專利名稱：燃料電池用隔板的制造方法
技術領域：
本發明涉及固體高分子型燃料電池中使用的燃料電池用隔板的制造方法，特別是涉及使用包含碳粉末和熱固性樹脂的混合物作為原料粉的燃料電池用隔板的制造方法。
背景技術：
燃料電池是通過電解質使氫和氧反應而將化學能直接轉換成電能的裝置，根據所用的電解質，燃料電池存在有幾種類型，其中，使用固體高分子電解質膜作為電解質的固體高分子型燃料電池由于可以在80℃左右的低溫下工作，因而作為電動車的發電裝置備受矚目。
圖4是表示構成燃料電池的單元電池的結構的分解圖，圖5是表示圖4所示的燃料電池用隔板的結構的圖，圖5(a)是平面圖，圖5(b)是圖5(a)所示的X-Y截面圖。
如圖4所示，固體高分子型燃料電池形成如下結構并列設有數十個～數百個作為單元電池的MEA(膜/電極接合體)，通過向陽極供給作為流體的燃料氣體(氫氣)、向陰極供給作為流體的氧化氣體(氧氣)，由外部電路獲取電流，其中所述MEA通過在左右兩側面具有多個溝部的2片燃料電池用隔板1將固體高分子電解質膜2、陽極(燃料電極)3和陰極(氧化劑電極)4隔著接合墊5接合在一起而形成。
如圖5(a)、圖5(b)所示，燃料電池用隔板1是在薄的板狀體的一面或者兩面具有多個氣體供給排出用溝11、向氣體供給排出用溝11供給燃料氣體或者氧化氣體的開口部12和并列設置MEA用的固定孔13的形狀，其具有使流動在燃料電池內的燃料氣體和氧化氣體分離而不混合的作用，同時擔負著向外部傳遞在MEA發電形成的電能、或者向外部放散在MEA產生的熱量的重要作用。
從而，作為燃料電池用隔板1所期望的特性，可舉出要求其具有足夠的強度，以適應組裝時的螺栓緊固、汽車等振動；要求其減小電阻抗，以減少發電損耗；要求其具有不透氣性，以使燃料氣體和氧化氣體完全分離地在其兩面供給至電極。
作為這樣的燃料電池用隔板1，提出了使用在生產率和成本方面有利的酚樹脂等熱固性樹脂作為膠粘劑的碳復合材料(例如特開昭59-26907號公報)，其制造方法采用了如下方法，混合碳粉末和熱固性樹脂并投入模具中，在對其施加壓縮力的同時進行加熱，從而使樹脂固化。
但是，對于以往技術，使用含有碳粉末和熱固性樹脂的原料粉制造燃料電池用隔板1時，向模具投入原料粉后，由于采用施壓裝置來施加壓力和溫度，盡管酚樹脂在熱固性樹脂中是固化速度快的樹脂，但在160℃的溫度也需要數分鐘，同時從熱量傳遞至原料粉到原料粉溫度升高需要的時間取決于原料粉的大小，但也需要數分鐘的時間，由此存在的問題是昂貴的施壓裝置的制造速度會降低。
本發明是鑒于所述問題而進行的，其目的是提供適合產業化的燃料電池用隔板的制造方法，其通過將利用施壓裝置對包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，可以提高昂貴的施壓裝置的制造速度、并可以減少制造成本。
發明內容
本發明為了解決上述課題，形成如下所示的構成。
權利要求1記載的發明的要旨涉及燃料電池用隔板的制造方法，其是將碳粉末和熱固性樹脂以給定比例混合形成的混合物用作原料粉的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，具有壓縮成型工序和樹脂固化工序，所述壓縮成型工序是向模具投入上述原料粉并進行冷壓成型，所述樹脂固化工序是在非加壓的狀態將通過該壓縮成型工序被壓縮成型的上述原料粉加熱至上述熱固性樹脂的樹脂固化溫度或者固化溫度以上的溫度。
權利要求2記載的發明的要旨涉及權利要求1記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，在上述壓縮成型工序中，向上述原料粉施加大于等于100MPa的壓力。
權利要求3記載的發明的要旨涉及權利要求1或者權利要求2記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，使用酚樹脂作為上述熱固性樹脂，上述碳粉末被該酚樹脂包覆。
權利要求4記載的發明的要旨涉及燃料電池隔板，其采用權利要求1～3任意一項記載的燃料電池用隔板的制造方法進行制造。
權利要求5記載的發明的要旨涉及燃料電池，其是并列設有多個單元電池的燃料電池，所述單元電池是通過一對隔板將陽極和陰極隔著固體高分子電解質膜接合在一起而形成的，其特征在于，上述隔板的部分或者全部使用權利要求4記載的燃料電池隔板。
圖1是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的壓縮成型工序中使用的施壓裝置的結構的示意圖；圖2是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的樹脂固化工序中使用的加熱裝置的結構的示意圖；圖3是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的實施例及比較例中使用的原料粉、工藝及是否適宜的判定結果的表格；圖4是表示構成燃料電池的單元電池的結構的分解圖；圖5是表示圖4所示的燃料電池用隔板的結構的圖，圖5(a)是平面圖，圖5(b)是圖5(a)所示的X-Y截面圖。
