JP3470964B2

JP3470964B2 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法

Info

Publication number: JP3470964B2
Application number: JP2000391420A
Authority: JP
Inventors: 一彦大多和; 省二加藤; 克紀杉田
Original assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Current assignee: Nippon Pillar Packing Co Ltd
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2003-11-25
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002198064A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池用セパレ
ータ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば固体高分子型の燃料電池は、固体
高分子膜を挟んでアノード電極およびカソード電極とセ
パレータとを設けて単セルを構成し、この単セルを数百
個のオーダーで積み重ねて形成されている。アノード電
極側に、セパレータに形成されたガス供給溝を通して水
素等の燃料ガスを供給し、カソード電極側に酸素等の酸
化ガスを供給して電気化学反応を生じさせて、燃料が有
する化学エネルギーを電気エネルギーに変換し出力する
ようになっている。

【０００３】このような燃料電池に用いられるセパレー
タの材質特性としては、各単セルで発生した電流がこれ
らセパレータを通して流れることから、セパレータ自身
の固有抵抗（体積抵抗）が極力小さいことが要求され
る。また、燃料ガスと酸化ガスとを完全に分離した状態
で各々の電極に供給するために、高度のガス不透過性が
必要とされる。さらに、前記したように、多数の単セル
を積層して組立てられることから、セパレータの肉厚を
できるだけ薄くし、かつ、このように薄肉化した場合で
も、何百枚にも及ぶセパレータをスタックし締め付けて
固定することで燃料電池が組立てられる関係から、充分
な機械的強度を備えていることが要求される。

【０００４】このような特性が要求されるセパレータと
して、例えば純銅やステンレス鋼などの金属板を用いた
ものが知られているが、これら金属系の材料では、燃料
ガスとしての水素ガスが接触するために水素脆性による
材質劣化等が生じ易く、長期安定性に欠けるという問題
がある。

【０００５】そこで近年、黒鉛粉末に、結合剤（バイン
ダー）としてフェノール樹脂などの熱硬化性樹脂を配合
し、加圧成形した成形体をセパレータとして採用した燃
料電池の開発が進められている。黒鉛材は電気抵抗が小
さく、しかも、耐食性に優れることから、上記した金属
板を用いた場合の不具合が改善される。また、圧粉成形
体内部に生じる気孔空隙が上記のようなバインダーで埋
められることで、ある程度のガス不透過性を得ることが
できる。

【０００６】さらに、例えば特開平11−297337号公報に
は、図５に示すように、ステンレスなどの金属薄板３１
の表裏両面に、上記のような樹脂配合黒鉛粉の成形体
（以下、黒鉛粉成形体という）３２・３３を設けて形成
したセパレータ３４が開示されている。なお、同図にお
いて３５…は、黒鉛粉成形体３２・３３表面に設けられ
た溝であって、これら溝３５…を通して燃料ガスや酸化
剤ガス、或いは冷却水が流通する。

【０００７】このような構成のセパレータ３４では、厚
さ方向の中央部に設けられた金属薄板３１によってガス
の透過が遮断される。また、この金属薄板３１は黒鉛粉
成形体３２・３３によって覆われているので、全体にわ
たって良好な耐食性が維持される。また、上記の金属薄
板３１は、全体的な強度を向上させる補強板としても機
能する。すなわち、電池セルの組立や締付け時等に衝撃
力や変形力が作用しても、黒鉛粉成形体３２・３３にク
ラックや割れ等が発生することが金属薄板３１によって
防止される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように金属薄板３１を挟んで両側に黒鉛粉成形体３２・
３３を設けた従来のセパレータ３４では、導電性の良好
なものを安定しては得難いという問題を有している。つ
まり、相互に積層された単セル間では、隣接するセパレ
ータ３４を通して電流が流れる。このとき、各セパレー
タ３４では、一方の表面から他方の表面に至る電流経路
中に金属薄板３１が介在することから、異質な材料が相
互に接する境界面に生じる接触抵抗によって導電性が損
なわれ易い。特に、上記のセパレータ３４は、金属薄板
３１の両側に樹脂配合黒鉛粉、またはその一次成形体を
配置し、樹脂の硬化温度に加熱しながら加圧接合して形
成される。このときの加圧成形圧が小さいと、黒鉛粉と
金属薄板３１との密着度合いが小さくなって接触抵抗を
充分には小さくできず、一方、成形圧力が大きくなる
と、樹脂が黒鉛粉間から成形体周辺へと押し出されて成
形体表面での樹脂の割合が大きくなるような現象が生
じ、この結果、金属薄板３１の表面に沿って樹脂の割合
が大きな層が形成されることになる。したがってこの場
合も、金属薄板３１と各黒鉛粉成形体３２・３３との境
界面での接触抵抗が大きくなる。

