JP5424637B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの重要な特性である厚さ精度や面精度を向上させることのできる燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。

燃料電池は、燃料ガスと酸化ガスとの反応により、電気エネルギ及び熱エネルギを得る電池である（特許文献１、２、３参照）。この燃料電池は、例えば固体高分子型燃料電池を例に説明すると、複数の単セルが積層してスタックされることにより、所定の出力を発生させる。

各単セルは、図示しないが、固体電解質膜がガス拡散電極であるアノードとカソードとに挟持され、これらが相対向する一対の燃料電池用セパレータにより外側から挟持されることにより構成される。各燃料電池用セパレータは、基本的には所定の成形材料を使用して平面矩形の板に成形され、例えば中央部の表面に、水素ガス等からなる燃料ガス流路が凹凸の溝に形成されるとともに、中央部の裏面には、酸素ガスや空気等の酸化剤流路が凹凸の溝に形成されており、中央部の周囲の平坦な周縁部には、シリコーンゴム、ＥＰＤＭ、フッ素ゴム等により、ガス漏れ防止のシールパッキンが形成される。

燃料電池用セパレータの成形材料は、例えば所定の樹脂（例えば熱可塑性樹脂）と導電性フィラーとが混合して調製され、導電性フィラーの混合比が質量比で熱可塑性樹脂の２〜５倍の量とされる。また、燃料電池用セパレータの中央部、すなわち、流路の単位投影面積当たりの質量は、周縁部の単位投影面積当たりの質量よりも小さいのが一般的である。

ところで、燃料電池用セパレータに求められる特性としては、燃料ガスや酸化剤ガスを透過させないガス不透過性、導電性、低不純物性、組立上必要な機械的強度、厚さ精度、面精度等があげられるが、これらの中でも、電極との接触面積を確保して接触圧力を均一にし、しかも、燃料ガスや酸化剤ガスの漏れを防止する観点から面精度が厚さ精度と共に重要となる。この面精度は、１枚の燃料電池用セパレータ厚さの最大値から最小値を引いた値であり、この値が大きい場合、すなわち、精度が悪い場合には、シールパッキンの経時的な劣化と相俟ってガス漏れの原因となるので、値が小さいほど良い。

上記に鑑み、従来においては、燃料電池用セパレータの面精度を向上させるべく、様々な成形材料投入方式が提案されている（特許文献４、５参照）が、燃料電池用セパレータの凹凸の中央部と平坦な周縁部とを成形する成形材料の投入量を必要に応じて調整していないので、十分な面精度を得ることができないという問題があった。

これは、成形材料に導電性フィラーが大量に混合され、成形材料の流動性が低いので、燃料電池用セパレータの周縁部の成形量に応じた量の成形材料を単に投入すると、燃料電池用セパレータの中央部を成形する成形材料の投入量が過大となり、中央部が厚くなるからである。逆に、燃料電池用セパレータの中央部の成形量に応じた量の成形材料を単に投入すると、燃料電池用セパレータの周縁部を成形する成形材料の投入量が過少となり、周縁部が薄くなったり、未充填部が生じるからである。
特開２００７‐２９４１３６号公報 特開２００７‐２２０４３０号公報 特開２００４‐２３５１３７号公報 特許第３３５６７２８号公報 特許第３９００９４７号公報

上記に鑑み、ポリフェニレンスルフィドに人造黒鉛を混合した成形材料を金型の下型に計量充填して均一にならし、流路を成形する金型の成形部の成形材料を掻き取り、調整後に成形する方法が提案されている（特開２００８‐７８０２３号公報参照）。しかしながら、この方法を採用する場合には、成形材料の投入後の平坦化や掻き取りという２度の調整作業を強いられることとなる。また、金型内で成形材料を粉末のまま処理するので、成形材料の嵩密度が小さく、下型の深さを深くする必要があり、結果的に金型の総厚が厚くなるので、成形時の冷却に長時間を要して生産性の低下を招くという問題がある。

