JP3985619B2

JP3985619B2 - 燃料電池用メタルセパレータ

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Publication number: JP3985619B2
Application number: JP2002209202A
Authority: JP
Inventors: 智之高村; 正直塩見
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2002-07-18
Filing date: 2002-07-18
Publication date: 2007-10-03
Anticipated expiration: 2022-07-18
Also published as: US7097672B2; CN1249829C; CN1479393A; US20040013931A1; JP2004055248A; EP1383189A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用メタルセパレータに関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題】
近年、燃料電池用セパレータとして、カーボン製のものに加え、金属製のものの開発が進んでいる。金属製のセパレータは熱容量が小さく、燃料電池の始動時に燃料電池スタックの温度を適温まで迅速に上昇させることができるが、その反面、燃料電池スタック冷却用の冷却水通路を形成するために、２枚の板状のセパレータ部材を結合する必要がある。
【０００３】
２枚の板状のセパレータ部材を結合するための方法には、数種類の方法があるが、その中でも、接着剤を使用する方法、ロー付けによる方法および金属材料の拡散を利用した方法が主なものである。ところで、燃料電池用セパレータは、水素ガスと酸化剤ガスのそれぞれの導入部位の間に、互いにずれがあると発電効率が低下するため、２枚のセパレータ部材を結合する際には、互いのずれ量を一定量以下に厳しく押さえ込む必要がある。しかしながら、上述したいずれの方法も、２枚のセパレータ部材を結合する際には、双方を密着させた状態で長時間放置しなければならず、互いのずれを防止するための位置合わせが困難で、セパレータに結合時の位置合わせ部位等を設ける必要があった。
【０００４】
また、接着剤によって結合する方法は、接着剤を塗布した２枚のセパレータ部材の位置合わせをした上で、互いに密着させた状態で数時間保持して、接着剤を硬化させる必要があり、生産性が悪かった。また、燃料電池スタックは、高温下にあるため、厳しい温度条件に耐えうる接着剤の選定が必要となる。更に、ロー付けによる方法および金属材料の拡散を利用した方法も、いずれもロット生産となり、これまた生産性が悪い上に、燃料電池スタックの温度変化によるセパレータの変形によって、結合部の剥離、ずれ、脱落等が発生しやすかった。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、上述した従来技術の課題を解消するもので、その目的は、２枚のセパレータ部材の位置合わせが容易で、生産性のよい燃料電池用メタルセパレータを提供することである。
【０００６】
本発明の第１の発明においては、金属によって形成された第１セパレータ部材と、金属によって形成された第２セパレータ部材とをかしめることによって互いに結合したことを特徴とする燃料電池用メタルセパレータとした。
【０００７】
この本発明の第１の発明の構成によれば、第１セパレータ部材と第２セパレータ部材とをかしめることによって互いに結合したことにより、双方を長時間密着させる必要もなく、互いの位置合わせが容易で、流れ作業に適用できる生産性のよい燃料電池用メタルセパレータとすることができる。
【０００８】
本発明の第２の発明においては、気体を導入するためのガス導入部を形成する複数の筋状の成形形状部のうちの前記ガス導入部の両端に位置する成形形状部から所定距離隔てた位置を中心とする貫通孔の成形に伴って形成される筒状の立壁部を有する第１セパレータ部材、および気体を導入するためのガス導入部を構成する複数の筋状の成形形状部のうちの前記ガス導入部の両端に位置する成形形状部から前記所定距離隔てた位置を中心とする貫通孔の成形に伴って形成される筒状の立壁部を有する第２セパレータ部材を備え、前記第２セパレータ部材の前記筒状の立壁部に前記第１セパレータ部材の前記筒状の立壁部を嵌挿させ、前記第１セパレータ部材の前記立壁部および前記第２セパレータ部材の前記立壁部を折返してかしめることによって互いに結合したことを特徴とする燃料電池用メタルセパレータとした。
【０００９】
この本発明の第２の発明の構成によれば、第２セパレータ部材の立壁部に第１セパレータ部材の立壁部を嵌挿させ、第１セパレータ部材の立壁部および第２セパレータ部材の立壁部を折返してかしめて互いに結合することにより、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材を容易に位置合わせできるとともに、流れ作業に適用でき、生産性のよい燃料電池用メタルセパレータとすることができる。
【００１０】
本発明の第１の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめることによって形成される貫通孔を、気体通過用のマニホールドとしたことを特徴とする本発明の第２の発明記載の燃料電池用メタルセパレータとした。
