JP2006114443A - セパレータの製造方法及びセパレータ製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スプリングバックの影響を抑えることができ、反りの少ないセパレータを製造することを可能とする。
【解決手段】 アクティブ領域となる部分に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成するための凹凸形状である凹部５４と凸部５５を交互に形成した下型５１に、セパレータ形成用の金属板を配置し、上型５２で型締めをした後、液体供給部５７から液体をキャビティー５３内に注入する。そして、キャビティー５３内に注入された液体による液圧（静圧）で金属板を下型５１の凹凸部５４，５５に押し付けることにより、アクティブ領域に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を形成する。静圧によって金属板を成形することで凹部５４及び凸部５５の角部を含む金属板全体を均一な加圧力で加圧できるので、反りが無く、しかもスプリングバックの発生しないセパレータ１５を製造することが可能となる。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、セパレータの製造方法及びセパレータ製造装置に関し、詳細には、プレス成形時に発生するセパレータの反りを抑制する技術に関する。

高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工してガス流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。

しかしながら、プレス加工により金属板の中央部分に凹凸形状のガス流路を形成すると、セパレータの表裏で局部的な伸び量（残留応力）の相違により、セパレータ全体に反りが発生する。

セパレータに反りが発生すると、高分子電解質膜との接触不良による接触抵抗の増大を招き発電性能の低下が起こる。また、各セパレータのマニホールド付近でのガスシール性の低下が生じる。

そこで、金属板にガス流路をプレス成形した後、プレスによる圧延方向と同一方向の引張力を加えることで、プレス後に生じた金属板の反りを是正する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、金属板に凹凸形状をなすガス流路をプレス成形した後に、その凹凸部の平坦部分に菱形の微小な圧痕を形成する、或いは、金型の上面及び下面にそれぞれ圧痕形成用の突起を形成しており、ガス流路を成形するときに同時に圧痕を形成することで反りの発生を防止するようにした技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００３−２４９２４１号公報（第２頁および第３頁、第５図および第図６） 特開２０００−１３８０６５号公報（第２頁および第３頁、第２図および第３図）

しかしながら、特許文献１および特許文献２のセパレータでは、何れもガス流路を構成する凹凸部の屈曲部分にスプリングバックが生じるため、狙い通りの凹凸形状を形成することができない。また、このスプリングバックによってセパレータに反り発生する。

そこで、本発明は、スプリングバックの影響を抑えることができ、反りの少ないセパレータを製造することのできるセパレータの製造方法及びセパレータ製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係るセパレータの製造方法は、下型と上型とからなる金型のキャビティー内に、セパレータ形成用の金属板を配置した後、該キャビティー内に静圧を加えて、該金属板の発電に寄与する領域に、少なくとも凹凸形状からなる燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を形成するようにする。

本発明によれば、キャビティー内に静圧を加えると、金属板全体に静圧による加工力が作用するため、凹凸部の屈曲部（角部）にも加工力が作用することからスプリングバックの影響を抑えることができ、反りのないセパレータを製造することができる。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口１３より排出される。

燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。

膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。

セパレータ１５は、図３及び図４に示すように、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の領域）に、凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。膜電極接合体１４のアノード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路１８を形成する。一方、膜電極接合体１４のカソード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路１９を形成する。そして、セパレータ１５，１５同士が接合された凸条部１７，１７で囲まれた空間部は、冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路２０を形成する。

また、セパレータ１５には、前記アクティブ領域を取り囲むようにして、当該凹条部１６と凸条部１７をプレス成形したときにしわが発生しないようにするためのしわ発生防止用のビード部２１が形成されている。ビード部２１は、アクティブ領域を取り囲むようにして、平面視矩形枠状をなす凹部として形成されている。

また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド（図示は省略する）が形成されている。さらに、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔２２が形成されている。

なお、セパレータ１５は、例えばステンレスに金をクラッドした金ナノクラッド材からなり、発電効率をより一層高めるためにその厚みを約０．１ｍｍ程度とした薄板の金属板からなる。また、凹条部１６と凸条部１７は、例えば０．５ｍｍ程度の小さな凹凸とされている。

次に、上記したセパレータ１５を形成するためのセパレータ製造装置について説明する。図５は第１の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図、図６は第１の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。

セパレータ製造装置３０は、下型３１と、上型３２とを有し、これら下型３１と上型３２を型締めし加圧することでセパレータを形成する。下型３１には、セパレータ１５のアクティブ領域に凹条部１６及び凸条部１７を形成するための凹凸形状としたキャビティー３３が形成されている。ここでは、凹条部１６を形成するための凹部３４と凸条部１７を形成するための凸部３５とを交互に形成したキャビティー３３としている。また、この下型３１には、ビード部２１の逃げとなる環状凹部３６が形成されている。

