(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンと熱硬化性樹脂とを混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記圧縮成形に用いる成形型の型締め速度を、前記セパレータに小さな膨れ欠陥が発生し始めるより低い速度を上限速度に定め、充填不足が発生し始めるより高い速度を下限速度に定め、これら上下限速度の範囲から選択するようにし、さらに前記型締め速度を前記熱硬化性樹脂の材料特性に応じて変更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】
前記型締め速度は、前記材料特性が異なる熱硬化性樹脂について型締め速度の上下限値を調べたマップによって決定することを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータ製造法の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、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水を得る過程で電気を得ることができるというものである。一般に、水素に燃料ガスを当て、酸素に空気や酸化剤ガスを当てるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語も使用する。この様な燃料電池は、例えば特開２０００−１２３８４８「燃料電池」に示されており、同公報の図１において、電解質膜１８（符号は公報記載のものを使用する。以下同じ。）にアノード側電極２０及びカソード側電極２２を添わせ、これらをガスケット２４，２６を介して第１セパレータ１４と第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュールを造る。
【０００３】
第１セパレータ１４の内側面１４ａに燃料ガス流路３８が形成され、第２セパレータ１６の内側面１６ａに酸化剤ガス流路４６が形成され、各々中央の電解質膜１８に燃料ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造になっており、図１に記載の１個のセルモジュールで得る電気出力はごく小さいので、この様なセルモジュールを多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従って、セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料ガスや酸化剤が移らぬようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ぶ。
【０００４】
セパレータは、内側面に燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を有するが、ガスを効果的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２に接触させる必要がある。そのために、ガス流路３８，４６はごく浅い溝を多数本条設することになる。上記公報にはセパレータの具体的製造方法は記載さていないが、代表的な製造方法は以下の通りである。
【０００５】
実験室レベルであれば、導電性を有する樹脂板若しくは金属板からなる母材の面を機械切削することで溝を形成する。又、溝を開口したマスクを母材に載せ、その上からショットブラストを吹き付け、溝を形成する。しかし、製造コストが嵩み、実用的でない。そこで、量産が容易で製造コストを下げることのできる金型プレス法が期待される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
金型プレス法はカーボンと熱硬化性樹脂とを混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とを経てセパレータを製造する方法である。
【０００７】
ところで、セパレータ製造工程では成形型でプリフォームを圧縮成形するが、生産性を維持すべく一律の型締め速度で型締めを実施したところ、ある種の熱硬化性樹脂では、セパレータに欠陥が発生することが分かった。
そこで、本発明の目的は、セパレータに発生する欠陥を予防することのできる技術を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、カーボンと熱硬化性樹脂とを混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法において、圧縮成形に用いる成形型の型締め速度を、セパレータに小さな膨れ欠陥が発生し始めるより低い速度を上限速度に定め、充填不足が発生し始めるより高い速度を下限速度に定め、これら上下限速度の範囲から選択するようにし、さらに型締め速度を熱硬化性樹脂の材料特性に応じて変更することを特徴とする。
【０００９】
熱硬化性樹脂の材料特性に応じて型締め速度を変更することで、欠陥の発生を防止する。
加えて、型締め速度は、具体的にはセパレータに発生する小さな膨れ欠陥並びに充填不足を考慮して決める。これであれば外観検査で容易に好適な型締め速度を割出すことができる。
【００１０】
請求項２では、型締め速度は、材料特性が異なる熱硬化性樹脂について型締め速度の上下限値を調べたマップによって決定することを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：所定の配合割合でカーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末をブレンドし、適量のバインダを加えて、混練する。
ＳＴ０２：混練したものを次の要領で成形することで、プリフォームを造る。
【００１３】
図２は本発明に係るプリフォーム成形型の原理図であり、プリフォーム成形下型１１の成形面１２に混練物１４を所定量載せる。そして、成形面１６が平坦なプリフォーム成形上型１７を白抜き矢印のごとく下げて、混練物１４を加圧成形する。
