JP4410020B2

JP4410020B2 - 燃料電池用セパレータ材の製造方法

Info

Publication number: JP4410020B2
Application number: JP2004119744A
Authority: JP
Inventors: 政登中澤; 節男吉本; 公仁弘藤塚; 康一郎川上; 千智加藤; 宏弥中路; 浩一郎山下; 康之浅井
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-04-15
Filing date: 2004-04-15
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-04-15
Also published as: JP2005302621A

Description

本発明は、例えば、自動車用電源をはじめ小型分散型電源などに使用される燃料電池用の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他の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実用化されつつある。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ている。

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など）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、この単セルを通常数十層に積層して電池スタックが形成されている。

したがって、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が密着するように組立て、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を小さくするとともに、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。

また、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ために高度のガス不透過性が要求され、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必要である。更に、材質強度が充分でないとセパレータの破損や欠損が生じ、電池性能が低下するばかりではなく、ガスリークの可能性もある。特に、電池の作動温度である６０〜１００℃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。

すなわち、固体高分子形燃料電池の高出力化と小型化を図るためにセパレータに要求される特性は、セパレータの厚さを薄くしても十分な強度が確保されること、電気抵抗が低いこと、ガス不透過性に優れていること、などの材質特性が必要となる。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と熱硬化性樹脂を結合材として成形した炭素／硬化樹脂成形体が好適に使用されている。

例えば、本出願人は炭素質粉末１００重量部に対し、熱硬化性樹脂を１０〜１００重量部の割合で加えて混練し、硬化して得られた炭素／硬化樹脂成形体を金属薄板の表裏両面に熱圧接合して被着し、この硬化樹脂成形体にガス流通溝を形成する固体高分子形燃料電池セパレータ部材の製造方法（特許文献１）、平均粒子径５０μｍ以下、最大粒子径１００μｍ以下、アスペクト比３以下の黒鉛粉末６０〜８５重量％に不揮発分６０％以上の熱硬化性樹脂１５〜４０重量％を加えて加圧混練し、混練物を粉砕して型に充填し減圧脱気したのち加圧成形し、成形体を所定形状に加工した後１５０〜２８０℃の温度で加熱硬化する、あるいは１５０〜２８０℃の温度で加熱硬化した後所定形状に加工する、固体高分子形燃料電池用セパレータ部材の製造方法（特許文献２）などを開発、提案している。

燃料電池の発電機構は、セルのアノード側に供給された水素ガス（燃料ガス）とカソード側に供給された酸素ガス（酸化剤ガス）とが、下記の反応によって生ずる電子（ｅ^-）の流れを電気エネルギーとして外部に取り出すものである。
アノード；Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-
カソード；１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ
全反応；Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ

すなわち、アノード側に供給された水素ガスは触媒電極上でイオン化（Ｈ⁺）されて、Ｈ⁺は電解質膜を介して水（ｘＨ₂Ｏ）とともにカソード側へ移動し、カソードにおいて酸素ガス（Ｏ₂）と反応してＨ₂Ｏを生成する。したがって、この電池反応を円滑に進行させるためには、電解質膜を適度な湿潤状態に保持して水素ガスをイオン化する必要があり、通常、水素ガスおよび酸素ガスに電池の運転温度に近い温度の飽和水蒸気を含ませて加湿することにより湿潤状態を維持している。

また、上記の電池反応により生成した水は、過剰の反応ガスとともに電池系外に排出されるため、セル内を流れる反応ガス中の水分の量は電池反応の進行とともに反応ガスの流れ方向に沿って次第に増加することになる。すなわち、出口側における反応ガスには、入口側に比べて生成水に相当する量の水蒸気を余分に含むことになる。

したがって、電解質膜を湿潤状態に維持するために添加した加湿用の飽和水蒸気に、生成水が蒸気として加わることになるため過飽和状態になり、水滴が凝縮してくることになる。このようにして反応ガス中に水滴が生じると、水の表面張力が大きいことからセパレータのガス流通溝に停滞し、さらに流通溝を塞いで反応ガスの流れを阻害するフラッディング現象が生じて電池反応が円滑に進まず、発電性能が低下する問題が起こる。

この問題を解決するためには、セパレータ表面の水に対する濡れ性を向上させることによりガス流通溝に停滞した水滴を反応ガス流に伴って排出除去する手段が有望である。例えば、特許文献３にはカーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末の原材料に酸化ケイ素や酸化アルミニウムなどの親水性物質を混合して、親水性を備えた燃料電池用セパレータの製造方法が提案されている。

