い、例えば１０ｍｍ以上の長さの炭素繊維を用いると、上記特許文献１及び２に記載の技術においては、炭素繊維、黒鉛粉末及び樹脂粉末を均一に混合することができず、かえって導電性及び曲げ特性の低下をもたらす。これを均一に混合するためには、例えば、押出し機などの混練機を用いる必要があるが、この場合炭素繊維の繊維長が1ｍｍ以下にまで低下してしまうため意味がない。

また、上記特許文献３に記載の技術においては、含有される有機系補強繊維は導電性を示すものではなく、燃料電池用セパレータとしての導電性の向上が困難である。さらに、前記有機系補強繊維の繊維長も２ｍｍ以下と短く、燃料電池用セパレータとしての曲げ特性の向上も困難である。

また、上記特許文献４に記載の技術においては、導電性粉末を添加する旨の記載がなく、燃料電池用セパレータとしての導電性の向上が困難となる。さらに、特許文献４に記載の水で懸濁する抄造法では、例えば２ｍｍ以上の長さの繊維を均一に混合することは極めて困難であり、曲げ特性の向上も困難である。

そこで、本発明者らは、導電性及び曲げ特性を共に向上させることが可能な抄造シート及び燃料電池用セパレータを提供することを目的として、特願２００４−３５６３２１を出願した。しかし、導電性繊維が多くなると、セパレータ表面に繊維が露出して、表面粗度が悪くなり接触抵抗が増加する場合があった。

そこで、本発明は、導電性、強度及び表面外観に優れた導電性シートおよび燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような特徴を有する。
［１］マトリックスとしての樹脂、導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの少なくとも片面に、マトリックスとしての樹脂及び導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層が積層された構造を有することを特徴とする導電性シート。
［２］上記［１］において、マトリックスとしての樹脂、導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの厚みが０．１〜２ｍｍであり、かつ前記抄造シート中に含まれる樹脂、導電性繊維及び導電性粉末の含有量が、樹脂：３〜３０質量％、導電性繊維：１〜５０質量％、導電性粉末：５０〜９６質量％であり、
マトリックスとしての樹脂及び導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層の厚みが０．０５〜０．５ｍｍであり、かつ前記抄造シート中に含まれる樹脂及び導電性粉末の含有量が、樹脂：５〜３０質量％、導電性粉末：７０〜９５質量％であることを特徴とする導電性シート。
［３］上記［１］または［２］に記載の導電性シートを成形してなる燃料電池用セパレータ。

なお、前記樹脂層は、抄造シートからなることが好ましい。

本発明によれば、導電性、強度及び表面外観に優れた導電性シートおよび燃料電池用セパレータが提供される。

以下、本発明を実施するための最良の形態の一例を説明する。

本発明に係る導電性シートは、マトリックスとしての樹脂に導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの少なくとも片面に、マトリックスとしての樹脂に導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない抄造シートが積層された構造を有することを特徴とするものである。

以下、本発明に係る導電性シートの各構成要件についてさらに詳しく説明する。

［樹脂］
本発明でマトリックスとして用いられる樹脂（「マトリックス樹脂」ともいう。）は、後述する導電性繊維と導電性粉末とを結合させ、成形体内部の空隙を低減させることにより、気体不透過性を確保することを主目的として用いられる。

ここで、前記樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれの樹脂をも用いることができる。

前記熱硬化性樹脂としては、その種類は特に制限されるものではないが、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、エポキシ樹脂、エポキシ-フェノール樹脂、又はこれらの１種以上の混合物を用いることが好ましく、特に、イオンの溶出が少ない、レゾール型フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、又はこれらの１種以上の混合物を用いることがより好ましい。

