(57)【要約】【課題】マニホールドに連通する溝が設けられたセパレータを金型成形により製造するにあたり、成形品の脱型時に局所的に過大な荷重がかからないようにし、且つ容易に脱型することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】一対の型体４，４の間に形成されるキャビティ５内にセパレータ１を成形する。一方の型体４の表面とセパレータ１の溝３が形成された面とが接触した状態となるように型開きする。マニホールド２にエアＡを吹き込むことでセパレータ１を型体４の表面から脱離させて脱型を行う。これにより、マニホールド２に吹き込まれたエアＡは、セパレータ１の溝３と型体４の表面との間に流入して、セパレータ１を型体４から浮き上がらせる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マニホールドに連通する溝が設けられたセパレータを金型成形により製造する燃料電池用セパレータの製造方法において、一対の型体の間に形成されるキャビティ内にセパレータを成形し、一方の型体の表面とセパレータの溝が形成された面とが接触した状態となるように型開きし、マニホールドにエアを吹き込むことでセパレータを型体の表面から脱離させて脱型を行う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】
スライドコアを有する金型を用いることを特徴とする請求項１に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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、発電機として、発電効率が高い上に、ＮＯＸ、ＳＯＸ等の大気汚染物質の排出が少なく、且つ騒音も少ないという特長を有する燃料電池が注目を集めている。
【０００３】
一般に燃料電池は複数の単セルを数十〜数百個直列に重ねて構成されるセルスタック１２から成り、これにより所定の電圧を得ている。
【０００４】
単セルの最も基本的な構造は、「セパレータ／燃料電極（アノード）／電解質／酸化剤電極（カソード）／セパレータ」という構成を有している。この単セルにおいては、電解質を介して対向する一対の電極のうち燃料電極に水素ガスを含む燃料ガスを、酸化剤電極に空気等の酸素を含む酸化剤ガスを供給して、電気化学反応により燃料ガスを酸化させ、反応の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するものである。
【０００５】
このような燃料電池は、電解質の種類によりいくつかのタイプに分類されるが、近年、高出力が得られる燃料電池として、電解質に固体高分子電解質膜８を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。
【０００６】
図７，８は固体高分子型燃料電池の一例を示すものであり、固体高分子電解質膜８を介してガス拡散電極（燃料電極と酸化剤電極）９，９を接合して形成される電解質膜電極接合体１０の両側に、セパレータ１，１をそれぞれ接合して、単電池（単セル１１）が構成される（図７）。また複数の単セル１１を積層成形してセルスタック１２（図８）を構成するにあたっては、電解質膜電極接合体１０とセパレータ１とを交互に接合することにより、単セル構造を通常は数十個〜数百個並設する。
【０００７】
上記の燃料電池の各部材のうち、セパレータ１は、単セル構造を複数積層するためのつなぎとなる積層化機能と、各単セル１１に燃料ガスや酸化剤ガスを供給する供給通路としての機能と、集電体としての機能が必要とされる。また、ガスの相互流入を防ぐためにガスが透過しない材質のもので形成する必要があり、更に固体高分子電解質膜８の表面が強酸性となるため耐酸性の高い材質から形成されることが要求される。
【０００８】
図５，６に示すセパレータ１では、左右両面に、各単セルにおける燃料ガスと酸化剤ガスの流路となるガス供給排出用の溝３が形成されている。また、セパレータ１には、セルスタック１２に燃料ガス、酸化剤ガスを供給するためのガス供給路、セルスタック１２から反応後の燃料ガス、酸化剤ガスを排出するためのガス排出路を形成するための、複数のマニホールド２も形成されている。燃料ガス供給用のマニホールド２と、反応後の燃料ガス排出用のマニホールド２とは、セパレータ１の一面に形成された燃料ガスの流路であるガス供給排出用の溝３の一端と他端とにそれぞれ連通するように形成され、また酸化剤ガス供給用のマニホールド２と、反応後の酸化剤ガス排出用のマニホールド２とは、セパレータ１の他面に形成された酸化剤ガスの流路であるガス供給排出用の溝３の一端と他端とにそれぞれ連通するように形成される。
