JP2006506788A - 燃料電池用のセパレータプレートを形成する方法およびセパレータプレート - Google Patents
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Abstract
本発明は、燃料電池用の、多くの突出部を有するセパレータプレートを形成する方法に関する。本発明により、セパレータプレート中の突出部は、複数の窪み部分を有するダイの上に金属板を、加圧流体を使用してプレスするか、または加圧流体により支持されている金属板上にダイをプレスすることにより形成され、突出部を有するセパレータプレートを得るために、ダイ中の窪み部分が、金属板中に形成すべき突出部に対応している。本発明は、本方法を使用して製造されたセパレータプレートにも関する。
Description
本発明は、燃料電池用の、多数の突出部を有するセパレータプレートを形成する方法に関する。本発明は、セパレータプレートにも関する。
セパレータプレートは、燃料電池に使用される。燃料電池の一例はＰＥＭ燃料電池であり、これは、水素および酸素の反応を利用して電気を発生させ、唯一の廃棄生成物は形成される水である。従って、ＰＥＭ燃料電池は環境にとって非常に好ましい。ＰＥＭ燃料電池は、複数のメンブラン（重合体電解質メンブラン）を含んでなり、メンブランはその両側に、水素が酸素と反応できるように触媒を備えている。それぞれの電池が発生できる電圧は約０．７ボルトに過ぎないので、例えば自動車を駆動するには、多くの電池が必要になる。各メンブラン対の間には、とりわけ水素を酸素から分離したまま維持し、水素、酸素および水のための供給および排出通路を形成するために、少なくとも一個のセパレータプレートが存在しなければならない。従って、燃料電池は、少なくともメンブランと同じ位多くのセパレータプレートを含むことになる。
セパレータプレートには高度の要求がなされる。セパレータプレートは、反応生成物として形成される水による腐食に耐えられる必要があるが、水素に対する耐性も必要である。セパレータプレートは大量に必要とされることを考えると、燃料電池が過度に大きく、重くならないように、セパレータプレートは薄く、軽量でなければならず、燃料電池を経済的に魅力のあるものにするためには、セパレータプレートを低コストで製造できる必要もある。
当初、セパレータプレートは固体炭素板から形成され、その中に例えば機械加工によりスロットが形成されていた。現在、燃料電池用のセパレータプレートは、金属、例えばステンレス鋼、からも製造され、その中に、例えば深絞りまたはプレス加工により、溝をプレスし、突出部を形成する。
本発明の目的の一つは、セパレータプレートを低コストで製造する方法を提供することである。
本発明の別の目的は、セパレータプレートを簡単に製造できる方法を提供することである。
本発明のさらに別の目的は、改良されたセパレータプレートの製造に使用できる方法を提供することである。
本発明のもう一つの目的は、公知の技術を使用して製造されるセパレータプレートより安価なセパレータプレートを提供することである。
改良されたセパレータプレートを提供することも本発明の目的である。
本発明の第一の態様は、燃料電池用の、多数の突出部を有するセパレータプレートを形成する方法であって、セパレータプレート中の突出部が、多数の窪み部分を有するダイの上に金属板を、加圧流体を使用してプレスするか、または加圧流体により支持されている金属板上にダイをプレスすることにより形成され、突出部を有するセパレータプレートを得るために、ダイ中の窪み部分が、金属板中に形成すべき突出部に対応している、方法を提供する。
ハイドロフォーミングとも呼ばれるこの方法を使用してセパレータプレートを形成することにより、従来の深絞りまたはプレス加工に対して多くの優位性が得られる。ハイドロフォーミングは、金属板に比較的一様な材料伸長を与える結果、セパレータプレートの突出部が比較的大きな深さを有することができる。この場合、金属板を機械的に変形する必要はない。金属板の表面は流体との接触により損傷を受けないが、機械的変形を使用した場合には板が損傷を受ける危険性がある。選択される流体は通常は水、油または水／油の混合物である。しかし、重合体、ラッカー、電解質、ガラスまたは塩を流体として選択することもできる。これによって、流体を被覆として、または被覆操作に先立つ前処理として使用することもできる。
流体の圧力は、金属板がダイの表面上全体にわたってプレスされるように十分に高く選択するのが好ましい。これによって、セパレータプレートの形状を金属板に与えることができる。機械的変形は、常にある程度の跳ね返りを引き起こす。
