JP2006286545A - 燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 粉末状成形材料の充填量のバラツキをなくすとともに加圧成形後の厚みバラツキを低減する。
【解決手段】 黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料１２１を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型１１０の型外位置に配置した材料供給容器１２２内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にする。材料供給容器内に供給された成形材料を加圧することによって成形材料圧縮体を形成する。材料供給容器内に形成された成形材料圧縮体を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体を形成する。予備成形体を材料供給容器内から成形型に充填する。そして、予備成形体を成形型によって加圧成形するとともに熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱して燃料電池用セパレータを得る。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータの製造装置に関する。

燃料電池の単セルは、燃料ガスと空気などとを分離するためのセパレータを有する。セパレータは、例えば、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状成形材料を加圧成形するとともに熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱して得られる（例えば、特許文献１〜３参照。）。

特許文献１〜３に記載された技術においては、成形型の型内位置において、供給された粉末状成形材料の上面を擦り切った後、粉末状成形材料を自然落下させることによって、成形型のキャビティに成形材料を充填している。
特開２００４−７９１９４号公報 特開２００４−７９２０５号公報 特開２００４−７９２３３号公報

しかしながら、成形型の型内位置において粉末状成形材料を供給しているため、成形型からの伝熱によって、熱硬化性樹脂が瞬時に溶融したり硬化したりする虞がある。このため、粉末状成形材料の表面を擦り切る際に、表面において溶融または硬化した部分を盛り上げてしまい、表面を面一に擦り切ることができなくなる。かかる場合には、粉末状成形材料の成形型への充填量にバラツキが生じ、材料充填不足あるいは材料充填過多が引き起こされ、均一な加工精度を確保することが困難となる。

さらに、粉末状成形材料を自然落下により充填しているため、成形型のキャビティ内の部位毎に嵩密度のバラツキが生じ易く、加圧成形後のセパレータの厚みバラツキが増大し易いという問題がある。

本発明の目的は、粉末状成形材料の充填量のバラツキをなくすとともに加圧成形後の厚みバラツキを低減し得る、燃料電池用セパレータの製造方法および燃料電池用セパレータの製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型の型外位置に配置した材料供給容器内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にし、
前記材料供給容器内に供給された成形材料を加圧することによって成形材料圧縮体を形成し、
前記材料供給容器内に形成された前記成形材料圧縮体を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体を形成し、
前記予備成形体を前記材料供給容器内から前記成形型に充填し、
前記予備成形体を前記成形型によって加圧成形するとともに熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱して燃料電池用セパレータを得る、燃料電池用セパレータの製造方法である。

また、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型の型外位置に配置した材料供給容器内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にする材料供給手段と、
前記材料供給容器内に供給された成形材料を加圧することによって成形材料圧縮体を形成する第１形成手段と、
前記材料供給容器内に形成された前記成形材料圧縮体を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体を形成する第２形成手段と、
前記予備成形体を前記材料供給容器内から前記成形型に充填する充填手段と、
前記成形型によって加圧成形される前記予備成形体を熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱する加熱手段と、を有してなる燃料電池用セパレータの製造装置である。

本発明によれば、粉末状成形材料の供給および擦り切りは、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において行われるため、粉末状成形材料の表面を擦り切る際に、表面において溶融または硬化した部分を盛り上げることがなく、表面を面一に擦り切ることができる。したがって、粉末状成形材料の充填量にバラツキが生じることがなく、均一な加工精度を容易に確保することが可能となる。

さらに、予備成形体はその形状を保持し得るように固体化されているため、材料供給容器内から落下させても、その形状を維持したまま成形型に充填される。したがって、粉末状の成形材料を自然落下により成形型に充填する場合に生じ得る嵩密度のバラツキを抑えることができ、加圧成形後のセパレータの厚みバラツキを低減することが可能となる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１（Ａ）は、燃料電池の単セル１０を示す断面図、図１（Ｂ）は、燃料電池用セパレータ３０を示す平面図である。

燃料電池は、単セル１０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電池である。図示した単セル１０は、固体高分子型燃料電池に使用されるものである。この単セル１０は、固体高分子膜２１と、触媒層が形成され固体高分子膜２１の両面に配置される一対の電極２２、２３と、電極２２、２３の両側に配置されるセパレータ３０と、を有する。

セパレータ３０は、流路溝３１、３２、３３、３４をなす凹部４１、４３と、当該凹部４１、４３を区画する凸部４２、４４とを備える。さらに詳しくは、電極２２側のセパレータ３０の外面３０ａには、冷却水を流通させるための流路溝３１をなす凹部４１と、当該凹部４１を区画する凸部４２とが形成され、内面３０ｂには、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝３２をなす凹部４３と、当該凹部４３を区画する凸部４４とが形成されている。電極２３側のセパレータ３０の外面３０ａには、冷却水を流通させるための流路溝３３をなす凹部４１と、当該凹部４１を区画する凸部４２とが形成され、内面３０ｂには、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝３４をなす凹部４３と、当該凹部４３を区画する凸部４４とが形成されている。

