JP5278672B2 - 燃料電池のセパレータの製造装置、その制御方法、および燃料電池のセパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池のセパレータの製造装置、その制御方法、および燃料電池のセパレータの製造方法に関し、特に、第１板状部材と第２板状部材との間に中間板状部材と樹脂部材とが配置され、該樹脂部材によって溶着され積層されており、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置とこの製造装置の制御方法、および、第１板状部材と第２板状部材との間に中間板状部材と樹脂部材とを配置し、該樹脂部材を溶融させ加圧することにより前記第１板状部材および第２板状部材と中間板状部材とを積層して接着し、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造する方法に関するものである。

一般に、燃料電池は、複数のセルを積層することにより構成されている。積層されたセルは、エンドプレートの間で荷重が掛けられ、所定の加圧力が付与された状態で挟持されている。各セルの電極部構成部品としては、電解質膜の両面に電極層を設けてなるＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極アセンブリ）と、ＭＥＡの両側に配置されたガス拡散層と、ガス拡散層へガスをそれぞれ流通させる多孔体とを含んでおり、これらの燃料電池構成部品はセパレータにより挟持されている。ＭＥＡとその両側に配置されたガス拡散層とにより構成される部材は、一般にＭＥＧＡと呼ばれる。

燃料電池のなかには、各セルが燃料電池構成部品の一方の面にセパレータを積重して構成されており、複数のセルを積層することにより、燃料電池構成部品がそのセルのセパレータと隣接する他のセルのセパレータとの間で挟持されるよう構成されたものがある。各セルには、反応ガスや冷却媒体を隣接する他のセルとの間で流通させるマニホールドを構成するためにガスケットが設けられる。

燃料電池のセパレータのなかには、特許文献１に開示されているように、その内部に反応ガスや冷却媒体を流通させるための流路を有するものがある。このようなセパレータは、一般に図１１および図１２に示すように、第１プレート１を構成するカソードプレートとアノードプレートのいずれか一方と、第２プレート２を構成するカソードプレートとアノードプレートのいずれか他方との間に、中間プレート３と樹脂部材４を挟んでなる、所謂三層構造で構成されている。中間プレート３には、各セルに反応ガスや冷却媒体を分配して流通させるための流路をセパレータの内部に形成するための溝または孔が設けられており、第１プレート１と第２プレート２には中間プレート３の溝または孔の端部と対応してマニホールド孔が設けられている。また、樹脂部材４として、フレーム状の樹脂シート材がその窓に中間プレート３を収容した状態で第１プレート１と第２プレート２に熱圧着され、第１プレート１と第２プレート２に挟まれた中間プレート３を囲繞してシールすると共に、第１プレート１と第２プレート２を一体に保持している。さらに、セパレータには、そのマニホールド孔の周囲を取り囲むようにして形成され隣接するセルのセパレータに当接されるガスケットが設けられており、反応ガスや冷却媒体を隣接するセルの間で流通させるためのマニホールドを構成している。

このように構成されたセパレータを製造するために、特許文献１には、「３枚のプレートは重ね合わせて、ホットプレスすることにより接合される。」などと記載されている（００２５）。すなわち、所謂三層構造のセパレータを構成するための従来のとしては、第１プレート１と第２プレート２との間に中間プレート３と樹脂部材４を配置して、平面に形成されたプレス型２００の加圧面２００ａ、２００ｂにより加熱すると共に加圧して、樹脂部材４を溶融させ、樹脂部材４が固化することにより第１プレート１と第２プレート２とに接着していた。なお、セパレータの製造時（樹脂部材４の熱圧着時）には、第１プレート１と第２プレート２との間に中間プレート３が位置した状態で、平面状のプレス型２００の加圧面２００ａ、２００ｂによって加圧されるため、図１３の(ａ)に示すように、樹脂シート材４の厚さは、中間プレート３の厚さと同じとなる。

