(57)【要約】【課題】金型の接合部等にバリの生じるおそれがなく、実用の電気的特性を得ることのできる安価な燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法を提供する。【解決手段】混合成形材料１を予備成形金型１０に充填・圧縮して中間品２０を予備成形する工程と、中間品２０を本成形金型で本成形して成形品に複数の溝を並設する工程とを備え、成形品の溝領域と溝無し領域とを同一の材料とし、成形品における溝無し領域の単位面積当たりの質量に対する溝領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ０、中間品２０における溝無し予定領域の単位面積当たりの質量に対する溝予定領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ１とした場合に、Ｒ１／Ｒ０の値を０．８以上１．２以下の値とする。混合成形材料１を用いて一次成形し、予め処理した中間品２０を本成形金型で二次成形して成形品を得るので、作業時間を短縮でき、本成形金型の稼働率を向上させることができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛９００〜２０００質量部が添加された混合成形材料により略板体に成形され、両面に複数の凹凸がそれぞれ配列されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【請求項２】
フェノール樹脂を、自己硬化性を有するフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂とした請求項１記載の燃料電池用セパレータ。
【請求項３】
熱硬化性樹脂と導電性材料とからなる混合成形材料を使用して成形品を製造する成形品の製造方法であって、
混合成形材料を使用して成形品と略同様の外形を有する中間品を成形する予備成形工程と、この中間品を成形してその成形品の少なくとも一面に複数の溝を配列する本成形工程とを含んでなることを特徴とする成形品の製造方法。
【請求項４】
フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛９００〜２０００質量部を添加して混合成形材料とし、成形品を燃料電池用セパレータとする請求項３記載の成形品の製造方法。
【請求項５】
成形品を板体としてその両面には複数の溝をそれぞれ所定のピッチで並べ設け、成形品の一面における溝の位置と、成形品の他面における溝の位置とを配列方向にずらして相互に相違させる請求項３又は４記載の成形品の製造方法。
【請求項６】
予備成形時に用いる予備成形金型、及び又は本成形時に用いる本成形金型の一の型の形成部を分割して開閉方向にスライド可能とする請求項３、４、又は５記載の成形品の製造方法。
【請求項７】
本成形金型を熱硬化性樹脂の硬化温度に保持する請求項６記載の成形品の製造方法。
【請求項８】
成形品における溝無し領域の単位面積当たりの質量に対する溝領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ０、中間品における溝無し予定領域の単位面積当たりの質量に対する溝予定領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ１とし、Ｒ１／Ｒ０の値を０．８〜１．２の範囲とする請求項５、６、又は７記載の成形品の製造方法。
【請求項９】
成形品における溝領域の密度／溝無し予定領域の密度を０．８〜１．２の範囲とする請求項５ないし８いずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項１０】
本成形金型の形成部における立面壁の少なくとも開口側を外側に傾斜させた請求項６ないし９いずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項１１】
予備成形時に融点以下の温度で成形品の９５〜１００％以下の面積を有する中間品を成形し、本成形時に中間品を融点以上の温度で加熱加圧成形する請求項３ないし１０いずれかに記載の成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気、電子、半導体の分野等で使用される燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、板形の成形品４０Ａを製造する場合には、図１９に示す所定の材料６０を金型６１に充填して圧縮加熱（図２０参照）し、板形の成形品４０Ａを成形して取り出す（図２１参照）ようにしている。
しかしながら、板形の成形品４０Ａを単に成形するだけでは、品質の不安定化を招くという問題がある。すなわち、成形品４０Ａが横長の断面略Ｕ字形でその周縁部と非周縁部との断面が相違する場合等には、例え成形品４０Ａの肉厚が同一でも、密度が一定しないので、品質が安定しないこととなる。この問題を解消する手段として、成形品４０Ａの厚みに応じて材料６０を充填する技術が提案されている（特許文献１参照）。
また、板形の成形品４０Ａが燃料電池用セパレータの場合には、様々な製造方法により製造されている（特許文献２、３参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１９２３９３号公報
【０００４】
【特許文献２】
特開２００２−２９４０２４号公報
【０００５】
【特許文献３】
