JP2017188255A - Fuel cell separator and method for manufacturing the same - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a fuel cell separator 5 arranged to be able to achieve both of superior flexibility and corrosion resistance by making the volume percentage of pores 37 in a carbon layer 12 higher than that of the prior art while filling cavities 36 among particles in the carbon layer 12 to keep down an air permeability; and a method for manufacturing the fuel cell separator.SOLUTION: A fuel cell separator 5 comprises: a piece of metal foil 11; and a carbon layer 12 on each or one face of the piece of metal foil, which has a thickness of 0.4 to 2.0 mm and including carbon powder 31 and a resin 34 blended in the proportion given by Carbon powder:Resin powder=6:4 to 9:1 on a volume rate basis. The volume percentage of pores 37 present in the carbon layer 12 is 21 to 41%. The value of an ISO air permeability of the carbon layer 12, determined by air permeability measurement with a Gurley tester 20, is 0 to 0.1 μm/(Pa s).SELECTED DRAWING: Figure 11

Description

本発明は燃料電池用セパレータおよびその製造法に関し、特に金属−炭素複合材を備える燃料電池用セパレータおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator and a method for producing the same, and more particularly to a fuel cell separator including a metal-carbon composite material and a method for producing the same.

近年、例えば電気自動車の発電装置として、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目されている。ＰＥＦＣは、起電力を発生する単セルが数十個〜数百個積層され、アノード側に例えば水素ガス等の燃料ガス、カソード側に例えば酸素ガス等の酸化ガスを供給することにより、発電機能を発揮する。   In recent years, for example, a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has attracted attention as a power generator for an electric vehicle. The PEFC has several tens to several hundreds of single cells that generate electromotive force, and supplies a fuel gas such as hydrogen gas to the anode side and an oxidizing gas such as oxygen gas to the cathode side, thereby generating power. Demonstrate.

単セルは、例えば、固体高分子電解質膜を、それぞれ供給ガスを分散させるガス拡散層（ＧＤＬ）を含むアノードおよびカソードで挟持した膜−電極接合体（ＭＥＡ）を備える。各単セルのＭＥＡは、ガスケットを介して２枚の燃料電池用セパレータによって接合される。かように、燃料電池用セパレータは、各単セルを電気的に接続する機能を有する。セパレータは、通常、ガス流路用の溝を有し、燃料ガスと酸化ガスとが混合しないように分離する機能も有する。その他、セパレータは、ＭＥＡで発電した電気エネルギーを外部へ伝達したり、ＭＥＡで生じた熱を外部へ放熱したりするなど、複数の重要な役割を担っている。   The single cell includes, for example, a membrane-electrode assembly (MEA) in which a solid polymer electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode each including a gas diffusion layer (GDL) in which a supply gas is dispersed. The MEAs of each single cell are joined by two fuel cell separators via a gasket. As described above, the fuel cell separator has a function of electrically connecting the single cells. The separator usually has a groove for a gas flow path, and also has a function of separating the fuel gas and the oxidizing gas so as not to be mixed. In addition, the separator plays a plurality of important roles such as transmitting the electric energy generated by the MEA to the outside and radiating the heat generated by the MEA to the outside.

従って、セパレータは、以下の４つの特性が要求される。
（１）発電ロスを少なくするために、ＧＤＬとの接触抵抗が低いこと（導電性）
（２）燃料ガスと酸化ガスとをその両面で完全に分離して電極に供給するための気密性（ガスバリア性）
（３）ｐＨ＝３程度の燃料電池動作環境下で劣化しないこと（耐食性）
さらに自動車用のＰＥＦＣに用いられるセパレータは、
（４）自動車などの振動に対して十分な強度があること（フレキシブル性、耐衝撃性）
が要求される。 Therefore, the separator is required to have the following four characteristics.
(1) Low contact resistance with GDL to reduce power generation loss (conductivity)
(2) Airtightness (gas barrier property) for supplying fuel electrode and oxidant gas to the electrodes after completely separating them on both sides
(3) No deterioration under the fuel cell operating environment at pH = 3 (corrosion resistance)
Furthermore, separators used in PEFC for automobiles are:
(4) Sufficient strength against vibrations of automobiles (flexibility and impact resistance)
Is required.

従来、燃料電池用セパレータとして、カーボンセパレータや金属セパレータが知られている。しかしながら、従来のカーボンセパレータはガスバリア性およびフレキシブル性が課題であり、金属セパレータは耐食性が課題であった。そこで、両者の欠点を補うべく、金属層にカーボン層を接合した金属−炭素複合材が開発されている。   Conventionally, carbon separators and metal separators are known as fuel cell separators. However, conventional carbon separators have problems in gas barrier properties and flexibility, and metal separators have problems in corrosion resistance. Therefore, in order to compensate for the disadvantages of both, metal-carbon composite materials in which a carbon layer is bonded to a metal layer have been developed.

従来の金属−炭素複合材のセパレータのカーボン層には、膨張黒鉛および黒鉛の混合粉末と、樹脂の複合体が使用されている（例えば、特許文献１および２参照）。これは黒鉛と膨張黒鉛を使用することにより、セパレータが曲げられた際に、内部空隙で滑りが発生し、セパレータのフレキシブル性が向上するからである。しかしながら、単純にカーボン層内の空隙を多くしてフレキシブル性を向上しようとすると、カーボン層の表面から金属層へ連通する連通孔が増加し、燃料電池動作環境下で発生するｐＨ＝３程度の腐食液が連通孔を介して金属層に浸透し、金属層が腐食してしまうといった問題がある。一方で、ただ単純に連通孔を減少させようとすると構造的に余裕がなくなり、曲げ強度などのフレキシブル性に影響を与えるといった問題があった。   For the carbon layer of a conventional metal-carbon composite separator, a composite powder of expanded graphite and graphite and a resin composite are used (see, for example, Patent Documents 1 and 2). This is because by using graphite and expanded graphite, when the separator is bent, slipping occurs in the internal voids, and the flexibility of the separator is improved. However, simply increasing the voids in the carbon layer to improve flexibility increases the number of communication holes communicating from the surface of the carbon layer to the metal layer, resulting in a pH of about 3 generated in the fuel cell operating environment. There is a problem that the corrosive liquid penetrates into the metal layer through the communication hole and the metal layer is corroded. On the other hand, simply reducing the number of communication holes has a problem in that there is no structural margin and affects flexibility such as bending strength.

特開２０００−１７３６３０号公報JP 2000-173630 A 特開２０１４−２２０８６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2014-22086

上述のように、ＰＥＦＣに用いられるセパレータは、フレキシブル性および耐食性の両立が課題であるが、フレキシブル性はカーボン層、特に膨張黒鉛内の空孔の体積の割合に依存し、耐食性と関係するカーボン層の透気度は粒子間の連通孔の多さに依存する。   As described above, separators used in PEFC have a problem of compatibility between flexibility and corrosion resistance. However, flexibility depends on the volume ratio of pores in the carbon layer, particularly expanded graphite, and is related to corrosion resistance. The air permeability of the layer depends on the number of communication holes between the particles.

上記特許文献１および２などの従来のセパレータでは、膨張黒鉛の内部空隙が多いことで滑り変形に強いセパレータを提供できることのみが着目されていた。すなわち、従来のセパレータでは、膨張黒鉛を使用することでフレキシブル性を向上させることのみで、耐食性も同時に向上するために、カーボン層内に存在する空隙の構造を制御することについては全く着目されていなかった。   In the conventional separators such as Patent Documents 1 and 2 described above, attention has been focused only on providing a separator that is resistant to sliding deformation due to the large number of internal voids of expanded graphite. In other words, in conventional separators, attention has been paid to controlling the structure of the voids existing in the carbon layer in order to improve the flexibility by using expanded graphite and simultaneously improve the corrosion resistance. There wasn't.

この点に着目すると、カーボン層内に存在する空隙の構造を制御するために、例えば単純に連通孔をなくそうとすると、カーボン層の嵩密度が増加して、カーボン層の構造に余裕がなくなり、曲げ強度の向上を図ることができない。一方、透気度が大きくなることを許容して連通孔を多くすると、腐食液が金属箔へ到達してしまう問題が生じてしまう。   Focusing on this point, in order to control the structure of the voids existing in the carbon layer, for example, if the communication hole is simply removed, the bulk density of the carbon layer increases and there is no room in the structure of the carbon layer. The bending strength cannot be improved. On the other hand, if the air permeability is allowed to increase and the number of communication holes is increased, a problem that the corrosive liquid reaches the metal foil occurs.

そこで、本発明者らは、カーボン層内に存在する空隙として、次の３つの空隙に着目した。   Therefore, the present inventors paid attention to the following three voids as voids existing in the carbon layer.

一つ目は、カーボン層の黒鉛、特に膨張黒鉛の内部空隙（空孔）である。膨張黒鉛および黒鉛の内部空隙は、滑りによって変形に強いセパレータを提供することができる。上記特許文献１および２など従来のセパレータのカーボン層では、膨張黒鉛内の空孔の体積の割合に関連する膨張化度は規定されることがなく、耐食性の観点から膨張化度を低く設定して使用するのが通例である。従来のカーボンセパレータの嵩密度から類推すると、膨張化度はせいぜい６０程度である。   The first is internal voids (voids) of graphite in the carbon layer, particularly expanded graphite. Expanded graphite and the internal voids of graphite can provide a separator that is resistant to deformation by sliding. In the carbon layers of conventional separators such as Patent Documents 1 and 2, the degree of expansion related to the volume ratio of the pores in the expanded graphite is not specified, and the degree of expansion is set low from the viewpoint of corrosion resistance. It is customary to use. By analogy with the bulk density of conventional carbon separators, the degree of expansion is at most about 60.

二つ目は、カーボン層内の粒子間の空隙（空孔）である。連通孔以外の該空隙は、黒鉛、膨張黒鉛および樹脂が曲げなどの衝撃を受けた際に動くスペースを作り、構造的に余裕を持たせる役割を有する。   The second is voids (holes) between particles in the carbon layer. The voids other than the communication holes have a function of creating a space that moves when graphite, expanded graphite, and resin are subjected to an impact such as bending, thereby providing a structural margin.

三つ目は、カーボン層内の粒子間の連通孔である。連通孔は、カーボン層の一方の表面から他方の表面まで連続した空隙であり、ガーレー試験で測定される透気度の値で定義される。連通孔は、耐食性に大きく影響するため、できるだけ少ない方が好ましい。   The third is a communication hole between particles in the carbon layer. The communication hole is a continuous void from one surface of the carbon layer to the other surface, and is defined by an air permeability value measured by a Gurley test. Since the communication holes greatly affect the corrosion resistance, it is preferable that the number of communication holes is as small as possible.

また、本発明者らは、これらの空隙の構造を制御するために、製造方法にも目を向けた。すなわち、上記特許文献１および２などの従来のセパレータは、通常１回のプレスで成形を行っている。従来は、プレス圧力を変化させることでカーボン層内の空隙を埋め、耐食性の向上を図っていた。しかしながら、耐食性を向上するために、5.0〜10.MPa程度の強い圧力でプレスすると、連通孔が減少して耐食性は上がるが、カーボン層内の空孔の体積の割合が小さくなり、フレキシブル性が低下してしまう。一方、１回のプレスでカーボン層内の空孔の体積の割合を大きくしようとすると、0.5〜2.0MPa程度の弱い圧力でプレスする必要がある。しかしながら、このようなプレスでは、粒子間の空隙が埋まらずに連通孔が増加し、連通孔に腐食液が流れ込んで金属層まで達し、耐食性が低下してしまう。   In addition, the present inventors also looked at the manufacturing method in order to control the structure of these voids. That is, the conventional separators such as Patent Documents 1 and 2 are usually formed by one press. Conventionally, by changing the pressing pressure, the voids in the carbon layer are filled to improve the corrosion resistance. However, when pressing with a strong pressure of about 5.0 to 10.MPa to improve the corrosion resistance, the communication holes are reduced and the corrosion resistance is increased, but the volume ratio of the voids in the carbon layer is reduced and the flexibility is increased. It will decline. On the other hand, in order to increase the volume ratio of the pores in the carbon layer by one press, it is necessary to press with a weak pressure of about 0.5 to 2.0 MPa. However, in such a press, the communication holes increase without filling the voids between the particles, the corrosion liquid flows into the communication holes, reaches the metal layer, and the corrosion resistance decreases.

従って、本発明は、カーボン層内の粒子間の空隙を埋めて透気度を低く抑え、連通孔の発生を抑えつつ、カーボン層内の空孔の体積の割合を従来よりも高くすることで、優れたフレキシブル性および耐食性を両立した燃料電池用セパレータおよびその製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention fills the voids between the particles in the carbon layer to reduce the air permeability, suppress the generation of communication holes, and increase the volume ratio of the voids in the carbon layer than before. An object of the present invention is to provide a fuel cell separator that has both excellent flexibility and corrosion resistance, and a method for producing the same.

かかる課題を解決するため、本発明者は鋭意研究を行った結果、カーボン層内に存在する空隙の構造を下記方法により制御することで、変形に強くフレキシブル性が良好であり、耐食性にも優れたセパレータを提供できることを見出し、本発明を完成した。   In order to solve such problems, the present inventor has conducted intensive research, and as a result of controlling the structure of the voids present in the carbon layer by the following method, it is resistant to deformation and has good flexibility and excellent corrosion resistance. The present inventors have found that a separator can be provided.

