JP2000277127A - 燃料電池用セパレータ及びその製造法 - Google Patents
燃料電池用セパレータ及びその製造法Info
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- JP2000277127A JP2000277127A JP11081265A JP8126599A JP2000277127A JP 2000277127 A JP2000277127 A JP 2000277127A JP 11081265 A JP11081265 A JP 11081265A JP 8126599 A JP8126599 A JP 8126599A JP 2000277127 A JP2000277127 A JP 2000277127A
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 膨張黒鉛シートを圧縮成型によって溝部を形
成してなる燃料電池用セパレータは成形性及び離型性が
悪いので実用化に問題がある。 【解決手段】 膨張黒鉛シートを圧縮成型によって溝部
を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、該溝部
の開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／
Ｈ）が０．９以上４．０以下であり、なおかつ該溝部の
側面と底面のなす角度が９０度よりも大きく１２０度よ
りも小さくなるような成形金型を用いて製造されたこと
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
成してなる燃料電池用セパレータは成形性及び離型性が
悪いので実用化に問題がある。 【解決手段】 膨張黒鉛シートを圧縮成型によって溝部
を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、該溝部
の開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／
Ｈ）が０．９以上４．０以下であり、なおかつ該溝部の
側面と底面のなす角度が９０度よりも大きく１２０度よ
りも小さくなるような成形金型を用いて製造されたこと
を特徴とする燃料電池用セパレータ。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池用セパレー
タの改良に関する。
タの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池の基本的な構造は、図１に示し
たように、水素イオン（プロトン）のみを透過できる電
解質膜１と、その水素側の面に白金触媒の酸化触媒を含
有する負電極２を設け、酸素側の面には正電極（図示せ
ず）を設け、溝部を有するセパレータ３、４を設けた単
位構造を、多数重畳させたものであり、セパレータを導
電性の炭素質構造とすることにより、水素側のセパレー
タ３は水素極（負極）及び酸素側のセパレータ４は酸素
極とする。セパレータ３の電解質膜１に接する側の溝部
に水素（又はメタノール、ヒドラジン等の水素源）を、
セパレータ４の電解質膜１に接する側の溝部に酸素（又
は空気等の酸素源）をそれぞれ流し、触媒作用により負
極側で水素を分解して電子とプロトンを発生させる。発
生したプロトンは電解質膜１を通して拡散して正極側で
電子及び酸素と結合し水を生じる。このようにして正・
負極間で直接電力が取り出せる燃料電池が構成される。
実際の燃料電池は上記の構造のユニットを所望の容量ま
で多数積層しケースに収納したものである。
たように、水素イオン（プロトン）のみを透過できる電
解質膜１と、その水素側の面に白金触媒の酸化触媒を含
有する負電極２を設け、酸素側の面には正電極（図示せ
ず）を設け、溝部を有するセパレータ３、４を設けた単
位構造を、多数重畳させたものであり、セパレータを導
電性の炭素質構造とすることにより、水素側のセパレー
タ３は水素極（負極）及び酸素側のセパレータ４は酸素
極とする。セパレータ３の電解質膜１に接する側の溝部
に水素（又はメタノール、ヒドラジン等の水素源）を、
セパレータ４の電解質膜１に接する側の溝部に酸素（又
は空気等の酸素源）をそれぞれ流し、触媒作用により負
極側で水素を分解して電子とプロトンを発生させる。発
生したプロトンは電解質膜１を通して拡散して正極側で
電子及び酸素と結合し水を生じる。このようにして正・
負極間で直接電力が取り出せる燃料電池が構成される。
実際の燃料電池は上記の構造のユニットを所望の容量ま
で多数積層しケースに収納したものである。
【０００３】従来から膨張黒鉛を加圧成形した燃料電池
用セパレータに使用する試みは数多くあり、例えば特開
昭６１−７５７０号、同６１−７５７１号、ＰＣＴ公開
ＷＯ９５／１６２８７号、特開平１０−１２５３３７号
等がある。実際的な構造は、図２に示したように、電解
質膜（図示せず）に接する面にセパレータ１０の少なく
とも一方の面に水素又は酸素を流す蛇行状の溝部９を形
成し、入口部８に水素又は酸素等の流体を流し、出口１
３から排出させる。このようなセパレータが満足すべき
条件には、溝部を流れる流体に対する抵抗が低いこと、
流体の流れが全体的に均一であること、特性が経時変化
しないこと、電気抵抗が低いこと等である。又機械的な
要件としては高精度の加工ができること、寸法安定性が
あること、機械的な強度が高いこと等である。膨張黒鉛
を加圧成形して得た燃料電池用セパレータは従来の黒鉛
製のセパレータに比較して振動等によって容易には破壊
されない柔軟性を有するので従来から数多くの研究がな
されているが、以下に述べるように未だ十分に実用的で
はない。
用セパレータに使用する試みは数多くあり、例えば特開
昭６１−７５７０号、同６１−７５７１号、ＰＣＴ公開
ＷＯ９５／１６２８７号、特開平１０−１２５３３７号
等がある。実際的な構造は、図２に示したように、電解
質膜（図示せず）に接する面にセパレータ１０の少なく
とも一方の面に水素又は酸素を流す蛇行状の溝部９を形
成し、入口部８に水素又は酸素等の流体を流し、出口１
３から排出させる。このようなセパレータが満足すべき
条件には、溝部を流れる流体に対する抵抗が低いこと、
