JP2019185998A - セパレータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留まりを改善することができるセパレータ製造方法を提供する。【解決手段】第１金型２５ｃと第２金型２５ｄと第３金型２５ｅがこの記載順で配置されたトランスファー型金型１、第１金型２５ｃにおいて、金属箔７の第１のマニホールドを形成する領域内に第１の基準孔を形成する第１の工程と、第２金型２５ｄにおいて、第１金型２５ｃから搬送された金属箔７を前記第１の基準孔を用いて位置決めすると共に、金属箔７に第２のマニホールドを形成する第２の工程と、第３金型２５ｅにおいて、第２金型２５ｄから搬送された金属箔７の前記第２のマニホールドに位置決めブロックを挿入し金属箔７を第１の位置決め精度で位置決めすると共に、前記第１の基準孔に位置決めピンを挿入することで金属箔７を前記第１の位置決め精度よりも高精度な第２の位置決め精度で位置決めし、前記第１のマニホールドを形成する、第３の工程と、を含む、セパレータの製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、セパレータの製造方法に関する。

特許文献１は、複数のセルを積層したセルスタックを有する燃料電池に関する技術を開示している。具体的には、膜電極アッセンブリを挟むメタルセパレータに酸化ガスや水素ガス、冷却水を流通させるための複数のマニホールドを打ち抜き加工により形成している。

国際公開第２００６／１３７５７２号

ところで、本願発明者らは、生産効率向上を目的として、セパレータをトランスファー型金型で製造することを検討している。ここで、セパレータには、前述のように、空気ガスや水素ガス、冷却水を流通させるための複数のマニホールドを一定の精度で形成することが求められている。しかしながら、これらすべてのマニホールドを一度のプレス加工で同時に形成することは金型構造上の問題で困難とされ、上記複数のマニホールドは複数の打ち抜き工程に分けて形成せざるを得ないのが実情である。この場合、セパレータが各工程間でトランスファー装置によって搬送されるため、各工程におけるセパレータの位置決めが課題となる。

そこで、本願発明者らは、前工程で形成したマニホールドそのものを利用してセパレータを位置決めすることを検討している。この手法によれば、セパレータに位置決め専用の孔を設ける必要がないというメリットが得られるからである。この場合、例えば、前工程で形成したマニホールドに位置決めブロックを挿入し、位置決めブロックによるセルフアライメント効果を期待することになる。また、セルフアライメント効果を高精度に実現するには、マニホールドと位置決めブロックとの間の隙間を可及的に小さくすることが求めらる。しかしながら、セパレータは例えば１０マイクロメートル程度の金属箔であってそれ自体の剛性は相当低いので、マニホールドに位置決めブロックを挿入した際、マニホールドの内周縁がめくれ上がるように変形してしまう虞があった。このように異常変形したマニホールドは製品として出荷し得る品質には及ばず、歩留まりの低下を招いていた。

そこで、本発明の目的は、トランスファー型金型にてセパレータを製造するに際し、歩留まりを向上する技術を提供することにある。

本願発明の観点によれば、第１の金型と第２の金型と第３の金型がこの記載順で配置されたトランスファー型プレス加工機を用いたセパレータの製造方法であって、前記第１の金型において、金属箔の第１のマニホールドを形成する領域内に第１の基準孔を形成する第１の工程と、前記第２の金型において、前記第１の金型から搬送された前記金属箔を前記第１の基準孔を用いて位置決めすると共に、前記金属箔に第２のマニホールドを形成する第２の工程と、前記第３の金型において、前記第２の金型から搬送された前記金属箔の前記第２のマニホールドに位置決めブロックを挿入することで前記金属箔を第１の位置決め精度で位置決めすると共に、前記第１の基準孔に位置決めピンを挿入することで前記金属箔を前記第１の位置決め精度よりも高精度な第２の位置決め精度で位置決めし、前記第１のマニホールドを形成する、第３の工程と、を含む、セパレータの製造方法が提供される。

本発明によれば、製品段階で残らない部分で第２の位置決め精度による位置決めをしているので、製品の歩留まりを改善することができる。

トランスファー型プレス加工機の斜視図である。 セパレータの平面図である。 セパレータの製造方法のフローチャートである。 絞り工程後のワークの平面図である。 押し工程後のワークの平面図である。 第１打ち抜き工程後のワークの平面図である。 第２打ち抜き工程後のワークの平面図である。 位置決めブロックによる位置決めを説明する断面図である。 位置決めピンによる位置決めを説明する断面図である。 比較例であって、マニホールドを用いて高精度な位置決めを行っている場合の断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

