JP2004139861A - Apparatus of manufacturing separator for solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力を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。これらの新技術を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。
近年、固体高分子材料の開発成功を契機に電気自動車用燃料電池の開発が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。
【0003】
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。
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。
【0004】
従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、特許文献1(特開平4−247852号公報)、特許文献2(特開平4−358044号公報)、特許文献3(特開平7−188870号公報)、特許文献4(特開平8−165546号公報)、特許文献5(特開平8−225892号公報)、特許文献6(特開平8−311620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、特許文献7(特開平6−264193号公報)、特許文献8(特開平6−293941号公報)、特許文献9(特開平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。
【0005】
さらに、特許文献10(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(SUS304)を張出し成形(プレス成形ともいう)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、特許文献11(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。ロールを用いた成形に関しては、特許文献12(特開2000−202532号公報)で、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。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、凹凸からなる膨出成形部において延性割れを生じたり、微細な凹凸の繰り返し形状を成形するためプレス荷重が増大し、精度よく成形することが困難であった。そこで、本発明者らは、特許文献13(特願2001−112937号)において、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を開示した。本加工法を用いることにより、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、割れ,破断が生じない安定した成形加工が可能であると共に、プレス荷重を軽減し、凹凸部を均一に成形し、周囲平坦部の変形,波打ちの少ないセパレータを製造することができる。しかしながら、本加工法は上下ロールの位相およびロール軸方向のピッチを正確に合致させる必要があり、量産工程においては、時折作業ミスが生じ、位相やピッチがずれる場合があり、ずれが生じた場合、上下凹凸部の不一致から、型かじりが生じ、型を破壊してしまう問題がある。金型ロールは、非常に高価なものであり、型の破壊が生じると生産能率およびコスト面で大きな弊害が生じる。
【0006】
特許文献14(特開昭55−61324公報)では、長手方向に移動させる鋼帯を冷間ロール機により成形し、そのロール段階において押し出し模様をロールにより同時成形することを特徴とする製造方法が開示されているが、押し出し模様を成形するロールがロールスタンドに設けられ、その上面ロールに押し出し模様に対応した凸部、下面ロールに凹部が設けられた構造となっている。本構造では、ロールセット時の作業ミスによる位相やピッチずれが生じる可能性があり、ずれが生じた場合、上下凹凸部の不一致から、ロール面上の凹凸型を破壊してしまうこととなる。
【0007】
また、特許文献15(特開平5−200307公報)では、平板と波板とを重ね合わせた状態で巻き回してなる排気ガス浄化用触媒担体において、平板表面と平板に接する波板頂部とに凹凸部を対向して形成し、両板の凹凸部を係合させつつ巻き回す製造方法が開示されている。成形用ロールには、円周方向に溝が施され、ロール軸方向(板幅方向)には位置合わせ可能な構造となっているが、上下の成形用ロールが円周方向又は軸方向にずれた場合には位置合わせできず、本発明での加工対象となる燃料電池用セパレータを加工する場合は、円周方向又は軸方向の位相ずれを回避することができず、機構的に不十分である。
【0008】
【特許文献1】特開平4−247852号公報
【特許文献2】特開平4−358044号公報
【特許文献3】特開平7−188870号公報
【特許文献4】特開平8−165546号公報
【特許文献5】特開平8−225892号公報
【特許文献6】特開平8−311620号公報
【特許文献7】特開平6−264193号公報
【特許文献8】特開平6−293941号公報
【特許文献9】特開平9−67672号公報
