JP2007048616A - Fuel cell separator, device and method for manufacturing separator - Google Patents

Fuel cell separator, device and method for manufacturing separator Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a device and a method for manufacturing a separator capable of suppressing crack, distortion and bend. <P>SOLUTION: In a fuel cell separator formed by carrying out coining process after forming irregularity in a separator material 70 to have a corrugated cross section, a shoulder part 88 located in neighbors of an irregular apex part is formed with compounded curved surfaces. The compounded curved surface comprise at least a first curved surface with curvature radius R1 and a second curved surface with curvature radius R2, and it is preferable that R1>R2. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃料電池の単セルが備えている燃料電池セパレータ、当該セパレータを製造する装置及び方法に関し、特にセパレータの歪みを抑制することが可能な発明に関する。   The present invention relates to a fuel cell separator provided in a single cell of a fuel cell, an apparatus and a method for manufacturing the separator, and more particularly to an invention capable of suppressing distortion of the separator.

燃料電池、例えば固定高分子形の燃料電池における単セルは、電解質膜およびその両面に配した一対の電極からなるMEA(Membrane Electrode Assembly)と、MEAを挟持する一対のセパレータとで構成されており、このような単セルが積層されることによって燃料電池スタックが形成されている。このような燃料電池においては、各セパレータに形成されているガス流路を介して酸化ガスまたは燃料ガスが各電極に供給され、これによって単セルの発電が行われるようになっている。   A single cell in a fuel cell, for example, a fixed polymer fuel cell, is composed of an MEA (Membrane Electrode Assembly) composed of an electrolyte membrane and a pair of electrodes disposed on both sides thereof, and a pair of separators sandwiching the MEA. A fuel cell stack is formed by stacking such single cells. In such a fuel cell, an oxidizing gas or a fuel gas is supplied to each electrode through a gas flow path formed in each separator, thereby generating a single cell.

上述のような燃料電池セパレータ、例えばメタルセパレータを形成する場合、まずはセパレータ材料に凹凸を付して断面波型に成形し、その後、コイニング加工をするというものがある(例えば、特許文献1参照)。
特開2000−67888号公報
When a fuel cell separator as described above, such as a metal separator, is formed, first, the separator material is formed with irregularities and formed into a cross-sectional corrugated shape, and then coined (see, for example, Patent Document 1). .
JP 2000-67888 A

しかしながら、このような技術においては、例えば当該燃料電池セパレータの断面を同一曲率となるように成形しようとすると、材料の局部伸びが大きく、割れや歪み、そり(反り)が発生する場合がある。また、セパレータが特に薄板であると、凹凸形状部分に作用する応力に起因して歪みやそり等が発生しやすくなるという面もある。燃料電池は、多数枚のセパレータを積層することにより構成されているため、上述したようにセパレータに歪みが生ずると、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することが困難となる。したがって、燃料電池のセパレータを製造する際には、割れや、歪み、そりの発生を抑えることが重要である。   However, in such a technique, for example, if the cross section of the fuel cell separator is formed so as to have the same curvature, the material has a large local elongation, and cracking, distortion, and warping (warping) may occur. In addition, when the separator is a thin plate, distortion, warpage, and the like are likely to occur due to stress acting on the uneven portion. Since the fuel cell is configured by stacking a large number of separators, when the separator is distorted as described above, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, It is difficult to ensure stackability. Therefore, when manufacturing a fuel cell separator, it is important to suppress the occurrence of cracks, distortion, and warpage.

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、割れや歪み、そりの発生を抑制することができる燃料電池セパレータ、セパレータ製造装置及びセパレータ製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell separator, a separator manufacturing apparatus, and a separator manufacturing method capable of suppressing generation of cracks, distortion, and warpage.

かかる課題を解決するため、本発明者は種々の検討をした。燃料電池に用いられるセパレータにおいて生ずることのある割れや歪み、そり等は種々の要因による影響を受ける。すなわち、加工前の時点におけるセパレータ材料の厚み(素材元厚)t0、凹凸によって形成される流体流路の形状、凹凸の山部や谷部(本明細書ではこれらを併せて凹凸の「頂部」という)の両隣において曲折しあるいは湾曲している部分(本明細書ではこれらを「肩部」という)の形状、凹凸によって形成される溝の深さ、凹凸のピッチ、セパレータの厚み(換言すれば凹凸の高さ)、等による影響を受けて種々の歪みやそり等が発生する。このような事象についてさらに検討を重ねた結果、本発明者は、そり等を最小限に抑えることを可能とする技術を知見するに至った。 In order to solve this problem, the present inventor has made various studies. Cracks, distortion, warpage, and the like that may occur in a separator used in a fuel cell are affected by various factors. That is, the thickness (original thickness) t 0 of the separator material at the time before processing, the shape of the fluid flow path formed by the unevenness, the ridges and valleys of the unevenness (in the present specification, these are collectively referred to as the “top portion of the unevenness ”), The shape of the bent or curved part (referred to herein as“ shoulder ”), the depth of the groove formed by the unevenness, the pitch of the unevenness, the thickness of the separator (in other words, For example, various distortions and warpage occur due to the influence of the height of the unevenness. As a result of further examination of such an event, the present inventor has come to know a technique that makes it possible to minimize warping and the like.

本発明はかかる知見に基づくもので、請求項1に記載の発明は、セパレータ材料に凹凸を付して断面波型に成形した後にコイニング加工することによって形成される燃料電池セパレータにおいて、前記凹凸の頂部の両隣に位置する肩部が複合した曲面にて構成されていることを特徴とするものである。   The present invention is based on such knowledge, and the invention according to claim 1 is a fuel cell separator formed by coining after forming a corrugated separator material into a corrugated cross section, and The shoulder portion located on both sides of the top portion is composed of a curved surface combined.

この場合の複合した曲面は、請求項2のように、少なくとも、曲率半径R1である第1の曲面と曲率半径R2である第2の曲面とからなり、尚かつR1>R2であることが好ましい。   The compound curved surface in this case is preferably composed of at least a first curved surface having a curvature radius R1 and a second curved surface having a curvature radius R2, and R1> R2, as in claim 2. .

また、請求項3のように、複数形成されている前記凹凸のうちの1ピッチ分の波型断面に沿った長さである成形長をlRとし、前記コイニング加工に用いられる波型成形用型における凹凸のうちの1ピッチ分の成形面に沿った長さであるコイニング長をlCとしたとき、前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
の関係を満たしていることが好ましい。
Further, as in claim 3, the forming length, which is the length along the corrugated section of one pitch among the plurality of the irregularities formed, is l R, and for corrugating used in the coining process When the coining length, which is the length along the molding surface for one pitch among the irregularities in the mold, is defined as l C , the ratio of l R and l C is
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
It is preferable that the relationship is satisfied.

さらに、請求項2に記載の燃料電池セパレータにおいては、請求項4のように、前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
の関係を満たしていることがなお好ましい。
Furthermore, in the fuel cell separator according to claim 2, as in claim 4, the curvature radius R1 of the first curved surface, the curvature radius R2 of the second curved surface, and a material original thickness of the separator material. For t 0
(R1 + R2) / t 0 > 1
It is still more preferable that the relationship is satisfied.

また、請求項5に記載の発明は、請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セパレータにおいて、前記頂部を挟んで両隣に位置する前記肩部を構成している複合曲面のうち、いずれか一対の曲面の曲率中心間の距離を2A、複数形成されている前記凹凸中における凹部の1ピッチ分の幅と凸部の1ピッチ分の幅とのうち小さい方を2W、前記セパレータ材料の素材元厚をt0、断面波型に成形された当該燃料電池セパレータの断面の高さをHとおいたとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
の関係を満たしていることを特徴とするものである。
Further, the invention according to claim 5 is the fuel cell separator according to any one of claims 1 to 4, wherein any one of the composite curved surfaces constituting the shoulder portions located on both sides of the top portion. The distance between the centers of curvature of the pair of curved surfaces is 2A, and the smaller one of the width of one pitch of the concave portion and the width of one pitch of the convex portion in the plurality of the concave and convex portions is 2W, When the raw material thickness is t 0 and the height of the cross section of the fuel cell separator formed into a corrugated section is H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
It is characterized by satisfying the relationship.

さらには、請求項6のように、前記頂部が、所定の曲率を有する形状となっていることも好ましい。   Further, as in claim 6, it is also preferable that the top portion has a shape having a predetermined curvature.

請求項1〜請求項6のごとき燃料電池セパレータは、特に、凹凸の頂部(凹凸の山部や谷部)を加圧しない成形法、あるいは当該頂部に対する加圧を抑えるようにした成形手法によって形成することができるものである。このような燃料電池セパレータは、割れや歪み、そりが発生するのが抑えられていることから、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組付け性などが確保しやすいものとなる。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 6 is formed by a molding method that does not press the top of the unevenness (the peak or valley of the unevenness), or a molding method that suppresses the pressurization to the top. Is something that can be done. Since such fuel cell separators are suppressed from cracking, distortion, and warping, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly of the stack Etc. are easy to secure.

さらに、請求項7に記載の発明は、燃料電池の単セルを構成するセパレータの製造装置において、セパレータ材料をプレス加工する型を備え、該型は前記セパレータ材料に対してプレスされることで該セパレータ材料に複数の溝を形成する複数のリブを備え、該リブは、両側面と先端面との間に、複合曲面からなる肩部を備えていることを特徴とする。   The invention described in claim 7 is a separator manufacturing apparatus that constitutes a single cell of a fuel cell, further comprising a die for pressing a separator material, and the die is pressed against the separator material. The separator material is provided with a plurality of ribs forming a plurality of grooves, and the ribs are provided with shoulder portions made of a compound curved surface between both side surfaces and the front end surface.

本発明によれば、肩部が複数の曲面を備えることにより、セパレータの上面および下面の歪みを抑制して広い面積で平坦とすることが可能となる。例えば、曲率の大きな(曲率半径の小さな)曲面を組み合わせて形成すれば、複合した曲面によって肩部をより小さくまとめることができ、肩部以外の平坦面をより大きく(広く)確保することが可能となる。したがって、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。   According to the present invention, since the shoulder portion includes a plurality of curved surfaces, it is possible to suppress the distortion of the upper surface and the lower surface of the separator and to make it flat over a wide area. For example, if a curved surface with a large curvature (small curvature radius) is formed in combination, the shoulder portion can be made smaller by the combined curved surface, and a flat surface other than the shoulder portion can be secured larger (wider). It becomes. Therefore, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly property of the stack can be secured.

請求項8に記載の発明は、請求項7に記載のセパレータ製造装置において、前記肩部は、前記リブ長手方向に垂直な平面による断面において、リブ外側の曲率半径R1を有する第1の曲面と、該第1の曲面に連続し、リブ内側の曲率半径R2を有する第2の曲面とを有し、R1>R2であることを特徴とする。   The invention according to claim 8 is the separator manufacturing apparatus according to claim 7, wherein the shoulder has a first curved surface having a radius of curvature R1 outside the rib in a cross section of a plane perpendicular to the rib longitudinal direction. And a second curved surface continuous with the first curved surface and having a radius of curvature R2 inside the rib, wherein R1> R2.

