JP2007245514A - 燃料電池セパレータの製造方法、燃料電池セパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セパレータの板厚精度を向上させる。
【解決手段】固定型と、固定型と対向する可動型との間に射出キャビティを形成する工程Ｓ１００と、射出キャビティに成形材料を射出する射出工程Ｓ１０２と、固定型に対する可動型の傾きを相対的に変化させる工程Ｓ１０４と、可動型を固定型に向けて水平方向に接近させて成形材料を圧縮し、所定の製品キャビティの形状に基づいた成形体を形成する工程Ｓ１０６と、を含む燃料電池セパレータの製造方法であって、射出キャビティを形成する工程Ｓ１００において、固定型下部に対する可動型下部の水平方向の間隔は、固定型上部に対する可動型上部の水平方向の間隔と比較して幅広に制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池セパレータの製造方法に関し、特に射出圧縮成形法を用いて成形される燃料電池セパレータの製造方法に関する。

燃料電池セルは、電解質膜の一方の面に燃料極（アノード触媒層）と、もう一方の面に空気極（カソード触媒層）とを電解質膜を挟んで対向するように設け、電解質膜を挟持した各触媒層の外側に拡散層をさらに設け、これらを原料供給用の通路を設けたセパレータ（燃料電池セパレータ）で挟んで電池が構成され、各触媒層に水素、酸素等の原料を供給して発電する。燃料電池は、所望の起電力を得るために複数の燃料電池セル（単セルともいう）を積層させたセルスタックとして使用することが一般的である。

燃料電池セパレータとして好ましく使用されるカーボンセパレータは、熱可塑性樹脂、および黒鉛などの炭素材料を含む成形材料を射出圧縮成形機により成形した後、乾燥、焼成などの工程を経て形成される。

図３は、従来の燃料電池セパレータの成形方法の一例を示した概略図である。なお、図３において、燃料電池セパレータの成形に使用する射出圧縮成形機については、金型機構の構成のみを示し、他の詳細な機構については省略した。図３においては、水平方向に圧縮する金型機構について示したが、鉛直方向に圧縮する金型機構についても同様に適用可能である。

図３（ａ）に示す射出圧縮成形装置は、固定型３２と、空間（キャビティ）４２を介して固定型３２と対向する可動型３４とからなる金型機構を備えている。図３（ａ）に示すように、固定型３２にはスプル３６先端の射出口３８がキャビティ４２内に開口している。スプル３６は、その一方端が図示しない射出機構先端のノズルに接続されており、熱溶融された成形材料が射出口３８から射出可能となるように構成されている。図３（ｂ）に示すように、所定の製品組成を有する所定量の成形材料４４が所定の射出キャビティ４６が形成された金型機構に射出される。成形材料の射出後、所定の寸法ｄだけ可動型３４を固定型３２に向けて接近、移動させることにより、図３（ｃ）に示すような所望のセパレータ形状を有する製品キャビティ４８に基づく成形体が形成される。このように、成形材料４４の射出圧縮成形により、所定の形状を有する燃料電池セパレータが得られる。

しかしながら、上述した成形材料の射出時における粘度は、例えば３５０パスカル・秒（Ｐａ・ｓ）程度と高いために流動性が低く、このような成形材料を流動させて、射出口３８から離れた金型末端まで均一に充填させることは非常に困難である。さらに、この成形材料が黒鉛のような炭素材料を含有することから、冷却固化（吸熱固化）がより早く進行するという特性を有しており、所望する成形体の形状や大きさによっては許容し得ない程度の面内板厚のばらつきが発生したり、特に射出端部における高精度の成形が困難であったりといった不具合が生じるおそれがあった。

