JP3828522B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜にアノード側電極及びカソード側電極を添わせ、これらを拡散層を介して両側から挟持する燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、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。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。以下、一般的な燃料電池を次図に示して説明する。
【０００３】
図９は従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池１００は、電解質膜１０１にアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を添わせ、これらの電極１０２，１０３を拡散層１０４，１０５を介して第１セパレータ１０６及び第２セパレータ１０７で挟むことでセルモジュールを構成する。このセルモジュールを多数個積層することで燃料電池を得る。
【０００４】
ここで、カソード側電極１０３には酸化剤ガスを効果的に接触させる必要がある。このため、第２セパレータ１０７の面１０７ａに溝１０８・・・を多数本条設し、第２セパレータ１０７の面２０７ａに拡散層１０５を重ねて溝１０８・・・を塞ぐことにより、酸化剤ガスの流路となる第２流路（図示しない）を形成する。
【０００５】
一方、アノード側電極１０２には燃料ガスを効果的に接触させる必要がある。このため、第１セパレータ１０６の面１０６ａに溝（図示しない）を多数本条設し、第１セパレータ１０６の面１０６ａに拡散層１０４を重ねて溝を塞ぐことにより、燃料ガスの流路となる第１流路（図示しない）を形成する。
【０００６】
また、第１セパレータ１０６は、面１０６ａの裏面１０６ｂに冷却水通路用溝１０９・・・を多数本条設し、第２セパレータ１０７は、面１０７ａの裏面１０７ｂに冷却水通路用溝（図示しない）を多数本条設ける。
第１、第２セパレータ１０６，１０７を重ね合わせることで、それぞれの冷却水通路用溝１０９・・・を合わせて冷却水通路（図示しない）を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この第１、第２のセパレータ１０６，１０７を製造する方法として、例えば特開２００１−１２６７４４公報「燃料電池用セパレータおよびその製造方法」が知られている。
この製造方法によれば、熱可塑性樹脂に導電性粒子を含めた状態で加熱混錬し、この混合物を押出し成形し、圧延ロールで長尺シートに成形し、この長尺シートを所定寸法に切断してブランク材とした後、このブランク材の両面、或いは片面にガス通路や冷却水通路用の溝を成形することにより第１、第２セパレータ１０６，１０７を得ることができる。
【０００８】
この第１、第２セパレータ１０６，１０７にそれぞれ拡散層１０４，１０５を重ね合わせて第１、第２流路を形成するためには、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａに拡散層１０４，１０５を密着状態に重ね合わせる必要がある。
【０００９】
しかしながら、第１、第２セパレータを熱可塑性樹脂で成形したので、燃料電池を使用する際に発生する反応熱で、第１、第２セパレータのそれぞれの面１０６ａ，１０７ａが軟化する。
このため、第１、第２セパレータのそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５とを密着状態に保つことが難しい。
【００１０】
この不具合を解消するために、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５との間にシール材を塗布して、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５との密着状態に保つようにしている。
同様に、第１セパレータ１０６と第２セパレータ１０７との重ね合わせ面間にシール材を塗布して、第１セパレータ１０６と第２セパレータ１０７とを密着状態に保つようにしている。
【００１１】
このため、第１セパレータの面１０６ａと拡散層１０４との間や、第２セパレータの面１０７ａと拡散層１０５との間に塗布するシール材が必要になり、部品点数が増える。
加えて、第１セパレータ１０６の面１０６ａと拡散層１０４との間や、第２セパレータ１０７の面１０７ａと拡散層１０５との間にシール材を塗布する手間がかかり、そのことが生産性を上げる妨げになっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、シール材を除去することで部品点数を減らすことができ、かつシール材を塗布する手間を省くことができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、電解質膜に沿わせたアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ拡散層を沿わせ、それぞれの拡散層を両側からシール材を用いずに挟み込む燃料電池用セパレータの製造方法であって、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択される熱可塑性樹脂、及び黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択される導電性材料を混合して混合材を得る工程と、この混合材で前記拡散層との接触面にガス流路溝を備えたセパレータ素材を形成する工程と、このセパレータ素材のうち、前記ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射し、該接触面を３次元架橋構造とすることで前記拡散層に対してシール性に優れた部位に変える工程と、から燃料電池用セパレータの製造方法を構成する。
【００１４】
セパレータ素材を熱可塑性樹脂で成形し、ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射した。これにより、ガス流路溝を備えた接触面を、ある程度硬化させることができる。よって、燃料電池の反応熱が発生した場合でも、セパレータの接触面の弾力性を確保することができる。このため、セパレータの接触面を拡散層に密に接触させた状態を保つことができる。
したがって、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がない。
【００１５】
さらに、セパレータ素材の接触面に電子線を照射するだけの簡単な工程で、燃料電池用セパレータの接触面をシール性に優れた部位に変えることができる。これにより、シール性に優れた燃料電池用セパレータを効率よく生産することができる。
【００１６】
また、請求項１において、熱可塑性樹脂は、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択した樹脂であり、導電性材料は、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択した炭素粒子である。
【００１７】
エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂でセパレータを成型することにより、セパレータの接触面を拡散層により一層密に接触させることができる。よって、セパレータの接触面と拡散層との間の隙間をより一層好適にシールすることができる。
【００１８】
一方、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックは導電性に優れているため、比較的少量で導電性を確保することができる。このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量にして、熱可塑性樹脂の物性への影響を抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で製造した燃料電池用セパレータの燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池１０は、一例として電解質膜１２に固体高分子電解質を使用し、この電解質膜１２にアノード側電極１３及びカソード側電極１４を添わせ、アノード側電極１３側にアノード側電極拡散層１５を介してセパレータ１８を合わせるとともに、カソード側電極１４側にカソード側電極拡散層１６を介してセパレータ（燃料電池用セパレータ）１８を合わせることによりセルモジュール１１を構成し、このセルモジュール１１を多数個積層した固体高分子型燃料電池である。
【００２０】
