JP4629274B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形後の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】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報にはセパレータの製造方法は記載されていないが、一般的に次にような製造方法が知られている。
即ち、▲1▼材料粉末を混練し、▲2▼この混練物を成形してプリフォームを造り、▲3▼プリフォームを圧縮成形しながら加熱硬化させてセパレータを造る、方法である。
【0007】
上記した▲2▼のプリフォーム成形工程では、プリフォーム成形型内での混練物の圧縮状態によっては、成形したプリフォームの密度が一様にならず、密度の大きな部分と小さな部分とができて、このようなプリフォームを圧縮成形してセパレータを成形すると、セパレータの密度分布にむらができ、セパレータに反りが生じたり厚さが不均一になり、セパレータの平坦度が悪くなることが考えられる。
【0008】
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を改善することにより、成形後のセパレータの平坦度を向上させることにある。
【0009】
【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の混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなる。
【0010】
プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォームの水平方向の重心がプリフォーム形状の中心からずれて成形された場合に、プリフォーム重心をセパレータ圧縮成形型のキャビティ中心に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ全体に広がったプリフォームの密度分布を均一にすることができる。
従って、成形後のセパレータの密度分布も均一になり、セパレータが反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータの平坦度を向上させることができる。
【0011】
請求項2は、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用いることを特徴とする。
【0012】
プリフォーム投入手段に備えた制御手段でプリフォームの移動座標を制御することで、プリフォーム重心をキャビティ中心に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ品質を維持することができる。
【0013】
請求項3は、プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたことを特徴とする。
プリフォームを把持部材で把持するようにしたことで、プリフォームを把持した状態で圧縮成形型のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心をキャビティ中心へ一致させることができる。従って、圧縮成形型内へのプリフォームの移動をスムーズに行うことができる。
【0014】
【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することで、プリフォームを造る。
【0015】
図2(a),(b)は本発明に係るプリフォーム成形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、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。
次に、(b)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。
【0016】
図1に戻り、セパレータの製造フローの説明を続ける。
ST03…プリフォームを図3〜図10の要領で下型に位置決めする。
ST04…プリフォームの圧縮成形を開始する。
ST05…上記圧縮成形開始とほぼ同時に加熱硬化処理を行い、セパレータを造る。
【0017】
図3は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法におけるプリフォーム位置決め工程のフローである。
ST11…載置台の基準位置にプリフォームを仮置きする。
ST12…プリフォームを所定量移動させ、3個の重量センサ上に載せる。
【0018】
ST13…プリフォームの重量を3個の重量センサでそれぞれ測定する。
ST14…3個の重量センサでそれぞれ測定した重量からプリフォームの水平方向の重心を算出する。
ST15…プリフォーム形状の中心に対するプリフォーム重心のオフセット量を算出する。
【0019】
ST16…プリフォームの移載位置、即ちプリフォームを移動させる下型上の位置の座標を、例えば入力手段で入力する。
ST17…ST16で入力した移載位置の座標に基づき、プリフォームを移載する。これで、下型へのプリフォームの位置決めが完了する。
【0020】
図4は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の側面図である。
プリフォーム投入手段としてのプリフォーム位置決め装置20は、プリフォーム17を仮置きする載置台21と、この載置台21に載せたプリフォーム17を圧縮成形型としてのセパレータ成形型22へ移載するための移載機構23と、この移載機構23を制御する制御装置24とからなる。
【0021】
セパレータ成形型22は、それぞれ電熱ヒータ25・・・(・・・は複数個を示す。
以下同様。)を備える下型26及び上型27とからなる。
移載機構23は、ベース部31にスイング可能に取付けた第1アーム部32及び第2アーム部33と、この第2アーム33の先端に取付けることでプリフォーム17を把持する把持部材としてのハンド部34とからなり、載置台21上に設けたプリフォーム17の載置位置と下型26の成形面26aとをほぼ同じ高さにすることで高さ方向に最小限の動作をさせるようにしたものである。
【0022】
制御装置24は、移載機構23によるプリフォーム17の移動位置を座標として入力するための入力部36と、この入力部36からの入力情報Jiを受ける制御手段としての制御部37と、この制御部37からの制御信号SCに基づいて移載機構23に駆動信号SDを送り、移載機構23を駆動する駆動部38とからなる。
【0023】
図5は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の要部斜視図であり、載置台21(図4参照)に設けた載置プレート41に、プリフォーム17を位置決めするための3本の位置決めピン42,43,44及びプリフォーム17の重量を測定するための3個の荷重センサ45,46,47を取付け、移載機構23のハンド部34のベース部51に、プリフォーム17を把持するための3本の把持ピン52,53,54及び把持シリンダ装置55を備えたことを示す。
