JP4586251B2

JP4586251B2 - 燃料電池用セパレーター

Info

Publication number: JP4586251B2
Application number: JP2000289624A
Authority: JP
Inventors: 茂沖田; 篤鈴木
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: JP2002097375A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維およびカーボンナノチューブを含有する熱可塑性樹脂組成物から得られる燃料電池用セパレーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭酸ガス排出問題に対応するために石油資源から得ていたエネルギーを石油資源に依らない方法でエネルギーを供給する方法が検討されている。その一つに燃料電池があり、燃料電池車用電源や一般家庭用電源への普及を目指して開発が盛んに行われている。
【０００３】
燃料電池の各セルは、反応を司る電解質、電解質を挟む１対の電極、電極に接触して電極からの集電を行うと共にガス流路、冷却水路を供給するセパレーターから形成されている。
【０００４】
このうち、セパレーターは電極からの集電機能を有するために高度な導電性が必要である。また、両面に燃料ガス流路および冷却水流路を形成するため、ガスバリア性、強度、耐腐食性などが要求される。更にガス流路および冷却水流路を形成する必要があり、優れた成形性が要求される。
【０００５】
従来の方法としては、膨張黒鉛粒子を加圧して予備シートを形成させた後、ガス流路や冷却水流路の付いた最終形状の金型で加圧して作製する方法（特開平１０−１２５３３７号公報）、金属セパレーター表面に貴金属マトリックス中にフッ素樹脂またはフッ化黒鉛粒子が共析、分散された貴金属複合メッキ被膜を形成する方法（特開２０００−３６３０９号公報）、フェノール樹脂のような熱硬化性樹脂に多量の黒鉛を配合し、プレス成形により成形する方法（特開平１０−３３４９２７号公報）、微細な空隙部を有する金属材料の空隙部に導電性樹脂材料を緻密に充填する方法（特開２０００−６７８８２号公報）、液晶ポリマーに黒鉛系炭素材を多量に配合する方法（特開２０００−１７１７９号公報）などが考案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特開平１０−１２５３３７号公報に記載されている方法では細かいガス流路、冷却水流路を金型形状どおりに忠実に形成することが困難な上に撥水性、強度が不足するために高分子化合物の塗布、含浸等が必要になるという問題点がある。
また、前記特開２０００−３６３０９号公報に記載されている方法では主材として金属を用いているために重量が大きくなること、また貴金属をベースとする材料の被膜を形成させることからコストが高くなる上に工程が複雑となり、現実的ではない。更に前記特開平１０−３３４９２７号公報に記載されている方法では多量の黒鉛を配合した熱硬化性樹脂のプレス成形では細かいガス流路、冷却水流路を金型形状どおりに忠実に形成することが困難な上に、成形時間が長く、生産性に劣るという問題点がある。前記特開２０００−６７８８２号公報に記載されている方法では金属材料を使用しているために錆の発生やイオンの溶出により出力が低下したり、耐久性が低下するという問題点があった。前記特開２０００−１７１７９号公報に記載されている方法では高度な導電性を付与することはできるものの材料強度が低い上に流動性に劣り、生産性に劣るという問題点ががある。
【０００７】
このように従来の材料・方法では導電性、ガスバリア性、強度、耐腐食性に優れたセパレーターを効率良く、安価に製造するための材料や方法が見出されていなかった。
【０００８】
そこで本発明ではこのような用途に適しており、ガスバリア性、強度、耐腐食性、成形性に優れた燃料電池用セパレーターを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、熱可塑性樹脂に炭素繊維とカーボンナノチューブを併用して配合することにより、熱可塑性樹脂の成形性を損なうことなく高強度化でき、かつ高度な導電性を付与し得ることを見出し、本発明に到達した。
【００１０】
すなわち、本発明は、
１．炭素繊維及びカーボンナノチューブを含有し、炭素繊維の配合量が樹脂組成物全体の１０〜７０重量％、カーボンナノチューブの配合量が樹脂組成物全体の０．１〜１５重量％である熱可塑性樹脂組成物を成形して得られる燃料電池用セパレーター、
２．炭素繊維の数平均繊維長（Ｌ）と繊維径（ｄ）との比（Ｌ／ｄ）が１０〜１０，０００である前記１記載の燃料電池用セパレーター、
３．熱可塑性樹脂がポリオレフィン、ポリアミド、ポリアセタール、非液晶ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミドおよびこれらのブレンド物からなる群から選ばれる一種以上である前記１または２記載の燃料電池用セパレーター、
４．熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルフィドまたは液晶ポリエステルである前記１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレーター、
５、熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルフィドである前記１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレーター、
