JP7415839B2 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。本開示は、特に、炭素材料系の燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。

環境問題等への対策の一つとして、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料ガスと酸化性ガスとの電気化学反応によって発電する。

発電時には、アノード側では、燃料ガス（アノードガス）として水素ガスが供給され、水素ガスから水素イオンと電子を生成する反応が起こり、水素イオンは電解質中を通過してカソード側に移動し、電子は燃料電池外の回路を通過してカソードに到達する。一方、カソード側では、酸化性ガス（カソードガス）として酸素ガス又は空気が供給され、酸素が水素イオン及び電子と反応して水（水蒸気）を生成する反応が起こる。

燃料電池は、通常、上述したように発電する単セルを複数個積層して、高出力の発電を達成する。単セルを仕切るセパレータには、発電時に必要な燃料ガス及び酸化性ガスを供給し、発生した水（水蒸気）を排出するための流路が形成されている。セパレータには、前述した供給ガス（燃料ガス及び酸化性ガス）及び排出ガス（水蒸気）を完全に分離することができる高い気体不透過性と、燃料電池の内部抵抗を小さくするための高い導電性が要求される。

上述した要求を満たす燃料電池用セパレータとしては、大別して、金属材料系セパレータと炭素材料系セパレータが挙げられる。

金属材料は、比重が大きいが、強度に優れ、かつ、高い導電性を有するため、金属材料系セパレータは薄くて導電性に優れる。しかし、金属材料系セパレータは、耐食性を維持するために、選択できる材質が限られる、あるいは、表面処理を施す必要があること等が課題である。

一方、炭素材料は、比重が小さく、高い導電性を有し、かつ、耐食性に優れるため、炭素材料系セパレータが種々検討されている。例えば、特許文献１には、マトリックス樹脂及び炭素繊維を含有する不織布を熱プレス加工して、少なくとも一方の面にガス流通用の凹部が設けられた燃料電池用セパレータが開示されている。特許文献２には、炭素材料及び熱可塑性樹脂を含有し、凹凸加工によってガス流通用流路が設けられた燃料電池用セパレータが開示されている。また、特許文献２には、燃料電池用セパレータ中の炭素材料は、直径が２００ｎｍ以下の炭素繊維を含有し、凹凸形状の頂部は、その他の部位よりも薄肉であることが開示されている。

特開２０１６－８１９０１号公報 特開２００８－９１０９７号公報

炭素材料系のセパレータは、強度確保のため、樹脂を含有している。樹脂は導電性を阻害するため、従来の炭素材料系のセパレータにおいては、導電性の一層の向上が望まれていた、という課題を本発明者らは見出した。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本開示は、従来よりも導電性が向上した炭素材料系の燃料電池用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。

本発明者らは、上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ね、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を完成させた。本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法は、次の態様を含む。
〈１〉繊維シート、並びに前記繊維シートに適用されているカーボン粒子及び樹脂を有する原料シートを提供すること、並びに
前記原料シートを、ガス流通用流路を形成する前記凹凸形状を備えるようにプレスして、前記頂部及び前記移行部を得ること、
を含み、
前記原料シートのプレスにおいて、頂部の圧下率が、移行部の圧下率よりも高くなるように、前記原料シートをプレスする、
燃料電池用セパレータの製造方法。
〈２〉前記頂部の圧下率が、前記移行部の圧下率の１．２～２．０倍である、〈１〉項に記載の方法。
〈３〉前記繊維シートが、１～１００μｍの繊維径及び１～３０ｍｍの繊維長を有する炭素繊維及び樹脂繊維の少なくともいずれかを含む、〈１〉又は〈２〉項に記載の方法。
〈４〉前記繊維シートにカーボン粒子及び熱硬化性樹脂を含浸して、前記原料シートを提供する、〈１〉～〈３〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈５〉前記カーボン粒子を含浸した前記繊維シートを、前記カーボン粒子を含有する熱可塑性樹脂シートで両面から挟んで、前記原料シートを提供する、〈１〉～〈４〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈６〉燃料電池用セパレータであって、
繊維シート、並びに前記繊維シート中に分散しているカーボン粒子及び樹脂を有し、かつガス流通用流路を形成している凹凸形状を備える、燃料電池用セパレータであって、
前記凹凸形状の両面の頂部の厚さが、前記頂部間の移行部の少なくとも一部の厚さよりも薄く、かつ、
前記移行部の少なくとも一部においてよりも、前記頂部の少なくとも一部において、前記カーボン粒子の面積含有割合が高い、
燃料電池用セパレータ。
〈７〉前記頂部の厚さが、前記移行部の少なくとも一部の厚さの０．５０～０．９０倍である、〈６〉項に記載の燃料電池用セパレータ。
〈８〉前記繊維シートが、１～１００μｍの繊維径及び１～３０ｍｍの繊維長を有する炭素繊維及び樹脂繊維の少なくともいずれかを含む、〈６〉又は〈７〉項に記載の燃料電池用セパレータ。
〈９〉前記樹脂が、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の少なくともいずれかを含む、〈６〉～〈８〉項のいずれか一項に記載の燃料電池用セパレータ。

