(57)【要約】      （修正有）【課題】射出成形で作製されるセパレータの寸法精度が、良好に確保できるようにし、さらに、セパレータの軽量化を図ること。【解決手段】少なくともその片面に複数の直線状溝33を形成してなる燃料電池のセパレータ31を、金型内の溶融成形原料が固化する前に溶融成形原料中に高圧の不活性ガスを注入する、ガスアシスト射出成形によって作製することにより、その内部に空洞37を有するセパレータ31として作製する。【選択図】      図２
2005032560.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出成形によって作製され、少なくともその片面に複数の直線状溝を形成してなる燃料電池のセパレータであって、
その内部に空洞を形成したことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池のセパレータにおいて、
前記各直線状溝に隣接する複数の直線状突条の内部の一部にも、前記空洞を形成したことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池のセパレータにおいて、
前記セパレータの両面には、その面同士で互いに直交する複数の直線状溝が形成されたことを特徴とする燃料電池のセパレータ。
【請求項４】
少なくともその片面に溝を形成してなる燃料電池のセパレータの製造方法であって、
カーボン粉と樹脂とを含んだ溶融成形原料を金型内に射出し、金型内の溶融成形原料が固化する前に溶融成形原料中に高圧の不活性ガスを注入することにより、その内部に空洞を形成するようにした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５】
請求項４記載の燃料電池のセパレータの製造方法において、
前記不活性ガスの昇圧供給装置を射出成形機の制御装置で制御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１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池のセパレータ、または請求項４、５の何れか１項に記載の燃料電池のセパレータの製造方法で作成されたセパレータを用いたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６記載の燃料電池において、
前記燃料電池は、固体高分子型燃料電池であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池のセパレータおよびその製造方法および燃料電池に係り、特に、射出成形によって作製されるセパレータにかかわる技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下ＰＥＦＣと記す）は１００℃以下の低温で作動する燃料電池として、電気自動車用の電源、ポータブル機器用の電源、電気と熱とを供給するコジェネレーション機器などに使用が進められており、将来に向けて適用の拡大が期待されている。
【０００３】
図４は、ＰＥＦＣの単位セルの構成例を示す図であり、この単位セルを多数積層（例えば数百セル積層）することにより、セルスタックが構成される。図４において、１０１は高分子電解質膜、１０２は燃料極、１０３は空気極、１０４は集電体（アノード集電体）を兼ねる燃料極１０２側のセパレータ、１０４ａは、セパレータ１０４に形成された燃料ガス（水素）の通路としての複数の直線状溝、１０５は集電体（カソード集電体）を兼ねる空気極１０３側のセパレータ、１０５ａは、セパレータ１０５に形成された酸化剤ガス（空気あるいは酸素）の通路としての複数の直線状溝、１０５ｂは、セパレータ１０５に形成されたクーラントダクト用の複数の直線状溝である。
【０００４】
上記のような燃料電池のセパレータの作製手法としては、黒鉛板を加工し不浸透化処理を施して作製する手法や、樹脂と黒鉛粉を用いた成形原料により、圧縮成形や射出成形などの成形により作製する手法等が知られている。
【０００５】
前者の黒鉛板を加工してセパレータを作製する手法では、高精度の切削機で黒鉛板に流路の形状などの切削加工を施し、さらに、得られたセパレータに液体樹脂などを真空含浸し、硬化させてガスの不浸透化を図るようにしているので、加工に時間がかかり、また、コスト高になるという問題がある。
【０００６】
