JP5208199B2 - 燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物およびこれを用いて製造された燃料電池用高温型複合樹脂分離板 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用高温型複合樹脂分離板およびこの製造方法に関し、より詳細には、高温安全性および耐久性を向上させた燃料電池用高温型複合樹脂分離板およびこの製造方法に関する。

一般的に、燃料電池（Ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）とは、電気化学反応によって水素やメタノールなどの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化させる電気化学装置を言う。一般的に、水素を燃料とする燃料電池の場合、内部で水素の酸化反応および酸素の還元反応が起こり、この結果、電気と水が生成される特徴を有する。

このような燃料電池は、効率が高いだけでなく、多様な燃料を用いることができるため、未来のエネルギー源として関心が集まっている。

特に、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＭＦＣ、Ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）の場合には、環境的な側面において二酸化炭素などの大気汚染物質の放出を減らすことができ、他の燃料電池に比べて８０℃という比較的低い温度で作動する。さらに、電流密度が高く、高分子電解質を用いるため、電極の腐食および電解質の損失がなく、高い発電効率を有するという長所がある。

このような高分子電解質型燃料電池の基本構造は、高分子電解質膜を中心として両側に白金（Ｐｔ）または白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒が覆われた多孔質の燃料極（ａｎｏｄｅ）および空気極（ｃａｔｈｏｄｅ）が存在し、その外部には反応気体通路および集電体の役割をする分離板が位置する形態である。すなわち、燃料極と空気極の間に電解質膜を置いた後、電解質膜のガラス転移温度（Ｔｇ）以上、一定の圧力下で加熱圧搾して膜電極集合体（ＭＥＡ、Ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を製造した後、この外部に分離板を配置する。

この分離板は、両極板（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌａｔｅ）または流路板としても知られているが、その一側面には燃料極ガス流路が、その他側面には空気極ガス流路が形成される。燃料極ガス流路には燃料である水素が入って行き、空気極ガス流路には酸化剤である酸素または空気が流入し、電極表面においてこのように流入した燃料ガスの電気化学的酸化と酸化剤の電気化学的還元によって電気エネルギーが発生するようになる。

また、分離板は、燃料と酸化剤を供給する通路を提供すると同時に、燃料極で生成された電子を空気極側に伝導する集電の役割をし、電池運転中に生じる水を除去する通路の役割をする。

さらに、分離板は、ＭＥＡを支持する本体であり、スタック（ｓｔａｃｋ）をなすことができるようにし、反応熱を除去してスタックの温度を一定に維持するための冷却水通路の役割も行う。このような冷却水通路は、スタックに用いられるすべての分離板に形成したり、一部の分離板にのみ形成したりする。冷却水通路が形成される分離板の場合、一側には燃料が供給されて反対側には酸化剤が供給され、分離板中間に冷却水が供給される。この場合、一面にはガス流路が形成されて他面には冷却水通路が形成された分離板２枚を冷却水通路面が対向して接合することにより、分離板を完成するようになる。

このように製造される分離板は、強度を維持しながらも軽量でなければならず、生産される電子を効率的に伝達しなければならないため、優れた電気伝導性を備えなければならない。また、耐腐食性、堅固性が優れていなければならず、薄くて軽量でなければならなず、加工性が良く、低廉でありながらも寿命が長くなければならない。さらに、加湿した反応ガスの円滑な供給を実行しなければならず、電気化学反応によって生成される水の除去が必須で行われなければならない。

このような分離板としては、金属分離板および黒鉛分離板などが用いられていた。しかしながら、金属分離板は、加工性、腐食性などの問題により使用が制限されており、黒鉛分離板は、機械加工による流路成形費用が高いという問題点を有している。

したがって、これを解決しようと、高分子複合樹脂分離板に関する研究が活発に進められている。高分子複合樹脂分離板は、黒鉛粉末および高分子樹脂を混合した後、圧縮成形および射出成形を介して製造され、流路を含んだ分離板を機械加工なしで生産することができるという長所がある。

高分子複合樹脂分離板を用いる一般的な高分子電解質型燃料電池の作動温度は、大部分１００℃以下である。この場合、作動温度を１２０〜１５０℃に上げれば、分離膜の水素イオン伝導度が増加して膜加湿段階を減らすことができ、触媒の活性が増加して、用いられる触媒量およびＣＯ被毒現象を減らすことができるという長所がある。