特開２００２−２３１２６１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記文献の技術を採用する場合、材料６０が飛散して金型６１の接合部等にバリの生じるおそれが少なくない。また、特許文献２の製造方法により、燃料電池用セパレータからなる板形の成形品４０Ａを製造する場合、実用に耐えることのできる電気的特性を得ることができない。さらに、特許文献３の製造方法を採用する場合、実用に耐える電気的特性を得るには、炭化焼成が必要となるので、価格の増大を招くという問題がある。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みなされたもので、金型の接合部等にバリの生じるおそれがなく、実用の電気的特性を得ることのできる安価な燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、鋭意研究した結果、特定の分子量、粒子形状、粒子径を有するフェノール樹脂に着目し、このフェノール樹脂と黒鉛との混合物を融点（ＤＳＣにおける吸熱ピーク温度をいう）以下の温度で圧縮成形して中間品を予備成形し、この中間品を融点以上の温度で本成形すれば、上記課題を達成することができることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明においては、上記課題を達成するため、フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛９００〜２０００質量部が添加された混合成形材料により略板体に成形され、両面に複数の凹凸がそれぞれ配列されていることを特徴としている。
なお、フェノール樹脂を、自己硬化性を有するフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂とすることができる。
【０００９】
また、本発明においては、上記課題を達成するため、熱硬化性樹脂と導電性材料とからなる混合成形材料を使用して成形品を製造するものの製造方法であって、
混合成形材料を使用して成形品と略同様の外形を有する中間品を成形する予備成形工程と、この中間品を成形してその成形品の少なくとも一面に複数の溝を配列する本成形工程とを含んでなることを特徴としている。
なお、フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛９００〜２０００質量部を添加して混合成形材料とし、成形品を燃料電池用セパレータとすることができる。
【００１０】
また、成形品を板体としてその両面には複数の溝をそれぞれ所定のピッチで並べ設け、成形品の一面における溝の位置と、成形品の他面における溝の位置とを配列方向にずらして相互に相違させることができる。
また、予備成形時に用いる予備成形金型、及び又は本成形時に用いる本成形金型の一の型の形成部を分割して開閉方向にスライド可能とすることができる。
また、本成形金型を熱硬化性樹脂の硬化温度に保持することができる。
また、成形品における溝無し領域の単位面積当たりの質量に対する溝領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ０、中間品における溝無し予定領域の単位面積当たりの質量に対する溝予定領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ１とし、Ｒ１／Ｒ０の値を０．８〜１．２の範囲とすることができる。
【００１１】
また、成形品における溝領域の密度／溝無し予定領域の密度を０．８〜１．２の範囲とすることができる。
また、本成形金型の形成部における立面壁の少なくとも開口側を外側に傾斜させると良い。
さらに、予備成形時に融点以下の温度で成形品の９５〜１００％以下の面積を有する中間品を成形し、本成形時に中間品を融点以上の温度で加熱加圧成形することが好ましい。
さらにまた、本成形時に、本成形金型に中間品をガス抜きせずにセットすることが好ましい。
【００１２】
ここで特許請求の範囲における混合成形材料は、粉末の熱硬化性樹脂と導電性材料とからなり、金型内での材料移動がきわめて少ないものが主ではあるが、特に限定されるものではない。この混合成形材料は、例えば導電性材料と熱硬化性樹脂とが混合・混練されることにより調製される。具体的には、例えばカーボンや黒鉛等の無機材料からなる導電性材料と、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の粉末からなり、バインダー機能を有する熱硬化性樹脂とが混合・混練されることにより所定質量部（例えば５０質量部以上、好ましくは８０質量部以上）調製される。混合成形材料は、その粘性や流動性が高くても低くても良い。また、成形品は、その両面に複数の溝を並べ備えたものが主ではあるが、一面に複数の溝を並べ備えたものでも良い。成形品と略同様の外形には、成形品と同一の外形の他、成形品とおおよそ同一と認められる類似の外形が含まれる。
【００１３】
成形品は、その一面における溝の位置と他面における溝の位置とが配列方向にずれて相互に相違するのが主ではあるが、一面における溝の位置と他面における溝の位置とが配列方向にずれていなくても良い。成形品の一面の溝と他面の溝とは、形状、間隔、方向等が同一でもそうでなくても良い。また、成形品に単数複数の孔を成形により設ける場合、貫通孔部分がその周辺と表面が連なるものとして、換言すれば、貫通孔が存在しないものとして、領域の質量、密度を算出するものとする。さらに、本発明に係る成形品は、少なくとも電気、電子、電池、精密部品、自動車等の分野で利用することが可能である。
【００１４】
本発明によれば、フェノール樹脂に黒鉛を混合した混合成形材料を使用し、成形するだけで燃料電池用セパレータを得ることができるから、燃料電池用セパレータの抵抗値を低下させることができる。
また、フェノール樹脂を、自己硬化性を有するフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂とすれば、硬化剤の分散性が不安定になるのを抑制することができる。すなわち、燃料電池用セパレータを製造する場合には、通常、硬化剤を混合する必要があるが、この硬化剤の量はフェノール樹脂よりも少ないので、黒鉛を含めた全体量に対して少ない量を混合することになり、硬化剤の分散性が不安定になる。しかしながら、フェノール樹脂を、自己硬化性のフェノール・ホルムアルデヒド系樹脂とすれば、硬化剤が不要となり、分散性が安定する。
