JP2006156421A - Method of manufacturing fuel cell separator - Google Patents

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To manufacture a fuel cell separator having enough gas impermeability by simple manufacturing method. <P>SOLUTION: The method of manufacturing the fuel cell separator includes steps: preparing a starting powder (step S100); making a slurry by homogeneously mixing the starting powder (step S110); granulating (step S120); putting the granulated starting powder into a metal mould (step S130); and heat press forming (step S140). A mixed combination of a phenol resin and an epoxy resin are used as a binder in the starting powder added to a carbon powder. No gas is generated therefor from the binder in the step of the heat press forming, so that the separator having enough gas impermeability can be manufactured. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ並びに燃料電池用セパレータの製造方法に関し、詳しくは、単セルを複数積層して構成する燃料電池において、隣接する単セル間に設けられ、電極との間で燃料ガス流路および酸化ガス流路を形成すると共に、燃料ガスと酸化ガスとを隔てる燃料電池用セパレータ、並びにその製造方法に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator and a method for manufacturing a fuel cell separator. More specifically, in a fuel cell configured by stacking a plurality of single cells, the fuel gas is provided between adjacent single cells and between the electrodes. The present invention relates to a fuel cell separator that forms a flow path and an oxidizing gas flow path and separates the fuel gas from the oxidizing gas, and a method for manufacturing the same.

従来、この種の燃料電池用セパレータの製造方法としては、カーボン粉末を原材料とし、これにフェノール樹脂をバインダとして加えて混練・成形した後に焼成し、炭化および黒鉛化する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。このような方法によってセパレータを製造する場合には、上記した焼成の工程によってブロック状のカーボン部材を作製し、このカーボン部材に機械加工を施して板状部材を切り出し、所望の形状のセパレータを製造する。あるいは、セパレータを製造する他の方法として、カーボン粉末に対してフェノール樹脂をバインダとして混合したものを、樹脂が黒鉛化しない温度で加熱プレス成形する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。このような方法によってセパレータを製造する場合には、所定の形状を有する金型を用いて加熱プレスを行なうことによって、所望の形状のセパレータを製造することができる。   Conventionally, as a method for producing this type of fuel cell separator, a method is known in which carbon powder is used as a raw material, a phenol resin is added to this as a binder, kneaded and molded, then fired, carbonized and graphitized ( For example, see Patent Document 1). When a separator is manufactured by such a method, a block-shaped carbon member is produced by the above-described firing step, and the carbon member is machined to cut out a plate-shaped member to produce a separator having a desired shape. To do. Alternatively, as another method for producing a separator, a method in which a mixture of a carbon resin and a phenol resin as a binder is subjected to hot press molding at a temperature at which the resin does not graphitize (see, for example, Patent Document 2). ). When manufacturing a separator by such a method, a separator having a desired shape can be manufactured by performing a heat press using a mold having a predetermined shape.

実開平8−222241号公報Japanese Utility Model Publication No. 8-222241 実開昭60−246568号公報Japanese Utility Model Publication No. 60-246568

しかしながら、上記した2つの方法のうち、前者の製造方法では、1000〜3000℃の高温で長時間加熱を行なう焼成の工程を含むと共に、焼成カーボンに対して機械加工を施す工程を含むため、製造に要する時間が長くなると共に、製造工程が煩雑となってコストが上昇してしまうという問題があった。さらに、焼成の工程で、カーボン粉末にバインダとして加えたフェノール樹脂が水を発生するため、焼成によって製造される上記カーボン部材内で、この発生した水のために気泡が生じ、製造されるセパレータのガス不透過性が損なわれてしまうおそれがある。したがって、セパレータのガス不透過性を確保するために、カーボン部材内に生じた気泡を塞ぐ処理を行なう必要があり、製造工程がさらに煩雑になってしまう。   However, among the above-described two methods, the former manufacturing method includes a firing step in which heating is performed at a high temperature of 1000 to 3000 ° C. for a long time, and a step of machining the calcined carbon. As a result, the manufacturing process becomes complicated and the cost increases. Furthermore, since the phenol resin added as a binder to the carbon powder generates water in the firing step, bubbles are generated due to the generated water in the carbon member produced by firing, and the separator produced is Gas impermeability may be impaired. Therefore, in order to ensure the gas impermeability of the separator, it is necessary to perform a process for closing the bubbles generated in the carbon member, which further complicates the manufacturing process.

一方、後者の製造方法では、焼成の工程および機械加工の工程を含まないため、上記した前者の方法に比べて製造工程を簡素化できるという利点を有する。しかしながら、上記した加熱プレスの工程において、熱硬化性樹脂であるフェノール樹脂が熱硬化する際には、このフェノール樹脂が有する水酸基が反応してガス(水蒸気)を発生するため、製造されるセパレータ内に気泡が発生して、セパレータのガス不透過性が不十分となってしまうおそれがある。また、カーボンと、熱硬化性樹脂からなるバインダとを含む原材料を加熱プレス成形すると、成形時に融解したバインダがにじみ出して、セパレータ部材表面にはバインダの層が形成される。また、プレス成形時に用いる金型には、金型からセパレータ部材を取り出す際の離型性を高めるために離型剤が塗布されており、この離型剤の少なくとも一部は、金型から取り出されたセパレータ部材の表面に付着してしまう。このようなセパレータ部材表面のバインダの層や離型剤は導電性を有しないという問題があった。   On the other hand, since the latter manufacturing method does not include a firing step and a machining step, the manufacturing method can be simplified as compared with the former method. However, when the phenol resin, which is a thermosetting resin, is thermally cured in the above-described heating press step, the hydroxyl group of the phenol resin reacts to generate gas (water vapor), so that the inside of the manufactured separator There is a possibility that bubbles are generated in the separator and the gas impermeability of the separator becomes insufficient. Further, when a raw material containing carbon and a binder made of a thermosetting resin is subjected to hot press molding, the binder melted during the molding oozes out, and a binder layer is formed on the surface of the separator member. In addition, a mold release agent is applied to the mold used for press molding in order to improve the mold release property when the separator member is taken out from the mold, and at least a part of the mold release agent is taken out from the mold. It adheres to the surface of the separator member. There is a problem that such a binder layer and a release agent on the surface of the separator member do not have conductivity.

本発明は、こうした問題を解決し、簡便な製造方法によって、充分なガス不透過性あるいは導電性を有する燃料電池用セパレータを製造することを目的としてなされ、そのため、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は次の構成を採った。   An object of the present invention is to solve such problems and to produce a fuel cell separator having sufficient gas impermeability or conductivity by a simple production method. The manufacturing method has the following configuration.

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、
(a)カーボンとバインダとを含む原材料であって、前記バインダとしてエポキシ樹脂とフェノール樹脂とを含有する原材料を、所定の型内で加熱プレス成形し、所定の形状を有するセパレータ部材を形成する工程と、
(b)前記セパレータ部材から燃料電池用セパレータを作製する工程と
を備えることを要旨とする。
The method for producing a fuel cell separator of the present invention comprises:
(A) A raw material containing carbon and a binder, the raw material containing an epoxy resin and a phenol resin as the binder, and heat-press-molded in a predetermined mold to form a separator member having a predetermined shape When,
And (b) producing a fuel cell separator from the separator member.

以上のように構成された本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、バインダとしてフェノール樹脂とエポキシ樹脂とを組み合わせて使用しているため、成形時に加熱を行なってバインダを熱硬化させる際に、バインダからガスが発生することがない。したがって、加熱プレス成形によって得られるセパレータ部材において膨れが生じることがなく、充分なガス不透過性を有するセパレータを製造することができる。   According to the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention configured as described above, since a combination of a phenol resin and an epoxy resin is used as a binder, the binder is thermally cured by heating during molding. In addition, no gas is generated from the binder. Therefore, the separator member obtained by hot press molding does not swell, and a separator having sufficient gas impermeability can be manufactured.

ここで、原材料としては、上記カーボンとバインダ以外の材料を含有することとしてもよい。例えば、原材料として親水性物質をさらに加えることとし、製造するセパレータに親水性を付与することもできる。また、バインダとしては、フェノール樹脂とエポキシ樹脂に加えて、エポキシ樹脂の硬化促進剤を加えることとしてもよい。   Here, as a raw material, it is good also as containing materials other than the said carbon and binder. For example, a hydrophilic substance can be further added as a raw material, and hydrophilicity can be imparted to the separator to be manufactured. Moreover, as a binder, it is good also as adding the hardening accelerator of an epoxy resin in addition to a phenol resin and an epoxy resin.

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記バインダ中の前記エポキシ樹脂と前記フェノール樹脂とが、加熱に伴って化学反応を起こして熱硬化する際に、前記エポキシ樹脂において前記化学反応に供されるエポキシ基の量と、前記フェノール樹脂において前記化学反応に供される水酸基の量との比の値が、0.8〜1.2となるように設定されていることとしてもよい。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
When the epoxy resin in the binder and the phenol resin are thermally cured by causing a chemical reaction with heating, the amount of epoxy groups used for the chemical reaction in the epoxy resin, and in the phenol resin It is good also as a value of ratio with the quantity of the hydroxyl group provided to the said chemical reaction being set to 0.8-1.2.

このようにすれば、前記バインダ中のフェノール樹脂が有する水酸基が、エポキシ樹脂が有するエポキシ基(エポキシ樹脂が有する三員環)と充分に反応するため、加熱時にフェノール樹脂からガスが発生するのを抑える効果を充分に得ることができる。また、エポキシ樹脂の量は、フェノール樹脂量に比べて過剰とならないため、エポキシ樹脂の量が増えすぎることによって、バインダの熱硬化に要する時間が長期化しすぎることがない。
また、本発明の燃料電池用セパレータにおいて、
前記(a)工程は、140〜220℃の温度範囲で、前記加熱プレス成形を行なう工程であり、
前記燃料電池用セパレータは、固体高分子型燃料電池用のセパレータであることとしても良い。
In this case, the hydroxyl group of the phenol resin in the binder sufficiently reacts with the epoxy group (three-membered ring of the epoxy resin) of the epoxy resin, so that gas is generated from the phenol resin during heating. A sufficient suppressing effect can be obtained. Further, since the amount of the epoxy resin does not become excessive as compared with the amount of the phenol resin, the time required for the thermosetting of the binder is not excessively prolonged due to the increase of the amount of the epoxy resin.
In the fuel cell separator of the present invention,
The step (a) is a step of performing the hot press molding in a temperature range of 140 to 220 ° C.
The fuel cell separator may be a solid polymer fuel cell separator.

