JP4900641B2

JP4900641B2 - 射出成形品の成形方法

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Publication number: JP4900641B2
Application number: JP2005154652A
Authority: JP
Inventors: 伸夫金井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-05-26
Filing date: 2005-05-26
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2025-05-26
Also published as: JP2006327051A

Description

本発明は、燃料電池用セパレータを射出成形する方法に関する。

一般に、固体高分子型の燃料電池は、電解質膜及びその両面に配置した一対の電極からなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と、ＭＥＡを挟持する一対のセパレータとで構成され、全体として積層形態とされる。

この種の燃料電池を構成するセパレータの製造技術としては、カーボンフィラーと樹脂からなる導電性材料を射出成形することにより成形するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６０７７２号公報

ところで、燃料電池を構成するカーボンセパレータ用の材料は、材料組成上、粘度が非常に高いため、射出成形時における材料計量が難しく、したがって、射出時における材料の充填量にばらつきが生じることがあった。

また、バインダとして使用する熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂から生じるガスや金型内あるいは材料に含まれている空気が成形品内にも残量することもあった。

これにより、成形品であるセパレータの板厚精度が低下してしまうという問題があった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、高い板厚精度にて成形することにより、品質の向上を図ることが可能な燃料電池用セパレータの射出成形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の成形方法は、互いに近接離間される一対の金型間に形成されるキャビティに導電性を有する成形品材料を充填することにより、流体流路を有する燃料電池用セパレータを射出成形品として成形する方法であって、
前記射出成形品の外形に対応する製品形成部とその外周側に余剰材料を収容可能な余剰部とを有するキャビティの前記製品形成部から成形品材料を充填し、この成形品材料が前記製品形成部全体に行き渡って前記余剰部へはみ出した後に、この余剰部にはみ出した余剰材料を除去する。

この成形方法によれば、キャビティ内に成形品材料を充填した後、製品形成部からその外周の余剰部へはみ出した成形品材料を除去するので、製品形成部全体に成形品材料を均一に行き渡らせることができるとともに、成形品材料及びキャビティ内の空気や成形品材料にて生じるガスを製品形成部から余剰部へ送り出して除去することができる。

また、前記キャビティへ充填する前記成形品材料を、前記製品形成部の中央にて充填してもよい。

また、少なくとも一方の前記金型は、前記成形品材料の充填時に前記キャビティ内でセパレータ面方向と直交する方向に突出可能なマニホールド形成手段を有し、該マニホールド形成手段を突出させることにより、前記流体流路と連通するマニホールドを前記セパレータ面方向と直交する方向に貫通形成してもよい。

また、前記余剰部における余剰材料の除去位置が、前記マニホールドの形成位置よりも外周側であることが望ましい。

本発明に係る射出成形品の成形方法によれば、製品形成部全体に成形品材料を均一に行き渡らせることができるとともに、成形品材料及びキャビティ内の空気や成形品材料にて生じるガスを製品形成部から余剰部あるいは凹部へ送り出して除去することができる。

これにより、製品の板厚のばらつきを極力抑え、高い板厚精度の高品質な成形品を成形することができる。

以下、本発明に係る成形方法及び射出成形機の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、燃料電池を構成するセパレータを示す斜視図である。

図１に示すように、例えば固体高分子型の燃料電池を構成するセパレータ１は、黒鉛（カーボンを含む）等の導電材料と熱可塑性樹脂（バインダ）との混合材料からなる導電性の成形品材料を射出成形することにより製造される。

このセパレータ１は、その表裏各面に複数の凸部２及び凹部３が形成され、これら複数の凸部２及び凹部３は、それぞれ一方向に延在されている。そして、このセパレータ１には、その一面側にＭＥＡが配設され、凹部３が、セパレータ１の一端側にセパレータ面方向と直交する方向に貫通形成されたマニホールド４と連通され、酸化ガスまたは水素ガスが流されるガス流路（流体流路）とされる。

また、このセパレータ１は、隣接する他の燃料電池を構成するセパレータ１と積層されて一体化され、互いのセパレータ１の凸部２の裏面側の凹部３によって囲われた部分が、冷却水等の冷媒が通される冷媒流路（流体流路）とされる。

次に、上記セパレータ１を成形する射出成形機について説明する。

図２は、本実施形態に係る射出成形機を説明する概略断面図、図３は、射出成形機による成形範囲を説明する図である。

図２に示すように、射出成形機１１は、固定金型１２及びこの固定金型１２に対して近接離間方向へ移動可能な可動金型１３を備えており、これら固定金型１２と可動金型１３との間に、成形空間であるキャビティ１６が形成される。

