(57)【要約】【課題】  熱硬化時間の短縮かつ形状不良の抑制が可能であ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９０を、成形型６１，６６の内部に充填する際に、導電性部材７０を、成形材料９０に埋没させて、型締めし、導電性部材７０を誘導加熱により自己発熱させることで、成形材料９０に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させる。【選択図】図７
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【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、成形型の内部に充填する際に、導電性部材を、前記成形材料に埋没させて、型締めし、
前記導電性部材を誘導加熱により自己発熱させることで、前記成形材料に含まれる熱硬化性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】
前記導電性部材は、プレート状であ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】
前記導電性部材は、プレート部と、前記プレート部から直角方向に延長する突出部とを有し、前記突出部は、セパレータの流路溝の間に位置する凸部のパターンに対応してい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４】
前記導電性部材は、複数の粒子状部材あるいは断片状部材の集合体からな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５】
前記成形型は、前記導電性部材を取り囲むようにコイルが配置されており、前記コイルに高周波電流を流すことで、前記導電性部材を誘導加熱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】
前記成形型は、導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１〜５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７】
前記成形型は、補助加熱手段が配置されており、
前記導電性部材を誘導加熱により自己発熱させる際に、前記補助加熱手段によって前記成形型を同時に加熱することを特徴とする請求項１〜６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８】
前記補助加熱手段は、抵抗発熱体を有することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項９】
前記導電性部材は、うず電流損が大きい金属からなることを特徴とする請求項１〜８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１０】
前記金属は、ステンレス鋼であることを特徴とする請求項１〜９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。
【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し、当該セパレータの製造においては、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型によって押圧圧縮し、加熱することで熱硬化性樹脂を熱硬化させている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−１６７７７４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、熱硬化性樹脂の熱硬化のための熱源は、成形型の内部に配置されている。つまり、熱源からの熱を、成形型を介して成形材料に伝達しており、成形型を急速加熱することは、困難であるため、熱硬化時間が長くなる問題を有している。
【０００４】
また、成形材料を外側から加熱しているため、温度むらが生じ易く、成形型の単なる急速加熱による熱硬化時間の短縮化は、熱硬化性樹脂の硬化ムラによる成形品（セパレータ）の反りや変形などの形状不具合を発生させる虞がある。
【０００５】
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、熱硬化時間の短縮かつ形状不良の抑制が可能であ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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明は、
黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、成形型の内部に充填する際に、導電性部材を、前記成形材料に埋没させて、型締めし、
前記導電性部材を誘導加熱により自己発熱させることで、前記成形材料に含まれる熱硬化性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によれば、自己発熱によって昇温する導電性部材によって、成形材料が内部から直接的に加熱される。そのため、成形材料は、急速加熱されるが、温度むらの発生が防がれ、成形品（セパレータ）に反りや変形などの形状不具合を発生させない。また、成形材料に含まれる黒鉛は、導電性を有するため、誘導加熱による自己発熱によって昇温し、温度むらの発生抑制を補助する。したがって、熱硬化時間の短縮および形状不良の抑制を図ることが可能であ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】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
【０００９】
図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための断面図、図２は、本発明の実施の形態に係るセパレータを説明するための平面図である。
【００１０】
