特許 5868337 燃料電池用セパレータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5868337

(24)【登録日】2016年1月15日

(45)【発行日】2016年2月24日

(54)【発明の名称】燃料電池用セパレータ

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/0202 20160101AFI20160210BHJP

   H01M 8/10 20160101ALI20160210BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/02 B

   H01M8/10

【請求項の数】6

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2013-5780(P2013-5780)

(22)【出願日】2013年1月16日

(62)【分割の表示】特願2012-547402(P2012-547402)の分割

【原出願日】2012年5月30日

(65)【公開番号】特開2013-93334(P2013-93334A)

(43)【公開日】2013年5月16日

【審査請求日】2015年2月17日

(31)【優先権主張番号】特願2011-120635(P2011-120635)

(32)【優先日】2011年5月30日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002004

【氏名又は名称】昭和電工株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100077517

【弁理士】

【氏名又は名称】石田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100087413

【弁理士】

【氏名又は名称】古賀 哲次

(74)【代理人】

【識別番号】100111903

【弁理士】

【氏名又は名称】永坂 友康

(74)【代理人】

【識別番号】100102990

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 良博

(74)【代理人】

【識別番号】100093665

【弁理士】

【氏名又は名称】蛯谷 厚志

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 俊也

(72)【発明者】

【氏名】飯野 匡

(72)【発明者】

【氏名】泉 善一郎

【審査官】 藤原 敬士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０６３９１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１１３０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１９２８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０２６８２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０９３９６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部とからなる燃料電池用セパレータであって、
熱可塑性樹脂１００質量部に対し１３０〜３２００質量部の炭素質材料を含む領域Ａと、熱可塑性樹脂１００質量部に対し３〜２８０質量部の炭素質材料を含み、該炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である領域Ｂとを有し、
流路部の体積の７０％以上が領域Ａであり、かつ、流路部の表面に前記領域Ｂを有し、セパレータの端部は領域Ｂのみからなる、
燃料電池用セパレータ。

【請求項2】

片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部とからなる燃料電池用セパレータであって、
熱可塑性樹脂１００質量部に対し１３０〜３２００質量部の炭素質材料を含む領域Ａと、熱可塑性樹脂１００質量部に対し３〜２８０質量部の炭素質材料を含み、該炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である領域Ｂとを有し、
流路部の体積の７０％以上が前記領域Ａであり、かつ、流路部の表面に繊維状炭素を有し、セパレータの端部は領域Ｂのみからなる、
燃料電池用セパレータ。

【請求項3】

流路部の密度Ｄ_Ｆと外周部の密度Ｄ_ＯがＤ_Ｆ≧Ｄ_Ｏを充たす、請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータ。

【請求項4】

流路部が中空流路を有する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータ。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータを含む燃料電池。

【請求項6】

固体高分子型燃料電池である請求項５に記載の燃料電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱可塑性樹脂組成物からなる燃料電池用セパレータおよびこれを用いた燃料電池に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、環境問題、エネルギー問題の観点から、燃料電池が注目されている。燃料電池は、水素と酸素を利用した水の電気分解の逆反応で発電し、水以外の排出物がないクリーンな発電装置である。燃料電池は、その電解質の種類に応じて数種類に分類されるが、これらの中でも、固体高分子型燃料電池は低温で作動するため、自動車や民生用として最も有望である。このような燃料電池は、例えば、高分子固体電解質、ガス拡散電極、触媒、セパレータから構成された単セルを積層することによって、高出力の発電が達成できる。

【0003】

上記構成を有する燃料電池において、単セルを仕切るためのセパレータには、通常、燃料ガス（水素等）と酸化剤ガス（酸素等）を供給し、発生した水分（水蒸気）を排出するための流路（溝）が形成されている。それゆえ、セパレータにはこれらのガスを完全に分離できる高い気体不透過性と、流路部分の内部抵抗を小さくするための高い導電性が要求される。さらには、熱伝導性、耐久性、強度等に優れていることが要求される。

【0004】

特に自動車用の燃料電池は、大容量であることが求められるため、そのセパレータは上記特性に加え、薄くて大面積でありながら、自動車の走行中の振動に対しても割れや破断が無いことが要求されている。
燃料電池のセパレータには大きく分けて、金属製のものと、炭素板と、炭素質材料に樹脂を混合して成形したものとがある。このうち炭素質材料に樹脂を混合したものは、金属製のものより腐食に強く、炭素板より曲げや振動に強いセパレータが低コストで得られるという利点がある。

【0005】

炭素質材料に樹脂を混合した燃料電池用セパレータにおいては、充分な導電性を確保するために炭素材料を高充填する必要があるが、炭素材料を高充填すると、セパレータが脆くなり、割れや破断を起しやすくなる傾向がある。

【0006】

樹脂成形品の割れや破断を防ぐための方法としては、炭素繊維により樹脂成形品を補強して機械特性を改善することが以前から行われているが、炭素繊維を高充填すると成形性に劣り、成形品の寸法精度が悪くなる傾向があるため、炭素繊維の添加量は少量であるのが普通であり、単にセパレータに用いられる炭素材料を炭素繊維とするだけでは、機械特性、導電性、寸法精度の全てが良好なセパレータを得ることは難しい。このため、機械特性、導電性、寸法精度の全てが良好なセパレータを得るため、様々な工夫がなされている。

【0007】

例えば、特許文献１、特許文献２には黒鉛と炭素繊維とを含む樹脂組成物を成形して得られる燃料電池用セパレータが開示されている。

【0008】

また特許文献３には、炭素繊維を同一方向に並べて配置した導電性繊維シートで、黒鉛などの他の導電性物質を含む導電性樹脂シートを、挟んで成形して得られる燃料電池用セパレータが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００７−２７７４７５号公報

【特許文献2】特開２００６−２６０９５６号公報

【特許文献3】特開２００９−９３９６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

燃料電池用セパレータの機械特性、導電性、寸法精度には、より一層の向上が求められている。
これらの全てを充たす方法としては、導電性が必要な流路部を、黒鉛などの導電性に優れた炭素材料を含む材料で作製し、導電性は不要であるが、外力の加わりやすい外周部を、炭素繊維を含む材料で作製した後、接合する方法などが考えられるが、製造工程が煩雑となる問題がある。
そこで本発明は、曲げ強度や曲げひずみなどの機械特性と、導電性、寸法精度が良好な燃料電池用セパレータを、簡便な方法で提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

すなわち、本発明は下記の［１］〜［６］に関する。
［１］ 片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部とからなる燃料電池用セパレータであって、
熱可塑性樹脂１００質量部に対し１３０〜３２００質量部の炭素質材料を含む領域Ａと、熱可塑性樹脂１００質量部に対し３〜２８０質量部の炭素質材料を含み、該炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である領域Ｂとを有し、
流路部の体積の７０％以上が領域Ａであり、かつ、流路部の表面に前記領域Ｂを有し、セパレータの端部は領域Ｂのみからなる、
燃料電池用セパレータ。
［２］ 片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部とからなる燃料電池用セパレータであって、
熱可塑性樹脂１００質量部に対し１３０〜３２００質量部の炭素質材料を含む領域Ａと、熱可塑性樹脂１００質量部に対し３〜２８０質量部の炭素質材料を含み、該炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である領域Ｂとを有し、
流路部の体積の７０％以上が前記領域Ａであり、かつ、流路部の表面に繊維状炭素を有し、セパレータの端部は領域Ｂのみからなる、
燃料電池用セパレータ。
［３］ 流路部の密度Ｄ_Ｆと外周部の密度Ｄ_ＯがＤ_Ｆ≧Ｄ_Ｏを充たす、［１］または［２］に記載の燃料電池用セパレータ。
［４］ 流路部が中空流路を有する、［１］〜［３］のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータ。
［５］ ［１］〜［４］のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータを含む燃料電池。
［６］ 固体高分子型燃料電池である［５］に記載の燃料電池。

【発明の効果】

【0012】

本発明の方法によれば、機械特性、導電性、寸法精度に優れた燃料電池用セパレータが、複数のシートを積層して圧縮成形するだけの、簡便な方法で得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、燃料電池用セパレータの一例を示す模式図である。

【図2】図２は、燃料電池用セパレータ流路部の一例を示す模式断面図である。

【図3】図３は、燃料電池用セパレータ流路部の別の例を示す模式断面図である。

【図4】図４は、中空流路を有する燃料電池用セパレータの流路部の模式断面図である。

【図5】図５は燃料電池用セパレータの圧縮成形に用いる金型の一例と、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢの金型内への設置のしかたの一例を示す模式断面図である。