具体的には、プレスを二段階に分け、一回目のプレスで樹脂がしっかり粒子を覆う過程を経た後に、二回目のプレスを行い、粒子間の連通孔の発生を抑えつつ、黒鉛および膨張黒鉛内の空孔の体積の割合を大きく維持するとともに、粒子間の空隙を生み出すことに成功した。また、膨張黒鉛の膨張化度を調節することで、さらに変形に強くフレキシブル性に優れたセパレータを提供できることを初めて見出した。   Specifically, the press is divided into two stages, and after passing through the process in which the resin firmly covers the particles in the first press, the second press is performed to suppress the generation of communication holes between the particles, and graphite and expanded graphite. While maintaining a large proportion of the volume of pores inside, we succeeded in creating voids between particles. It was also found for the first time that a separator that is more resistant to deformation and excellent in flexibility can be provided by adjusting the degree of expansion of expanded graphite.

すなわち、本発明は、次の燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供するものである。   That is, this invention provides the following separator for fuel cells, and its manufacturing method.

＜１＞金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を有する燃料電池用セパレータであって、
該カーボン層に存在する空孔の体積の割合が21〜41％であり、
該カーボン層のガーレー試験機による透気度測定において求められるＩＳＯ透気度の値が0〜0.1であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 <1> For a fuel cell having a carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and resin are mixed in a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 on both sides or one side of a metal foil. A separator,
The volume ratio of pores present in the carbon layer is 21-41%,
A fuel cell separator characterized in that an ISO air permeability value obtained by measuring the air permeability of the carbon layer with a Gurley tester is 0 to 0.1.

＜２＞金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と熱硬化性樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を設ける＜１＞記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該カーボン層の製造方法が、
前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度より80〜100℃低い温度にて、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、該カーボン層のプレスを行う第一工程と、
第一工程の後、前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度±10℃の温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層のプレスを行う第二工程と
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 <2> A carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and a thermosetting resin are mixed at a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 is provided on both surfaces or one surface of the metal foil. <1> A method for producing a separator for a fuel cell according to
The method for producing the carbon layer comprises:
A first step of pressing the carbon layer for 1-3 minutes at a pressure of 0-0.5 MPa at a temperature 80-100 ° C. lower than the thermosetting temperature of the thermosetting resin;
After the first step, it has a second step of pressing the carbon layer for 10 to 30 minutes at a temperature of the thermosetting resin ± 10 ° C. and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa. A method for producing a fuel cell separator.

＜３＞金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と熱可塑性樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を設ける＜１＞記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該カーボン層の製造方法が、
前記熱可塑性樹脂の融点〜融点＋20℃の温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、該カーボン層のプレスを行う第一工程と、
第一工程の後、前記熱可塑性樹脂の融点より10〜20℃低い温度にて、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層のプレスを行う第二工程と
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 <3> A carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and a thermoplastic resin are mixed at a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 is provided on both surfaces or one surface of the metal foil <1> A method for producing a fuel cell separator according to
The method for producing the carbon layer comprises:
A first step of pressing the carbon layer for 1 to 3 minutes at a temperature of a melting point of the thermoplastic resin to a melting point of + 20 ° C. and a pressure of 0 to 0.5 MPa;
After the first step, the second step of pressing the carbon layer for 10 to 30 minutes at a pressure of 1.0 to 3.0 MPa at a temperature lower by 10 to 20 ° C. than the melting point of the thermoplastic resin. A method for producing a fuel cell separator.

本発明の燃料電池用セパレータおよびその製造方法によれば、カーボン層内の粒子間の空隙を埋めて透気度を低く抑えつつ、カーボン層内の空孔の体積の割合を従来よりも高くできるので、例えば自動車向けなど厳しい条件下の使用にも耐えうる優れたフレキシブル性および耐食性を両立したセパレータを提供することができる。   According to the fuel cell separator and the method of manufacturing the same of the present invention, the void volume ratio in the carbon layer can be made higher than before while filling the voids between the particles in the carbon layer to keep the air permeability low. Therefore, it is possible to provide a separator having both excellent flexibility and corrosion resistance that can withstand use under severe conditions such as for automobiles.

本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータを備える固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の構成の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of a structure of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) provided with the separator for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 同上、金属−炭素複合構造のセパレータの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the separator of a metal-carbon composite structure same as the above. 同上、金属−炭素複合構造のセパレータの構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of the separator of a metal-carbon composite structure same as the above. 同上、炭素粉末と樹脂を配合した粉末混合物を示す概略図である。It is the schematic which shows the powder mixture which mix | blended carbon powder and resin same as the above. 同上、ガーレー試験機による透気度の測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of the air permeability by a Gurley testing machine same as the above. 同上、接触抵抗の測定方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measuring method of contact resistance same as the above. 同上、プレス工程に用いられるプレス装置の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the press apparatus used for a press process same as the above. 同上、プレス工程前のカーボン層を示す概略図である。It is the schematic which shows the carbon layer before a press process same as the above. 従来の燃料電池用セパレータにおいて、１段階プレスにより形成したカーボン層を示す概略図である。It is the schematic which shows the carbon layer formed by the 1 step press in the conventional separator for fuel cells. 本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法において、第一工程後のカーボン層を示す概略図である。It is the schematic which shows the carbon layer after a 1st process in the manufacturing method of the separator for fuel cells which concerns on embodiment of this invention. 同上、第二工程後のカーボン層を示す概略図である。It is the schematic which shows the carbon layer after a 2nd process same as the above.

以下、本発明の実施の形態における、燃料電池用セパレータおよびその製造方法について、図面を参照ながら説明する。   Hereinafter, a fuel cell separator and a method for manufacturing the same according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本実施の形態に係る燃料電池用セパレータ５を備える固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）１の構成の一例を示す概略断面図である。   FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 1 including a fuel cell separator 5 according to the present embodiment.

ＰＥＦＣ１は、膜−電極接合体（ＭＥＡ）１０を備える。ＭＥＡ１０は、固体高分子電解質膜２をアノード３ａとカソード３ｃとで挟持し、さらに、これらをアノードガス拡散層（アノードＧＤＬ）４ａとカソードガス拡散層（カソードＧＤＬ）４ｃとで挟持することにより構成される。   The PEFC 1 includes a membrane-electrode assembly (MEA) 10. The MEA 10 is configured by sandwiching a solid polymer electrolyte membrane 2 between an anode 3a and a cathode 3c, and further sandwiching them between an anode gas diffusion layer (anode GDL) 4a and a cathode gas diffusion layer (cathode GDL) 4c. Is done.

ＭＥＡ１０は、さらにアノードセパレータ５ａとカソードセパレータ５ｃとで挟持される。アノードセパレータ５ａおよびカソードセパレータ５ｃには、本発明セパレータ５を使用する。単セルを構成するＭＥＡ１０は、図示しないガスケットを介して、セパレータ５によって隣接するＭＥＡ１０と電気機械的に接続される。単セルは数十個〜数百個積層され、燃料電池スタックを構成する。   The MEA 10 is further sandwiched between an anode separator 5a and a cathode separator 5c. The separator 5 of the present invention is used as the anode separator 5a and the cathode separator 5c. The MEA 10 constituting the single cell is electromechanically connected to the adjacent MEA 10 by the separator 5 via a gasket (not shown). Dozens to hundreds of single cells are stacked to constitute a fuel cell stack.

セパレータ５には溝が形成され、その断面は凹凸形状を有する。セパレータ５の第一の面８がＭＥＡ１０に接触することにより、セパレータ５とＭＥＡ１０とが電気的に接続される。セパレータ５の内側に面する凹部とＭＥＡ１０との間の空間は、アノード側は水素ガス等の燃料ガスのガス流路６ａとして、カソード側は酸素ガス等の酸化ガスのガス流路６ｃとして使用される。セパレータ５の外側に面する凹部７には、例えば水等の冷媒を流通させ、ＰＥＦＣ１を冷却する。   A groove is formed in the separator 5, and the cross section has an uneven shape. When the first surface 8 of the separator 5 contacts the MEA 10, the separator 5 and the MEA 10 are electrically connected. The space between the recess facing the inside of the separator 5 and the MEA 10 is used as a gas flow path 6a for a fuel gas such as hydrogen gas on the anode side and as a gas flow path 6c for an oxidizing gas such as oxygen gas on the cathode side. The In the recess 7 facing the outside of the separator 5, for example, a coolant such as water is circulated to cool the PEFC 1.

本発明のセパレータ５は、金属層１１にカーボン層１２を接合した金属−炭素複合材である。図２では金属層（金属箔）１１の片面にカーボン層１２が接合されており、図３では金属層（金属箔）１１の両面にカーボン層１２が接合されている。   The separator 5 of the present invention is a metal-carbon composite material in which a carbon layer 12 is bonded to a metal layer 11. In FIG. 2, the carbon layer 12 is bonded to one side of the metal layer (metal foil) 11, and in FIG. 3, the carbon layer 12 is bonded to both sides of the metal layer (metal foil) 11.

金属層１１は、ステンレススチール、チタン、チタン合金またはアルミニウム合金で形成されることが好ましい。素材によっては、前処理として、金属素材表面の酸化被膜を除去する目的で、酸溶液による表面処理が行われる。酸化被膜除去に使用する溶液は、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、フッ化水素酸、リン酸などの無機酸のうち一種以上を含む酸溶液、或いは、この酸溶液にさらに過酸化水素、塩化第二鉄、硫酸第二鉄を含んだものである。金属層１１の厚さは、特に限定されないが、10〜150μmであることが好ましい。金属層１１の厚さが10μm未満では機械的強度の増大が望めず、150μmを超えると柔軟性の点で問題が生じる。   The metal layer 11 is preferably formed of stainless steel, titanium, a titanium alloy, or an aluminum alloy. Depending on the material, as a pretreatment, a surface treatment with an acid solution is performed for the purpose of removing the oxide film on the surface of the metal material. The solution used for removing the oxide film is, for example, an acid solution containing one or more inorganic acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, hydrofluoric acid, phosphoric acid, or a hydrogen peroxide, chloride chloride solution. It contains ferric and ferric sulfate. Although the thickness of the metal layer 11 is not specifically limited, It is preferable that it is 10-150 micrometers. If the thickness of the metal layer 11 is less than 10 μm, an increase in mechanical strength cannot be expected, and if it exceeds 150 μm, a problem arises in terms of flexibility.

カーボン層１２は、図４に示す炭素粉末（炭素粒子）３１と樹脂３４を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した粉末混合物３０を、ホットプレスして形成されたものである。形成されたカーボン層１２の厚さは0.4〜2.0mmであることが必要である。炭素粉末３１と樹脂３４の体積比が上記範囲を超えると、すなわち、樹脂粉末３４が40%（体積）を超えると、粒子間隙に樹脂が存在する確率が高くなる、すなわちセパレータ５のカーボン層１２の連通孔３５が発生する確率は低下するが、同時に連通孔３５ではない粒子間隙の閉空孔３６も樹脂が埋めてしまい、柔軟性が損なわれフレキシブル性が低下する。さらに、接触抵抗が増大し、燃料電池用セパレータ５として使用する場合に問題が生じる。炭素粉末３１が90%（体積）を超えると、導電性が改善され、柔軟性は向上するが、金属層１１とカーボン層１２との接着強度が著しく低下する。その結果、燃料電池用セパレータ５として使用する場合に、その耐久性に問題が生じる。また、カーボン層１２の厚みが2.0mmより厚くなると曲げ変形した際に、表面の曲げ変位量が大きく、カーボン層１２の縦方向に割れが生じる。また、厚みが0.4mmより薄いと金属層１１とカーボン層１２の界面で接着する樹脂の量が減少し，剥離が起きやすくなるため、その耐久性が著しく低下してしまう。   The carbon layer 12 is formed by hot pressing a powder mixture 30 in which the carbon powder (carbon particles) 31 and the resin 34 shown in FIG. 4 are mixed at a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1. It has been done. The thickness of the formed carbon layer 12 needs to be 0.4 to 2.0 mm. When the volume ratio of the carbon powder 31 and the resin 34 exceeds the above range, that is, when the resin powder 34 exceeds 40% (volume), the probability that the resin exists in the particle gap increases, that is, the carbon layer 12 of the separator 5. However, at the same time, the resin fills the closed pores 36 in the particle gaps that are not the communication holes 35, and the flexibility is lost and the flexibility is lowered. Further, the contact resistance increases, causing problems when used as the fuel cell separator 5. When the carbon powder 31 exceeds 90% (volume), the conductivity is improved and the flexibility is improved, but the adhesive strength between the metal layer 11 and the carbon layer 12 is remarkably lowered. As a result, when used as the fuel cell separator 5, there is a problem in durability. Further, when the thickness of the carbon layer 12 is greater than 2.0 mm, the bending displacement amount of the surface is large and the carbon layer 12 is cracked in the vertical direction when bending deformation occurs. On the other hand, if the thickness is less than 0.4 mm, the amount of the resin adhered at the interface between the metal layer 11 and the carbon layer 12 is reduced and peeling is likely to occur, so that the durability is remarkably lowered.

