JP5249609B2

JP5249609B2 - 燃料電池セパレータ及びその製造方法

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Publication number: JP5249609B2
Application number: JP2008063066A
Authority: JP
Inventors: 亨伊藤; 広志山本
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-03-12
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2028-03-12
Also published as: JP2009218170A

Description

本発明は、燃料電池に組み込まれる燃料電池セパレータ及びその製造方法に関する。

一般に燃料電池は複数の単位セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタックから成り、これにより所定の電圧を得ている。

単位セルの最も基本的な構造は、「燃料電池セパレータ／燃料電極（アノード）／電解質／酸化剤電極（カソード）／燃料電池セパレータ」という構成を有している。この単位セルにおいては、電解質を介して対向する一対の電極のうち燃料電極に燃料を、酸化剤電極に酸化剤を供給して、電気化学反応により燃料を酸化させることにより、反応の化学エネルギーを直接電気化学エネルギーに変換するものである。

このような燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力が得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。

図１は固体高分子型燃料電池の一例を示すものであり、左右両側面に複数個の凸部（リブ）１ａが形成されている２枚の燃料電池セパレータ１，１の間に、固体高分子電解質膜２とガス拡散電極（燃料電極と酸化剤電極）３，３とを介在させて、単電池（単位セル）が構成され、この単位セルを数十個〜数百個並設して電池本体（セルスタック）が形成されている。このとき、隣り合う前記凸部１ａ同士の間に、燃料である水素ガスと酸化剤である酸素ガスの流路となるガス供給排出用溝４が形成される。

このようなセルスタックは、例えば家庭用定置型のものでは５０〜１００個の単位セルで構成し、また自動車積載用では４００〜５００個の単位セルで構成される。

この固体高分子型燃料電池は、燃料電極に流体である水素ガスを、酸化剤電極３に流体である酸素ガスを供給することにより、外部回路より電流を取り出すものであるが、この際、各電極３においては下記式に示したような反応が生じている。
燃料電極３反応：Ｈ₂→ ２Ｈ⁺＋２ｅ^-…（１）
酸化剤電極３反応：２Ｈ⁺＋２ｅ^-＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ…（２）
全体反応：Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
即ち、燃料電極上で水素（Ｈ₂）はプロトン（Ｈ⁺）となり、このプロトンが固体高分子電解質膜中を酸化剤電極上まで移動し、酸化剤電極上で酸素（Ｏ₂）と反応して水（Ｈ₂Ｏ）を生ずる。従って、固体高分子型燃料電池の運転には、反応ガスの供給と排出、電流の取り出しが必要となる。

また、固体高分子型燃料電池は、通常、室温〜１２０℃以下の範囲での湿潤雰囲気下での運転が想定されており、そのため水が液体状態で扱われることが多くなるので、燃料電極への液体状態の水の補給管理と酸化剤電極からの液体状態の水の排出が必要となる。

このような燃料電池を構成する部品のうち、燃料電池セパレータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、薄肉の板状体の片面又は両面に複数個のガス供給排出用溝４を有する特異な形状を有しており、燃料電池内を流れる燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水が混合しないように分離する働きを有すると共に、燃料電池セルで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、燃料電池セルで生じた熱を外部へ放熱するという重要な役割を担っている。

上記燃料電池セパレータ１に関して、一般に次のような要求がなされている。即ち、（１）高導電性、（２）腐食性電解質に対する耐腐食性（耐酸性）、（３）ガスを分離するための気密性、（４）燃料電池に組み立て時のボルトとナットによる締め付け等の組み込み作業時に燃料電池セパレータ１に割れやヒビが生じないための強度、更には機械的強度を有すること、特に自動車等の移動用電源として用いる場合には優れた耐振動性及び耐衝撃性を有すること、さらに耐クリープ性、（５）複雑な形状を形成するための成形性、（６）低コスト性、（７）耐膨潤性（水や硫酸水溶液に浸しても膨潤しないもの）、（８）耐熱性（反応時の発熱（９０〜１２０℃）に耐えること）、（９）液体状態の水が溜まらないこと等の要求特性を同時に満たすことが求められている。

このような固体高分子型燃料電池の燃料電池セパレータ１としては、生産性やコストの面から有利な各種の熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂をバインダーとして用いた炭素組成物の成形品が提案されている。

