JP3356728B2 - 燃料電池セパレータ用の粉末状原料の投入装置、燃料電池セパレータの製造方法、及び燃料電池セパレータ - Google Patents

燃料電池セパレータ用の粉末状原料の投入装置、燃料電池セパレータの製造方法、及び燃料電池セパレータ

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JP3356728B2 JP24150899A JP24150899A JP3356728B2 JP 3356728 B2 JP3356728 B2 JP 3356728B2 JP 24150899 A JP24150899 A JP 24150899A JP 24150899 A JP24150899 A JP 24150899A JP 3356728 B2 JP3356728 B2 JP 3356728B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、粉末状の原料を金
型内に投入して所定形状の物を形成する際に使用する原
料投入装置と、この原料投入装置を用いた燃料電池セパ
レータの製造方法等に関する。なお、ここで「粉末状原
料」の語は、粉状、粒状、及び短繊維状の原料の総称と
して用いている。
【０００２】
【従来の技術】燃料ガスと酸化ガス使用するタイプの燃
料電池、その中でも固体高分子型燃料電池は、イオン導
電性の固体電解質膜を、触媒が担持されたガス拡散電極
からなるアノードとカソードとで挟み、さらにこれらの
外側をセパレータで挟んだ構造をしている。アノード側
のセパレータはアノードに燃料ガスとしての水素を供給
し、カソード側のセパレータはカソードに酸化剤ガスと
しての酸素を供給する。
【０００３】図５はこのようなセパレータの図である。
同図に示すように、セパレータ１は、板状の表面に細い
溝１ａが形成されるが、ガス拡散電極とガスとの接触面
積を増加させるため、溝１ａは、ほぼセパレータの全面
に蛇行して細かいピッチで形成されている。この溝１ａ
は、図５のようにセパレータの両面に形成される場合も
あるが、片面のみの場合もある。
【０００４】このような構造のものの他に、セパレータ
の両面又は片面に突起が配列されていてこれらの突起相
互間の隙間をガスの流路とする構造のもの、この突起と
上記の溝とが組み合わされた構造のものもある。
【０００５】上記の燃料電池セパレータには、次のよう
な性質が要求される。ガス不浸透性。これは、供給さ
れる水素ガスや酸素ガスを透過させない性質をいう。通
常、燃料電池は、中心の固体高分子電解質膜、その両側
のガス拡散電極、その外側のセパレータまでを１単位セ
ルとして、これらを多数積層して形成される。したがっ
て、１枚のセパレータの少なくとも片側にはガスが流れ
ており、セパレータがガスを通過させる性質を有してい
ると、電池の発電効率が低下するか、発電自体が不能と
なり電池として成立しなくなるためである。
【０００６】 導電性。セパレータが燃料電池の電極
となっているので、導電性が不可欠となる。
【０００７】 面精度すなわち、厚み精度が高いこ
と。これは、セパレータとアノードやカソードが接触し
て電気を通しているので、面精度が悪いと、接触面積が
減少し、導電性が悪化するためである。また、面精度が
悪いと、アノードやカソードとの間に隙間ができ、この
隙間が押しつぶされる方向に力が作用すると、セパレー
タが割れることがあるからでもある。面精度としては、
１つのセパレータの所定の測定点について厚さを測定
し、最大の厚さＴmaxと最小の厚さＴminiとの差ｄ、で
評価している。この差ｄが小さいほど燃料電池の性能が
向上する。
【０００８】このような性能を満足すべく、初期のセパ
レータはグラファイトの板を機械加工して形成されてい
たが、加工時間が掛かることから、セパレータが高価に
なり過ぎるという問題があった。
【０００９】そこで、最近になって、カーボンの粉末や
短繊維と、合成樹脂の粉末とを混合して粉末状の原料と
し、これをプレス機の下金型内に投入して上金型を被
せ、プレス機で加圧・加熱して成型する、という方法が
採用されるようになってきた。
【００１０】しかしながら、上記の成型方法によると、
出来上がったセパレータの厚さの精度が出せないという
問題があった。従来の成型方法では、面精度が、上述し
た差ｄで０．２mm以上も生じ、燃料電池の性能低下の原
