JP7470566B2 - 燃料電池用セパレータおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータおよびそ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。

セパレータは、その構成材料の観点で、金属材料系と、炭素材料系とに大別される。金属材料系のセパレータには、一般的に、ステンレススチール、アルミニウム若しくはその合金、あるいはチタニウム若しくはその合金が使用される。金属材料系のセパレータは、金属特有の強度と延性に起因して、加工性に優れ、かつ薄型化が可能である。しかし、金属材料系のセパレータは、後述の炭素材料系のセパレータに比べて比重が大きく、燃料電池の軽量化に反する。さらに、金属材料系のセパレータは、耐腐食性が低く、材料によっては不動態皮膜を形成するという欠点を有する。金属材料の腐食あるいは不動態皮膜は、セパレータの電気抵抗の上昇につながるので、好ましくない。金属材料系のセパレータの耐食性を改善するために貴金属をめっきあるいはスパッタ等によるコートする場合には高コスト化を招くが、当該高コスト化を防ぐために、セパレータの表面に形成される流路の凸部をフォトレジスト膜で形成する方法が知られている（特許文献１を参照）。

一方、炭素材料系のセパレータは、金属材料系のセパレータに比べて比重が小さく、耐食性にも優れるという利点を有する。しかし、炭素材料系のセパレータは、加工性および機械的強度に劣る。また、さらなる低電気抵抗化（すなわち、さらなる高導電性化）の要求もある。機械的強度の改善方法としては、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２を参照）。

特開２０１１－０９０９３７号公報 特開２００６－２９４４０７号公報

熱可塑性樹脂に黒鉛粒子を分散させる方法は、ある程度、セパレータの高強度化を実現できる。しかし、炭素材料系のセパレータには、さらなる高強度化が要求される。また、高導電性化およびガスの透過を防止する性能であるガスバリア性に優れることも要求される。

本発明は、強度、導電性およびガスバリア性に優れた燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するための一実施形態に係る燃料電池用セパレータは、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレートと、フィルムとを備え、前記プレートの表面に、流路としての溝を備え、前記フィルムは、前記溝と前記プレートの前記溝以外の表面とを含み、前記プレートの少なくとも表側の面および裏側の面を被覆している。
（２）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムは、前記プレートを包んでいても良い。
（３）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムは、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリフェニレンスルファイドの内の少なくとも１つを主材としたフィルムであっても良い。
（４）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記フィルムの厚さは、２μｍｍ以上１００μｍ以下であっても良い。
（５）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記樹脂の主材および前記フィルムの主材は同一種類の熱可塑性樹脂であっても良い。
（６）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータにおいて、前記プレートを構成する前記樹脂および前記フィルムの少なくとも一方はポリフェニレンスルファイドを主材としても良い。
（７）上記目的を達成するための一実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレートと、フィルムとを備える燃料電池用セパレータの製造方法であって、金型内に、前記フィルムを形成するための第１フィルムを配置する第１フィルム配置工程と、前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、前記プレートの表面に流路としての溝を備える溝付きプレート、または前記溝付きプレートに溝を備えていない状態のプリプレートの内のいずれか１つの被成形物を、前記第１フィルム上に配置する被成形物配置工程と、前記フィルムを形成するための第２フィルムを、前記被成形物上に配置する第２フィルム配置工程と、前記被成形物を前記第１フィルムと前記第２フィルムによって挟んだ状態にて前記金型を閉じて成形を行い、前記第１フィルムおよび前記第２フィルムを前記溝付きプレートの表面に付着させる成形工程と、を含む。
（８）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記被成形物は、前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、または前記プリプレートであって、前記金型の内側に、前記溝の転写用の凹凸を備え、前記成形工程では、前記凹凸を備えた前記金型を用いて、前記混合物または前記プリプレートの成形、前記溝の形成、および前記混合物または前記プリプレートの成形体の表側の面および裏側の面への前記第１フィルムと前記第２フィルムの付着を行っても良い。
（９）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記被成形物は、前記溝付きプレートであって、前記金型の内側に、前記溝に挿入可能な凹凸を備え、前記成形工程では、前記金型を用いて、前記溝付きプレートの表側の面および裏側の面への前記第１フィルムと前記第２フィルムの付着を行っても良い。
（１０）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記成形工程により、前記第１フィルムと前記第２フィルムとが接着して袋状の前記フィルムとなって前記溝付きプレートを包むようにしても良い。
（１１）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記混合物中の前記樹脂がフレーク状の樹脂粉末であっても良い。
（１２）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記樹脂の主材および前記フィルムの主材は同一種類の熱可塑性樹脂でも良い。
（１３）別の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、前記プレートを構成する前記樹脂および前記フィルムの少なくとも一方はポリフェニレンスルファイドを主材としても良い。

