JPH1040937A - 燃料電池用集電体の製造方法および製造装置 - Google Patents

燃料電池用集電体の製造方法および製造装置

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JPH1040937A
JPH1040937A JP8209228A JP20922896A JPH1040937A JP H1040937 A JPH1040937 A JP H1040937A JP 8209228 A JP8209228 A JP 8209228A JP 20922896 A JP20922896 A JP 20922896A JP H1040937 A JPH1040937 A JP H1040937A
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JP
Japan
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current collector
mold
fuel cell
molding
manufacturing
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JP8209228A
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English (en)
Inventor
Seiji Mizuno
誠司 水野
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0204Non-porous and characterised by the material
    • H01M8/0213Gas-impermeable carbon-containing materials
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 材料に気泡を残すことなく圧縮成形すること
で、剥離や膨れのない良質の集電体を製造する。 【解決手段】 上型24と下型26との間に集電体材料
である熱膨張黒鉛粉末をセットする。その後、真空ポン
プ32,34をオン状態にして、上型24、下型26お
よびダイス型22で囲まれるキャビティ部の減圧を開始
する。続いて、上スライド28を下方に、下スライド3
0を上方に移動して、上型24および下型26に圧力を
かけることにより、熱膨張黒鉛粉末を圧縮成形する。こ
うして、キャビティ部を減圧しつつ圧縮成形することに
より、集電体を形成する。この結果、熱膨張黒鉛粉末内
に気泡を残すことなく圧縮成形することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、集電体材料を圧
縮成形することにより、燃料電池に備えられる集電体を
製造する、燃料電池用集電体の製造方法および製造装置
に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、燃料の有しているエネルギを
直接電気的エネルギに変換する装置として燃料電池が知
られている。燃料電池は、通常、電解質膜を挟んで一対
の電極を配置するとともに、一方の電極の表面に水素等
の燃料ガスを接触させ、また他方の電極の表面に酸素を
含有する酸素含有ガスを接触させ、このとき起こる電気
化学反応を利用して、電極間から電気エネルギを取り出
すようにしている。燃料電池は、燃料ガスと酸素含有ガ
スが供給されている限り高い効率で電気エネルギを取り
出すことができる。
【0003】ところで、こうした燃料電池は、電解質膜
と一対の電極とからなる接合体を複数積層することで、
高出力を実現している。このため、燃料電池は、通常、
接合体と接合体との境に集電体と呼ばれる部材を配置し
て、複数の接合体を直列接続する構造としている。
【0004】こうした集電体は、熱膨張黒鉛を材料とし
て、それを型に充填して、その型に圧力をかけることに
より製造される(特開昭59−75562号公報)。こ
の製造方法により、電気伝導性、耐食性、熱伝導性に優
れ、かつガス不透過性を満たす集電体が製造される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
技術では、次のような理由で良質の集電体を製造するこ
とができなかった。というのは、集電体の材料となる熱
膨張黒鉛は、嵩高い粉末状のものであることから、型に
材料を充填する際に、材料内にどうしても気泡が発生し
てしまう。このため、気泡が残されたままで材料は圧縮
成形されることになり、製造された集電体は、表面が膨
れたり、層状に剥離したりする。
【0006】この発明の燃料電池用集電体の製造方法お
よび製造装置は、こうした問題に鑑みてなされたもの