本開示によれば、繊維シートにカーボン粒子と樹脂を適用した原料シートを凹凸形状にプレスする際、移行部よりも頂部の圧下率を高くすることで、強度を維持しつつ、従来よりも導電性が向上した燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。また、本開示の製造方法によれば、導電性への影響が大きい凹凸形状の頂部のカーボン粒子の含有割合を高め、移行部の樹脂の含有割合を高めることにより、強度を維持しつつ、従来よりも導電性が向上した燃料電池用セパレータを提供することができる。

図１は、本開示の燃料電池用セパレータの一例を示す断面模式図である。 図２は、本開示の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一例を示す要部断面模式図である。 図３Ａは、本開示の燃料電池用セパレータに係る頂部及び移行部の一例を示す断面模式図である。 図３Ｂは、本開示の燃料電池用セパレータに係る頂部及び移行部の別の例を示す断面模式図である。 図４Ａは、従来の燃料電池用セパレータの第一例の一部を示す断面模式図である。 図４Ｂは、従来の燃料電池用セパレータの第二例の一部を示す断面模式図である。 図４Ｃは、従来の燃料電池用セパレータの第三例の一部を示す断面模式図である。 図４Ｄは、従来の燃料電池用セパレータの第四例の一部を示す断面模式図である。 図５は、本開示の燃料電池用セパレータの製造方法で用いる原料シートの一例を示す断面模式図である。

以下、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を限定するものではない。

炭素材料系の燃料電池用セパレータは、導電性を確保するための炭素材料のほかに、成形体としての強度を確保するための樹脂を含有する。樹脂は一般的に導電性が低いため、燃料電池用セパレータの導電性を低下させる。導電性を向上させるためには、樹脂の含有割合を減少させることが考えられるが、そうすると、成形体としての強度を維持することが難しくなる。

燃料電池用セパレータ（以下、「セパレータ」ということがある。）は、凹凸形状（コルゲート形状）を有しており、このような凹凸形状を有するセパレータを二枚組み合わせて、燃料ガス及び酸化性ガス（以下、「反応ガス」ということがある。）を流通するための流路、並びに冷却水流路を形成している。燃料電池の内部抵抗を小さくするためには隣接するセパレータ間の電気的な接触、及び隣接する膜電極ガス拡散層接合体との電気的な接触（以下、これらの接触を「隣接するセパレータ間の電気的な接触等」ということがある。）を改善することが必要である。しかし、セパレータの全部位の導電性を高めなくても、凹凸形状の頂部の導電性を高めれば、隣接するセパレータ間の電気的な接触等を充分に改善することができる。一方、凹凸形状の頂部同士を連結する移行部（竪壁部）の導電性が多少低下しても、隣接するセパレータ間の電気的な接触等への影響は小さい。すなわち、移行部においてよりも、頂部において、導電性を高めれば、隣接するセパレータ間の電気的な接触等を充分に改善することができる。そして、このようにするためには、移行部においてよりも、頂部において、炭素材料の含有割合を高めればよい。そうすると、頂部において、樹脂の含有割合は低下するため、頂部の強度は低下するが、移行部の樹脂の含有割合は高くなるため、移行部の強度は向上し、セパレータ全体の強度を確保することができることを、本発明者らは知見した。

炭素材料系の燃料電池用セパレータは、炭素材料と樹脂の混合物の成形体である。したがって、頂部と移行部とで炭素材料の含有割合を変化させる（樹脂の含有割合を変化させる）には、複雑な工程を経て得る必要がある。

しかし、次のようにすると、比較的簡便に、頂部の炭素材料の含有割合を高め、移行部の樹脂の含有割合を高めることができることを、本発明者らは知見した。

ガス流通用流路を形成するため、繊維シートにカーボン粒子及び樹脂を適用した原料シートを凹凸形状にプレスする。その際、移行部の圧下率よりも頂部の圧下率を高くすると、頂部の樹脂の多くが移行部に流動する一方で、頂部のカーボン粒子の多くが、そのまま頂部に残留する。その結果、頂部のカーボン粒子の含有割合を高め、移行部の樹脂の含有割合を高めることができる。理論に拘束されないが、これは、カーボン粒子と比較して樹脂の方が良好な流動性を有することから、プレス時に、高圧下部位から低圧下部位へ樹脂が押し出され易いが、カーボン粒子は繊維シートに拘束され、そのままの位置に残留し易いためであると考えられる。

一方、繊維質がシート状（繊維シート）になっておらず、原料シート中に、繊維質、カーボン粒子、及び樹脂が、単純に分散しているだけであると、繊維質、カーボン粒子、及び樹脂それぞれが、実質的に同じ割合で、高圧下部位から低圧下部位へ押し出される。その結果、高圧下部位と低圧下部位で、繊維質、カーボン粒子、及び樹脂それぞれの含有割合を変化させることはできないことを、本発明者らは知見した。

