JP2006228533A - Molding method of separator for fuel cell and separator shape correcting device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池用セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置に関し、詳細には、金属板をプレス加工して流路を形成した時に発生したセパレータの反りを矯正するための技術に関する。 The present invention relates to a method for forming a separator for a fuel cell and a separator shape correcting device, and more particularly to a technique for correcting a warp of a separator that occurs when a metal plate is pressed to form a flow path.
例えば、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凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。セパレータは、この薄板金属セパレータを2枚重ね合わせることで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成する。 For example, in a fuel cell in which hydrogen and oxygen are supplied to both sides of a polymer electrolyte membrane to generate electromotive force, a metal thin plate is pressed to form an uneven shape in order to further increase the electromotive force per unit volume. A so-called thin metal separator that forms a flow path has been developed. The separator forms a fuel gas flow path, an oxidant gas flow path, and a refrigerant flow path through which the fuel gas, the oxidant gas, and the refrigerant circulate, respectively, by stacking the two sheet metal separators.
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)の相違が生じ又はスプリングバックの発生によって、凹凸部の成形高さにバラツキが生じたり、セパレータ全体に反りが生じる。 However, when the uneven channel is formed in the central part of the metal plate by press processing, the uneven height of the uneven part is caused by the difference in local elongation (residual stress) between the front and back of the separator or the occurrence of springback. Variation or warpage of the entire separator.
このような凹凸部の成形高さのバラツキやセパレータ全体に反りが発生すると、セパレータ同士の接触部やセパレータと膜電極接合体(MEA:membrane electrode assembly)との間に隙間が生じ、接触抵抗の増大により導電性が悪化し、発電性能の低下が起こる。 When such unevenness in the unevenness of the uneven part or warpage occurs in the separator as a whole, gaps are generated between the contact parts of the separators or between the separator and the membrane electrode assembly (MEA), and the contact resistance is reduced. The increase in conductivity deteriorates the power generation performance.
そこで、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、その凹凸部のガス流路の周辺に形成される平坦部に、前記凹凸部の長手方向と直交する方向に長尺状又は短冊状の凹部又は凸部を形成することで当該セパレータの反りを防止する技術が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
しかしながら、特許文献1に記載の技術では、反りを防止するための凹部及び凸部がガス流路を取り囲む周辺部に存在するため、当該ガス流路の周囲に設けられるシール部材がこれら凹部又は凸部によって密着しないことが考えられる。
However, in the technique described in
そこで、本発明は、セパレータの反りを防止すると共に、流路周囲に凹凸が無くシール性の高いセパレータを有した燃料電池用セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for forming a separator for a fuel cell and a separator shape correcting device having a separator with no irregularities around the flow path and having a high sealing property, while preventing the separator from warping.
本発明に係る燃料電池用セパレータの成形方法は、金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる各流路を形成した2枚のセパレータを重ね合わせるセパレータ重ね合わせ工程と、前記重ね合わされた2枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧して、少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させる加圧工程とを備える。 The method for forming a separator for a fuel cell according to the present invention includes a separator stacking step of stacking two separators each having a concavo-convex shape formed in a region contributing to power generation by pressing a metal plate, A pressurizing step of pressurizing the two stacked separators from the stacking direction and plastically deforming at least a part of the separators to bring them into close contact with each other.
また、本発明に係るセパレータ形状矯正装置は、凹凸形状からなる各流路を形成した2枚の金属板よりなるセパレータを重ね合わせ方向から加圧して少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させるセパレータ形状矯正装置であって、一方のセパレータを加圧する成形ダイを有した上型と、他方のセパレータを加圧する成形ダイを有した下型とを備えたことを特徴とする。 Further, the separator shape correcting device according to the present invention is a separator that presses a separator made of two metal plates each having a flow path having a concavo-convex shape from the overlapping direction, and plastically deforms at least a part of the separator so as to adhere to the separator. A shape correction apparatus, comprising: an upper mold having a molding die for pressing one separator; and a lower mold having a molding die for pressing the other separator.
