JP2019204601A

JP2019204601A - 燃料電池用セパレータ

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Publication number: JP2019204601A
Application number: JP2018097263A
Authority: JP
Inventors: 昭紘小泉; Akihiro Koizumi; 鈴木　勤; Tsutomu Suzuki; 勤鈴木; 勝米山; Masaru Yoneyama; 岡田　晃; Akira Okada; 晃岡田
Original assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Polymer Co Ltd; Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2018-05-21
Filing date: 2018-05-21
Publication date: 2019-11-28

Abstract

【課題】高い機械的強度や導電性を確保しつつ、優れた熱的寸法安定性により、例え高温域で使用されても、熱膨張率を抑制できる燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】樹脂と黒鉛の混合組成物からなる燃料電池用セパレータ１であり、樹脂がポリフェニレンスルフィド系樹脂であるとともに、黒鉛が球状黒鉛であり、ポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して球状黒鉛が８００質量部以上３２００質量部以下含有される。燃料電池用セパレータ１が低熱膨張性なので、例え燃料電池が１８０℃付近で運転される高温タイプでも、燃料電池の作動温度環境下での燃料電池用セパレータ１の膨張による寸法変化により、締め付け荷重の増大で燃料電池や燃料電池用セパレータ１に破損が生じるのを防止できる。【選択図】図１

Description

本発明は、室温から１８０℃付近までの温度域で使用される燃料電池用セパレータに関し、特に１８０℃付近の高温域で使用される燃料電池用セパレータに関するものである。

従来における燃料電池は、図示しないが、多数の単位セルが数十枚〜数百枚積層されることによりスタック構造に構成され、所定の温度域で運転される。各単位セルは、電解質膜を備え、この電解質膜が複数の電極板に挟持され、各電極板の外側に燃料電池用セパレータが配置されており、枚数の増加により燃料電池が高出力を実現する（特許文献１参照）。

特許第４６６００８２号公報

ところで、燃料電池には、８０℃付近の作動温度下で使用されるものが存在する一方で、１８０℃付近までの比較的高温の作動温度下で使用されるもの（以下、高温タイプと記載することがある）がある。燃料電池が高温タイプの場合、燃料電池用セパレータには、高い機械的強度や導電性の他、１８０℃付近の高温域においても、優れた熱的寸法安定性（低熱膨張性）が強く求められる。

この熱的寸法安定性（低熱膨張性）について詳しく説明すると、燃料電池が高温タイプの場合、燃料電池用セパレータの熱膨張率が大きいと、運転時の高温度環境により、個々の燃料電池用セパレータの寸法が大きくなり、締め付け荷重が増大して燃料電池や燃料電池用セパレータに破損が生じやすくなる。また、燃料電池の作動温度の環境下で燃料電池用セパレータの熱膨張率が大きいと、スタック構造に組み付けた後における単位セル間の密着性に悪影響が生じ、接触電気抵抗にバラツキが生じ、その結果、燃料電池の発電効率の低下を招くこととなる。

本発明は上記に鑑みなされたもので、高い機械的強度や導電性を確保しつつ、優れた熱的寸法安定性により、例え高温域で使用されても、熱膨張率を抑制することのできる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。

本発明においては上記課題を解決するため、樹脂と黒鉛の混合組成物からなるセパレータであって、
樹脂がポリフェニレンスルフィド系樹脂であるとともに、黒鉛が球状黒鉛であり、ポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して球状黒鉛が８００質量部以上３２００質量部以下含有されることを特徴としている。

なお、熱機械分析法により測定された２３℃以上１８０℃以下の厚み方向の熱膨張率が４０×１０^−６Ｋ^−１未満で、かつ面方向の熱膨張率が１０×１０^−６Ｋ^−１未満であることが好ましい。
また、ＪＩＳＫ７１７１の測定方法に基づく曲げ強度が３０ＭＰａ以上、曲げ弾性率が１５ＧＰａ以上であることが好ましい。
また、ポリフェニレンスルフィド系樹脂の分子構造が直鎖型であると良い。

