(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池のセパレータのように肉薄に形成される製品であっても、厚み精度と密度の均一性を向上させることのできる粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】粉末材料３０、特に樹脂タイプの燃料電池用セパレータのように熱硬化性合成樹脂を含有する粉末材料３０を用いて金型成型を行う際に、金型１０のキャビティー１１に充填する粉末材料３０を、一旦、金網などの粉末材料支持部材４０で保持し、これを振動によって落下させるとともに、擦り切ることのできる粉末材料充填具２０を用いる粉末材料充填方法、および燃料電池用セパレータの製造方法。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型におけるキャビティー内に粉末材料を充填する為の粉末材料充填具であって、
粉末材料を貯留するホッパー部と、該ホッパー部内の粉末材料を金型のキャビティーまで案内する案内部と、当該ホッパー部および案内部の少なくとも何れかの内部空間に横断して設置された、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材とからなり、
当該粉末材料充填具を振動させながら、金型のキャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切ることを特徴とする粉末材料充填具。
【請求項２】
前記粉末材料支持部材における開口面積の合計である総開口総面積は、前記案内部下端に存在する材料排出口の開口面積と本質的に同じか、それよりも小さい請求項１に記載の粉末材料充填具。
【請求項３】
前記粉末材料支持部材を、案内部の下端から０．１ｍｍ以上、５０ｍｍ以下の位置に設けている請求項１又は２に記載の粉末材料充填具。
【請求項４】
金型を用いて圧縮成形を行うために、当該金型のキャビティー内に、粉末材料充填具で粉末材料を充填する方法であって、当該キャビティー内への粉末材料の充填は、
粉末材料を貯留する粉末材料充填具のホッパー部から金型のキャビティーに供給される粉末材料を、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材で一旦保持し、
粉末材料支持部材で保持している粉末材料を振動によって篩い落としながら、粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかを移動させて行われることを特徴とする燃料電池用セパレータ製造用の粉末材料充填方法。
【請求項５】
前記粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかの移動、および振動による粉末材料の篩い落としは、粉末材料支持部材から篩い落とされた粉末材料がキャビティー内に堆積し、且つ堆積した粉末材料と粉末材料支持部材との間に空隙を確保して行われる、請求項４に記載の粉末材料充填方法。
【請求項６】
前記キャビティー内に堆積する粉末材料の高さは、当該キャビティーにおける最も深い部分の深さの１１倍以下に調整される請求項５に記載の粉末材料充填方法。
【請求項７】
前記金型のキャビティー内への粉末材料の充填は、粉末材料を金型のキャビティー内に案内する案内部を具備し、当該案内部の下端は金型のキャビティー内に充填された粉末材料を擦り切る構造に形成された粉末材料充填具で行われており、
前記粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかの移動に伴い、当該案内部の下端で金型のキャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切る、請求項５又は６に記載の粉末材料充填方法。
【請求項８】
粉末材料を金型のキャビティー内に充填し、これを圧縮成形することにより、薄肉で充填密度が均一な燃料電池用セパレータを製造する製造方法であって、
前記金型のキャビティー内に粉末材料を充填する方法として、請求項４〜７の何れか一項に記載の粉末材料充填方法が使用されていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は金型のキャビティー内に粉末材料を充填する為の粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法に関し、特に燃料電池用セパレータのように薄肉の製品を製造する金型であり、キャビティーが浅い場合に好適に実施することのできる粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池としては、これまでにリン酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池及び固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等いくつかの方式のものが提案されている。この中で固体高分子型燃料電池およびリン酸型燃料電池では導電性成形品であるセパレータが使用されており、固体高分子型燃料電池は、イオン導電性の固体電解質膜を、触媒が担持されたガス拡散電極からなるアノードとカソードとで挟み、さらにこれらの外側をセパレータで挟んだ構造となっている。
【０００３】
