JP2007179945A - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膨れの発生が無く、短時間で成形が可能であり、導電性と流動性に優れた燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）分子量１２０〜１０００の３級アミン化合物からなる硬化促進剤及び（Ｄ）膨張黒鉛を含む炭素材料を含有する燃料電池用セパレータ成形用組成物、並びに前記成形用組成物を射出成形して燃料電池用セパレータを製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。

例えば図１に概略斜視図で示すように、燃料電池用セパレータ１０は、平板部１１の両面に所定間隔で複数の隔壁１２を立設して形成されている。燃料電池とするには、多数の燃料電池用セパレータ１０を、隔壁１２の突出方法（図中、上下方向）に積層する。そして、この積層により、隣接する一対の隔壁１２で形成されるチャネル１３に反応ガス（水素や酸素）を流通させる構成となっている。

燃料電池用セパレータは、樹脂材料と、黒鉛等の炭素材料とを含む成形用組成物を上述したような形状に成形して製造されるが、樹脂材料をフェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂とする成形用組成物を、ガスや冷却水の流路を設けた金型に入れ、これを熱間でプレスする熱圧縮成形により成形することが一般的である。また、近年では、生産性の向上のために、熱圧縮成形に代わり射出成形することが試みられている（特許文献１〜３参照）。この方法では、成形用組成物からなるコンパウンドをシリンダーから金型内に射出し、金型内で所望の燃料電池用セパレータの形状に成形する。このとき、コンパウンドはランナーと呼ばれる狭い流路を通じて金型のキャビティに移送され、また、このとき金型は閉じた状態であり、金型に完全に充填させ、寸法精度の高い成形体を得るためには、コンパウンドは高い流動性が必要となる。

エポキシ樹脂と炭素材料を用いた成形用組成物では、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィン等の有機ホスフィンを使用することが一般的である。しかし、エポキシ樹脂を用いた配合系で有機ホスフィンを溶融混練した場合は、導電性が低いものしか得られなくなる。特に炭素材料として膨張黒鉛を用いた場合、溶融混練により膨張黒鉛が破砕されて導電性が悪化する。一方で、炭素材料として人造黒鉛や天然黒鉛を用いた場合は、炭素材料を多量に添加することが必要となり、得られた組成物は粘度が高くなる。粘度を低くするためには炭素材料を減らす必要があり、導電性が悪化する。

また、結晶性エポキシ樹脂、硬化剤、膨張黒鉛に加え、硬化促進剤としてトリフェニルホスフィンを配合し、膨張黒鉛粒子が破砕されない混練方法であるドライミックスによって成形用組成物を得ることも提案されている（特許文献４参照）。しかしながら、ドライミックスで得られた成形用組成物は、導電性に優れる反面、ほとんど流動しないほど粘度が高く、射出成形では金型に充填することができない。

また、硬化促進剤として、ジウロン（(3,4-ジクロロフェニル)-1,1-ジメチルウレア）等のウレア化合物を用いることも提案されている（特許文献５参照）。ウレア系の硬化促進剤を用いた場合は、熱安定性に優れるため、成形材料製造時に増粘が起こらないといったメリットがあるものの、硬化成形時にウレア化合物の分解に伴い発生するガスのため膨れが発生する場合がある。特に膨張黒鉛を導電材料として使用した場合は、膨れが発生しやすくなる。また、ウレア化合物を用いた場合に短時間で硬化させた場合は、硬化が不十分であるがために膨れが発生しやすくなる。ウレア化合物を多量に添加することで、短時間で硬化するが、分解ガスが多量に生成するため、かえって膨れが多量に発生することがある。成形体に膨れが発生した場合は、反応ガスのシール性が悪化し、燃料電池スタックの発電性能が低下する。

特開２００３−３３８２９４号公報 特開２００３−２９７３８６号公報 特開２００３−２４２９９４号公報 特開２００３−２５７４４７号公報 特開２００２−２０１２５７号公報