【００１５】
また、本発明によれば、飛び散りやすい材料を使用して成形品を直ちに製造するのではなく、混合成形材料を使用して固形の中間品を予め成形し、この飛び散らない中間品に外力を加えて変形させ、成形品を製造するので、材料の飛び散りに伴うバリの発生を抑制することができる。
また、中間品と成形品の投影面積当たりの容積比率を略同等とするので、成形品の各部分の密度がおおよそ一定する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータの製造方法は、図１ないし図７に示すように、混合成形材料１を予備成形金型１０に充填・圧縮して燃料電池用セパレータの中間品２０を予備成形する工程と、この中間品２０を本成形金型３０で加熱加圧して複数の溝４１を並設する工程とを備え、燃料電池用セパレータである成形品４０の溝領域と溝無し領域とを同一の材料とし、成形品４０における溝無し領域の単位面積当たりの質量に対する溝領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ０、中間品２０における溝無し予定領域の単位面積当たりの質量に対する溝予定領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ１とした場合に、Ｒ１／Ｒ０の値を０．８以上１．２以下の値とするようにしている。
【００１７】
混合成形材料１は、フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛が９００〜２０００質量部添加され、タンブラーミキサー、ヘンシルミキサー、リボンブレンダー、ナウタミキサー等の攪拌機により混合調製される。フェノール樹脂としては、レゾール型、ノボラック型、フェノール類とホルムアルデヒドとの反応により生成されるフェノール樹脂、フェノール類とホルムアルデヒドとを少なくとも含窒素系化合物の存在下で反応させて得られる縮合物に親水性高分子化合物を添加し、反応させて得られるフェノール樹脂、及びフェノールとホルムアルデヒドとを塩基性水溶液中で反応させて得られるプレポリマーを保護コロイドと混合し、酸性下で不活性固形ビーズ状に凝固させて得られるもの等があげられる。
【００１８】
特に、特公昭６２−３０２１１号公報記載の方法により得られるフェノール樹脂は、レゾール型、ノボラック型のフェノール樹脂と比較して粒子形状が球状で高分子量であり、黒鉛の高充填化が可能であるとともに、成形時の溶融温度が高いので、黒鉛粒子の表面被覆が他のフェノール樹脂と比較して小さく、硬化反応も緩やかであるので最適である。
【００１９】
フェノール樹脂は、平均粒径が５〜１００μｍ以下の球状が好ましい。これは、平均粒径が５μｍ未満の場合には、フェノール樹脂が黒鉛との混合時に舞い上がり、作業環境が悪化するからである。逆に、平均粒径が１００μｍを超える場合には、黒鉛との混合の均一化が困難になり、成形した燃料電池用セパレータの表面に凹凸模様が生じて好ましくないからである。また、フェノール樹脂の分子量は、３，０００〜２０，０００以下、好ましくは４，０００〜１５，０００以下、より好ましくは５，０００〜１０，０００以下が良い。フェノール樹脂の分子量が３，０００以上を要するのは、分子量が３，０００未満の場合には、黒鉛の高充填化が困難となり、溶融温度が低下するので黒鉛粒子の表面被覆が大きくなり、電気的特性が低下して燃料電池用セパレータの電気的特性に問題が生じるからである。
【００２０】
黒鉛としては、鱗片状黒鉛、鱗状黒鉛、土壌黒鉛等の天然黒鉛あるいは天然コークス等を原料として成形、焼成し、さらに２５００℃以上の高温で黒鉛化した人造黒鉛、鱗片状黒鉛を濃硫酸と過酸化水素、過塩素酸塩、過マンガン酸塩等の強酸化剤で処理し黒鉛層間化合物を生成した後、水洗、乾燥して製造される膨張黒鉛、膨張黒鉛を９５０〜１１００℃の高温下で急激に加熱して得られる膨張化黒鉛等の人造黒鉛等、特に限定されるものではないが、かさ比重が０．１ｇ／ｃｃ以上の黒鉛が好ましい。かさ比重が０．１ｇ／ｃｃ以上を要するのは、かさ比重が０．１ｇ／ｃｃ未満の場合、中間品２０の成形が困難になったり、フェノール樹脂との均一な混合に問題が生じるからである。
【００２１】
黒鉛は、単独あるいは２種以上の混合物を使用することができる。この黒鉛は、平均粒径が５〜１００μｍ以下、好ましくは平均粒径が１０〜７０μｍ以下の鱗片状が好適である。これは、平均粒径が５μｍ未満の場合には、電気的特性の低下を招く他、フェノール樹脂との混合時に黒鉛が舞い上がり、作業環境が悪化するという理由に基づく。逆に、平均粒径が１００μｍを超える場合には、フェノール樹脂との混合の均一化が困難になり、成形した燃料電池用セパレータの機械的特性が低下するという理由に基づく。黒鉛は、平均粒径が同一のものでも良いし、異なるものを使用することも可能である。
【００２２】
なお、アセトアルコキシアルミニウムジイソプロピレート等のアルミネート系カップリング剤、イソプロピルトリイソステアロイルチタネート、ビス（ジオクチルバイロホスフェート）オキシアセテート、イソプロピルトリデシルベンゼンスルホニルチタネート等のチタネート系カップリング剤、γ−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、β−（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、Ｎ−β（アミノエチル）γ−アミノプロピルトリメトキシシラン等のシランカップリング剤等の表面改質剤、あるいはアセチレンアルコール、アセチレングリコール、グリセリン脂肪族エステル、ソルビタン脂肪族エステル、ポリグリセリン脂肪族エステル、プロピレングリコール脂肪族エステル、高吸アルコール脂肪族エステル等の各種界面活性剤で表面処理された黒鉛も本発明の特性を失わない範囲で使用可能である。
