JP2013008701A - 燃料電池用セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セパレータの変形を抑制し、シール性の高いセパレータを提供することを目的とする。
【解決手段】金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路を形成する予備成形工程と、予備成形工程で形成した流路を所定形状に成形する仕上げ工程と、仕上げ工程で得られた金属板の不要部分を切り落とすトリミング工程と、仕上げ工程またはトリミング工程と同時またはこれらの工程後に、前記流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部を形成する形状矯正工程とを備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法に関し、詳細には、金属板をプレス加工して流路を形成した時に発生したセパレータの変形（反りやうねり）を矯正するための技術に関する。

例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工して凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている（例えば、特許文献１など参照）。

通常、金属セパレータは、プレスマシン及び金型を用いたプレス成形にて形成され、予備成形、仕上げ成形及びトリミング工程を経て製造される。そして、このようにして得られた金属セパレータは、２枚重ね合わせることで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水（冷媒）をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成してなるセパレータとされる。

特開２００２−３６７６６５号公報

しかしながら、プレス工程の予備成形及び仕上げ工程は何れも材料を引き延ばして成形する張り出し成形であるため、引き延ばされた材料が戻ろうとし、プレス成形後の変形（反りやうねり）が発生する。

特に、燃料電池に使用されるセパレータでは、凹凸形状をなす規則性を持った流路とされていることから、流路と交差する方向に大きく曲がり易い。このように変形したセパレータ同士を重ね合わせて接合一体化した場合、接合部分に隙間が生じて流路からガスや冷媒が漏れる可能性がある。

そこで、本発明は、セパレータの変形を抑制し、シール性の高いセパレータを提供し得る燃料電池用セパレータの製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路を形成する予備成形工程と、予備成形工程で形成した流路を所定形状に成形する仕上げ工程と、仕上げ工程で得られた金属板の不要部分を切り落とすトリミング工程と、仕上げ工程またはトリミング工程と同時またはこれらの工程後に、前記流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部を形成する形状矯正工程とを備えたことを特徴とする。

本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、仕上げ工程またはトリミング工程と同時またはこれらの工程後に、流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部を形成することで、これらプレス加工時に材料に残る引っ張りの残留応力が、この第１切欠き部を形成することによって相殺され、残留する応力を無くすことができる。したがって、本発明方法によれば、反りやうねりの発生が抑制された燃料電池用セパレータを得ることができる。

燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。 燃料電池単セルの拡大断面図である。 燃料電池単セルの要部拡大断面図である。 セパレータ製造工程のうち予備成形工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図である。 セパレータ製造工程のうち仕上げ工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図である。 セパレータ製造工程のうちトリミング工程を示し、その工程におけるセパレータの平面図である。 形状矯正工程で使用する金型を示し、（Ａ）はその金型の斜視図、（Ｂ）はその金型に形成された突起の要部拡大図である。 ワークに引っ張り応力が残存していることを示す図である。 第１切欠き部及び第２切欠き部の形成状態を示す図である。 セパレータに残存する応力が第１切欠き部及び第２切欠き部によって打ち消された状態を示す図である。 予備成形高さと歪みとの関係を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

「燃料電池スタックの全体構成」
先ず、本発明の燃料電池用セパレータが使用される燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池単セルの拡大断面図、図３は燃料電池単セルの要部拡大断面図である。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）の反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３をタイロッド７で締め付け、そのタイロッド７の端部にナット１００を螺合させることで構成されている。

この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒（冷却水）をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された各流路に流通させるための燃料ガス導入口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、冷媒導入口１２および冷媒排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。

かかる構成の燃料電池スタック１においては、燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷媒は、冷媒導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口１３より排出される。

燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置される燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータという）１５とから構成される。

膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。

セパレータ１５は、例えば厚みの薄いステンレスなどの金属板からなり、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の領域）に、プレス加工によって凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。

膜電極接合体１４のアノード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路１８を形成する。一方、膜電極接合体１４のカソード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路１９を形成する。そして、セパレータ１５、１５同士が接合された凸条部１７、１７で囲まれた空間部は、冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路２０を形成する。

また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口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と連通するそれぞれのマニホールド（図示は省略する）が形成されている。そして、特に本実施形態では、セパレータ１５の反りやうねりを無くすために、凹凸形状をなす凹条部１６と凸条部１７に、図３に示すように流路の長手方向（図３の紙面と直交する方向）に沿って連続する第１切欠き部２５を形成してある。

第１切欠き部２５は、断面略Ｖ字状の溝として、燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷媒が流れる側とは反対側の面、すなわち流路の裏面に形成されている。この実施形態では、２つの第１切欠き部２５を互いに平行に形成している。なお、図示は省略するが、第１切欠き部２５と交差する方向（ガス及び冷媒の流れ方向と直角に交差する方向）にも同様の断面略Ｖ字状の溝を第２切欠き部として形成してある。全体から見ると、凹条部１６と凸条部１７には、第１切欠き部２５と第２切欠き部とにより菱目形状の溝が形成されていることになる。

このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とからなる燃料電池単セル２は、一対のセパレータ１５、１５で膜電極接合体１４を挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体１４の平坦面とされた外周縁部に設けられた第１シール部材２３を介して上下のセパレータ１５、１５同士を結合一体化してある。そして、この燃料電池単セル２は、外周縁部に第２シール部材２４を介在させることにより複数層積層されて燃料電池スタック１を構成する。