かかるセパレータとしては、従来、樹脂製のものや金属製のものが提供されており、このうち樹脂製のものは、少なくとも何れかの片面に、反応ガスを流す為のガス流路が形成されている構造であり、燃料電池全体の小型化を果たす為に、より薄く形成するための改良がなされている。
【０００４】
また樹脂製のセパレータの製造に際しては、黒鉛の粉末と、熱硬化性合成樹脂の粉末とを混合して粉末状の原料とし、これをプレス機の下金型内に投入して上金型を被せ、プレス機で加圧・加熱して成形する方法が一般に採用されている。そしてこのような樹脂製のセパレータを製造する方法については、粉末状の原料（即ち粉末材料）が流動し難い特性を有することから、様々な改良がなされている。
【０００５】
例えば、特許文献１（特開２００４−３３８２６８号公報）では、流動し難い黒鉛／樹脂系材料を使用し、材料中の異物除去と金型への材料充填を短時間でムラ無く、比較的容易に行なうべく、材料ホッパー内に所定目開き孔を有する多孔性粉末材料支持部材を、ホッパーに対して相対的に水平方向へ可動させ、ホッパー内の材料を、該粉末材料支持部材の目開き孔を介して成形金型へ落下させることが提案されている。
【０００６】
また、特許文献２（特開２００６−２４４９３７号公報）では、流動性の悪い材料であっても面精度が向上し、かつ予備成形のためのプレスなどの大掛かりな装置が不要で、製造時間を短縮できるように、導電性材料及び樹脂を含む粉末状原料を充填容器内に上面が平らになるように投入する工程と、該充填容器内の粉末状原料を加熱して仮成形する工程と、該仮成形品を所定のパターンが形成された金型内に投入して、加熱・加圧して成形する工程とを有する燃料電池用セパレータの成形方法が提案されている。そしてこの特許文献２には、充填容器の上面上を摺動するホッパーの供給口で、充填容器に投入される粉末状原料を擦り切ることも提案されている。
【０００７】
更に、燃料電池用セパレータの製造方法以外でも、粉末材料を金型のキャビティー内に充填する方法として、特許文献３および４が提案されている。
【０００８】
特許文献３（特開昭６１−１４７８０２号公報）では、磁性粉末の磁気結合による型ダイ内でのブリッジの形成を阻止するべく、磁性粉末を載置したフィーダーカップの底部に金網を取り付け、ソレノイドコイルにより上記フィーダーカップを急激に振動させ、上記金網を通過して顆粒状になった磁性粉末を充填する磁性粉成型装置が提案されている。
【０００９】
特許文献４（特開平０７−１６４１９３号公報）では、金型のキャビィティ内に対して粉体を自然落下により充填した場合、キャビィティ内に粉体のブリッジが生じ、充填密度のバラツキが生じ易いことから、当該キャビィティ内に供給される粉末の充填密度の均一化を図り、粉末を高密度に充填するべく、給粉シューボックス内の粉末に振動を付与する状態で、当該給粉シューボックスの下部開口から圧縮成形用金型のキャビィティに粉末を供給し、キャビィティ内の粉末の充填密度を見掛け密度の１．１倍以上としたのち、圧縮成形することが提案されている。
【特許文献１】特開２００４−３３８２６８号公報
【特許文献２】特開２００６−２４４９３７号公報
【特許文献３】特開昭６１−１４７８０２号公報
【特許文献４】特開平０７−１６４１９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
金型のキャビティー内に粉末材料を充填することは、成型品の種類を問わず、従来から多くの改良が行われている。一方、燃料電池のセパレータでは、使用する粉末材料の流動性が低い上、成型品に対しては厚み精度と密度の均一性が要求されている。
【００１１】
しかしながら、燃料電池用セパレータの製造方法に関する前述の先行文献１及び２の他、その他の先行文献においても、成形される製品が肉薄に形成されるという点については、何等検討されていない。
【００１２】
そこで本発明は、燃料電池のセパレータのように肉薄に形成される製品であっても、厚み精度と密度の均一性を向上させることのできる粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを第一の課題とする。
【００１３】
また、黒鉛と熱硬化性合成樹脂で形成される樹脂タイプの燃料電池用セパレータでは、原料となる粉末材料が熱硬化性合成樹脂を含んでおり、一方で当該粉末材料を充填する金型は熱を帯びている場合が多い。その結果、粉末材料の充填に際して金型の熱によりブリッジが生じることも考えられる。
【００１４】
そこで本発明は、このようなブリッジの発生を回避することのできる粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを第二の課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題の少なくとも何れかを解決するべく、本発明では粉末材料（特に樹脂タイプの燃料電池用セパレータのように熱硬化性合成樹脂を含有する粉末材料）を用いて金型成型を行う際に、成形金型のキャビティーに充填する粉末材料を、一旦、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材で保持し、これを望ましくは振動によって落下させるようにして充填する粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法とした。
【００１６】