上記の知見等によって完成された本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法の構成要件を次に説明する。

《燃料電池用セパレータ》
本開示の燃料電池用セパレータを、図面を用いて説明する。図１は、本開示の燃料電池用セパレータの一例を示す断面模式図である。

図１に示すように、本開示の燃料電池用セパレータ１００は、繊維シート１０並びにカーボン粒子２０及び樹脂３０を有する。また、本開示の燃料電池用セパレータ１００は、凹凸形状を備え、頂部４０及び移行部５０を有する。以下、繊維シート１０並びにカーボン粒子２０及び樹脂３０について説明する。また、凹凸形状、頂部４０、及び移行部５０について説明する。

〈繊維シート〉
繊維シート１０は、繊維１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有する。ここでは、説明の都合上、繊維シート１０は、３本の繊維１２ａ、１２ｂ、１２ｃを有しているが、実際には、繊維シート１０は、多数の繊維で構成されている。

繊維シート１０中には、カーボン粒子２０及び樹脂３０が分散している。繊維シート１０中にカーボン粒子２０及び樹脂３０を分散させることができれば、繊維シート１０に特に制限はない。繊維シート１０としては、例えば、炭素繊維シート、樹脂繊維シート、無機物繊維シート等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。燃料電池用セパレータの導電性は、主として、繊維シート１０中のカーボン粒子２０によって発現するが、繊維シート１０を炭素繊維シートとすれば、炭素繊維シートも燃料電池用セパレータの導電性向上に寄与する。このことから、繊維シート１０としては、炭素繊維シートを用いることが好ましい。

炭素繊維シートとしては、例えば、重質油、福生油、及びコールタールから得られるピッチ系炭素繊維シート、並びに、ポリアクリロニトリルから得られるＰＡＮ系炭素繊維シート等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。炭素繊維シートとして、気相法炭素繊維をシート状にしたもの、カーボンナノチューブをシート状にしたものも用いることができる。炭素繊維シートを構成する繊維の径及び長さ（繊維長及び繊維長）が大きい方が、原料シートをプレスしたときのカーボン粒子の補足能力が高い。この観点からは、炭素繊維シートとしては、繊維径及び繊維長の大きい、ピッチ系炭素繊維シート及びＰＡＮ系炭素繊維シートが好ましい。繊維シート中の繊維の径及び長さ（繊維径及び繊維長）については、後述する。

樹脂繊維シートとしては、例えば、ポリアミド、ポリフェニルサルフォン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、及びポリエーテルエーテルケトンケトン等を繊維シートにしたものが挙げられる。これらを組み合わせてもよい。燃料電池用セパレータの強度を向上させる観点からは、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、及びポリエーテルイミドを繊維シートにしたものが好ましい。

無機物繊維シートとしては、ガラス繊維シート（グラスファイバーシート）、セラミック繊維シート、及びロックウールシート等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。

繊維シート１０を構成する繊維１２ａ、１２ｂ、１２ｃの繊維径は、例えば、１μｍ以上、３μｍ以上、７μｍ以上、１０μｍ以上、２０μｍ以上、３０μｍ以上、又は４０μｍ以上であってよく、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、又は５０μｍ以下であってよい。また、繊維長は、１ｍｍ以上、３ｍｍ以上、５ｍｍ以上、７ｍｍ以上、又は１０ｍｍ以上であってよく、３０ｍｍ以下、２５ｍｍ以下、２０ｍｍ以下、又は１５ｍｍ以下であってよい。繊維径及び繊維長を上述の範囲にすることによって、原料シートをプレスしたときのカーボン粒子の補足能力が向上する。

繊維シート１０は、カーボン粒子２０及び樹脂３０を担持することができれば、その態様に特に制限はない。繊維シート１０としては、例えば、不織布、ウェブシート、及びメッシュシート等の態様が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。

〈カーボン粒子〉
図１に示したように、カーボン粒子２０は、樹脂３０とともに、繊維シート１０中に分散している。カーボン粒子２０及び樹脂３０は、繊維シート１０に担持されている。樹脂３０については後述する。

カーボン粒子２０は、燃料電池用セパレータ１００の導電性を確保する。カーボン粒子２０は、導電性を確保できれば、その種類に特に制限はない。また、図１では、カーボン粒子２０は球状を有しているが、これは模式的に示したものであり、樹脂３０とともに繊維シート１０に担持されることができれば、カーボン粒子２０の形状に特に制限はない。例えば、繊維径及び繊維長が短い炭素繊維の粒子であってもよい。

カーボン粒子２０としては、例えば、カーボンブラック、膨張黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、炭素繊維、及び気相法炭素繊維等の粒子が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。

