JP2008078049A - 燃料電池用金属セパレータの製造方法、製造装置、および燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材 - Google Patents

Abstract

【課題】型の個数の低減を通して製造費の増加を抑え、さらにシール性能を高め得る燃料電池用金属セパレータの製造方法、製造装置、および燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材を提供する。
【解決手段】燃料電池用金属セパレータ３０の製造は、まず、燃料極側の金属セパレータを形成するための燃料極用凹部５３ａが設けられた上型５３と、空気極側の金属セパレータを形成するための空気極用凹部５４ａが設けられた下型５４とを備える成形型５１内に、重ね合わせ板材６０を入れる。そして、重ね合わせ板材における少なくとも一方の金属板６２に設けられた注入口６３から内圧をかける媒体を注入する。これにより、燃料極用凹部の形状に合致した形状の燃料極側の金属セパレータと、空気極用凹部の形状に合致した形状の空気極側の金属セパレータとを一体成形する。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃料電池用金属セパレータの製造方法、製造装置、および燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材に関する。

燃料電池スタックのセパレータとして、金属製の基材を適用した金属セパレータが使用されている（特許文献１、２参照）。燃料電池用金属セパレータは、金属製基材としての例えばステンレス鋼をプレス成形することにより、形成されている。

燃料電池用金属セパレータは、膜電極接合体の両面のそれぞれに配置される。燃料極および空気極では流路溝の形状などが異なる。このため、燃料極側の燃料電池用金属セパレータは、燃料極用凹部が設けられた金型を用いてプレス成形され、空気極側の燃料電池用金属セパレータは空気極用凹部が設けられた金型を用いてプレス成形されている。
特開２００２−１７５８１８号公報 特開２００６−４０７９２号公報

燃料極側の燃料電池用金属セパレータと空気極側の燃料電池用金属セパレータとを別々にプレス成形しなければならないため、型の個数が増加し、製造費の増加を招いてしまう。

また、金属製基材の板厚は薄肉であるので、燃料電池用金属セパレータの全体にソリが生じたり、燃料電池用金属セパレータの外周部分にウネリが生じたりすることがあり、その際には矯正が必要となる。ソリやウネリなどの歪みが生じた燃料電池用金属セパレータは、矯正が十分でないと、燃料電池スタックを構成したときに、シール性能の低下を招いてしまう。

本発明の目的は、型の個数の低減を通して製造費の増加を抑え、さらにシール性能を高め得る燃料電池用金属セパレータの製造方法、製造装置、および燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材を提供することにある。

上記目的を達成する請求項１に記載の本発明は、燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための燃料極用凹部が設けられた型と、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための空気極用凹部が設けられた型とを備える成形型内に、重ね合わせた金属板を入れ、
前記重ね合わせた金属板のうちの少なくとも一方の金属板に設けられた注入口から前記重ね合わせた金属板の間に内圧をかける媒体を注入し、
前記燃料極用凹部の形状に合致した形状の燃料極側の燃料電池用金属セパレータと、前記空気極用凹部の形状に合致した形状の空気極側の燃料電池用金属セパレータとを一体成形する燃料電池用金属セパレータの製造方法である。

また、上記目的を達成する請求項４に記載の本発明は、 燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための燃料極用凹部が設けられた型と、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための空気極用凹部が設けられた型とを備え、重ね合わせた金属板を入れる成形型と、
前記重ね合わせた金属板の間に内圧をかける媒体を注入する注入機構と、を有し、
前記燃料極用凹部の形状に合致した形状の燃料極側の燃料電池用金属セパレータと、前記空気極用凹部の形状に合致した形状の空気極側の燃料電池用金属セパレータとを一体成形する、燃料電池用金属セパレータの製造装置である。

また、上記目的を達成する請求項５に記載の本発明は、燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための第１の金属板と、
前記第１の金属板に対して重ね合わされ、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための第２の金属板と、
前記第１と第２の金属板のうちの少なくとも一方の金属板に設けられ、前記第１と第２の金属板の間に内圧をかける媒体を注入するための注入口と、を有し、
燃料極側の燃料電池用金属セパレータと空気極側の燃料電池用金属セパレータとをハイドロフォーム成形により一体成形するための、燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材である。

