JP4586415B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池の単セルは、燃料ガスと空気等とを分離するためのセパレータを有し、前記セパレータは、黒鉛と熱硬化性樹脂とを混合した粉末状の成形材料を押圧圧縮することで、成形される。

従来のセパレータの製造方法は、黒鉛の配向（アスペクト比）をランダムとするために、成形材料を複数の方向から押圧圧縮している（例えば、特許文献１参照。）。また、複数の微小結晶を凝集させることによって形成される粒状粉末の黒鉛を使用するものもある（例えば、特許文献２参照。）。
特開平８−１８０８９２号公報 特開２００３−１７０８５号公報

しかし、特許文献１および特許文献２に記載の方法においては、電気抵抗のバラツキを抑制し、一定の品質を有するセパレータが得られるが、積み圧方向に関して小さい貫通抵抗（電気抵抗）を達成することが容易ではない。そのため、前記セパレータが組み込まれた燃料電池は、良好な性能を発揮することが困難である問題を有する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、積み圧方向に関して低い貫通抵抗を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

熱硬化性樹脂および縦横比の異なる黒鉛を含んでいる成形材料から、前記樹脂の熱硬化温度未満の温度において、前記黒鉛が厚さ方向に配向している予備成形片を複数形成するための工程（Ａ）と、
前記予備成形片を集成して、前記樹脂の熱硬化温度未満の温度において、予備成形品を形成するための工程（Ｂ）と、
前記予備成形品を加圧圧縮して、成形品を形成するための工程（Ｃ）と、を有し、
前記工程（Ａ）における黒鉛の厚さ方向への配向は、前記成形材料を帯電させること又は前記成形材料を振動させることに基づいていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法である。

上記のように構成した本発明によれば、予備成形品を形成する予備成形片に含まれる黒鉛は、成形材料を帯電させること又は成形材料を振動させることに基づいて厚さ方向に配向しているため、予備成形品から形成される成形品においても、黒鉛は、厚さ方向に配向している。前記厚さ方向は、セパレータの積み圧方向である。したがって、成形品の貫通抵抗貫（電気抵抗）は、積み圧方向に関して低くなる。そのため、得られる成形品が適用される燃料電池用セパレータの貫通抵抗は、積み圧方向に関して低くなる。つまり、積み圧方向に関して低い貫通抵抗を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、実施の形態１に係る燃料電池を説明するための断面図、図２は、図１に示されるセパレータを説明するための平面図である。

実施の形態１に係る燃料電池は、単セル１０を多数集成してなるスタックの形態で、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デバイスであり、膜電極接合体２０、ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂ、セパレータ３０，４０を有する。膜電極接合体２０は、固体高分子膜の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂは、膜電極接合体２０の両面に配置される。セパレータ３０，４０は、ガス拡散層２５Ａ，２５Ｂの外面に配置される。

セパレータ３０は、冷却水を流通させるための流路溝３２が形成された外面３１と、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝３６が形成された内面３５とを有する。セパレータ４０は、冷却水を流通させるための流路溝４２が形成された外面４１と、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝４６が形成された内面４５とを有する。

流路溝３２，３６，４２，４６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２に示されるように、微細で複雑な構成を有している。

図３および図４は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される予備成形装置の成形金型を説明するための斜視図および断面図、図５は、成形材料の供給装置を説明するための断面図、図６は、成形材料の充填を説明するための断面図、図７は、成形材料に含まれる黒鉛の配向を説明するための概念図、図８は、予備成形片の形成を説明するための断面図、図９は、予備成形品の形成を説明するための斜視図である。

実施の形態１に係る予備成形装置は、固定型１１１およびオス型１２１，１２６を有する成形金型と、成形材料５０を供給するための供給装置１４０とを有する。成形材料５０は、熱硬化性樹脂５５および縦横比の異なる黒鉛５１を含んでいる。樹脂５５は、例えば、フェノール樹脂やエポキシ樹脂である。フェノール樹脂は、経済性、作業性、成形性、物性（耐酸性、耐熱性、流体不透過性）などが優れているため好ましい。黒鉛５１は、鱗片状であり、表面に樹脂５５が被覆されており、電気絶縁性を有する。

固定型１１１は、円柱状の貫通孔１１２が複数形成されており、また、アースされている。貫通孔１１２は、円柱状の予備成形片６０を成形材料５０から形成するために使用される。貫通孔１１２は、円柱状であることに限定されず、楕円状断面や矩形断面や多角形断面を有する柱状とすることも可能である。貫通孔１１２のサイズは、特に限定されず、必要に応じ、適宜設定することが可能である。

