(57)【要約】【課題】  燃料電池セパレータの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。加熱硬化後、型から取り出したセパレータを、冷却／搬送治具上に載せて放熱させるが、冷却／搬送治具に接触する下側の面に対応する下型１１に対する加熱温度を、空気放熱する上側の面に対応する上型１３に対する加熱温度より高く設定する。これによりセパレータは、加熱から冷却に至る硬化温度（硬化進度）の積算値が、上下両面でほぼ同等となり、収縮量も上下両面で同等となって反りを防止し、平面度を所望に確保することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを放熱させる際に、放熱性の良い側の面に対応する前記上型および下型のいずれか一方の加熱温度を、他方の加熱温度より高く設定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】
前記上型および下型に、それぞれ個別に加熱制御手段を設け、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを放熱させる際に、放熱性の良い側の面に対応する前記上型および下型のいずれか一方の加熱制御手段を、他方の加熱制御手段より、加熱温度を高く設定して作動させ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】
前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを、前記上型および下型のいずれかに対応する側の面を下にして治具上に載せて放熱させ、この治具に接触するセパレータの下面に対応する前記上型および下型のいずれか一方の加熱温度を、他方の加熱温度より高く設定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】
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、前記上型および下型の双方から硬化温度に加熱して成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを、治具上に載せるとともに、このセパレータの上面に放熱治具を載せて上下両面から放熱させ、前記セパレータの上下両面の冷却速度を同等と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５】
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、前記上型および下型の双方から硬化温度に加熱して成形する燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを、治具上に載せて放熱させ、この治具に設けた治具加熱手段により前記セパレータの治具に接触する下面側を加熱し、前記セパレータの上下両面の冷却速度を同等と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６】
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燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを、治具上に載せて放熱させ、この治具と反対の上面側に設けた冷却手段により前記セパレータの上面側を冷却し、前記セパレータの上下両面の冷却速度を同等と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７】
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燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを、治具上に載せて放熱させ、前記セパレータの前記治具に接触する下面側から硬化を促進させるガスを供給し、前記セパレータの上下両面の硬化反応速度を同等として硬化進度を同等と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、例えば下記特許文献１には、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記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２２８１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した従来の製造方法では、セパレータの両面で、型との接触時間や、型から取り出した後の冷却での状態によって、加熱、冷却の時間や温度に相違が発生し、このときセパレータ材料は硬化により収縮するため、硬化の進度差による収縮量の差が発生し、結果としてセパレータに反りが発生して平面度不良を引き起こす。
【０００６】
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。
【０００７】
そこで、本発明は、燃料電池セパレータの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】
【０００８】
本発明は、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燃料電池用セパレータの製造方法において、前記硬化温度に加熱後型から取り出したセパレータを放熱させる際に、放熱性の良い側の面に対応する前記上型および下型のいずれか一方の加熱温度を、他方の加熱温度より高く設定することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、セパレータを放熱させる際の放熱性の良い側の面に対応する上型および下型のいずれか一方の加熱温度を、他方の加熱温度より高く設定したので、セパレータ材料の加熱から放熱に至る硬化温度の積算値が、上型および下型に接触するそれぞれの面でほぼ同等となって、両面での硬化による収縮量も同等となり、セパレータの反りを防止して平面度不良を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１１】
