JP2006128027A

JP2006128027A - 燃料電池用セパレータ成形部材及びその製造方法並びに燃料電池用セパレータ成形部材を用いた燃料電池用セパレータの製造方法

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Publication number: JP2006128027A
Application number: JP2004317820A
Authority: JP
Inventors: Osamu Shimada; 修嶋田; Atsushi Fujita; 藤田　　淳; Takayuki Suzuki; 孝幸鈴木; Yoshinori Uchiyama; 慶紀内山; Tomoaki Yajima; 倫明矢嶋
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】液状離型剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化の燃料電池セパレータを安価に提供することが可能な燃料電池セパレータ成形部材及びその製造方法並びに前記の効果を有する燃料電池セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】黒鉛及び樹脂を含む成形材料９を離型性のあるフィルム４で介在してなる燃料電池セパレータの成形部材、黒鉛及び樹脂を含む成形材料９の供給及び離型性のあるフィルム４で介在する工程を連続的に行うことを特徴とする燃料電池セパレータの成形部材の製造方法並びに上記の燃料電池セパレータ成形部材９又は上記の方法で製造された燃料電池セパレータ成形部材を熱圧縮成形した後、離型性のあるフィルムを除去することを特徴とする該燃料電池セパレータの製造方法。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ成形部材及びその製造方法並びに燃料電池用セパレータ成形部材を用いた燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は近年、化石燃料消費拡大による地球温暖化防止策、省エネルギー対策等の観点から非常に注目され、国、大学の研究機関、大手企業等でも研究開発が盛んに行われ一部商品化されている。

特に、固体高分子形の燃料電池は、作動温度が約８０℃と他の燃料電池に比べ圧倒的に低く、自動車用及び家庭用発電機として注目を浴びている。
固体高分子形の燃料電池は大きく分けて、イオン交換膜、白金触媒、セパレータから構成される。
このうちセパレータの働きは、エネルギーを発生させる水素及び酸素を燃料極と酸素極に安定して供給すると共に発生する水及び冷却水の速やかな排出にあり、電池特性を左右する重要な部材である。

また、セパレータは一つの電池に数十枚から数百枚使用されるためコンパクト化が急務であり、現在セパレータ製造各社ともリブ部デザインの改良、薄板化及び寸法精度、特に板厚精度の改善が要望される。さらに出力を大きくするためには大型化（幅広化）も必要であり、薄くかつ大型のセパレータの製造技術が必要とされている。

セパレータの製造方法としては、従来、金属板又は黒鉛（カーボン）板を機械加工などで製造する方法が採用されてきた。しかしこの方法では加工コストが高く、現在ではその成分として黒鉛と樹脂の組成物を圧縮又は射出成形により製造することにより、低コスト化する方法が採用されている。

黒鉛と樹脂の組成物を圧縮して製造するセパレータにおいて、十分な導電性を得るためには黒鉛比率を大きくする必要があり、成形前の組成物及び圧縮成形直後は脆く破損し易い。また熱圧縮成形直後は熱のため樹脂が軟化しており、変形し易い。そのため薄型化、大型化が困難であった。

また、黒鉛と樹脂の組成物を圧縮して製造するセパレータにおいて、樹脂は接着剤の一種であるため、金型に付着し易くそのままでは成形体の取り出しは困難である。そこで金型表面に液状のシリコンなどの離形剤を噴霧又は塗布して成形体の離型性をよくすることが一般的に行われているが、この際、離形剤が成形体に付着してしまうという問題が生じる。離形剤は絶縁物であることが多く、導電性が重要であるセパレータの場合、性能が低下するため、成形後、離形剤を除去することが必要であった。

これまで、本発明者らは黒鉛と樹脂の組成物を圧縮成形して製造するセパレータとして、特許文献１に示されるような板厚精度に優れた燃料電池用セパレータを開発した。
特開２００３−１９７２１５号公報

上記のセパレータは、黒鉛と樹脂の組成物は圧延ロールによりシート状の成形体に加工して使用されるが、セパレータの薄型化に対応するためにシート厚みを薄くするとカーボン量が多いため脆く崩れ易く取り扱いが困難であった。また熱圧縮成形時の成形型から製品を取り出す際にセパレータの肉厚が薄い場合、破損し易いという問題点があった。