本発明によれば、強度、導電性およびガスバリア性に優れた燃料電池用セパレータを提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの平面図を示す。 図２は、図１の燃料電池用セパレータのＡ－Ａ線断面図およびその一部Ｂの拡大図を示す。 図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造工程の概略を示す。 図４は、図３の第１フィルム配置工程、被成形物配置工程および第２フィルム配置工程までの進行状況を金型等の断面視にて示す。 図５は、図４に続いて、成形工程およびそれ以降の進行状況を金型等の断面視にて示す。 図６は、変形例１に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物としてプリプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。 図７は、変形例２に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物として溝付きプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。

次に、本発明の実施形態について、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、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。

１．燃料電池用セパレータ
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの平面図を示す。図２は、図１の燃料電池用セパレータのＡ－Ａ線断面図およびその一部Ｂの拡大図を示す。

この実施形態に係る燃料電池用セパレータ（以後、単に、「セパレータ」ともいう。）１は、平面視で略矩形の板状体である。セパレータ１は、燃料電池において、電解質膜の両面を空気極と水素極によって挟んだ膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ： ＭＥＡ）の両側から挟む板状体である。この実施形態では、セパレータ１は、水素極（「アノード電極」ともいう）側に配置されるアノード側セパレータと、空気極（「カソード電極」ともいう）側に配置されるカソード側セパレータと、を含むように広義に解釈される。

セパレータ１は、その厚さ方向に貫通する貫通孔１１，１２，２１，２２を備える。貫通孔１１，２１は、セパレータ１の一端側に配置されている。貫通孔１２は、セパレータ１を平面視した際に、貫通孔２１と対向して、セパレータ１の上記一端側と反対に位置する他端側に配置されている。貫通孔２２は、セパレータ１を平面視した際に、貫通孔１１と対向するように、セパレータ１の上記一端側と反対に位置する他端側に配置されている。セパレータ１の一面側（表面側）には、流路としての溝３０が形成されている。溝３０以外の表面３１は、溝３０に対して凸面となっている。また、セパレータ１の上記一面側の反対側の面（裏面側）には、流路としての溝３２が形成されている。溝３２以外の表面３１は、溝３２に対して凸面となっている。

セパレータ１がカソード側セパレータの場合、貫通孔１１は、酸化ガスの供給口である。貫通孔１２は、酸化ガスの排出口である。貫通孔２１は、水素ガスの排出口である。貫通孔２２は、水素ガスの供給口である。酸化ガスは、例えば、空気であるが、酸素でも良い。セパレータ１の表面側の溝３０は、酸化ガスを流すための流路である。セパレータ１の裏面側の溝３２は、冷却水を流すための流路である。図１では、白矢印にて、酸化ガスの流れを示す。

セパレータ１がアノード側セパレータの場合、貫通孔１１は、水素ガスの供給口である。貫通孔１２は、水素ガスの排出口である。貫通孔２１は、酸化ガスの排出口である。貫通孔２２は、酸化ガス供給口である。セパレータ１の表面側の溝３０は、水素ガスを流すための流路である。セパレータ１の裏面側の溝３２は、冷却水を流すための流路である。

セパレータ１は、プレート２と、フィルム３とを備えている。プレート２は、グラファイトと樹脂とを含む成形体であり、溶融後に固化した樹脂中にグラファイトが分散した微細構造を有する。プレート２を構成するグラファイトの成形前の形態は、好ましくは、粒状若しくは繊維状である。プレート２を構成する樹脂の成形前の形態は、好ましくは、粒状若しくは繊維状である。ここで、粒状は、フレーク状（薄片状ともいう）の形態も含む。また、繊維状は、ウィスカー状の形態も含む。成形前のグラファイトと樹脂の各形態のより好適な組み合わせは、粒状若しくは繊維状のグラファイトとフレーク状の樹脂の組み合わせである。プレート２は、セパレータ１の溝３０，３２に相当する溝を備えている。

プレート２を構成する樹脂は、特に制約されないが、好ましくは熱可塑性樹脂である。プレート２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）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、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またはＰＥＥＫが特に好適である。ＰＰＳとしては、東レ（株）製のＭ２８８８、Ｅ２１８０、大日本インキ化学工業（株）製のＦＺ－２１４０、ＦＺ－６６００を例示できる。

