JP4896488B2 - Manufacturing method of conductive separator for fuel cell by cold pressing method - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池用導電性セパレータの製造方法に係り、特に冷間プレス法による燃料電池用導電性セパレータの製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a fuel cell conductive separator, and more particularly to a method for manufacturing a fuel cell conductive separator by a cold press method.
これまで、燃料電池用導電性セパレータとしては、金属基体の表面を不動態化した金属セパレータ板、導電性粒子と熱硬化性樹脂とからなる複合材料を圧縮、移送、射出等の成形機にて金型成形したセパレータ板、ブロック状に成形した複合材料成形体をセパレータ形状へと切削加工したセパレータ板等が検討されている。 Conventionally, as a conductive separator for a fuel cell, a metal separator plate in which the surface of a metal substrate is passivated, a composite material composed of conductive particles and a thermosetting resin is used in a molding machine such as compression, transfer and injection. A separator plate formed by molding, a separator plate obtained by cutting a composite material molded body formed into a block shape into a separator shape, and the like have been studied.
具体的には、金属基体を用いたものとして、例えば金属基体の表面部に耐酸性かつ電気伝導性を有する樹脂膜を配設したもの(例えば、特許文献1参照。)、金属基体の表面部に金属系導電性塗装層と黒鉛系導電性塗装層からなる2層の塗装層を設けたもの(例えば、特許文献2参照。)、金属基体として最外層を耐食性金属とした多層金属板を用いたもの(例えば、特許文献3参照。)等が検討されている。 Specifically, the metal base is used, for example, a surface of the metal base provided with a resin film having acid resistance and electrical conductivity (see, for example, Patent Document 1), or the surface of the metal base. A multilayer metal plate having a two-layer coating layer composed of a metal-based conductive coating layer and a graphite-based conductive coating layer (see, for example, Patent Document 2), and a multilayer metal plate having an outermost layer as a corrosion-resistant metal as a metal substrate. (For example, refer to Patent Document 3) and the like have been studied.
一方、導電性粒子と熱硬化性樹脂とからなる複合材料を圧縮等の成形機にて金型成形するものとして、例えば特定の平均粒径を有する導電性粒子および特定の平均分子量を有するフェノール樹脂を用い、射出成形による生産を容易にしたもの(例えば、特許文献4参照。)、特定のエポキシ樹脂およびフェノール樹脂を用い、成形性、機械的強度を向上させたもの(例えば、特許文献5参照。)、エポキシ樹脂、エポキシ樹脂の硬化剤、硬化促進剤を含有させ、焼成等の熱処理を不要としたもの(例えば、特許文献6参照。)等が検討されている。 On the other hand, as what molds the composite material which consists of electroconductive particle and a thermosetting resin with molding machines, such as compression, for example, the electroconductive particle which has a specific average particle diameter, and the phenol resin which has a specific average molecular weight , Which facilitates production by injection molding (see, for example, Patent Document 4), and uses a specific epoxy resin and phenol resin to improve moldability and mechanical strength (see, for example, Patent Document 5) )), An epoxy resin, an epoxy resin curing agent, a curing accelerator, and the like that do not require heat treatment such as firing (for example, see Patent Document 6) are being studied.
また、燃料電池用導電性セパレータにおける溝の成形加工に関しては、例えば突型部を有する第1型および第2型からなる成形型を用い、燃料電池用導電性セパレータを形成するための材料である炭素系素材を厚み方向に強圧することで、突型部を炭素系素材に転写し溝を形成する方法(例えば、特許文献7参照。)、燃料電池用導電性セパレータを形成するための材料を均一なシート状に成形した後、所定の溝を有する圧延ローラーを用いてその溝形の形状をシート状成形物に転写する方法(例えば、特許文献8参照。)等が検討されている。
しかしながら、金属基体の表面を不動態化した燃料電池用導電性セパレータは、微細な傷等によって起こる突発的不良を防止しがたい。また、ブロック状に成形した複合材料成形体を切削加工するものは、作業時間がかかり製造費用が増大するという課題がある。 However, the conductive separator for a fuel cell in which the surface of the metal substrate is passivated is difficult to prevent a sudden failure caused by a fine scratch or the like. Moreover, what cuts the composite-material molded object shape | molded in the block shape has the subject that work cost takes and manufacturing cost increases.
一方、導電性粒子と熱硬化性樹脂とからなる複合材料を圧縮成形、移送成形、射出成形等により成形するものは、複雑な金型が必要となり、製造費用が増大するという課題がある。また、燃料電池用導電性セパレータにおいては、導電性を向上させるため一般に導電性粒子を高充填することが好ましいが、導電性粒子を高充填した複合材料は成形時の流動性が低くなり、圧縮成形、移送成形、射出成形等を行うことが困難となる。 On the other hand, molding a composite material composed of conductive particles and a thermosetting resin by compression molding, transfer molding, injection molding, or the like requires a complicated mold and increases manufacturing costs. In addition, in a conductive separator for a fuel cell, it is generally preferable to highly charge conductive particles in order to improve conductivity. However, a composite material highly filled with conductive particles has low fluidity at the time of molding and is compressed. It becomes difficult to perform molding, transfer molding, injection molding, and the like.
成形時の流動性の低下に対しては、例えば導電性粒子の平均粒径を特定の範囲にしたり、熱硬化性樹脂の平均分子量を特定の範囲にしたりすることで改善が試みられているが、未だ十分に解決されているとは言い難い。 For the decrease in fluidity at the time of molding, for example, improvement has been attempted by setting the average particle size of the conductive particles to a specific range, or setting the average molecular weight of the thermosetting resin to a specific range. It is hard to say that it has been solved sufficiently.
