(57)【要約】【課題】  良好な成形性を有す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】  黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型６１，６６に充填および型締めし、非加熱状態において、前記成形材料を加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体９５を形成した後で、成形型６１，６６を加熱することで、前記成形体の温度を上昇させ、前記成形体に含まれる前記樹脂を熱硬化させる。【選択図】            図５
2005203300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型に充填および型締めし、非加熱状態において、前記成形材料を加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体を形成した後で、
前記成形型を加熱することで、前記成形体の温度を上昇させ、前記成形体に含まれる前記樹脂を熱硬化させる
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】
前記成形材料の加圧成形においては、プレート形状の中間成形体を形成した後で、流路溝に対応する分割型によって前記中間成形体を加圧成形し、前記セパレータ形状の成形体を形成す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。
【請求項３】
黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型に充填および型締めし、非加熱状態において、前記成形材料を加圧成形することで、プレート形状の中間成形体を形成し、
前記中間成形体を分割型によって加圧成形し、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体を形成する一方、前記成形型を加熱することで、前記成形体の温度を上昇させ、前記成形体に含まれる前記樹脂を熱硬化させる
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４】
前記成形型の加熱は、前記成形型の内部に配置される通路に、加熱流体を導入することで、実施されることを特徴とする請求項１〜３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】
前記樹脂が熱硬化した後において、前記成形型の内部に配置される通路に、冷却流体を導入することで、前記成形型を冷却することを特徴とする請求項１〜４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】
前記加熱流体は、油からなり、前記冷却流体は、水からなることを特徴とする請求項５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。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セルは、燃料ガスと空気等とを分離するためのセパレータを有する。従来のセパレータは、黒鉛と熱硬化性樹脂の混合粉末を押圧圧縮することで、成形されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平８−１８０８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、セパレータは、燃料ガスや空気等を流通させるための流路溝を形成する必要がある。流路溝は、微細で複雑な形状を有する。そのため、従来においては、隅部における材料充填不足が引き起こされる虞があり、十分な加工精度を確保することが困難であり、成形性に問題を有している。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な成形性を有す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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型に充填および型締めし、非加熱状態において、前記成形材料を加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体を形成した後で、
前記成形型を加熱することで、前記成形体の温度を上昇させ、前記成形体に含まれる前記樹脂を熱硬化させる
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【０００６】
上記目的を達成するための請求項３に記載の発明は、
黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型に充填および型締めし、非加熱状態において、前記成形材料を加圧成形することで、プレート形状の中間成形体を形成し、
前記中間成形体を分割型によって加圧成形し、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体を形成する一方、前記成形型を加熱することで、前記成形体の温度を上昇させ、前記成形体に含まれる前記樹脂を熱硬化させる