ここで、複数のセルを積層しその積層方向に所定の荷重をかける燃料電池にあっては、セルによって厚さが異なると、各セルに設定された荷重をかけることができなくなる。そのため、各セルを構成するセパレータは、厚さを精度よく製造することが要求される。また、セパレータの厚さが部分的に異なると、その表面が平坦でなくなることから、その表面に成形されたガスケットが隣接する他のセルのセパレータの正しい位置に正しい姿勢で当接されなくなり、ガスケットと隣接する他のセルのセパレータとの間のシール性を確保できなくなる。そのため、各セルを構成するセパレータは、全面にわたって均等な厚さで精度よく製造することが要求される。

特開２００６−１６４７６５号公報

しかしながら、上述したように平面状のプレス型の加圧面によって樹脂シート材を熱圧着させる従来の技術にあっては、樹脂部材４の厚さは、図１３の(ａ)に示すように熱圧着が完了した時点では中間プレート３の厚さと同じであっても、図１３の(ｂ)に示すようにその後室温に冷却され固化したときに収縮する。そのため、第１プレート１と第２プレート２の樹脂部材４と対応する部分が特に変形し、セパレータの厚さを全面にわたって精度よく製造することが困難であった。

また、燃料電池においては、たとえば３００〜４００枚など、多数のセルを積層することにより構成されている。そのため、各セルを構成するセパレータを効率よく製造する必要があるが、平面状の加圧面２００ａ、２００ｂを有するプレス型２００を使用する従来の技術の場合では、樹脂部材４が溶融してから固化するまでに時間がかかるため、セパレータの製造サイクルを短縮することができないという問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、セパレータを精度よく且つ効率よく製造することができる装置と、その制御方法、および、方法を提供することを目的とする。

請求項１の燃料電池のセパレータの製造装置に係る発明は、上記目的を達成するため、第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置であって、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部と、を有する加圧部材を備えていることを特徴とする。
また、請求項４の燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法に係る発明は、上記目的を達成するため、一対の回転ローラを有しており、第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートとその周囲を囲繞するフレーム状の樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着させるための内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置において、回転ローラに、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部とを予め形成されると共に、回転ローラが互いの間隔を変更可能に予め支持されてなる燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法であって、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することにより、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートおよび樹脂部材を積層し溶着することを特徴とするものである。
さらに、請求項５の燃料電池のセパレータの製造方法に係る発明は、上記目的を達成するため、第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造する方法であって、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧すると共に、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧することを特徴とするものである。

請求項１の燃料電池のセパレータの製造装置に係る発明によれば、熱圧着する加圧部材が、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部と、を有しているという簡単な構成により、樹脂部材が溶融したときの厚さを中間プレートの厚さよりも厚くなるように加圧し、その後の固化したときに収縮して中間プレートと略同じ厚さとなるように適切な厚さに成形されるため、セパレータを精度よく且つ効率よく製造することができる装置を提供することができる。
また、請求項４の燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法に係る発明によれば、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することにより、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートおよび樹脂部材を積層し溶着するという簡単な構成により、厚さが変わることがない定寸構造体である中間プレートを基準として、中間プレートと樹脂部材を正確に回転ローラの凸部と凹部によってそれぞれ正確に所定の厚さとなるよう加圧することができるため、セパレータを連続して精度よく順次製造することができ、したがって、セパレータを効率よく製造することができる。
さらに、請求項５の燃料電池のセパレータの製造方法に係る発明によれば、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧すると共に、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧するという簡単な構成により、樹脂部材が溶融してから固化したときに適切な厚さに成形することができるため、セパレータを精度よく且つ効率よく製造することができる方法を提供することができる。

（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（２）項が請求項２に相当し、（５）項が請求項３に相当し、（６）が請求項４に相当し、（７）項が請求項５に相当する。

（１） 第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置であって、
第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、
第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部と、
を有する加圧部材を備えていることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造装置。

（１）項の発明では、熱圧着する加圧部材が、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部と、を有しているという簡単な構成により、樹脂部材が溶融してから固化したときに適切な厚さに成形されるため、セパレータを精度よく且つ効率よく製造することができる。

（２） 加圧部材が、一対からなる回転ローラの少なくとも一方により構成されていることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。

