JP2003338295A - 反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ及びその製造方法 - Google Patents
反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ及びその製造方法Info
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Abstract
に適用できる、プレス後の反りが少ないメタルセパレー
タを提供する。 【解決手段】 周辺に平坦部を有し、中央部にガス流路
となる溝部を形成するプレス加工の際、周辺部に剛性確
保のため、曲げ、もしくは、ガス流路とは異なる凹部又
は凸部を付与して、プレス後のメタルセパレータの反り
を防止する。
Description
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部材用材及びその製造方法に
関わる。更に詳しくは、ステンレス鋼板やチタンなどの
金属板をプレス加工して製造された後に積層される前記
構成部材の形状に関するものである。
石燃料を利用した現行の内燃機関から水素を利用した燃
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。特に、電気
自動車用燃料電池の開発が固体高分子材料の開発を契機
に急速に進展し始めている。
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。
解質が膜中に固定されていることから、電池内の露点を
制御してや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。
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
積層したスタックで構成されている。したがって、セパ
レータの両面は独立した流路を持ち、片面が水素の流
路、もう一方の片面が空気及び生成した水の流路とな
る。
固体高分子型燃料電池の構成材料としては、稼動温度が
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、切削加
工などにより任意の流路形状を形成することが可能であ
ることから、炭素系の材料が使用されてきている。更
に、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が固体高分子
型燃料電池の構成材料として使用され始め、これら構成
材料の適用に関する技術開発が進んでいる。
ば、特開平09−68888号や特開平10−2289
14号公報に開示されているとおり、金属板、例えば、
ステンレス鋼SUS304をプレス成形して、中央部に
多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成することによ
り、任意の流路形状が得られている。
得る炭素系の材料に比べてセパレータ一枚あたりの板厚
を薄肉化でき、また、加工自体も大量生産可能なプレス
加工で行えることから、上記公報開示の技術は、固体高
分子型燃料電池の量産化に大きく寄与する技術である。
現化する技術として、本発明者らも、特開2000−2
60439号公報や特開2000−256808号公報
などにより、ステンレス鋼をセパレータなどの固体高分
子型燃料電池用部材として使用するための具体的成分や
形状などを開示している。
用燃料電池に使用される程度の発電能力を得るために
は、セパレータの表面積を大型化する必要があるが、そ
の表面積の大型化に従い、以下のような技術的課題があ
ることがわかった。
を図1に示す。セパレータは、長さL、幅Wのハッチン
グ領域で示す素材の中央部に、プレスによる張り出し成
形によって形成された流路パターンと呼ばれる、酸素あ
るいは水素の流路となる凹凸部、W方向に平行する多数
の筋状の平行溝を有する。
るが、この平坦部は、厳密に言えば、セパレータを単セ
ルに構成する上で、また、この単セルを積層する上で、
さらには、この積層したスタックを燃料電池として組み
付け作動させる上で必要な、流路とは異なる浅い凹凸の
プレス加工や、穴の打ち抜き加工等、部分的に軽度の加
工を受けているのが普通である。
は、素材板面の中央部のみを強加工する結果、金型を開
放するとセパレータには不均一な歪みが発生する。この
歪みは、図1において、平行溝がW方向の場合、このW
方向に直角なL方向への反りLdとなって現れることが
多いが、このセパレータの反りLdは、加工部、即ち、
長さL及び幅Wが大きくなるほどに顕在化することが判
明し、セパレータの大型化技術の進展に伴い無視できな
い問題となってきている。
クとする工程のみならず、例えば、電池性能を高めるた
め、セパレータの表面における接触抵抗を低減する目的
で行なうメッキなどの表面改質工程など、セパレータの
製造工程の作業性や材料の搬送性を著しく損ねることか
ら、その低減が強く要望されていた。
高耐久型の固体高分子型燃料電池に適用できる、プレス
後の反りが少ないメタルセパレータを提供することを目
的とする。
め、本発明者らは、種々のステンレス鋼板を用いて、ま
ずその材質である加工特性や原板平坦度を種々変更し
て、プレス加工後のセパレータの平坦度改善に対して素
材特性を中心に検討を試みた。しかしながら、原板平坦
度は、プレス条件によっては多少のセパレータ平坦度の
改善効果があったものの、抜本的な変形防止には至らな