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明は以下の効果を奏する。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、成形材料は、熱硬化されることなく、非加熱状態において加圧成形されて、成形型の隅部にまで良好に充填されているため、良好な加工精度を有するセパレータ形状の成形体が形成される。したがって、成形体に含まれる熱硬化性樹脂の熱硬化の際において、ひけ等の形成が抑制され、微細で複雑な流路溝を含めて、十分な加工精度を確保することが可能である。つまり、良好な成形性を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明によれば、成形材料は、熱硬化されることなく、非加熱状態において加圧成形され、成形型の隅部にまで良好に充填されているため、良好な加工精度を有するプレート形状の中間成形体が形成される。そして、分割型によって中間成形体を加圧成形することで流路溝に対応する凹部を形成する際に、熱硬化性樹脂が熱硬化されるため、ひけ等の形成が抑制され、十分な加工精度が確保される。さらに、セパレータの流路溝（凹部）は、分割型による押圧によって形成されるため、微細で複雑な流路溝の加工精度が良好である。つまり、良好な成形性を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【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、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
図１は、実施の形態１に係る燃料電池を説明するための断面図、図２は、実施の形態１に係るセパレータを説明するための平面図である。
【００１２】
実施の形態１に係る燃料電池は、単セル１０を多数積層してなるスタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。
【００１３】
単セル１０は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池であり、膜電極接合体２０、ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂ、セパレータ３０，４０を有する。膜電極接合体２０は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂは、膜電極接合体２０の両面に配置される。セパレータ３０，４０は、ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂの外面に配置される。
【００１４】
セパレータ３０は、冷却水を流通させるための流路溝３２が形成された外面３１と、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝３６が形成された内面３５とを有する。セパレータ４０は、冷却水を流通させるための流路溝４２が形成された外面４１と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝４６が形成された内面４５とを有する。
【００１５】
流路溝３２，３６，４２，４６の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、図２に示されるように、微細で複雑な構成を有している。
【００１６】
図３は、実施の形態１に係るセパレータ成形機を説明するための断面図、図４（Ａ）および図４（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法における成形材料の充填を説明するための断面図、図５は、図４に続く、成形型の型締めおよび成形材料の加圧成形を説明するための断面図、図６は、図５に続く、熱硬化の完了時を説明するための断面図である。
【００１７】
実施の形態１に係るセパレータ成形機５０は、成形型６０、加熱手段７０、冷却手段８０を有する。成形型６０は、固定式に配置される下型６１と、下型６１に対して近接離間可能に配置される上型６６とを有する。
【００１８】
下型６１および上型６６は、セパレータの外形形状に対応するキャビティ面６２，６７を有し、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料９０が充填される。下型６１および上型６６は、型締め後、非加熱状態において、成形材料９０を加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体９５を形成するために使用される。熱硬化性樹脂は、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂である。
【００１９】
加熱手段７０は、成形型６０を加熱することで、成形体９５の温度を上昇させ、成形体９５に含まれる樹脂を熱硬化させるために使用される。
【００２０】
実施の形態１においては、加熱手段７０は、下型６１および上型６６の内部に配置され、加熱流体（熱媒）が導入される加熱流体通路７１，７６を有する。加熱流体は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、高温の油が好ましい。加熱流体は、熱容量が大きく、加熱性能が良好であるため、成形体９５に含まれる樹脂の熱硬化温度まで、成形体９５を急速加熱することが可能である。
【００２１】
