JP2006289774A

JP2006289774A - 燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型及びそれを用いてなる燃料電池セパレータの製造法

Info

Publication number: JP2006289774A
Application number: JP2005113327A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yamazaki; 剛山崎; Tetsuya Harada; 哲哉原田
Original assignee: Dainippon Ink and Chemicals Co Ltd
Current assignee: DIC Corp
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-10-26

Abstract

【課題】多数個の燃料電池セパレータを製造する金型において、寸法精度、成形性、生産性などに優れる燃料電池セパレータを成形時に多数個製造することができる金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供する。
【解決手段】燃料電池セパレータ製造用の圧縮成形金型１．２において、少なくとも２個以上の燃料電池セパレータ形成空間部３をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部３の周囲に剰余材料溜用空間部４が形成されてなることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型及びその金型を用いる燃料電池セパレータの製造法に関する。
【選択図】図３

Description

本発明は、寸法精度の良好な燃料電池セパレータを同時に多数個で製造するのに用いられ、成形性及び生産性に優れる多数個取り圧縮成形金型及びそれを用いてなる燃料電池セパレータの製造法に関する。

固体高分子型燃料電池は、一般にガス拡散電極からなるアノードとカソードとで電解質膜を挟み、さらにこれらの外側をセパレータで挟んでなる構造をしている。アノードに接するセパレータはアノードに水素ガスを供給し、カソードに接するセパレータはカソードに酸化剤ガスとしての酸素あるいは酸素を含む気体（一般的には空気）を供給する。
上記燃料電池セパレータは、水素ガスや酸素ガスを透過させないガス不浸透性、導電性、面精度、すなわち、高い厚み精度が要求され、それらの性能が優れることにより燃料電池の性能が向上する。

現在、燃料電池用セパレータの成形方法として、圧縮成形が主流である。従来の圧縮成形用金型断面図は図１に示すように、下金型と上金型とからなり、これらの金型の間に燃料電池セパレータを形成するための空間部が形成される。下金型で燃料電池セパレータの裏面の溝が形成され、上金型では、燃料電池セパレータの表面の溝が形成され、上下の金型間の幅がセパレータの厚さになる。かかる金型を用いて燃料電池セパレータを製造する場合、上金型を上方に上げて待避させ、下金型内に所定重量よりも若干多めの成形用材料を投入する。成形用材料を加熱した金型により溶融させることと同時に加圧を行い、硬化させて燃料電池セパレータを成形する。金型内に若干多めに投入した成形材料は上型と下型との間に設計されたクリアランスからバリとして逃げ出され、成形品であるセパレータの厚み精度を制御する方法である。

しかし、成形品を燃料電池用セパレータとする場合は、良好な導電性を確保する手段として、成形材料の中に導電性炭素材料を多量に配合する必要がある。このため、成形時の材料の流動性が極めて小さいものである。また、燃料電池用セパレータの大きさに対して、その厚みが非常に小さく、成形材料が燃料電池セパレータ形成空間部の隅々まで流れるように大きな圧縮力が必要となる。したがって、流動に大きな圧縮力が必要なため、材料の偏りにより未充填となる部分や板厚のばらつきが生じやすい。
又、従来の燃料電池セパレータ用圧縮成形金型では、セパレータを１個成形しており、多数個取りができるように設計されておらず、仮に一つの金型内に隔絶したセパレータ形成空間部を設けたとしても、上記のような問題が一層大きくなり、事実上満足な成形品が得られない。

最近、射出成形により成形品が隣接した一つの金型で多数の燃料電池セパレータを製造する方法が提案されている（特許文献１参照）。
しかし、かかる方法を用いて圧縮法により成形を行うと、材料を中央にセットした場合、流動距離が長すぎて成形欠陥が生じやすい。また各々のセパレータの中央に材料をセットした場合には材料同士がぶつかる部分にボイド等の欠陥が生じやすいといった問題があり、圧縮成形での問題解決に何等有効なものということができない。
特開２００４−１８８７２２号公報

本発明の目的は、多数個の燃料電池セパレータを製造する金型において、金型内の複数の燃料電池セパレータ形成空間部にそれぞれに連通する剰余材料溜用空間部を設けることにより寸法精度、成形性、生産性などに優れる燃料電池セパレータを成形時に多数個製造することができる金型を提供し、その金型を用いる燃料電池セパレータの製造法を提供することである。