本発明の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、プレス加工時に発生した凹凸形状の高さのバラツキ及び反りのある2枚のセパレータを重ね合わせ、その重ね合わせたセパレータを重ね合わせ方向から加圧して少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させているので、それらセパレータ同士の重ね合わせ部に隙間が無くなり、それらの間の接触抵抗が低減し導電性を高めることができる。また、本発明方法によれば、重ね合わされた2枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧することで、その加圧力によってセパレータの一部分が塑性変形を起こすことで反りが緩和される。 According to the method for molding a separator for a fuel cell of the present invention, two separators having unevenness in height and warpage generated during pressing are overlapped, and the overlapped separator is pressed from the overlapping direction. Since at least a part of the separator is plastically deformed and brought into close contact, there is no gap in the overlapping portion between the separators, and the contact resistance between them can be reduced and the conductivity can be increased. Further, according to the method of the present invention, by pressing the two stacked separators in the overlapping direction, a part of the separator is plastically deformed by the applied pressure, thereby reducing the warpage.
また、本発明のセパレータ形状矯正装置によれば、セパレータを加圧する成形ダイを有した上型及び下型にて、プレス加工時に発生した凹凸形状の高さのバラツキ及び反りのある2枚のセパレータを重ね合わせてこれらを重ね合わせ方向から加圧するように構成されているので、セパレータの一部分が塑性変形を起こしてセパレータ同士が隙間無く密着し、それらの間の接触抵抗が低減して導電性を高めることができる。 In addition, according to the separator shape correcting device of the present invention, the upper and lower molds having a molding die for pressing the separator, the two separators having unevenness in height and warpage of the uneven shape generated during press processing. Since a part of the separator is plastically deformed and the separators are in close contact with each other without any gap, the contact resistance between them is reduced and the conductivity is reduced. Can be increased.
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。 Hereinafter, specific embodiments to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
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は燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。 First, the overall configuration of the fuel cell stack will be briefly described. FIG. 1 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell stack, and FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a part of the laminated structure of the fuel cell stack.
「燃料電池スタックの構成」
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。
"Configuration of fuel cell stack"
As shown in FIG. 1, the
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。
In this
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を流れ、冷却水排出口13より排出される。
The fuel gas is introduced from the fuel gas introduction port 8, flows through the fuel gas supply channel formed in the separator, and is discharged from the fuel gas discharge port 9. The oxidant gas is introduced from the oxidant
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。
As shown in FIG. 2, the fuel cell
膜電極接合体14は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である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。
The