本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、膨れの発生が無く、短時間で成形が可能であり、導電性と流動性に優れた燃料電池用セパレータを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、下記に示す燃料電池用セパレータ成形用組成物及びその製造方法、並びに燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供する。
（１）（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）分子量１２０〜１０００の３級アミン化合物からなる硬化促進剤及び（Ｄ）膨張黒鉛を含む炭素材料を含有することを特徴とする燃料電池用セパレータ成形用組成物。
（２）（Ｄ）炭素材料の含有率が組成物全量の３５〜８５質量％であり、かつ、(Ｄ)炭素材料の５〜１００質量％が膨張黒鉛であることを特徴とする上記（１）記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
（３）（Ｃ）硬化促進剤の含有量が（Ｂ）硬化剤１００重量部に対し０．１〜２０重量部であることを特徴とする上記（1）または（２）記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
（４）（Ｃ）硬化促進剤が下記に示されるアミン化合物であることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。

（５）（Ｂ）硬化剤が分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有することを特徴とする上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
（６）（Ａ）エポキシ樹脂が多官能エポキシ樹脂であることを特徴とする上記（１）〜（５）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
（７）（Ａ）エポキシ樹脂または（Ｂ）硬化剤の軟化温度以上の温度で、各成分を溶融混練することを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物の製造方法。
（８）上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物を用いて燃料電池用セパレータを製造する方法であって、（Ａ）エポキシ樹脂または（Ｂ）硬化剤の軟化温度以上の温度で各成分を溶融混練し、得られた混練物を射出成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
（９）上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

本発明によれば、膨れの発生が無く、短時間で成形が可能であり、導電性と流動性に優れた燃料電池用セパレータが得られる。

以下、本発明に関して詳細に説明する。

本発明の燃料電池用セパレータ成形用組成物（以下、単に「成形用組成物」ともいう）は、（Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）分子量１２０〜１０００の３級アミン化合物からなる硬化促進剤及び（Ｄ）炭素材料を必須成分とする。

エポキシ樹脂は、エポキシ基を２個以上有する化合物であり、従来公知のものを利用することが出来る。エポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＦ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、水添ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ハロゲン化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型のエポキシ樹脂;フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂、トリス・ヒドロキシフェニルメタン型エポキシ樹脂、フェノールジシクロペンタジエン型エポキシ樹脂、ハロゲン化フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ナフトールノボラック型エポキシ樹脂、レゾルシンエポサイド、テトラフェニロールエタン型エポキシ樹脂等の多官能エポキシ樹脂；脂環式エポキシ樹脂；ビフェニル型エポキシ樹脂；ナフタレン型エポキシ樹脂；グリシジルエステル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂が挙げられるが挙げられるがこれらに限定されない。上述したエポキシ樹脂のなかでは、耐熱性と強度の高い成形体が得られるため、多官能型エポキシ樹脂が本発明においては好適に使用される。尚、エポキシ当量は好ましくは５０〜５００であり、さらに好ましくは１００〜３００である。エポキシ当量が低すぎる場合は、得られる燃料電池用セパレータが脆くなる。一方、エポキシ当量が高すぎる場合は耐熱性と強度の低い燃料電池用セパレータしか得られなくなる。また、エポシキ樹脂の配合量は、特に制限されるものではないが、成形用組成物が射出成形に適した流動性を有し、得られる燃料電池用セパレータの強度や寸法精度等を考慮すると、成形用組成物全量の１５〜６５質量％とすることが好ましく、より好ましくは２０〜４０質量％である。