ここで、特許請求の範囲における燃料電池用セパレータは、表裏両面に流体用の複数の流路を並べ備えた板、連続した断面略波形の屈曲板等とすることができる。この燃料電池用セパレータは、２３℃（室温）から１８０℃付近、好ましくは１００℃から１８０℃付近、より好ましくは１５０℃から１８０℃付近、さらに好ましくは１７０℃から１８０℃付近で使用可能である。

本発明によれば、燃料電池用セパレータの熱膨張率が従来よりも低く、燃料電池用セパレータが低熱膨張性なので、例え燃料電池が高温タイプでも、熱によりスタック構造全体が大きくなることが少ない。

本発明によれば、燃料電池用セパレータの熱膨張率が従来よりも低く、燃料電池用セパレータが低膨張性なので、例え燃料電池の高温作動時においても、熱によるスタックの寸法変化を小さく抑え、燃料電池や燃料電池用セパレータの破損を防ぐことができるという効果がある。

請求項２記載の発明によれば、燃料電池用セパレータに優れた熱的寸法安定性、換言すれば、低熱膨張性を付与することができるので、熱により燃料電池のスタックの寸法変化が大きくなるのを抑制し、締め付け荷重の増大等で燃料電池や燃料電池用セパレータに破損が生じるのを防ぐことができる。また、単位セル間の密着性を維持することができるので、接触電気抵抗にバラツキが生じて燃料電池の発電効率が低下するのを防ぐことができる。

請求項３記載の発明によれば、燃料電池用セパレータの機械的特性の向上が期待できる。
請求項４記載の発明によれば、ポリフェニレンスルフィド系樹脂の優れた結晶化度により、ポリフェニレンスルフィド系樹脂が燃料電池用セパレータの熱膨張率に及ぼす悪影響を抑制することが可能となる。

本発明に係る燃料電池用セパレータの実施形態を模式的に示す平面説明図である。本発明に係る燃料電池用セパレータの実施形態を模式的に示す断面説明図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータ１は、図１や図２に示すように、樹脂と黒鉛の混合組成物からなるセパレータであり、樹脂がポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）系樹脂であるとともに、黒鉛が球状黒鉛であり、ポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して球状黒鉛が８００質量部以上３２００質量部以下含有される。

燃料電池用セパレータ１は、図１や図２に示すように、薄型化の観点から、矩形波が連続した断面略波形に成形され、厚さが６ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以下とされており、周縁部に、燃料電池の他の構成部材との接続用の接続口２が複数穿孔される。この燃料電池用セパレータ１は、断面略波形に成形されることで、表裏両面に、所定の液体やガスを流通させる流路３がそれぞれ複数配設され、この複数の流路３が構造の複合化に資する観点から、周縁部を除く略中央部にサーペンタイン形に屈曲して配列されており、各流路３が連続した断面略Ｕ字形に凹み形成される。

ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、少なくとも燃料電池用セパレータ１の機械的強度・成形性・耐久性・耐薬品性等に資する粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂が使用される。このポリフェニレンスルフィド樹脂は、耐熱性にも優れ、１８０℃でも連続使用可能な結晶性の熱可塑性樹脂である。ポリフェニレンスルフィド樹脂は、剛直な分子構造を有するので、溶融状態から冷却して結晶化する際、曲がりにくく、整列して並びやすいため、非晶質部が減少する。非晶質部は、結晶質部に比べ、熱による変形が生じやすいため、多い場合には、熱膨張率が増大する。ポリフェニレンスルフィド樹脂は、非晶質部が少ないので、熱膨張率の低減が大いに期待できる。

ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、ポリフェニレンスルフィド骨格を有していれば良く、ポリフェニレンスルフィドと同族ポリマー（例えば、ポリフェニレンスルフィドケトンＰＰＳＫ，ポリフェニレンスルフィドスルホンＰＰＳＳ，ポリビフェニレンスルフィドＰＢＰＳ等）も含まれる。

