(57)【要約】      （修正有）【課題】  セパレータの肉厚を均一に成形し、均一な密度を有するセパレータを加圧成形し得る燃料電池用セパレータの成形装置を提供する。【解決手段】  燃料電池用セパレータ１０の成形装置は、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料４０を加圧成形する成形型３０を有している。成形型の成形面３１ａ、３２ａは、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有している。【選択図】図２
2006185856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を加圧成形する成形型を有し、
前記成形型の成形面は、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有してなる燃料電池用セパレータの成形装置。
【請求項２】
前記成形面の凸形状は、周辺部から中央部に向けて成形空間側になだらかに突出するよう曲率を有していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの成形装置。
【請求項３】
前記成形面の凸形状は、少なくともセパレータの流路溝を形成する部位に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータの成形装置。
【請求項４】
前記成形面の凸形状は、前記セパレータの流路溝を形成する部位を円で囲むよう形成されていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの成形装置。
【請求項５】
前記成形面は全体が長方形となっており、前記凸形状は、前記成形面の長手方向に沿った長軸を有する楕円状であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータの成形装置。
【請求項６】
周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出する凸形状の成形面を有した成形型に、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を供給し、
前記成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形するようにした燃料電池用セパレータの成形方法。
【請求項７】
前記成形面の凸形状は、前記成形型を型締めして加圧成形する際の加圧力による成形面の変形について予測された変形量に基づいて形成されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータの成形装置および成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セルは、電極から電気を取り出す役目を果たすセパレータを有している。セパレータは、成形型において、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を加圧成形することによって成形されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−２２８１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
成形型によって粉末状の成形材料を加圧成形する際に、成形型の成形面に歪みが生じ、成形されたセパレータの肉厚が均一にならないことがある。
【０００４】
すなわち、セパレータには水素、酸素、冷却水の流路溝が形成され、この流路溝は凹凸形状となっていることから、加圧成形する際に流動しにくい傾向にある。そのため、加圧成形の際に、周辺部に位置する成形材料は外側に流動し、一部はバリとして流出するものの、前記流路溝が位置する中央部は流動性が小さいことから局部的に圧縮応力が増大する。
【０００５】
そのため、成形型の成形面は、その中央部に過大な応力が作用するとともに、成形型も周辺部より中央部の方が応力が開放されにくいことから、成形面に歪みが生じるのである。
【０００６】
そのため、セパレータの肉厚が均一にならないことがあり、規定寸法以上に不均一になった場含には、複数のセパレータを積層・加圧してスタックした際に割れが生じたり、あるいはシール性が十分確保できない虞があり、検査工程で不良品として廃棄せざるを得ない場含がある。
【０００７】
本発明の目的は、セパレータの肉厚を高精度に均一化するセパレータを加圧成形し得る燃料電池用セパレータの成形装置および成形方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を加圧成形する成形型を有し、前記成形型の成形面は、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有してなる燃料電池用セパレータの成形装置である。
