WO2006061951A1 - カーボンを用いた燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池 - Google Patents

カーボンを用いた燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池 Download PDF

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Kazuyoshi Takada
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Nissan Motor Co., Ltd.
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a separator used in a fuel cell, a fuel cell separator, and a fuel cell.
  • the above-described method has a drawback in that it is difficult to automate and unmanned due to variations in the thickness of the separator to be molded and a long cycle time.
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a high-quality fuel cell separator, a fuel cell separator, and a fuel cell that can reduce costs.
  • a fuel cell is formed by assembling a large number of single cells 10 as shown in FIG. 1 in the form of a stack, and is used, for example, as a drive source for an automobile.
  • the single cell 10 is a device that can obtain electricity in the process of obtaining water by reacting hydrogen and oxygen by utilizing the reverse principle of electrolysis of water. Diffusion layers 21 A and 21 B and separators 30 A and 30 B are included.
  • the membrane electrode assembly 20 is formed by arranging electrodes on which catalyst layers are formed on both sides of a solid polymer membrane.
  • the gas diffusion layers 21A and 21B are disposed on both surfaces of the membrane electrode assembly 20.
  • the separators 30A and 30B are disposed on the outer surfaces of the gas diffusion layers 21A and 21B.
  • Separators 30A and 30B have a shape in which a plurality of concave and convex grooves are continuous.
  • cooling water channel grooves 31A for circulating cooling water and fuel gas channel grooves 32 for flowing fuel gas (hydrogen) are alternately formed.
  • a cooling water channel groove 31B for circulating cooling water and an oxidant channel groove 33 for circulating oxidizing gas (oxygen) are alternately formed.
  • the separators 30A and 30B are carbon materials that are completely or partially impregnated with a shape-retaining material.
  • a shape-retaining material for example, a thermosetting resin or a thermoplastic resin is used. Since the separators 30A and 30B need to conduct current, it is preferable that the shape retaining material also has high conductivity.
  • a sheet-like carbon W1 shown in FIG. 2A is impregnated with a shape-retaining material 40 to form a sheet-like separator material W2 shown in FIG. 2B, and the sheet-like separator material W2 is shaped into a predetermined shape. It is formed by processing.
  • FIG. 2B for the sake of convenience, the portion impregnated with the shape-retaining material is shown in a virtually stacked state for easy understanding.
  • the sheet-like carbon W1 has a thickness of 0.01 to: L Omm, a density of 0.8 to 2. Og / cm 3 , an electric conductivity of 0.05 to: L OmQ / cm, and a heat resistance of 100 °. It is a carbon material formed into a sheet shape of C or higher.
  • the reason for impregnating the sheet-like carbon W1 with the shape-retaining material 40 is to reliably hold the shape obtained by press-molding carbon.
  • the method of impregnating the shape retaining material 40 into the sheet-like carbon W1 differs depending on, for example, the use of a thermosetting resin and a thermoplastic resin as the shape retaining material 40.
  • thermosetting resin When thermosetting resin is used, the sheet-like carbon W1 is impregnated with a curable resin dissolved in a solvent to form a varnish, and then dried to volatilize the solvent to obtain a sheet-like separator.
  • the material W2 is molded.
  • thermosetting resin for example, phenol resin, epoxy resin or unsaturated polyester can be used.
  • the sheet-shaped carbon W1 is impregnated with the heat-melted thermoplastic resin and then cooled to form the sheet-shaped separator material W2.
  • the thermoplastic resin for example, Teflon, polyester, polysulfide, silicon, polyolefin (PP, PE, etc.), polyamide, polyvinylidene fluoride, polyimide or ethylene vinyl acetate can be used.
  • vacuum impregnation, drop impregnation or printing impregnation is appropriately used depending on the characteristics of the shape-retaining material 40, and is performed on the entire surface of the sheet-like carbon W1 or partially.
  • the advantage of partly impregnating is that it is impregnated without impregnating parts that are necessary to maintain the shape of the separator after molding, and impregnating parts that conduct electricity when in contact with other members. It is possible to increase.
  • the advantages of impregnating the entire surface are that the impregnation process is easy, the shape of the separator after molding can be reliably maintained, and the conductivity is relatively excellent.
  • the sheet-like carbon W1 is covered with a mold 50 provided with an opening 51, and a varnish-like thermosetting resin or varnish as shown in FIG.
  • the melted thermoplastic resin is discharged from the nozzle 52.
  • the sheet-like carbon W 1 is printed and impregnated with the shape-retaining material 40 at the portion corresponding to the opening 51, and as shown in FIG. 3C, the impregnated portion 35 and the non-impregnated portion 36 are alternately formed.
