JP2012227132A - 金属セパレータの製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を効率的に形成するとともに、割れや皺等の発生を可及的に抑制することができ、高品質な金属セパレータを効率的且つ経済的に製造することを可能にする。
【解決手段】金属セパレータ10の製造方法は、金属プレートにプレス加工を施してビードを成形する工程と、前記金属プレートに、前記ビードの内方に位置して燃料ガス流路36及び酸化剤ガス流路38を形成する工程と、前記金属プレートの不要部分をトリムして金属セパレータ構成板を形成する工程と、前記金属セパレータ構成板を残存する前記ビードに沿って折り曲げることにより、内部に冷却媒体流路42を形成するとともに、該金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位に接合処理を施す工程とを有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料電池を構成し、電解質・電極構造体を挟持する金属セパレータの製造方法に関する。
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池では、固体高分子電解質膜の両側に、それぞれ電極触媒層と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設した電解質膜・電極構造体(電解質・電極構造体)(MEA)を、セパレータ(バイポーラ板)によって挟持することにより単位セルが構成されている。通常、この単位セルを所定数だけ積層した燃料電池スタックが、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
上記のセパレータは、アノード側電極に対向して燃料ガスを流通させる燃料ガス流路が形成されるアノード側セパレータと、カソード側電極に対向して酸化剤ガスを流通させる酸化剤ガス流路が形成されるカソード側セパレータとを有している。そして、アノード側セパレータとカソード側セパレータとが互いに重なり合うことにより、冷却媒体を流通させる冷却媒体用流路が形成されている。
このため、特に車載用燃料電池スタックを構成する際には、相当に多数のアノード側セパレータ及びカソード側セパレータを個別に製造しなければならない。従って、燃料電池スタックの製造コストが高騰するという問題がある。
そこで、セパレータの製造を簡素化するとともに、セパレータ間の電気抵抗を大幅に低減させるため、例えば、特許文献1に開示されている燃料電池の製造方法が提案されている。
この製造方法では、図17に示すように、予めアノード側セパレータ形状部1と、カソード側セパレータ形状部2とが、並列して成形された一枚のセパレータ材料板材3が用意されている。このセパレータ材料板材3は、アノード側セパレータ形状部1とカソード側セパレータ形状部2とが接触するまで折り曲げられることにより、アノード側セパレータ4及びカソード側セパレータ5が構成されている。セパレータ材料板材3の折り曲げ部には、予めプレス成形により折り曲げ形状部6が成形されている。
特開2009−43465号公報
ところで、上記の特許文献1では、折り曲げ形状部6は、アノード側セパレータ形状部1及びカソード側セパレータ形状部2とともに、同一の金型により成形されている。このため、金型形状が相当に複雑化し、金型の製造コストが高騰するという問題がある。
さらに、セパレータ材料板材3が、薄肉金属プレートで構成される際には、金型によりプレス加工を施す際に、割れや皺等が発生し易い。従って、高精度のセパレータを効率的に製造することできないという問題がある。
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を効率的に形成するとともに、割れや皺等の発生を可及的に抑制することができ、高品質な金属セパレータを効率的且つ経済的に製造することが可能な金属セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、燃料電池を構成し、電解質・電極構造体を挟持する金属セパレータの製造方法に関するものである。
この製造方法は、金属プレートにプレス加工を施してビードを成形する工程と、前記金属プレートに、前記ビードの内方に位置して燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を成形する工程と、前記金属プレートの不要部分をトリムして金属セパレータ構成板を形成する工程と、前記金属セパレータ構成板を前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路との間に残存する前記ビードに沿って折り曲げることにより、内部に冷却媒体流路を形成するとともに、該金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位に接合処理を施す工程とを有している。
また、この製造方法は、金属プレートにプレス加工を施してビードを成形する工程と、前記金属プレートに、前記ビードの内方に位置して燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を成形する工程と、前記金属プレートの不要部分をトリムするとともに、前記金属プレートの折り曲げ位置を基準にして対称位置に位置決め用ノック孔を設けることにより、金属セパレータ構成板を形成する工程と、前記金属セパレータ構成板を、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路との間に残存する前記ビードに沿って折り曲げることにより、内部に冷却媒体流路を形成するとともに、折り曲げられた2枚のプレート部同士を、一対の前記位置決め用ノック孔を基準にして互いに位置決めする工程と、該金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位及び前記位置決め用ノック孔の外周部位に接合処理を施す工程とを有している。
