JP6964097B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

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クロスリファレンス

本出願は、２０１７年１月１３日に日本国において出願された特願２０１７−００３８７０に基づき優先権を主張し、当該出願に記載された内容は、本明細書に援用する。また、本願において引用した特許、特許出願及び文献に記載された内容は、本明細書に援用する。

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、水素と酸素の反応を利用してエネルギーを取り出す電池である。当該反応によって生成するのは水であるため、燃料電池は地球環境に優しい電池として知られている。特に、固体高分子型燃料電池は、高出力密度を可能とし、小型で軽量であることから、自動車、通信機器、電子機器等のバッテリーとして有力視され、また一部実用化されている。

燃料電池は、複数個のセルを積み重ねて構成されたセルスタックである。セルとセルとの間には、セパレータと称する壁部材が配置されている。セパレータは、隣同士になる水素と酸素の通路を仕切る隔壁板であり、水素と酸素がイオン交換膜の全面にわたって均一に接触して流れる役割を担っている。このため、セパレータには、その流路となる溝が形成されている。セパレータには、発生した電流を隣のセルに流す必要から、電気抵抗が小さいことが要求されている。また、セパレータには、１００〜２００℃の温度で９０〜１００％近い高湿環境下において約１０年という長期間にわたって使用可能であることを要求されることから、高い機械的強度が求められている。これらの要求に応えるセパレータとしては、例えば、熱可塑性樹脂に黒鉛粒子を分散させたセパレータが知られている（特許文献１を参照）。この種のセパレータは、一例として、熱可塑性樹脂と黒鉛粒子とを混練した混練物をペレット状に成形し、そのペレットを射出成形機のスクリューにて再度混練して、金型内に射出することにより所望形状に成形して得ることができる。

特開２００６−２９４４０７

上記従来から公知の燃料電池用セパレータは、相応の特性を発揮できるものの、市場ではさらなる高導電性が求められている。樹脂中に黒鉛粒子を分散させるだけでは、黒鉛粒子間のつながりに乏しく、セパレータのさらなる導電性の向上を実現するには限界がある。また、樹脂成形体は、薄型軽量化を実現するため、高い柔軟性と曲げ強度が求められている。また、水素と酸素の反応時に生成する生成水、または水蒸気を流路から速やかに排出させるため、セパレータ表面を親水性にすることが求められている。

本発明は、上記要求に応えるためになされたものであり、導電性、柔軟性および曲げ強度に優れ、セパレータ表面の親水性に優れた燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一実施の形態に係る燃料電池用セパレータは、樹脂１５〜４０質量部と、当該樹脂よりも導電性の高い導電材料であって粒子状および繊維状の形態を持つ導電材料８５〜６０質量部とを含み、導電材料は、黒鉛粒子と炭素繊維とを主として含み、黒鉛粒子は炭素繊維よりも質量比にて多く含まれている。

別の実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、好ましくは、前記黒鉛粒子は膨張黒鉛粒子である。

別の実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、好ましくは、前記樹脂は、ポリフェニレンスルファイド繊維を含む。

別の実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、好ましくは、前記樹脂として、アラミド繊維を含む。

また、一実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、繊維状の樹脂１５〜４０質量部と、当該樹脂よりも導電性の高い導電材料であって粒子状および繊維状の形態を持つ導電材料８５〜６０質量部とを含み、導電材料は、黒鉛粒子と炭素繊維とを主として含み、黒鉛粒子は炭素繊維よりも質量比にて多く含まれている燃料電池用セパレータの製造方法であって、繊維状の樹脂に導電材料の一部を分散させた状態の複合シートを作製する複合シート作製ステップと、前記一部を除く導電材料を成形して導電材料成形体を作製する成形体作製ステップと、導電材料成形体と複合シートとを積層して加熱及び圧縮する加熱圧縮ステップと、を含む。

