JP2004216756A - 予備成形体成形金型及び予備成形体を用いた燃料電池セパレーターの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来では成形が難しかった流動性の小さい成形材料を高精度に成形する予備成形体成形金型およびこの金型を用いて予備成形体を作製し、この予備成形体で成形した燃料電池セパレーターを提供する。
【解決手段】本発明は、熱硬化性樹脂成形材料からなる板状成形体の予備成形体を成形する金型において、該金型の上型がそのキャビティ面にゴムシートを貼着してなるものであることを特徴とする予備成形体成形金型であり、また、本発明は、上記の予備成形体成形金型により熱硬化性樹脂成形材料から予備成形体を成形し、次いで、該予備成形体を燃料電池セパレーター成形金型により加熱加圧成形することを特徴とする燃料電池セパレーターの製造方法である。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、予備成形体成形金型及び予備成形体を用いた燃料電池セパレーターの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般の熱硬化性樹脂成形品を得ようとする場合、破砕状あるいは顆粒状である成形材料を用いて、コンプレッション成形、トランスファー成形、またはインジェクション成形をするか、破砕状あるいは顆粒状である成形材料を予め直径５ｃｍ以下の円柱状タブレットに成形して予備成形体とし、これを用いてコンプレッション成形またはトランスファー成形することが多い。これらのうち、コンプレッション成形は加熱した上下の金型の中に成形材料を投入し、これら金型内で成形材料を加熱加圧することによって賦形するもので、主にブレーカー、ブレーカーカバー、トレー、重箱、漆器等の成形に使用される。
【０００３】
コンプレッション成形法を適用できる熱硬化性樹脂成形材料のひとつとして、燃料電池セパレーター用成形材料がある。この成形材料は、成形体に高い導電性が要求されるため、導電性基材（例えば黒鉛）が高い比率で配合されており、成形時の材料流動性は極めて小さく、成形性、充填性、寸法精度等に問題があった。このため、このような薄板状の成形体を得ようとする為には、成形性、充填性を補うために、円柱状タブレットではなく、成形体とほぼ同じサイズの予備成形体を用いる方法が提唱されている（例えば、特許文献１参照）。
最近では、燃料電池セパレーターに関しては、更なる高導電化、薄板化等の要求により、成形が一層難しくなりつつある。即ち、充填不良によるカスレがランダムに発生し、予備成形体を用いても満足の行くものが作製しにくく、予備成形体の重量を増やし、厚さを厚くしないと満足な成形体が得ることができず、充填性、成形性や厚み精度などの問題が多く発生している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２０５６４９号公報
【０００５】
従来の予備成形体成形金型を図１に示す。金型は上型１、下型２とからなる。３は、上型１と下型２との間のキャビティにて賦形される予備成形体である。上型と下型の間には、金型内の空気や成形時に発生するガスを金型外へ排出するために金型クリアランス４が設けられている。
この金型を用いて圧縮成形により予備成形体を作製する。圧縮成形について一例を挙げると、下型は成形機の圧縮テーブルに取り付けられていて、上型は昇降するプレス装置の圧力ラムに取り付けられている。予備成形する場合は、上型を上方に待機させた状態で、キャビティに成形材料を投入した後、上型を下降させ、所定の圧力と温度で成形を行う。
【０００６】
このような従来の予備成形体成形金型では、作製された予備成形体の密度の差がその予備成形体表面に現れず、実際にコンプレッション成形を行い最終の成形体とし、これをみて充填性の良否の確認するという方法を採ってきた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の予備成形体成形金型は、この問題を解決すべく種々検討の上、発明されたものである。本発明の金型を用いて得られた、充填性の良好な予備成形体を用いてコンプレッション成形を行った場合では、充填性、成形性や厚み精度に優れた成形品を得ることができる。
即ち、本発明は、成形が難しかった流動性の小さい成形材料を高精度にコンプレッション成形するための予備成形体成形金型、およびこの金型を用いて得られた予備成形体から燃料電池セパレーターを成形する方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的は、下記の本発明（１）〜（４）によって達成される。
