(57)【要約】【課題】  歩留まりが良く、コストを削減できる燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法および製造装置を提供する。【解決手段】  カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料４０に形状保持液を染み込ませる混合工程と、前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料４０を予備成形用金型５０で押圧して予備成形品６０を形成する予備成形工程と、前記予備成形品６０を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、前記予備成形品６０を最終成形用金型７０で押圧して最終形状に成形する最終成形工程と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法および製造装置により、燃料電池用セパレータ３０を成形し、この燃料電池用セパレータ３０を用いて燃料電池を作製する。【選択図】            図３
2006172813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、
前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、
前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、
前記予備成形品を最終成形用金型で押圧して最終形状に成形する最終成形工程と、を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記蒸発工程と前記最終成形工程とを同時に行う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製造方法。
【請求項３】
前記最終成形工程は、前記最終成形用金型を複数回開閉することにより行うことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記最終成形工程は、多孔質の最終成形用金型により行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記形状保持液は、水およびアルコールの少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項６】
形状保持液が染み込まれたカーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料を押圧して予備成形品を成形する予備成形用金型と、
前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる加熱手段と、
前記予備成形品を最終形状に成形する最終成形用金型と、を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項７】
前記加熱手段は、前記最終成形用金型に設置されることを有す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製造装置。
【請求項８】
前記最終成形用金型は、多孔質であることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項９】
前記最終成形用金型は、成形時に複数回開閉することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項１０】
前記形状保持液は、水およびアルコールの少なくとも一方であることであることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項１１】
カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、
前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、
前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、
前記予備成形品を最終成形用金型で押圧して最終形状に成形する最終成形工程と、により成形されたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１２】
カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、
前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、
前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、
前記予備成形品を最終成形用金型で最終形状に成形する最終成形工程と、により成形された燃料電池用セパレータを有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法および製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池用のセパレータを成形する方法として、カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料を、冷間成形によりセパレータの最終形状に近似した形状に予備成形し、この予備成形品を温間成形により最終形状に成形する方法がある（例えば、特許文献１参照）。この方法では、流動性の低いセパレータ材料でも、高精度、高強度および電気的に低抵抗のセパレータを成形することができる。
【０００３】
しかし、この方法では、冷間成形により成形された予備成形品は粉体を圧力で押し固めただけであるため非常に脆く、ハンドリングの際に破損して歩留まりが悪くなるという問題がある。
【特許文献１】特開２００２−８６７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、歩留まりが良く、コストを削減できる燃料電池、燃料電池用セパレータ、燃料電池用セパレータの製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、前記予備成形品を最終成形用金型で押圧して最終形状に成形する最終成形工程と、を有することを特徴とする。
【０００６】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、形状保持液が染み込まれたカーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料を押圧して予備成形品を成形する予備成形用金型と、前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる加熱手段と、前記予備成形品を最終形状に成形する最終成形用金型と、を有することを特徴とする。
【０００７】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータは、カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、前記予備成形品を最終成形用金型で押圧して最終形状に成形する最終成形工程と、により成形されたことを特徴とする。
【０００８】
上記目的を達成する本発明に係る燃料電池は、カーボン粉末と樹脂を混合した粉体状のセパレータ材料に形状保持液を染み込ませる混合工程と、前記形状保持液を染み込ませたセパレータ材料を予備成形用金型で押圧して予備成形品を形成する予備成形工程と、前記予備成形品を加熱して形状保持液を蒸発させる蒸発工程と、前記予備成形品を最終成形用金型で最終形状に成形する最終成形工程と、により成形された燃料電池用セパレータを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、セパレータ材料に形状保持液が染み込んでいるため、ハンドリングの際に破損し難く、歩留まりがよい。
【００１０】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、形状保持液を蒸発させる加熱手段を有しているため、セパレータ材料に染み込んだ形状保持液を蒸発させることができ、セパレータの表面にガスによる膨れが発生しない。
【００１１】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータは、製造時の歩留まりがよいため、コストを低減できる。
【００１２】
上記のように構成した本発明に係る燃料電池は、使用されるセパレータの製造時の歩留まりがよいため、コストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１４】
図１は燃料電池を示す要部断面図である。
【００１５】
一般に燃料電池は、図１に示すような単セル１０をスタックの形態で多数集成してなり、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１６】