別の実施の形態に係る燃料電池用セパレータでは、好ましくは、前記成形体作製ステップは、減圧可能な減圧容器内に複合シートを配置する配置ステップと、複合シート上に粒状若しくは繊維状の導電材料を積載する積載ステップと、減圧容器を閉鎖して減圧容器内を減圧する減圧ステップと、を含む。

本発明によれば、導電性、柔軟性および曲げ強度に優れ、セパレータ表面の親水性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。

図１は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの平面図（１Ａ）と、該平面図におけるＡ−Ａ線断面図および該断面図における領域Ｂの拡大模式図（１Ｂ）と、をそれぞれ示す。 図２は、図１の燃料電池用セパレータの製造工程のフローを示す。 図３は、図２のフローの前半部分を断面図にて示す。 図４は、図３に続き、図２のフローの後半部分を断面図にて示す。

１ セパレータ（燃料電池用セパレータ）
５ 樹脂
６ 導電材料（炭素粒子、炭素繊維）
７ 導電材料（黒鉛粒子）
１０ 吸引治具（減圧容器の一例）
１１ 複合シート
２５ 導電材料成形体

次に、本発明の各実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また、各実施形態の中で説明されている諸要素及びその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る燃料電池用セパレータの平面図（１Ａ）と、該平面図におけるＡ−Ａ線断面図および該断面図における領域Ｂの拡大模式図（１Ｂ）と、をそれぞれ示す。

本発明の一実施形態に係る燃料電池用セパレータ（以後、略して「セパレータ」ともいう）１は、（１Ａ）に示すように、ガスあるいは液体を流すための流路３をセパレータ１の表側の面と裏側の面に形成してなる。流路３の断面形状は、好適には、Ｕ字形状若しくはコの字形状であるが、特にこれらに限定されるものではない。また、セパレータ１は、１または複数個の貫通孔２を備えている。貫通孔２は、燃料電池を構成する他の構成部材との接続等に用いられる。

セパレータ１は、（１Ｂ）に示すように、樹脂５と、樹脂５よりも導電性の高い導電材料であって粒子状および繊維状の形態を持つ導電材料６，７とを含む複合材料にて構成される。樹脂５は、好ましくは、繊維状の樹脂を出発材料にして構成される。この実施形態では、導電材料６は炭素繊維である。また、導電材料７は黒鉛粒子である。黒鉛粒子は、膨張黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛などいずれでもよいが、抵抗値の観点から膨張黒鉛が望ましい。ここで、膨張黒鉛とは、グラファイト（黒鉛）の正六角形平面を重ねた構造の特定の一面に他の物質層が入り込むこと（＝インターカレーション）によって黒鉛層間を拡張させた黒鉛若しくは黒鉛層間化合物をいう。また、黒鉛粒子の形状については、特に制約は無く、鱗片状、球状など適宜選択することができる。

以後、導電材料６に代えて、炭素繊維６と称することもある。また、導電材料７に代えて、黒鉛粒子７と称することもある。なお、導電材料は、炭素繊維６と黒鉛粒子７との２種類から成るとは限らず、炭素繊維６のみ、あるいは黒鉛粒子７のみ、さらにはこれら６，７に加えて１以上の別の種類の導電材料を含んでも良い。ただし、導電材料６，７は、好ましくは、粒子状の材料を少なくとも含む。本願では、「炭素」は、その下位概念である「黒鉛」を含む。

最も適した導電材料６，７の組み合わせは、繊維状のグラファイトと、黒鉛粒子である。導電材料は、炭素系材料に限られず、導電性に優れた金属粒子、金属繊維などでも良い。黒鉛粒子７に代表される粒子状の導電材料は、平均粒子径（レーザ回折／散乱式粒子径分布測定法による）にて、好ましくは５〜８０μｍ、より好ましくは１０〜５０μｍの粒子である。導電材料６，７としてグラファイトを採用した場合、その電気抵抗は、１〜３×１０^−３Ω・ｃｍであり、樹脂５よりも電気抵抗が低い（逆に言うと、導電性は高い）。なお、導電材料６，７に金属を用いた場合には、グラファイトよりも、理論上、電気抵抗を低くできるが、表面の酸化膜が絶縁性を示すことから、成形したときの電気抵抗が高くなる場合もある。