図１は、トランスファー型プレス加工機１の斜視図である。トランスファー型プレス加工機１は、ボルスタ２と、複数の下型３と、スライド４と、複数の上型５と、搬送機構６と、を備えている。

図２は、トランスファー型プレス加工機１によってプレス加工されたワーク７を示している。ワーク７は、例えばステンレス製の金属箔であって、例えば燃料電池に用いられるメタルセパレータである。ワーク７の厚みは例えば約０．１ｍｍとされている。ワーク７は略長方形状であって、その中央には凹凸部８が形成されている。凹凸部８は、酸素ガスや水素ガスのための流路の一部を構成するものである。ワーク７の長手方向における一端部９及び他端部１０には、複数のマニホールド及び組み付け基準孔が形成されている。即ち、一端部９には、水素ガスＩＮ側マニホールド１１、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３、主組み付け基準孔１４が形成されている。一方、他端部１０には、水素ガスＯＵＴ側マニホールド１５、冷却水ＩＮ側マニホールド１６、酸素ガスＩＮ側マニホールド１７、副組み付け基準孔１８が形成されている。

水素ガスＩＮ側マニホールド１１は、水素ガスの供給側のマニホールドである。冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２は、冷却水の排出側のマニホールドである。酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３は、酸素ガスの排出側のマニホールドである。水素ガスＯＵＴ側マニホールド１５は、水素ガスの排出側のマニホールドである。冷却水ＩＮ側マニホールド１６は、冷却水の供給側のマニホールドである。酸素ガスＩＮ側マニホールド１７は、酸素ガスの供給側のマニホールドである。主組み付け基準孔１４及び副組み付け基準孔１８は、セルスタックを組み付けるのに用いられる孔である。

水素ガスＩＮ側マニホールド１１、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３、主組み付け基準孔１４、水素ガスＯＵＴ側マニホールド１５、冷却水ＩＮ側マニホールド１６、酸素ガスＩＮ側マニホールド１７、副組み付け基準孔１８は、何れも、ワーク７を貫通するように形成されている。

冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２は、水素ガスＩＮ側マニホールド１１と酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３の間に形成されている。冷却水ＩＮ側マニホールド１６は、水素ガスＯＵＴ側マニホールド１５と酸素ガスＩＮ側マニホールド１７の間に形成されている。

図１に戻り、ボルスタ２は、トランスファー型プレス加工機１の図示しないフレームに固定される。

複数の下型３は、下型３ａ、下型３ｂ、下型３ｃ、下型３ｄ、下型３ｅを含む。下型３ａ〜下型３ｅは、ボルスタ２の上面２ａに配置されている。下型３ａ〜下型３ｅは、この記載順に並んで配置されている。

スライド４は、ボルスタ２の上方に配置され、ボルスタ２に対して上下動可能となるように、トランスファー型プレス加工機１のフレームに支持されている。ボルスタ２は、図示しないクランク機構に連結されており、上下に往復駆動される。

複数の上型５は、上型５ａ、上型５ｂ、上型５ｃ、上型５ｄ、上型５ｅを含む。上型５ａ〜上型５ｅは、スライド４の下面４ａに配置されている。上型５ａ〜上型５ｅは、この記載順に並んで配置されている。即ち、上型５ａ〜上型５ｅは、下型３ａ〜下型３ｅとそれぞれ上下方向で対向している。

そして、下型３ａと上型５ａは、金型２５ａを構成している。同様に、下型３ｂと上型５ｂは金型２５ｂを、下型３ｃと上型５ｃは金型２５ｃを、下型３ｄと上型５ｄは金型２５ｄを、下型３ｅと上型５ｅは金型２５ｅを構成している。金型２５ａ、金型２５ｂ、金型２５ｃ、金型２５ｄ、金型２５ｅは、この記載順に列を成して配置されている。