また、圧縮成形法により燃料電池用導電性セパレータを製造する場合、圧縮成形だけでは最終形状に近いものを得ることが困難なことから、圧縮成形後に機械加工を施さなければならず、作業時間がかかり製造費用が増大するという課題がある。また、射出成形法により燃料電池用導電性セパレータを製造する場合、金型内における流動性の違いにより、部分ごとに導電性粒子と熱硬化性樹脂との含有量の比率が異なるという課題がある。 Also, when producing a conductive separator for a fuel cell by compression molding, it is difficult to obtain a final shape by compression molding alone. There is a problem that the manufacturing cost increases. In addition, when manufacturing a fuel cell conductive separator by an injection molding method, there is a problem that the ratio of the content of the conductive particles and the thermosetting resin varies from part to part due to the difference in fluidity in the mold. .
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、圧縮成形、移送成形、射出成形等で用いられるような複雑な金型を用いず、導電性に優れたものとするために導電性粒子を高充填した場合であっても製造することができ、かつ、平坦性等にも優れたものとすることができる燃料電池用導電性セパレータの製造方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve such a problem, and does not use a complicated mold used in compression molding, transfer molding, injection molding, etc., and has excellent conductivity. For the purpose of providing a method for producing a conductive separator for a fuel cell, which can be produced even when highly charged with conductive particles, and which is excellent in flatness and the like. Yes.
本発明の燃料電池用導電性セパレータの製造方法は、主として平均粒子径が0.5〜25μmの黒鉛粉末と熱硬化性樹脂とを含む複合材料を得る複合材料調製工程と、前記複合材料からなる半硬化状態の樹脂シートを40〜50℃の温度で2〜120時間の加熱処理によって得るシート調製工程と、加熱された前記半硬化状態の樹脂シートに対して、ガス流路形成用パターンが形成された一対の対向する金型により前記半硬化状態の樹脂シートよりも低い温度で冷間プレスを行い燃料電池用導電性セパレータを得る冷間プレス工程とを有する冷間プレス法による燃料電池用導電性セパレータの製造方法であって、前記シート調製工程における前記半硬化状態の樹脂シートは、黒鉛粉末中で両面を押し付けられ、前記両面に黒鉛粉末が付着されることにより表面処理されていることを特徴とするものである。 The method for producing a conductive separator for a fuel cell according to the present invention comprises a composite material preparation step for obtaining a composite material mainly comprising graphite powder having an average particle size of 0.5 to 25 μm and a thermosetting resin, and the composite material. A sheet preparation step for obtaining a semi-cured resin sheet by heat treatment at a temperature of 40 to 50 ° C. for 2 to 120 hours, and a gas flow path forming pattern is formed on the heated semi-cured resin sheet A fuel cell conductive by a cold pressing method comprising a cold pressing step of cold pressing at a temperature lower than the semi-cured resin sheet by a pair of opposed molds to obtain a conductive separator for a fuel cell The semi-cured resin sheet in the sheet preparation step is pressed on both sides in the graphite powder, and the graphite powder is adhered to the both surfaces. And it is characterized in that it is surface-treated by.
前記熱硬化性樹脂はフェノール系樹脂もしくはエポキシ系樹脂を主成分とするものであることが好ましい。
It is preferred before Symbol thermosetting resin as a main component phenolic resin or epoxy resin.
また、本発明では、シート調製工程において製造される半硬化状態の樹脂シートが連続したものであり、このような連続した半硬化状態の樹脂シートに対して冷間プレス工程を連続的に行うことが好ましい。そして、この冷間プレス工程では、半硬化状態の樹脂シートを冷間プレスすると同時に、所定の大きさに切断することが好ましい。 In the present invention, the semi-cured resin sheet produced in the sheet preparation process is continuous, and the cold press process is continuously performed on such a continuous semi-cured resin sheet. Is preferred. In this cold pressing step, it is preferable that the semi-cured resin sheet is cold pressed and simultaneously cut into a predetermined size.
本発明によれば、予め半硬化状態とした樹脂シートを用いて冷間プレスを行うものとすることで、従来の圧縮成形、移送成形、射出成形等で用いられるような複雑な金型を用いる必要がなく、導電性粒子を高充填した場合であっても確実に成形することができ、また平坦性に優れた燃料電池用導電性セパレータを製造することができる。 According to the present invention, a complicated mold such as that used in conventional compression molding, transfer molding, injection molding or the like is used by performing cold pressing using a resin sheet that has been semi-cured in advance. There is no need, and even when the conductive particles are highly filled, it can be reliably molded, and a conductive separator for a fuel cell having excellent flatness can be produced.
以下、本発明について詳細に説明する。本発明の燃料電池用導電性セパレータの製造方法は、主として導電性材料と熱硬化性樹脂とを含む複合材料を得る複合材料調製工程と、この複合材料からなる半硬化状態の樹脂シートを得るシート調製工程と、加熱された半硬化状態の樹脂シートに対して、ガス流路形成用パターンが形成された一対の対向する金型によりこの半硬化状態の樹脂シートよりも低い温度で冷間プレスを行い燃料電池用導電性セパレータを得る冷間プレス工程とを有することを特徴とするものである。 Hereinafter, the present invention will be described in detail. The method for producing a conductive separator for a fuel cell according to the present invention comprises a composite material preparation step for obtaining a composite material mainly comprising a conductive material and a thermosetting resin, and a sheet for obtaining a semi-cured resin sheet comprising the composite material A cold press is performed at a lower temperature than the semi-cured resin sheet by a pair of opposing molds on which a gas flow path forming pattern is formed on the preparation process and the heated semi-cured resin sheet. And a cold pressing step for obtaining a conductive separator for a fuel cell.
本発明に用いられる複合材料は、上記したように主として導電性材料と熱硬化性樹脂とを含むものである。導電性材料としては、導電性を有するものであれば必ずしも限定されるものではないが、金属粉や金属短繊維以外のものが好ましい。すなわち、金属粉や金属短繊維を用いた場合、燃料電池内に存在するイオン群や高温、さらには電界の影響により、燃料電池用導電性セパレータの表面が腐食しやすくなるためである。 As described above, the composite material used in the present invention mainly contains a conductive material and a thermosetting resin. The conductive material is not necessarily limited as long as it has conductivity, but materials other than metal powder and short metal fibers are preferable. That is, when metal powder or short metal fibers are used, the surface of the conductive separator for fuel cells is likely to corrode due to the influence of ion groups present in the fuel cell, high temperature, and electric field.
