JP2004192888A - 燃料電池用基材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂含浸した周縁部を備える容易かつ安価に製造可能な燃料電池用基材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】多孔質の炭素質材料を、流路を備え且つ周縁部１１に樹脂が含浸された燃料電池用基材ＣＡに成形する場合に、基材ＣＡの周縁部１１に液状樹脂ＲＥを供給する導入口１５と、前記導入口１５から供給された液状樹脂ＲＥを基材ＣＡの周縁部１１を透過させて吸引するガス排出口１６とを設け、成型加工後の基材ＣＡの周縁部１１内に液状樹脂ＲＥを含浸させる。
【選択図】 図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セパレータ等の燃料電池用基材およびその製造方法に関し、特に、周縁部にシールを施した多孔質材よりなる燃料電池用基材およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から燃料電池の外部に露出する周縁部からのガス透過を防止すべく樹脂を含浸させるシール構造を施した多孔質材よりなるセパレータが知られている（特許文献１参照）。これは、セパレータの周縁部に、その外周側端面より所定の深さにわたって樹脂を含浸し、セパレータを膜電解質接合体と交互に積層した際に、樹脂含浸部分がセパレータ周縁部の内外周間のガスの透過を遮断するものである。
【０００３】
また、多孔質セパレータの一部にマスキングを施し残余の部分に熱硬化性の高分子材料を含浸させて必要な部分のみをガス不透過としたものがある（特許文献２、３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５２６４２９９号特許明細書
【特許文献２】
特開２００１−８６０３１号公報
【特許文献３】
特開２００１−８６０３２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記前者の従来例には樹脂含浸に関する具体的方法の記載がなく、また、後者の従来例ではセパレータにマスキングフィルムの貼付および剥離のための設備を必要とし、製造コストの上昇を招く虞があった。
【０００６】
そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、樹脂含浸した周縁部を備える容易かつ安価に製造可能な燃料電池用基材およびその製造方法を提供することをことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多孔質の炭素質材料をガス流路を備え且つ周縁部に樹脂が含浸された燃料電池用基材に形成する場合に、基材の周縁部に沿って液状樹脂を供給する樹脂含浸手段により成型加工後の基材の周縁部内に液状樹脂を含浸させるようにした。
【０００８】
【発明の効果】
したがって、本発明では、基材の周縁部に沿って液状樹脂を供給する樹脂含浸手段により成型加工後の基材の周縁部内に液状樹脂を含浸させるようにしたため、マスキングフィルム等が不要となり、マスキングフィルムの貼付および剥離のための設備を必要とせず、容易かつ安価に製造可能とできる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の燃料電池用基材およびその製造方法を各実施形態に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１〜図１２は、本発明を適用した燃料電池用基材の製造方法の第１実施形態を示し、図１は燃料電池用基材を用いる固体高分子型燃料電池の部分断面図、図２〜図４は第１実施例を、図５および図６は第２実施例を、図７および図８は第３実施例を、図９は第４実施例を、図１０は第５実施例を、図１１は第６実施例を、図１２は第７実施例を夫々示す。ここでは、先ず、図１により固体高分子型燃料電池の構造について説明し、その後に、第１実施形態を各実施例に基づいて燃料電池用基材の製造方法について説明する。
【００１１】
図１において、固体高分子型燃料電池は、膜電極接合体２と、膜電極接合体２の一方の面に燃料ガスを供給するガス通路３Ａを備えたアノード側の燃料電池用基材で形成したセパレータ３と、膜電極接合体２の他方の面に酸化ガスを供給するガス通路４Ａを備えたカソード側の燃料電池用基材で形成したセパレータ４と、カソード側セパレータ３の背面に冷却水流路５Ａを配置した冷却層５と、冷却層５と隣接セルのアノード側セパレータ３のガス流路３Ａとの間のガスおよび冷却水の浸透を遮断するシール層６と、を積層して単セルＣを構成し、単セルＣを所定の数だけ積層して燃料電池スタック１を構成している。
【００１２】
前記膜電極接合体２は、固体高分子膜からなる電解質膜２Ａと、この電解質膜２Ａを挟持するように電解質膜２Ａの両面に配設される二つの電極２Ｂ（燃料極と酸化剤極）とで構成している。前記電解質膜２Ａは、フッ素系樹脂等の固体高分子材料によりプロトン伝導性の膜として形成されている。この電解質膜２Ａの両面に配設される二つの電極２Ｂには、白金または、白金とその他の金属からなる触媒を膜と接する表面に含有するカーボンクロスまたはカーボンペーパなどのガス拡散層からなり、触媒の存在する面が電解質膜２Ａと接触するように形成している。
【００１３】
前記燃料電池用基材で形成したセパレータ３、４は、膜電極接合体２の一方の面に燃料ガスを供給するガス通路３Ａを備えたアノード側のセパレータ３と、膜電極接合体２の他方の面に酸化ガスを供給するガス通路４Ａを備えたカソード側のセパレータ４とからなり、両セパレータ３、４により膜電極接合体２を挟むことで単セルＣを構成し、セルＣ間の隔壁を成すものである。
【００１４】
