JPH0513178B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

「発明の目的」 本発明は導電性複合シートの創案に係り、比較
的軽量で耐薬品性や耐食性に優れ、しかもガス遮
断性と共に電気的接触性あるいは加工性などにお
いても卓越した特性を有する導電性シートを提供
しようとするものである。 産業上の利用分野 燃料電池用セパレーター、複極式水電解装置そ
の他の電気化学装置における複極式電極セパレー
ターなどとして用いられる導電性複合シート。 従来の技術 燃料電池や複極式電極におけるセパレーターと
しては、従来金属シート或いはカーボン板ないし
カーボンペーパーを主体として用いている。 発明が解決しようとする問題点 ところが上記したような従来のものはそれぞれ
に不利、欠点を有している。即ち金属シートによ
るものは耐薬品性が充分でなく、電解液による腐
食進行が不可避的で電池その他の耐用性が充分に
得られない。なお一部に耐食性をもつた金属も開
発されているが、このような耐食性金属シートは
非常に高価で前記したような電池ないし電極のセ
パレーターとして利用するに適しない。更にこの
ような金属性シートは比重が大きいので電池等の
軽量化が要請される場合には不利とならざるを得
ない。 又カーボン板やカーボンペーパーなどによるも
のではガス遮断性に劣り、燃料ガス等の反応物質
や電解液などの漏洩のため電池ないし電極などの
寿命に悪影響を及ぼす不利があり、特にカーボン
板によるものでは硬くて脆いため充分な電気的接
触が得られず、性能に悪影響を及ぼし、又セル組
立時における締付け等にも工夫を必要とする。 「発明の構成」 問題点を解決するための手段 本発明は上記したような従来のものの問題点を
解消するように創案されたものであつて、ポリテ
トラフルオロエチレン３〜40重量％と平均粒径
10μｍ以下の導電性微粉末60〜97重量％からなる
導電性シートであつて、前記ポリテトラフルオロ
エチレンの水性分散液と上記導電性微粉末の水分
散体との共凝析混合物を押出、圧延の少なくとも
何れかによりシート状とした組織を有し、しかも
前記導電性シートに熱溶融性樹脂シートを重ね、
少なくともその融点以上に加熱・加圧することに
より該導電性シートの空隙部に熱溶融性樹脂が充
填されていることを特徴とするガス不透過性導電
性複合シートである。 作 用 ポリテトラフルオロエチレンが３％以上である
ことにより押出しまたは圧延によるシート化が適
切に得られ、又40％以下とすることにより配合さ
れた導電性粉末との関係において適当な導電性を
得しめる。導電性微粉末の平均粒径が10μｍ以下
とされることによりポリテトラフルオロエチレン
の押出しまたは圧延によるフイブリル化組織と相
俟つて熱溶融性樹脂の含浸後においても電気的接
触性や加工性が適切に確保される。 上記のような導電性シートに熱溶融性樹脂を層
厚方向の一部又は全部に充填し複合シートとする
ことによりガス透過率が非常に小さいものとして
得られるが、しかも前記のように微細な導電性微
粉末がフイブリル化組織に包有されることによつ
て高導電性を有し、しかも全体としては柔軟な製
品として得られる。 製造はポリテトラフルオロエチレンの水性分散
液と導電性微粉末の水分散体とを混合し共凝させ
て得た混合物を押出し、圧延などによつて導電性
シートが得られ、この導電性シートに熱溶融性樹
脂シートを重ね、該熱溶融性シートの融点以上の
温度に加熱加圧することにより量産的に行われ得
る。 実施例 上記したような本発明について更に具体的に説
明すると、先ず導電性微粉末として平均粒径10μ
ｍ以下、好ましくは3μｍ以下で、最適には1μｍ
以下の、例えば金属微粉末又は炭素質微粉末な
ど、具体的には銀粉末、触媒粉末、カーボンブラ
ツク、グラフアイト粉末などを用意する。場合に
よつては触媒などを担持したものでもよく、又そ
れらの粉末の混合物でもよい。該導電性微粉末の
平均粒径が10μｍ以上では以後の製膜加工工程で
加工性が著しく阻害される。特に押出し或いは圧
延加工により製膜する場合にこの不利が著しく、
又粒子相互の接触面積も確保し難くなり、充分な
導電性が得られ難くなると共に空隙容積も増加し
てガス遮断性も有効に得難いことになる。 上記のような微粉末は水に分散せしめられる
が、その水の量としては粉末の種類により異ると
しても一般的には粉末100重量部に対して水を100
〜5000重量部の範囲で適宜に選定される。又必要
なら界面活性剤などの分散剤、増粘剤等を加えて
もよく、分散は一般的な撹拌機、ホモジナイザ
ー、コロイドミル等によつて行うことができる。 次いで上記のような導電性微粉末にポリテトラ
フルオロエチレン（以下単にPTFEという）のデ
イスパージヨンを樹脂分が３〜40％の範囲内とな
るように添加する。このようなPTFEによるデイ