図１は、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を示している。図２は、図１の製造方法で製造した燃料電池セパレータ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。
【００１２】
セパレータ１は、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。
【００１３】
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１に示した下型１１と上型１３とで成形する。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。
【００１４】
上記した下型１１および上型１３内には、型内に投入した混合粉末材料９を加熱するための電気ヒータ１５および１７をそれぞれ埋め込んである。さらに下型１１および上型１３内には、冷却水通路１９および２１をそれぞれ設けている。これら電気ヒータ１５，１７および冷却水通路１９，２１により、加熱制御手段を構成している。
【００１５】
図３は、これら電気ヒータ１５，１７の駆動制御および、冷却水通路１９，２１に供給する冷却水の供給制御を行う回路図を示している。下型１１の電気ヒータ１５および上型１３の電気ヒータ１７には、電気配線２３および２５を介して個別の電源２７および２９をそれぞれ接続し、各電源２７，２９を温度制御装置３１によって制御する。
【００１６】
一方、冷却水通路１９，２１には、冷却水配管３３，３５をそれぞれ接続し、冷却水配管３３，３５には、それぞれ個別の開閉バルブ３７，３９を設置した上で、冷却水ポンプユニット４１を接続する。開閉バルブ３７，３９も、前記した温度制御装置３１によって開閉制御する。
【００１７】
次に、製造方法について説明する。まず、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合粉末材料９を、図４にその一部を示すように下型１１に投入する。その後、図１に示すように、下型１１と上型１３とで混合粉末材料９を圧縮成形し、さらにこの圧縮成形とほぼ同時に電気ヒータ１５，１７に通電して混合粉末材料９を加熱し硬化させる。
【００１８】
このとき、下型１１の加熱温度が上型１３の加熱温度より高くなるように、温度制御装置３１が、各電源２７，２９を駆動制御するとともに、開閉バルブ３７，３９を開閉制御する。この場合、例えば、図示していないが、下型１１および上型１３にそれぞれ温度センサを設け、その検出値に応じて温度制御するとよい。
【００１９】
このようにして混合粉末材料９を圧縮、加熱成形して硬化した成形物は、型から取り出し、図５のようにセパレータ１として、冷却／搬送治具４３に載せて放熱させる。このときセパレータ１は、下型４３に対応する側を冷却／搬送治具４３に接触させる状態とする。すなわち、図１で成形した後のセパレータ１を、上下を変えずにそのままの状態で、冷却／搬送治具４３に載せる。
【００２０】
このとき、セパレータ１は、冷却／搬送治具４３に接触して放熱する図５中で下面側が、空気に接触して放熱することになる同上面側より冷却効果が高く、冷却速度が速くなる。すなわち、このセパレータ１は、冷却／搬送治具４３に接触する図５中で下面側が、硬化温度に加熱後型から取り出して放熱させる際に、放熱性の良い側の面となる。
【００２１】
しかしながら、この冷却速度が速くなるセパレータ１の下面側に対応する下型１１は、図１の加熱成形時に、上型１３に比べて加熱温度が高くなるよう温度制御しているので、トータルとして考えれば、加熱から冷却に至る硬化温度の積算値（硬化進度）が、セパレータ１の上下両面でほぼ同等となり、収縮量も上下両面で同等となる。
【００２２】
図６は、材料投入から、圧縮成形，加熱硬化，型開排出（成形後のセパレータ１の型からの取り出し），冷却／搬送に至るまでの時間に対するセパレータ１（混合粉末材料９）の温度を、下型１１に対応する下面側（破線Ｌ）と、上型１１に対応する上面側（実線Ｕ）とでそれぞれ示している。
【００２３】
一方、図７は比較例であり、下型１１および上型１３の各加熱温度を同等とした場合のセパレータ１（混合粉末材料９）の温度を、図６と同様に下面側（破線Ｌ）と上面側（実線Ｕ）とでそれぞれに示している。
【００２４】
ここで、セパレータ１の下面側（破線Ｌ）と上面側（実線Ｕ）とでは、材料投入から冷却／搬送に至るまでの時間内でのそれぞれの温度の積算値を比較すると、加熱硬化時に下面側対応する下型１１の加熱温度を高く設定している本実施形態に対応する図６の方が、図７の比較例に比べてより近い値となっている。つまり、本実施形態では、加熱から冷却／搬送に至るセパレータ１の硬化温度の積算値（硬化進度）が、上下両面でほぼ同等に近い値となる。
【００２５】
この結果、セパレータ１は、収縮量も上下両面で同等となって反りを防止することができ、平面度を所望に確保することができる。したがって、特に図２に示した単電池７を多数積層して燃料電池スタックを構成しても、セパレータ１と電極５との接触不良を防止して導電性を良好に保つことができるとともに、積層組付時の応力による割れや締付力の増加による締付不良を防止することができる。
【００２６】
一方比較例では、図７に示すように、加熱から冷却／搬送に至るセパレータ１の硬化温度の積算値（硬化進度）が、上下両面で大きく異なっているので、図８に示すように、セパレータ１に反りが発生することになり、所望の平面度が確保できなくなる。
【００２７】
また、上型１３の加熱温度を下型１１に比べて低くすることで、混合粉末材料９の上型１３に接触する部分の初期の硬化反応が、下型１１に接触する側に比べて遅くなる。この結果、図９に示すように、混合粉末材料９が入り込みにくい上型の角部４５に対しては、材料の型回り時間が増加するため、上型１３への材料回り不良による製品形状不良についても改善することができる。
【００２８】