カーボン粒子２０の粒径については、樹脂３０とともに繊維シート１０に担持されることができれば、カーボン粒子２０の粒径に特に制限はない。カーボン粒子２０の粒径は、例えば、５μｍ以上、１０μｍ以上、１５μｍ以上、２０μｍ以上、２５μｍ以上、又は３０μｍ以上であってよく、１００μｍ以下、９０μｍ以下、８０μｍ以下、７０μｍ以下、６０μｍ以下、５０μｍ以下、又は４０μｍ以下であってよい。なお、本明細書において、特に断りのない限り、カーボン粒子の粒径は、レーザ光回折法による累積５０％径（ｄ５０径）である。

〈樹脂〉
図１に示したように、樹脂３０は、カーボン粒子２０とともに、繊維シート１０中に分散している。カーボン粒子２０及び樹脂３０は、繊維シート１０に担持されている。

樹脂３０は、カーボン粒子２０とともに、繊維シート１０に担持されることができれば、その種類に特に制限はない。樹脂３０としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。燃料電池用セパレータをより簡便に製造する観点、原料シートのプレス時に樹脂が低圧下部に流動し易い観点（プレス時の流動性の観点）からは、熱硬化性樹脂が好ましい。燃料電池用セパレータの製造方法については後述する。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ノボラック系フェノール樹脂、及びレゾール系フェノール樹脂等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。燃料電池用セパレータの強度の観点からは、エポキシ樹脂が好ましい。

熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテン、ポリメチルペンテン、シンジオタクチックポリスチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレン共重合体、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、フッ素樹脂、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリシクロオレフィン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキシド、及びポリフェニレンスルホン等が挙げられる。これらを組み合わせてもよい。

〈凹凸形状〉
図１に示したように、燃料電池用セパレータ１００は、両面に凹凸形状を備える。固体高分子形燃料電池の場合、通常、二枚の燃料電池用セパレータ１００を組み合わせ、それを膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ－Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）で挟んで燃料電池を構成する。図２は、本開示の燃料電池用セパレータを用いた燃料電池の一例を示す要部断面模式図である。図２に示したように、二枚の燃料電池用セパレータ１００を膜電極ガス拡散層接合体９０で挟み、燃料電池用セパレータ１００と膜電極ガス拡散層接合体９０とでガス流通用流路６０を形成する。また、二枚の燃料電池用セパレータ１００で冷却水流路６２を形成する。図２で、二枚の燃料電池用セパレータ１００が接する頂部４０の導電性を高めることによって、二枚の燃料電池用セパレータ間の電気的な接触等を改善する。

〈頂部及び移行部〉
燃料電池用セパレータ１００が備える凹凸形状は、頂部４０と、相互に隣り合う頂部４０の間を連結する移行部５０とを有する。頂部４０の厚さは、移行部５０の少なくとも一部の厚さよりも薄い。厚さとは、一方の面の特定の点から他方の面への最短長さであって、通常は法線方向の長さを意味する。また、本開示の燃料電池用セパレータ１００においては、移行部５０の少なくとも一部においてよりも、頂部４０の少なくとも一部において、カーボン粒子２０の含有割合が高い。導電性への影響が大きい頂部４０のカーボン粒子２０の含有割合を高めることによって、燃料電池用セパレータ１００全体の導電性を高めることができる。頂部４０の少なくとも一部におけるカーボン粒子２０の面積含有割合は、移行部５０の少なくとも一部におけるカーボン粒子２０の面積含有割合に対して、例えば、１．１倍以上、１．３倍以上、１．５倍以上、１．７倍以上、又は２．０倍以上であってよく、５．０倍以下、４．５倍以下、４．０倍以下、３．５倍以下、３．０倍以下、２．７倍以下、２．５倍以下、又は２．２倍以下であってよい。本開示において、カーボン粒子２０の「面性含有割合」は、本開示の燃料電池用セパレータ１００の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察して、測定することができる。カーボン粒子２０の面積含有割合については後述する。

図３Ａは、本開示の燃料電池用セパレータに係る頂部及び移行部の一例を示す断面模式図である。図３Ｂは、本開示の燃料電池用セパレータに係る頂部及び移行部の別の例を示す断面模式図である。頂部４０の厚さは、移行部５０の少なくとも一部の厚さよりも薄ければよく、図３Ａ及び図３Ｂに示した例に限られない。また、図３Ａ及び図３Ｂに示した厚さの具体的数値（単位：ｍｍ）は、以下の説明を分かり易くするための例であり、これに限られない。

図３Ａは、本開示の燃料電池用セパレータ１００の頂部４０及び移行部５０の典型例を示す断面模式図である。移行部５０は、頂部４０と移行部５０が連結している屈曲部５２、及び互いに隣り合う屈曲部５２を連結する中間部５４を有する。図３Ｂについても、同様に、屈曲部５２及び中間部５４を有する。図３Ａに示した例では、屈曲部５２及び中間部５４のいずれの厚さよりも、頂部４０の厚さが薄い。これにより、屈曲部５２及び中間部５４の両方においてよりも、頂部４０において、カーボン粒子２０の含有割合が高く、その結果、燃料電池用セパレータ１００全体の導電性が高まる。また、頂部４０においてよりも、屈曲部５２及び中間部５４の両方において、樹脂３０の含有割合が高く、燃料電池用セパレータ１００全体の強度を維持することができる。

