JP2006092773A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、セパレータ本体両面にシール材を射出し被覆する際、セパレータ本体の反り、うねり、歪みがなく、且つ後工程で穴埋め作業が不要な燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを課題とする。
【解決手段】 セパレータ本体１１の縁１１ａの上下面１２、１３にシール材を備えた燃料電池用セパレータの製造方法において、セパレータ本体１１の縁１１ａの上下面１２、１３のうち、少なくとも一方の面にシール材１４の厚さに相当する径若しくは厚さの保持部材を複数個配置する工程と、保持部材を備えたセパレータ本体１１を射出金型にセットする工程と、射出金型のキャビティへ、溶融シール材を注入して前記セパレータ本体にシール材を一体成形する工程と、射出金型を開いてシール材の付いたセパレータ本体を取出す工程とから構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池において、セパレータ本体の縁の上下面にシール材を備える燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

従来、セパレータ本体の縁の上下面にシール材を一体成形した燃料電池用セパレータの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００２−２３７３１７公報（図１７）

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図１２は従来の技術の基本構成を説明する図であり、下型１０１と上型１０２にセパレータ本体１０３を挟み、ゲート１０５、１０５を通じて溶融シール材を射出することで、セパレータ本体１０３の縁にシール材１０６を一体成形するというものである。
反り、うねり、歪みの発生したセパレータ本体１０３を金型内に配置し、押さえ金具１０７、１０８、１０９、１１０でセパレータ本体１０３を金型内で押さえつけ、反り、うねり、歪みを矯正することを特徴とする。

押さえ金具１０７〜１１０は、下型１０１、上型１０２の付属物であるために、上型１０２を開くと、シール材１０６を被覆した部分の一部に押さえ金具１０７〜１１０の抜けた跡が穴の形態で残る。
これらの穴は、絶縁性などの点から好ましくないので、後工程でこれらの穴を埋める穴埋め作業が必要がある。
このため、特許文献１の技術では、製造コストが嵩む。

本発明は、セパレータ本体両面にシール材を射出し一体成形する際、後工程で穴埋め作業が不要な燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、セパレータ本体の縁の上下面にシール材を備えた燃料電池用セパレータの製造方法において、セパレータ本体の縁の上下面のうち、少なくとも一方の面に保持部材を複数個配置する工程と、保持部材を備えたセパレータ本体を射出金型にセットする工程と、射出金型のキャビティへ、シール材を注入してセパレータ本体にシール材を一体成形する工程と、金型を開いてシール材の付いたセパレータ本体を取出す工程と、からなることを特徴とする。

請求項２に係る発明では、シール材は、シリコーンゴムであり、保持部材は、けい素又はけい素化合物を含むことを特徴とする。

請求項３に係る発明では、保持部材は、シール材の厚さに相当する径をもつ球体であることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、保持部材は、シール材の上下方向総高さに相当する高さのコ字断面ピースであることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、保持部材は、球体とコ字断面ピースの組合せであることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、セパレータは、セパレータ本体の縁の上下面のうち、少なくとも一方の面にシール材の厚さに相当する保持部材を複数個配置し、これらの保持部材を配置したセパレータを射出金型にセットし、溶融シール材を注入してシール材を一体成形し、射出金型からシール材の付いたセパレータ本体を取出すことにより製造する。

セパレータ本体の縁に付けた保持部材は、シール材から取除かないでシール材に埋設する。従って、シール材に穴が残ることはなく、穴を埋める作業は発生しない。穴埋めの作業が不要であるため、製造コストを下げることができるという利点がある。

請求項２に係る発明では、シール材にシリコーンゴムを使うので、絶縁性、耐熱性、撥水性、耐老化性、耐薬品性の効果が得られるという利点がある。
加えて、保持部材にけい素又はけい素化合物を含有させたので、射出成形するシリコーンゴムであるシール材と同じ成分を含むことになり、シール材と保持部材とをなじませることができ、シール材と保持部材との好ましい接合を得ることができるという利点がある。

