JP2002190305A

JP2002190305A - 固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置

Info

Publication number: JP2002190305A
Application number: JP2000388137A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Suzuki; 規之鈴木; Yuichi Yoshida; 裕一吉田; Toru Uchiumi; 徹内海
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-07-05
Anticipated expiration: 2020-12-21
Also published as: JP3958929B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低コスト・高耐久型の固体高分子型燃料電池
に適用できる、プレス加工が可能なセパレータの製造装
置を提供する。【解決手段】周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分は
ガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料
電池用セパレータ製造装置において、前記セパレータの
凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を表面に施した
上下一対の圧下ロールを有する固体高分子型燃料電池用
セパレータ造装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力を直接的駆動
源とする自動車、小規模の発電システムなどに用いられ
る固体高分子型燃料電池に用いられるセパレータの製造
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】環境保全に対する意識の高まりから、化
石燃料を利用した現行の内燃機関から水素を利用した固
体高分子型燃料電池による電気駆動型の自動車や、分散
型コジェネシステムへの移行が世界的に検討されてい
る。これらの新技術が広く一般に利用できるようにする
ためには、低コスト化と高信頼化に関わる技術開発を燃
料供給システムも含めて推進する必要がある。

【０００３】近年、電気自動車用燃料電池の開発が固体
高分子材料の開発成功を契機に急速に進展し始めてい
る。固体高分子型燃料電池とは、従来のアルカリ型燃料
電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電
解質型燃料電池などと異なり、水素イオン選択透過型の
有機物膜を電解質として用いることを特徴とする燃料電
池であり、燃料には純水素のほか、アルコール類の改質
によって得た水素ガスなどを用い、空気中の酸素との反
応を電気化学的に制御することによって電力を取り出す
システムである。固体高分子膜は薄くても十分に機能
し、電解質が膜中に固定されていることから、電池内の
露点を制御すれば電解質として機能するため、水溶液系
電解質や溶融塩系電解質など流動性のある媒体を使う必
要がなく、電池自体をコンパクトに単純化して設計でき
ることも特徴である。

【０００４】固体高分子型燃料電池は、水素の流路を持
つセパレータ、燃料極、固体高分子膜、空気（酸素）
極、空気（酸素）の流路を持つセパレータよりなるサン
ドイッチ構造を単セルとして、実際にはこの単セルを積
層したスタックが用いられる。したがって、セパレータ
の両面は独立した流路を持ち、片面が水素、もう一方の
片面が空気および生成した水の流路となる。

【０００５】冷却用水溶液の沸点以下の領域で稼働する
固体高分子型燃料電池の構成材料としては、温度がさほ
ど高くないこと、その環境下で耐食性・耐久性を十分に
発揮させることが可能であること、さらに、任意の流路
形状を形成するため炭素系の材料を切削加工などにより
加工して使用されてきているが、より低コスト化や小型
化、すなわちセパレータの薄肉化を目指してステンレス
鋼やチタンの適用に関する技術開発が進んでいる。

【０００６】従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、
特開平４−２４７８５２号公報、同４−３５８０４４号
公報、同７−１８８８７０号公報、同８−１６５５４６
号公報、同８−２２５８９２号公報、同８−３１１６２
０号公報などに開示されているように、高い耐食性が要
求される溶融炭酸塩環境で稼働する燃料電池用ステンレ
ス鋼がある。また、特開平６−２６４１９３号公報、同
６−２９３９４１号公報、同９−６７６７２号公報など
に開示されているように、数百度の高温で稼働する固体
電解質型燃料電池材料の発明がなされてきた。

【０００７】さらに、特開平１０−２２８９１４号公報
には、単位電池の電極との接触抵抗の小さい燃料電池用
セパレータを得ることを目的に、ステンレス鋼（ＳＵＳ
３０４）をプレス成形することにより、内周部に多数個
の凹凸からなる膨出成形部を形成し、膨出成形部の膨出
先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メッキ
層を形成したことを特徴とする燃料電池用セパレータが
開示され、その使用法として燃料電池を形成する際に燃
料電池用セパレータを積層された単位電池の間に介在さ
せ、単位電池の電極と膨出成形部の膨出先端側端面に形
成された金メッキ層とが当接するように配設し、燃料電
池用セパレータと電極との間に反応ガス通路を画成する
技術が開示されている。また、特開平５−２９００９号
公報では、安価に加工するため、プレス加工した波形状
の穴明きバイポーラ板が開示されている。また、特開２
０００−２０２５３２号公報では、平板を金型に挟み込
み、圧延ロールで金型を圧縮する製造方法が開示されて
いる。