また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記エポキシ樹脂は、少なくともクレゾールノボラック型エポキシ樹脂からなり、前記フェノール樹脂は、少なくともノボラック型フェノール樹脂からなることとしてもよい。エポキシ樹脂としてクレゾールノボラック型を用いることにより、製造するセパレータの耐熱性を高めることができる。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
The epoxy resin may be composed of at least a cresol novolac type epoxy resin, and the phenol resin may be composed of at least a novolac type phenol resin. By using a cresol novolac type as an epoxy resin, the heat resistance of the separator to be manufactured can be increased.

さらに、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記カーボンは、平均粒径5〜50μmの鱗片状天然黒鉛粒子からなる粉末である構成も好適である。
Furthermore, in the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
A configuration in which the carbon is a powder made of scaly natural graphite particles having an average particle diameter of 5 to 50 μm is also suitable.

鱗片状天然黒鉛粒子は、薄片状の形状を有しており、プレス成形の際にはこれ自体が所定の結着性を示す。したがって、カーボンとして鱗片状天然黒鉛粒子からなる粉末を用いると、原材料に加えるバインダの量を削減することができる。バインダとして用いる上記した熱硬化性樹脂は導電性を有しないため、このようにバインダ量を削減することによって、セパレータの導電性を向上させることができる。また、原材料に加えるバインダが所定量を超えると、燃料電池の運転温度に対応する温度以上の高温条件下においては、製造されるセパレータの強度が低下してしまうという性質があるが、上記したように原材料に加えるバインダ量を抑えることによって、セパレータの強度を充分に確保することができる。   The scaly natural graphite particles have a flaky shape, and themselves exhibit a predetermined binding property during press molding. Therefore, when a powder made of scaly natural graphite particles is used as carbon, the amount of binder added to the raw material can be reduced. Since the above-mentioned thermosetting resin used as the binder does not have conductivity, the conductivity of the separator can be improved by reducing the amount of the binder in this way. In addition, when the amount of binder added to the raw material exceeds a predetermined amount, there is a property that the strength of the separator to be manufactured decreases under a high temperature condition equal to or higher than the temperature corresponding to the operating temperature of the fuel cell. In addition, by suppressing the amount of binder added to the raw material, the strength of the separator can be sufficiently secured.

また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記(a)工程は、
(a−1)前記カーボンとバインダとを均一に混合してスラリにする工程と、
(a−2)前記スラリを噴霧乾燥して造粒し、平均粒径50〜150μm、粒径分布50〜300μmの粉末を得る工程とを備え、
前記得られた粉末を加熱プレス成形して前記セパレータ部材を形成することとしてもよい。このような方法を用いることによって、製造されるセパレータにおいて、カーボンとバインダとの混合状態を充分に均一にすることができる。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
The step (a)
(A-1) a step of uniformly mixing the carbon and the binder into a slurry;
(A-2) spray-drying the slurry and granulating to obtain a powder having an average particle size of 50 to 150 μm and a particle size distribution of 50 to 300 μm,
The obtained powder may be hot press-molded to form the separator member. By using such a method, the mixed state of carbon and the binder can be made sufficiently uniform in the manufactured separator.

さらに、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記工程(b)は、
(b−1)前記工程(a)で形成した前記セパレータ部材の表面のうち、該セパレータ部材から得られる前記セパレータを燃料電池に組み込んだときに、前記セパレータに隣接する部材と接触する面に対応する面を研磨除去する工程を備える構成も好適である。
Furthermore, in the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
The step (b)
(B-1) Of the surfaces of the separator member formed in the step (a), when the separator obtained from the separator member is incorporated in a fuel cell, it corresponds to the surface that contacts the member adjacent to the separator A configuration including a step of polishing and removing the surface to be polished is also suitable.

このような構成とすることによって、セパレータ部材表面に形成されたバインダの層や、セパレータ部材表面に付着する離型剤を取り除くことができる。すなわち、カーボンと、熱硬化性樹脂からなるバインダとを含む原材料を加熱プレス成形すると、成形時に融解したバインダがにじみ出して、セパレータ部材表面にはバインダの層が形成される。また、プレス成形時に用いる金型には、金型からセパレータ部材を取り出す際の離型性を高めるために離型剤が塗布されており、この離型剤の少なくとも一部は、金型から取り出されたセパレータ部材の表面に付着してしまう。このようなセパレータ部材表面のバインダの層や離型剤は導電性を有しないため、セパレータ部材に対して上記した研磨除去の処理を施すことによって、製造されるセパレータの導電性を高めることができる。
このような本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記(a)工程は、前記所定の型の表面に、前記型から前記セパレータ部材を取り出す際の離型性を高める離型剤を塗布して、前記加熱プレス成形を行なう工程であり、
前記(b−1)工程は、前記研磨除去によって、前記離型剤を前記セパレータ部材表面から除去する工程であることとしても良い。
あるいは、このような本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記(b−1)工程は、前記研磨除去によって、前記加熱プレス成形の際に軟化して前記セパレータ部材表面にしみ出した前記バインダを、前記セパレータ部材表面から除去する工程であることとしても良い。
By setting it as such a structure, the layer of the binder formed in the separator member surface and the mold release agent adhering to the separator member surface can be removed. That is, when a raw material containing carbon and a binder made of a thermosetting resin is subjected to hot press molding, the binder melted during molding oozes out, and a binder layer is formed on the separator member surface. In addition, a mold release agent is applied to the mold used for press molding in order to improve the mold release property when the separator member is taken out from the mold, and at least a part of the mold release agent is taken out from the mold. It adheres to the surface of the separator member. Since the binder layer and release agent on the surface of the separator member do not have conductivity, the conductivity of the manufactured separator can be increased by subjecting the separator member to the above polishing removal treatment. .
In the method for producing the fuel cell separator of the present invention,
The step (a) is a step of applying the heat press molding to the surface of the predetermined mold by applying a release agent that enhances the releasability when taking out the separator member from the mold.
The step (b-1) may be a step of removing the release agent from the surface of the separator member by the polishing removal.
Alternatively, in such a method for producing a fuel cell separator of the present invention,
The step (b-1) may be a step of removing, from the separator member surface, the binder that has been softened and exuded on the surface of the separator member by the polishing removal. .

また、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法において、
前記工程(a)によって得られるセパレータ部材の密度は、前記原材料を構成する前記カーボンおよび前記バインダ等の各材料の密度と、前記原材料における前記各材料の割合とに基づいて、前記セパレータ部材の理論密度として求められる値に対する比率が、93%以上であることとしてもよい。このような構成とすることによって、製造されるセパレータのガス不透過性を、燃料電池用セパレータとして充分なものとすることができる。
In the method for producing a fuel cell separator of the present invention,
The density of the separator member obtained by the step (a) is based on the density of each material such as the carbon and the binder constituting the raw material and the ratio of each material in the raw material. It is good also as a ratio with respect to the value calculated | required as a density being 93% or more. By setting it as such a structure, the gas impermeability of the separator manufactured can be made sufficient as a separator for fuel cells.

以上説明した本発明の構成・作用を一層明らかにするために、以下本発明の実施の形態を実施例に基づき説明する。まず最初に、説明の便宜上、図3から図5を基にして、本発明の第1実施例であるセパレータの製造方法に基づいて製造したセパレータを備える燃料電池の構成および動作について説明し、続いて本発明の第1実施例であるセパレータの製造方法について説明することとする。   In order to further clarify the configuration and operation of the present invention described above, embodiments of the present invention will be described based on examples. First, for convenience of explanation, the configuration and operation of a fuel cell including a separator manufactured based on the separator manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The separator manufacturing method according to the first embodiment of the present invention will be described.

本発明の第1実施例であるセパレータの製造方法に基づいて製造したセパレータを備える燃料電池は、構成単位である単セルを複数積層したスタック構造を有している。図3は、燃料電池の構成単位である単セル28の構成を例示する断面模式図、図4は、単セル28の構成を表わす分解斜視図、図5は、単セル28を積層したスタック構造14の外観を表わす斜視図である。   A fuel cell including a separator manufactured according to the separator manufacturing method according to the first embodiment of the present invention has a stack structure in which a plurality of single cells as constituent units are stacked. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of a single cell 28 that is a structural unit of the fuel cell, FIG. 4 is an exploded perspective view illustrating the configuration of the single cell 28, and FIG. 5 is a stack structure in which the single cells 28 are stacked. FIG.

本実施例の燃料電池は、固体高分子型燃料電池である。固体高分子型燃料電池は、湿潤状態で良好な導電性を示す固体高分子からなる膜を電解質層として備えている。このような燃料電池は、アノード側に水素を含有する燃料ガスの供給を受け、カソード側に酸素を含有する酸化ガスの供給を受けて、以下に示す電気化学反応を進行する。   The fuel cell of this example is a polymer electrolyte fuel cell. A polymer electrolyte fuel cell includes a membrane made of a solid polymer exhibiting good conductivity in a wet state as an electrolyte layer. In such a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode side and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to the cathode side, and the following electrochemical reaction proceeds.

2 → 2H++2e- …(1)
(1/2)O2+2H++2e- → H2O …(2)
2+(1/2)O2 → H2O …(3)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e → H 2 O (2)
H 2 + (1/2) O 2 → H 2 O (3)

(1)式はアノードにおける反応、(2)式はカソードにおける反応を表わし、燃料電池全体では(3)式に示す反応が進行する。このように、燃料電池は、燃料電池に供給される燃料が有する化学エネルギを直接電気エネルギに変換するものであり、エネルギ効率が非常に高い装置として知られている。燃料電池の構成単位である単セル28は、図3に示すように、電解質膜21と、アノード22およびカソード23と、セパレータ30a,30bとから構成されている。   Formula (1) represents the reaction at the anode, Formula (2) represents the reaction at the cathode, and the reaction shown by Formula (3) proceeds in the entire fuel cell. As described above, the fuel cell directly converts chemical energy contained in the fuel supplied to the fuel cell into electric energy, and is known as a device having very high energy efficiency. As shown in FIG. 3, the unit cell 28 that is a constituent unit of the fuel cell is composed of an electrolyte membrane 21, an anode 22, a cathode 23, and separators 30a and 30b.