また、特許文献４には燃料電池用セパレータの原素材に対し、親水化ガス中で親水化処理を行うことにより、セパレータ表面における水を使用した液滴法による表面接触角を３〜７０°とした燃料電池用セパレータが、特許文献５には成形体の表面に水との接触角が４０°以下となる表面改質処理を施した燃料電池用セパレータおよび成形体表面に紫外線オゾンを照射して酸化処理するその製造法が提案されている。

また、特許文献６には燃料電池の各セパレータのガス流通溝の内表面に親水性塗膜が形成されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池が提案されている。これは、ガス流通溝の内表面の少なくとも一部に親水性を持たせることを特徴とするもので、親水性部分を設ける方法としては (1)親水性塗膜を形成する方法、あるいは、(2) 内表面を粗面化して親水性を付与する方法、が開示されている。このうち、内表面の粗面化は、内表面に微細な凹凸形状を形成して生成水との接触面積を大きくすることにより親水性の向上を図るもので、粗面化手段にはサンドブラスト法、電解処理、粒子研磨、オゾン処理などが例示されている。

更に、特許文献７には表面の少なくとも一部に親水性官能基を有する導電性カーボンと、バインダーとを加圧成形した高分子電解質形燃料電池用セパレータと酸化処理して導電性カーボンの表面に親水性官能基を付与する製造法が、特許文献８には常圧放電プラズマ処理する燃料電池用セパレータの親水化処理方法が、特許文献９には黒鉛粉と樹脂からなる燃料電池セパレータの表面がフレーム処理により親水性が付与された燃料電池セパレータが開示されている。
特開平１１−２９７３３７号公報特開２０００−０２１４２１号公報特開平１０−００３９３１号公報国際公開ＷＯ９９／４０６４２号公報特開２０００−２４３４１０号公報特開２００１−０９３５３９号公報特開２００１−２８３８７３号公報特開２００２−０２５５７０号公報特開２００２−３１３３５６号公報

しかしながら、セパレータ材の表面を親水化処理して水との濡れ性を向上させた場合、処理後の時間の経過とともに濡れ性が次第に低下してくる場合があることが認められた。そこで、本出願人はセパレータの材質表面を親水化処理して水との濡れ性を向上させ、安定化する方策について鋭意研究を行った結果、成形時に用いた離型剤が完全に除去されずに、成形体表面に一部が付着残留すると、水との濡れ性が次第に低下してくることを確認した。

すなわち、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との混練物を金型などの成形型に充填して熱圧成形する場合、金型からの離型を容易にするために、通常、金型表面には撥水性の高いフッ素系離型剤やシリコン系離型剤が塗布される。そして、成形体を金型から取り出した際に成形体表面には撥水性の高い離型剤の一部が付着残留してくる。成形体表面に残留した離型剤は除去し難く、例えば有機溶剤で洗浄しても簡単には除去できない。その結果、成形体は水との濡れ性が低下してフラッディング現象を起こし易く、発電性能の低下を招くことになる。なお、ガス流路の幅や深さが小さくなるほど、このフラッディング現象が顕著になり、セパレータ表面の撥水層の存在がより問題となる。

そこで、本発明者らは、物理的方法により成形体表面に付着残留した離型剤を除去する方法について鋭意研究を行った結果、エアブラスト処理により成形体の表面に付着残留した離型剤を効果的に除去し得ることを確認した。

本発明はこの知見に基づいて開発されたもので、その目的は成形体表面に付着残留した離型剤などの撥水層を物理的手段により除去して、水との濡れ性の向上を図ることによりフラッディング現象を防止して、優れた電池性能を有する燃料電池用のセパレータ材とその製造方法を提供することにある。

本発明による燃料電池用セパレータ材の製造方法は、平均粒子径１０〜８０μｍの黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を９０：１０〜７５：２５の重量比で混練した後混練物を解砕し、解砕粒を１５０メッシュ以下に粒度調整した成形粉を、予め反転形状で流路用の凹凸部が形成された成形型に充填して熱圧成形し、次いで、離型した成形体の表層部に、表層面から５０〜１０００ｍｍ離れた位置からビッカース硬度が３００〜２５００、平均粒子径が５〜１００μｍの研削材を、０．１〜１．０ＭＰａの噴射圧で０．０２〜３．０ｇ／ｃｍ^２の噴射密度で吹き付ける、エアブラスト処理を施すことを構成上の特徴とする。

