KR101199801B1

KR101199801B1 - 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물, 연료 전지 세퍼레이터, 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 연료 전지

Info

Publication number: KR101199801B1
Application number: KR1020127022617A
Authority: KR
Inventors: 치히로 다케우치; 히로시 야마모토
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2010-09-27
Filing date: 2011-09-21
Publication date: 2012-11-09
Also published as: KR20120108997A; WO2012043319A1; JPWO2012043319A1; JP5033269B2

Abstract

본 발명은, 연료 전지 세퍼레이터의 강도시킬 수 있는 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 제공한다. 본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물은, 흑연 입자와 수지 성분을 함유하고, 상기 흑연 입자가, 평균 압축 강도 15 MPa 이상의 입자군을 포함한다.

Description

연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물, 연료 전지 세퍼레이터, 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 연료 전지{COMPOSITION FOR FORMING FUEL CELL SEPARATOR, FUEL CELL SEPARATOR, METHOD FOR PRODUCING FUEL CELL SEPARATOR, AND FUEL CELL}

본 발명은, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물, 연료 전지 세퍼레이터, 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 연료 전지에 관한 것이다.

일반적으로 연료 전지는 복수의 단위 셀 수십~수백개를 직렬로 중첩하여 구성되는 셀 스택(cell stack)으로 이루어지고, 이에 따라 소정의 전압을 얻고 있다.

단위 셀의 가장 기본적인 구조는, 「세퍼레이터/연료 전극(애노드)/전해질/산화제 전극(음극)/세퍼레이터」와 같은 구성을 가지고 있다. 이 단위 셀에서는, 전해질을 사이에 두고 대향하는 한쌍의 전극 중 연료 전극에는 연료가, 산화제 전극에는 산화제가 각각 공급되고, 전기 화학 반응에 의해 연료가 산화됨으로써, 반응의 화학 에너지가 직접 전기 화학 에너지로 변환된다.

이와 같은 연료 전지는, 전해질의 종류에 따라 몇 가지 타입으로 분류되며, 최근, 고출력을 얻을 수 있는 연료 전지로서 전해질에 고체 고분자 전해질막을 사용한 고체 고분자형 연료 전지가 주목받고 있다.

고체 고분자형 연료 전지에서는, 예를 들면, 좌우 양쪽 면에 복수의 볼록부(리브)가 형성되어 있는 2장의 연료 전지 세퍼레이터 사이에, 전해질(고체 고분자 전해질막)과 가스 확산 전극(연료 전극과 산화제 전극)으로 구성되는 막-전극 복합체(MEA)가 개재됨으로써, 단전지(단위 셀)가 구성되어 있다(도 1 참조). 이 단위 셀을 수십개~수백개 병설하여 전지 본체(셀 스택)가 형성되어 있다. 이 연료 전지 세퍼레이터에 있어서의 인접하는 볼록부의 사이에는, 연료인 수소 가스와 산화제인 산소 가스의 유로인 가스 공급 배출용 홈이 형성된다.

이와 같은 셀 스택은, 예를 들면, 가정용 정치형(定置型)의 경우에는 50~100 개의 단위 셀로 구성되며, 자동차 적재용의 경우에는 400~500 개의 단위 셀로 구성되며, 캠핑카용 탑재의 발전기에는, 20~100 장, 노트 PC 탑재용의 경우에는 10~20 개의 단위 셀로 구성된다.

이러한 고체 고분자형 연료 전지에서는, 연료 전극에 유체인 수소 가스를, 산화제 전극에 유체인 산소 가스를 각각 공급함으로써, 외부 회로에 전류가 추출된다. 이 때, 각 전극에서는 하기 식으로 나타낸 바와 같은 반응이 생긴다.

연료 전극 반응：H₂→2H^＋＋2e^-…(1)

산화제 전극 반응：2H^＋＋2e^-＋1/2O₂→H₂O…(2)

전체 반응：H₂＋1/2O₂→H₂O

즉, 연료 전극 상에서 수소(H₂)는 프로톤(H^＋)이 되고, 이 프로톤이 고체 고분자 전해질막 중을 산화제 전극 상까지 이동하여, 산화제 전극 상에서 산소(O₂)와 반응하여 물(H₂O)을 발생한다. 따라서, 고체 고분자형 연료 전지의 운전에는, 반응 가스의 공급과 배출, 물의 배출, 전류의 추출이 필요하게 된다.

또한, 고체 고분자형 연료 전지의 1종인 메탄올 직접형 연료 전지(DMFC)에서는, 연료로서 수소 대신 메탄올 수용액이 공급된다. 이 경우에, 각 전극에서는 하기 식에 나타낸 바와 같은 반응이 일어난다. 공기 극에서는 산소 환원 반응(수소를 연료로 하는 경우와 동일한 반응)이 일어난다.

연료 극 반응：CH₃OH＋H₂O→CO₂＋6H^＋＋6e^-…(1')

공기 극 반응：3/2O₂＋6H^＋＋6e^-→3H₂O…(2')

전체 반응：CH₃OH＋3/2O₂→CO₂＋2H₂O

이와 같은 연료 전지를 구성하는 부품 중, 연료 전지 세퍼레이터는, 얇은 판형체의 한쪽 면 또는 양면에 가스 공급 배출용 홈이 형성되어 있는 바와 같은, 특이한 형상을 가지고 있다. 연료 전지 세퍼레이터는, 연료 전지 내를 흐르는 연료 가스, 산화제 가스 및 냉각수가 혼합되지 않도록 분리하는 기능을 가지고, 또한 연료 전지에서 발전한 전기 에너지를 외부로 전달하거나, 연료 전지에서 생긴 열을 외부로 방열하는 중요한 역할을 담당하고 있다.

연료 전지 세퍼레이터는, 금속제의 플레이트나, 흑연 입자와 수지 성분을 함유하는 성형용 조성물 등으로부터 형성된다. 이 중, 흑연 입자와 수지 성분을 함유하는 성형용 조성물로부터 형성되는 연료 전지 세퍼레이터는 경량화가 용이한 점, 특히, 내구성이 높은 점, 홈 형성 시에 홈 형상의 자유도가 높은 점 등으로 인해, 최근, 개발이 진행되고 있다(특허 문헌 1, 2 참조).

또한, 종래, 연료 전지의 소형화 및 경량화의 요청에 따라, 롤 성형법이나 압출 성형법에 의해 연료 전지를 시트형으로 성형하고, 이것을 압축 성형이나 열압 몰드 성형 등에 의해 더욱 성형 등을 행하여, 박형이면서 경량의 연료 전지 세퍼레이터를 얻는 방법도 제안되어 있다.

그러나, 금속제의 플레이트로 이루어지는 연료 전지 세퍼레이터에 비해, 성형용 조성물로부터 형성되는 연료 전지 세퍼레이터의 기계적 강도가 낮은 점이 문제가 된다. 특히, 전술한 바와 같은 연료 전지 세퍼레이터가 박형화되는 경우에는, 실용적으로 충분한 기계적 강도를 가지는 연료 전지 세퍼레이터를 얻는 것이 어려워지고, 예를 들면, 차량 탑재용 연료 전지에 적용되는 경우에는 연료 전지 세퍼레이터에 크랙이 발생할 우려가 있다.

일본 특허출원 공개번호 2001-216976호 공보 일본 특허출원 공개번호 2002-114572호 공보

본 발명은 상기 사유를 감안하여 이루어진 것이며, 연료 전지 세퍼레이터의 강도를 향상시킬 수 있는 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물, 기계적 강도가 높은 연료 전지 세퍼레이터, 이 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법, 및 기계적 강도가 높은 연료 전지 세퍼레이터를 구비하는 연료 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물은, 흑연 입자와 수지 성분을 함유하고, 상기 흑연 입자가 평균 압축 강도 15 MPa 이상의 입자군을 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물에서는, 상기 흑연 입자 전체에 대한 이 흑연 입자 중의 압축 강도 15 MPa 이상의 입자의 수의 비율이, 15% 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물에서는, 상기 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가, 15 MPa 이상인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물에서는, 상기 흑연 입자와 수지 성분의 합계량에 대한 상기 흑연 입자의 비율이, 70~85 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터는, 상기 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물로부터 형성된다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법은, 상기 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 준비하는 단계와, 이 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 압축 성형하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법은, 상기 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 압축 성형함으로써 얻어지는 성형체의 표면 상에 개스킷을 형성하는 단계, 및 상기 개스킷이 중첩되어 있는 상기 성형체에 블라스트 처리를 행하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법은, 상기 블라스트 처리가 행해진 후의 상기 성형체의 표면에 친수화를 위한 표면 처리를 행하는 단계를 더 포함할 수도 있다.

본 발명에 따른 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법에 있어서, 상기 표면 처리가, 플라즈마 처리, 상기 성형체의 표면에 오존 가스를 접촉시키는 처리 중, 적어도 어느 한쪽인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 연료 전지는, 상기 연료 전지 세퍼레이터를 구비한다.

본 발명에 의하면, 수지 성분과 흑연 입자를 함유하는 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물이 성형됨으로써, 기계적 강도가 높은 연료 전지 세퍼레이터를 얻을 수 있다. 또한, 이 연료 전지 세퍼레이터를 구비하는 연료 전지를 얻을 수 있다.

도 1의 (a)는, 본 발명의 실시형태에 있어서의 연료 전지의 단위 셀을 개략적으로 나타낸 사시도이며, 도 1의 (b)는, 상기 단위 셀에 있어서의 연료 전지 세퍼레이터를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 있어서의, 개스킷이 사용되는 경우의 연료 전지의 단위 셀을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리 장치의 일례를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 있어서의 연료 전지를 나타낸 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 설명한다.

연료 전지 세퍼레이터(이하, 세퍼레이터라고 함)를 제조하기 위해 사용되는 세퍼레이터 성형용 조성물(이하, 성형용 조성물이라고 함)은, 수지 성분 및 흑연 입자를 함유한다.

성형용 조성물은, 제1 아민 및 제2 아민을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 즉, 이 성형용 조성물이, 치환기 -NH 및 -NH₂를 가지는 화합물을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 또한, 성형용 조성물은 제3 아민을 함유하지 않는 것이 바람직하다. 이와 같이 성형용 조성물이 아민을 함유하지 않게 되면, 성형용 조성물로부터 형성되는 세퍼레이터가 연료 전지 중의 백금 촉매를 피독(被毒)하지 않게 되어, 연료 전지가 장시간 사용되는 경우 기전력의 저하가 억제된다.

성형용 조성물에 함유되는 수지 성분은, 열가소성 수지와 열경화성 수지 중 어느 하나라도 된다.

열가소성 수지로서는, 예를 들면, 폴리페닐렌 설파이드 수지, 폴리프로필렌 수지 등이 있다.

열경화성 수지가 사용되는 경우, 이 열경화성 수지는 에폭시 수지와 열경화성 페놀 수지 중 적어도 한쪽을 함유하는 것이 바람직하다. 에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지는 양호한 용융 점도를 가지며, 또한 불순물이 적고, 특히 이온성 불순물이 적은 점에서 우수하다.

열경화성 수지 전체량에 대한 에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지의 함유량은, 50~100 질량%의 범위에 있는 것이 바람직하다. 열경화성 수지가 에폭시 수지만을 포함하거나, 열경화성 페놀 수지만을 포함하거나, 또는 에폭시 수지와 열경화성 페놀 수지만을 포함하고 있는 것이 특히 바람직하다.

에폭시 수지는, 고형상(固形狀)인 것이 바람직하고, 특히 이 에폭시 수지의 융점이, 70~90 ℃의 범위인 것이 바람직하다. 이에 따라, 재료의 변화가 적어져서, 성형 시의 성형용 조성물의 취급성이 향상된다. 이 융점이 70℃ 미만이면, 성형용 조성물 중에 응집이 쉽게 생겨, 취급성이 저하될 우려가 있다. 또한, 에폭시 수지로서 용융 점도가 낮은 점도의 수지가 선택되면, 성형용 조성물이 양호한 성형성이 유지되면서, 성형용 조성물 및 세퍼레이터 중에 흑연 입자가 고충전될 수 있다. 그리고, 전술한 작용이 발휘되는 범위 내에서, 에폭시 수지의 일부가 액상이라도 된다.

에폭시 수지로서는, 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지 등이, 사용되는 것이 바람직하다. 이 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지, 비스페놀형 에폭시 수지, 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지는, 양호한 용융 점도를 가지는 동시에 불순물이 적고, 특히 이온성 불순물이 적은 점에서 우수하다.

또한, 특히 에폭시 수지가, 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지만으로 이루어지는 에폭시 수지 성분을 포함하거나, 또는 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 비스페놀형 에폭시 수지, 비페닐형 에폭시 수지, 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어지는 에폭시 수지 성분을 포함하는 것이 바람직하다. 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지가 필수적인 성분이면, 성형용 조성물의 성형성이 향상되고, 또한 세퍼레이터의 내열성이 향상된다. 또한, 제조 비용이 저감될 수 있다. 에폭시 수지 성분 중의 오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지의 비율은, 상기 성형성의 향상, 세퍼레이터의 내열성의 향상, 제조 비용 저감의 관점에서, 50~100 질량%의 범위인 것이 바람직하고, 특히 50~70 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

오르토 크레졸 노볼락형 에폭시 수지와 함께, 비스페놀형 에폭시 수지나 비페닐형 에폭시 수지나 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지가 병용되는 것도 바람직하다. 이 경우에, 성형용 조성물의 용융 점도가 더욱 저감되고, 또한 박형의 세퍼레이터가 제작되는 경우에는 그 인성(靭性)이 향상될 수 있다.

