JP4652623B2

JP4652623B2 - Degassing method for fuel cell separator

Info

Publication number: JP4652623B2
Application number: JP2001206556A
Authority: JP
Inventors: 哲也近藤; 顕一石黒; 和夫細野
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-06
Filing date: 2001-07-06
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-07-06
Also published as: JP2003022811A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池用セパレータ製造法、特にプリフォームに内包するガスを抜く技術に関する。
【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水を得る過程で電気を得ることができるというものである。一般に、水素に燃料ガスを当て、酸素に空気や酸化剤ガスを当てるので、燃料ガス、空気、酸化剤ガスの用語も使用する。この様な燃料電池は、例えば特開２０００−１２３８４８「燃料電池」に示されており、同公報の図１において、電解質膜１８（符号は公報記載のものを使用する。以下同じ。）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１４と第２セパレータ１６で挟むことでセルモジュールを造る。
【０００３】
第１セパレータ１４の内側面１４ａに燃料ガス流路３８が形成され、第２セパレータ１６の内側面１６ａに酸化剤ガス流路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になっており、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、この様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、セパレータ１４，１６は隣のセルに燃料ガスや酸化剤が移らぬようにする分離部材であることから「セパレータ」と呼ぶ。
【０００４】
セパレータは、内側面に燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を有するが、ガスを効果的にアノード側電極２０及びカソード側電極２２に接触させる必要がある。そのために、ガス流路３８，４６はごく浅い溝を多数本条設することになる。上記公報にはセパレータの具体的製造方法は記載さていないが、代表的な製造方法は以下の通りである。
【０００５】
実験室レベルであれば、樹脂板若しくは金属板からなる母材の面を機械切削することで溝を形成する。又、溝を開口したマスクを母材に載せ、その上からショットブラストを吹き付け、溝を形成する。しかし、製造コストが嵩み、実用的でない。そこで、量産が容易で製造コストを下げることのできる金型プレス法が期待される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
金型プレス法はカーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とを経てセパレータを製造する方法である。
ところで、バインダはカーボンと熱硬化性樹脂とを一時的に結合しておく接着剤であり、硬化温度で加熱する過程で蒸発してセパレータから消失させるべきものである。
【０００７】
しかし、セパレータ製造工程を経たセパレータを、詳細に調べたところ気泡がセパレータに残留していることが判明した。この残留気泡は、特にガス流路に小さな「ふくれ」となって現われ、セパレータの品質を低下させる。
従って、本発明の目的は、セパレータに残留する気泡を効果的に減少させることのできる技術を提供することにある。
【０００８】
【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の燃料電池用セパレータのガス抜き方法は、カーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とを経て製造する燃料電池用セパレータにおいて、圧縮成形に用いる成形型は、長い直線流路の端からターン流路で折返しこのターン流路の端から次の直線流路を延ばしこの直線流路の端から次のターン流路を折返すごとくにつづら折り状に流路を形成するとともに各流路は筋状の複数の単位流路を集合することで構成したガス流路を成形するために、矩形の成形面の一隅から対角の他偶までつづら折り状に直線突条部及びターン突起部を備え、プリフォームの長さを、直線突条部から外れない様に短くしておき、このプリフォームを成形型で圧縮して延ばす過程で、プリフォームに内包するガスを直線突条部に沿わせて排出することを特徴とする。
【０００９】
表面近傍に内包するガスは、平坦な成形面で押すとその位置に留り排出させることは困難である。この点、直線突条部を押し付ければガスはこの直線突条部の突条により外に押出され、且つ直線部により案内することにより、プリフォーム内から成形型外まで円滑に排出することができる。従って、プリフォームを成形型で圧縮して延ばす過程で、プリフォームに内包するガスを直線突条部に沿わせて排出することで、残留気泡の少ないプリフォームを得ることができる。
【００１２】
【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。
図１は本発明に係る燃料電池用セパレータの製造フロー図である。ＳＴ××はステップ番号を示す。
ＳＴ０１：所定の配合割合でカーボン粉末と熱硬化性樹脂粉末をブレンドし、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。
【００１３】
図２は本発明に係るプリフォーム成形型の原理図であり、プリフォーム成形下型１１の成形面１２に混練物１４を所定量載せる。そして、成形面１６が平坦なプリフォーム成形上型１７を白抜き矢印のごとく下げて、混練物１４を加圧成形する。
図３は本発明に係るプリフォーム成形型の作用図であり、プリフォーム成形下型１１とプリフォーム成形上型１７とにより、所望の形状のプリフォーム２０を得ることができたことを示す。
【００１４】
図１に戻る。
ＳＴ０３：圧縮成形を実施する。この具体例を図４〜図８で説明する。
ＳＴ０４：ＳＴ０３に引続いて若しくは同時に、熱硬化性樹脂の硬化温度まで加熱することにより硬化処理を施す。
これで、所望のセパレータを得ることができる。
【００１５】
ＳＴ０３の詳細を以下説明する。
図４は本発明に係るセパレータ成形型の横断面図であり、受け面３１が平坦であるとともにヒータ３２を備えた下型３３にプリフォーム２０を載せ、直線突条部３４及びヒータ３５を備える上型３６を白抜き矢印の様に型合せすることで、加熱しながら所望の形状にプレス成形を実施する。
【００１６】
図５は本発明に係るセパレータ成形型の長手断面図であり、上型３６には十分に長い直線突条部３４に加えてターン突起部３７・・・を備える。そして、下型３３に載せるプリフォームは、長さがＬ１であって比較的短くて厚みのあるプリフォーム２０Ａ（図６でも説明する。）又は、これより長い長さＬ２であって薄いプリフォーム２０Ｂ（図６でも説明する。）を載せ、想像線で示す長くて薄いセパレータ４０になるように延ばす。
【００１７】