  • This operation is performed on both sides or one side of the sheet-like carbon W1, but in the case of both sides, it is also possible to provide the nozzles 52 on both sides and impregnate them simultaneously (not shown). Normally, when impregnation is performed, some shape-retaining material 40 often remains on the surface of the sheet-like carbon W1 alone, so that the grease of the shape-retaining material 40 is removed depending on the case. It is preferable to do this.
  • the mold 50 can be arbitrarily changed according to the desired sheet-like separator material W2.
  • the desired portion of the sheet-like carbon Wl can be impregnated by changing the above.
  • the first embodiment is a method for forming a separator in the case where a thermosetting resin is used for the shape-retaining material 40, and can be applied to both of the sheet-like separator material W2 impregnated on the entire surface or partially.
  • the heat source 63 provided in the upper mold 61 and the lower mold 62 is used to convert the upper mold 61 and the lower mold 62 into the thermosetting resin (shape retention) used in the sheet-like separator material W2. Material) Heat above 40 curing temperature.
  • a sheet-like separator material W 2 is placed on the lower mold 62.
  • the upper mold 61 and the lower mold 62 are brought close to each other to press the sheet-like separator material W2, and are held in this state. During this time, the thermosetting resin is cured and then cured. The upper mold 61 and the lower mold 62 are held until the time necessary for the thermosetting resin to harden, and then the mold is released and the molded separator 30 is taken out.
  • thermosetting resin 40 is left on the surface.
  • the surface thermosetting resin 40 is removed by shot peeling or the like (see FIG. 5C).
  • the carbon material of the separator 30 impregnated with the thermosetting resin 40 can be in direct contact with an adjacent member. Note that when removing the thermosetting resin 40 remaining on the surface, not only the contact surface 34 but also the entire surface of the separator 30 may be used, and the stage of the sheet-like separator material W2 (see FIG. 5A). You may go on.
  • the sheet-like carbon W1 is impregnated with the thermosetting resin 40.
  • the shape of the separator 30 is not maintained after the pressing force due to the characteristics of the strong-bonding material.
  • thermosetting resin 40 is impregnated, press working After that, the shape can be securely held.
  • the separator 30 can be in good contact with an adjacent member having a good dimensional accuracy in the plate thickness direction.
  • the noble metal is coated to prevent corrosion.
  • carbon impregnated with resin does not have a problem of corrosion, so it is necessary to coat the noble metal. Costs can be reduced.
  • the method of the present embodiment can reduce the cycle time as compared with the method of compression molding a powdery material, and is easy to automate and unmanned, thereby reducing the cost. can do.
  • waste materials are generated in sprues and runners that serve as resin passages in the mold, as well as equipment and metal molds.
  • the method according to the present embodiment does not generate waste material, and the cost can be reduced because the equipment and the mold are inexpensive.
  • the non-impregnated part 36 not impregnated with the resin is It can be a surface in contact with an adjacent member of the separator 30.
  • the separator 30 formed in this way has a resin in the non-impregnated part 36. It is more conductive because it is not impregnated.
  • the shape of the separator 30 can be reliably maintained and leakage of cooling water, fuel gas, and oxidizing agent gas can be suppressed.
  • the fuel cell is formed by assembling a large number of single cells 10 in the form of a stack.
  • the arrows in FIG. 7 exemplify paths through which current flows in the fuel cell.
  • the separator 30 according to the present embodiment has excellent dimensional accuracy and is in good contact with an adjacent member, and the non-impregnated portion 36 is not impregnated with the thermosetting resin 40. Therefore, the contact resistance is reduced and the electric resistance is reduced.
  • the power density of the fuel cell can be improved.
  • leakage of cooling water, fuel gas and oxidant gas can be reduced by the thermosetting resin 40 impregnated in the impregnation portion 35.
  • thermosetting resin 40 impregnated with thermosetting resin 40 on the entire surface
  • the conductivity is not as high as that of the separator 30 having the non-impregnated portion 36.
  • the shape of the separator 30 can be reliably held by the thermosetting resin 40, and leakage of cooling water, fuel gas, and oxidant gas can be more reliably suppressed.
  • the second embodiment is a method for forming a separator in the case where a thermoplastic resin is used for the shape-retaining material 40, and the mold and process according to the first embodiment in which a thermosetting resin is used for the shape-retaining material. Is slightly different.
  • the method of molding a separator according to the second embodiment can be applied to both the sheet-like separator material W2 impregnated entirely or partially.
  • the sheet-like separator material W2 impregnated with the thermoplastic resin (shape retaining material) 40 is heated by a heating source 70 such as a hot plate as shown in FIG. Then, melt the thermoplastic resin 40.