これに対して、炭素材料と粉末状の樹脂とをブレンドした成形原料を、圧縮成形機で圧縮成形することによりセパレータを作製する手法（例えば、特許文献１参照）や、熱可塑性樹脂と導電性炭素粒子とフィラーとの混合物からなるペレットを成形原料として、射出成形機で射出成形によりセパレータを作製する手法（例えば、特許文献２参照）は、量産性に優れたものとなり、特に、溶融成形原料を金型内に射出・充填することによってセパレータを作製する射出成形法は、圧縮成形法に較べて格段に成形サイクルが短く、量産性に極めて優れ、セパレータの大幅なコストダウンが可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３５４１３５号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開２００３−１４２１１７号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、射出成形法によりセパレータを作製すると、量産性に非常に優れたものとなり、コストダウンに大きく寄与するが、ヒケ、ソリを防止しないと寸法精度の確保が難しい。このため、金型内に溶融成形原料を射出・充填後、金型の一部を可動させることによって溶融成形原料に圧縮力を付与する、圧縮メカニズムによるいわゆる射出圧縮を行うことも試みられているが、セパレータには流路溝が必要であるため、成形品には溝の存在による偏肉があり、この偏肉のために肉厚の薄い部分が早急に固化するため、射出圧縮の効果が少ないという問題があった。また、ゲート部分とゲートから最も離れた末端部分では密度差が大きく、ソリが発生しやすいという問題もあった。
【００１０】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、射出成形で作製されるセパレータの寸法精度が、良好に確保できるようにし、さらに、セパレータの軽量化を図ることを可能とすることにある。また、本発明の目的とするところは、成形サイクルの短縮化が図れ、さらなるコストダウンを図ることを可能とすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記した目的を達成するために、少なくともその片面に複数の直線状溝を形成してなる燃料電池のセパレータを、金型内の溶融成形原料が固化する前に溶融成形原料中に高圧の不活性ガスを注入する、ガスアシスト射出成形によって作製することにより、その内部に空洞を有するセパレータとして作製する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明の第１実施形態に係るガス射出成形用の射出成形機の構成を示す簡略化した説明図である。なお、以下の説明では、ＰＥＦＣのセパレータの成形を例にとって説明するが、本発明は、りん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ：Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ  Ａｃｉｄ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）などのセパレータにも適用可能である。なおまた、以下の説明では、セパレータの形状として、その両面に、面同士で互いに直交する複数の直線状溝が形成されたセパレータを例にとって説明するが、その片面のみに複数の直線状溝が形成されたセパレータも、同様の手法で作製可能である。
【００１４】
図１において、１はテールストック、２は、テールストック１とタイバー３を介して連結された固定ダイプレート、４は固定ダイプレート２に搭載された固定側金型、５は、タイバー３に挿通・案内されて前後進可能な可動ダイプレート、６は可動ダイプレート５に搭載された可動側金型、７はテールストック１に搭載された型開閉用のサーボモータ、８は、その回転部をテールストック１に回転可能に保持されると共に、サーボモータ７の回転力を直線運動に変換するボールネジ機構、９は、テールストック１と可動ダイプレート３とを連結し、ボールネジ機構８の直線運動部によって駆動されて可動ダイプレート５を前後進させるトグルリンク機構である。
【００１５】
また、１０は、その内部に図示せぬスクリューを回転並びに前後進可能であるように配設した加熱シリンダ、１１は、加熱シリンダ１０の先端に固定され、射出時には固定側金型４の樹脂注入穴の周囲に押し付けられるノズル、１２は加熱シリンダ１０の基部を保持したヘッドストック、１３は、成形原料をヘッドストック１２および加熱シリンダ１０の原料供給穴を介して、加熱シリンダ１０の基部（スクリューの後部）に供給するためのホッパー、１４は、ヘッドストック１２とガイドバー１５を介して連結された保持プレート、１６は、ガイドバー１５に挿通・案内されて前後進可能な移動ブロック、１７は移動ブロック１６に搭載された計量用のサーボモータ、１８は、移動ブロック１６に回転可能に保持され、サーボモータ１７の回転力が伝達される回転体、１９は、図示せぬスクリューの後端に連なって固定もしくはスクリューと一体となって形成され、その端部を回転体１８に固定された連結軸、２０は保持プレート１４に搭載された射出用のサーボモータ、２１は、その回転部を保持プレート１４に回転可能に保持されると共に、サーボモータ２０の回転力を直線運動に変換して、移動ブロック１６を直線駆動するためのボールネジ機構である。
【００１６】