で、気泡が残されたことに起因する剥離や膨れのない良
質の集電体を製造することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】前
述した課題を解決するための手段として、以下に示す構
成をとった。
【0008】第1の発明の燃料電池用集電体の製造方法
は、集電体材料を成形用の型の内部に充填して、該型に
より前記集電体材料を圧縮成形することにより、燃料電
池用の集電体を製造する燃料電池用集電体の製造方法に
おいて、前記型による圧縮成形を、前記型の内部を減圧
しつつ行なう工程を備えることを特徴としている。
【0009】この構成によれば、型による圧縮成形を、
型の内部を減圧しつつ行っていることから、型の内部に
充填される集電体材料に気泡を残すことなく圧縮成形を
行なうことができる。このため、剥離や膨れのない集電
体を製造することができる。
【0010】第2の発明の燃料電池用集電体の製造方法
は、集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の集電体を製
造する燃料電池用集電体の製造方法において、所定形状
の成形用の第1の型の内部に前記集電体材料を充填し
て、該第1の型の内部を減圧しつつ該第1の型により前
記集電体材料を圧縮成形する工程と、前記集電体の形状
に対応した成形用の第2の型の内部に前記工程により成
形された材料を充填して、前記第2の型により当該材料
を圧縮成形することにより、前記集電体を形成する工程
とを備えることを特徴としている。
【0011】この構成によれば、最初の工程で第1の型
の内部を減圧しつつ行っていることから、第1の型の内
部に充填される集電体材料に気泡を残すことなく圧縮成
形を行なうことができる。このため、最初の工程と後の
工程を経て製造される集電体は、剥離や膨れのないもの
となる。また、この構成によれば、減圧のために第1の
型をポーラスな型とした場合、その第1の型による高圧
の加圧が困難となるが、この構成のように2つの工程で
集電体材料を圧縮成形することにより、高圧な圧縮成形
が可能となる。このため、集電体の充填性の向上を図る
ことができる。
【0012】第3の発明の燃料電池用集電体の製造装置
は、集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の集電体を製
造する燃料電池用集電体の製造装置において、前記集電
体の形状に対応した成形用の型を備え、前記集電体材料
を前記型の内部に充填した状態で前記型により前記集電
体材料を圧縮成形する圧縮手段と、前記圧縮手段による
圧縮成形の実行時に、前記型の内部を減圧する減圧手段
とを備えることを特徴としている。
【0013】この構成によれば、圧縮手段による圧縮成
形の実行とともに、型の内部が減圧手段により減圧され
る。このため、型の内部に充填される集電体材料に気泡
を残すことなく圧縮成形を行なうことができる。したが
って、剥離や膨れのない集電体を製造することができ
る。
【0014】上記第3の発明の燃料電池用集電体の製造
装置において、前記集電体材料は、熱膨張黒鉛粉末もし
くは熱膨張黒鉛粉末を含有する材料であり、前記型は、
前記集電体に溝を形成するための凸部を備え、さらに、
前記凸部は、テーパ角が10度以上となる抜きしろと、
0.2mm以上のアールの角部を持つ突端部とを備える
構成とすることができる。
【0015】この構成によれば、集電体材料として熱膨
張黒鉛粉末もしくは熱膨張黒鉛粉末を含有する材料を用
いた場合における離型する際の不良の発生を防止するこ
とができる。したがって、集電体の成形性の向上を図る
ことができる。
【0016】上記第3の発明の燃料電池用集電体の製造
装置において、前記集電体材料は、天然黒鉛粉末とバイ
ンダを有する材料であり、前記型は、前記集電体に溝を
形成するための凸部を備え、さらに、前記凸部は、テー
パ角が15度以上となる抜きしろと、0.3mm以上の
アールの角部を持つ突端部とを備える構成とすることが
できる。
【0017】この構成によれば、集電体材料として天然
黒鉛粉末とバインダを有する材料を用いた場合における
離型する際の不良の発生を防止することができる。した
がって、集電体の成形性の向上を図ることができる。
【0018】第4の発明の燃料電池用集電体の製造装置
は、集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の集電体を製
造する燃料電池用集電体の製造装置において、所定形状
の成形用の第1の型を備え、前記集電体材料を前記第1
の型の内部に充填した状態で前記第1の型により前記集
電体材料を圧縮成形する第1圧縮手段と、前記第1圧縮
手段による圧縮成形の実行時に、前記第1の型の内部を