【特許文献10】特開平10−228914号公報
【特許文献11】特開平5−29009号公報
【特許文献12】特開2000−202532号公報
【特許文献13】特願2001−112937号
【特許文献14】特開昭55−61324公報
【特許文献15】特開平5−200307公報
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の問題点に鑑み、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、割れ,破断が生じない安定した成形加工が可能であると共に、作業ミス等が原因となる位相やピッチずれによる金型ロール(上下ロールともいう)の破損を回避できる燃料電池用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、金型ロールによる成形加工原理、種々の金型ロールの試作を通じて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施した加工表面の前方であって対向する位置に凹凸加工を施した凹凸部を少なくとも1組有する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凹凸部が、被加工材料が通板される領域外に存在することを特徴とする(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において、その凹部のロール円周方向の溝幅を凸部の幅の1.5〜3.0倍とした凹凸部と、凹部のロール軸方向の溝幅を凸部の幅の1.5〜3.0倍とした凹凸部をロール円周方向の対向する位置に少なくとも1組有することを特徴とする(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。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の詳細について説明する。
前記のごとく、凹凸部の繰り返し断面形状を有するセパレータの成形過程において、作業ミス等が原因となる位相やピッチずれにより、上下凹凸部の不一致による型かじりで上下ロールの破損が生じる問題がある。
本発明者らは、上下ロール表面のロール回転方向前方にダミーの凹凸部を設けることにより、セパレータ形状を転写成形するための凹凸部の繰り返し断面形状を有する上下ロールの型の部分を保護することを着想し、種々の形状について金型ロールを試作し、金型ロールの位相,ピッチがずれた場合の想定実験を行った結果、型かじりによる金型ロールの破壊を回避できる仕組みを見出した。
本発明に係る製造装置により製造したセパレータの断面図の例を図1に示す。また、図2は、本発明により製造したセパレータを用いて固体高分子型燃料電池スタックを構築する一例を示した模式図である。図3には、表面に凹凸の加工を施してある一対の成形用金型ロール10,11で、圧下して表面の凹凸部の模様を板材料に転写させながら回転することにより、セパレータを連続的に成形する製造装置のうち圧下ロールの例を示す。上下の成形用金型ロール10,11は、同期駆動されており、金型ロール10,11の直前には、板材料の蛇行を防ぐために、縦ロールの中央部に板厚程度の溝が切られたサイドガイド12が設けられている。
【0012】
図4は、本発明に係る圧下ロールの立面図であり、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施したセパレータ成形加工面20の前方であって対向する位置に凹凸加工を施した凹部21及び凸部22を2組有する金型ロールの一例を示すものである。図4では凹部21及び凸部22は2組有するものが記載されているが、少なくとも1組あれば型かじりによる金型ロールの破壊を回避するのに有効であるが、2組以上設けることにより型合わせの精度が向上すると共に、型かじり検出時、圧下ロール支点に異常荷重を均等に負荷させ駆動軸受け部の保護になるので好ましい
図5に示すように、凸部22は球頭状、凹部21は球面状にし、そのクリアランス((凹部の幅−凸部の幅)÷2)は被成形加工材料の板厚みの0.5〜1.5倍が望ましい。また、凹凸部の幅は、セパレータ形状を転写成形するための凹凸部の繰り返し断面形状を有する上下ロールの型の部分の最小幅寸法部と同等にすることが望ましい。
【0013】
図6には、凹部21、凸部22を利用することにより、セパレータ成形加工面20のかじりを回避する検知システムの例を示すものである。その検知システムは、荷重検出用のロードセル30、金型ロールの回転位置を検出する近接センサー31およびエンコーダ32、異常荷重をモニターし、ロール駆動系に停止信号を送る制御モニター33から構成されている。通常、金型ロールの上ロール10と下ロール11の位相やピッチのずれがなく、正常に位置合わせがなされている場合は、凹部21、凸部22がかみ合った時点で荷重はほぼゼロとなるが、金型ロールの上ロール10と下ロール11の位相やピッチのずれが生じた場合、凹部21、凸部22でかじりが生じ、異常荷重が発生する。予め、成形荷重のしきい値を設定しておき、その荷重値がしきい値を超えた場合は、位相やピッチずれによる上下ロールのかじりと判断し、金型ロール駆動部に停止信号を送り、セパレータ成形加工面20がかじりを生じる前に金型ロールの回転を緊急停止させる。従って、セパレータ成形加工面20が、上下面のかじりにより破壊されることを回避することができる。凹部21、凸部22の円周方向位置は、異常荷重を検知して金型ローラーが停止するまでの時間と、ローラーの回転速度により決定される。即ち、異常荷重を検知して金型ローラーが停止するまでの時間をt秒、ローラー回転速度N rpmとすれば、図7に示すセパレータ成形加工面20の先端と凹部21・凸部22の角度αは、360×N×t/60 度となる。