流体の圧力には、校正圧を選択するのが好ましい。これに関して、校正圧の用語は、残留応力がほとんど消失し、その結果、セパレータプレートが、ダイ中にある窪みの形状を正確に獲得するような高い負荷に金属板がさらされる圧力を意味する。
好ましい実施態様では、流体の圧力は２５０〜６０００バール（２５〜６００ＭＰａ）に選択する。選択する圧力は、無論、金属板の厚さおよび金属板中の突出部の形状、特に突出部の幅に対する突出部の深さおよび形成すべき丸み、によって異なる。さらに、選択する圧力は、変形させるべき材料の種類によって異なり、５００〜１０００バール（５０〜１００ＭＰａ）で変形できる材料もあれば、少なくとも１０００バール（１０００ＭＰａ）、好ましくは少なくとも１５００バール（１５０ＭＰａ）、さらには少なくとも２０００バール（２００ＭＰａ）が望ましい材料もある。
本方法の一実施態様では、金属板を先ずダイに対して配置し、次いで加圧流体により金属板をダイ上にプレスする。これは、金属板をコイルとして供給でき、その結果、セパレータプレートを連続工程で製造できる、本方法の簡単な実施態様である。
本方法の別の実施態様では、金属板を先ず流体による予備圧下に置き、次いでダイを金属板上にプレスし、流体を加圧する。最初に金属板を予備圧下に置くことにより、金属板が先ず予備伸長を受け、その結果、板の長さがより大きくなり、その後で板がダイと接触し、その結果、セパレータプレート中により一様な伸長が得られ、より効果的にダイの形状に従うことができる。
有利な実施態様では、メンブランを金属板と流体の間に配置し、好ましくは、メンブランに被覆を施しておき、金属板を同時に被覆する。メンブランは、セパレータプレートの汚染を阻止する。被覆を同時に施すことは、セパレータプレート上に被覆が望ましい場合に有利である。被覆は、金属性、有機または無機被覆またはそれらの組合せからなることができる。
選択する金属板は、容易に変形し得る金属、例えば低炭素鋼、超低炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタン、から製造された板が好ましい。これらの金属は、容易に変形させることができ、セパレータプレート用の金属として使用できる。
この場合、金属は、好ましくは、板の引張試験に関するＡＳＴＭ Ｅ６標準により均質破断点伸びが少なくとも２０％に相当する変形性を有する。この変形性により、ハイドロフォーミングを使用してセパレータプレートの好ましい形状を得ること、例えば機械的変形により達成できる値より大きな、突出部の幅に対する深さを得ることができる。
本方法の好ましい実施態様では、プレス操作中、板は室温にある。つまり、本方法は、本方法を行っている間、金属板を加熱するための特別な手段を必要としない。
別の好ましい実施態様では、プレス操作中、板は高温、例えば炭素鋼では５００〜１０００℃、アルミニウムでは１００〜５５０℃、ステンレス鋼では６００〜１３００℃、にある。これは、本方法を行っている間、板、従って、ダイおよび流体も加熱しなければならないので、本発明の実行があまり簡単にならないが、加熱される結果、金属板はより変形し易くなり、従って、窪みの幅に対する窪みの厚さを増加することができる。最良の結果は、温度に関して記載した好ましい値を使用することにより、得られる。
変形前の金属板の厚さは、好ましくは０．０５〜０．４０ｍｍ、より好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍから選択する。金属板のこの厚さにより、効果的にハイドロフォーミングを行うことができ、セパレータプレートの突出部の深さを十分深くすることができる。セパレータプレートをより薄くし、より軽量にするには、０．０５〜０．２０ｍｍの厚さが好ましい。
本方法の好ましい実施態様では、突出部を金属板中にプレスすると同時に金属板を所望の形状および大きさに切断する。これは、セパレータプレートを所望の大きさに同時に切断できるので、金属板が細片材料として供給される場合に特に実用的である。
本発明の第二の態様は、本発明の第一の態様による方法で製造される、多数の突出部を有するセパレータプレートを提供するが、このセパレータプレートは、容易に変形し得る金属板、例えば低炭素鋼、超低炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンから製造された板、から形成される。
上記の方法を使用して製造されるセパレータプレートは、セパレータプレートを製造する元の金属板が容易に変形し得る場合に特に使用できるが、これは、その場合に、機械的変形方法を使用することにより可能である突出部よりも、突出部の幅に対してより大きな深さを達成できるためである。
