JP2006004845A

JP2006004845A - 燃料電池セパレータの製造方法およびその製造用金型

Info

Publication number: JP2006004845A
Application number: JP2004181917A
Authority: JP
Inventors: Toshihisa Fujitaka; 俊久藤高
Original assignee: Nippon Steel Chemical Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Chemical and Materials Co Ltd
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】セパレータの品質向上と生産性向上、製造コスト低減を同時に実現する燃料電池セパレータの製造方法およびその製造用金型を提供する。
【解決手段】金型１０は、圧縮成形タイプであり、下金型１６には、成形されるセパレータに形成されるガス通路とされる孔２８に対応する位置に孔２０が形成される。この孔２０に挿脱可能にピン２４が挿入される。粉体等の流動性を有する材料を供給する前は、ピン２４を、製品を成形する箇所１８から後退させて孔２０の内部に収容しておき、あるいは、ピン２４の先端部を、製品を成形する箇所１８に突出させておく。材料２６の供給を開始した後、材料２６内にピン２４を進入させて材料２６に孔２８を形成し、成形を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池セパレータの製造方法およびその製造用金型に関する。

家庭用コージェネ装置や自動車搭載用途等に利用される燃料電池が注目されている。燃料電池は、化学エネルギーを熱エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーにして利用するものであり、通常、水素および酸素の反応によって電気を取り出す。燃料電池には、リン酸型燃料電池、固体電解質型燃料電池および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等いくつかの方式がある。

それぞれの方式の燃料電池において、燃料電池セパレータ（以下、これを単にセパレータということがある。）が使用されている。セパレータは、電極等とともに単位セルを構成する。１個の単位セルは電気出力が小さいため、この単位セルを多数積層したスタックが使用される。セパレータは、導入される水素ガスあるいは酸素ガスを隣り合うセル間で隔離する。

セパレータには、ガスの流路となる溝が多数形成されるとともに、通常セパレータの周縁にガスを外部から導入するための貫通孔（以下、これを単に孔ということがある。）が形成される。セパレータは、燃料電池の集電体として機能するため、例えば１０ｍΩ・ｃｍ以下の高い導電性が要求される。セパレータには、さらに、気体透過性、耐酸化性、耐加水分解性、耐熱水性、生成した水を効果的に排水するための親水性等の機能も要求される。

近年、これらセパレータの材料としては、炭素材料系、金属系、導電性ポリマー系など多岐に亘る材料が検討されている。
これらの材料のなかで、導電性や耐熱性等の特性に優れる炭素材料系が広く用いられている。炭素材料系には、黒鉛・樹脂コンパウンド系、膨張黒鉛系、シート状炭素系、ガラス状炭素系など種々のものがある。

これらの炭素材料系セパレータ材料のなかで、黒鉛・樹脂コンパウンド系の材料は、成形し易く量産に向いていると考えられる。
この場合、材料が、極高温でないと溶融しない黒鉛をきわめて高配合に含むコンパウンド系であり、ほとんど流動しないために、製造技術として、材料を加熱、溶融して流動状態とし、閉じた金型に圧入して成形する射出成形法等の成形技術は採用されておらず、金型を開いて金型全体に材料を充填した後、金型を締めて、加圧、加熱して成形する圧縮成形技術が一般的に採用されている。

しかしながら、圧縮成形技術を用いて炭素材料系セパレータを製造する場合においても、セパレータとして要求される高い導電性を満たすために材料の黒鉛配合比率を大きくする必要があり、そのために材料を金型に充填する際に流動しづらい場合がほとんどである。また、例え流動可能な材料であっても、粘度が非常に高いため流動性がよくない。このとき、材料の充填状態が不均一になると、厚み精度が悪化する問題や、機械的強度が小さい個所が生じてセパレータが割れる等の問題が発生する。
上記のように材料の黒鉛配合比率が大きくバインダーとなる樹脂の配合比率が小さいために、黒鉛と樹脂の密着性が悪い部分を生じ、このために機械的強度が小さく、セパレータの割れ等の問題が発生する。

したがって、適当な手段により材料を金型内に均一に充填することが必須であるが、このことは通常必ずしも容易ではない。特に、セパレータは、上記のように複数の孔をセパレータの周縁付近に形成する必要があるが、これらの孔を成形時に形成する方式の場合、孔を形成するために設けられる、キャビテイに突出した突起部分と金型の間の狭い隙間のキャビテイ箇所に材料を十分に充填することは難しい。

また、材料を金型に充填した後、加熱、加圧して材料を硬化させて成形する際には、材料を硬化に先立ち一旦溶融させるが、このとき、射出成形において避けることのできないウエルドに起因する問題をその程度は別として生じうる。すなわち、射出成形の場合、複数の流動先端部（これをフローフロントという。）が会合した場所にウエルドが発生しやすいが、上記金型の突起部分と金型の間の狭い隙間の部分の材料にもウエルド状の部位を生じうる。このとき、バインダーである樹脂配合が低いと、フローフロント間の密着性が悪く、上記と同様にセパレータの割れ等の問題が発生する。