図６は図５の６矢視図であり、圧縮成形に用いる上型３６は、セパレータ（図５の符号４０）に長い直線流路の端からターン流路で折返しこのターン流路の端から次の直線流路を延ばしこの直線流路の端から次のターン流路を折返すごとくにつづら折り状に流路を形成するとともに各流路は筋状の複数の単位流路を集合することで構成したガス流路を成形するために、矩形の成形面４２の一隅４３から対角の他偶４４までつづら折り状に直線突条部３４・・・及びターン突起部３７・・・を備える。
【００１８】
図７（ａ）は図６の７ａ部拡大図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。
（ｂ）に示す通り、直線突条部３４・・・は鋸歯状の突起であり、これで筋目状のガス流路をプレス成形することができる。直線突条部３４，３４間は谷４５となる。
（ａ）に示す通り、直線突条部３４・・・の一端にターン突起部３７・・・が繋がり、これのターン突起部３７・・・の端に次の直線突条部３４・・・が繋がっていることを示す。
【００１９】
図８は本発明に係るガス抜き方法の説明図であり、下型３３に載せたプリフォーム２０に向って直線突条部３４・・・などを備えた上型３６を移動する。すると先ず、直線突条部３４，３４がプリフォーム２０の上面に進入する。これに伴なって、プリフォーム２０に残存していたガスが矢印▲１▼・・・のごとく絞り出されて谷４５，４５に至る。谷４５，４５は長い直線突条部３４に沿っているため、ガスは矢印▲２▼，▲２▼のごとく谷４５，４５に沿って上型３６の一端から出る。
【００２０】
図６に戻って、Ｌ１は図５に示したプリフォーム２０Ａの長さであり、この長さＬ１はターン突起部３７，３７より内側に設定した比較的短いものであり、長さがＬ１のプリフォーム（図５の符号２０Ａ）を、この上型３６で成形面４２の大きさまで延ばすが、残留ガスはプリフォームの延びと共に、直線突条部３４・・・に沿って図面左右へ排出できる。なお、この延ばし工程でプリフォームの端部がターン突起部３７，３７に掛ったときには、プリフォームの弾力性及び流動性により、見掛け上ターン突起部３７，３７を潜り抜けるため、ターン突起部３７，３７の存在により延ばし作用が阻害される心配はない。
【００２１】
又、図６においてＬ２は図５に示したプリフォーム２０Ｂの長さであり、この長さＬ２はターン突起部３７，３７に一部掛るものの全体としては直線突条部３４・・・から外れない長さに設定したものである。長さがＬ２のプリフォーム（図５の符号２０Ｂ）を、この上型３６で成形面４２の大きさまで延ばすが、残留ガスはプリフォームの延びと共に、直線突条部３４・・・に沿って図面左右へ排出できる。
【００２２】
長さＬ１を採用すれば、プリフォームの延ばし量が大きいため、より長い時間プリフォームを上型で押圧することができ、十分なガス抜きが期待できる。
又、長さＬ２は延性の乏しいプリフォームに適用できる。延性が乏しいものは延ばし量を抑える必要があるからである。
【００２３】
【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では、プリフォームに成形型の直線突条部を押し付けることで、ガスを直線突条部の突条により外に押出し、且つ直線部により案内することにより、プリフォーム内から成形型外まで円滑に排出することができる。従って、プリフォームを成形型で圧縮して延ばす過程で、プリフォームに内包するガスを直線突条部に沿わせて排出することで、残留気泡の少ないプリフォームを得ることができ、プリフォームの品質向上を図ることができる。
【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フロー図
【図２】本発明に係るプリフォーム成形型の原理図
【図３】本発明に係るプリフォーム成形型の作用図
【図４】本発明に係るセパレータ成形型の横断面図
【図５】本発明に係るセパレータ成形型の長手断面図
【図６】図５の６矢視図
【図７】（ａ）は図６の７ａ部拡大図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図
【図８】本発明に係るガス抜き方法の説明図
【符号の説明】
２０，２０Ａ，２０Ｂ…プリフォーム、３３…成形型（下型）、３４…直線突条部、３６…成形型（上型）、３７…ターン突起部、４２…成形面、４３…成形面の一隅、４４…成形面の他隅、Ｌ１…ターン突起部に掛らぬ長さ、Ｌ２…直線突条部から外れぬ長さ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing a separator for a fuel cell, and more particularly to a technique for removing gas contained in a preform.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell uses the reverse principle of water electrolysis, and can obtain electricity in the process of obtaining water by reacting hydrogen and oxygen. In general, since fuel gas is applied to hydrogen and air or oxidant gas is applied to oxygen, the terms fuel gas, air, and oxidant gas are also used. Such a fuel cell is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-123848 “Fuel Cell”. In FIG. 1 of the same publication, an electrolyte membrane 18 (the reference numeral is the same as that described in the publication; the same applies hereinafter) is used as the anode. The cell module is manufactured by attaching the side electrode 20 and the cathode side electrode 22 and sandwiching them between the first separator 14 and the second separator 16 via gaskets 24 and 26.
[0003]
A fuel gas flow path 38 is formed on the inner side surface 14a of the first separator 14, an oxidant gas flow path 46 is formed on the inner side surface 16a of the second separator 16, and a fuel gas and an oxidant gas are respectively formed in the central electrolyte membrane 18. Since the electric output obtained by one cell module shown in FIG. 1 is very small, a desired electric output can be obtained by stacking a large number of such cell modules. Accordingly, the separators 14 and 16 are called “separators” because they are separation members that prevent the fuel gas and the oxidant from moving to adjacent cells.
