(57)【要約】【課題】  生産性を悪化させることなく、燃料電池用セパレータの導電性および平面度を所望に確保する。【解決手段】  カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末とを混練した混合粉末材料９を、上型１３および下型１１で所定形状に圧縮成形するとともに硬化温度に加熱して燃料電池用セパレータを製造する。第１粉末材料供給ノズル１５によって下型１１上に、カーボン粉末の成分比を９割とした混合粉末材料９ａを供給する。その後、第２粉末材料供給ノズル１７によってカーボン粉末の成分比を７〜８割とした混合粉末材料９ｂを混合粉末材料９ａの上に供給する。そして最後に、再度第１粉末材料供給ノズル１５によって、混合粉末材料９ａを混合粉末材料９ｂ上に供給する。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カーボンと樹脂とを混練した材料を型内に供給して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、前記型内に材料を供給する際に、前記セパレータの表面側における材料の、前記材料に混入させる潤滑剤と前記カーボンとの少なくともいずれか一方の成分比を、他の部位に比べて高く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】
前記型は、上型および下型を有し、この型内に前記カーボンと樹脂とを混練した材料を供給する際に、前記セパレータの前記上型に対応する上面側における材料の、前記材料に混入させる潤滑剤と前記カーボンとの少なくともいずれか一方の成分比を、他の部位に比べて高く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。
【請求項３】
前記型内に材料を供給する際に、前記セパレータの前記下型に対応する下面側における材料の、前記材料に混入させる潤滑剤と前記カーボンとの少なくともいずれか一方の成分比を、前記上面側とともに他の部位に比べて高く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４】
前記型内に材料を供給する際に、前記セパレータの外周縁部付近における材料の前記樹脂の成分比を、それより内側の材料に比べて高くすることを特徴とする請求項１ないし３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。
【請求項５】
前記セパレータは、流体流路となる溝と、該溝周囲の凸部が形成され、前記型内に材料を供給する際に、前記凸部における材料の前記カーボンの成分比を、前記セパレータの板厚方向中間部に比べて高くすることを特徴とする請求項１ないし４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。
【請求項６】
前記型内への材料の供給は、含有する成分の成分比が異なる混合粉末材料毎に異なるノズルより供給することを特徴とする請求項１ないし５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。
【請求項７】
前記潤滑剤は、常温では固体で、融点が５０℃以上であることを特徴とする請求項１ないし６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。
【請求項８】
前記潤滑剤は、硫黄や重金属を実質的に含まないことを特徴とする請求項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。
【請求項９】
前記潤滑剤は、天然ワックスまたは合成ワックスのいずれかであることを特徴とする請求項１ないし８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。
【請求項１０】
前記天然ワックスは、蜜蝋，鯨蝋，セラック蝋，カルナバ蝋，木蝋，米糠蝋，パラフィンワックス，マイクロクリスタリンワックス，モンタンワックス，オゾケライトの少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記合成ワックスは、フィッシャー・トロプッシュワックス，ポリエチレンワックス，脂肪酸エステル系ワックス，ケトン・アミン類，水素硬化油の少なくともいずれか一つであることを特徴とする請求項９記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項１２】
