JP2003022814A

JP2003022814A - 燃料電池用セパレータのアニール処理方法

Info

Publication number: JP2003022814A
Application number: JP2001206621A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yoshida; 尚吉田; Tetsuya Kondo; 哲也近藤; Gen Okiyama; 玄沖山
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2003-01-24
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP4648582B2

Abstract

(57)【要約】【解決手段】カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧
縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対
の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータ
を加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出し
た後の冷却時にボルト及びナットにより所定荷重で所定
時間締め付けることで、セパレータを矯正する矯正工程
とからなる。【効果】セパレータを冷却時に締付部材で締めて矯正
することで、燃料電池内にセパレータを組込んだときの
状態とほぼ同様の条件でセパレータの歪みや残留応力を
より効果的に取除くことができ、セパレータによる各燃
料電池セル間のシール性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セパレータをより
効果的に矯正する燃料電池用セパレータのアニール処理
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、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る。一般に、水素に燃料ガ
スを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるの
で、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用すること
が多い。

【０００３】このような燃料電池としては、例えば、特
開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られて
いる。同公報の図１によれば、電解質膜１８（符号は公
報に記載されているものを使用した。以下同様。）にア
ノード側電極２０及びカソード側電極２２を添わせ、こ
れらをガスケット２４，２６を介して第１セパレータ１
４及び第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュール
を構成する。

【０００４】詳細には、第１セパレータ１４の面１４ａ
に燃料ガスの流路となる第１流路３８が形成され、第２
セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガスの流路となる第
２流路４６が形成され、各々中央の電解質膜１８に燃料
ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。

【０００５】図１に記載の１個のセルモジュールで得る
電気出力はごく小さいので、このようなセルモジュール
を多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従っ
て、第１・第２セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料
ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材である
ことから「セパレータ」と呼ばれる。

【０００６】第１セパレータ１４は面１４ａに燃料ガス
のための流路３８を備え、第２セパレータ１６は面１６
ａに酸化剤ガスのための流路４６を備えるが、ガスを効
果的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２に接
触させる必要があり、そのために、流路３８，４６はご
く浅い溝を多数本条設する必要がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記した第１・第２セ
パレータ１４，１６では、多数本の溝を片側の面に条設
するために、板厚が不均一になり、圧縮成形時の成形温
度からの冷却過程で、体積収縮が不均一になって内部に
残留応力が発生することがある。これは、反りやねじれ
となって現れ、このようなセパレータを燃料電池内に組
込んだ場合、各セル間のシール性が損なわれるおそれが
あり、燃料電池の性能を高めるのが難しくなる。上記し
た反りやねじれを取除くには一般的に熱処理が行われる
が、燃料電池の性能をより高めるために、効果的なセパ
レータの矯正方法が望まれる。

【０００８】本発明の目的は、燃料電池用セパレータの
アニール処理方法によって、セパレータをより効果的に
矯正することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１は、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧
縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対
の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータ
を加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出し
た後の冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め
付けることで、セパレータを矯正する矯正工程とからな
る。

【００１０】セパレータを冷却時に締付部材で締めて矯
正することで、燃料電池内にセパレータを組込んだとき
の状態とほぼ同様の条件でセパレータの歪みや残留応力
をより効果的に取除くことができ、セパレータによる各
燃料電池セル間のシール性を高めることができる。従っ
て、燃料電池の性能を向上させることができる。

【００１１】請求項２は、矯正工程では、締付部材によ
りセパレータとセパレータとの間をも締め付けることを
特徴とする。セパレータとセパレータとの間をも締め付
けることで、セパレータの外側位置だけでセパレータを
締め付けるよりも、セパレータ全体に均等な締付力を与
えることができる。従って、セパレータ全体に亘って矯
正を均等に行うことができる。

【００１２】請求項３は、セパレータを複数枚積層して
なるセパレータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持
することを特徴とする。一度に多くのセパレータの矯正
を行うことができ、矯正作業を効率的に行うことができ
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図１は本発明に係る燃料電池用セパレータ
の製造フローである。なお、ＳＴ××はステップ番号を
示す。ＳＴ０１……所定の配合割合でカーボン粉末と熱硬化性
樹脂粉末とをブレンドし、適量のバインダを加えて、混
練する。ＳＴ０２…混練したものを成形型で加圧成形することで
プリフォームを造る。

【００１４】ＳＴ０３…プリフォームの圧縮成形を開始
する。ＳＴ０４…上記圧縮成形開始とほぼ同時に加熱硬化処理
を行い、完全に硬化させて、セパレータを造る。ＳＴ０５…次図に示す工程を踏んで成形後のセパレータ
をアニール処理する。アニール（ａｎｎｅａｌ）は、一
般に、ひずみの除去・防止のため、ガラス、陶器、金属
などを焼く、ということである。