ところで、上記のような炭素組成物の成形品である燃料電池セパレータ１の表面には、スキン層と呼ばれる樹脂の層が形成されやすくなる。このスキン層は、燃料電池セパレータ１の表面における電気抵抗の増大を引き起こす。その結果、燃料電池セパレータ１と電極３との間、或いは隣り合う燃料電池セパレータ１同士の間における接触抵抗が増大し、燃料電池の出力低下を引き起こしてしまう。このため、前記接触抵抗の低減が望まれており、具体的には燃料電池セパレータ１と電極３との接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ²未満となることが要求されていた。そこで、燃料電池セパレータ１の製造時にはブラスト処理等によるスキン層の除去が行われていた。

また、上記燃料電池セパレータ１と電極３等との接触抵抗には、スキン層の有無だけではなく、スキン層が除去された後の燃料電池セパレータ１の表面粗さも関係することが知られるようになってきている。そこで、従来、燃料電池セパレータ１と電極３との接触抵抗を低減する目的で、燃料電池セパレータ１における電極３との接触面を所定の表面粗さとすることが提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。
特許第３５０４９１０号公報特開２００４−６４３２号公報特開平１１−２９７３３８号公報特開２００２−２７０２０３号公報特開２００３−１３２９１３号公報

上記の通り、燃料電池セパレータ１と電極３等との接触抵抗の低減のために種々の試みがなされているが、燃料電池の性能向上のためには、前記接触抵抗の更なる低減が求められている。

本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、電極との接触抵抗、及び隣り合う他の燃料電池セパレータとの接触抵抗が低減された燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セパレータ１は、合成樹脂と導電性材料とを含む組成物の成形体で形成される。この燃料電池セパレータ１は、電極３との接触面、および隣接する他の燃料電池セパレータ１との接触面のスキン層が除去されており、これらの接触面の、プローブ先端径５μｍの表面粗さ計で測定される算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲であり、且つレーザ顕微鏡で測定される負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上であることを特徴とする。この場合、燃料電池セパレータ１の電極３との接触面、及び他の燃料電池セパレータ１との接触面の接触抵抗が低減し、この燃料電池セパレータが組み込まれた燃料電池の性能向上に寄与することができる。

上記合成樹脂は、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することが好ましい。このフェノール樹脂とエポキシ樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。

また、上記導電性材料は、天然黒鉛であることが好ましい。天然黒鉛は結晶性が高いことから、接触抵抗値の低減への寄与が大きく、また硬度が低いことから、接触面積が表面粗度に影響されにくい点で、適している。

また、この燃料電池セパレータ１は、粒度＃２４０〜＃４００の範囲のアルミナ粒子からなるブラスト砥粒によるブラスト処理が施されていることが好ましい。この場合、確実に、かつ、効率的に所定の表面粗さを有する燃料電池セパレータの製造が可能とされる。

本発明によれば、燃料電池セパレータ１の電極３との接触面、及び他の燃料電池セパレータ１との接触面の接触抵抗が低減し、この燃料電池セパレータが組み込まれた燃料電池の性能向上に寄与することができる。

以下本発明を実施するための最良の形態を説明する。

本発明に係る燃料電池セパレータ１は、合成樹脂と導電性材料とを含有する組成物（燃料電池セパレータ用組成物）を成形することによって、製造される。

燃料電池セパレータ用組成物中に導電性材料を含有させることは、燃料電池セパレータ１の電気比抵抗の低減に寄与し、燃料電池セパレータ１の導電性が向上する。この導電性材料としては黒鉛粒子が挙げられる。

黒鉛粒子の含有量は、好ましくは組成物全量に対して６０〜９０質量％であり、更に好ましくは７５〜９０質量％である。この黒鉛粒子の割合が過少であると燃料電池セパレータ１に必要とされる導電性が十分に得られなくなるおそれがあり、また過剰であると燃料電池セパレータ１に必要とされるガス透過性や成形性が十分に得られなくなるおそれがある。

黒鉛粒子の粒径は特に制限されないが、平均粒径３〜１５０μｍの範囲が特に好ましい。前記平均粒径が３μｍ未満になると成形性が低下してしまい、１５０μｍを超えると成形品の表面平滑性が損なわれる恐れがある。