しかしながら、既存の高分子燃料電池の高分子複合樹脂分離板は、１００℃以下では安定的に作動するが、１００〜１５０℃以上では屈曲強度（ｆｌｅｘｕｒａｌ ｓｔｒｅｎｇｔｈ）およびモジュラス（ｍｏｄｕｌｕｓ）などのような分離板の機械的物性が急激に減少することにより、分離板としての機能を失うという問題点を有している。すなわち、分離板に存在する既存の高分子成分や含量では、高温での円滑な作動が困難な状態である。したがって、このために、高温安全性および耐久性が優れた材料開発の要求が加速化している実情である。

米国特許第７０９０７９３号明細書

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するためのものであり、より詳細には、高温安全性および耐久性が優れた燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物およびこれを用いて製造された燃料電池用高温型複合樹脂分離板に関する。

本発明の一特徴に係る燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物は、黒鉛粉末１００重量部、カーボンブラック０．２〜１０重量部、およびシアネートエステル系樹脂０．１〜４０重量部を含む燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物を含む。

前記黒鉛粉末は、アスペクト比（ａｓｐｅｃｔ ｒａｔｉｏ）が１．５〜２である柱形状を有する黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）を含む。

前記カーボンブラックは、比表面積が５０〜１００ｍ² ／ｇである。

前記シアネートエステル系樹脂は、フェノールノボラック型シアネートエステル（ｐｈｅｎｏｌ ｎｏｖｏｌａｃ−ｂａｓｅｄ ｃｙａｎａｔｅ ｅｓｔｅｒ）樹脂、非フェノール型ジシアネートエステル（ｂｉｐｈｅｎｏｌ−ｂａｓｅｄ ｄｉｃｙａｎａｔｅ ｅｓｔｅｒ）樹脂、ビスフェノールＡ型ジシアネートエステル（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ａ−ｂａｓｅｄ ｄｉｃｙａｎａｔｅ ｅｓｔｅｒ）樹脂、ビスフェノールＥ型ジシアネートエステル（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ｅ−ｂａｓｅｄ ｄｉｃｙａｎａｔｅ ｅｓｔｅｒ）樹脂、ビスフェノールＦ型ジシアネートエステル（ｂｉｓｐｈｅｎｏｌ Ｆ−ｂａｓｅｄ ｄｉｃｙａｎａｔｅ ｅｓｔｅｒ）樹脂などを含む。

前記黒鉛粉末１００重量部に対して、前記シアネートエステル系樹脂は０．０５〜２０重量部であり、前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、エポキシ系樹脂０．０５〜２０重量部をさらに含むことができる。

前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、硬化促進剤０．０１〜１重量部をさらに含むことができる。

前記硬化促進剤としては、コバルト、銅、マンガン、鉛、ニッケル、および亜鉛などの金属がアセチルアセトン酸（ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、オクチル酸（ｏｃｔｏａｔｅ）、およびナフタレン酸（ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）形態で存在する遷移金属化合物（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔａｌ ｃｏｍｐｌｅｘｅｓ）触媒を用いることができる。

前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、離型剤０．１〜３重量部をさらに含み、前記離型剤は、カルナウバワックス（ｃａｒｎａｕｂａ ｗａｘ）などを用いることができる。

本発明の一特徴に係る燃料電池用高温型複合樹脂分離板は、前述の原材料組成物を用いて製造され、フェノール系トリアジン（ｐｈｅｎｏｌｉｃ ｔｒｉａｚｉｎｅ）の網状構造（ｃｒｏｓｓ−ｌｉｎｋｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）を含む。

前記フェノール系トリアジンの網状構造は、フェノール系シアネートエステル高分子が熱架橋されて形成される。

前記燃料電池用複合樹脂分離板は、エポキシ基およびシアネートエステル基が反応して形成されたオキサゾリン（ｏｘａｚｏｌｉｎｅ）構造をさらに含む。

上述したように、本発明に係る燃料電池用高温型複合樹脂分離板の組成物およびこれを用いた分離板は、１２０〜４００℃の範囲内で高温安全性および耐久性を提供することができる。すなわち、フェノール系シアネートエステル樹脂を用いて分離板内にフェノール系トリアジン網状構造を導入することにより、高温で物性安全性を向上させることができる。さらに、分離板は、高い屈曲強度を有しているため燃料電池の製造時に安定的なスタック締結が可能であり、高い伝導度を有することにより燃料電池の性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用分離板の原材料粉末製造装置を示す概念断面図である。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明の一特徴に係る燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物は、黒鉛粉末、カーボンブラック、シアネートエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、硬化促進剤、および離型剤を含む。