請求項１ないし１１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し、この電極側にガス供給用のガス流路を備えた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】
このようなセパレータの製造方法として、カーボンと熱硬化性樹脂とを混練した材料を、上型および下型で所定形状に圧縮成形するとともに硬化温度に加熱して成形する方法が、下記特許文献１に記載されている。
【０００５】
この場合、圧縮成形する過程で、混練した材料に含まれるカーボンは、樹脂に比べて流動性が悪いので、上部に位置する上型に対応する付近には、カーボンが充分行き渡らず、樹脂の成分比が、それより下部側の部分に比べて高くなる傾向にある。
【０００６】
特に、燃料電池用セパレータは、前述したように、表面にガスや冷却水の流路を成形する必要があることから、型表面に凹凸部を形成してあり、その凹部の角部に特にカーボンが流入しにくいものとなる。
【０００７】
また、下記特許文献２には、カーボン含有量の少ない樹脂により形成された芯層部と、カーボン含有量の多い樹脂により芯層部の外表面を覆うように形成された外層部とより構成した燃料電池用セパレータが記載されている。
【特許文献１】特開平１０−３９３１号公報
【特許文献２】特開２０００−３２３１５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記した特許文献１に記載したもののように、セパレータの表面の部分のカーボン成分比が低くなると、その分、樹脂の成分比が高くなり、このため材料の硬化時に表面側の樹脂リッチ部の収縮量がカーボンリッチ部に比べて多くなり、成形後のセパレータに反りが発生して平面度不良を引き起こす。
【０００９】
通常燃料電池は、所定の電力を得るために、前記した電解質膜、一対の電極およびセパレータを一組の単電池として、これらを多数積層した燃料電池スタックとして使用する。このため、上記したようにセパレータの平面度が悪化していると、セパレータと電極との接触不良などにより導電性の悪化や、積層組付時の応力による割れ、締付力の増加による締付不良の原因となる。
【００１０】
また、セパレータの樹脂リッチ部となる表面側は、すなわちカーボン少量であることから、接触抵抗の増加により導電性が悪化する。特にカーボンが入り込みにくい型の凹部は、セパレータの凸部となるので、この凸部は組み付け時に電極に接触して導電性を確保する必要があることから、上記した導電性の悪化により、電池性能の低下を引き起こす。
【００１１】
これに対して上記した特許文献２に記載のものは、セパレータの表面のカーボン含有量を多くし、内部の樹脂含有量を多くしているが、これは樹脂層とカーボン層とを２段階の射出成形によって製造するものであることから、生産性が悪く、樹脂含有量が多い故に導電性が低い。また、セパレータ表面に形成するガス流路の側壁（型の抜き方向と平行な面）に対してカーボン層を樹脂層の上に形成するには、このカーボン層の厚さ分だけ厚さの薄い凸部を備えた型を、樹脂層形成時とは別に用意する必要があり、コスト増加を招いて生産性の悪化を招く。
【００１２】
そこで、本発明は、生産性を悪化させることなく、燃料電池用セパレータの導電性および平面度を所望に確保することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、カーボンと樹脂とを混練した材料を型内に供給して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、前記型内に材料を供給する際に、前記セパレータの表面側における材料の、前記材料に混入させる潤滑剤と前記カーボンとの少なくともいずれか一方の成分比を、他の部位に比べて高くすることを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、カーボンと樹脂とを混練した材料を型内に供給する際に、セパレータの表面側における材料の、潤滑剤とカーボンとの少なくともいずれか一方の成分比を、他の部位に比べて高くするようにしたので、例えばカーボンの成分比を高めることで、樹脂に比べて流動性が悪くセパレータの表面側に行き渡りにくいカーボンを、表面側に所望に確保することができ、この結果セパレータの表面側のカーボン比率の低下を防止でき、導電性を確保して電池性能を所望に維持できるとともに、表面側の樹脂比率が高くなることによる収縮量過大に起因するセパレータの反りを防止して平面度を所望に確保することができる。
【００１５】
一方、潤滑剤の成分比を高めることで、表面側における材料の潤滑性が富んで成形性が向上することになり、その結果セパレータの表面側にも材料が充分行き渡り、特にカーボンが表面側に充分行き渡ることで、導電性を確保して電池性能を所望に維持することができる。