粉末混合物３０の総容量、並びに、炭素粉末３１および樹脂粉末３４の所望の配合比（体積比）が決まると、配合比に応じて各粉末の使用容量を求め、密度を基に使用重量を計算にて求める。このようにして求めた使用重量の各粉末を、例えば２枚ブレードのプラネタリーミキサにて混合し、所望の組成の粉末混合物３０を調製する。   When the total volume of the powder mixture 30 and the desired mixing ratio (volume ratio) of the carbon powder 31 and the resin powder 34 are determined, the usage volume of each powder is determined according to the mixing ratio, and the usage weight is calculated based on the density. Ask for. The respective powders of the use weight thus obtained are mixed by, for example, a two-blade planetary mixer to prepare a powder mixture 30 having a desired composition.

炭素粉末３１は、天然黒鉛粉末、人造黒鉛粉末、膨張黒鉛粉末等の黒鉛粉末である。炭素粉末３１は、例えば第１の黒鉛粉末と、第２の黒鉛粉末とを含むことができる。第１の黒鉛粉末は膨張黒鉛粉末とし、以下、その粒子を膨張黒鉛３２と呼ぶ。第２の黒鉛粉末は天然黒鉛粉末または人造黒鉛粉末とし、以下、その粒子を黒鉛粒子３３と呼ぶ。   The carbon powder 31 is a graphite powder such as natural graphite powder, artificial graphite powder, or expanded graphite powder. The carbon powder 31 can include, for example, a first graphite powder and a second graphite powder. The first graphite powder is expanded graphite powder, and the particles are hereinafter referred to as expanded graphite 32. The second graphite powder is natural graphite powder or artificial graphite powder, and the particles are hereinafter referred to as graphite particles 33.

本発明のセパレータ５は、優れたフレキシブル性および耐食性を両立するものである。フレキシブル性はカーボン層１２の粒子間の閉空孔３６と膨張黒鉛３２内の空孔３７の体積の割合に依存し、耐食性と関係するカーボン層１２の透気度は粒子間の連通孔３５の数の多さや連通孔３５の径の大きさに依存する。したがって、フレキシブル性および耐食性を両立するためには、粒子間隙の閉空孔３６と膨張黒鉛３２内の空孔３７は割合として高く保ちつつ、連通孔３５をなくす必要がある。   The separator 5 of the present invention has both excellent flexibility and corrosion resistance. The flexibility depends on the volume ratio of the closed pores 36 between the particles of the carbon layer 12 and the pores 37 in the expanded graphite 32, and the air permeability of the carbon layer 12 related to the corrosion resistance is the number of the communication holes 35 between the particles. Depends on the number and the diameter of the communication hole 35. Therefore, in order to achieve both flexibility and corrosion resistance, it is necessary to eliminate the communication holes 35 while keeping the closed holes 36 in the particle gaps and the holes 37 in the expanded graphite 32 high in proportion.

本発明は、膨張黒鉛３２内の空孔３７の体積の割合を高くするために、膨張化度を大きくすることに着目したものである。炭素粉末３１に含まれる膨張黒鉛３２の膨張化度は100〜400であることが好ましい。膨張黒鉛の膨張化度が100未満であると粒子内空隙３７が少なくフレキシブル性に富まず、400を超えるとプレス前のカーボン層１２全体の嵩密度が低下し、プレスしてもカーボン層１２の密度が上がらず、成型性に劣るものとなる。   The present invention focuses on increasing the degree of expansion in order to increase the volume ratio of the pores 37 in the expanded graphite 32. The degree of expansion of the expanded graphite 32 contained in the carbon powder 31 is preferably 100 to 400. When the degree of expansion of the expanded graphite is less than 100, the inter-particle voids 37 are small and the flexibility is not high, and when it exceeds 400, the bulk density of the entire carbon layer 12 before pressing is reduced. The density does not increase and the moldability is poor.

こうした高膨張化度の膨張黒鉛３２の作成方法は次の通りである。   A method for producing the expanded graphite 32 having such a high expansion degree is as follows.

まず、鱗片状の黒鉛粒子を硫酸と硝酸の混合液中で、時間および温度を調整しながら撹拌する。次に、黒鉛粒子を蒸留水で洗浄し、続いて1000℃の電気炉中で15秒間熱処理する。こうして、使用する黒鉛粒子の粒度を変化させ、所望の膨張化度の膨張黒鉛３２を得る。   First, the scaly graphite particles are stirred in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid while adjusting the time and temperature. Next, the graphite particles are washed with distilled water and subsequently heat-treated in an electric furnace at 1000 ° C. for 15 seconds. In this way, the expanded graphite 32 having a desired degree of expansion is obtained by changing the particle size of the graphite particles used.

炭素粉末３１に含まれる膨張黒鉛３２の粒径は、長軸の長さが0.1〜10μmであり、より好ましくは1〜10μmである。一方、膨張黒鉛３２とともに炭素粉末３１に含まれるその他の黒鉛粒子の粒径は、1〜25μmであり、より好ましくは5〜25μmである。膨張黒鉛粒子３２と黒鉛粒子３３の粒径が上記範囲にあれば、カーボン層１２の粒子間の充填率が上がり、連通孔３５が少ないカーボン層１２を容易に実現できる。黒鉛粒子３３の粒径が上記範囲にあり、膨張黒鉛３２の粒径が0.1μmより小さい場合、膨張黒鉛３２内の空隙３７が少なく、その結果曲げなどの変形に対して膨張黒鉛３２内の空隙３７での変形量が少なく、カーボン層１２自体が割れてしまう。黒鉛粒子３３の粒径が上記範囲にあり、膨張黒鉛３２の粒径が10μmより大きい場合、曲げなどの変形に対して膨張黒鉛３２自体が割れてしまい、フレキシブル性が低下してしまう。膨張黒鉛粒子３２の粒径が上記範囲にあり、黒鉛粒子３３の粒径が1.0μmより小さい場合、プレス時に密度が上がらず、粒子間の空隙３６が増加してしまい、連通孔３５の存在確率も増えるため、耐食性に劣る。膨張黒鉛粒子３２の粒径が上記範囲にあり、黒鉛粒子３３の粒径が25μmよりも大きい場合、カーボン同士の接着面積が低下し、接触抵抗が増加し、導電性が低下する。   The expanded graphite 32 contained in the carbon powder 31 has a major axis length of 0.1 to 10 μm, more preferably 1 to 10 μm. On the other hand, the particle size of other graphite particles contained in the carbon powder 31 together with the expanded graphite 32 is 1 to 25 μm, more preferably 5 to 25 μm. If the particle diameters of the expanded graphite particles 32 and the graphite particles 33 are in the above range, the filling rate between the particles of the carbon layer 12 is increased, and the carbon layer 12 with few communication holes 35 can be easily realized. When the particle size of the graphite particles 33 is in the above range and the particle size of the expanded graphite 32 is smaller than 0.1 μm, the voids 37 in the expanded graphite 32 are small, and as a result, the voids in the expanded graphite 32 against deformation such as bending. The amount of deformation at 37 is small, and the carbon layer 12 itself is cracked. When the particle diameter of the graphite particles 33 is in the above range and the particle diameter of the expanded graphite 32 is larger than 10 μm, the expanded graphite 32 itself is cracked by deformation such as bending, and flexibility is lowered. When the particle diameter of the expanded graphite particles 32 is in the above range and the particle diameter of the graphite particles 33 is smaller than 1.0 μm, the density does not increase during pressing, the voids 36 between the particles increase, and the existence probability of the communication holes 35. Therefore, the corrosion resistance is inferior. When the particle size of the expanded graphite particles 32 is in the above range and the particle size of the graphite particles 33 is larger than 25 μm, the adhesion area between the carbons decreases, the contact resistance increases, and the conductivity decreases.

一方、完成品のカーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２の体積比率は炭素粒子全体に対して6〜55%であることが好ましく、その粒径は0.1〜10.0μmであることが好ましい。膨張黒鉛３２の体積比率がこの範囲内であるとフレキシブル性が担保される。膨張黒鉛３２の体積比率が6%より小さいと、曲げなどの変形に対して滑りが起こる膨張黒鉛３２の量が少なく、フレキシブル性が低下してしまう。膨張黒鉛３２の体積比率が55％よりも大きいと、プレス前のカーボン層１２全体の嵩密度が低下し、プレスしてもカーボン層１２の密度が上がらず、成型性に劣るものとなる。また、膨張黒鉛３２の粒径が0.1μmより小さい場合、膨張黒鉛３２内の空隙が少なく、その結果曲げなどの変形に対して膨張黒鉛３２内の空隙３７での変形量が少なく、カーボン層１２自体が割れてしまう。膨張黒鉛３２の粒径が10μmより大きい場合、曲げなどの変形に対して膨張黒鉛３２自体が割れてしまい、フレキシブル性が低下してしまう。   On the other hand, the volume ratio of the expanded graphite 32 contained in the finished carbon layer 12 is preferably 6 to 55% with respect to the entire carbon particles, and the particle size is preferably 0.1 to 10.0 μm. When the volume ratio of the expanded graphite 32 is within this range, flexibility is ensured. If the volume ratio of the expanded graphite 32 is less than 6%, the amount of the expanded graphite 32 that causes slippage due to deformation such as bending is small, and flexibility is deteriorated. When the volume ratio of the expanded graphite 32 is larger than 55%, the bulk density of the entire carbon layer 12 before pressing is lowered, and even when pressed, the density of the carbon layer 12 does not increase, and the moldability is poor. Further, when the particle diameter of the expanded graphite 32 is smaller than 0.1 μm, the voids in the expanded graphite 32 are small, and as a result, the deformation amount in the voids 37 in the expanded graphite 32 is small with respect to deformation such as bending, and the carbon layer 12. It breaks itself. When the particle diameter of the expanded graphite 32 is larger than 10 μm, the expanded graphite 32 itself is cracked by deformation such as bending, and flexibility is lowered.

粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Malvern製、商品名：MasterSizer2000）を用いて測定した。この時、D50（累積50質量%粒径）の値を平均粒径とした。   The particle size was measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (Malvern, trade name: MasterSizer2000). At this time, the value of D50 (cumulative 50% by mass particle size) was defined as the average particle size.

粉末混合物３０に含まれる樹脂粉末３４は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリフォレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂の粉末を使用することができる。   The resin powder 34 contained in the powder mixture 30 can be a thermosetting resin such as an epoxy resin or a phenol resin, or a thermoplastic resin powder such as a polyolefin resin.

尚、カーボン層１２の形成に用いる粉末混合物３０には、必要に応じて、繊維基材や充填材、離型剤、耐加水分解剤等を添加してもよい。   In addition, you may add a fiber base material, a filler, a mold release agent, a hydrolysis-resistant agent, etc. to the powder mixture 30 used for formation of the carbon layer 12 as needed.

本発明はさらに、膨張黒鉛３２内の空孔３７の体積の割合を高くしたまま、連通孔３５を生み出さないために１回プレスではなく、例えば複数回のプレスを行う多段プレスにより、透気度を低く抑えるものである。多段プレスについては後述する。   The present invention further provides air permeability by, for example, a multi-stage press in which a plurality of presses are performed instead of a single press so as not to create the communication holes 35 while keeping the volume ratio of the voids 37 in the expanded graphite 32 high. Is kept low. The multistage press will be described later.

カーボン層１２に存在する粒子間の閉空孔３６と空孔３７の体積の割合（空孔度）は、21〜41%であることが好ましい。閉空孔３６と空孔３７の体積の割合がこの範囲内であるとフレキシブル性と耐食性が担保される。空孔度が21%より低いと曲げや衝撃が加えられた際の曲げや衝撃に対する変動層（吸収層）となるカーボン層１２内の空隙３６，３７が十分ではなく、フレキシブル性が担保されない。41%より高いと、連通孔３５の発生確率が増加し、その連通孔３５を伝って、腐食液が金属層１１に到達し、金属を腐食し、腐食した箇所に被膜が形成され、セパレータ５全体の電気抵抗が増加する。すなわち、セパレータの導電性が低下してしまう。また、空隙３６，３７が増加しすぎると、樹脂３４による粒子間の接合がうまくいかず、衝撃が加えられた際に金属層１１からカーボン層１２が剥離しやすくなり、金属−炭素複合セパレータ５の形態をなさなくなってしまう。本発明の燃料電池用セパレータ５に用いられるカーボン層１２は、この高い空孔度を維持したまま、後述するガーレー試験機２０による透気度測定において求められるＩＳＯ透気度の値を0〜0.1μm/(Pa・s)とすることに成功したものである。ＩＳＯ透気度が0.1より大きいと、カーボン層１２における金属層１１まで到達する連通孔３５の数が多いか、または連通孔の径が大きい状況であり、腐食液に浸漬すると、連通孔３５を伝って腐食液が金属層１１に到達し、金属を腐食し、腐食した箇所に腐食被膜が形成され、セパレータ５全体の電気抵抗が増加する。すなわち、セパレータ５の導電性が低下する。ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)以下であれば、連通孔３５の発生が著しく抑制された状況にあり、その数または孔径が小さい状況にあるため、腐食液に浸漬した際にも腐食液が金属層１１に到達する確率が小さくなり、電気抵抗の増加を抑制することができる。   The volume ratio (porosity) of the closed pores 36 and the pores 37 between the particles present in the carbon layer 12 is preferably 21 to 41%. When the volume ratio of the closed holes 36 and the holes 37 is within this range, flexibility and corrosion resistance are ensured. If the porosity is lower than 21%, the air gaps 36 and 37 in the carbon layer 12 serving as a fluctuating layer (absorption layer) against bending and impact when bending or impact is applied are not sufficient, and flexibility is not ensured. If it is higher than 41%, the probability of occurrence of the communication hole 35 increases, and the corrosive liquid reaches the metal layer 11 through the communication hole 35, corrodes the metal, and a film is formed at the corroded portion. The overall electrical resistance increases. That is, the conductivity of the separator is lowered. Further, if the voids 36 and 37 are excessively increased, the bonding between the particles by the resin 34 is not successful, and the carbon layer 12 is easily peeled off from the metal layer 11 when an impact is applied. No longer takes the form of The carbon layer 12 used in the fuel cell separator 5 according to the present invention has an ISO air permeability value of 0 to 0.1 determined in air permeability measurement by a Gurley test machine 20 described later while maintaining this high porosity. It succeeded in setting it to μm / (Pa · s). If the ISO air permeability is greater than 0.1, the number of the communication holes 35 reaching the metal layer 11 in the carbon layer 12 is large or the diameter of the communication holes is large. Then, the corrosive liquid reaches the metal layer 11 to corrode the metal, and a corrosive film is formed at the corroded portion, so that the electrical resistance of the separator 5 as a whole increases. That is, the conductivity of the separator 5 is reduced. When the ISO air permeability is 0.1 μm / (Pa · s) or less, the generation of the communication holes 35 is remarkably suppressed, and the number or the hole diameter is small. However, the probability that the corrosive liquid reaches the metal layer 11 is reduced, and an increase in electrical resistance can be suppressed.

