(57)【要約】【課題】効率的な燃料電池セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質部材３５により構成した発電範囲２２と、相対的に緻密質な外周部２１と、を有するプレートにより構成されるセパレータ９の製造方法に関する。ここでは、金型３０、３１を用いて相対的に緻密質な外周部２１を成形する第一の工程と、それ以外の部分を形成する第二の工程と、を有し、第一の工程において使用した金型３０、３１（下金型３０）から、緻密質な外周部２１を取り出すことなく、第二の工程を開始する。【選択図】　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質の部分と、相対的に緻密質の部分と、を有するプレートにより構成される燃料電池セパレータの製造方法において、
金型を用いて前記相対的に緻密質の部分を成形する第一の工程と、
それ以外の部分を形成する第二の工程と、を有し、
前記第一の工程において使用した前記金型から、前記緻密質の部分を取り出すことなく、前記第二の工程を開始する燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記緻密質の部分を少なくとも樹脂を用いて構成し、
前記緻密質の部分を構成している樹脂が完全に硬化する前に、前記多孔質の部分を形成する請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項３】
前記緻密質の部分を構成する樹脂の硬化度が９５％以下の状態で、前記多孔質の部分を成形する請求項２に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記緻密質の部分を成形する際には、前記多孔質の部分が形成される領域に前記金型の一部を配置し、
前記多孔質の部分を成形する際には、前記多孔質の部分が形成される領域から前記金型の一部を取り除く請求項２または３に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記金型の前記多孔質の部分を圧縮成形するための溝部の深さが、
前記緻密質の部分を成形する際には、前記緻密質の部分を圧縮成形するための溝部の深さと比較して浅く設定し、
前記多孔質の部分を成形する際には、前記緻密質の部分を圧縮成形するための溝部の深さと等しくなるように設定した請求項４に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記多孔質の部分を形成するための前記金型を、上下方向に移動可能なように構成し、
前記多孔質の部分を形成するための前記金型の一部の上端面は、
前記緻密質の部分を成形する際には、前記緻密質の部分のみを成形した後の上端面と略同じ高さとなり、
前記多孔質の部分を成形する際には、前記緻密質の部分の下端面と同じ高さとなるようにした請求項４に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項７】
樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質の部分と相対的に緻密質の部分とを備えたプレートにより構成した燃料電池セパレータにおいて、
前記緻密質の部分を成形する金型から前記緻密質の部分を取り出さずに、前記多孔質の部分を成形したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項８】
前記多孔質な部材の気孔率が５〜６０％である請求項７に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項９】
前記多孔質の部分として、樹脂１００重量部に対して炭素粉末２３５〜２２２２重量部を主組成とする気孔率５〜６０％の発電範囲を備え、
前記緻密質の部分として、樹脂１００重量部に対して炭素粉末０〜２２２２重量部を主組成とする気孔率５％以下の外周部を備えた請求項８に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１０】