請求項３に係る発明では、保持部材は、球体であるため、セパレータ本体の所定の位置へ保持部材を簡便に配置することができるという利点がある。

また、保持部材は球体なので、セパレータ本体からの高さを一定値に設定することができる。
この結果、所定の位置に複数付けられた保持部材の間で、押圧力を均一にかけることができるという利点がある。

請求項４に係る発明では、保持部材は、シール材の上下方向総高さに相当する高さのコ字断面ピースなので、セパレータ本体の上下面を同時に保持することができるため、１回の射出成形により歪みのないセパレータを得ることができる。
この結果、製造コストをさらに下げることができるという利点がある。

請求項５に係る発明では、保持部材は、球体とコ字断面ピースの組合せとしたので、よりシール材の厚さ精度の高いセパレータを得ることができるという利点がある。

本発明を実施するための最良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は本発明に係るセパレータ本体に球状の保持部材を配置する工程を説明する図である。この工程では、（ｃ）に示す通りに、セパレータ本体１１の上面１２に球状の保持部材１６・・・（・・・は複数を示す。以下同じ。）を規則的に配置する。そのために、（ａ）のチップ治具１８と、（ｂ）のプレート治具２１とを準備する。

（ａ）に示す通り、チップ治具１８は、の表面に表面１８ａに球状の保持部材１６・・・（以下、チップ１７・・・ともいう。）をセットするセット穴１９・・・を配置し、これらのセット穴１９・・・に球状のチップ１７・・・をセットすることができる治具である。

さらに、チップ治具１８には、下型となるプレート治具２１に備える位置決めボスト２２、２２に嵌合する位置に位置決めポスト穴２３、２３を設け、セット穴１９・・・の下方にエアを吸引する吸引吹出口２４・・・を設け、これらの吸引吹出口２４・・・から下部に向け接続穴２５・・・を設け、これらの接続穴２５・・・とつながり水平方向に集合穴２６を設ける。集合穴２６の出口から引出す配管２７は、図示せぬ真空ポンプに接続する。

チップ治具１８にチップ１７・・・をセットするには、チップ治具１８の表面１８ａに備えるセット穴１９・・・が上方となるように向け、これらのセット穴１９・・・に向けチップ１７・・・を散布しつつ、吸引吹出口２４・・・・からエアを吸引することにより、（ｃ）に示す所定箇所に配置されるようにチップ１７・・・をセットする。
本実施例において、セット穴１９・・・に入らない余分なチップは球体であるため、チップ治具１８を振ることにより容易に除去できる。

余分なチップを除去するには、エアにより吹き飛ばしても良いし、チップ治具１８を傾斜させても良く、除去する方法は任意である。

次に、（ｂ）のプレート治具２１の上にセパレータ本体１１をセットし、想像線で示すチップ治具１８を合わせる。
詳細には、チップ１７・・・がセット穴から外れないように、エアを吸引したままチップ治具１８の表面１８ａを下方に向け、セパレータ本体１１を載せたプレート治具２１の位置決めポスト２２、２２にチップ治具１８の位置決めポスト穴２３、２３を重ねる。

なお、セパレータ本体１１の上面１２には、あらかじめ、チップ１７との接触によりチップ１７を接着する接着剤、あるいはプライマーを塗布しておくものとする。
プレート治具２１にチップ治具１８を重ねた後、吸引吹出口２４・・・からエアの吸引を止め、チップ治具１８からチップ１７・・・の規制を解除し、セパレータ本体１１の上面１２にチップ１７・・・を付ける。セパレータ本体１１の上面１２にチップ１７・・・を付けるため、吸引吹出口２４からセット穴１９・・・に向けエアを吹き出す。

（ｃ）は、プレート治具２１から取出したセパレータ本体１１を示す。
このように、チップ治具１８を使うことにより、球体としての複数のチップ１７・・・を所定の位置に簡便に配置することが可能となる。

すなわち、保持部材は、球体であるため、セパレータ本体１１の所定の位置に保持部材を簡便に配置することができる。
これに伴い、セパレータ本体１１からの高さをばらつきなく一定値にすることができる。従って、後工程の射出金型内において、所定の位置に複数付けられた保持部材の各々に、押圧力を均一にかけることができる。

