专利名称：燃料电池分隔板的制造方法及燃料电池分隔板的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于固体高分子型燃料电池的燃料电池分隔板(bipolarPlate)的制造方法及燃料电池分隔板。
背景技术：
以往，作为构成燃料电池的主要部件之一有燃料电池分隔板。该燃料电池分隔板在表面及背面两面上设有复数槽部构成，作为其制造方法，有包括冷压工序的制造方法及包括热压工序的制造方法，这为人们所公知。
若概略说明上述包括冷压工序的制造方法，先使得热硬化性树脂包覆在石墨粉末上，形成热硬化性树脂包覆粉末石墨(以下简记为"燃料电池分隔板用材料")，将该燃料电池分隔板用材料充填到设置在压力机装置的常温的模具中，以热硬化性树脂的软化熔融温度以下的温度，对模具施加15-100MPa的压缩力(冷压)，成形为所设定形状,在不加压状态下加热该成形体，使得树脂硬化(例如参照专利文献l)。
另一方面，若概略说明上述包括热压工序的制造方法，混合碳粉末及热硬化性树脂，将其充填到设置在压力机装置的模具中，对模具施加20-40MPa的压缩力，同时，将模具加热到树脂的热硬化开始温度以上的150-250'C (热压)，与加压大致同时，使得树脂硬化(例如参照专利文献2)。
上述热硬化性树脂具有软化熔融温度作为其物理性质，若加热该树脂，则先软化熔融,此后，开始热硬化。热硬化性树脂的热硬化开始温度可以使用例如差示扫描热量计(DSC)，通过测定发热开始温度进行评价。
但是，上述制造方法存在以下问题
在上述包括冷压工序的制造方法中，压缩成形后，在不加压状态下，使得热硬化性树脂硬化，因此，膨胀密度大幅度低下。随此，体积电阻率及弯曲强度等性能也低下。
另一方面，在上述包括热压工序的制造方法中，需要在加压中使得树脂完全硬化，因此，即使使用硬化速度快的热硬化性树脂,热传递到原料粉使得
树脂硬化在16(TC温度下需要5-IO分钟左右,存在制造速度低下问题。
发明内容
本发明就是为解决上述现有技术所存在的问题而提出来的，其目的在于，提供一种既不使得制造速度低下又满足分隔板所要求的物性值的燃料电池分隔板的制造方法，以及燃料电池分隔板。
于是，本发明人对既不使得制造速度低下又满足分隔板所要求的物性值的制造方法进行研究，结果发现，将压縮成形时的温度设定为热硬化树脂的热硬化开始温度以上，压缩成形后，在热硬化性树脂没有完全硬化状态下，通过导入树脂的硬化工序，能大幅度改善。
艮口，为了达到上述目的，本发明涉及的燃料电池分隔板的制造方法以及燃料电池分隔板采用以下技术手段。
本发明第l方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于,包括压縮成形工序,将碳粉末和热硬化性树脂的混合物作为原料粉充填到模
腔中，边以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热，边
以所需要的加压力压縮成形分隔板形状的成形板；
加热硬化工序，使得通过上述压缩成形工序压縮成形的上述成形板，在不加压状态下，以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热硬化。
本发明第2方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述压縮成形工序完成上述成形板的压縮成形，且在上述热硬化性树脂处于半硬化状态下结束。
本发明第3方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
实行上述加热硬化工序，直到在上述压縮成形工序中处于半硬化状态的热硬化性树脂的硬化成为完全硬化状态。在此，定义如下:所谓完全硬化是指对于已成形的燃料电池用分隔板，即 使进行进一步加热，质量变化处于土O. 05%以内的状态,所谓半硬化状态是指 当进行进一步加热时，与完全硬化状态的燃料电池用分隔板的质量比较，相 差O. 05%-0. 5%的状态。另外,在本说明书中没有触及，所谓未硬化状态定义为 当进行进一步加热时，与完全硬化状态的燃料电池用分隔板的质量比较,相 差超过O. 5%的状态。
本发明第4方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