前記セパレータ３、４のうちの少なくとも一方は、多孔質のカーボン材（炭素質材料）で構成され、片面または両面に燃料ガスや酸化性ガスあるいは冷却媒体の流路を確保するため、多数のリブ３Ｂ、４Ｂが形成されている。図示の例では、アノード側のセパレータ３は片面のみに多数のリブ３Ｂにより燃料ガスのガス流路３Ａを形成し、カソード側のセパレータ４は一方の面に多数のリブ４Ｂにより酸化ガスのガス流路４Ａを形成し、他方の面に多数のリブ４Ｃにより冷却層５の冷却水流路５Ａを形成している。各セパレータ３、４は積層されてその周縁部が外部に露出する構成となっており、周縁部の外周側Ａおよび周縁部の隣接セパレータ３、４と接触する側面部Ｂには、図示していないが、後述するように、シート材を接着し熱圧着することによるシールがなされている。
【００１５】
前記冷却層５は、前記カソード側の他方の面に設けた冷却水流路５Ａを備え、冷却水流路５Ａには、燃料電池自体から発生する熱の排熱用の冷却水が流通される。冷却水流路５Ａは、必ずしも、それぞれのセル毎に設置されてなくても良いが、燃料電池の出力が大きくなると、燃料電池から除熱する熱量が大きくなるため、できるだけ多く配置されていることが望ましい。隣接セルのアノード側のセパレータ３の背面に配置された前記シール層６は、カソード側のセパレータ４の多数のリブ４Ｂに接触して冷却水流路５Ａを画成する。
【００１６】
この燃料電池のセルにおいては、燃料極に水素ガスが供給されると、燃料極では水素イオンが生成する。この生成した水素イオンが水和状態で電解質膜２Ａ（固体高分子電解質形燃料電池であれば固体高分子電解質膜）を透過（拡散）して酸化剤極に至り、この酸化剤極に酸素含有ガス、例えば空気中の酸素との反応が進行する。この電極反応が各極で進行することで、燃料電池は起電力を生じることとなる。
【００１７】
ところで、水素イオンが電解質膜２Ａを移動するためには、電解質膜２Ａが含水した状態であることが必要であり、含水量が低下すると電解質膜２Ａの電気抵抗が大きくなって、出力電力の低下を招く。さらに、含水量が低下して乾燥状態になると電解質膜２Ａとしての機能しなくなる。通常は、膜電極接合体２はセル面内に均一となるように形成されているが、電極の発電領域においては、燃料ガス、酸化剤ガスの通流方向に対する上流側と下流側では、流路を通流していく供給ガス濃度、流量、水蒸気分圧が異なっている。特に供給ガス通流方向上流側での電解質膜２Ａは乾燥しやすく、下流側の電解質膜２Ａは湿潤状態になりやすい。反応生成水の量が電解質膜２Ａの保水量及びセルからの排水量を上回ると供給ガス流路４Ａへ生成水が溢れ出すフラッディングという現象を生じ、電極の発電面を生成水が覆って反応を抑制し供給ガス流路４Ａを閉塞して、ガス通流を阻害するといった現象を招き、発電を安定して継続することが困難になる。
【００１８】
このセル内の水分状態を好適な状態に維持するため、炭素質であって多孔質のガス透過性である燃料電池用基材をガス流路のセパレータなどへの利用も多数検討されてきている。しかし、利用の際には当該多孔質の燃料電池用基材の端部面から水分やガスが放散していくことを防ぐため、周縁部の各面Ａ、Ｂまたは周縁部内にシール用樹脂を含浸することでシールを施す必要がある。
【００１９】
本発明において、多孔質の燃料電池用基材とは、燃料電池構成部材としてのセパレータ３、４、ガス拡散層および図示していない燃料電池改質システムの水回収装置で用いる多孔質部材を示している。
【００２０】
次に、図２〜図５により第１実施形態の第１実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図２は燃料電池用基材の製造工程を示す工程図、図３は成形工程を示す断面図、図４は含浸工程を示す断面図、図５は含浸治具の斜視図である。
【００２１】
図２の工程図に示すように、第１実施例の燃料電池用基材の製造方法においては、先ず、成形工程ＭＯにおいて、図示しない金型により多孔質板からなる燃料電池用基材ＣＡをモールド成形し、次いで、樹脂含浸手段を構成する含浸工程ＩＭにおいて、モールド成形された燃料電池用基材ＣＡの周縁部に図示しない含浸治具により樹脂を含浸する。
【００２２】
前記成形工程ＭＯは、図３に示すように、型締め時に両者間に基材ＣＡの成形用空間７を形成するよう上側に凹んだ成形面８Ａを備えた上型８と下側に凹んだ成形面９Ａを備えた下型９とからなる金型１０を用いる。そして、金型１０内の成形用空間７内に投入された炭素質で多孔質の炭素材料（カーボン材）からなる基材用素材を成形する。図示例では、上型８の成形面８Ａには、基材ＣＡ表面に流路３Ａ（または、４Ａもしくは５Ａ。以下、符号を付さないで単に流路とのみ表記する）を形成するための連続突起８Ｂを形成している。図示例では、上型８のみに連続突起８Ｂを形成しているが、図示しないが、下型９にも基材ＣＡ表面に流路を形成するための連続突起を形成する場合がある。炭素質材料は、フェノール樹脂やエポキシ樹脂を含有するバインダとカーボン粉末を混合し、成形対象の基材ＣＡを形成可能な分量毎に混練して板状にされる。成形後の型開きにより基材ＣＡは、例えば、板厚が２ｍｍであり、上面に連続した流路を備える形状となる。
【００２３】
前記含浸工程ＩＭは、図４に示すように、成形用金型１０と同様に基材ＣＡの周縁部１１を取囲んで収容する空間１２を上下含浸治具１３、１４（以下、上下治具という）の間に備え、基材ＣＡの周縁部１１には、一方の治具１３（または１４）に含浸用樹脂ＲＥを導入する樹脂供給手段および樹脂導入通路としての導入口１５を、他方の治具１４（または１３）に前記導入口１５に対向する位置において基材ＣＡの多孔質孔に含まれるガスを吸引する樹脂吸引手段および樹脂吸引通路としてのガス排出口１６を夫々備える。上下治具１３、１４の接触面１７にはフッ素樹脂等からなる図示しないОリングを配置して収容空間１２を治具外に対してシールしている。
【００２４】