セパレータ15は、例えば厚みの薄いステンレスなどの金属板からなり、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、プレス加工によって凹条部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。本実施の形態では、発電性能のより一層の向上を図るために、厚み0.1mm程度の薄板金属セパレータを使用する。
The
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。
The
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(図示は省略する)が形成されている。
The
このように構成された膜電極接合体14とセパレータ15とからなる燃料電池単セル2は、一対のセパレータ15、15で膜電極接合体14を挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体14の平坦面とされた外周縁部に設けられた第1シール部材23を介して上下のセパレータ15、15同士を結合一体化してある。そして、この燃料電池単セル2は、外周縁部に第2シール部材24を介在させることにより複数層積層されて燃料電池スタック1を構成する。
The fuel cell
「セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置の説明」
次に、セパレータ15の成形方法について説明する。金属板をプレス加工(プレス成形)して発電に寄与するアクティブ領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路18、酸化剤ガス流路19及び冷媒流路20を形成すると、図3に示すように、セパレータ15、15同士の重なり部分(図3(B)のA部分)やセパレータ15と膜電極接合体14との接触部分(図3(C)のB部分)は、面同士が接触する面接触ではなく点接触となる場合がある。または、凹条部16及び凸条部17の高さにバラツキが生じ、図4に示すように、セパレータ15、15同士の重なり部分に隙間が生じたり、セパレータ15と膜電極接合体14との間にも隙間が生じる可能性がある。
"Description of separator molding method and separator shape correction device"
Next, a method for forming the
これを防止するために、本発明では、図5に示すセパレータ形状矯正装置を用いてセパレータ15の反りや凹条部16及び凸条部17の高さのバラツキを無くす。セパレータ形状矯正装置は、プレス加工機のボルスターベット30にセットされる下型31と、ラムスライド32にセットされる上型33とからなり、これら下型31と上型33の間に重ね合わせた2枚のセパレータ15、15を、これら下型31と上型33とで加圧してセパレータ15の一部分を塑性加工させることにより当該セパレータ15、15同士を密着させる。
In order to prevent this, in the present invention, the separator shape correcting device shown in FIG. 5 is used to eliminate the warp of the
下型31は、ボルスターベット30の上に固定される下型ダイセット34と、この下型ダイセット34の上に固定される下型ダイホルダー35と、この下型ホルダー35に設けられる下型ダイ36からなる。
The
上型33は、ラムスライド32に固定される上型ダイセット37と、この上型ダイセット37に固定される上型ダイホルダー38と、この上型ダイホルダー38に設けられる上型ダイ39からなる。
The upper die 33 includes an
なお、下型ダイ36及び上型ダイ39は、ダイの型寸法精度を高めるために分割(3分割)してある。一つのダイとした場合は、加工寸法精度を高精度に出すことが難しくなる。そのため、ダイを分割することで、一つ当たりのダイの加工寸法精度を高精度なものとしている。
Note that the
このセパレータ形状矯正装置を使用して2枚のセパレータ15、15の反りを無くすには、図6に示すように、2枚のセパレータ15、15を重ね合わせる。すなわち、凹条部16、16同士をそれぞれ接触させるようにして、2枚のセパレータ15、15を重ねる。
In order to eliminate the warpage of the two
そして、重ね合わせた2枚のセパレータ15、15を、セパレータ形状矯正装置の下型31の上にセットし、上型33を下降させて図7に示すようにこれらセパレータ15、15をその重ね合わせ方向から加圧する。本実施の形態では、下型ダイ36及び上型ダイ39の加圧面36a、39aを、何れも平坦面としている。
Then, the two separated
このセパレータ形状矯正装置でセパレータ15、15に加圧力を加えると、凹条部16及び凸条部17を連結する傾斜部15aが微小に塑性変形し、前記凹条部16、16同士が隙間無く密着すると共に、凸条部17と膜電極接合体14との接触部が隙間無く密着する。このセパレータ形状矯正装置でセパレータ15、15を加圧する加圧力は、セパレータ15全体を塑性変形させるのではなくセパレータ15の一部分のみを微小に塑性変形させる程度の加圧力とする。
When a pressure is applied to the
所定の加圧力を加え終えたら上型33を下型31より上昇させてセパレータ15、15を型から取り出す。加圧されたセパレータ15は、お互いに重ね合わされた状態でその重ね合わせ方向から微小に塑性変形する程度に加圧されるため、加圧する前の状態に戻ることはなく、互いの凹条部16、16同士が隙間無く密着すると共に、燃料電池単セル2の積層時に膜電極接合体14とセパレータ15とがやはり隙間無く密着する。したがって、セパレータ15、15同士の接触部分とセパレータ15と膜電極接合体14との接触部分が面接触し、これらの間の接触抵抗が低減し導電性が大幅に向上する。
When the predetermined pressurizing force has been applied, the
本実施の形態の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、プレス加工によって反りが発生したセパレータ15、15同士の接触部分及びセパレータ15と膜電極接合体14との接触部分を面接触にて密着させることができ、それらの間の導電性を高めて燃料電池の発電性能を大幅に向上させることができる。
According to the method for molding a fuel cell separator of the present embodiment, the contact portions between the
また、本実施の形態の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、各流路が形成されるアクティブ領域の外周囲に反り防止用の突起を形成する必要が無いので、シール部材をセパレータ15に隙間無く密着させることができ、膜電極接合体14とセパレータ15間のシール性を高めることができる。