冷却手段８０は、熱硬化の完了後において、成形型６０を冷却することで、成形されたセパレータの温度を降下させ、取り出すために使用される。実施の形態１においては、冷却手段８０は、下型６１および上型６６の内部に配置され、冷却流体（冷媒）が導入される冷却流体通路８１，８６を有する。冷却流体は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、低温の水が好ましい。
【００２２】
次に、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明する。
【００２３】
例えば、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料９０を保持している容器（不図示）と連結しているノズル９１を、待機位置から移動させ、下型６１のキャビティ面６２の上方に配置する。そして、図４（Ａ）に示されるように、ノズル９１から成形材料９０を吐出させながら移動させることにより、成形材料９０を下型６１のキャビティ面６２に均等に充填させる。
【００２４】
成形材料９０の充填を継続し、図４（Ｂ）に示されるように、セパレータを成形するために必要とされる充填量に達すると、ノズル９１からの成形材料９０の吐出を停止する。
【００２５】
ノズル９１が待機位置に後退すると、上型６６を降下させ、下型６１に近接させる。上型６６および下型６１の型締め後、非加熱状態において、成形材料９０を加圧成形する。この際、成形材料９０は、熱硬化されないため、下型６１および上型６６の隅部にまで良好に充填される。したがって、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体９５は、良好な加工精度を有する。
【００２６】
その後、下型６１および上型６６の内部に配置される加熱流体通路７１，７６に加熱流体を導入し、成形型６０を加熱することで、成形体９５の温度を上昇させ、成形体９５に含まれる樹脂を熱硬化させる。熱硬化の際、成形体９５を構成する成形材料９０は、成形型６０の隅部にまで良好に充填されているため、ひけ等の形成が抑制され、微細で複雑な流路溝を含めて、十分な加工精度が確保される。
【００２７】
また、成形体９５は、成形型６０を介して加熱流体によって急速加熱されるため、硬化途中の樹脂が、表面や隅に移動し、局所的に集中することで、樹脂リッチな部位が形成されることが防がれ、黒鉛の分散不良が、抑制される。さらに、急速加熱により熱硬化時間が短縮化されるため、非加熱状態における加圧成形によるサイクルタイムの悪化が、補償される。
【００２８】
熱硬化が完了し、図６に示されるようにセパレータ３０（４０）が形成されると、加熱流体通路７１，７６に対する加熱流体の導入を停止する一方、下型６１および上型６６の内部に配置される冷却流体通路８１，８６に、冷却流体を導入し、成形型６０を冷却する。そして、セパレータ３０（４０）の温度が、例えば、常温まで降下すると、取り出される。
【００２９】
セパレータ３０（４０）は、成形型６０を介して冷却流体によって急速冷却されるため、冷却時間が短縮化される。したがって、非加熱状態における加圧成形によるサイクルタイムの悪化を、さらに補償することができる。
【００３０】
以上のように、実施の形態１は、良好な成形性を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【００３１】
なお、成形材料に含まれる樹脂は、小径であることが好ましく、これにより、反応速度が上昇し、かつ黒鉛間の空間が小さくなることで、得られるセパレータの強度を向上させることが可能である。
【００３２】
また、加熱手段は、加熱流体を利用する形態に限定されず、電磁誘導加熱、超音波加熱、抵抗加熱（抵抗発熱体）等を適宜適用することも可能である。電磁誘導加熱および超音波加熱は、加熱流体の場合と同様に、急速加熱の観点から好ましい。さらに、電磁誘導加熱は、成形体に含まれる黒鉛を直接加熱する機能を有する点においても好ましい。例えば、加熱手段として電磁誘導加熱を適用する場合、電磁誘導コイルは、下型６１のキャビティ面６２の近傍かつ周囲に螺旋状に巻いて、配置することが可能である。
【００３３】
次に、図７を参照し、実施の形態２に係るセパレータ成形機を説明する。なお、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。また、加熱手段および冷却手段は、図示していない。
【００３４】
実施の形態２に係るセパレータ成形機の成形型１６０は、下型１６１および上型１６６に配置される分割型１６３，１６８を有する。
【００３５】
下型１６１および上型１６６は、平坦なキャビティ面１６２，１６７を有し、成形材料を加圧成形することで、プレート形状の中間成形体を形成することが可能である。
【００３６】
分割型１６３，１６８は、流路溝に対応しており、プレート形状の中間成形体を加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体を形成することが可能である。
【００３７】
次に、実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明する。図８は、成形材料の充填を説明するための断面図、図９は、図８に続く、成形型の型締めおよび成形材料の１次加圧成形を説明するための断面図、図１０は、図９に続く、２次加圧成形を説明するための断面図、図１１は、図１０に続く、熱硬化の完了時を説明するための断面図である。
【００３８】
まず、可動式のノズル１９１を使用し、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料１９０を、下型１６１のキャビティ面１６２に均等に充填させる。そして、セパレータを成形するために必要とされる充填量に達すると、成形材料１９０の吐出を停止する。なお、分割型１６３，１６８の先端部の端面は、下型１６１および上型１６６のキャビティ面１６２，１６７に位置合わされている。
