JP3686751B2 - 燃料電池用集電極の製造装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用集電極の製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば特開平7−135001号公報に示されているように、電解質と、電解質の各側面に接触して位置する一対の電極と、これら各電極の外側面に接触して位置して各電極との間に燃料ガス、酸化剤ガス等の供給流体の流通路を形成する一対の集電極を単一セルとして、かかる単一セルを多数重合して形成されている。
【0003】
かかる形式の燃料電池においては、集電極の電極に対向する側面に複数の凸部が形成されていて、集電極と陰極間には、供給流体である水素等の燃料ガスおよび水蒸気の混合ガスの流通路が形成されており、また、集電極と陽極間には、供給流体である空気等の酸化剤ガスおよび化学反応で生成される水の流通路が形成されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる形式の燃料電池においては、集電極は集電機能を考慮してカーボンプレートにて形成されるのが一般であるが、カーボンプレートのコストが高いことから、多数の単一セルを一体化して構成される燃料電池はコストが高くなることは避けられない。
【0005】
特に、かかる集電極においては、その電極に対向する一側面に多数の凸部を形成して、電極との間に供給流体の良好な流通路を形成するための流通路形成性能を付与されることが多く、この場合には、カーボンプレートの一側面に多数の凸部を形成すべく切削加工等の機械加工が施される。
【0006】
しかしながら、集電極の基材として採用されるカーボンプレートは緻密カーボングラファイトからなる硬度が極めて高いものであることから、カーボンプレートの表面に多数の凸部を形成すべく切削加工等の機械加工を施すことは容易ではなく、量産が困難であって加工コストが極めて高くなる。このため、集電極は、高い材料コストに高い加工コストが付加されて一層コスト高になって、燃料電池のコストを一層上昇させることになる。
【0007】
従って、本発明の目的は、集電極の基材として加工性に優れた金属材料を採用することにより材料コストと加工コストの低減を図り、電極に対向する一側面に多数の凸部を有する集電極を極めて安価に提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池用集電極の製造装置に関するもので、導電性の金属板の少なくとも一側面に多数の凸部を備え、電解質の各側面に接触して位置する各電極の外側面に接触して配置されて、これら各電極の外側面との間に供給流体の流通路を形成する形式の燃料電池用集電極を製造の対象とするものである。
【0012】
しかして、本発明に係る燃料電池用集電極の製造装置は、下型と上型とからなり、前記下型は所定間隔で均等に配設されて同下型の上端面から所定長さ突出する複数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する複数の押出ピンを備えるとともに、前記上型は前記各凹状ダイスに対向して位置して同上型の下端面から前記各凹状ダイスの上端面に対して進退する複数の凸状ポンチを備え、かつ、前記各凸状ポンチは前記上型の上方に設けた固定プレートに固定されているとともに、同固定プレートと前記上型は第1ガススプリングを介して連結され、かつ、前記各押出ピンは前記上型の下方に設けたリフタープレートに一体に固定されているとともに、同リフタープレートと前記固定プレートは第2ガススプリングを介して互いに連結されていて、半抜きプレス加工後に前記固定プレートを上昇させて、前記上型を半抜きプレス加工後の金属板から離間させた状態で生じる前記リフタープレートの上昇動作によって、前記押出ピンが押出し作用をするように設定されていることを特徴とするものである。
【0013】
【発明の作用・効果】
本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の基材として、低コストで加工性に優れた金属材料を採用しているので、材料コストと加工コストを従来のカーボンプレートからなる集電極に比較して低くすることができ、同集電極に比較して極めて安価に提供することができる。
【0014】
また、本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の基材が金属材料であることから、強度上および加工上からも薄肉化することができ、多数の単一セルからなる燃料電池を小型化することができる。
【0015】