前記熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエステル、液晶ポリエステル、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリイミド、エチレン-プロピレンゴム、スチレン-ブタジエンゴム、熱可塑性エラストマーなど、あるいはエチレン−塩化ビニル共重合体、エチレン−酢酸ビニル共重合体、スチレン−ブタジエン−アクリロニトリル共重合体、ＥＰＭ、ＥＰＤＭなどの熱可塑性エラストマーなどを単独で、又は２種以上を組み合わせて用いることができる。これらの中でも、加水分解し難く、強度や成形性に優れる、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィドなどがより好適に用いられる。

また、後述の導電性繊維及び導電性粉末である導電性物と熱可塑性樹脂との接着性を向上させるために、熱可塑性樹脂を、不飽和カルボン酸、不飽和カルボン酸無水物などの酸、あるいはエポキシ化合物などの種々の化合物で変性処理したものを併用することができる。前記変性処理は、グラフト共重合などによって行うことができる。例えば、ポリプロピレンに、マレイン酸、無水マレイン酸、アクリル酸などをグラフト共重合して得られる分子内に酸無水物基、カルボキシル基などの変性基を有するものを使用してもよい。

原材料として用いる前記樹脂の形状は、粉末、ペレット、フレークなどの粒子形態、もしくは繊維形態のものを使用することができる。前記粒子形態の場合に、その粒径は、特に制限されないが、平均粒径１０００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、更に好ましくは５μｍ〜３００μｍのものを用いることが好ましい。前記平均粒径が大きすぎると樹脂の間隔が広くなるため、成形加工したした際に不均一になりやすい。前記平均粒径が小さすぎると、抄造工程で脱落するおそれがある。

また、前記樹脂の平均繊維径としては５０μｍ以下であることが好ましく、より好ましくは１〜５０μｍである。その平均繊維長は５０ｍｍ以下、より好ましくは１〜３０ｍｍ以下であることが好ましい。平均繊維長が長すぎると樹脂溶融時の収縮が大きく、抄造シートが平面方向で不均一になりやすい。平均繊維径が大きすぎると樹脂の間隔が広くなるため、成形加工した際に不均一になりやすい。

［導電性繊維］
本発明で用いられる導電性繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、カーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどの炭素質繊維、ステンレス繊維、チタン繊維などの各種金属繊維、ガラス繊維、鉱物繊維などの無機繊維やポリエステル繊維、アラミド繊維などの有機繊維に金属を蒸着またはメッキした繊維などを単独で、又は２種以上を併用して用いることができる。これらの中でも、燃料電池の作動環境下で腐食し難い炭素質繊維を用いることが好ましく、炭素質繊維の中でも入手が容易なＰＡＮ系炭素繊維、または、ピッチ系炭素繊維を用いることがもっとも好ましい。

ここで用いられる導電性繊維の平均繊維長は特に制限されないが、好ましくは２ｍｍ超、より好ましくは２ｍｍ超１００ｍｍ以下、更に好ましくは、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲のものである。この範囲よりも繊維長が長いと、加圧成形時に溝が成形しにくくなり、この範囲よりも繊維長が短いと強度が低下する場合がある。

また、前記導電性繊維の平均直径は、特に制限はないが補強効果と導電性粉末との接触面積を確保するという観点から、導電性粉末の粒径よりも小さいことが好ましく、５０μｍ以下とすること、さらに好ましくは３０μｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは３〜３０μmである。平均直径が小さい場合、使用する繊維本数が多くなるため流動性が低下するおそれがある。

［導電性粉末］
本発明で用いられる導電性粉末としては、ステンレス粉末、チタン粉末などの各種金属粉末、ＰＡＮ系炭素粉末、ピッチ系炭素粉末、レーヨン系炭素粉末などの各種炭素粉末、黒鉛粉末、または、ガラス粉末、鉱物粉末などの無機粉末やポリエステル粉末、アラミド粉末などの有機粉末に金属を蒸着またはメッキした粉末などを単独で、もしくは併用して用いることができる。特に、耐食性と導電性の確保という観点からは、黒鉛粉末を用いることが好ましい。なお、前記黒鉛粉末としては、天然黒鉛、人造黒鉛及びこれらの混合物などを用いることができる。