金属は、好ましくは、板の引張試験に関するＡＳＴＭ Ｅ６標準により均質破断点伸びが少なくとも２０％に相当する変形性を有する。その結果、金属板は、ハイドロフォーミングにより突出部の幅に対して所望の深さを獲得するのに常に十分な変形性を有する。
好ましい実施態様では、セパレータプレートの厚さは、プレートの変形されていない部分で０．０５〜０．４０ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである。これらの厚さを有するセパレータプレートは、ハイドロフォーミングにより効果的に成形され、燃料電池におけるセパレータプレートの使用に課せられる必要条件を満たす。
プレートの移行部における丸み半径は、プレートの変形されていない部分の厚さと少なくとも等しいのが好ましい。この厚さより小さい丸み半径を選択すると、そのような丸み半径を有する角度にプレートを曲げるのに、はるかに高い流体圧力が必要になろう。
好ましい実施態様により、突出部は、ピッチｗおよび深さｄを有する反復パターンを有し、その際、プレートを室温で変形させる場合には０．０３＜ｄ／ｗ＜１．２、好ましくは０．１＜ｄ／ｗ＜０．５、より好ましくは０．２＜ｄ／ｗ＜０．５、プレートを高温で変形させる場合には０．０３＜ｄ／ｗ＜２．４、好ましくは０．２＜ｄ／ｗ＜１．０、より好ましくは０．４＜ｄ／ｗ＜１．０である。反復する突出部の深さおよびピッチ間のこの性質の比は、セパレータプレートがハイドロフォーミングにより製造される場合に特に可能であるのに対し、機械的変形方法を使用する場合には、特に好ましい値は容易に得られない。
本発明は、多くの突出部を有するセパレータプレートにも関連し、その際、突出部がセパレータプレートの実質的に平らな部分により取り囲まれており、突出部が、ピッチｗおよび深さｄを有する実質的な反復パターンを有し、０．２５＜ｄ／ｗ＜２．４である。取り囲んでいる部分は平らで、例えば水素、酸素および水を供給および排出することができる供給通路および排出通路から分離されていることができる。ピッチｗと深さｄの比は、従来の機械的製造方法を使用しては製造できないような比である。プレートの厚さは、この場合、プレートの変形されていない部分で、好ましくは０．０５〜０．４０ｍｍ、より好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである。
本発明を、添付の図面を参照しながら、代表的な実施態様により説明する。
図１は、金属板１をハイドロフォーミングによりセパレータプレートに変形する装置を示す。金属板１は、上部ダイ２（上部ダイ２は、底部表面３に窪み部分４を備えており、底部表面は、ダイ２を板１の上に力Ｆによりプレスする）と、底部ダイ５（底部ダイ５は、その中央部分に流体のための窪み７を有し、流体は、底部ダイ５の中を通って伸びるライン６を通して圧力Ｐの下で供給することができる）との間に配置される。上部ダイは、適切な分離シール（図には示していない）をこの目的に使用すれば、装置から外に流体が一切漏れないような力Ｆで板１上にプレスされる。同時に、Ｆは、窪み７中の流体の圧力Ｐにより発生する金属板１上の力に耐えるように、十分に大きい必要がある。圧力Ｐは、板１を変形させ、上部ダイ２中の窪み４の壁に接触させるように十分に大きく選択する。圧力Ｐのレベルは、板１の厚さおよび窪み４の形状によって、および選択する材料によっても異なる。この圧力は、圧力Ｐが除去された後、セパレータプレート中の変形部分の跳ね返りがほとんど、または全く無いような圧力であるのが好ましい。使用する流体は、通常、水、油または水／油混合物である。
図２は、金属板１をハイドロフォーミング加工してセパレータプレートを形成するための別の装置を示す。この装置は、上部ダイ２が固定ダイ９の間で移動できる以外は、図１に示す装置と大体等しい。固定ダイ９は、流体が装置から漏れ出ることができないような力Ｆ１で板１上に押し付けられ、この間、上部ダイ２は、板１上にまだ押し付けられていない。これによって板１は、底部ダイ５の窪み７中の流体により予備圧力下に置かれ、その結果、板１は予備伸長を受けて凸状位置を採り、板の長さが伸び、板がダイの形状に、より従い易くなる。次いで、上部ダイ２が下降し、最終圧力Ｐが作用する結果、板１は変形し、上部ダイ２の窪み４の壁と噛み合うようになる。板１の予備伸長により、金属板の伸長がより均一になる。
