(57)【要約】【課題】  燃料電池用セパレータにおける導電性の悪化を防止する。【解決手段】  黒鉛および樹脂を成分としてこれらを所定形状に圧縮成形して燃料電池用セパレータを得る。黒鉛成分を、短径部ｄ1および長径部ｄ2を有する異方性の黒鉛粒１５とする一方、樹脂成分を複数の黒鉛粒挿入孔１１を備える樹脂基材９とする。黒鉛粒挿入孔１１の孔径を、黒鉛粒１５の短径部ｄ1より大きくかつ長径部ｄ2より小さく設定し、黒鉛粒１５を、その長径部ｄ2が黒鉛粒挿入孔１１の軸線方向となる状態で黒鉛粒挿入孔１１に入り込ませて黒鉛含有樹脂基材１７を作成する。この黒鉛含有樹脂基材１７を成形型内に複数積層して圧縮成形する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛および樹脂を成分としてこれらを所定形状に圧縮成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記黒鉛成分を、短径部および長径部を有する異方性の黒鉛粒とする一方、前記樹脂成分を複数の黒鉛粒挿入孔を備える樹脂基材とし、前記黒鉛粒挿入孔の孔径を、前記黒鉛粒の短径部より大きくかつ長径部より小さく設定し、前記黒鉛粒を、その長径部が前記黒鉛粒挿入孔の軸線方向となる状態で黒鉛粒挿入孔に入り込ませて黒鉛含有樹脂基材を作成し、この黒鉛含有樹脂基材を前記黒鉛粒挿入孔の軸線方向に沿って複数積層して圧縮成形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】
前記樹脂基材をシート状とし、このシート状の樹脂基材に前記黒鉛粒挿入孔が貫通形成されて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】
前記黒鉛粒挿入孔は、樹脂基材を成形した後、加工することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
前記樹脂基材を、発泡材料を含む熱可塑性樹脂を射出成形して作成し、このとき発生する空孔を前記黒鉛粒挿入孔とすることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項５】
前記シート状の樹脂基材を、前記黒鉛粒を堆積してある容器内に投入し、この容器を振動させることで、前記黒鉛粒を前記シート状の樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に入り込ませる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。
【請求項６】
前記黒鉛含有樹脂基材は、前記黒鉛粒を前記樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に挿入後、加熱して得ることを特徴とする請求項５記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記燃料電池用セパレータは、少なくとも一方の面に凸部を複数備えるとともに、この各凸部相互間にガス流路となる凹部を備え、前記凸部に対応する部位は、前記シート状の樹脂基材からなる前記黒鉛含有樹脂基材を切断した基材片を積層して構成する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。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法によって製造することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を挟み込む一対の電極に接触する燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、反応ガスである水素含有ガスなどの燃料ガスと、空気などの酸化剤ガスを電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギを、直接電気エネルギに変換する装置であり、エネルギ効率を他のエネルギ機関と比べて高くできること、資源の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排出ガスを発生しないなどの優れた特徴を有している。
