JP4832753B2 - 燃料電池用セパレータ用樹脂組成物及び燃料電池用セパレータ - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの成形材料となる燃料電池用セパレータ用樹脂組成物並びに燃料電池用セパレータに関する。

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。

燃料電池用セパレータは、樹脂と黒鉛等の炭素材料とを含む成形材料を上記したような形状に成形して製造されるのが一般的である。成形方法には、圧縮成形、射出成形等があげられるが、いずれの成形方法においても成形後、離型する際に金型に貼り付く等して、離型が困難であった。燃料電池用セパレータ１０では寸法精度が重要であり、特に隔壁１２の寸法精度が低いとチャネル１３のシール性が低下して反応ガスが漏洩し、発電効率が低下する。離型性が悪いと寸法精度の低下をもたらし、離型性が極端に悪い場合は離型時に燃料電池用セパレータを破壊することもある。また、離型後の金型掃除に時間と手間がかかるとともに、掃除の際に金型が傷つく、磨耗する等の問題もある。

離型性の向上のため、金型にシリコーンオイルやフッ素化合物等のスプレー式の離型剤を塗布することが一般に行なわれるが（例えば、特許文献１参照）、離型効果は十分とは得ない。また、スプレー式離型剤は金型を汚染しやすく、汚染が進むと離型性がかえって悪化するため、定期的に金型を洗浄する必要があり、製造コストの増加をもたらす。

また、ステアリン酸等で表面処理した炭素材料を配合した成形材料（例えば、特許文献２参照）や、ワックス類を配合した成形材料（例えば、特許文献３参照）を用いて成形性や離型性を向上させることも行なわれている。しかし、これらの方法では、ステアリン酸やワックス類が燃料電池用セパレータの表面にブルームして、導電性を低下させることがある。

その他にも、炭素材料の添加量を少なくすれば、離型性が向上することが知られているが、導電性が低くなる。

特開２００４−１４６２２９号公報 特開２００２−２９４０７９号公報 特開２００３−８６１９８号公報

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、離型性に優れ、寸法精度が高く高性能の燃料電池用セパレータを低コストで製造し得る燃料電池用セパレータ用樹脂組成物を提供することを目的とする。また、前記燃料電池用セパレータ用樹脂組成物からなり、寸法精度が高くシール性に優れ、高性能で、しかも安価な燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は以下を提供する。
（１）金型を用いて燃料電池用セパレータに成形される樹脂組成物であって、
樹脂と、硬化剤と、硬化促進剤と、炭素材料と、グリセリンモノベヘネート及びグリセリンモノステアレートから選ばれる加工助剤とを含有し、かつ、
樹脂と硬化剤と硬化促進剤と加工助剤の合計量に対する炭素材料の割合が１．５６以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。

（２）加工助剤の配合量が組成物全量の0.1〜10質量％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用樹脂組成物。
（３）樹脂が熱硬化性樹脂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用樹脂組成物。
（４）樹脂としてエポキシ樹脂を含有することを特徴とする上記（３）記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。
（５）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）〜（４）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。
（６）上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物からなること特徴とする燃料電池用セパレータ。

本発明によれば、特定の加工助剤を配合することにより、離型性を高めることができ、寸法精度が高くシール性に優れた、高性能の燃料電池用セパレータが得られる。しかも、不良率が低下し、金型の洗浄頻度も低く、低コスト化を図ることもできる。さらに、成形体表面に残留した離型剤のため、導電性が悪化する場合がある。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物（以下、樹脂組成物という）は、樹脂と、炭素材料と、後述する特定の加工助剤とを含む。

樹脂は熱硬化性樹脂が好適であり、具体的にはフェノール樹脂、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、メラミン樹脂等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ができる。特にエポキシ樹脂は、強度の高い燃料電池用セパレータが得られるため好ましい。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、グル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が挙げられるがこれらに限定されない。これらエポキシ樹脂の硬化剤としては、フェノール樹脂やアミン化合物、酸無水物、ポリアミノアミド化合物、ジシアンアミド、イミダゾール化合物、ポリメルカプタン化合物、イソシアネート化合物等が挙げられるがこれらに限定されない。

また、硬化促進剤としては、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；ＢＦ_３やその錯体のようなカチオン重合触媒が挙げられるがこれらに限定されない。添加量は反応速度に応じて決定することができる。一般的に使用される硬化促進剤の添加量は、硬化剤に対し、1〜30質量％、好ましくは3〜20質量％、さらに好ましくは5〜15質量％である。

尚、樹脂や硬化剤、硬化促進剤の種類や使用量は、成形機の形態や成形体の形状、成形条件にあわせて適宜選択すればよく、当業者であれば容易に配合を選定できるであろう。

炭素材料は、膨張黒鉛を含むことが好ましい。通常の鱗片状黒鉛は、薄板上の結晶が積層されたものである。これに対して、膨張黒鉛とは、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ントさせ、さらに加熱してインターカレントされた薬液が気化する再に薄板上結晶の隙間を広げることによって得られる黒鉛を指す。膨張黒鉛は、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上となっている。このため、樹脂と混合した際に容易に導電パスを形成し、機械的な補強効果を発現するため、高導電性で高強度の燃料電池用セパレータを得ることができる。また、使用量を低減でき、相対的に樹脂量を増すことができるため、樹脂組成物の流動性が高まり、金型に隙間無く充填でき、寸法精度を高める上でも有利である。