本発明によれば、型の個数の低減を通して製造費の増加を抑え、さらにシール性能を高め得る燃料電池用金属セパレータの製造方法、製造装置、および燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。なお、理解を容易にするために、図面には各構成要素が誇張して示されている。

図１は、燃料電池用金属セパレータを用いて構成した燃料電池スタック１を示す斜視図、図２は、燃料電池スタック１の積層構造の一部を示す要部拡大断面図、図３は、燃料電池用金属セパレータを示す斜視図である。

図１を参照して、燃料電池スタック１は、燃料ガス（水素）と酸化剤ガス（酸素）との反応により起電力を生じる単セル２を所定数だけ積層した積層体３を有している。積層体３の両端のそれぞれに、集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、これらを、タイロッドボルト７により締結することによって、燃料電池スタック１を構成する。燃料電池スタック１内部において燃料ガス、酸化剤ガス、および冷却水のそれぞれを流通させるために、一方のエンドプレート６に、燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２、および冷却水排出口１３を形成している。

図２を参照して、単セル２は、膜電極接合体２０と、膜電極接合体２０の両面のそれぞれに配置される燃料電池用金属セパレータ３０（以下、単に「金属セパレータ３０」ともいう）とから構成されている。

膜電極接合体２０は、固体高分子電解質膜２１と、固体高分子電解質膜２１の両面のうち一方の面に設けられる燃料極２２と、固体高分子電解質膜２１の他方の面に設けられる空気極２３とを有し、固体高分子電解質膜２１を、その両側から、燃料極２２と空気極２３とによって挟み込んだ積層構造を有している。固体高分子電解質膜２１としては、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体膜（商品名；ナフイオン１１２８（登録商標）、デュポン株式会社）などを使用することができる。燃料極２２および空気極２３のそれぞれは、触媒層およびガス拡散層を含んでいる。

金属セパレータ３０は、流路溝を形成するために、凹凸形状を有している。膜電極接合体２０の両面のそれぞれに金属セパレータ３０を配置することにより、燃料ガスを流通させるための燃料ガス流路３１、酸化剤ガスを流通させるための酸化剤ガス流路３２、および冷却水を流通させるための冷却水流路３３を形成している。燃料ガスは、燃料ガス導入口８から導入され、金属セパレータ３０の燃料ガス流路３１を流れ、燃料ガス排出口９から排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０から導入され、金属セパレータ３０の酸化剤ガス流路３２を流れ、酸化剤ガス排出口１１から排出される。冷却水は、冷却水導入口１２から導入され、金属セパレータ３０の冷却水流路３３を流れ、冷却水排出口１３から排出される。

金属セパレータ３０の板厚は、薄肉（例えば、０．２ｍｍ以下）である。このように金属セパレータ３０を薄肉に形成する理由は、電気抵抗をできるだけ小さくし、燃料電池の性能評価の１つの指標である出力密度（「起電力／単位容積」と定義される）を高めるためである。

図３を参照して、金属セパレータ３０は、金属製基材４１と、金属製基材４１に設けられ流路溝４２が形成された流路部４３と、を有している。金属製基材４１としては、例えば、ステンレス鋼が用いられる。なお、図中符号４５、４６は、それぞれ、金属製基材４１を貫通して形成され、燃料ガス、酸化剤ガスを流すためのマニホールド穴を示している。また、図中符号４７は、スタックされた金属セパレータ３０に冷却水を流すための冷却水マニホールド穴を示している。

燃料極２２および空気極２３では流路溝の形状などが異なるため、燃料極２２側の金属セパレータと空気極側の金属セパレータとを別々にプレス形成したのでは、型の個数の増加によって製造費が増加する。

また、金属製基材４１の板厚が薄肉であることから、金属セパレータをプレス成形した場合にあっては、金属セパレータの全体にソリが生じたり、金属セパレータの外周部分にウネリが生じたりすることがあり、その際には矯正が必要となる。ソリやウネリなどの歪みが生じた金属セパレータは、矯正が十分でないと、燃料電池スタックを構成したときに、シール性能が低下する。

このような不具合の発生を抑えるため、本実施形態では、プレス成形に代えて、燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材に対してハイドロフォーム成形を施すことによって、プレス型による絞り成形に比して、静水圧で塑性変形させるので歪量が小さい上、燃料極２２側の燃料電池用金属セパレータと、空気極２３側の燃料電池用金属セパレータとを一体成形することができ、製造工程を少なくして量産化が可能となる。