本発明の燃料電池用セパレータ材は、黒鉛／硬化樹脂成形体の成形型からの離型面の表層部が、エアブラスト処理による親水化処理が施されたものであるから、水との濡れ性が高く、フラッディング現象を起こすことなく、電池性能を高位に保持することが可能である。更に、化学的処理と異なり、処理後に多量の廃液処理をする必要がない。また、本発明の製造方法によれば、特定の条件下にエアブラスト処理することにより表層部の撥水層が効果的に除去され、優れた電池性能を有するセパレータ材の製造が可能になる。

本発明の燃料電池用セパレータ材は、黒鉛粉末を熱硬化性樹脂により結合して一体化した黒鉛／硬化樹脂成形体からなり、この黒鉛／硬化樹脂成形体を厚さ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、この黒鉛／硬化樹脂成形体が水との濡れ性を向上させるために、その表層部がエアブラスト処理による親水化処理が施されたものであ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る。また、熱硬化性樹脂としては、例えば固体高分子型燃料電池の作動温度である８０〜１２０℃の温度に耐える耐熱性、ｐＨ２〜３程度のスルフォン酸や硫酸に耐え得る耐酸性があればよく、フェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を単独または混合して使用することができる。なお、成形性、耐酸性、耐熱性、コスト面などからフェノール系樹脂が好適である。

黒鉛粉末と熱硬化性樹脂は所定の重量比で混合され、均一に混練される。混練物は離型剤を塗布した金型などの成形型に充填され、熱圧成形により所望のセパレータ形状の成形体が得られる。本発明の燃料電池用セパレータ材は表面の親水性を向上させるために、この黒鉛／硬化樹脂成形体の成形型からの離型面の表層部にエアブラスト処理による親水化処理が施されたものである。

エアブラスト処理は、黒鉛／硬化樹脂成形体の表層部に研削材を噴射して、成形体の離型面の極く表層部に存在する離型剤などの撥水層を除去するために行うものであり、エアブラスト処理により表層部の撥水層が除去されるとともに表層部にはメカノケミカル変化が生じて、親水性が改善されて水との濡れ性の向上が図られる。その結果、ＪＩＳＫ６７６８「プラスチック−フィルム及びシート−濡れ張力試験方法」の濡れ張力試験液による表面の濡れ張力は４０ｍＮ／ｍ以上に親水化処理され、かつ長時間に亘って親水性が保持される。

なお、エアブラスト処理は黒鉛／硬化樹脂成形体の極く表層部のみをブラストするものであるから、厚さ変化は殆どなく、寸法精度上の支障を生じることはない。また、黒鉛粒子の脱落などによる材質上のダメージを受けることもなく、強度低下を招くこともない。更に、エアブラスト処理によって表層部の撥水層とともに極く薄く絶縁性樹脂層も除去されるから、黒鉛粒子の露出割合も多くなり接触抵抗を小さくすることができ、また表面撥水層の除去と濡れ性の向上によりセパレータの外周シール面の接着剤との接着力も大きくなり、ガスシール性も向上する。

このセパレータ材を製造する本発明の燃料電池用セパレータ材の製造方法は、平均粒子径１０〜８０μｍの黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を９０：１０〜７５：２５の重量比で混練した後混練物を解砕し、解砕粒を１５０メッシュ以下に粒度調整した成形粉を、予め反転形状で流路用の凹凸部が形成された成形型に充填して熱圧成形し、次いで、離型した成形体の表層部に、表層面から５０〜１０００ｍｍ離れた位置からビッカース硬度が３００〜２５００、平均粒子径が５〜１００μｍの研削材を、０．１〜１．０ＭＰａの噴射圧で０．０２〜３．０ｇ／ｃｍ²の噴射密度で吹き付ける、エアブラスト処理を施すことを特徴とする。

原料となる黒鉛粉末は人造黒鉛、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、平均粒子径１０〜８０μｍ、好ましくは平均粒径２０〜６０μｍ程度の黒鉛粉末を使用する。また、熱硬化性樹脂にはフェノール系樹脂、フラン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール−エポキシ系樹脂などの熱硬化性樹脂を単独または混合して用いられ、好ましくはフェノール系樹脂が用いられる。

黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との混合割合は、黒鉛／硬化樹脂成形体の電気抵抗の低位化を図るためには電気抵抗の高い熱硬化性樹脂の混合割合をできるだけ少なくすることが好ましい。しかしながら、結合材となる熱硬化性樹脂の混合割合を少なくすると成形性が悪化するために、成形体の強度が低下するとともにガス不透過性に優れた成形体を得ることが困難となり、更に成形体の表面平滑性が低下して均質性も劣ることになる。

このような観点から、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂の混合割合を９０：１０〜７５：２５の重量比に設定する。混合する熱硬化性樹脂の重量比が２５重量部を越えると電気抵抗が増大し、一方１０重量部未満では混練物の流動性が低く成形性が悪化して、成形体の形状精度や強度およびガス不透過性などの低下を招くためである。

黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との混練は、熱硬化性樹脂をアルコールやエーテルなどの揮発性有機溶媒に溶解した低粘度の熱硬化性樹脂溶液を用いて混練し、次いで混練物を乾燥して有機溶媒を除去する方法が、より均一な混練物を得るうえで好ましい。なお、混練にはニーダー、加圧型ニーダー、２軸スクリュー式ニーダーなどの通常用いられる適宜な混練機が使用される。

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、混練物を解砕して黒鉛部を露出させることにより導電性の低下を抑制する。なお、解砕により材質性状の異方性の是正を図ることもできる。解砕粒は１５０メッシュ以下に粒度調整して成形粉とする。

成形粉は予め反転形状で流路用の凹凸部を形成した成形型に充填して、熱圧成形することにより所望形状のセパレータ材となる板状成形体が作製される。例えば、撥水性の高いフッ素系オイルやシリコン系オイルなどの離型剤を塗布した金型に成形粉を充填し、温度１５０〜２５０℃、圧力２０〜４０ＭＰａの条件で熱圧成形して、黒鉛／硬化樹脂成形体が作製される。この場合、酸化剤ガスおよび燃料ガスのガス流路となる溝部は、反転形状で流路用の凹凸部が形成された金型を用いることにより熱圧成形時に形成される。

このようにして作製した黒鉛／硬化樹脂成形体は、離型面の表層部に撥水性の離型剤の一部が付着残存するために親水性が極めて低い。そこで、成形体表面の撥水層を除去するためにエアブラスト処理を施す。エアブラスト処理は、成形型から離型した成形体の離型面に研削材を噴射することにより行われる。

エアブラスト処理は、研削材をある程度の広がりをもって被研削面に衝突させる必要があるため、ブラストする成形体の離型面から５０〜１０００ｍｍ離れた位置から研削材を噴射させて被研削面に吹き付ける。この距離が５０ｍｍ未満であると、研削材が充分に広がる前に被研削面に到達するので微細に研削することが困難となり、例えばガス流路の溝壁を充分にブラストすることができなくなる。一方、１０００ｍｍを越えると、研削材の広がりが大きくなり過ぎて、研削材の当たりが弱くなって効果的に親水化できなくなり、被研削面を親水化するためには噴射動力を極めて大きくしなければならない。また、均一にブラストすることができずにブラストされている部分とされていない部分とが生じ易くなる。

研削材は、アルミナ、鉄、珪砂など樹脂より硬質なものが用いられるが、硬度の高い炭化珪素などは研削量が多くなり、また研削面が荒れるので好ましくない。一方、硬度の低い銅、亜鉛、プラスチックなどはセパレータ表層部の撥水層の除去に多大の圧力を要し、極めて効率が悪く、研削材としては適さない。そのため、研削材はビッカース硬度が３００〜２５００のものが好適である。

また、研削材の粒度は、微細かつ均等にブラストするために平均粒子径が５〜１００μｍの研削材が使用される。研削材の平均粒子径が１００μｍより大きくなると被研削面が粗くなるので、セパレータとして積層する際に、密着性が悪く接触抵抗が増大することとなり、更に、ガスリークや黒鉛粒子の脱落も起こり易くなるためである。しかし、平均粒子径が５μｍより小さくなると、セパレータ表層部の撥水層の除去に時間を要するばかりではなく、エアブラスト処理時に研削材が飛散し易くなり、作業環境の悪化をもたらすこととなり、更に、研削材を回収して循環使用することが困難となる。