流体の流れが全体的に均一であること、特性が経時変化
しないこと、電気抵抗が低いこと等である。又機械的な
要件としては高精度の加工ができること、寸法安定性が
あること、機械的な強度が高いこと等である。膨張黒鉛
を加圧成形して得た燃料電池用セパレータは従来の黒鉛
製のセパレータに比較して振動等によって容易には破壊
されない柔軟性を有するので従来から数多くの研究がな
されているが、以下に述べるように未だ十分に実用的で
はない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３に示すように、膨
張黒鉛シート１１は層状構造をなし層間に空隙１２があ
るために圧縮時復元力を有し、離型性が悪く、また剥離
しやすい。そのため成型時に使用する金型から黒鉛シー
トが外れにくく剥離して金型に付着し、そのため溝部の
平滑性が損なわれて水素又は酸素等の流体の円滑な流れ
が阻害される。また、膨張黒鉛シート１１は層状構造を
なし層間に空隙１２があるために加圧成形をしても、ま
た、層間に残留している空気が使用中に漏れたり、使用
中に液体を吸収したりして特性に問題を生じた。また、
製品中に残留する空気や侵入する液体が高温下では膨張
してセパレータを変形したり、或いは低温下では氷結し
て破壊を生じたりする不都合があった。本発明は上記の
問題点を解決することを目的とするものである。すなわ
ち、成形性が良く、密閉性に優れ、物理的強度が高く、
電導性が損われず、流体の流れに寄与する表面平滑性の
高い溝部を有する、燃料電池用セパレータを提供するこ
とを目的とする。
張黒鉛シート１１は層状構造をなし層間に空隙１２があ
るために圧縮時復元力を有し、離型性が悪く、また剥離
しやすい。そのため成型時に使用する金型から黒鉛シー
トが外れにくく剥離して金型に付着し、そのため溝部の
平滑性が損なわれて水素又は酸素等の流体の円滑な流れ
が阻害される。また、膨張黒鉛シート１１は層状構造を
なし層間に空隙１２があるために加圧成形をしても、ま
た、層間に残留している空気が使用中に漏れたり、使用
中に液体を吸収したりして特性に問題を生じた。また、
製品中に残留する空気や侵入する液体が高温下では膨張
してセパレータを変形したり、或いは低温下では氷結し
て破壊を生じたりする不都合があった。本発明は上記の
問題点を解決することを目的とするものである。すなわ
ち、成形性が良く、密閉性に優れ、物理的強度が高く、
電導性が損われず、流体の流れに寄与する表面平滑性の
高い溝部を有する、燃料電池用セパレータを提供するこ
とを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】すなわち本発明の燃料電
池用セパレータは、膨張黒鉛シートを圧縮成型によって
溝部を形成してなり、該溝部の開口部の幅（Ｌ）と該溝
部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．０以下
であり、なおかつ該溝部の側面と底面のなす角度が９０
度よりも大きく１２０度よりも小さくなるような成形金
型を用いて製造されたことを特徴とする。また本発明は
フェノール樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートを圧縮成型
し、流体が通る溝部を形成した後、焼成して得た燃料電
池用セパレータを提供する。好ましくは、本発明の燃料
電池用セパレータはフェノール樹脂を含浸させた膨張黒
鉛シートを圧縮成型によって溝部を形成し流体が通る溝
部を形成した後、焼成して得られ、圧縮成型は該溝部の
開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）
が０．９以上４．０以下であり、なおかつ該溝部の側面
と底面のなす角度が９０度よりも大きく１２０度よりも
小さくなるような成形金型を用いて行われたことを特徴
とする。好ましくは、本発明は、前記圧縮成型におい
て、プレス板を所定の成形位置に到達する前に、１回以
上、所定の時間停止した後さらに所定の位置まで進める
か、或いはプレス圧による加圧速度を２００ｋｇ／ｃｍ
2／秒以下の速度にすることを特徴とする。
池用セパレータは、膨張黒鉛シートを圧縮成型によって
溝部を形成してなり、該溝部の開口部の幅（Ｌ）と該溝
部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．０以下
であり、なおかつ該溝部の側面と底面のなす角度が９０
度よりも大きく１２０度よりも小さくなるような成形金
型を用いて製造されたことを特徴とする。また本発明は
フェノール樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートを圧縮成型
し、流体が通る溝部を形成した後、焼成して得た燃料電
池用セパレータを提供する。好ましくは、本発明の燃料
電池用セパレータはフェノール樹脂を含浸させた膨張黒
鉛シートを圧縮成型によって溝部を形成し流体が通る溝
部を形成した後、焼成して得られ、圧縮成型は該溝部の
開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）
が０．９以上４．０以下であり、なおかつ該溝部の側面
と底面のなす角度が９０度よりも大きく１２０度よりも
小さくなるような成形金型を用いて行われたことを特徴
とする。好ましくは、本発明は、前記圧縮成型におい
て、プレス板を所定の成形位置に到達する前に、１回以
上、所定の時間停止した後さらに所定の位置まで進める
か、或いはプレス圧による加圧速度を２００ｋｇ／ｃｍ
2／秒以下の速度にすることを特徴とする。
【０００６】
【作用】本発明によると、膨張黒鉛シートを圧縮成型に
よって溝部を形成してなり、該溝部の開口部の幅（Ｌ）
と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．
０以下であり、なおかつ該溝部の側面と底面のなす角度
が９０度よりも大きく１２０度よりも小さくなるような
成形金型を用いて製造したので、十分なＬ／Ｈ比と溝角
度とにより十分な離型性を保持しつつ十分な深さと平滑
性を有する溝部を形成でき、得られる燃料電池用セパレ
ータの流路抵抗を下げ且つ十分な流量を可能にする。ま
