JP4587177B2 - 燃料電池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に好適な金型、および、この金型を用いた燃料電池セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、燃料が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するもので、電気エネルギーへの変換効率が高く、自動車の電源をはじめ小型分散型電源などとして期待されている。

例えば、固体高分子形燃料電池は、通常、スルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜のような高分子イオン交換膜からなる電解質膜と、その両面に白金などの触媒を担持させた触媒電極と、それぞれの電極に水素などの燃料ガスあるいは酸素や空気などの酸化剤ガスを供給するためのガス流路を設けたセパレータ、などからなる単セルを積層したスタック、及びその外側に設けた集電体などから構成されている。

セパレータには直線状または格子状の複数のガス流路が形成され、カソードとの間に形成される空間を酸化剤ガス（例えば空気などの酸素含有ガス）流路とし、アノードとの間に形成される空間を燃料ガス（例えば水素ガスや水素ガスを主成分とする混合ガス）流路として、燃料ガスと酸化剤ガスとが電極に接触して起こる電気化学反応を利用して電極間から電流を取り出すものである。

したがって、セパレータには燃料ガスと酸化剤ガスとを完全に分離した状態で電極に供給する必要があるために、高度のガス不透過性が必要であり、また発電効率を高くするためには電池の内部抵抗を小さくすることが有効であり、高い導電性が要求される。更に、電池スタックの組み立て時に接触抵抗を極力小さく抑えるために平坦で厚さ精度が高いこと、また、電池組み立て時に破損や欠損が生じないように材質強度が高く、電池の作動温度においても十分な材質強度を備えることなども要求される。

このような材質特性が要求されるセパレータ材には、従来から炭素質系の材料が用いられており、黒鉛粉を熱硬化性樹脂を結合材として成形して結着、一体化した黒鉛／樹脂硬化成形体が好適に使用されている。そして、成形は黒鉛粉と熱硬化性樹脂とを混合し、混合物を成形用の金型に充填して熱圧成形する方法により製造される。

すなわち、熱圧成形は黒鉛粉と熱硬化性樹脂を混合した原料混合物を粉砕したり造粒して、粉粒状あるいはタブレット状などに成形して成形粉を作製し、成形粉を成形用の金型に充填して、所定の温度および圧力に加熱、加圧することにより行われる。

図４は従来の熱圧成形用の金型を例示したもので、上型１と下型２との間に形成する空間をセパレータ成形用のキャビティＡとし、上型１と下型２が形成する間隙である金型クリアランス４を金型内の空気や熱圧成形時に発生するガスを排出するための通路としている。

この場合、セパレータの厚さや組織の性状を均一化するために、通常、キャビティＡ内には黒鉛粉と熱硬化性樹脂とを混合した原料混合物をやや多めに充填している。したがって、余剰分の原料混合物は熱圧成形時に金型クリアランス４に流出して固化し、最終的にはバリとなって残ることになる。その結果、セパレータの厚さや組織が不均一化する難点がある。

そこで、特許文献１には、複数の金型と、これら金型の間に形成される燃料電池セパレータ成形用の空所とを有する燃料電池セパレータ製造用の金型において、上記金型の少なくとも１つに上記空所と連通するバリ溜用空所を形成したことを特徴とする燃料電池セパレータ製造用金型が提案されている。

また、特許文献２には、キャビティに連通した材料流動部と、材料流動部によりキャビティと連通した材料滞留部を有することを特徴とする圧縮成形用金型が提案されている。

これらの先行技術では、厚さ精度の優れた成形品を得るために、金型クリアランスに連通するバリ溜用空所を設けるものであるが、金型クリアランス内に原料混合物が強固に付着するため、成形後に金型からこれを除去しなければならないという問題点がある。
特開２００１−１９８９２１号公報 特開２００３−１７０４５９号公報

本発明は、上記問題点の解消を図り、圧縮成形時に発生するバリが金型に固着することなく成形品と一体となって金型から離型でき、金型の清掃が容易で、かつ成形品に組織斑が少なく、成形品の外周部に低密度組織である、いわゆる巣ができ難い燃料電池セパレータ製造用金型およびこの金型を用いた燃料電池セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明の燃料電池セパレータの製造方法は、
上型１と下型２もしくはそれらに加えて中型３とからなる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する方法であって、
前記上型１は、その押圧面の中央部に成形面が形成されてなるとともに該成形面の外周部に階段状の２段の段部による勾配が形成されてなり、
前記下型２は、その押圧面が前記上型１の押圧面に対応する形状を有するものであって、その押圧面の中央部に成形面が形成されてなるとともに該成形面の外周部に階段状の２段の段部による勾配が形成されてなり、
前記金型は、上型１の押圧面と下型２の押圧面とを相対させつつ押圧するときに、
前記上型１の成形面と下型２の成形面とが相対してなる空間がセパレータ成形用のキャビティＡをなし、
キャビティＡの直近外周に、前記上型１の成形面に隣接する段部と前記下型２の成形面に隣接する段部とが、各段部を構成する互いの角部を近接させつつ相対してキャビティＡと連通する空所Ｂを形成するとともに、
空所Ｂの外側全周に、前記上型１の押圧面の外端部に位置する段部と前記下型２の押圧面の外端部に位置する段部とが、各段部を構成する互いの角部を近接させつつ相対して空所Ｂと連通するバリ溜用空所Ｃを形成してなる
ものであって、
黒鉛粉と熱硬化性樹脂とを混合し、粉砕して成形粉を作製し、成形粉を前記金型のキャビティＡおよび空所Ｂに充填して、熱圧成形することを構成上の特徴とする。