【０００９】本発明は、上記した問題点に鑑みなされた
ものであって、その目的は、機械的強度と共に電気的特
性にも優れた燃料電池用セパレータおよびその製造方法
を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
燃料電池用セパレータ、フェノール樹脂を配合した黒鉛
紛を加圧成形して形成された黒鉛紛成形体よりなる燃料
電池用セパレータであって、上記黒鉛紛成形体が、フェ
ノール類とホルムアルデヒド類と黒鉛粉末とを触媒の存
在下で混合及び反応させることにより得られた平均粒子
径１５〜１２５μｍの黒鉛粉末を成形型に充填し所定の
セパレータ形状に加圧成形して形成された成形体よりな
り、上記成形体の樹脂量が１０〜２４wt％であり、上記
黒鉛紛成形体中に薄板状の靭性を備えた補強版が埋設さ
れ、この補強版には、厚さ方向に貫通する多数の貫通穴
が形成されて、この補強版の表裏両面の黒鉛紛成形層
が、各貫通穴を埋める中間層を介して一体化されている
ことを特徴としている。

【００１１】このように構成されたセパレータにおいて
は、補強板が埋設されていることによって機械的強度が
向上する。しかも、この補強板を挟んで表裏両面の黒鉛
粉成形層は、これらと同一材から成る中間層を介して一
体化されているので、この領域においては異種材の境界
面での接触抵抗が発生することはなく、表裏両面間にわ
たる導電性が向上する。この結果、全体的な電気特性が
より良好なセパレータを形成することができる。

【００１２】請求項２の燃料電池用セパレータは、請求
項１のセパレータにおいて、上記黒鉛粉成形体が、樹脂
量１０〜２４wt％（より好ましくは１４〜２１wt％）
で、ガス透過率１０×１０^-8cc・cm/cm²・sec ・atm 以
下、体積抵抗１０×１０^-3Ω・cm以下の材質特性を有す
ることを特徴としている。

【００１３】すなわち、黒鉛粉成形体が上記のような材
質特性を有するものであれば、補強板によってガス不透
過性が得られるような構成にせずとも、燃料電池用セパ
レータとして必要なガス不透過性が保持される。しか
も、上記のような体積抵抗を備える黒鉛粉成形体が中間
層を介して表裏両面にわたって設けられていることで、
全体的な電気特性もさらに良好となる。

【００１４】このような材質特性を有する黒鉛粉成形体
を備える燃料電池用セパレータは、請求項３のように、
表面が樹脂で被覆された黒鉛粉末を用い、厚さ方向に貫
通する多数の貫通穴が形成された薄板状の補強板を配置
した成形型で加圧成形して、補強板の表裏両面に黒鉛粉
成形層を形成すると共に、これら黒鉛粉成形層が各貫通
穴を埋める中間層を介して一体化された成形体を形成す
ることによって製造することが可能である。

【００１５】このように、表面が樹脂であらかじめ十分
に被覆された黒鉛粉末を用い、これを加圧成形する場
合、成形型内での個々の黒鉛粉の流動性が向上して空隙
率の小さな成形体となる。したがって、樹脂量をより少
なくしても粒子相互間の接合強度が向上する。さらにこ
れに伴い、隣接する黒鉛粉間の樹脂が加圧成形時に黒鉛
粉間の空隙に向けて排除されて相互に密着し、これによ
って、黒鉛粉間の導電性も良好なものとなり、前記請求
項２に記載のような材質特性を有する黒鉛粉成形体を得
ることができる。このような黒鉛粉成形体中に前記のよ
うな補強板が埋設されていることで、機械的強度やガス
不透過性、電気的特性に優れたセパレータを形成するこ
とが可能となる。

【００１６】この場合、請求項４のように、黒鉛粉の粒
子径が１５〜１２５μｍであり、上記成形を成形圧１０
０〜１０００kg/cm²、成形温度１２０〜２４０℃で行う
ことが望ましい。このような条件を満たすことで、上記
した優れた特性を有するセパレータをより確実に製造す
ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】初めに、本発明に係るセパレータ
を用いて形成される固体高分子型燃料電池の構成および
動作について説明する。この燃料電池は、図３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
膜である固体高分子膜１と、この固体高分子膜１を両側
から挟むアノード電極２およびカソード電極３と、これ
らをさらに両側から挟むセパレータ４・４とから成る単
セル５を数百個のオーダで積層し、その両端に図示省略
した集電板を配置したスタック構造に形成されている。
アノード電極２およびカソード電極３は、炭素繊維糸で
織成したカーボンクロスやカーボンペーパー或いはカー
ボンフェルトにより作製されている。