（１） 熱硬化性樹脂成形材料からなる板状成形体の予備成形体を成形する金型において、該金型の上型がそのキャビティ面にゴムシートを貼着してなるものであることを特徴とする予備成形体成形金型。
（２） 前記ゴムシートのヤング率が１〜１００ＭＰａである前記（１）に記載の予備成形体成形金型。
（３） 予備成形体成形金型の下型のキャビティ面が成形品の凹凸形状に対応した形状である前記（１）または（２）に記載の予備成形体成形金型。
（４） 前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の予備成形体成形金型により熱硬化性樹脂成形材料から予備成形体を成形し、次いで、該予備成形体を燃料電池セパレーター成形金型により加熱加圧成形することを特徴とする燃料電池セパレーターの製造方法。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、熱硬化性樹脂成形材料からなる板状成形体の予備成形体を成形する金型において、該金型の上型がそのキャビティ面にゴムシートを貼着してなるものであることを特徴とする予備成形体成形金型に関するものである。また、本発明は、かかる予備成形体成形金型により熱硬化性樹脂成形材料から予備成形体を成形し、次いで、該予備成形体を燃料電池セパレーター成形金型により加熱加圧成形してなる燃料電池セパレーターの製造方法に関するものである。
【００１０】
まず、本発明の予備成形体成形金型について説明する。本発明の予備成形体成形金型は、上型のキャビティ面にゴムシートを貼着してなるものである。かかるゴムシートは、ヤング率１〜１００ＭＰａのものが好ましく、さらには、１〜１０ＭＰａのものが好ましい。ゴムシートのヤング率が前記下限値より小さいと、ゴムシートの剛性度が低すぎ変形しすぎる為、予備成形体に粗密が現れにくい。また、前記上限値より大きいとゴムシートの剛性度が高くなり変形しにくい為、予備成形体に粗密が現れにくくなる。
【００１１】
ゴムシートの厚さは、通常０．５〜５ｍｍ程度のものを使用するが、好ましくは２〜３ｍｍである。ゴムシートの厚さが前記上限値より厚いと金型サイズが大きくなり金型加工費の上昇となり、金型重量の上昇により作業性にも影響することがある。前記下限値より薄いと予備成形体における充填密度の差がその外観に現れにくくなり、予備成形した段階で良否の事前判定が難しくなることがある。
ゴムの種類としては、天然ゴム、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、ニトリルゴム、アクリルニトリルブタジエンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴムなどいろいろな種類があるが、特に限定されず、成形された予備成形体に成形材料の密度差が現れるものであれば良い。
【００１２】
図２は本発明の予備成形体成形金型の一例を示すものである。
予備成形体成形金型は上型６、下型７とからなる。８は、上型６と下型７との間のキャビティにて賦形される予備成形体ある。上型と下型の間には、金型内の空気や成形時に発生するガスを金型外へ排出するために金型クリアランス９が設けられている。上型のキャビティ面にはゴムシート５が貼着されており、ゴムシートが貼着されていることにより燃料電池セパレーターの成形前の、予備成形した段階で成形材料の密度差を目視にて確認することができ、予備成形体により充填性の粗密状態の確認が可能となる。
従来の予備成形体成形金型では、予備成形体作製時に密度差が予備成形体表面に現れず、実際にコンプレッション成形を行い燃料電池セパレーター成形体を成形した後でないと充填性の良否が確認できなかったが、本発明では、予備成形した段階で目視により充填性の良否を容易に事前判定することができる。
【００１３】
図３は、本発明の予備成形体成形金型の下型であり、下型１０のキャビティ面に製品形状を反映した凹凸形状１１を有している。予備成形体の形状は、成形材料の充填性を考慮して、セパレーター成形体表面の凹凸を反映した凹凸形状とすることが好ましい。従って、本発明金型の下型は、セパレーター成形体の凹凸形状に対応する凹凸を有することが好ましい。また、セパレーター成形体はその種類ごとに溝形状が異なる為、下型の凹凸形状は、成形体形状に合わせて設計、作製する必要がある。一方、上型のキャビティ面は、成形材料の計量に影響を及ぼさない様に、凹凸のない平板状のものが好ましい。
予備成形体を成形するための成形条件は、特に限定するものではないが、通常圧力０．０１〜１００ＭＰａ、温度常温〜７０℃、時間０．１〜５分程度である。
【００１４】
次に、上記で得られた予備成形体を用いたコンプレッション成形について説明する。予備成形体を用いてコンプレッション成形する場合、予備成形体は、充填性の確認により、良好と事前判定されたもののみがコンプレッション成形に供される。