【００２３】
フェノール樹脂と黒鉛との配合は、フェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛が９００〜２０００質量部、好ましくはフェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛１１００〜１９００質量部、より好ましくはフェノール樹脂１００質量部に対して黒鉛１２００〜１７００質量部が良い。これは、黒鉛の添加量がフェノール樹脂１００質量部に対して９００質量部未満の場合には、燃料電池用セパレータの電気的特性に支障を来たすからである。逆に、黒鉛の添加量がフェノール樹脂１００質量部に対して２０００質量部を超える場合には、実用に耐える燃料電池用セパレータの機械的特性を得ることができないからである。
【００２４】
混合成形材料１には、燃料電池用セパレータの特性を失わせない範囲において、炭酸カルシウム、タルク、カオリン、珪藻土、天然あるいは合成シリカ、ウォラストナイト、ベントナイト、セビオライト、マイカ、水酸化アルミニウム、酸化チタン、ガラスビーズ、ガラスバルーン、活性炭、木炭、竹炭、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維等の充填剤、導電性オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、サーマルブラック、ＰＡＮ系カーボン繊維、ピッチ系カーボン繊維等のカーボン系導電性充填剤、金、銀、銅、パラジウム、アルミニウム、ステンレス等の金属粉末を添加することができる。
【００２５】
予備成形金型１０は、図１等に示すように、相対向する凹字形の固定型１１とスライド可能な凸字形の可動型１２とを備える。固定型１１は、その凹んだ形成部１３が複数に分割されてその中央の一部が開閉方向（本実施形態では上下方向）に適宜スライド可能とされ、図３に示す底部の浅い横長で断面略Ｕ字形の中間品２０を予備成形したり、ハンドリング等に資するよう機能する。また、可動型１２の対向面周縁部には、略枠形の段差１４が切り欠かれる。
【００２６】
本成形金型３０は、図４や図５等に示すように、相対向する凹字形の固定型３１と凸字形の可動型３２とを備え、これら固定型３１とスライド可能な可動型３２との対向面には、中間品２０に製品形状を転写する複数の凹凸３３が略等間隔に並べて形成される。固定型３１の凹んだ形成部３４の各立面壁３５は、その開口側が徐々に外側に傾斜形成され、製造した成形品４０の脱型等を容易化する。
【００２７】
上記において、燃料電池用セパレータを製造する場合には、先ず、粉末状のフェノール樹脂と黒鉛とを混合・攪拌して混合成形材料１を調製し、この混合成形材料１を予備成形金型１０に充填（図１参照）して５〜１２０秒、好ましくは１０〜１００秒加圧（図２参照）し、成形品４０と略同様の外形寸法（厚さ寸法除く）を有する横長で断面略凹字形の中間品２０を略平板に予備成形（図３参照）し、その後、予備成形金型１０を型開きして固形物と化した中間品２０を取り出す。
【００２８】
混合成形材料１の充填に際しては、混合成形材料１の密度や深さ（高さ）を成形品４０の単位面積当たりの質量に応じて充填すると、密度にムラの少ない中間品２０を得ることができる。また、加圧時間が５〜１２０秒なのは、加圧時間が５秒未満の場合には中間品２０の成形が困難となり、逆に加圧時間が１２０秒を超える場合には成形サイクルが長くなり、成形効率の低下を招くからである。
【００２９】
成形温度は、混合成形材料１の融点以下であることが必要となる。これは、融点を超える場合には、フェノール樹脂が溶融し、予備成形金型１０から中間品２０を取り出す場合に中間品２０にそりが生じたり、変形や電気的特性の低下を招くからである。成形に要する成形圧力は０．１〜２ＭＰａの範囲が好ましい。これは、成形圧力が０．１ＭＰａ未満の場合には、中間品２０の成形が困難化し、予備成形金型１０から中間品２０を取り出す場合に中間品２０の破損するおそれがあるからである。逆に、成形圧力が２ＭＰａを超える場合には、フェノール樹脂が黒鉛の表面を覆い、電気的特性が低下するという理由に基づく。また、中間品２０は、融点以下の温度で成形品４０の９５〜１００％以下の面積を有するように成形される。
【００３０】
中間品２０を予備成形したら、この中間品２０を本成形金型３０にインサート（図４参照）して加熱加圧（図５参照）し、中間品２０の表裏両面に複数の溝４１をそれぞれ略等間隔のピッチで平行に並設して成形品４０を成形した後、加圧状態で硬化させて本成形金型３０を型開きし、硬化した成形品４０を取り出せば（図６参照）、燃料電池用セパレータである成形品４０を製造することができる。
なお、本実施形態においては、成形品４０の表面における溝４１の位置と裏面における溝４１の位置とは、図６に示すように、左右配列方向にずれて相互に相違する。
【００３１】
本成形に際しては、中間品２０と成形品４０の断面寸法が以下の関係となるよう留意するのが好ましい。すなわち、図３や図７において、成形品４０の幅寸法をｗＯ、中間品２０の相対的に突出した周縁部の幅寸法をｗＡ、中間品２０の周縁部以外の幅寸法をｗＣ、成形品４０の表面端部から直近の溝４１の上端部までの寸法をｍ１，ｍ２、成形品４０の裏面端部から直近の溝４１の下端部までの寸法をｎ１，ｎ２とすると、中間品２０と成形品４０とが、ｗＡ＝（ｍ１＋ｎ１）／２、ｗＣ＝（ｍ２＋ｎ２）／２の関係にあれば、良質の成形品４０を得ることができる。
【００３２】
本成形の加熱加圧時間は、１〜６０分以下、好ましくは３〜４０分以下、より好ましくは３〜３０分以下が良い。これは、１分未満の場合には、硬化が不十分になるので機械的特性が劣化したり、使用中に成形品４０にそりが発生するからである。逆に、６０分を超える場合には、成形サイクルの遅延化を来たすからである。成形温度は、混合成形材料１の融点〜３５０℃以下、好ましくは１５０℃〜２５０℃以下、より好ましくは１５０℃〜２００℃以下が良い。これは、成形温度が融点以下の場合には、フェノール樹脂が溶融硬化しないので成形品４０を得ることができなくなるという理由に基づく。逆に、成形温度が３５０℃を超える場合には、フェノール樹脂が分解するので、成形品４０の機械的特性が低下するという理由に基づく。