因となっていた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事実から考えられたもので、従来以上の面精度を達成す
ることができる燃料電池セパレータと、その製造方法、
及び、その製造方法に適した粉末状の原料の投入装置を
提供することを目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明の燃料電池セパレータ用の粉末状原料の投入
装置は、下向きでマトリックス状に配置され、一定の高
さで所定の容積空間が形成された複数の投入口を有する
投入部と、該投入部の下方にあって上記投入口の全てを
閉塞する位置から全てを開口する位置までの間で摺動可
能に設けられたスライドプレートと、該スライドプレー
ト及び投入部を支持するベースと、各投入口に粉末状原
料を投入したとき投入部を擦り切る擦り切り棒とを有
し、上記ベース上を上記スライドプレートが摺動し、上
記投入口の全てを開口したとき、スライドプレートがベ
ースの端部に当接することを特徴としている。
【００１３】また、上記投入部が上記ベースの中央にあ
り、上記スライドプレートが上記投入部の中央で２つ割
り構造になっており、スライドプレートを両側に引くこ
とで投入口を開口する構成や、上記ベースに、粉末状原
料を投入するプレス金型に対する位置決め用の係合部を
設けた構成とすることができる。
【００１４】本発明の燃料電池セパレータの製造方法
は、プレス金型の下金型内に粉末状の原料を投入して上
金型との間で加圧・加熱して成形する燃料電池セパレー
タの製造方法において、請求項１から３のいずれかの粉
末状原料の投入装置に粉末状原料を投入して擦り切り棒
で擦り切り、上記スライドプレートをベースの端部に当
接させることで上記下金型内にセパレータの原料を投入
することを特徴としている。上記粉末状原料が、造粒さ
れた燃料電池セパレータ用コンパウンドである構成とす
ることができる。
【００１５】本発明の燃料電池セパレータは、上記の製
造方法で製造され、粉末状カーボンと合成樹脂とを原料
し、２００ｍｍ角以上の大きさで、面精度が０．０７ｍ
ｍ以下であることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例を図面によ
って詳細に説明する。図１は本発明の粉末状原料の投入
装置を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ
−Ａ断面図である。
【００１７】同図に示すように、本発明の粉末状原料の
投入装置は、投入部１１と、投入部１１の下に配置され
たスライドプレート１２と、ベース１３とから構成され
ている。
【００１８】投入部１１には、四角形の投入口１１ａ
が、縦横に一定の間隔で規則正しくマトリックス状に配
置されている。各投入口１１ａは投入部１１を垂直に貫
通しており、投入口１１ａの下部は開放されている。ま
た、投入部１１は一定の厚さＬを有しているので、個々
の投入口１１ａについて所定の容積の空間が確保されて
いることになる。各投入口１１ａの大きさは同じなの
で、同じ容積の空間となっている。
【００１９】ベース１３は、投入部１１と一体的な構成
であるが、図１（ｂ）に示すように、投入部１１の下方
にはベース１３が無い。そして、ベース１３と投入部１
１との間には隙間があり、そこにスライドプレート１２
が摺動自在に配置されている。
【００２０】スライドプレート１２は、図１（ｂ）のよ
うに投入部１１の投入口１１ａの下部を閉塞した状態か
ら、矢印の方向に移動して全ての投入口１１ａの下部を
開放する状態まで移動自在である。
【００２１】ベース１３の下部には、プレスの下金型に
対する位置決め用の係合部１４，１４が取り付けられて
いる。これによって、金型の所定の位置にこの投入装置
をセットできるようになる。
【００２２】図２は、本発明の他の実施例である。この
実施例では、投入部１１及び投入口１１ａは、図１の実
施例と同じであるが、スライドプレート２５が投入部１
１の中央で２つ割り構造になっており、両側に引く構成
となっていることが特徴である。スライドプレート２５
を両側に引き出すので、ベース２６も両側に形成されて
いる。
【００２３】図３は、投入口１１ａの形状の例である。
（ａ）は四角形、（ｂ）は円形、（ｃ）は長円形であ