本発明によれば、R1>R2とすることにより、セパレータの上面および下面の歪みを抑制して広い面積で平坦とすることが可能となる。つまり、破断や薄肉化を避けつつR1<R2とすると、肩部間に形成される平坦面の幅が狭くなりかねないが、本発明によれば、歪みを抑制しつつ広い平坦面を確保することが可能となる。したがって、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。   According to the present invention, by setting R1> R2, it is possible to suppress the distortion of the upper surface and the lower surface of the separator and make it flat over a wide area. That is, if R1 <R2 while avoiding breakage and thinning, the width of the flat surface formed between the shoulders may be narrowed, but according to the present invention, a wide flat surface is ensured while suppressing distortion. It becomes possible. Therefore, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly property of the stack can be secured.

請求項9に記載の発明は、請求項8に記載のセパレータ製造装置において、前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
を満たすことを特徴とする。
The invention according to claim 9 is the separator manufacturing apparatus according to claim 8, wherein the first curved surface has a curvature radius R1, the second curved surface has a curvature radius R2, and the material thickness t of the separator material. About 0
(R1 + R2) / t 0 > 1
It is characterized by satisfying.

素材元厚t0に対する肩部の比率が1以下では、加工時の肉厚減少が大きく、破断発生の可能性が増大する。また、加工により生ずるセパレータ材料のそり高さのバラツキが大きくなり、所定品質の確保が難しくなる。本発明によれば、上記の加工条件とすることで、割れや歪みを防ぎ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。 When the ratio of the shoulder portion to the material original thickness t 0 is 1 or less, the thickness reduction during processing is large, and the possibility of breakage increases. Moreover, the variation in the warp height of the separator material generated by processing becomes large, and it becomes difficult to ensure a predetermined quality. According to the present invention, by setting the above processing conditions, it is possible to prevent cracking and distortion and to ensure the sealing performance and assembling performance of the product.

請求項10に記載の発明は、請求項7から9のいずれかに記載のセパレータ製造装置において、前記セパレータ製造装置は、前記型として、前記セパレータ材料を波型に成形する波型成形用型と、該波型に成形されたセパレータ材料をさらにコイニング成形するコイニング成形用型とを有し、前記波型成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlRであり、前記コイニング成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlCであり、前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
であることを特徴とする。
A tenth aspect of the present invention is the separator manufacturing apparatus according to any one of the seventh to ninth aspects, wherein the separator manufacturing apparatus includes, as the mold, a corrugated mold that molds the separator material into a corrugated shape. And a coining mold for further coining the separator material formed into the corrugated shape, and the groove of the separator material formed by the corrugated mold is along the plate surface of the separator material. The forming length per groove in the direction is l R , and the groove of the separator material formed by the coining forming die has the forming length per groove in the direction along the plate surface of the separator material. l C and the ratio of l R to l C is
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
It is characterized by being.

ここで、lRとlCは、溝両サイドの堤状の凸部先端から隣の凸部先端までの板に沿った方向における長さ、すなわち板面に沿った方向における成形長である。 Here, l R and l C are the length in the direction along the plate from the tip of the ridge-like convex portion on both sides of the groove to the tip of the adjacent convex portion, that is, the molding length in the direction along the plate surface.

上記成形比率外になると、加工により生ずるセパレータ材料のそり高さ(そりの幅)が大きくなり、凹凸が付された部分の形状が太鼓状や鼓(つづみ)状といったものになる場合がある。そうすると、製品のシール性・組み付け性確保が困難となるが、本発明によれば、上記成形比率内とすることで、そり高さを限界内に収めることができ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。   If the molding ratio is out of the above ratio, the height of the warp (sledge width) of the separator material generated by processing increases, and the shape of the uneven portion may become a drum shape or a drum shape. . As a result, it becomes difficult to ensure the sealing and assembling properties of the product. However, according to the present invention, the sled height can be kept within the limits by setting the molding ratio within the above range, and the sealing and assembling properties of the product. Can be secured.

これについてもう少し詳細に説明すると以下のとおりである。すなわち、上記した成形比率の範囲外になるということは、符号SA,SBで示すそり高さがある一定の範囲を超えるということであり、この場合、セパレータにおいて破断や座屈といった現象が生じるようになる(図6(a)〜(c)参照)。そうすると、凹凸が付された部分が、中央部がやや膨らんだいわば太鼓のような形状(図3(c)の符号74’参照)となったり、あるいは逆に中央部がやや細くなったいわば鼓(つづみ)のような形状(図3(c)の符号74”参照)となったりするおそれがあるが、本発明では上記のような好適な範囲内に収まるようにしているから、そり高さを限界内に収めることが可能となっている。 This will be explained in a little more detail as follows. That is, being out of the range of the molding ratio described above means that the warp height indicated by the symbols S A and S B exceeds a certain range. In this case, phenomena such as breakage and buckling occur in the separator. (See FIGS. 6A to 6C). Then, the uneven part is shaped like a drum (see reference numeral 74 'in FIG. 3 (c)) where the central part is slightly swollen, or conversely, the central part is somewhat thin. (See reference numeral 74 ″ in FIG. 3 (c)), but in the present invention, the shape is within the preferred range as described above. It is possible to keep this within the limits.

請求項11に記載の発明は、請求項8から10のいずれかに記載のセパレータ製造装置において、前記型として、間に前記セパレータ材料を挟んで互いの前記リブを噛み合わせることにより前記セパレータ材料をプレス加工する第1の型と第2の型とを備え、前記第1の型の前記リブ両肩部に設けられた前記第2の曲面の曲率中心間距離を2A、前記第1の型と第2の型とを噛み合わせた場合に、前記第1の型が備える前記リブの両サイドに形成される前記第2の型のリブとの間の隙間間の距離をW、前記セパレータ材料の素材元厚をt0、および、前記第1の型及び第2の型によるプレス加工後のセパレータ材料の高さをHとおくとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
を満たすことを特徴とする。
The invention according to claim 11 is the separator manufacturing apparatus according to any one of claims 8 to 10, wherein the separator material is formed by meshing the ribs with the separator material in between as the mold. A first die to be pressed and a second die; and a distance between the centers of curvature of the second curved surfaces provided on both shoulders of the rib of the first die is 2A. When meshed with the second mold, the distance between the gaps between the ribs of the second mold formed on both sides of the rib of the first mold is W, and the separator material When the material original thickness is t 0 and the height of the separator material after press working by the first die and the second die is H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
It is characterized by satisfying.

加工により生ずるセパレータ材料のそり高さは、素材元厚t0,凹凸流路形状、肩部の形状、溝深さ、溝ピッチ、波型成形品の高さ、などに影響するが、本発明者らが種々検討した結果、上式を満たすことにより、そりを最小限に抑えることができることを知見した。これにより、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。 The warp height of the separator material generated by processing affects the raw material thickness t 0 , the uneven channel shape, the shoulder shape, the groove depth, the groove pitch, the height of the corrugated product, and the like. As a result of various studies by the inventors, it has been found that warpage can be minimized by satisfying the above formula. Thereby, the contact surface with MEA, the electrical resistance between separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly | attachment property of a stack are securable.

請求項12に記載の発明は、請求項7から11のいずれかに記載のセパレータ製造装置において、前記型は、隣り合った前記リブの間に、該リブの高さ方向に僅かに膨出する膨出部を備えていることを特徴とする。   A twelfth aspect of the present invention is the separator manufacturing apparatus according to any of the seventh to eleventh aspects, wherein the mold slightly bulges in the height direction of the ribs between the adjacent ribs. A bulging portion is provided.

リブ頂部の幅が短い場合、加工後のセパレータの頂部が外側に膨らんで平坦面を得ることができない場合があるのに対し、本発明によれば、型に膨出部を設けることにより、加工後の頂部を平坦とすることが可能となる。   When the width of the rib top is short, the top of the separator after processing may bulge outward and a flat surface may not be obtained, whereas according to the present invention, by providing the bulging portion on the mold, It becomes possible to make the rear top portion flat.

請求項13に記載の発明は、複数のリブを備えた型を用いてセパレータ材料をプレス加工することにより、前記セパレータ材料に複数の溝を形成して燃料電池の単セル用セパレータを製造するセパレータ製造方法において、前記リブとして、両側面と先端面との間に複合曲面からなる肩部を備えたリブを用いてプレス加工を行うことを特徴とする。   According to a thirteenth aspect of the present invention, a separator for manufacturing a single cell separator for a fuel cell is formed by pressing a separator material using a mold having a plurality of ribs to form a plurality of grooves in the separator material. In the manufacturing method, as the rib, pressing is performed using a rib having a shoulder portion formed of a compound curved surface between both side surfaces and a tip surface.

本発明によれば、複数の曲面により構成された肩部を有する型によりセパレータを加工することにより、セパレータの上面および下面の歪みを抑制して広い面積で平坦とすることが可能となる。したがって、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。   According to the present invention, by processing the separator with a mold having a shoulder portion constituted by a plurality of curved surfaces, it is possible to suppress distortion of the upper surface and the lower surface of the separator and make it flat over a wide area. Therefore, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly property of the stack can be secured.

請求項14に記載の発明は、請求項13に記載のセパレータ製造方法において、前記肩部は、前記リブ長手方向に垂直な平面による断面において、リブ外側の曲率半径R1を有する第1の曲面と、該第1の曲面に連続し、リブ内側の曲率半径R2を有する第2の曲面とを有し、R1>R2であることを特徴とする。   According to a fourteenth aspect of the present invention, in the separator manufacturing method according to the thirteenth aspect, the shoulder portion has a first curved surface having a radius of curvature R1 outside the rib in a cross section of a plane perpendicular to the rib longitudinal direction. And a second curved surface continuous with the first curved surface and having a radius of curvature R2 inside the rib, wherein R1> R2.

本発明によれば、R1>R2とすることにより、セパレータの上面および下面の歪みを抑制して広い面積で平坦とすることが可能となる。したがって、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。   According to the present invention, by setting R1> R2, it is possible to suppress the distortion of the upper surface and the lower surface of the separator and make it flat over a wide area. Therefore, the contact surface with the MEA, the conductive resistance between the separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly property of the stack can be ensured.

請求項15に記載の発明は、請求項14に記載のセパレータ製造方法において、前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
の条件下で加工を行うことを特徴とする。
According to a fifteenth aspect of the present invention, in the separator manufacturing method according to the fourteenth aspect, a curvature radius R1 of the first curved surface, a curvature radius R2 of the second curved surface, and a material original thickness t of the separator material. About 0
(R1 + R2) / t 0 > 1
The processing is performed under the following conditions.

素材元厚t0に対する肩部の比率が1以下では、加工時の肉厚減少が大きく、破断発生の可能性が増大するおそれがある。また、加工により生ずるセパレータ材料のそり高さのバラツキが大きくなり、所定品質の確保が難しくなるおそれもある。本発明によれば、上記の加工条件とすることで、割れや歪みを防ぎ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。 When the ratio of the shoulder portion to the material original thickness t 0 is 1 or less, the thickness reduction during processing is large, and the possibility of occurrence of breakage may increase. Moreover, the variation in the warp height of the separator material generated by processing increases, and it may be difficult to ensure a predetermined quality. According to the present invention, by setting the above processing conditions, it is possible to prevent cracking and distortion and to ensure the sealing performance and assembling performance of the product.

