圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法
【課題】成形時における成形材料の漏れ出しを抑制でき、かつ成形品を精度よく成形できる、厚みの薄い圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。
【解決手段】圧縮成形用金型１０では、金型部材１は、賦形部１ａを取り囲むように形成された凹部１ｂを有している。金型部材２は、賦形部２ａを取り囲むように形成された凸部２ｂを有している。凹部１ｂは、凸部２ｂが嵌まり込むように構成されており、かつ凸部２ｂが嵌まり込んだ状態で凸部２ｂの両側の側面の各々に対向するような側面を有している。
【解決手段】圧縮成形用金型１０では、金型部材１は、賦形部１ａを取り囲むように形成された凹部１ｂを有している。金型部材２は、賦形部２ａを取り囲むように形成された凸部２ｂを有している。凹部１ｂは、凸部２ｂが嵌まり込むように構成されており、かつ凸部２ｂが嵌まり込んだ状態で凸部２ｂの両側の側面の各々に対向するような側面を有している。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応から電力を得る燃料電池においては、近年ポ−タブル機器、自動車等の種々の用途への適用が検討されている。燃料電池は、電解質膜、電極およびセパレータからなる基本構成単位、すなわち単位セルが通常直列に数十〜数百セル積層された構造を有する。一般的な燃料電池の製造方法では電解質膜および電極は予め電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ）として形成され、これにセパレータが配置される。セパレータとしては、水素等の燃料と、空気または酸素からなる酸化剤と、セルを冷却するための冷媒とをそれぞれ供給するための流路を少なくとも片面に形成したものが用いられる。
【０００３】
セパレータでは、隣接するＭＥＡとの電気的な接続を確保して燃料電池の発電効率を高めるために十分な導電性を備えることが必要であるが、これに加えて、単位セルの積層構造を支えるために十分な機械的強度が必要とされる。また、燃料電池の小型化の要求に伴い近年ではセパレータの薄肉化も求められている。さらに、単位セルの積層構造における単位セル間の接触抵抗を低減するために厚み精度の向上も求められている。
【０００４】
従来の燃料電池用セパレータは、樹脂と炭素材料とを含む成形材料を圧縮成形用金型内に投入し加圧することによって成形される。このような燃料電池用セパレータを形成するための成形用金型の構造は従来から各種提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００５】
この圧縮成形用金型には、（１）金型形状を成形材料に転写するために、成形材料に所望の成形圧力および熱を付加できること（成形材料が漏れないこと）、（２）金型内および成形材料中の空気を効率よく金型外に排出できること、が求められる。（１）、（２）を同時に達成するために、金型内に材料を閉じ込め、かつ空気を排出する必要がある。
【０００６】
一般的に、従来の圧縮成形用金型は、図１３に示すように、凹部（キャビティ）１０１ａを有する凹型１０１と、凸部（コア）１０２ａを有する凸型１０２とから構成されている。そして、上記（１）、（２）を満たすために、凹部１０１ａの側壁と凸部１０２ａの側壁とを対向させたシェアエッジ（図中領域Ｐ）が設けられている。
【０００７】
このような金型を用いて成形材料を成形すると、凹部１０１ａからフローアウトした余剰分の成形材料は、シェアエッジの隙間（クリアランス）を通過する際に金型壁面との間の強い摩擦力により大きな流動抵抗を受け、これにより成形材料の漏れ出しが防止されている。このため、シェアエッジの長さ（トラベル）ｈと隙間（クリアランス）ｂとを適切に設定することにより、成形時の成形材料の漏れを防止することができ、かつ金型内および成形材料中の空気を効率よく金型外へ排出することができる。
【０００８】
また金型として、図１４に示すように、凹部２０１ａを有する金型２０１と、凹部２０２ａを有する金型２０２とから構成される合わせ型の圧縮成形用金型もある。この合わせ型の金型では、構造が簡単で、金型全体の厚みを薄くすることもできる。
【特許文献１】特開２００１−１９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０４５９号公報
【特許文献３】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献４】特開２００４−２３０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１３に示すシェアエッジ構造の圧縮成形用金型では、成形時の成形材料の漏れを防止するために、シェアエッジの長さ（トラベル）ｈを大きくとる必要があり、金型１０１、１０２の厚みが厚くなる。金型１０１、１０２の厚みが厚くなると、金型１０１、１０２の加熱・冷却に時間がかかる。このため、金型１０１、１０２を介して成形材料を加熱するにも長時間が必要となる。よって、加熱・冷却のエネルギーが大量に消費されるとともに、圧縮成形のサイクル時間が長くなるという問題がある。また金型１０１、１０２の厚みが厚くなるため、成形後に凹型１０１の凹部１０１ａ内から成形品を取り出すことが難しくなり、成形品の脱型性が悪くなるという問題もある。
【００１０】
また、図１４に示す合わせ型の圧縮成形用金型では、流動性が低い成形材料の場合には、図１５に示すように金型２０１と金型２０２との合わせ面に、漏れ出した成形材料が多く残り、結果として成形品２０の厚みが厚くなるという問題がある。また、流動性が高い成形材料の場合、図１６に示すように漏れ出した成形材料が合わせ面に留まらず金型外に排出される。これにより、成形品が薄くなり、成形材料に圧力が加わりにくいという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、成形時における成形材料の漏れ出しを抑制でき、かつ成形品を精度よく成形できる、厚みの薄い圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の圧縮成形用金型は、成形材料を圧縮成形するための圧縮成形用金型であって、第１の金型部材と、第２の金型部材とを備えている。第１の金型部材は、成形材料を賦形するための第１の賦形部を有し、かつ第１の賦形部を取り囲むように形成された凹部を有している。第２の金型部材は、成形材料を賦形するための第２の賦形部を有し、かつ第２の賦形部を取り囲むように形成された凸部を有している。凹部は、凸部が嵌まり込むように構成されており、かつ凸部が嵌まり込んだ状態で凸部の両側の側面の各々に対向するような側面を有している。
【００１３】
本発明の圧縮成形用金型によれば、凹部の側面が凸部の両側の側面の各々に対向している。このため、凸部の両側の側面においてシェアエッジの長さを確保することができる。つまり、金型部材の厚みとして１つの凸部の高さを増加させるだけで、流れ経路におけるシェアエッジの総長さ（凸部の高さ方向の長さ）を凸部の一方の側部におけるシェアエッジの長さの２倍分（シェアエッジの長さ×２）も確保することができる。また、このような凸部を複数個設ければ、金型部材の厚みとして１つの凸部の高さを増加させるだけで、流れ経路におけるシェアエッジの総長さを、（凸部の一方の側部におけるシェアエッジの長さ）×２×（凸部の個数）分も確保することができる。このように金型部材の厚みの増加を抑制しながら、流れ経路におけるシェアエッジの総長さを大きくすることができる。金型部材の厚みの増加を抑制できるため成形時における金型部材の加熱や冷却が容易となり、加熱や冷却におけるエネルギー消費量を従来例よりも低減できると共に、成形のサイクル時間を従来例よりも短縮することができる。またシェアエッジの総長さを大きく確保できるため、成形材料の流れ出しを抑制することができ、成形品の厚さ精度を良好とすることができる。
【００１４】
また従来例のようにシェアエッジの長さを大きく確保するためにキャビティの深さを深くする必要がないため、本発明の圧縮成形用金型では成形後に成形品を金型部材から取り出すことが容易となり、成形品の脱型性が良好となる。
【００１５】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときに、凸部の側面と凹部の側面との間隔が０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下である。
【００１６】
上記の間隔が０．１５ｍｍを超える場合には、成形材料の漏れ出し量が多くなり、金型内に材料を留めることが困難となり、成形品の厚さ精度不良が生じる。特に成形圧力が１０ＭＰａ以上である場合や、成形材料中の充填材あるいは繊維材の含有量が５０体積％未満の材料を形成する場合には、この傾向が顕著となる。一方、上記の間隔が０．０３ｍｍ未満の場合、成形材料中の空気の排出が困難となり、成形品のボイドなどが発生する場合がある。