具體實施例方式
以下基于附圖詳細地說明本發明的實施方式。
圖1是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的壓縮成型工序中使用的施壓裝置的結構的示意圖，圖2是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的樹脂固化工序中使用的加熱裝置的結構的示意圖。
本實施方式中，使用碳粉末和熱固性樹脂的混合物作為原料粉，通過壓縮成型工序和樹脂固化工序制造燃料電池用隔板1，所述壓縮成型工序中，通過施壓裝置對加入模具的原料粉施壓而壓縮成型為隔板形狀的成型板，所述樹脂固化工序中，用爐(烘箱)等加熱裝置對通過壓縮成型工序制作的成型板進行加熱而使熱固性樹脂固化。
首先，以給定的重量比例配合碳粉末和熱固性樹脂，充分地攪拌而混成原料粉。原料粉的混合重量比例優選碳粉末為90％～60％、熱固性樹脂為10％～40％的比例。并且，原料粉中除了碳粉末和熱固性樹脂以外還可以根據需要添加纖維基材、填充材料、脫模劑、耐水解劑等。
作為碳粉末可以使用石墨粉(碳粉末)等，使用石墨粉時，優選使用平均粒徑為10μm～100μm、長寬比為小于等于2的粉末。
作為熱固性樹脂使用以熱固性酚醛樹脂型(resolo)酚樹脂、線型熱塑性酚醛樹脂型(Novolak)酚樹脂為代表的酚樹脂時，成型性良好，進一步，若使用由酚樹脂包覆碳粉末而得的材料，則強度也會變高，因而是適宜的。
在壓縮成型工序中，使用如圖1所示的施壓裝置，向模具(陰模)中均勻地供給原料粉，利用油壓汽缸使模具(陽模)推壓進模具(陰模)，從而通過模具(陰模)和模具(陽模)向原料粉施加大于等于100MPa的壓力，將其壓縮成型為隔板形狀的成型板。此時，通過使模具(陰模)和模具(陽模)的加壓面事先形成給定的溝形狀，在成型板上反轉形成氣體供給排出用溝11。
另外，在壓縮成型工序中，不進行加熱而在室溫下進行冷壓縮成型，由于不需要加熱原料粉，因而可以縮短成型時間，在5秒～10秒的時間內即可壓縮成型1片隔板形狀的成型板。并且，由于樹脂不固化，因而模具和制品不會產生粘結，脫模性優越。
利用施壓裝置冷壓成型時，通過對原料粉施加大于等于100MPa的壓力，可以得到高密度的隔板形狀的成型板，可以制造同時具有量產性和高性能的燃料電池用隔板1。
在樹脂固化工序中，將從模具取出的成型板搬入如圖1所示的加熱裝置中，通過電熱器等加熱裝置在非加壓的狀態加熱至為熱固性樹脂的樹脂固化溫度或者固化溫度以上的溫度，例如170℃～200℃，使熱固性樹脂固化而制造燃料電池用隔板1。另外，在樹脂固化工序中，可以將多塊成型板搬入間歇式爐中進行加熱，也可以利用連續爐將成型板放置在傳送帶上而進行加熱。無論采用哪種方式在加熱時都花費時間，但要是利用該方式可以處理大量成型板，總的制造時間變少。
如以上所說明的，根據本實施方式，通過將利用施壓裝置對包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，在壓縮成型工序中不需要對原料粉進行加熱，因而可縮短時間，可以在5秒～10秒的時間內壓縮成型1片隔板形狀的成型板，從而發揮出可以提高昂貴的施壓裝置的制造速度的效果。
進而，根據本實施方式，通過將利用施壓裝置對包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，可以同時在連續爐等爐中對多個通過壓縮成型工序壓縮成型的成型板緩慢進行加熱固化，因而可大幅縮短制造時間，同時可以減少制造成本，從而發揮出可以極大程度地提高量產性的效果。
以下示出本實施方式的實施例和比較例，具體地說明本發明，但本發明并不限定于下述實施例。
圖3是表示本發明涉及的燃料電池用隔板的制造方法的實施例及比較例中使用的原料粉、工藝及是否適宜的判定結果的表格。
針對各實施例和各比較例，測定密度、電阻抗、氣密性和彎曲強度并進行比較，密度、電阻抗、氣密性和彎曲強度的測定方法如下所述。
密度由重量除以體積的值算出體積密度。
電阻抗使用長度為200mm、截面為1mm、加工成四邊形的成型試樣通過4端子法進行測定。
氣密性以JIS K7126的A法(差壓法)為基準進行測定，進行條件試樣調濕23℃、50％RH、大于等于48Hr，測定溫度23℃，使用氣體種類氫氣。
彎曲強度以ASTM D-790為基準進行測定，將成型試樣加工成長度為60mm、寬度為20mm、厚度為3mm，以跨度為50mm的3點彎曲進行測定。