アノード22およびカソード23は、電解質膜21を両側から挟んでサンドイッチ構造を成すガス拡散電極である。セパレータ30a,30bは、このサンドイッチ構造をさらに両側から挟みつつ、アノード22およびカソード23との間に、燃料ガスおよび酸化ガスの流路を形成する。アノード22とセパレータ30aとの間には燃料ガス流路24Pが形成されており、カソード23とセパレータ30bとの間には酸化ガス流路25Pが形成されている。実際に燃料電池を組み立てるときには、上記単セル28を所定の枚数積層してスタック構造14を形成する。   The anode 22 and the cathode 23 are gas diffusion electrodes having a sandwich structure with the electrolyte membrane 21 sandwiched from both sides. Separator 30a, 30b forms the flow path of fuel gas and oxidizing gas between anode 22 and cathode 23, sandwiching this sandwich structure from both sides. A fuel gas channel 24P is formed between the anode 22 and the separator 30a, and an oxidizing gas channel 25P is formed between the cathode 23 and the separator 30b. When the fuel cell is actually assembled, a predetermined number of the single cells 28 are stacked to form the stack structure 14.

図3では、各セパレータ30a,30bの片面においてだけガス流路を成すリブが形成されているように表わされているが、実際の燃料電池では、図4に示すように、各セパレータ30a,30bは、その両方の面にそれぞれリブ54およびリブ55を形成している。セパレータ30a,30bのそれぞれの片面に形成されたリブ54は隣接するアノード22との間で燃料ガス流路24Pを形成し、セパレータ30の他面に形成されたリブ55は隣接する単セルが備えるカソード23との間で酸化ガス流路25Pを形成する。したがって、セパレータ30a,30bは、ガス拡散電極との間でガスの流路を形成すると共に、隣接する単セル間で燃料ガスと酸化ガスとの流れを分離する役割を果たしている。このように、セパレータ30a,30bは、実際に組み立てられる燃料電池では、形態上、あるいは働きの上で区別はなく、以後、セパレータ30と総称する。   In FIG. 3, the ribs that form the gas flow paths are formed only on one side of each separator 30a, 30b. However, in an actual fuel cell, as shown in FIG. 30b has a rib 54 and a rib 55 formed on both surfaces thereof, respectively. The ribs 54 formed on one side of each of the separators 30a and 30b form a fuel gas flow path 24P with the adjacent anode 22, and the rib 55 formed on the other side of the separator 30 is provided in the adjacent single cell. An oxidizing gas passage 25P is formed between the cathode 23 and the cathode 23. Accordingly, the separators 30a and 30b form a gas flow path between the gas diffusion electrodes and play a role of separating the flow of the fuel gas and the oxidizing gas between adjacent single cells. Thus, the separators 30a and 30b are not distinguished in terms of form or function in a fuel cell that is actually assembled, and are hereinafter collectively referred to as a separator 30.

なお、各セパレータの表面に形成されたリブ54,55の形状は、ガス流路を形成してガス拡散電極に対して燃料ガスまたは酸化ガスを供給可能であれば良い。本実施例では、各セパレータの表面に形成されたリブ54,55は平行に形成された複数の溝状の構造とした。図3では、単セル28の構成を模式的に表わすために、燃料ガス流路24Pと酸化ガス流路25Pとを平行に表わしたが、燃料電池を組み立てる際に実際に用いるセパレータ30では、各セパレータ30の両面で、リブ54とリブ55とがそれぞれ直交する方向となるように、リブ54,55を形成した。   The ribs 54 and 55 formed on the surface of each separator may have any shape as long as a gas flow path is formed and fuel gas or oxidizing gas can be supplied to the gas diffusion electrode. In the present embodiment, the ribs 54 and 55 formed on the surface of each separator have a plurality of groove-like structures formed in parallel. In FIG. 3, in order to schematically represent the configuration of the single cell 28, the fuel gas flow path 24P and the oxidizing gas flow path 25P are shown in parallel, but in the separator 30 actually used when assembling the fuel cell, The ribs 54 and 55 were formed on both surfaces of the separator 30 so that the ribs 54 and the ribs 55 would be orthogonal to each other.

電解質膜21は、固体高分子材料、例えばフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示す。本実施例では、ナフィオン膜(デュポン社製)を使用した。電解質膜21の表面には、触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金が塗布されている。   The electrolyte membrane 21 is a proton conductive ion exchange membrane formed of a solid polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electrical conductivity in a wet state. In this example, a Nafion membrane (manufactured by DuPont) was used. On the surface of the electrolyte membrane 21, platinum as a catalyst or an alloy made of platinum and another metal is applied.

アノード22およびカソード23は、共に炭素繊維からなる糸で織成したカーボンクロスにより形成されている。なお、本実施例では、アノード22およびカソード23をカーボンクロスにより形成したが、炭素繊維からなるカーボンペーパまたはカーボンフエルトにより形成する構成も好適である。   Both the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth woven with yarns made of carbon fibers. In the present embodiment, the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon cloth, but a configuration in which the anode 22 and the cathode 23 are formed of carbon paper or carbon felt made of carbon fiber is also suitable.

セパレータ30は、本実施例の要部に対応する後述する製造方法に従って製造され、カーボン材料を圧縮した成形カーボンとして形成されている。このセパレータ30の周辺部には、4つの穴構造が設けられている。燃料ガス流路34Pを形成するリブ54を連絡する燃料ガス孔50,51と、酸化ガス流路35Pを形成するリブ55連絡する酸化ガス孔52,53である。燃料電池を組み立てたときには、各セパレータ30が備える燃料ガス孔50,51は、燃料電池内部をその積層方向に貫通する燃料ガス供給マニホールド56および燃料ガス排出マニホールド57を形成する。また、各セパレータ30が備える酸化ガス孔52,53は、同じく燃料電池内部をその積層方向に貫通する酸化ガス供給マニホールド58および酸化ガス排出マニホールド59を形成する。   The separator 30 is manufactured according to a manufacturing method described later corresponding to the main part of the present embodiment, and is formed as molded carbon obtained by compressing a carbon material. Four hole structures are provided in the periphery of the separator 30. The fuel gas holes 50 and 51 communicate with the rib 54 forming the fuel gas flow path 34P, and the oxidation gas holes 52 and 53 communicate with the rib 55 forming the oxidation gas flow path 35P. When the fuel cell is assembled, the fuel gas holes 50 and 51 provided in each separator 30 form a fuel gas supply manifold 56 and a fuel gas discharge manifold 57 that penetrate the inside of the fuel cell in the stacking direction. Further, the oxidizing gas holes 52 and 53 provided in each separator 30 form an oxidizing gas supply manifold 58 and an oxidizing gas discharge manifold 59 that penetrate the inside of the fuel cell in the stacking direction.

以上説明した各部材を備える燃料電池を組み立てるときには、セパレータ30、アノード22、電解質膜21、カソード23、セパレータ30の順序で順次重ね合わせ、その両端にさらに集電板36,37、絶縁板38,39、エンドプレート40,41を配置して、図5に示すスタック構造14を完成する。集電板36,37にはそれぞれ出力端子36A,37Aが設けられており、燃料電池で生じた起電力を出力可能となっている。   When assembling a fuel cell including the above-described members, the separator 30, anode 22, electrolyte membrane 21, cathode 23, and separator 30 are sequentially stacked in order, and current collecting plates 36 and 37, insulating plates 38, 39, end plates 40 and 41 are arranged to complete the stack structure 14 shown in FIG. The current collector plates 36 and 37 are provided with output terminals 36A and 37A, respectively, so that the electromotive force generated in the fuel cell can be output.

エンドプレート40は、図5に示すように2つの穴構造を備えている。一つは燃料ガス孔42、もう一つは酸化ガス孔44である。エンドプレート40と隣接する絶縁板38および集電板36は、エンドプレート40が備える2つの穴構造と対応する位置に同様の2つの穴構造を形成している。この燃料ガス孔42は、セパレータ30の備える燃料ガス孔50の中央部に開口している。なお、燃料電池を動作させるときには、燃料ガス孔42と図示しない燃料供給装置とが接続され、水素リッチな燃料ガスが燃料電池内部に供給される。同様に、酸化ガス孔44は前記セパレータ30の備える酸化ガス孔52の中央部に対応する位置に形成されている。燃料電池を動作させるときには、この酸化ガス孔44と図示しない酸化ガス供給装置とが接続され、酸素を含有する酸化ガスが燃料電池内部に供給される。ここで、燃料ガス供給装置と酸化ガス供給装置は、それぞれのガスに対して所定量の加湿および加圧を行なって燃料電池に供給する装置である。   The end plate 40 has two hole structures as shown in FIG. One is a fuel gas hole 42 and the other is an oxidizing gas hole 44. The insulating plate 38 and the current collecting plate 36 adjacent to the end plate 40 form two similar hole structures at positions corresponding to the two hole structures provided in the end plate 40. The fuel gas hole 42 opens at the center of the fuel gas hole 50 provided in the separator 30. When the fuel cell is operated, the fuel gas hole 42 and a fuel supply device (not shown) are connected, and hydrogen-rich fuel gas is supplied into the fuel cell. Similarly, the oxidizing gas hole 44 is formed at a position corresponding to the central portion of the oxidizing gas hole 52 provided in the separator 30. When the fuel cell is operated, the oxidant gas hole 44 is connected to an oxidant gas supply device (not shown), and an oxidant gas containing oxygen is supplied into the fuel cell. Here, the fuel gas supply device and the oxidizing gas supply device are devices that supply a fuel cell by humidifying and pressurizing a predetermined amount of each gas.

