(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合物を圧縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータを加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出した後の冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め付けることで、セパレータを矯正する矯正工程とからなる燃料電池用セパレータのアニール処理方法。
【請求項２】
前記矯正工程では、締付部材により前記セパレータとセパレータとの間をも締め付け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アニール処理方法。
【請求項３】
前記セパレータを複数枚積層してなるセパレータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池用セパレータのアニール処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータをより効果的に矯正する燃料電池用セパレータのアニール処理方法に関する。
【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】
第１セパレータ１４は面１４ａに燃料ガスのための流路３８を備え、第２セパレータ１６は面１６ａに酸化剤ガスのための流路４６を備えるが、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り、そのために、流路３８，４６はごく浅い溝を多数本条設する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した第１・第２セパレータ１４，１６では、多数本の溝を片側の面に条設するために、板厚が不均一になり、圧縮成形時の成形温度からの冷却過程で、体積収縮が不均一になって内部に残留応力が発生することがある。これは、反りやねじれとなって現れ、このようなセパレータを燃料電池内に組込んだ場合、各セル間のシール性が損なわれるおそれがあり、燃料電池の性能を高めるのが難しくなる。
上記した反りやねじれを取除くには一般的に熱処理が行われるが、燃料電池の性能をより高めるために、効果的なセパレータの矯正方法が望まれる。
【０００８】
本発明の目的は、燃料電池用セパレータのアニール処理方法によって、セパレータをより効果的に矯正することにある。
【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合物を圧縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータを加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出した後の冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め付けることで、セパレータを矯正する矯正工程とからなる。
【００１０】
セパレータを冷却時に締付部材で締めて矯正することで、燃料電池内にセパレータを組込んだときの状態とほぼ同様の条件でセパレータの歪みや残留応力をより効果的に取除くことができ、セパレータによる各燃料電池セル間のシール性を高めることができる。従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００１１】
請求項２は、矯正工程では、締付部材によりセパレータとセパレータとの間をも締め付けることを特徴とする。
セパレータとセパレータとの間をも締め付けることで、セパレータの外側位置だけでセパレータを締め付けるよりも、セパレータ全体に均等な締付力を与えることができる。従って、セパレータ全体に亘って矯正を均等に行うことができる。
【００１２】
請求項３は、セパレータを複数枚積層してなるセパレータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持することを特徴とする。
一度に多くのセパレータの矯正を行うことができ、矯正作業を効率的に行うことができる。
【００１３】
【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…混練したものを成形型で加圧成形することでプリフォームを造る。
【００１４】
ＳＴ０３…プリフォームの圧縮成形を開始する。
ＳＴ０４…上記圧縮成形開始とほぼ同時に加熱硬化処理を行い、完全に硬化させて、セパレータを造る。
ＳＴ０５…次図に示す工程を踏んで成形後のセパレータをアニール処理する。
アニール（ａｎｎｅａｌ）は、一般に、ひずみの除去・防止のため、ガラス、陶器、金属などを焼く、ということである。
【００１５】
図２は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法のフローである。
ＳＴ１１…セパレータを矯正板で挟持する。
ＳＴ１２…矯正板で挟持した状態でセパレータを加熱する。
ＳＴ１３…セパレータの冷却時に矯正板を締め付け、加圧保持することでセパレータを矯正する。以上の挟持、加熱、矯正の各工程を以降で詳細に説明する。
【００１６】
図３（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第１作用図である。なお、（ａ）及び（ｂ）ではそれぞれ平面図を上側に、側面図を下側に記載した。（以下同様。）
（ａ）において、セパレータを矯正するための一対の第１矯正板のうち、下側の下側第１矯正板１１の四隅及び中央にボルト１２・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）を取付け、この下側第１矯正板１１に２個の矯正ブロック１３，１３を並べて載せる。
【００１７】
（ｂ）において、中央に孔１４を開けるとともに下側第１矯正板１１よりも薄くした第２矯正板１５を、中央のボルト１２を孔１４に通しながら、矯正ブロック１３，１３の上に載せる。
そして、この第２矯正板１５上で且つ中央のボルト１２の両側にセパレータ１６，１６を並べて載せる。
【００１８】
図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第２作用図である。