前記緻密質の部分を構成する部材に繊維基材が含まれている請求項７から９のいずれか一つに記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、燃料電池セパレータおよびその製造方法に関する、特に、固体高分子型燃料電池用のセパレータおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、水素と酸素の電気化学反応による起電力を利用した発電装置として固体高分子型燃料電池が知られている。これは、水素などの燃料ガスを供給するための流体通路を備える燃料電池セパレータと、空気等の酸化剤ガスを供給するための流体通路を備える燃料電池セパレータと、を有する単セルを複数積層することにより構成される。一般的に、これらの燃料電池セパレータには、流体通路を形成した範囲の外周側に、締め付けボルトを通す貫通穴や、燃料電池セパレータ表面に形成した流体流路に各種ガスを送り込むためのマニホールド、および、積層面間を固定するためのガスケット等が設けられている。
【０００３】
燃料電池スタックは、複数の燃料電池セパレータを積層して、これらを一定の荷重で圧縮することにより構成される。従って、燃料電池セパレータの外周部に締め付けボルト穴や、各マニホールドが近接して配置されている場合、燃料電池セパレータに破損し易い部分が生じる。特に黒鉛粉末と樹脂を主成分とした燃料電池セパレータは、金属製のそれと比較した場合、その現象が顕著である。
【０００４】
このため、特開２００２−６３９１３号公報においては、発電部分と繊維補強した燃料電池セパレータ外枠部分とを別々に予備成形し、それぞれの予備成形体を熱圧成形により一体にする製造方法がとられている。例えば、炭素粉末と熱硬化性樹脂との混合物から形成したガス流路部材用の予備成形体と、炭素繊維と炭素粉末とを混合した炭素材と熱硬化性樹脂との混合物から形成した枠体部材用の予備成形体とを、金型に装入し、一体に熱圧成形している。
【０００５】
【発明が解決しようとしている問題点】
しかしながら、燃料電池セパレータの発電部分と外枠部分の予備成形体をそれぞれ形成した後、それらを一体にするために再び成形する上記のような工法は、機械的強度が弱い部材では適用が難しい。また、工程数が多くなるため安価なセパレータを提供するには適当ではない。
【０００６】
そこで、本発明では、効率的な燃料電池セパレータの製造方法およびそれにより製造した燃料電池セパレータを提供する。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】
本発明は、樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質の部分と、相対的に緻密質の部分と、を有するプレートにより構成される燃料電池セパレータの製造方法に関する。ここでは、金型を用いて前記相対的に緻密質の部分を成形する第一の工程と、それ以外の部分を形成する第二の工程と、を有し、前記第一の工程において使用した前記金型から、前記緻密質の部分を取り出すことなく、前記第二の工程を開始する。
【０００８】
また、燃料電池セパレータにおいて、前記緻密質の部分を成形する金型から前記緻密質の部分を取り出さずに、前記多孔質の部分を成形する。
【０００９】
【作用及び効果】
第一の工程において使用した金型から、緻密質の部分を取り出すことなく、第二の工程を開始することで、同一の金型で成形することができ、燃料電池セパレータを効率良く製造することができる。
【００１０】
また、緻密質の部分を成形する金型から緻密質の部分を取り出さずに多孔質の部分を成形することで、工程数を少なくすることができ、安価な燃料電池セパレータを提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本実施形態で用いる燃料電池セパレータ（以下、セパレータ）の概略を図１、図２に示す。ここでは、燃料ガスとして水素ガスを、酸化剤ガスとして空気を用いる固体高分子型燃料電池スタックのアノード極側に用いるセパレータ９の構成を説明する。
【００１２】