また、前記導電性粉末の形状としては、特に制限されず、鱗片状、針状、球状など、いかなる形状のものを用いても良いが、好ましい形状としては、成形性の点から、球状または鱗片状のものである。本発明に用いる導電性粉末の大きさは、特に限定されないが、好ましくは、平均粒径（Microtrak社製粒度測定装置で粒度分布曲線を測定したときに、５０質量％を示す粒子径）が５〜２００μｍ、より好ましくは１０〜１００μｍ、さらに好ましくは２０〜８０μｍの導電性粉末を用いると良い。この範囲よりも導電性粉末の粒径が小さいと成形時の粘度が増加して、成形性が低下する恐れがある。また、この範囲よりも導電性粉末の粒径が大きいと、成形品の表面性が悪くなり、接触抵抗が大きくなる恐れがある。

［導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シート中の各成分の配合割合］
ここで、マトリックスとしての前記樹脂の配合割合は、特に限定されないが、好ましくは３〜３０質量％、より好ましくは３〜２０質量％、さらに好ましくは５〜１５質量％である。この範囲よりも樹脂の含有量が多いと導電性が低下し、この範囲よりも樹脂の含有量が少ないと成形性が低下する。

また、前記導電性繊維の配合割合も特に限定されないが、好ましくは１〜５０質量％、より好ましくは１〜２０質量％、さらに好ましくは１〜１０質量％である。この範囲よりも導電性繊維の量が多いと加圧成形時に溝が成形しにくくなり、この範囲よりも導電性繊維の量が少ないと強度が低下する。

また、前記導電性粉末の配合割合も特に限定されないが、好ましくは５０〜９６質量％、より好ましくは７６〜９６質量％、さらに好ましくは８０〜９６質量％である。この範囲よりも導電性粉末の量が多いと加圧成形で溝が成形しにくくなり、この範囲よりも導電性粉末の量が少ないと導電性が低下する。

［導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層中の各成分の配合割合］
ここで、マトリックスとしての前記樹脂の配合割合は、特に限定されないが、好ましくは５〜３０質量％、より好ましくは５〜２０質量％、さらに好ましくは５〜１５質量％である。この範囲よりも樹脂の含有量が多いと導電性が低下し、この範囲よりも樹脂の含有量が少ないと成形性が低下する。

また、前記導電性粉末の配合割合も特に限定されないが、好ましくは７０〜９５質量％、より好ましくは８０〜９５質量％、さらに好ましくは８５〜９５質量％である。この範囲よりも導電性粉末の量が多いと加圧成形で溝が成形しにくくなり、この範囲よりも導電性粉末の量が少ないと導電性が低下する。

［抄造成形］
本発明に係る導電性シートおよび燃料電池用セパレータは、抄造成形により、マトリックスとしての樹脂に導電性粉末が含有され導電性繊維を含まない下層と、マトリックスとしての樹脂に導電性繊維及び導電性粉末が含有された中間層と、マトリックスとしての樹脂に導電性粉末が含有され導電性繊維を含まない上層とを順次積層させて、一旦、予備成形シートを作成する。その後、この予備成形シートを加熱し、加圧成形することにより、本発明に係る導電性シートおよび燃料電池用セパレータを好適に製造することができる。

また、本発明に係る導電性シートおよび燃料電池用セパレータは、一旦、マトリックスとしての樹脂に導電性繊維及び導電性粉末が含有された層と、マトリックスとしての樹脂に導電性粉末が含有され導電性繊維を含まない層とからなる２層構造のシートを抄造成形により製造する。そして、この２層シート２枚を、導電性繊維を含有する層が重なる様に積層して、加熱し、加圧成形することでも製造可能である。なお、本発明に係る導電性シートおよび燃料電池用セパレータとしては２層構造のままで、つまり、前記２層構造のシートを重ねずに、そのまま加熱し、加圧成形することでも製造可能である。