决定上述压縮成形工序中的压縮成形条件，使得上述加热硬化工序前后 的上述成形板的质量变化处于O. 05-0. 5%。
本发明第5方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述原料粉为碳粉末80-90%，热硬化性树脂10-20%的质量比例。
本发明第6方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述压缩成形工序的上述所需要温度为80'C-200'C 。
本发明第7方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述压縮成形工序的上述所需要的加压力为100MPa-300MPa。
本发明第8方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述加热硬化工序的上述所需要温度为15(rC-20()'C。
本发明第9方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述加热硬化工序前后的上述成形板的质量变化为O. 05-0. 5%。
本发明第10方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于
上述热硬化性树脂为酚醛树脂。
本发明第ll方面涉及的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于 上述压縮成形工序后的上述成形板中的游离酚的含有量为O. 008质量 %-0. 08质量％。
本发明第12方面涉及的燃料电池分隔板，其特征在于 用上述第1-第l 1中任一方面所述的制造方法制造； 上述加热硬化工序后的密度为l. 95g/cm3以上。
图1A是表示本发明的燃料电池分隔板的一实施形态的主视图，图1B是其
后视图。
图2A是沿图l的n-II向得到的截面图，图2B是A部的放大图。 图3是表示载置用于本发明的燃料电池分隔板的制造方法的成形模的压
力机装置的一实施形态的概略说明图。
图4是表示用于本发明的燃料电池分隔板的制造方法的加热装置的一实
施形态的概略说明图。
具体实施例方式
下面参照
本发明的实施形态。在以下实施形态中，虽然对构成 要素，种类，组合，形状，相对配置等作了各种限定，但是，这些仅仅是例举，本 发明并不局限于此。
图1A是表示本发明的燃料电池分隔板的一实施形态的主视图，图1B是其 背视图，图2A是沿图1的I1-II向得到的截面图，图2B是A部的放大图。
该燃料电池分隔板l是适用于固体高分子型燃料电池系统的分隔板，在 表面及背面两面(至少一面)上设有流路槽部2及围住流路槽部2周围的围绕
部4。在流路槽部2形成作为燃料气体,氧化气体或冷却水的流路的槽(流路 槽)3。并且,在分隔板1表面的被围绕部4围住的所定区域内，细密配置形成流 路槽3，构成流路槽部2。
这样的流路槽3与形成在分隔板1的围绕部4的总管(manifold) 5连接，通 过总管5使得燃料气体,氧化气体或冷却水导入 排出流路槽3。在图l中，仅 仅图示流路槽3及总管5两系统，图示省略第三流路槽及第三总管。
图3是表示载置用于本发明的燃料电池分隔板的制造方法的成形模的压 力机装置的一实施形态的概略说明图。
如图3所示，该压力机装置10设有液压缸11,将成形模20定位载置在所定 位置。液压缸11通过成形模20以必要的加压力对充填在后述型腔25内的由碳 粉末及热硬化性树脂的混合物组成的原料粉加压(压縮成形)。成形模20包括设在下侧块21的下冲头(下模)22,设在上侧块26的上冲头 (上模)27，以及模(框体)24。型腔25形成在上下两模22，27之间，所述框体24 为该型腔25外周的模。
另外，成形模20在下冲头(下模)22及上冲头(上模)27分别设有加热器23， 28。该加热器23， 28在压縮成形时将充填在型腔25内的原料粉加热到其中含 有的热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要的温度。
图4是表示用于本发明的燃料电池分隔板的制造方法的加热装置的一实 施形态的概略说明图。