プレート２の成形前に用いられる樹脂の平均粒径は、好ましくは１μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは５μｍ以上１５０μｍ以下、さらにより好ましくは１０μｍ以上１００μｍ以下である。ここで、平均粒径は、レーザ回折／散乱式粒子径分布測定法にて測定される粒径をいう。以後の平均粒径の測定方法も同様である。

プレート２を構成するグラファイトは、人造黒鉛、膨張黒鉛、天然黒鉛などのいずれでもよい。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。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１７０７ＳＪ（平均粒子径１２５μｍ）、ＡＴ－Ｎｏ．５Ｓ（平均粒子径５２μｍ）、ＡＴ－Ｎｏ．１０Ｓ（平均粒子径２６μｍ）、ＡＴ－Ｎｏ．２０Ｓ（平均粒子径１０μｍ）、あるいは日本黒鉛工業（株）製ＰＡＧ，ＨＡＧ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。また、黒鉛粒子の形状については、特に制約は無く、薄片状、鱗片状、球状など適宜選択することができる。さらに、グラファイトは、非晶質の炭素（アモルファスカーボン）を一部に含んでいても良い。

プレート２の成形前に用いられるグラファイトの平均粒径は、好ましくは１μｍ以上５００μｍ、より好ましくは３μｍ以上３００μｍ以下、さらにより好ましくは１０μｍ以上１５０μｍ以下である。

グラファイトと樹脂とは、別々に粒径を調整してから混合してプレート２の成形用に用いても良く、あるいは先に混錬後、粉砕し、粒径を調整してプレート２の成形用に用いても良い。グラファイトと樹脂とを混錬後、粉砕し、粒径を調整する場合には、混合粉末の平均粒径は、好ましくは１μｍ以上５００μｍ、より好ましくは３μｍ以上３００μｍ以下、さらにより好ましくは１０μｍ以上１５０μｍ以下である。

プレート２を構成するグラファイトと樹脂の質量比は、グラファイト：樹脂＝７０～９５質量部：３０～５質量部である。例えば、５質量部の樹脂に対して、７０質量部以上９５質量部以下の範囲のグラファイト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、３０質量部の樹脂に対しても、同様に、７０質量部以上９５質量部以下の範囲のグラファイト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。セパレータ１は、樹脂よりもグラファイトを質量比にて多く含むのが好ましい。グラファイトと樹脂とのより好適な質量比は、樹脂１質量部に対して、グラファイト１０質量部、若しくはグラファイト１０．１質量部以上２０質量部以下である。上述のように、樹脂の質量部よりもグラファイトの質量部を多くすると、従来のセパレータよりも、グラファイト同士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。セパレータ１の代表的なサンプルでは、体積抵抗値は５ｍΩｃｍまたはそれ以下である。

フィルム３は、溝３０，３２とプレート２の溝３０，３２以外の表面３１とを含み、プレート２の少なくとも表側の面および裏側の面を被覆している。すなわち、フィルム３は、溝３０，３２の内側の面も含めてプレート２の表側の面および裏側の面の両面を被覆している。フィルム３は、表側の面を被覆する第１フィルム４および裏側の面を被覆する第２フィルム５の２種類を分離して、あるいは融着して成る。この実施形態では、フィルム３は、第１フィルム４と第２フィルム５とに分かれ、プレート２の表側の面および裏側の面にそれぞれ付着したものである。しかし、フィルム３は、第１フィルム４と第２フィルム５とを接合した状態にてプレート２を包む袋形状であっても良い。

フィルム３は、好ましくは、樹脂またはゴムである。フィルム３は、プレート２を構成する樹脂の上記好適な選択肢の内の１または２以上を主材とし、より好ましくはＰＥＥＫおよびＰＰＳの内の少なくとも１つを主材とする。ここで、「主材」とは、フィルム３の５０質量％を超える比率を占める材料を意味する。主材は、フィルム３の質量に対して５０質量％を超える限り、例えば、５１質量％、６０質量％、７０質量％、８０質量％、９０質量％、９５質量％または１００質量％でも良い。

フィルム３の厚さは、好ましくは２μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは４μｍ以上３５μｍ以下である。フィルム３の厚さを２μｍ以上、さらには４μｍ以上とすると、セパレータ１のガスバリア性能をより高く、強度（曲げ強度）をより高く、取り扱いやすさをより高くできる。一方、フィルム３の厚さを５０μｍ以下、さらには２０μｍ未満とすると、体積抵抗をより低くできる。第１フィルム４と第２フィルム５とを同一の厚さとし、あるいは異なる厚さにしても良い。この実施形態では、強度はＪＩＳ Ｋ７１７１にて測定される曲げ強さを意味する。