請求項16に記載の発明は、請求項13から15のいずれかに記載のセパレータ製造方法において、前記型としての波型成形用型を用いて前記セパレータ材料を波型成形した後で、前記型としてコイニング成形用型を用いて前記波型に形成されたセパレータ材料を更にコイニング成形し、前記波型成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlRであり、前記コイニング成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlCであり、前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
となる条件下で加工を行うことを特徴とする。
The invention according to claim 16 is the separator manufacturing method according to any one of claims 13 to 15, wherein the separator material is corrugated using the corrugated mold as the mold, and then the mold is molded. The separator material formed in the corrugated mold is further coined using a coining mold as the groove of the separator material formed by the corrugated mold, the direction along the plate surface of the separator material a molded length l R per one trench in the groove of the separator material molded by the coining mold is shaped length per one trench in the direction along the plate surface of the separator material is l C , and the ratio of l R to l C is
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
The processing is performed under the following conditions.

ここで、lRとlCは、溝両サイドの堤状の凸部先端から隣の凸部先端までの板に沿った方向における長さ、すなわち板面に沿った方向における成形長である。 Here, l R and l C are the length in the direction along the plate from the tip of the ridge-like convex portion on both sides of the groove to the tip of the adjacent convex portion, that is, the molding length in the direction along the plate surface.

上記成形比率外になると、加工により生ずるセパレータ材料のそり高さが大きくなり、溝幅方向の狙い寸法や、溝方向の寸法が太鼓状や鼓状になり、製品のシール性・組み付け性確保が困難となる。本発明によれば、上記成形比率内とすることで、そり高さを限界内に収めることができ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。   If the molding ratio is out of the above ratio, the warp height of the separator material generated by processing increases, and the target dimension in the groove width direction and the dimension in the groove direction become a drum shape or a drum shape, ensuring product sealing and assembling properties. It becomes difficult. According to the present invention, by setting the molding ratio within the above range, the warp height can be kept within the limit, and the sealing performance and assembly performance of the product can be ensured.

請求項17に記載の発明は、請求項14から16のいずれかに記載のセパレータ製造方法において、前記型として第1の型と第2の型とを用い、これら第1及び第2の型の間に前記セパレータ材料を挟んで互いの前記リブを噛み合わせることにより前記セパレータ材料のプレス加工を行い、前記第1の型の前記リブ両肩部に設けられた前記第2の曲面の曲率中心間距離を2A、前記第1の型と第2の型とを噛み合わせた場合に、前記第1の型が備える前記リブの両サイドに形成される前記第2の型のリブとの間の隙間間の距離をW、前記セパレータ材料の素材元厚をt0、および、前記第1の型及び第2の型によるプレス加工後のセパレータ材料の高さをHとおくとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
の条件下で加工を行うことを特徴とする。
The invention according to claim 17 is the separator manufacturing method according to any one of claims 14 to 16, wherein the first mold and the second mold are used as the mold, and the first and second molds are used. The separator material is pressed by engaging the ribs with the separator material in between, and between the curvature centers of the second curved surfaces provided on the rib shoulders of the first mold A gap between the ribs of the second mold formed on both sides of the ribs provided in the first mold when the distance is 2A and the first mold and the second mold are engaged with each other. When the distance between is W, the material original thickness of the separator material is t 0 , and the height of the separator material after pressing by the first mold and the second mold is H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
The processing is performed under the following conditions.

加工により生ずるセパレータ材料のそり高さは、元厚t0,凹凸流路形状、肩部の形状、溝深さ、溝ピッチ、波型成形品の高さ、などに影響するが、本発明者らが種々検討した結果、上式を満たすことにより、そりを最小限に抑えることができることを知見した。これにより、MEAとの接触面、セパレータ間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。 The warp height of the separator material produced by processing affects the original thickness t 0 , the shape of the uneven channel, the shape of the shoulder, the groove depth, the groove pitch, the height of the corrugated product, etc. As a result of various studies, they found that the warp can be minimized by satisfying the above equation. Thereby, the contact surface with MEA, the electrical resistance between separators, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly | attachment property of a stack are securable.

請求項18に記載の発明は、請求項13から17のいずれかに記載のセパレータ製造方法において、前記型は、隣り合った前記リブの間に、該リブの高さ方向に僅かに膨出する膨出部を備えていることを特徴とする。   According to an eighteenth aspect of the present invention, in the separator manufacturing method according to any one of the thirteenth to seventeenth aspects, the mold slightly bulges in the height direction of the ribs between the adjacent ribs. A bulging portion is provided.

リブ頂部の幅が短い場合、加工後のセパレータの頂部が外側に膨らんで平坦面を得ることができない場合がある。本発明によれば、型に膨出部を設けることにより、加工後の頂部を平坦とすることが可能となる。   When the width of the rib top is short, the top of the separator after processing may swell outward and a flat surface may not be obtained. According to the present invention, it is possible to make the top after processing flat by providing the bulging portion in the mold.

本発明にかかる燃料電池セパレータ、セパレータ製造装置及びセパレータ製造方法によれば、セパレータの割れや歪み、そりの発生を抑制することができ、製品のシール性・組み付け性を確保して高品質な燃料電池を得ることができる。   According to the fuel cell separator, the separator manufacturing apparatus, and the separator manufacturing method according to the present invention, it is possible to suppress the occurrence of cracks, distortion, and warpage of the separator, and to ensure high-quality fuel by ensuring the sealing performance and assembling performance of the product. A battery can be obtained.

以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.

図1〜図12に本発明の一実施形態を示す。本発明にかかる燃料電池セパレータ(以下、単にセパレータともいう)は、セパレータ材料に凹凸を付して波型成形した後、つまり断面が一定ピッチの波状となるように成形した後、コイニング加工することによって形成されるものである。このような燃料電池セパレータにおいては凹凸の頂部の両隣に肩部(曲折しあるいは湾曲している部分)が位置しており、本実施形態においては、波型成形(図7等参照)、コイニング成形(図8参照)という工程を経た後で、このような肩部を曲率半径R1の曲面および曲率半径R2の曲面(R1≠R2)という少なくとも2つの曲面を複合させて構成することとしている(図4等参照)。以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態に係る燃料電池セパレータ、セパレータ製造装置及びセパレータ製造方法について説明する。まず、本実施形態に係るセパレータ製造装置及びセパレータ製造方法が適用される燃料電池の構造について説明する。   1 to 12 show an embodiment of the present invention. The fuel cell separator according to the present invention (hereinafter, also simply referred to as a separator) is subjected to coining after the separator material is corrugated and formed into a corrugated shape with a constant pitch. Is formed. In such a fuel cell separator, shoulder portions (curved or curved portions) are located on both sides of the top of the unevenness, and in this embodiment, corrugated (see FIG. 7 etc.), coining After the process of (see FIG. 8), such a shoulder is formed by combining at least two curved surfaces of a curved surface with a radius of curvature R1 and a curved surface with a radius of curvature R2 (R1 ≠ R2) (FIG. 8). 4 etc.). Hereinafter, a fuel cell separator, a separator manufacturing apparatus, and a separator manufacturing method according to preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, the structure of a fuel cell to which the separator manufacturing apparatus and separator manufacturing method according to the present embodiment are applied will be described.

この燃料電池は、最小発電単位となる単セルを複数積層してなるものであり、単セルを構成する部品間や、単セル間を樹脂によるモールドで一体的に接合することで、単セルおよび燃料電池の生産性を高めたものである。以下では、車載に好適な固体高分子形の燃料電池(PEFC)を例に説明する。   This fuel cell is formed by laminating a plurality of single cells, which are the minimum power generation unit, and by integrally joining the parts constituting the single cell or between the single cells with a resin mold, the single cell and This is an improvement in fuel cell productivity. Hereinafter, a solid polymer fuel cell (PEFC) suitable for in-vehicle use will be described as an example.

図1に示すように、燃料電池1は、複数の単セル2を積層したスタック本体3を有し、スタック本体3の両端に位置する単セル2,2の外側に順次、出力端子5付きの集電板6、絶縁板7およびエンドプレート8を各々配置して構成されている。燃料電池1は、例えば、両エンドプレート8,8間を架け渡すようにして設けられた図外のテンションプレートが各エンドプレート8,8にボルト固定されることで、単セル2の積層方向に所定の圧縮力がかかった状態となっている。   As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 includes a stack body 3 in which a plurality of single cells 2 are stacked, and the output terminals 5 are sequentially attached to the outside of the single cells 2 and 2 located at both ends of the stack body 3. The current collector plate 6, the insulating plate 7, and the end plate 8 are each arranged. In the fuel cell 1, for example, a tension plate (not shown) provided so as to bridge between both end plates 8, 8 is bolted to each end plate 8, 8, so that the single cells 2 are stacked in the stacking direction. A predetermined compressive force is applied.

図2に示すように、単セル2は、MEA11と、MEA11を挟持する一対のセパレータ12a,12bとで構成され、全体として積層形態を有している。MEA11および各セパレータ12a,12bは、略平面状の部品であり且つ平面視矩形の外形形状を有しており、MEA11の外形は、各セパレータ12a,12bの外形よりも僅かに小さく形成されている。MEA11と各セパレータ12a,12bとは、それらの間の周辺部を第1シール部材13a,13bとともに、成形樹脂40によりモールドされている。また、隣接する単セル2,2のセパレータ12aとセパレータ12bとの間には、第2シール部材13cが設けられている。   As shown in FIG. 2, the single cell 2 includes an MEA 11 and a pair of separators 12 a and 12 b that sandwich the MEA 11, and has a laminated form as a whole. The MEA 11 and the separators 12a and 12b are substantially planar parts and have a rectangular outer shape in plan view. The outer shape of the MEA 11 is slightly smaller than the outer shape of the separators 12a and 12b. . The MEA 11 and the separators 12a and 12b are molded by a molding resin 40 together with the first seal members 13a and 13b at the peripheral portions therebetween. A second seal member 13c is provided between the separators 12a and 12b of the adjacent single cells 2 and 2.

MEA11は、高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜21と、電解質膜21を両面から挟んだ一対の電極22a,22b(カソードおよびアノード)とで構成され、全体として積層形態を有している。電解質膜21は、各電極22a,22bよりもサイズを僅かに大きく形成されている。電解質膜21には、その周縁部24を残した状態で各電極22a,22bが例えばホットプレス法により接合されている。   The MEA 11 includes an electrolyte membrane 21 made of an ion exchange membrane made of a polymer material and a pair of electrodes 22a and 22b (cathode and anode) sandwiching the electrolyte membrane 21 from both sides, and has a laminated form as a whole. . The electrolyte membrane 21 is formed slightly larger in size than the electrodes 22a and 22b. The electrodes 22a and 22b are joined to the electrolyte membrane 21 by, for example, a hot press method with the peripheral edge portion 24 left.

電極22a,22bは、白金などの触媒を結着した例えば多孔質のカーボン素材(拡散層)で構成されている。一方の電極22a(カソード)には、空気や酸化剤などの酸化ガスが供給され、他方の電極22b(アノード)には、燃料ガスとしての水素ガスが供給される。この二つのガスによってMEA11内で電気化学反応が生じ、単セル2は起電力を得る。   The electrodes 22a and 22b are made of, for example, a porous carbon material (diffusion layer) bound with a catalyst such as platinum. One electrode 22a (cathode) is supplied with an oxidizing gas such as air or an oxidant, and the other electrode 22b (anode) is supplied with hydrogen gas as a fuel gas. These two gases cause an electrochemical reaction in the MEA 11 and the single cell 2 obtains an electromotive force.