６．燃料電池用セパレーター中の炭素繊維の数平均繊維長（Ｌ）と繊維径（ｄ）との比（Ｌ／ｄ）が５〜５，０００である前記１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレーターを提供するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１２】
本発明で使用される炭素繊維はポリアクリル繊維を原料とするＰＡＮ系炭素繊維、石油精製時の残さであるピッチを原料とするピッチ系炭素繊維のいずれも使用できる。
【００１３】
本発明で使用される炭素繊維の径については特に制限は無いが、通常１〜３０μｍであり、好ましくは３〜２０μｍであり、更に好ましくは５〜１５μｍである。
【００１４】
本発明で使用される炭素繊維の長さには特に制限は無い。長い方が機械特性、導電性にとっては有利に作用するが、成形時の流動性の点では繊維は短い方が有利である。要求される導電性および成形性との兼ね合いから適宜選択すれば良い。通常押出機によるコンパウンドや射出成形等の成形工程によって、繊維は破損する。このため、成形前のペレット中のガラス繊維及び炭素繊維の繊維長及び繊維径としては、数平均繊維長（Ｌ）と繊維径（ｄ）の比（Ｌ／ｄ）が１０〜１０，０００の範囲にあることが好ましく、更に好ましくは１０〜８，０００である。また、成形品中におけるＬ／ｄとしては、５〜５，０００の範囲にあることが好ましく、更に好ましくは１０〜３，０００である。
【００１５】
Ｌ／ｄが上記範囲であると、機械物性、導電性に優れる一方、成形時の流動性にも優れ、繊維同士が絡み合いにくく、分散が良好となる。
【００１６】
なお、上記の数平均繊維長はペレットまたは成形品を４５０℃×５時間、アルゴンガス雰囲気下において熱分解させて残った灰分から、１、０００本の繊維について顕微鏡観察により測定した値から算出した値である。
【００１７】
本発明で使用される炭素繊維はチョップド繊維として押出機、ニーダー、バンバリーミキサーなどでカーボンナノチューブと熱可塑性樹脂と共に溶融混練しても良いし、プルトルージョン法のように炭素繊維の単繊維または繊維束を溶融した熱可塑性樹脂に含浸させながら引き取ったものをカーボンナノチューブと熱可塑性樹脂と共に溶融混練しても良い。あるいはスクリュー及び／またはシリンダーの少なくとも１部を表面異形加工した開繊・繊維長制御機構部を有する押出機を使用し、この押出機に熱可塑性樹脂を供給して溶融させ、溶融樹脂中に連続状態の炭素繊維を供給して上記開繊・繊維長制御機構部で開繊・切断し、溶融樹脂中に均一分散させ、押出機から押出したものをカーボンナノチューブと熱可塑性樹脂と共に溶融混練しても良い。この方法では単繊維を集束したロービングが好ましく用いられる。集束本数は特に限定されず、単繊維のモノフィラメントを１０〜５００００本集束したものが作業性の面で好ましく用いられる。この方法で用いられる押出機は、連続状態の繊維を開繊し、繊維長さを制御するようにスクリュー及び／又はシリンダーを加工した単軸または多軸のスクリュー式押出機であって、その内部に連続した繊維状強化材の開繊度や繊維長の制御機構部を有するものである。
【００１８】
本発明の樹脂組成物に配合される炭素繊維の重量は、成形時の流動性、得られる成形品の比重及び強度、導電性の観点から樹脂組成物全体の１０〜７０重量％であり、より好ましくは１５〜７０重量％、更に好ましくは２０〜６５重量％である。
【００１９】
本発明で使用されるカーボンナノチューブは、炭素六角網面が円筒状に閉じた単層構造あるいはこれらの円筒構造が入れ子状に配置された多層構造をした材料のことである。単層構造のみから構成されていても多層構造のみから構成されていても良く、単層構造と多層構造が混在していてもかまわない。また部分的にカーボンナノチューブの構造を有している炭素材料も使用できる。また、カーボンナノチューブという名称の他にグラファイトフィブリルナノチューブといった名称で称されることもある。
【００２０】
カーボンナノチューブは、例えば炭素電極間にアーク放電を発生させ、放電用電極の陰極表面に成長させる方法、シリコンカーバイドにレーザービームを照射して加熱・昇華させる方法、遷移金属系触媒を用いて炭化水素を還元雰囲気下の気相で炭化する方法などによって製造することができる。製造方法の違いによって得られてくるカーボンナノチューブのサイズや形態は変わって来るが、いずれの形態のものも使用できる。
【００２１】
本発明の樹脂組成物に配合されるカーボンナノチューブの重量は、成形時の流動性、得られる成形品の比重及び強度、導電性の観点から樹脂組成物全体の０．１〜１５重量％であり、より好ましくは０．５〜１０重量％、更に好ましくは１〜８重量％である。
【００２２】
本発明で使用される熱可塑性樹脂の種類には特に制限は無いが、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリアセタール、非液晶ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミドおよびこれらのブレンド物からなる群から選ばれる一種が好ましく用いられる。これらの中でも流動性の面からポリフェニレンスルフィドおよび液晶ポリエステルが特に好ましい。
【００２３】
本発明で用いられるポリフェニレンスルフィド樹脂とは、一般式（１）で表される繰り返し単位を有する重合体であり、その含有量は耐熱性の面から７０モル％以上であることが好ましく、より好ましくは８０モル％以上、特に好ましくは９０モル％以上である。繰り返し単位（１）の含有量が７０モル％未満の場合には耐熱性および剛性が低下する傾向が見られる。
一般式（１）以外の繰り返し単位としては、一般式（２）〜（８）で表される構造単位が用いられる。
【００２４】
【化１】