【００１５】図２は本発明に係る燃料電池用セパレータ
のアニール処理方法のフローである。ＳＴ１１…セパレータを矯正板で挟持する。ＳＴ１２…矯正板で挟持した状態でセパレータを加熱す
る。ＳＴ１３…セパレータの冷却時に矯正板を締め付け、加
圧保持することでセパレータを矯正する。以上の挟持、
加熱、矯正の各工程を以降で詳細に説明する。

【００１６】図３（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電
池用セパレータのアニール処理方法を説明する第１作用
図である。なお、（ａ）及び（ｂ）ではそれぞれ平面図
を上側に、側面図を下側に記載した。（以下同様。）（ａ）において、セパレータを矯正するための一対の第
１矯正板のうち、下側の下側第１矯正板１１の四隅及び
中央にボルト１２・・・（・・・は複数個を示す。以下同
様。）を取付け、この下側第１矯正板１１に２個の矯正
ブロック１３，１３を並べて載せる。

【００１７】（ｂ）において、中央に孔１４を開けると
ともに下側第１矯正板１１よりも薄くした第２矯正板１
５を、中央のボルト１２を孔１４に通しながら、矯正ブ
ロック１３，１３の上に載せる。そして、この第２矯正
板１５上で且つ中央のボルト１２の両側にセパレータ１
６，１６を並べて載せる。

【００１８】図４（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電
池用セパレータのアニール処理方法を説明する第２作用
図である。（ａ）において、セパレータ１６，１６の上
に、図３（ｂ）と同様にして、第２矯正板１５及び別の
セパレータ１６，１６を順に載せ、これを繰り返して、
一番上に第２矯正板１５を載せる。

【００１９】（ｂ）において、一番上の第２矯正板１５
に矯正ブロック１３，１３を並べて載せ、更に上側第１
矯正板１７に開けた孔１８・・・にボルト１２を通しなが
ら矯正ブロック１３，１３の上に上側第１矯正板１７を
載せ、この上側第１矯正板１７の上方からボルト１２・・
・にナット２１をねじ込んで、第２矯正板１５・・・及びセ
パレータ１６・・・が、がたつかない程度に仮締めする。

【００２０】ここで、中央のボルト１２よりも左側に第
２矯正板１５を介して積層した各セパレータ１６の符号
を便宜上１６Ｌに一旦変更し、これらのセパレータ１６
Ｌ・・・を第１セパレータ群２５Ｌとする。また、中央の
ボルト１２よりも右側に第２矯正板１５を介して積層し
た各セパレータ１６の符号を便宜上１６Ｒに一旦変更
し、これらのセパレータ１６Ｒ・・・を第２セパレータ群
２５Ｒとする。

【００２１】図５は本発明に係る燃料電池用セパレータ
のアニール処理方法を説明する第３作用図である。図４
（ｂ）で組んだ下側・上側第１矯正板１１，１７、矯正
ブロック１３・・・、第２矯正板１５・・・及びセパレータ１
６・・・の組立体であるセパレータ矯正具２３，２３を加
熱炉２７内に投入し、次図のグラフに示す温度条件で加
熱する。

【００２２】図６は本発明に燃料電池用セパレータのア
ニール処理方法を説明する第４作用図であり、セパレー
タ矯正具のセパレータの温度変化を示すグラフである。
縦軸はセパレータの温度Ｔ、横軸は時間ｔを表す。時間
ｔ０でセパレータ矯正具を加熱炉内へ投入し、時間ｔ１
で加熱炉を作動させ加熱を開始する。セパレータの温度
は常温である温度Ｔ１から次第に上昇し、時間ｔ２にて
設定加熱温度Ｔ２に達する。そして、この設定加熱温度
Ｔ２を時間ｔ３まで保持する。時間ｔ３の後の温度変化
は後述する。

【００２３】図７（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電
池用セパレータのアニール処理方法を説明する第５作用
図である。図６でセパレータ矯正具の温度を設定加熱時
間Ｔ２に保持した後、図７（ａ）において、セパレータ
矯正具２３，２３を加熱炉２７内から取り出し、取り出
すのとほぼ同時に（ｂ）のように、各ナット２１（ここ
では５ヶ所）を締め付けて、セパレータ１６・・・を所定
荷重で加圧する。

【００２４】図６に戻って、セパレータの温度変化の説
明を続ける。図７（ａ），（ｂ）で説明したような、セ
パレータの加圧保持を行うためにセパレータ矯正具を加
熱炉から取り出すと、図６において、時間ｔ３以降はセ
パレータの温度Ｔは徐々に低下し、時間ｔ３から所定時
間ｔｓｔが経過した時間ｔ４になった時点でセパレータ
の加圧を解除する、即ち、図７（ｂ）において各ナット
２１を弛め、セパレータ１６の矯正を終了する。