請求項１〜７記載の発明は、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化の燃料電池用セパレータを得ることが可能な燃料電池用セパレータ成形部材を提供するものである。
請求項８〜９記載の発明は、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化の燃料電池用セパレータを得ることが可能な燃料電池用セパレータ成形部材の製造方法を提供するものである。
請求項１０記載の発明は、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化の燃料電池用セパレータを安価に製造できる方法を提供するものである。

本発明者らは、上記の問題点について種々検討した結果、黒鉛及び樹脂を含む成形材料の取り扱い時、さらに熱圧縮成形時に離型性のあるフィルムを使用したところ、シートの破損を防止し、液状離形剤を使用せずに成形可能にすることを見出し、本発明を完成するに至った。また上記フィルムを、熱圧縮成形及び外径加工までの工程を連続的に行う搬送用のキャリアとして併用することにより、製造コストを低減することができることも見出した。

本発明は、次のものに関する。
１．黒鉛及び樹脂を含む成形材料を、離型性のあるフィルムで介在してなる燃料電池用セパレータ成形部材。
２．黒鉛が、膨張黒鉛である項１記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
３．膨張黒鉛が、膨張黒鉛シート粉砕粉である項２記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
４．黒鉛及び樹脂を含む成形材料が、粉体、液状又はシート状である項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。

５．離型性のあるフィルムが、黒鉛及び樹脂を含む成形材料を介在する面側に離型性に優れた材料をコーティングしたものである項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
６．離型性のあるフィルムのガラス転移点温度が、熱圧縮成形時の加熱温度より低く、かつ融点が熱圧縮成形時の加熱温度より高いものである項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
７．離型性のあるフィルムが、セパレータのリブ部における溝の深さがＤ、溝の幅がＬ及び山の幅がＭのとき、次式に示される伸び率以上の伸びで破断しないものである項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。

８．黒鉛及び樹脂を含む成形材料の供給及び離型性のあるフィルムで介在する工程を、連続的に行うことを特徴とする燃料電池用セパレータ成形部材の製造方法。
９．離型性のあるフィルムが、黒鉛及び樹脂を含む成形材料の供給から成形材料を介在するまでの工程を連続的に行う搬送用のキャリアとして併用することを特徴とする項８記載の燃料電池用セパレータ成形部材の製造方法。
１０．項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材又は請求項８〜９のいずれかで製造された燃料電池用セパレータ成形部材を熱圧縮成形した後、離型性のあるフィルムを除去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１〜７記載の燃料電池用セパレータ成形部材は、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化が可能な燃料電池用セパレータを提供することができる。
請求項８〜９記載の方法で得られる燃料電池用セパレータ成形部材は、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化が可能な燃料電池用セパレータを提供することができる。
請求項１０記載の方法で得られる燃料電池用セパレータは、液状離形剤を使用せずに成形が可能であると共に、成形体が成形金型に付着することなく、成形体を成形金型から容易に取り出すことができ、かつ薄型化、大型化が可能であり、安価に製造でき、工業的に極めて好適である。

本発明において、燃料電池用セパレータ成形部材を得る前の成形材料は、黒鉛と樹脂に制限されるものではない。導電性粒子同士を結合するための材料で構成されていて熱圧縮成形によりセパレータ構造の形成が可能な材料であれば使用可能である。例えば、導電性粒子としては金、銀、銅、鉄、ステンレス、アルミニウム、ニッケル等の金属粉及びその合金粉、その他に樹脂又は無機物に導電性物質を表面にコートしたもので、例えば樹脂粒子表面に無電解めっき法でニッケル金めっきしたものでもよい。

上記で用いる樹脂は、離型性のあるフィルムと熱圧縮成形後に離型し易い樹脂であり、セパレータの性能を満たすものであればよい。使用可能な樹脂としては、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、シリコン樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂等の熱硬化性樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、感光性ポリイミド樹脂、アクリルエポキシ樹脂、エチレン、プロピレン、スチレン、ブタジエン等の熱可塑性エラストマー、液晶ポリマーなどが挙げられる。