また、黒鉛粒子としては、粒子のアスペクト比が１０以下のものが好ましい。このアスペクト比が１０を超えると、成形される燃料電池セパレータ１に異方性が生じ反りなどが生じる恐れがある。

この黒鉛粒子としては、高い導電性を示すものであれば制限なく用いられる。この黒鉛粒子の具体例としては、例えば、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したものの他、黒鉛電極３や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等のような、適宜のものが挙げられる。このような黒鉛粒子は、一種のみが用いられるほか、複数種が併用されても良い。

黒鉛粒子は、人造黒鉛、天然黒鉛のいずれでも良いが、特に天然黒鉛は結晶性が高いことから、接触抵抗値の低減への寄与が大きく、また天然黒鉛は人造黒鉛に比べて硬度が低いことから、接触面積が表面粗度に影響されにくいという特徴を有している。尚、人造黒鉛は天然黒鉛粉に比べて導電性は多少劣るものの、異方性が少ないという利点がある。

また、黒鉛粒子が、特に球状の天然黒鉛粒子であると、黒鉛の結晶化度、すなわち導電性が高く、異方性もないことから流動性が良好で、導電性に優れた成形が可能となる。但し、球状黒鉛は導電パスを形成しにくい為、単体のみの使用では成形品としての導電性が低くなる。この為、異方性を有する黒鉛との併用が好ましい。

また、黒鉛粒子は、天然黒鉛、人造黒鉛のいずれからなるものであっても、精製されたものであることが好ましく、この場合は、灰分やイオン性不純物が低いため、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が抑制される。

ここで、黒鉛粒子における灰分は０．０５質量％以下であることが好ましく、また抽出水中のイオン性不純物が、黒鉛粒子全量に対して質量比率でナトリウム含量５ｐｐｍ以下、塩素含量５ｐｐｍ以下となるようにすることが好ましい。

上記の灰分が０．０５質量％を超えると燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。また、抽出水中のイオン性不純物がナトリウム含量５ｐｐｍを超え、或いは塩素含量５ｐｐｍを超える場合には、燃料電池セパレータ１を成形した場合に、不純物の溶出により燃料電池として特性低下が発生する恐れがある。

ここで、上記抽出水は、対象成分（ここでは黒鉛粒子）１０ｇに対してイオン交換水１００ｍｌの割合で、イオン交換水中に対象成分を分散させ、９０℃で５０時間処理したものであり、また抽出水中のイオン性不純物は、イオンクロマトグラフィにて評価されるものである。そして、導出される抽出水中のイオン性不純物量に基づいて、組成物中の対象成分中のイオン性不純物の総量を、この組成物中の対象成分の総量に対する質量比に換算して導出するものである。イオン性不純物の含有量は、黒鉛以外でも上記と同様の手法により測定される。

また、組成物中に含有される合成樹脂としては、樹脂成形に適用可能な適宜のものであれば、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれであっても採用される。特に前記合成樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、この熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂とフェノール樹脂のうちの、少なくとも一方を含むことが好ましい。これらエポキシ樹脂及びフェノール樹脂は、良好な樹脂粘度を有すると共に不純物が少ない点で、適している。殊にエポキシ樹脂はイオン性不純物が少ないため、特に優れている。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂、フェノール樹脂のうち少なくとも一方を含む場合は、熱硬化性樹脂全量に対して、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との合計量が、５０〜１００質量％の範囲にあることが好ましい。

またこれらの樹脂と共に、更にポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等から選択される一種又は複数種の樹脂が併用されても良いが、エステル結合を含む樹脂は耐酸性環境下で加水分解する恐れがある。これらの樹脂の中では、特に耐熱性や耐酸性の向上に寄与する点で、ポリイミド樹脂が適している。このようなポリイミド樹脂としては、特にビスマレイミド樹脂などが好ましく、例えば、４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが好ましい。この４，４−ジアミノジフェニルビスマレイミドが併用されることで燃料電池セパレータ１の耐熱性が更に高められる。

また、これらの熱硬化性樹脂は、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に熱硬化性樹脂全量に対して質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が更に低減する。

