(57)【要約】  【課題】  燃料電池セパレータ形成空間部と連通する剰余材料溜用空間部の全体積が燃料電池セパレータ形成空間部との体積比を特定な範囲とすることにより寸法精度、成形性、生産性などに優れる燃料電池セパレータ製造用の金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供することである。  【解決手段】  上金型と下金型とを有し、且つ上金型と下金型との間の燃料電池セパレータ形成空間部と連通する剰余材料溜用空間部を設けた燃料電池セパレータ製造用の金型において、(1)該剰余材料溜用空間部が該燃料電池セパレータ形成空間部の周囲に該上金型と該下金型とで形成される通路で連通され、(2)該剰余材料溜用空間部の全体積が該燃料電池セパレータ形成空間部の体積に対して３０％以下であることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用金型。  【選択図】    図２
2005339874.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上金型と下金型とを有し、且つ上金型と下金型との間の燃料電池セパレータ形成空間部と連通する剰余材料溜用空間部を設けた燃料電池セパレータ製造用の金型において、(1)該剰余材料溜用空間部が該燃料電池セパレータ形成空間部の周囲に該上金型と該下金型とで形成される通路で連通され、(2)該剰余材料溜用空間部の全体積が該燃料電池セパレータ形成空間部の体積に対して３０％以下であることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項２】
前記剰余材料溜用空間部の全体積が２０〜１００ｃｍ３である請求項１に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項３】
前記剰余材料溜用空間部が、燃料電池セパレータ成形空間部の体積に対して１０〜２０％である請求項１又２に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項４】
前記該燃料電池セパレータ形成空間部と前記剰余材料溜用空間部とを連通する通路が、高さ０．０５〜０．８ｍｍ、長さ０．１〜５ｍｍである請求項１に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項５】
前記剰余材料溜用空間部が、前記燃料電池セパレータ形成空間部の周囲でほぼ均一な体積である請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
【請求項６】
請求項１乃至４に記載の燃料電池セパレータ製造用金型のいずれかを用いて、炭素材及び熱硬化性樹脂を主成分とする成形材料を該金型の下金型上に置き、圧縮加熱成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、寸法精度の良好な燃料電池セパレータの製造に用いられ、成形性及び生産性に優れる金型及びそれを用いてなる燃料電池セパレータの製造法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、一般にガス拡散電極からなるアノードとカソードとで電解質膜を挟み、さらにこれらの外側をセパレータで挟んでなる構造をしている。アノードに接するセパレータはアノードに水素ガスを供給し、カソードに接するセパレータはカソードに酸化剤ガスとしての酸素あるいは酸素を含む気体（一般的には空気）を供給する。
上記燃料電池セパレータは、水素ガスや酸素ガスを透過させないガス不浸透性、 導電性、面精度、すなわち、高い厚み精度が要求され、それらの性能が優れることにより燃料電池の性能が向上する。
【０００３】
現在、燃料電池用セパレータの成形方法として、圧縮成形が主流である。従来の圧縮成形用金型断面図は図１に示すように、下金型と上金型とからなり、これらの金型の間に燃料電池セパレータを形成するための空間部が形成される。下金型で燃料電池セパレータの裏面の溝が形成され、上金型では、燃料電池セパレータの表面の溝が形成され、上下の金型間の幅がセパレータの厚さになる。かかる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する場合、上金型を上方に上げて待避させ、下金型内に所定重量よりも若干多めの成形用材料を投入する。成形用材料を加熱した金型により溶融させることと同時に加圧を行い、硬化させて燃料電池セパレータを成形する。金型内に若干多めに投入した成形材料は上方と下型との間に設計されたクリアランス６からバリとして逃げ出され、成形品であるセパレータの厚み精度を制御する方法である。
【０００４】
