WO2007132549A1 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2007132549A1
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cell separator
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Kazuhiko Otawa
Akira Hashimoto
Nobuhiko Ikeda
Kenichi Horiki
Toshimitsu Tanii
Hiromi Konishi
Hiroshi Itaya
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Nippon Pillar Packing Co., Ltd.
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell separator produced by press-molding a preform formed in a plate shape using a mold, and a method for producing the same.
  • a separator for a fuel cell means that a MEA (membrane / electrode assembly) is appropriately held in a fuel cell (a unit body in which the MEA is sandwiched between separators for a fuel cell) and is used for the electrochemical reaction. It plays the role of supplying the necessary fuel (hydrogen) and air (oxygen), and collecting the electrons obtained by the electrochemical reaction to function as a fuel cell without loss. To fulfill these roles, fuel cell separators are required to have the following characteristics: 1. mechanical strength, 2. flexibility, 3. conductivity, 4. moldability, 5. gas impermeability.
  • Patent Document 1 discloses a separator for a fuel cell that is excellent in molding processability and a method for manufacturing the same by first forming a preformed body by primary molding and then performing secondary molding. Are known.
  • expanded graphite is used as graphite, which is the main raw material for fuel cell separators.
  • graphite which is the main raw material for fuel cell separators.
  • Patent Document 2 the one disclosed in Patent Document 2 is known.
  • Fuel cell separators using expanded graphite can exhibit the desired battery performance by effectively utilizing the inherent heat resistance, corrosion resistance, electrical properties (conductivity), thermal conductivity, etc. of expanded graphite. It is desirable as a means. That is, the conductivity can be excellent.
  • the thickness of the separator alone is not impaired. It is necessary to make it as thin as possible.
  • Thinning makes it easy to crack and allows gas to pass therethrough, so there are difficulties in the above-mentioned mechanical strength and gas impermeability.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2 0 04 _ 2 1 6 7 5 6
  • Patent Document 2 Japanese Patent Laid-Open No. 2 00 0 _ 2 3 1 9 2 6
  • an object of the present invention is to provide a fuel cell separator prepared by press molding of a preformed body using expanded graphite as a main material so as to be excellent in conductivity and molding processability.
  • the molded body By devising the molded body to be made using a papermaking method, the mechanical strength, flexibility, and gas impermeability are improved, making it lightweight and compact suitable for use in automobiles. Means to solve the problem of making it possible
  • the invention according to claim 1 is a fuel cell separator produced by press-molding a preformed body 14 formed in a plate shape using a molding die, wherein the preformed body 14 is
  • the first sheet 14 A obtained by papermaking using a raw material in which a fibrous filler is added to expanded graphite is a pair of second sheet 14 B made by applying a thermosetting resin to graphite. Sandwich structure with intervening It is comprised by these.
  • the invention according to claim 2 is the fuel cell separator according to claim 1, wherein the first sheet 14A has a thermosetting resin impregnated after the paper making. It is a feature.
  • the invention according to claim 3 is a fuel cell separator, wherein the thermosetting resin used in the second sheet and Z according to claim 1 or the first sheet according to claim 2. Is a phenolic resin.
  • the invention according to claim 4 is a method for producing a separator for a fuel cell, comprising a secondary molding step of press-molding a preform 14 formed into a plate shape using a molding die 15; A papermaking process a in which the preform 14 is made using a raw material obtained by adding a fibrous filler to expanded graphite; and the first sheet 14 A obtained by the papermaking process a is thermoset into graphite.
  • a first step S 1 having a laminating step c for interposing and laminating between a pair of second sheets 14 B formed by applying a functional resin.
  • the invention according to claim 5 is the method for producing a fuel cell separator according to claim 4, wherein the primary step S1 is thermosetting to the sheet-like body made by the paper making step a. It has a post-impregnation step b in which the first sheet 14 A is made by impregnating a resin.
  • the invention according to claim 6 is a method of manufacturing a separator for a fuel cell, wherein the second sheet 14 B and Z according to claim 4 or the first sheet 14 according to claim 5 is provided.
  • a phenol resin is used as the thermosetting resin for producing A.
  • the pre-formed body is a second sheet in which the first sheet made by papermaking is mainly made of graphite and a thermosetting resin.
  • a separator for a fuel cell produced by press molding a preform with expanded graphite as a main material so as to be excellent in conductivity and moldability, and using the papermaking method for the preform.
  • the second sheet with excellent formability is placed on the surface with the paper sheet to be created in between, the mechanical strength, flexibility, and gas impermeability characteristics are improved. It is possible to provide a fuel cell separator that has excellent moldability, is light and suitable for automobiles, and can be compacted.
  • thermosetting resin is impregnated later in the first sheet made of paper made from expanded graphite as the main raw material, so that the thermosetting resin is blended.
  • the thermosetting resin enters the gaps in the sheet-like body that has been made to fill the gaps, and has a positive effect on gas permeability and bulk density.
  • the thermosetting resin used for the first sheet is a phenol resin synthesized by condensation polymerization of phenols and aldehydes, insulation and water resistance are achieved.
  • thermosetting resin used for the second sheet phenol resin both improved gas permeability coefficient and excellent moldability It is possible to provide a fuel cell separator having a sandwich structure that can be obtained more effectively. Further, the following means 1 to 5 may be adopted.
  • the invention of claim 4 is the invention of claim 1
  • the invention of claim 5 is the invention of claim 2
  • the invention of claim 6 is the invention of claim 3. It is possible to provide a method for manufacturing a fuel cell separator capable of exhibiting the same effects and effects as the actions and effects of the corresponding claims.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view showing a stack structure of a solid polymer electrolyte fuel cell.
  • FIG. 2 Front view showing a separator of a solid polymer electrolyte fuel cell
  • FIG. 7 Chart showing various data of separators of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3.
  • FIG. 8 Chart showing various data of separators of Examples 1 to 1 to 7.
  • FIG. 1 to 3 show the stack structure
  • Fig. 4 is an enlarged front view of the main part showing the cell structure
  • Fig. 4 is an enlarged view of the main part showing a single cell of another structure
  • Fig. 5 is a schematic diagram showing the principle of papermaking
  • Fig. 6 Process diagrams showing the manufacturing principle of the separator
  • Figs. 7 and 8 are diagrams showing data of various examples and comparative examples.
  • the “fuel cell separator” is simply referred to as “separator”.
  • the solid polymer electrolyte fuel cell E is formed of, for example, an electrolyte membrane 1 that is an ion exchange membrane formed of a fluororesin, and a carbon cloth, carbon paper, or carbon felt woven with carbon fiber yarns.
  • a stack structure is provided in which current collector plates (not shown) are arranged at both ends.