특히 비스페놀 F형 에폭시 수지가 사용되면 성형용 조성물의 점도가 저감되어, 성형용 조성물의 성형성이 특히 높아진다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 중의 비스페놀 F형 에폭시 수지의 함유량은, 30~50 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 비페닐형 에폭시 수지가 사용되면, 이 비페닐형 수지는 용융 점도가 낮기 때문에, 성형용 조성물의 유동성이 현저하게 향상되며, 성형용 조성물의 박형 성형성이 특히 향상된다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 중의 비페닐형 에폭시 수지의 함유량은 30~50 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지가 사용되면, 세퍼레이터의 강도 및 인성이 향상되고, 또한 세퍼레이터의 흡습성이 저감될 수 있다. 그러므로, 세퍼레이터의 기계적 특성, 도전성, 및 장기 사용시의 특성의 안정성이 향상된다. 이 경우의 에폭시 수지 성분 중의 비페니렌 골격을 가지는 페놀 아르알킬형 에폭시 수지의 비율은, 30~50 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

성형용 조성물 중의 열경화성 수지 전체량에 대한 에폭시 수지 성분의 함유량은 50~100 질량%의 범위에 있는 것이 바람직하다.

상기 에폭시 수지 성분은, 열경화성 수지 중의 에폭시 수지 중 적어도 일부로서, 성형용 조성물 중에 함유된다. 즉, 이 에폭시 수지 성분 이외의 다른 열경화성 수지로서, 예를 들면, 상기 에폭시 수지 성분 이외의 에폭시 수지, 열경화성 페놀 수지, 비닐 에스테르 수지, 폴리이미드 수지, 불포화 폴리에스테르 수지, 디알릴 프탈레이트 수지 등으로부터 선택되는 1종류 또는 복수 종류의 수지가 사용될 수도 있다. 단, 에스테르 결합을 포함하는 수지는 내산성 환경 하에서 가수분해될 우려가 있으므로, 사용되지 않는 것이 바람직하다. 또한, 열경화성 수지로서, 세퍼레이터의 내열성이나 내산성의 향상에 기여하는 점에서, 폴리이미드 수지도 적합하다. 폴리이미드 수지로서는, 특히 비스말레이미드 수지 등이 사용되는 것도 바람직하고, 예를 들면, 4,4-디아미노디페닐비스말레이미드가 사용되는 것이 바람직하다. 4,4-디아미노디페닐비스말레이미드가 사용되면 세퍼레이터의 내열성이 더욱 향상된다.

열경화성 페놀 수지가 사용되는 경우에는, 특히 개환 중합에 의해 중합 반응이 진행하는 페놀 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 이와 같은 페놀 수지로서는, 예를 들면, 벤조옥사딘 수지 등이 있다. 이 경우에는, 성형용 조성물의 성형 공정에서 탈수에 의한 가스가 발생하지 않기 때문에 성형 제품 중에 보이드(void)가 발생하지 않으며, 그러므로 세퍼레이터의 가스 투과성의 저하가 억제된다. 또한, 레졸형 페놀 수지가 사용되는 것도 바람직하며, 예를 들면, 13C-NMR 분석으로, 오르토-오르토 25~35 %, 오르토 파라 60~70 %, 파라-파라 5~10 %의 구조를 가지는 레졸형 페놀 수지가 사용되는 것이 바람직하다. 레졸 수지는 통상 액상이지만, 레졸형 페놀 수지의 연화점은 용이하게 조정될 수 있기 때문에, 융점이 70~90 ℃의 레졸형 페놀 수지를 용이하게 얻을 수 있다. 융점이 70~90 ℃인 레졸형 페놀 수지가 사용됨으로써, 성형용 조성물의 변질이 억제되고, 성형 시의 성형용 조성물의 취급성이 향상된다. 이 융점이 70℃ 미만이면, 성형용 조성물 중 응집이 생기기 쉽게 되어, 성형용 조성물의 취급성이 저하될 우려가 있다.

또한, 에폭시 수지 및 열경화성 페놀 수지 이외의 다른 수지가 병용되어도 된다. 예를 들면, 폴리이미드 수지, 멜라민 수지, 불포화 폴리에스테르수지, 디알릴프탈레이트 수지 등으로부터 선택되는 1종 또는 복수 종의 수지가 사용될 수도 있다. 단, 에스테르 결합을 포함하는 수지는 내산성 환경 하에서 가수분해될 우려가 있기 때문에, 사용되지 않는 것이 바람직하다.

또한, 열경화성 수지로서, 세퍼레이터의 내열성이나 내산성의 향상에 기여하는 점에서, 폴리이미드 수지도 적합하다. 이와 같은 폴리이미드 수지로서는, 특히 비스말레이미드 수지 등도 바람직하고, 그 구체예로서, 예를 들면, 4,4-디아미노디페닐비스말레이미드가 있다. 이와 같은 수지가 병용됨으로써, 세퍼레이터의 내열성이 더욱 향상될 수 있다.

에폭시 수지가 사용되는 경우, 수지 성분은 경화제를 함유하는 것이 바람직하며, 이 경화제는 페놀계 화합물을 함유하는 것이 바람직하다. 이 페놀계 화합물로서는, 노볼락형 페놀 수지, 크레졸 노볼락형 페놀 수지, 다관능 페놀 수지, 아르알킬 변성 페놀 수지 등을 예로 들 수 있다.

경화제의 전체량에 대한 페놀계 화합물의 함유량은, 에폭시 수지의 사용량에 의존하여 결정된다. 또한, 경화제가 페놀계 화합물만으로 이루어져 있으면 특히 바람직하다.

또한, 성형용 조성물의 고형분 (휘발성 성분을 제외한 성분) 중의 열경화성 수지와 경화제의 함유량은, 그 합계량이 14~24.1 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

페놀계 화합물 이외의 경화제가 사용되는 경우, 경화제로서 비(非)아민계의 화합물이 사용되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 세퍼레이터의 전기 전도도가 높은 상태로 유지되며, 또한 연료 전지의 촉매의 피독이 억제된다. 경화제로서 산무수물계의 화합물이 이용되지 않는 것이 바람직하다. 산무수물계의 화합물이 사용되는 경우에는 경화물이 황산 산성 환경 하 등의 산성 환경 하에서 가수분해되어, 세퍼레이터의 전기 전도도의 저하가 일으키거나, 세퍼레이터로부터의 불순물의 용출이 증대할 우려가 있다.

열경화성 수지로서 에폭시 수지가 사용되는 경우에는, 열경화성 수지의 에폭시 수지와, 경화제의 페놀계 화합물은, 상기 페놀계 화합물에 대한 상기 에폭시 수지의 당량비가 0.8~1.2의 범위로 되도록 배합되는 것이 바람직하다.

또한, 흑연 입자는, 세퍼레이터의 전기 비저항을 저감시켜 세퍼레이터의 도전성을 향상시킨다. 흑연 입자는, 높은 도전성을 가진다면, 특별히 제한없이 사용된다. 예를 들면, 메소카본 마이크로 비즈(mesocarbon micro beads) 등과 같은 탄소질의 흑연화에 의해 얻어지는 흑연 입자, 석탄계 코크스나 석유계 코크스가 흑연화됨으로써 얻어지는 흑연 입자, 흑연 전극이나 특수 탄소 재료의 가공분(加工粉), 천연 흑연, 키쉬 흑연(kish graphite), 팽창 흑연 등의 적절한 흑연 입자가 사용될 수 있다. 이와 같은 흑연 입자는, 1종만 사용될 수도 있고, 복수 종류가 병용될 수도 있다.

흑연 입자는, 인조 흑연 가루, 천연 흑연 가루 중 어느 하나일 수 있다. 천연 흑연 가루는 도전성이 높은 이점을 가지고, 그리고 인조 흑연 가루는 천연 흑연 가루에 비해 도전성은 다소 뒤떨어지지만, 이방성이 적은 이점이 있다.

흑연 입자는, 천연 흑연 가루, 인조 흑연 가루의 어느 경우에도, 정제되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 흑연 입자 중의 회분(灰分)이나 이온성 불순물이 적으므로, 세퍼레이터로부터의 불순물의 용출이 억제된다. 흑연 입자에 있어서의 회분은 0.05 질량% 이하인 것이 바람직하고, 회분이 0.05 질량%를 초과하면, 세퍼레이터가 사용됨으로써 제작되는 연료 전지의 특성이 저하될 우려가 있다.

흑연 입자의 평균 입경은 15~100 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. 이 평균 입경이 10㎛ 이상이면, 성형용 조성물의 성형성이 향상되고, 평균 입경이 100㎛ 이하로 됨으로써 세퍼레이터의 표면 평활성이 향상된다. 성형성 향상을 위해서는, 특히 상기 평균 입경이 30㎛ 이상인 것이 바람직하고, 또한 세퍼레이터의 표면 평활성이 특히 향상되어 후술하는 바와 같이 세퍼레이터의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)가 0.4~1.6 ㎛의 범위, 특히 1.0㎛ 미만이 되기 위해서는 상기 평균 입경이 70㎛ 이하인 것이 바람직하다.

특히 박형의 세퍼레이터가 제작되는 경우에는, 흑연 입자는 100 메쉬의 체(seiving)(메쉬 크기 150㎛)를 통과하는 입경을 가지는 것이 바람직하다. 이 흑연 입자 중에 100 메시의 체를 통과하지 않은 입자가 포함되어 있으면, 성형용 조성물 중에 입경이 큰 흑연 입자가 혼입되어, 특히 성형용 조성물이 박형의 시트형으로 성형될 때의 성형성이 저하된다.

흑연 입자의 어스펙트비는 10 이하인 것이 바람직하고, 이 경우에, 세퍼레이터에 이방성이 발생하는 것이 억제됨과 더불어 휨 등의 변형도 억제된다.

그리고, 세퍼레이터의 이방성의 저감을 위하여, 세퍼레이터의 성형 시의 성형용 조성물의 유동 방향과, 이 유동 방향에 대하여 직교하는 방향 사이에서의 접촉 저항의 비가, 2 이하로 되는 것이 바람직하다.

흑연 입자 전체는, 특히 2종 이상의 입도 분포를 가지는 것, 즉 흑연 입자 전체가 평균 입경이 상이한 2종 이상의 입자군의 혼합물인 것도 바람직하다. 본 명세서에 있어서, 입자군이란, 흑연 입자 전체 중 적어도 일부를 구성하는 복수의 입자의 집합을 의미한다. 흑연 입자 전체가, 특히 평균 입경 1~50 ㎛의 범위의 입자군과 평균 입경 30~100 ㎛의 입자군의 혼합물인 것이 바람직하다. 이와 같은 입도 분포를 가지는 흑연 입자가 사용되면, 입경의 큰 입자는 표면적이 작으므로, 수지 성분의 함유량이 소량이라도 성형용 조성물의 혼련이 가능하게 될 것으로 기대된다. 또한, 입경이 작은 입자에 의해 입자끼리의 접촉성이 향상되고, 또한 세퍼레이터의 강도 향상도 기대되며, 이로써, 세퍼레이터의 밀도의 향상, 도전성의 향상, 가스 불투과성의 향상, 강도의 향상 등의 성능 향상을 도모할 수 있다. 평균 입경 1~50 ㎛의 입자군과 평균 입경 30~100 ㎛의 입자군의 혼합비는, 적절하게 조정될 수 있지만, 전자 대 후자의 혼합 질량비가 40：60~90：10, 65：35~85：15인 것이 특히 바람직하다.

그리고, 흑연 입자의 평균 입경은, 레이저 회절·산란식 입도 분석계(닛키소 가부시키가이샤에서 제조한 마이크로 트랙 MT3000II 시리즈 등)로 레이저 회절 산란법에 의해 측정되는 체적 평균 입경이다.

성형용 조성물 중의 흑연 입자에는, 평균 압축 강도 15 MPa 이상의 입자군이 포함되어 있다. 평균 압축 강도란, 입자군을 구성하는 입자의 압축 강도의 평균값이다. 평균 압축 강도의 도출 시에는, 입자군으로부터 임의로 선택되는 적어도 10개의 입자에 대하여 압축 강도를 측정하고, 이 값의 평균값을 평균 압축 강도로 해도 된다. 입자의 압축 강도의 측정 시에는, 먼저 입자가 2개의 압자 사이에서 압축되고, 입자의 변형량(압자의 변위량)의 변화가 측정된다. 입자가 파괴됨으로써 입자의 변형량의 증가 비율이 급격하게 변화된 시점에서의 압축력이, 입자의 파괴 압축력이 된다. 이 압축력(P) 및 입자의 입자 직경(d)에 기초하여, 입자의 압축 강도(St)가, St = 2.8P/πd²의 식으로부터 도출된다. 입자의 파괴 압축력은, 예를 들면, 가부시키가이샤 시마즈 제작소에서 제조한 미소 압축 시험기(MCT-211 시리즈, MCT-500 시리즈 등) 등으로 측정된다.