図１０は、この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池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７に示した比較例のように、下型１１および上型１３の加熱温度を同等として成形したセパレータ１を、前記図５のように冷却／搬送治具４３に載せるとともに、セパレータ１の上に放熱治具４７を載せ、セパレータ１を放熱治具４７と冷却／搬送治具４３とで上下から挟むようにしている。
【００２９】
このように、セパレータ１の上下両面から、放熱治具４７および冷却／搬送治具４３によって同等に放熱させることで、図１１に示すように、上下両面の冷却速度がほぼ同等に近い値となり、加熱から冷却に至る硬化温度の積算値（硬化進度）が、上下両面でほぼ同等となる。したがって、この第２の実施形態においても、セパレータ１は、上下両面での収縮量が同等となって反りを防止でき、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を上下両面から挟持することで、セパレータ１の反りを物理的に抑えることもできる。
【００３１】
以下図１２〜図１４に示す、第３〜第５の各実施形態においても、前記第２の実施形態と同様に、下型１１および上型１３の加熱温度を同等として成形したセパレータ１を放熱させる過程でのものである。
【００３２】
図１２に示す第３の実施形態は、前記図５の冷却／搬送治具４３に治具加熱手段としての電気ヒータ４９を埋め込んでいる。
【００３３】
冷却／搬送治具４３を電気ヒータ４９で加熱して冷却速度を遅くすることで、セパレータ１の下面側の冷却速度を、前記図１１のように空気冷却する上面側とほぼ同等に近い値とする。
【００３４】
なお、電気ヒータ４９を設けずに、冷却／搬送治具４３を断熱材で構成し、これによりセパレータ１の下面側の冷却速度を空気冷却する上面側とほぼ同等に近い値としてもよい。
【００３５】
図１３に示す第４実施形態は、冷却速度の遅いセパレータ１の上面側に対し、空気または水などの冷却流体を噴出する冷却手段としての噴出ノズル５１によって、冷却流体を上面側の全面にわたってほぼ均等に吹き付け、上面側の冷却速度を速くする。これにより、セパレータ１の上下両面の冷却速度がほぼ同等に近い値となる。
【００３６】
図１４に示す第５実施形態は、混合粉末材料９に使用する熱硬化性樹脂に、あらかじめガス硬化成分（ＣＯ2硬化またはアミンガス硬化フェノール樹脂）を混入しておき、これに対応するガスを、冷却／搬送治具４３に対して上下に貫通させたガス供給孔４３ａから、セパレータ１の下面側に吹き付けるようにする。
【００３７】
これにより、セパレータ１の下面側の硬化反応を促進し、冷却速度の遅い上面側と同等の反応速度とし、上下両面での硬化進度をほぼ同等に近い値とする。
【００３８】
このように図１２〜図１４に示す第３〜第５の各実施形態においても、図１１に示すように、セパレータ１の上下両面での冷却速度又は硬化反応速度をほぼ同等に近い値とすることで、加熱から冷却に至る硬化温度の積算値（硬化進度）が、上下両面でほぼ同等となり、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。
【００３９】
また、セパレータ１の放熱（冷却）状態を制御する上記図１０〜図１４に示した第２〜第５の各実施形態は、低温、低熱容量の治具を用いた制御であり（図１０，図１２）、また冷却流体や反応促進ガスの流量制御である（図１３，図１４）ため、型温度の制御を行う前記図１に示した第１の実施形態に比べ、より細かな制御が可能であり、セパレータ１の平面度を精度よく確保することができる。
【００４０】
また、上記図１０〜図１４に示した第２〜第５の各実施形態による成形後のセパレータ１の放熱時の制御と、前記図１に示した第１の実施形態による型温度の制御とを併用することもできる。この場合、第１の実施形態による型温度の制御で主な温度調整を行い、その後細かい温度制御又は硬化反応制御を、第２実施形態以降のセパレータ１の放熱又は硬化促進で行うようにすることで、制御範囲が広がり、制御性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【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を示す断面図である。
【図２】図１の製造方法で製造した燃料電池セパレータを備えた燃料電池の断面図である。
【図３】図１の製造方法における電気ヒータおよび冷却水通路に供給する冷却水の制御を行う回路図である。
【図４】カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末との混合粉末材料を下型に投入した状態を示す断面図である。
【図５】成形後のセパレータを冷却／搬送治具上に載せた状態を示す断面図である。
【図６】材料投入から冷却／搬送に至るまでの時間に対するセパレータ（混合粉末材料）の温度を、その下面側と上面側とでそれぞれに示した説明図である。
【図７】本発明に対する比較例を示す、図６と同様の説明図である。
【図８】図７の比較例により反りが発生したセパレータを示す断面図である。
【図９】混合粉末材料が入り込みにくい上型の角部を拡大して示す断面図である。
【図１０】この発明の第２の実施形態に係わる燃料電池セパレータの製造方法を示す断面図である。
【図１１】第２の実施形態による、図６と同様の説明図である。
【図１２】この発明の第３の実施形態に係わる燃料電池セパレータの製造方法を示す断面図である。
【図１３】この発明の第４の実施形態に係わる燃料電池セパレータの製造方法を示す断面図である。
【図１４】この発明の第５の実施形態に係わる燃料電池セパレータの製造方法を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４２】
１  セパレータ
１１  下型
１３  上型
１５，１７  電気ヒータ（加熱制御手段）
１９，２１  冷却水通路（加熱制御手段）
４３  冷却／搬送治具（治具）
４７  放熱治具
４９  電気ヒータ（治具加熱手段）
５１  噴出ノズル（冷却手段）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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