プレート２を構成する樹脂の主材と、フィルム３の主材とを同一種の熱可塑性樹脂とすることもできる。その場合、プレート２の表面近くの樹脂と、プレート２を被覆するフィルム３とを一体化できるので、セパレータ１のさらなる強度向上を図ることができる。当該熱可塑性樹脂としては、好ましくはＰＥＥＫまたはＰＰＳである。

２．燃料電池用セパレータの製造方法
図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの製造工程の概略を示す。

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、粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレート２と、フィルム３とを備える燃料電池用セパレータ１を製造する方法である。当該製造方法は、第１フィルム配置工程（Ｓ１００）、被成形物配置工程（Ｓ２００）、第２フィルム配置工程（Ｓ３００）および成形工程（Ｓ４００）を含み、好ましくは、Ｓ１００、Ｓ２００、Ｓ３００、Ｓ４００の順に進行する。

第１フィルム配置工程は、金型内に、フィルム３を形成するための第１フィルム４を配置する工程である。被成形物配置工程は、グラファイトと樹脂とを少なくとも混合した混合物（「被成形物」の一例）を、第１フィルム４上に配置する工程である。当該混合物に代えて、プレート２の表面に溝３０，３２を備える溝付きプレート、または溝付きプレートに溝３０，３２を備えていない状態のプリプレートを配置しても良い。

第２フィルム配置工程は、フィルム３を形成するための第２フィルム５を、被成形物上に配置する工程である。第２フィルム配置工程により、金型内に、第１フィルム４と第２フィルム５によって挟まれた被成形物を存在させることができる。成形工程は、被成形物を第１フィルム４と第２フィルム５によって挟んだ状態にて金型を閉じて成形を行い、第１フィルム４および第２フィルム５をプレート２の表面に付着させる工程である。被成形物を上記混合物または上記プリプレートとする場合には、成形工程によって、溝３０，３２の形成と、プレート２の形状への成形と、フィルム３のプレート２への付着とを同時進行させることができる。一方、被成形物を溝付きプレートとする場合には、第１フィルム４および第２フィルム５のプレート２への付着が行われる。

次に、燃料電池用セパレータの製造方法を、より詳細に説明する。

図４は、図３の第１フィルム配置工程、被成形物配置工程および第２フィルム配置工程までの進行状況を金型等の断面視にて示す。

（１）第１フィルム配置工程
まず、分割式の金型６０の内の一方の金型（ここでは「第１金型」という）４０を用意する（図中の（ａ）を参照）。第１金型４０の内側（より具体的には内底面）４１には、溝３２の転写用の凹凸４２が形成されている。続いて、第１フィルム４を、第１金型４０の凹凸４２を覆うように、第１金型４０の内側４１に敷く（図中の（ｂ）を参照）。

（２）被成形物配置工程
次に、第１金型４０の内側４１に敷いた第１フィルム４上に、グラファイトと樹脂とを少なくとも混合した混合物２ａを載せる（図中の（ｃ）を参照）。混合物２ａは、好ましくは、予め、ボールミル等の手法によって、粉砕と混合の処理、若しくは混合のみの処理を施したものである。混合物２ａは、その厚さをより均一化させて、第１フィルム４上に配置させるのが好ましい。

（３）第２フィルム配置工程
次に、混合物２ａの上から第２フィルム５を被せる（図中の（ｄ）を参照）。この結果、第１金型４０の内側４１に、第１フィルム４、混合物２ａ、第２フィルム５の順に積層した状態になる。