ところで、特許文献１〜３には、射出圧縮成形法を適用して高精度な成形体を形成する技術について記載されている。

特許文献１には、可動型を振動させた状態で射出充填することにより、形状転写性の良好な成形品を形成する方法について記載されている。

特許文献２には、溶融樹脂材料を射出充填した後に所望の形状に成形する楔形断面の薄板部材の成形方法について記載されている。

しかしながら、特許文献１，２について対象となる成形材料はいずれも、上述した燃料電池セパレータの成形材料とは異なり流動性が良好なものであると考えられるため、これらの方法をそのまま燃料電池セパレータの成形に適用することは困難である。

特許文献３には、所定の形状となったキャビティ内に導電性溶融樹脂を充填させながら、さらに所定のタイミングで圧縮を開始する、燃料電池用セパレータの成形方法について記載されている。

特開平８−１５０６４８号公報 特開２００２−３６３２３号公報 特開２００４−１６０７７２号公報

しかしながら、特許文献３に記載された技術については、それぞれの工程を実行するタイミングの高度な制御が要求されるために制御機構が複雑となるおそれがあり、またわずかな射出−圧縮制御の狂いにより、良好な成形性を維持することが困難となるおそれがあった。

本発明は、従来のような射出−圧縮の複雑な制御を必要とせずに板厚精度を向上させる燃料電池セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、板厚精度が向上された燃料電池セパレータを提供することにある。

本発明の構成は以下のとおりである。

（１）固定型と、前記固定型と対向する可動型との間に射出キャビティを形成する工程と、前記固定型に開口した射出口から前記射出キャビティに成形材料を射出する射出工程と、前記固定型に対して前記可動型の少なくとも一部を相対的に変位させる変位工程と、前記可動型を前記固定型に向けて接近させて前記成形材料を圧縮し、所定の製品キャビティの形状に基づいた成形体を形成する工程と、を含み、前記射出キャビティを形成する工程において、前記固定型に対する、前記可動型の圧縮方向の間隔は、前記射出口の近傍から前記圧縮方向に直交する方向に離間するに従って幅広に制御されることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。

（２）固定型と、前記固定型と対向する可動型との間に射出キャビティを形成する工程と、前記固定型の上部に開口した射出口から前記射出キャビティに成形材料を射出する射出工程と、前記固定型に対する前記可動型の傾きを相対的に変化させる工程と、前記可動型を前記固定型に向けて水平方向に接近させて前記成形材料を圧縮し、所定の製品キャビティの形状に基づいた成形体を形成する工程と、を含み、前記射出キャビティを形成する工程において、固定型下部に対する可動型下部の水平方向の間隔は、前記射出口を有する固定型上部に対する可動型上部の水平方向の間隔と比較して幅広に制御されることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。

（３）前記成形材料は、少なくとも熱可塑性樹脂と導電性炭素材料とを含むことを特徴とする上記（１）または（２）に記載の製造方法。

（４）前記成形材料は、射出時の粘度が３５０パスカル・秒以上であることを特徴とする上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の製造方法。

（５）前記可動型は、サーボ機構により制御されることを特徴とする上記（１）から（４）のいずれか１つに記載の製造方法。

（６）上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の製造方法を含み、成形されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。

本発明によれば、射出圧縮成形法により得られた燃料電池セパレータの板厚を精度よく制御することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施の形態における燃料電池セパレータの成形装置の一例を示した断面概略図である。なお、図１において、燃料電池セパレータの成形に使用する射出圧縮成形機（燃料電池セパレータ成形装置とも記す）については、図３と同様に金型機構の構成のみを示し、他の詳細な機構については省略した。

図１（ａ）に示す燃料電池セパレータ成形装置は、固定型１２と、空間（キャビティ）２２を介して固定型１２と対向する可動型１４とからなる金型機構を備えている。図１（ａ）に示すように、固定型１２にはスプル１６先端の射出口１８がキャビティ２２内に開口している。スプル１６は、その一方端が図示しない射出機構先端のノズルに接続されており、熱溶融されたセパレータ成形材料が射出口１８から射出可能となるように構成されている。