導電性材料としては、具体的には炭素質材料が好ましく用いられる。炭素質材料としては特に限定されるものではないが、最終的に燃料電池用導電性セパレータとした場合に、導電性が高くなるような物質および形状であることが好ましい。 Specifically, a carbonaceous material is preferably used as the conductive material. Although it does not specifically limit as a carbonaceous material, When it is finally set as the electrically conductive separator for fuel cells, it is preferable that it is a substance and a shape which become high electroconductivity.
このような炭素質材料としては、例えば人造や天然の黒鉛粉末が好ましいものとして挙げられる。人造黒鉛には石油系コークスと石炭系コークス由来の2種類があり、また天然黒鉛には燐片状の黒鉛と土壌黒鉛があり、本発明ではいずれを用いてもよい。 As such a carbonaceous material, for example, artificial or natural graphite powder is preferable. There are two types of artificial graphite derived from petroleum-based coke and coal-based coke, and natural graphite includes flaky graphite and soil graphite, and any of them may be used in the present invention.
また、炭素質材料として黒鉛粉末を用いる場合には、平均粒子径が0.5μm以上100μm以下の範囲内のものを用いることが好ましく、平均粒子径が0.5μm以上25μm以下の範囲のものを用いればより好ましい。このような平均粒子径のものを用いることによって、燃料電池用導電性セパレータの導電性等を良好なものとすることができる。 When graphite powder is used as the carbonaceous material, it is preferable to use one having an average particle diameter in the range of 0.5 μm to 100 μm, and an average particle diameter in the range of 0.5 μm to 25 μm. More preferably, it is used. By using a material having such an average particle size, the conductivity of the conductive separator for a fuel cell can be improved.
導電性基材として黒鉛粉末を用いる場合には、平均粒子径の異なる二種類以上の黒鉛粒子を用いてもよい。平均粒子径の異なる二種類以上の黒鉛粉末を用いる場合、各黒鉛粉末の平均粒子径は上述した平均粒子径の範囲内から選ばれることが好ましい。黒鉛粉末をこのような平均粒子径の異なる二種類以上のものからなるものとすることにより、燃料電池用導電性セパレータ中に黒鉛粉末を高い密度で充填することが可能となり、導電性等を良好なものとすることができる。 When graphite powder is used as the conductive substrate, two or more types of graphite particles having different average particle diameters may be used. When two or more types of graphite powder having different average particle diameters are used, the average particle diameter of each graphite powder is preferably selected from the above-described range of the average particle diameter. By making the graphite powder consist of two or more kinds having such different average particle diameters, it becomes possible to fill the graphite powder with high density in the conductive separator for fuel cells, and the conductivity is good. Can be.
炭素質材料としては黒鉛粉末以外のものを用いることもできる。すなわち、カーボン繊維、カーボンブラック、筒状や球状等のフラーレン等を用いることができる。また、炭素質材料としては、2種類以上の炭素質材料を併用することもできる。炭素質材料として繊維状のものを用いる場合、短繊維状のものが好ましく、繊維径に対する繊維長の比率であるアスペクト比が3〜300のものが好ましい。 As the carbonaceous material, materials other than graphite powder can be used. That is, carbon fiber, carbon black, fullerene such as cylindrical or spherical, and the like can be used. Moreover, as a carbonaceous material, two or more types of carbonaceous materials can also be used together. When a fibrous material is used as the carbonaceous material, a short fibrous material is preferable, and an aspect ratio of 3 to 300, which is a ratio of the fiber length to the fiber diameter, is preferable.
熱硬化性樹脂としては、特に耐熱性、耐薬品性、機械的強度に優れたものが好適に用いられる。熱硬化性樹脂としては、具体的にはエポキシ系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、尿素系樹脂、メラミン系樹脂、シリコーン系樹脂、フッ素系樹脂、グアナミン系樹脂、フェノール系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリイミド系樹脂、マレイミド系樹脂などが挙げられ、これらは単独で用いても良いし、2種以上を組み合わせて用いてもよい。これらの熱硬化性樹脂の中でも、特にエポキシ系樹脂やフェノール系樹脂が取り扱いの容易さや性能面から好適に用いられ、さらにこれらの中でもフェノール樹脂が価格面から好適に用いられる。 As the thermosetting resin, a resin excellent in heat resistance, chemical resistance and mechanical strength is particularly preferably used. Specific examples of thermosetting resins include epoxy resins, unsaturated polyester resins, urea resins, melamine resins, silicone resins, fluorine resins, guanamine resins, phenol resins, polyamide resins, and polyimides. Resin, maleimide resin, and the like, and these may be used alone or in combination of two or more. Among these thermosetting resins, epoxy resins and phenol resins are particularly preferably used from the viewpoint of ease of handling and performance, and among these, phenol resins are preferably used from the viewpoint of price.
本発明における複合材料は上記したような導電性材料と熱硬化性樹脂とから主としてなるものであるが、本発明の趣旨に反しない限度において、かつ、必要に応じて、硬化剤、硬化触媒、エポキシシラン類等のカップリング剤、その他の添加剤等の各種添加剤が添加されていてもよい。 The composite material in the present invention is mainly composed of the conductive material and the thermosetting resin as described above, but as long as it does not contradict the gist of the present invention, and if necessary, a curing agent, a curing catalyst, Various additives such as coupling agents such as epoxy silanes and other additives may be added.
本発明における複合材料は、例えば上記したような必須成分である導電性材料および熱硬化性樹脂を配合するとともに、必要に応じて上記したような各種添加剤を配合した後、これらをヘンシェルミキサ、万能混合機等の混合装置を用いて均一に混合することにより得ることができる(複合材料調製工程)。 The composite material according to the present invention contains, for example, the conductive material and the thermosetting resin, which are essential components as described above, and after blending various additives as described above as necessary, the Henschel mixer, It can be obtained by mixing uniformly using a mixing device such as a universal mixer (composite material preparation step).