研削材は圧縮空気を利用して噴射され、被研削面がエアブラスト処理される。研削材の噴射は、０．１〜１．０ＭＰａの噴射圧で、０．０２〜３．０ｇ／ｃｍ²の噴射密度で被研削面に吹き付けることにより行われる。

研削材の噴射圧力は研削される表層面からの距離によって異なるが、表層面からの距離が５０〜１０００ｍｍの場合、噴射圧が０．１ＭＰａ未満では表層面にかかる圧力が低いためにブラスト処理を十分に行うことができず、一方１．０ＭＰａを越えると圧力が高いために表層面を均一にブラストすることができなくなる。

また、表層面がブラスト処理される際の被研削面の単位面積当たりの研削材の噴射量である噴射密度は、０．０２〜３．０ｇ／ｃｍ²の範囲に設定される。噴射密度が０．０２ｇ／ｃｍ²を下回るとブラスト処理が不十分となり、また３．０ｇ／ｃｍ²を越えるとブラストされる速度が速くなるためにブラスト処理が不均一になるとともに寸法精度が低下することになる。

なお、噴射密度は被研削面の単位面積当たりに噴射される研削材の噴射量、（研削材の噴射量）／（被研削面の面積）であり、これは、噴射密度＝（研削材の噴射量）／（被研削面の面積）＝（時間当たりの噴射量）／（移動速度）×（移動ピッチ）で表すことができる。すなわち、エアブラスト装置における単位時間当たりの研削材の噴射量、噴射口の移動速度および噴射口の移動ピッチを設定することにより変更することができる。

このようにしてエアブラスト処理された表層部の被研削面に残った研削材は圧縮空気で除去したのち、更に吸引除去し、次いで、水またはアルコールやケトンなどの有機溶剤で超音波洗浄および乾燥して、本発明の燃料電池用セパレータ材が製造される。

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。

黒鉛／硬化樹脂成形体の作製
平均粒子径４０μｍの人造黒鉛粉末１００重量部と、フェノール樹脂〔住友ベークライト（株）製ＰＲ−３１１〕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た溶液３０重量部（黒鉛粉末とフェノール樹脂の重量比率８３：１７）とを２軸ニーダーで３０分間混練し、室温で真空乾燥してメタノールおよび揮発性成分を除去した後、混練物を解砕し、解砕粒を粒度５０メッシュ以下に調整して成形粉とした。

成形粉をフッ素系の離型剤を塗布した金型に充填して、圧力３０ＭＰａ、温度１８０℃の条件で熱圧成形したのち金型から離型して、縦２００ｍｍ、横２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの黒鉛／硬化樹脂成形体からなる板状成形体を作製した。この板状成形体を有機溶剤ＨＣＦＣ−１４１ｂに浸漬したのち拭き取り洗浄した。

実施例１〜２、比較例１〜７
この板状成形体の離型面にビッカース硬度２２００のアルミナ粉末を研削材として、離型面からの距離、アルミナ粉末の平均粒子径、噴射圧、噴射密度を変えてエアブラスト処理を施した。

このようにエアブラスト処理を施した黒鉛／硬化樹脂板状成形体の材質特性を下記の方法により測定し、その結果を処理条件とともに表１に示した。なお、アルミナ粉末の噴射密度を変更するためのアルミナ粉末の単位時間当たりの噴射量、噴射口の移動速度および噴射口の移動ピッチの設定値も表１に示した。また。比較例７はエアブラスト処理を施さない黒鉛／硬化樹脂板状成形体の材質特性を示した。

(1)表面濡れ性（ｍＮ／ｍ）；
ＪＩＳＫ６７６８「プラスチック−フィルム及びシート−濡れ張力試験方法」により測定した。
(2)水との濡れ性；
成形体面に水滴を滴下して、発生した水玉の状態を目視にて観察し、次の３段階で評価した。
○…効果あり、 △…やや効果あり、 ×…効果なし
(3)接触抵抗（ｍΩ・ｃｍ²）；
０．８ＭＰａの圧力を負荷した条件下で測定した。
(4)曲げ強度（ＭＰa ）；
ＪＩＳＲ１６１８に準じて測定した。
(5)表面粗さＲａ、Ｒｚ（μｍ）；
（株）東京精密製の表面粗さ測定機にて測定した。
(6)厚さ減少量（μｍ）；
ブラスト処理前後の厚さを均等に１６点ダイアルゲージで測定し、平均値の変化から厚さ減少量を求めた。
（厚さ減少量）＝（処理前の厚さの平均値）−（処理後の厚さの平均値）