オス型１２１，１２６は、固定型１１１の下面１１５および上面１１６に相対して配置される。オス型１２１，１２６は、例えば、油圧シリンダを有する駆動装置が連結されており、貫通孔１１２の内部空間Ｓに前進後退自在である。オス型１２１，１２６は、貫通孔１１２に充填された成形材料５０を厚さ方向に加圧圧縮するために使用される。なお、前記駆動装置は、油圧シリンダを有する形態に限定されない。

供給装置１４０は、静電粉体塗装装置と同様な原理および機構に基づいており、成形材料５０を保持するためのタンク１４１と成形材料５０を吐出するためのガン１４２とを有する。ガン１４２は、例えば、テフロン（登録商標）からなるパイプ（チャージャー）を有しており、成形材料５０がパイプの内側を通過する際に擦り合うことで、成形材料５０を帯電（摩擦帯電）させることが可能である。

供給装置１４０は、成形材料５０を、タンク１４１からの空気の流れにより、ガン先端１４２Ａに供給し、摩擦により帯電させ、ガン先端１４２Ａから吐出させることが可能である。帯電方式は、例えば、コロナ放電を適用することも可能である。この場合、ガン１４２に高電圧発生器を配置することが必要である。高電圧発生器は、例えば、外部の高圧電源に接続された針状の放電極である。

ガン１４２とアースされている固定型１１１と間には電気力線が形成され、帯電された（静電気を帯びた）成形材料５０は、電気力線と空気流に乗って、固定型１１１に向かって移動することになる。

ガン１４２は、例えば、位置決め装置が連結されており、成形材料５０の吐出の際、固定型１１１の上面１１６に相対して配置され、貫通孔１１２の上方に位置決めされることが可能である。また、位置決め装置は、成形材料５０の加圧圧縮の際、オス型１２１，１２６の動作を妨げないように、ガン１４２を退避位置に移動させることが可能である。

なお、ガン１４２を貫通孔１１２に対して近接離間自在とすることも可能である。この場合、貫通孔１１２に対する成形材料５０の充填の進行に対応して、ガン１４２を離間させることで、吐出距離を一定とすることが可能である。また、ガン１４２の設置数を貫通孔１１２の設置数に一致させ、成形材料５０の吐出を１回の動作で完了させることに限定されない。例えば、吐出動作が完了する毎に貫通孔１１２を替えながら吐出動作を複数回繰り返すことで、各ガン１４２に複数の貫通孔１１２を担当させ、ガン１４２の設置数を適宜削減することが可能である。

次に、燃料電池用セパレータの製造方法における予備成形片の形成を説明する。

まず、オス型１２１は、固定型１１１の下面１１５に向かって前進し、貫通孔１１２の内部に部分的に挿入される。オス型１２１の端部端面１２２は、貫通孔１１２の内部に配置され、貫通孔１１２の底部を形成する。

供給装置１４０の位置決め装置は、ガン１４２を固定型１１１の上面１１６に相対して配置し、貫通孔１１２の上方に位置決めする。ガン１４２は、タンク１４１からの空気の流れにより供給される成形材料５０を、摩擦により帯電させ、ガン先端１４２Ａから吐出させる。静電気を帯びた成形材料５０は、アースされている固定型１１１の上面１１６に向かって飛翔し、貫通孔１１２の内部に供給および充填される（図５参照）。

貫通孔１１２に対する成形材料５０の充填が完了すると、成形材料５０の吐出が停止され、供給装置１４０の位置決め装置は、ガン１４２を退避位置に移動させる（図６参照）。

成形材料５０に含まれる黒鉛５１（および樹脂５５）は、同一の電荷を有するため反発を生じ、また、クローン力によって貫通孔１１２の内壁に吸着される。そのため、成形材料５０に含まれる黒鉛は、厚さ方向に配向する（図７参照）
その後、オス型１２６は、固定型１１１の上面１１６に向かって降下し、貫通孔１１２の内部に部分的に挿入される。オス型１２６の端部端面１２７は、貫通孔１１２の内部に配置され、貫通孔１１２に充填さている成形材料５０を加圧圧縮し（図８参照）、予備成形片６０を形成する。

オス型１２６による厚さ方向の加圧圧縮は、黒鉛の配向を、厚さ方向と略交差する方向（加圧圧縮方向と略交差する方向）に変化させる作用を及ぼす。そのため、オス型１２６のストロークは、極力小さくすることで、黒鉛５１の厚さ方向の配向に対する悪影響を抑制することが好ましい。

