WO2004019438A1 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2004019438A1
WO2004019438A1 PCT/JP2003/010498 JP0310498W WO2004019438A1 WO 2004019438 A1 WO2004019438 A1 WO 2004019438A1 JP 0310498 W JP0310498 W JP 0310498W WO 2004019438 A1 WO2004019438 A1 WO 2004019438A1
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fuel cell
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separators
graphite
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PCT/JP2003/010498
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French (fr)
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Yoshitsugu Nishi
Kenichi Ishiguro
Original Assignee
Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a separator for a fuel cell, which comprises a cell module by attaching an anode and a cathode to an electrolyte membrane and sandwiching them from both sides, and a method for manufacturing the same.
  • Fuel cells use the reverse principle of electrolysis of water to obtain electricity in the process of reacting hydrogen and oxygen to obtain water.
  • fuel gas, air, and oxidant gas are often used because hydrogen replaces fuel gas and oxygen replaces air and oxidant gas.
  • a general fuel cell will be described with reference to FIG.
  • the fuel cell 200 has an anode 202 and a force sword 203 attached to an electrolyte membrane 201, and these electrodes 202 and 203 are connected to a diffusion layer 2.
  • a cell module is formed by sandwiching the first separator 206 and the second separator 207 via the layers 204 and 205.
  • a fuel cell is obtained by laminating many cell modules.
  • the anode 202 must be in effective contact with the fuel gas. For this reason, a number of grooves (not shown) are provided on the surface 206 a of the first separator 206, and the diffusion layer 204 is overlaid on the surface 206 a of the first separator 206. By closing the groove, a first flow path (not shown) serving as a fuel gas flow path is formed.
  • the second flow path (not shown) serving as the flow path of the oxidizing gas is formed by overlapping the 5 and overlapping the groove 208.
  • the first separator 206 has a large number of cooling water passage grooves 209 on the surface 206 b opposite to the surface 206 a, and the second separator 200 7 is opposite to face 2 0 7 a A number of cooling water passage grooves (not shown) are provided on the side surface 207b. By overlapping the first and second separators 206 and 207, cooling water passages (not shown) are formed by combining the respective cooling water passage grooves 209.
  • the mixture is heated and mixed in a state where the conductive particles are contained in the thermoplastic resin, the kneaded material is extruded, formed into a long sheet by a rolling roll, and the long sheet is subjected to a predetermined process.
  • the first and second separators 206, 206 are formed by stamping and forming grooves for gas passages and cooling water passages on both sides or one side of this blank. Get 207.
  • the surfaces 206a of the first and second separators 206 and 207 are formed.
  • 207a must be overlapped with the diffusion layers 204, 205 in close contact.
  • first separator 206 and the second separator 207 are overlapped to form a cooling water passage therebetween, it is necessary to overlap the first separator 206 and the second separator 207 in a close contact state. is there. However, it is difficult to overlap the first separator 206 and the second separator 207 in close contact with each other, and there is a possibility that a gap is partially generated between the first separator 206 and the second separator 207. .
  • the respective surfaces 206a and 207a of the first and second separators 206 and 207 can be superimposed on the diffusion layers 204 and 205 in close contact with each other.
  • the conventional method for manufacturing a fuel cell separator cuts a long sheet into predetermined dimensions. After cutting into blanks, grooves for gas passages and grooves for cooling water passages are formed in each blank. According to this method of manufacturing a fuel cell separator, when forming a groove in the blank, it is necessary to position each blank in a proper position. Therefore, it took a long time to position the blank material, which hindered an increase in productivity. For this reason, there has been a demand for the development of a manufacturing method capable of more efficiently forming a separator for a fuel cell.
  • Some fuel cells include, for example, as disclosed in Japanese Patent Publication JP-A-200-977375 “Thermoplastic resin composition and molded article” as a composition of a separator for a fuel cell. It is known that carbon fibers and carbon nanotubes are blended in a thermoplastic resin. Hereinafter, the contents of this publication will be described in detail.
  • separator When a separator is incorporated into a fuel cell, it is necessary to form a plurality of grooves for gas flow paths and grooves for cooling water flow paths on both sides. For this reason, it is necessary to use a separator excellent in moldability. In addition, the separator must have a function of collecting current from the electrodes, and must have excellent conductivity. In order to satisfy this demand, in this publication, polyphenylene sulfide (thermoplastic resin) having excellent moldability is used as a separator composition, and carbon fibers and carbon nanotubes having excellent conductivity are used. I decided to use it.
  • thermoplastic resin polyphenylene sulfide
  • injection moldability can be ensured.
  • 30 wt% of carbon fiber and 0.5 wt% of carbon nanotube a certain degree of conductivity is secured.
  • carbon fibers and carbon nanotubes are contained in the material of the separator in order to increase the conductivity of the separator.
  • carbon fibers are included in the material of the separator, it is difficult to sufficiently increase the conductivity.
  • the volume resistivity is measured by a double ring method (ASTM D257).
  • the double ring method is suitable for measurement in the high-resistance region, and the measurement results of the present inventor show that the volume resistivity is smaller than that of the four-point probe method suitable for measurement in the low-resistance region. It turned out to be low.
  • the present invention provides, in a first aspect, a separator for a fuel cell in which an anode and a force sword along an electrolyte membrane are sandwiched from both sides via a diffusion layer, comprising: an ethylene-vinyl acetate copolymer;
  • a fuel cell separator formed of a mixed material containing a thermoplastic resin selected from an ethyl acrylate copolymer and carbon particles selected from at least one of ketjen black, graphite, and acetylene black.
  • Ethylene-vinyl acetate copolymer and ethylene-ethyl acrylate copolymer are particularly excellent in flexibility among thermoplastic resins.
  • thermoplastic resin having excellent flexibility in the separator the contact surface of the separator in contact with the diffusion layer is provided with elasticity, and the contact surface is a portion having excellent sealing properties. Therefore, the overlapping portion between the contact surface of the separator and the diffusion layer can be kept dense. Therefore, it is not necessary to apply a sealing material between the contact surface of the separator and the diffusion layer.
  • the separator is made to contain a thermoplastic resin selected from ethylene-vinyl acetate copolymer and ethylene-ethyl acrylate copolymer to change the contact surface of the separator into a part having excellent sealing properties.
  • a separator having excellent sealing properties can be efficiently produced.
  • carbon particles of Ketjen Black, graphite and acetylene black have conductivity. These carbon particles are included in the separator to ensure the conductivity of the separator.
  • the mixed material preferably has a thermoplastic resin ratio of 14 to 20 wt% and a carbon particle ratio of 80 to 86 wt%.
  • the reason for setting the ratio of the thermoplastic resin to 14 to 20 wt% is as follows. That is, if the content of the thermoplastic resin is less than 14 wt%, the content of the thermoplastic resin is too small, and it becomes difficult to secure the elasticity of the contact surface of the separator, that is, the sealing property. On the other hand, when the content of the thermoplastic resin exceeds 2 Owt%, the content of the carbon particles contained in the separator is reduced, and it becomes difficult to sufficiently secure the conductivity of the separator. Therefore, the content of the thermoplastic resin was set to 14 to 20 wt% to secure the sealability of the separator and to ensure sufficient conductivity of the separator.
  • Ketjen black is a member having particularly excellent conductivity as compared with other carbon blacks. Inclusion of ketjen black enhances the conductivity of the separator.
  • the reason for setting the Ketjen Black content to 3 to 20 wt% is that if the Ketjen Black content is less than 3 wt%, the Ketjen Black content is too low and Ketjen Black is included. It is difficult to obtain the effect. Therefore, if the content of Ketjen Black is less than 3 wt%, the conductivity of the separator may not be sufficiently ensured.
  • Ketjen Black exceeds 2 Owt%, the content of Ketjen Black is too large and it becomes difficult to mix. It is conceivable that mixing can be achieved by adding a solvent, but the use of a solvent may increase the cost. In addition, even if the mixture can be mixed by adding a solvent, the mixture containing Ketjen black has poor flowability, and for example, it is difficult to obtain a predetermined shape during molding.
  • the mixed material preferably contains 14 to 20 wt% of the thermoplastic resin and 70 to 83.5 wt%, glass fiber or carbon fiber is 2.5 to 10 wt%.
  • glass fiber or carbon fiber is 2.5 to 10 wt%.
  • the reason for setting the content of glass fiber or carbon fiber to 2.5 to 1 wt% is that if the content of glass fiber or carbon fiber is less than 2.5 wt%, the content of glass fiber or carbon fiber becomes If the amount is too small, it becomes difficult to increase the rigidity of the separator.
  • the content of glass fiber or carbon fiber exceeds 1 O wt ⁇ 1 ⁇ 2, the content of glass fiber or carbon fiber is too large, and the glass fiber or carbon fiber may be uniformly dispersed in the mixed material.
  • the content of glass fiber or carbon fiber is set to 2.5 to 10 wt% to secure the content of glass fiber or carbon fiber to increase the rigidity of the separator, and to reduce the glass fiber or carbon fiber.
  • the thermoplastic resin is selected from an ethylene-vinyl acetate copolymer and an ethylene-vinyl acetate copolymer
  • the carbon particles are at least selected from ketjen black, graphite, and acetylene black.
  • a gas flow channel is press-formed on the surface thereof, and then the sheet material is cut into a predetermined shape to obtain a separator.
  • the gas flow grooves can be continuously and efficiently formed, and the productivity of the separator can be increased.
  • the present invention relates to a fuel cell separator according to a third aspect, in which an anode and a force sword along an electrolyte membrane are sandwiched from both sides via a diffusion layer, wherein the polyphenylene sulfide is 10 to 34 wt.
  • the present invention provides a fuel cell separator formed of a mixture containing 65 to 80 wt% of graphite, and 1 to 10 wt% of Ketjen black.
  • the separator contained 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide as a thermoplastic resin.
  • Polyphenylene sulfide is a resin with excellent moldability and excellent elasticity, so it improves moldability during injection molding of the separator and also provides a separator with excellent sealability.
  • polyphenylene sulfide is a resin with excellent heat resistance
  • the inclusion of polyphenylene sulfide in the separator enhances the heat resistance of the separator. Therefore, it can be applied to a fuel cell used in a relatively high temperature range, and the use can be expanded.
  • the reasons for setting the content of polyphenylene sulfide to 10 to 34 wt% are as follows. That is, when the content of polyphenylene sulfide is less than 1 O wt%, the content of polyphenylene sulfide is too small, and the moldability of the separator ⁇ the elasticity of the contact surface of the separator, that is, the sealing property is secured. It becomes difficult to do. Further, when the content is less than 1 Owt ⁇ 1 ⁇ 2, it is difficult to ensure the heat resistance of the separator and to exert its function as a binder.
  • the content of polyphenylene sulfide exceeds 34 wt%, the content of graphite in the separator is reduced, and it becomes difficult to sufficiently secure the conductivity of the separator. Therefore, the content of polyphenylene sulfide is set to 10 to 34 wt% to ensure moldability, sealability, heat resistance and bonding property of the separator, and to ensure sufficient conductivity. It was to be.
  • the reason for setting the graphite content to 65 to 8 O wt ⁇ 1 ⁇ 2 is as follows. That is, when the graphite content is less than 65 wt%, the graphite content is too small, and it becomes difficult to increase the conductivity of the separator. On the other hand, if the graphite content exceeds 8 O wt%, the graphite content is too large, making it difficult to uniformly disperse the graphite, making extrusion press forming difficult. Therefore, the content of the thermoplastic resin was set to 65 to 80 wto / o to secure the conductivity of the separator and the moldability.
  • the volume resistivity of the separator can be reduced, and the conductivity of the separator can be sufficiently increased.
  • the conductivity can be further enhanced by including 1 to 10 wt% of the ash:!: Black in the pallet.
  • Ketjen black is a member having particularly excellent conductivity as compared with other carbon blacks. By incorporating ketjen black into the separator, the conductivity of the separator can be further increased.
  • the reason for setting the Ketjen Black content to 1 to 10 wt% is as follows. That is, when the content of Ketjen black is less than 1 wt%, the content of Ketjen black is too small, and there is a possibility that the conductivity of the separator cannot be sufficiently secured. On the other hand, if the content of Ketjen Black exceeds 1 Owt%, the content of Ketjen Black is too large and it becomes difficult to mix. It is conceivable that mixing can be made by adding a solvent, but the use of a solvent may increase the cost. In addition, even if a solvent is added and mixed, the mixture containing Ketjen black has relatively poor fluidity, and for example, it is difficult to obtain a predetermined shape during molding. Therefore, by setting the content of Ketjen Black to 1 to 10 wt%, the conductivity can be further increased.
  • the graphite and Ketjen black contained in the separator are carbon particles, and the separator does not contain a large amount of fibrous substances. Therefore, the occurrence of orientation in the separator due to the fibrous material is suppressed, and the separator is prevented from warping or deforming due to anisotropy. In addition, since the separator does not contain a large amount of fibrous substances, weld lines may be generated in the gas flow grooves and cooling water flow grooves provided in the separator, and the strength of the separator may be reduced. prevent.
  • the mixture further contains 5 to 15 wt% of chopped carbon fibers, and the graphite contained in the mixture is 60 to 80 wt%. Inclusion of 5 to 15 wt% of chopped carbon fiber in the separator increases the strength and heat resistance of the separator. If chopped carbon fibers are included, they play a part in the function of graphite, so the lower limit of graphite content may be 6 Owt%.
  • the reason for setting the content of chopped carbon fiber to 5 to 15 wt% is as follows. That is, when the content of the chopped carbon fiber is less than 5 wt%, the content of the chopped carbon fiber is too small, and it is difficult to secure the strength and heat resistance of the separator. It becomes. On the other hand, if the content of the chopped carbon fiber exceeds 15 wt%, the content of the chopped carbon fiber contained in the separator is too large, and the orientation of the chopped carbon fiber remarkably occurs, and the separator is anisotropic. become sex. Therefore, the separator may be warped or deformed.
  • the polyphenylene sulfide has a viscosity of 20 to 80 psi.
  • the viscosity of the polyphenylene sulfide By setting the viscosity of the polyphenylene sulfide to 20 to 80 psi, graphite and the like can be mixed well with the polyphenylene sulfide, and the moldability of the separator can be further improved.
  • the reasons for setting the viscosity of polyphenylene sulfide to 20 to 80 psi are as follows. That is, when the viscosity of the polyphenylene sulfide is less than 20 psi, the viscosity is too low and the polyphenylene sulfide does not solidify and becomes a slurry. On the other hand, if the viscosity of the polyphenylene sulfide exceeds 80 psi, the viscosity of the polyphenylene sulfide is too high to mix graphite or the like into the polyphenylene sulfide satisfactorily.
  • the viscosity of polyphenylene sulfide was set to 2 O to 80 psi, so that graphite and the like could be mixed well with the polyphenylene sulfide, and the moldability of the separator was further improved.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a fuel cell of a fuel cell separator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA of FIG.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line BB of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel cell separator of FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart of a method of manufacturing a fuel cell separator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A and FIG. 6B show the process of forming the mixture into a pellet in the manufacturing method. It is a figure explaining a process.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a pressing step in the manufacturing method.
  • FIG. 8 is an exploded perspective view showing a fuel cell of a fuel cell separator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along line C-C of FIG.
  • FIG. 10 is a sectional view taken along line DD of FIG.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the fuel cell separator of FIG.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining how to determine the volume resistivity.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the graphite content and the volume resistivity.
  • Figure 14 is a graph showing the relationship between Ketjen Black content and volume resistivity.
  • FIG. 15 is an exploded perspective view showing a conventional fuel cell. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the fuel cell 10 uses, as an example, a solid polymer electrolyte for the electrolyte membrane 12 and attaches the anode 13 and the force sword 14 to the electrolyte membrane 12 to form the anode 13
  • the separator 18 is connected to the separator 18 via the anode diffusion layer 15 on the side and the separator 18 for the fuel cell via the force sink diffusion layer 16 on the force side 14.
  • 1 is a polymer electrolyte fuel cell in which a number of the cell modules 11 are stacked.
  • the separator 18 is composed of a first separator 20 and a second separator 30.
  • the separator 18 has a cooling water passage forming surface 20a of the first separator 20 and a joint surface 3Oa of the second separator 30. As an example, they are joined by a vibration welding method.
  • first and second separators 20 and 30 are vibration-welded to cover the cooling water passage groove 21 of the first separator 20 with the second separator 30 and to provide the cooling water passage 22.
