(57)【要約】【課題】  燃料電池のセパレータにおいて、製造が簡単で低コストでありながらも優れた導電性を有するようにする。【解決手段】  平均粒径Ｄの導電性粉末１２０ａとバインダ１２０ｂとを混合したものがキャビティ内に射出されることにより、単位セル１１０と当接させるセパレータ１２０を成形する金型１０の、セパレータ１２０の単位セル１１０と当接する当接面１２３を成形するキャビティ面１１が、Ｄ〜３Ｄの大きさのピッチで凹凸状をなす溝部１１ａを有し、上記導電性粉末１２０ａを７０〜９０wt％とバインダ１２０ｂを１０〜３０wt％とを混合したものを金型１０のキャビティ内に射出成形することにより、セパレータ１２０を製造する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均粒径Ｄの導電性粉末とバインダとを混合したものがキャビティ内に射出されることにより、単位セルと当接させるセパレータを成形する金型であって、
前記セパレータの前記単位セルと当接する当接面を成形するキャビティ面が、Ｄ〜３Ｄの大きさのピッチで凹凸状をなしている
ことを特徴とする金型。
【請求項２】
請求項１において、
前記キャビティ面の凹凸形状の深さが、Ｄ〜３Ｄである
ことを特徴とする金型。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記キャビティ面の凹凸形状が、窪形状または溝形状である
ことを特徴とする金型。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかにおいて、
前記導電性粉末の平均粒径Ｄが０．０１ｍｍ以下である
ことを特徴とする金型。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかの金型を使用する燃料電池のセパレータの製造方法であって、
平均粒径Ｄの導電性粉末７０〜９０wt％とバインダ１０〜３０wt％とを混合したものを前記金型のキャビティ内に射出成形することにより、単位セルと当接させるセパレータを製造する
ことを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項６】
請求項５において、
射出成形圧力が１００〜２００ＭＰａである
ことを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項７】
請求項５又は請求項６において、
前記導電性粉末が炭素系粉末であり、
前記バインダが熱可塑性樹脂である
ことを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。
【請求項８】
請求項５から請求項７のいずれかの燃料電池のセパレータの製造方法により製造されたことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項９】
請求項５から請求項７のいずれかの燃料電池のセパレータの製造方法により製造されたセパレータを利用していることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型及びこれを使用する燃料電池のセパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、電解質を介して一対の電極を接触させ、この電極のうちの一方の電極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給し、これらガスを電気化学的に反応させることにより、化学エネルギを電気エネルギに直接変換する装置である。燃料電池には、電解質の種類によりいくつかの形式がある。その中で、近年、高出力が得られることから、固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池が注目されている。この固体高分子型燃料電池の概略構成（例えば、下記特許文献１等参照）を図４に示す。
【０００３】
図４に示すように、固体高分子膜１１１の一方側には、炭素基材からなるアノード（ガス拡散電極）１１２が接合されている。固体高分子膜１１１の他方側には、カソード（ガス拡散電極）１１３が接合されている。アノード１１２及びカソード１１３は、反応膜１１２ａ，１１３ａ及びガス拡散膜１１２ｂ，１１３ｂが接合されたものであり、反応膜１１２ａ，１１３ａの表面が固体高分子膜１１１と接触しており、ガスや水を通過させるために内部がポーラスになっている。これにより燃料電池の単位セル１１０が構成される。