本発明で得られる燃料電池用セパレータは、黒鉛及び樹脂を含む成形材料をセパレータ形状に成形して得られるもので、特に黒鉛が樹脂中に分散された構造のものが、電気特性、成形性、ガスの不浸透性等の点に優れ、安価であるので好ましい。前記黒鉛としては、特に制限はないが、コストを重視するならば、天然黒鉛、人造黒鉛等を使用することが好ましい。使用する黒鉛の粒径に制限はなく、要求特性及び成形性を考慮し粒径の異なる黒鉛を混合して使用することが好ましい。また、軽量化、機械強度（靭性）、板厚精度を重視する場合、膨張黒鉛を使用することが好ましく、特に膨張黒鉛シート粉砕粉を使用することが好ましい。

本発明で好ましいものとして使用される膨張黒鉛は、原料黒鉛を、酸性物質及び酸化剤を含む溶液中に浸漬して黒鉛層間化合物を生成させる工程及び前記黒鉛層間化合物を加熱して黒鉛結晶のＣ軸方向を膨張させて膨張黒鉛とする工程により製造することができる。これにより膨張した黒鉛が虫状形となり方向性のない複雑に絡み合った形態となる。

膨張黒鉛の倍率は、セパレータの強度とシール性を確保するため高い方が好ましく、特に制限はないが１５０倍以上であることが好ましく、１５０倍〜３００倍であることがさらに好ましい。
この膨張黒鉛を粉砕することにより膨張黒鉛粉とすることができるが、粉砕の前に、得られた膨張黒鉛に圧力を加えシート状に圧縮成形して膨張黒鉛シートとすることが好ましい。さらに得られた膨張黒鉛粉には、必要に応じて、その粉砕粉に含まれる酸性根を低減させるための処理（高温処理など）を施す。

前記の原料黒鉛としては特に制限はないが、天然黒鉛、キッシュ黒鉛、熱分解黒鉛等の高度に結晶が発達した黒鉛が好ましいものとして挙げられる。得られる特性と経済性のバランスを考慮すると天然黒鉛が好ましい。用いる天然黒鉛としては、特に制限はなく、Ｆ４８Ｃ（日本黒鉛工業（株）製、商品名）、Ｈ−５０（中越黒鉛工業所（株）製、商品名）等の市販品を用いることができる。これらは、鱗片状の粉末の形態で使用することが好ましい。

原料黒鉛の処理に用いられる酸性物質は、一般に硫酸などの黒鉛の層間に進入して十分な膨張能力を有する酸性根（陰イオン）を発生することができるものが使用される。酸性物質の使用量については特に制限はなく、目的とする膨張倍率で決定され、例えば、黒鉛１００重量部に対して１００〜１０００重量部使用するのが好ましい。

また、酸性物質と共に用いられる酸化剤としては、過酸化水素、過塩素酸カリウム、過マンガン酸カリウム、重クロム酸カリウム等の過酸化物、また硝酸などの酸化作用のある酸を用いることができ、良好な膨張黒鉛を得やすいという観点から過酸化水素が特に好ましい。酸化剤として過酸化水素を用いる場合、水溶液として用いることが好ましく、このとき、過酸化水素の濃度については特に制限はないが、２０重量％〜４０重量％が好ましい。その使用量についても特に制限はないが、黒鉛１００重量部に対して過酸化水素水として５重量部〜６０重量部配合することが好ましい。

酸性物質及び酸化剤は、水溶液の形態で使用することが好ましい。
酸性物質としての硫酸は、適宜の濃度で使用されるが、９５重量％以上の濃度のものが好ましく、濃硫酸を使用することが特に好ましい。

前記において、膨張黒鉛シートの製法についても特に制限はないが、一般的には上記で得た膨張黒鉛を、プレス、ロール等で圧力を加えてシート化することが好ましい。膨張黒鉛をシート化したときの厚さについては特に制限はない。
なお、膨張黒鉛シートの粉砕は、粗粉砕及び微粉砕により行うことが好ましく、この後、必要に応じて分級を行う。

膨張黒鉛シート粉砕粉の平均粒径についても特に制限はないが、樹脂との混合性及び成形性を考慮すると、数平均粒径で２５μｍ〜５００μｍの範囲が好ましく、５０μｍ〜４００μｍの範囲がさらに好ましい。粒径が２５μｍ未満であると膨張黒鉛粉の絡み合いの効果が少なくなり、セパレータの強度低下が起こり易くなる傾向があり、一方、粒径が５００μｍを超えると幅の狭いリブ部への膨張黒鉛の流れ性が悪化し、平板が薄くリブの高さが高いセパレータの成形が困難となる傾向がある。