  • ⁇ ⁇ See Fig. 4
  • the cooling water passages 22 ⁇ ′ communicate with the cooling water supply holes 23a and 33a at the upper center of the first and second separators 20 and 30 and the first and second separators.
  • the cooling water discharge holes 23b and 33b at the center of the lower end of 20 and 30 communicate with each other.
  • the first separator 20 has fuel gas passage grooves 24 on the fuel gas passage forming surface (contact surface) 2 Ob side (see FIG. 2) (see FIG. 2), and the anode diffusion layer 1 on the fuel gas passage forming surface 20 b. By overlapping the fuel gas channels 5, the fuel gas channel grooves 24 'are closed with the anode diffusion layer 15 to form the fuel gas channels 25 (see FIG. 4).
  • the fuel gas passages 25 ... Communicate with the fuel gas supply holes 26 a and 36 a on the upper left side of the first and second separators 20 and 30, and the lower ends of the first and second separators 20 and 30.
  • the fuel gas discharge holes 26 b and 36 b on the right side are connected.
  • the second separator 30 has an oxidizing gas passage groove 37 on the oxidizing gas passage forming surface (contact surface) 3 Ob side, and a cathode diffusion layer 16 on the oxidizing gas passage forming surface 30 b.
  • the oxidant gas passage grooves 37 ⁇ are closed by the force sword diffusion layer 16 to form oxidant gas passages 38 ⁇ (see FIG. 4).
  • the oxidizing gas passage 38 ⁇ communicates with the oxidizing gas supply holes 29a, 39a on the upper right side of the first and second separators 20, 30, and the first and second separators 20, 30
  • the oxidizing gas discharge holes 29b and 39b on the left side of the lower end are connected to each other.
  • the resin forming the first and second separators 20, 30 is a thermoplastic resin selected from an ethylene-vinyl acetate (vinyl acetate) copolymer and an ethylene-ethyl acrylate copolymer; A mixture of carbon particles (carbon material) selected from at least one of Ketjen black, graphite and acetylene black, and glass fibers or carbon fibers.
  • This mixture has a thermoplastic resin ratio of 14 to 20 wt%, a carbon particle ratio of 80 to 86, and a Ketjen black of 3 to 20 wt% of 80 to 86 wt% of carbon particles. It is included.
  • Ketjen Black is a carbon black with excellent conductivity, such as Ketjen Black, a product of International K.K. (sold by Mitsubishi Chemical Corporation), but is not limited to this. is not.
  • Ethylene vinyl acetate (vinyl acetate) copolymer and ethylene ethyl acrylate copolymer are flexible resins among thermoplastic resins.
  • the separators 20, 30 are made of a member having excellent flexibility.
  • Ketjen black, graphite, and acetylene black are materials with excellent conductivity.
  • the first and second separators 20 and 30 can be formed as members having excellent electrical conductivity. I do.
  • the reason for setting the ratio of the thermoplastic resin to 14 to 20 wt% is as follows. When the content of the thermoplastic resin is less than 14 wto / o, the content of the thermoplastic resin is too small to secure the flexibility of the contact surfaces of the first and second separators 20 and 30, that is, elasticity. Difficult to do.
  • thermoplastic resin exceeds 2 O wto / o, the content of the thermoplastic resin is too large to maintain the desired volume resistivity ( ⁇ -cm). 2 It becomes difficult to ensure sufficient conductivity of the separators 20 and 30.
  • thermoplastic resin 14 to 20 wt ⁇ 1 ⁇ 2
  • the reason for setting the content of the carbon particles to 80 to 86 wt% is as follows.
  • the content of the carbon particles exceeds 86 wt%, the content of the carbon particles is too large, so that it is difficult to uniformly disperse the carbon particles, and it becomes difficult to perform extrusion molding and press molding. Therefore, it is preferable to set the content of the carbon particles to 86 wt% or less.
  • the volume resistivity ( ⁇ cm) of the first and second separators 20 and 30 is reduced, and the first and second separators are reduced.
  • the conductivity of the separators 20 and 30 is sufficiently increased. For this reason, it is preferable to secure the content of the carbon particles to 7% by weight or more.
  • first and second separators 20 and 30 contain 14 to 20 wt% of the thermoplastic resin, the content of the carbon particles is set to 80 wt% in the first embodiment. % Or more, sufficient conductivity of the first and second separators 20 and 30 is ensured.
  • Ketjen black is a carbon particle having excellent conductivity as compared with ordinary carbon black. For this reason, the volume resistivity ( ⁇ cm) of the first and second separators 20 and 30 is significantly reduced by using Ketjen black. This was set to 3 to 20 wt%.
  • Ketjen Black is less than 3 wt%, the content of Ketjen Black is too small, and it is difficult to obtain the effect of incorporating Ketjen Black. Therefore, if the content of Ketjen Black is less than 3 wt%, there is a possibility that the conductivity of the first and second separators 20 and 30 cannot be sufficiently secured.
  • Ketjen black exceeds 2 Owt%, the content of Ketjen black is too large and it becomes difficult to mix. It is conceivable that mixing can be made possible by adding a solvent, but the use of a solvent may increase the cost. In addition, even if the mixture can be mixed by adding a solvent, the mixture containing Ketjen black has poor flowability, and for example, it is difficult to obtain a predetermined shape during molding.
  • the first separator 20 is a member formed in a substantially rectangular shape (see FIG. 1), and the cooling water passage forming surface 20 a is provided with a cooling water passage groove 21.
  • the fuel gas passage forming surface (contact surface) 2 Ob is provided with a number of fuel gas passage grooves 24 ⁇ .
  • the first separator 20 was made to contain a thermoplastic resin selected from an ethylene′-vinyl acetate copolymer and an ethylene′ethyl acrylate copolymer. Ethylene-vinyl acetate copolymer and ethylene-ethyl acrylate copolymer are particularly excellent in flexibility among thermoplastic resins.
  • the fuel gas passage forming surface 20b has elasticity.
  • the fuel gas passage forming surface 20b is sealed by simply including the thermoplastic resin selected from the ethylene / vinyl acetate copolymer and the ethylene / ethyl acrylate copolymer in the first separator 20. Change to a superior part. Thereby, the first separator 20 having excellent sealing properties can be efficiently produced.
  • the second separator 30 is a member formed in a substantially rectangular shape as shown in FIG. 1, the joining surface 30 a is formed flat, and the oxidizing gas passage forming surface ( A large number of oxidizing gas passage grooves 37 ⁇ ⁇ ⁇ are provided on 30b.
  • the second separator 30 contained a thermoplastic resin selected from an ethylene-vinyl acetate copolymer and an ethylene-ethyl acrylate copolymer.
  • a thermoplastic resin selected from an ethylene-vinyl acetate copolymer and an ethylene-ethyl acrylate copolymer.
  • Ethylene-vinyl acetate copolymer and ethylene-ethyl acrylate copolymer are particularly excellent in flexibility among thermoplastic resins.
  • the oxidizing gas passage forming surface 30b has elasticity.
  • the oxidizing gas passage-forming surface 30b has excellent sealing properties simply by including a thermoplastic resin selected from an ethylene 'vinyl acetate copolymer and an ethylene' ethyl acrylate copolymer in the second separator 30. Change to the site As a result, the second separator 30 having excellent sealing properties can be efficiently produced.
  • FIG. 4 showing a state where the electrode diffusion layers 15 and 16 are superimposed on the separator 18 will be referred to.
  • the separator 18 applies a pressing force to the first and second separators 20 and 30 to form the first and second separators 20 and 30.
  • the cooling water passage forming surface 20a of the first separator 20 and the joining surface 30a of the second separator 30 are vibration-welded to form the first separator 2
  • the cooling water passage 22 is formed by closing the cooling water passage groove 21 with the second separator 30.
  • the fuel gas passages 25 ′ and ′ are formed by the fuel gas passage grooves 24 ′ and the anode diffusion layer 15.
  • the fuel gas passage forming surface 20 b can be provided with elasticity, and the fuel gas passage forming surface 20 b can be provided. Make the part excellent in sealability.
  • the overlapping portion of the fuel gas passage forming surface 20b and the anode diffusion layer 15 is kept dense. Therefore, there is no need to apply a sealing material between the fuel gas passage forming surface 20 b and the anode diffusion layer 15. Therefore, it is possible to reduce the number of parts and to save the trouble of applying the sealing material, and further to suppress the contact resistance between the fuel gas passage forming surface 20b and the anode diffusion layer 15 to increase the output of the fuel cell.
  • the oxidizing gas passage forming surface 30b can be provided with elasticity, and the oxidizing gas passage forming surface 30b can be provided. Make b a part with excellent sealing properties.
  • the overlapping portion between the oxidizing gas passage forming surface 30b and the cathode diffusion layer 16 is kept dense. Therefore, there is no need to apply a sealing material between the oxidizing gas passage forming surface 30 b and the force sword diffusion layer 16.
  • FIG. 5 is a flowchart of the method for manufacturing the fuel cell separator according to the first embodiment of the present invention.
  • STXX represents a step number.
  • a mixed material is obtained by mixing a thermoplastic resin and a conductive material.
  • ST 11 1 A strip-shaped sheet is formed by extruding the mixed material.
  • the groove for the cooling water passage is press-formed on one surface of the band-shaped sheet, that is, the surface corresponding to the surface on which the cooling water passage is formed, and the other surface of the band-shaped sheet, ie, the fuel gas passage
  • the separator material is obtained by press-forming the fuel gas passage groove on the surface corresponding to the forming surface.
  • the first separator is obtained by cutting the separator material to a predetermined size.
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams illustrating a process of forming a mixed material into a pellet in the manufacturing method. Specifically, FIG. 6A shows ST10, and FIG. 6B shows the first half of ST11.
  • thermoplastic resin 46 selected from an ethylene'vinyl acetate copolymer, an ethylene'ethyl acrylate copolymer, and a linear low-density polyethylene is prepared.
  • a conductive material 45 at least one of which is selected from carbon particles of graphite, Ketjen black, and acetylene black is prepared.
  • the prepared thermoplastic resin 46 and conductive material 45 are charged into a container 48 of a mixing device 47 as shown by an arrow.
  • the charged thermoplastic resin 46 and conductive material 45 are mixed in the container 48 by rotating the mixing blade (or screw) 49 as shown by the arrow.
  • the mixed mixture 50 is put into the hopper 52 of the first extrusion molding device 51, and the inputted mixture 50 is extruded by the first extrusion molding device 51.
  • the extruded molding material 53 is passed through a water tank 54 to cool the molding material 53 with water 55 in the water tank 54.
  • the cooled molded material 53 is cut into a predetermined length by a power cutter 57 of a cutter device 56, and the cut pellet 58 5 is stocked in a stock basket 59.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of the pressing step in the above-described manufacturing method, and specifically shows the latter half of ST11 to ST13.
  • the pellets 58 obtained in the previous step are put into the hopper 61 of the second extrusion molding apparatus 60 as indicated by the arrow, and the pellets 58- are fed by the second extrusion molding apparatus 60. Mold.
  • the extruded molding material 62 is rolled by a rolling roll 63 to form a belt-like sheet 64.
  • a pressing device 65 is provided downstream of the rolling roll 63, and the pressing device 65 includes upper and lower press dies 66, 67 on the upper and lower sides of the belt-like sheet 64.
  • the upper press die 66 has a press surface 66a facing the other surface 64b of the belt-shaped sheet 64, and the press surface 66a has an uneven portion (not shown).
  • the uneven surface of the press surface 66 a is formed on the other surface 64 b of the belt-shaped sheet 64 by the fuel gas passage groove 24 4-- -(See Fig. 4).
  • the lower press die 67 has a press surface 67a facing one surface 64a of the belt-shaped sheet 64, and has an uneven portion (not shown) on the press surface 67a.
  • the H convex portion of the press surface 67a is formed by press-forming a cooling water passage groove 21 ⁇ (see FIG. 4) on one surface 64a of the belt-shaped sheet 64.
  • the upper and lower press dies 66, 67 are arranged at the press start position P1, and the upper and lower press dies 66, 67 press both sides 64a, 64b of the belt-like sheet 64, and this state is changed. While maintaining the pressure, the upper and lower press dies 66 and 67 are linked in accordance with the extrusion speed of the belt-shaped sheet 64 as shown by arrows a and b.
  • the cooling water passage grooves 21 are formed on one surface 64 a of the belt-shaped sheet 64, that is, the surface corresponding to the cooling water passage forming surface 20 a (see FIG. 4).
  • the fuel gas passage grooves 24 are formed by press forming.
  • the belt-shaped sheet 64 is formed into the separator material 68.
  • the upper and lower press dies 6 6 and 6 7 reach the press release position P 2
  • the upper and lower press dies 6 6 and 6 7 are moved in a direction away from the belt-shaped sheet 64 as shown by arrows c and d, and the upper and lower press dies are moved.
  • the upper and lower press molds 66 and 6 are moved toward the upstream side as indicated by arrows e and f.
  • the upper and lower press dies 66 and 67 After the upper and lower press dies 66 and 67 reach predetermined positions on the press start side, the upper and lower press dies 66 and 67 are moved to the press start position P1 as indicated by arrows ⁇ and h.
  • the cooling water passage grooves 2 1 and the fuel gas passage grooves 2 4 are formed on both sides 6 4 a and 6 4 b of the belt-shaped sheet 6 4. Press molding.
  • FIG. 7 an example was described in which one upper and lower press die 66, 67 were provided for ease of understanding, but in reality, the upper and lower press die 66, 67 are respectively provided. Provide multiple.
  • cooling water passage grooves 2 1 on both sides 6 4 a and 6 4 b of the band-shaped sheet 6 4 are provided. 4 ⁇ ⁇ ⁇ (see Fig. 4) are continuously pressed.
  • the upper and lower press dies 66 and 67 are provided with portions for forming the fuel gas supply holes 26a and the fuel gas discharge holes 26b shown in FIG.
  • the upper and lower press dies 66 and 67 are provided with portions for forming the oxidizing gas supply holes 29a and the oxidizing gas discharge holes 29b shown in FIG.
  • the upper and lower press dies 66 and 67 are provided with portions for forming the cooling water supply holes 23a and the cooling water discharge holes 23b shown in FIG.
  • the cooling water passage grooves 2 1 ⁇ and the fuel gas passage grooves 2 4 ⁇ are respectively formed on both sides 64 a and 64 b of the strip-shaped sheet 64 by the upper and lower press dies 66 and 67.
  • a cutter device 70 is provided above the separator material 68 obtained in the previous step.
  • the separator material 68 is cut into a predetermined size to obtain the first separator 2 () ⁇ . Thereby, the manufacturing process of the first separator 20 is completed.
  • the cooling water passage grooves 2 are formed on both sides 64 a and 64 b thereof. After press molding the 1 ⁇ and the fuel gas passage grooves 24 4 ', respectively, the sheet 64 is cut into a predetermined shape to obtain a first separator 20.
  • the grooves for cooling water passages 2 1 ⁇ ⁇ ⁇ and the grooves for fuel gas passages 2 4 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ are press-formed in the state of sheet 64 to form grooves for cooling water passages 2 1 ⁇ and grooves for fuel gas passages.
  • the second separator 30 can be manufactured by the same method as the method of manufacturing the first separator 20.
  • the second separator 30 does not have the cooling water passage groove 21 ⁇ (see FIG. 4) unlike the first separator 20 but has a flat joint surface 30a.
  • the lower press die 67 shown in FIG. 7 presses the cooling water passage grooves 2 1 ⁇ 'on one surface of the band-shaped sheet 64 on one surface of the band-shaped sheet 64 opposite to the other surface. There is no need to provide irregularities for molding.
  • the ratio of the thermoplastic resin contained in the first and second separators 20 and 30 is 14 to 20 wt% and the ratio of the carbon particles is 80 to 86 wt%.
  • the ratio of the thermoplastic resin contained in the first and second separators 20 and 30 is 14 to 20 wt%, and the ratio of the carbon particles is 70 to 83. It is also possible to set the ratio of glass fiber or carbon fiber to 2.5 to 10 wt% and 5 wt%.
  • the first and second separators 20 and 30 of the modified example of the first embodiment increase the rigidity of the first and second separators 20 and 30 by mixing glass fiber or carbon fiber with the mixed material. Can be raised.
  • the reason for setting the content of glass fiber or carbon fiber to 2.5 to 10 wt% is as follows.
  • the content of glass fiber or carbon fiber is less than 2.5 wto / o, the content of glass fiber or carbon fiber is too small, and the rigidity of the first and second separators 20 and 30 is increased. It is difficult.