ここで、前記抄造成形とは、原料となる樹脂、導電性繊維及び導電性粉末を水性溶液中で攪拌させ、その後、フイルター上で前記水性溶液を濾過して水分を除去し、乾燥させてシート状に成形する方法である。

上述のように、本発明においては、予備成形シートを抄造成形により製造するため、（１）導電性繊維の繊維長を長くした場合においても繊維を均一に分散させることができ、強度の高い導電性シートおよび燃料電池用セパレータが得られる、（２）薄い導電性シートおよび燃料電池用セパレータが容易に製造できる、などの利点がある。

抄造成形の段階で用いる前記水性溶液は、空気の微小気泡を含む界面活性剤含有水性媒体であることが好ましい。抄造成形のときに、この様な泡液を用いる（泡抄造法）ことで、導電性繊維が分散液である水性溶液中で解繊しやすくなり、また、比重の異なる樹脂、導電性繊維及び導電性粉末を均一に攪拌できるので、樹脂、導電性繊維及び導電性粉末がより一層均一に分散された予備シートの製造が可能となる。なお、前記界面活性剤としては、アニオン系、ノニオン系、カチオン系のいずれのものでも用いることができるが、特に、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム、やし油脂肪酸ジエタノールアミドなどは、導電性繊維と樹脂とを主成分とする原料を均一に分散させることに優れている点で好適に用いられる。

また、抄造成形する際に、原料として、予め樹脂と導電性粉末とを造粒したもの、更に、造粒した後、適当な粒度に粉砕、分級したもの、などを用いることもできる。造粒品の平均粒径は２ｍｍ以下、より好ましくは１ｍｍ以下、さらに好ましくは５００μｍ以下のものを用いることが好ましい。このような造粒や分級を行って、原料の粒径を、樹脂や導電性粉末の粒径よりも大きくすることで、抄造成形時のろ過工程において、ろ過フイルターの樹脂粉や導電性粉末による閉塞が少なくなるため好ましい。

なお、抄造技術を用いずに、例えば乾式法で樹脂、導電性繊維及び導電性粉末を混合し、上記の各層を形成してもかまわない。また、乾式法で作った層と抄造技術で作った層を積層してもよい。

前記予備シートを加熱し、加圧成形して導電性シートおよび燃料電池用セパレータを製造する場合は、通常、以下に示す成形条件および成形方法で行なうことが好ましい。

まず、前記樹脂として、熱硬化樹脂を用いた場合は、金型温度を５０℃〜３００℃、好ましくは８０℃〜２５０℃、さらに好ましくは１００℃〜２００℃の範囲とし、加圧時間を１０秒〜２０分の範囲とすることが好ましい。また、熱硬化樹脂を用いた場合は、金型内で樹脂を完全硬化させずに離型し、その後、加熱炉等を用いて複数枚を同時に熱処理し、硬化反応を完全に進行させることも可能である。この方法を用いると生産性が向上するため好ましい。

次に、熱可塑樹脂を用いた場合は、予備シートを予め樹脂の軟化点以上に予備加熱した後、樹脂の軟化点以下の温度にした金型内に加熱した予備シートを直ちに装入して、加圧成形する方法などが好ましく用いられる。

本発明の導電性シートおよび燃料電池用セパレータを成形する場合の加圧力は、特に制限されないが、一般的には、成形品の単位面積あたり、０．９８ＭＰａ〜９８１ＭＰａ（１０ｋｇｆ／ｃｍ^２〜１０ｔｏｎｆ／ｃｍ^２）、好ましくは、９．８ＭＰａ〜９８ＭＰａ（１００ｋｇｆ／ｃｍ^２〜１ｔｏｎｆ／ｃｍ^２）である。この範囲よりも加圧力が小さいと、成形品の充填密度が上がらず、導電性が低下したり、溝の転写性が劣る場合があり、この範囲よりも加圧力が高いと、金型の変形が起こりやすくなり、好ましくない。