本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の一側面に数多くの凸部を精度よく、特に、凸部の上面が平滑でコーナ部にだれがない寸法精度の高い凸部を形成することができて、電極との接触面積および供給流体の流通路を十分に確保することができる。また、当該製造装置によれば、特に、半抜きプレス加工された金属板の離型を特殊なタイミングで行っていることから、金属板の離型時における凸部の変形が大幅に抑制され、凸部の寸法精度が一層高くなる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明すると、図1には本発明に係る燃料電池用集電極を採用して構成した燃料電池の単一セルの構造が示されており、図2には同単一セルにおける集電極と電極との関係が示されている。燃料電池は、当該構造の単一セルを多数個左右側に互いに重合することにより構成される。
【0018】
当該単一セル10は、固体高分子型燃料電池のセル構造を構成しているもので、電解質11と、電解質11の一側に接触して位置する陽極12および他側に接触して位置する陰極13と、陽極12および陰極13のそれぞれの外側に接触して位置する一対の集電極14にて構成されている。
【0019】
電解質11は、フッ素系樹脂からなるイオン交換膜であり、当該単一セル10においては、厚み50μmのナフィオン(デュポン社製、登録商標)を採用している。陽極12および陰極13は、炭素繊維糸を平織りにしたカーボンクロスを基材として、同基材の間隙に白金または白金の合金を担持したカーボン粉を担持させてなるもので、陽極12は酸素極として機能するとともに陰極13は燃料極(水素極)として機能し、かつ、白金、白金合金等は燃料を酸化させるための酸化触媒として機能する。
【0020】
各集電極14は、一側面14aに多数の凸部14bを備え、各凸部14bの頂部が陽極12または陰極13の外側面に接触していて、陽極12の外側面と集電極14の一側面14aとの間には酸化剤ガスである空気、および化学反応で生成される水の流通路が形成されており、また、陰極13の外側面と集電極14の一側面14aとの間には燃料ガスである水素ガス、および水蒸気の流通路が形成されている。
【0021】
当該単一セル10は、その多数個を重合されて固体高分子型燃料電池を構成し、陽極12の外側面と集電極14の一側面14aとの間には、図示しない供給流路から空気が供給され、また、陰極13の外側面と集電極14の一側面14aとの間には、図示しない供給流路から水素ガスが供給されて、陽極12と陰極13との間で下記のごとき化学反応を生じて、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【0022】
陽極反応(酸素極):2H++2e-+(1/2)O2→H2O
陰極反応(水素極):H2→2H++2e-
しかして、各集電極14は本発明の一例に係る集電極であり、以下、集電極14、その製造装置、およびその製造方法について説明する。
【0023】
(燃料電池用集電極)
本発明に係る燃料電池用集電極は、導電性の金属材料からなる板を基材として採用して、同金属板上に半抜きプレス加工を施すことにより、同金属板の一側面に多数の凸部を形成しているものである。金属板としては、鋼板、ステンレス板、アルミニウム板、銅板等が導電性や価格の点で好ましく、また、凸部については、円柱状、角柱状、その他各種の形状の柱状のものでよい。
【0024】
単一セル10で採用されている集電極14は、厚み0.7mmで縦横200mmの正方形の鋼板の一側面14aに半抜きプレス加工を施して直径2mmで高さ0.5mmの円柱状の凸部14bを2800個形成した後に、ニッケル鍍金を施してなるもので、各凸部14bは縦横3mmの等間隔のピッチに配列されている。
【0025】
しかして、当該集電極14においては、その基材として低コストで加工性に優れた金属材料である鋼板を採用して、各凸部14bの形成に加工コストの低い半抜きプレス加工を採用しているため、従来のカーボンプレートからなる集電極に比較して極めて安価に提供することができる。
【0026】
また、当該集電極14においては、採用している基材が鋼板であることから、強度上および加工上からも薄肉化することができ、例えば厚み0.7mmまたはそれ以下とすることができる。従って、当該集電極14を構成部材とする単一セル10の集合体からなる燃料電池を小型化することができる。
【0027】
(燃料電池用集電極の製造装置)
本発明に係る燃料電池用集電極を製造するための製造装置は、下型と上型とからなるもので、下型には、所定間隔で均等に配設されて下型の上端面から所定長さ突出する多数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する押出ピンが設けられており、上型には、各凹状ダイスに対向して位置して上型の下端面から各凹状ダイスの上端面に対して進退する多数の凸状ポンチが設けられているものである。
【0028】