スパージヨンの濃度は２〜60％前後まで適宜に設
定することができるが、それが３％未満ではシー
ト化加工が困難となり、シートとなつたとしても
強度的に頗る弱いので導電性粉末も脱落し易い。
一方40％超えでは樹脂分過大のため必要な導電性
を得難いこととなる。 PTFEデイスパージヨンを添加したものは撹拌
混合され、その後この混合された水分散体を過
堆積させてから乾燥しシート状としてもよく、又
適当な支持体（例えば後述する熱溶融性樹脂シー
ト）上に吹きつけ乾燥してシート状としてもよ
く、更に熱および／または圧力を加えて圧密化し
て得たシートとしてもよいが、最も好ましい方法
はPTFEデイスパージヨンを加えた後撹拌混合を
PTFE粉末および導電性粉末が凝集し全体がゲル
化析出するまで続行する共凝析を行うことであ
る。この共凝析完了後上澄液を傾斜排出し、得ら
れるPTFEと導電性粉末との混合物を乾燥する。
この共凝析法により極めて微細なレベルまで均一
な混合が達成され、その結果として以下の成形方
法が可能となる。 即ち慣用のPTFE微粉末（フアインパウダー）
と液状潤滑剤との混合物の成形方法（ペースト押
出成形法）に準じて成形され得る。つまり導電性
粉末とPTFEとの混合物を例えばソルベントナフ
サ、ホワイトオイルなどの液状炭化水素、石油エ
ーテル、イソプロピルアルコール、流動パラフイ
ン、エチレングリコール、グリセリン、水、ブチ
ルペンジルフタレート、ポリアルキルグリコール
等の液状潤滑剤と適当量混合する。液状潤滑剤は
導電性粉末の種類により選定し、又混合比率も導
電性粉末の種類、物性、成形方法、形状等により
適宜に決定するが、一般的には混合物（PTFE＋
導電性粉末）100重量部に対して15〜300重量部の
範囲で設定される。この混合物から予備成形品を
つくり、該予備成形品を押出機によりシート状或
いはビード状に押出し、必要なら更に圧延するこ
とによりシートとする。或いは直接ロール圧延す
ることによりシートとすることも可能であるが押
出工程を経たものの方が好ましい。その膜厚は自
由に設定し得るが一般的には0.05〜２mm程度とな
る。 斯うして得られたシート状成形品から液状潤滑
剤を抽出又は加熱揮散させて除去し、目的のシー
トを得る。又は更に圧力を加えて圧密化してもよ
く、更にPTFEの分解温度以下の温度を加えても
よい。又場合によつてはこのシートを延伸して多
孔質化したものであつてもよく、更にこれを圧密
化したものでもよい。何れにしても本発明におい
ては次の工程において加熱加圧され、大小の差は
あるにしても圧密化されることになる。 以上のようにして得られたシートは何れも柔軟
で、比較的高強度を有し、圧密化されたものでは
導電性粉末の種類、含有量および膜の微細構造、
多孔質性などによつてそれなりに異るが、高導電
性を有するものである。更に驚くべきことは導電
性粉末としてカーボンブラツクを使用したもので
は弾力性を有しており、これは本発明のような用
途においては非常に好ましい性質である。 前述したようにして得られた導電性シートの片
面或いは両面に熱溶融性樹脂シート、好ましくは
PTFE、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ
アルキルビニルエーテル共重合体（PFA）、ポリ
クロロトリフルオロエチレン（PCTFE）、テト
ラフルオロエチレンとエチレン共重合体
（ETFE）などの熱可塑性弗素樹脂、特に好まし
くはPFA又はFEP樹脂シートを重ね、少なくと
もこの熱可塑性樹脂の融点以上に加熱、加圧し、
導電性シートの空隙部に熱過塑性樹脂を充填する
ことによりガス不透過性が達成される。この場合
導電性シートは全体として非常に柔軟で、しかも
耐熱性を有している。一方導電性粉末は固体で硬
いため、かなりの圧力を加えても或る限度以上は
潰れず、又型崩れなども生じない結果、相当の高
溶融粘度を有する樹脂でも充填可能である。熱可
塑性樹脂シートの厚みは加熱加圧されたときの導
電性シートの厚さおよび空隙率と目的とするガス
不透過層の厚みによつて適宜に選ばれるが、少な
くとも全空隙容積となる厚さ以下とすべきであ
る。又10μｍ以下では充分なガス不透過効果が得
られ難くなるため、一般的には10μｍ以上が好ま
しい。更に圧力は導電性シートの特性、熱可塑性
樹脂シートの物性等により適宜に設定されるが、
一般的には10〜1500Kg／cm³の範囲となる。加熱加
圧方法もロール法、プレス法などの何れによつて
もよい。 他の実施形態として、複数の導電性シートの間
に熱溶融性樹脂シートを介在させた後、前述同様
に少なくとも熱溶融性樹脂の融点以上の温度に加
熱した条件下で加圧して本発明の導電性シートと
してよい。この場合両端面部分は導電性シート又
は熱溶融性樹脂シートの何れでもよい。斯うして
得られた導電性複合シートでは熱溶融性樹脂シー