（ａ）において、セパレータ１６，１６の上に、図３（ｂ）と同様にして、第２矯正板１５及び別のセパレータ１６，１６を順に載せ、これを繰り返して、一番上に第２矯正板１５を載せる。
【００１９】
（ｂ）において、一番上の第２矯正板１５に矯正ブロック１３，１３を並べて載せ、更に上側第１矯正板１７に開けた孔１８・・・にボルト１２を通しながら矯正ブロック１３，１３の上に上側第１矯正板１７を載せ、この上側第１矯正板１７の上方からボルト１２・・・にナット２１をねじ込んで、第２矯正板１５・・・及びセパレータ１６・・・が、がたつかない程度に仮締めする。
【００２０】
ここで、中央のボルト１２よりも左側に第２矯正板１５を介して積層した各セパレータ１６の符号を便宜上１６Ｌに一旦変更し、これらのセパレータ１６Ｌ・・・を第１セパレータ群２５Ｌとする。
また、中央のボルト１２よりも右側に第２矯正板１５を介して積層した各セパレータ１６の符号を便宜上１６Ｒに一旦変更し、これらのセパレータ１６Ｒ・・・を第２セパレータ群２５Ｒとする。
【００２１】
図５は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第３作用図である。
図４（ｂ）で組んだ下側・上側第１矯正板１１，１７、矯正ブロック１３・・・、第２矯正板１５・・・及びセパレータ１６・・・の組立体であるセパレータ矯正具２３，２３を加熱炉２７内に投入し、次図のグラフに示す温度条件で加熱する。
【００２２】
図６は本発明に燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第４作用図であり、セパレータ矯正具のセパレータの温度変化を示すグラフである。縦軸はセパレータの温度Ｔ、横軸は時間ｔを表す。
時間ｔ０でセパレータ矯正具を加熱炉内へ投入し、時間ｔ１で加熱炉を作動させ加熱を開始する。セパレータの温度は常温である温度Ｔ１から次第に上昇し、時間ｔ２にて設定加熱温度Ｔ２に達する。そして、この設定加熱温度Ｔ２を時間ｔ３まで保持する。時間ｔ３の後の温度変化は後述する。
【００２３】
図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第５作用図である。
図６でセパレータ矯正具の温度を設定加熱時間Ｔ２に保持した後、図７（ａ）において、セパレータ矯正具２３，２３を加熱炉２７内から取り出し、取り出すのとほぼ同時に（ｂ）のように、各ナット２１（ここでは５ヶ所）を締め付けて、セパレータ１６・・・を所定荷重で加圧する。
【００２４】
図６に戻って、セパレータの温度変化の説明を続ける。
図７（ａ），（ｂ）で説明したような、セパレータの加圧保持を行うためにセパレータ矯正具を加熱炉から取り出すと、図６において、時間ｔ３以降はセパレータの温度Ｔは徐々に低下し、時間ｔ３から所定時間ｔｓｔが経過した時間ｔ４になった時点でセパレータの加圧を解除する、即ち、図７（ｂ）において各ナット２１を弛め、セパレータ１６の矯正を終了する。
【００２５】
以上の図２、図６及び図７で説明したように、本発明は、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形した燃料電池用セパレータ１６を、複数枚並べて一対の矯正板１５，１５で挟持する、又は矯正ブロック１３，１３及び第２矯正板１５，１５を介して一対の下側・上側第１矯正板１１，１７で挟持する工程と、矯正板１１，１７，１５・・・とともにセパレータ１６・・・を加熱炉２７へ投入して加熱する工程と、加熱炉２７から取出した後の冷却時にボルト１２・・・及びナット２１・・・により所定荷重で所定時間ｔｓｔ締め付けることで、セパレータ１６・・・を矯正する矯正工程とからなる。
【００２６】
セパレータ１６を冷却時にボルト１２及びナット２１で締めて矯正することで、燃料電池内にセパレータ１６を組込んだときの状態とほぼ同様の条件でセパレータ１６の歪みや残留応力をより効果的に取除くことができ、セパレータ１６による各燃料電池セル間のシール性を高めることができる。従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００２７】
本発明はまた、矯正工程では、図３（ｂ）に示したように、ボルト１２及びナット２１によりセパレータ１６とセパレータ１６との間をも締め付けることを特徴とする。
セパレータ１６とセパレータ１６との間をも締め付けることで、セパレータ１６の外側だけでセパレータ１６を締め付けるよりも、セパレータ１６の全体に均等な締付力を与えることができる。従って、セパレータ１６の全体に亘って矯正を均等に行うことができる。
【００２８】
更に、図７（ｂ）において、矯正ブロック１３を用いることで、セパレータ１６の中央部から遠い位置にあるボルト１２及びナット２１を締め付けたときに、下側・上側第１矯正板１１，１７の撓みに影響されずに、セパレータ１６の中央部をもセパレータ１６の周縁部と同様に一層均等に加圧することができる。
【００２９】
本発明は更に、図４（ａ），（ｂ）に示したように、セパレータ１６をそれぞれ第２矯正板１５を介して複数枚積層した第１セパレータ群２５Ｌ及び第２セパレータ群２５Ｒを、複数個並べて一対の下側第１矯正板１１及び上側第１矯正板１７で挟持することを特徴とする。
即ち、第２矯正板１５，１５間に、セパレータ１６を複数個ずつ、ここでは２枚ずつ並べて一対の下側第１矯正板１１及び上側第１矯正板１７で挟持することを特徴とする。
これにより、一度に多くのセパレータ１６の矯正を行うことができ、矯正作業を効率的に行うことができる。
【００３０】
図８は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を適用するセパレータの別の実施の形態を説明する斜視図であり、周縁部３１が薄肉であるセパレータ３２の周縁部３１に枠状のプレート３３を嵌めて矯正板３４間（上側の矯正板３４は不図示）に挟持する状態を示す。
これにより、セパレータ３２の周縁部３１及び厚肉である中央部３５の矯正を同時に行うことができる。
【００３１】
図９は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法（第２の実施の形態）を説明する説明図であり、第１の実施の形態に対してセパレータの挟持方法を変更した形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