図３は本発明に係るプリフォーム成形型の作用図であり、プリフォーム成形下型１１とプリフォーム成形上型１７とにより、所望の形状のプリフォーム２０を得ることができたことを示す。
【００１４】
図４は本発明に係るセパレータ成形型の断面図であり、受け面３１が平坦であるとともにヒータ３２を備えた下型３３にプリフォーム２０を載せ、直線突条部３４及びヒータ３５を備える上型３６を白抜き矢印の様に型合せすることで、加熱しながら所望の形状にプレス成形を実施する。
【００１５】
この実施例では、上型３６は門型フレーム３８に取付けた昇降機３９，３９で吊り下げ、これらの昇降機３９，３９をモータ４１で駆動するようにする。更に、材料情報を得た制御部４２は、材料情報に基づいてマップ４３から好適な昇降速度情報、すなわち型締め速度情報を速度設定器４４に与え、この速度設定器４４で設定速度に合うようにモータ４１の回転速度を制御する。
従って、本発明では材料に対応して型締め速度を変更できるように装置を構成したことを特徴とする。
【００１６】
なお、実施例では昇降機３９はボールスクリュージャッキやスクリュージャッキなどのメカニカルジャッキとしたが、油圧ジャッキであってもよい。
【００１７】
前記マップ４３及び材料情報について詳述する。
図５（ａ）は充填不足と不良品発生率との関係を示すグラフ、（ｂ）は小さな膨れ欠陥と不良品発生率との関係を示すグラフである。
次の式で求まるガス発生率が０．０１９である材料（これを材料特性Ａの材料と呼ぶ。）を対象として、型締め速度を１〜４ｍｍ／ｓまで変更しながら図４の装置で硬化処理を実施し、不良品の発生率を調べた。
ガス発生率＝（硬化前の材料の重量−硬化後の材料の重量）／硬化前の材料の重量
【００１８】
図５（ａ）は充填不足を調べたものであり、ここでの充填不足は圧縮成形品が製品サイズに達しない、すなわち流動性が不足して製品サイズまで延びなかったことを言う。
型締め速度が１．０ｍｍ／ｓのときには５０％もの不良品が発生した。これは、型締め速度が遅く、型締め途中で硬化が進み過ぎて流動性不足になったものである。
型締め速度を１．５ｍｍ／ｓに早めると、不良品発生率は０になった。
従って、この１．５ｍｍ／ｓを、下限速度ｖ１（充填不足が発生し始めるより高い速度）と規定する。
【００１９】
図５（ｂ）は小さな膨れ欠陥を調べたものであり、この欠陥はガス抜き不十分が原因となる。
型締め速度が１．５ｍｍ／ｓ及び２．０ｍｍ／ｓでは問題なかった。しかし、３．０ｍｍ／ｓでは７０％の不良品が発生し、４．０ｍｍ／ｓでは全数が欠陥品であった。これは型締め速度が早過ぎ、型締め時間が短いため、この短い時間ではガスが十分に抜けなかったためである。
従って、型締め速度は上限があり、上限速度ｖ２（セパレータに小さな膨れ欠陥が発生し始めるよりに低い速度）は２．０ｍｍ／ｓとなる。
すなわち、材料特性Ａの樹脂は、１．５〜２．０ｍｍ／ｓの範囲から選んだ型締め速度で型締めすれば良いことが分かった。
【００２０】
図６は本発明に係る型締め速度を定めるためのマップに相当するグラフである。横軸は熱硬化性樹脂の材料特性、縦軸は型締め速度を示す。
ガス発生量が０．０１９である材料特性Ａを、上限がｖ２で下限がｖ１である縦帯で記入する。また、異なる材料特性Ｂ，Ｃ，Ｄ，ａ，ｂについても、図５（ａ），（ｂ）の要領で、各々の上限及び下限を調べておく。
そして、材料特性Ａよりガス発生量の大きなＢのものを縦帯で記入する。ガス発生量が多いものほど低速で型締めしなければガスが十分に抜けなことから、図示した通りにＢの縦帯はｖ１−ｖ２の帯より低速側になる。
更にガス発生量の大きなＣ，Ｄ又はガス発生量の小さなａ，ｂを同様に記入することで、マップ（図４のマップ４１に相当）が完成する。
【００２１】
今、仮に材料情報として材料特性ｂが与えられれば、矢印▲１▼，矢印▲２▼の順で好適な型締め速度ｖｂを定めることができる。この矢印▲１▼，▲２▼の操作を、図４の制御部４２で実行させる。
なお、図６のマップは一形態を示したに過ぎず、樹脂特性と型締め速度とをマトリックス化したデジタル信号マップであってもよくその形態は任意である。
【００２２】
図１に戻る。
ＳＴ０３：熱硬化性樹脂情報を知る。
ＳＴ０４：熱硬化性樹脂情報に対応する型締め速度を決定する。
ＳＴ０５：圧縮成形を実施する。
ＳＴ０６：ＳＴ０５に引続いて若しくは同時に、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱することにより硬化処理を施す。
これで、所望のセパレータを得ることができる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
本発明によれば、熱硬化性樹脂の材料特性に応じて型締め速度を変更することで、欠陥の発生を防止することができ、製品品質を高めることができると共に、歩留りを良くすることができ、生産性の向上を図ることができる。
【００２５】
さらに本発明によれば、型締め速度は、セパレータに発生する小さな膨れ欠陥並びに充填不足を考慮して決める。これであれば外観検査で容易に好適な型締め速度を割出すことができ、生産能率を高めることができる。
【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の製造フロー図
【図２】本発明に係るプリフォーム成形型の原理図
【図３】本発明に係るプリフォーム成形型の作用図
【図４】本発明に係るセパレータ成形型の断面図
【図５】（ａ）は充填不足と不良品発生率との関係を示すグラフ、（ｂ）は小さな膨れ欠陥と不良品発生率との関係を示すグラフ
【図６】本発明に係る型締め速度を定めるためのマップに相当するグラフ
【符号の説明】
２０…プリフォーム、３３…成形型（下型）、３６…成形型（上型）、４２…型締め速度を制御する制御部、４３…型締め速度を決定するときに用いるマップ、ｖｂ…決定した型締め速度。
【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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