【0024】
把持シリンダ装置55は、シリンダ部56内に移動可能にピストン(不図示)を収納し、このピストンにピストンロッド57を取付け、このピストンロッド57の先端に把持部58を取付けることで、シリンダ部56へ油圧を供給する、又は油圧の供給を停止して、ピストンロッド57を前進又は後退させ、把持部58及び前述の把持ピン52,53,54とでプリフォーム17を把持又は把持解除を行わせる装置である。
【0025】
以上に述べたプリフォーム位置決め装置20の作用を次に説明する。
図6(a),(b)は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第1作用図であり、(a)は位置決めピン42,43,44にプリフォーム17の側面17a,17bを当てるようにして、載置プレート41上にプリフォーム17を仮置きしたことを示す。
(b)において、プリフォーム17をハンド部34の把持ピン52,53,54及び把持部58で把持して、水平方向に移動させる。この場合のプリフォーム17の移動量は、図の左右方向にx1、図の上下方向にy1である。
【0026】
図7は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第2作用図であり、図6(b)の状態からこの図7ではプリフォーム17の把持を解除し、プリフォーム17を3個の荷重センサ45,46,47上に載せた状態を示す。
荷重センサ45,46,47は、二等辺三角形の各頂点に配置したものであり、図では二等辺三角形の高さの中央位置60にプリフォーム17の形状中心70を合わせた状態を示す。
【0027】
図8は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第3作用図であり、荷重センサ45,46,47で測定した各荷重からプリフォーム17の重心位置を求め、プリフォーム17の形状中心位置に対する重心位置のオフセット量を求める過程を説明する。
まず、プリフォーム17の重心位置を求める。
図は、プリフォーム17、荷重センサ45,46,47、プリフォーム17の形状中心70及びプリフォーム17の重心80を示したものである。
【0028】
プリフォーム17の左下角部にxy座標の原点(0,0)を取り、プリフォーム17の下辺にx軸、左辺にy軸を取り、荷重センサ45,46,47の各座標を(x1,y1)(x2,y2)(x3,y3)とし、各荷重センサ45,46,47で得た荷重をぞれぞれm1,m2,m3とする。
【0029】
また、プリフォーム17の形状中心70の座標を(xd,yd)、プリフォーム17の重心80の座標を(xw,yw)とし、形状中心70に対する重心80のオフセット量をx軸方向に△x、y軸方向に△yとすると、重心80回りのモーメントは釣り合うから、各荷重センサ45,46,47でのそれぞれの荷重m1,m2,m3と、これらの荷重センサ45,46,46の重心80からのx軸方向の距離及びy軸方向の距離とから得られる各モーメントより、以下の[数1]に示すように、重心80の座標(xw,yw)を求めることができる。
【0030】
【数1】
【0031】
即ち、重心80のx座標はxw=(m1・x1+m2・x2+m3・x3)/(m1+m2+m3)、y座標はyw=(m1・y1+m2・y2+m3・y3)/(m1+m2+m3)となる。
また、プリフォーム17の形状中心70の座標(xd,yd)は、((x1+x3)/2,(y1+y2)/2)となる。
従って、重心80のx軸方向のオフセット量△xは△x=xw−xd、y軸方向のオフセット量△yは△y=yw−ydとなる。
【0032】
図9は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第4作用図である。
載置台21側で重心を求めたときのプリフォーム17の形状中心と、セパレータ成形型22側でのキャビティ中心(次図で詳述する。)との距離は既知であるから、この距離を入力手段36で入力し、この距離と既に求めたプリフォーム17の重心のオフセット量△x,△yとから、制御装置の制御部37はプリフォーム17の移動量を算出し、駆動手段38に制御信号SCを送る。駆動手段38は制御信号SCに基づいて移載機構23に駆動信号SDを送って移載機構23を駆動させ、プリフォーム17を載置台21からセパレータ成形型22へ移載する。
上記プリフォーム17の移動量を次図で説明する。
【0033】
図10は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第5作用図であり、載置台側とセパレータ成形型側との平面図を示す。
ここで、平面視でセパレータ成形型22のキャビティ85(ここでは、キャビティを形成する下型の矩形状の成形面26a(図4参照)のことである。)の中心、即ちキャビティ中心を90とすると、載置台21の載置プレート41上においてプリフォーム17の重量を測定したときの形状中心70と、セパレータ成形型22のキャビティ中心90との距離をx軸方向(プリフォーム17の長手方向)にLx、y軸方向にLyとし、プリフォーム17をセパレータ成形型22へ位置決めする、即ちキャビティ中心90にプリフォーム17の重心80を移動させるためのプリフォーム17の移動量をx軸方向にMx、y軸方向にMyとすると、Mx=Lx−△x、My=Ly+△yとなる。
【0034】
図11は本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第6作用図であり、プリフォーム17をセパレータ成形型22の所定位置上に移動させ、把持ピン52,53,54及び把持部58によるセパレータ17の把持を解除して、プリフォーム17の位置決めを完了した状態を示す。即ち、プリフォーム17の重心80はキャビティ中心90に一致した状態にある。
【0035】
図12は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮成形および加熱硬化処理を説明する作用図であり、プリフォームを位置決めした下型26に上型27を型合わせし、圧縮成形するとともに電熱ヒータ25で加熱硬化させてセパレータ95を成形する。
【0036】
以上の図2、図8及び図11で説明したように、本発明は第1に、カーボンと熱硬化性樹脂との混練物13からプリフォーム17を成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォーム17の水平方向の重心80を求める工程と、求めた重心80が平面視でセパレータ成形型22のキャビティ中心90に一致するようにセパレータ成形型22にプリフォーム17を位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォーム17を圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータ95(図12参照)を成形するセパレータ成形工程とからなる。
【0037】
プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォーム17の水平方向の重心80がプリフォームの形状中心70からずれて成形された場合に、プリフォーム重心80をキャビティ中心90に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ85の全体に広がったプリフォーム17の密度分布を均一にすることができる。
従って、成形後のセパレータ95の密度分布も均一になり、セパレータ95が反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータ95の平坦度を向上させることができる。
この結果、セパレータ95の品質を高めることができる。
【0038】
本発明は第2に、図4及び図11において、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心80をキャビティ中心90に一致させるために、プリフォーム17の移動座標を制御する制御部37を備えたプリフォーム位置決め装置20を用いることを特徴とする。
【0039】
プリフォーム位置決め装置20に備えた制御部37でプリフォーム17の移動座標を制御することで、プリフォーム重心80をキャビティ中心90に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ95の品質を維持することができる。
【0040】
本発明は第3に、プリフォーム位置決め装置20に設けたハンド部34でプリフォーム17を把持するようにしたことを特徴とする。
プリフォーム17をハンド部34で把持するようにしたことで、プリフォーム17を把持した状態でセパレータ成形型22のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心80をキャビティ中心90へ一致させることができる。従って、セパレータ成形型22の外部からセパレータ成形型22内へのプリフォーム17の移動をスムーズに行うことができる。
【0041】
尚、本発明では、プリフォーム投入手段に把持部材を設けたが、この把持部材の代わりにプリフォームを吸着する吸着手段を設け、この吸着手段でプリフォームを吸着してプリフォームの位置決めを行ってもよい。
【0042】
【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、カーボンと熱硬化性樹脂との混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなるので、プリフォーム位置決め工程を設けることで、プリフォームの水平方向の重心がプリフォーム形状の中心からずれて成形された場合に、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させることで、圧縮が終了した時点でキャビティ全体に広がったプリフォームの密度分布を均一にすることができる。
【0043】
従って、成形後のセパレータの密度分布も均一になり、セパレータが反ったり厚さが不均一になるのを抑えることができ、セパレータの平坦度を向上させることができる。
この結果、セパレータの品質を高めることができる。
【0044】
請求項2の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用いるので、プリフォーム投入手段に備えた制御手段でプリフォームの移動座標を制御することで、プリフォーム重心をキャビティ中心に常に安定して一致させることができ、セパレータ量産時のセパレータ品質を維持することができる。
【0045】
請求項3の燃料電池用セパレータの製造方法は、プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたので、プリフォームを把持した状態で圧縮成形型のキャビティ上方へ移動させ、把持を解除すれば、プリフォーム重心をキャビティ中心へ一致させることができる。従って、圧縮成形型の外部から圧縮成形型内へのプリフォームの移動をスムーズに行うことができる。
【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
【図2】本発明に係るプリフォーム成形の要領を説明する作用図
【図3】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法におけるプリフォーム位置決め工程のフロー
【図4】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の側面図
【図5】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法で使用するプリフォーム位置決め装置の要部斜視図
【図6】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第1作用図
【図7】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第2作用図
【図8】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第3作用図
【図9】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第4作用図
【図10】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第5作用図
【図11】本発明に係るプリフォーム位置決め装置の作用を説明する第6作用図
【図12】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法における圧縮成形および加熱硬化処理を説明する作用図
【符号の説明】
13…混練物、20…プリフォーム投入手段(プリフォーム位置決め装置)、22…圧縮成形型(セパレータ成形型)、34…把持部材(ハンド部)、37…制御手段(制御部)、80…プリフォームの重心、90…圧縮成形型のキャビティ中心、95…セパレータ。
Claims (3)
- カーボンと熱硬化性樹脂との混練物からプリフォームを成形するプリフォーム成形工程と、得られたプリフォームの水平方向の重心を求める工程と、求めた重心が平面視で圧縮成形型のキャビティ中心に一致するように圧縮成形型にプリフォームを位置決めするプリフォーム位置決め工程と、プリフォームを圧縮成形するとともに熱硬化させることでセパレータを成形するセパレータ成形工程とからなる燃料電池用セパレータの製造方法。
- 前記プリフォーム位置決め工程では、プリフォーム重心をキャビティ中心に一致させるために、プリフォームの移動座標を制御する制御手段を備えたプリフォーム投入手段を用いる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。
- 前記プリフォーム投入手段に設けた把持部材でプリフォームを把持するようにしたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
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