【００２５】以上の図２、図６及び図７で説明したよう
に、本発明は、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧
縮成形した燃料電池用セパレータ１６を、複数枚並べて
一対の矯正板１５，１５で挟持する、又は矯正ブロック
１３，１３及び第２矯正板１５，１５を介して一対の下
側・上側第１矯正板１１，１７で挟持する工程と、矯正
板１１，１７，１５・・・とともにセパレータ１６・・・を加
熱炉２７へ投入して加熱する工程と、加熱炉２７から取
出した後の冷却時にボルト１２・・・及びナット２１・・・に
より所定荷重で所定時間ｔｓｔ締め付けることで、セパ
レータ１６・・・を矯正する矯正工程とからなる。

【００２６】セパレータ１６を冷却時にボルト１２及び
ナット２１で締めて矯正することで、燃料電池内にセパ
レータ１６を組込んだときの状態とほぼ同様の条件でセ
パレータ１６の歪みや残留応力をより効果的に取除くこ
とができ、セパレータ１６による各燃料電池セル間のシ
ール性を高めることができる。従って、燃料電池の性能
を向上させることができる。

【００２７】本発明はまた、矯正工程では、図３（ｂ）
に示したように、ボルト１２及びナット２１によりセパ
レータ１６とセパレータ１６との間をも締め付けること
を特徴とする。セパレータ１６とセパレータ１６との間
をも締め付けることで、セパレータ１６の外側だけでセ
パレータ１６を締め付けるよりも、セパレータ１６の全
体に均等な締付力を与えることができる。従って、セパ
レータ１６の全体に亘って矯正を均等に行うことができ
る。

【００２８】更に、図７（ｂ）において、矯正ブロック
１３を用いることで、セパレータ１６の中央部から遠い
位置にあるボルト１２及びナット２１を締め付けたとき
に、下側・上側第１矯正板１１，１７の撓みに影響され
ずに、セパレータ１６の中央部をもセパレータ１６の周
縁部と同様に一層均等に加圧することができる。

【００２９】本発明は更に、図４（ａ），（ｂ）に示し
たように、セパレータ１６をそれぞれ第２矯正板１５を
介して複数枚積層した第１セパレータ群２５Ｌ及び第２
セパレータ群２５Ｒを、複数個並べて一対の下側第１矯
正板１１及び上側第１矯正板１７で挟持することを特徴
とする。即ち、第２矯正板１５，１５間に、セパレータ
１６を複数個ずつ、ここでは２枚ずつ並べて一対の下側
第１矯正板１１及び上側第１矯正板１７で挟持すること
を特徴とする。これにより、一度に多くのセパレータ１
６の矯正を行うことができ、矯正作業を効率的に行うこ
とができる。

【００３０】図８は本発明に係る燃料電池用セパレータ
のアニール処理方法を適用するセパレータの別の実施の
形態を説明する斜視図であり、周縁部３１が薄肉である
セパレータ３２の周縁部３１に枠状のプレート３３を嵌
めて矯正板３４間（上側の矯正板３４は不図示）に挟持
する状態を示す。これにより、セパレータ３２の周縁部
３１及び厚肉である中央部３５の矯正を同時に行うこと
ができる。

【００３１】図９は本発明に係る燃料電池用セパレータ
のアニール処理方法（第２の実施の形態）を説明する説
明図であり、第１の実施の形態に対してセパレータの挟
持方法を変更した形態について説明する。なお、第１の
実施の形態と同一構成については同一符号を付け、詳細
説明は省略する。下側の図は、下側第１矯正板１１に直
接にセパレータ１６，１６を並べて載せ、これらのセパ
レータ１６，１６に第２矯正板１５を載せ、以降セパレ
ータ１６，１６及び第２矯正板１５を順に載せ、これを
繰り返して一番上に上側第１矯正板１７を載せ、各第２
矯正板１５及び上側第１矯正板１７を貫通するボルト１
２・・・にそれぞれナット２１・・・をねじ込んで、セパレー
タ矯正具３７を組立た状態を示す。

【００３２】上側の図は、下の図のＡ−Ａ線断面図であ
り、セパレータ矯正具３７の第２矯正板１５に載せたセ
パレータ１６，１６を示す。なお、下側第１矯正板１１
にセパレータ１６を載せる場合も、セパレータ１６を上
記と同様に配置する。ボルト１２は、各セパレータ１６
の外側となる第２矯正板１５の四隅と、セパレータ１
６，１６間の中央に配置したものである。なお、ボルト
１２は、下側・上側第１矯正板１１，１７に対しても上
記と同様に配置したものである。

