(57)【要約】  【課題】  表面に型キズによる微少な線状の突起がない表面形状の良好な燃料電池セパレータの製造に用いられる金型表面の磨耗を抑え、寸法精度の良いセパレータを数多く生産することができる燃料電池セパレータ製造用の金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供する。  【解決手段】  上金型及び下金型の表面にビッカース硬度が１５００以上である耐摩耗性材料が被覆され、炭素材料を含有する樹脂成形材料を成形することができる燃料電池セパレータ製造用金型及びその金型を用いる燃料電池セパレータの製造法。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上金型及び下金型の表面にビッカース硬度で１５００以上である耐摩耗性材料が被覆され、炭素材を含有する樹脂成形材料を成形することができる燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項２】
前記耐摩耗性材料が、無機材料からなる請求項１に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項３】
前記耐摩耗性材料が、前記の上金型及び下金型の表面に１００ｎｍ〜１０μｍの厚さで被覆されている請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項４】
前記耐摩耗性材料が、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ及びこれらの複合、単層または多層膜、ダイヤモンドライクカーボン、カーボランダムから選ばれるものである請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の燃料電池セパレータ製造用金型のいずれかを用いて、炭素材及び熱硬化性樹脂を主成分とする成形材料を該金型の下金型上に置き、圧縮加熱成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に型キズによる微少な線状の突起がない表面形状の良好な燃料電池セパレータの製造に用いられる金型及びそれを用いてなる燃料電池セパレータの製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般にガス拡散電極からなるアノードとカソードとで電解質膜を挟み、さらにこれらの外側をセパレータで挟んでなる構造をしている。アノードに接するセパレータはアノードに水素ガスを供給し、カソードに接するセパレータはカソードに酸化剤ガスとしての酸素あるいは酸素を含む気体を供給する。
上記燃料電池セパレータは、水素ガスや酸素ガスを透過させないガス不浸透性、 導電性、面精度、すなわち、高い厚み精度が要求され、それらの性能が優れることにより燃料電池の性能が向上する。
【０００３】
現在、燃料電池用セパレータの成形方法として、圧縮成形が主流である。従来の圧縮成形用金型断面図は図１に示すように、下金型と上金型とからなり、これらの金型の間に燃料電池セパレータを形成するための空間部が形成される。下金型で燃料電池セパレータの裏面の溝が形成され、上金型では、燃料電池セパレータの表面の溝が形成され、上下の金型間の幅がセパレータの厚さになる。かかる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する場合、上金型を上方に上げて待避させ、下金型内に所定重量よりも若干多めの炭素材料と樹脂とからなる成形用材料を投入する。かかる成形用材料を加熱した金型により加圧を行い、硬化させて燃料電池セパレータを成形する（例えば特許文献１参照）。
この際、成形用材料が金型内を流動し、特に成形用材料中の炭素材料によって金型内表面を摩耗して微少な筋状の溝を多数形成してしまうことになる。金型は沢山のセパレータを成形するため、成形を重ねていくうちに金型の磨耗量を増大させる。金型表面が磨耗することにより、セパレータ表面に凸状のキズが入ったり、寸法精度が生産数量の増大とともに低下したり、溝深さ等の寸法が設計値と異なってしまう等の不具合を引き起こすようになる。
【特許文献１】特開２００３−０５９５０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、金型表面の磨耗を抑え、寸法精度の良いセパレータを数多く生産することができる燃料電池セパレータ製造用の金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上金型及び下金型の表面にビッカース硬度が１５００以上である耐摩耗性材料が被覆され、炭素材料を含有する樹脂成形材料を成形することができる燃料電池セパレータ製造用金型及びその金型を用いる燃料電池セパレータの製造法に関する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明の金型は、上金型及び下金型の表面に耐摩耗性材料が被覆されることにより、多数のセパレータをショットしても型内面が炭素材料を含有する樹脂成形材料で傷つきにくく、得られるセパレータの表面が平滑であり、発電特性を十分に発揮する燃料電池に適したセパレータを生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の燃料電池セパレータ製造用金型は、図１に示すように上金型１と下金型２とからなるものであり、燃料電池セパレータにガス流路や冷却水流路を形成するための凹凸状のパターンを有しており、鋼やステンレスなどの金属製のものである。
【０００８】
本発明の金型の表面に被覆される耐摩耗性材料としては、成形に用いられる樹脂成形材料によって傷つきにくい素材からなるものであり、無機材料が好ましく、ビッカース硬度（Ｈｖ）で１５００以上、好ましくは２０００以上のものが選択される。