セパレータ１８は、第１セパレータ２０と、第２セパレータ３０とからなり、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａを、一例として振動溶着で接合したものである。
【００２１】
このように、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着することにより、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１・・・を第２セパレータ３０で覆い、冷却水通路２２・・・（図４に示す）を形成する。
この冷却水通路２２・・・には、第１、第２セパレータ２０，３０の上端中央の冷却水供給孔部２３ａ，３３ａが連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端中央の冷却水排出孔部２３ｂ，３３ｂが連通する。
【００２２】
第１セパレータ２０は、燃料ガス通路形成面（接触面）２０ｂ側に燃料ガス通路用溝２４・・・（図２に示す）を備え、燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を重ね合わせることで、燃料ガス通路用溝２４・・・をアノード側電極拡散層１５で塞いで燃料ガス通路２５・・・（図４に示す）を形成する。
この燃料ガス通路２５・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端左側の燃料ガス供給孔部２６ａ，３６ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端右側の燃料ガス排出孔部２６ｂ，３６ｂを連通する。
【００２３】
第２セパレータ３０は、酸化剤ガス通路形成面（接触面）３０ｂ側に酸化剤ガス通路用溝３７・・・を備え、酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を重ね合わせることで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・をカソード側電極拡散層１６で塞いで酸化剤ガス通路３８・・・（図４に示す）を形成する。
この酸化剤ガス通路３８・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端右側の酸化剤ガス供給孔部２９ａ，３９ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端左側の酸化剤ガス排出孔部２９ｂ，３９ｂを連通する。
【００２４】
図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
第１セパレータ２０は、熱可塑性樹脂に導電性材料を混合した樹脂で略矩形状（図１参照）に形成した部材で、冷却水通路形成面２０ａに冷却水通路用溝２１・・・を多数本条備え、燃料ガス通路形成面２０ｂに燃料ガス通路用溝２４・・・を多数本条備える。
【００２５】
熱可塑性樹脂としては、一例としてエチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトが該当するが、これに限定するものではない。
【００２６】
導電性材料（炭素材料）としては、ケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子が該当するが、これに限定するものではない。
なお、ケッチェンブラックは、導電性に優れたカーボンブラックで、一例としてケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製（販売元；三菱化学株式会社）のものが該当するが、これに限るものではない。
【００２７】
エチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトは、熱可塑性樹脂のなかで柔軟性のある樹脂であり、この樹脂を使用することで、第１セパレータ２０を柔軟性に優れた部材とすることができる。
【００２８】
加えて、燃料ガス通路形成面２０ｂは、電子線を照射することで、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とした面である。
このように、第１セパレータ２０を柔軟性に優れた部材とするとともに、燃料ガス通路形成面２０ｂを電子線を照射することで、燃料ガス通路形成面２０ｂを弾力性に優れた面にすることができる。
【００２９】
またケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックは導電性に優れた材料であり、導電性材料（炭素材料）としてケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子を使用することにより、比較的少量で第１セパレータ２０の導電性を確保することができる。
このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量に抑えることができるので、熱可塑性樹脂の成形性を維持して、第１セパレータ２０を容易に成形することができる。
【００３０】
図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。
第２セパレータ３０は、第１セパレータ２０と同様に、熱可塑性樹脂に導電性材料を混合した樹脂で略矩形状（図１参照）に形成した部材で、接合面３０ａを平坦に形成し、酸化剤ガス通路形成面３０ｂに酸化剤ガス通路用溝３７・・・を多数本条備える。
【００３１】
熱可塑性樹脂としては、一例としてエチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトが該当するが、これに限定するものではない。
導電性材料（炭素材料）としては、ケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子が該当するが、これに限定するものではない。
【００３２】
エチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトは、熱可塑性樹脂のなかで柔軟性のある樹脂あり、この樹脂を使用することで、第２セパレータ３０を柔軟性に優れた部材とすることができる。
【００３３】
加えて、酸化剤ガス通路形成面３０ｂは、電子線を照射することで、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とした面である。
このように、第２セパレータ３０を柔軟性に優れた部材とするとともに、酸化剤ガス通路形成面３０ｂを電子線を照射することで、酸化剤ガス通路形成面３０ｂを弾力性に優れた面にすることができる。
【００３４】
またケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックは導電性に優れた材料であり、導電性材料（炭素材料）としてケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子を使用することにより、比較的少量で第２セパレータ３０の導電性を確保することができる。
このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量に抑えることができるので、熱可塑性樹脂の成形性を維持して、第２セパレータ３０を容易に成形することができる。
【００３５】
図４は本発明に係る燃料電池用セパレータを示す断面図である。
セパレータ１８は、第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせた後に第１、第２セパレータ２０，３０に加圧力をかけ、第１、第２セパレータ２０，３０の一方を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと、第２セパレータ３０の接合面３０ａとを振動溶着し、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１を第２セパレータ３０で塞いで冷却水通路２２を形成したものである。
なお、第１、第２セパレータ２０，３０の接合は振動溶着に限らないで、その他の方法で接合することも可能である。
【００３６】
燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を合わせることで、燃料ガス通路用溝２４・・・及びアノード側電極拡散層１５で燃料ガス通路２５・・・を形成する。
第１セパレータ２０を柔軟性に優れた樹脂で成形し、さらに燃料ガス通路形成面２０ｂに電子線を照射することで、燃料ガス通路形成面２０ｂを、ある程度硬化させるとともに、架橋反応を進めることにより３次元架橋構造とした。
【００３７】