加圧圧縮の完了後、オス型１２６が上昇すると、予備成形片６０の底面を支持していやオス型１２１が上昇し、予備成形片６０が固定型１１１から取り外される。

なお、予備成形片６０は、集成され、図９に示されるように、略平板上の予備成形品７０を形成する。

図１０は、実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される成形装置を説明するための断面図、図１１は、成形品の形成を説明するための断面図、図１２は、成形品の仕上げ加工を説明するための断面図である。

実施の形態１に係る成形装置１５０は、成形金型１６０、加熱ユニット１８０および制御装置１９０を有する。成形金型１６０は、下型１６１と、下型１６１に相対して配置される上型１６６と、下型１６１および上型１６６の側方に配置されるオス型１７１，１７６とを有する。

下型１６１および上型１６６は、略平坦なキャビティ１６２，１６７を有する。下型１６１および上型１６６は、例えば、油圧シリンダを有する駆動装置１６４，１６９が連結されており、互いに近接離間自在である。キャビティ１６２，１６７は、内部に配置される予備成形品７０の下面７２および上面７７に相対する。

オス型１７１，１７６は、油圧シリンダを有する駆動装置１７４，１７９が連結されており、その端部端面１７２，１７７は、下型１６１および上型１６６の側面１６３，１６８に向かって、前進後退自在に配置され、側面１６３，１６８と当接自在である。予備成形品７０は中実でなく空間部を有するため、そのサイズは、キャビティ１６２，１６７（形成される成形品８０）より大きい。そのため、オス型１７１，１７６は、下型１６１および上型１６６のキャビティ１６２，１６７の内部に配置される予備成形品７０を、位置決めし、かつ、予備成形品７０の側面７１を押圧し、予備成形品７０を横方向から圧縮することが可能である。

加熱ユニット１８０は、下型１６１、上型１６６およびオス型１７１，１７６の内部に配置され、成形金型１６０を加熱することで、成形材料５０の温度を上昇させる。加熱ユニット１８０は、例えば、抵抗発熱体である。

制御装置１９０は、駆動装置１６４，１６９，１７４，１７９および加熱ユニット１８０を制御する機能を有し、下型１６１および上型１６６の型締めおよび厚さ方向の加圧圧縮、オス型１７１，１７６による位置決めおよび横方向の加圧圧縮、および樹脂５５の熱硬化のために使用される。

次に、燃料電池用セパレータの製造方法における成形品の形成を説明する。

まず、駆動装置１６４，１６９は、下型１６１および上型１６６を離間させ、型開きされた下型１６１のキャビティ１６２に、略平板状の予備成形品７０が配置される。

駆動装置１７４，１７９は、オス型１７１，１７６を下型１６１および上型１６６の側面１６３，１６８に向かって、前進させ、端部端面１７２，１７７を、予備成形品７０の側面７１に当接させることで、予備成形品７０を位置決めする。

その後、駆動装置１６４，１６９は、下型１６１および上型１６６を近接させて型締めする一方、駆動装置１７４，１７９は、オス型１７１，１７６をさらに前進させる。予備成形品７０は、下型１６１および上型１６６のキャビティ１６２，１６７によって厚さ方向に加圧圧縮されると共に、オス型１７１，１７６の端部端面１７２，１７７によって横方向に加圧圧縮される。

なお、厚さ方向の加圧圧縮は、黒鉛５１の配向を、厚さ方向と略交差する方向（加圧圧縮方向と略交差する方向）に変化させる作用を及ぼす。そのため、下型１６１および上型１６６のストロークは、極力小さくすることで、黒鉛５１の厚さ方向の配向に対する悪影響を抑制することが好ましい。

加熱ユニット１８０は、成形金型１６０を加熱し、予備成形品７０の温度を、樹脂５５の熱硬化温度以上に上昇させることで、樹脂５５を熱硬化させる（図１１参照）。

その後、駆動装置１６４，１６９は、下型１６１および上型１６６を離間させ、また、駆動装置１７４，１７９は、オス型１７１，１７６を後退させることで、型開きし、形成された成形品８０の温度が、例えば、常温まで降下すると、成形品８０が、取り出される。

以上のように、実施の形態１においては、予備成形品７０を形成する予備成形片６０に含まれる黒鉛５１は、厚さ方向に配向しているため、予備成形品７０から形成される成形品８０においても、黒鉛５１は、厚さ方向に配向している。前記厚さ方向は、セパレータの積み圧方向である。したがって、成形品８０の貫通抵抗（電気抵抗）は、積み圧方向に関して低くなる。

そのため、例えば、セパレータ形状を有するように機械加工を施すことで（図１２参照）、燃料電池用セパレータに適用する場合、貫通抵抗は、積み圧方向に関して低くなる。つまり、本実施の形態は、積み圧方向に関して低い貫通抵抗を有する燃料電池用セパレータの製造方法を提供することができる。