【００１７】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときに、凸部の頂面と凹部の底面との間隔が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である。
【００１８】
上記の間隔が０．３０ｍｍを超える場合には、成形材料の漏れ出し量が多くなり、金型内に材料を留めることが困難となり、成形品の厚さ精度不良が生じる。特に成形圧力が１０ＭＰａ以上である場合や、成形材料中の充填材あるいは繊維材の含有量が５０体積％未満の材料を形成する場合には、この傾向が顕著となる。一方、上記の間隔が０．０５ｍｍ未満の場合、成形材料中の空気の排出が困難となり、成形品のボイドなどが発生する場合がある。
【００１９】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときの、凸部の付け根と凹部の底面との距離をｔ（成形品の厚み）とすると、凸部の幅は、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下である。
【００２０】
凸部の幅が（ｔ×０．５）未満の場合、凸部が細くなるために凸部の耐久性が低くなり、成形する過程で金型が変形し、やがて金型を潰す危険がある。また凸部の幅が（ｔ×１．０）を超える場合、成形材料の漏れ出しを防止するためには多くの凹部と凸部とを設ける必要があり、金型サイズが大型となる。
【００２１】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、上記のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いて成形材料を圧縮成形する工程を経て燃料電池用セパレータを製造することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【００２３】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、成形材料は熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の少なくともいずれかを含んでいる。
【００２４】
これにより熱可塑性樹脂の場合には成形時の加熱により溶融し、冷却により固化して成形品形状とすることができ、また熱硬化性樹脂の場合には成形時の加熱により固化して成形品形状とすることができる。
【００２５】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、熱可塑性樹脂を少なくとも含む成形材料を、圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮した後に、冷却しながら圧縮する。
【００２６】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、熱硬化性樹脂を含む成形材料を、圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮する。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明の圧縮成形用金型によれば、金型の厚みを薄く維持したままで、成形時における成形材料の漏れ出しを抑制できるとともに、成形品の厚さを精度良く製造することができる。またこの圧縮成形用金型を用いて燃料電池用セパレータを製造することにより、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。図２は図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図であり、図３は凸部が凹部に嵌まり込んだ様子を示す図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。また図４は図１に示す金型部材１の構成を、図５は図１に示す金型部材２の構成をそれぞれ概略的に示す平面図である。
【００２９】
主に図１および図２を参照して、本実施の形態の圧縮成形用金型１０は、金型部材１と、金型部材２とを有している。金型部材１は、金型部材２と対向する表面１ａに、成形材料を賦形するための賦形部Ｒ１を有している。また金型部材２は、金型部材１と対向する表面２ａに、成形材料を賦形するための賦形部Ｒ２を有している。この賦形部Ｒ１、Ｒ２は、賦形部Ｒ１、Ｒ２間の空間３内で、圧縮成形時に成形材料を挟み込んで加圧することで成形品に形状を転写する部分である。
【００３０】
金型部材１は、金型部材２と対向する表面１ａに凹部１ｂを有している。また金型部材２は、金型部材１と対向する表面２ａに凸部２ｂを有している。この凸部２ｂは、金型部材１と金型部材２とを重ね合わせたときに、図３に示すように凹部１ｂに嵌まり込むように構成されている。
【００３１】
主に図４および図５を参照して、金型部材１に形成される凹部１ｂは、賦形部Ｒ１の外周を取り囲むように形成されている。また金型部材２に形成される凸部２ｂは、賦形部Ｒ２の外周を取り囲むように形成されている。この凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は単列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲んでいてもよく、また複列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲んでいてもよい。図４および図５においては、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々が２列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲む構成が例示されている。なお、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は、賦形部Ｒ１、Ｒ２の各々を途切れることなく連続的に取り囲んでいてもよく、また本発明の効果を逸脱しない範囲で一部において途切れていてもよい。例えば、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は、そのコーナー部において途切れ部分を有していてもよい。
【００３２】
主に図３を参照して、凸部２ｂが凹部１ｂに嵌まり込んだ状態で、凹部１ｂの側面１ｂ1、１ｂ2の各々は、凸部２ｂの両側の側面２ｂ1、２ｂ2の各々に対向している。また凸部２ｂが凹部１ｂに嵌まり込んだ状態で、凹部１ｂの底面１ｂ3は、凸部２ｂの頂面２ｂ3に対向している。
【００３３】
次に、本実施の形態における圧縮成形用金型の各部の寸法について説明する。
図６は、凸部を凹部に嵌め込んで２つの金型部材を重ね合わせた状態での各部の寸法を説明するための概略断面図である。図６を参照して、この状態における凸部の頂面と凹部の底面との間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎが０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることが好ましい。また間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎについては、本発明の効果を逸脱しない範囲で、Ａ１＞Ａ２＞・・・＞Ａｎとなるように、金型中心から外側に向かって徐々に間隔が変えられてもよい。
【００３４】
また凸部２ｂの側面と凹部１ｂの側面との間隔（シェアエッジのクリアランス）Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。この数値範囲は、一般的な成形材料を用いた場合に適用するに好適な範囲である。よって、例えば充填材の量や粒子径、繊維材の量や径が特殊な材料を用いる場合には、以下に説明するように、その材料に基づいて間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎが決められてもよい。
【００３５】
樹脂成形材料には、樹脂のほかに充填材（例えば粒子状のフィラー）や成形品の強化材としてガラス繊維やカーボン繊維が使用される。成形材料に平均粒子径５μｍの充填材を用いる場合には、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また繊維径が１５μｍ程度のガラス繊維を用いる場合には、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは１５μｍ以上１５００μｍ以下であることが好ましい。つまり、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは、充填材や繊維材の大きさの１倍以上１００倍以下の大きさであることが好ましい。
【００３６】
また金型１の頂面と金型２の頂面との距離（つまりシェアエッジの長さ（トラベル））をｈとし、シェアエッジの個数をＹとすると、ｈは（０．１×ｔ）以上ｔ以下であり、かつシェアエッジの総長さＨ（＝ｈ×Ｙ）は０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。ｈおよびＨが上記より小さい場合には、成形材料が金型から流出する危険がある。ｈおよびＨが上記より大きい場合には、金型が大きくなるため、金型の加熱・冷却に多大な時間とエネルギーが必要となり、また金型の加工が複雑となり金型加工費用が高くなる。このシェアエッジの長さｈは、上記の間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎと同様、本発明の効果を逸脱しない範囲で、金型中心から外側に向かって徐々に短くなるように変えられてもよい。