【００２５】
【化２】

【００２６】
【化３】

【００２７】
【化４】

【００２８】
【化５】

【００２９】
【化６】

【００３０】
【化７】

【００３１】
【化８】

【００３２】
本発明で用いるポリフェニレンスルフィド樹脂としては、長さ３１．７５ｍｍ、径２．１０ｍｍのオリフィスを用い、温度３１６℃、荷重２０ｇで測定した時のメルトフローレイト（以下ＭＦＲと略す）が５０〜２００ｇ／ｍｉｎであるものが好ましい。更に好ましくは５０〜１５０ｇ／１０ｍｉｎ、とりわけ７０〜１５０ｇ／１０ｍｉｎが好ましい。
【００３３】
また、本発明で用いるポリフェニレンスルフィド樹脂の灰分は、４５０〜５００℃で炭化させた後、５３８℃で６時間灰化させた時の灰分残さ量で０．３０重量％以下であることが好ましい。更に好ましくは０．２５重量％以下、とりわけ０．２２重量％以下が好ましい。
【００３４】
このようなポリフェニレンスルフィド樹脂は公知の方法、例えば特公昭４５−３３６８号公報、特公昭５２−１２２４０号公報、特開昭６１−７３３２号公報に記載されている方法を用いて製造することができる。本発明においては、前記公報に記載されている方法で得られたポリフェニレンスルフィド樹脂を空気中加熱により架橋・高分子量化、窒素などのガス雰囲気下あるいは減圧下での熱処理、有機溶剤・熱水・酸性水溶液・アルカリ性水溶液などによる洗浄を施した上で使用しても良い。特に有機溶剤で洗浄すると低分子量成分が除去されるため、溶融成形時のガス発生、金型腐蝕は低減される。その場合の有機溶剤としては、Ｎ−メチルピロリドン、Ｎ，Ｎ’−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアセトアミド、１，３−ジメチルイミダゾリジノン、ヘキサメチルホスホンアミド、ピペラジノンなどの含窒素溶剤、ジメチルスルホキシド、ジメチルスルホン、スルホランなどのスルホン系溶剤、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、アセトフェノンなどのケトン系溶剤、ジメチルエーテル、ジエチルエーテル、ジプロピルエーテル、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフランなどのエーテル系溶剤、クロロホルム、メチレンジクロリド、四塩化炭素、トリクロロエチレン、ジクロロエチレン、クロルベンゼンなどのハロゲン系溶剤、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリプロピレングリコールなどのアルコール系溶剤、フェノール、クレゾールなどのフェノール系溶剤、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族炭化水素系溶剤、ペンタン、ヘキサン、シクロヘキサン、ヘプタン、オクタンなどの飽和炭化水素系溶剤などが挙げられる。
【００３５】
また、酸性水溶液、アルカリ性水溶液については、ポリフェニレンスルフィド樹脂を分解する作用の無いものであれば特に制限は無く、酢酸、塩酸、硫酸、燐酸、有機カルボン酸、有機スルホン酸、各種水酸化アルカリ水溶液などが用いられる。
【００３６】
また、酸無水物、エポキシ基、イソシアネート基などの官能基を有する化合物で処理しても良い。
【００３７】
本発明で用いられる液晶ポリエステルは芳香族オキシカルボニル単位、芳香族ジオキシ単位、脂肪族ジオキシ単位、芳香族ジカルボニル単位から選ばれる構造単位からなる。芳香族オキシカルボニル単位の具体例としてはｐ−ヒドロキシ安息香酸、６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸から生成する構造単位、芳香族ジオキシ単位の具体例としては４，４’−ジヒドロキシジフェニル、ヒドロキノン、３，３’，５，５’−テトラメチル−４，４’−ジヒドロキシビフェニル、ｔ−ブチルヒドロキノン、フェニルヒドロキノン、２，６−ジヒドロキシナフタレン、２，７−ジヒドロキシナフタレン、２，２−ビス（４−ヒドロキシフェニル）プロパン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルエーテルから生成する構造単位、脂肪族ジオキシ単位の具体例としてはエチレングリコール、プロピレングリコールから生成する構造単位、芳香族ジカルボニル単位の具体例としてはテレフタル酸、イソフタル酸、２，６−ナフタレンジカルボン酸、４，４’−ジフェニルジカルボン酸、１，２−ビス（２−クロロフェノキシ）エタン−４，４’−ジカルボン酸、４，４’−ジフェニルエーテルジカルボン酸から生成する構造単位が挙げられる。
【００３８】
好ましい液晶ポリエステルは、構造単位（９）、（１０）、（１１）からなる液晶ポリエステルである。
【００３９】
【化９】