本発明において、黒鉛と混合して使用する樹脂の性状に特に制限はないが、安全性、製造工程の短縮（低コスト）等を考慮すると、乾式混合（無溶剤混合）が可能であり、かつ粒度分布が安定した熱硬化性樹脂、高耐熱性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。樹脂の使用形態としては粉末状、粒状等が好ましい。

また、使用する樹脂の化学構造及び種類に制限はなく、例えば、エポキシ樹脂（硬化剤が併用される）、メラミン樹脂、硬化性アクリル樹脂、レゾールタイプ及びノボラック型の粉末状フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂、粉末状ポリアミド樹脂、粉末状ポリアミドイミド樹脂、フェノキシ樹脂、アクリル樹脂等の高耐熱性樹脂又は熱可塑性樹脂が使用される。熱硬化性樹脂には必要に応じて、硬化剤、硬化促進剤等が併用して使用される。硬化剤及び硬化促進剤の使用形態は、粉末状、粒状等が好ましい。
これらの樹脂の中で、経済性、作業性、硬化後の特性バランスが優れることから、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂を用いることが好ましい。

本発明で使用する膨張黒鉛と樹脂との混合割合は、目標とする最終成形体である燃料電池用セパレータの諸特性の値を考慮して決定されるが通常混合比率で膨張黒鉛／樹脂＝９５／５〜３０／７０（重量比）の範囲が好ましく、９０／１０〜５０／５０（重量比）の範囲がより好ましく、８５／１５〜６０／４０（重量比）の範囲がさらに好ましい。ここで膨張黒鉛と樹脂との混合比率が９５／５を超える場合、機械強度が急激に低下する傾向があり、一方、３０／７０未満の場合、導電性物質である膨張黒鉛の添加量が少なく、電気特性が悪化する傾向がある。

膨張黒鉛と樹脂の混合方法に特に制限はなく、膨張黒鉛の微粉化を防止する点で混合時の膨張黒鉛に大きな剪断力が加わらないシェイカー、Ｖブレンダー等を使用した乾式混合方法によることが好ましい。混合時に膨張黒鉛が微粉化した場合、得られる燃料電池用セパレータの機械強度が急激に低下する傾向がある。

本発明において燃料電池用セパレータに用いられる成形材料の熱圧縮成形前の形態は、導電粒子と粉体樹脂との混合粉体、混合粉体をロールプレス又は加圧成形してシート状にしたもの、導電性粒子と溶融又は溶解した樹脂とを混合し混練機でペレット状にし、さらに粉砕して粉体にしたもの、導電性粒子と溶融又は溶解した樹脂とを混合した液状のもの、液状のものを押し出し成形等によってシート状にしたもの等があり、いずれの成形材料を用いてもよい。また圧縮成形時に流れ性のよい材料であればブロック状のものでも差し支えない。

さらに、燃料電池用セパレータの板厚精度を向上するためには、導電性粒子と樹脂からなる材料は均質に分散したうえ、均一にシート状にしたものを用いることが望ましい。特に、電気伝導性を向上するには導電性粒子を多くする必要があり、結果として熱圧縮成形時流れ性の悪い材料になり易いのでシート状にすることが望ましい。

本発明で使用する離型性のあるフィルムは、熱圧縮成形する場合、図４に示すようにセパレータとなる成形材料９と上成形型７及び下成形型８の間に挟み込んで使用する。詳しくは、成形材料９を離型性のあるフィルム４で介在して使用する。離型性のあるフィルム４は、熱圧縮成形後、容易に成形体及び金型から剥離できる性質を有するものを用いることが望ましい。また熱圧縮成形時の温度下で、溶融せずに耐熱性を有し、かつセパレータの金型のリブ部（溝形状）に追随する柔軟性を有するものを用いることが望ましい。