[0004]
The separator has a fuel gas channel or an oxidant gas channel on the inner surface, but it is necessary to effectively bring the gas into contact with the anode side electrode 20 and the cathode side electrode 22. Therefore, the gas flow paths 38 and 46 are provided with a number of extremely shallow grooves. Although the specific method for manufacturing the separator is not described in the above publication, typical manufacturing methods are as follows.
[0005]
If it is a laboratory level, a groove | channel will be formed by machine-cutting the surface of the base material which consists of a resin plate or a metal plate. Further, a mask having an opening in the groove is placed on the base material, and shot blast is sprayed thereon to form the groove. However, the manufacturing cost is high and not practical. Therefore, a die pressing method that can be easily mass-produced and can reduce the manufacturing cost is expected.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
In the die press method, a binder is added to carbon and a thermosetting resin, kneaded, and molded to produce a flat preform, and the preform is compression-molded into a predetermined shape. It is a method of manufacturing a separator through a separator manufacturing process of manufacturing a separator by heating to a curing temperature.
By the way, the binder is an adhesive that temporarily bonds the carbon and the thermosetting resin, and should evaporate and disappear from the separator in the process of heating at the curing temperature.
[0007]
However, when the separator after the separator manufacturing process was examined in detail, it was found that bubbles remained in the separator. These residual bubbles appear as small “bulges”, particularly in the gas flow path, degrading the quality of the separator.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique capable of effectively reducing bubbles remaining in a separator.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the method of degassing a separator for a fuel cell according to claim 1 is characterized in that a preform is produced by adding a binder to carbon and a thermosetting resin, kneading and molding. In a fuel cell separator manufactured through a manufacturing process and a separator manufacturing process in which the preform is compressed into a predetermined shape and heated to a curing temperature, the mold used for compression molding is long. Folded from the end of the straight flow path at the turn flow path, the next straight flow path is extended from the end of this turn flow path, and the next turn flow path is turned back from the end of this straight flow path to form a folded flow path. In addition, in order to form a gas flow path configured by collecting a plurality of streaky unit flow paths, each flow path is folded in a folded manner from one corner of the rectangular molding surface to the other diagonal. Includes a linear ridges and turn projections, the length of the preform, leave as do not depart from the linear impact ridges short, in the process of extending and compressing the preform in the mold, encapsulating the preform The gas to be discharged is discharged along the straight ridge.
