JP2003022815A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 電熱ヒータ２１，２６と直接抵抗加熱装
置２８とからなる加熱手段を準備し、加熱開始時に電熱
ヒータ２１，２６と直接抵抗加熱装置２８とに共に通電
し、所定時間が経過したら、若しくは所定温度に達した
ら直接抵抗加熱装置２８への通電を停止する。 【効果】 プリフォームを圧縮成形中に第１加熱手段及
び第２加熱手段の両方でプリフォームの温度を急速に高
めることができ、第２加熱手段を停止した後は、高まっ
たプリフォームの温度を第１加熱手段で保持することで
硬化を促進させることができる。従って、セパレータ製
造工程に要する時間を短縮することができ、セパレータ
の生産性を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱硬化工程に要
する時間を短縮し、セパレータの生産性を高めるのに好
適な燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、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電池である。一般に、水素に燃料ガ
スを置き換え、酸素に空気や酸化剤ガスを置き換えるの
で、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語を使用すること
が多い。

【０００３】このような燃料電池としては、例えば、特
開２０００−１２３８４８公報「燃料電池」が知られて
いる。同公報の図１によれば、電解質膜１８（符号は公
報に記載されているものを使用した。以下同様。）にア
ノード側電極２０及びカソード側電極２２を添わせ、こ
れらをガスケット２４，２６を介して第１セパレータ１
４及び第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュール
を構成する。

【０００４】詳細には、第１セパレータ１４の面１４ａ
に燃料ガスの流路となる第１流路３８が形成され、第２
セパレータ１６の面１６ａに酸化剤ガスの流路となる第
２流路４６が形成され、各々中央の電解質膜１８に燃料
ガスと酸化剤ガスとを臨ませる構造である。

【０００５】図１に記載の１個のセルモジュールで得る
電気出力はごく小さいので、このようなセルモジュール
を多数個積層することで、所望の電気出力を得る。従っ
て、第１・第２セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料
ガスや酸化剤ガスが洩れないようにする分離部材である
ことから「セパレータ」と呼ばれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記公報にはセパレー
タの製造方法は記載されていないが、一般的な製造方法
としては、材料を混練し、混練物を型で成形してプ
リフォームを造り、このプリフォームを成形型で圧縮
成形し、圧縮成形中に加熱硬化させてセパレータを造
る、方法が知られている。

【０００７】このような方法でセパレータを量産する場
合には、生産性を高めるために上記した各工程に要する
時間を短縮することが要求される。特に、上記の加熱
硬化工程は、材料が完全に硬化するまでに長い時間を要
するため、セパレータ製造工程の中で大きな時間比率を
占める。

【０００８】そこで、本発明の目的は、燃料電池用セパ
レータの製造方法において、加熱硬化工程に要する時間
を短縮し、セパレータの生産性を高めることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１は、導電性材料と熱硬化性樹脂との混練物か
らプリフォームを成形し、このプリフォームを所定の形
状に圧縮成形するとともに加熱手段で加熱することによ
りセパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方
法において、第１加熱手段と第２加熱手段とからなる加
熱手段を準備し、加熱開始時に第１・第２加熱手段を共
に作動させ、所定時間が経過したら、若しくは所定温度
に達したら第２加熱手段を停止することを特徴とする。

【００１０】加熱手段として第１加熱手段と第２加熱手
段とを共に作動させることで、プリフォームを圧縮成形
中にプリフォームの温度を急速に高めることができ、第
２加熱手段を停止してからは高まったプリフォームの温
度を第１加熱手段で保持することにより硬化を促進する
ことができ、セパレータ製造工程に要する時間を短縮す
ることができる。

【００１１】請求項２は、第１加熱手段で間接抵抗加熱
を行い、第２加熱手段でプリフォーム自体に通電して発
熱させるところの直接抵抗加熱を行うことを特徴とす
る。導電性のプリフォームに第２加熱手段で直接に電流
を流すことで、プリフォーム自体を発熱させる、即ち直
接加熱する直接抵抗加熱を行うことで、圧縮成形中のプ
リフォームを短時間に加熱することができる。

【００１２】また、プリフォームとは別に設けた導体と
しての第１加熱手段に電流を流すことで第１加熱手段を
加熱させ、この第１加熱手段でプリフォームを間接的に
加熱する間接抵抗加熱を行うことで、第２加熱手段と協
働してプリフォームに大きな熱量を供給することができ
るとともに、高まったプリフォームの温度を保持するこ
とができる。従って、プリフォームを２種の加熱方法で
効率良く硬化させることができる。