【００１１】
この本発明の第１の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材に形成した立壁部および第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめることによって形成される貫通孔を、気体通過用のマニホールドとしたことにより、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の位置合わせ部位を特別に設けることなく、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材を容易に位置合わせできる。
【００１２】
また、本発明の第２の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめた結合部は、前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部の先端部を前記第２セパレータ部材に当接させることによって、前記第２セパレータ部材の折返し部を前記第１セパレータ部材の折返し部によって覆い隠していることを特徴とする本発明の第２の発明記載の燃料電池用メタルセパレータとした。
【００１３】
この本発明の第２の詳細な構成によれば、第１セパレータ部材の先端を第２セパレータ部材に当接させることによって、第２セパレータ部材の折返し部を第１セパレータ部材の折返し部によって覆い隠すことにより、第１セパレータ部材の折返し部の折返し量を多くして、塑性変形させることができるため、第１セパレータ部材の折返し部のスプリングバックを防止して、結合部の気体ガスに対するシール性を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明の第２の詳細な構成の、更に詳細な構成においては、前記第２セパレータ部材と前記第１セパレータ部材の前記折返し部との間に形成された空間に、シール剤を内蔵したことを特徴とする本発明の第２の詳細な構成記載の燃料電池用メタルセパレータとした。
【００１５】
この本発明の第２の詳細な構成の、更に詳細な構成によれば、第２セパレータ部材と第１セパレータ部材の折返し部との間に形成された空間に、シール剤を内蔵したことにより、結合部の気体ガスに対するシール性を更に向上させることができる。
【００１６】
また、本発明の第２の詳細な構成の、更に別の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材の前記結合部に段差部を設けたことを特徴とする本発明の第２の詳細な構成記載の燃料電池用メタルセパレータとした。
【００１７】
この本発明の第２の詳細な構成の、更に別の詳細な構成によれば、結合部に段差部を設けたことにより、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材を塑性変形させ、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材間の互いの密着性を増大させることができるため、結合部の気体ガスに対するシール性を更に向上させることができる。
【００１８】
また、本発明の第３の詳細な構成においては、前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめた結合部において、前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材を互いに強固に密着させることによって、前記結合部における前記第１セパレータ部材あるいは前記第２セパレータ部材の板厚が減少していることを特徴とする本発明の第２の発明記載の燃料電池用メタルセパレータとした。
【００１９】
この本発明の第３の詳細な構成によれば、結合部において第１セパレータ部材および第２セパレータ部材を互いに強固に密着させて、結合部における第１セパレータ部材あるいは第２セパレータ部材の板厚を減少させ、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材を塑性変形させることにより、結合部の気体ガスに対するシール性を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の燃料電池用メタルセパレータ１０の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図１（ｃ）は、図１（ｂ）のＣ部詳細図である。図にあるように、燃料電池用メタルセパレータ１０は、厚さ０．数ｍｍのステンレス等の金属材料によって形成された第１セパレータ部材１１、および同じく厚さ０．数ｍｍのステンレス等の金属材料によって形成された第２セパレータ部材１２が互いに結合されて構成されている。
【００２１】
燃料電池用メタルセパレータ１０は、図示しない燃料電池用スタックの外部から気体ガスを通過させて、燃料電池用スタック内へ導入するための貫通孔である２つのマニホールド１０ａ１および１０ａ２を、図１（ａ）において左右両側に備えている。また、２つのマニホールド１０ａ１および１０ａ２間には、その両面に気体ガスを導入して化学反応を起こさせるための気体ガス導入部１０ｂ１および１０ｂ２を備えている。
【００２２】