セパレータ９を、表面にガス流路１３を形成した発電範囲２２と外周部２１により構成する。ガス流路１３は、図１に示すように発電範囲２２全体に形成し、ガス流路１３の端部を、外周部２１に形成した内部マニホールドである水素ガスマニホールド１０に連通させる。水素ガスマニホールド１０は、セパレータ９を用いた単セルを積層することにより構成した燃料電池スタックにおける発電時に、アノード極に水素ガスを分配またはアノード極から発電後のガスを回収する、積層方向に延びる水素ガスの流路である。また、外周部２１には、発電を行う際に空気を積層方向に分配または回収する空気マニホールド１１を形成する。
【００１３】
また、外周部２１には、発電に伴う熱を除去するための冷却水を各単セルに供給、または単セルから冷却後の冷却水を回収するための、積層方向に延びる流通路である冷却水マニホールド１２を構成する。さらに、外周部２１には、燃料電池スタックを積層方向に締め付ける際に使用するタイロッドの貫通穴１４を形成する。外周部２１の発電範囲２２の外周にはガスケット設置溝１５を形成する。
【００１４】
ここでは、発電範囲２２に水素ガスのガス流路１３を形成したセパレータ９を示したが、空気のガス流路１３を形成するセパレータ９も同様の構成をとることができる。ただし、ガス流路１３の端部は空気マニホールド１１に接続し、ガス流路１３の形状は、図１において左右対称となる。
【００１５】
本実施形態では、セパレータ９の外周部２１を緻密質部材３４により構成し、発電範囲２２を多孔質部材３５により構成する。
【００１６】
発電範囲２２を、多孔質部材３５を用いて、成形後の気孔率が５〜７０％となるように形成する。ここで、多孔質部材３５として、樹脂１００重量部に対して炭素粉末２３５〜２２２２重量部を主組成とするものを用いる。ここでは、例えば平均細孔径０．８〜１．５μｍ、気孔率２６．５％となるように発電範囲２２を構成する。
【００１７】
一方、外周部２１は樹脂１００重量部に対して炭素粉末０〜２２２２重量部を主組成とする気孔率５％以下、ここでは２％より小さい緻密質の樹脂黒鉛複合材（緻密質部材３４）で構成する。また、緻密質部材３４に繊維基材を含ませることで、外周部２１の機械的強度を向上する。
【００１８】
セパレータ９の一部に多孔質部材３５を用いることで、水素ガスあるいは空気加湿のための水分や、あるいは発電反応により生じる生成水のうちの一部を多孔質部材３５の気孔に含ませることができ、これにより水素ガスや空気を加湿して発電を効率的に行うことができる。また、燃料ガス流路１３を流れる水素ガスまたは空気の圧力が上昇した際に、優先的に水素ガスや空気を多孔質部分に含有することができるので、外周部２１を介して水素ガスおよび空気がセパレータ９外にリークするのを効果的に抑制することができる。
【００１９】
表１は、本実施形態で用いる発電範囲２２および外周部２１を構成する材料の物性概要の例である。ここでは、発電範囲２２と外周部２１を同種の樹脂で形成し、それぞれを別々に形成した場合の特性を表１に示す。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
気孔率は水銀圧入法で、気体透過性はＪＩＳＫ７１２６（差圧法）で、また、機会的特性に関してはＪＩＳＫ６９１１に準拠した。
【００２２】
次に、このような構成のセパレータ９の製造方法を図３、図４を用いて説明する。
【００２３】
セパレータ９を、下金型３０と上金型３１を用いて形成する。後述するように、下金型３０と上金型３１のセパレータ形成部に対峙する面、つまり下金型３０の上側の表面と、上金型３１の下側の表面はセパレータ９のデザインに沿った加工を施しておく。
【００２４】
下金型３０は、直方体形状の部材の上表面に、セパレータ９形状の溝であるプレート型溝部３９を形成したものである。ただし、溝の深さを成形後のセパレータ９の厚さより大きい深さＢとする。ここで、深さＢは後述するように充填した直後の緻密質部材３４の高さであり、これを圧縮して形成するので、形成されたセパレータ９の厚みは深さＢより小さくなる。
【００２５】
さらに、下金型３０の発電範囲２２に対峙する部分を上下可動の可動部３６により形成し、可動部３６を上に持ち上げた場合には、可動部３６の下側の下金型３０内部に空洞部３７が形成されるように構成する。可動部３６を持ち上げた時には、セパレータ９形状のプレート型溝部３９の中央部に位置する発電範囲２２に対峙する部分が高さ（Ｂ−Ａ）だけ突出する。このとき、可動部３６の下に形成される空洞部３７を維持するために、空洞部３７にはいくつかの支柱を設けてもよい。
【００２６】