この含浸工程ＩＭにおいては、上下治具１３、１４間の空間１２内に基材ＣＡを収容してОリングにより密閉した状態において、ガス排出口１６から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面から基材ＣＡの多孔質穴に含浸されガス排出口１６が存在する基材ＣＡの他方の側面に達する。他方の側面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口１６から排出されることから、排出が始まる時点で、ガス排出口１６からの吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程を停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。液状樹脂ＲＥとしては、例えば、低粘度性エポキシ樹脂が望ましい。また、ガス排出口１６からの吸引圧は、例えば、５５〜６０ｋＰａに調整する。
【００２５】
前記含浸工程ＩＭに用いる治具１３、１４は、例えば、図５に示すように、上側の治具１３には、液状樹脂ＲＥを基材ＣＡの周縁部１１に一様に供給する溝状の導入口１５が形成され、下側の治具１４には、基材ＣＡの周縁１１から一様に基材ＣＡ内のガスを吸引排出すべくガス排出口１６に連なる溝１６Ａを形成して、液状樹脂ＲＥを基材ＣＡ周縁部１１に均一に含浸させることが望ましい。
【００２６】
次に、図６〜図８により第１実施形態の第２実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図６は燃料電池用基材の製造工程を示す工程図、図７は成形工程および含浸工程を示す断面図、図８は成形工程時の作動図である。
【００２７】
図６の工程図に示すように、第２実施例の燃料電池用基材の製造方法によれば、成形用金型に含浸用治具の機能を含ませた金型２０が用いられ、先ず、金型２０の型締めによる成形工程ＭＯにより基材ＣＡが成形され、引き続き、型開きを行うことなく金型２０内での含浸工程ＩＭが実施され、型開きにより含浸を完了した基材ＣＡを取り出す。
【００２８】
前記金型２０は、図７に示すように、第１実施例の金型１０と同様に、基材ＣＡの成形用空間７を形成するよう上側に凹んだ成形面８Ａを備えた上型８と下側に凹んだ成形面９Ａを備えた下型９とからなる金型２０が用いられ、例えば、上型８の成形面８Ａには、基材ＣＡ表面に流路を形成するための連続突起８Ｂを備える。また、含浸工程ＩＭのために、前記金型２０には、基材ＣＡの周縁部１１において、一方の型８に含浸用樹脂ＲＥを導入する樹脂供給手段および樹脂供給通路としての導入口１５を、他方の型９に前記導入口１５に対向する位置において基材ＣＡの多孔質孔に含まれるガスを吸引する樹脂吸引手段および樹脂吸引通路としてのガス排出口１６を夫々備え、上下型８、９の接触面１７にはフッ素樹脂等からなる図示しないОリングを配置して金型２０内をシールしている。
【００２９】
先ず、金型２０内の成形用空間７内に炭素質で多孔質の炭素材料（カーボン材）からなる基材用素材を投入し、金型２０を型締めして成形する。基材ＣＡは、Оリングにより閉じられた成形空間７に応じて成形され、連続突起８Ｂに応じた流路が形成されている。金型２０に設けたガス排出口１６および液状樹脂ＲＥの導入口１５は、成形空間７に開口しているため、これら開口部に基材ＣＡを構成する素材が入り込む可能性がある。これは、各開口部を多数の小穴により形成するとか、図８に示すように、各開口部に背面から液状樹脂ＲＥによる圧力を加えるとかにより、入り込みを抑制することができる。
【００３０】
次に、ガス排出口１６から空間７内のガスを吸引して空間７内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面から基材ＣＡの多孔質穴に含浸されガス排出口１６が存在する基材ＣＡの他方の側面に達する。他方の側面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口１６から排出されることから、排出が始まる時点で、ガス排出口１６からの吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下型８、９を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。
【００３１】
図９および図１０により第１実施形態の第３実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図９は含浸工程を示す断面図、図１０は成形工程および得られた基材の断面図である。
【００３２】
図９に示す含浸工程ＩＭにおいては、第１実施例の図４に示す含浸工程ＩＭと同様であるが、基材ＣＡの液状樹脂ＲＥの導入口１５に臨む側面にシール充填用溝２２を形成している構成を新規に備える。したがって、ガス排出口１６から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面に形成したシール充填用溝２２に優先的に導入され、シール充填用溝２２の壁部から基材ＣＡの多孔質穴に含浸されガス排出口１６が存在する基材ＣＡの他方の側面に達する。他方の側面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口１６から排出されることから、排出が始まる時点で、ガス排出口１６からの吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、基材ＣＡの周縁部１１およびシール充填用溝２２の壁部に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。なお、含浸治具１３、１４の上治具１３には、基材ＣＡの流路に嵌合する連続突起１３Ａが形成されているが、この連続突起１３Ａは、第１実施例の図４に示す含浸治具と同様、不要とすることもできる。
【００３３】