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、それ以外を他の炭素材料としても良い。他の炭素材料としては、例えば、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が挙げられるが、これらに限定されない。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、均一に分散せず、得られる燃料電池用セパレータも導電性及び機械的強度が低いものとなる。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。

また、樹脂組成物において、樹脂と硬化剤と硬化促進剤と加工助剤の合計量に対する炭素材料の割合は１．５６以下である。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、離型性が悪くなるため問題である。

樹脂組成物には、グリセリンモノベヘネート及びグリセリンモノステアレートから選ばれる加工助剤が配合される。

加工助剤は、その一部は燃料電池用セパレータの表面に移行し、金型と燃料電池用セパレータとの接着を阻害して離型性を向上させる。但し、加工助剤の配合量が多すぎる場合は、加工助剤による厚い絶縁層が形成されるため、燃料電池用セパレータの導電性が悪化する。また、加工助剤の残部は燃料電池用セパレータの内部に残留するため、過剰に残存すると燃料電池用セパレータの機械的特性を損ない、強度を低下させる。このような理由から、本発明における加工助剤の配合量は0.1〜10重量％が好ましい。

上記樹脂組成物には、必要に応じて、種々の樹脂用添加剤を配合することができる。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。

また、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、炭素材料、加工助剤及び添加剤等をドライミックスすることができる。また、樹脂を加熱溶融または溶剤に溶解させ、そこへ炭素材料、加工助剤、添加剤等を添加して混合しても良い。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よい。

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あげられるがこれらに限定されない。されに必要に応じて混合した材料を粉砕または造粒、さらには分級することもできる。

こうして得られた樹脂組成物を成形することにより、燃料電池用セパレータが得られる。成形方法としては、例えば、以下に示す圧縮成形がある。すなわち予熱した金型に上記樹脂組成物を充填し、樹脂と硬化剤に応じた温度で加熱圧縮した後、金型から取り出せばよい。金型の温度は150℃〜220℃程度が一般的に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しても良いが、成形方法はこれらに限定されない。上記のように、樹脂組成物に含まれる特定の加工助剤により離型性が向上しており、金型への付着もなく、寸法精度に優れた燃料電池用セパレータとなる。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。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明更に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。

（成形材料の作製）
表１に示す配合（但し、使用加工助剤は表２に記載）に従い、配合物約500グラムを70℃に昇温した加圧ニーダーで3分間混練して成形材料を調製した。

（成形体の作製及び離型性評価）
成形材料35ｇを、予め170℃に余熱した25×25×2ｔの金型（鏡面仕上げのプリハードン鋼製、スプレー式離型剤は未塗布）に充填し、170℃に昇温した熱プレスで30tonの圧力で10分間圧縮成形して成形体を作製した。また、このときの金型からの離型性を評価した。離型性の評価基準は下記の通りであり、結果を表２に示す。
◎：金型を開くと同時に、成形体が自然に離型する。
○：離型可能で金型に成形体が残らない。
△：離型可能であるが、成形体の一部が金型に残る。
×：金型に貼り付きが激しい。金型を強制的に開くと、層間剥離を起こし、金型の両面に残る。

（導電性の評価）
形成体について、図２に示す方法で貫通方向の抵抗を測定して導電性の評価を行った。試験体から切り出した試料21を、カーボンペーパー22を介して電極23にセットし、電極間に流した電流（電流計24で測定）とカーボンペーパー間の電圧（電圧計25で測定）から電気抵抗を計算し、さらにこれに試料面積を掛けて貫通方向の抵抗率とした。結果を表２に示す。なお、離型性評価で◎または○のものはそのまま試験体としたが、離型性評価で△または×となった材料は、スプレー式離型剤を塗布して離型性評価とは別に成形したもの試験体として導電性を評価した。

表２に示すように、本発明に従い特定の加工助剤を用いることにより、離型性が良好となる。また、得られる成形体も導電性も低いものとなり、燃料電池用セパレータに好適である。これに対し、他の加工助剤を用いても離型性が悪く、離型できずに成形体の導電性の評価を行なうことができないものが多く、また、加工助剤の表面への移行のため導電性が悪化する場合がある。

燃料電池用セパレータの一例を示す概略斜視図である。 実施例における全抵抗の測定方法を示す概略図である。

符号の説明

１０ 燃料電池用セパレータ
１１ 平板部
１２ 隔壁
１３ チャネル

Claims (6)

1. 金型を用いて燃料電池用セパレータに成形される樹脂組成物であって、
   樹脂と、硬化剤と、硬化促進剤と、炭素材料と、グリセリンモノベヘネート及びグリセリンモノステアレートから選ばれる加工助剤とを含有し、かつ、
   樹脂と硬化剤と硬化促進剤と加工助剤の合計量に対する炭素材料の割合が１．５６以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。
2. 加工助剤の配合量が組成物全量の0.1〜10質量％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用樹脂組成物。
3. 樹脂が熱硬化性樹脂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用樹脂組成物。
4. 樹脂としてエポキシ樹脂を含有することを特徴とする請求項３記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。
5. 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１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用樹脂組成物からなること特徴とする燃料電池用セパレータ。

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