(２)項の発明では、(１)項に記載の発明において、加圧部材が、一対からなる回転ローラの少なくとも一方により構成されていることにより、セパレータが連続して順次製造されるため、したがって、セパレータを効率よく製造することができる。

（３） 加圧部材を構成する回転ローラの前段に、第１プレートと第２プレートとの間に配置された樹脂部材を加熱する加熱手段を備えていることを特徴とする(２)項に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。

(３)項の発明では、(２)項に記載の発明において、加圧部材を構成する回転ローラの前段に、第１プレートと第２プレートとの間に配置された樹脂部材を加熱する加熱手段を備えていることにより、樹脂部材を適切に溶融した状態で短時間でその収縮量を見込んだ厚さまで加圧することができ、したがって適切な厚さに樹脂部材を成形することができる。

（４） 加圧部材を構成する回転ローラの後段に、第１プレートと第２プレートとの間に配置された樹脂部材を冷却する冷却手段を備えていることを特徴とする(２)項または(３)項に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。

（４）項の発明では、(２)項または(３)項に記載の発明において、加圧部材を構成する回転ローラの後段に、第１プレートと第２プレートとの間に配置された樹脂部材を冷却する冷却手段を備えていることにより、溶融した樹脂部材を中間プレートと同じ厚さまで適切に短時間で収縮させて安定させることができる。

（５） 加圧部材が、間に中間プレートと樹脂部材が配置された第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方に積重されて、プレス装置の間に挿入される板状の治具により構成されていることを特徴とする（１）項に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。

（５）の発明では、(１)項に記載の発明において、加圧部材が、間に中間プレートと樹脂部材が配置された第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方に積重されて、プレス装置の間に挿入される板状の治具により構成されていることにより、セパレータを精度よく製造することができる。

（６） （２）項に記載の装置の制御方法であって、
第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、
回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することにより、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートおよび樹脂部材を積層し溶着することを特徴とする燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法。

(６)項の発明では、一対の回転ローラを有しており、第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートとその周囲を囲繞するフレーム状の樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着させるための内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置において、
回転ローラに、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部とを予め形成されると共に、回転ローラが互いの間隔を変更可能に予め支持されてなる燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法であって、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することにより、厚さが変わることがない定寸構造体である中間プレートを基準として、中間プレートと樹脂部材を正確に回転ローラの凸部と凹部によってそれぞれ正確に所定の厚さとなるよう加圧することができるため、セパレータを連続して精度よく順次製造することができ、したがって、セパレータを効率よく製造することができる。

（７） 第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造する方法であって、
第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧すると共に、
第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧することを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。

(７)項の発明では、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧すると共に、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧するという簡単な構成により、樹脂部材が溶融してから固化したときに適切な厚さに成形することができるため、セパレータを精度よく且つ効率よく製造することができる方法を提供することができる。

（８） 第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートとその周囲を囲繞するフレーム状の樹脂部材を配置し一対の回転ローラにより熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着させるための内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造する方法であって、
回転ローラに、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部とを予め形成しておくと共に、
回転ローラを互いの間隔が変更可能に予め支持しておき、
第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することを特徴とする燃料電池のセパレータを製造する方法。

（８）項の発明では、回転ローラに凸部と凹部とを予め形成しておくと共に、回転ローラを互いの間隔が変更可能に予め支持しておき、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧するこという簡単な構成により、厚さが変わることがない定寸構造体である中間プレートを基準として、中間プレートと樹脂部材を正確に回転ローラの凸部と凹部によってそれぞれ正確に所定の厚さとなるよう加圧することができるため、セパレータを連続して精度よく順次製造することができ、したがって、セパレータを効率よく製造することができる。