本発明によれば、金属プレートにビードが成形された後、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されるため、前記燃料ガス流路及び前記酸化剤ガス流路を同時に形成することができる。
さらに、金属セパレータ構成板は、残存するビードに沿って折り曲げられることにより内部に冷却媒体流路が形成されるとともに、前記金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位に接合処理が施される。従って、金属セパレータ構成板を折り曲げる際、前記金属セパレータ構成板に割れや皺等が発生することがない。
しかも、折り曲げ基準としてビードが使用されるため、新たな折り返し部位を成形する必要がない。これにより、燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を効率的に形成するとともに、割れや皺等の発生を可及的に抑制することができ、高品質な金属セパレータを効率的且つ経済的に製造することが可能になる。
さらにまた、本発明によれば、折り曲げられた2枚のプレート部同士は、それぞれに設けられている位置決め用ノック孔を基準にして互いに位置決めされる。このため、2枚のプレート部は、互いに正確且つ確実に位置合わせを行うことができ、高品質な金属セパレータを効率的に製造することが可能になる。
本発明の第1の実施形態に係る製造方法が適用される金属セパレータが組み込まれた燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記燃料電池の、図1中、II−II線断面図である。 前記金属セパレータの正面説明図である。 前記燃料電池の、図1中、IV−IV線断面図である。 前記燃料電池を構成する電解質膜・電極構造体の正面説明図である。 前記第1の実施形態に係る製造方法を説明する工程図である。 前記工程図の具体的な説明図である。 ビードの、図7中、VIII−VIII線断面図である。 三角形状のビードの断面図である。 角形形状のビードの断面図である。 前記ビードを成形する金型の断面説明図である。 複数の金属セパレータを製造する際の説明図である。 本発明の第2の実施形態に係る製造方法の説明図である。 本発明の第3の実施形態に係る製造方法が実施される金属セパレータが組み込まれた燃料電池の要部分解斜視説明図である。 前記金属セパレータの正面説明図である。 前記第3の実施形態に係る製造方法を説明する工程説明図である。 特許文献1に開示されている製造方法の説明図である。
図1及び図2に示すように、本発明の第1の実施形態に係る製造方法が適用される金属セパレータ10は、燃料電池12を構成し、電解質膜・電極構造体(MEA)14を挟持する。
図2に示すように、電解質膜・電極構造体14は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜16と、前記固体高分子電解質膜16を挟持するアノード側電極18及びカソード側電極20とを備える。アノード側電極18及びカソード側電極20は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層(図示せず)と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布されて形成される電極触媒層(図示せず)とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜16の両面に形成される。
固体高分子電解質膜16は、アノード側電極18及びカソード側電極20と同一の表面積、又はこれらよりも大きな表面積に設定される。固体高分子電解質膜16の外周端縁部には、樹脂製の額縁部(額縁状枠部材)22が、例えば、射出成形により一体成形される。樹脂材としては、例えば、汎用プラスチックの他、エンジニアリングプラスチックやスーパーエンジニアリングプラスチック等が採用される。
図1に示すように、額縁部22の矢印C方向の一端縁部(上端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体を供給するための冷却媒体入口連通孔26a、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを供給するための燃料ガス入口連通孔28aが、矢印B方向(水平方向)に配列して設けられる。
額縁部22の矢印C方向の他端縁部(下端縁部)には、矢印A方向に互いに連通して、燃料ガスを排出するための燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体を排出するための冷却媒体出口連通孔26b、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス出口連通孔24bが、矢印B方向に配列して設けられる。
金属セパレータ10の外周部は、酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔28b、冷却媒体出口連通孔26b及び酸化剤ガス出口連通孔24bの内側に配置される。