【００１６】
また、型内に材料供給後、一度の圧縮成形によってセパレータを製造できるとともに、型自体も一つで済むので、生産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】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
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。
【００１９】
セパレータ１は、電極５側にガス供給用のガス流路（溝）１ａを、電極５と反対側に冷却水流路（溝）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（溝）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（溝）１ａには酸化剤となる空気を供給する。なお、１ｃは、ガス流路（溝）１ａ、冷却水流路（溝）１ｂの周囲の凸部である。
【００２０】
このようなセパレータ１は、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末とを所定の割合で混練した混合粉末材料９を、図２に示した下型１１と上型１３とを用いて成形する。下型１１には、前記したガス流路１ａまたは冷却水流路１ｂに対応する凸部１１ａを設け、外周側には全周にわたり上型１３に向けて突出する側壁部１１ｂを設けている。一方上型１３には、冷却水流路１ｂまたはガス流路１ａに対応する凸部１３ａを設けている。
【００２１】
上記した下型１１と上型１３との間の型内に供給した混合粉末材料９を、型内で圧縮し、さらに加熱することで硬化して成形品となり、この成形品を硬化後取り出して冷却することで、セパレータ１が得られる。加熱の際には、図示していないが、下型１１および上型１３にそれぞれ埋め込んだヒータなどの加熱手段を用いる。
【００２２】
次に、製造方法について説明する。
【００２３】
図３（ａ）に示すように、下型１１と上型１３とを互いに離反させた状態で下型１１上に、前記した混合粉末材料９を供給する。このとき、第１粉末材料供給ノズル１５と第２粉末材料供給ノズル１７とを用いる。第１粉末材料供給ノズル１５は、カーボン粉末の成分比を９割とした混合粉末材料９ａを供給するもので、一方第２粉末材料供給ノズル１７は、カーボン粉末の成分比を７〜８割とした混合粉末材料９ｂを供給するものである。
【００２４】
そして、図３（ａ）に示すように、まず第１粉末材料供給ノズル１５によって下型１１上に、混合粉末材料９ａを供給する。その後、第２粉末材料供給ノズル１７によって混合粉末材料９ａの上に混合粉末材料９ｂを供給する。そして最後に、再度第１粉末材料供給ノズル１５によって、混合粉末材料９ａを混合粉末材料９ｂ上に供給する。
【００２５】
これにより、図３（ｂ）に示すように、型内に供給した混合粉末材料９は、下型１１に接する部分および上型１３に接する部分の特に凸部１ｃが、カーボン成分比の高い混合粉末材料９ａとなり、中間部が、混合粉末材料９ａより樹脂成分比の多い混合粉末材料９ｂとなる。
【００２６】
このように、第１粉末材料供給ノズル１５および第２粉末材料供給ノズル１７を用いることで、成分比の異なる材料の供給を容易に行うことができる。
【００２７】
図３（ｂ）のように材料供給後、図３（ｃ）に示すように、下型１１と上型１３とを互いに接近させて型内の混合粉末材料９を圧縮成形するとともに、図示しない加熱手段によって加熱硬化させて成形品を得る。この成形品を硬化後取り出して適宜冷却することで、前記図１に示した燃料電池用のセパレータ１が得られる。
【００２８】
混合粉末材料９を圧縮成形する際には、混合粉末材料９に含まれるカーボンが樹脂に比べて流動性が悪く、このためカーボンは、図３（ｃ）に示す上型１３の角部１３ｂに対して入り込みにくいものとなる。
【００２９】
しかしながら、本実施形態では、上型１３に対応する上面側の材料を、カーボンの成分比を９割としてあり、カーボンの成分比を７〜８割とした他の部分である中間部に比べて多くしたので、カーボンは上型１３の角部１３ｂにも確実に入り込む。これにより、樹脂に比べて流動性が悪く上面側に行き渡りにくいカーボンを、上面側にも所望に確保することができ、この結果上面側の樹脂比率の低下を防止でき、樹脂比率の多い部分での収縮量過大によるセパレータ１の反りを防止して平面度を所望に確保することができる。
【００３０】
また、セパレータ１は、上面側の凸部１ｃのカーボン含有量を確保するとともに、下型１１に接する下面側の凸部１ｃについてもカーボンの成分比を９割と高くしてセパレータの板厚方向中間部より多く確保しているので、電極５に接触するセパレータ１の導電性を充分確保でき、電池性能を所望に維持することができ、中間部では樹脂比率が高くなって強度が充分確保できる。