コンプレッション成形において、上型と下型は電熱式温調装置等により成形に適した温度に加熱されている。最終成形品よりも若干多い量の成形材料で予備成形された予備成形体をキャビティに投入し、上型と下型との間で所定温度と圧力により加熱加圧する。これにより、予備成形体の成形材料は温度と圧力により溶融して高密度化されるとともに、設計されたキャビティの大きさに等しい成形体に賦形される。コンプレッション成形条件の一例を挙げると、圧力３０〜２００ＭＰａ、温度１５０〜２００℃、時間０．５〜５分で成形することができる。
【００１５】
本発明の予備成形体成形金型を用いて成形してなる燃料電池セパレーターについて説明する。
燃料電池セパレーターの製造には種々の方法があるが、最近では、低コスト大量生産を目的とし、黒鉛やカーボンブラック等の導電性を有する炭素系基材に、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂をバインダー成分として配合した成形材料での試みがなされている。本発明の金型はこのような燃料電池セパレーター用成形材料を成形する際に好適に用いることができるものである。
【００１６】
燃料電池セパレーター用成形材料は、導電性を有する炭素系基材と熱硬化性樹脂とを主たる成分とする。導電性を有する炭素系基材としては特に限定されないが、黒鉛、炭素繊維、カーボンブラックなどが挙げられる。黒鉛の種類は特に限定されないが、天然黒鉛、人造黒鉛、膨張黒鉛、土壌黒鉛等が挙げられ、燃料電池用セパレーター材料としては、取り扱いの容易さ等の点から天然黒鉛及び／又は人造黒鉛が好ましい。
【００１７】
一方、バインダーとして用いられる熱硬化性樹脂についても特に限定されないが、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ジアリルフタレート樹脂等が使用できる。これらの中でも、成形品を燃料電池セパレーターとして用いる場合は、コスト、成形品の機械的強度、生産性の点からフェノール樹脂、エポキシ樹脂を用いることが好ましい。
【００１８】
導電性を有する炭素系基材と熱硬化性樹脂との配合割合については特に限定されないが、成形材料全体に対して、導電性を有する炭素系基材８０〜９５重量％、熱硬化性樹脂３〜１８重量％とすることが好ましい。さらに、前記材料の他にも必要に応じて硬化剤、硬化助剤、顔料、離型剤、添加剤等を配合することができる。
【００１９】
燃料電池セパレーター用成形材料は、通常の方法により製造することができる。すなわち、前記原材料を配合し、リボンブレンダーやプラネタリミキサーなどを用いて予備混合した後、加熱ロールや二軸混練機を用いて溶融混練し、これをさらに造粒化するか、冷却後粉砕・分級などの操作を経て成形材料とすることができる。
次に、この成形材料を本発明の予備成形体成形金型を用いて、予備成形体を作製し、その後、所定の条件でコンプレッション成形することにより、燃料電池セパレーター成形体が得られる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例により詳細に説明する。
【００２１】
＜実施例１＞
・ フェノール樹脂の製造
フェノール（Ｐ）１００ｋｇ、８７％パラホルムアルデヒド（Ｆ）６２ｋｇ（Ｆ／Ｐモル比１．７０）、酢酸亜鉛０．５ｋｇを還流コンデンサー攪拌機、加熱装置、真空脱水装置、スタティックミキサー付きレジン循環装置を備えた３００リッター反応釜内に入れ、還流反応を３時間行った。この時点のフェノール反応率は９２％であった。その後、脱水を行いながら１１５℃迄加熱し、更に１１５℃、真空度１００Ｔｏｒｒを１時間維持して反応を進めた後、冷却パット上に取り出し、ＧＰＣ測定によるフェノール換算での数平均分子量が７００のレゾール型フェノール樹脂（固形）１０５ｋｇを得た。
【００２２】
（２）成形材料の製造
人造黒鉛８５重量％、前記（１）で得られたフェノール樹脂１３重量％、離型剤２重量％を配合し、ヘンシェルミキサーで混合して原料混合物を得た。これを８０℃の加熱ニーダーで１０分間溶融混練した後取り出し、顆粒状に粉砕して成形材料を得た。
【００２３】
（３）予備成形体の成形
予備成形体の成形は、上型のキャビティ面にクロロプレンゴムからなるゴムシート（ヤング率３〜５ＭＰａ、厚み２ｍｍ）が貼着されており、成形品に対して９８％の面積を有したキャビティ内に所定量計量した成形材料を投入し、成形圧力１０ｋＰａ、金型温度６５℃、加熱時間９０秒で実施した。
【００２４】
（４）燃料電池セパレーター成形体の成形