金属セパレータ10は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、あるいはその金属表面に防食用の表面処理を施した薄板状の金属板により構成される。図1及び図2に示すように、金属セパレータ10は、後述するように、単一の金属板を折り返し部位30で折り返して形成される。金属セパレータ10の両面には、電解質膜・電極構造体14のアノード側電極18に対向するアノードセパレータ面32と、前記電解質膜・電極構造体14のカソード側電極20に対向するカソードセパレータ面34とを有する。
図3に示すように、金属セパレータ10のアノードセパレータ面32には、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する燃料ガス流路36が形成される。燃料ガス流路36は、矢印C方向に延在しており、燃料ガスを鉛直上方向から鉛直下方向に向かって流動させる。
金属セパレータ10は、図1に示すように、カソードセパレータ面34に、波形状にプレス加工して断面凹凸形状を有する酸化剤ガス流路38が形成される。酸化剤ガス流路38は、酸化剤ガスを矢印C方向に流通させる。カソードセパレータ面34には、酸化剤ガス流路38の上下両側に、それぞれ複数の冷却媒体供給孔部40aと冷却媒体排出孔部40bとが形成される。
金属セパレータ10の内部には、冷却媒体供給孔部40a及び冷却媒体排出孔部40bに連通して冷却媒体を矢印C方向に流通させる冷却媒体流路42が形成される(図1及び図4参照)。冷却媒体流路42は、燃料ガス流路36の裏面形状と酸化剤ガス流路38の裏面形状との重なり形状により構成される。
図1に示すように、額縁部22には、シール部材44が一体成形される。シール部材44としては、例えば、EPDM、NBR、フッ素ゴム、シリコーンゴム、フロロシリコーンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材が用いられる。
シール部材44は、図5に示すように、カソード側電極20側の面に、酸化剤ガス入口連通孔24a及び酸化剤ガス出口連通孔24bを酸化剤ガス流路38に連通するとともに、冷却媒体入口連通孔26a、燃料ガス入口連通孔28a、燃料ガス出口連通孔28b及び冷却媒体出口連通孔26bを周回して、前記酸化剤ガス流路38から遮蔽する第1シール部44aを設ける。
シール部材44は、図1に示すように、アノード側電極18側の面に、燃料ガス入口連通孔28a及び燃料ガス出口連通孔28bを燃料ガス流路36に連通するとともに、酸化剤ガス入口連通孔24a、冷却媒体入口連通孔26a、冷却媒体出口連通孔26b及び酸化剤ガス出口連通孔24bを周回して、前記燃料ガス流路36から遮蔽する第2シール部44bを設ける。
このように構成される燃料電池12では、図1に示すように、酸化剤ガス入口連通孔24aに供給された酸素含有ガス等の酸化剤ガスは、金属セパレータ10の酸化剤ガス流路38に供給される。酸化剤ガスは、電解質膜・電極構造体14のカソード側電極20に沿って矢印C方向に流通した後、酸化剤ガス出口連通孔24bに排出される。
一方、燃料ガス入口連通孔28aに供給された水素含有ガス等の燃料ガスは、金属セパレータ10の燃料ガス流路36に供給される。燃料ガスは、燃料ガス流路36に沿って矢印C方向に流通した後、燃料ガス出口連通孔28bに排出される。
従って、電解質膜・電極構造体14では、カソード側電極20に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極18に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
また、冷却媒体入口連通孔26aに供給された純水やエチレングリコール、オイル等の冷却媒体は、図4に示すように、金属セパレータ10を構成するカソードセパレータ面34に形成されている複数の冷却媒体供給孔部40aから前記金属セパレータ10の内部に導入される。
金属セパレータ10の内部には、冷却媒体流路42が形成されている。このため、冷却媒体は、冷却媒体流路42に沿って矢印C方向に流通した後、複数の冷却媒体排出孔部40bから冷却媒体出口連通孔26bに排出される(図1参照)。
次いで、金属セパレータ10を製造する方法(第1の実施形態)について、以下に説明する。
図6に示すように、実質的には、ビード成形工程50、流路成形工程52、トリム工程54、折り曲げ工程56及び接合工程58を有する。これを、具体的に説明すると、先ず、図7中、(a)に示すように、金属製のブランク材60が用意される。
このブランク材60には、ビード成形加工が施されることにより、図7中、(b)に示すように、2つの領域を有するように複数の直線状ビード62が成形されるとともに、前記ビード62の外側には、搬送用パイロット孔63が設けられる。ビード62は、アノードセパレータ面32及びカソードセパレータ面34に対応し、且つこれらよりも大きな寸法を有する領域を周回して断続的に形成される。
ビード62は、凸部形状又は凹部形状であり、例えば、図8に示すように、断面半円形状を有する。なお、ビード62の形状は、種々選択可能であり、例えば、図9に示すように、断面三角形状や、図10に示すように、断面角形形状等に設定することができる。
図11に示すように、ビード62を成形する金型70は、第1型部材72と第2型部材74とを備える。第1型部材72には、パンチ部75が設けられる一方、第2型部材74には、凹部形状のダイ部76が設けられる。パンチ部75及びダイ部76は、ビード62の形状に対応する形状を有する。