樹脂５は、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のいずれの樹脂でも良い。セパレータ１の用途としてより好適な樹脂は、耐熱性に優れた樹脂であり、具体的には、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン（ＰＥＫＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）およびポリスルフォン（ＰＳＵ）を例示できる。これらの中でも、ＰＰＳが特に好適である。

樹脂５の出発材料として好適に用いる繊維状の樹脂５は、平均にて、好ましくは１〜４０ｍｍ、より好ましくは２〜２０ｍｍの長さを有する。膨張黒鉛としては、例えば、富士黒鉛工業（株）製のＢＳＰ−６０Ａ（平均粒子径６０μｍ）あるいはＥＸＰ−５０ＳＭを、人造黒鉛としては、例えば、オリエンタル産業（株）製のＮｏ．５Ｓを、天然黒鉛としては、富士黒鉛工業（株）製のＣＮＧ−７５Ｎ（平均粒子径４３μｍ）あるいは日本黒鉛工業（株）製のＣＰＢ（鱗状黒鉛粉末、平均粒子径１９μｍ）を、それぞれ用いることができる。炭素繊維６の種類は制限されず、ＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系炭素繊維、石油系若しくは石炭系のピッチ系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、あるいはレーヨン系炭素繊維などが使用できる。炭素繊維の繊維径は、例えば０．５〜５０μｍ、好ましくは１〜３０μｍ、さらには５〜２０μｍの範囲が好ましい。炭素繊維６の長さも制限されるものではないが、例えば１０μｍ〜５ｍｍ、好ましくは２０μｍ〜６ｍｍの範囲が好ましい。また、マトリックス樹脂との相溶性を改善するため、例えば、炭素繊維６の表面をシランカップリング剤などの表面処理剤を用いて表面処理し、または表面処理剤を適宜の工程で添加することもできる。さらに、同様の効果を期待できる繊維として、単層、多層など各種のカーボンナノチューブを使用でき、繊径、長さ、およびその表面処国についても、適宜のものを使用することができる。 また、これらの炭素繊維、カーボンナノチューブを混合して使用してもよい。

また、繊維状の樹脂の補強材として、芳香族骨格のみを有するアラミド繊維が好ましい。アラミド繊維は、パラ系、メタ系の各単独、またこれらを任意の組成比で混合したものでも良い。また、アラミド繊維の形状は、カットファイバー、パルプ状など、如何なる形状でも良い。アラミド繊維を使用すると、加熱成形時、ＰＰＳ繊維が溶融し、バインダーになる時、アラミド繊維が粒子状及び繊維状の導電材料の分散状態を維持する。また、ＰＰＳ繊維に対して平衡吸水率が高いことから、セパレータ表面が親水性となり、水素と酸素の反応により水、または水蒸気が生成した際にセパレータ表面に沿って排水に効果的に作用するほか、ベース樹脂繊維（例えば、ＰＰＳ）に対して、耐熱性、強度、耐薬品性などを付与するにも有効である。アラミド繊維としては、東レ・デュポン（株）製のＫｅｖｌａｒ（登録商標）：ケブラーカット・ファイバー３ｍｍ長を用いることができる。また、樹脂繊維の一部を、繊維表面が毛羽立ち状の繊維である「パルプ状」の繊維を使用すると、抄紙時に樹脂繊維同士に「絡み」をもたせることができるので好ましい。