上記エポキシ樹脂は、固形状のエポキシ樹脂が好ましく、特に融点が７０〜１３０℃の範囲のエポキシ樹脂が好ましい。これにより、材料の変化が少なくなり、成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなエポキシ樹脂は、熱硬化性樹脂全量に対して５０〜１００質量％の割合で含有されていることが好ましい。

また、低粘度のエポキシ樹脂の使用も好ましい。この場合、組成物の成形性が維持され、また黒鉛粒子の高充填化も図られる。

また、上記フェノール樹脂は、特に開環重合により重合反応が進行するフェノール樹脂が好ましい。このようなフェノール樹脂としては、例えばベンゾオキサジン樹脂等を挙げることができる。この場合、成形工程で脱水によるガスが発生しないので成形品中にボイドが発生せず、ガス透過性の低下等が抑制される。このようなフェノール樹脂の含有量は、熱硬化性樹脂全量に対して５〜５０質量％の範囲が好ましい。

また、フェノール樹脂がレゾール型フェノール樹脂であることも好ましい。この場合、レゾール型フェノール樹脂は、例えば１３Ｃ−ＮＭＲ分析で、オルト−オルト２５〜３５％、オルト−パラ６０〜７０％、パラ−パラ５〜１０％の構造を有することが好ましい。レゾール樹脂は通常液状であるが、上記のレゾール型フェノール樹脂は軟化点の調整が容易であり、融点が７０〜８０℃のフェノール樹脂が容易に得られる。これにより、材料の変化が少なくなり成形時の取り扱い性が向上する。この融点が７０℃未満であると、組成物が凝集しやすくなって、取り扱い性が低下するおそれがある。このようなレゾール型フェノール樹脂の含有量は熱硬化性樹脂全量に対して１０〜７０質量％の範囲であることが好ましい。

また、組成物中には、必要に応じて硬化開始剤、硬化触媒、ワックス（離型剤）、カップリング剤等の添加剤を含有させることができる。このとき、組成物中には第一アミン及び第二アミンを含有させないことが好ましく、また更に第三アミンも含有させないことが好ましい。この場合、燃料ガスに混入した前記アミンによる燃料電池中の白金触媒の被毒が防止され、燃料電池が長時間使用される場合の起電力の低下が抑制される。

すなわち、エポキシ樹脂が使用される場合の硬化開始剤（硬化剤）は、非アミン系の化合物が好ましい。アミン系の場合は、燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。また硬化開始剤は、酸無水物系の化合物ではないことも好ましい。酸無水物系の化合物は硫酸酸性環境下等の耐酸性の環境下で加水分解することで、燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出が増大するおそれがある。

上記硬化開始剤（硬化剤）としては、特にフェノール系化合物が好ましい。この場合、成形品の特性が優れたものとなる。

硬化開始剤の含有量は適宜設定されるが、エポキシ樹脂に対する硬化開始剤の化学量論上の当量比が、１〜１．１２となることが好ましい。

また、エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒（硬化促進剤）としては、特に制限されないが、組成物中に第一アミン及び第二アミンを含有させないようにするため、非アミン系の化合物が好ましい。例えば、アミン系のジアミノジフェニルメタンなどは残存物が燃料電池の触媒を被毒する恐れがあって好ましくない。また、イミダゾール類は硬化後、塩素イオンを放出しやすくなるので不純物溶出の恐れがあり好ましくない。

エポキシ樹脂と共に使用される硬化触媒としては、好ましくはリン系化合物が用いられる。その一例としては、トリフェニルホスフィンが挙げられる。このようなリン系化合物を含有させると、成形品である燃料電池セパレータ１からの塩素イオンの溶出が抑制される。

上記のような硬化開始剤や硬化触媒も、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、それぞれ質量比率で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合、成形品である燃料電池セパレータ１からのイオン性不純物の溶出が更に抑制される。

上記硬化触媒の含有量は適宜調整されるが、好ましくはエポキシ樹脂に対して０．５〜３質量部の範囲とする。

また、組成物中にはカップリング剤を含有させることができる。このカップリング剤としては、適宜のものが用いられるが、組成物が第一アミン及び第二アミンを含有しないことが好ましいため、アミノシランではないことが好ましい。また、カップリング剤はメルカプトシランではないことも好ましい。メルカプトシランが用いられる場合も、同様に燃料電池の触媒が被毒される恐れがある。

