(57)【要約】【課題】表面に所定のパターンを有するカーボンプレートを精度良く確実に作製でき、しかも、非常に薄いカーボンプレートを短時間にかつ安価に作製できるカーボンプレートの製造方法を提供する。【解決手段】カーボンプレートの製造方法は、平板上に第１のスクリーン版を載置し、この第１のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷により基材部を形成する基材部形成工程と、第１のスクリーン版を取り外し、基材部の印刷面上に所定パターンを有する第２のスクリーン版を載置し、この第２のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷によりパターン部を形成するパターン部形成工程とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板上に第１のスクリーン版を載置し、該第１のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷により基材部を形成する基材部形成工程と、前記第１のスクリーン版を取り外し、前記基材部の印刷面上に所定パターンを有する第２のスクリーン版を載置し、該第２のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷によりパターン部を形成するパターン部形成工程とを備えたことを特徴とするカーボンプレートの製造方法。
【請求項２】
前記平板上に剥離性向上層を積層する積層工程をさらに備えており、前記基材部形成工程が前記剥離性向上層上に前記基材部を形成する工程であることを特徴とする請求項１に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項３】
前記第１のスクリーン版が、丸みをおびた角部を備えた矩形形状を有すると共に複数の孔対応部を有するスクリーン版であることを特徴とする請求項１又は２に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項４】
前記基材部形成工程が、形成すべき前記基材部の厚さに応じた回数の前記シルクスクリーン印刷を行う工程であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項５】
前記基材部形成工程が、前記第１のスクリーン版を用いてカーボンペーストをシルクスクリーン印刷した後、焼成することを複数回繰り返して前記基材部を形成する工程であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項６】
前記第２のスクリーン版が、流路パターンを備えた矩形形状を有するスクリーン版であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項７】
前記パターン部形成工程が、形成すべき前記パターン部の厚さに応じた回数の前記シルクスクリーン印刷を行う工程であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項８】
前記パターン部形成工程が、前記第２のスクリーン版を用いてカーボンペーストをシルクスクリーン印刷した後、焼成することを複数回繰り返して前記パターン部を形成する工程であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【請求項９】
前記カーボンプレートが燃料電池のセパレータプレートであり、前記パターン部が燃料電池のガス流路パターンであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のカーボンプレートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は表面に所定のパターンを有するカーボンプレートの製造方法に係り、より特定的には、燃料電池用のセパレータカーボンプレートを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池のセパレータカーボンプレートは、その表面に、ガス流路を構成する所定の溝パターンを設ける必要がある。このような溝パターン付きカーボンプレートを作製する方法として、特許文献１の従来技術の欄には、カーボンブロックから切り出した板にフライス盤等を用いて機械的な溝加工することが記載されている。
【０００３】
しかしながら、この方法は、機械的な研削であることから製造に長時間を要し、しかも、溝幅が工具の径等で決まってしまうことから手間がかかり、高い精度の溝パターンを形成することが難しかった。また、機械的研削を行うため、カーボン材料が無駄になり製造コストが高くなるという問題をも有していた。
【０００４】
このような溝パターン付きのカーボンプレートは、カーボン粉末を金型で圧縮し焼成することによっても作製可能である。また、特許文献１及び特許文献２に記載されているように、あらかじめ作製したカーボンプレートを所要枚数積層するか、又はカーボンプレートと弾性薄膜とを積層し、これら積層体を金型でプレスすることによっても作製可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−２２２２３９号公報