【００３３】
成形に要する成形圧力は、３〜２０ＭＰａの範囲、好ましくは５〜２０ＭＰａの範囲、換言すれば、１０〜２００ｋｇ／ｃｍ２、好ましくは３０〜１５０ｋｇ／ｃｍ２、より好ましくは５０〜１００ｋｇ／ｃｍ２が良い。これは、成形圧力が３ＭＰａ未満の場合には、充填密度が低下するので、機械的、電気的特性が低下するからである。逆に、成形圧力が２０ＭＰａを超える場合には、フェノール樹脂が黒鉛の表面を覆い、電気的特性が低下するからである。
【００３４】
なお、中間品２０は、予備成形の段階で圧縮され、僅かな空気しか含有されていないので、一般的なプレス成形で必要なガス抜きが不要となる。したがって、本成形金型３０の型締め後にガス抜きすることなく、成形時間を短縮することができる。また、本成形した成形品４０には、１８０℃〜２５０℃以下の温度で必要に応じ、熱処理することもできる。
【００３５】
上記によれば、粉末状の混合成形材料１を用いて成形品４０を直ちに製造するのではなく、先ず、混合成形材料１を用いて一次成形し、この予め処理され、比較的簡単に崩れる中間品２０を本成形金型３０で二次成形して崩し、溝４１付きの成形品４０を得るので、作業時間を大幅に短縮することができ、本成形金型３０の稼働率を著しく向上させることができる。すなわち、精密な成形品４０を製造するためには、金型内の必要個所に混合成形材料１を過不足なく充填するのが必要不可欠となるが、この充填作業には、長時間を要することが少なくない。この点、本実施形態によれば、本成形金型３０に取り扱いの容易な中間品２０をインサートするだけで良い。したがって、準備時間を短縮（所定の条件下では、半分以下の時間となる）して本成形金型３０の稼働率を向上させることができる。
【００３６】
また、粒径が１０μｍに満たない微細の粉末を含む混合成形材料１を金型内に充填する場合には、高温加熱された金型に上昇気流が生じている関係上、混合成形材料１が飛散して形成部１３以外の個所に付着硬化し、バリの原因となって金型の寿命を縮める等の不具合を招くことが少なくない。また、金型内に粉末の混合成形材料１を充填すると、最初に金型に接触した混合成形材料１の硬化反応が始まるので、成形品４０の部分毎に硬化反応の進み方が異なり、加圧（圧縮）に基づく製品形状の転写にも悪影響を及ぼすこととなる。これに対し、本実施形態によれば、本成形金型３０に固形の中間品２０をインサートするので、バリの原因となることがなく、長期に亘り金型を使用することができ、しかも、加圧に基づく製品形状の転写にもなんら悪影響を及ぼすことがない。
【００３７】
また、肉厚が一定ではない成形品４０を成形する場合には、その肉厚に応じた材料を充填する必要があるが、粉末からなる混合成形材料１では肉厚に応じた充填が実に困難である。これに対し、本実施形態によれば、中間品２０を単なる平板に成形するのではなく、横長の断面略Ｕ字形に予備成形し、しかも、成形品４０における溝無し領域の単位面積当たりの質量に対する溝領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ０、中間品２０における溝無し予定領域の単位面積当たりの質量に対する溝予定領域の単位面積当たりの質量の比率をＲ１とした場合に、Ｒ１／Ｒ０≒１とする。
【００３８】
換言すれば、成形品４０における溝領域の密度／溝無し予定領域の密度を０．８〜１．２の範囲とするので、部位毎に適正量の混合成形材料１を供給することができる。この結果、混合成形材料１の流動性にかかわりなく、成形品４０の密度が一定化し、良質の成形品４０を容易に得ることが可能となる。また、フェノール樹脂に黒鉛を混練溶融して粉砕し、これを予備成形、本成形するのではなく、フェノール樹脂に黒鉛を混練するだけで、実用的な燃料電池用セパレータを得ることができるから、燃料電池用セパレータの抵抗値の大幅な低下が期待できる。さらに、曲げ特性、電気的特性、厚み精度、優れた表面状態を得ることができ、しかも、製造コストを著しく削減することができる。
【００３９】
さらにまた、本成形金型３０を構成する固定型３１の形成部３４における各立面壁３５の開口側が徐々に外側に傾斜して中間品２０の周縁部との間にクリアランスを形成するので、図８のように脆い中間品２０が引っかかったり、破損する等、インサートに支障を来たすことがない。
【００４０】
次に、図９、図１０は本発明における第２の実施形態を示すもので、この場合には、予備成形金型１０を構成する可動型１２の段差１４を省略して平坦な成形面とし、この可動型１２を用いて面が平らな中間品２０を予備成形するようにしている。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、平坦な中間品２０を予備成形するので、溝４１を有しない複数の中間品２０同士の積層がきわめて容易となるのは明らかである。
【００４１】
次に、図１１は本発明における第３の実施形態を示すもので、この場合には、本成形金型３０を構成する固定型３１の形成部３４における各立面壁３５を徐々に外側に傾斜させて成形品４０の周縁部との間にクリアランスを形成し、中間品２０のインサートと成形品４０の離型とを容易化するようにしている。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、各立面壁３５の開口側だけではなく、開口側以外の領域をも一律に外側に傾斜させるので、固定型３１の設計・製造が容易化するのは明らかである。
【００４２】
次に、図１２ないし図１６は本発明における第４の実施形態を示すもので、この場合には、燃料電池セパレータの中間品２０を本成形金型３０に中間品用供給具５０により供給するようにしている。