【００４０】
【化１０】

【００４１】
【化１１】

【００４２】
ただし、式中Ｒ１は次の化学構造から選ばれた１種以上を表す。
【００４３】
【化１２】

【００４４】
また式中Ｒ２は次の化学構造から選ばれた１種以上を表す。ただし、Ｘは水素原子またはハロゲン原子を表す。
【００４５】
【化１３】

【００４６】
上記構造単位のうち、（１０）についてはＲ１が４，４’−ビフェニレン、１，４−フェニレン、ジメチレンであるものが好ましく、（１１）についてはＲ２が１，４−フェニレン、２，６−ナフタレンであるものが好ましい。
【００４７】
本発明で好ましく用いられる液晶ポリエステルは上記の如く構造単位（９）、（１０）、（１１）からなる共重合体である。その共重合組成は任意に選ぶことができるが、次のような組成が好ましい。
【００４８】
上記構造単位（９）及び（１０）の合計は構造単位（９）、（１０）および（１１）の合計に対して３０〜９５ｍｏｌ％が好ましく、４０〜９０ｍｏｌ％がより好ましい。また、構造単位（１１）は構造単位（９）、（１０）および（１１）の合計に対して７０〜５ｍｏｌ％が好ましく、６０〜１０ｍｏｌ％がより好ましい。また、構造単位（９）の構造単位（１０）に対するｍｏｌ比［（９）］／［（１０）］は７５／２５〜９５／５であることが好ましく、より好ましくは７８／２２〜９３／７である。また、構造単位（１１）は構造単位（１０）と実質的に等モルであることが好ましい。ここで実質的に等モルとは、末端を除くポリマー主鎖を構成する構造単位が等モルであるが、末端を構成する構造単位としては必ずしも等モルとは限らないことを意味する。
【００４９】
本発明で好ましく用いられる上記液晶ポリエステルは上記構造単位（９）〜（１１）を構成する成分以外に、３，３’−ジフェニルジカルボン酸、２，２’−ジフェニルジカルボン酸などの芳香族ジカルボン酸、アジピン酸、アゼライン酸、セバシン酸、ドデカンジオン酸などの脂肪族ジカルボン酸、ヘキサヒドロテレフタル酸などの脂環式ジカルボン酸、クロロヒドロキノン、３，４’−ジヒドロキシジフェニル、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルホン、４，４’−ジヒドロキシジフェニルスルフィド、４，４’−ジヒドロキシベンゾフェノンなどのジフェノール、１，２−プロパンジオール、１，３−プロパンジオール、１，４−ブタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、ネオペンチルグリコール、１，４−シクロヘキサンジメタノールなどの脂肪族または脂環式ジオール、ｍ−ヒドロキシ安息香酸、２，６−ヒドロキシナフトエ酸などの芳香族ヒドロキシカルボン酸などを液晶性を損なわない範囲で共重合せしめることができる。
【００５０】
液晶ポリエステル樹脂の対数粘度には特に制限は無いが、ペンタフルオロフェノール中、０．１ｇ／ｄＬ濃度、６０℃で測定した値が０．５〜１５ｄＬ／ｇであることが好ましく、１〜１０ｄＬ／ｇであることが特に好ましい。
【００５１】
また、液晶ポリエステルの溶融粘度には特に制限は無いが、流動性の面から融点＋１０℃の温度、ずり速度１，０００ｓｅｃ-1での値が０．５〜２００Ｐａ・ｓｅｃであることが好ましく、０．５〜１００Ｐａ・ｓｅｃであることが好ましい。なお、ここで言う融点（Ｔｍ）とは示差走査熱量測定において、室温から２０℃／分の昇温条件で測定した時に観測される吸熱ピーク温度（Ｔｍ１）を観測後、Ｔｍ１＋２０℃の温度で５分間保持した後、２０℃／分の降温条件で室温まで冷却した後、再度２０℃／分の昇温条件で昇温した時に観測される吸熱ピーク温度（Ｔｍ２）のことを指す。