使用されるカップリング剤の例としては、シリコン系のシラン化合物、チタネート系、アルミニウム系等が挙げられる。例えばシリコン系のカップリング剤としては、エポキシシランが適している。

カップリング剤は黒鉛粒子の表面に予め噴霧等により付着させておくことが好ましい。カップリング剤の添加量は適宜設定されるが、好ましくは、カップリング剤による被覆面積の総量が、黒鉛粒子の表面積の総量に対して、０．５〜２倍の範囲となるようにする。この値が多くなると成形品表面にカップリング剤がブリードしてしまい、成形時に金型表面が汚染されるおそれがある。

また、組成物がワックス（離型剤）を含有する場合、ワックスとしては適宜のものが用いられるが、特に天然カルナバワックスが好ましい。また、ワックスの含有量は適宜設定されるが、組成物全量に対して０．１〜２．５質量％の範囲が好ましい。この含有量が０．１質量％未満では金型成形時に十分な離型性が得られず、また２．５質量％を超えると燃料電池セパレータ１に必要とされる水との濡れ性が十分に得られなくなる恐れがある。

また、このワックスも、イオン性不純物である塩素イオンの含有量とナトリウムイオンの含有量とが、共に質量換算した値で５ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、本発明にて調製される組成物は、この組成物で形成される成形品のＴＯＣ（ｔｏｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃａｒｂｏｎ）が１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。ＴＯＣが１００ｐｐｍを超えると燃料電池の特性が低下するおそれがある。

ここで、上記ＴＯＣは、比表面積２０ｃｍ²／ｇの成形品を９０℃で５０時間処理した後の水溶液を用いて測定した数値である。このようなＴＯＣは、例えばＪＩＳＫ０１０２に準拠して株式会社島津製作所製の全有機炭素分析装置「ＴＯＣ−５０」などで測定される。測定方法は次の通りである。まず、サンプルを燃焼して熱分解させ、発生したＣＯ₂濃度を非分散型赤外線ガス分析法で測定して、サンプル中の全炭素（ＴＣ）を定量する。また、サンプルに酸を添加するなどして遊離させたＣＯ₂濃度を同様に測定して、ＴＣと同様に無機炭素（ＩＣ）を定量する。この全炭素と無機炭素の差（ＴＣ−ＩＣ）から、全有機炭素（ＴＯＣ）が導出される。

ここで上記ＴＯＣの低減は、例えば高純度の原材料の使用、樹脂の当量比の調整、後硬化処理の採用等により達成される。

また、組成物全体における、水溶性イオンである塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、それぞれ組成物全量に対する質量比率で５ｐｐｍ以下が好ましい。この値が５ｐｐｍを超えると成形される燃料電池セパレータ１からの不純物の溶出によって、燃料電池の特性が低下するおそれがある。

上記の塩素イオン、ナトリウムイオンの含有量は、組成物を成形して得られる成形品から水溶性のイオンを抽出し、これをイオンクロマトグラフ法で評価測定したものを、組成物の質量に基づいて換算することで導出される。このとき、比表面積２０ｃｍ²／ｇの成形品を成形品１０ｇに対してイオン交換水１００ｍＬとして、成形品をイオン交換水中に浸漬し、９０℃で５０時間処理することでイオン交換水中にイオンを抽出することによって、水溶性イオンの抽出が行われる。

燃料電池セパレータ用組成物は、適宜の手法で調製されるが、例えば上記のような各成分が適宜の手法で混合して混合物を調製し、この混合物を必要に応じて攪拌或いは混練し、或いは更に造粒し、更に必要に応じて粉砕して小径化することによって、燃料電池セパレータ用組成物が調製される。

燃料電池セパレータ用組成物の調製方法の具体的な一例について説明する。

例えば、まず組成物を構成する各成分を配合して得られる混合物を攪拌する。このとき、熱硬化性樹脂を除く成分を配合しても良い。このときこの混合物が熱硬化性樹脂を含む場合は、熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で、攪拌がなされることが好ましい。前記加熱温度は、熱硬化性樹脂の種類に応じて適宜設定されるが、加熱温度の上限は好ましくは１２０℃とする。また、攪拌等の時間は例えば５〜３０分間とすることができる。このように熱硬化性樹脂が溶融した状態で混合物が攪拌等されることで、熱硬化性樹脂と、黒鉛粒子等の他の成分とが均一に混合される。