図４（Ａ）（Ｂ）は、燃料電池用金属セパレータ３０の製造装置５０の要部を、燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材６０とともに示す断面図であり、図４（Ａ）はハイドロフォーム成形開始時の状態を示し、図４（Ｂ）はハイドロフォーム成形終了時の状態を示している。

燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材６０は、燃料極２２側の金属セパレータ３０と空気極２３側の金属セパレータ３０とをハイドロフォーム成形により一体成形するために使用される。重ね合わせ板材６０は、燃料極２２側の金属セパレータ３０を形成するための第１の金属板６１と、第１の金属板６１に対して重ね合わされ、空気極２３側の金属セパレータ３０を形成するための第２の金属板６２と、第１と第２の金属板６２のうちの少なくとも一方の金属板６１（６２）に設けられ、第１と第２の金属板６１、６２の間に内圧をかける媒体を注入するための注入口６３と、を有している。第１と第２の金属板６１、６２は、ハイドロフォーム成形後における金属製基材４１となる。図示例では、注入口６３は、第２の金属板６２に設けられている。注入口６３は、第１の金属板６１に設けてもよく、第１と第２の金属板６１、６２の両者に設けても良い。

前記注入口６３は、スタックされた金属セパレータ３０に燃料と空気と冷却水の少なくともいずれかを流すためのマニホールド穴４５、４６、４７である。図示例では、スタックされた金属セパレータ３０に冷却水を流すための冷却水マニホールド穴４７である。冷却水マニホールド穴４７は、プレス装置やレーザ加工機による打ち抜きによって予め形成されている。冷却水マニホールド穴４７を注入口６３として利用しているので、製品となる部分以外に注入口６３を設定する必要がない。このため、ハイドロフォーム成形後に廃棄する材料を少なくでき、材料の歩留まりがよくなる。なお、注入口６３として利用する「冷却水マニホールド穴４７」の用語には、最終形状の冷却水マニホールド穴４７のみならず、冷却水マニホールド穴４７に仕上げる前の下穴も含まれている。また、注入口６３は、燃料ガス、酸化剤ガスのマニホールド穴４５、４６を用いてもよいが、中央に位置する冷却水マニホールド穴４７を用いることで、中央より水圧がかかるので、より均等な膨出成形が可能となり高精度となる。

本実施形態では、第２の金属板６２にのみ冷却水マニホールド穴４７用の下穴を形成しておき、ハイドロフォーム成形後に、第１と第２の金属板６１、６２に冷却水マニホールド穴４７をレーザ加工機による打ち抜きによって形成するようにしている。図４（Ｂ）における２点鎖線は、第１と第２の金属板６１、６２に打ち抜きによって最終的に形成される冷却水マニホールド穴４７の位置を示している。第１と第２の金属板６１、６２の両者に冷却水マニホールド穴４７を予め形成しておいてもよい。この場合において、一方の金属板６１（６２）の冷却水マニホールド穴４７のみを注入口６３として利用するときには、他方の金属板６２（６１）の冷却水マニホールド穴４７を後述する成形型に設けた封止プラグによって封止し、液漏れが生じないようにすればよい。

重ね合わせた第１と第２の金属板６１、６２の周縁の少なくとも一部を、溶接により接合し、接合部６４を形成しておくことが好ましい。スタックされた燃料極２２側の金属セパレータ３０と空気極２３側の金属セパレータ３０との接触が良好になり、電気抵抗の低減を図ることができるからである。周縁の全周を溶接した場合には、ハイドロフォーム成形時の液漏れ防止に対しても効果的である。さらに、成形前の平板状態にある第１と第２の金属板６１、６２に溶接作業を行うことから、成形後に溶接作業を行う場合に比べて、溶接に使用する治具などの構成が簡易なものとなり、簡単かつ迅速に溶接することができ、溶接不良箇所の発生も著しく低減する。