また、熱可塑性樹脂ではなく、フェノール樹脂からなる熱硬化性樹脂を成形材料としてタブレット（中間品）を予備成形し、燃料電池用セパレータの中央部と周縁部との質量の比率を調整する方法も提示されている（特開２００４‐２３５１３７号公報参照）が、この方法の場合には、熱硬化性樹脂を使用するので、成形後の未硬化部の残留や副生成物の発生等により、不純物が燃料電池用セパレータ内に残留し、燃料電池の経時的な性能低下の原因となる。この不具合を解消するには、燃料電池用セパレータを後加熱したり、洗浄して二次処理すれば良いが、そうすると、生産効率が低下するおそれがある。

本発明は上記に鑑みなされたもので、熱可塑性樹脂を含む成形材料を使用して燃料電池用セパレータの面精度と作業性とを向上させることのできる燃料電池用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。

本発明においては上記課題を解決するため、熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを含む成形材料を予備成形金型で予備圧縮成形し、その後、流路を備えた燃料電池用セパレータを成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
キャビティを有し、そのキャビティの内部には、減圧用の真空ポンプに接続される減圧路が分岐形成されているとともに、燃料電池用セパレータの流路を成形する複数の凸部が設けられている予備成形金型を用い、
熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを質量比１：２〜１：６で混合することにより、粉末の成形材料を調製し、
粉末の成形材料に減圧した予備成形金型を上方から下向きに密着させ、この予備成形金型のキャビティ内部に成形材料を吸い上げて圧縮充填し、予備成形金型の下面から食み出た成形材料を除去して平坦化するとともに、成形材料を加熱して予備圧縮成形することにより、タブレットを形成し、
タブレットを予備成形金型から脱型して本成形金型にセットし、タブレットを加熱圧縮成形することを特徴としている。

ここで、特許請求の範囲における予備圧縮成形の成形温度は、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合には、融点以下が好ましく、熱可塑性樹脂が非結晶性樹脂の場合には、ガラス転移温度（Ｔｇ）以下が良い。

本発明によれば、金型に成形材料を単に充填するのではなく、成形材料に減圧した予備成形金型を近接させ、成形材料を吸い上げて充填するので、燃料電池用セパレータの面精度を厚さ精度と共に向上させることができる。この際、上方の予備成形金型に成形材料を吸い上げるので、予備成形金型の上下位置等を変更して予備成形する必要がなく、成形作業の作業性向上が期待できる。

本発明によれば、成形材料に減圧した予備成形金型を密着させた後、成形材料を吸い上げて圧縮充填し、成形材料の嵩密度を向上させるので、燃料電池用セパレータの面精度を厚さ精度と共に向上させることができるという効果がある。また、減圧した予備成形金型に成形材料を上方から充填するのではなく、上方の予備成形金型に下方の成形材料を吸い上げて充填するので、予備成形金型の上下位置を変更して予備成形する必要がなく、成形作業の作業性を向上させることができる。
また、タブレットを本成形金型にセットするだけで良いので、成形材料の投入後の平坦化や掻き取りという煩雑な作業を省略することができ、製造作業の円滑化、迅速化、容易化を図ることができる。また、予備圧縮成形によりタブレットの密度が成形材料の２〜４倍に圧縮されるので、本成形金型の下型の掘り込み深さを１／２〜１／４にすることができ、金型の総厚を薄くすることができる。したがって、成形時の冷却時間を短縮し、生産性の向上を図ることが可能になる。
また、熱可塑性樹脂と導電性フィラーの混合比が質量比で１：２〜１：６の範囲なので、十分な導電性を得ることができ、燃料電池の効率低下を防止できる。また、機械的強度や靭性が低下し、組立時や燃料電池の運搬時に燃料電池用セパレータが破損したり、亀裂が生じるのを防止することが可能になる。加えて、成形材料の流動性が不足し、面精度の確保が困難になるのを防ぐことが可能になる。さらに、予備成形金型から食み出た成形材料を除去して平坦化した後、予備圧縮成形すれば、予備成形に不要な成形材料を用いることがないので、面精度や寸法精度に優れるタブレットを得ることが可能になる。

以下、図面を参照して本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の好ましい実施形態を説明すると、本実施形態における燃料電池用セパレータの製造方法は、図１ないし図４に示すように、成形材料１を予備成形金型１０内に吸引して予備成形することによりタブレット２０を形成し、このタブレット２０を本成形金型３０にセットして圧縮成形することにより燃料電池用セパレータ４０を製造するようにしている。