最初に、本発明の燃料電池のセパレータを製造するための装置の実施の一形態を、図１および図２に基づいて詳細に説明する。なお、図において同じ符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明の燃料電池のセパレータの製造装置は、概略、第１プレート１と第２プレート２との間に、中間プレート３と樹脂部材４を配置し熱圧着して、中間プレート３を挟持した第１プレート１と第２プレート２とを樹脂部材４で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するためのもので、第１プレート１と第２プレート２との間に配置された樹脂部材４を加熱する加熱手段５と、中間プレート３と溶融された樹脂部材４が間に配置された第１プレート１および第２プレート２を加圧する加圧部材として一対の回転ローラ６，７と、第１プレート１と第２プレート２との間に配置され加圧された樹脂部材４を冷却する冷却手段８とが順次配列されており、回転ローラ６，７の少なくとも一方には、第１プレート１および第２プレート２の少なくとも一方の中間プレート３と対応する部分を、第１プレート１および第２プレート２と中間プレート３とが接合する厚さまで加圧する凸部９と、第１プレート１および第２プレート２の少なくとも一方の樹脂部材４と対応する部分を、樹脂部材４の溶融時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部１０とが形成されており、回転ローラ６，７はアクチュエータ１１によって支持されて互いの間隔が変更可能となっている。

この実施の形態で製造されるセパレータは、図１１に示した平面図および図１２に示した断面図のように、第１プレート１として、アノードプレートとカソードプレートのいずれか一方と、第２プレート２として、アノードプレートとカソードプレートのいずれか他方との間の略中央に中間プレート３が配置される。そして、樹脂部材４は、中間プレート３の厚さよりも僅かに厚いシート状またはフィルム状のもので、中間プレート３の周囲を取り囲み収容するように略中央に貫通する窓が設けられたフレーム状に形成されている。

この実施の形態における加熱手段５は、一対からなる加熱ローラ１５を複数対配列してなるもので、加熱ローラ１５はたとえば、電流を印加されることにより発熱するヒータが内蔵され、あるいは、所定の温度に加熱された油などの温調流体を循環供給する温調流路が内部に形成されている。樹脂部材４は、中間プレート３を取り囲むようにして第１プレート１と第２プレート２との間に配置され、加熱ローラ１５の間で搬送されることにより、所定の温度に加熱され、溶融して変形可能な状態となる。

この実施の形態における冷却手段８は、一対からなる冷却ローラ１６を複数対配列してなるもので、冷却ローラ１６はたとえば、所定の温度のガスが表面に吹き付けられ、あるいは、所定の温度に冷却された水などの温調流体を循環供給する温調流路が内部に形成されている。第１プレート１と第２プレート２との間で溶融され後述するように加圧された樹脂部材４は、冷却ローラ１６間で搬送されることにより、所定の温度に冷却され、固化して収縮した状態となる。

図１に示した実施の形態では、下方に位置する回転ローラ７は、周面が滑らかに形成されている。一方、図２に示すように、上方に位置する回転ローラ６は、その周面の幅方向中央に、中間プレート３の搬送方向長さと略同じ長さおよび中間プレート３の搬送方向に対する幅と同じ長さを有する相対的に突出した凸部９が形成されている。したがって、上方の回転ローラ６の周面において凸部９が形成されていない部分は相対的に凹部１０となっている。凸部９と凹部１０の高低差（回転ローラ７の周面の径の差）は、樹脂部材４が溶融した状態から固化したときの収縮する厚さに設定される。回転ローラ６は、その周長が、樹脂部材４によって溶着される第１プレート１と第２プレート２の搬送方向の長さ以上となるように、径が設定されている。そして、下方の回転ローラ７と上方の回転ローラ６は、相対的に近接および遠退移動することができるよう、その回転軸がアクチュエータ１１（図４〜図７を参照）によりそれぞれ支持されており、また、その凸部９の端部を樹脂部材４の窓に収容された中間プレート３の端部と位置合わせができるように、任意の回転位相に回転することができ、且つ、その回転位相を検出することができるように構成されている。なお、本発明は、一対の回転ローラ６，７の一方６のみに凸部９および凹部１０を形成することに限定されることはなく、図４〜図７に参照されるように、上方および下方の双方の回転ローラ６，７に凸部９および凹部１０をそれぞれ形成することもできる。この場合においては、各回転ローラ６，７の凸部９と凹部１０の高低差は、樹脂部材４が溶融した状態から固化したときの収縮する厚さのおおよそ半分に設定される。さらに、回転ローラ６，７の近傍には、中間プレート３および樹脂部材４が間に積重された第１および第２プレート１，２が加熱手段５から所定の位置（後述する）に搬送されたことを検知するセンサ１２が設けられている。