エポキシ樹脂は、硬化剤と反応することによって、エポキシ硬化物を生成する。硬化剤も各種公知の化合物を使用することができる。例えばジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、メンセンジアミン、イソホロンジアミン、Ｎ−アミノエチルピペラジン、ｍ−キシレンジアミン、ジアミノジフェニルメタン等の脂肪族、脂環式、芳香族のポリアミンまたはその炭酸塩；無水フタル酸、メチルテトラヒドロ無水フタル酸、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸、無水メチルナジック酸、ドデシル無水コハク酸、無水ピロメリット酸、ベンゾフェノンテトラカルボン酸無水物、無水トリメリット酸、ポリアゼライン酸無水物等の酸無水物；フェノールノボラック、クレゾールノボラックのようなポリフェノール；ポリメルカプタンが挙げられるが、これらに限定されない。複数の硬化剤を併用することもできる。上記の内、ポリアミンやその炭酸塩、酸無水物、ポリフェノール、ポリメルカプタン等の硬化剤は、自身がエポキシ化合物と重付加反応してエポキシ硬化物を構成するので、重付加型硬化剤と呼ばれる。重付加型硬化剤の過不足は未反応官能基の残存につながる故、添加量には適正域が存在する。一般に、エポキシ樹脂前駆体のエポキシ基１個当たり０．７〜１．２当量の、特に０．８〜１．１当量の重付加型硬化剤を使用するのが好ましい。これら硬化剤の種類、量と熱硬化性樹脂樹脂の種類、硬化促進剤の種類、量を種々に選択することにより、熱硬化性樹脂樹脂の硬化速度を任意に変化させることができる。当業者であれば、所望の硬化条件に合わせ、熱硬化性樹脂や硬化剤や硬化促進剤の種類及び使用量を決定することは容易であろう。

本発明では、硬化剤としてはフェノール性水酸基を２個以上有する化合物が好ましい。このような化合物としては、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールＡノボラック、アラルキル型フェノールノボラック、トリフェニルメタン型フェノール樹脂、テルペンフェノール樹脂、ナフトールノボラック、フェノールジシクロペンタジエン樹脂のような上述したポリフェノールやビスフェノールＡが挙げられる。これらフェノール性水酸基を２個以上有する硬化剤は、耐熱性の高い燃料電池用セパレータを得ることが出来る。

本発明では、硬化促進剤として分子量１２０〜１０００の３級アミン化合物を使用する。このような３級アミン化合物としては特に制限はないが、例えばトリスジメチルアミノメチルフェノール（分子量265）、Ｎ，N−ジメチルシクロヘキシルアミン（分子量127）、トリ−ｎ−ブチルアミン(分子量185)、ビス(ｐ−アミノヘキシル)メタン(分子量210)、テトラメチル−１，３−ジアミノプロパン(分子量130)、Ｎ，Ｎ−ジメチルシクロヘキシルアミン(分子量127)、Ｎ−エチル(シクロヘキシル)アミン(分子量127)、３−ジメチルアミノフェノール(分子量137)、トリフェニルアミン(分子量245)、トリデシルアミン (分子量522)、ビス〔（２−ジメチルアミノ）エチル〕エーテル(分子量160)、ベンジルジメチルアミン（分子量137）、Ｎ，Ｎ−ジメチルベンジルアミン（分子量135）等を挙げることが出来るがこれらに限定されない。また、ジアルキルアミン等のアミン化合物とエポキシ樹脂の付加反応を利用してプレポリマー化したエポキシアミンアダクト等、アミン化合物をアダクト化（プレポリマー化）したものを使用することも出来る。

アミン化合物は窒素原子上に非共有電子対を有し、これがエポキシ樹脂と硬化剤ろの反応を促進させる。ここで、窒素原子に結合した炭化水素または炭化水素誘導体の数が多いほど、窒素原子の電子密度が高くなるため、硬化促進剤としての作用が強くなる。窒素原子に結合した炭化水素の数がアミンの級数である。よって、３級アミンが全アミン化合物中で硬化促進剤としての作用は最も強力である。

分子量が大きい３級アミン化合物を使用すると、熱安定性の高い燃料電池用セパレータを得ることが出来るが、極端に分子量が高いと硬化反応が遅くなったり、高温で硬化反応を行う必要が生じ、成形サイクルの低下や硬化反応時のエポキシ樹脂や硬化剤の熱分解といった問題がある。また、分子量が低すぎると、熱安定性に問題が生じたり、揮発して消失する等の不具合が生じることがある。そこで、本発明では使用する3級アミン化合物の分子量には好ましい範囲が存在する。本発明においては使用する3級アミン化合物の分子量は１２０〜１０００、好ましくは２００〜５００、さらに好ましくは２５０〜４００である。

３級アミン化合物の中でも、分子中に芳香環を含むものが、熱安定性が高い割に特定温度以上での反応速度も速いため特に好ましい。この条件を満たす３級アミン化合物としては、下記に示されるトリスジメチルアミノメチルフェノールは入手が容易であり、熱安定性が高い燃料電池用セパレータが得られるため、本発明では特に好ましい。