【００３１】
なお、図４に示すように、セパレータ１の凸部１ｃ全体のカーボンの成分比を高くすれば、前記の効果がより高まることになる。
【００３２】
そして、本実施形態によれば、型内に材料供給後、一度の圧縮成形によってセパレータ１を製造できるとともに、型自体も一つで済むので、生産性の悪化を防止することができる。
【００３３】
これに対し、上型１３に接触する上面側の混合粉末材料９を、中間部と同様のカーボン成分比（７〜８割）とした場合には、上面側においては、カーボンが行き渡りにくいことから樹脂成分比が中間部より多くなって収縮量も多くなり、図５に示すように、セパレータ１に反りが発生し、所望の平面度が確保できなくなる。
【００３４】
本発明の第２の実施形態として、セパレータ１を成形する際に使用する材料を、第１の実施形態で使用したカーボン粉末および熱硬化性樹脂粉末に、若干の潤滑剤を付加したものとしてもよい。
【００３５】
この場合には、型内に供給した混合粉末材料９のうち、下型１１に接する部分および上型１３に接する部分、すなわちセパレータ１の表面側に対応する部分の特にセパレータ１の凸部１ｃに対応する材料を、カーボンと潤滑剤との少なくともいずれか一方の成分比が他の部位に比べて高い混合粉末材料９ａとし、中間部を、混合粉末材料９ａより樹脂成分比の高い混合粉末材料９ｂとする。
【００３６】
ここで、下型１１に接する部分および上型１３に接する部分のカーボンの成分比を高くした場合には、前記した第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。一方、下型１１に接する部分および上型１３に接する部分の潤滑剤の成分比を高くした場合には、セパレータ１の上面側および下面側の材料の潤滑性が富んで成形性が向上し、その結果セパレータ１の上面側および下面側にも材料特にカーボンが充分行き渡ることになり、導電性を確保して電池性能を所望に維持することができる。
【００３７】
また、カーボンと潤滑剤の双方の成分比を高くすることで、上記した効果がより一層顕著なものとなる。
【００３８】
上記した潤滑剤としては、常温では固体で、融点が５０℃以上であり、また硫黄や重金属を実質的に含まない材料を使用している。
【００３９】
潤滑剤が常温で固体であれば、カーボンおよび樹脂との混合が乾式の混合機を使用でき、材料の取り扱いが容易となる。また、潤滑剤の融点が５０℃以上であれば、成形の際には液体になり、潤滑性に寄与することができる。
【００４０】
また、硫黄や重金属を実質的に含まない材料を潤滑剤に使用することで、これらがイオンの形で、燃料電池使用時での純水中に溶け出すことがなく、燃料電池を構成する部材の劣化防止に寄与することができる。
【００４１】
潤滑剤の具体例としては、天然ワックスまたは合成ワックスのいずれかであり、これらのワックスは、潤滑性が高く、市場での入手が容易である。
【００４２】
また、天然ワックスは、動物由来として蜜蝋，鯨蝋，セラック蝋，カルナバ蝋があり、植物由来として木蝋，米糠蝋があり、石油由来としてパラフィンワックス，マイクロクリスタリンワックス，モンタンワックス，オゾケライトがあり、これら各天然ワックスの少なくともいずれか一つを使用することができる。
【００４３】
一方合成ワックスは、主として炭化水素系ワックスであり、炭化水素系であれば、一酸化炭素と水素とを反応させて作るフィッシャー・トロプッシュワックスかポリエチレンワックスであり、その他の合成ワックスであれば、脂肪酸エステル系ワックス（例えば、やし油，脂肪酸アミド（例えば、ステアリン酸アミド），ケトン・アミン類（例えば、ジヘプタデシルケトン），水素硬化油（例えば、硬化ひまし油）の少なくともいずれか一つである。
【００４４】
これらの天然ワックスや合成ワックスは、潤滑性が高く、純水中へのイオン溶質性の可能性が低く、市場での入手が容易である。
【００４５】
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法を示している。この実施形態は、前記図３に示した第１の実施形態または第２の実施形態と同様の材料供給を行うとともに、セパレータ１の外周縁部に対しては、第３粉末材料供給ノズル１９によって、前記図３における中間部の混合粉末材料９ｂより樹脂の成分比の高い混合粉末材料９ｃを供給する。
【００４６】
すなわち、この場合は、セパレータ１の外周縁部については、材料供給状態が図３のような３層ではなく、中間部の混合粉末材料９ｂより樹脂の成分比の高い混合粉末材料９ｃのみとなる。なお、この混合粉末材料９ｃはカーボンを含まなくてもよい。