即ち、本発明では、前記課題の少なくとも何れかを解決するために、金型におけるキャビティー内に粉末材料を充填する為の粉末材料充填具であって、粉末材料を貯留するホッパー部と、該ホッパー部内の粉末材料を金型のキャビティーまで案内する案内部と、当該ホッパー部および案内部の少なくとも何れかの内部空間に横断して設置された、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材とからなり、当該粉末材料充填具を振動させながら、金型のキャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切る様に構成された粉末材料充填具を提供する。
【００１７】
よって、この粉末材料充填具は、粉末材料充填具を振動させるための振動手段と、キャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切るための擦り切り部を具備することが望ましい。かかる振動手段としては、ホッパー部や案内部などの粉末材料充填具の一部や全体を、直接または間接的に振動させるような構造乃至は器具を採用する事ができる。また擦り切り部は、案内部の下端を水平に形成する事によっても実現可能である。
【００１８】
更に本発明では前記課題の何れかを解決するために、金型におけるキャビティー内に粉末材料を充填する為の粉末材料充填具であって、粉末材料を貯留するホッパー部と、該ホッパー部内の粉末材料を金型のキャビティーまで案内する案内部と、当該ホッパー部および案内部の少なくとも何れかの内部空間に横断して設置された、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材とからなり、当該粉末材料支持部材における開口面積の合計である総開口総面積は、前記案内部下端に存在する材料排出口の開口面積と同じか、それよりも小さく形成されている粉末材料充填具を提供する。
【００１９】
本発明の粉末材料充填具におけるホッパー部は、少なくとも粉末材料を貯留する機能を有しており、粉末材料を貯留している内部空間は、断面が「Ｖ」字状になる形状など、下方に窄めた形状に形成されている事が望ましい。このホッパー部における材料の出口には、案内部との連通部が設けられており、当該連通部は、ホッパー部内における粉末材料が自然落下により移動する場合には、通常、ホッパー部の下端に設けられている。
【００２０】
上記案内部は、ホッパー部内に貯留されている粉末材料を金型のキャビティー内に案内するためのものであり、筒状であって、ホッパー部内（即ち、粉末材料の貯留空間）と連通する内部空間を備えている。この案内部の下端は、金型に接する程度に延長されており、当該下端がキャビティーに対する粉末材料の排出口（材料排出口）となっている。
【００２１】
上記粉末材料支持部材は、厚さ方向に貫通する複数の開口を有しており、ホッパー部内に貯留されている粉末材料を一旦保持し、振動などによって粉末材料を篩い落として、所要量だけキャビティー内に供給するためのものである。またこの粉末材料支持部材は、ホッパー内に貯留されている粉末材料の荷重を負担する機能を有することもできる。かかる粉末材料支持部材としては、パンチングメタルや多孔プレートのように複数の開口を設けたプレート部材や、金網などのネット状部材を使用することができる。また、この粉末材料支持部材における各開口（又はメッシュ孔）の開口面積、および当該開口面積を合計した総開口面積は、充填する粉末材料の特性（流動特性、粒径など）などに応じて適宜調整することができる。特に、燃料電池のセパレータの製造に使用される粉末材料（嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ3、流動指数４０〜６０）の場合には、当該粉末材料支持部材の開口面積は０．９６０４ｍｍ2〜１０．６２７６ｍｍ2、望ましくは１．００ｍｍ2〜６．８１２１ｍｍ2、特に望ましくは約３．８８０９ｍｍ2であり、総開口面積は１９６６．８ｍｍ2〜２２９３．５ｍｍ2、望ましくは１０２３ｍｍ2〜２２２４．２ｍｍ2、特に望ましくは約１９８３．３ｍｍ2である。このような大きさであれば、キャビティー内に粉末材料を適正に充填することができる。
【００２２】
また、この粉末材料充填具および／または金型を相対的に移動させてキャビティー内に粉末材料を充填する場合には、その相対移動速度に応じて、当該粉末材料支持部材における各開口（又はメッシュ孔）の開口面積、および総開口面積を適宜調整することができる。このように相対移動させながら粉末材料を充填する場合には、キャビティーの底面上に堆積する粉末材料が、当該キャビティーの深さ（最も深い部分の深さ。以下同じ）の１１倍以下、望ましくは５倍以下、特に望ましくは  ４  倍以下となるように、使用する粉末材料の流動性・粒径に基づいて、粉末材料支持部材における各開口（又はメッシュ孔）の開口面積および総開口面積、ならびに当該相対移動速度などを調整することができる。当該キャビティーの最も深い部分の深さの１１倍を超えると、堆積した粉末材料の荷重により、キャビティー内の粉末材料が必要以上に圧縮されてしまうためである。即ち、キャビティー内に堆積する粉末材料の高さを、当該キャビティーの深さの１１倍以下に調整することにより、キャビティー内に充填される粉末材料の圧縮比を、プレス成型に適した所望の値に調整することができる。
【００２３】