図５は、図４に続いて、成形工程およびそれ以降の進行状況を金型等の断面視にて示す。

（４）成形工程
第２フィルム配置工程に続いて、分割式の金型６０の内の他方の金型（ここでは「第２金型」という）５０を、第１金型４０の上から被せて、金型６０を閉じる（図中の（ｅ）および（ｆ）を参照）。第２金型５０の内側（より具体的には内底面）５１には、溝３０の転写用の凹凸５２が形成されている。金型６０を閉じた後、加圧および加熱を施して、混合物２ａの成形を行う（図中の（ｇ）を参照）。すなわち、凹凸４２，５２を備えた金型６０を用いて、混合物２ａの成形、溝３０，３２の形成、および混合物２ａの成形体の表側の面および裏側の面への第１フィルム４と第２フィルム５の付着を行う。第１フィルム４および第２フィルム５は、プレート２の表側の面、裏側の面、側面（端面ともいう）の一部を覆った状態のフィルム３となる。この実施形態では、フィルム３は、プレート２を完全に包んでいないが、プレート２の表側の面、裏側の面、端面を全て覆った袋形状であっても良い。なお、成形は、例えば、低圧での加温、加温昇圧、保圧状態での冷却の順で行うことができる。成形工程における成形時の最高温度は、好ましくは３００℃以上４５０℃以下である。例えば、第１フィルム４および第２フィルム５にＰＰＳを用いる場合には、好ましくは３２０℃以上３８０℃以下、より好ましくは３３０℃以上３６０℃以下である。また、例えば、第１フィルム４および第２フィルム５にＰＥＥＫを用いる場合には、好ましくは３５０℃以上４５０℃以下、より好ましくは３６０℃以上４００℃以下である。成形時の温度は、第１フィルム４の種類、第２フィルム５の種類およびプレート２に用いる樹脂の種類に応じて、プレート２用の樹脂が溶融若しくは軟化してグラファイトを固定すると共に、第１フィルム４および第２フィル５がプレート２から容易に分離しないように密着固定されるように、適宜変更可能である。

（５）取出工程
成形工程の後、成形体７０を金型６０から取り出す（図中の（ｈ）を参照）。

図６は、変形例１に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物としてプリプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。

変形例１では、被成形物として、溝付きプレートに溝３０，３２を備えていない状態のプリプレート８０を用いる。プリプレート８０は、被成形物配置工程に先立ち、金型６０内に混合物２ａを投入してプリ成形することによって得られる。プリ成形（仮成形あるいは半成形ともいう）は、プレート２を完全に成形すると場合と異なり、混合物２ａを単に賦形しただけで、グラファイト同士を樹脂で完全に結着するに至っていない状態にとどめる成形を意味する。金型６０の内側に、溝３０，３２の転写用の凹凸４２，５２を備える点は、図４を参照して先に説明した製造方法と同様である。変形例１の被成形物配置工程では、第１フィルム４上にプリプレート８０を配置する（図中の（ｃ１）を参照）。その後の成形工程では、プリプレート８０を第１フィルム４と第２フィルム５によって挟んだ状態にて金型６０を閉じて成形を行い、第１フィルム４および第２フィルム５を溝付きプレートの表面に付着させることができる。

図７は、変形例２に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、被成形物として溝付きプレートを用いたときの被成形物配置工程の状況を金型等の断面視にて示す。

変形例２では、被成形物として、溝付きプレート９０を用いる。溝付きプレート９０は、被成形物配置工程に先立ち、金型６０内に混合物２ａを投入して成形することによって得られる。金型６０は、その内側に、溝３０，３２に挿入可能な凹凸４２，５２を備える。変形例２の被成形物配置工程では、第１フィルム４上に溝付きプレート９０を配置する（図中の（ｃ２）を参照）。この際、凹凸４２，５２は、溝付きプレート９０の表面側の溝および裏面側の溝に嵌る。その後の成形工程では、溝付きプレート９０を第１フィルム４と第２フィルム５によって挟んだ状態にて金型６０を閉じて成形を行い、第１フィルム４および第２フィルム５を溝付きプレート９０の表面に付着させることができる。

３．その他の実施形態
上述のように、本発明の好適な各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。

セパレータ１の溝３０は、図１の白矢印で示す方向にガスを流す流路以外の流路を形成する溝でも良い。また、溝３２は、如何なる形態の流路を形成する溝でも良い。例えば、溝３０をセパレータ１の一端から他端に向かう直線的な流路を形成する溝とし、溝３２を溝３０に対して略直角方向の直線的な流路を形成する溝としても良い。また、セパレータ１は、溝３０および溝３２の少なくとも一方を形成していないものでも良い。

上記実施形態では、プリプレート８０は、溝３０，３２に相当する溝を全く備えていないが、溝３０，３２より浅い溝を備えていても良い。その場合、金型６０を閉じて成形した際に、予め形成された上記浅い溝を深くして、溝３０，３２に変化させることができる。

成形工程の後に、フィルム３の余分な領域をトリミングするトリミング工程を行っても良い。

次に、本発明の実施例を、比較例と比較しながら説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

１．プレートの主な原料
（１）グラファイト
燃料電池用セパレータ（以後、「セパレータ」ともいう）のプレートの構成材料となるグラファイト粉末には、オリエンタル工業（株）製の１７０７ＳＪを用いた。
（２）樹脂
セパレータのプレートの構成材料となる樹脂として、ポリフェニレンフルファイ（ＰＰＳ）の粉末を用いた。ＰＰＳには、東レ（株）製のトレリナＭ２８８８のフレーク状のＰＰＳ粉末を冷凍粉砕して平均粒径５０μｍに調整したＰＰＳ微粉末を用いた。