このように、燃料ガス通路形成面２０ｂを３次元架橋構造とすることで、高分子鎖が末端以外の任意の位置で互いに連結して、燃料ガス通路形成面２０ｂの耐熱性や剛性を高めることができる。
これにより、燃料電池の反応熱が発生した場合に、燃料ガス通路形成面２０ｂの弾性力を確保することができるので、燃料ガス通路形成面２０ｂをアノード側電極拡散層１５に密に接触させた状態を保つことができる。
【００３８】
よって、燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５との間にシール材を塗布する必要がない。したがって、部品点数を減らすことができるとともにシール材を塗布する手間を省くことができ、さらに燃料ガス通路形成面２０ｂ及びアノード側電極拡散層１５間の接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００３９】
また、酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を合わせることで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・及びカソード側電極拡散層１６で酸化剤ガス通路３８・・・を形成する。
第２セパレータ３０を柔軟性に優れた樹脂で成形し、酸化剤ガス通路形成面３０ｂに電子線を照射することで、酸化剤ガス通路形成面３０ｂをある程度硬化させるとともに３次元架橋構造とした。これにより、燃料電池の反応熱が発生した場合に、酸化剤ガス通路形成面３０ｂの弾性力を確保することができるので、酸化剤ガス通路形成面３０ｂをカソード側電極拡散層１６に密に接触させた状態を保つことができる。
【００４０】
よって、酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６との間にシール材を塗布する必要がない。したがって、部品点数を減らすことができるとともにシール材を塗布する手間を省くことができ、さらに酸化剤ガス通路形成面３０ｂ及びカソード側電極拡散層１６間の接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００４１】
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で第１セパレータ２０を成形する例を図５〜図８に基づいて説明する。
図５は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の概略を示すフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０；熱可塑性樹脂と導電性材料とを混錬することにより混合材を得る。ＳＴ１１；混錬した混合材を押出し成形することにより帯状のシートを成形する。
【００４２】
ＳＴ１２；この帯状のシートの一方の面、すなわち冷却水通路形成面に相当する面に冷却水通路用溝をプレス成形するとともに、帯状のシートの他方の面、すなわち燃料ガス通路形成面に相当する面に燃料ガス通路用溝をプレス成形することにより、セパレータ素材を得る。
【００４３】
ＳＴ１３；燃料ガス通路用溝をプレス成形した面に電子線を照射する。
ＳＴ１４；セパレータ素材を所定寸法に切断することにより第１セパレータを得る。
以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法のＳＴ１０〜ＳＴ１４の工程を図６〜図８で詳しく説明する。
【００４４】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第１説明図であり、（ａ）はＳＴ１０を示し、（ｂ）はＳＴ１１の前半を示す。
（ａ）において、先ず、エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択した熱可塑性樹脂４６を準備する。
【００４５】
次に、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの炭素粒子から少なくとも一種を選択した導電性材料４５を準備する。
準備した熱可塑性樹脂４６及び導電性材料４５を混錬装置４７の容器４８に矢印の如く投入する。投入した熱可塑性樹脂４６及び導電性材料４５を、混錬羽根（又はスクリュー）４９を矢印の如く回転することにより容器４８内で混錬する。
【００４６】
（ｂ）において、混錬した混合材５０を第１押出し成形装置５１のホッパー５２に投入し、投入した混合材５０を第１押出し成形装置５１で押出し成形する。押出し成形した成形材５３を水槽５４に通すことで、水槽５４内の水５５で成形材５３を冷却する。
冷却した成形材５３をカッター装置５６のカッター５７で所定の長さに切断して、切断したペレット５８・・・をストック籠５９にストックする。
【００４７】
図７は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第２説明図であり、ＳＴ１１の後半〜ＳＴ１２を示す。
前工程で得たペレット５８・・・を第２押出し成形装置６０のホッパー６１に矢印の如く投入し、投入したペレット５８・・・を第２押出し成形装置６０で押出し成形する。押出し成形した成形材６２を圧延ロール６３で圧延して帯状のシート６４を成形する。
【００４８】
圧延ロール６３の下流側にはプレス装置６５を備え、このプレス装置６５は、帯状のシート６４の上下にそれぞれ上下のプレス型６６，６７を備える。
上プレス型６６は、帯状のシート６４の他方の面６４ｂに対向するプレス面６６ａに凹凸部（図示しない）を備える。この凹凸部は、帯状のシート６４の他方の面６４ｂに燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をプレス成形するものである。
【００４９】
一方、下プレス型６７は、帯状のシート６４の一方の面６４ａに対向するプレス面６７ａに凹凸部（図示しない）を備える。この凹凸部は、帯状のシート６４の一方の面６４ａに冷却水通路用溝２１・・・（図４に示す）をプレス成形するものである。
【００５０】
上下のプレス型６６，６７をプレス開始位置Ｐ１に配置し、上下のプレス型６６，６７で帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂを押圧し、この状態を維持しながら上下のプレス型６６，６７を帯状のシート６４の押出速度に合わせて矢印▲１▼，▲２▼の如く連動する。
【００５１】
これにより、帯状のシート６４の一方の面６４ａ、すなわち冷却水通路形成面２０ａ（図４に示す）に相当する面に冷却水通路用溝２１・・・をプレス成形するとともに、帯状のシート６４の他方の面６４ｂ、すなわち燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）に相当する面に燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス成形して、帯状のシート６４をセパレータ素材６８に成形することができる。
【００５２】
上下のプレス型６６，６７がプレス解除位置Ｐ２に到達すると、上下のプレス型６６，６７を矢印▲３▼，▲４▼の如く帯状のシート６４から離す方向に移動し、上下のプレス型６６，６７が解除側の所定位置に到達した後、上下のプレス型６６，６７を矢印▲５▼，▲６▼の如く上流側に向けて移動する。
【００５３】
上下のプレス型６６，６７がプレス開始側の所定位置に到達した後、上下のプレス型６６，６７を矢印▲７▼，▲８▼の如くプレス開始位置Ｐ１まで移動する。
以下上述した工程を順次繰り返すことにより、帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・をそれぞれプレス成形することができる。
【００５４】
図７においては、理解を容易にするために上下のプレス型６６，６７をそれぞれ１個づつ備えた例について説明したが、現実には上下のプレス型６６，６７をそれぞれ複数個備える。
上下のプレス型６６，６７をそれぞれ複数個備えることで、帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をそれぞれ連続的にプレス成形することができる。
【００５５】
なお、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す燃料ガス供給孔部２６ａ及び燃料ガス排出孔部２６ｂを成形する部位を備える。また、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す酸化剤ガス供給孔部２９ａ及び酸化剤ガス排出孔部２９ｂを成形する部位を備える。
さらに、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す冷却水供給孔部２３ａ及び冷却水排出孔部２３ｂを成形する部位を備える。