ＩＳＯ透気度と連通孔３５の数または径との相関について説明する。例えば、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)より大きい0.11μm/(Pa・s)であると、耐食性試験後の抵抗値の値が10.0mΩ・cm2より大きくなり、ＩＳＯ透気度が0.12μm/(Pa・s)であると、耐食性試験後の抵抗値の値が20.0mΩ・cm2より大きくなる。従って、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)以下であれば、抵抗値の値が10.0mΩ・cm2以下となり、セパレータ５として良好であると判断することができるので、連通孔３５の孔径が小さく、かつその数も著しく抑制された状況にあるとした。 The correlation between the ISO air permeability and the number or diameter of the communication holes 35 will be described. For example, if the ISO air permeability is 0.11 μm / (Pa · s), which is greater than 0.1 μm / (Pa · s), the resistance value after the corrosion resistance test is greater than 10.0 mΩ · cm 2 , and the ISO air permeability When the degree is 0.12 μm / (Pa · s), the resistance value after the corrosion resistance test is larger than 20.0 mΩ · cm 2 . Therefore, if the ISO air permeability is 0.1 μm / (Pa · s) or less, the resistance value is 10.0 mΩ · cm 2 or less, and it can be determined that the separator 5 is good. It is assumed that the pore diameter is small and the number thereof is remarkably suppressed.

なお、従来のセパレータ５では、カーボン層１２の透気度を0〜0.1μm/(Pa・s)とした場合、カーボン層１２に存在する粒子間の閉空孔３６と空孔３７の体積の割合は10〜20%と、本発明のものよりも低い値となる。   In the conventional separator 5, when the air permeability of the carbon layer 12 is 0 to 0.1 μm / (Pa · s), the volume ratio of the closed pores 36 and the pores 37 between the particles existing in the carbon layer 12. Is 10 to 20%, which is lower than that of the present invention.

粒子間の閉空孔３６と空孔３７の体積の割合（空孔度）は、空孔度は使用する黒鉛、樹脂の真比重とサンプルの密度から計算によって求めることが出来る。   The volume ratio (porosity) of the closed pores 36 and the pores 37 between the particles can be obtained by calculation from the true specific gravity of the graphite and resin used and the density of the sample.

次に、ガーレー試験機２０によるＩＳＯ透気度の測定方法について説明する。ＩＳＯ透気度はガーレー試験（ＪＩＳ Ｐ ８１１７）によって求める。ガーレー試験は、一定圧力差のもとで一定体積の空気が一定面積の紙を通過する秒数をガーレー秒数と呼び、次式で透気度を求める。   Next, a method for measuring ISO air permeability by the Gurley tester 20 will be described. The ISO air permeability is determined by the Gurley test (JIS P 8117). In the Gurley test, the number of seconds during which a certain volume of air passes through a certain area of paper under a certain pressure difference is called Gurley seconds, and the air permeability is obtained by the following equation.

ＩＳＯ透気度のこの式は、平均圧力差1.22kPaで、試験面積6.42cm2に加工したカーボン層１２を使用し、試験片を透過する空気の体積が常温常圧で106mlに相当する量であることに基づいている。後述する本発明の実施例では、ＪＩＳに準拠するため、試験片の厚さは0.7〜1mmとする。本発明のセパレータ５では、カーボン層１２の厚さを0.4〜2.0mmとしているが、試験片の厚さの場合と相関関係がとれていることを確認している。また、路となる溝が形成されていないカーボン層（平板）１２を使用した。また、金属層１１を含む金属−炭素複合セパレータのカーボン層１２の透気度を測定する場合は、金属層１１だけを酸で溶解するなど、カーボン層１２だけを抽出して同様に透気度を測定することが出来る。 This formula for ISO air permeability uses a carbon layer 12 processed with an average pressure difference of 1.22 kPa and a test area of 6.42 cm 2, and the volume of air passing through the test piece is an amount corresponding to 106 ml at normal temperature and normal pressure. Is based on something. In the examples of the present invention described later, the thickness of the test piece is set to 0.7 to 1 mm in order to comply with JIS. In the separator 5 of the present invention, the thickness of the carbon layer 12 is 0.4 to 2.0 mm, and it has been confirmed that there is a correlation with the thickness of the test piece. Moreover, the carbon layer (flat plate) 12 in which the groove | channel used as a path | route is not formed was used. Moreover, when measuring the air permeability of the carbon layer 12 of the metal-carbon composite separator including the metal layer 11, only the carbon layer 12 is extracted, for example, only the metal layer 11 is dissolved with an acid, and the air permeability is similarly obtained. Can be measured.

図５を用いてガーレー試験の原理について説明する。ガーレー試験機２０において、液体（油）２２に浮かぶ内筒２３の垂直方向の重さによって空気を圧縮すると、この空気Ａが空気穴２４を通って試験片２１を透過し、内筒２３が徐々に下降する。一定体積Ｖ，Ｖ’の空気が透過するのに要した時間を測定し、その値から計算によってＩＳＯ透気度を求める。同図は試験片２１が上にあるタイプであり、２５は目盛、２６は外筒である。   The principle of the Gurley test will be described with reference to FIG. In the Gurley tester 20, when air is compressed by the vertical weight of the inner cylinder 23 floating in the liquid (oil) 22, the air A passes through the test piece 21 through the air hole 24, and the inner cylinder 23 gradually increases. To descend. The time required for permeation of air of a constant volume V, V 'is measured, and the ISO air permeability is obtained by calculation from the measured time. In the figure, the test piece 21 is on the top, 25 is a scale, and 26 is an outer cylinder.

図６に接触抵抗の測定方法を示す。成形サンプルＳを、長さ17〜20mm、幅3〜5mmに加工して試験材とする。試験材Ｓとカーボンペーパ（東レ株式会社：商品名「TG-P-H-120」）３０１と重ね、これを２つの金メッキ銅製金具３０２を用いて所定の圧力（1MPa）で挟み込む。２つの金メッキ銅製金具３０２の間に、試験材Ｓ／カーボンペーパ３０１の接触面積値（単位：cm2）と同じ値の直流電流（単位：A）を電源３０３により流して、金メッキ銅製金具３０２／カーボンペーパ３０１／試験材Ｓの接続部に生じる電圧降下（単位：mΩ・cm2）を測定し、これを接触抵抗とする。 FIG. 6 shows a method for measuring contact resistance. The molded sample S is processed into a test material by processing it into a length of 17 to 20 mm and a width of 3 to 5 mm. The test material S and carbon paper (Toray Industries, Inc .: trade name “TG-PH-120”) 301 are overlapped and sandwiched by two gold-plated copper fittings 302 at a predetermined pressure (1 MPa). A direct current (unit: A) having the same value as the contact area value (unit: cm 2 ) of the test material S / carbon paper 301 is caused to flow between the two gold-plated copper fittings 302 by the power source 303, thereby A voltage drop (unit: mΩ · cm 2 ) generated at the connection portion of the carbon paper 301 / test material S is measured, and this is defined as contact resistance.

次に、本発明の燃料電池用セパレータ５に用いられるカーボン層１２の製造方法について説明する。   Next, the manufacturing method of the carbon layer 12 used for the separator 5 for fuel cells of this invention is demonstrated.

本発明のカーボン層１２は、原料となる粉末混合物３０を、複数回に分けて多段プレスを行うことにより、製造することができる。図７に、本発明のカーボン層１２を製造するためのプレス装置１００の一例を示す。   The carbon layer 12 of the present invention can be manufactured by performing multistage pressing of the powder mixture 30 as a raw material in a plurality of times. In FIG. 7, an example of the press apparatus 100 for manufacturing the carbon layer 12 of this invention is shown.

プレス装置１００は、一軸加熱圧縮成型装置であり、一組の雄型１０１および雌型１０２からなる金型１０３を有する。雄型１０１は、機枠１０４に固定されている。雌型１０２は、雄型１０１の下方に対向して配置され、油圧シリンダ１０５で昇降可能に構成される。金型１０３には図示しないヒータが内嵌されている。   The press apparatus 100 is a uniaxial heating compression molding apparatus, and includes a mold 103 including a pair of male mold 101 and female mold 102. The male mold 101 is fixed to the machine casing 104. The female mold 102 is arranged to face the lower side of the male mold 101 and is configured to be moved up and down by a hydraulic cylinder 105. A heater (not shown) is fitted in the mold 103.

図８はプレス前の粉末混合物３０の状態を模式的に示す概略図である。膨張黒鉛３２、黒鉛粒子３３および樹脂粒子３４が混合されている様子が示されている。従来のように、１段階のプレスで成形する場合、圧力によりカーボン層の空孔を調整していたため、フレキシブル性を担保しようと低い圧力でプレスすると、図９に示すカーボン層３９のように、粒子間の空隙３６が埋まらずに連通孔３５が増加し、連通孔３５に腐食液が流れ込んで金属層１１まで達し、耐食性が低下してしまう。また、耐食性を向上させようと高い圧力でプレスした場合、膨張黒鉛３２内の空孔３７も小さくなってしまい、フレキシブル性が低下する。   FIG. 8 is a schematic view schematically showing the state of the powder mixture 30 before pressing. A state in which the expanded graphite 32, the graphite particles 33, and the resin particles 34 are mixed is shown. As in the prior art, when forming with a single-stage press, the pores of the carbon layer were adjusted by pressure, so when pressed at a low pressure to ensure flexibility, the carbon layer 39 shown in FIG. The voids 36 between the particles are not filled, and the communication holes 35 are increased. The corrosive liquid flows into the communication holes 35 to reach the metal layer 11 and the corrosion resistance is lowered. Moreover, when it presses with a high pressure so that corrosion resistance may be improved, the hole 37 in the expanded graphite 32 will also become small, and flexibility will fall.

これに対し、本発明のカーボン層１２の製造方法では、１段階目の処理で、所定の温度で加熱しながら、ごく弱い圧力（押圧する際の圧力）で短時間のプレスを行うことで、図１０に示すように、樹脂３４が膨張黒鉛３２および黒鉛粒子３３をしっかりと被覆するようにして、さらに樹脂３４が粒子外の空隙に流れ込むようにする。この１段階目の前処理により、膨張黒鉛３２内の空孔度を高いままに維持することができる。続いて２段階目の処理で、１段目のプレスよりは強いが、従来よりも弱い圧力で、長い時間の２段目のプレスを行う。この２段階目の処理により、図１１に示すように、膨張黒鉛３２および黒鉛粒子３３を被覆した樹脂３４と、粒子外の空隙に流れた樹脂とが、粒子間の空隙３６を埋めやすくなる。その結果、粒子間の連通孔３５の発生を抑えることができる。   On the other hand, in the manufacturing method of the carbon layer 12 of the present invention, by performing a short-time press with a very weak pressure (pressure when pressing) while heating at a predetermined temperature in the first stage treatment, As shown in FIG. 10, the resin 34 firmly covers the expanded graphite 32 and the graphite particles 33 so that the resin 34 flows into the voids outside the particles. By the pretreatment at the first stage, the porosity in the expanded graphite 32 can be kept high. Subsequently, in the second stage treatment, the second stage press is performed for a long time with a pressure that is stronger than the first stage press but weaker than the conventional one. By this second stage treatment, as shown in FIG. 11, the resin 34 covering the expanded graphite 32 and the graphite particles 33 and the resin flowing in the voids outside the particles can easily fill the voids 36 between the particles. As a result, the generation of the communication holes 35 between the particles can be suppressed.

以下、プレス条件について、原料の粉末混合物３０に含まれる樹脂粉末３４として、熱硬化性樹脂を使用する場合と、熱可塑性樹脂を使用する場合とに分けて説明する。   Hereinafter, the pressing conditions will be described separately for the case of using a thermosetting resin and the case of using a thermoplastic resin as the resin powder 34 contained in the raw material powder mixture 30.