また、エンドプレート41は、エンドプレート40とは異なる位置に2つの穴構造を備えている。絶縁板39、集電板37もまたエンドプレート41と同様の位置に、それぞれ2つの穴構造を形成している。エンドプレート41が備える穴構造の一つ燃料ガス孔43はセパレータ30の備える燃料ガス孔51の中央部に対応する位置に開口している。もう一つの穴構造である酸化ガス孔45はセパレータ30の備える酸化ガス孔53の中央部に対応する位置に開口している。燃料電池を動作させるときには、燃料ガス孔43には図示しない燃料ガス排出装置が接続され、酸化ガス孔45には図示しない酸化ガス排出装置が接続される。   Further, the end plate 41 has two hole structures at positions different from the end plate 40. The insulating plate 39 and the current collecting plate 37 also form two hole structures at the same positions as the end plate 41. One fuel gas hole 43 of the hole structure provided in the end plate 41 opens at a position corresponding to the central portion of the fuel gas hole 51 provided in the separator 30. The oxidizing gas hole 45, which is another hole structure, opens at a position corresponding to the central portion of the oxidizing gas hole 53 provided in the separator 30. When the fuel cell is operated, a fuel gas discharge device (not shown) is connected to the fuel gas hole 43, and an oxidizing gas discharge device (not shown) is connected to the oxidation gas hole 45.

以上説明した各部材からなるスタック構造14は、その積層方向に所定の押圧力がかかった状態で保持され、燃料電池が完成する。スタック構造14を押圧する構成については図示は省略した。   The stack structure 14 composed of each member described above is held in a state where a predetermined pressing force is applied in the stacking direction, and the fuel cell is completed. The configuration for pressing the stack structure 14 is not shown.

次に、以上のような構成を備えた燃料電池における燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて説明する。燃料ガスは、上記した所定の燃料ガス供給装置から、エンドプレート40に形成された燃料ガス孔42を経て燃料電池内部に導入される。燃料電池内部で燃料ガスは、燃料ガス供給マニホールド56を介して各単セル28が備える燃料ガス流路24Pに供給され、各単セル28のアノード側で進行する電気化学反応に供される。燃料ガス流路24Pから排出された燃料ガスは、燃料ガス排出マニホールド57に集合してエンドプレート41の燃料ガス孔43に達し、この燃料ガス孔43から燃料電池の外部へ排出されて、所定の燃料ガス排出装置に導かれる。   Next, the flow of the fuel gas and the oxidizing gas in the fuel cell having the above configuration will be described. The fuel gas is introduced into the fuel cell from the predetermined fuel gas supply device described above through the fuel gas hole 42 formed in the end plate 40. Inside the fuel cell, the fuel gas is supplied to the fuel gas flow path 24P provided in each single cell 28 via the fuel gas supply manifold 56, and is subjected to an electrochemical reaction that proceeds on the anode side of each single cell 28. The fuel gas discharged from the fuel gas flow path 24P gathers in the fuel gas discharge manifold 57 and reaches the fuel gas hole 43 of the end plate 41, and is discharged from the fuel gas hole 43 to the outside of the fuel cell. Guided to the fuel gas discharge device.

同様に酸化ガスは、上記した所定の酸化ガス供給装置から、エンドプレート40に形成された酸化ガス孔44を経て燃料電池内部に導入される。燃料電池内部で酸化ガスは、酸化ガス供給マニホールド58を介して各単セル28が備える酸化ガス流路25Pに供給され、各単セル28のカソード側で進行する電気化学反応に供される。酸化ガス流路25Pから排出された酸化ガスは、酸化ガス排出マニホールド59に集合してエンドプレート41の酸化ガス孔45に達し、この酸化ガス孔45から上記所定の酸化ガス排出装置に排出される。   Similarly, the oxidizing gas is introduced from the predetermined oxidizing gas supply device described above into the fuel cell through the oxidizing gas hole 44 formed in the end plate 40. Inside the fuel cell, the oxidant gas is supplied to the oxidant gas flow path 25P included in each single cell 28 via the oxidant gas supply manifold 58, and is subjected to an electrochemical reaction that proceeds on the cathode side of each single cell 28. The oxidizing gas discharged from the oxidizing gas flow path 25P gathers in the oxidizing gas discharge manifold 59, reaches the oxidizing gas hole 45 of the end plate 41, and is discharged from the oxidizing gas hole 45 to the predetermined oxidizing gas discharge device. .

次に、本発明の要部に対応するセパレータ30の製造方法について説明する。図1は本実施例のセパレータ30の製造方法を表わす工程図、図2は、図1に表わす工程のなかのプレス成形の様子を表わす説明図である。図1に示したセパレータ30の製造工程は、カーボン粉末にバインダを加えた原材料粉末を用いて、加熱プレスによって成形するというものであるが、原材料粉末に加えるバインダとして、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを用いていることを特徴としている。   Next, the manufacturing method of the separator 30 corresponding to the principal part of this invention is demonstrated. FIG. 1 is a process diagram showing a manufacturing method of the separator 30 of this embodiment, and FIG. 2 is an explanatory diagram showing the state of press molding in the process shown in FIG. The manufacturing process of the separator 30 shown in FIG. 1 is a process in which a raw material powder obtained by adding a binder to a carbon powder is molded by heating press. As a binder to be added to the raw material powder, a cresol novolac type epoxy resin and a novolac are used. It is characterized by using type phenolic resin.

最初に、図1に基づいて、セパレータ30の製造方法を説明する。セパレータ30を製造するには、まず原材料粉末の調製を行なう(ステップS100)。ここでは、原材料として、カーボン粉末と、このカーボン粉末を互いに結着させてセパレータに充分な強度を与えるためのバインダを用意する。   First, a method for manufacturing the separator 30 will be described with reference to FIG. In order to manufacture the separator 30, first, raw material powder is prepared (step S100). Here, as raw materials, a carbon powder and a binder for binding the carbon powder to each other to give the separator sufficient strength are prepared.

一般にバインダは、所定の温度に加熱することによって熱硬化反応を起こす熱硬化性樹脂からなり、セパレータを製造するためのバインダとしては、燃料電池の運転温度および燃料電池に供給するガスの各成分に対して安定であることが望まれる。そこで、本実施例では、バインダとして使用する熱硬化性樹脂として、上述したように、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂とノボラック型フェノール樹脂とを用いている。ステップS100で用意するバインダの組成内容は、エポキシ当量が214グラム当量であるクレゾールノボラック型エポキシ樹脂と、OH当量が103グラム当量であるノボラック型エポキシ樹脂とを等量ずつ用い、さらに、エポキシ樹脂の硬化促進剤として、イミダゾール化合物(2−エチル−4−メチル イミダゾール)をエポキシ樹脂に対して0.5%の割合で加える。上記ステップS100では、このような組成のバインダを、カーボン粉末に対して12%用意する。   Generally, a binder is made of a thermosetting resin that undergoes a thermosetting reaction by heating to a predetermined temperature. As a binder for manufacturing a separator, the operating temperature of the fuel cell and the components of the gas supplied to the fuel cell are used. It is desirable to be stable. Therefore, in this embodiment, as described above, the cresol novolac type epoxy resin and the novolac type phenol resin are used as the thermosetting resin used as the binder. The composition content of the binder prepared in step S100 uses cresol novolac type epoxy resin having an epoxy equivalent of 214 gram equivalent and novolac type epoxy resin having an OH equivalent of 103 gram equivalent, respectively. As a curing accelerator, an imidazole compound (2-ethyl-4-methylimidazole) is added at a ratio of 0.5% with respect to the epoxy resin. In step S100, 12% of the binder having such a composition is prepared with respect to the carbon powder.

なお、カーボン粉末としては、本実施例では鱗片状天然黒鉛を用いた。この鱗片状天然黒鉛としては、平均粒径が5〜50μm、粒度分布が1〜200μmのものを用いた。カーボン粉末の粒径が小さいと、後述する加熱プレス成形においてより多くのバインダを要することになる。また、カーボン粉末の粒径が大きいと、カーボン粉末とバインダとを充分に均一に混合することが困難となる。これらのことを考慮して、用いるカーボン粉末としては、上記した範囲の粒径を有する粒子からなる粉末を用いることとした。   As the carbon powder, scaly natural graphite was used in this example. As the scaly natural graphite, those having an average particle diameter of 5 to 50 μm and a particle size distribution of 1 to 200 μm were used. When the particle size of the carbon powder is small, more binder is required in the hot press molding described later. In addition, when the particle size of the carbon powder is large, it becomes difficult to sufficiently uniformly mix the carbon powder and the binder. Considering these matters, as the carbon powder to be used, a powder made of particles having a particle diameter in the above-described range was used.

次に、ステップS100で用意した原材料粉末に、有機溶媒であるメチルエチルケトン(MEK)を加え、ボールミルで均一に混合して、粘度200cpsのスラリを作製する(ステップS110)。続いて、このスラリをスプレードライヤ装置に充填し、80℃の温度条件で噴霧乾燥して造粒し、平均粒径100μm程度の粉末を得る(ステップS120)。なお、ステップS110で作製するスラリの粘度は、ステップS120で使用するスプレードライヤ装置の性能などを考慮して、上記した所望の粒径を有する粒子が造粒可能となるように、適宜調節すればよい。   Next, methyl ethyl ketone (MEK), which is an organic solvent, is added to the raw material powder prepared in step S100, and mixed uniformly with a ball mill to produce a slurry having a viscosity of 200 cps (step S110). Subsequently, this slurry is filled in a spray dryer, and spray-dried under a temperature condition of 80 ° C. and granulated to obtain a powder having an average particle size of about 100 μm (step S120). The viscosity of the slurry produced in step S110 can be adjusted as appropriate so that the particles having the desired particle size described above can be granulated in consideration of the performance of the spray dryer used in step S120. Good.

上記ステップS120では、カーボン粉末とバインダとを混合して作製したスラリを、スプレードライヤ装置を用いて造粒したが、異なる方法によって、カーボンとバインダとが混合した粉末を調製してもよい。たとえば、上記スラリを乾燥させた後に粉砕することとしてもよい。また、原材料粉末を均一に混合可能であれば、上記した湿式混練に代えて、樹脂が硬化しない程度の温度(室温から100℃程度)において、溶媒を用いることなく原材料粉末を混合する乾式混練を行なってもよい。   In step S120, the slurry prepared by mixing the carbon powder and the binder is granulated using a spray dryer, but a powder in which the carbon and the binder are mixed may be prepared by a different method. For example, the slurry may be pulverized after being dried. In addition, if the raw material powder can be mixed uniformly, instead of the above-described wet kneading, dry kneading in which the raw material powder is mixed without using a solvent at a temperature that does not cure the resin (room temperature to about 100 ° C.). You may do it.