減圧する減圧手段と、前記集電体の形状に対応した成形
用の第2の型を備え、前記第1圧縮手段により成形され
た材料を前記第2の型の内部にセットした状態で前記第
2の型により圧縮成形する第2圧縮手段とを備えること
を特徴としている。
【0019】この構成によれば、第1圧縮手段により、
第1の型の内部を減圧しつつ第1の型による圧縮成形を
行っていることから、第1の型の内部に充填される集電
体材料に気泡を残すことなく圧縮成形を行なうことがで
きる。このため、第1圧縮手段および第2圧縮手段を経
て製造される集電体は、剥離や膨れのないものとなる。
また、この構成によれば、減圧のために第1の型をポー
ラスな型とした場合、その第1の型による高圧の加圧が
困難となるが、この構成のように2つの圧縮手段により
集電体材料を圧縮成形することにより、高圧な圧縮成形
が可能となる。このため、集電体の充填性の向上を図る
ことができる。
【0020】上記第4の発明の燃料電池用集電体の製造
装置において、前記集電体材料は、熱膨張黒鉛粉末もし
くは熱膨張黒鉛粉末を含有する材料であり、前記第2の
型は、前記集電体に溝を形成するための凸部を備え、さ
らに、前記凸部は、テーパ角が10度以上となる抜きし
ろと、0.2mm以上のアールの角部を持つ突端部とを
備える構成とすることができる。
【0021】この構成によれば、集電体材料として熱膨
張黒鉛粉末もしくは熱膨張黒鉛粉末を含有する材料を用
いた場合における第2の型を離型する際の不良の発生を
防止することができる。したがって、集電体の成形性の
向上を図ることができる。
【0022】上記第4の発明の燃料電池用集電体の製造
装置において、前記集電体材料は、天然黒鉛粉末とバイ
ンダを有する材料であり、前記第2の型は、前記集電体
に溝を形成するための凸部を備え、さらに、前記凸部
は、テーパ角が15度以上となる抜きしろと、0.3m
m以上のアールの角部を持つ突端部とを備える構成とす
ることができる。
【0023】この構成によれば、集電体材料として天然
黒鉛粉末とバインダを含有する材料を用いた場合におけ
る第2の型を離型する際の不良の発生を防止することが
できる。したがって、集電体の成形性の向上を図ること
ができる。
【0024】
【発明の実施の形態】以上説明した本発明の構成・作用
を一層明らかにするために、以下本発明の好適な実施例
について説明する。
【0025】まず、第1実施例としての燃料電池用集電
体の製造方法により製造された集電体を使用した固体高
分子型燃料電池10の構成について先に説明する。図1
は、この固体高分子型燃料電池10の構造図である。こ
の図に示すように、固体高分子型燃料電池10は、電解
質膜11と、この電解質膜11を両側から挟んでサンド
イッチ構造とするガス拡散電極としてのカソード12お
よびアノード13と、このサンドイッチ構造を両側から
挟みつつカソード12およびアノード13とで材料ガス
および燃料ガスの流路を形成する集電体15とを備え
る。
【0026】電解質膜11は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。ここでは、米国E.I.デ
ュポン社製の商標名ナフィオン(Nafion)を使用する。
カソード12およびアノード13は、炭素繊維からなる
糸で織成したカーボンクロスにより形成されており、こ
のカーボンクロスの表面には、触媒としての白金または
白金と他の金属からなる合金等を担持したカーボン粉が
塗布されている。
【0027】白金を担持したカーボン粉は次のような方
法で作成されている。塩化白金酸水溶液とチオ硫酸ナト
リウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水溶液を得る。こ
の水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水を摘下して、水
溶液中にコロイド状の白金粒子を析出させる。次に担体
となるカーボンブラック(例えばVulcan XC−
72(米国のCABOT社の商標)やデンカブラック
(電気化学工業株式会社の商標)を添加しながら、攪拌
し、カーボンブラックの表面にコロイド状の白金粒子を
付着させる。次に溶液を吸引ろ過または加圧ろ過して白
金粒子が付着したカーボンブラックを分離した後、脱イ
オン水(純水)で繰り返し洗浄した後、室温で完全に乾
燥させる。
【0028】次に、凝集したカーボンブラックを粉砕器
で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、250℃〜350
℃で2時間程度加熱することにより、カーボンブラック
上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を完全
に除去して、白金を担持したカーボン粉が完成する。こ