流路溝３１〜３４の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮する必要があり、図１（Ｂ）に示されるように、微細で複雑な構成を有している。

図２（Ａ）は、本発明に係る燃料電池用セパレータ３０の製造方法を具現化する、本発明に係る燃料電池用セパレータ３０の製造装置１００の実施形態を示す概略断面図、図２（Ｂ）は、材料供給容器１２２および保持プレート１２７を示す断面図である。

製造装置１００は、概説すれば、成形型１１０と、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料１２１を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型１１０の型外位置に配置した材料供給容器１２２内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にする材料供給ユニット１２０（材料供給手段に相当する）と、材料供給容器１２２内に供給された成形材料１２１を加圧することによって成形材料圧縮体１３１（図３参照）を形成する第１形成ユニット１３０（第１形成手段に相当する）と、材料供給容器１２２内に形成された成形材料圧縮体１３１を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体１４１（図４参照）を形成する第２形成ユニット１４０（第２形成手段に相当する）と、予備成形体１４１を材料供給容器１２２内から成形型１１０に充填する充填ユニット１５０（充填手段に相当する）と、成形型１１０によって加圧成形される予備成形体１４１を熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱する加熱ユニット１６０（加熱手段に相当する）と、成形型１１０を冷却するための冷却ユニット１７０と、を有する。

なお、成形材料圧縮体１３１を形成するために、粉末状成形材料１２１を加圧することを、「予備加圧」とも言う。また、熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体１４１を形成するために、成形材料圧縮体１３１を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱することを、「予備加熱」とも言う。

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。粉末状成形材料１２１に含まれる樹脂は、小径であることが好ましい。反応速度が上昇し、かつ黒鉛間の空間が小さくなることによって、得られるセパレータ３０の強度を向上させることが可能となるためである。

熱硬化性樹脂が溶融する温度および熱硬化性樹脂が硬化する温度は、熱硬化性樹脂の種類によって異なるものであるが、一例を挙げれば、熱硬化性樹脂が溶融する温度は約１００℃、熱硬化性樹脂が硬化する温度は約１５０℃である。

前記成形型１１０は、相対的に接近離反移動自在な上型１１１および下型１１２を有する。本明細書において「成形型１１０の型外位置」とは、上型１１１および下型１１２が相対的に移動する空間の外側の位置を意味している。上型１１１および下型１１２には、セパレータ３０の流路溝３１〜３４をなす凹部４１、４３を形成するための凸条部１１１ａ、１１２ａと、凸部４２、４４を形成するための凹条部１１１ｂ、１１２ｂとが形成されている。上型１１１および下型１１２の型面を突き合わせることによって、セパレータ３０の外形形状に合致した内面形状のキャビティが形成される。図示省略するが、成形型１１０には、上型１１１および下型１１２により予備成形体１４１を加圧するための加圧機構、成形後のセパレータ３０を下型１１２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などが設けられている。

前記材料供給ユニット１２０は、成形型１１０の型外位置に配置されるテーブル１２３と、テーブル１２３上すなわち成形型１１０の型外位置に配置される材料供給容器１２２と、材料供給容器１２２内に粉末状成形材料１２１を供給するホッパ１２４と、材料供給容器１２２内に供給された粉末状成形材料１２１の表面を擦り切る擦り切り板１２５と、を有する。テーブル１２３は、下型１１２に隣接して設けられている。テーブル１２３と下型１１２との間には、成形型１１０からテーブル１２３に伝熱されることを防止するために、断熱部材１２６が設けられている。断熱部材１２６は、テーブル１２３の温度を熱硬化性樹脂が溶融しない温度に維持し得る断熱性能を備えていれば足り、成形型１１０からの熱伝導を完全に遮断する性能は必ずしも必要ではない。

材料供給容器１２２は、上部および底部のそれぞれに上部開口１２２ａおよび底部開口１２２ｂが開口された枠形状を有し、底部開口１２２ｂを開閉自在な保持プレート１２７がスライド移動自在に取り付けられている。粉末状成形材料１２１は、枠形状をなす材料供給容器１２２および保持プレート１２７によって形成される空間内に供給される。図２（Ｂ）を参照して、材料供給容器１２２には、保持プレート１２７の移動をガイドするためのガイドプレート１２８が取り付けられている。ベースプレート１２８には、底部開口１２２ｂに連通する開口１２８ａが形成されている。材料供給容器１２２とベースプレート１２８との間に、保持プレート１２７が移動自在に挿通されている。なお、簡略化のため、図２（Ａ）ではベースプレート１２８を図示省略してある。