トが溶融して完全に導電性シートの空隙中に充填
され、実質的に絶縁層は消失される。又導電性樹
脂シート間に配置された熱溶融性樹脂シートは両
導電性シートに充填されると共に両シート間のバ
インダーとしての機能を果すことになる。 上記したような導電性複合シートは、全体とし
ては何れも柔軟で、高導電性を有しており、又ガ
ス透過性も非常に小さいものであつて、燃料電池
等の電気化学装置に用いた場合、電極或いはセル
間の接触が良好に保たれ、且つセル組立時の締付
けに際して応力吸収体としての作用も果し、信頼
性向上に役立つと共に良好なガス不透過性を有す
るので、電気化学装置の性能および寿命の向上に
大きく貢献するものである。 本発明によるものの具体的な製造例について説
明すると以下の如くである。 アセチレンブラツク（電気化学社製：商品名デ
ンカ・ブラツク）850ｇを水25に分散させた後、
PTFEデイスパージヨンの固形分が150ｇとなる
量を添加し、撹拌混合してアセチレンブラツクと
PTFEを共凝析させ、凝析完了後上澄液を流出
し、得られた凝析物を120℃で２日間に亘り加熱
乾燥してアセチレン・ブラツク85％、PTFE15％
から成る混合物を得た。 次に上記混合物100重量部に対して200重量部の
石油ナフサを混合し、通常のPTFEペースト押出
成形法と同様にしてシート状に押出し、ロール圧
延した後、加熱しながらこのシートから石油ナフ
サを完全に揮散除去して厚さ0.5mm、ガーレーナ
ンバー250秒の長尺導電性シートを得た（このシ
ートをとする。） 又ロール圧延後のシートを幅方向に３倍迄延伸
し、その延伸状態を維持したまま、加熱して石油
ナフサを完全に揮発除去することにより、厚さ
0.2mm、ガーレー数20秒の導電性シートを得た
（このシートをとする）。 上記したようなシートを335℃に加熱焼成
してシート−ａ、−ａを得、又シートを
夫々350Kg／cm²で加圧、圧密化して得たシートを
各々シート−ｂ、−ｂとし、更にこれらのシ
ート−ｂ、−ｂを335℃に加熱焼成して得た
シートを夫々シート−ｃ、−ｃとして、これ
らの各シートの膜厚、通気性（ガーレーナンバ
ー）、体積抵抗率を測定した結果は次の表１の如
くである。

【表】

【表】 更にこれらのシートを夫々２枚づつ用意し、そ
の間に50μｍの膜厚を有するFEPシートを介装
し、温度350℃で100Kg／cm²の加圧条件で熱プレス
することにより導電性シートの空隙部にFEPを
充填してガス不透過性とした。即ち斯うして得ら
れた導電性複合シートのガーレーナンバーおよび
表裏間の抵抗値を測定した結果は次の表２に示す
如くであつた。

【表】 又上記したような本発明によるものは、何れも
比重0.3〜2.0程度で頗る軽量であり、しかも柔軟
であつて殊更に面精度を出すようなことなく各電
極間や単セル間などにおける電気的接触を的確に
得しめるものであつた。 なお本発明によるものの製造法について要約し
て示すと以下の如くである。 １ PTFE3〜40％と平均粒径10μｍ以下の導電性
微粉末60〜97％から成る導電性シートが、
PTFEの水性分散液と導電性微粉末の水分散体
とを混合し、共凝析させて得た混合物を、押
出、圧延の少なくとも一方を含む方法によりシ
ート状として得たものであることを特徴とする
導電性複合シートの製造方法。 ２ 導電性シートに熱溶融性樹脂シートを重ねた
後、少なくとも熱溶融性樹脂の融点以上の温度
に加熱加圧することにより導電性シートの空隙
部に層の一部又は全厚にわたり熱溶融性樹脂を
充填する前項記載の導電性複合シートの製造
法。 ３ 複数の導電性シートの間に熱溶融性樹脂シー
トを配置した後、少なくとも熱溶融性樹脂の融
点以上の温度に加熱加圧することにより導電性
シートの空隙部に層厚の一部あるいは全厚にわ
たつて熱溶融性樹脂を充填する前々項記載の導
電性複合シートの製造法。 「発明の効果」 以上説明したような本発明によれば、導電性シ
ートとして好ましい特性を有し、しかも軽量で又
電気的接触を的確に得しめることのできるシート
材を低コストに得しめるものであつて、工業的に
その効果の大きい発明である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ポリテトラフルオロエチレン３〜40重量％と
   平均粒径10μｍ以下の導電性微粉末60〜97重量％
   からなる導電性シートであつて、前記ポリテトラ
   フルオロエチレンの水性分散液と上記導電性微粉
   末の水分散体との共凝析混合物を押出、圧延の少
   なくとも何れかによりシート状とした組織を有
   し、しかも前記導電性シートに熱溶融性樹脂シー
   トを重ね、少なくともその融点以上に加熱・加圧
   することにより該導電性シートの空隙部に熱溶融
   性樹脂が充填されていることを特徴とするガス不
   透過性導電性複合シート。