そして、上記本発明にかかる粉末材料充填具において、粉末材料支持部材は、ホッパー部および案内部の少なくとも何れかの内部空間に横断して設置される。すなわち、上述の粉末材料支持部材は、ホッパー部の内部空間を横断して配置されるか、案内部の内部空間を横断して配置されるか、あるいは両方の空間に横断して配置される。ただし、ホッパー内に残留した粉末材料を除去することを考慮すれば、当該粉末材料支持部材はホッパー部における案内部との連通部か、あるいは連通部内に配置される事が望ましい。また、この粉末材料支持部材はホッパー部および案内部の内部空間に２つ以上設けることもできる。
【００２４】
上記粉末材料支持部材に保持された粉末材料は、振動によって篩い落とされて、金型のキャビティー内に落下することができる。特に、上記の如く構成された粉末材料充填具では、少なくとも粉末材料を保持する粉末材料支持部材が振動し得る限りにおいて、何れの部分を振動させても良い。従って、粉末材料充填具を金型上に設置した状態においては、粉末材料支持部材に振動が伝わる限り、金型および粉末材料充填具の何れを振動させても良い。この点、粉末材料支持部材を水平方向に摺動させる為には、少なからず摺動のための空間が必要になり、また当該摺動のための空間から粉末材料がこぼれ落ちないための工夫が必要になる。しかしながら、本発明のように粉末材料充填具を振動させることにより、このような空間や工夫を不要にすることができる。
【００２５】
以上のように構成された粉末材料充填具では、粉末材料支持部材における開口総面積が、案内部下端に存在する材料排出口の開口面積と同じかそれよりも小さく形成されている事が望ましい。また、粉末材料充填具の材料排出口の長さは、キャビティーの長さよりも小さく形成されている事が望ましい。これによりキャビティー内に充填される粉末材料が、材料排出口に大量に堆積してしまうことを阻止し、当該材料排出口における粉末材料の堆積量を任意にコントロールすることができる。そしてキャビティー内に充填された粉末材料に対してホッパー内に貯留する粉末材料の荷重が作用する事を阻止できるので、均一な材料充填を行うことができる。
【００２６】
また本発明では、前記課題の少なくとも何れかを解決するために、上述のように、金型におけるキャビティー内に粉末材料を充填する為の粉末材料充填具であって、粉末材料を貯留するホッパー部と、該ホッパー部内の粉末材料を金型のキャビティーまで案内する案内部と、当該ホッパー部および案内部の少なくとも何れかの内部空間に横断して設置された、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材とからなり、更に、当該粉末材料充填具を振動させて、粉末材料支持部材が保持する粉末材料を篩い落とす振動部を設けると共に、前記案内部の下端を、金型のキャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切る構造に形成した粉末材料充填具を提供する。
【００２７】
この実施の形態の粉末材料充填具が具備する上記振動部は、粉末材料支持部材が保持する粉末材料を篩い落とすための振動を付加するものであり、少なくとも粉末材料支持部材近傍を振動させるように設けられる。具体的には、粉末材料充填具全体を振動させる他、当該粉末材料充填具における粉末材料支持部材近傍、あるいは粉末材料支持部材を振動させる様に設けられる。かかる振動部は、空気などの流体圧力、電力、あるいは磁力等によって移動し、振動を生じさせる錘を含んで構成することができる他、外部の装置で発生させた振動を、この粉末材料充填具に伝えるための構造体とすることができる。また、この振動部によって付与される振動は、水平方向の振動であることが望ましく、振動数は５１Ｈｚ〜１４９Ｈｚ、望ましくは１０２Ｈｚ〜１４９Ｈｚであり、使用圧力は０．２〜０．６ＭＰａである。
【００２８】
また、この実施の形態における粉末材料充填具の案内部は、その下端が、金型のキャビティー内に充填された粉末材料を擦り切る構造に形成されている。これにより、金型のキャビティー内に粉末材料を充填する際には、金型および粉末材料充填具の少なくとも何れかを移動させ、案内部下端の材料排出口近傍に堆積した粉末材料を擦り切ることができる。
【００２９】
すなわち粉末材料充填具における材料排出口の長さ（粉末材料充填具の移動方向の長さ）を、キャビティーの長さよりも短く形成することにより、粉末材料支持部材から落下した粉末材料は、キャビティー上であって、案内部の内部空間内に堆積することになる。そこで金型および粉末材料充填具の少なくとも何れかを移動させて、堆積した余分な粉末材料を擦り切れば、擦り切られた粉末材料は、そのまま案内部の内部空間内に存在し、当該粉末材料充填具の相対的な移動方向に存在するキャビティー内に充填される。これにより充填された粉末材料上に堆積する粉末材料の量を一定に保つことができる。よって、この案内部をキャビティー上に堆積した粉末材料を擦り切ることができるような構造に形成することにより、擦り切られる粉末材料の質量に起因する影響をなくすことができる。
【００３０】
上記、案内部の下端に形成される「粉末材料を擦り切る構造」としては、例えば前記案内部の内壁面、特に材料排出口近傍の内壁面を直立状に形成するか、あるいは堆積した粉末材料を掬い上げる事ができるように、当該案内部の内壁面を上方に向かって外側に傾斜するように形成することができる。擦り切った粉末材料を粉末材料充填具の相対的な移動方向に存在するキャビティー内に供給することを鑑みれば、材料排出口近傍の内壁面を直立状に形成することが望ましい。なお、この擦り切りにより、キャビティー内に充填された粉末材料を金型の上面と面一にすることができる。