次いで、この混合物に、熱硬化性樹脂を溶解させる溶媒（例えばイソプロピルアルコール、メタノール等）を滴下、噴霧等により加え、更に攪拌することで、混合物を更に混合する。ここで、この段階で混合物が熱硬化性樹脂を含んでいない場合には、前記攪拌前に混合物中に熱硬化性樹脂を加える。この攪拌時間は例えば５〜３０分間とする。このとき特に溶媒が噴霧により加えられると、樹脂分と黒鉛粒子とが馴染み良く混合されると共に、組成物中に大きな塊が発生することが防止され、微細な粒状の組成物が得られる。溶媒が噴霧により加えられる場合の噴射条件は、噴霧圧０．０５〜０．３ＭＰａ、噴霧空気量５〜５０ｍｌ／分、液圧０．０５〜０．５ＭＰａとすることが好ましい。前記溶媒の使用量は、熱硬化性樹脂を全て溶解することができるように適宜の量に調整されるが、好ましくは溶媒の使用量が、原料の全固形分に対して５０質量％以下となるようにする。溶媒の使用量が過剰であると溶媒の揮散に要する時間が長くなって生産性が低下する。またこの使用量は、更に好ましくは２５質量％以下とする。また、この攪拌時にも、上記と同様に熱硬化性樹脂の溶融開始温度以上の温度に加熱された状態で攪拌がなされると、更に均一な混合が可能となる。

次いで、混合物を攪拌すると共に溶媒を揮散させることで、造粒が行われる。このときの攪拌時間は５〜３０分間とすることが好ましい。溶媒の揮散は、混合物の加熱や、混合物の周囲の雰囲気の減圧等により行うことができる。加熱と同時に減圧がなされても良い。加熱温度は、混合物中の熱硬化性樹脂が溶解する温度以上の温度とすることができ、また減圧時の圧力は例えば０．１ＭＰａ〜０．０１ＭＰａの範囲とすることができる。このとき混合物中の溶媒が充分に揮散することが好ましく、この溶媒が残存すると成形品中に空隙が発生してしまうおそれがある。

上記のようにして燃料電池セパレータ用組成物が調製されるが、この組成物は、更に整粒機等で粉砕されるなどして、更に小径の粒状に形成されても良い。このとき燃料電池セパレータ用組成物が、例えば粒径５００μｍ以下の粒状に形成されると、成形時の未充填が更に抑制される。

上記のようにして得られる燃料電池セパレータ用組成物は、燃料電池セパレータ１の成形に供される。このときの成形法としては、射出成形や圧縮成形など、適宜の手法が採用される。燃料電池セパレータ１は例えば既述のように図１に示すような形状に形成される。

この燃料電池セパレータ１は、表面のスキン層が除去されていることが好ましい。このスキン層は絶縁層であるため、このスキン層が除去されることで、燃料電池セパレータ１の接触抵抗が低減する。

また、この燃料電池セパレータ１が燃料電池に組み込まれた場合における、電極３と接触面及び隣り合う他の燃料電池セパレータ１との接触面の表面粗さが調整される。このとき、前記各接触面の算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲となり、且つ負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上となるように、表面粗さが調整される。この算術平均高さＲａ及び負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）はＪＩＳＢ０６０１（２００１）に基づいて測定される。このとき、算術平均高さＲａはプローブ先端径５μｍの表面粗さ計で測定される値であり、負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）はレーザ顕微鏡で測定される値である。

上記のように電極３との接触面および隣接する他の燃料電池セパレータ１との接触面が所定の表面粗さとなると、前記接触面の接触抵抗が低減する。その理由は、前記接触面が所定の表面粗度となるようにその表面に凹凸が形成されると、燃料電池セパレータ１と電極３２との間、及び他の燃料電池セパレータ１との間の微視的な接触面積が増大するためであると考えられる。