図３Ｂは、本開示の燃料電池用セパレータ１００の頂部４０及び移行部５０の別の例を示す断面模式図である。図３Ｂに示した例では、移行部５０のうち、屈曲部５２の厚さよりも、頂部４０の厚さが薄い。これにより、屈曲部５２においてよりも、頂部４０において、カーボン粒子２０の含有割合が高く、その結果、燃料電池用セパレータ１００全体の導電性が高まる。また、頂部４０においてよりも、屈曲部５２において、樹脂３０の含有割合が高く、燃料電池用セパレータ１００全体の強度を維持することができる。

図３Ｂに示した例では、移行部５０の一部である屈曲部５２の厚さ（０．２６ｍｍ）よりも、頂部４０の厚さ（０．２１ｍｍ）が薄く、中間部５４の厚さ（０．２１ｍｍ）は頂部４０の厚さと同じであるが、本開示の燃料電池用セパレータは、これに限られない。例えば、移行部５０の一部である中間部５４の厚さ（０．２６ｍｍ）よりも、頂部４０の厚さ（０．２１ｍｍ）の厚さが薄く、屈曲部５２の厚さ（０．２１ｍｍ）が頂部４０の厚さと同じであってもよい。

頂部４０の厚さは、移行部５０の少なくとも一部の厚さよりも薄ければよく、例えば、頂部４０の厚さは、移行部５０の少なくとも一部の厚さの０．５０倍以上又は０．５５倍以上であってよく、０．９０倍以下、０．８０倍以下、０．７０倍以下、０．６５倍以下、又は０．６０倍以下であってよい。

従来の燃料電池用セパレータは、図４Ａ～図４Ｄに示すように、両面の頂部４０の厚さが、移行部５０の少なくとも一部の厚さよりも薄くなっておらず、本開示の燃料電池用セパレータ１００の効果が得られない。図４Ａは、従来の燃料電池用セパレータの第一例の一部を示す断面模式図である。図４Ｂは、従来の燃料電池用セパレータの第二例の一部を示す断面模式図である。図４Ｃは、従来の燃料電池用セパレータの第三例の一部を示す断面模式図である。図４Ｄは、従来の燃料電池用セパレータの第四例の一部を示す断面模式図である。

図４Ａに示した第一例では、頂部４０の厚さと移行部５０の厚さが同じである。図４Ｂに示した第二例では、すべての頂部４０の厚さが、移行部５０の厚さよりも厚い。図４Ｃに示した第三例では、片面の頂部４０（図４Ｃに示した頂部４０のうち、上側に凸の頂部４０）の厚さが、移行部５０の厚さよりも厚く、両面の頂部４０（上側に凸の頂部４０と下側に凸の頂部４０）の厚さが、移行部５０の厚さよりも薄くなっていない。図４Ｄに示した第四例では、両面の頂部が表裏で重なり、その部位の厚さが他の部位より厚くなっている。

《製造方法》
本開示の燃料電池用セパレータの製造方法は、原料シート提供工程及びプレス工程を含む。以下、それぞれの工程について説明する。

〈原料シート提供工程〉
本開示の燃料電池用セパレータの製造方法では、先ず、原料シートを提供する。図５は、本開示の燃料電池用セパレータの製造方法（以下、「本開示の製造方法」ということがある。）で用いる原料シートの一例を示す断面模式図である。

図５に示したように、原料シート７０は、繊維シート１０、並びに繊維シート１０に適用されているカーボン粒子２０及び樹脂３０を有する。繊維シート１０に適用されているカーボン粒子２０及び樹脂３０とは、後続するプレス工程で原料シート７０をプレスした後、繊維シート１０にカーボン粒子２０及び樹脂３０が担持されるようになる状態を意味する。

繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０については、「《燃料電池用セパレータ》」で説明したとおりである。

繊維シート１０にカーボン粒子２０及び樹脂３０を適用して原料シート７０を提供する方法は、特に限定されない。樹脂３０が熱硬化性樹脂である場合には、例えば、繊維シート１０にカーボン粒子２０及び樹脂３０を含浸することが挙げられる。含浸方法としては、典型的には、カーボン粒子２０と樹脂３０を混合した溶液を、例えば、アプリケーターで繊維シート１０の表面に塗布して、カーボン粒子２０と樹脂３０を繊維シート１０に含浸する方法が挙げられる。あるいは、カーボン粒子２０と樹脂３０を混合した溶液中に、繊維シート１０を浸漬して、カーボン粒子２０と樹脂３０を繊維シート１０に含浸する方法が挙げられる。塗布及び浸漬いずれの場合にも、カーボン粒子２０と樹脂３０を混合した溶液に、さらに溶媒を添加して、含浸性を向上させてもよい。