  • the content of glass fiber or carbon fiber exceeds 10 wto / o, the content of glass fiber or carbon fiber is too large, and the glass fiber or carbon fiber may be uniformly dispersed in the mixed material. It is difficult, and it becomes difficult to extrude and press-form the mixture.
  • the reason why the content of the carbon particles is set to 70 to 83.5 wt% in the modification of the first embodiment is as follows.
  • the content of the carbon particles is less than 70 wt%, the content of the carbon particles is too small, and it is difficult to reduce the volume resistivity ( ⁇ cm) of the first and second separators 20 and 30. It is difficult to sufficiently secure the conductivity of the first and second separators 20 and 30.
  • the content of carbon particles exceeds 86 wt%, Is too large to uniformly disperse the carbon particles, making extrusion and press molding difficult. Therefore, it is preferable to set the content of the carbon particles to 86 wt% or less.
  • the first and second separators 20 and 30 contain 14 to 2 wt% of thermoplastic resin and 2.5 to 10 wt% of glass fiber or carbon fiber.
  • the content of the carbon particles was set to 83.5 wt% or less, and the carbon particles were uniformly dispersed, so that extrusion molding and press molding could be suitably performed.
  • the volume resistivity ( ⁇ cmcm) can be reduced and a mixed material excellent in formability can be obtained.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the first and second separators can be obtained.
  • the rigidity of the second separators 20, 30 is increased.
  • the fuel cell 110 of the second embodiment is different from the fuel cell 10 of the first embodiment only in the separator 1 18 (first separator 120, second separator 130), and other configurations are the same. This is the same as the fuel cell 10 of the first embodiment.
  • separators 118 first separator 120, second separator 130
  • the first and second separators 120 and 130 are composed of 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide, 60 to 80 wt% of graphite, 1 to 10 wt% of Ketjen black, and chopped carbon fiber. It is formed from a mixture containing 5 to 15 wt%.
  • thermoplastic resin contained 1 0 ⁇ 34 wt 0/0.
  • Polyphenylene sulfide is a resin with excellent moldability and elasticity, so it improves moldability when the first and second separators 120, 130 are injection molded, and has excellent sealing properties. 1, 2nd Parators 1 2 0 and 1 3 0 are obtained.
  • polyphenylene sulfide is a resin having excellent heat resistance
  • the first and second separators 12 Increase the heat resistance of 0, 130.
  • the reason for setting the polyphenylene sulfide content to 10 to 34 wt% is as follows.
  • the content is less than 10 wt%, it is difficult to secure the heat resistance of the first and second separators 120 and 130 and to exert the function as a binder.
  • thermoplastic resin if the content of the thermoplastic resin is set to 10 to 34 wt%, the moldability, sealability, heat resistance, and bondability of the first and second separators 120 and 130 should be ensured. At the same time, it was decided to ensure sufficient conductivity.
  • the conductivity is improved.
  • the content of the thermoplastic resin should be set to 60 to 80 wto / o to secure the conductivity of the first and second separators 120 and 130 and to secure the moldability. I made it.
  • the volume resistivity (mQ ⁇ cm) of the first and second separators 120 and 130 is reduced, The conductivity of the second separators 120 and 130 is sufficiently increased.
  • thermoplastic resin content was set to 1 to 34 wto / o to secure the moldability, sealability, heat resistance, and bondability of the first and second separators 120 and 130. At the same time, we decided to ensure sufficient conductivity.
  • the ketjen black is included in the first and second separators 120 and 130 in an amount of 1 to 10 w / o to increase the conductivity.
  • Ketjen Black is a member with particularly excellent conductivity compared to other force pump racks. By adding Ketjen Black to the first and second separators 120 and 130, Ketjen Black can be used. 1. The conductivity of the second separators 120 and 130 is further increased.
  • the reason for setting the content of Ketjen Black to 1 to 10 wt% is as follows.
  • Ketjen Black is less than 1 wt%, the content of Ketjen Black is too small, and the conductivity of the first and second separators 120 and 130 cannot be sufficiently ensured. There is a fear.
  • the content of Ketjen black exceeds 1 O wt%, the content of Ketjen black is too large and it becomes difficult to mix. It is conceivable that mixing can be made possible by adding a solvent, but the use of a solvent may increase the cost. In addition, even if the mixture can be mixed by adding a solvent, the mixture containing Ketjen black has relatively poor fluidity, and for example, it is difficult to obtain a predetermined shape during molding. Therefore, by setting the content of Ketjen black to 1 to 1 O wt%, the conductivity of the first and second separators 120 and 130 is sufficiently ensured, and the mixing is further facilitated. And the moldability is suitably secured.
  • the graphite and Ketjen black contained in the first and second separators 120 and 130 are carbon particles, and the separator does not contain a large amount of fibrous substances. Therefore, generation of orientation in the separator due to the fibrous substance is suppressed, and warpage or deformation of the first and second separators 120, 130 due to anisotropy is prevented.
  • first and second separators 120, 130 do not contain a large amount of fibrous substances, the first and second separators 120, 130 have grooves for gas passages and cooling water flows. Weld lines are prevented from forming in the road grooves, and the strength of the first and second separators 120 and 130 is prevented from being reduced.
  • the strength and heat resistance of the first and second separators 120 and 130 are increased by including 5 to 15 wt% of the chopped carbon fibers in the first and second separators 120 and 130.
  • the reason for setting the content of chopped carbon fiber to 5 to 15 wt% is as follows.
  • the content of the chopped carbon fiber is less than 5 wt%, the content of the chopped carbon fiber is too small, and it is difficult to ensure the strength and heat resistance of the first and second separators 120 and 130.
  • the content of the chopped carbon fiber exceeds 15 wt%, the content of the chopped carbon fiber contained in the first and second separators 120 and 130 is too large, and the orientation of the chopped carbon fiber is remarkable. And the first and second separators 120 and 130 become anisotropic. Therefore, the first and second separators 120, 130 may be warped or deformed.
  • the content of the chopped carbon fiber was set to 5 to 15 wt% to secure the strength and durability of the first and second separators 120 and 130.
  • the polyphenylenesall contained in the first and second separators 120 and 130 The feed has a viscosity set between 20 and 80 psi.
  • the viscosity of the polyphenylene sulfide is less than 2 Opss, the viscosity is so low that the polyphenylene sulfide does not solidify during the production of the first and second separators 120, 130, and the slurry is not slurried. It becomes a state.
  • the viscosity of the polyphenylene sulfide exceeds 80 psi, the viscosity of the polyphenylene sulfide is too high to produce the first and second separators 120, 130. It is not possible to mix graphite and the like with polyphenylene sulfide.
  • the viscosity of the polyphenylene sulfide was measured at 300 ° C. by the MFR (melt mass flow rate) test method (ASTM D1238).
  • the MFR means that a vertical metal cylinder is filled with polyphenylene sulfide, and this polyphenylene sulfide is pressed with a biston carrying a weight and extruded from the die at the end of the cylinder.
  • the first separator 120 is a member formed in a substantially rectangular shape (see FIG. 8), and has a cooling water passage forming surface 20a formed in the cooling water passage forming surface 20a. 1 and many fuel gas passage forming surfaces (contact surfaces) 20 b. There are many fuel gas passage grooves 24--.
  • the first separator 120 contained 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide. As a result, the moldability, sealability, heat resistance and bonding property of the first separator 120 are ensured, and sufficient conductivity is ensured.
  • the chopped carbon fibers contained in the first separator 120 have a high elastic modulus, if the content of the chopped carbon fibers is too large, the cooling water passage grooves 2 1 ′ are formed. The chopped carbon fiber cannot enter the ribs 14 and the ribs 14 1 forming the fuel gas passage grooves 24 ′ ′′, so that the chopped carbon fibers and the polyphenylene sulfide are easily separated.
  • the ribs 140 ′ ′′ and 141 have a higher content of polyphenylene sulfide than other parts, and may not be able to exhibit their original performance. Therefore, the content of the chopped carbon fibers was suppressed to 5 to 15 wt%. By doing so, the chopped carbon fibers are preferably inserted into the ribs 140,..., 141, and the ribs 1401, 41,.
  • the second separator 130 is a member formed in a substantially rectangular shape as shown in FIG. 8, the joining surface 30 a is formed flat, and the oxidizing gas passage forming surface ( A large number of oxidizing gas passage grooves 37 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ are provided on 30b.
  • the second separator 130 contained 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide. Thereby, the moldability, sealing property, heat resistance and bonding property of the second separator 130 are ensured, and sufficient conductivity is ensured.
  • the second separator 130 similarly to the first separator 120, the second separator 130 also has the ribs 1442 ', since the content of chopped carbon fibers is suppressed to 5 to 15 wt%.
  • the ribs 142 are formed favorably by allowing the chopped carbon fiber to penetrate into the ribs.
  • FIG. 11 showing a state where the electrode diffusion layers 15 and 16 are superimposed on the separator 118 will be referred to.
  • the separator 1 18 joins the cooling water passage forming surface 20 a of the first separator 120 and the joining surface 30 a of the second separator 130 to form the cooling water passage of the first separator 120.
  • the cooling water passage 22 is formed by closing the groove 21 for use with the second separator 130.
  • the fuel gas passages 25 ⁇ are formed by the fuel gas passage grooves 24 ⁇ and the anode diffusion layer 15 5. Since the separator 118 contains 5 to 15 wt% of chopped carbon fiber, the strength, elastic modulus and heat resistance are further enhanced. By increasing the strength of the separator 118, the tightening strength when the separator 18 is incorporated into the fuel cell is increased.
  • the separator 118 Furthermore, by increasing the elastic modulus and heat resistance of the separator 118, gas resistance at high temperatures The pressure-to-cleaving strength is increased, and the fuel cell can be suitably used even in a high-temperature region.
  • volume resistivity pV of a sample 150 (width W, height t, and length L) is determined by a four-point probe method (ASTM D991).
  • the potential difference V between them is measured by the four probe method.
  • the contact resistance is eliminated, and the true volume resistivity 0 V of the sample 150 is obtained.
  • a double ring method (ASTM D257) is also known in addition to the four probe method.
  • the double ring method is suitable for the measurement in the high resistance region, and it has been found that the measurement results of the present inventor can measure the volume resistivity considerably lower than the four probe method.
  • the volume resistivity obtained by the four-point probe method (ASTM D991) and the double ring method (ASTM D 257) based on Experimental Examples 1 and 2 in Table 1 will be described.
  • the test piece of Experimental Example 1 was composed of 15 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity of 60 ps ⁇ ), 15 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity of 20 psi), and graphite (particles). It contains 69 wt% of diameter (100 im) and 1 wt% of Ketjen black.
  • the fluidity of this mixture has a spiral 'flow' ratio of 30.
  • the test piece of Experimental Example 2 was composed of 12.5 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity 60 psi), 12.5 wt ⁇ 1 ⁇ 2 of polyphenylene sulfide (viscosity 20 psi), plasticizer (polymer Type) contains 2.5 wt%, graphite (particle size: 100 / im) at 69 w / o, Ketjen black at 1 wt%, and PAN-based chopped carbon fiber at 2.5 wt%.
  • the fluidity of this mixture is Spiral 'Flow.Ratio is 45.
  • Spiral 'flow ratio' is the ratio determined in the spiral 'flow test.
  • Spiral flow test is to inject molten resin into a narrow and long spiral groove formed in a mold with an injection molding machine, and determine moldability from the inflow length of the molten resin flowing into the spiral groove. Test.
  • the volume resistivity of the test piece of Experimental Example 1 and the test piece of Experimental Example 2 were determined by the four probe method and the double ring method.
  • the volume resistivity determined by the double ring method was 0.155 m ⁇ ⁇ cm in Experimental Example 1 and 0.072 mQ ⁇ cm in Experimental Example 2.
  • the volume resistivity obtained by the four-point probe method was 0.57 mQ ⁇ cm in Experimental Example 1 and '0.33 mQ' cm in Experimental luxury IJ2.
  • the volume resistivity of the low resistance region was determined by the double ring method suitable for the high resistance region, the volume resistivity was considerably lower than that of the four probe method. Therefore, in order to enhance the reliability, the volume resistivity was determined by the four probe method.
  • the vertical axis indicates the volume resistivity ( ⁇ ′cm), and the horizontal axis indicates the graphite content (wt%).
  • the volume resistivity is about 150,000 mQ ⁇ cm, It can be seen that the volume resistivity decreases when the graphite content exceeds 60 wt%. Therefore, the content of graphite was set so as to be at least 6 wt%, preferably at least 65 wt%.
  • the vertical axis indicates volume resistivity (mQQcm), and the horizontal axis indicates Ketjen black content (wt%).
  • the volume resistivity is about 340 OmQ ⁇ cm, but when the content of Ketjen Black becomes 1 wt%, the volume resistivity becomes about 50
  • Ketjen Black was set to be 1 wt% or more.
  • Test Examples 1-3 and Comparative Examples 1-2 will be described based on Table 2.
  • Polyphenylene sulfide contained in the separator 118 was, for example, a product of Idemitsu Petrochemical Co., Ltd., and graphite was, for example, a product of Nippon Graphite Industry Co., Ltd.
  • Ketjen Black uses-EC600 JD (trade name) manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd. (sold by Mitsubishi Chemical Corporation), and chopped carbon fiber is an example of Toray Industries, Inc. A PAN-based product was used.
  • Ketjen Black EC 600 JD (trade name) manufactured by International Co., Ltd. is a high-grade high-conductivity carbon that has the same conductivity at a content of about 60% compared to ordinary Ketjen Black. Black.
  • Test Example 1 33.25 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity 45 psi), 60 wt% of graphite (particle size 100 / im), and 2.85 wt% of Ketjen black And 5 wt% of chopped carbon fiber.
  • the fluidity of this mixture is spiral 'flow' ratio of 40.
  • Test Example 2 contained 30 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity of 45 psi), 63 wt% of graphite (particle size 100 m), 2 wt% of Ketjen black, and 5 wt% of chopped carbon fiber. It is.
  • the fluidity of this mixture is a spiral 'flow' ratio of 45.
  • Test Example 3 contained 25 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity 45 psi), 67 wt% of graphite (particle size 100 / im), 3 wt% of Ketjen black, and 5 wt% of chopped carbon fiber. It is. The fluidity of this mixture is a spiral 'flow' ratio of 60.
  • Comparative Example 1 35 wt% of polyphenylene sulfide (viscosity: 80 psi), 58 wt% of graphite (particle size: 100 jtm), 2 wt% of Ketjen black, and 5 wt% of chopped carbon fiber Included.
  • the fluidity of this mixture is 62 for Spiral 'Flow Ratio.
  • Comparative Example 2 contained 35 wt% of polyolefin E-nylene sulfide (viscosity: 80 psi), 62 wt% of graphite (particle diameter: 100 im), and 3 wt% of Ketjen black. The fluidity of this mixture was 50 for Spiral Flow Ratio.
  • the volume resistivity threshold is set to 90mQ ⁇ from the perspective that sufficient conductivity will be ensured when used for the separator 18 (see Fig. 1). cm, and the obtained volume resistance value was 9 OmQ cmcm or less was evaluated as ⁇ , and the obtained volume resistance value exceeded 9 OmQ ⁇ cm was evaluated as X. As a result, in Test Example 1, the volume resistivity was reduced to 72 m ⁇ cm and 90 mQ ⁇ cm or less.
  • Test Example 2 the volume resistivity was limited to 85mQ'cm and 90mQcm. The rating was ⁇ because we were able to do it.
  • test example 3 the volume resistivity could Rukoto kept below 6 ⁇ ⁇ 'cm and 9 ⁇ ⁇ ⁇ cm, evaluation is ⁇ .
  • Comparative Example 1 was rated X because the volume resistivity exceeded 33 ⁇ (5 and 900 cm.).
  • the flowability of the mixture must be 30 or more, preferably 40 or more, in the spiral 'flow' ratio, considering moldability and the like.
  • the first and second separators 120 and 130 contain 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide, 60 to 80 wt% of graphite, and 1 to 10 wt% of Ketjen black. , And an example in which chopped carbon fibers are contained in an amount of 5 to 15 wt%.
  • the first and second separators 120 and 130 are provided with polyphenylene sulfide. 10 to 34 wt%, 65 to 80 wt% of graphite, and 1 to 10 wt% of ketjen black.
  • the first and second separators 120 and 130 are made to contain 10 to 34 wt% of polyphenylene sulfide, so that the first and second separators 120 and 130 can be used.