【０００４】
単位セル１１０のアノード１１２及びカソード１１３の外側には、セパレータ１２０がそれぞれ当接している。セパレータ１２０のアノード１１２やカソード１１３との当接面側には、リブ１２１によって溝１２２が形成されており、アノード１１２側の溝１２２が、燃料ガスである水素の流路となり、カソード１１３側の溝１２２が、酸化剤ガスである酸素の流路となっている。
【０００５】
このような固体高分子型燃料電池においては、固体高分子膜１１１と前記反応膜１１２ａ，１１３ａとの間の接触面で電池反応を主に生じる。具体的には、アノード１１２側のセパレータ１２０の溝１２２に水素を供給し、カソード１１３側のセパレータ１２０の溝１２２に酸素を供給すると、アノード１１２の反応膜１１２ａにおいて、水素分子Ｈ2 が水素イオン２Ｈ+ 及び電子２ｅ- となり、水素イオン２Ｈ+ が固体高分子膜１１１を通ってカソード１１３に流れることにより、これら電極１１２，１１３間に単位セル当たり０．７ボルト程度の起電力が発生する。
【０００６】
この起電力によって電子２ｅ- を負荷１００を通してカソード１１３に流すことにより電気エネルギが得られる。水素イオン２Ｈ+ は、酸素と結合して水となる。実用的に使用される燃料電池においては、単位セル１１０及びセパレータ１２０が数十から数百個積層されて構成される。
【０００７】
ところで、固体高分子型燃料電池のセパレータ１２０においては、耐腐食性、ガス不透過性、導電性、熱伝導性等の特性が要求されるため、当初、黒鉛板を機械加工して製造されたものが使用されていたものの、機械的な強度が低いだけでなく、コストが極めて高いことから、現在、生産性やコスト面で有利な、炭素系粉末等の導電性粉末を熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等のバインダにより成形したものが使用されつつある。
【０００８】
特に、熱硬化性樹脂をバインダに用いると、熱硬化工程に長い時間を要し、生産性に難点を生じてしまうため、熱可塑性樹脂をバインダに用いたものが主流となっている。このような熱可塑性樹脂をバインダに用いた固体高分子型燃料電池のセパレータ１２０は、キャビティの表面を鏡面仕上げ加工した金型内に、バインダと炭素系粉末とを混合したものを射出成形することにより容易に製造することができる。
【０００９】
【特許文献１】特開２０００−３１５５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述したような従来の固体高分子型燃料電池のセパレータ１２０においては、射出成形時にバインダが金型の鏡面仕上げされたキャビティ面に密着して充填され、当該キャビティ面と導電性粉末との間にも十分介在した状態となるので、図５に示すように、アノード１１２やカソード１１３との当接面１２３の表面がバインダ１２０ｂで覆われた状態となり、当該当接面１２３の表面に露出する導電性粉末１２０ａの量が少なくなりやすい。
【００１１】
このため、上記セパレータ１２０においては、アノード１１２やカソード１１３と接合した際の電気抵抗（体積抵抗率）が大きくなりやすく、特に、厚さ方向（図５中、左右方向）の導電率が低下しやすかった。
【００１２】
そこで、上記セパレータ１２０の上記当接面１２３を研磨等することにより、当該当接面１２３の表面に露出する導電性粉末１２０ａの表面積を増やすことが考えられるが、製造効率が悪くなってしまい、コストの上昇を招いてしまう。
【００１３】
また、上記セパレータ１２０中の導電性粉末１２０ａの含有率を高くすることにより、上記当接面１２３の表面に露出する導電性粉末１２０ａの表面積を多くすることも考えられるが、導電性粉末１２０ａを７０ｗｔ％以上の高い割合にしてしまうと、当該導電性粉末１２０ａとバインダ１２０ｂとの混合材料の流動粘度が極めて高くなってしまい、従来から一般的に用いられている低圧の射出成形圧力（２００ＭＰａ程度以下）で金型内に充填して成形することが難しくなってしまう。
【００１４】