흑연 입자 전체 중에 평균 압축 강도 15 MPa 이상의 입자군이 포함되어 있으면, 세퍼레이터의 기계적 강도가 크게 향상된다. 이 평균 압축 강도의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 평균 압축 강도가 높을수록 세퍼레이터의 기계적 강도가 향상된다. 단, 본 발명자들이 확인한 압축 강도의 최대값은 51 MPa이며, 이에 기초한 바로는, 평균 압축 강도의 이론상의 최대값은 51 MPa, 실용상의 최대값은 40 MPa, 입수 용이성을 고려한 최대값은 37 MPa이다. 특히, 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가 15 MPa 이상이면, 세퍼레이터의 기계적 강도가 현저하게 향상된다.

성형용 조성물 중의 흑연 입자 전체 중에는, 평균 압축 강도가 상이한 복수의 입자군이 포함되어 있어도 된다. 그리고, 복수의 입자군의 평균 압축 강도가 모두 15 MPa 이상이면, 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도도 15 MPa 이상으로 된다. 흑연 입자 전체 중에는 평균 압축 강도가 15 MPa 이상인 입자군과 평균 압축 강도가 15 MPa 미만인 입자군이 포함되어 있어도 된다. 이 경우에, 흑연 입자 전체에서는 평균 압축 강도가 15 MPa 이상으로 되는 것이 바람직하지만, 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가 15 MPa 미만이라도 된다. 단, 세퍼레이터의 기계적 강도 향상을 위해서는, 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가 15 MPa 미만이라고 하더라도, 흑연 입자 전체에 대한 이 흑연 입자 중의 압축 강도 15 MPa 이상의 입자의 개수의 비율이 15 질량% 이상인 것이 바람직하고, 20 질량% 이상이 더욱 바람직하며, 50 질량% 이상이 특히 바람직하다.

성형용 조성물 중의 흑연 입자의 비율은, 흑연 입자와 수지 성분의 합계량에 대하여 70~85 질량%의 범위인 것이 바람직하다. 이와 같이 흑연 입자의 비율이 70 질량% 이상이면, 세퍼레이터에 충분히 우수한 도전성이 부여되고, 또한 세퍼레이터의 기계적 강도가 충분히 향상된다. 또한, 이 비율이 85 질량% 이하이면, 성형용 조성물에 충분히 우수한 성형성이 부여되고, 또한 세퍼레이터에 충분히 우수한 가스 투과성이 부여된다. 이 흑연 입자의 비율은 70~80 질량%의 범위인 것이 더욱 바람직하다.

성형용 조성물은, 필요에 따라 경화 촉매, 왁스(이형제), 커플링제 등의 첨가제를 함유할 수도 있다.

경화 촉매(경화 촉진제)로서는, 특별히 제한되지 않지만, 성형용 조성물이 제1 아민 및 제2 아민을 함유하지 않기 위해서는, 비아민계 화합물이 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 아민계의 디아미노디페닐메탄 등은 잔존물이 연료 전지의 촉매를 피독시킬 우려가 있으므로, 바람직하지 않다.

경화 촉진제가 이미다졸을 포함하는 것도 바람직하다. 이미다졸이 사용되는 경우, 보존성의 관점에서 이미다졸은 액상이 아닌 것이 바람직하다. 또한, 시안을 포함하는 이미다졸은 극물(劇物)이므로, 시안을 포함하지 않는 이미다졸이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 성형 재료의 시차 주사 열량 측정에 의해 측정되는 발열 피크 온도가 150℃ 이상 180℃ 이하로 될 수 있는 이미다졸이 사용되는 것이 바람직하다. 이미다졸의 바람직한 구체예로서는, 2-메틸이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 2MZ-H), 2-운데실이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 C11Z), 2-헵타데실이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 C17Z), 2-페닐-4-메틸이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 2P4MZ), 1,2-디메틸이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 1.2DMZ), 2-에틸-4-메틸이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 2E4MZ), 1-벤질-2-메틸이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 1B2MZ), 1-벤질-2-페닐이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 1B2PZ), 2-페닐이미다졸이소시아눌산 부가물(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 2PZ-OK), 에폭시-이미다졸 어덕트(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 P-0505), 2,3-디하이드로-1H-피롤로[1,2-a]벤즈이미다졸(예를 들면, 시코쿠화성공업 가부시키가이샤에서 제조한 품번 TBZ) 등을 들 수 있다.

이미다졸로서, 특히 측정 개시 온도 30℃, 승온 속도 10℃／분, 유지 온도 120℃, 유지 온도에서의 유지 시간 30분의 조건에서 가열된 경우의 중량 감소가 5%이하이며, 또한 2번 위치에 탄화수소기를 가지는 치환 이미다졸이 사용되는 것이, 성형 재료의 보존 안정성이 향상되는 점에서 바람직하다. 또한, 특히 박형의 세퍼레이터가 제작되는 경우에는, 바니쉬상(varnish-like)으로 조제된 성형 재료로부터 시트형의 세퍼레이터가 형성될 때의 용제의 휘발성, 세퍼레이터의 평활성 등이 양호하게 된다. 이 치환 이미다졸로서 특히 2번 위치의 탄화수소기의 탄소수가 6~17인 치환 이미다졸이 사용되는 것이 바람직하고, 그 구체예로서는, 2-운데실이미다졸, 2-헵타데실이미다졸, 2-페닐이미다졸, 1-벤질-2-페닐이미다졸 등을 들 수 있다. 이 중에서, 2-운데실이미다졸 및 2-헵타데실이미다졸이 매우 바람직하게 사용된다. 이들 화합물은 1종 단독으로 사용되거나, 또는 2종 이상이 병용된다. 이와 같은 치환 이미다졸의 함유량은 적절하게 조정되며, 이에 따라, 성형 경화 시간이 조정될 수 있다. 이 치환 이미다졸의 함유량은, 성형 재료 중의 에폭시 수지와 경화제의 합계량에 대하여, 0.5~3 질량%의 범위인 것이 바람직하다.

또한, 경화 촉매로서, 인계 화합물이 사용되는 것이 바람직하다. 인계 화합물과 상기 치환 이미다졸이 병용될 수도 있다. 인계 화합물의 일례로서, 트리페닐포스핀을 들 수 있다. 이와 같은 인계 화합물이 사용되면, 세퍼레이터로부터의 염소 이온의 용출이 억제된다.

성형용 조성물은, 경화 촉진제로서 하기 [화학식 1]로 나타내는 화합물을 함유하는 것도 바람직하다. 이 경우에, 세퍼레이터의 내습성이 향상된다. 또한, 이 [화학식 1]로 나타내는 화합물은, 세퍼레이터의 유리 전이 온도(Tg)의 저하나, 열시 강성의 저하나, 연속 성형성의 악화 등을 일으키지 않는다. 오히려 이 [화학식 1]로 나타내는 화합물이 사용됨으로써, 세퍼레이터의 유리 전이 온도가 상승하고, 열시 강성이 향상되며, 나아가서는 성형용 조성물의 성형 시의 이형성이 향상되어 연속 성형성이 향상될 수 있다.

[화학식 1]

또한, 상기 구조식 [화학식 1]로 나타내는 화합물로부터는, 이온성 불순물의 용출이 쉽게 생기지 않는다. 그러므로, 구조식 [화학식 1]로 나타내는 화합물이 사용됨으로써, 세퍼레이터로부터의 이온성 불순물의 용출이 억제되어, 불순물의 용출에 의한 연료 전지의 기동 전압 저하 등의 특성 저하가 억제된다. 구조식 [화학식 1]로 나타내는 화합물로부터 이온성 불순물의 용출이 쉽게 생기지 않는 것은, 이 화합물의 산해리 상수(pKa)가 작기 때문인 것으로 추측된다.

구조식 [화학식 1]로 나타내는 화합물의 경화 촉진제 전체량에 대한 비율은, 20~100 질량%의 범위인 것이 바람직하다. 이 비율이 20 질량% 미만이면, 세퍼레이터의 유리 전이 온도(Tg)의 상승이 충분하지 않을 우려가 있다.

이와 같은 경화 촉매의 함유량은 적절하게 조정되지만, 성형용 조성물 중의 에폭시 수지에 대하여 0.5~3 질량부의 범위로 하는 것이 바람직하다.

커플링제로서는, 특별히 제한되지 않지만, 성형용 조성물이 제1 아민 및 제2 아민을 함유하지 않기 위해서는, 아미노 실란은 사용되지 않는 것이 바람직하다. 아미노 실란이 사용되면, 연료 전지의 촉매가 피독될 우려가 있어 바람직하지 않다. 커플링제로서 머캅토 실란이 사용되지 않는 것도 바람직하다. 이 머캅토 실란이 사용되는 경우에도, 마찬가지로 연료 전지의 촉매가 피독될 우려가 있다.

커플링제의 예로서는, 실리콘계의 실란 화합물, 티타네이트계, 알루미늄계의 커플링제를 들 수 있다. 예를 들면, 실리콘계의 커플링제로서는, 에폭시 실란이 적합하다.

에폭시 실란 커플링제가 사용되는 경우의 사용량은, 성형용 조성물의 고형분 중의 함유량이 0.5~1.5 질량%가 되는 범위인 것이 바람직하다. 이 범위에서, 커플링제가 세퍼레이터의 표면에 블리딩(bleeding)하는 것을 충분히 억제할 수 있다.

커플링제는 흑연 입자의 표면에 미리 분무 등에 의해 부착되어 있어도 된다. 이러한 경우의 첨가량은, 흑연 입자의 비표면적과 커플링제의 단위 질량당 피복 가능 면적(커플링제에 의해 피복될 수 있는 면적)을 고려하여 적절하게 설정된다. 커플링제의 첨가량은, 특히 커플링제의 피복 가능 면적의 총량이 흑연 입자의 표면적의 총량의 0.5~2 배의 범위가 되도록 조정되는 것이 바람직하다. 전술한 범위에서, 세퍼레이터의 표면에서의 커플링제의 블리딩이 충분히 억제되며, 이로써, 금형 표면의 오염이 억제된다.

왁스(내부 이형제)로서는, 특별히 제한되지 않지만, 120~190 ℃에서 성형용 조성물 중의 열경화성 수지 및 경화제와 상용(相溶)되지 않고 상 분리하는 내부 이형제가 사용되는 것이 바람직하다. 이와 같은 내부 이형제로서, 폴리에틸렌 왁스, 카르나바 왁스, 및 장쇄 지방산계 왁스로부터 선택되는 적어도 1종을 예로 들 수 있다. 이와 같은 내부 이형제가 성형용 조성물의 성형 과정에서 열경화성 수지 및 경화제와 상 분리함으로써, 세퍼레이터의 이형성이 향상된다.

내부 이형제의 함유량은, 세퍼레이터의 형상의 복잡성, 홈 깊이, 빼기 구배(draft taper) 등 금형면과의 이형성의 용이함 등에 따라 적절하게 설정되지만, 성형용 조성물 중의 고형분 전체량에 대하여 0.1~2.5 질량%의 범위인 것이 바람직하다. 이 함유량이 0.1 질량% 이상이면, 금형 성형 시에 세퍼레이터가 충분한 이형성을 발휘하고, 또한 이 함유량이 2.5 질량% 이하이면, 세퍼레이터의 친수성이 충분히 높게 유지된다. 이 왁스의 함유량이 0.1~1 질량%의 범위이면 더욱 바람직하고, 0.1~0.5 질량%의 범위이면 특히 바람직하다.

또한, 특히 박형의 세퍼레이터가 제작되는 경우에는, 성형용 조성물은 용제를 함유하는 액상(바니쉬상 및 슬러리상을 포함함)의 조성물이라도 된다. 용매로서는, 예를 들면, 메틸에틸케톤, 메톡시프로판올, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸설폭시드 등의 극성 용매가 바람직하다. 용매는 1종만 상용되어도 되고, 2종 이상 병용되어도 된다. 용매의 사용량은, 시트형의 세퍼레이터가 제작될 때의 성형용 조성물의 성형성을 고려하여 적절히 설정되지만, 바람직하게는 성형용 조성물의 점도가 1000~5000 cps의 범위가 되도록 조정된다. 그리고, 용매는 필요에 따라 사용될 수도 있으며, 성형용 조성물 중의 열경화성 수지가 액상 수지인 등의 이유로 성형용 조성물이 액상으로 조제되면, 용매가 사용되지 않아도 된다.

세퍼레이터 중의 이온성 불순물의 함유량은, 성형용 조성물 전체량에 대하여 질량 비율로 나트륨 함량 5 ppm 이하, 염소 함량 5 ppm 이하인 것이 바람직하다. 이를 위해서는 성형용 조성물의 이온성 불순물의 함유량이, 성형용 조성물 전체량에 대하여 질량 비율로 나트륨 함량 5 ppm 이하, 염소 함량 5 ppm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 세퍼레이터로부터의 이온성 불순물의 용출이 억제되고, 이에 따라 불순물의 용출에 의한 연료 전지의 기동 전압 저하 등의 특성 저하가 억제된다.

세퍼레이터 및 성형용 조성물의 이온성 불순물의 함유량이 전술한 바와 같이 저감되기 위해서는, 성형용 조성물을 구성하는 열경화성 수지, 경화제, 흑연, 그 외에 첨가제 등의 각 성분의 각각의 이온성 불순물의 함유량이, 각 성분에 대하여 질량 비율로 나트륨 함량 5 ppm 이하, 염소 함량 5 ppm 이하인 것이 바람직하다.