【００３７】
またこの状態における凸部２ｂの幅Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎは、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下であることが好ましい。この幅Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎは、上記の間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎと同様、本発明の効果を逸脱しない範囲で、Ｃ１＞Ｃ２＞・・・＞Ｃｎとなるように、金型中心から外側に向かって徐々に間隔が変えられてもよい。
【００３８】
もちろんシェアエッジの総長さＨとクリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎとは、成形圧力や成形材料に用いる樹脂の粘度を考慮して決める必要がある。すなわち、成形圧力が大きく、樹脂の粘度が低く、成形材料が漏れやすい条件では、上記の目安の設計値よりもクリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは小さく、総長さＨは長くすることは言うまでもない。
【００３９】
また、金型は工作機械を用いて製作されること、金型を加熱する場合は金属の熱膨張により金型寸法が大きくなることを考慮して、加工精度および温度分布を考慮して、クリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎおよび総長さＨを設計する必要がある。特に金型が大型の場合、数十μｍから数百μｍ程度の寸法誤差が生じることを考慮しておく必要がある。
【００４０】
なお、金型部材１、２を重ね合わせたときに、凹部１ｂの底面と凸部２ｂの頂面とが接触しないように、また所定厚みの成形品を成形できるように金型部材１、２にはストッパーが設けられている。
【００４１】
次に、本実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【００４２】
図７および図８は、本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図７を参照して、成形材料２０が、例えば導電性炭素材料と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、例えば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでいる。この成形材料は、粉末状、粒子状、ペレット状などであってもよく、またシート形状であってもよい。
【００４３】
上記の炭素材料としては、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、ガラス状カーボン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらの炭素材料は単独で、もしくは２種以上を組合せて用いることができる。これらの炭素材料の粉粒体の形状に特に制限はなく、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。また、黒鉛を化学処理して得られる膨張黒鉛も使用することができる。導電性を考慮すれば、より少量で高度の導電性を有するセパレータが得られるという点で、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛が好ましい。
【００４４】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂は１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。
【００４５】
熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリチオエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライドなどのフッ素樹脂、全芳香族ポリエステル、半芳香族ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエステル・ポリエステルエラストマー、ポリエステル・ポリエーテルエラストマーなどの熱可塑性エラストマー等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂と同様に、熱可塑性樹脂も１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。さらに熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを複合したものも使用することができる。
【００４６】
この成形材料２０が圧縮成形用金型１０に投入され、金型部材１の賦形部１ａと金型部材２の賦形部２ａとの間で加圧される。この際、金型部材１、２は熱盤１１により加熱されており、この金型部材１、２を介して成形材料２０が加熱される。この加熱加圧により、樹脂バインダーに熱硬化性樹脂が用いられている場合には、その熱硬化性樹脂が固化する。この後、金型１０から燃料電池用セパレータ成形体が取り出される。また樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、上記の加熱加圧により、その熱可塑性樹脂は溶融する。
【００４７】
次に図８を参照して、樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、引き続いて、金型部材１、２が冷却盤１２により冷却される。この冷却の際にも、成形材料２０は金型部材１の賦形部１ａと金型部材２の賦形部２ａとの間で加圧されている。この冷却加圧により溶融状態にあった熱可塑性樹脂が固化する。この後、金型１０から燃料電池用セパレータ成形体が取り出される。
【００４８】
上記のように樹脂バインダーが熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料２０が圧縮成形用金型１０で加熱加圧されて燃料電池用セパレータ成形体が得られるが、樹脂バインダーが熱可塑性樹脂よりなる場合または熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料２０が圧縮成形用金型１０で加熱加圧および冷却加圧されて燃料電池用セパレータ成形体が得られる。
【００４９】
上記の圧縮成形を経て得られた本実施の形態の燃料電池用セパレータは、例えば図９に示す形状を有している。図９を参照して、この燃料電池用セパレータ３１は、ガスまたは液体の供給路となるリブ形状を両面に設けたものや、該リブ形状を片面に設けたものが挙げられ、本実施の形態の燃料電池用セパレータにはいずれの形状も採用され得る。燃料電池用セパレータの形状は、上記の圧縮成形用金型１０の賦形部１ａ、２ａの形状を適宜選択することにより任意に設計され得る。
【００５０】
上記のようにして得られた本実施の形態の燃料電池用セパレータ３１を用いて燃料電池を製造することができる。図１０は、本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセル構造の例を示す斜視図である。図１０を参照して、燃料電池セル３０は、燃料電池用セパレータ３１と電解質膜／膜接合体３５とを有している。電解質膜／膜接合体３５は、例えば燃料極３２、酸化剤極３３および固体高分子電解質膜３４からなっている。１対の燃料電池用セパレータ３１、３１が電解質膜／膜接合体３５を挟むように配置されることで、固体高分子型の燃料電池セル３０が構成されている。本実施の形態の燃料電池は、単一の燃料電池セル３０より構成されていても利用可能であるが、発電性能を高める目的で通常は該燃料電池セル３０が複数個直列に配置された燃料電池スタックとされている。
【００５１】
本実施の形態で得られる燃料電池用セパレータ３１は、上記の固体高分子型の燃料電池のほかに、ヒドラジン型、直接メタノール型、アルカリ型、リン酸型等の種々の燃料電池に対して好適に適用され得る。
【００５２】
以下、本実施の形態の作用効果について説明する。
図１１は、本発明の一実施の形態の圧縮成形用金型における成形材料の流れ経路を概略的に示す部分断面図である。図１１を参照して、本実施の形態によれば、賦形部１ａ、２ａ間に充填された成形材料２０は成形時に図中の矢印に沿って賦形部１ａ、２ａ間から流れていく。しかし本実施の形態では、金型部材１に形成された凹部１ｂは、金型部材２に形成された凸部２ｂの両側面の各々に対向している。このため、図中の矢印で示す成形材料２０の流れ経路において、凸部２ｂの両側面でシェアエッジの長さ（トラベル）ｈを確保することができる。つまり、流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨを、シェアエッジの長さｈの２倍（ｈ×２）で確保することができる。