【０００３】
このような燃料電池は、電解質膜を一対の電極で挟み込み、この電極に接触して電極からの集電に用いるとともに、電極側にガス供給用のガス流路を、電極と反対側に冷却水流路をそれぞれ有するセパレータを備えている。
【０００４】
このような燃料電池用セパレータとして、図６（ａ）に示すように、導電性を確保するための炭素粉末と、成形性を維持して強度を確保するための熱硬化性樹脂とを混合した材料１０１を、成形型１０３（下型１０３ａおよび上型１０３ｂ）にて所定形状に圧縮成形するものが知られている（例えば下記特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１７０８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記した従来の燃料電池用セパレータでは、図６（ａ）のＡ部の拡大図である図６（ｂ）に示すように、樹脂成形体１０５に含まれる粒状炭素粉末１０７が、断面楕円形状のいわゆる異方性を有するものであり、下型１０３ａに投入する際に、その長径方向が、重力の影響で矢印Ｂ方向を含むセパレータの面と平行な方向に向くこととなる。
【０００６】
このため粒状炭素粉末１０７は、図６（ｂ）中で矢印Ｃで示す上下方向が短径方向となり、長径方向を上下方向とした場合に比較すると、セパレータを同一厚さとして考慮した場合、上下方向に沿って配置される粒状炭素粉末１０７の数が多くなり、その分粒状炭素粉末１０７同士の接触部分が上下方向（電気導通方向）に沿って多くなって電気抵抗が増大し、導電性の悪化を引き起こす。
【０００７】
なお、粒状炭素粉末として、長径、短径相互の差の少ない等方性の粒状炭素粉末を使用した場合でも、圧縮成形時の荷重により、粒状炭素粉末が圧縮されて上下方向が短径方向となって異方性を有するものに変形し、したがってこの場合でも上記と同様にして電気抵抗が増大するものとなる。
【０００８】
そこで、本発明は、燃料電池用セパレータにおける導電性の悪化を防止することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、黒鉛および樹脂を成分としてこれらを所定形状に圧縮成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記黒鉛成分を、短径部および長径部を有する異方性の黒鉛粒とする一方、前記樹脂成分を複数の黒鉛粒挿入孔を備える樹脂基材とし、前記黒鉛粒挿入孔の孔径を、前記黒鉛粒の短径部より大きくかつ長径部より小さく設定し、前記黒鉛粒を、その長径部が前記黒鉛粒挿入孔の軸線方向となる状態で黒鉛粒挿入孔に入り込ませて黒鉛含有樹脂基材を作成し、この黒鉛含有樹脂基材を前記黒鉛粒挿入孔の軸線方向に沿って複数積層して圧縮成形することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に、黒鉛粒をその長径部が黒鉛粒挿入孔の軸線方向となる状態で入り込ませて黒鉛含有樹脂基材を作成し、この黒鉛含有樹脂基材を黒鉛粒挿入孔の軸線方向に沿って複数積層して圧縮成形するので、黒鉛粒の長径部側が圧縮成形時の荷重方向と一致し、黒鉛粒同士のセパレータ面と交差する方向の接触部分を少なくでき、電気抵抗が低下して導電性の悪化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１２】
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法によって製造したセパレータ１を備えた燃料電池の断面図である。この燃料電池は、固体高分子型燃料電池であり、固体高分子電解質膜３を両側から一対の電極５で挟み、さらにその両側に前記したセパレータ１を配置する構造としており、これらで構成する単電池７を多数積層して燃料電池スタックとして使用する。
【００１３】
セパレータ１は、黒鉛を含む樹脂成形体であり、電極５側にガス供給用のガス流路１ａを、電極５と反対側に冷却水流路１ｂを、それぞれ備えている。一方のセパレータ１のガス流路１ａには、燃料となる水素を供給し、他方のセパレータ１のガス流路１ａには酸化剤となる空気を供給する。
【００１４】
このようなセパレータ１の製造方法について、以下に説明する。