離型性のあるフィルムの材質は、上記に示したように熱圧縮成形後、成形体からの離型性があり、成形温度以下の温度で溶融しないように耐熱性を有し、かつ金型の溝に追随する柔軟性を有する材料を用いることが好ましく、これらの材料としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、フッ素樹脂、シリコン樹脂、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド樹脂、液晶ポリマー、ポリメチルペンテル、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリエーテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）等が挙げられる。

離型性のあるフィルムは、上記に示した材料の上面に、離型性に優れる材料をコーティングして用いればさらに離型性に優れるので好ましい。コーティングとしてはフッ素樹脂コート、シリコン樹脂コート、ポリフッ化エチレンコート等が好ましい。また上記の材質の異なるものを２枚以上重ねた複合フィルムを用いても差し支えない。

金型に離型性をよくする表面処理をすれば、本発明で用いる離型性のあるフィルムは、必ずしも金型に対しての離型性を重視する必要はない。金型の離型性を向上させる表面処理としてはフッ素樹脂コート、シリコン樹脂コート、ポリフッ化エチレンコート等が好ましい。なお、上記のフッ素樹脂としては、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）、ＰＦＡ（テトラフルオルエチレン・パーフルオルアルキルビニルエーテル共重合体）、ＦＥＰ（テトラフルオルエチレン・ヘキサフルオルプロピレン共重合体）、ＥＴＦＥ（テトラフルオルエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルフルオルエチレン）等が挙げられる。

離型性のあるフィルムを用いる以外に成形材料の中に離型性促進剤を添加すれば離型性が向上するので好ましい。離型性促進剤としては、ステアリン酸、ステアリン酸金属塩、有機酸エステル誘導体、カルナバワックス、モンタンワックス、ヘキストワックス等が挙げられる。

離型性のあるフィルムの厚さは、あまり厚いとセパレータの溝形状をうまく形成できなくなるおそれがあり、また角部のＲが大きくなるため好ましくない。金型形状に成形体形状を近づけるためにはなるべく薄くする必要があるが、あまり薄すぎても強度的に劣り、成形後、剥離するとき破れるおそれがある。例えば、離型性のあるフィルムの材質がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合は、リブ部の幅の寸法が０．５〜２．０ｍｍで深さが０．２〜１．０ｍｍ程度であれば、離型性のあるフィルムの厚さは１０〜５０μｍの範囲が好ましく、１５〜４０μｍの範囲がより好ましく、２０〜３０μｍの範囲がさらに好ましい。

離型性のあるフィルムの材料特性として、熱圧縮成形時の温度で、セパレータのリブ部の凹凸に対して十分追随することが重要であり、そのためには熱圧縮成形時の温度で離形用のフィルムは破れずに伸びる性質を有するものを用いることが好ましい。なお、伸び量は、セパレータのリブ部の形状により決定され、図７に示す溝の深さＤ及び溝の幅Ｌの場合、最大伸び率は次式に示すようになる。なお、図７において５は突起部及び６は溝部である。

例えば、溝の深さと溝の幅が同じ場合、最大伸び率は３倍であり熱圧縮成形時の温度において一方向に３倍に伸ばしても破れない樹脂であれば好ましいものとされる。

また、セパレータ溝の凹凸部において、離型性のあるフィルムが均一に伸びるとすると図７に示す溝の深さＤ、溝の幅Ｌ及び山の幅Ｍの場合、離形性のあるフィルムの平均伸び率は次式に示すようになる。

例えば、溝の深さと溝の幅及び山の幅が同じの場合、最大伸び率は２倍であり熱圧縮成形時の温度において一方向に２倍に伸びるので、最小でも一方向に２倍に伸ばしても破れない離形性のあるフィルムでなければならない。

また、離型性のあるフィルムの他の材料特性として、ガラス転移点温度が熱圧縮成形時の加熱温度より低く、かつ融点が熱圧縮成形時の加熱温度より高いフィルムを使用すると熱圧縮成形時軟化し、金型への追随性がよくなり、かつ成形品を取り出し、常温で離型性のあるフィルムを剥離する際は固くなっているので除去し易く（剥がし易く）なるので好ましい。例えば、熱圧縮成形時の温度が１８０℃の場合で、離型性のあるフィルム材質がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の場合、ガラス転移点が７９℃で融点が２５８℃であり、熱圧縮成形時は十分軟化し、かつ離型性のあるフィルムの剥離時は十分な堅さを有する。

