(57)【要約】【課題】ガス流路のような原料粉体を圧縮する金型の凹凸によって原料粉体の充填の具合が変わり、圧縮比率が変化してしまうため、ガス流路のあるセパレータ中央部では圧縮比率が高く、製造されるセパレータの密度は高くなるものの、ガス流路のないセパレータ外周部では圧縮比率が低いため、製造されるセパレータの密度が低くなってしまう。製造されるセパレータの密度が低いと、強度低下、電気抵抗増加、ガス透過度増加といったセパレータとしての性能低下が起きてしまうという問題点があった。【解決手段】燃料電池セパレータの製造用金型であって、燃料電池セパレータの外周部５に溝１が形成されるように凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池セパレータの製造用金型、及びこの金型を用いて作製される燃料電池セパレータ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セパレータの製造用金型であって、
該燃料電池セパレータの外周部に溝が形成されるように凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池セパレータの製造用金型。
【請求項２】
前記燃料電池セパレータの外周部の内側に溝が形成されるように、凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造用金型。
【請求項３】
前記燃料電池セパレータの外周部の溝は複数条であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータの製造用金型。
【請求項４】
前記燃料電池セパレータの外周部とは、該燃料電池セパレータのガス流路及びガスケット溝の外周部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造用金型。
【請求項５】
プレス成型用であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造用金型。
【請求項６】
燃料電池セパレータの製造方法であって、
該燃料電池セパレータの外周部に溝が形成されるように凸部が設けられた金型を用いてプレス成型することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記金型には、前記燃料電池セパレータの外周部の内側に溝が形成されるように、凸部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項８】
外周部に溝が形成されるように凸部が設けられた金型を用いてプレス成型されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項９】
前記外周部の内側に溝が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１０】
前記溝は複数条であることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１１】
前記外周部とは、前記燃料電池セパレータのガス流路及びガスケット溝の外周部であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１２】
黒鉛粉末と樹脂バインダーを主たる原材料とすることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
【請求項１３】
請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池セパレータを備えて構成された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、特に燃料電池セパレータの製造用金型、製造方法、燃料電池セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や家庭用電源のエネルギー源として、高効率かつ環境面から燃料電池の開発が盛んに行われている。この燃料電池は、イオン交換膜からなる固体電解質、白金触媒電極、各電極に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを供給するガス供給用の溝を設けたセパレータからなるセル構造を有しており、さらにこの単位セルを必要電力分だけ積層したスタックの状態で構成されている。
【０００３】
セパレータに求められる特性としては、セパレータの欠損による電池性能低下を起こさない十分な強度、発電効率を高くするための低抵抗、燃料ガスと酸化ガスを完全に分離し電極に供給するためのガス不透過性、さらにはセパレータ強度劣化や白金触媒の経時劣化原因となる溶出成分が少ないこと、等が挙げられる。
【０００４】
従来の燃料電池セパレータは、主に金属系とカーボン系があった。金属系セパレータは、ＳＵＳプレス加工、エッチング加工、表面メッキなどによって製造されていた。その特徴は加工コストが安く強度も強い反面、酸腐食による劣化がしやすく、重いという問題があった。
【０００５】
こうした金属系セパレータの問題を解決する方法として、カーボン系セパレータが挙げられる。カーボン系セパレータは、熱可塑性樹脂バインダーを用いたものでは射出成型などによって、熱硬化性樹脂バインダーを用いたものでは熱板プレス成型などによって製造されている。特徴としては、軽量で劣化が少ないものの、加工コストが高く強度が弱い脆性材料であるという問題があり、製造コストが安く、かつ充分な強度を持つカーボン系セパレータが期待されていた。
【０００６】
上記のような、製造コストが安く、かつ充分な強度を持つカーボン系セパレータの製造方法として、例えば特許文献１〜３などが挙げられる。
【特許文献１】特許第３７１５６４２号
【特許文献２】特開２００５−１０８５３２号公報
【特許文献３】特開２００５−１７４８８２号公報
【０００７】