【００４７】
第３粉末材料供給ノズル１９は、矩形状の下型１１に対して図６中でセパレータ１の幅方向であるｘ方向およびｙ方向に移動しながら材料供給を行う。
【００４８】
このようにして型内に材料供給後、前記と同様にして圧縮加熱成形して得たセパレータ１は、第１の実施形態と同様の効果が得られるとともに、外周縁部が中央部に比べて樹脂の成分比を高くしているので、外周縁部の靭性や強度が高まる。この外周部分は、単電池７を多数積層して燃料電池スタックとする際に、ボルトなどの締結具を用いて締結固定するので、靭性や強度を高めることが極めて有効である。
【００４９】
一方、電極５に接触する中央部分は、外周部に比べて樹脂の成分比が低く、カーボンの成分比が高いので、導電性を確保している。
【００５０】
図７は、本発明の第４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を示す。このセパレータ１は、流体流路となる一方向に延びる複数の溝としてのガス流路１ａまたは冷却水流路１ｂを備えているが、この溝の両端側（図７中で上下両端）の外周縁部となる外側部分１ｄの混合粉末材料を、他の部分すなわちガス流路１ａまたは冷却水流路１ｂを備えた中央部分に比べて樹脂の成分比を高いものとしている。
【００５１】
上記した外側部分１ｄの混合粉末材料を樹脂の成分比が高いものとすることで、この部分の靭性や強度が高まる。この場合、ガス流路１ａまたは冷却水流路１ｂとなる溝が、図６中で上下方向に延びており、その両端側の靭性，強度を高めているので、溝に沿っての割れを防止することができる。
【００５２】
一方、電極５に接触するに中央部分は、第３の実施形態と同様に、図７中で上下両端の外側部分１ｄに比べて樹脂の成分比が低く、カーボンの成分比が高いので、導電性を確保している。
【００５３】
上記第４の実施形態における混合粉末材料の下型１１への供給方法については、セパレータ１の図７中で上下両端の外側部分１ｄに対しては、第３の実施形態と同様に、図６に示した第３粉末材料供給ノズル１９を使用し、中央部分の混合粉末材料９ｂより樹脂の成分比の高い混合粉末材料を、図６中でｙ方向に移動させつつ供給する。その他の部分の材料供給については、前記図３に示した第１の実施形態と同様とする。
【００５４】
なお、外側部分１ｄの混合粉末材料はカーボンを含まなくてもよい。
【００５５】
また、図７に示したセパレータ１のように、図７中で上下両端の外側部分１ｄにおける樹脂の成分比を高くする方法として、図８に示すように、水平方向に開閉する一対の型２１，２３を利用し、上部の材料投入口２５から、最初と最後に樹脂の成分比が高い混合粉末材料９ｅを供給し、その中間部分には、混合粉末材料９ｅよりカーボンの成分比が高い混合粉末材料９ｆを供給する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係わる燃料電池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】図１のセパレータを圧縮成形する状態を示す断面図である。
【図３】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を示す工程図で、（ａ）は材料供給、（ｂ）材料供給完了、（ｃ）は圧縮成形をそれぞれ示す。
【図４】図３に示す第１の実施形態の変化例である。
【図５】反りが発生したセパレータを示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係わる燃料電池用セパレータの製造方法を示す斜視図である。
【図７】本発明の第４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の平面図である。
【図８】第４の実施形態におけるセパレータの樹脂の成分比を高くする方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１  セパレータ
１ａ  ガス流路（溝）
１ｂ  冷却水流路（溝）
１ｃ  セパレータにおける溝周囲の凸部
１ｄ  セパレータの外側部分（外周縁部）
１１  下型
１３  上型
１５  カーボン成分比の高い混合粉末材料を供給する第１粉末材料供給ノズル
１７  カーボン成分比の低い混合粉末材料を供給する第２粉末材料供給ノズル
１９  樹脂成分比の高い混合粉末材料を供給する第３粉末材料供給ノズル
【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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