(57)【要約】【課題】  良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータを提供する。【解決手段】  黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツ６０と、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツ７０とを形成し、第１および第２分割パーツ６０，７０を接合して製造される燃料電池用セパレータ１０である。第１分割パーツ６０は、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように、加圧圧縮して予備成形されたプリフォームからなり、第１分割パーツ６０を裏返し、第１分割パーツ６０の上部面を、第２分割パーツ７０の上部面に重ね合わせ、加圧圧縮して本成形することで、第１および前記第２分割パーツ６０，７０を接合しており、セパレータ１０の上部面と下部面との間に、接合境界面１９が介在している。【選択図】            図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを形成し、前記第１および第２分割パーツを接合することで、燃料電池用セパレータを製造するための成形方法であって、
前記第１分割パーツは、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように予備成形されたプリフォームからなり、
前記第１分割パーツを裏返し、前記第１分割パーツの上部面を、前記第２分割パーツの上部面に重ね合わせ、本成形することで、前記第１および前記第２分割パーツを接合する
ことを特徴とする成形方法。
【請求項２】
前記第２分割パーツは、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように予備成形されたプリフォームからなることを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
前記第１分割パーツに係るプリフォームは、セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有する下型に、成形材料を充填し、略平坦なキャビティ面を有する上型によって前記下型を型締めし、加圧圧縮することで予備成形され、
前記第２分割パーツに係るプリフォームは、セパレータの下部面に対応するキャビティ面を有する下型に、成形材料を充填し、略平坦なキャビティ面を有する上型によって前記下型を型締めし、加圧圧縮することで予備成形されることを特徴とする請求項２に記載の成形方法。
【請求項４】
前記本成形において、
前記第２分割パーツは、セパレータの下部面に対応するキャビティ面を有する下型に配置され、前記第１分割パーツは、セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有する上型に相対して配置され、
前記上型および下型を型締めし、前記第１および第２分割パーツは、加圧圧縮されることを特徴とする請求項３に記載の成形方法。
【請求項５】
前記第２分割パーツは、非加圧圧縮体からなり、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有することを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
【請求項６】
前記第１分割パーツに係るプリフォームは、セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有する下型に、成形材料を充填し、略平坦なキャビティ面を有する上型によって前記下型を型締めし、加圧圧縮することで予備成形され、
前記第２分割パーツに係る非加圧圧縮体は、前記本成形において、セパレータの下部面に対応するキャビティ面を有する下型に、成形材料を充填することで形成される
ことを特徴とする請求項５に記載の成形方法。
【請求項７】
前記本成形において、
前記第１分割パーツは、前記下型のキャビティ面に形成される第２分割パーツの上部面に載置され、セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有する上型に相対して配置され、
前記上型および下型を型締めし、前記第１および第２分割パーツは、加圧圧縮されることを特徴とする請求項６に記載の成形方法。
【請求項８】
前記第２分割パーツがキャビティ面に形成される前記下型は、前記キャビティ面の凹部に突出自在に配置される可動型を有しており、
前記本成形において、前記可動型を突出させ、前記第２分割パーツの凹部の間に形成される凸部を押圧することを特徴とする請求項７に記載の成形方法。
【請求項９】
前記樹脂は、常温硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形方法。
【請求項１０】
前記予備成形および本成形において、成形材料は、非加熱状態で加圧圧縮されることを特徴とする請求項９に記載の成形方法。
【請求項１１】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の成形方法。
【請求項１２】
前記予備成形において、成形材料は、前記樹脂の熱硬化温度未満の溶融温度で加圧圧縮され、
前記本成形において、成形材料は、前記樹脂の熱硬化温度以上で加圧圧縮されることを特徴とする請求項１１に記載の成形方法。