上記発明のような金型を用いたセパレータの製造方法においては通常、量産金型では原料粉体を迅速に自動充填して成型を行う。こうした場合、ガス流路のような原料粉体を圧縮する金型の凹凸によって原料粉体の充填の具合が変わり、圧縮比率が変化してしまう。このため、ガス流路のあるセパレータ中央部では圧縮比率が高く、製造されるセパレータの密度は高くなるものの、ガス流路のないセパレータ外周部では圧縮比率が低いため、製造されるセパレータの密度が低くなってしまう。製造されるセパレータの密度が低いと、強度低下、電気抵抗増加、ガス透過度増加といったセパレータとしての性能低下が起きてしまうという問題点があった（図６を参照のこと）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記問題点を解決できる燃料電池セパレータの製造用金型、製造方法、燃料電池セパレータ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】
【０００９】
上記課題を解決するべく、本発明は以下に掲げる構成とした。
請求項１記載の発明の要旨は、燃料電池セパレータの製造用金型であって、
該燃料電池セパレータの外周部に溝が形成されるように凸部が設けられていることを特徴とする燃料電池セパレータの製造用金型に存する。
請求項２記載の発明の要旨は、前記燃料電池セパレータの外周部の内側に溝が形成されるように、凸部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造用金型に存する。
請求項３記載の発明の要旨は、前記燃料電池セパレータの外周部の溝は複数条であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池セパレータの製造用金型に存する。
請求項４記載の発明の要旨は、前記燃料電池セパレータの外周部とは、該燃料電池セパレータのガス流路及びガスケット溝の外周部であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造用金型に存する。
請求項５記載の発明の要旨は、プレス成型用であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セパレータの製造用金型に存する。
請求項６記載の発明の要旨は、燃料電池セパレータの製造方法であって、
該燃料電池セパレータの外周部に溝が形成されるように凸部が設けられた金型を用いてプレス成型することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法に存する。
請求項７記載の発明の要旨は、前記金型には、前記燃料電池セパレータの外周部の内側に溝が形成されるように、凸部が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池セパレータの製造方法に存する。
請求項８記載の発明の要旨は、外周部に溝が形成されるように凸部が設けられた金型を用いてプレス成型されたことを特徴とする燃料電池セパレータに存する。
請求項９記載の発明の要旨は、前記外周部の内側に溝が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池セパレータに存する。
請求項１０記載の発明の要旨は、前記溝は複数条であることを特徴とする請求項８又は９に記載の燃料電池セパレータに存する。
請求項１１記載の発明の要旨は、前記外周部とは、前記燃料電池セパレータのガス流路及びガスケット溝の外周部であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の燃料電池セパレータに存する。
請求項１２記載の発明の要旨は、黒鉛粉末と樹脂バインダーを主たる原材料とすることを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の燃料電池セパレータに存する。
請求項１３記載の発明の要旨は、請求項８〜１２のいずれかに記載の燃料電池セパレータを備えて構成されたことを特徴とする燃料電池に存する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池セパレータの製造用金型は、セパレータの外周部に溝を形成するための凸部が設けられているため、セパレータの外周部にもガス流路のような構造が作られることにより、原料粉体の圧縮工程が改善され、均質で高い密度を持つ燃料電池セパレータを製造できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１２】
本実施形態のカーボン系燃料電池セパレータは、黒鉛粉末と樹脂バインダーとを混合した原料粉体を金型によってプレス成形することによって成形される。従来、こうした金型プレス成形に用いられる金型は、セパレータ外周部に特定の構造を持たず平面的であったため、製造されるセパレータは図６に例示したように、ガス流路２やガスケット溝３などの構造を持つ中心部分は密度が高くなるのに対して、特定構造を持たない周辺部は密度が低下してしまい、セパレータとしての性能が低下してしまうという問題があった。発明者らは、この問題について鋭意検討した結果、図１に示すように、中心部分に似たような構造として、溝１を外周部５に設けることによって周辺部の密度を向上しセパレータとしての性能を改善できることを見出した。
【００１３】
本実施形態の燃料電池セパレータは、これをプレス成形する金型に、セパレータ外周部５に溝１を形成するための凸部が設けられているため、プレス時に金型に充填した原料粉体が圧縮され、溝１を外周部５に有した図１のようなセパレータを製造することができる。成形されたセパレータの外周部５は、図２に示すようにセパレータの中央部と似たような構造を持つ。このため、図２のように溝を形成した場合は溝の部分において原料粉体の圧縮密度が高まるため、製造されるセパレータの密度が向上し強度などのセパレータ特性が改善するという顕著な効果を奏する。
【００１４】
本実施形態の燃料電池セパレータについては、カーボン系であれば特に制限はない。すなわち、原料粉体を構成する黒鉛粉末や樹脂バインダーの種類を問わず、金型プレス成形によって成形を行うカーボン系セパレータであれば、どのようなものであっても適応可能である。例えば、黒鉛粉末については鱗片状粉末であっても、粉末周囲を樹脂コーティングしてあるものなどであっても良い。樹脂バインダーについても、熱可塑性樹脂であっても、熱硬化性樹脂であっても良い。
【００１５】
燃料電池セパレータの製造は、具体的には以下のようにして行う。まず、原料粉体を貯蔵するホッパーから製造するセパレータの大きさに合わせた量の原料粉体を計量し、これをフィーダーを通して金型に充填する。その後、すりきり等の方法で充填量を均一化した後、プレス成形を行う。この際、プレスと同時に成形するための加熱を金型から加えても良く、またプレス工程によって成形した後に別工程において加熱成形を行ってもよい。