次に、本発明の燃料電池のセパレータの製造方法の実施の一形態を、上述したように構成された本発明の製造装置を使用する場合により、その装置の制御方法と共に説明する。なお、以下においては、図４〜図７に示したように、上述した装置が上下に位置する一対の回転ローラ６，７の双方に凸部９および凹部１０をそれぞれ形成した場合で説明する。
本発明の燃料電池のセパレータの製造方法は、概略、第１プレート１と第２プレート２との間に、中間プレート３とその周囲を囲繞するフレーム状の樹脂部材４を配置し、一対の回転ローラ６，７により熱圧着して、中間プレート３を挟持した第１プレート１と第２プレート２とを樹脂部材４で溶着させることにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するためのもので、第１プレート１および第２プレート２の少なくとも一方の中間プレート３と対応する部分を、第１プレート１および第２プレート２と中間プレート３とが接合する厚さまで加圧すると共に、第１プレート１および第２プレート２の少なくとも一方の樹脂部材４と対応する部分を、樹脂部材４の溶融時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧するものである。

また、本発明のセパレータ製造装置の制御方法は、概略、セパレータ製造装置が、第１プレート１と第２プレート２との間に、中間プレート３とその周囲を囲繞するフレーム状の樹脂部材４を配置し熱圧着して、中間プレート３を挟持した第１プレート１と第２プレート２とを樹脂部材４で溶着させて、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するためのものであり、一対の回転ローラ６，７を有しており、この回転ローラ６，７の少なくとも一方に、第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレート３と対応する部分を、第１プレート１および第２プレート２と中間プレート３とが接合する厚さまで加圧する凸部９と、第１プレート１および第２プレート２の少なくとも一方の樹脂部材４と対応する部分を、樹脂部材４の溶融時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部１０とが予め形成されると共に、回転ローラ６，７が互いの間隔を変更可能に予め支持されてなるものである場合の、その制御方法であって、第１プレート１と第２プレート２との間に中間プレート３と樹脂部材４とを配置して、回転ローラ６，７の少なくとも一方に形成された凸部９の端部と中間プレート３の搬送方向端部とを位置合わせし、間に中間プレート３と樹脂部材４とが配置された第１プレート１と第２プレート２を加圧するよう回転ローラ６，７を相対的に近接させて回転させるものである。

セパレータを製造するに先立って、図４に示すように、回転ローラ６，７は、アクチュエータ１１の駆動によって搬送経路から退避しており、その凸部９の回転方向先端縁が搬送経路に対して鉛直線上であって搬送経路に近接して位置するよう回転位相が調整されている。また、センサ１２は、第１および第２プレート１，２の間に積重された中間プレート３の搬送方向先端縁が回転ローラ６，７の各凸部９の回転方向先端縁と対応して位置するよう搬送されたときに、かかる第１および第２プレート１，２の先端縁を検知するよう配設されている。

セパレータを製造するに際しては、第１および第２プレート１，２の間に中間プレート３と樹脂部材４を積重して、加熱手段５の加熱ローラ１５により搬送し、第１および第２プレート１，２の間に積重された樹脂部材４を加熱して溶融させ、変形可能な状態とする。この状態で間に中間プレート３と樹脂部材４が積重された第１および第２プレート１，２をさらに搬送して、この実施の形態の場合、両回転ローラ６，７の間に進行させる。

