(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンと熱硬化性樹脂との混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用い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。
【請求項３】
前記プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたことを特徴とする請求項２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、成形後のセパレータの平坦度を向上させるのに好適な燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【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て水を得る過程で電気を得ることができる電池である。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。
【０００３】
このような燃料電池としては、例えば、特開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られている。
同公報の図１によれば、電解質膜１８（符号は公報に記載されているものを使用した。以下同様。）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及び第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュールを構成する。
【０００４】
詳細には、第１セパレータ１４の面１４ａに燃料ガスの流路となる第１流路３８が形成され、第２セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガスの流路となる第２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である。
【０００５】
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、このよう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、第１・第２セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ばれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報にはセパレータの製造方法は記載されていないが、一般的に次にような製造方法が知られている。
即ち、▲１▼材料粉末を混練し、▲２▼この混練物を成形してプリフォームを造り、▲３▼プリフォームを圧縮成形しながら加熱硬化させてセパレータを造る、方法である。
【０００７】
上記した▲２▼のプリフォーム成形工程では、プリフォーム成形型内での混練物の圧縮状態によっては、成形したプリフォームの密度が一様にならず、密度の大きな部分と小さな部分とができて、このようなプリフォームを圧縮成形してセパレータを成形すると、セパレータの密度分布にむらができ、セパレータに反りが生じたり厚さが不均一になり、セパレータの平坦度が悪くなることが考えられる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、燃料電池用セパレータの製造方法を改善することにより、成形後のセパレータの平坦度を向上させることにある。
【０００９】
【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の混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなる。
【００１０】
プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォームの水平方向の重心がプリフォーム形状の中心からずれて成形された場合に、プリフォーム重心をセパレータ圧縮成形型のキャビティ中心に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ全体に広がったプリフォームの密度分布を均一にすることができる。
従って、成形後のセパレータの密度分布も均一になり、セパレータが反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータの平坦度を向上させることができる。
【００１１】
請求項２は、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用いることを特徴とする。
【００１２】
プリフォーム投入手段に備えた制御手段でプリフォームの移動座標を制御することで、プリフォーム重心をキャビティ中心に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ品質を維持することができる。
【００１３】
請求項３は、プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたことを特徴とする。
プリフォームを把持部材で把持するようにしたことで、プリフォームを把持した状態で圧縮成形型のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心をキャビティ中心へ一致させることができる。従って、圧縮成形型内へのプリフォームの移動をスムーズに行うことができる。
【００１４】
【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。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