ポリフェニレンスルフィド樹脂の分子構造には、直鎖型と架橋型とがあるが、優れた結晶化度により、熱膨張率に対する影響が小さい直鎖型（リニア型）が好ましい。ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、部分的な架橋構造を有していても良く、逆に架橋構造を有していなくても良い。さらに、ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、ベンゼン環に置換基を有していても良い。

なお、ポリフェニレンスルフィド系樹脂は、溶出イオン防止の観点から、酸や水等により洗浄して使用されることが好ましい。これは、ポリフェニレンスルフィド系樹脂を洗浄して使用すれば、燃料電池の作動中に熱水中に溶出するイオンを低減し、燃料電池の劣化を防止することができるからである。

球状黒鉛は、例えば平均粒子径が１０μｍ以上１２０μｍ以下、好ましくは１２μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１５μｍ以上９０μｍ以下の球状の黒鉛が使用される。一般的な膨張黒鉛や鱗片状黒鉛ではなく、球状黒鉛が用いられるのは、熱膨張率の抑制、特に厚み方向の熱膨張率の抑制等が期待できるからである。この点について詳しく説明すると、膨張黒鉛、膨張化黒鉛、鱗片状黒鉛のような黒鉛類は、その種類や形状により、ＸＹＺ方向で熱的、電気的、物理的な特性に異方性が生じる。熱膨張性も方向性に差が生じるので、一方向への膨張率が高くなる傾向がある。

これに対し、球状黒鉛は、異方性が低減され、熱膨張性が低い黒鉛なので、燃料電池用セパレータ１の熱膨張率、特に厚み方向の熱膨張率が膨張黒鉛や鱗片状黒鉛を使用する場合に比べ、小さくなる。また、球状黒鉛は、球状であるので、最密構造が期待でき、燃料電池用セパレータ１の内部密度が高くなる。燃料電池用セパレータ１の内部密度が高くなれば、燃料電池用セパレータ１の機械的強度や導電性が増大する。さらに、燃料電池の燃料である水素や酸素のようなガスが燃料電池用セパレータ１から漏れない、つまりガス透過量の低減にも寄与する。２種類以上の異なる粒径の球状黒鉛を組み合わせることにより、最密構造を高くし、機械的強度や導電性の向上、ガス透過量の低減化を図ることもできる。

球状黒鉛は、優れた機械的強度や低熱膨張性を得るため、ポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して８００質量部以上３２００質量部以下含有される。但し、機械的強度、導電性、低熱膨張性を共に得る観点からすると、好ましくは８００質量部以上２０００質量部、より好ましくは８００質量部以上１６００質量部以下含有される。

球状黒鉛がポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して２０００質量部以上含有される場合、ポリフェニレンスルフィド系樹脂の膨張率が大きな問題になることはないので、分子構造が架橋型のポリフェニレンスルフィド系樹脂を使用することができる。また、分子構造が直鎖型と架橋型のポリフェニレンスルフィド系樹脂を組み合わせて使用することも可能である。

燃料電池用セパレータ１は、優れた低熱膨張性を得る観点から、熱機械分析法（ＴＭＡ法）により測定された２３℃以上１８０℃以下の厚み方向の熱膨張率が４０×１０^−６Ｋ^−１未満で、かつ面方向の熱膨張率が１０×１０^−６Ｋ^−１未満であることが好ましい。

熱機械分析法により測定された２３℃以上１８０℃以下の厚み方向の熱膨張率は、４０×１０^−６Ｋ^−１未満、好ましくは２０×１０^−６Ｋ^−１〜３８×１０^−６Ｋ^−１、より好ましくは２５×１０^−６Ｋ^−１〜３７×１０^−６Ｋ^−１が良い。また、熱機械分析法により測定された２３℃以上１８０℃以下の面方向の熱膨張率は、１０×１０^−６Ｋ^−１未満、好ましくは４×１０^−６Ｋ^−１〜９．５×１０^−６Ｋ^−１、より好ましくは５×１０^−６Ｋ^−１〜９．０×１０^−６Ｋ^−１が良い。熱膨張率の面・厚み比は、３．５０〜６．００、好ましくは３．８５〜５．５０、より好ましくは３．９０〜５．００が最適である。