一方、上金型３１は、プレートにセパレータ９を構成するプレートと同じ面積の突出部を構成したものである。下金型３０に構成したプレート型溝部３９に、セパレータ材料を充填して、この上金型３１を押し付けて圧縮することで、セパレータ９を成形する。
【００２７】
ここでは、外周部２１と発電範囲２２を同一の金型３０、３１を用いて成形する。以下、その工程を説明する。
【００２８】
まず、緻密質部材３４を用いて外周部２１の予備成形を行う。空洞部３７を形成するように可動部３６を持ち上げてから固定する。このとき、可動部３６はプレート型溝部３９の外周部（下金型３０の上端面３０ａ）より、Ａだけ低くなるようにセットする。つまり、プレート型溝部３９の深さをＢとしたときに、可動部３６は溝底部から高さ（Ｂ−Ａ）だけ突出するようにセットする。
【００２９】
このような状態で、可動部３６の周囲の溝部、つまり外周部２１が形成される部分に緻密質部材３４を充填する。このとき、緻密質部材３４を下金型３０の上端面３０ａに相当する部分まで充填するので、緻密質部材３４の厚みは、溝の深さＢに等しくなる。
【００３０】
ここで、図６に示すように、緻密質部材３４が充填される範囲と可動部３６が占める範囲では、緻密質部材３４の充填時には可動部３６が占める範囲の方が隙間Ａの分だけ低くなっている。これは、外周部２１の予備成形時に、上方から上金型３１を押し付け、緻密質部材３４を隙間Ａの分だけ圧縮して外周部２１を予備成形するためである。この隙間Ａが大きいと、緻密質部材３４が充填した時に可動部３６の上面に流れ出てしまう可能性が生じるので、ここでは、隙間Ａの高さを０．５〜１０ｍｍ、好ましくは０．５〜５ｍｍとする。これにより、緻密質部材３４が充填範囲以外に拡散するのを防ぐことができる。
【００３１】
このように緻密質部材３４を充填したら、短時間の熱圧縮により外周部２１の予備成形を行う。このとき、図５に示すように、外周部２１に重なる形状のプレート８を下金型３０と上金型３１との間に配置することにより、緻密質部材３４の圧縮を増大し、緻密性を増大することもできる。
【００３２】
緻密質部材３４の予備成形後には、緻密質部材３４に用いる樹脂が半硬化状態になっていることが好ましく、それゆえ、用いる樹脂も速硬化性であっては調整が難しくなる。このときは、少なくとも外周部２１の形状保持がなされ、後述する発電範囲２２の成形時に、緻密質部材３４を構成する樹脂が溶融して流れ込まない程度に硬化していればよい。
【００３３】
次に、多孔質部材３５により発電範囲２２の成形を行う。外周部２１の予備成形後、上述するように緻密質部材３４を構成する樹脂が完全に硬化する前に多孔質部材３５を充填する。ここでは、緻密質部材３４を構成する樹脂の硬化度が９５％以下の状態で、多孔質部材３５を充填する。ここで、緻密質部材３４の樹脂硬化度は、硬化がほぼ終了した状態に対する電気伝導度、機械的強度、ＤＳＣ等の熱分析等により相対的に検出し、緻密質部材３４が設定した硬化度になったら多孔質部材３５を充填する。
【００３４】
多孔質部材３５を充填する際には、可動部３６を下方向に移動させ、セパレータ９形状のプレート型溝部３９の底面全体が等しい高さとなるようにする。この状態で多孔質部材３５を充填し、上金型３１を用いて熱圧縮する。ここでは、例えば、緻密質部材３４の予備成形の際と同じ温度で三分間成形する。
【００３５】
ここで、多孔質部材３５と緻密質部材３４との熱膨張率に差がある場合には、上記のような熱圧縮の工程の際に、境界部で亀裂等が生じる恐れがある。これを防止するために、多孔質部材３５は、緻密質部材３４と同種の樹脂を用いる。
【００３６】
このように、外周部２１の緻密質部材３４を構成する樹脂の硬化が完全に終了する前に、発電範囲２２の多孔質部材３５を充填して成形することで、過度の圧力をかけずに外周部２１と発電範囲２２を一体に構成することができる。
【００３７】
なお、成形の第一段階で、緻密質部材３４の予備成形時には、下金型３０のうち発電範囲２２に対峙する部分は、緻密質部材３４が発電範囲２２に充填されないような構造であればよい。つまり、ここでは可動部３６を上下可動としたが、この他にも、緻密質部材３４の成形時にはプレート型溝部３９内に発電範囲２２のサイズのプレートを設置することもできる。ただしこの場合には、多孔質部材３５の充填時には、このプレートを取り除く必要がある。
