JP4603199B2

JP4603199B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法

Info

Publication number: JP4603199B2
Application number: JP2001180746A
Authority: JP
Inventors: 顕一石黒; 孝鈴木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-06-14
Filing date: 2001-06-14
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2021-06-14
Also published as: JP2002373671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリフォームを圧縮成形してセパレータを成形する場合に、プリフォームを容易に且つ均一にキャビティ内に充填し、セパレータの平坦度を向上させるのに好適な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。
【０００３】
このような燃料電池としては、例えば、特開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られている。
同公報の図１によれば、電解質膜１８（符号は公報に記載されているものを使用した。以下同様。）にアノード側電極２０及びカソード側電極２２を添わせ、これらをガスケット２４，２６を介して第１セパレータ１４及び第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュールを構成する。
【０００４】
詳細には、第１セパレータ１４の面１４ａに燃料ガスの流路となる第１流路３８が形成され、第２セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガスの流路となる第２流路４６が形成され、各々中央の電解質膜１８に燃料ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。
【０００５】
図１に記載の１個のセルモジュールで得る電気出力はごく小さいので、このようなセルモジュールを多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従って、第１・第２セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ばれる。
【０００６】
第１セパレータ１４は面１４ａに燃料ガスのための流路３８を備え、第２セパレータ１６は面１６ａに酸化剤ガスのための流路４６を備えるが、ガスを効果的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２に接触させる必要があり、そのために、流路３８，４６はごく浅い溝を多数本条設する必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、プレス成形法を用いてセパレータの製造を種々試みたが、次に示す課題が発生した。
図８はプレス成形の要領を説明する作用図であり、溝形成用凸部１０１を備える下型１０２に平面視矩形のプリフォーム１０３を載せ、押圧面１０５が平坦である上型１０６を白抜き矢印のように型合わせすることで、所望の形状にプレス成形する。
【０００８】
図９（ａ）〜（ｅ）はプレス成形中におけるプリフォームの広がり状態を示す作用図であり、（ａ）は、プレス成形前に下型１０２に、長さがＬ、幅がＷの矩形状のプリフォーム１０３を載せた状態を示す。なお、長さＬは、複数本の平行な溝成形用凸部１０１（図８参照）が延びる方向の寸法であり、幅Ｗは溝成形用凸部１０１に直交する方向の寸法である。また、図中の１０３ａ，１０３ｂは幅Ｗの端である。
【０００９】
プリフォーム１０３を（ａ）の状態から、（ｂ）〜（ｄ）に示すように、順に圧縮していくと、圧縮成形物１１１（プリフォーム１０３を圧縮中のもの）の長さは大きくなりやすく、幅はそれほど大きくならない。即ち、圧縮成形物１１１は、溝成形用凸部１０１に沿って移動しやすく、溝成形用凸部１０１に直交する方向には移動しにくい。特に、幅の端１１１ａ，１１１ｂ（（ａ）において端１０３ａ，１０３ｂであった部分）ほど溝成形用凸部１０１に沿った広がりは小さい。
従って、（ｅ）のように、下型１０２及び上型１０６で形成するキャビティ内の４隅まで圧縮成形物１１１が充填されない。
【００１０】
圧縮成形物１１１を全体的に充填させるには、型の圧縮力を増す必要があり、プレス機が大型になる。また、上記のようにして４隅まで充填させたとしても圧縮成形物１１１の中央部の圧力と４隅近くの圧力とに差が生じ、密度の分布が不均一となって、できあがったセパレータの平坦度が悪くなることが考えられる。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、燃料電池用セパレータの製造方法において、プリフォームを圧縮成形してセパレータを成形する場合に、プリフォームを容易に且つ均一にキャビティ内に充填し、セパレータの平坦度を向上させることにある。
【００１２】