이온성 불순물의 함유량은, 대상물(성형용 조성물, 열경화성 수지 등)로부터 용출된 이온성 불순물을 포함하는 추출물 중의 이온성 불순물의 양에 기초하여 도출된다. 추출수는, 이온 교환수 중에 대상물 10 g에 대하여 이온 교환수 100 ml의 비율로 되도록 투입된 상태에서, 이 이온 교환수 및 대상물이 90℃에서 50시간 가열됨으로써, 얻어진다. 추출수 중의 이온성 불순물은, 이온 크로마토그래피로 평가된다. 이 추출수 중의 이온성 불순물량이 대상물에 대한 질량비에 환산됨으로써, 대상물 중의 이온성 불순물의 양이 도출된다.

성형용 조성물은, 이 조성물로부터 형성되는 세퍼레이터로부터 얻어지는 추출수의 TOC(total organic carbon)가 100 ppm 이하가 되도록 조제되는 것이 바람직하다.

TOC는, 이온 교환수 중에 세퍼레이터가, 세퍼레이터의 질량 10 g에 대하여 이온 교환수 100 ml의 비율로 투입되어 이 이온 교환수 및 세퍼레이터가 90℃에서 50시간 가열됨으로써 얻어지는 용액(추출수)으로부터 측정되는 수치이다. 이와 같은 TOC는, 예를 들면, JIS K0102에 준거하여, 시마즈 제작소 가부시키가이샤에서 제조한 전체 유기 탄소 분석 장치 「TOC-50」등으로 측정될 수 있다. 측정 시에는, 샘플의 연소에 의해 발생한 CO₂ 농도가 비분산형 적외선 가스 분석법으로 측정되며, 이로써, 샘플 중의 탄소 농도가 정량된다. 이 탄소 농도가 측정됨으로써, 간접적으로 세퍼레이터가 함유하는 유기 물질의 농도가 측정된다. 샘플 중의 무기 탄소(IC), 전체 탄소(TC)가 측정되면 전체 탄소와 무기 탄소의 차이(TC-IC)로부터 전체 유기 탄소(TOC)가 도출된다.

상기 TOC가 100 ppm 이하이면, 연료 전지의 특성 저하가 더욱 억제된다.

TOC의 값은, 성형용 조성물을 구성하는 각 성분으로서 고순도의 성분이 선택되거나, 수지의 당량비가 조정되거나, 성형 시에 후경화 처리가 행해지거나 함으로써, 저감될 수 있다.

전술한 바와 같은 원료 성분이 배합됨으로써 성형용 조성물이 조제되고, 이 성형용 조성물이 성형됨으로써 세퍼레이터를 얻을 수 있다.

이와 같이 세퍼레이터가 제조될 때, 원료 성분, 성형용 조성물, 및 세퍼레이터 중 적어도 어느 하나로부터, 금속 성분이 제거되는 것이 바람직하다. 특히, 적어도 성형용 조성물로부터 금속 성분을 제거하는 것이 바람직하다. 이로써, 연료 전지 세퍼레이터의 금속 성분의 함유량이 저감된다.

원료 성분으로부터의 금속 성분의 제거 방법의 일례로서, 원료 성분 중의 상기 금속 성분을 자석을 사용하여 흡인 제거하는 방법을 들 수 있다. 원료 성분 중, 특히 흑연 입자로부터 금속 성분을 제거하는 방법으로서는, 흑연 입자를, pH 2 이하의 강산성 용액을 사용하여 세정하는 방법도 예로 들 수 있다. 강산성 용액으로서는, 예를 들면, 농도 69 질량%의 진한 질산과 농도 36 질량%의 진한 염산을 체적비로 1：3의 비율로 혼합하여 얻어지는 왕수, 농도 15 질량% 이상의 염산수, 농도 15 질량% 이상의 황산수, 및 농도 15 질량% 이상의 질산수로부터 선택되는 적어도 1종을 사용할 수 있다. 이 경우에, 흑연 입자로부터 상기 금속 성분을 용이하게 제거할 수 있다. 상기 염산수, 황산수 및 질산수의 농도는, 조작성의 관점에서 30 질량% 이하인 것이 바람직하다.

성형용 조성물로부터의 금속 성분을 제거하는 방법으로서는, 원료 성분으로부터의 금속 성분의 제거 방법과 마찬가지로, 성형용 조성물 중의 상기 금속 성분을 자석을 사용하여 흡인 제거하는 방법 등을 예로 들 수 있다.

이 성형용 조성물을 성형하여, 성형체(세퍼레이터)를 얻을 수 있다. 성형법으로서는, 사출 성형이나 압축 성형 등, 적절한 방법이 채용될 수 있다. 예를 들면, 도 1에 나타내는 세퍼레이터(20)에는 양면에 복수의 볼록부(리브)(21)가 형성됨으로써, 인접하는 볼록부(21) 사이에, 연료인 수소 가스와 산화제인 산소 가스의 유로인 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성된다.

그리고, 세퍼레이터는, 한쪽 면에만 가스 공급 배출용 홈을 가지는 애노드 측 세퍼레이터와, 상기 애노드 측 세퍼레이터와 반대 측의 한쪽 면에만 가스 공급 배출용 홈을 가지는 음극측 세퍼레이터로 구성될 수도 있다. 이 애노드 측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터가 중첩됨으로써, 도 1에 나타낸 바와 같은 양면에 가스 공급 배출용 홈(2)을 가지는 세퍼레이터(20)가 구성된다. 애노드 측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터 사이에는 냉각수가 유통하는 유로가 형성될 수도 있다. 이 경우에, 애노드 측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터 사이에는 개스킷이 개재되는 것이 바람직하다.

성형용 조성물은, 입상(粒狀), 시트형 등의 적절한 형상으로 형성된다. 성형용 조성물이 입상인 경우에는, 전술한 바와 같은 원료 성분이, 예를 들면, 교반 혼합기 등으로 교반 혼합되고, 혹은 나아가서는 정립기(整粒機) 등으로 정립됨으로써, 성형용 조성물을 얻을 수 있다.

또한, 바니쉬상으로 조제된 성형용 조성물로부터 박형의 세퍼레이터가 형성되는 경우에는, 예를 들면, 먼저 성형용 조성물이 시트형으로 성형됨으로써, 시트형의 성형용 조성물(연료 전지 세퍼레이터 성형용 시트(성형용 시트))을 얻을 수 있다. 성형용 조성물은, 예를 들면, 캐스팅(전진) 성형에 의해 시트형으로 성형된다. 이 때는, 복수 종류의 막 두께 조절 수단이 적용될 수 있다. 이와 같은 복수 종류의 막 두께 조절 수단이 사용되는 캐스팅법은, 예를 들면, 이미 실용화되어 있는 멀티 코터를 사용됨으로써 실현된다. 캐스팅을 위한 막 두께 조절 수단으로서는, 슬릿 다이와 함께, 닥터 나이프 및 와이어 바 중 적어도 어느 하나, 즉 어느 한쪽 또는 양쪽을 사용하는 것이 바람직하다. 이 성형용 시트의 두께는, 0.05 mm이상인 것이 바람직하고, 0.1 mm 이상이면 더욱 바람직하다. 또한, 이 두께는 0.5 mm 이하인 것이 바람직하고, 0.3 mm 이하이면 더욱 바람직하다. 이와 같이 성형용 시트의 두께가 0.5 mm 이하이면, 세퍼레이터(1)의 박형화나 경량화, 및 그에 따른 저비용화가 달성되고, 특히 두께가 0.3 mm 이하이면 용매를 사용하는 경우의 성형용 시트 내부의 용매의 잔존이 효과적으로 억제된다. 또한, 이 두께가 0.05 mm 미만인 경우에는 세퍼레이터의 제조 시의 유리한 점이 충분히 발휘되지 않게 되며, 특히 성형성을 고려하면 이 두께는 0.1 mm 이상인 것이 바람직하다.

이 성형용 시트가, 캐스팅에 따른 건조에 의해, 반경화(B 스테이지) 상태로 되고, 나아가서는 압축·열경화 성형 등이 이루어져, 양면에 복수의 볼록부(리브)가 형성되고, 또한 이 볼록부(리브) 사이에 가스 공급 배출용 홈이 형성되며, 이로써, 세퍼레이터를 얻을 수 있다. 이 때, 세퍼레이터가 파형 모양의 판형으로 형성되고, 그 일면 측의 볼록부의 배면측에 다른 면 측의 가스 공급 배출용 홈이 형성되면, 박형이면서 양면에 복수의 볼록부(리브)를 가지고, 또한 이 볼록부(리브) 사이에 가스 공급 배출용 홈을 가지는 세퍼레이터를 얻을 수 있다.

이 성형용 시트의 압축·열경화 성형 시에는, 먼저 성형용 시트가 필요에 따라 소정의 평면 치수로 커팅(절단) 또는 펀칭되고, 또한 금형 내에 있어서 압축 성형기로 열경화된다. 이 압축·열경화 성형의 조건은, 성형용 조성물의 조성, 도전성 기재(基材)의 종류, 성형 두께 등에 따라 다르지만, 가열 온도가 120~190 ℃의 범위, 압축 압력이 1~40 MPa의 범위로 설정되는 것이 바람직하다.

세퍼레이터의 제작 시에는, 한 장의 성형용 시트가 성형됨으로써 세퍼레이터가 제작되어도 되고, 성형용 시트가 복수 장 중첩되어 성형됨으로써 세퍼레이터가 제작되어도 된다.

이와 같이 성형용 시트가 성형됨으로써, 박형의 세퍼레이터, 특히 두께 0.2~1.0 mm의 범위의 세퍼레이터가 제조된다. 이와 같이 세퍼레이터의 제조 시에 성형용 시트가 사용됨으로써, 박형의 세퍼레이터가 제조되는 경우라도 성형용 조성물이 얇으면서 균일하게 배치하기 쉬워져, 성형성이나 두께 정밀도가 높아진다.

그리고, 세퍼레이터의 제작 시에는, 성형용 시트와 적절한 도전성 기재가 적층되어도 된다. 도전성 기재가 사용되면 세퍼레이터의 기계적 강도가 향상된다. 도전성 기재가 사용되는 경우에는, 예를 들면, 도전성 기재의 양측에 각각 성형용 시트(복수의 성형용 시트의 적층물을 포함함)가 적층된 상태에서 압축·열경화 성형되고, 또는 성형용 시트(복수의 성형용 시트의 적층물을 포함함)의 양측에 각각 도전성 기재가 적층된 상태에서 압축·열경화 성형된다.

상기 도전성 기재로서는, 예를 들면, 카본 페이퍼, 카본 프리프레그, 카본 펠트 등이 예시된다. 또한, 이들 도전성 기재는, 도전성을 손상시키지 않는 범위에서, 유리, 수지 등의 기재 성분을 함유해도 된다. 도전성 기재의 두께는, 0.03~0.5 mm의 범위가 바람직하고, 0.05~0.2 mm의 범위가 더욱 바람직하다.

성형용 조성물이 압축 성형됨으로써 얻어지는 성형체(세퍼레이터)에는, 블라스트 처리가 행해지는 등에 의해, 표층의 스킨층이 제거되고, 또한 이 세퍼레이터의 표면 거칠기가 조정되는 것이 바람직하다.

이 세퍼레이터의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)는, 0.4~1.6 ㎛의 범위인 것이 바람직하다. 이 경우에, 세퍼레이터와 개스킷의 접합부에서의 가스 리크가 억제된다. 그러므로 웨트 블라스트 처리 시에 세퍼레이터에 있어서의 개스킷과 접합하는 부위를 마스킹할 필요가 없어져, 세퍼레이터의 생산 효율이 향상된다. 그리고, 상기 산술 평균 높이 Ra가 0.4㎛ 미만이 되는 것은 곤란하며, 또한 이 값이 1.6㎛ 보다 크면 상기 가스 리크가 충분히 억제되지 않게 될 우려가 있다. 이 세퍼레이터의 표면의 산술 평균 높이 Ra는 1.2㎛ 이하인 것이 특히 바람직하다. 또한, 이 세퍼레이터의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 1.0㎛ 미만이면, 상기 가스 리크가 특히 억제되고, 세퍼레이터의 박형화에 따라 셀 스택 제작 시의 체결력이 낮아져도, 상기 가스 리크가 충분히 억제된다. 세퍼레이터의 표면의 산술 평균 높이 Ra가 0.6㎛ 이상이라도 바람직하다.

세퍼레이터의 표면의 접촉 저항은 15 mΩcm² 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 연료 전지로 발전한 전기 에너지를 외부로 전달하는 세퍼레이터의 기능이 높은 레벨로 유지된다.

상기 블라스트 처리 시에는, 성형체(세퍼레이터)에 웨트 블라스트 처리가 행해지고, 또한 이 처리에 있어서 알루미나 입자 등의 연마 입자를 포함하는 슬러리로부터 자석에 의해 금속 성분이 제거되는 것이 바람직하다. 블라스트 처리에 사용되는 연마 입자에는 불순물로서 금속 성분이 혼입되는 경우가 있고, 또한 블라스트 처리 시에 연마 입자를 포함하는 슬러리에 금속 성분이 혼입되는 경우가 있다. 이와 같은 금속 성분을 포함하는 슬러리를 사용하여 블라스트 처리가 행해지면, 세퍼레이터의 표면에 연마 입자로부터 금속 성분이 박히게 된다. 그러나, 전술한 바와 같이 슬러리로부터 자석에 의해 금속 성분이 제거되면서, 이 연마 입자에 의해 웨트 블라스트 처리가 행해지면, 블라스트 처리 시에 세퍼레이터에 금속 성분이 부착되기 어려워진다. 즉, 웨트 블라스트 처리에 의해 스킨층의 제거나 표면 거칠기의 조정 등이 이루어지면서, 이 웨트 블라스트 처리 시에, 슬러리 중의 연마 입자에 포함되는 금속 이물질 등의 금속 성분이 세퍼레이터에 박히기 어려워진다. 또한, 이 웨트 블라스트 처리에 있어서, 슬러리가 순환되면서 반복적으로 사용되고, 또한 이 슬러리의 순환 시에 슬러리로부터 금속 성분이 자석 등에 의해 흡인 제거되면, 슬러리 중의 연마 입자로부터 자석에 의해 금속 성분이 제거되면서, 이 연마 입자에 의해 웨트 블라스트 처리가 행해진다.