【００５６】
よって、上下のプレス型６６，６７で帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・をそれぞれ連続的にプレス成形するとともに、図１に示す冷却水供給孔部２３ａ及びガス供給孔部２６ａ，２９ａや冷却水排出孔部２３ｂ及びガス排出孔部２６ｂ，２９ｂを同時に成形することができる。
【００５７】
図８は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第３説明図であり、ＳＴ１３〜ＳＴ１４を示す。
プレス装置６５（図７に示す）の下流側には、前工程で得たセパレータ素材６８の上方、すなわち燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をプレス形成した他方の面６８ｂの上方に電子線照射装置７０を備える。
【００５８】
この電子線照射装置７０の電子銃７１から電子線７２・・・を放射する。この電子線７２で、燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス形成した他方の面６８ｂの上方を照射する。
これにより、燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス形成した他方の面６８ｂを、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とすることができる。
【００５９】
電子線照射装置７０の下流側には、前工程で得たセパレータ素材６８の上方にカッター装置７３を備える。
このカッター装置７３のカッター７４を矢印▲９▼の如く下降することにより、セパレータ素材６８を所定寸法に切断して第１セパレータ２０・・・を得る。これにより、第１セパレータ２０の製造工程を完了する。
【００６０】
このように、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば電子線７２を照射するだけの簡単な方法で、燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）をある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とすることができる。
よって、燃料ガス通路形成面２０ｂの弾力性を好適に保つことができ、シール性を良好に保つことができる。このため、シール性に優れた第１セパレータ２０を効率よく生産することができる。
【００６１】
また、エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂４５で第１セパレータ２０を成形することにより、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）の柔軟性を好適に確保することができる。
【００６２】
図５〜図８では第１セパレータ２０を成形する例について説明したが、第１セパレータ２０の製造方法と同様の方法で第２セパレータ３０を製造することが可能である。
但し、第２セパレータ３０は、第１セパレータ２０のように冷却水通路用溝２１・・・を備えておらず、平坦な接合面３０ａを備えている。このため、図７に示す下プレス型６７は、帯状のシート６４の一方の面に対向する面に、帯状のシート６４の一方の面に冷却水通路用溝２１・・・をプレス成形する凹凸部を備える必要はない。
【００６３】
なお、前記実施形態では、電解質膜１２として固体高分子電解質を使用した固体高分子型燃料電池１０について説明したが、これに限らないで、その他の燃料電池に適用することも可能である。
【００６４】
また、前記実施形態では、第１、第２セパレータ２０，４０を押出し成形やプレス成形で連続的に成形した例について説明したが、これに限らないで、加熱プレス方法、射出成形方法やトランスファー成形方法などのその他の製造方法で成形することも可能である。
トランスファー成形方法とは、成形材料をキャビティとは別のポット部に１ショット分入れ、プランジャーによって溶融状態の材料をキャビティに移送して成形する方法である。
【００６５】
さらに、前記実施形態では、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着で接合した例について説明したが、これに限らないで、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａに電子線を照射するとともに、第２セパレータ３０の接合面３０ａに電子線を照射して、冷却水通路形成面２０ａ及び接合面３０ａの弾力性を高めることにより、第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせて冷却水通路形成面２０ａと接合面３０ａとを好適にシールすることも可能である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、セパレータ素材を熱可塑性樹脂で成形し、ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射した。これにより、ガス流路溝を備えた接触面を、ある程度硬化させることができる。よって、燃料電池の反応熱が発生した場合でも、セパレータの接触面の弾力性を確保することができる。
このため、セパレータの接触面を拡散層に密に接触させた状態を保つことができる。
【００６７】
したがって、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がないので部品点数を減らすことができるのでコスト下げることができる。
加えて、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する手間を省くことができるので生産性を高めることができる。
また、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がないので、セパレータの接触面及び拡散層間接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００６８】
さらに、セパレータ素材の接触面に電子線を照射するだけの簡単な工程で、燃料電池用セパレータの接触面をシール性に優れた部位に変えることができる。これにより、シール性に優れた燃料電池用セパレータを効率よく生産して比較的低コストで製造することができる。
【００６９】
加えて、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂でセパレータを成型することにより、セパレータの接触面を拡散層により一層密に接触させることができる。
これにより、セパレータの接触面と拡散層との間の隙間をより一層好適にシールすることができる。
このように、シール性に優れたセパレートとすることで、セパレータの生産性を高めることができる。
【００７０】
一方、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックは導電性に優れているため、比較的少量で導電性を確保することができる。これにより、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量にして、熱可塑性樹脂の物性への影響を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で製造した燃料電池用セパレータの燃料電池を示す分解斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータを示す断面図
【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャート
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第１説明図
【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第２説明図
【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第３説明図
【図９】従来の燃料電池を示す分解斜視図
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…電解質膜、１３…アノード側電極、１４…カソード側電極、１５…アノード側電極拡散層（拡散層）、１６…カソード側電極拡散層（拡散層）、１８…セパレータ（燃料電池用セパレータ）、２０…第１セパレータ、２０ｂ…燃料ガス通路形成面（接触面）、２４…燃料ガス通路用溝、３０…第２セパレータ、３０ｂ…酸化剤ガス通路形成面（接触面）、３７…酸化剤ガス通路用溝、４５…導電性材料、４６…熱可塑性樹脂、５０…混合材、６８…セパレータ素材、７２…電子線。