【００１３】請求項３は、加熱開始時を、圧縮成形型内
でセパレータの外形形成が完了した時点としたことを特
徴とする。圧縮成形を開始してから、プリフォームがキ
ャビティ内に十分に充填されていない状態で加熱を行え
ば、プリフォームが硬化し始め、キャビティ内へ充填し
にくくなるので、プリフォームのキャビティ内への充填
が完了した時点、即ちセパレータの外形形成が完了した
時点で加熱を開始することにより、成形後のセパレータ
の品質を高めることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を添付図に基
づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見る
ものとする。図１は本発明に係る燃料電池用セパレータ
の製造方法のフローである。なお、ＳＴ××はステップ
番号を示す。 ＳＴ０１……所定の配合割合で熱硬化性樹脂粉末と導電
性材料としてのカーボン粉末とをブレンドし、適量のバ
インダを加えて、混練する。 ＳＴ０２…混練したものを次の要領で成形することで、
プリフォームを造る。

【００１５】図２（ａ），（ｂ）は本発明に係るプリフ
ォーム成形の要領を説明する作用図であり、まず、
（ａ）において、プリフォーム成形下型１１の成形面１
２に混練物１３を載せる。そして、プリフォーム成形上
型１５を白抜き矢印のように下げて、混練物１３を加圧
成形する。次に、（ｂ）において、プリフォーム成形下
型１１とプリフォーム成形上型１５とで、所望の形状に
プリフォーム１７を成形したことを示す。

【００１６】図１に戻り、セパレータの製造フローの説
明を続ける。 ＳＴ０３…プリフォームの圧縮成形を開始する。 ＳＴ０４…上記圧縮成形開始とほぼ同時に加熱硬化処理
を行い、セパレータを造る。上記したセパレータ製造工
程（圧縮成形及び加熱硬化処理）を以下の図３〜図５で
詳細に説明する。

【００１７】図３（ａ），（ｂ）は本発明に係るセパレ
ータ製造工程を説明する第１作用図であり、まず、
（ａ）において、第１加熱手段としての電熱ヒータ２１
及び第２加熱手段を構成する下型用電極２２とを備えた
セパレータ成形用下型２５にプリフォーム１７を載せ、
このセパレータ成形用下型２５に上方から、第１加熱手
段としての電熱ヒータ２６及び第２加熱手段を構成する
上型用電極２７を備えたセパレータ成形用上型３２を白
抜き矢印のように型合わせする。

【００１８】電熱ヒータ２１，２６は、プリフォームを
圧縮成形中に間接的に加熱する間接抵抗加熱を行う装置
であり、下型用電極２２及び上型用電極２７は、プリフ
ォームに通電することでプリフォーム自体を発熱させ
る、即ちプリフォームの直接抵抗加熱を行う直接抵抗加
熱装置２８を構成するものである。セパレータ成形用下
型２５及びセパレータ成形用上型３２は、圧縮成形型と
してのセパレータ成形型２９を構成するものである。

【００１９】ここで、３３は下型用電極２２及び上型用
電極２７のそれぞれに複数個埋め込んだ銅片であり、電
気抵抗の小さい銅片により、下型用電極２２、上型用電
極２７間で電流を分散させるようにした。

【００２０】３４はセパレータ成形用下型２５内に設け
た絶縁板であり、セパレータ成形用下型２５を外部と電
気的に絶縁する部材である。３５はセパレータ成形用上
型３２内に設けた絶縁板であり、セパレータ成形用上型
３２を外部と電気的に絶縁する部材である。３６，３
６，３７，３７は絶縁片であり、セパレータ成形用下型
２５とセパレータ成形用上型３２とを電気的に絶縁する
部材である。４１，４２は下型用電極２２及び上型用電
極２７にそれぞれ通電する導線、４３はコネクタ、４４
はボルトである。

【００２１】（ｂ）はセパレータ成形用下型２５に設け
た電熱ヒータ２１及び下型用電極２２を説明する平面図
であり、セパレータ成形用下型２５に電熱ヒータ２１を
複数個並べて配置し、これらの電熱ヒータ２１の上方に
下型用電極２２を配置したことを示す。セパレータ成形
用上型３２の電熱ヒータ２６及び上型用電極２７につい
ても同様であり、説明は省略する。

【００２２】図４は本発明に係るセパレータ製造工程を
説明する第２作用図であり、型合わせしたセパレータ成
形用下型２５とセパレータ成形用上型３２とでプリフォ
ームを圧縮成形するとともに加熱硬化処理を行ってセパ
レータ５０を造る。この圧縮成形及び加熱硬化処理の時
間的経過を次図で説明する。