図４に示すように、間に中間プレート３と樹脂部材４とが配置された第１プレート１と第２プレート２を加圧するに際しては、アクチュエータ１１の駆動によって回転ローラ６，７が搬送経路から退避した状態とされており、回転ローラ６，７の回転位相は、その凸部９の回転方向先端縁がそれぞれ搬送経路に対して鉛直線上であって搬送経路に近接する位置となった状態とされている。図３の(ａ)に示すように、このときの第１プレート１と第２プレート２の間に積重された樹脂部材４は、中間プレート３の厚さよりもわずかに厚く成形されている。加熱手段５によって樹脂部材４が溶融された状態で第１および第２プレート１，２の搬送方向先端縁が所定の位置まで搬送されたことをセンサ１２が検知すると、第１および第２プレート１，２の搬送を停止させる。このとき、第１および第２プレート１，２の間に積重された中間プレート３の搬送方向先端縁は、それぞれ搬送経路に対して鉛直線上であって搬送経路に近接して位置している回転ローラ６，７の凸部９の回転方向先端縁と対応するよう位置合わせされることとなる。

次いで、図５に示すように、アクチュエータ１１を駆動して回転ローラ６，７を互いに近接移動させる。回転ローラ６，７の凸部９の回転方向先端縁は、第１および第２プレート１，２の中間プレート３の搬送方向先端縁と対応する位置に位置合わせされているため、かかる位置を正確に加圧することができる。続いて、図６に示すように、回転ローラ６，７を搬送方向の回転に対して逆転させて、その凹部１０により第１および第２プレート１，２の、センサ１２に検知された搬送方向先端縁から中間プレート３の搬送方向先端縁と対応する位置を加圧する。その後、図７に示すように回転ローラ６，７を搬送方向に順回転させると、図３の(ｂ)に示したように、第１および第２プレート１，２の、中間プレート３と対応する位置全体が回転ローラ６，７の凸部９によって加圧されて、中間プレート３とこれに対応する範囲の第１および第２プレート１，２とが接することとなり、また、中間プレート３と対応する位置の周囲に位置する樹脂部材４と対応する位置全体が回転ローラ６，７の凹部１０によって加圧されて、中間プレート３の厚さに樹脂材料４が固化するときに見込まれる収縮量を加えた厚さに樹脂部材４が成形される。このとき、図２に示したように、加圧によって厚さが変わることがない定寸構造体である中間プレート３と対応する位置の第１および第２プレート１，２を回転ローラ６，７の凸部９が加圧し、かかる中間プレート３の厚さを基準として、回転ローラ６，７が転動してその凹部１０により第１および第２プレート１，２の樹脂部材４と対応する部分を加圧するため、中間プレート３の厚さ自体に誤差があっても、中間プレート３の厚さに樹脂部材４の収縮量を加えた厚さに確実に且つ精度よく樹脂部材４を成形することができる。

その後、アクチュエータ１１の駆動により回転ローラ６，７を互いに離間させるよう退避移動させ、次いで、冷却手段８の冷却ローラ１６により搬送し、第１および第２プレート１，２の間に積重された樹脂部材４をたとえば室温程度まで冷却して固化させる。これにより、樹脂部材４が中間プレート３の周囲を取り囲むようにシールすると共に第１および第２プレート１，２の間に溶着されて積層されることとなる。このとき、樹脂部材４は、冷却されることにより収縮し、厚さが減少することとなる。しかしながら、本発明では樹脂部材４を溶融させて加圧するときに、図３の(ｂ)に示したように、中間プレート３の厚さに樹脂部材４の冷却時の収縮に伴う厚さの減少量を加えた厚さとなるまで加圧するため、冷却したときには、図３の(ｃ)に示すように、樹脂部材４が中間プレート３の厚さと略同じ厚さとなり、したがって、全体に均一の厚さを有するセパレータを確実に短時間で製造することができる。

本発明では、第１プレート１および第２プレート２の間に中間プレート３と樹脂部材４を重合して回転ローラ６，７によって順次加圧することにより、短時間で大量に製造することができる。そのため、セパレータを効率よく製造することができる。

次に、本発明の燃料電池のセパレータの製造装置の第２の実施の形態を、図８〜図１０に基づいて詳細に説明する。なお、上述した実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみ説明することとする。
上述した第１の実施の形態においては、回転ローラ６，７の周面に凸部９と凹部１０が形成されていたのに対し、この実施の形態においては、加圧部材として、板状の治具６’に凸部９と凹部１０が一体に形成されている。