しかし、成形品を燃料電池用セパレータとする場合は、良好な導電性を確保する手段として、成形材料の中に導電性炭素材料を多量に配合する必要がある。このため、成形時の材料の流動性が極めて小さいものである。また、燃料電池用セパレータの大きさに対して、その厚みが非常に小さく、成形材料が燃料電池セパレータ形成空間部の隅々まで流れるように大きな圧縮力が必要となる。圧縮力が大きければ大きいほど、成形材料と金型の摩擦力が大きくなり、一層その流動性が悪くなる。仮に、成形材料が燃料電池セパレータ形成空間部の隅々まで流れるようになりセパレータ形成空間部に充填されても、剰余材料が金型のクリアランスを通過して、成形空間部から排出することが困難である。その結果、前記のような流動性が極めて小さい成形材料を用い、従来の金型を用いて成形すると、成形品の周辺部において、充填不足が発生しやすく、寸法精度においても十分な成形品が得られていないのが実状である。
そこで、このような問題を解決するために、上記金型の少なくとも１つに上記燃料電池セパレータを形成するための空間部と連通する材料滞留部を形成することが提案されている（例えば特許文献１参照）。
しかし、かかる特許公報には、材料滞留部について詳細なデータが示されていないため、実際にかかる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する場合に適切な成形性や高い生産性を達成することが明らかとなっていない。
【特許文献１】特開２００３−１７０４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、燃料電池セパレータ製造用の金型において、燃料電池セパレータ形成空間部と連通する剰余材料溜用空間部の全体積が燃料電池セパレータ形成空間部との体積比を特定な範囲とすることにより寸法精度、成形性、生産性などに優れる燃料電池セパレータ製造用の金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上金型と下金型とを有し、且つ上金型と下金型との間の燃料電池セパレータ形成空間部と連通する剰余材料溜用空間部を設けた燃料電池セパレータ製造用の金型において、(1)該剰余材料溜用空間部が該燃料電池セパレータ形成空間部の周囲に該上金型と該下金型とで形成される通路で連通され、(2)該剰余材料溜用空間部の全体積が該燃料電池セパレータ形成空間部の体積に対して３０％以下であることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用金型及びその金型を用いる燃料電池セパレータの製造法に関する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の金型は、燃料電池セパレータ形成空間部に投入する成形材料が金型のセパレータ形成空間部の隅々まで均一に流動し、かつ燃料電池セパレータ形成空間部の体積に対して最適な剰余材料溜用空間部の全体積を特定することにより剰余材料を剰余材料溜用空間部に収容することができ、寸法精度の優れた燃料電池用セパレータを効率よく成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明を燃料電池セパレータ製造用金型にかかる図面によって説明する。尚、本発明は、図面に記載された実施例のみに限定されるものでない。
【０００９】
図２は、本発明の燃料電池セパレータ製造用金型についての上金型１と下金型２とからなる断面図である。図３は図２の下金型の上面図である。
図２に示す金型断面は、上金型１と下金型２とで燃料電池セパレータ形成空間部（以下、セパレータ空間部という）３を形成し、セパレータ空間部３の周りに、下金型２と上金型１との間に通路４が形成されている。通路４の全外周に剰余材料溜用空間部５を設け、且つそれは通路４を介在してセパレータ空間部３と連通している。図中の６は上金型１と下金型２のクリアランスである。また、本発明の燃料電池セパレータ製造用金型として図５に示すように、セパレータ空間部３の溝の両端側にのみ剰余材料溜用空間部５を設けることもできる。
【００１０】
上金型１には、図４に示すような燃料電池セパレータ７にガス流路８を形成するための凹凸状のパターンを有している。また、下金型２にも、図４に示すような燃料電池セパレータ７にガス流路８を形成するための凹凸状のパターンを有している。尚、燃料電池セパレータには片面のみにガス流路を形成する場合があり、その際には上金型及び下金型のいずれかがフラットになっている。
【００１１】
セパレータ空間部３は、図２に示すように上金型１と下金型２とで形成され、燃料電池セパレータを形成するためのキャビティ部分である。その体積は、製造する燃料電池セパレータの大きさによって決定されるが、通常厚肉部分で１．０〜５．０ｍｍ、薄肉部分で０．５〜１．５ｍｍ、縦  １０〜４０ｃｍ、横１０〜４０ｃｍの燃料電池セパレータを製造するように設計される。