搬送機構６は、複数の下型３の間でワーク７を搬送する。搬送機構６は、複数のフィンガー２０が設けられた２つのフィードバー２１と、フィードバー２１を駆動するバー駆動部２２と、により構成されている。バー駆動部２２は、２つのフィードバー２１を上下方向、及び、スライド４の長手方向に往復駆動する。また、バー駆動部２２は、２つのフィードバー２１が互いに近づいたり離れたりするように往復駆動する。２つのフィードバー２１が互いに近づくことで、スライド４の短手方向で対向する２つのフィンガー２０がワーク７を把持する。２つのフィードバー２１が互いに離れることで、スライド４の短手方向で対向する２つのフィンガー２０がワーク７を解放する。以上の構成で、搬送機構６は、下型３ａに載置されたワーク７を把持して下型３ｂに搬送し、下型３ｂに載置する。同様に、搬送機構６は、下型３ｂから下型３ｃへ、下型３ｃから下型３ｄへ、下型３ｄから下型３ｅへ、ワーク７を順番に搬送する。そして、スライド４をボルスタ２に向けて所定量降下させることで、各下型３に載置されたワーク７をプレス加工するようになっている。このようにトランスファー型プレス加工機１では、異なる形状の金型でワーク７を順次自動的にプレス加工していくことができ、高い生産性が確保されている。

次に、図３以降を参照して、セパレータの製造方法を説明する。

（アイドル工程：ステップＳ１００）
先ず、外部から金型２５ａにワーク７が供給される。金型２５ａに供給されたワーク７は、搬送機構６によって金型２５ｂに搬送される。

（絞り工程：ステップＳ１１０）
図４に示すように、金型２５ｂにおいては、絞り工程が実施される。本絞り工程では、ワーク７に対して絞り加工が施される。この絞り加工は、ワーク７に凹凸部８を形成する工程の一部である。また、本絞り工程においては、主組み付け基準孔１４及び副組み付け基準孔１８を打ち抜き加工により形成する。更に、本絞り工程においては、次工程である押し工程の際にワーク７を位置決めするための位置決め孔３０ａ及び位置決め孔３０ｂを打ち抜き加工により形成する。位置決め孔３０ａ及び３位置決め孔３０ｂは、製品出荷前に打ち抜かれて除去される領域に形成するとよい。本実施形態では、位置決め孔３０ａは、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２が形成される領域１２Ｘの内側に形成される。位置決め孔３０ｂは、酸素ガスＩＮ側マニホールド１７が形成される領域１７Ｘの内側に形成される。その後、ワーク７は、搬送機構６によって金型２５ｃに搬送される。

（押し工程：ステップＳ１２０）
図５に示すように、金型２５ｃにおいては、押し工程が実施される。本押し工程では、ワーク７に対して押し加工が施される。この押し加工は、ワーク７に凹凸部８を形成する最終工程である。また、本押し工程では、前工程である絞り工程において形成した位置決め孔３０ａ及び位置決め孔３０ｂを用いてワーク７を位置決めする。また、本押し工程においては、次工程である第１打ち抜き工程の際にワーク７を位置決めするための位置決め孔３１ａ及び位置決め孔３１ｂを打ち抜き加工により形成する。位置決め孔３１ａ及び位置決め孔３１ｂは、製品出荷前に打ち抜かれて除去される領域に形成するとよい。本実施形態では、位置決め孔３１ａは、領域１２Ｘの内側に形成される。位置決め孔３１ｂは、冷却水ＩＮ側マニホールド１６が形成される領域１６Ｘの内側に形成される。その後、ワーク７は、搬送機構６によって金型２５ｄに搬送される。

（第１打ち抜き工程：Ｓ１３０）
図６に示すように、金型２５ｄにおいては、第１打ち抜き工程が実施される。本第１打ち抜き工程では、ワーク７に水素ガスＩＮ側マニホールド１１、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３、水素ガスＯＵＴ側マニホールド１５、酸素ガスＩＮ側マニホールド１７を打ち抜き加工により形成する。本第１打ち抜き工程では、前工程である押し工程において形成した位置決め孔３１ａ及び位置決め孔３１ｂを用いてワーク７を高精度に位置決めする。また、本第１打ち抜き工程においては、ワーク７の外周の図示しないスクラップ部を部分的に除去する。その後、ワーク７は、搬送機構６によって金型２５ｅに搬送される。

（第２打ち抜き工程：Ｓ１４０）
図７に示すように、金型２５ｅにおいては、第２打ち抜き工程が実施される。本第２打ち抜き工程では、ワーク７に冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２及び冷却水ＩＮ側マニホールド１６を打ち抜き加工により形成する。本第２打ち抜き工程では、前工程である第１打ち抜き工程において形成した位置決め孔３１ａ及び位置決め孔３１ｂ、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３、酸素ガスＩＮ側マニホールド１７を用いてワーク７を高精度に位置決めする。具体的には以下の通りである。