た、フェノール樹脂を含浸させさらに炭化させることに
より、膨張黒鉛シートは加工性が良くなり、形成すべき
溝部に対応する表面凹凸形状を有する金型を使用して加
圧成形を行う際に膨張黒鉛シートの金型への付着が無
く、平滑性に優れた溝部が形成でき、気液に対する不浸
透性が増し、実用的な電気伝導性が維持され、機械的な
強度が増し、寸法安定性が得られる。また特にフェノー
ル樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートとして上記の金型の
数値限定を使用すると、一層優れた特性の燃料電池用セ
パレータが提供できる。
よって溝部を形成してなり、該溝部の開口部の幅（Ｌ）
と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．
０以下であり、なおかつ該溝部の側面と底面のなす角度
が９０度よりも大きく１２０度よりも小さくなるような
成形金型を用いて製造したので、十分なＬ／Ｈ比と溝角
度とにより十分な離型性を保持しつつ十分な深さと平滑
性を有する溝部を形成でき、得られる燃料電池用セパレ
ータの流路抵抗を下げ且つ十分な流量を可能にする。ま
た、フェノール樹脂を含浸させさらに炭化させることに
より、膨張黒鉛シートは加工性が良くなり、形成すべき
溝部に対応する表面凹凸形状を有する金型を使用して加
圧成形を行う際に膨張黒鉛シートの金型への付着が無
く、平滑性に優れた溝部が形成でき、気液に対する不浸
透性が増し、実用的な電気伝導性が維持され、機械的な
強度が増し、寸法安定性が得られる。また特にフェノー
ル樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートとして上記の金型の
数値限定を使用すると、一層優れた特性の燃料電池用セ
パレータが提供できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明では膨張黒鉛シート、好ま
しくはフェノール樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートを使
用する。膨張黒鉛シートは市販されており、例えば先に
挙げた特開昭６１−７５７０号、特開昭６１−７５７１
号、特開平１０−１２５３３７号等に記載されている。
フェノール樹脂を使用する場合にはこのような市販の膨
張黒鉛シートにフェノール樹脂を含浸させることができ
る。又フェノールを含浸させた膨張黒鉛シートは自動車
のシリンダーのシール用として市販されているのでこれ
を転用することができる（ＧＲＡＦＯＩＬ−ユカー・カ
ーボン社の商品名）。フェノール樹脂の膨張黒鉛シート
に対する割合は、膨張黒鉛シートの空隙率と所望する特
性に応じて実験的に決定できる。
しくはフェノール樹脂を含浸させた膨張黒鉛シートを使
用する。膨張黒鉛シートは市販されており、例えば先に
挙げた特開昭６１−７５７０号、特開昭６１−７５７１
号、特開平１０−１２５３３７号等に記載されている。
フェノール樹脂を使用する場合にはこのような市販の膨
張黒鉛シートにフェノール樹脂を含浸させることができ
る。又フェノールを含浸させた膨張黒鉛シートは自動車
のシリンダーのシール用として市販されているのでこれ
を転用することができる（ＧＲＡＦＯＩＬ−ユカー・カ
ーボン社の商品名）。フェノール樹脂の膨張黒鉛シート
に対する割合は、膨張黒鉛シートの空隙率と所望する特
性に応じて実験的に決定できる。
【０００８】フェノール樹脂を含浸しない膨張黒鉛シー
トに直接圧縮成型によって溝部を形成するには、上に説
明したように、膨張黒鉛シートの復元性及び剥離性のた
めに、金型の溝形状を厳密に制御する必要がある。すな
わち、溝部の開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の
比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．０以下であり、なおかつ
該溝部の側面と底面のなす角度が９０度よりも大きく１
２０度よりも小さくなるような成形金型を用いる必要が
ある。なお、セパレータ自体の溝の寸法限定はセパレー
タの復元性のために困難である一方、金型の溝の寸法規
定は容易であるのでこれによった。つまり実際にはＨは
溝部を形成するための金型台形突起部の高さでありＬは
金型台形突起部の底辺の寸法である。各コーナーが丸み
を有する場合には角度は台形突起部の底辺と斜辺の変曲
部の勾配とのなす角度で定義する。ここにＬ／Ｈ比の下
限値０．９は黒鉛の剥離が生じないで離型できる限界値
である。上限値４．０は溝密度が低下するが断面積が増
える利点もあるので実用的な範囲として選択した。一
方、溝角度の下限は黒鉛を剥離しないで離型できる限界
であり、成形性からは大きいほど好ましいが、余り大き
いと溝密度が低下するだけでなく、鋭角部の流体の流れ
が阻害される。Ｌ／Ｈ比が０．９に近い値が選択される
場合には、角度は大き目に選択し、Ｌ／Ｈ比がある程度
大きい値になると角度は９０°近くに設定することが好
ましい。角度を付けると離型性が上がり横方向の応力が
出るのでより均一な成形が可能となる。実際には９２度
以上で効果が目立ってくる。得られるセパレータの構成
を図６に示す。４１は溝部、４２は溝部の底面、４３は
溝の側面である。４４は溝部の深さでありＨに対応す
る。４５は側面の角度であり金型で規定される角度に対
応するが、一般に膨張黒鉛シートの部分的な復元性によ
り金型における角度とは必ずしも同一とならない。
トに直接圧縮成型によって溝部を形成するには、上に説
明したように、膨張黒鉛シートの復元性及び剥離性のた
めに、金型の溝形状を厳密に制御する必要がある。すな
わち、溝部の開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の
比（Ｌ／Ｈ）が０．９以上４．０以下であり、なおかつ
該溝部の側面と底面のなす角度が９０度よりも大きく１
２０度よりも小さくなるような成形金型を用いる必要が
ある。なお、セパレータ自体の溝の寸法限定はセパレー
タの復元性のために困難である一方、金型の溝の寸法規
定は容易であるのでこれによった。つまり実際にはＨは
溝部を形成するための金型台形突起部の高さでありＬは