下側の図は、下側第１矯正板１１に直接にセパレータ１６，１６を並べて載せ、これらのセパレータ１６，１６に第２矯正板１５を載せ、以降セパレータ１６，１６及び第２矯正板１５を順に載せ、これを繰り返して一番上に上側第１矯正板１７を載せ、各第２矯正板１５及び上側第１矯正板１７を貫通するボルト１２・・・にそれぞれナット２１・・・をねじ込んで、セパレータ矯正具３７を組立た状態を示す。
【００３２】
上側の図は、下の図のＡ−Ａ線断面図であり、セパレータ矯正具３７の第２矯正板１５に載せたセパレータ１６，１６を示す。なお、下側第１矯正板１１にセパレータ１６を載せる場合も、セパレータ１６を上記と同様に配置する。
ボルト１２は、各セパレータ１６の外側となる第２矯正板１５の四隅と、セパレータ１６，１６間の中央に配置したものである。なお、ボルト１２は、下側・上側第１矯正板１１，１７に対しても上記と同様に配置したものである。
【００３３】
図１０は本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法（第３の実施の形態）を説明する説明図であり、第１・第２の実施の形態に対してセパレータの挟持方法を変更した形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
下側の図は、下側第１矯正板４１に直接にセパレータ１６・・・を並べて載せ、これらのセパレータ１６・・・に第２矯正板４２を載せ、以降セパレータ１６・・・及び第２矯正板４２を順に載せ、これを繰り返して一番上に上側第１矯正板４３を載せ、各第２矯正板４２及び上側第１矯正板４３を貫通するボルト１２・・・にそれぞれナット２１・・・をねじ込んで、セパレータ矯正具４４を組立た状態を示す。
【００３４】
上側の図は、下の図のＢ−Ｂ線断面図であり、セパレータ矯正具４４の第２矯正板４２上にセパレータ１６・・・を縦横各２枚ずつ計４枚並べた状態を示す。なお、下側第１矯正板４１にセパレータ１６を載せる場合も、セパレータ１６・・・を上記と同様に配置する。
ボルト１２は、各セパレータ１６の外側となる第２矯正板４２の四隅、２枚のセパレータ１６，１６間から外側へずれた位置（即ち、Ｃ位置）及び２枚のセパレータ１６，１６間の各中央（２箇所）に配置したものである。なお、ボルト１２は、下側・上側第１矯正板４１，４３に対しても上記と同様に配置したものである。
【００３５】
尚、本発明では、セパレータの矯正工程で、セパレータを加熱炉から取出した後の冷却時に締付部材により所定時間締め付けるようにしたが、これに限らず、冷却時にセパレータの温度が所定温度に下がるまで締め付けるようにしてもよい。
【００３６】
【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アニール処理方法は、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータを加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出した後の冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め付けることで、セパレータを矯正する矯正工程とからなるので、セパレータを冷却時に締付部材で締めて矯正することで、燃料電池内にセパレータを組込んだときの状態とほぼ同様の条件でセパレータの歪みや残留応力をより効果的に取除くことができ、セパレータによる各燃料電池セル間のシール性を高めることができる。従って、燃料電池の性能を向上させることができる。
【００３７】
請求項２の燃料電池用セパレータのアニール処理方法は、矯正工程では、締付部材によりセパレータとセパレータとの間をも締め付けるので、セパレータとセパレータとの間をも締め付けることで、セパレータの外側位置だけでセパレータを締め付けるよりも、セパレータ全体に均等な締付力を与えることができる。従って、セパレータ全体に亘って矯正を均等に行うことができる。
【００３８】
請求項３の燃料電池用セパレータのアニール処理方法は、セパレータを複数枚積層してなるセパレータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持するので、一度に多くのセパレータの矯正を行うことができ、矯正作業を効率的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】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法のフロー
【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第１作用図
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第２作用図
【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第３作用図
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第４作用図
【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を説明する第５作用図
【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法を適用するセパレータの別の実施の形態を説明する斜視図
【図９】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法（第２の実施の形態）を説明する説明図
【図１０】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール処理方法（第３の実施の形態）を説明する説明図
【符号の説明】
１１，１５，１７，３４，４１，４２，４３…矯正板、１２，２１…締付部材（ボルト、ナット）、１６，３２…セパレータ、２５Ｌ，２５Ｒ…セパレータ群（第１セパレータ群、第２セパレータ群）、２７…加熱炉、ｔｓｔ…所定時間。
【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】
0004648582.tif 000008
【図８】
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【図９】
0004648582.tif 000010
【図１０】
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