表１より、実施例１は表面張力５０ｍＮ／ｍの濡れ試薬が濡れており、水との濡れ性も良い。また、接触抵抗、曲げ強度、表面粗さなども良好なレベルにあり、厚さ減少量も小さく寸法精度上支障は生じない。

実施例２は実施例１に比べて噴射密度の小さい条件でブラスト処理した場合であるが、表面張力５０ｍＮ／ｍの濡れ試薬ははじいたが４０ｍＮ／ｍの濡れ試薬には濡れており、水との濡れ性も良く、接触抵抗、曲げ強度、表面粗さ、厚さ減少量なども問題ないレベルにある。

比較例はエアブラスト処理を本発明で特定する処理条件外で実施した場合であり、比較例１はアルミナ粉末の噴射密度を小さくした条件でブラスト処理したものであるが濡れ性が低下しており、接触抵抗も高くなった。逆に、噴射密度を高くした比較例２では曲げ強度が低下し、表面粗さ、厚さ減少量が大きくなった。

比較例３はアルミナ粉末の噴射口の位置を４０ｍｍに設定してエアブラスト処理した場合であるが、噴射圧を０．１ＭＰａに低く設定したが濡れ性が悪く、厚さ減少量も若干大きくなった。

比較例４は噴射圧を１．２ＭＰａと大きくした条件でブラスト処理した場合であり、噴射口の位置を１０００ｍｍまで離したが、亀裂が生じてしまった。

アルミナ粉末の粒径を３μｍと小さくした比較例５では濡れ性が低く、更に、アルミナ粉末が凝集したり、飛散して作業性が悪化した。逆に、粒径が１２０μｍと大きい比較例６では噴射圧および噴射密度を小さく設定したが、表面粗さが大きくなり、厚さ減少量が大きくなった。なお、エアブラスト処理を施さない比較例７は濡れ性が極めて低く、接触抵抗も高くなった。

比較例８
実施例１と同じ方法で作製した黒鉛／硬化樹脂板状成形体に、（株）トーヨー電機製プラズマ・エースＡＲＴ−２０２を用い、成形体との間隔１０ｍｍで４分間プラズマを照射した。このプラズマ照射処理した黒鉛／硬化樹脂板状成形体を室内に放置して表面濡れ性の経時変化および曲げ強度、接触抵抗を測定し、実施例１と対比して表２に示した。

実施例１では７日間の表面濡れ性の経時変化が認められなかったのに対して、比較例８ではプラズマ処理直後の５６ｍＮ／ｍが１日後には３５ｍＮ／ｍになり、７日後には３０ｍＮ／ｍにまで低下した。これは、金型に塗布した離型剤の一部が成形体表面に付着して、残留し、プラズマ処理では十分に除去されなかったために、時間の経過とともに表面濡れ性がプラズマ処理を行う前の状態に戻ってしまったものと考えられる。

発電性能試験；
エアブラスト処理を施した実施例１の黒鉛／硬化樹脂板状成形体を用いて溝幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍのガス流路およびマニホールドを有するセパレータ板を製作し、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構成した。８０℃に温度を上げ、加湿した水素ガスおよび空気をマニホールドから電池内部に送り発電させた。
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０．６５Ｖで、最大−最小電圧は０．０５Ｖで、バラツキが小さいものであった。これに対して、エアブラスト処理を施していない比較例７と同じ方法による黒鉛／硬化樹脂成形体を用いて製作したセパレータ板で構成した燃料電池では、平均電圧０．５２Ｖ、最大−最小電圧は０．２５Ｖで、出力が低く、バラツキも大きいものであった。

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

平均粒子径１０〜８０μｍの黒鉛粉末と熱硬化性樹脂を９０：１０〜７５：２５の重量比で混練した後混練物を解砕し、解砕粒を１５０メッシュ以下に粒度調整した成形粉を、予め反転形状で流路用の凹凸部が形成された成形型に充填して熱圧成形し、次いで、離型した成形体の表層部に、表層面から５０〜１０００ｍｍ離れた位置からビッカース硬度が３００〜２５００、平均粒子径が５〜１００μｍの研削材を、０．１〜１．０ＭＰａの噴射圧で０．０２〜３．０ｇ／ｃｍ^２の噴射密度で吹き付ける、エアブラスト処理を施すことを特徴とする燃料電池用セパレータ材の製造方法。