  • the first and second separators 120 and 130 are improved in injection molding of the first and second separators 130 and 130 and have excellent sealing properties.
  • the first and second separators 120, 130 can be formed by including polyphenylene sulfide in the first and second separators 120, 130. 30 increase heat resistance. As a result, it can be applied to fuel cells used in relatively high-temperature areas, and the use can be expanded. become.
  • the reason why the content of polyphenylene sulfide is set to 10 to 34 wt% is the same as that of the second embodiment.
  • the graphite is contained in the first and second separators 120 and 130 in an amount of 65 to 8% by weight to increase the conductivity.
  • the reason for setting the graphite content to 65 to 8 wt% is the same as in the second embodiment. That is, if the graphite content is less than 65 wt 0/0, the graphite content is too small, and it becomes difficult to increase the conductivity of the first and second separators 20 and 30.
  • the graphite content exceeds 8 Owt%, the graphite content is too large to uniformly disperse the graphite, making extrusion and press molding difficult.
  • the content of the thermoplastic resin is set to 65 to 8 O wt 0/0 to secure the conductivity of the first and second separators 120 and 130 and to secure the moldability. It was to be.
  • the volume resistivity ( ⁇ cm) of the first and second separators 120 and 130 is reduced, and The conductivity of the second separators 120 and 130 is sufficiently increased.
  • Ketjen Black in the separator at 1 to 10 wt%, the conductivity is further increased.
  • the reason why the content of Ketjen black is set to 1 to 10 wt% is the same as that of the second embodiment.
  • the polymer electrolyte fuel cells 10 and 110 using a solid polymer electrolyte as the electrolyte membrane 12 have been described.
  • the present invention is not limited to this. It is also possible to apply to a fuel cell.
  • first separators 20 and 120 and the second separators 30 and 130 are continuously formed by extrusion or press molding.
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to mold by other manufacturing methods such as a hot press method, an injection molding method, and a transfer molding method.
  • the transfer molding method is a method in which a molding material is put into a pot portion separate from the cavity for one shot, and the molten material is transferred to the cavity by a plunger to be molded.
  • Ketjen Black is used as an example.
  • Ketchi Black Black ⁇ “EC600 JD” manufactured by International Co., Ltd. (Distributor: Mitsubishi Chemical Corporation)
  • the present invention is not limited to this, and it is also possible to use, for example, “EC” manufactured by Ketjen 'Black' International Co., Ltd., and to use other Ketjen Black. You.
  • Ketjen Black any carbon black having excellent conductivity like Ketjen Black can be used instead of Ketjen Black.
  • the viscosity of the polyphenylene sulfide contained in the first and second separators 120 and 130 is set to 20 to 80 psi.
  • plasticizers can be used to control the viscosity of polyethylene sulfides above 80 psi.
  • the particle size of graphite is not limited to 100 m, and other particle sizes may be used. It is also possible to use.
  • the present invention can increase the productivity by setting the contact surface of the separator to a portion having excellent sealing properties, and is particularly useful in the field of fuel cells for automobiles where mass production is desired. It is.

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Abstract

燃料電池用セパレータ(18)は、電解質膜(12)に沿わせたアノード(13)及びカソード(14)を拡散層(15,16)を介して両側から挟み込むものである。この燃料電池用セパレータ(18)を、エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体から選択した熱可塑性樹脂と、ケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択した炭素粒子とを含んだ混合材で形成したものである。上記熱可塑性樹脂は、特に柔軟性に優れているので、柔軟性に優れた熱可塑性樹脂をセパレータ(18)に含ませることで、拡散層(15,16)に接触するセパレータ(18)の接触面をシール性に優れた部位にする。

Description

T/JP2003/010498
- 1 - 明 細 書 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 技術分野
本発明は、 燃料電池及びその製造方法に関し、 電解質膜にアノード及びカソ一 ドを添わせ、 これらを両側から挟持することによりセルモジユールを構成する燃 料電池用セパレ一タ及びその製造方法に関する。 背景技術
燃料電池は、 水の電気分解の逆の原理を利用し、 水素と酸素とを反応させて水 を得る過程で電気を得る電池である。 一般に、 水素に燃料ガスを置き換え、 酸素 に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、 燃料ガス、 空気、 酸化剤ガスの用語を使 用することが多い。 以下に、 一般的な燃料電池を図 1 5に基づいて説明する。 図 1 5に示されるように、 燃料電池 2 0 0は、 電解質膜 2 0 1にアノード 2 0 2及び力ソード 2 0 3を添わせ、 これらの電極 2 0 2， 2 0 3を拡散層 2 0 4 , 2 0 5を介して第 1セパレータ 2 0 6及び第 2セパレータ 2 0 7で挟むことでセ ルモジュールを構成する。 このセルモジュールを多数個積層することで燃料電池 を得る。
アノード 2 0 2には燃料ガスを効果的に接触させる必要がある。 このため、 第 1セパレータ 2 0 6の面 2 0 6 aに溝 （図示せず） を多数本条設し、 第 1セパレ ータ 2 0 6の面 2 0 6 aに拡散層 2 0 4を重ねて溝を塞ぐことにより、 燃料ガス の流路となる第 1流路 （図示せず） を形成する。
力ソード 2 0 3には酸化剤ガスを効果的に接触させる必要がある。 このため、 第 2セパレ一タ 2 0 7の面 2 0 7 aに溝 2 0 8 · · ·を多数本条設し、 第 2セパレ ータ 2 0 7の面 2 0 7 aに拡散層 2 0 5を重ねて溝 2 0 8■·■を塞ぐことによリ、 酸化剤ガスの流路となる第 2流路 （図示せず） を形成する。
また、 第 1セパレータ 2 0 6は、 面 2 0 6 aと反対側の面 2 0 6 bに冷却水通 路用溝 2 0 9■· -を多数本条設し、 第 2セパレ一タ 2 0 7は、 面 2 0 7 aと反対 側の面 207 bに冷却水通路用溝 （図示せず） を多数本条設ける。 第 1、 第 2セ パレ一タ 206， 207を重ね合わせることで、 それぞれの冷却水通路用溝 20 9 ···を合わせて冷却水通路 （図示せず） を形成する。
この第 1、 第 2のセパレータ 206, 207を製造する方法として、 例えば日 本国特許公開公報 J P— A— 200 1 — 1 26744 「燃料電池用セパレータお よびその製造方法」 が知られている。
この公報の製造方法によれば、 熱可塑性樹脂に導電性粒子を含めた状態で加熱 混鰊し、 この混練物を押出し成形し、 圧延ロールで長尺シートに成形し、 この長 尺シートを所定寸法に切断してブランク材とした後、 このブランク材の両面、 或 いは片面にガス通路や冷却水通路用の溝をスタンビング成形することによリ第 1、 第 2セパレ一タ 206, 207を得る。
第 1、 第 2セパレータ 206， 207にそれぞれ拡散層 204， 205を重ね 合わせて第 1、 第 2流路を形成するためには、 第 1、 第 2セパレータ 206， 2 07のそれぞれの面 206 a， 207 aに拡散層 204， 205を密着状態に重 ね合わせる必要がある。 しかしながら、 第 1、 第 2セパレータの 206， 207 の面 206 a， 207 aに拡散層 204， 205を密着状態に重ね合わせること は難しく、また、第 1、第 2セパレ一タの面 206 a, 207 aと拡散層 204, 205との間に部分的に隙間が発生する虞がある。
また、第 1セパレータ 206と第 2セパレ一タ 207とを重ね合わせることで、 両者間に冷却水通路を形成するため、 第 1セパレータ 206と第 2セパレータ 2 07とを密着状態に重ね合わせる必要がある。 しかしながら、 第 1セパレ一タ 2 06と第 2セパレータ 207とを密着状態に重ね合わせることは難しく、 第 1セ パレータ 206と第 2セパレータ 207との間に部分的に隙間が発生する虞があ る。
このため、 第 1、 第 2セパレータ 206, 207のそれぞれの面 206 a， 2 07 aと拡散層 204， 205とを密着状態に重ね合わせることができ、 さらに 第 1セパレータ 206と第 2セパレータ 207とを密着状態に重ね合わせること ができる燃料電池用セパレータの開発が望まれていた。
また、 従来の燃料電池用セパレータの製造方法は、 長尺シートを所定寸法に切 断してブランク材とした後、 それぞれのブランク材にガス通路用の溝や冷却水通 路用の溝を成形するものである。この燃料電池用セパレータの製造方法によれば、 ブランク材に溝を成形する際に、 各々のブランク材を正規の位置に位置決めする 必要がある。 よって、 ブランク材の位置決めに時間がかかり、 そのことが生産性 を上げる妨げになっていた。 このため、 燃料電池用セパレ一タをより効率よく成 形することができる製造方法の開発が望まれていた。
燃料電池のなかには、 例えば曰本国特許公開公報 J P - A - 2 0 0 2— 9 7 3 7 5 「熱可塑性樹脂組成物及び成形品」 に示されるように、 燃料電池用セパレー タの組成物として熱可塑性樹脂に炭素繊維やカーボンナノチューブを配合したも のが知られている。 以下、 この公報の内容を詳しく説明する。
セパレータを燃料電池に組み込んだ際に、 その両面にガス流路用の溝や冷却水 流路用の溝を複数本成形する必要がある。 このため、 セパレータの素材は成形性 に優れたものを使用する必要がある。 加えて、 セパレ一タは電極からの集電機能 が要求され、 導電性に優れている必要がある。 この要求を満足させるため、 この 公報術では、 セパレータの組成物として、 成形性に優れたポリフエ二レンサルフ アイ ド （熱可塑性樹脂） を使用するとともに、 導電性に優れた炭素繊維やカーボ ンナノチューブを使用することにした。
一例を詳しく説明すると、 セパレータの組成物として炭素繊維を 3 0 w t %、 カーボンナノチューブを 0 . 5 w t %、 ポリフ： ι:二レンサルファイド （熱可塑性 樹脂） を 6 9 . 5 w t %準備し、 これらを混合することにより混合物を得た。 そ の後、 この混合物を素材としてセパレータを射出成形した。
熱可塑性樹脂であるポリフエ二レンサルフアイドを 6 9 . 5 w t %使用するこ とにより、 射出成形性を確保できる。 さらに、 炭素繊維を 3 0 w t %使用すると ともに、 カーボンナノチューブを 0 . 5 w t %使用することである程度の導電性 を確保する。
しかし、 上記公報では、 素材に多量の炭素繊維を含有しているので、 炭素繊維 の配向性が顕著に発生し、 セパレータは異方性になる。 よって、 セパレータに反 リゃ変形が発生する虞がある。
また、 セパレータのように両面にガス流路用の溝や冷却水流路用の溝がある場 合には、 ウエルドラインができやすい。 このため、 セパレータの強度が極端に低 下して破損する虞がある。
さらに、 上記公報では、 セパレータの導電性を高めるため、 セパレータの素材 に炭素繊維やカーボンナノチューブを含有させている。 しかし、 炭素繊維をセパ レータの素材に含有させても、 導電性を十分に上げることは難しい。
具体的には、 上記公報では、 体積抵抗率を二重リング方式 （A S T M D 2 5 7 ) で測定している。 しかし、 二重リング方式は、 高抵抗領域の測定に適してお リ、 本発明者の測定結果では、 低抵抗領域の測定に適した四探針法と比較して体 積抵抗率がかなリ低くでることが判つた。
加えて、 近年燃料電池は高い性能が要求されており、 この要求を満足させるた めに、 よリ導電性に優れたセパレータの実用化が望まれている。 発明の開示
本発明は、 第 1の面において、 電解質膜に沿わせたアノード及び力ソードを拡 散層を介して両側から挟み込む燃料電池用セパレ一タであって、 エチレン '酢ビ 共重合体、エチレン■ェチルァクリレート共重合体から選択した熱可塑性樹脂と、 ケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックの少なくとも一種から選択した 炭素粒子とを含む混合材で形成された燃料電池用セパレータを提供する。
エチレン■酢ビ共重合体およびエチレン■ェチルァクリレ一ト共重合体は、 熱 可塑性樹脂のなかでも特に柔軟性に優れている。 このような柔軟性に優れた熱可 塑性樹脂をセパレータに含ませることで、 拡散層に接触するセパレータの接触面 に弾力性を備え、 接触面をシール性に優れた部位とする。 このため、 セパレータ の接触面と拡散層との重ね合わせ部を密に保つことができる。 したがって、 セパ レータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要はない。
また、 セパレ一タに、 エチレン '酢ビ共重合体、 エチレン■ェチルァクリレー ト共重合体から選択した熱可塑性樹脂を含ませるだけで、 セパレータの接触面を シール性に優れた部位に変える。 これにより、 シール性に優れたセパレータを効 率よく生産することができる。
一方、 ケッチェンブラック、 黒鉛やアセチレンブラックの炭素粒子は導電性を 備えており、 これらの炭素粒子をセパレ一タに含ませることにより、 セパレータ の導電性を確保する。
混合材は、 熱可塑性樹脂の割合を 1 4〜 2 0 w t %、 炭素粒子の割合を 8 0〜 8 6 w t %とするのが好ましい。