【００５３】
このように金型部材１（または金型部材２）の厚みＴとして１つの凹部１ｂ（または凸部２ｂ）の高さ分を増やすだけで、成形材料２０の流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨとしてシェアエッジの長さｈの２倍の長さ（ｈ×２）を確保することができる。このため、金型部材１、２の厚みの増加を抑制しつつ、シェアエッジの総長さＨを大きく確保することができる。金型部材１、２の厚みの増加を抑制できるため成形時における金型部材１、２の加熱や冷却が容易となり、加熱や冷却におけるエネルギー消費量を従来例よりも低減できると共に、成形のサイクル時間を従来例よりも短縮することができる。またシェアエッジの総長さＨを大きく確保できるため、成形材料の漏れ出しを抑制することができ、成形品の厚さ精度を良好とすることができる。
【００５４】
また本実施の形態では、流れ経路は、凸部２ｂの一方の側面に沿う部分Ｅでは図中下側に向かって伸びるが、他方の側面に沿う部分Ｆでは図中上側に向かって伸びる。このため、例えば図１に示すように凹部１ｂおよび凸部２ｂを複列（例えば２列）で配置しても、金型部材１（または金型部材２）の厚みＴとして１つの凹部１ｂ（または凸部２ｂ）の高さ分が増えるだけである。一方、この場合の流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨは、シェアエッジの長さｈの２倍の長さ（ｈ×２）にその列数を乗じた長さ（ｈ×２×列数）となる。よって、凹部１ｂおよび凸部２ｂの列数を増やすことにより、金型部材１、２の厚みは薄く維持したまま、シェアエッジの総長さＨを列数分だけ増加させていくことができる。これにより、さらに成形材料２０の漏れ出しを抑制することができる。
【００５５】
また本実施の形態では凹部１ｂおよび凸部２ｂの列数を増やすことでシェアエッジの長さｈを大きく確保することができる。このため、図１３に示す従来例のようにシェアエッジの長さｈを大きく確保するために凹部１０１ａの深さを深くする必要はない。よって、成形後に成形品を金型部材１または２から取り出すことが容易となり、成形品の脱型性が良好となる。
【００５６】
上記の圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法によれば、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【００５７】
上記のような方法で製造される本実施の形態の燃料電池は、セパレータの薄肉化および厚み精度の向上により小型化が可能であるため、例えば電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源や、人工衛星、飛行機、宇宙船等の移動体用電源、等として好適に使用され得る。
【００５８】
なお本発明の圧縮成形用金型における凹部および凸部の成形品の厚み方向に対する位置は、上記の実施の形態で説明した構成に限定されるものではなく、例えば図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような位置であってもよい。つまり、圧縮成形用金型１０における凹部１ｂおよび凸部２ｂの成形品２０の厚み方向（図中Ｘ方向）に対する位置は、図１２（ａ）に示すように厚み方向に対して図中上側に偏っていてもよく、図１２（ｂ）に示すように厚み方向の中心位置にあってもよく、図１２（ｃ）に示すように厚み方向に対して図中下側に偏っていてもよい。
【００５９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等に対して適用されるリン酸型燃料電池、ダイレクトメタノ−ル型燃料電池、固体高分子型燃料電池等の燃料電池に対して使用可能な燃料電池用セパレータの製造方法およびそれに用いられる圧縮成形用金型に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。
【図３】凸部が凹部に嵌まり込んだ様子を示す図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。
【図４】図１に示す金型部材１の構成を概略的に示す平面図である。
【図５】図１に示す金型部材２の構成を概略的に示す平面図である。
【図６】凸部を凹部に嵌め込んで２つの金型部材を重ね合わせた状態での各部の寸法を説明するための概略断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた圧縮成形を経て得られた燃料電池用セパレータの構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセル構造の例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の一実施の形態の圧縮成形用金型における成形材料の流れ経路を概略的に示す部分断面図である。
【図１２】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型のバリエーションを示す断面図である。
【図１３】従来のシェアエッジ構造の圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図１４】従来の合わせ型の圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図１５】従来の合わせ型の圧縮成形用金型において流れ出した成形材料が少ない場合の様子を概略的に示す断面図である。
【図１６】従来の合わせ型の圧縮成形用金型において流れ出した成形材料が多い場合の様子を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 金型部材、１ａ 賦形部、１ｂ 凹部、２ 金型部材、２ａ 賦形部、２ｂ 凸部、１０ 圧縮成形用金型、１１ 熱盤、１２ 冷却盤、２０ 成形材料、３０ 燃料電池セル、３１ 燃料電池用セパレータ、３２ 燃料極、３３ 酸化剤極、３４ 固体高分子電解質膜、３５ 膜接合体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水素と酸素との電気化学反応から電力を得る燃料電池においては、近年ポ−タブル機器、自動車等の種々の用途への適用が検討されている。燃料電池は、電解質膜、電極およびセパレータからなる基本構成単位、すなわち単位セルが通常直列に数十〜数百セル積層された構造を有する。一般的な燃料電池の製造方法では電解質膜および電極は予め電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ）として形成され、これにセパレータが配置される。セパレータとしては、水素等の燃料と、空気または酸素からなる酸化剤と、セルを冷却するための冷媒とをそれぞれ供給するための流路を少なくとも片面に形成したものが用いられる。
【０００３】
セパレータでは、隣接するＭＥＡとの電気的な接続を確保して燃料電池の発電効率を高めるために十分な導電性を備えることが必要であるが、これに加えて、単位セルの積層構造を支えるために十分な機械的強度が必要とされる。また、燃料電池の小型化の要求に伴い近年ではセパレータの薄肉化も求められている。さらに、単位セルの積層構造における単位セル間の接触抵抗を低減するために厚み精度の向上も求められている。
【０００４】
従来の燃料電池用セパレータは、樹脂と炭素材料とを含む成形材料を圧縮成形用金型内に投入し加圧することによって成形される。このような燃料電池用セパレータを形成するための成形用金型の構造は従来から各種提案されている（例えば特許文献１〜４参照）。
【０００５】
この圧縮成形用金型には、（１）金型形状を成形材料に転写するために、成形材料に所望の成形圧力および熱を付加できること（成形材料が漏れないこと）、（２）金型内および成形材料中の空気を効率よく金型外に排出できること、が求められる。（１）、（２）を同時に達成するために、金型内に材料を閉じ込め、かつ空気を排出する必要がある。
【０００６】
一般的に、従来の圧縮成形用金型は、図１３に示すように、凹部（キャビティ）１０１ａを有する凹型１０１と、凸部（コア）１０２ａを有する凸型１０２とから構成されている。そして、上記（１）、（２）を満たすために、凹部１０１ａの側壁と凸部１０２ａの側壁とを対向させたシェアエッジ（図中領域Ｐ）が設けられている。
【０００７】
このような金型を用いて成形材料を成形すると、凹部１０１ａからフローアウトした余剰分の成形材料は、シェアエッジの隙間（クリアランス）を通過する際に金型壁面との間の強い摩擦力により大きな流動抵抗を受け、これにより成形材料の漏れ出しが防止されている。このため、シェアエッジの長さ（トラベル）ｈと隙間（クリアランス）ｂとを適切に設定することにより、成形時の成形材料の漏れを防止することができ、かつ金型内および成形材料中の空気を効率よく金型外へ排出することができる。
【０００８】