本発明の導電性シートおよび燃料電池用セパレータにおいて、前記下層、中間層、上層の厚みは特に限定されないが、下層が０．０５ｍｍ〜１ｍｍ、中間層が０．１ｍｍ〜２ｍｍ、上層が０．０５ｍｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましい。この範囲よりも下層と上層の厚みが薄いと中間層に含まれる導電性繊維が露出し易くなり、外観不良が生じる恐れがあり、この範囲よりも、下層と上層の厚みが厚いと、強度が低下する恐れがある。また、中間層がこの範囲よりも薄いと強度が低下し、中間層がこの範囲よりも厚いと導電性シートおよび燃料電池用セパレータの電気抵抗が増加するので好ましくない。

なお、本発明の導電性シートおよび燃料電池用セパレータには、その性能を低下させない範囲内で、様々な添加剤を添加する事ができる。この様な添加剤としては、各種の繊維をあげることができる。例えば、ポリエステル繊維、アラミド繊維などの合成繊維、竹繊維、ケナフ繊維などの天然繊維、チタン酸カリウムウイスカーなどの無機繊維などが好適である。このような繊維を添加することで強度が向上する。

また、無機化合物も添加剤として用いることができる。無機化合物としては、シリカ、チタニア、マグネシア、タルク、炭酸カルシウム、マイカ等が好適である。この様な無機化合物を添加することで成形性が向上する場合がある。また、カルナバワックス、ステアリン酸亜鉛、ステアリン酸カルシウム等の内部潤滑剤を添加することも可能で、この様な内部潤滑剤を添加することにより離型性が向上する。

（本発明例１）
群栄化学工業（株）製レゾール型フェノール樹脂ＨＫＧ１００ｇをアセトン２００ｇに溶解して、天然黒鉛（球状、平均粒径６０μｍ）９００ｇと均一に混合した後、真空乾燥器中で１２時間、５０℃の温度で減圧乾燥した。この黒鉛とレゾール型フェノール樹脂の混合物は、ターボ工業（株）製ローラーコンパクターを用いて平均粒径０．１ｍｍ〜１ｍｍに造粒、分級した。次に、界面活性剤（ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム）５ｇ、水１．５リットルを、５リットルの容器に入れ、１０分間攪拌した。十分な泡液が発生した状態で、前記の黒鉛／樹脂造粒品１００ｇを泡液中に添加して更に１０分間攪拌した。攪拌終了後、濾過フイルターを備えた３０ｃｍ角の抄造装置に流し込み、真空濾過して、分散液を濾別し、抄造シートを製造した。

次に、５リットルの容器に、上記同様に泡液を調整した後、前記の黒鉛／樹脂造粒品１００ｇとＰＡＮ系炭素繊維（東邦テナックス（株）製、繊維径７μｍ、繊維長１３ｍｍ）３ｇを入れ、１０分間攪拌した。この混合液を、先ほど抄造した黒鉛／樹脂混合物の上に流し込み、真空濾過して、分散液を濾別し、２層の抄造シートを作成した。最後に、上記と同様の方法で、１００ｇの黒鉛／樹脂造粒品を、更に積層し、三層構造の抄造シートを作成した。

得られた三層構造の抄造シートは、表面に霧吹きで水を散布して、界面活性剤を洗浄し、その後真空濾過で洗浄水を除去した。この洗浄作業を３度繰り返し、最後に、抄造装置から抄造シートを取り出して、５０℃の真空乾燥機中で２４時間乾燥した。

