JP2003168444A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents
燃料電池用セパレータの製造方法Info
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Abstract
成形時間が短く、成形精度の良い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。 【解決手段】 黒鉛粉末と高分子化合物との混合物7を
金型6に供給し、金型6を開いた状態で高周波、あるい
はマイクロ波、あるいは赤外線により混合物7自体を発
熱させた後、金型6を閉じて所定の形状に成形したり、
または金型を閉じた状態で通電、あるいは超音波振動の
付与を行い、混合物7自体を発熱させて所定の形状に成
形することにより、成形時間が短く、成形精度の良い燃
料電池用セパレータの製造が可能となる。
Description
化合物の混合物からなる成形品の製造方法及び製造装置
に関するものであり、特に固体高分子型燃料電池に使用
されるセパレータの製造方法に関するものである。
優れ、高い導電性を有し、かつ耐食性、強度にも優れる
ことが要求される。従来より、燃料電池のセパレータと
して、黒鉛焼結体に樹脂を含浸させて得られる不浸透黒
鉛を材料として製造したものや、黒鉛粉末と樹脂を混
合、成形した黒鉛/樹脂成形品等が用いられている。
2000℃以上の高温熱処理を必要とし、更に高温熱処
理時の収縮のため、切削加工が必要となるため、製造に
コストがかかる。また、後者は、高い導電性を得るため
に黒鉛粉末の配合比を高くしているため、材料の流れ性
が悪く、成形精度が悪いという問題点がある。更に、高
分子化合物として熱可塑性樹脂を用いた場合は、金型の
温度を混合物の供給温度から熱可塑性樹脂の融点以上の
温度に上げて圧縮し、その後、金型の温度を熱可塑性樹
脂の融点以下の温度に下げてセパレータを取り出すた
め、成形時間が長いという問題点がある。
り、黒鉛粉末の配合比が高く、流れ性が悪い黒鉛/樹脂
コンパウンドにおいて、成形時間が短く、成形精度の良
い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。
に、本発明の請求項1に記載の燃料電池用セパレータの
製造方法は、黒鉛粉末と高分子化合物との混合物を金型
内に供給し、金型温度を一定として前記混合物を加熱
し、高分子化合物を溶融、固化させることにより、所定
の形状に成形することを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項1に記載の構成にお
いて、混合物の加熱を、金型を開いた状態で行い、前記
混合物の所定の形状への成形を、金型を閉じて行うこと
を特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項1又は2に記載の構
成において、混合物への加熱を、金型を開いた状態で高
周波を照射し前記混合物中の黒鉛粉末を誘導加熱するこ
とにより行い、前記混合物の所定の形状への成形を、金
型を閉じて行うことを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項1又は2に記載の構
成において、混合物への加熱を、金型を開いた状態でマ
イクロ波を照射し前記混合物中の高分子化合物を誘電加
熱にすることにより行い、前記混合物の所定の形状への
成形を、金型を閉じて行うことを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項1又は2に記載の構
成において、混合物への加熱を、金型を開いた状態で赤
外線により行い、前記混合物の所定の形状への成形を、
金型を閉じて行うことを特徴とする。
を一定温度とし、混合物のみを加熱して、この混合物中
の熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、圧縮成形す
るため、混合物自体の昇温、冷却の時間が短くなり、成
形時間を短縮することができる。
用セパレータの製造方法は、黒鉛粉末と高分子化合物と
の混合物を金型内に供給し、金型を閉じた状態で前記混
合物自体を加熱し、前記混合物を冷却して所定の形状に
成形することを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項6に記載の構成にお
いて、金型を通じて混合物に通電することにより前記混
合物自体を加熱することを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項6に記載の構成にお
いて、金型を通じて混合物に超音波振動を付与すること
により前記混合物自体を加熱することを特徴とする。
用セパレータの製造方法は、請求項1又は6に記載の構
成において、高分子化合物として熱可塑性樹脂を用いる
ことを特徴とする。
池用セパレータの製造方法は、請求項1又は6に記載の