【００３１】
以上のように形成された粉末材料充填具では、振動部から付加される振動により、粉末材料支持部材で保持される粉末材料は所定量づつ金型のキャビティー内に落下する。落下してキャビティー内に堆積した粉末材料は、金型および粉末材料充填具の少なくとも何れかを移動させることにより、案内部下端の擦り切り構造で擦り切られる。これにより、案内部の下端に存在する材料排出口近傍に堆積する粉末材料は常に一定となり、堆積した粉末材料により付加される荷重も一定となることから、キャビティー内に充填される粉末材料の圧縮状態を一定に保った状態で擦り切ることができる。よって、この実施の形態にかかる粉末材料充填具では、金型キャビティーに対する粉末材料の均一な充填を簡易かつ迅速に行うことができるようになっている。
【００３２】
上記した本発明にかかる粉末材料充填具において、前記粉末材料支持部材は、案内部の下端から５０ｍｍ以下、望ましくは３０ｍｍ以下、特に望ましくは２０ｍｍ以下であって、当該案内部の下端から０．１ｍｍ以上となる位置に設けることが望ましい。
【００３３】
すなわち、粉末材料支持部材の下方に空間部を設け、この空間部内に、粉末材料支持部材から落下した粉末材料を堆積させるものであり、案内部の下端から粉末材料支持部材までの距離が５０ｍｍを越えると粉末材料充填具が大きくなるし、一方でこの距離が０．１ｍｍ未満では、堆積した粉末材料の上部が粉末材料支持部材の下面に接してしまう。更に、粉末材料が樹脂材料を含んでおり、金型において加熱処理が施される場合には、成型品を脱型した後でも、金型には熱が残るが、粉末材料支持部材を金型のキャビティー底面から０．１ｍｍ以上離して設けることで、この金型に残留する熱による影響（ブリッジの発生など）を阻止することができる。
【００３４】
さらに本発明では、前記課題の少なくともいずれかの課題を解決する燃料電池用セパレータ製造用の粉末材料充填方法を提供する。即ち、金型を用いた圧縮成形を行うために、当該金型のキャビティー内に、粉末材料充填具で粉末材料を充填する方法であって、当該キャビティー内への粉末材料の充填は、粉末材料を貯留する粉末材料充填具のホッパー部から金型のキャビティーに供給される粉末材料を、厚さ方向に貫通する複数の開口を有する粉末材料支持部材で一旦保持し、粉末材料支持部材で保持している粉末材料を振動によって篩い落としながら、粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかを移動させて行う燃料電池用セパレータ製造用の粉末材料充填方法を提供する。
【００３５】
金型のキャビティー内に粉末材料を充填する際、特に燃料電池用のセパレータを製造するために使用される粉末材料は、樹脂材料が配合されていることから流動性に乏しく、この低い流動性により、金型のキャビティー内に均一に充填するのは困難になっていた。そこで本発明では、流動性の良くない粉末材料でも安定的にキャビティー内に充填できるように、当該粉末材料を粉末材料支持部材で保持すると共に、振動を加えることにより落下させる方法を採用したものである。
【００３６】
さらに、燃料電池用のセパレータの製造に関しては、粉末材料が流動性に乏しいだけでなく、成型されるセパレータ自体が薄肉に形成されるといった特徴もある。そしてこのような薄肉の製品を成型する場合には、当然に金型のキャビティーの深さも浅くなり、それに応じて粉末材料も薄く充填されることになる。ここで、粉末材料を薄く、かつ密度を一定に充填する場合には、キャビティーに対する粉末材料の堆積量も重要になる。なぜならば、キャビティー内の粉末材料は、充填時に堆積された粉末材料の荷重によって加圧されるためである。また、キャビティー内に粉末材料を堆積させてからこれを擦り切る場合には、摺り切りを開始した始点と、摺り切りの終点とでは、堆積した粉末材料の量（即ち堆積した粉末材料の質量）も異なり、その結果充填した粉末材料の密度も異なってしまう。
【００３７】
そこで上記本発明の充填方法において、前記粉末材料充填具は、粉末材料を金型のキャビティー内に案内する案内部を具備し、当該案内部の下端を金型のキャビティー内に充填された粉末材料を擦り切る構造に形成しており、前記粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかの移動に伴い、当該案内部の下端で金型のキャビティー内に堆積した粉末材料を擦り切る事が望ましい。
【００３８】
かかる充填方法によれば、粉末材料を一旦粉末材料支持部材で保持し、これを振動により案内部内に落下させることでキャビティー上における粉末材料の堆積量を一定に保ち、さらに堆積量を一定に保った状態で擦り切る事で、薄く、かつ均等に粉末材料を充填することができる。
【００３９】
特に、上記粉末材料充填方法において、粉末材料充填具および金型の少なくとも何れかの移動と、振動による粉末材料の篩い落としを、（１）粉末材料支持部材から篩い落とされた粉末材料が、案内部の内部空間においてキャビティー内に堆積し、且つ（２）堆積した粉末材料と粉末材料支持部材との間に空隙を確保して行うことにより、キャビティー内に貯留された粉末材料の荷重が、キャビティー内の粉末材料に作用することはなくなる。
【００４０】