また金型として、図１４に示すように、凹部２０１ａを有する金型２０１と、凹部２０２ａを有する金型２０２とから構成される合わせ型の圧縮成形用金型もある。この合わせ型の金型では、構造が簡単で、金型全体の厚みを薄くすることもできる。
【特許文献１】特開２００１−１９８９２１号公報
【特許文献２】特開２００３−１７０４５９号公報
【特許文献３】特開２００４−２１６７５６号公報
【特許文献４】特開２００４−２３０７８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、図１３に示すシェアエッジ構造の圧縮成形用金型では、成形時の成形材料の漏れを防止するために、シェアエッジの長さ（トラベル）ｈを大きくとる必要があり、金型１０１、１０２の厚みが厚くなる。金型１０１、１０２の厚みが厚くなると、金型１０１、１０２の加熱・冷却に時間がかかる。このため、金型１０１、１０２を介して成形材料を加熱するにも長時間が必要となる。よって、加熱・冷却のエネルギーが大量に消費されるとともに、圧縮成形のサイクル時間が長くなるという問題がある。また金型１０１、１０２の厚みが厚くなるため、成形後に凹型１０１の凹部１０１ａ内から成形品を取り出すことが難しくなり、成形品の脱型性が悪くなるという問題もある。
【００１０】
また、図１４に示す合わせ型の圧縮成形用金型では、流動性が低い成形材料の場合には、図１５に示すように金型２０１と金型２０２との合わせ面に、漏れ出した成形材料が多く残り、結果として成形品２０の厚みが厚くなるという問題がある。また、流動性が高い成形材料の場合、図１６に示すように漏れ出した成形材料が合わせ面に留まらず金型外に排出される。これにより、成形品が薄くなり、成形材料に圧力が加わりにくいという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、成形時における成形材料の漏れ出しを抑制でき、かつ成形品を精度よく成形できる、厚みの薄い圧縮成形用金型および燃料電池用セパレータの製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の圧縮成形用金型は、成形材料を圧縮成形するための圧縮成形用金型であって、第１の金型部材と、第２の金型部材とを備えている。第１の金型部材は、成形材料を賦形するための第１の賦形部を有し、かつ第１の賦形部を取り囲むように形成された凹部を有している。第２の金型部材は、成形材料を賦形するための第２の賦形部を有し、かつ第２の賦形部を取り囲むように形成された凸部を有している。凹部は、凸部が嵌まり込むように構成されており、かつ凸部が嵌まり込んだ状態で凸部の両側の側面の各々に対向するような側面を有している。
【００１３】
本発明の圧縮成形用金型によれば、凹部の側面が凸部の両側の側面の各々に対向している。このため、凸部の両側の側面においてシェアエッジの長さを確保することができる。つまり、金型部材の厚みとして１つの凸部の高さを増加させるだけで、流れ経路におけるシェアエッジの総長さ（凸部の高さ方向の長さ）を凸部の一方の側部におけるシェアエッジの長さの２倍分（シェアエッジの長さ×２）も確保することができる。また、このような凸部を複数個設ければ、金型部材の厚みとして１つの凸部の高さを増加させるだけで、流れ経路におけるシェアエッジの総長さを、（凸部の一方の側部におけるシェアエッジの長さ）×２×（凸部の個数）分も確保することができる。このように金型部材の厚みの増加を抑制しながら、流れ経路におけるシェアエッジの総長さを大きくすることができる。金型部材の厚みの増加を抑制できるため成形時における金型部材の加熱や冷却が容易となり、加熱や冷却におけるエネルギー消費量を従来例よりも低減できると共に、成形のサイクル時間を従来例よりも短縮することができる。またシェアエッジの総長さを大きく確保できるため、成形材料の流れ出しを抑制することができ、成形品の厚さ精度を良好とすることができる。
【００１４】
また従来例のようにシェアエッジの長さを大きく確保するためにキャビティの深さを深くする必要がないため、本発明の圧縮成形用金型では成形後に成形品を金型部材から取り出すことが容易となり、成形品の脱型性が良好となる。
【００１５】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときに、凸部の側面と凹部の側面との間隔が０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下である。
【００１６】
上記の間隔が０．１５ｍｍを超える場合には、成形材料の漏れ出し量が多くなり、金型内に材料を留めることが困難となり、成形品の厚さ精度不良が生じる。特に成形圧力が１０ＭＰａ以上である場合や、成形材料中の充填材あるいは繊維材の含有量が５０体積％未満の材料を形成する場合には、この傾向が顕著となる。一方、上記の間隔が０．０３ｍｍ未満の場合、成形材料中の空気の排出が困難となり、成形品のボイドなどが発生する場合がある。
【００１７】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときに、凸部の頂面と凹部の底面との間隔が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である。
【００１８】
上記の間隔が０．３０ｍｍを超える場合には、成形材料の漏れ出し量が多くなり、金型内に材料を留めることが困難となり、成形品の厚さ精度不良が生じる。特に成形圧力が１０ＭＰａ以上である場合や、成形材料中の充填材あるいは繊維材の含有量が５０体積％未満の材料を形成する場合には、この傾向が顕著となる。一方、上記の間隔が０．０５ｍｍ未満の場合、成形材料中の空気の排出が困難となり、成形品のボイドなどが発生する場合がある。
【００１９】
上記の圧縮成形用金型において好ましくは、凸部を凹部に嵌め込んで第１の金型部材と第２の金型部材とを重ね合わせたときの、凸部の付け根と凹部の底面との距離をｔ（成形品の厚み）とすると、凸部の幅は、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下である。
【００２０】
凸部の幅が（ｔ×０．５）未満の場合、凸部が細くなるために凸部の耐久性が低くなり、成形する過程で金型が変形し、やがて金型を潰す危険がある。また凸部の幅が（ｔ×１．０）を超える場合、成形材料の漏れ出しを防止するためには多くの凹部と凸部とを設ける必要があり、金型サイズが大型となる。
【００２１】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法は、上記のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いて成形材料を圧縮成形する工程を経て燃料電池用セパレータを製造することを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【００２３】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、成形材料は熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の少なくともいずれかを含んでいる。
【００２４】
これにより熱可塑性樹脂の場合には成形時の加熱により溶融し、冷却により固化して成形品形状とすることができ、また熱硬化性樹脂の場合には成形時の加熱により固化して成形品形状とすることができる。
【００２５】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、熱可塑性樹脂を少なくとも含む成形材料を、圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮した後に、冷却しながら圧縮する。
【００２６】
上記の燃料電池用セパレータの製造方法において好ましくは、熱硬化性樹脂を含む成形材料を、圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮する。
【発明の効果】
【００２７】
以上説明したように本発明の圧縮成形用金型によれば、金型の厚みを薄く維持したままで、成形時における成形材料の漏れ出しを抑制できるとともに、成形品の厚さを精度良く製造することができる。またこの圧縮成形用金型を用いて燃料電池用セパレータを製造することにより、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。図２は図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図であり、図３は凸部が凹部に嵌まり込んだ様子を示す図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。また図４は図１に示す金型部材１の構成を、図５は図１に示す金型部材２の構成をそれぞれ概略的に示す平面図である。
【００２９】
主に図１および図２を参照して、本実施の形態の圧縮成形用金型１０は、金型部材１と、金型部材２とを有している。金型部材１は、金型部材２と対向する表面１ａに、成形材料を賦形するための賦形部Ｒ１を有している。また金型部材２は、金型部材１と対向する表面２ａに、成形材料を賦形するための賦形部Ｒ２を有している。この賦形部Ｒ１、Ｒ２は、賦形部Ｒ１、Ｒ２間の空間３内で、圧縮成形時に成形材料を挟み込んで加圧することで成形品に形状を転写する部分である。