２．成形前の原料の前処理
上記グラファイト粉末および上記樹脂の粉末を、ジルコニアボールを用いてボールミル粉砕して、両種粉末の混合と粉砕とを行った。当該ボールミル粉砕は、混合粉末の粒度が平均粒径９０±１０μｍとなることを粒度分布の測定（レーザ回折／散乱式粒子径分布測定法による測定）を通じて確認した時点で終了した。

３．フィルム
セパレータ用のフィルムには、ＰＰＳ、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）をそれぞれ用いた。ＰＰＳ製のフィルムには、東レ（株）製の厚さ４～３５μｍの範囲にある複数種のフィルム（品番：トレリナ４－１Ｘ００、トレリナ９－３０７１）を用いた。ＰＥＥＫ製のフィルムには、ソルベイスペシャルティポリマーズ社製の原材料（品番：ＫＴ－８５１ＮＬ ＳＰ）を使用した厚さ６～３５μｍの信越ポリマー（株）製のフィルムを用いた。

４．金型
金型としては、上下分割式の大同特殊鋼（株）製プリハードン鋼ＮＡＫ８０を工材とした金型を用いた。閉じた状態の金型内部には、セパレータを成形可能な空間（約６３ｃｍ^３）が形成されている。また、上下各金型の内側の底部には、セパレータの溝を形成するための凹凸が形成されている。

５．評価方法
（１）溝の賦形性
セパレータ溝凹凸部の外観に未充となる欠けやざらつきが存在する場合には、不合格（ＮＧ）と評価した。以上についての不具合無く、成形可能である場合には、合格（Ａ）と評価した。
（２）体積抵抗率
セパレータの体積抵抗率は、ＪＩＳ Ｋ７１９４に基づき、三菱ケミカルアナリテック（株）製の装置（Ｌｏｒｅｓｔａ－ＧＸ Ｔ－７００）を用いて測定した。体積抵抗率が２．０ｍΩｃｍ未満の場合には合格（Ａ）と評価した。体積抵抗率が２．０を超えて３．０ｍΩｃｍ以下の場合には合格（Ｂ）と評価した。体積抵抗率が３．０を超えて４．０ｍΩｃｍ以下の場合には合格（Ｃ）と評価した。体積抵抗率が４．０を超えて５．０ｍΩｃｍ以下の場合には合格（Ｄ）と評価した。体積抵抗率が５．０ｍΩｃｍを超える場合には不合格（ＮＧ）と評価した。
（３）曲げ試験
セパレータの曲げ試験は、ＪＩＳ Ｋ７１７１に基づき、（株）オリエンテック製の装置（テンシロン万能試験機 ＲＴＣ－１３１０Ａ）を用いて測定した。
・曲げ強度
曲げ強度が６０ＭＰａ以上の場合には合格（Ａ）と評価した。曲げ強度が５０以上６０ＭＰａ未満の場合には合格（Ｂ）と評価した。曲げ強度が５０ＭＰａ未満の場合には不合格（ＮＧ）と評価した。
・曲げひずみ
曲げひずみが０．８０％以上の場合には合格（Ａ）と評価した。曲げひずみが０．６５以上０．８０％未満の場合には合格（Ｂ）と評価した。曲げひずみが０．５０以上０．６５％未満の場合には合格（Ｃ）と評価した。曲げひずみが０．５０％未満の場合には不合格（ＮＧ）と評価した。
（４）ガス透過係数
セパレータのガス透過係数は、Ｈｅガスを用いて、ＪＩＳ Ｋ７１２６－１に基づき、理化精機工業（株）製の気体透過率測定装置（Ｋ－３１５－Ｎ－０３）を用いて測定した。透過係数が１．０×１０^－１８ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ未満の場合には合格（Ａ）と評価した。透過係数が１．０×１０^－１８以上１．０×１０^－１６ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ未満の場合には合格（Ｂ）と評価した。透過係数が１．０×１０^－１６以上１．０×１０^－１５ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ未満の場合には合格（Ｃ）と評価した。透過係数が１．０×１０^－１５以上１．０×１０^－１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ未満の場合には合格（Ｄ）と評価した。透過係数が６．０×１０^－１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ^２・ｓｅｃ・Ｐａ以上の場合には不合格（ＮＧ）と評価した。
（５）総合評価
各特性値評価において、Ａ：４点、Ｂ：３点、Ｃ：２点およびＤ：１点として、各実施例・各比較例の総得点を集計した。点数に応じた評価は、以下の通りである。
ＡＡＡ評価：総得点 １８点
ＡＡ評価：総得点 １７点
Ａ評価：総得点 １６点又は１５点
ＮＧ評価：ＮＧ評価の項目数が１個以上有る場合