【００１５】
図２（ａ）に示すものは、熱可塑性樹脂材からなるシート状の樹脂基材９である。この樹脂基材９は、図示しない射出成形機にて射出成形した後、例えばレーザ加工により、図２（ｂ）にその一部を拡大した断面図として示すように、後述する黒鉛粒を挿入する黒鉛粒挿入孔１１を複数形成する。シート状の樹脂基材９の厚さは、０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍ程度である。
【００１６】
そして、黒鉛粒挿入孔１１を備えたシート状の樹脂基材９を、図３（ａ）に示すように、容器１３に堆積してある黒鉛粒１５内に投入し、この状態で容器１３を振動させることで、図３（ｂ）のように黒鉛粒挿入孔１１に黒鉛粒１５を入り込ませる。
【００１７】
ここで、上記した黒鉛粒１５は、短径部ｄ1および長径部ｄ2を有する断面楕円形状の異方性の黒鉛粒であり、黒鉛粒挿入孔１１の孔径ｄを、黒鉛粒１５の短径部ｄ1より大きくかつ長径部ｄ2より小さく設定している。
【００１８】
このため黒鉛粒１５は、容器１３を振動させることで、図３（ｂ）に示すように、その長径部ｄ2が黒鉛粒挿入孔１１の軸線方向（図３（ｂ）中で上下方向）となる状態で黒鉛粒挿入孔１１に入り込み、これにより樹脂基材９と黒鉛粒１５とからなる黒鉛含有樹脂基材１７が得られる。
【００１９】
その後、図３に示すように、容器１３の下部に設置してあるヒータ１９により、黒鉛含有樹脂基材１７を、樹脂が熱硬化を生じないように、熱可塑性樹脂の反応温度（約１８０℃）まで加熱する。
【００２０】
加熱後、図４に示すように、下型２１と上型２３とを用いて圧縮成形するが、このとき、下型２１および上型２３の互いに対向する面には、前記図１に示したセパレータ１のガス流路１ａや冷却水流路１ｂを形成するための凸部２１ａおよび２３ａを、それぞれ設けてある。また、下型２１は、外周側に全周にわたり上型２３に向けて突出する側壁部２１ｂを設けている。
【００２１】
そして、図４（ａ）に示すように、下型２１の側壁部２１ｂの内側に、前記した加熱後の黒鉛含有樹脂基材１７を積層状態で多数セットする。このとき黒鉛粒１５は、前記図３（ｂ）に示すように、黒鉛含有樹脂基材１７の面にほぼ直交する方向に長径部ｄ2が向いた状態となっている。その後、多数積層した黒鉛含有樹脂基材１７を、図４（ｂ）に示すように、下型２１と上型２３との間で圧縮成形することで、図４（ｃ）に示すセパレータ１を得る。
【００２２】
このようにして製造した燃料電池用のセパレータ１は、それぞれの黒鉛含有樹脂基材１７における黒鉛粒１５の長径部ｄ2が、図４中で上下方向（セパレータ１の面に対してほぼ直交する方向）に向いているので、短径部ｄ1が図４中で上下方向に向いている場合に比較して、セパレータを同一厚さとして考慮した場合、上下方向に沿って配置される黒鉛粒１５の数が少なくなり、その分黒鉛粒１５同士の電気的導通方向の接触部分が少なくなって電気抵抗が低下し、導電性の悪化を防止することができる。
【００２３】
また、黒鉛粒１５が、圧縮成形時の荷重により圧縮されたとしても、上下方向が長径方向となっているため、短径部が上下方向となっている場合に比較して、圧縮成形後であっても黒鉛粒１５の上下方向の寸法が大きく、このためセパレータを同一厚さとして考慮した場合、上下方向に沿って配置される黒鉛粒１５の数が少なくなるので、上記と同様にして黒鉛粒１５同士の接触部分が少なくなって電気抵抗が低下し、導電性の悪化を防止することができる。
【００２４】
前記した黒鉛粒挿入孔１１の形成方法の第２の実施形態として、シート状の樹脂基材９を射出成形する際に、熱可塑性樹脂材に発泡性材料を混入する。これによりシート状の樹脂基材９は、多数の黒鉛粒挿入孔１１を備える、いわゆる多孔質となる。
【００２５】
黒鉛粒挿入孔１１を備えるシート状の多孔質の樹脂基材９を成形した後は、前記図３および図４に示した第１の実施形態と同様の製造工程となる。
【００２６】
図５は、第３の実施形態による、前記図４（ａ）に相当する製造工程図である。
【００２７】
前記した燃料電池用セパレータ１は、図１に示したように、ガス流路１ａや冷却水流路１ｂを備えるため、図４にて圧縮成形する際に、これら各流路１ａ，１ｂとなる凹部に対応する部位２５と、その両側の凸部に対応する部位２７とで、圧縮率が互いに異なる。