【００５２】
液晶ポリエステルの製造方法には特に制限が無く、公知のポリエステルの重縮合方法に準じて製造することができる。例えば次のような方法で製造できる。
（１）ｐ−ヒドロキシ安息香酸などのオキシカルボニル単位形成性成分を除く成分から得られたポリエステルとｐ−ヒドロキシ安息香酸とを乾燥窒素気流下で加熱溶融し、アシドリシス反応によって共重合ポリエステルフラグメントを生成させ、次いで減圧・増粘させる方法。
（２）ｐ−アセトキシ安息香酸および４，４’−ジアセトキシジフェニル、ジアセトキシベンゼンなどの芳香族ジヒドロキシ化合物のジアシル化物と２，６−ナフタレンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸から脱酢酸縮重合反応させる方法。
（３）ｐ−ヒドロキシ安息香酸および４，４’−ジヒドロキシジフェニル、ヒドロキノンなどの芳香族ジヒドロキシ化合物と２，６−ナフタレンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸に無水酢酸を反応させてフェノール性水酸基をアシル化した後、脱酢酸重縮合反応する方法。
（４）ｐ−ヒドロキシ安息香酸のフェニルエステル及び４，４’−ジヒドロキシジフェニル、ヒドロキノンなどのジフェノールと２，６−ナフタレンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸のジフェニルエステルから脱フェノール重縮合反応により液晶ポリエステルを製造する方法。
（５）ｐ−ヒドロキシ安息香酸および２，６−ナフタレンジカルボン酸、テレフタル酸、イソフタル酸などの芳香族ジカルボン酸に所定量のジフェニルカーボネートを反応させてそれぞれジフェニルエステルとした後、４，４’−ジヒドロキシジフェニル、ヒドロキノンなどのジフェノールを加え、脱フェノール重縮合反応により液晶ポリエステルを製造する方法。
（６）ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステルあるいはそのオリゴマーまたはビス（β−ヒドロキシエチル）テレフタレートなど芳香族ジカルボン酸のビス（β−ヒドロキシエチル）エステルの存在下で上記（２）または（３）の方法により液晶ポリエステルを製造する方法。
【００５３】
液晶ポリエステルの重縮合反応は無触媒でも進行するが、酢酸第１錫、テトラブチルチタネート、酢酸カリウム、酢酸ナトリウム、三酸化アンチモン、金属マグネシウムなどの金属化合物を使用することができる。
【００５４】
本発明で用いられる樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、ガラス繊維、チタン酸カリウムウィスカ、酸化亜鉛ウィスカ、硼酸アルミニウムウィスカ、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、セラミック繊維、アスベスト繊維、石コウ繊維、金属繊維などの繊維状充填剤、ワラステナイト、ゼオライト、セリサイト、カオリン、マイカ、クレー、パイロフィライト、ベントナイト、アスベスト、タルク、アルミナシリケートなどの珪酸塩、アルミナ、酸化珪素、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化鉄などの金属化合物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイトなどの炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどの硫酸塩、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、水酸化アルミニウムなどの水酸化物、ガラスビーズ、ガラスフレーク、セラミックビーズ、窒化ホウ素、炭化珪素およびシリカなどの非繊維状充填剤が挙げられ、これらは中空であってもよく、さらにはこれら充填剤を２種類以上併用することも可能である。