上型３２は、静圧加圧手段である弾性部材としてのウレタンゴム３７と、このウレタンゴム３７の圧縮方向と交差する方向の該ウレタンゴム３７の飛び出しを防止するストッパー部材３８と、これらの背後に固定されるバックアッププレート３９とからなる。

ウレタンゴム３７は、成形後にセパレータ１５となる金属板を加圧する加圧面３７ａを平坦面とした充分に弾性を有した厚みのあるゴムブロックからなる。このウレタンゴム３７は、バックアッププレート３９に対して図示を省略する締結手段によって着脱自在に固定されている。かかるウレタンゴム３７は、例えばアクティブ領域と対応する位置に設けられる。なお、ウレタンゴム３７の加圧面３７ａを平坦面としているが、アクティブ領域に形成する凹凸形状は僅か０．５ｍｍ程度なので平坦面で充分に凹凸形状を成形することができる。

ストッパー部材３８は、アクティブ領域を除く金属板の外周縁部に設けられている。このストッパー部材３８は、金属板の外周縁部を下型３１に押さえ付けると同時に、ウレタンゴム３７を外へ逃がさないように抱え込むようになっている。そして、このストッパー部材３８の金属板を押さえ込む面３８ａには、ビード部２１の形状に応じた環状突起部４０が形成されている。かかるストッパー部材３８は、バックアッププレート３９に形成された凹部４１内に配置されたコイルバネ４２によって下型３１側へ付勢されるようになっている。

次に、上記構成のセパレータ製造装置３０を使用してセパレータ１５を成形する方法について説明する。

先ず、金型を開いた図５の状態で下型３１の上にセパレータ形成用の金属板を配置する。金属板は、前工程の孔開け工程で、マニホールド、スタッキング孔２２及びビード部２１を形成したものを使用する。

次に、下型３１に対して上型３２を下降させる。すると、金属板は、ウレタンゴム３７によって下型３１に形成されたキャビティー３３に押し付けられる。そして、この上型３２の下降に伴ってストッパー部材３８が金属板の外周縁部を押さえ、当該金属板の押さえと同時に、ウレタンゴム３７を外へ逃がさないように抱え込む。この上型３２の下降に伴って、前記ウレタンゴム３７は、金属板全体に対して静圧を与える。

前記ウレタンゴム３７による静圧が金属板全体に対して掛かるため、当該金属板のアクティブ領域は、下型３１に形成されたキャビティー３３に押し付けられる。また、静圧が金属板のアクティブ領域に掛かることから、キャビティー３３の凹部３４と凸部３５の角部（Ｒ部）にも均等に加圧力（成形力）が掛かる。

そして、上型３２を下型３１に対して所定の加圧力で押さえ込んで金属板を成形し終えたら、上型３２を上昇させて下型３１から成形されたセパレータ１５を取り出す。かかる成形により、アクティブ領域には、凹凸形状からなる燃料ガス流路１８又は酸化剤ガス流路１９からなる流通路が形成される。

このように形成されたセパレータ１５は、全ての加工部分に対して均等な加圧力が加わることから反りの発生も無く、しかもスプリングバックによる形状変化も生じない。したがって、狙った通りの形状に流通路を形成することができる。本実施の形態で得られたセパレータ１５を使用すれば、膜電極接合体１４との接触不良を回避でき接触抵抗の増大による発電性能の低下を防止することができる。また、マニホールド付近でのガスシール性も向上できる。

図７は、従来の金型でアクティブ領域に凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した流通路を形成したセパレータの斜視図を示す。従来の金型で金属板のアクティブ領域に流通路を形成すると、同図中矢印Ｂで示す方向に反りが発生する。

また、図８に示すように、凹条部１６と凸条部１７のそれぞれの角部であるＡ部、Ｂ部の曲げＲがスプリングバックを起こし、狙った角度よりも大きくその角度が戻る。底部側のＢ部よりも凸部側のＡ部の方がスプリングバックが大きい。このスプリングバックが全ての凹条部１６及び凸条部１７で起こるため、結果的にセパレータ１５のアクティブ領域はカールする。なお、図８中、実際のワーク形状を実線で示し、得たいワーク形状を一点鎖線で示している。

スプリングバックを矯正する方法としては、図９（Ａ）のような尖った凸形状としたワーク４３のＣ部の角度がスプリングバックを起こしている場合は、同図（Ｂ）のように得たい角度よりも小さい角度を付けた下型４４と上型４５で、同図（Ｃ）に示すようにＣ部に歪みを加える。これにより、スプリングバックを矯正することができる。