各セパレータ12a,12bは、ガス不透過の導電性材料で構成されている。本実施形態のセパレータ12a,12bの基材は板状のメタルで形成され、基材の電極側の面には、耐食性に優れた膜が被覆されている。   Each separator 12a, 12b is made of a gas impermeable conductive material. The base material of the separators 12a and 12b of the present embodiment is formed of a plate-like metal, and the surface on the electrode side of the base material is coated with a film having excellent corrosion resistance.

後述するように、セパレータ12a,12bは、電極22a,22bに面する部分をプレス成形されることで表裏各面に複数の凹凸が付され、断面が波状となるように形成されている。これら複数の凸部および凹部は平行かつストレート状に延びる形状となっており、酸化ガスのガス流路31aまたは水素ガスのガス流路31bや、冷却水流路32を画定している。   As will be described later, the separators 12a and 12b are formed such that a plurality of irregularities are provided on the front and back surfaces by press-molding the portions facing the electrodes 22a and 22b, and the cross section is wavy. The plurality of protrusions and recesses extend in parallel and straight, and define a gas flow path 31 a for oxidizing gas, a gas flow path 31 b for hydrogen gas, and a cooling water flow path 32.

具体的には、セパレータ12aの電極22a側となる内側の面には、ストレート状の酸化ガスのガス流路31aが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路32が複数形成されている。同様に、セパレータ12bの電極22b側となる内側の面には、ストレート状の水素ガスのガス流路31bが複数形成され、その反対側の外側の面には、ストレート状の冷却水流路32が複数形成されている。   Specifically, a plurality of straight oxidizing gas flow paths 31a are formed on the inner surface of the separator 12a on the electrode 22a side, and a straight cooling water flow path is formed on the opposite outer surface. A plurality of 32 are formed. Similarly, a plurality of straight hydrogen gas flow paths 31b are formed on the inner surface of the separator 12b on the electrode 22b side, and a straight cooling water flow path 32 is formed on the opposite outer surface. A plurality are formed.

そして、単セル2における二つのガス流路31aおよびガス流路31bは、同方向に平行に延在し、MEA11を挟んで位置ずれすることなく対向するように配置されている。また、隣接する二つの単セル2,2においては、一方の単セル2のセパレータ12aの外面と、その隣の単セル2のセパレータ12bの外面とが付き合わされ、両者の冷却水流路32が連通する。隣接する単セル2,2のセパレータ12aとセパレータ12bとは、それらの間の周辺部を成形樹脂40によりモールドされている。   And the two gas flow paths 31a and 31b in the single cell 2 extend in parallel in the same direction, and are arrange | positioned so that it may oppose without shifting position on both sides of MEA11. Further, in the two adjacent single cells 2 and 2, the outer surface of the separator 12a of one single cell 2 and the outer surface of the separator 12b of the adjacent single cell 2 are attached to each other, and the cooling water flow paths 32 of both are communicated. To do. The separator 12a and the separator 12b of the adjacent single cells 2 and 2 are molded with a molding resin 40 at a peripheral portion between them.

セパレータ12a,12bの一方の端部には、酸化ガスの入口側のマニホールド、水素ガスの入口側のマニホールド、および冷却水の入口側のマニホールドが貫通した状態に形成されている。セパレータ12a,12bの他方の端部には、同様に酸化ガスの出口側のマニホールド、水素ガスの出口側のマニホールド、および冷却水の出口側のマニホールドが貫通形成されている。各入口側マニホールドを介して酸化ガスのガス流路31a、水素ガスのガス流路31b、冷却水流路32に各流体が供給され、各流路から各出口側マニホールドに排出される。   At one end of each of the separators 12a and 12b, a manifold on the inlet side of the oxidizing gas, a manifold on the inlet side of the hydrogen gas, and a manifold on the inlet side of the cooling water are formed penetrating. Similarly, a manifold on the outlet side of the oxidizing gas, a manifold on the outlet side of the hydrogen gas, and a manifold on the outlet side of the cooling water are formed through the other ends of the separators 12a and 12b. Each fluid is supplied to each of the oxidizing gas passage 31a, the hydrogen gas passage 31b, and the cooling water passage 32 through each inlet manifold, and is discharged from each passage to each outlet manifold.

図3は、セパレータ12a,12bを製造する手順について説明した図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating a procedure for manufacturing the separators 12a and 12b.

図3(a)の符号70は、プレス加工等の成形加工の対象であるセパレータ材料である。加工前におけるセパレータ材料70の厚さ(素材元厚)はt0である。セパレータ材料70を型によりプレス加工し、電極22a,22bに面する中央部分(溝形成領域74)が波型に加工された(b)の波型成形品71となる(図3(b)参照)。波型に形成される溝形成領域74の幅はBRである。 The code | symbol 70 of Fig.3 (a) is a separator material which is the object of shaping | molding processes, such as press work. The thickness (raw material thickness) of the separator material 70 before processing is t 0 . The separator material 70 is pressed by a mold, and the central portion (groove formation region 74) facing the electrodes 22a and 22b is processed into a corrugated product 71 (see FIG. 3B). ). The width of the groove forming region 74 formed in the corrugated is B R.

さらに(b)の波型成形品71がコイニング成形され、(c)のコイニング工程品72となる。コイニング成形後の溝形成領域74の幅はBC、長さはC、加工により生ずる板のそり高さは、長手方向におけるそり高さがSA、幅方向におけるそり高さがSBとなる。 Further, the corrugated molded product 71 of (b) is coined and becomes a coining process product 72 of (c). The width of the groove forming region 74 after coining is B C , the length is C, and the warp height of the plate produced by processing is S A in the longitudinal direction and S B in the width direction. .

さらにマニホールド孔を打抜く等して(d)のセパレータ12a,12bが完成する。なお、コイニングと同時にマニホールド孔を打抜いてもよいし、外形を打抜いてもよい。   Further, the separators 12a and 12b of (d) are completed by punching out manifold holes. The manifold hole may be punched simultaneously with coining, or the outer shape may be punched.

次に、(a)から(b)における波型加工、および、(b)から(c)におけるコイニング成形について詳細に説明する。   Next, the waveform processing in (a) to (b) and the coining molding in (b) to (c) will be described in detail.

図4に示したように、波型成形加工は、上下一対の金型(波型成形用型)80,81を用いてセパレータ材料70を挟み込み、プレス加工することにより行われる。上部金型(第2の型)80には凸部(リブ)80aと凹部80bとが交互に形成され、下部金型(第1の型)81には上部の凸部80a及び凹部80bに対してそれぞれ隙間を有した状態で噛み合わされる凹部81aと凸部(リブ)81bとが交互に形成されている。これら凸部80a,81b、凹部80b,81aは、セパレータ材料70の長手方向(図4において紙面に垂直な方向)に向けて延在している。   As shown in FIG. 4, the wave forming process is performed by sandwiching the separator material 70 using a pair of upper and lower molds (wave forming molds) 80 and 81 and pressing the separator material 70. The upper mold (second mold) 80 is formed with convex portions (ribs) 80a and concave portions 80b alternately, and the lower mold (first mold) 81 is formed with respect to the upper convex portions 80a and concave portions 80b. The concave portions 81a and the convex portions (ribs) 81b that are meshed with each other having a gap are alternately formed. These convex portions 80a and 81b and concave portions 80b and 81a extend in the longitudinal direction of the separator material 70 (the direction perpendicular to the paper surface in FIG. 4).

これら上部金型80と下部金型81は、凸部80a,81bと凹部80b,81aとが一定のピッチPで繰返して設けられており、図4におけるP/2の範囲に示した構成が対称に繰返して設けられている。Pはセパレータ材料70の幅方向(図の紙面左右方向)に沿った凸部80a,81bの形成間隔(溝ピッチ)、つまり凹凸1組の繰り返し単位である。   In the upper mold 80 and the lower mold 81, convex portions 80a and 81b and concave portions 80b and 81a are repeatedly provided at a constant pitch P, and the configuration shown in the range of P / 2 in FIG. 4 is symmetrical. Are repeatedly provided. P is a formation interval (groove pitch) of the convex portions 80a and 81b along the width direction of the separator material 70 (left and right direction in the figure), that is, a repeating unit of a set of concave and convex portions.

凸部80aおよび凸部81bは、頂部の先端面に平坦部84及び85を備え、両側面は平坦部84,85に対して略垂直な側壁86,87を有する。側壁86,87と平坦部84,85との境界部は滑らかに連続する肩部88となっている。肩部88は、凸部80a,81bの長手方向に垂直な平面による断面において、互いに滑らかに連続する曲率半径R1Rの曲面(第1の曲面)88aと、曲率半径R2Rの曲面(第2の曲面)88bとにより構成された複合R形状である。側壁86,87から曲面88aに滑らかに繋がり、さらに曲面88b、および平坦部84,85に滑らかに連続している。なお、以下においては波型成形時には半径R1,R2等のパラメータに添字Rを付し、コイニング加工時には添字Cを付す。 The convex part 80a and the convex part 81b are provided with flat parts 84 and 85 at the top end face of the top part, and both side faces have side walls 86 and 87 substantially perpendicular to the flat parts 84 and 85. A boundary portion between the side walls 86 and 87 and the flat portions 84 and 85 is a shoulder portion 88 that is smoothly continuous. The shoulder portion 88 has a curved surface (first curved surface) 88a having a curvature radius R1 R and a curved surface (second surface) having a curvature radius R2 R that are smoothly continuous with each other in a cross section of a plane perpendicular to the longitudinal direction of the convex portions 80a and 81b. The curved surface) 88b is a composite R shape. The side walls 86 and 87 are smoothly connected to the curved surface 88a, and are further continuously connected to the curved surface 88b and the flat portions 84 and 85. In the following description, the suffix R is added to parameters such as the radii R1, R2 and the like during wave forming, and the suffix C is added during coining.

図における各符号について説明しておくと以下のとおりである。すなわち、
Rは下部金型81の凸部81bに設けられた曲面88bの曲率中心間の距離の半幅、
Wは上部金型80と下部金型81とを噛み合わせた場合に、下部金型81の凸部81bの両サイドに形成される上部金型80の凸部80aとの間の隙間89間の距離、
R/2は半ピッチP/2の幅内に形成される波型成形品71の板面に沿った長さ寸法(成形長)、
Rは波型成形後の波型成形品71の高さ、
である。上記R1R、R2R、AR、W、HRは、以下の条件を満たすよう設定される。
Each symbol in the figure will be described as follows. That is,
A R is the half width of the distance between the centers of curvature of the curved surface 88b provided on the convex portion 81b of the lower mold 81,
W is a gap between the convex portions 80a of the upper mold 80 formed on both sides of the convex portions 81b of the lower mold 81 when the upper mold 80 and the lower mold 81 are engaged with each other. distance,
l R / 2 is a length dimension (molding length) along the plate surface of the corrugated molded product 71 formed within the width of the half pitch P / 2,
H R is corrugated height of the molded article 71 after the corrugating,
It is. The R1 R , R2 R , A R , W, and H R are set so as to satisfy the following conditions.