또한, 흑연 입자로부터의 금속 성분을 제거하는 방법과 마찬가지로, 성형체(세퍼레이터)로부터 금속 성분이 자석에 의해 흡인 제거될 수도 있다. 이 경우에, 예를 들면, 성형체(세퍼레이터)가 한쌍의 자석 사이에 배치됨으로써, 성형체(세퍼레이터)로부터 금속 성분이 흡인 제거된다. 그리고, 자석을 사용한 흡인 제거 이외의 적절한 방법으로 성형체(세퍼레이터)로부터 금속 성분이 제거되어도 된다. 단, 강산성 용액에 의해 세정하는 방법에서는 세퍼레이터를 구성하는 수지가 혼합될 우려가 있으며, 또한 초음파 세정에서는 세퍼레이터로부터 흑연 입자가 이탈할 우려가 있으므로, 바람직하지 않다.

에폭시 수지를 포함하는 열경화성 수지를 사용하고, 또한 페놀계 화합물을 포함하는 경화제를 사용하는 경우에는, 수산기가 성형체의 표면에 분포하게 된다. 특히 성형용 조성물 중의 페놀계 화합물에 대한 에폭시 수지의 당량비가 0.8~1.2이면, 후술하는 바와 같이 성형체에 대한 표면 처리에 의해 성형체의 친수성이 크게 향상되는 동시에 이 친수성이 장기간 지속하게 된다. 이 당량비가 1.2보다 크면 전술한 바와 같은 효과를 얻을 수 없으며, 이는 성형체에 분포하는 수산기가 부족하기 때문인 것으로 여겨진다. 또한, 이 당량비가 0.8 미만인 경우도, 이유는 불분명하지만, 전술한 바와 같은 효과를 얻을 수 없게 된다. 표면 처리에 의한 효과를 현저하게 발휘하게 하기 위해서는, 특히 상기 당량비가 0.8~1.0의 범위인 것이 바람직하고, 이 경우에, 수산기의 당량이 과잉으로 되어 많은 수산기를 성형체의 표면에 분포시킬 수 있게 된다. 상기 당량비가 0.8~0.9의 범위이면 더욱 바람직하다.

열경화성 페놀 수지를 포함하는 열경화성 수지를 사용하는 경우도, 성형체 중에 열경화성 페놀 수지에 기인하는 수산기가 성형체의 표면에 분포하게 된다. 이로써, 후술하는 바와 같이 성형체에 대한 표면 처리에 의한 친수성 향상의 효과가 향상된다.

이 성형체의 표면에 대하여, 이 성형체의 표면에 친수화를 위한 표면 처리가 행해지는 것이 바람직하다. 이 표면 처리로서는, 플라즈마 처리와, 오존 가스에 의한 처리를 예로 들 수 있다.

웨트 블라스트 처리 후의 성형체에는, 친수화를 위한 표면 처리에 앞서 건조 처리가 행해지는 것도 바람직하다. 이 건조 처리에서는, 성형체가 에어 블로우 등에 의해 풍건(風乾)되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 필요에 따라 상온 또는 온풍에 의한 에어 블로우가 채용되고, 또는 상온에서의 에어 블로우 후에 온풍에 의한 에어 블로우를 추가적으로 행해도 된다. 또한, 건조 처리 시에는, 성형체를 실리카겔 등의 건조제를 넣은 데시케이터 중에 정치하는 방법, 성형체를 실온 이상(예를 들면, 50℃)의 온도의 건조기 중에 정치하는 방법, 진공 건조기를 사용하여 성형체로부터 수분을 제거하는 방법 등이 채용될 수도 있다. 이 건조 처리에 의해, 성형체가, 그 흡습율이 0.1% 이하로 될 때까지 건조되는 것이 바람직하다.

플라즈마 처리로서는, 대기압 플라즈마 처리가 행해지는 것이 바람직하고, 특히 리모트 방식으로의 플라즈마 처리가 행해지는 것이 바람직하다. 이 리모트 방식에서의 대기압 플라즈마 처리에서는, 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같은, 송풍구(9)를 가지는 방전 공간(10)과, 이 방전 공간(10)에 전계를 발생시키기 위한 방전용 전극(6, 6)을 구비하는 플라즈마 처리 장치가 사용된다. 이 플라즈마 처리 장치에서는, 방전 공간(10)에 플라즈마 생성용 가스(7)이 공급되는 동시에 이 방전 공간(10) 내의 압력이 대기압 근방으로 유지되고, 또한 방전용 전극(6, 6) 사이에 전압이 인가됨으로써 방전 공간(10)에 방전이 발생하면, 방전 공간(10) 내에서 플라즈마가 생성된다. 이 플라즈마를 포함하는 가스류(8)가 분출구(9)로부터 분출되어 성형체(1)에 분사됨으로써, 성형체(1)에 플라즈마 처리가 행해진다. 이와 같은 플라즈마 처리 장치로서는, 예를 들면, 세키스이 화학공업 가부시키가이샤에서 제조한 APT 시리즈가 있으며, 파나소닉 전공 가부시키가이샤, 야마토 머티리얼 가부시키가이샤 등으로부터 제공되고 있는 적절한 플라즈마 처리 장치가 사용되어도 된다.

이와 같은 리모트 방식의 플라즈마 처리가 채용되면 성형체의 표면을 향해 플라즈마가 분사되고, 이에 따라 성형체의 가스 공급 배출용 홈의 내면까지 충분히 처리가 행해진다. 또한 플라즈마 처리 시에 성형체가 방전에 노출되지 않으며, 이에 따라 성형체가 플라즈마 처리 시에 쉽게 손상되지 않는다.

대기압 플라즈마 처리는, 성형체의 표면에 원하는 친수성이 부여되도록 적절하게 설정된 조건에서 행해진다. 이 대기압 플라즈마 처리에 있어서의 플라즈마 생성용 가스는, 질소 가스인 것이 바람직하고, 특히 이 질소 가스 중의 산소 함유량이 2000 ppm 이하인 것이 바람직하다. 이 경우에, 대기압 플라즈마 처리에 의해 세퍼레이터에 특히 높은 친수성이 부여된다.

또한, 대기압 플라즈마 처리는, 성형체의 표면에 결로가 생기지 않도록 성형체의 온도 및 분위기 온도가 조정된 조건 하에서 행해지는 것이 바람직하다. 이 경우에, 성형체의 표면에 부착된 수적(水滴)에 의해 플라즈마가 소비되는 것이 억제되어, 처리 효율이 향상된다. 성형체의 온도는, 전술한 바와 같이 이 성형체의 표면에 결로가 생기지 않는 온도(이슬점 온도) 이상인 것이 바람직하고, 안정된 대기압 플라즈마 처리를 위해서는 70℃ 이하인 것이 바람직하다. 대기압 플라즈마 처리의 안정화를 위해서는, 성형체의 온도 및 분위기 온도가 일정하게 유지되는 것도 중요하다. 분위기 온도의 조절 시에는, 통상, 플라즈마 처리 장치의 플라즈마 유닛 부분의 온도가 조절되고, 플라즈마 처리 장치의 구성에 따라서는 플라즈마 처리시에 성형체를 지지하는 받침대의 온도가 조절된다.

그리고, 대기압 플라즈마 처리 시에, 리모트 방식 이외의 방식의 플라즈마 처리, 예를 들면, 다이렉트 방식의 플라즈마 처리가 채용될 수도 있다.

플라즈마 처리 후의 성형체는, 그대로 대기중에 방치되어도 되지만, 성형체를 이온 교환수 등의 물에 침지시키거나 하여 이 성형체의 표면과 물을 접촉시키는 물 접촉 처리가 행해지는 것이 바람직하다.

이와 같이 하여 대기압 플라즈마 처리를 포함하는 표면 처리가 성형체에 행해지면, 성형체의 표면의 친수성이 향상되고, 또한 이 높은 친수성이 장기간에 걸쳐 유지된다. 이 친수화의 상세한 메카니즘은 불명하지만, 성형체의 표면에 수산기가 분포함으로써 이 표면에 수분이 흡착되어 관능기가 용이하게 생성되고, 또한 대기압 플라즈마 처리에 의해, 성형체의 표면으로부터 오염 물질이 제거되어 활성이 높은 상태로 되고, 또한 이 활성화된 표면에 수산기 등의 친수성의 관능기가 도입되어, 성형체의 표면에 친수성의 관능기가 많이 형성되어, 이것이 친수성 향상에 기여하고 있는 것으로 여겨진다.

특히 성형체에 플라즈마 처리에 앞서 전술한 바와 같은 건조 처리가 행해지면, 성형체에 대한 대기압 플라즈마 처리가 물 분자에 의해 저해되기 어려워져, 대기압 플라즈마 처리의 효율이 향상된다.

그리고, 대기압 플라즈마 처리 시에는, 성형체에서 아크가 발생하지 않는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 예를 들면, 플라즈마 처리 장치의 전극부에 어스 장치가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 플라즈마 처리 후의 성형체에 전술한 바와 같은 물 접촉 처리가 행해지면, 성형체 표면의 친수성이 더욱 향상된다. 그 상세한 메카니즘은 밝혀지지 않았지만, 대기압 플라즈마 처리에 의해 활성화된 성형체의 표면에 물 분자가 흡착하는 것에 기인하여 성형체의 표면의 친수성이 향상되는 것으로 여겨진다.

한편, 오존 가스에 의한 처리는, 성형체의 표면에 오존 가스를 접촉시킴으로써 행해진다.

성형체의 표면에 오존 가스를 접촉시키는 표면 처리는, 예를 들면, 성형체가 배치되어 있는 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스가 공급됨으로써 행해진다. 오존 가스를 포함하는 가스로서는, 오존 가스와 산소 가스나 공기 등을 포함하는 혼합 가스를 예로 들 수 있다. 이 표면 처리에 있어서의 오존 가스 농도는, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면, 3.5~8.0 용량% 범위의 비교적 낮은 농도라도 되고, 8.0~14.0 용량% 범위의 비교적 높은 농도라도 된다.

이 표면 처리 시의 처리 온도는, -50℃ 이상이 바람직하고, 0℃ 이상이면 더욱 바람직하고, 실온 이상이면 가장 바람직하다. 또한, 성형체의 내열성의 한계를 고려하여, 처리 온도는 200℃ 이하가 바람직하고, 100℃ 이하이면 보다 바람직하고, 50℃ 이하이면 더욱 바람직하고, 30℃ 이하가 가장 바람직하다. 즉, 처리 온도는 -50℃~200℃의 범위인 것이 바람직하고, 0℃~100℃의 범위이면 보다 바람직하고, 0℃~50℃의 범위이면 더욱 바람직하고, 실온 이상 30℃ 이하의 범위가 가장 바람직하다.

이 표면 처리의 처리 시간은, 1초 이상이 바람직하고, 수 초 이상이면 보다 바람직하고, 10초 이상이면 더욱 바람직하고, 0.1시간 이상이면 더욱 바람직하며, 0.2시간 이상이 가장 바람직하다. 또한, 이 처리 시간은, 10일 이하인 것이 바람직하고, 10시간 이하이면 보다 바람직하고, 5시간 이하이면 더욱 바람직하고, 1시간 이하이면 특히 바람직하다. 실용적인 처리 시간은, 길어도 1~4 시간의 범위가 바람직하고, 또한 장시간 처리를 행하는 경우라도 1일 이하인 것이 바람직하다. 예를 들면, 0.1~5 시간의 범위가 바람직하고, 0.2~1 시간의 범위가 더욱 바람직하다.

이 표면 처리 시의 분위기 압력은 상압 부근인 것이 바람직하다. 또한, 분위기 압력은 상압보다 낮은 압력 또는 높은 압력이라도 되지만, 그러한 경우라도 분위기 압력은 수 hPa~0.2 MPa의 범위인 것이 바람직하다.

이들 처리 조건은, 성형체에 충분한 양의 오존 가스를 양호한 효율로 도입할 수 있고, 또한 표면 처리에 의해 성형체의 열화, 연소 등이 일어나지 않도록, 적절하게 설정된다.

표면 처리 시에는, 성형체에 오존 가스를 적절한 방법으로 접촉시킨다. 예를 들면, 처리 용기 내에 성형체를 넣고, 이 처리 용기 내에 오존 가스를 포함하는 가스를 공급함으로써, 성형체에 오존 가스를 접촉시킬 수 있다.

표면 처리가 행해진 성형체는, 그대로 대기중에 방치해도 되고, 또한 수세하고 건조시켜도 된다.

이와 같은 오존 가스에 의한 처리를 포함하는 표면 처리에 의해서도, 성형체 표면의 친수성을 향상시킬 수 있다. 이는, 표면 처리에 의해 성형체의 표면에서 오존이 반응함으로써 성형체의 표면에 친수성의 관능기가 도입되기 때문인 것으로 여겨진다.