第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、燃料電池用メタルセパレータ１０の２つの結合部１０ｋ１および１０ｋ２において、互いにかしめ結合されている。結合部１０ｋ１および１０ｋ２において、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２がかしめられることによって、マニホールド１０ａ１および１０ａ２が形成されている。
【００２３】
第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２には、上述した燃料電池用メタルセパレータ１０の気体ガス導入部１０ｂ１および１０ｂ２を構成するべく、それぞれマニホールド１０ａ１および１０ａ２の間に、複数の成形形状部（絞り部）１１ａおよび１２ａ（各々数個のみ符号で示す）が形成されている。成形形状部１１ａおよび１２ａは、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２とが結合されることによって、冷却室を構成するとともに、気体ガスを導入して発電のための化学反応を起こさせるために利用される（後述する）。
【００２４】
図１０は、燃料電池用メタルセパレータ１０を燃料電池スタックに適用した時の燃料電池スタック内部の一部断面図である。尚、図において、左右両側の燃料電池用メタルセパレータ１０は、それぞれ本来結合されている相手側の第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２が省略されている。２つの燃料電池用メタルセパレータ１０の間には、アノード電極ＡＥおよびカソード電極ＣＥを介して電解質膜ＥＦが設置されている。
【００２５】
成形形状部１１ａによって、燃料電池用メタルセパレータ１０の第１セパレータ部材１１とアノード電極ＡＥとの間には、マニホールド１０ａ１あるいは１０ａ２を介して水素を含んだ燃料ガスが導入される複数の燃料ガス通路ＨＣが形成され、一方、成形形状部１２ａによって、燃料電池用メタルセパレータ１０の第２セパレータ部材１２とカソード電極ＣＥとの間には、マニホールド１０ａ１あるいは１０ａ２を介して酸素を含んだガスが導入される複数の酸化剤ガス通路ＯＣが形成される。電解質膜ＥＦを挟んで設置された、燃料ガス通路ＨＣおよび酸化剤ガス通路ＯＣとの間で化学反応が行われ発電される。
【００２６】
また、隣り合った第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２との間には、燃料電池スタックを冷却するための冷却媒体である冷却水が循環する冷却室ＣＣが設置されている。もちろん、上述した構成に変えて、第２セパレータ部材１２にアノード電極ＡＥを接するように配置して、第２セパレータ部材１２とアノード電極ＡＥとの間に、複数の燃料ガス通路ＨＣを設置し、第１セパレータ部材１１にカソード電極ＣＥを接するように配置して、第１セパレータ部材１１とカソード電極ＣＥとの間に、複数の酸化剤ガス通路ＯＣを設置するようにしてもよい。
【００２７】
燃料電池用メタルセパレータ１０にとって、発電効率を向上させるためには、電解質膜ＥＦを挟んで向かい合った、燃料ガス通路ＨＣと酸化剤ガス通路ＯＣとの位置が互いにずれないこと、すなわち、気体ガス導入部１０ｂ１および１０ｂ２を構成する、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の、互いに向い合った各成形形状部１１ａおよび１２ａの間で、ずれが無いことが重要である。
【００２８】
ここで、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の互いの位置は、結合部１０ｋ１および１０ｋ２によって決定される。したがって、図１（ｃ）に示すように、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の結合部１０ｋ１あるいは１０ｋ２に最も近い成形形状部１１ａおよび１２ａは、結合部１０ｋ１および１０ｋ２の中心との間の寸法がいずれもＬに等しくなるように設定されている。更に、各成形形状部１１ａおよび１２ａの幅および各成形形状部１１ａおよび１２ａ間の寸法も、ともに各々ｍ、ｎに等しくなるように、各成形形状部１１ａおよび１２ａが設定されている。尚、図１（ｃ）においては結合部１０ｋ１側のみについて示しているが、結合部１０ｋ２側についても全く同様である。
【００２９】
次に、図２乃至図７を用いて、本発明による燃料電池用メタルセパレータ１０の、成形形状部１１ａおよび１２ａを備えた第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を結合する方法について説明する。図２乃至図７は、図１（ｃ）に対応した断面を表しており、図１（ｃ）と同様に、第１セパレータ部材１１あるいは第２セパレータ部材１２の結合部１０ｋ１側のみを示しているが、１０ｋ２側についても図２乃至図７に示したものと同様の構成を備えている。
【００３０】
図２は、第１セパレータ部材１１に貫通孔１１ｂを形成する工程を表す。図２（ａ）において、第１セパレータ部材１１は、成形形状部１１ａが下に突出した状態で、下穴開け用ストリッパ２１および下穴開け用ダイ２２によって挟持（クランプ）されている。下穴開け用ストリッパ２１および下穴開け用ダイ２２は、それぞれパンチ孔２１ａおよび２２ａを備えており、図２（ａ）にあるように、パンチ孔２１ａ内には、パンチ孔２１ａおよび２２ａ内を移動可能で、その断面形状がほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔の相似形である下穴開けパンチ２３が設置されている。下穴開けパンチ２３には、図示しない駆動装置が連結されている。下穴開けパンチ２３は、図２の断面においてＷ１の幅を有している。