また、可動型１４の動作は、支持部材２０を介して、例えば、サーボ機構１５により制御可能となるように構成されている。サーボ機構１５としては、サーボモータ１１，１３に対して動作指令を行なう司令部（図示せず）と、動作指令に応じてサーボモータ１１，１３それぞれの動きを独立して制御する制御部（図示せず）と、動作指令に基づく制御に応じて独立して駆動し、その状態を検出する駆動・検出部（サーボモータ）１１，１３とを含み構成されるものを挙げることができる。またサーボモータ１１，１３による駆動の状態は、常に制御部にフィードバックされている。このようなサーボ機構１５を備えることにより、可動型１４の状態を、目的とする位置、方位、姿勢などとなるように監視し、固定型１２に対する可動型１４の相対的な変位を自在に行なうことが可能となる。なお、可動型１４の動作は、必ずしもサーボ機構１５で行なわれることを要しない。後述するステップＳ１０４およびステップＳ１０６の動作（図２を参照のこと）を行なうことができる構成であれば、サーボ機構１５に替えて、いかなる機構または装置を適用してもよい。

図１（ａ）において、支持部材２０は、可動型１４と同一の部材であってもまた別部材であってもよいが、サーボ機構１５による可動型１４の変位指令に追従させて、確実に可動型１４を変位させるものである必要がある。

また、可動型１４の外周面２１と、固定型１２の内周面２３において、特に可動型１４の動作により摺動または接触する可能性のある箇所においては、なるべく摩擦や接触による抵抗を低減させるようにする必要があり、例えば図１（ａ）においては可動型１４の外周面２１を円弧状に加工してある。他の方法として、外周面２１に所定の傾斜を設けることも好適である。

図２は、本発明の実施の形態における燃料電池セパレータの製造方法の一例を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１００において、固定型と、可動型との間に射出キャビティを形成する。可動型１４は、サーボ機構１５の働きによりその一部を相対的に変位させることにより、固定型１２に対する傾きが変化する。これにより、固定型１２と可動型１４との間に図１（ｂ）に示すような射出キャビティ２６を形成する。射出キャビティ２６を構成する各部材は、少なくとも射出された成形材料が金型機構の隙間から漏出しないよう構成されることが好ましい。

図１（ｂ）に示すような射出キャビティ２６が形成された燃料電池セパレータ成形装置において、固定型１２の下部に対する可動型１４の下部の水平方向の間隔は、射出口１６を有する固定型１２の上部に対する可動型１４の上部の水平方向の間隔と比較して幅広となるように制御されている。

次に、ステップＳ１０２において、射出キャビティ内に成形材料を射出する。このとき、図１（ｂ）に示す射出キャビティ２６内に射出された燃料電池セパレータ成形材料２４が、図３（ｂ）のように射出キャビティの途中で成形材料が滞留することなく、射出キャビティ２６の下部まで到達するように、ステップＳ１００における射出キャビティ２６の、固定型１２の下部に対する可動型１４の下部の水平方向の間隔を幅広に設定することが好ましい。

可動型１４が、図１（ａ）の状態から図１（ｂ）の状態に変位するときの可動型１４上部の固定型１２に対する倒れ角θは、燃料電池セパレータ成形材料の流動性や射出スピード、成形する燃料電池セパレータの形状や大きさ、ガス流路形状などの諸条件により適宜設定することができるが、一例を挙げれば、３°〜１０°程度に設定することができる。θが小さすぎる場合には、射出口１８から射出された成形材料２４が射出キャビティ２６の端部に十分行き渡らないために、射出キャビティ２６の端部における板厚精度が確保できないおそれがある。また、θが大きすぎる場合には、固定型１２と可動型１４または支持部材２０が触れないようにする必要があるために、装置の体格が大きくなるおそれがある。