図4には、単一セル10を構成する集電極14を製造するための製造装置が示されている。当該製造装置は、下型20aと上型30aを備え、下型20aはプレス装置の下定盤41に組付けられ、かつ、上型30aはプレス装置の上定盤42に組付けられている。
【0029】
下型20aは、型本体21、リフタプレート22、多数のボタンダイス23、多数の押出ピン24、およびガススプリング25を備えていて、基盤26を介して下定盤41に組付けられている。型本体21は、下定盤41に一体的に固定された基盤26上に固定されており、リフタプレート22は基板26上にガススプリング25を介して組付けられている。リフタプレート22は、この組付状態にて基板26と型本体21間に位置していて、ガススプリング25の上方への付勢力にて型本体21の下面に弾撥的に当接している。
【0030】
下型20aを構成する型本体21においては、大径部21a1と小径部21a2とからなる多数の貫通孔21aが設けられており、大径部21a1は型本体21の上端面から下方へ所定長さ延び、かつ、小径部21a2は大径部21a1の下端から型本体21の下端面まで延びている。各貫通孔21aは、型本体21の縦方向および横方向に等間隔に設けられていて、各大径部21a1には凹状ダイスであるボタンダイス23が埋設されている。
【0031】
ボタンダイス23は円筒状のもので、上端面には内孔23aを中心とする環状突起部23bが形成されていて、型本体21の上面から上方へわずかに突出している。また、ボタンダイス23の内孔23aには、型本体21における貫通孔21aの小径部21a2を下方から貫通する押出ピン24が摺動可能に貫通している。
【0032】
押出ピン24は、リフタプレート22を構成する上側プレート22aに下から挿入されていて、上方へ突出した状態で下側プレート22bを介して固定されている。押出ピン24は、リフタプレート22が上動位置にある場合には、その上端部をボタンダイス23の上端部と面一に位置させている。
【0033】
上型30aは、型本体31、固定プレート32、ポンチ33、吊りボルト34、第1ガススプリング35、および第2ガススプリング36を備えていて、基盤37を介して上定盤42に組付けられている。型本体31は、上定盤42に固定された基盤37に吊りボルト34、および第1ガススプリング35を介して上下動可能に組付けられている。型本体31は、この組付状態にて第1ガススプリング35の下方への付勢力にて基盤37から所定量離間している。また、第2ガススプリング36は基盤37の端部に組付けられていて、型本体31を貫通して下方へ突出し、下型20aのリフター22に突設した受承ピン22cに対向している。
【0034】
上型30aを構成する型本体31においては、大径部31a1と小径部31a2とからなる円形状の多数の貫通孔31aが設けられており、大径部31a1は型本体31の上端面から下方へ所定長さ延び、かつ、小径部31a2は大径部31a1の下端から型本体31の下面まで延びている。各貫通孔31aは、型本体31の縦方向および横方向に等間隔に設けられていて、下型20a側の各ボタンダイス23の上端部に対向して開口している。
【0035】
固定プレート32は、基盤37の下面に一体的に固定されているもので、固定プレート32を構成する下側プレート32aには多数のポンチ33が上から挿入されていて、下方へ突出した状態で上側プレート32bを介して固定されている。ポンチ33は、上方の大径部33aと下方の小径部33bとからなる円柱状を呈しているもので、型本体31が基盤37に吊下状に支持されている状態では、型本体31の各貫通孔31aの上端部に臨んでいる。
【0036】
上型30aは、上定盤42と一体に下降するもので、上定盤42が所定量下降した際には、型本体21上に搬入されて2点鎖線で示すように各ボタンダイス23上に載置された状態の鋼板14Aを、各ボタンダイス23の上端面に弾撥的に当接して、鋼板14Aを各ボタンダイス23の環状突起部23bとともに挟持する。この間、第2ガススプリンブ36は受承ピン22cの上端部に弾撥的に当接してリフター22をわずかに押下げ、各押出ピン24を各ボタンダイス23の上端面からわずかに埋没させる。
【0037】
その後の上定盤42の所定量の下降により、各ポンチ33のみが型本体31の貫通孔31a内を下降して、貫通孔31aの下端開口部からわずかに突出し、鋼板14Aの対向部位をこの突出量だけ押圧する。この押圧力にて、図5に示すように、当該押圧部位が半抜きプレスされて、鋼板14Aの一側面14aに各押出ピン24の下降量に相当する高さ凸部14bが形成される。
【0038】
プレス成形の終了後には、型本体31は上定盤42とともに上昇してプレス加工の施された鋼板14Aから離間し、下型20a上にはプレス加工終了後の鋼板14Aが残存するが、各押出ピン24がガススプリング43の上方への付勢力にてリフタプレート22と一体に上昇して各ボタンダイ23の上端部と同一面まで上昇して鋼板14Aを図6に示すように離型させる。
【0039】
