JP2012099371A - 燃料電池用セパレータの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プレス成形後の型開き時において、成形品が上型に張り付くことを抑制し、確実に下型に固定されることを可能とする燃料電池用セパレータの製造装置、製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池用セパレータを製造するプレス成形装置であって、上型と下型との間に配置された金属製平板をプレスして凹凸を形成する工程Ｓ１０２と、セパレータの外形を打ちぬく工程Ｓ１０３を備えたプレス成形装置において、下型の表面粗さを上型の表面粗さより大きくし、さらに上型に備えられた押え具と、下型に備えられた吸引具により成形品を下型へ固定しＳ１０４、成形品が確実に下型に残るようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造装置、及びその製造装置を用いた燃料電池用セパレータの製造方法に関する。

燃料電池は、水素と酸素の電気化学的な反応によりエネルギーを発生させるものであり、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池、固体高分子型燃料電池等様々な種類がある。中でも、固体高分子用燃料電池は低温領域での運転が可能であり、車載用電源や家庭用電源などへの利用が期待されている。固体高分子型燃料電池は、プロトン伝導性を備える電解質膜の両面に触媒層およびガス拡散層が順に積層された電極構造体を有し、この電極構造体をセパレータで挟持した単セルを複数組み合わせて燃料電池スタックを形成する。アノード（負極）では、水素を含有する燃料ガスが供給され、下式（１）に示す電気化学反応により燃料ガスからプロトンを生成する。生成されたプロトンは電解質膜を通ってカソード（正極）へ移動する。他方のカソード（正極）では、酸素を含有する酸化剤ガスが供給され、アノード（負極）から移動してきたプロトンと反応して下式（２）に示す電気化学反応により水を生成する。これら一対の電極構造体の電解質膜側の表面で生じる電気化学反応を利用して電極から電気エネルギを取り出す。アノード反応：Ｈ_２ → ２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ …（１）、カソード反応：２Ｈ^＋ ＋ ２ｅ⁻ ＋（１／２）Ｏ_２ → Ｈ_２Ｏ …（２）
電極へ供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスはセパレータのガス拡散層側表面に形成された燃料ガス流路及び酸化剤流路を通過するが、この燃料ガス流路及び酸化剤流路は凹凸形状からなる溝で構成されている。凹凸形状の溝は、セパレータの表裏に一体に形成されており、一方の面は燃料ガス流路及び酸化剤流路として用いられ、他方の面は冷却水の流路として用いられる。具体的には、アノード（負極）側セパレータでは、拡散層側の凹凸部を燃料ガスが通過し、拡散層とは反対側の凹凸部を冷却水が通過する。また、カソード（正極）側セパレータでは、拡散層側の凹凸部を酸化剤ガスが通過し、拡散層とは反対側の凹凸部を冷却水が通過する。また、セパレータに形成された凹凸部は、ガス及び冷却水の流路としての機能だけでなく、電気化学反応により得られた電気を集電する機能も有する。

このように、燃料電池用セパレータの面上にはガス流路、冷却流路、及び集電体を構成するために複雑な凹凸構造が施されており、その製造方法としてプレス成形方法が知られている。例えば、特許文献１にあるように、金属板部材を、上型と下型で挟み押圧することによって、金属板部材に凹部状の流路を形成し、メタルセパレータを得る手法が知られている。また特許文献２は、特許文献１と同様に金属板部材を上型と下型で挟み押圧することで波形状の凹凸を形成し、さらに凸部分に孔を打ち抜き加工にて形成する手法が開示されている。

特開２００８−４２９１ 特開平５−２９００９

しかしながら、セパレータ用部材が薄板である場合、成形品が上型へ張り付きやすく、また張り付き程度に偏りが生じやすくなるため、上型へ張り付いた成形品は型開き時に落下、破損するおそれがある。さらに、打抜き工程後の成形品とスクラップとの間に生じる摩擦抵抗によっても、成形品の上型への張り付き程度に偏りが生じる。特に、セパレータの形状が複雑である場合、具体的には、単なる長方形ではなく、複数の変曲部、角を有する形状である場合、変曲部、角において成形品とスクラップとが干渉しやすくなり、これにより成形品の外周部にまくれが生じるおそれがある。

そこで、本発明の目的は、板厚の薄い金属製のセパレータ用部材を用い、プレス成形、打ち抜き成形を行う場合においても、成形品とスクラップとが干渉することなく、成形品が破損・変形を防ぐことが可能な燃料電池用セパレータの製造装置、製造方法を提供することにある。