さらに、この複合材料はシート化や硬化反応等を行い半硬化状態の樹脂シートとする(シート調製工程)。なお、未硬化状態(A−ステージ)とは、熱硬化性樹脂の三次元架橋が形成されていない状態のことであり、完全硬化状態(C−ステージ)とは熱硬化性樹脂の三次元架橋が完成された状態のことであり、半硬化状態(B−ステージ)とは未硬化状態でも完全硬化状態でもない状態を言う。 Further, this composite material is made into a semi-cured resin sheet by forming into a sheet or curing reaction (sheet preparation step). The uncured state (A-stage) is a state in which the three-dimensional crosslinking of the thermosetting resin is not formed, and the completely cured state (C-stage) is the three-dimensional crosslinking of the thermosetting resin. Is a completed state, and the semi-cured state (B-stage) refers to a state that is neither an uncured state nor a completely cured state.
樹脂シートが未硬化状態である場合、そのままの状態では次工程である冷間プレス工程において樹脂シートが硬すぎるため冷間プレスを行うことができず、一方、硬さを低減するために冷間プレス工程で加熱すると液状化してしまい、やはり冷間プレスを行うことができない。また、樹脂シートが完全硬化状態である場合についても、そのままの状態では次工程である冷間プレス工程において樹脂シートが硬すぎるため冷間プレスを行うことができず、一方、冷間プレス工程で加熱しても、すでに完全硬化状態であるため硬さは低減せず、やはり冷間プレスを行うことができない。 When the resin sheet is in an uncured state, the resin sheet is too hard in the next cold pressing step as it is, so that the cold pressing cannot be performed, while on the other hand, in order to reduce the hardness, When heated in the pressing step, it liquefies and cannot be cold pressed. In addition, even when the resin sheet is in a completely cured state, the resin sheet is too hard in the next cold pressing process in the state as it is, so cold pressing cannot be performed, while in the cold pressing process Even when heated, the hardness is not reduced because it is already completely cured, and cold pressing cannot be performed.
本発明では、冷間プレス工程に用いられる樹脂シートを半硬化状態とすることにより、完全硬化状態としたものとは異なり、冷間プレス工程において樹脂シートを加熱することによりその硬さを有効に低減させることができる。また、冷間プレス工程に用いられる樹脂シートを半硬化状態とすることにより、冷間プレス工程での加熱により未硬化状態のもののように液状化してしまうといったことを抑制でき、冷間プレスを確実に行うことができるようになる。 In the present invention, the resin sheet used in the cold pressing step is made into a semi-cured state, so that the hardness of the resin sheet is effectively increased by heating the resin sheet in the cold pressing step. Can be reduced. In addition, by setting the resin sheet used in the cold pressing process to a semi-cured state, it is possible to suppress liquefaction as in the uncured state due to heating in the cold pressing process, and to ensure cold pressing. To be able to do that.
半硬化状態の樹脂シートの調製は、例えば複合材料を単にシート化して未硬化状態の樹脂シートとした後、これに加熱処理を行うことにより硬化反応を進めて半硬化状態の樹脂シートとすることにより行ってもよいし、また、複合材料の硬化反応を進めた後にシート化して半硬化状態の樹脂シートとすることにより行ってもよい。 Preparation of a semi-cured resin sheet is, for example, by simply forming a composite material into a non-cured resin sheet and then subjecting it to a heat treatment to advance the curing reaction to a semi-cured resin sheet. Alternatively, it may be performed by proceeding with the curing reaction of the composite material to form a sheet that is a semi-cured resin sheet.
未硬化状態の樹脂シートを得た後、これに加熱処理を行い半硬化状態の樹脂シートとする方法としては、例えば複合材料を二軸ロール機等を用いて加熱せずに混練しシート化することにより未硬化状態の樹脂シートを得た後、この未硬化状態の樹脂シートに各種加熱処理装置を用いて加熱処理を行うことにより硬化反応を進めて半硬化状態の樹脂シートとする方法が挙げられる。 After obtaining an uncured resin sheet, heat treatment is performed on the resin sheet to obtain a semi-cured resin sheet. For example, the composite material is kneaded without heating using a biaxial roll machine or the like to form a sheet. After obtaining an uncured resin sheet by this, a method of advancing a curing reaction by performing heat treatment on the uncured resin sheet using various heat treatment apparatuses to obtain a semi-cured resin sheet is mentioned. It is done.
樹脂シートを得る方法としては、上記したような二軸ロール機等を用いる方法以外にも、例えば複合材料を所定の金型に充填し加圧成形する方法、複合材料をその溶融温度以上に加熱して所定の金型に流し込む方法等が挙げられ、これらの方法は適宜選択して用いることができる。 As a method for obtaining a resin sheet, in addition to the method using a biaxial roll machine as described above, for example, a method in which a composite material is filled in a predetermined mold and press-molded, the composite material is heated to the melting temperature or higher. And a method of pouring into a predetermined mold, and the like can be appropriately selected and used.
未硬化状態の樹脂シートの硬化反応を進めて半硬化状態の樹脂シートとする加熱処理は必ずしも制限されるものでないが、次工程である冷間プレス工程での加熱の際に容易に液状とならず、またこの加熱により冷間プレスが行える程度の硬さにまで硬さを低減できる程度の加熱処理とすることが好ましい。 The heat treatment for proceeding the curing reaction of the uncured resin sheet to obtain a semi-cured resin sheet is not necessarily limited, but it is easily liquid when heated in the next cold press process. Moreover, it is preferable to set it as the heat processing which can reduce hardness to the grade which can be cold-pressed by this heating.