すなわち、他の燃料電池セパレータ１との接触面の表面粗さが上記所定の値となると、算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲であることから、燃料電池セパレータ１の表面の凹凸同士が効果的に噛み合うようになる。更に、負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上であることから、燃料電池セパレータ１の表面の凸部の先端側部分の表面積が大きくなる。このため、隣り合う燃料電池セパレータ１同士の間で、表面の凹凸同士の接触面積が充分に大きくなり、燃料電池セパレータ１同士の微視的な接触面積が大きくなる。これに対して、前記算術平均高さＲａが０．９μｍ未満であると、燃料電池セパレータ１のわずかな反りや厚み精度の影響によって、充分な接触面積が確保されなくなる。また前記算術平均高さＲａが３．０μｍを超えると、負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上であっても充分な接触面積を確保することが困難となる。また、前記負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０未満であると、燃料電池セパレータ１の接触面における凸部の先端側の表面積が小さくなり、隣り合う燃料電池セパレータ１同士の間で、表面の凹凸同士の接触面積が充分に大きくならなくなる。

また、電極３との接触面の表面粗さが上記所定の値となると、電極３は一般的に柔軟性を有するため、算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲であれば電極３の表面が燃料電池セパレータ１の表面の凹凸に容易に追随して変形する。また、負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上であれば、燃料電池セパレータ１の表面の凸部の先端側部分の表面積が大きくなるため、燃料電池セパレータ１の表面の凹凸と、この凹凸に追随して変形した電極３の表面との間の微視的な接触面積が充分に確保される。これに対して、前記算術平均高さＲａが０．９μｍ未満であると、燃料電池セパレータ１のわずかな反りや厚み精度の影響によって、充分な接触面積が確保されなくなる。また前記算術平均高さＲａが３．０μｍを超えると、電極３が燃料電池セパレータ１の表面の凹凸に追随して変形することが困難になる。また、前記負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０未満であると、燃料電池セパレータ１の接触面における凸部の先端側の表面積が小さくなり、電極３の表面が燃料電池セパレータ１の表面の凹凸に追随して変形したとしても、接触面積が充分に大きくならなくなる。

燃料電池セパレータ１における上記接触面の表面粗さの調整は、適宜の手法で為されるが、例えばＹＡＧレーザの照射、ブラスト加工、エッチング、研削（ラッピング、ポリッシング）等の手法が採用される。これらの手法が採用される場合、表面粗さの調整と共に、スキン層の除去も行われる。これらの手法のうち、特にブラスト加工は、自動化が可能である点、スキン層の除去と表面粗さの調整とが同時並行的に行われる点、金型で確保された成形品の厚み精度（すなわち金型で精度高く形成された成形品の厚み精度）が損なわれにくい点、並びに短時間且つ簡便な処理である点で、好適な手法である。

ブラスト加工は、燃料電池セパレータ１における、電極３との接触面、及び他の燃料電池セパレータ１との接触面に、アルミナ、ガラスビーズ、ガラスパウダーなどの砥粒（研磨剤粒子）がショットブラストビーズ用ガンなどで吹き付けられることによって、行われる。尚、燃料電池セパレータ１の表面の全面に亘って前記ブラスト加工が施されても良い。このブラスト加工時の砥粒の種類、粒径、粒径の組合わせ、吐出圧力、処理時間等の条件が適宜設定されることによって、燃料電池セパレータ１における上記接触面の表面粗さが、所望の値に調整される。

このブラスト加工の際には、特に砥粒として、粒度＃２４０〜＃４００の範囲のアルミナ粒子からなるブラスト砥粒が用いられることが好ましい。この場合、確実に、かつ、効率的に上記所定の表面粗さを有する燃料電池セパレータ１の製造が可能とされる。

以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

（実施例１〜６、比較例１〜４）
表１のＡ、Ｂに示す組成を有する二種の燃料電池セパレータ用組成物を調製した。このとき、表１に示す組成を有する混合物を攪拌混合機（ダルトン社製「５ＸＤＭＶ−ｒｒ型」）に投入し、攪拌混合機を温水で９０℃に加熱しながら混合物を攪拌した。次に、この混合物に溶媒（メタノール）を表１に示す分量添加した後、更に１０分攪拌を続けた。次に９０℃で真空ポンプを用いて減圧乾燥して混合物から溶媒を完全に除去した。更にこの混合物を整粒機で粒径５００μｍ以下に粉砕し、燃料電池セパレータ用組成物を得た。