この間、各押出ピン24は第2ガススプリング36の作用で、型本体31が鋼板14A上から離間するまで上動せず、型本体31が鋼板14A上から離間した後に上動して鋼板14Aを押上げる。このため、鋼板14Aは上からの荷重のない状態で押上げられることになって、離型の際の変形が防止される。
【0040】
(燃料電池用集電極の製造方法)
本発明に係る燃料電池用集電極は、金属板を凹状ダイス上で凸状ポンチによる押圧作用により半抜きプレスを行って同金属板上に凸部を形成し、半抜きプレス加工後の金属板を押出ピンによる押出し作用により凹状ダイスから離型させる方法により製造される。この場合、金属板の一面を、凸部の配設部位が縦横同数となる正方形の複数の領域に区画して、各領域の対応する配設部位毎に半抜きプレスを施す多段階の半抜きプレス加工を採用することが好ましい。
【0041】
かかる製造方法を実施して単一セル10を構成する集電極14を製造するには、上記した製造装置が好適に採用される。当該製造装置においては、集電極14の形状、構造に対応して両型20a,30aの各種の構成部材の寸法が設定されていて、鋼板14Aには、9工程のプレス工程を経て全ての凸部14bが形成される。
【0042】
製造装置を構成する下型20aにおいて、ボタンダイ23は、その外径が6.0mm、環状突起部23bの外径が3.8mm、その高さが0.5mm、内孔23aの孔径が2.0mmに設定されており、また、隣合う各ボタンダイ23の内孔23aの中心間の距離(ピッチ)が9.0mmに設定されている。
【0043】
リフトプレート22は、その昇降量が0.5mmの範囲に設定されていて、各押出ピン24の各ボタンダイ23の内孔23aへの最大埋没長さが0.5mmに設定されている。
【0044】
製造装置を構成する上型30aにおいて、各ポンチ33の下端側の小径部33bは外径が2.0mmに設定されている。各ポンチ33は、型本体31が下降して鋼板14Aを介して各ボタンダイス23の上端面に弾撥的に当接した後にさらに下降して、型本体31の貫通孔31aの下端から最大0.5mm下方に突出するように設定されている。
【0045】
集電極14においては、厚み0.7mmで縦横200mmの鋼板の一側面14aに、半抜きプレス加工を施して形成される直径2mmで高さ0.5mmの円柱状の凸部14bを2800個を備えているもので、板厚0.7mmの鋼板14Aを採用すれば、各構成部材の寸法を上記のごとく設定した両型20a,30aを備えた製造装置にて製造することができるが、各凸部14bが縦横3mmの等間隔という極めて小さいピッチに配列されることから、これらの全ての凸部14bを同一寸法で同一間隔に形成するのに9工程のプレス工程を採用する。
【0046】
すなわち、鋼板14Aの一側面における凸部14bの配設部位を、図3に示すように、縦横3個づつの合計9個を含む範囲を1領域として一側面の全てをこれに相当する領域に区画し、各領域の配設部位毎に半抜きプレスを施す。例えば、図3に示す各領域では、第1プレス工程では第1列で第1行に位置するそれぞれの部位を、第2プレス工程では第2列で第1行に位置するそれぞれの部位を、第3プレス工程では第3列で第1行に位置するそれぞれの部位を、第4プレス工程では第1列で第2行に位置するそれぞれの部位を、第5プレス工程では第2列で第2行に位置するそれぞれの部位をという順序で、第9プレス工程までプレス加工を行う。これにより、鋼板14Aの一側面には、直径2mmで高さ0.5mmの円柱状の凸部14bが、縦横3mmの等間隔という極めて小さいピッチで形成される。
【0047】
図4には第1プレス工程で採用される両型20a,30aが、図7には第2プレス工程で採用される両型20b,30bが、図8には第3プレス工程で採用される両型20c,30cがそれぞれ示されており、両型20a,30aと、両型20b,30bと、両型20c,30cとは互いに同一の構成のものである。
【0048】
但し、鋼板14Aに対するボタンダイス23およびポンチ33の位置関係が相違しており、第1プレス工程の両型20a,30aにおける鋼板14Aに対するボタンダイス23およびポンチ33の位置を基準L1とした場合、第2プレス工程の両型20b,30bにおける鋼板14Aに対するボタンダイス23およびポンチ33の位置L2は基準位置L1に対して3.0mm偏倚しており、第3プレス工程の両型20c,30cにおける鋼板14Aに対するボタンダイス23およびポンチ33の位置L3は基準位置L1に対して6.0mm偏倚している。
【0049】
本製造方法においては、全てのプレス工程での前後の両プレス工程間において、凸部14bの配設部位の行間または列間で、鋼板14Aに対するボタンダイス23およびポンチ33の位置が上記したごとく偏倚していて、鋼板14Aは第1プレス工程から第9プレス工程まで順次搬送されて半抜きプレス加工され、全ての凸部14bが縦横3mmの等間隔のピッチで形成される。
【0050】