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である。なお、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とをブレンドし、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。
【００１５】
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係るプリフォーム成形の要領を説明する作用図であり、まず、（ａ）において、プリフォーム成形下型１１の成形面１２に混練物１３を載せる。そして、プリフォーム成形上型１５を白抜き矢印のように下げて、混練物１３を加圧成形する。
次に、（ｂ）において、プリフォーム成形下型１１とプリフォーム成形上型１５とで、所望の形状にプリフォーム１７を成形したことを示す。
【００１６】
図１に戻り、セパレータの製造フローの説明を続ける。
ＳＴ０３…プリフォームを図３〜図１０の要領で下型に位置決めする。
ＳＴ０４…プリフォームの圧縮成形を開始する。
ＳＴ０５…上記圧縮成形開始とほぼ同時に加熱硬化処理を行い、セパレータを造る。
【００１７】
図３は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法におけるプリフォーム位置決め工程のフローである。
ＳＴ１１…載置台の基準位置にプリフォームを仮置きする。
ＳＴ１２…プリフォームを所定量移動させ、３個の重量センサ上に載せる。
【００１８】
ＳＴ１３…プリフォームの重量を３個の重量センサでそれぞれ測定する。
ＳＴ１４…３個の重量センサでそれぞれ測定した重量からプリフォームの水平方向の重心を算出する。
ＳＴ１５…プリフォーム形状の中心に対するプリフォーム重心のオフセット量を算出する。
【００１９】
ＳＴ１６…プリフォームの移載位置、即ちプリフォームを移動させる下型上の位置の座標を、例えば入力手段で入力する。
ＳＴ１７…ＳＴ１６で入力した移載位置の座標に基づき、プリフォームを移載する。これで、下型へのプリフォームの位置決めが完了する。
【００２０】
図４は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の側面図である。
プリフォーム投入手段としてのプリフォーム位置決め装置２０は、プリフォーム１７を仮置きする載置台２１と、この載置台２１に載せたプリフォーム１７を圧縮成形型としてのセパレータ成形型２２へ移載するための移載機構２３と、この移載機構２３を制御する制御装置２４とからなる。
【００２１】
セパレータ成形型２２は、それぞれ電熱ヒータ２５・・・（・・・は複数個を示す。
以下同様。）を備える下型２６及び上型２７とからなる。
移載機構２３は、ベース部３１にスイング可能に取付けた第１アーム部３２及び第２アーム部３３と、この第２アーム３３の先端に取付けることでプリフォーム１７を把持する把持部材としてのハンド部３４とからなり、載置台２１上に設けたプリフォーム１７の載置位置と下型２６の成形面２６ａとをほぼ同じ高さにすることで高さ方向に最小限の動作をさせるようにしたものである。
【００２２】
制御装置２４は、移載機構２３によるプリフォーム１７の移動位置を座標として入力するための入力部３６と、この入力部３６からの入力情報Ｊｉを受ける制御手段としての制御部３７と、この制御部３７からの制御信号ＳＣに基づいて移載機構２３に駆動信号ＳＤを送り、移載機構２３を駆動する駆動部３８とからなる。
【００２３】
図５は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の要部斜視図であり、載置台２１（図４参照）に設けた載置プレート４１に、プリフォーム１７を位置決めするための３本の位置決めピン４２，４３，４４及びプリフォーム１７の重量を測定するための３個の荷重センサ４５，４６，４７を取付け、移載機構２３のハンド部３４のベース部５１に、プリフォーム１７を把持するための３本の把持ピン５２，５３，５４及び把持シリンダ装置５５を備えたことを示す。
【００２４】
把持シリンダ装置５５は、シリンダ部５６内に移動可能にピストン（不図示）を収納し、このピストンにピストンロッド５７を取付け、このピストンロッド５７の先端に把持部５８を取付けることで、シリンダ部５６へ油圧を供給する、又は油圧の供給を停止して、ピストンロッド５７を前進又は後退させ、把持部５８及び前述の把持ピン５２，５３，５４とでプリフォーム１７を把持又は把持解除を行わせる装置である。
【００２５】
以上に述べたプリフォーム位置決め装置２０の作用を次に説明する。
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第１作用図であり、（ａ）は位置決めピン４２，４３，４４にプリフォーム１７の側面１７ａ，１７ｂを当てるようにして、載置プレート４１上にプリフォーム１７を仮置きしたことを示す。
（ｂ）において、プリフォーム１７をハンド部３４の把持ピン５２，５３，５４及び把持部５８で把持して、水平方向に移動させる。この場合のプリフォーム１７の移動量は、図の左右方向にｘ１、図の上下方向にｙ１である。
【００２６】
図７は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第２作用図であり、図６（ｂ）の状態からこの図７ではプリフォーム１７の把持を解除し、プリフォーム１７を３個の荷重センサ４５，４６，４７上に載せた状態を示す。
荷重センサ４５，４６，４７は、二等辺三角形の各頂点に配置したものであり、図では二等辺三角形の高さの中央位置６０にプリフォーム１７の形状中心７０を合わせた状態を示す。
【００２７】
図８は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第３作用図であり、荷重センサ４５，４６，４７で測定した各荷重からプリフォーム１７の重心位置を求め、プリフォーム１７の形状中心位置に対する重心位置のオフセット量を求める過程を説明する。
まず、プリフォーム１７の重心位置を求める。