ホッパ１２４は、上部開口１２２ａの上方の供給位置と、後述するプレス機１３２の作動と干渉しない待機位置との間で移動自在に設けられている。ホッパ１２４はまた、図示しない材料供給源に接続されている。擦り切り板１２５は、材料供給容器１２２の上部開口１２２ａに沿ってスライド移動自在に設けられ、図示しない駆動装置によってスライド移動される。駆動装置は、モータと歯車機構とを含むスライダ、あるいは油圧などの流体圧によって作動する流体圧シリンダなど、公知の手段から構成されている。

粉末状成形材料１２１は、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下に維持されているテーブル１２３上の材料供給容器１２２内にホッパ１２４から供給され、その表面が擦り切り板１２５によって擦り切られて平坦にされる。粉末状成形材料１２１の供給および擦り切りは、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において行われるため、粉末状成形材料１２１の表面を擦り切る際に、表面において溶融または硬化した部分を盛り上げることがなく、表面を面一に擦り切ることができる。したがって、粉末状成形材料１２１の充填量にバラツキが生じることがなく、材料充填不足あるいは材料充填過多が引き起こされることがなく、均一な加工精度を容易に確保することが可能となる。

前記第１形成ユニット１３０は、供給された粉末状成形材料１２１を加圧して成形材料圧縮体１３１を形成するプレス機１３２を有する。プレス機１３２は、油圧などの流体圧によって昇降駆動されるポンチ１３３を有する。ポンチ１３３を下降駆動することにより、テーブル１２３上面に載置された保持プレート１２７との間で、粉末状成形材料１２１が予備加圧され、成形材料圧縮体１３１が形成される。プレス機１３２による予備加圧は、成形型１１０による加圧時よりも小さい圧力で行われる。

製品の厚み方向の寸法に厚い部位と薄い部位とが存在する場合つまり製品形状に段差が存在する場合において、粉末状成形材料１２１をほぼ均一な厚さに加圧成形すると、製品形状のうち厚さが厚い部位は、厚さが薄い部位に比べて材料の圧縮比が相対的に小さくなる。このように部位ごとの圧縮比に差が生じると、加圧成形時における面圧のバラツキが生じ、成形型１１０に対する離型不良が生じたり、製品の厚さバラツキが増大したりするという不具合が生じる。

したがって、成形型１１０によって予備成形体１４１を加圧成形する際の部位ごとの圧縮比のバラツキをなくすことが好ましく、そのためには、予備成形体１４１は、製品である燃料電池用セパレータの形状に対応した圧縮比形状を有することが好ましい。

そこで、本実施形態にあっては、成形材料圧縮体１３１を形成するために使用するポンチ１３３の加圧面１３３ａを、成形材料圧縮体１３１に、製品である燃料電池用セパレータの形状に対応した圧縮比形状を付与し得る形状に設定してある。このような加圧面形状のポンチ１３３を使用すれば、成形材料圧縮体１３１ひいては予備成形体１４１が、製品である燃料電池用セパレータの形状に対応した圧縮比形状を有し、成形型１１０によって予備成形体１４１を加圧成形する際の部位ごとの圧縮比のバラツキがなくなる。その結果、加圧成形時における面圧のバラツキがなくなり、成形型１１０に対する離型不良が生じることがなく、製品の厚さバラツキを低減することができる。

図示例では、理解の容易のために、燃料電池用セパレータ３０の凹部４１および凸部４２に対応した相似形を成形材料圧縮体１３１の図中上面に形成してあるが、流路溝を形成する領域と、その周囲のディフューザ部との間に段差を付ける形態でもよい。また、ポンチ１３３の加圧面１３３ａの凹凸形状や段差に抜き勾配を設定し、ポンチ１３３を離間させるときの成形材料圧縮体１３１の形崩れを防止することが好ましい。

前記第２形成ユニット１４０は、第１形成ユニット１３０によって形成した成形材料圧縮体１３１を成形型１１０の型内位置に移動させるための移動装置１４２を有する。移動装置１４２は、材料供給容器１２２に接続されている。移動装置１４２は、テーブル１２３上面に対して材料供給容器１２２を昇降移動させるためのリフタ装置１４２ａと、テーブル１２３上と成形型１１０の型内位置との間で材料供給容器１２２を水平移動させるためのスライダ装置１４２ｂと、が設けられている。リフタ装置１４２ａおよびスライダ装置１４２ｂは、モータと歯車機構とを含むスライダ、あるいは油圧などの流体圧によって作動する流体圧シリンダなど、公知の手段から構成されている。材料供給容器１２２は、保持プレート１２７とともに昇降移動および水平移動される。