【００３３】図１０は本発明に係る燃料電池用セパレー
タのアニール処理方法（第３の実施の形態）を説明する
説明図であり、第１・第２の実施の形態に対してセパレ
ータの挟持方法を変更した形態について説明する。な
お、第１の実施の形態と同一構成については同一符号を
付け、詳細説明は省略する。下側の図は、下側第１矯正
板４１に直接にセパレータ１６・・・を並べて載せ、これ
らのセパレータ１６・・・に第２矯正板４２を載せ、以降
セパレータ１６・・・及び第２矯正板４２を順に載せ、こ
れを繰り返して一番上に上側第１矯正板４３を載せ、各
第２矯正板４２及び上側第１矯正板４３を貫通するボル
ト１２・・・にそれぞれナット２１・・・をねじ込んで、セパ
レータ矯正具４４を組立た状態を示す。

【００３４】上側の図は、下の図のＢ−Ｂ線断面図であ
り、セパレータ矯正具４４の第２矯正板４２上にセパレ
ータ１６・・・を縦横各２枚ずつ計４枚並べた状態を示
す。なお、下側第１矯正板４１にセパレータ１６を載せ
る場合も、セパレータ１６・・・を上記と同様に配置す
る。ボルト１２は、各セパレータ１６の外側となる第２
矯正板４２の四隅、２枚のセパレータ１６，１６間から
外側へずれた位置（即ち、Ｃ位置）及び２枚のセパレー
タ１６，１６間の各中央（２箇所）に配置したものであ
る。なお、ボルト１２は、下側・上側第１矯正板４１，
４３に対しても上記と同様に配置したものである。

【００３５】尚、本発明では、セパレータの矯正工程
で、セパレータを加熱炉から取出した後の冷却時に締付
部材により所定時間締め付けるようにしたが、これに限
らず、冷却時にセパレータの温度が所定温度に下がるま
で締め付けるようにしてもよい。

【００３６】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１の燃料電池用セパレータのアニール処理
方法は、カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧縮成形
した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対の矯正
板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータを加熱
炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出した後の
冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め付ける
ことで、セパレータを矯正する矯正工程とからなるの
で、セパレータを冷却時に締付部材で締めて矯正するこ
とで、燃料電池内にセパレータを組込んだときの状態と
ほぼ同様の条件でセパレータの歪みや残留応力をより効
果的に取除くことができ、セパレータによる各燃料電池
セル間のシール性を高めることができる。従って、燃料
電池の性能を向上させることができる。

【００３７】請求項２の燃料電池用セパレータのアニー
ル処理方法は、矯正工程では、締付部材によりセパレー
タとセパレータとの間をも締め付けるので、セパレータ
とセパレータとの間をも締め付けることで、セパレータ
の外側位置だけでセパレータを締め付けるよりも、セパ
レータ全体に均等な締付力を与えることができる。従っ
て、セパレータ全体に亘って矯正を均等に行うことがで
きる。

【００３８】請求項３の燃料電池用セパレータのアニー
ル処理方法は、セパレータを複数枚積層してなるセパレ
ータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持するので、
一度に多くのセパレータの矯正を行うことができ、矯正
作業を効率的に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造フロ
ー

【図２】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法のフロー

【図３】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を説明する第１作用図

【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を説明する第２作用図

【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を説明する第３作用図

【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を説明する第４作用図

【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を説明する第５作用図

【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法を適用するセパレータの別の実施の形態を説明
する斜視図

【図９】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニール
処理方法（第２の実施の形態）を説明する説明図

【図１０】本発明に係る燃料電池用セパレータのアニー
ル処理方法（第３の実施の形態）を説明する説明図

【符号の説明】

１１，１５，１７，３４，４１，４２，４３…矯正板、
１２，２１…締付部材（ボルト、ナット）、１６，３２
…セパレータ、２５Ｌ，２５Ｒ…セパレータ群（第１セ
パレータ群、第２セパレータ群）、２７…加熱炉、ｔｓ
ｔ…所定時間。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者沖山玄埼玉県狭山市新狭山１丁目10番地１ホンダエンジニアリング株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA02 BB01 BB02 CC03 EE05 EE18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】カーボンと熱硬化性樹脂との混合物を圧
縮成形した燃料電池用セパレータを、複数枚並べて一対
の矯正板で挟持する工程と、矯正板とともにセパレータ
を加熱炉へ投入して加熱する工程と、加熱炉から取出し
た後の冷却時に締付部材により所定荷重で所定時間締め
付けることで、セパレータを矯正する矯正工程とからな
る燃料電池用セパレータのアニール処理方法。
【請求項２】前記矯正工程では、締付部材により前記
セパレータとセパレータとの間をも締め付けることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータのアニー
ル処理方法。
【請求項３】前記セパレータを複数枚積層してなるセ
パレータ群を、複数個並べて一対の矯正板で挟持するこ
とを特徴とする請求項１又は請求項２記載の燃料電池用
セパレータのアニール処理方法。