燃料電池用セパレータのプレス製造装置であって、上型と下型とを備え、上型と下型との間に配置された平板をプレスして凹凸を形成するプレス成形手段と、平板を打抜きセパレータの外形を形成する打ち抜き加工手段とを有し、下型の表面粗さを上型の表面粗さより大きくしたことを特徴とする。

上記構成において、燃料電池用セパレータのプレス製造装置は、上型に形成され、型開き時に成形品を下型に固定する押え具を備えることが好ましい。また押さえ具は、成形品において流路、集電機能を持たない部位にて成形品を固定することが好ましい。更に、下型には吸引装置を備え、型開き時に吸引力により成形品を下型へ固定することが好ましい。吸引装置は、成形品において流路、集電機能を持たない部位にて成形品と接触し、吸引固定することが好ましい。

また、燃料電池用セパレータの製造方法において、上型と下型の間に配置された平板をプレスして凹凸を形成するプレス成形工程と、平板を打抜きセパレータの外形を形成する打ち抜き加工工程と、型開き時に成形品を下型に固定する工程と、を備え、型開き時に成形品を下型に固定する工程は、下型とセパレータとの間に生じる摩擦抵抗により固定される工程であり、摩擦抵抗は上型と下型の表面粗さを調整することによって得られることを特徴とする。

上記構成において成形品を下型に固定する工程は、上型に形成される押さえ具により、型開き時に成形品を下型に押圧固定する工程を有することが好ましい。更に、成形品を下型に固定する工程は、下型に備えられた吸引装置により、片開き時に成形品を下型へ吸引固定する工程を有することが好ましい。なお、吸引装置による固定部位は、成形品において流路、集電機能を有さない部位であることが好ましい。

本発明によれば、板厚の薄いセパレータ用部材を用いてプレス成形、打ち抜き成形を行う場合において、プレス成形後の型開き時に成形品が下型へ確実に固定されるため、上型への張り付きを抑制出来る。これにより、成形品の上型からの落下による破損、打抜き後のスクラップとの干渉による破損、変形を防ぐことが可能な燃料電池用セパレータの製造装置、製造方法を提供できる。

本発明の実施の形態における燃料電池用セパレータの製造装置及び製造方法により成形される成形品の一例を示した平面図である。 本発明の実施の形態における燃料電池用セパレータの製造装置の一例を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示すフロー図である。 表面粗さの算出方法を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

図１（ａ）は、燃料電池用セパレータ１の平面図、図１（ｂ）はセパレータ１のＡ−Ａ断面図である。セパレータ１は０．１ｍｍ程度の金属薄板部材からなり、金属薄板部材の例としてはアルミニウム、ステンレス、チタン等の金属からなる導電性薄板部材が好ましい。セパレータ１の外形は、長方形であって、長辺中央部分が内側へ凹んだ凹み部を備え、これにより外形に複数の変曲部、角を有する。セパレータ１の中央部分には燃料ガス及び冷却水の流路２を形成する複数の凹凸状の溝を有する。流路２の断面（Ａ−Ａ断面）は波形状を有しており、凹凸形状は表面と裏面とで反転した関係となっている。波形状の溝幅、深さは適宜選択可能であるが、例えば、溝幅が１ｍｍ、深さが０．５ｍｍの波形状などが用いられる。また、セパレータ１の長手方向の端部付近には、マニホールド４を有し、酸化ガス、水素ガス、及び冷却水の出入口を形成する。流路２及びマニホールド４の周囲には、燃料電池セルの積層時にシール部材（図示省略）を配置するためのガスケットシールライン５（破線部）が形成されている。さらに、ガスケットシールライン５より外側は平坦な構造かつセパレータ機能を持たない外周部８を有する。セパレータ１は以下に示す製造装置及び製造方法によりプレス加工され、また、セパレータ１の外形は、プレス加工時に金属薄板部材を打ち抜き加工することによって形成される。