得られた抄造シートは、１２０℃に加熱したホットプレスを用いて、樹脂を溶融、加圧し予備成形シートを成形した。この予備成形シートは、セパレータ成形用金型のキャビティーの形状に合わせてＡ４版ほどの大きさに切断した。切断した予備成形シートは、両面にガス流路を形成できるセパレータ金型のキャビティーに装入し、２００℃で１０分間プレス成形を行ない、燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（本発明例２）
上記本発明例１において、樹脂として、ポリプロピレン粉末（市販のペレットを凍結粉砕し、分級して、平均粒径が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの粒度に調整したもの）７ｇ、天然黒鉛（球状、平均粒径６０μｍ）９３ｇを用いて、上記本発明例１と同様の方法で、３層構造の抄造シートを得た。この抄造シートは、真空乾燥後、１８０℃に加熱したホットプレスを用いて、予備成形シートにした。この予備成形シートをセパレータ成形用金型の大きさに合わせて、Ａ４判ほどの大きさに切断した後、２２０℃に加熱したオーブン中で１０分間加熱し、９０℃のセパレータ成形用金型に挿入して加圧成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（本発明例３）
上記本発明例１と同様の原料を用いて、上記本発明例１と同様の方法で、黒鉛、炭素繊維、樹脂からなる層と黒鉛、樹脂のみからなる層を有する２層構造の抄造シートを製造した。この抄造シート２枚を用いて、炭素繊維が含有する層同士が重なる様に積層した。この積層シートは、１２０℃に加熱したホットプレスを用いて、樹脂を溶融、加圧し予備成形シートを成形した。この予備成形シートは、セパレータ成形用金型のキャビティーの形状に合わせてＡ４版ほどの大きさに切断した。切断した予備成形シートは、両面にガス流路を形成できるセパレータ金型のキャビティーに装入し、２００℃で１０分間プレス成形を行ない、燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（本発明例４）
樹脂として、レゾール型フェノール樹脂脂（群栄化学工業（株）製ＨＫＧ）３４質量％、エポキシ樹脂（日本化薬（株）製ＥＯＣＮ）６５質量％、２フェニルイミダゾール１質量％からなる混合物を用いた以外は、上記本発明例１と同様の方法で、燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（比較例１）
導電性繊維、導電性粉末及び樹脂をミキサーで予備混合した後、この混合物を射出圧縮成型機（（株）名機製作所製、型締力１．４７×１０^６Ｎ（１５０ｔf）、シリンダー温度１２０℃、金型温度８０℃、型締め時間３０秒の条件）を用いて、厚み２．２ｍｍ、縦１７ｃｍ、横１０．５ｃｍの表面が実質的に平滑なプレートを成形した。

金型温度を２００℃に設定した平板成形金型(１００ｍｍ×１００ｍｍ)上に９０ｍｍ×９０ｍｍに切り出した前記プレートを置き、面圧９８ＭＰａで型締めして（２ｍｍ狙い）、１０分間樹脂を硬化し燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（比較例２）
水３リットル中に界面活性剤であるドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウムを０．５ｇ／リットルとなるように添加し、攪拌して微小気泡を含む泡液を調整した。そこへ、乾燥重量で導電性繊維９０質量％及び樹脂１０質量％を投入し、１０分間攪拌してよく分散させ、分散液とした。次に、その分散液を抄紙器で脱泡して、乾燥状態で目付け４０００ｇ／ｍ^２のウエブを作製した。

前記ウエブを１８０℃で乾燥後、２００℃のプレス盤で挟み、空隙率が３０％になるまで圧力を掛け、シート化し、抄造シートを作製した。

金型温度を１００℃に設定した平板成形金型（２００ｍｍ×２００ｍｍ）上に、遠赤外線加熱炉で２００℃に加熱した前記抄造シート（１９０ｍｍ×１９０ｍｍ）を置き、面圧９８ＭＰａで型締めして（２ｍｍ狙い）、２分間冷却化し燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（比較例３）
導電性繊維、導電性粉末及び樹脂をミキサーで予備混合した後、押出し機を用いて混練し、均一な混合物を得た（この混合物の炭素繊維の平均繊維長は０．１５ｍｍであった）。この混合物を射出圧縮成型機（（株）名機製作所製、型締力１．４７×１０^６Ｎ（１５０ｔf）、シリンダー温度１２０℃、金型温度８０℃、型締め時間３０秒の条件）を用いて、厚み２．２ｍｍ、縦１７ｃｍ、横１０．５ｃｍの表面が実質的に平滑なプレートを成形した。