成形材料１は、少なくとも粉末の熱可塑性樹脂と導電性フィラーとが混合することにより調製される。熱可塑性樹脂と導電性フィラーの混合比は、質量比で１：２〜１：６の範囲が好ましい。これは、導電性フィラーが１：２未満の場合には、十分な導電性を得ることができず、燃料電池の効率が低下して実用に適さないからである。逆に、１：６を超える場合には、機械的強度や靭性が低下し、組立時や燃料電池の運搬時に燃料電池用セパレータ４０が破損したり、亀裂が生じるからである。加えて、成形材料１の流動性が不足し、面精度の確保が困難になるからである。

熱可塑性樹脂と導電性フィラーとは、溶融することなく、混合されることが好ましい。これは、熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを溶融させて混合すると、導電性フィラーの表面に熱可塑性樹脂が過度に付着し、燃料電池用セパレータ４０の導電性の低下を招くからである。

熱可塑性樹脂と導電性フィラーの大きさは、平均粒径がそれぞれ１０〜３００μｍの範囲が好ましい。これは、平均粒径が１０μｍ未満の場合には、熱可塑性樹脂や導電性フィラーが飛散して製造環境を悪化させるという理由に基づく。これに対し、平均粒径が３００μｍを超える場合には、熱可塑性樹脂の偏在を生じやすく、機械的強度やガス不透過性が低下するという理由に基づく。さらに、燃料電池用セパレータ４０の表面が荒れたり、導電性フィラーの脱落を招きやすいという理由に基づく。

熱可塑性樹脂としては、特に限定されるものではないが、例えばポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニル、飽和ポリエステル、ＡＢＳ、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、フッ素樹脂等があげられる。これらの樹脂は、一種類使用しても良いが、求める特性に応じて複数種使用しても良い。

熱可塑性樹脂は、平均粒径が１０〜３００μｍの粉末の場合には、そのまま用いれば良いが、ペレット状の場合には、粉砕してその平均粒径を１０〜３００μｍにしてから用いると良い。熱可塑性樹脂の粉砕法としては、熱可塑性樹脂と導電性フィラーとの混合性や分散性に優れる冷凍粉砕法や衝突破砕法等があげられる。

導電性フィラーとしては、天然黒鉛、人造黒鉛、カーボン、炭素繊維、各種金属粒子、これらの混合物等があげられる。これらは、一種類使用しても良いが、求める特性に応じて複数種用いても良い。

上記において、燃料電池用セパレータ４０を製造する場合には、先ず、用意した粉末の成形材料１に減圧した予備成形金型１０を上方から密着させ、予備成形金型１０の内部に下方の成形材料１を吸引して圧縮充填（図１参照）し、予備成形金型１０から食み出た成形材料１を除去して平坦化し、その後、加熱して予備圧縮成形することにより、燃料電池用セパレータ４０のタブレット２０を形成する（図２参照）。

予備成形金型１０は、例えば減圧用の真空ポンプ１１に内部の分岐した減圧路１２を介し着脱自在に接続され、燃料電池用セパレータ４０の中央部、すなわち流路を成形する成形部が凸部とされる。この凸部の高さは、燃料電池用セパレータ４０の流路の幅や深さに応じて決定される。また、凸部の平面寸法は、燃料電池用セパレータ４０の流路の平面寸法と同等とされる。

予備成形金型１０は、加熱したり、冷却する必要がなく、一定の温度であれば良い。また、成形材料１の平坦化に際しては、予備成形金型１０の開口した下面から食み出た余剰の成形材料１をスクレーパ１３等によりそぎ落として平らにすれば良い。こうすれば、寸法が適切に調整されたタブレット２０を得ることができる。

タブレット２０を形成したら、予備成形金型１０からタブレット２０を脱型して本成形金型３０にセットし、熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱して圧縮成形した（図３参照）後、熱可塑性樹脂の溶融温度以下の温度に冷却機等で冷却すれば、燃料電池用セパレータ４０を製造することができる（図４参照）。