【図6】図６は、燃料電池用セパレータを製造する一例を示す概略図である。

【図7】図７は、燃料電池用セパレータの１つの実施態様の模式断面図である。

【図8】図８は、燃料電池用セパレータの別の実施態様の模式断面図である。

【図9】図９は、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢの金型内への設置のしかたの別の例を示す模式断面図である。

【図10】図１０は、本発明の実施例で曲げ試験および密度測定用の試験片を切り出す部位を示した概略図である。

【図11】図１１は、本発明の実施例で試験片（平板）の厚み測定をした箇所を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明をさらに具体的に説明する。
本発明は、片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部とからなる燃料電池用セパレータの製造方法であって、
該方法は、熱可塑性樹脂１００質量部に対し１３０〜３２００質量部の炭素質材料を含む熱可塑性樹脂シートＡと、熱可塑性樹脂１００質量部に対し３〜２８０質量部の炭素質材料を含み、該炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である熱可塑性樹脂シートＢとを、それぞれ少なくとも１枚ずつ積層した状態で圧縮成形する工程を含む。
熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢを、それぞれのバインダー成分の融点のうち、いずれか高い方の融点＋６０℃の温度、面圧２０ＭＰａおよび加圧時間６０秒の成形条件で、シート厚さ１ｍｍから、圧縮したときの熱可塑性樹脂シートＡの厚み残量ｄ_Ａと熱可塑性樹脂シートＢの厚み残量ｄ_Ｂの比が、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧２を充たす。ここでバインダー成分とは、それぞれのシートに含まれる熱可塑性樹脂のほか、後述するエラストマー、およびこれらに溶解する成分の混合物を言う。

【0015】

燃料電池用セパレータは、片面または両面にガス流路が形成された流路部と、流路部を取り囲むように形成された外周部からなる。図１は、燃料電池用セパレータの一例を示す。図１（ａ）は平面図を示し、図１（ｂ）は底面図を示す。図１において、１は燃料電池用セパレータであり、２はガス流路であり、３は流路部であり、４は外周部である。流路の配置や断面形状には特に制限はなく、図１に示すものの他にも、燃料電池用セパレータとして公知のものを用いることができる。流路部の断面形状の一例としては図２のような波形形状や、図３のような表裏対称の形状、図４のような中空流路６を有する形状を挙げることができる。
また外周部には、流路にガスや冷却水を導入し、また不要になったガスや生成水を排出するための内部マニホールド５が設けられていてもよい。

【0016】

（燃料電池用セパレータの製造方法）
燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂および炭素質材料を含む熱可塑性樹脂シートＡと、熱可塑性樹脂および繊維状炭素を含む炭素質材料を含む熱可塑性樹脂シートＢとを、それぞれ少なくとも１枚ずつ積層した状態で圧縮成形することにより製造する。熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢの少なくとも一方を２枚以上積層する場合は、熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢを交互に積層し、最外層は熱可塑性樹脂シートＢとすることが好ましい。
以下、「熱可塑性樹脂シートＡ」を単に「シートＡ」ともいい、「熱可塑性樹脂シートＢ」を単に「シートＢ」ともいう。

【0017】

（シートＡの組成）
熱可塑性樹脂シートＡは、熱可塑性樹脂および炭素質材料を含み、熱可塑性樹脂１００質量部に対し炭素質材料を１３０〜３２００質量部、好ましくは３００〜２５００質量部、より好ましくは５００〜９００質量部含む。熱可塑性樹脂シートＡがこのような組成であると、流路部の導電性が良好な燃料電池用セパレータとすることができる。

【0018】

（シートＢの組成）
熱可塑性樹脂シートＢは、熱可塑性樹脂および炭素質材料を含み、熱可塑性樹脂１００質量部に対し炭素質材料を３〜２８０質量部、好ましくは１０〜１２０質量部、より好ましくは６０〜８０質量部含む。熱可塑性樹脂シートＢに含まれる炭素質材料のうち５０〜１００質量％、好ましくは８０〜１００質量％、より好ましくは９０〜１００質量％が繊維状炭素である。熱可塑性樹脂シートＢがこのような組成であると、機械特性に優れた燃料電池用セパレータとすることができる。

【0019】

（熱可塑性樹脂シートの圧縮厚み残量）
熱可塑性樹脂シートＡ、熱可塑性樹脂シートＢの等圧縮加重下での厚み残量ｄ_Ａ、ｄ_Ｂの比は、後述する成形条件においてｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧２であり、より好ましくはｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧５であり、さらに好ましくはｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧７である。これにより、熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢを重ねて圧縮成形した際に、熱可塑性樹脂シートＡはほとんどひずまず、熱可塑性樹脂シートＢはひずんで外側へ押し出される。その結果、導電性が必要とされる流路部は、体積固有抵抗の低い熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａを主として形成され、外からの衝撃が加わりやすい外周部は、曲げ特性の良好な熱可塑性シートＢ由来の領域Ｂを主として形成されるので、機械特性と、流路部の導電性が両立された燃料電池用セパレータを容易に得ることができる。加えて、成形時に流動しやすい熱可塑性樹脂シートＢが存在するため、金型の隅々まで材料が充填され、寸法精度の良好な燃料電池用セパレータを得ることができる。また好ましくはｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≦５０であり、より好ましくはｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≦１０である。
得られる燃料電池用セパレータの流路部の導電性を高める観点からは、シートＡの圧縮厚み残量は後述する測定条件で、０．１ｍｍ以上であることが好ましく、０．２ｍｍ以上であることがより好ましい。また流路部の寸法精度の観点からは、シートＡの圧縮厚み残量は後述する測定条件で、０．７ｍｍ以下であることが好ましく、０．３ｍｍ以下であることがより好ましい。
得られる燃料電池用セパレータの外周部に、シートＢが行きわたりやすいようにする観点から、シートＢの圧縮厚み残量は後述する測定条件で、０．０８ｍｍ以下であることが好ましく、０．０５ｍｍ以下であることがより好ましい。得られる燃料電池用セパレータの機械特性の観点から、シートＢの圧縮厚み残量は０．００５ｍｍ以上であることが好ましく、０．０１ｍｍ以上であることがより好ましい。
ｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧２の要件は、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢを構成する熱可塑性樹脂および炭素質材料の種類および含有量を適宜選択することによって得ることができる。例えば、以下の通りである。
炭素質材料の含有量：熱可塑性樹脂シートＡの炭素質材料の含有量を熱可塑性樹脂シートＢの炭素質材料の含有量より多くすることにより、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂの値を大きくすることができ、具体的には、シートＡおよびシートＢの炭素質材料の含有量をそれぞれ上述の通りとすることが好ましい。
炭素質材料の種類：熱可塑性樹脂シートＢに、繊維状炭素以外の炭素質材料を併用する場合、ケッチェンブラックの含有量は、シートＢの炭素質材料中、好ましくは０〜１０質量％、より好ましくは０〜５質量％とすると、シートＢの流動性が向上し、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂの値を大きくすることができる。
熱可塑性樹脂の融点または軟化点：熱可塑性樹脂シートＡに、融点または軟化点の高い熱可塑性樹脂を用い、熱可塑性樹脂シートＢに、融点または軟化点の低い熱可塑性樹脂を用いることにより、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂの値を大きくすることができる。熱可塑性樹脂の融点はＪＩＳ Ｋ７１２１に準拠して、また軟化点は、ＪＩＳ Ｋ２５３１に準拠して測定することができる。
熱可塑性樹脂の分子量：熱可塑性樹脂シートＡに高分子量成分を多く含む熱可塑性樹脂を用い、熱可塑性樹脂シートＢに低分子量成分を多く含む熱可塑性樹脂を用いることにより、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂの値を大きくすることができる。
熱可塑性樹脂のメルトフローレート：シートＡに用いる熱可塑性樹脂のメルトフローレートを小さくし、シートＢに用いる熱可塑性樹脂のメルトフローレートを大きくすることにより、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂの値を大きくすることができる。具体的には、ＩＳＯ １８７３−２．２：９５に準拠して測定したシートＡの熱可塑性樹脂シートのメルトフローレートが、０．１〜５０ｇ／１０ｍｉｎであることが好ましく、０．２〜４０ｇ／１０ｍｉｎであることがより好ましい。また、同様にして測定したシートＢのメルトフローレートは、１〜７０ｇ／１０ｍｉｎであることが好ましく、２０〜５０ｇ／１０ｍｉｎであることがより好ましい。
なおこれらの条件は、必ずしも同時に全てを充たす必要はなく、ｄ_Ａ／ｄ_Ｂ≧２を充たすように、適宜選択し、組み合わせることができる。
ｄ_Ａの異なる熱可塑性樹脂シートＡを複数枚積層する場合は、各熱可塑性樹脂シートＡのｄ_Ａを各熱可塑性樹脂シートＡの厚みで加重平均した値をｄ_Ａとする。同様に、ｄ_Ｂの異なる熱可塑性樹脂シートＢを複数枚積層する場合は、各熱可塑性樹脂シートＢのｄ_Ｂを各熱可塑性樹脂シートＢの厚みで加重平均した値をｄ_Ｂとする。たとえば、たとえば、圧縮厚み残量ｄ_Ａ１、厚みｔ_Ａ１の熱可塑性樹脂シートＡ１と圧縮厚み残量ｄ_Ａ２、厚みｔ_Ａ２の熱可塑性樹脂シートＡ２とを１枚ずつ積層する場合は、ｄ_Ａ＝（ｔ_Ａ１ｄ_Ａ１＋ｔ_Ａ２ｄ_Ａ２）／（ｔ_Ａ１＋ｔ_Ａ２）である。

