燃料電池セパレータの成形金型、燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータ
【課題】セパレータ表面のガス流路溝部領域と囲繞部領域との密度バランスを均一にし、金型からの製品取り出しにおいても変形・反り・クラックの発生が少なく高品質かつ生産性の高い燃料電池セパレータを得る。
【解決手段】流路溝部２に対応する上下のインナー金型４２，２２と、囲繞部４に対応する上下のアウター金型４５，２５とに分割された上下の金型４１，２１の間に形成されるキャビティ５０に粉体状材料を充填するとき、流路溝部２の圧縮比と囲繞部４の圧縮比とが均一になるように、（上）下のアウター金型（４５，）２５に対して（上）下のインナー金型（４２，）２２を所定高さ（下方または）上方に位置決めする。圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の囲繞部４に先行して流路溝部２が離型するように、上下のインナー金型４２，２２に対して、上下のアウター金型４５，２５を突出させる。
【解決手段】流路溝部２に対応する上下のインナー金型４２，２２と、囲繞部４に対応する上下のアウター金型４５，２５とに分割された上下の金型４１，２１の間に形成されるキャビティ５０に粉体状材料を充填するとき、流路溝部２の圧縮比と囲繞部４の圧縮比とが均一になるように、（上）下のアウター金型（４５，）２５に対して（上）下のインナー金型（４２，）２２を所定高さ（下方または）上方に位置決めする。圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の囲繞部４に先行して流路溝部２が離型するように、上下のインナー金型４２，２２に対して、上下のアウター金型４５，２５を突出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般には、燃料電池セパレータの製造方法に係り、さらに詳しくは、流動性に乏しい炭素質系粉末を主成分とする材料を用いて圧縮成形により燃料電池セパレータを得る成形金型、製造方法および燃料電池セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電システムは、近年のエネルギー消費量増加に伴う二酸化炭素排出量の増加や、石油をはじめとする化石資源の枯渇問題を解決するべく、クリーンかつ高効率の新しい技術として広く実用化検討が推進されている。
【０００３】
特に、電解質にイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）システムは、作動温度が８０℃以下と比較的低温であることから、容易に運転・停止が可能である。また、エネルギー効率が高いことから、家庭用コージェネレーション、自動車、携帯機器等への導入が期待されている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池に用いられる基本セルは、イオン交換膜からなる電解質膜がアノード（燃料極）とカソード（空気極）で挟まれて膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を構成し、このＭＥＡを両側から２枚のセパレータで挟み込む構成である。
【０００５】
セパレータ表面には、ＭＥＡのアノード（燃料極）に水素等の燃料ガスを、またカソード（空気極）に酸素・空気等の酸化ガスを供給するための流路溝がそれぞれ形成される。また、冷媒を流すための冷媒流路も形成される場合がある。さらに、セパレータは、燃料ガスと酸化ガスを分離するための遮蔽板としての機能をもつ。
【０００６】
そして、燃料電池システムに必要な電気出力に応じて、このような基本セルが数十〜数百枚直列に積層されてスタックとして構成される。
【０００７】
以上のような機能をもつセパレータに必要な代表的特性としては、アメリカ・エネルギー省（ＤＯＥ：Department of Energy）の目標値を基準にした場合、電気抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ以下であること、ガス透過性が２×１０−６ｃｃ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ａｔｍ以下であること、薄肉、軽量であること、そして、市場への普及には製造コストの大幅な低減が必要不可欠である。
【０００８】
このような諸性質・コストを兼ね備えたセパレータは、当初、炭素質系材料に熱硬化型樹脂バインダを混合・成形し、加熱硬化後に非酸化性雰囲気中にて１０００℃以上の高温で長時間処理により焼成炭化されていた。
【０００９】
この方法で得られる成形品は板状であるため、ガス流路溝、ガス導入孔、スタック用孔等の切削加工を必要とし、非常にコスト高になるという問題があった。
【００１０】
これに対し、導電性に優れた黒鉛粉末材料に樹脂系バインダを混合し、あらかじめ流路溝形状・孔形状を形成可能な金型で圧縮成形する方法は、セパレータに必要な諸特性を満足し、かつ切削加工が不要であることから、低コストが実現可能な製造方法として注目されている。
【特許文献１】特開２００４−２３５１３７号公報
【特許文献２】特開２００４−２２２０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２３５０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、高い導電性を得るためには黒鉛配合率を７５ｗｔ％以上とする必要があるため、著しく材料の流動性が低下する。その結果、セパレータに必要な諸形状に形成する圧縮成形の場合、以下のような課題がある。
【００１２】
セパレータは表面に、ガス流路溝部とその周囲の囲繞部とを有しているが、ガス流路溝部と囲繞部の密度が均一でない。すなわち、ガス流路溝部は材料の圧縮比が高く、囲繞部は材料の圧縮比が低い。そのため、囲繞部はガス流路溝部に比べて黒鉛の密度が低いので、導電性が低下するとともにガス透過性も大きくなる。
【００１３】
図１に一般的なセパレータの一例を示し、図２にその断面図を示す。なお、図１、図２は、この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示すものであるが、セパレータの形状としては一般的なものであるので、図示の形状を用いてここでは一般的なセパレータについて説明する。
【００１４】
セパレータに要求される高い導電性を向上させるには、１００％黒鉛の密度２．１ｇ／ｃｍ３にできるだけ近づけることが重要である。仮に黒鉛８０ｗｔ％、フェノール樹脂２０ｗｔ％の配合率である粉末材料の嵩密度を０．６５ｇ／ｃｍ３、製品目標密度を１．９５ｇ／ｃｍ３とすると、圧縮成形時の圧縮比は３となる。金型に充填するべき粉末材料は、製品厚２ｍｍであれば、圧縮比は３であるから６ｍｍとなる。
【００１５】
このとき、図１８に一例を示すように囲繞部領域を圧縮比３に設定した場合、ガス流路溝部を形成する領域は、充填時の断面積８６．４ｍｍ２から前記の圧縮比３によるプレスストローク４ｍｍ圧縮したときの断面積は２２．２ｍｍ２となり、断面積を基準としたときのガス流路溝部の圧縮比は３．９となり、囲繞部領域に対して３０％過剰な圧縮比となる。この現象はガス流路溝部の断面積が大きいほど、また製品厚さが薄くなるほど顕著になる。
【００１６】
前記の製品断面形状に起因する圧縮比の差は、粉末材料の流動性の悪さにより圧縮方向に対して横方向への材料流動がほとんどないことが根本的な原因である。
【００１７】
一方、圧縮成形による製品形状形成後の離型においても、以下のような課題がある。
【００１８】
黒鉛の密度を上げるために、プレス圧力はおよそ３０ＭＰａ以上で成形される。そのため金型内の成形品には高い圧縮応力が残留しており、金型から離型した後は応力が開放されるために膨張する。この現象はスプリングバックと呼ばれるもので、製品の反り・変形の発生、ガス流路溝部の離型抵抗の増加によるクラック・欠けなどの不良を発生させる。特に製品形状が薄肉でガス流路溝が深い場合は顕著となる。
【００１９】
このように、セパレータに要求される高い導電性を維持しながら、製品形状の薄肉化・ガス流路溝の狭ピッチ、さらには溝深さの増加などにより、ますます難成形性となる傾向にあるのが現状であり、更なる圧縮成形による製造技術の構築が望まれている。
【００２０】
この発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、黒鉛含有率が高く、流動性に乏しい粉末材料を用いた圧縮成形によるセパレータ製造方法において、適切な金型・成形プロセスを採用することにより、セパレータ表面のガス流路溝部領域と囲繞部領域との密度バランスを均一にし、金型からの製品取り出しにおいても変形・反り・クラックの発生が少なく高品質かつ生産性の高い燃料電池セパレータの成形金型、燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明の請求項１に係る燃料電池セパレータの成形金型は、粉体状材料を用いて、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、前記片面が対向する下金型を、前記流路溝部に対応するインナー金型と、前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割して構成し、前記インナー金型および／または前記アウター金型を進退させる作動部材を備えていることを特徴とするものである。
【００２２】
この発明の請求項２に係る燃料電池セパレータの成形金型は、粉体状材料を用いて、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、いずれか一方がラム圧力で作動される上金型および下金型と、前記上下両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とを備え、前記上金型および下金型を、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割して構成し、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を進退させる作動部材と、前記下インナー金型および前記下アウター金型を相互に進退させる作動部材とを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
この発明の請求項３に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を進退させる作動部材をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の請求項４に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記下インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記下インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とするものである。
【００２５】
この発明の請求項５に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項３記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記上インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とするものである。
【００２６】
この発明の請求項６に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２〜５のいずれか１項記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上アウター金型を進退させる作動部材による、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を突出させるストローク、および、前記下アウター金型を進退させる作動部材による、前記下インナー金型に対して前記下アウター金型を突出させるストロークは、表裏各面の前記流路溝部の深さと実質的に同寸法以上に設定されることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明の請求項７に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めすることを特徴とするものである。
【００２８】
この発明の請求項８に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項７記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記位置決めによる前記アウター金型に対する前記インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００２９】
この発明の請求項９に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させることを特徴とするものである。
【００３０】
この発明の請求項１０に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させ、前記流路溝部が離型し、かつ、前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とするものである。
【００３１】
この発明の請求項１１に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項９または請求項１０記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる際、前記流路溝部が容易に離型するように、前記インナー金型と前記アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とするものである。
【００３２】
この発明の請求項１２に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方に位置決めし、前記位置決めによる前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００３３】
この発明の請求項１３に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、まず、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方へ突出させて位置決めし、つぎに、前記位置決めした状態でキャビティに充填した粉体状材料の上面に、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を所定量下方へ突出させた前記上金型を、前記上アウター金型の下面が前記粉体状材料の上面に接触する高さまで下降させるとき、前記上インナー金型が前記粉体状材料に進入するのに追従して前記下インナー金型を下降させて、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量と同等に位置決めすることを特徴とするものである。
【００３４】
この発明の請求項１４に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１３記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記位置決めによる前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量、および、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００３５】
この発明の請求項１５に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型による圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させることを特徴とするものである。
【００３６】
この発明の請求項１６に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１５記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記上金型および前記下金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させ、表裏各面の前記流路溝部が離型し、かつ、表裏各面の前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とするものである。
【００３７】
この発明の請求項１７に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１５または請求項１６記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させる際、表裏各面の前記流路溝部が容易に離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型と前記上アウター金型および前記下アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とするものである。
【００３８】
この発明の請求項１８に係る燃料電池セパレータは、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記流路溝部の材料密度と前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とするものである。
【００３９】
この発明の請求項１９に係る燃料電池セパレータは、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、下金型が分割されて前記囲繞部に対応するアウター金型に対して前記流路溝部に対応するインナー金型を所定高さ上方に位置決めして形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記アウター金型と前記インナー金型との高さの差を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とするものである。
【００４０】
この発明の請求項２０に係る燃料電池セパレータは、表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記両面流路溝部の材料密度と、前記片面流路溝部の材料密度と、前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とするものである。
【００４１】
この発明の請求項２１に係る燃料電池セパレータは、表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記囲繞部に対応する下アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する下インナー金型を所定量上方へ突出させた下金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する上インナー金型を所定量下方へ突出させた上金型とで形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記下インナー金型および前記上インナー金型の突出を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４２】