繊維状の樹脂５と、導電材料６，７との好適な質量比率は、１５〜４０：８５〜６０である。例えば、１５質量部の樹脂５に対して、６０質量部以上８５質量部以下の範囲の導電材料６，７を混合してセパレータ１の構成材料とすることができる。また、例えば、４０質量部の樹脂５に対しても、同様に、６０質量部以上８５質量部以下の範囲の導電材料６，７を混合してセパレータ１の構成材料とすることができる。このように、セパレータ１は、樹脂５よりも導電材料６，７を質量比にて多く含むのが好ましい。このため、従来のセパレータよりも、導電材料６，７間の接触部位が多くなり、もって、セパレータ１の電気抵抗をより低く（すなわち、導電性をより高く）することができる。また、導電材料７よりも引張強度が高い導電材料６を含んでいるため、撓みやすく、かつ曲げ強度にも優れ、従来のセパレータより薄型のセパレータ１を得ることができる。

導電材料として繊維状の材料と粒子状の材料とを用いる場合、繊維状の材料は、面方向に沿って配向しやすいので、セパレータ１の面方向の導電性向上に寄与しやすい。これに対して、粒子状の材料は、面方向および厚さ方向を問わないので、繊維状の材料では不十分なセパレータ１の厚さ方向の導電性を向上させるのに寄与する傾向がある。特に、後述するように、粒子状の導電材料を仮成形することによって三次元ネットワークを形成すると、繊維状の導電材料だけでは低抵抗を実現困難な厚さ方向の抵抗を低くすることができる。この結果、セパレータ１の面方向と厚さ方向の両方向の導電性を向上させることができる。

この実施形態に係るセパレータ１は、好ましくは、黒鉛粒子７の三次元ネットワークの隙間を、繊維状の樹脂５と炭素繊維６とが埋める形態を有する。このため、セパレータ１の厚さ方向の良好な導電性は、黒鉛粒子７同士のネットワーク構造によって担保される。一方、セパレータ１の面方向の良好な導電性は、黒鉛粒子７同士のネットワークのみならず、炭素繊維６の面方向に主に配向する形態によって担保される。この実施形態に係るセパレータ１の代表的なサンプルでは、体積抵抗値は２０ｍΩ・ｃｍまたはそれ以下である。

また、導電材料は、黒鉛粒子７と、該黒鉛粒子７以外の炭素粒子（導電材料６の一例であって上記炭素繊維６の代替物）とを主として含み、黒鉛粒子７は上記炭素粒子よりも質量比にて多く含まれるのが好ましい。その場合、４０〜８０質量部の黒鉛粒子７に対して、３０〜５質量部の炭素粒子を含むように混合するのが好ましい。例えば、４０質量部の黒鉛粒子７に対して、５質量部以上３０質量部以下の範囲の炭素粒子を混合して導電材料となすことができる。また、例えば、８０質量部の黒鉛粒子７に対しても、同様に、５質量部以上３０質量部以下の範囲の炭素粒子を混合して導電材料となすことができる。

図２は、図１の燃料電池用セパレータの製造工程のフローを示す。図３は、図２のフローの前半部分を断面図にて示す。図４は、図３に続き、図２のフローの後半部分を断面図にて示す。

この実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、１５〜４０質量部の繊維状の樹脂５と、８５〜６０質量部の導電材料６，７とを含むセパレータ１の製造方法である。導電材料６，７は、前述のように、樹脂５よりも導電性の高い材料であって粒子状および繊維状の形態を持つ。セパレータ１の製造方法は、図３および図４に示すように、繊維状の樹脂５に導電材料の一部（ここでは、炭素繊維）６を分散させた状態の複合シート１１を作製する複合シート作製ステップと、該一部である炭素繊維６を除く導電材料であって粒子状の黒鉛粒子７を成形して導電材料成形体２５を作製する成形体作製ステップと、導電材料成形体２５と複合シート１１とを積層して加熱及び圧縮する加熱圧縮ステップと、を含む。また、当該製造方法では、好ましくは、前記成形体作製ステップは、減圧可能な減圧容器の一例である吸引治具１０内に複合シート１１を配置する配置ステップと、複合シート１１上に黒鉛粒子７を積載する積載ステップと、吸引治具１０を閉鎖して吸引治具１０内を減圧する減圧ステップと、を含む。以下、セパレータ１の製造方法について、図２〜図４に基づき、詳細に説明する。