単セル１０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デバイスであり、膜電極接合体２０、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂ、セパレータ３０Ａ，３０Ｂを有する。膜電極接合体２０は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂは、膜電極接合体２０の両面に配置される。セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂの外面に配置される。
【００１７】
セパレータ３０Ａには、ガス拡散層２１Ａと接する面に酸化剤ガス（酸素）を流通させるための流路溝３２が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための流路溝３３が形成されている。セパレータ３０Ｂには、ガス拡散層２１Ｂと接する面に燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝３４が形成されている。
【００１８】
次に、燃料電池用セパレータの製造方法および製造装置について説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
図２は第１の実施形態における予備成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。
【００２０】
初めに、セパレータ３０の原料となる粉体状のセパレータ材料４０に、形状保持液を霧吹き等で噴霧して染み込ませる。このとき、セパレータ材料４０をかき混ぜながら噴霧すると均一に染み込むため、より好ましい。
【００２１】
セパレータ材料４０はカーボン粒子と樹脂を混合した粉状体であり、本実施形態では樹脂として熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を用いるが、その他の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂の他に、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用でき、熱可塑性樹脂としては、例えばテフロン（登録商標）、ポリエステル、ポリフェニエンサルファイド、シリコン、オレフィン系（ＰＰ，ＰＥ等）、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミドまたはエチレンビニルアセテート等が使用できる。
【００２２】
形状保持液には、本実施形態では水を用いるが、アルコールや、水とアルコールの混合液等を使用することもできる。
【００２３】
次に、図２（Ａ）に示すように、予備成型用上型５０Ａおよび予備成型用下型５０Ｂからなる冷間成形用の予備成型用金型５０の予備成型用下型５０Ｂ内に、形状保持液が染み込んだセパレータ材料４０を設置する。その後、図２（Ｂ）に示すように、予備成型用上型５０Ａと予備成型用下型５０Ｂを押圧装置（不図示）により近接させてセパレータ材料４０を押圧し、セパレータ３０の最終形状に近似した形状の予備成形品６０が形成される。
【００２４】
このように、予備成形品６０は粉状物を圧力で押し固めたものである。通常、粉状物を圧力で押し固めたのみでは成形物は非常に脆いが、本実施形態の予備成形品６０は、形状保持液が染み込んでいるため強度が高い。したがって、例えば予備成型用金型５０から予備成形品６０を取り出す際等のハンドリング時に破損が生じ難く、歩留まりが向上し、コストを削減できる。
【００２５】
図３は第１の実施形態における最終成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。
【００２６】
予備成型用金型５０により成形された予備成形品６０は、図３（Ａ）に示すように、最終成型用上型７０Ａおよび最終成型用下型７０Ｂからなる最終成型用金型７０により最終形状に成形される。最終成型用金型７０は多孔質であり、通気性を有している。最終成型用上型７０Ａにはヒータ等の加熱手段７１が設けられ、最終成型用上型７０Ａが樹脂の硬化温度よりも高い温度に加熱される。なお、加熱手段が最終成型用下型７０Ｂに、または両金型に設けられても良い。
【００２７】
このような最終成型用下型７０Ｂ内に予備成形品６０を設置し、最終成型用上型７０Ａと最終成型用下型７０Ｂを押圧装置（不図示）により近接させて予備成形品６０を押圧する。これにより、加熱溶融した熱硬化性樹脂が流動して所定の形状に成形され、さらに熱硬化性樹脂が硬化するまで最終成型用金型７０を保持する。この際に、予備成形品６０に含まれる形状保持液が加熱されて蒸発し、発生したガスは、最終成型用金型７０の多孔内を通って金型外部へ排出される。
【００２８】
発生したガスを最終成型用金型７０から排出しない場合、セパレータ３０の表面にガスによる膨れが発生するが、本実施形態では最終成型用金型７０が通気性を有しているためガスが金型外部へ排出されて、セパレータ３０の表面にガスによる膨れが発生しない。
【００２９】
また、最終成型用金型７０による成形時に最終成型用金型７０の開閉を何度か繰り返すことにより、発生したガスを排出することもできる。この場合には、最終成型用金型７０は多孔質でなくても良い。
【００３０】
なお、セパレータ材料４０に熱硬化性樹脂ではなく熱可塑性樹脂を用いる場合には、加熱温度は樹脂の溶融温度よりも高く設定し、最終成形後に、熱可塑性樹脂が硬化するまで最終成型用金型７０を閉じた状態のまま冷却する。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態は、最終成型用金型７０内で形状保持液を蒸発させる第１の実施形態と異なり、最終成型用金型７０内に予備成形品６０を設置する前に、形状保持液を蒸発させる。なお、予備成型用金型５０による予備成形品６０の成形に関しては、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。
【００３２】
図４は形状保持液を蒸発させる際の予備成形品を示す側面図、図５は第２の実施形態における最終成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００３３】
図４に示すように、予備成型用金型５０により形成された予備成形品６０を、オーブン等の加熱手段８０により加熱し、予備成形品６０に含まれる形状保持液を蒸発させる。なお、この際の加熱温度は熱硬化性樹脂の硬化温度よりも低く設定する。したがって、熱硬化性樹脂が全て反応することは無いが、形状保持液が蒸発されると共に、熱硬化性樹脂の一部が反応して予備成形品６０の強度が増加する。このため、予備成形品６０が破損し難く、予備成形品６０を容易に最終成型用金型７０内に設置することができる。
【００３４】
なお、セパレータ材料４０に熱可塑性樹脂を用いた場合には、加熱手段８０による加熱温度は熱可塑性樹脂の溶融温度よりも低く設定する。
【００３５】
このように成形された予備成形品６０を、図５（Ａ）に示すように最終成型用上型９０Ａおよび最終成型用下型９０Ｂからなる最終成型用金型９０の最終成型用下型９０Ｂ内に設置する。なお、第１の実施形態とは異なり予備成形品６０は既に形状保持液を含んでいないため、最終成型用金型９０は多孔質である必要はない。
【００３６】
この後、第１の実施形態と同様に加熱手段７０により最終成型用上型９０Ａを加熱し、最終成型用上型９０Ａと最終成型用下型９０Ｂを近接させてセパレータ３０が成形される。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、予備成形品６０に溝等が形成されていなくてもよい。また、第２の実施形態の加熱手段８０による形状保持液の蒸発は、最終成型用下型９０Ｂに予備成形品６０を設置して、最終成型用金型９０による最終成形前に行うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】燃料電池を示す要部断面図である。
【図２】第１の実施形態における予備成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態における最終成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。
【図４】第２の実施形態において形状保持液を蒸発させる際の予備成形品を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における最終成形工程を示す図であり、（Ａ）は成形前を示す断面図、（Ｂ）は成形後を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０    単セル、
２０    膜電極接合体、
２１Ａ，２１Ｂ    ガス拡散層、
３０Ａ，３０Ｂ    セパレータ、
３２，３３，３４    流路溝、
４０    セパレータ材料、
５０Ａ    予備成型用上型、
５０Ｂ    予備成型用下型、
６０    予備成形品、
７０Ａ，９０Ａ    最終成型用上型、
７０Ｂ，９０Ｂ    最終成型用下型、
７１，８０    加熱手段。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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