構成において、黒鉛粉末と高分子化合物との混合物を、
固体状態で金型内に供給することを特徴とする。
混合物を加熱するため、成形精度の良いセパレータを得
ることができる。
て述べる。
は、黒鉛粉末と高分子化合物との混合物を金型に供給
し、この混合物を加熱して高分子化合物を溶融、固化さ
せることにより、所定の形状に成形するもので、これに
より成形時間を短縮することができるものである。
て、黒鉛粉末は人造黒鉛、天然黒鉛のいずれかを用いる
ことができる。黒鉛粉末の粒径は特に規定されるもので
はないが、高導電性を得るために平均粒径10μm〜2
00μm、好ましくは30μm〜100μmのものを用
いることができる。高分子化合物としては、耐熱性、耐
薬品性の点から、PPS、PPE、PBTなどの熱可塑
性樹脂を用いることができる。
の点から、黒鉛粉末70〜90wt%、高分子化合物3
0〜10wt%のものを用いることができる。黒鉛粉末
が70wt%より少ない場合、セパレータの体積固有抵
抗が大きくなり、電池性能が悪くなる。また、黒鉛粉末
が90wt%より多い場合、セパレータの強度が弱くな
る。
その両方あるいは片方にガス流路パターンが形成されて
いる。金型の材質として、金属、セラミックス、グラフ
ァイト等を使用することができる。特に、金型強度、耐
摩耗性の点から、金属を用いることが好ましい。
場合の成形条件に関して、時間経過に対する金型の温
度、又は混合物の温度の変化を表す図1を用いて説明す
る。図1において、1は従来の製造方法における金型の
温度変化を表す曲線、2は従来の製造方法における混合
物の温度変化を表す曲線、3は本実施形態における金型
の温度変化を表す線、4は本実施形態における混合物の
温度変化を表す曲線、5は熱可塑性樹脂の融点温度を示
す。
一定温度とし、混合物のみを加熱してこの混合物中の熱
可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、圧縮成形するた
め、混合物自体の昇温、冷却の時間が短くなり、成形時
間を短縮することができる。
は、第1の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子化合物との
混合物を金型に供給し、ここでは特に金型6を開いた状
態で前記混合物自体を加熱し、金型を閉じて所定の形状
に成形するもので、これにより、混合物自体を容易に昇
温することができる。
レータの製造方法について説明する。図2(a)に示す
ように、金型6を開いた状態で混合物7を金型6内に供
給する。その後、図2(b)に示すようにスキージ8で
混合物7を平坦化した後、図2(c)に示すように加熱
装置9を上型と下型の間で、混合物7の上方に進入せし
める。混合物7が所定の温度に加熱された後、図2
(d)に示すように加熱装置9を抜き、金型6を閉じて
所定の圧力で成形する。所定の圧力を保持した状態で冷
却、固化した後、金型6を開き、成形品を取り出す。こ
のように、金型6を開いた状態で混合物7を加熱するた
め、容易に混合物7を昇温させることができる。
は、第2の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子化合物との
混合物を金型に供給し、金型を開いた状態で、ここでは
高周波により前記混合物中の黒鉛粉末を誘導加熱した
後、金型を閉じて所定の形状に成形するもので、これに
より、混合物を短時間で加熱することができるため、成
形時間が短くなる。更に、黒鉛粉末を加熱するため、こ
の作用、効果は高分子化合物の種類によらない。
形装置を示すものである。図3において、10は高周波
加熱装置としての多巻コイルで、このコイル10からの
高周波により、黒鉛粉末に渦電流が流れ、その抵抗損失
によって発熱する。照射する高周波の周波数としては、
例えば、1kHz〜300MHzの周波数を用いること
ができる。黒鉛粉末と高分子化合物の混合物7を金型6
に供給し、コイル10からの高周波を混合物7に照射し
て、混合物7中の黒鉛粉末を誘導加熱することにより、
高分子化合物を溶融し、その後、金型6を閉じて成形す
る。高周波は、混合物7中の黒鉛粉末自体を誘導加熱す
るため、高分子化合物の種類によらず、混合物7を加熱
することができる。
は、第3の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子化合物との
混合物を金型に供給し、金型を開いた状態で、ここでは
マイクロ波により前記混合物中の高分子化合物を誘電加
熱した後、金型を閉じて所定の形状に成形するもので、
これにより、効率的に短時間に均一に高分子化合物を溶
融することができる。
合物の成形装置を示すものである。マイクロ波発振器1
4から照射されたマイクロ波は導波管11を通って混合
物7に照射される。導波管11の途中には反射電力を計
測するパワーモニター12と反射電力を吸収させるアイ
ソレータ13が付属しており、大出力のマイクロ波でも
安定して高効率な照射を得ることができる。マイクロ波
の照射により、高分子化合物が誘電加熱されるため、短