【請求項１３】
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを形成し、前記第１および第２分割パーツを接合して製造される燃料電池用セパレータであって、
前記第１分割パーツは、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように、加圧圧縮して予備成形されたプリフォームからなり、
前記第１分割パーツを裏返し、前記第１分割パーツの上部面を、前記第２分割パーツの上部面に重ね合わせ、加圧圧縮して本成形することで、前記第１および前記第２分割パーツを接合しており、
セパレータの前記上部面と下部面との間に、接合境界面が介在している
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項１４】
前記樹脂は、常温硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１５】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂であることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項１６】
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から形成される、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを、本成形することで接合して、燃料電池用セパレータを製造するための成形装置であって、
セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有し、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように予備成形されたプリフォームからなる第２分割パーツが裏返されかつ相対して配置される上型、
セパレータの下部面に対応するキャビティ面を有し、成形材料が充填されて、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有する非加圧圧縮体からなる第２分割パーツが形成される下型、
前記第２分割パーツの上部面に、前記第１分割パーツの上部面が重ね合わせて配置される下型と、前記第１分割パーツの下部面が相対する上型とを型締めし、加圧圧縮することで本成形するための押圧手段、および、
前記下型のキャビティ面に形成される凹部に突出自在に配置され、本成形の際において、前記第２分割パーツの凹部の間に形成される凸部を押圧するための可動型
を有することを特徴とする成形装置。
【請求項１７】
前記樹脂は、熱硬化性樹脂であり、
前記第１および第２分割パーツを、前記樹脂の熱硬化温度以上に加熱するための加熱手段をさらに有することを特徴とする請求項１６に記載の成形装置。
【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、燃料電池用セパレータの成形方法及び成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セルは、燃料ガスと空気等とを分離するためのセパレータを有する。セパレータは、燃料ガスや空気等を流通させるための流路溝を有し、粉末状の成形材料をプレス成形することで製造される。
【０００３】
流路溝は、接触面積を増大させるために、微細で複雑な形状を有し、また、ガス漏れやショートパスを防止するために、良好な面精度を確保することが必要である。しかし、成形材料が粉末状であるため、セパレータの上部面に、良好な成形性を有する流路溝を形成することは困難であった。
【０００４】
そのため、従来においては、セパレータの上部面に係る流路溝および流路溝の間に形成される凸部に応じた部位毎に、成形材料の投入量を変化させることで、成形精度を確保している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、成形材料を平坦に充填した後で、プレス成形型の凸部に相対する箇所から成形材料を部分的に除去しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００４−７９２０５号公報
【特許文献２】特開２００４−２２２０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１に係る発明は、成形材料の投入量を変化させるための特殊な装置および／又は工程（作業）を必要とするため、製造設備が高価となり、また、生産性が低下することで、セパレータの製造コストの上昇を引き起こす。
【０００７】
一方、特許文献２に係る発明は、成形材料を除去するための特殊な装置および工程を必要とするため、特許文献１に係る発明と同様に、セパレータの製造コストの上昇を引き起こす。また、除去した成形材料は、再利用するために調整等が必要である問題も有する。
【０００８】
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、良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータ、当該燃料電池用セパレータの成形方法及び成形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】