【0020】

（熱可塑性樹脂シートの圧縮厚み残量の測定）
圧縮厚み残量は、熱可塑性樹脂シートＡ、熱可塑性樹脂シートＢをそれぞれφ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのサイズに調整し、その試験片をφ５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの超硬プレート２枚の間に仕込み、熱プレス機を用いて所定の成形条件で圧縮し、圧縮後の試験片の厚みをノギスまたはマイクロメーターなどで測定して比率を求める。成形条件は、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢに含まれるバインダー成分の融点のうち、いずれか高い方の融点より６０℃高い温度で、設定温度になるまで十分に予熱し、面圧２０ＭＰａ、加圧時間６０秒の条件で成形する。

【0021】

（炭素質材料）
熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢに含まれる炭素質材料としては、燃料電池用セパレータに用いられる公知の炭素質材料を用いることができる。具体的には、カーボンブラック、炭素繊維、アモルファスカーボン、膨張黒鉛、人造黒鉛、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、気相法炭素繊維、カーボンナノチューブ、フラーレン等を挙げることができる。中でも、シートＡに用いる炭素質材料としては、天然黒鉛、人造黒鉛、および膨張黒鉛から選ばれる１種以上が、好ましくは５０〜１００質量％、より好ましくは６０〜１００質量％、さらに好ましくは９０〜１００質量％を占める。特に異方性がない導電性の燃料電池用セパレータを得るためには、シートＡの炭素質材料として、人造黒鉛を用いることが好ましい。

【0022】

天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛の粒径は、好ましくは体積基準の累積粒径Ｄ_１０が３〜１５μｍ、Ｄ_５０が５〜６０μｍ、Ｄ_９０が６０〜１００μｍであり、より好ましくはＤ_１０が５〜１２μｍ、Ｄ_５０が５〜５０μｍ、Ｄ_９０が６０〜９０μｍ、さらに好ましくはＤ_１０が７〜１０μｍ、Ｄ_５０が１０〜５０μｍ、Ｄ_９０が６０〜８０μｍである。３μｍ以下の粒子が多いと、炭素質材料を高充填した際に、導電性及び機械的特性が低下するので好ましくない。また、１００μｍ以上の粒子が多いと、成形品の外観が悪く、割れやすくなるので好ましくない。炭素質材料の粒径は、所定量の蒸留水に、所定量のサンプルと界面活性剤とを加えて分散させ、レーザー回折散乱法にて粒度分布を測定することにより、求めることができる。

【0023】

炭素質材料の粉体抵抗は、粉体密度を１．５ｇ／ｃｍ^３としたときに、加圧方向に対して直角方向の粉末電気比抵抗ができるだけ低いことが望ましく、０．１Ω・ｃｍ以下であることが好ましく、さらに０．０３Ω・ｃｍ以下であることが、高い導電性が得られるので好ましい。粉体抵抗は特許第３９３７９６２号公報に記載の方法で測定できる。

【0024】

炭素質材料の真密度は、好ましくは１．６〜２．２５ｇ／ｃｍ^３であり、より好ましくは１．７〜２．２５ｇ／ｃｍ^３であり、さらに好ましくは１．９〜２．２５ｇ／ｃｍ^３である。炭素質材料の真密度が高いほど、黒鉛化が発達しており導電性が良好である。真密度は液相置換法、または気相置換法により測定できる。例えば、マウンテック社製のピクノマチックや、セイシン企業社製のＶＭ−１００、ＭＡＴ−７０００を用いることで測定できる。

【0025】

炭素質材料の嵩密度（タッピング密度）は、好ましくは０．３〜１．５ｇ／ｃｍ^３であり、より好ましくは、０．５〜１．５ｇ／ｃｍ^３であり、さらに好ましくは０．６〜１．５ｇ／ｃｍ^３である。嵩密度が高いほど高充填することができ、高い導電性を発現しやすいので好ましい。
タッピング密度の測定は市販の嵩密度測定装置を用いて川北式評価法により測定できる。市販の嵩密度測定装置としては、例えばパウダテスタＰＴ−Ｓ（ホソカワミクロン社製）、タップデンサーＫＹＴ−４０００（セイシン企業社製）などが挙げられる。タップ回数は任意に決めることができるが、嵩減りが停止するまでタッピングすることが好ましい。その他ＵＳＰ（the United States Pharmacopeia）章＜６１６＞ 方法２、またはＥＰ（European Pharmacopeia）章２．９．１５等に準拠した方法で測定しても構わない。

【0026】

（ホウ素含有炭素質材料）
さらに炭素質材料にはホウ素が０．０１〜４質量％、より好ましくは０．０５〜３質量％、さらに好ましくは０．１〜２質量％含まれると、得られる燃料電池用セパレータの流路部の体積固有抵抗が小さくなるため好ましい。ホウ素を含む炭素質材料は特開２００２−６０６３９号公報、特開２００５−２８１６９０号公報に記載の方法で製造することができる。また含有率の測定法についても上述の特許公報に記載されている。

【0027】

（繊維状炭素）
熱可塑性樹脂シートＢに含まれる炭素質材料のうち５０〜１００質量％が繊維状炭素である。
繊維状炭素としては、炭素繊維、気相法炭素繊維、カーボンナノファイバー、カーボンナノチューブ等を挙げることができる。
繊維状炭素の平均繊維径（Ｄ）は、好ましくは０．０１〜２０μｍ、より好ましくは０．１〜１５μｍ、さらに好ましくは１〜１０μｍであり、平均繊維長（Ｌ）は好ましくは１μｍ〜２０ｍｍ、より好ましくは５μｍ〜１０ｍｍ、さらに好ましくは１〜１０ｍｍである。ただし繊維状炭素のＬ／Ｄは、好ましくは５〜１０００、より好ましくは１００〜１０００、さらに好ましくは５００〜１０００である。Ｌ／Ｄを５以上とすることで、十分な繊維補強効果を得ることが出来、また１０００以下とすることで、熱可塑性樹脂シートを製造する際の原料となる、繊維状炭素を含む樹脂組成物の流動性が良好になる。
上記繊維状炭素の平均繊維径および平均繊維長は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などにより任意の１００〜２００本の繊維径と繊維長を測定し、算術平均値として算出することができる。また、０．７〜１６０μｍの範囲であれば、ホソカワミクロン社製のＦＰＩＡ−３０００を用いて測定することができる。

【0028】

（熱可塑性樹脂）
熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢに含まれる熱可塑性樹脂としては、燃料電池用セパレータに用いられる公知の熱可塑性樹脂を用いることができる。例えば、以下のものを挙げることができる。
アクリル樹脂：アクリロニトリルブタジエンスチレン重合体、ポリメタクリル酸メチル樹脂など
ポリ塩化ビニル
ポリイミド
液晶ポリマー
ポリエーテルエーテルケトン
フッ素樹脂：ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合樹脂、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー、パーフルオロエチレン−プロペンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド、エチレン−クロロトリフルオロエチレンコポリマーなど
ポリオレフィン：ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン、ポリメチルペンテン、ポリスチレン、ポリブテン−１など
ポリアセタール
ポリアミド
ポリエステル：ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートなど
ポリカーボネート
ポリシクロオレフィン
ポリフェニレンスルフィド
ポリエーテルスルホン
ポリフェニレンオキシド
ポリフェニレンスルホン