この発明は以上のように、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めする構成としたので、セパレータの囲繞部領域と流路溝部領域の圧縮比を均等に設定することができ、そのため均一な密度のセパレータが製造可能となる。
【００４３】
また、この発明は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる構成としたので、セパレータ取り出しにおいてスプリングバックが発生する前に流路溝部領域を先行して離型することができ、そのため形状欠損のないセパレータが製造可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００４５】
図１は、この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図、図２は、図１のII−II線に沿ってとられた（ａ）断面図および（ｂ）Ａ部の拡大図である。
【００４６】
この燃料電池セパレータ１は、固体高分子型燃料電池システムに適用されるセパレータであり、両面（少なくとも片面）には、流路溝部２および、流路溝部２の周囲を囲む囲繞部４を有している。
【００４７】
セパレータ１の寸法は、燃料電池システムの発電能力により異なるが、外形が５０〜４００ｍｍ、例えば縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍで、厚さが０．５〜５ｍｍ、例えば２．０ｍｍの平板形状である。
【００４８】
セパレータ１の流路溝部２には、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却水の流路となる溝（流路溝）３が形成されている。流路溝３の深さは、一般にセパレータ１の板厚の約１／２以下であり、例えば０．５ｍｍである。流路溝３の溝幅は０．５〜５ｍｍ、例えば１ｍｍである。隣り合う流路溝３どうしのピッチは、例えば２ｍｍである。そして、流路溝３は、セパレータ１表面の囲繞部４に囲まれた所定領域内に細密な配置で形成されて、流路溝部２を構成している。
【００４９】
このような流路溝３は、セパレータ１の囲繞部４に形成されたマニホルド５に連結していて、マニホルド５を通して、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却水が流路溝３に導入・排出されるようになっている。なお、図１では、流路溝３およびマニホルド５を２系統だけ図示し、第３の流路溝および第３のマニホルドは図示を省略してある。
【００５０】
また、囲繞部４にも溝が形成されているが、この溝は適宜のシール材を封入するための溝であり、流体の流路となる溝すなわち流路溝３ではない。この明細書では、このような溝を含めて囲繞部４と定義する。
【００５１】
この発明による燃料電池セパレータ１に用いられる成形材料は、炭素質粉末を主成分とし、樹脂系材料をバインダとして混合したものである。
【００５２】
セパレータ１は高い導電性を必要とするため、炭素質材料としては、高い結晶性の黒鉛構造を有することが望ましく、人造黒鉛、天然黒鉛、膨潤黒鉛などが適しており、またこれらを適正な割合で混合してもよい。黒鉛粉末の平均粒子径は、導電性、材料流動性の面からφ５〜１００μｍが用いられ、さらに好ましくはφ１０〜６０μｍである。黒鉛粉末中の灰分は、セパレータ１に隣接する触媒の電気化学的反応を阻害し、耐久性を低下させるため、０．５％以下が好ましい。
【００５３】
一方、炭素質粉末のバインダとして用いる樹脂系材料は、熱可塑性または熱硬化性のいずれでも構わない。好ましくは、機械的強度、耐久性の面から、３次元分子構造を形成する熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂は、例えばフェノール系、エポキシ系、ジアリルフタレート系、不飽和ポリエステル系等が使用できるが、生産性・耐久性の面からフェノール系樹脂が好ましい。
【００５４】
上記の黒鉛粉末と樹脂系バインダとの配合割合は、高い導電性と高い非ガス透過性および機械的強度のバランスから、黒鉛７５〜９５ｗｔ％、樹脂系バインダ２５〜５ｗｔ％、さらに好ましくは、黒鉛８２〜９３ｗｔ％、樹脂系バインダ１８〜７ｗｔ％の配合割合の成形材料が用いられる。
【００５５】
以上の混合材料を用いて、以下に説明する成形金型および成形プロセス（製造方法）により、この発明による燃料電池セパレータ１を成形することができる。
【００５６】
図３は、この発明による燃料電池セパレータ１の製造方法に用いる成形金型の第１の実施形態を示す縦断面図であり、説明のため、実際の型開き状態よりも大きく開いて図示してある。また、囲繞部４に形成されるマニホルド５およびセパレータ１のスタック用貫通孔を形成する金型であるコアは省略してある。
【００５７】
この成形金型１０は、固定側ブロック２０に設けられる下金型（下パンチ）２１と、移動側ブロック４０に設けられる上金型（上パンチ）４１と、上下両金型４１，２１間に形成されるキャビティ５０の外周を担う金型である枠体（ダイ）３０とを備えている。枠体（ダイ）３０も固定側ブロック２０に設けられ、また、上金型（上パンチ）４１は移動側ブロック４０とともに、ラム圧力で作動されるようになっている。
【００５８】
下金型（下パンチ）２１は、セパレータ１下面の流路溝部２領域の形状を形成する金型である下インナー金型（下インナーパンチ）２２と、セパレータ１下面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である下アウター金型（下アウターパンチ）２５とに分割して構成してある。
【００５９】
また、下パンチ２１は、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を、ストッパブロック２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２４と、下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を、ストッパブロック２６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２７とを備えている。
【００６０】
そして、アクチュエータ２４による、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮工程終了時に下インナーパンチ２２の突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【００６１】
さらに、下パンチ２１は、型開き時に下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を突出させる際、セパレータ１下面の流路溝部２が容易に離型するように、下インナーパンチ２２と下アウターパンチ２５との分割面から圧縮空気を噴出させる下パンチエアブロー用ライン２８を備えている。
【００６２】
上金型（上パンチ）４１は、セパレータ１上面の流路溝部２領域の形状を形成する金型である上インナー金型（上インナーパンチ）４２と、セパレータ１上面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である上アウター金型（上アウターパンチ）４５とに分割して構成してある。
【００６３】
また、上パンチ４１は、上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を、ストッパブロック４６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）４７を備えている。
【００６４】
そして、アクチュエータ４７による、上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を突出させるストローク、および、アクチュエータ２７による、下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を突出させるストロークは、セパレータ１表裏各面の流路溝部２の深さと実質的に同寸法よりやや大きく設定されるものである。
【００６５】
さらに、上パンチ４１は、型開き時に上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を突出させる際、セパレータ１上面の流路溝部２が容易に離型するように、上インナーパンチ４２と上アウターパンチ４５との分割面から圧縮空気を噴出させる上パンチエアブロー用ライン４８を備えている。
【００６６】
枠体（ダイ）３０は、その上面が下パンチ２１の上面より低くなる位置から、ストッパブロック３１に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）３２を備えている。
【００６７】
この成形金型１０は、図示しないプレス装置の機能および金型を保持するためのダイセット機能により、ダイ３０および、下インナーパンチ２２、下アウターパンチ２５、上インナーパンチ４２、上アウターパンチ４５の各金型が圧縮成形方向に作動可能に保持される。そして、図３に矢印Ｐで示すように、セパレータ１の最大面積を有する平面部に対して垂直方向からの単軸成形により圧縮成形されるものである。
【００６８】
なお、図３に示す金型構成は一例であり、セパレータ１の形状により、任意の金型分割位置、任意の金型構成数で対応することができる。
【００６９】
この発明による成形金型１０は、上記のように、セパレータ１の流路溝部２領域と囲繞部４領域とにパンチが分割された構造を有しているため、以下のような成形プロセスが可能である。
【００７０】
粉末材料を用いた圧縮成形においては、圧縮成形品の目標密度と材料の嵩密度との比率を圧縮比として、キャビティ５０への材料充填量を決定する。特に、流動性の悪い材料の場合は、成形品の部分的な圧縮比のバラツキはそのまま密度のバラツキとなり、大きな品質の低下となる。粉末材料の圧縮プレス成形法における充填方法は、ダイ上面を基準として余剰に投入した材料を排除し、充填量のバラツキを抑えるのが一般的である。
【００７１】
図４は、成形金型１０のキャビティ５０に粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【００７２】
図５は、圧縮成形品であるセパレータ１の縦断面図を示す。なお、図４と図５の断面位置は同一位置である。
【００７３】
この発明による成形金型１０を用いた製造プロセスにおいて、目標密度と粉末材料の嵩密度との比率つまり圧縮比を３と仮定したとき、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔは、製品厚さがＴｍｍであるから、ダイ３０を下パンチ２１上面から３×Ｔｍｍ上昇させることにより３×Ｓｏｕｔの断面積をもつ空間を設ければ、適性な材料が充填される。
【００７４】
このとき下アウターパンチ２５上面は平坦であるため、理想的な材料の充填が可能である。
【００７５】
これに対し、セパレータ１の流路溝部２領域の断面積Ｓｉｎは、ダイ３０を３×Ｔｍｍ上昇させると、流路溝３を形成するための金型凸部の断面積の形成に相当する材料が余剰となり、流路溝部２領域に充填される材料は３×Ｓｉｎを超えてしまう。
【００７６】
そこで、この発明による成形金型１０を用いた製造プロセスでは、その余剰な材料充填を防止するため、流路溝３を形成する下インナーパンチ２２を所定のｈ寸法分だけ上昇させ、つまり材料が充填される空間をｈ寸法分減少させることで、３×Ｓｉｎの断面積に調整することが可能である。
【００７７】
しかも、このｈ寸法は任意に調整可能であるから、囲繞部４であるＳｏｕｔ部の密度に対して、流路溝部２であるＳｉｎ部の密度を相対的にコントロール可能である。双方の密度を均一にすることができるし、もし必要であるなら、流路溝部２の密度を囲繞部４の密度に対して増減することもできる。
【００７８】
図６〜図９は、この発明による成形金型１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程を示し、図６は充填調整前の状態、図７は充填調整後の圧縮直前の状態、図８は圧縮工程中間の状態、図９は圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【００７９】
セパレータ１全体の密度バラツキを低減するには、圧縮工程中に、材料充填量の少ない流路溝部２領域の圧縮速度と、囲繞部４領域の圧縮速度とを均等に、つまり圧縮開始から圧縮完了までの工程をほぼ同時に終了させることで、双方の領域２，４の品質バラツキをなくすことができる。
【００８０】
具体的には、下インナーパンチ２２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ２４の駆動力によって、上パンチ４１側の圧縮力よりも小さな保持力でフロートされて、上パンチ４１側の圧縮力に応じて下降できる状態、または上パンチ４１側よりやや遅い速度で下降させることが好ましい。その結果、充填量が少ない領域つまり圧縮ストロークが短い領域でも、圧縮速度を遅らせることができる。
【００８１】
図８は圧縮比２、粉末材料が圧縮されている中間の状態を示す。下インナーパンチ２２は下降しているものの圧縮完了位置には達しておらず、目標密度に到達していない中間の状態である。
【００８２】
図９は圧縮完了状態を示す。下インナーパンチ２２はアクチュエータ２４による保持上昇力よりも大きなプレス圧縮力によって下降限の位置にあり、下アウターパンチ２５と面一状態または所定の位置にてセパレータ１が成形される。
【００８３】
図１０〜図１３は、この発明による成形金型１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において成形後の製品取り出しの過程を示し、図１０は取り出し直前の状態、図１１は流路溝部を抜き出す状態、図１２はダイが下降した状態、図１３は型開き完了の状態を示す縦断面図である。
【００８４】
図１０は、セパレータ取り出し直前の状態である。このとき、下アウターパンチ２５および上アウターパンチ４５には、空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ２７，４７の駆動力により、セパレータ１を突き出す方向に力を与えておく。
【００８５】
この突き出す力は、プレス装置の上部ラム（図示省略）がセパレータ１を押す力よりも小さいことが条件になる。上インナーパンチ４２で形成される流路溝３の深さをｄ１とすると、上アウターパンチ４５のストロークはｄ１と同寸法以上に設定する。同様に、下インナーパンチ２２で形成される流路溝３の深さをｄ２とすると、下アウターパンチ２５のストロークもｄ２と同寸法以上に設定する。
【００８６】
図１１は、離型性の悪い流路溝部２の金型がセパレータ１から抜き出された状態を示す。上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５がセパレータ１に向かって突き出す力が働いている状態で上部ラムが上昇すると、上インナーパンチ４２は上アウターパンチ４５を支持点として、同様に下インナーパンチ２２は下アウターパンチ２５を支持点として、セパレータ１から離型する力が働く。上部ラムがセパレータ１上下両面の流路溝３段差の合計（ｄ１＋ｄ２）を上昇したとき、セパレータ１上下両面の流路溝３は金型から離型される。
【００８７】
この過程の開始時すなわち離型開始直後には、密閉された状態でセパレータ１の流路溝部２を離型するため、セパレータ１と金型表面および金型分割ラインからの外気導入はほとんど期待できず、減圧状態となる。そこで各インナーパンチ２２，４２と各アウターパンチ２５，４５の分割面から圧縮エアーを噴出すことにより、スムーズな離型が可能である。
【００８８】
図１２は、セパレータ１の外周形状を形成するダイ３０が下降した状態を示す。圧縮成形によって形成された直後のセパレータ１の内部には大きな圧縮応力が発生している。セパレータ１取り出しの際、金型が離れると同時に内部応力が開放され、スプリングバックが発生し、セパレータ１は膨張する。スプリングバック量は、材料・成形温度・圧縮力等により異なるが約０．２〜０．８％発生し、縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍのセパレータでは１ｍｍ以上の膨張量になる。
【００８９】
図１２に示すように、上アウターパンチ４５と下アウターパンチ２５とでセパレータ１を押さえた状態でダイ３０を抜き出すことにより、内部応力はセパレータ１の平面方向（図で横方向）に開放される。仮に、ダイ３０を抜き出す前にすべての上パンチ４１を上昇させてしまうと、外周側に開放できない内部応力は逃げ場を失い、セパレータ１の中央部は凸状に変形が生じる。
【００９０】
図１３は、上パンチ４１がセパレータ１から完全に抜け、容易に取り出しが可能となった状態を示す。上パンチ４１とセパレータ１を確実に離型する方法としては、上パンチ４１側のエアーブローを下パンチ２１側よりもやや長く作動させればよい。
【実施例１】
【００９１】
以下、この発明による成形金型を用いて、この発明による製造方法により圧縮成形される燃料電池セパレータの成形プロセスについて具体的に説明する。但し、この発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００９２】
（１）セパレータ１の形状は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ（または２．５ｍｍ）、ガス流路溝３は幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチは２ｍｍで１２列、表裏各面の中央に配置される。
【００９３】
（２）粉末材料は灰分０．１５％、平均粒子径φ３０μｍの球状天然黒鉛（または同様の人造黒鉛）８０ｗｔ％、樹脂系バインダはレゾール型フェノール２０ｗｔ％の混合物を使用した。嵩密度は０．６５ｇ／ｃｍ３である。
【００９４】
（３）圧縮成形装置は上ラム下降型１５０トン油圧プレスを用いた。上インナーパンチ４２はプレスの上側プラテンに直結、その他のダイ３０、上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５、下インナーパンチ２２はダイセット内に設けられた油圧を駆動源とするシリンダによって作動し、作動ストロークはダイセット内に設けられたストロークエンドブロックにより決定される。
【００９５】
また、各金型の作動タイミングは、上ラムストロークにおける位置をリニアゲージで検出し、その電圧信号をトリガとしたシーケンス制御により油圧バルブを切り替え、各作動をコントロールした。
【００９６】
（４）セパレータ１としての性能が得られる密度１．９５ｇ／ｃｍ３を目標として、粉末材料の嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ３であるから基準圧縮比は３とした。よって、セパレータ１の囲繞部４領域の材料充填量は２ｍｍ×３より６ｍｍに設定した。流路溝部２領域はセパレータ１の断面積とキャビティ５０の空間断面積との比率が１：３となるように１．８ｍｍを減ずる必要があるので、流路溝部２領域を形成する金型の下インナーパンチ２２は１．８ｍｍ上昇つまり充填量は６ｍｍ−１．８ｍｍより４．２ｍｍに設定した。
【００９７】
（５）金型温度は流動性を向上させるため６０℃に加熱し、前記の油圧プレス装置により１２５トンで１５秒間、圧縮した。
【００９８】
（６）圧縮成形完了後、上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５がセパレータ１を押し出す方向に作動するように油圧バルブを開く。同時に離型用エアーブローを各アウターパンチ４５，２５と各インナーパンチ４２，２２の分割部より噴出する。
【００９９】