このため、導電性粉末とバインダとを混合したものを金型内に射出成形する燃料電池のセパレータにおいて、製造が簡単で低コストでありながらも優れた導電性を有するようにすることが強く求められていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前述した課題を解決するための、第一番目の発明は、平均粒径Ｄの導電性粉末とバインダとを混合したものがキャビティ内に射出されることにより、単位セルと当接させるセパレータを成形する金型であって、前記セパレータの前記単位セルと当接する当接面を成形するキャビティ面が、Ｄ〜３Ｄの大きさのピッチで凹凸状をなしていることを特徴とする。
【００１６】
第二番目の発明は、第一番目の発明の金型において、前記キャビティ面の凹凸形状の深さが、Ｄ〜３Ｄであることを特徴とする。
【００１７】
第三番目の発明は、第一番目又は第二番目の発明の金型において、前記キャビティ面の凹凸形状が、窪形状または溝形状であることを特徴とする。
【００１８】
第四番目の発明は、第一番目から第三番目の発明の金型のいずれかにおいて、前記導電性粉末の平均粒径Ｄが０．０１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１９】
第五番目の発明は、第一番目から第四番目の発明の金型のいずれかを使用する燃料電池のセパレータの製造方法であって、平均粒径Ｄの導電性粉末７０〜９０wt％とバインダ１０〜３０wt％とを混合したものを前記金型のキャビティ内に射出成形することにより、単位セルと当接させるセパレータを製造することを特徴とする。
【００２０】
第六番目の発明は、第五番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法において、射出成形圧力が１００〜２００ＭＰａであることを特徴とする。
【００２１】
第七番目の発明は、第五番目又は第六番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法において、前記導電性粉末が炭素系粉末であり、前記バインダが熱可塑性樹脂であることを特徴とする。
【００２２】
第八番目の発明は、第五番目から第七番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法のいずれかにより製造されたことを特徴とする燃料電池のセパレータである。
【００２３】
第九番目の発明は、第五番目から第七番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法のいずれかにより製造されたセパレータを利用していることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００２４】
第一番目の発明の金型によれば、製造が簡単で低コストでありながらも優れた導電性を有する燃料電池のセパレータを製造することができる。
【００２５】
第二番目の発明の金型によれば、単位セルとの密着性（シール性）を低下させることのない燃料電池のセパレータを製造することができる。
【００２６】
第三番目の発明の金型によれば、第一番目又は第二番目の発明による効果を確実に得ることができる。
【００２７】
第四番目の発明の金型によれば、さらに特性の高い燃料電池のセパレータを製造することができる。
【００２８】
第五番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法によれば、特性の高い燃料電池のセパレータを効率よく製造することができる。
【００２９】
第六番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法によれば、特性の高い燃料電池のセパレータを効率よく製造することができる。
【００３０】
第七番目の発明の燃料電池のセパレータの製造方法によれば、特性の高い燃料電池のセパレータを低コストで簡単に製造することができる。
【００３１】
第八番目の発明の燃料電池のセパレータによれば、製造が簡単で低コストでありながらも優れた導電性を発現することができる。
【００３２】
第九番目の発明の燃料電池によれば、セパレータと単位セルとの間の電気抵抗（体積抵抗率）を小さくすることができ、特に、セパレータの厚さ方向の導電率を向上させることができ、低コストで簡単に発電効率を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明に係る金型及びこれを使用する燃料電池のセパレータの製造方法の実施形態を図１，２を用いて説明する。図１は、金型の要部の概略斜視図、図２は、燃料電池のセパレータの製造方法の説明図である。なお、背景技術で説明した部分と同様な部分については、背景技術の説明で用いた符合と同一の符号を用いることにより、背景技術での説明と重複する説明を省略する。