【００３１】
また、下穴開け用ダイ２２には、段部２２ｂが設けられており、段部２２ｂはパンチ孔２２ａの中心からの距離が所定距離Ｌとなるように設定されている。図２（ａ）に示すように、最も外側に位置する成形形状部１１ａの側面を段部２２ｂに対し当接させることによって、第１セパレータ部材１１の位置決めを行っている。
【００３２】
次に、下穴開け用ストリッパ２１および下穴開け用ダイ２２によってクランプされた第１セパレータ部材１１は、下穴開けパンチ２３に連結された駆動装置が作動することによって、図２（ｂ）にあるように、パンチ孔２２ａ内を下穴開けパンチ２３が下降して穿孔され、幅Ｗ１の貫通孔１１ｂが形成される。尚、上述したように第１セパレータ部材１１の複数の成形形状部１１ａは、成形形状部１１ａの幅および成形形状部１１ａ間の距離がそれぞれ所定値ｍ、ｎ（図２に各１つのみ示す）となるように設定されている。
【００３３】
一方、図３は、第２セパレータ部材１２に貫通孔１２ｂを形成する工程を表す。図３（ａ）において、第２セパレータ部材１２も第１セパレータ部材１１と同様に、成形形状部１２ａが上に突出した状態で、下穴開け用ストリッパ３１および下穴開け用ダイ３２によって挟持（クランプ）されている。下穴開け用ストリッパ３１および下穴開け用ダイ３２は、それぞれパンチ孔３１ａおよび３２ａを備えており、図３（ａ）にあるように、パンチ孔３１ａ内には、パンチ孔３１ａおよび３２ａ内を移動可能で、その断面形状がほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔の相似形である下穴開けパンチ３３が設置されている。下穴開けパンチ３３は、図３の断面において、上述したＷ１より大きいＷ２の幅を有している。
【００３４】
また、下穴開け用ストリッパ３１には、側面部３１ｂが設けられており、側面部３１ｂはパンチ孔３２ａの中心からの距離が、やはり所定距離Ｌとなるように設定されている。図３（ａ）に示すように、最も外側に位置する成形形状部１２ａの側面を側面部３１ｂに対し当接させることによって、第２セパレータ部材１２の位置決めを行っている。
【００３５】
次に、下穴開け用ストリッパ３１および下穴開け用ダイ３２によってクランプされた第２セパレータ部材１２は、図３（ｂ）にあるように、パンチ孔３１ａ内を下穴開けパンチ３３が下降することによって穿孔され、幅Ｗ２の貫通孔１２ｂが形成される。尚、上述したように図において、第２セパレータ部材１２の複数の成形形状部１２ａの幅および成形形状部１２ａ間の距離が、やはりそれぞれ所定値ｍ、ｎ（図３に各１つのみ示す）となるように設定されている。
【００３６】
次に、図４は、第１セパレータ部材１１に立壁部１１ｃを形成する工程（バーリング工程）を表す。図４（ａ）に示すように、穿孔された第１セパレータ部材１１は、バーリング用上型４１およびバーリング用下型４２との間で、成形形状部１１ａが下に突出した状態で挟持（クランプ）される。バーリング用上型４１は、図示しない駆動装置と連結されている。また、バーリング用下型４２の下面は複数のコンプレッションスプリング４４（図４において２個のみ示す）の上端に接続されており、コンプレッションスプリング４４の下端は図示しない固定部材に接続されている。コンプレッションスプリング４４のスプリング力によって、バーリング用下型４２の上面は、常に第１セパレータ部材１１の下面に押圧されている。
【００３７】
バーリング用上型４１およびバーリング用下型４２は、それぞれ曲刃孔４１ａおよび４２ａを備えており、図４（ａ）にあるように、曲刃孔４２ａ内には、曲刃孔４２ａおよび４１ａを移動可能で、その断面形状がほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔形状と同じである下型曲刃４３が設置されている。下型曲刃４３は、図示しない固定部材に固着されている。下型曲刃４３は図３の断面においてＷ３の幅を有している。
【００３８】
また、バーリング用下型４２には、段部４２ｂが設けられており、段部４２ｂは曲刃孔４２ａの中心からの距離が所定距離Ｌとなるように設定されている。図４（ａ）に示すように、貫通孔１１ｂに最も近い成形形状部１１ａの側面を段部４２ｂに対し当接させることによって、第１セパレータ部材１１の位置決めを行っている。
【００３９】
次に、図４（ｂ）にあるように、バーリング用上型４１に連結された駆動装置が作動することによって、バーリング用上型４１およびバーリング用下型４２によってクランプされた第１セパレータ部材１１は、コンプレッションスプリング４４を撓ませながら、バーリング用上型４１およびバーリング用下型４２と一体となって下降する。従って、第１セパレータ部材１１の貫通孔１１ｂ付近は、下降することによって下型曲刃４３の上端面によって曲げられて、貫通孔１１ｂに最も近い成形形状部１１ａからの距離がＬの位置に、その中心をおく立壁部１１ｃが形成される（図８の中段にも示す）。
【００４０】
一方、図５は、第２セパレータ部材１２に立壁部１２ｃを形成する工程（バーリング工程）を表す。図５（ａ）に示すように、穿孔された第２セパレータ部材１２も第１セパレータ部材１１と同様に、成形形状部１２ａが上に突出した状態でバーリング用上型５１およびバーリング用下型５２との間で挟持（クランプ）される。バーリング用上型５１は、図示しない駆動装置と連結されている。