こでは、カーボンブラックの重量に対して白金の重量が
20[%](重量%)になるようにして制作している。
【0029】集電体15は、緻密質のカーボンプレート
により形成されている。集電体15には、直線状あるい
は格子状に延びる複数のリブが形成されており、このリ
ブとカソード12の表面とで材料ガスである酸素含有ガ
スの流路をなす酸素含有ガス流路15aを形成し、ま
た、上記リブとアノード13の表面とで燃料ガスである
水素ガスと水蒸気との混合ガスの流路をなす水素含有ガ
ス流路15bを形成する。なお、この集電体15の製造
方法については後ほど詳しく説明する。
【0030】以上説明した電解質膜11、カソード1
2、アノード13および集電体15が固体高分子型燃料
電池10の単一セルの構成であり、実際には、集電体1
5、カソード12、電解質膜11、アノード13、集電
体15をこの順に複数組(図1では2組)積層して、固
体高分子型燃料電池10は構成されている。なお、互い
に隣接する二つのセルの接合部に位置する集電体は、一
方の面に酸素含有ガス流路15aを備え、他方の面に水
素含有ガス流路15bを備えるもので、一つの集電体で
両側のセルの流路を兼ねる。
【0031】こうした構成の固体高分子型燃料電池10
の集電体15の製造方法について、以下、詳しく説明す
る。なお、この集電体15は、次のようにして製造され
た熱膨張黒鉛の粉末を材料として製造される。天然の燐
片状の黒鉛粉末を用意し、この黒鉛粉末を濃硫酸や濃硝
酸および混酸などに浸して、黒鉛粉末を湿式酸化させ
る。その後、この黒鉛粉末を900[℃]以上の高温で
急速加熱すると、黒鉛の結晶構造における層間の距離が
50〜500倍に膨張して、嵩密度0.005〜0.0
5[g/cm2 ]の熱膨張黒鉛の粉末が形成される。こ
の熱膨張黒鉛粉末を材料として集電体15が製造され
る。
【0032】図2は、その集電体15の製造に使用され
る集電体製造装置としてのプレス治具20の断面形状を
示す構成図である。図2に示すように、プレス治具20
は、筒形状のダイス型22と、このダイス型22内に嵌
入される上型24および下型26と、上型24に固定さ
れ上型24を上下に移動する上スライド28と、下型2
6に固定され下型26を上下に移動する下スライド30
とを備える。
【0033】上型24および下型26は、焼結金属製の
ポーラス型(気孔径約7[μm]、気孔率25[%])
であり、集電体15の形状に対応した押圧面の形状を有
している。即ち、集電体15には、酸素含有ガス流路1
5a、水素含有ガス流路15bを構成するリブが形成さ
れていることから、このリブを形成するための凸部24
a、26aを上型24および下型26の押圧面は備え
る。なお、図3に示すように、この凸部24a、26a
は、抜きしろ部分のテーパ角θが10度以上(この実施
例では20度)であり、突端部の角部のアールRが0.
2[mm]以上(この実施例では0.2[mm])であ
る。
【0034】上スライド28および下スライド30は、
図示しない移動機構と接続されており、上下に移動す
る。この結果、上スライド28および下スライド30の
先端に固定された上型24および下型26は押されて、
上型24と下型26との間にセットされる熱膨張黒鉛粉
末が圧縮成形される。上スライド28および下スライド
30には、縦軸方向に延びるエア抜き用の貫通孔28
a,30aがそれぞれ設けられている。両貫通孔28
a,30aには、真空ポンプ32,34がそれぞれ接続
されており、これら真空ポンプ32,34を駆動するこ
とで、両貫通孔28a,30aの他端に接する上型24
および下型26から、上型24、下型26およびダイス
型22で囲まれるキャビティ部を減圧する。なお、上型
24および下型26は、貫通孔を有してはいないが、前
述したようにポーラス型であることから、上記キャビテ
ィ部の減圧は、上型24および下型26の表面全体から
減圧することが可能である。
【0035】また、上スライド28および下スライド3
0には、摺動部を密封するOリング36,37が設けら
れている。
【0036】以上のように構成されたプレス治具20を
用いた集電体15の製造方法について、次に詳しく説明
する。図4は、その製造方法の手順を示すフローチャー
トである。図4に示すように、まず、下スライド30を
上方に移動することにより、下型26をダイス型22内
の所定位置にセットする(ステップS100)。ここ
で、所定位置とは、ダイス型22の縦方向の中心より若
干低い位置に下型26の表面がくるような位置で、図2
の1点鎖線で示す位置である。次いで、下型26の上に
集電体材料である熱膨張黒鉛粉末を置き(ステップS1
10)、上型24をダイス型22内の所定位置にセット
する(ステップS120)。ここで、所定位置とは、熱
膨張黒鉛粉末が上型24と下型26とで軽く挟み込まれ