（熱硬化性樹脂を使用する場合）
上記のような配合割合にて調製された原料の粉末混合物３０を、金型１０３に入れて、以下の第一および第二工程を経ることにより、0.4〜2.0mmの厚さのカーボン層１２を得る。
・第一工程：熱硬化性樹脂３４の熱硬化温度より80〜100℃低い温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、カーボン層１２のプレスを行う。 (When using thermosetting resin)
The raw material powder mixture 30 prepared at the blending ratio as described above is put into a mold 103 and subjected to the following first and second steps to form a carbon layer 12 having a thickness of 0.4 to 2.0 mm. obtain.
First step: The carbon layer 12 is pressed at a temperature 80 to 100 ° C. lower than the thermosetting temperature of the thermosetting resin 34 at a pressure of 0 to 0.5 MPa for 1 to 3 minutes.

この温度であれば、熱硬化性樹脂３４の熱硬化温度よりも低く設定しているので、熱硬化は発生せず、樹脂３４の流動性が確保されており、粒子３２，３３をしっかり被覆することが出来る。また、この温度の流動性であれば、粒子間への流れ込みも期待される。   If it is this temperature, since it is set lower than the thermosetting temperature of the thermosetting resin 34, thermosetting does not occur, the fluidity of the resin 34 is ensured, and the particles 32 and 33 are covered firmly. I can do it. In addition, fluidity at this temperature is expected to flow between particles.

上記温度より低い温度の場合、流動性が担保されずに、粒子３２，３３への被覆、粒子間隙への流れ込みが十分でなくなる。このため、二度目のプレス時に連通孔３５が出来る可能性が高まり、連通孔３５から耐食液が金属層１１に流れ込み、導電性が低下する。   When the temperature is lower than the above temperature, the fluidity is not ensured, and the coating on the particles 32 and 33 and the flow into the particle gap are not sufficient. For this reason, the possibility that the communication hole 35 can be formed at the time of the second press increases, and the corrosion-resistant liquid flows into the metal layer 11 from the communication hole 35, and the conductivity is lowered.

また、上記温度よりも高い場合、樹脂３４の硬化が進み、二段階目のプレスが出来なくなる。このため、この場合、１段階のプレスのみで終了するため、連通孔３５の存在確率が高くなり、連通孔３５に腐食液が流れこみ金属層１１を腐食し、セパレータ５の導電性が悪化してしまう。また、フレキシブル性に対しても、少しの衝撃で粒子同士の接着がなくなり、カーボン層１２の形態をなさなくなってしまう。   On the other hand, when the temperature is higher than the above temperature, the curing of the resin 34 proceeds and the second-stage press cannot be performed. For this reason, in this case, since the process is completed with only one stage of press, the existence probability of the communication hole 35 is increased, the corrosive liquid flows into the communication hole 35, corrodes the metal layer 11, and the conductivity of the separator 5 deteriorates. End up. In addition, with respect to flexibility, the particles are not adhered to each other with a slight impact, and the carbon layer 12 is not formed.

プレスの圧力が0〜0.5MPaの範囲内であれば、膨張黒鉛３２の粒子内間隙３７を維持しながら、粒子間の空隙３６を埋めることが出来る。これは樹脂３４が粒子３２，３３をしっかりと被覆、または粒子間の空隙３６に流れることにより粒子間の空隙３６を少なくすることが出来るためである。0.5MPaより大きいと膨張黒鉛３２の粒子内空隙３７を維持することが難しくなる。ここで、第一工程の0Paとは、プレス圧を掛けない場合のことを意味する。   If the press pressure is in the range of 0 to 0.5 MPa, the inter-particle voids 36 can be filled while maintaining the inter-particle gaps 37 of the expanded graphite 32. This is because the voids 36 between the particles can be reduced by the resin 34 firmly covering the particles 32 and 33 or flowing into the voids 36 between the particles. If it exceeds 0.5 MPa, it will be difficult to maintain the intra-particle voids 37 of the expanded graphite 32. Here, 0 Pa in the first step means that no pressing pressure is applied.

保持時間は1〜3分であると粒子３２，３３に樹脂３４が被覆される時間として適当である。３分より長いと、炭素に比べて比重が低い樹脂３７が流れだし、カーボン層１２の上部に集まることで、結果的にカーボン層１２の下部の樹脂比率が低下し、金属層１１との接着性が低下、導電性が低下することにより、接触抵抗が悪化する。1分より短いと樹脂３４が粒子間に流れ出さず、連通孔３５が発生しやすくなる。   A holding time of 1 to 3 minutes is suitable as a time for the particles 32 and 33 to be coated with the resin 34. If it is longer than 3 minutes, the resin 37 having a specific gravity lower than that of the carbon flows out and collects on the upper part of the carbon layer 12, resulting in a decrease in the resin ratio at the lower part of the carbon layer 12 and adhesion to the metal layer 11. As a result, the contact resistance is deteriorated due to a decrease in conductivity and a decrease in conductivity. If it is shorter than 1 minute, the resin 34 does not flow between the particles, and the communication holes 35 are likely to be generated.

・第二工程：第一工程の後、熱硬化性樹脂３４の熱硬化温度±10℃の温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層１２のプレスを行う。熱硬化温度でプレスすることで、樹脂３４の硬化を進めることができる。上記温度範囲より温度が低いと硬化が進まず、流動性を保ったままプレスするために粒子間の閉空孔３６も埋めてしまいセパレータ５のフレキシブル性が低下する。また、熱硬化温度よりも高い温度でプレスすると、硬化が進みすぎてカーボン層１２のフレキシブル性が低下する。 Second step: After the first step, the carbon layer 12 is pressed for 10 to 30 minutes at a thermosetting temperature ± 10 ° C. of the thermosetting resin 34 and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa. By pressing at the thermosetting temperature, the resin 34 can be cured. When the temperature is lower than the above temperature range, the curing does not proceed and the closed pores 36 between the particles are filled to press while maintaining the fluidity, so that the flexibility of the separator 5 is lowered. Moreover, when it presses at temperature higher than thermosetting temperature, hardening will advance too much and the flexibility of the carbon layer 12 will fall.

また、プレス圧力は上記範囲であると、膨張黒鉛３２の粒子内空隙３７を高めたまま、プレスすることができるため、フレキシブル性に富むセパレータ５を提供できる。プレス圧力が低いと粒子間の接着がうまくいかず、セパレータ５の導電性が欠如する。また、プレス圧が高いと粒子内空隙３７及び粒子間の閉空孔３６が潰れてフレキシブル性が低下する。   Moreover, since it can press with the press pressure being the said range, raising the space | gap 37 in the particle | grains of the expanded graphite 32, the separator 5 rich in flexibility can be provided. When the pressing pressure is low, the adhesion between the particles is not good, and the conductivity of the separator 5 is lacking. On the other hand, when the press pressure is high, the inter-particle voids 37 and the closed pores 36 between the particles are crushed and the flexibility is lowered.

保持時間は10分未満であると樹脂の硬化が十分でなく、粒子間が接着せずに機械的強度が低下し、衝撃を加えられた際に、カーボン層１２の形態をなさなくなる。また、30分を超えると樹脂３４の硬化が進みすぎて、カーボン層１２のフレキシブル性が損なわれる。   If the holding time is less than 10 minutes, the resin is not sufficiently cured, the particles do not adhere to each other, the mechanical strength is lowered, and the carbon layer 12 does not form when an impact is applied. Moreover, when it exceeds 30 minutes, hardening of resin 34 will advance too much and the flexibility of the carbon layer 12 will be impaired.

（熱可塑性樹脂を使用する場合）
上記のような配合割合にて調製された原料の粉末混合物３０を、金型１０３に入れて、以下の第一および第二工程を経ることにより、0.4〜2.0mmの厚さのカーボン層１２を得る。
・第一工程：熱可塑性樹脂３４の融点〜融点＋20℃の温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、カーボン層１２のプレスを行う。 (When using thermoplastic resin)
The raw material powder mixture 30 prepared at the blending ratio as described above is put into a mold 103 and subjected to the following first and second steps to form a carbon layer 12 having a thickness of 0.4 to 2.0 mm. obtain.
First step: The carbon layer 12 is pressed at a temperature of the melting point of the thermoplastic resin 34 to the melting point + 20 ° C. and a pressure of 0 to 0.5 MPa for 1 to 3 minutes.

この温度範囲であれば熱可塑性樹脂３４が溶融し、粒子３２，３３の被覆、および、粒子間隙への流れ込みが容易となる。この温度範囲より低いと溶融が十分でないため、粒子３２，３３の被覆、および、粒子間への流れ出しが起こらず、連通孔３５の発生が起きてしまい、耐食性が低下する。また、この温度範囲よりも高い温度であると、溶融物の粘度が下がり、粒子間隙への流れ込みが激しくなり、粒子間の閉空孔３６も埋めてしまい、フレキシブル性が低下する。   Within this temperature range, the thermoplastic resin 34 is melted, and the particles 32 and 33 can be easily coated and flown into the particle gap. If the temperature is lower than this temperature range, the melting is not sufficient, so that the coating of the particles 32 and 33 and the flow-out between the particles do not occur, the communication holes 35 are generated, and the corrosion resistance is lowered. Further, if the temperature is higher than this temperature range, the viscosity of the melt is lowered, the flow into the particle gap becomes intense, the closed pores 36 between the particles are filled, and the flexibility is lowered.

また、プレスの圧力が0〜0.5MPaの範囲内であれば、膨張黒鉛３２の粒子内間隙３７を維持しながら、粒子間の空隙３６を埋めることが出来る。0.5MPaより大きいと膨張黒鉛３２の粒子内間隙３７を維持することが難しくなる。ここで、第一工程の0Paとは、プレス圧を掛けない場合のことを意味する。   Further, if the pressure of the press is in the range of 0 to 0.5 MPa, the gaps 36 between the particles can be filled while maintaining the inter-particle gaps 37 of the expanded graphite 32. If it is larger than 0.5 MPa, it is difficult to maintain the inter-particle gap 37 of the expanded graphite 32. Here, 0 Pa in the first step means that no pressing pressure is applied.

保持時間は1〜3分であると粒子３２，３３に樹脂３４が被覆される時間として適当である。3分より長いと粒子間への流れ込みが起きすぎて粒子間の閉空孔３６も埋めてしまう。1分より短いと樹脂３４が粒子間に流れ出さず、連通孔３５が発生しやすくなる。   A holding time of 1 to 3 minutes is suitable as a time for the particles 32 and 33 to be coated with the resin 34. If it is longer than 3 minutes, the flow between the particles occurs too much and the closed holes 36 between the particles are filled. If it is shorter than 1 minute, the resin 34 does not flow between the particles, and the communication holes 35 are likely to be generated.

・第二工程：第一工程の後、融点より20〜30℃低い温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層１２のプレスを行う。 Second step: After the first step, the carbon layer 12 is pressed for 10 to 30 minutes at a temperature 20 to 30 ° C. lower than the melting point and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa.

この温度範囲でプレスすることで熱可塑性樹脂３４の結晶化度をある程度高めることができ、強度が高いセパレータ５を提供できる。当該温度範囲より高いと融点に近づくため、１段目プレスで作った粒子間の閉空孔３６も樹脂３４で埋めてしまいフレキシブル性が低下する。また、この温度範囲より低いと樹脂３４の結晶化が進まず、強度が低下する。   By pressing in this temperature range, the crystallinity of the thermoplastic resin 34 can be increased to some extent, and the separator 5 having high strength can be provided. If it is higher than the temperature range, it approaches the melting point, and the closed pores 36 between the particles made by the first stage press are also filled with the resin 34, and the flexibility is lowered. On the other hand, if the temperature is lower than this temperature range, the crystallization of the resin 34 does not proceed and the strength decreases.

また、プレス圧力は上記範囲であると、膨張黒鉛３２の粒子内空隙３７を高めたまま、プレスすることができるため、フレキシブル性に富むセパレータ５を提供できる。プレス圧力が低いと粒子間の接着がうまくいかず、導電性が欠如する。また、プレス圧が高いと粒子内空隙３７および粒子間の閉空孔３６が潰れてフレキシブル性が低下する。   Moreover, since it can press with the press pressure being the said range, raising the space | gap 37 in the particle | grains of the expanded graphite 32, the separator 5 rich in flexibility can be provided. When the pressing pressure is low, the adhesion between the particles is not good, and the conductivity is lacking. On the other hand, when the press pressure is high, the intra-particle voids 37 and the closed pores 36 between the particles are crushed and the flexibility is lowered.

保持時間は10分未満であると粒子間が接着せずに機械的強度が低下し、衝撃を加えられた際に、カーボン層１２の形態をなさなくなる。また、30分を超えると樹脂３４の結晶性が進みすぎて脆化し、カーボン層１２のフレキシブル性が低下する。また、粒子間の閉空孔３６も樹脂が埋めてしまい、フレキシブル性が低下する。   If the holding time is less than 10 minutes, the particles do not adhere to each other and the mechanical strength is lowered, and when an impact is applied, the carbon layer 12 does not form. On the other hand, if it exceeds 30 minutes, the crystallinity of the resin 34 proceeds too much and becomes brittle, and the flexibility of the carbon layer 12 is lowered. Also, the closed pores 36 between the particles are filled with the resin, and the flexibility is lowered.