かった。
題のセパレータに発生している平行溝に直角なL方向へ
の反りは、素材原板やプレス条件では防止することが困
難であり、メタルセパレータの部材そのものに何らかの
形でL方向への変形を防止するような剛性を構造的に付
与することが、反り抑制に極めて効果的であることを見
出した。
型後の材料剛性に及ぼすセパレータ構造を種々検討した
結果、完成させたもので、その要旨とするところは、以
下のとおりである。
方向に平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その
周辺部に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレー
タにおいて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎
に、L方向に平行な曲げ部を有することを特徴とする反
りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。
方向に平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その
周辺部に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレー
タにおいて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎
に、長さaがa≧Lを満たすL方向に平行な凹部及び/
又は凸部を有することを特徴とする反りが少ない固体高
分子型燃料電池メタルセパレータ。
方向に平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その
周辺部に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレー
タにおいて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎
に、長さaがa≧L/10を満たすL方向に平行な凹部
及び/又は凸部を有し、かつ、各辺毎の凹部及び/又は
凸部の合計長さAがA≧Lを満たすことを特徴とする反
りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。
方向に平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その
周辺部に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレー
タにおいて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎
に、L方向に対して斜めに配列した平行な凹部及び/又
は凸部を有し、かつ、L方向に投影した前記凹部及び/
又は凸部の長さbがb≧L/10を満たすとともに、各
辺毎にL方向に投影した長さbの合計BがB≧Lを満た
すことを特徴とする反りが少ない固体高分子型燃料電池
メタルセパレータ。
記載の反りが少ない固体高分子型燃料電池セパレータに
おいて、L方向に平行な平坦部の二辺に形成される曲げ
部、又は、凹部及び/又は凸部が、W方向に平行な平坦
部の二辺にも形成されていることを特徴とする反りが少
ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。
記載の反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレ
ータにおいて、該セパレータが厚さ0.2mm以下の金
属板を素材として成形されたものであることを特徴とす
る反りが少ない固体高分子型燃焼電池メタルセパレー
タ。
記載の反りが少ない固体高分子型燃料電池セパレータを
製造する方法において、平坦部に、曲げ部、又は、凹部
及び/又は凸部を成形することを特徴とする反りが少な
い固体高分子型燃料電池メタルセパレータの製造方法。
は凹部及び/又は凸部を、成形後少なくともセパレータ
積層工程前まで有することを特徴とする前記(7)に記
載の反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレー
タの製造方法。
る成形であることを特徴とする前記(7)又は(8)に
記載の反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレ
ータの製造方法。
る。
坦部の内、L方向に平行な二辺の端を各々曲げてL方向
への剛性を高めたものであり、これだけで格段にL方向
への反り変形に対する剛性が向上し、面内の平坦度が安
定的に確保される。
素材を用いる場合には、中央部のガス流路となる凹凸を
プレス成形した後に、さらなるプレスによって平坦部端
をフランジアップすることで容易に曲げ部を形成するこ
とができる。
る場合では、中央部をプレス成形した後、コイル状態の
ままロールフォーミングなどでコイル端部に曲げ加工を
施すこともできる。
の周囲の二辺の平坦部内に、凹部及び/又は凸部状の張
り出し部を付与することにより、L方向への剛性を確保
するものである。この平坦部内の凹部及び/又は凸部
は、例えば、プレス成形によって加工することが可能で
あり、中央部のガス流路のプレス成形と同時に加工して
もよく、あるいは、メタルパレータの製造工程におい
て、例えば、穴あけ加工等と同時にプレス成形により付
与してもよい。
L以上の長さaを有する凹部及び/又は凸部を付与した