【０００９】
このようなセパレータ１は、従来、一般的にはグラファイト板に機械加工を施すことで作製されていたが、近年、生産性の向上やコスト削減を図るために、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を含む炭素複合材料を用い、金型成形にて作製することが提案されている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−７７４８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記のように金型成形にてセパレータ１を作製する際には、型開き後、通常はエジェクタピンによりセパレータ１を突き出して脱型が行われていた。
【００１１】
ところで、セパレータ１は優れた導電性が必要とされるため、上記炭素複合材料中は炭素含有量を高くする必要がある。このため、金型成形により得られるセパレータ１は高強度のものを得ることが難しく、上記のようにエジェクタピンによる突き出しを行って成形品に局所的な荷重をかけた場合、歪み、割れ、欠け等の不良が発生するおそれがあった。
【００１２】
ここで、上記のようにセパレータ１はガスの相互流入を防ぐ役割を有し、割れ等によるガスの透過は致命的な欠陥となる。また、セパレータ１を含む単セル構造は通常は数十個〜数百個並設してセルスタック１２を構成するため、セパレータ１の形状の狂いが僅かなものであるとしても、それが累積すればセルスタック１２全体に大きな歪みが発生するおそれがあった。
【００１３】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、マニホールドに連通する溝が設けられたセパレータを金型成形により製造するにあたり、成形品の脱型時に局所的に過大な荷重がかからないようにし、且つ容易に脱型することができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、マニホールド２に連通する溝３が設けられたセパレータ１を金型成形により製造する燃料電池用セパレータの製造方法において、一対の型体４，４の間に形成されるキャビティ５内にセパレータ１を成形し、一方の型体４の表面とセパレータ１の溝３が形成された面とが接触した状態となるように型開きし、マニホールド２にエアＡを吹き込むことでセパレータ１を型体４の表面から脱離させて脱型を行うことを特徴とする。これにより、マニホールド２に吹き込まれたエアＡは、セパレータ１の溝３と型体４の表面との間に流入して、セパレータ１を型体４から浮き上がらせる。
【００１５】
このようにセパレータ１を製造するにあたっては、スライドコア６を有する金型を用いることが好ましい。この場合、脱型時にスライドコア６をスライドさせることでセパレータ１の端縁を解放し、脱型を更に容易に行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、エアがセパレータの溝と型体の表面との間に流入して、セパレータを型体から浮き上がらせることで、セパレータに局所的に過大な荷重がかかるようなことなく脱型を行うことができ、セパレータの歪み、割れ、欠け等の不良の発生を抑制することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
【００１８】
まず、本発明により製造される燃料電池用のセパレータ１について説明する。
【００１９】
セパレータ１は上記の通り、単セル構造を複数積層するためのつなぎとなる積層化機能と、各単セル１１に燃料ガスや酸化剤ガスを供給する供給通路としての機能と、集電体としての機能とを有する。
【００２０】
セパレータ１は適宜の形状に形成されるが、マニホールド２を有すると共に少なくとも一面に前記マニホールド２に連通する溝３が設けられる。
【００２１】
マニホールド２は、必要に応じて適宜の位置に適宜の個数が設けられるが、通常はセパレータ１の周縁部に設けられ、燃料ガス給排気用のマニホールド２ａ、酸化剤ガス給排気用のマニホールド２ｂが設けらる。また必要に応じて冷却水流通用のマニホールド２等も設けられる。図５，６に示す例では、矩形板状のセパレータ１の一つの辺の縁部に、燃料ガス給排気用のマニホールド２ａと、酸化剤ガス給排気用のマニホールド２ｂとが設けられると共に、これと対向する辺の縁部に燃料ガス給排気用のマニホールド２ａと、酸化剤ガス給排気用のマニホールド２ｂとが設けられている。二つの燃料ガス給排気用のマニホールド２ａ，２ａのうち、一方は各単セル１１への燃料ガスの供給用、他方は各単セル１１からの反応後の燃料ガスの排気用であり、また、二つの酸化剤ガス給排気用のマニホールド２ｂ，２ｂのうち、一方は各単セル１１への酸化剤ガスの供給用、他方は各単セル１１からの反応後の酸化剤ガスの排気用である。