この構成においては、シール充填用溝２２の設置により、基材ＣＡの多孔質材自身の厚さが実質的に減少するため、液状樹脂ＲＥの含浸がより効果的に行える。なお、樹脂ＲＥの含浸によりシール充填用溝２２を埋めてしまうこともできるが、シール充填用溝２２を残すことで燃料電池を構成する際にプレート間のシールを行うガスケットを設置する溝としても使用可能とできる。
【００３４】
上記シール充填用溝は、図１０（Ａ）に示すように、基材ＣＡの成形工程ＭＯにおいて、金型１０の一方に溝形成用の連続突起２３を成形空間７の周縁に沿って配置し、成形時に、この連続突起２３により基材ＣＡにシール充填用溝２２を形成することができる（図１０（Ｂ）参照）。
【００３５】
図１１により第１実施形態の第４実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１１は含浸工程を示す断面図である。
【００３６】
図１１に示す含浸工程ＩＭにおいては、図９に示す第３実施形態の含浸工程ＩＭに比較して、基材ＣＡのシール充填用溝２４をガス排出口１６に臨む側面に形成した構成で相違している。したがって、ガス排出口１６から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面から基材ＣＡの多孔質穴に含浸されガス排出口１６が存在する基材ＣＡの他方の側面のシール充填用溝２４の壁面に達する。他方の側面のシール充填用溝２４の壁面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口１６から排出される。液状樹脂ＲＥの排出が始まる時点で、ガス排出口１６からの吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、基材ＣＡの周縁部１１およびシール充填用溝２４の壁部に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。なお、含浸治具１３、１４の上治具１３には、基材ＣＡの流路に嵌合する連続突起１３Ａが形成されているが、この連続突起１３Ａは、第１実施例の図４に示す含浸治具と同様、不要とすることもできる。
【００３７】
この構成においても、ガス排出口１６に臨むシール充填用溝２４の設置により、基材ＣＡの多孔質材自身の厚さが実質的に減少するため、液状樹脂ＲＥの含浸がより効果的に行える。なお、樹脂ＲＥの含浸によりシール充填用溝２４を埋めてしまうこともできるが、シール充填用溝２４を残すことで燃料電池を構成する際にプレート間のシールを行うガスケットを設置する溝としても使用可能とできる。
【００３８】
前記シール充填用溝２４は、図示しないが、基材ＣＡの成形工程ＭＯにおいて、金型１０の下方に溝形成用の連続突起を成形空間の周縁に沿って配置し、成形時に、この連続突起により基材にシール充填用溝２４を形成することができる。
【００３９】
図１２により第１実施形態の第５実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１２は含浸工程を示す断面図である。
【００４０】
図１２に示す含浸工程ＩＭにおいては、基材ＣＡのシール充填用溝２２、２４を液状樹脂ＲＥの導入口１５に臨む側面とガス排出口１６に臨む側面との両方に形成する構成を備える。したがって、ガス排出口１６から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面に形成したシール充填用溝２２に優先的に導入され、シール充填用溝２２の壁部から基材ＣＡの多孔質穴に含浸される。ガス排出口１６が存在する基材ＣＡの他方の側面のシール充填用溝２４の壁面に達する。他方の側面のシール充填用溝２４の壁面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口１６から排出される。液状樹脂ＲＥの排出が始まる時点で、ガス排出口１６からの吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、基材ＣＡの周縁部１１およびシール充填用溝２２、２４の壁部に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。
【００４１】
この構成においては、液状樹脂ＲＥを導入する導入口１５に臨むシール充填用溝２２およびガス排出口１６に臨むシール充填用溝２４の設置により、基材ＣＡの多孔質材自身の厚さがより一層減少するため、液状樹脂ＲＥの含浸がより一層効果的に行える。なお、樹脂ＲＥの含浸によりシール充填用溝２２、２４を埋めてしまうこともできるが、シール充填用溝２２、２４を残すことで燃料電池を構成する際にプレート間のシールを行うガスケットを設置する溝としても使用可能とできる。
【００４２】
図１３により第１実施形態の第６実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１２は含浸工程を示す断面図である。
【００４３】
図１３に示す含浸工程ＩＭにおいては、基材ＣＡのシール充填用溝２２を液状樹脂ＲＥの導入口１５に臨む側面に形成し、ガス排出口２５を下治具１４に設けることなく上下治具１３、１４の接合部１７の一部を開口２５させ、この開口部２５からガスの吸引および排出を行うようにしている。したがって、接合部１７の一部から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、導入口１５から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの一方の側面に形成したシール充填用溝２２に優先的に導入され、シール充填用溝２２の壁部から基材ＣＡの多孔質穴に含浸され、接合部１７が存在する基材ＣＡの外周面に達する。外周面に達した液状樹脂ＲＥは接合部１７の一部から排出されることから、排出が始まる時点で、吸引作動を停止し、導入口１５からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部に含浸された樹脂を硬化させる。結果として、基材ＣＡの周縁部１１およびシール充填用溝２２の壁部に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。