金型台形突起部の底辺の寸法である。各コーナーが丸み
を有する場合には角度は台形突起部の底辺と斜辺の変曲
部の勾配とのなす角度で定義する。ここにＬ／Ｈ比の下
限値０．９は黒鉛の剥離が生じないで離型できる限界値
である。上限値４．０は溝密度が低下するが断面積が増
える利点もあるので実用的な範囲として選択した。一
方、溝角度の下限は黒鉛を剥離しないで離型できる限界
であり、成形性からは大きいほど好ましいが、余り大き
いと溝密度が低下するだけでなく、鋭角部の流体の流れ
が阻害される。Ｌ／Ｈ比が０．９に近い値が選択される
場合には、角度は大き目に選択し、Ｌ／Ｈ比がある程度
大きい値になると角度は９０°近くに設定することが好
ましい。角度を付けると離型性が上がり横方向の応力が
出るのでより均一な成形が可能となる。実際には９２度
以上で効果が目立ってくる。得られるセパレータの構成
を図６に示す。４１は溝部、４２は溝部の底面、４３は
溝の側面である。４４は溝部の深さでありＨに対応す
る。４５は側面の角度であり金型で規定される角度に対
応するが、一般に膨張黒鉛シートの部分的な復元性によ
り金型における角度とは必ずしも同一とならない。
【０００９】また、フェノール樹脂を含浸させた膨張黒
鉛シートは加工性が良く、形成すべき溝部に対応する表
面凹凸形状を有する金型を使用して加圧成形を行うと金
型の表面に良くなじみ、次いで離型する際に膨張黒鉛シ
ートが金型へ付着して剥離する現象が無く、平滑性に優
れた溝部が形成できるので、金型の溝寸法に余り拘泥す
る必要がないことが分かった。図３について説明したよ
うに、従来の膨張黒鉛シートは空隙１２を有するが、本
発明では膨張黒鉛シートにフェノール樹脂を含浸させて
空隙１２を樹脂２２で置換させる。フェノール樹脂を含
浸させた膨張黒鉛シートは、成形金型により所望の形状
と寸法に加圧成形され、図５のようにフェノール３２を
含浸した膨張黒鉛シートの成形体３１を得る。フェノー
ル樹脂で少なくとも一部の空隙が置換されているため、
加圧成型時に弾性が減少し加圧後の復元による金型から
の剥離性が向上し、滑らかな成形面が得られる。この態
様では金型の溝のＬ／Ｈ値、角度はいずれも下限値近傍
で使用できることが分かった。このため溝を深くして溝
部の断面積を増大し、且つ溝密度を増やすことが可能と
なる。
鉛シートは加工性が良く、形成すべき溝部に対応する表
面凹凸形状を有する金型を使用して加圧成形を行うと金
型の表面に良くなじみ、次いで離型する際に膨張黒鉛シ
ートが金型へ付着して剥離する現象が無く、平滑性に優
れた溝部が形成できるので、金型の溝寸法に余り拘泥す
る必要がないことが分かった。図３について説明したよ
うに、従来の膨張黒鉛シートは空隙１２を有するが、本
発明では膨張黒鉛シートにフェノール樹脂を含浸させて
空隙１２を樹脂２２で置換させる。フェノール樹脂を含
浸させた膨張黒鉛シートは、成形金型により所望の形状
と寸法に加圧成形され、図５のようにフェノール３２を
含浸した膨張黒鉛シートの成形体３１を得る。フェノー
ル樹脂で少なくとも一部の空隙が置換されているため、
加圧成型時に弾性が減少し加圧後の復元による金型から
の剥離性が向上し、滑らかな成形面が得られる。この態
様では金型の溝のＬ／Ｈ値、角度はいずれも下限値近傍
で使用できることが分かった。このため溝を深くして溝
部の断面積を増大し、且つ溝密度を増やすことが可能と
なる。
【００１０】フェノールを含浸しない成形品をそれ自体
で完成品とする。一方、フェノールを含浸した成形体は
次に焼成されて図７のような燃料電池用のセパレータと
なる。一般に燃料電池の単位は多層に積層される関係
上、膨張黒鉛セパレータの両面に多数の溝部又は蛇行状
の溝部４１とそれらを隔てる凸部４０が形成される。流
体を膨張黒鉛シートの全面に均一に分布させるにはでき
るだけ溝部の密度を上げる方がよいが、あまり密度が大
きいと溝部の幅が減少して断面積が減じ流動抵抗が増大
する。溝部の幅が制限される場合には溝部の深さをでき
るだけ深くした方がよいが、加圧成型時に溝部と凸部の
密度差が大きくなりまた金型による加圧成形が困難とな
る。
で完成品とする。一方、フェノールを含浸した成形体は
次に焼成されて図７のような燃料電池用のセパレータと
なる。一般に燃料電池の単位は多層に積層される関係
上、膨張黒鉛セパレータの両面に多数の溝部又は蛇行状
の溝部４１とそれらを隔てる凸部４０が形成される。流
体を膨張黒鉛シートの全面に均一に分布させるにはでき
るだけ溝部の密度を上げる方がよいが、あまり密度が大
きいと溝部の幅が減少して断面積が減じ流動抵抗が増大
する。溝部の幅が制限される場合には溝部の深さをでき
るだけ深くした方がよいが、加圧成型時に溝部と凸部の
密度差が大きくなりまた金型による加圧成形が困難とな
る。
【００１１】加圧成形の工程では、フェノール樹脂を含
浸させた、または含浸させない膨張黒鉛シートを圧縮成
型して膨張黒鉛シートの表面に流体が通る溝部を形成す
る。もしも膨張黒鉛シートが０．９以下の低密度なら
ば、成形圧力は段階的または連続的に上昇する圧縮圧力
を印加することが好ましい。これは膨張黒鉛シート中に
未だ残留している空気層を除くためであり、また成形後
の密度の不均一性を改善するためである。段階的加圧ま
たは低速加圧は２００ｋｇ／ｃｍ2／秒以下にする。例
えばこの速度で３秒間かけて所定の金型位置にもたら
す。より高密度の膨張黒鉛シートの場合には所望の圧力
例えば２００〜８００ｋｇ／ｃｍ2に短時間で加圧して
良い。
浸させた、または含浸させない膨張黒鉛シートを圧縮成
型して膨張黒鉛シートの表面に流体が通る溝部を形成す
る。もしも膨張黒鉛シートが０．９以下の低密度なら
ば、成形圧力は段階的または連続的に上昇する圧縮圧力
を印加することが好ましい。これは膨張黒鉛シート中に
未だ残留している空気層を除くためであり、また成形後
の密度の不均一性を改善するためである。段階的加圧ま
たは低速加圧は２００ｋｇ／ｃｍ2／秒以下にする。例
えばこの速度で３秒間かけて所定の金型位置にもたら
す。より高密度の膨張黒鉛シートの場合には所望の圧力
例えば２００〜８００ｋｇ／ｃｍ2に短時間で加圧して
良い。
【００１２】次いで、成形後焼成を行うことによりフェ
ノール樹脂が炭化し、電気伝導性が向上し、強度の点で