燃料電池用セパレータ１は、機械的強度を確保するため、ＪＩＳＫ７１７１の測定方法に基づく曲げ強度が３０ＭＰａ以上、好ましくは３０ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下、より好ましくは３２ＭＰａ以上５７ＭＰａ以下が最適である。また、優れた機械的特性を得る観点から、ＪＩＳＫ７１７１の測定方法に基づく曲げ弾性率が１５ＧＰａ以上、好ましくは１５ＧＰａ以上２５ＧＰａ以下、より好ましくは１６ＧＰａ以上２４ＧＰａ以下が好適である。

燃料電池用セパレータ１の体積抵抗値は、電力損失抑制の観点から、四端子四探針法により測定した場合、０．５ｍΩ・ｃｍ〜４ｍΩ・ｃｍ、好ましくは０．８ｍΩ・ｃｍ〜４ｍΩ・ｃｍ、より好ましくは１ｍΩ・ｃｍ〜４ｍΩ・ｃｍが好適である。

上記において、燃料電池用セパレータ１を製造する場合には、粉末のポリフェニレンスルフィド系樹脂と、粉末の球状黒鉛とを所定の重量配合比でタンブラーボトルやヘンシェルミキサ等に多数のジルコニアボールと共に加え、配合機により所定の時間、攪拌・混合して混合組成物を調製し、燃料電池用セパレータ１の成形材料を調製する。この際、粉末のポリフェニレンスルフィド系樹脂が溶融しないよう、加熱することなく配合することが好ましい。

こうして成形材料を調製したら、離型剤が予め塗布された燃料電池用セパレータ１の専用金型の下型に成形材料を充填し、この成形材料をスクレーバで平らにならし、下型をプッシャで軽く押圧してエアを外部に抜いた後、下型に専用金型の上型を嵌合してプレス機で本加熱加圧することにより、燃料電池用セパレータ１を圧縮成形する。成形材料の充填に際しては、専用金型の成形温度をポリフェニレンスルフィド系樹脂の融点よりも低くしておくのが良い。

成形材料を充填する場合には、燃料電池用セパレータ１の板と複数の流路３とで成形材料の成形量が相違し、しかも、粉末の黒鉛粒子の流動性が低いので、これらを考慮して充填する。具体的な充填方法としては、（１）専用金型の下型に計量した成形材料を充填してスクレーバ等により均一に広げてならし、複数の流路３を成形する専用金型の成形部の成形材料をスクレーバ等によりかき取り、成形材料をバランス良く充填する方法、（２）燃料電池用セパレータ１の形状を考慮し、専用金型の下型に成形材料をディスペンサーにより増減させながら充填する方法のいずれかが選択して採用される。

エアを外部に抜いた場合には、プレス機で直ちに本加熱加圧しても良いが、本加熱加圧の前段階で予備加熱加圧すれば、燃料電池用セパレータ１の低温割れの防止、硬化組織の生成防止、延性・じん性等の機械的性質の向上、変形・残留応力の低減を図ることができる。専用金型の加熱加圧に際しては、成形材料の充填された専用金型を成形機の所定温度まで加熱した一対の熱板間にセットして加熱加圧する。また、専用金型の加熱温度はポリフェニレンスルフィド系樹脂の融点＋１００℃〜＋１５０℃程度が好ましく、専用金型の加圧圧力は３００ｋｇ／ｃｍ^２以上が必要である。