るような位置で、図2の1点鎖線で示す位置である。
【0037】その後、真空ポンプ32および真空ポンプ
34をオン状態にして、上型24、下型26およびダイ
ス型22で囲まれるキャビティ部の減圧を開始する(ス
テップS130)。続いて、上スライド28を下方に、
下スライド30を上方に移動して、上型24および下型
26に圧力をかけることにより、熱膨張黒鉛粉末を圧縮
成形する処理を実行する(ステップS140)。このと
きのプレス治具20の状態を図5に示した。図5に示す
ように、熱膨張黒鉛粉末PWは、上型24および下型2
6により圧縮成形される。
【0038】この圧縮成形処理では、2[ton/cm2 ]以
上の圧力がかけられる。また、この圧縮成形処理の最中
には、ステップS130でオン状態となった真空ポンプ
32,34により上型24および下型26間のキャビテ
ィ部の減圧がなされている。このときのキャビティ部の
真空度は、圧縮率P×760[torr]以下となるよう
に、真空ポンプ32、34は運転されている。ここで、
圧縮率Pは、成形後の空隙率を成形前の空隙率で割った
ものである。
【0039】図4に戻り、ステップS140で、圧縮成
形処理が終了すると、その後、真空ポンプ32,34を
オフ状態とし(ステップS150)、この製造方法の工
程を終了する。この結果、酸素含有ガス流路15aおよ
び水素含有ガス流路15bを構成する直線状のリブを備
える集電体15が熱膨張黒鉛粉末から製造される。
【0040】以上詳述したように、この第1実施例で
は、上型24、下型26およびダイス型22に囲まれる
キャビティ部を真空ポンプ32、34で減圧しつつ、上
型24および下型26による圧縮成形処理を行なってい
る。このため、集電体材料である熱膨張黒鉛粉末内に気
泡を残すことなく圧縮成形を行なうことができる。従
来、材料内に気泡が残ると、脱型後、成形体内部に閉じ
込められた大気圧以上の気泡が膨張して、成形体は表面
が膨れたり、層状に剥離したりするが、上述のように気
泡を残すことなく圧縮生成することができることから、
表面の膨れや剥離のない集電体15を製造することがで
きる。
【0041】また、上述したように減圧しつつ圧縮成形
を行なうことで、加圧スピードの向上を図ることもでき
る。この結果、成形サイクルタイムを大幅に短縮できる
という効果も奏する。
【0042】また、この実施例では、上述したように成
形圧力は、2[ton/cm2 ]以上となっていることによ
り、成形体密度はほぼ飽和状態となり、図6に示すよう
に、曲げ強度も良好な値を示す。
【0043】本発明の第2実施例について、次に説明す
る。この第2実施例は、第1実施例の固体高分子型燃料
電池10と同じ構成の燃料電池に関するもので、その固
体高分子型燃料電池10に使用される集電体15の成形
方法が第1実施例と相違する。
【0044】この第2実施例における集電体の製造方法
は、第1実施例のように1度の圧縮工程で成形するので
はなく、成形圧力の比較的低い1段目の圧縮工程と成形
圧力の高い2段目の圧縮工程との2度の圧縮工程で成形
を行なうものである。
【0045】図7は、この第2実施例の集電体の製造方
法の手順を示すフローチャートである。図7に示すよう
に、この製造方法の工程は、1段目の圧縮工程と2段目
の圧縮工程とを備える。処理が開始されると、まず、1
段目の圧縮工程に移り、その1段目の圧縮工程で使用す
る第1のプレス治具を用意する(ステップS200)。
図8に、この第1のプレス治具310を用いて熱膨張黒
鉛粉末PWを押圧圧縮している状態を示したが、この図
8に示すように、第1のプレス治具310は、第1実施
例で使用したプレス治具20とほぼ同じ構成で、ダイス
型322、上型324、下型326、上スライド32
8、下スライド330および真空ポンプ332、334
を備える。第1実施例のプレス治具20と相違する点
は、上型324および下型326が、その押圧面が第1
実施例のように製造しようとする集電体の形状に対応し
たものではなく、単なる平面の形状をしていることにあ
る。
【0046】こうした構成の第1のプレス治具310を
使用して、第1実施例のステップS100ないしS15
0と同様な処理を実行する。まず、下型326を所定位
置にセットし(ステップS210)、熱膨張黒鉛粉末P
Wを下型326の上に置き(ステップS220)、上型
324を所定位置にセットする。次いで、真空ポンプ3
32、334をオン状態にし(ステップS240)、上
型324および下型326に圧力をかけて圧縮成形処理
を実行する(ステップS250)。
【0047】なお、この圧縮成形処理では、2[ton/cm
2 ]以下の圧力、好ましくは、0.5〜1[ton/cm2
の圧力がかけられる。なお、真空ポンプ332、334
で減圧されるキャビティ部の真空度は、第1実施例と同