コンプレッション成形用金型に表面に粗密のない予備成形体を投入し、金型温度１８５℃、成形圧力１００ＭＰａ、硬化時間５分の圧縮成形で、２２０×１４０×２ｍｍの大きさの燃料電池セパレーター成形体を得た。成形品は、表面に長さ１６０ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を２ｍｍピッチで４９本、裏面に長さ１００ｍｍ、幅１．０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を２ｍｍピッチでＳ字型に２箇所１２本有し、さらにφ１０ｍｍの穴４箇所と９×３０の長穴４箇所、１２×４０の長穴２箇所を有するものである。
【００２５】
＜実施例２＞
予備成形金型の上型のキャビティ面に装着するゴムシートをアクリルニトリルブタジエンゴムからなるゴムシート（ヤング率２〜４ＭＰａ、厚み２ｍｍ）にした以外は、実施例１の成形材料を使用し、実施例１の成形方法を実施した。
【００２６】
＜実施例３＞
予備成形金型として成形体形状に対応した凹凸を有する下型を使用した以外は、実施例１の成形材料を使用し、実施例１の成形方法を実施した。
【００２７】
＜比較例１＞
上型のキャビティ面にゴムシートが貼着されていない、従来の予備成形体成形金型を用いた以外は、実施例１の成形材料を使用し、実施例１の成形方法を実施した。
【００２８】
原材料の配合、成形条件、および得られた燃料電池セパレーター成形体の特性を表１に示す。
【表１】

【００２９】
＜表の注＞
（原材料）
（１）人造黒鉛：日本黒鉛社製ＰＡＧ１２０ 平均粒径１２０μｍ、比表面積０．６ｍ^２／ｇ
（２）離型剤：ステアリン酸
（予備成形体）
（１）密度差：予備成形体の密度差を目視により確認し、表面の密度差を確認できるものを○、確認できないものを×とした。
（２）厚み精度：成形品の中央部１点と四隅の厚み（いずれも同じ深さの溝加工を施している部分）をマイクロメーターで測定し、その最大値と最小値との差を厚み精度とした。
（３）離型性：予備成形体作製後、金型より離型できるものを○、割れ・欠け等があるものを×とした。
【００３０】
（燃料電池セパレーター成形体の特性測定方法）
（１）充填性：セパレーターの充填性を目視により確認し、完全に充填したものを○、一部でも未充填があるものを×とした。
（２）厚み精度：成形品の中央部１点と四隅の厚み（いずれも同じ深さの溝加工を施している部分）をマイクロメーターで測定し、その最大値と最小値との差を厚み精度とした。
（３）外観：ガス欠け、フクレ等がなく、曇りのないものを良とし、それ以外のものを不良とした。
【００３１】
表１の結果より、実施例１、２、３ではいずれも充填性、厚み精度、外観に優れた燃料電池セパレーター成形体が得られた。一方、比較例１では従来構造の予備成形体成形金型を用いたが、充填性、外観に劣るものとなった。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の予備成形体成形金型は、上型のキャビティ面にゴムシートを貼着したことを特徴とする金型であり、最終の燃料電池セパレーター成形体を成形する前に、予備成形した段階で充填性の良否の事前判定が可能となる。従って本発明は、燃料電池用セパレーターを成形する場合の、予備成形体成形金型として好適である。また、本発明の燃料電池セパレーターの製造方法は、上記の予備成形体成形金型により予備成形体を成形し、充填性の良好な予備成形体を用いて燃料電池セパレーター成形体を成形するので、充填性、厚み精度、外観に優れた燃料電池セパレーター成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の予備成形体成形金型の断面図である。
【図２】本発明の予備成形体成形金型の一例（断面図）である。
【図３】本発明の予備成形体成形金型の下型であり、下型のキャビティ面に凹凸のあるものの一例（断面図）である。
【符号の説明】
１，６ 上型
２，７，１０ 下型
３，８ 予備成形体
４，９ クリアランス
５ ゴムシート
１１ 凹凸

Claims (4)

1. 熱硬化性樹脂成形材料からなる板状成形体の予備成形体を成形する金型において、該金型の上型がそのキャビティ面にゴムシートを貼着してなるものであることを特徴とする予備成形体成形金型。
2. 前記ゴムシートのヤング率が１〜１００ＭＰａである請求項１に記載の予備成形体成形金型。
3. 予備成形体成形金型の下型のキャビティ面が成形品の凹凸形状に対応した形状である請求項１または２に記載の予備成形体成形金型。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の予備成形体成形金型により熱硬化性樹脂成形材料から予備成形体を成形し、次いで、該予備成形体を燃料電池セパレーター成形金型により加熱加圧成形することを特徴とする燃料電池セパレーターの製造方法。

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