【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、カーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム工程と、このプリフォームを所定形状に圧縮成形するとともに硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法において、ガス流路の延びる方向にプリフォームの長さを取り、ガス流路の延びる方向に直交する方向にプリフォームの幅を取った場合に、プリフォームの長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたことを特徴とする。
【００１３】
プリフォームの長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたことで、セパレータ成形型で圧縮中のプリフォームを、幅の中央から幅の端までキャビティ内に一様にしかもセパレータ成形型の圧縮力を高めることなしに広げることができ、キャビティ内の隅々まで容易に且つ均一に充填することができる。
【００１４】
請求項２は、プリフォームの幅の端の中央部に切欠きを設けたことを特徴とする。
セパレータ成形型で圧縮中のプリフォームの幅の端を一様に広げることができる。
【００１５】
請求項３は、プリフォームを、平面視で略Ｘ字状に形成したことを特徴とする。
プリフォームのＸ字の４つの端部をセパレータ成形型の４隅に向けて配置すれば、４隅まで容易にプリフォームを広げることができるとともにプリフォーム中央部の体積が小さい部分も容易に拡散させることができ、キャビティ全体にプリフォームを均一に充填することができる。
【００１６】
【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フロー（第１の実施の形態）である。なお、ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１……所定の配合割合でカーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末とをブレンドし、適量のバインダを加えて、混練する。
ＳＴ０２…混練したものを次の要領で成形し、プリフォームを造る。
【００１７】
図２（ａ），（ｂ）は本発明に係るプリフォーム成形（第１の実施の形態）の要領を説明する作用図であり、まず、（ａ）において、プリフォーム成形下型１１の成形面１２に混練物１３を載せる。そして、押圧面１４を備えたプリフォーム成形上型１５を白抜き矢印のように下げて、混練物１３を加圧成形する。
【００１８】
（ｂ）はプリフォーム成形下型１１の平面図であり、キャビティとなる凹部の底面、即ち成形面１２を、中央がくびれた略鼓（つづみ）形にしたことを示す。
ここで、成形面１２の長さをＬ１、幅をＷ１とする。なお、プリフォーム成形上型１５（（ａ）参照）の押圧面１４（（ａ）参照）も成形面１２と同形状である。
（ｃ）において、プリフォーム成形下型１１とプリフォーム成形上型１５とで、所望の形状にプリフォーム１７を成形したことを示す。
【００１９】
図１に戻り、セパレータの製造フローの説明を続ける。
ＳＴ０３…プリフォームの圧縮成形を実施する。（図３及び図４で説明）
ＳＴ０４…上記圧縮成形の開始とほぼ同時に加熱硬化処理を行う。
これで、所望のセパレータを得ることができる。
【００２０】
図３は本発明に係るセパレータ成形（第１の実施の形態）の要領を説明する第１作用図であり、まず、ヒータ２１を備えるセパレータ成形下型２２に設けた溝成形用凸部２３上にプリフォーム１７を載せる。そして、ヒータ２５を備えるセパレータ成形上型２６を白抜き矢印のように型合わせし、圧縮、加熱（ヒータ２１，２５に通電することで実施する。）することでセパレータを成形する。（詳細は次図で説明する。）
【００２１】
図４（ａ）〜（ｅ）は本発明に係るセパレータ成形（第１の実施の形態）の要領を説明する第２作用図であり、圧縮成形によるプリフォームの形状の変化を順に説明する。
（ａ）は、図２（ｃ）で成形したプリフォーム１７をセパレータ成形下型２２と共に平面視で示したものであり、圧縮成形前の状態を示す。
【００２２】
プリフォーム１７は、中央に頂点を配置した二等辺三角形状の切欠き部３１，３１を両側面に設けた略鼓（つづみ）形のものであり、プリフォーム１７の縦の長さＬ１をセパレータ成形下型２２の溝成形用凸部２３・・・（・・・は複数個を示す。以下同様。）に沿わせ、プリフォーム１７の横の幅Ｗ１を溝成形用凸部２３と直交する方向となるように、セパレータ成形下型２２に載せる。ここで、切欠き部３１，３１の頂点同士の距離、即ち、プリフォーム１７の幅の中央部の長さをＬ２、切欠き部３１の頂角をθ１とする。切欠き部３１の底辺の長さはＷ１に等しい。
【００２３】
（ｂ）〜（ｄ）において、プリフォームの圧縮成形を開始すると、圧縮成形物３２（ここでは、プリフォーム１７の圧縮中のものをプリフォーム１７とは別にした。）はキャビティ内で次第に広がる。
即ち、溝成形用凸部２３に沿った方向での広がりについては、圧縮成形物３２における切欠き部３１（（ａ）参照）であった部分、特に中央部（頂点Ａ，Ａ）に近い部分では広がりの速度が大きく、中央部から遠い部分、即ち幅の端に近い部分、例えば位置Ｂでは広がりの速度が小さい。
また、溝成形用凸部２３に直交する方向での広がりについては、圧縮成形物３２の広がり速度は非常に小さい。
【００２４】