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質膜にアノード側電極及びカソード側電極を添わせ、これらを拡散層を介して両側から挟持する燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、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。一般に、水素に燃料ガスを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用することが多い。以下、一般的な燃料電池を次図に示して説明する。
【０００３】
図９は従来の燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池１００は、電解質膜１０１にアノード側電極１０２及びカソード側電極１０３を添わせ、これらの電極１０２，１０３を拡散層１０４，１０５を介して第１セパレータ１０６及び第２セパレータ１０７で挟むことでセルモジュールを構成する。このセルモジュールを多数個積層することで燃料電池を得る。
【０００４】
ここで、カソード側電極１０３には酸化剤ガスを効果的に接触させる必要がある。このため、第２セパレータ１０７の面１０７ａに溝１０８・・・を多数本条設し、第２セパレータ１０７の面２０７ａに拡散層１０５を重ねて溝１０８・・・を塞ぐことにより、酸化剤ガスの流路となる第２流路（図示しない）を形成する。
【０００５】
一方、アノード側電極１０２には燃料ガスを効果的に接触させる必要がある。このため、第１セパレータ１０６の面１０６ａに溝（図示しない）を多数本条設し、第１セパレータ１０６の面１０６ａに拡散層１０４を重ねて溝を塞ぐことにより、燃料ガスの流路となる第１流路（図示しない）を形成する。
【０００６】
また、第１セパレータ１０６は、面１０６ａの裏面１０６ｂに冷却水通路用溝１０９・・・を多数本条設し、第２セパレータ１０７は、面１０７ａの裏面１０７ｂに冷却水通路用溝（図示しない）を多数本条設ける。
第１、第２セパレータ１０６，１０７を重ね合わせることで、それぞれの冷却水通路用溝１０９・・・を合わせて冷却水通路（図示しない）を形成する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
この第１、第２のセパレータ１０６，１０７を製造する方法として、例えば特開２００１−１２６７４４公報「燃料電池用セパレータおよびその製造方法」が知られている。
この製造方法によれば、熱可塑性樹脂に導電性粒子を含めた状態で加熱混錬し、この混合物を押出し成形し、圧延ロールで長尺シートに成形し、この長尺シートを所定寸法に切断してブランク材とした後、このブランク材の両面、或いは片面にガス通路や冷却水通路用の溝を成形することにより第１、第２セパレータ１０６，１０７を得ることができる。
【０００８】
この第１、第２セパレータ１０６，１０７にそれぞれ拡散層１０４，１０５を重ね合わせて第１、第２流路を形成するためには、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａに拡散層１０４，１０５を密着状態に重ね合わせる必要がある。
【０００９】
しかしながら、第１、第２セパレータを熱可塑性樹脂で成形したので、燃料電池を使用する際に発生する反応熱で、第１、第２セパレータのそれぞれの面１０６ａ，１０７ａが軟化する。
このため、第１、第２セパレータのそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５とを密着状態に保つことが難しい。
【００１０】
この不具合を解消するために、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５との間にシール材を塗布して、第１、第２セパレータ１０６，１０７のそれぞれの面１０６ａ，１０７ａと拡散層１０４，１０５との密着状態に保つようにしている。
同様に、第１セパレータ１０６と第２セパレータ１０７との重ね合わせ面間にシール材を塗布して、第１セパレータ１０６と第２セパレータ１０７とを密着状態に保つようにしている。
【００１１】
このため、第１セパレータの面１０６ａと拡散層１０４との間や、第２セパレータの面１０７ａと拡散層１０５との間に塗布するシール材が必要になり、部品点数が増える。
加えて、第１セパレータ１０６の面１０６ａと拡散層１０４との間や、第２セパレータ１０７の面１０７ａと拡散層１０５との間にシール材を塗布する手間がかかり、そのことが生産性を上げる妨げになっていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、シール材を除去することで部品点数を減らすことができ、かつシール材を塗布する手間を省くことができる燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１は、電解質膜に沿わせたアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ拡散層を沿わせ、それぞれの拡散層を両側からシール材を用いずに挟み込む燃料電池用セパレータの製造方法であって、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択される熱可塑性樹脂、及び黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択される導電性材料を混合して混合材を得る工程と、この混合材で前記拡散層との接触面にガス流路溝を備えたセパレータ素材を形成する工程と、このセパレータ素材のうち、前記ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射し、該接触面を３次元架橋構造とすることで前記拡散層に対してシール性に優れた部位に変える工程と、から燃料電池用セパレータの製造方法を構成する。
【００１４】
セパレータ素材を熱可塑性樹脂で成形し、ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射した。これにより、ガス流路溝を備えた接触面を、ある程度硬化させることができる。よって、燃料電池の反応熱が発生した場合でも、セパレータの接触面の弾力性を確保することができる。このため、セパレータの接触面を拡散層に密に接触させた状態を保つことができる。
したがって、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がない。
【００１５】
さらに、セパレータ素材の接触面に電子線を照射するだけの簡単な工程で、燃料電池用セパレータの接触面をシール性に優れた部位に変えることができる。これにより、シール性に優れた燃料電池用セパレータを効率よく生産することができる。
【００１６】
また、請求項１において、熱可塑性樹脂は、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択した樹脂であり、導電性材料は、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択した炭素粒子である。
【００１７】
エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂でセパレータを成型することにより、セパレータの接触面を拡散層により一層密に接触させることができる。よって、セパレータの接触面と拡散層との間の隙間をより一層好適にシールすることができる。
【００１８】
一方、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックは導電性に優れているため、比較的少量で導電性を確保することができる。このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量にして、熱可塑性樹脂の物性への影響を抑えることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。
図１は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で製造した燃料電池用セパレータの燃料電池を示す分解斜視図である。
燃料電池１０は、一例として電解質膜１２に固体高分子電解質を使用し、この電解質膜１２にアノード側電極１３及びカソード側電極１４を添わせ、アノード側電極１３側にアノード側電極拡散層１５を介してセパレータ１８を合わせるとともに、カソード側電極１４側にカソード側電極拡散層１６を介してセパレータ（燃料電池用セパレータ）１８を合わせることによりセルモジュール１１を構成し、このセルモジュール１１を多数個積層した固体高分子型燃料電池である。