凹部21、凸部22のロール軸方向の位置は、凹凸部の圧痕マークが成形加工品にできないようにするため、図8に示すように被成形加工材料41の外側に位置させることが好ましい。
【0014】
図9に示すように凹形状を球面上でなく、金型ロールの円周方向に延長した凹部21と、軸方向に延長した凹部21の2種類を金型ロールの円周方向の対向する位置に少なくとも1組設ける場合がある。金型ロールの円周方向に延長した凹部21と凸部22は、上下金型ロールが軸方向にずれを生じていた場合、前記の異常荷重により検知することができ、金型ロールの軸方向に延長した凹部21と凸部22は、上下金型ロールが軸方向にずれを生じていた場合、検知することができる。図9では上下一対の圧下ロールにおいて、その凹部のロール円周方向の溝幅を延長した凹凸部と、凹部のロール軸方向の溝幅を延長した凹凸部を円周方向の対向する位置に2組有する例が記載されているが、2組以上とすることにより、作業者は、上下金型ロールが円周方向にずれているのか、軸方向にずれているのか、または、両方向にずれているのかをすばやくより精度良く認知することができ、容易にロールの位置合わせを行うことができる。凹部の軸方向の長さ及び円周方向の長さは、凸部幅寸法の1.5倍以上が望ましい。一方、通常上下金型ロールのずれは、1/2ピッチ以上(凸部幅以上)ずれることは少なく、凸部の前後または左右に凸部幅分の凹部寸法が確保されていればよいため、3.0倍以下とすることが好ましい。
【0015】
【実施例】
直径250mm、長さ400mmの一対の成形用圧下ロール表面に、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1に示すもので、凹凸部は幅200mm、長さ(弧長)150mmである。一方、成形用圧下ロールの凸部は、曲率半径0.5mmの凸形状であり、底部は幅0.5mmの平滑面で、溝深さは0.5mmである。凸部22の形状は球頭面とし、球面の半径を0.3mm、凹部21は球面状とし、球面の半径は0.35mmとした。凸部22及び凹部21は、ロール端面から50mmの位置に設け、セパレータ成形加工面20の先端と凹部21、凸部22の角度αは、60度とした。ロール回転速度は、9rpmで、過大荷重を検知して金型ローラーが停止するまでの時間は約1秒であった。金型ロールの材質はSKD11とし、被加工物は、板幅250mm、板厚0.1mmのオーステナイト系ステンレス鋼SUS316のコイルを用い、連続的にステンレス鋼板をセパレータ製造装置に供給した。上下金型ロールの位相及び軸方向を位置合わせした後、運転中に上下金型ロールの相対変位が発生しないように、サーボモータによる上下金型ロール回転同期手段を設けると共に、ロールの軸受けに精度等級の高い玉軸受けを採用した。前述の凹部21、凸部22を利用することにより、セパレータ成形加工面20のかじりを回避する検知システムを用い、異常荷重を監視しながら、上下金型ロールの位置合わせを行い、セパレータ成形加工面の破壊を発生させることなく、セパレータの成形を行うことができた。尚、異常荷重のしきい値は2kNとした。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。
【0016】
【発明の効果】
以上の発明により、固体高分子型燃料電池用ステンレスセパレータの高精度な成形加工を容易に且つ確実に行うことができるものであり、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】本発明により製造したセパレータの断面図の例である。
【図2】本発明により製造したセパレータを用いて固体高分子型燃料電池スタックを構築する一例を示した模式図である。
【図3】金型ロールによるセパレータ製造装置の模式図である。
【図4】セパレータ加工面の前方に凹凸面を施した金型ロールの立面図である。
【図5】セパレータ加工面の円周方向前方に設けた凹凸部の断面図である。
【図6】金型ロールのかじりを回避する検知システムの模式図である。
【図7】セパレータ成形加工面と凹凸部の位置関係を示す側面図である。
【図8】セパレータ加工面の前方に凹凸面を施した金型ロールの立面図である。
【図9】セパレータ加工面の前方に凹凸面を施した金型ロールの立面図である。
【図10】本発明のうち、別の金型ロール表面形状の例を示す模式図である。
【符号の説明】
1:セパレータ
2:シール板
3:電極(炭素繊維集電体)
4:固体高分子膜
10:上金型ロール(上ロール)
11:下金型ロール(下ロール)
12:サイドガイド
20:セパレータ成形加工面
21:凹部
22:凸部
30:ロードセル
31:近接センサー
32:エンコーダ
33:制御モニター
34:駆動モーター
41:被加工材料[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for manufacturing a separator used in a polymer electrolyte fuel cell used for an automobile driven by electric power, a small-scale power generation system, and the like.