以下、本実施形態におけるセパレータ１の製造装置を説明する。図２は本発明の実施の形態における燃料電池用セパレータの製造装置１０の一例を示す図であり、（ａ）はプレス成形前を、（ｂ）はプレス成形後の型開き時を示す図である。製造装置１０は、合金工具鋼材、例えばＳＫＤ材（ダイス鋼）などから構成されており、上型１２、下型１４、抜き刃１６、押え具１８、吸引具２８を有する。上型１２と下型１４との間にセパレータ用平板３０を配置した後、押圧し打抜くことによりセパレータ１を得る。尚、本実施形態においては、プレス成形、打抜き成形前の薄金属薄板をセパレータ用平板３０と称し、成形後の打抜かれた部材をセパレータ１、その他外周部分をスクラップ３４と称する。

上型１２、下型１４は、セパレータ１における流路２部分を形成するための凹凸部２２、２４をそれぞれ有し、両者の凹凸は互いに噛み合う構成となっている。具体的には、上型１２の凹部には下型１４の凸部が対応し、上型１２の凸部には下型１４の凹部が対応する。これらの凹凸部２２、２４により、上型１２と下型１４との間に配置され、押圧されたセパレータ用平板３０に流路２が形成される。また、下型１４の凹凸部２４における表面粗さは、上型１２の凹凸部２２における表面粗さより大きい構成を有する。

ここで、表面粗さとは部品を加工したときの加工面の表面の状態を示すものであり、例えば、ＪＩＳ Ｂ０６０１−２００１に基づいた中心線平均粗さなどがある。中心線平均粗さは、
図４に示すように、成形面の表面（粗さ曲線）を中心線から折り返し、その粗さ曲線と中心線によって得られた面積を長さＬで割った値をナノメートル（ｎｍ）で表わされるものである。上型より下型の表面粗さを大きくする手法としては、具体的には、綿布・麻など、柔軟性のある素材でできた軟らかいバフにダイアモンドなどの砥粒を付着させ、このバフを高速回転させながら上型に押し当てて表面を磨く方法（バフ研磨）が用いられる。尚、表面粗さの調整方法は、上記バフ研磨に限られるものではなく、上型より下型の表面粗さが大きくなればよく、その手法は適宜選択可能である。

抜き刃１６は、上型１２における凹凸部２２の外周側に配置され、セパレータ用平板３０を、押圧時にセパレータ１の外形に合わせて打抜く。セパレータ用平板３０が、上型１２と下型１４の間に配置され、ピン３２にて固定された後、上型と下型が押圧され抜き刃１６によって打抜かれる。尚、本実施形態においては、抜き刃１６による打抜き成形を例としてあげたが、レーザー加工等の他の打抜き加工を行ってもよい。

押え具１８は、上型１２において凹凸部２２と抜き刃１６との間に配置され、バネ１９により伸張可能に形成されている。プレス成形後の型開き時に、バネ１９が伸張してセパレータ１の外周部８を支持し、下型１２にセパレータ１を押圧固定する。押え具１８はセパレータ1の外周部８の一部分を支持し、具体的には図１の支持部６にて支持することが好ましいが、セパレータ１の外周部８全面にて支持しても良い。

吸引具２８は、下型１４内部を上下方向に貫通するように形成され、一端は下型１４の上面（プレス面）かつ凹凸部２４の外周側に形成された開口部２０に接続され、他端は下型１４の下面から外部の吸引装置（図示省略）に接続される。開口部２０は、下型１４においてセパレータ１の外周部８に対応する位置に複数個形成される。具体的には、下型１４において図１の支持部６と当接する位置に開口部２０が設けられ、支持部６にてセパレータ１を支持する。これにより、外部吸引装置の吸引力によって開口部２０から支持部６にてセパレータ１を吸引し、下型１４に固定する。尚、開口部はセパレータ１の支持部６に当接する位置に限られず、外周部８全面でも良い。また、セパレータ１において押え具１８と吸引具２８の支持部が同一部位である場合には、より確実に下型１４へセパレータ１を固定することが可能である。

次に、図３を用いて本実施形態におけるセパレータ１の製造方法を説明する（適宜、図２参照）。図３は、本発明の実施の形態における燃料電池用セパレータの製造方法の一例を示すフロー図である。

まず、セパレータ用平板３０を上型１２と下型１４との間に配置し、ピン３２にて下型１４にセパレータ用平板３０を固定する（Ｓ１０１）。ピン３２にて固定される位置は抜き刃１６より外側であり、打抜き後のスクラップ３４に対応する部位である。