熱可塑性樹脂の割合を 1 4〜2 0 w t %に設定した理由は次の通りである。 即 ち、 熱可塑性樹脂の含有量が 1 4 w t %未満になると、 熱可塑性樹脂の含有量が 少なすぎてセパレータの接触面の弾力性、 すなわちシール性を確保することが難 しくなる。 一方、 熱可塑性樹脂の含有量が 2 O w t %を超えると、 セパレータに 含む炭素粒子の含有量が少なくなリ、 セパレータの導電性を十分に確保すること が難しくなる。 そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 1 4〜2 0 w t %に設定して、 セパレータのシール性を確保するとともに、 セパレータの導電性を十分に確保す ることとした。
炭素粒子のうち、 3〜2 0 w t %をケッチェンブラックとするのが望ましい。 ケッチェンブラックは、 他のカーボンブラックと比較して特に導電性に優れた 部材であり、ケッチェンブラックを含ませることでセパレ一タの導電性を高める。 ケッチェンブラックの含有量を 3〜2 0 w t %に設定する理由は、 ケッチェンブ ラックの含有量が 3 w t %未満になると、 ケッチェンブラックの含有量が少なす ぎて、 ケッチェンブラックを含ませた効果を得ることが難しくなる。 このため、 ケッチェンブラックの含有量が 3 w t %未満ではセパレータの導電性を十分に確 保することができない虞がある。
—方、 ケッチェンブラックの含有量が 2 O w t %を超えると、 ケッチェンブラ ックの含有量が多すぎて混鍊しづらくなる。 溶剤を添加することで混鍊を可能に することも考えられるが、 溶剤を使用することでコストが上がる虞がある。 加え て、 溶剤を添加して混鍊できたとしても、 ケッチェンブラックを含んだ混鍊物は 流れ性が悪く、 例えば成形の際に所定の形状を得ることが難しい。
そこで、 ケッチェンブラックの含有量を 3〜2 O w t %に設定することで、 セ パレータの導電性を十分に確保し、 さらに混鍊の容易化を図るとともに成形性を 好適に確保するようにした。
混合材は、 好ましくは、 熱可塑性樹脂を 1 4〜 2 0 w t %、 炭素粒子を 7 0〜 8 3 . 5 w t %、 ガラス繊維又は炭素繊維を 2 . 5〜 1 0 w t %の割合とする。 ガラス繊維又は炭素繊維を混合材に混合することで、 セパレ一タの剛性を高め る。 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量を 2 . 5〜1 O w t %に設定した理由は、 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量が 2 . 5 w t %未満になると、 ガラス繊維又は 炭素繊維の含有量が少なすぎてセパレータの剛性を高めることが難しくなる。 一 方、 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量が 1 O w t <½を超えると、 ガラス繊維又は 炭素繊維の含有量が多すぎて混合材中にガラス繊維又は炭素繊維を均一に分散す ることが難しく、 混合材の押出成形やプレス成形などが困難になる。 そこで、 ガ ラス繊維又は炭素繊維の含有量を 2 . 5〜 1 0 w t %に設定し、 ガラス繊維又は 炭素繊維の含有量を確保してセパレータの剛性を高めるとともに、 ガラス繊維又 は炭素繊維を均一に分散して成形性に優れた混合材を得ることで生産性を高める こととした。
本発明は、 第 2の面において、 熱可塑性樹脂をエチレン '酢ビ共重合体、 ェチ レン■ェチルァクリレ一卜共重合体から選択するとともに、 炭素粒子をケッチェ ンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックから少なくとも一種選択する工程と、 こ れらの選択した熱可塑性樹脂及び炭素粒子を混合して混合材を得る工程と、 この 混合材を押出し機で押出し成形してシート材を得る工程と、 このシート材をプレ ス成形してガス流路溝を表面に成形する工程と、 このガス流路溝を成形したシー ト材を所定形状に切断して燃料電池用セパレータを得る工程と、 から成る燃料電 池用セパレータの製造方法を提供する。
混合材をシ一ト材とした状態で、 その表面にガス流路溝をプレス成形した後、 シート材を所定形状に切断してセパレータを得る。 このように、 ガス流路溝をシ 一ト材の状態でプレス成形することで、ガス流路溝を連続的に効率よく成形して、 セパレータの生産性を高めることができる。
本発明は、 第 3の面において、 電解質膜に沿わせたアノード及び力ソードを拡 散層を介して両側から挟み込む燃料電池用セパレータであって、 ポリフエ二レン サルファィ ドを 1 0〜 3 4 w t %、 黒鉛を 6 5〜 8 0 w t %、 およびケッチェン ブラックを 1〜 1 0 w t %含む混合物で形成した燃料電池用セパレータを提供す る。 セパレータに熱可塑性樹脂としてのポリフエ二レンサルフアイ ドを 1 0〜3 4 w t %含ませた。 ポリフヱニレンサルファイ ドは成形性に優れ、 かつ弾力性に優 れた樹脂なので、 セパレータを射出成形する際の成形性を高めるとともに、 シー ル性に優れたセパレータを得る。 これにより、 セパレータの生産性や精度をより 一層高めることができる。 加えて、 ポリフエ二レンサルファイドは耐熱性に優れ た樹脂なので、 セパレータにポリフエ二レンサルファイ ドを含ませることで、 セ パレ一タの耐熱性を高める。 このため、 比較的高温の領域で使用する燃料電池へ の適用が可能になり、 用途の拡大を図ることができる。
ポリフエ二レンサルフアイドの含有量を 1 0〜3 4 w t %に設定した理由は次 の通りである。 即ち、 ポリフヱニレンサルフアイ ドの含有量が 1 O w t %未満に なると、 ポリフエ二レンサルファイドの含有量が少なすぎて、 セパレータの成形 性ゃセパレータの接触面の弾力性、 すなわちシール性を確保することが難しくな る。 さらに、 含有量が 1 O w t <½未満になると、 セパレータの耐熱性を確保する ことや、 結合剤として働きを発揮させることが難しい。 一方、 ポリフエ二レンサ ルフアイドの含有量が 3 4 w t %を超えると、 セパレ一タに含む黒鉛の含有量が 少なくなリ、 セパレータの導電性を十分に確保することが難しくなる。 そこで、 ポリフエ二レンサルフアイドの含有量を 1 0〜3 4 w t %に設定して、 セパレー タの成形性、 シール性、 耐熱性や結合性を確保するとともに、 十分な導電性を確 保することにした。
さらに、 セパレータに黒鉛を 6 5〜 8 0 w t %含ませることで、 導電性を高め る。
黒鉛の含有量を 6 5〜8 O w t <½に設定した理由は次の通りである。 即ち、 黒 鉛の含有量が 6 5 w t %未満になると、 黒鉛の含有量が少なすぎて、 セパレータ の導電性を高めることが難しくなる。 一方、 黒鉛の含有量が 8 O w t %を超える と、 黒鉛の含有量が多すぎて黒鉛を均一に分散することが難しく、 押出成形ゃプ レス成形が困難になる。 そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 6 5 ~ 8 0 w t o/oに設 定して、セパレータの導電性を確保するとともに、成形性を確保することにした。 また、 黒鉛の含有量を 6 5 w t %以上に確保することで、 セパレータの体積抵抗 率を低減させて、 セパレータの導電性を十分に高めることができる。 加えて、 セ パレ一タにケツチ：!：ンブラックを 1 〜 1 0 w t %含ませることで、 導電性をより 一層高めることができる。
ケッチェンブラックは、 他のカーボンブラックと比較して特に導電性に優れた 部材であり、 セパレータにケッチェンブラックを含ませることでセパレータの導 電性をよリー層高めることができる。
ケッチェンブラックの含有量を 1 〜 1 0 w t %に設定した理由は次の通りであ る。 即ち、 ケッチェンブラックの含有量が 1 w t %未満になると、 ケッチェンブ ラックの含有量が少なすぎて、 セパレータの導電性を十分に確保することができ ない虞がある。 一方、 ケッチェンブラックの含有量が 1 O w t %を超えると、 ケ ッチェンブラックの含有量が多すぎて混鍊し難くなる。 溶剤を添加することで混 鍊を可能にすることも考えられるが、 溶剤を使用することでコス卜が上がる虞が ある。 加えて、 溶剤を添加して混鍊しても、 ケッチェンブラックを含んだ混鍊物 は流動性が比較的悪く、 例えば成形の際に所定の形状を得ることが難しい。 そこ で、 ケッチェンブラックの含有量を 1 〜 1 0 w t %に設定することで、 導電性を よリー層高めることができる。
また、セパレータに含ませた黒鉛およびケッチェンブラックは炭素粒子であり、 セパレータに繊維質の物質を多量に含ませていない。 よって、 繊維質の物質によ リセパレータに配向性が発生することを抑え、 異方性によりセパレータに反リや 変形が発生することを防止する。 さらに、 セパレータに繊維質の物質を多量に含 ませていないので、 セパレータに備えるガス流路用の溝や冷却水流路用の溝に、 ウエルドラインが発生してセパレ一タの強度が低下することを防ぐ。
本発明の好ましい形態において、 上記混合物は、 チョップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %更に含み、 この混合物に含まれる黒鉛は 6 0〜8 0 w t %とされる。 セパレータにチョップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %含ませることにより、 セパ レータの強度や耐熱性を高める。 チョップド炭素繊維を含めると、 これが黒鉛の 機能の一部を担うので、 黒鉛含有量の下限値は 6 O w t %であってもよい。
チョップド炭素繊維の含有量を 5〜 1 5 w t %に設定した理由は次の通りであ る。 即ち、 チョップド炭素繊維の含有量が 5 w t %未満になると、 チョップド炭 素繊維の含有量が少なすぎて、 セパレータの強度や耐熱性を確保することが難し くなる。 一方、 チョップド炭素繊維の含有量が 1 5 w t %を超えると、 セパレ一 タに含むチョップド炭素繊維の含有量が多すぎてチョップド炭素繊維の配向性が 顕著に発生し、 セパレ一タは異方性になる。 よって、 セパレ一タに反りや変形が 発生する虞がある。 また、 セパレータのように両面にガス流路用の溝や冷却水流 路用の溝がある場合には、 ウエルドラインができやすい。 このため、 セパレータ の強度が極端に低下して破損する虞がある。 そこで、 チョップド炭素繊維の含有 量を 5〜 1 5 w t %に設定した。
ポリフエ二レンサルフアイ ドは、粘性が 2 0〜 8 0 p s iであるのが望ましい。 ポリフエ二レンサルフアイ ドの粘性を 2 0〜8 0 p s i とすることで、 ポリフ ェニレンサルフアイドに黒鉛などを良好に混鰊して、 セパレータの成形性をより 一層高めることができる。
ポリフエ二レンサルフアイ ドの粘性を 2 0〜8 0 p s i に設定した理由は次の 通りである。 即ち、 ポリフエ二レンサルファイ ドの粘性が 2 0 p s i未満になる と、 粘性が低すぎてポリフエ二レンサルファイ ドが固化せず、 スラリー状になつ てしまう。 一方、 ポリフエ二レンサルフアイドの粘性が 8 0 p s i を超えると、 ポリフエ二レンサルフアイドの粘性が高すぎてポリフエ二レンサルフアイ ドに黒 鉛などを良好に混鍊することができない。 そこで、 ポリフエ二レンサルファイ ド の粘性を 2 O〜8 0 p s i に設定して、 ポリフエ二レンサルファイ ドに黒鉛など を良好に混鍊可能にし、 かつセパレータの成形性をよリ一層高めるようにした。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の第 1実施例による燃料電池用セパレータの燃料電池を示す 分解斜視図である。
図 2は、 図 1の A— A線断面図である。
図 3は、 図 1の B— B線断面図である。
図 4は、 図 1の燃料電池用セパレータの断面図である。
図 5は、 本発明の第 1実施例による燃料電池用セパレータの製造方法のフロ 一チヤ一卜である。
図 6 A及び図 6 Bは、 該製造方法において混合材をペレツト状に形成するェ 程を説明する図である。
図 7は、 該製造方法におけるプレス工程の説明図である。
図 8は、 本発明の第 2実施例による燃料電池用セパレータの燃料電池を示す 分解斜視図である。
図 9は、 図 8の C一 C線断面図である。
図 1 0は、 図 8の D— D線断面図である。
図 1 1は、 図 8の燃料電池用セパレータの断面図である。
図 1 2は、 体積抵抗率の求め方を説明した図である。
図 1 3は、 黒鉛の含有量と体積抵抗率との関係を示したグラフである。 図 1 4は、 ケッチェンブラックの含有量と体積抵抗率との関係を示したグラ フである。
図 1 5は、 従来の燃料電池を示す分解斜視図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1に示されるように、 燃料電池 1 0は、 一例として電解質膜 1 2に固体高 分子電解質を使用し、 この電解質膜 1 2にアノード 1 3及び力ソード 1 4を添わ せ、 アノード 1 3側にアノード拡散層 1 5を介してセパレータ 1 8を合わせると ともに、 力ソード 1 4側に力ソード拡散層 1 6を介してセパレータ （燃料電池用 セパレータ） 1 8を合わせることによリセルモジュール 1 1を構成し、 このセル モジュール 1 1を多数個積層した固体高分子型燃料電池である。
セパレータ 1 8は、 第 1セパレータ 2 0と、 第 2セパレータ 3 0とからなり、 第 1セパレータ 2 0の冷却水通路形成面 2 0 aと第 2セパレ一タ 3 0の接合面 3 O aを、 一例として振動溶着法で接合したものである。
このように、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0を振動溶着することにより、 第 1セパレータ 2 0の冷却水通路用溝 2 1 を第 2セパレータ 3 0で覆い、 冷却 水通路 2 2 · · · (図 4参照） を形成する。
この冷却水通路 2 2■■'には、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の上端中央の 冷却水供給孔部 2 3 a , 3 3 aが連通するとともに、第 1、第 2セパレータ 2 0 , 3 0の下端中央の冷却水排出孔部 2 3 b， 3 3 bが連通する。 第 1セパレータ 20は、 燃料ガス通路形成面 （接触面） 2 O b側に燃料ガス通 路用溝 24 ··· (図 2参照） を備え、 燃料ガス通路形成面 20 bにアノード拡散 層 1 5を重ね合わせることで、 燃料ガス通路用溝 2 4 ·'·をアノード拡散層 1 5 で塞いで燃料ガス通路 25 (図 4参照） を形成する。
この燃料ガス通路 25 ··■に、 第 1、 第 2セパレータ 20, 30の上端左側の 燃料ガス供給孔部 26 a, 36 aを連通するとともに、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 30の下端右側の燃料ガス排出孔部 26 b, 36 bを連通する。
第 2セパレータ 30は、 酸化剤ガス通路形成面 （接触面） 3 O b側に酸化剤ガ ス通路用溝 3 7■■ -を備え、 酸化剤ガス通路形成面 30 bにカソード拡散層 1 6 を重ね合わせることで、 酸化剤ガス通路用溝 37 ·'·を力ソード拡散層 1 6で塞 いで酸化剤ガス通路 3 8 ·— (図 4参照） を形成する。
この酸化剤ガス通路 38■■■に、 第 1、 第 2セパレータ 20， 30の上端右側 の酸化剤ガス供給孔部 29 a, 39 aを連通するとともに、 第 1、 第 2セパレー タ 20, 30の下端左側の酸化剤ガス排出孔部 29 b, 39 bを連通する。 第 1、第 2セパレ一タ 20, 30を形成する樹脂としては、エチレン■酢ビ（酢 酸ビニル） 共重合体、 エチレン 'ェチルァクリレート共重合体から選択した熱可 塑性樹脂と、 ケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックのうち少なくとも —種から選択した炭素粒子 （炭素材料） と、 ガラス繊維又は炭素繊維とを混合し た混合材が該当する。
この混合材は、 熱可塑性樹脂の割合が 1 4〜 20w t %、 炭素粒子の割合が 8 0〜 8 6であり、 炭素粒子 80〜86 w t %のうちケッチェンブラックを 3~ 2 0 w t %含ませたものである。
なお、 ケッチェンブラックは、 導電性に優れたカーボンブラックで、 一例とし てケッチェン■ ブラック ■インタ一ナショナル株式会社製 （販売元； 三菱化学株 式会社） のものが該当するが、 これに限るものではない。
エチレン '酢ビ （酢酸ビニル） 共重合体、 エチレン 'ェチルァクリレート共重 合体は、 熱可塑性樹脂のなかで柔軟性のある樹脂あり、 この樹脂を使用すること で、 第 1、 第 2セパレータ 20, 30を柔軟性に優れた部材とする。
また、 ケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックは導電性に優れた材料 であり、 炭素材料としてケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックのうち 少なくとも一種から選択した炭素粒子を使用することにより、 第 1、 第 2セパレ ータ 2 0， 3 0を通電性に優れた部材とする。
熱可塑性樹脂の割合を 1 4〜2 0 w t %に設定した理由は以下の通りである。 熱可塑性樹脂の含有量が 1 4 w t o/o未満になると、 熱可塑性樹脂の含有量が少 なすぎて第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の接触面の柔軟性、 すなわち弾力性を 確保することが難しい。
—方、 熱可塑性樹脂の含有量が 2 O w t o/oを超えると、 熱可塑性樹脂の含有量 が多すぎて所望の体積抵抗率 （Ω - c m) を維持することが難しく、 第 1、 第 2 セパレータ 2 0， 3 0の導電性を十分に確保することが困難になる。
そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 1 4〜 2 0 w t <½に設定して、 第 1、 第 2セ パレータ 2 0， 3 0の弾力性を確保するとともに、 十分な導電性を確保すること とした。