燃料電池用金属セパレータの製造装置５０は、概説すれば、上述した重ね合わせ板材６０（「重ね合わせた金属板」に相当する）を入れる成形型５１と、重ね合わせ板材６０の間に内圧をかける媒体を注入する注入機構５２と、を有している。成形型５１は、燃料極２２側の金属セパレータ３０を形成するための燃料極用凹部５３ａが設けられた上型５３（「燃料極用凹部が設けられた型」に相当する）と、空気極２３側の金属セパレータ３０を形成するための空気極用凹部５４ａが設けられた下型５４（「空気極用凹部５４ａが設けられた型」に相当する）とを備えている。この製造装置５０は、重ね合わせ板材６０をハイドロフォーム成形することにより、燃料極用凹部５３ａの形状に合致した形状の燃料極２２側の金属セパレータ３０と、空気極用凹部５４ａの形状に合致した形状の空気極２３側の金属セパレータ３０とを一体成形する。

前記成形型５１は、上型５３が下型５４に対して相対的に接近離反移動自在に設けられている。上型５３および下型５４により、重ね合わせ板材６０の外周縁部が押さえ付けられる。上型５３および下型５４には、重ね合わせ板材６０の外周縁部にビードを成形するための凹凸部５３ｂ、５４ｂが形成されている。上下型５３、５４の図示しない型締め機構に供給される油圧を調整することにより、上下型５３、５４間のクリアランスが調整され、上下型５３、５４による板押え圧が制御される。

注入機構５２は、重ね合わせ板材６０の注入口６３に挿通されるノズル部５５と、媒体を供給する供給通路５６と、を有する。ノズル部５５は、下型５４上面に、上型５３に向けて突出して設けられている。供給通路５６の一端は、ノズル部５５の外周面において開口し、ノズル５６ａを構成している。供給通路５６の他端は、圧力供給装置５７に接続されている。圧力供給装置５７において圧力が高められた媒体は、供給通路５６およびノズル５６ａを通って、重ね合わせ板材６０の間の空隙Ｓ内に導入される。図示例では、ノズル部５５は、第２の金属板６２の冷却水マニホールド穴４７に挿通される。

金属セパレータ３０の製造手順について説明する。

まず、燃料極２２側の金属セパレータ３０を形成するための第１の金属板６１と、空気極２３側の金属セパレータ３０を形成するための第２の金属板６２とを準備する。第２の金属板６２は、冷却水マニホールド穴４７が予め形成されている。第１の金属板６１と第２の金属板６２とを重ね合わせる。重ね合わせた第１と第２の金属板６１、６２の周縁の少なくとも一部を、溶接により接合し、接合部６４を形成する。これにより、重ね合わせ板材６０を得る。

図４（Ａ）に示すように、重ね合わせ板材６０を、成形型５１内に入れる。このとき、第２の金属板６２の冷却水マニホールド穴４７にノズル部５５を挿通する。上型５３と下型５４とを閉じ、定められた板押え圧にて、重ね合わせ板材６０の外周縁部を押さえ付ける。

圧力供給装置５７から、圧力が高められた媒体を、供給通路５６およびノズル５６ａを通して、重ね合わせ板材６０の間の空隙Ｓ内に導入する。媒体の導入に伴って、第１の金属板６１が燃料極用凹部５３ａの内面に向けて膨出し、第２の金属板６２が空気極用凹部５４ａの内面に向けて膨出する。第１と第２の金属板６１、６２は、膨出する内方部位に、外周縁部から材料が入り込む。ある程度膨らむと、材料は入り込まなくなる。図４（Ｂ）に示すように、ハイドロフォーム成形終了時には、第１の金属板６１が燃料極用凹部５３ａの内面に押し付けられ、第２の金属板６２が空気極用凹部５４ａの内面に押し付けられる。これにより、燃料極用凹部５３ａの形状に合致した形状の燃料極２２側の金属セパレータ３０と、空気極用凹部５４ａの形状に合致した形状の空気極２３側の金属セパレータ３０とが一体成形される。

媒体の注入を終了し、上下型５３、５４を開いて成形品を取り出す。そして、不要な外周部をプレスなどによって切り落とせば、燃料極２２側の金属セパレータ３０と空気極２３側の金属セパレータ３０との一体成形が完了する。

上述したように、ハイドロフォーム成形によって金属セパレータ３０を製造することにより、プレス成形によって製造する場合に比べて、型の個数が増えない。したがって、型の個数の低減を通して製造費の増加を抑えることができる。