セパレータ空間部３と剰余材料溜用空間部５とを連通するために通路４が上金型１と下金型２との空隙として設けられる。かかる通路は、セパレータ空間部３の周りに設けられる剰余材料溜用空間部５に連通しており、通路４の高さ（図２の拡大図で示す）が好ましくは０．０５〜０．８ｍｍ、より好ましくは０．１〜０．５ｍｍで、両空間部３＆５間（通路４）の長さ（図２の拡大図で示す）が好ましくは０．５〜５ｍｍ、より好ましくは１．０〜２．５ｍｍである。通路４の高さが０．８ｍｍより高い場合には、成形後に通路４による形成されたバリ部分を切削しにくくなる。両空間部３＆５間（通路４）の長さが５ｍｍより長くなる場合には、成形材料が流れにくくなり、剰余材料が剰余材料溜用空間部に流れなくなる。したがって、上記範囲の高さ及び両空間部３＆５間（通路４）の長さであれば、剰余成形材料の流出が良好であり、しかも成形後に通路４による形成されたバリ部分を切削する際の作業性にも優れている。
【００１２】
また、剰余材料溜用空間部５は、例えば図２に示すようにセパレータ空間部３の周辺全体に形成され、セパレータ空間部３の体積に対して５〜３０％、好ましくは１０〜２０％である。該全体積がセパレータ空間部３の体積に対して５％よりも少ないと、成形されるセパレータ部分が充填不足となる可能性が高くなり、また３０％よりも大きいと材料浪費となり不都合である。
【００１３】
尚、本発明の金型により、燃料電池セパレータを製造する場合、投入される成形材料は、バインダーとしての熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂、導電性材料としての炭素材料、即ち炭素粉末や炭素繊維を主成分として含有するものであり、特に限定されないが、バインダーを１０〜５０質量％、導電性材料を５０〜９０質量％で含有するものが通常使用される。
かかるバインダーとしては、ノボラック樹脂やレゾール樹脂などのフェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂；ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルフォン、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。また、導電性材料としての炭素粉末は、１０〜８００μｍの粉末状や鱗片状の黒鉛が好ましい。
【００１４】
本発明の金型は、図面では上金型と下金型とからなるものが挙げられているが、例えば上金型、中金型、下金型の３つや４つ以上の金型からなるものを使用してもよい。また、該金型は圧縮成形に使用しても、射出成形やトランスファー成形に使用してもよい。勿論、この金型は加熱することができるが、その加熱条件については、使用する燃料電池セパレータ用原料、特にバインダーの種類によって相違し、適宜選択することができる。また、加圧条件としては、通常５０〜８００ｋｇ／ｃｍ２が採用される。
【実施例】
【００１５】
実施例１
図２の金型を用いて下記条件で燃料電池セパレータを成形した。１００回成形したところ、成形材料の充填不足（充填不良）が認められず、またセパレータの中央部及び端部の厚さの精度が±１５μｍ以内に入っており、寸法精度の高いセパレータが得られた。
＜金型条件＞
・  剰余材料溜用空間部の全体積  ２２ｃｍ３
・  燃料電池セパレータ形成空間部体積    １２３ｃｍ３
剰余材料溜用空間部の全体積割合（対燃料電池セパレータ空間部体積）１７．９％
燃料電池セパレータ形成空間部と剰余材料溜用空間部との通路の高さ  ０．２ｍｍ
燃料電池セパレータ形成空間部と剰余材料溜用空間部との通路の長さ  １．２ｍｍ
＜成形条件＞
材料  ビニルエステル樹脂２０質量％と黒鉛８０質量％からなる成形材料
投入量  １９３ｃｍ３
成形温度  １５０℃
成形圧力  ４００ｋｇ／ｃｍ２
【００１６】
比較例１
比較として剰余材料溜用空間部の全体積０％の金型を用いて上記と同様に燃料電池セパレータを成形したところ、成形材料の充填不足（充填不良）が認められ、また成形されたセパレータに厚みムラが生じ、その差が約±１００μｍにも達していた。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来の圧縮成形用金型の断面図である。
【図２】本発明の燃料電池セパレータ製造用金型の断面図である。
【図３】図２の下金型の上面図である。
【図４】燃料電池セパレータの平面図である。
【図５】燃料電池セパレータ製造用金型の一例である下金型の上面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１    上金型
２    下金型
３    燃料電池セパレータ形成空間部
４    通路
５    剰余材料溜用空間部
６    上金型と下金型のクリアランス
７    燃料電池セパレータ
８    ガス通路
【図１】
2005339874.tif 000003
【図２】
2005339874.tif 000004
【図３】
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【図４】
2005339874.tif 000006
【図５】
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