[0002]
[Prior art]
With increasing awareness of environmental conservation, the transition from the current internal combustion engine using fossil fuels to electric drive type vehicles using hydrogen-based polymer electrolyte fuel cells and distributed cogeneration systems is being considered worldwide. I have. In order to make these new technologies widely available to the general public, it is necessary to promote the development of technologies related to cost reduction and high reliability, including the fuel supply system.
In recent years, the development of fuel cells for electric vehicles has begun to progress rapidly with the success of the development of solid polymer materials.
Unlike polymer electrolyte fuel cells, which are conventional alkaline fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, and solid electrolyte fuel cells, solid polymer fuel cells use a hydrogen ion selective permeation type organic membrane as the electrolyte. A fuel cell characterized by the fact that, in addition to pure hydrogen, hydrogen gas obtained by reforming alcohols is used as fuel, and power is extracted by electrochemically controlling the reaction with oxygen in the air. System. Solid polymer membranes function well even when they are thin, and since the electrolyte is fixed in the membrane, they function as electrolytes when the dew point in the battery is controlled, so fluidity such as aqueous electrolytes and molten salt electrolytes Another feature is that the battery itself can be designed to be compact and simple without the need to use a medium having a certain size.
[0003]
The polymer electrolyte fuel cell is a single cell with a sandwich structure consisting of a separator having a hydrogen flow path, a fuel electrode, a solid polymer membrane, an air (oxygen) electrode, and a separator having an air (oxygen) flow path. A stack in which the single cells are stacked is used. Therefore, both sides of the separator have independent flow paths, one side is a hydrogen path, and the other side is a flow path of air and generated water.
As a constituent material of the polymer electrolyte fuel cell that operates in a region below the boiling point of the cooling aqueous solution, the temperature is not so high, and it is possible to sufficiently exhibit corrosion resistance and durability under the environment, Furthermore, carbon-based materials have been used by machining to form an arbitrary flow path shape, such as by cutting, but stainless steel and titanium have been used to reduce costs and downsize, that is, to make separators thinner. Technological development for the application of is progressing.
[0004]
Conventionally, as stainless steels for fuel cells, Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-247852), Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 4-358844), Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-188870), Patent As disclosed in Document 4 (JP-A-8-165546), Patent Document 5 (JP-A-8-225892), and Patent Document 6 (JP-A-8-31620), high corrosion resistance is required. There are stainless steels for fuel cells that operate in a molten carbonate environment.
Further, as disclosed in Patent Document 7 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-264193), Patent Document 8 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-293914), and Patent Document 9 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-67672), The invention of a solid oxide fuel cell material operating at a high temperature of one hundred degrees has been made.
[0005]
Further, Patent Document 10 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-228914) discloses that a stainless steel (SUS304) is stretch-formed (also referred to as press-formed) for the purpose of obtaining a fuel cell separator having low contact resistance with an electrode of a unit cell. ) To form a bulged portion formed of a large number of irregularities on the inner peripheral portion, and form a gold plating layer having a thickness of 0.01 to 0.02 μm on the bulging tip side end surface of the bulged formed portion. A fuel cell separator is disclosed, wherein the fuel cell separator is interposed between the stacked unit cells when forming the fuel cell, and the electrodes of the unit cell and the bulging molded portion are used. There is disclosed a technique in which a gold plating layer formed on an end surface of a bulging tip side is disposed so as to abut, and a reaction gas passage is defined between a fuel cell separator and an electrode. In addition, Patent Document 11 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-29909) discloses a press-processed corrugated bipolar plate having a wavy shape for processing at low cost. Regarding molding using a roll, Patent Document 12 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-202532) discloses a manufacturing method in which a flat plate is sandwiched between dies and the dies are compressed by rolling rolls. When a polymer electrolyte fuel cell is actually prototyped based on these technologies, ductile cracks may occur in the bulge formed by irregularities, and the press load increases due to the formation of a repetitive shape of fine irregularities. It was difficult to form well. In view of the above, the present inventors have disclosed in Patent Document 13 (Japanese Patent Application No. 2001-112937) a feature in which a pair of upper and lower pressing rolls whose surfaces are subjected to unevenness processing similar to the shapes of the protrusions and recesses of the separator are provided. An apparatus for manufacturing a separator for a polymer electrolyte fuel cell has been disclosed. By using this processing method, it is possible to apply a low-cost, high-durability type polymer electrolyte fuel cell, perform stable forming processing without cracking or breaking, reduce the pressing load, and reduce unevenness. It is possible to manufacture a separator which is uniformly formed and has less deformation and waving of the peripheral flat portion. However, in this processing method, the phase of the upper and lower rolls and the pitch in the roll axis direction must be accurately matched, and in the mass production process, occasional work errors may occur, and the phase and pitch may shift, In addition, there is a problem that the mold is seized due to the mismatch between the upper and lower concave and convex portions, and the mold is destroyed. The mold roll is very expensive, and if the mold is destroyed, a serious problem occurs in terms of production efficiency and cost.