先ず、図８に示すように、金型２５ｅの下型３ｅには、上方に突出する位置決めブロック４０が設けられている。位置決めブロック４０は、平面視において酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３よりも一回り小さくなるように形成されている。具体的には、位置決めブロック４０が酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に挿入された場合、位置決めブロック４０と酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３との間に少なくとも２ｍｍの隙間が全周にわたって形成されるようになっている。従って、ワーク７の酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に位置決めブロック４０が挿入されると、ワーク７は、位置決めブロック４０の先端に形成された湾曲面４０ａによって水平方向にガイドされることで、ワーク７が下型３ｅに対して大まかに位置決めされる。位置決めブロック４０による水平方向の位置決め精度はプラスマイナス２ｍｍの精度となる。このように、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に位置決めブロック４０を挿入することで行われる位置決めの精度が低く抑えられていることで、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に位置決めブロック４０を挿入した状態で、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３の内周縁１３ｄがめくれ上がるように湾曲状に変形したままとなっていることがない。

酸素ガスＩＮ側マニホールド１７においても、上記酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３と同様に、低い位置決め精度による位置決めが行われる。

また、図９には、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２を打ち抜き加工する様子を示している。即ち、下型３ｅに円筒状のダイ４１を設け、上型５ｅに円筒状のストリッパ４２を設けている。上型５ｅには、更に、円筒状のパンチ４３と、位置決めピン４４と、を設けている。ダイ４１とストリッパ４２は上下方向で対向関係である。パンチ４３は、ストリッパ４２の内側で上下動可能に配置されている。位置決めピン４４はパンチ４３の内側で上下動可能に配置されている。ただし、パンチ４３と位置決めピン４４は相対的に移動不能であってもよい。

そして、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３及び酸素ガスＩＮ側マニホールド１７を用いた低い精度の位置決めが実施された後、位置決めピン４４が位置決め孔３１ａに挿入される。このとき、ワーク７は、位置決めピン４４の先端に形成された湾曲面４４ａによって水平方向にガイドされることで、ワーク７が下型３ｅに対して高精度に位置決めされる。位置決めピン４４による水平方向の位置決め精度は、プラスマイナス０．５ｍｍの精度となる。このように、位置決め孔３１ａに位置決めピン４４を挿入することで行われる位置決めの精度が高いので、位置決め孔３１ａに位置決めピン４４を挿入した状態で、位置決め孔３１ａの内周縁が下方に湾曲するように変形している場合がある。この場合でも、位置決め孔３１ａの内周縁は、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２を形成する際に同時に切り落とされるので、上記の変形が製品出荷時における製品の品質に悪い影響を与えることはない。

次に、ダイ４１とストリッパ４２でワーク７を上下方向で挟み、その後、パンチ４３を降下させる。このパンチ４３の降下により、ワーク７に冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２が形成されることになる。そして、このとき、位置決め孔３１ａの内周縁も同時に切り落とされることになる。位置決めピン４４によりワーク７の高精度な位置決めが達成されているので、第１打ち抜き工程において形成した水素ガスＩＮ側マニホールド１１及び酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に対する、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２の位置精度は高い精度で実現される。

冷却水ＩＮ側マニホールド１６についても同様である。

上記の本第２打ち抜き工程においては、ワーク７の外周のスクラップ部を完全に除去する。金型２５ｅにおける第２打ち抜き工程が完了したら、ワーク７は、ＦＣセルの組み付け工程へと搬送機構６により搬出される。

図１０には、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に位置決めブロック５０を挿入することで、ワーク７の水平方向における位置精度を高いレベルで達成しようとする比較例を示している。前述したようにワーク７は、厚みが０．１ｍｍ程度の金属箔であるから、それ自体の剛性は極めて低いものであり、図１０に示すように、位置決めブロック５０と酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３との間の隙間が極めて小さい場合は、位置決めブロック５０の周面５０ａに酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３の内周縁１３ｄが引っ掛かって、酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３の内周縁１３ｄが十分には降りていかず、内周縁１３ｄが上方にめくれ上がるように変形してしまう。この変形はワーク７の製品品質を低下させるものに他ならない。従って、本実施形態のように実際の製品段階で残る酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３の内周縁１３ｄでは高精度な位置決めを行わず、実際の製品段階では切り落とされる位置決め孔３１ａにて高精度な位置決めを行うことで、結果としてワーク７の製品品質を向上し、もって、歩留まりを向上することが可能となる。