【００４４】
図１４により第１実施形態の第７実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１４は含浸工程を示す断面図である。
【００４５】
図１４に示す含浸工程ＩＭにおいては、基材ＣＡの外周面に臨む含浸治具１３、１４の接合部１７に液状樹脂ＲＥの導入口２６が形成され、基材ＣＡの周縁部１１の両側の上下治具１３、１４にガス排出口２７を備えるよう構成している。したがって、上下治具１３、１４のガス排出口２７から空間１２内のガスを吸引して空間１２内を減圧し、次いで、上下治具１３、１４の接合部１７の導入口２６から液状樹脂ＲＥを導入することにより、液状樹脂ＲＥは基材ＣＡの外周面から基材ＣＡの多孔質穴に含浸され、ガス排出口２７が存在する基材ＣＡの両側面に達する。両側面に達した液状樹脂ＲＥはガス排出口２７から排出されることから、排出が始まる時点で、吸引作動を停止し、導入口２６からの液状樹脂ＲＥの供給を停止することで基材ＣＡの周縁部１１への含浸工程ＩＭを停止し、上下治具１３、１４を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部１１に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、基材ＣＡの周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。
【００４６】
以上説明した第１実施形態の第１〜第７実施例で得られた燃料電池用基材ＣＡは、水中に設置してその両側にゲージ圧２００ｋＰａの差圧をかけ、低圧側から気泡の発生が見られるか否かの確認を行ったが、いずれの実施例においても気泡の発生を生じないことが確認でき、遜色ないガスシール性を保つことを確認した。
【００４７】
本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。
【００４８】
（ア）多孔質の炭素質材料を流路を備え且つ周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸された燃料電池用基材ＣＡは、基材ＣＡの周縁部１１に沿って液状樹脂ＲＥを供給する樹脂含浸手段である導入口１５、２６から成型加工後の基材ＣＡの周縁部１１内に液状樹脂ＲＥを含浸させるため、マスキングフィルム等が不要となり、マスキングフィルムの貼付および剥離のための設備を必要とせず、容易かつ安価に製造可能とできる。
【００４９】
（イ）樹脂含浸手段は基材ＣＡの周縁部１１に液状樹脂ＲＥを供給する樹脂供給手段としての導入口１５、２６と、前記導入口１５、２６から供給された液状樹脂ＲＥを基材ＣＡの周縁部１１を透過させて吸引する樹脂吸引手段としてのガス排出口１６、２７を備えるため、導入口１５、２６とガス排出口１６、２７の間のみに圧力差を設けることができ、樹脂含浸を狙った部位のみに効果的に行うことができ、シールが必要な場所のみをシールでき、多孔質の基材ＣＡの特性を損なうことなく有効活用することができる。
【００５０】
（ウ）第１実施例においては、成型加工後の基材ＣＡを含浸治具１３、１４に保持して液状樹脂ＲＥを基材ＣＡ周縁部１１に供給して基材周縁部１１に樹脂ＲＥを含浸するため、成形金型１０の構造を簡略化することができるとともに、専用の含浸治具１３、１４により精度よく基材ＣＡの周縁部１１に含浸でき、プロセス管理が容易となる。
【００５１】
（エ）第２実施例においては、成形型２０による基材ＣＡの成型加工ＭＯ後に液状樹脂ＲＥを成形型２０内の基材ＣＡ周縁部１１に供給して基材周縁部１１に樹脂ＲＥを含浸するため、製造工程を削減でき、コストダウンを図れる。また、金型２０内の基材ＣＡと外気との接触を隔絶して、導入口１５とガス排出口１６の間のみに圧力差を設けることができ、効果的に樹脂含浸を行うことができる。
【００５２】
（オ）第３実施例および第５実施例においては、基材ＣＡに樹脂供給手段に臨む側面に基材ＣＡの外周縁に沿って延びる溝２２を備えるため、樹脂ＲＥが含浸された領域が明確になるとともに、含浸する樹脂ＲＥの基材ＣＡ内を移動する距離が短縮できるので、より効果的に樹脂含浸を行うことができる。また、燃料電池スタック組立時でのセル積層におけるセパレータ基板同士の接触面に配置するシール材用の溝としても利用できる。
【００５３】
（カ）第４実施例および第５実施例においては、基材ＣＡに樹脂吸引手段に臨む側面に基材ＣＡの外周縁に沿って延びる溝２４を備えているため、含浸する樹脂ＲＥの基材Ａ内を移動する距離が短縮できるので、より効果的に樹脂含浸を行うことができる。特に、第５実施例においては、基材ＣＡの両側面に溝２２、２４を設けるものであるため、より一層樹脂の移動距離を短縮でき、より一層効果的に樹脂含浸を行うことができる。さらにまた、シール領域を明確するとともに、燃料電池スタック組立時でのセル積層におけるセパレータ基板同士の接触面に配置するシール材用の溝としても利用できる。
【００５４】
なお、本実施は既に知られている圧縮成形機によるものだけでなく、射出成形、トランスファー成形等の成形方法さらにはこれらの複合的な多段階を経る成形のいずれの手段を使用してもよい。
【００５５】
（第２実施形態）
図１５〜図１９は、本発明を適用した燃料電池システムの第２実施形態を示し、図１５および図１６は第１実施例を、図１７は第２実施例を、図１８は第３実施例を、図１９は第４実施例を夫々示す。本実施形態においては、モールド成形した基材の周縁部にアプリケータ等の樹脂供給手段により液状樹脂を供給して含浸させるようにしたものである。なお、基材はその詳細な形状の図示を省略して単純な板材として表示しているが、具体的形状は第１実施形態に示したものと同様である。
【００５６】
