JP2006185856A - Molding device and molding method of separator for fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータの成形装置および成形方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell separator molding apparatus and molding method.
燃料電池の単セルは、電極から電気を取り出す役目を果たすセパレータを有している。セパレータは、成形型において、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を加圧成形することによって成形されている(特許文献1参照)。
成形型によって粉末状の成形材料を加圧成形する際に、成形型の成形面に歪みが生じ、成形されたセパレータの肉厚が均一にならないことがある。 When a powdery molding material is pressure-molded with a molding die, the molding surface of the molding die may be distorted, and the thickness of the molded separator may not be uniform.
すなわち、セパレータには水素、酸素、冷却水の流路溝が形成され、この流路溝は凹凸形状となっていることから、加圧成形する際に流動しにくい傾向にある。そのため、加圧成形の際に、周辺部に位置する成形材料は外側に流動し、一部はバリとして流出するものの、前記流路溝が位置する中央部は流動性が小さいことから局部的に圧縮応力が増大する。 In other words, hydrogen, oxygen, and cooling water channel grooves are formed in the separator, and the channel grooves have an uneven shape, so that they tend not to flow during pressure molding. Therefore, during pressure molding, the molding material located in the peripheral part flows to the outside and partly flows out as burrs, but the central part where the flow channel groove is located has a low fluidity, so it is locally Compressive stress increases.
そのため、成形型の成形面は、その中央部に過大な応力が作用するとともに、成形型も周辺部より中央部の方が応力が開放されにくいことから、成形面に歪みが生じるのである。 For this reason, the molding surface of the molding die is subjected to excessive stress at the central portion thereof, and the molding die is also less likely to release stress at the central portion than at the peripheral portion, so that the molding surface is distorted.
そのため、セパレータの肉厚が均一にならないことがあり、規定寸法以上に不均一になった場含には、複数のセパレータを積層・加圧してスタックした際に割れが生じたり、あるいはシール性が十分確保できない虞があり、検査工程で不良品として廃棄せざるを得ない場含がある。 For this reason, the thickness of the separator may not be uniform, and if it is not uniform beyond the specified dimensions, cracks may occur when multiple separators are stacked and pressed and stacked, or the sealing performance may be reduced. There is a possibility that it cannot be secured sufficiently, and there is a case where it must be discarded as a defective product in the inspection process.
本発明の目的は、セパレータの肉厚を高精度に均一化するセパレータを加圧成形し得る燃料電池用セパレータの成形装置および成形方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a fuel cell separator molding apparatus and molding method capable of pressure-molding a separator that equalizes the thickness of the separator with high accuracy.
上記目的を達成するための本発明は、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を加圧成形する成形型を有し、前記成形型の成形面は、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有してなる燃料電池用セパレータの成形装置である。 In order to achieve the above object, the present invention has a molding die for pressure-molding a powdery molding material in which graphite and a resin are mixed, and the molding surface of the molding die is a central portion compared to the peripheral portion. Is a molding apparatus for a fuel cell separator having a convex shape protruding toward the molding space.
また、周辺部に比べて中央都が成形空間側に突出する凸形状の成形面を有した成形型に、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を供給し、前記成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形させるようにした燃料電池用セパレータの成形方法である。 In addition, a powdered molding material obtained by mixing graphite and resin is supplied to a molding die having a convex molding surface in which the central city protrudes toward the molding space as compared with the peripheral portion, and the molding die is This is a method for molding a fuel cell separator in which the convex shape of the molding surface is deformed so that the convex shape of the molding surface approaches the same surface as the peripheral portion by pressurizing when tightening and pressure molding.