【００２０】
セパレータ１８は、第１セパレータ２０と、第２セパレータ３０とからなり、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと第２セパレータ３０の接合面３０ａを、一例として振動溶着で接合したものである。
【００２１】
このように、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着することにより、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１・・・を第２セパレータ３０で覆い、冷却水通路２２・・・（図４に示す）を形成する。
この冷却水通路２２・・・には、第１、第２セパレータ２０，３０の上端中央の冷却水供給孔部２３ａ，３３ａが連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端中央の冷却水排出孔部２３ｂ，３３ｂが連通する。
【００２２】
第１セパレータ２０は、燃料ガス通路形成面（接触面）２０ｂ側に燃料ガス通路用溝２４・・・（図２に示す）を備え、燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を重ね合わせることで、燃料ガス通路用溝２４・・・をアノード側電極拡散層１５で塞いで燃料ガス通路２５・・・（図４に示す）を形成する。
この燃料ガス通路２５・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端左側の燃料ガス供給孔部２６ａ，３６ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端右側の燃料ガス排出孔部２６ｂ，３６ｂを連通する。
【００２３】
第２セパレータ３０は、酸化剤ガス通路形成面（接触面）３０ｂ側に酸化剤ガス通路用溝３７・・・を備え、酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を重ね合わせることで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・をカソード側電極拡散層１６で塞いで酸化剤ガス通路３８・・・（図４に示す）を形成する。
この酸化剤ガス通路３８・・・に、第１、第２セパレータ２０，３０の上端右側の酸化剤ガス供給孔部２９ａ，３９ａを連通するとともに、第１、第２セパレータ２０，３０の下端左側の酸化剤ガス排出孔部２９ｂ，３９ｂを連通する。
【００２４】
図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。
第１セパレータ２０は、熱可塑性樹脂に導電性材料を混合した樹脂で略矩形状（図１参照）に形成した部材で、冷却水通路形成面２０ａに冷却水通路用溝２１・・・を多数本条備え、燃料ガス通路形成面２０ｂに燃料ガス通路用溝２４・・・を多数本条備える。
【００２５】
熱可塑性樹脂としては、一例としてエチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトが該当するが、これに限定するものではない。
【００２６】
導電性材料（炭素材料）としては、ケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子が該当するが、これに限定するものではない。
なお、ケッチェンブラックは、導電性に優れたカーボンブラックで、一例としてケッチェン・ブラック・インターナショナル株式会社製（販売元；三菱化学株式会社）のものが該当するが、これに限るものではない。
【００２７】
エチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトは、熱可塑性樹脂のなかで柔軟性のある樹脂であり、この樹脂を使用することで、第１セパレータ２０を柔軟性に優れた部材とすることができる。
【００２８】
加えて、燃料ガス通路形成面２０ｂは、電子線を照射することで、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とした面である。
このように、第１セパレータ２０を柔軟性に優れた部材とするとともに、燃料ガス通路形成面２０ｂを電子線を照射することで、燃料ガス通路形成面２０ｂを弾力性に優れた面にすることができる。
【００２９】
またケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックは導電性に優れた材料であり、導電性材料（炭素材料）としてケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子を使用することにより、比較的少量で第１セパレータ２０の導電性を確保することができる。
このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量に抑えることができるので、熱可塑性樹脂の成形性を維持して、第１セパレータ２０を容易に成形することができる。
【００３０】
図３は図１のＢ−Ｂ線断面図である。
第２セパレータ３０は、第１セパレータ２０と同様に、熱可塑性樹脂に導電性材料を混合した樹脂で略矩形状（図１参照）に形成した部材で、接合面３０ａを平坦に形成し、酸化剤ガス通路形成面３０ｂに酸化剤ガス通路用溝３７・・・を多数本条備える。
【００３１】
熱可塑性樹脂としては、一例としてエチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトが該当するが、これに限定するものではない。
導電性材料（炭素材料）としては、ケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子が該当するが、これに限定するものではない。
【００３２】
エチレン・酢ビ（酢酸ビニル）共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイトは、熱可塑性樹脂のなかで柔軟性のある樹脂あり、この樹脂を使用することで、第２セパレータ３０を柔軟性に優れた部材とすることができる。
【００３３】
加えて、酸化剤ガス通路形成面３０ｂは、電子線を照射することで、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とした面である。
このように、第２セパレータ３０を柔軟性に優れた部材とするとともに、酸化剤ガス通路形成面３０ｂを電子線を照射することで、酸化剤ガス通路形成面３０ｂを弾力性に優れた面にすることができる。
【００３４】
またケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックは導電性に優れた材料であり、導電性材料（炭素材料）としてケッチェンブラック、黒鉛、アセチレンブラックのうち少なくとも一種から選択した炭素粒子を使用することにより、比較的少量で第２セパレータ３０の導電性を確保することができる。
このため、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量に抑えることができるので、熱可塑性樹脂の成形性を維持して、第２セパレータ３０を容易に成形することができる。
【００３５】
図４は本発明に係る燃料電池用セパレータを示す断面図である。
セパレータ１８は、第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせた後に第１、第２セパレータ２０，３０に加圧力をかけ、第１、第２セパレータ２０，３０の一方を振動させて摩擦熱を発生させることにより、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａと、第２セパレータ３０の接合面３０ａとを振動溶着し、第１セパレータ２０の冷却水通路用溝２１を第２セパレータ３０で塞いで冷却水通路２２を形成したものである。
なお、第１、第２セパレータ２０，３０の接合は振動溶着に限らないで、その他の方法で接合することも可能である。
【００３６】
燃料ガス通路形成面２０ｂにアノード側電極拡散層１５を合わせることで、燃料ガス通路用溝２４・・・及びアノード側電極拡散層１５で燃料ガス通路２５・・・を形成する。
第１セパレータ２０を柔軟性に優れた樹脂で成形し、さらに燃料ガス通路形成面２０ｂに電子線を照射することで、燃料ガス通路形成面２０ｂを、ある程度硬化させるとともに、架橋反応を進めることにより３次元架橋構造とした。
【００３７】
このように、燃料ガス通路形成面２０ｂを３次元架橋構造とすることで、高分子鎖が末端以外の任意の位置で互いに連結して、燃料ガス通路形成面２０ｂの耐熱性や剛性を高めることができる。