  • a heating source 70 such as a hot plate as shown in FIG.
  • the sheet-like separator material W2 is installed inside the upper die 61 and the lower die 62 that are cooled to such an extent that they are not rapidly cooled, and pressed as shown in FIG. Hold in this state.
  • the thermoplastic resin 40 is cooled and cured by the upper mold 61 and the lower mold 62. After the time required for the thermoplastic resin 40 to harden has elapsed, the mold is released and the separator 30 is taken out.
  • the upper die 61 and the lower die 62 were heated by a heating source separately provided in the upper die 61 and the lower die 62, and this heating was performed. After heating and pressurizing the sheet separator material W2 with the upper mold 61 and the lower mold 62, the upper mold 61 and the lower mold 62 can be cooled while being held under pressure.
  • the third embodiment is a separator molding method in which an impregnation step of impregnating a shape-retaining material and a press step of molding a separator are performed simultaneously, and a thermosetting resin is used as the shape-retaining material.
  • the sheet-like carbon W1 is composed of two sheet-like thermosetting resins. It is sandwiched and placed inside the lower mold 62 heated to a temperature higher than the curing temperature of the curable resin (shape retaining material) 40 used by the heating source 63. Thereafter, as shown in FIG. 10B, the heated upper die 61 is brought close to the lower die 62 in the same manner as the lower die 62, and the sheet-like carbon W1 and the sheet-like thermosetting resin 41 are pressed and held. To do.
  • the sheet-like carbon W1 is formed into a predetermined shape by the upper die 61 and the lower die 62, and at the same time, the heat-curable thermosetting resin is heated and pressurized to press the sheet-like carbon W1. Impregnated into. After the time necessary for the thermosetting resin to harden and retain its shape has elapsed, the mold is released and the separator 30 impregnated with the thermosetting resin 40 is taken out.
  • the fourth embodiment is similar to the third embodiment in that the shape holding material, which is a molding method of a separator that simultaneously performs the impregnation step for impregnating the shape holding material and the pressing step for forming the separator, is thermoplastic.
  • the mold and the process are slightly different from those of the third embodiment in which a resin is used and a thermosetting resin is used as a shape-retaining material.
  • the sheet-like carbon W1 is sandwiched between two sheet-like thermoplastic resins 42 formed into a sheet shape, and the sheet-like thermoplastic resin 42 is heated. Heat with source 70 to melt.
  • the heated sheet-like carbon W1 and the sheet-like thermoplastic resin 42 are placed inside the cooled lower mold 62.
  • the upper die 61 cooled in the same manner as the lower die 62 is brought close to the lower die 62, and the sheet-like carbon W1 and the sheet-like thermoplastic resin 42 are pressed and held.
  • the sheet-like carbon W1 is molded into a predetermined shape by the upper die 61 and the lower die 62, and at the same time, the thermoplastic resin having fluidity is heated and pressurized to press the sheet-like carbon W1. Impregnated. After a time necessary for the thermoplastic resin to cool and harden and retain its shape, it is released from the mold, and the separator 30 impregnated with the thermoplastic resin is taken out.
  • the sheet-shaped thermoplastic resin is heated by a separately prepared heating source. Later, the sheet-like carbon Wl and the sheet-like thermoplastic resin 42 are placed in the mold. In the heated mold, the sheet-like carbon W1 and the sheet-like thermoplastic resin 42 are heated at the same time. Press and cool the mold while maintaining that state! / ⁇ .
  • the present invention is not limited to the embodiment described above, and can be variously modified within the scope of the claims.
  • the shape of the channel groove of the separator is not limited to a rectangular cross section, and may be a trapezoidal shape or an arc shape, for example.
  • the separators 30A and 30B may not be symmetrical.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a principal part showing a single cell of a fuel cell.
  • FIG. 2A is a perspective view showing sheet-like carbon
  • FIG. 2B is a perspective view showing sheet-like separator material.
  • FIG. 3A is a perspective view showing a case in which a formwork is provided on the sheet-like carbon in order to partially impregnate the sheet-like carbon
  • FIG. 3B is a state in which the sheet-like carbon is impregnated with the resin
  • FIG. 3C is a perspective view showing a partially impregnated sheet-like separator material.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view showing a state before the processing of the sheet-shaped separator material by the mold of the first embodiment
  • FIG. 4B is a diagram of the sheet-shaped separator material by the mold of the first embodiment. It is sectional drawing which shows the state after a process.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of a main part showing a sheet-like separator material impregnated with a resin on the entire surface
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of a main part showing a molded separator
  • FIG. FIG. 5 is a cross-sectional view of the main part showing the separator from which is removed.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of a main part showing a sheet-like separator material partially impregnated with greaves
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of a main part showing a molded separator.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main part of a fuel cell using the separator according to the first embodiment.