このセパレータの孔近傍の割れを解消するために、成形材料を金型内に均一に充填することで、セパレータの機械的強度を向上させる方法が提案されている。

例えば、下向きでマトリックス状に配置され、一定の高さで所定の容積空間が形成された複数の投入口を有する投入部に一旦材料を充填し、投入部を金型上部に配置後、投入部の下側に位置するスライドプレートを引く抜くことで、金型に均一な材料充填を行う方法が提案されている（特許文献１参照。）。
また、成形材料を、金型キャビテイ内に、正確に所定量、かつ均一に供給することができる燃料電池のカーボンセパレータの製造装置が提案されている。この装置は、上方に開口するキャビテイを形成する下型およびダイスと、このキャビテイ上方に横方向に進入・後退可能なメッシュと、前記メッシュ上に位置しメッシュに対して相対的に横方向に移動可能でかつキャビテイ上方に横方向に進入・後退可能でありメッシュの目を通してキャビテイに原料を供給する原料収納容器と、を有する（特許文献２参照。）。

しかしながら、これらの方法あるいは装置は、いずれも専用の複雑な構造の材料充填装置が必要である。このため、材料充填装置費用が本体装置費用とは別途に発生すること、装置の汎用性がなく金型ごとに材料充填装置を製作しなければならないこと、材料充填に時間を要すること等の問題がある。

一方、セパレータの製造方法として、成形段階で溝を加工してセパレータ半製品にさらに孔を加工する方法も提案されている。
この方法は、切削加工を行って孔を形成するものであるため、成形時に孔形成ための突起部分を金型に設けることに起因する上記の問題は発生しない。しかしながら、この方法では、セパレータの機械的強度が大きくないときには、上記と同様に孔の加工部分に割れが発生したり、あるいは加工面が粗くなったりするおそれがある。また、セパレータの製作に時間がかかり、さらに製作費用も高価であるため、工業的量産には適さない。

そこで、材料充填時間の問題を解決し、成形サイクルを短縮するために、孔や溝を成形段階で一括して形成する際に工夫を加えた方法として、シート状の１次成形体（これをプリフォームという。）を成形後、プリフォームを金型に充填して成形する方法が考案されている。

その一例として、ポリフェニレンスルフィド系樹脂等の非炭素質熱可塑性樹脂と黒鉛粒子や導電性カーボンブラック等の導電剤とを含む樹脂組成物をシート成形し、得られたシートを溝付き金型でスタンピング成形することにより、燃料電池用セパレータを製造する方法がある（特許文献３参照。）。
しかしながら、この方法はプリフォームを成形する手間がかかり、また、プリフォームを製造する専用装置を設ける必要があるため、成形コストが大きくなる。

また、プリフォームを成形した後に、さらに圧縮成形等してセパレータ形状に加工する際に孔あけ加工を適当なタイミングで行う方法が提案されている。
この場合、例えば圧縮成形作業開始後、一定時間経過したときに孔あけを行い、あるいは、圧縮成形作業開始後、プリフォームの温度が所定の温度に達したときに孔あけを行うことが望ましいとされている。この方法によれば、孔の加工部分に割れが発生したり、加工面が粗くなったりするおそれのない、孔の加工面が良好なセパレータが得られるとされている（特許文献４参照。）。
しかしながら、この場合、孔あけ加工を開始するまでに、例えば６５ｓｅｃ以上の待ち時間を要し、成形サイクルが長くなる。さらに、孔あけ加工を適当なタイミングで行うことができる時間はかなり短い時間に限られると考えられるために、孔あけ加工を行うタイミングを図ることが煩雑であり、また、実際には適当なタイミングを逸して良好な孔の加工面が得られないおそれがあり、あるいは、孔あけ加工のタイミングがばらつくことによって孔の加工面の品質がばらつくおそれもある。また、他の例と同様に、プリフォームを成形する手間がかかり、また、プリフォームを製造する専用装置を設ける必要があるため、成形コストが大きくなる。なお、孔あけ加工のタイミングを材料の温度で管理するために熱電対を設ける場合には、ポンチを下げて孔を打抜く際に、ポンチが熱電対に当たらないように熱電対を内蔵したパットを下げる必要があるため、金型構造が複雑であり、金型設備が高価となり、また保守管理が煩雑となる問題がある。
特許第３３５６７２８号公報特開２００３−３４６８２９号公報特開２００１−１２２６７７号公報特開２００３−２２８１２号公報

