JP4232273B2 - Separator for fuel cell and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用のセパレータの製造方法に関し、詳しくは、導電性材料により形成された微小部材を含有する樹脂により形成された燃料電池用のセパレータの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池用のセパレータとしては、鋼体材からなる炭素板の表面に膨張黒鉛の層を形成してなるものが提案されている(例えば、特開昭62−272465号公報など)。このセパレータは、黒鉛炭素板などの炭素板を成形すると共に膨張黒鉛シートを成形し、成形した炭素板を膨張黒鉛シートで狭持した状態で170℃の温度で10MPa程度の成形圧により成形されている。このように表面に導電性に優れた膨張黒鉛シートを圧着することにより十分な導電性を得るものとされており、鋼体材の炭素板を用いることにより十分な強度を得るものとされている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の炭素板の表面に膨張黒鉛シートを圧着してなるセパレータでは、製造工程が多いという問題があった。即ち炭素板と膨張黒鉛シートを別々に成形する必要があり、さらにこれらを圧着する必要もある。こうした多工程の製造は、コストの増加という問題をも引き起こす。
【0004】
本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、十分な導電性を有すると共に十分な強度を有するセパレータを簡易に製造することを目的の一つとする。また、本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、十分な導電性を有すると共に十分な強度を有するセパレータを安価に製造することを目的の一つとする。
【0005】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の燃料電池用のセパレータの製造方法は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【0010】
本発明の第1の燃料電池用のセパレータの製造方法は、
導電性材料により形成された微小部材を含有する樹脂により形成された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
前記微小部材の含有量の異なる二種類の樹脂のうち該微小部材の含有量の少ない樹脂を型に射出成形する第1射出成形工程と、
該射出成形された樹脂が内部に存在する状態で前記型を所定量開き、該所定量開いた型に前記二種類の樹脂のうち含有量の多い樹脂を射出成形する第2射出成形工程と
を備えることを要旨とする。
【0011】
この本発明の第1の燃料電池のセパレータの製造方法では、第1射出成形工程で射出成形された樹脂が内部に存在する状態でその型を所定量開き、この所定量開いた型に二種類の樹脂のうち含有量の多い樹脂を射出成形することにより、内部は微小部材の含有量が少ない樹脂により形成され、外表面は微小部材の含有量が多い樹脂により形成されたセパレータ、即ち十分な導電性と十分な強度とを有するセパレータを製造することができる。しかも第1射出成形工程の後に型を所定量開いた状態で射出成形を行なうだけでよいから、簡易に前述のセパレータを製造することができる。また、微小部材を含有させた樹脂により形成するから、セパレータを安価に製造することができる。なお、「微小部材」の意については本発明の燃料電池用のセパレータと同意である。
【0012】
本発明の第2の燃料電池用のセパレータの製造方法は、
導電性材料により形成された微小部材を含有する樹脂により形成された燃料電池用のセパレータの製造方法であって、
前記微小部材の含有量の異なる二種類の樹脂のうち該微小部材の含有量の多い樹脂を他方の樹脂に比して流動性が高くなるよう該二種類の樹脂を調製する樹脂調製工程と、
前記流動性の高い樹脂を型に射出成形する第1射出成形工程と、
該射出成形された型に前記他方の樹脂を射出成形する第2射出成形工程と
を備えることを要旨とする。
【0013】
この本発明の第2の燃料電池用のセパレータの製造方法では、流動性の高い微小部材を多く含有する樹脂を射出成形することにより、この樹脂を型の表面にへばり付かせ、この状態の型に流動性の低い微小部材を少なく含有する樹脂を射出成形することにより型の中心部を形成することができる。即ち微小部材を多く含有する樹脂により外表面が成形され、微小部材を少なく含有する樹脂により中心部が成形されたセパレータ、即ち十分な導電性と十分な強度とを有するセパレータを製造することができる。しかも、二種類の樹脂を調製し、型に順番に射出成形するだけでよいから、簡易に前述のセパレータを製造することができる。また、微小部材を含有させた樹脂により形成するから、セパレータを安価に製造することができる。なお、「微小部材」の意については本発明の燃料電池用のセパレータと同意である。
【0014】