ここで、原材料として用いるカーボンは、既述した湿式混練や乾式混練によって、許容できる程度に均一に、バインダと混合可能な形状であればよい。バインダと充分に均一に混合し、ステップS120において既述した粒径の粒子に造粒するために、本実施例では、既述した範囲の粒径を有する粒子からなる鱗片状天然黒鉛粉末を用いた。   Here, the carbon used as a raw material should just be a shape which can be mixed with a binder uniformly to an acceptable extent by wet kneading or dry kneading described above. In this embodiment, scaly natural graphite powder composed of particles having a particle size in the above-described range is used in order to mix sufficiently uniformly with the binder and granulate the particles having the particle size described in step S120. It was.

ステップS120において、カーボン粉末とバインダとからなる粒子によって構成される粉末が得られると、次に、これらの粉末を所定形状の金型に投入する(ステップS130)。原材料粉末を金型60内に投入した様子を、図2(A)に模式的に示す。この金型60は、これを用いて原材料粉末をプレス成形することによって、図4に示した形状のセパレータ30を形成可能となる凹凸形状を内面に有するものである。ここで、面圧1ton/cm2 、180℃にてプレスすることで、図4に示したセパレータ30と同様の形状を有するセパレータ部材が得られる(ステップS140)。なお、プレス時の面圧は、製造されるセパレータ30が充分な強度を有するならば、異なる値としてもよく、選択した面圧に応じて、原材料粉末としてカーボン粉末に混合するバインダ量を適宜調節すればよい。 In step S120, when powder composed of particles composed of carbon powder and binder is obtained, these powders are then put into a mold having a predetermined shape (step S130). A state in which the raw material powder is put into the mold 60 is schematically shown in FIG. The mold 60 has an uneven shape on the inner surface that enables the separator 30 having the shape shown in FIG. 4 to be formed by press molding the raw material powder using the mold 60. Here, by pressing at a surface pressure of 1 ton / cm 2 and 180 ° C., a separator member having the same shape as the separator 30 shown in FIG. 4 is obtained (step S140). The surface pressure during pressing may be different as long as the manufactured separator 30 has sufficient strength, and the amount of the binder mixed with the carbon powder as the raw material powder is appropriately adjusted according to the selected surface pressure. do it.

上記ステップS140のプレス成形時には、金型を180℃で加熱することによって、バインダを構成する熱硬化性樹脂が一旦軟化すると共に熱硬化反応が起こり、プレス成形と同時にセパレータ部材に所定の強度を与えることができる。ここで、プレス成形時の加熱条件は、上記した樹脂の軟化および熱硬化反応がおこる条件であればよく、例えば、140〜220℃の温度範囲で、1〜30分間という加熱時間範囲の中で適宜決定することができる。あるいは、熱硬化性樹脂が軟化するものの熱硬化反応は起こさない温度範囲(80〜100℃)で加熱プレス成形を行なった後に、成形されたセパレータ部材を所定の加熱炉内で140〜220℃で30〜600分間加熱することによって熱硬化性樹脂の熱硬化を行なうこととしても良い。この場合には、プレス成形時に熱硬化性樹脂を軟化させることによって、カーボン粉末間に熱硬化性樹脂を行き渡らせて充分な結着性を得ることができる。また、プレス時には熱硬化反応を完了させる必要がないためプレス工程の時間を短縮することができ、また、熱硬化反応は後でまとめて行なうことができるため、多量のセパレータを製造する場合に有利となる。この熱硬化反応のために行なう加熱は、選択した熱硬化性樹脂が熱硬化可能であって、熱硬化性樹脂等の構成材料が劣化しない温度範囲および加熱時間であれば良い。   At the time of press molding in step S140, by heating the mold at 180 ° C., the thermosetting resin constituting the binder is once softened and a thermosetting reaction occurs, and at the same time as the press molding, a predetermined strength is given to the separator member. be able to. Here, the heating condition at the time of press molding should just be the conditions which the softening and thermosetting reaction of the above-mentioned resin occur, for example, within the heating time range of 1 to 30 minutes in the temperature range of 140 to 220 ° C. It can be determined as appropriate. Alternatively, after performing heat press molding in a temperature range (80 to 100 ° C.) in which the thermosetting resin softens but does not cause a thermosetting reaction, the molded separator member is placed at 140 to 220 ° C. in a predetermined heating furnace. Thermosetting of the thermosetting resin may be performed by heating for 30 to 600 minutes. In this case, by softening the thermosetting resin at the time of press molding, the thermosetting resin can be spread between the carbon powders to obtain sufficient binding properties. In addition, it is not necessary to complete the thermosetting reaction at the time of pressing, so the time of the pressing process can be shortened, and the thermosetting reaction can be performed collectively later, which is advantageous when manufacturing a large amount of separators. It becomes. The heating for the thermosetting reaction may be performed within a temperature range and a heating time in which the selected thermosetting resin can be thermoset and the constituent materials such as the thermosetting resin are not deteriorated.

上記したプレス成形を行なうときに、上記金型内の空気が原材料粉末中に取り込まれてプレスが行なわれると、成形されたセパレータ部材内に空気が残留してセパレータ部材内に気泡が形成されることがある。このように局所的に非所望の気泡が形成されてしまうのを防ぐために、プレス成形時には上記金型内を10torr以下に排気しておき、セパレータ部材内に空気が残留するのを防ぐ構成としてもよい。   When performing the above-described press molding, if the air in the mold is taken into the raw material powder and the press is performed, the air remains in the molded separator member and bubbles are formed in the separator member. Sometimes. In order to prevent the formation of undesired bubbles locally as described above, the inside of the mold may be evacuated to 10 torr or less during press molding to prevent air from remaining in the separator member. Good.

次に、加熱プレス成形で得られたセパレータ部材において、燃料電池内に組み込んだときにガス流路を形成する凹凸構造(リブ54,55)の凸部の表層を研磨除去する(ステップS150)。上記ステップS140における加熱プレス成形を行なうと、熱硬化性樹脂が加熱によって一旦軟化するときに、熱硬化性樹脂の一部がセパレータ部材表面ににじみ出して、得られるセパレータ部材の表面に熱硬化性樹脂の層が形成される。熱硬化性樹脂は導電性を有しないため、このような熱硬化性樹脂の層が表面に形成されると、製造されるセパレータにおいて抵抗が増大し、導電性が悪化する。したがって、セパレータ部材表面の研磨除去を行なうことによって、セパレータ部材からこの熱硬化性樹脂の層を取り除き、セパレータの導電性を確保している。ここで、セパレータを燃料電池に組み込んだときには、セパレータと、このセパレータと隣接する部材(ガス拡散電極)とが接触する接触部位における接触抵抗が特に問題となるため、このような接触部位にあたる領域、すなわち、セパレータ部材表面に形成された凹凸構造の内、凸部の表面を削り取る。本実施例では、この凸部表面を約10μm研磨除去した。このようにして、セパレータ部材表面に形成された熱硬化性樹脂の層を取り除いて、セパレータ30を完成させる。   Next, in the separator member obtained by hot press molding, the surface layer of the projecting portion of the concavo-convex structure (ribs 54 and 55) that forms the gas flow path when incorporated in the fuel cell is polished and removed (step S150). When the heat press molding in step S140 is performed, when the thermosetting resin is once softened by heating, a part of the thermosetting resin oozes out to the surface of the separator member, and the surface of the obtained separator member is thermosetting. A layer of resin is formed. Since the thermosetting resin does not have conductivity, when such a thermosetting resin layer is formed on the surface, the resistance increases in the manufactured separator, and the conductivity deteriorates. Therefore, by polishing and removing the surface of the separator member, the layer of the thermosetting resin is removed from the separator member to ensure the conductivity of the separator. Here, when the separator is incorporated in the fuel cell, since the contact resistance at the contact portion where the separator and the member adjacent to the separator (gas diffusion electrode) come into contact is particularly problematic, the region corresponding to such a contact portion, That is, the surface of the convex portion is scraped out of the concavo-convex structure formed on the surface of the separator member. In this example, the surface of the convex portion was polished and removed by about 10 μm. Thus, the layer of the thermosetting resin formed on the separator member surface is removed, and the separator 30 is completed.

なお、ステップS150において、セパレータ部材表面に形成された凹凸構造の凸部の表面を研磨除去するという処理を行なうと、加熱プレス成形の際にセパレータ部材の表面に熱硬化性樹脂が滲み出して形成された熱硬化性樹脂の層が取り除かれる他に、この研磨除去を行なう部位において、セパレータ部材表面に付着した離型剤も取り除かれる。原材料にバインダとして加える熱硬化性樹脂は密着性が高いため、加熱プレス成形の後に、加熱プレス成形で用いた金型からセパレータ部材を取り出すときの離型性を高めるため、上記金型には加熱プレス成形に先立って離型剤を塗布する。この離型剤として、本実施例ではポリテトラフルオロエチレン(テフロン:登録商標)を用いたが、金型に塗布したこのような離型剤の少なくとも一部は、金型からセパレータ部材を取り出すときにはセパレータ部材に付着してしまう。ステップS150の研磨除去の工程を行なうことによって、セパレータ部材に付着した離型剤は、上記したガス拡散電極と接触可能な面において除去される。   In step S150, when the surface of the convex portion of the concavo-convex structure formed on the surface of the separator member is removed by polishing, the thermosetting resin oozes out on the surface of the separator member during hot press molding. In addition to removing the thermosetting resin layer, the release agent attached to the surface of the separator member is also removed at the site where the polishing removal is performed. Since the thermosetting resin added as a binder to the raw material has high adhesion, the mold is heated to improve the releasability when the separator member is taken out from the mold used in the hot press molding after the hot press molding. A release agent is applied prior to press molding. In this example, polytetrafluoroethylene (Teflon: registered trademark) was used as the mold release agent. However, at least a part of the mold release agent applied to the mold is used when the separator member is taken out from the mold. It will adhere to the separator member. By performing the polishing removal step of step S150, the release agent attached to the separator member is removed on the surface that can contact the gas diffusion electrode.