硬化促進剤は、硬化剤１００重量部に対し０．１〜２０重量部、好ましくは１〜１０重量部配合される。硬化促進剤が０．１重量部未満では硬化反応の促進効果が十分ではなく、２０重量部超では成形用組成物の流動性が低下し、膨張黒鉛が破砕する等の不具合が起こり、得られる燃料電池用セパレータも導電性が低く、強度が低いものとなる。

本発明における炭素材料とは、主成分を炭素原子とする導電性材料であり、具体的には膨張黒鉛、鱗辺状人造黒鉛、球状人造黒鉛、天然の鱗辺状黒鉛、カーボンブラック、カーボンファイバー、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ、ダイヤモンドライクカーボン、フラーレン、カーボンナノホーン等を指すがこれらに限定されない。

通常の鱗辺状黒鉛は、薄板状の結晶が積層されたものである。これに対して、膨張黒鉛とは、鱗片状黒鉛を濃硫酸や硝酸や過酸化水素水等で処理し、薄板状結晶の隙間にこれら薬液をインターカレートさせ、さらに加熱してインターカレートされた薬液が気化する際に薄板状結晶の隙間を広げることによって得られる黒鉛を指す。膨張黒鉛は、鱗片状黒鉛や球状黒鉛と比較して嵩密度が低く、表面積が大きく、粒子はより薄い薄板状となっている。このため、樹脂と混合した際に容易に導電パスを形成し、高導電性の燃料電池セパレータを得ることが出来る。また、膨張黒鉛は薄板状となっているため、人造黒鉛や天然黒鉛と比較して柔軟であり、これを使用する燃料電池用セパレータも柔軟なものとなる。

炭素材料として膨張黒鉛は必須の成分である。炭素材料の全てを膨張黒鉛としてもよく、一部を膨張黒鉛とし、それ以外を上述した他の炭素材料としても良い。このときに全炭素材料に占める膨張黒鉛の割合は好ましくは１０〜１００質量％、より好ましくは２０〜８０質量％、さらに好ましくは３０〜７０質量％、特に好ましくは４０〜６０質量％である。膨張黒鉛の比率が低い場合は、接触抵抗が高くなる。また、膨張黒鉛は嵩密度が低いため、膨張黒鉛の比率が高い場合はコンパウンド作製の混練時の材料ハンドリング性が悪く、作業環境を汚す懸念がある。

また、炭素材料は、成形用組成物全量の３５〜８５質量％とする必要がある。炭素材料の比率が低すぎる場合は導電性が低下する。一方で、炭素材料の比率が高すぎる場合は強度が低くなり、また、コンパウンドの流動性が低くなるため、熱圧縮成形や射出成形の際に金型内に射出した再に金型内で成形材料の圧力分布が大きくなり、成形する燃料電池セパレータの寸法精度が悪くなるため問題である。

上記成形用組成物には、必要に応じて、他の添加剤を配合してもよい。例えば、カルナバワックス等の滑剤を添加して、成形加工時に金型や混練機への貼りつきを防止することも可能である。滑剤としてはステアリン酸やモンタン酸ワックスやこれらの金属塩等の使用も可能である。また、導電性を低下させない範囲で、ガラス繊維、シリカ、タルク、クレー、炭酸カルシウム等の無機充填材や、木粉等の有機充填材、可塑剤を添加することも可能である。

本発明の成形用組成物は、溶融混合によって得られる。成形用組成物のうち、エポキシ樹脂や硬化剤はある温度以上で軟化する。この軟化する温度は軟化点と呼ばれるが、本発明においては、エポキシ樹脂または硬化剤の何れかが軟化温度以上となるように調整した装置で各成分を混合（溶融混練）すればよい。エポキシ樹脂または硬化剤のいずれかが常温で液状である場合は、常温で混合してもよい。混合に使用する装置としては種々の慣用の装置を使用することが可能であり、例えば無圧ニーダー、加圧ニーダー、二軸押出機、単軸押出機、バンバリーミキサー、インターミックス、二本ロールミル、三本ロールミル等が挙げられるがこれらに限定されない。また、ドライミックスによって予備混合を行った材料を溶融混合してもよい。