専用金型が加熱加圧されると、成形材料の加圧に伴い、球状黒鉛が密接してその間にポリフェニレンスルフィド系樹脂の流入する空隙が形成され、ポリフェニレンスルフィド系樹脂の融点を越えた温度域でポリフェニレンスルフィド系樹脂が流動し始め、球状黒鉛の粒子の周囲やその間にポリフェニレンスルフィド系樹脂が流動・流入することとなる。専用金型の加熱加圧時間としては、球状黒鉛の間にポリフェニレンスルフィド系樹脂が流入するのに要する時間であれば良い。

燃料電池用セパレータ１を圧縮成形したら、専用金型を所定の時間冷却し、専用金型から燃料電池用セパレータ１を脱型すれば、表裏両面にサーペイン型の流路３を複数備えた薄い燃料電池用セパレータ１を製造することができる。専用金型を冷却する方法としては、（１）専用金型を取り外して冷却された別の成形機の一対の熱板間にセットし、加圧冷却する方法、（２）専用金型を成形機の一対の熱板間にセットしたままで加圧冷却する方法等があげられる。

専用金型は、ポリフェニレンスルフィド系樹脂の融点以下、好ましくはポリフェニレンスルフィド系樹脂の融点−１００℃以下、より好ましくはポリフェニレンスルフィド樹脂のガラス転移点以下まで冷却する。これは、係る温度まで専用金型を冷却すれば、燃料電池用セパレータ１の導電性が向上し、燃料電池用セパレータ１の反りや曲がりの低減に資するという理由に基づく。

但し、冷却温度の低下に伴い生産性が悪化するので、導電性を満足する範囲の高温で燃料電池用セパレータ１を脱型し、ガラス転移点以上の温度でアニーリングして燃料電池用セパレータ１の反りや曲がりを矯正しても良い。アニーリングは、燃料電池用セパレータ１を積層して０．０５ｋｇ／ｃｍ^２の錘を載せることにより、実施することが好ましい。

上記によれば、燃料電池用セパレータ１が低熱膨張性なので、例え燃料電池が１８０℃付近で運転される高温タイプでも、運転時の高温度環境により、個々の燃料電池用セパレータ１の寸法が大きくなり、締め付け荷重の増大で燃料電池や燃料電池用セパレータ１に破損が生じるのを有効に防止することができる。また、燃料電池の作動温度の環境下でも燃料電池用セパレータ１の熱膨張率が小さいので、スタック構造に組み付けた後における単位セル間の密着性に悪影響が生じることがなく、接触電気抵抗にバラツキが生じて燃料電池の発電効率の低下を招くおそれを有効に排除することができる。

なお、上記実施形態においては樹脂として、ポリフェニレンスルフィド系樹脂を示したが、必要に応じ、他の樹脂を添加して配合しても良い。また、球状黒鉛は、天然黒鉛でも良いし、人造黒鉛でも良いが、製造の容易化を図る点からすると、天然黒鉛が好ましい。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの実施例を比較例と共に説明する。
〔実施例１〕
燃料電池用セパレータを製造するため、先ず、粉末のポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）樹脂と、粉末の球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が直鎖型のＥ２１８０（東レ株式会社製：製品名）を用いた。このポリフェニレンスルフィド樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）は、温度３１６℃、荷重５ｋｇの条件下で１２０ｇ／１０ｍｉｎである。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径１５μｍのＷＦ‐１５Ｃ（富士黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。これらの重量配合比は、１００：８００に調整した。

次いで、ポリフェニレンスルフィド樹脂と、球状黒鉛粒子とを６０Ｌタンブラーボトル（株式会社セイワ技研製）に多数のジルコニアボール（株式会社ニッカトー製）と共に加え、配合機（株式会社セイワ技研製：製品名ＴＭ‐６０Ｐ）により回転数３０ｒｐｍ（４０Ｈｚ）、６０分の条件で攪拌・混合し、燃料電池用セパレータの成形材料を調製した。

こうして成形材料を調製したら、離型剤（ダイキン工業株式会社製：製品名ＧＡ‐７５００）が予め噴霧・塗布された燃料電池用セパレータの専用金型の下型に成形材料を充填し、この成形材料をスクレーバで平らに広げてならし、下型をプッシャで軽く押圧してエアを外部に抜いた後、下型に専用金型の上型を嵌合して３００ｔのプレス機で本加熱加圧することにより、平板の燃料電池用セパレータを圧縮成形した。