【０００９】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを形成し、前記第１および第２分割パーツを接合することで、燃料電池用セパレータを製造するための成形方法であって、
前記第１分割パーツは、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように予備成形されたプリフォームからなり、
前記第１分割パーツを裏返し、前記第１分割パーツの上部面を、前記第２分割パーツの上部面に重ね合わせ、本成形することで、前記第１および前記第２分割パーツを接合する
ことを特徴とする成形方法である。
【００１０】
上記目的を達成するための請求項１３に記載の発明は、
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを形成し、前記第１および第２分割パーツを接合して製造される燃料電池用セパレータであって、
前記第１分割パーツは、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように、加圧圧縮して予備成形されたプリフォームからなり、
前記第１分割パーツを裏返し、前記第１分割パーツの上部面を、前記第２分割パーツの上部面に重ね合わせ、加圧圧縮して本成形することで、前記第１および前記第２分割パーツを接合しており、
セパレータの前記上部面と下部面との間に、接合境界面が介在している
ことを特徴とする燃料電池用セパレータである。
【００１１】
上記目的を達成するための請求項１６に記載の発明は、
黒鉛と樹脂とを混合した粉末状の成形材料から形成される、燃料電池用セパレータの上部面を含んでいる第１分割パーツと、燃料電池用セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツとを、本成形することで接合して、燃料電池用セパレータを製造するための成形装置であって、
セパレータの上部面に対応するキャビティ面を有し、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するように予備成形されたプリフォームからなる第２分割パーツが裏返されかつ相対して配置される上型、
セパレータの下部面に対応するキャビティ面を有し、成形材料が充填されて、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有する非加圧圧縮体からなる第２分割パーツが形成される下型、
前記第２分割パーツの上部面に、前記第１分割パーツの上部面が重ね合わせて配置される下型と、前記第１分割パーツの下部面が相対する上型とを型締めし、加圧圧縮することで本成形するための押圧手段、および、
前記下型のキャビティ面に形成される凹部に突出自在に配置され、本成形の際において、前記第２分割パーツの凹部の間に形成される凸部を押圧するための可動型
を有することを特徴とする成形装置である。
【発明の効果】
【００１２】
上記のように構成した本発明は、以下の効果を奏する。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、燃料電池用セパレータの上部面は、裏返されたプリフォームの下部面から形成される。下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するプリフォームを、粉末状の成形材料から予備成形し、良好な成形精度を確保することは容易である。また、特殊な装置および／又は工程（作業）を必要としないため、セパレータの製造コストの上昇は抑制される。したがって、得られる燃料電池用セパレータは、良好な成形性を有し、かつ安価となる。つまり、良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータの成形方法を提供することができる。
【００１４】
請求項１３に記載の発明によれば、燃料電池用セパレータの上部面は、裏返されたプリフォームの下部面から形成されている。下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するプリフォームを、粉末状の成形材料から予備成形し、良好な成形精度を確保することは容易である。また、特殊な装置および／又は工程（作業）を必要としないため、セパレータの製造コストの上昇は抑制されている。したがって、良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータを提供することができる。
【００１５】
請求項１６に記載の発明によれば、燃料電池用セパレータの上部面を、裏返されたプリフォームの下部面から形成することが可能である。流路溝を構成することとなる凹部を下部面に有するプリフォームを、粉末状の成形材料から予備成形し、良好な成形精度を確保することは容易である。また、特殊な装置および／又は工程（作業）を必要としないため、セパレータの製造コストの上昇を抑制することが可能である。したがって、得られる燃料電池用セパレータは、良好な成形性を有し、かつ安価である。つまり、良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータの成形装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータを説明するための平面図、図２は、実施の形態１に係る燃料電池を説明するための分解図である。
【００１８】