図１５および図１６により第２実施形態の第１実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１５は燃料電池用基材への含浸工程を示す概略斜視図、図１６は含浸工程における作業要領を示す斜視図である。
【００５７】
図１５に示すように、第１実施例の燃料電池用基材の製造方法においては、成形加工された基材ＣＡの周縁部１１の側面に樹脂供給手段としての塗布治具３０（アプリケータ）により溶液化した液状樹脂ＲＥを流すように塗布し、基材ＣＡの周縁外周端面１１Ａから、図示する矢印Ｄ方向に、樹脂吸引手段により吸引することにより基材ＣＡの周縁部１１内への樹脂含浸を促進させる。
【００５８】
前記液状樹脂ＲＥとしては、フェノール樹脂をメタノールに溶かしたフェノール樹脂メタノール溶液を用いる。含浸されるフェノール樹脂メタノール溶液はその濃度が低いため、「含浸→プレート加熱による硬化」のサイクルを２度行うことが望ましい。含浸する液状樹脂ＲＥとしては、上記以外にも公知のいずれの樹脂を用いることができるが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などの熱硬化性樹脂を用いるのが好ましく、常温液状のものや固体のものを任意の溶媒で希釈もしくは溶解させることで適宜使用することができる。
【００５９】
前記塗布治具３０として、アプリケータを用いるものについて説明したが、これは塗布する際に、移動することなく固定されている場合の他、基材ＣＡ周縁に沿って樹脂ＲＥが流れないような場合は周縁に沿って移動させてもよい。なお、図示しないが、基材ＣＡの周縁部１１の側面に溝を設けて、塗布する樹脂をこの溝内に流すことで周縁部１１により均等に含浸させることができる。
【００６０】
前記基材ＣＡ周縁からの吸引には、図１６（Ａ）に示すように、基材ＣＡの周縁端面１１Ａに相当する大きさの開口を備えた樹脂吸引手段としての吸引具３１を用いて端面１１Ａから基材ＣＡ内の多孔質孔内の空気を吸引する。この吸引により、基材ＣＡの周縁部１１の側面上に塗布される樹脂ＲＥは基材ＣＡ周縁部１１内に含浸される。一つの端面１１Ａへの含浸作業の終了により、図１６（Ｂ）に示すように、吸引具３１を次の端面１１Ａに移動させて吸引しつつアプリケータ３０により周縁部１１に樹脂ＲＥを供給して同様に含浸させ、全ての周縁部１１に同様に含浸させる。これらの作業中において、基材ＣＡの周縁部１１を除く中央部分は、図１６（Ｃ）に示す治具３２を上面から当接させて、基材ＣＡの周縁部１１のみを露出させることにより、吸引具３１で吸引する空気がアプリケータ３０で塗布している面から流れ込むことを促進して基材ＣＡの周縁部１１への樹脂ＲＥの流れ込みが良好となる。なお、各辺の長さが異なる長方形の基材ＣＡに対しては、長さが異なる２種類の吸引具３１を用いればよい。
【００６１】
図１７により第２実施形態の第２実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１７は燃料電池用基材への含浸工程を示す概略断面図である。
【００６２】
図１７に示すように、第２実施例の燃料電池用基材の製造方法においては、成形加工された基材ＣＡの流路を備える領域３３を囲んで環状のガスケット３４を介してプレート３５により上下両面から挟み、プレート３５、ガスケット３４および基材ＣＡにより閉じた空間Ｅを形成する一方、基材ＣＡの周縁部１１を外部に露出させる。前記環状のガスケット３４、プレート３５は含浸治具を構成している。そして、前記各空間Ｅに導入口３６より不活性のブロックガスを供給して空間Ｅ内を外気に対して高い圧力とした状態で、基材ＣＡの露出した周縁部１１に、図中の矢印に示すように、液状樹脂ＲＥを含浸させる。含浸される液状樹脂ＲＥは、高い圧力に維持されている前記空間Ｅ内へ浸透することを阻止され、周縁部１１に留まる。基材ＣＡの周縁部１１への液状樹脂ＲＥの含浸を終了した時点で、上下プレート３５を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。なお、前記空間Ｅへのブロックガスの導入を上下両側のプレート３５に導入口３６を設けて行うよう説明しているが、基材ＣＡは多孔質であるため、いずれか一方のプレート３５に導入口３６を設けてブロックガスを導入するようにしてもよい。
【００６３】
なお、前記空間Ｅ内は加圧しておかなければ、供給した液状樹脂ＲＥが所望の範囲である周縁部１１以外にも広がる可能性はあるが、基材ＣＡの平面方向で広がる距離は、基材ＣＡの厚み方向に含浸する距離と概ね等しいと考えられる、即ち、基材ＣＡの裏面まで液状樹脂ＲＥが到達してしまえば、基材ＣＡの面方向への浸透は止まる。したがって、図示しないが、基材の液状樹脂供給側面あるいは到達側面にシール充填用等の溝を設けることは、結局、裏面までの到達を早める効果があり、所望でない基材平面方向への液状樹脂の含浸の広がりを防ぐことができる。なお、もちろん、空間Ｅ内から加圧して基材ＣＡ平面方向への広がりを防ぎつつ、基材ＣＡの周縁部１１の裏面側から吸引することも可能である。
【００６４】
図１８により第２実施形態の第３実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１８は燃料電池用基材への含浸工程を示す概略断面図であり、基材の周縁部の端部から液状樹脂を含浸させるようにしたものである。
【００６５】
図１８に示す第３実施例の燃料電池用基材の製造方法においては、基材ＣＡの上下両面の周縁部１１に接触するガスケット３７をプレート３５で支持して含浸治具を構成している。そして、第２実施例と同様に導入口３６から不活性のブロックガスを空間Ｅ内に導入して空間Ｅ内を比較的高い圧力状態とし、矢印に示すように、基材ＣＡの端面方向から液状樹脂ＲＥを含浸させる。液状樹脂ＲＥの供給圧力と空間Ｅ内の圧力とのバランスにより液状樹脂ＲＥの端面からの含浸深さを調節する。基材ＣＡの周縁部１１への液状樹脂ＲＥの含浸を終了した時点で、上下プレート３５を開いて基材ＣＡを取り出し、次工程にある図示しない硬化工程により周縁部に含浸された樹脂ＲＥを硬化させる。結果として、周縁部１１に樹脂ＲＥが含浸され硬化された基材ＣＡが得られる。