この状態を保持したままプレス上部ラムを１ｍｍ上昇させると、それぞれ０．５ｍｍの作動ストロークを設定している上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２４はセパレータ１を挟んだ状態のまま、上インナーパンチ４２、下インナーパンチ２２はセパレータ１の流路溝部２から抜き出される。
【０１００】
その後直ちにダイ３０を油圧駆動により下降させ、セパレータ１外周部を抜き出す。その後、上部ラムを上昇させることによりセパレータ１の取り出しが完了となる。
【０１０１】
（７）図１４は、上インナーパンチ４２、上アウターパンチ４５にキャビティ３０内圧力センサを設置し、圧縮成形工程中に生じている材料の圧力推移を示したグラフである。囲繞部４領域と流路溝部２領域の圧力状態はほぼ均等となっている。それぞれの領域での密度も囲繞部１．９７ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９５ｇ／ｃｍ３であり均等な品質といえる。
【０１０２】
また、図１５は、セパレータ１の流路溝部２コーナーの拡大図である。金型形状は精度良く転写され、無理のない製品取り出しであることがわかる。
【０１０３】
（８）一方、図１６は、従来技術による圧縮成形した場合の圧力推移を示す。流路溝部領域の圧力上昇は大きいが、囲繞部領域の圧力上昇は約１／２〜１／３と非常にバラツキが大きい。結果、それぞれの領域での密度も囲繞部１．７９ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９８ｇ／ｃｍ３であり囲繞部の密度低下が顕著になっている。
【０１０４】
また、図１７は、セパレータの流路溝部コーナーの拡大図である。セパレータ取り出し時に大きな離型抵抗が発生し、コーナー部は欠損していることがわかる。
【０１０５】
図１９は、図１に示す燃料電池セパレータ１の各部を詳細に見たときの（ａ）正面図および（ｂ）背面図、図２０は、図１９のXX−XX線に沿ってとられた断面図、図２１は、図２０の（ａ）Ａ部の拡大図、（ｂ）Ｂ部の拡大図および（ｃ）Ｃ部の拡大図である。
【０１０６】
燃料電池セパレータ１を断面で見ると、その大部分は図２（ａ）に示すように、流路溝部２と、囲繞部４とで構成される。そして、流路溝部２は図２（ｂ）に示すように、表裏両面に流路溝３を備えている。
【０１０７】
ところが、各流路溝３がマニホルド５に連なる部分には、図２０、図２１に示すように、片面だけに流路溝３が形成され、反対側の面は流路溝３のない領域６が存在する。すなわち、燃料電池セパレータ１を断面で詳しく見ると、両面に流路溝３を備えた両面流路溝部２と、片面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、流路溝部２，６の周囲を囲む囲繞部４とを有している。片面流路溝部６の反対面は囲繞部４で構成される。
【０１０８】
しかも、片面流路溝部６には、図２０のＢ部を拡大して図２１（ｂ）示すように、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、図２０のＣ部を拡大して図２１（ｃ）示すように、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６とがある。
【０１０９】
このような片面流路溝部６は、図３に示す成形金型１０では、両面流路溝部２とともに当然、下インナーパンチ２２および上インナーパンチ４２の領域に割り当てられる。図３に示す成形金型１０の場合、下パンチ２１は、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を、ストッパブロック２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２４を備えているのに対し、上パンチ４１は、そのような作動部材（アクチュエータ）を備えていない。そのため、図６に示す充填調整前から、図７に示す充填調整後・圧縮直前、図８に示す圧縮工程中間、図９に示す圧縮完了後まで、上インナーパンチ４２と上アウターパンチ４５との位置関係は変わらない。
【０１１０】
それでも、図４に示すように、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を所定のｈ寸法分だけ上昇させ、材料が充填される空間をｈ寸法分減少させることで、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔと、流路溝部２領域の断面積Ｓｉｎとの調整を果たし、図１４に示すように、圧力状態がほぼ均等になることで密度の均一性を実現している。
【０１１１】
しかし、上記したように、燃料電池セパレータ１には、両面流路溝部２と囲繞部４の他に、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６とがある。このうち、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６は、その周囲の囲繞部４との間であらかじめｈ寸法分だけ断面積の調整が行われている。これに対し、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６は、その周囲の囲繞部４との間でこのような断面積の調整が行われておらず、また、圧縮工程を通じて行われることはない。
【０１１２】
ところで、図１８を参照して上述したように、囲繞部４の領域を圧縮比３に設定した場合、流路溝部（両面流路溝部）２の領域は、充填時の断面積８６．４ｍｍ２から圧縮比３によるプレスストローク４ｍｍ圧縮したときの断面積は２２．２ｍｍ２となり、断面積を基準としたときの流路溝部２の圧縮比は３．９となり、囲繞部４の領域に対して３０％過剰な圧縮比となる。同様に、片面流路溝部６の領域は、囲繞部４の領域に対して１０％過剰な圧縮比となる。
【０１１３】
つまり、図３に示す成形金型１０の場合、セパレータ１の下面側では、囲繞部４の領域に対して、これと圧縮比が異なる片面流路溝部６の領域も両面流路溝部２の領域もともに、あらかじめｈ寸法分だけ断面積の調整が行われているのに対し、セパレータ１の上面側では、片面流路溝部６の領域のみならず両面流路溝部２の領域もともに、断面積の調整が行われない。
【０１１４】
そこで、圧縮初期（圧縮開始時）に、必要な断面積の調整を、セパレータ１の下面側および上面側の両方で均等に行うことで、セパレータ１の密度の均一性を向上させることのできる成形金型について以下に説明する。
【０１１５】
図２２は、この発明による燃料電池セパレータ１の製造方法に用いる成形金型の第２の実施形態を示す縦断面図であり、説明のため、実際の型開き状態よりも大きく開いて図示してある。また、囲繞部４に形成されるマニホルド５およびセパレータ１のスタック用貫通孔を形成する金型であるコアは省略してある。
【０１１６】
この成形金型１１０は、固定側ブロック１２０に設けられる下金型（下パンチ）１２１と、移動側ブロック１４０に設けられる上金型（上パンチ）１４１と、上下両金型１４１，１２１間に形成されるキャビティ１５０の外周を担う金型である枠体（ダイ）１３０とを備えている。枠体（ダイ）１３０も固定側ブロック１２０に設けられ、また、上金型（上パンチ）１４１は移動側ブロック１４０とともに、ラム圧力で作動されるようになっている。
【０１１７】
下金型（下パンチ）１２１は、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６のうち下面の流路溝部２，６領域の形状を形成する金型である下インナー金型（下インナーパンチ）１２２と、セパレータ１下面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である下アウター金型（下アウターパンチ）１２５とに分割して構成してある。
【０１１８】
また、下パンチ１２１は、下アウターパンチ１２５に対して下インナーパンチ１２２を、ストッパブロック１２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１２４と、下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を、ストッパブロック１２６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１２７とを備えている。
【０１１９】
そして、アクチュエータ１２４による、下アウターパンチ１２５に対して下インナーパンチ１２２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮工程終了時に下インナーパンチ１２２の突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【０１２０】
さらに、下パンチ１２１は、型開き時に下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を突出させる際、セパレータ１下面の流路溝部２，６が容易に離型するように、下インナーパンチ１２２と下アウターパンチ１２５との分割面から圧縮空気を噴出させる下パンチエアブロー用ライン１２８を備えている。
【０１２１】
上金型（上パンチ）１４１は、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６のうち上面の流路溝部２，６領域の形状を形成する金型である上インナー金型（上インナーパンチ）１４２と、セパレータ１上面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である上アウター金型（上アウターパンチ）１４５とに分割して構成してある。
【０１２２】
また、上パンチ１４１は、上アウターパンチ１４５に対して上インナーパンチ１４２を、ストッパブロック１４３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１４４と、上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を、ストッパブロック１４６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１４７とを備えている。
【０１２３】
そして、アクチュエータ１４４による、上アウターパンチ１４５に対して上インナーパンチ１４２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮行程終了時に上インナーパンチ１４２を突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【０１２４】
また、アクチュエータ１４７による、上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を突出させるストローク、および、アクチュエータ１２７による、下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を突出させるストロークは、セパレータ１表裏各面の流路溝部２，６の深さと実質的に同寸法よりやや大きく設定されるものである。
【０１２５】
さらに、上パンチ１４１は、型開き時に上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を突出させる際、セパレータ１上面の流路溝部２，６が容易に離型するように、上インナーパンチ１４２と上アウターパンチ１４５との分割面から圧縮空気を噴出させる上パンチエアブロー用ライン１４８を備えている。
【０１２６】
枠体（ダイ）１３０は、その上面が下パンチ１２１の上面より低くなる位置から、ストッパブロック１３１に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１３２を備えている。
【０１２７】
この成形金型１１０は、図示しないプレス装置の機能および金型を保持するためのダイセット機能により、ダイ１３０および、下インナーパンチ１２２、下アウターパンチ１２５、上インナーパンチ１４２、上アウターパンチ１４５の各金型が圧縮成形方向に作動可能に保持される。そして、図２２に矢印Ｐで示すように、セパレータ１の最大面積を有する平面部に対して垂直方向からの単軸成形により圧縮成形されるものである。
【０１２８】
なお、図２２に示す金型構成は一例であり、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６に形成されている流路溝３の深さ、幅、ピッチにより、下パンチ１２１、上パンチ１４１の一部の作動を省略することも可能である。また、セパレータ１の形状により、任意の金型分割位置、任意の金型構成数で対応することができる。
【０１２９】
この発明による成形金型１１０は、上記のように、セパレータ１の両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域と囲繞部４領域とにパンチが分割された構造を有しているため、以下のような成形プロセスが可能である。
【０１３０】
粉末材料を用いた圧縮成形においては、圧縮成形品の目標密度と材料の嵩密度との比率を圧縮比として、キャビティ１５０への材料充填量を決定する。特に、流動性の悪い材料の場合は、成形品の部分的な圧縮比のバラツキはそのまま密度のバラツキとなり、大きな品質の低下となる。粉末材料の圧縮プレス成形法における充填方法は、ダイ上面を基準として余剰に投入した材料を排除し、充填量のバラツキを抑えるのが一般的である。
【０１３１】
図２３は、成形金型１１０のキャビティ１５０に粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【０１３２】
図２４は、圧縮成形品であるセパレータ１の縦断面図を示す。なお、図２３と図２４の断面位置は同一位置である。
【０１３３】
この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスにおいて、目標密度と粉末材料の嵩密度との比率つまり圧縮比を３と仮定したとき、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔは、製品厚さがＴｍｍであるから、ダイ１３０を下パンチ１２１上面から３×Ｔｍｍ上昇させることにより３×Ｓｏｕｔの断面積をもつ空間を設ければ、適性な材料が充填される。
【０１３４】
このとき下アウターパンチ１２５上面は平坦であるため、理想的な材料の充填が可能である。
【０１３５】
これに対し、セパレータ１の両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域の断面積Ｓｉｎは、ダイ１３０を３×Ｔｍｍ上昇させると、流路溝３を形成するための金型凸部の断面積の形成に相当する材料が余剰となり、両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域に充填される材料は３×Ｓｉｎを超えてしまう。
【０１３６】
そこで、この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスでは、その余剰な材料充填を防止するため、上パンチ１４１側および下パンチ１２１側の流路溝３が形成される空間をつぎのようにして減少させることができるので、３×Ｓｉｎの断面積に調整することが可能である。
【０１３７】
すなわち、セパレータ１の上パンチ側流路溝３を形成する上インナーパンチ１４２を、上パンチ側囲繞部４を形成する上アウターパンチ１４５に対して、所定のＨｕ寸法分だけ突出（下降）させ、上パンチ側流路溝３に相当する材料充填量を減少させる。
【０１３８】
同様に、セパレータ１の下パンチ側流路溝３を形成する下インナーパンチ１２２を、下パンチ側囲繞部４を形成する下アウターパンチ１２５に対して、所定のＨｌ寸法分だけ突出（上昇）させ、下パンチ側流路溝３に相当する材料充填量を減少させる。
【０１３９】
さらに、上パンチ側流路溝３を形成する上インナーパンチ１４２を突出（下降）させたＨｕ寸法分を、下インナーパンチ１２２の突出（上昇）分に加算することによって、上パンチ１４１側および下パンチ１２１側の流路溝３が形成される空間を（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法分だけ減少させる。
【０１４０】
しかも、この（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法は任意に調整可能であるから、囲繞部４であるＳｏｕｔ部の密度に対して、流路溝部２，６であるＳｉｎ部の密度を相対的にコントロール可能である。双方の密度を均一にすることができるし、もし必要であるなら、流路溝部２，６の密度を囲繞部４の密度に対して増減することもできる。
【０１４１】
図２５〜図２８は、この発明による成形金型１１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程を示し、図２５は充填調整前の状態、図２６は充填調整後の圧縮直前の状態、図２７は圧縮初期の状態、図２８は圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【０１４２】
セパレータ１全体の密度バラツキを低減するには、圧縮工程中に、材料充填量の少ない流路溝部２，６領域の圧縮速度と、囲繞部４領域の圧縮速度とを均等に、つまり圧縮開始から圧縮完了までの工程をほぼ同時に終了させることで、領域２，６と領域４の双方の品質バラツキをなくすことができる。
【０１４３】
具体的には、下インナーパンチ１２２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ１２４の駆動力によって、上ラムの圧縮力よりも小さな保持力でフロートされて、上パンチ１４１側の圧縮力に応じて下降できる状態、または上パンチ１４１側よりやや遅い速度で下降させることが好ましい。
【０１４４】
同様に、上インナーパンチ１４２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ１４４の駆動力によって、上ラムの圧縮力よりも小さな保持力で圧縮方向にフロートされて、上パンチ１４１側の圧縮力に応じて相対的に上昇できる状態、または、下インナーパンチ１２２の下降速度とほぼ同じ速度で相対的に上昇させることが好ましい。
【０１４５】
その結果、充填量が少ない領域つまり圧縮ストロークが短い領域でも、圧縮速度を遅らせることができる。
【０１４６】
図２６は、セパレータ１の断面形状にかかわらず、均等な圧縮比を可能とするための充填量を、キャビティ１５０に確保した充填調整後・圧縮直前の状態を示す。このとき、下インナーパンチ１２２は、下アウターパンチ１２５に対して（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法分だけ突出（上昇）させた位置にある。一方、上インナーパンチ１４２は、上アウターパンチ１４５に対してＨｕ寸法分だけ突出（下降）させた位置にある。そして、上パンチ１４１は、圧縮直前に、上インナーパンチ１４２の下端が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面に接する高さにある。
【０１４７】
図２７は、圧縮初期の状態を示す。ここで、図２６に示す状態から図２７に示す状態への移行について説明する。すなわち、この移行時、上パンチ１４１側（上ラム）の圧縮力により、上アウターパンチ１４５の下面が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面に接する高さまで下降させる。このとき、アクチュエータ１４４の駆動力は維持したまま、アクチュエータ１２４の駆動力を低減させて、上インナーパンチ１４２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料を下方へ押圧する押圧力に追従して、下インナーパンチ１２２を下降させる。
【０１４８】