実施の形態１に係る燃料電池は、単セルを多数積層してなるスタックの形態で、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り、固体高分子電解質膜３０、ガス拡散層３１，３３、セパレータ１０，２０を有する。
【００１９】
ガス拡散層３１，３３は、フレーム３２，３４に支持され、固体高分子電解質膜３０の両面に配置される。セパレータ１０，２０は、密閉部材３６，３７を介して、ガス拡散層３１，３３の外面に配置される。なお、符号３８は、隣接する単セルとの間に配置される密閉部材である。
【００２０】
実施の形態１に係るセパレータ１０は、隣接する単セルのセパレータ２０と相対し、かつ冷却水を流通させるための流路溝１２が形成された上部面１１と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝１７が形成された下部面１６とを有する。なお、セパレータ１０は、上部面１１を含んでいる第１分割パーツと、下部面１６を含んでいる第２分割パーツとを接合して形成されており、上部面１１と下部面１６との間に、接合境界面１９が介在している。
【００２１】
セパレータ２０は、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝２２が形成された上部面２１と、隣接する単セルのセパレータ１０と相対する下部面２６と有する。
【００２２】
流路溝１２，１７，２２の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、微細で複雑な構成を有している。密閉部材３６，３７，３８は、酸化剤ガスおよび燃料ガスの漏出を抑制するために配置されており、例えば、ガスケットや接着シールによって構成することが可能である。なお、符号１３，１８，２３は、流路溝１２，１７，２２の間に形成される凸部を示している。
【００２３】
図３は、図１に示されるセパレータ１０の成形方法を説明するためのフローチャートである。セパレータ１０の成形方法は、分割パーツ成形工程および分割パーツ接合工程を有する。
【００２４】
分割パーツ成形工程においては、粉末状の成形材料から、セパレータ１０の上部面１１を含んでいる第１分割パーツと、セパレータ１０の下部面１６を含んでいる第２分割パーツとが形成される。分割パーツ接合工程においては、第１および第２分割パーツを接合することで、セパレータ１０が製造される。セパレータ１０のサイズは、例えば、一辺の長さが１５０ｍｍ程度である。
【００２５】
成形材料は、導電性粉末である黒鉛と、熱硬化性樹脂とを混合して形成される。実施の形態１においては、７５重量パーセントの天然黒鉛と、２５重量パーセントのフェノール樹脂とを含んでいる成形材料が適用される。
【００２６】
黒鉛は、天然黒鉛に限定されず、例えば、人造黒鉛や膨張黒鉛を適用することが可能である。黒鉛の平均粒径は、例えば、１０〜１００μｍである。フェノール樹脂は、経済性、作業性、成形性、物性（耐酸性、耐熱性、流体不透過性）などが優れているため好ましいが、メラミン樹脂やポリアミド樹脂などの熱硬化性樹脂を適用することも可能である。
【００２７】
図４は、図３に示される分割パーツ成形工程に係る第１成形装置を説明するための断面図である。第１分割パーツを形成するための第１成形装置は、上型４０および下型４５と、押圧手段５０とを有する。
【００２８】
上型４０は、下型４５に対して近接離間可能に配置され、略平坦なキャビティ面４１を有する。下型４５は、固定式に配置され、セパレータ１０の上部面１１に対応するキャビティ面４６を有する。キャビティ面４６は、上部面１１の流路溝１２と位置合わされた凸部４８と、流路溝１２の間に形成される凸部１３と位置合わされた凹部４７を有する。
【００２９】
押圧手段５０は、例えば、油圧シリンダ装置を有しており、上型４０と下型４５を型締めし、成形材料を加圧圧縮することで、第１分割パーツに係るプリフォームを予備成形するために使用される。
【００３０】
第２分割パーツを形成するための第１成形装置は、下型のキャビティ面が、セパレータ１０の下部面１６に対応している点を除けば、第１分割パーツを形成するための第１成形装置と略一致しているため、その説明を省略する。なお、セパレータ１０の上部面１１および下部面１６の形状が同一である場合、第１および第２分割パーツの形状を、セパレータ１０を上下対称に２分割して得られる形状と一致させることで、第１成形装置を共有することが可能である。
【００３１】
次に、分割パーツ成形工程を詳述する。図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、成形材料の充填及び擦切りを説明するための断面図、図６は、図５に続く、型締めを説明するための断面図、図７は、図６に続く、常温成形を説明するための断面図である。
【００３２】
例えば、成形材料ＰＭを保持している容器（不図示）と連結しているノズル５５を、待機位置から移動させ、下型４５のキャビティ面４６の上方に配置する。そして、ノズル５５から成形材料ＰＭを吐出させながら移動させることにより、キャビティ面４６の凸部４８および凹部４７が、成形材料ＰＭによって覆われる（図５（Ａ）参照）。
【００３３】
成形材料ＰＭの充填を継続し第１分割パーツを成形するために必要とされる充填量に達すると、ノズル５５からの成形材料ＰＭの吐出を停止し、ノズル５５を待機位置に後退させる（図５（Ｂ）参照）。ノズル５５の後退が完了すると、不均一な成形材料ＰＭの表面を擦切り、平坦とする（図５（Ｃ）参照）。これにより、下型４５の隅部にまで良好に充填された成形材料ＰＭからなる非加圧圧縮体が得られる。
【００３４】