【００６６】
この含浸方法においては、基材ＣＡの周縁部１１の上下両面はガスケット３７に接触しているため、液状樹脂ＲＥが上下両面上に盛り上がることがなく、設計寸法通りの厚さの燃料電池用基材ＣＡを形成できる。
【００６７】
図１９により第２実施形態の第４実施例における燃料電池用基材の製造方法について説明する。図１９は燃料電池用基材への含浸工程を示す概略断面図であり、基材の周縁部の液状樹脂の供給側面の反対側の裏面から液状樹脂を吸引するようにしたものである。
【００６８】
図１９に示す第４実施例の燃料電池用基材の製造方法においては、含浸治具本体３８（例えば、ステンレス製）に基材ＣＡを受入れる窪み３９を形成し、窪み３９の底面４０に基材ＣＡの流路を備える領域を囲んで配置した環状のガスケット４１により基材ＣＡを支持し、支持された基材ＣＡ外周端に窪み３９の壁面に沿って設けたガスケット４２の内端を接触させて基材ＣＡの周縁部１１と窪み３９とで周縁空間４３を形成する。そして、基材ＣＡの上面に基材ＣＡの流路を備える領域を囲んで環状のガスケット３４を介して上面から垂直荷重により押え込むプレート３５（例えば、プラスチック製）を設け、このプレート３５にブロックガス、例えば、乾燥窒素の導入口３６を設けている。周縁空間４３の例えば、窪み３９の隅部には樹脂吸引手段としての排気口４４を設け、周縁空間４３内の空気を吸引可能としており、排気口４４は含浸樹脂ＲＥによる閉塞が起こりにくい最低限の口径を備える。
【００６９】
液状樹脂ＲＥの含浸時には、導入口３６から空間Ｅ内にブロックガスを導入して空間Ｅ内の圧力を上昇させ、含浸治具本体３８の排気口４４から周縁空間４３の空気を吸引している状態とする。この状態において、基材ＣＡの周縁部１１の上面から液状樹脂ＲＥを供給して基材ＣＡの周縁部１１に液状樹脂ＲＥを含浸させる。この含浸方法では、空間Ｅ内から加圧して基材ＣＡ平面方向への広がりを防ぎつつ、基材ＣＡの周縁部１１の裏面側から吸引するため、液状樹脂ＲＥの裏面までの到達を早める効果があり、所望でない基材ＣＡ平面方向への液状樹脂ＲＥの含浸の広がりを防ぐことができる。
【００７０】
なお、排気口４４からのガス吸引圧とガス導入口３６からの加圧の調整は、吸引と加圧の順番、樹脂投入のタイミング、含浸時間、含浸溶液の粘性や多孔質基材との接触角、多孔質の平均細孔径と気孔率等によって条件を適宜調整することが望ましい。
【００７１】
以上説明した第２実施形態の第１〜第４実施例で得られた燃料電池用基材ＣＡは、水中に設置してその両側にゲージ圧２００ＫＰａの差圧をかけ、低圧側から気泡の発生が見られるか否かの確認を行ったが、いずれの実施例においても気泡の発生を生じないことが確認でき、遜色ないガスシール性を保つことを確認した。
【００７２】
本実施形態においては、第１実施形態における効果（ア）、（イ）に加えて、以下に記載した効果を奏することができる。
【００７３】
（キ）樹脂含浸手段として樹脂ＲＥを含浸させない基材ＣＡの内周領域３３を外気と隔絶し、基材ＣＡの周縁部１１に液状樹脂ＲＥを供給するとともに、外気と隔絶した領域３３に加圧ガスを供給するため、基板ＣＡの成形工程の後工程で液状樹脂ＲＥを含浸する時に、必要な部分のみを選択的に含浸でき、不必要な部分まで緻密化させることを防ぐことができる。また、この含浸工程では構成する器具を加温する必要が無いため使用する樹脂は溶融状態のものでなくとも、種々の溶媒に溶かした溶液を用いることが可能である。
【００７４】
（ク）外気隔絶領域である空間Ｅへ供給する加圧ガスのガス圧力は当該基材ＣＡの樹脂浸透力に応じて設定するため、樹脂ＲＥの含浸における浸透力と樹脂含浸を行わない部分の加圧力を樹脂含浸の度合いにより調整でき、選択的な樹脂含浸による緻密化を実現できる。
【００７５】
（ケ）基材ＣＡの周縁部１１には、供給された液状樹脂ＲＥを基材ＣＡの周縁部１１を透過させて吸引する樹脂吸引手段としての吸引具３１または排気口４４を備えるため、効率よく緻密化することが可能である。
【００７６】
（コ）周縁部１１の基材ＣＡ側面に液状樹脂ＲＥを塗布する塗布手段としての塗布治具３０により樹脂供給手段を構成しているため、アプリケータ３０を用いてさまざまな形状の樹脂に塗布を行うことができ、樹脂塗布を可能とする形状の制限を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す燃料電池用基材を用いる燃料電池スタックの部分断面図。
【図２】本発明の第１実施形態の第１実施例における燃料電池用基材の製造工程を示す工程図。
【図３】第１実施形態の第１実施例の成形工程を示す断面図。
【図４】第１実施形態の第１実施例の含浸工程を示す断面図。
【図５】第１実施形態の第１実施例の含浸治具の斜視図。
【図６】本発明の第１実施形態の第２実施例における燃料電池用基材の製造工程を示す工程図。
【図７】第１実施形態の第２実施例の成形工程および含浸工程を示す断面図。
【図８】第１実施形態の第２実施例の成形工程時の作動図。
【図９】本発明の第１実施形態の第３実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１０】第１実施形態の第３実施例の成形工程（Ａ）、および、得られた基材（Ｂ）の断面図。
【図１１】本発明の第１実施形態の第４実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１２】本発明の第１実施形態の第５実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１３】本発明の第１実施形態の第６実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１４】本発明の第１実施形態の第７実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１５】本発明の第２実施形態の第１実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す概略斜視図。