こうした本発明の第1または第2の燃料電池用のセパレータの製造方法において、前記微小部材はカーボン粒子であるものとすることもできるし、前記微小部材はカーボン短繊維であるものとすることもできる。また、前記微小部材は、金属材料により形成されてなるものとすることもできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図1は、本発明の一実施例である燃料電池用のセパレータの製造方法によって製造されるセパレータ30を備える燃料電池を構成する単電池21の構成の概略を示す構成図である。燃料電池は、単電池21を複数積層して構成される固体高分子型燃料電池である。図示するように、単電池21は、フッ素系樹脂などの高分子材料により形成されたプロトン導電性の膜体である電解質膜22と、白金または白金と他の金属からなる合金の触媒が練り込められたカーボンクロスにより形成され触媒が練り込められた面で電解質膜22を挟持してサンドイッチ構造を構成するガス拡散電極としてのアノード23およびカソード24と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつアノード23およびカソード24とで燃料ガスや酸化ガスの流路36,38を形成すると共に隣接する単電池21との間の隔壁をなす2つのセパレータ30とにより構成されている。
【0016】
セパレータ30は、カーボンを10wt%未満好ましくは数%程度の割合で含有する樹脂により形成された芯層部32と、カーボンを10wt%以上好ましくは20wt%以上の割合で含有する芯層部32と同一の樹脂により形成された外層部34とから構成されている。カーボンとしては、μmオーダー以下の微粒子やmmオーダー以下の粒子,μmオーダーの短繊維など種々のものを用いることができる。また、樹脂としては、ポリプロピレンやポリエチレン,ポリブチレン,ポリアミド,ポリオキシメチレン,ポリスチレン,ポリフェニレンサルファイト,ポリエチレンテレフタレートなどの種々の樹脂を用いることができる。この芯層部32と外層部34との接合部分は、図1では理解を容易にするために模式的に明確に記載してあるが、樹脂の融点以上の温度で接合されているから、その境目は明確ではなく、相溶して混じり合っている。なお、実施例では、芯層部32と外層部34とを同一の樹脂を用いて形成するものとしたが、相溶可能な樹脂であれば、異なる樹脂を用いてもよい。
【0017】
このように、セパレータ30では、カーボン含有量の多い樹脂で外層部34を形成することにより、外層部34において良好な導電性を確保し、カーボン含有量の少ない樹脂で芯層部32を形成することにより、セパレータ30としての十分な強度を得ている。
【0018】
次に、こうしたセパレータ30の製造の様子について説明する。図2は、セパレータ30の製造の様子の一例を示す製造工程図である。工程図に示すように、セパレータ30の製造は、まず芯層部32を形成するためのカーボン含有量の少ないカーボンプア樹脂と外層部34を形成するためのカーボン含有量の多いカーボンリッチ樹脂を調製する工程から始まる(工程S100)。カーボンの含有率やカーボンの種類,樹脂の種類については前述した。
【0019】
こうして調製した二種類の樹脂のうちカーボンプア樹脂でセパレータ30を形成するための型を用いて芯層部32を射出成形する(工程S110)。射出成形に用いる型は、製造の目的とするセパレータ30のサイズより若干小さく形成されている。続いて、射出成形されたカーボンプア樹脂を中央に保持した状態で型を少し開いて或いは少しずらして目的とするセパレータ30のサイズに調製し(工程S120)、この型に対して工程S100で調製したカーボンリッチ樹脂により外層部34を射出成形する(工程S130)。カーボンリッチ樹脂は、カーボンプア樹脂により形成された芯層部32と型との隙間に対して射出成形されることになるから、カーボンリッチ樹脂がカーボンプア樹脂により形成された芯層部32の外表面に層を成して形成され、外層部34となる。なお、カーボンリッチ樹脂の射出成形は、樹脂の融点以上の温度で行なわれるから、芯層部32の外表面は溶けてカーボンリッチ樹脂と混じり合い、一体となる。なお、こうした一つの型を用いて二回射出成形する技術は、二層成形として知られている。
【0020】
以上説明したセパレータ30によれば、カーボン含有量の多い樹脂でその外表面を形成することにより高い導電性を確保することができる。また、カーボン含有量の少ない樹脂でその芯層部32を形成することにより十分な物理的な強度を確保することができる。
【0021】
実施例のセパレータ30の製造方法によれば、二層成形の技術を用いることにより、内部がカーボン含有量が少なくその外表面はカーボン含有量が多いセパレータ30を容易に製造することができる。しかも、カーボンリッチ樹脂の射出成形が樹脂の融点以上の温度で行なわれるから、芯層部32と外層部34とを容易に一体のものとすることができる。したがって、芯層部32と外層部34とを接着する工程を必要としない。このように二種類の樹脂により容易にセパレータ30を成形できるから、セパレータ30の製造コストを低くすることができる。
【0022】