また、上記本発明にかかる粉末材料充填具および粉末材料充填方法は、各種および各粒径の粉末材料を充填するために使用できるが、特に、樹脂成分を含有する粉末材料において、その使用による効果が顕著となる。より具体的には、従前において燃料電池用セパレータを製造するために使用されている、以下のような特徴の少なくとも何れかを具備する粉末材料を充填する場合に好適に使用される。
・粉末材料の組成は、黒鉛粉末と熱硬化性樹脂との合計を１００とした場合、黒鉛粉末８０〜９０重量部、熱硬化性樹脂１０〜２０重量部
・比重は０．６５ｇ／ｃｍ3
・粉末材料の粒径は、２０μｍ〜３０μｍ
・粉末材料の流動指数は、１０〜６０
なお、熱硬化性樹脂としては、フェーノーる樹脂を使用する事ができ、レゾール型フェノール樹脂、ノボラック型フェノール樹脂に代表されるフェノール樹脂を用いると成形性として良好であり、さらに炭素粉末をフェノール樹脂がコーティングしている材料を使用すると、強度も高くなり、好適である。
【００４１】
また、上記本発明にかかる粉末材料充填具および粉末材料充填方法は、キャビティーの深さが０．３ｍｍ〜３０ｍｍ、望ましくは０．５ｍｍ〜５ｍｍの場合に、その使用による効果が顕著となる。即ち、本発明にかかる充填方法では、粉末材料充のキャビティー上への堆積および堆積した余分な粉末材料の擦り切りは、すべて案内部の内部空間内で行われている。このためキャビティー内に充填された粉末材料が、その粘性によって相互に付着し、擦り切り工程で擦り切られる粉末材料と共に除去されるといった不具合を無くすことができる。この点、仮に粉末材料の堆積を行った後に、別工程で余分な粉末材料の擦り切りを行った場合には、擦り切られた粉末材料は、擦り切り方向の終端に向かうにつれて徐々に堆積し、その重さにより堆積した粉末材料が押し固まって、相互の結合が強くなる。このような状態で余分な粉末材料を擦り切れば、キャビティー内に存在する粉末材料が少ない分、キャビティー内の粉末材料も擦り切られる粉末材料と共に引き出されてしまう。よって、本発明にかかる粉末材料充填具および粉末材料充填方法は、燃料電池のセパレーターを製造する場合のように、キャビティーの深さが０．３ｍｍ〜３０ｍｍの場合に有用なものとなる。
【００４２】
そして本発明では、前記課題の少なくともいずれかの課題を解決するために、金型のキャビティー内に粉末材料を充填し、これを圧縮成形することを含む燃料電池用セパレータの製造方法であって、前記金型のキャビティー内に粉末材料を充填する方法として、上記した本発明にかかる粉末材料充填方法が実施されている燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【００４３】
かかる方法によれば、金型のキャビティー内に、粉末材料を均等かつ同じ密度で充填することができることから、製造された燃料電池用セパレータもムラがなく、面精度が向上したものとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施の形態を、添付の図面を参照して説明する。特に、この実施の形態では燃料電池用セパレータの製造方法を示しており、金型10のキャビティー11に対する粉末材料30充填方法、およびこの充填方法に使用する粉末材料充填具20に特徴を有する。
【００４５】
図１は、この粉末材料充填具20を金型10に設置した状態を示す、粉末材料充填具20の移動方向に沿う断面図であり、図２は粉末材料充填具20の斜視図、図３は粉末材料充填具20の平面図、図４はこの粉末材料充填具20を用いた粉末材料30の充填工程を示す略図、図５および６は他の実施の形態に係る粉末材料充填具を示す移動方向に沿う断面図である。
【００４６】
最初に図１を参照しながら、本実施の形態にかかる粉末材料30充填具の使用状態を説明すると、この粉末材料充填具20は、燃料電池用セパレータを成型するための金型10の上に載置して使用される。金型10に対する粉末材料充填具20の設置状態は、粉末材料充填具20における下端に設けられている材料排出口23が、金型10の上面と面一になるように配置されていればよく、当該材料排出口23 の周りが金型10に接しているか否かは問わない。
【００４７】
また金型10には、燃料電池用セパレータを成型するための粉末材料30を充填するキャビティー11 が設けらている。そして、粉末材料充填具20において粉末材料30が存在乃至は通過する空間は、このキャビティー11と連通している。また粉末材料充填具20における下方の材料排出口23の大きさは、少なくとも当該粉末材料充填具20の移動方向に沿う開口長さが、キャビティー11の開口長さよりも小さく形成されている。そのため、当該キャビティー11内に粉末材料30を充填するには、粉末材料充填具20および金型10の少なくとも何れかを、図面中矢印で示す向きに移動させる必要がある（後述の図４参照。なお図４（ｂ）は図４（ａ）からの相対移動後の状態を示している）。なお、本実施の形態におけるキャビティー11の長さ（粉末材料充填具20／金型10 が相対移動する方向の長さ）は、２００ｍｍであり、粉末材料充填具20の材料排出口23の長さは３０ｍｍである。
【００４８】
次に図２〜４を参照しながら、本実施の形態にかかる粉末材料充填具20の全体構成を説明する。
【００４９】
この粉末材料充填具20は、図１および２に示すように、粉末材料30が貯留されるホッパー部21と、このホッパー部21内の粉末材料30を保持する粉末材料支持部材40と、この粉末材料支持部材40の下方に延伸し、ホッパー部21内の粉末材料30を金型10のキャビティー11まで案内する案内部22と、この粉末材料充填具20を振動させる振動部24とで構成されている。