金属板にはステンレス鋼製の板が選択されることが多く、良好な変形性を考えてＡＳＴＭ標準による等級３０４、３１６および９０４が好適である。低炭素鋼または超低炭素鋼も選択できるが、その場合、炭素の量は、０．３重量％未満でなければならず、好ましくは０．１５重量％未満、より好ましくは０．０５重量％未満である。マンガンの量は、１．５重量％未満でなければならず、ケイ素の量は０．５重量％未満でなければならない。これによって、容易に変形し得る炭素鋼が得られる。アルミニウム板を、例えばＡＡ１０００シリーズから、例えばＡＡ１０５０を、ＡＡ３０００シリーズから、例えば３００３または３１０５を、ＡＡ５０００シリーズから、例えば５０１８、５０５２、５１８２、５１８６または５７５４を、あるいはＡＡ６０００シリーズから、例えば６０１６を選択することができる。さらに、セパレータプレートはチタンから製造することもできる。
所望の様式で板を変形させるための圧力Ｐは、本方法を上記の２つの装置で使用する場合、高く、２５０〜６０００バール（２５〜６００ＭＰａ）にする必要がある。より軟質の材料、例えばアルミニウムには、圧力は５００〜１０００バール（５０〜１００ＭＰａ）で通常は十分である。より硬質の金属には、少なくとも１０００バール（１００ＭＰａ）の圧力、好ましくは少なくとも１５００バール（１５０ＭＰａ）、さらには２０００バール（２００ＭＰａ）の圧力が必要である。無論、必要な圧力は、セパレータプレートの厚さ、およびセパレータプレートの断面がどれ程複雑であるか、によっても異なる。
金属板１と底部ダイ５との間にメンブラン（図には示していない）を配置し、セパレータプレートの汚染を防止することができる。メンブランに被覆を施し、金属板を同時に被覆することもできる。他方、ラッカー、重合体、電解質、ガラスまたは塩を流体として選択することもできる。その結果、本方法により金属板を変形させるのと同時に、セパレータプレート上に被覆または被覆用の前処理を施すことができる。
図３は、セパレータプレートの突出部に可能なパターンの実施態様を示す。このパターンは蛇行しており、その結果、互いに平行に走る断面が形成される。図４は、図３に示すパターンの断面を示す。
突出部の反復パターンはピッチｗを有する。図４で下方に突き出た部分は、深さｄおよび平均幅ａを有する。突出部間に位置する部分は幅ｂを有するので、ａ＋ｂ＝ｗとなる。突出部間の変形していない部分は幅ｅを有し、窪み部分は幅ｆの平らな部分を有する。変形していない部分に隣接する丸みは、丸み半径Ｒ３を有し、突出部の平らな部分に隣接する丸みは、丸み半径Ｒ４を有する。全体的な蛇行パターンは、平行な突出部同士の末端で、内側の丸み半径がＲ１であり、外側の丸み半径がＲ２である半円形の移行部を有し、Ｒ１＝Ｒ２＋ａである。
ほとんどの場合、セパレータプレートは、両側で対称的である、すなわちａとｂが等しく、ｅとｆが等しく、Ｒ３とＲ４が等しいのが好ましい。板の厚さが０．１ｍｍで、材料が３１６ステンレス鋼である特別な場合、例えばａ＝ｂ＝１ｍｍ、従って、ｗ＝２ｍｍ、ｅ＝ｆ＝０．７５ｍｍ、Ｒ３＝Ｒ４＝０．１ｍｍ、ｄ＝０．２５ｍｍ、Ｒ２＝０．５ｍｍおよひＲ１＝１．５ｍｍを選択する。平行な突出部の長さは約２５０ｍｍである。
無論、他の板厚さを選択することも可能であり、その場合、厚さ０．０５〜０．４ｍｍを使用するのが好ましい。他の材料、例えば（超）低炭素鋼、アルミニウムまたはチタン、を選択することもできる。図３および図４でパラメータａ、ｂ、ｗ、ｄ、ｅ、ｆ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびＲ４に他の値を選択することも可能である。セパレータプレートに異なったパターンまたは異なった断面、例えば多かれ少なかれ正弦波状の断面または多かれ少なかれ半円形である突出部の断面を選択することもできる。
Claims (20)
- 燃料電池用の、多数の突出部を有するセパレータプレートを形成する方法であって、前記セパレータプレート中の前記突出部が、多数の窪み部分を有するダイの上に金属板を、加圧流体を使用してプレスするか、または加圧流体により支持されている前記金属板上に前記ダイをプレスすることにより形成され、前記突出部を有する前記セパレータプレートを得るために、前記ダイ中の前記窪み部分が、前記金属板中に形成すべき前記突出部に対応している、方法。
- 前記流体の圧力が、前記金属板が前記ダイの表面上全体にわたってプレスされるように十分に高く選択される、請求項１に記載の方法。
- 前記流体の圧力に校正圧が選択される、請求項１または２に記載の方法。