【００３０】
金型部材１は、金型部材２と対向する表面１ａに凹部１ｂを有している。また金型部材２は、金型部材１と対向する表面２ａに凸部２ｂを有している。この凸部２ｂは、金型部材１と金型部材２とを重ね合わせたときに、図３に示すように凹部１ｂに嵌まり込むように構成されている。
【００３１】
主に図４および図５を参照して、金型部材１に形成される凹部１ｂは、賦形部Ｒ１の外周を取り囲むように形成されている。また金型部材２に形成される凸部２ｂは、賦形部Ｒ２の外周を取り囲むように形成されている。この凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は単列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲んでいてもよく、また複列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲んでいてもよい。図４および図５においては、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々が２列で賦形部Ｒ１、Ｒ２を取り囲む構成が例示されている。なお、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は、賦形部Ｒ１、Ｒ２の各々を途切れることなく連続的に取り囲んでいてもよく、また本発明の効果を逸脱しない範囲で一部において途切れていてもよい。例えば、凹部１ｂおよび凸部２ｂの各々は、そのコーナー部において途切れ部分を有していてもよい。
【００３２】
主に図３を参照して、凸部２ｂが凹部１ｂに嵌まり込んだ状態で、凹部１ｂの側面１ｂ1、１ｂ2の各々は、凸部２ｂの両側の側面２ｂ1、２ｂ2の各々に対向している。また凸部２ｂが凹部１ｂに嵌まり込んだ状態で、凹部１ｂの底面１ｂ3は、凸部２ｂの頂面２ｂ3に対向している。
【００３３】
次に、本実施の形態における圧縮成形用金型の各部の寸法について説明する。
図６は、凸部を凹部に嵌め込んで２つの金型部材を重ね合わせた状態での各部の寸法を説明するための概略断面図である。図６を参照して、この状態における凸部の頂面と凹部の底面との間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎが０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることが好ましい。また間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎについては、本発明の効果を逸脱しない範囲で、Ａ１＞Ａ２＞・・・＞Ａｎとなるように、金型中心から外側に向かって徐々に間隔が変えられてもよい。
【００３４】
また凸部２ｂの側面と凹部１ｂの側面との間隔（シェアエッジのクリアランス）Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることが好ましい。この数値範囲は、一般的な成形材料を用いた場合に適用するに好適な範囲である。よって、例えば充填材の量や粒子径、繊維材の量や径が特殊な材料を用いる場合には、以下に説明するように、その材料に基づいて間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎが決められてもよい。
【００３５】
樹脂成形材料には、樹脂のほかに充填材（例えば粒子状のフィラー）や成形品の強化材としてガラス繊維やカーボン繊維が使用される。成形材料に平均粒子径５μｍの充填材を用いる場合には、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは１０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましい。また繊維径が１５μｍ程度のガラス繊維を用いる場合には、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは１５μｍ以上１５００μｍ以下であることが好ましい。つまり、間隔Ｂ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは、充填材や繊維材の大きさの１倍以上１００倍以下の大きさであることが好ましい。
【００３６】
また金型１の頂面と金型２の頂面との距離（つまりシェアエッジの長さ（トラベル））をｈとし、シェアエッジの個数をＹとすると、ｈは（０．１×ｔ）以上ｔ以下であり、かつシェアエッジの総長さＨ（＝ｈ×Ｙ）は０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。ｈおよびＨが上記より小さい場合には、成形材料が金型から流出する危険がある。ｈおよびＨが上記より大きい場合には、金型が大きくなるため、金型の加熱・冷却に多大な時間とエネルギーが必要となり、また金型の加工が複雑となり金型加工費用が高くなる。このシェアエッジの長さｈは、上記の間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎと同様、本発明の効果を逸脱しない範囲で、金型中心から外側に向かって徐々に短くなるように変えられてもよい。
【００３７】
またこの状態における凸部２ｂの幅Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎは、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下であることが好ましい。この幅Ｃ１、Ｃ２、・・・、Ｃｎは、上記の間隔Ａ１、Ａ２、・・・、Ａｎと同様、本発明の効果を逸脱しない範囲で、Ｃ１＞Ｃ２＞・・・＞Ｃｎとなるように、金型中心から外側に向かって徐々に間隔が変えられてもよい。
【００３８】
もちろんシェアエッジの総長さＨとクリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎとは、成形圧力や成形材料に用いる樹脂の粘度を考慮して決める必要がある。すなわち、成形圧力が大きく、樹脂の粘度が低く、成形材料が漏れやすい条件では、上記の目安の設計値よりもクリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎは小さく、総長さＨは長くすることは言うまでもない。
【００３９】
また、金型は工作機械を用いて製作されること、金型を加熱する場合は金属の熱膨張により金型寸法が大きくなることを考慮して、加工精度および温度分布を考慮して、クリアランスＢ１、Ｂ２、・・・、Ｂｎおよび総長さＨを設計する必要がある。特に金型が大型の場合、数十μｍから数百μｍ程度の寸法誤差が生じることを考慮しておく必要がある。
【００４０】
なお、金型部材１、２を重ね合わせたときに、凹部１ｂの底面と凸部２ｂの頂面とが接触しないように、また所定厚みの成形品を成形できるように金型部材１、２にはストッパーが設けられている。
【００４１】
次に、本実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法について説明する。
【００４２】
図７および図８は、本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法を工程順に示す概略断面図である。図７を参照して、成形材料２０が、例えば導電性炭素材料と樹脂バインダーとを少なくとも含むように準備される。樹脂バインダーは、例えば熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との少なくともいずれかを含んでいる。この成形材料は、粉末状、粒子状、ペレット状などであってもよく、またシート形状であってもよい。
【００４３】
上記の炭素材料としては、例えば人造黒鉛、天然黒鉛、ガラス状カーボン、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラックなどが挙げられる。これらの炭素材料は単独で、もしくは２種以上を組合せて用いることができる。これらの炭素材料の粉粒体の形状に特に制限はなく、箔状、鱗片状、板状、針状、球状、無定形等の何れであってもよい。また、黒鉛を化学処理して得られる膨張黒鉛も使用することができる。導電性を考慮すれば、より少量で高度の導電性を有するセパレータが得られるという点で、人造黒鉛、天然黒鉛、膨張黒鉛が好ましい。
【００４４】
熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂は１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。
【００４５】