また、樹脂粉末３４として熱可塑性樹脂を使用する場合、以下のプロセスも適用できる。
・第一工程：融点+20℃〜+30℃の温度に加熱しながら膨張黒鉛３２、黒鉛粒子３３および樹脂粉末３４を混練し、膨張黒鉛３２および黒鉛粒子３３の表面に樹脂コーティング層３４を形成する。
・第二工程：樹脂コーティングした膨張黒鉛３２および黒鉛粒子３３を、樹脂３４とともに融点より10〜20℃低い温度に加熱し、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分プレスし、連通孔３５の発生を防ぐ。 Moreover, when using a thermoplastic resin as the resin powder 34, the following processes are also applicable.
First step: The expanded graphite 32, the graphite particles 33 and the resin powder 34 are kneaded while being heated to a melting point of + 20 ° C. to + 30 ° C., and the resin coating layer 34 is formed on the surfaces of the expanded graphite 32 and the graphite particles 33. To do.
Second step: The resin-coated expanded graphite 32 and graphite particles 33 are heated together with the resin 34 to a temperature lower by 10 to 20 ° C. than the melting point, pressed at a pressure of 1.0 to 3.0 MPa for 10 to 30 minutes, and the communication hole 35. Prevent the occurrence of

上記の方法で製造可能なカーボン層１２を含む、金属−炭素複合構造の燃料電池用セパレータ５を製造する方法について説明する。   A method of manufacturing the fuel cell separator 5 having a metal-carbon composite structure including the carbon layer 12 that can be manufactured by the above method will be described.

本発明のセパレータ５は、上記カーボン層１２を製造する際に、金属層１１も一緒に加熱加圧（ホットプレス）して製造する。例えば、膨張黒鉛３２、黒鉛粒子３３および樹脂粉末３４を金型１０３に入れ、接着剤を塗布した金属層１１を入れた後に、両面にカーボン層１２を設ける場合には、さらに膨張黒鉛３２、黒鉛粒子３３および樹脂粉末３４を入れて、上記の１段目のプレスを行う。その後、２段目のプレスを行い、セパレータ５の成型体を形成する。接着剤は、金属層１１の表面に塗布したり、金属層１１に塗布する代わりにカーボン層１２の表面に塗布したり、金属層１１およびカーボン層１２の両部材に塗布したりしてもよい。図１のように金属層が矩形となっており、その形状に合わせてカーボン層が矩形の形状になる場合もあるが、セパレータには様々な形状があり、平板の金属層の上に凹凸形状が付与されたカーボン層が形成されたセパレータも存在する。   The separator 5 of the present invention is manufactured by heating and pressing (hot pressing) the metal layer 11 together when the carbon layer 12 is manufactured. For example, when the carbon layer 12 is provided on both surfaces after the expanded graphite 32, the graphite particles 33 and the resin powder 34 are placed in the mold 103 and the metal layer 11 coated with the adhesive is placed, the expanded graphite 32, graphite The particles 33 and the resin powder 34 are put in and the first stage press is performed. Thereafter, a second-stage press is performed to form a molded body of the separator 5. The adhesive may be applied to the surface of the metal layer 11, or may be applied to the surface of the carbon layer 12 instead of being applied to the metal layer 11, or may be applied to both the metal layer 11 and the carbon layer 12. . The metal layer has a rectangular shape as shown in FIG. 1, and the carbon layer may have a rectangular shape according to the shape. However, the separator has various shapes, and the uneven shape is formed on the flat metal layer. There is also a separator in which a carbon layer provided with is formed.

ホットプレスの際、雄型１０１および／または雌型１０２の加圧面に所定の形状、例えばセパレータ５の溝形状に対応した形状を施しておくことで、セパレータ５のカーボン層１２にガス供給排出用溝６ａ，６ｃ等として機能する凹凸を、反転して形成することができる。すなわち、金属層１１およびカーボン層１２の積層体の成形と、積層体のカーボン層１２に対する溝成形とを同時に行うことができる。   During hot pressing, the pressure surface of the male mold 101 and / or the female mold 102 is provided with a predetermined shape, for example, a shape corresponding to the groove shape of the separator 5, so that the carbon layer 12 of the separator 5 is used for gas supply / discharge. Irregularities that function as the grooves 6a, 6c and the like can be formed by being inverted. That is, the formation of the laminate of the metal layer 11 and the carbon layer 12 and the groove formation of the laminate on the carbon layer 12 can be performed simultaneously.

フレキシブル性の評価として、カーボン層１２の曲げ歪みが1.0%以上で割れが無く、曲げ歪みが1.0%以上でカーボン層が金属層から剥がれないと実用材として良好であると判断した。割れが発生すると、割れた箇所から腐食液が金属層１１に浸漬して、金属層１１が劣化する。その結果、耐食性試験後の接触抵抗が著しく悪化してしまう。また、カーボン層１２と金属層１１が接着しなかった場合、セパレータ５の接触抵抗が耐食性試験前であっても大きくなってしまう。金属層１１とカーボン層１２の金属−炭素複合材とした場合には、曲げ歪みの値が大きくなり、強度が約1.5〜2.0倍大きくなる。   As an evaluation of the flexibility, it was judged that the carbon layer 12 was good as a practical material when the bending strain of the carbon layer 12 was 1.0% or more and there was no crack, and when the bending strain was 1.0% or more and the carbon layer was not peeled off from the metal layer. When cracking occurs, the corrosive liquid is immersed in the metal layer 11 from the cracked portion, and the metal layer 11 deteriorates. As a result, the contact resistance after the corrosion resistance test is significantly deteriorated. Moreover, when the carbon layer 12 and the metal layer 11 do not adhere, the contact resistance of the separator 5 is increased even before the corrosion resistance test. When the metal-carbon composite material of the metal layer 11 and the carbon layer 12 is used, the value of bending strain increases and the strength increases by about 1.5 to 2.0 times.

実施例および比較例において、膨張黒鉛３２は以下のようにして製造した。まず、鱗片状の黒鉛粒子を硫酸と硝酸の混合液中で、16時間撹拌した。鱗片状黒鉛粒子には伊藤黒鉛工業製Z-5F（粒径5μm）、伊藤黒鉛工業製Z-25（粒径25μm）、伊藤黒鉛工業製Z-100（粒径60μm）、伊藤黒鉛工業製XD-100（粒径250μm）を使用した。粒度を変更させることで膨張黒鉛３２の膨張化度を変化させた。次に、得られた黒鉛粒子を蒸留水で洗浄し、続いて1000℃の電気炉中で15秒間熱処理した。レーザー回折式粒度分布測定装置（Malvern製、商品名：MasterSizer2000）を用いて粒度を測定し、所定の粒度でない場合は風力分級装置（日鉄鉱業株式会社製、EJ-LABO）にかけ所望の粒度のものだけを抽出した。   In the examples and comparative examples, the expanded graphite 32 was produced as follows. First, the scaly graphite particles were stirred for 16 hours in a mixed solution of sulfuric acid and nitric acid. The scale-like graphite particles include: Ito Graphite Industry Z-5F (particle size 5μm), Ito Graphite Industry Z-25 (particle size 25μm), Ito Graphite Industry Z-100 (particle size 60μm), Ito Graphite Industry XD -100 (particle size 250 μm) was used. The degree of expansion of the expanded graphite 32 was changed by changing the particle size. Next, the obtained graphite particles were washed with distilled water and subsequently heat-treated in an electric furnace at 1000 ° C. for 15 seconds. The particle size is measured using a laser diffraction particle size distribution measuring device (Malvern, trade name: MasterSizer2000). If the particle size is not the specified particle size, it is applied to an air classifier (Nittetsu Mining Co., Ltd., EJ-LABO) to obtain the desired particle size. Only the ones were extracted.

こうして、使用する鱗片状黒鉛粒子の粒度を変化させ、所望の膨張化度の膨張黒鉛３２を得た。   Thus, expanded graphite 32 having a desired degree of expansion was obtained by changing the particle size of the scaly graphite particles used.

黒鉛粒子３３としては、伊藤黒鉛工業社製 球状黒鉛SGBH（粒径20μm）、伊藤黒鉛工業社製 球状黒鉛SG-BL40（粒径40μm）を使用した。粒度はフリッチュ社製の遊星ボールミル（プレミアムラインP-7）で300rpm×15分で粉砕後、風力分級装置（日鉄鉱業株式会社製、EJ-LABO）にかけ所望の粒度のものだけを抽出した。   As the graphite particles 33, spherical graphite SGBH (particle size 20 μm) manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd. and spherical graphite SG-BL40 (particle size 40 μm) manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd. were used. The particle size was crushed at 300 rpm × 15 minutes with a planetary ball mill (Premium Line P-7) manufactured by Fritsch, and then subjected to an air classifier (EJ-LABO, manufactured by Nippon Steel Mining Co., Ltd.) to extract only particles having a desired particle size.

樹脂粉末３４として、熱硬化性樹脂はリグナイト株式会社製 フェノール樹脂（商品名：LPS-50S、硬化温度180℃）を使用し、熱可塑性樹脂は株式会社セイシン企業製ポリプロピレン樹脂（PP）、（商品名：PPW-5、融点160℃）を使用した。   As the resin powder 34, a thermosetting resin is a phenol resin (trade name: LPS-50S, curing temperature 180 ° C.) manufactured by Lignite Co., Ltd., and a thermoplastic resin is a polypropylene resin (PP) manufactured by Seishin Corporation (product) Name: PPW-5, melting point 160 ° C.).

上記の膨張黒鉛３２、黒鉛粒子３３および樹脂粉末３４を所定の割合となるように混合し、プレス装置１００の金型内に充填後、接着剤を塗布した金属板１１を上記混合粉末の上に積層した後、さらに混合粉末を金属層１１の上にのせて以下の条件でプレスしてセパレータ５を製造した。この時、1.0cmピッチで深さ0.1mm×幅0.5mmの溝が形成されるように、金型を選定した。   The expanded graphite 32, the graphite particles 33, and the resin powder 34 are mixed at a predetermined ratio, filled in the mold of the press apparatus 100, and then the metal plate 11 coated with an adhesive is placed on the mixed powder. After the lamination, the mixed powder was further placed on the metal layer 11 and pressed under the following conditions to produce the separator 5. At this time, the mold was selected so that a groove having a depth of 0.1 mm and a width of 0.5 mm was formed at a pitch of 1.0 cm.

金属箔（金属層）１１の金属種は、Ｔｉとした。   The metal species of the metal foil (metal layer) 11 was Ti.

炭素粉末３１と樹脂粉末３４の体積比、膨張黒鉛３２の膨張化度、カーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２と膨張黒鉛３２以外の黒鉛３３を含む炭素粒子全体に対する膨張黒鉛３２の体積比率、カーボン層に含まれる膨張黒鉛３２の平均粒径、および、カーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２以外の黒鉛３３の平均粒径を変化させた。粒径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（Malvern製、商品名：MasterSizer2000）を用いて測定した。この時、D50（累積50質量%粒径）の値を平均粒径とした。   The volume ratio of the carbon powder 31 and the resin powder 34, the degree of expansion of the expanded graphite 32, the volume ratio of the expanded graphite 32 to the entire carbon particles including the expanded graphite 32 and the graphite 33 other than the expanded graphite 32 contained in the carbon layer 12, carbon The average particle diameter of the expanded graphite 32 contained in the layer and the average particle diameter of the graphite 33 other than the expanded graphite 32 contained in the carbon layer 12 were changed. The particle size was measured using a laser diffraction type particle size distribution measuring device (Malvern, trade name: MasterSizer2000). At this time, the value of D50 (cumulative 50% by mass particle size) was defined as the average particle size.

カーボン層１２のＩＳＯ透気度の値は、ガーレー試験機２０によるガーレー試験（ＪＩＳ Ｐ ８１１７）によって求めた。また、透気度を求める際、使用する樹脂、プレス条件はカーボン−金属複合体を形成する際のものと同様にしてカーボン層１２のみ作製した。試験片には5cm×5cmのガス流路となる溝が形成されていないカーボン層（平板）１２を使用した。   The value of the ISO air permeability of the carbon layer 12 was obtained by a Gurley test (JIS P 8117) using the Gurley tester 20. Moreover, when calculating | requiring air permeability, only the carbon layer 12 was produced like the resin and press conditions to be used when forming a carbon-metal composite. As the test piece, a carbon layer (flat plate) 12 having no grooves for forming a gas flow path of 5 cm × 5 cm was used.

ＪＩＳに準拠するため、試験片の厚さは0.7〜1mmとした。本発明のセパレータ５では、カーボン層１２の厚さを0.4〜2.0mmとしているが、試験片の厚さの場合と相関関係がとれていることを確認した。   In order to comply with JIS, the thickness of the test piece was set to 0.7 to 1 mm. In the separator 5 of the present invention, the thickness of the carbon layer 12 is 0.4 to 2.0 mm, and it was confirmed that there is a correlation with the thickness of the test piece.

カーボン層１２に存在する粒子間の閉空孔３６と空孔３７の体積の割合（空孔度）は、使用する黒鉛３１および樹脂３４の真比重とサンプルの密度から計算によって求めた。   The volume ratio (porosity) of the closed pores 36 and the pores 37 between the particles present in the carbon layer 12 was obtained by calculation from the true specific gravity of the graphite 31 and the resin 34 to be used and the density of the sample.