黒鉛粉末としては、板状の結晶構造を有する黒鉛を用いずに、アスペクト比が１．５〜２である柱形状（立体形状、ｂｌｏｃｋｙ）の結晶構造を有する１次人造黒鉛を用いる。

このように、柱形状または立体形状の結晶構造を有する黒鉛を用いれば、製造された分離板の屈曲現象が顕著に減少し、スタック締結時に優れた締結特性を示すことができる上に、製造される燃料電池の安全性を向上させることができる。

黒鉛粉末としては、平均粒子の大きさが５０〜１５０μｍであり、粒子の大きさ分布が狭いものを用いることが好ましい。

また、製造される分離板の長期耐久性に及ぶ影響を考慮して、黒鉛粉末の純度は９９．５％以上であることが好ましく、アッシュ含量（ａｓｈ ｃｏｎｔｅｎｔ）および金属の含量は小さいほど好ましい。

カーボンブラックは、分離板の貫通抵抗を減少させるために用いられ、カーボンブラックの比表面積（ＢＥＴ）は５０〜１００ｍ² ／ｇであることが好ましい。この場合、比表面積が５０ｍ² ／ｇ未満であれば、貫通抵抗の減少効果が不備である。一方、比表面積が１００ｍ² ／ｇを超過すれば、原材料粉末の製造時に均等な分散が困難となり、製造される分離板の物性を低下させることがある。

また、カーボンブラックのアッシュ含量は、０．１％未満であることが好ましい。

カーボンブラックの含量は、黒鉛粉末１００重量部に対して０．２〜１０重量部である。カーボンブラックが０．２重量部未満であれば、製造される分離板の貫通抵抗が極めて増加し得る。一方、１０重量部を超過すれば、製造される分離板の屈曲強度が顕著に減少し、高分子の硬化反応に悪影響を与え、加工性を低下させ得る。したがって、カーボンブラックの含量は、黒鉛粉末１００重量部に対して０．２〜１０重量部であり、好ましくは２〜５重量部である。

シアネートエステル系樹脂は、フェノールノボラック型シアネートエステル樹脂、非フェノールジシアネート型エステル樹脂、ビスフェノールＡ型ジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＥ型ジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＦ型ジシアネートエステル樹脂などを含む。

シアネートエステル系樹脂としては、フェノールノボラックシアネートエステル樹脂、非フェノールジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＡジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＥジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＦジシアネートエステル樹脂などを用いることができ、ジメチルビスフェノールＡジシアネート樹脂およびテトラオルトメチルビスフェノールＦジシアネート樹脂などのようにベンゼン環にメチル基が置換された形態を用いることもできる。シアネートエステル系樹脂は、単独または２つ以上の組み合わせで用いることができる。

シアネートエステル系樹脂の含量は、黒鉛粉末１００重量部に対して０．１〜４０重量部を用いる。この場合、シアネートエステル系樹脂の含量が黒鉛粉末１００重量部に対して０．１重量部未満であれば、製造される分離板の物性低下が増大することがあり、屈曲強度が減少し得る。一方、シアネートエステル系樹脂の含量が４０重量部を超過する場合には、製造される分離板の貫通抵抗が急激に増加することがある。

エポキシ系樹脂としては、エポキシ基が含まれたものであればすべて使用が可能であるが、熱的安全性を考慮して、フェノール基が含まれたものを用いることが好ましい。エポキシ系樹脂としては、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、ナフタレン環含有エポキシ樹脂、フェノールアラキル型エポキシ樹脂、非フェニル型エポキシ樹脂、置換式エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂などを用いることができる。

エポキシ系樹脂は、シアネートエステル系樹脂と共に使用が可能であり、黒鉛粉末１００重量部に対して総高分子４０重量部以内で共に用いることができる。

例えば、シアネートエステル系樹脂が０．０５〜２０重量部である場合、エポキシ系樹脂は０．０５〜２０重量部で用いることができる。分離板の貫通抵抗を勘案して、上述のようにシアネートエステル系樹脂とエポキシ系樹脂を混合して用いる場合にも、総高分子含量は４０重量部を超過しないことが好ましい。