  • ⁇ 8] It is a side view showing a heating source in the second embodiment.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing a state before processing of the sheet-shaped separator material by the mold of the second embodiment
  • FIG. 9B is a diagram of the sheet-shaped separator material by the mold of the second embodiment. It is sectional drawing which shows the state after a process.
  • FIG. 10A is a cross-sectional view showing a state before processing of the sheet-shaped separator material by the mold according to the third embodiment
  • FIG. 10B is a diagram of the sheet-shaped separator material by the mold according to the third embodiment. It is sectional drawing which shows the state after a process.
  • ⁇ 11] A side view showing a heating source in the fourth embodiment.
  • FIG. 12A is a cross-sectional view showing a state before processing of the sheet-shaped separator material by the mold of the fourth embodiment
  • FIG. 12B is a view of the sheet-shaped separator material by the mold of the fourth embodiment. It is sectional drawing which shows the state after a process.

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Abstract

　シート状カーボン（Ｗ１）に形状保持材（４０）を含浸させてシート状セパレータ材料（Ｗ２）とする含浸工程と、前記シート状セパレータ材料（Ｗ２）を押圧してセパレータ（３０）を成形するプレス工程と、を有する燃料電池用セパレータの製造方法により、シート状カーボン（Ｗ１）に形状保持材（４０）を含浸させて所定の形状に保持されている燃料電池用セパレータ（３０）を製作し、この燃料電池用セパレータ（３０）を用いて燃料電池を製作する。

Description

明 細 書
カーボンを用いた燃料電池用セパレータの製造方法、燃料電池用セパレ ータおよび燃料電池
技術分野
[0001] 本発明は、燃料電池に用いられるセパレータの製造方法、燃料電池用セパレータ および燃料電池に関する。
背景技術
[0002] 燃料電池のセパレータの製造方法として、粉末状の成形材料を金型で圧縮成形す る方法がある ("平成 13年度 成果報告書 固体高分子形燃料電池の研究開発 力 一ボン榭脂モールドセパレータの開発 （公開用）報告書"、 [online]、平成 14年 3月 、新エネルギー，産業技術総合開発機構、委託先:三菱電機株式会社、インターネッ 卜、 LTRL： http:/ 1 www.tech.nedo.go.jp/ >) 0
発明の開示
[0003] し力しながら、上記の方法は、成形されるセパレータの板厚の寸法のばらつきが生 じやすぐサイクルタイムが長ぐ自動化 ·無人化が困難であるという欠点がある。
[0004] セパレータの板厚のばらつきは、燃料電池内の燃料ガスや空気等の漏れの原因と なると共に、セパレータと隣接する部材との間で電気抵抗の増大の原因となって燃料 電池の出力密度 (単位体積あたりの出力であり、小型化および高出力化が要求され る燃料電池の品質を評価する上での指標となる)を低下させる原因となる。
[0005] 本発明の目的は、コストの削減が可能で高品質な燃料電池用セパレータの製造方 法、燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供することにある。
[0006] 本発明のさらに他の目的、特徴および特質は、以後の説明および添付図面に例示 される好ましい実施の形態を参酌することによって、明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
[0007] 以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