例えば、摩擦帯電式粉体塗装装置を利用して形成された予備成形片を集成して形成された成形品は、従来に比べて、電気抵抗値を約１／４とすることが可能であった。成形材料は、鱗片状の黒鉛およびフェノール樹脂を含んでおり、予備成形片は、径が６ｍｍかつ厚みが１０ｍｍであり、成形金型は、径が６０ｍｍであり、成形温度は１７０度であり、成形品は、径が６０ｍｍかつ厚みが３ｍｍである。

図１３は、実施の形態２に係る予備成形装置を説明するための断面図である。なお、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、共通な内容の説明は繰り返さない。

実施の形態２に係る予備成形片６０Ａは、クローン力によって比較的強固に集積されており、比較的安定している。しかし、例えば、固定型２１１に加熱ユニット２３０を設けることで、予備成形片６０Ａに含まれる樹脂を溶融させることも可能である。樹脂の溶融は、予備成形片６０Ａの形状保持能（一体化性）を向上させるため、予備成形片６０Ａのハンドリングおよび集成が容易となる。また、樹脂５５が部分的に溶融する半溶融状態となる温度条件を、適用することも可能である。

図１４は、実施の形態３に係る予備成形装置を説明するための断面図、図１５は、予備成形片に含まれる黒鉛の配向を説明するための概念図である。なお、実施の形態１と同様の機能を有する部材については類似する符号を使用し、重複を避けるため、共通な内容の説明は繰り返さない。

予備成形に含まれる黒鉛の厚さ方向への配向は、成形材料を帯電させることに基づくことに限定されず、成形材料を振動させることに基づくことも可能である。

実施の形態３に係る予備成形装置は、固定型３１１に連結される振動装置３５０を有する。振動装置３５０は、例えば、振動モータを有する。

固定型３１１は、成形材料５０が貫通孔３１２に充填され、オス型３２１，３２６の端部端面３２２，３２７によって密閉保持された後で、縦方向に配置される。そのため、貫通孔３１２の厚さ方向は、水平方向に変化する。振動装置３５０は、当該固定型３１１を、例えば、数秒程度、１０〜２０Ｈｚで振動させる。振動の長時間化および高周波での振動は、黒鉛５１と樹脂５５と分散を悪化させるため、振動条件を適宜選択することが好ましい。

黒鉛は、縦横比が異なるため、振動は、黒鉛の配向を水平方向に整列させる（図１５参照）。したがって、予備成形片６０Ｂに含まれる黒鉛は、厚さ方向に配向していることになる。なお、実施の形態３は、成形材料を帯電させることに基づいていないため、成形材料に含まれる黒鉛は、熱硬化性樹脂によって被覆され、電気絶縁性を有するものに限定されない。

図１６は、実施の形態４に係る成形装置を説明するための断面図、図１７は、成形品の形状を説明するための断面図である。実施の形態４に係る成形装置は、成形金型のキャビティの形状を除き、実施の形態１に係る成形装置と略同一であり、重複を避けるため、共通な内容の説明は繰り返さない。

成形装置４５０の下型４６１および上型４６６は、セパレータ形状に対応するキャビティ４６２，４６７を有する。したがって、予備成形片６０Ｃを集成してなる予備成形品７０Ｃを、下型４６１および上型４６６のキャビティ４６２，４６７によって厚さ方向に加圧圧縮し、オス型４７１，４７６の端部端面４７２，４７７によって横方向に加圧圧縮する場合、機械加工を施すことなく、セパレータ形状の成形品８０Ｃを形成することが可能である。

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。

例えば、必要に応じて、成形装置のオス型の一方を固定式としたり、下型を固定式とすることも可能である。また、成形装置の加熱ユニットは、黒鉛の分散不良およびサイクルタイムの悪化を避けるために、急速加熱性能を有することが好ましい。また、加熱ユニットは、例えば、加熱流体（熱媒）を導入する形態を適用することも可能である。さらに、加熱ユニットは、下型、上型およびオス型の全てに配置することに限定されない。

また、加熱ユニットは、加熱源として電磁誘導加熱や超音波加熱等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、加熱流体の場合と同様に、急速加熱の観点から好ましい。さらに、電磁誘導加熱は、成形材料に含まれる黒鉛を直接加熱する機能を有する点においても好ましい。例えば、加熱源として電磁誘導加熱を適用する場合、電磁誘導コイルは、側方のキャビティ面の近傍かつ周囲に螺旋状に巻いて、配置することが可能である。