勝る燃料電池用セパレータが得られる。焼成温度はフェ
ノール樹脂が炭化するに十分な２３０〜３００℃程度で
よい。
ノール樹脂が炭化し、電気伝導性が向上し、強度の点で
勝る燃料電池用セパレータが得られる。焼成温度はフェ
ノール樹脂が炭化するに十分な２３０〜３００℃程度で
よい。
【００１３】
【実施例】実施例１Ａ、１Ｂ、比較例１ Ｌ／Ｈ比及び側面角度の成形性に及ぼす効果を実証する
ため、以下の３例を比較して成形実験を行い、結果を顕
微鏡写真で観察した。表１に示す材料、金型、圧縮成形
条件を使用して、セパレータを製造した。この例では成
形性を試験したので試料は全て圧縮成形直後のものを検
査した。なお、比較例１は実施例１、２と同様に厚さ
３．２ｍｍのシートで実験を行ったが、離型性が悪く比
較しうる試料を得ることができなかったので、やむを得
ず厚さ５．２ｍｍのシートを使用した。図８〜９から分
かるように、比較例１では山部のバリ及び部分剥離が多
数発生しており、これらの部分は燃料電池用セパレータ
として用いたとき、流体の流れの抵抗となるばかりでな
く、徐々に損傷が進行し、セパレータ自体の破壊または
剥離物が流体の流路の特定箇所に集積して、更に流れの
抵抗を大きくしたり閉塞を起こすこともあり得るので燃
料電池用セパレータとしてきわめて好ましくない。図１
０〜１１から分かるように、実施例１Ａは表面が比較的
平滑である。比較例１では成型物内部に亀裂が入ってい
るのでシール性が悪いが、実施例１Ａでは成型物内部に
空隙が認められるものの、それらは互いに独立してお
り、シール性に悪影響を及ぼさないものと推定される。
より詳しくいうと、気体シール性について検討すると、
膨張黒鉛は鱗片状結晶が面方向に配向しているため面と
垂直方向のシール性はきわめて良好であるのに対し、平
行方向にはきわめて悪い。燃料電池用セパレータは電解
質層と交互に積層される。１層内を通り抜けた流体はセ
パレータ層の設けられた孔を通して別の層に導かれる。
このような孔の部分ではセパレータの面と平行な方向に
流体が漏れやすいので、比較例１のように多数の亀裂や
凹凸が存在すると燃料電池用セパレータとして使用する
ことはできない。更に、実施例１Ｂは、図１２〜１３か
ら分かるように、フェノール含浸膨張黒鉛を用いて実施
例１Ａと同一条件で成形したものであり、実施例１Ａと
比較すると格段に成形性、離型性が向上し、断面におけ
る空隙もないので、燃料電池用セパレータとして好適で
ある。
ため、以下の３例を比較して成形実験を行い、結果を顕
微鏡写真で観察した。表１に示す材料、金型、圧縮成形
条件を使用して、セパレータを製造した。この例では成
形性を試験したので試料は全て圧縮成形直後のものを検
査した。なお、比較例１は実施例１、２と同様に厚さ
３．２ｍｍのシートで実験を行ったが、離型性が悪く比
較しうる試料を得ることができなかったので、やむを得
ず厚さ５．２ｍｍのシートを使用した。図８〜９から分
かるように、比較例１では山部のバリ及び部分剥離が多
数発生しており、これらの部分は燃料電池用セパレータ
として用いたとき、流体の流れの抵抗となるばかりでな
く、徐々に損傷が進行し、セパレータ自体の破壊または
剥離物が流体の流路の特定箇所に集積して、更に流れの
抵抗を大きくしたり閉塞を起こすこともあり得るので燃
料電池用セパレータとしてきわめて好ましくない。図１
０〜１１から分かるように、実施例１Ａは表面が比較的
平滑である。比較例１では成型物内部に亀裂が入ってい
るのでシール性が悪いが、実施例１Ａでは成型物内部に
空隙が認められるものの、それらは互いに独立してお
り、シール性に悪影響を及ぼさないものと推定される。
より詳しくいうと、気体シール性について検討すると、
膨張黒鉛は鱗片状結晶が面方向に配向しているため面と
垂直方向のシール性はきわめて良好であるのに対し、平
行方向にはきわめて悪い。燃料電池用セパレータは電解
質層と交互に積層される。１層内を通り抜けた流体はセ
パレータ層の設けられた孔を通して別の層に導かれる。
このような孔の部分ではセパレータの面と平行な方向に
流体が漏れやすいので、比較例１のように多数の亀裂や
凹凸が存在すると燃料電池用セパレータとして使用する
ことはできない。更に、実施例１Ｂは、図１２〜１３か
ら分かるように、フェノール含浸膨張黒鉛を用いて実施
例１Ａと同一条件で成形したものであり、実施例１Ａと
比較すると格段に成形性、離型性が向上し、断面におけ
る空隙もないので、燃料電池用セパレータとして好適で
ある。
【００１４】
【表１】
【００１５】図８〜１３から分かるように、Ｌ／Ｈ比が
０．９と小さく且つ角度が９０°の比較例１の場合には
離型性が悪く、溝部の表面が平滑にならない。これに対
して実施例１Ａでは形状の面では充分に金型になじまず
成形性が不十分であるが、充分に平滑な表面を有する溝
部が得られた。更に実施例１Ｂではフェノール樹脂を含
浸させることにより膨張黒鉛と金型面とが良くなじみ深
い溝が形成できると共に平滑性が向上していることが分
かる。
０．９と小さく且つ角度が９０°の比較例１の場合には
離型性が悪く、溝部の表面が平滑にならない。これに対
して実施例１Ａでは形状の面では充分に金型になじまず
成形性が不十分であるが、充分に平滑な表面を有する溝
部が得られた。更に実施例１Ｂではフェノール樹脂を含
浸させることにより膨張黒鉛と金型面とが良くなじみ深
い溝が形成できると共に平滑性が向上していることが分
かる。
【００１６】実施例２Ａ〜２Ｄ これらの例はシール性を試験する。試料を表２の条件で
加圧圧縮し、約１ｍｍ厚のシート状物を作成し、これを
打ち抜き加工で外径５０ｍｍ、内径３０ｍｍのワッシャ
ー状試験片を作製した。フェノール含浸のものは更に表
２の条件で焼成した。試験機としてアルカテル（Ａｌｃ
ａｔｅｌ）社製のヘリウムディテクターＡＳＭ−１８１
Ｔを用い、試験片を１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で保持
し、内側にヘリウムを２．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で供給
し、試験片内部から外部へ漏洩したヘリウム量を測定し
た。表２から分かるように膨張黒鉛単独の場合よりもフ