【０００９】
また、周辺部に比べて中央都が成形空間側に突出する凸形状の成形面を有した成形型に、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を供給し、前記成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形させるようにした燃料電池用セパレータの成形方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、成形型の成形面が、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有しているので、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を供給して、成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形するので、セパレータの肉厚を均一に成形し、均一な密度を有するセパレータを加圧成形することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの成形装置２０の成形型３０を示す断面図、図２（Ａ）は、成形型３０に成形材料４０を投入した状態を示す断面図、図２（Ｂ）は、成形型３０によってセパレータ１０を加圧成形した状態を示す断面図、図３（Ａ）（Ｂ）は、本実施形態の成形型３０によって加圧成形されたセパレータ１０を示す断面図および平面図である。また、図４（Ａ）は、対比例の成形型１３０に成形材料４０を投入した状態を示す断面図、図４（Ｂ）は、対比例の成形型１３０によってセパレータ１１０を加圧成形した状態を示す断面図、図５（Ａ）（Ｂ）は、対比例の成形型１３０によって加圧成形されたセパレータ１１０を示す断面図および平面図である。
【００１３】
周知のように、燃料電池は、単セルを多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。単セルは、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池である。例えば、固体高分子型燃料電池の単セルは、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜と、触媒層が形成され固体高分子電解質膜の両面に配置される一対の電極と、電極の両側に配置される一対のセパレータと、を有する。セパレータは、燃料ガス、空気、冷却水などを流通させるための流路溝をなす微小な凹凸部が設けられている。
【００１４】
図１および図２を参照して、燃料電池用のセパレータ１０を成形するために使用される成形装置２０は、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料４０を加圧成形する成形型３０を有している。熱硬化性樹脂は、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂である。成形材料４０に含まれる樹脂は、小径であることが好ましく、これにより、反応速度が上昇し、かつ黒鉛間の空間が小さくなることで、得られるセパレータ１０の強度を向上させることが可能である。
【００１５】
前記成形型３０は、相対的に接近離反移動自在な上型３１および下型３２を有する。成形型３０内のキャビティに充填された成形材料４０は、上型３１および下型３２により加圧成形される。図示省略するが、上型３１の成形面３１ａおよび下型３２の成形面３２ａには、セパレータ１０の流路溝をなす凹凸部を成形するための微小な凸条部および凹条部が形成されている。また、成形型３０には、上型３１および下型３２を型締めするための機構、成形材料４０を加圧するための加圧機構、成形後のセパレータ１０を下型３２から押し上げて取り出すための抜き出しロッドなどの周知の機構や部材が設けられている。
【００１６】
加圧成形時には、成形型３０の成形面３１ａ、３２ａに歪みが生じ、成形されたセパレータの肉厚が均一にならないことがある。
【００１７】
対比例を示す図４（Ａ）（Ｂ）および図５（Ａ）（Ｂ）を参照して、成形型１３０の成形面１３１ａ、１３２ａに加圧成形時に歪みｄが生じることを考慮しないと、成形されたセパレータ１１０の肉厚が均一にならず、セパレータ１１０に、中央部に位置する厚肉部１１０ａと、周辺部に位置する薄肉部１１０ｂとが形成されてしまう。このため、成形されたセパレータ１１０には、成形材料４０が適正な加圧力によって加圧された適正部１１１ａと、成形材料４０が適正加圧力よりも過剰な加圧力によって加圧された過加圧部１１１ｂとが生じる。ここで、セパレータ１１０には水素、酸素（空気）、冷却水の流路溝１が形成され、この流路溝１は凹凸形状となっていることから、加圧成形する際に成形材料４０が流動しにくい傾向にある。そのため、加圧成形の際に、周辺部に位置する成形材料４０は外側に流動し、一部はバリ１１０ｃとして上下の成形型１３０の接合面より流出するものの、前記流路溝１が位置する中央部は流動性が小さいことから局部的に圧縮応力が増大する。そのため、成形型１３０の成形面１３１ａ、１３２ａは、その中央部に過大な応力が作用するとともに、成形型１３０も周辺部より中央部の方が応力が開放されにくいことから、成形面に歪みが生じるのである。そのため、セパレータ１１０の肉厚が均一にならないことがあり、規定寸法以上に不均一になった場合には、不良品として廃棄せざるを得ない場合がある。