本発明によれば、成形型の成形面が、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有しているので、黒鉛と樹脂とを混合した粉未状の成形材料を供給して、成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形するので、セパレータの肉厚を均一に成形し、均一な密度を有するセパレータを加圧成形することが可能となる。 According to the present invention, since the molding surface of the molding die has a convex shape with the central portion protruding to the molding space side as compared with the peripheral portion, the powdery molding material in which graphite and resin are mixed is used. When supplying and clamping the mold and pressure forming, the convex shape of the molding surface is deformed so as to approach the same surface as the peripheral part by the applied pressure, so the thickness of the separator is uniformly molded, It becomes possible to press-mold a separator having a uniform density.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施形態に係る燃料電池用セパレータの成形装置20の成形型30を示す断面図、図2(A)は、成形型30に成形材料40を投入した状態を示す断面図、図2(B)は、成形型30によってセパレータ10を加圧成形した状態を示す断面図、図3(A)(B)は、本実施形態の成形型30によって加圧成形されたセパレータ10を示す断面図および平面図である。また、図4(A)は、対比例の成形型130に成形材料40を投入した状態を示す断面図、図4(B)は、対比例の成形型130によってセパレータ110を加圧成形した状態を示す断面図、図5(A)(B)は、対比例の成形型130によって加圧成形されたセパレータ110を示す断面図および平面図である。
FIG. 1 is a sectional view showing a molding die 30 of a fuel cell
周知のように、燃料電池は、単セルを多数積層して燃料電池スタックの形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。単セルは、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電池である。例えば、固体高分子型燃料電池の単セルは、陽イオン交換膜としての固体高分子電解質膜と、触媒層が形成され固体高分子電解質膜の両面に配置される一対の電極と、電極の両側に配置される一対のセパレータと、を有する。セパレータは、燃料ガス、空気、冷却水などを流通させるための流路溝をなす微小な凹凸部が設けられている。 As is well known, a fuel cell is used in the form of a fuel cell stack in which a large number of single cells are stacked, for example, as a drive source for an automobile. A single cell is a battery that uses the reverse principle of electrolysis of water to obtain electricity in the process of obtaining water by reacting hydrogen and oxygen. For example, a unit cell of a solid polymer fuel cell includes a solid polymer electrolyte membrane as a cation exchange membrane, a pair of electrodes on which both sides of the solid polymer electrolyte membrane are formed and a catalyst layer is formed, And a pair of separators. The separator is provided with minute concavo-convex portions that form flow channel grooves for circulating fuel gas, air, cooling water, and the like.
図1および図2を参照して、燃料電池用のセパレータ10を成形するために使用される成形装置20は、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料40を加圧成形する成形型30を有している。熱硬化性樹脂は、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂である。成形材料40に含まれる樹脂は、小径であることが好ましく、これにより、反応速度が上昇し、かつ黒鉛間の空間が小さくなることで、得られるセパレータ10の強度を向上させることが可能である。
1 and 2, a
前記成形型30は、相対的に接近離反移動自在な上型31および下型32を有する。成形型30内のキャビティに充填された成形材料40は、上型31および下型32により加圧成形される。図示省略するが、上型31の成形面31aおよび下型32の成形面32aには、セパレータ10の流路溝をなす凹凸部を成形するための微小な凸条部および凹条部が形成されている。また、成形型30には、上型31および下型32を型締めするための機構、成形材料40を加圧するための加圧機構、成形後のセパレータ10を下型32から押し上げて取り出すための抜き出しロッドなどの周知の機構や部材が設けられている。
The
加圧成形時には、成形型30の成形面31a、32aに歪みが生じ、成形されたセパレータの肉厚が均一にならないことがある。
At the time of pressure molding, the molding surfaces 31a and 32a of the
対比例を示す図4(A)(B)および図5(A)(B)を参照して、成形型130の成形面131a、132aに加圧成形時に歪みdが生じることを考慮しないと、成形されたセパレータ110の肉厚が均一にならず、セパレータ110に、中央部に位置する厚肉部110aと、周辺部に位置する薄肉部110bとが形成されてしまう。このため、成形されたセパレータ110には、成形材料40が適正な加圧力によって加圧された適正部111aと、成形材料40が適正加圧力よりも過剰な加圧力によって加圧された過加圧部111bとが生じる。ここで、セパレータ110には水素、酸素(空気)、冷却水の流路溝1が形成され、この流路溝1は凹凸形状となっていることから、加圧成形する際に成形材料40が流動しにくい傾向にある。そのため、加圧成形の際に、周辺部に位置する成形材料40は外側に流動し、一部はバリ110cとして上下の成形型130の接合面より流出するものの、前記流路溝1が位置する中央部は流動性が小さいことから局部的に圧縮応力が増大する。そのため、成形型130の成形面131a、132aは、その中央部に過大な応力が作用するとともに、成形型130も周辺部より中央部の方が応力が開放されにくいことから、成形面に歪みが生じるのである。そのため、セパレータ110の肉厚が均一にならないことがあり、規定寸法以上に不均一になった場合には、不良品として廃棄せざるを得ない場合がある。
With reference to FIGS. 4 (A), 4 (B) and FIGS. 5 (A), (B) showing the proportionality, it is necessary to consider that distortion d occurs on the molding surfaces 131a, 132a of the