【００３４】
本実施形態に係る金型は、図１に示すように、平均粒径Ｄの導電性粉末１２０ａとバインダ１２０ｂとを混合したものがキャビティ内に射出されることにより、単位セル１１０と当接させるセパレータ１２０を成形する金型１０であって、前記セパレータ１２０の前記単位セル１１０と当接する当接面１２３を成形するキャビティ面１１が、Ｄ〜３Ｄの大きさのピッチで凹凸状をなしているものであり、前記キャビティ面１１の凹凸形状の深さｄが、Ｄ〜３Ｄとなっている。なお、導電性粉末１２０ａの平均粒径Ｄは、０．０１ｍｍ以下であると好ましい。
【００３５】
前記金型１０のキャビティ面１１の前記凹凸形状は、図１（ａ）に示すように、断続的な凹凸形状である窪形状をなす窪部１１ａが当該キャビティ面１１の全体にわたって形成されたものであると好ましいが、図１（ｂ）に示すように、連続的な凹凸形状である溝形状（山谷状）をなす溝部１１ｂが当該キャビティ面１１の全体にわたって形成されたものであってもよい。
【００３６】
さらに、図１（ｂ）に示したような、互いに平行な溝形状の溝部１１ｂに限らず、格子状をなす溝形状の溝部や、同心円状をなす溝形状の溝部とすることも可能である。このような金型１０の上記キャビティ面１１の凹凸形状は、切削加工、研磨加工、転造加工、サンドブラスト加工等の各種の加工方法で形成することができる。
【００３７】
このような金型１０を使用する本実施形態に係る燃料電池のセパレータの製造方法は、平均粒度０．０１ｍｍ以下の導電性粉末１２０ａを７０〜９０wt％とバインダ１２０ｂを１０〜３０wt％とを混合したものを前記金型１０のキャビティ内に１００〜２００ＭＰａの圧力で射出成形することにより、単位セル１０と当接させるセパレータ１２０を製造することができる。
【００３８】
ここで、上記導電性粉末１２０ａとしては、炭素系粉末を用いると好ましく、例えば、平均直径０．０１ｍｍ以下の球状又は平均長径０．０１ｍｍ以下の楕球(スヘロイド)状の炭素粒や黒鉛粒、炭素複合材等を挙げることができる。
【００３９】
また、流動可能化キャリア、結着材、封孔材として利用される上記バインダ１２０ｂとしては、熱可塑性樹脂を用いると好ましく、例えば、飽和ポリエステル樹脂、スチレン‐アクリル樹脂、スチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリビニールプチラール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、弗素樹脂、フェノキシ樹脂、ウレタン樹脂、液晶樹脂等を挙げることができる。
【００４０】
このようにして金型１０のキャビティ内に上記導電性粉末１２０ａと上記バインダ１２０ｂとを混合したものを射出成形すると、当該混合物は、導電性粉末１２０ａを多く含み流動性が悪いと共にバインダ１２０ｂの粘度が高いため、図２に示すように、バインダ１２０ｂが金型１０のキャビティ面１１の凹凸形状の窪部１１ａ（又は溝部１１ｂ）内に侵入できず、他方、導電性粉末１２０ａが射出圧力で上記窪部１１ａ（又は溝部１１ｂ）の内部に押し込まれバインダ１２０ｂの表面より外側に突出するようになる。
【００４１】
このため、上述したようにして製造された本実施形態に係るセパレータ１２０においては、前記アノード１１２や前記カソード１１３との当接面１２３の表面から露出する導電性粉末１２０ａの量が多くなり、当該導電性粉末１２０ａの露出表面積が増加するようになるので、優れた導電性を発現することができる。
【００４２】
よって、上記の本実施形態に係るセパレータ１２０を利用した固体高分子型燃料電池においては、セパレータ１２０と単位セル１１０との間の電気抵抗（体積抵抗率）を小さくすることができ、特に、セパレータ１２０の厚さ方向の導電率を向上させることができるので、低コストで簡単に発電効率を大幅に向上させることができる。
【００４３】
したがって、本実施形態によれば、導電性粉末１２０ａとバインダ１２０ｂとを混合したものを金型１０内に射出成形する燃料電池のセパレータ１２０において、製造が簡単で低コストでありながらも優れた導電性を有するようにすることできる。