次に、図7中、(c)に進んで、アノードセパレータ面32に対応する領域内に燃料ガス流路36が成形される一方、カソードセパレータ面34に対応する領域内に酸化剤ガス流路38が成形される。カソードセパレータ面34に対応する領域内には、酸化剤ガス流路38の上下にそれぞれ複数の冷却媒体供給孔部40a及び冷却媒体排出孔部40bが形成される。
さらに、ブランク材60は、不要部分がトリム処理されて、図7中、(d)に示すように、金属セパレータ構成板64が形成される。不要部分は、流路領域以外のビード62(但し、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34との間の折り返し部位30に相当するビード62は除く)と、パイロット孔63とを含む。なお、冷却媒体供給孔部40a及び冷却媒体排出孔部40bは、トリム処理時に形成してもよい。
この金属セパレータ構成板64は、アノードセパレータ面32、カソードセパレータ面34及びこれらの間に残存するビード62を一体に有する。そして、図7中、(e)に進み、金属セパレータ構成板64は、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34との間のビード62に沿って折り曲げられるとともに、それぞれの合わせ面を接触させる。
これにより、金属セパレータ構成板64の内部には、燃料ガス流路36の裏面形状と酸化剤ガス流路38の裏面形状とが重なり合って冷却媒体流路42が形成される。
折り曲げられた金属セパレータ構成板64は、折り返し部位30(ビード62)を除く3辺同士が接合される。接合処理としては、ガス溶接、レーザ溶接、シーム溶接、接着又はかしめ等を採用することができる。
この場合、第1の実施形態では、ブランク材60にビード62が形成された後、燃料ガス流路36及び酸化剤ガス流路38が同時に成形されている。このため、流路成形作業が迅速に遂行される。
さらに、金属セパレータ構成板64は、残存するビード62に沿って折り曲げられることにより、内部に冷却媒体流路42が形成されるとともに、前記金属セパレータ構成板64の重ね合わせ部位には、接合処理が施されている。従って、金属セパレータ構成板64を折り曲げる際、前記金属セパレータ構成板64に割れや皺等が発生することがない。
しかも、金属セパレータ構成板64の折り曲げ基準として、ビード62が使用されるため、新たな折り返し部位を前記金属セパレータ構成板64に成形する必要がない。これにより、燃料ガス流路36及び酸化剤ガス流路38を効率的に形成するとともに、割れや皺等の発生を可及的に抑制することができ、高品質な金属セパレータ10を効率的且つ経済的に製造することが可能になるという効果が得られる。
なお、第1の実施形態では、ブランク材60に対してそれぞれ一枚の金属セパレータ10に対応した加工処理がされているが、これに限定されるものではない。例えば、図12に示すように、4枚の金属セパレータ10に対応してビード62a、62b、62c及び62dを形成してもよい。その際、各ビード62a〜62d間に皺や割れ等が発生することを阻止するために、スリット68を設けると好ましい。
図13は、本発明の第2の実施形態に係る製造方法の説明図である。なお、第1の実施形態と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
この第2の実施形態では、ブランク材60には、ビード成形加工が施されることにより、2つの領域を有するようにビード80が成形される。このビード80は、アノードセパレータ面32及びカソードセパレータ面34に対応し、且つこれらよりも大きな寸法を有する領域を周回して連続的に形成される。ビード80は、四隅にそれぞれRが設けられる。ビード80の外側には、パイロット孔63が形成される。
このように構成される第2の実施形態では、ブランク材60にトリム処理が施されて不要部分が除去された後、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34との間のビード80aに沿って折り曲げられている。これにより、第2の実施形態は、上記の第1の実施形態と同様の効果が得られる。
図14に示すように、本発明の第3の実施形態に係る製造方法が適用される金属セパレータ90は、燃料電池92を構成し、電解質膜・電極構造体(MEA)94を挟持する。なお、第1の実施形態に係る燃料電池12と同一の構成要素には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図14及び図15に示すように、金属セパレータ90の一方の対角位置には、それぞれ位置決め用ノック孔96、98が貫通形成される。図14に示すように、電解質膜・電極構造体94の一方の対角位置には、金属セパレータ90の位置決め用ノック孔96、98と積層方向に同軸上に位置決め用ノック孔100a、100bが貫通形成される。各位置決め用ノック孔96及び100aと、各位置決め用ノック孔98及び100bとには、それぞれ円柱形状のノックピン(ロッド部材)102a、102bが一体に挿入される。
次いで、金属セパレータ90を製造する方法(第3の実施形態)について、図16に沿って、以下に説明する。
なお、金属セパレータ90は、実質的には、第1の実施形態と同様に、図6に示すように、ビード成形工程50、流路成形工程52、トリム工程54、折り曲げ工程56及び接合工程58を有し、同一の工程については、その詳細な説明は省略する。