【００２２】
溝３は、必要に応じてセパレータ１の両面に設け、或いは片面のみに設けられる。片面のみに溝３が設けられている場合、裏面には溝ではなく流通用の凹部が設けられるものがある。例えば一体成形のセパレータ１を形成する場合には、セパレータ１の両面にそれぞれ燃料ガス流通用と酸化剤ガス流通用の各溝３を設ける。また複合成形のセパレータ１を形成する場合などには、片面に燃料ガス流通用の溝３のみを設けたセパレータ１と、片面に酸化剤ガス流通用の溝３のみを設けたセパレータ１とを別個に作製し、これらを導電板を介して接合して複合成形のセパレータ１を形成することができる。このとき前記導電板には、冷却水が流通する流路を設けることもできる。
【００２３】
図示の例では、セパレータ１の一面には、一端が燃料ガス供給用のマニホールド２ａに連通し、他端が反応後の燃料ガス排気用のマニホールド２ａに連通する溝３が設けられ、セパレータ１の他面には、一端が酸化剤ガス供給用のマニホールド２ｂに連通し、他端が反応後の酸化剤ガス排気用のマニホールド２ｂに連通する溝３が設けられている。この各溝３は、並列に複数条設けられ、且つマニホールド２の間において蛇行するように形成されており、これによりセパレータ１の表面の広い面積に亘って溝３が設けられている。
【００２４】
このようなセパレータ１は、上記のように固体高分子電解質膜８を介してガス拡散電極（燃料電極と酸化剤電極）９，９を接合して形成される電解質膜電極接合体１０の両側にそれぞれ接合して、単電池（単セル１１）が構成される。そして、複数の単セル１１を積層成形してセルスタック１２を構成するにあたっては、電解質膜電極接合体１０とセパレータ１とを交互に接合することにより、単セル構造を通常は数十個〜数百個並設するものである。
【００２５】
燃焼電池セパレータ１の作製に用いられる成形材料としては、適宜のものを用いることができるが、バインダーとして熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を含む炭素複合材料を用いることが好ましい。
【００２６】
このときバインダーとしては、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂等を用いることができ、またこれらの樹脂と共に、ポリイミド樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等を用いることができる。
【００２７】
黒鉛粒子としては、高い導電性を示すものであれば制限なく使用することができ、例えばメソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもののほか、黒鉛電極や特殊炭素材料の加工粉、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、膨張黒鉛等のような、適宜のものを用いることができる。このような黒鉛粒子は、一種のみを用いるほか、複数種を併用することもできる。
【００２８】
黒鉛粒子の含有量は、成型材料である組成物の全量に対して７５〜９０重量％の範囲であることが好ましい。この黒鉛の割合が７５％重量未満となるとセパレータ１に必要とされる導電性が充分に得られなくなるおそれがあり、また９０重量％を超えるとセパレータ１に必要とされるガス透過性や成形性が十分に得られなくなるおそれがある。
【００２９】
図２〜４に、成形金型の例を示す。この成形用金型は、一対の型体４，４から構成される。一方の型体４ａには、凹部１４が形成され、この凹部１４の底面には、セパレータ１の一面に形成される溝３に対応する突条１５が形成されている。また、この型体４，４には、図示のようにエジェクタプレート１９に連結された複数のエジェクタピン１８を設けることができる。
【００３０】
また、他方の型体４ｂには、コア部１７が設けられている。このコア部１７の端面には、セパレータ１の前記一面とは反対側の他面に形成される溝３に対応する突条１５が形成されている。また、このコア部１７の端面からはマニホールド２に対応する突部１６も突設されている。
【００３１】
そして、上記のコア部１７が凹部１４に嵌合するように型体４，４同士を型締めすると、凹部１４の底面とコア部１７との間に空間（キャビティ５）が形成されて、このキャビティ５がセパレータ１の形状と合致するようになっている。
【００３２】
このような成形金型を用いてセパレータ１を成形するに際しては、まず、適宜の量の成形材料を一方の型体４ａの凹部１４内に配置し、各型体４，４を成形可能な温度とした状態で型締めして、プレス成形を行う（図２）。このときの成形条件は、成形材料の組成に応じて適宜調整されるが、好ましくは成形温度１５４〜１９５℃、成形圧力１５〜４５ＭＰａ、成形時間１〜１０分間の条件とすることができる。