上記のように、従来の燃料電池セパレータの製造方法あるいは製造装置は、いずれも、一長一短であり、成形時に孔あけを行いあるいは成形後に孔あけを行うことに起因するセパレータの割れの問題、製造方法あるいは製造装置の複雑化による生産性の低下や製造コストの増大の問題等のいずれかの問題を含むものである。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、新規な燃料電池セパレータの製造方法およびその製造用金型を提供することを目的とする。
また、本発明は、セパレータの品質向上と生産性向上、製造コスト低減を同時に実現する燃料電池セパレータの製造方法およびその製造用金型を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、炭素および樹脂を主成分とし、流動性を有する材料を、１対の対向する金型半体を有する金型を開いて供給した後、該材料を圧縮成形して燃料電池セパレータを製造する方法において、
該材料を金型に供給開始した後、該材料が硬化完了するまでの間に、該材料に孔あけ部材を進入させて該材料に孔を形成することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記孔を形成するまでは、前記孔あけ部材を前記材料の成形箇所から後退させて該金型の内部に収容して該孔あけ部材の先端部を該金型の内面と実質的に面一にし、または該孔あけ部材を該材料の成形厚みの７０％以下の範囲内で該材料の成形箇所に進入させておくておくことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記孔を形成するとき、前記孔あけ部材の設けられた側の金型半体と対向する側の金型半体の、該孔あけ部材に対応する箇所に開口を生成し、該孔あけ部材の先端部を該開口の少なくとも入り口まで進出させて、押し出された該材料を該開口に押し込むことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記孔を形成した後、成形品を前記金型から取り出す作業を開始するまでの間に、前記孔あけ部材の先端部を前記材料の成形箇所から後退させて該金型の内部に収容しておくことを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、前記炭素として黒鉛を、および前記樹脂として熱硬化性樹脂を用いることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、炭素および樹脂を主成分とする材料を、対向する1対の金型半体を有する金型を開いて供給した後、該材料を圧縮成形して燃料電池セパレータを製造する燃料電池セパレータ製造用金型において、
該材料の成形箇所対して進退可能な孔あけ部材を該金型の内側に有することを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、前記孔あけ部材が、孔を形成するときまでは、該孔あけ部材の先端部を該金型の内面と面一に配置しまたは該材料の成形厚みの７０％以下の範囲内で該材料の成形箇所に進入させ、該材料が硬化完了するまでの間に該材料にさらに進入させて該材料に孔を形成するように構成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、前記孔あけ部材の先端部が刃状に形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、前記孔あけ部材が、前記１対の金型半体のうちの１つの金型半体の内面に突設される第一の孔あけ部材部と、他の１つの金型半体の内面に該材料の成形箇所に対して該第一の孔あけ部材部と対抗する位置から進退可能に設けられる第二の孔あけ部材部とで構成されることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、前記孔あけ部材が、前記１対の金型半体のそれぞれの内面に該材料の成形箇所に対して対抗する位置から進退可能に設けられる１対の孔あけ部材部で構成されることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、前記金型が、前記孔あけ部材の設けられた金型半体と対向する金型半体の内面に開口を生成、閉塞可能な開口生成閉塞部材を有することを特徴とする。

本発明に係る燃料電池セパレータの製造方法は、材料を金型に供給した後、材料が硬化するまでの間に、材料に孔あけ部材を進入させて材料に孔を形成し、また、本発明に係る燃料電池セパレータ製造用金型は、材料成形箇所に対して進退可能な孔あけ部材を有する。このため、従来、成形時あるいは成形後に実施する孔あけ加工に起因して生じていたセパレータの割れが発生しない。また、成形後に孔あけ加工を行うときあるいは予めプリフォーム製造するときの生産性の低下、装置コスト増加、製造コスト増加等の問題がない。

本発明の実施の形態について、以下に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態例に何ら限定されるものではない。また、各図において、構造を判りやすくするため、セパレータ固有の溝は表示しておらず、溝の説明も省略している。また、本発明は溝の有無によって何ら限定されるものではない。

まず、本発明の実施の形態の第一の例に係る燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ製造用金型（以下、単に方法および金型ということがある。）について図1〜図４を参照して説明する。

本発明の実施の形態の第一の例に係る金型１０は、圧縮成形タイプであり、図１に概略構成を示すように、上金型（金型半体）１２、中金型１４および下金型（金型半体）１６で構成される。型締めした状態の上金型１２、中金型１４および下金型１６の内部に成形材料（以下、単に材料という。）を充填して成形するための製品が成形される箇所（材料の成形箇所、キャビテイ）１８が形成される。

下金型１６には、製品が成形される箇所１８側の内面に開口する単一または複数の孔２０が形成される。この孔２０は、成形される燃料電池セパレータ（以下、単にセパレータという。）に形成されるガス通路とされる孔（後で説明する図４の参照符号２８の孔参照。）に対応する位置に設けられる。図示しない駆動機構によって上下動する固定部２２に固着して孔２０ごとにピン（孔あけ部材）２４が設けられ、ピン２４は挿脱可能に孔２０に挿入される構造とされている。
ピン２４は、本実施の形態例とは逆に、上金型１２に設けてもよい。ピン２４の詳細については以下の製造方法の手順と合わせてさらに説明する。なお、図１を始めとする全図において、理解を容易にするために、金型構造のうちピンおよび固定部のみにハッチング模様を施し、また、材料に梨地模様を施すが、他は白抜き表示する。
駆動機構は、金型１０や金型１０に付帯する設備に設置した上下動装置等を用いることができる。また、駆動方法は、手動、油圧、電動、空気圧あるいはその他の適宜の方法を用いることができる。