如图4所示,该加热装置(硬化炉)30具有能多层排列多个分隔板1进行收 纳的内容积,在上部设有加热器(例如电加热器等)31 。将原料粉充填在成形 模20的型腔25中，在压力机装置10压縮成形，从成形模20取出，收纳在加热装 置(硬化炉)30中，加热器31 (加热装置30)将收纳在该加热装置(硬化炉)30中 的成形板(分隔板l的半成品)加热到上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以 上的所需要的温度,使其硬化。
本发明的燃料电池分隔板的制造方法使用碳粉末及热硬化性树脂的混 合物作为原料粉。
艮P，本发明的燃料电池分隔板的制造方法包括以下工序
(1)使用压力机装置10及成形模20，将上述原料粉充填在成形模20的型 腔25中，通过加热器23， 28以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所 需要的温度边加热，边通过液压缸ll以所需要的加压力压縮成形分隔板形状 的成形板(压縮成形工序)。
通过该压縮成形工序，实现上述成形板的压縮成形，且能得到上述热硬 化性树脂的硬化为半硬化状态的成形板(分隔板l的半成品)。S卩，在此得到的 成形板(分隔板l的半成品)形状形成为板状，但包含在原料粉中的热硬化性 树脂为半硬化状态。
关于压縮成形工序的结束基准，具体地说，较好的是，此后的加热硬化工 序前后(即，压縮成形工序结束时和加热硬化工序结束时)的上述成形板的质 量变化处于O. 05-0. 5%，以此决定压縮成形条件(压縮速度 压縮时间)，结束压縮成形工序。
(2)使用加热装置(硬化炉)30，在不加压状态下，以上述热硬化性树脂的 热硬化开始温度以上的所需要的温度，使得通过上述压縮成形工序被压縮成 形的上述成形板(分隔板l的半成品)加热硬化(加热硬化工序)。
该加热硬化工序一直实行到在上述压縮成形工序中处于半硬化状态的 热硬化性树脂完全硬化。通过该加热硬化工序，能得到包含在上述成形板(分 隔板l的半成品)的原料粉中的热硬化性树脂完全硬化结束的分隔板l。
在上述燃料电池分隔板的制造方法中，先使得碳粉末及热硬化性树脂以 所定的质量比例配方,充分搅拌,混合原料粉。关于原料粉的混合质量比例，
成为碳粉末90%-80%，热硬化性树脂10%-20%的比例合适。在原料粉中，除了碳 粉末及热硬化性树脂以外，可以根据需要添加纤维基材，充填材，脱模剂，耐 水解剂等。
作为热硬化性树脂，若使用以可溶型酚醛树脂，线型酚醛树脂为代表的 酚醛树脂，则成形性良好,若使用将酚醛树脂涂布在碳粉末的材料，则强度高, 很合适。
在压縮成形工序中，使用图3所示那样的压力机装置10,将原料粉均一充 填在成形模20的型腔25内，以热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的80-200 。C边进行加热，边通过液压缸11使得100-300MPa的压力作用在原料粉上，压 縮成形分隔板形状的成形板。
通过该热压縮工序，能不降低成形速度，硬化工序前后的成形板的质量 变化为O. 05-0. 5%左右，使得热硬化性树脂硬化。
因此，能降低树脂的加热硬化工序中的硬化膨胀率，防止体积电阻率，弯 曲强度及气体透过率的性能低下。
通过压力机装置10压縮成形时,使得100-300MPa的压力作用在原料粉上， 能得到高密度的分隔板形状的成形板,能制造具有高性能且生产性良好的燃 料电池分隔板l。
与以往的热压縮成形不同，热硬化性树脂不完全硬化，因此，模与制品不 发生粘接,具有脱模性良好的优点。在加热硬化工序中，将从成形模20取出的半硬化状态的成形板(分隔板1
的半成品)搬入如图4所示那样的加热装置(硬化炉)30，在不加压状态下，通 过加热器(电加热器等)31加热到热硬化性树脂的树脂硬化温度以上的 150-20(TC，通过使得热硬化性树脂完全硬化,能得到燃料电池分隔板l。
此时，加热硬化工序前后的成形板的质量变化为O. 05-0. 5%左右，因此， 能防止因树脂的硬化膨胀引起的性能低下。
又，此时的压縮成形工序后的成形板中的游离酚的含有量为O. 008-0. 08 质量％。
得到的燃料电池分隔板l在加热硬化工序后的密度为1.95g/cm3以上。
在加热硬化工序中，可以将多个成形板搬入分批式炉中加热，也可以通 过连续炉使得成形板载置在带式输送机上加热。不管什么方式，加热化费时 间,但若采用该方式,能大量进行处理，总制造时间变少。