성형체의 표면에 수산기가 분포되어 있으면, 성형체의 표면의 친수성이 현저하게 향상되는 동시에 이 친수성이 장기간에 걸쳐 높게 유지된다.

또한, 성형체 중에 페놀계 화합물이나 열경화성 페놀 수지 등에 기인하는 방향족환이 존재함으로써, 상기 표면 처리에 의해 생성된 관능기가 성형체의 내부에 잠입하기 어려워지며, 이는, 성형체의 표면의 친수성의 향상과 친수성의 장기간 유지에 기여하고 있는 것으로 여겨진다.

오존 가스를 사용하는 표면 처리에 앞서, 성형체의 상기 표면 처리가 행해지는 면에, 사전에 플라즈마 처리가 행해져도 된다. 이 플라즈마 처리가 행해지면, 성형체의 표면으로부터 오염 물질이 제거되어 성형체의 표면이 활성이 높은 상태로 된다. 또한, 이 플라즈마 처리에 의해 성형체의 표면에 수산기 등의 관능기를 도입할 수 있다. 그러므로 표면 처리에 의해 성형체의 표면에 오존 가스가 더욱 반응하기 쉬워져, 세퍼레이터의 표면의 친수성이 더욱 장기간에 걸쳐 유지된다. 이 경우의 플라즈마 처리는, 성형체의 표면에 원하는 관능기를 도입 가능하도록 적절하게 설정된 조건에서 행할 수 있지만, 예를 들면, 야마토 머티리얼 가부시키가이샤에서 제조한 형번 「PDC210」을 사용하고, 플라즈마 생성용 가스로서 산소를 사용하고, 인가 전력 150~500 W, 처리 시간 30초~10분의 조건에서 행할 수 있다.

친수성 향상을 위한 표면 처리가 행해지므로 세퍼레이터의 표면에 높은 친수성이 부여되는 동시에 이 친수성이 장기간 유지되면, 가스 공급 배출용 홈이 수적에 의해 쉽게 폐색되지 않으며, 그러므로 연료 전지의 높은 발전 효율이 장기간 유지된다.

이와 같이 하여 성형체에 친수성 향상을 위한 표면 처리를 행할 때, 이 성형체의 표면 처리가 행해지는 면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)을 사전에 0.4~1.6 ㎛의 범위로 해두는 것이 바람직하다. 이 경우에, 표면 처리의 균일성이 더욱 높아지고, 성형체의 표면에 오존 가스가 더욱 반응하기 쉬워져, 성형체의 표면의 친수성을 더욱 향상시킬 수 있다. 성형체의 산술 평균 높이 Ra의 조정은, 전술한 바와 같이 성형체 중의 흑연 입자의 입경을 조정하거나, 전술한 바와 같이 성형체의 표면에 블라스트 처리 등을 행함으로써 행할 수 있다.

또한, 성형체에 표면 처리를 행할 때, 미리 성형체의 표면 처리가 행해지는 면에 형성되어 있는 가스 공급 배출용 홈의 폭(A)과 깊이(B)의 비(A/B)가 1 이상으로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우에, 표면 처리 시의 오존 가스가 가스 공급 배출용 홈의 내부에 균일하게 퍼지기 쉬워져, 표면 처리의 균일성이 더욱 높아진다. 상기 비(A/B)의 상한은 특별히 제한되지 않지만, 가스 공급 배출용 홈을 고밀도로 형성하기 위해서는, 실용적으로 10 이하인 것이 바람직하다.

친수성 향상을 위한 표면 처리에 의해, 세퍼레이터의 표면의 물과의 정적(靜的) 접촉각이 0°~50°의 범위로 되는 것이 바람직하고, 특히 0°~10°의 범위로 되는 것이 바람직하고, 0°~5°의 범위로 되면 더욱 바람직하다. 이 물과의 정적 접촉각은, 표면 처리 조건을 적절하게 설정함으로써 조정할 수 있다. 이로써, 세퍼레이터의 표면에 충분히 높은 친수성을 부여할 수 있다.

또한, 친수성 향상을 위한 표면 처리에 의해, 세퍼레이터의 표면의 접촉 저항이 15 mΩcm² 이하로 되는 것이 바람직하다. 이 접촉 저항도, 표면 처리 조건을 적절하게 설정함으로써 조정할 수 있다. 이로써, 연료 전지에서 발전한 전기 에너지를 외부로 전달하는 세퍼레이터의 기능을 높은 레벨로 유지할 수 있다.

그리고, 친수성 향상을 위한 표면 처리는, 상기 플라즈마 처리 및 오존 가스에 의한 처리로 한정되지는 않는다. 예를 들면, 친수성 향상을 위한 표면 처리로서, 성형체의 표면에 SO₃를 함유하는 가스를 접촉시키는 처리, 성형체의 표면에 불소를 함유하는 가스를 접촉시키는 처리, 성형체의 표면에 규소 화합물 또는 알루미늄 화합물을 포함하는 개질제 화합물을 포함하는 기체를 연소시키면서 분출하는 처리, 감압 플라즈마 처리 등 적절한 처리가 채용될 수도 있다.

이상과 같이 하여 얻어지는 세퍼레이터에 있어서의, 금속 성분의 부착의 정도는, 이 세퍼레이터를 90℃의 온수로 1시간 세정한 후, 90℃의 온도에서 1시간 가열 건조하는 처리를 행한 후에, 이 세퍼레이터의 표면을 관찰함으로써 확인된다. 세퍼레이터에 금속 성분이 부착되어 있으면, 전술한 처리에 의해 세퍼레이터의 표면에 금속 산화물(녹)이 생성된다. 상기 처리 후의 세퍼레이터의 표면이 육안 관찰에 의해 관찰되어도 상기 금속 산화물(녹)의 존재가 확인되지 않는 것이 바람직하다. 특히, 상기 처리 후의 세퍼레이터의 표면에, 직경 100㎛보다 큰 금속 산화물이 존재하지 않는 것이 바람직하고, 직경 50㎛보다 큰 금속 산화물이 존재하지 않는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 직경 30㎛보다 큰 금속 산화물이 존재하지 않는 것이 특히 바람직하다.

또한, 이 세퍼레이터의 표면에 표출되고 있는 Fe, Co, 및 Ni의 총량이 0.01μg/cm² 이하로 되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 이 세퍼레이터(20)의 표면에 표출되고 있는 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu 및 Zn의 총량이 0.01μg/cm² 이하로 되어 있는 것이 바람직하다.

이와 같이 세퍼레이터의 제조 시에 원료 성분, 성형용 조성물, 또는 세퍼레이터로부터 금속 성분이 제거되면, 세퍼레이터에 있어서의 금속 성분의 함유량이 적어진다. 또한, 이로 인해, 세퍼레이터가 수세 등이 행해진 후 연료 전지에 내장해도, 세퍼레이터의 표면에 금속 산화물(녹)이 나타나기 어려워진다. 그러므로, 연료 전지 내에서의 세퍼레이터로부터의 금속 이온의 이탈이 억제되고, 이와 같은 금속 이온의 이탈에 의한 전해질의 프로톤 전도성의 저하나 전해질의 분해가 억제되어, 연료 전지의 성능이 장기간에 걸쳐 유지된다.

도 1은, 이상과 같이 하여 제조되는 세퍼레이터(20)를 구비하는 고체 고분자형 연료 전지의 단위 셀의 구조를 개략적으로 나타낸다. 2장의 세퍼레이터(20, 20) 사이에, 고체 고분자 전해질 막 등의 전해질(4)과 가스 확산 전극(연료 전극(31)과 산화제 전극(32)) 등으로 이루어지는 막-전극 복합체(MEA)(5)가 개재됨으로써, 단전지(단위 셀)가 구성되어 있다. 이 단위 셀을 수십개~수백개 병설함으로써 전지 본체(셀 스택)가 구성된다.

도 2는, 개스킷(12)이 사용됨으로써 구성되는 태양 전지의 단위 셀의 구조의 일례를 나타낸다. 이 단위 셀은, 세퍼레이터(20, 20), 개스킷(12, 12), 막-전극 복합체(5)가 중첩됨으로써 구성되어 있다. 세퍼레이터(20)의, 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있는 영역을 둘러싸는 외주 부분에는, 6개의 매니폴드(13)(2개의 연료용 매니폴드(131), 2개의 산화제용 매니폴드(132), 및 2개의 냉각용 매니폴드(133))가 형성되어 있다. 즉, 세퍼레이터(20)에는, 볼록부(21) 및 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있는 영역을 둘러싸는 외주 부분에, 연료용 관통공(연료용 매니폴드)(131, 131)과 산화제용 관통공(산화제용 매니폴드)(132, 132)이 형성되어 있다. 연료용 관통공(131, 131)은 2개 형성되어 있고, 각 연료용 관통공(131, 131)은 세퍼레이터(20)의 연료 전극(31)과 중첩되는 면에 있어서의 가스 공급 배출용 홈(2)의 양단에 각각 연통된다. 산화제용 관통공(132, 132)도 2개 형성되어 있고, 각 산화제용 관통공(132, 132)은 세퍼레이터(20)의 산화제 전극(32)과 중첩되는 면에 있어서의 가스 공급 배출용 홈(2)의 양단에 각각 연통된다. 또한, 이 외주 부분에는, 냉각용 관통공(냉각용 매니폴드)(133)도 형성되어 있다. 세퍼레이터(20)가 애노드 측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터로 구성되는 경우, 애노드 측 세퍼레이터와 음극측 세퍼레이터 사이에 있는 냉각수가 유통하는 유로에, 냉각용 매니폴드(133)가 연통된다.

그리고, 본 실시형태에서는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 세퍼레이터(20)에는 스트레이트 타입의 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어 있다. 일반적으로, 세퍼레이터(20)에 있어서의 가스 공급 배출용 홈(2)으로서는, 굴곡을 가지는 서펜타인 타이프(serpentine type)의 홈과 굴곡을 갖지 않는 스트레이트 타입의 홈이 있다. 물론, 도 2에 나타내는 세퍼레이터(20)에 있어서, 이 세퍼레이터(20)에 서펜타인 타이프의 가스 공급 배출용 홈(2)이 형성되어도 된다.

세퍼레이터(20)의 두께는, 예를 들면, 0.5~3.0 mm의 범위에서 형성된다. 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)의 폭은, 예를 들면, 1.0~1.5 mm, 깊이는, 예를 들면, 0.5~1.5 mm의 범위에서 형성된다. 매니폴드(13)의 개구 면적은, 예를 들면, 0.5~5.0 cm²의 범위에서 형성된다.

세퍼레이터(20)의 외주 부분에는, 실링을 위한 개스킷(12)이 적층된다. 이 개스킷(12)은 그 대략 중앙부에 막-전극 복합체(5)에서의 연료 전극(31)이나 산화제 전극(32)을 수용하기 위한 개구(15)를 가지고, 이 개구(15)에서 세퍼레이터(20)의 가스 공급 배출용 홈(2)이 노출된다. 이 개구(15)의 외주측에는, 상기 세퍼레이터의 연료용 관통공(131), 산화제용 관통공(132) 및 냉각용 관통공(133)과 합치하는 위치에, 연료용 관통공(141), 산화제용 관통공(142) 및 냉각용 관통공(143)이 각각 형성되어 있다.

또한, 막-전극 복합체(5)에 있어서의 전해질(4)의 외주 부분에도, 상기 세퍼레이터의 연료용 관통공(131), 산화제용 관통공(132) 및 냉각용 관통공(133)과 합치하는 위치에, 연료용 관통공(161), 산화제용 관통공(162) 및 냉각용 관통공(163)이 각각 형성되어 있다.

이 단위 셀 구조에서는, 세퍼레이터(20), 개스킷(12), 및 전해질(4)의 각 연료용 관통공(131, 141, 161)이 연통함으로써, 연료 전극에 대한 연료의 공급 및 배출을 위한 연료용 유로가 구성된다. 또한, 각 산화제용 관통공(132, 142, 162)이 연통함으로써, 산화제 전극에 대한 산화제의 공급 및 배출을 위한 산화제용 유로가 구성된다. 또한, 각 냉각용 관통공(133, 143, 163)이 연통함으로써, 냉각수 등이 유통하는 냉각용 유로가 구성된다.

이와 같은 연료 전지의 단위 셀 구조에 있어서, 연료 전극(31)과 산화제 전극(32), 및 전해질(4)은, 연료 전지의 타입에 따른 공지의 재료로 형성된다. 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 연료 전극(31) 및 산화제 전극(32)은, 예를 들면, 카본 클로스, 카본 페이퍼, 카본 펠트 등의 기재가 촉매를 담지함으로써 구성된다. 연료 전극(31)에서의 촉매로서는, 예를 들면, 백금 촉매, 백금·루테늄 촉매, 코발트 촉매 등이 있으며, 산화제 전극(32)에서의 촉매로서는, 백금 촉매, 은 촉매 등을 예로 들 수 있다. 또한, 고체 고분자형 연료 전지의 경우, 전해질(4)은, 예를 들면, 프로톤 전도성의 고분자막으로 형성되고, 특히 메탄올 직접형 연료 전지의 경우에는 예를 들면, 프로톤 전도성이 높고, 전자 도전성이나 메탄올 투과성을 거의 나타내지 않는 불소계 수지 등으로 형성된다.