【0029】

上記熱可塑性樹脂は、好ましくはポリオレフィン、フッ素樹脂、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリマー、ポリエーテルエーテルケトン、ポリシクロオレフィン、およびポリエーテルスルホンのうち融点が１００℃以上であるもの、ならびにポリカーボネート、ポリスチレン、ポリフェニレンオキシドのうちガラス転移点温度が１００℃以上であるものからなる群より選ばれる少なくとも１種であり、より好ましくは結晶性のポリオレフィンであり、最も好ましくは結晶性のポリプロピレンであると、燃料電池運転時にクリープしにくく、また耐加水分解性が良好な燃料電池用セパレータが得られる。
熱可塑性樹脂の融点およびガラス転移点温度は、ＪＩＳ Ｋ７１２１に従って、試験片を標準状態で調整し、示差走査熱量計（ＤＳＣ）を用いて、融点は融解ピーク温度として、ガラス転移点温度は中間点ガラス転移温度として測定することができる。

【0030】

（シートＢの熱可塑性樹脂）
熱可塑性樹脂シートＢの熱可塑性樹脂は、熱可塑性樹脂シートＡの熱可塑性樹脂と同一であってもよいし、異なっていてもよいが、燃料電池用セパレータ成形後に熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢが分離するのを防ぐため、熱可塑性樹脂シートＢの熱可塑性樹脂中、２０質量％以上を、熱可塑性樹脂シートＡの熱可塑性樹脂と同じ種類の樹脂、若しくは熱可塑性樹脂シートＡの樹脂と相溶性を有する樹脂とすることが好ましい。例えば、熱可塑性樹脂シートＡの熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂シートＢの熱可塑性樹脂を、それぞれポリプロピレン、ポリブテン−１、エチレンプロピレンゴム、水添スチレンブタジエンゴム、スチレン・エチレンブチレン・スチレンブロックコポリマーからなる群から選ばれる少なくとも１種とすると、熱可塑性樹脂シートＡの熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂シートＢの熱可塑性樹脂が互いに相溶するため好ましい。
ここで相溶性があるとは、部分的に溶け合うことが可能な異種ポリマー同士を、混合混練して分散したとき、ポリマーの平均粒子径が５μｍ以下のサイズで分散できる組み合わせ、または相分離せずに溶け合うことができる異種ポリマーの組み合わせである。
熱可塑性樹脂シートＢの熱可塑性樹脂は、繊維状フィラー表面と化学結合できる、または濡れ性が良好な、変性処理された熱可塑性樹脂が１０質量％以上含まれていると、繊維状炭素や、後述する繊維状フィラーとの界面強度が強固となり、好ましい。熱可塑性樹脂シートＢ中の、変性処理された熱可塑性樹脂の量は、熱可塑性樹脂中、好ましくは１０〜５０質量％であり、より好ましくは１０〜３０質量％である。変性処理によって導入される官能基としては、例えば、無水マレイン酸、無水フタル酸などの酸無水物と反応させることにより導入される酸無水物基、グリシジルアクリレートや、グリシジルメタクリレートによって導入される基、アミノ基、アミド基、ビニル基、水酸基、カルボキシル基およびチオール基からなる群より選ばれる１種以上の官能基が好ましく、酸無水物基やカルボキシル基を導入したもの、すなわち、酸変性されたものであることがより好ましい。変性処理としては、変性剤とポリマーをブレンドして押出機によりグラフト変性する方法や、溶液中で変性処理する方法などがある。市販の変性樹脂を使用することもでき、具体的には、三菱化学社製商品名モディック（登録商標）、三井化学社製商品名アドマー（登録商標）、三洋化成社製商品名ユーメックス、東ソー社製商品名メルセンＭ、住友化学社製商品名ボンドファースト（登録商標）などが挙げられる。

【0031】

（エラストマー）
熱可塑性樹脂シートＡおよびＢは、炭素質材料、熱可塑性樹脂の他に、常温付近でゴム状弾性を有するエラストマーを含むと、燃料電池用セパレータが割れにくくなるため好ましい。エラストマーの含有量は、前記熱可塑性樹脂１００質量部につき、好ましくは０．０５〜４０質量部、より好ましくは１〜４０質量部であり、さらに好ましくは２〜１０質量部であると、割れにくく、流路が変形しにくく、ガス不透過性が良好なセパレータとなる。

【0032】

エラストマーは、好ましくは炭素質材料の平均粒子径以下かつ５μｍ以下、より好ましくは４μｍ以下、さらに好ましくは３μｍ以下の平均粒子径で前記熱可塑性樹脂中に分散していると、導電性が良好で割れにくい燃料電池用セパレータとなる。
エラストマーの平均粒子径は、ウルトラミクロトームを用いて、液体窒素により凍結させたサンプルの断面から超薄切片を作製し、オスミウム染色後、ＴＥＭにより分散相の粒子径を観察し、１００個程度の粒子の数平均粒子径として求めることができる。

【0033】

エラストマーの例としては、例えば、アクリロニトリルブタジエンゴム、水素化ニトリルゴム、スチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−ブテン共重合体、プロピレン−ブテン共重合体、エチレンプロピレンジエン三元共重合ゴム、エチレンブタジエンゴム、フッ素ゴム、イソプレンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、ブタジエンゴム、ハイスチレンゴム、クロロプレンゴム、ウレタンゴム、ポリエーテル系ゴム、テトラフルオロエチレン・プロピレンゴム、エピクロロヒドリンゴム、ノルボルネンゴム、ブチルゴム、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、ウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、ポリアミド系熱可塑性エラストマー、１，２−ポリブタジエン系熱可塑性エラストマー、フッ素系熱可塑性エラストマー、軟質アクリル樹脂等の中からなる群より選ばれる１種以上を挙げることができる。
上記エラストマーの中でも、好ましくは炭化水素系エラストマーであるスチレンブタジエンゴム、エチレンプロピレン共重合体、エチレン−オクテン共重合体、エチレン−ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン系熱可塑性エラストマー、オレフィン系熱可塑性エラストマー、１，２−ポリブタジエン系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる１種以上であると、エラストマーの耐加水分解性が良好であるため好ましく、スチレン系熱可塑性エラストマーであることが特に好ましい。

【0034】

スチレン系熱可塑性エラストマーの具体例としては、水添スチレンブタジエンラバー、スチレン・エチレンブチレン・スチレンブロックコポリマー、スチレン・エチレンプロピレン・スチレンブロックコポリマー、スチレン・エチレンブチレン・オレフィン結晶ブロックコポリマー、スチレン・イソプレン・スチレンブロックコポリマー、スチレン・ブタジエン・スチレンブロックコポリマー等が挙げられ、中でも、水添スチレンブタジエンラバー、スチレン・エチレン・ブチレン・スチレンブロックコポリマー、スチレン・エチレンプロピレン・スチレンブロックコポリマーであることが好ましい。

【0035】

（シートＡの他の成分）
熱可塑性樹脂シートＡには、上記材料の他、酸化防止剤、熱安定剤、ハロゲン捕捉剤、紫外線吸収剤、抗菌剤、無機充填材、滑剤、可塑剤、難燃剤、界面活性剤、親水性付与剤、撥水性付与剤、摺動性付与剤などの表面改質剤などの添加剤を適宜含ませることができる。これら添加剤の添加量は、合計で熱可塑性樹脂シートＡ中、０〜２０質量％であることが好ましい。

【0036】

（繊維状フィラー）
熱可塑性樹脂シートＢは、繊維状炭素以外の繊維状フィラーを含んでもよい。「繊維状炭素以外の繊維状フィラー」および「繊維状炭素」を合わせて「繊維状フィラー」という。熱可塑性樹脂シートＢは、繊維状フィラーを、３〜７０質量％、より好ましくは５〜６０質量％、さらに好ましくは１０〜５０質量％含むと、燃料電池用セパレータの機械特性を向上することができる。
繊維状炭素以外の繊維状フィラーの例としては、ガラスファイバー、金属繊維、有機繊維、セラミック繊維、金属酸化物系のウィスカーの群より選ばれる１種以上が挙げられ、燃料電池用セパレータの導電性や耐腐食性の観点から、好ましくは繊維状炭素である。

【0037】

繊維状フィラーの平均繊維径（Ｄ）、平均繊維長（Ｌ）およびＬ／Ｄの好ましい範囲は、上述の繊維状フィラーの好ましい範囲と同様であり、その理由も同様である。
上記繊維状フィラーの平均繊維径および平均繊維長は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などにより任意の１００〜２００本の繊維径と繊維長を測定した平均で算出することができる。また、０．７〜１６０μｍの範囲であれば、ホソカワミクロン社製のＦＰＩＡ−３０００を用いて測定することができる。

【0038】

上記繊維状フィラーは、表面に導電性を付与する目的で、カーボンや金属などがコーティングされていてもよい。コーティングは蒸着法（化学気相蒸着、有機金属気相成長法、真空蒸着法、スパッタリング、イオンプレーティングなど）、無電解メッキ法、電気めっき法、塗工、化成処理などにより行うことができる。