成形材料圧縮体１３１は、移動装置１４２におけるリフタ装置１４２ａおよびスライダ装置１４２ｂを作動させることによって、保持プレート１２７上に保持されたまま成形型１１０の型内位置に移動される。そして、成形材料圧縮体１３１は、成形型１１０の型内位置において、成形型１１０が保有する熱量によって、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱され、熱硬化性樹脂の少なくとも一部が溶融する。予備加熱によって樹脂が溶融することにより、成形材料圧縮体１３１は、材料供給容器１２２内において保持プレート１２７上に保持されたまま、形崩れしない程度の力で粘性を持って一体化され、形状が保持された予備成形体１４１となる。

予備加熱においては、成形材料圧縮体１３１の外表面のすべておよび外表面近傍における樹脂を溶融させることが好ましい。予備成形体１４１を材料供給容器１２２内から成形型１１０に充填する際の形崩れを防止できるからである。リフタ装置１４２ａを作動させることによって、成形型１１０の型内位置における成形材料圧縮体１３１の高さ位置を調整し、成形材料圧縮体１３１の上面および下面のそれぞれに加わる熱を調整することもできる。

なお、樹脂が溶融した部分と粉末状のままの部分との境界面が弱くなるのではないかという懸念がある。しかしながら、鋳造の湯境や樹脂の射出成形の界面のように材料温度差があるわけではなく、加圧成形後の加熱によって材料中の熱硬化性樹脂により一体化するため、強度上の問題は生じない。また、形状を保持するために熱硬化性樹脂の少なくとも一部を溶融させても、加圧成形後の加熱で本来の熱硬化を生じさせるため、強度上の問題は同様に生じない。

前記充填ユニット１５０は、保持プレート１２７を材料供給容器１２２に対してスライド移動させるための開閉装置１５１を有する（図２（Ｂ）参照）。保持プレート１２７は、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを閉じる閉位置と、底部開口１２２ｂを開く開位置との間で移動する。開閉装置１５１は、モータと歯車機構とを含むスライダ、あるいは油圧などの流体圧によって作動する流体圧シリンダなど、公知の手段から構成されている。

開閉装置１５１を開作動させることによって、保持プレート１２７がスライド移動して、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂが開かれる。これにより、予備成形体１４１は、材料供給容器１２２から成形型１１０に落下し、当該成形型１１０に充填される。予備成形体１４１は、予備加熱によって、その形状を保持し得るように固体化されている。このため、予備成形体１４１は、材料供給容器１２２内から落下させても、その形状を維持したまま成形型１１０に充填される。したがって、粉末状の成形材料１２１を自然落下により成形型１１０に充填する場合に生じ得る嵩密度のバラツキを抑えることができ、加圧成形後のセパレータ３０の厚みバラツキを低減できる。

なお、材料供給ユニット１２０においては、粉末状の成形材料１２１を自然落下により材料供給容器１２２に供給し、供給された粉末状成形材料１２１の表面を擦り切っているので、嵩密度のバラツキは確かに生じている。しかしながら、成形型１１０による加圧の前に予備加圧を行うため、この予備加圧時において、材料供給容器１２２内で生じていた嵩密度のバラツキがある程度改善される。したがって、成形型１１０に充填された予備成形体１４１は、粉末状成形材料１２１を成形型１１０に直接充填する場合に比べて、嵩密度のバラツキが抑えられる。さらに、成形型１１０の型外位置において粉末状成形材料１２１を供給するため、材料供給容器１２２への供給方法や機構を、成形型１１０との干渉などを考慮することなく比較的自由に選択できる。このため、嵩密度のバラツキを抑えるための供給方法や機構を簡単に付加することができ、嵩密度のバラツキを一層抑えることができる。

前記加熱ユニット１６０は、成形型１１０を加熱することで、成形型１１０によって加圧成形される予備成形体１４１の温度を上昇させ、予備成形体１４１に含まれる樹脂を熱硬化させるために使用される。加熱ユニット１６０は、上型１１１および下型１１２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、予備成形体１４１に含まれる樹脂の熱硬化温度まで、予備成形体１４１を急速加熱することが可能である。

加熱ユニット１６０はまた、予備加熱においても使用することができる。予備加熱においては、成形材料圧縮体１３１を熱硬化性樹脂が硬化する温度すなわち架橋反応が開始する温度よりも低い温度で加熱し、熱硬化性樹脂の少なくとも一部を溶融させ得るに足りる熱量を、成形型１１０が有していることが必要である。したがって、成形型１１０が保有する熱量が必要な熱量よりも少ない場合には、加熱ユニット１６０により成形型１１０を加熱する。この場合、熱媒の温度や供給量を制御することにより、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で成形材料圧縮体１３１を加熱して熱硬化性樹脂の少なくとも一部を溶融させることができる。