【００１８】各セパレータ４には、図４に示すように、
その周辺部に、水素を含有する燃料ガスが流通する燃料
ガス孔６・７と、酸素を含有する酸化ガスが流通する酸
化ガス孔８・９とが形成されている。単セル５を積層し
たとき、これら各孔６〜９が燃料電池の内部をそれぞれ
積層方向に貫通して、燃料ガス供給マニホールド、燃料
ガス排出マニホールド、酸化ガス供給マニホールド、酸
化ガス排出マニホールドが構成される。

【００１９】上記各孔６〜９の内側表面には任意パター
ンの溝部１２からなる流路が形成されている。この溝部
１２のパターンは、図示した形状の他、例えば多数の突
起間に格子状に設けられたものであっもよい。この溝部
１２により、図３に示すように、アノード電極２側のセ
パレータ４では、アノード電極２表面との間に燃料ガス
流路１３が形成され、隣接するセパレータ４との間に冷
却水流路１４が形成される。一方、カソード電極３側の
セパレータ４では、カソード電極３表面との間に酸化ガ
ス流路１５が形成される。

【００２０】上記構成の燃料電池においては、外部に設
けられた燃料ガス供給装置から供給された水素を含有す
る燃料ガスが、前記した燃料ガス供給マニホールドを経
由して各単セル５の燃料ガス流路１３に供給され、各単
セル５のアノード電極２側においてＨ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^‐
の電気化学反応が生じる。反応後の燃料ガスは各単セル
５の燃料ガス流路１３から燃料ガス排出マニホールドを
経由して外部に排出される。

【００２１】同時に、外部に設けられた酸化ガス供給装
置から供給された酸素を含有する酸化ガス（空気）が前
記酸化ガス供給マニホールドを経由して各単セル５の酸
化ガス流路１５に供給され、各単セル５のカソード電極
３側でＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^‐→２Ｈ₂Ｏの電気化学反応が
生じる。反応後の酸化ガスは各単セル５の酸化ガス流路
１５から酸化ガス排出マニホールドを経由して外部に排
出される。

【００２２】このような電気化学反応に伴い、全体とし
ては２Ｈ₂＋Ｏ₂→２Ｈ₂Ｏの化学反応が進行し、これに
よって、燃料が有する化学エネルギーが電気エネルギー
に変換され所定の電池性能が発揮される。なお、この燃
料電池は約８０〜１００℃の温度範囲で運転されるが、
運転中は外部に設けられた冷却水供給装置から冷却水が
供給され、これが前記冷却水流路１４を通して循環され
ることによって、上記の温度範囲に保持されるようにな
っている。

【００２３】前記したセパレータ４は、通常、厚さ１〜
３mm程度の薄板状に形成され、深さ０.3〜１.5mm程度の
溝部１２が、アノード電極２側のセパレータ４ではその
両面に、カソード電極３側のセパレータ４ではその片面
に設けられて、燃料ガス流路１３や冷却水流路１４・酸
化ガス流路１５が形成されている。

【００２４】このような固体高分子型燃料電池に用いら
れる本実施形態に係るセパレータ４は、黒鉛粉末にフェ
ノール樹脂などの熱硬化性樹脂を配合して加圧成形した
成形体（以下、黒鉛粉成形体という）１６から成り、こ
の成形体１６中には、その厚さ方向の中間部に、薄板状
の補強板１７が埋設された構成となっている。この補強
板１７は、厚さが例えば０.0５〜２mm程度で、鉄、ステ
ンレス、ニッケル、銅、アルミニウム、チタン等の靱性
を備えた金属薄板を用いて形成され、図１（ａ）に示す
ように、例えば円形の多数の貫通穴１７ａ…が全体にわ
たって形成されている。

【００２５】このような補強板１７が埋め込まれたセパ
レータ４の製造に当たっては、同図（ｂ）に示すよう
に、まず、黒鉛粉末に樹脂を配合して加圧成形した板状
の一次成形体１６ａ・１６ｂが作製され、これらの間に
補強板１７を挟んで、これら一次成形体１６ａ・１６ｂ
および補強板１７が成形金型内にセットされる。この状
態で上下から加圧して、同図（ｃ）に示すように、補強
板１７が埋め込まれたセパレータ４が製造される。