【図１６】第２実施形態の第１実施例の含浸工程における作業要領を（Ａ）〜（Ｃ）に分けて示す斜視図。
【図１７】第２実施形態の第２実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１８】第２実施形態の第３実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【図１９】第２実施形態の第４実施例における燃料電池用基材の含浸工程を示す断面図。
【符号の説明】
ＭＯ 成形工程
ＩＭ 樹脂含浸手段を構成する含浸工程
ＣＡ 基材、燃料電池用基材
ＲＥ 樹脂、含浸用樹脂
１ 燃料電池スタック
２ 膜電極接合体
３、４ セパレータ
５ 冷却層
６ シール層
７ 成形用空間
８ 上型
９ 下型
１０、２０ 金型
１１ 周縁部
１２ 空間
１３、１４ 上下治具（含浸治具）
１５、２６ 導入口（樹脂含浸手段、樹脂供給手段、樹脂導入通路）
１６、２５、２７ ガス排出口（樹脂含浸手段、樹脂吸引手段、樹脂吸引通路）
１７ 接触面
２２、２４ シール充填用溝
３０ 塗布治具、アプリケータ（樹脂含浸手段、樹脂供給手段）
３１ 吸引具（樹脂含浸手段、樹脂吸引手段）
３３ 領域、内周領域（外気隔絶領域）
３４、３７、４１、４２ ガスケット（含浸治具）
３５ プレート（含浸治具）
３８ 含浸治具本体
４４ 排気口（樹脂吸引手段）

Claims (13)

1. 多孔質の炭素質材料を、ガス流路を備え且つ周縁部に樹脂が含浸された燃料電池用基材へと成形する燃料電池用基材の製造方法であって、
   基材の周縁部に沿って液状樹脂を供給する樹脂含浸手段により成型加工後の基材の周縁部内に液状樹脂を含浸させることを特徴とする燃料電池用基材の製造方法。
2. 前記樹脂含浸手段は、成形型による基材の成型加工後に液状樹脂を成形型内の基材周縁部に供給して基材周縁部に樹脂を含浸することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用基材の製造方法。
3. 前記樹脂含浸手段は、成型加工後の基材を含浸治具に保持して液状樹脂を基材周縁部に供給して基材周縁部に樹脂を含浸することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用基材の製造方法。
4. 前記樹脂含浸手段は、基材の周縁部に液状樹脂を供給する樹脂供給手段と、前記樹脂供給手段から供給された液状樹脂を基材の周縁部を透過させて吸引する樹脂吸引手段とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の燃料電池用基材の製造方法。
5. 前記樹脂供給手段は、周縁部の基材側面に液状樹脂を塗布する塗布手段により構成したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用基材の製造方法。
6. 前記樹脂供給手段および樹脂吸引手段は、成形型に形成した樹脂導入通路および樹脂吸引通路により形成したことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用基材の製造方法。
7. 前記基材は、前記樹脂吸引手段に臨む側面に基材の外周縁に沿って延びる溝を備えていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一つに記載の燃料電池用基材の製造方法。
8. 前記基材は、前記樹脂供給手段に臨む側面に基材の外周縁に沿って延びる溝を備えていることを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一つに記載の燃料電池用基材の製造方法。
9. 前記樹脂含浸手段は、樹脂を含浸させない基材の内周領域を外気と隔絶し、基材の周縁部に液状樹脂を供給するとともに、外気と隔絶した領域に加圧ガスを供給することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用基材の製造方法。
10. 外気隔絶領域へ供給する加圧ガスのガス圧力は、当該基材の樹脂浸透力に応じて設定することを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用基材の製造方法。
11. 前記基材の周縁部には、供給された液状樹脂を基材の周縁部を透過させて吸引する樹脂吸引手段を配置して備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料電池用基材の製造方法。
12. 多孔質の炭素質材料をガス流路を備え且つ周縁部に樹脂が含浸された燃料電池用基材に形成する燃料電池用基材の製造方法であって、
    基材を成型加工する成形型に、成形型外部から基材の周縁部に樹脂を供給可能な樹脂供給通路と、供給された樹脂を基材を透過させて成形型外部へと吸引可能な樹脂吸引通路とを設け、
    基材の成形時に、基材を前記成形型により覆って型外気との接触を隔絶した状態において、樹脂供給通路を通って基材の周縁部に液状樹脂を供給しかつ基材の周縁部内を透過した液状樹脂を樹脂吸引通路へ吸引することを特徴とする燃料電池用基材の製造方法。
13. 多孔質の炭素質材料をガス流路を備え且つ周縁部に樹脂が含浸された燃料電池用基材であって、
    前記基材は、その周縁部の外周縁に沿って液状の樹脂を含浸していることを特徴とする燃料電池用基材。

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