金型温度を１００℃に設定した平板成形金型（２００ｍｍ×２００ｍｍ）上に、遠赤外線加熱炉で２００℃に加熱した抄造シート（１９０ｍｍ×１９０ｍｍ）を置き、面圧９８ＭＰａで型締めして（２ｍｍ狙い）、２分間冷却化し燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

（参考例）
上記本発明例１と同様の原料を用い、同様の方法で、黒鉛、炭素繊維、樹脂からなる層だけを有する抄造シートを製造した。セパレータ成形用金型を用いて、上記本発明例１と同様に燃料電池用セパレータを成形した。得られた燃料電池用セパレータの強度（曲げ強度）、導電性（体積固有抵抗率）、表面の性状を観察し、その結果を下表１に示した。

なお、曲げ強度、体積固有抵抗率、表面性状は、以下のように測定した。

［曲げ強度］
成形品の平板部分を長さ５ｃｍ × 幅１ｃｍに切断後、（株）島津製作所製オートグラフを用いて、ＪＩＳＫ−６９１１に準拠してスパン間距離４．５ｃｍで３点曲げ強度の測定を行なった。

［体積固有抵抗率］
成形品の平板部分を５ｃｍ角に切断後、金メッキを施した電極にカーボンシートを介して挟み、４０ＭＰａ（４０８ｋｇｆ／ｃｍ^２）で加圧しながら、体積方向の貫通抵抗を測定した。

［表面性状］
成形品表面を目視で観察し、炭素繊維の露出が殆ど見られない場合を“良好”とした。

上記表１の結果から明らかなように、本発明例１〜４の燃料電池用セパレータは、強度、導電性及び表面性状のいずれにも優れていることが判った。これに対し、黒鉛、樹脂及び炭素繊維を含有する層のみからなる単層構造の燃料電池用セパレータ（参考例）では表面性状が劣り、黒鉛及び樹脂のみを含有する層のみからなる単層構造の燃料電池用セパレータ（比較例１）では強度が劣り、導電性もやや劣っていた。

また、炭素繊維と樹脂のみからなる燃料電池用セパレータ（比較例２）は強度と導電性が比較例１よりもさらに劣り、表面性状も劣っていた。

射出成型で成形した燃料電池用セパレータ（比較例３）は強度、表面性状が劣り、導電性もやや劣っていた。

以上のように、本発明の燃料電池用セパレータは、強度、導電性及び表面性状に優れており、本発明を利用して薄くて、強度の強い燃料電池用セパレータが製造可能となり、燃料電池の小型化、高性能化に寄与することができる。

Claims

マトリックスとしての樹脂、導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの少なくとも片面に、マトリックスとしての樹脂及び導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層が積層された構造を有することを特徴とする導電性シート。
マトリックスとしての樹脂、導電性繊維及び導電性粉末が含有された抄造シートの厚みが０．１〜２ｍｍであり、かつ前記抄造シート中に含まれる樹脂、導電性繊維及び導電性粉末の含有量が、樹脂：３〜３０質量％、導電性繊維：１〜５０質量％、導電性粉末：５０〜９６質量％であり、
マトリックスとしての樹脂及び導電性粉末が含有され、導電性繊維を含まない樹脂層の厚みが０．０５〜０．５ｍｍであり、かつ前記抄造シート中に含まれる樹脂及び導電性粉末の含有量が、樹脂：５〜３０質量％、導電性粉末：７０〜９５質量％であることを特徴とする請求項１に記載の導電性シート。
請求項１または請求項２に記載の導電性シートを成形してなる燃料電池用セパレータ。