樹脂３０が熱可塑性樹脂の場合には、例えば、カーボン粒子２０を含浸した繊維シート１０を、カーボン粒子２０を含有する熱可塑性樹脂シートで挟んで、これを原料シート７０とすることが挙げられる。繊維シート１０にカーボン粒子２０を含浸する際には、カーボン粒子２０に溶媒（バインダ）を添加し、その混合物を繊維シート１０に含浸させてもよい。カーボン粒子２０を含有する熱可塑性樹脂シートは、カーボン粒子２０と熱可塑性樹脂（樹脂３０）の混合物をシート状に成形して得てもよい。

繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０それぞれの原料シート全体に対する含有割合は、種々の条件を考慮して適宜決定すればよい。種々の条件としては、例えば、繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０の種類、原料シート７０のプレス時の成形性、並びに燃料電池用セパレータ１００の導電性及び強度等が挙げられる。

繊維シート１０の含有割合は、例えば、原料シート７０全体に対して、１質量％以上、３質量％以上、又は５質量％以上であってよく、１０質量％以下、８質量％以下、又は６質量％以下であってよい。繊維シート１０の含有割合を上述のようにすることで、原料シート７０をプレスしたときに、高圧下部ではカーボン粒子２０を補足し、高圧下部から低圧下部へ樹脂３０を流動し易くなる。

カーボン粒子２０の含有割合は、例えば、原料シート全体に対して、５０質量％以上、６０質量％以上、又は７０質量％以上であってよく、９０質量％以下、８５質量％以下、８０質量％以下であってよい。カーボン粒子２０の含有割合を上述のようにすることで、燃料電池用セパレータ１００全体の導電性を確保し易くなる。

樹脂３０の含有割合は、例えば、原料シート７０全体に対して、５質量％以上、１０質量％以上、１５質量％以上、２０質量％以上、又は２５質量％以上であってよく、４０質量％以下、３５質量％以下、又は３０質量％以下であってよい。樹脂３０の含有割合を上述のようにすることで、燃料電池用セパレータ１００全体の強度を確保し易くなる。

原料シート７０には、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法の効果に実質的に悪影響を及ぼさない範囲で、繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０以外の物質を含有することができる。このような物質としては、例えば、カーボン粒子２０及び樹脂３０を繊維シート１０に含浸する際に用いる溶媒等が挙げられる。

繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０それぞれの、原料シート７０全体に対する含有割合は、プレス後の、燃料電池用セパレータ１００全体に対する繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０それぞれの含有割合と実質的に同一である。燃料電池用セパレータ１００「全体」に対するとは、原料シート７０のプレス後は、頂部４０と移行部５０とで、カーボン粒子２０及び樹脂３０の含有割合が異なるが、燃料電池用セパレータ１００全体では、原料シート７０全体と同じであることを意味する。

燃料電池用セパレータ１００には、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法の効果に実質的に悪影響を及ぼさない範囲で、繊維シート１０、カーボン粒子２０、及び樹脂３０以外の物質を含有することができる。このような物質としては、例えば、カーボン粒子２０及び樹脂３０を繊維シート１０に含浸する際に用いる溶媒等が挙げられる。

〈プレス工程〉
プレス工程では、原料シート７０を、ガス流通用流路を形成するようにプレスして、頂部４０及び移行部５０を得る。原料シート７０のプレスにおいては、頂部４０の圧下率が、移行部５０の圧下率よりも高くなるように、原料シート７０をプレスする。これにより、頂部４０の樹脂３０の多くが移行部５０に流動する一方で、頂部４０のカーボン粒子２０の多くが繊維シート１０に補足され、そのまま頂部４０に残留する。その結果、頂部４０でのカーボン粒子２０の含有割合を高め、移行部５０での樹脂３０の含有割合を高めることができる。カーボン粒子２０の含有割合及び樹脂３０の含有割合それぞれは、本開示の燃料電池用セパレータ１００の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で観察したときのカーボン粒子２０及び樹脂３０それぞれの面積含有割合で代表することができる。カーボン粒子２０の面積含有割合の好ましい範囲は、上述したとおりである。樹脂３０の面積含有割合に関しては、移行部５０の少なくとも一部における樹脂３０の面積含有割合は、頂部４０の少なくとも一部における樹脂３０の面積含有割合に対して、例えば、１．１倍以上、１．３倍以上、１．５倍以上、１．７倍以上、又は２．０倍以上であってよく、５．０倍以下、４．５倍以下、４．０倍以下、３．５倍以下、３．０倍以下、２．７倍以下、２．５倍以下、又は２．２倍以下であってよい。

圧下率とは、プレス前の厚さに対する、プレスによって減少した厚さの割合を意味する。例えば、厚さが１ｍｍの原料シートをプレスして、厚さが０．３ｍｍの燃料電池用セパレータを得たとき、圧下率は７０％である。