金型１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法について以下説明する。

図1に示した金型１０は、材料を金型１０内の製品が成形される箇所１８に供給する前の状態のものである。金型１０は、固定部２２に取り付けられたピン２４が、製品が成形される箇所１８から後退して孔２０の内部、言い換えれば下金型１６の内部に収容されている。
そして、ピン２４の先端部は下金型１６の製品が成形される箇所１８に向いた内面とほぼ同一面上に位置し、下金型１６の内面側からは、通常の孔あけ部材のような突起物が突出していない。このとき、ピン２４の先端部は下金型１６の製品が成形される箇所１８に進入していてもよい。その進入長さは成形品厚みの７０％以下であり、より望ましくは成形品厚みの５０％以下である。

材料は、例えば、黒鉛と熱硬化性樹脂を主成分とする粉体品を用いる。
図２に示すように、上金型１２を開いて、上記の材料２６を下金型１６に供給し、所定量、ほぼ均一に充填する。このとき、材料２６は、常温で取り扱ってもよく、また、予熱したものを用いてもよい。
材料２６を下金型１６充填した後、図３に示すように、上金型１２を締めて、適宜の手段で加熱された金型１０を介して材料２６を加熱する。
材料２６を金型１０に供給開始した以降、材料２６の硬化が完了するまでの間に、望ましくは、金型１０の製品が成形される箇所１８のほぼ全体に材料２６を充填した直後に、より望ましくは、材料２６を充填した後、上金型１２を締めた直後に、固定部２２を上動させて、製品が成形される箇所１８内、言い換えれば材料２６内にピン２４を進入させて材料２６に孔２８を形成する。

このとき、上記した成形品厚みの７０％以下の進入長さでピン２４の先端部を下金型１６の製品が成形される箇所１８に進入させるタイミングは、材料２６の硬化が完了する前であればいつでもよい。例えば、材料２６を充填した直後にあるいはさらにその前の時点である材料供給を開始した後に、充填を完了する直前からピン２４を製品が成形される箇所１８に進入させてもよい。後者の材料の充填を完了する前であって材料供給を開始した後にピン２４を材料２６に進入させる場合は、材料の充填が完了するまでは、ピン２４の進入量、言い換えれば突出高さを、成形品厚み（成形厚み）の７０％以下としておくことで、ピン２４の製品が成形される箇所１８内への突出部分が材料２６を均一に充填するときの妨げとなることがない。
望ましくは、供給される材料２６が、製品が成形される箇所１８内のほぼ全体に行き渡って均一に充填された直後にピン２４の進入を開始する。そして、加熱されて樹脂が溶融した材料２６の流動を妨げることなく、材料２６の樹脂が均一に溶融した以降、硬化を始める前までに材料２６の孔２８を形成する。
より望ましくは、材料２６を製品が成形される箇所１８に充填した後、上金型１２を締め、規定の成形圧力をかけた直後に、ピン２４の進入を開始する。そして、材料２６の樹脂が均一に溶融した以降、硬化を始める前までに材料２６の孔２８を形成する。
なお、いずれの場合も、上金型１２を締め、規定の成形圧力をかけた後は、速やかにピン２４の進入を終了させることが望ましい。

材料２６内にピン２４を進入させることにより、ピン２４の径寸法に応じた孔２８が材料２６に形成されるとともに、ピン２４によって押し出された材料２６が、形成される孔２８の位置の周辺箇所に押し出される（図示せず。）。

孔あけ作業を完了するまでのピン２４の最大進入量は、ピン２４が上金型１２に当たる０.５ｍｍ手前から上金型１２に当たるまでの範囲が好ましい。ピン２４を上金型１２に当たる０.５ｍｍよりもさらに手前の位置までしか進入させない場合、セパレータとなる成形品（後で説明する図５の参照符号３０の成形品参照。）の孔２８の上端に薄ばり状に残った部分（図示せず。）の後処理が煩雑となる。

材料２６の孔２８の形成が完了した後、図４に示すように、ピン２４を成形品３０から後退させて、再び孔２０内に収容する。なお、ピン２４を成形品３０から後退させるタイミングは、成形品３０がほぼ硬化した時点から、成形品３０を取り出す前までに、後退が完了していればよい。成形品３０の硬化が不充分な状態でピン２４を後退させると成形した孔２８が変形し、成形品３０を取り出すときにピン２４が成形品３０に進入したままであると、離型が難しくなる。

成形完了後、図５に示すように、金型１０を分解、型開きして成形されたセパレータ（以下、成形品と同じ参照符号を付す。）３０を取り出す。このとき、ピン２４をセパレータ３０から引き抜いた状態でセパレータ３０を金型１０から取り出すため、取り出し作業を容易に行うことができる。
なお、この場合、金型１０を分解する代わりに突出ピンでセパレータ３０を押し出す構造としてもよい。また、セパレータ３０の離型が容易なときは、ピン２４を下金型１６内に後退させる工程を省略して、ピン２４をキャビテイ１８内に突出させた状態のままとしてもよい。

また、セパレータ３０の離型を容易にするために、外部離型剤を用いてもよい。外部離型剤の種類は、シリコン系、フッ素系、ワックス類、金属石鹸類、ステアリン酸類等公知のものを使用できる。外部離型剤の塗布方法は、固形や粉体、顆粒状のものを直接塗布するする方法やスプレー塗布する方法等の適宜の方法を用いることができる。