専用金型は、Ｓ４５Ｃ材により構成した。また、プレス機は、その上熱板を３８０℃、下熱板を４４０℃に設定した。本加熱加圧は、面圧４８１ｋｇ／ｃｍ^２、７分間の条件で実施した。

燃料電池用セパレータを圧縮成形したら、専用金型を所定の時間冷却し、専用金型から燃料電池用セパレータを脱型して燃料電池用セパレータを製造した。専用金型の冷却は、面圧４８１ｋｇ／ｃｍ^２、２２分間の条件で実施した。脱型した燃料電池用セパレータは、測定したところ、２１０×２９７×５ｔｍｍの大きさであった。

燃料電池用セパレータを製造したら、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１にまとめて評価した。燃料電池用セパレータの曲げ強度と曲げ弾性率は、ＪＩＳＫ７１７１に基づき、燃料電池用セパレータから試験片を形成し、この試験片で曲げ試験を５回実施してその平均値を記載した。

燃料電池用セパレータの２３℃〜１８０℃までの熱膨張率は、熱機械分析法（ＴＭＡ法）により測定した。具体的には、成形した燃料電池用セパレータから５×５×５ｍｍの試験片を切り出し、荷重５０ｍＮ、プローブ径φ３．５ｍｍ、１０℃〜２１０℃までの温度範囲を昇温速度５℃／ｍｉｎの条件で測定し、２３℃〜１８０℃の区間で熱膨張率を測定機により測定した。測定機には、ＴＭＡ／ＳＳ７１００（日立ハイテクサイエンス株式会社製：製品名）を用いた。また、測定に際しては、平板面の面方向、平板の厚み方向を各々別の試験片で３回測定し、測定値の平均値を用いた。

燃料電池用セパレータの体積抵抗値は、四端子四探針法により測定した。具体的には、成形した燃料電池用セパレータを２５分割して２５枚の試験片を加工し、この２５枚の試験片の体積抵抗値を測定機である低抵抗率計（三菱化学株式会社製：製品名ロレスタＧＰＭＣＰ‐Ｔ６１０）によりそれぞれ測定し、測定値の平均値を体積抵抗値として記載した。

〔実施例２〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と、粉末の球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を用いた。このポリフェニレンスルフィド樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）は、温度３１６℃、荷重５ｋｇの条件下で６００ｇ／１０ｍｉｎである。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径１５μｍのＷＦ‐１５Ｃ（富士黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：８００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１にまとめて評価した。

〔実施例３〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と、粉末の球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を使用した。このポリフェニレンスルフィド樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）は、温度３１６℃、荷重５ｋｇの条件下で６００ｇ／１０ｍｉｎである。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径１５μｍのＷＦ‐１５Ｃ（富士黒鉛工業株式会社製：製品名）を使用した。

これらの重量配合比は、１００：１０００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１にまとめて評価した。

〔実施例４〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂として、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を使用した。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径１５μｍのＷＦ‐１５Ｃ（富士黒鉛工業株式会社製：製品名）を使用した。

これらの重量配合比は、１００：１６００に変更した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１に記載して評価した。

〔実施例５〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂として、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を使用した。また、球状黒鉛粒子を、平均粒径５０μｍのＣＧＢ５０（日本黒鉛工業株式会社製：製品名）に変更した。

これらの重量配合比は、１００：１６００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１に記載して評価した。

〔実施例６〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と球状黒鉛粒子とをそれぞれ用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂を、分子構造が架橋型のＬ４０３１（東レ株式会社製：製品名）に変更した。このポリフェニレンスルフィド樹脂のメルトフローレート（ＭＦＲ）は、温度３１６℃、荷重０．３４５ｋｇの条件下で６０ｇ／１０ｍｉｎである。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径５０μｍのＣＧＢ５０（日本黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：３２００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１に記載して評価した。