[0008] 燃料電池は、図 1に示すような単セル 10を、スタックの形態で多数集成してなり、例 えば、自動車の駆動源として使用される。 [0009] 単セル 10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デバイスであり、膜電極接合体 20、ガス拡散層 21 A, 21B、及びセパレータ 30A, 30Bを有する。膜電極接合体 20は、固体高分子膜 の両面に、触媒層が形成された電極を配置して形成される。ガス拡散層 21A, 21B は、膜電極接合体 20の両面に配置される。セパレータ 30A, 30Bは、ガス拡散層 21 A, 21Bの外面に配置される。
[0010] セパレータ 30A, 30Bは、複数の凹凸の溝が連続する形状である。セパレータ 30 Aには、冷却水を流通させるための冷却水用流路溝 31Aと、燃料ガス (水素）を流通 させるための燃料ガス用流路溝 32とが交互に形成される。また、セパレータ 30Bには 、冷却水を流通させるための冷却水用流路溝 31Bと、酸化剤ガス (酸素）を流通させ るための酸化剤用流路溝 33とが交互に形成される。
[0011] セパレータ 30A, 30Bは、全面的または部分的に形状保持材が含浸されたカーボ ン材であり、形状保持材には、例えば熱硬化性榭脂ゃ熱可塑性榭脂が使用される。 セパレータ 30A, 30Bは電流を導通する必要があるため、形状保持材も導電性の高 いものが好ましい。
[0012] セパレータ 30は、まず、図 2Aに示すシート状カーボン W1に形状保持材 40を含浸 させて、図 2Bに示すシート状セパレータ材料 W2を成形し、このシート状セパレータ 材料 W2を所定の形状に加工することにより成形される。なお、図 2Bでは、形状保持 材が含浸された状態を理解し易いように、便宜上、形状保持材が含浸された部位を 仮想的に積層させた状態で表している。
[0013] (シート状セパレータ材料の成形方法）
シート状カーボン W1は、例えば厚さが 0. 01〜： L Omm、密度が 0. 8〜2. Og/c m3、電気伝導度が 0. 05〜： L OmQ /cm,耐熱性が 100°C以上の、シート状に形 成されたカーボン材である。
[0014] シート状カーボン W1に形状保持材 40を含浸する理由は、カーボンをプレス成形し た形状を確実に保持するためである。
[0015] 形状保持材 40をシート状カーボン W1に含浸させる方法は、形状保持材 40として 例えば熱硬化性榭脂と熱可塑性榭脂を使用した場合で異なる。 [0016] 熱硬化性榭脂を用いる場合には、溶剤に溶かしてワニス状にした硬化性榭脂をシ ート状カーボン W1に含浸させた後、乾燥させて溶剤を揮発させ、シート状セパレー タ材料 W2が成形される。熱硬化性榭脂には、例えばフエノール榭脂、エポキシ榭脂 または不飽和ポリエステル等が使用できる。
[0017] 熱可塑性榭脂を用いる場合には、加熱融解した熱可塑性榭脂をシート状カーボン W1に含浸させた後、冷却してシート状セパレータ材料 W2が成形される。熱可塑性 榭脂には、例えばテフロン、ポリエステル、ポリフエ-ェンサルファイド、シリコン、ォレ フィン系（PP, PE等）、ポリアミド、ポリフッ化ビ-リデン、ポリイミドまたはエチレンビ- ルアセテート等が使用できる。
[0018] 前述の含浸方法には、形状保持材 40の特性に応じて真空含浸、滴下含浸または 印刷含浸が適宜用いられ、シート状カーボン W1の全面に、または部分的に行われ る。部分的に含浸させることによる利点は、成形後のセパレータの形状を保持するた めに必要な部位には含浸させ、他の部材と接触して導電する部位等には含浸させず に、導電性を高めることができることである。全面に含浸させることによる利点は、含 浸工程が容易であり、また成形後のセパレータの形状を確実に保持でき、導電性も 比較的優れて 、ることである。
[0019] シート状カーボン W1を部分的に含浸させる場合には、印刷含浸が好ましい。
[0020] まず、図 3Aに示すように、開口部 51が設けられた型枠 50でシート状カーボン W1 を覆い、その上から図 3Bに示すように、ワニス状にした熱硬化性榭脂または加熱融 解した熱可塑性榭脂がノズル 52より吐出される。このようにして、シート状カーボン W 1は、開口部 51と一致する部分に形状保持材 40が印刷含浸され、図 3Cに示すよう に、含浸部 35と非含浸部 36とが交互に形成される。
[0021] この作業をシート状カーボン W1の両面または片面に行うが、両面の場合には、ノズ ル 52を両面に設けて同時に含浸させることも可能である（不図示)。なお、通常、含 浸を行った場合にはシート状カーボン W1の内部のみではなぐ表面にも多少の形状 保持材 40が残る場合が多いため、場合に応じて形状保持材 40の榭脂を除去するこ とが好ましい。
[0022] 型枠 50は、所望のシート状セパレータ材料 W2に応じて任意に変更可能であり、こ の変更によりシート状カーボン Wlの所望の部位に含浸することができる。
[0023] (セパレータの成形方法）
前述のように成形されたシート状セパレータ材料 W2をプレス加工し、セパレータ 30 を成形するには、下記の方法により行う。