Further, according to the method for molding a separator for a fuel cell of the present embodiment, it is not necessary to form a warp preventing projection on the outer periphery of the active region where each flow path is formed. Adhesion can be achieved without a gap, and the sealing performance between the
また、本実施の形態のセパレータ形状矯正装置によれば、下型31と上型33で2枚のセパレータ15、15を重ね合わせ方向から加圧する単純な装置であるから低コストでセパレータ15の反りを無くすことができる。
Further, according to the separator shape correction device of the present embodiment, since the
[その他の実施の形態]
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に制限されることなく種々の変更が可能である。
[Other embodiments]
Although specific embodiments to which the present invention is applied have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
上記した実施の形態では、下型ダイ36及び上型ダイ39の加圧面36a、39aを平坦面としたが、セパレータ15の凹凸形状に合わせて凹凸部を有した成形ダイを使用してもよい。
In the above-described embodiment, the
例えば、図8及び図9に示すように、セパレータ15に形成された凹条部16に嵌合する凸部40と、凸条部17を嵌合させる凹部41とを下型ダイ36及び上型ダイ39の加圧面36a、39aにそれぞれ形成する。前記凸部40は、図8に示すように凹条部16の途中まで入り込む程度の突起であってもよく、或いは図9に示すように凹条部16の全体に入り込む程度の突起であってもよい。
For example, as shown in FIG. 8 and FIG. 9, a
このように、セパレータ15にプレス加工して形成された凹条部16及び凸条部17の形状に合った凸部40及び凹部41を加圧面36a、39aに形成した下型31及び上型33で、重ね合わせた2枚のセパレータ15、15を重ね合わせ方向から加圧すれば、凸部40及び凹部41が位置決めガイドとして機能し、加圧時におけるセパレータ15の位置決めを正確に行うことができると共に、加圧時にこれら凹条部16及び凸条部17の形状の崩れを防止してセパレータ15の形状矯正が図れる。特に、図9では、凸部40が凹条部16にすっぽり嵌り込むと共にその凸部40の先端がセパレータ15、15の接触部に当接する形状であるため、該セパレータ15、15の接触部を塑性変形させて隙間無く完全に密着させることができる。これにより、図9の下型31及び上型33を使用すれば、これらセパレータ15、15間の導電性をより一層向上させることができる。
In this way, the
この他、図10に示すように、2枚のセパレータ15、15の重ね合わされる部分であるセパレータ接触部分に、互いに噛み合うかしめ部を形成するためのかしめ形成部42を、下型ダイ36と上型ダイ39に形成してもよい。かしめ形成部42は、上型ダイ39の凸部40の先端に形成される突起部42aと、この突起部42aの受けとなる下型ダイ36の凸部40の先端に形成される凹状部42bとからなる。
In addition, as shown in FIG. 10, a
前記かしめ形成部42を形成したセパレータ形状矯正装置で重ね合わせたセパレータ15、15を加圧すれば、これらセパレータ15、15同士の接触部分がお互いに噛み合ってかしめ部が形成され、該セパレータ15、15間の接触面積の増大によりそれらの間の導電性がより一層向上する。また、セパレータ15、15の接触部分がかしめられることによって、燃料電池単セル2のスタッキング荷重負荷時において変形による接触位置ずれを無くすことができる。
If the
図10では、セパレータ15、15の接触部には、一つのかしめ部を形成したが、図11に示すように、複数のかしめ部をセパレータ15、15の接触部に形成するようにしてもよい。このようにすれば、図10のセパレータ形状矯正装置で加圧した場合よりもセパレータ15、15間の接触面積をより一層増大させることができ、さらなる導電性の向上を図ることができる。
In FIG. 10, a single caulking portion is formed at the contact portion of the
なお、図12に示すように、プレス加工後のセパレータ15の凹条部16の表面にササクレ形状の突条部43を引っ掻き又は機械加工によって形成するようにしてもよい。このとき、一方のセパレータ15の突条部43と他方のセパレータ15の底部43aが向き合うように、互いに突条部43、43同士の位置が等間隔にずれるように形成しておく。その後、そのセパレータ15、15同士を重ね合わせて図5に示すセパレータ形状矯正装置で加圧することで、一方と他方のセパレータ15、15の突条部43、43同士が押し潰されて接合されるようにしてもよい。こうすることで、セパレータ15、15の接触部に形成された突条部43、43同士が潰されて絡み合い、それらの間の接触面積が増え、導電性の向上を図ることができる。
In addition, as shown in FIG. 12, you may make it form the
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(凹凸形状)
17…凸条部(凹凸形状)
18…燃料ガス流路(流路)
19…酸化剤ガス流路(流路)
20…冷媒流路(流路)
31…下型
33…上型
36…下型ダイ
39…上型ダイ
40…凸部(凹凸部)
41…凹部(凹凸部)
42…かしめ形成部
DESCRIPTION OF
17 ... ridge (uneven shape)
18 ... Fuel gas flow path (flow path)
19 ... Oxidant gas channel (channel)
20: Refrigerant flow path (flow path)
31 ... Lower die 33 ... Upper die 36 ... Lower die 39 ... Upper die 40 ... Convex part (concave part)
41 ... concave portion (concave / convex portion)
42 ... caulking formation part
Claims (7)