また、 炭素粒子の含有量を 8 0 ~ 8 6 w t %に設定した理由は以下の通りであ る。
炭素粒子の含有量が 8 6 w t %を超えると、 炭素粒子の含有量が多すぎて炭素 粒子を均一に分散することが難しく、 押出成形やプレス成形が困難になる。 した がって、 炭素粒子の含有量を 8 6 w t %以下に設定することが好ましい。
また、 炭素粒子の含有量は 7 O w t %以上に確保することで、 第 1、 第 2セパ レータ 2 0， 3 0の体積抵抗率 （Ω ■ c m ) を低減させて、 第 1、 第 2セパレー タ 2 0， 3 0の導電性を十分に高める。 このため、 炭素粒子の含有量を 7 O w t %以上に確保することが好ましい。
しかしながら、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0には 1 4 ~ 2 0 w t %の熱可 塑性樹脂が含有されているので、 第 1実施例においては、 炭素粒子の含有量を 8 O w t %以上として、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の導電性を十分に確保す ることにした。
ところで、 ケッチェンブラックは、 通常のカーボンブラックと比較して導電性 に優れた炭素粒子である。 このため、 ケッチェンブラックを使用することで、 第 1、 第 2セパレータ 2 0 , 3 0の体積抵抗率 （Ω ■ c m ) を大幅に低減する。 こ のケッチェンブラックの含有量を 3〜 2 0 w t %に設定した。
ケッチェンブラックの含有量を 3〜 2 0 w t %に設定した理由は以下の通りで o5る 0 ■■'
ケッチェンブラックの含有量が 3 w t %未満になると、 ケッチェンブラックの 含有量が少なすぎて、 ケッチェンブラックを含ませた効果を得ることが難しい。 このため、 ケッチェンブラックの含有量が 3 w t %未満では第 1、 第 2セパレ一 タ 2 0， 3 0の導電性を十分に確保することができない虞がある。
一方、 ケッチェンブラックの含有量が 2 O w t %を超えると、 ケッチェンブラ ックの含有量が多すぎて混鍊しづらくなる。 溶剤を添加することで混鍊を可能に することも考えられるが、 溶剤を使用することでコス卜が上がる虞がある。 加えて、 溶剤を添加して混鍊できたとしても、 ケッチェンブラックを含んだ混 鍊物は流れ性が悪く、 例えば成形の際に所定の形状を得ることが難しい。
そこで、 ケッチェンブラックの含有量を 3〜2 O w t %に設定することで、 セ パレータの導電性を十分に確保し、 さらに混鍊の容易化を図るとともに成形性を 好適に確保するようにした。
次に図 2を参照するに、 第 1セパレ一タ 2 0は、 外形を略矩形状 （図 1参照） に形成した部材で、 冷却水通路形成面 2 0 aに冷却水通路用溝 2 1 ·■·を多数本 条備え、 燃料ガス通路形成面 （接触面） 2 O bに燃料ガス通路用溝 2 4■■·を多 数本条備える。
第 1セパレータ 2 0に、 エチレン '酢ビ共重合体、 エチレン 'ェチルァクリレ ート共重合体から選択した熱可塑性樹脂を含ませた。 エチレン■酢ビ共重合体、 エチレン■ェチルァクリレー卜共重合体は、 熱可塑性樹脂のなかで、 特に柔軟性 に優れている。
よって、 これらの柔軟性に優れた熱可塑性樹脂を第 1セパレータ 2 0に含ませ ることで、 燃料ガス通路形成面 2 0 bに弾力性を備える。
さらに、 第 1セパレ一タ 2 0に、 エチレン■酢ビ共重合体、 エチレン■ ェチル ァクリレート共重合体から選択した熱可塑性樹脂を含ませるだけで、 燃料ガス通 路形成面 2 0 bをシール性に優れた部位に変える。 これにより、 シール性に優れ た第 1セパレータ 2 0を効率よく生産することができる。 図 3に示されるように、 第 2セパレ一タ 3 0は、 図 1に示すように略矩形状に 形成した部材で、接合面 3 0 aを平坦に形成し、酸化剤ガス通路形成面（接触面） 3 0 bに酸化剤ガス通路用溝 3 7■·■を多数本条備える。
第 2セパレータ 3 0に、 エチレン■酢ビ共重合体、 エチレン ' ェチルァクリレ ート共重合体から選択した熱可塑性樹脂を含ませた。 エチレン■酢ビ共重合体、 エチレン■ ェチルァクリレート共重合体は、 熱可塑性樹脂のなかで、 特に柔軟性 に優れている。
よって、 これらの柔軟性に優れた熱可塑性樹脂を第 2セパレータ 3 0に含ませ ることで、 酸化剤ガス通路形成面 3 0 bに弾力性を備える。
さらに、 第 2セパレータ 3 0に、 エチレン '酢ビ共重合体、 エチレン 'ェチル ァクリレート共重合体から選択した熱可塑性樹脂を含ませるだけで、 酸化剤ガス 通路形成面 3 0 bをシール性に優れた部位に変える。 これにより、 シール性に優 れた第 2セパレータ 3 0を効率よく生産することができる。
次に、 セパレータ 1 8に電極拡散層 1 5 , 1 6を重ね合わせた状態を示す図 4を参照する。
セパレータ 1 8は、第 1、第 2セパレータ 2 0 , 3 0を重ね合わせた後に第 1 、 第 2セパレータ 2 0 , 3 0に加圧力をかけ、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の 一方を振動させて摩擦熱を発生させることにより、 第 1セパレータ 2 0の冷却水 通路形成面 2 0 aと、 第 2セパレータ 3 0の接合面 3 0 aとを振動溶着し、 第 1 セパレータ 2 0の冷却水通路用溝 2 1を第 2セパレータ 3 0で塞いで冷却水通路 2 2を形成したものである。
燃料ガス通路形成面 2 0 bにアノード拡散層 1 5を合わせることで、 燃料ガス 通路用溝 2 4■· '及びァノード拡散層 1 5で燃料ガス通路 2 5 ' · 'を形成する。 ここで、 第 1セパレータ 2 0に、 柔軟性に優れた熱可塑性樹脂を含ませること で、 燃料ガス通路形成面 2 0 bに弾力性を備えることができ、 燃料ガス通路形成 面 2 0 bをシール性に優れた部位にする。
このため、 燃料ガス通路形成面 2 0 bとアノード拡散層 1 5との重ね合わせ部 を密に保つ。 よって、 燃料ガス通路形成面 2 0 bとアノード拡散層 1 5との間に シール材を塗布する必要がない。 したがって、 部品点数を減らすとともにシール材を塗布する手間を省き、 さら に燃料ガス通路形成面 2 0 b及びアノード拡散層 1 5間の接触抵抗を抑えて燃料 電池の出力を高め得る。
また、 酸化剤ガス通路形成面 3 O bに力ソード拡散層 1 6を合わせることで、 酸化剤ガス通路用溝 3 7■■ ·及び力ソード拡散層 1 6で酸化剤ガス通路 3 8■■ ·を 形成する。
ここで、 第 2セパレータ 3 0に、 柔軟性に優れた熱可塑性樹脂を含ませること で、 酸化剤ガス通路形成面 3 0 bに弾力性を備えることができ、 酸化剤ガス通路 形成面 3 0 bをシール性に優れた部位にする。
このため、 酸化剤ガス通路形成面 3 0 bとカソ一ド拡散層 1 6との重ね合わせ 部を密に保つ。 よって、 酸化剤ガス通路形成面 3 0 bと力ソード拡散層 1 6との 間にシール材を塗布する必要がない。
したがって、 部品点数を減らすとともにシール材を塗布する手間を省き、 さら に酸化剤ガス通路形成面 3 0 b及びカソ一ド拡散層 1 6間の接触抵抗を抑えて燃 料電池の出力を高め得る。
次に、 本発明に係る燃料電池用セパレ一タの製造方法で第 1セパレータ 2 0を 成形する例を図 5乃至図 7に基づいて説明する。
図 5は、 本発明の第 1実施例による燃料電池用セパレータの製造方法のフロ 一チャートである。 図中、 S T X Xはステップ番号を表す。
S T 1 0 ；熱可塑性樹脂と導電性材料とを混鍊することにより混合材を得る。
S T 1 1 ；混鍊した混合材を押出し成形することにより帯状のシートを成形す る。
S T 1 2 ； この帯状のシートの一方の面、 すなわち冷却水通路形成面に相当す る面に冷却水通路用溝をプレス成形するとともに、 帯状のシートの他方の面、 す なわち燃料ガス通路形成面に相当する面に燃料ガス通路用溝をプレス成形するこ とにより、 セパレ一タ素材を得る。
S T 1 3 ；セパレータ素材を所定寸法に切断することによリ第 1セパレータを 得る。
以下、 図 6 A乃至図 8を参照して、 上記製造方法の S T 1 0〜S T 1 3を詳し く説明する。
図 6 A及ぴ図 6 Bは、 該製造方法において混合材をペレツト状に形成するェ 程を説明する図である。 具体的には、 図 6 Aは S T 1 0を示し、 図 6 Bは S T 1 1の前半を示す。
図 6 Aにおいて、 先ず、 エチレン '酢ビ共重合体、 エチレン 'ェチルァクリレ ート共重合体、 直鎖状低密度ポリエチレンから選択した熱可塑性樹脂 4 6を準備 する。
次に、 黒鉛、 ケッチェンブラック、 アセチレンブラックの炭素粒子から少なく とも一種を選択した導電性材料 4 5を準備する。
準備した熱可塑性樹脂 4 6及び導電性材料 4 5を混鍊装置 4 7の容器 4 8に矢 印の如く投入する。 投入した熱可塑性樹脂 4 6及び導電性材料 4 5を、 混鍊羽根 (又はスクリユー） 4 9を矢印の如く回転することによリ容器 4 8内で混鍊する。 図 6 Bにおいて、 混鍊した混合材 5 0を第 1押出し成形装置 5 1のホッパー 5 2に投入し、 投入した混合材 5 0を第 1押出し成形装置 5 1で押出し成形する。 押出し成形した成形材 5 3を水槽 5 4に通すことで、 水槽 5 4内の水 5 5で成形 材 5 3を冷却する。
冷却した成形材 5 3をカッター装置 5 6の力ッタ一 5 7で所定の長さに切断し て、 切断したペレツ卜 5 8■■■をストツク籠 5 9にストツクする。
図 7は、 上記製造方法におけるプレス工程の説明図であり、 詳しくは、 S T 1 1の後半〜 S T 1 3を示す。
前工程で得たペレツ卜 5 8■·■を第 2押出し成形装置 6 0のホッパー 6 1に矢 印の如く投入し、 投入したペレツト 5 8■- ·を第 2押出し成形装置 6 0で押出し 成形する。 押出し成形した成形材 6 2を圧延ロール 6 3で圧延して帯状のシ一ト 6 4を成形する。
圧延ロール 6 3の下流側にはプレス装置 6 5を備え、 このプレス装置 6 5は、 帯状のシート 6 4の上下にそれぞれ上下のプレス型 6 6， 6 7を備える。
上プレス型 6 6は、 帯状のシート 6 4の他方の面 6 4 bに対向するプレス面 6 6 aを備え、 このプレス面 6 6 aに凹凸部 （図示せず） を備える。 プレス面 6 6 aの凹凸部は、 帯状のシート 6 4の他方の面 6 4 bに、 燃料ガス通路用溝 2 4 - - - (図 4参照） をプレス成形するものである。
, 一方、 下プレス型 6 7は、 帯状のシート 6 4の一方の面 6 4 aに対向するプレ ス面 6 7 aを備え、 このプレス面 6 7 aに凹凸部 （図示せず） を備える。 プレス 面 6 7 aの H凸部は、 帯状のシート 6 4の一方の面 6 4 aに、 冷却水通路用溝 2 1■■■ (図 4参照） をプレス成形するものである。
上下のプレス型 6 6， 6 7をプレス開始位置 P 1に配置し、 上下のプレス型 6 6， 6 7で帯状のシート 6 4の両面 6 4 a， 6 4 bを押圧し、 この状態を維持し ながら上下のプレス型 6 6， 6 7を帯状のシート 6 4の押出速度に合わせて矢印 a , bの如く連動する。
よって、 帯状のシート 6 4の一方の面 6 4 a、 すなわち冷却水通路形成面 2 0 a (図 4参照） に相当する面に冷却水通路用溝 2 1 ■· 'をプレス成形するととも に、帯状のシート 6 4の他方の面 6 4 b、すなわち燃料ガス通路形成面 2 0 b (図 4参照） に相当する面に燃料ガス通路用溝 2 4 · · ·をプレス成形する。 これによ リ、 帯状のシート 6 4をセパレータ素材 6 8に成形する。
上下のプレス型 6 6， 6 7がプレス解除位置 P 2に到達すると、 上下のプレス 型 6 6， 6 7を矢印 c， dの如く帯状のシート 6 4から離す方向に移動し、 上下 のプレス型 6 6， 6 7が解除側の所定位置に到達した後、 上下のプレス型 6 6， 6フを矢印 e， f の如く上流側に向けて移動する。
上下のプレス型 6 6， 6 7がプレス開始側の所定位置に到達した後、 上下のプ レス型 6 6， 6 7を矢印§， hの如くプレス開始位置 P 1まで移動する。
以下上述した工程を順次繰り返すことによリ、帯状のシート 6 4の両面 6 4 a , 6 4 bに冷却水通路用溝 2 1 ■■·及び燃料ガス通路用溝 2 4 - · ·をそれぞれプレス 成形する。
図 7においては、 理解を容易にするために上下のプレス型 6 6， 6 7をそれぞ れ 1個づっ備えた例について説明したが、 現実には上下のプレス型 6 6， 6 7を それぞれ複数個備える。
上下のプレス型 6 6 , 6 7をそれぞれ複数個備えることで、 帯状のシート 6 4 の両面 6 4 a , 6 4 bに冷却水通路用溝 2 1 ■·■及ぴ燃料ガス通路用溝 2 4 · · · (図 4参照） をそれぞれ連続的にプレス成形する。 なお、 上下のプレス型 6 6， 6 7には、 図 1に示す燃料ガス供給孔部 2 6 a及 び燃料ガス排出孔部 2 6 bを成形する部位を備える。また、上下のプレス型 6 6， 6 7には、 図 1に示す酸化剤ガス供給孔部 2 9 a及び酸化剤ガス排出孔部 2 9 b を成形する部位を備える。
さらに、 上下のプレス型 6 6， 6 7には、 図 1に示す冷却水供給孔部 2 3 a及 ぴ冷却水排出孔部 2 3 bを成形する部位を備える。
よって、 上下のプレス型 6 6， 6 7で帯状のシート 6 4の両面 6 4 a， 6 4 b に冷却水通路用溝 2 1 ■■·及び燃料ガス通路用溝 2 4 · · ·をそれぞれ連続的にプレ ス成形するとともに、図 1に示す冷却水供給孔部 2 3 a及びガス供給孔部 2 6 a , 2 9 aや冷却水排出孔部 2 3 b及びガス排出孔部 2 6 b， 2 9 bを同時に成形す る。
プレス装置 6 5の下流側には、 前工程で得たセパレータ素材 6 8の上方にカツ ター装置 7 0を備える。
このカッター装置 7 0のカッター 7 1を矢印 iの如く下降することにより、 セ パレータ素材 6 8を所定寸法に切断して第 1セパレータ 2 ()■■■を得る。 これに より、 第 1セパレータ 2 0の製造工程を完了する。
このように、 本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、 混合材 5 0を帯状のシート 6 4とした状態で、 その両面 6 4 a， 6 4 bに冷却水通路用 溝 2 1 ■■■及び燃料ガス通路用溝 2 4 · · 'をそれぞれプレス成形した後、 シート 6 4を所定形状に切断して第 1セパレ一タ 2 0を得る。
冷却水通路用溝 2 1 ■…及び燃料ガス通路用溝 2 4■ · ·をシート 6 4の状態でプ レス成形することで、 冷却水通路用溝 2 1 ■■■及び燃料ガス通路用溝 2 4 · · ·を連 続的に効率よく成形することで、 第 1セパレータ 2 0の生産性を高めることがで きる。
図 5乃至図 7では第 1セパレータ 2 0を成形する例について説明したが、 第 1 セパレ一タ 2 0の製造方法と同様の方法で第 2セパレータ 3 0を製造することが 可能である。
但し、 第 2セパレータ 3 0は、 第1セパレ一タ 2 0のように冷却水通路用溝 2 1■■■ (図 4参照） を備えておらず、 平坦な接合面 3 0 aを備えている。 このた め、図 7に示す下プレス型 6 7は、帯状のシート 6 4の一方の面に対向する面に、 帯状のシート 6 4の一方の面に冷却水通路用溝 2 1 ■' ·をプレス成形する凹凸部 を備える必要はない。
次に、 第 1実施例の変形例について説明する。
第 1実施例では、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0に含む熱可塑性樹脂の割合 を 1 4〜2 0 w t %、 炭素粒子の割合を 8 0〜 8 6 w t %とした例について説明 したが、 第 1実施例の変形例として、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0に含む熱 可塑性樹脂の割合を 1 4〜 2 0 w t %、炭素粒子の割合を 7 0 - 8 3 . 5 w t %、 ガラス繊維又は炭素繊維の割合を 2 . 5〜 1 0 w t %とすることも可能である。 第 1実施例の変形例の第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0は、 ガラス繊維又は炭 素繊維を混合材に混合することで、 第 1、 第 2セパレータ 2 0 , 3 0の剛性を高 めることができる。
ここで、 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量を 2 . 5〜 1 0 w t %に設定した理 由は以下の通りである。
ガラス繊維又は炭素繊維の含有量が 2 . 5 w t o/o未満になると、 ガラス繊維又 は炭素繊維の含有量が少なすぎて第 1、 第 2セパレ一タ 2 0， 3 0の剛性を高め ることが難しい。
—方、 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量が 1 0 w t o/oを超えると、 ガラス繊維 又は炭素繊維の含有量が多すぎて混合材中にガラス繊維又は炭素繊維を均一に分 散することが難しく、 混合材の押出成形やプレス成形などが困難になる。
そこで、 ガラス繊維又は炭素繊維の含有量を 2 . 5〜 1 0 w t 0/0に設定して、 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の剛性を高めるとともに、 成形性に優れた混合 材を得ることとした。
また、 第 1実施例の変形例において、 炭素粒子の含有量を 7 0〜 8 3 . 5 w t %に設定した理由は以下の通りである。
炭素粒子の含有量が 7 0 w t %未満になると、 炭素粒子の含有量が少なすぎて 第 1、 第 2セパレータ 2 0， 3 0の体積抵抗率 （Ω ■ c m ) を低減することが難 しく、第 1、第 2セパレータ 2 0， 3 0の導電性を十分に確保することが難しい。 一方、 上述したように、 炭素粒子の含有量は 8 6 w t %を超えると、 炭素粒子 の含有量が多すぎて炭素粒子を均一に分散することが難しく、 押出成形やプレス 成形が困難になる。 したがって、 炭素粒子の含有量を 86 w t %以下に設定する ことが好ましい。