上述のように、シアネートエステル系樹脂とエポキシ系樹脂を混合して用いる場合には、別途のエポキシ硬化剤を用いなくても良いが、効率的な硬化のために、イミダゾール型化合物、有機リン化合物、２次アミン、３次アミン、および４次アンモニウム塩などの硬化剤をさらに用いることもできる。

イミダゾール型化合物としては、イミダゾール、２−エチルイミダゾール、２−エチル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール、２−ウンデシルイミダゾール、１−ベンジル−２−メチルイミダゾール、２−ヘプタデシルイミダゾール、４，５−ジフェニルイミダゾール、２−メチルイミダゾリン、２−フェニルイミダゾリン、２−ウンデシルイミダゾリン、２−ヘプタデシルイミダゾリン、２−イソプロピルイミダゾリン、２，４−ジメチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−エチルイミダゾリン、２−イソプロピルイミダゾリン、２，４−ジメチルイミダゾリン、および２−フェニル−４−メチルイミダゾリンなどを用いることができる。

有機リン化合物としては、トリフェニルホスフィンなどを用いることができる。

２次アミンとしては、ピペリジンなどを用いることができ、３次アミンとしては、ジメチルベンジルアミン、トリス（ジメチルアミノメチル）フェノールなどを用いることができ、４次アンモニウム塩としては、テトラブチルアンモニウムブロマイド、テトラブチルアンモニウムクロライドなどを用いることができる。

硬化剤の含量は、黒鉛粉末１００重量部に対してシアネートエステル系樹脂が０．０５〜２０重量部であり、エポキシ系樹脂は、０．０５〜２０重量部である場合、硬化剤を０．００１〜１重量部を用いる。硬化剤の使用量が０．００１重量部未満であれば硬化剤の使用効果を見ることが困難であり、１重量部を超過すれば過度な架橋密度となる。

硬化促進剤は、コバルト、銅、マンガン、鉛、ニッケル、および亜鉛などの金属がアセチルアセトン酸、オクチル酸、およびナフタレン酸形態で存在する遷移金属化合物触媒を用いることができる。

硬化促進剤としては、アセチルアセトン酸コバルト（ｃｏｂａｌｔ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アセチルアセトン酸マンガン（ｍａｎｇａｎｉｃ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アセチルアセトン酸亜鉛（ｚｉｎｃ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アセチルアセトン酸銅（ｃｏｐｐｅｒ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アセチルアセトン酸ニッケル（ｎｉｃｋｅｌ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、アセチルアセトン酸チタン（ｔｉｔａｎｙｌ ａｃｅｔｙｌａｃｅｔｏｎａｔｅ）、オクチル酸マンガン（ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｏｃｔｏａｔｅ）、オクチル酸コバルト（ｃｏｂａｌｔ ｏｃｔｏａｔｅ）、オクチル酸亜鉛（ｚｉｎｃ ｏｃｔｏａｔｅ）、オクチル酸鉄（ｆｅｒｒｉｃ ｏｃｔｏａｔｅ）、オクチル酸スズ（ｔｉｎ ｏｃｔｏａｔｅ）、ナフタレン酸鉛（ｌｅａｄ ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）、ナフタレン酸マンガン（ｍａｎｇａｎｅｓｅ ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）、ナフタレン酸コバルト（ｃｏｂａｌｔ ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）、ナフタレン酸亜鉛（ｚｉｎｃ ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）、ナフタレン酸第２銅（ｃｕｐｒｉｃ ｎａｐｈｔｈｅｎａｔｅ）などを用いることができる。

硬化促進剤の含量は、黒鉛粉末１００重量部に対してシアネートエステル系樹脂が０．１〜４０重量部である場合、硬化促進剤を０．０１〜１重量部を含む。硬化促進剤の使用量が０．０１重量部未満であれば硬化の促進効果を見ることが困難であり、１重量部を超過すれば燃料電池分離板から金属イオンが湧出して燃料電池の性能低下を招来する。