また、より優れた機械的強度を得る目的でこれら繊維状／非繊維状充填材をイソシアネート系化合物、有機シラン系化合物、有機チタネート系化合物、有機ボラン系化合物、エポキシ化合物などのカップリング剤で予備処理して使用してもかまわない。
【００５５】
さらに、本発明の樹脂組成物には、タルク、カオリン、有機リン化合物、ポリエーテルエーテルケトンなどの結晶核剤、次亜リン酸塩などの着色防止剤、ヒンダードフェノール、ヒンダードアミンなどの酸化防止剤、熱安定剤、滑剤、紫外線防止剤、染料や顔料などの着色剤、帯電防止剤などの添加剤を添加することができる。
【００５６】
本発明の樹脂組成物の製造方法に特に制限は無い。炭素繊維、カーボンナノチューブ、熱可塑性樹脂、その他成分を一括してドライブレンドした後、押出機、ニーダー、バンバリーミキサーなどで溶融混練しても良いし、予め熱可塑性樹脂と炭素繊維を溶融押出したペレットとカーボンナノチューブ、その他成分を溶融混練しても良い。あるいはプルトルージョン法で製造した炭素繊維／熱可塑性樹脂ペレットと予め熱可塑性樹脂とカーボンナノチューブ、その他成分を溶融混練したペレットを更に溶融混練しても良い。
【００５７】
本発明の成形品の製造方法に特に制限は無く、射出成形、射出圧縮成形、プレス成形などを用いることができるが、生産効率の観点から射出成形が好ましい。炭素繊維、カーボンナノチューブ、熱可塑性樹脂、その他成分を一括してドライブレンドした後、そのまま射出成形しても良いし、一旦全成分を溶融押出してペレタイズしてから射出成形しても良い。あるいはプルトルージョン法で製造した炭素繊維／熱可塑性樹脂ペレットと予め熱可塑性樹脂とカーボンナノチューブ、その他成分を溶融混練したペレットをドライブレンドしてそのまま射出成形しても良いし、両ペレットを一旦溶融押出してペレタイズしてから射出成形しても良い。
【００５８】
【実施例】
以下に実施例を示し、本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれら実施例の記載に限定されるものではない。
【００５９】
以下の実施例においてポリフェニレンスルフィド系材料の評価用試験片は、東芝機械ＩＳ８０型射出成形機にて、シリンダー温度：３２０℃、金型温度：１４０℃、射出速度：７５％、射出圧力：充填下限圧力＋１０kg／cm²(G)の設定条件で射出成形することにより作成した。
【００６０】
また、液晶ポリエステル系材料の評価用試験片は、東芝機械ＩＳ８０型射出成形機にて、シリンダー温度：３４５℃、金型温度：１２０℃、射出速度：７５％、射出圧力：充填下限圧力＋１０kg／cm²(G)の設定条件で射出成形することにより作成した。
【００６１】
以下の実施例において、機械特性、ガス透過性、体積固有抵抗の評価は次の方法により行った。
引張特性：ＡＳＴＭＤ６３８に従って測定した。
曲げ特性：ＡＳＴＭＤ７９０に従って測定した。
アイゾット衝撃強度：ＡＳＴＭＤ２５６に従って測定した。
ガス透過性：水素ガスについては１ｍｍ厚みの試験片を使用し、ＪＩＳＫ７１２６に記載されているＡ法（差圧法）に従って２３℃、絶乾状態で測定した。また、水蒸気については２５μｍ厚みの試験片を使用し、ＪＩＳＺ０２０８に従って４０℃、９０％ＲＨで測定した。