【００３８】
次に、このように製造したセパレータ９の性能を説明する。
【００３９】
プレート９の緻密質部材３４と多孔質部材３５の境界を確認するために、境界部を含むセパレータ９の任意の３箇所をカットすると、図７に示す緻密質部材３４と多孔質部材３５の部材混在範囲４０はいずれも１ｍｍ以下となった。ここで、部材混在範囲４０では、水素ガスや空気に供給する水分を多孔質部材３５のようには含有できないため、発電の範囲として使用することができない。また、緻密質部材３４よりも機械的強度が小さく、ガスケット設置溝１５を形成する領域としても使用することができない。しかしながら、異なる部材を用いて一体の物質を作る際には、境界部の機械的強度を維持するために、この部材混在範囲４０を形成する方が好ましい。そのため、部材混在範囲４０を備えるとともにその領域を抑えることで、境界部の機械的強度を維持しつつ、発電等に使用できない領域を抑えることができる。
【００４０】
また、セパレータ９の端部のガス遮蔽性を確認した結果を表２に示す。ここでは、本実施形態で生成したセパレータ９を組み立てて単セルを組み、水中に埋没してアノード側およびカソード側のガス流路１３に窒素ガスを流す。さらに、水素ガスマニホールド１０および空気マニホールド１１の出口側に栓をして、一定の圧力をセル内にかける。ここで、条件１は絶対圧力で１５０ｋＰａをかけた場合、条件２は絶対圧力で２００ｋＰａをかけた場合とする。このような条件下でセパレータ９の端部からのガスリーク状態を観察する。ここで、比較例として、多孔質材のみで形成したセパレータを用いた単セルについても同条件で観察を行い、本実施形態と比較例のガスリークの結果を表２に示す。
【００４１】
【表２】
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【００４２】
表２に示すように、比較例では条件１、条件２においてもガスリークを生じたのに対して、本実施形態に従って製造したセパレータ９を用いた単セルは、条件１でも、条件２でもガスリークを生じないことを確認できる。
【００４３】
つまり、本実施形態のようにセパレータ９を成形することで、セパレータ９に必要な性質を維持しつつ、製造工程を簡単にすることができる。
【００４４】
次に、本実施形態における効果を説明する。
【００４５】
樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質の部分（発電範囲２２）と、相対的に緻密質の部分（外周部２１）と、を有するプレートにより構成される燃料電池セパレータを次のように製造する。下金型３０を用いて外周部２１を成形する第一の工程と、それ以外の部分を形成する第二の工程と、を有し、第一の工程において使用した下金型３０から、外周部２１を取り出すことなく、第二の工程を開始する。このように、同一の下金型３０内で複数段に分けて成形することで、工程数を低減することができ、効率良く製造することが可能である。
【００４６】
また、外周部２１を少なくとも樹脂を用いて構成し、外周部２１を構成している樹脂が完全に硬化する前に、発電範囲２２を形成することで、発電範囲２２に過度の負荷をかけることなく外周部２１と発電範囲２２間の接合を十分に行うことができる。これにより、機械的強度の小さな部材、例えば多孔質部材３５を用いても容易に製造することができる。
【００４７】
ここでは、外周部２１を構成する緻密質部材３４の樹脂の硬化度が９５％以下の状態で、発電範囲２２を構成する多孔質部材３５の充填を開始する。これにより、過度の負荷をかけずに外周部２１と発電範囲２２とを一体化することができる。また、部材混合範囲４０を形成することができ、境界部の強度を維持することができる。９５％より硬化してしまうと、境界部分の接合がうまくいかない場合があり、多孔質部材３５の成形が、硬化した緻密質部材３４の形状精度に依存することがある。
【００４８】
さらに、外周部２１を成形する際には、発電範囲２２が形成される領域に下金型３０の一部（可動部３６）を配置し、発電範囲２２を成形する際には、発電範囲２２が形成される領域から下金型３０の一部（可動部３６）を取り除く。これにより、外周部２１を成形後に下金型３０から取り出すことなく発電範囲２２を形成できる。これにより、工程を簡単にすることができ、効率良くセパレータ９を製造することができる。