（ｅ）は、圧縮成形物３２がキャビティ全体に広がった状態を示す。圧縮成形物３２の中央である位置Ｃでは、圧縮成形時の圧力が大きくなりやすいが、上記の（ｂ）〜（ｄ）で説明したように圧縮成形物３２がスムーズに広がるために圧力はそれほど大きくならず、また、圧縮成形物３２の４隅である位置Ｅでは、圧力が逃げやすく大きくならない。
従って、位置Ｃ及び位置Ｅでの圧縮成形時の圧力はほぼ等しくなり、圧縮成形物３２の密度分布はほぼ均一になる。
従って、成形後のセパレータの平坦度を向上させることができる。
【００２５】
以上の図１及び図４で説明したように、本発明は、カーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォーム１７を製造するプリフォーム工程と、このプリフォーム１７を所定形状に圧縮成形するとともに硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法において、ガス流路の延びる方向としての溝成形用凸部２３に沿った方向にプリフォーム１７の長さＬ１を取り、溝成形用凸部２３に沿った方向に直交する方向にプリフォーム１７の幅Ｗ１を取った場合に、プリフォーム１７の長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたことを特徴とする。
【００２６】
プリフォーム１７の長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたことで、セパレータ成形用下型２２及びセパレータ成形用上型２６で圧縮中のプリフォーム１７、即ち圧縮成形物３２を、幅の中央から幅の端までキャビティ内に一様にしかもセパレータ成形用下型２２及びセパレータ成形用上型２６の圧縮力を高めることなしに広げることができ、キャビティ内の隅々まで容易に且つ均一に充填することができる。
従って、圧縮成形物３２に生じる圧力をどの位置でも、より一様にすることができ、成形したセパレータの平坦度を向上させることができる。
【００２７】
図５（ａ）〜（ｅ）は本発明に係るセパレータ成形（第２の別の実施の形態）の要領を説明する作用図であり、圧縮成形によるプリフォームの形状の変化を順に説明する。
（ａ）は、略Ｘ字状のプリフォーム３５をプリフォーム成形下型２２と共に平面視で示したものであり、圧縮成形前の状態を示す。
【００２８】
プリフォーム３５は、中央に頂点を配置した二等辺三角形状の切欠き部３６，３６を一方の両側面に設け、同じく二等辺三角形状の切欠き部３７，３７を他方の両側面に設けた略Ｘ字状のものであり、プリフォーム３５の縦の長さＬ３をセパレータ成形下型２２の溝成形用凸部２３・・・に沿わせ、プリフォーム３５の横の幅Ｗ２を溝成形用凸部２３と直交する方向となるように、セパレータ成形下型２２に載せる。ここで、切欠き部３６，３６の頂点同士の距離、即ちプリフォーム３５の幅の中央部の長さをＬ４、切欠き部３６の頂角をθ２、切欠き部３７の頂角をθ３とする。切欠き部３６の底辺の長さはＷ２に等しく、切欠き部３７の底辺の長さはＬ５である。
【００２９】
（ｂ）〜（ｄ）において、プリフォームの圧縮成形を開始すると、圧縮成形物４１（ここでは、プリフォーム３５の圧縮中のものをプリフォーム３５とは別にした。）はキャビティ内で次第に広がる。
【００３０】
即ち、溝成形用凸部２３に沿った方向での広がりについては、圧縮成形物４１における切欠き部３６（（ａ）参照）であった部分、特に中央部（頂点Ｇ，Ｇ）に近い部分では広がりの速度が大きく、中央部から遠い部分、即ち幅の端に近い部分、例えば、位置Ｈでは広がりの速度が小さく、切欠き部３７部分では、内側に流れて切欠き部３７の底辺が長さＬ５から次第に小さくなる。
また、溝成形用凸部２３に直交する方向での広がりについては、圧縮成形物４１の広がり速度は非常に小さい。
（ｅ）は、圧縮成形物４１がキャビティ全体に広がった状態を示す。
【００３１】
このように、（ａ）に示したプリフォーム３５は、図４に示したプリフォーム１７に対して切欠き部３７，３７を追加した構成であるため、プリフォーム１７よりも幅の端の広がりをスムーズにさせることができ、密度分布をより一様にすることができる。従って成形後のセパレータの平坦度をより向上させることができる。
【００３２】
以上説明したように、本発明は、プリフォーム３５を、平面視で略Ｘ字状に形成したことを特徴とする。
プリフォーム３５のＸ字の４つの端部をセパレータ成形下型２２及びセパレータ成形上型２６で形成するキャビティの４隅に向けて配置すれば、４隅まで容易にプリフォーム３５、即ち圧縮成形物４１を広げることができるとともにプリフォーム中央部の体積が小さい部分も容易に拡散させることができ、キャビティ全体に圧縮成形物４１を均一に充填することができる。
従って、圧縮成形物４１に生じる圧力をどの位置でもより一様にすることができ、成形したセパレータの平坦度をより一層向上させることができる。
【００３３】
図６は本発明に係るセパレータ成形（第３の実施の形態）に用いるプリフォームの形状を説明する平面図であり、プリフォーム４３は、中央に頂点を配置した二等辺三角形状の切欠き部４４，４４を両側面に設けた略鼓（つづみ）形のものであり、プリフォーム４３の縦の長さＬ６をセパレータ成形下型２２の溝成形用凸部２３・・・に沿わせ、プリフォーム４３の横の幅Ｗ３を溝成形用凸部２３と直交する方向となるように、セパレータ成形下型２２に載せる。ここで、切欠き部４４，４４の頂点同士の距離、即ちプリフォーム４３の幅の中央部の長さをＬ７、切欠き部４４の頂角をθ５、切欠き部４４の底辺の長さを幅Ｗ３より小さいＷ４とする。
【００３４】