本発明の実施の形態に係る燃料電池は、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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
図３は、本発明の実施の形態に係るセパレータ成形機を説明するための断面図、図４は、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための断面図であり、成形材料の前半充填を示しており、図５は、図４に続く、導電性部材のセットを説明するための断面図、図６は、図５に続く、成形材料の後半充填を説明するための断面図、図７は、図６に続く、成形型の型締めを説明するための断面図、図８は、図７に続く、成形材料の熱硬化を説明するための断面図である。
【００１５】
本発明の実施の形態に係るセパレータ成形機５０は、成形型６０および加熱手段８０を有する。成形型６０は、導電性材料からなり、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。導電性材料は、例えば、機械構造用炭素鋼やクロムモリブデン鋼である。
【００１６】
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。なお、下型６１は、成形材料９０を保持するための側壁部６３を有し、略凹部形状を呈する。
【００１７】
下型６１および上型６６は、型締めされ、成形材料９０を加圧することで、キャビティ面６２，６７に倣った形状、つまり、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状とする。黒鉛の含有量は、例えば、成形材料の７０〜９０％を占めている。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。
【００１８】
なお、成形材料９０は、下型６１および上型６６の内部に充填される際に、導電性部材７０が、埋没される（図７参照）。導電性部材７０は、プレート状のステンレス鋼からなる。ステンレス鋼は、うず電流損が大きく、良好な耐食性を有し、イオン溶出の可能性が低い点で好ましい。
【００１９】
加熱手段８０は、高周波電流が流されるコイルからなり、下型６１の側壁部６３の内部かつキャビティ面６２の近傍において、導電性部材７０を取り囲むようにらせん状に巻いて配置される。したがって、加熱手段８０に高周波電流が流される場合、成形材料９０に埋没される導電性部材７０を誘導加熱することが可能であり、成形材料９０に含まれる樹脂は、内部から直接的に加熱される。発振周波数は、浸透深さや導電性部材７０の材質に応じて、適宜調整することが好ましい。また、コイルには高周波の大電流が流されるため、例えば、適宜水冷することが好ましい。
【００２０】
次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を詳述する。
【００２１】
まず、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、ノズル９１から成形材料９０を吐出させながら移動させ、成形材料９０を下型６１のキャビティ面６２に充填する（図４参照）。
【００２２】
セパレータを成形するために必要とされる充填量の略半分の吐出が終了すると、ノズル９１を、待機位置に移動させる。成形材料９０の擦り切りを施し、表面を平坦とした後、例えば、ロボットハンドを使用して、成形材料９０の表面に導電性部材７０をセットする（図５参照）。
【００２３】
その後、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、ノズル９１から成形材料９０を吐出させながら移動させ、セパレータを成形するために必要とされる充填量の残りを、下型６１のキャビティ面６２に充填する（図６参照）。この際、導電性部材７０は、腐食やイオン溶出を引き起こす露出部位がないように、成形材料９０の内部に埋没される。なお、導電性部材７０は、プレート状であるため、取扱いおよび配置が容易である。
【００２４】
ノズル９１を待機位置に移動させた後、上型６６を降下させ、上型６６および下型６１を型締めすることによって、成形材料９０を、流路溝に対応する凹部を有するセパレータ形状とする（図７参照）。
【００２５】
その後、下型６１に配置される加熱手段８０に、高周波電流を流すことで、成形材料９０の内部に配置される導電性部材７０を誘導加熱する。導電性部材７０は、自己発熱によって昇温し、成形材料９０を内部から直接的に加熱する。そのため、成形材料は、急速加熱されるが、温度むらの発生が防がれ、成形品（セパレータ）に反りや変形などの形状不具合を発生させない。
【００２６】
また、成形材料に含まれる黒鉛は、導電性を有するため、誘導加熱による自己発熱によって昇温し、温度むらの発生抑制を補助する。さらに、上型６６および下型６１は、導電性材料から形成されているため、自己発熱によって昇温し、成形材料９０を外部から加熱することで、熱硬化性樹脂を熱硬化するために利用される熱量を増加させる。なお、導電性部材７０は、セパレータの強度を補強する効果も有する。
【００２７】
熱硬化が完了すると、加熱手段８０に対する高周波電流の供給が停止される。そして、上型６６および下型６１の温度が低下し、成形品の温度が、例えば、常温まで降下すると、取り出される。
【００２８】
図９は、本発明の実施の形態に係る導電性部材の変形例を説明するための断面図である。
【００２９】
導電性部材７１は、プレート部７２と、プレート部７２から直角方向に延長する突出部７３とを有する。突出部７３は、セパレータの流路溝の間に位置する凸部のパターンに対応している。
【００３０】
この場合、導電性部材７１は、セパレータに対して略近似する形状を有するため、成形材料９０を内部からより均等に加熱し、温度むらの発生を確実に抑制する。また、セパレータ強度の補強効果や、反りや変形の防止効果が、プレート状の導電性部材７０に比べ、向上する。なお、導電性部材７１は、成形材料の前半充填が終了し、擦り切りが施された成形材料９０の表面に、例えば、押し込んで位置決めすることで、セットすることが可能である。
【００３１】
図１０は、本発明の実施の形態に係る導電性部材の別の変形例を説明するための断面図である。
【００３２】