次に、セパレータ30の製造方法として、上述した方法と異なる方法(第2の製造方法)について説明する。図3は、セパレータ30の第2の製造の様子の一例を示す製造工程図である。セパレータ30の第2の製造方法では、まず芯層部32を形成するためのカーボン含有量が少なく流動性の低いローフロー樹脂と外層部34を形成するためのカーボン含有量が多い流動性の高いハイフロー樹脂を調製する工程を行なう(工程S200)。流動性を低くするか高くするかは、樹脂の分子量を調節することにより行なう。即ち、ローフロー樹脂では分子量を高く調節し、ハイフロー樹脂では分子量を低く調節するのである。なお、カーボンの含有率やカーボンの種類,樹脂の種類については前述したもの同じである。
【0023】
こうして調製した二種類の樹脂のうち、ハイフロー樹脂でセパレータ30を形成するための型を用いて射出成形する(工程S210)。射出成形に用いる型は、前述の製造方法とは異なり、製造の目的とするセパレータ30のサイズである。ハイフロー樹脂による射出成形に引き続いて、ハイフロー樹脂がまだ固まらないうちにローフロー樹脂により射出成形する(工程S220)。このようにローフロー樹脂を射出成形すると、型の表面にはハイフロー樹脂がへばりついているが、中心部はローフロー樹脂に置き換わる。勿論、ローフロー樹脂の射出成形は、融点以上の温度で行なわれ、ハイフロー樹脂が固まらないうちに行なわれるから、ローフロー樹脂とハイフロー樹脂との接合部は相溶して一体のものとなる。
【0024】
以上説明した実施例のセパレータ30の第2の製造方法でも、内部がカーボン含有量が少なくその外表面はカーボン含有量が多いセパレータ30を容易に製造することができる。しかも、ローフロー樹脂の射出成形がハイフロー樹脂がまだ固まらないうちに行なわれるから、芯層部32と外層部34とを容易に一体のものとすることができる。したがって、芯層部32と外層部34とを接着する工程を必要としない。このように二種類の樹脂により容易にセパレータ30を成形できるから、セパレータ30の製造コストを低くすることができる。
【0025】
実施例のセパレータ30の製造方法では、樹脂にカーボンを含有させたが、導電性と強度とを確保する目的であるから、カーボンに代えて、導電性を有する材料であれば如何なる材料を用いるものとしてもよい。例えば、金属粉や金属ファイバーなどを用いるものとしてもよい。
【0026】
セパレータ30では、固体高分子型燃料電池に用いるセパレータとして説明したが、樹脂の融点以下の温度で動作可能な燃料電池であれば如何なる燃料電池に用いるものとしてもよい。
【0027】
以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例である燃料電池用のセパレータの製造方法によって製造されるセパレータ30を備える燃料電池を構成する単電池21の構成の概略を示す構成図である。
【図2】 セパレータ30の第1の製造の様子の一例を示す製造工程図である。
【図3】 セパレータ30の第2の製造の様子の一例を示す製造工程図である。
【符号の説明】
21 単電池、22 電解質膜、23 アノード、24 カソード、30 セパレータ、32 芯層部、34 外層部、36,38 流路。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing separators for fuel cells, and more particularly relates to a process for the preparation of separators for a fuel cell which is formed by resin containing a small member which is formed of a conductive material.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a separator for this type of fuel cell, a separator formed by forming an expanded graphite layer on the surface of a carbon plate made of a steel body material (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-272465, etc.) has been proposed. ). This separator is formed by molding a carbon plate such as a graphite carbon plate and forming an expanded graphite sheet, and holding the molded carbon plate with the expanded graphite sheet at a temperature of 170 ° C. and a molding pressure of about 10 MPa. Yes. Thus, it is said that sufficient conductivity is obtained by pressure bonding an expanded graphite sheet excellent in conductivity to the surface, and sufficient strength is obtained by using a carbon plate of a steel body material. .