R1R>R2R
(R1R+R2R)/t0>1
(R1R+R2R)/AR×W×t0/HR≧0.15
なお、ここで示している符号Wは、上述したとおり、下部金型81の凸部81bの両サイドに形成される上部金型80の凸部80aとの間の隙間89間の距離を表すものだが、これを成形後の波型成形品(燃料電池セパレータ)71に当てはめた場合には以下のように表現することもできる。すなわち、複数形成されている凹凸中、凹部(例えば81a)の占める幅を例えば2W’、凸部(例えば81b)の占める幅を例えば2Wとし、これら2W’と2Wの合計が凹凸の1ピッチ分の長さPに等しいとした場合の当該Wがここで説明したWに該当する。つまり、凸部の1ピッチ分の長さ(凸部1個分の幅)を2Wとおいた場合の半分の値であるWが上述の式中のWだということになる。この場合、凹部の1ピッチ分の幅と凸部の1ピッチ分の幅とが異なれば、通常は小さい方の値が2Wに該当する。
R1 R > R2 R
(R1 R + R2 R ) / t 0 > 1
(R1 R + R2 R ) / A R × W × t 0 / H R ≧ 0.15
In addition, the code | symbol W shown here represents the distance between the clearance gaps 89 between the convex part 80a of the upper metal mold | die 80 formed in the both sides of the convex part 81b of the lower metal mold | die 81 as above-mentioned. However, when this is applied to a corrugated molded article (fuel cell separator) 71 after molding, it can also be expressed as follows. That is, among the plurality of irregularities formed, the width occupied by the concave portion (for example, 81a) is, for example, 2W ', the width occupied by the convex portion (for example, 81b) is, for example, 2W, and the sum of these 2W' and 2W is one pitch This W when it is assumed to be equal to the length P corresponds to the W described here. That is, W in the above formula is W, which is a half value when the length of one convex portion (width of one convex portion) is set to 2W. In this case, if the width of one pitch of the concave portion is different from the width of one pitch of the convex portion, the smaller value usually corresponds to 2W.

このような条件で上部金型80と下部金型81を構成し、セパレータ材料70をプレスする。各金型80,81に設けられた凹凸により溝形成領域74に複数の溝が波状に形成される。プレス後においては板厚は一定ではなくなり、下部金型81の凸部81bにおける板厚がtuとなり、上部金型80の凸部80aにおける板厚がtBとなる。 The upper mold 80 and the lower mold 81 are configured under such conditions, and the separator material 70 is pressed. A plurality of grooves are formed in a wave shape in the groove forming region 74 due to the unevenness provided in each mold 80, 81. After pressing, the plate thickness is not constant, the plate thickness at the convex portion 81b of the lower mold 81 is t u , and the plate thickness at the convex portion 80a of the upper mold 80 is t B.

また、本成形時には上部金型80と下部金型81の凹部80b、81aはセパレータ材料70と接触せず、セパレータ材料の70の頂部は加圧されない。   Further, during the main molding, the recesses 80b and 81a of the upper mold 80 and the lower mold 81 are not in contact with the separator material 70, and the top of the separator material 70 is not pressurized.

<コイニング成形>
図5に示したように、コイニング成形は、上下一対の金型(コイニング成形用型)90,91を用いて波型成形品71を挟み込み、プレス加工することにより行われる。上部金型(第2の型)90には凸部(リブ)90aと凹部90bとが交互に形成され、下部金型(第1の型)91には上部の凸部90a及び凹部90bに対してそれぞれ隙間を有した状態で噛み合わされる凹部91aと凸部(リブ)91bとが交互に形成されている。これら凸部90a,91b、凹部90b,91aは、波型成形加工において波型成形品71に形成された波型状に対応して該波型成形品71の長手方向(図中において紙面に垂直な方向)に向けて延在している。
<Coining molding>
As shown in FIG. 5, coining is performed by sandwiching a corrugated product 71 using a pair of upper and lower molds (coining molds) 90 and 91 and pressing. The upper mold (second mold) 90 is formed with convex portions (ribs) 90a and concave portions 90b alternately, and the lower mold (first mold) 91 is formed with respect to the upper convex portions 90a and concave portions 90b. The concave portions 91a and the convex portions (ribs) 91b that are meshed with each other having a gap are alternately formed. These convex portions 90a and 91b and concave portions 90b and 91a correspond to the corrugated shape formed on the corrugated product 71 in the corrugating process, and the longitudinal direction of the corrugated product 71 (perpendicular to the paper surface in the figure). Extending in the right direction).

これら上部金型90と下部金型91は、凸部90a,91bと凹部90b,91aとが繰返して設けられており、図5における半ピッチP/2の範囲に示した構成が対称に繰返して設けられている。   The upper mold 90 and the lower mold 91 are provided with convex portions 90a and 91b and concave portions 90b and 91a repeatedly, and the configuration shown in the range of the half pitch P / 2 in FIG. 5 is symmetrically repeated. Is provided.

凸部90aおよび凸部91bは、頂部の先端面に平坦部94及び95を備え、両側面は平坦部94,95に対して略垂直な側壁96,97を有する。側壁96,97と平坦部94,95との境界部は滑らかに連続する曲面(肩部98)となっている。肩部98は、凸部90a,91bの長手方向に垂直な平面による断面において、互いに滑らかに連続する曲率半径R1Cの曲面(第1の曲面)98aと、曲率半径R2Cの曲面(第2の曲面)98bとにより構成された複合R形状である。側壁96,97から曲率半径R1Cとする曲面98aに滑らかに繋がり、さらに曲面98b、および平坦部94,95に滑らかに連続している。 The convex part 90a and the convex part 91b are provided with flat parts 94 and 95 on the top end face of the top part, and both side faces have side walls 96 and 97 substantially perpendicular to the flat parts 94 and 95. The boundary between the side walls 96, 97 and the flat portions 94, 95 is a smoothly continuous curved surface (shoulder 98). The shoulder 98 has a curved surface (first curved surface) 98a having a radius of curvature R1 C and a curved surface (second curved surface) having a radius of curvature R2 C that are smoothly continuous with each other in a cross section of a plane perpendicular to the longitudinal direction of the convex portions 90a and 91b. Of the curved surface) 98b. The side walls 96 and 97 are smoothly connected to a curved surface 98a having a curvature radius R1 C, and are further continuously connected to the curved surface 98b and the flat portions 94 and 95.

図5において、
Cは下部金型91の凸部91bに設けられた曲面98bの曲率中心間の距離の半幅、
C/2は半ピッチP/2の幅内に形成されるコイニング工程品72の板面に沿った長さ寸法(成形長)、
Cはコイニング成形後のコイニング工程品72の高さ、
Gは溝深さ、
である。上記R1C、R2C、AC、W、HC等は、以下の条件を満たすよう設定される。
In FIG.
A C is a half width of the distance between the centers of curvature of the curved surface 98b provided on the convex portion 91b of the lower mold 91;
l C / 2 is a length dimension (molding length) along the plate surface of the coining process product 72 formed within the width of the half pitch P / 2,
H C is the height of the coining process products 72 after coining molding,
H G is the groove depth,
It is. R1 C , R2 C , A C , W, H C and the like are set so as to satisfy the following conditions.

R1C>R2C
(R1C+R2C)/t0>1
(R1C+R2C)/AC×W×t0/HC≧0.15
(R1R+R2R)/(R1C+R2C)≧2
0.98≦lR/lC≦1.02
このような条件で上部金型90と下部金型91を構成し、波型成形品71をプレスしてコイニング工程品72とする。波型加工により波状に形成された溝は、コイニング成形により更に変形が加えられる。
R1 C > R2 C
(R1 C + R2 C ) / t 0 > 1
(R1 C + R2 C ) / A C × W × t 0 / H C ≧ 0.15
(R1 R + R2 R ) / (R1 C + R2 C ) ≧ 2
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
Under these conditions, the upper mold 90 and the lower mold 91 are configured, and the corrugated product 71 is pressed to form a coining process product 72. The grooves formed in a wave shape by the corrugation are further deformed by coining.

本実施形態によれば、上記の加工条件により波型成形及びコイニング成形を行うことで、図6(b)と(c)に示すような
0.9985≦BR/BC≦1.0015
の成形品が得られ、歪みを抑制することができる。
According to the present embodiment, 0.9985 ≦ B R / B C ≦ 1.0015 as shown in FIGS. 6B and 6C by performing wave forming and coining forming under the above processing conditions.
The molded article can be obtained and distortion can be suppressed.

具体的には、各条件により以下の作用を得る。   Specifically, the following actions are obtained according to each condition.

(1)パラメータを
R1R>R2R
R1C>R2C
とすることにより、完成したセパレータ12a,12bの上面105および下面106を広い面積で平坦とすることが可能となる。したがって、MEA11との接触面、セパレータ12a,12b間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。
(1) Set the parameters as R1 R > R2 R
R1 C > R2 C
By doing so, it is possible to flatten the upper surface 105 and the lower surface 106 of the completed separators 12a and 12b over a wide area. Therefore, it is possible to ensure the contact surface with the MEA 11, the conductive resistance between the separators 12a and 12b, the sealing properties of gas and cooling water, and the assembly property of the stack.

(2)パラメータを
0.98≦lR/lC≦1.02
とすることにより、そり高さを制限内に収めることができる。
(2) The parameter is 0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02.
By doing so, the sled height can be kept within the limits.

上記成形比率外になると、そり高さSH(SA,SB)が図6(a)〜(c)のように限界を超え、図3(c)に示したように溝形成領域74の溝幅方向の狙い寸法BCや、溝方向の寸法Cが太鼓状74’や鼓状74”になり、製品のシール性・組み付け性確保が困難となる。 When the molding ratio is out of the above range, the warp height S H (S A , S B ) exceeds the limit as shown in FIGS. 6A to 6C, and as shown in FIG. The target dimension B C in the groove width direction and the dimension C in the groove direction become the drum shape 74 ′ and the drum shape 74 ″, which makes it difficult to ensure the sealing performance and assembling performance of the product.

また、上記の比が所定範囲よりも小さいとセパレータ12a,12bが破断しやすく、所定範囲よりも大きいと座屈しやすい。   In addition, when the above ratio is smaller than the predetermined range, the separators 12a and 12b are easily broken, and when larger than the predetermined range, the separator 12a and 12b are easily buckled.

本実施形態によれば、上記成形比率内とすることで、
0.9985≦BR/BC≦1.0015
というように成形品の溝部幅は所定内となり、そり高さ(SA,SB)を限界内に収めることができ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。
According to the present embodiment, by being within the above molding ratio,
0.9985 ≦ B R / B C ≦ 1.0015
Thus, the groove width of the molded product is within a predetermined range, the warp height (S A , S B ) can be kept within the limit, and the sealing performance and assembling performance of the product can be ensured.

なお、少なくとも0.98≦lR/lC≦1.02を満たせばよいが、さらに 0.9985≦BR/BC≦1.0015 を満たすことで、より効果的に歪みを抑制することができる。 Note that at least 0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02 should be satisfied, but by further satisfying 0.9985 ≦ B R / B C ≦ 1.0015, distortion can be more effectively suppressed. Can do.

(3)パラメータを
(R1R+R2R)/t0>1
(R1C+R2C)/t0>1
とすることにより、破断の抑制、肉厚の確保が実現する。
(3) Change the parameter to (R1 R + R2 R ) / t 0 > 1
(R1 C + R2 C ) / t 0 > 1
By doing, suppression of a fracture | rupture and ensuring of thickness are implement | achieved.