次に、ステップＳ１０４に進み、固定型１２に対する可動型１２の傾きを変化させる。ステップＳ１０４においては、図１（ｃ）に示すように、可動型１４の固定型１２方向への平行移動により射出された燃料電池セパレータ成形材料２４を圧縮し、図１（ｄ）に示す所定の製品キャビティ２８を形成させることが可能な状態まで変位させておくと、次のステップＳ１０６における圧縮動作が容易になるため、好ましい。つまり、図１（ｂ）における角θが０となるように可動型１４を変位させればよい。

ステップＳ１０６では、可動型を固定型に向けて接近させて、成形材料を圧縮する。図１（ｃ）に示すように、射出された燃料電池セパレータ成形材料２４は、可動型１４の固定型１２方向への平行移動により圧縮されて、図１（ｄ）に示す所定の製品キャビティ２８の形状に基づいた圧縮成形体が形成される。

なお、ステップＳ１０４とステップＳ１０６とは必ずしもこの順に行なわれなくてもよく、両者が並行してもよい。例えば図１に示したようなサーボ機構１５を適用した場合においては、可動型１４の変位を自在に行なうことが可能であるため、ステップＳ１０４とステップＳ１０６とは区別されることなく、同時に行なわれているとみなすことができる。

図１（ｄ）において、所定の製品形状に圧縮された成形体は、冷却された後、ステップＳ１０８において可動型１４が開かれて、取り出される。可動型１４は再びステップＳ１００に戻り、上述した工程が繰り返される。一方、金型機構より取り出された成形体は、乾燥、焼成などの周知の工程を経た後に、所望の形状を有する燃料電池セパレータとなる。

本発明の実施の形態において好適に使用される燃料電池セパレータの成形材料は、導電性炭素材料および熱可塑性樹脂を含み、必要に応じて、各種添加剤を含み、構成される。導電性炭素材料としては、黒鉛、カーボンファイバ、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等の周知の炭素材料が挙げられるが、これに限らず、種々の導電性炭素材料を使用してよい。また、熱可塑性樹脂の具体例としては、ＬＣＰ（液晶ポリエステル樹脂）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ポリプロピレン等が挙げられるが、これに限らず、炭素系燃料電池セパレータとして用いられているいかなる熱可塑性樹脂を用いてもよい。

また、成形材料の射出温度は、使用する熱可塑性樹脂のガラス転移点等に基づき、適宜設定することが可能である。例えば、熱可塑性樹脂としてＬＣＰやＰＰＳを使用した場合の射出温度を３３０〜３５０℃、より好ましくは３４５±５℃、ポリプロピレンを使用した場合の射出温度を２４０〜２７０℃、より好ましくは２６０±５℃に設定することも可能であるが、これに限定されず、適宜射出温度を調整してよい。一般に射出温度を高めに設定すると、成形材料の粘度が低下するため成形性が良好となる反面、酸化や分解といった不具合を生じるおそれもあるため、射出温度は成形材料に応じて適宜設定される。このとき、金型温度についても適宜設定することが可能であるが、例えば、ＬＣＰやＰＰＳを含む成形材料を使用する場合には１８０〜２２０℃程度、ポリプロピレンを含む成形材料を使用する場合には１２０℃〜１５０℃程度に設定することが可能である。

また、本発明の実施の形態における燃料電池セパレータの製造方法は、射出時における粘度が５００Ｐａ・ｓ以下の燃料電池セパレータの成形材料について適用することが可能であるが、特に３５０〜５００Ｐａ・ｓの射出時粘度を有する成形材料において好適である。射出時における粘度が５００Ｐａ・ｓを超えてしまうと、本発明を適用した場合においても板厚が不均一になるおそれがあるため、好ましくない。また、成形材料の射出時間は所望する燃料電池セパレータの形状やサイズにもよるが、一般に０．３秒以下、より好ましくは０．１秒〜０．３秒程度が好ましい。また射出終了から圧縮終了までの時間は０．１秒以下となるようにすることが好ましい。特に圧縮工程は、板厚の精度に直接寄与するため、可能な限りにおいてより短時間で終了することが好ましいが、通常は０．０５〜０．１秒程度である。