熱可塑性樹脂としては、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、シクロオレフィンポリマー、ポリスチレン、シンジオタクティックポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、変性ポリフェニレンエーテル、ポリエチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリシクロヘキシレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリチオエーテルサルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリレート、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、熱可塑性ポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライドなどのフッ素樹脂、全芳香族ポリエステル、半芳香族ポリエステル、ポリ乳酸、ポリエステル・ポリエステルエラストマー、ポリエステル・ポリエーテルエラストマーなどの熱可塑性エラストマー等が挙げられる。また、熱硬化性樹脂と同様に、熱可塑性樹脂も１種類の樹脂からなるもののみではなく、２種類以上の樹脂を混合したものも使用することができる。さらに熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを複合したものも使用することができる。
【００４６】
この成形材料２０が圧縮成形用金型１０に投入され、金型部材１の賦形部１ａと金型部材２の賦形部２ａとの間で加圧される。この際、金型部材１、２は熱盤１１により加熱されており、この金型部材１、２を介して成形材料２０が加熱される。この加熱加圧により、樹脂バインダーに熱硬化性樹脂が用いられている場合には、その熱硬化性樹脂が固化する。この後、金型１０から燃料電池用セパレータ成形体が取り出される。また樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、上記の加熱加圧により、その熱可塑性樹脂は溶融する。
【００４７】
次に図８を参照して、樹脂バインダーに熱可塑性樹脂が用いられている場合には、引き続いて、金型部材１、２が冷却盤１２により冷却される。この冷却の際にも、成形材料２０は金型部材１の賦形部１ａと金型部材２の賦形部２ａとの間で加圧されている。この冷却加圧により溶融状態にあった熱可塑性樹脂が固化する。この後、金型１０から燃料電池用セパレータ成形体が取り出される。
【００４８】
上記のように樹脂バインダーが熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料２０が圧縮成形用金型１０で加熱加圧されて燃料電池用セパレータ成形体が得られるが、樹脂バインダーが熱可塑性樹脂よりなる場合または熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂よりなる場合は、成形材料２０が圧縮成形用金型１０で加熱加圧および冷却加圧されて燃料電池用セパレータ成形体が得られる。
【００４９】
上記の圧縮成形を経て得られた本実施の形態の燃料電池用セパレータは、例えば図９に示す形状を有している。図９を参照して、この燃料電池用セパレータ３１は、ガスまたは液体の供給路となるリブ形状を両面に設けたものや、該リブ形状を片面に設けたものが挙げられ、本実施の形態の燃料電池用セパレータにはいずれの形状も採用され得る。燃料電池用セパレータの形状は、上記の圧縮成形用金型１０の賦形部１ａ、２ａの形状を適宜選択することにより任意に設計され得る。
【００５０】
上記のようにして得られた本実施の形態の燃料電池用セパレータ３１を用いて燃料電池を製造することができる。図１０は、本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセル構造の例を示す斜視図である。図１０を参照して、燃料電池セル３０は、燃料電池用セパレータ３１と電解質膜／膜接合体３５とを有している。電解質膜／膜接合体３５は、例えば燃料極３２、酸化剤極３３および固体高分子電解質膜３４からなっている。１対の燃料電池用セパレータ３１、３１が電解質膜／膜接合体３５を挟むように配置されることで、固体高分子型の燃料電池セル３０が構成されている。本実施の形態の燃料電池は、単一の燃料電池セル３０より構成されていても利用可能であるが、発電性能を高める目的で通常は該燃料電池セル３０が複数個直列に配置された燃料電池スタックとされている。
【００５１】
本実施の形態で得られる燃料電池用セパレータ３１は、上記の固体高分子型の燃料電池のほかに、ヒドラジン型、直接メタノール型、アルカリ型、リン酸型等の種々の燃料電池に対して好適に適用され得る。
【００５２】
以下、本実施の形態の作用効果について説明する。
図１１は、本発明の一実施の形態の圧縮成形用金型における成形材料の流れ経路を概略的に示す部分断面図である。図１１を参照して、本実施の形態によれば、賦形部１ａ、２ａ間に充填された成形材料２０は成形時に図中の矢印に沿って賦形部１ａ、２ａ間から流れていく。しかし本実施の形態では、金型部材１に形成された凹部１ｂは、金型部材２に形成された凸部２ｂの両側面の各々に対向している。このため、図中の矢印で示す成形材料２０の流れ経路において、凸部２ｂの両側面でシェアエッジの長さ（トラベル）ｈを確保することができる。つまり、流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨを、シェアエッジの長さｈの２倍（ｈ×２）で確保することができる。
【００５３】
このように金型部材１（または金型部材２）の厚みＴとして１つの凹部１ｂ（または凸部２ｂ）の高さ分を増やすだけで、成形材料２０の流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨとしてシェアエッジの長さｈの２倍の長さ（ｈ×２）を確保することができる。このため、金型部材１、２の厚みの増加を抑制しつつ、シェアエッジの総長さＨを大きく確保することができる。金型部材１、２の厚みの増加を抑制できるため成形時における金型部材１、２の加熱や冷却が容易となり、加熱や冷却におけるエネルギー消費量を従来例よりも低減できると共に、成形のサイクル時間を従来例よりも短縮することができる。またシェアエッジの総長さＨを大きく確保できるため、成形材料の漏れ出しを抑制することができ、成形品の厚さ精度を良好とすることができる。
【００５４】
また本実施の形態では、流れ経路は、凸部２ｂの一方の側面に沿う部分Ｅでは図中下側に向かって伸びるが、他方の側面に沿う部分Ｆでは図中上側に向かって伸びる。このため、例えば図１に示すように凹部１ｂおよび凸部２ｂを複列（例えば２列）で配置しても、金型部材１（または金型部材２）の厚みＴとして１つの凹部１ｂ（または凸部２ｂ）の高さ分が増えるだけである。一方、この場合の流れ経路におけるシェアエッジの総長さＨは、シェアエッジの長さｈの２倍の長さ（ｈ×２）にその列数を乗じた長さ（ｈ×２×列数）となる。よって、凹部１ｂおよび凸部２ｂの列数を増やすことにより、金型部材１、２の厚みは薄く維持したまま、シェアエッジの総長さＨを列数分だけ増加させていくことができる。これにより、さらに成形材料２０の漏れ出しを抑制することができる。
【００５５】
また本実施の形態では凹部１ｂおよび凸部２ｂの列数を増やすことでシェアエッジの長さｈを大きく確保することができる。このため、図１３に示す従来例のようにシェアエッジの長さｈを大きく確保するために凹部１０１ａの深さを深くする必要はない。よって、成形後に成形品を金型部材１または２から取り出すことが容易となり、成形品の脱型性が良好となる。
【００５６】
上記の圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法によれば、燃料電池用セパレータを、加熱・冷却のエネルギーを少量に抑えつつ、短いサイクル時間で成形精度良く製造することができる。
【００５７】
上記のような方法で製造される本実施の形態の燃料電池は、セパレータの薄肉化および厚み精度の向上により小型化が可能であるため、例えば電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源や、人工衛星、飛行機、宇宙船等の移動体用電源、等として好適に使用され得る。
【００５８】
なお本発明の圧縮成形用金型における凹部および凸部の成形品の厚み方向に対する位置は、上記の実施の形態で説明した構成に限定されるものではなく、例えば図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すような位置であってもよい。つまり、圧縮成形用金型１０における凹部１ｂおよび凸部２ｂの成形品２０の厚み方向（図中Ｘ方向）に対する位置は、図１２（ａ）に示すように厚み方向に対して図中上側に偏っていてもよく、図１２（ｂ）に示すように厚み方向の中心位置にあってもよく、図１２（ｃ）に示すように厚み方向に対して図中下側に偏っていてもよい。
【００５９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電気自動車用電源、ポータブル電源、非常用電源等に対して適用されるリン酸型燃料電池、ダイレクトメタノ−ル型燃料電池、固体高分子型燃料電池等の燃料電池に対して使用可能な燃料電池用セパレータの製造方法およびそれに用いられる圧縮成形用金型に特に有利に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。