【００２６】このときの成形金型の上型と下型とには、
アノード電極２側のセパレータ４の成形用金型では両者
に、カソード電極３側のセパレータ４の成形用金型では
一方にそれぞれ前記溝１２に対応する凸部が形成されて
いる。これによって、この加圧成形時に両面または片面
に溝１２を有するセパレータ４が形成される。さらにこ
のとき、補強板１７の各貫通穴１７ａ…内に樹脂配合黒
鉛粉が押し込まれることになる。この結果、樹脂配合黒
鉛粉の成形体は、補強板１７の図において上面に上側か
ら圧着した黒鉛粉成形層１６ｃと、下面に下側から圧着
した黒鉛粉成形層１６ｄとが、補強板１７の各貫通穴１
７ａ…内を埋める中間層１６ｅ…を介して一体化した形
状に形成される。

【００２７】さらに、本実施形態においては、上記のよ
うな黒鉛粉末として、表面に樹脂が被覆された黒鉛粉末
が用いられる。これを、後述する条件に従って加圧成形
することにより、樹脂の配合量を従来より少なくして
も、この樹脂配合黒鉛粉の成形層自体が、優れたガス不
透過性と電気的特性とを備えるものとなっている。

【００２８】この場合の黒鉛粉末としては、天然黒鉛、
人造黒鉛、カーボンブラック、キッシュ黒鉛、膨脹黒鉛
等、いかなる種類のものを用いても良く、コストなどの
条件を考慮して任意に選択することができる。天然黒鉛
や人工黒鉛が電気特性の点で好ましい。用いる黒鉛粉末
の平均粒径は、１５〜１２５μｍの範囲であることが好
ましい。１５μｍより小さいと電気抵抗を充分に小さな
ものとすることができず、１２５μｍを超えると強度が
弱くなる。

【００２９】一方、樹脂としては、黒鉛粉末との濡れ性
に優れたフェノール樹脂が最も好ましい。レゾール系樹
脂やノボラック系樹脂の何れでも良い。

【００３０】このような樹脂が被覆された黒鉛粉末の製
造方法に特に制限はなく、例えば、メタノール等の粘度
の小さい有機溶剤で希釈化した樹脂溶液、例えばフェノ
ール樹脂溶液に黒鉛粉末を配合し、スラリー状になるま
で攪拌混練した後、スプレードライヤーで造粒乾燥させ
るような方法によって製造することができる。この場合
に、成形体を形成後の樹脂量が１０〜２４wt％、より好
ましくは１４〜１８wt％となるように、上記した攪拌混
練時の配合量を調整する。樹脂量が１０wt％よりも少な
いと、良好なガス不透過性が得難くなり、２４wt％を超
えると体積抵抗や後述する接触抵抗が大きくなる。

【００３１】また、樹脂の原料溶液攪拌中に黒鉛粉表面
で樹脂の重合反応が生じるような方法によって樹脂被覆
黒鉛粉を製造することも可能である。例えばフェノール
樹脂を被覆する場合に、フェノール類とホルムアルデヒ
ド類および反応触媒や一般的な反応溶媒を仕込んだ反応
容器内に黒鉛粉をさらに投入し、混合攪拌しつつ所定の
温度に加熱することによって、フェノール樹脂が黒鉛粉
表面、さらに層状の黒鉛粉内に入り込んで強固に付着し
た樹脂被覆黒鉛粉を製造することができる。

【００３２】なお上記でフェノール類とは、フェノール
およびフェノールの誘導体を意味するもので、例えばフ
ェノールの他にm-クレゾール、レゾルシノール、3,5-キ
シレノールなどの３官能性のもの、ビスフェノールＡ、
ジヒドロキシジフェニルメタンなどの４官能性のもの、
o-クレゾール、p-クレゾール、p-ｔerブチルフェノー
ル、p-フェニルフェノール、p-クミルフェノール、p-ノ
ニルフェノール、2,４又は2,6-キシレノールなどの２官
能性のo-又はp-置換のフェノール類などを挙げることが
できる。さらに塩素または臭素で置換されたハロゲン化
フェノールなども使用することが可能であり、また、こ
れらから一種類選択して用いる他、複数種のものを混合
して用いることもできる。

【００３３】ホルムアルデヒド類としてはホルマリンが
最適であるが、パラホルムアルデヒドのような形態のも
のを用いることもでき、その他ホルムアルデヒドの一部
あるいは大部分をフルフラールやフルフリルアルコール
に置き換えて用いることも可能である。