６．燃料電池用セパレータの製造
＜実施例＞
（１）実施例１
分割式の金型を構成する下金型の内側の凹部に、厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムを敷き、当該フィルム上に、ボールミル粉砕後の粉末状態の混合物（グラファイト＋ＰＰＳ）を供した。上記混合物は、グラファイト粉末１２０ｇと、ＰＰＳ粉１２ｇとの混合粉末（ＰＰＳ１００質量部に対してグラファイト１０００質量部に相当）とした。次に、当該混合物の厚さがほぼ均一になるようにして、その上から厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムを載せた。次に、分割式の金型を構成する上金型と、上記下金型とを閉じて成形を行った。成形は、面圧４８０ｋｇｆ／ｃｍ^２にて、金型の温度が３６０℃迄上昇するように、３分間保持した。成形終了後に、金型を開き、成形体を取り出し、セパレータの製造を終了した。セパレータは、上記評価方法にて評価した。
（２）実施例２
厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムに代えて、厚さ４μｍのＰＰＳフィルムを用い、成形時の温度を３６０℃から３３０℃に変更した以外、実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（３）実施例３
厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムに代えて、厚さ９μｍのＰＰＳフィルムを用い、成形時の温度を３６０℃から３３０℃に変更した以外、実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（４）実施例４
厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムに代えて、厚さ１５μｍのＰＥＥＫフィルムを用い、
実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（５）実施例５
厚さ６μｍのＰＥＥＫフィルムに代えて、厚さ３５μｍのＰＥＥＫフィルムを用い、
実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（６）実施例６
成形の保持時間を１分間とする以外は、実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（７）実施例７
成形の保持時間を１分間とする以外は、実施例２と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。
（８）実施例８
成形の保持時間を１分間とする以外は、実施例３と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。

＜比較例＞
（１）比較例１
分割式の金型を構成する下金型の内側の凹部に、ボールミル粉砕後の粉末状態の混合物（グラファイト＋ＰＰＳ）を供した。上記混合物は、グラファイト粉末９９ｇと、ＰＰＳ粉末３０ｇとの混合粉末（ＰＰＳ１００質量部に対してグラファイト３３０質量部に相当）とした。次に、分割式の金型を構成する上金型と、上記下金型とを閉じて成形を行った。成形は、面圧３６０ｋｇｆ／ｃｍ^２にて、型温が３２０℃迄上昇するように、３分間保持した。成形終了後に、金型を開き、成形体を取り出し、セパレータの製造を終了した。セパレータは、上記評価方法にて評価した。
（２）比較例２
混合物（グラファイト＋ＰＰＳ）を、グラファイト粉末１２０ｇと、ＰＰＳ粉末１２ｇとの混合粉末（ＰＰＳ１００質量部に対してグラファイト１０００質量部に相当）とした以外を、実施例１と同様の条件でセパレータを製造し、評価した。

７．結果
表１および表２に、各実施例および各比較例の製造条件および評価結果を示す。

比較例１については、プレート賦形性および体積抵抗率がＮＧ評価、曲げ強さおよびＨｅガス透過係数がＢ評価、曲げひずみがＣ評価となり、総合評価としてはＮＧとなった。比較例２については、プレート賦形性、Ｈｅガス透過係数および曲げ強さがＮＧ評価、曲げひずみがＣ評価となったが、体積抵抗率はＡ評価であり、総合評価としてはＮＧとなった。