この加熱処理は、例えば40℃〜50℃の温度で2時間〜120時間程度とすることが好ましい。40℃未満あるいは2時間未満であると硬化反応が十分でなく、冷間プレス工程での加熱により樹脂シートが液状化しやすくなるおそれがある。また、50℃を超えるか120時間を超えると硬化反応が進みすぎ、冷間プレス工程での加熱により冷間プレスが行える程度の硬さにまで樹脂シートの硬さを低減できなくなるおそれがある。 This heat treatment is preferably performed at a temperature of 40 ° C. to 50 ° C. for about 2 hours to 120 hours, for example. If it is less than 40 ° C. or less than 2 hours, the curing reaction is not sufficient, and the resin sheet may be liquified easily by heating in the cold pressing step. Moreover, when it exceeds 50 degreeC or exceeds 120 hours, hardening reaction will advance too much and there exists a possibility that the hardness of a resin sheet cannot be reduced to the grade which can be cold-pressed by the heating in a cold press process.
一方、複合材料の硬化反応を進めた後にシート化して半硬化状態の樹脂シートとする方法としては、例えば複合材料を二軸加熱ロール機を用いて加熱しながら混練することにより硬化反応を進めた後に、この二軸加熱ロール機からシート状に押し出して半硬化状態の樹脂シートとする方法が挙げられる。なお、このような場合であっても必要に応じて上記したような加熱処理を行ってもよい。このような方法によれば、予め硬化反応を進めているので、加熱処理を省略、あるいは、加熱処理を行う場合であってもその処理時間を短縮することができる。 On the other hand, as a method of forming a semi-cured resin sheet after proceeding with the curing reaction of the composite material, for example, the curing reaction was advanced by kneading the composite material while heating using a biaxial heating roll machine. Later, a method of extruding into a sheet form from this biaxial heating roll machine to obtain a semi-cured resin sheet can be mentioned. Even in such a case, the heat treatment as described above may be performed as necessary. According to such a method, since the curing reaction is advanced in advance, the heat treatment can be omitted, or the treatment time can be shortened even when the heat treatment is performed.
このような半硬化状態の樹脂シートには、炭素繊維織布等の形状保持材が内部に組み込まれていてもよい。このような形状保持材を内部に組み込んでおくことで、次工程である冷間プレス工程での加熱移送の際に容易に変形しないものとすることができる。 In such a semi-cured resin sheet, a shape holding material such as a carbon fiber woven fabric may be incorporated. By incorporating such a shape-retaining material into the inside, it can be prevented from being easily deformed during the heat transfer in the cold pressing process, which is the next process.
また、このような半硬化状態の樹脂シートは、その表面に導電性材料を付着させる表面処理が行われていれば好ましい。半硬化状態の樹脂シートの表面に導電性材料を付着させておくことで、燃料電池用導電性セパレータとした場合に、その接触抵抗を小さくすることができ、燃料電池の発電効率を良好なものとすることができる。 Further, such a semi-cured resin sheet is preferably subjected to a surface treatment for attaching a conductive material to the surface thereof. By attaching a conductive material to the surface of a semi-cured resin sheet, when it is used as a conductive separator for a fuel cell, the contact resistance can be reduced and the power generation efficiency of the fuel cell is improved. It can be.
付着させる導電性材料としては、複合材料の製造に用いられる導電性材料と同様なものを用いることができ、例えば炭素質材料が好適なものとして挙げられる。表面処理を行う時期については必ずしも制限されるものではなく、例えば未硬化状態の樹脂シートを加熱処理して半硬化状態の樹脂シートとする場合には、未硬化状態の樹脂シートの段階で行ってもよいし、半硬化状態の樹脂シートとしてから行ってもよい。また、表面処理の方法としては、例えば樹脂シートへ導電性材料を吹き付ける方法、導電性材料へ樹脂シートを押しつける方法等が挙げられ、さらにこれらの後に導電性材料を確実に樹脂シートへ付着させるための加圧処理等の方法を用いてもよく、適宜選択して用いることができる。 As the conductive material to be attached, the same material as the conductive material used for manufacturing the composite material can be used, and for example, a carbonaceous material is preferable. The timing for performing the surface treatment is not necessarily limited. For example, when a non-cured resin sheet is heat-treated to form a semi-cured resin sheet, it is performed at the stage of the uncured resin sheet. Alternatively, a semi-cured resin sheet may be used. In addition, examples of the surface treatment method include a method of spraying a conductive material onto a resin sheet, a method of pressing a resin sheet against the conductive material, and the like. Further, after that, the conductive material is reliably adhered to the resin sheet. A method such as pressure treatment may be used, and can be appropriately selected and used.
このようにして調製された半硬化状態の樹脂シートは加熱された状態で、ガス流路形成用パターンが形成された一対の対向する金型によりこの半硬化状態の樹脂シートよりも低い温度で冷間プレスを行い、燃料電池用導電性セパレータとする(冷間プレス工程)。本発明では、加熱された状態の半硬化状態の樹脂シートに対して、一対の対向する金型により冷間プレスを行うものとすることで、例えば射出成形法のように、金型内での流動性が異なるため燃料電池用導電性セパレータの各部分で導電性材料と熱硬化性樹脂との含有量が異なったり、平坦性が低下したりするといったことを抑制することができる。 The semi-cured resin sheet thus prepared is heated and cooled at a temperature lower than that of the semi-cured resin sheet by a pair of opposed molds on which gas flow path forming patterns are formed. An intermediate press is performed to form a conductive separator for a fuel cell (cold pressing step). In the present invention, a semi-cured resin sheet in a heated state is cold-pressed with a pair of opposed dies, for example, in an injection molding method. Since the fluidity is different, it is possible to prevent the content of the conductive material and the thermosetting resin from being different in each portion of the conductive separator for the fuel cell or the flatness from being lowered.