「セパレータの製造方法」
図４はセパレータ製造工程のうち予備成形工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図、図５はセパレータ製造工程のうち仕上げ工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図、図６はセパレータ製造工程のうちトリミング工程を示し、その工程におけるセパレータの平面図、図７は形状矯正工程で使用する金型を示し、（Ａ）はその金型の斜視図、（Ｂ）はその金型に形成された突起の要部拡大図、図８はワークに引っ張り応力が残存していることを示す図、図９は第１切欠き部及び第２切欠き部の形成状態を示す図、図１０はセパレータに残存する応力が第１切欠き部及び第２切欠き部によって打ち消された状態を示す図、図１１は予備成形高さと歪みとの関係を示す図である。

本実施形態のセパレータ１５を製造するには、先ず、金属板をプレス加工してアクティブ領域に凹凸形状からなる流路を形成する予備成形工程行う。予備成形工程では、図４に示すように、ステンレスからなる金属板２６に、前記凹条部１６と凸条部１７からなる凹凸形状をなす流路をなだらかに形成する。

この予備成形工程では、通常の成形高さ（図４（Ｂ）の点線で示す）よりもその成形高さＨ１を十分高くして成形する。このときの成形高さＨ１は、予備成形時と仕上げ成形時それぞれの周長における比率である周長比（予備成形周長／仕上げ成形周長）が１００％近辺で歪みが極小となることから（図１１参照）、そのときの予備成形高さＨ１（０．８ｍｍ）以上で予備成形を行う。

次に、予備成形工程で形成した流路を所定形状に成形する仕上げ工程を行う。仕上げ工程では、予備成形工程で成形高さＨ１を十分高くして成形してあるため、図５に示すように引っ張り成形ではなく材料を潰しながらの圧縮成形となる。そのため、ワーク内部に残存する引っ張りの残留応力が圧縮加工によって相殺され、加工部分が未加工部分を引っ張ろうとすることで生じる歪みの影響が抑制される。

次に、仕上げ工程で得られた金属板２６の不要部分を切り落とすトリミング工程を行う。トリミング工程では、金属板２６の不要部分（図６の斜線部分）を切り落とすと共に、各流路に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷媒を供給するためのマニホルド孔２７を形成する。

次に、トリミング工程と同時またはトリミング工程後に、流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部２５と、第１切欠き部２５と交差する方向に第２切欠き部を形成する形状矯正工程を行う。形状矯正工程で使用する金型２７は、図７に示すように、流路に沿う方向に連続する２本の逆Ｖ字状をなす第１突起部２８と、この第１突起部２８と交差する方向に連続する逆Ｖ字状をなす第２突起部２９とを有している。第１突起部２８は、流路の数だけ形成されており、第２突起部２９は、適当数設けられている。第１突起部２８としては、例えば突起高さ０．２ｍｍ、先端角度４５度、突起間ピッチ０．２ｍｍにて形成されている。

トリミング工程後では、その前の工程で図８に示すようにセパレータ１５の内部に引っ張りの残留応力（同図中矢印で示す）が残っているが、これを図９に示すように第１突起部２８と第２突起部２９が形成された金型２７でセパレータ１５に第１切欠き部２５と第２切欠き部３０を形成する。第１突起部２８と第２突起部２９をワークに押し付けて溝を形成すれば、引っ張り残留応力を打ち消す方向に力が作用するので、図１０に示すようにセパレータ１５に反りやうねり等による変形（歪み）が無くなる。それにより、加工部分が未加工部分を引っ張ろうとする歪みが無くなる。

以上のように、本実施形態によれば、トリミング工程後に、流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部２５及び第２切欠き部３０を形成することで、これらプレス加工によって材料に残る引っ張りの残留応力が、この第１切欠き部２５及び第２切欠き部３０を形成することによって相殺され、残留する応力を無くすことができる。したがって、本発明方法によれば、反りやうねりの発生が抑制された燃料電池用セパレータを得ることができる。

また、本実施形態によれば、第１切欠き部２５だけで十分に引っ張り残留応力を打ち消すことができるが、この第１切欠き部２５に加えて第２切欠き部３０を形成し菱目形状とすることで、さらにセパレータの変形をより一層抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、通常の予備成形とは異なり、その成形高さを十分に高くして成形した後に仕上げ成形を行うため、この仕上げ成形では引っ張り成形ではなく圧縮成形となることからワーク内部に残存する縮もうとする力を無くすことができ、セパレータの歪みを解消することができる。

また、本実施形態によれば、流路のうち燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷却水が流れる側とは反対側の面（流体が流れる面とは反対側の裏面）に第１切欠き部２５及び第２切欠き部３０を形成しているので、流路を流れるガスや冷却水に流体抵抗が掛からない。

以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。

上記した実施の形態では、トリミング工程後に形状矯正工程を行ったが、このトリミング工程と同時に形状矯正工程を行っても良いし、或いは仕上げ工程と同時、或いは仕上げ工程後に形状矯正工程を行っても良い。

１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…凹条部（凹凸形状）
１７…凸条部（凹凸形状）
１８…燃料ガス流路（流路）
１９…酸化剤ガス流路（流路）
２０…冷媒流路（流路）
２５…第１切欠き部
２７…形状矯正工程で使用する金型
２８…第１突起部
２９…第２突起部
３０…第２切欠き部

Claims (4)

1. 金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる流路を形成する予備成形工程と、
   予備成形工程で形成した流路を所定形状に成形する仕上げ工程と、
   仕上げ工程で得られた金属板の不要部分を切り落とすトリミング工程と、
   仕上げ工程またはトリミング工程と同時またはこれらの工程後に、前記流路の長手方向に沿って連続する第１切欠き部を形成する形状矯正工程とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記形状矯正工程において、前記第１切欠き部と交差する方向に第２切欠き部を形成する
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記予備成形工程において、前記凹凸形状からなる流路の高さは、前記仕上げ工程で形成する流路の高さよりも高く形成する
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
   前記仕上げ工程では、前記金属板を潰して成形する圧縮成形とする
   ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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