じ、圧縮率P×760[torr]以下にしている。
【0048】かかる構成のステップS200からステッ
プS250までの1段目の圧縮工程の結果、熱膨張黒鉛
粉末PWが圧縮成形されて、平板形状の成形板が形成さ
れる。
【0049】1段目の圧縮工程の処理が終了すると、次
いで、2段目の圧縮工程に移り、その2段目の圧縮工程
で使用する第2のプレス治具を用意する処理を行なう
(ステップS260)。
【0050】図9に、この第2のプレス治具410を用
いて熱膨張黒鉛粉末PWを押圧圧縮している状態を示し
たが、この図9に示すように、第2のプレス治具410
は、ダイス型422、上型424、下型426、上スラ
イド428および下スライド430を備える。この第2
のプレス治具410は、第1実施例のプレス治具20と
比較して、キャビティ部内を減圧する構成を備えていな
い点が相違し、上スライド428および下スライド43
0を移動することにより、上型24および下型26に圧
力をかけて、上型424および下型426に挟まれた材
料を圧縮成形するものに過ぎない。
【0051】なお、上型424および下型426は、剛
性の高い緻密な金型(例えば、SKD製の型)であり、
集電体15の形状に対応した押圧面の形状を有してい
る。この押圧面には、リブを形成するための凸部がある
が、この凸部は、第1実施例と同様に、抜きしろ部分の
テーパ角θが10度以上(この実施例では20度)であ
り、突端部の角部のアールRが0.2[mm]以上(こ
の実施例では0.2[mm])である。
【0052】こうした構成の第2のプレス治具410を
使用して、まず、下型426を所定位置にセットし(ス
テップS210)、次いで、上記第1のプレス治具31
0で成形した板を下型426の上に置き(ステップS2
20)、上型424を所定位置にセットする。この結
果、その成形板は上型424と下型426とで軽く挟み
込まれた状態となる。次いで、上型424および下型4
26に圧力をかけて上記成形板を圧縮成形する処理を行
なう(ステップS250)。なお、この圧縮成形処理で
は、3[ton/cm2 ]以上の圧力がかけられる。
【0053】かかる構成のステップS260からステッ
プS295までの2段目の圧縮工程の結果、1段目の圧
縮工程で得られた成形板を圧縮成形することにより、ガ
ス流路を構成するリブを備える集電体15が形成され
る。
【0054】以上詳述したように、この第2実施例で
は、上型324、下型326およびダイス型322に囲
まれるキャビティ部を真空ポンプ332、334で減圧
しつつ、1段目の圧縮工程を行なっている。このため、
熱膨張黒鉛粉末PW内に気泡を残すことなく圧縮成形が
なされる。従って、第1実施例と同様に、表面の膨れや
剥離のない集電体15を製造することができ、さらに
は、加圧スピードをアップして成形サイクルタイムの短
縮を図ることもできる。
【0055】また、この実施例では、成形圧力の比較的
低い1段目の圧縮工程と成形圧力の高い2段目の圧縮工
程との2度の圧縮工程で成形を行なっていることから、
高圧な圧縮成形が可能となる。即ち、第1のプレス治具
310に使用される上型24および下型26は、ポーラ
ス型であることから、剛性の上で、3[ton/cm2 ]以上
の加圧は困難であるが、この実施例のように、2段目の
圧縮工程で3[ton/cm2 ]以上の高圧の加圧を行なうこ
とで、高圧な圧縮成形を実現することができる。このた
め、リブの先端まで充分充填された良好な集電体15を
成形することができる。
【0056】なお、前記第1実施例および第2実施例で
は、上型24、424および下型26、426の押圧面
には、リブを形成するための凸部があるが、この凸部
は、前述したように、抜きしろ部分のテーパ角θが10
度以上(この実施例では20度)で、突端部の角部のア
ールRが0.2[mm]以上(この実施例では0.2
[mm])となっている。この構成により、集電体15
を離型する際の不良の発生を防止することができる。し
たがって、集電体15の成形性の向上を図ることができ
る。
【0057】上記凸部における抜きしろ部分のテーパ角
θと突端部の角部のアールRとは、集電体15の材料に
よって、その好ましい大きさが相違する。即ち、第1お
よび第2実施例のように熱膨張黒鉛粉末を用いた材料
と、天然黒鉛粉末にバインダを添加した材料とにより好
ましい大きさが相違する。また、上記凸部における上記
テーパ角θは、成形しようとする流路溝の種類によって
も、その好ましい大きさが相違する。即ち、第1および
第2実施例のように直線状のリブから構成されるストレ
ート溝の場合と、立方体形状の凸部を縦横に規則正しく
並べて構成される格子溝の場合とにより上記テーパ角θ
は好ましい大きさが相違する。
【0058】以上のような関係を踏まえて各場合におけ