【００３９】
その後、上型１６６および下型１６１の型締め後、図９に示されるように、非加熱状態において、成形材料１９０を１次加圧成形し、プレート形状の中間成形体１９３を形成する。この際、成形材料１９０は、熱硬化されないため、下型１６１および上型１６６の平滑なキャビティ面１６２，１６７の隅部にまで良好に充填される。したがって、中間成形体１９３は、良好な加工精度を有する。
【００４０】
そして、図１０に示されるように、非加熱状態を継続し、流路溝に対応する分割型１６３，１６８を、下型１６１および上型１６６のキャビティ面１６２，１６７から突出させ、中間成形体１９３を２次加圧成形することで、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状の成形体１９５が得られる。したがって、実施の形態２は、一回の加圧成形によってセパレータ形状の成形体を形成する実施の形態１に比べ、加工精度を向上させることが可能である。
【００４１】
次に、下型１６１および上型１６６の内部に配置される加熱流体通路に加熱流体を導入し、成形型１６０を加熱することで、成形体１９５の温度を上昇させ、成形体１９５に含まれる樹脂を熱硬化させる。熱硬化の際、成形体１９５を構成する成形材料１９０は、成形型１６０の隅部にまで良好に充填されているため、ひけ等の形成が抑制され、微細で複雑な流路溝を含めて、十分な加工精度が確保される。
【００４２】
熱硬化が完了し、図１１に示されるように、セパレータが形成されると、加熱流体通路に対する加熱流体の導入を停止する一方、下型１６１および上型１６６の内部に配置される冷却流体通路に、冷却流体を導入し、成形型１６０を冷却する。そして、セパレータ１３０の温度が、例えば、常温まで降下すると、取り出される。
【００４３】
以上のように、実施の形態２は、良好な成形性を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。
【００４４】
なお、成形型１６０の加熱つまり樹脂の熱硬化は、分割型１６３，１６８による中間成形体１９３の２次加圧成形の際に開始することも可能である。この場合、加熱状態において２次加圧成形される対象は、良好な加工精度を有するプレート形状の中間成形体１９３であるため、ひけ等の形成が抑制され、十分な加工精度が確保される。
【００４５】
さらに、セパレータの流路溝は、分割型１６３，１６８を押圧することで形成されるため、加工精度を、従来に比べて向上させることが可能である。また、非加熱状態で２次加圧成形する場合に比べ、サイクルタイムを短縮化することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施の形態１に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【図２】実施の形態１に係るセパレータを説明するための平面図である。
【図３】実施の形態１に係るセパレータ成形機を説明するための断面図である。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法における成形材料の充填を説明するための断面図である。
【図５】図４に続く、成形型の型締めおよび成形材料の加圧成形を説明するための断面図である。
【図６】図５に続く、熱硬化の完了時を説明するための断面図である。
【図７】実施の形態２に係るセパレータ成形機を説明するための断面図である。
【図８】実施の形態２に係る燃料電池用セパレータの製造方法における成形材料の充填を説明するための断面図である。
【図９】図８に続く、成形型の型締めおよび成形材料の１次加圧成形を説明するための断面図である。
【図１０】図９に続く、２次加圧成形を説明するための断面図である。
【図１１】図１０に続く、熱硬化の完了時を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０・・単セル、
２０・・膜電極接合体、
２５Ａ，２５Ｂ・・ガス拡散層、
３０，４０・・セパレータ、
３１，４１・・外面、
３２，３６，４２，４６・・流路溝、
３５，４５・・内面、
５０・・セパレータ成形機、
６０・・成形型、
６１・・下型、
６２，６７・・キャビティ面、
６６・・上型、
７０・・加熱手段、
７１，７６・・加熱流体通路、
８０・・冷却手段、
８１，８６・・冷却流体通路、
９０・・成形材料、
９１・・ノズル、
９５・・成形体、
１３０・・セパレータ、
１６０・・成形型、
１６１・・下型、
１６２，１６７・・キャビティ面、
１６３，１６８・・分割型、
１６６・・上型、
１９０・・成形材料、
１９１・・ノズル、
１９３・・中間成形体、
１９５・・成形体。
【図１】
2005203300.tif 000003
【図２】
2005203300.tif 000004
【図３】
2005203300.tif 000005
【図４】
2005203300.tif 000006
【図５】
2005203300.tif 000007
【図６】
2005203300.tif 000008
【図７】
2005203300.tif 000009
【図８】
2005203300.tif 000010
【図９】
2005203300.tif 000011
【図１０】
2005203300.tif 000012
【図１１】
2005203300.tif 000013