前記冷却ユニット１７０は、熱硬化の完了後において、成形型１１０を冷却することで、成形されたセパレータ３０の温度を降下させ、取り出すために使用される。冷却ユニット１７０は、上型１１１および下型１１２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。

次に、燃料電池用セパレータ３０の製造方法を説明する。

図３（Ａ）は、材料供給容器１２２内に供給された成形材料１２１の表面を擦り切って平坦にする状態を示す断面図、図３（Ｂ）は、粉末状成形材料１２１を予備加圧して成形材料圧縮体１３１を形成する状態を示す断面図、図４（Ａ）は、成形材料圧縮体１３１を予備加熱して予備成形体１４１を形成する状態を示す断面図、図４（Ｂ）は、予備成形体１４１を材料供給容器１２２内から落下させて成形型１１０に充填する状態を示す断面図、図５（Ａ）は、予備成形体１４１を成形型１１０に充填した後の状態を示す断面図、図５（Ｂ）は、予備成形体１４１を成形型１１０によって加圧成形する直前の状態を示す断面図、図６は、予備成形体１４１を成形型１１０によって加圧成形した後の状態を示す断面図である。

まず、移動装置１４２におけるリフタ装置１４２ａおよびスライダ装置１４２ｂを作動し、成形型１１０の型外位置であるテーブル１２３上に材料供給容器１２２を移動する。保持プレート１２７は、開閉装置１５１によって閉位置にスライド移動され、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを閉じている。保持プレート１２７はまた、テーブル１２３上面に接している。この状態を、材料供給容器１２２の初期位置とする。断熱部材１２６は、成形型１１０からテーブル１２３への伝熱を防止し、テーブル１２３の温度は、粉末状成形材料１２１に含まれる熱硬化性樹脂が溶融しない温度に維持されている。

ホッパ１２４を待機位置から、材料供給容器１２２の上部開口１２２ａの上方の供給位置に移動させる。材料供給容器１２２および保持プレート１２７によって形成される空間内に、ホッパ１２４から粉末状成形材料１２１を供給する（図２（Ａ）参照）。所定量の粉末状成形材料１２１を供給すると、粉末状成形材料１２１の供給を終了する。ホッパ１２４は、プレス機１３２の作動と干渉しない待機位置成に後退される。そして、図３（Ａ）に示すように、擦り切り板１２５を材料供給容器１２２の上部開口１２２ａに沿ってスライド移動し、粉末状成形材料１２１の表面を擦り切って平坦にする。これにより、成形材料１２１の充填量が規定された量に正確に設定される。

粉末状成形材料１２１の供給および擦り切りは、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において行われるため、粉末状成形材料１２１の表面を擦り切る際に、表面において溶融または硬化した部分を盛り上げることがなく、表面を面一に擦り切ることができる。したがって、粉末状成形材料１２１の充填量にバラツキが生じることがなく、材料充填不足あるいは材料充填過多が引き起こされることがなく、均一な加工精度を容易に確保することが可能となる。また、粉末状成形材料１２１は加熱されていないので、材料供給容器１２２から除去した成形材料１２１を再度使用することができ、材料の歩留まりが向上する。

次いで、図３（Ｂ）に示すように、プレス機１３２のポンチ１３３を下降駆動し、テーブル１２３上面に載置された保持プレート１２７との間で、粉末状成形材料１２１を予備加圧し、成形材料圧縮体１３１を形成する。成形材料圧縮体１３１は、保持プレート１２７の上に形成される。成形材料圧縮体１３１は、ポンチ１３３の加圧面１３３ａによって、製品である燃料電池用セパレータ３０の形状に対応した圧縮比形状が付与されている。

次いで、図４（Ａ）に示すように、プレス機１３２のポンチ１３３を上昇駆動した後、リフタ装置１４２ａを作動し、初期位置にある材料供給容器１２２を保持プレート１２７とともにテーブル１２３上面から上昇移動する。スライダ装置１４２ｂを作動し、材料供給容器１２２を成形型１１０の型内位置まで水平に前進移動する。これにより、成形材料圧縮体１３１は、保持プレート１２７上に保持されたまま成形型１１０の型内位置に移動される。すると、成形材料圧縮体１３１は、成形型１１０の型内位置において、成形型１１０が保有する熱量によって、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱され、熱硬化性樹脂の少なくとも一部が溶融する。予備加熱によって樹脂が溶融することにより、成形材料圧縮体１３１は、材料供給容器１２２内において保持プレート１２７上に保持されたまま、形崩れしない程度の力で粘性を持って一体化され、形状が保持された予備成形体１４１となる。成形型１１０が保有する熱量が不足するような場合には、熱媒の温度や供給量を制御しつつ加熱ユニット１６０を作動する。