離型剤としては、カルナウバワックスなどを用いることができる。離型剤は、分離板の圧出成形または射出成形時に分離板が金型から適切に分離するようにする役割を行う。

カルナウバワックスは、ポリエチレンワックス（ＰＥ ｗａｘ）、酸化ポリエチレンワックス（Ｏｘｉｄｉｚｅｄ ＰＥ ｗａｘ）などとは異なり、高分子硬化に影響を与えないと共に離型性を付与することができ、本発明のように架橋反応がある分離板原材料粉末の製造に適する。

離型剤の含量は、黒鉛粉末１００重量部に対して０．１〜３重量部を用いる。離型剤の含量が０．１重量部未満であれば適切な離型性を確保することが困難であり、含量が３重量部を超過すれば分離板の機械的物性の低下を招来することがある。

本発明の一特徴に係る燃料電池用高温型複合樹脂分離板は、原材料物質を準備するステップと、原材料物質を流動化コーティングして原材料粉末を製造するステップと、製造された原材料粉末を加熱および加圧して分離板を製造するステップとを介して製造されることができる。

分離板を製造するためには、まず、原材料物質を準備する。

原材料物質は、黒鉛粉末、カーボンブラック、シアネートエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、硬化促進剤、および離型剤などを含む。

黒鉛粉末、カーボンブラック、および離型剤を適切な比率で混合して粉末混合物を準備し、シアネートエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、および硬化促進剤をメチルエチルケトンやアセトンのような溶媒に適切な比率で溶かして高分子溶液を別途で準備する。

このように準備された粉末混合物および高分子溶液を用い、流動化コーティング工程を介して分離板原材料粉末を製造する。

以下、図１を参照しながら、流動化コーティング工程の一例を説明する。

図１を参照すれば、燃料電池用分離板原材料粉末製造装置１０００は、第１チャンバ領域１００と、第２チャンバ領域２００と、溶媒回収装置３００とを含む。

第１チャンバ領域１００は、溶液混合物を無化させるための噴霧ノズル１１０と、粉末混合物が投入される原料投入部１２０と、流動化ガスが注入されるガス注入部１３０とを備え、ガス注入部１３０は、ガス注入管１３２と、ガス注入管１３２に連結された加熱装置１３４と、加熱装置１３４と連結された温度制御装置１３６と、第１チャンバ領域の下部に配置されたガス分配板１３８とを備える。

第２チャンバ領域２００は、流動化ガスと溶液混合物の溶媒が排出されて溶媒回収装置３００に連結されるガス排出部２１０と、スカート領域２２０とを備える。

燃料電池用分離板原材料粉末製造装置を用いて燃料電池用原材料粉末を製造するためには、まず、流動化ガスをガス注入管１３２に連結された加熱装置１３４を介して適切な工程温度で加熱させる。この場合、加熱した流動化ガスの温度は、温度制御装置１３６を介して調節される。この後、加熱した流動化ガスをガス注入管１３２を介して第１チャンバ領域１００に流入させる。

また、流動化ガスとしては、一般的な空気（ａｉｒ）およびその他の多様なガスを用いることができるが、コーティング以外の付加反応および粉塵爆発（ｄｕｓｔ ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）などの可能性を抑制するために、窒素ガスを用いることが好ましい。

ガス注入管１３２を介して流動化ガスが持続して供給される間、原料投入部１２０には粉末混合物が供給される。

供給された粉末混合物は、第１チャンバ領域１００内に分散した後、スカート領域２２０およびシーブ５０によって形成された第１チャンバ領域１００内の流動化領域Ａで流動化する（第１流動化ステップ）。

この後、噴霧ノズル１１０を介しては、高分子溶液が噴霧される。

噴霧された高分子溶液は、流動化ガスによって既に流動化している粉末混合物と共に流動化する（第２流動化ステップ）。

本発明では、粉末混合物を第１流動化させ、続いて高分子溶液を噴霧して第２流動化させる方法を用いたが、場合によっては、粉末混合物と高分子溶液を同時に流動化させることもできる。

第１流動化および第２流動化が進められれば、流動化領域Ａにおいて粉末混合物上に高分子溶液がコーティングされる。この場合、粉末混合物に対する高分子溶液の量、高分子溶液の濃度、流動化ガスの注入速度、および流動化ガスの温度などを調節すれば、コーティング層の厚さを調節することができる。

また、第１流動化および第２流動化が進められれば、コーティングと共に高分子溶液内の溶媒乾燥も起こる。すなわち、コーティングされた粉末混合物上の溶媒成分が流動化ガスによって蒸発（ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ）しながら、粉末混合物上には高分子コーティング層のみが残るようになる。