る好ましいテーパ角θとアールRとを以下の表1に示し
た。
【0059】
【表1】
【0060】この表1に示す条件を満たす上型および下
型を使用することで、前述したように、成形性に優れた
集電体を製造することができる。また、そのような上型
および下型を使用することは、成形性の向上のほかに、
集電体のリブ部の充填性を向上し、その結果、リブ部の
座屈強度の向上にも寄与する。
【0061】第2実施例で示した圧縮成形の方法を用
い、第2のプレス治具410の上型424および下型4
26の抜きしろ部分のテーパ角θを変更して製造した集
電体について、面圧40[kg/cm2]で押圧したときのリ
ブの撓み量を測定したので、その結果を図10のグラフ
に示した。このときの集電体材料は熱膨張黒鉛粉末と
し、第1のプレス治具310による成形圧力は1[ton/
cm2 ]、第2のプレス治具410による成形圧力は3
[ton/cm2 ]とし、また、集電体15に形成する流路溝
は縦横1[mm]幅の格子溝とした。
【0062】図10から判るように、集電体材料が熱膨
張黒鉛粉末であり、流路溝が格子溝であるとき、テーパ
角θが15度以上になると、リブの撓み量が急激に小さ
くなる。
【0063】天然黒鉛粉末にバインダ(熱硬化性樹脂)
10[%]を添加した材料を集電体材料をとして、上記
例と同様な方法(第2のプレス治具410による成形圧
力だけは1[ton/cm2 ]に変えた)で集電体を製造し、
その集電体についても面圧40[kg/cm2]で押圧したと
きのリブの撓み量を測定した。図11はその測定結果を
示すグラフである。
【0064】この図11から判るように、集電体材料が
天然黒鉛粉末にバインダ10[%]を添加したものであ
り、流路溝が格子溝であるとき、テーパ角θが20度以
上になると、リブの撓み量が急激に小さくなる。
【0065】図10および図11で示したこれらの試験
結果は、表1に示す条件を満たす上型および下型を使用
することでリブ部の座屈強度の優れた集電体を成形する
ことができることを裏付ける。
【0066】以上本発明のいくつかの実施例について説
明してきたが、本発明はこうした実施例に何等限定され
るものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内にお
いて、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。例
えば、固体高分子型の燃料電池に換えて、りん酸型のも
の、あるいは溶融炭酸塩型の燃料電池に用いられる集電
体を製造する構成としてもよい。
【0067】また、集電体材料を熱膨張黒鉛粉末に換え
て、熱膨張黒鉛粉末に熱硬化性樹脂を配合した材料を用
いた構成としてもよい。この熱膨張黒鉛粉末に熱硬化性
樹脂を配合した材料を用いて第2実施例で示す2段の圧
縮工程を行なう場合、1段目の圧縮工程では、加熱処理
は施さず、2段目の圧縮工程で加熱処理を施すことで、
熱硬化性樹脂の硬化を行なうようにする。
【0068】さらに、上型24,324および下型2
6,326を焼結金属製のポーラス型に換えて、セラミ
ックス製のポーラス型を用いる構成としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施例の製造方法で製造される集電体を使
用した固体高分子型燃料電池10の構造図である。
【図2】その製造方法に使用される集電体製造装置とし
てのプレス治具20の断面形状を示す構成図である。
【図3】上型24および下型26に形成される凸部の形
状を示す説明図である。
【図4】集電体の製造方法の手順を示すフローチャート
である。
【図5】押圧圧縮を行っている状態のプレス治具20の
断面形状を示す構成図である。
【図6】成形圧力と集電体の曲げ強度との関係を示すグ
ラフである。
【図7】第2実施例の集電体の製造方法の手順を示すフ
ローチャートである。
【図8】第2実施例における押圧圧縮を行っている状態
の第1のプレス治具310の断面形状を示す構成図であ
る。
【図9】第2実施例における押圧圧縮を行っている状態
の第2のプレス治具410の断面形状を示す構成図であ
る。
【図10】熱膨張黒鉛粉末から製造した集電体につい
て、型の凸部の抜きしろ部分のテーパ角θを変更したと
きのリブの撓み量の変化を示すグラフである。
【図11】天然黒鉛粉末にバインダを添加した材料から
製造した集電体について、型の凸部の抜きしろ部分のテ
ーパ角θを変更したときのリブの撓み量の変化を示すグ
ラフである。
【符号の説明】