このようにして得られたセパレータ30について密度を測定し、この値を理論密度と比較したところ、セパレータ30の密度は理論密度の95%以上であり、燃料電池用セパレータとして、充分なガス不透過性を備えていた。ここで、理論密度とは、原材料として用いたカーボン粉末の密度とバインダの密度、および、原材料におけるカーボン粉末とバインダとの混合比率から求まる平均密度を、セパレータが完全に緻密に形成された場合の密度として仮想的に計算したものである。実際にセパレータを製造する場合には、完全に緻密な理想的な状態とはならないが、製造したセパレータの密度が上記理論密度に近いほど、セパレータはより緻密な状態となり、そのガス不透過性は良好となる。製造したセパレータのガス不透過性が、燃料電池用セパレータとして充分であるためには、製造したセパレータの実際の密度が、上記理論密度の93%以上であることが望ましい。   When the density of the separator 30 thus obtained was measured and compared with the theoretical density, the density of the separator 30 was 95% or more of the theoretical density, and sufficient gas impermeability as a fuel cell separator. It had sex. Here, the theoretical density is the density of the carbon powder used as the raw material and the density of the binder, and the average density obtained from the mixing ratio of the carbon powder and the binder in the raw material, when the separator is completely densely formed. Virtually calculated as density. When the separator is actually manufactured, it does not become a completely dense ideal state, but the closer the density of the manufactured separator is to the theoretical density, the more dense the separator is, and its gas impermeability is It becomes good. In order for the manufactured separator to have sufficient gas impermeability as a fuel cell separator, the actual density of the manufactured separator is preferably 93% or more of the theoretical density.

以上説明したように製造したセパレータ30を用いて燃料電池を組み立て、その電流−電圧特性を調べた結果を図6に示す。図6では、比較例として、従来知られる技術に従って作製した黒鉛化カーボンと、従来知られる技術に従って作製した成形カーボンからなるセパレータをそれぞれ用いた燃料電池における電流−電圧特性も合わせて示した。ここで、従来知られる技術に従って作製した黒鉛化カーボンからなるセパレータとは、カーボン粉末とフェノール樹脂とを混練して成形したものを焼成して黒鉛化し、機械加工を施して所定の形状としたものである。なお、既述したように、焼成の工程で生じる水などによって焼成カーボンでは内部に気泡が形成されてしまうので、ここで比較例として用いた黒鉛化カーボンからなるセパレータは、焼成の工程の後に、さらに樹脂を含浸させて上記気泡を塞ぎ、セパレータにおけるガス不透過性を確保している。また、従来知られる技術に従って作製した成形カーボンからなるセパレータとは、カーボン粉末に、フェノール樹脂からなる充分量のバインダを加えて混練した後に、加熱プレス成形を行なって製造したものである。ここでは、従来技術として既述した公報(特開平60−246568)に開示された方法に従い、セパレータのガス不透過性を確保するのに充分量のバインダとして、カーボン粉末に対して20%以上の割合のバインダを加えた。   FIG. 6 shows the result of assembling the fuel cell using the separator 30 manufactured as described above and examining the current-voltage characteristics thereof. In FIG. 6, as a comparative example, current-voltage characteristics in a fuel cell each using a graphitized carbon produced according to a conventionally known technique and a separator made of molded carbon produced according to a conventionally known technique are also shown. Here, a separator made of graphitized carbon produced according to a conventionally known technique is a product obtained by kneading and molding carbon powder and a phenol resin, followed by graphitization and machining to obtain a predetermined shape. It is. In addition, as already described, since bubbles are formed inside the baked carbon due to water generated in the firing step, the separator made of graphitized carbon used as a comparative example here, after the firing step, Furthermore, the resin is impregnated to block the bubbles, and gas impermeability in the separator is ensured. In addition, a separator made of molded carbon produced according to a conventionally known technique is produced by adding a sufficient amount of a binder made of a phenol resin to a carbon powder and kneading, followed by hot press molding. Here, according to the method disclosed in the publication (Japanese Patent Laid-Open No. 60-246568) described above as the prior art, as a sufficient amount of binder to ensure the gas impermeability of the separator, 20% or more with respect to the carbon powder. Percent binder was added.

図6に示すように、本実施例のセパレータ30を用いて組み立てた燃料電池は、従来知られる黒鉛化カーボンからなるセパレータを用いて組み立てた燃料電池と、ほぼ同等の電流−電圧特性を示すと共に、従来知られる成形カーボンからなるセパレータを用いて組み立てた燃料電池に比べて優れた電池特性を示した。すなわち、出力電流値が大きくなっても、充分に高い出力電圧を維持することができた。ここで、従来知られる成形カーボンからなるセパレータを用いて組み立てた燃料電池の電池特性が劣っているのは、加熱プレスによって成形する際に、成形されたセパレータの表面に加熱によって軟化したバインダがしみ出し、セパレータ表面にバインダの層が形成されてしまうことによる。フェノール樹脂からなるバインダは導電性を有しないため、このようなセパレータを用いて燃料電池を組み立てると、燃料電池の内部抵抗が増大し、出力電流値が大きいときの出力電圧を充分に確保することが困難となる。   As shown in FIG. 6, the fuel cell assembled using the separator 30 of the present example shows substantially the same current-voltage characteristics as a fuel cell assembled using a conventionally known separator made of graphitized carbon. The battery characteristics are superior to those of a fuel cell assembled using a conventionally known separator made of molded carbon. That is, even when the output current value is increased, a sufficiently high output voltage can be maintained. Here, the battery characteristics of a fuel cell assembled using a separator made of a conventionally known molded carbon are inferior because when the binder is molded by a hot press, the surface of the molded separator is stained with a softened binder. This is because a binder layer is formed on the separator surface. Since a binder made of phenolic resin has no electrical conductivity, when a fuel cell is assembled using such a separator, the internal resistance of the fuel cell increases and a sufficient output voltage is secured when the output current value is large. It becomes difficult.

以上説明した本実施例のセパレータの製造方法によれば、カーボン粉末に加えるバインダとして、フェノール樹脂とエポキシ樹脂とを混合して用いているため、加熱プレス成形時にバインダとして用いる熱硬化性樹脂が化学反応を起こして熱硬化するときに、これらの樹脂がガス(水蒸気)を発生することがない。したがって、加熱時に発生したガスによってセパレータが膨張したり、割れが生じたりすることがなく、充分な強度のセパレータを製造することができる。   According to the separator manufacturing method of the present embodiment described above, since the phenol resin and the epoxy resin are mixed and used as the binder to be added to the carbon powder, the thermosetting resin used as the binder at the time of hot press molding is chemically used. These resins do not generate gas (water vapor) when they are reacted and thermally cured. Therefore, the separator with sufficient strength can be produced without causing the separator to expand or crack due to the gas generated during heating.

フェノール樹脂とエポキシ樹脂は、加熱プレス成型時に互いに化学反応して分子間で架橋が起こり、熱硬化する。この反応の様子を、図9に示す。フェノール樹脂は水酸基を有しており、フェノール樹脂だけをバインダとして用いる場合には、フェノール樹脂が有するこの水酸基が互いに反応して水を生じる。このようにフェノール樹脂だけをバインダとして用いる場合に、プレス成型時の加熱が急速に行なわれ、上記水酸基同士の反応が急激に進行すると、急激に生成される水蒸気によって、プレス成形で得られるセパレータ部材に膨れが生じるおそれがある。これに対して、バインダとしてフェノール樹脂とエポキシ樹脂とを用いると、図9に示すように、フェノール樹脂の水酸基はエポキシ樹脂のエポキシ基と反応するため、水蒸気を生じることがない。   The phenolic resin and the epoxy resin are chemically reacted with each other at the time of hot press molding, causing cross-linking between molecules, and thermosetting. The state of this reaction is shown in FIG. The phenol resin has a hydroxyl group, and when only the phenol resin is used as a binder, the hydroxyl groups of the phenol resin react with each other to generate water. Thus, when only a phenol resin is used as a binder, when the heating at the time of press molding is rapidly performed and the reaction between the hydroxyl groups proceeds rapidly, the separator member obtained by press molding by the water vapor generated rapidly There is a risk of swelling. On the other hand, when a phenol resin and an epoxy resin are used as the binder, as shown in FIG. 9, the hydroxyl group of the phenol resin reacts with the epoxy group of the epoxy resin, so that no water vapor is generated.

なお、バインダとしてフェノール樹脂とエポキシ樹脂とを組み合わせて用いることによって、加熱プレス成型時における水蒸気の発生を抑える場合に、その効果を充分に得るには、バインダとして用いるフェノール樹脂が有する水酸基から非所望の水蒸気が生じないように、この水酸基と反応するのに充分量のエポキシ基を、バインダとして用いるエポキシ樹脂が有していることが必要である。たとえば、エポキシ樹脂とフェノール樹脂とを等量用いる場合には、エポキシ当量が100〜250グラム当量のエポキシ樹脂と、OH当量が100〜120グラム当量のフェノール樹脂とを混合して用いればよい。バインダ中のエポキシ樹脂とフェノール樹脂とが、加熱に伴って化学反応を起こして熱硬化する際に、エポキシ樹脂においてこの化学反応に供されるエポキシ基の量と、フェノール樹脂においてこの化学反応に供される水酸基の量との比の値が、0.8〜1.2となるように設定することによって、バインダ中のエポキシ樹脂量とフェノール樹脂量とのバランスをとることができる。ここで、エポキシ樹脂は、フェノール樹脂に比べて熱硬化に長時間を要するため、エポキシ樹脂量とフェノール樹脂量とのバランスを取ることによって、上記したガス発生を抑える効果を得ながら、製造時間が長期化するのを抑えることができる。なお、製造時間が許容できる範囲であれば、エポキシ樹脂量をフェノール樹脂量よりも多く設定しても差し支えない。   In order to sufficiently obtain the effect of suppressing the generation of water vapor during hot press molding by using a combination of a phenol resin and an epoxy resin as a binder, it is undesirable from the hydroxyl group of the phenol resin used as the binder. It is necessary that the epoxy resin used as the binder has a sufficient amount of epoxy groups to react with the hydroxyl groups so that no water vapor is generated. For example, when using an equal amount of an epoxy resin and a phenol resin, an epoxy resin having an epoxy equivalent of 100 to 250 gram equivalent and a phenol resin having an OH equivalent of 100 to 120 gram equivalent may be used. When the epoxy resin and the phenol resin in the binder undergo a chemical reaction with heating and are thermally cured, the amount of the epoxy group that is subjected to this chemical reaction in the epoxy resin, and the chemical reaction in the phenol resin. By setting the value of the ratio to the amount of hydroxyl group to be 0.8 to 1.2, it is possible to balance the amount of epoxy resin and the amount of phenol resin in the binder. Here, since the epoxy resin requires a long time for thermosetting compared to the phenol resin, the production time can be obtained while obtaining the effect of suppressing the gas generation by balancing the amount of the epoxy resin and the amount of the phenol resin. It is possible to suppress the prolonged period. It should be noted that the amount of epoxy resin may be set larger than the amount of phenol resin as long as the manufacturing time is acceptable.