【００１６】
金型によって形成される溝１は、製造されるセパレータの密度や強度を改善できるものであれば、どのような形状であっても良い。以下、溝の形状についての変形例についての説明を行うが、これらは溝の形状及び構造を限定するものではなく、セパレータ外周部の密度を向上させることが可能な溝であれば、いかなる形状、構造であっても良い。
【００１７】
溝１については、例えば図３の１０のように、基本的な直線的溝１０を複数条設けても良い。溝１は複数条でも、１条でも、製造されるセパレータの特性を改善できるものであれば本数についての制限は無い。
【００１８】
また、溝１の形状についても、その実施形態について特に制限されることはない。例えば図３のように、溝１の形状については折れ線状１１や、波線状１２、縦線状１３、破線状１４などであっても良い。このように溝１の形状を工夫することで、外周部５を強化する構造の範囲を広くしたり、様々な形状のセパレータに対応し得る溝１を形成することが可能となる。
【００１９】
溝１の断面形状についても、実施について特に制限はない。例えば図４に示すように、逆三角形や、台形、Ｕ字形、半円形、矩形、多角形など様々な断面形状にて実施することが出来る。台形や矩形である場合には、圧縮密度を高くすることが出来る。またＵ字形や半円形の場合には溝の割裂を防止することが出来る。
【００２０】
さらに、溝１は線条である必要もなく、例えば図３のように、溝の代わりに、円形、矩形、多角形の窪みを設けることも出来る。矩形の窪み、あるいは太い溝が１条である構造１５のように設けられていても良く、同様に、円形の窪み１６や、楕円形の窪み１７を複数設けたりしても良い。窪みの形状は円形、楕円形に限定されることはなく、部分構造として、製造されるセパレータの特性向上に寄与するものであれば特に制限はない。
【００２１】
以下、本実施の形態の実施例および比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
【実施例１】
【００２２】
105×150ｍｍ、厚さ1.0（最薄部）〜2.0（最厚部）ｍｍのサイズで、外周部の幅が15ｍｍの燃料電池セパレータを作製した。外周部に相当する部分に図５のようにセパレータに３条の直線溝１８が形成されるように、金型に幅1.0ｍｍ、高さ0.5ｍｍ、長さ50ｍｍの凸部を設けた。原料粉体としては、（株）FJコンポジット製、FJカーボン（製品番号FCC2025）を用い、ホッパーから所定量を金型に充填し、すりきりにて充填量を均一化した後に100ＭＰａの圧力にて5秒間プレス成形した。プレス成形後に、成形板を160℃にて所定の時間加熱硬化させ、完成品とした。比較例として、上記凸部を持たない金型において同様の方法でセパレータを作製した。
【００２３】
作製したセパレータを小片に切り分け、液置換法（アルキメデス法）によって密度を測定した。まず、切り分けた小片の重量を測定した。次に、この小片に糸を接着し、これを吊した状態のまま、上皿天秤に乗せたビーカーの水中に浸漬した。浸漬したことによって増加した重量を測定し、これを測定環境の温度での溶媒の比重で除算して、試料小片の体積を算出した。既に算出されている小片重量とこの体積から、セパレータの密度を算出した。結果を以下の表１に示す。
【００２４】
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【００２５】
表１のように、外周部に溝を設けた実施例１においては、中央部とほぼ変わらない高い密度でセパレータが作製されたのに対し、外周部に溝を設けていない従来の比較例においては、外周部の密度が1.85と低くなってしまっており、機械的強度、電気抵抗、ガス透過度といったセパレータとしての特性が劣るものとなった。
【００２６】
なお、本発明が上記実施例の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の燃料電池セパレータは、外周部に溝を設けることにより、外周部の密度を高めることができるため、従来より性能の向上した燃料電池セパレータを提供できる。また、本発明の金型を用いた製造方法はきわめて容易に実施可能であるため、高い生産性を実現しながらも、従来より特性の優れた燃料電池セパレータを製造し得るという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の燃料電池セパレータの説明図
【図２】図１Ａにおける断面図
【図３】本発明の燃料電池セパレータに設けられる溝の実施形態の変形例
【図４】本発明の燃料電池セパレータに設けられる溝の断面図
【図５】実施例１において作製されるセパレータの溝の説明図
【図６】従来の燃料電池セパレータの例示図
【符号の説明】
【００２９】
１    燃料電池セパレータ外周部の溝
１０  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（基本形）
１１  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（折れ線状）
１２  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（波線状）
１３  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（縦線状）
１４  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（破線状）
１５  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（矩形の窪み）
１６  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（円形の窪み）
１７  燃料電池セパレータ外周部の溝の実施形態（楕円形の窪み）
１８  実施例１において燃料電池セパレータ外周部に設けられる溝
２    燃料電池セパレータのガス流路
３    燃料電池セパレータのガスケット溝
４    通し孔
５    燃料電池セパレータ外周部
【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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