- 前記流体の圧力が、２５０〜６０００バール（２５〜６００ＭＰａ）、好ましくは５００〜１０００バール（５０〜１００ＭＰａ）または１０００〜６０００バール（１００〜６００ＭＰａ）、より好ましくは１５００〜６０００バール（１５０〜６００ＭＰａ）、さらに好ましくは２０００〜６０００バール（２００〜６００ＭＰａ）になるように選択される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属板を先ず前記ダイに対して配置し、次いで加圧流体により前記金属板を前記ダイ上にプレスする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属板を先ず前記流体による予備圧下に置き、次いで前記ダイを前記金属板上にプレスし、前記流体を加圧する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
- メンブランを前記金属板と前記流体の間に配置し、好ましくは、前記金属板を同時に被覆するためにメンブランに被覆を施しておく、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
- 容易に変形し得る金属、例えば低炭素鋼、超低炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタン、から製造された板が金属板として選択される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
- 前記金属が、少なくとも２０％の均質破断点伸びに相当する変形性を有する、請求項８に記載の方法。
- プレス操作中、前記板が室温にある、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- プレス操作中、前記板が高温、例えば炭素鋼では５００〜１０００℃、アルミニウムでは１００〜５５０℃、ステンレス鋼では６００〜１３００℃、にある、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
- 変形前の前記金属板の厚さが、０．０５〜０．４０ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍになるように選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記突出部が前記金属板中にプレスされると同時に、前記金属板が所望の形状および大きさに切断される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法を使用して製造される、多数の突出部を有するセパレータプレートであって、容易に変形し得る金属板、例えば低炭素鋼、超低炭素鋼、アルミニウム、ステンレス鋼またはチタンから製造された板、から形成される、セパレータプレート。
- 前記金属が、少なくとも２０％の均質破断点伸びに相当する変形性を有する、請求項１４に記載のセパレータプレート。
- 前記セパレータプレートの厚さが、前記プレートの変形されていない部分で０．０５〜０．４０ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである、請求項１４または１５に記載のセパレータプレート。
- 前記プレートの移行部における丸み半径が、前記プレートの変形されていない部分の厚さと少なくとも等しい、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
- 前記突出部が、ピッチｗおよび深さｄを有する反復パターンを有し、その際、前記プレートを室温で変形させる場合には０．０３＜ｄ／ｗ＜１．２、好ましくは０．１＜ｄ／ｗ＜０．５、より好ましくは０．２＜ｄ／ｗ＜０．５、プレートを高温で変形させる場合には０．０３＜ｄ／ｗ＜２．４、好ましくは０．２＜ｄ／ｗ＜１．０、より好ましくは０．４＜ｄ／ｗ＜１．０である、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載のセパレータプレート。
- 多数の突出部を有するセパレータプレートであって、前記突出部が前記セパレータプレートの実質的に平らな部分により取り囲まれており、前記突出部が、ピッチｗおよび深さｄを有する実質的な反復パターンを有し、０．２５＜ｄ／ｗ＜２．４である、セパレータプレート。
- 前記セパレータプレートの厚さが、前記プレートの変形されていない部分で０．０５〜０．４０ｍｍ、好ましくは０．０５〜０．２０ｍｍである、請求項１９に記載のセパレータプレート。
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