こうして得られた成形用組成物は従来公知の熱硬化性樹脂成形材料の成形方法で成形することで、本発明の燃料電池用セパレータが得られる。成形方法としては、圧縮成形も可能であるが、本発明の成形性組成物は流動性に優れることから、生産性に優れる射出成形を行うことが好ましい。また、必要に応じて二次架橋を実施しても良い。必要に応じて、成形後に切削加工を施すことも可能である。

本発明の重要な点は、膨張黒鉛と特定分子量の３級アミン化合物とを併用し、これを溶融混合することにある。特定分子量の３級アミン化合物を用いても、天然黒鉛や人造黒鉛等の一般的な黒鉛を用いた場合、溶融混練時やスクリュー内で硬化しない熱安定性に優れた成形用組成物は得られるが、膨張黒鉛を用いたときと同様の導電性を得るためには、黒鉛を大量に添加する必要がある。即ち、成形用組成物の流動性を向上させる樹脂量が減り，流動性を低下させる炭素材料の使用量が増す。このため、成形用組成物は流動性が低下し、成形性が大幅に低下する。また、膨張黒鉛を用いても、一般的な硬化促進剤であるトリフェニルホスフィン等を用いた場合、成形用組成物の溶融混合時もしくは射出成形のスクリュー内で硬化反応が進行する。このため、硬化反応進行に伴い粘度が急激し、溶融混合時もしくは射出成形のスクリュー内で膨張黒鉛が砕かれてしまう。その結果、得られる燃料電池用セパレータの強度も低下し、導電性も大幅に低下する。また、低温で硬化させる場合は、硬化促進剤を多量に添加する必要があるが、硬化促進剤を多量に添加した場合は上述したように膨張黒鉛破砕により強度と導電性がさらに悪化し、また、流動性低下により成形性も悪化する。これに対し、特定分子量の３級アミン化合物と膨張黒鉛の両方を併用するとこれらの問題は解決されるが、その理由として以下が考えられる。

特定分子量の３級アミン化合物は、成形用組成物が混練時や射出成形のシリンダー内で想定される程度の１００℃以下の低温では硬化反応が進行し難く、混練により負荷される剪断力を抑えることが可能となる。そして、剪断力が抑制される結果、成形用組成物中の膨張黒鉛の粉砕が最小限に抑えられる。鱗片状黒鉛や球状黒鉛と比較して嵩密度が低く、表面積が大きく、粒子はより薄い薄板状となっている膨張黒鉛が，樹脂と混合した際に容易に導電パスを形成し、かつ十分に成形材料が流動する適度な粉砕状態となる。即ち、硬化促進剤として従来の有機ホスフィンを用いたときは膨張黒鉛が粉砕され導電パスが形成されにくいが、３級アミン化合物を用いることにより、膨張黒鉛は粉砕されず導電パスが形成されやすい。膨張黒鉛と３級アミン化合物を併用することで、高導電性を有する膨張黒鉛の粉砕を抑制できることで、樹脂量を増しても成形用組成物の導電性が確保できるようになり、成形用組成物の流動性が上昇し、得られる燃料電池用セパレータの寸法精度が大幅に向上する。３級アミン化合物は、加熱により活性が発現して硬化反応を促進させるが、軟化温度や粘度はアミン化合物の分子量に比例し、分子量が低いと低温で活性が発現し、分子量が大きいと高温で活性が発現する。前述した好ましい範囲の分子量を有する３級アミン化合物は、混練工程中では分散しがたく、硬化成形時に金型温度に加熱されると急激に分散して硬化促進剤としての活性が発現する。混練中や射出成形機のシリンダー内で硬化反応進行による増粘が起こり難いため、成形用組成物の粘度を低く保つことが可能であり、低圧で金型に充填可能となる。また、充填中に金型が変形し難くなり、寸法精度に優れるというメリットもある。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明に更に説明するが、本発明はこれにより何ら限定されるものではない。