【００４９】
下金型３０の発電範囲２２を圧縮成形するための溝部の深さ（下金型３０の上端面３０ａと可動部３６の上面との高さの差）を、外周部２１を成形する際には、プレート型溝部３９の外周部２１を形成する部分の深さＢと比較して浅く、ここでは深さＡに設定し、発電範囲２２を成形する際には、深さＢと等しくなるように設定する。このように溝の深さを変えることで、金型３０、３１で外周部２１および発電部２２の両方を成形することができる。
【００５０】
また、発電範囲２２を形成するための前記金型の一部（可動部３６）の上面を、外周部２１を成形する際には、外周部２１の成形後の上端面と略同じ高さとし、発電範囲２２を成形する際には、外周部２１の下端面と同じ高さとなるようにする。つまり、ここでは下金型３０の一部を可動部３６のように上下するようにしたため、外周部２１を圧縮成形により適切に形成した下金型３０を用いて簡単に、且つ、適切に発電範囲２２の圧縮成形することができる。
【００５１】
樹脂および黒鉛粉末を主成分とする多孔質部材３５により構成した発電範囲２２と、相対的に緻密質な緻密質部材３４を用いて構成した外周部２１を有するプレートによりセパレータ９を構成する。このようなセパレータ９を、外周部２１を成形する下金型３０から外周部２１を取り出さずに、発電範囲２２を成形する。これにより、セパレータ９の製造工程を簡単にすることができ、製造コストを低減することができる。また、セパレータ９によるガスの遮蔽性を保持することができる。
【００５２】
ここでは多孔質部材３５により構成された発電範囲２２を気孔率が５〜６０％であるように構成する。多孔質部材３５により構成される部分を気孔率５〜６０％に構成する事で、機械的強度、成形性を維持することができる。
【００５３】
さらに、多孔質部材３５の組成を樹脂１００重量部に対して炭素粉末２３５〜２２２２重量部を主組成とし、緻密質部材３４の組成を樹脂１００重量部に対して炭素粉末０〜２２２２重量部を主成分とすることにより、セパレータ９として要求される機械的・電気的特性を満足することができる。また、外周部２１を緻密質部材３４で構成する場合、緻密質部材３４の気孔率を５％以下にすることで、スタック外部へのガスリークを抑えることができる。
【００５４】
このように、通常、求められる性質を備えたセパレータ９を、本実施形態により製造することができる。
【００５５】
緻密質部材３４に繊維基材を含ませることにより、セパレータ９自身の機械的強度を飛躍的に向上させることができる。特に、セパレータ９外周部に繊維基材を有した緻密質材を用いることで、ガスシール性を確保しつつプレートの強度も確保することができる。
【００５６】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術思想の範囲内で様々な変更が成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態に用いるセパレータの概略図である。
【図２】本実施形態に用いるセパレータの構成部材の説明図である。
【図３】本実施形態に用いる下金型の概略および外周部成形時の説明図である。
【図４】本実施形態における発電範囲成形時の説明図である。
【図５】本実施形態で説明するセパレータの製造方法の一例を示す図である。
【図６】本実施形態の外周部成形時の状態の説明図である。
【図７】本実施形態のセパレータの緻密質部材と多孔質部材の境界部の状態図である。
【符号の説明】
９　　セパレータ
２１　外周部（緻密質な部分）
２２　発電範囲（多孔質な部分）
３０　下金型（金型）
３１　上金型
３４　緻密質部材
３５　多孔質部材
３６　可動部（金型の一部）
【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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【図６】
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【図７】
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