本開示の製造方法では、頂部４０の圧下率が、移行部５０の圧下率よりも高くなるように、原料シート７０をプレスするため、プレス後の燃料電池用セパレータ１００では、頂部４０の厚さが、移行部の厚さよりも薄くなる。

頂部４０の圧下率は、例えば、移行部５０の圧下率の１．２倍以上、１．３倍以上、１．４倍以上、１．５倍以上、１．６倍以上、又は１．７倍以上であってよく、２．０倍以下、１．９倍以下、又は１．８倍以下であってよい。

これまで説明したような圧下率で原料シートをプレスすることができれば、プレスの方法に特に制限はない。典型的には、燃料電池用セパレータの形状のキャビティを有する成形型を用いて、原料シートを熱間プレスする方法が挙げられる。

上述したような成形型を用いて、ガス流通用流路を形成することができる温度（頂部４０及び移行部５０が得られる温度）で、原料シートを熱間プレスし、冷却する。熱間とは、ガス流通用流路を形成することができる温度（頂部４０及び移行部５０が得られる温度）を意味する。樹脂３０として熱硬化性樹脂を用いる場合には、典型的には、樹脂が硬化する温度で原料シート７０をプレスし、冷却する。樹脂３０として熱可塑性樹脂を用いる場合には、典型的には、樹脂が軟化する温度で原料シート７０をプレスし、冷却する。熱可塑性樹脂がガラス転移温度を有する場合には、ガラス転移温度以上の温度で原料シート７０をプレスし、冷却する。プレス時の温度は、樹脂３０の種類によって適宜決定すればよいが、例えば、１５０℃以上、１６０℃以上、１７０℃以上、１８０℃以上、又は１９０℃以上であってよく、３００℃以下、２８０℃以下、２６０℃以下、２５０℃以下、２４０℃以下、２３０℃以下、２２０℃以下、２１０℃以下、又は２００℃以下であってよい。

プレス時間は、樹脂の種類及び圧下率等を考慮して適宜決定すればよい。プレス時間としては、例えば、１０秒以上、３０秒以上、５０秒以上、７０秒以上、又は９０秒以上であってよく、２００秒以下、１８０秒以下、１６０秒以下、１４０秒以下、１２０秒以下、又は１００秒以下であってよい。

これまで説明したようにして、本開示の燃料電池用セパレータを得ることができる。

〈変形〉
これまで説明してきたこと以外でも、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法は、特許請求の範囲に記載した内容の範囲内で種々の変形を加えることができる。例えば、図３Ａ及び図３Ｂに示した例では、燃料電池用セパレータの両側の面に凹凸形状を備えているが、片側の面のみに凹凸形状を備えていてもよい。

以下、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を実施例及び比較例により、さらに具体的に説明する。なお、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法は、以下の実施例で用いた条件に限定されるものではない。

《試料の準備》
次の要領で試料を準備した。

〈実施例１〉
繊維シートとして、カーボンファイバーの不織布を準備した。不織布中の繊維の繊維径は７μｍ、繊維長は３ｍｍであった。カーボン粒子と、熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂とを準備し、これらに溶媒を加え、その混合物を不織布に塗布して含浸した。そして、溶媒を乾燥させて、原料シートを得た。カーボン粒子の粒径は３０μｍであった。原料シートの厚さは０．２６ｍｍであった。原料シートに対する、不織布、カーボン粒子、及びエポキシ樹脂の含有割合は、それぞれ、５質量％、７０質量％、及び２５質量％であった。

原料シートを１９０℃に加熱したプレス成形機に装入し、図３Ａに示したキャビティ形状を有する成形型で９０秒間プレスした。プレス完了後、金型から燃料電池用セパレータを取り出し、これを実施例１の試料とした。

〈実施例２〉
繊維シートとして、カーボンファイバーの不織布を、ＰＰＳ樹脂メッシュシートに代えたこと以外、実施例１と同様にして、実施例２の試料を準備した。ポリアミド樹脂の繊維径は５５μｍ、目開き２００μｍであった。

〈実施例３〉
繊維シートとして、カーボンファイバーの不織布を準備した。不織布中の繊維の繊維径は７μｍ、繊維長は３ｍｍであった。粒径が３０μｍのカーボン粒子を準備した。熱可塑性樹脂として、ポリプロピレンを準備した。

ポリプロピレンとカーボン粒子の混合物をシート状に成形し、これを第一シートとした。カーボン粒子に溶媒（バインダ）を添加し、その混合物を不織布に塗布して含浸し、これを第二シートとした。第二シートを第一シートで挟み、これを原料シートとした。

原料シートを１９０℃に加熱したプレス成形機に装入し、図３Ａに示したキャビティ形状を有する成形型で９０秒間プレスし、冷却した。その後、金型から燃料電池用セパレータを取り出し、これを実施例３の試料とした。