次いで、図４（Ｂ）に示すように、開閉装置１５１を開作動し、保持プレート１２７をスライド移動して、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを開く。予備成形体１４１は、材料供給容器１２２から成形型１１０に落下し、当該成形型１１０に充填される。予備成形体１４１は固体化されているため、材料供給容器１２２内から落下させても、その形状を維持したまま成形型１１０に充填される。したがって、粉末状の成形材料１２１を自然落下により成形型１１０に充填する場合に生じ得る嵩密度のバラツキを抑えることができ、加圧成形後のセパレータの厚みバラツキを低減できる。

次いで、図５（Ａ）に示すように、予備成形体１４１を成形型１１０に充填した後、リフタ装置１４２ａを作動し、材料供給容器１２２を予備成形体１４１と干渉しない位置まで上昇移動する。開閉装置１５１を閉作動し、保持プレート１２７をスライド移動して、底部開口１２２ｂを閉じる。スライダ装置１４２ｂを作動し、材料供給容器１２２をテーブル１２３上まで水平に後退移動する。

次いで、図５（Ｂ）に示すように、材料供給容器１２２を初期位置に復帰し、上型１１１を降下する。図６に示すように、上型１１１をさらに降下し、予備成形体１４１を加圧成形する。また、次の製造のために、粉末状成形材料１２１の供給も開始する。成形材料圧縮体１３１を予備加熱してなる予備成形体１４１も、製品である燃料電池用セパレータ３０の形状に対応した圧縮比形状を有している。予備成形体１４１を加圧成形する際の部位ごとの圧縮比のバラツキがなくなるため、加圧成形時における面圧のバラツキがなくなり、成形型１１０に対する離型不良が生じることがなく、製品の厚さバラツキが低減する。

さらに、加熱ユニット１６０の熱媒通路に熱媒を導入して成形型１１０を加熱し、予備成形体１４１の温度を上昇させ、熱硬化性樹脂を熱硬化させる。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により、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、予備成形体１４１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。さらに、急速加熱により熱硬化時間が短くなり、サイクルタイムを短縮できる。

熱硬化が完了し、セパレータ３０が形成されると、熱媒通路に対する熱媒の導入を停止する一方、冷却ユニット１７０の冷媒通路に冷媒を導入し、成形型１１０を冷却する。そして、セパレータ３０の温度が所定温度まで降下すると、上下型１１１、１１２が開かれ、セパレータ３０が取り出される。セパレータ３０は、成形型１１０を介して冷媒によって急速冷却されるため、冷却時間が短くなり、サイクルタイムをさらに短縮できる。

（第２の実施形態）
図７は、燃料電池用セパレータ３０の製造装置１０１の第２の実施形態を示す概略断面図である。

第１の実施形態では、成形型１１０の型内位置において、成形型１１０が保有する熱量によって、成形材料圧縮体１３１を加熱して予備成形体１４１を形成したが、本発明はこの場合に限定されるものではない。

図７に示すように、成形型１１０の型外位置において、成形型１１０から伝熱された熱によって、成形材料圧縮体１３１を加熱して予備成形体１４１を形成してもよい。さらに詳しくは、第２の実施形態の製造装置１０１は、下型１１２に隣接して配置される予備加熱用テーブル１８１と、予備加熱用テーブル１８１に隣接して配置される供給用テーブル１８２と、を有する。予備加熱用テーブル１８１は、成形型１１０からの伝熱を効率よく行うために、下型１１２に密接している。予備加熱用テーブル１８１と下型１１２との間に熱伝導率の高い材質を設けてもよい。予備加熱用テーブル１８１と供給用テーブル１８２との間には、予備加熱用テーブル１８１から供給用テーブル１８２への伝熱を防止するための断熱部材１８３が設けられている。供給用テーブル１８２が材料供給ユニット１２０の一部をなし、予備加熱用テーブル１８１が第２形成ユニット１４０の一部をなしている。