【０００８】しかし、これらの技術をもとに実際に固体
高分子型燃料電池を試作すると、以下の５点の技術的問
題があることがわかった。ａ）長期耐久性が求められる固体高分子型燃料電池の環
境において、ステンレス製セパレータの合金成分として
は一般汎用鋼種であるＳＵＳ３０４では不十分となる場
合があり、その対策としてＣｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの含有
量を上げる必要がある。ｂ）Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏなどの合金組成を上げたステンレ
ス鋼の場合、湿式の金メッキ法だけでは金メッキ層とス
テンレス鋼基板の間に、ステンレス鋼の不働態酸化皮膜
がメッキ処理中に完全に還元されずに残留し、ステンレ
ス鋼と金メッキ層の間の層間抵抗が生じ、電力ロスの原
因となることがある。その対策として、皮膜を除去しな
がら貴金属を付着させる必要がある。ｃ）セパレータはプレス成形により内周部に多数個の凹
凸からなる膨出成形部を形成した形を想定しているが、
実際に四周に平坦部をもつ当該部材の加工を試みると、
凹凸からなる膨出成形部において延性割れを生じ、さら
に、長期信頼性向上のために合金組成を上げたステンレ
ス鋼は、ＳＵＳ３０４に比べ加工性が低下することか
ら、この形状にプレス成形することが困難である。ま
た、断面が波形状であると電解質膜との接触面積が小さ
くなり燃料電池特性が低下する。ｄ）プレス成形により微細な凹凸を成形する方法は、セ
パレータが大型化すると、プレス荷重が増大して、大が
かりな設備を要する、という問題がある。ｅ）金型をロールで圧縮する製造方法は、金型の開閉、
材料ハンドリング等で、生産性が低いこと、また金型の
剛性のため、圧下荷重を精度良く加えることが困難にな
る、という問題がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは既に、前
記ａ）やｂ）の問題点に対しては、その解決手段を特開
２０００−２５６８０８号公報、特願平１１−１７０１
４２号などに提示している。従って、本発明では、前記
ｃ）、ｄ）およびｅ）の問題点に鑑み、低コスト・高耐
久型の固体高分子型燃料電池に適用できる、プレス加工
が可能なセパレータの製造装置を提供することを目的と
する。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、固体高分子型燃料電池の作用原理に基づき、プレス
成型時の材料挙動を詳細に検討した結果、本発明を完成
させたもので、その要旨とするところは以下の通りであ
る。（１）周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路
となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料電池用セ
パレータ製造装置において、前記セパレータの凸部及び
凹部の形状と相似形の凹凸加工を表面に施した上下一対
の圧下ロールを有することを特徴とする固体高分子型燃
料電池用セパレータ製造装置。（２）上下一対の圧下ロールの回転を同期させる回転同
期手段を有することを特徴とする前記（１）記載の固体
高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。（３）上下一対の圧下ロールは、軸方向に相対変位を発
生させないように変位調整手段を有することを特徴とす
る前記（１）又は（２）記載の固体高分子型燃料電池用
セパレータ製造装置。（４）前記圧下ロールの凹部断面は直線状の底部で形成
されていることを特徴とする前記（１）〜（３）の何れ
か１項に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造
装置。（５）前記圧下ロールの直近の上流側に、セパレータを
挟む上下一対の平滑ロールを有することを特徴とする前
記（１）〜（４）の何れか１項に記載の固体高分子型燃
料電池用セパレータ製造装置。（６）上下一対の圧下ロールの回転速度に差を付ける回
転速度調整手段を有することを特徴とする前記（１）〜
（５）の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用セ
パレータ製造装置。（７）上下面の潤滑状態に差を付ける潤滑状態調整手段
を前記上下圧下ロールの少なくとも一方に有することを
特徴とする前記（１）〜（６）の何れか１項に記載の固
体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に図面を用いて詳細を説明す
る。前記（１）記載の発明に係る製造装置の例を図１に
示す。図中の矢印は、薄板の搬送方向を示す。ステンレ
スあるいはチタン等の薄板を、表面に凹凸の加工を施し
てある一対の圧下ロール２ａ、２ｂで、圧下して表面の
凹凸模様３を薄板に転写させながら回転することによ
り、セパレータ１を連続的に製造することができる。