【００３３】
尚、ここではプレス成形を適用しているが、それ以外でも金型成形にてセパレータ１を形成するものであれば良く、例えば射出成形やトランスファ成形を適用することもできる。
【００３４】
このように金型成形により成形金型内のキャビティ５にセパレータ１を形成した後、必要に応じて成形金型を冷却してから、型開きを行う（図３）。このとき成形されたセパレータ１は、一方の型体４ａの凹部１４内に残存する。またこのとき、セパレータ１の溝３が形成されている一面と、一方の型体４ａの表面とが接触した状態となっている。
【００３５】
次にスライドコア６を設けている場合には、スライドコア６を外側方にスライド移動させて、セパレータ１の端縁からスライドコア６を離間させる。
【００３６】
次に、セパレータ１のマニホールド２にエアＡを吹き込む（図１及び図４）。このときエアＡの吹き込みは、セパレータ１の、一方の型体４ａの凹部１４の底面と接触している一面の溝３に連通しているマニホールド２に対して行う。
【００３７】
このようにマニホールド２に吹き込まれたエアＡは、セパレータ１と型体４，４との間の接触面に流入しようとするものであり、このとき、溝３と突条１５との間の隙間に流入したエアＡは、この溝３と突条１５に沿ってセパレータ１と型体４，４との間の広い領域に亘って侵入することになる。このため、この溝３と突条１５との間の隙間に流入したエアＡからの圧力によって、セパレータ１が型体４（４ａ）の表面から浮き上がり、容易に脱型できるようになる。またこのエアＡからの圧力はセパレータ１と型体４との間の広い領域に亘ってかけられることとなり、セパレータ１の広い範囲に亘ってエアＡからの圧力がかかって、脱型が更に容易なものとなる。
【００３８】
エアＡの吹き込みは適宜の手法を用いることができ、例えばノズルの開口をマニホールド２に向けて配置してこのノズルからエアＡを噴出させたり、あるいは送風管の開口をマニホールド２に、このマニホールド２を閉塞するように接続して、この送風管からエアＡを噴出させたりすることができる。特に後者の手法でエアＡの噴出を行えば、エアＡを外部に漏らすことなく確実にマニホールド２に噴出し、このエアＡを溝３と突条１５との間の隙間に高い圧力で噴出することができる。
【００３９】
また、脱型にあたって、上記のようにスライドコア６を設けてこれを外側方にスライド移動させるようにすると、セパレータ１の端縁が解放されて脱型時に引っ掛かることがなくなり、更に容易に脱型を行える。
【００４０】
また、脱型は、エアＡの吹き込みのみで行っても良いが、補助的にエジェクタピン１８による突き出しを行うこともできる。すなわち、脱型にあたっては、マニホールド２にエアＡを吹き込みながら、エジェクタプレート１９を駆動してエジェクタピン１８を凹部１４の底面から突き出すことで、脱型を行うものである。
【００４１】
このようにしてエジェクタピン１８による突き出しを併用して成形後のセパレータ１の脱型を行うようにすると、エアＡの吹き込みによりセパレータ１を型体４の表面から浮かせた状態でエジェクタピン１８による突き出しを行うので、エジェクタピン１８によりセパレータ１に大きな荷重をかけなくても容易に脱型を行うことができ、エジェクタピン１８によりセパレータ１に局所的に過大な荷重がかかるようなことがなくなり、セパレータ１に割れ等の破損が発生することなく、容易に脱型を行える。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施の形態の一例を示す一部の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態の一例を示す概略断面図である。
【図３】同上の概略断面図である。
【図４】同上の概略断面図である。
【図５】セパレータの一例を示す正面図である。
【図６】同上の背面図である。
【図７】燃料電池の単セル構造の一例を示す分解斜視図である。
【図８】燃料電池のセルスタックの構成の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  セパレータ
２  マニホールド
３  溝
４  型体
５  キャビティ
６  スライドコア
【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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【図８】
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