【特許文献２】特許第４４２０１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、粉末を金型で圧縮し焼成する作製方法は、カーボン粉末を金型内に均一に分布させることが難しく、特にプレート厚を薄くしようとした場合にこの傾向が顕著となるため、薄いカーボンプレートを作製することが困難であった。また、金型作製に多大の費用を要するため、この点からも製品のコスト上昇を招いていた。積層したカーボンプレートを金型でプレスして作製する方法も、薄いカーボンプレートを作製することが困難であると共に、金型作製に多大の費用を要するので製品のコスト上昇を招いていた。
【０００７】
また、近年、燃料電池は小型化及び軽量化することが必須であり、これに伴ってそのセパレータプレートは大幅な薄型化が要求されている。しかしながら、前述した従来のカーボンプレート製造方法によると、非常に薄いカーボンプレートを作製すること自体が難しいのみならず、薄いカーボンプレートにパターン加工することも難しかった。
【０００８】
従って本発明の目的は、表面に所定のパターンを有するカーボンプレートを精度良く確実に作製できるカーボンプレートの製造方法を提供することにある。
【０００９】
本発明の他の目的は、非常に薄いカーボンプレートを短時間でかつ安価に作製できるカーボンプレートの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、平板上に第１のスクリーン版を載置し、この第１のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷により基材部を形成する基材部形成工程と、第１のスクリーン版を取り外し、基材部の印刷面上に所定パターンを有する第２のスクリーン版を載置し、この第２のスクリーン版を用いた複数回のシルクスクリーン印刷によりパターン部を形成するパターン部形成工程とを備えたカーボンプレートの製造方法が提供される。
【００１１】
複数回のシルクスクリーン印刷により基材部を形成し、その上に、複数回のシルクスクリーン印刷によりパターン部を形成しているので、精度の高い所望のパターンを有するカーボンプレートを確実に製造することができる。特に、パターン部のみならず、基材部もシルクスクリーン印刷で作製しているため、非常に薄いカーボンプレートを短時間で作製することができる。また、カーボンプレートを非常に薄く作製できるので材料費を低く抑えることができ、製造コストを大幅に低減させることが可能となる。しかも、シルクスクリーン印刷のみで作製しているため、金型作成費用が不要であり、この点からも製造コストを大幅に低減させることができる。
【００１２】
平板上に剥離性向上層を積層する積層工程をさらに備えており、基材部形成工程が剥離性向上層上に基材部を形成する工程であることが好ましい。剥離性向上層を設けることにより、非常に薄く壊れやすいカーボンプレートを、壊すことなく容易に剥離させることができる。
【００１３】
第１のスクリーン版が、丸みをおびた角部を備えた矩形形状を有すると共に複数の孔対応部を有するスクリーン版であることも好ましい。このような形状及びパターンを有するスクリーン版を用いてシルクスクリーン印刷することにより、次工程の組立・組込における作業性を向上できるため、トータルでもコストを低減させることができる。
【００１４】
基材部形成工程が、形成すべき基材部の厚さに応じた回数のシルクスクリーン印刷を行う工程であることも好ましい。これにより、任意の厚さの基材部を作製することができる。
【００１５】
基材部形成工程が、第１のスクリーン版を用いてカーボンペーストをシルクスクリーン印刷した後、焼成することを複数回繰り返して基材部を形成する工程であることも好ましい。
【００１６】
第２のスクリーン版が、流路パターンを備えた矩形形状を有するスクリーン版であることも好ましい。このような形状及びパターンを有するスクリーン版を用いてシルクスクリーン印刷することにより、非常に薄いパターン部を壊すことなく確実に製造することができる。
【００１７】
パターン部形成工程が、形成すべきパターン部の厚さに応じた回数のシルクスクリーン印刷を行う工程であることも好ましい。これにより、任意の厚さのパターン部を作製することができる。
【００１８】
パターン部形成工程が、第２のスクリーン版を用いてカーボンペーストをシルクスクリーン印刷した後、焼成することを複数回繰り返してパターン部を形成する工程であることも好ましい。
【００１９】
カーボンプレートが燃料電池のセパレータプレートであり、パターン部が燃料電池のガス流路パターンであることも好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、精度の高い所望のパターンを有するカーボンプレートを確実に製造することができ、非常に薄いカーボンプレートを短時間で作製することができ、材料費を低く抑えることができるため、製造コストを大幅に低減させることが可能となる。しかも、金型作成費用が不要であり、この点からも製造コストを大幅に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のカーボンプレートの製造方法の一実施形態により作製されたカーボンプレートの構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の実施形態の１つの製造工程におけるカーボンプレートの作製状況を概略的に示す、（Ａ）側面図、（Ｂ）平面図である。