【００３４】反応触媒としては、フェノール樹脂の最終
的な構造式としては、フェノール類のベンゼン核とベン
ゼン核との間に−ＮＣＨ₂または−ＯＣＨ₂結合または−
ＳＣＨ₂結合を生成するような物質が良い。例えばヘキ
サメチレンテトラミン、アンモニア及びメチルアミン、
ジメチルアミン、エチレンジアミン、モノエタノールア
ミン等の第１級や第２級のアミン類などの塩基性物質を
用いることができる。さらにこれらと併用して、アルカ
リ金属やアルカリ土類金属の水酸化物や第３級アミンな
ど、フェノール樹脂の合成時に一般によく使用される塩
基性触媒を用いることも可能である。

【００３５】一般的な反応式としては下記の化１、化２
に示す反応式が挙げられる。

【００３６】

【化１】

【００３７】

【化２】（式中、Ｒは水素またはメチル基、エチル基等の低級ア
ルキル基を示す）

【００３８】得られるフェノール樹脂としては、例えば
化１、化２に示したようなフェノール樹脂の他に、ベン
ゼン核間に−ＳＣＨ₂結合を有するフェノール樹脂が挙
げられる。

【００３９】これらフェノール類とホルムアルデヒド類
及び反応触媒を反応釜など反応容器に入れ、さらに黒鉛
粉末を配合して、この黒鉛粉末の存在下でフェノール類
とホルムアルデヒド類との反応を行わせる。これによ
り、フェノール樹脂が黒鉛粉表面に強固に付着した樹脂
被覆黒鉛粉を得ることができる。

【００４０】上記のような製造法により得られる樹脂被
覆黒鉛粉を用いて、まず、５０〜２００kg/cm²の成形
圧、１０〜１００℃の成形温度で前記した一次成形体１
６ａ・１６ｂが成形される。そして、これら一次成形体
１６ａ・１６ｂに補強板１７を挟んで行う本成形時に
は、成形圧力１００〜１０００kg/cm²、成形温度１２０
〜２４０℃の成形条件で加圧成形される。成形圧力が１
００kg/cm²未満であると、得られる成形体密度が小さ
く、体積抵抗が大きくなって導電性に優れたセパレータ
を得難くなる。一方、１０００kg/cm²を超える過度の面
圧を加えると、樹脂が黒鉛粉間から押し出されて成形体
周辺領域に偏在する現象が顕著になり始め、このために
後述する接触抵抗が大きくなる。

【００４１】この本成形時の成形温度は、樹脂の加熱特
性に応じて適宜設定されるものであるが、樹脂量が少な
い場合の成形型内での黒鉛粉末の流動性等、良好な成形
性が得られるように、通常は上記のように１２０℃以上
の温度に設定することが好ましい。２４０℃を超えると
成形体の膨れ現象が発生し、さらに高温になると樹脂の
炭化が発生する。

【００４２】このように、本実施形態に係るセパレータ
は、図２に模式的に示すように、表面が樹脂２０で被覆
された黒鉛粉２１を用い、これを上記した成形条件で成
形して製造される。この加圧成形過程では、当初に加熱
に伴って軟化する樹脂により、個々の黒鉛粉が成形型内
で樹脂に相当する流動性を示し、これによって樹脂が硬
化した後も金型内面や補強板１７に良くなじんだ成形体
が得られ、これによって、外観の形状精度も良好な成形
体となる。

【００４３】また、個々の原料黒鉛粉２１の表面を覆う
樹脂２０は、相互に接触した原料黒鉛粉２１間の領域Ａ
では、さらに成形圧が加えられる過程で、各原料黒鉛粉
２１の表面に沿って各原料黒鉛粉２１間の空隙Ｂに向か
って流動する。この結果、隣接する原料黒鉛粉２１の表
面同士が相互に接触し、これら原料黒鉛粉２１間に良好
な導通状態が形成される。また、上記のように相互に接
触する領域から押し出される樹脂は、各原料黒鉛粉２１
によって囲われる隙間に集まってこの隙間に充填される
ことになる。このように個々の原料黒鉛粉２１回りの樹
脂２０の流動が成形型内の全体にわたってむらなく生じ
ることによって、隙間を囲う原料黒鉛粉２１同士も、こ
の隙間を埋める樹脂を介して強固に接合された成形体と
なる。

