JP2006164888A - 燃料電池用セパレータの製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コストを削減でき、寸法精度のよいセパレータを作製し、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータの製造装置および製造方法を提供する。
【解決手段】一対の金型４０Ａ，４０Ｂの型合わせ面に形成される隙間であって前記金型４０Ａ，４０Ｂのキャビティから金型の合わせ面方向へ延在するシール部４４と、前記シール部４４の外側に形成される空間である材料流出通路４３と、を有する燃料電池用セパレータの製造装置を用いて、燃料電池用セパレータを製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造装置および製造方法に関する。

燃料電池のセパレータを成形するために種々の方法が提案されているが、その１つに、金型により樹脂等の材料を押圧してセパレータを成形する方法がある（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の方法では、金型により材料を押圧する際に、上型と下型の回りを囲うブロックにより材料を密封している。成形の際には、このブロックの内部に上型が凹凸嵌合し、互いに摺動する摺動面が形成される。余分な材料は、この摺動面の隙間（シール部）を通って摺動面の外側にあるバリ溜りに排出される。

しかし、このような摺動面を有する金型は、寸法公差を満たすように製作することが困難であるため、製作にコストがかかるという問題がある。また、摺動面のクリアランスは、金型を摺動させるために必然的に大きくなり、そのためシール部から圧力が逃げて製品端部の圧力が低下し、形成される製品に密度（厚さ）の高い部位と、製品端部の密度（厚さ）が低い部位ができるという問題もある。このようなセパレータの寸法のばらつきは、燃料電池の性能を低下させる要因となる。
特開２００１−１９８９２１号公報

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、コストを削減でき、寸法精度のよいセパレータを作製し、燃料電池の性能を向上させることができる燃料電池用セパレータの製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、一対の金型の型合わせ面に形成される隙間であって前記金型のキャビティから金型の合わせ面方向へ延在するシール部と、前記シール部の外側に形成される空間である材料流出通路と、を有することを特徴とする。

上記目的を達成する本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、一対の金型の型合わせ面に形成される隙間であって前記金型のキャビティから金型の合わせ面方向へ延在するシール部に、セパレータ材料が流入することにより生じる圧力によって、キャビティ内のセパレータ材料の圧力を調整することを特徴とする。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、金型の合わせ面方向へシール部が延在するため、摺動面がなく金型の作製が容易であり、金型の製作コストを低減することができる。また、シール部が摺動面にないため、シール部のクリアランスを容易に調整することができ、セパレータ成形時の金型内圧力の低下を防止し、寸法精度のよいセパレータを作製するこができる。また、セパレータの寸法精度がよいため、燃料電池の性能を向上させることができる。

上記のように構成した本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、シール部に生じる圧力により、金型内部の圧力の低下を防止することができる。

本発明の実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は燃料電池を示す要部断面図である。

一般に燃料電池は、図１に示すような単セル１０をスタックの形態で多数集成してなり、例えば、自動車の駆動源として使用される。

単セル１０は、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができるデバイスであり、膜電極接合体２０、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂ、セパレータ３０Ａ，３０Ｂを有する。膜電極接合体２０は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂは、膜電極接合体２０の両面に配置される。セパレータ３０Ａ，３０Ｂは、ガス拡散層２１Ａ，２１Ｂの外面に配置される。

セパレータ３０Ａには、ガス拡散層２１Ａと接する面に酸化剤ガス（酸素）を流通させるための流路溝３２が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための流路溝３３が形成されている。セパレータ３０Ｂには、ガス拡散層２１Ｂと接する面に燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝３４が形成され、その反対面には冷却水を流通させるための流路溝３５が形成されている。

次に、セパレータの製造装置および製造方法について説明する。

＜第１の実施形態＞
図２は第１の実施形態に係る製造装置の金型を示す図であり、（Ａ）は金型の断面図、（Ｂ）は金型の要部を示す部分断面図である。

金型４０は、図２に示すように、上型４０Ａと、下型４０Ｂとを有している。

金型４０は、セパレータ３０の形状に対応するキャビティ４１を有している。上型４０Ａと下型４０Ｂは、略平板状であり、その外縁部には互いに対向する上型合わせ面４２Ａと下型合わせ面４２Ｂが形成されている。

下型合わせ面４２Ｂの内側には、上型合わせ面４２Ａと下型合わせ面４２Ｂが接触した際に所定の隙間を有するバリ溜り４３が形成されている。

また、このバリ溜り４３の内側には、図２（Ｂ）に示すように、シール隙間ｈとシール幅ｂを有するシール部４４が形成される。このシール隙間ｈは、バリ溜り４３に形成される隙間よりも狭い。