しかしながら、本実施の形態のようなコ字状をなす凹条部１６及び凸条部１７を従来の下型４６と上型４７で形成した場合、ワーク４８のスプリングバックを起こしている部分は、図１０に示すように板厚が薄くなっているため、ワーク４８が金型に接触しないことから矯正加工をすることができない。

しかしながら、本実施の形態の製造装置を使用してセパレータ１５を成形すれば、金属板をキャビティー３３の全ての部位に対して均一な加圧力で加圧させることができることから、凹条部１６及び凸条部１７の角部にも加圧力を加えることができ、スプリングバックの発生を抑制することができる。したがって、本実施の形態によれば、スプリングバックを矯正する必要が無く、一度の成形でアクティブ領域に流通路を形成することができる。

また、本実施の形態によれば、静圧加圧手段として弾性部材であるウレタンゴム３７を使用したので、その弾性によって静圧を金属板に均一に与えることができる。また、ウレタンゴム３７を使用することで、装置コストを下げることが可能となる。

「第２の実施の形態」
図１１は第２の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図、図１２は第２の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。

第２の実施の形態のセパレータ製造装置５０は、下型５１と、上型５２と、これら下型５１と上型５２を型締めしたときに形成されるキャビティー５３内に液体を供給し、その液体の圧力でセパレータを成形する静圧加圧手段とからなる。

下型５１には、セパレータ１５のアクティブ領域に凹条部１６及び凸条部１７を形成するための凹部５４と凸部５５とが交互に形成されている。また、この下型５１には、前記凹条部１６及び凸条部１７と同時にビード部２１を形成するためのビード部形成用環状凹部５６が形成されている。

上型５２には、セパレータ１５に形成すべきアクティブ領域と対向する位置に矩形状の凹部として形成される空間部がキャビティー５３として形成されている。このキャビティー５３には、当該キャビティー内に液体を供給するための液体供給部５７が接続されている。液体供給部５７は、上型５２に対して液体供給用ホース５８で接続され、その液体供給用ホース５８を介して上型５２に形成されたキャビティー５３と連通する供給流路５９を通り、当該キャビティー５３内に液体を供給するようになっている。また、この液体供給部５７は、供給した液体がキャビティー５３内で成形に適した所定圧力となるように保持する機能を有する。

また、成形後にセパレータ１５となる金属板を加圧する上型５２の加圧面５２ａには、ビード部２１を形成するための環状凸部６０が形成されている。また、この加圧面５２ａには、金属板を取り囲むようにして下型５１と上型５２との間をシールするシール部材６１が形成されている。

次に、上記構成のセパレータ製造装置５０を使用してセパレータ１５を成形する方法について説明する。

先ず、金型を開いた図１１の状態で下型５１の上にセパレータ形成用の金属板を配置する。金属板は、前工程の孔開け工程で、マニホールド及びスタッキング孔２２を形成したものを使用する。

次に、下型５１に対して上型５２を下降させる。すると、金属板は、下型５１と上型５２の間に挟まれる。そして、上型５２によって型締めされると、シール部材６１が下型５１と密着し、金属板の外周囲がシールされる。

そして、液体供給部５７から液体供給用ホース５８を介して液体をキャビティー５３内に供給（注入）すると共に、キャビティー５３内の圧力を所定圧力となるように保持する。すると、キャビティー５３内は、所定圧力とされた液体によって静圧となる。かかる静圧は、金属板全体に対して均一の加圧力として作用し、当該金属板を下型５１に形成した凹条部１６及び凸条部１７に押し付ける。このとき、凹条部１６及び凸条部１７の角部（Ｒ部）にも均等に加圧力が掛かる。

そして、所定時間、液体による加圧力を金属板に加えたら、上型５２を上昇させて下型５１から形成されたセパレータ１５を取り出す。かかる液圧成形（ハイドロフォーム成形）により、アクティブ領域には、凹凸形状からなる燃料ガス流路１８又は酸化剤ガス流路１９からなる流通路が形成される。

このように形成されたセパレータ１５は、角部を含む全ての加工部分に対して均等な加圧力が加わることから反りの発生も無く、しかもスプリングバックによる形状変化も生じない。したがって、本実施の形態によれば、狙った通りの形状に流通路を形成することができる。そして、本実施の形態で得られたセパレータ１５を使用すれば、膜電極接合体１４との接触不良を回避でき、接触抵抗の増大による発電性能の低下を防止することができる。また、このセパレータ１５を使用することで、マニホールド付近のガスシール性も向上できる。

「第３の実施の形態」
図１３は第３の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図、図１４は第３の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。