【００４１】
また、バーリング用下型５２の下面は複数のコンプレッションスプリング５４（図５において２個のみ示す）の上端に接続されており、コンプレッションスプリング５４の下端は図示しない固定部材に接続されている。コンプレッションスプリング５４のスプリング力によって、バーリング用下型５２の上面は、常に第２セパレータ部材１２の下面に押圧されている。尚、コンプレッションスプリング４４および５４は、ガススプリング、ウレタンスプリングあるいは油圧クッションでも代用できる。
【００４２】
バーリング用上型５１およびバーリング用下型５２は、それぞれ曲刃孔５１ａおよび５２ａを備えており、図５（ａ）にあるように、曲刃孔５２ａ内には、曲刃孔５２ａおよび５１ａを移動可能で、その断面形状がほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔形状と同じである下型曲刃５３が設置されている。下型曲刃５３は、図示しない固定部材に固着されている。下型曲刃５３は図５の断面において、上述したＷ３より大きいＷ４の幅を有している。
【００４３】
また、バーリング用上型５１には、側面部５１ｂが設けられており、側面部５１ｂは曲刃孔５１ａの中心からの距離が、やはり所定距離Ｌとなるように設定されている。図５（ａ）に示すように、貫通孔１２ｂに最も近い成形形状部１２ａの側面を側面部５１ｂに対し当接させることによって、第２セパレータ部材１２の位置決めを行っている。
【００４４】
次に、図５（ｂ）にあるように、バーリング用上型５１に連結された駆動装置が作動することによって、バーリング用上型５１およびバーリング用下型５２によってクランプされた第２セパレータ部材１２は、コンプレッションスプリング５４を撓ませながら、バーリング用上型５１およびバーリング用下型５２と一体となって下降する。従って、第２セパレータ部材１２の貫通孔１２ｂ付近は、下降することによって下型曲刃５３の上端面によって曲げられて、上述した第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃを嵌挿させることのできる大きさであって、貫通孔１２ｂに最も近い成形形状部１２ａからの距離がＬの位置に、その中心をおく立壁部１２ｃが形成される（図８の上段にも示す）。
【００４５】
次に、図６は、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の位置合わせをした上で、第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃおよび第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃを仮曲げする工程を表す。まず、図６（ａ）、図６（ｂ）および図８に示すように、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２の互いの位置を合わせて、第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃ内に第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃを嵌挿させる（図８の下段に示す）。図６（ａ）に示すように、上述した第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃの内側の幅Ｗ３と第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃの内側の幅Ｗ４は、第１セパレータ部材１１の板厚の大きさをｔとすれば、Ｗ４がＷ３+２ｔに対してわずかに大きくなるように形成されている。
【００４６】
図６には示さない立壁部１１ｃおよび１２ｃの長手方向（図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１および１０ａ２の長手方向）についても、同様の寸法関係となっており（すなわち、立壁部１１ｃの内周は、第１セパレータ部材１１の平面方向において、その全周にわたり、立壁部１２ｃの内周よりほぼ２ｔだけ小さい相似形となっている）、図６（ａ）、（ｂ）および図８に示したように、第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃ内に第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃを、がたつきなく嵌合させることができる。
【００４７】
上述したように、立壁部１１ｃおよび１２ｃの中心と、立壁部１１ｃあるいは１２ｃに最も近い成形形状部１１ａおよび１２ａとの間の距離が、ともにＬとなるように形成されているとともに、それ以外の成形形状部１１ａおよび１２ａについても、その幅およびそれぞれの間隔が所定値ｍ、ｎと設定されているため、第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃ内に第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃを嵌挿させるだけで、第２セパレータ部材１２の成形形状部１２ａとそれに対向した第１セパレータ部材１１の成形形状部１１ａとの間の位置合わせが容易に行える。尚、図６（ａ）に示したように、立壁部１１ｃの第１セパレータ部材１１の上面からの高さｈ１は、立壁部１２ｃの第２セパレータ部材１２の下面からの高さｈ２よりも大きく設定されている。