（１）フェルト状シートの作製（Ｓ１０１）
ステップＳ１０１は、繊維状の樹脂５に炭素繊維６を分散させた状態の複合シート１１を作製する複合シート作製ステップに相当する。この工程では、まず、少なくとも繊維状の樹脂５と炭素繊維６とを水中に混合分散し、固形分０．５〜１０ｗｔ％のスラリーを用意する（スラリー作製ステップ）。続いて、凝集剤をスラリーに添加する（凝集剤添加ステップ）。続いて、得られたスラリーをシート化する（シート形成ステップ）。シート形成ステップは、紙抄きと類似した要領にて行われる。次に、シート（抄紙シートとも称する）を加圧して、乾燥する（乾燥ステップ）。このステップにて水分はほとんどなくなる。次に、乾燥後の抄紙シートを金型内にて加熱・加圧してフェルト状シートを成形する（フェルト状シート成形ステップ）。これら一連の工程により、繊維状の樹脂５に炭素繊維６がほぼ均一に分散した状態の複合シート１１が完成する。

一方、上記の炭素繊維６に代えて、炭素粒子（好適にはグラファイト粒子）６を導電材料として用いる場合には、ステップＳ１０１は、次のような工程となる。まず、少なくとも繊維状の樹脂５と粒子状の炭素粒子６とを水中に混合分散し、固形分０．５〜１０ｗｔ％のスラリーを用意する（スラリー作製ステップ）。続いて、前述と同じ要領にて、凝集剤添加ステップ、シート形成ステップ、乾燥ステップ、フェルト状シート成形ステップと順に工程を行う。これら一連の工程により、繊維状の樹脂５に炭素粒子６がほぼ均一に分散した状態の複合シート１１が完成する。なお、炭素繊維６を用いる場合に限らず、炭素粒子６を用いる場合であっても、凝集剤添加ステップを省略しても良い。

（２）吸引治具へのフェルト状シートのセット（Ｓ１０２）
ステップＳ１０２は、吸引治具１０内に複合シート１１を配置する配置ステップに相当する。図３の（ａ）に示すように、吸引治具１０の内底面に、ステップＳ１０１にて用意した複合シート１１を配置する。

（３）吸引治具への導電粒子の供給（Ｓ１０３）
ステップＳ１０３は、吸引治具１０内の複合シート１１上に粒状（ただし、繊維状でも良い）の導電材料（ここでは、黒鉛粒子７）を積載する積載ステップに相当する。図３の（ｂ）に示すように、黒鉛粒子７は、好ましくは、吸引治具１０内の複合シート１１上の空間を完全に埋めるように盛りつけられる。その後、図３の（ｃ）に示すように、スクレバー１５などを矢印Ｃの方向に移動させることによって、吸引治具１０の上方にあふれた黒鉛粒子７を除去して、吸引治具１０の開口上面をほぼ平らにするのが好ましい。厚さ１ｍｍのセパレータ１を製造する場合、複合シート１１の厚さは２〜７ｍｍ、好ましくは３〜５ｍｍであるのが好ましい。複合シート１１上に配置される黒鉛粒子７の量は、複合シート１１の単位面積当たりで、好ましくは０．５〜１．８ｇ、より好ましくは０．８〜１．２ｇを存在せしめる量である。

（４）吸引（Ｓ１０４）
ステップＳ１０４は、吸引治具１０を閉鎖して吸引治具１０内を減圧する減圧ステップに相当する。図３の（ｄ）に示すように、吸引治具１０を逆さまにして、複合シート１１を上にした状態で、吸引治具１０の底部から矢印Ｄのように吸引するのが好ましい。

（５）導電材料成形体の作製（Ｓ１０５）
ステップＳ１０５は、吸引治具１０内の黒鉛粒子７を吸引（減圧ともいう）によって圧縮して一次成形された状態とする工程であり、黒鉛粒子７を成形して導電材料成形体２５を作製する成形体作製ステップに相当する。吸引後に、吸引治具１０から複合シート１１と共に導電材料成形体２５を取り出すと、導電材料成形体２５が得られる。