【００５０】
ホッパー部21は、粉末材料充填具20が粉末材料30の充填時に移動する方向の内面25が、下方に向かって「Ｖ」字状に傾斜している。そして、当該ホッパー部21の下端には、案内部22内に連通する連通口26（幅１１０ｍｍ、長さ３０ｍｍ）が設けられており、当該連通口26には、金網を用いて形成された粉末材料支持部材40が設けられている。
【００５１】
この粉末材料支持部材40は、連通口26の大きさに合わせて、幅１１０ｍｍ、長さ３０ｍｍに形成されており、目開きが１９７μｍの金網が使用されている。かかる粉末材料支持部材40の開口面積は３．８８０９ｍｍ2で、開口総面積は１９８３．３ｍｍ2である。なお、この金網の種類は特に限定されず、平織り金網でも、ラスメタルでも良い。この粉末材料支持部材40は、ホッパー部21内に貯留されている粉末材料3 0を保持するものであり、粉末材料30中に含まれ得る塵埃などの異物を排除する必要はない。よって、本発明で使用される粉末材料支持部材40は、当該粉末材料30を保持できる限りにおいて、開口径や開口面積は問題にならない。むしろ粉末材料支持部材40における粉末材料30のブリッジを考慮すれば、当該粉末材料支持部材40の開口面積は、粉末材料30を保持できる限りにおいて、可能な限り大きく形成することが望ましい。具体的には、当該開口面積は０．９６０４ｍｍ2〜１０．６２７６ｍｍ2の範囲で形成されることが望ましい。
【００５２】
この金網を用いて形成された粉末材料支持部材40をホッパーの連通口26に設ける際には、少なくとも振動や、粉末材料30の荷重により、当該粉末材料支持部材40が脱落することのないように設置されるべきである。さらに望ましくは、この粉末材料支持部材40は任意に着脱可能であって、交換可能なように設けられる。これは、粉末材料30の物性や、金型10および粉末材料充填具20の少なくとも何れかが移動（以下、「相対移動」とする）する速度、ならびに充填時に付与される振動の振幅と周期に応じて、異なる開口径、開口面積の金網を使用できるようにするためである。
【００５３】
また、本実施の形態における粉末材料充填具20では、ホッパー部21における連通口26と案内部22 下端の材料排出口23とを、同じ形状かつ面積に形成している。このように両者の形状と開口面積を同じにすることにより、連通部内の材料排出口23付近に供給される粉末材料30量と、キャビティー1 1内に充填されて使用される粉末材料30量とのバランスを保つことができる。その結果、連通部内の材料排出口23付近に大量の粉末材料30が堆積することがなくなり、自重による圧縮を阻止することができる。
【００５４】
図３は、金型10上に配置した粉末材料充填具20を上方から見た状態を示す上面図である。この図に示すように、ホッパー部21と連通部との連通口26に設けられる粉末材料支持部材40は、全体形状が略矩形であり、後述の図４に示すように、短辺方向に移動するように構成さている。また粉末材料支持部材40の幅（長辺方向の長さ）は、金型10におけるキャビティー11の幅と同じか、あるいはそれよりも広く形成されている。なお、この図３における符号24は、当該粉末材料充填具20に対して振動を加えるための振動部である。
【００５５】
上記粉末材料充填具20を振動させる振動部24は、エクセン株式会社製のピストンバイブレータ（ＥＰＶシリーズ）型式ＥＰＶ１８で構成することができ、望ましくは、粉末材料充填具20を  ０．２〜０．６ＭＰａの使用圧力で、水平方向に１０２〜１４９Ｈｚの振動数で振動させる。
【００５６】
そして図４は、以上のように構成された粉末材料充填具20を用いて、粉末材料30を充填する工程を示している。この図では、ホッパー部21に貯留されている粉末材料30が、粉末材料支持部材40によって保持されており、振動部24で当該粉末材料充填具20を振動させることにより、粉末材料支持部材40に保持されている粉末材料30を案内部22内に落下させている。そして案内部22を通過した粉末材料30は、下端の材料排出口23から排出され、これが金型10のキャビティー11内に充填される。この時、当該キャビティー11内には、その深さの１１倍程度の粉末材料30が堆積するように、粉末材料充填具20の移動速度、振動具合、粉末材料支持部材40の開口具合が調整される。そしてキャビティー11上であって、案内部22の内部空間内に堆積した粉末材料30は、当該粉末材料充填具20の相対移動に伴い、金型10よりも隆起している部分が、案内部22の移動方向に存在する内面で擦り切られる。擦り切られた粉末材料30は、案内部22の内部空間内に存在し、相対移動方向に存在するキャビティー11内に充填される。これにより、キャビティー11内に充填される粉末材料30の充填ムラ（乃至は密度の不均一）をなくすことができる。
【００５７】
また粉末材料支持部材40は、金型10からの高さが０．１〜５０ｍｍの範囲内に設けられていることから、粉末材料30の充填に際して、金型10からの熱によるブリッジ現象をなくすことができる。なお、この粉末材料30の充填に際して、当該粉末材料充填具20の材料排出口23は、金型10のキャビティー11上を縦断することになるが、当該粉末材料充填具20の移動は、キャビティー11上を２往復する事が望ましい。２往復することにより、キャビティー11内に充填された粉末材料30の嵩密度が低過ぎるのを阻止し、ばらつきが大きくならないようにしている。