上型４０Ａと下型４０Ｂは、油圧シリンダ等の押圧装置（不図示）により互いに近接離間でき、またヒータ等の加熱装置（不図示）が設けられて加熱することができる。

次に、前述したセパレータの製造装置を用いた製造方法を説明する。

図３は金型によりセパレータを成形する過程を示す断面図であり、（Ａ）は成形前の断面図、（Ｂ）は成形初期の断面図、（Ｃ）は成形中期の断面図、（Ｄ）は成形終了時の断面図である。

セパレータ材料５０はカーボン粒子と樹脂を混合した粉状体であり、本実施形態では樹脂として熱硬化性樹脂を用いるが、熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂または不飽和ポリエステル等が使用でき、熱可塑性樹脂としては、例えばテフロン（登録商標）、ポリエステル、ポリフェニエンサルファイド、シリコン、オレフィン系（ＰＰ，ＰＥ等）、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリイミドまたはエチレンビニルアセテート等が使用できる。

まず、上型４０Ａと下型４０Ｂを、使用される熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い温度に加熱装置によって加熱させ、図３（Ａ）に示すように、上型４０Ａと離間させた下型４０Ｂの上にセパレータ材料５０を所定量載せる。

このような上型４０Ａと下型４０Ｂを加圧装置により近接させて、図３（Ｂ）に示すようにセパレータ材料５０を押圧すると、加熱されて軟化しているセパレータ材料５０が金型４０内で流動するともに、シール隙間ｈが減少する。

上型４０Ａと下型４０Ｂが接近するにしたがって、図３（Ｃ）に示すように、キャビティ４１内のセパレータ材料５０は加圧されてシール部４４から流出しようとする。このとき、シール部４４はシール隙間ｈが狭くなっているため、シール部４４に流入したセパレータ材料５０は圧力が上昇し、キャビティ４１からの流出が制限される。

上型４０Ａと下型４０Ｂは、図３（Ｄ）に示すように、上型合わせ面４２Ａと下型合わせ面４２Ｂが接する下死点まで近接し、余分なセパレータ材料５０がシール部４４を通ってバリ溜り４３に排出される。この状態でセパレータ材料５０の熱硬化性樹脂が硬化するまで保持した後、金型４０を離型して硬化したセパレータ３０が取り出され、セパレータ３０の端部のバリが取り除かれてセパレータの成形が完了する。なお、熱可塑性樹脂をセパレータ材料５０に使用した場合には、上型４０Ａと下型４０Ｂが下死点まで近接した後、金型４０を冷却してセパレータ材料５０が硬化するまで保持する。

シール部４４の圧力は、シール隙間ｈが狭くシール幅ｂが長いほど高くなるため、使用するセパレータ材料５０の種類や外気温度等の条件に応じてシール隙間ｈとシール幅ｂが設定される。本実施形態では、例えば、シール隙間ｈは１〜２０ｍｍの範囲、シール幅ｂは０．０１〜０．３ｍｍの範囲で設定される。

このようにしてシール部４４を設けることによりセパレータ材料５０の端部からの圧逃げが防止されるため、寸法精度のよいセパレータ３０を成形することができ、したがって燃料電池の性能を向上させることができる。

また、本実施形態の上型４０Ａおよび下型４０Ｂには摺動面がなく、製作に厳密な寸法公差が必要とならないと共に削り代が少ないため、金型４０Ａ，４０Ｂの作製が容易であり、製作コストを低減することができる。

図４は第１の実施形態のセパレータ成形装置における金型ストロークに対する型内圧力を示すグラフ、図５は従来のセパレータ成形装置における金型ストロークに対する型内圧力を示すグラフである。

本実施形態の上型４０Ａと下型４０Ｂを近接させると、図４に示すように、まず製品部であるセパレータ材料５０が加圧されて、キャビティ４１内のシール部近傍のセパレータ材料５０の圧力である製品端部圧力Ｐ１が上昇する。さらに上型４０Ａと下型４０Ｂを近接させると、加圧されたセパレータ材料５０がシール部４４に入り込み、製品端部圧力Ｐ１と共にシール部４４に入り込んだセパレータ材料５０の圧力であるシール部圧力Ｐ２が上昇する。つまり、上型４０Ａと下型４０Ｂが近接するに従ってシール隙間ｈが小さくなるため、シール部圧力Ｐ２が上昇し、金型内の圧力が低下せずに確保される。そして、製品端部圧力Ｐ１とシール部圧力Ｐ２が一致する手前の下死点調整範囲内に設定される下死点で押圧が終了する。