【００４８】
次に、立壁部１１ｃおよび１２ｃによって互いに位置合わせをされた第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、図６（ｃ）に示すように、かしめ用ストリッパ６１およびかしめ用ダイ６２によって挟持（クランプ）される。かしめ用ストリッパ６１およびかしめ用ダイ６２は、それぞれかしめ孔６１ａおよび６２ａを備えており、図６（ｃ）にあるように、かしめ孔６１ａ内には、かしめ孔６１ａおよび６２ａ内を移動可能な仮曲げパンチ６３が設置されている。
【００４９】
仮曲げパンチ６３には、図示しない駆動装置が連結されている。仮曲げパンチ６３は、かしめ孔６２ａに嵌合する案内部６３ａ、かしめ孔６１ａに嵌合する案内部６３ａよりも図６においてその断面形状の大きい軸部６３ｂ、および案内部６３ａと軸部６３ｂとを接続する斜面部６３ｃを備えている。案内部６３ａは、その断面形状がほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔形状と同じであり、図に示すように第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃの内側に嵌合している。
【００５０】
また、かしめ用ダイ６２には段部６２ｂが設けられている。同様に、かしめ用ストリッパ６１には側面部６１ｂが設けられている。立壁部１１ｃあるいは１２ｃに最も近い、第１セパレータ部材１１の成形形状部１１ａと第２セパレータ部材１２の成形形状部１２ａは、それぞれ、かしめ用ダイ６２の段部６２ｂおよびかしめ用ストリッパ６１の側面部６１ｂに当接されている。
【００５１】
次に、かしめ用ストリッパ６１およびかしめ用ダイ６２によってクランプされた第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、図６（ｄ）にあるように、仮曲げパンチ６３に連結された駆動装置が作動することによって、かしめ孔６１ａおよび６２ａ内を仮曲げパンチ６３が下降して、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の立壁部１１ｃおよび１２ｃが、仮曲げパンチ６３の斜面部６３ｃによって、折返されて４５°程度に仮曲げされる。
【００５２】
最後に、図７は、仮曲げした第１セパレータ部材１１の立壁部１１ｃおよび第２セパレータ部材１２の立壁部１２ｃをかしめる工程（ヘミング工程）を表す。図７（ａ）に示すように、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２は、図６に示したかしめ用ストリッパ６１およびかしめ用ダイ６２によってクランプされている。かしめ用ストリッパ６１およびかしめ用ダイ６２のかしめ孔６１ａおよび６２ａ内には、かしめ孔６１ａおよび６２ａ内を移動可能なかしめパンチ７３を嵌装させる。
【００５３】
かしめパンチ７３には、図示しない駆動装置が連結されており、かしめ孔６２ａに嵌合する案内部７３ａ、かしめ孔６１ａに嵌合する案内部７３ａよりも図７においてその断面形状の大きい軸部７３ｂ、および案内部７３ａと軸部７３ｂとを接続する肩部７３ｃを備えている。案内部７３ａの断面形状はほぼ、図１（ａ）に示したマニホールド１０ａ１の貫通孔形状と同じである。
【００５４】
次に、かしめパンチ７３に連結された駆動装置が作動することによって、図７（ｂ）にあるように、かしめ孔６１ａおよび６２ａ内をかしめパンチ７３が下降して、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の傾斜した立壁部１１ｃおよび１２ｃは、かしめパンチ７３の肩部７３ｃとかしめ用ダイ６２の上面によって、図において上下方向に強く挟圧してかしめられる（ヘミング加工）。
【００５５】
ここで、上述したように立壁部１１ｃの第１セパレータ部材１１の上面からの高さｈ１は、立壁部１２ｃの第２セパレータ部材１２の下面からの高さｈ２よりも大きく設定されているため、本実施の形態においては、図７（ｂ）にあるように第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の立壁部１１ｃおよび立壁部１２ｃをかしめた後の折返し部が、中心から半径方向へほぼ同じ長さだけ延びている。
【００５６】
上述した本発明の実施の形態によれば、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２に立壁部１１ｃおよび１２ｃを設ける前に、それぞれ貫通孔１１ｂおよび１２ｂを形成しているが、貫通孔１１ｂおよび１２ｂは必ず形成しなければならないわけではなく、立壁部１１ｃおよび１２ｃを設ける前に、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２にレーザー等でスリットを設けるだけでもよい。
【００５７】
上述した本発明の実施の形態によれば、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を、かしめることによって互いに結合し、燃料電池用メタルセパレータ１０を構成したため、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の位置合わせが容易にできるとともに、ラインタクトが短く、流れ作業に適用でき、生産性のよい燃料電池用メタルセパレータ１０にできる。また、接着剤、あるいはロー剤も不要で、接合用冶具等も使用しないため、低コストの燃料電池用メタルセパレータ１０にすることができる。また、燃料電池用メタルセパレータ１０が高温にさらされたり、熱によって変形しても、結合部の剥離、ずれ、脱落等が発生しない。