如上所述，按照本实施形态，通过合用压力机装置10对由碳粉末及热硬 化性树脂组成的原料粉实行的热压縮成形工序，以及由加热装置30实行的热 硬化性树脂的加热硬化工序，能不降低生产速度，能制造抑制因树脂硬化膨 胀引起的性能低下的燃料电池分隔板。
下面表示几个实施例及比较例，具体说明本发明，但本发明并不受以下 实施例所局限。
说明在各实施例及各比较例中通用的燃料电池分隔板用材料的构成，使 用相对平均粒径5-50 u m左右的球状的石墨粉末100质量份，通过溶液包覆法 包覆20质量份的酚醛树脂。该酚醛树脂的热硬化开始温度为80'C左右。
关于各实施例及各比较例，测定质量，密度，体积电阻率,弯曲强度及气 体透过率进行比较,密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率的测定方法如 下
密度制作直径50ram,厚3mm的成形样本，使用电子天平(岛津SCIENCE制), 通过阿基米德方法计箅。
体积电阻率制作直径50咖，厚3mm的成形样本，使用DIA INSTRUMENTS公 司制的电阻率计LORESTAR GP，通过四端子方法测定。弯曲强度根据JIS一K7171标准，使用长50mm,宽25mm，厚3咖的成形样本， 以跨度40mm的三点弯曲进行测定。
气体透过率制作直径50mm，厚lmm的成形样本，使用东洋精机制的气体 透过率测定装置,用差压法进行测定。
作为燃料电池分隔板要求的性能， 一般，体积电阻率为12mQ 'cm以下，弯 曲强度50Mpa以上。
以碳粉87%,树脂13%的比例充分混合作为原料粉。将该原料粉均一地投 入(充填)成形模20的具有直径50mm，深9mm的容积的型腔25中，将模具温度设 定为170-175'C，通过压力机装置10以加压速度1500kN/min作用125Mpa的压 力，通过压縮成硬块，制作成形样本。从模具取出上述成形样本，测定质量,密 度，体积电阻率，分别为IO. 58g， 2. 022g/cm3， 10. 81raQ'cm。
接着，将从模具取出的成形样本搬入加热装置30,在160'C下加热一小时，
使得树脂硬化。从加热装置取出，观察成形样本，没有观察到扭曲，变形,膨胀 等异常。再测定质量，密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率，分别为 10.55g， 2. 011g/cra3， 10. 80mQ cm, 58. 77MPa, 8. 2X l(T17mol m/m2 s Pa。 不管哪种性能对于燃料电池分隔板都是合适值。 [实施例2]
以碳粉89%,树脂11%的比例充分混合作为原料粉。将该原料粉均一地投 入(充填)成形模20的具有直径50mra,深9mm的容积的型腔25中，将模具温度设 定为170-175。C,通过压力机装置10以加压速度1500kN/min作用150MPa的压 力,通过压縮成硬块,制作成形样本。从模具取出上述成形样本，测定质量,密 度，体积电阻率，分别为IO. 32g， 2.014g/cm3, 10.59niQ'cm。
接着，将从模具取出的成形样本搬入加热装置30，在160'C下加热一小时, 使得树脂硬化。从加热装置取出，观察成形样本，没有观察到扭曲，变形，膨胀 等异常。再测定质量，密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率，分别为 10. 29g， 2. 004g/cm3， 10. 56mQ cm, 52. 33MPa， 1. 2X l(T16mol ra/m2 s Pa。
不管哪种性能对于燃料电池分隔板都是合适值。[实施例3]
以碳粉85%,树脂15%的比例充分混合作为原料粉。将该原料粉均一地投 入(充填)成形模20的具有直径50咖，深9mm的容积的型腔25中，将模具温度设 定为170-175'C，通过压力机装置10以加压速度1500kN/min作用125MPa的压 力，通过压縮成硬块，制作成形样本。从模具取出上述成形样本，测定质量，密 度，体积电阻率，分别为9.03g， 1.999g/cm3， 10. 77mQ cm。