本成形金型３０は、図１２等に示すように、中間品用供給具５０の開放された開口５２より中間品２０が落下して供給される固定型３１と、この固定型３１に対して開閉する可動型３２とを備えている。
【００４３】
固定型３１と可動型３２との対向面には、複数の凹凸３３が所定のピッチ・方向で並設され、この複数の凹凸３３が中間品２０の表裏面に複数の溝４１を所定のピッチ・方向で転写する。固定型３１は、中間品２０を囲む枠形の周壁３６と、この周壁３６の内底に嵌合されて可動型３２の開閉方向（本実施形態では上下方向）に往復動する底部３７と、これら周壁３６と底部３７とを搭載するベース板３８とに分割され、可動型３２の下方に位置する。固定型３１の周壁３６は、内周面下部が垂直に形成され、内周の立面壁３５が徐々に外方向に傾斜形成されており、この立面壁３５が成形品４０の脱型を容易化するよう機能する。この固定型３１の周壁３６の上部には、中間品用供給具５０を位置決めしたり、ガイドする機構（図示せず）が配設される。
【００４４】
中間品用供給具５０は、図１５や図１６に示すように、一対のガイドレール５１と、この一対のガイドレール５１の間の開口５２を開閉する搭載板５７とを備え、一対のガイドレール５１の間に搭載板５７を挿入し、一対のガイドレール５１の両端部間に連結板５４・５４Ａをそれぞれ架設するとともに、連結板５４Ａを着脱自在とするようにしている。
【００４５】
一対のガイドレール５１、搭載板５７、一対の連結板５４・５４Ａは、少なくとも中間品２０と接触する９０％以上の領域が繊維系、発泡プラスチック系、ガラスウール等の断熱材により形成され、中間品２０が本成形金型３０に供給される前に中間品２０に熱が伝わるのを抑制するよう機能する。一対のガイドレール５１は、図１５や図１６に示すように、それぞれ細長い薄板に形成され、間隔をおいて相互に対向して中間品２０よりも大きい平面矩形の開口５２を形成しており、この開口５２が中間品２０を落下させるよう機能する。各ガイドレール５１の対向面には、断面Ｕ字形の嵌合ガイド溝５３が長手方向に切り欠かれる。
【００４６】
一対のガイドレール５１の一端部間には連結板５４が一体形成され、この連結板５４の内周面には、ガイドレール５１の嵌合ガイド溝５３に連通する断面Ｕ字形の嵌合ガイド溝５３が切り欠かれる。また、一対のガイドレール５１の他端部間には、接続板５５が一体形成されるとともに、この接続板５５上に隙間を介して対向する連結板５４Ａがガイドレール５１内側の取付溝５６を介し着脱自在に装着され、この連結板５４Ａが搭載板５７の表面に接触し、かつ中間品２０のずれや損傷等を規制する。
【００４７】
搭載板５７は、ポリイミドフィルム等を使用して中間品２０よりも大きい平面矩形の薄板に形成される。そして、一対のガイドレール５１の間に嵌合ガイド溝５３を介しスライド可能・着脱可能に挿入支持され、開口５２を開閉するとともに、中間品２０を搭載するよう機能する。その他の部分については、上記実施形態と同様であるので説明を省略する。
【００４８】
上記において、燃料電池セパレータの成形品４０を本成形する場合には、先ず、混合成形材料１を調製し、この混合成形材料１を予備成形金型１０に充填して圧縮し、成形品４０と略同様の外形寸法を有する中間品２０を予備成形して脱型する。溝４１無しの中間品２０を成形したら、この取り扱いが容易になった単一の中間品２０を略枠形を呈した中間品用供給具５０の搭載板５７に載せ、この搭載板５７を一対のガイドレール５１間に嵌合ガイド溝５３を介し挿入して開口５２を閉塞し、連結板５４Ａをガイドレール５１の取付溝５６に嵌入して搭載板５７に接触させ、中間品２０の位置ずれや損傷等を規制するようにする。この際、一対のガイドレール５１上に、中間品２０を覆う蓋体（図示せず）をセットして本成形金型３０の可動型３２の輻射熱を防ぐようにしても良い。
【００４９】
次いで、予め加熱しておいた本成形金型３０を型開きしてその固定型３１と可動型３２との間に中間品用供給具５０を介在するとともに、固定型３１の周壁３６の上部に中間品用供給具５０を機構を介して位置決め固定（図１２参照）し、中間品用供給具５０の搭載板５７を引き抜いて開口５２を開放し、固定型３１内に中間品２０を落下供給（図１３参照）し、固定型３１から中間品用供給具５０を取り外す（図１４参照）。こうして中間品用供給具５０を取り外したら、固定型３１と可動型３２とを型締めして所定時間加熱加圧し、インサートされた中間品２０の表裏両面にそれぞれ複数の溝４１を転写して加圧状態で硬化させ、成形品４０を成形する。
【００５０】
この際、中間品２０は、予備成形の段階で圧縮され、僅かな空気しか含有されていないので、一般的なプレス成形で必要なガス抜きが不要となる。したがって、本成形金型３０の型締め後にガス抜きすることなく、成形時間を短縮することができる。
【００５１】
次いで、本成形金型３０を型開きして成形品４０を搭載した固定型３１の底部３７を上昇させ、固定型３１の周壁３６の内周面下部から成形品４０の周縁部を離隔させ、固定型３１の内周面中央付近に成形品４０の周縁部を支持させ、成形品４０から離れた固定型３１の底部３７を元の位置に下降復帰させる。成形品４０は、残留する内圧で外寸法が少々膨張拡大するので、固定型３１の周壁３６の内周面下部から立面壁３５の下端との境界付近まで移動すると、傾斜した立面壁３５に摩擦により支持されることとなる。また、固定型３１の底部３７の上下動に際しては、エジェクタロッドの駆動を利用することができる。その後、固定型３１の底部３７が元の位置に復帰したら、硬化した成形品４０を取り出し、成形品４０を得ることができる。
【００５２】
本実施形態においても上記実施形態と同様の作用効果が期待でき、しかも、中間品用供給具５０を利用して固定型３１内に中間品２０を供給するので、材料の投入から加圧開始までの時間を著しく短縮（所定の条件下では１０秒以下）することができ、セパレータとしての特性（体積抵抗率の減少）を大幅に向上させることができる。また、中間品用供給具５０の入る隙間があれば良いから、本成形金型３０の型開きストロークが僅かな量で済み、作業時間の大幅な短縮を図ることができる。