離型性のあるフィルムの使用方法として、図４に示すように熱圧縮成形用の下成形型８の成形面に予め離型用のフィルム４を戴置しておき、熱圧縮成形前の成形材料９を離型性のあるフィルム４の上面に供給し、さらにもう１枚の離型性のあるフィルム４を成形材料９の上面に載せた後、図５に示すように上成形型７と下成形型８を合わせて熱圧縮成形する方法又は図６に示すように予め成形前の成形材料９を覆うように、成形材料９の上下面に離型性のあるフィルム４を戴置し、固定した状態の成形部材を金型に供給し、その後熱圧縮成形する方法がある。

図６に示す方法によれば、金型への供給を容易にすると共に、成形材料の取り扱いも容易であるので好ましい。
また、成形材料を離型性のあるフィルムで包むか又は張り合わせることにより成形材料からのゴミの発生を防止し、搬送し難い脆い成形材料も容易に搬送可能となる。

熱圧縮成形前に成形材料を離型性のあるフィルムで包む場合、図８に示すように離型性のあるフィルム４を予め袋状にしておき、その中に所定量の成形材料９を供給して熱圧縮成形してもよい。また図９に示すように離型性のあるフィルム４を予め連続した筒状にして成形材料９連続して筒の内部に供給し、その後、図１０の（ａ）及び（ｂ）に示すように成形材料９が一定量になるよう所定位置をシール治具１５でシールしてもよい。

上記以外に、予め成形前にシート状の成形材料とシート状の離型性のあるフィルムを用いる方法があるが、この方法は、成形材料をシート状にする際、粉体又は液体の成形材料を離型性のあるフィルム上に供給し、さらにその上面にもう一枚の離型性のあるフィルムを載せる工程を連続的に行い、熱圧縮成形する方法である。この方法で成形材料の、厚みを均一にするため又はシートの強度向上のために、シートにロールプレスなどにより均一な圧力をかけてもよく又は加熱してもよい。このようなシートを製造する装置としては、例えば、図１１に示すような構造の装置が挙げられる。

図１１に示す装置の構造は、十分剛性のあるコンベア１２上にリール１０に巻かれた離型性のあるフィルム４を連続で供給し、その上面に成形材料の供給ホッパー１１から均一に離型性のあるフィルム４上に供給し、次いで均一に均した成形材料９の上面に別のリール１０に巻かれた離型性のあるフィルム４を連続的に供給する。そのまま圧縮ロール１３を通すことで成形材料９を一定の厚さのシート状にする。そのシートをヒータ１４により加熱することで成形材料９と離型性のあるフィルム４を密着させることができる。その後、適当にカッターなどでカットすることで図６に示す燃料電池用セパレータ成形部材を得ることができる。

なお、上記に示す方法による場合、シートが破損し難いように成形材料と離型性のあるフィルムとの密着をよくしたほうが好ましい。成形材料と離型性のあるフィルムとの密着をよくする方法としては、加熱して成形材料中の樹脂分を適度に溶融させて離型性のあるフィルムと密着させる方法がある。樹脂が熱硬化性の樹脂で全面に加熱できない場合、製品に影響しない箇所のみを部分的に加熱する方法もある。

上記以外に、離型性のあるフィルムを部分的に離型性のあるフィルムが溶融する程度に加熱し成形材料と密着をよくする方法もある。
さらに、離型性のあるフィルム自体の密着をよくするために、離型性のあるフィルム表面にコロナ処理、微細なブラスト処理等の密着をよくする処理をしてもよい。

成形前にシート状の成形材料とシート状の離型性のあるフィルムを用いる場合、上記の他に成形材料が搬送、加工時にこぼれ落ちないように、またゴミを発生させないように上下の離型性のあるフィルムの周囲をシールしてもよい。シールの方法としては加圧圧着、加熱圧着等による方法がある。

成形体の肉厚が場所により大きく異なる場合は、予めシート状の成形材料の材料分布を成形体の肉厚分布に合わせて材料の多い部分と少ない部分を形成すれば寸法精度が向上する上で有効である。材料分布を合わせる方法として、図１２に示すように予め肉厚分布に合わせて凹凸を形成した離型性のあるフィルム１６を用意し、その上面に成形材料９を供給する方法がある。