[0006]
Patent Document 14 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-61324) discloses a manufacturing method characterized in that a steel strip to be moved in the longitudinal direction is formed by a cold roll machine, and an extruded pattern is simultaneously formed by a roll in the rolling stage. Although disclosed, a roll for forming an extruded pattern is provided on a roll stand, the upper roll thereof has a convex portion corresponding to the extruded pattern, and the lower roll has a concave portion. In the present structure, there is a possibility that a phase or a pitch shift may occur due to an operation mistake at the time of setting the roll, and when the shift occurs, the unevenness on the roll surface is destroyed due to a mismatch between the upper and lower uneven portions.
[0007]
Further, in Patent Document 15 (Japanese Patent Laid-Open No. 5-200307), in a catalyst carrier for purifying exhaust gas formed by winding a flat plate and a corrugated plate in an overlapping state, the unevenness is formed on the surface of the flat plate and the top of the corrugated plate in contact with the flat plate. A manufacturing method is disclosed in which portions are formed to face each other, and winding is performed while engaging the concave and convex portions of both plates. The forming rolls are provided with grooves in the circumferential direction and can be aligned in the roll axis direction (board width direction), but the upper and lower forming rolls are shifted in the circumferential direction or axial direction. In the case where the fuel cell separator to be processed in the present invention is processed, the phase shift in the circumferential direction or the axial direction cannot be avoided and mechanically insufficient. is there.
[0008]
[Patent Document 1] JP-A-4-247852 [Patent Document 2] JP-A-4-358844 [Patent Document 3] JP-A-7-188870 [Patent Document 4] JP-A-8-165546 [Patent] Reference 5 Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-225892 [Patent Document 6] Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-31620 [Patent Document 7] Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-264193 [Patent Document 8] Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-293940 [Patent Document 9] Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-67672 [Patent Document 10] Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-228914 [Patent Document 11] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-29909 [Patent Document 12] Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-202532 [Patent Document 13] Japanese Patent Application No. 2001-112937 [Patent Document 14] Japanese Patent Application Laid-Open No. 55-61324 [Patent Document 15] Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-200307
[Problems to be solved by the invention]
In view of the above problems, the present invention can be applied to a low-cost, high-durability type polymer electrolyte fuel cell. An object of the present invention is to provide an apparatus for manufacturing a separator for a fuel cell, which can prevent a mold roll (also referred to as an upper roll or a lower roll) from being damaged due to a certain phase or pitch shift.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention has been completed as a result of detailed studies through the principle of forming and working with mold rolls and trial production of various mold rolls. The gist of the invention is as follows. .
(1) In a manufacturing apparatus for a polymer electrolyte fuel cell separator having a flat portion in the periphery and a convex portion and a concave portion except for the peripheral portion serving as a gas flow path, the shape of the convex portion and the concave portion of the separator is similar. A separator for a polymer electrolyte fuel cell, comprising: a pair of upper and lower pressing rolls having at least one set of concave and convex portions subjected to concave and convex processing at a position in front of and opposed to the processed surface with concave and convex processing. manufacturing device.
(2) The apparatus for manufacturing a separator for a polymer electrolyte fuel cell according to (1), wherein the concave and convex portions of the pair of upper and lower pressing rolls are present outside a region where the material to be processed is passed.
(3) In a pair of upper and lower pressing rolls, a concave / convex portion in which the concave portion has a groove width in the roll circumferential direction of 1.5 to 3.0 times the width of the convex portion, and a concave portion in which the groove width in the roll axis direction is convex. The polymer electrolyte fuel cell according to (1) or (2), wherein at least one set of uneven portions having a width of 1.5 to 3.0 times the width of the portion is provided at opposing positions in the circumferential direction of the roll. Separator manufacturing equipment.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, details of the present invention will be described.