図は、プリフォーム１７、荷重センサ４５，４６，４７、プリフォーム１７の形状中心７０及びプリフォーム１７の重心８０を示したものである。
【００２８】
プリフォーム１７の左下角部にｘｙ座標の原点（０，０）を取り、プリフォーム１７の下辺にｘ軸、左辺にｙ軸を取り、荷重センサ４５，４６，４７の各座標を（ｘ１，ｙ１）（ｘ２，ｙ２）（ｘ３，ｙ３）とし、各荷重センサ４５，４６，４７で得た荷重をぞれぞれｍ１，ｍ２，ｍ３とする。
【００２９】
また、プリフォーム１７の形状中心７０の座標を（ｘｄ，ｙｄ）、プリフォーム１７の重心８０の座標を（ｘｗ，ｙｗ）とし、形状中心７０に対する重心８０のオフセット量をｘ軸方向に△ｘ、ｙ軸方向に△ｙとすると、重心８０回りのモーメントは釣り合うから、各荷重センサ４５，４６，４７でのそれぞれの荷重ｍ１，ｍ２，ｍ３と、これらの荷重センサ４５，４６，４６の重心８０からのｘ軸方向の距離及びｙ軸方向の距離とから得られる各モーメントより、以下の［数１］に示すように、重心８０の座標（ｘｗ，ｙｗ）を求めることができる。
【００３０】
【数１】
0004629274.tif 000002
【００３１】
即ち、重心８０のｘ座標はｘｗ＝（ｍ１・ｘ１＋ｍ２・ｘ２＋ｍ３・ｘ３）／（ｍ１＋ｍ２＋ｍ３）、ｙ座標はｙｗ＝（ｍ１・ｙ１＋ｍ２・ｙ２＋ｍ３・ｙ３）／（ｍ１＋ｍ２＋ｍ３）となる。
また、プリフォーム１７の形状中心７０の座標（ｘｄ，ｙｄ）は、（（ｘ１＋ｘ３）／２，（ｙ１＋ｙ２）／２）となる。
従って、重心８０のｘ軸方向のオフセット量△ｘは△ｘ＝ｘｗ−ｘｄ、ｙ軸方向のオフセット量△ｙは△ｙ＝ｙｗ−ｙｄとなる。
【００３２】
図９は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第４作用図である。
載置台２１側で重心を求めたときのプリフォーム１７の形状中心と、セパレータ成形型２２側でのキャビティ中心（次図で詳述する。）との距離は既知であるから、この距離を入力手段３６で入力し、この距離と既に求めたプリフォーム１７の重心のオフセット量△ｘ，△ｙとから、制御装置の制御部３７はプリフォーム１７の移動量を算出し、駆動手段３８に制御信号ＳＣを送る。駆動手段３８は制御信号ＳＣに基づいて移載機構２３に駆動信号ＳＤを送って移載機構２３を駆動させ、プリフォーム１７を載置台２１からセパレータ成形型２２へ移載する。
上記プリフォーム１７の移動量を次図で説明する。
【００３３】
図１０は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第５作用図であり、載置台側とセパレータ成形型側との平面図を示す。
ここで、平面視でセパレータ成形型２２のキャビティ８５（ここでは、キャビティを形成する下型の矩形状の成形面２６ａ（図４参照）のことである。）の中心、即ちキャビティ中心を９０とすると、載置台２１の載置プレート４１上においてプリフォーム１７の重量を測定したときの形状中心７０と、セパレータ成形型２２のキャビティ中心９０との距離をｘ軸方向（プリフォーム１７の長手方向）にＬｘ、ｙ軸方向にＬｙとし、プリフォーム１７をセパレータ成形型２２へ位置決めする、即ちキャビティ中心９０にプリフォーム１７の重心８０を移動させるためのプリフォーム１７の移動量をｘ軸方向にＭｘ、ｙ軸方向にＭｙとすると、Ｍｘ＝Ｌｘ−△ｘ、Ｍｙ＝Ｌｙ＋△ｙとなる。
【００３４】
図１１は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第６作用図であり、プリフォーム１７をセパレータ成形型２２の所定位置上に移動させ、把持ピン５２，５３，５４及び把持部５８によるセパレータ１７の把持を解除して、プリフォーム１７の位置決めを完了した状態を示す。即ち、プリフォーム１７の重心８０はキャビティ中心９０に一致した状態にある。
【００３５】
図１２は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮成形および加熱硬化処理を説明する作用図であり、プリフォームを位置決めした下型２６に上型２７を型合わせし、圧縮成形するとともに電熱ヒータ２５で加熱硬化させてセパレータ９５を成形する。
【００３６】
以上の図２、図８及び図１１で説明したように、本発明は第１に、カーボンと熱硬化性樹脂との混練物１３からプリフォーム１７を成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォーム１７の水平方向の重心８０を求める工程と、求めた重心８０が平面視でセパレータ成形型２２のキャビティ中心９０に一致するようにセパレータ成形型２２にプリフォーム１７を位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォーム１７を圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータ９５（図１２参照）を成形するセパレータ成形工程とからなる。
【００３７】
プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォーム１７の水平方向の重心８０がプリフォームの形状中心７０からずれて成形された場合に、プリフォーム重心８０をキャビティ中心９０に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ８５の全体に広がったプリフォーム１７の密度分布を均一にすることができる。
従って、成形後のセパレータ９５の密度分布も均一になり、セパレータ９５が反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータ９５の平坦度を向上させることができる。
この結果、セパレータ９５の品質を高めることができる。
【００３８】
本発明は第２に、図４及び図１１において、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心８０をキャビティ中心９０に一致させるために、プリフォーム１７の移動座標を制御する制御部３７を備えたプリフォーム位置決め装置２０を用いることを特徴とする。