また、図１３の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）に示すように成形材料９にフィルムを片面のみに取り付けたものを２種類作製した後、それぞれ成形材料９を少なくしなければならない部分を適当に打ち抜き、切削等の方法により除去することで一部を除去した成形材料１７を形成し、それぞれの成形材料９を合わせて固定することで肉厚分布に材料分布を合わせる方法もある。

以下、本発明の実施例によって本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
実施例１
（１）成形用混合粉の製造
板厚が１.０ｍｍ及び嵩密度が１．０ｇ／ｃｍ^３の膨張黒鉛シート（日立化成工業（株）製、商品名カーボフィットＨＧＰ−１０５）を粗粉砕機及び微粉砕機で粉砕し、数平均粒径が１００μｍの膨張黒鉛シート粉砕粉０.７ｋｇを得た。次いで成形時揮発性ガスが少ない、数平均粒径が２０μｍの粉末状フェノール樹脂（日立化成工業（株）製、商品名ＨＲ１０６０）０．３ｋｇを加えて小型Ｖブレンダーで乾式混合し、１.０ｋｇの混合粉を得た。

（２）燃料電池用セパレータの製造
次に、図１及び図２に示す形状の燃料電池用セパレータを得るために金型を使用した。使用する金型は上成形型、下成形型とも、突起部を有する雄型とした。但し、上成形型は、成形後リブの高さが０．５ｍｍ、リブピッチが４ｍｍ、リブの幅が２ｍｍ及びリブテーパが１０度になるような形状とした。一方、下成形型は、成形後リブの高さが０．５ｍｍ、リブピッチが８ｍｍ、リブの幅が４ｍｍ及びリブテーパが１０度になるような形状とした。

（１）で得た混合粉を、圧延ロールを有するシート成形機を用いて成形し、単位面積当たりの重量が０．１９ｇ／ｃｍ^２で、寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍ及び厚さが５ｍｍの成形用シートを得た。

片面をポリテトラフルオルエチレン（以下ＰＴＦＥとする）コーティングした厚さが２５μｍで材質がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の離型性のあるフィルム（東洋クロス（株）製、ＳＰ１０３０）を２２０×２２０ｍｍの寸法に２枚切断し、そのうちの１枚の離型性のあるフィルムのＰＴＦＥコート面が上面になるようにセットし、（２）で得た成形用シートをその上面に載せ、さらに成形用シートの上面にもう１枚の離型性のあるフィルムのＰＴＦＥンコート面を下に向けて載置して、成形用シートを離型性のあるフィルムで介在した状態で２枚の離型性のあるフィルムの四隅を耐熱テープで固定した。

この後、図１及び図２に示す形状のセパレータを得るための上成形型、下成形型をそれぞれ１８０℃に加熱し、このうち下成形型に前記で得た離型性のあるフィルムで介在した成形用シートを金型中央に載置した後、その上部に上成形型の突起部を有する部分を下に向けてセットし、得られる成形体の板厚が１．５ｍｍになるような条件、即ち１８０℃、面圧１９．６ＭＰａ（２×１０^６ｋｇ／ｍ^２）の条件で１０分間成形し、次いで、離形用のフィルムが付いたまま平坦部３の６カ所に穴部２を簡易打ち抜き機で打ち抜き、離形性のあるフィルムを手作業で除去して図１及び図２に示す形状の燃料電池用セパレータを得た。なお、得られた燃料電池用セパレータのリブ部１の嵩密度は１．６１ｇ／ｃｍ^３であり、また平坦部３の嵩密度は１．４１ｇ／ｃｍ^３であった。図１及び図２において、５は突起部、６は溝部及び７は底部（底面）である。また図３は図１のＸ−Ｘ線断面図である。

実施例２
図１１に示すシート成形装置を用いて、コンベア１２上に片面をＰＴＦＥコーティングした厚さが２５μｍで材質がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製の離型性のあるフィルム（東洋クロス（株）製、ＳＰ１０３０）４のＰＴＦＥコート面が上面になるようにして連続的に供給し、その上面にコンベアを搬送しながら実施例１（１）で得た混合粉（成形材料９）を供給ホッパー１１から均一に供給し、さらに別の連続した上記と同じ材質の離型性のあるフィルム４をＰＴＦＥコート面が下面になるように均一に均した混合粉の上面に戴置しながら、単位面積当たりの重量が０．１９ｇ／ｃｍ^２で、厚さが５ｍｍになるように混合粉の量と圧縮ロール１３の間を調整して該圧縮ロール１３で圧縮成形した。