金型１０から取り出したセパレータ３０の孔２８の周辺に薄ばり状に残った部分があるときは、カッター処理、打ち抜き、ドリル処理、サンッドブラストあるいはショットピーニング等の通常の方法によりばり処理を行う。なお、ばり処理は、自動化した装置を用いて行うことが望ましい。

以上説明した、本実施の形態の第一の例に係る燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ製造用金型によれば、従来孔あけ加工に起因して生じていたセパレータの割れを発生することがない。また、成形後に穴あけ加工を行うときあるいは予めプリフォーム製造するときの生産性の低下、装置コストの増加、製造コストの増加等の問題もない。なお、セパレータの孔の周辺部分は十分な機械的強度を有するため、セパレータを組み付けて燃料電池セルやスタックを作る際に、割れを生じることもない。

ここで、孔あけ部材であるピン２４の形状について説明する。

ピン２４は、先端部を種々の形状にしたものを用いることができる。例えば、図６−１のように先端部を平面状にしたピン２４ａは、製造が簡易である。また、先端部を、図６−２のような円錐状にしたピン２４ｂ、図６−３のように断面形状台形状にしたピン２４ｃあるいは図６−４のように周縁部をアール状とし、あるいは面取り処理したピン２４ｄは、孔あけの際に材料２６へのピン２０ｂ〜２０ｄの進入を容易に行うことができる。但し、これらの場合、材料２６に貫通孔を形成することができないので、セパレータ３０を取り出した後、上記のばり処理を行うことになる。

また、ピン２４は、図７−１に示すように、下金型１６の本体に固定され、あるいはピンとは別に上下動する支持軸３２を外嵌する円筒状のピン２４ｅに形成し、先端部を刃状としたものを用いてもよい（図７−１中、下金型１６の本体は図示せず。）。この場合、孔あけの際に材料へのピン２４ｅの進入を容易に行うことができ、かつピン２４ｅは、支持軸３２に支持された状態で上下動するため強度上の問題がなく、また刃の内側に材料の孔あけ残渣が入っても、例えばピン２４ｅを下動したときに支持軸３２によって孔あけ残渣を刃の内側（図７−１中、参照符号３４ａで示す。）から押し出すことができるので、掃除も容易である。

また、ピン２４は、図７−２に示すように、先端部に凹部３４ｂを形成するとともに、先端部の環状部分を刃状に形成したピン２４ｆであってもよい。この場合も孔あけの際に材料へのピン２４ｆの進入を容易に行うことができ、かつピン２４ｆ自体が十分な強度を有し、また、構造が簡単である。但し、凹部３４ｂに孔あけ残渣が入ったとき、掃除が若干煩雑となる。
以上説明した各種のピン２４ａ〜２４ｆの使い分けは、孔２８の寸法や形状あるいは材料２６の特性に合わせて行う。

つぎに成形材料２６について、さらに詳細に説明する。

材料２６は、粉体を金型１０の製品が成形される箇所１８全体に充填する方法に代えて、図８に示すように、製品が成形される箇所１８の中央部に嵩高に配置してもよい。また、材料２６は、金型１０に充填するに際し流動性を有するものであればよく、形態として、例えば、上記の粉体状のものに代えて、顆粒状としたものやペレット状にしたものを用いてもよい。なお、材料２６の流動性が低い場合は、材料２６を金型１０の製品が成形される箇所１８全体に均一に充填し、セパレータの溝形状や厚み段差に応じて、不要材料の除去や、材料の追加充填を行うことが望ましい。

材料２６の原料は、前記のように黒鉛紛と樹脂とを混合、混練したものを好適に用いることができる。

使用する黒鉛粉は高い導電性を示すものであれば特に制限はなく、例えば、メソカーボンマイクロビーズなどの炭素質を黒鉛化したもの、石炭系コークスや石油系コークスを黒鉛化したもの、ホウ素、珪素、鉄およびこれらの化合物等の触媒作用で黒鉛化したもの、等方性黒鉛のような特殊炭素材料、天然黒鉛やキッシュ黒鉛等を用いることができるほか、さらに黒鉛電極の加工粉や導電性カーボンブラック等も用いることができる。
また、材料２６の原料である黒鉛に代えて、ガラス状炭素や等方性炭素等の硬質炭素材等の他の炭素（炭素材料）を用いることもできる。

これらの黒鉛粉を単独でまたは２種以上を重量比で４０：６０〜９０：１０、好ましくは７０：３０〜８０：２０の割合で混合して使用することができる。また、２種以上の粒度分布を有する黒鉛粉を使用してもよく、例えば平均粒径５０〜３００μｍの大粒径黒鉛粉と、平均粒径５０μｍ未満、好ましくは５〜２０μｍの小粒径黒鉛粉とを重量比で４０：６０〜９０：１０、好ましくは７０：３０〜８０：２０の割合で配合してもよい。

樹脂は、耐熱性で、混練可能な程度に低粘度である樹脂であれば特に制限はなく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれも使用できる。但し、前記した本発明の作用上、熱硬化性樹脂を用いる場合において、より好適に本発明の効果が得られる。