図８に示すように、板状の治具６’は、全体が第１および第２プレート１，２よりも大きく成形されており、その略中央には、周囲に対して相対的に突出する凸部９が中間プレート３と対応する大きさで形成されている。すなわち、凸部９の周囲は相対的に凹部１０を構成している。凸部９と凹部１０の高低差は、樹脂部材４が溶融した状態から固化したときの収縮する厚さに設定される。治具６’は、第１および第２プレート１，２よりも大きい板材の一方の面に凸部９と対応する板材を固着することなどにより構成することができ、また、凸部９の厚さ以上の板厚を有する板材を用意して、かかる板材を切削など除去加工して凹部１０を形成することにより構成することもできる。なお、図９および図１０に示した実施の形態においては、間に中間プレート３と樹脂部材４が積重された第１および第２プレート１，２の、一方の面のみに上述した凸部９と凹部１０を有する治具６’を積重し、他方の面には平面状の治具７’を積重する場合を示したが、本発明は、この実施の形態に限定されることはなく、間に中間プレート３と樹脂部材４が積重された第１および第２プレート１，２の両面に凸部９と凹部１０を有する治具６’，７’を積重するよう構成することもできる。この場合においては、各治具６’、７’の、周囲の凹部１０に対する凸部９の高低差は、樹脂部材４が溶融した状態から固化したときの収縮する厚さのおおよそ半分にそれぞれ設定される。

次に、以上のように構成された治具６’、７’の使用方法を、その作動と共に図９および図１０に基づいて説明する。
セパレータを製造するに先立っては、図９に示すように、加圧プレス２０と冷却プレス２１が用意される。加圧プレス２０は、上プレス盤２０ａと下プレス盤２０ｂとを備えており、両プレス盤２０ａ、２０ｂの互いに対向するプレス面は、平面状に形成されている。両プレス盤２０ａ、２０ｂの内部には、電流を印加することにより発熱するヒータが内蔵され、あるいは、所定の温度に加熱された油などの温調流体を循環供給する温調流路が内部に形成されている。また、冷却プレス２１は、上プレス盤２１ａと下プレス盤２１ｂとを備えており、両プレス盤２１ａ、２１ｂの互いに対向するプレス面は、平面状に形成されている。両プレス盤２１ａ、２１ｂの内部には、所定の温度の冷媒や、あるいは、所定の温度に冷却された水などの温調流体を循環供給する温調流路が内部に形成されている。

セパレータを製造するに際しては、図９の左方に示すように、この実施の形態においては、間に中間プレート３と樹脂部材４が積重された第１および第２プレート１，２の一方の面に上述した凸部９と凹部１０を有する治具６’を積重し、他方の面には平面状の治具７’を積重する。そして、加熱プレス２０の上プレス盤２０ａと下プレス盤２０ｂのプレス面の間に配置して型閉じすると、図１０に示すように、治具６’の凸部９によって第１プレート１と第２プレート２の少なくとも一方の中間プレート３と対応する部分が加圧されて、中間プレート３に第１および第２プレート１，２が接することとなる。また、樹脂部材４は、加熱プレス２０内で加熱されることによって変形可能に溶融され、治具６’の凹部１０によって第１プレート１と第２プレート２の樹脂部材４と対応する部分が加圧され所定の厚さに成形される。治具６’は、加圧により厚さが変わることがない定寸構造体である中間プレート３を凸部９により加圧した状態であるため、この中間プレート３の厚さを基準として樹脂部材４を凹部１０が加圧するため、中間プレート３の厚さ自体に誤差が生じている場合であっても、正確に中間プレート３の厚さに樹脂部材４の固化時の収縮厚さを加えた厚さに樹脂部材４を成形することができる。そして、治具６’の凸部９と凹部１０が一体に成形されているため、第１プレート１と第２プレート２の中間プレート３と樹脂部材４とに対応する部分をずれることなく正確にそれぞれ加圧して所定の厚さに成形することができる。