溶媒成分を完全に乾燥するためには、粉末混合物の投入と高分子溶液の噴霧が終了した後にも、一定の時間流動化ガスを継続して注入しなければならず、流動化ガスの注入時間は、使用する溶媒の特性およびコーティング量に応じて調節することができる。

蒸発された溶媒成分は、流動化ガスと共にガス排出部２１０に排出され、このうち溶媒成分は、ガス排出部２１０に連結された溶媒回収装置３００に捕集される。

ガス排出部２１０に排出された流動化ガスは、フィルタなどを介して処理され、再使用することもできる。

原材料粉末の製造は、流動化コーティングチャンバ以外の一般的なコーティングミキサーなどの装備を用いることもできるが、流動化コーティングチャンバを用いれば均一なサイズ分布を有する原材料粉末を得ることができ、別途の粉砕過程なしで、粉末材料の表面に高分子がコーティングされない部分が露出したり粉末材料自体が粉砕するという問題点を解決することができる。

上述では、高分子溶液は、シアネートエステル系樹脂とエポキシ系樹脂をすべて含むものを例示したが、これとは異なり、シアネートエステル系樹脂を単独でのみ用いることができる。

この後、シアネートエステル系樹脂とエポキシ系樹脂をすべて含んで製造された分離板原材料粉末を用い、圧縮および射出成形法で燃料電池用分離板を製造する。成形時に原材料粉末に加えられる熱により、シアネートエステル系樹脂単独またはシアネートエステル系樹脂とエポキシ樹脂が共に反応して網状構造を有するようになり、熱的および機械的強度を備えた分離板が成形される。この場合、最終の燃料電池用分離板は、フェノール系トリアジン構造およびオキサゾリン（ｏｘａｚｏｌｉｎｅ）構造を含んだ網状構造を有する。

フェノール系トリアジン構造を含んだ網状構造は、下記の化学式のように示すことができる。

架橋されたシアネートエステル系樹脂は、化学式の構造を基本とし、周辺にフェニル基、非フェノール基、ビスフェノール基、および置換された形態のフェニル基、非フェノール基、ビスフェノール基などの構造をさらに含む。

一例として、シアネートエステル系樹脂のうちフェノールノボラックシアネートエステル樹脂は、熱によって架橋され、下記の反応式１のようなフェノール系トリアジンの網状構造を形成する。

上述のようにフェノール系トリアジン網状構造が形成されれば、分離板は高い熱的安全性および物理的性質を有するようになる。分離板の熱的安全性は、使用する高分子種類に応じて１２０〜４００℃まで調節することができる。

フェノール系トリアジンの網状構造を形成する熱硬化反応は、速度が極めて遅い。したがって、熱硬化反応を加速化するためには、遷移金属化合物触媒などのように適切な硬化促進剤を用いることが好ましい。

オキサゾリン網状構造は、シアネートエステル系樹脂のシアネートエステル基とエポキシ系樹脂のエポキシ基が反応して形成され、オキサゾリン構造が形成される反応式は、下記の反応式２に示す。

上記反応式２において、Ｒはシアネートエステル系樹脂からシアネートエステル作用基を除いた残りの作用基を含み、Ｒ’はエポキシ系樹脂からエポキシ作用基を除いた残りの作用基を含む。

結局、燃料電池用分離板は、フェノール系トリアジン網状構造を単独で含むこともでき、これとは異なり、フェノール系トリアジン網状構造およびオキサゾリン構造をすべて含むこともできる。

以下、具体的な実施例および比較例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。しかしながら、下記の実施例によって本発明の技術的思想が限定されるものではない。
〔実施例１〕
平均直径が７５μｍであり、粒子のアスペクト比が１．５である人造黒鉛粉末１００重量部、ノボラックシアネートエステル樹脂１７重量部、エポキシ系樹脂１７重量部、コバルトアセチルアセトネート０．０１重量部、カルナウバワックス０．１重量部の比率で混合して流動化コーティングチャンバを介してコーティングして、分離板用原材料粉末を製造した。