上記によれば、金型に成形材料１を単に充填するのではなく、成形材料１に減圧した予備成形金型１０を密着させた後、成形材料１を吸い上げて圧縮充填し、成形材料１の嵩密度を向上させるので、燃料電池用セパレータ４０の面精度を厚さ精度と共に著しく向上させることができる。また、減圧した予備成形金型１０に成形材料１を上方から充填するのではなく、上方の予備成形金型１０に下方の成形材料１を吸い上げて充填するので、予備成形金型１０の上下位置を変更して予備成形する必要がなく、成形作業の作業性を大幅に向上させることができる。

また、タブレット２０を本成形金型３０にセットするだけで良いので、成形材料１の投入後の平坦化や掻き取りという煩雑な作業を省略することができ、製造作業の円滑化、迅速化、容易化を図ることができる。さらに、予備圧縮成形によりタブレット２０の密度が成形材料１の２〜４倍に圧縮されるので、本成形金型３０の下型の掘り込み深さを１／２〜１／４にすることができ、金型の総厚を薄くすることが可能となる。したがって、成形時の冷却時間を短縮し、生産性の向上を図ることが可能になる。

なお、上記実施形態では熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを溶融することなく、混合したが、熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを流動性が保たれる温度で混練して混合物を調製し、この混合物を粉砕してその平均粒径を１０〜３００μｍとしてから使用しても良い。この場合、導電性フィラーの表面に熱可塑性樹脂が過度に付着して燃料電池用セパレータ４０の導電性を低下させるおそれがあるので、混練条件には留意する必要がある。

また、上記実施形態では成形材料１を粉末の熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを混合して調製したが、これ以外のフィラー（例えば補強剤等）を適宜混合して調製しても良い。さらに、燃料電池用セパレータ４０は、圧縮成形できるセパレータであれば、特に種類を問うものではない。

以下、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施例を比較例と共に説明するが、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は以下の実施例に何ら限定されるものではない。

実施例１
２１０ｍｍ×２９６ｍｍ×２ｍｍの大きさの燃料電池用セパレータを製造することとし、この燃料電池用セパレータの流路は、略１５０ｍｍ×２００ｍｍ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチ２ｍｍにすることとした。

先ず、調製した成形材料に真空ポンプで減圧した予備成形金型を上方から密着させ、予備成形金型内に下方の成形材料を吸引充填し、予備成形金型から食み出た余剰の成形材料をスクレーパにより除去して平坦化した。

成形材料は、結晶性の熱可塑性樹脂であるポリフェニレンスルフィド樹脂１に対して導電性フィラーである人造黒鉛３．５質量比をタンブラーにより１時間混合することにより調製した。ポリフェニレンスルフィド樹脂は、融点が２８３℃の東レ株式会社製の製品名Ｅ２１８０を使用し、冷凍粉砕法により平均粒径５０μｍに調整した。人造黒鉛として、平均粒径５０μｍの人造黒鉛粒子〔オリエンタルカーボン株式会社製：製品名ＡＴ‐ＮＯ．５Ｓ〕を使用した。また、予備成形金型のキャビティは、２１８ｍｍ×２９４ｍｍの大きさとし、下型の流路を成形する成形部を１ｍｍの凸とした。

成形材料をスクレーパにより平坦化したら、加熱して予備圧縮成形することにより、燃料電池用セパレータのタブレットを形成した。この際、成形材料やタブレットを計測したところ、スクレーパにより平坦化した成形材料の厚さは１１ｍｍ、流路の成形材料の厚さは１０ｍｍであった。

次いで、予備成形金型からタブレットを脱型して本成形金型にセットするとともに、３５０℃、５００ＫＧ／ｃｍ^２、１分間の条件で加熱圧縮成形し、その後、冷却圧縮機に移載して５００ＫＧ／ｃｍ^２、２分間の条件で２００℃まで冷却することにより、燃料電池用セパレータを製造した。この際、燃料電池用セパレータを計測したところ、燃料電池用セパレータの厚さは、平坦部、流路共に２ｍｍだった。

こうして燃料電池用セパレータを製造したら、この燃料電池用セパレータの面精度や成形評価を検討判定して表１にまとめた。燃料電池用セパレータの面精度は、１枚の燃料電池用セパレータから１５点の測定点を選択して測定し、最大値と最小値の差を求めることで測定した。