熱硬化性樹脂は、例えばフェノール樹脂、フルフリルアルコール樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の樹脂を使用することができる。樹脂粘度については、黒鉛粉をできるだけ多量に混練させて導電性を高めるためには低粘度であることがよく、例えばエポキシ樹脂は、樹脂単独であるいは硬化剤等が配合される場合は配合された状態で、１５０℃における粘度が１〜５００ｍPa・sであり、２５℃において固体または３Pa・s以上の粘度であることが好ましい。なお、エポキシ樹脂硬化促進剤としては、アミン類、イミダゾール類、ウレア類、有機ホスフィン類、ルイス酸等の公知の促進剤が使用できる。

熱可塑性樹脂は、例えばポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレンテレフタレート、液晶ポリマー、ポリフェニレンサルファイド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリスルフォン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリフェニレンオキサイド、ポリアセタール等を使用することができる。

樹脂原料と、黒鉛粉もしくは必要に応じて黒鉛粉のほかに配合する硬化剤等を含む原料の配合割合は、樹脂に対して黒鉛粉等は２〜１５倍量であることが、必要な導電性を与える観点から好ましい。樹脂が多すぎても、少なすぎても固有抵抗が増大するので、より好ましくは３〜８倍量の範囲にするとよい。一般に、樹脂の割合が多すぎると黒鉛粉同士の接触が阻害されて導電性が低下し、少なすぎると所定の強度を有する成形体が得られなくなる傾向となる。なお、黒鉛粉と樹脂の混合は、これらを同時に混合してもよく、２種類以上の粒度分布を有する黒鉛粉を使用する場合には、その黒鉛粉を事前に混合したのち、樹脂と混合してもよい。

また、黒鉛粉と樹脂のほかに、改質用添加剤および他の導電性フィラー等を本発明の効果を妨げない範囲で配合することもできる。

改質用添加剤としては、流動パラフィン等の液体、あるいは、カルナバワックス、低分子量ポリエチレンワックス、ステアリン酸亜鉛等の粉体状離型剤、酸化防止剤、可塑剤、その他の各種添加剤が挙げられる。また、界面活性剤や親水性樹脂等の親水性を補助する添加剤を本発明の効果を妨げない範囲で併用してもよい。

材料は、各原料を混錬した後において平均粒径５０μｍ以下、特に２０〜４０μｍに解砕または粉砕することが好ましい。材料をタブレット化する際は、タブレット化装置に掛かりやすい形状に混練後に調整してもよい。その調整方法は、粉砕、解砕等、特に制約を受けるものではない。

黒鉛粉と樹脂とを混練してなる粉粒体は、所定の粒度分布に調整するとよく、その粒度分布をロジンラムラー分布（Rosin-Rammler’s
distribution）の式：
Ｒ＝１００ｅｘｐ(−ａｄ^ｎ)
（式中、Ｒは分布量累積値の篩上（％）、ｄは粒径（μｍ）、aは定数を示す。）で表したとき、ｎの値が１．２〜２．０、特に１．３〜１．６の範囲にすることが好ましい。この場合の粒度測定は篩分け法による。ロジンラムラー分布の式において、粉粒体が正規分布をとるとき、ｎは分布の広狭を示し、ｎが大きいほどシャープな分布を示す。ｎの値が１．２未満であると、分布が広すぎて大粒子が含まれ成形品の表面に荒れが生じる傾向となり、一方ｎの値が２．０を超えると、分布がシャープになって比重が上がらず、抵抗が高くなる傾向となる。なお、ｎ値の制御は、分級条件、粉砕機やその運転条件を選定することにより可能である。

つぎに、成形条件についてさらに説明する。

金型温度は、エポキシ樹脂系の材料を例に取れば、５０〜２５０℃好ましくは８０〜２１０℃とする。このとき、金型温度を一定に保持して材料充填から成形品取り出しまで行う方法や、材料充填時や製品取り出し時に金型温度を下げる方法を採用してもよい。
成形時間は、０.５〜２０分好ましくは１〜１０分である。
成形圧力は、５０〜１０００ｋｇ／ｃｍ²、好ましくは、１００〜７００ｋｇ／ｃｍ²である。

つぎに、本発明の実施の形態の第二の例に係る燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ製造用金型について図９〜図１１を参照して説明する。

本発明の実施の形態の第二の例に係る金型１０ａは、図１０に示すように、下金型１６に第一の例に係る金型と同様のピン２４が設けられるとともに、製品が成形される箇所１８を介してピン２４と対向する位置の上金型１２ａの箇所にも孔４２が形成され、孔４２を挿脱可能なピン４４およびピン４４を上下動させる固定部４６が設けられる。

図９は、材料２６を製品が成形される箇所１８に配置した後、ピン２４による孔あけが開始される前の状態を示す。この状態において、下金型１６のピン２４は未だ孔２０内に収容されており、一方、上金型１２ａの孔４２は下動したピン４４によって製品が成形される箇所１８の側の開口が閉塞されている。このとき、ピン２４の先端部は下金型１６の製品が成形される箇所１８に進入していてもよい。その進入長さは成形品厚みの７０％以下であり、より望ましくは成形品厚みの５０％以下である。