【００５８】
そして、以上のようにしてキャビティー11内に充填された粉末材料30は、従前の方法などにより金型10内で圧縮（必要に応じて更に加熱）されて、成型乃至は硬化した後に、脱型することにより、成型品としての燃料電池用セパレータを製造することができる。
【００５９】
この製造された燃料電池用セパレータでは、粉末材料30の均一な充填により、面精度の良い製品となっている。
【００６０】
なお、粉末材料充填具20は、図１に示したように、ホッパー部21と案内部22とを一体成型する他、両者を別に形成して接合することも可能である。特に両者を接合する場合には、両者間に粉末材料支持部材40を挟み込んで接合することもできる。
【００６１】
また、図５および６は、本発明に係る粉末材料充填具の他の実施の形態を示す移動方向に沿う断面図である。図５に示す粉末材料充填具120は、連通口126の開口長さと材料排出口123の長さが同じであり、案内部122の一部が広がって形成されている。また図６に示す粉末材料充填具220は、粉末材料充填具220を２枚設けた実施態様であり、その内の一枚240bを案内部222内に、他の一枚240aをホッパー部221内に設けている。これら何れの実施態様であっても、本発明における何れかまたは全ての効果を得る事ができる。
【実施例１】
【００６２】
＜実施例＞
本実施例では、燃料電池用セパレータを成型するために、黒鉛粉末８０〜９０重量部、熱硬化性樹脂（特にフェノール樹脂）１０〜２０重量部（両者の合計は１００重量部）からなる粉末材料（嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ3、流動指数４０〜６０）を用いて、金型のキャビティー内に粉末材料を充填し、燃料電池用セパレータを成型した。
【００６３】
粉末材料の充填方法は、実際の作業工程における充填時間を考慮した上で、１００ｍｍ／秒の速度で粉末材料充填具を移動させ、この移動に伴って案内部の下端内面で堆積した粉末材料を擦り切った。また、粉末材料充填具は、キャビティー上を２往復させて粉末材料を充填した。
【００６４】
そしてこの粉末材料を充填したキャビティーの深さは５ｍｍであった。更に、ホッパー部における連通口と材料排出口とは、共に矩形で幅１１０ｍｍ、長さ３０ｍｍに形成された粉末材料充填具を用いた。
【００６５】
粉末材料充填具としては、前記図２に示したものを用いており、特に金型の上面から粉末材料支持部材までの距離は２０ｍｍであり、振動器は、使用圧力を０．６ＭＰａに設定し、振動数を１０２〜１４９Ｈｚに設定した。
【００６６】
そして、粉末材料充填具の粉末材料支持部材として、粉末材料支持部材Ａ（開口面積０．９６０４ｍｍ2、総開口面積１９６６．８ｍｍ2）、粉末材料支持部材Ｂ（開口面積６．８１２１ｍｍ2、総開口面積２２２４．２ｍｍ2）、粉末材料支持部材Ｃ（開口面積３．８８０９ｍｍ2、総開口面積１９８３．３ｍｍ2）の３種類を用いた。そして、上記のそれぞれについて金型温度を１７０℃、プレス圧を１０００ｋｇ／ｃｍ２にして、１分間プレスし、離型したセパレータを評価した。その結果、何れの粉末材料支持部材でも、キャビティー内に充填された粉末材料、およびその成型品ともに、均一な密度であった。
＜比較実験１＞
【００６７】
比較のために、キャビティー内への粉末材料の堆積と、堆積した粉末材料の擦り切りを別の工程で行った。その結果、キャビティー内に充填された粉末材料、およびその成型品は、擦り切り工程の始端側よりも終端側で密度が高くなった。
【００６８】
尚、本発明の粉末材料充填具、粉末材料充填方法および燃料電池用セパレータの製造方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明かかる粉末材料充填具および粉末材料充填方法は、金型に対して各種の粉末材料を充填する際、即ち各種の成型品を製造する際にに使用できる。特に、これら粉末材料充填具および粉末材料充填方法は、金型のキャビティーの深さが浅い場合、即ち燃料電池用セパレータの製造において有効に利用される。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本実施の形態の粉末材料充填具を金型に設置した状態を示す側面断面図
【図２】当該粉末材料充填具の斜視図
【図３】当該粉末材料充填具の平面図
【図４】粉末材料充填具を用いた粉末材料の充填工程を示す略図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）の移動後の状態を示している。
【図５】他の形態の粉末材料充填具を示す移動方向に沿う断面図
【図６】更に他の形態の粉末材料充填具を示す移動方向に沿う断面図
【符号の説明】
【００７１】
10  金型
11  キャビティー
20  粉末材料充填具
21  ホッパー部
22  案内部
23  粉末材料支持部材
24  振動部
26  連通口
30  粉末材料
【図１】
2010115909.tif 000003
【図２】
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【図４】
2010115909.tif 000005
【図５】
2010115909.tif 000006
【図６】
2010115909.tif 000007
【図３】
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