【００１２】上下圧下ロール２ａ、２ｂの凹凸の形状
は、圧下ロールの軸方向に沿って凸部及び凹部が繰り返
し構造となるもの（図２）、圧下ロールの円周方向に沿
って凸部及び凹部が繰り返し構造となるもの（図３）、
圧下ロールの軸方向に対して特定の角度傾斜して凸部及
び凹部が繰り返し構造となるもの（図４）の他、凸部及
び凹部が円形、楕円形、四角形等の他の任意の多角形と
したもの（図５）などを用いることができる。

【００１３】凸部及び凹部が繰り返し構造となるもの
は、後述するように水素及び酸素の流路をセパレータに
一筆書きで形成することができ、効率良い起電力を得る
ことができる。また、凸部及び凹部の形状を円形、多角
形としたときは、生成水による流路の閉塞が防止でき
る。

【００１４】前記（２）記載の発明に係る上下一対の圧
下ロールの回転同期手段の機構の１例を図６に示す。バ
ックラッシを抑え、高精度に加工された歯車６を用いて
回転を同期させることにより、上下圧下ロール２ａ、２
ｂ表面の凹凸形状のずれを防止し、せん断変形を与えず
に、良好なセパレータ形状が得られる。例では、機械的
に同期させる方式であるが、上下圧下ロールの駆動系
を、電気的に制御、同期させる方式であってもかまわな
い。

【００１５】前記（３）記載の発明に係る上下一対の圧
下ロールを軸方向に相対変位させない変位調整手段の機
構の１例を図７に示す。この例では、下側圧下ロール２
ｂの両端部に鍔を設けることにより、相対的な滑りを防
止できる。鍔は上側圧下ロール２ａに設けても良いし、
互いに噛み合うように上下圧下ロールに設けても良い。

【００１６】前記（４）記載の発明に係る圧下ロール表
面の凹凸形状の例を図８に示す。ロール凹部４の断面
は、直線状の底部で形成され、板厚方向に圧下を加える
ことにより、頂部の平坦な、接触抵抗の少ない（接触面
積の大きい）良好なセパレータ形状が得られる。また、
端部を直線状の底部で挟み込むことにより、しわの発生
が抑制される。

【００１７】前記（５）記載の発明に係るセパレータ製
造装置の例を図９に示す。圧下ロール２ａ、２ｂの直近
の上流側で、セパレータ１を平滑ロール５ａ、５ｂで挟
み込むことにより、薄板がロールバイトに進入する際
に、板端部から材料を引き込み、皺が発生することを防
止する。

【００１８】セパレータ１の凹凸形状が、表裏対称でな
く、中立軸が板厚中心からずれている場合、圧下後のセ
パレータは反りを生じ、燃料電池スタックを構成する際
に、シール不良によりガス漏れが発生する場合がある。
この場合、前記（６）記載の発明に係る上下一対のロー
ルの回転速度に適切な差を付ける回転速度調整手段を設
けることにより、薄板にせん断変形を与え、成形後の反
りを防止することが可能となる。回転速度調整手段とし
て、前記図６の歯車機構の減速比を変える方法、あるい
は、上下圧下ロールの駆動系を、電気的に制御する方法
等を用いることができる。回転速度に差を付ける場合、
周速差０．０５％以下、好ましくは０．０１％以下とす
ることにより、良好な溝形状を成形し、かつ成形後の反
りを防止することが可能となる。

【００１９】また、前記（７）記載の発明に係る上下面
の潤滑状態に差をつける潤滑状態調整手段を設けること
によっても、同様の効果が得られる。潤滑状態調整手段
として、上下ロールの表面粗度を変えること、上下面に
用いるそれぞれの潤滑油の粘度を変えること、温度を変
えること等の手段を用いることができる。潤滑状態に差
を付ける場合、摩擦係数の差を一方の２０％以下、好ま
しくは１０％以下とすることにより、成形後の反りを防
止することが可能となる。