さらに、成形装置に、冷却装置を適宜設けて、成形材料の温度を急速冷却することで、サイクルタイムを短縮することも可能である。冷却装置の冷却源は、例えば、下型および／又は上型の内部に配置され、かつ冷却流体（冷媒）が導入される通路によって構成することが可能である。冷却流体は、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。

実施の形態１に係る燃料電池を説明するための断面図である。 図１に示されるセパレータを説明するための平面図である。 実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される予備成形装置の成形金型を説明するための斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される予備成形装置の成形金型を説明するための断面図である。 実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される成形材料の供給装置を説明するための断面図である。 成形材料の充填を説明するための断面図である。 成形材料に含まれる黒鉛の配向を説明するための概念図である。 予備成形片の形成を説明するための断面図である。 予備成形品の形成を説明するための斜視図である。 実施の形態１に係る燃料電池用セパレータの製造方法に適用される成形装置を説明するための断面図である。 成形品の形成を説明するための断面図である。 成形品の仕上げ加工を説明するための断面図である。 実施の形態２に係る予備成形装置を説明するための断面図である。 実施の形態３に係る予備成形装置を説明するための断面図である。 予備成形片に含まれる黒鉛の配向を説明するための概念図である。 実施の形態４に係る成形装置を説明するための断面図である。 成形品の形状を説明するための断面図である。

符号の説明

１０・・単セル、
２０・・膜電極接合体、
２５Ａ，２５Ｂ・・ガス拡散層、
３０，４０・・セパレータ、
３１，４１・・外面、
３２，３６，４２，４６・・流路溝、
３５，４５・・内面、
５０・・成形材料、
５１・・黒鉛、
５５・・熱硬化性樹脂、
５０・・成形材料、
５１・・黒鉛、
５５・・熱硬化性樹脂、
６０，６０Ａ，６０Ｂ，６０Ｃ・・予備成形片、
７０，７０Ｃ・・予備成形品、
７１・・側面、
７２・・下面、
７７・・上面、
８０，８０Ｃ・・成形品、
１１１・・固定型、
１１２・・貫通孔、
１１５・・下面、
１１６・・上面、
１２１，１２６・・オス型、
１２２，１２７・・端部端面、
１４０・・供給装置、
１４１・・タンク、
１４２・・ガン、
１４２Ａ・・ガン先端、
１５０・・成形装置、
１６０・・成形金型、
１６１・・下型、
１６２・・キャビティ、
１６３・・側面、
１６４・・駆動装置、
１６６・・上型、
１６７・・キャビティ、
１６８・・側面、
１６９・・駆動装置、
１７１，１７６・・オス型、
１７２，１７７・・端部端面、
１７４，１７９・・駆動装置、
１８０・・加熱ユニット、
１９０・・制御装置、
２１１・・固定型、
２３０・・加熱ユニット、
３１１・・固定型、
３１２・・貫通孔、
３２１，３２６・・オス型、
３２２，３２７・・端部端面、
３５０・・振動装置、
４５０・・成形装置、
４６１・・下型、
４６２・・キャビティ、
４６６・・上型、
４６７・・キャビティ、
４７１，４７６・・オス型、
４７２，４７７・・端部端面、
Ｓ・・内部空間。

Claims (8)

1. 熱硬化性樹脂および縦横比の異なる黒鉛を含んでいる成形材料から、前記樹脂の熱硬化温度未満の温度において、前記黒鉛が厚さ方向に配向している予備成形片を複数形成するための工程（Ａ）と、
   前記予備成形片を集成して、前記樹脂の熱硬化温度未満の温度において、予備成形品を形成するための工程（Ｂ）と、
   前記予備成形品を加圧圧縮して、成形品を形成するための工程（Ｃ）と、を有し、
   前記工程（Ａ）における黒鉛の厚さ方向への配向は、前記成形材料を帯電させること又は前記成形材料を振動させることに基づいていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記工程（Ａ）における黒鉛の厚さ方向への配向は、前記成形材料を帯電させることに基づいており、
   前記黒鉛は、前記熱硬化性樹脂によって被覆され、電気絶縁性を有しており、
   前記工程（Ａ）における前記帯電は、静電気に基づいてい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. 前記黒鉛は、鱗片状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 前記予備成形片は、柱状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記予備成形片は、円柱状であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 前記工程（Ａ）においては、前記樹脂を溶融させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
7. 前記工程（Ｃ）においては、前記樹脂を熱硬化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
8. 前記工程（Ｃ）における加圧圧縮は、成形品がセパレータ形状となるように、前記予備成形品を厚さ方向に加圧圧縮することを含んでいることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。

Images