【0039】

また上記繊維状フィラーには、樹脂との密着性を向上させるため、エポキシ基、カルボキシル基、カルボニル基、水酸基、アミノ基、酸無水物基、グリシジル基、イソシアネート基、チオール基、ビニル基、アクリロキシ基、メタクリロキシ基の群より選ばれる一種以上の官能基を表面処理によって付与することが好ましい。例えば、シランカップリング処理、強酸処理、プラズマ処理、コロナ処理、その他化成処理などにより官能基を付与することができる。

【0040】

（シートＢの他の成分）
熱可塑性樹脂シートＢには、上記各成分のほか、熱可塑性樹脂シートに含有させることができるものとして列挙したのと同様の添加剤や、繊維状フィラー以外の充填材を１種以上含有させることができ、その添加量は熱可塑性樹脂シートＢ中、合計で０〜８０質量％である。

【0041】

（熱可塑性樹脂シートＡの製造方法）
熱可塑性樹脂シートＡを製造するには、初めに上記各材料を混合する。混合の方法は特に制限されないが、例えば、ロールミル、押出機、ニーダー、バンバリーミキサーなどの混練機を用いることができ、なるべく均一に混合させる。
次いで、混合した材料をシート状に成形する。なお、材料を混合した後、シート成形を行う前に、成形機や金型への材料の供給を容易にするため、混合された材料を粉砕あるいは造粒することもできる。
シート成形は、押出機による方法、押出機と圧延ロールの組合せによる方法、粉末状の前記混合された材料をロールに供給する方法などによる行うことができる。圧延ロールの温度はシート中のバインダー成分の固化温度以下にすることが好ましい。

【0042】

（熱可塑性樹脂シートＡの体積固有抵抗）
熱可塑性樹脂シートＡの体積固有抵抗値は、２３℃において、５０ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましく、１０ｍΩ・ｃｍ以下であることがより好ましい。これにより、熱可塑性樹脂シートＡを用いて得られる燃料電池用セパレータの流路部の導電性が向上する。また熱可塑性樹脂シートＡの体積固有抵抗値は、２３℃において、０．１Ω・ｃｍ以上であることが好ましく、１ｍΩ・ｃｍ以上であることがより好ましい。
体積固有抵抗値は、ＪＩＳ Ｋ７１９４に準拠し、四探針法により測定する。

【0043】

（熱可塑性樹脂シートＢの製造方法）
熱可塑性樹脂シートＢは、熱可塑性樹脂シートＡと同様に上記各材料を混合し、シート成形することによって製造できるが、市販の炭素繊維含有樹脂をシート成形して使用することもできる。具体的には、三菱レイヨン社製商品名パイロフィル（登録商標）ペレット、東レ社製商品名トレカ（登録商標）ペレット、ダイセルポリマー社製商品名プラストロンなどが挙げられる。

【0044】

（熱可塑性樹脂シートＢの機械特性）
熱可塑性樹脂シートＢは、７０℃における曲げひずみが好ましくは０．５％以上、より好ましくは１．０％以上、さらに好ましくは１．５％以上であり、７０℃における曲げ強度が好ましくは２５ＭＰａ以上、より好ましくは３０ＭＰａ以上、さらに好ましくは３５ＭＰａ以上である。これにより、熱可塑性樹脂シートＢを用いて得られる燃料電池用セパレータの機械特性が向上する。また熱可塑性樹脂シートＢは、７０℃における曲げひずみが好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下であり、７０℃における曲げ強さが好ましくは５００ＭＰａ以下、より好ましくは２００ＭＰａ以下である。
曲げひずみおよび曲げ強度はテンシロン試験機を用いて測定する。５０ｍｍ×１０ｍｍ×所定の厚さに切り出した熱可塑性樹脂シートＢを、スパン間隔２４ｍｍ、曲げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ、温度７０℃の条件で３点式曲げ試験により測定する。

【0045】

（熱可塑性樹脂シート中のバインダー成分の融点）
熱可塑性樹脂シートＡ中のバインダー成分の融点Ｔｍ_Ａと熱可塑性樹脂シートＢ中のバインダー成分の融点Ｔｍ_Ｂの差（Ｔｍ_Ａ−Ｔｍ_Ｂ）は、好ましくは０≦（Ｔｍ_Ａ−Ｔｍ_Ｂ）≦８０℃、より好ましくは２≦（Ｔｍ_Ａ−Ｔｍ_Ｂ）≦７０℃、さらに好ましくは２≦（Ｔｍ_Ａ−Ｔｍ_Ｂ）≦６０℃である。これにより、短い成形サイクルで、流路部の導電性が高い燃料電池用セパレータを得ることができる。また融点Ｔｍ_Ａが融点Ｔｍ_Ｂより大きく、熱可塑性樹脂シートＢが表面に設置されていると燃料電池用セパレータ同士を熱溶着し、発電部の接触抵抗を低減できるので好ましい。
熱可塑性樹脂シート中のバインダー成分の融点は、市販の示差走査熱量分析装置により、適宜切り出した熱可塑性樹脂シートを試料として試料容器中に設置し、上述の熱可塑性樹脂の融点の測定と同様に測定して、得られる。ただし、２つ以上の融解ピークが観察される場合には、より低い温度で観察されるピークの融解ピーク温度を、バインダー成分の融点とする。

【0046】

（シートの積層法）
燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢを少なくとも１枚ずつ重ねた状態で圧縮成形して得られる。なお、シートの積層の仕方に特に制限はなく、例えばＡ／Ｂのように１枚ずつ積層してもよいし、Ａ／Ｂ／ＡあるいはＢ／Ａ／Ｂのように一方のシートを他方のシートで挟むようにしてもよいし、もっと多くのシートを積層することもできるが、好ましくはＢ／Ａ／Ｂである。熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢの少なくとも一方を２枚以上積層する場合は、熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢを交互に積層することが好ましい。
圧縮成形する際に積層するシートは本発明に記載の熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢだけに限定されるものではなく、特性が異なる別のシートＣなどを、例えばＣ／Ｂ／Ａ／Ｂ／Ｃ、Ｃ／Ａ／Ｂのように任意に積層して圧縮成形することもできる。
さらには、流路部を取り囲む外周部の強度向上、寸法安定性の向上などを目的に外周部に基材（ガラス繊維、有機繊維、炭素繊維、セラミック繊維などからなる基布、または不織布、樹脂シート、金属網、樹脂網、金属板など）を設置して成形することもできる。