ェノールを含浸した方が格段にシール性がよい。従っ
て、膨張黒鉛からセパレートシートを構成するよりもフ
ェノール含浸膨張黒鉛からセパレートシートを構成する
方がよいことが明らかである。
加圧圧縮し、約１ｍｍ厚のシート状物を作成し、これを
打ち抜き加工で外径５０ｍｍ、内径３０ｍｍのワッシャ
ー状試験片を作製した。フェノール含浸のものは更に表
２の条件で焼成した。試験機としてアルカテル（Ａｌｃ
ａｔｅｌ）社製のヘリウムディテクターＡＳＭ−１８１
Ｔを用い、試験片を１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力で保持
し、内側にヘリウムを２．０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で供給
し、試験片内部から外部へ漏洩したヘリウム量を測定し
た。表２から分かるように膨張黒鉛単独の場合よりもフ
ェノールを含浸した方が格段にシール性がよい。従っ
て、膨張黒鉛からセパレートシートを構成するよりもフ
ェノール含浸膨張黒鉛からセパレートシートを構成する
方がよいことが明らかである。
【００１７】
【表２】
【００１８】
【発明の効果】以上のように、本発明によると、膨張黒
鉛シートを圧縮成型によって溝部を形成する際に溝部の
開口部の幅（Ｌ）と該溝の深さ（Ｈ）の比（Ｌ・Ｈ）を
所定位置に定め、かつ該溝部の側面と底面のなす角度を
適切に調整することにより、十分な離型性を保持しつつ
十分な深さと平滑性を有する溝部を形成でき、得られる
燃料電池用セパレータの流路抵抗を下げ且つ十分な流量
を可能にする。また、フェノール樹脂を含浸させた膨張
黒鉛シートは加工性が良く、形成すべき溝部に対応する
表面凹凸形状を有する金型を使用して加圧成形を行う際
に膨張黒鉛シートの金型への付着がなく、平滑性に優れ
た溝部が形成できる。さらに、焼成によりフェノール樹
脂を炭化することにより、電気伝導性が向上し、機械的
な強度が増し、寸法安定性が得られる。
鉛シートを圧縮成型によって溝部を形成する際に溝部の
開口部の幅（Ｌ）と該溝の深さ（Ｈ）の比（Ｌ・Ｈ）を
所定位置に定め、かつ該溝部の側面と底面のなす角度を
適切に調整することにより、十分な離型性を保持しつつ
十分な深さと平滑性を有する溝部を形成でき、得られる
燃料電池用セパレータの流路抵抗を下げ且つ十分な流量
を可能にする。また、フェノール樹脂を含浸させた膨張
黒鉛シートは加工性が良く、形成すべき溝部に対応する
表面凹凸形状を有する金型を使用して加圧成形を行う際
に膨張黒鉛シートの金型への付着がなく、平滑性に優れ
た溝部が形成できる。さらに、焼成によりフェノール樹
脂を炭化することにより、電気伝導性が向上し、機械的
な強度が増し、寸法安定性が得られる。
【図１】燃料電池の構造を示す概念図である。
【図２】燃料電池に使用するセパレータの例を示す正面
図である。
図である。
【図３】従来の膨張黒鉛シートの断面模式図である。
【図４】本発明で使用するフェノール樹脂を含浸した膨
張黒鉛シートの断面模式図である。
張黒鉛シートの断面模式図である。
【図５】本発明の加圧成形後のフェノール樹脂を含浸し
た膨張黒鉛シートの断面模式図である。
た膨張黒鉛シートの断面模式図である。
【図６】本発明の加圧成型時及び完成されたセパレータ
の寸法・形状を示す断面模式図である。
の寸法・形状を示す断面模式図である。
【図７】本発明の燃料電池用セパレータの要部の斜視図
である。
である。
【図８】比較例の燃料電池用セパレータの表面顕微鏡写
真である。
真である。
【図９】比較例の燃料電池用セパレータの断面顕微鏡写
真である。
真である。
【図１０】実施例の燃料電池用セパレータの表面顕微鏡
写真である。
写真である。
【図１１】図１０の燃料電池用セパレータの断面顕微鏡
写真である。
写真である。
【図１２】他の実施例の燃料電池用セパレータの表面顕
微鏡写真である。
微鏡写真である。
【図１３】図１２の燃料電池用セパレータの断面顕微鏡
写真である。
写真である。
１１ 膨張黒鉛シート １２ 空隙 ２１ フェノール樹脂を含浸した膨張黒鉛シート ２２ フェノール樹脂 ３１ 加圧成形したフェノール樹脂含浸膨張黒鉛シート ３２ フェノール樹脂 ４０ 凸部 ４１ 溝部 ４２ 底面 ４３ 側面 ４４ 溝部の深さ ４５ 側面の角度
Claims (4)
- 【請求項１】 膨張黒鉛シートを圧縮成型によって溝部
を形成してなる燃料電池用セパレータにおいて、該溝部
の開口部の幅（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／
Ｈ）が０．９以上４．０以下であり、なおかつ該溝部の
側面と底面のなす角度が９０度よりも大きく１２０度よ
りも小さくなるような成形金型を用いて製造されたこと
を特徴とする燃料電池用セパレータ。 - 【請求項２】 フェノール樹脂を含浸させた膨張黒鉛シ
ートを圧縮成型し、流体が通る溝部を形成した後、焼成
して得た燃料電池用セパレータ。 - 【請求項３】 前記黒鉛シートとしてフェノール樹脂を
含浸させたものを用い、次いで該溝部の開口部の幅
（Ｌ）と該溝部の深さ（Ｈ）の比（Ｌ／Ｈ）が０．９以
上４．０以下であり、なおかつ該溝部の側面と底面のな
す角度が９０度よりも大きく１２０度よりも小さくなる
ような成形金型を用いて製造されたことを特徴とする請
求項２記載の燃料電池用セパレータ。 - 【請求項４】 前記圧縮成型において、プレス板を所定
の成形位置に到達する前に、１回以上、所定の時間停止
した後さらに所定の位置まで進めるか、或いはプレス圧
による加圧速度を２００ｋｇ／ｃｍ2／秒以下の速度に
することを特徴とする請求項２又は３記載の燃料電池用
セパレータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08126599A JP3702122B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 燃料電池用セパレータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08126599A JP3702122B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 燃料電池用セパレータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277127A true JP2000277127A (ja) | 2000-10-06 |