これにより、燃料電池の反応熱が発生した場合に、燃料ガス通路形成面２０ｂの弾性力を確保することができるので、燃料ガス通路形成面２０ｂをアノード側電極拡散層１５に密に接触させた状態を保つことができる。
【００３８】
よって、燃料ガス通路形成面２０ｂとアノード側電極拡散層１５との間にシール材を塗布する必要がない。したがって、部品点数を減らすことができるとともにシール材を塗布する手間を省くことができ、さらに燃料ガス通路形成面２０ｂ及びアノード側電極拡散層１５間の接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００３９】
また、酸化剤ガス通路形成面３０ｂにカソード側電極拡散層１６を合わせることで、酸化剤ガス通路用溝３７・・・及びカソード側電極拡散層１６で酸化剤ガス通路３８・・・を形成する。
第２セパレータ３０を柔軟性に優れた樹脂で成形し、酸化剤ガス通路形成面３０ｂに電子線を照射することで、酸化剤ガス通路形成面３０ｂをある程度硬化させるとともに３次元架橋構造とした。これにより、燃料電池の反応熱が発生した場合に、酸化剤ガス通路形成面３０ｂの弾性力を確保することができるので、酸化剤ガス通路形成面３０ｂをカソード側電極拡散層１６に密に接触させた状態を保つことができる。
【００４０】
よって、酸化剤ガス通路形成面３０ｂとカソード側電極拡散層１６との間にシール材を塗布する必要がない。したがって、部品点数を減らすことができるとともにシール材を塗布する手間を省くことができ、さらに酸化剤ガス通路形成面３０ｂ及びカソード側電極拡散層１６間の接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００４１】
次に、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で第１セパレータ２０を成形する例を図５〜図８に基づいて説明する。
図５は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の概略を示すフローチャートであり、図中ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ１０；熱可塑性樹脂と導電性材料とを混錬することにより混合材を得る。ＳＴ１１；混錬した混合材を押出し成形することにより帯状のシートを成形する。
【００４２】
ＳＴ１２；この帯状のシートの一方の面、すなわち冷却水通路形成面に相当する面に冷却水通路用溝をプレス成形するとともに、帯状のシートの他方の面、すなわち燃料ガス通路形成面に相当する面に燃料ガス通路用溝をプレス成形することにより、セパレータ素材を得る。
【００４３】
ＳＴ１３；燃料ガス通路用溝をプレス成形した面に電子線を照射する。
ＳＴ１４；セパレータ素材を所定寸法に切断することにより第１セパレータを得る。
以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法のＳＴ１０〜ＳＴ１４の工程を図６〜図８で詳しく説明する。
【００４４】
図６（ａ），（ｂ）は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第１説明図であり、（ａ）はＳＴ１０を示し、（ｂ）はＳＴ１１の前半を示す。
（ａ）において、先ず、エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択した熱可塑性樹脂４６を準備する。
【００４５】
次に、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの炭素粒子から少なくとも一種を選択した導電性材料４５を準備する。
準備した熱可塑性樹脂４６及び導電性材料４５を混錬装置４７の容器４８に矢印の如く投入する。投入した熱可塑性樹脂４６及び導電性材料４５を、混錬羽根（又はスクリュー）４９を矢印の如く回転することにより容器４８内で混錬する。
【００４６】
（ｂ）において、混錬した混合材５０を第１押出し成形装置５１のホッパー５２に投入し、投入した混合材５０を第１押出し成形装置５１で押出し成形する。押出し成形した成形材５３を水槽５４に通すことで、水槽５４内の水５５で成形材５３を冷却する。
冷却した成形材５３をカッター装置５６のカッター５７で所定の長さに切断して、切断したペレット５８・・・をストック籠５９にストックする。
【００４７】
図７は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第２説明図であり、ＳＴ１１の後半〜ＳＴ１２を示す。
前工程で得たペレット５８・・・を第２押出し成形装置６０のホッパー６１に矢印の如く投入し、投入したペレット５８・・・を第２押出し成形装置６０で押出し成形する。押出し成形した成形材６２を圧延ロール６３で圧延して帯状のシート６４を成形する。
【００４８】
圧延ロール６３の下流側にはプレス装置６５を備え、このプレス装置６５は、帯状のシート６４の上下にそれぞれ上下のプレス型６６，６７を備える。
上プレス型６６は、帯状のシート６４の他方の面６４ｂに対向するプレス面６６ａに凹凸部（図示しない）を備える。この凹凸部は、帯状のシート６４の他方の面６４ｂに燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をプレス成形するものである。
【００４９】
一方、下プレス型６７は、帯状のシート６４の一方の面６４ａに対向するプレス面６７ａに凹凸部（図示しない）を備える。この凹凸部は、帯状のシート６４の一方の面６４ａに冷却水通路用溝２１・・・（図４に示す）をプレス成形するものである。
【００５０】
上下のプレス型６６，６７をプレス開始位置Ｐ１に配置し、上下のプレス型６６，６７で帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂを押圧し、この状態を維持しながら上下のプレス型６６，６７を帯状のシート６４の押出速度に合わせて矢印▲１▼，▲２▼の如く連動する。
【００５１】
これにより、帯状のシート６４の一方の面６４ａ、すなわち冷却水通路形成面２０ａ（図４に示す）に相当する面に冷却水通路用溝２１・・・をプレス成形するとともに、帯状のシート６４の他方の面６４ｂ、すなわち燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）に相当する面に燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス成形して、帯状のシート６４をセパレータ素材６８に成形することができる。
【００５２】
上下のプレス型６６，６７がプレス解除位置Ｐ２に到達すると、上下のプレス型６６，６７を矢印▲３▼，▲４▼の如く帯状のシート６４から離す方向に移動し、上下のプレス型６６，６７が解除側の所定位置に到達した後、上下のプレス型６６，６７を矢印▲５▼，▲６▼の如く上流側に向けて移動する。
【００５３】
上下のプレス型６６，６７がプレス開始側の所定位置に到達した後、上下のプレス型６６，６７を矢印▲７▼，▲８▼の如くプレス開始位置Ｐ１まで移動する。
以下上述した工程を順次繰り返すことにより、帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・をそれぞれプレス成形することができる。
【００５４】
図７においては、理解を容易にするために上下のプレス型６６，６７をそれぞれ１個づつ備えた例について説明したが、現実には上下のプレス型６６，６７をそれぞれ複数個備える。
上下のプレス型６６，６７をそれぞれ複数個備えることで、帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をそれぞれ連続的にプレス成形することができる。
【００５５】
なお、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す燃料ガス供給孔部２６ａ及び燃料ガス排出孔部２６ｂを成形する部位を備える。また、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す酸化剤ガス供給孔部２９ａ及び酸化剤ガス排出孔部２９ｂを成形する部位を備える。
さらに、上下のプレス型６６，６７には、図１に示す冷却水供給孔部２３ａ及び冷却水排出孔部２３ｂを成形する部位を備える。
【００５６】
よって、上下のプレス型６６，６７で帯状のシート６４の両面６４ａ，６４ｂに冷却水通路用溝２１・・・及び燃料ガス通路用溝２４・・・をそれぞれ連続的にプレス成形するとともに、図１に示す冷却水供給孔部２３ａ及びガス供給孔部２６ａ，２９ａや冷却水排出孔部２３ｂ及びガス排出孔部２６ｂ，２９ｂを同時に成形することができる。
【００５７】
図８は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第３説明図であり、ＳＴ１３〜ＳＴ１４を示す。