【0047】

（シートの設置法）
本発明の燃料電池用セパレータは、流路部が、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａを主とし、外周部が、熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂを主とし、端部は領域Ｂのみで構成されることが好ましい。燃料電池用セパレータがこのような構成であると、流路部は炭素質材料が多く、導電性が良好となり、外力が加わりやすい外周部、特に端部は、炭素繊維を含み、機械特性が良好となる。
これを実現するための、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢの、金型への設置のしかたについて、図５を参照しながら説明する。
図５は燃料電池用セパレータの圧縮成形に用いる金型の一例と、熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢの、金型内への好ましい設置のしかたを示す模式断面図である。金型１０１は、上金型１０２と下金型１０３からなり、得られる燃料電池用セパレータに対応する形状である型部１０４を有し、該型部は、得られる燃料電池用セパレータの流路部に対応する流路部相当部１０５と、外周部に対応する外周部相当部１０６を有する。なお、図５では流路部相当部１０５に台形状断面のパターンが形成されているが、所望の流路の形状に応じて、矩形状断面、鋸歯状断面、半円状断面など、他の形状のパターンでもよい。また外周部相当部１０６には、マニホールドに相当するパターンなどが形成されていてもよい。
熱可塑性樹脂シートＡ１０７は、流路部相当部１０５を覆うことの出来る形状、かつ、得られる燃料電池用セパレータの流路部に占める、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａの割合が、好ましくは７０％以上、より好ましくは８０％以上、さらに好ましくは９０％以上になるような形状で、金型に設置する。シートＡ１０７が流路部相当部１０５を覆うことのできる形状であれば、流路部に占める領域Ａの割合は、金型に設置するときの、シートＡ１０７の厚みによって調整することができる。熱可塑性樹脂シート中の微細なボイドの存在などにより、圧縮成形の前後で熱可塑性樹脂シートの体積は変化する場合があり、その程度もボイドの存在の度合いなどによって異なるため、シートＡ１０７を金型に設置するときの厚みを一律に決めることは難しいが、通常は、シートＡ１０７を流路部相当部１０５を覆う形状で金型１０１に設置する場合に、流路部に占める領域Ａの体積が７０％以上となるためには、シートＡ１０７を金型に設置するときの厚みｔ_Ａは下記式を充たす。ただし、式中、Ｖ_Ｆは流路部の体積であり、Ｓ_Ｆは流路部の投影面積である。燃料電池用セパレータの流路が、図１（ａ）（ｂ）に示すような略長方形の領域に形成されている場合、Ｓ_Ｆは流路部に形成された流路のうち、最も外周部寄りの部分に接する長方形の面積で近似でき、Ｖ_Ｆは同じ長方形で囲まれた部分の体積で近似できる。また流路が渦巻き状に形成されている場合は、Ｓ_Ｆは、流路の最も外周部寄りの部分に接する円の面積で近似できる。
ｔ_Ａ≧０．７Ｖ_Ｆ／Ｓ_Ｆ
同様に、流路部に占める領域Ａの体積が８０％以上となるためには、ｔ_Ａは通常下記式を充たし、
ｔ_Ａ≧０．８Ｖ_Ｆ／Ｓ_Ｆ
同様に、流路部に占める領域Ａの体積が９０％以上となるためには、ｔ_Ａは通常下記式を充たす。
ｔ_Ａ≧０．９Ｖ_Ｆ／Ｓ_Ｆ
熱可塑性樹脂シートＡは、得られる燃料電池用セパレータの流路部に占める、シートＡ由来の領域Ａの体積が７０％以上になれば、２枚以上積層することもできる。この場合は、上記の各式中ｔ_Ａは、金型に設置する際の、各シートＡの厚みの合計とする。
熱可塑性樹脂シートＡがこれらの条件を充たすと、得られる燃料電池用セパレータの流路部に占める領域Ａの割合が大きくなり、また流路部の全体にわたって、領域Ａを主として構成されるようになり、結果として流路部の導電性が向上する。
さらに熱可塑性樹脂シートＡ１０７は、その主面の形状を、流路部相当部１０５から、型部の外端１０９への距離の好ましくは９５％、より好ましくは９０％、さらに好ましくは８５％より内側に入るようにして金型１０１に設置する。また、熱可塑性樹脂シートＡ１０７を金型１０１に設置する際の厚さは、得られる燃料電池用セパレータの、流路部の肉厚の最大値より小さいことが好ましい。なお、セパレータの肉厚とは、セパレータの一方の主面から、他方の主面へ貫通する最短距離を言う。熱可塑性樹脂シートＡがこのような形状であると、得られる燃料電池用セパレータのうち、外力が加わりやすい外周部において、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａの割合が小さくなり、結果として熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂの割合が大きくなるため、機械特性に優れた燃料電池用セパレータを得ることができる。
熱可塑性樹脂シートＢ１０８は、その圧縮成形前の厚みが、熱可塑性樹脂シートＡ１０７の圧縮成形前の厚みより小さく、かつその主面が、金型の型部の内側に収まる形状で金型に設置することが好ましい。なお、シートＡ１０７およびシートＢ１０８のいずれか一方、もしくは両方を２枚以上積層する場合、ここでいう「厚み」とはシートＡ１０７およびシートＢ１０８それぞれの厚みの合計を言う。熱可塑性樹脂シートＢ１０８がこのような形状であると、得られる燃料電池用セパレータの流路部に占める、熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂの割合が小さくなり、結果として、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａの割合が大きくなるため、流路部の導電性が向上する。
また図９に示すように、流路部に相当する部分に穴をあけた形状として、熱可塑性樹脂シートＢ３１を金型に設置することによっても、得られる燃料電池用セパレータの流路部に占める領域Ｂの割合を小さくすることができる。このときの熱可塑性樹脂シートＡ３２の形状は上記の通りである。熱可塑性樹脂シートＡ３２の端部と、熱可塑性樹脂シートＢ３１にあけた穴の端部とは、互いに少し重なるようにすることが好ましい。このとき、熱可塑性樹脂シートＢ３１の厚みは、セパレータの肉厚の最大値以下であれば、特に制限はない。このようにして得られる燃料電池用セパレータの流路部および外周部はいずれも実質的に単層構造である。
さらに熱可塑性樹脂シートＢは、その主面の形状を、熱可塑性樹脂シートＡの主面を覆うことのできる形状として、かつ、その圧縮成形後の体積が、得られる燃料電池用セパレータの全体積Ｖと、燃料電池用セパレータ全体に占める前記領域Ａの体積との差分以上になるように、金型に設置することが好ましい。前述の通り、圧縮成形の前後でシートの体積は若干変わることがあるが、通常、圧縮成形後に上記の条件を充たすには、シートＢを金型に設置する際の体積Ｖ_Ｂが、セパレータの全体積Ｖ、シートＡの圧縮成形前の体積Ｖ_Ａとして、Ｖ_Ｂ≧Ｖ−Ｖ_Ａである。熱可塑性樹脂シートＢをこのような形状で金型に設置すると、得られる燃料電池用セパレータの外周部に占める、熱可塑性樹脂シート由来の領域Ｂの体積が大きくなり、好ましい。より好ましくは、シートＢの圧縮成形後の体積が、燃料電池用セパレータの全体積と、前記熱可塑性樹脂シートＡの圧縮成形後の体積との差分より大きくなるようにシートを仕込み、わざとバリが出るようにすると、得られる燃料電池用セパレータの端の厚みが薄くなったり、端の密度が低かったり、寸法が短かったりといった不良率を下げることができる。この場合、通常はＶ_Ｂ＞Ｖ−Ｖ_Ａである。
熱可塑性樹脂シートＡおよび熱可塑性樹脂シートＢは、その中心が、金型の型部の中心とおおよそ一致するように、金型内に設置することが好ましい。

【0048】

（成形法）
圧縮成形の方法は特に制限はないが、例えば、図６に示したようなシステムを用い、セパレータ金型１１に予め熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢからなるセパレータ材料シート１２をセットし、加熱エリア１３で熱可塑性樹脂シートＡと熱可塑性樹脂シートＢの融点以上まで予熱し、温度１０〜１２０℃に維持されるように冷却水等で温度コントロールされている冷却盤１４が設置された出力５０〜１０００ｔの冷却プレス機１５で一定時間金型を加圧冷却することによって材料賦形し、その後金型を開いて燃料電池用セパレータ１を取出して得られる。なお、図６において、黒い矢印は金型等の移動の方向を示し、白い矢印は加圧の方向を示す。加熱手段は電気、誘導加熱、赤外線、熱媒などが挙げられるが、熱プレス成形機を用いて加熱賦形してから、冷却プレス機で加圧冷却することもできる。プレス機は所要により数台並べて、工程を分割することで成形サイクルを短くすることもできる。
また、媒体流路を有し高温流体と低温流体を交互に入れ替えて加熱冷却できる金型、あるいはシリコーンオイルのような熱媒体と冷却水を流せる流路が２系列ある金型、または電熱ヒータと冷却水で加熱冷却ができる金型を用いて、融点以上にシートを加熱し、所定の圧力で賦形し、加圧保持したまま冷却し、所定の温度で金型を開いて燃料電池用セパレータを得ることもできる。
また、熱可塑性樹脂シートを金型にセットし、誘導加熱装置によって金型表面だけを加熱して、金型を閉じ、加圧冷却をしてセパレータを得ることもできる。
金型には所要により離型剤を塗布してから熱可塑性樹脂シートを投入し、成形してもよい。
成形後の燃料電池用セパレータは所要によりマニホールドを切削加工で形成させるなど、形状を２次加工してもよい。
成形後の燃料電池用セパレータは表面を均一化、表面改質、スキン層除去などの目的でブラストやその他研磨装置により表面粗さをコントロールしてもよい。または、燃料電池のフラッディング現象を抑制する目的で表面を親水化処理することもできる。親水化処理法としては、プラズマ処理、コロナ処理、オゾン処理、強酸処理、フッ素ガス処理、親水性塗料の塗布、親水性フィラーのコーティングなどが挙げられる。

【0049】

（溶着）
さらに、燃料電池用セパレータは所要により２枚を重ねて接合することによって、図４に示したような流路部断面の厚み方向のほぼ中央に中空流路６がある燃料電池用セパレータを得ることができる。流路部を溶着することによって、発電部の接触抵抗を大幅に小さくできる。溶着方法は特に制限はないが、熱プレスを用いて所定の圧力を加え、表面層だけが溶ける温度で熱溶着する方法が好ましい。その他、導電性接着剤を用いて接合する方法、表面を溶剤で溶解して接合する方法、レーザーを用いて接合する方法、高周波や超音波を用いて接合する方法などが挙げられる。