図1は、このような冷間プレス工程の一例を示したものであり、連続する半硬化状態の樹脂シート1に対して連続的に冷間プレスを行う場合の一例を示したものである。半硬化状態の樹脂シート1を冷間プレスする冷間プレス機2は、例えば加熱部3と成形部4とから主としてなるものである。
FIG. 1 shows an example of such a cold pressing process, and shows an example in the case where the cold pressing is continuously performed on a continuous semi-cured resin sheet 1. A cold press machine 2 that cold-presses the semi-cured resin sheet 1 mainly includes, for example, a
加熱部3は、成形部4へ半硬化状態の樹脂シート1を送り込む前に、この半硬化状態の樹脂シート1を加熱するためのものであり、例えばヒータ等を有するものである。また、成形部4は一対の対向する金型として上金型5と下金型6とを有するものである。これら上金型5および下金型6の対向する面には、燃料電池用導電性セパレータのガス流路を形成するためのガス流路形成用パターン7、8が形成されており、またそれらの内部には冷却のための冷却部9、10が形成されている。
The
図に示す例では、上金型5および下金型6のガス流路形成用パターン7、8が互いに直交するように形成されている。また、図に示す例では特に図示していないが、冷間プレス機2には、例えば上金型5および下金型6を稼働させるための加圧装置等が設けられている。 In the example shown in the figure, the gas flow path forming patterns 7 and 8 of the upper mold 5 and the lower mold 6 are formed so as to be orthogonal to each other. Although not particularly shown in the example shown in the figure, the cold press 2 is provided with a pressurizing device for operating the upper mold 5 and the lower mold 6, for example.
このような冷間プレス機2による冷間プレス工程は、まず図中左側から連続する半硬化状態の樹脂シート1がその上下に配置された搬入ゴムロール11,12、13、14等の回転力によって冷間プレス機2の加熱部3へと送られる。この加熱部3では、半硬化状態の樹脂シート1がヒータ等により加熱される。
Such a cold press process by the cold press machine 2 is first performed by the rotational force of the carry-in rubber rolls 11, 12, 13, 14, etc. in which the semi-cured resin sheet 1 continuous from the left side in the figure is arranged above and below. It is sent to the
この加熱部3における半硬化状態の樹脂シート1の加熱の際の温度条件は特に重要なものであり、次のような条件を満たすものとすることが好ましい。(1)半硬化状態の樹脂シート1を成形部4で冷間プレスする際に、冷間プレス以外の部分が変形しないこと。(2)半硬化状態の樹脂シート1を成形部4へ搬送することができ、また成形部4から搬出することができること。(3)成形部4における冷間プレスにより半硬化状態の樹脂シート1にガス流路を確実に形成(転写)できること。
The temperature condition at the time of heating the semi-cured resin sheet 1 in the
上記した(1)〜(3)の条件が満たされないと、例えば半硬化状態の樹脂シート1を成形部4へ搬入したり、あるいは、それから搬出したりすることが困難となり、連続的に冷間プレスを行うことが困難となり、また、得られた燃料電池用導電性セパレータに変形が発生したり、そのガス流路の形成が不十分であったりすることがある。上記(1)〜(3)の条件を満たす温度としては、熱硬化性樹脂の種類等によっても若干異なるが、一般に60℃以上、90℃以下とすることが好ましい If the above conditions (1) to (3) are not satisfied, for example, it becomes difficult to carry the semi-cured resin sheet 1 into or out of the molded part 4, and continuously cold It may be difficult to press, and the resulting fuel cell conductive separator may be deformed, or the gas flow path may be insufficiently formed. The temperature that satisfies the conditions (1) to (3) is slightly different depending on the type of the thermosetting resin, but is generally preferably 60 ° C. or higher and 90 ° C. or lower.
そして、所定の温度に加熱された半硬化状態の樹脂シート1は成形部4へと送られ、それよりも低い温度に保たれた上金型5および下金型6で両主面を加圧することで、それらのガス流路形成用パターン7、8を半硬化状態の樹脂シート1の両主面にそれぞれ転写しガス流路15、16を形成する。上金型5および下金型6の温度は半硬化状態の樹脂シート1の温度よりも低ければ特に制限されるものではないが、一般に20℃以上、50℃以下とすることが好ましい。
Then, the semi-cured resin sheet 1 heated to a predetermined temperature is sent to the molding section 4 and both main surfaces are pressurized with the upper mold 5 and the lower mold 6 kept at a lower temperature. Thus, the gas flow path forming patterns 7 and 8 are transferred to both main surfaces of the semi-cured resin sheet 1 to form
両主面にガス流路15、16を形成したものはそのままの状態で燃料電池用導電性セパレータとしてもよいが、さらに加熱を行って硬化反応を完全に行った方がよいものや、急速冷却を行った方がよいものもあるため、例えば図1に示すように成形部4の後に、さらに加熱や冷却を行うための後処理部17を設けて加熱や冷却を行ってもよい。そして、両主面にガス流路15、16を形成したものは、搬出ゴムロール18、19により冷間プレス機2の外へと搬出する。
The
なお、このような冷間プレス機2では、半硬化状態の樹脂シート1の冷間プレスと同時に、半硬化状態の樹脂シート1を所定の大きさに切断するようにしてもよい。例えば、成形部4の上金型5および下金型6のそれぞれの周囲に半硬化状態の樹脂シート1を切断可能な切断歯を設けておき、半硬化状態の樹脂シート1の冷間プレスと同時に切断を行うようにしてもよい。このようにすることで、所定形状に切断された燃料電池用導電性セパレータを連続的に得ることが可能となる。 In such a cold press 2, the semi-cured resin sheet 1 may be cut into a predetermined size simultaneously with the cold press of the semi-cured resin sheet 1. For example, cutting teeth capable of cutting the semi-cured resin sheet 1 are provided around the upper mold 5 and the lower mold 6 of the molding unit 4, and a cold press of the semi-cured resin sheet 1 is performed. You may make it cut | disconnect simultaneously. By doing in this way, it becomes possible to obtain continuously the conductive separator for fuel cells cut into the predetermined shape.