曲げ強度の測定は、カーボン層１２から幅5.0mm×長さ50.0mm（厚み約1mm程度）の大きさの試験片を切り出し、ＪＩＳ Ｋ７１７１に準拠して応力−歪み曲線を測定し、歪みが1.0%の時に試験片が破壊するかしないかを調べ、1.0%歪みで破壊しない場合は良好であるとして「○」、1.0%歪みで破壊した場合は実用できないとして「×」とした。   The bending strength was measured by cutting out a test piece having a size of 5.0 mm in width and 50.0 mm in length (about 1 mm in thickness) from the carbon layer 12, measuring a stress-strain curve according to JIS K7171, and having a strain of 1.0. The test piece was examined to see if it was broken or not. When it was not broken at 1.0% strain, it was rated as “Good”, and when it was broken at 1.0% strain, it was marked as “X”.

耐食性試験は、サンプルに対して、2ppmのＦイオンを含んだ80℃のpH3の硫酸溶液中にて４日間浸漬して行う。   The corrosion resistance test is performed by immersing the sample in a sulfuric acid solution at 80 ° C. and pH 3 containing 2 ppm of F ions for 4 days.

耐食性試験後の接触抵抗を測定した。まず、カーボン層１２から長さ17〜20mm、幅3〜5mmの試験片を切り出し、試験材Ｓとした。試験材Ｓとカーボンペーパ（東レ株式会社：商品名「TG-P-H-120」）３０１と重ね、これを２つの金メッキ銅製金具３０２を用いて所定の圧力（1MPa）で挟み込む。２つの金メッキ銅製金具３０２の間に、試験材Ｓ／カーボンペーパ３０１の接触面積値（単位：cm2）と同じ値の直流電流（単位：A）を電源３０３により流して、金メッキ銅製金具３０２／カーボンペーパ３０１／試験材Ｓの接続部に生じる電圧降下（単位：mΩ・cm2）を測定し、これを接触抵抗とした。接触抵抗が10mΩ・cm2未満である場合は良好であるとして「○」、10mΩ・cm2以上20mΩ・cm2未満である場合は改良が必要であるとして「△」、20mΩ・cm2以上である場合は実用できないとして「×」とした。 The contact resistance after the corrosion resistance test was measured. First, a test piece having a length of 17 to 20 mm and a width of 3 to 5 mm was cut out from the carbon layer 12 to obtain a test material S. The test material S and carbon paper (Toray Industries, Inc .: trade name “TG-PH-120”) 301 are overlapped and sandwiched by two gold-plated copper fittings 302 at a predetermined pressure (1 MPa). A direct current (unit: A) having the same value as the contact area value (unit: cm 2 ) of the test material S / carbon paper 301 is caused to flow between the two gold-plated copper fittings 302 by the power source 303, thereby A voltage drop (unit: mΩ · cm 2 ) generated at the connection portion of the carbon paper 301 / test material S was measured, and this was defined as contact resistance. If the contact resistance is less than 10 mΩ · cm 2 , “Good”, and if it is 10 mΩ · cm 2 or more and less than 20 mΩ · cm 2 , “△”, 20 mΩ · cm 2 or more In some cases, “x” was given as impractical.

1.0%歪み曲げ強度および耐食性試験後の接触抵抗の両方が「○」である場合は実用できるとして総合評価を「○」、曲げ強度は「○」であるが接触抵抗が「△」である場合は比較的良好であるとして総合評価を「△」、曲げ強度と接触抵抗のいずれか１つでも「×」である場合は実用できないとして総合評価を「×」とした。   When both 1.0% strain bending strength and contact resistance after corrosion resistance test are "○", the overall evaluation is "○", the bending strength is "○", but the contact resistance is "△" Was evaluated as “Δ”, and if any one of bending strength and contact resistance was “x”, the overall evaluation was “x” because it was not practical.

＜実施例１〜１５および比較例１〜１７＞
表１に、本発明に係る燃料電池用セパレータの評価結果と比較例を示す。 <Examples 1-15 and Comparative Examples 1-17>
Table 1 shows the evaluation results and comparative examples of the fuel cell separator according to the present invention.

実施例１〜１５における２段階プレスの場合、樹脂としてフェノール樹脂（熱硬化性樹脂、熱硬化温度180℃）を用い、温度100℃、圧力0.3MPa、時間2分でプレス後、温度100℃、圧力2.0MPa、時間20分でプレスした。   In the case of the two-stage press in Examples 1 to 15, a phenol resin (thermosetting resin, thermosetting temperature 180 ° C.) is used as the resin, the temperature is 100 ° C., the pressure is 0.3 MPa, the press is performed for 2 minutes, the temperature is 100 ° C., Pressing was performed at a pressure of 2.0 MPa and a time of 20 minutes.

１段目プレスを行わず、２段目プレス圧力が大きい比較例１は、カーボン層の空孔度が21%未満であり、総合評価が「×」であった。同じく１段目プレスを行わず、２段目プレス圧力を抑えた比較例２は、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きく、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 1 in which the first-stage pressing was not performed and the second-stage pressing pressure was large, the porosity of the carbon layer was less than 21%, and the overall evaluation was “x”. Similarly, in Comparative Example 2 in which the first-stage press was not performed and the second-stage press pressure was suppressed, the ISO air permeability was larger than 0.1 μm / (Pa · s), and the overall evaluation was “x”.

炭素粉末（炭素粒子）３１と樹脂３４の体積比が炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1である実施例１〜３は、カーボン層１２に存在する粒子間の閉空孔３６と空孔３７の体積の割合（カーボン層１２の空孔度）が21〜41%であり、ＩＳＯ透気度が0〜0.1μm/(Pa・s)であり、1.0％歪み曲げ強度と耐食性試験後の接触抵抗の両方の評価結果が良好であり、総合評価が「○」であった。炭素粉末の割合を大きくした比較例３〜４は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「△」または「×」であった。炭素粉末の割合を小さくした比較例６は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、総合評価が「×」であった。   In Examples 1 to 3, in which the volume ratio of the carbon powder (carbon particles) 31 and the resin 34 is carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1, the closed pores 36 between the particles existing in the carbon layer 12 and the voids are present. The volume ratio of the holes 37 (the porosity of the carbon layer 12) is 21 to 41%, the ISO air permeability is 0 to 0.1 μm / (Pa · s), and after 1.0% strain bending strength and corrosion resistance test Both of the evaluation results of the contact resistance were good, and the overall evaluation was “◯”. In Comparative Examples 3 to 4 in which the ratio of the carbon powder was increased, the porosity of the carbon layer 12 was larger than 41%, and the ISO air permeability was larger than 0.1 μm / (Pa · s). Δ ”or“ × ”. In Comparative Example 6 in which the proportion of the carbon powder was reduced, the porosity of the carbon layer 12 was less than 21%, and the overall evaluation was “x”.

カーボン層１２の厚みが0.4〜2.0mmの範囲内である実施例４および５は総合評価が「○」であり、該範囲外である比較例７および８は、1.0％歪み曲げ強度が「×」であり、総合評価が「×」であった。   In Examples 4 and 5 in which the thickness of the carbon layer 12 is in the range of 0.4 to 2.0 mm, the overall evaluation is “◯”, and in Comparative Examples 7 and 8 outside the range, the 1.0% strain bending strength is “×”. The overall evaluation was “x”.

炭素粉末３１に含まれる膨張黒鉛３２の容積の膨張化度が100〜400である実施例６〜８は、総合評価が「○」であった。膨張化度が100よりも小さい比較例９は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、総合評価が「×」であった。膨張化度が400よりも大きい比較例１０は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「△」であった。   In Examples 6 to 8 in which the degree of expansion of the volume of the expanded graphite 32 contained in the carbon powder 31 is 100 to 400, the overall evaluation was “◯”. In Comparative Example 9 in which the degree of expansion was less than 100, the porosity of the carbon layer 12 was less than 21%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 10 having a degree of expansion greater than 400, the porosity of the carbon layer 12 is greater than 41%, and the ISO air permeability is greater than 0.1 μm / (Pa · s). "Met.

カーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２の体積比率が炭素粒子全体に対して6〜55%である実施例９および１０は、ＩＳＯ透気度を低く抑えつつ、空孔度が大きくなり、優れたフレキシブル性と耐食性を両立し、総合評価が「○」であった。該体積比率が6%よりも小さい比較例１１は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、総合評価が「×」であった。該体積比率が55%よりも大きい比較例１２は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。   In Examples 9 and 10 in which the volume ratio of the expanded graphite 32 contained in the carbon layer 12 is 6 to 55% with respect to the entire carbon particles, the porosity is increased and the ISO air permeability is kept low, which is excellent. Both the flexibility and corrosion resistance were achieved, and the overall evaluation was “◯”. In Comparative Example 11 in which the volume ratio was smaller than 6%, the porosity of the carbon layer 12 was smaller than 21%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 12 in which the volume ratio is greater than 55%, the porosity of the carbon layer 12 is greater than 41%, and the ISO air permeability is greater than 0.1 μm / (Pa · s). X ".

カーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２の粒径が0.1〜10μmであり、カーボン層１２に含まれる膨張黒鉛３２以外の黒鉛３３の粒径が1〜25μmである実施例１１〜１５は、カーボン層１２内に粒子が充填しやすく、粒子間の閉空孔３６と連通孔３５を制御しやすくすることで、優れたフレキシブル性と耐食性を両立し、総合評価が「○」であった。黒鉛３３の粒径が1μmよりも小さい比較例１３は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。黒鉛３３の粒径が25μmよりも大きい比較例１４はＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、同じく比較例１５は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、それぞれ総合評価が「×」であった。膨張黒鉛３２の粒径が0.1μmよりも小さい比較例１６は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、該粒径が10μmよりも大きい比較例１７は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きくなり、それぞれ総合評価が「×」であった。   Examples 11 to 15 in which the particle size of the expanded graphite 32 contained in the carbon layer 12 is 0.1 to 10 μm and the particle size of the graphite 33 other than the expanded graphite 32 contained in the carbon layer 12 is 1 to 25 μm The particles 12 were easily filled with particles, and the closed pores 36 and the communication holes 35 between the particles were easily controlled to achieve both excellent flexibility and corrosion resistance, and the overall evaluation was “◯”. In Comparative Example 13 in which the particle size of the graphite 33 is smaller than 1 μm, the porosity of the carbon layer 12 is larger than 41%, and the ISO air permeability is larger than 0.1 μm / (Pa · s). It was “x”. In Comparative Example 14 in which the particle diameter of graphite 33 is larger than 25 μm, the ISO air permeability is larger than 0.1 μm / (Pa · s), and in Comparative Example 15, the porosity of the carbon layer 12 is more than 41%. The ISO air permeability was larger than 0.1 μm / (Pa · s), and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 16 in which the particle diameter of the expanded graphite 32 is smaller than 0.1 μm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and in the Comparative Example 17 in which the particle diameter is larger than 10 μm, the porosity of the carbon layer 12 is larger. The degree was higher than 41%, and the overall evaluation was “x”.

＜実施例１６〜２７および比較例１８〜２８＞
実施例１６〜２７および比較例１８〜２８では、樹脂としてフェノール樹脂（熱硬化性樹脂）を用い、１段目プレスおよび２段目プレスのそれぞれの圧力、温度、時間を変化させてセパレータ５を作製した。 <Examples 16 to 27 and Comparative Examples 18 to 28>
In Examples 16 to 27 and Comparative Examples 18 to 28, a phenol resin (thermosetting resin) is used as the resin, and the pressure, temperature, and time of the first stage press and the second stage press are changed, and the separator 5 is changed. Produced.

表２に、本発明に係る燃料電池用セパレータの評価結果と比較例を示す。   Table 2 shows the evaluation results and comparative examples of the fuel cell separator according to the present invention.

熱硬化性樹脂の熱硬化温度（180℃）より80〜100℃低い温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、カーボン層１２の１段目プレスを行い、熱硬化性樹脂の熱硬化温度±10℃の温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層１２の２段目プレスを行った実施例１および１６〜２７は、カーボン層１２の厚みが0.40〜2.0mmであり、カーボン層１２の空孔度が21〜41%であり、ＩＳＯ透気度が0〜0.1μm/(Pa・s)であり、1.0％歪み曲げ強度と耐食性試験後の接触抵抗の両方の評価結果が良好となり、総合評価が「○」であった。   The first heat pressing of the carbon layer 12 is performed for 1 to 3 minutes at a pressure of 0 to 0.5 MPa at a temperature 80 to 100 ° C. lower than the thermosetting temperature (180 ° C.) of the thermosetting resin. In Examples 1 and 16 to 27 in which the second-stage pressing of the carbon layer 12 was performed at a curing temperature of ± 10 ° C. and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa for 10 to 30 minutes, the thickness of the carbon layer 12 was 0.40 to 2.0. mm, the porosity of the carbon layer 12 is 21 to 41%, the ISO air permeability is 0 to 0.1 μm / (Pa · s), 1.0% strain bending strength and contact resistance after corrosion resistance test Both evaluation results were good and the overall evaluation was “◯”.

１段目プレス圧力が0.5MPaよりも大きい比較例１８は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 18 where the first-stage press pressure is larger than 0.5 MPa, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and the overall evaluation is “x”. there were.