この状態から、図１０に示すように、上金型１２ａを締めて成形を開始すると、下金型１６のピン２４は第一の例のピン２４と同様な動きをする。このとき、上金型１２ａのピン４４は固定部４６とともに、好ましくはピン２４の動きと合わせて上動して孔４２が上金型１２ａの製品が成形される箇所１８側の面に開口する。

そして、ピン２４によって材料２６に孔２８が形成されるとともに、進出するピン２４によって押し出された材料２６は、孔４２に収容される。このため、孔あけが円滑に行われる。

孔あけに引き続いて成形が終了した後、図１１に示すように、金型１０ａを開いて、孔２８が形成されたセパレータ３０を取り出すとともに、ピン４４を下動させて上金型１２ａの孔４２を閉塞する。このとき、孔４２に入っていた材料２６がピン４２から押し出される。
このように、孔４２およびピン４４は、製品が成形される箇所１８に向けて開いた開口を生成、閉塞可能な開口生成閉塞部材を構成する。
なお、本実施の形態例に変えて、開口生成閉塞部材を下金型に設け、孔あけ部材を上金型に設けてもよい。

つぎに、本発明の実施の形態の第三の例に係る燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ製造用金型について図１２〜図１３を参照して説明する。

本発明の実施の形態の第三の例に係る金型１０ｂは、下金型１６と同様のピン６４が上金型１２ｂにも設けられ、ピン６４が下金型１６のピン２４と同様に作用する点が第二の例に係る金型１０ａと異なる。
すなわち、金型１０ｂは、図１２に示すように、下金型１６に第一の例に係る金型と同様のピン(孔あけ部材部)２４が設けられるとともに、製品が成形される箇所１８を介してピン２４と対向する位置の上金型１２ｂの箇所にも下金型１６の孔２０と同様の孔６２が形成され、孔６２を挿脱可能なピン６４(孔あけ部材部)およびピン６４を上下動させる固定部６６が設けられる。

図１３に示すように、上金型１２ｂを締めて成形を開始すると、下金型１６のピン２４は第一の例のピン２４と同様な動きをし、このとき、上金型１２ｂのピン６４は固定部６６とともに、好ましくはピン２４の動きと合わせて下動して製品が成形される箇所１８側に進入し、材料２６に孔２８を形成する。この場合、孔あけを行うときまでは、ピン２４およびピン６４はそれぞれの先端部を金型１０ａの内面と面一の位置に配置し、あるいは、ピン２４およびピン６４の合計の進入長さを成形品厚みの７０％以下、より望ましくは成形品厚みの５０％以下とする。
上下の金型１２ｂ、１６にピン２４、６４を設けることで、１基当たりのピン２４、６４の進入量をそれぞれ小さくできるので、短時間、且つ低負荷で孔をあけることが可能となり、短時間で硬化するコンパウンドへの対応がより好適となる。又、打ち抜ききれず、薄膜状に残った場合でも、薄膜部は穴の中にあるので、処理が容易であり、且つ処理跡は目立たない。

つぎに、本発明の実施の形態の第四の例に係る燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ製造用金型について図１４〜図１５を参照して説明する。

本発明の実施の形態の第四の例に係る金型１０ｃは、下金型１６に設けられたピン（第二の孔あけ部材部）２４と対向する上金型１２ｃのピン２４に対応する箇所に、固定した補助孔あけ部材（第一の孔あけ部材部）８４を設ける点が第一の例に係る金型１０と異なる。
すなわち、金型１０ｃは、図１５に示すように、下金型１６に第一の例に係る金型と同様のピン２４が設けられるとともに、製品が成形される箇所１８を介してピン２４と対向する位置の上金型１２ｃの箇所に固定した補助孔あけ部材８４を設ける。補助孔あけ部材８４の高さは、成形品厚みの７０％以下であり、より望ましくは成形品厚みの５０％以下である。離型時に補助孔あけ部材８４にセパレータが固着しない程度の適度の寸法に補助孔あけ部材８４の高さを設定する。また、材料に孔を形成する前にピン２４を予め製品を成形する箇所に突出させておくときは、ピン２４の進入長さと補助孔あけ部材８４の高さの合計寸法が成形品厚みの７０％以下、より望ましくは成形品厚みの５０％以下となる範囲内で、ピン２４の進入長さと補助孔あけ部材８４の高さを設定する。

図１５に示すように、上金型１２ｃを締めて成形を開始すると、下金型１６のピン２４は第一の例のピン２４と同様な動きをして材料２６に進入する。このとき、上金型１２ｃの補助孔あけ部材８４は、既に、ピン２４と反対側から材料２６に進入した状態にある。そして、材料２６の内部でピン２４および補助孔あけ部材８４が突き当たることで、材料２６に孔２８が形成される。これにより、本発明の実施の形態の第三の例に係る金型１０ｂと同様の効果を得ることができる。又、本発明の実施の形態の第三の例と同様に、打ち抜ききれず薄膜状に残った場合でも、薄膜部は穴の中にあるので、処理が容易であり、且つ処理跡は目立たない。
なお、本実施の形態例とは逆に、上金型にピンを設け、下金型に固定した補助孔あけ部材を設けてもよい。