さらに、プレス成形によって製造する場合に比べて、ソリやウネリなどの歪みが小さく、燃料電池スタックを構成したときのシール性能を高めることができる。

冷却水マニホールド穴４７を注入口６３として利用しているので、ハイドロフォーム成形後に廃棄する材料を少なくでき、材料の歩留まりがよくなる。

重ね合わせた第１と第２の金属板６１、６２の周縁の少なくとも一部を溶接により接合しているので、スタックされた燃料極２２側の金属セパレータ３０と空気極２３側の金属セパレータ３０との接触が良好になり、電気抵抗の低減を図ることができる。さらに、成形前の平板状態にある第１と第２の金属板６１、６２に溶接作業を行うことから、成形後に溶接作業を行う場合に比べて、溶接に使用する治具などの構成が簡易なものとなり、簡単かつ迅速に溶接することができ、溶接不良箇所の発生を低減することができる。

燃料電池用金属セパレータを用いて構成した燃料電池スタックを示す斜視図である。 燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。 燃料電池用金属セパレータを示す斜視図である。 図４（Ａ）（Ｂ）は、燃料電池用金属セパレータの製造装置の要部を、燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材とともに示す断面図であり、図４（Ａ）はハイドロフォーム成形開始時の状態を示し、図４（Ｂ）はハイドロフォーム成形終了時の状態を示している。

符号の説明

１ 燃料電池スタック、
２０ 膜電極接合体、
２２ 燃料極、
２３ 空気極、
３０ 燃料電池用金属セパレータ、
４１ 金属製基材、
４２ 流路溝、
４３ 流路部、
４５ 燃料ガスマニホールド穴、
４６ 酸化剤ガスマニホールド穴、
４７ 冷却水マニホールド穴、
５０ 燃料電池用金属セパレータの製造装置、
５１ 成形型、
５２ 注入機構、
５３ 上型（燃料極用凹部が設けられた型）、
５３ａ 燃料極用凹部、
５４ 下型（空気極用凹部が設けられた型）、
５４ａ 空気極用凹部、
５５ ノズル部、
５６ 供給通路、
５６ａ ノズル、
６０ 重ね合わせた金属板、重ね合わせ板材、
６１ 第１の金属板、
６２ 第２の金属板、
６３ 注入口、
６４ 接合部、
Ｓ 空隙。

Claims (7)

1. 燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための燃料極用凹部が設けられた型と、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための空気極用凹部が設けられた型とを備える成形型内に、重ね合わせた金属板を入れ、
   前記重ね合わせた金属板のうちの少なくとも一方の金属板に設けられた注入口から前記重ね合わせた金属板の間に内圧をかける媒体を注入し、
   前記燃料極用凹部の形状に合致した形状の燃料極側の燃料電池用金属セパレータと、前記空気極用凹部の形状に合致した形状の空気極側の燃料電池用金属セパレータとを一体成形する燃料電池用金属セパレータの製造方法。
2. 前記注入口は、スタックされた燃料電池用金属セパレータに燃料と空気と冷却水の少なくともいずれかを流すためのマニホールド穴であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
3. 前記重ね合わせた金属板の周縁の少なくとも一部は、溶接により接合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
4. 燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための燃料極用凹部が設けられた型と、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための空気極用凹部が設けられた型とを備え、重ね合わせた金属板を入れる成形型と、
   前記重ね合わせた金属板の間に内圧をかける媒体を注入する注入機構と、を有し、
   前記燃料極用凹部の形状に合致した形状の燃料極側の燃料電池用金属セパレータと、前記空気極用凹部の形状に合致した形状の空気極側の燃料電池用金属セパレータとを一体成形する、燃料電池用金属セパレータの製造装置。
5. 燃料極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための第１の金属板と、
   前記第１の金属板に対して重ね合わされ、空気極側の燃料電池用金属セパレータを形成するための第２の金属板と、
   前記第１と第２の金属板のうちの少なくとも一方の金属板に設けられ、前記第１と第２の金属板の間に内圧をかける媒体を注入するための注入口と、を有し、
   燃料極側の燃料電池用金属セパレータと空気極側の燃料電池用金属セパレータとをハイドロフォーム成形により一体成形するための、燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材。
6. 前記注入口は、スタックされた燃料電池用金属セパレータに燃料と空気と冷却水の少なくともいずれかを流すためのマニホールド穴であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材。
7. 前記重ね合わせた第１と第２の金属板の周縁の少なくとも一部は、溶接により接合されていることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池用金属セパレータ用の重ね合わせ板材。

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