| JP3702122B2 JP3702122B2 (ja) | 2005-10-05 |
Family
ID=13741543
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08126599A Expired - Fee Related JP3702122B2 (ja) | 1999-03-25 | 1999-03-25 | 燃料電池用セパレータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3702122B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004083472A2 (en) * | 2003-03-18 | 2004-09-30 | Liquidmetal Technologies, Inc. | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| CN1330029C (zh) * | 2004-02-25 | 2007-08-01 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统及其中使用的电池堆 |
| CN1330028C (zh) * | 2004-03-25 | 2007-08-01 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统及其所用的电池堆 |
| US7575040B2 (en) | 2003-04-14 | 2009-08-18 | Liquidmetal Technologies, Inc. | Continuous casting of bulk solidifying amorphous alloys |
| US8063843B2 (en) | 2005-02-17 | 2011-11-22 | Crucible Intellectual Property, Llc | Antenna structures made of bulk-solidifying amorphous alloys |
| WO2011154516A1 (fr) * | 2010-06-11 | 2011-12-15 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procede de fabrication de cellules electrochimiques elementaires pour systemes electrochimiques producteurs d'energie ou d'hydrogene, notamment du type sofc et eht |
| USRE44426E1 (en) | 2003-04-14 | 2013-08-13 | Crucible Intellectual Property, Llc | Continuous casting of foamed bulk amorphous alloys |
| US9463489B2 (en) | 2010-10-25 | 2016-10-11 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Process for coating a part with an oxidation-protective coating |
| US9493873B2 (en) | 2011-11-25 | 2016-11-15 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method for preparing a coating for protecting a part against oxidation |
| US9782242B2 (en) | 2002-08-05 | 2017-10-10 | Crucible Intellectual Propery, LLC | Objects made of bulk-solidifying amorphous alloys and method of making same |
-
1999
- 1999-03-25 JP JP08126599A patent/JP3702122B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (22)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US8927176B2 (en) | 2003-03-18 | 2015-01-06 | Crucible Intellectual Property, Llc | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US7862957B2 (en) | 2003-03-18 | 2011-01-04 | Apple Inc. | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| WO2004083472A3 (en) * | 2003-03-18 | 2004-10-28 | Liquidmetal Technologies Inc | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| WO2004083472A2 (en) * | 2003-03-18 | 2004-09-30 | Liquidmetal Technologies, Inc. | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US8431288B2 (en) | 2003-03-18 | 2013-04-30 | Crucible Intellectual Property, Llc | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US8445161B2 (en) | 2003-03-18 | 2013-05-21 | Crucible Intellectual Property, Llc | Current collector plates of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US7575040B2 (en) | 2003-04-14 | 2009-08-18 | Liquidmetal Technologies, Inc. | Continuous casting of bulk solidifying amorphous alloys |