なお、図5に示す2、3、4は、それぞれ水素、冷却水、酸素(空気)が導通するマニホールドで、図外のシール部材の形状により、水素、冷却水、酸素(空気)を選択的に流路溝1に導通するようになっている。
In addition, 2, 3, and 4 shown in FIG. 5 are manifolds through which hydrogen, cooling water, and oxygen (air) are conducted, respectively, and hydrogen, cooling water, and oxygen (air) are selectively used depending on the shape of the seal member outside the figure. It is made to conduct to the
そこで、本実施形態にあっては、図1および図2に示すように、成形型30の成形面31a、32aは、凹凸状の流路溝1を形成する部位の外周側に位置する平面状の周辺部31b、32bに比べて中央部nが成形空間側に突出した凸形状を有している。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the molding surfaces 31 a and 32 a of the
これら凸形状は、後述するシミュレーションにより求めたもので、図1に示すように、周辺部31b、32bから中央部nに向けて成形空間側になだらかに突出するように曲率を有し、図3に示すように、セパレータの流路溝1を形成する部位に形成され、この流路溝1の外周に内接する円状、より具体的には、長方形の成形面の長手方向に沿った長軸を有する楕円状となっている。
These convex shapes are obtained by a simulation which will be described later. As shown in FIG. 1, the convex shapes have curvatures so as to gently protrude from the peripheral portions 31b and 32b toward the central portion n toward the molding space side. As shown in FIG. 2, a long axis along the longitudinal direction of the circular molding surface, more specifically, a circular shape inscribed in the outer periphery of the
これにより、成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形し、セパレータの厚さが全体的に高精度に均一化することが可能となる。 As a result, when the molding die is clamped and pressure-molded, the convex shape of the molding surface is deformed by the applied pressure so that it approaches the same surface as the peripheral portion, and the thickness of the separator is highly accurate as a whole. It becomes possible to make uniform.
なお、図1に示す32cは、成形型30を型締めして加圧成形する際に、成形材料40がバリとして流出する流出通路であり、さらにその外側には、バリを収容する収容室32dが形成してある。特に、成形面に延長した方向にバリの流出通路32cと、収容室32dとが形成されているので、積極的に成形材料を外部に流出するようにして成形材料の加圧力をより均一にすることができ、セパレータをより高精度に成形することが可能となる。
In addition, 32c shown in FIG. 1 is an outflow passage through which the
そこで、本実施形態にあっては、図1および図2に示すように、成形型30の成形面31a、32aは、加圧成形時における成形面31a、32aの変形について予測された変形量を反映した形状を有している。例えば、シミュレーションによって、加圧成形時において成形面31a、32aの中央部が周辺部に比べて凹むように変形するという結果が得られた場合(図4(B)に示される形状を参照)には、成形面31a、32aを、シミュレーション結果を反映し、周辺部に比べて中央部が凸形状となる形状を有するように形成する。予測された変形量がd(図4(B))で、図1における符号Lが、予測された変形量dを反映した成形面の凸量となる。凸の寸法Lは、適宜採用できるが、例えば、0.01〜0.5mmの範囲である。凸の寸法Lは、成形材料40の種類によって異なる。このため、加圧成形時における成形面31a、32aの変形について変形量を予測するにあたっては、成形材料40の種類を条件の1つとしたシミュレーションを行う。
Therefore, in the present embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the molding surfaces 31 a and 32 a of the
このシミュレーションは、公知のFEM解析により行われ、成形型30の弾性係数、成形面31a、32aおよび流路溝を含む成形型30の寸法、成形型30を型締めする際の加圧力、成形材料の変形量(特に流路溝の凹凸部)を入力して演算し、成形面が成形面より後退するよう歪むかを判別し、加圧力により成形面が平面となるように凸形状を設計する。
This simulation is performed by a well-known FEM analysis. The elastic modulus of the
なお、加圧成形時に成形材料の中央部が周辺部よりも応力が大きく作用するため、加圧力によっては、中央部が大きくスプリングバックする場含もあるので、その際には予め実験あるいはFEM解析によりスプリングバック量を求め、凸形状の設計の際に反映させるようにしてもよい。 In addition, since the central part of the molding material is more stressed than the peripheral part during pressure molding, depending on the applied pressure, there may be cases where the central part greatly springs back. Thus, the spring back amount may be obtained and reflected in the design of the convex shape.
セパレータ成形装置20はさらに、公知の加熱手段および冷却手段(いずれも図示せず)を有している。
加熱手段は、成形型30を加熱することで、成形材料40の温度を上昇させ、成形材料40に含まれる熱硬化性樹脂を熱硬化させるために使用される。加熱手段は、上型31および下型32の内部に配置され、熱媒が導入される熱媒通路を有する。熱媒は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、高温の油が好ましい。熱媒は、熱容量が大きく、加熱性能が良好であるため、成形材料40に含まれる樹脂の熱硬化温度まで、成形材料40を急速加熱することが可能である。
The heating means is used to heat the molding die 30 to increase the temperature of the
冷却手段は、熱硬化の完了後において、成形型30を冷却することで、成形されたセパレータ10の温度を降下させ、取り出すために使用される。冷却手段は、上型31および下型32の内部に配置され、冷媒が導入される冷媒通路を有する。冷媒は、特に限定されないが、コストや取扱い性を考慮し、低温の水が好ましい。
The cooling means is used for lowering and taking out the temperature of the molded
次に、作用を説明する。 Next, the operation will be described.