【００３９】
プリフォーム位置決め装置２０に備えた制御部３７でプリフォーム１７の移動座標を制御することで、プリフォーム重心８０をキャビティ中心９０に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ９５の品質を維持することができる。
【００４０】
本発明は第３に、プリフォーム位置決め装置２０に設けたハンド部３４でプリフォーム１７を把持するようにしたことを特徴とする。
プリフォーム１７をハンド部３４で把持するようにしたことで、プリフォーム１７を把持した状態でセパレータ成形型２２のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心８０をキャビティ中心９０へ一致させることができる。従って、セパレータ成形型２２の外部からセパレータ成形型２２内へのプリフォーム１７の移動をスムーズに行うことができる。
【００４１】
尚、本発明では、プリフォーム投入手段に把持部材を設けたが、この把持部材の代わりにプリフォームを吸着する吸着手段を設け、この吸着手段でプリフォームを吸着してプリフォームの位置決めを行ってもよい。
【００４２】
【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。
請求項１の燃料電池用セパレータの製造方法は、カーボンと熱硬化性樹脂との混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなるので、プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォームの水平方向の重心がプリフォーム形状の中心からずれて成形された場合に、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ全体に広がったプリフォームの密度分布を均一にすることができる。
【００４３】
従って、成形後のセパレータの密度分布も均一になり、セパレータが反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータの平坦度を向上させることができる。
この結果、セパレータの品質を高めることができる。
【００４４】
請求項２の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用いるので、プリフォーム投入手段に備えた制御手段でプリフォームの移動座標を制御することで、プリフォーム重心をキャビティ中心に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ品質を維持することができる。
【００４５】
請求項３の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたので、プリフォームを把持した状態で圧縮成形型のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心をキャビティ中心へ一致させることができる。従って、圧縮成形型の外部から圧縮成形型内へのプリフォームの移動をスムーズに行うことができる。
【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２】本発明に係るプリフォーム成形の要領を説明する作用図
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法におけるプリフォーム位置決め工程のフロー
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の側面図
【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の要部斜視図
【図６】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第１作用図
【図７】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第２作用図
【図８】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第３作用図
【図９】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第４作用図
【図１０】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第５作用図
【図１１】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第６作用図
【図１２】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮成形および加熱硬化処理を説明する作用図
【符号の説明】
１３…混練物、２０…プリフォーム投入手段（プリフォーム位置決め装置）、２２…圧縮成形型（セパレータ成形型）、３４…把持部材（ハンド部）、３７…制御手段（制御部）、８０…プリフォームの重心、９０…圧縮成形型のキャビティ中心、９５…セパレータ。
【図１】
0004629274.tif 000003
【図２】
0004629274.tif 000004
【図３】
0004629274.tif 000005
【図４】
0004629274.tif 000006
【図５】
0004629274.tif 000007
【図６】
0004629274.tif 000008
【図７】
0004629274.tif 000009
【図８】
0004629274.tif 000010
【図９】
0004629274.tif 000011
【図１０】
0004629274.tif 000012
【図１１】
0004629274.tif 000013
【図１２】
0004629274.tif 000014