導電性部材７５は、単一の構造体ではなく、複数の粒子状部材あるいは断片状部材の集合体からなる。この場合、セパレータ強度の補強効果は発揮されないが、集合体を構成する部材の量および／又は配置を調整することで、導電性部材７５の形状を適宜変更することが可能である。そのため、多様なセパレータの形状に適用可能であり、自由度に優れている。
【００３３】
また、導電性部材７５のセットは、ロボットハンドのような複雑な機構を必要としないため、ハンドリングが容易である。なお、集合体を構成する部材のサイズは、誘導加熱性を考慮して、適宜設定することが好ましい。
【００３４】
以上のように、本実施の形態においては、熱硬化時間の短縮および形状不良の抑制を図ることが可能であ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。
【００３５】
なお、導電性部材は、ステンレス鋼により構成されることに限定されず、例えば、うず電流損が大きい他の金属を適用することも可能である。
【００３６】
図１１は、本発明の実施の形態に係る別のセパレータ成形機を説明するための断面図である。なお、上記実施の形態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。
【００３７】
セパレータ成形機１５０は、下型１６１の側壁部１６３に配置される加熱手段１８０に加えて、上型１６６および下型１６１に配置される補助加熱手段１８５を有する。補助加熱手段１８５は、抵抗発熱体を有する。したがって、導電性部材を誘導加熱により自己発熱させる際に、補助加熱手段１８５によって上型１６６および下型１６１を同時に加熱することができる。
【００３８】
そのため、熱硬化性樹脂を熱硬化するために利用される熱量が増加するため、熱硬化時間を短縮化することが可能である。また、導電性部材の自己発熱量が、不十分である場合、不足している熱量を、補助加熱手段１８５によって補うことも可能である。
【００３９】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００４０】
例えば、誘導加熱による自己発熱量が、十分大きい場合、成形型を非導電性材料から構成することも可能であり、補助加熱手段は、抵抗加熱（抵抗発熱体）を利用する形態に限定されず、例えば、加熱流体を適用することも可能である。この場合、成形型の内部に、加熱流体が導入される加熱流体通路を配置し、熱硬化の際に、加熱流体を流すことで成形型を加熱し、成形材料に熱量を伝達することが可能である。
【００４１】
さらに、成形型の内部に、冷却流体が導入される冷流体通路を配置することも可能である。この場合、熱硬化の完了後において、冷却流体を流すことで成形型を急速冷却して、冷却時間を短縮し、タイムサイクルを改善することも可能である。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。
【００４２】
また、ノズル９１から粉末状の成形材料９０を吐出させながら移動させて、下型６１のキャビティ面６２に充填するようにしたが、これに代えて、粉末状の成形材料９０を収容する図外の箱体を設け、下型６１の上面をスライドさせながら前記箱体の下側に設けた開口部より落下させて供給するようにしてもよい。その際には、キャビティ面６２を下型６１に対し上下方向に相対移動可能にする。そして、キャビティ面６２を上方に位置させて、箱体を、下型６１の上面を移動させながら粉末状の成形材料９０を供給し、次いで、キャビティ面６２を降下させた後に成形材料９０の表面に導電性部材７０をセットする。その後、再度箱体を下型６１の上面を移動させながら、粉末状の成形材料９０を供給して、上型６６および下型６１を型締めするとよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るセパレータを説明するための平面図である。
【図３】本発明の実施の形態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】本発明の実施の形態に係る燃料電池用セパレータの製造方法を説明するための断面図であり、成形材料の前半充填を示している。
【図５】図４に続く、導電性部材のセットを説明するための断面図である。
【図６】図５に続く、成形材料の後半充填を説明するための断面図である。
【図７】図６に続く、成形型の型締めを説明するための断面図である。
【図８】図７に続く、成形材料の熱硬化を説明するための断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る導電性部材の変形例を説明するための断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る導電性部材の別の変形例を説明するための断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態に係る別のセパレータ成形機を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
２０・・膜電極接合体、
２５Ａ，２５Ｂ・・ガス拡散層、
３０・・セパレータ、
３１・・外面、
３２・・流路溝、
３５・・内面、
３６・・流路溝、
４０・・セパレータ、
４１・・外面、
４２・・流路溝、
４５・・内面、
４６・・流路溝、
５０・・セパレータ成形機、
６０・・成形型、
６１・・下型、
６２・・キャビティ面、
６３・・側壁部、
６６・・上型、
６７・・キャビティ面、
７０・・導電性部材、
７１・・導電性部材、
７２・・プレート部、
７３・・突出部、
７５・・導電性部材、
８０・・加熱手段、
９０・・成形材料、
９１・・ノズル、
１５０・・セパレータ成形機、
１６１・・下型、
１６３・・側壁部、
１６６・・上型、
１８０・・加熱手段、
１８５・・補助加熱手段。
【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】
2005276611.tif 000009
【図８】
2005276611.tif 000010
【図９】
2005276611.tif 000011
【図１０】
2005276611.tif 000012
【図１１】
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