  • both separators 4 have fuel gas holes 6 and 7 containing hydrogen, oxidizing gas holes 8 and 9 containing oxygen, and cooling water holes 10 in the periphery.
  • each of the holes 6, 7, 8, 9, 10 of each separator 4 penetrates the inside of the fuel cell E in the longitudinal direction, and the fuel gas A supply manifold, a fuel gas discharge manifold, an oxidizing gas supply manifold, an oxidizing gas discharge manifold, and a cooling water channel are formed.
  • Each separator 4 has ridges (ribs) 11 formed on the front and back so that the basic cross-sectional shape is a square wave shape, and the fuel gas flow caused by the contact between the anode 2 and each ridge 11 An oxidant gas flow path 13 is formed by the path 12 and the force sword 3 coming into contact with the ridges 11.
  • the back side (inner side) portions of the outward protruding strips 11 in the separators 4 and 4 are adjacent to each other, thereby forming an independent cooling water passage 10. be able to.
  • a fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel cell E from a fuel gas supply device provided outside is the fuel gas supply manifold. It is supplied to the fuel gas flow path 12 of each single cell 5 via the hold and exhibits an electrochemical reaction on the side of the single cell 5 on the anode 2 side.
  • the fuel gas after the reaction is the fuel gas of each single cell 5. It is discharged from the flow path 12 through the fuel gas discharge manifold.
  • the oxidizing gas (air) containing oxygen supplied to the fuel cell E from the oxidizing gas supply device provided outside is supplied to the single cell 5 through the oxidizing gas supply manifold.
  • the electrochemical reaction of the fuel cell E as a whole proceeds, and the chemical energy of the fuel is directly converted into electrical energy, whereby predetermined battery performance is exhibited.
  • the fuel cell E generates heat because it is operated in the temperature range of about 80 to 100 ° C. from the properties of the electrolyte membrane 1. Therefore, during operation of the fuel cell E, cooling water is supplied to the fuel cell E from a cooling water supply device provided outside, and this is circulated through the cooling water channel, thereby increasing the temperature inside the fuel cell E. Is suppressed.
  • the cell structure may be that shown in FIG. That is, in the cell of FIG. 4, each separator 4 is composed of a large number of dotted ribs (ribs of a predetermined shape) arranged vertically and horizontally at equal intervals. A vertical and horizontal fuel gas flow path 1 2 is formed between the surface of 2 and a vertical and horizontal oxidizing gas flow path 1 3 is formed between the surface of the rib 1 1 and the force sword 3. It is configured.
  • the second sheet 14 B which has good formability in the intermediate layer, can easily change to a non-uniform density by flowing into the thick part, so that mechanical and electrical characteristics should be improved.
  • the manufacturing method of No. 4 is a method in which a preform formed in a plate shape is formed by press forming using a mold, and as shown in FIG. 6, a plate shape approximating the shape of a separator is formed. It comprises a primary molding step S 1 for producing a preform 14 and a secondary molding step S 2 for pressurizing the preform 14 with a molding die 15 to form a final shaped separator 4.
  • the target characteristics of the separator 4 are: contact resistance of 30 m Q 'cm 2 or less, bending strength of 25 MPa or more, bending strain of 0.6 to 2.1%, gas permeability coefficient of 1 X 1 0 _ 8 mol ⁇ m / m 2 ⁇ s ⁇ MP a or less.
  • the primary molding step S1 is performed by applying a first sheet 14A obtained by papermaking using a raw material obtained by adding a fibrous filler to expanded graphite, as a thermosetting property. This is a process to create a sandwich-shaped preform 14 formed between a pair of second sheets 14 B made by applying graphite powder to the resin.
  • the paper making step a is a step of making the first sheet 14 A by paper making using a raw material obtained by adding a fibrous filler to expanded graphite. As shown in FIG. A sheet of expanded graphite (conductive material) and a fibrous filler is made using a raw material having a predetermined blending ratio, thereby forming a first sheet 14 A for the preform 14.
  • the original meaning of papermaking is “making paper by rinsing paper raw materials”, but papermaking here means “making the first sheet by rinsing the above materials for the first sheet”.
  • FIG. 5 shows a schematic papermaking step a for creating the first sheet 14A.
  • the post-impregnation step b is a step of impregnating the first sheet 14 A made by the paper making step a with phenol resin, and thereby the first sheet in a state where it becomes a component of the preform 14.
  • Sheet 1 4 A is created.
  • the laminating process c consists of the first sheet 14 A prepared in the paper making process a and the post-impregnation process b, and a graphite resin (graphite powder, etc.) coated with phenol resin (an example of a thermosetting resin).
  • phenol resin an example of a thermosetting resin
  • a three-layered preform 14 is pressed by a press using a molding die 15 comprising an upper die 15a and a lower die 15b.
  • This is a step of creating a separator 4 having a predetermined final shape.
  • the papermaking step a in the primary forming step S1 is as follows. Dissolve the fiber filler that is composed of 3% carbon fiber, 7% acrylic fiber, 1% PET fiber, and 1% carbamide fiber using a home mixer, and the specified pulp concentration (eg 1%) Adjust to. For example, 83% expanded graphite of 40 m is added to the adjusted pulp slurry, and water is further added to readjust the solid content to 0.1%. Yield-improving material [Himoloc NR 11-LH (trade name)] is added to make paper as a raw material for paper making (see Example 1 in FIG. 7) (see FIG. 5). The sheet-like body made by the paper making process a is processed using a standard square sheet machine to obtain a first sheet 14 A having a 25 cm square sheet shape with a basis weight of 100 g Zm 2 .
  • impregnation is performed using a phenol resin liquid to obtain a first sheet 14A for the preform 14.
  • the impregnation amount of phenol resin in Example 1 is 5% after impregnation. Determined.
  • the first sheet 14A made by papermaking has slightly poor formability, such as being difficult to bend, but has excellent mechanical and electrical characteristics.
  • the second sheet forming step in the primary molding step S 1 is not shown in the figure, but a black lead powder (preferably having a particle size of about 1 to 200 m ) is coated with phenol resin and resin carbon. This is a step of creating a certain second sheet 1 4 B.
  • the second sheet 14B which is a resin carbon, is inferior in mechanical properties but excellent in moldability.
  • the second sheet 14B may be prepared as follows.
  • carbon prepared by mixing and reacting phenols, aldehydes, and carbon in the presence of a catalyst.It consists of a sheet-like molded product formed from a phenol resin molding material, and phenols and aldehydes. Are mixed with carbon in the presence of a catalyst to produce a carbon-phenol resin molding material obtained by coating carbon with a thin and uniform coating with phenol resin. In this case, even when the amount of carbon is increased, it is possible to obtain a thin plate-like molded body in which the carbon particles are securely bound and the gap between the carbon particles is filled with a phenol resin. A fuel cell separator having excellent mechanical strength and electrical conductivity and low gas permeability can be easily obtained.