これら固定金型１２及び可動金型１３は、それぞれセパレータ１を成形する成形面１４、１５を有している。

固定金型１２は、その成形面１４の中央部に、成形品材料３１が射出される射出ゲート２１を有しており、また、成形面１４の周囲には、凹部２２が形成されている。

可動金型１３は、成形面１５の周囲に、余剰材料除去部２３を備えている。この余剰材料除去部２３は、成形面１５に対して固定金型１２側へ突出可能とされている。これら固定金型１２に対する可動金型１３の近接離間と、可動金型１３における余剰材料除去部２３の突没とは、不図示の駆動手段により実現される。

また、可動金型１３の成形面１５には、成形品材料３１の充填時に当該成形面１５からキャビティ１６内でセパレータ面方向と直交する方向に突出可能なマニホールド形成部２４が設けられている。

そして、上記射出成形機１１では、固定金型１２と可動金型１３とから形成されるキャビティ１６が、図３に示すように、固定金型１２及び可動金型１３の成形面１４、１５間の製品形状部Ａと、その周囲の凹部２２及び余剰材料除去部２３からなる余剰部Ｂとに区画される。

次に、上記射出成形機１１によってセパレータ１を成形する場合について説明する。

図４に示すように、まず、可動金型１３を固定金型１２側へ所定位置まで移動させ、可動金型１３と固定金型１２との間の樹脂の充填空間であるキャビティ１６を閉鎖し、射出ゲート２１からキャビティ１６内へ成形品材料３１を充填する。

この成形品材料３１は、主体となる導電性炭素素材に、バインダとなる熱可塑性樹脂を混入させたものである。

導電性炭素素材としては、例えば、黒鉛、カーボンファイバー、カーボンブラック、カーボンナノチューブ等が使用可能であり、また、熱可塑性樹脂としては、例えば、液晶ポリエステル（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等が使用可能である。なお、成形品材料３１のバインダとしては、熱硬化性樹脂も使用可能である。

ここで、この成形品材料３１は、キャビティ１６における製品形成部Ａの容積よりも多めに充填される。

そして、キャビティ１６への成形品材料３１の充填が完了したら、可動金型１３を固定金型１２側へ向かってさらに移動させることにより、型締めを行う。

このようにすると、図５に示すように、キャビティ１６内の成形品材料３１が成形面１４、１５によって押圧されてセパレータ１の板厚とされるとともに、キャビティ１６における製品形成部Ａの全体に広がり、その一部が、固定金型１２及び可動金型１３の各成形面１４、１５の外周側（面方向外側）の余剰部Ｂへはみ出す。

また、このとき、バインダとして使用する熱可塑性樹脂から生じるガスや金型内あるいは成形品材料３１に含まれている空気も余剰部Ｂへ押し出される。

次に、可動金型１３のマニホールド形成部２４を固定金型１２の成形面１４へ向かって突出させるとともに、余剰材料除去部２３を固定金型１２側へ突出させる。

このようにすると、図６に示すように、マニホールド形成部２４によって、製品形成部Ａ内の成形品材料３１にマニホールド４となる貫通孔が形成されるとともに、余剰材料除去部２３によって、余剰部Ｂにはみ出した余剰な成形品材料３１が固定金型１２の凹部２２内に押し込まれるようにしてせん断される。

その後、製品形成部Ａ内の成形品材料３１が冷却・硬化したら、可動金型１３を固定金型１２から離間させて型開し、製品形成部Ａ内にて成形されたセパレータ１を可動金型１２から離型させて取り出す。

以上、説明したように、上記実施形態によれば、キャビティ１６内に成形品材料３１を充填し、製品形成部Ａからその外周の余剰部Ｂへはみ出した成形品材料３１を除去するので、製品形成部Ａの全体に成形品材料３１を均一に行き渡らせることができるとともに、成形品材料３１及びキャビティ１６内の空気や成形品材料３１にて生じるガスを製品形成部Ａから余剰部Ｂへ送り出して除去することができる。

これにより、製品であるセパレータ１の板厚のばらつきを極力抑え、高い板厚精度の高品質なセパレータ１を成形することができる。

また、固定金型１２の成形面１４の中央に設けた射出ゲート２１からキャビティ１６内へ成形品材料３１を充填するので、製品形成部Ａへ、その中央から周囲に向かって満遍なく均一に成形品材料３１を行き渡らせることができる。

しかも、成形時にマニホールド形成部２４を突出させることにより、極めて容易にマニホールド４を同時に形成することができ、作業工程の削減を図り、セパレータ１の低コスト化を図ることができる。