また、２２は、Ｎ２発生装置（Ｎ２分離装置）２３とガス昇圧装置２４とタンク２５と制御バルブ２６などを有するＮ２発生／ガス昇圧供給装置であり、Ｎ２発生装置２３は、膜分離式の機能で、供給された圧縮空気から窒素ガスを分離・生成して連続的に出力し、ガス昇圧装置２４は、例えばサーボモータを駆動源とする多段のガス昇圧ピストン機構により窒素ガスを２００〜３５０ｋｇ／ｃｍ２程度に昇圧し、タンク２５は、ガス昇圧装置２４で昇圧された窒素ガスを貯え（タンク２５はガス昇圧装置２４の最終段のシリンダで兼用される）、制御バルブ２６は、タンク２５内に貯えられた窒素ガスを、ガス供給用チューブを介して金型内に圧入する。このようなＮ２発生／ガス昇圧供給装置２２は、例えば本願出願人が先に提案した特開平９−１０９１７３号公報に詳述されているので、必要とあれば参照されたい。
【００１７】
また、２７は、マシン本体（射出成形機本体）のみならず、マシンに付設される周辺機（ここでは、Ｎ２発生／ガス昇圧供給装置２２や図示せぬ製品（成形品）取出機など）を統括制御する制御装置で、マシン本体や周辺機の各部に配設されたセンサ群２８（位置センサ、圧力センサ、回転数検出センサ、温度センサ、電流検出センサ等々）からの検出情報や自身の計時情報に基づき、予め定められた各種運転制御用プログラムにしたがって、ドライバ群２９（モータドライバ、バルブドライバ、ヒータドライバ等々）を介して、マシン本体や周辺機の各部に配設された各種駆動源（モータ、バルブ、ヒータ等々）をコントロールする。
【００１８】
図１に示す構成において、計量工程時には、計量用のサーボモータ１７が所定方向に回転駆動されて、これによって図示せぬスクリューが回転し、スクリューの根本側に供給された成形原料が、加熱シリンダ１０からの伝熱とスクリューの回転に伴う摩擦発熱によって混練・可塑化され、スクリューのネジ送り作用によってスクリューの前方側に移送されて、これによってスクリューが射出用のサーボモータ２０により背圧を制御されつつ後退する。そして、スクリューの前方側に１ショット相当分の溶融成形原料が蓄えられた時点で、計量用のサーボモータ１７の回転が停止される。
【００１９】
射出工程に入る前には、型開閉用のサーボモータ７によって可動ダイプレート５が前進駆動されて金型は型締めされた状態にあり、この状態において、射出用のサーボモータ２０により、移動ブロック１６と共に図示せぬスクリューが高速前進駆動されて、これにより、スクリューの前方側に蓄えられた溶融成形原料が、固定側金型４と可動側金型６とで形づくられるキャビティ（成形用空間）内に高速で射出・充填される。そして、キャビティ内の全てに溶融成形原料が詰まる前に（このとき溶融成形原料の内部は未固化状態にある）、Ｎ２発生／ガス昇圧供給装置２２から高圧の（例えば３００ｋｇ／ｃｍ２程度の）窒素ガスが、未固化の溶融成形原料中に高速注入される。これにより、溶融成形原料の内部に高圧の窒素ガスが瞬時に行き渡り、成形原料の全表面はキャビティの内表面に確実に密着するようにガス圧で押し付けられ、成形原料の内部には空洞が形成される。
【００２０】
そして、成形原料が固化した時点で、成形原料の内部のガス抜きが行われ、また、型開閉用のサーボモータ７によって可動ダイプレート５が後退駆動されて型開きが行われ、図示せぬエジェクト機構による成形品（セパレータ）の離型と、図示せぬ製品取出機による成形品の取り出しが行われる。
【００２１】
上述したようなガスアシスト射出成形を行うことにより、成形原料が固化する前に、成形原料の全表面はキャビティの内表面に確実に圧着され、ヒケの発生は確実に防止され、また、ゲート部分とゲートから最も離れた末端部分との密度差も可及的に少なくなり、ソリの発生も確実に防止でき、かつ、偏肉の低下にも貢献する。したがって、成形された製品であるセパレータの寸法精度（転写精度）・密度精度は非常に良好なものとなる。さらに、溶融成形原料の内部に高圧の窒素ガスが瞬時に行き渡って、成形原料をキャビティの隅々まで瞬時に行き渡らせるので、成形サイクルも短縮することが可能となる。さらにまた、セパレータの内部に空洞が形成されるので、セパレータの軽量化、ひいては燃料電池の軽量化を図ることができ、また、セパレータの耐衝撃特性も向上し、かつ、成形原料を削減することも可能となる。したがって、成形サイクルの短縮効果と成形原料の削減効果とが相まって、セパレータのさらなるコストダウンを図ることが可能となる。
【００２２】
図２は、本実施形態のガス射出成形用の射出成形機で成形された成形品（セパレータ）３１と、スプル部とランナー部とからなるスクラップ部３２とを示す図で、図２の（ａ）は平面図、図２の（ｂ）は図２の（ａ）のＡ−Ａ線断面図、図２の（ｃ）は図２の（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。成形品（セパレータ）３１とスクラップ部３２は、図２の（ｂ）のＭ−Ｍ線に沿って切断・分離される。なお、図２は１個取りの例を示してあるが、２個以上の多数個取りが可能であることは言うまでもない。
【００２３】