【００４４】したがって本実施形態においては、上記の
ように表面が個々に樹脂で覆われた原料黒鉛粉を用いる
ことで、樹脂量を少なくしても、各原料黒鉛粉間に生じ
る隙間に樹脂がほぼもれなく充填された成形体が得ら
れ、これによって、この黒鉛粉成形体自体が、例えば曲
げ強度４０ＭPa以上、ガス透過率１０×１０^-8cc・cm/c
m²・sec ・atm 以下の機械的強度、ガス不透過性に優れ
た材質特性を備えるものとなっている。

【００４５】しかも、上記のような加圧成形条件によっ
て、隣接する原料黒鉛粉間の領域では、この間から原料
黒鉛粉間の隙間へと樹脂が排出され、これら原料黒鉛粉
同士を相互に接触させて良好な導通状態が得られるよう
にすることができるので、全体的な樹脂量が少ないこと
と相まって、体積抵抗が１０×１０^-3Ω・cm以下の電気
的特性にも優れた成形体を得ることができる。

【００４６】以上の説明のように、本実施形態における
セパレータ４は、黒鉛粉成形体１６中に薄板状の補強板
１７が埋設されていることによって、機械的強度がさら
に向上する。しかも、上記補強板１７には多数の貫通穴
１７ａ…を設け、この補強板１７の表裏両面の黒鉛粉成
形層１６ｃ・１６ｄが、各貫通穴１７ａを埋める中間層
１６ｅを介して一体化されているので、この領域におい
ては異種材の境界面での接触抵抗が発生することはな
く、表裏両面間にわたる導電性が向上し、優れた電気特
性を備えるセパレータ４となっている。

【００４７】また、表裏両面の黒鉛粉成形層１６ｃ・１
６ｄが中間層１６ｅを介して一体化されていることか
ら、これら黒鉛粉成形層１６ｃ・１６ｄと補強板１７と
の乖離が防止され、これらの間の強固の密着状態が保持
されるので、この補強板１７を通しての導電率も極力小
さな状態が維持される。特に、個々に樹脂が被覆された
黒鉛粉を用いて加圧成形する際には、金型内でこれら黒
鉛粉の良好な流動性が得られることにより、補強板１７
の各貫通穴１７ａ内へもスムーズに流入してこれら貫通
穴１７ａを埋め、表裏両面の黒鉛粉成形層１６ｃ・１６
ｄと中間層１６ｅとがむらなく均一に押し固められた黒
鉛粉成形体１６が形成される。したがって、これによっ
ても優れた機械的強度や電気的特性が安定して維持され
る。

【００４８】さらに、本実施形態におけるセパレータ４
は、黒鉛粉成形体１６自体が、ガス透過率１０×１０^-8
cc・cm/cm²・sec ・atm 以下、体積抵抗１０×１０^-3Ω
・cm以下の材質特性を有することから、燃料電池用セパ
レータとして要求されるガス不透過性を充分に備え、し
かも、上記のような電気的特性を備えることで、全体的
な電気特性もさらに向上させることができる。

【００４９】なお、前記したように、単セル５が数百個
のオーダーで積層されて構成される燃料電池において
は、その内部抵抗は、セパレータ自身の抵抗に加え、隣
接する単セル５・５において相互に密着するセパレータ
同士の接触抵抗にも大きく左右される。本実施形態のセ
パレータ４では、このようなセパレータ同士の接触抵抗
も極めて小さなものとなる。

【００５０】すなわち、本実施形態におけるセパレータ
４では、樹脂量を２４wt％以下と少なくしても、所望の
ガス不透過性を維持できるので、黒鉛粉を加圧成形する
際に、樹脂が黒鉛粉間から成形体周辺へと押し出されて
成形体表面での樹脂の割合が大きくなるような現象が抑
えられる。この結果、上記のような接触抵抗も小さなセ
パレータとなる。したがって、このようなセパレータを
用いることによって内部抵抗が小さく、発電効率に優れ
た燃料電池を形成することができる。また、セパレータ
の厚さをより薄くすることが可能ともなり、これよっ
て、より小型でかつ軽量の燃料電池を形成することがで
きる。

【００５１】以上、本発明の一実施形態について説明し
たが、本発明は上記形態および後述する実施例に限定さ
れるものではなく、本発明の範囲内で種々の変更が可能
である。例えば上記実施形態では、補強板１７に円形の
貫通穴１７ａを形成した例を挙げて説明したが、これら
貫通穴１７ａの形状は上記に限定されるものではなく、
加圧成形時に金型内で流動する黒鉛粉によって開口形状
に大きな変形が生じず、また、黒鉛粉成形体１６に対し
て衝撃力や変形力が加わったときにクラック等が生じな
いように、全体にわたって靱性を付与し得る形状であれ
ば、例えば開口率９０％以下の条件を満たす範囲で、任
意形状の貫通穴１７ａを設けて形成することができる。