〈比較例１〉
図４Ｃに示したキャビティ形状を有する成形型を用いたこと以外、実施例１と同様にして、比較例１の試料を準備した。

《評価》
試料の表面をレーザ洗浄し、試料表面の樹脂層を剥離した。レーザ洗浄後の各試料をガス拡散層で挟み、ガス拡散層で挟んだ各試料それぞれの貫通抵抗を測定した。貫通抵抗は、ガス拡散層の抵抗、燃料電池用セパレータとガス拡散層との接触抵抗、及び燃料電池用セパレータの内部抵抗の合計を示す。

ガス拡散層で挟んだ実施例１～３の各試料の貫通抵抗は、３０～４０ｍΩ・ｃｍ^２であった。一方、ガス拡散層で挟んだ比較例１の試料の貫通抵抗は、５０～７０ｍΩ・ｃｍ^２であった。

比較例１の試料は、図４Ｃに示したように、図面上で下側の頂部４０（図面上で中央の頂部）の厚さは、移行部５０の厚さよりも薄くなっているものの、図面上で上側の頂部４０（図面上で両側の頂部４０）の厚さが、移行部５０の厚さより厚くなっている。そのため、比較例１の試料の貫通抵抗は、実施例１～３の試料の貫通抵抗よりも大きくなっている。図４Ａ及び図４Ｂに示した凹凸形状の試料を作製すれば、これらの試料のすべての頂部４０の厚さは、移行部５０よりも薄くなっていないため、これらの試料の貫通抵抗は、比較例１の試料の貫通抵抗よりも大きいと考えられる。このことから、実施例１～３の試料の燃料電池用セパレータの導電性は向上していることが理解できる。

これまでに説明した結果から、本開示の燃料電池用セパレータ及びその製造方法の効果を確認できた。

１０ 繊維シート
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 繊維
２０ カーボン粒子
３０ 樹脂
４０ 頂部
５０ 移行部
５２ 屈曲部
５４ 中間部
６０ ガス流通用流路
６２ 冷却水流路
７０ 原料シート
９０ 膜電極ガス拡散層接合体
１００ 燃料電池用セパレータ

Claims (3)

1. 繊維シートにカーボン粒子及び熱硬化性樹脂を含侵して、前記カーボン粒子及び前記熱硬化性樹脂を前記繊維シートに適用した原料シートを提供すること、並びに
   前記原料シートの両側の表面に、ガス流通用の流路を形成する凹凸形状を備えるように前記原料シートをプレスして、複数の頂部と、相互に隣り合う前記頂部の間を連結する竪壁部とを得ること、
   を含み、
   前記繊維シートが、１～１００μｍの繊維径及び１～３０ｍｍの繊維長を有する炭素繊維及び樹脂繊維の少なくともいずれかを含み、
   前記プレス工程で前記原料シートをプレスした後、前記繊維シートに前記カーボン粒子及び前記熱硬化性樹脂が担持され、かつ、
   前記原料シートのプレスにおいて、前記頂部の圧下率が、前記竪壁部の圧下率よりも高くなるように、前記原料シートをプレスする、
   燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 繊維シートにカーボン粒子を含侵し、前記カーボン粒子を適用した前記繊維シートの両面を、カーボン粒子と熱可塑性樹脂の混合物をシート状に成形した熱可塑性樹脂シートで挟み、原料シートを提供すること、並びに
   前記原料シートの両側の表面に、ガス流通用の流路を形成する凹凸形状を備えるように前記原料シートをプレスして、複数の頂部と、相互に隣り合う前記頂部の間を連結する竪壁部とを得ること、
   を含み、
   前記繊維シートが、１～１００μｍの繊維径及び１～３０ｍｍの繊維長を有する炭素繊維及び樹脂繊維の少なくともいずれかを含み、
   前記プレス工程で前記原料シートをプレスした後、前記繊維シートに前記カーボン粒子及び前記熱可塑性樹脂が担持され、かつ、
   前記原料シートのプレスにおいて、前記頂部の圧下率が、前記竪壁部の圧下率よりも高くなるように、前記原料シートをプレスする、
   燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 燃料電池用セパレータであって、
   繊維シート、並びに前記繊維シート中に分散しているカーボン粒子及び樹脂を有し、かつ前記カーボン粒子及び前記樹脂が分散している前記繊維シートの両側の表面に、ガス流通用流路を形成している凹凸形状を備え、前記凹凸形状が、複数の頂部と、相互に隣り合う前記頂部の間を連結する竪壁部とを有しており、
   前記凹凸形状の両側の頂部の厚さが、前記頂部間の竪壁部の少なくとも一部の厚さよりも薄く、
   前記頂部の厚さが、前記竪壁部の少なくとも一部の厚さの０．５０～０．９０倍であり、
   前記繊維シートが、１～１００μｍの繊維径及び１～３０ｍｍの繊維長を有する炭素繊維及び樹脂繊維の少なくともいずれかを含み、
   前記樹脂が、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の少なくともいずれかを含み、かつ、
   前記竪壁部の少なくとも一部においてよりも、前記頂部の少なくとも一部において、前記カーボン粒子の面積含有割合が高い、
   燃料電池用セパレータ。

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