＜実施例１〜６、比較例１〜５＞
(成形用組成物の調製)
表１に示す配合に従い、材料合計５００ｇを１０Ｌのヘンシェルミキサーで予備混合した後、１Ｌの加圧ニーダーを用い、チャンバー温度１００℃で５分間溶融混練した。混練物を自然冷却した後、粉砕機で粒径約２ｍｍの粒子状に粉砕してペレット化した。尚、表１の配合の単位は、質量％である。

(試験体の作製)
上記のペレットを用い、射出成形により一辺１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの正方形薄板状の成形体とし、切断加工を施して試験体とした。射出成形機は型締め力８０ｔの熱硬化性樹脂用成形機(菱屋精工製)を用い、シリンダー温度はホッパ下５０℃、ノズルは９０℃とし、金型温度は１７０℃とし、射出速度２０ｍｍ／ｓｅｃ、硬化時間は６０〜１８０秒とした。成形圧力は３０〜７０ＭＰａの範囲で適宜設定した。尚、成形体に膨れが生じた場合は、膨れ以外の部位をサンプリングして試験体とした。

(導電性の評価)
図２に示す方法で貫通方向の抵抗を測定し、導電性の評価を行った。試験体２１を、カーボンペーパー２２を介して電極２３にセットし、電極間に流した電流（電流計２４で測定）とカーボンペーパー間の電圧（電圧計２５で測定）から、電気抵抗を計算し、さらにこれに試料面積を掛けて貫通方向の抵抗率とした。結果を表１に示す。

(熱間曲げ強さの測定)
ＪＩＳ Ｋ７１７１ プラスチック−曲げ特性の試験方法に準じて求めた。試験は恒温槽付きのインストロン型万能試験機を使用し、試験雰囲気１００℃で行った。結果を表１に示す。

（膨れ発生有無の確認）
上記の成形に際して膨れの発生した成形体の数をカウントし、脹れ発生個数（膨れの発生した成形体数／全成形体数）を求めた。結果を表１に示す。

（流動性の評価）
上記のペレットをＪＩＳ−Ｋ−６９１１ 熱硬化性プラスチック一般試験方法「押出式流れ、フェノール樹脂の流れの良いもの」に準じて流出量を求め、流動性の指標とした。結果を表１に示す。

(硬化反応進行の測定)
ムービングダイレオメータを用いて、上記ペレットの１００℃または１７０℃における硬化反応の進行に伴うトルク変化を測定した。測定時間は１５分とした。トルクが上昇したものは硬化が進行したことを表す。１００℃におけるトルク変化を図３〜図６に、１７０℃におけるトルク変化を図７〜図１０にグラフ化して示す。

表１に示すように、実施例及び比較例は、何れもビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂と、硬化剤としてフェノールノボラックを使用している。また、実施例は何れも特定分子量の３級級アミン化合物が硬化促進剤として添加されており、炭素材料として膨張黒鉛と人造黒鉛とを用いている。実施例１、２ではトリスジメチルアミノメチルフェノール（分子量265）を、実施例３、４ではトリフェニルアミン(分子量245)を、実施例５、６ではトリ−ｎ−ブチルアミン(分子量185)を添加している。トリスジメチルアミノメチルフェノールとトリフェニルアミンは分子内に芳香環を含むが、トリ−ｎ−ブチルアミンは芳香環を含まない。これに対し、比較例１では硬化促進剤として３−（３，４−ジクロロフェニル）−１，１−ジメチル尿素を、比較例２では分子量120未満の３級アミンであるトリエチレンジアミン(分子量112)を、比較例３ではトリフェニルホスフィンを、比較例４では２−メチルイミダゾールを用いている。比較例５では硬化促進剤として分子量120以上の３級アミン化合物であるトリスジメチルアミノメチルフェノールを用いているが、炭素材料として膨張黒鉛を使用せずに人造黒鉛のみを使用している。