（６）金型への導電材料成形体のセット（Ｓ１０６）
ステップＳ１０６は、セパレータ１の成形用金型（以後、単に「金型」という。）２０内に、導電材料成形体２５を配置するステップである。金型２０は、好ましくは、下金型２０ａと上金型２０ｂとから構成され、下金型２０ａ内の圧縮対象物を上金型２０ｂにて加圧する構造を有する。ただし、金型２０の構造は、上記の構造に限定されるものではない。

（７）金型へのフェルト状シートのセット（Ｓ１０７）
ステップＳ１０７は、金型２０内に、複合シート１１を配置するステップである。図４の（ｅ）に示すように、この工程では、下金型２０ａの内にセットされた導電材料成形体２５の上に複合シート１１を配置して、その上に上金型２０ｂが配置される。下金型２０ａは、その内底面に、凹凸２１ａを備える。導電材料成形体２５は、その一方の面を凹凸２１ａと接するように下金型２０ａ内にセットされる。この導電材料成形体２５の上面に、複合シート１１を積層し、さらにその上に上金型２０ｂが載置される。

（８）加熱及び加圧（Ｓ１０８）
ステップＳ１０８は、導電材料成形体２５と複合シート１１とを積層して加熱及び圧縮する加熱圧縮ステップに相当する。この工程では、図４の（ｆ）および（ｇ）に示すように、下金型２０ａと上金型２０ｂとを型締めしながら、加熱が行われる。金型２０を用いた成形時の圧力は、好ましくは、約４００〜９００ｋｇ／ｃｍ^２（約４０〜９０ＭＰａ）、より好ましくは５０〜７０ＭＰａ、さらにより好ましくは５５〜６５ＭＰａである。成形時の温度は、樹脂５の種類あるいは圧力によって変動する。例えば、ＰＰＳを用いた場合には、成形時の加熱温度は、好ましくは２８０〜３５０℃、より好ましくは３００〜３３０℃である。加熱及び加圧下での成形により、導電材料成形体２５を構成する黒鉛粒子７同士の三次元ネットワークの隙間に、複合シート１１を構成する繊維状の樹脂５と、炭素繊維６（または炭素粒子６）が流れ込み、当該隙間を埋める状況となる。その後、繊維状の樹脂５が加熱溶融し、炭素繊維６と黒鉛粒子７を固定するバインダー樹脂となり、繊維状の樹脂５の形状は残らない。

（９）セパレータの取り出し（Ｓ１０９）
ステップＳ１０９は、金型２０を開いて、成形したセパレータ１を取り出す工程である。この工程をもって、図４の（ｈ）に示すように、図１で示した形態のセパレータ１が完成する。

なお、複合シート１１を構成する導電材料と、導電材料成形体２５を構成する導電材料とが共に粒子である場合、すなわち、黒鉛粒子以外の炭素粒子６と、黒鉛粒子７とを用いる場合、黒鉛粒子７の平均粒子径は、炭素粒子６の平均粒子径より大きい方が好ましい。例えば、炭素粒子６の平均粒子径が１０μｍ未満である場合には、黒鉛粒子７の平均粒子径は、好ましくは１０μｍ以上１５０μｍ以下、より好ましくは３０μｍ以上１００μｍ以下、さらにより好ましくは５０μｍ以上で７５μｍ以下である。ここでいう平均粒子径は、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定法による。以後も、同様である。

上述のように、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これらに限定されることなく、種々変形して実施可能である。

例えば、黒鉛粒子７は炭素粒子６よりも質量比にて多く含まれているのが好ましいが、逆に、炭素粒子６を黒鉛粒子７よりも質量比にて多くすることもできる。また、導電材料として黒鉛粒子７と炭素繊維６とを含む場合、黒鉛粒子７は炭素繊維６よりも質量比にて多く含まれているのが好ましいが、逆に、炭素繊維６を黒鉛粒子７よりも質量比にて多くすることもできる。また、導電材料は、好ましくは、４０〜８０質量部の黒鉛粒子７と、３０〜５質量部の炭素粒子６（若しくは炭素繊維６）とを含むが、上記以外の質量比とすることもできる。複合シート１１は、抄紙シートを作製する方法にて作製される場合に限定されず、他の工程にて作製されても良い。