  • the three-layered preform 14 produced in the primary molding step S1 is 1 with a surface pressure of 2 OMPa using a 70 ° C mold.
  • the separator 4 is obtained by press-molding for minutes (see Fig. 6).
  • the separator 4 in Example 1 has the following characteristics: Contact resistance 1 OmQ ⁇ cm 2.
  • FIGS. 7 and 8 show physical properties and characteristics tables of Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 3 of the separator 4 according to the present invention (FIG. 7), and physical properties and characteristics of Examples 1 to 17 ( Fig. 8).
  • the specifications of the first sheet 14A are different, and the second sheet 14B is all the same as each other.
  • the contact resistance is as follows. First, two test pieces are sandwiched between two flat copper plates, and the voltage under a pressure of 1 MPa is measured as voltage A. Next, four test pieces were measured as voltage B in the same manner as described above, and the difference between voltage A and voltage B was divided by 2, and then divided by the area of the test piece, so that the contact resistance (unit: m Q ⁇ Set to cm.
  • the bending strength and bending strain are measured by a three-point bending test.
  • the distance between the fulcrums was 7.8 mm
  • the crosshead speed was 1 O mmZm in
  • the test piece width was 15 mm.
  • the gas permeation coefficient was measured using a gas permeation meter (BT-1 manufactured by Toyo Seiki Seisakusho) according to the JIS, K 7 12 6 method (differential pressure method).
  • Examples 1 to 6 are data when the blending ratio of the phenol resin in the post-impregnation step b is changed in 5% increments in the range of 5 to 30%.
  • Example 7 shows data obtained by post-impregnation of phenolic resin and natural graphite instead of post-impregnation of phenolic resin.
  • Example 8 is data in the case where graphite coated with phenol resin is post-impregnated instead of post-impregnation of phenol resin, and
  • Example 9 is 13% of post-impregnation of phenol resin, and This is the data when the content of phenol resin is 7% (the content is 7% phenol resin as a raw material for paper making process a).
  • Example 10 is the surface of the preform 14, that is, the second sheet 14 B,
  • Example 10 Data when graphite is applied to the surface side of 1 4 B. That is, in Example 10, the coating step of applying graphite to the surface of the second sheet body 14 B made of a carbon / phenol resin molding material is added.
  • the carbon fiber, acrylic fiber, PET fiber, and aramid fiber constituting the fibrous filler have the same blending ratio (blending amount).
  • Examples 1 1 to 17 are data when the blending ratio of the expanded graphite of the first sheet is changed in 5% increments in the range of 60 to 90%.
  • the mixing ratio of the post-impregnated phenolic resin is the same as in Example 4 for Examples 1 to 1-4.
  • Comparative Examples 1 and 2 are provided in the all-paper-made separator 4 that does not have the second sheet 1 4B formed by laminating three first sheets 14A according to Examples 4 and 5.
  • Comparative Example 3 shows the case where the all-carbon-carbon separator 4 without the first sheet 1 4 A formed by laminating 3 sheets of the second sheet 1 4 B is set. It is data.
  • the characteristics of the all-paper-made comparative examples 1 and 2 are excellent, but the contact resistance and gas permeability coefficient deviate significantly from the specified values. There are many chips and inferior moldability.
  • the all-resin carbon type of Comparative Example 3 is not acceptable because the bending strain is out of the range and the corners are missing.
  • the blending ratio (material ratio) of expanded graphite should be set in the range of 60 to 80%.
  • the impregnation ratio of the phenol resin is in the range of 20 to 3 Oo / o, it is possible to make the bending strength ultra high strength of 8 OMPa or more. And if the impregnation ratio of phenol resin is in the range of 20-30% and the blending ratio (material ratio) of the expanded graphite is in the range of 60-70%, the bending strength is extremely high at 105 MPa or more. There is an advantage that a strong separator for fuel cells can be realized.
  • the present invention provides a separator formed by press-molding a preform formed in a plate shape using a mold, and the preform is made of expanded graphite and fibrous material. Constructed in a sandwich structure in which a second sheet made of graphite is coated with a thermosetting resin between a pair of first sheets obtained by papermaking using raw materials with fillers added
  • the contact resistance is 30 mQ ⁇ cm 2 or less
  • the bending strength is 25 MPa or more
  • the bending strain is 0.6 to 2.1%
  • the gas permeability is 1 X 1 0_ 8 mol ⁇ m / m 2 ⁇ s ⁇
  • Each characteristic value target below M Pa can be cleared. .
  • a fuel cell separator produced by press-molding a preformed body made of expanded graphite as the main raw material so as to be excellent in electrical conductivity and molding processability is produced by two first sheets by papermaking.
  • the mechanical strength, flexibility, and gas impermeability are improved, making it lightweight suitable for automobiles, etc.
  • a separator that can be made compact can be provided.

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Abstract

　導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、その予備成形体を抄造法を用いて作成する工夫により、自動車用等に好適な軽量、コンパクト化が図れるよう、機械的強度、可撓性、ガス不透過性の各特性が改善され、成形性も優れるように改善する。そのために、板状に形成された予備成形体１４を、成形型を用いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて、予備成形体１４が、膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造によって得られるシート状体にフェノール樹脂を含浸させて成る第１シート１４Ａを、黒鉛にフェノール樹脂を塗して成る第２シート１４Ｂの一対の間に介装するサンドイッチ構造に構成する。

Description

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
[0001 ] 本発明は、 板状に形成された予備成形体を、 成形型を用いてプレス成形す ることによつて作成される燃料電池用セパレータ、 並びにその製造方法に関 するものである。
背景技術
[0002] 燃料電池用セパレータとは、 M E A (膜■電極接合体） を適切に燃料電池 セル （燃料電池用セパレータの間に M E Aを挟み込んだ単位体） 内に保持す るとともに前記電気化学反応に必要な燃料 （水素） 及び空気 （酸素） を供給 する役割、 さらには燃料電池として機能するための電気化学反応により得ら れた電子を損失なく集電する役割等を担っている。 これらの役割を担うため に燃料電池用セパレータには、 1 . 機械的強度、 2 . 可撓性、 3 . 導電性、 4 . 成形加工性、 5 . ガス不透過性という特性が要求される。
[0003] 従来、 この種の燃料電池用セパレータの材料としては、 耐食性に優れたも のとする点から黒鉛を主原料とするものが一般的であり、 開発の初期段階で は、 焼結カーボンを切削することによって燃料電池用セパレータを製作して いた。 しかしながら、 コスト的な問題から近年ではフエノール樹脂、 ェポキ シ樹脂等の熱硬化性樹脂と黒鉛とのコンパウンドを成形材料として作成し、 そのコンパウンドを圧縮成形することによって燃料電池用セパレータとする 手段が採られていた。 成形材料のコンパウンドは、 通常、 粉末の状態で供給 されるので、 一旦樹脂の反応しない低温で予備成形体を作成する一次成形を 行ってから、 二次成形であるプレス成形型に送られるようになる。 このよう に、 一次成形によつて一旦予備成形体を作つてから二次成形を行うことで、 前記成形加工性に優れる燃料電池用セパレータやその製造方法としては特許 文献 1において開示されたものが知られている。
[0004] 一方、 燃料電池用セパレータの主原料である黒鉛として膨張黒鉛を用いる ものがあり、 例えば特許文献 2において開示されたものが知られている。 膨 張黒鉛を用いた燃料電池用セパレータでは、 膨張黒鉛が本来有する耐熱性、 耐食性、 電気特性 （導電性） 、 熱伝導特性等を有効に利用して所定の電池性 能を発揮させることができる手段として望ましいものである。 つまり、 前記 導電性に優れるものとすることができる。 そして、 数百枚〜千枚といった多 量のセパレータを用いる自動車用等として求められる軽量でコンパク卜な燃 料電池とするには、 セパレータ単体での厚さを、 必要な機能を損なうことな く極力薄くすることが必要になる。
[0005] しかしながら、 膨張黒鉛を主原料とする従来の燃料電池用セパレータでは
、 薄くすると割れ易くなるとともに、 ガスを透過し易くなるので、 前述の機 械的強度、 ガス不透過性の各点で難点がある。
特許文献 1 ：特開 2 0 0 4 _ 2 1 6 7 5 6号公報
特許文献 2：特開 2 0 0 0 _ 2 3 1 9 2 6号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0006] そこで本発明の目的は、 導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、 膨張黒鉛を主原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電 池用セパレータを、 その予備成形体を抄造法を用いて作成するように工夫す ることにより、 機械的強度、 可撓性、 ガス不透過性の各特性が改善され、 自 動車用等に好適となる軽量、 コンパク卜化が可能となるようにする点にある 課題を解決するための手段
[0007] 請求項 1に係る発明は、 板状に形成された予備成形体 1 4を、 成形型を用 いてプレス成形することによって作成される燃料電池用セパレータにおいて 前記予備成形体 1 4が、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を 用いての抄造によって得られる第 1シート 1 4 Aが、 黒鉛に熱硬化性樹脂を 塗して成る第 2シー卜 1 4 Bの一対の間に介装されて成るサンドイッチ構造 に構成されていることを特徴とするものである。
[0008] 請求項 2に係る発明は、 請求項 1に記載の燃料電池用セパレータにおいて 、 前記第 1シート 1 4 Aは、 前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を 有していることを特徴とするものである。
[0009] 請求項 3に係る発明は、 燃料電池用セパレータにおいて、 請求項 1に記載 の前記第 2シー卜及び Z又は請求項 2に記載の前記第 1シー卜に用いられる 前記熱硬化性樹脂がフェノール樹脂であることを特徴とするものである。
[0010] 請求項 4に係る発明は、 板状に形成された予備成形体 1 4を、 成形型 1 5 を用いてプレス成形する二次成形工程を有する燃料電池用セパレータの製造 方法において、 前記予備成形体 1 4を、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられ て成る原料を用いて抄造する抄造工程 aと、 前記抄造工程 aによって得られ る第 1シート 1 4 Aを、 黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る第 2シート 1 4 B の一対の間に介装して積層する積層工程 cと、 を有する一次工程 S 1によつ て作成することを特徴とするものである。
[0011 ] 請求項 5に係る発明は、 請求項 4に記載の燃料電池用セパレータの製造方 法において、 前記一次工程 S 1は、 前記抄造工程 aによって抄造されたシー 卜状体に熱硬化性樹脂を含浸させて前記第 1シート 1 4 Aを作成する後含浸 工程 bを有していることを特徴とするものである。
[0012] 請求項 6に係る発明は、 燃料電池用セパレータの製造方法において、 請求 項 4に記載の前記第 2シート 1 4 B及び Z又は請求項 5に記載の前記第 1シ 一卜 1 4 Aを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフエノール樹脂を用い ることを特徴とするものである。
発明の効果
[0013] 請求項 1の発明によれば、 詳しくは実施形態の項において説明するが、 予 備成形体が、 抄造による第 1シートが黒鉛と熱硬化性樹脂とを主原料とする 第 2シー卜の二枚の間に挟まれる計三層のサンドィツチ構造のもの、 即ち、 機械的、 電気的特性に優れ、 薄肉で、 かつ、 固有抵抗値等の特性のばらつき が少なく、 大量生産が容易で製造コストも有利となる第 1シートを、 成形性 に優れる第 2シートの一対の間に挟む構成となっている。 その結果、 導電性 と成形加工性とに優れるものとなるよう、 膨張黒鉛を主原料とする予備成形 体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレータを、 その予備成形 体を抄造法を用いて作成する抄造シートを間に挟んで成形性に優れる第 2シ 一卜が表面に位置するサンドイッチ構造に工夫することにより、 機械的強度 、 可撓性、 ガス不透過性の各特性が改善されながら成形性に優れ、 自動車用 等に好適となる軽量、 コンパク卜化が可能となる燃料電池用セパレータを提 供することができる。
[0014] 請求項 2の発明によれば、 膨張黒鉛を主原料とする抄造によって成る第 1 シー卜に熱硬化性樹脂を後から含浸させてあるので、 熱硬化性樹脂が配合さ れることによる一般的な作用、 効果に加えて、 抄造されたシート状体におけ る隙間に熱硬化性樹脂が入リ込んで隙間を埋めるようになリ、 ガス透過性や かさ密度に好影響を与えてさらなる性能向上が可能となる利点がある。 この 場合、 請求項 3のように、 第 1シートに用いられる熱硬化性樹脂を、 フエノ ール類とアルデヒド類との縮重合によリ合成されるフエノール樹脂とすれば 、 絶縁性，耐水性，耐薬品性等に優れるというより好ましい作用、 効果が追 加されるとか、 第 2シートに用いられる熱硬化性樹脂をフェノール樹脂とし て、 ガス透過係数の向上と優れた成形性との双方をより効果的に得ることが できるといったサンドイッチ構造の燃料電池用セパレータを提供可能である 。 また、 次の 1 . 〜5 . のような手段を採用しても良い。
[0015] 1 . フエノール樹脂の含浸率を 5〜 3 0 %の範囲に設定したり、 2 . 膨張 黒鉛の材料比率を 6 0〜 9 0 %に設定することにより、 接触抵抗 3 0 m Q ■ c m2 以下 、 曲げ強度 2 5 M P a以上、 曲げ歪 0 . 6〜2 . 1 %、 ガス透過 係数 1 X 1 0 _ 8mo l ■ m/m 2 ■ s ■ M P a以下の各特性の目標値をクリャする ことができて好都合である （図 7， 8参照） 。 3 . 黒鉛が含有されているフ ェノール樹脂を後含浸したものや、 4 . フ Iノール樹脂の含浸後において塗 される黒鉛を有するものでは、 前述の各特性値がより高レベルなものとなる (図 7参照） 燃料電池用セパレータを提供することができる。 5 . 繊維質充 填材を、 機械的強度の改善に有効な炭素繊維或いはァクリル繊維を有するも のとすることができる。
[0016] 請求項 4の発明は請求項 1の発明を、 請求項 5の発明は請求項 2の発明を 、 そして請求項 6の発明は請求項 3の発明を夫々方法化したものであり、 対 応する請求項の作用、 効果と同等の作用、 効果を発揮することができる燃料 電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0017] [図 1 ]固体高分子電解質型燃料電池のスタック構造を示す分解斜視図
[図 2]固体高分子電解質型燃料電池のセパレータを示す正面図
[図 3]単セルの構成を示す要部の拡大断面図
[図 4]別構造によるセルの構成を示す要部の拡大断面図
[図 5]第 1シー卜の抄造工程を示す原理図
[図 6]セパレータの製造方法を示す原理図
[図 7]実施例 1〜 1 0及び比較例 1〜 3のセパレータの各種データを示す図表 [図 8]実施例 1 1〜 1 7のセパレータの各種データを示す図表
符号の説明
4 燃料電池用セパレータ
1 4 予備成形体
1 4 A 第 1シート （抄造シー
1 4 B 第 2シート （樹脂カー
1 5 成形型
a 抄造工程
b 後含浸工程
c 積層工程
S 1 一次工程
発明を実施するための最良の形態
[0019] 以下に、 本発明による燃料電池用セパレータ及びその製造方法の実施の形 態を、 図面を参照しながら説明する。 図 1〜図 3は、 スタック構造の分解斜 視図、 セパレータの外観正面図、 セル構造を示す要部の拡大断面図、 図 4は 別構造の単セルを示す要部の拡大図、 図 5は抄造の原理を示す概略図、 図 6 はセパレータの製造原理を示す工程図、 図 7， 8は各種実施例や比較例のデ ータを示す図表である。 尚、 以下においては 「燃料電池用セパレータ」 を、 単に 「セパレータ」 と略称するものとする。
[0020] 〔実施例 1〕
最初に、 本発明のセパレータを備えた固体高分子電解質型燃料電池の構成 及び動作について、 図 1〜図 3を参照して簡単に説明する。 固体高分子電解 質型燃料電池 Eは、 例えばフッ素系樹脂より形成されたイオン交換膜である 電解質膜 1と、 炭素繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあ るいはカーボンフェルトにより形成され、 上記電解質膜 1を両側から挟みサ ンドィツチ構造をなすガス拡散電極となるアノード 2及びカソード 3と、 そ のサンドイッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ 4， 4とから構成され る単セル 5の複数組を積層し、 その両端に図示省略した集電板を配置したス タック構造に構成されている。
[0021 ] 両セパレータ 4は、 図 2に示すように、 その周辺部に、 水素を含有する燃 料ガス孔 6， 7と酸素を含有する酸化ガス孔 8， 9と冷却水孔 1 0とが形成 されており、 前記単セル 5の複数組を積層した時、 各セパレータ 4の各孔 6 ， 7、 8， 9、 1 0がそれぞれ燃料電池 E内部をその長手方向に貫通して燃 料ガス供給マ二ホールド、 燃料ガス排出マ二ホールド、 酸化ガス供給マニホ 一ルド、 酸化ガス排出マ二ホールド、 冷却水路を形成するようになされてい る。 各セパレータ 4は、 基本の断面形状が角波型となるように表裏に凸条 （ リブ） 1 1が形成されており、 アノード 2と各凸条 1 1とが当接することに よる燃料ガス流路 1 2、 及び力ソード 3と各凸条 1 1とが当接することによ る酸化ガス流路 1 3が形成されている。 また、 電解質膜 1の存在側を内とし た場合において、 各セパレータ 4， 4における外向き凸条 1 1の裏側 （内側 ) 部分が隣合わされることにより、 独立した冷却水通路 1 0に形成すること ができる。 [0022] 前記構成の固体高分子電解質型燃料電池 Eにおいては、 外部に設けられた 燃料ガス供給装置から燃料電池 Eに対して供給された水素を含有する燃料ガ スが上記燃料ガス供給マ二ホールドを経由して各単セル 5の燃料ガス流路 1 2に供給されて各単セル 5のァノード 2側において電気化学反応を呈し、 そ の反応後の燃料ガスは各単セル 5の燃料ガス流路 1 2から燃料ガス排出マ二 ホールドを経由して外部に排出される。 同時に、 外部に設けられた酸化ガス 供給装置から燃料電池 Eに対して供給された酸素を含有する酸化ガス （空気 ) が上記酸化ガス供給マ二ホールドを経由して各単セル 5の酸化ガス流路 1 3に供給されて各単セル 5のカソード 3側において電気化学反応を呈し、 そ の反応後の酸化ガスは各単セル 5の酸化ガス流路 1 3から上記酸化ガス排出 マ二ホールドを経由して外部に排出される。
[0023] 前述の電気化学反応に伴い、 燃料電池 E全体としての電気化学反応が進行 して、 燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することで 、 所定の電池性能が発揮される。 なお、 この燃料電池 Eは、 電解質膜 1の性 質から約 8 0〜 1 0 0 °Cの温度範囲で運転されるために発熱を伴う。 そこで 、 燃料電池 Eの運転中は、 外部に設けられた冷却水供給装置から燃料電池 E に対して冷却水を供給し、 これを前記冷却水路に循環させることによって、 燃料電池 E内部の温度上昇を抑制している。
[0024] 尚、 セルの構造としては、 図 4に示す構造のものでも良い。 即ち、 図 4の セルは、 各セパレータ 4を、 その表面が縦横に点状のリブ （所定形状のリブ ) 1 1の多数が均等間隔毎に並べられて成るものとして、 それらリブ 1 1と アノード 2の表面との間に縦横の燃料ガス流路 1 2が形成されるとともに、 リブ 1 1と力ソード 3の表面との間に縦横の酸化ガス流路 1 3が形成される 構造のものに構成してある。 二次成形 S 2において、 中間層で成形性の良い 第 2シート 1 4 Bが厚みの大きい部分に流れて密度不均一状態に容易に変化 できることから、 機械的、 電気的特性を向上させるベく両端に厚み変化が不 得意な第 1シート 1 4 Aを設ける構成としながらも、 従来では困難であった リブ 1 1等の凹凸を有する （厚み分布のある） タイプのセパレータ 4の実現 を可能としている。
[0025] 次に、 セパレータ 4の作り方 （製造方法） について説明する。 セパレータ
4の製造方法は、 板状に形成された予備成形体を、 成形型を用いてプレス成 形することによって作成するものであり、 図 6に示すように、 セパレータの 形に近似した板状の予備成形体 1 4を作成する一次成形工程 S 1と、 その予 備成形体 1 4を成形金型 1 5で加圧して最終形状のセパレータ 4を形成する 二次成形工程 S 2とから成る。 ここで、 セパレータ 4の目標とする特性は、 接触抵抗が 3 0 m Q ' c m 2以下、 曲げ強度が 2 5 M P a以上、 曲げ歪が 0 . 6〜2 . 1 %、 ガス透過係数が 1 X 1 0 _8mo l ■ m/m 2 ■ s ■ M P a以下であ る。
[0026] 一次成形工程 S 1は、 図 6に示すように、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加え られて成る原料を用いての抄造によって得られる第 1シート 1 4 Aを、 熱硬 化性樹脂に黒鉛粉末を塗して成る第 2シート 1 4 Bの一対の間に介装して成 るサンドイッチ構造の予備成形体 1 4を作成する工程であり、 抄造工程 aと 後含浸工程 bと積層工程 cとを有している。
[0027] 抄造工程 aは、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての 抄造によって第 1シート 1 4 Aを作成する工程であり、 図 6に示すように、 主原料である膨張黒鉛 （導電材） と繊維質充填材とを所定の配合比率で有す る原料を用いて抄造し、 それによつて予備成形体 1 4用の第 1シート 1 4 A を形成する。 抄造の本来の意味は 「紙の原料をすいて紙を作ること」 である が、 ここで言う抄造は 『第 1シート用の上記材料をすいて第 1シートを作る こと』 である。 次に、 抄造について簡単に説明しておく。
[0028] 図 5に、 第 1シート 1 4 Aを作成する概略の抄造工程 aが示されている。
即ち、 黒鉛 （膨張黒鉛） 、 繊維質充填材、 軟質硬化樹脂、 及び水の分散液を ホッパー 2 0に入れておき、 ホッパー 2 0下端の出口 2 0 aから、 ローラ 2 1， 2 2に巻回されている無端回動帯状の金網 2 3の搬送始端側の上面に前 記分散液を垂らし供給させる。 金網 2 3上で矢印ィ方向に搬送される間に分 散液が漉かされて （抄かされて） 概略のシート状体に形成され、 金網 2 3の 搬送終端からは大径の持上げドラム 2 4に沿って持上げ搬送されてから、 複 数の上下の仕上げローラ 2 5， 2 6の間を通ることにより、 第 1シート 1 4 A (抄造シート） が形成される。
[0029] 後含浸工程 bは、 抄造工程 aによって抄造された第 1シート 1 4 Aにフエ ノール樹脂を含浸する工程であり、 それによつて予備成形体 1 4の構成部品 となる状態の第 1シート 1 4 Aが作成される。 積層工程 cは、 抄造工程 a及 び後含浸工程 bで作成された第 1シート 1 4 Aを、 黒鉛 （黒鉛粉末等） にフ ェノール樹脂 （熱硬化性樹脂の一例） を塗して成る第 2シート 1 4 Bの一対 の間に介装して一体化することにより、 図 6に示すように、 中間のの第 1シ 一卜 1 4 Aと表裏 （上下） 第 2シー卜 1 4 B， 1 4 Bとの三層によるサンド イッチ構造の予備成形体 1 4を作成する工程である。
[0030] 二次成形工程 S 2は、 例えば、 上金型 1 5 aと下金型 1 5 bから成る成形 金型 1 5を用いて三層構造の予備成形体 1 4をプレスによって加圧すること により、 所定の最終形状を呈するセパレータ 4を作成する工程である。 以下 に、 具体的な作り方とその実施例等について説明する。
[0031 ] まず、 一次成形工程 S 1における抄造工程 aに関しては、 次のようである 。 炭素繊維 3 %、 ァクリル繊維 7 %、 P E T繊維 1 %、 ァラミド繊維 1 %を 配合して成る繊維質充填材を、 家庭用ミキサーを用いて離解し、 所定のパル プ濃度 （例： 1 %) に調整する。 調整後のパルプスラリーに、 例えば 4 0 mの膨張黒鉛を 8 3 %添加し、 さらに水を追加して固形分濃度 0 . 1 %に再 調整してから、 若干のその他の配合材 [硫酸バンド、 歩留り向上材 〔ハイモ ロック N R 1 1 - L H (商品名） 〕 ] を添加して抄紙用原料 （図 7の実施例 1を参照） として抄造 （図 5参照） する。 抄造工程 aによってできたシート 状体を、 標準角型シートマシンを用いて加工することにより、 坪量 1 0 0 g Zm 2で 2 5 c m角シー卜形状の第 1シート 1 4 Aを得る。
[0032] 一次成形工程 S 1における後含浸工程 bに関しては、 フエノール樹脂液を 用いて含浸を行い、 予備成形体 1 4用の第 1シート 1 4 Aを得る。 実施例 1 におけるフエノール樹脂の含浸量は、 含浸後における配合率が 5 %になるよ うに定められる。 抄造による第 1シート 1 4Aは、 曲げ難い等、 成形性には やや劣る面があるが、 優れた機械的及び電気的特性を持っている。
[0033] 一次成形工程 S 1における第 2シー卜形成工程は、 図示は省略するが、 黒 鉛粉末 （粒径1〜200 m程度が好ましぃ） にフエノール樹脂をコーティ ングして樹脂カーボンである第 2シート 1 4 Bを作成する工程である。 樹脂 カーボンである第 2シート 1 4Bは、 機械的特性の点では劣るが成形性には 優れている。
[0034] 第 2シート 1 4 Bとしては、 次のようにして作成されたものでも良い。 即 ち、 フエノール類とアルデヒド類とカーボンとを触媒の存在下で混合及び反 応させて調製されたカーボン■フエノール樹脂成形材料を成形した薄板状成 形体からなるものであり、 フエノール類とアルデヒド類とを触媒の存在下で カーボンと混合しつつ反応させることによって、 カーボン■フエノール樹脂 成形材料はカーボンがフエノール樹脂で薄く均一に被覆されたものとして得 られている。 この場合、 カーボン量を増加させた場合でも、 カーボン粒子間 が確実に結着されていると共にカーボン粒子間の間隙がフエノール樹脂で充 填された薄板状成形体を得ることができるものであり、 機械的強度及び電気 伝導性に優れ、 ガス透過率の小さな燃料電池用セパレータを容易に得ること ができる。
[0035] 二次成形工程 S 2に関しては、 一次成形工程 S 1によって作成された三層 構造の予備成形体 1 4を、 1 70°Cの金型を用いて 2 OMP aの面圧で 5分 間加熱加圧成形し （図 6参照） 、 セパレータ 4を得る。 この場合 （実施例 1 ) のセパレータ 4の各種特性は、 接触抵抗 1 OmQ ■ cm2. ガス透過係数 4 X 1 0_1 mol ■ m/m2■ s ■ MPa、 曲げ強さ 5 OMP a、 曲げ歪 2%、 厚さ 0. 1 5 mmでめった。
[0036] 図 7， 8に、 本発明によるセパレータ 4の実施例 1〜1 0及び比較例 1〜 3の物性及び特性表 （図 7) と、 実施例 1 1〜1 7の物性及び特性 （図 8) とを示す。 各実施例は第 1シート 1 4Aの諸元が異なるものであり、 第 2シ 一卜 1 4 Bについては全て互いに同じものを用いている。 ここで、 各特性の テスト条件を述べておく。 接触抵抗に関しては次のようである。 まず、 試験 片 2枚を 2枚のフラッ卜な銅板に挟み込み、 1 M P aの圧力下での電圧を、 電圧 Aとして測定する。 次いで、 試験片 4枚を前記と同様にして電圧 Bとし て測定し、 電圧 Aと電圧 Bとの差を 2で割り、 さらに試験片の面積で割るこ とにより、 接触抵抗 （単位： m Q ■ c m とする。
[0037] 曲げ試験 （曲げ強度、 曲げ歪） に関しては、 3点曲げ試験により曲げ強度 、 及び曲げ歪の測定を行う。 支点間距離は 7 . 8 mmとし、 クロスへッドス ピードを 1 O mmZm i n、 試験片の幅を 1 5 mmとして測定した。 ガス透 過係数に関しては、 J I S， K 7 1 2 6 Α法 （差圧法） に従い、 ガス透過測 定器 （東洋精機製作所製 B T— 1 ) を用いて測定を行った。
[0038] さて、 図 7において、 実施例 1〜6は、 後含浸工程 bにおけるフエノール 樹脂の配合率を 5〜 3 0 %の範囲において 5 %刻みで変化させた場合のデー タであり、 実施例 7は、 フ Iノール樹脂の後含浸に代えて、 フ Iノール樹脂 と天然黒鉛とを後含浸させた場合のデータである。 実施例 8は、 フエノール 樹脂の後含浸に代えて、 フエノール樹脂で被覆された黒鉛を後含浸させた場 合のデータであり、 実施例 9は、 フエノール樹脂の後含浸を 1 3 %に、 かつ 、 フエノール樹脂の内填 （内填とは、 「抄造工程 aの原料として、 フエノー ル樹脂が 7 %配合されている」 の意である） を 7 %とした場合のデータであ る。
[0039] また、 実施例 1 0は、 予備成形体 1 4の表面、 即ち第 2シート体 1 4 B，
1 4 Bの表面側に黒鉛を塗した場合のデータである。 つまり、 実施例 1 0の ものは、 カーボン，フエノール樹脂成形材料から成る第 2シート体 1 4 Bの 表面に黒鉛を塗す塗し工程が追加されたものである。 これら実施例 1〜 1 0 のものでは、 繊維質充填材を構成する炭素繊維、 アクリル繊維、 P E T繊維 、 ァラミド繊維の配合率 （配合量） は全て同じとしてある。
[0040] 図 8において、 実施例 1 1〜 1 7は、 第 1シー卜の膨張黒鉛の配合率を 6 0〜 9 0 %の範囲において 5 %刻みで変化させた場合のデータである。 後含 浸されるフエノール樹脂の配合率は、 実施例 1 1〜 1 4では実施例 4の場合 と同様に 20%に設定するものであるが、 膨張黒鉛の配合率が 80%以上と なる実施例 1 5〜1 7においては無理なので、 繊維質充填材とのバランスを 考慮した値として定めてある。
[0041] 図 7において、 比較例 1， 2は、 実施例 4と 5による第 1シート 1 4Aを 三枚積層して成る第 2シート 1 4 Bを有さない全抄造型のセパレータ 4に設 定された場合のデータであり、 比較例 3は、 第 2シート 1 4 Bを三枚積層し て成る第 1シート 1 4 Aを有さない全樹脂カーボン型のセパレータ 4に設定 された場合のデータである。
[0042] 図 7から分るように、 全抄造型の比較例 1， 2のものでは、 特性は優れる ものの、 接触抵抗とガス透過係数に関しては規定値を大きく逸脱していると ともに、 角の欠けが多く成形性も劣り、 不合格である。 また、 全樹脂カーボ ン型の比較例 3のものでは、 曲げ歪が範囲外であるとともに角の欠けも認め られており、 やはり不合格である。 また、 曲げ強さが 5 OMP a以上となる 高強度なセパレータ （第 1シート 1 4A) を得るには、 膨張黒鉛の配合比率 (材料比率） が 60〜80%の範囲に設定すれば良く、 フエノール樹脂の含 浸率を 20〜 3 Oo/oの範囲とすれば、 曲げ強さを 8 OMP a以上の超高強度 なものとすることが可能である。 そして、 フエノール樹脂の含浸率が 20〜 30%の範囲で、 かつ、 膨張黒鉛の配合比率 （材料比率） が 60〜70%の 範囲のものでは、 曲げ強さが 1 05 M P a以上の超々高強度な燃料電池用セ パレータが実現できる利点がある。
[0043] 以上説明したように、 本発明は、 板状に形成された予備成形体を、 成形型 を用いてプレス成形することによって作成されるセパレータにおいて、 予備 成形体が、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用いての抄造に よって得られる第 1シートの一対の間に、 黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る 第 2シートが介装されて成るサンドイッチ構造に構成されていることにより 、 厚さを 0. 1 5mmとした場合において、 接触抵抗が 30mQ ■ cm2以下 、 曲げ強度 25MPa以上、 曲げ歪 0. 6〜2. 1 %、 ガス透過係数 1 X 1 0_8mol ■ m/m2■ s ■ M Pa以下の各特性値目標をクリャすることができる 。 その結果、 導電性と成形加工性とに優れるものとなるよう、 膨張黒鉛を主 原料とする予備成形体のプレス成形によって作成される燃料電池用セパレー タを、 抄造法による二枚の第 1シートの間に、 樹脂カーボン製の第 2シート を挟むサンドイッチ構造のものとする工夫により、 機械的強度、 可撓性、 ガ ス不透過性の各特性が改善され、 自動車用等に好適となる軽量、 コンパクト 化が可能となるセパレータを提供することができる。
また、 機械的、 電気的特性に優れる一対の第 1シート 1 4 Aの間に、 成形 性に優れる第 2シート 1 4 Bを挟むサンドイッチ構造としてあるので、 上述 の各特性を満たすに加えて、 シール性 （ガス透過係数） のさらなる向上を図 リながら成形性も良好なものとなっており、 トータル性能によリ優れる燃料 電池用セパレータ、 及び燃料電池用セパレータの製造方法が実現できている

Claims

請求の範囲
[1 ] 板状に形成された予備成形体を、 成形型を用いてプレス成形することによ つて作成される燃料電池用セパレータであって、