かかる耐摩耗性材料の代表的なものとしては、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＴｉＡｌＮ、ＣｒＮ、ＡｌＮ、ＺｒＮ、ＮｂＮ、ダイヤモンドライクカーボン、カーボランダム、などをあげることができる。金型内表面に耐摩耗性材料の層を形成する場合、これらの耐摩耗性材料の単独又は複合したものによる単層または多層膜が形成される。
金型内表面の耐摩耗性材料層の厚さは、形成膜の硬度やセパレータのガス流路や冷却水流路の溝成形に不都合が生じない限り特に制限されるものではないが、好ましくは１００ｎｍ〜１０μｍである。かかる厚さであれば、金型表面の平滑性を十分に保持することができ、平滑性に優れたセパレータをより多数成形することができる。
また、金型内表面の耐摩耗性材料層の形成については、通常行われている方法、例えば蒸着法や溶射法、浸漬拡散法があるが、特に蒸着法については、イオンプレーティング法、スパッタリング法等が挙げられる。
【０００９】
尚、本発明の金型により、燃料電池セパレータを製造する場合、投入される成形材料は、バインダーとしての熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂、導電性材料としての炭素材料、即ち炭素粉末や炭素繊維を主成分として含有するものであり、特に限定されないが、バインダーを１０〜５０質量％、導電性材料を５０〜９０質量％で含有するものが通常使用される。
かかるバインダーとしては、ノボラック樹脂やレゾール樹脂などのフェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂；ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルフォン、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。また、導電性材料としての炭素粉末は、１０〜８００μｍの粉末状や鱗片状の黒鉛が好ましい。
【００１０】
本発明の金型は、図面では上金型と下金型とからなるものが挙げられているが、例えば上金型、中金型、下金型の３つや４つ以上の金型からなるものを使用してもよい。また、該金型は圧縮成形に使用しても、射出成形やトランスファー成形に使用してもよい。勿論、この金型は加熱することができるが、その加熱条件については、使用する燃料電池セパレータ用原料、特にバインダーの種類によって相違し、適宜選択することができる。また、加圧条件としては、通常５０〜８００ｋｇ／ｃｍ２が採用される。
【実施例】
【００１１】
実施例１
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型の表面にＴｉＮコーティング（２μｍ）を施した。基材のＨｖ＝４００に対し、コーティング後のＨｖ＝２２００となった。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
１０枚成形品を成形した後、金型表面を観察したが、表面コーティングにはキズは入っていなかった。
【００１２】
実施例２
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型の表面にＣｒＮコーティング（２μｍ）を施した。基材のＨｖ＝４００に対し、コーティング後のＨｖ＝２０００となった。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
１０枚成形品を成形した後、金型表面を観察したが、表面コーティングにはキズは入っていなかった。
【００１３】
実施例３
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型の表面にＴｉＡｌＮとＳｉ−Ｎの層を含む複合膜（２μｍ）をコーティングした。基材のＨｖ＝４００に対し、コーティング後のＨｖ＝３５００となった。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
１０枚成形品を成形した後、金型表面を観察したが、表面コーティングにはキズは入っていなかった。
【００１４】
実施例４
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型の表面にＣｒ−Ｎの層を含む複合膜（２μｍ）をコーティングした。基材のＨｖ＝４００に対し、コーティング後のＨｖ＝２８００となった。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
１０枚成形品を成形した後、金型表面を観察したが、表面コーティングにはキズは入っていなかった。
【００１５】
比較例１
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型を用意した。基材のＨｖ＝４００である。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
成形品を脱型後、金型表面を観察したが、１回成形しただけで表面にキズが入っており、１０枚成形した後にはキズは更に増えていた。
【００１６】
比較例２
１０ｃｍ角で厚み３０ｍｍ、表面に溝形状を加工したＰ２１グレードのプリハードン鋼金型の表面に硬質クロムメッキ（２０μｍ）をコーティングした。基材のＨｖ＝４００に対し、コーティング後のＨｖ＝８００となった。この金型を用いて不飽和ポリエステル樹脂（硬化剤等の添加剤含む）対平均粒径３００μｍの黒鉛を７０：３０で混練した材料３０ｇを投入し、１４０℃の成形温度、面圧３００ｋｇｆ／ｃｍ２（３０ＭＰａ）で１０分間加圧し、板厚約２ｍｍに成形した。
１０枚成形品を成形した後、金型表面を観察したが、表面コーティングに細かなキズが入っていた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明にかかる圧縮成形用金型の断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    上金型
２    下金型
３    耐摩耗性材料層
【図１】
2006236607.tif 000003