図2(A)に示すように、上下型31、32を開き、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料40を、図示しないノズルから吐出し、下型32のキャビティに均等に供給する。成形材料40の供給を継続し、必要量に達すると、ノズルからの成形材料40の吐出を停止する。
As shown in FIG. 2 (A), the upper and
次いで、図2(B)に示すように、上下型31、32を閉じ、上下型31、32により成形材料40からセパレータ10を加圧成形する。本実施形態では、成形型30の成形面31a、32aに加圧成形時に歪みが生じることを考慮し、成形面31a、32aを、加圧成形時の変形量を予測してこれを反映し、周辺部に比べて中央部が凸形状となる形状としてある(図1、図2(A)参照)。このため、加圧成形時には、成形面31a、32aがフラットになり、均一な肉厚のセパレータ10が加圧成形される。図2(B)における符号nは、成形面31a、32aに変形が生じ、凸形状からフラットになる範囲を示している。セパレータ10の肉厚が均一に成形される結果、均一な密度を有するセパレータ10を加圧成形することができる。
Next, as shown in FIG. 2B, the upper and
その後、熱媒通路に熱媒を導入し、成形型30を加熱することで、成形材料40の温度を上昇させ、成形材料40に含まれる樹脂を熱硬化させる。成形材料40の加熱速度が遅いと、硬化途中の樹脂が表面や隅に移動して局所的に集中することで、樹脂リッチな部位が形成されてしまい、黒鉛の分散不良が生じてしまう。本実施形態にあっては、成形材料40は熱媒によって急速加熱されるため、樹脂リッチな部位が形成されることが防がれ、黒鉛の分散不良が抑制される。
Thereafter, the heat medium is introduced into the heat medium passage and the
熱硬化が完了し、熱媒通路に対する熱媒の導入を停止する一方、冷媒通路に冷媒を導入し、成形型30を冷却する。そして、セパレータ10の温度が例えば常温まで降下すると、上下型31、32が開かれ、セパレータ10が取り出される。
The thermosetting is completed and the introduction of the heat medium into the heat medium passage is stopped, while the refrigerant is introduced into the refrigerant passage and the
以上のように、本実施形態によれば、成形型30の成形面31a、32aに加圧成形時に歪みが生じることを考慮し、成形面31a、32aを、加圧成形時の変形量を予測してこれを反映した形状としてあるので、セパレータ10の肉厚を均一に成形し、均一な密度を有するセパレータ10を加圧成形することができる。
As described above, according to the present embodiment, in consideration of the occurrence of distortion on the molding surfaces 31a and 32a of the molding die 30 during pressure molding, the deformation amounts of the molding surfaces 31a and 32a during pressure molding are predicted. Since the shape reflects this, the thickness of the
10 セパレータ、
20 セパレータの成形装置、
30 成形型、
31 上型、
31a 成形面、
31b 周辺部、
32 下型、
32a 成形面、
32b 周辺部、
40 成形材料、
n 中央部、
d 加圧成形時における成形面の変形について予測された変形量、
L 予測された変形量を反映した成形面の凸量。
10 separator,
20 Separator molding device,
30 Mold,
31 Upper mold,
31a molding surface,
31b peripheral part,
32 Lower mold,
32a molding surface,
32b peripheral part,
40 molding materials,
n Central part,
d The amount of deformation predicted for deformation of the molding surface during pressure molding,
L Projection amount of the molding surface reflecting the predicted deformation amount.
Claims (7)
前記成形型の成形面は、周辺部に比べて中央部が成形空間側に突出した凸形状を有してなる燃料電池用セパレータの成形装置。 It has a molding die that press-molds a powdery molding material in which graphite and resin are mixed
The molding surface of the said shaping | molding die is a shaping | molding apparatus of the separator for fuel cells in which the center part has the convex shape which protruded in the shaping | molding space side compared with the peripheral part.
前記成形型を型締めして加圧成形する際に、加圧力によって前記成形面の凸形状が周辺部と同一面上に近づくよう変形するようにした燃料電池用セパレータの成形方法。 Supplying a powder-free molding material in which graphite and resin are mixed to a molding die having a convex molding surface whose central part protrudes toward the molding space compared to the peripheral part,
A method for molding a fuel cell separator, wherein when the molding die is clamped and pressure-molded, the convex shape of the molding surface is deformed so as to approach the same surface as a peripheral portion by pressure.
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