ものである。ここで、付与する凹部及び/又は凸部の長
さaが中央部の長さLよりも短い場合には、従来問題と
なっていたL方向の反りが部分的に発生する可能性があ
るため、その長さaをL以上とした。
は凸部は、一本の筋状の連続体である必要はなく、L方
向に平行な二辺の各々の平坦部内に、図4に示すよう
に、不連続に配列されていても機能は同様である。但
し、図3の連続状の凹部及び/又は凸部と等価なL方向
の剛性を確保する必要があるため、合計長さAはL以上
とした。
である必要はないが、L/10よりも短いとL方向の反
りを助長したり、全体としての剛性が低下することか
ら、その個々長さはL/10以上とした。
び/又は凸部の形状内で、L方向に投影した長さbが、
図4における各条件を満たしている場合である。即ち、
L方向への剛性は、凹部及び/又は凸部の形状内におけ
るL方向成分の連続性と長さの総和によって担保される
ものであり、例えば、個々の形状は、図5に示す棒状だ
けでなく、円型でも、不定形でも、この条件を満足して
いれば機能上何ら問題はない。
凸部と等価なL方向の剛性を確保する必要があるため、
L方向の投影長さの合計BはL以上とした。なお、個々
のL方向の投影長さbは、必ずしも全て同一である必要
はないが、L/10よりも短いとL方向の反りを助長し
たり、全体としての剛性が低下することから、その個々
長さはL/10以上とした。
げ部又は凹部及び/又は凸部の付与は、平坦部の内、L
方向に平行な二辺にのみ形成されたものであるが、同様
な曲げ部又は凹部及び/又は凸部をW方向に平行な二辺
にも形成することで、セパレータの剛性をより確実に高
めることができる。
ではW方向の反りや変形が完全に防止できず、L及びW
両方向の変形が複合でねじれとして現れる場合などは、
このL及びW両方向の付与が好ましい。
辺に施す凹部及び/又は凸部のW方向に投影した長さ
は、個々の長さがW/10以上であり、合計の長さがW
以上であることが好ましい。このような条件を満足する
付与の一例は、中央部のガス流路を取り囲むように、平
坦部に、曲げ部又は凹部及び/又は凸部が形成されてい
るものである。
をプレス成形によって得ることを前提としており、その
対象素材はプレス加工が可能な金属冷延板であるが、こ
の板厚が厚ければ、それ自体でセパレータ部材としての
剛性を確保できることから、板厚を0.2mm以下とし
た。
セパレータとしての剛性を確保するためには0.05m
m以上であることが好ましい。なお、金属板は、特に、
材料として限定するものではないが、セパレータ作動時
の腐食環境から実際にはステンレス鋼やチタンが好まし
い。
部及び/又は凸部の付与は、前述したとおり、プレス成
形で容易に可能であるが、セパレータ積層時に、この各
セパレータに付与された凹部及び/又は凸部がぶつかり
合うなどの干渉によって、積層の障害とならないように
しなければならない。
型自体に、セパレータ平坦部の凹部及び/又は凸部に相
当する凹部及び/又は凸部を設け、メタルセパレータの
製造工程において、プレス付与することで容易に解決す
ることができる。
への凹部及び/又は凸部は、ガス流路と同様に各々のセ
パレータの同一位置に同一形状で配置されたものとな
り、積層時の干渉は避けられる。なお、同一位置への同
一形状の凹部及び/又は凸部は、本発明の目的である剛
性確保のみならず、積層時の各セパレータの位置合わせ
として活用することも可能である。
工は、メタルセパレータの製造工程のいずれにおいても
可能であるが、ガス流路成形より前か又は同時に行うこ
とが好ましい。
坦度は、単セルに製造後積層する段階において、スタッ
ク製作時に締め付けされた後の平坦度が別の部材や構造
体として確保される場合には、必ずしも反り防止のため
の前記曲げ部又は凹部及び/又は凸部が最終製品に付帯
している必要はなく、この場合には、プレス成形後から
積層工程までの製造工程中の平坦度を確保する手段とし
て付与するものと定義されるものである。
又は凹部及び/又は凸部は積層時に、もしくは、積層工
程自体にセパレータの反りが特に障害にならなければ、
積層前でも、切断除去されることとなる。
するが、本発明は、実施例で用いる条件に限定されるも
のではない。
辺100〜500mmの種々のステンレス鋼板の中央部
に、図1に示すL方向の長さがL、W方向の長さがWで
ある領域に、W方向に0.1〜1mmの深さの凹凸を張
り出し成型する際、L方向に平行な周辺二辺に曲げ部又
は凸部を表1に示す状態で付与し、プレス成形後、定盤
の上に置いて、L方向の反り高さをすきまゲージを用い
て測定し、反り高さがLの3%以下であるものを○、3
%を超えるものを×とした。結果を表1に示す。
り高さが良好である。一方、比較例のNo.6において
は、平坦部の凹凸の長さが本発明の範囲よりも短いた
め、効果が不十分であり、反り高さが大きい。また、同
No.7においては、凹凸部のL方向の合計長さが本発
明の範囲よりも短いため、部分的にL方向への剛性の弱
い部分が存在し、そこに歪みが集中して反り高さが大き
くなっている。
々の長さが本発明の範囲よりも短いため、L方向の合計
長さは十分なものの、L方向の強化に十分寄与せず、セ
パレータの剛性が担保されていないため、反り高さが大
きくなっている。更に、同No.9においては、L方向
の投影長さの合計が本発明の範囲よりも短いため、L方
向の剛性が不十分であり、反り高さが大きくなってい
る。
ルセパレータにおいて、プレス成形後の平坦度を確保
し、成形後からセパレータ積層までの種々の製造工程に
おいて、製造性の障害となるセパレータの反りを抜本的