【００２８】
そこで、この圧縮率を全体で均一化するために、凸部に対応する部位２７の突出部分２７ａに相当する部位については、図５（ａ）に示すように、黒鉛含有樹脂基材１７を凸部の幅寸法に合わせて適宜切断した基材片１７ａを、上記した圧縮率の相違に応じて積層状態で複数セットする。
【００２９】
この状態で、以後前記図４（ｂ）と同様にして圧縮成形することで、図４（ｃ）と同様な形状のセパレータ１が得られる。
【００３０】
この実施形態では、圧縮成形前の状態で、ガス流路１ａや冷却水流路１ｂの両側の凸部に相当する部位２７に、適宜切断した基材片１７ａを積層しているので、各流路１ａ，１ｂに対応する部位２５と、その両側の凸部に対応する部位２７とで、圧縮率を互い同等とすることができる。このため、樹脂に対する黒鉛粒１５の密度分布が全体で均一化し、導電性向上に寄与することができる。
【００３１】
本発明によれば、シート状の樹脂基材を単に積層しただけでは、圧縮成形時に、凹凸を有するセパレータの部位よる圧縮率の相違が発生するが、シート状とした樹脂基材を適宜切断し、この切断した基材片をセパレータの凸部に対応する部位に積層することことで、圧縮率を凹部と凸部とで互いに同等とすることができ、樹脂に対する黒鉛粒の密度分布が全体で均一化し、導電性向上に寄与することができる。
【００３２】
前記黒鉛粒挿入孔は、樹脂基材を成形した後、加工するので、孔形状を高精度なものとすることができる。
【００３３】
前記樹脂基材を、発砲材料を含む熱可塑性樹脂を射出成形して作成し、このとき発生する空孔を黒鉛粒挿入孔とするので、黒鉛粒挿入孔を備える樹脂基材の製造が容易なものとなる。
【００３４】
前記シート状の樹脂基材を、前記黒鉛粒を堆積してある容器内に投入し、この容器を振動させることで、黒鉛粒がシート状の樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に容易に入り込む。
【００３５】
前記黒鉛含有樹脂基材は、前記黒鉛粒を前記樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に挿入後、加熱するので、樹脂と黒鉛粒とが確実に結合する。
【００３６】
前記燃料電池用セパレータは、少なくとも一方の面に凸部を複数備えるとともに、この各凸部相互間にガス流路となる凹部を備え、前記凸部に対応する部位は、前記シート状の樹脂基材からなる前記黒鉛含有樹脂基材を切断した基材片を積層して構成するので、圧縮率を凹部と凸部とで互いに同等とすることができ、樹脂に対する黒鉛粒の密度分布が全体で均一化し、導電性向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法によって製造したセパレータを備えた燃料電池の断面図である。
【図２】（ａ）はシート状の樹脂基材を示す側面図、（ｂ）はその一部を拡大した断面図である。
【図３】（ａ）は黒鉛粒を堆積してある容器内にシート状の樹脂基材を投入した状態を示す製造工程図、（ｂ）は（ａ）によって樹脂基材の黒鉛粒挿入孔に黒鉛粒が入り込んだ状態を示す断面図である。
【図４】図３に続く製造工程図で、（ａ）は図３（ｂ）のようして得た黒鉛含有樹脂基材を下型に積層してセットした状態、（ｂ）は（ａ）の状態から圧縮成形している状態、（ｃ）は圧縮成形後のセパレータ、をそれぞれ示す。
【図５】第３の実施形態による図４（ａ）に相当する製造工程図である。
【図６】（ａ）は従来の燃料電池用セパレータの製造方法を示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ部の拡大図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  燃料電池用セパレータ
９  シート状の樹脂基材
１１  黒鉛粒挿入孔
１３  容器
１５  黒鉛粒
１７  黒鉛含有樹脂基材
２５  凹部に対応する部位
２７  凸部に対応する部位
ｄ1  黒鉛粒の短径部
ｄ2  黒鉛粒の長径部
【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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