このような配合の違いに由来し、試験の結果、各実施例は何れも成形体に膨れは確認されず、外観上の問題は生じなかった。流動性も良好であり、射出成形しやすい材料である。また、各実施例とも成形温度である１７０℃で一定の誘導期間をおいてからトルクが上昇するため、硬化反応開始までの間の流動性が高い状態で金型に充填可能である。また、トルクが上昇開始してからの上昇速度が速いため、硬化反応を速やかに完了させることが出来き、成形サイクルの短縮が可能である。また、１００℃におけるトルク変化は、少なくとも５分以内はほとんど発生していないことから、１００℃で硬化反応の進行が非常に遅く、熱安定性に優れる。しかも、各実施例は、１５分経過後も１００℃における硬化がほとんど確認されず、熱安定性に非常に優れている。

一方で、硬化促進剤としてジメチルウレア化合物を使用した比較例１は、熱安定性は非常に優れ、高強度で電気抵抗の低い成形体が得られたが、成形体に膨れが見られる場合があった。比較例２、３、４は何れも熱安定性に問題があり、強度、電気抵抗とも実施例と比較して劣っている。また、比較例２、３、４は１７０℃においては加熱開始からトルク上昇までの誘導期間が短く、金型への充填途中で硬化してショートショットとなったり、成形圧上昇により金型破損・寸法精度低下の懸念がある。比較例５は、電気抵抗が非常に高く問題である。

上記のように各実施例は、何れも高強度で電気抵抗の低い成形体となっている。これは、熱安定性が高く、混練温度やシリンダー温度で硬化反応進行に伴う増粘が起こりにくく、導電フィラーである膨張黒鉛の混練工程や成形工程での破砕が防がれたためと思われる。また、実施例同士を比較すると、分子内に芳香環を有する３級アミンを使用した実施例２は、芳香環を有しない３級アミンを使用した実施例６と１７０℃における硬化挙動は同等であるが、１００℃においては実施例２はトルク上昇がほとんど見られないのに対して実施例６は約１０分でトルク上昇を開始しており、実施例２の方が熱安定性に優れている。よって、芳香環を有する３級アミンを用いる方が、熱安定性と硬化速度とのバランスに優れることから好ましいといえる。

以上より、本発明により、膨れの発生が無く、導電性と寸法精度と強度に優れた燃料電池セパレータが得られることは明らかである。

燃料電池用セパレータの一例を示す斜視図である。 貫通方向導電率の測定に用いた装置の構成を示す模式図である。 実施例１〜３のペレットの１００℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 実施例４〜６のペレットの１００℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 比較例１〜３のペレットの１００℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 比較例４〜５のペレットの１００℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 実施例１〜３のペレットの１７０℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 実施例４〜６のペレットの１７０℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 比較例１〜３のペレットの１７０℃におけるトルク変化を測定した結果を示すグラフである。 比較例４〜５のペレットの１７０℃におけるトルク変化を測定した結果示すグラフである。

符号の説明

１０ 燃料電池用セパレータ
１１ 平板部
１２ 隔壁
１３ チャネル

Claims (9)

1. （Ａ）エポキシ樹脂、（Ｂ）硬化剤、（Ｃ）分子量１２０〜１０００の３級アミン化合物からなる硬化促進剤及び（Ｄ）膨張黒鉛を含む炭素材料を含有することを特徴とする燃料電池用セパレータ成形用組成物。
2. （Ｄ）炭素材料の含有率が組成物全量の３５〜８５質量％であり、かつ、(Ｄ)炭素材料の５〜１００質量％が膨張黒鉛であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
3. （Ｃ）硬化促進剤の含有量が（Ｂ）硬化剤１００重量部に対し０．１〜２０重量部であることを特徴とする請求項1または２記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
4. （Ｃ）硬化促進剤が下記に示されるアミン化合物であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
   

   
5. （Ｂ）硬化剤が分子中に２個以上のフェノール性水酸基を有することを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
6. （Ａ）エポキシ樹脂が多官能エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物。
7. （Ａ）エポキシ樹脂または（Ｂ）硬化剤の軟化温度以上の温度で、各成分を溶融混練することを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物の製造方法。
8. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ用組成物を用いて燃料電池用セパレータを製造する方法であって、（Ａ）エポキシ樹脂または（Ｂ）硬化剤の軟化温度以上の温度で各成分を溶融混練し、得られた混練物を射出成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
9. 請求項１〜６の何れか１項に記載の燃料電池用セパレータ成形用組成物からなることを特徴とする燃料電池用セパレータ。

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