개스킷(12)은, 예를 들면, 천연 고무, 실리콘 고무, SIS 공중합체, SBS 공중합체, SEBS, 에틸렌-프로필렌 고무, 에틸렌프로필렌디엔 고무(EPDM), 아크릴로니트릴-부타디엔 고무, 수소화 아크릴로니트릴-부타디엔 고무(HNBR), 클로로프렌 고무, 아크릴 고무, 불소계 고무 등으로부터 선택되는 고무 재료로 형성된다. 이 고무 재료에는 점착 부여제가 배합될 수도 있다.

세퍼레이터(20)에 개스킷(12)을 적층하는 데 있어서는, 예를 들면, 사전에 시트형 또는 판형으로 형성된 개스킷(12)이 세퍼레이터(20)에 접착이나 융착 등에 의해 접합된다. 세퍼레이터(20)의 표면 상에서 개스킷(12)을 형성하기 위한 재료가 성형됨으로써, 세퍼레이터(20)에 개스킷(12)이 적층될 수도 있다. 예를 들면, 미가류(未加硫)의 고무 재료가 스크린 인쇄 등에 의해 세퍼레이터(20)의 표면 상의 소정 위치에 도포되고, 이 고무 재료의 도막을 가류시킴으로써, 세퍼레이터(20)의 표면 상의 소정 위치에 원하는 형상의 개스킷(12)이 형성된다. 상기 가류 시에는, 가열, 전자선 등의 방사선의 조사, 또는 그 외에 적절한 가류 방법이 채용된다. 이 경우에, 박형의 세퍼레이터(20)에 대해서도 개스킷(12)이 용이하게 적층된다. 또한, 세퍼레이터(20)이 금형 내에 세팅되고, 이 세퍼레이터(20)의 표면 상의 소정 위치에 미가류의 고무 재료가 사출되고, 또한 이 고무 재료가 가열 등에 의해 가류됨으로써, 세퍼레이터(20)의 표면 상의 소정 위치에 원하는 형상의 개스킷(12)이 형성될 수도 있다. 이와 같이 금형 성형에 의해 개스킷(12)이 형성되는 데 있어서는, 트랜스퍼 성형 외에, 콘프레션 성형, 인젝션 성형 등의 성형법이 채용될 수 있다.

금형 성형에 의해 개스킷을 형성하는 경우에는, 통상적으로 2회 열처리하게 된다. 개스킷이 적층된 세퍼레이터를 금형으로부터 인출한 후 개스킷을 더 가열함으로써, 경화 반응을 더 진행시키는 것이 바람직하다. 이로써, 개스킷으로부터 얻어지는 추출수의 TOC의 측정값이 저감된다.

본 실시형태에서는, 세퍼레이터의 강도가 향상되어 있으므로, 세퍼레이터에 개스킷이 적층될 때 세퍼레이터에 파손이 쉽게 생기지 않게 된다. 그러므로, 개스킷을 구비하는 세퍼레이터가 양호한 수율로, 그리고 양호한 효율로 제조될 수 있다. 특히, 금형 성형에 의해 개스킷이 형성되는 경우라도, 세퍼레이터의 강도가 높으므로, 세퍼레이터가 쉽게 손상되지 않는다.

세퍼레이터에 개스킷이 적층되는 경우에는, 성형용 조성물이 성형됨으로써 성형체를 얻은 후, 이 성형체에 개스킷이 중첩되고, 이어서, 성형체에 대하여 전술한 바와 같은 웨트 블라스트 처리 등의 블라스트 처리가 행해지고, 혹은 이어서, 친수성 향상을 위한 표면 처리가 행해질 수도 있다.

세퍼레이터에는 친수성 향상이 요구되므로, 종래, 각종 친수성 처리가 검토되어 왔다. 한편, 연료 전지의 생산성 향상을 위하여, 세퍼레이터 상에 사전에 개스킷을 형성하는 것에 대해서도 검토되어 왔다. 이들은 각각 단독으로 검토되어 왔기 때문에, 아직도 많은 복합 과제를 안고 있는 실정이다. 예를 들면, 세퍼레이터 상에 개스킷이 형성될 때 개스킷을 구성하는 재료 중의 소수성 성분이 세퍼레이터에 부착되고, 이 소수성 성분이 세퍼레이터의 표면의 친수성을 저하시키거나 세퍼레이터에 대하여 행해지는 친수성 향상을 위한 표면 처리의 효과를 저해하는 경우가 있다. 이와 같은 문제가 있다.

그러나, 전술한 바와 같이 성형체에 개스킷이 중첩된 후, 블라스트 처리가 행해지면, 개스킷이 성형체에 중첩될 때 성형체에 소수성 성분이 부착되어도, 이 소수성 성분이 블라스트 처리에 의해 성형체로부터 제거된다. 그러므로, 세퍼레이터의 표면이 양호한 친수성을 유지한다. 또한, 성형체에 대하여 친수성 향상을 위한 표면 처리가 행해지는 경우에는 이 표면 처리의 작용이 저해되기 어려워진다. 이로써, 개스킷을 구비하고, 또한 표면의 친수성이 높은 세퍼레이터를 얻을 수 있다. 이로써, 취급성이 우수하면서, 생산성이 높은 세퍼레이터를 제공할 수 있게 된다.

세퍼레이터에 개스킷이 적층된 후, 이 세퍼레이터에 웨트 블라스트 처리가 행해지는 경우에는, 웨트 블라스트 처리의 조건은, 개스킷의 표면에 손상이 생기지 않도록 설정되는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 웨트 블라스트 처리의 조건은, 세퍼레이터 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)가, 0.4~1.6 ㎛로 되는 조건인 것이 바람직하고, 0.4~1.2 ㎛로 되는 조건이면 보다 바람직하고, 0.4~0.8 ㎛로 되는 조건이면 더욱 바람직하다.

또한, 웨트 블라스트 처리의 조건은, 세퍼레이터의 접촉 저항의 수치가 작아지도록 조정되는 것이 바람직하다. 단, 세퍼레이터의 실링부나 개스킷 표면 거칠기가 지나치게 커지면 가스 리크가 발생하기 쉬워지므로 바람직하지 않다.

도 4는, 세퍼레이터(20)와 막-전극 복합체(5)를 구비하는 복수의 단위 셀로 구성되는, 연료 전지(40)(셀 스택)의 일례를 나타낸다. 이 연료 전지(40)는, 연료용 유로에 연통되는 연료의 공급구(171)및 배출구(172)와, 산화제용 유로에 연통되는 산화제의 공급구(181)및 배출구(182)와, 냉각용 유로에 연통되는 냉각수의 공급구(191)및 배출구(192)를 가진다.

실시예

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다. 그리고, 본 발명은 이 실시예로 한정되지는 않는다.

[흑연 입자의 압축 강도]

하기에 나타내는 흑연 입자(입자군)를 준비하였다.

·흑연 입자 A：평균 입자 직경 55㎛, 진밀도 2.24 g/cm³, 인조 흑연

·흑연 입자 B：평균 입자 직경 45㎛, 진밀도 2.05 g/cm³, 인조 흑연

·흑연 입자 C：평균 입자 직경 37㎛, 진밀도 2.18 g/cm³, 인조 흑연

·흑연 입자 D：평균 입자 직경 43㎛, 진밀도 2.27 g/cm³, 천연 흑연

상기 흑연 입자의 밀도는, 가부시키가이샤 시마즈 제작소에서 제조한 건식 자동 밀도계(아큐픽크II 1340)를 사용하고, 정용적(定容積) 팽창법에 의해 측정한 값이다. 측정 시에, 헬륨 가스를 사용하고, 도입압(게이지압)을 134.45 kPag, 퍼지 횟수를 10회, 런 회수를 10회, 평형 판정 압력(게이지압)을 0.345 kPag로 하였다.

각 흑연 입자 중으로부터, 임의로 각각 10개의 입자를 선택하여, 이들 입자의 압축 강도를 측정하였다. 입자의 압축 강도의 측정 시에는, 가부시키가이샤 시마즈 제작소에서 제조한 미소 압축 시험기(MCT-W500)를 사용하고, 압축력의 증가 속도 4.842 mN/초의 조건으로 입자의 파괴 압축력을 측정하고, 이 측정 결과에 기초하여 입자의 압축 강도를 산출하였다. 이 측정 시에, 상면이 평면형인 평판을 아래쪽의 압자로서 사용하였고, 또한 하면이 직경 20㎛의 평면형인 위쪽의 압자를 사용하였다. 하기 표 1에, 입자의 압축 강도의 측정 결과, 및 그 평균값인 평균 압축 강도를 나타낸다.

[표 1]

[실시예 1~15 및 비교예 1]

각 실시예 및 비교예에 대하여, 표 1에 나타내는 원료 성분을 교반 혼합기(달톤 제조 「5XDMV-rr형」)에 표 1에 나타내는 조성이 되도록 투입하여 교반 혼합하고, 얻어진 혼합물을 정립기에 의해 입경 500㎛ 이하로 분쇄했다.

얻어진 분쇄물을, 금형 온도 185℃, 성형 압력 35.3 MPa, 성형 시간 2 분의 조건에서 압축 성형했다. 다음으로 금형을 닫은 상태에서 압력을 제거하고, 30초간 유지한 후에 금형을 열어, 성형체를 인출하였다.

얻어진 성형체의 형상은, 200 mm×250 mm, 두께 1.5 mm였다. 성형체의 일면에는 길이 250 mm, 폭 1 mm, 깊이 0.5 mm의 가스 공급 배출용 홈을 57개, 다른 면에는 길이 250 mm, 폭 0.5 mm, 깊이 0.5 mm의 가스 공급 배출용 홈을 58개 형성하였다.

이 성형체의 표면에, 마코 가부시키가이샤에서 제조한 웨트 블라스트 처리 장치(형식 PFE-300T/N)를 사용하고, 연마 입자로서 알루미나 입자를 포함하는 슬러리를 사용하여 블라스트 처리를 행한 후, 이온 교환수로 세정하고, 또한 온풍 건조시켰다. 이 성형체의 표면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)를 측정한 결과를 표 1에 나타낸다.

[굴곡 강도 평가]

각 실시예 및 비교예에 있어서, 세퍼레이터를 제작하는 경우와 동일한 방법으로 80 mm×10 mm×4 mm의 치수의 굴곡 강도 측정용 성형품을 제작하고, JIS K6911에 준거하여 굴곡 강도를 측정하였다. 지점간 거리는 64 mm, 크로스 헤드 스피드는 2 mm/분으로 하였다.

[체적 저항율]

각 실시예 및 비교예에 있어서, 세퍼레이터의 체적 저항율을 JIS K7194에 따라 평가했다.

[성형성]

각 실시예 및 비교예에서 얻어진 세퍼레이터의 두께를 마이크로미터로, 1개의 세퍼레이터에 대하여 상이한 12개소의 위치에서 측정하였다. 각 실시예에 대하여 50개의 샘플에 대하여 측정을 행하여, 두께의 불균일이 ±15㎛를 초과하는 샘플을 불량으로 판정하고, 불량으로 판정된 샘플수에 의해 성형성을 평가했다.

[연료 전지의 기전압 변동 평가]

아세틸렌 블랙 분말에, 평균 입경이 약 3 nm인 백금 입자를 담지한 촉매 분말(다나카 귀금속 제조, Pt/C 표준품)을 준비하였다. 그리고, 이 촉매 분말 중의 백금 입자의 함유량은 25 질량%였다. 이 촉매 분말을 이소프로판올에 분산시킨 후, 이 분산 용액과 퍼플루오로 카본 술폰산의 분말을 에탄올에 분산시킨 분산 용액을 혼합하여, 촉매 페이스트를 조제했다.

또한, 평면에서 볼 때 치수 143 m×143 m, 두께 360㎛의 카본 부직포(도레이 가부시키가이샤 제조, TGP-H-120)를, 불소 수지를 포함하는 수성 디스퍼젼(dispersion)(다이킨 공업 제조, 네오 프레온 ND1)에 함침시킨 후, 이것을 건조시키고, 400℃에서 30분간 가열하여, 확산층이 되는 발수성 카본 페이퍼를 제작하였다.

이어서, 이 카본 페이퍼의 한쪽 면 상에, 전술한 촉매 페이스트를 스크린 인쇄법에 의해 도포하여 촉매층을 형성하여, 촉매층과 카본 페이퍼가 적층된 전극을 한쌍 제작하였다. 촉매층의 일부는, 카본 페이퍼 중에 파묻혀 있었다. 그리고, 촉매층의 표면에 표출된 백금 입자 및 퍼플루오로 카본 술폰산의 양은, 각각 0.6 mg/cm² 및 1.2 mg/cm²였다.

고분자 전해질 막으로서 퍼플루오로 카본 술폰산 막(재팬 고어텍스사 제조, 바깥 치수 15 cm×15 cm, 두께 30㎛)을 별도로 준비하고, 이 고분자 전해질 막의 양면 상에 전술한 한쌍의 전극을 중첩하였다. 한쌍의 전극은 카본 페이퍼(확산층)가 외면 측에 배치되도록 했다. 이들을 핫 프레스로 접합하여, 막-전극 복합체를 얻었다.