本実施例では、バインダとして用いるエポキシ樹脂としてクレゾールノボラック型エポキシ樹脂を、フェノール樹脂としてノボラック型フェノール樹脂を用いたが、それぞれ異なる種類の樹脂を用いることとしてもよい。例えば、エポキシ樹脂としては、クレゾールノボラック型の他に、グリシジルアミン型やビスフェノールA型などを用いることができ、フェノール樹脂としては、ノボラック型の他にレゾール型などを用いることができる。いずれの場合にも、エポキシ樹脂とフェノール樹脂とを組み合わせて用いることによって、加熱時に発生するガス量を抑える上記した効果を得ることができる。   In this embodiment, a cresol novolac type epoxy resin is used as an epoxy resin used as a binder and a novolac type phenol resin is used as a phenol resin, but different types of resins may be used. For example, as the epoxy resin, in addition to the cresol novolac type, a glycidylamine type, a bisphenol A type, or the like can be used. As the phenol resin, a resol type other than the novolac type can be used. In any case, by using a combination of an epoxy resin and a phenol resin, the above-described effect of suppressing the amount of gas generated during heating can be obtained.

ここで、用いる樹脂の種類によって、最終的に製造されるセパレータの性質が変わるため、製造するセパレータに対して望む性質・性能に応じて、用いる樹脂の種類を適宜選択すればよい。例えば、エポキシ樹脂としてクレゾールノボラック型を用いると、セパレータの耐熱性を向上させることができる。これに対して、エポキシ樹脂としてビスフェノールA型を用いると、セパレータを柔らかくすることができ、堅すぎることによってセパレータが脆く壊れやすくなるのを抑えることができる。あるいは、エポキシ樹脂として、これらクレゾールノボラック型とビスフェノールA型の両方を混合して用いると、その混合比に応じてそれぞれの樹脂の利点をセパレータに与えることができる。   Here, since the property of the separator finally manufactured changes with kinds of resin to be used, the kind of resin to be used may be appropriately selected according to properties and performance desired for the separator to be manufactured. For example, when a cresol novolac type is used as the epoxy resin, the heat resistance of the separator can be improved. On the other hand, when the bisphenol A type is used as the epoxy resin, the separator can be softened, and it is possible to prevent the separator from becoming brittle and easily broken by being too stiff. Alternatively, when both of these cresol novolac type and bisphenol A type are used as an epoxy resin, the advantages of the respective resins can be given to the separator according to the mixing ratio.

さらに、本実施例の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、焼成の工程を行なうことなく、加熱プレス成形によってセパレータ部材を作製しているため、焼成体から所定の形状を切り出すための機械加工の工程が不要となる。したがって、製造工程を簡素化することができると共に製造コストを抑えることができる。   Furthermore, according to the manufacturing method of the separator for a fuel cell of this example, since the separator member is produced by hot press molding without performing the firing step, machining for cutting a predetermined shape from the fired body is performed. This process becomes unnecessary. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the manufacturing cost can be suppressed.

また、本実施例の燃料電池用セパレータの製造方法では、原材料として用いるカーボン粉末として、鱗片状天然黒鉛を用いているため、他種のカーボン粉末を用いる場合に比べてバインダ量を少なくすることができるという効果を奏する。すなわち、鱗片状天然黒鉛の粉末は、この粉末を構成する各粒子が薄片状であるため、鱗片状天然黒鉛粉末自体が所定の結着力を有し、セパレータを構成するカーボン粉末に充分な結着力を付与するために加えるバインダ量がより少なくて済む。また、カーボン粉末として、平均粒径5〜50μm、粒度分布1〜200μmの粒子からなる粉末を用いることによって、より微小な粒子からなるカーボン粉末を用いる場合に比べて、バインダの所要量を減らすことができる。バインダとして用いる熱硬化性樹脂は導電性を有しないため、原材料に加えるバインダ量が少なくて済むことによって、製造されるセパレータの導電性を向上させることができる。なお、上記したカーボン粉末を構成する粒子の大きさの範囲は、カーボン粉末とバインダとを均一に混合するために充分な細かさとなっている。   Further, in the method for producing a separator for a fuel cell according to the present embodiment, since scaly natural graphite is used as the carbon powder used as a raw material, the amount of binder can be reduced as compared with the case of using other types of carbon powder. There is an effect that can be done. That is, in the powder of scaly natural graphite, since each particle constituting the powder is in the form of flakes, the scaly natural graphite powder itself has a predetermined binding force, and the binding power sufficient for the carbon powder constituting the separator. The amount of binder to be added in order to impart the amount of the resin is smaller. In addition, by using a powder composed of particles having an average particle size of 5 to 50 μm and a particle size distribution of 1 to 200 μm as the carbon powder, the required amount of binder is reduced compared to the case of using carbon powder composed of finer particles. Can do. Since the thermosetting resin used as the binder does not have conductivity, the amount of the binder added to the raw material can be reduced, so that the conductivity of the manufactured separator can be improved. Note that the size range of the particles constituting the carbon powder is fine enough to uniformly mix the carbon powder and the binder.

さらに、原材料に加えるバインダ量を抑えることによって、製造されるセパレータの強度を向上させることができる。図7は、原材料粉末に加えるバインダ量と、製造されるセパレータの示す強度との関係を表わす説明図である。室温においては、加えるバインダ量が増えるにしたがってセパレータの強度は増し、セパレータの示す強度は、加えるバインダ量がカーボン粉末量の約10%を超えると最大となって安定する。これに対し、140℃の温度条件下では、セパレータの強度が最大となるまでは、室温の場合と同様に、バインダ量が増えるにしたがってセパレータ強度は増すが、加えるバインダ量がカーボン粉末量の15%程度を超えると、バインダ量が増えるにしたがって逆にセパレータ強度は低下するようになる。本実施例のように、カーボン粉末として鱗片状天然黒鉛を用いて、バインダ量をカーボン粉末量の12%程度に削減すると、高い温度条件下でのセパレータ強度を高めることができる。固体高分子型燃料電池の運転温度は、室温よりも高く(例えば80〜100℃)、このように高い温度条件下でのセパレータの強度を増すことによって、燃料電池の耐久性を向上させることができる。また、固体高分子型燃料電池を構成する固体高分子膜の耐熱温度の上限は140℃程度であり、バインダ量を上記したように削減することによって、固体高分子膜の耐熱温度範囲において、セパレータの強度を充分に確保することができる。   Furthermore, the intensity | strength of the manufactured separator can be improved by restraining the amount of binders added to a raw material. FIG. 7 is an explanatory diagram showing the relationship between the amount of binder added to the raw material powder and the strength of the separator to be manufactured. At room temperature, the strength of the separator increases as the amount of binder added increases, and the strength indicated by the separator is maximized and stabilized when the amount of binder added exceeds about 10% of the amount of carbon powder. On the other hand, under the temperature condition of 140 ° C., the separator strength increases as the amount of binder increases until the strength of the separator reaches a maximum, as in the case of room temperature. If it exceeds about%, the separator strength decreases as the amount of binder increases. As in this example, when the scaly natural graphite is used as the carbon powder and the binder amount is reduced to about 12% of the carbon powder amount, the separator strength under high temperature conditions can be increased. The operating temperature of the polymer electrolyte fuel cell is higher than room temperature (for example, 80 to 100 ° C.), and the durability of the fuel cell can be improved by increasing the strength of the separator under such a high temperature condition. it can. Further, the upper limit of the heat resistant temperature of the solid polymer film constituting the solid polymer fuel cell is about 140 ° C., and the separator amount is reduced in the heat resistant temperature range of the solid polymer film by reducing the amount of the binder as described above. Sufficient strength can be secured.

さらに、本発明の燃料電池用セパレータの製造方法では、加熱プレス成形によって得たセパレータ部材の表面に形成された凹凸構造の凸面を研磨し、セパレータ部材表面に形成されたバインダの層を取り除いてセパレータ30を製造しているため、導電性が充分に高いセパレータを得ることができる。図8は、セパレータ部材表面に形成されるバインダ層を取り除くための、このような研磨を行なう場合と行なわない場合とについて、原材料粉末に加えるバインダ量と、製造されるセパレータが示す接触抵抗との関係を表わす説明図である。バインダとして加える熱硬化性樹脂は導電性を示さず、また、加えるバインダ量が増えるほど、加熱プレス成形時にセパレータ部材表面に滲み出るバインダ量が増え、セパレータ部材表面に形成されるバインダ層が厚くなるため、加えるバインダ量が増えるほど、セパレータの接触抵抗は増大する。これに対し、上記研磨の処理を行なうと、このようなバインダ層が取り除かれるため、セパレータの導電性は充分に確保され、加えるバインダ量が多くなっても、それによってセパレータの接触抵抗が増大してしまう程度ははるかに小さくなる(図8参照)。   Furthermore, in the method for manufacturing a fuel cell separator of the present invention, the convex surface of the concavo-convex structure formed on the surface of the separator member obtained by hot press molding is polished, and the binder layer formed on the separator member surface is removed to remove the separator. Since 30 is manufactured, a separator having sufficiently high conductivity can be obtained. FIG. 8 shows the amount of the binder added to the raw material powder and the contact resistance exhibited by the manufactured separator for the case where such polishing for removing the binder layer formed on the surface of the separator member is performed and the case where it is not performed. It is explanatory drawing showing a relationship. The thermosetting resin added as a binder does not exhibit conductivity, and as the amount of binder added increases, the amount of binder that oozes out on the surface of the separator member during hot press molding increases, and the binder layer formed on the surface of the separator member becomes thicker. Therefore, the contact resistance of the separator increases as the amount of binder to be added increases. On the other hand, when the above polishing process is performed, such a binder layer is removed, so that the conductivity of the separator is sufficiently ensured, and the contact resistance of the separator is increased even if the amount of the added binder is increased. The extent of this is much smaller (see FIG. 8).