10…固体高分子型燃料電池 11…電解質膜 12…カソード 13…アノード 15…集電体 15a…酸素含有ガス流路 15b…水素ガス流路 15b…水素含有ガス流路 20…プレス治具 22…ダイス型 24…上型 26…下型 28…上スライド 28a,30a…貫通孔 30…下スライド 32,34…真空ポンプ 36,37…Oリング 310…第1のプレス治具 322…ダイス型 324…上型 326…下型 328…上スライド 330…下スライド 332、334…真空ポンプ 410…第2のプレス治具 422…ダイス型 424…上型 426…下型 428…上スライド 430…下スライド

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 集電体材料を成形用の型の内部に充填し
    て、該型により前記集電体材料を圧縮成形することによ
    り、燃料電池用の集電体を製造する燃料電池用集電体の
    製造方法において、 前記型による圧縮成形を、前記型の内部を減圧しつつ行
    なう工程を備えることを特徴とする燃料電池用集電体の
    製造方法。
  2. 【請求項2】 集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の
    集電体を製造する燃料電池用集電体の製造方法におい
    て、 所定形状の成形用の第1の型の内部に前記集電体材料を
    充填して、該第1の型の内部を減圧しつつ該第1の型に
    より前記集電体材料を圧縮成形する工程と、 前記集電体の形状に対応した成形用の第2の型の内部に
    前記工程により成形された材料を充填して、前記第2の
    型により当該材料を圧縮成形することにより、前記集電
    体を形成する工程とを備えることを特徴とする燃料電池
    用集電体の製造方法。
  3. 【請求項3】 集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の
    集電体を製造する燃料電池用集電体の製造装置におい
    て、 前記集電体の形状に対応した成形用の型を備え、前記集
    電体材料を前記型の内部に充填した状態で前記型により
    前記集電体材料を圧縮成形する圧縮手段と、 前記圧縮手段による圧縮成形の実行時に、前記型の内部
    を減圧する減圧手段とを備えることを特徴とする燃料電
    池用集電体の製造装置。
  4. 【請求項4】 請求項3記載の燃料電池用集電体の製造
    装置であって、 前記集電体材料は、熱膨張黒鉛粉末もしくは熱膨張黒鉛
    粉末を含有する材料であり、 前記型は、前記集電体に溝を形成するための凸部を備
    え、 さらに、前記凸部は、 テーパ角が10度以上となる抜きしろと、 0.2mm以上のアールの角部を持つ突端部とを備える
    燃料電池用集電体の製造装置。
  5. 【請求項5】 請求項3記載の燃料電池用集電体の製造
    装置であって、 前記集電体材料は、天然黒鉛粉末とバインダを有する材
    料であり、 前記型は、前記集電体に溝を形成するための凸部を備
    え、 さらに、前記凸部は、 テーパ角が15度以上となる抜きしろと、 0.3mm以上のアールの角部を持つ突端部とを備える
    燃料電池用集電体の製造装置。
  6. 【請求項6】 集電体材料を圧縮成形して燃料電池用の
    集電体を製造する燃料電池用集電体の製造装置におい
    て、 所定形状の成形用の第1の型を備え、前記集電体材料を
    前記第1の型の内部に充填した状態で前記第1の型によ
    り前記集電体材料を圧縮成形する第1圧縮手段と、 前記第1圧縮手段による圧縮成形の実行時に、前記第1
    の型の内部を減圧する減圧手段と、 前記集電体の形状に対応した成形用の第2の型を備え、
    前記第1圧縮手段により成形された材料を前記第2の型
    の内部にセットした状態で前記第2の型により圧縮成形
    する第2圧縮手段とを備えることを特徴とする燃料電池
    用集電体の製造装置。
  7. 【請求項7】 請求項6記載の燃料電池用集電体の製造
    装置であって、 前記集電体材料は、熱膨張黒鉛粉末もしくは熱膨張黒鉛
    粉末を含有する材料であり、 前記第2の型は、前記集電体に溝を形成するための凸部
    を備え、 さらに、前記凸部は、 テーパ角が10度以上となる抜きしろと、 0.2mm以上のアールの角部を持つ突端部とを備える
    燃料電池用集電体の製造装置。
  8. 【請求項8】 請求項6記載の燃料電池用集電体の製造
    装置であって、 前記集電体材料は、天然黒鉛粉末とバインダを有する材
    料であり、 前記第2の型は、前記集電体に溝を形成するための凸部
    を備え、 さらに、前記凸部は、 テーパ角が15度以上となる抜きしろと、 0.3mm以上のアールの角部を持つ突端部とを備える
    燃料電池用集電体の製造装置。
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