図７は本発明に係るセパレータ成形（第４の実施の形態）に用いるプリフォームの形状を説明する平面図であり、プリフォーム４６は、中央に頂点を配置した二等辺三角形状の切欠き部４７，４７を一方の両側面に設け、同じく二等辺三角形状の切欠き部４８，４８を他方の両側面に設けた略Ｘ字状のものであり、プリフォーム３５の縦の長さＬ８をセパレータ成形下型２２の溝成形用凸部２３・・・に沿わせ、プリフォーム３５の横の幅Ｗ５を溝成形用凸部２３と直交する方向となるように、セパレータ成形下型２２に載せる。ここで、切欠き部４７，４７の頂点同士の距離、即ちプリフォーム４６の幅の中央部の長さをＬ９、切欠き部４７の頂角をθ６、切欠き部４８の頂角をθ７とする。切欠き部４７の底辺の長さは幅Ｗ５より小さいＷ６、切欠き部４８の底辺の長さはＬ８より小さいＬ１０である。
【００３５】
尚、本発明の実施の形態では、二等辺三角形状の切欠き部を設けることで、プリフォームの長さを、幅の中央から幅の端に向うにつれて大きくしたが、切欠き部の形状を半円形、半楕円形、放物線形やその他の曲線による形状としてもよい。
また、実施の形態に示したプリフォームの長さＬ１〜Ｌ１０、幅Ｗ１〜Ｗ６、頂角θ１〜θ３、頂角θ５〜θ７は、成形するセパレータの寸法、密度、材質等によって適宜変更して差し支えない。
【００３６】
【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の燃料電池用セパレータの製造方法は、ガス流路の延びる方向にプリフォームの長さを取り、ガス流路の延びる方向に直交する方向にプリフォームの幅を取った場合に、プリフォームの長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたので、セパレータ成形型で圧縮中のプリフォームを、幅の中央から幅の端までキャビティ内に一様にしかもセパレータ成形型の圧縮力を高めることなしに広げることができ、キャビティ内の隅々まで容易に且つ均一に充填することができる。
従って、プリフォームに生じる圧力をどの位置でも、より一様にすることができ、成形したセパレータの平坦度を向上させることができる。
【００３７】
請求項２の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォームの幅の端の中央部に切欠きを設けたので、プリフォームの幅の端の広がりをよりスムーズにさせることができ、プリフォームの密度分布をより一様にすることができる。
従って、成形したセパレータの平坦度をより向上させることができる。
【００３８】
請求項３の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォームを、平面視で略Ｘ字状に形成したので、プリフォームのＸ字の４つの端部をセパレータ成形型の４隅に向けて配置すれば、４隅まで容易にプリフォームを広げることができるとともにプリフォーム中央部の体積が小さい部分も容易に拡散させることができ、キャビティ全体にプリフォームを均一に充填することができる。
従って、プリフォームに生じる圧力をどの位置でもより一様にすることができ、成形したセパレータの平坦度をより一層向上させることができる。
【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フロー（第１の実施の形態）
【図２】本発明に係るプリフォーム成形（第１の実施の形態）の要領を説明する作用図
【図３】本発明に係るセパレータ成形（第１の実施の形態）の要領を説明する第１作用図
【図４】本発明に係るセパレータ成形（第１の実施の形態）の要領を説明する第２作用図
【図５】本発明に係るセパレータ成形（第２の別の実施の形態）の要領を説明する作用図
【図６】本発明に係るセパレータ成形（第３の実施の形態）に用いるプリフォームの形状を説明する平面図
【図７】本発明に係るセパレータ成形（第４の実施の形態）に用いるプリフォームの形状を説明する平面図
【図８】プレス成形の要領を説明する作用図
【図９】プレス成形中におけるプリフォームの広がり状態を示す作用図
【符号の説明】
１７，３５，４３，４６…プリフォーム、３７…切欠き部、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９…プリフォームの長さ、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ５…プリフォームの幅。

Claims

カーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム工程と、このプリフォームを所定形状に圧縮成形するとともに硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法において、
ガス流路の延びる方向にプリフォームの長さを取り、ガス流路の延びる方向に直交する方向にプリフォームの幅を取った場合に、プリフォームの長さを、幅の中央から幅の端へ向うにつれて大きくしたことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
前記プリフォームの幅の端の中央部に切欠きを設けたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
前記プリフォームを、平面視で略Ｘ字状に形成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。