【００５３】
また、連結板５４Ａをガイドレール５１の取付溝５６に嵌入して搭載板５７に接触させるので、引き抜きに伴う搭載板５７上の中間品２０の移動できる範囲が制限され、位置ずれや損傷等を規制することができる。これにより、中間品２０の投入時間を短縮するため、例え水平方向に加速度を加えても、中間品２０の変形や損傷を抑制防止して安定した取り扱いが可能になる。また、成形品４０を搭載した固定型３１の底部３７を上昇させ、固定型３１の立面壁３５に成形品４０の周縁部を支持させるので、成形品４０の脱型が容易になり、自動化が可能になる。さらに、成形品４０の取り出しに必要な型開き量が減少し、成形の高速化が可能になる。
【００５４】
なお、上記各実施形態における成形品４０の各溝４１は、その立面が垂直でも良いが、図１７のように斜めに傾斜していても良い。また、成形品４０の複数の溝４１のピッチは、小さくても良いが、図１８のように大きくても良い。
【００５５】
【実施例】
以下、本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施例について比較例と共に説明する。
実施例１〜３、比較例１〜３で燃料電池用セパレータの成形品をそれぞれ成形し、この成形品の曲げ特性、電気的特性、厚み精度の測定を行い、成形品の表面状態を目視観察してその結果を表１にまとめた。
実施例１
先ず、重合度１００００，平均粒径２０μｍのフェノール樹脂〔カネボウ株式会社製  商品名ベルパールＳ８９０〕１００質量部に対して平均粒径５０μｍの黒鉛〔中越黒鉛工業所製  商品名ＨＧ−５０Ａ〕１０００質量部をタンブラーミキサーにより３０分間混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を１５×１５ｃｍの予備成形金型に７７ｇ投入し、厚さ２ｍｍの中間品を圧縮成形した。中間品は、成形温度３０℃、加圧時間１０秒の条件で予備成形した。
【００５６】
中間品を予備成形したら、この中間品を１５０℃の温度に加熱した１５×１５ｃｍの本成形金型にインサートし、圧縮成形して成形品である燃料電池用セパレータを得た。成形品は、成形温度１５０℃、成形圧力５ＭＰａ、加熱加圧時間３０分間の条件で本成形した。成形品を得たら、この成形品の曲げ特性、電気的特性、厚み精度の測定を行い、成形品の表面状態を目視観察してその結果を表１にまとめた。成形品の電気的特性は、体積抵抗率により評価することとした。
【００５７】
実施例２
先ず、フェノール樹脂〔カネボウ株式会社製  商品名ベルパールＳ８７０〕１００質量部に対して黒鉛〔中越黒鉛工業所製  商品名ＨＧ−３０Ａ〕１５００質量部をタンブラーミキサーにより３０分間混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を１５×１５ｃｍの予備成形金型に７７ｇ投入し、厚さ２ｍｍの中間品を圧縮成形した。中間品は、成形温度３０℃、加熱加圧時間１０秒の条件で予備成形した。
【００５８】
中間品を予備成形したら、この中間品を１９０℃の温度に加熱した１５×１５ｃｍの本成形金型にインサートし、圧縮成形して成形品である燃料電池用セパレータを得た。成形品は、成形温度１９０℃、成形圧力９ＭＰａ、加熱加圧時間５分間の条件で本成形した。成形品を得たら、この成形品の曲げ特性、電気的特性、厚み精度の測定を行い、成形品の表面状態を目視観察してその結果を表１にまとめた。
【００５９】
実施例３
先ず、フェノール樹脂〔カネボウ株式会社製  商品名ベルパールＳ９９Ｗ〕１００質量部に対して黒鉛〔中越黒鉛工業所製  商品名ＨＧ−３０Ａ〕１８００質量部をタンブラーミキサーにより３０分間混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を１５×１５ｃｍの予備成形金型に７７ｇ投入し、厚さ２ｍｍの中間品を圧縮成形した。中間品は、成形温度３０℃、加熱加圧時間１０秒の条件で予備成形した。
【００６０】
中間品を予備成形したら、この中間品を２００℃の温度に加熱した１５×１５ｃｍの本成形金型にインサートし、圧縮成形して成形品である燃料電池用セパレータを得た。成形品は、成形温度２００℃、成形圧力１２ＭＰａ、成形時間３分間の条件で本成形した。成形品を得たら、この成形品の曲げ特性、電気的特性、厚み精度の測定を行い、成形品の表面状態を目視観察してその結果を表１にまとめた。
【００６１】
比較例１
実施例１のフェノール樹脂１００質量部に対して実施例１の黒鉛７００質量部をタンブラーミキサーにより３０分間混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を１５×１５ｃｍの予備成形金型に７７ｇ投入し、厚さ２ｍｍの中間品を圧縮成形した。その他は実施例１と同様とした。
比較例２
実施例２のフェノール樹脂１００質量部に対して実施例２の黒鉛２２００質量部をタンブラーミキサーにより３０分間混合して混合成形材料を調製し、この混合成形材料を１５×１５ｃｍの予備成形金型に７７ｇ投入し、厚さ２ｍｍの中間品を圧縮成形した。その他は実施例１と同様とした。
【００６２】
比較例３
実施例３の混合成形材料を中間品に成形することなく、１９０℃の温度に加熱した１５×１５ｃｍの本成形金型に投入し、圧縮成形して厚さ２ｍｍで板状の成形品からなる燃料電池用セパレータを得た。成形品は、成形温度２００℃、成形圧力１２ＭＰａ、成形時間３分間の条件で本成形した。成形品を得たら、この成形品の曲げ特性、電気的特性、厚み精度の測定を行い、成形品の表面状態を目視観察してその結果を表１にまとめた。
【００６３】
・成形品の曲げ特性の測定方法
曲げ特性の測定方法は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１に準じて測定した。
・体積抵抗率の測定方法