【００５２】なお開口率の下限値は、補強板１７として
選択する金属材料の固有抵抗値によるが、この抵抗値が
充分に小さい材料を選定して構成する場合には、中間層
１６ｅを介しての表裏両面の黒鉛粉成形層１６ｃ・１６
ｄの一体化強度が充分に得られるように、少なくとも２
０％以上が望ましい。

【００５３】一方、上記実施形態では、中間層１６ｅと
共に補強板１７を通しても電流が流れることを前提とし
て、この補強板１７を固有抵抗の小さな金属薄板で形成
した例を示したが、開口率を大きくし、中間層１６ｅの
みを介する電流経路で充分に小さな導電率が得られる場
合には、例えば合成樹脂製の補強板を設けて構成するこ
とも可能である。

【００５４】

【実施例】実施例１反応容器に、平均粒径が１００μｍの黒鉛粉と、フェノ
ールと、ホルムアルデヒドと、反応触媒（ヘキサメチレ
ンテトラミン又はアンモニアと苛性ソーダ液）と、反応
溶媒とを仕込み、これを混合攪拌しつつ８０℃で１時間
加熱した。反応容器の内容物を室温に冷却し攪拌を停止
した後、反応容器内で溶媒から分離して沈降している黒
色の粒状物を取り出して水洗した。これを濾過して溶媒
から分離し乾燥することにより樹脂被覆黒鉛粉を得た。
この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は１４％であった。

【００５５】この樹脂被覆黒鉛粉を一次成形金型に充填
し、成形圧１００kg/cm²、成形温度８０℃で加圧成形
し、厚さ１mmの一次成形体を作製した。次いで、二枚の
一次成形体の間に厚さ０.5mmのステンレス製の補強板を
挟んで本成形金型内にセットし、成形圧２００kg/cm²、
成形温度１６０℃で加圧成形して、後述する各種特性測
定用の試験片を作製した。上記補強板として、径が１mm
の円形の貫通穴が開口率５０％となるように多数形成さ
れたものを用いた。

【００５６】実施例２実施例１において、原料黒鉛粉として平均粒径が６０μ
ｍのものを用いた以外は実施例１と同様にして、樹脂被
覆黒鉛粉を製造した。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は１
８％であった。次いで、この樹脂被覆黒鉛粉を用いて、
実施例１と同様に試験片を作製した。

【００５７】実施例３実施例１において、原料黒鉛粉として平均粒径が４５μ
ｍのものを用いた以外は実施例１と同様にして、樹脂被
覆黒鉛粉を製造した。この樹脂被覆黒鉛粉の樹脂量は２
１％であった。次いで、この樹脂被覆黒鉛粉を用いて、
実施例１と同様の成形条件で成形して、上記同様に試験
片を作製した。

【００５８】比較例１実施例１で用いた樹脂被覆黒鉛粉を本成形金型に充填
し、実施例１と同様に成形して、補強板を設けていない
試験片を作製した。

【００５９】比較例２実施例１において、貫通穴が形成されていないステンレ
ス製の補強板を用いた以外は実施例１と同様にして試験
片を作製した。

【００６０】実施例１〜３および比較例１・２で各々得
られた各試験片を用いて、曲げ強度・ガス透過率および
黒鉛粉成形体の固有抵抗・試験片両面間の導通抵抗を以
下の測定法に従って測定した。結果を表１に示してい
る。測定方法 (1）曲げ強度 JIS K 7203に準じて測定した（試験片：幅10mm×高さ４
mm×長さ80mm）。 (2）ガス透過率試験片を挟んで１atm の差圧を生じさせた状態で窒素ガ
スのガス透過量を測定し、ガス透過率を求めた。 (3）黒鉛粉成形体の固有抵抗体積抵抗率をJIS K 7194に準じて測定した（板厚２m
m）。 (4）試験片両面間の導通抵抗２枚の試験片（□２０mm×ｔ１mm）を測定電極間に配置
し、面圧２５kg/cm²）で加圧し、電流１Ａ流した時の電
圧を測定して、試験片両面間の導通抵抗を測定した。

【００６１】

【表１】表１に示されているように、まず、黒鉛粉成形体の固有
抵抗については、粒径１５〜１２５μｍ、樹脂量１０〜
２４wt％の樹脂被覆黒鉛粉を用い、前記成形条件で成形
することによって、実施例と比較例とのいずれにおいて
も、１０×10^-3Ω・cm以下の小さな値となっている。ま
た、このような黒鉛粉成形体を用いることによって、補
強板の有無にかかわらず、ガス透過率が１０×10^-8cc・
cm/cm²・sec ・atm 以下の優れたガス不透過性を備えて
いる。