これにより、図２７に示すように、上インナーパンチ１４２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面からＨｕ寸法分だけ突出（下降）した位置にあり、一方、下インナーパンチ１２２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の底面からＨｌ寸法分だけ突出（上昇）した位置にある状態となる。
【０１４９】
すなわち、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面側における上パンチ１４１の状態（上アウターパンチ１４５に対する上インナーパンチ１４２の突出量：Ｈｕ）と、キャビティ１５０に充填された粉末材料の下面側における下パンチ１２１の状態（下アウターパンチ１２５に対する下インナーパンチ１２２の突出量：Ｈｌ）とが、互いに一致する。
【０１５０】
そして、この状態から、上パンチ１４１側（上ラム）の圧縮力による粉末材料の圧縮工程が実質的に開始される。この圧縮工程において、囲繞部４領域は、上ラムの圧縮力を直接受けて圧縮成形される一方、流路溝部２，６領域の下インナーパンチ１２２は下降（後退）しながら、上インナーパンチ１４２は相対的に上昇しながら、圧縮成形される。
【０１５１】
図２８は、圧縮完了状態を示す。下インナーパンチ１２２は、アクチュエータ１２４による保持力よりも大きな上ラムのプレス圧縮力によって、下降限位置、すなわち下アウターパンチ１２５と面一状態（または所定の位置）にある。また、上インナーパンチ１４２は、アクチュエータ１４４による保持力よりも大きな上ラムのプレス圧縮力によって、上昇限位置、すなわち上アウターパンチ１４５と面一状態（または所定の位置）にある。そして、セパレータ１が成形される。
【０１５２】
この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスにおいて、成形後の製品取り出しの過程については、第１の実施形態の場合と同様であるので、図示およびその説明は省略する。すなわち、成形後の製品取り出しの過程において、取り出し直前の状態は図１０を参照し、流路溝部を抜き出す状態は図１１を参照し、ダイが下降した状態は図１２を参照し、型開き完了の状態は図１３を参照することで理解される。これらの図１０〜図１３を、各符号に１００を加えた符号を用いて参照すれば、一層容易に理解される。
【０１５３】
この第２の実施形態の成形金型１１０を用いて燃料電池セパレータ１を製造した場合は、第１の実施形態の成形金型１０を用いて燃料電池セパレータ１を製造した場合に比べて、セパレータ１の密度の均一性を一層向上させることができる。
【実施例２】
【０１５４】
以下、この第２の実施形態の成形金型１１０を用いて、この発明による製造方法により圧縮成形される燃料電池セパレータの成形プロセスについて具体的に説明する。但し、この発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【０１５５】
（１）セパレータ１の形状は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ（または２．５ｍｍ）、ガス流路溝３は幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチは２ｍｍで１２列、表裏各面の中央に配置される。
【０１５６】
（２）粉末材料は灰分０．１５％、平均粒子径φ３０μｍの球状天然黒鉛（または同様の人造黒鉛）８０ｗｔ％、樹脂系バインダはレゾール型フェノール２０ｗｔ％の混合物を使用した。嵩密度は０．６５ｇ／ｃｍ３である。
【０１５７】
（３）圧縮成形装置は上ラム下降型４００トン油圧プレスを用いた。ダイ１３０、上アウターパンチ１４５、上インナーパンチ１４２、下アウターパンチ１２５、下インナーパンチ１２２はダイセット内に設けられた油圧を駆動源とするシリンダによって作動し、作動ストロークはダイセット内に設けられたストロークエンドブロックにより決定される。
【０１５８】
また、各金型の作動タイミングは、上ラムストロークにおける位置をリニアゲージで検出し、その電圧信号をトリガとしたシーケンス制御により油圧バルブを切り替え、各作動をコントロールした。
【０１５９】
（４）セパレータ１としての性能が得られる密度１．９５ｇ／ｃｍ３を目標として、粉末材料の嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ３であるから基準圧縮比は３とした。よって、セパレータ１の囲繞部４領域の材料充填量は２ｍｍ×３より６ｍｍに設定した。
【０１６０】
流路溝部２，６領域はセパレータ１の断面積とキャビティ１５０の空間断面積との比率が１：３となるように、上面側流路溝部２は０．９ｍｍ、下面側流路溝部２も０．９ｍｍを減ずる必要があるので、上アウターパンチ１４５に対する上インナーパンチ１４２の突出量（下降量）は０．９ｍｍに設定し、一方、下アウターパンチ１２５に対する下インナーパンチ１２２の突出量（上昇量）も０．９ｍｍに設定した。
【０１６１】
そして、前記上インナーパンチ１４２の突出量０．９ｍｍを加算して、下インナーパンチ１２２を合計１．８ｍｍ突出させることにより、流路溝部２領域の材料充填量は６ｍｍ−１．８ｍｍより４．２ｍｍに設定した。
【０１６２】
（５）金型温度は流動性を向上させるため６０℃に加熱し、前記の油圧プレス装置により１２５トンで１５秒間、圧縮した。
【０１６３】
（６）圧縮成形完了後、上アウターパンチ１４５、下アウターパンチ１２５がセパレータ１を押し出す方向に作動するように油圧バルブを開く。同時に離型用エアーブローを各アウターパンチ１４５，１２５と各インナーパンチ１４２，１２２の分割部より噴出する。
【０１６４】
この状態を保持したままプレス上部ラムを１ｍｍ上昇させると、それぞれ０．５ｍｍの作動ストロークを設定している上アウターパンチ１４５、下アウターパンチ１２４はセパレータ１を挟んだ状態のまま、上インナーパンチ１４２、下インナーパンチ１２２はセパレータ１の流路溝部２から抜き出される。
【０１６５】
その後直ちにダイ１３０を油圧駆動により下降させ、セパレータ１外周部を抜き出す。その後、上部ラムを上昇させることによりセパレータ１の取り出しが完了となる。
【０１６６】
（７）この実施例の場合も、実施例１と同様に、図１４に示すようなキャビティ圧力推移が得られ、囲繞部４領域と流路溝部２，６領域の圧力状態はほぼ均等となっている。それぞれの領域での密度も囲繞部１．９７ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９５ｇ／ｃｍ３であり均等な品質といえる。
【０１６７】
また、図１５に示すような製品形状が得られ、金型形状は精度良く転写され、無理のない製品取り出しであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図である。
【図２】図１のII−II線に沿ってとられた（ａ）断面図および（ｂ）Ａ部の拡大図である。
【図３】この発明による燃料電池セパレータの成形金型の第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】成形金型のキャビティに粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【図５】圧縮成形品であるセパレータの縦断面図を示す。
【図６】この発明による燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程における充填調整前の状態を示す縦断面図である。
【図７】圧縮成形の過程における充填調整後の圧縮直前の状態を示す縦断面図である。
【図８】圧縮成形の過程における圧縮工程中間の状態を示す縦断面図である。
【図９】圧縮成形の過程における圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【図１０】成形後の製品取り出しの過程における取り出し直前の状態を示す縦断面図である。
【図１１】成形後の製品取り出しの過程における流路溝部を抜き出す状態を示す縦断面図である。
【図１２】成形後の製品取り出しの過程におけるダイが下降した状態を示す縦断面図である。
【図１３】成形後の製品取り出しの過程における型開き完了の状態を示す縦断面図である。
【図１４】この発明により製造された燃料電池セパレータの品質を示すグラフである。
【図１５】図１４の燃料電池セパレータの状態図である。
【図１６】従来技術により製造された燃料電池セパレータの品質を示すグラフである。
【図１７】図１６の燃料電池セパレータの状態図である。
【図１８】従来の圧縮成形における充填時の断面積と圧縮後の断面積を示した模式図ある。
【図１９】この発明による燃料電池セパレータの他の実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図である。
【図２０】図１９のXX−XX線に沿ってとられた断面図である。
【図２１】図２０の（ａ）Ａ部の拡大図、（ｂ）Ｂ部の拡大図および（ｃ）Ｃ部の拡大図である。
【図２２】この発明による燃料電池セパレータの成形金型の第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図２３】成形金型のキャビティに粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【図２４】圧縮成形品であるセパレータの縦断面図を示す。
【図２５】この発明による燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程における充填調整前の状態を示す縦断面図である。
【図２６】圧縮成形の過程における充填調整後の圧縮直前の状態を示す縦断面図である。
【図２７】圧縮成形の過程における圧縮初期の状態を示す縦断面図である。
【図２８】圧縮成形の過程における圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１ 燃料電池セパレータ
２ 流路溝部（両面流路溝部）
３ 流路溝
４ 囲繞部
５ マニホルド
６ 片面流路溝部
１０，１１０ 成形金型
２０，１２０ 固定側ブロック
２１，１２１ 下パンチ（下金型）
２２，１２２ 下インナーパンチ（下インナー金型）
２３，１２３ ストッパブロック
２４，１２４ アクチュエータ（作動部材）
２５，１２５ 下アウターパンチ（下アウター金型）
２６，１２６ ストッパブロック
２７，１２７ アクチュエータ（作動部材）
２８，１２８ 下パンチエアブロー用ライン
３０，１３０ ダイ（枠体）
３１，１３１ ストッパブロック
３２，１３２ アクチュエータ（作動部材）
４０，１４０ 移動側ブロック
４１，１４１ 上パンチ（上金型）
４２，１４２ 上インナーパンチ（上インナー金型）
４３，１４３ ストッパブロック
１４４ アクチュエータ（作動部材）
４５，１４５ 上アウターパンチ（上アウター金型）
４６，１４６ ストッパブロック
４７，１４７ アクチュエータ（作動部材）
４８，１４８ 上パンチエアブロー用ライン
５０，１５０ キャビティ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般には、燃料電池セパレータの製造方法に係り、さらに詳しくは、流動性に乏しい炭素質系粉末を主成分とする材料を用いて圧縮成形により燃料電池セパレータを得る成形金型、製造方法および燃料電池セパレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池による発電システムは、近年のエネルギー消費量増加に伴う二酸化炭素排出量の増加や、石油をはじめとする化石資源の枯渇問題を解決するべく、クリーンかつ高効率の新しい技術として広く実用化検討が推進されている。
【０００３】
特に、電解質にイオン交換膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）システムは、作動温度が８０℃以下と比較的低温であることから、容易に運転・停止が可能である。また、エネルギー効率が高いことから、家庭用コージェネレーション、自動車、携帯機器等への導入が期待されている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池に用いられる基本セルは、イオン交換膜からなる電解質膜がアノード（燃料極）とカソード（空気極）で挟まれて膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を構成し、このＭＥＡを両側から２枚のセパレータで挟み込む構成である。
【０００５】
セパレータ表面には、ＭＥＡのアノード（燃料極）に水素等の燃料ガスを、またカソード（空気極）に酸素・空気等の酸化ガスを供給するための流路溝がそれぞれ形成される。また、冷媒を流すための冷媒流路も形成される場合がある。さらに、セパレータは、燃料ガスと酸化ガスを分離するための遮蔽板としての機能をもつ。
【０００６】
そして、燃料電池システムに必要な電気出力に応じて、このような基本セルが数十〜数百枚直列に積層されてスタックとして構成される。
【０００７】
以上のような機能をもつセパレータに必要な代表的特性としては、アメリカ・エネルギー省（ＤＯＥ：Department of Energy）の目標値を基準にした場合、電気抵抗値が２０ｍΩ・ｃｍ以下であること、ガス透過性が２×１０−６ｃｃ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ａｔｍ以下であること、薄肉、軽量であること、そして、市場への普及には製造コストの大幅な低減が必要不可欠である。
【０００８】
このような諸性質・コストを兼ね備えたセパレータは、当初、炭素質系材料に熱硬化型樹脂バインダを混合・成形し、加熱硬化後に非酸化性雰囲気中にて１０００℃以上の高温で長時間処理により焼成炭化されていた。
【０００９】
この方法で得られる成形品は板状であるため、ガス流路溝、ガス導入孔、スタック用孔等の切削加工を必要とし、非常にコスト高になるという問題があった。
【００１０】
これに対し、導電性に優れた黒鉛粉末材料に樹脂系バインダを混合し、あらかじめ流路溝形状・孔形状を形成可能な金型で圧縮成形する方法は、セパレータに必要な諸特性を満足し、かつ切削加工が不要であることから、低コストが実現可能な製造方法として注目されている。
【特許文献１】特開２００４−２３５１３７号公報
【特許文献２】特開２００４−２２２０７号公報
【特許文献３】特開２００４−２３５０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、高い導電性を得るためには黒鉛配合率を７５ｗｔ％以上とする必要があるため、著しく材料の流動性が低下する。その結果、セパレータに必要な諸形状に形成する圧縮成形の場合、以下のような課題がある。
【００１２】
セパレータは表面に、ガス流路溝部とその周囲の囲繞部とを有しているが、ガス流路溝部と囲繞部の密度が均一でない。すなわち、ガス流路溝部は材料の圧縮比が高く、囲繞部は材料の圧縮比が低い。そのため、囲繞部はガス流路溝部に比べて黒鉛の密度が低いので、導電性が低下するとともにガス透過性も大きくなる。
【００１３】
図１に一般的なセパレータの一例を示し、図２にその断面図を示す。なお、図１、図２は、この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示すものであるが、セパレータの形状としては一般的なものであるので、図示の形状を用いてここでは一般的なセパレータについて説明する。
【００１４】
セパレータに要求される高い導電性を向上させるには、１００％黒鉛の密度２．１ｇ／ｃｍ３にできるだけ近づけることが重要である。仮に黒鉛８０ｗｔ％、フェノール樹脂２０ｗｔ％の配合率である粉末材料の嵩密度を０．６５ｇ／ｃｍ３、製品目標密度を１．９５ｇ／ｃｍ３とすると、圧縮成形時の圧縮比は３となる。金型に充填するべき粉末材料は、製品厚２ｍｍであれば、圧縮比は３であるから６ｍｍとなる。
【００１５】
このとき、図１８に一例を示すように囲繞部領域を圧縮比３に設定した場合、ガス流路溝部を形成する領域は、充填時の断面積８６．４ｍｍ２から前記の圧縮比３によるプレスストローク４ｍｍ圧縮したときの断面積は２２．２ｍｍ２となり、断面積を基準としたときのガス流路溝部の圧縮比は３．９となり、囲繞部領域に対して３０％過剰な圧縮比となる。この現象はガス流路溝部の断面積が大きいほど、また製品厚さが薄くなるほど顕著になる。
【００１６】
前記の製品断面形状に起因する圧縮比の差は、粉末材料の流動性の悪さにより圧縮方向に対して横方向への材料流動がほとんどないことが根本的な原因である。
【００１７】
一方、圧縮成形による製品形状形成後の離型においても、以下のような課題がある。
【００１８】
黒鉛の密度を上げるために、プレス圧力はおよそ３０ＭＰａ以上で成形される。そのため金型内の成形品には高い圧縮応力が残留しており、金型から離型した後は応力が開放されるために膨張する。この現象はスプリングバックと呼ばれるもので、製品の反り・変形の発生、ガス流路溝部の離型抵抗の増加によるクラック・欠けなどの不良を発生させる。特に製品形状が薄肉でガス流路溝が深い場合は顕著となる。
【００１９】
このように、セパレータに要求される高い導電性を維持しながら、製品形状の薄肉化・ガス流路溝の狭ピッチ、さらには溝深さの増加などにより、ますます難成形性となる傾向にあるのが現状であり、更なる圧縮成形による製造技術の構築が望まれている。
【００２０】
この発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、黒鉛含有率が高く、流動性に乏しい粉末材料を用いた圧縮成形によるセパレータ製造方法において、適切な金型・成形プロセスを採用することにより、セパレータ表面のガス流路溝部領域と囲繞部領域との密度バランスを均一にし、金型からの製品取り出しにおいても変形・反り・クラックの発生が少なく高品質かつ生産性の高い燃料電池セパレータの成形金型、燃料電池セパレータの製造方法および燃料電池セパレータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
この発明の請求項１に係る燃料電池セパレータの成形金型は、粉体状材料を用いて、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、前記片面が対向する下金型を、前記流路溝部に対応するインナー金型と、前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割して構成し、前記インナー金型および／または前記アウター金型を進退させる作動部材を備えていることを特徴とするものである。
【００２２】
この発明の請求項２に係る燃料電池セパレータの成形金型は、粉体状材料を用いて、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、いずれか一方がラム圧力で作動される上金型および下金型と、前記上下両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とを備え、前記上金型および下金型を、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割して構成し、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を進退させる作動部材と、前記下インナー金型および前記下アウター金型を相互に進退させる作動部材とを備えていることを特徴とするものである。
【００２３】
この発明の請求項３に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を進退させる作動部材をさらに備えていることを特徴とするものである。
【００２４】