なお、工程を追加することにより、セパレータ本体１１の上面１２に加え、下面１３にも球状の保持部材１６を付けることが可能である。この場合、セパレータ本体１１の両面１２、１３に球状の保持部材１６が付くので、セパレータ本体１１の両面１２、１３を同時に射出成形することができる。
すなわち、セパレータ本体１１の縁１１ａの両面１２、１３のうち、少なくとも一方の面にシール材の厚さに相当する径若しくは厚さの球状の保持部材１６を複数個配置することができる。

本実施例において、球状の保持部材１６は球体としたが、この形状に限定されない。例えば、直方体、立方体でも良いものとする。

図２は図１の２−２線断面図であり、セパレータ本体１１の縁１１ａに球状の保持部材１６（以下、チップ１７と呼ぶことがある。）を付けた状態を示す。あらかじめ、セパレータ本体１１の上面１２には、接着剤（又はプライマー）を塗布したので、チップ１７を上面１２に固着することができる。

以上に述べた、保持部材を配置する工程につづく射出工程を、以下に順に説明する。
図３は本発明に係る保持部材を備えたセパレータ本体を射出金型にセットすることを示す図であり、先ず、第１下型４２に球状の保持部材１６を付けたセパレータ本体１１をセットし、上型４３を載せる。なお、上型４３は、溶融シール材を注入するゲート４４、４５を備え、各々のゲート４４、４５に供給経路であるランナ４６、４７を介して溶融シール材を供給する不図示のシリンダから射出することができる金型である。
第１下型４２に上型４３を合わせ、すなわち射出金型４１を閉じると、セパレータ本体１１に付けた球状の保持部材１６は上型４３のキャビティ５１に当接する。

図４は本発明に係る樹脂射出説明図である。
先ず、本実施例における射出成形の条件を、以下のように設定する。
シール材射出圧力：１．５〜１０ＭＰａ（１５０〜１０００ｋｇ／ｃｍ^２）
射出成形型温度：３７３〜４７３Ｋ（１００〜２００℃）
シール材料：シリコーンゴム
セパレータ保持部材：樹脂又はゴム弾性体

（ａ）において、不図示のシリンダを用い、ゲート４４を介してキャビティ５１へ溶融シール材を射出する。シール材が固まったら上型４３から第１下型４２を外す。
（ｂ）において、上型４３に第２金型５４を合わせ、不図示のシリンダを用いゲート４５を介してキャビティ５２へ溶融シール材を射出する。

このとき、セパレータ本体１１に付けた保持部材１６は、上型４３のキャビティ５１とセパレータ本体１１に当接させたので、セパレータ本体１１に反り、うねり、歪みは発生しない。

詳細に説明すると、セパレータ本体１１の縁１１ａの上下面のうち、少なくとも一方の面にシール材１４の厚さに相当する径若しくは厚さの球状の保持部材１６を複数個配置したので、金型内にセパレータ本体１１を配置する際、セパレータ本体１１に生ずる反り、うねり、歪みを、保持部材１６によって押さえつけることにより矯正することができる。元来、セパレータ本体１１は、極めて薄いものであるため、通常、上下面に反りなどが残った状態であるが、複数の球状の保持部材１６を配置することにより、上下面に残った反りなどを成形前に矯正することができる。
この結果、シール材１４を一定厚さに被覆したセパレータ１５が得られる。

シール材１４はシリコーンゴムであり、保持部材は、けい素又はけい素化合物を含むことを特徴とする。
シール材にシリコーンゴムを使うので、絶縁性、耐熱性、撥水性、耐老化性、耐薬品性の効果が得られる。

加えて、球状の保持部材１６にけい素又はけい素化合物を含有させたので、射出成形するシール材であるシリコーンゴムと同じ成分を含むことになり、シール材１４と保持部材１６との間に好ましい接合が得られる。
また、球状の保持部材１６を配置した後、球状の保持部材１６の表面にけい素若しくはけい素化合物を含有したプライマーを塗布し、溶融シール材を射出成形することで、更にシール材１４と球状の保持部材１６との間の接合を良好にすることも可能である。

図５は本発明に係る金型の型開き図であり、上型４３と第２下型５４とを離し、シール材１４を形成したセパレータ本体１１を上型４３と第２下型５４とを備える射出金型４１から取出す。