体積固有抵抗：ＡＳＴＭＤ２５７に従って測定した。
数平均繊維長（Ｌ）、繊維径（ｄ）：ペレットまたは成形品を４５０℃×５時間、アルゴンガス雰囲気下において熱分解させて残った灰分から、１，０００本の繊維について顕微鏡観察により測定して算出した。
【００６２】
［参考例１］ポリフェニレンスルフィド樹脂の製造
攪拌機付きオートクレーブに水硫化ナトリウム水溶液４．６７ｋｇ（水硫化ナトリウム２５モル）、５０％水酸化ナトリウム２ｋｇ（水酸化ナトリウム２５モル）ならびにＮ−メチル−２−ピロリドン（以下ＮＭＰと略す。）８ｋｇを仕込み、攪拌しながら徐々に昇温し、水３．８ｋｇを含む留出水４．１Ｌを除去した。残留混合物に１，４−ジクロロベンゼン３．７５ｋｇ（２５．５モル）ならびにＮＭＰ２ｋｇを加えて２３０℃で１時間加熱した。反応生成物を温水で５回洗浄後、９０℃、ｐＨ４の酢酸水溶液２５Ｌ中に投入し、１時間攪拌した。ポリフェニレンスルフィド樹脂を濾過し、濾液のｐＨが７になるまで９０℃のイオン交換水で洗浄した後、８０℃で２４時間真空乾燥した。長さ３１．７５ｍｍ、径２．１０ｍｍのオリフィスを用い、温度３１６℃、荷重２０ｇで測定した時のメルトフローレイト（ＭＦＲ）は８７ｇ／ｍｉｎ、４５０〜５００℃で炭化させた後、５３８℃で６時間灰化させた時の灰分残さ量は０．１９重量％であった。
【００６３】
［参考例２］液晶ポリエステル樹脂の製造
ｐ−ヒドロキシ安息香酸９９５重量部、４，４’−ジヒドロキシジフェニル１２６重量部、テレフタル酸１１２重量部、固有粘度が０．６１ｄＬ／ｇのポリエチレンテレフタレート２１６重量部及び無水酢酸９６９重量部を攪拌翼、留出管を備えた反応容器に仕込み、重縮合を行った。芳香族オキシカルボニル単位８０ｍｏｌ％、芳香族ジオキシ単位７．５ｍｏｌ％、エチレンオキシ単位１２．５ｍｏｌ％からなり、融点（Ｔｍ）３１４℃、０．５ｍｍφ×１０ｍｍのオリフィスを用い、温度３２４℃、ずり速度１，０００ｓｅｃ^-1で測定した時の溶融粘度が１３Ｐａ・ｓｅｃのペレットを得た。
【００６４】
［参考例３］
径７ｍｍ、長さ４８ｍｍのグラファイト製スティックに、先端から中心軸に沿って径３ｍｍ、深さ２９ｍｍの穴を開け、この穴にロジウム：白金：グラファイト＝５：５：２の混合粉末を詰めてカーボンナノチューブ製造用陽極を作成した。一方、９９．９９８％純度のグラファイトからなる径１４ｍｍ、長さ３１ｍｍの陰極を作成した。これらの電極を真空チャンバーの中に設置し、純度９９．９％のヘリウムガスでチャンバー内部を置換し、直流アーク放電を行った。陽極と陰極の間隔を常に１〜２ｍｍに制御し、圧力６００ｔｏｒｒ、電流７０Ａで放電を行った。陰極上に生成したカーボンナノチューブを取り出した。内径５ｎｍ、外径１０ｎｍ、長さ１〜１０μｍの単層及び複層のグラファイト層からなるカーボンナノチューブが得られた。
【００６５】
［実施例１〜８］
参考例１、参考例２で製造したポリフェニレンスルフィド樹脂及び液晶ポリエステル樹脂に直径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（東レ製“トレカ”Ｔ３００）を数平均長さ６ｍｍに切断したチョップド繊維及び参考例３で製造したカーボンナノチューブを表１に示す比率で配合し、３０ｍｍφの２軸押出機を用いてポリフェニレンスルフィド樹脂の場合は樹脂温度３２０℃、液晶ポリエステル樹脂の場合には樹脂温度３４０℃で、スクリュー回転数１５０ｒｐｍで溶融混練し、樹脂組成物のペレットを製造した。このペレットを用いて射出成形により各種試験片を作製した。各種特性の評価結果を表１に示す。
【００６６】
【表１】