【００１８】
なお、図５に示す２、３、４は、それぞれ水素、冷却水、酸素（空気）が導通するマニホールドで、図外のシール部材の形状により、水素、冷却水、酸素（空気）を選択的に流路溝１に導通するようになっている。
【００１９】
そこで、本実施形態にあっては、図１および図２に示すように、成形型３０の成形面３１ａ、３２ａは、凹凸状の流路溝１を形成する部位の外周側に位置する平面状の周辺部３１ｂ、３２ｂに比べて中央部ｎが成形空間側に突出した凸形状を有している。
【００２０】
これら凸形状は、後述するシミュレーションにより求めたもので、図１に示すように、周辺部３１ｂ、３２ｂから中央部ｎに向けて成形空間側になだらかに突出するように曲率を有し、図３に示すように、セパレータの流路溝１を形成する部位に形成され、この流路溝１の外周に内接する円状、より具体的には、長方形の成形面の長手方向に沿った長軸を有する楕円状となっている。
【００２１】
これにより、成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形し、セパレータの厚さが全体的に高精度に均一化することが可能となる。
【００２２】
なお、図１に示す３２ｃは、成形型３０を型締めして加圧成形する際に、成形材料４０がバリとして流出する流出通路であり、さらにその外側には、バリを収容する収容室３２ｄが形成してある。特に、成形面に延長した方向にバリの流出通路３２ｃと、収容室３２ｄとが形成されているので、積極的に成形材料を外部に流出するようにして成形材料の加圧力をより均一にすることができ、セパレータをより高精度に成形することが可能となる。
【００２３】
そこで、本実施形態にあっては、図１および図２に示すように、成形型３０の成形面３１ａ、３２ａは、加圧成形時における成形面３１ａ、３２ａの変形について予測された変形量を反映した形状を有している。例えば、シミュレーションによって、加圧成形時において成形面３１ａ、３２ａの中央部が周辺部に比べて凹むように変形するという結果が得られた場合（図４（Ｂ）に示される形状を参照）には、成形面３１ａ、３２ａを、シミュレーション結果を反映し、周辺部に比べて中央部が凸形状となる形状を有するように形成する。予測された変形量がｄ（図４（Ｂ））で、図１における符号Ｌが、予測された変形量ｄを反映した成形面の凸量となる。凸の寸法Ｌは、適宜採用できるが、例えば、０．０１〜０．５ｍｍの範囲である。凸の寸法Ｌは、成形材料４０の種類によって異なる。このため、加圧成形時における成形面３１ａ、３２ａの変形について変形量を予測するにあたっては、成形材料４０の種類を条件の１つとしたシミュレーションを行う。
【００２４】
このシミュレーションは、公知のＦＥＭ解析により行われ、成形型３０の弾性係数、成形面３１ａ、３２ａおよび流路溝を含む成形型３０の寸法、成形型３０を型締めする際の加圧力、成形材料の変形量（特に流路溝の凹凸部）を入力して演算し、成形面が成形面より後退するよう歪むかを判別し、加圧力により成形面が平面となるように凸形状を設計する。
【００２５】
なお、加圧成形時に成形材料の中央部が周辺部よりも応力が大きく作用するため、加圧力によっては、中央部が大きくスプリングバックする場含もあるので、その際には予め実験あるいはＦＥＭ解析によりスプリングバック量を求め、凸形状の設計の際に反映させるようにしてもよい。
【００２６】
セパレータ成形装置２０はさらに、公知の加熱手段および冷却手段（いずれも図示せず）を有している。
【００２７】
加熱手段は、成形型３０を加熱することで、成形材料４０の温度を上昇させ、成形材料４０に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させるために使用される。加熱手段は、上型３１および下型３２の内部に配置され、熱媒が導入される熱媒通路を有する。熱媒は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、高温の油が好ましい。熱媒は、熱容量が大きく、加熱性能が良好であるため、成形材料４０に含まれる樹脂の熱硬化温度まで、成形材料４０を急速加熱することが可能である。
【００２８】