プレス装置６５（図７に示す）の下流側には、前工程で得たセパレータ素材６８の上方、すなわち燃料ガス通路用溝２４・・・（図４に示す）をプレス形成した他方の面６８ｂの上方に電子線照射装置７０を備える。
【００５８】
この電子線照射装置７０の電子銃７１から電子線７２・・・を放射する。この電子線７２で、燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス形成した他方の面６８ｂの上方を照射する。
これにより、燃料ガス通路用溝２４・・・をプレス形成した他方の面６８ｂを、ある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とすることができる。
【００５９】
電子線照射装置７０の下流側には、前工程で得たセパレータ素材６８の上方にカッター装置７３を備える。
このカッター装置７３のカッター７４を矢印▲９▼の如く下降することにより、セパレータ素材６８を所定寸法に切断して第１セパレータ２０・・・を得る。これにより、第１セパレータ２０の製造工程を完了する。
【００６０】
このように、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば電子線７２を照射するだけの簡単な方法で、燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）をある程度硬化させるとともに、３次元架橋構造とすることができる。
よって、燃料ガス通路形成面２０ｂの弾力性を好適に保つことができ、シール性を良好に保つことができる。このため、シール性に優れた第１セパレータ２０を効率よく生産することができる。
【００６１】
また、エチレン・酢ビ共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂４５で第１セパレータ２０を成形することにより、第１セパレータ２０の燃料ガス通路形成面２０ｂ（図４に示す）の柔軟性を好適に確保することができる。
【００６２】
図５〜図８では第１セパレータ２０を成形する例について説明したが、第１セパレータ２０の製造方法と同様の方法で第２セパレータ３０を製造することが可能である。
但し、第２セパレータ３０は、第１セパレータ２０のように冷却水通路用溝２１・・・を備えておらず、平坦な接合面３０ａを備えている。このため、図７に示す下プレス型６７は、帯状のシート６４の一方の面に対向する面に、帯状のシート６４の一方の面に冷却水通路用溝２１・・・をプレス成形する凹凸部を備える必要はない。
【００６３】
なお、前記実施形態では、電解質膜１２として固体高分子電解質を使用した固体高分子型燃料電池１０について説明したが、これに限らないで、その他の燃料電池に適用することも可能である。
【００６４】
また、前記実施形態では、第１、第２セパレータ２０，４０を押出し成形やプレス成形で連続的に成形した例について説明したが、これに限らないで、加熱プレス方法、射出成形方法やトランスファー成形方法などのその他の製造方法で成形することも可能である。
トランスファー成形方法とは、成形材料をキャビティとは別のポット部に１ショット分入れ、プランジャーによって溶融状態の材料をキャビティに移送して成形する方法である。
【００６５】
さらに、前記実施形態では、第１、第２セパレータ２０，３０を振動溶着で接合した例について説明したが、これに限らないで、第１セパレータ２０の冷却水通路形成面２０ａに電子線を照射するとともに、第２セパレータ３０の接合面３０ａに電子線を照射して、冷却水通路形成面２０ａ及び接合面３０ａの弾力性を高めることにより、第１、第２セパレータ２０，３０を重ね合わせて冷却水通路形成面２０ａと接合面３０ａとを好適にシールすることも可能である。
【００６６】
【発明の効果】
本発明は上記構成により次の効果を発揮する。
請求項１は、セパレータ素材を熱可塑性樹脂で成形し、ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射した。これにより、ガス流路溝を備えた接触面を、ある程度硬化させることができる。よって、燃料電池の反応熱が発生した場合でも、セパレータの接触面の弾力性を確保することができる。
このため、セパレータの接触面を拡散層に密に接触させた状態を保つことができる。
【００６７】
したがって、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がないので部品点数を減らすことができるのでコスト下げることができる。
加えて、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する手間を省くことができるので生産性を高めることができる。
また、セパレータの接触面と拡散層との間にシール材を塗布する必要がないので、セパレータの接触面及び拡散層間接触抵抗を抑えて燃料電池の出力を高めることができる。
【００６８】
さらに、セパレータ素材の接触面に電子線を照射するだけの簡単な工程で、燃料電池用セパレータの接触面をシール性に優れた部位に変えることができる。これにより、シール性に優れた燃料電池用セパレータを効率よく生産して比較的低コストで製造することができる。
【００６９】
加えて、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドは熱可塑性樹脂のなかで特に柔軟性に優れた樹脂であり、これらの樹脂でセパレータを成型することにより、セパレータの接触面を拡散層により一層密に接触させることができる。
これにより、セパレータの接触面と拡散層との間の隙間をより一層好適にシールすることができる。
このように、シール性に優れたセパレートとすることで、セパレータの生産性を高めることができる。
【００７０】
一方、黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックは導電性に優れているため、比較的少量で導電性を確保することができる。これにより、熱可塑性樹脂に含む割合を比較的少量にして、熱可塑性樹脂の物性への影響を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で製造した燃料電池用セパレータの燃料電池を示す分解斜視図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】図１のＢ−Ｂ線断面図
【図４】本発明に係る燃料電池用セパレータを示す断面図
【図５】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法を示すフローチャート
【図６】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第１説明図
【図７】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第２説明図
【図８】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の第３説明図
【図９】従来の燃料電池を示す分解斜視図
【符号の説明】
１０…燃料電池、１２…電解質膜、１３…アノード側電極、１４…カソード側電極、１５…アノード側電極拡散層（拡散層）、１６…カソード側電極拡散層（拡散層）、１８…セパレータ（燃料電池用セパレータ）、２０…第１セパレータ、２０ｂ…燃料ガス通路形成面（接触面）、２４…燃料ガス通路用溝、３０…第２セパレータ、３０ｂ…酸化剤ガス通路形成面（接触面）、３７…酸化剤ガス通路用溝、４５…導電性材料、４６…熱可塑性樹脂、５０…混合材、６８…セパレータ素材、７２…電子線。
Claims (1)
- 電解質膜に沿わせたアノード側電極及びカソード側電極に、それぞれ拡散層を沿わせ、それぞれの拡散層を両側からシール材を用いずに挟み込む燃料電池用セパレータの製造方法であって、
エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体、直鎖状低密度ポリエチレン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンオキサイドから選択される熱可塑性樹脂、及び黒鉛、ケッチェンブラック、アセチレンブラックの少なくとも一種から選択される導電性材料を混合して混合材を得る工程と、
この混合材で前記拡散層との接触面にガス流路溝を備えたセパレータ素材を形成する工程と、
このセパレータ素材のうち、前記ガス流路溝を備えた接触面に電子線を照射し、該接触面を３次元架橋構造とすることで前記拡散層に対してシール性に優れた部位に変える工程と、からなる燃料電池用セパレータの製造方法。
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