なお、上記実施形態では、可動金型１３を、成形品材料３１がセパレータ１の板厚となるまで固定金型１２側へ移動させ、その後、マニホールド４の形成及び余剰部分の除去を行ったが、可動金型１３を、成形品材料３１がセパレータ１の板厚となる少し手前まで固定金型１２側へ移動させ、マニホールド４の形成及び余剰部分の除去を行い、その後、成形品材料３１がセパレータ１の板厚となるように、可動金型１３を固定金型１２側へ移動させて型締めを行っても良い。

また、上記実施形態では、可動金型１３の余剰材料除去部２３を、成形面１５と面一としたが、図７に示すように、成形面１５に対して余剰材料除去部２３を多少突出させても良い。

以下、このように、成形面１５に対して余剰材料除去部２３を多少突出させた可動金型１３を備えた射出成形機１１によってセパレータ１を成形する場合について説明する。

図８に示すように、まず、可動金型１３を固定金型１２側へ所定位置まで移動させ、可動金型１３と固定金型１２との間の樹脂の充填空間であるキャビティ１６を閉鎖する。このようにすると、可動金型１３の余剰材料除去部２３と固定金型１２の周縁との間に僅かな隙間が形成される。

この状態において、射出ゲート２１からキャビティ１６内へ成形品材料３１を、キャビティ１６における製品形成部Ａの容積よりも多めに充填する。

キャビティ１６への成形品材料３１の充填が完了したら、可動金型１３の成形面１５を固定金型１２の成形面１４側へ向かって移動させることにより、型締めを行う。

このようにすると、図９に示すように、キャビティ１６内の成形品材料３１が成形面１４、１５によって押圧されてセパレータ１の板厚とされるとともに、キャビティ１６における製品形成部Ａの全体に広がり、その一部がガスや空気とともに、可動金型１３の余剰材料除去部２３と固定金型１２との隙間から各成形面１４、１５の外周側の余剰部Ｂへはみ出す。

このようにすると、図１０に示すように、マニホールド形成部２４によって、製品形成部Ａ内の成形品材料３１にマニホールド４となる貫通孔が形成されるとともに、余剰材料除去部２３によって、余剰部Ｂにはみ出した余剰な成形品材料３１が固定金型１２の凹部２２内に押し込まれる。

そして、上記の場合も、気泡の残留などの不具合なく、高い板厚精度にてセパレータ１を成形することができる。また、製品形成部Ａから余剰部Ｂにつながる隙間が狭くされるので、製品形成部Ａにおける良好な加圧状態を確保することができ、より高い板厚精度のセパレータ１を成形することができる。

上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれに限定するものではなく、その要旨を逸脱しない限り各種構成部品を適宜設計することができる。例えば、上記実施形態のようにカーボン等の導電材料を主体にしてこれに樹脂材料を混合させてなるセパレータだけでなく、導電性の樹脂材料を主体にしたセパレータの成形にも適用することが可能である。

燃料電池を構成するセパレータを示す斜視図である。本実施形態に係る射出成形機を説明する概略断面図である。射出成形機による成形範囲を説明する図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。本実施形態の他の射出成形機を説明する概略断面図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。セパレータの成形の仕方を説明する射出成形機の概略断面図である。

符号の説明

１…セパレータ、４…マニホールド、１１…射出成形機、１２…固定金型（一方の金型）、１３…可動金型（他方の金型）、１６…キャビティ、２２…凹部、２３…余剰材料除去部、２４…マニホールド形成部（マニホールド形成手段、貫通孔形成手段）、３１…成形品材料、Ａ…製品形成部、Ｂ…余剰部

Claims

互いに近接離間される一対の金型間に形成されるキャビティに導電性を有する成形品材料を充填することにより、流体流路を有する燃料電池用セパレータを射出成形品として成形する方法であって、
前記射出成形品の外形に対応する製品形成部とその外周側に余剰材料を収容可能な余剰部とを有するキャビティの前記製品形成部から成形品材料を充填し、この成形品材料が前記製品形成部全体に行き渡って前記余剰部へはみ出した後に、この余剰部にはみ出した余剰材料を除去することを特徴とする射出成形品の成形方法。
前記キャビティへ充填する前記成形品材料を、前記製品形成部の中央にて充填することを特徴とする請求項１に記載の射出成形品の成形方法。
少なくとも一方の前記金型は、前記成形品材料の充填時に前記キャビティ内でセパレータ面方向と直交する方向に突出可能なマニホールド形成手段を有し、
該マニホールド形成手段を突出させることにより、前記流体流路と連通するマニホールドを前記セパレータ面方向と直交する方向に貫通形成する工程を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の射出成形品の成形方法。
前記余剰部における余剰材料の除去位置が、前記マニホールドの形成位置よりも外周側であることを特徴とする請求項３に記載の射出成形品の成形方法。