なお、当該製造方法においては、板厚0.7mmの集電極14を製造すべく同一厚みの鋼板14Aを採用するとともに、ボタンダイス23の孔径(2.0mm)とポンチ33の外径(2.0mm)とを同一寸法に設定した両型20a,30aを採用して、鋼板14Aをボタンダイス23とポンチ33間でのせん断作用により半抜きプレス加工を施しているが、集電極14の厚みをさらに薄くすべく厚みの薄い鋼板14Aを採用する場合には、ポンチ33の外径をボタンダイス23の孔径よりわずかに大きく設定して、押圧時のボタンダイス23とポンチ33間での材料の流れ作用を利用した半抜きプレス加工を施すようにすることが好ましい。
【0051】
このように、集電極14を製造する場合、上記した半抜きプレス加工により凸部14bを形成する方法を採用すれば、集電極14の一側面14aに多数の凸部14bを精度よく形成することができて、電極との接触面積および供給ガスの流通路を十分に確保することができる。
【0052】
また、当該半抜きプレス加工によれば、凸部14bの上面が平滑でコーナ部にだれがない寸法精度の高い凸部14bを形成することができるが、特に、半抜きプレス加工を上記したごとく多段階に行うようにすれば、多数の凸部14bを極めて小さいピッチで一層精度よく形成することができ、電極との接触面積および供給ガスの流通路を十分に確保することにより、燃料電池の電池効率を一層向上させることができる。かかる製造方法は、上記した本発明に係る製造装置を採用することにより好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一例に係る集電極を採用して構成した燃料電池用の単一セルを示す部分断面図である。
【図2】同単一セルにおける集電極と電極の関係を示す部分切欠き斜視図である。
【図3】同集電極における凸部の配設部位の位置関係を示す平面的な説明図である。
【図4】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である(第1プレス工程)。
【図5】同製造装置における半抜きプレスの状態を示す部分縦断面図である。
【図6】同製造装置における半抜きプレス終了後の離型状態を示す部分縦断面図である。
【図7】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である(第2プレス工程)。
【図8】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である(第3プレス工程)。
【符号の説明】
10…単一セル、11…電解質、12…陽極、13…陰極、14…集電極、14A…鋼板、14a…一側面、14b…凸部、20a,20b,20c…下型、21…型本体、21a…貫通孔、21a1…大径部、21a2…小径部、22…リフタプレート、22a…上側プレート、22b…下側プレート、22c…受承ピン、23…ボタンダイス、23a…内孔、23b…環状突起部、24…押出ピン、25…ガススプリング、26…基盤、30a,30b,30c…上型、31…型本体、31a…貫通孔、31a1…大径部、31a2…小径部、32…固定プレート、32a…下側プレート、32b…上側プレート、33…ポンチ、33a…大径部、33b…小径部、34…吊りボルト、35…第1ガススプリング、36…第2ガススプリング、37…基盤、41…下定盤、42…上定盤、L1〜L3…ボタンダイスとポンチの対向位置。
Claims (1)
- 導電性の金属板の少なくとも一側面に多数の凸部を備え、電解質の各側面に接触して位置する各電極の外側面に接触して配置されて、これら各電極の外側面との間に供給流体の流通路を形成する燃料電池用集電極を製造するための製造装置であり、当該製造装置は下型と上型とからなり、前記下型は所定間隔で均等に配設されて同下型の上端面から所定長さ突出する複数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する複数の押出ピンを備えるとともに、前記上型は前記各凹状ダイスに対向して位置して同上型の下端面から前記各凹状ダイスの上端面に対して進退する複数の凸状ポンチを備え、かつ、前記各凸状ポンチは前記上型の上方に設けた固定プレートに固定されているとともに、同固定プレートと前記上型は第1ガススプリングを介して連結され、かつ、前記各押出ピンは前記上型の下方に設けたリフタープレートに一体に固定されているとともに、同リフタープレートと前記固定プレートは第2ガススプリングを介して互いに連結されていて、半抜きプレス加工後に前記固定プレートを上昇させて、前記上型を半抜きプレス加工後の金属板から離間させた状態で生じる前記リフタープレートの上昇動作によって、前記押出ピンが押出し作用をするように設定されていることを特徴とする燃料電池用集電極の製造装置。
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