本発明の実施の形態において得られる燃料電池セパレータの板厚は、１〜３ｍｍ程度、大きさは１０ｍｍ四方〜Ａ４サイズ程度まで幅広く適用することが可能である。なお、本明細書における燃料電池セパレータの「板厚」とは、仮にガス流路などが形成されていない、平板状であるとしたときの燃料電池セパレータの厚さのことをいい、固定型と可動型の形状についても同様である。

なお、本発明の実施の形態として、図１に示すように射出口１６が固定型１２の上部に開口した燃料電池セパレータ成形装置について説明したが、例えば、射出口１６が固定型１２の中央付近に開口した燃料電池セパレータ成形装置についても適用可能である。また、図１に示した金型機構は、可動型１４が水平方向に移動して圧縮成形されるものであるが、例えば鉛直方向に移動して圧縮成形されるものにおいても適用可能である。いずれの場合においても、固定型１２に対する、可動型１４の圧縮方向の間隔が、射出口１６の近傍から圧縮方向に直交する方向に離間するに従って幅広に制御した射出キャビティを形成した状態で成形材料を射出することにより、板厚精度の良好な燃料電池セパレータを得ることが可能となる。

本発明は、射出圧縮成形法を適用する燃料電池セパレータの製造方法、およびこの方法で得られうる燃料電池セパレータにおいて利用することが可能である。

本発明の実施の形態における燃料電池セパレータを好適に製造しうる燃料電池セパレータ成形装置の、特に金型機構に着目した構成の概略を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池セパレータの製造方法の一例を示すフローチャートである。 従来の燃料電池セパレータ成形装置の、特に金型機構に着目した構成の概略を示す図である。

符号の説明

１１，１３ サーボモータ、１２，３２ 固定型、１４，３４ 可動型、１５ サーボ機構、１６，３６ スプル、１８，３８ 射出口、２０ 支持部材、２１ 外周面、２２，４２ キャビティ、２３ 内周面、２４，４４ （燃料電池セパレータ）成形材料、２６，４６ 射出キャビティ、２８，４８ 製品キャビティ。

Claims (6)

1. 固定型と、前記固定型と対向する可動型との間に射出キャビティを形成する工程と、
   前記固定型に開口した射出口から前記射出キャビティに成形材料を射出する射出工程と、
   前記固定型に対して前記可動型の少なくとも一部を相対的に変位させる変位工程と、
   前記可動型を前記固定型に向けて接近させて前記成形材料を圧縮し、所定の製品キャビティの形状に基づいた成形体を形成する工程と、
   を含み、
   前記射出キャビティを形成する工程において、前記固定型に対する、前記可動型の圧縮方向の間隔は、前記射出口の近傍から前記圧縮方向に直交する方向に離間するに従って幅広に制御されることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
2. 固定型と、前記固定型と対向する可動型との間に射出キャビティを形成する工程と、
   前記固定型の上部に開口した射出口から前記射出キャビティに成形材料を射出する射出工程と、
   前記固定型に対する前記可動型の傾きを相対的に変化させる工程と、
   前記可動型を前記固定型に向けて水平方向に接近させて前記成形材料を圧縮し、所定の製品キャビティの形状に基づいた成形体を形成する工程と、
   を含み、
   前記射出キャビティを形成する工程において、固定型下部に対する可動型下部の水平方向の間隔は、前記射出口を有する固定型上部に対する可動型上部の水平方向の間隔と比較して幅広に制御されることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
3. 前記成形材料は、少なくとも熱可塑性樹脂と導電性炭素材料とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。
4. 前記成形材料は、射出時の粘度が３５０パスカル・秒以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の製造方法。
5. 前記可動型は、サーボ機構により制御されることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の製造方法を含み、成形されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。

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