この発明の請求項４に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記下インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記下インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とするものである。
【００２５】
この発明の請求項５に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項３記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記上インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とするものである。
【００２６】
この発明の請求項６に係る燃料電池セパレータの成形金型は、請求項２〜５のいずれか１項記載の燃料電池セパレータの成形金型において、前記上アウター金型を進退させる作動部材による、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を突出させるストローク、および、前記下アウター金型を進退させる作動部材による、前記下インナー金型に対して前記下アウター金型を突出させるストロークは、表裏各面の前記流路溝部の深さと実質的に同寸法以上に設定されることを特徴とするものである。
【００２７】
この発明の請求項７に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めすることを特徴とするものである。
【００２８】
この発明の請求項８に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項７記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記位置決めによる前記アウター金型に対する前記インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００２９】
この発明の請求項９に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させることを特徴とするものである。
【００３０】
この発明の請求項１０に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させ、前記流路溝部が離型し、かつ、前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とするものである。
【００３１】
この発明の請求項１１に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項９または請求項１０記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる際、前記流路溝部が容易に離型するように、前記インナー金型と前記アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とするものである。
【００３２】
この発明の請求項１２に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方に位置決めし、前記位置決めによる前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００３３】
この発明の請求項１３に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、まず、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方へ突出させて位置決めし、つぎに、前記位置決めした状態でキャビティに充填した粉体状材料の上面に、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を所定量下方へ突出させた前記上金型を、前記上アウター金型の下面が前記粉体状材料の上面に接触する高さまで下降させるとき、前記上インナー金型が前記粉体状材料に進入するのに追従して前記下インナー金型を下降させて、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量と同等に位置決めすることを特徴とするものである。
【００３４】
この発明の請求項１４に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１３記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記位置決めによる前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量、および、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とするものである。
【００３５】
この発明の請求項１５に係る燃料電池セパレータの製造方法は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型による圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させることを特徴とするものである。
【００３６】
この発明の請求項１６に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１５記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記上金型および前記下金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させ、表裏各面の前記流路溝部が離型し、かつ、表裏各面の前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とするものである。
【００３７】
この発明の請求項１７に係る燃料電池セパレータの製造方法は、請求項１５または請求項１６記載の燃料電池セパレータの製造方法において、前記型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させる際、表裏各面の前記流路溝部が容易に離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型と前記上アウター金型および前記下アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とするものである。
【００３８】
この発明の請求項１８に係る燃料電池セパレータは、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記流路溝部の材料密度と前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とするものである。
【００３９】
この発明の請求項１９に係る燃料電池セパレータは、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、下金型が分割されて前記囲繞部に対応するアウター金型に対して前記流路溝部に対応するインナー金型を所定高さ上方に位置決めして形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記アウター金型と前記インナー金型との高さの差を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とするものである。
【００４０】
この発明の請求項２０に係る燃料電池セパレータは、表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記両面流路溝部の材料密度と、前記片面流路溝部の材料密度と、前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とするものである。
【００４１】
この発明の請求項２１に係る燃料電池セパレータは、表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、前記囲繞部に対応する下アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する下インナー金型を所定量上方へ突出させた下金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する上インナー金型を所定量下方へ突出させた上金型とで形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記下インナー金型および前記上インナー金型の突出を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００４２】
この発明は以上のように、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めする構成としたので、セパレータの囲繞部領域と流路溝部領域の圧縮比を均等に設定することができ、そのため均一な密度のセパレータが製造可能となる。
【００４３】
また、この発明は、金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる構成としたので、セパレータ取り出しにおいてスプリングバックが発生する前に流路溝部領域を先行して離型することができ、そのため形状欠損のないセパレータが製造可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００４５】
図１は、この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図、図２は、図１のII−II線に沿ってとられた（ａ）断面図および（ｂ）Ａ部の拡大図である。
【００４６】
この燃料電池セパレータ１は、固体高分子型燃料電池システムに適用されるセパレータであり、両面（少なくとも片面）には、流路溝部２および、流路溝部２の周囲を囲む囲繞部４を有している。
【００４７】
セパレータ１の寸法は、燃料電池システムの発電能力により異なるが、外形が５０〜４００ｍｍ、例えば縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍで、厚さが０．５〜５ｍｍ、例えば２．０ｍｍの平板形状である。
【００４８】
セパレータ１の流路溝部２には、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却水の流路となる溝（流路溝）３が形成されている。流路溝３の深さは、一般にセパレータ１の板厚の約１／２以下であり、例えば０．５ｍｍである。流路溝３の溝幅は０．５〜５ｍｍ、例えば１ｍｍである。隣り合う流路溝３どうしのピッチは、例えば２ｍｍである。そして、流路溝３は、セパレータ１表面の囲繞部４に囲まれた所定領域内に細密な配置で形成されて、流路溝部２を構成している。
【００４９】
このような流路溝３は、セパレータ１の囲繞部４に形成されたマニホルド５に連結していて、マニホルド５を通して、燃料ガス、酸化ガスまたは冷却水が流路溝３に導入・排出されるようになっている。なお、図１では、流路溝３およびマニホルド５を２系統だけ図示し、第３の流路溝および第３のマニホルドは図示を省略してある。
【００５０】
また、囲繞部４にも溝が形成されているが、この溝は適宜のシール材を封入するための溝であり、流体の流路となる溝すなわち流路溝３ではない。この明細書では、このような溝を含めて囲繞部４と定義する。
【００５１】
この発明による燃料電池セパレータ１に用いられる成形材料は、炭素質粉末を主成分とし、樹脂系材料をバインダとして混合したものである。
【００５２】
セパレータ１は高い導電性を必要とするため、炭素質材料としては、高い結晶性の黒鉛構造を有することが望ましく、人造黒鉛、天然黒鉛、膨潤黒鉛などが適しており、またこれらを適正な割合で混合してもよい。黒鉛粉末の平均粒子径は、導電性、材料流動性の面からφ５〜１００μｍが用いられ、さらに好ましくはφ１０〜６０μｍである。黒鉛粉末中の灰分は、セパレータ１に隣接する触媒の電気化学的反応を阻害し、耐久性を低下させるため、０．５％以下が好ましい。
【００５３】
一方、炭素質粉末のバインダとして用いる樹脂系材料は、熱可塑性または熱硬化性のいずれでも構わない。好ましくは、機械的強度、耐久性の面から、３次元分子構造を形成する熱硬化性樹脂が用いられる。熱硬化性樹脂は、例えばフェノール系、エポキシ系、ジアリルフタレート系、不飽和ポリエステル系等が使用できるが、生産性・耐久性の面からフェノール系樹脂が好ましい。
【００５４】
上記の黒鉛粉末と樹脂系バインダとの配合割合は、高い導電性と高い非ガス透過性および機械的強度のバランスから、黒鉛７５〜９５ｗｔ％、樹脂系バインダ２５〜５ｗｔ％、さらに好ましくは、黒鉛８２〜９３ｗｔ％、樹脂系バインダ１８〜７ｗｔ％の配合割合の成形材料が用いられる。
【００５５】
以上の混合材料を用いて、以下に説明する成形金型および成形プロセス（製造方法）により、この発明による燃料電池セパレータ１を成形することができる。
【００５６】
図３は、この発明による燃料電池セパレータ１の製造方法に用いる成形金型の第１の実施形態を示す縦断面図であり、説明のため、実際の型開き状態よりも大きく開いて図示してある。また、囲繞部４に形成されるマニホルド５およびセパレータ１のスタック用貫通孔を形成する金型であるコアは省略してある。
【００５７】
この成形金型１０は、固定側ブロック２０に設けられる下金型（下パンチ）２１と、移動側ブロック４０に設けられる上金型（上パンチ）４１と、上下両金型４１，２１間に形成されるキャビティ５０の外周を担う金型である枠体（ダイ）３０とを備えている。枠体（ダイ）３０も固定側ブロック２０に設けられ、また、上金型（上パンチ）４１は移動側ブロック４０とともに、ラム圧力で作動されるようになっている。
【００５８】
下金型（下パンチ）２１は、セパレータ１下面の流路溝部２領域の形状を形成する金型である下インナー金型（下インナーパンチ）２２と、セパレータ１下面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である下アウター金型（下アウターパンチ）２５とに分割して構成してある。
【００５９】
また、下パンチ２１は、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を、ストッパブロック２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２４と、下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を、ストッパブロック２６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２７とを備えている。
【００６０】
そして、アクチュエータ２４による、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮工程終了時に下インナーパンチ２２の突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【００６１】
さらに、下パンチ２１は、型開き時に下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を突出させる際、セパレータ１下面の流路溝部２が容易に離型するように、下インナーパンチ２２と下アウターパンチ２５との分割面から圧縮空気を噴出させる下パンチエアブロー用ライン２８を備えている。
【００６２】
上金型（上パンチ）４１は、セパレータ１上面の流路溝部２領域の形状を形成する金型である上インナー金型（上インナーパンチ）４２と、セパレータ１上面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である上アウター金型（上アウターパンチ）４５とに分割して構成してある。
【００６３】
また、上パンチ４１は、上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を、ストッパブロック４６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）４７を備えている。
【００６４】
そして、アクチュエータ４７による、上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を突出させるストローク、および、アクチュエータ２７による、下インナーパンチ２２に対して下アウターパンチ２５を突出させるストロークは、セパレータ１表裏各面の流路溝部２の深さと実質的に同寸法よりやや大きく設定されるものである。
【００６５】
さらに、上パンチ４１は、型開き時に上インナーパンチ４２に対して上アウターパンチ４５を突出させる際、セパレータ１上面の流路溝部２が容易に離型するように、上インナーパンチ４２と上アウターパンチ４５との分割面から圧縮空気を噴出させる上パンチエアブロー用ライン４８を備えている。
【００６６】
枠体（ダイ）３０は、その上面が下パンチ２１の上面より低くなる位置から、ストッパブロック３１に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）３２を備えている。
【００６７】
この成形金型１０は、図示しないプレス装置の機能および金型を保持するためのダイセット機能により、ダイ３０および、下インナーパンチ２２、下アウターパンチ２５、上インナーパンチ４２、上アウターパンチ４５の各金型が圧縮成形方向に作動可能に保持される。そして、図３に矢印Ｐで示すように、セパレータ１の最大面積を有する平面部に対して垂直方向からの単軸成形により圧縮成形されるものである。
【００６８】
なお、図３に示す金型構成は一例であり、セパレータ１の形状により、任意の金型分割位置、任意の金型構成数で対応することができる。
【００６９】
この発明による成形金型１０は、上記のように、セパレータ１の流路溝部２領域と囲繞部４領域とにパンチが分割された構造を有しているため、以下のような成形プロセスが可能である。
【００７０】
粉末材料を用いた圧縮成形においては、圧縮成形品の目標密度と材料の嵩密度との比率を圧縮比として、キャビティ５０への材料充填量を決定する。特に、流動性の悪い材料の場合は、成形品の部分的な圧縮比のバラツキはそのまま密度のバラツキとなり、大きな品質の低下となる。粉末材料の圧縮プレス成形法における充填方法は、ダイ上面を基準として余剰に投入した材料を排除し、充填量のバラツキを抑えるのが一般的である。
【００７１】
図４は、成形金型１０のキャビティ５０に粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【００７２】
図５は、圧縮成形品であるセパレータ１の縦断面図を示す。なお、図４と図５の断面位置は同一位置である。
【００７３】
この発明による成形金型１０を用いた製造プロセスにおいて、目標密度と粉末材料の嵩密度との比率つまり圧縮比を３と仮定したとき、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔは、製品厚さがＴｍｍであるから、ダイ３０を下パンチ２１上面から３×Ｔｍｍ上昇させることにより３×Ｓｏｕｔの断面積をもつ空間を設ければ、適性な材料が充填される。
【００７４】
このとき下アウターパンチ２５上面は平坦であるため、理想的な材料の充填が可能である。
【００７５】
これに対し、セパレータ１の流路溝部２領域の断面積Ｓｉｎは、ダイ３０を３×Ｔｍｍ上昇させると、流路溝３を形成するための金型凸部の断面積の形成に相当する材料が余剰となり、流路溝部２領域に充填される材料は３×Ｓｉｎを超えてしまう。
【００７６】