また、図８及び図９に示すように、先ず、位置決めブロック４０で低い精度の位置決めを実行し、次に、位置決めピン４４で高い精度の位置決めを実行している。このように、１つの工程で複数回、異なる精度で、徐々に高精度となるように位置決めを実行することで、ワーク７の水平方向の位置決めが段階的に実現され、もって、位置決めピン４４による高精度な位置決めを問題なく実行することができるようになる。

以上に、本発明の好適な実施形態を説明したが、上記実施形態は以下の特徴を有する。

金型２５ｃ（第１の金型）と金型２５ｄ（第２の金型）と金型２５ｅ（第３の金型）がこの記載順で配置されたトランスファー型プレス加工機１を用いたセパレータの製造方法は、以下の工程を含む。

（１）金型２５ｃにおいて、ワーク７（金属箔）の冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２（第１のマニホールド）を形成する領域１２Ｘ内に位置決め孔３１ａ（第１の基準孔）を形成する押し工程（第１の工程）。
（２）金型２５ｄにおいて、金型２５ｃから搬送されたワーク７を位置決め孔３１ａを用いて位置決めすると共に、ワーク７に酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３を形成する第１打ち抜き工程（第２の工程）。
（３）金型２５ｅにおいて、金型２５ｄから搬送されたワーク７の酸素ガスＯＵＴ側マニホールド１３に位置決めブロック４０を挿入することでワーク７を第１の位置決め精度で位置決めすると共に、位置決め孔３１ａに位置決めピン４４を挿入することでワーク７を第１の位置決め精度よりも高精度な第２の位置決め精度で位置決めし、冷却水ＯＵＴ側マニホールド１２を形成する第２打ち抜き工程（第３の工程）。

以上の方法によれば、製品段階で残らない部分で第２の位置決め精度による位置決めをしているので、製品の歩留まりを改善することができる。

１ トランスファー型プレス加工機
２ ボルスタ
２ａ 上面
３ 下型
３ａ 下型
３ｂ 下型
３ｃ 下型
３ｄ 下型
３ｅ 下型
４ スライド
４ａ 下面
５ 上型
５ａ 上型
５ｂ 上型
５ｃ 上型
５ｄ 上型
５ｅ 上型
６ 搬送機構
７ ワーク
８ 凹凸部
９ 一端部
１０ 他端部
１１ 水素ガスＩＮ側マニホールド
１２ 冷却水ＯＵＴ側マニホールド
１２Ｘ 領域
１３ 酸素ガスＯＵＴ側マニホールド
１３ｄ 内周縁
１４ 主組み付け基準孔
１５ 水素ガスＯＵＴ側マニホールド
１６ 冷却水ＩＮ側マニホールド
１６Ｘ 領域
１７ 酸素ガスＩＮ側マニホールド
１７Ｘ 領域
１８ 副組み付け基準孔
２０ フィンガー
２１ フィードバー
２２ バー駆動部
２５ａ 金型
２５ｂ 金型
２５ｃ 金型
２５ｄ 金型
２５ｅ 金型
３０ａ 位置決め孔
３０ｂ 位置決め孔
３１ａ 位置決め孔
３１ｂ 位置決め孔
４０ 位置決めブロック
４０ａ 湾曲面
４１ ダイ
４２ ストリッパ
４３ パンチ
４４ 位置決めピン
４４ａ 湾曲面
５０ 位置決めブロック
５０ａ 周面

Claims (1)

1. 第１の金型と第２の金型と第３の金型がこの記載順で配置されたトランスファー型金型を用いたセパレータの製造方法であって、
   前記第１の金型において、金属箔の第１のマニホールドを形成する領域内に第１の基準孔を形成する第１の工程と、
   前記第２の金型において、前記第１の金型から搬送された前記金属箔を前記第１の基準孔を用いて位置決めすると共に、前記金属箔に第２のマニホールドを形成する第２の工程と、
   前記第３の金型において、前記第２の金型から搬送された前記金属箔の前記第２のマニホールドに位置決めブロックを挿入することで前記金属箔を第１の位置決め精度で位置決めすると共に、前記第１の基準孔に位置決めピンを挿入することで前記金属箔を前記第１の位置決め精度よりも高精度な第２の位置決め精度で位置決めし、前記第１のマニホールドを形成する、第３の工程と、
   を含む、
   セパレータの製造方法。

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