実施例２
先ず、調製した成形材料に真空ポンプで減圧した予備成形金型を上方から密着させ、予備成形金型内に下方の成形材料を吸引充填し、予備成形金型から食み出た余剰の成形材料をスクレーパにより除去して平坦にした。

成形材料は、熱可塑性樹脂であるポリエーテルイミド樹脂１に対して導電性フィラーである人造黒鉛３．５質量比をタンブラーにより１時間混合することにより調製した。ポリエーテルイミド樹脂は、ガラス転移温度が２１４℃のＳＡＢＩＣ株式会社製の製品名１０１０を使用し、冷凍粉砕法により平均粒径５０μｍに調整した。人造黒鉛は、平均粒径５０μｍの人造黒鉛粒子〔オリエンタルカーボン株式会社製：製品名ＡＴ‐ＮＯ．５Ｓ〕を用いた。また、予備成形金型のキャビティは実施例１と同様とした。

成形材料を平坦化後、燃料電池用セパレータのタブレットを形成した。この際、成形材料やタブレットを計測したところ、スクレーパにより平坦化した成形材料の厚さは１１ｍｍ、流路の成形材料の厚さは１０ｍｍであった。

次いで、予備成形金型からタブレットを脱型して本成形金型にセットするとともに、３５０℃、５００ＫＧ／ｃｍ^２、１分間の条件で加熱圧縮成形した後、冷却圧縮機に移載して５００ＫＧ／ｃｍ^２、２分間の条件で１５０℃まで冷却することにより、燃料電池用セパレータを製造した。この際、燃料電池用セパレータを計測したところ、燃料電池用セパレータの厚さは、平坦部、流路共に２ｍｍだった。
燃料電池用セパレータを製造したら、この燃料電池用セパレータの面精度や成形評価を検討判定して表１にまとめた。

比較例
実施例１、２とは異なり、予備圧縮成形を省略して燃料電池用セパレータを製造した。すなわち、本成形金型に調製した粉末の成形材料を充填して３５０℃、５００ＫＧ／ｃｍ^２、１分間の条件で加熱圧縮成形し、冷却圧縮機に移載して５００ＫＧ／ｃｍ^２、２分間の条件で１５０℃まで冷却することにより、燃料電池用セパレータを製造した。成形材料については、実施例１と同様とした。
燃料電池用セパレータの製造後、この燃料電池用セパレータの面精度や成形評価を検討判定して表１にまとめた。

検討の結果、実施例１、２の燃料電池用セパレータは、比較例の燃料電池用セパレータと異なり、面精度や成形評価に関し、実に良好な結果を得ることができた。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施形態における成形材料に減圧した予備成形金型を上方から密着させ、予備成形金型に成形材料を充填し、予備成形金型から食み出た成形材料を平坦化する状態を模式的に示す断面説明図である。 本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施形態におけるタブレットを模式的に示す説明図である。 本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施形態におけるタブレットを本成形金型にセットして圧縮成形する状態を模式的に示す断面説明図である。 本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法の実施形態における燃料電池用セパレータを模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 成形材料
１０ 予備成形金型
１３ スクレーパ
２０ タブレット
３０ 本成形金型
４０ 燃料電池用セパレータ

Claims (1)

1. 熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを含む成形材料を予備成形金型で予備圧縮成形し、その後、流路を備えた燃料電池用セパレータを成形する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   キャビティを有し、そのキャビティの内部には、減圧用の真空ポンプに接続される減圧路が分岐形成されているとともに、燃料電池用セパレータの流路を成形する複数の凸部が設けられている予備成形金型を用い、
   熱可塑性樹脂と導電性フィラーとを質量比１：２〜１：６で混合することにより、粉末の成形材料を調製し、
   粉末の成形材料に減圧した予備成形金型を上方から下向きに密着させ、この予備成形金型のキャビティ内部に成形材料を吸い上げて圧縮充填し、予備成形金型の下面から食み出た成形材料を除去して平坦化するとともに、成形材料を加熱して予備圧縮成形することにより、タブレットを形成し、
   タブレットを予備成形金型から脱型して本成形金型にセットし、タブレットを加熱圧縮成形することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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