第２形成ユニット１４０の移動装置１４２は、粉末状成形材料１２１の供給および擦り切りを行うとき、および成形材料圧縮体１３１を形成するときには、供給用テーブル１８２の上に材料供給容器１２２を移動する。移動装置１４２は、予備成形体１４１を形成するときには、供給用テーブル１８２から予備加熱用テーブル１８１の上に成形材料圧縮体１３１を移動する。成形材料圧縮体１３１は、成形型１１０の型外位置である予備加熱用テーブル１８１の上において、成形型１１０から伝熱された熱によって、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱され、熱硬化性樹脂の少なくとも一部が溶融し、形状が保持された予備成形体１４１となる。加熱ユニット１６０によって成形型１１０を加熱し、成形型１１０からの伝熱量を調整することによって、予備加熱用テーブル１８１の温度を所望の温度に設定することができる。

予備成形体１４１は、リフタ装置１４２ａおよびスライダ装置１４２ｂを作動させることによって、保持プレート１２７上に保持されたまま成形型１１０の型内位置に移動される。そして、開閉装置１５１を開作動し、保持プレート１２７をスライド移動して、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを開く。予備成形体１４１は、材料供給容器１２２から成形型１１０に落下し、当該成形型１１０に充填される。以後の手順は第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

（第３の実施形態）
図８は、燃料電池用セパレータ３０の製造装置１０２の第３の実施形態を示す概略断面図である。

図８に示すように、成形型１１０の型外位置において、加熱部材１８４が生じた熱によって、成形材料圧縮体１３１を加熱して予備成形体１４１を形成してもよい。さらに詳しくは、第３の実施形態の製造装置１００は、第２の実施形態における予備加熱用テーブル１８１と下型１１２との間に、下型１１２から予備加熱用テーブル１８１への伝熱を防止するための断熱部材１８５を設け、さらに予備加熱用テーブル１８１に加熱部材１８４を設けてある。加熱部材１８４は、予備加熱用テーブル１８１を加熱することで、成形材料圧縮体１３１を予備加熱するために使用される。加熱部材１８４は、加熱ユニット１６０と同様に、予備加熱用テーブル１８１の内部に配置され、熱媒が導入される熱媒通路を有する。成形材料圧縮体１３１は、成形型１１０の型外位置である予備加熱用テーブル１８１の上において、加熱部材１８４が生じた熱によって、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱され、熱硬化性樹脂の少なくとも一部が溶融し、形状が保持された予備成形体１４１となる。加熱部材１８４による加熱量を調整することによって、予備加熱用テーブル１８１の温度を所望の温度に設定することができる。

予備成形体１４１は、リフタ装置１４２ａおよびスライダ装置１４２ｂを作動させることによって、保持プレート１２７上に保持されたまま成形型１１０の型内位置に移動される。そして、開閉装置１５１を開作動し、保持プレート１２７をスライド移動して、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを開く。予備成形体１４１は、材料供給容器１２２から成形型１１０に落下し、当該成形型１１０に充填される。以後の手順は第１の実施形態と同様であるので説明は省略する。

（その他の改変例）
保持プレート１２７は、スライド移動する形態に限られず、材料供給容器１２２の底部開口１２２ｂを開閉自在な限りにおいて種々の形態に改変できる。例えば、保持プレート１２７は、ヒンジを介して回動することによって底部開口１２２ｂを開閉する形態でもよく、また、複数個の保持プレート１２７によって底部開口１２２ｂを開閉する形態でもよい。保持プレート１２７の形態に併せて、開閉装置１５１の構成も適宜改変できる。

加熱ユニット１６０や第３の実施形態における加熱部材１８４は、熱媒を利用する形態に限定されず、電磁誘導加熱、超音波加熱、抵抗加熱（抵抗発熱体）などを適宜適用することも可能である。電磁誘導加熱および超音波加熱は、熱媒の場合と同様に、急速加熱の観点から好ましい。さらに、電磁誘導加熱は、成形体６１に含まれるカーボンを直接加熱する機能を有する点においても好ましい。

第１形成ユニット１３０のプレス機１３２のポンチ１３３にヒータを設け、予備加圧に引き続いてヒータによる加熱を行い、熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された面を形成した後に、ポンチ１３３による加圧を解除するようにしてもよい。燃料電池用セパレータの形状に対応した圧縮比形状の形崩れを防止することができるからである。

成形型１１０の型外位置において予備成形体１４１を形成する形態において、第２の実施形態の構成に加えて、予備加熱用テーブル１８１に加熱部材１８４を設け、成形型１１０から伝熱された熱および加熱部材１８４が生じた熱の両者によって、成形材料圧縮体１３１を加熱して予備成形体１４１を形成してもよい。

また、第２または第３の実施形態の構成に加えて、予備加熱用テーブル１８１の図中上方に、成形材料圧縮体１３１を加熱するための加熱部材をさらに配置してもよい。第３の実施形態の構成に代えて、予備加熱用テーブル１８１の図中上方にのみ加熱部材を配置してもよい。