【図３】凸部が凹部に嵌まり込んだ様子を示す図１の領域Ｓを拡大して示す概略断面図である。
【図４】図１に示す金型部材１の構成を概略的に示す平面図である。
【図５】図１に示す金型部材２の構成を概略的に示す平面図である。
【図６】凸部を凹部に嵌め込んで２つの金型部材を重ね合わせた状態での各部の寸法を説明するための概略断面図である。
【図７】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法の第１工程を示す概略断面図である。
【図８】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた燃料電池用セパレータの製造方法の第２工程を示す概略断面図である。
【図９】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型を用いた圧縮成形を経て得られた燃料電池用セパレータの構成を概略的に示す斜視図である。
【図１０】本発明の一実施の形態における燃料電池用セパレータを用いた燃料電池のセル構造の例を示す斜視図である。
【図１１】本発明の一実施の形態の圧縮成形用金型における成形材料の流れ経路を概略的に示す部分断面図である。
【図１２】本発明の一実施の形態における圧縮成形用金型のバリエーションを示す断面図である。
【図１３】従来のシェアエッジ構造の圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図１４】従来の合わせ型の圧縮成形用金型の構成を概略的に示す断面図である。
【図１５】従来の合わせ型の圧縮成形用金型において流れ出した成形材料が少ない場合の様子を概略的に示す断面図である。
【図１６】従来の合わせ型の圧縮成形用金型において流れ出した成形材料が多い場合の様子を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 金型部材、１ａ 賦形部、１ｂ 凹部、２ 金型部材、２ａ 賦形部、２ｂ 凸部、１０ 圧縮成形用金型、１１ 熱盤、１２ 冷却盤、２０ 成形材料、３０ 燃料電池セル、３１ 燃料電池用セパレータ、３２ 燃料極、３３ 酸化剤極、３４ 固体高分子電解質膜、３５ 膜接合体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形材料を圧縮成形するための圧縮成形用金型であって、
前記成形材料を賦形するための第１の賦形部を有し、かつ前記第１の賦形部を取り囲むように形成された凹部を有する第１の金型部材と、
前記成形材料を賦形するための第２の賦形部を有し、かつ前記第２の賦形部を取り囲むように形成された凸部を有する第２の金型部材とを備え、
前記凹部は、前記凸部が嵌まり込むように構成されており、かつ凸部が嵌まり込んだ状態で前記凸部の両側の側面の各々に対向するような側面を有している、圧縮成形用金型。
【請求項２】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときに、前記凸部の前記側面と前記凹部の前記側面との間隔が０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮成形用金型。
【請求項３】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときに、前記凸部の頂面と前記凹部の底面との間隔が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧縮成形用金型。
【請求項４】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときの、前記凸部の付け根と前記凹部の底面との距離をｔとすると、前記凸部の幅は、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮成形用金型。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いて成形材料を圧縮成形する工程を経て燃料電池用セパレータを製造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。
【請求項６】
前記成形材料は熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の少なくともいずれかを含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
熱可塑性樹脂を少なくとも含む前記成形材料を前記圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮した後に、冷却しながら圧縮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の製造方法。
【請求項８】
熱硬化性樹脂を含む前記成形材料を前記圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮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の製造方法。
【請求項１】
成形材料を圧縮成形するための圧縮成形用金型であって、
前記成形材料を賦形するための第１の賦形部を有し、かつ前記第１の賦形部を取り囲むように形成された凹部を有する第１の金型部材と、
前記成形材料を賦形するための第２の賦形部を有し、かつ前記第２の賦形部を取り囲むように形成された凸部を有する第２の金型部材とを備え、
前記凹部は、前記凸部が嵌まり込むように構成されており、かつ凸部が嵌まり込んだ状態で前記凸部の両側の側面の各々に対向するような側面を有している、圧縮成形用金型。
【請求項２】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときに、前記凸部の前記側面と前記凹部の前記側面との間隔が０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮成形用金型。
【請求項３】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときに、前記凸部の頂面と前記凹部の底面との間隔が０．０５ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の圧縮成形用金型。
【請求項４】
前記凸部を前記凹部に嵌め込んで前記第１の金型部材と前記第２の金型部材とを重ね合わせたときの、前記凸部の付け根と前記凹部の底面との距離をｔとすると、前記凸部の幅は、（ｔ×０．５）以上（ｔ×１．０）以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧縮成形用金型。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の圧縮成形用金型を用いて成形材料を圧縮成形する工程を経て燃料電池用セパレータを製造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。
【請求項６】
前記成形材料は熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂の少なくともいずれかを含むことを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項７】
熱可塑性樹脂を少なくとも含む前記成形材料を前記圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮した後に、冷却しながら圧縮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の製造方法。
【請求項８】
熱硬化性樹脂を含む前記成形材料を前記圧縮成形用金型を用いて、加熱しながら圧縮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の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００７−２８３５０６（Ｐ２００７−２８３５０６Ａ）
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１０９９６３（Ｐ２００６−１０９９６３）
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００２８８６）大日本インキ化学工業株式会社 (2,597)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月１日（２００７．１１．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月１２日（２００６．４．１２）
【出願人】（０００００２８８６）大日本インキ化学工業株式会社 (2,597)
【Ｆターム（参考）】
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