| USRE45414E1 (en) | 2003-04-14 | 2015-03-17 | Crucible Intellectual Property, Llc | Continuous casting of bulk solidifying amorphous alloys |
| USRE44426E1 (en) | 2003-04-14 | 2013-08-13 | Crucible Intellectual Property, Llc | Continuous casting of foamed bulk amorphous alloys |
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| CN1330029C (zh) * | 2004-02-25 | 2007-08-01 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统及其中使用的电池堆 |
| CN1330028C (zh) * | 2004-03-25 | 2007-08-01 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统及其所用的电池堆 |
| US7329472B2 (en) | 2004-03-25 | 2008-02-12 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell system and stack used thereto |
| US8325100B2 (en) | 2005-02-17 | 2012-12-04 | Crucible Intellectual Property, Llc | Antenna structures made of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US8830134B2 (en) | 2005-02-17 | 2014-09-09 | Crucible Intellectual Property, Llc | Antenna structures made of bulk-solidifying amorphous alloys |
| US8063843B2 (en) | 2005-02-17 | 2011-11-22 | Crucible Intellectual Property, Llc | Antenna structures made of bulk-solidifying amorphous alloys |
| FR2961350A1 (fr) * | 2010-06-11 | 2011-12-16 | Commissariat Energie Atomique | Procede de fabrication de cellules electrochimiques elementaires pour systemes electrochimiques producteurs d'energie ou d'hydrogene, notamment du type sofc et eht |
| WO2011154516A1 (fr) * | 2010-06-11 | 2011-12-15 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Procede de fabrication de cellules electrochimiques elementaires pour systemes electrochimiques producteurs d'energie ou d'hydrogene, notamment du type sofc et eht |
| US9065104B2 (en) | 2010-06-11 | 2015-06-23 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Process for manufacturing elementary electrochemical cells for energy- or hydrogen-producing electrochemical systems, in particular of SOFC and HTE type |
| US9463489B2 (en) | 2010-10-25 | 2016-10-11 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Process for coating a part with an oxidation-protective coating |
| US9493873B2 (en) | 2011-11-25 | 2016-11-15 | Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives | Method for preparing a coating for protecting a part against oxidation |
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| JP3702122B2 (ja) | 2005-10-05 |
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