【図３】図１の実施形態の１つの製造工程におけるカーボンプレートの作製状況を概略的に示す、（Ａ）側面図、（Ｂ）平面図である。
【図４】図１の実施形態の１つの製造工程におけるカーボンプレートの作製状況を概略的に示す、（Ａ）側面図、（Ｂ）平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は本発明のカーボンプレートの製造方法の一実施形態により作製されたカーボンプレートの構成を概略的に示している。この実施形態は、燃料電池のセパレータカーボンプレートを製造する場合である。しかしながら、本発明は、燃料電池のセパレータカーボンプレート以外の種々のカーボンプレートの製造に適用することができる。
【００２３】
同図に示すように、本実施形態のセパレータカーボンプレートは、カーボン材料によって形成された基材部１０と、この基材部１０上に積層され、カーボン材料によって形成されたパターン部１１とから主に構成されている。
【００２４】
基材部１０は、燃料電池のセパレータカーボンプレートとして要求される寸法を有する略矩形の平面形状に形成されており、約０．０２ｍｍ以上の厚さを有している。この基材部１０の４隅の近傍には取り付け用の貫通孔１０ａがそれぞれ設けられており、さらに、４隅の縁端はそれぞれ丸みをおびた角部１０ｂとなっている。なお、貫通孔１０ａの位置及び数はこれに限定されるものではなく、基材部１０上の任意の位置に任意の数だけ設けても良い。また、４隅の縁端は面取り状に形成されていれば、必ずしも丸みをおびた角部でなくても良い。
【００２５】
パターン部１１は、基材部１０より小さい寸法の略矩形の平面形状に形成されており、約０．０２ｍｍ以上の厚さを有している。このパターン部１１上には、燃料電池のガス流路を構成する種々の溝パターン１１ａが形成されている。図１の溝パターン１１ａはパターンを単に模式的に表した例であり、実際の流路パターンはこれより複雑な所望のパターンに形成されている。
【００２６】
なお、図１に示した構成は、単なる一例を表すものであり、本発明の製造方法は、カーボンをシルクスクリーン印刷して作製された基材部１０と、この基材部１０上にカーボンをシルクスクリーン印刷して作製されたパターン部１１とを備えたカーボンプレートであれば、他の種々の構成のカーボンプレートに適用可能である。
【００２７】
図２〜図４は本実施形態の各製造工程におけるカーボンプレートの作製状況を概略的に示している。以下、これらの図を用いて本実施形態の製造方法について詳細に説明する。
【００２８】
まず、表面が平坦な平板２０を用意する。この平板２０としては、例えばステンレス板、アルミニウム板若しくは銅板等の金属板、樹脂板若しくは内部に金属板入りの樹脂板、又はセラミック板等が用いられるが、その他の種々の材料による平板も適用可能である。金属板を用いることにより、熱伝導が良好となり、焼成時の処理時間を短縮化することができる。
【００２９】
次いで、図２に示すように、この平板２０の表面に剥離性向上層２１を積層する。この剥離性向上層２１は、その上にシルクスクリーン印刷で形成するカーボンプレートを平板２０から容易に剥離できるようにするための層であり、例えばシリコン樹脂材料やフッ素樹脂材料を塗布処理又は含浸処理することによって形成する。
【００３０】
次いで、図３に示すように、この上に基板部１０をシルクスクリーン印刷によって形成する。より具体的には、形成すべき基板部１０のパターンを有する第１のスクリーン版（図示なし）を平板２０の剥離性向上層２１上に、位置合わせしてセットし、カーボンペーストをインクとして用いてシルクスクリーン印刷した後、この第１のスクリーン版を外した状態で焼成処理する。次いで、この第１のスクリーン版を再度セットした状態でシルクスクリーン印刷及び焼成処理を行う。このシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理のサイクルを複数回繰り返すことにより、図３に示すように所望の厚さを有し、４隅の近傍に貫通孔１０ａが、４隅の縁端が丸みをおびた角部１０ｂとなったパターンを有する略矩形形状の基板部１０が作製される。
【００３１】
第１のスクリーン版の紗（メッシュ）の材質としては、例えばポリエステルやナイロン等の樹脂繊維やステンレス鋼繊維等が用いられる。また、紗の線数としては、例えば５０〜３００線（本／インチ）が用いられるが、これに限定されず最適なものが適宜使用される。第１のスクリーン版のパターンは、図３（Ｂ）に示すように、燃料電池のセパレータカーボンプレートとして要求される寸法を有する略矩形形状であり、その４隅の縁端が丸みをおびた角部１０ｂを構成したパターンである。なお、貫通孔１０ｂに対応する第１のスクリーン版の孔対応部は、乳剤等によってあらかじめ塞がれた非印刷部分である。
【００３２】
各焼成処理における焼成温度は８０〜３００℃であり、焼成時間は２０〜６０分であることが望ましい。
【００３３】
インクとして使用するカーボンペーストは市販の一般的なものでも良いし、これに適切な材料を混合し特性を改善したものを用いても良い。