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the separator obtained by pressure-bonding an expanded graphite sheet to the surface of the carbon plate described above has a problem that there are many manufacturing processes. That is, it is necessary to form the carbon plate and the expanded graphite sheet separately, and it is also necessary to press-bond them. Such multi-step manufacturing also raises the problem of increased costs.
[0004]
Method for producing a separator for the onset Ming fuel cell, it is another object to produce a separator having sufficient strength and has a sufficient conductivity easily. Another object of the method for producing a separator for a fuel cell of the present invention is to produce a separator having sufficient conductivity and sufficient strength at low cost.
[0005]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
Method for producing separators for a fuel cell of the present invention employs the following means in order to achieve at least part of the above objects.
[0010]
The first method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention comprises:
A method of manufacturing a separator for a fuel cell formed of a resin containing a micro member formed of a conductive material,
A first injection molding step of injection-molding a resin with a small content of the micro member out of two types of resins having different content of the micro member into a mold;
A second injection molding step of opening a predetermined amount of the mold in a state in which the injection-molded resin is present, and injection-molding a resin having a high content out of the two types of resins into the mold opened by the predetermined amount; The gist is to provide.
[0011]
In the first fuel cell separator manufacturing method of the present invention, the mold is opened by a predetermined amount in the state where the resin injection-molded in the first injection molding step is present, and two types of molds are opened. By injection molding a resin having a high content among the above-mentioned resins, the inside is formed of a resin having a small content of fine members, and the outer surface is a separator formed of a resin having a high content of fine members, that is, sufficient A separator having electrical conductivity and sufficient strength can be manufactured. In addition, after the first injection molding step, it is only necessary to perform injection molding in a state where the mold is opened by a predetermined amount, and thus the above-described separator can be easily manufactured. Moreover, since it forms with resin containing the micro member, a separator can be manufactured cheaply. The meaning of “micro member” is the same as the separator for a fuel cell of the present invention.
[0012]
The method for producing the second fuel cell separator of the present invention comprises:
A method of manufacturing a separator for a fuel cell formed of a resin containing a micro member formed of a conductive material,
A resin preparation step of preparing the two types of resins so that the flowability of the resin having a high content of the micro members is higher than that of the other resin among the two types of resins having different contents of the micro members,
A first injection molding step of injection molding the highly fluid resin into a mold;
The gist of the present invention is that the injection-molded mold is provided with a second injection molding step of injection-molding the other resin.
[0013]
In this second method for producing a separator for a fuel cell according to the present invention, a resin containing a large amount of minute members having high fluidity is injection-molded to cause the resin to stick to the surface of the mold. The center portion of the mold can be formed by injection-molding a resin containing a small amount of minute members having low fluidity in the mold. That is, it is possible to manufacture a separator whose outer surface is molded with a resin containing a large amount of micro members and whose central portion is molded with a resin containing a small amount of micro members, that is, a separator having sufficient conductivity and sufficient strength. . In addition, since the two types of resins need only be prepared and injection-molded in order into the mold, the above-described separator can be easily manufactured. Moreover, since it forms with resin containing the micro member, a separator can be manufactured cheaply. The meaning of “micro member” is the same as the separator for a fuel cell of the present invention.
[0014]
In the first or second method for producing a separator for a fuel cell of the present invention, the micro member may be carbon particles, or the micro member may be carbon short fibers. it can. Moreover, the said micro member can also be formed with a metal material.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described using examples. FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a unit cell 21 constituting a fuel cell including a
[0016]
[0017]
Thus, the
[0018]
It will now be described how the production of
[0019]
The
[0020]
According to
[0021]
According to the manufacturing method of the
[0022]
Next, as a manufacturing method of the
[0023]
Of the two types of resins thus prepared, injection molding is performed using a mold for forming the
[0024]
In the second manufacturing method of the
[0025]
In the manufacturing method of
[0026]
In
[0027]
The embodiments of the present invention have been described using the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention. Of course you get.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an outline of a configuration of a unit cell 21 constituting a fuel cell including a
2 is a manufacturing process diagram showing an example of the state of the first production of the
3 is a manufacturing process diagram showing an example of a state of a second production of
[Explanation of symbols]
21 unit cell, 22 electrolyte membrane, 23 anode, 24 cathode, 30 separator, 32 core layer part, 34 outer layer part, 36, 38 flow path.
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