【００６２】そして、このような黒鉛粉成形体に、貫通
穴が形成された補強板が埋設された実施例１〜３の試験
片では、補強板を設けていない比較例２に比べて曲げ強
度が格段に向上し、しかも、比較例１のように貫通穴の
無い補強板が埋設されているものに比べ、実施例１〜３
の試験片では貫通穴を埋める黒鉛粉成形体を通して両面
間が導通することによって、両面間導通抵抗が小さく、
したがって、機械的強度と共に電気的特性にも優れたも
のになっている。

【００６３】なお、さらに成形精度測定用の試験片（厚
さ１.5mm×縦２５０mm×横２５０mm）を作製し、格子状
に２５点の厚さを測定して、その平均値と、平均値から
の各計測値の差とを求めて成形精度を評価したところ、
実施例１〜３のいずれも厚さ精度が±１５μｍ以下で、
成形精度も良好であった。

【００６４】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、多数
の貫通穴が形成された補強板を設け、その表裏両面の黒
鉛粉成形層が各貫通穴を埋める中間層を介して一体化さ
れた構成であるので、表裏両面間にわたる導電性が向上
し、これによって、機械的強度と共に全体的な電気特性
に優れたセパレータを形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態における燃料電池用セパレ
ータを示すもので、同図（ａ）はセパレータに埋設され
る補強板の斜視断面図、同図（ｂ）は補強板の表裏両面
に黒鉛粉成形層を加圧成形する状態を示す断面模式図、
同図（ｃ）は加圧成形後の状態を示す断面模式図であ
る。

【図２】上記加圧成形時における成形型内での樹脂被覆
黒鉛粉の成形過程を説明するための断面模式図である。

【図３】上記セパレータを組込んで形成された燃料電池
の構成を示す断面模式図である。

【図４】上記セパレータの正面図である。

【図５】従来の補強板を設けたセパレータの断面模式図
である。

【符号の説明】

１固体高分子膜２アノード電極３カソード電極４セパレータ５単セル１６ｃ・１６ｄ黒鉛粉成形層１６ｅ中間層１７補強板１７ａ貫通穴２０樹脂２１黒鉛粉

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−149657（ＪＰ，Ａ) 特開2000−67882（ＪＰ，Ａ) 特開平11−297337（ＪＰ，Ａ) 特開平11−195422（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−53167（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】フェノール樹脂を配合した黒鉛紛を加圧成
形して形成された黒鉛紛成形体よりなる燃料電池用セパ
レータであって、上記黒鉛紛成形体が、フェノール類とホルムアルデヒド
類と黒鉛粉末とを触媒の存在下で混合及び反応させるこ
とにより得られた平均粒子径１５〜１２５μｍの黒鉛粉
末を成形型に充填し所定のセパレータ形状に加圧成形し
て形成された成形体よりなり、上記成形体の樹脂量が１
０〜２４wt％であり、上記黒鉛紛成形体中に薄板状の靭性を備えた補強版が埋
設され、この補強版には、厚さ方向に貫通する多数の貫
通穴が形成されて、この補強版の表裏両面の黒鉛紛成形
層が、各貫通穴を埋める中間層を介して一体化されてい
ることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】上記黒鉛紛成形体が、ガス透過率１０×１
０^−８ｃｃ・ｃｍ／ｃｍ^２・ｓｅｃ・ａｔｍ以下、体積
抵抗１０×１０^−３Ω・ｃｍ以下の材質特性を有するこ
とを特徴とする請求項１の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】フェノール類とホルムアルデヒド類と黒鉛
粉末とを触媒の存在下で混合及び反応させることにより
得られた平均粒子径１５〜１２５μｍにより作製した黒
鉛粉末を用い、厚さ方向に貫通する多数の貫通穴が形成
された薄板状の補強板を配置した成形型で加圧成形し
て、補強板の表裏両面に各々形成される黒鉛紛成形層が
各貫通穴を埋める中間層を介して一体化された成形体を
形成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。
【請求項４】上記黒鉛紛の粒子径が１５〜１２５μｍで
あり、上記成形を成形圧１００〜１０００ｋｇ／ｃ
ｍ^２、成形温度１２０〜２４０℃で行うことを特徴とす
る請求項３の燃料電池用セパレータの製造方法。