時間に均一に高分子化合物を溶融することができ、成形
時間を短くできる。
z〜30GHzの周波数のマイクロ波を用いることがで
きる。黒鉛粉末と高分子化合物の混合物7を金型6内に
供給し、マイクロ波を混合物7に照射して、高分子化合
物を誘電加熱し、高分子化合物が溶融した後、金型6を
閉じて成形する。マイクロ波により、高分子化合物自体
が誘電加熱されるため、上記高周波による誘導加熱方式
と比較してより短時間に均一に高分子化合物を溶融する
ことができる。ただし、高分子化合物の種類により、マ
イクロ波で加熱されにくいものもあり、その場合は上記
第3の実施形態における高周波による誘導加熱方式が有
効である。
は、第3、第4の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子化合
物との混合物を金型に供給し、金型を開いた状態で、こ
こでは赤外線により前記混合物自体を加熱した後、金型
を閉じて所定の形状に成形するもので、これにより、混
合物を均一に加熱することができ、成形精度のよいセパ
レータを得ることができる。
形装置を示すものである。図5において、15は赤外線
加熱装置としての赤外線照射装置で、混合物7中の黒鉛
粉末と高分子化合物を同時に加熱することができる。赤
外線の照射には、遠赤外線ヒーター、赤外線ランプ等を
用いることができる。黒鉛粉末と高分子化合物の混合物
7を金型6内に供給し、赤外線を照射して高分子化合物
が溶融した後、金型6を閉じて成形する。赤外線を用い
ることにより、上記第3、第4の実施形態における高周
波やマイクロ波による加熱方式と比較して、加熱時間は
長くなるが、黒鉛粉末と高分子化合物を同時に加熱する
ことができるため、流動性の悪いサンプルでもより精度
良く、成形することが可能となる。
は、上記第1乃至第5の実施形態同様、黒鉛粉末と高分
子化合物との混合物を金型に供給し、ここでは金型を閉
じた状態で前記混合物自体を加熱して所定の形状に成形
するもので、これにより、成形精度の良いセパレータを
得ることができる。図6を用いて本実施形態の燃料電池
用セパレータの製造方法について説明する。
態で混合物7を金型に供給する。その後、図6(b)に
示すようにスキージ8で混合物7を平坦化した後、図6
(c)に示すように金型6を閉じて、所定の圧力をかけ
ながら混合物7を所定の温度にまで加熱する。図6
(d)に示すように所定の圧力を保持した状態で冷却、
固化した後、金型6を開き、成形品を取り出す。このよ
うに、金型6を閉じた状態で混合物を加熱するため、成
形精度の良いセパレータを得ることができる。
は、上記第6の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子化合物
との混合物7を金型に供給した後、金型を閉じた状態と
し、本実施形態では混合物7に通電することにより混合
物7自体を加熱して所定の形状に成形するものである。
図7は通電加熱による混合物の成形装置を示すものであ
る。金型6の側面に通電するための端子17を設け、通
電装置16から混合物7に通電する。
るか、あるいは金型表面に絶縁材料を形成する。混合物
7に通電する場合、通電する電力量は作製するセパレー
タの大きさ、通電時間、成形温度、混合物7の抵抗率に
よって決定する。金型6には、両面にセパレータのガス
流路形状に対応した図示しない溝形状のガス流路パター
ンが設けられており、混合物7の上面から下面に通電す
ると、前記ガス流路パターンのため均一に混合物7に電
流が流れず、加熱ムラをおこしやすい。
面方向に電流が流れるように金型6に電極部17を設置
する。この通電加熱方式によれば、金型6を閉じて圧力
を加えながら混合物7を加熱、溶融できるため、金型6
を開いた状態で混合物7を加熱、溶融する方式と比較し
て、成形精度の良いセパレータを得ることができる。更
に、従来の金型からの熱伝導で混合物を加熱する方式と
比較して、成形時間を短縮することが可能となる。
は、上記第6、第7の実施形態同様、黒鉛粉末と高分子
化合物との混合物を固体状態で金型に供給した後、金型
を閉じた状態とし、金型を通じて混合物に超音波振動を
付与し、混合物自体を加熱して所定の形状に成形するも
のである。図8は超音波振動を用いた成形装置を示すも
のである。超音波振動子18から超音波を照射し、L−
L変換体19で方向を変換し、混合物7に振動エネルギ
ーを与える。超音波振動を用いる場合、その振動周波数
は1kHz〜100kHzが好ましく、振幅としては大
きい方がその効果を十分発揮しやすいが、超音波振動子
18の能力、金型6の疲労度に合わせて設定する。超音
波振動は、金型6のキャビティの形成位置と共振の腹部
とを一致させるようにする。また、共振の節部を金型保
持部と一致させるようにすることにより、金型保持部で
の振動を少なくすることができる。
子化合物の混合物7を金型に供給し、金型6を閉じた時
点から開くまでの時間、金型6全体に付与することが必
要である。その際、金型6自体の温度も高分子化合物に