【0050】

（燃料電池用セパレータの諸特性）
本発明の方法により得られる燃料電池用セパレータは、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａと、熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂとを含む。領域Ａの組成は上述の熱可塑性樹脂シートＡの組成と同様であり、領域Ｂの組成は上述の熱可塑性樹脂シートＢの組成と同様であり、その好ましい範囲や、好ましい材料の種類、特性についても同様である。
本発明の方法により得られる燃料電池用セパレータの１つの実施態様では、燃料電池用セパレータの断面を走査型電子顕微鏡などで観察すると、領域Ａは、視野の３５〜９０％を炭素質材料の像が、５〜６０％を熱可塑性樹脂の像が占める領域として観察され、領域Ｂは、視野の３〜６０％を炭素質材料の像が、３５〜９５％を熱可塑性樹脂の像が占め、炭素質材料の像のうち、５０〜１００面積％を、繊維状炭素の像が占める領域として観察される。
本発明の方法により得られる燃料電池用セパレータの１つの実施態様の模式断面図を図７に示す。図７中、４１は領域Ａであり、４２は領域Ｂである。
なお、図７には、コルゲート形状の流路を有する燃料電池用セパレータを例として示したが、図８のように、非コルゲート形状の流路を有する燃料電池用セパレータであってもよい。
本発明の方法により得られる燃料電池用セパレータは、流路部が主に熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａからなり、外周部が主に熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂからなるため、その特性はそれぞれのシートの特性を反映して、以下の通りとなる。

【0051】

（流路部の構成）
流路部は、大部分、好ましくは流路部の体積の７０％〜１００％、より好ましくは８０％〜９５％、さらに好ましくは９０〜９５％が、熱可塑性樹脂シートＡ由来の領域Ａからなる。また好ましくは、流路部の表面に熱可塑性樹脂シートＢ由来の領域Ｂを有する。本発明の１つの実施態様では、得られた燃料電池用セパレータの主面に略垂直な断面で、ＳＥＭなどを用いて流路部を観察したときに、燃料電池用セパレータの厚みの６０％以上が領域Ａの像であり、好ましくは流路部の表面に、シートＢに由来する繊維状炭素の像が観察される。

【0052】

（流路部３の体積固有抵抗）
流路部の２３℃における体積固有抵抗は、好ましくは５０ｍΩ・ｃｍ以下であり、より好ましくは３０ｍΩ・ｃｍ以下であり、さらに好ましくは２０ｍΩ・ｃｍ以下である。これにより、流路部の導電性が向上する。体積固有抵抗値は、ＪＩＳ Ｋ７１９４に準拠し、四探針法により測定する。なお、ＪＩＳ Ｋ７１９４に記載の大きさで流路部から試験片を切り出すことが難しい場合は、適宜試験片の大きさおよび測定位置を変更して同様に測定を行う。

【0053】

（流路部３のホウ素含有量）
流路部にはホウ素が０．００１〜３質量％、より好ましくは０．０１〜２質量％、さらに好ましくは０．０５〜２質量％含まれると、得られる燃料電池用セパレータの流路部の体積固有抵抗が小さくなるため好ましい。ホウ素含有率の測定は特開２００２−６０６３９号公報、特開２００５−２８１６９０号公報に記載の方法で測定できる。

【0054】

（外周部の構成）
外周部は主に領域Ｂからなり、流路部と接する部分に一部、領域Ａを含んでもよい。本発明の１つの実施態様では、得られた燃料電池用セパレータの端部、すなわち、流路部から最も遠い部分から内側に１ｍｍ以内の領域をＳＥＭなどで観察したときに、燃料電池用セパレータの主面に略平行な面、セパレータの主面に略垂直な面のいずれにおいても、領域Ａの像は認められない。
さらに外周部は、繊維状炭素を流路部よりも多く含むことが、燃料電池用セパレータの強度向上には好ましい。

【0055】

（密度）
本発明の製造方法により得られた燃料電池用セパレータは、流路部が多くの炭素質材料を含む領域Ａ、外周部がより多くのバインダー成分を含む領域Ｂを主としている。従って通常、流路部の密度Ｄ_Ｆと外周部の密度Ｄ_Ｏは、Ｄ_Ｆ≧Ｄ_Ｏを充たす。流路部および外周部の密度がこのようであると、導電性が向上し、好ましい。燃料電池用セパレータの密度は、ＪＩＳ Ｋ７１１２に従って測定する。

【0056】

（燃料電池用セパレータの機械特性）
本発明の燃料電池用セパレータは、７０℃における曲げひずみが好ましくは０．５％以上、より好ましくは１．０％以上、最も好ましくは１．５％以上であり、７０℃における曲げ強度が好ましくは２５ＭＰａ以上、より好ましくは３０ＭＰａ以上、最も好ましくは３５ＭＰａ以上である。また７０℃における曲げひずみが好ましくは１０％以下、より好ましくは５％以下であり、７０℃における曲げ強度が好ましくは５００ＭＰａ以下、より好ましくは２００ＭＰａ以下である。
曲げひずみおよび曲げ強度はテンシロン試験機を用いて測定する。セパレータから所定の幅、長さ、厚さに切り出した試験片を、所定のスパン間隔で、曲げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ、温度７０℃の条件で３点式曲げ試験により測定する。

【0057】

（燃料電池用セル）
燃料電池用セルは、固体高分子型燃料電池用セルであることが好ましい。通常、固体高分子型燃料電池用セルは、燃料電池用セパレータと、ＭＥＡ（膜−電極接合体）とが積層されてなる。より具体的には１つのＭＥＡの両面に各々燃料電池用セパレータを配した積層構造からなる単セル構造を有する。
ここで用いられるＭＥＡは通常、固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合させ、さらにその触媒層の両面をガス拡散層となるカーボンペーパー等で挟んだ５層構造である。
本発明の燃料電池は、前記の燃料電池用セパレータを含む燃料電池である。本発明の燃料電池は、前記の燃料電池用セパレータを含む燃料電池用セルの１つまたは複数からなる。本発明の燃料電池は、好ましくは、固体高分子型燃料電池である。

【実施例】

【0058】

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明は実施例になんら限定されるものではない。

【0059】

（熱可塑性樹脂シートＡ１の製造）
人造黒鉛として、特開２００５−２８１６９０号公報記載のホウ素含有黒鉛粉（粉体抵抗０．００７Ω・ｃｍ、ホウ素含有量０．９質量％）を用いた。
黒鉛粉７４６質量部、ポリプロピレン（サンアロマー社製、商品名サンアロマーＰＸ２０１Ｎ、融点：１６３℃）１００質量部、およびスチレン・エチレンブチレン・スチレンブロックコポリマー（シェル・ケミカル（Shell Chemical）社製、商品名ＫＲＡＴＯＮ Ｇ １６５２）２質量部を、加圧式ニーダー（モリヤマ社製、ミックスラボ）により温度２３０℃、３０ｒｐｍで１５分間混練し黒鉛樹脂組成物（ＰＡ１）を得た。
その黒鉛樹脂組成物を、φ６５単軸押出機（トミー機械社製）を用いて、幅９５ｍｍ、厚さ３ｍｍのシートを成形温度２１０℃で成形した。さらに、その２１０℃に加熱されたシートを１５０℃の圧延ロールへ送り、幅１００ｍｍ、厚さ１ｍｍまたは０．５ｍｍに圧延して熱可塑性樹脂シートＡ１を得た。シートＡ１中のバインダー成分の融点を測定したところ１６７℃であった。

【0060】

（熱可塑性樹脂シートＡ２の製造）
表１に示す材料を用いたほかは、熱可塑性樹脂シートＡ１と同様にして、熱可塑性樹脂シートＡ２を得た。シートＡ２中のバインダー成分の融点を測定したところ１３３℃であった。

【0061】

（熱可塑性樹脂シートＢ１の製造）
ポリプロピレン（サンアロマー社製、商品名サンアロマーＰＭ９００Ａ、融点：１６３℃）７７質量部、酸変性ポリプロピレン（三洋化成社製、商品名ユーメックス１０１０）２３質量部、水添スチレンブタジエンラバー（ＪＳＲ社製、商品名ダイナロン１３２０Ｐ）５質量部、炭素繊維（東邦テナックス社製、商品名テナックス チョップドファイバー Ｃ２０５ ６ｍｍ、平均繊維径７μｍ、平均繊維長６ｍｍ、Ｌ／Ｄ ８５０）４５質量部となる比率で、２軸同方向押出機（神戸製鋼社製ＫＴＸ３０）により温度２３０℃、回転数３００ｒｐｍで混練して樹脂組成物（ＰＢ１）を得た。その樹脂組成物はφ６５単軸押出機（トミー機械社製）を用いて、幅９５ｍｍ、厚さ１ｍｍまたは０．５ｍｍのシートを成形温度２１０℃で成形し、熱可塑性樹脂シートＢ１を得た。シートＢ１中のバインダー成分の融点を測定したところ１６２℃であった。