また、成形粉を予備成形した予備成形体を燃料電池セパレータ製造用金型のキャビティＡおよび空所Ｂに装入して充填することが好ましい。

本発明によれば、熱圧成形の過程において、充填した成形粉がキャビティＡから流出する現象が抑制されるので、成形品の外周部において組織が低密度化して巣を発生する現象を効果的に抑制することができる。そして、厚さ精度が高く、また、セパレータ成形品はバリと一体となって金型から離型されるので、金型に固着するバリの発生は大幅に減少する。その結果、熱圧成形後に金型の清掃に要する時間は著しく短縮され、成形サイクルの改善が図られる。

図１は本発明の燃料電池セパレータ製造用金型の側断面図で、上型１、下型２および中型３からなる金型を例示したものである。図１において、上型１と下型２とから形成される空間はセパレータ成形用キャビティＡであり、キャビティＡに隣接する直近の外周面の全面には空所Ｂが形成され、更に空所Ｂに隣接してその外周全周にバリ溜用空所Ｃが形成されている。

なお、下型２と中型３はボルトで締結して固定されており、燃料電池のセパレータの厚さを変更しない場合には、下型２と中型３とを一体構造の下型として構成することもできる。

また、図２は図１における上型１、下型２および中型３とで形成されたセパレータ成形用キャビティＡ、空所Ｂ、バリ溜用空所Ｃを部分拡大図として示したものである。

セパレータ成形用キャビティＡ、空所Ｂ、およびバリ溜用空所Ｃは、上下の金型の角部を僅かな間隙で近接させることにより形成することができ、例えば、図３に示すように上型１と下型２の角部同士を僅かにずらして近接させ、例えば、０．０５〜０．１５ｍｍのクリアランスで近接させて区切ることにより、形成される。

このクリアランスを狭くすると熱圧成形時に原料混合物の流動抵抗が増大して、成形品の厚さ精度が低下したり、原料中に取り込まれたガス成分の排出が上手くいかず、ガスが残留して巣を発生させる原因になる。また広くすると熱圧成形時に原料混合物へ圧力が十分に掛からず、成形品の密度低下や強度低下を招くことになる。

燃料電池セパレータは、黒鉛粉と熱硬化性樹脂とを混合し、混合物を粉砕したり、あるいは造粒して成形粉を作製し、成形粉をこの金型の上記キャビティＡおよび空所Ｂに充填して、熱圧成形することにより製造される。

黒鉛粉としては人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛、あるいは、これらの混合物などが用いられ、適宜な粉砕機により粉砕し、篩分けして粒度調整した黒鉛粉を使用することが好ましい。なお、黒鉛粉の粒度は、セパレータにガス溝を設ける際に黒鉛粉粒子の脱落や粒子間クラックの発生を防止するために、例えば平均粒子径は５０μｍ以下に、最大粒子径は１００μｍ以下に粒度調整することが好ましい。

黒鉛粉と混合する熱硬化性樹脂にはフェノール樹脂、フラン樹脂などの常用される樹脂類が用いられ、黒鉛粉と熱硬化性樹脂は適宜な混合比、例えば黒鉛粉：熱硬化性樹脂の混合比（重量比）を９０：１０〜３５：６５に設定することが好ましい。樹脂分の混合比が１０重量％未満では樹脂分が少ないので成形時の流動性が低下し、均一組織の混合物を得ることが難しく、一方、樹脂固形分が３５重量％を越えると成形性は向上するが、黒鉛／樹脂硬化成形体の電気抵抗が大きくなり、電池性能の低下を招くことになる。

黒鉛粉と熱硬化性樹脂を混合して、混合物を適宜な粒度に粉砕あるいは造粒して成形粉を作製する。この成形粉を、上記金型のキャビティＡおよび空所Ｂに充填して、例えば圧力２０〜５０ＭＰａ、温度１５０〜２５０℃で熱圧成形することにより燃料電池セパレータが製造される。

成形粉を充填する範囲をキャビティＡおよび空所Ｂとするのは、熱圧成形時にキャビティＡ内に充填した成形粉の流出は、空所Ｂ内に充填した成形粉により抑制されるためである。すなわち、成形時の圧縮によるキャビティＡから流出する成形粉は、空所Ｂ内に充填した成形粉により抑止されるので、バリ溜用空所Ｃに流出する量を相対的に低減することができる。

そのため、キャビティＡに充填した成形粉は、熱圧成形の過程において、キャビティＡの外周部近辺にある成形粉がキャビティから溢れ出て、流出する現象が抑制される。したがって、成形品の外周部において組織が低密度化して巣を発生する現象を効果的に抑制することができる。