に低減可能にする技術であり、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。
加工後の状態を示す図である。
例を示す図である。
例を示す図である。
例を示す図である。
例を示す図である。
たりの長さ A…L又はW方向に平行な凹部及び/又は凸部の長さの
合計 b…凹部及び/又は凸部の1個当たりのL又はW方向の
投影長さ B…凹部及び/又は凸部のL又はW方向の投影長さの合
計
Claims (9)
- 【請求項1】 中央部の長さL、幅Wの領域にW方向に
平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その周辺部
に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレータにお
いて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎に、L方
向に平行な曲げ部を有することを特徴とする反りが少な
い固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。 - 【請求項2】 中央部の長さL、幅Wの領域にW方向に
平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その周辺部
に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレータにお
いて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎に、長さ
aがa≧Lを満たすL方向に平行な凹部及び/又は凸部
を有することを特徴とする反りが少ない固体高分子型燃
料電池メタルセパレータ。 - 【請求項3】 中央部の長さL、幅Wの領域にW方向に
平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その周辺部
に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレータにお
いて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎に、長さ
aがa≧L/10を満たすL方向に平行な凹部及び/又
は凸部を有し、かつ、各辺毎の凹部及び/又は凸部の合
計長さAがA≧Lを満たすことを特徴とする反りが少な
い固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。 - 【請求項4】 中央部の長さL、幅Wの領域にW方向に
平行な凹凸からなるガス流路があり、かつ、その周辺部
に平坦部を有する固体高分子型燃料電池セパレータにお
いて、L方向に平行な平坦部の二辺に、各辺毎に、L方
向に対して斜めに配列した平行な凹部及び/又は凸部を
有し、かつ、L方向に投影した前記凹部及び/又は凸部
の長さbがb≧L/10を満たすとともに、各辺毎にL
方向に投影した長さbの合計BがB≧Lを満たすことを
特徴とする反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセ
パレータ。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれか1項に記載の反
りが少ない固体高分子型燃料電池セパレータにおいて、
L方向に平行な平坦部の二辺に形成される曲げ部、又
は、凹部及び/又は凸部が、W方向に平行な平坦部の二
辺にも形成されていることを特徴とする反りが少ない固
体高分子型燃料電池メタルセパレータ。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の反
りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータにお
いて、該セパレータが厚さ0.2mm以下の金属板を素
材として成形されたものであることを特徴とする反りが
少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ。 - 【請求項7】 請求項1〜5のいずれか1項に記載の反
りが少ない固体高分子型燃料電池セパレータを製造する
方法において、平坦部に、曲げ部、又は、凹部及び/又
は凸部を成形することを特徴とする反りが少ない固体高
分子型燃料電池メタルセパレータの製造方法。 - 【請求項8】 前記平坦部が、成形した曲げ部、又は、
凹部及び/又は凸部を、成形後少なくともセパレータ積
層工程前まで有することを特徴とする請求項7に記載の
反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータの
製造方法。 - 【請求項9】 前記成形が、プレス又は曲げによる成形
であることを特徴とする請求項7又は8に記載の反りが
少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータの製造方
法。
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JP2002145192A JP4046550B2 (ja) | 2002-05-20 | 2002-05-20 | 反りが少ない固体高分子型燃料電池メタルセパレータ及びその製造方法 |
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