前記重ね合わされた2枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧して、少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させる加圧工程とを備えた
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。 A separator stacking step of stacking two separators each formed with a flow path having a concavo-convex shape in a region contributing to power generation by pressing a metal plate;
A method of forming a separator for a fuel cell, comprising: a pressurizing step of pressurizing the two stacked separators from the stacking direction and plastically deforming at least a part of the separators to bring them into close contact with each other.
前記セパレータの凹凸形状に合わせて凹凸部を有した成形ダイで当該セパレータの形状を矯正しながら加圧する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。 A method for forming a fuel cell separator according to claim 1,
A method for forming a separator for a fuel cell, comprising applying pressure while correcting the shape of the separator with a forming die having an uneven portion according to the uneven shape of the separator.
前記2枚のセパレータの重ね合わされる部分に、互いに噛み合うかしめ部を形成する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。 A method for molding a fuel cell separator according to claim 1 or 2,
A method for forming a separator for a fuel cell, wherein a caulking portion that meshes with each other is formed in a portion where the two separators are overlapped.
一方のセパレータを加圧する成形ダイを有した上型と、他方のセパレータを加圧する成形ダイを有した下型とを備えた
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。 A separator shape correcting device that presses a separator made of two metal plates each having a concavo-convex shape and presses it in the overlapping direction to plastically deform at least a part of the separator, thereby closely contacting the separator.
A separator shape correction device comprising: an upper die having a molding die for pressing one separator; and a lower die having a molding die for pressing the other separator.
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面を平坦面とした
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。 The separator shape correction device according to claim 4,
A separator shape correction device, wherein the pressing surfaces of the upper die and the lower die are flat surfaces.
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面に、前記セパレータの凹凸形状に合わせて嵌合する凹凸部を形成した
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。 The separator shape correction device according to claim 4,
The separator shape correction device, wherein the pressing surface of the upper die and the lower die is formed with an uneven portion that fits in accordance with the uneven shape of the separator.
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面に、前記2枚のセパレータの重ね合わされる部分にセパレータ同士を互いに噛み合わせるかしめ形成部を形成してある
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。 The separator shape correction device according to claim 4,
A separator shape correcting device, wherein a press forming surface of the upper die and the lower die is formed with a caulking forming portion where the separators are engaged with each other at a portion where the two separators are overlapped.
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