更に、熱圧成形後に成形品を金型から取り出す際、成形品はバリと一体となって離型されるので、金型に固着するバリの発生は大幅に減少する。その結果、熱圧成形後に金型の清掃に要する時間は著しく短縮され、成形サイクルの改善が図られる。

なお、成形粉をキャビティＡおよび空所Ｂに充填する場合、予め、成形粉を予備成形型のキャビティに均一に充填して、樹脂の融点以上の温度、例えば、樹脂融点＋１０℃程度に加熱して１〜１０ＭＰａの圧力で成形して板状の予備成形体を作製して、この予備成形体を金型に装入すると、均一に充填することができるので、好ましい。

以下、本発明を実施例により具体的に説明する。

実施例
黒鉛粉には平均粒子径４０μｍ、最大粒子径１００μｍ以下に粒度調整した人造黒鉛粉末を使用し、熱硬化性樹脂にはフェノール樹脂を使用して、黒鉛粉とフェノール樹脂の樹脂固形分とを重量比で７５：２５の混合比でニーダーに入れて１時間混練した。混練物を粉砕した後、粒度調整して０．１〜０．５ｍｍの成形粉を作製した。この成形粉を予備成形型に入れて、８０℃で３ＭＰａの圧力で１０秒間プレスして、２２０×２２０×１．８ｍｍの予備成形体を作製した。

この予備成形体を、図１に示した金型に充填した。また、金型はセパレータ成形用キャビティＡの寸法として２００×２００×１．５ｍｍ、その表裏に幅２ｍｍ、深さ０．５ｍｍの溝を２ｍｍのピッチで複数配置し、また中型は下型と一体化したものを使用した。なお、空所Ｂの水平方向距離は１０ｍｍである。

この金型のキャビティＡと空所Ｂとに亘って予備成形体を配置、装入して、４０ＭＰａの圧力を加えながら１８０℃の温度に加熱して、５分間熱圧成形した。

その後、上下金型を分割して離型したところ、キャビティＡによる成形品と空所Ｂによる枠形状の成形品および余剰原料がバリ溜用空所Ｃに流出してできたバリが一体となっており、これからキャビティＡの成形品を分離してセパレータ成形品を製造した。

セパレータ成形品の中央部と端部の厚さ寸法差は１５μｍであり、組織斑である巣の発生は認められなかった。また、成形後の金型表面に固着したバリはなく、エアブローもしくは刷毛で簡単に除去することができ、金型の清掃に要する時間が短縮化できた。

比較例１
実施例１において、予備成形体を金型のキャビティＡにのみ装入して、その他は実施例１と同じ方法でセパレータ成形品を製造した。

比較例２
図４に示した金型を用いて予備成形体を金型のキャビティＡにのみ装入した他は、実施例１と同じ方法でセパレータ成形品を製造した。

このようにしてセパレータ成形品を製造した場合の、付着したバリの除去に要する金型清掃時間、また、成形品の組織の斑である巣の発生状況および厚さの寸法差を、表１に示した。

本発明の燃料電池セパレータ製造用金型の側断面図である。 図１における上型１、下型２および中型３とで形成されたセパレータ成形用キャビティＡ、空所Ｂ、バリ溜用空所Ｃを部分拡大図である。 セパレータ成形用キャビティＡ、空所Ｂ、およびバリ溜用空所Ｃを形成する説明図である。 従来の熱圧成形用の金型を例示した側断面図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ 中型
４ 金型クリアランス
Ａ セパレータ成形用キャビティ
Ｂ 空所
Ｃ バリ溜用空所

Claims (2)

1. 上型１と下型２もしくはそれらに加えて中型３とからなる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する方法であって、
   前記上型１は、その押圧面の中央部に成形面が形成されてなるとともに該成形面の外周部に階段状の２段の段部による勾配が形成されてなり、
   前記下型２は、その押圧面が前記上型１の押圧面に対応する形状を有するものであって、その押圧面の中央部に成形面が形成されてなるとともに該成形面の外周部に階段状の２段の段部による勾配が形成されてなり、
   前記金型は、上型１の押圧面と下型２の押圧面とを相対させつつ押圧するときに、
   前記上型１の成形面と下型２の成形面とが相対してなる空間がセパレータ成形用のキャビティＡをなし、
   キャビティＡの直近外周に、前記上型１の成形面に隣接する段部と前記下型２の成形面に隣接する段部とが、各段部を構成する互いの角部を近接させつつ相対してキャビティＡと連通する空所Ｂを形成するとともに、
   空所Ｂの外側全周に、前記上型１の押圧面の外端部に位置する段部と前記下型２の押圧面の外端部に位置する段部とが、各段部を構成する互いの角部を近接させつつ相対して空所Ｂと連通するバリ溜用空所Ｃを形成してなる
   ものであって、
   黒鉛粉と熱硬化性樹脂とを混合し、粉砕して成形粉を作製し、成形粉を前記金型のキャビティＡおよび空所Ｂに充填して、熱圧成形することを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
2. 成形粉を予備成形した予備成形体を用いる請求項１記載の燃料電池セパレータの製造方法。

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