【0062】

（熱可塑性樹脂シートＢ２の製造）
用いる材料の混合比を、表１に示す通りとしたほかは、熱可塑性樹脂シートＢ１と同様にして、熱可塑性樹脂シートＢ２を得た。シートＢ２中のバインダー成分の融点を測定したところ１３５℃であった。

【0063】

（熱可塑性樹脂シートＢ３の製造）
用いる材料を表１に示す通りとしたほかは、熱可塑性樹脂シートＢ１と同様にして、熱可塑性樹脂シートＢ３を得た。シートＢ３中のバインダー成分の融点を測定したところ１６５℃であった。

【0064】

各シートの融点は示差走査熱量計（パーキンエルマー社製、商品名ＤＳＣ７）を用いて測定した。

【0065】

（圧縮厚み残量測定）
各シートをφ５０ｍｍ、厚み１ｍｍのサイズに調整し、それをφ５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの超鋼プレート２枚の間に仕込み、熱プレス機を用いて、温度２３０℃、面圧２０ＭＰａ、加圧保持時間６０秒の条件で圧縮し、圧力を開放して２３℃まで冷却して、厚み残量をマイクロメーターで測定した。測定結果は次のとおりであった。
シートＡ１の厚み残量ｄ_Ａ１＝０．２４ｍｍ
シートＡ２の厚み残量ｄ_Ａ２＝０．１９ｍｍ
シートＢ１の厚み残量ｄ_Ｂ１＝０．０３１ｍｍ
シートＢ２の厚み残量ｄ_Ｂ２＝０．０２８ｍｍ
シートＢ３の厚み残量ｄ_Ｂ３＝０．２１ｍｍ

【0066】

【表1】

【0067】

（試験片作製法）
燃料電池用セパレータの基本特性を評価するために、５０ｔ圧縮成形機を用いて平板を成形した。

【0068】

（実施例１）
シートＡ１をサイズ６０×６０×１ｍｍ、シートＢ１をサイズ８０×８０×０．５ｍｍに切出し、成形品サイズ１００×１００×１ｍｍとなる金型のキャビティ中央にＢ１／Ａ１／Ｂ１の順序でセットした。次に５０ｔ圧縮成形機で、温度２３０℃、面圧２０ＭＰａで１分間加圧し、その後３０℃の冷却プレスで、面圧２０ＭＰａで２分間加圧冷却することによって試験片を得た。
燃料電池用セパレータ流路部に相当する試験片の中心の体積固有抵抗を、ＪＩＳ Ｋ７１９４に準拠し、四探針法により測定した。
流路部に相当する部分の曲げ試験、および密度測定を行うために、図１０に示すように、得られた試験片の中央部６０×６０ｍｍの範囲から、５０×１０×１ｍｍのサイズの流路部試験片２１を切出した。また、外周部の曲げ試験は平板の端から２０ｍｍの範囲内で、５０×１０×１ｍｍのサイズに切出した外周部試験片２２を用いた。
曲げ強度および曲げ歪は、オリエンテック社製、商品名ＴＥＮＳＩＬＯＮ ＵＴＭ−５Ｔを用いて測定を行った。上記の流路部試験片および外周部試験片をスパン間隔２４ｍｍ、曲げ速度１ｍｍ／ｍｉｎ、温度２３℃および７０℃の条件で３点式曲げ強度測定法により測定した。
また、密度はＪＩＳ Ｋ７１１２に準拠し、水中置換法より測定した。
成形した試験片の厚み精度は、図１１に示した厚み測定ポイントをマイクロメーターにより測定して評価した。
それらの結果を表２に示した。

【0069】

（実施例２）
実施例１においてシートＢ１に代えてシートＢ２を用い、それ以外は実施例１と同様に試験片を作成した。実施例１と同様に特性を評価して、それらの結果を表２に示した。

【0070】

（実施例３）
シートＡ１をサイズ６０×６０×１ｍｍ、シートＢ１をサイズ９５×９５×０．６ｍｍに切出し、シートＡ２をサイズ９５×９５×０．１５ｍｍに圧延して、成形品サイズ１００×１００×１ｍｍとなる金型のキャビティ中央にＡ２／Ａ１／Ｂ１の順序でセットした。次に５０ｔ圧縮成形機で、温度２３０℃、面圧２０ＭＰａで１分間加圧し、その後３０℃の冷却プレスで、面圧２０ＭＰａで２分間加圧冷却することによって試験片を得た。実施例１と同様に特性を評価して、それらの結果を表２に示した。

【0071】

（比較例１）
実施例１においてシートＢ１に代えてシートＢ３を用い、それ以外は実施例１と同様に試験片を作製した。実施例１と同様に特性を評価して、それらの結果を表２に示した。

【0072】

（比較例２）
シートＡ１をサイズ９５×９５×１．２ｍｍに切出し、成形品サイズ１００×１００×１ｍｍとなる金型のキャビティ中央にセットし、実施例１と同様な成形条件で試験片を得た。
さらに、実施例１と同様に試験片を切出して、同様な特性評価を行い、それらの結果を表２に示した。

【0073】

【表2】

【0074】

（実施例４）
シートＡ１を、圧延ロールを用いて１６０×１２０×０．６ｍｍに調整し、そのシートから１２０×８０×０．６ｍｍのサイズに切り出してシートＡ１′とした。
また、シートＡ２を、圧延ロールを用いて１６０×１２０×０．１ｍｍに調整し、そのシートから１４０×９０×０．６ｍｍのサイズに切り出してシートＡ２′とした。
さらに、シートＢ１で用いた熱可塑性樹脂組成物ＰＢ１を、シート押出成形機を用いて、幅１８０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍに成形し、そのシートから１４０×９０×０．３ｍｍのサイズに切り出してシートＢ１′とした。
図１に示した形状の燃料電池用セパレータは、サイズ１５０×１１０×１ｍｍ、流路部サイズ１１０×７０、溝幅１ｍｍ、溝深さ（表０．５ｍｍ、裏０．３）、溝ピッチ２ｍｍであるが、このセパレータ用金型のキャビティ中央へ、Ａ２′／Ａ１′／Ｂ１′の順序でシート３枚をセットした。次に５０ｔ圧縮成形機で、温度２４０℃、面圧３０ＭＰａで１分間加圧し、その後３０℃の冷却プレスで、面圧３０ＭＰａで２分間加圧冷却することによって燃料電池用セパレータを得た。図２は成形したセパレータの流路断面である。
さらに、この燃料電池用セパレータ２枚を、Ａ２′側を合わせるように重ねて、熱プレス機で温度１４２℃、面圧５ＭＰａ、加圧時間３０秒保持し、次に冷却プレス機で温度３０℃、面圧５ＭＰａ、加圧時間６０秒保持して２枚の燃料電池用セパレータを溶着した。図４は溶着した流路断面である。
溶着した燃料電池用セパレータを均等に２５分割して寸法精度をマイクロメーターで測定した結果２±０．０１５ｍｍであった。また、溶着界面の接触抵抗は、面圧０．５ＭＰａで１．２ｍΩ・ｃｍ^２であった。一方、溶着せずに接触抵抗を測定した結果、面圧０．５ＭＰａで３．５ｍΩ・ｃｍ^２であった。
接触抵抗の測定は、流路部を２０×２０の大きさに切り出し、一定電流１Ａの条件で、プローブを溶着界面近傍に当てて電圧を測定して求めた（参考文献：特開２００８−９１０９７号公報）。

【産業上の利用可能性】

【0075】

本発明の方法は、燃料電池用セパレータの製造に好適に利用することができ、さらには燃料電池を製造するのに好適に利用することができる。

【符号の説明】

【0076】

１ 燃料電池用セパレータ
２ 溝
３ 流路部
４ 外周部
５ 内部マニホールド
６ 中空流路
１１ 金型
１２ セパレータ材料シート
１３ 加熱エリア
１４ 冷却盤
１５ 冷却プレス機
２１ 流路部試験片
２２ 外周部試験片
２３ 厚み測定ポイント
３１ 熱可塑性樹脂シートＢ
３２ 熱可塑性樹脂シートＡ
４１ 領域Ａ
４２ 領域Ｂ
１０１ 金型
１０２ 上金型
１０３ 下金型
１０４ 型部
１０５ 流路部相当部
１０６ 外周部相当部
１０７ 熱可塑性樹脂シートＡ
１０８ 熱可塑性樹脂シートＢ
１０９ 型部の外端

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】