素材元厚t0に対する肩部の比率が1以下では、主に波型成形での肉厚減少が大きくなってしまう。このためコイニング成形での破断、製品上必要な最小肉厚(例えば0.04mm以上)の確保が難しく、また、コイニング成形での型製作公差も加わり、そり高さ(SA,SB)のバラツキが大きくなり、所定品質の確保が難しくなる。本実施形態によれば、上記の加工条件とすることで、割れや歪みを防ぎ、製品のシール性・組み付け性を確保することができる。 When the ratio of the shoulder portion to the raw material thickness t 0 is 1 or less, the thickness reduction mainly by the wave forming becomes large. For this reason, it is difficult to ensure breakage in coining molding and to secure the minimum wall thickness (for example, 0.04 mm or more) necessary for the product. In addition, mold manufacturing tolerance in coining molding is added, and the warp height (S A , S B ) Variations increase and it becomes difficult to ensure a predetermined quality. According to this embodiment, by setting it as said process conditions, a crack and distortion can be prevented and the sealing performance of a product and assembly | attachment property can be ensured.

(4)パラメータを、
(R1R+R2R)/AR×W×t0/HR≧0.15
(R1C+R2C)/AC×W×t0/HC≧0.15
とすることにより、そりを最小限に抑えることができる。
(4) Parameter
(R1 R + R2 R ) / A R × W × t 0 / H R ≧ 0.15
(R1 C + R2 C ) / A C × W × t 0 / H C ≧ 0.15
By doing so, warpage can be minimized.

製品のそり高さ(SA,SB)は、元厚t0,凹凸流路形状、肩R形状、溝深さHG、溝ピッチP、波型成形品の高さHR、などに影響するが、種々検討した結果、上式を満たし、さらに波型成形時にセパレータ材料の頂部を加圧しない成形法により、そりを最小限に抑えることができ、MEA11との接触面、セパレータ12a,12b間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。なお、付け加えておくと、ここでは頂部を加圧しない成形法と記載しているが、より好ましくはコイニング成形で頂部の肉厚を減少させずに加圧するというものである。この場合の加圧は、主として曲げと圧縮とを加えるものである。こうした場合、矯正的に肉厚を潰すことがない。 The warp height (S A , S B ) of the product depends on the original thickness t 0 , uneven channel shape, shoulder R shape, groove depth H G , groove pitch P, corrugated product height H R , etc. However, as a result of various investigations, the above formula is satisfied, and further, by a molding method in which the top of the separator material is not pressurized during wave forming, warpage can be minimized, the contact surface with the MEA 11, the separator 12a, The conductive resistance between 12b, the sealing performance of gas and cooling water, and the assembly property of the stack can be ensured. In addition, although described here as a molding method in which the top is not pressurized, it is more preferable to press the top without reducing the thickness of the top in coining molding. The pressurization in this case mainly applies bending and compression. In such a case, the thickness is not crushed correctively.

(5)パラメータを
(R1R+R2R)/(R1C+R2C)≧2
とすることにより、完成したセパレータ12a,12bの上面105および下面106を広い面積で平坦とすることが可能となる。したがって、MEA11との接触面、セパレータ12a,12b間の導電抵抗、ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。
(5) Parameter is (R1 R + R2 R ) / (R1 C + R2 C ) ≧ 2
By doing so, it is possible to flatten the upper surface 105 and the lower surface 106 of the completed separators 12a and 12b over a wide area. Therefore, it is possible to ensure the contact surface with the MEA 11, the conductive resistance between the separators 12a and 12b, the sealing properties of gas and cooling water, and the assembly property of the stack.

以上のように、本実施形態のセパレータ製造装置及びセパレータ製造方法によれば、割れや歪み、そりの発生を抑制することができ、製品のシール性・組み付け性を確保して高品質な燃料電池を得ることができる。これについてより詳細に説明しておくと以下のとおりである。   As described above, according to the separator manufacturing apparatus and the separator manufacturing method of the present embodiment, generation of cracks, distortion, and warpage can be suppressed, and a high-quality fuel cell can be ensured by ensuring product sealing performance and assembly performance. Can be obtained. This will be described in more detail as follows.

すなわち、(a)セパレータ材料70を例えばブランクホルダで支持し、上部金型80によって下部金型81の例えば弾性パットによる大まかな張出し成形を行う場合、ブランクホルダの周囲やその付近あるいは肩部88(ないしは98)においてセパレータが薄肉となることがある。また、凹凸ピッチPが細かくて立ち面の大きな製品の場合、第2成形(第2工程)も張出し成形となるため、細かなピッチPとなった凹凸形状では肩部が更に薄肉化して成形が困難となることがある。これは、例えば、外周部が平坦形状で(なお、ここでいう「外周部が平坦形状」とは、例えば図3(d)に示す矩形の溝形成領域74の外側の部分が平坦に形成されるということ)弾性体や液圧により中央部に張出し成形すると、コーナー部・縁部・中央部での成形時の張出し力による曲げモーメントが異なり、肩部88のR(曲率半径)が小さい部位では材料の局部伸びが大となり成形が困難になる、ということが理由の一つといえる。これに対し、割れや歪み、そりの発生を抑制することとした本実施形態にかかるセパレータ製造技術あるいはこれによって製造される燃料電池セパレータによれば、これらのような成形時の問題を解決することが可能である。   That is, (a) when the separator material 70 is supported by, for example, a blank holder and the upper mold 80 is used to roughly form the lower mold 81 with, for example, an elastic pad, the periphery of the blank holder, the vicinity thereof, or the shoulder 88 ( Or 98), the separator may be thin. In addition, in the case of a product with a fine uneven pitch P and a large standing surface, the second molding (second process) is also over-molded. It can be difficult. For example, the outer peripheral portion has a flat shape (here, “the outer peripheral portion has a flat shape” means that, for example, the outer portion of the rectangular groove forming region 74 shown in FIG. 3D is formed flat. If the overhang is formed in the center by elastic body or hydraulic pressure, the bending moment due to the overhang force at the corner, edge and center is different, and the R (curvature radius) of the shoulder 88 is small. Then, it can be said that one of the reasons is that the local elongation of the material becomes large and molding becomes difficult. On the other hand, according to the separator manufacturing technology according to the present embodiment that suppresses the generation of cracks, distortions, and warpage, or the fuel cell separator manufactured by the separator manufacturing technology, it is possible to solve these molding problems. Is possible.

(b)一般的な成形工程においては、ガス流路の長手方向と平行となっている周辺部を固定し、長手方向と直交している周辺部を型で係止し、流路のプレス成形により圧延方向と同一方向の引張り力を加えるため、直交する周辺部に分配形状を有する場合その形状との流路間寸法保持性や形状保持性が困難となる。また、ガス流路の長手方向と平行となっている周辺流路部が上述したように太鼓状となったり鼓(つづみ)状となったりした場合に、長手方向と平行となる周辺部は固定されているために歪の解消を図ることができないことがある。以上についてもう少し詳細に説明すると、例えば、凹凸溝を圧延成形した後、後工程で所定の部位(この場合、凹凸溝となっている部位)を加圧拘束し、圧延方向と同方向に引張り力を加えると凹凸溝となっている部分は延ばされることになるが、この場合、凹凸溝部分の長手方向と直交する周辺部との歪差が生じ、その調整が必要となり、圧延した凹凸溝の初期形状も変わることがある。また、凹凸溝部分の長手方向と直交する周辺部は、一般的な成形時、溝部長手方向と直交の肩R部の応力差(スプリングバック量の差となる)で太鼓状や鼓状になってそりが発生することがあるが、溝部長手方向と直交する周辺部を拘束すると溝部全体に均一な変形量が付与できず、歪の安定化が困難になることもある。より詳細に説明すると、成形時、肩R部の引張応力が大で、除荷時(型の開放時)の残留応力により肩R部が伸びようとすると圧縮応力によりスプリングバックし、その応力バランスによってそりが発生する。あるいは、成形時の圧縮応力が大で開放時に引張応力が働き、このときの力の大小やアンバランスに起因してそりが発生する。このようなそりの発生時または発生後、溝直交周辺部を拘束すると溝部全体に均一な変形量を付与することが難しくなる。つまり、溝幅方向の中心部では引張応力が働くが、拘束部位では同様な応力が与えられることがなく、その差が歪みとなり、そりを安定化させることが困難となっている。この点、本実施形態の技術によれば、既に説明したように太鼓状や鼓状となるのを抑制して寸法や形状の保持性に優れるセパレータを成形することが可能である。   (B) In a general molding process, the peripheral part parallel to the longitudinal direction of the gas flow path is fixed, the peripheral part orthogonal to the longitudinal direction is locked with a mold, and the flow path is press-molded. Since a tensile force in the same direction as the rolling direction is applied by this, when the orthogonal peripheral part has a distribution shape, inter-channel dimension retention and shape retention with that shape becomes difficult. In addition, when the peripheral flow path portion parallel to the longitudinal direction of the gas flow path becomes a drum shape or a drum shape as described above, the peripheral portion parallel to the longitudinal direction is Since it is fixed, the distortion may not be eliminated. Explaining the above in a little more detail, for example, after rolling the concavo-convex groove, a predetermined portion (in this case, the portion that is the concavo-convex groove) is pressed and constrained in the subsequent process, and the tensile force is the same as the rolling direction. However, in this case, a difference in distortion occurs between the peripheral portion perpendicular to the longitudinal direction of the concave and convex groove portion, and adjustment thereof is necessary. The initial shape may also change. In addition, the peripheral portion perpendicular to the longitudinal direction of the concave and convex groove portion is formed into a drum shape or a drum shape due to a stress difference (a difference in springback amount) of the shoulder R portion perpendicular to the longitudinal direction of the groove portion during general molding. Although warpage may occur, if the peripheral portion orthogonal to the longitudinal direction of the groove is constrained, a uniform amount of deformation cannot be applied to the entire groove, and it may be difficult to stabilize the strain. More specifically, the shoulder R part has a large tensile stress during molding, and if the shoulder R part stretches due to residual stress during unloading (when the mold is opened), it springs back due to compressive stress, and its stress balance Causes warping. Alternatively, the compressive stress at the time of molding is large, and the tensile stress acts at the time of release, and warpage occurs due to the magnitude and unbalance of the force at this time. When the warp orthogonal peripheral part is restrained at the time of or after the occurrence of such warpage, it becomes difficult to give a uniform deformation amount to the entire groove part. That is, tensile stress acts at the center in the groove width direction, but similar stress is not applied at the constrained portion, and the difference becomes distortion, making it difficult to stabilize the warp. In this regard, according to the technique of the present embodiment, as described above, it is possible to form a separator that is excellent in the retention of dimensions and shape by suppressing the drum shape or the drum shape.

(c)成形時においては、凹凸溝の中央における被加工部および周囲の平坦部に対して一定量の圧延加工を施すことになるため、凹凸溝形状が異なる場合や、材料の厚さにバラツキがある場合、溝方向の圧延量に関し、中央付近の凹凸溝と周囲の平坦部との間で肉余りの差により歪、すなわち波打ちが発生し、ロールシャフトの撓みも加わる結果、歪量を安定させることが困難である。すなわち、薄板の凹凸部分に圧延加工を施すと、凹凸部分には必ず圧縮応力が発生し、これに見合う体積変動(板厚方向・圧延方向・圧延方向に直角な方向)で変形量や残留応力が異なり、これが凹凸部分の周囲における歪み量の差となり、そりや肉余りが発生することにつながっている。この点、本実施形態の技術によれば、既に説明したようにセパレータにおける割れや歪み、そりの発生を抑制することができるから、これらのような問題をも解消することが可能である。   (C) At the time of molding, since a certain amount of rolling is applied to the processed part and the surrounding flat part in the center of the concave and convex grooves, the shape of the concave and convex grooves is different or the thickness of the material varies. If there is, the amount of rolling in the groove direction is distorted due to the difference in the thickness between the concave and convex groove near the center and the surrounding flat part, that is, the waviness is generated, and the deflection of the roll shaft is added. It is difficult to do. In other words, when rolling is applied to the uneven portion of a thin plate, a compressive stress is always generated in the uneven portion, and the amount of deformation and residual stress due to volume fluctuations (directions perpendicular to the plate thickness direction, rolling direction, and rolling direction) corresponding to this. However, this is a difference in the amount of distortion around the concavo-convex part, leading to the occurrence of warpage and excess meat. In this respect, according to the technique of the present embodiment, it is possible to suppress the occurrence of cracks, distortion, and warpage in the separator as described above, and thus it is possible to eliminate such problems.