そこで、この発明による成形金型１０を用いた製造プロセスでは、その余剰な材料充填を防止するため、流路溝３を形成する下インナーパンチ２２を所定のｈ寸法分だけ上昇させ、つまり材料が充填される空間をｈ寸法分減少させることで、３×Ｓｉｎの断面積に調整することが可能である。
【００７７】
しかも、このｈ寸法は任意に調整可能であるから、囲繞部４であるＳｏｕｔ部の密度に対して、流路溝部２であるＳｉｎ部の密度を相対的にコントロール可能である。双方の密度を均一にすることができるし、もし必要であるなら、流路溝部２の密度を囲繞部４の密度に対して増減することもできる。
【００７８】
図６〜図９は、この発明による成形金型１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程を示し、図６は充填調整前の状態、図７は充填調整後の圧縮直前の状態、図８は圧縮工程中間の状態、図９は圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【００７９】
セパレータ１全体の密度バラツキを低減するには、圧縮工程中に、材料充填量の少ない流路溝部２領域の圧縮速度と、囲繞部４領域の圧縮速度とを均等に、つまり圧縮開始から圧縮完了までの工程をほぼ同時に終了させることで、双方の領域２，４の品質バラツキをなくすことができる。
【００８０】
具体的には、下インナーパンチ２２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ２４の駆動力によって、上パンチ４１側の圧縮力よりも小さな保持力でフロートされて、上パンチ４１側の圧縮力に応じて下降できる状態、または上パンチ４１側よりやや遅い速度で下降させることが好ましい。その結果、充填量が少ない領域つまり圧縮ストロークが短い領域でも、圧縮速度を遅らせることができる。
【００８１】
図８は圧縮比２、粉末材料が圧縮されている中間の状態を示す。下インナーパンチ２２は下降しているものの圧縮完了位置には達しておらず、目標密度に到達していない中間の状態である。
【００８２】
図９は圧縮完了状態を示す。下インナーパンチ２２はアクチュエータ２４による保持上昇力よりも大きなプレス圧縮力によって下降限の位置にあり、下アウターパンチ２５と面一状態または所定の位置にてセパレータ１が成形される。
【００８３】
図１０〜図１３は、この発明による成形金型１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において成形後の製品取り出しの過程を示し、図１０は取り出し直前の状態、図１１は流路溝部を抜き出す状態、図１２はダイが下降した状態、図１３は型開き完了の状態を示す縦断面図である。
【００８４】
図１０は、セパレータ取り出し直前の状態である。このとき、下アウターパンチ２５および上アウターパンチ４５には、空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ２７，４７の駆動力により、セパレータ１を突き出す方向に力を与えておく。
【００８５】
この突き出す力は、プレス装置の上部ラム（図示省略）がセパレータ１を押す力よりも小さいことが条件になる。上インナーパンチ４２で形成される流路溝３の深さをｄ１とすると、上アウターパンチ４５のストロークはｄ１と同寸法以上に設定する。同様に、下インナーパンチ２２で形成される流路溝３の深さをｄ２とすると、下アウターパンチ２５のストロークもｄ２と同寸法以上に設定する。
【００８６】
図１１は、離型性の悪い流路溝部２の金型がセパレータ１から抜き出された状態を示す。上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５がセパレータ１に向かって突き出す力が働いている状態で上部ラムが上昇すると、上インナーパンチ４２は上アウターパンチ４５を支持点として、同様に下インナーパンチ２２は下アウターパンチ２５を支持点として、セパレータ１から離型する力が働く。上部ラムがセパレータ１上下両面の流路溝３段差の合計（ｄ１＋ｄ２）を上昇したとき、セパレータ１上下両面の流路溝３は金型から離型される。
【００８７】
この過程の開始時すなわち離型開始直後には、密閉された状態でセパレータ１の流路溝部２を離型するため、セパレータ１と金型表面および金型分割ラインからの外気導入はほとんど期待できず、減圧状態となる。そこで各インナーパンチ２２，４２と各アウターパンチ２５，４５の分割面から圧縮エアーを噴出すことにより、スムーズな離型が可能である。
【００８８】
図１２は、セパレータ１の外周形状を形成するダイ３０が下降した状態を示す。圧縮成形によって形成された直後のセパレータ１の内部には大きな圧縮応力が発生している。セパレータ１取り出しの際、金型が離れると同時に内部応力が開放され、スプリングバックが発生し、セパレータ１は膨張する。スプリングバック量は、材料・成形温度・圧縮力等により異なるが約０．２〜０．８％発生し、縦１５０ｍｍ×横１００ｍｍのセパレータでは１ｍｍ以上の膨張量になる。
【００８９】
図１２に示すように、上アウターパンチ４５と下アウターパンチ２５とでセパレータ１を押さえた状態でダイ３０を抜き出すことにより、内部応力はセパレータ１の平面方向（図で横方向）に開放される。仮に、ダイ３０を抜き出す前にすべての上パンチ４１を上昇させてしまうと、外周側に開放できない内部応力は逃げ場を失い、セパレータ１の中央部は凸状に変形が生じる。
【００９０】
図１３は、上パンチ４１がセパレータ１から完全に抜け、容易に取り出しが可能となった状態を示す。上パンチ４１とセパレータ１を確実に離型する方法としては、上パンチ４１側のエアーブローを下パンチ２１側よりもやや長く作動させればよい。
【実施例１】
【００９１】
以下、この発明による成形金型を用いて、この発明による製造方法により圧縮成形される燃料電池セパレータの成形プロセスについて具体的に説明する。但し、この発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００９２】
（１）セパレータ１の形状は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ（または２．５ｍｍ）、ガス流路溝３は幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチは２ｍｍで１２列、表裏各面の中央に配置される。
【００９３】
（２）粉末材料は灰分０．１５％、平均粒子径φ３０μｍの球状天然黒鉛（または同様の人造黒鉛）８０ｗｔ％、樹脂系バインダはレゾール型フェノール２０ｗｔ％の混合物を使用した。嵩密度は０．６５ｇ／ｃｍ３である。
【００９４】
（３）圧縮成形装置は上ラム下降型１５０トン油圧プレスを用いた。上インナーパンチ４２はプレスの上側プラテンに直結、その他のダイ３０、上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５、下インナーパンチ２２はダイセット内に設けられた油圧を駆動源とするシリンダによって作動し、作動ストロークはダイセット内に設けられたストロークエンドブロックにより決定される。
【００９５】
また、各金型の作動タイミングは、上ラムストロークにおける位置をリニアゲージで検出し、その電圧信号をトリガとしたシーケンス制御により油圧バルブを切り替え、各作動をコントロールした。
【００９６】
（４）セパレータ１としての性能が得られる密度１．９５ｇ／ｃｍ３を目標として、粉末材料の嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ３であるから基準圧縮比は３とした。よって、セパレータ１の囲繞部４領域の材料充填量は２ｍｍ×３より６ｍｍに設定した。流路溝部２領域はセパレータ１の断面積とキャビティ５０の空間断面積との比率が１：３となるように１．８ｍｍを減ずる必要があるので、流路溝部２領域を形成する金型の下インナーパンチ２２は１．８ｍｍ上昇つまり充填量は６ｍｍ−１．８ｍｍより４．２ｍｍに設定した。
【００９７】
（５）金型温度は流動性を向上させるため６０℃に加熱し、前記の油圧プレス装置により１２５トンで１５秒間、圧縮した。
【００９８】
（６）圧縮成形完了後、上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２５がセパレータ１を押し出す方向に作動するように油圧バルブを開く。同時に離型用エアーブローを各アウターパンチ４５，２５と各インナーパンチ４２，２２の分割部より噴出する。
【００９９】
この状態を保持したままプレス上部ラムを１ｍｍ上昇させると、それぞれ０．５ｍｍの作動ストロークを設定している上アウターパンチ４５、下アウターパンチ２４はセパレータ１を挟んだ状態のまま、上インナーパンチ４２、下インナーパンチ２２はセパレータ１の流路溝部２から抜き出される。
【０１００】
その後直ちにダイ３０を油圧駆動により下降させ、セパレータ１外周部を抜き出す。その後、上部ラムを上昇させることによりセパレータ１の取り出しが完了となる。
【０１０１】
（７）図１４は、上インナーパンチ４２、上アウターパンチ４５にキャビティ３０内圧力センサを設置し、圧縮成形工程中に生じている材料の圧力推移を示したグラフである。囲繞部４領域と流路溝部２領域の圧力状態はほぼ均等となっている。それぞれの領域での密度も囲繞部１．９７ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９５ｇ／ｃｍ３であり均等な品質といえる。
【０１０２】
また、図１５は、セパレータ１の流路溝部２コーナーの拡大図である。金型形状は精度良く転写され、無理のない製品取り出しであることがわかる。
【０１０３】
（８）一方、図１６は、従来技術による圧縮成形した場合の圧力推移を示す。流路溝部領域の圧力上昇は大きいが、囲繞部領域の圧力上昇は約１／２〜１／３と非常にバラツキが大きい。結果、それぞれの領域での密度も囲繞部１．７９ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９８ｇ／ｃｍ３であり囲繞部の密度低下が顕著になっている。
【０１０４】
また、図１７は、セパレータの流路溝部コーナーの拡大図である。セパレータ取り出し時に大きな離型抵抗が発生し、コーナー部は欠損していることがわかる。
【０１０５】
図１９は、図１に示す燃料電池セパレータ１の各部を詳細に見たときの（ａ）正面図および（ｂ）背面図、図２０は、図１９のXX−XX線に沿ってとられた断面図、図２１は、図２０の（ａ）Ａ部の拡大図、（ｂ）Ｂ部の拡大図および（ｃ）Ｃ部の拡大図である。
【０１０６】
燃料電池セパレータ１を断面で見ると、その大部分は図２（ａ）に示すように、流路溝部２と、囲繞部４とで構成される。そして、流路溝部２は図２（ｂ）に示すように、表裏両面に流路溝３を備えている。
【０１０７】
ところが、各流路溝３がマニホルド５に連なる部分には、図２０、図２１に示すように、片面だけに流路溝３が形成され、反対側の面は流路溝３のない領域６が存在する。すなわち、燃料電池セパレータ１を断面で詳しく見ると、両面に流路溝３を備えた両面流路溝部２と、片面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、流路溝部２，６の周囲を囲む囲繞部４とを有している。片面流路溝部６の反対面は囲繞部４で構成される。
【０１０８】
しかも、片面流路溝部６には、図２０のＢ部を拡大して図２１（ｂ）示すように、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、図２０のＣ部を拡大して図２１（ｃ）示すように、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６とがある。
【０１０９】
このような片面流路溝部６は、図３に示す成形金型１０では、両面流路溝部２とともに当然、下インナーパンチ２２および上インナーパンチ４２の領域に割り当てられる。図３に示す成形金型１０の場合、下パンチ２１は、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を、ストッパブロック２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）２４を備えているのに対し、上パンチ４１は、そのような作動部材（アクチュエータ）を備えていない。そのため、図６に示す充填調整前から、図７に示す充填調整後・圧縮直前、図８に示す圧縮工程中間、図９に示す圧縮完了後まで、上インナーパンチ４２と上アウターパンチ４５との位置関係は変わらない。
【０１１０】
それでも、図４に示すように、下アウターパンチ２５に対して下インナーパンチ２２を所定のｈ寸法分だけ上昇させ、材料が充填される空間をｈ寸法分減少させることで、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔと、流路溝部２領域の断面積Ｓｉｎとの調整を果たし、図１４に示すように、圧力状態がほぼ均等になることで密度の均一性を実現している。
【０１１１】
しかし、上記したように、燃料電池セパレータ１には、両面流路溝部２と囲繞部４の他に、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６と、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６とがある。このうち、下面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６は、その周囲の囲繞部４との間であらかじめｈ寸法分だけ断面積の調整が行われている。これに対し、上面にのみ流路溝３を備えた片面流路溝部６は、その周囲の囲繞部４との間でこのような断面積の調整が行われておらず、また、圧縮工程を通じて行われることはない。
【０１１２】
ところで、図１８を参照して上述したように、囲繞部４の領域を圧縮比３に設定した場合、流路溝部（両面流路溝部）２の領域は、充填時の断面積８６．４ｍｍ２から圧縮比３によるプレスストローク４ｍｍ圧縮したときの断面積は２２．２ｍｍ２となり、断面積を基準としたときの流路溝部２の圧縮比は３．９となり、囲繞部４の領域に対して３０％過剰な圧縮比となる。同様に、片面流路溝部６の領域は、囲繞部４の領域に対して１０％過剰な圧縮比となる。
【０１１３】
つまり、図３に示す成形金型１０の場合、セパレータ１の下面側では、囲繞部４の領域に対して、これと圧縮比が異なる片面流路溝部６の領域も両面流路溝部２の領域もともに、あらかじめｈ寸法分だけ断面積の調整が行われているのに対し、セパレータ１の上面側では、片面流路溝部６の領域のみならず両面流路溝部２の領域もともに、断面積の調整が行われない。
【０１１４】
そこで、圧縮初期（圧縮開始時）に、必要な断面積の調整を、セパレータ１の下面側および上面側の両方で均等に行うことで、セパレータ１の密度の均一性を向上させることのできる成形金型について以下に説明する。
【０１１５】
図２２は、この発明による燃料電池セパレータ１の製造方法に用いる成形金型の第２の実施形態を示す縦断面図であり、説明のため、実際の型開き状態よりも大きく開いて図示してある。また、囲繞部４に形成されるマニホルド５およびセパレータ１のスタック用貫通孔を形成する金型であるコアは省略してある。
【０１１６】
この成形金型１１０は、固定側ブロック１２０に設けられる下金型（下パンチ）１２１と、移動側ブロック１４０に設けられる上金型（上パンチ）１４１と、上下両金型１４１，１２１間に形成されるキャビティ１５０の外周を担う金型である枠体（ダイ）１３０とを備えている。枠体（ダイ）１３０も固定側ブロック１２０に設けられ、また、上金型（上パンチ）１４１は移動側ブロック１４０とともに、ラム圧力で作動されるようになっている。
【０１１７】
下金型（下パンチ）１２１は、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６のうち下面の流路溝部２，６領域の形状を形成する金型である下インナー金型（下インナーパンチ）１２２と、セパレータ１下面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である下アウター金型（下アウターパンチ）１２５とに分割して構成してある。
【０１１８】
また、下パンチ１２１は、下アウターパンチ１２５に対して下インナーパンチ１２２を、ストッパブロック１２３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１２４と、下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を、ストッパブロック１２６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１２７とを備えている。
【０１１９】
そして、アクチュエータ１２４による、下アウターパンチ１２５に対して下インナーパンチ１２２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮工程終了時に下インナーパンチ１２２の突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【０１２０】
さらに、下パンチ１２１は、型開き時に下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を突出させる際、セパレータ１下面の流路溝部２，６が容易に離型するように、下インナーパンチ１２２と下アウターパンチ１２５との分割面から圧縮空気を噴出させる下パンチエアブロー用ライン１２８を備えている。
【０１２１】
上金型（上パンチ）１４１は、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６のうち上面の流路溝部２，６領域の形状を形成する金型である上インナー金型（上インナーパンチ）１４２と、セパレータ１上面の囲繞部４領域の形状を形成する金型である上アウター金型（上アウターパンチ）１４５とに分割して構成してある。
【０１２２】
また、上パンチ１４１は、上アウターパンチ１４５に対して上インナーパンチ１４２を、ストッパブロック１４３に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１４４と、上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を、ストッパブロック１４６に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１４７とを備えている。
【０１２３】
そして、アクチュエータ１４４による、上アウターパンチ１４５に対して上インナーパンチ１４２を突出させる作動力は、ラム圧力による圧縮行程終了時に上インナーパンチ１４２を突出が実質的に解消される程度の大きさに設定されるものである。
【０１２４】
また、アクチュエータ１４７による、上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を突出させるストローク、および、アクチュエータ１２７による、下インナーパンチ１２２に対して下アウターパンチ１２５を突出させるストロークは、セパレータ１表裏各面の流路溝部２，６の深さと実質的に同寸法よりやや大きく設定されるものである。
【０１２５】
さらに、上パンチ１４１は、型開き時に上インナーパンチ１４２に対して上アウターパンチ１４５を突出させる際、セパレータ１上面の流路溝部２，６が容易に離型するように、上インナーパンチ１４２と上アウターパンチ１４５との分割面から圧縮空気を噴出させる上パンチエアブロー用ライン１４８を備えている。
【０１２６】
枠体（ダイ）１３０は、その上面が下パンチ１２１の上面より低くなる位置から、ストッパブロック１３１に当接するまで突出可能に進退させる作動部材（アクチュエータ）１３２を備えている。
【０１２７】