[0024] (第 1の実施形態）
第 1の実施形態は、形状保持材 40に熱硬化性榭脂を使用する場合のセパレータ の成形方法であり、全面または部分的に含浸させたシート状セパレータ材料 W2の両 方に適用できる。
[0025] 初めに、上型 61および下型 62に設けられている加熱源 63により、上型 61および 下型 62を、シート状セパレータ材料 W2に使用されている熱硬化性榭脂 (形状保持 材) 40の硬化温度以上に加熱する。
[0026] 次に、図 4Aに示すように、下型 62の上にシート状セパレータ材料 W2を設置する。
この後、図 4Bに示すように上型 61と下型 62を互いに近接させてシート状セパレータ 材料 W2を押圧し、この状態のまま保持する。この間に、熱硬化性榭脂は溶融した後 、硬化する。熱硬化性榭脂が硬化するために必要な時間が経過するまで上型 61お よび下型 62を保持した後、離型して、成形されたセパレータ 30を取り出す。
[0027] 図 5Aに示す全面に榭脂が含浸されているシート状セパレータ材料 W2をカ卩ェした 場合、図 5Bに示すように、成形されたセパレータ 30の隣接する部材と接する接触面 34の表面に熱硬化性榭脂 40が残されている。この場合には、接触面 34が他の部材 と接触した場合の導電性を確保するために、表面の熱硬化性榭脂 40をショットピーリ ング等により取り除く（図 5 (C)参照)。これにより、熱硬化性榭脂 40が含浸されたセ パレータ 30のカーボン材が、隣接する部材と直接的に接触することができる。なお、 表面に残されている熱硬化性榭脂 40を取り除く場合には、接触面 34のみではなくて セパレータ 30の全面を行ってもよぐまたシート状セパレータ材料 W2 (図 5A参照）の 段階で行ってもよい。
[0028] 通常、シート状カーボン W1に熱硬化性榭脂 40を含浸させて 、な 、場合には、力 一ボン材の特性上、プレス力卩ェの後にセパレータ 30の形状を維持することは困難で あるが、本実施形態においては熱硬化性榭脂 40が含浸されているため、プレス加工 の後も形状を確実に保持することができる。
[0029] また、本実施形態の方法によるセパレータ 30は、材料が粉体ではなく板状であるた め、板厚方向の寸法精度がよぐ隣接する部材と良好に接触することができる。
[0030] また、例えば金属をセパレータに使用した場合には腐食防止のために貴金属がコ 一ティングされるが、榭脂が含浸されたカーボンは腐食の問題がないため貴金属の コーティングを施す必要が無ぐコストを削減できる。
[0031] また、本実施形態の方法は、粉末状の材料を圧縮成形する方法と比較して、サイク ルタイムを短縮させることができ、また自動化、無人化が容易であるため、コストを低 減することができる。
[0032] また、材料を圧力で流動させて金型のキヤビティに充填させるトランスファー成形や 射出成形においては、金型内の樹脂の通り道となるスプルーやランナーで廃材が発 生し、また設備や金型が高価であるが、これらの方法と比較して本実施形態に係る方 法では廃材が発生せず、設備や金型が安価であるためコストを低減できる。
[0033] 図 6Aに示す部分的に榭脂が含浸されているシート状セパレータ材料 W2を力卩ェし た場合、図 6Bに示すように、榭脂が含浸されていない非含浸部 36を、セパレータ 30 の隣接する部材と接する面とすることができる。このように形成されたセパレータ 30は 、前述の全面に熱硬化性榭脂 40が含浸されて ヽるシート状セパレータ材料 W2を用 いたセパレータ 30の効果に加え、さらに非含浸部 36に榭脂が含浸されていないた めに導電性がより優れている。また、非含浸部 36の裏面には榭脂が含浸されている ため、セパレータ 30の形状を確実に保持すると共に、冷却水、燃料ガスおよび酸ィ匕 剤ガスの漏れを抑止することができる。
[0034] 図 7に示すように、燃料電池は単セル 10をスタックの形態で多数集成して形成され ている。図 7の矢印は、燃料電池における、電流が流れる経路を例示的に示している 。本実施形態に係るセパレータ 30は、寸法精度に優れ隣接する部材と良好に接触 すると共に、非含浸部 36に熱硬化性榭脂 40が含浸されていないため、接触抵抗が 低減されて電気抵抗が減少し、燃料電池の出力密度を向上させることができる。また 、含浸部 35に含浸された熱硬化性榭脂 40により冷却水、燃料ガスおよび酸化剤ガ スの漏れを低減させることができる。 [0035] 全面に熱硬化性榭脂 40を含浸させたセパレータ 30 (図 5C参照）を使用した燃料 電池 (不図示）においても、非含浸部 36を有するセパレータ 30ほどではないが導電 性に優れ、また、熱硬化性榭脂 40によってセパレータ 30の形状を確実に保持し、冷 却水、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏れをより確実に抑止することができる。
[0036] (第 2の実施形態）
第 2の実施形態は、形状保持材 40に熱可塑性榭脂を使用する場合のセパレータ の成形方法であり、形状保持材に熱硬化性榭脂を使用する第 1の実施形態と金型や 工程が多少異なる。