本発明は、燃料電池セパレータ製造用の圧縮成形金型において、少なくとも２個以上の燃料電池セパレータ形成空間部をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部の周囲に剰余材料溜用空間部が形成されてなることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型及びその金型を用いる燃料電池セパレータの製造法に関する。

本発明の金型は、複数の燃料電池セパレータ形成空間部に連通する剰余材料溜用空間部がそれぞれ形成されているため、該セパレータ形成空間部に投入する成形材料がセパレータ形成空間部の隅々まで均一に流動し、かつ剰余材料を剰余材料溜用空間部に収容することができ、寸法精度の優れた燃料電池用セパレータを効率よく同時に複数成形することができる。本発明では、かかる金型で燃料電池用セパレータが一度に複数成形できるため、生産性を大幅に向上させることができる。

以下に、本発明の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型について図面によって説明する。尚、本発明は、図面に記載された実施例のみに限定されるものでない。

図２は、本発明の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型についての下金型１（上金型２）の平面図である。又、図３は図２に於いて下金型１と上金型２とが嵌合した場合のＡ−Ａ断面図である。
図２では、燃料電池セパレータ形成空間部（以下、セパレータ空間部という）３が金型内でそれぞれ隔絶して４個設けられており、各セパレータ空間部３の周りに、剰余材料溜用空間部４がそれぞれ設けられており、セパレータ空間部と剰余材料溜用空間部の間は５の食い切り部が設けられている。この食い切り部の隙間は１００〜４００μｍが好適である。また、本発明の燃料電池セパレータ製造用金型として図示しないが、各セパレータ空間部３の端側の一部に剰余材料溜用空間部４を設けることもできる。各パレータ空間部３は接合せずにそれぞれ隔絶しており、好ましくは同一形状であるが、異なる形状であっても差し支えない。尚、図示しないが、金型をできるだけコンパクトにするために、各セパレータ空間部３の周りに形成される隣同士の剰余材料溜用空間部４を出来るだけ接近させながら、上下に位置させて接しないようにすることもできる。

上金型２には、図４に示すように燃料電池セパレータにガス流路７を形成するための凹凸状のパターンを各セパレータ空間部３内に有している。また、下金型１にも、図４に示すように燃料電池セパレータのガス流路７を形成するための凹凸状のパターンを各セパレータ空間部３内に有している。尚、燃料電池セパレータには片面のみにガス流路を形成する場合があり、その際には上金型及び下金型の各セパレータ空間部３のいずれかがフラットになっている。

セパレータ空間部３は、金型内で複数個、好ましくは２〜４個有しており、図３に示すように上金型２と下金型１とで形成され、複数個の燃料電池セパレータを形成するためのキャビティ部分である。各セパレータ空間部３の体積は、製造する燃料電池セパレータの大きさによって決定されるが、通常厚肉部分で１．０〜５．０ｍｍ、薄肉部分で０．３〜１．５ｍｍ、縦１０〜４０ｃｍ、横１０〜４０ｃｍの燃料電池セパレータを製造するように設計される。
セパレータ空間部３と剰余材料溜用空間部４とを連通するために食い切り部５が上金型２と下金型１との空隙として設けられる。かかる通路は、セパレータ空間部３の周りに設けられる剰余材料溜用空間部４に連通しており、食い切り部５の隙間は１００〜４００μｍが好適である。食い切り部５の隙間が１００μｍより少ない場合には材料の流出が極端に悪くなり、材料量の調整には適さない。また、隙間が４００μｍより大きい場合には切り離し加工が非常に困難になる。

また、各剰余材料溜用空間部４は、例えば図２に示すように各セパレータ空間部３の周辺全体に形成され、それぞれ２０〜１５０ｃｍ^３の体積を有するのが好ましく、又、各セパレータ空間部３の体積に対して好ましくは１０〜２５％、より好ましくは１０〜２０％である。該全体積がセパレータ空間部３の体積に対して１０％よりも少ないと、成形されるセパレータ部分が充填不足となる可能性が高くなり、また２５％よりも大きいと材料浪費となり不都合である。