【００５８】
更に、燃料電池用メタルセパレータ１０の製造のための中間工程である、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２のかしめ工程において、互いの位置合わせを行っているため、特に位置合わせ工程を設けずに、位置合わせを行うことができる。更に、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の結合部１０ｋ１および１０ｋ２を、燃料電池用メタルセパレータ１０のマニホールド１０ａ１および１０ａ２としたため、新たに位置合わせ部位等を設けずに、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の位置合わせができる。
【００５９】
図９に、上述した第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を結合するための結合部１０ｋ１および１０ｋ２の変形例を示す。図９（ａ）に示したものは、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅを第２セパレータ部材１２の折返し部１２ｅより長くした上で、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を、図において上下方向に強く挟圧して、互いにかしめることによって、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄで第２セパレータ部材１２を押圧する状態とし、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅによって第２セパレータ部材１２の折返し部１２ｅを覆い隠している。
【００６０】
この構成によれば、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄが第２セパレータ部材１２を押圧するまで折返されることによって、塑性変形が起こり、スプリングバック（曲げ加工を加えた部位が、材料の復元力によって、再び元の形状に戻ろうとすること）が発生しにくく、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄと第２セパレータ部材１２とが密着することによって、結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性が向上し、マニホールド１０ａ１および１０ａ２からの気体ガスの漏れを防止できる。更に、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅと第２セパレータ部材１２とで形成された空間ＳＳ内に、シール剤を塗布すれば、更に結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性が向上する。
【００６１】
図９（ｂ）に示したものは、図９（ａ）に示したものと同様に、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅを第２セパレータ部材１２の折返し部１２ｅより長くした上で、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を、図において上下方向に強く挟圧して、互いにかしめることによって、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄで第２セパレータ部材１２を押圧する状態とし、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅによって第２セパレータ部材１２の折返し部１２ｅを覆い隠すとともに、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２に段差部１１ｆおよび１２ｆを形成している。
【００６２】
この構成によれば、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄで第２セパレータ部材１２を押圧する状態とした上に、更に、段差部１１ｆおよび１２ｆを形成することによって、特に、第２セパレータ部材１２の段差部１２ｆにおいて第２セパレータ部材１２を塑性変形させて、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄとの間で強固に密着させることによって、結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性が更に向上する。更に、図９（ａ）に示したものと同様に、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅと第２セパレータ部材１２とで形成された空間ＳＳ内に、シール剤を塗布すれば、更に結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性が向上する。
【００６３】