あわせてコントロールすることが望ましい。超音波を与
えることにより、混合物7自体が振動し、流動性が向上
するため、成形精度が向上するとともに、混合物7の摩
擦熱により混合物7を昇温させるため、加熱、冷却にか
かる時間が短くなり、成形時間を短縮することができ
る。
粉末(エスイーシー製SGBグレード)とPPS樹脂粉
末(東レ製トレリナ粉末)を人造黒鉛粉末80wt%、
PPS樹脂粉末20wt%の割合で混合し、図9(a)
に示すように混合物7を金型6内に粉末状態で供給し
た。金型6の温度は150℃で一定に保っている。次
に、図9(b)に示すようにスキージ8で混合物7を平
坦化し、図9(c)に示すように金型を開いた状態で、
コイル10からなる高周波発振装置21(富士電波工機
製)を進入せしめ、混合物7の上部から周波数40MH
zの高周波を照射した。混合物7の温度が350℃に達
したとき、図9(d)に示すように高周波発振装置21
を抜き、金型6を閉じて400kgf/cm2の圧力で
加圧した。30秒後、金型6を開き成形品を取り出し
た。得られた成形体を用いた場合の電池特性は、従来の
セパレータと同等の特性を示した。
粉末(エスイーシー製SGBグレード)とPPS樹脂粉
末(東レ製トレリナ粉末)を人造黒鉛粉末80wt%、
PPS樹脂粉末20wt%の割合で混合し、図10
(a)に示すように混合物7を金型6内に粉末状態で供
給した。金型6の温度は150℃で一定に保っている。
次に、図10(b)に示すようにスキージ8で混合物7
を平坦化し、図10(c)に示すように金型6を開いた
状態で、マイクロ波発信器14(マグネトロン)を備え
たマイクロ波加熱装置20を挿入し、混合物7の上部か
ら周波数2450MHzのマイクロ波を照射した。混合
物7の温度が350℃に達したとき、図10(d)に示
すようにマイクロ波加熱装置20を抜き、金型6を閉じ
て400kg/cm2の圧力で加圧した。30秒後、金
型6を開き成形品を取り出した。得られた成形体を用い
た場合の電池特性は、従来のセパレータと同等の特性を
示した。
粉末(エスイーシー製SGBグレード)とPPS樹脂粉
末(東レ製トレリナ粉末)を人造黒鉛粉末80wt%、
PPS樹脂粉末20wt%の割合で混合し、図11
(a)に示すように混合物7を金型6内に粉末状態で供
給した。金型温度は150℃で一定に保っている。次
に、図11(b)に示すようにスキージ8で混合物7を
平坦化し、図11(c)に示すように金型6を開いた状
態で、遠赤外線ランプを備えた赤外線照射装置15を進
入せしめ、混合物7の上部から加熱した。混合物7の温
度が350℃に達したとき、図11(d)に示すように
赤外線照射装置15を抜き、金型6を閉じて400kg
/cm2の圧力で加圧した。30秒後、金型6を開き成
形品を取り出した。得られた成形体を用いた場合の電池
特性は、従来のセパレータと同等の特性を示した。
粉末(エスイーシー製SGBグレード)とPPS樹脂粉
末(東レ製トレリナ粉末)を人造黒鉛粉末80wt%、
PPS樹脂粉末20wt%の割合で混合し、図12
(a)に示すように混合物7を金型6に粉末状態で供給
した。金型温度は150℃で一定に保っている。次に、
図12(b)に示すようにスキージ8で混合物7を平坦
化し、図12(c)に示すように金型6を閉じて400
kg/cm2の圧力で加圧しながら、金型6に設けた電
極17を通して通電装置16で混合物7に通電した後、
図12(d)に示すように通電を止めて同じ圧力で60
秒保持した。得られた成形体を用いた場合の電池特性
は、従来のセパレータと同等の特性を示した。
粉末(エスイーシー製SGBグレード)とPPS樹脂粉
末(東レ製トレリナ粉末)を人造黒鉛粉末80wt%、
PPS樹脂粉末20wt%の割合で混合し、図13
(a)に示すように混合物7を金型6内に粉末状態で供
給した。次に、図13(b)に示すようにスキージ8で
混合物7を平坦化し、その時の金型温度は200℃であ
った。図13(c)に示すように金型6を閉じて400
kg/cm2の圧力で加圧しながら、金型6を280℃
まで昇温するとともに、金型6を通して超音波振動子1
8(精電舎電子工業製)から19kHzの超音波をL−
L変換体19を通して50秒間付与した。その後、超音
波を止めて同じ圧力で60秒保持しながら、金型6を2
00℃まで冷却した。得られた成形体を用いた場合の電
池特性は、従来のセパレータと同等の特性を示した。
く、流れ性が悪い黒鉛/樹脂コンパウンドを用いて、成
形時間が短く、成形精度の良い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。
物の温度変化を示す図
への混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)加熱装置を進入させた状態を示す図 (d)金型を閉じて成形する状態を示す図
置を用いた成形装置の概略図
熱装置を用いた成形装置の概略図
置を用いた成形装置の概略図