【００６７】
実施例１〜８より本発明の組成物は機械的特性、ガスバリア性、導電性に優れ、かつ射出成形可能な材料であることがわかる。
【００６８】
実施例１〜４より、炭素繊維の配合量を３０ｗｔ％に固定し、カーボンナノチューブ量を増量すると機械的特性が若干低下し、導電性が若干上昇することがわかる。
【００６９】
実施例５〜７より、炭素繊維とカーボンナノチューブの配合量を大きく変えても機械的特性、ガスバリア性、導電性に優れ、かつ射出成形可能な材料が得られるが、カーボンナノチューブを多量に配合しても導電性の大幅な向上は見られず、機械的特性は低下する傾向が見られる。
【００７０】
実施例８より、マトリックス樹脂を変えても機械的特性、ガスバリア性、導電性に優れ、かつ射出成形可能な材料が得られることがわかる。
【００７１】
［比較例１〜２］
各成分の配合比率を表２のようにする以外は実施例１と同様にして樹脂組成物を製造した。配合比率および特性評価結果を表２に示す。
【００７２】
【表２】

【００７３】
比較例１〜２より、カーボンナノチューブ又は炭素繊維の一方が欠けると機械的特性、ガスバリア性、導電性、射出成形性のすべてを満足する材料が得られないことがわかる。
【００７４】
［実施例９］
実施例３で製造した組成物を用い、図１に示す形状の金型を使用して樹脂温度３２０℃、金型温度１５０℃、冷却時間２０秒で連続射出成形を行った。連続１，０００ショットを越えても不良の無い成形品が安定して得られた。図１は、燃料電池セパレーター用に水素ガス、酸素ガスまたは空気の流路を形成させた平板であり、サイズ６６ｍｍ×８４ｍｍ、厚み３ｍｍである。当該平板には、ガス流路入り口Ａ、ガス流路出口Ｂおよびガス流路Ｃが備えられている。また、ガス流路の幅は２．５ｍｍ、深さは２ｍｍである。
【００７５】
［比較例３］
炭素粉末として粒径１１０μｍ以上かつ１６０μｍ以下の黒鉛粉末をエポキシ樹脂（油化シェルエポキシ製“エピコート”８０７）に２０：８０重量部の比率で混合し、次いで硬化剤（油化シェルエポキシ製“エピキュア”ＩＢＭＩ１２を４部添加して混合脱泡した。次いでこの材料を用い、温度１５０℃、圧力１０ＭＰａで４５分間プレス成形して各種評価試験片を作成した。更に成形後に１５０℃で６時間キュアした後、物性を評価した。結果を表２に示す。
【００７６】
表２からわかるように、導電性には優れるものの、機械的特性に劣ることがわかる。
【００７７】
［比較例４］
比較例３で調製した材料を用い、図１に示す形状の平板のプレス金型を使用して温度１５０℃、圧力１０ＭＰａ、プレス時間４５分で連続してプレス成形を行った。未充填、離型時破損などが発生し、１０ショットを越える連続プレス成形が出来なかった。
【００７８】
［比較例５］
参考例２で製造した液晶ポリエステル樹脂に膨張性黒鉛（住金ケミカル社製膨張性黒鉛ＴＥＧ８０ＬＴＥ−Ｕ）、カーボンブラック（ケッチェンブラックインターナショナル社製ケッチェンブラックＥＣ）、ピッチ系炭素繊維（三菱化学製ダイアリードＫ２２３ＱＧ）を表２に示す割合で配合し、溶融押出した。得られたペレットを用いて射出成形を試みたが成形できなかった。
また、温度３４０℃、圧力１０ＭＰａで溶融プレス成形を行って各種評価試験片を作成し、物性を評価した。結果を表２に示す。表２からわかるように、導電性には優れるものの機械的特性に劣ることがわかる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明を用いることにより、従来の方法では得られなかった成形性に優れかつ高度な導電性を有する燃料電池用セパレーターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例９、比較例４で使用した平板の平面構造図である。
【符号の説明】
Ａ：ガス流路入り口
Ｂ：ガス流路出口
Ｃ：ガス流路

Claims

炭素繊維及びカーボンナノチューブを含有し、炭素繊維の配合量が樹脂組成物全体の１０〜７０重量％、カーボンナノチューブの配合量が樹脂組成物全体の０．１〜１５重量％である熱可塑性樹脂組成物を成形して得られる燃料電池用セパレーター。
炭素繊維の数平均繊維長（Ｌ）と繊維径（ｄ）との比（Ｌ／ｄ）が１０〜１０，０００である請求項１記載の燃料電池用セパレーター。
熱可塑性樹脂がポリオレフィン、ポリアミド、ポリアセタール、非液晶ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリカーボネート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルイミドおよびこれらのブレンド物からなる群から選ばれる一種以上である請求項１または２記載の燃料電池用セパレーター。
熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルフィドまたは液晶ポリエステルである請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレーター。
熱可塑性樹脂がポリフェニレンスルフィドである請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレーター。
燃料電池用セパレーター中の炭素繊維の数平均繊維長（Ｌ）と繊維径（ｄ）との比（Ｌ／ｄ）が５〜５，０００である請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレーター。