WO2012032922A1 - 燃料電池セパレータ - Google Patents

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WO2012032922A1 PCT/JP2011/068822 JP2011068822W WO2012032922A1 WO 2012032922 A1 WO2012032922 A1 WO 2012032922A1 JP 2011068822 W JP2011068822 W JP 2011068822W WO 2012032922 A1 WO2012032922 A1 WO 2012032922A1
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丹野　文雄
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日清紡ケミカル株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell separator.
  • the fuel cell separator plays a role of imparting conductivity to each unit cell, a passage of fuel and air (oxygen) supplied to the unit cell, and a role as a separation boundary wall between them. For this reason, the separator is required to have various properties such as high conductivity, high gas impermeability, chemical stability, heat resistance and hydrophilicity. Among these various properties, methods disclosed in Patent Documents 1 to 6 are known as methods for enhancing conductivity and hydrophilicity.
  • Patent Documents 1 and 2 disclose a separator whose surface is hydrophilized by blasting.
  • the hydrophilic treatment is performed only by blasting, the release agent and the resin component present on the separator surface cannot be sufficiently removed.
  • the separators are bonded to each other or when a fluororesin-based gasket material is formed on the separator, the volatile matter contained in the release agent or the resin component oozes out and contaminates the separator surface. was there.
  • Patent Document 3 discloses a separator in which a hydrophilic group is introduced by plasma treatment after blasting the surface.
  • the hydrophilic group introduced to the separator surface by the technique of Patent Document 3 is lost when the separators are bonded to each other or by heat treatment when molding a fluororesin-based gasket material on the separator,
  • Patent Documents 1 and 2 there is a problem that volatile components contained in the release agent and the resin component ooze out and contaminate the separator surface.
  • Patent Document 4 discloses a separator having excellent conductivity in which a surface is irradiated with a YAG laser to carbonize a resin layer.
  • a surface is irradiated with a YAG laser to carbonize a resin layer.
  • the resin at the center of the laser spot is carbonized, but as a result of the resin remaining in the periphery of the spot, the contact resistance cannot be sufficiently reduced, and the remaining resin component but there is a problem that eluted into the power generation.
  • Patent Document 5 discloses a separator in which a hydrophilic group is introduced to the surface by irradiating the surface with a laser having an output of 3 to 15 W and a pulse width of 50 ⁇ s.
  • a laser having an output of 3 to 15 W and a pulse width of 50 ⁇ s.
  • the pulse width of the laser used is long, the peak power is low, and it takes too much time to process the surface of the separator and the separator is heated during processing, resulting in warping of the separator. There was a problem.
  • Patent Document 6 discloses a separator in which a hydrophilic group is introduced into an inner surface of a groove by irradiating an inner surface of a gas flow channel groove of the separator with an infrared laser.
  • a hydrophilic group is introduced into an inner surface of a groove by irradiating an inner surface of a gas flow channel groove of the separator with an infrared laser.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and in a fuel cell separator in which a groove serving as a gas supply / discharge passage is provided on the surface, the fuel cell separator has high conductivity and high hydrophilicity, and is also soluble.
  • An object of the present invention is to provide a fuel cell separator having a low level.
  • the present inventor has high conductivity and hydrophilicity and low elution property by laser-treating the surface under conditions of a predetermined output and pulse width.
  • the present inventors have found that a fuel cell separator can be obtained and completed the present invention.
  • the present invention 1. It is obtained by irradiating the surface of a molded product obtained by molding a composition containing graphite powder, epoxy resin, phenol resin, curing accelerator and internal mold release agent with a laser, and has the following characteristics (1) to (6) the fuel cell separator, characterized in that it comprises, (1) Surface residue caused by laser irradiation is 5% or less in area ratio (2) Arithmetic average roughness Ra of 0.80 to 1.50 ⁇ m (3) Static contact angle of the surface 15-60 ° (4) Surface contact resistance of 3-7 m ⁇ ⁇ cm 2 (5) Conductivity 1.2 ⁇ S / cm or less after the separator is immersed in ion-exchanged water at 90 ° C.
  • the infrared absorption spectrum obtained by analyzing the surface after the laser irradiation by total reflection infrared absorption spectroscopy (ATR) is any one of 1 to 3 in which no absorption band attributed to epoxy resin or phenol resin exists
  • Fuel cell separator 5).
  • the fuel cell separator according to any one of 1 to 4 wherein the laser irradiation is performed at a lapping rate of 5 to 50%, 6).
  • the digital image of the surface of the fuel cell separator of Comparative Example 8 is subjected to image processing, and the brown region is extracted and binarized.
  • 6 is a digital image of the surface of the fuel cell separator of Example 4.
  • FIG. A grayish coating (residue after laser irradiation) is hardly seen on the surface of the irregular rectangular block.
  • the digital image of the surface of the fuel cell separator of Example 4 is subjected to image processing, and the brown region is extracted and binarized.
  • the fuel cell separator according to the present invention is obtained by irradiating the surface of a molded body formed by molding a composition containing graphite powder, an epoxy resin, a phenol resin, a curing accelerator and an internal mold release agent with a laser. It has the characteristics 1) to (6).
  • (1) Surface residue caused by laser irradiation is 5% or less in area ratio
  • the type of laser used in the present invention is not particularly limited as long as it can oscillate under conditions of an output of 100 to 200 W and a pulse width of 30 to 200 ns.
  • YAG laser, carbon dioxide laser, excimer laser, fiber A laser etc. are mentioned.
  • a fiber laser is preferable from the viewpoint of the depth of focus, the light collecting property, and the lifetime of the transmitter.
  • the wavelength of the laser is not particularly limited, and lasers having various wavelengths such as infrared rays, visible rays, ultraviolet rays, and X-rays can be used.
  • an infrared laser is particularly preferable.
  • the wavelength of the infrared laser is preferably about 0.810 to 1.095 ⁇ m.
  • the laser irradiation conditions are an output of 100 to 200 W and a pulse width of 30 to 200 ns. If the output is less than 100 W, it is difficult to remove the resin component on the outermost layer of the separator, and if it exceeds 200 W, the separator is heated during processing to cause warpage, and as a result, the contact resistance may be increased. . On the other hand, if the pulse width is less than 30 ns, the pulse energy becomes too high, and the separator may be heated during processing to cause warpage. If the pulse width exceeds 200 ns, the pulse energy is low and processing takes time. Therefore, warpage may occur in this case due to heat storage of the separator during processing. In consideration of further reducing the occurrence of warpage, the pulse width is preferably 30 to 150 ns, more preferably 30 to 120 ns, and even more preferably 30 to 60 ns.
  • the laser used in the present invention preferably has a flat top energy distribution when measured with a profiler.
  • the energy distribution is Gaussian mode, there is a difference in the energy density between the center and the outer periphery of the laser spot, making it difficult to treat the surface uniformly, causing unevenness in the roughness, and residual resin components.
  • the flat top does not have these drawbacks.
  • the laser beam spot wrap ratio is preferably 5 to 50%, more preferably 30 to 40%. If the wrap ratio is less than 5%, the removal of the resin on the surface layer of the separator may be insufficient, and the conductivity and hydrophilicity may decrease. If the wrap ratio exceeds 50%, the irradiated part is deeply shaved. May end up.
  • the fuel cell separator of the present invention obtained by the laser irradiation treatment under the above-described conditions is obtained by using an infrared absorption spectrum obtained by analyzing the surface after laser irradiation by the total reflection infrared absorption method (ATR). Resin on the surface layer is removed to the extent that there is no absorption band attributed to the resin and phenol resin (cannot be confirmed), and the residue (resin on the surface after laser irradiation as seen in Patent Document 4 above) The portion left on the surface after carbonization / decomposition of the composition) is very little or not observed at all, and has the above-mentioned characteristics (1) to (6).
  • ATR total reflection infrared absorption method
  • the residue on the surface does not separate from the surface of the separator when lightly touched, but may fall off from the surface in the environment of a fuel cell that operates for a long time. If the residue is more than 5% in area ratio, the residue falls off, the separator surface roughness increases, the contact area between the electrode and the separator decreases, and the contact resistance may increase. . In addition, there is a possibility that a decomposition product of the resin component and a soluble component are eluted from the residue during power generation. Although it is preferable that there is no residue on the separator surface (0%), excessive laser irradiation is not required, more preferably 3% or less, and particularly 2% or less.
  • the arithmetic average roughness Ra of the surface is less than 0.80 ⁇ m, the conductivity and hydrophilicity are lowered due to the influence of the resin component remaining on the outermost layer, and when Ra exceeds 1.50 ⁇ m, the surface is hydrophilic.
  • the graphite powder easily falls off from the separator surface. As a result, the conductivity of the separator surface is lowered, and the contact resistance between the electrode and the separator may be increased. More preferable Ra is 0.9 to 1.4 ⁇ m, particularly 1.0 to 1.3 ⁇ m.
  • the average interval S between the local peaks of the separator is preferably 30 to 50 ⁇ m, and more preferably 35 to 45 ⁇ m.
  • the warp measured by the method described in detail later is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 80 ⁇ m or less, and 70 ⁇ m. More preferably, it is the following.
  • the warp measured by the method described in detail later is preferably 100 ⁇ m or less, more preferably 80 ⁇ m or less, and 70 ⁇ m. More preferably, it is the following.
  • the fuel cell separator of the present invention has a high hydrophilicity and conductivity such as a static contact angle of 15 to 60 ° and a contact resistance of 3 to 7 m ⁇ ⁇ cm 2. From the standpoint of enhancing the properties, it is preferable that the static contact angle is 15 to 58 °, particularly 20 to 56 °, and the contact resistance is 4 to 7 m ⁇ ⁇ cm 2 , but by using the surface treatment conditions of the present invention. A fuel cell separator satisfying these ranges can be easily obtained.
  • the change in surface roughness when immersed in ion-exchanged water at 90 ° C. and ion-exchanged water at 150 ° C. for 2000 hours is 0.3 ⁇ m before immersion, and in some cases within 0.2 ⁇ m That is, there is little elution and dropping of graphite fine particles.
  • the glass transition point of the fuel cell separator of the present invention is preferably 140 to 165 ° C., more preferably 150 to 165 ° C. If it is 140 degreeC or more, the curvature of a separator will be settled in the allowable range at the time of assembling a stack irrespective of the thickness, and heat resistance is also sufficient.
  • the temperature is 165 ° C. or lower, since the crosslinking density of the resin component is appropriate, the separator has appropriate flexibility and can effectively prevent the separator from being damaged when the fuel cell stack is stacked.
  • the graphite material used for producing the fuel cell separator of the present invention is, for example, natural graphite, artificial graphite obtained by firing acicular coke, artificial graphite obtained by firing massive coke, pulverized electrode, coal-based pitch, petroleum-based pitch, Examples include coke, activated carbon, glassy carbon, acetylene black, and ketjen black. These can be used alone or in combination of two or more.
  • it is preferably 10 to 130 ⁇ m, more preferably 20 to 110 ⁇ m, still more preferably 20 to 70 ⁇ m, and even more preferably 30 to 60 ⁇ m. That is, if the average particle size of the graphite particles is 10 ⁇ m or more, when the separator is irradiated with a laser, the resin on the separator surface layer can be lost to improve the conductivity of the separator surface, and the graphite particles inside the separator can be improved.
  • the contact area between each other can be sufficiently maintained, the conductivity in the thickness direction of the separator can also be improved. Further, if the average particle size is 130 ⁇ m or less, the gap between the graphite particles is moderate, so even if the resin filled in the gap between the graphite particles on the separator surface disappears by laser irradiation, Large irregularities are not formed, and as a result, the contact resistance of the separator surface is increased and the conductivity of the separator itself is not deteriorated.
  • the surface roughness of the separator can be adjusted to the arithmetic average roughness Ra and the average interval S of the local peaks, so that the separator has excellent hydrophilicity and low contact resistance. be able to.
  • the epoxy resin is not particularly limited as long as it has an epoxy group.
  • o-cresol novolac epoxy resin, phenol novolac epoxy resin, bisphenol A epoxy resin, bisphenol F epoxy resin, biphenyl epoxy Resins, brominated epoxy resins, dicyclopentadiene type epoxy resins and the like can be mentioned.
  • o-cresol novolac type epoxy resins and phenol novolac type epoxy resins are preferable, and o-cresol novolac type epoxy resins are more preferable.
  • the epoxy equivalent of the epoxy resin is preferably 180 to 210 g / eq, more preferably 185 to 205 g / eq, and still more preferably 190 to 200 g / eq.
  • the ICI viscosity at 150 ° C. of the epoxy resin is preferably 0.15 to 0.80 Pa ⁇ s. 17 to 0.75 Pa ⁇ s is more preferable, and 0.24 to 0.70 Pa ⁇ s is even more preferable.
  • the molecular weight of the resin becomes suitable, so that the heat resistance of the obtained fuel cell separator is good, and the fluidity of the resin is good. etc. can be lowered, the better moldability.
  • the phenol resin examples include novolak type phenol resins, cresol type phenol resins, and alkyl-modified phenol resins. These can be used alone or in combination of two or more.
  • the phenol resin acts as a curing agent for the epoxy resin.
  • the hydroxyl equivalent of the phenol resin is not particularly limited, but a hydroxyl equivalent of 103 to 106 g / eq is preferable in order to further improve the heat resistance of the separator obtained.
  • the ICI viscosity at 150 ° C. of the phenol resin is preferably 0.15 to 0.70 Pa ⁇ s.
  • the curing accelerator is not particularly limited as long as it accelerates the reaction between the epoxy group and the curing agent.
  • Triphenylphosphine TPP
  • tetraphenylphosphine DBU
  • diazabicycloundecene DBU
  • dimethylbenzylamine BDMA
  • 2-methylimidazole 2-methyl-4-imidazole
  • 2-phenylimidazole 2-phenyl-4-methylimidazole
  • 2-undecylimidazole 2-heptadecylimidazole, etc.
  • the internal mold release agent is not particularly limited, and various internal mold release agents conventionally used for molding a separator can be mentioned. Examples thereof include stearic acid wax, amide wax, montanic acid wax, carnauba wax, polyethylene wax, and the like, and these can be used alone or in combination of two or more.
  • the total content of the epoxy resin and the phenol resin in the composition containing the graphite powder, the epoxy resin, the phenol resin, the curing accelerator, and the internal mold release agent (hereinafter referred to as the fuel cell separator composition) is particularly limited.
  • the amount is preferably 10 to 30 parts by mass, more preferably 15 to 25 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the graphite powder.
  • the content of the internal release agent in the fuel cell separator composition is not particularly limited, but is 0.1 to 1.5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of graphite powder. it is preferably 3 to 1.0 part by mass. If the content of the internal mold release agent is less than 0.1 parts by mass, there is a risk of causing mold release failure, and if it exceeds 1.5 parts by mass, problems such as preventing the curing of the thermosetting resin may occur.
  • the epoxy resin, the phenol resin, and the curing accelerator constitute a binder component.
  • phenol resin is less than 0.98 hydroxyl equivalent, unreacted epoxy resin may remain and unreacted components may be eluted during power generation. If the phenol resin exceeds 1.02 hydroxyl equivalent, unreacted phenol resin remains. However, unreacted components may be eluted during power generation.
  • the fuel cell separator of the present invention can be obtained by preparing the above composition for a fuel cell separator, molding the composition, and then subjecting the surface to the laser irradiation treatment described above.
  • conventionally known various methods can be used as a method for preparing the composition and a method for molding the molded body.
  • the composition may be prepared, for example, by mixing each of the above-described binder component resin, graphite material, and internal mold release agent in a predetermined ratio in any order.
  • the mixer for example, a planetary mixer, a ribbon blender, a Redige mixer, a Henschel mixer, a rocking mixer, a nauter mixer, or the like can be used.
  • a molding method of the molded body injection molding, transfer molding, compression molding, extrusion molding, sheet molding and the like can be employed.
  • a mold for producing a fuel cell separator which can form a groove serving as a gas supply / discharge channel on one or both surfaces of the surface of the molded body.
  • a fuel cell equipped with this separator is capable of stable power generation over a long period of time. it is capable of maintaining the efficiency. Further, since the separator of the present invention has very little residue due to the surface treatment, the elution property is very low, and the performance of the fuel cell is not deteriorated.
  • a polymer electrolyte fuel cell includes a large number of unit cells each composed of a pair of electrodes sandwiching a polymer electrolyte membrane and a pair of separators forming a gas supply / discharge channel sandwiching these electrodes.
  • the polymer electrolyte fuel cell separator of the present invention can be used as a part or all of the plurality of separators.
  • the obtained fuel cell separator composition was put into a mold for producing a fuel cell separator, and compression molded under the conditions of a mold temperature of 185 ° C., a molding pressure of 20 MPa, and a molding time of 30 seconds, 200 mm ⁇ 200 mm, thickness 2 mm A molded body of was obtained.
  • a fiber laser was applied at each wrap rate shown in Table 1 according to the output conditions of a wavelength of 1.06 ⁇ m, an output of 200 W, and a pulse width of 60 ns. irradiation to obtain a fuel cell separator.
  • the arithmetic average roughness Ra of the irradiated surface is 0.80 to 1 Since the surface is roughened to 50 ⁇ m and the average distance S between the local peaks is 30 to 50 ⁇ m, and the resin is removed to such an extent that the characteristic absorption of the resin on the separator surface cannot be confirmed, 4 to 7 m ⁇ ⁇ cm 2 It can be seen that it has high conductivity and hydrophilicity, with low contact resistance and a low contact angle of 15 to 60 °.
  • the arithmetic average roughness Ra of the irradiated surface is 0.80 ⁇ m or less, and the resin component is formed on the separator surface. It can be seen that the contact resistance is as high as 10 m ⁇ ⁇ cm 2 and the contact angle is as high as 70 ° or more.
  • the resin component on the irradiated surface was removed to the same extent as in Examples 1 to 5, and the contact angle was 15 Although the surface has a high hydrophilicity, the surface roughness Ra of the irradiated surface is as high as 1.8. This is presumably because the graphite powder is easily removed from the separator surface, and as a result, the contact area between the electrode and the separator is reduced and the contact resistance is increased.
  • FIG. 4 shows a digital image of the surface of the fuel cell separator obtained in Example 4
  • FIG. 5 shows an image obtained by performing image processing to extract a brown region and binarize it.
  • the residue on the separator surface is as high as 12%, the elution is small, but it is understood that the graphite powder falls off by hot water immersion and the change in roughness is large.
  • Examples 6 to 10, Comparative Examples 4 to 6 A composition for a fuel cell separator similar to that in Example 1 was prepared, and a fiber laser having a wavelength of 1.06 ⁇ m was applied to the surface of a molded body obtained by molding the composition under the same conditions under the condition of a wrap ratio of 35%. Irradiation was performed under the laser output conditions shown in Table 2 to obtain a fuel cell separator.
  • Example 7 A composition for a fuel cell separator similar to that in Example 1 was prepared, and a YAG laser having a wavelength of 1.06 ⁇ m was applied to the surface of a molded body obtained by molding the composition under the same conditions under the condition of a wrap ratio of 35%. Irradiation was performed under the laser output conditions shown in Table 2 to obtain a fuel cell separator.
  • the fuel cell separator obtained by irradiating the fiber laser under the conditions of Examples 6 to 10 has a warp of 100 ⁇ m or less and the characteristic absorption of the resin on the separator surface cannot be confirmed. Since the resin has been removed, it can be seen that the resin has high conductivity and hydrophilicity with a low contact resistance of 3 to 7 m ⁇ ⁇ cm 2 and a low contact angle of 15 to 60 °. Further, this separator has a surface residue of 3% or less, and there are so few residues such as resin carbide on the surface that it cannot be visually confirmed. Therefore, the conductivity when immersed in ion exchange water at 90 ° C. for 168 hours. Is 1.5 ⁇ S / cm or less, excellent in chemical stability, and is stable with almost no change in surface roughness even after being immersed in ion exchange water at 90 ° C. and 150 ° C. for 2000 hours. I understand that.
  • the separator irradiated with the fiber laser under the condition of Comparative Example 4 has a high pulse energy with a pulse width of 20 ns, so that the separator is heated during processing and warps, resulting in high contact resistance.
  • the separator irradiated with the fiber laser under the conditions of Comparative Example 5 has a pulse width of 250 ns and low pulse energy. Therefore, the processing takes time, and the separator accumulates heat during processing, resulting in warping, resulting in high contact resistance. You can see that Since the separator irradiated with the fiber laser under the conditions of Comparative Example 6 has a high output of 250 W, the separator is heated during processing to cause warpage, and as a result, the contact resistance is increased.
  • the energy distribution of the laser beam is a Gaussian mode, so the residue is 9%, and resin carbide or the like remains on the separator surface visually. It can be confirmed that the elution is large at 3.2 ⁇ S / cm when immersed in ion exchange water at 90 ° C. for 168 hours. Further, when this separator is further immersed for 2000 hours, it can be seen that the resin residue is removed from the separator surface and the surface roughness Ra is increased from 1.0 ⁇ m to 1.5 ⁇ m.
  • the separator irradiated with the YAG laser under the conditions of Comparative Example 8 has a pulse width of 50 ⁇ s and low pulse energy.
  • Example 11 A composition for a fuel cell separator was prepared in the same manner as in Example 1 except that the graphite powder was changed to an artificial graphite powder (average particle size 10 ⁇ m (d50)) to obtain a molded body. The surface of the obtained molded body provided with a groove serving as a gas supply / discharge channel was irradiated with a laser under the same conditions as in Example 3 to obtain a fuel cell separator.
  • Example 12 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 11 except that the graphite powder was changed to natural graphite powder (average particle size 30 ⁇ m (d50)).
  • Example 13 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 11 except that the graphite powder was changed to artificial graphite powder (average particle size 50 ⁇ m (d50)).
  • Example 14 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 11 except that the graphite powder was changed to artificial graphite powder (average particle size 130 ⁇ m (d50)).
  • the fuel cell separators of Examples 11 to 14 obtained using graphite powder having an average particle size (d50) of 10 to 130 ⁇ m had an arithmetic average roughness Ra of the irradiated surface of 0.1.
  • the surface resistance is 3 to 7 m ⁇ because the surface is roughened to 82 to 1.50 ⁇ m, the average distance S between the local peaks is 38 to 50 ⁇ m, and the resin is removed to such an extent that the characteristic absorption of the resin on the separator surface cannot be confirmed. It can be seen that it has a low conductivity of cm 2 and high conductivity.
  • Example 15 Except that the epoxy resin was changed to 15 parts by mass of a phenol novolac type epoxy resin (epoxy equivalent: 183 g / eq, ICI viscosity: 0.35 Pa ⁇ s), and the compounding amount of the novolac type phenol resin was changed to 9 parts by mass.
  • a composition for a fuel cell separator was prepared to obtain a molded body.
  • the surface of the obtained molded body provided with a groove serving as a gas supply / discharge channel was irradiated with a laser under the same conditions as in Example 3 to obtain a fuel cell separator.
  • Example 16 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 15 except that the epoxy resin was changed to a phenol novolac type epoxy resin (epoxy equivalent: 194 g / eq, ICI viscosity: 0.53 Pa ⁇ s).
  • Example 17 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 15 except that the epoxy resin was changed to an o-cresol novolac type epoxy resin (epoxy equivalent: 199 g / eq, ICI viscosity: 0.29 Pa ⁇ s).
  • Example 18 Except that the epoxy resin was changed to 16 parts by mass of the o-cresol novolac type epoxy resin (epoxy equivalent: 210 g / eq, ICI viscosity: 0.8 Pa ⁇ s) and the compounding amount of the novolac type phenol resin was changed to 8 parts by mass, respectively.
  • a fuel cell separator was obtained in the same manner as Example 15.
  • the fuel cell separators of Examples 15 to 18 obtained using an epoxy resin having an epoxy equivalent of 180 to 210 g / eq and an ICI viscosity of 0.15 to 0.80 Pa ⁇ s were obtained from the glass. Since the transition point is 150 to 165 ° C., the warp after laser irradiation is suppressed to a low value of 40 to 70 ⁇ m, the contact resistance is as low as 3 to 5 m ⁇ ⁇ cm 2, and it has high conductivity. I understand that.
  • Example 19 A fuel cell separator composition was prepared in the same manner as in Example 1 except that the phenol resin was changed to a novolac type phenol resin (hydroxyl equivalent: 103 g / eq, ICI viscosity: 0.16 Pa ⁇ s). Obtained. The surface of the obtained molded body provided with a groove serving as a gas supply / discharge channel was irradiated with a laser under the same conditions as in Example 3 to obtain a fuel cell separator.
  • Example 20 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 19 except that the phenol resin was changed to a novolak type phenol resin (hydroxyl equivalent: 104 g / eq, ICI viscosity: 0.22 Pa ⁇ s).
  • Example 21 Fuel as in Example 1 except that the phenolic resin was changed to a novolak type phenolic resin (hydroxyl equivalent: 105 g / eq, ICI viscosity: 0.55 Pa ⁇ s) and the amount of the epoxy resin was changed to 16 parts by mass.
  • a battery separator composition was prepared to obtain a molded body. The surface of the obtained molded body provided with a groove serving as a gas supply / discharge channel was irradiated with a laser under the same conditions as in Example 3 to obtain a fuel cell separator.
  • Example 22 A fuel cell separator was obtained in the same manner as in Example 21 except that the phenol resin was changed to a novolac type phenol resin (hydroxyl equivalent: 106 g / eq, ICI viscosity: 0.67 Pa ⁇ s).
  • the fuel cell separators of Examples 19 to 22 obtained by using a phenol resin having a hydroxyl group equivalent of 103 to 106 g / eq and an ICI viscosity of 0.15 to 0.70 Pa ⁇ s were obtained from the glass. Since the transition point is 155 to 165 ° C., the warp after laser irradiation is suppressed to a low value of 40 to 70 ⁇ m, the contact resistance is as low as 3 to 5 m ⁇ ⁇ cm 2, and it has high conductivity. I understand that.

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Abstract

　黒鉛粉末、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤および内部離型剤を含む組成物を成形してなる成形体の表面をレーザで照射して得られ、下記（１）～（６）の特性を備える燃料電池セパレータ。これによれば、ガス供給排出用流路となる溝を表面に設けてなる燃料電池セパレータの導電性および親水性を向上できるとともに、溶出性を低減することができる。 （１）表面のレーザ照射による残渣が、面積比で５％以下 （２）表面の算術平均粗さＲａ０．８０～１．５０μｍ （３）表面の静的接触角１５～６０° （４）表面の接触抵抗３～７ｍΩ・ｃｍ2 （５）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、セパレータをイオン交換水に９０℃で１６８時間浸漬した後の導電率１．２μＳ／ｃｍ以下 （６）９０℃のイオン交換水および１５０℃のイオン交換水のそれぞれに２０００時間浸漬したときの表面粗さの変化が、浸漬前に対して０．３μｍ以内

Description

燃料電池セパレータ
　本発明は、燃料電池セパレータに関する。
　燃料電池セパレータは、各単位セルに導電性を持たせる役割、並びに単位セルに供給される燃料および空気（酸素）の通路を確保するとともに、それらの分離境界壁としての役割を果たすものである。
　このため、セパレータには、高導電性、高ガス不浸透性、化学的安定性、耐熱性および親水性などの諸特性が要求される。
　これらの諸特性のうち、導電性や親水性を高めるための手法として、特許文献１～６に開示された方法などが知られている。
　例えば、特許文献１および２には、ブラスト処理によって表面を親水化したセパレータが開示されている。
　しかし、特許文献１，２では、ブラストのみによって親水化処理していることから、セパレータ表面に存在する離型剤や樹脂成分が十分に除去できない。このため、セパレータ同士を接着する際や、セパレータにフッ素樹脂系のガスケット材を成形する際の加熱処理によって離型剤や樹脂成分に含まれる揮発分等が滲み出し、セパレータ表面を汚染するという問題があった。
　特許文献３には、表面をブラスト処理した後にプラズマ処理して親水基を導入したセパレータが開示されている。
　しかし、特許文献３の手法によってセパレータ表面に導入された親水基は、セパレータ同士を接着する際や、セパレータにフッ素樹脂系のガスケット材を成形する際の加熱処理によって消失してしまうという問題や、特許文献３の方法では、特許文献１，２の場合と同様に、離型剤や樹脂成分に含まれる揮発分等が滲み出し、セパレータ表面を汚染するという問題があった。
　特許文献４には、表面にＹＡＧレーザを照射して樹脂層を炭化させた、導電性に優れたセパレータが開示されている。
　しかし、ＹＡＧレーザによる処理では、レーザスポットの中心部の樹脂は炭化されるが、スポットの周辺部には樹脂が残留する結果、接触抵抗を十分に低減し得ないという問題や、残留した樹脂成分が発電中に溶出するという問題があった。
　特許文献５には、表面に出力３～１５Ｗ、パルス幅５０μｓのレーザを照射して表面に親水基を導入したセパレータが開示されている。
　しかし、この処理では、用いるレーザのパルス幅が長いため、ピークパワーが低く、セパレータの表面を処理するのに時間がかかり過ぎて加工中にセパレータが加熱される結果、セパレータに反りが発生するという問題があった。
　特許文献６には、セパレータのガス流路溝の内面に赤外線レーザを照射して溝の内面に親水基を導入したセパレータが開示されている。
　しかし、このセパレータでは、ガス拡散電極と接する面がレーザ処理されていないため、燃料電池発電時に空気極で生成した水が、ガス拡散電極を通って燃料極へ拡散する際に電極とセパレータとの間で詰まりを起こすという問題があった。
特許第４２５７５４４号公報 特開２００５－１９７２２２号公報 特開２００６－３３１６７３号公報 特開２００４－３３５１２１号公報 特許第４１４８９８４号公報 特開２００９－１５２１７６号公報
　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ガス供給排出用流路となる溝を表面に設けてなる燃料電池セパレータにおいて、高い導電性および高い親水性を有するとともに、溶出性の低い燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
　本発明者は、上記目的を達成するために鋭意検討を重ねた結果、所定の出力およびパルス幅の条件で表面をレーザ処理することで、高い導電性および親水性を有するとともに、溶出性の低い燃料電池セパレータが得られることを見出し、本発明を完成した。
　すなわち、本発明は、
１．　黒鉛粉末、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤および内部離型剤を含む組成物を成形してなる成形体の表面をレーザで照射して得られ、下記（１）～（６）の特性を備えることを特徴とする燃料電池セパレータ、
（１）表面のレーザ照射による残渣が、面積比で５％以下
（２）表面の算術平均粗さＲａ０．８０～１．５０μｍ
（３）表面の静的接触角１５～６０°
（４）表面の接触抵抗３～７ｍΩ・ｃｍ2
（５）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、セパレータをイオン交換水に９０℃で１６８時間浸漬した後の導電率１．２μＳ／ｃｍ以下
（６）９０℃のイオン交換水および１５０℃のイオン交換水のそれぞれに２０００時間浸漬したときの表面粗さの変化が、浸漬前に対して０．３μｍ以内
２．　表面局部山頂の平均間隔Ｓが、３０～５０μｍである１の燃料電池セパレータ、
３．　反りが、１００μｍ以下である１または２の燃料電池セパレータ、
４．　前記レーザの照射後の表面を全反射赤外吸光法（ＡＴＲ）で分析して得られた赤外吸収スペクトルに、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂に帰属する吸収帯が存在しない１～３のいずれかの燃料電池セパレータ、
５．　前記レーザの照射が、ラップ率５～５０％で行われる１～４のいずれかの燃料電池セパレータ、
６．　前記レーザのエネルギー分布が、フラットトップである１～５のいずれかの燃料電池セパレータ、
７．　前記レーザが赤外線レーザである１～６のいずれかの燃料電池セパレータ
を提供する。
　本発明によれば、高い導電性および親水性を有するとともに、溶出性の低い燃料電池セパレータを提供することができる。
燃料電池セパレータ表面を、全反射赤外吸光法（ＡＴＲ）で分析して得られた赤外吸収スペクトル図であり、上段が実施例１で得られた燃料電池セパレータの測定結果を、中段が実施例５で得られた燃料電池セパレータの測定結果を、下段が比較例１で得られた燃料電池セパレータの測定結果を示している。 比較例８の燃料電池セパレータの表面のデジタル画像である。不定形な矩形状塊の表面で、灰色様の被覆物がレーザ照射後の残渣である。光学顕微鏡下ではこの灰色様被覆物は薄茶色～茶色を呈している。 比較例８の燃料電池セパレータの表面のデジタル画像を画像処理し、茶色領域を抽出、二値化したものである。 実施例４の燃料電池セパレータの表面のデジタル画像である。不定形な矩形状塊の表面には、灰色様の被覆物（レーザ照射後の残渣）はほとんど見られない。 実施例４の燃料電池セパレータの表面のデジタル画像を画像処理し、茶色領域を抽出、二値化したものである。
　以下、本発明についてさらに詳しく説明する。
　本発明に係る燃料電池セパレータは、黒鉛粉末、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤および内部離型剤を含む組成物を成形してなる成形体の表面をレーザで照射して得られ、下記（１）～（６）の特性を備えるものである。
（１）表面のレーザ照射による残渣が、面積比で５％以下
（２）表面の算術平均粗さＲａ０．８０～１．５０μｍ
（３）表面の静的接触角１５～６０°
（４）表面の接触抵抗３～７ｍΩ・ｃｍ2
（５）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、セパレータをイオン交換水に９０℃で１６８時間浸漬した後の導電率１．２μＳ／ｃｍ以下
（６）９０℃のイオン交換水および１５０℃のイオン交換水のそれぞれに２０００時間浸漬したときの表面粗さの変化が、浸漬前に対して０．３μｍ以内
　本発明に用いるレーザの種類としては、出力１００～２００Ｗ、パルス幅３０～２００ｎｓの条件で発振できるものであれば、特に限定されるものではなく、例えば、ＹＡＧレーザ、炭酸ガスレーザ、エキシマレーザ、ファイバーレーザなどが挙げられる。これらの中でも、焦点深度、集光性、発信機の寿命の点からファイバーレーザが好ましい。
　また、レーザの波長は特に限定されるものではなく、赤外線、可視光線、紫外線、Ｘ線等の各種波長のレーザを用いることができるが、本発明においては、特に赤外線レーザが好適である。この場合、赤外線レーザの波長は、０．８１０～１．０９５μｍ程度が好ましい。
　レーザの照射条件は、上述のとおり、出力１００～２００Ｗ、パルス幅３０～２００ｎｓである。出力が１００Ｗ未満であると、セパレータ最表層の樹脂成分を除去することが困難となり、２００Ｗを超えると加工中にセパレータが加熱されて反りが発生し、その結果、接触抵抗が高くなる虞がある。
　一方、パルス幅が３０ｎｓ未満であると、パルスエネルギーが高くなりすぎて、加工中にセパレータが加熱されて反りが発生する虞があり、パルス幅が２００ｎｓを超えるとパルスエネルギーが低く加工に時間がかるため、加工中のセパレータの蓄熱により、この場合も反りが発生する虞がある。反りの発生をより低減することを考慮すると、パルス幅は３０～１５０ｎｓが好ましく、３０～１２０ｎｓがより好ましく、３０～６０ｎｓがより一層好ましい。
　また、本発明に用いられるレーザは、プロファイラーで測定したときのエネルギー分布がフラットトップであることが好ましい。
　エネルギー分布がガウスモードであると、レーザスポットの中心部と外周部とのエネルギー密度に差があるため、表面を均一に処理することが難しく、粗さムラが発生したり、樹脂成分が残留したりする虞があるが、フラットトップにはこれらの欠点がない。
　さらに、レーザ照射のスポットのラップ率は５～５０％が好ましく、３０～４０％がより好ましい。ラップ率が５％未満であると、セパレータの表層の樹脂の除去が不十分となって導電性や親水性が低下する場合があり、ラップ率が５０％を超えると、照射部を深く削ってしまう場合がある。
　以上のような条件のレーザ照射処理によって得られる本発明の燃料電池セパレータは、レーザの照射後の表面を全反射赤外吸光法（ＡＴＲ）で分析して得られた赤外吸収スペクトルに、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂に帰属する吸収帯が存在しない（確認できない）程度まで、表層の樹脂成分が除去されているうえに、上記特許文献４で見られるような、レーザ照射後の表面の残渣（樹脂組成物が炭化・分解して表面に残った部分）が、目視にて極めて少ないか、全く見られないものであり、上述した（１）～（６）の特性を備えている。ここで、上記表面の残渣は、軽く触れた程度ではセパレータ表面から分離しないものであるが、長時間稼動する燃料電池の環境下では表面から脱落する虞がある。そして、この残渣が面積比で５％超あると、残渣が脱落することにより、セパレータの表面粗さが大きくなり、電極とセパレータとの接触面積が小さくなって、接触抵抗が高くなる虞がある。加えて、残渣から樹脂成分の分解物や可溶成分が発電中に溶出する虞もある。
　セパレータ表面の残渣はない（０％）方が好ましいが、レーザの過剰な照射は必要なく、より好ましくは３％以下、特に２％以下である。
　また、上記表面の算術平均粗さＲａが０．８０μｍ未満であると、最表層に残留した樹脂成分の影響で導電性や親水性が低下し、また、Ｒａが１．５０μｍを超えると、親水性は向上するものの、セパレータ表面から黒鉛粉が脱落し易くなり、その結果、セパレータ表面の導電性が低下して、電極とセパレータとの接触抵抗が高くなる虞がある。
　より好ましいＲａは、０．９～１．４μｍ、特に、１．０～１．３μｍである。
　なお、この場合、セパレータの局部山頂の平均間隔Ｓは、３０～５０μｍが好ましく、３５～４５μｍがより好ましい。上記の算術平均粗さＲａを上述した範囲とし、さらに局部山頂の平均間隔Ｓをこの範囲とすることで、セパレータ表面の親水性をより高めることができる。
　さらに、本発明の燃料電池セパレータにおいて、接触抵抗をより低減することを考慮すると、後に詳述する手法で測定した反りは、１００μｍ以下であることが好ましく、８０μｍ以下であることがより好ましく、７０μｍ以下であることがより一層好ましい。
　この点、上述した本発明のレーザ照射条件で処理した場合、上記範囲を満たすような反りの小さいセパレータを容易に得ることができる。
　そして、本発明の燃料電池セパレータは、静的接触角１５～６０°、かつ、接触抵抗３～７ｍΩ・ｃｍ2という高い親水性および導電性を備えているものであるが、より親水性および導電性を高めるという点から、静的接触角１５～５８°、特に、２０～５６°、かつ、接触抵抗４～７ｍΩ・ｃｍ2であることが好ましいが、本発明の表面処理条件を用いることで、これらの範囲を満たす燃料電池セパレータを容易に得ることができる。
　また、本発明の燃料電池セパレータは、イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、セパレータをイオン交換水に９０℃で１６８時間浸漬した後の導電率が１．２μＳ／ｃｍ以下であり、さらに、９０℃のイオン交換水および１５０℃のイオン交換水のそれぞれに２０００時間浸漬したときの表面粗さの変化が浸漬前に対して０．３μｍ、場合によっては０．２μｍ以内という、溶出や黒鉛微小粒子の脱落等の少ないものである。
　さらに、本発明の燃料電池セパレータのガラス転移点は、１４０～１６５℃であることが好ましく、１５０～１６５℃であることがより好ましい。１４０℃以上であれば、セパレータの反りは、その厚みによらずスタックを組む際の許容できる範囲内に収まり、耐熱性も十分である。一方、１６５℃以下であれば、樹脂成分の架橋密度が適度であるため、セパレータが適度な柔軟性を有し、燃料電池スタック積層時のセパレータの破損を効果的に防止できる。
　本発明の燃料電池セパレータの製造に用いる黒鉛材料は、例えば、天然黒鉛、針状コークスを焼成した人造黒鉛、塊状コークスを焼成した人造黒鉛、電極を粉砕したもの、石炭系ピッチ、石油系ピッチ、コークス、活性炭、ガラス状カーボン、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらはそれぞれ単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
　黒鉛材料の平均粒径（ｄ＝５０）は、特に限定されるものではないが、黒鉛粒子間の空隙を適度に保ち、黒鉛粒子同士の接触面積をより大きくし、かつ、樹脂消失後の凹凸の発生を抑制して導電性を高める（接触抵抗を低下させる）ことを考慮すると、１０～１３０μｍが好ましく、２０～１１０μｍがより好ましく、２０～７０μｍがより一層好ましく、３０～６０μｍがさらに好ましい。
　すなわち、黒鉛粒子の平均粒径が１０μｍ以上であれば、セパレータにレーザを照射した際に、セパレータ表層の樹脂を消失させてセパレータ表面の導電性を向上させることができるとともに、セパレータ内部の黒鉛粒子同士の接触面積を十分に保てるため、セパレータの厚み方向の導電性をも改善し得る。
　また、平均粒径が１３０μｍ以下であれば、黒鉛粒子間の空隙が適度であるため、セパレータ表面上の黒鉛粒子間の空隙に充填されていた樹脂がレーザ照射により消失しても、セパレータ表面に大きな凹凸が形成されることはなく、その結果、セパレータ表面の接触抵抗が高くなってセパレータ自体の導電性が悪化することもない。
　さらに、平均粒径（ｄ＝５０）が１０～１３０μｍの範囲に調整された黒鉛粉末を含む組成物を成形してなる燃料電池セパレータであれば、レーザ照射することによって、その表層の黒鉛粒子間の樹脂を消失させることにより、セパレータの表面粗さを前述した算術平均粗さＲａ、および局部山頂の平均間隔Ｓに調整できるので、その結果、親水性に優れるとともに、接触抵抗の低いセパレータとすることができる。
　本発明の燃料電池セパレータの親水性向上の効果、および接触抵抗低減の効果を、より一層高めるためには、使用する黒鉛材料の平均粒径（ｄ＝５０）が１０～１３０μｍの範囲であれば、粒径５μｍ以下の微粉の含有量が５％以下、かつ、粒径２００μｍ以上の粗粉の含有量が３％以下であるものがより好ましく、さらには、平均粒径（ｄ＝５０）が３０～６０μｍの範囲であれば、粒径５μｍ以下の微粉の含有量が３％以下、かつ、粒径２００μｍ以上の粗粉が１％以下であるものが一層好ましい。
　また、エポキシ樹脂としては、エポキシ基を有するものであれば特に制限されず、例えばｏ－クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、臭素化エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂などが挙げられる。これらの中でも、ｏ－クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂が好ましく、ｏ－クレゾールノボラック型エポキシ樹脂がより好ましい。
　得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより高めるためには、エポキシ樹脂のエポキシ当量は、１８０～２１０ｇ／ｅｑが好ましく、１８５～２０５ｇ／ｅｑがより好ましく、１９０～２００ｇ／ｅｑがより一層好ましい。
　さらに、得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより高めるとともに、成形加工性を良好にするためには、エポキシ樹脂の１５０℃におけるＩＣＩ粘度は、０．１５～０．８０Ｐａ・ｓが好ましく、０．１７～０．７５Ｐａ・ｓがより好ましく、０．２４～０．７０Ｐａ・ｓがより一層好ましい。この範囲のＩＣＩ粘度のエポキシ樹脂を用いることで、樹脂の分子量が適性になるため、得られる燃料電池セパレータの耐熱性が良好になるとともに、樹脂の流動性が良好であるため成形時の圧力が低くできる等、成形加工性も良好になる。
　フェノール樹脂としては、ノボラック型フェノール樹脂、クレゾール型フェノール樹脂、アルキル変性フェノール樹脂が挙げられる。これらはそれぞれ単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
　本発明の燃料電池セパレータにおいて、フェノール樹脂はエポキシ樹脂の硬化剤として作用する。フェノール樹脂の水酸基当量としては、特に限定されるものではないが、得られるセパレータの耐熱性をより高めるためには、水酸基当量１０３～１０６ｇ／ｅｑが好ましい。
　さらに、得られる燃料電池セパレータの耐熱性をより高めるとともに、成形加工性を良好にするためには、フェノール樹脂の１５０℃におけるＩＣＩ粘度は、０．１５～０．７０Ｐａ・ｓが好ましく、０．２０～０．６０Ｐａ・ｓがより好ましく、０．３０～０．５０Ｐａ・ｓがより一層好ましい。この範囲のＩＣＩ粘度のフェノール樹脂を用いることにより、樹脂の分子量が適正になり、得られる燃料電池セパレータの耐熱性が良好になるとともに、樹脂の流動性が良好であるため成形時の圧力が低くできる等、成形加工性も良好になる。
　硬化促進剤としては、エポキシ基と硬化剤との反応を促進するものであれば特に制限されず、トリフェニルホスフィン（ＴＰＰ）、テトラフェニルホスフィン、ジアザビシクロウンデセン（ＤＢＵ）、ジメチルベンジルアミン（ＢＤＭＡ）、２－メチルイミダゾール、２－メチル－４－イミダゾール、２－フェニルイミダゾール、２－フェニル－４－メチルイミダゾール、２－ウンデシルイミダゾール、２－ヘプタデシルイミダゾールなどが挙げられ、これらはそれぞれ単独で、または２種以上を組合せて用いることができる。
　内部離型剤としても、特に限定されるものではなく、従来、セパレータの成形に用いられている各種内部離型剤が挙げられる。例えば、ステアリン酸系ワックス、アマイド系ワックス、モンタン酸系ワックス、カルナバワックス、ポリエチレンワックス等が挙げられ、これらはそれぞれ単独で、または２種以上組み合わせて用いることができる。
　黒鉛粉末、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤および内部離型剤を含む組成物（以下、燃料電池セパレータ用組成物という）中における、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂の総含有量は、特に限定されるものではないが、黒鉛粉末１００質量部に対して１０～３０質量部、特に、１５～２５質量部であることが好ましい。
　また、燃料電池セパレータ用組成物中における内部離型剤の含有量としては、特に限定されるものではないが、黒鉛粉末１００質量部に対して０．１～１．５質量部、特に０．３～１．０質量部であることが好ましい。内部離型剤の含有量が０．１質量部未満では離型不良を招く虞があり、１．５質量部を超えると、熱硬化性樹脂の硬化を妨げるなどの問題が生じる虞がある
　上記燃料電池セパレータ用組成物中において、エポキシ樹脂、フェノール樹脂および硬化促進剤は、バインダー成分を構成する。
　この場合、エポキシ樹脂とフェノール樹脂との混合物１００質量部に対して、硬化促進剤を０．９８～１．０２質量部配合することが好ましい。硬化促進剤の配合量が０．９８質量部未満であると、バインダー成分の硬化反応が遅くなったり、硬化反応が不十分になったりする虞があり、１．０２質量部を超えると、バインダー成分の硬化反応が過敏になるためポットライフが短くなる虞がある。
　また、エポキシ樹脂に対してフェノール樹脂を０．９８～１．０２水酸基当量配合することが好ましい。フェノール樹脂が０．９８水酸基当量未満になると、未反応のエポキシ樹脂が残存し、発電中に未反応成分が溶出する虞があり、１．０２水酸基当量を超えると、未反応のフェノール樹脂が残存し、発電中に未反応成分が溶出する虞がある。
　本発明の燃料電池セパレータは、上記燃料電池セパレータ用組成物を調製し、この組成物を成形した後、その表面を上述したレーザ照射処理して得ることができる。この場合、組成物の調製方法および成形体の成形方法としては、従来公知の種々の方法を用いることができる。
　組成物の調製は、例えば、上述のバインダー成分樹脂、黒鉛材料および内部離型剤のそれぞれを任意の順序で所定割合混合して調製すればよい。この際、混合機としては、例えば、プラネタリミキサ、リボンブレンダ、レディゲミキサ、ヘンシェルミキサ、ロッキングミキサ、ナウターミキサ等を用いることができる。
　成形体の成形方法としては、射出成形、トランスファー成形、圧縮成形、押出成形、シート成形等を採用することができる。成形時に金型を使用する際は、成形体の表面の一方の面または両面にガス供給排出用流路となる溝を形成できる、燃料電池セパレータ作製用の金型を使用するとよい。
　以上で説明した本発明の固体高分子型燃料電池セパレータは、極めて高い親水性を有するとともに、接触抵抗が低く抑えられているから、このセパレータを備えた燃料電池は、長期に亘って安定した発電効率を維持することができるものである。また、本発明のセパレータは、表面処理による残渣が極めて少ないので、溶出性が非常に低く、燃料電池の性能を低下させることがないものである。
　一般的に固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜を挟む一対の電極と、これらの電極を挟んでガス供給排出用流路を形成する一対のセパレータとから構成される単位セルが多数並設されてなるものであるが、これら複数個のセパレータの一部または全部として本発明の固体高分子型燃料電池セパレータを用いることができる。
　以下、実施例および比較例を挙げて、本発明をより具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
　以下の実施例における各物性は以下の方法によって測定した。なお、以下の説明において、
［１］平均粒径
　粒度分布測定装置（日機装（株）製）により測定した。
［２］表面特性（Ｒａ、ＲＳｍ、Ｓ値）
　プローブ先端径５μｍの表面粗さ計（型番サーフコム１４０００、(株)東京精密製）を用いて、ＪＩＳ　Ｂ０６０１　２００１に準拠した方法により測定した。
［３］接触抵抗
（１）カーボンペーパー＋セパレータサンプル
　作製した各セパレータサンプルを２枚重ね合わせ、その上下にカーボンペーパー（ＴＧＰ－Ｈ０６０、東レ（株）製）を配置し、さらにその上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（２）カーボンペーパー
　カーボンペーパーの上下に銅電極を配置し、上下方向に１ＭＰａの面圧をかけ、４端子法により電圧を測定した。
（３）接触抵抗算出方法
　上記（１），（２）で求めた各電圧値よりセパレータサンプルとカーボンペーパーとの電圧降下を求め、下記式により接触抵抗を算出した。
　接触抵抗＝（電圧降下×接触面積）／電流
［４］接触角
　接触角計（協和界面化学（株）製、ＣＡ－ＤＴ・Ａ型）により測定した。
［５］赤外線吸光分析
　作製した各セパレータのレーザ照射処理面を、フーリエ変換赤外分光装置（サーモフィッシャー製 Ｎｉｃｏｌｅｔ　ｉｓ１０　ＦＴ－ＩＲ）にて、スキャン回数３２回の条件で、全反射赤外吸光法により測定した。
［６］反り
　ＪＩＳ　Ｂ　７５１７に準じ、圧縮成形して得られた２００ｍｍ角のセパレータを定盤上に置き、ハイトゲージを用いて最大値と最小値を測定し、これらの差を反りとした。
［７］溶出性試験
　イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、９０℃、１６８時間、セパレータを浸漬して得られた抽出水の導電率を２５～３０℃で測定した。
［８］浸漬後の粗さ測定
（１）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、９０℃、２０００時間、浸漬した後のセパレータの表面粗さを測定した。
（２）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、１５０℃、の２０００時間、浸漬した後のセパレータの表面粗さを測定した。
［９］セパレータ表面の残渣が占める面積の確認
　光学顕微鏡（型番：ＬＥＸＴ　ＯＬＳ４０００、光源：落射用白色ＬＥＤ、オリンパス（株）製）を用いて、セパレータのレーザ照射処理面を倍率１０００倍に拡大し、レーザ照射処理面の任意の５箇所からそれぞれ２５８μｍ四方のカラーデジタル画像を得た。得られたカラーデジタル画像それぞれについて、ＣＩＥ１９７６（Ｌ＊ａ＊ｂ＊）表色系でＬ値が４８～７５、ａ値が８～１０、ｂ値が１０～１５の茶色領域（残渣部分）を色抽出、二値化変換し、その面積を計測して、画像全体に占める茶色領域の面積比を百分率で求めた。画像それぞれの面積比を平均して、セパレータ表面の残渣が占める面積とした。
［１０］ガラス転移点
　熱分析装置（セイコーインスツルメンツ社製、ＴＭＡ６１００）を使用し、昇温速度１℃／ｍｉｎ、荷重５ｇの条件で測定を行い、得られた熱膨張係数の変曲点をガラス転移点とした。
［１１］ＩＣＩ粘度
　コーン／プレートタイプのＩＣＩ粘度計を用いて１５０℃における溶融粘度を測定した。ＩＣＩ粘度計の測定コーンを試料粘度に応じて選択し、樹脂試料をセットし、９０秒後にコーンを回転させ、コーン回転開始から３０秒後に、粘度計の指示値を読み取った。
［実施例１～５，比較例１～３］
　針状コークスを焼成して得られた人造黒鉛粉末（平均粒径：粒度分布ｄ５０にて６０μｍ）１００質量部、ｏ－クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：２１０ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．７Ｐａ・ｓ）１６質量部とノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量：１０４ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．７Ｐａ・ｓ）８質量部と２－ヘプタデシルイミダゾール０．２４質量部とからなるバインダー成分樹脂、および内部離型剤であるカルナバワックス０．５質量部をヘンシェルミキサ内に投入し、１０００ｒｐｍで３分間混合して燃料電池セパレータ用組成物を調製した。
　得られた燃料電池セパレータ用組成物を燃料電池セパレータ作製用の金型に投入し、金型温度１８５℃、成形圧力２０ＭＰａ、成形時間３０秒の条件により圧縮成形し、２００ｍｍ×２００ｍｍ、厚さ２ｍｍの成形体を得た。得られた成形体のガス供給排出用流路となる溝が設けられた面に、波長１．０６μｍ、出力２００Ｗ、パルス幅６０ｎｓの出力条件により、表１に示した各ラップ率でファイバーレーザを照射し、燃料電池セパレータを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示されるように、ラップ率５～５０％の条件でレーザを照射して得られた実施例１～５の燃料電池セパレータでは、照射表面の算術平均粗さＲａが０．８０～１．５０μｍ、局部山頂の平均間隔Ｓが３０～５０μｍに粗面化されており、かつ、セパレータ表面の樹脂の特性吸収が確認できない程度まで樹脂が除去されているので、４～７ｍΩ・ｃｍ2の低い接触抵抗と、１５～６０°の低い接触角という、高い導電性と親水性を有していることがわかる。
　一方、ラップ率０％以下の条件でレーザを照射して得られた比較例１，２の燃料電池セパレータでは、照射表面の算術平均粗さＲａが０．８０μｍ以下であり、セパレータ表面に樹脂成分が残存しているため、接触抵抗が１０ｍΩ・ｃｍ2と高く、また、接触角も７０°以上と高い値であることがわかる。
　また、ラップ率６０％の条件でレーザを照射して得られた比較例３の燃料電池セパレータでは、実施例１～５と同程度に照射表面の樹脂成分が除去されており、接触角も１５°と高い親水性を有しているが、照射表面の表面粗さＲａが１．８と高い値を示している。このことは、セパレータ表面から黒鉛粉が脱落し易くなっており、その結果、電極とセパレータとの接触面積が小さくなって接触抵抗が高くなったものと考えられる。
　さらに、実施例１～５および比較例１～２で得られた燃料電池セパレータでは、セパレータ表面の残渣が全て５％以下であって目視では表面に樹脂が炭化されてできたような残渣は確認できないため、溶出が少なく、熱水浸漬後の粗さの変化が小さいことがわかる。
　なお、実施例４で得られた燃料電池セパレータの表面のデジタル画像を図４に、それを画像処理し、茶色領域を抽出、二値化した画像を図５に示す。
　一方、比較例３で得られた燃料電池セパレータでは、セパレータ表面の残渣が１２％と高いため、溶出は少ないものの、熱水浸漬によって黒鉛粉が脱落し、粗さの変化が大きいことがわかる。
［実施例６～１０，比較例４～６］
　実施例１と同様の燃料電池セパレータ用組成物を調製し、これを同条件で成形して得られた成形体の表面に、波長１．０６μｍのファイバーレーザを、ラップ率３５％の条件で、表２に示したレーザ出力条件にて照射して燃料電池セパレータを得た。
［比較例７，８］
　実施例１と同様の燃料電池セパレータ用組成物を調製し、これを同条件で成形して得られた成形体の表面に、波長１．０６μｍのＹＡＧレーザを、ラップ率３５％の条件で、表２に示したレーザ出力条件により照射して燃料電池セパレータを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２に示されるように、実施例６～１０の条件でファイバーレーザを照射して得られた燃料電池セパレータは、反りが１００μｍ以下であり、かつ、セパレータ表面の樹脂の特性吸収が確認できない程度まで樹脂が除去されているので、３～７ｍΩ・ｃｍ2の低い接触抵抗と、１５～６０°の低い接触角という、高い導電性と親水性を有していることがわかる。また、このセパレータは、表面の残渣が３％以下であり、目視にて表面に樹脂の炭化物等の残渣が確認できない程少ないので、９０℃のイオン交換水に１６８時間浸漬させたときの導電率が１．５μＳ／ｃｍ以下と、化学的安定性に優れ、９０℃および１５０℃のイオン交換水に２０００時間浸漬させた後であっても、表面粗さの変化が殆ど生じず、安定であることがわかる。
　一方、比較例４の条件でファイバーレーザを照射したセパレータは、パルス幅が２０ｎｓとパルスエネルギーが高いので、加工中にセパレータが加熱されて反りが生じ、その結果、接触抵抗が高くなっていることがわかる。
　比較例５の条件でファイバーレーザを照射したセパレータは、パルス幅が２５０ｎｓとパルスエネルギーが低いので、加工に時間がかかって加工中にセパレータが蓄熱されて反りが生じ、その結果、接触抵抗が高くなっていることがわかる。
　比較例６の条件でファイバーレーザを照射したセパレータは、２５０Ｗと高出力であるため、加工中にセパレータが加熱されて反りが生じ、その結果、接触抵抗が高くなっていることがわかる。
　比較例７の条件でＹＡＧレーザを照射したセパレータは、レーザビームのエネルギー分布がガウスモードとなるため、残渣が９％であり、目視にてセパレータ表面に樹脂の炭化物等が残留していることが確認でき、９０℃のイオン交換水に１６８時間浸漬させたときの導電率が３．２μＳ／ｃｍと、溶出が多いことがわかる。また、このセパレータをさらに２０００時間浸漬すると、セパレータ表面から、樹脂の残渣が脱落し、表面粗さＲａが１．０μｍから１．５μｍに増大していることがわかる。
　比較例８の条件でＹＡＧレーザを照射したセパレータは、パルス幅が５０μｓとパルスエネルギーが低いので、加工に時間がかかって加工中にセパレータが蓄熱されて反りが生じ、その結果、接触抵抗が高くなっていることがわかる。また、この場合も、図２，３に示されるように、セパレータ表面に樹脂の炭化物等の残渣が３８％と多く存在し、９０℃のイオン交換水に１６８時間浸漬させた後の導電率が４．２μＳ／ｃｍと、溶出が多く、９０℃のイオン交換水に２０００時間浸漬させた後の表面粗さの変化も大きいことがわかる。
［実施例１１］
　黒鉛粉末を、人造黒鉛粉末（平均粒径１０μｍ（ｄ５０））に変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ用組成物を調製し、成形体を得た。
　得られた成形体のガス供給排出用流路となる溝が設けられた面に、実施例３と同様の条件でレーザを照射し、燃料電池セパレータを得た。
［実施例１２］
　黒鉛粉末を、天然黒鉛粉末（平均粒径３０μｍ（ｄ５０））に変更した以外は、実施例１１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
［実施例１３］
　黒鉛粉末を、人造黒鉛粉末（平均粒径５０μｍ（ｄ５０））に変更した以外は、実施例１１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
［実施例１４］
　黒鉛粉末を、人造黒鉛粉末（平均粒径１３０μｍ（ｄ５０）に変更した以外は、実施例１１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３に示されるように、平均粒径（ｄ５０）が１０～１３０μｍの黒鉛粉末を使用して得られた実施例１１～１４の燃料電池セパレータは、照射表面の算術平均粗さＲａが０．８２～１．５０μｍ、局部山頂の平均間隔Ｓが３８～５０μｍに粗面化され、かつ、セパレータ表面の樹脂の特性吸収が確認できない程度まで樹脂が除去されているので、接触抵抗が３～７ｍΩ・ｃｍ2と低く、高い導電性を有していることがわかる。
［実施例１５］
　エポキシ樹脂をフェノールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１８３ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．３５Ｐａ・ｓ）１５質量部に、ノボラック型フェノール樹脂の配合量を９質量部にそれぞれ変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ用組成物を調製し、成形体を得た。
　得られた成形体のガス供給排出用流路となる溝が設けられた面に、実施例３と同様の条件でレーザを照射し、燃料電池セパレータを得た。
［実施例１６］
　エポキシ樹脂をフェノールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１９４ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．５３Ｐａ・ｓ）に変更した以外は、実施例１５と同様にして燃料電池セパレータを得た。
［実施例１７］
　エポキシ樹脂をｏ-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：１９９ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．２９Ｐａ・ｓ）に変更した以外は、実施例１５と同様にして燃料電池セパレータを得た。
［実施例１８］
　エポキシ樹脂をｏ-クレゾールノボラック型エポキシ樹脂（エポキシ当量：２１０ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．８Ｐａ・ｓ）１６質量部に、ノボラック型フェノール樹脂の配合量を８質量部にそれぞれ変更した以外は、実施例１５と同様にして燃料電池セパレータを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表４に示されるように、エポキシ当量１８０～２１０ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度０．１５～０．８０Ｐａ・ｓのエポキシ樹脂を使用して得られた実施例１５～１８の燃料電池セパレータは、そのガラス転移点が１５０～１６５℃であるため、レーザを照射した後の反りが４０～７０μｍと低い値に抑えられており、接触抵抗が３～５ｍΩ・ｃｍ2と低く、高導電性を有していることがわかる。
［実施例１９］
　フェノール樹脂をノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量：１０３ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．１６Ｐａ・ｓ）に変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ用組成物を調製し、成形体を得た。
　得られた成形体のガス供給排出用流路となる溝が設けられた面に、実施例３と同様の条件でレーザを照射し、燃料電池セパレータを得た。
［実施例２０］
　フェノール樹脂をノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量：１０４ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．２２Ｐａ・ｓ）に変更した以外は、実施例１９と同様にして、燃料電池セパレータを得た。
［実施例２１］
　フェノール樹脂をノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量：１０５ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．５５Ｐａ・ｓ）に、エポキシ樹脂の配合量を１６質量部にそれぞれ変更した以外は、実施例１と同様にして燃料電池セパレータ用組成物を調製し、成形体を得た。
　得られた成形体のガス供給排出用流路となる溝が設けられた面に、実施例３と同様の条件でレーザを照射し、燃料電池セパレータを得た。
［実施例２２］
　フェノール樹脂をノボラック型フェノール樹脂（水酸基当量：１０６ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度：０．６７Ｐａ・ｓ）に変更した以外は、実施例２１と同様にして燃料電池セパレータを得た。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表５に示されるように、水酸基当量１０３～１０６ｇ／ｅｑ、ＩＣＩ粘度０．１５～０．７０Ｐａ・ｓのフェノール樹脂を使用して得られた実施例１９～２２の燃料電池セパレータは、そのガラス転移点が１５５～１６５℃であるため、レーザを照射した後の反りが４０～７０μｍと低い値に抑えられており、接触抵抗が３～５ｍΩ・ｃｍ2と低く、高い導電性を有していることがわかる。

Claims (7)

  1. 　黒鉛粉末、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、硬化促進剤および内部離型剤を含む組成物を成形してなる成形体の表面をレーザで照射して得られ、下記（１）～（６）の特性を備えることを特徴とする燃料電池セパレータ。
    （１）表面のレーザ照射による残渣が、面積比で５％以下
    （２）表面の算術平均粗さＲａ０．８０～１．５０μｍ
    （３）表面の静的接触角１５～６０°
    （４）表面の接触抵抗３～７ｍΩ・ｃｍ2
    （５）イオン交換水：セパレータ＝９：１（質量比）の条件で、セパレータをイオン交換水に９０℃で１６８時間浸漬した後の導電率１．２μＳ／ｃｍ以下
    （６）９０℃のイオン交換水および１５０℃のイオン交換水のそれぞれに２０００時間浸漬したときの表面粗さの変化が、浸漬前に対して０．３μｍ以内
  2. 　表面局部山頂の平均間隔Ｓが、３０～５０μｍである請求項１記載の燃料電池セパレータ。
  3. 　反りが、１００μｍ以下である請求項１または２記載の燃料電池セパレータ。
  4. 　前記レーザの照射後の表面を全反射赤外吸光法（ＡＴＲ）で分析して得られた赤外吸収スペクトルに、エポキシ樹脂およびフェノール樹脂に帰属する吸収帯が存在しない請求項１～３のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
  5. 　前記レーザの照射が、ラップ率５～５０％で行われる請求項１～４のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
  6. 　前記レーザのエネルギー分布が、フラットトップである請求項１～５のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
  7. 　前記レーザが赤外線レーザである請求項１～６のいずれか１項記載の燃料電池セパレータ。
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