(d)セパレータ材料の板厚が例えば0.1mm程度で凹凸のピッチが小さい場合、肩部の曲率半径Rを一定の小さな値とすると、成形工程中に当該肩部で早期の段階で破断が生じ、所定の溝深さが得られず、頂部における平坦部を確保することもままならないことがある。また、凹凸部の溝形状が非対称で圧延量や変形量が同一の場合には、頂部や肩部の肉厚が異なり、変形量の差や応力歪差が発生し、平滑な製品が得られなくなることがある。この点、本実施形態の技術によれば、既に説明したようにセパレータにおける割れや歪み、そりの発生を抑制することができるからこのような問題を解消することも可能である。   (D) When the thickness of the separator material is, for example, about 0.1 mm and the pitch of the unevenness is small, if the curvature radius R of the shoulder portion is set to a certain small value, the shoulder portion breaks at an early stage during the molding process. In some cases, a predetermined groove depth cannot be obtained, and a flat portion at the top cannot be secured. In addition, when the groove shape of the concavo-convex part is asymmetrical and the rolling amount and deformation amount are the same, the thickness of the top part and the shoulder part is different, resulting in a difference in deformation amount and a difference in stress strain, resulting in a smooth product. It may disappear. In this regard, according to the technique of the present embodiment, as described above, it is possible to suppress the occurrence of cracks, distortion, and warpage in the separator, and thus it is possible to solve such a problem.

(e)燃料電池セパレータにおいて、上底部、下底部に一定曲率半径の肩部が設けられている場合、平坦部の面積ないしは領域を大きくしようとすると、頂部のコイニング量を大きくすることになる。その反面、上底部と下底部のコイニング量を同程度にしないと歪量に差が発生し、そりの解消が困難となるということもある。つまり、成形時、肩R部に作用する応力に起因してそりが生じるというのは上述したとおりであるが、この点、特に肩R部でのコイニング量(曲げ圧縮量)を同一にしないと当該肩R部にて残留応力差が生じ、その差がそりの発生につながるということがある。特に極薄板や箔の場合、このような問題が顕著になる傾向がある。この点、本実施形態の技術によれば、肩R部の形状をほぼ同一とし(例えば図5参照)、残留応力のバランスを確保することが可能となる結果、既に説明したようにセパレータにおける割れや歪み、そりの発生を抑制することができるからこのような問題を解消することも可能である。   (E) In the fuel cell separator, when shoulders having a constant radius of curvature are provided at the upper and lower bases, if the area or region of the flat part is increased, the amount of coining at the top is increased. On the other hand, if the coining amount of the upper bottom part and the lower bottom part is not made comparable, there is a difference in distortion amount, and it may be difficult to eliminate the warp. That is, as described above, warping occurs due to the stress acting on the shoulder R portion during molding, but this point, particularly the coining amount (bending compression amount) at the shoulder R portion must be the same. There is a case where a difference in residual stress is generated in the shoulder R, and the difference leads to generation of warpage. In particular, in the case of an ultrathin plate or foil, such a problem tends to become remarkable. In this respect, according to the technique of the present embodiment, the shape of the shoulder R portion is substantially the same (see, for example, FIG. 5), and the balance of the residual stress can be ensured. Such a problem can be solved because generation of distortion, warpage, and warpage can be suppressed.

なお、上述の実施形態は本発明の好適な実施の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。以下、上述した実施形態の変形例を説明しておく。   The above-described embodiment is an example of a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. Hereinafter, modifications of the above-described embodiment will be described.

図7に示すように、コイニング成形に用いる上部金型90の凹部90bに、曲率ρ1で僅かに膨出する膨出部100を設ける。下部金型91の凸部91bには、膨出部100に対向して曲率ρ1で僅かに内側に窪む陥没部102を備える。   As shown in FIG. 7, a bulging portion 100 that slightly bulges with a curvature ρ1 is provided in the concave portion 90b of the upper mold 90 used for coining molding. The convex portion 91 b of the lower mold 91 is provided with a depressed portion 102 that faces the bulging portion 100 and is slightly inwardly concave with a curvature ρ1.

また、下部金型91の凹部91aに、曲率ρ2で僅かに膨出する膨出部101を設ける。上部金型90の凸部90aには、膨出部101に対向して曲率ρ2で僅かに内側に窪む陥没部103を備える。   Further, a bulging portion 101 that slightly bulges with a curvature ρ2 is provided in the concave portion 91a of the lower mold 91. The convex portion 90 a of the upper mold 90 is provided with a depressed portion 103 that faces the bulging portion 101 and is slightly recessed inward with a curvature ρ2.

膨出部100の膨出幅及び陥没部102の窪み幅はh1、膨出部101の膨出幅及び陥没部103の窪み幅はh2である。上記膨出部100,101及び陥没部102,103を設けない場合、肩部98の寸法及び寸法ACが小さいと、成形後のセパレータ12a,12bの上面105および下面106が図8の上面105’および下面106’のように膨らんでしまう。上記のように金型90,91に膨出部100,101及び陥没部102,103を設けることにより、図8に示すように成形後のセパレータ12a,12bの上面105および下面106を平坦に仕上げることができる。したがって、MEA11との接触面、セパレータ12a,12b間の導電抵抗ガスや冷却水のシール性、スタックの組み付け性を確保することができる。 The bulge width of the bulge portion 100 and the depression width of the depression portion 102 are h 1 , and the bulge width of the bulge portion 101 and the depression width of the depression portion 103 are h 2 . If not provided the bulged portion 100, 101 and the depressions 102 and 103, the size and dimensions A C of the shoulder portion 98 is small, the separator 12a after molding, the upper surface 105 and lower surface 106 of 12b upper surface 105 of FIG. 8 It swells like 'and the lower surface 106'. By providing the bulging portions 100 and 101 and the depressed portions 102 and 103 in the molds 90 and 91 as described above, the upper surface 105 and the lower surface 106 of the separators 12a and 12b after molding are finished flat as shown in FIG. be able to. Therefore, it is possible to ensure the contact surface with the MEA 11, the conductive resistance gas and the cooling water between the separators 12a and 12b, and the stacking property.

なお、上記の例では上部金型90の凸部90aと下部金型91の凸部91bの両方に膨出部100,101、及びこれに対応する陥没部102,103を設けたが、いずれか一方側にのみ設けても良い。例えば上部金型90の凸部90aの幅が十分に広い場合には、下部金型91の膨出部101及び上部金型90の陥没部103を設けなくとも良い。また、陥没部101,102を設けなくとも良い。   In the above example, the bulging portions 100 and 101 and the corresponding recessed portions 102 and 103 are provided on both the convex portion 90a of the upper mold 90 and the convex portion 91b of the lower mold 91. It may be provided only on one side. For example, when the width of the convex part 90a of the upper mold 90 is sufficiently wide, the bulging part 101 of the lower mold 91 and the depressed part 103 of the upper mold 90 need not be provided. Further, the depressions 101 and 102 need not be provided.

また、上記各実施形態において、上部金型80と下部金型81、および上部金型90と下部金型91の肩部88,98の形状を同じとしたが、異ならせても良い。例えば、上部金型80の凸部80aと下部金型81の凸部81bは、共に曲率半径R1R、R2Rの曲面を持つが、上部金型80の肩部曲率半径と下部金型81の肩部曲率半径を異ならせても良い。 In the above embodiments, the upper mold 80 and the lower mold 81 and the shoulders 88 and 98 of the upper mold 90 and the lower mold 91 have the same shape, but they may be different. For example, both the convex portion 80 a of the upper mold 80 and the convex portion 81 b of the lower mold 81 have curved surfaces having the curvature radii R 1 R and R 2 R , but the shoulder curvature radius of the upper mold 80 and the lower mold 81 The shoulder radius of curvature may be different.

本発明の一実施形態として示した燃料電池の斜視図である。It is a perspective view of a fuel cell shown as one embodiment of the present invention. 同燃料電池の断面図であり、隣接する二つの単セルの構成を示す図である。It is sectional drawing of the fuel cell, and is a figure which shows the structure of two adjacent single cells. (a)〜(d)はそれぞれ燃料電池のセパレータを加工する手順について示した三面図である。(A)-(d) is the three-plane figure shown about the procedure which processes the separator of a fuel cell, respectively. セパレータ材料を金型により挟み込んでプレス加工する状態について示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view shown about the state which inserts separator material with a metal mold | die and press-processes. セパレータ材料を金型により挟み込んでコイニング成形する状態について示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view shown about the state which pinches | molds a separator material with a metal mold | die. 波型成形及びコイニング成形の際のパラメータ条件について示した図である。It is the figure shown about the parameter conditions in the case of wave shape shaping | molding and coining shaping | molding. 変形例として示した金型を用いてプレス加工する状態について示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view shown about the state which press-processes using the metal mold | die shown as a modification. 同金型により加工された後のセパレータを示した部分断面図である。It is the fragmentary sectional view which showed the separator after processing with the metal mold | die.