また、加熱プレス成形で得たセパレータ部材に対し、上記した研磨の処理を施すことによって、セパレータ部材表面のバインダ層を取り除くだけでなく、既述したように、セパレータ部材の表面に付着した離型剤を取り除くこともできる。離型剤は、導電性を有しない他に、撥水性を示すため、セパレータ部材表面を研磨することによって、導電性を向上させることができるのに加えて、セパレータ表面が非所望の撥水性を帯びてしまうのを防ぐことができる。セパレータの撥水性は、このセパレータを用いて組み立てた燃料電池内部のガス流路における排水性に影響し、セパレータが非所望の撥水性を有することで、上記燃料電池における排水性が悪化する場合があるが、セパレータ部材表面を研磨することによって、このような不都合を回避することができる。   In addition to removing the binder layer on the surface of the separator member by performing the above-described polishing treatment on the separator member obtained by hot press molding, as described above, the mold release adhered to the surface of the separator member The agent can also be removed. In addition to having no electrical conductivity, the mold release agent exhibits water repellency, and in addition to improving the electrical conductivity by polishing the surface of the separator member, the separator surface has an undesired water repellency. It can be prevented from being tinged. The water repellency of the separator affects the drainage in the gas flow path inside the fuel cell assembled using this separator, and the drainage in the fuel cell may deteriorate due to the separator having an undesired water repellency. However, such inconvenience can be avoided by polishing the surface of the separator member.

以上本発明の実施例について説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々なる様態で実施し得ることは勿論である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and it is needless to say that the present invention can be implemented in various modes without departing from the gist of the present invention.

本発明の実施例であるセパレータ30の製造方法を表わす工程図。Process drawing showing the manufacturing method of the separator 30 which is an Example of this invention. 加圧成形によってセパレータ30を製造する様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing a mode that the separator 30 is manufactured by pressure molding. 単セル28の構成を表わす断面模式図である。3 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a single cell 28. FIG. 燃料電池の構成を表わす分解斜視図である。It is a disassembled perspective view showing the structure of a fuel cell. 単セル28を積層したスタック構造14の外観を表わす斜視図である。2 is a perspective view illustrating an appearance of a stack structure 14 in which single cells 28 are stacked. FIG. セパレータ30を用いて組み立てた燃料電池の電流−電圧特性を表わす説明図である。4 is an explanatory diagram showing current-voltage characteristics of a fuel cell assembled using a separator 30. FIG. 原材料に加えるバインダ量と、製造されるセパレータの強度との関係を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship between the quantity of the binder added to a raw material, and the intensity | strength of the separator manufactured. 原材料に加えるバインダ量と、製造されるセパレータの接触抵抗との関係を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing the relationship between the binder amount added to a raw material, and the contact resistance of the separator manufactured. エポキシ樹脂とフェノール樹脂とが反応する様子を表わす説明図である。It is explanatory drawing showing a mode that an epoxy resin and a phenol resin react.

符号の説明Explanation of symbols

14…スタック構造
21…電解質膜
22…アノード
23…カソード
24P…燃料ガス流路
25P…酸化ガス流路
28…単セル
30…セパレータ
30a,30b…セパレータ
34P…燃料ガス流路
35P…酸化ガス流路
36,37…集電板
36A,37A…出力端子
38,39…絶縁板
40,41…エンドプレート
42,43…燃料ガス孔
44,45…酸化ガス孔
50,51…燃料ガス孔
52,53…酸化ガス孔
54,55…リブ
56…燃料ガス供給マニホールド
57…燃料ガス排出マニホールド
58…酸化ガス供給マニホールド
59…酸化ガス排出マニホールド
60…金型
DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 ... Stack structure 21 ... Electrolyte membrane 22 ... Anode 23 ... Cathode 24P ... Fuel gas flow path 25P ... Oxidation gas flow path 28 ... Single cell 30 ... Separator 30a, 30b ... Separator 34P ... Fuel gas flow path 35P ... Oxidation gas flow path 36, 37 ... current collector plate 36A, 37A ... output terminal 38, 39 ... insulating plate 40, 41 ... end plate 42, 43 ... fuel gas hole 44, 45 ... oxidizing gas hole 50, 51 ... fuel gas hole 52, 53 ... Oxidizing gas holes 54, 55 ... ribs 56 ... fuel gas supply manifold 57 ... fuel gas discharge manifold 58 ... oxidizing gas supply manifold 59 ... oxidizing gas discharge manifold 60 ... mold

Claims (9)

燃料電池用セパレータの製造方法において、
(a)カーボンとバインダとを含む原材料であって、前記バインダとしてエポキシ樹脂とフェノール樹脂とを含有する原材料を、所定の型内で加熱プレス成形し、所定の形状を有するセパレータ部材を形成する工程と、
(b)前記セパレータ部材から燃料電池用セパレータを作製する工程と
を備え、
前記バインダ中の前記エポキシ樹脂と前記フェノール樹脂とが、加熱に伴って化学反応を起こして熱硬化する際に、前記エポキシ樹脂において前記化学反応に供されるエポキシ基の量と、前記フェノール樹脂において前記化学反応に供される水酸基の量との比の値が、0.8〜1.2となるように設定されていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
In the method for producing a fuel cell separator,
(A) A raw material containing carbon and a binder, the raw material containing an epoxy resin and a phenol resin as the binder, and heat-press-molded in a predetermined mold to form a separator member having a predetermined shape When,
(B) providing a fuel cell separator from the separator member,
When the epoxy resin in the binder and the phenol resin are thermally cured by causing a chemical reaction with heating, the amount of epoxy groups used for the chemical reaction in the epoxy resin, and in the phenol resin A method for producing a fuel cell separator, characterized in that a ratio value with respect to the amount of hydroxyl group subjected to the chemical reaction is set to 0.8 to 1.2.
請求項1記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記(a)工程は、140〜220℃の温度範囲で、前記加熱プレス成形を行なう工程であり、
前記燃料電池用セパレータは、固体高分子型燃料電池用のセパレータである
燃料電池用セパレータの製造方法。
A method for producing a fuel cell separator according to claim 1,
The step (a) is a step of performing the hot press molding in a temperature range of 140 to 220 ° C.
The fuel cell separator is a separator for a polymer electrolyte fuel cell. A method for producing a fuel cell separator.
前記エポキシ樹脂は、少なくともクレゾールノボラック型エポキシ樹脂からなり、前記フェノール樹脂は、少なくともノボラック型フェノール樹脂からなることを特徴とする請求項1または2記載の燃料電池用セパレータの製造方法。   3. The method for producing a fuel cell separator according to claim 1, wherein the epoxy resin is made of at least a cresol novolac type epoxy resin, and the phenol resin is made of at least a novolac type phenol resin. 前記カーボンは、平均粒径5〜50μmの鱗片状天然黒鉛粒子からなる粉末である
請求項1ないし3いずれか記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
The method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon is a powder composed of scaly natural graphite particles having an average particle diameter of 5 to 50 µm.
請求項1ないし4いずれか記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記(a)工程は、
(a−1)前記カーボンとバインダとを均一に混合してスラリにする工程と、
(a−2)前記スラリを噴霧乾燥して造粒し、平均粒径50〜150μm、粒径分布50〜300μmの粉末を得る工程とを備え、
前記得られた粉末を加熱プレス成形して前記セパレータ部材を形成する
燃料電池用セパレータの製造方法。
A method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4,
The step (a)
(A-1) a step of uniformly mixing the carbon and the binder into a slurry;
(A-2) spray-drying the slurry and granulating to obtain a powder having an average particle size of 50 to 150 μm and a particle size distribution of 50 to 300 μm,
A method for producing a separator for a fuel cell, wherein the separator member is formed by hot press molding the obtained powder.
請求項1ないし5いずれか記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記工程(b)は、
(b−1)前記工程(a)で形成した前記セパレータ部材の表面のうち、該セパレータ部材から得られる前記セパレータを燃料電池に組み込んだときに、前記セパレータに隣接する部材と接触する面に対応する面を研磨除去する工程を備える
燃料電池用セパレータの製造方法。
A method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5,
The step (b)
(B-1) Of the surfaces of the separator member formed in the step (a), when the separator obtained from the separator member is incorporated in a fuel cell, it corresponds to the surface that contacts the member adjacent to the separator The manufacturing method of the separator for fuel cells provided with the process of grind | polishing and removing the surface to perform.
請求項6記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記(a)工程は、前記所定の型の表面に、前記型から前記セパレータ部材を取り出す際の離型性を高める離型剤を塗布して、前記加熱プレス成形を行なう工程であり、
前記(b−1)工程は、前記研磨除去によって、前記離型剤を前記セパレータ部材表面から除去する工程である
燃料電池用セパレータの製造方法。
It is a manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 6,
The step (a) is a step of applying the heat press molding to the surface of the predetermined mold by applying a release agent that enhances the releasability when taking out the separator member from the mold.
The step (b-1) is a step of removing the release agent from the surface of the separator member by polishing and removing. A method for producing a separator for a fuel cell.
請求項6記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記(b−1)工程は、前記研磨除去によって、前記加熱プレス成形の際に軟化して前記セパレータ部材表面にしみ出した前記バインダを、前記セパレータ部材表面から除去する工程である
燃料電池用セパレータの製造方法。
It is a manufacturing method of the separator for fuel cells of Claim 6,
The step (b-1) is a step of removing, from the surface of the separator member, the binder that has been softened and exuded on the surface of the separator member by the polishing and removing from the surface of the separator member. Manufacturing method.
請求項1ないし8いずれか記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記工程(a)によって得られるセパレータ部材の密度は、前記原材料を構成する前記カーボンおよび前記バインダ等の各材料の密度と、前記原材料における前記各材料の割合とに基づいて、前記セパレータ部材の理論密度として求められる値に対する比率が、93%以上である
燃料電池用セパレータの製造方法。
A method for producing a fuel cell separator according to any one of claims 1 to 8,
The density of the separator member obtained by the step (a) is based on the density of each material such as the carbon and the binder constituting the raw material and the ratio of the respective material in the raw material. The manufacturing method of the separator for fuel cells whose ratio with respect to the value calculated | required as a density is 93% or more.
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