[0009]
When the gas contained in the vicinity of the surface is pushed by a flat molding surface, it remains at that position and is difficult to discharge. In this respect, if the straight ridge is pressed, the gas is pushed out by the ridge of the straight ridge, and can be smoothly discharged from the preform to the outside of the mold by being guided by the straight portion. it can. Therefore, in the process of compressing and extending the preform with the molding die, the gas contained in the preform is discharged along the linear protrusions, whereby a preform with less residual bubbles can be obtained.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a production flow diagram of a fuel cell separator according to the present invention. STxx indicates a step number.
ST01: Carbon powder and thermosetting resin powder are blended at a predetermined blending ratio, and an appropriate amount of binder is added and kneaded.
ST02: A preform is produced by molding the kneaded product in the following manner.
[0013]
FIG. 2 is a principle diagram of the preform mold according to the present invention, and a predetermined amount of the kneaded material 14 is placed on the molding surface 12 of the preform mold 11. Then, the preform molding upper die 17 having a flat molding surface 16 is lowered as indicated by the white arrow, and the kneaded product 14 is pressure-molded.
FIG. 3 is an operation diagram of the preform molding die according to the present invention, and shows that the preform 20 having a desired shape can be obtained by the preform molding lower mold 11 and the preform molding upper mold 17.
[0014]
Returning to FIG.
ST03: Perform compression molding. A specific example will be described with reference to FIGS.
ST04: Subsequent to or simultaneously with ST03, a curing process is performed by heating to the curing temperature of the thermosetting resin.
Thus, a desired separator can be obtained.
[0015]
Details of ST03 will be described below.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a separator mold according to the present invention. The preform 20 is placed on a lower mold 33 having a flat receiving surface 31 and a heater 32, and includes a linear protrusion 34 and a heater 35. By aligning the upper die 36 as indicated by the white arrow, press molding is performed into a desired shape while heating.
[0016]
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the separator mold according to the present invention, and the upper mold 36 is provided with turn protrusions 37... In addition to a sufficiently long straight protrusion 34. The preform placed on the lower mold 33 has a length L1 and a relatively short and thick preform 20A (also described in FIG. 6) or a longer length L2 and a thin preform. 20B (also described in FIG. 6) is placed and extended so as to be a long and thin separator 40 indicated by an imaginary line.
[0017]
FIG. 6 is a view taken in the direction of arrow 6 in FIG. 5. The upper die 36 used for compression molding is folded back from the end of the long straight flow path to the separator (reference numeral 40 in FIG. 5) from the end of the turn flow path. By extending the next straight flow path and turning the next turn flow path from the end of this straight flow path, the flow path is formed in a zigzag shape, and each flow path is composed of a plurality of streaky unit flow paths. In order to form the configured gas flow path, linear protrusions 34... And turn protrusions 37... Are formed in a folded manner from one corner 43 of the rectangular forming surface 42 to the other diagonal 44.
[0018]
7A is an enlarged view of a portion 7a in FIG. 6, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along the line bb in FIG.
As shown in (b), the straight ridges 34... Are saw-toothed projections, which can press-mold the gas-like gas flow path. A valley 45 is formed between the straight protrusions 34 and 34.
As shown in (a), a turn protrusion 37 is connected to one end of the straight protrusion 34, and the next straight protrusion 34 is connected to the end of the turn protrusion 37. Indicates that they are connected.
[0019]
FIG. 8 is an explanatory view of the degassing method according to the present invention, and the upper die 36 having the straight ridges 34... Is moved toward the preform 20 placed on the lower die 33. Then, first, the linear protrusions 34, 34 enter the upper surface of the preform 20. Along with this, the gas remaining in the preform 20 is squeezed out as indicated by the arrow (1). Since the valleys 45, 45 are along the long straight ridge 34, the gas exits from one end of the upper die 36 along the valleys 45, 45 as indicated by the arrows (2), (2).