図２に示すように、セパレータ３１の一方の面側には、複数の直線状溝３３と、各溝３３に隣接する（各溝３３を形づくる）複数の直線状突条３４とが形成され、セパレータ３１の他方の面には、溝３１と直交する複数の直線状溝３５と、各溝３５に隣接する（各溝３５を形づくる）複数の直線状突条３６とが形成されている。セパレータ３１の内部にはガス注入による空洞３７が形成され、この空洞３７は、直線状突条３４、３６の内部の一部にも及んでおり、これによって、偏肉の削減が図られるようになっている。
【００２４】
成形原料としては、熱可塑性樹脂とカーボン粉と強化用のフィラーとの混合物を、ペレットにしたものが用いられる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリスチレン等々を用いることができ、カーボン粉としては、黒鉛、カーボンブラック等々を用いることができ、フィラーとしては、繊維状導電性フィラー、繊維状ガラスフィラーを用いることができる。熱可塑性樹脂とカーボン粉とフィラーとの混合比率は、求められる導電率、ガス不浸透性能、機械的強度、耐熱性などを勘案して、最適値が設定される。
【００２５】
図２は、本発明の第２実施形態に係るガス射出成形用の射出成形機の構成を示す簡略化した説明図である。本実施形態が、前記第１実施形態と異なるのは、型開閉系メカニズムを縦置きにした点にある。
【００２６】
図２において、５１は固定側金型５２を搭載した固定ダイプレート、５３は、固定ダイプレート５１に挿通・案内されて上下動可能なタイバー、５４は、タイバー５３の上端側に固定され、可動側金型５５を搭載した可動ダイプレート、５６は、タイバー５３の下端側に固定され、タイバー５３を介して可動ダイプレート５４と一体化されたテールストック、５７は、型開閉用のサーボモータ５８の回転力を直線運動に変換して、テールストック５６とタイバー５３と可動ダイプレート５４を上下動させるボールネジ機構、５９は前記第１実施形態と同様の横置き型の射出ユニット、６０は前記第１実施形態と同様のＮ２発生／ガス昇圧供給装置、６１は、前記第１実施形態と同様のマシン本体（射出成形機本体）およびマシンに付設される周辺機を統括制御する制御装置である。
【００２７】
本実施形態の動作は、型開閉が上下方向に行われることを除いて、前記第１実施形態と略同様である。本実施形態では、可動ダイプレート５４が上下動するので、型開閉動作における平行度を正確に保つことが容易になる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、射出成形で作製されるセパレータの寸法精度を良好に確保でき、また、セパレータの軽量化を図ることができる。さらに、成形サイクルの短縮化が図れ、さらなるコストダウンを図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス射出成形用の射出成形機の構成を示す簡略化した説明図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るガス射出成形用の射出成形機で成形された成形品（セパレータ）と、スプル部とランナー部とからなるスクラップ部とを示す説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るガス射出成形用の射出成形機の構成を示す簡略化した説明図である。
【図４】ＰＥＦＣの単位セルの構成例を示す説明図である。
【符号の説明】
１  テールストック
２  固定ダイプレート
３  タイバー
４  固定側金型
５  可動ダイプレート
６  可動側金型
７  サーボモータ
８  ボールネジ機構
９  トグルリンク機構
１０  加熱シリンダ
１１  ノズル
１２  ヘッドストック
１３  ホッパー
１４  保持プレート
１５  ガイドバー
１６  移動ブロック
１７  サーボモータ
１８  回転体
１９  連結軸
２０  サーボモータ
２１  ボールネジ機構
２２  Ｎ２発生／ガス昇圧供給装置
２３  Ｎ２発生装置（Ｎ２分離装置）
２４  ガス昇圧装置
２５  タンク
２６  制御バルブ
２７  制御装置
２８  センサ群
２９  ドライバ群
３１  成形品（セパレータ）
３２  スクラップ部
３３  直線状溝
３４  直線状突条
３５  直線状溝
３６  直線状突条
３７  空洞
５１  固定ダイプレート
５２  固定側金型
５３  タイバー
５４  可動ダイプレート
５５  可動側金型
５６  テールストック
５７  ボールネジ機構
５８  サーボモータ
５９  射出ユニット
６０  Ｎ２発生／ガス昇圧供給装置
６１  制御装置
１０１  高分子電解質膜
１０２  燃料極
１０３  空気極
１０４  セパレータ
１０４ａ  直線状溝
１０５  セパレータ
１０５ａ  直線状溝
１０５ｂ  直線状溝
【図１】
2005032560.tif 000003
【図２】
2005032560.tif 000004
【図３】
2005032560.tif 000005
【図４】
2005032560.tif 000006