각 실시예 및 비교예에서 얻어진 세퍼레이터(상기 금속 성분량 평가에 있어서 금속 산화물의 부착이 인정된 세퍼레이터가 있는 경우에는 이 금속 산화물이 부착되어 있는 세퍼레이터) 상의 외주 부분에 에틸렌프로필렌디엔 고무를 스크린 인쇄에 의해 도포한 후, 가열 가류함으로써 개스킷을 형성하였다. 상기 막-전극 복합체의 양측에 상기 세퍼레이터를 중첩시킴으로써, 재단법인 일본 자동차 연구소 표준 단위 셀(전극 면적 25 cm²)로 이루어지는 연료 전지를 제작하였다.

이 연료 전지에, 외부 회로를 접속한 상태에서, 연료 가스로서 공기를 2.0 NL/min의 유량으로, 산화제 가스로서 수소를 0.5 NL/min의 유량으로 각각 공급함으로써, 연료 전지를 1000시간 연속적으로 동작시켰다. 이 연료 전지 작동 시의 기전압(V)의 경시적인 변동의 상태를 조사하였다. 그 결과를, 변동 후의 기전압의, 초기값에 대한 백분율[(E1/E0)×100(%)]의 값으로 표시했다. 상기 E1은 변동 후의 기전압, E0는 초기의 기전압이다.

[표 2]

표 중의 각 성분을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

·열경화성 수지 A：크레졸 노볼락형 에폭시 수지(일본 화약 가부시키가이샤 제조, 품번 EOCN-1020-75, 에폭시 당량 199, 융점 75℃).

·열경화성 수지 B：레졸형 페놀 수지(군에이 화학공업 가부시키가이샤 제조, 「샘플 A」, 융점 75℃, 13C-NMR 분석에 의한 오르토-오르토 25~35 %, 오르토-파라 60~70 %, 파라-파라 5~10 %).

·경화제 A：노볼락형 페놀 수지(군에이 화학공업 가부시키가이샤 제조, 품번 PSM6200, OH 당량 105).

·경화제 B：다관능 페놀 수지(메이와 화성 가부시키가이샤 제조, 품번 MEH-7500, OH 당량 100).

·경화 촉진제：트리페닐포스핀(홋쿄 화학공업 가부시키가이샤 제조, 품번 TPP).

·커플링제：에폭시 실란(일본 유니카 가부시키가이샤 제조, 품번 A187).

·왁스 A：천연 카르나바 왁스(다이니치 화학공업 가부시키가이샤 제조, 품번 H1-100, 융점 83℃).

·왁스 B：몬탄산 비스아마이드(다이니치 화학공업 가부시키가이샤 제조, 품번 J-900, 융점 123℃).

[실시예 16]

본 실시예에서는, 음극측 세퍼레이터(애노드 측 세퍼레이터로 해도 됨)를 제작하였다.

이 음극측 세퍼레이터를 제작에 있어서, 먼저 실시예 1의 경우와 동일한 조건에서 분쇄물을 압축 성형함으로써 성형체를 얻었다.

이어서, 성형체의, 연료 전지 내에서 막-전극 복합체와 대향하게 되는 면(전극면)과, 연료 전지 내에서 냉각수가 유통하는 유로가 형성되는 측의 면(수로면)에, 각각 웨트 블라스트 처리를 행하였다. 이 경우에, 마코 가부시키가이샤에서 제조한 웨트 블라스트 처리 장치(형식 PFE-300T/N)를 사용하고, 연마 입자로서 알루미나 입자를 포함하는 슬러리를 사용하였다. 처리 후의 성형체를 이온 교환수로 세정하고, 또한 온풍 건조시켰다.

이 웨트 블라스트 처리 후의 성형체의 표면의, 전극면 및 수로면의 산술 평균 높이 Ra(JIS B0601：2001)를 측정한 결과를, 표 3에 나타낸다.

이어서, 성형체의 전극면 상 및 수로면 상의 각각의 외주 부분에 에틸렌프로필렌디엔 고무를 스크린 인쇄에 의해 도포한 후, 가열 가류함으로써 개스킷을 형성하였다.

이어서, 이 성형체에, 전처리로서 플라즈마 처리를 행한 후, 오존 가스에 의한 처리를 행하였다. 플라즈마 처리 시에는, 플라즈마 생성용 가스로서 산소를 사용하였고, 인가 전력 300 W, 처리 시간 3 분의 조건에서, 성형체의 표면에 플라즈마 처리를 행하였다. 오존 가스에 의한 처리 시에는, 이와타니 산업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 가스 발생 장치(반도체용)와, 스미토모 정밀공업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 발생 장치를 조합하여 사용함으로써 오존 가스 농도를 조정하면서, 처리 온도 25℃, 오존 농도 8 vol%, 처리 시간 0.25시간의 조건에서 성형체에 오존 가스를 접촉시켰다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[실시예 17]

실시예 16에 있어서, 성형체에 웨트 블라스트 처리를 행하기 전에, 성형체의 전극면 상 및 수로면 상의 각각의 외주 부분에 에틸렌프로필렌디엔 고무를 스크린 인쇄에 의해 도포한 후, 가열 가류함으로써 개스킷을 형성하였다. 이어서, 이 성형체의 전극면 및 수로면에, 마코 가부시키가이샤에서 제조한 웨트 블라스트 처리 장치(형식 PFE-300T/N)를 사용하고, 연마 입자로서 알루미나 입자를 포함하는 슬러리를 사용하여 웨트 블라스트 처리를 행한 후, 이온 교환수로 세정하고, 또한 온풍 건조시켰다.

이어서, 이 성형체에, 전처리로서 플라즈마 처리를 행한 후, 오존 가스에 의한 처리를 행하였다. 플라즈마 처리 시에는, 플라즈마 생성용 가스로서 산소를 사용하였고, 인가 전력 300 W, 처리 시간 3 분의 조건에서, 성형체의 표면에 플라즈마 처리를 행하였다. 오존 가스에 의한 처리 시에는, 이와타니 산업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 가스 발생 장치(반도체용)와, 스미토모 정밀공업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 발생 장치를 조합하여 사용함으로써 오존 가스 농도를 조정하면서, 처리 온도 25℃, 오존 농도 8 vol%, 처리 시간 0.25 시간의 조건에서 성형체에 오존 가스를 접촉시켰다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[실시예 18]

이어서, 이 성형체에 리모트 방식의 대기압 플라즈마 처리를 행하였다. 플라즈마 처리 장치로서는 세키스이 화학공업 가부시키가이샤에서 제조한 AP-T 시리즈를 사용하였다. 처리 조건은, 처리 폭：300 mm, 플라즈마 유닛 수：1개, 샘플-전극간 거리：3 mm, 플라즈마 생성용 가스 종류：질소, 가스 중의 산소 함유량：1000 ppm, 가스 유량：150 L/분, 성형체의 반송 속도：0.25 m/분, 처리시 온도：25℃로 하였다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[실시예 19]

이어서, 성형체의 전극면과 수로면에 웨트 블라스트 처리를 행하였다. 이 경우에, 마코 가부시키가이샤에서 제조한 웨트 블라스트 처리 장치(형식 PFE-300T/N)를 사용하였고, 연마 입자로서 알루미나 입자를 포함하는 슬러리를 사용하였다. 처리 후의 성형체를 이온 교환수로 세정하고, 또한 온풍 건조시켰다.

이어서, 이 성형체를 금형 중에 배치하고, 이 상태에서 금형 내에 경화성 불소 고무를 사출하고, 또한 금형을 170℃에서 5분간 가열함으로써, 성형체의 전극면 상 및 수로면 상의 각각의 외주 부분에 개스킷을 형성하였다. 이어서, 금형으로부터 성형체를 인출한 후, 이 성형체 상의 개스킷을 상압 하에서 170℃에서 1시간 열 처리함으로써 경화 반응을 더욱 진행시켰다.

이어서, 이 성형체에, 전처리로서 플라즈마 처리를 행한 후, 오존 가스에 의한 처리를 행하였다. 플라즈마 처리 시에는, 플라즈마 생성용 가스로서 산소를 사용하고, 인가 전력 300 W, 처리 시간 3 분의 조건에서, 성형체의 표면에 플라즈마 처리를 행하였다. 오존 가스에 의한 처리 시에는, 이와타니 산업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 가스 발생 장치(반도체용)와 스미토모 정밀공업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 발생 장치를 조합하여 사용함으로써 오존 가스 농도를 조정하면서, 처리 온도 25℃, 오존 농도 8 vol%, 처리 시간 0.25 시간의 조건에서 성형체에 오존 가스를 접촉시켰다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[실시예 20]

실시예 19에 있어서, 성형체에 웨트 블라스트 처리를 행하기 전에, 성형체를 금형 중에 배치하고, 이 상태에서 금형 내에 경화성 불소 고무를 사출하고, 또한 금형을 170℃에서 5분간 가열함으로써, 성형체의 전극면 상 및 수로면 상의 각각의 외주 부분에 개스킷을 형성하였다. 이어서, 금형으로부터 성형체를 인출한 후, 이 성형체 상의 개스킷을 상압 하에서 170℃에서 1시간 열 처리함으로써 경화 반응을 더욱 진행시켰다.

이어서, 이 성형체의 전극면 및 수로면에, 마코 가부시키가이샤에서 제조한 웨트 블라스트 처리 장치(형식 PFE-300T/N)를 사용하고, 연마 입자로서 알루미나 입자를 포함하는 슬러리를 사용하여 웨트 블라스트 처리를 행한 후, 이온 교환수로 세정하고, 또한 온풍 건조시켰다.

이어서, 이 성형체에, 전처리로서 플라즈마 처리를 행한 후, 오존 가스에 의한 처리를 행하였다. 플라즈마 처리 시에는, 플라즈마 생성용 가스로서 산소를 사용하고, 인가 전력 300 W, 처리 시간 3 분의 조건에서, 성형체의 표면에 플라즈마 처리를 행하였다. 오존 가스에 의한 처리 시에는, 이와타니 산업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 가스 발생 장치(반도체용)와, 스미토모 정밀공업 가부시키가이샤에서 제조한 오존 발생 장치를 조합하여 사용함으로써 오존 가스 농도를 조정하면서, 처리 온도 25℃, 오존 농도 8 vol%, 처리 시간 0.25시간의 조건에서 성형체에 오존 가스를 접촉시켰다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[실시예 21]

실시예 19에 있어서, 성형체에 웨트 블라스트 처리를 행하기 전에, 성형체를 금형 중에 배치하고, 이 상태에서 금형 내에 경화성 불소 고무를 사출하고, 또한 금형을 170℃에서 5분간 가열함으로써, 성형체의 전극면 상 및 수로면 상의 각각의 외주 부분에 개스킷을 형성하였다. 이어서, 금형으로부터 성형체를 인출한 후, 이 성형체 상의 개스킷을 상압 하에서 170℃에서 1시간 열처리함으로써 경화 반응을 더욱 진행시켰다.

이로써, 개스킷을 구비하는 음극측 세퍼레이터를 얻었다.

[정적 접촉각 평가]

실시예 16~21에서 얻어진 세퍼레이터를 수평으로 배치하고, 그 표면에 스포이트로 이온 교환수를 떨어뜨리고, 쿄와 계면 과학 가부시키가이샤에서 제조한 측정기(품번 「CA-W150」)를 사용하여, 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.

또한, 이 세퍼레이터를 90℃의 온수 중에 투입하여 일정 시간 방치한 후, 건조시켰다. 방치 시간은 500시간, 1000시간, 1500시간 및 2000시간으로 하였다. 이 처리 후의 세퍼레이터에 대하여, 전술한 바와 마찬가지로 물과의 정적 접촉각을 측정하였다.

그 결과를 표 3에 나타낸다.

[표 3]

20: 연료 전지 세퍼레이터
40: 연료 전지

Claims

흑연 입자와 수지 성분을 함유하고, 상기 흑연 입자에 평균 압축 강도 15 MPa 이상의 입자군이 포함되어 있는, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 흑연 입자 전체에 대한 상기 흑연 입자 중의 압축 강도 15 MPa 이상의 입자의 수의 비율이 15% 이상인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가 15 MPa 이상인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제2항에 있어서,
상기 흑연 입자 전체의 평균 압축 강도가 15 MPa 이상인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제1항에 있어서,
상기 흑연 입자와 상기 수지 성분의 합계량에 대한 상기 흑연 입자의 비율이 70~85 질량%의 범위인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제2항에 있어서,
상기 흑연 입자와 상기 수지 성분의 합계량에 대한 상기 흑연 입자의 비율이 70~85 질량%의 범위인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제3항에 있어서,
상기 흑연 입자와 상기 수지 성분의 합계량에 대한 상기 흑연 입자의 비율이 70~85 질량%의 범위인, 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물로부터 형성되는 연료 전지 세퍼레이터.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 준비하는 단계; 및
상기 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 압축 성형하는 단계
를 포함하는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.
제9항에 있어서,
상기 연료 전지 세퍼레이터 성형용 조성물을 압축 성형함으로써 얻어지는 성형체의 표면 상에 개스킷을 형성하는 단계, 및
상기 개스킷이 중첩되어 있는 상기 성형체에 블라스트 처리를 행하는 단계
를 더 포함하는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.
제10항에 있어서,
상기 블라스트 처리가 행해진 후의 상기 성형체의 표면에 친수화를 위한 표면 처리를 행하는 단계를 더 포함하는 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.
제11항에 있어서,
상기 표면 처리는, 플라즈마 처리, 상기 성형체의 표면에 오존 가스를 접촉시키는 처리 중, 적어도 한 쪽인, 연료 전지 세퍼레이터의 제조 방법.
제8항에 기재된 연료 전지 세퍼레이터를 포함하는 연료 전지.