第３の実施の形態のセパレータ製造装置６０は、第２の実施の形態のセパレータ製造装置５０のキャビティー５３内に、弾性を有した液圧注入袋６２を設け、その液圧注入袋６２に液体供給部５７から液体を注入して膨らませ、その膨らんだ液圧注入袋６２を金属板に押し付けることでセパレータ１５を成形する液圧成形装置である。

この液圧注入袋６２に液圧を注入すれば、キャビティー５３内で液圧注入袋６２が膨らみ、その膨らんだ液圧注入袋６２による膨張力が静圧として金属板を下型３１の凹部５４及び凸部５５に押し付ける。金属板には、凹部５４及び凸部５５の角部を含む全ての加工部分に対して均等な加圧力が加わることから反りの発生も無く、しかもスプリングバックによる形状変化も生じない。したがって、本実施の形態によれば、第２の実施の形態と同様、狙った通りの形状に流通路を形成することができる。

また、本実施の形態では、液圧注入袋６２を使用しているので、液体の漏れの心配が無く、装置自体の取り扱い性が向上する。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態の形態に制限されない。

上述の実施の形態では、セパレータ１５の形状を図２から図４に示すような形状としたが、その形状は一例であり、これらの形状に制限されることはない。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。 セパレータの平面図である。 図３に示すセパレータのＡ−Ａ線位置における要部拡大断面図である。 第１の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図である。 第１の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。 従来の金型でアクティブ領域に凹凸形状の流通路を形成したセパレータの斜視図を示す。 従来の金型で成形したときにスプリングバックが生じることを説明するための要部拡大断面図である。 スプリングバックの矯正方法の一例を示す工程図である。 板厚が薄くなったことによりスプリングバックを矯正加工することができない様子を示す要部拡大断面図である。 第２の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図である。 第２の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。 第３の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を開いた状態を示す要部拡大断面図である。 第３の実施の形態のセパレータ製造装置を示し、金型を閉じた状態を示す要部拡大断面図である。

符号の説明

１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…凹条部
１７…凸条部
１８…燃料ガス流路
１９…酸化剤ガス流路
２０…冷媒流路
２１…ビード部
３０…第１の実施の形態のセパレータ製造装置
３１，５１…下型
３２，５２…上型
３７…ウレタンゴム（弾性部材、静圧加圧手段）
３８…ストッパー部材
５０…第２の実施の形態のセパレータ製造装置
５３…キャビティー
５８…液体供給部（静圧加圧手段）
６０…第３の実施の形態のセパレータ製造装置
６１…シール部材
６２…液圧注入袋（静圧加圧手段）

Claims (8)

1. 燃料電池単セルを構成するセパレータの製造方法において、
   下型と上型とからなる金型のキャビティー内に、セパレータ形成用の金属板を配置した後、前記キャビティー内に静圧を加えて、該金属板の発電に寄与する領域に、少なくとも凹凸形状からなる燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を形成する
   ことを特徴とするセパレータの製造方法。
2. 請求項１に記載のセパレータの製造方法であって、
   前記発電に寄与する領域を取り囲むようにして、しわ発生防止用のビード部を、前記燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路の形成と同時に金属板に形成する
   ことを特徴とするセパレータの製造方法。
3. 燃料電池単セルを構成するセパレータを成形するためのセパレータ製造装置において、
   下型と上型とからなる金型を有し、その金型のキャビティー内にセパレータ形成用の金属板を配置させ、上型に設けた静圧加圧手段で、該金属板の発電に寄与する領域に、少なくとも燃料ガス流路又は酸化剤ガス流路を形成する
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。
4. 請求項３に記載のセパレータ製造装置であって、
   前記静圧加圧手段は、前記上型に固定された弾性部材からなる
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。
5. 請求項４に記載のセパレータ製造装置であって、
   前記弾性部材は、ウレタンゴムからなる
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。
6. 請求項３に記載のセパレータ製造装置であって、
   前記静圧加圧手段は、前記キャビティー内に供給される液体と、該液体をキャビティーに供給すると共にその液体による圧力を所定圧力に保持する液体供給部とからなる
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。
7. 請求項６に記載のセパレータ製造装置であって、
   前記キャビティー内に、前記液体が注入されて膨らむ弾性を有した袋を設けた
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。
8. 請求項５に記載されるセパレータ製造装置であって、
   少なくとも前記金属板の外周部の一部を下型に押さえ付けると共に、前記ウレタンゴムの圧縮方向と交差する方向の当該ウレタンゴムの飛び出しを防止する部材を、前記上型に設けた
   ことを特徴とするセパレータ製造装置。

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