る。ただし、これらに限定されず、楕円形、三角形等他
の形状としてもよい。
【００２４】次に、図４によって上記粉末状原料の投入
装置の使用方法、すなわち、本発明の燃料電池セパレー
タの製造方法を説明する。まず、粉末状原料として、リ
ン片状黒鉛（平均粒径３０m）１００重量部に対し、フ
ェノール樹脂を２５重量部混合し、造粒して燃料電池セ
パレータ用コンパウンドを製造した。
【００２５】この粉末状原料を図４（ａ）の投入部１１
の各投入口１１ａに投入し、擦り切り棒１５を矢印方向
に移動してすり切り、所定の容積の原料を各投入口１１
ａに充填した。投入口１１ａの大きさは１６ｍｍ角と１
６ｍｍの２種類のものを使用した。共に３ｍｍ間隔で横
２０個、縦１０個、合計２００個であった。
【００２６】この粉末状原料が充填された投入装置を、
図４（ｂ）に示すように、プレス機の下金型２１にセッ
トした。下金型２１には係合部１４が嵌合する被係合部
が形成されているので、位置決めが容易に、かつ正確に
行える。下金型２１には、セパレータの下面のパターン
２１ａが形成され、上金型２２には同じく上面のパター
ン２２ａが形成されている。
【００２７】図４（ｂ）の状態にセットできたら、図４
（ｃ）に示すように、スライドプレート１２を矢印の方
向に引いて、スライドプレート１２がベース１３の端部
に当接して停止するまで移動する。これによって、全て
の投入口１１ａの底が開放されるので、投入口１１ａに
充填されていた粉末状原料は下金型２１のパターン２１
ａの上に落下する。多数の投入口１１ａがマトリックス
状に規則正しく配置され、各投入口１１ａには同じ量の
粉末状原料が充填されているので、下金型２１の上に供
給された原料は、一定の厚さに分布し、原料の厚さムラ
はほとんど無い状態となった。
【００２８】この状態で、図４（ｄ）に示すように、上
金型２２を重ね、金型温度１６０、成形圧力２００ｋｇ
／ｃｍ２で、成形時間５分で４００ｍｍ２００ｍｍのセ
パレータを製造し、厚みを所定の方法で選んだ４０点で
測定した。そして、指示寸法精度に対して、厚みの最大
値−最小値を算出した。
【００２９】表１の実施例１は投入口１１ａが１６ｍｍ
角のもので図１の投入装置（タイプ１）を使用した。実
施例２は、図２の投入装置（タイプ２）である他は、実
施例１と同じ条件である。実施例３は、投入口１１ａが
丸い１６ｍｍのもので図１の投入装置（タイプ１）を使
用した例である。実施例４は、図２の投入装置（タイプ
２）を使用した他は、実施例３と同じである。
【００３０】比較例は、上記の実施例１から４で使用し
たのと同じ粉末状原料を用い、本発明の粉末状原料の投
入装置を用いずに、下金型に直接投入し、実施例１から
４と同じ条件で加圧、加熱して成形したものである。実
施例１から４と同じ大きさのセパレータを成形し、その
厚みを実施例と同じく４０点で測定した。そして、指示
寸法精度に対して、厚みの最大値−最小値を算出した。
【００３１】
【表１】
【００３２】この表から、セパレータの厚さのバラツキ
が、従来は０．３ｍｍもあったのに対し、本発明の粉末
状原料の投入装置を用いると、これを０．０７ｍｍ以下
に押さえることが可能になることが分かった。
【００３３】すなわち、上記の投入装置によれば、セパ
レータの面積の大小に応じて投入口の数を増減すること
で、小面積のセパレータから大面積のセパレータまで、
厚みのバラツキを小さく押さえることができる。特に、
従来は困難であった２００ｍｍ角以上のセパレータにお
いても、０．０７ｍｍ以下が達成できた。
【００３４】
【発明の効果】以上に説明したように本発明の粉末状原
料の投入装置は、下向きで複数の投入口を有する投入部
と、該投入部の下方にあって上記投入口の全てを閉塞す
る位置から全てを開口する位置までの間で摺動可能に設
けられたスライドプレートと、該スライドプレート及び
投入部を支持するベースとを有する構成としたので、投
入される原料の分布を一定に保つことができ、できた製
品の厚さのバラツキを小さくすることができる。
【００３５】 上記投入部が所定の高さを有していて各投
入口に対して所定の容積の空間を形成している構成とす
れば、各投入口に所定の量の原料を供給することがで
き、さらに厚さのバラツキを小さくすることができる。
【００３６】 上記ベースに、粉末状原料を投入するプレ
ス金型に対する位置決め用の係合部を設けた構成とすれ