〔実施例７〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と球状黒鉛粒子とをそれぞれ用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が架橋型のＬ４０３１（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径８６μｍのＣＧＢ１００（日本黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：３２００に変更した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表１にまとめて評価した。

〔比較例１〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と、粉末の球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径１５μｍのＷＦ‐１５Ｃ（富士黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：７００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表２にまとめて評価した。

〔比較例２〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と、粉末の球状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が架橋型のＬ４０３１（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、球状黒鉛粒子として、平均粒径８６μｍのＣＧＢ１００（日本黒鉛工業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：３４００に変更した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表２にまとめて評価した。

〔比較例３〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と、粉末の鱗片状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂としては、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、鱗片状黒鉛粒子として、平均粒径１２０μｍの８０２０ＳＪ（オリエンタル産業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：１０００に調整した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表２に記載して評価した。

〔比較例４〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と鱗片状黒鉛粒子とを用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂として、分子構造が直鎖型のＭ２８８８（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、鱗片状黒鉛粒子として、平均粒径１２０μｍの８０２０ＳＪ（オリエンタル産業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：１６００に変更した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表２に記載して評価した。

〔比較例５〕
粉末のポリフェニレンスルフィド樹脂と鱗片状黒鉛粒子とをそれぞれ用意した。ポリフェニレンスルフィド樹脂として、分子構造が架橋型のＬ４０３１（東レ株式会社製：製品名）を用いた。また、鱗片状黒鉛粒子として、平均粒径１２０μｍの８０２０ＳＪ（オリエンタル産業株式会社製：製品名）を用いた。

これらの重量配合比は、１００：３２００に変更した。その他の部分については、実施例１と同様にして燃料電池用セパレータを製造し、この燃料電池用セパレータの曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪み、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率、体積抵抗値をそれぞれ測定し、表２にまとめて評価した。

〔評価〕
各実施例の燃料電池用セパレータは、優れた曲げ強度、曲げ弾性率、曲げ歪みを得ることができた。また、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率も、低い値を示し、低熱膨張性を確認した。以上から、各実施例の燃料電池用セパレータは、例え燃料電池が高温タイプの場合にも、問題なく適切に使用できることが判明した。

これに対し、比較例１の燃料電池用セパレータは、２３℃〜１８０℃までの熱膨張率が高い値を示し、充分な低熱膨張性を得られなかった。また、比較例２の燃料電池用セパレータは、曲げ強度に問題が生じ、充分な機械的特性を得られなかった。比較例３の燃料電池用セパレータは、曲げ弾性率と熱膨張率に問題が発生した。さらに、比較例４、５の燃料電池用セパレータは、曲げ強度、曲げ弾性率、熱膨張率にそれぞれ問題が発生し、燃料電池が高温タイプの場合、高温域の実用性に疑義が生じた。

本発明に係る燃料電池用セパレータは、燃料電池の製造分野で使用される。

１燃料電池用セパレータ
２接続口
３流路

Claims

樹脂と黒鉛の混合組成物からなる燃料電池用セパレータであって、樹脂がポリフェニレンスルフィド系樹脂であるとともに、黒鉛が球状黒鉛であり、ポリフェニレンスルフィド系樹脂１００質量部に対して球状黒鉛が８００質量部以上３２００質量部以下含有されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
熱機械分析法により測定された２３℃以上１８０℃以下の厚み方向の熱膨張率が４０×１０^−６Ｋ^−１未満で、かつ面方向の熱膨張率が１０×１０^−６Ｋ^−１未満である請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
ＪＩＳＫ７１７１の測定方法に基づく曲げ強度が３０ＭＰａ以上、曲げ弾性率が１５ＧＰａ以上である請求項１又は２記載の燃料電池用セパレータ。
ポリフェニレンスルフィド系樹脂の分子構造が直鎖型である請求項１、２、又は３記載の燃料電池用セパレータ。