１５×１５ｃｍの成形品を５×５ｃｍのサイズに４枚切り出し、この成形品の厚みを測定して四探針法により体積抵抗率を測定した。測定器としては、ＬＯＲＥＳＴＡ・ＨＰ  ＭＣＰ−Ｔ４１０〔三菱化学株式会社製  商品名〕を使用した。
・厚み精度の測定
成形品の縦横方向共、２．５ｃｍ間隔で２５箇所の厚みを測定し、レンジにより評価した。
【００６４】
【表１】
2004235137.tif 000003
【００６５】
結  果
実施例１〜３によれば、曲げ特性、電気的特性、厚み精度、表面状態に優れた成形品を得ることができた。
【００６６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、金型の接合部等にバリの生じるおそれがなく、実用の電気的特性を得ることのできる安価な燃料電池用セパレータ、及び成形品の製造方法を提供することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における混合成形材料を予備成形金型に充填する状態を示す模式断面説明図である。
【図２】図１の予備成形金型を型締めして圧縮する状態を示す断面説明図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における成形品と略同様の外形寸法を有する中間品を示す模式断面説明図である。
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における本成形金型を示す模式断面説明図である。
【図５】図４の本成形金型を型締めする状態を示す模式断面説明図である。
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における成形品を示す模式断面説明図である。
【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における中間品と成形品の寸法関係を示す模式説明図である。
【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の実施形態における立面壁の傾斜しない本成形金型の問題点を示す模式断面説明図である。
【図９】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の第２の実施形態における予備成形金型を示す模式断面説明図である。
【図１０】図９の予備成形金型を型締めして圧縮する状態を示す断面説明図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の第３の実施形態における本成形金型を示す模式断面説明図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の第４の実施形態における本成形金型を型開きしてその固定型と可動型との間に中間品用供給具を介在した状態を示す断面説明図である。
【図１３】図１２の中間品用供給具の搭載板を引き抜いて固定型内に予備成形品を供給する状態を示す断面説明図である。
【図１４】図１３の固定型から中間品用供給具を取り外した状態を示す断面説明図である。
【図１５】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の第４の実施形態における中間品用供給具を示す斜視説明図である。
【図１６】図１５の分解斜視説明図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の他の実施形態における成形品を示す部分拡大断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池用セパレータ及び成形品の製造方法の他の実施形態における成形品を示す部分拡大断面図である。
【図１９】所定の材料を金型に充填する状態を示す模式断面説明図である。
【図２０】図１９の金型を型締めして加熱加圧した状態を示す模式断面説明図である。
【図２１】図２０の金型から脱型した薄い平板の成形品を示す模式断面説明図である。
【符号の説明】
１          混合成形材料
１０        予備成形金型
１１        固定型（一の型）
１２        可動型
１３        形成部
２０        中間品
３０        本成形金型
３１        固定型（一の型）
３２        可動型
３３        凹凸
３４        形成部
３５        立面壁
４０        成形品
４１        溝
５０        中間品用供給具
【図１】
2004235137.tif 000004
【図２】
2004235137.tif 000005
【図３】
2004235137.tif 000006
【図４】
2004235137.tif 000007
【図５】
2004235137.tif 000008
【図６】
2004235137.tif 000009
【図７】
2004235137.tif 000010
【図８】
2004235137.tif 000011
【図９】
2004235137.tif 000012
【図１０】
2004235137.tif 000013
【図１１】
2004235137.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2004235137.tif 000017
【図１５】
2004235137.tif 000018
【図１６】
2004235137.tif 000019
【図１７】
2004235137.tif 000020
【図１８】
2004235137.tif 000021
【図１９】
2004235137.tif 000022
【図２０】
2004235137.tif 000023
【図２１】
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