接着，将从模具取出的成形样本搬入加热装置30,在160'C下加热一小时， 使得树脂硬化。从加热装置取出，观察成形样本，没有观察到扭曲，变形,膨胀 等异常。再测定质量，密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率，分别为 9. OOg' 1. 983g/cm3, 11. 18mQ cm， 63. 57MPa， 6. 2X l(T'mol m/ra2 s Pa。 不管哪种性能对于燃料电池分隔板都是合适值。
以碳粉89%，树脂11%的比例充分混合作为原料粉。将该原料粉均一地投 入(充填)成形模20的具有直径50ram,深9mm的容积的型腔25中，将模具温度设 定为75'C,通过压力机装置10以加压速度1500kN/min作用125MPa的压力，通 过压缩成硬块,制作成形样本。从模具取出上述成形样本，测定质量，密度，体 积电阻率，分别为IO. 85g， 1.978g/cm3, 12. 22mQ'cm。
接着，将从模具取出的成形样本搬入加热装置30，在160'C下加热一小时， 使得树脂硬化。从加热装置取出，观察成形样本，观察到气泡。再测定质量， 密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率，分别为10.77g, 1.943g/cm3， 14. 78raQ cm, 32. 39MPa, 6. 2X 10M4mol m/m2 s Pa。体积电阻率，弯曲 强度,气体透过率都发生很大劣化，作为燃料电池分隔板使用不合适。
以碳粉89%，树脂11%的比例充分混合作为原料粉。将该原料粉均一地投 入(充填)成形模20的具有直径50mm,深9mm的容积的型腔25中，将模具温度设 定为常温(25'C),通过压力机装置10以加压速度1500kN/min作用125MPa的压 力，通过压縮成硬块，制作成形样本。从模具取出上述成形样本,测定质量，密 度，体积电阻率，分别为ll. 12g， 1. 979g/cm3, 13. 05mQ cm。接着，将从模具取出的成形样本搬入加热装置30，在16(TC下加热一小时, 使得树脂硬化。从加热装置取出，观察成形样本，观察到气泡。再测定质量， 密度，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率，分别为11.03g， 1.938g/cm3， 17.69mQ .cm， 17. 50MPa，气体透过率由于密封差不能测定。体积电阻率及 弯曲强度都发生很大劣化，作为燃料电池分隔板使用不合适。
以石墨粉末87%，酚醛树脂13呢的比例充分混合作为原料粉(样本A)。将该 混合粉均一地投入(充填)成形模20的具有直径50mm，深9mm的容积的型腔25 中，将模具温度设定为170-175'C，通过压力机装置10以加压速度1500kN/min 作用125MPa的压力，通过压縮成硬块,制作成形样本(样本B)。接着，从模具取 出上述成形样本，将其搬入加热装置30,在160'C下加热一小时，使得树脂硬 化(样本C)。对于这样得到的样本A-C，测定质量变化及未反应酚(游离酚)的 残留质量。测定方法根据JIS一K7240标准"酚醛树脂成形中的游离酚的测定 方法。其结果表示在表l中。
表l
样本重量变化(%)游离酚比例(wt90
A00. 086
B-0. 920. 015
C-1. 070. 006
如表l所示可知，在样本B—C的工序中，质量减少O. 15%，由此，游离酚比 例减少O. 009质量％。
如上所述，在压縮成形工序中的温度为热硬化性树脂的热硬化开始温度 以上的实施例1-3中，能得到外观，体积电阻率，弯曲强度及气体透过率各种 性能均能满足的具有充分物性的燃料电池分隔板l。与此相反，在压縮成形工 序中的温度为热硬化开始温度以下的比较例l-2中，在外观，体积电阻率，弯 曲强度上发生劣化，不能得到具有充分物性的燃料电池分隔板。
下面说明本发明的在产业上的可利用性。
13按照本发明，边以热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的温度加热，边 压縮成形，因此，能使得在此后的树脂硬化工序前后的质量变化小，因此，能 防止硬化膨胀为起因的体积电阻率，弯曲强度及气体透过率的性能低下。
上面参照
了本发明的实施例，但本发明并不局限于上述实施 例。在本发明技术思想范围内可以作种种变更，它们都属于本发明的保护范 围。