この成形金型１１０は、図示しないプレス装置の機能および金型を保持するためのダイセット機能により、ダイ１３０および、下インナーパンチ１２２、下アウターパンチ１２５、上インナーパンチ１４２、上アウターパンチ１４５の各金型が圧縮成形方向に作動可能に保持される。そして、図２２に矢印Ｐで示すように、セパレータ１の最大面積を有する平面部に対して垂直方向からの単軸成形により圧縮成形されるものである。
【０１２８】
なお、図２２に示す金型構成は一例であり、セパレータ１の両面流路溝部２および片面流路溝部６に形成されている流路溝３の深さ、幅、ピッチにより、下パンチ１２１、上パンチ１４１の一部の作動を省略することも可能である。また、セパレータ１の形状により、任意の金型分割位置、任意の金型構成数で対応することができる。
【０１２９】
この発明による成形金型１１０は、上記のように、セパレータ１の両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域と囲繞部４領域とにパンチが分割された構造を有しているため、以下のような成形プロセスが可能である。
【０１３０】
粉末材料を用いた圧縮成形においては、圧縮成形品の目標密度と材料の嵩密度との比率を圧縮比として、キャビティ１５０への材料充填量を決定する。特に、流動性の悪い材料の場合は、成形品の部分的な圧縮比のバラツキはそのまま密度のバラツキとなり、大きな品質の低下となる。粉末材料の圧縮プレス成形法における充填方法は、ダイ上面を基準として余剰に投入した材料を排除し、充填量のバラツキを抑えるのが一般的である。
【０１３１】
図２３は、成形金型１１０のキャビティ１５０に粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【０１３２】
図２４は、圧縮成形品であるセパレータ１の縦断面図を示す。なお、図２３と図２４の断面位置は同一位置である。
【０１３３】
この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスにおいて、目標密度と粉末材料の嵩密度との比率つまり圧縮比を３と仮定したとき、セパレータ１の囲繞部４領域の断面積Ｓｏｕｔは、製品厚さがＴｍｍであるから、ダイ１３０を下パンチ１２１上面から３×Ｔｍｍ上昇させることにより３×Ｓｏｕｔの断面積をもつ空間を設ければ、適性な材料が充填される。
【０１３４】
このとき下アウターパンチ１２５上面は平坦であるため、理想的な材料の充填が可能である。
【０１３５】
これに対し、セパレータ１の両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域の断面積Ｓｉｎは、ダイ１３０を３×Ｔｍｍ上昇させると、流路溝３を形成するための金型凸部の断面積の形成に相当する材料が余剰となり、両面流路溝部２領域および片面流路溝部６領域に充填される材料は３×Ｓｉｎを超えてしまう。
【０１３６】
そこで、この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスでは、その余剰な材料充填を防止するため、上パンチ１４１側および下パンチ１２１側の流路溝３が形成される空間をつぎのようにして減少させることができるので、３×Ｓｉｎの断面積に調整することが可能である。
【０１３７】
すなわち、セパレータ１の上パンチ側流路溝３を形成する上インナーパンチ１４２を、上パンチ側囲繞部４を形成する上アウターパンチ１４５に対して、所定のＨｕ寸法分だけ突出（下降）させ、上パンチ側流路溝３に相当する材料充填量を減少させる。
【０１３８】
同様に、セパレータ１の下パンチ側流路溝３を形成する下インナーパンチ１２２を、下パンチ側囲繞部４を形成する下アウターパンチ１２５に対して、所定のＨｌ寸法分だけ突出（上昇）させ、下パンチ側流路溝３に相当する材料充填量を減少させる。
【０１３９】
さらに、上パンチ側流路溝３を形成する上インナーパンチ１４２を突出（下降）させたＨｕ寸法分を、下インナーパンチ１２２の突出（上昇）分に加算することによって、上パンチ１４１側および下パンチ１２１側の流路溝３が形成される空間を（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法分だけ減少させる。
【０１４０】
しかも、この（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法は任意に調整可能であるから、囲繞部４であるＳｏｕｔ部の密度に対して、流路溝部２，６であるＳｉｎ部の密度を相対的にコントロール可能である。双方の密度を均一にすることができるし、もし必要であるなら、流路溝部２，６の密度を囲繞部４の密度に対して増減することもできる。
【０１４１】
図２５〜図２８は、この発明による成形金型１１０を用いた燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程を示し、図２５は充填調整前の状態、図２６は充填調整後の圧縮直前の状態、図２７は圧縮初期の状態、図２８は圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【０１４２】
セパレータ１全体の密度バラツキを低減するには、圧縮工程中に、材料充填量の少ない流路溝部２，６領域の圧縮速度と、囲繞部４領域の圧縮速度とを均等に、つまり圧縮開始から圧縮完了までの工程をほぼ同時に終了させることで、領域２，６と領域４の双方の品質バラツキをなくすことができる。
【０１４３】
具体的には、下インナーパンチ１２２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ１２４の駆動力によって、上ラムの圧縮力よりも小さな保持力でフロートされて、上パンチ１４１側の圧縮力に応じて下降できる状態、または上パンチ１４１側よりやや遅い速度で下降させることが好ましい。
【０１４４】
同様に、上インナーパンチ１４２は空圧、油圧、バネ、電動モータ等のアクチュエータ１４４の駆動力によって、上ラムの圧縮力よりも小さな保持力で圧縮方向にフロートされて、上パンチ１４１側の圧縮力に応じて相対的に上昇できる状態、または、下インナーパンチ１２２の下降速度とほぼ同じ速度で相対的に上昇させることが好ましい。
【０１４５】
その結果、充填量が少ない領域つまり圧縮ストロークが短い領域でも、圧縮速度を遅らせることができる。
【０１４６】
図２６は、セパレータ１の断面形状にかかわらず、均等な圧縮比を可能とするための充填量を、キャビティ１５０に確保した充填調整後・圧縮直前の状態を示す。このとき、下インナーパンチ１２２は、下アウターパンチ１２５に対して（Ｈｕ＋Ｈｌ）寸法分だけ突出（上昇）させた位置にある。一方、上インナーパンチ１４２は、上アウターパンチ１４５に対してＨｕ寸法分だけ突出（下降）させた位置にある。そして、上パンチ１４１は、圧縮直前に、上インナーパンチ１４２の下端が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面に接する高さにある。
【０１４７】
図２７は、圧縮初期の状態を示す。ここで、図２６に示す状態から図２７に示す状態への移行について説明する。すなわち、この移行時、上パンチ１４１側（上ラム）の圧縮力により、上アウターパンチ１４５の下面が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面に接する高さまで下降させる。このとき、アクチュエータ１４４の駆動力は維持したまま、アクチュエータ１２４の駆動力を低減させて、上インナーパンチ１４２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料を下方へ押圧する押圧力に追従して、下インナーパンチ１２２を下降させる。
【０１４８】
これにより、図２７に示すように、上インナーパンチ１４２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面からＨｕ寸法分だけ突出（下降）した位置にあり、一方、下インナーパンチ１２２が、キャビティ１５０に充填された粉末材料の底面からＨｌ寸法分だけ突出（上昇）した位置にある状態となる。
【０１４９】
すなわち、キャビティ１５０に充填された粉末材料の上面側における上パンチ１４１の状態（上アウターパンチ１４５に対する上インナーパンチ１４２の突出量：Ｈｕ）と、キャビティ１５０に充填された粉末材料の下面側における下パンチ１２１の状態（下アウターパンチ１２５に対する下インナーパンチ１２２の突出量：Ｈｌ）とが、互いに一致する。
【０１５０】
そして、この状態から、上パンチ１４１側（上ラム）の圧縮力による粉末材料の圧縮工程が実質的に開始される。この圧縮工程において、囲繞部４領域は、上ラムの圧縮力を直接受けて圧縮成形される一方、流路溝部２，６領域の下インナーパンチ１２２は下降（後退）しながら、上インナーパンチ１４２は相対的に上昇しながら、圧縮成形される。
【０１５１】
図２８は、圧縮完了状態を示す。下インナーパンチ１２２は、アクチュエータ１２４による保持力よりも大きな上ラムのプレス圧縮力によって、下降限位置、すなわち下アウターパンチ１２５と面一状態（または所定の位置）にある。また、上インナーパンチ１４２は、アクチュエータ１４４による保持力よりも大きな上ラムのプレス圧縮力によって、上昇限位置、すなわち上アウターパンチ１４５と面一状態（または所定の位置）にある。そして、セパレータ１が成形される。
【０１５２】
この発明による成形金型１１０を用いた製造プロセスにおいて、成形後の製品取り出しの過程については、第１の実施形態の場合と同様であるので、図示およびその説明は省略する。すなわち、成形後の製品取り出しの過程において、取り出し直前の状態は図１０を参照し、流路溝部を抜き出す状態は図１１を参照し、ダイが下降した状態は図１２を参照し、型開き完了の状態は図１３を参照することで理解される。これらの図１０〜図１３を、各符号に１００を加えた符号を用いて参照すれば、一層容易に理解される。
【０１５３】
この第２の実施形態の成形金型１１０を用いて燃料電池セパレータ１を製造した場合は、第１の実施形態の成形金型１０を用いて燃料電池セパレータ１を製造した場合に比べて、セパレータ１の密度の均一性を一層向上させることができる。
【実施例２】
【０１５４】
以下、この第２の実施形態の成形金型１１０を用いて、この発明による製造方法により圧縮成形される燃料電池セパレータの成形プロセスについて具体的に説明する。但し、この発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。
【０１５５】
（１）セパレータ１の形状は、縦１５０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ２ｍｍ（または２．５ｍｍ）、ガス流路溝３は幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、ピッチは２ｍｍで１２列、表裏各面の中央に配置される。
【０１５６】
（２）粉末材料は灰分０．１５％、平均粒子径φ３０μｍの球状天然黒鉛（または同様の人造黒鉛）８０ｗｔ％、樹脂系バインダはレゾール型フェノール２０ｗｔ％の混合物を使用した。嵩密度は０．６５ｇ／ｃｍ３である。
【０１５７】
（３）圧縮成形装置は上ラム下降型４００トン油圧プレスを用いた。ダイ１３０、上アウターパンチ１４５、上インナーパンチ１４２、下アウターパンチ１２５、下インナーパンチ１２２はダイセット内に設けられた油圧を駆動源とするシリンダによって作動し、作動ストロークはダイセット内に設けられたストロークエンドブロックにより決定される。
【０１５８】
また、各金型の作動タイミングは、上ラムストロークにおける位置をリニアゲージで検出し、その電圧信号をトリガとしたシーケンス制御により油圧バルブを切り替え、各作動をコントロールした。
【０１５９】
（４）セパレータ１としての性能が得られる密度１．９５ｇ／ｃｍ３を目標として、粉末材料の嵩密度０．６５ｇ／ｃｍ３であるから基準圧縮比は３とした。よって、セパレータ１の囲繞部４領域の材料充填量は２ｍｍ×３より６ｍｍに設定した。
【０１６０】
流路溝部２，６領域はセパレータ１の断面積とキャビティ１５０の空間断面積との比率が１：３となるように、上面側流路溝部２は０．９ｍｍ、下面側流路溝部２も０．９ｍｍを減ずる必要があるので、上アウターパンチ１４５に対する上インナーパンチ１４２の突出量（下降量）は０．９ｍｍに設定し、一方、下アウターパンチ１２５に対する下インナーパンチ１２２の突出量（上昇量）も０．９ｍｍに設定した。
【０１６１】
そして、前記上インナーパンチ１４２の突出量０．９ｍｍを加算して、下インナーパンチ１２２を合計１．８ｍｍ突出させることにより、流路溝部２領域の材料充填量は６ｍｍ−１．８ｍｍより４．２ｍｍに設定した。
【０１６２】
（５）金型温度は流動性を向上させるため６０℃に加熱し、前記の油圧プレス装置により１２５トンで１５秒間、圧縮した。
【０１６３】
（６）圧縮成形完了後、上アウターパンチ１４５、下アウターパンチ１２５がセパレータ１を押し出す方向に作動するように油圧バルブを開く。同時に離型用エアーブローを各アウターパンチ１４５，１２５と各インナーパンチ１４２，１２２の分割部より噴出する。
【０１６４】
この状態を保持したままプレス上部ラムを１ｍｍ上昇させると、それぞれ０．５ｍｍの作動ストロークを設定している上アウターパンチ１４５、下アウターパンチ１２４はセパレータ１を挟んだ状態のまま、上インナーパンチ１４２、下インナーパンチ１２２はセパレータ１の流路溝部２から抜き出される。
【０１６５】
その後直ちにダイ１３０を油圧駆動により下降させ、セパレータ１外周部を抜き出す。その後、上部ラムを上昇させることによりセパレータ１の取り出しが完了となる。
【０１６６】
（７）この実施例の場合も、実施例１と同様に、図１４に示すようなキャビティ圧力推移が得られ、囲繞部４領域と流路溝部２，６領域の圧力状態はほぼ均等となっている。それぞれの領域での密度も囲繞部１．９７ｇ／ｃｍ３、流路溝部１．９５ｇ／ｃｍ３であり均等な品質といえる。
【０１６７】
また、図１５に示すような製品形状が得られ、金型形状は精度良く転写され、無理のない製品取り出しであることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【０１６８】
【図１】この発明による燃料電池セパレータの一実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図である。
【図２】図１のII−II線に沿ってとられた（ａ）断面図および（ｂ）Ａ部の拡大図である。
【図３】この発明による燃料電池セパレータの成形金型の第１の実施形態を示す縦断面図である。
【図４】成形金型のキャビティに粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【図５】圧縮成形品であるセパレータの縦断面図を示す。
【図６】この発明による燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程における充填調整前の状態を示す縦断面図である。
【図７】圧縮成形の過程における充填調整後の圧縮直前の状態を示す縦断面図である。
【図８】圧縮成形の過程における圧縮工程中間の状態を示す縦断面図である。
【図９】圧縮成形の過程における圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【図１０】成形後の製品取り出しの過程における取り出し直前の状態を示す縦断面図である。
【図１１】成形後の製品取り出しの過程における流路溝部を抜き出す状態を示す縦断面図である。
【図１２】成形後の製品取り出しの過程におけるダイが下降した状態を示す縦断面図である。
【図１３】成形後の製品取り出しの過程における型開き完了の状態を示す縦断面図である。
【図１４】この発明により製造された燃料電池セパレータの品質を示すグラフである。
【図１５】図１４の燃料電池セパレータの状態図である。
【図１６】従来技術により製造された燃料電池セパレータの品質を示すグラフである。
【図１７】図１６の燃料電池セパレータの状態図である。
【図１８】従来の圧縮成形における充填時の断面積と圧縮後の断面積を示した模式図ある。
【図１９】この発明による燃料電池セパレータの他の実施形態を示す（ａ）正面図および（ｂ）背面図である。
【図２０】図１９のXX−XX線に沿ってとられた断面図である。
【図２１】図２０の（ａ）Ａ部の拡大図、（ｂ）Ｂ部の拡大図および（ｃ）Ｃ部の拡大図である。
【図２２】この発明による燃料電池セパレータの成形金型の第２の実施形態を示す縦断面図である。
【図２３】成形金型のキャビティに粉末材料を充填した状態を示す要部の縦断面図である。
【図２４】圧縮成形品であるセパレータの縦断面図を示す。
【図２５】この発明による燃料電池セパレータの製造方法において圧縮成形の過程における充填調整前の状態を示す縦断面図である。
【図２６】圧縮成形の過程における充填調整後の圧縮直前の状態を示す縦断面図である。
【図２７】圧縮成形の過程における圧縮初期の状態を示す縦断面図である。
【図２８】圧縮成形の過程における圧縮完了の状態を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【０１６９】
１ 燃料電池セパレータ
２ 流路溝部（両面流路溝部）
３ 流路溝
４ 囲繞部
５ マニホルド
６ 片面流路溝部
１０，１１０ 成形金型
２０，１２０ 固定側ブロック
２１，１２１ 下パンチ（下金型）
２２，１２２ 下インナーパンチ（下インナー金型）
２３，１２３ ストッパブロック
２４，１２４ アクチュエータ（作動部材）
２５，１２５ 下アウターパンチ（下アウター金型）
２６，１２６ ストッパブロック
２７，１２７ アクチュエータ（作動部材）
２８，１２８ 下パンチエアブロー用ライン
３０，１３０ ダイ（枠体）
３１，１３１ ストッパブロック
３２，１３２ アクチュエータ（作動部材）
４０，１４０ 移動側ブロック
４１，１４１ 上パンチ（上金型）
４２，１４２ 上インナーパンチ（上インナー金型）
４３，１４３ ストッパブロック
１４４ アクチュエータ（作動部材）
４５，１４５ 上アウターパンチ（上アウター金型）
４６，１４６ ストッパブロック
４７，１４７ アクチュエータ（作動部材）
４８，１４８ 上パンチエアブロー用ライン
５０，１５０ キャビティ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体状材料を用いて、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、
前記片面が対向する下金型を、前記流路溝部に対応するインナー金型と、前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割して構成し、
前記インナー金型および／または前記アウター金型を進退させる作動部材を備えていることを特徴とする燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項２】
粉体状材料を用いて、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、
いずれか一方がラム圧力で作動される上金型および下金型と、前記上下両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とを備え、
前記上金型および下金型を、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割して構成し、
前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を進退させる作動部材と、前記下インナー金型および前記下アウター金型を相互に進退させる作動部材とを備えていることを特徴とする燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項３】