次に、上型１２と下型１４を加圧し、セパレータ用平板３０を押圧する（Ｓ１０２）。上型１２の凹凸部２２と下型１４の凹凸部２４に挟まれ押圧されることにより、セパレータ用平板３０の中央部分に凹凸が形成され、これがセパレータ１において流路２として機能する。そして、凹凸が形成されたセパレータ用平板３０の凹凸部の外周部分を、抜き刃１６により打抜き、セパレータ１の外形を形成する（Ｓ１０３）。尚、本実施形態では、プレス成形（Ｓ１０２）の後に打抜き成形（Ｓ１０３）を行う例を示したが、両工程が同時に行われても良い。

続いて、セパレータ１を下型１４に固定する（Ｓ１０４）。バネ１９の伸張に伴い、上型１２に備えられた押え具１８がセパレータ１の上面に当接、押圧することによりセパレータ１を下型１４へ押圧固定する。押え具１８とセパレータ１との当接部分は、図１における斜線部分、セパレータ１の外周部８において支持される。さらに、下型１４に備えられた吸引具２８が、セパレータ１の下面に当接、吸引することにより、セパレータ１を下型１４へ吸引固定する。吸引具２８とセパレータ１との当接部分は、押え具１８との場合と同様に、図１における斜線部分、セパレータ１の外周部８において支持される。尚、本実施形態においては、セパレータ１を下型１４に固定する手法として、押え具１８及び吸引具２８双方を用いた場合としているが、どちらか一方の手法による固定としても良い。また、本実施形態においては、セパレータ１を固定する工程をプレス成形、打抜き成形後としたが、両成形前、即ちセパレータ用平板３０をピン３２にて固定する際に併せて行ってもよい。この場合、セパレータ用平板３０は、プレス成形及び打抜き成形の工程中も継続して押え具１８及び吸引具２８により固定される。

最後に、セパレータ１が下型１４に固定された状態で、上型１２と下型１４とを開くこと（型開き）によって、成形品であるセパレータ１を得る（Ｓ１０５）。この時、セパレータ１は押え具１８及び吸引具２８により下型１４に固定されているため、上型１２に張り付くことなく、下型上に残る。スクラップ３４も、ピン３２にて下型１４に固定されるため、型開き時に下型に残る。

以上、本発明の実施形態における、燃料電池用セパレータの製造装置及び製造方法によれば、プレス成形後、打抜き成形後の型開き時において、成形品であるセパレータが上型に張り付くことを防ぎ、確実に下型上に残すことが可能となる。これにより、上型へ張り付いた成形品が型開き時に落下したり、打ち抜き後のスクラップと成形品が干渉することによって成形品が破損、変形することを防ぐことが可能となる。

1 セパレータ、２ 流路、４ マニホールド、５ ガスケットシールライン、６ 支持部、８ セパレータ外周部、１０ 製造装置、１２ 上型、１４ 下型、１６ 抜き刃、１８ 押え具、１９ バネ、２０ 開口部、２２ 上型の凹凸部、２４ 下型の凹凸部、２８ 吸引具、３０ セパレータ用平板、３２ ピン、３４ スクラップ

Claims (6)

1. 燃料電池用セパレータのプレス製造装置であって、
   上型と下型とを備え、
   上型と下型との間に配置された金属製平板をプレスして凹凸を形成するプレス成形手段と、
   金属製平板を打抜きセパレータの外形を形成する打ち抜き加工手段とを有し、
   下型の表面粗さを上型の表面粗さより大きくしたことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
2. 請求項１において、
   前記上型は押え具を備え、
   前記押え具は、型開き時に成形品を下型へ押圧固定することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
3. 請求項１若しくは請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造装置において、
   前記下型は吸引具を備え、
   前記吸引具は、型開き時に吸引力により成形品を下型へ固定することを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
4. 燃料電池用セパレータの製造方法において、
   上型と下型の間に配置された平板をプレスして凹凸を形成するプレス成形工程と、
   型開き時に、成形品を下型に固定する工程とを備え、
   前記成形品を下型に固定する工程は、
   下型とセパレータとの間の摩擦抵抗により固定される工程であり、
   前記摩擦抵抗は、上型と下型の表面粗さを調整して得られることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
   成形品を下型に固定する工程は、
   上型に形成された押え具にて押圧固定する工程を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
6. 請求項４に記載の燃料電池用セパレータの製造方法において、
   成形品を下型に固定する工程は、
   下型に形成された吸引装置にて成形品を吸引固定する工程を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。