図６は本発明に係るセパレータの完成図であり、セパレータ本体１１の一部に、球状の保持部材１６を付け、この球状の保持部材１６をシール材１４の一部となるように成形することで、シール材を一定厚さに被覆したセパレータを製造することができる。

このように、セパレータ本体１１の縁１１ａに付けた球状の保持部材１６は、シール材１４から取除かないでシール材１４に埋設する。従って、シール材１４に穴が残ることはなく、穴を埋める作業は発生しない。穴埋めの作業が不要であるため、製造コストを下げることができる。

さらに、この穴埋め作業は手作業であり、材料のつけ過ぎや、材料を穴以外の場所につけるなどにより不良が発生することがあったが、作業自体が不要になる。
この結果、穴に関係した不良の発生を防止できる。

図７は本発明に係るコ字断面ピースをセパレータ本体の縁に嵌合することを示す図である。具体的には、シール材１４の上下方向総高さＨに相当する高さのコ字断面ピース６１を複数個準備する工程において、所定数のコ字断面ピース６１・・・を準備する。
次いで、準備したコ字断面ピース６１をコ字断面ピースをセパレータ本体１１Ｂの縁６６に嵌合する工程において、準備したコ字断面ピース６１・・・をセパレータ本体１１の縁１１ａに嵌合する。
なお、シール材１４はシリコーンゴムであり、コ字断面ピース６１は、けい素又はけい素化合物を含む部材である。

図８は本発明に係るコ字断面ピースを備えたセパレータ本体を射出金型にセットすることを示す図である。
図４の球体の保持部材に換えてコ字断面ピース６１をセットすることで、セパレータ本体１１Ｂをコ字断面ピース６１と合わせ部８９の２箇所で抑えることにより、セパレータ本体１１Ｂの反り、うねり、歪みを矯正し、溶融シール材を射出することができる。

具体的には、コ字断面ピースを付けたセパレータ本体を射出金型にセットする工程において、下型６２にコ字断面ピース６１を付けたセパレータ本体１１Ｂをセットし、上型６４を被せる。
次に、上型６４と下型６２とを備える射出金型６０のキャビティ６３へ樹脂を注入してセパレータ本体１１Ｂにシール材１４Ｂを一体成形する工程において、溶融シール材を注入する。

最後に、金型を開いてシール材１４Ｂの付いたセパレータ本体１１Ｂを取出す工程において、上型６４を開き一体成形したセパレータ１５Ｂを取出す。

図８が図４と異なるところは、コ字断面ピース６１の上面６１ａを上型６４のキャビティ６３に当て、且つ、コ字断面ピース６１の下面６１ｂを下型６２のキャビティ６５に当接させた構造である。６８はランナ、６９はゲートである。
シール材１４の上下方向総高さＨに相当する高さのコ字断面ピース６１をセパレータ本体１１Ｂの縁６６に嵌合し、コ字断面ピース６１付きのセパレータ本体１１Ｂを射出金型６０にセットした後、射出金型６０のキャビティ６３、６５へ溶融シール材を注入する。

このように、セパレータ本体１１Ｂの縁６６にセットしたコ字断面ピース６１は、セパレータに埋設した部材であり、被覆部に穴が残ることはなく、穴を埋める穴埋め作業を不要にできる。
この結果、製造コストを下げることができるという利点がある。
作業自体が不要となるので、穴に関する不良が発生する虞もなくなる。

コ字断面ピース６１によりセパレータ本体１１Ｂの上下面１２Ｂ、１３Ｂを同時に保持できるため、一回の射出成形でセパレータ両面にシール材が被覆されたセパレータを得ることができる。
この結果、製造コストを削減することができる。

さらに、コ字断面ピース６１にけい素又はけい素化合物を含有させたので、射出成形するシリコーンゴムであるシール材と同じ成分を含むことになり、シール材１４Ｂとコ字断面ピース６１との好ましい接合が得られる。
さらにまた、コ字断面ピース６１を配置した後、コ字断面ピース６１の表面にけい素若しくはけい素化合物を含有したプライマーを塗布し、更にシール材とコ字断面ピース６１との間の接合を良好にすることも可能である。