【００３４】
基板部１０を作成後、第１のスクリーン版を取り外し、形成すべきパターン部１１のパターンを有する第２のスクリーン版（図示なし）をこの基板部１０上に、位置合わせしてセットし、カーボンペーストをインクとして用いてシルクスクリーン印刷した後、この第２のスクリーン版を外した状態で焼成処理する。次いで、この第２のスクリーン版を再度セットした状態で用いてシルクスクリーン印刷及び焼成処理を行う。このシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理のサイクルを複数回繰り返すことにより、図４に示すように所望の厚さを有し所望の溝パターン１１ａを有する略矩形形状のパターン部１１が基板部１０上に作製される。
【００３５】
第２のスクリーン版の紗（メッシュ）の材質としては、例えばポリエステルやナイロン等の樹脂繊維やステンレス鋼繊維等が用いられる。また、紗の線数としては、例えば５０〜３００線（本／インチ）が用いられるが、これに限定されず最適なものが適宜使用される。第２のスクリーン版のパターンとしては、図４（Ｂ）に示すように、燃料電池のセパレータカーボンプレートにおける流路パターンとして要求される寸法及び溝パターン１１ａを有する略矩形形状である。
【００３６】
各焼成処理における焼成温度は８０〜３００℃であり、焼成時間は２０〜６０分であることが望ましい。
【００３７】
インクとして使用するカーボンペーストは市販の一般的なものでも良いし、これに適切な材料を混合し特性を改善したものを用いても良い。
【００３８】
シルクスクリーン印刷処理及び焼成処理のサイクルの繰り返し回数は、最終的に得たい厚さが得られるまでの回数となる。例えば、１回のシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理のサイクルで約０．０２ｍｍ厚のパターンが作製されるとすれば、約０．２ｍｍ厚のパターンを得るためには、１０回より多い回数のシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理のサイクルを行う必要がある。このように、前回のサイクルで作製したスクリーン版による微細な孔内に、次の印刷時のカーボンペーストが侵入するため、強度を増すことができる。またパターン部１１、特にその溝パターン１１ａ内表面には、多数の微細な凹凸が作製され、ガス流路における反応表面積が増大するため、燃料電池の化学反応を向上させることができる。
【００３９】
なお、パターン部１１において、部分的に厚さの異なるパターンやその他のパターンを作製する必要がある場合は、第２のスクリーン版とは異なる種々のスクリーン版、例えば第３のスクリーン版、第４のスクリーン版等を用いて同様の複数サイクルのシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理が行われる。
【００４０】
パターン部１１が作製された後、真空吸着等によってセパレータカーボンプレートを平板２０から持ち上げ移動させる。この場合、平板２０の表面に剥離性向上層２１が形成されているため、非常に薄く壊れやすいセパレータカーボンプレートを壊すことなく、容易に剥離させることができる。
【００４１】
以上詳細に説明したように、本実施形態の製造方法によれば、パターン部１１のみならず、基材部１０もシルクスクリーン印刷処理及び焼成処理で作製しているため、非常に薄いセパレータカーボンプレートを安全にかつ容易に短時間で作製することができる。特に、基材部１０の丸みをおびた角部１０ｂ及び貫通孔１０ａも、シルクスクリーン印刷によって作製されるため、容易にかつ短時間に製造が可能となる。また、セパレータカーボンプレートを非常に薄く作製できるので、材料費を低く抑えることができ、製造コストを大幅に低減させることが可能となる。しかも、シルクスクリーン印刷のみで作製しているため、金型作成費用が不要であり、この点からも製造コストを大幅に低減させることができる。さらに、複数回のシルクスクリーン印刷を行っていることにより、パターン部の流路パターン内に多数の微細な凹凸が作製され、ガス流路における反応表面積が増大するため、燃料電池の化学反応を向上させることができる。
【００４２】
なお、上述した実施形態は、平板２０上に単一のセパレータカーボンプレートを作製している例であるが、平板２０上に複数のセパレータカーボンプレートを一度に作製するようにしても良いことは明かである。
【００４３】
また、上述した実施形態においては、基板部１０の片面のみパターン部１１が形成されているが、基板部１０の両面に同一の又は互いに異なる流路パターンを有するパターン部を形成しても良い。
【００４４】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【符号の説明】
【００４５】
１０  基材部
１０ａ  貫通孔
１０ｂ  丸みをおびた角部
１１  パターン部
１１ａ  溝パターン
２０  平板
２１  剥離性向上層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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