實施例1使用平均粒徑為20μm、粒子的長寬比為1.5的石墨粉作為碳粉末、使用粉體的酚樹脂作為熱固性樹脂，以其混合重量比例為碳粉85％、樹脂15％的比例充分地混合，形成原料粉。將600g該混合粉均勻地投入具有300mm×200mm×20mm的容積的陰模中，用陽模施加200MPa的壓力壓緊，從而制備成型試樣。加壓速度為5mm/sec的速度，加壓時的模具和原料粉的溫度仍然是室溫，為25℃。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.90g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度稍微減少至1.87g/cm3，但沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝8mΩcm、氣密性＝1.5×10-6cm3/cm2·s、彎曲強度＝60MPa，任何一項性能均為適宜作為燃料電池用隔板1的值。
實施例2分別使用與實施例1同樣的碳粉末和熱固性樹脂，以其混合重量比例為碳粉75％、樹脂25％的比例充分地混合，形成原料粉。將600g該混合粉均勻地投入具有300mm×200mm×20mm的容積的陰模中，用陽模施加100MPa的壓力壓緊，從而制備成型試樣。加壓速度為5mm/sec的速度，加壓時的模具和原料粉的溫度仍然是室溫，為25℃。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.85g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度仍然是1.85g/cm3，沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝15mΩcm、氣密性＝4.8×10-8cm3/cm2·s、彎曲強度＝65MPa，任何一項性能均為適宜作為燃料電池用隔板1的值。
實施例3使用向實施例1的酚樹脂包覆碳粉末而形成的物質(重量比例為碳粉85％、樹脂15％)作為原料粉。將600g該混合粉均勻地投入具有300mm×200mm×20mm的容積的陰模中，用陽模施加150MPa的壓力壓緊，從而制備成型試樣。加壓速度為5mm/sec的速度，加壓時的模具和原料粉的溫度仍然是室溫，為25℃。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.92g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度稍微減小至1.90g/cm3，但沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝7mΩcm、氣密性＝1.2×10-6cm3/cm2·s、彎曲強度＝70MPa，任何一項性能均為適宜作為燃料電池用隔板1的值。
比較例1除了以50MPa進行模具的壓縮以外，用和實施例1完全相同的原料粉和工藝制作成型試樣。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.70g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度仍然是1.70g/cm3，沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝20mΩcm、氣密性＝3.0×10-4cm3/cm2·s、彎曲強度＝50MPa。氣密性差了2個數量級，不適宜用作燃料電池用隔板1。
比較例2除了以75MPa進行模具的壓縮以外，用和實施例2完全相同的原料粉和工藝制作成型試樣。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.75g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度仍然是1.75g/cm3，沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝20mΩcm、氣密性＝5.0×10-5cm3/cm2·s、彎曲強度＝45MPa。氣密性變差，不適宜用作燃料電池用隔板1。
比較例3除了以20MPa進行模具的壓縮以外，用和實施例3完全相同的原料粉和工藝制作成型試樣。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.75g/cm3。從模具取出壓緊的成型試樣，測定了其密度，密度為1.72g/cm3。
接著，將從模具取出的成型試樣搬入加熱裝置并加熱至200℃，使樹脂固化。此時的升溫從室溫狀態升至200℃進行了3小時。從加熱裝置取出并觀察成型試樣，密度稍微減小至1.65g/cm3，沒有觀察到翹曲、變形、膨脹等異常。進而，測定了物性，電阻抗＝25mΩcm、氣密性＝8.0×10-3cm3/cm2·s、彎曲強度＝38MPa。氣密性變差，不適宜用作燃料電池用隔板1。