第3の実施形態では、図16中、(a)〜(c)に示すように、ブランク材60に、ビード成形工程50及び流路成形工程52が施された後、トリム工程54に移行する。このトリム工程54では、図16中、(d)に示すように、不要部分が除去されて金属セパレータ構成板64が形成されるとともに、酸化剤ガス流路38の上下にそれぞれ複数の冷却媒体供給孔部40a及び冷却媒体排出孔部40bが形成される。
さらに、トリム工程54において、金属セパレータ構成板64には、アノードセパレータ面32側のプレート部に、折り曲げ位置(ビード62)を基準にして対称位置に位置決め用ノック孔96、98を構成する孔部96a、98aが形成される。一方、カソードセパレータ面34側のプレート部に、折り曲げ位置(ビード62)を基準にして対称位置に位置決め用ノック孔96、98を構成する孔部96b、98bが形成される。
そして、折り曲げ工程56では、図16中、(e)に示すように、金属セパレータ構成板64は、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34との間のビード62に沿って折り曲げられるとともに、それぞれの合わせ面を接触させる。
ここで、第3の実施形態では、金属セパレータ構成板64のアノードセパレータ面32側に、孔部96a、98aが形成される一方、前記金属セパレータ構成板64のカソードセパレータ面34側に、孔部96b、98bが形成されている。このため、金属セパレータ構成板64が折り曲げられる際、孔部96a、96b同士を同軸上に配置させるとともに、孔部98a、98b同士を同軸上に配置させることにより、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34とを互いに位置決めすることができる。
従って、アノードセパレータ面32とカソードセパレータ面34とは、互いに正確且つ確実に位置合わせを行うことができ、高品質な金属セパレータ90を効率的に製造することが可能になるという効果が得られる。
折り曲げられた金属セパレータ構成板64は、折り返し部位30(ビード62)を除く3辺同士が接合されるとともに、孔部96a、96bの外周部位及び孔部98a、98bの外周部位が接合される。
これにより、図16中、(f)に示すように、孔部96a、96bが一体化して冷却媒体流路42から遮断された位置決め用ノック孔96が形成される一方、孔部98a、98bが一体化して前記冷却媒体流路42から遮断された位置決め用ノック孔98が形成される。
10、90…金属セパレータ 12、92…燃料電池
14、94…電解質膜・電極構造体 16…固体高分子電解質膜
18…アノード側電極 20…カソード側電極
22…額縁部 24a…酸化剤ガス入口連通孔
24b…酸化剤ガス出口連通孔 26a…冷却媒体入口連通孔
26b…冷却媒体出口連通孔 28a…燃料ガス入口連通孔
28b…燃料ガス出口連通孔 30…折り返し部位
32…アノードセパレータ面 34…カソードセパレータ面
36…燃料ガス流路 38…酸化剤ガス流路
40a…冷却媒体供給孔部 40b…冷却媒体排出孔部
42…冷却媒体流路 50…ビード成形工程
52…流路成形工程 54…トリム工程
56…折り曲げ工程 58…接合工程
60…ブランク材
62、62a〜62d、80、80a…ビード
64…金属セパレータ構成板
96、98、100a、100b…位置決め用ノック孔
96a、96b、98a、98b…孔部

Claims (2)

  1. 燃料電池を構成し、電解質・電極構造体を挟持する金属セパレータの製造方法であって、
    金属プレートにプレス加工を施してビードを成形する工程と、
    前記金属プレートに、前記ビードの内方に位置して燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を成形する工程と、
    前記金属プレートの不要部分をトリムして金属セパレータ構成板を形成する工程と、
    前記金属セパレータ構成板を、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路との間に残存する前記ビードに沿って折り曲げることにより、内部に冷却媒体流路を形成するとともに、該金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位に接合処理を施す工程と、
    を有することを特徴とする金属セパレータの製造方法。
  2. 燃料電池を構成し、電解質・電極構造体を挟持する金属セパレータの製造方法であって、
    金属プレートにプレス加工を施してビードを成形する工程と、
    前記金属プレートに、前記ビードの内方に位置して燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路を成形する工程と、
    前記金属プレートの不要部分をトリムするとともに、前記金属プレートの折り曲げ位置を基準にして対称位置に位置決め用ノック孔を設けることにより、金属セパレータ構成板を形成する工程と、
    前記金属セパレータ構成板を、前記燃料ガス流路と前記酸化剤ガス流路との間に残存する前記ビードに沿って折り曲げることにより、内部に冷却媒体流路を形成するとともに、折り曲げられた2枚のプレート部同士を、一対の前記位置決め用ノック孔を基準にして互いに位置決めする工程と、
    該金属セパレータ構成板の重ね合わせ部位及び前記位置決め用ノック孔の外周部位に接合処理を施す工程と、
    を有することを特徴とする金属セパレータの製造方法。
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