シール部が摺動方向に形成される従来の方法では、図５に示すように、まず製品部であるセパレータ材料が加圧されて、金型内のシール部近傍におけるセパレータ材料の圧力である製品端部圧力Ｐ３が上昇する。さらに上型と下型を近接させると、加圧されたセパレータ材料がシール部に入り込み、製品端部圧力Ｐ３と共にシール部圧力Ｐ４が上昇する。しかし、シール部圧力Ｐ４は所定の位置から上昇しなくなり、これに伴い金型内の圧力が逃げ、上型と下型がさらに近接するにもかかわらず製品端部圧力Ｐ３が上昇しない。そして、下死点調整範囲内に設定される下死点で押圧が終了する。

このように、従来技術では金型内の圧力が逃げ、成形されるセパレータの密度（厚さ）が不均一になる原因となるが、本実施形態では上型４０Ａと下型４０Ｂが近接するに伴ってシール部圧力Ｐ２が上昇して、金型内全体の圧力を均一に保ち、寸法精度が均一なセパレータ３０を成形することができる。

＜第２の実施形態＞
図６は第２の実施形態に係る製造装置の金型を示す図であり、（Ａ）は金型の断面図、（Ｂ）は金型の要部を示す部分断面図である。なお、第１の実施形態と同様の機能を有する部位については同一の符号を使用し、重複を避けるため、その説明を省略する。

第２の実施形態は、図６に示すように、シール部４４およびバリ溜り４３が形成される部位が、下型４０Ｂに嵌め込まれるシールブロック４５により形成される。また、シールブロック４５の下には、高さ調整ブロック４６が設けられている。

シールブロック４５は容易に取り外すことができるため、材料や外気温度の変動等により成形条件が変化する場合にも、即時に望ましいシール隙間ｈとシール幅ｂを有するシールブロック４５へ変更することができる。

また、高さ調整ブロック４６を用いることにより、望ましいシール隙間ｈへ容易に変更することができる。なお、複数の高さ調整ブロック４６を重ねて使用することもでき、また、高さ調整ブロック４６を使用せずにシールブロック４５のみを使用することもできる。

本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。例えば、セパレータ材料５０は粉状体ではなく、予備成形された板状でもよい。

燃料電池を示す要部断面図である。 第１の実施形態に係る製造装置の金型を示す図であり、（Ａ）は金型の断面図、（Ｂ）は金型の要部を示す部分断面図である。 金型によりセパレータを成形する過程を示す断面図であり、（Ａ）は成形前の断面図、（Ｂ）は成形初期の断面図、（Ｃ）は成形中期の断面図、（Ｄ）は成形終了時の断面図である。 第１の実施形態のセパレータ成形装置における金型ストロークに対する型内圧力を示すグラフ。 従来のセパレータ成形装置における金型ストロークに対する型内圧力を示すグラフである。 第２の実施形態に係る製造装置の金型を示す図であり、（Ａ）は金型の断面図、（Ｂ）は金型の要部を示す部分断面図である。

符号の説明

１０ 単セル、
２０ 膜電極接合体、
２１Ａ，２１Ｂ ガス拡散層、
３０Ａ，３０Ｂ セパレータ、
３２，３３，３４ 流路溝、
４０Ａ 上型、
４０Ｂ 下型、
４１ キャビティ、
４２Ａ 上型合わせ面、
４２Ｂ 下型合わせ面、
４３ バリ溜り、
４４ シール部、
５０ セパレータ材料、
ｈ シール隙間、
ｂ シール幅、
Ｐ１ 製品端部圧力
Ｐ２ シール部圧力。

Claims (9)

1. 一対の金型の型合わせ面に形成される隙間であって前記金型のキャビティから金型の合わせ面方向へ延在するシール部と、
   前記シール部の外側に形成される空間である材料流出通路と、を有することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
2. 前記材料流出通路は、バリ溜りであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
3. 前記材料流出通路の外側には、型合わせ部が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
4. 前記シール部は、入れ子構造のシールブロックを用いて形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
5. 前記シールブロックの高さを調整するための調整ブロックを有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。
6. 一対の金型の型合わせ面に形成される隙間であって前記金型のキャビティから金型の合わせ面方向へ延在するシール部に、セパレータ材料が流入することにより生じる圧力によって、キャビティ内のセパレータ材料の圧力を調整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。
7. 前記シール部に形成されるシール幅およびシール隙間により、シール部に生じる圧力を調整することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
8. 前記シール部に形成されるシール幅およびシール隙間は、入れ子構造のシールブロックを用いて調整されることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
9. 前記シール部のシール隙間は、前記シールブロックの下部に調整ブロックを設置して調整されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

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