製造装置を用いて製造された最終粉末の平均直径は約１５μｍ、粒度分布均一度は約０．３と極めて均一な分離板原材料粉末を得ることができた。

上述のように製造された原材料粉末を用い、２２５℃、１４．２ＭＰａ、５分の条件で分離板を製造した。
（１）屈曲強度測定
上述のように製造された分離板を用い、ＡＳＴＭ Ｄ６４０方式で分離板の屈曲強度を測定し、その結果を表１に示した。
（２）電気伝導度測定
上述のように製造された分離板を用い、ＡＳＴＭ ＡＳＴＭ Ｃ６１１方式で分離板の貫通抵抗を測定して電気伝導度に換算し、その結果を表１に示した。
（３）モジュラスおよびガラス転移温度測定
上述のように製造された分離板を用い、動力学的分析装置（ＤＭＡ、Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒ）を用いて分離板の温度によるモジュラス変化およびガラス転移温度を測定した。測定条件は、昇温速度２℃／ｍｉｎ、振動１０Ｈｚ、５０μｍ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）、ｓｉｎｇｌｅ ｃｌａｍｐを用い、その結果を表１に示した。
［比較例１］
ＳｈｉｎＥｔｓｕ社の分離板を用い、実施例１のように屈曲強度、電気伝導度、ガラス転移温度、およびモジュラスを測定して表１に示した。
［比較例２］
Ｅｎｔｅｇｒｉｓ社の分離板を用い、実施例１のように屈曲強度、電気伝導度、ガラス転移温度、およびモジュラスを測定して表１に示した。

表１で示すように、本発明に係る分離板の屈曲強度および電気伝導度は、比較例の分離板に比べて優れていることが分かった。

さらに、本発明に係る分離板のガラス転移温度は、比較例に係る分離板のガラス転移温度に比べて同等以上を示し、１５０℃でのモジュラスも比較例に比べて優れていることが分かった。

上述したように、本発明の好ましい実施形態を参照して説明したが、該当の技術分野において熟練した当業者にとっては、特許請求の範囲に記載された本発明の思想および領域から逸脱しない範囲内で、本発明を多様に修正および変更させることができることを理解することができるであろう。すなわち、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められ、発明を実施するための最良の形態により制限されるものではない。

５０ シーブ
１００ 第１チャンバ領域
１１０ 噴霧ノズル
１２０ 原料投入部
１３０ ガス注入部
１３２ ガス注入管
１３４ 加熱装置
１３６ 温度制御装置
１３８ ガス分配板
２００ 第２チャンバ領域
２１０ ガス排出部
２２０ スカート領域
３００ 溶媒回収装置
１０００ 燃料電池用分離板原材料粉末製造装置

Claims (11)

1. 黒鉛粉末１００重量部と、
   カーボンブラック０．２〜１０重量部と、
   シアネートエステル系樹脂０．１〜４０重量部と、
   を含む燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
2. 前記黒鉛粉末は、アスペクト比が１．５〜２である柱形状を有する黒鉛からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
3. 前記カーボンブラックは、比表面積が５０〜１００ｍ^２／ｇであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
4. 前記シアネートエステル系樹脂は、フェノールノボラック型シアネートエステル樹脂、非フェノール型ジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＡ型ジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＥ型ジシアネートエステル樹脂、ビスフェノールＦ型ジシアネートエステル樹脂からなる群から選択された少なくとも１つの樹脂を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
5. 前記シアネートエステル系樹脂は０．０５〜２０重量部であり、前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、エポキシ系樹脂０．０５〜２０重量部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
6. 前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、硬化促進剤０．０１〜１重量部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
7. 前記硬化促進剤は、コバルト、銅、マンガン、鉛、ニッケル、および亜鉛の金属がアセチルアセトン酸、オクチル酸、およびナフタレン酸形態で存在する遷移金属化合物の群から選択された少なくとも１つの硬化促進剤を含むことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
8. 前記複合樹脂分離板の原材料組成物は、離型剤０．１〜３重量部をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板の原材料組成物。
9. 請求項１から８までの何れか１項に記載の原材料組成物を用いて製造された燃料電池用高温型複合樹脂分離板であって、
   フェノール系トリアジンの網状構造を含むことを特徴とする燃料電池用高温型複合樹脂分離板。
10. 前記フェノール系トリアジンの網状構造は、フェノール系シアネートエステル高分子が熱架橋されて形成され、下記の化学式１で表示される単位構造を含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板。
    

    
11. エポキシ基およびシアネート基が反応して形成されたオキサゾリン構造をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用高温型複合樹脂分離板。

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