前記予備成形体が、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用い ての抄造によって得られる第 1シートが、 黒鉛に熱硬化性樹脂を塗して成る 第 2シー卜の一対の間に介装されて成るサンドィツチ構造に構成されている 燃料電池用セパレータ。
[2] 前記第 1シー卜は、 前記抄造後において含浸される熱硬化性樹脂を有して いる請求項 1に記載の燃料電池用セパレータ。
[3] 請求項 1に記載の前記第 2シー卜及び Z又は請求項 2に記載の前記第 1シ 一卜に用いられる前記熱硬化性樹脂がフエノール樹脂である燃料電池用セパ レータ。
[4] 板状に形成された予備成形体を、 成形型を用いてプレス成形する二次成形 工程を有する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記予備成形体を、 膨張黒鉛に繊維質充填材が加えられて成る原料を用い て抄造する抄造工程と、 前記抄造工程によって得られる第 1シートを、 黒鉛 に熱硬化性樹脂を塗して成る第 2シー卜の一対の間に介装して積層する積層 工程と、 を有する一次工程によつて作成する燃料電池用セパレータの製造方 法。
[5] 前記一次工程は、 前記抄造工程によって抄造されたシート状体に熱硬化性 樹脂を含浸させて前記第 1シートを作成する後含浸工程を有している請求項
4に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
[6] 請求項 4に記載の前記第 2シート及び Z又は請求項 5に記載の前記第 1シ ートを作成するための前記熱硬化性樹脂としてフエノール樹脂を用いる燃料 電池用セパレータの製造方法。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4792445B2 (ja) * 2007-10-10 2011-10-12 日本ピラー工業株式会社 燃料電池セパレータ
JP4792448B2 (ja) * 2007-10-10 2011-10-12 日本ピラー工業株式会社 燃料電池セパレータ及びその製造方法
JP4792446B2 (ja) * 2007-10-10 2011-10-12 日本ピラー工業株式会社 燃料電池セパレータ
JP6972772B2 (ja) * 2017-08-24 2021-11-24 日清紡ホールディングス株式会社 燃料電池セパレータ前駆体及び燃料電池セパレータ
CN114303264A (zh) * 2019-09-10 2022-04-08 上海旭济动力科技有限公司 燃料电池用的隔板、制造方法以及使用该隔板的燃料电池
KR20230173711A (ko) * 2021-07-16 2023-12-27 신에츠 폴리머 가부시키가이샤 연료 전지용 세퍼레이터 및 그 제조 방법
JP7056796B1 (ja) 2021-12-20 2022-04-19 日清紡ケミカル株式会社 燃料電池セパレータ用前駆体シートおよび燃料電池セパレータ

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63270138A (ja) * 1987-04-30 1988-11-08 Kobe Steel Ltd 複合炭素部材及びその製造方法
JP2000231926A (ja) 1999-02-09 2000-08-22 Nippon Pillar Packing Co Ltd 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
JP2001015131A (ja) * 1999-06-29 2001-01-19 Dainippon Ink & Chem Inc 燃料電池用セパレータ、その製造方法及び燃料電池
JP2002093431A (ja) * 2000-09-11 2002-03-29 Toyo Tanso Kk 燃料電池用セパレータ
JP2004216756A (ja) 2003-01-16 2004-08-05 Sumitomo Bakelite Co Ltd 予備成形体成形金型及び予備成形体を用いた燃料電池セパレーターの製造方法
JP2006164816A (ja) * 2004-12-09 2006-06-22 Jfe Chemical Corp 抄造シート及び燃料電池用セパレータ
JP2006172776A (ja) * 2004-12-14 2006-06-29 Tokai Carbon Co Ltd 燃料電池用セパレータ材とその製造方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3437937B2 (ja) * 1998-06-25 2003-08-18 日立化成工業株式会社 燃料電池、燃料電池用セパレータ及びその製造方法
ATE528814T1 (de) * 1999-12-06 2011-10-15 Hitachi Chemical Co Ltd Brennstoffzelle, brennstoffzellenseparator und herstellungsverfahren dafür
JP3504910B2 (ja) * 2000-06-19 2004-03-08 日本ピラー工業株式会社 燃料電池用セパレータの製造方法
JP2002025572A (ja) * 2000-07-10 2002-01-25 Kureha Chem Ind Co Ltd 固体高分子型燃料電池用溝付セパレータ
JP2003213137A (ja) * 2002-01-28 2003-07-30 Sumitomo Bakelite Co Ltd 熱硬化性樹脂成形材料およびこれを成形してなる成形品
JP2005108616A (ja) * 2003-09-30 2005-04-21 Nichias Corp 燃料電池用セパレータおよびその製造方法
JP2006049304A (ja) * 2004-07-05 2006-02-16 Dainippon Ink & Chem Inc 燃料電池用セパレータ及び燃料電池

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63270138A (ja) * 1987-04-30 1988-11-08 Kobe Steel Ltd 複合炭素部材及びその製造方法
JP2000231926A (ja) 1999-02-09 2000-08-22 Nippon Pillar Packing Co Ltd 燃料電池用セパレータ及びその製造方法
JP2001015131A (ja) * 1999-06-29 2001-01-19 Dainippon Ink & Chem Inc 燃料電池用セパレータ、その製造方法及び燃料電池
JP2002093431A (ja) * 2000-09-11 2002-03-29 Toyo Tanso Kk 燃料電池用セパレータ
JP2004216756A (ja) 2003-01-16 2004-08-05 Sumitomo Bakelite Co Ltd 予備成形体成形金型及び予備成形体を用いた燃料電池セパレーターの製造方法
JP2006164816A (ja) * 2004-12-09 2006-06-22 Jfe Chemical Corp 抄造シート及び燃料電池用セパレータ
JP2006172776A (ja) * 2004-12-14 2006-06-29 Tokai Carbon Co Ltd 燃料電池用セパレータ材とその製造方法

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