[0037] 第 2の実施形態のセパレータの成形方法は、全面または部分的に含浸させたシー ト状セパレータ材料 W2の両方に適用できる。
[0038] 第 2の実施形態では、まず、熱可塑性榭脂 (形状保持材) 40が含浸されたシート状 セパレータ材料 W2を、図 8に示すように例えばホットプレート等の加熱源 70により加 熱し、熱可塑性榭脂 40を溶融させる。その後、図 9Aに示すように、シート状セパレー タ材料 W2が急激に冷却されない程度に冷却されている上型 61および下型 62の内 部に設置し、図 9Bに示すように押圧して、この状態で保持する。この間に、熱可塑性 榭脂 40は上型 61および下型 62により冷却されて硬化する。熱可塑性榭脂 40が硬 化するために必要な時間が経過した後、離型してセパレータ 30を取り出す。
[0039] また、図 8に示すような加熱源 70を使用せずに、上型 61および下型 62に別途設け られた加熱源により上型 61,下型 62を加熱し、この加熱された上型 61および下型 6 2でシート状セパレータ材料 W2を加熱すると共に加圧した後、加圧した状態で保持 したまま上型 61および下型 62を冷却することもできる。
[0040] この後、成形されたセパレータ 30を使用して燃料電池が形成されるが、第 1の実施 形態と同様であるため、説明を省略する。
[0041] (第 3の実施形態）
第 3の実施形態は、形状保持材を含浸させる含浸工程と、セパレータを成形するプ レス工程と、を同時に行うセパレータの成形方法であり、形状保持材には熱硬化性榭 脂を使用する。
[0042] まず、図 10Aに示すように、シート状カーボン W1を 2枚のシート状熱硬化性榭脂で 挟み、加熱源 63により、使用される硬化性榭脂 (形状保持材) 40の硬化温度よりも高 い温度に加熱された下型 62の内部に設置する。この後、図 10Bに示すように、下型 62と同様に加熱された上型 61を下型 62に近接させて、シート状カーボン W1とシー ト状熱硬化性榭脂 41を押圧して保持する。これにより、シート状カーボン W1が上型 6 1、下型 62により所定の形状に成形されると同時に、加熱されて流動性を持った熱硬 化性榭脂が加圧されてシート状カーボン W1に含浸される。熱硬化性榭脂が硬化し て形状を保持するために必要な時間が経過した後、離型して熱硬化性榭脂 40が含 浸されたセパレータ 30を取り出す。
[0043] この後、成形されたセパレータ 30を使用して燃料電池が形成されるが、第 1の実施 形態と同様であるため、説明を省略する。
[0044] (第 4の実施形態）
第 4の実施形態は、第 3の実施形態と同様に、形状保持材を含浸させる含浸工程と セパレータを成形するプレス工程とを同時に行うセパレータの成形方法である力 形 状保持材には熱可塑性榭脂を使用し、形状保持材に熱硬化性榭脂を使用する第3 の実施形態と金型や工程が多少異なる。
[0045] まず、図 11〖こ示すよう〖こ、シート状カーボン W1を、シート状に形成されている 2枚 のシート状熱可塑性榭脂 42で挟み、このシート状熱可塑性榭脂 42を加熱源 70によ り加熱して融解させる。次に、図 12Aに示すように、加熱されたシート状カーボン W1 およびシート状熱可塑性榭脂 42を、冷却された下型 62の内部に設置する。この後、 図 12Bに示すように、下型 62と同様に冷却された上型 61を下型 62に近接させて、 シート状カーボン W1とシート状熱可塑性榭脂 42を押圧して保持する。これにより、シ ート状カーボン W1が上型 61、下型 62により所定の形状に成形されると同時に、カロ 熱されて流動性を持った熱可塑性榭脂が加圧されてシート状カーボン W1に含浸さ れる。熱可塑性榭脂が冷却されて硬化して形状を保持するために必要な時間が経 過した後、離型して熱可塑性榭脂が含浸されたセパレータ 30を取り出す。
[0046] この後、成形されたセパレータ 30を使用して燃料電池が形成されるが、第 1の実施 形態と同様であるため、説明を省略する。
[0047] 第 4の実施形態では、別途用意した加熱源によりシート状熱可塑性榭脂を加熱した 後に、シート状カーボン Wlとシート状熱可塑性榭脂 42を金型内に設置しているが、 加熱された金型内で、シート状カーボン W1とシート状熱可塑性榭脂 42を加熱する 同時に加圧し、その状態を保持したまま金型を冷却してもよ!/ヽ。
[0048] なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなぐ特許請求の範囲 の範囲内で種々改変することができる。例えば、セパレータの流路溝の形状は、断面 が長方形形状に限らず、例えば台形形状や円弧形状であってもよい。また、セパレ ータ 30A, 30Bは対称形状でなくてもよい。
[0049] さらに、本出願は、 2004年 12月 10日に出願された日本特許出願番号 2004— 35 8242に基づいており、その開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている 図面の簡単な説明
[0050] [図 1]燃料電池の単セルを示す要部断面図である。