押圧手段５０は、上型４０を降下させ、上型４０と下型４５とを型締めする（図６参照）。押圧手段５０は、上型４０をさらに降下させ、下型４５のキャビティ面４６に形成されている非加圧圧縮体（充填されている成形材料ＰＭ）を、常温下（非加熱状態）で加圧圧縮することで、予備成形し、第１プリフォーム６０が形成される（図７参照）。接合のための常温成形圧力は、実施の形態１においては、５０ＭＰａ程度であるが、特に限定されず、例えば、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の物性や第１プリフォーム６０の形状に応じて、適宜変更される。
【００３５】
第１プリフォーム６０は、第１分割パーツを構成する。第１プリフォーム６０の上部面６１は、上型４０の略平坦なキャビティ面４１の形状に基づいて、略平坦である。一方、第１プリフォーム６０の下部面６６は、下型４５のキャビティ面４６の凸部４８および凹部４７の形状に基づく凹部６７および凸部６８を有しており、セパレータ１０の上部面１１に対応する。
【００３６】
一方、第２分割パーツを形成するための第１成形装置によって、第２プリフォームが同様に形成される。第２プリフォームは、略平坦な上部面と、セパレータ１０の下部面１６に対応する下部面とを有する。下部面は、セパレータ１０の下部面１６の流路溝１７および凸部１８を構成することとなる凹部および凸部を有する。
【００３７】
図８は、図３に示される分割パーツ接合工程に係る第２成形装置を説明するための断面図である。第２成形装置は、上型８０および下型８５と、押圧手段９０と、加熱手段９５，９６と、冷却手段９７，９８とを有する。
【００３８】
上型８０は、下型８５に対して近接離間可能に配置され、セパレータ１０の上部面１１に対応するキャビティ面８１を有する。キャビティ面８１は、上部面１１の流路溝１２および凸部１３と位置合わされた凸部８３および凹部８２を有する。
【００３９】
下型８５は、固定式に配置され、セパレータ１０の下部面１６に対応するキャビティ面８６を有し、重ね合わされた第１および第２プリフォームが配置される。キャビティ面８６は、下部面１６の流路溝１７および凸部１３と位置合わされた凸部８８および凹部８７を有する。
【００４０】
押圧手段９０は、例えば、油圧シリンダ装置を有し、上型８０と下型８５を型締めし、第１および第２プリフォームを加圧圧縮し、本成形することで、第１および第２プリフォーム（第１および第２分割パーツ）を接合するために使用される。
【００４１】
加熱手段９５，９６は、上型８０および下型８５の内部に配置される通路からなり、加熱流体（熱媒）が導入される。加熱手段９５，９６は、本成形の際に、上型８０および下型８５を加熱し、第１および第２プリフォームを、熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に昇温させて、本成形するために使用される。加熱流体は、熱容量が大きく、加熱性能が良好であるため、急速加熱することが可能である。加熱流体は、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。
【００４２】
加熱手段９５，９６は、例えば、上型８０あるいは下型８５の一方のみに配置することも可能である。また、加熱手段９５，９６は、加熱流体を利用する形態に限定されず、電磁誘導加熱、超音波加熱、抵抗加熱（抵抗発熱体）等を適宜適用することも可能である。電磁誘導加熱および超音波加熱は、加熱流体の場合と同様に、急速加熱の観点から好ましい。さらに、電磁誘導加熱は、成形体に含まれる黒鉛を直接加熱する機能を有する点においても好ましい。例えば、加熱手段として電磁誘導加熱を適用する場合、電磁誘導コイルは、下型４５のキャビティ面４６の近傍かつ周囲に螺旋状に巻いて、配置することが可能である。
【００４３】
冷却手段９７，９８は、上型８０および下型８５の内部に配置される通路からなり、冷却流体（冷媒）が導入される。冷却手段９７，９８は、熱硬化の完了後において、上型８０および下型８５を急速に冷却することで、成形されたセパレータの温度を降下させ、セパレータを迅速に取り出すために使用される。冷却流体は、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。
【００４４】
冷却手段９７，９８は、例えば、上型８０あるいは下型８５の一方のみに配置することも可能である。また、冷却手段９７，９８は、冷却流体を利用する形態に限定されず、例えば、冷却ファンを適用することも可能である。冷却手段９７，９８は、設備コストやサイクルタイム（生産性）を考慮し、適宜省略することも可能である。
【００４５】
次に、分割パーツ接合工程を詳述する。図９は、第１および第２プリフォームの投入及び重ね合せを説明するための断面図、図１０は、図８に続く、型締めを説明するための断面図、図１１は、図９に続く、温間成形を説明するための断面図である。
【００４６】
分割パーツ成形工程から搬送される第２プリフォーム７０が、第２成形装置の下型８５に投入されて配置される。この際、下部面７６の凹部７７および凸部７８は、下型８５の凸部８８および凹部８７に位置合わされて嵌合する。
【００４７】
その後、分割パーツ成形工程から同様に搬送される第１プリフォーム６０が、裏返され、第２成形装置の下型８５に投入される。この際、第１プリフォーム６０の略平坦な上部面６１は、下型８５に配置される第２プリフォーム７０の略平坦な上部面７１に、重ね合わされる（図９参照）。
【００４８】