As described above, in the process of forming the separator having the repetitive cross-sectional shape of the concave and convex portions, there is a problem that the upper and lower rolls are damaged due to the seizure of the mold due to the inconsistency of the upper and lower concave and convex portions due to a phase or pitch shift caused by an operation error or the like.
The present inventors provide a dummy uneven portion in front of the upper and lower roll surfaces in the roll rotation direction, thereby protecting a portion of the upper and lower roll mold having a repeated cross-sectional shape of the uneven portion for transfer-molding the separator shape. Based on this concept, mold rolls of various shapes were prototyped, and experiments were conducted in which the mold rolls were shifted in phase and pitch. As a result, a mechanism was found that could prevent the mold rolls from being broken due to mold galling.
FIG. 1 shows an example of a sectional view of a separator manufactured by the manufacturing apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a schematic view showing an example of constructing a polymer electrolyte fuel cell stack using the separator manufactured according to the present invention. In FIG. 3, the separator is continuously formed by rotating a pair of molding die rolls 10 and 11, whose surfaces have been subjected to irregularities, while transferring the pattern of the irregularities on the surface to the plate material. An example of a rolling roll in a manufacturing apparatus for forming a product will be described. The upper and lower molding die rolls 10 and 11 are driven synchronously, and a groove having a thickness of about the plate thickness is cut in the center of the vertical roll just before the mold rolls 10 and 11 to prevent meandering of the plate material. Provided
[0012]
FIG. 4 is an elevational view of the pressing roll according to the present invention, in which a concavo-convex pattern is formed at a position in front of and opposite to the
[0013]
FIG. 6 shows an example of a detection system that avoids galling of the
The positions of the concave portions 21 and the
[0014]
As shown in FIG. 9, the concave shape is not a spherical surface, but a concave portion 21 extending in the circumferential direction of the mold roll, and two types of concave portions 21 extending in the axial direction are positioned at opposite positions in the circumferential direction of the mold roll. May be provided at least one set. The concave portion 21 and the
[0015]
【Example】
An uneven pattern as shown in FIG. 10 was formed by machining on a pair of forming rolls having a diameter of 250 mm and a length of 400 mm. The cross-sectional shape is as shown in FIG. 1, and the uneven portion has a width of 200 mm and a length (arc length) of 150 mm. On the other hand, the convex portion of the pressing roll for molding has a convex shape with a radius of curvature of 0.5 mm, the bottom portion is a smooth surface with a width of 0.5 mm, and the groove depth is 0.5 mm. The shape of the
[0016]
【The invention's effect】
According to the above invention, it is possible to easily and reliably perform high-precision molding of a stainless steel separator for a polymer electrolyte fuel cell, which is extremely effective as a technique for realizing a low-cost polymer electrolyte fuel cell. Things.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an example of a cross-sectional view of a separator manufactured according to the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing an example of constructing a polymer electrolyte fuel cell stack using a separator manufactured according to the present invention.
FIG. 3 is a schematic view of an apparatus for manufacturing a separator using a mold roll.
FIG. 4 is an elevational view of a mold roll provided with an uneven surface in front of a separator processing surface.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a concavo-convex portion provided circumferentially forward of a separator processing surface.
FIG. 6 is a schematic diagram of a detection system that avoids galling of a mold roll.
FIG. 7 is a side view showing a positional relationship between a separator forming surface and an uneven portion.
FIG. 8 is an elevational view of a mold roll provided with an uneven surface in front of a separator processing surface.
FIG. 9 is an elevational view of a mold roll having an uneven surface in front of a separator processing surface.
FIG. 10 is a schematic view showing an example of another mold roll surface shape in the present invention.
[Explanation of symbols]
1: separator 2: seal plate 3: electrode (carbon fiber current collector)
4: solid polymer film 10: upper mold roll (upper roll)
11: Lower mold roll (lower roll)
12: Side guide 20: Separator molding processing surface 21: Concave portion 22: Convex portion 30: Load cell 31: Proximity sensor 32: Encoder 33: Control monitor 34: Drive motor 41: Workpiece material
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