权利要求
1. 一种燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于，包括压缩成形工序，将碳粉末和热硬化性树脂的混合物作为原料粉充填到模腔中，边以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热，边以所需要的加压力压缩成形分隔板形状的成形板；加热硬化工序，使得通过上述压缩成形工序压缩成形的上述成形板，在不加压状态下，以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热硬化。
2. 如权利要求l所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于上述压缩成形工序完成上述成形板的压缩成形，且在上述热硬化性树脂 处于半硬化状态下结束。
3. 如权利要求1或2所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于实行上述加热硬化工序，直到在上述压縮成形工序中处于半硬化状态的 热硬化性树脂的硬化成为完全硬化状态。
4. 如权利要求l-3中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征 在于决定上述压縮成形工序中的压縮成形条件，使得上述加热硬化工序前后 的上述成形板的质量变化处于O. 05-0. 5%范围。
5. 如权利要求1-4中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征 在于上述原料粉为碳粉末80-90%，热硬化性树脂10-20%的质量比例。
6. 如权利要求1-5中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征 在于上述压縮成形工序的上述所需要温度为8(TC-200°C 。
7. 如权利要求1-6中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于上述压縮成形工序的上述所需要的加压力为100MPa-300MPa。
8. 如权利要求l-7中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征 在于上述加热硬化工序的上述所需要温度为15(TC-20(TC。
9. 如权利要求l-8中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征 在于上述加热硬化工序前后的上述成形板的质量变化为O. 05-0. 5%。
10. 如权利要求l-9中任一项所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特 征在于上述热硬化性树脂为酚醛树脂。
11. 如权利要求10所述的燃料电池分隔板的制造方法，其特征在于 上述压縮成形工序后的上述成形板中的游离酚的含有量为O. 008质量%-0. 08质量％。
12. —种燃料电池分隔板，其特征在于 用权利要求l-ll中任一项所述的制造方法制造； 上述加热硬化工序后的密度为l. 95g/cm3以上。
全文摘要
本发明涉及燃料电池分隔板的制造方法及燃料电池分隔板。通过合用对由碳粉末和热硬化性树脂组成的原料粉的热压缩成形工序及热硬化性树脂的加热硬化工序，不使得生产速度低下，制造能抑制因树脂硬化膨胀引起的性能低下的燃料电池分隔板。该燃料电池分隔板的制造方法包括压缩成形工序，将碳粉末和热硬化性树脂的混合物作为原料粉充填到模型腔中，边以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热，边以所需要的加压力压缩成形分隔板形状的成形板；加热硬化工序，使得通过上述压缩成形工序压缩成形的上述成形板，在不加压状态下，以上述热硬化性树脂的热硬化开始温度以上的所需要温度加热硬化。
文档编号H01M8/02GK101467290SQ20078002168
公开日2009年6月24日 申请日期2007年7月31日 优先权日2006年7月31日
发明者山崎勇次郎, 铃木正已, 高桥茂信 申请人:株式会社精工技研