図９は本発明に係るコ字断面ピースを配置したセパレータの完成図であり、セパレータ本体１１Ｂの縁部６６にコ字断面ピース６１を嵌め、このコ字断面ピース６１をシール材１４Ｂの一部となるように成形したものである。
上記の製造方法により、セパレータ本体１１Ｂの縁部６６の上下面１２Ｂ、１３Ｂにシール材１４Ｂを備える燃料電池用セパレータ１５Ｂを製造することができる。

図１０は図８の別実施例図であり、球状の保持部材１６は、球状の保持部材１６でもある球体７２とコ字断面ピース６１の組合せであることを特徴とする。
燃料電池用セパレータの製造方法において、セパレータ本体１１Ｃに球状の保持部材１６を取付け、次に、コ字断面ピース６１を付け、射出金型７０に入れ射出成形を行う。
７３は上型、７４は下型、７６はランナ、７７はゲートである。

球状の保持部材１６を取付けは、図１において説明した球状の保持部材１６をセパレータ本体１１Ｃに複数個配置する工程と、コ字断面ピース６１を図７において説明したセパレータ本体１１Ｃの縁部７１に嵌合する工程とにより行う。
その他、図８において説明したセパレータ本体を射出金型にセットする工程及び、溶融シール材を注入する工程は、基本的に同じであり、説明は省略する。

なお、セパレータ本体１１Ｃにコ字断面ピース６１を付け、次に、球状の保持部材１６を取付けるという順序でも差し支えない。

図１１は図９の別実施例図であり、セパレータ本体１１Ｃの上面１２Ｃに球状の保持部材１６を載せ、縁部７１にコ字断面ピース６１を嵌め、射出成形を行い、シール材１４Ｃを形成する。球状の保持部材１６及びコ字断面ピース６１をシール材１４Ｃの一部となるように成形したものである。
保持部材は、球体とコ字断面ピースとを適宜組合せることにより、よりシール材の厚さ程度の高いセパレータを得ることができる。

本発明は、燃料電池用セパレータの製造に好適である。

本発明に係るセパレータ本体に球状の保持部材を配置する工程を説明する図である。 図１の２−２線断面図である。 本発明に係る保持部材を備えたセパレータ本体を射出金型にセットすることを示す図である。 本発明に係る樹脂射出説明図である。 本発明に係る金型の型開き図である。 本発明に係るセパレータの完成図である。 本発明に係るコ字断面ピースをセパレータ本体の縁に嵌合することを示す図である。 本発明に係るコ字断面ピースを備えたセパレータ本体を射出金型にセットすることを示す図である。 本発明に係るコ字断面ピースを配置したセパレータの完成図である。 図８の別実施例図である。 図９の別実施例図である。 従来の技術の基本構成を説明する図である。

符号の説明

１１、１１Ｂ、１１Ｃ…セパレータ本体、１２、１２Ｂ、１２Ｃ…セパレータ本体の上面、１３、１３Ｂ、１３Ｃ…セパレータ本体の下面、１４、１４Ｂ、１４Ｃ…シール材、１６…球状の保持部材、５１、５２…キャビティ、６１…コ字断面ピース。

Claims (5)

1. セパレータ本体の縁の上下面にシール材を備えた燃料電池用セパレータの製造方法において、
   前記セパレータ本体の縁の上下面のうち、少なくとも一方の面に保持部材を複数個配置する工程と、
   前記保持部材を備えた前記セパレータ本体を射出金型にセットする工程と、
   前記射出金型のキャビティへ、前記シール材を注入して前記セパレータ本体に前記シール材を一体成形する工程と、
   前記金型を開いて前記シール材の付いた前記セパレータ本体を取出す工程と、
   からなることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記シール材は、シリコーンゴムであり、前記保持部材は、けい素又はけい素化合物を含む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製造方法。
3. 前記保持部材は、前記シール材の厚さに相当する径の球体であ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製造方法。
4. 前記保持部材は、前記シール材の上下方向総高さに相当する高さのコ字断面ピースであ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製造方法。
5. 前記保持部材は、球体とコ字断面ピースの組合せであ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製造方法。
   

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