本実施の形態に係る製造方法および金型によれば、割れの生じにくい孔を有するセパレータを簡便にかつ短時間で製造することができ、例えば、嵩密度１．8０ｇ／ｃｍ^２以上、固有抵抗１００ｍΩｃｍ以下、曲げ強度３０ＭＰa以上、気体透過率１×１０^−１４ｃｍ^２以下の物性を備え、さらに厚み精度１００μｍ以下のきわめて優れた物性を示すセパレータを得ることができる。

本実施の第一の例に係る金型において成形材料を充填する前の状態を示す概略図である。本実施の第一の例に係る金型において成形材料を充填したときの状態を示す概略図である。本実施の第一の例に係る金型を型締めして孔を形成するときの状態を示す概略図である。本実施の第一の例に係る金型で孔を形成した後、ピンを材料から抜いた状態を示す概略図である。成形後、本実施の第一の例に係る金型を型開きした状態を示す概略図である。本実施の形態例に係るピンの一例を示す図である。本実施の形態例に係るピンの他の一例を示す図である。本実施の形態例に係るピンのさらに他の一例を示す図である。本実施の形態例に係るピンのさらに他の一例を示す図である。本実施の形態例に係るピンのさらに他の一例を示す図である。本実施の形態例に係るピンのさらに他の一例を示す図である。本実施の第一の例に係る製造方法において、材料を金型の中央に配置した例を説明するための金型の概略図である。本実施の第二の例に係る金型において成形材料を充填したときの状態を示す概略図である。本実施の第二の例に係る金型を型締めして孔を形成するときの状態を示す概略図である。成形後、本実施の第二の例に係る金型を型開きした状態を示す概略図である。本実施の第三の例に係る金型において成形材料を充填したときの状態を示す概略図である。本実施の第三の例に係る金型を型締めして孔を形成するときの状態を示す概略図である。本実施の第四の例に係る金型において成形材料を充填したときの状態を示す概略図である。本実施の第四の例に係る金型を型締めして孔を形成するときの状態を示す概略図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ金型
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ上金型
１４中金型
１６下金型
２２、４６、６６固定部
２４、２４ａ〜２４ｆ、４４、６４ピン
２６、２６ａ材料
３０成形品
３２支持軸
８４補助孔あけ部材

Claims

炭素および樹脂を主成分とし、流動性を有する材料を、１対の対向する金型半体を有する金型を開いて供給した後、該材料を圧縮成形して燃料電池セパレータを製造する方法において、
該材料を金型に供給開始した後、該材料が硬化完了するまでの間に、該材料に孔あけ部材を進入させて該材料に孔を形成することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
前記孔を形成するまでは、前記孔あけ部材を前記材料の成形箇所から後退させて該金型の内部に収容して該孔あけ部材の先端部を該金型の内面と実質的に面一にし、または該孔あけ部材を該材料の成形厚みの７０％以下の範囲内で該材料の成形箇所に進入させておくておくことを特徴とする請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。
前記孔を形成するとき、前記孔あけ部材の設けられた側の金型半体と対向する側の金型半体の、該孔あけ部材に対応する箇所に開口を生成し、該孔あけ部材の先端部を該開口の少なくとも入り口まで進出させて、押し出された該材料を該開口に押し込むことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
前記孔を形成した後、成形品を前記金型から取り出す作業を開始するまでの間に、前記孔あけ部材の先端部を前記材料の成形箇所から後退させて該金型の内部に収容しておくことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
前記炭素として黒鉛を、および前記樹脂として熱硬化性樹脂を用いることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
炭素および樹脂を主成分とする材料を、対向する1対の金型半体を有する金型を開いて供給した後、該材料を圧縮成形して燃料電池セパレータを製造する燃料電池セパレータ製造用金型において、
該材料の成形箇所対して進退可能な孔あけ部材を該金型の内側に有することを特徴とする燃料電池セパレータ製造用金型。
前記孔あけ部材が、孔を形成するときまでは、該孔あけ部材の先端部を該金型の内面と面一に配置しまたは該材料の成形厚みの７０％以下の範囲内で該材料の成形箇所に進入させ、該材料が硬化完了するまでの間に該材料にさらに進入させて該材料に孔を形成するように構成されていることを特徴とする請求項６記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
前記孔あけ部材の先端部が刃状に形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
前記孔あけ部材が、前記１対の金型半体のうちの１つの金型半体の内面に突設される第一の孔あけ部材部と、他の１つの金型半体の内面に該材料の成形箇所に対して該第一の孔あけ部材部と対抗する位置から進退可能に設けられる第二の孔あけ部材部とで構成されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
前記孔あけ部材が、前記１対の金型半体のそれぞれの内面に該材料の成形箇所に対して対抗する位置から進退可能に設けられる１対の孔あけ部材部で構成されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。
前記金型が、前記孔あけ部材の設けられた金型半体と対向する金型半体の内面に開口を生成、閉塞可能な開口生成閉塞部材を有することを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池セパレータ製造用金型。