[図 2]図 2Aは、シート状カーボンを示す斜視図、図 2Bは、シート状セパレータ材料を 示す斜視図である。
[図 3]図 3Aは、シート状カーボンを部分的に含浸させるためにシート状カーボンに型 枠が設けられた際を示す斜視図、図 3Bは、シート状カーボンに榭脂を含浸させる状 態を示す斜視図、図 3Cは、部分的に含浸されたシート状セパレータ材料を示す斜 視図である。
[図 4]図 4Aは、第 1の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の加工前の状 態を示す断面図、図 4Bは、第 1の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の 加工後の状態を示す断面図である。
[図 5]図 5Aは、全面に榭脂が含浸されたシート状セパレータ材料を示す要部断面図 、図 5Bは、成形されたセパレータを示す要部断面図、図 5Cは、表面の榭脂が取り除 かれたセパレータを示す要部断面図である。
[図 6]図 6Aは、部分的に榭脂が含浸されたシート状セパレータ材料を示す要部断面 図、図 6Bは、成形されたセパレータを示す要部断面図である。
[図 7]第 1の実施形態に係るセパレータを使用した燃料電池の要部を示す断面図で ある。 圆 8]第 2の実施形態における加熱源を示す側面図である。
[図 9]図 9Aは、第 2の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の加工前の状 態を示す断面図、図 9Bは、第 2の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の 加工後の状態を示す断面図である。
[図 10]図 10Aは、第 3の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の加工前の 状態を示す断面図、図 10Bは、第 3の実施形態の金型によるシート状セパレータ材 料の加工後の状態を示す断面図である。
圆 11]第 4の実施形態における加熱源を示す側面図である。
[図 12]図 12Aは、第 4の実施形態の金型によるシート状セパレータ材料の加工前の 状態を示す断面図、図 12Bは、第 4の実施形態の金型によるシート状セパレータ材 料の加工後の状態を示す断面図である。

Claims

請求の範囲
[I] シート状カーボン (W1)に形状保持材 (40)を含浸させてシート状セパレータ材料 ( W2)とする含浸工程と、
前記シート状セパレータ材料 (W2)を押圧してセパレータ（30A, 30B)を成形する プレス工程と、を有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。
[2] 前記含浸工程は、前記形状保持材 (40)が前記シート状カーボン (W1)に部分的 に含浸させることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
[3] 前記含浸工程は、印刷含浸により行われることを特徴とする請求項 1に記載の燃料 電池用セパレータの製造方法。
[4] 前記含浸工程は、プレス工程における加圧と共に行われることを特徴とする請求項
1に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
[5] 前記形状保持材 (40)は、榭脂であることを特徴とする請求項 1に記載の燃料電池 用セパレータの製造方法。
[6] 前記シート状カーボン (W1)に形状保持材 (40)が含浸されて所定の形状に保持さ れて 、ることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
[7] 前記燃料電池用セパレータ（30A, 30B)は、前記形状保持材 (40)が含浸された 含浸部 (35)と、当該形状保持材 (40)が含浸されていない非含浸部 (36)と、を有す ることを特徴とする請求項 6に記載の燃料電池用セパレータ。
[8] 前記非含浸部（36)は、前記燃料電池用セパレータ（30A, 30B)が隣接する部材 と導電する部位に設けられることを特徴とする請求項 6に記載の燃料電池用セパレ ータ。
[9] 前記形状保持材 (40)は、榭脂であることを特徴とする請求項 6に記載の燃料電池 用セパレータ。
[10] シート状カーボン (W1)に形状保持材 (40)が含浸されて所定の形状に保持されて V、る燃料電池用セパレータ（30A, 30B)を有することを特徴とする燃料電池。
[II] 前記燃料電池用セパレータ（30A, 30B)は、前記形状保持材 (40)が含浸された 含浸部と、当該形状保持材 (40)が含浸されていない非含浸部と、を有することを特 徴とする請求項 10に記載の燃料電池。 前記非含浸部は、前記燃料電池用セパレータ（30A, 30B)が隣接する部材と導電 する部位に設けられることを特徴とする請求項 10に記載の燃料電池。
前記形状保持材 (40)は、榭脂であることを特徴とする請求項 10に記載の燃料電 池。
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