ば、粉末状原料の投入装置をプレス金型に正確に位置決
めできる。
【００３７】 プレス金型の下金型内に粉末状の原料を投
入して上金型との間で加圧・加熱して成形する燃料電池
セパレータの製造方法において、上記のいずれかの粉末
状原料の投入装置を用いれば、セパレータの厚さのバラ
ツキを小さくすることができるので、セパレータと電極
との接触抵抗を減じて、燃料電池の発電効率を向上させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の粉末状原料の投入装置の図で、（ａ）
は斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】本発明の粉末状原料の投入装置の他の実施例を
示す図で、図１の（ｂ）に相当する断面図である。
【図３】本発明の投入口の形状を例示する図である。
【図４】本発明の燃料電池セパレータの製造方法を説明
する図である。
【図５】燃料電池セパレータの図で、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
１１ 投入部 １１ａ 投入口 １２，２５ スライドプレート １３，２６ ベース １４ 係合部 ２１ 下金型 ２２ 上金型
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−12734（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−295016（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−145611（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 43/34 B29C 31/06 H01M 8/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 下向きでマトリックス状に配置され、一
    定の高さで所定の容積空間が形成された複数の投入口を
    有する投入部と、該投入部の下方にあって上記投入口の
    全てを閉塞する位置から全てを開口する位置までの間で
    摺動可能に設けられたスライドプレートと、該スライド
    プレート及び投入部を支持するベースと、各投入口に粉
    末状原料を投入したとき投入部を擦り切る擦り切り棒と
    を有し、上記ベース上を上記スライドプレートが摺動
    し、上記投入口の全てを開口したとき、スライドプレー
    トがベースの端部に当接することを特徴とする燃料電池
    セパレータ用の粉末状原料の投入装置。
  2. 【請求項２】 上記投入部が上記ベースの中央にあり、
    上記スライドプレートが上記投入部の中央で２つ割り構
    造になっており、スライドプレートを両側に引くことで
    投入口を開口することを特徴とする請求項１記載の燃料
    電池セパレータ用の粉末状原料の投入装置。
  3. 【請求項３】 上記ベースに、粉末状原料を投入するプ
    レス金型に対する位置決め用の係合部を設けたことを特
    徴とする請求項１又は２記載の燃料電池セパレータ用の
    粉末状原料の投入装置。
  4. 【請求項４】 プレス金型の下金型内に粉末状の原料を
    投入して上金型との間で加圧・加熱して成形する燃料電
    池セパレータの製造方法において、請求項１から３のい
    ずれかの粉末状原料の投入装置に粉末状原料を投入して
    擦り切り棒で擦り切り、上記スライドプレートをベース
    の端部に当接させることで上記下金型内にセパレータの
    原料を投入することを特徴とする燃料電池セパレータの
    製造方法。
  5. 【請求項５】 上記粉末状原料が、造粒された燃料電池
    セパレータ用コンパウンドであることを特徴とする請求
    項４記載の燃料電池セパレータの製造方法。
  6. 【請求項６】 請求項４又は５記載の製造方法で製造さ
    れ、粉末状カーボンと合成樹脂とを原料し、２００ｍｍ
    角以上の大きさで、面精度が０．０７ｍｍ以下であるこ
    とを特徴とする燃料電池セパレータ。
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