これに対して、実施例１については、プレート賦形性および体積抵抗率がＡ評価、曲げ強さおよび曲げひずみがＢ評価、Ｈｅガス透過係数がＣ評価となり、総合評価としてはＡ（総得点：１６点）となった。実施例２については、プレート賦形性および体積抵抗率がＡ評価、曲げ強さおよび曲げひずみがＢ評価、Ｈｅガス透過係数がＤ評価となり、総合評価としてはＡ（総得点：１５点）となった。実施例５については、プレート賦形性、曲げ強さおよび曲げひずみがＡ評価、Ｈｅガス透過係数がＢ評価、体積抵抗率がＤ評価となり、総合評価としてはＡ（総得点：１６点）となった。実施例３については、プレート賦形性、体積抵抗率および曲げひずみがＡ評価、曲げ強さがＢ評価、Ｈｅガス透過係数がＣ評価となり、総合評価としてはＡＡ（総得点：１７点）となった。実施例７については、プレート賦形性および体積抵抗率がＡ評価、曲げ強さ、曲げひずみおよびＨｅガス透過係数がＢ評価となり、総合評価としてはＡＡ（総得点：１７点）となった。更に、実施例４については、プレート賦形性、体積抵抗率および曲げひずみがＡ評価、曲げ強さおよびＨｅガス透過係数がＢ評価となり、総合評価としてはＡＡＡ（総得点：１８点）となった。実施例６および実施例８については、プレート賦形性、体積抵抗率およびＨｅガス透過係数がＡ評価、曲げ強さおよび曲げひずみがＢ評価となり、総合評価としてはＡＡＡ（総得点：１８点）となった。

以上の結果から、比較例１と、実施例１～３との比較から、どのフィルム、また厚みのものにおいても、表層にフィルムを使用する効果が確認できた。また、実施例１、実施例４および実施例５の結果から、表層のフィルム厚みとしては、適正な厚みとしては、実施例４のＰＥＥＫ１５μｍが最適であることが確認できた。さらに、実施例１と実施例６との比較の結果、実施例２と実施例７との比較の結果、実施例３と実施例８との比較の結果から、成形時間を１分に短縮することで、表層にそれぞれ樹脂フィルムの形跡が残る（表層が有る）ことによる効果が確認できた。

本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池に利用できる。

１・・・セパレータ（燃料電池用セパレータ）、２・・・プレート、２ａ・・・混合物（被成形物の一例）、３・・・フィルム、４・・・第１フィルム、５・・・第２フィルム、３０，３２・・・溝、３１・・・表面、４０・・・第１金型（金型の一構成部品）、４１，５１・・・内側、４２，５２・・・凹凸、５０・・・第２金型（金型の一構成部品）、６０・・・金型、８０・・・プリプレート（被成形物の一例）、９０・・・溝付きプレート（被成形物の一例）。

Claims (9)

1. 粒状若しくは繊維状のグラファイトと粒状若しくは繊維状の樹脂とを構成材料に含むプレートと、樹脂のみから構成されるフィルムと、を備え、前記プレートの表面に、流路としての溝を備え、前記フィルムは、前記溝と前記プレートの前記溝以外の表面とを含み、前記プレートの少なくとも表側の面および裏側の面を被覆しており、
   前記フィルムの厚さが２μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 前記フィルムは、前記プレートを包んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータ。
3. 前記フィルムは、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリフェニレンスルファイドの内の少なくとも１つから構成されるフィルムであることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。
4. 前記プレートを構成する前記樹脂の主材および前記フィルムを構成する樹脂は同一種類の熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
5. 前記プレートを構成する前記樹脂の主材および前記フィルムを構成する樹脂の少なくとも一方はポリフェニレンスルファイドであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   金型内に、前記フィルムを形成するための第１フィルムを配置する第１フィルム配置工程と、
   前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、前記プレートの表面に流路としての溝を備える溝付きプレート、または前記溝付きプレートに溝を備えていない状態のプリプレートの内のいずれか１つの被成形物を、前記第１フィルム上に配置する被成形物配置工程と、
   前記フィルムを形成するための第２フィルムを、前記被成形物上に配置する第２フィルム配置工程と、
   前記被成形物を前記第１フィルムと前記第２フィルムによって挟んだ状態にて前記金型を閉じて成形を行い、前記第１フィルムおよび前記第２フィルムを前記溝付きプレートの表面に付着させる成形工程と、
   を含む燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 前記被成形物は、前記グラファイトと前記樹脂とを少なくとも混合した混合物、または前記プリプレートであって、前記金型の内側に、前記溝の転写用の凹凸を備え、
   前記成形工程では、前記凹凸を備えた前記金型を用いて、前記混合物または前記プリプレートの成形、前記溝の形成、および前記混合物または前記プリプレートの成形体の表側の面および裏側の面への前記第１フィルムと前記第２フィルムの付着を行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
8. 前記被成形物は、前記溝付きプレートであって、前記金型の内側に、前記溝に挿入可能な凹凸を備え、
   前記成形工程では、前記金型を用いて、前記溝付きプレートの表側の面および裏側の面への前記第１フィルムと前記第２フィルムの付着を行うことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
9. 前記混合物中の前記樹脂がフレーク状の樹脂粉末であることを特徴とする請求項６から８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
   

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