図１（Ａ）は、燃料電池の単セルを示す断面図、図１（Ｂ）は、燃料電池用セパレータを示す平面図である。 図２（Ａ）は、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法を具現化する、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置の実施形態を示す概略断面図、図２（Ｂ）は、材料供給容器および保持プレートを示す断面図である。 図３（Ａ）は、材料供給容器内に供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にする状態を示す断面図、図３（Ｂ）は、粉末状成形材料を予備加圧して成形材料圧縮体を形成する状態を示す断面図である。 図４（Ａ）は、成形材料圧縮体を予備加熱して予備成形体を形成する状態を示す断面図、図４（Ｂ）は、予備成形体を材料供給容器内から落下させて成形型に充填する状態を示す断面図である。 図５（Ａ）は、予備成形体を成形型に充填した後の状態を示す断面図、図５（Ｂ）は、予備成形体を成形型によって加圧成形する直前の状態を示す断面図である。 予備成形体を成形型によって加圧成形した後の状態を示す断面図である。 燃料電池用セパレータの製造装置の第２の実施形態を示す概略断面図である。 燃料電池用セパレータの製造装置の第３の実施形態を示す概略断面図である。

符号の説明

１０ 単セル、
２１ 固体高分子膜、
２２、２３ 電極、
３０ 燃料電池用のセパレータ、
３１〜３４ 流路溝、
４１、４３ 流路溝をなす凹部、
４２、４４ 凸部、
１００、１０１、１０２ 燃料電池用セパレータの製造装置、
１１０ 成形型、
１１１ 上型、
１１２ 下型、
１２０ 材料供給ユニット（材料供給手段）、
１２１ 粉末状の成形材料、
１２２ 材料供給容器、
１２２ｂ 底部開口、
１２３ テーブル、
１２４ ホッパ、
１２５ 擦り切り板、
１２６ 断熱部材、
１２７ 保持プレート、
１３０ 第１形成ユニット（第１形成手段）、
１３１ 成形材料圧縮体、
１３２ プレス機、
１３３ ポンチ、
１４０ 第２形成ユニット（第２形成手段）、
１４１ 予備成形体、
１４２ 移動装置、
１５０ 充填ユニット（充填手段）、
１５１ 開閉装置、
１６０ 加熱ユニット（加熱手段）、
１７０ 冷却ユニット、
１８１ 予備加熱用テーブル、
１８２ 供給用テーブル、
１８３ 断熱部材、
１８４ 加熱部材、
１８５ 断熱部材。

Claims (7)

1. 黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型の型外位置に配置した材料供給容器内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にし、
   前記材料供給容器内に供給された成形材料を加圧することによって成形材料圧縮体を形成し、
   前記材料供給容器内に形成された前記成形材料圧縮体を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体を形成し、
   前記予備成形体を前記材料供給容器内から前記成形型に充填し、
   前記予備成形体を前記成形型によって加圧成形するとともに熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱して燃料電池用セパレータを得る、燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記材料供給容器の底部に形成した底部開口を開閉自在な保持プレートの上に前記成形材料圧縮体を形成し、
   前記保持プレートにより前記底部開口を開くことによって前記予備成形体を前記材料供給容器内から前記成形型に落下させて充填す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方法。
3. 前記成形型の型内位置において、前記成形型が保有する熱量によって、前記成形材料圧縮体を加熱して前記予備成形体を形成す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方法。
4. 前記成形型の型外位置において、前記成形型から伝熱された熱によって、前記成形材料圧縮体を加熱して前記予備成形体を形成す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方法。
5. 前記成形型の型外位置において、加熱部材が生じた熱によって、前記成形材料圧縮体を加熱して前記予備成形体を形成す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方法。
6. 前記予備成形体は、製品である燃料電池用セパレータの形状に対応した圧縮比形状を有してなり、前記成形型によって前記予備成形体を加圧成形する際の部位ごとの圧縮比のバラツキをなくすようにしたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を、熱硬化性樹脂が溶融しない温度条件下において、成形型の型外位置に配置した材料供給容器内に供給するとともに供給された成形材料の表面を擦り切って平坦にする材料供給手段と、
   前記材料供給容器内に供給された成形材料を加圧することによって成形材料圧縮体を形成する第１形成手段と、
   前記材料供給容器内に形成された前記成形材料圧縮体を熱硬化性樹脂が硬化する温度よりも低い温度で加熱して熱硬化性樹脂の一部を溶融させることによって形状が保持された予備成形体を形成する第２形成手段と、
   前記予備成形体を前記材料供給容器内から前記成形型に充填する充填手段と、
   前記成形型によって加圧成形される前記予備成形体を熱硬化性樹脂が硬化する温度まで加熱する加熱手段と、を有してなる燃料電池用セパレータの製造装置。

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