このように治具６’，７’の間で加圧された所定の厚さとなった樹脂部材４と中間プレート３を挟持した第１および第２プレート１，２は、加熱プレス２０を型開きして取り出された後に、図９の左方に示すように、治具６’，７’が積重されたままの状態で、隣接する冷却プレス２１の上プレス盤２１ａと下プレス盤２１ｂのプレス面の間に配置され、冷却プレス２１を型閉じすることにより冷却される。これにより樹脂部材４は、固化に伴って収縮し厚さが減少し、図３の(ｃ)に示したように、中間プレート３と略同じ厚さとなる。

なお、この実施の形態においては、治具６’，７’の成形が容易であるため、セパレータを試作する場合や、少量のセパレータを製造する場合に有効である。

本発明のセパレータ製造装置の実施の一形態を示す概念図である。 図１に示した回転ローラにより加圧した状態の説明図である。 本発明によりより間に中間プレートと樹脂部材とが配置された第１プレートと第２プレートとが加圧され、樹脂部材が収縮する状態を示す説明図である。 本発明のセパレータ製造装置の制御方法において、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせした状態を示す説明図である。 図４の状態から回転ローラを互いに近接させた状態を示す説明図である。 図５の状態から回転ローラを逆転させて、その凹部により第１および第２プレートの搬送方向先端縁から中間プレートの搬送方向先端縁と対応する位置を加圧した状態を示す説明図である。 図６に示した状態から回転ローラを回転させて、間に中間プレートと樹脂部材とが配置された第１プレートと第２プレートとを加圧した状態を示す説明図である。 本発明の治具を示す底面図または平面図である。 図８に示した治具を用いてセパレータを製造する場合の説明図である。 図９に示した加圧プレスが治具を介して間に中間プレートと樹脂部材とが配置された第１プレートと第２プレートとを加圧した状態を示す説明図である。 セパレータの一例を示す平面図である。 図１１の断面図である。 従来の技術により間に中間プレートと樹脂部材とが配置された第１プレートと第２プレートとが加圧され、樹脂部材が収縮する状態を示す説明図である。

符号の説明

１：第１プレート、 ２：第２プレート、 ３：中間プレート、 ４：樹脂部材、 ５：加熱手段、 ６：回転ローラ、 ７：回転ローラ、 ８：冷却手段、 ９：凸部、 １０：凹部、 ６’：治具、 ７’：治具、 ２０：加圧プレス、 ２１：冷却プレス

Claims (5)

1. 第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造するための装置であって、
   第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧する凸部と、
   第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧する凹部と、
   を有する加圧部材を備えていることを特徴とする燃料電池のセパレータの製造装置。
2. 加圧部材が、一対からなる回転ローラの少なくとも一方により構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。
3. 加圧部材が、間に中間プレートと樹脂部材が配置された第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方に積重されて、プレス装置の間に挿入される板状の治具により構成されていることを特徴とする請求項１項に記載の燃料電池のセパレータの製造装置。
4. 請求項２に記載の装置の制御方法であって、
   第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートと樹脂部材とを配置して、回転ローラに形成された凸部の端部と中間プレートの端部とを位置合わせし、
   回転ローラを相対的に近接させ回転させてその間で加圧することにより、第１プレートと第２プレートとの間に中間プレートおよび樹脂部材を積層し溶着することを特徴とする燃料電池のセパレータの製造装置の制御方法。
5. 第１プレートと第２プレートとの間に、中間プレートと樹脂部材を配置し熱圧着して、中間プレートを挟持した第１プレートと第２プレートとを樹脂部材で溶着することにより、内部に流体流路が形成された燃料電池のセパレータを製造する方法であって、
   第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の中間プレートと対応する部分を、第１プレートおよび第２プレートと中間プレートとが接合する厚さまで加圧すると共に、
   第１プレートおよび第２プレートの少なくとも一方の樹脂部材と対応する部分を、樹脂部材の溶着時から固化するときの収縮量を見込んだ厚さまで加圧することを特徴とする燃料電池のセパレータの製造方法。

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