以上、本発明における冷間プレス工程について図1を参照して説明したが、本発明の冷間プレス工程は必ずしも図1に示されるようなものに限られるものではない。例えば、二軸加熱ロール等で複合材料を混練するとともにシート化したものは半硬化状態であるとともに加熱されているため、上記したような温度条件が満たされていれば、そのまま冷間プレス機2の成形部4へと搬入することができ、加熱部3での加熱を省略することができる。
As described above, the cold pressing process in the present invention has been described with reference to FIG. 1, but the cold pressing process of the present invention is not necessarily limited to that shown in FIG. For example, since the composite material kneaded with a biaxial heating roll or the like and made into a sheet is in a semi-cured state and is heated, the cold press 2 as it is if the above temperature conditions are satisfied. Can be carried into the molding part 4 and heating in the
また、例えば、図1に示す冷間プレス工程では半硬化状態の樹脂シート1を連続したものとし、この半硬化状態の樹脂シート1に対して連続的に加熱および冷間プレスを行うようにしたが、このようなものに代えて、例えば半硬化状態の樹脂シートを予め燃料電池用導電性セパレータ1つ分の大きさとしておき、このような半硬化状態の樹脂シートを1つずつ冷間プレス機に搬入し加熱および冷間プレスを行うようにしてもよい。 Further, for example, in the cold pressing step shown in FIG. 1, the semi-cured resin sheet 1 is continuous, and the semi-cured resin sheet 1 is continuously heated and cold pressed. However, instead of this, for example, a semi-cured resin sheet is previously set to the size of one conductive separator for a fuel cell, and such semi-cured resin sheets are cold-pressed one by one. It may be carried into a machine and heated and cold pressed.
以下、本発明を実施例を参照してさらに詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
(参考例1)
まず、半硬化状態の樹脂シートの製造に用いる複合材料を調製した。複合材料を調製するための導電性材料として黒鉛粉末(平均粒径3μm)、熱硬化性樹脂としてクレゾールノボラック型エポキシ樹脂(軟化温度87℃)、硬化剤としてノボラック型フェノール樹脂(軟化温度85℃)、硬化触媒としてイミダゾール触媒(軟化温度84℃)、滑剤としてカルナバ天然ワックス(軟化温度85℃)を用いた。
( Reference Example 1)
First, a composite material used for manufacturing a semi-cured resin sheet was prepared. Graphite powder (
各成分の配合比は、複合材料全体に対して、黒鉛粉末が88重量%、カルナバ天然ワックスが0.2重量%となるようにし、残部がクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂、イミダゾール触媒となるようにした。なお、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂とノボラック型フェノール樹脂とは当量比とし、イミダゾール触媒は、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、ノボラック型フェノール樹脂およびイミダゾール触媒の合計量中、0.75重量%となるようにした。そして、このような配合比とした配合物をヘンシェルミキサに投入し、均一に混合して複合材料とした。 The compounding ratio of each component is such that the graphite powder is 88% by weight and the carnauba natural wax is 0.2% by weight, with the remainder being cresol novolac type epoxy resin, novolac type phenol resin, imidazole catalyst. It was made to become. The cresol novolac type epoxy resin and the novolac type phenol resin were in an equivalent ratio, and the imidazole catalyst was 0.75% by weight in the total amount of the cresol novolac type epoxy resin, the novolac type phenol resin and the imidazole catalyst. . Then, a blend having such a blend ratio was put into a Henschel mixer and mixed uniformly to obtain a composite material.
この複合材料を90℃の二軸ロール機にて加熱混練した後、この二軸ロール機よりシート状に掻き取り樹脂シートを得た。そして、この樹脂シートを燃料電池用導電性セパレータ1つ分の大きさに切り分けた後、この切り分けられた樹脂シートを50℃の空気循環型の加熱乾燥機内に入れ、24時間加熱して硬化反応を進め、半硬化状態の樹脂シートとした。 The composite material was heated and kneaded with a 90 ° C. biaxial roll machine, and then scraped into a sheet from the biaxial roll machine to obtain a resin sheet. The resin sheet is cut into the size of one conductive separator for a fuel cell, and then the cut resin sheet is placed in a 50 ° C. air circulation type heating and drying machine and heated for 24 hours to cure the resin. To obtain a semi-cured resin sheet.
この半硬化状態の樹脂シートを65℃に加熱してから、ガス流路形成用パターンが形成され、30℃に維持された対向する上金型および下金型により冷間プレスを行い、ガス流路を形成し、燃料電池用導電性セパレータとした。 After heating the semi-cured resin sheet to 65 ° C., a gas flow path forming pattern is formed, and cold pressing is performed with the opposing upper and lower molds maintained at 30 ° C. A path was formed to provide a conductive separator for a fuel cell.
(参考例2)
まず、半硬化状態の樹脂シートの製造に用いる複合材料を調製した。複合材料を調製するための導電性材料として黒鉛粉末(平均粒径3μm)、熱硬化性樹脂としてクレゾール型のフェノール樹脂(軟化温度84℃)、滑剤としてカルナバ天然ワックス(軟化温度85℃)を用いた。各成分の配合比は、複合材料全体に対して、黒鉛粉末が88重量%、カルナバ天然ワックスが0.2重量%となるようにし、残部がクレゾール型のフェノール樹脂となるようにした。そして、このような配合比とした配合物を万能混合機に投入し、均一に混合して複合材料とした。
( Reference Example 2)
First, a composite material used for manufacturing a semi-cured resin sheet was prepared. Uses graphite powder (
この複合材料を85℃の二軸ロール機にて加熱混練した後、この二軸ロール機よりシート状に掻き取り樹脂シートを得た。そして、この樹脂シートを燃料電池用導電性セパレータ1つ分の大きさに切り分けた後、この切り分けられた樹脂シートを40℃の空気循環型の加熱乾燥機内に入れ、12時間加熱して硬化反応を進め、半硬化状態の樹脂シートとした。 This composite material was heated and kneaded with a biaxial roll machine at 85 ° C., and then scraped into a sheet form from the biaxial roll machine to obtain a resin sheet. The resin sheet is cut into a size equivalent to one conductive separator for a fuel cell, and then the cut resin sheet is placed in a 40 ° C. air circulation type heating and drying machine and heated for 12 hours to cure the resin. To obtain a semi-cured resin sheet.