尚、表１中における各成分の配合量は、質量部で示されている。

次に、各実施例及び比較例につき、表２に示す燃料電池セパレータ用組成物を用い、この組成物を温度１７５℃、圧力３４．３ＭＰａ（３５０ｋｇ／ｃｍ²）、成形時間２０分間の条件で圧縮成形した後、脱型して、１００ｍｍ×１００ｍｍ×２ｍｍの寸法を有する成形品を得た。

次に、この成形品から、５０ｍｍ×５０ｍｍの寸法の試験片を切り出し、この試験片に対して、ショットブラストビーズ用ガンを用い、表２に示す条件でブラスト加工を施すことで、表面粗さを表２に示す値に調整した。この表面粗さは、ＪＩＳＢ０６０１（２００１）に基づいて測定されるものであり、Ｒａはプローブ先端径５μｍの表面粗さ計で測定される算術平均高さＲａ、Ｒｍｒ（５０）はレーザ顕微鏡で測定される負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）である。

（実施例７）
実施例２と同一条件で作成された成形品を１７５℃で６時間加熱してアフターキュアーを施した。

次に、この成形品から、５０ｍｍ×５０ｍｍの寸法の試験片を切り出し、この試験片に対して、ショットブラストビーズ用ガンを用い、実施例２と同一条件でブラスト加工を施すことで、表面粗さを表２に示す値に調整した。

（評価試験）
図２に示すように、各実施例及び比較例で得られた表面粗さ調整後の試験片５の両側にカーボンペーパー６（東レ株式会社製、品番「ＴＧＰ−Ｈ−０３０」）を重ね、更にその両側に導電性ブロック７（アルミニウム製ブロックに金メッキが施されたもの）を重ねた。この積層物に１ＭＰａの荷重をかけた状態で、積層方向に向けて１Ａの電流を通電した。この時にカーボンペーパー６間に生じる電圧を測定し、この結果に基づき、下記の式から接触抵抗を算出した。

接触抵抗＝測定電圧／電流（１Ａ）×接触面積
以上の結果を表２に示す。

これらの結果から明らかなように、算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲、負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上となるように、表面粗さが調整された実施例１〜７では、比較例１〜４と比べて、接触抵抗の低減が確認された。

また、実施例７のように成形品にアフターキュアーを施しても、同一条件でアフターキュアーが施されていない実施例２と同等の結果が得られたことから、成形品の硬化度が変化しても同等の結果が得られることが確認された。

燃料電池セパレータの一例を示すものであり、（ａ）（ｂ）は斜視図である。実施例における接触抵抗の測定方法を示す模式図である。

符号の説明

１燃料電池セパレータ

Claims

合成樹脂と導電性材料とを含有する組成物の成形体で形成され、
電極との接触面、及び隣接する他の燃料電池セパレータとの接触面のスキン層が除去されており、これらの接触面の、プローブ先端径５μｍの表面粗さ計で測定される算術平均高さＲａが０．９〜３．０μｍの範囲であり、且つレーザ顕微鏡で測定される負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）が５０以上であることを特徴とする燃料電池セパレータ。
粒度＃２４０〜＃４００の範囲のアルミナ粒子からなるブラスト砥粒によるブラスト処理が施されていることにより前記接触面の前記スキン層が除去されると共に前記接触面の表面粗さが調整されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータ。
上記合成樹脂が、フェノール樹脂とエポキシ樹脂のうち少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ。
上記導電性材料が、天然黒鉛であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータを製造する方法であって、合成樹脂と導電性材料とを含有する組成物から成形体を形成し、この成形体の、電極との接触面、及び隣接する他の燃料電池セパレータとの接触面に、粒度＃２４０〜＃４００の範囲のアルミナ粒子からなるブラスト砥粒によるブラスト処理を施すことで、これらの接触面のスキン層を除去すると共に、これらの接触面の、プローブ先端径５μｍの表面粗さ計で測定される算術平均高さＲａを０．９〜３．０μｍの範囲、且つレーザ顕微鏡で測定される負荷長さ率Ｒｍｒ（５０）を５０以上に調整することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。