【００２３】図５は本発明に係るセパレータ製造工程の
時間的変化を説明するグラフであり、縦軸に、型内への
材料投入のタイミング、圧縮成形における型の開閉タイ
ミング、通電加熱の時の電熱ヒータ及び直接抵抗加熱装
置への通電状態、成形した製品（セパレータ）を型外へ
取り出す脱型のタイミング及び材料温度Ｔを表し、横軸
は時間ｔを表す。

【００２４】まず、時間ｔ１でセパレータ成形下型内へ
の材料（プリフォーム）の投入を開始し、時間ｔ２で材
料投入を完了させる。また、この時間ｔ２でセパレータ
成形上型の下降を開始し、型を閉じ始める。そして、時
間ｔ３でキャビティ内での材料の圧縮成形を開始する
と、この時間ｔ３の時点から材料温度Ｔが上昇し始め、
時間ｔ４から材料温度ＴはＴ２となり、横ばいになる。

【００２５】時間ｔ５では型が完全に閉じるため、キャ
ビティ内に材料が完全に充填される、即ち、セパレータ
の外形形成が完了する。この時間ｔ５の時点で第１加熱
手段としての電熱ヒータに通電（ＯＮ。実線で示
す。）するとともに第２加熱手段としての直接抵抗加熱
装置に通電（ＯＮ。破線で示す。）し、通電加熱を行
う。これにより、両方の加熱手段で材料を急速に加熱
し、材料温度Ｔを短時間に上昇させ、時間ｔ５から所定
時間ｔｓｔが経過したら（即ち、時間ｔ６となった
ら）、若しくは材料温度Ｔが硬化温度の上限である温度
Ｔ３に達した時点で直接抵抗加熱装置への通電を停止
（ＯＦＦ）する。

【００２６】以後は電熱ヒータだけで加熱するため、材
料温度ＴはＴ３に保たれる。そして、時間ｔ７にて電熱
ヒータへの通電を停止（ＯＦＦ）する。これ以後、型の
熱容量が大きいために材料温度Ｔは穏やかに下降する。
材料の硬化は、図中にハッチングで示した領域の熱量で
促進する。

【００２７】そして、材料温度ＴがＴ２まで下降した時
間ｔ８の時点で材料の硬化が完了したと判断し、圧縮成
形を停止して型を開き始め、時間ｔ９で型開きを終了
し、この時間ｔ９で製品の脱型を開始し、時間ｔ１０で
製品の脱型を終了する。

【００２８】以上の図２、図４及び図５で説明したよう
に、本発明は第１に、カーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末
との混練物１３からプリフォーム１７を成形し、このプ
リフォーム１７を所定の形状に圧縮成形するとともに加
熱手段で加熱することによりセパレータ５０を製造する
燃料電池用セパレータ５０の製造方法において、電熱ヒ
ータ２１，２６と直接抵抗加熱装置２８とからなる加熱
手段を準備し、加熱開始時に電熱ヒータ２１，２６と直
接抵抗加熱装置２８とに共に通電し、所定時間ｔｓｔが
経過したら、若しくは所定温度Ｔ３に達したら直接抵抗
加熱装置２８への通電を停止することを特徴とする。

【００２９】加熱手段として電熱ヒータ２１，２６と直
接抵抗加熱装置２８とを共に作動させることで、プリフ
ォーム１７を圧縮成形中にプリフォーム１７の温度を硬
化温度の上限である温度Ｔ３まで急速に高めることがで
き、直接抵抗加熱装置２８への通電を停止してから温度
Ｔ３を保持することで硬化を促進させることができて、
プリフォームの加熱硬化時間ｔｈ（図５参照）、ひいて
は成形時間ｔｐ（図５参照）を短縮することができる。
従って、セパレータ製造工程に要する時間を短縮するこ
とができ、セパレータ５０の生産性を高めることができ
る。

【００３０】本発明は第２に、第１加熱手段、即ち電熱
ヒータ２１，２６で間接抵抗加熱を行い、第２加熱手
段、即ち直接抵抗加熱装置２８でプリフォーム１７自体
に通電して発熱させるところの直接抵抗加熱を行うこと
を特徴とする。直接抵抗加熱装置２８で直接抵抗加熱を
行うことで、導電性のプリフォーム１７内に生じるジュ
ール熱により、圧縮成形中のプリフォーム１７を短時間
に加熱することができ、また、電熱ヒータ２１，２６で
間接抵抗加熱を行うことで、直接抵抗加熱装置２８と協
働してプリフォーム１７に大きな熱量を供給することが
できるとともに、高まったプリフォーム１７の温度を保
持することができる。従って、プリフォーム１７を２種
の加熱方法で効率良く硬化させることができる。