押圧手段９０は、上型８０を降下させ、上型８０と下型８５とを型締めする（図１０参照）。第１プリフォーム６０の下部面６６は、上型８０のキャビティ面８１に相対しているため、下部面６６の凹部６７および凸部６８は、上型８０の凸部８３および凹部８２に位置合わされて嵌合する。
【００４９】
押圧手段５０は、上型４０をさらに降下させ、下型４５によって支持されている第１および第２プリフォーム６０，７０を、加圧圧縮する。一方、加熱手段９５，９６は、上型８０および下型８５を加熱することで、第１および第２プリフォーム６０，７０の温度を上昇させ、第１および第２プリフォーム６０，７０に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させる。
【００５０】
これにより、第１および第２プリフォーム６０，７０は、本成形されることで接合される（図１１参照）。実施の形態１においては、熱硬化性樹脂を熱硬化させるための反応温度は約１５０度、接合のための温間成形圧力は１００ＭＰａ、保持時間は１０分である。
【００５１】
第１および第２プリフォーム６０，７０は、加熱流体によって急速加熱されるため、硬化途中の熱硬化性樹脂が、表面や隅に移動し、局所的に集中することで、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。
【００５２】
上型８０および下型８５を、第１および第２プリフォーム６０，７０の投入前に昇温することも可能である。この場合、熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に第１および第２プリフォームを昇温させるための所要時間が、短縮されるので、サイクルタイムが向上する。
【００５３】
熱硬化および接合が完了し、セパレータ１０が得られると、加熱手段９５，９６の動作が停止される。その後、冷却手段９７，９８は、上型４０および下型４５を冷却することで、セパレータ１０の温度が、例えば、常温まで降下すると、セパレータ１０が取り出される。
【００５４】
なお、第１および第２プリフォーム６０，７０の境界においても、熱硬化性樹脂の反応が生じるため、上部面１１を含んでいる第１分割パーツと、下部面１６を含んでいる第２分割パーツとの間に介在する接合境界面１９は、一体化しており、剥離する虞はない。
【００５５】
以上のように、実施の形態１に係る成形方法及び成形装置を適用して得られる燃料電池用セパレータの上部面は、裏返されたプリフォームの下部面から形成されている。下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有するプリフォームを、粉末状の成形材料から予備成形し、良好な成形精度を確保することは容易である。また、特殊な装置および／又は工程（作業）を必要としないため、セパレータの製造コストの上昇は抑制されている。つまり、実施の形態１は、良好な成形性を有し、かつ安価である燃料電池用セパレータ、当該燃料電池用セパレータの成形方法及び成形装置を提供することができる。
【００５６】
なお、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂は、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の強度を向上させることが可能である。
【００５７】
また、図１２に示される変形例のように、加熱手段５６，５７と、冷却手段５８，５９を第１成形装置に設けることも可能である。加熱手段５６，５７は、成形材料を加圧圧縮し予備形成する際に、成形材料に含まれる熱硬化性樹脂の熱硬化温度未満かつ溶融温度以上に、成形材料の温度を上昇させる。熱硬化性樹脂の溶融は、得られる第１および第２プリフォーム６０，７０の形状保持能（一体化性）を向上させるため、第１および第２プリフォーム６０，７０を分割パーツ接合工程へ搬送するためのハンドリングが容易となる。
【００５８】
さらに、成形材料に含まれる樹脂は、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂や、アクリル樹脂等の常温硬化性樹脂を適用することも可能である。なお、熱可塑性樹脂が適用される場合、樹脂の軟化点以上の適した溶融温度まで、成形材料を昇温することが必要である。また、常温硬化性樹脂が適用される場合、第２成形装置に加熱手段９５，９６および冷却手段９７，９８を設けることが不要となる。
【００５９】
図１３は、実施の形態２に係るセパレータの成形方法を説明するためのフローチャート、図１４は、図１３に示される分割パーツ接合工程に係る第２成形装置を説明するための断面図である。
【００６０】
実施の形態２は、セパレータの下部面を含んでいる第２分割パーツの形成方法に関して、実施の形態１と概して異なっている。なお、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。
【００６１】
分割パーツ成形工程においては、粉末状の成形材料から、セパレータ１０の上部面１１を含んでいる第１分割パーツが、実施の形態１と同様にプリフォームとして形成される。実施の形態２においては、７０重量パーセントの天然黒鉛と、３０重量パーセントのフェノール樹脂とを含んでいる成形材料が適用される。分割パーツ接合工程においては、第２分割パーツが非加圧圧縮体として形成され、当該非加圧圧縮体と前記プリフォームとを接合することで、セパレータが製造される。
【００６２】