しかしながら、 第 1、 第 2セパレ一タ 20， 30には 1 4~2 Ow t %の熱可 塑性樹脂、 2. 5〜 1 0 w t %のガラス繊維又は炭素繊維が含有されているので、 第 2実施例においては、 炭素粒子の含有量を 83. 5w t %以下として、 炭素粒 子を均一に分散させて、 押出成形やプレス成形を好適に実施可能にした。
このように、 炭素粒子の含有量をフ 0〜 83. 5 w t %に設定することで、 体 積抵抗率 （Ω ■ cm) を低減するとともに、 成形性に優れた混合材を得る。
第 1実施例の変形例の第 1、 第 2セパレータ 20， 30によれば、 第 1実施例 と同様の効果を得ることができ、 加えてガラス繊維又は炭素繊維を混合すること で、 第 1、 第 2セパレータ 20, 30の剛性を高める。
次に、 第 2実施例を図 8乃至図 1 4に基づいて説明する。 なお、 第 2実施例に おいて第 1実施例と同一部材については同一符合を付して説明を省略する。
先ず、 本発明の第 2実施例による燃料電池用セパレータの燃料電池の分解斜視 図を参照する。
第 2実施例の燃料電池 1 1 0は、 セパレータ 1 1 8 (第 1セパレータ 1 20、 第 2セパレ一タ 1 30) が第 1実施例の燃料電池 1 0と異なるだけで、 その他の 構成は第 1実施例の燃料電池 1 0と同じである。
以下、 セパレータ 1 1 8 (第 1セパレ一タ 1 20、 第 2セパレ一タ 1 30) 【こ ついて説明する。
第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30は、 ポリフエ二レンサルフアイドを 1 0 〜 34 w t %、黒鉛を 60〜 80 w t %、ケッチェンブラックを 1〜 1 0 w t %、 およびチョップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %含んだ混合物で形成したものであ る。
第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30に熱可塑性樹脂としてのポリフエ二レン サルフアイ ドを 1 0〜 34 w t 0/0含ませた。 ポリフエ二レンサルフアイドは成形 性に優れ、 かつ弾力性に優れた樹脂なので、 第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 3 0を射出成形する際の成形性を高めるとともに、 シール性に優れた第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0 , 1 3 0を得る。
これにより、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の生産性や精度をよリー層 高める。
加えて、 ポリフヱ二レンサルファイ ドは耐熱性に優れた樹脂なので、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0 , 1 3 0にポリフヱニレンサルフアイドを含ませることで、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の耐熱性を高める。
このため、 比較的高温の領域で使用する燃料電池への適用が可能になり、 用途 の拡大を図る。
ここで、 ポリフエ二レンサルフアイドの含有量を 1 0〜3 4 w t %に設定した 理由は以下の通りである。
ポリフ； n二レンサルフアイ ドの含有量が 1 0 w t %未満になると、 ポリフエ二 レンサルフアイ ドの含有量が少なすぎて、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0 の成形性や第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の接触面の弾力性、 すなわちシ 一ル性を確保することが難しくなる。
さらに、 含有量が 1 0 w t %未満になると、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の耐熱性を確保することや、 結合剤として働きを発揮させることが難しい。
—方、 ポリフエ二レンサルファイドの含有量が 3 4 w t %を超えると、 第 1、 第 2セパレ一タ 1 2 0， 1 3 0に含む黒鉛の含有量が少なくなリ、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0， 1 3 0の導電性を十分に確保することが難しくなる。
そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 1 0 ~ 3 4 w t %に設定して、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0， 1 3 0の成形性、 シール性、 耐熱性や結合性を確保するととも に、 十分な導電性を確保することにした。
さらに、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0に黒鉛を 6 0〜8 0 w t %含ま せることで導電性を高める。
黒鉛の含有量を 6 0〜 8 0 w t %に設定した理由は以下の通リである。
黒鉛の含有量が 6 O w t 0/0未満になると、 黒鉛の含有量が少なすぎて、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0 , 1 3 0の導電性を高めることが難しくなる。
一方、 黒鉛の含有量が 8 O w t 0/0を超えると、 黒鉛の含有量が多すぎて黒鉛を 均一に分散することが難しく、 押出成形やプレス成形が困難になる。 そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 6 0〜8 0 w t o/oに設定して、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0， 1 3 0の導電性を確保するとともに、 成形性を確保することに した。
また、 黒鉛の含有量を 6 O w t %以上に確保することで、 第 1、 第 2セパレー タ 1 2 0， 1 3 0の体積抵抗率 （m Q ■ c m) を低減させて、 第 1、 第 2セパレ ータ 1 2 0， 1 3 0の導電性を十分に高める。
一方、 ポリフエ二レンサルファイドの含有量が 3 4 w t %を超えると、 第 1 、 第 2セパレ一タ 1 2 0， 1 3 0に含む黒鉛の含有量が少なくなリ、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0， 1 3 0の導電性を十分に確保することが難しくなる。
そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 1 ひ〜 3 4 w t o/oに設定して、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0 , 1 3 0の成形性、 シール性、 耐熱性や結合性を確保するととも に、 十分な導電性を確保することにした。
加えて、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0にケッチェンブラックを 1〜 1 0 w t o/o含ませることで、 導電性をよリー層高める。
ケッチェンブラックは、 他の力一ポンプラックと比較して特に導電性に優れた 部材であり、 第 1、 第 2セパレ一タ 1 2 0 , 1 3 0にケッチェンブラックを含ま せることで第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の導電性をよリー層高める。 ここで、 ケッチェンブラックの含有量を 1〜 1 0 w t %に設定した理由は以下 の通りである。
ケッチェンブラックの含有量が 1 w t %未満になると、 ケッチェンブラックの 含有量が少なすぎて、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0 , 1 3 0の導電性を十分に確 保することができない虞がある。
一方、 ケッチェンブラックの含有量が 1 O w t %を超えると、 ケッチェンブラ ックの含有量が多すぎて混鍊しづらくなる。 溶剤を添加することで混鍊を可能に することも考えられるが、 溶剤を使用することでコス卜が上がる虞がある。 加えて、 溶剤を添加して混鍊できたとしても、 ケッチェンブラックを含んだ混 鍊物は流動性が比較的悪く、 例えば成形の際に所定の形状を得ることが難しい。 そこで、 ケッチェンブラックの含有量を 1〜 1 O w t %に設定することで、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0 , 1 3 0の導電性を十分に確保し、 さらに混鍊の容易 化を図るとともに成形性を好適に確保することにした。
また、 第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 30に含ませた黒鉛およびケッチェン ブラックは炭素粒子であり、セパレータに繊維質の物質を多量に含ませていない。 よって、 繊維質の物質によりセパレ一タに配向性が発生することを抑え、 異方性 により第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 30に反りや変形が発生することを防止 する。
また、 第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 30に繊維質の物質を多量に含ませて いないので、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30に備えるガス流路用の溝や冷 却水流路用の溝に、 ウエルドラインが発生して第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の強度が低下することを防ぐ。
加えて、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30にチヨップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %含ませることで、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の強度や耐熱性 を高める。
ここで、 チョップド炭素繊維の含有量を 5〜 1 5 w t %に設定した理由は以下 の通りである。
チョップド炭素繊維の含有量が 5 w t %未満になると、 チョップド炭素繊維の 含有量が少なすぎて、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の強度や耐熱性を確 保することが難しくなる。
—方、 チョップド炭素繊維の含有量が 1 5w t %を超えると、 第 1、 第 2セパ レータ 1 20， 1 30に含むチョップド炭素繊維の含有量が多すぎてチヨップド 炭素繊維の配向性が顕著に発生し、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30は異方 性になる。 よって、 第 1、 第 2セパレ一タ 1 20, 1 30に反りや変形が発生す る虞がある。
また、 第 1、 第 2セパレ一タ 1 20， 1 30のように両面にガス流路用の溝や 冷却水流路用の溝がある場合には、 ウエルドラインができやすい。 このため、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の強度が極端に低下して破損する虞がある。 そこで、 チョップド炭素繊維の含有量を 5〜 1 5 w t %に設定して、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の強度や耐久性を確保することにした。
ここで、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30に含ませたポリフエ二レンサル フアイ ドは、 粘性を 2 0〜 8 0 p s i に設定したものである。
ポリフエ二レンサルフアイ ドの粘性を 2 0〜 8 0 p s i に設定した理由は以下 の通りである。
ポリフエ二レンサルフアイ ドの粘性が 2 O p s ί未満になると、 粘性が低すぎ て第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0の製造の際に、 ポリフエ二レンサルファ イ ドが固化せず、 スラリー状になってしまう。
一方、 ポリフエ二レンサルフアイドの粘性が 8 0 p s i を超えると、 ポリフエ 二レンサルフアイドの粘性が高すぎて第 1、 第 2セパレ一タ 1 2 0， 1 3 0の製 造の際に、 ポリフエ二レンサルフアイドに黒鉛などを良好に混鍊することができ ない。
そこで、 ポリフエ二レンサルファイ ドの粘性を 2 0〜8 0 p s ίに設定するこ とで、 ポリフエ二レンサルファイ ドに黒鉛などを良好に混鍊するようにして、 セ パレータの成形性をよリ一層高めることにした。
なお、 ポリフエ二レンサルファイドの粘性の測定は、 3 0 0 °Cにおいて M F R (メルトマスフローレイ ト） の試験方法 （A S T M D 1 2 3 8 ) で測定したも のである。
ここで、 M F Rとは、 鉛直の金属シリンダ内にポリフエ二レンサルファイドを 充填し、 このポリフエ二レンサルフアイドをおもリを載せたビストンで押圧して シリンダ先端のダイから押し出し、 この際にビストンが所定距離移動する移動時 間を測定し、 この測定値に基づいて粘性を求める方法をいう。
次に、 図 9を参照するに、 第 1セパレータ 1 2 0は、 外形を略矩形状 （図 8参 照） に形成した部材で、 冷却水通路形成面 2 0 aに冷却水通路用溝 2 1 を多 数本条備え、 燃料ガス通路形成面 （接触面） 2 0 bに燃料ガス通路用溝 2 4 · - - を多数本条備える。
第 1セパレータ 1 2 0に、 ポリフエ二レンサルフアイ ドを 1 0〜3 4 w t %含 ませた。 これにより、 第 1セパレータ 1 2 0の成形性、 シール性、 耐熱性や結合 性を確保するとともに、 十分な導電性を確保する。
ここで、第 1セパレータ 1 2 0に含むチョップド炭素繊維は弾性率が高いので、 チョップド炭素繊維の含有量が多すぎると、 冷却水通路用溝 2 1 '…を形成する リブ 1 4 内や、 燃料ガス通路用溝 2 4 ' ' ·を形成するリブ 1 4 1 内にチ ョップド炭素繊維が入りきらず、 チョップド炭素繊維とポリフエ二レンサルファ ィドとの分離が起きやすくなる。
このため、 リブ 1 4 0 ' ' ·， 1 4 1 はポリフエ二レンサルファイドの含有量 が他の部位と比較して多くなリ、本来の性能を発揮することができなく虞がある。 そこで、チヨップド炭素繊維の含有量を 5 ~ 1 5 w t %に抑えた。これにより、 リブ 1 4 0 · ·，， 1 4 1■■■内にチョップド炭素繊維を好適に入り込ませて、 リブ 1 4 0 1 4 1 ·■ 'を良好に形成する。
図 1 0に示されるように、 第 2セパレータ 1 3 0は、 図 8に示すように略矩形 状に形成した部材で、 接合面 3 0 aを平坦に形成し、 酸化剤ガス通路形成面 （接 触面） 3 0 bに酸化剤ガス通路用溝 3 7■· ·を多数本条備える。
第 2セパレ一タ 1 3 0に、 ポリフエ二レンサルフアイ ドを 1 0 ~ 3 4 w t %含 ませた。 これにより、 第 2セパレ一タ 1 3 0の成形性、 シール性、 耐熱性や結合 性を確保するとともに、 十分な導電性を確保する。
ここで、 第 1セパレ一タ 1 2 0と同様に、 第 2セパレータ 1 3 0も、 チョップ ド炭素繊維の含有量を 5〜 1 5 w t %に抑えたので、 リブ 1 4 2 ' ·■内にチヨッ プド炭素繊維を好適に入り込ませて、 リブ 1 4 2 を良好に形成する。
次に、 セパレータ 1 1 8に電極拡散層 1 5， 1 6を重ね合わせた状態を示す図 1 1を参照する。
セパレータ 1 1 8は、 第 1セパレータ 1 2 0の冷却水通路形成面 2 0 aと、 第 2セパレータ 1 3 0の接合面 3 0 aとを接合し、 第 1セパレータ 1 2 0の冷却水 通路用溝 2 1を第 2セパレ一タ 1 3 0で塞いで冷却水通路 2 2を形成したもので あ 。
燃料ガス通路形成面 2 0 bにアノード拡散層 1 5を合わせることで、 燃料ガス 通路用溝 2 4■■■及びアノード拡散層 1 5で燃料ガス通路 2 5■…を形成する。 このセパレ一タ 1 1 8は、 チヨップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %含んでいるの で、 強度、 弾性率、 耐熱性をさらに高める。 セパレ一タ 1 1 8の強度を上げるこ とで、 燃料電池にセパレータ 1 8を組み込む際の締付け強度を高める。
さらに、 セパレータ 1 1 8の弾性率や耐熱性を上げることで、 高温時の耐ガス 圧性ゃクリーブ強度を高め、 高温領域でも燃料電池を好適に使用することが可能 になる。
次に、 図 1 2において、 体積抵抗率; 0 Vの求め方を説明する。 先ず、 試料 1 5 0 (幅を W、 高さを t、 長さを L) の体積抵抗率 p Vを四探針法 （AS TM D 99 1 ) で求める例について説明する。
断面積が （WX t ) の一端 1 5 1から他端 1 52に矢印の如く一定電流 Iを流 し、 距離 Lだけ離れた一端 1 51側の電極と他端 1 52側の電極との電極間の電 位差 Vを四探針法で測定する。
測定した電位差 Vに基づいて次式で体積抵抗率 3 Vを求める。
体積抵抗率; 0 v = (VZ I ) X (WZL) X t
ここで、 四探針法を採用する理由を説明する。
電位差 Vを測定する際に、 試料 1 50の一定電流 Iを流すと、 試料 1 50の一 端 1 51 と電流電極との間に界面現象により接触抵抗と呼ばれる電圧降下が生じ る。 この接触抵抗の影響で抵抗 Ω (V I ) が高く測定される。
そこで、 四探針法を採用することで、 接触抵抗を排除し、 試料 1 50の真の体 積抵抗率0 Vを求める。