への混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)金型を閉じる状態を示す図 (d)金型を閉じて圧力を維持する状態を示す図
る成形装置の概略図
用いた成形装置の概略図
合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)高周波発信装置を進入させ混合物に高周波を照射
する状態を示す図 (d)金型を閉じて加圧し、成形する状態を示す図
混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)マイクロ波加熱装置を進入させ混合物にマイクロ
波を照射する状態を示す図 (d)金型を閉じて加圧し、成形する状態を示す図
混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)赤外線照射装置を進入させ混合物を加熱する状態
を示す図 (d)金型を閉じて加圧し、成形する状態を示す図
混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)金型内の混合物に通電する状態を示す図 (d)金型を閉じて圧力を維持する状態を示す図
混合物供給状態を示す図 (b)本図(a)に示す金型内の混合物を平坦化した状
態を示す図 (c)金型を閉じて超音波振動を付与する状態を示す図
線 4 本発明の実施形態1における混合物の温度変化を表
す曲線 5 熱可塑性樹脂の融点 6 金型 7 混合物 9 加熱装置 10 コイル(高周波加熱装置) 15 赤外線照射装置 16 通電装置 18 超音波振動子 20 マイクロ波加熱装置 21 高周波発信装置
Claims (10)
- 【請求項1】 黒鉛粉末と高分子化合物との混合物を金
型内に供給し、前記金型温度を一定として前記混合物を
加熱し、前記高分子化合物を溶融、固化させることによ
り、所定の形状に成形す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】 混合物の加熱を、金型を開いた状態で行
い、前記混合物の所定の形状への成形を、前記金型を閉
じて行う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】 混合物の加熱を、金型を開いた状態で高
周波を照射し前記混合物中の黒鉛粉末を誘導加熱するこ
とにより行い、前記混合物の所定の形状への成形を、前
記金型を閉じて行うことを特徴とする請求項1又は2に
記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項4】 混合物の加熱を、金型を開いた状態でマ
イクロ波を照射し前記混合物中の高分子化合物を誘電加
熱にすることにより行い、前記混合物の所定の形状への
成形を、前記金型を閉じて行うことを特徴とする請求項
1又は2に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項5】 混合物の加熱を、金型を開いた状態で赤
外線により行い、前記混合物の所定の形状への成形を、
前記金型を閉じて行うことを特徴とする請求項1又は2
に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項6】 黒鉛粉末と高分子化合物との混合物を金
型内に供給し、前記金型を閉じた状態で前記混合物自体
を加熱し、前記混合物を冷却して所定の形状に成形する
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7】 金型を通じて混合物に通電することによ
り前記混合物自体を加熱することを特徴とする請求項6
に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。 - 【請求項8】 金型を通じて混合物に超音波振動を付与
することにより前記混合物自体を加熱することを特徴と
する請求項6に記載の燃料電池用セパレータの製造方
法。 - 【請求項9】 高分子化合物として熱可塑性樹脂を用い
ることを特徴とする請求項1又は6に記載の燃料電池用
セパレータの製造方法。 - 【請求項10】 黒鉛粉末と高分子化合物との混合物
を、固体状態で金型内に供給することを特徴とする請求
項1又は6に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001364060A JP4269553B2 (ja) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | 燃料電池用セパレータの製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001364060A JP4269553B2 (ja) | 2001-11-29 | 2001-11-29 | 燃料電池用セパレータの製造方法 |
Publications (2)
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