実施の形態２に係る第２成形装置は、上型１８０および下型１８５と、押圧手段１９０と、加熱手段１９５，１９６と、冷却手段１９７，１９８とを有する。
【００６３】
上型１８０は、下型１８５に対して近接離間可能に配置され、セパレータの上部面１１に対応するキャビティ面１８１を有する。キャビティ面１８１は、上部面１１の流路溝１２および凸部１３と位置合わされた凸部１８３および凹部１８２を有し、裏返されたプリフォームが相対するように配置される。
【００６４】
下型１８５は、固定式に配置され、セパレータ１０の下部面１６に対応するキャビティ面１８６を有する。キャビティ面１８６は、下部面１６の流路溝１７および凸部１３と位置合わされた凸部１８８および凹部１８７を有し、成形材料が充填されて、下部面に流路溝を構成することとなる凹部を有する非加圧圧縮体が形成される。
【００６５】
押圧手段１９０は、例えば、油圧シリンダ装置を有し、上型１８０と下型１８５を型締めし、プリフォームおよび非加圧圧縮体を加圧圧縮し、本成形することで、プリフォームおよび非加圧圧縮体（第１および第２分割パーツ）を接合するために使用される。
【００６６】
加熱手段１９５，１９６は、上型１８０および下型１８５の内部に配置される通路からなり、加熱流体（熱媒）が導入される。加熱手段１９５，１９６は、上型１８０および下型１８５を加熱することで、プリフォームおよび非加圧圧縮体を、熱硬化性樹脂の熱硬化温度以上に昇温し、本成形するために使用される。
【００６７】
冷却手段１９７，１９８は、上型１８０および下型１８５の内部に配置される通路からなり、冷却流体（冷媒）が導入される。冷却手段１９７，１９８は、熱硬化の完了後において、上型１８０および下型１８５を急速に冷却することで、成形されたセパレータの温度を降下させ、セパレータを迅速に取り出すために使用される。
【００６８】
次に、分割パーツ接合工程を詳述する。図１５は、図１３に示される分割パーツ接合工程における成形材料の充填及び擦切りを説明するための断面図、図１６は、図１５に続く、プリフォームの投入及び重ね合せを説明するための断面、図１７は、図１６に続く、型締めを説明するための断面図、図１８は、図１７に続く、温間成形を説明するための断面図である。
【００６９】
図１５に示されるように、成形材料ＰＭが下型１８５に充填され、非加圧圧縮体１７０が得られる（図５（Ａ）〜図５（Ｃ）参照）。
【００７０】
その後、分割パーツ成形工程から搬送されるプリフォーム１６０が、裏返され、第２成形装置の下型１８５に投入される。この際、プリフォーム１６０の略平坦な上部面１６１は、下型１８５のキャビティ面１８６に形成されているに非加圧圧縮体１７０（充填されている成形材料ＰＭ）の略平坦な上部面１７１に、重ね合わされる（図１６参照）。
【００７１】
押圧手段１９０は、上型１８０を降下させ、上型１８０と下型１８５とを型締めする（図１７参照）。プリフォーム１６０の下部面１６６は、上型１８０のキャビティ面１８１に相対しているため、下部面１６６の凹部１６７および凸部１６８は、上型１８０の凸部１８３および凹部１８２に位置合わされて嵌合する。
【００７２】
押圧手段１９０は、上型１４０をさらに降下させ、下型１４５によって支持されているプリフォーム１６０および非加圧圧縮体１７０を、加圧圧縮する。一方、加熱手段１９５，１９６は、上型１８０および下型１８５を加熱することで、プリフォーム１６０および非加圧圧縮体１７０の温度を上昇させ、プリフォーム１６０および非加圧圧縮体１７０に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させる。
【００７３】
これにより、プリフォーム１６０および非加圧圧縮体１７０は、本成形されることで接合される（図１８参照）。実施の形態２においては、熱硬化性樹脂を熱硬化させるための反応温度は約１７０度、接合のための温間成形圧力は１００ＭＰａ、保持時間は、１２分である。
【００７４】
実施の形態２に係る第２分割パーツは、非加圧圧縮体１７０から構成されているため、プリフォームから構成される実施の形態１に比べて、反応温度を若干上昇させ、かつ保持時間を延長している。
【００７５】
熱硬化および接合が完了し、セパレータ１０が得られると、加熱手段１９５，１９６の動作が停止される。その後、冷却手段１９７，１９８は、上型１４０および下型１４５を冷却することで、セパレータ１０の温度が、例えば、常温まで降下すると、セパレータ１０が取り出される。
【００７６】
なお、プリフォーム１６０および非加圧圧縮体１７０の境界においても、熱硬化性樹脂の反応が生じるため、上部面１１を含んでいる第１分割パーツと、下部面１６を含んでいる第２分割パーツとの間に介在する接合境界面１９は、一体化しており、剥離する虞はない。特に、第２分割パーツは、反応前において粉体状であるため、接合境界面１９の一体化度は、さらに向上する。
【００７７】
以上のように、実施の形態２においては、第２分割パーツを形成するための専用の成形装置が不要であり、設備コストを削減することで、より安価である燃料電池用セパレータを提供することが可能である。
【００７８】
なお、第２成形装置は、図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）に示される変形例のように、下型１８５のキャビティ面１８６に形成される凹部１８７に、突出自在に配置される可動型１９９を有することも可能である。可動型１９９は、本成形の際において、非加圧圧縮体１７０の凹部１７７の間に形成される凸部１７８を押圧することで、セパレータ１０の下部面１６の流路溝１７の成形性を向上させることが可能である。