なお、 電位差 Vを測定する方法として、 四探針法の他に二重リング方式 （AS TM D 257) も知られている。
しかし、 二重リング方式は、 高抵抗領域の測定に適しており、 本発明者の測定 結果でも、四探針法と比較して体積抵抗率がかなリ低く測定されることが判つた。 以下、 表 1の実験例 1、 2に基づいて四探針法 （AS TM D 99 1 ) および 二重リング法 （ASTM D 257) で求めた体積抵抗率について説明する。
表 1 密度 実験例 1 実験例 2
ポリフエ二レン 粘性 6 0 p s i 1 . 3 5 1 5 w t % 1 2. 5 w t % 配 サルファィ ド 粘性 2 0 p s i 1 . 3 5 1 5 w t % 1 2. 5 w t % 口 可塑剤 （ポリマータイプ） 0. 9 5 2. 5 w t % 組 黒鉛 2. 3 o Q 0/
y wて
t 成 ッチェンブラック 1 . 8 1 w t % 1 w t % チヨ ップド炭素繊維 （ P A Ν系） 1 . 7 5 2. 5 w t % 配合組成物の流動性
3 0 4 5
(スパイラル . フロー · レシオ） 体積 四探針法 （ A S T M D 9 9 1 ) 0. 5 7 m Ω · c m 0. 3 3 m Ω · c m 抵抗率 二重リング法 （A S T M D 2 5 7 ) 0. 1 5 5 m Ω ■ c m 0. 0 7 2 m Ω · c m
表 1に示すように、 実験例 1の試験片は、 ポリフエ二レンサルファイド （粘性 60 p s ί ) を 1 5 w t %、 ポリフエ二レンサルフアイド （粘性 20 p s i ) を 1 5w t%、 黒鉛 （粒径 1 00 im) を 69 w t %およぴケッチェンブラックを 1 w t %含んだものである。
この混合物の流動性は、 スパイラル 'フロー ' レシオが 30である。
実験例 2の試験片は、ポリフエニレンサルフアイド（粘性 60 p s i )を 1 2. 5 w t %、 ポリフエニレンサルファィ ド （粘性 20 p s i ) を 1 2. 5w t <½、 可塑剤 （ポリマータイプ） を 2. 5 w t %、 黒鉛 （粒径 1 00/im) を 69w t o/o、 ケッチェンブラックを 1 w t %および PA N系チョップド炭素繊維を 2. 5 w t %含んだものである。
この混合物の流動性は、 スパイラル 'フロー . レシオが 45である。
スパイラル 'フロー■ レシオは、 スパイラル 'フロー試験で求めたレシオであ る。 スパイラル 'フロー試験とは、 金型に形成した狭くて長い螺旋状の溝に、 射 出成形機で溶融樹脂を射出し、 螺旋状の溝に流入した溶融樹脂の流入長から成形 性を判断する試験をいう。
実験例 1の試験片および実験例 2の試験片の体積抵抗率を四探針法と二重リン グ法とで求めた。
二重リング法で求めた体積抵抗率は、 実験例 1が 0. 1 55 m Ω ■ c m、 実験 例 2が 0. 072mQ ■ cmであった。
—方、 四探針法で求めた体積抵抗率は、 実験例 1が 0. 57mQ ■ cm、 実験 侈 IJ2が' 0. 33mQ ' cmであった。
このように、 高抵抗領域に適した二重リング法で低抵抗領域の体積抵抗率を求 めると、四探針法と比較して体積抵抗率がかなリ低くなることが判つた。そこで、 信頼性を高めるために体積抵抗率を四探針法で求めることにした。
次に、 四探針法で求めた黒鉛おょぴケツチ： [：ンブラックのそれぞれの含有量と 体積抵抗率との関係を図 1 3および図 1 4で説明する。
図 1 3のグラフにおいて、 縦軸は体積抵抗率 （ΓΠΩ ' cm) を示し、 横軸は黒 鉛の含有量 （w t %) を示す。
黒鉛の含有量が 0のとき、 体積抵抗率は約 1 50000mQ ■ cmであるが、 黒鉛の含有量が 60 w t %以上になると体積抵抗率は小さくなることが判る。 よって、 黒鉛の含有量が 6 Ow t %以上になるように、 好ましくは 65 w t % 以上になるように設定した。
図 1 4のグラフにおいて、 縦軸は体積抵抗率 （mQ ■ cm) を示し、 横軸はケ ッチェンブラックの含有量 （w t %) を示す。
ケッチェンブラックの含有量が 0のとき、 体積抵抗率は約 340 OmQ ■ cm であるが、 ケツチヱンブラックの含有量が 1 w t %になると体積抵抗率は約 50
OmQ · cmまで下がる。
さらに、 ケッチェンブラックの含有量が 2になると、 体積抵抗率は約 3 O Om
Ω ■ cmになり、 ケッチェンブラックの含有量が 3 w t %になると体積抵抗率は 極めて小さくなることが判る。
よって、 ケッチェンブラックの含有量が 1 w t %以上になるように設定した。 次に、 試験例 1〜3および比較例 1 ~ 2を表 2に基づいて説明する。
セパレータ 1 1 8に含有させるポリフエ二レンサルファイ ドは、 一例として出 光石油化学株式会社製のものを使用し、 黒鉛は、 一例として日本黒鉛工業株式会 社製のものを使用した。
また、 ケッチェンブラックは、 —例としてケッチェン■ブラック ·インターナ ショナル株式会社製 （販売元；三菱化学株式会社） の E C 600 J D (商品名） を使用し、 チョップド炭素繊維は、 一例として東レ株式会社製の PAN系のもの を使用した。
なお、 ケッチェン■ ブラック ■インターナショナル株式会社製の E C 600 J D (商品名） は、 通常のケッチェンブラックと比較して約 60%の含有量で同等 の導電性を確保する高級グレードの高導電性カーボンブラックである。
また、 東レ株式会社製のチョップド炭素繊維は、 直径 dが 7 jU m、 長さが 3m mの炭素繊維である。 表 2
Figure imgf000032_0001
ポリフエ二レンサルフアイ ド 出光石油化学（株）製
黒鉛 ― 日本黒鉛工業（株）製
ゲッチェンブラック ケッチェン ■ ブラック インター チヨップド炭素繊維 東レ (：株）製
表 2に示すように、 試験例 1は、 ポリフエ二レンサルフアイ ド （粘性 45 p s i ) を 33. 25 w t %、 黒鉛 （粒径 1 00 /im) を 60w t %、 ケッチェンブ ラックを 2. 85 w t %、 およびチョップド炭素繊維を 5 w t %含んだものであ る。 なお、 この混合物の流動性は、 スパイラル ' フロー ' レシオが 40である。 試験例 2は、 ポリフエ二レンサルファイ ド （粘性 45 p s i ) を 30w t %、 黒鉛 （粒径 1 00 m) を 63 w t %、 ケッチェンブラックを 2 w t %、 および チョップド炭素繊維を 5 w t %含んだものである。なお、この混合物の流動性は、 スパイラル ' フロー ' レシオが 45である。
試験例 3は、 ポリフエ二レンサルフアイ ド （粘性 45 p s i ) を 25 w t %、 黒鉛 （粒径 1 00/im) を 67w t %、 ケッチェンブラックを 3 w t %、 および チョップド炭素繊維を 5w t %含んだものである。なお、この混合物の流動性は、 スパイラル ' フロー ' レシオが 60である。
比較例 1は、 ポリフエ二レンサルファイ ド （粘性 80 p s i ) を 35w t%、 黒鉛 （粒径 1 00 jt m) を 58w t%、 ケッチェンブラックを 2 w t %、 および チョップド炭素繊維を 5 w t %含んだものである。なお、この混合物の流動性は、 スパイラル ' フロー■ レシオが 62である。
比較例 2は、 ポリフ; Eニレンサルファィ ド （粘性 80 p s i ) を 35 w t %、 黒鉛 （粒径 1 00 im) を 62w t %、 ケッチェンブラックを 3 w t %含んだも のである。 なお、 この混合物の流動性は、 スパイラル■ フロー · レシオが 50で
¾ -a) o
試験例 1〜3および比較例 1〜 2の試料を準備した後、 図 1 2で説明した四探 針法でそれぞれの試料の体積抵抗率を求めた。
ここで、 体積抵抗率が 90ΓΠΩ ■ cm以下であれば、 セパレータ 1 8 (図 1参 照） に採用した際に十分な導電性を確保するとの見通しから、 体積抵抗率のしき い値を 90mQ ■ cmとし、 求めた体積抵抗値が 9 OmQ ■ cm以下の場合を評 価〇とし、 求めた体積抵抗値が 9 OmQ ■ cmを超えた場合を評価 Xとした。 その結果、 試験例 1は体積抵抗率が 72 ΓΤΙΩ ■ cmと 90mQ ■ c m以下に抑 えることができたので、 評価は〇である。
また、 試験例 2は体積抵抗率が 85mQ ' cmと 90mQ ■ c m以下に抑える ことができたので、 評価は〇である。
さらに、 試験例 3は体積抵抗率が6 Ο ΓΠΩ ' cmと9 Ο ΓΠΩ ■ cm以下に抑え ることができたので、 評価は〇である。
一方、 比較例 1は体積抵抗率が 3 3 Ο ΓΤΊΩ ■ (5 と 9 0 0 · cmを超えてし まうので、 評価は Xである。
また、 比較例 2は体積抵抗率が 98 mQ ■ cmと 90mQ ■ cmを超えてしま うので、 評価は Xである。
なお、 混合物の流動性は、 成形性などを考慮すると、 スパイラル'フロー ' レ シォで 30以上を確保する必要があリ、 好ましくは 40以上であることが望まし い。
試験例 1〜試験例 3および比較例 1 ~2は、 混合物の流動性がスパイラル , フ 口一■ レシオで 40以上であるので、 一例として射出成形が可能であった。 次に、 第 2実施例の変形例について説明する。
第 2実施例では、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30に、 ポリフエ二レンサ ルフアイドを 1 0〜34 w t %、 黒鉛を 60〜80 w t %、 ケッチェンブラック を 1〜 1 0 w t <½、 およびチョップド炭素繊維を 5〜 1 5 w t %含ませた例につ いて説明したが、 第 2実施例の変形例として第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 3 0に、 ポリフエ二レンサルフアイドを 1 0〜34 w t %、 黒鉛を 65〜80 w t %、 およぴケッチェンブラックを 1 ~ 1 0 w t %含ませることも可能である。 第 2実施例の変形例によれば、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30にポリフ ェニレンサルフアイドを 1 0〜34w t %含ませることで、 第 1、 第 2セパレ一 タ 1 20， 1 30を射出成形する際の成形性を高めるとともに、 シール性に優れ た第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30を得る。
これによリ、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30の生産性や精度をよリー層 咼める。
加えて、 ポリフエ二レンサルファイ ドは耐熱性に優れた樹脂なので、 第 1、 第 2セパレータ 1 20， 1 30にポリフエ二レンサルフアイドを含ませることで、 第 1、 第 2セパレータ 1 20, 1 30の耐熱性を高める。 このため、 比較的高温 の領域で使用する燃料電池への適用が可能になリ、 用途の拡大を図ることが可能 になる。
ここで、 第 2実施例の変形例において、 ポリフエ二レンサルファイ ドの含有量 を 1 0〜 3 4 w t %に設定した理由は、 第 2実施例と同様である。
また、 第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0に黒鉛を 6 5〜8 O w t %含ませ ることで、 導電性を高める。
黒鉛の含有量を 6 5〜8 O w t %に設定した理由は、第 2実施例と同様である。 すなわち、 黒鉛の含有量が 6 5 w t 0/0未満になると、 黒鉛の含有量が少なすぎ て、 第 1、 第 2セパレ一タ 2 0， 3 0の導電性を高めることが難しくなる。
一方、 黒鉛の含有量が 8 O w t %を超えると、 黒鉛の含有量が多すぎて黒鉛を 均一に分散することが難しく、 押出成形やプレス成形が困難になる。
そこで、 熱可塑性樹脂の含有量を 6 5〜 8 O w t 0/0に設定して、 第 1、 第 2セ パレータ 1 2 0， 1 3 0の導電性を確保するとともに、 成形性を確保することに した。
また、 黒鉛の含有量を 6 5 w t %以上に確保することで、 第 1、 第 2セパレ一 タ 1 2 0， 1 3 0の体積抵抗率 （ΓΠ Ω ■ c m) を低減させて、 第 1、 第 2セパレ ータ 1 2 0 , 1 3 0の導電性を十分に高める。
さらに、 セパレ一タにケッチェンブラックを 1〜 1 0 w t %含ませることで、 導電性をよリー層高める。
また、 第 2実施例の変形例において、 ケッチェンブラックの含有量を 1 〜 1 0 w t %に設定した理由は、 第 2実施例と同様である。
第 2実施例の変形例の第 1、 第 2セパレータ 1 2 0， 1 3 0によれば、 第 2実 施例と同様の効果を得る。
なお、 前記第 1〜第 2実施例では、 電解質膜 1 2として固体高分子電解質を使 用した固体高分子型燃料電池 1 0 , 1 1 0について説明したが、 これに限らない で、 その他の燃料電池に適用することも可能である。
また、 前記第 1〜第 2実施例では、 第 1セパレータ 2 0 , 1 2 0及び第 2セパ レータ 3 0， 1 3 0を押出し成形やプレス成形で連続的に成形した例について説 明したが、 これに限らないで、 加熱プレス方法、 射出成形方法やトランスファー 成形方法などのその他の製造方法で成形することも可能である。 トランスファー成形方法とは、 成形材料をキヤビティとは別のポット部に 1 シ ョット分入れ、 プランジャーによって溶融状態の材料をキヤビティに移送して成 形する方法である。
さらに、 前記第 1〜第 2の実施例では、 ケッチェンブラックを、 一例としてケ ツチ： ^ン · ブラック ■インターナショナル株式会社製 （販売元； 三菱化学株式会 社） の「E C 6 0 0 J D」 を使用した例について説明したが、 これに限らないで、 例えばケッチェン 'ブラック 'インターナショナル株式会社製の 「E C」 を使用 することも可能であり、 その他のケッチェンブラックを使用することも可能であ る。
また、ケッチェンブラックと同様に導電性に優れたカーボンブラックであれば、 ケッチェンブラックに代えて使用することも可能である。
加えて、 前記第 2の実施例では、 第 1、 第 2セパレ一タ 1 2 0， 1 3 0に含ま せたポリフエ二レンサルフアイドの粘性を 2 0〜 8 0 p s i に設定した例につい て説明したが、 ポリフエ二レンサルフアイ ドの粘性が 8 0 p s i より高い場合に は、 可塑剤を使用して対応することも可能である。
さらに、 前記第 2の実施例では、 粒径が 1 0 O jU mの黒鉛を使用する例につい て説明したが、 黒鉛の粒径は 1 O O mに限るものではなく、 その他の粒径を使 用することも可能である。
また、 前記第 2の実施例では、 P A N系のチョップド炭素繊維を使用する例に ついて説明したが、 これに限らないで、 例えばピッチ系のチョップド炭素繊維を 使用することも可能である。
産業上の利用可能性
以上説明したように、 本発明は、 セパレータの接触面をシール性に優れた部位 にすることでその生産性を高めることができるので、 特に量産化が望まれる自動 車用燃料電池の分野に有用である。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 電解質膜に沿わせたアノード及びカソードを拡散層を介して両側から挟み 込んだ燃料電池用セパレータであって、
エチレン■酢酸ビニル共重合体、 エチレン■ェチルァクリレート共重合体から 選択した熱可塑性樹脂と、 ケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックの少 なくとも一種から選択した炭素粒子との混合材で形成したことを特徴とする燃料 電池用セパレータ。
2 . 前記混合材は、 前記熱可塑性樹脂の割合が 1 4〜 2 0 w t %、 前記炭素粒 子の割合が 8 0〜 8 6 w t %であ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 . 前記炭素粒子のうち、 3〜2 O w t o/oが前記ケッチェンブラックであるこ とを特徴とする請求項 2に記載の燃料電池用セパレータ。
4 . 前記混合材は、 前記熱可塑性樹脂の割合が 1 4〜 2 0 w t %、 前記炭素粒 子の割合が 7 0 - 8 3 . 5 w t %、 ガラス繊維又は炭素繊維の割合が 2 . 5〜 1 0 w t %であ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。
5 . 熱可塑性樹脂をエチレン '酢酸ビニル共重合体、 エチレン■ェチルァクリ レート共重合体から選択するとともに、 炭素粒子をケッチェンブラック、 黒鉛、 アセチレンブラックから少なくとも一種選択する工程と、
これらの選択した熱可塑性樹脂及び炭素粒子を混合して混合材を得る工程と、 この混合材を押出し機で押出し成形してシート材を得る工程と、
このシ一卜材をプレス成形してガス流路溝を表面に成形する工程と、 このガス流路溝を成形したシート材を所定形状に切断して燃料電池用セパレー タを得る工程と、
からなる燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 電解質膜に沿わせたアノード及び力ソードを拡散層を介して両側から挟み 込む燃料電池用セパレータであって、
ポリフエ二レンサルファィ ドを 1 0〜 34 w t %、 黒鉛を 65〜 80 w t %、 およびケッチェンブラックを 1 〜 1 0 w t %含む混合物で形成したことを特徴と する燃料電池用セパレータ。
7. 前記混合物は、 5〜 1 5w t %のチョップド炭素繊維を更に含み、 前記混 合物に含まれる黒鉛を 60〜 80 w t %とした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。
8. 前記ポリフエ二レンサルフアイドは、 粘性が 20〜80 p s iであること を特徴とする請求項 7に記載の燃料電池用セパレータ。
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