【００４４】
なお、前記金型１０のキャビティ面１１の窪部１１ａや溝部１１ｂの凹凸形状のピッチｐの大きさがＤ未満であると、前記導電性粉末１２０ａが凹凸形状の内部に入り込まなくなってしまい、３Ｄを超えると、バインダ１２０ｂも凹凸形状の内部に入り込んでしまうおそれを生じてしまうので、好ましくない。
【００４５】
また、前記金型１０のキャビティ面１１の窪部１１ａや溝部１１ｂの凹凸形状の深さｄの大きさが３Ｄを超えると、製造されたセパレータ１２０の単位セル１１０との当接面のガスシール性が低下してしまうので、好ましくない。
【００４６】
また、射出成形圧力は、１００ＭＰａ未満であると、金型内への充填量が不十分となりやすく、２００ＭＰａを超えると、製造されたセパレータ１２０に歪みを生じやすく、不良品となる可能性が高いので、好ましくない。
【００４７】
また、導電性粉末１２０ａとバインダ１２０ｂとの混合物において、導電性粉末１２０ａの割合が７０wt％未満である（バインダ１２０ｂの割合が３０wt％を超える）と、成形されたセパレータ１２０を高導電率（低電気抵抗、低体積抵抗率）とすることが難しくなり、導電性粉末１２０ａの割合が９０wt％を超える（バインダ１２０ｂの割合が１０wt％未満である）と、流動性が得られなくなるため、好ましくない。
【００４８】
ここで、導電性粉末１２０ａの平均粒径Ｄが０．０１ｍｍのときの、金型１０のキャビティ面１１の前記凹凸形状の前記ピッチｐの大きさと、製造したセパレータ１２０の体積抵抗率Ｒとの関係を図３に示す。
【００４９】
図３からわかるように、前記ピッチｐの間隔が０．０１ｍｍよりも小さいと（Ａゾーン）、導電性粉末１２０ａの平均粒径Ｄが凹凸形状のピッチｐの間隔より大きく、バインダ１２０ｂはもちろんのこと導電性粉末１２０ａも凹凸形状の内部に入り込むことができないため、体積抵抗率Ｒが従来の場合と同様に大きくなってしまう。
【００５０】
また、前記ピッチｐの間隔が０．０３ｍｍよりも大きいと（Ｃゾーン）、導電性粉末１８だけでなくバインダ１９も凹凸形状の内部に入り込んでしまうため、体積抵抗率Ｒが従来の場合と同様に大きくなってしまう。
【００５１】
これに対し、前記ピッチｐの間隔が０．０１〜０．０３ｍｍの範囲であると（Ｂゾーン）、凹凸形状の内部にバインダ１２０ａが入り込むことなく導電性粉末１２０ｂのみが入り込むため、体積抵抗率Ｒが大幅に低下するのである。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明による金型及びこれを使用する燃料電池のセパレータの製造方法は、従来と同様な製造効率を維持しながらも導電性の高いセパレータを低コストで得ることができるので、産業上、極めて有益である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る金型の実施形態の要部の概略斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池のセパレータの製造方法の実施形態の説明図である。
【図３】金型のキャビティ面の凹凸形状のピッチｐの大きさと、製造したセパレータの体積抵抗率Ｒとの関係を表わすグラフである。
【図４】固体高分子型燃料電池の要部の概略構成図である。
【図５】従来の射出成形法により製造したセパレータの要部の説明図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  金型
１１  キャビティ面
１１ａ  窪部
１１ｂ  溝部
１００  負荷
１１０  単位セル
１１１  固体高分子膜
１１２  アノード
１１２ａ  反応膜
１１２ｂ  ガス拡散膜
１１３  カソード
１１３ａ  反応膜
１１３ｂ  ガス拡散膜
１２０  セパレータ
１２０ａ  導電性粉末
１２０ｂ  バインダ
１２１  リブ
１２２  溝
１２３  当接面
ｄ  深さ
ｐ  ピッチ
Ｄ  導電性粉末の平均粒径サイズ
【図１】
2005093162.tif 000003
【図２】
2005093162.tif 000004
【図３】
2005093162.tif 000005
【図４】
2005093162.tif 000006
【図５】
2005093162.tif 000007