【００２０】

【実施例】直径２００mm、長さ３００mmの一対の圧下ロ
ール表面に、図１０に示すような凹凸パターンを機械加
工により形成した。断面形状は図８に示すもので、凸部
は曲率半径０．５mmの半円状であり、底部は幅０．５mm
の平滑面である。また凹凸部は幅２５０mm、長さ（弧
長）１５０mmである。図９に示すような装置を用い、板
幅２９０mm、板厚０．１mmのオーステナイト系ステンレ
ス鋼ＳＵＳ３１６のコイルから連続的に板を供給し、上
下圧下ロールの隙間（ロールギャップ）を０．０５mmと
して加工を行った。圧下ロールの材質はＳＫＤ１１とし
た。また平滑ロールの材質はＳ４５Ｃとし、直径１００
mm、長さ３００mmの一対とし、圧下ロールの手前２５０
mmに設置した。上下圧下ロールは図６に示す回転同期手
段を設け、ロール軸方向に相対変位を発生しないよう
に、下側の圧下ロールに図７に示す鍔を設けた。鍔の形
状は上側圧下ロールとの重なり代を１０mmとし、厚さ２
０mmの円盤状とした。また、回転速度調整手段、潤滑状
態調整手段は設けずに成形を行った。

【００２１】間欠的に、凹凸形状が破断することなく成
形された板は、燃料ガスおよび冷却水等の導入および排
出のための穴あけ加工を行った後、所定の長さ毎に切断
し、単位セルのセパレータが製造できた。また切断後
も、反りやしわの発生は見られず、良好な形状が得られ
た。その後、適当な表面処理等を施した後、燃料電池ス
タックを構成し性能試験を行ったところ、ガス漏れや水
漏れも発生せず、本発明の製造方法によるセパレータを
用いて燃料電池として良好に機能することが確認され
た。

【００２２】図１１には、幅２５０mm×長さ１５０mmの
同様の凹凸形状を、通常のプレスで行った場合と本発明
とで、荷重を比較した結果を示す。通常のプレスでは、
約５０００ton もの荷重が必要であったのに対して、本
発明では約４０ton 程度であり、極めて安価な装置で製
造が可能であった。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、固体高分子型燃料電池用セパ
レータとして高耐食ステンレス鋼やチタンのプレス成形
加工を可能にするものであり、低コスト固体高分子型燃
料電池を実現する技術として極めて有効なものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセパレータの製造装置の例である。

【図２】本発明の圧下ロール表面形状の一例を示す模式
図である。

【図３】本発明の圧下ロール表面形状の他の例を示す模
式図である。

【図４】本発明の圧下ロール表面形状のさらに別の例を
示す模式図である。

【図５】本発明の圧下ロール表面形状のさらにまた別の
例を示す模式図である。

【図６】本発明の圧下ロールの回転同期手段の例を示す
模式図である。

【図７】本発明の圧下ロールの軸方向変位調節手段の例
を示す模式図である。

【図８】本発明の別の圧下ロール表面形状の例を示す模
式図である。

【図９】本発明のセパレータの別の製造装置の例であ
る。

【図１０】本発明の別の圧下ロール表面形状の例を示す
模式図である。

【図１１】本発明と従来技術を用いた場合の荷重を示す
グラフである。

【符号の説明】

１：セパレータ２ａ、２ｂ：ロール３：凹凸部４：直線状の底部５ａ、５ｂ：ピンチロール６：歯車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者内海徹愛知県東海市東海町５−３新日本製鐵株式会社名古屋製鐵所内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分は
ガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料
電池用セパレータ製造装置において、前記セパレータの
凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を表面に施した
上下一対の圧下ロールを有することを特徴とする固体高
分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
【請求項２】上下一対の圧下ロールの回転を同期させ
る回転同期手段を有することを特徴とする請求項１項記
載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
【請求項３】上下一対の圧下ロールは、軸方向に相対
変位を発生させないように変位調整手段を有することを
特徴とする請求項１又は２項記載の固体高分子型燃料電
池用セパレータ製造装置。
【請求項４】前記圧下ロールの凹部断面は直線状の底
部で形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何
れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製
造装置。
【請求項５】前記圧下ロールの直近の上流側に、セパ
レータを挟む上下一対の平滑ロールを有することを特徴
とする請求項１〜４の何れか１項に記載の固体高分子型
燃料電池用セパレータ製造装置。
【請求項６】上下一対の圧下ロールの回転速度に差を
付ける回転速度調整手段を有することを特徴とする請求
項１〜５の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池用
セパレータ製造装置。
【請求項７】上下面の潤滑状態に差を付ける潤滑状態
調整手段を前記上下圧下ロールの少なくとも一方に有す
ることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の
固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。