その後、赤外線のヒータ１４で混合粉の樹脂分が解ける温度の１２０℃で１分程度連続して加熱した。十分冷却した後、得られたシートを離型性のあるフィルムが付いたまま２２０×２２０ｍｍの寸法に簡易打ち抜き機で打ち抜き、離型性のあるフィルムシートを得た。
次いで、実施例１と同様の金型を用い、下成形型中央部に離型性のあるフィルムで介在した成形用シートを載置し、以下実施例１と同様の作業条件及び実施例１と同様の工程を経て実施例１と同様の燃料電池用セパレータを得た。得られた燃料電池用セパレータのリブ部及び平坦部の嵩密度は、実施例１と同様の値であった。

本発明の実施例になる燃料電池用セパレータの形状の一方の片面（表面）を示す平面図である。本発明の一実施例になる燃料電池用セパレータの形状の他方の片面（裏面）を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ断面である。本発明の離形性のあるフィルムを用いた熱圧縮成形の構成の一例を示す断面図である。図４の構成したものを熱圧縮成形している状態を示す断面図である。成形材料の両面に離形性のあるフィルムを張り合わせた状態を示す断面図である。セパレータリブ部の突起部及び溝部の拡大断面図である。袋状にした離形性のあるフィルムの中に成形材料を入れ両側から金型で熱圧縮成形しようとする状態を示す断面図である。筒状にした離形性のあるフィルムの筒の中に成形材料を入れた状態を示す断面図である。（ａ）は図９に示す成形部材を所定の位置でシールしている状態を示す断面図及び（ｂ）は（ａ）の横方向に中心部で切断した状態を示す断面図ある。シート状の成形材料の上下に離形性のあるフィルムを連続的に介在させる装置の原理図である。予め凹凸を形成した離形性のあるフィルム上に成形材料を供給した状態を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は離形性のあるフィルム上に均一に均した成形材料の一部を打ち抜いた異なる２枚の成形材料を合わせて固定する工程を示す断面図である。

符号の説明

１リブ部
２穴部
３平坦部
４離形性のあるフィルム
５突起部
６溝部
７上成形型
８下成形型
９成形材料
１０リール
１１供給ホッパー
１２コンベア
１３圧縮ロール
１４ヒータ
１５シール治具
１６凹凸を形成した離形性のあるフィルム
１７一部を除去した成形材料

Claims

黒鉛及び樹脂を含む成形材料を、離型性のあるフィルムで介在してなる燃料電池用セパレータ成形部材。
黒鉛が、膨張黒鉛である請求項１記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
膨張黒鉛が、膨張黒鉛シート粉砕粉である請求項２記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
黒鉛及び樹脂を含む成形材料が、粉体、液状又はシート状である請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
離型性のあるフィルムが、黒鉛及び樹脂を含む成形材料を介在する面側に離型性に優れた材料をコーティングしたものである請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
離型性のあるフィルムのガラス転移点温度が、熱圧縮成形時の加熱温度より低く、かつ融点が熱圧縮成形時の加熱温度より高いものである請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
離型性のあるフィルムが、セパレータのリブ部における溝の深さがＤ、溝の幅がＬ及び山の幅がＭのとき、次式に示される伸び率以上の伸びで破断しないものである請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材。
黒鉛及び樹脂を含む成形材料の供給及び離型性のあるフィルムで介在する工程を、連続的に行うことを特徴とする燃料電池用セパレータ成形部材の製造方法。
離型性のあるフィルムが、黒鉛及び樹脂を含む成形材料の供給から成形材料を介在するまでの工程を連続的に行う搬送用のキャリアとして併用することを特徴とする請求項８記載の燃料電池用セパレータ成形部材の製造方法。
請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池用セパレータ成形部材又は請求項８〜９のいずれかで製造された燃料電池用セパレータ成形部材を熱圧縮成形した後、離型性のあるフィルムを除去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。