尚、本発明の金型により、燃料電池セパレータを製造する場合、各セパレータ空間部３に投入される成形材料は、バインダーとしての熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂、導電性材料としての炭素材料、即ち炭素粉末や炭素繊維を主成分として含有するものであり、特に限定されないが、バインダーを１０〜５０質量％、導電性材料を５０〜９０質量％で含有するものが通常使用される。
かかるバインダーとしては、ノボラック樹脂やレゾール樹脂などのフェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂；ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリスルフォン、液晶ポリマーなどの熱可塑性樹脂が挙げられる。また、導電性材料としての炭素粉末は、１０〜８００μｍの粉末状や鱗片状の黒鉛が好ましい。

本発明の金型は、図面では上金型と下金型とからなるものが挙げられているが、例えば上金型、中金型、下金型の３つや４つ以上の金型からなるものを使用してもよい。この金型は加熱することができるが、その加熱条件については、使用する燃料電池セパレータ用原料、特にバインダーの種類によって相違し、適宜選択することができる。また、加圧条件としては、通常５０〜８００ｋｇ／ｃｍ^２が採用される。尚、本発明の金型が一度の成形で多数個の燃料電池セパレータを製造するため、各セパレータ空間部３に投入される成形材料の重量がほぼ同一になるように実施するのが好ましく、各セパレータ空間部３への成形材料の投入量を調整する必要がある。

実施例１
図２の金型を用いて下記条件で燃料電池セパレータを成形した。１００回成形したところ、成形材料の充填不足（充填不良）が認められず、またセパレータの中央部及び端部の厚さの精度が±１５μｍ以内に入っており、寸法精度の高いセパレータが得られた。
＜金型条件＞
剰余材料溜用空間部の全体積２２ｃｍ^３
燃料電池セパレータ形成空間部体積１２３ｃｍ^３
剰余材料溜用空間部の全体積割合（対燃料電池セパレータ空間部体積）１７．９％
燃料電池セパレータ形成空間部と剰余材料溜用空間部との通路の高さ０．２ｍｍ
燃料電池セパレータ形成空間部と剰余材料溜用空間部との通路の長さ１．２ｍｍ
食い切り部５の隙間２００μｍ
＜成形条件＞
材料ビニルエステル樹脂２０質量％と黒鉛８０質量％からなる成形材料
投入量１９３ｃｍ^３
成形温度１５０℃
成形圧力４００ｋｇ／ｃｍ^２

比較例１
比較として剰余材料溜用空間部の全体積０％の金型を用いて上記と同様に燃料電池セパレータを成形したところ、成形材料の充填不足（充填不良）が認められ、また成形されたセパレータに厚みムラが生じ、その差が約±１００μｍにも達していた。

従来の圧縮成形用金型の断面図である。本発明の燃料電池セパレータ製造用金型の下金型（上金型）の平面図である。図２での下金型及び上金型のＡ−Ａ断面図である。燃料電池セパレータの平面図及びＢ−Ｂ断面図である。

符号の説明

１上金型
２下金型
３燃料電池セパレータ形成空間部
４剰余材料溜用空間部
５食い切り部
６燃料電池セパレータ
７ガス通路

Claims

燃料電池セパレータ製造用の圧縮成形金型において、少なくとも２個以上の燃料電池セパレータ形成空間部をそれぞれ隔絶して有し、各セパレータ形成空間部の周囲に剰余材料溜用空間部が形成されてなることを特徴とする燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型。
セパレータ形成部と周囲の剰余材料溜用空間部との間に食い切り部を設け、その厚み方向の隙間が１００〜４００μｍである請求項１記載の圧縮成形用金型。
前記燃料電池セパレータ形成空間部が、４個である請求項１または２に記載の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型。
前記燃料電池セパレータ形成空間部の周囲に形成される前記剰余材料溜用空間部の全体積がそれぞれ２０〜１５０ｃｍ^３である請求項１乃至３に記載の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型。
前記剰余材料溜用空間部が、燃料電池セパレータ成形空間部の体積に対して１０〜２５％である請求項１乃至３に記載の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型。
前記剰余材料溜用空間部が、前記燃料電池セパレータ形成空間部の周囲でほぼ均一な体積である請求項１乃至４のいずれかに記載の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型。
請求項１乃至６に記載の燃料電池セパレータ製造用多数個取り圧縮成形金型のいずれかを用いて、金型の各燃料電池セパレータ形成空間部上に炭素材及び熱硬化性樹脂を主成分とする成形材料を置き、圧縮加熱成形することを特徴とする複数の燃料電池セパレータの製造法。