【００３１】本発明は第３に、加熱開始時を、圧縮成形
型としてのセパレータ成形用下型２５及び圧縮成形型と
してのセパレータ成形用上型３２内でセパレータ５０の
外形形成が完了した時点としたことを特徴とする。

【００３２】圧縮成形を開始してから、例えば、プリフ
ォーム１７がキャビティ内に十分に充填されていない状
態で加熱を行えば、プリフォーム１７が硬化し始め、キ
ャビティ内へ充填しにくくなるので、プリフォームのキ
ャビティ内への充填が完了した時点、即ちセパレータの
外形形成が完了した時点で加熱を開始することにより、
成形後のセパレータの品質を高めることができる。

【００３３】尚、本発明では、第２加熱手段で直接抵抗
加熱を行うようにしたが、これに限らず、第２加熱手段
の各極板をコイルに替えて、このコイルに通電すること
で、導電性材料内に誘導電流を発生させ、導電性材料自
体を発熱させる誘導加熱を行ってもよい。誘導加熱は、
短時間に且つ導電性材料を全体的に加熱することがで
き、加熱効率が高いため、プリフォームの加熱硬化処理
には好適である。

【００３４】

【発明の効果】本発明は上記構成により次の効果を発揮
する。請求項１の燃料電池用セパレータの製造方法は、
第１加熱手段と第２加熱手段とからなる加熱手段を準備
し、加熱開始時に第１・第２加熱手段を共に作動させ、
所定時間が経過したら、若しくは所定温度に達したら第
２加熱手段を停止するので、プリフォームを圧縮成形中
に第１加熱手段及び第２加熱手段の両方でプリフォーム
の温度を急速に高めることができ、第２加熱手段を停止
した後は、高まったプリフォームの温度を第１加熱手段
で保持することで硬化を促進させることができる。従っ
て、セパレータ製造工程に要する時間を短縮することが
でき、セパレータの生産性を高めることができる。

【００３５】請求項２の燃料電池用セパレータの製造方
法は、第１加熱手段で間接抵抗加熱を行い、第２加熱手
段で直接抵抗加熱を行うので、第２加熱手段によって導
電性のプリフォーム自体を発熱させることにより、圧縮
成形中のプリフォームを短時間に加熱することができ
る。また、第２加熱手段を停止した後に第１加熱手段に
よってプリフォームの温度保持を実施することができる
ため、プリフォームを２種の加熱方法で効率良く硬化さ
せることができる。

【００３６】請求項３の燃料電池用セパレータの製造方
法は、加熱開始時を、圧縮成形型内でセパレータの外形
形成が完了した時点としたので、プリフォームのキャビ
ティ内への充填が完了した時点で加熱を開始することが
でき、成形後のセパレータの品質を高めることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法
のフロー

【図２】本発明に係るプリフォーム成形の要領を説明す
る作用図

【図３】本発明に係るセパレータ製造工程を説明する第
１作用図

【図４】本発明に係るセパレータ製造工程を説明する第
２作用図

【図５】本発明に係るセパレータ製造工程の時間的変化
を説明するグラフ

【符号の説明】

１３…混練物、１７…プリフォーム、２１，２６…第１
加熱手段（電熱ヒータ）、２８…第２加熱手段（直接抵
抗加熱装置）、２９…圧縮成形型（セパレータ成形
型）、５０…セパレータ、ｔ５…加熱開始時間。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導電性材料と熱硬化性樹脂との混練物か
   らプリフォームを成形し、このプリフォームを所定の形
   状に圧縮成形するとともに加熱手段で加熱することによ
   りセパレータを製造する燃料電池用セパレータの製造方
   法において、 第１加熱手段と第２加熱手段とからなる加熱手段を準備
   し、加熱開始時に第１・第２加熱手段を共に作動させ、
   所定時間が経過したら、若しくは所定温度に達したら第
   ２加熱手段を停止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. 【請求項２】 前記第１加熱手段で間接抵抗加熱を行
   い、前記第２加熱手段でプリフォーム自体に通電して発
   熱させるところの直接抵抗加熱を行うことを特徴とする
   請求項１記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 【請求項３】 前記加熱開始時は圧縮成形型内で前記セ
   パレータの外形形成が完了した時点であることを特徴と
   する請求項１又は請求項２記載の燃料電池用セパレータ
   の製造方法。