[0020]
Returning to FIG. 6, L1 is the length of the preform 20A shown in FIG. 5, and this length L1 is a relatively short length set inside the turn protrusions 37, 37, and the length is L1. The preform (symbol 20A in FIG. 5) is extended to the size of the molding surface 42 by the upper mold 36, but the residual gas can be discharged to the left and right of the drawing along the straight protrusions 34 ... along with the extension of the preform. . When the end of the preform hits the turn projections 37 and 37 in this extending step, the turn projection 37 is apparently penetrated by the elasticity and fluidity of the preform. , 37, there is no concern that the prolongation action is hindered.
[0021]
In FIG. 6, L2 is the length of the preform 20B shown in FIG. 5, and this length L2 is partly attached to the turn protrusions 37, 37, and as a whole deviates from the linear protrusion 34. There is no set length. A preform having a length L2 (reference numeral 20B in FIG. 5) is extended to the size of the molding surface 42 by the upper die 36, but the residual gas extends along the straight ridges 34 ... along with the extension of the preform. Can be discharged to the left and right of the drawing.
[0022]
If the length L1 is adopted, the amount of the preform stretched is large, so that the preform can be pressed with the upper mold for a longer time, and sufficient degassing can be expected.
The length L2 can be applied to a preform with poor ductility. This is because it is necessary to suppress the amount of stretching for those with poor ductility.
[0023]
【The invention's effect】
The present invention exhibits the following effects by the above configuration.
In claim 1, by pressing the linear ridge of the mold against the preform, the gas is pushed out by the ridge of the linear ridge, and guided by the linear portion, so that the outside of the mold is out of the preform. Can be discharged smoothly. Accordingly, in the process of compressing and extending the preform with a mold, the gas contained in the preform is discharged along the straight protrusion, so that a preform with less residual bubbles can be obtained. Quality can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a production flow diagram of a fuel cell separator according to the present invention. FIG. 2 is a principle diagram of a preform mold according to the present invention. FIG. 3 is an operation diagram of a preform mold according to the present invention. Fig. 5 is a cross-sectional view of the separator mold according to the present invention. Fig. 5 is a longitudinal cross-sectional view of the separator mold according to the present invention. Fig. 6 is a view taken along arrow 6 in Fig. 5. Enlarged view, (b) is a cross-sectional view taken along the line bb of (a).
20, 20A, 20B ... Preform, 33 ... Molding die (lower die), 34 ... Linear ridge, 36 ... Molding die (upper die), 37 ... Turn projection, 42 ... Molding surface, 43 ... Molding surface One corner, 44 ... the other corner of the molding surface, L1 ... a length not hanging on the turn protrusion, L2 ... a length that does not come off the straight protrusion.

Claims

カーボンと熱硬化性樹脂とにバインダを加え、混練し、成形することで平板状のプリフォームを製造するプリフォーム製造工程と、このプリフォームを所定の形状に圧縮成形すると共に硬化温度に加熱することでセパレータを製造するセパレータ製造工程とを経て製造する燃料電池用セパレータにおいて、
前記圧縮成形に用いる成形型は、長い直線流路の端からターン流路で折返しこのターン流路の端から次の直線流路を延ばしこの直線流路の端から次のターン流路を折返すごとくにつづら折り状に流路を形成するとともに各流路は筋状の複数の単位流路を集合することで構成したガス流路を成形するために、矩形の成形面の一隅から対角の他偶までつづら折り状に直線突条部及びターン突起部を備え、
前記プリフォームの長さを、前記直線突条部から外れない様に短くしておき、このプリフォームを前記成形型で圧縮して延ばす過程で、プリフォームに内包するガスを前記直線突条部に沿わせて排出することを特徴とする燃料電池用セパレータのガス抜き方法。A preform manufacturing process for manufacturing a flat-plate preform by adding a binder to carbon and a thermosetting resin, kneading and molding, and compression-molding the preform into a predetermined shape and heating to a curing temperature In a separator for a fuel cell manufactured through a separator manufacturing process for manufacturing a separator,
The molding die used for the compression molding is folded back from the end of the long straight channel by the turn channel, and the next straight channel is extended from the end of the turn channel, and the next turn channel is folded from the end of the straight channel. In particular, in order to form a gas flow path formed by gathering a plurality of streaky unit flow paths and forming a flow path in a zigzag manner, each of the flow paths has a diagonal shape from one corner to the other. Equipped with straight ridges and turn protrusions in a folded shape until even
Wherein the length of the preform, the leave short so as not deviate from the linear impact ridges, in the process of extending the preform is compressed in the mold, said gas contained in the preform straight ridges A method for degassing a separator for a fuel cell, wherein the gas is discharged along the line.