【００７９】
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。
【００８０】
例えば、セパレータ１０の上部面１１を含んでいる第１分割パーツを、複数に分割して形成することも可能である。この場合、例えば、複雑な形状の上部面を有する大型のセパレータに容易に対処することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池用セパレータを説明するための平面図である。
【図２】実施の形態１に係る燃料電池を説明するための分解図である。
【図３】図１に示されるセパレータの成形方法を説明するためのフローチャートである。
【図４】図３に示される分割パーツ成形工程に係る第１成形装置を説明するための断面図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、分割パーツ成形工程における成形材料の充填及び擦切りを説明するための断面図である。
【図６】図５に続く、型締めを説明するための断面図である。
【図７】図６に続く、常温成形を説明するための断面図である。
【図８】図３に示される分割パーツ接合工程に係る第２成形装置を説明するための断面図である。
【図９】分割パーツ接合工程における第１および第２プリフォームの投入及び重ね合せを説明するための断面図である。
【図１０】図８に続く、型締めを説明するための断面図である。
【図１１】図９に続く、温間成形を説明するための断面図である。
【図１２】実施の形態１の変形例に係る第１成形装置を説明するための断面図である。
【図１３】実施の形態２に係るセパレータの成形方法を説明するためのフローチャートである。
【図１４】図１３に示される分割パーツ接合工程に係る第２成形装置を説明するための断面図である。
【図１５】図１３に示される分割パーツ接合工程における成形材料の充填及び擦切りを説明するための断面図である。
【図１６】図１５に続く、プリフォームの投入及び重ね合せを説明するための断面図である。
【図１７】図１６に続く、型締めを説明するための断面図である。
【図１８】図１７に続く、温間成形を説明するための断面図である。
【図１９】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態２の変形例に係る第２成形装置を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０・・セパレータ、
１１・・上部面、
１２・・流路溝、
１３・・凸部、
１６・・下部面、
１７・・流路溝、
１８・・凸部、
１９・・接合境界面、
２０・・セパレータ、
２１・・上部面、
２２・・流路溝、
２６・・下部面、
３０・・固体高分子電解質膜、
３１，３３・・ガス拡散層、
３２，３４・・フレーム、
３６，３７，３８・・密閉部材、
４０・・上型、
４１・・キャビティ面、
４５・・下型、
４６・・キャビティ面、
４７・・凹部、
４８・・凸部、
５０・・押圧手段、
５５・・ノズル、
５６，５７・・加熱手段、
５８，５９・・冷却手段、
６０・・第１プリフォーム（第１分割パーツ）、
６１・・上部面、
６６・・下部面、
６７・・凹部、
６８・・凸部、
７０・・第２プリフォーム（第２分割パーツ）、
７１・・上部面、
７６・・下部面、
７７・・凹部、
７８・・凸部、
８０・・上型、
８１・・キャビティ面、
８２・・凹部、
８３・・凸部、
８５・・下型、
８６・・キャビティ面、
８７・・凹部、
８８・・凸部、
９０・・押圧手段、
９５，９６・・加熱手段、
９７，９８・・冷却手段、
１４０・・上型、
１４５・・下型、
１６０・・プリフォーム（第１分割パーツ）、
１６１・・上部面、
１６６・・下部面、
１６７・・凹部、
１６８・・凸部、
１７０・・非加圧圧縮体（第２分割パーツ）、
１７１・・上部面、
１７７・・凹部、
１７８・・凸部、
１８０・・上型、
１８１・・キャビティ面、
１８２・・凹部、
１８３・・凸部、
１８５・・下型、
１８６・・キャビティ面、
１８７・・凹部、
１８８・・凸部、
１９０・・押圧手段、
１９５，１９６・・加熱手段、
１９７，１９８・・冷却手段、
１９９・・可動型、
ＰＭ・・成形材料。
【図１】
2006147172.tif 000003
【図２】
2006147172.tif 000004
【図３】
2006147172.tif 000005
【図４】
2006147172.tif 000006
【図５】
2006147172.tif 000007
【図６】
2006147172.tif 000008
【図７】
2006147172.tif 000009
【図８】
2006147172.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2006147172.tif 000012
【図１１】
2006147172.tif 000013
【図１２】
2006147172.tif 000014
【図１３】
2006147172.tif 000015
【図１４】
2006147172.tif 000016
【図１５】
2006147172.tif 000017
【図１６】
2006147172.tif 000018
【図１７】
2006147172.tif 000019
【図１８】
2006147172.tif 000020
【図１９】
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