次に、本発明の実施例について、比較例と比較しながら説明する。ただし、本発明は、以下の各実施例に限定されない。

（実施例１）
繊維状樹脂として、ＰＰＳ繊維トルコン（登録商標）（東レ（株）製）を３ｍｍの長さにカットした短繊維を３０質量部、炭素繊維トレカ（登録商標）（東レ（株）製）のカットファイバーＴ００８−００３（繊維径φ７μｍ、カット長３ｍｍ）を１０質量部、炭素粒子（黒鉛の粒子）としての膨張黒鉛ＸＰ−５０ＳＭ（富士黒鉛工業（株）製）５０質量部からなる組成物を水中で混合分散して、固形分３％からなるスラリーを用意した。続いて、凝集剤として、カチオン系ポリアクリル酸ソーダ０．００１質量部、アニオン系ポリアクリル酸ソーダ０．００００１質量部を添加したスラリーを、メッシュ構造を有する２０ｃｍ角のシート機を使用して得た抄紙シートを１８０℃に加熱したプレスに挿入して、約２００ｋｇ／ｃｍ２の圧力で約５分間の加熱・加圧後、乾燥し、繊維状ＰＰＳ樹脂に炭素繊維と膨張黒鉛が均一に分散した厚み約２ｍｍの複合シートを得た。

次に、この複合シートを、成形するセパレータと同じ縦横外形寸法を有する吸引治具に納まるようカットして吸引治具内の内底面に配置し、この複合シート上に膨張黒鉛ＸＰ−５０ＳＭ（富士黒鉛工業（株）製）１０質量部を、複合シート上の空間を完全に埋めるように盛りつけ、スクレバーを用いて、吸引治具の上方にあふれた黒鉛粒子を平均化しながら上面を平らにした。この状態で吸引治具の底部側から吸引（減圧）することで複合シート上部に充填した膨張黒鉛を圧縮して導電材料成形体を得た。

続いて、セパレータ１の成形用金型（以後、単に「金型」という。）の内表面に離型剤（ダイキン工業社製：商品名ダイフリーＧＡ７５００）を均一に塗布し、あらかじめ３４０℃に加熱した金型内に、上記の導電材料成形体と複合シートを配置した。金型は、図４に示すように、下金型２０ａと上金型２０ｂとから構成され、下金型２０ａ内の圧縮対象物を上金型２０ｂにて加圧する構造を有し、下金型２０ａは、その内底面に、凹凸２１ａを備え、上金型２０ｂは、その下面に凹凸２１ｂを備えるものとした。ただし、金型２０の構造は、上記の構造に限定されるものではない。

次いで、圧力を３０ＭＰａ（ゲージ圧）で金型２０を型締めし、約５分間加圧加熱した後に圧力を開放し、上下の熱板の温度が３０℃の冷却用の圧縮成形機に直ちに移載し、金型の温度が８０℃以下になるまで加圧冷却した後、金型から厚み０．８ｍｍの燃料電池用セパレータを脱型した。ここで、ＰＰＳ繊維は、加熱溶融されて、炭素繊維と黒鉛粒子とを固定するバインダー樹脂となり、繊維としての形状は残さない。

得られた燃料電池用セパレータについて、導電性評価として面方向の体積抵抗値、柔軟性、強度の目安として燃料電池用セパレータの長手方向の両端で折り曲げた際の割れの発生の有無、耐熱性としての使用温度域、および親水性の目安として水の接触角をそれぞれ評価・測定した。その結果を表１に示す。