前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を進退させる作動部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項４】
前記下インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記下インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項５】
前記上インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記上インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項６】
前記上アウター金型を進退させる作動部材による、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を突出させるストローク、および、前記下アウター金型を進退させる作動部材による、前記下インナー金型に対して前記下アウター金型を突出させるストロークは、表裏各面の前記流路溝部の深さと実質的に同寸法以上に設定されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項７】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記位置決めによる前記アウター金型に対する前記インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項９】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１０】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させ、
前記流路溝部が離型し、かつ、前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる際、前記流路溝部が容易に離型するように、前記インナー金型と前記アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とする請求項９または請求項１０記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１２】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方に位置決めし、
前記位置決めによる前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１３】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、まず、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方へ突出させて位置決めし、
つぎに、前記位置決めした状態でキャビティに充填した粉体状材料の上面に、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を所定量下方へ突出させた前記上金型を、前記上アウター金型の下面が前記粉体状材料の上面に接触する高さまで下降させるとき、前記上インナー金型が前記粉体状材料に進入するのに追従して前記下インナー金型を下降させて、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量と同等に位置決めすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１４】
前記位置決めによる前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量、および、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１５】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型による圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１６】
前記上金型および前記下金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させ、
表裏各面の前記流路溝部が離型し、かつ、表裏各面の前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１７】
前記型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させる際、表裏各面の前記流路溝部が容易に離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型と前記上アウター金型および前記下アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とする請求項１５または請求項１６記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１８】
少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記流路溝部の材料密度と前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項１９】
少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
下金型が分割されて前記囲繞部に対応するアウター金型に対して前記流路溝部に対応するインナー金型を所定高さ上方に位置決めして形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記アウター金型と前記インナー金型との高さの差を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２０】
表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記両面流路溝部の材料密度と、前記片面流路溝部の材料密度と、前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２１】
表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記囲繞部に対応する下アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する下インナー金型を所定量上方へ突出させた下金型と、
前記囲繞部に対応する上アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する上インナー金型を所定量下方へ突出させた上金型とで形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記下インナー金型および前記上インナー金型の突出を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項１】
粉体状材料を用いて、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、
前記片面が対向する下金型を、前記流路溝部に対応するインナー金型と、前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割して構成し、
前記インナー金型および／または前記アウター金型を進退させる作動部材を備えていることを特徴とする燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項２】
粉体状材料を用いて、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを圧縮成形する金型であって、
いずれか一方がラム圧力で作動される上金型および下金型と、前記上下両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とを備え、
前記上金型および下金型を、前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割して構成し、
前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を進退させる作動部材と、前記下インナー金型および前記下アウター金型を相互に進退させる作動部材とを備えていることを特徴とする燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項３】
前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を進退させる作動部材をさらに備えていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項４】
前記下インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記下インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とする請求項２記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項５】
前記上インナー金型を進退させる前記作動部材による、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を突出させる作動力は、前記ラム圧力による圧縮工程終了時に前記上インナー金型の突出が実質的に解消される大きさに設定されることを特徴とする請求項３記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項６】
前記上アウター金型を進退させる作動部材による、前記上インナー金型に対して前記上アウター金型を突出させるストローク、および、前記下アウター金型を進退させる作動部材による、前記下インナー金型に対して前記下アウター金型を突出させるストロークは、表裏各面の前記流路溝部の深さと実質的に同寸法以上に設定されることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項記載の燃料電池セパレータの成形金型。
【請求項７】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
上金型と、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された下金型との間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記アウター金型に対して前記インナー金型を所定高さ上方に位置決めすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項８】
前記位置決めによる前記アウター金型に対する前記インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする請求項７記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項９】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１０】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
一方の金型と、前記片面側に位置し、かつ、前記流路溝部に対応するインナー金型と前記囲繞部に対応するアウター金型とに分割された他方の金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させ、
前記流路溝部が離型し、かつ、前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１１】
前記型開き時に、前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように前記インナー金型に対して前記アウター金型を突出させる際、前記流路溝部が容易に離型するように、前記インナー金型と前記アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とする請求項９または請求項１０記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１２】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方に位置決めし、
前記位置決めによる前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の高さの差を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１３】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型の間に形成されるキャビティに粉体状材料を充填するとき、前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とが均一になるように、まず、前記下アウター金型に対して前記下インナー金型を所定高さ上方へ突出させて位置決めし、
つぎに、前記位置決めした状態でキャビティに充填した粉体状材料の上面に、前記上アウター金型に対して前記上インナー金型を所定量下方へ突出させた前記上金型を、前記上アウター金型の下面が前記粉体状材料の上面に接触する高さまで下降させるとき、前記上インナー金型が前記粉体状材料に進入するのに追従して前記下インナー金型を下降させて、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量と同等に位置決めすることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１４】
前記位置決めによる前記上アウター金型に対する前記上インナー金型の下方への突出量、および、前記下アウター金型に対する前記下インナー金型の上方への突出量を、圧縮のための金型作動期間中に漸減させて金型作動終了と実質的に同時に解消させることを特徴とする請求項１３記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１５】
金型を用いて粉体状材料を圧縮成形することで、表裏各面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータを製造する製造方法であって、
前記流路溝部に対応する上インナー金型および下インナー金型と、前記囲繞部に対応する上アウター金型および下アウター金型とに分割された上金型および下金型による圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、表裏各面の前記囲繞部に先行して前記流路溝部が離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させることを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１６】
前記上金型および前記下金型と、前記両金型間に形成されるキャビティの外周を担う枠体とによる圧縮成形後、成形品取り出しのための型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して、前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させ、
表裏各面の前記流路溝部が離型し、かつ、表裏各面の前記囲繞部が離型しない状態で、前記枠体を移動させて成形品の外周を当該枠体から解放させることを特徴とする請求項１５記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１７】
前記型開き時に、前記上インナー金型および前記下インナー金型に対して前記上アウター金型および前記下アウター金型を突出させる際、表裏各面の前記流路溝部が容易に離型するように、前記上インナー金型および前記下インナー金型と前記上アウター金型および前記下アウター金型との分割面から圧縮空気を噴出させることを特徴とする請求項１５または請求項１６記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項１８】
少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記流路溝部の材料密度と前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項１９】
少なくとも片面に流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
下金型が分割されて前記囲繞部に対応するアウター金型に対して前記流路溝部に対応するインナー金型を所定高さ上方に位置決めして形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記アウター金型と前記インナー金型との高さの差を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２０】
表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記両面流路溝部の材料密度と、前記片面流路溝部の材料密度と、前記囲繞部の材料密度とが実質的に均一に形成されたことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項２１】
表裏各面に両面流路溝部、片面流路溝部および囲繞部を有する燃料電池セパレータであって、
前記囲繞部に対応する下アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する下インナー金型を所定量上方へ突出させた下金型と、
前記囲繞部に対応する上アウター金型に対して、前記両面流路溝部および前記片面流路溝部に対応する上インナー金型を所定量下方へ突出させた上金型とで形成されるキャビティに粉体状材料を充填し、圧縮工程にともない前記下インナー金型および前記上インナー金型の突出を解消させることで前記流路溝部の圧縮比と前記囲繞部の圧縮比とを均一に圧縮成形したことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【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１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００８−１７１８２６（Ｐ２００８−１７１８２６Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５８７３９（Ｐ２００８−５８７３９）
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【分割の表示】特願２００７−１３５８０６（Ｐ２００７−１３５８０６）の分割
【原出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【出願人】（０００１４７３５０）株式会社精工技研 (154)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月７日（２００８．３．７）
【分割の表示】特願２００７−１３５８０６（Ｐ２００７−１３５８０６）の分割
【原出願日】平成１８年５月２４日（２００６．５．２４）
【出願人】（０００１４７３５０）株式会社精工技研 (154)
【Ｆターム（参考）】
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