冷却手段は、熱硬化の完了後において、成形型３０を冷却することで、成形されたセパレータ１０の温度を降下させ、取り出すために使用される。冷却手段は、上型３１および下型３２の内部に配置され、冷媒が導入される冷媒通路を有する。冷媒は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、低温の水が好ましい。
【００２９】
次に、作用を説明する。
【００３０】
図２（Ａ）に示すように、上下型３１、３２を開き、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料４０を、図示しないノズルから吐出し、下型３２のキャビティに均等に供給する。成形材料４０の供給を継続し、必要量に達すると、ノズルからの成形材料４０の吐出を停止する。
【００３１】
次いで、図２（Ｂ）に示すように、上下型３１、３２を閉じ、上下型３１、３２により成形材料４０からセパレータ１０を加圧成形する。本実施形態では、成形型３０の成形面３１ａ、３２ａに加圧成形時に歪みが生じることを考慮し、成形面３１ａ、３２ａを、加圧成形時の変形量を予測してこれを反映し、周辺部に比べて中央部が凸形状となる形状としてある（図１、図２（Ａ）参照）。このため、加圧成形時には、成形面３１ａ、３２ａがフラットになり、均一な肉厚のセパレータ１０が加圧成形される。図２（Ｂ）における符号ｎは、成形面３１ａ、３２ａに変形が生じ、凸形状からフラットになる範囲を示している。セパレータ１０の肉厚が均一に成形される結果、均一な密度を有するセパレータ１０を加圧成形することができる。
【００３２】
その後、熱媒通路に熱媒を導入し、成形型３０を加熱することで、成形材料４０の温度を上昇させ、成形材料４０に含まれる樹脂を熱硬化させる。成形材料４０の加熱速度が遅いと、硬化途中の樹脂が表面や隅に移動して局所的に集中することで、樹脂リッチな部位が形成されてしまい、黒鉛の分散不良が生じてしまう。本実施形態にあっては、成形材料４０は熱媒によって急速加熱されるため、樹脂リッチな部位が形成されることが防がれ、黒鉛の分散不良が抑制される。
【００３３】
熱硬化が完了し、熱媒通路に対する熱媒の導入を停止する一方、冷媒通路に冷媒を導入し、成形型３０を冷却する。そして、セパレータ１０の温度が例えば常温まで降下すると、上下型３１、３２が開かれ、セパレータ１０が取り出される。
【００３４】
以上のように、本実施形態によれば、成形型３０の成形面３１ａ、３２ａに加圧成形時に歪みが生じることを考慮し、成形面３１ａ、３２ａを、加圧成形時の変形量を予測してこれを反映した形状としてあるので、セパレータ１０の肉厚を均一に成形し、均一な密度を有するセパレータ１０を加圧成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの成形装置の成形型を示す断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、成形型に成形材料を投入した状態を示す断面図、図２（Ｂ）は、成形型によってセパレータを加圧成形した状態を示す断面図である。
【図３】図３（Ａ）（Ｂ）は、本実施形態の成形型によって加圧成形されたセパレータを示す断面図および平面図である。
【図４】図４（Ａ）は、対比例の成形型に成形材料を投入した状態を示す断面図、図４（Ｂ）は、対比例の成形型によってセパレータを加圧成形した状態を示す断面図である。
【図５】図５（Ａ）（Ｂ）は、対比例の成形型によって加圧成形されたセパレータを示す断面図および平面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０      セパレータ、
２０      セパレータの成形装置、
３０      成形型、
３１      上型、
３１ａ    成形面、
３１ｂ    周辺部、
３２      下型、
３２ａ    成形面、
３２ｂ    周辺部、
４０      成形材料、
ｎ        中央部、
ｄ        加圧成形時における成形面の変形について予測された変形量、
Ｌ        予測された変形量を反映した成形面の凸量。
【図１】
2006185856.tif 000003
【図２】
2006185856.tif 000004
【図３】
2006185856.tif 000005
【図４】
2006185856.tif 000006
【図５】
2006185856.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月11日(2005.1.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2006185856.tif 000008
【図２】
2006185856.tif 000009
【図３】
2006185856.tif 000010
【図４】
2006185856.tif 000011
【図５】
2006185856.tif 000012