セパレータの面方向の体積抵抗値は、四端子四探針法により測定し、１０枚測定した測定値の平均値とした。測定機には、低抵抗率計（三菱化学（株）製：製品名ロレスタＧＰ ＭＣＰ−Ｔ６１０）を用いた。耐熱性としての使用温度域は、各温度に１，０００時間放置した後、燃料電池用セパレータの長手方向の両端で折り曲げた際に割れが発生しない温度をもって使用温度域とした。水の接触角は、接触角計（協和界面科学（株）製：製品名ＤＭｏ−５０１）を用いて水の接触角を測定した。その結果を表１に示す。実施例１の条件で得られたセパレータは、体積抵抗値、曲げ強度、柔軟性、耐熱性いずれも高温使用、柔軟性に優れていた。

（実施例２）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を２５質量部、アラミド繊維Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）のケブラーカット・ファイバー３ｍｍ長（商品名：東レ・デュポン（株）製）を５質量部とし、その他の部分については実施例１と同様として評価した。その結果を表１に示す。評価の結果、使用温度が２００℃と高くなり、水接触角が６５°に低下し、親水性が向上した。

（実施例３）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を３５質量部、炭素繊維を１０質量部、膨張黒鉛を５５質量とする他は実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。

（実施例４）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を２０質量部、炭素繊維を１０質量部、膨張黒鉛を７０質量とする他は実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。

（実施例５）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を２５質量部とし、ＰＰＳ樹脂紛体５質量部を使用した。ＰＰＳ樹脂としてトレリナＥ２１８０（東レ（株）製：商品名）を選択し、このＰＰＳ樹脂を冷凍粉砕法により粉砕した。得られたＰＰＳ樹脂の平均粒子径は７０μｍであった。このＰＰＳ樹脂５質量部と膨張黒鉛ＸＰ−５０ＳＭ（富士黒鉛工業（株）製）１０質量部をヘンシェルミキサーに投入し、このヘンシェルミキサーを２２℃、１分間の条件で回転させてＰＰＳ樹脂と膨張黒鉛を混合し、導電材料成形体用の混合紛体材料とした。その他の部分については実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を１０質量部、炭素繊維を１０質量部、膨張黒鉛を８０質量とする他は実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。評価の結果、ＰＰＳ樹脂成分が少ないため、曲げ強度が低く、柔軟性が不足していた。

（比較例２）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を４５質量部、炭素繊維を１０質量部、膨張黒鉛を４５質量とする他は実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。評価の結果、ＰＰＳ樹脂成分が多く、導電材料が少ないため、導電性抵抗値が高かった。

（比較例３）
実施例１においてＰＰＳ樹脂繊維を３５質量部、炭素繊維を３５質量部、膨張黒鉛を３０質量とする他は実施例１と同様にして評価した。その結果を表１に示す。評価の結果、炭素繊維が膨張黒鉛より多いため、体積抵抗値が高く、曲げ強度が高く柔軟性が不足していた。

本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池に利用することができる。

Claims (1)

1. 繊維状の樹脂１５〜４０質量部と、前記樹脂よりも導電性の高い導電材料であって粒子状および繊維状の形態を持つ導電材料８５〜６０質量部とを含み、前記導電材料は、黒鉛粒子と炭素繊維とを主として含み、前記黒鉛粒子は前記炭素繊維よりも質量比にて多く含まれている燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記繊維状の樹脂に前記導電材料の一部を分散させた状態の複合シートを作製する複合シート作製ステップと、
   前記一部を除く前記導電材料を成形して導電材料成形体を作製する成形体作製ステップと、
   前記導電材料成形体と前記複合シートとを積層して加熱及び圧縮する加熱圧縮ステップと
   を含み、
   前記成形体作製ステップは、
   減圧可能な減圧容器内に前記複合シートを配置する配置ステップと、
   前記複合シート上に粒状若しくは繊維状の前記導電材料を積載する積載ステップと、
   前記減圧容器を閉鎖して前記減圧容器内を減圧する減圧ステップと、
   を含む燃料電池用セパレータの製造方法。

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