如上所述，對于在壓縮成型工序中向原料粉施加的壓力為大于等于100MPa的實施例1～3，可以得到具有電阻抗、氣密性和彎曲強度的任何一項性能均滿足條件的充分的物性的燃料電池用隔板1。而對于在壓縮成型工序中向原料粉施加的壓力為20MPa～75MPa的比較例1～3，氣密性特別差，不能得到具有充分物性的燃料電池用隔板1。
另外，本發明并不限于上述各實施方式，應該清楚在本發明的技術思想的范圍內可以適宜變更各實施方式。并且，上述構成部件數量、位置、形狀等并不限于上述實施方式，為了實施本發明可以形成適宜的數量、位置、形狀等。在各圖中同一構成要素被賦予同一符號。
產業上利用的可能性本發明的燃料電池用隔板的制造方法，對于包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉，將利用施壓裝置進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，由于在壓縮成型工序中不需要對原料粉進行加熱，因而可縮短時間，可以在5秒～10秒的時間內壓縮成型1片隔板形狀的成型板，從而發揮出可以提高昂貴的施壓裝置的制造速度這樣的效果。
進而，本發明的燃料電池用隔板的制造方法，通過將利用施壓裝置對包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，可以同時在連續爐等爐中對多個通過壓縮成型工序壓縮成型的成型板緩慢進行加熱固化，因而可大幅縮短制造時間，同時可以減少制造成本，從而發揮出可以極大程度地提高量產性這樣的效果。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1、燃料電池用隔板的制造方法，其是將碳粉末和熱固性樹脂以給定比例混合的混合物用作原料粉制造燃料電池用隔板的方法，其特征在于，具有壓縮成型工序和樹脂固化工序，所述壓縮成型工序中，向模具投入所述原料粉并冷壓成型為隔板形狀的成型板，所述樹脂固化工序中，在非加壓的狀態將通過所述壓縮成型工序被壓縮成型的所述成型板加熱至所述熱固性樹脂的樹脂固化溫度或者固化溫度以上的溫度。
2、根據權利要求1記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，在所述壓縮成型工序中，向所述成型板施加大于等于100MPa的壓力。
3、根據權利要求1或者權利要求2記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，使用酚樹脂作為所述熱固性樹脂，所述碳粉末被該酚樹脂包覆。
4、燃料電池隔板，其采用權利要求1～3的任意一項記載的燃料電池用隔板的制造方法進行制造。
5、燃料電池，其是并列設有多個單元電池的燃料電池，所述單元電池是通過一對隔板將陽極和陰極隔著固體高分子電解質膜接合在一起而形成的，其特征在于，所述隔板的部分或者全部使用權利要求4記載的燃料電池隔板。
權利要求
1.燃料電池用隔板的制造方法，其是將碳粉末和熱固性樹脂以給定比例混合的混合物用作原料粉制造燃料電池用隔板的方法，其特征在于，具有壓縮成型工序和樹脂固化工序，所述壓縮成型工序中，向模具投入所述原料粉并進行冷壓成型，所述樹脂固化工序中，在非加壓的狀態將通過該壓縮成型工序被壓縮成型的所述原料粉加熱至所述熱固性樹脂的樹脂固化溫度或者固化溫度以上的溫度。
2.根據權利要求1記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，在所述壓縮成型工序中，向所述原料粉施加大于等于100MPa的壓力。
3.根據權利要求1或者權利要求2記載的燃料電池用隔板的制造方法，其特征在于，使用酚樹脂作為所述熱固性樹脂，所述碳粉末被該酚樹脂包覆。
4.燃料電池隔板，其采用權利要求1～3的任意一項記載的燃料電池用隔板的制造方法進行制造。
5.燃料電池，其是并列設有多個單元電池的燃料電池，所述單元電池是通過一對隔板將陽極和陰極隔著固體高分子電解質膜接合在一起而形成的，其特征在于，所述隔板的部分或者全部使用權利要求4記載的燃料電池隔板。
全文摘要
本發明的課題為燃料電池用隔板的制造方法，通過將利用施壓裝置對包含碳粉末和熱固性樹脂的原料粉進行的壓縮成型工序和利用加熱進行的熱固性樹脂的樹脂固化工序進行分離，籍此可以提高昂貴的施壓裝置的制造速度、并可以減少制造成本、適于量產化。使用碳粉末和熱固性樹脂的混合物作為原料粉，通過壓縮成型工序和樹脂固化工序制造燃料電池用隔板，所述壓縮成型工序中，通過施壓裝置對加入模具的原料粉施壓而壓縮成型為隔板形狀的成型板，所述樹脂固化工序中，用爐(烘箱)等加熱裝置對通過壓縮成型工序制作的成型板進行加熱而使熱固性樹脂固化。
文檔編號H01M8/10GK1742399SQ0382597
公開日2006年3月1日 申請日期2003年2月13日 優先權日2003年2月13日
發明者津島榮樹 申請人:津島榮樹