符号の説明Explanation of symbols

1…燃料電池、2…単セル、12,12b…セパレータ、70…セパレータ材料、80…上部金型(波型成形用型、第2の型)、80a…凸部(リブ)、81…下部金型(波型成形用型、第1の型)、81b…凸部(リブ)、88…肩部、88a…曲面(第1の曲面)、88b…曲面(第2の曲面)、90…上部金型(コイニング成形用型、第2の型)、90a…凸部(リブ)、91…下部金型(コイニング成形用型、第1の型)、91b…凸部(リブ)、98…肩部、98a…曲面(第1の曲面)、98b…曲面(第2の曲面)、100,101…膨出部   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell, 2 ... Single cell, 12, 12b ... Separator, 70 ... Separator material, 80 ... Upper metal mold | die (corrugated mold, 2nd type | mold), 80a ... Projection (rib), 81 ... Lower part Mold (corrugated mold, first mold), 81b ... convex portion (rib), 88 ... shoulder, 88a ... curved surface (first curved surface), 88b ... curved surface (second curved surface), 90 ... Upper mold (coining mold, second mold), 90a ... convex (rib), 91 ... lower mold (coining mold, first mold), 91b ... convex (rib), 98 ... Shoulder, 98a ... curved surface (first curved surface), 98b ... curved surface (second curved surface), 100, 101 ... bulged portion

Claims (18)

セパレータ材料に凹凸を付して断面波型に成形した後にコイニング加工することによって形成される燃料電池セパレータにおいて、
前記凹凸の頂部の両隣に位置する肩部が複合した曲面にて構成されていることを特徴とする燃料電池セパレータ。
In the fuel cell separator formed by coining after forming the corrugated separator material into a corrugated section,
A fuel cell separator comprising a curved surface in which shoulder portions located on both sides of the top of the unevenness are combined.
前記複合した曲面は、少なくとも、曲率半径R1である第1の曲面と曲率半径R2である第2の曲面とからなり、尚かつR1>R2であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池セパレータ。   2. The fuel according to claim 1, wherein the combined curved surface includes at least a first curved surface having a curvature radius R <b> 1 and a second curved surface having a curvature radius R <b> 2, and R <b> 1> R <b> 2. Battery separator. 複数形成されている前記凹凸のうちの1ピッチ分の波型断面に沿った長さである成形長をlRとし、
前記コイニング加工に用いられる波型成形用型における凹凸のうちの1ピッチ分の成形面に沿った長さであるコイニング長をlCとしたとき、
前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
の関係を満たしていることを特徴とする請求項1または2に記載の燃料電池セパレータ。
The forming length which is the length along the corrugated cross section for one pitch among the plurality of irregularities formed is l R ,
When the coining length, which is the length along the molding surface for one pitch among the irregularities in the corrugating mold used for the coining process, is 1 C ,
The ratio of l R to l C is
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
The fuel cell separator according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
の関係を満たしていることを特徴とする請求項2に記載の燃料電池セパレータ。
The first curved surface of curvature radius R1, the second curved surface of radius of curvature R2, and, for the material Motoatsu t 0 of the separator material,
(R1 + R2) / t 0 > 1
The fuel cell separator according to claim 2, wherein the relationship is satisfied.
前記頂部を挟んで両隣に位置する前記肩部を構成している複合曲面のうち、いずれか一対の曲面の曲率中心間の距離を2A、
複数形成されている前記凹凸中における凹部の1ピッチ分の幅と凸部の1ピッチ分の幅とのうち小さい方を2W、
前記セパレータ材料の素材元厚をt0
断面波型に成形された当該燃料電池セパレータの断面の高さをHとおいたとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
の関係を満たしていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。
The distance between the centers of curvature of any of the pair of curved surfaces among the composite curved surfaces constituting the shoulder portions located on both sides of the top portion is 2A,
The smaller one of the width of one pitch of the concave portion and the width of one pitch of the convex portion in the plurality of the concave and convex portions formed is 2W,
The material original thickness of the separator material is t 0 ,
When the height of the cross section of the fuel cell separator formed into a corrugated cross section is H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
The fuel cell separator according to claim 1, wherein the relationship is satisfied.
前記頂部が、所定の曲率を有する形状となっていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載の燃料電池セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the top portion has a shape having a predetermined curvature. 燃料電池の単セルを構成するセパレータの製造装置において、
セパレータ材料をプレス加工する型を備え、該型は前記セパレータ材料に対してプレスされることで該セパレータ材料に複数の溝を形成する複数のリブを備え、
該リブは、両側面と先端面との間に、複合曲面からなる肩部を供えていることを特徴とするセパレータ製造装置。
In a separator manufacturing apparatus that constitutes a single cell of a fuel cell,
A mold for pressing the separator material, the mold includes a plurality of ribs that are pressed against the separator material to form a plurality of grooves in the separator material;
The separator manufacturing apparatus according to claim 1, wherein the rib is provided with a shoulder portion composed of a compound curved surface between both side surfaces and the front end surface.
前記肩部は、前記リブ長手方向に垂直な平面による断面において、リブ外側に位置して曲率半径がR1である第1の曲面と、該第1の曲面に連続してリブ内側に位置し曲率半径がR2である第2の曲面とを有し、R1>R2であることを特徴とする請求項7に記載のセパレータ製造装置。   In the cross section of the plane perpendicular to the rib longitudinal direction, the shoulder portion is positioned on the outer side of the rib and has a first curved surface with a radius of curvature R1, and on the inner side of the rib continuously with the first curved surface, the curvature. The separator manufacturing apparatus according to claim 7, further comprising: a second curved surface having a radius of R 2, wherein R 1> R 2. 前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
を満たすことを特徴とする請求項8に記載のセパレータ製造装置。
The first curved surface of curvature radius R1, the second curved surface of radius of curvature R2, and, for the material Motoatsu t 0 of the separator material,
(R1 + R2) / t 0 > 1
The separator manufacturing apparatus according to claim 8, wherein:
前記セパレータ製造装置は、前記型として、前記セパレータ材料を波型に成形する波型成形用型と、該波型に成形されたセパレータ材料をさらにコイニング成形するコイニング成形用型とを有し、
前記波型成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlRであり、
前記コイニング成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlCであり、前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
であることを特徴とする請求項7から9のいずれかに記載のセパレータ製造装置。
The separator manufacturing apparatus includes, as the mold, a corrugated mold that molds the separator material into a corrugated shape, and a coining mold that further coins the separator material molded into the corrugated shape,
The groove of the separator material formed by the corrugating mold has a forming length of 1 R per groove in the direction along the plate surface of the separator material,
Groove of the separator material molded by the coining mold is shaped length per one trench in the direction along the plate surface of the separator material is l C, the ratio of the l R and l C is,
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
The separator manufacturing apparatus according to any one of claims 7 to 9, wherein
前記型として、間に前記セパレータ材料を挟んで互いの前記リブを噛み合わせることにより前記セパレータ材料をプレス加工する第1の型と第2の型とを備え、
前記第1の型の前記リブ両肩部に設けられた前記第2の曲面の曲率中心間距離を2A、
前記第1の型と第2の型とを噛み合わせた場合に、前記第1の型が備える前記リブの両サイドに形成される前記第2の型のリブとの間の隙間間の距離をW、
前記セパレータ材料の素材元厚をt0
および、前記第1の型及び第2の型によるプレス加工後のセパレータ材料の高さをHとおくとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
を満たすことを特徴とする請求項8から10のいずれかに記載のセパレータ製造装置。
The mold includes a first mold and a second mold that press the separator material by engaging the ribs with the separator material in between.
The distance between the centers of curvature of the second curved surface provided on both shoulders of the rib of the first mold is 2A,
When the first mold and the second mold are engaged with each other, the distance between the gaps between the ribs of the second mold formed on both sides of the rib included in the first mold is determined. W,
The material original thickness of the separator material is t 0 ,
And when the height of the separator material after press working by the first mold and the second mold is set to H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
The separator manufacturing apparatus according to claim 8, wherein:
前記型は、隣り合った前記リブの間に、該リブの高さ方向に僅かに膨出する膨出部を備えていることを特徴とする請求項7から11のいずれかに記載のセパレータ製造装置。   12. The separator manufacture according to claim 7, wherein the mold includes a bulging portion that slightly bulges in the height direction of the rib between the adjacent ribs. apparatus. 複数のリブを備えた型を用いてセパレータ材料をプレス加工することにより、前記セパレータ材料に複数の溝を形成して燃料電池の単セル用セパレータを製造するセパレータ製造方法において、
前記リブとして、両側面と先端面との間に複合曲面からなる肩部を備えたリブを用いてプレス加工を行うことを特徴とするセパレータ製造方法。
In a separator manufacturing method for manufacturing a separator for a single cell of a fuel cell by forming a plurality of grooves in the separator material by pressing a separator material using a mold having a plurality of ribs,
The separator manufacturing method characterized by performing press work using the rib provided with the shoulder part which consists of a compound curved surface between both side surfaces and a front end surface as said rib.
前記肩部は、前記リブ長手方向に垂直な平面による断面において、リブ外側の曲率半径R1を有する第1の曲面と、該第1の曲面に連続し、リブ内側の曲率半径R2を有する第2の曲面とを有し、R1>R2であることを特徴とする請求項13に記載のセパレータ製造方法。   The shoulder has a first curved surface having a radius of curvature R1 on the outer side of the rib and a second curved surface having a radius of curvature R2 on the inner side of the rib in a cross section of the plane perpendicular to the longitudinal direction of the rib. The separator manufacturing method according to claim 13, wherein R1> R2. 前記第1の曲面の曲率半径R1、前記第2の曲面の曲率半径R2、及び、前記セパレータ材料の素材元厚t0について、
(R1+R2)/t0>1
の条件下で加工を行うことを特徴とする請求項14に記載のセパレータ製造方法。
The first curved surface of curvature radius R1, the second curved surface of radius of curvature R2, and, for the material Motoatsu t 0 of the separator material,
(R1 + R2) / t 0 > 1
The separator manufacturing method according to claim 14, wherein the processing is performed under the conditions of:
前記型としての波型成形用型を用いて前記セパレータ材料を波型成形した後で、前記型としてコイニング成形用型を用いて前記波型に形成されたセパレータ材料を更にコイニング成形し、
前記波型成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlRであり、
前記コイニング成形用型によって成形された前記セパレータ材料の溝は、該セパレータ材料の板面に沿った方向における溝一つ当たりの成形長がlCであり、前記lRとlCの比が、
0.98≦lR/lC≦1.02
となる条件下で加工を行うことを特徴とする請求項13から15のいずれかに記載のセパレータ製造方法。
After corrugating the separator material using the corrugating mold as the mold, further coining the separator material formed into the corrugated mold using the coining mold as the mold,
The groove of the separator material formed by the corrugating mold has a forming length of 1 R per groove in the direction along the plate surface of the separator material,
Groove of the separator material molded by the coining mold is shaped length per one trench in the direction along the plate surface of the separator material is l C, the ratio of the l R and l C is,
0.98 ≦ l R / l C ≦ 1.02
The separator manufacturing method according to claim 13, wherein the processing is performed under the following conditions.
前記型として第1の型と第2の型とを用い、これら第1及び第2の型の間に前記セパレータ材料を挟んで互いの前記リブを噛み合わせることにより前記セパレータ材料のプレス加工を行い、
前記第1の型の前記リブ両肩部に設けられた前記第2の曲面の曲率中心間距離を2A、
前記第1の型と第2の型とを噛み合わせた場合に、前記第1の型が備える前記リブの両サイドに形成される前記第2の型のリブとの間の隙間間の距離をW、
前記セパレータ材料の素材元厚をt0
および、前記第1の型及び第2の型によるプレス加工後のセパレータ材料の高さをHとおくとき、
(R1+R2)/A×W×t0/H≧0.15
の条件下で加工を行うことを特徴とする請求項14から16のいずれかに記載のセパレータ製造方法。
A first mold and a second mold are used as the mold, and the separator material is pressed by sandwiching the separator material between the first and second molds and meshing the ribs with each other. ,
The distance between the centers of curvature of the second curved surface provided on both shoulders of the rib of the first mold is 2A,
When the first mold and the second mold are engaged with each other, the distance between the gaps between the ribs of the second mold formed on both sides of the rib included in the first mold is determined. W,
The material original thickness of the separator material is t 0 ,
And when the height of the separator material after press working by the first mold and the second mold is set to H,
(R1 + R2) / A × W × t 0 /H≧0.15
The separator manufacturing method according to any one of claims 14 to 16, wherein the processing is performed under the conditions of:
前記型は、隣り合った前記リブの間に、該リブの高さ方向に僅かに膨出する膨出部を備えていることを特徴とする請求項13から17のいずれかに記載のセパレータ製造方法。





The separator production according to any one of claims 13 to 17, wherein the mold includes a bulging portion that slightly bulges in the height direction of the rib between the adjacent ribs. Method.





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