この半硬化状態の樹脂シートを65℃に加熱してから、ガス流路形成用パターンが形成され、30℃に維持された対向する上金型および下金型により冷間プレスを行い、ガス流路を形成し、燃料電池用導電性セパレータとした。 After heating the semi-cured resin sheet to 65 ° C., a gas flow path forming pattern is formed, and cold pressing is performed with the opposing upper and lower molds maintained at 30 ° C. A path was formed to provide a conductive separator for a fuel cell.
(実施例1)
参考例1と同様にして得られた複合材料を90℃の二軸ロール機にて加熱混練した後、この二軸ロール機よりシート状に掻き取り樹脂シートを得た。この二軸ロール機から掻き取った直後の柔らかい樹脂シートをパットに入れた黒鉛粉末中に両面を押しつけ、その両面に黒鉛粉末を付着させた。そして、この黒鉛粉末を付着させた樹脂シートを金属板状に置き、金属棒にて引き延ばし気味に上面から圧力を加え、表面に黒鉛粉末を固定させて表面処理を行った。
(Example 1 )
The composite material obtained in the same manner as in Reference Example 1 was heat-kneaded with a 90 ° C. biaxial roll machine, and then scraped into a sheet form from this biaxial roll machine to obtain a resin sheet. Both surfaces were pressed into the graphite powder in which the soft resin sheet just scraped off from this biaxial roll machine was put into the pad, and the graphite powder was made to adhere to both surfaces. Then, the resin sheet on which the graphite powder was adhered was placed in a metal plate shape, stretched with a metal rod, and pressure was applied from the upper surface to make the surface treatment by fixing the graphite powder on the surface.
この表面処理された樹脂シートを燃料電池用導電性セパレータ1つ分の大きさに切り分けた後、参考例1と同様に加熱処理を行い半硬化状態の樹脂シートとし、さらに加熱してから冷間プレスを行って燃料電池用導電性セパレータとした。 After the surface-treated resin sheet is cut into the size of one fuel cell conductive separator, heat treatment is performed in the same manner as in Reference Example 1 to obtain a semi-cured resin sheet. It pressed and it was set as the electrically conductive separator for fuel cells.
このようにして製造された実施例1、参考例1、2の燃料電池用導電性セパレータについて、目視により外観を観察しボイド等の欠陥の有無を観察するとともに、表面抵抗率を測定した。結果を表1に示す。 With respect to the conductive separators for fuel cells of Example 1 and Reference Examples 1 and 2 thus produced, the appearance was visually observed to check for the presence of defects such as voids, and the surface resistivity was measured. The results are shown in Table 1.
表1に示す結果から明らかなように、本発明の製造方法によれば、従来の圧縮成形、移送成形、射出成形等で用いられるような複雑な金型を用いずに、ボイド等の欠陥がなく平坦性に優れた燃料電池用導電性セパレータを製造できることが認められた。また、特に樹脂シートの表面を導電性材料で表面処理することにより、燃料電池用導電性セパレータの表面抵抗率を低減できることが認められた。 As apparent from the results shown in Table 1, according to the manufacturing method of the present invention, defects such as voids can be obtained without using complicated molds used in conventional compression molding, transfer molding, injection molding and the like. It was confirmed that a conductive separator for a fuel cell excellent in flatness could be produced. Moreover, it was recognized that the surface resistivity of the conductive separator for fuel cells can be reduced by treating the surface of the resin sheet with a conductive material.
1…半硬化状態の樹脂シート、2…冷間プレス機、3…加熱部、4…成形部、5…上金型、6…下金型、7…ガス流路形成用パターン(上金型)、8…ガス流路形成用パターン(下金型)、9…冷却部(金型)、10…冷却部(下金型)、11,12,13,14…搬入ゴムロール、15,16…ガス流路、17…後処理部、18,19…搬出ゴムロール DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semi-cured resin sheet, 2 ... Cold press, 3 ... Heating part, 4 ... Molding part, 5 ... Upper metal mold, 6 ... Lower metal mold, 7 ... Gas flow path formation pattern (Upper metal mold) ), 8 ... Gas flow path forming pattern (lower mold), 9 ... Cooling section (mold), 10 ... Cooling section (lower mold), 11, 12, 13, 14 ... Incoming rubber roll, 15, 16 ... Gas flow path, 17 ... post-processing section, 18, 19 ... unloading rubber roll
Claims (2)
前記複合材料からなる半硬化状態の樹脂シートを40〜50℃の温度で2〜120時間の加熱処理によって得るシート調製工程と、
加熱された前記半硬化状態の樹脂シートに対して、ガス流路形成用パターンが形成された一対の対向する金型により前記半硬化状態の樹脂シートよりも低い温度で冷間プレスを行い燃料電池用導電性セパレータを得る冷間プレス工程と
を有する冷間プレス法による燃料電池用導電性セパレータの製造方法であって、
前記シート調製工程における前記半硬化状態の樹脂シートは、黒鉛粉末中で両面を押し付けられ、前記両面に黒鉛粉末が付着されることにより表面処理されていることを特徴とする冷間プレス法による燃料電池用導電性セパレータの製造方法。 A composite material preparation step for obtaining a composite material mainly comprising graphite powder having an average particle size of 0.5 to 25 μm and a thermosetting resin;
A sheet preparation step of obtaining a semi-cured resin sheet made of the composite material by a heat treatment at a temperature of 40 to 50 ° C. for 2 to 120 hours ;
The heated semi-cured resin sheet is cold-pressed at a temperature lower than that of the semi-cured resin sheet by a pair of opposed molds on which gas flow path forming patterns are formed. Cold pressing process to obtain a conductive separator for
A method for producing a conductive separator for a fuel cell by a cold press method comprising:
The fuel by the cold press method, wherein the semi-cured resin sheet in the sheet preparation step is subjected to surface treatment by pressing both sides in graphite powder and attaching the graphite powder to both sides A method for producing a conductive separator for a battery.
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