１段目プレス温度が熱硬化性樹脂の熱硬化温度（180℃）より80〜100℃低い温度の範囲外である比較例１９および２０は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Examples 19 and 20 in which the first stage press temperature is outside the range of 80 to 100 ° C. lower than the thermosetting temperature (180 ° C.) of the thermosetting resin, the porosity of the carbon layer 12 is greater than 41%. The ISO air permeability was higher than 0.1 μm / (Pa · s), and the overall evaluation was “x”.

１段目プレスの保持時間が1〜3分の範囲外である比較例２１および２２は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Examples 21 and 22 in which the holding time of the first stage press is outside the range of 1 to 3 minutes, the porosity of the carbon layer 12 is larger than 41%, and the ISO air permeability is 0.1 μm / (Pa · s). ) And the overall rating was “x”.

２段目プレス圧力が1.0MPaよりも小さい比較例２３は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。２段目プレス圧力が3.0MPaよりも大きい比較例２４は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなって、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 23 where the second-stage press pressure was less than 1.0 MPa, the porosity of the carbon layer 12 was greater than 41%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 24 in which the second-stage press pressure is larger than 3.0 MPa, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and the ISO air permeability is 0.1 μm. It became larger than / (Pa · s), and the comprehensive evaluation was “×”.

２段目プレス温度が熱硬化性樹脂の熱硬化温度±10℃の温度よりも低い比較例２５は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、総合評価が「×」であった。２段目プレス温度が熱硬化性樹脂の熱硬化温度±10℃の温度よりも高い比較例２６は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 25 in which the second-stage press temperature is lower than the thermosetting temperature ± 10 ° C. of the thermosetting resin, the porosity of the carbon layer 12 is less than 21%, and the overall evaluation is “x”. . In Comparative Example 26 in which the second-stage press temperature is higher than the thermosetting temperature ± 10 ° C. of the thermosetting resin, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, and the porosity of the carbon layer 12 is more than 21%. The overall evaluation was “x”.

２段目プレスの保持時間が10分よりも短い比較例２７は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さく、総合評価が「×」であった。２段目プレスの保持時間が30分よりも長い比較例２８は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 27 in which the holding time of the second stage press was shorter than 10 minutes, the porosity of the carbon layer 12 was smaller than 21%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 28 in which the holding time of the second stage press is longer than 30 minutes, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and the comprehensive evaluation is “× "Met.

＜実施例２８〜４０および比較例２９〜３９＞
実施例２８〜４０および比較例２９〜３９では、樹脂としてポリプロピレン（熱可塑性樹脂、融点160℃）を用い、１段目プレスおよび２段目プレスのそれぞれの圧力、温度、時間を変化させてセパレータ５を作製した。 <Examples 28 to 40 and Comparative Examples 29 to 39>
In Examples 28 to 40 and Comparative Examples 29 to 39, polypropylene (thermoplastic resin, melting point 160 ° C.) was used as the resin, and the pressure, temperature, and time of each of the first stage press and the second stage press were changed to separate the separators. 5 was produced.

表３に、本発明に係る燃料電池用セパレータの評価結果と比較例を示す。   Table 3 shows the evaluation results and comparative examples of the fuel cell separator according to the present invention.

熱可塑性樹脂の融点（160℃）〜融点＋20℃の温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、カーボン層の１２の１段目プレスを行い、熱可塑性樹脂の融点より10〜20℃低い温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層１２の２段目プレスを行った実施例２８〜４０は、カーボン層１２の厚みが0.40〜2.0mmであり、カーボン層１２の空孔度が21〜41%であり、ＩＳＯ透気度が0〜0.1μm/(Pa・s)であり、1.0％歪み曲げ強度と耐食性試験後の接触抵抗の両方の評価結果が良好となり、総合評価が「○」であった。   The first-stage press of the carbon layer is performed for 1 to 3 minutes at a temperature of melting point (160 ° C.) to melting point + 20 ° C. of the thermoplastic resin at a pressure of 0 to 0.5 MPa, and 10 to 20 from the melting point of the thermoplastic resin. In Examples 28 to 40 in which the second-stage pressing of the carbon layer 12 was performed at a low temperature of ℃ and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa for 10 to 30 minutes, the thickness of the carbon layer 12 was 0.40 to 2.0 mm. The porosity of 12 is 21-41%, the ISO air permeability is 0-0.1μm / (Pa · s), and the evaluation results of both 1.0% strain bending strength and contact resistance after corrosion resistance test are good The overall evaluation was “◯”.

１段目プレス圧力が0.5MPaよりも大きい比較例２９は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 29 in which the first-stage press pressure is larger than 0.5 MPa, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and the overall evaluation is “x”. there were.

１段目プレス温度が熱可塑性樹脂の融点（160℃）〜融点＋20℃の温度の範囲よりも低い温度である比較例３０は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。１段目プレス温度が該温度の範囲よりも高い温度である比較例３１は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 30, in which the first-stage press temperature is lower than the temperature range of the melting point (160 ° C.) to the melting point + 20 ° C. of the thermoplastic resin, the porosity of the carbon layer 12 is greater than 41%, The temperament was higher than 0.1 μm / (Pa · s), and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 31, in which the first-stage press temperature was higher than the temperature range, the porosity of the carbon layer 12 was less than 21%, and the overall evaluation was “x”.

１段目プレスの保持時間が1分よりも短い比較例３２は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。１段目プレスの保持時間が3分よりも長い比較例３３は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 32 in which the holding time of the first stage press is shorter than 1 minute, the porosity of the carbon layer 12 is larger than 41%, and the ISO air permeability is larger than 0.1 μm / (Pa · s). The overall evaluation was “x”. In Comparative Example 33 in which the holding time of the first stage press was longer than 3 minutes, the porosity of the carbon layer 12 was smaller than 21%, and the overall evaluation was “x”.

２段目プレス圧力が1.0MPaよりも小さい比較例３４は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きくなり、総合評価が「×」であった。２段目プレス圧力が3.0MPaよりも大きい比較例３５は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなって、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 34 in which the second-stage press pressure was smaller than 1.0 MPa, the porosity of the carbon layer 12 was larger than 41%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 35 where the second-stage press pressure is larger than 3.0 MPa, the thickness of the carbon layer 12 is smaller than 0.4 mm, the porosity of the carbon layer 12 is smaller than 21%, and the ISO air permeability is 0.1 μm. It became larger than / (Pa · s), and the comprehensive evaluation was “×”.

２段目プレス温度が熱可塑性樹脂の融点より10〜20℃低い温度よりも低い比較例３６は、ＩＳＯ透気度が0.1μm/(Pa・s)よりも大きくなって、総合評価が「×」であった。２段目プレス温度が熱可塑性樹脂の融点より10〜20℃低い温度よりも高い比較例３７は、カーボン層１２の厚みが0.4mmよりも小さく、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 36 in which the second-stage press temperature is lower than the temperature lower by 10 to 20 ° C. than the melting point of the thermoplastic resin, the ISO air permeability becomes higher than 0.1 μm / (Pa · s), and the comprehensive evaluation is “× "Met. In Comparative Example 37, in which the second stage press temperature is higher than the temperature lower by 10 to 20 ° C. than the melting point of the thermoplastic resin, the thickness of the carbon layer 12 is less than 0.4 mm, and the porosity of the carbon layer 12 is less than 21%. The overall evaluation was “x”.

２段目プレスの保持時間が10分よりも短い比較例３８は、カーボン層１２の空孔度が41%よりも大きく、総合評価が「×」であった。２段目プレスの保持時間が30分よりも長い比較例３９は、カーボン層１２の空孔度が21%よりも小さくなり、総合評価が「×」であった。   In Comparative Example 38 where the holding time of the second stage press was shorter than 10 minutes, the porosity of the carbon layer 12 was greater than 41%, and the overall evaluation was “x”. In Comparative Example 39 in which the holding time of the second-stage press was longer than 30 minutes, the porosity of the carbon layer 12 was smaller than 21%, and the overall evaluation was “x”.

５ 燃料電池用セパレータ
１１ 金属層（金属箔）
１２ カーボン層
２０ ガーレー試験機
３１ 炭素粉末（炭素粒子）
３２ 膨張黒鉛
３３ 黒鉛粒子（黒鉛）
３４ 樹脂（樹脂粒子，樹脂粉末，熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂）
３６ 粒子間の閉空孔（カーボン層に存在する空孔）
３７ 膨張黒鉛内の空孔（カーボン層に存在する空孔） 5 Fuel cell separator 11 Metal layer (metal foil)
12 Carbon layer 20 Gurley testing machine 31 Carbon powder (carbon particles)
32 Expanded graphite 33 Graphite particles (graphite)
34 Resin (resin particles, resin powder, thermosetting resin, thermoplastic resin)
36 Closed pores between particles (holes in the carbon layer)
37 Holes in expanded graphite (holes in the carbon layer)

Claims (8)

金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を有する燃料電池用セパレータであって、
該カーボン層に存在する空孔の体積の割合が21〜41％であり、
該カーボン層のガーレー試験機による透気度測定において求められるＩＳＯ透気度の値が0〜0.1μm/(Pa・s)であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。 A separator for a fuel cell having a carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and resin are mixed in a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 on both surfaces or one surface of a metal foil. And
The volume ratio of pores present in the carbon layer is 21-41%,
A fuel cell separator characterized by having an ISO air permeability value of 0 to 0.1 μm / (Pa · s) determined by measuring the air permeability of the carbon layer with a Gurley tester. 前記炭素粉末には容積の膨張化度が100〜400である膨張黒鉛が配合され、
前記カーボン層に含まれる前記膨張黒鉛の体積比率が炭素粒子全体に対して6〜55％である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。 The carbon powder is blended with expanded graphite having a volume expansion degree of 100 to 400,
The fuel cell separator according to claim 1, wherein the volume ratio of the expanded graphite contained in the carbon layer is 6 to 55% with respect to the entire carbon particles. 前記カーボン層に含まれる膨張黒鉛の粒径が0.1〜10μmであり、
前記カーボン層に含まれる膨張黒鉛以外の黒鉛の粒径が1〜25μmである請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。 The expanded graphite contained in the carbon layer has a particle size of 0.1 to 10 μm,
The fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein the particle size of graphite other than expanded graphite contained in the carbon layer is 1 to 25 µm. 金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と熱硬化性樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を設ける請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該カーボン層の製造方法が、
前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度より80〜100℃低い温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、該カーボン層のプレスを行う第一工程と、
第一工程の後、前記熱硬化性樹脂の熱硬化温度±10℃の温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層のプレスを行う第二工程と
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 2. A carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and thermosetting resin are mixed at a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 is provided on both surfaces or one surface of the metal foil. A fuel cell separator manufacturing method according to claim 1,
The method for producing the carbon layer comprises:
A first step of pressing the carbon layer for 1-3 minutes at a temperature lower than the thermosetting temperature of the thermosetting resin by 80 to 100 ° C. and a pressure of 0 to 0.5 MPa;
After the first step, it has a second step of pressing the carbon layer for 10 to 30 minutes at a temperature of the thermosetting resin ± 10 ° C. and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa. A method for producing a fuel cell separator. 金属箔の両面又は片面に、炭素粉末と熱可塑性樹脂を体積比で炭素粉末：樹脂粉末＝6：4〜9：1にて配合した厚さ0.4〜2.0mmのカーボン層を設ける請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該カーボン層の製造方法が、
前記熱可塑性樹脂の融点〜融点＋20℃の温度、0〜0.5MPaの圧力で、1〜3分、該カーボン層のプレスを行う第一工程と、
第一工程の後、前記熱可塑性樹脂の融点より10〜20℃低い温度、1.0〜3.0MPaの圧力で、10〜30分、カーボン層のプレスを行う第二工程と
を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。 2. A carbon layer having a thickness of 0.4 to 2.0 mm in which carbon powder and a thermoplastic resin are mixed in a volume ratio of carbon powder: resin powder = 6: 4 to 9: 1 is provided on both surfaces or one surface of the metal foil. A method for producing a fuel cell separator comprising:
The method for producing the carbon layer comprises:
A first step of pressing the carbon layer for 1 to 3 minutes at a temperature of a melting point of the thermoplastic resin to a melting point of + 20 ° C. and a pressure of 0 to 0.5 MPa;
After the first step, the second step of pressing the carbon layer for 10 to 30 minutes at a temperature lower than the melting point of the thermoplastic resin by 10 to 20 ° C. and a pressure of 1.0 to 3.0 MPa. A method for producing a separator for a fuel cell. 原料の前記炭素粉末が、粒径が0.1〜10μmの膨張黒鉛と粒径が1〜25μmの黒鉛からなるものである請求項４又は５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   6. The method for producing a fuel cell separator according to claim 4, wherein the carbon powder as a raw material is composed of expanded graphite having a particle size of 0.1 to 10 [mu] m and graphite having a particle size of 1 to 25 [mu] m. 前記膨張黒鉛の膨張化度が100〜400である請求項６記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 6, wherein the expanded graphite has an expansion degree of 100 to 400. 前記炭素粉末が、前記膨張黒鉛を6〜55体積％含むものである請求項６又は７記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   The method for producing a fuel cell separator according to claim 6 or 7, wherein the carbon powder contains 6 to 55 vol% of the expanded graphite.
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