図９（ｃ）に示したものは、図９（ｂ）に示した結合部１０ｋ１および１０ｋ２の更なる変形例であり、図９（ｂ）に示したものに対して、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄを更に延長して、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を、図において上下方向に強く挟圧し、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄを第２セパレータ部材１２の段差部１２ｆの形状に合わせて窪み形状にしている。
【００６４】
この構成によって、第１セパレータ部材１１の先端部１１ｄを塑性変形させて、第２セパレータ部材１２の段差部１２ｄに対して強固に密着させることによって、結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性を向上させている。更に、図９（ａ）に示したものと同様に、第１セパレータ部材１１の折返し部１１ｅと第２セパレータ部材１２とで形成された空間ＳＳ内に、シール剤を塗布すれば、更に結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性が向上する。
【００６５】
図９（ｄ）に示したものは、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を、図において上下方向に強く挟圧して、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の間を強固に密着させることによって、結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性を更に向上させている。図９（ｄ）に示したものは、強い挟圧力による互いの密着性の向上により、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２の原板厚ｄに対して、かしめ後の板厚ｄ‘は減少している。
【００６６】
また、上述した変形例に関わらず、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２を積層するときに、第１セパレータ部材１１と第２セパレータ部材１２との積層部にシール剤を塗布することによって、かしめ後の結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性を更に向上させることができる。更に、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２に、予めシール剤がコーティングされた材料を使用することによって、かしめ後の結合部１０ｋ１および１０ｋ２のシール性を向上させることができるとともに、第１セパレータ部材１１および第２セパレータ部材１２に、シール剤を塗布する手間を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池用メタルセパレータの平面図（ａ）、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図（ｂ）および図１（ｂ）のＣ部詳細図（Ｃ）である。
【図２】第１セパレータ部材を穿孔する前にクランプしたところをあらわす図（ａ）および第１セパレータ部材を穿孔したところをあらわす図（ｂ）である。
【図３】第２セパレータ部材を穿孔する前にクランプしたところをあらわす図（ａ）および第２セパレータ部材を穿孔したところをあらわす図（ｂ）である。
【図４】第１セパレータ部材をバーリング加工する前にクランプしたところをあらわす図（ａ）および第１セパレータ部材をバーリング加工したところをあらわす図（ｂ）である。
【図５】第２セパレータ部材をバーリング加工する前にクランプしたところをあらわす図（ａ）および第２セパレータ部材をバーリング加工したところをあらわす図（ｂ）である。
【図６】第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の位置合わせをする前の状態をあらわす図（ａ）、第２セパレータ部材の立壁部に第１セパレータ部材の立壁部を嵌挿したところをあらわす図（ｂ）、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の立壁部を仮曲げする前にクランプしたところをあらわす図（ｃ）および第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の立壁部を仮曲げしたところをあらわす図（ｄ）である。
【図７】第１セパレータ部材および第２セパレータ部材をヘミング加工する前にクランプしたところをあらわす図（ａ）および第１セパレータ部材および第２セパレータ部材をヘミング加工したところをあらわす図（ｂ）である。
【図８】第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の立壁部を互いに嵌合させるところを説明する斜視図である。
【図９】第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の結合部の第１の変形例をあらわす図（ａ）、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の結合部の第２の変形例をあらわす図（ｂ）、第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の結合部の第３の変形例をあらわす図（ｃ）および第１セパレータ部材および第２セパレータ部材の結合部の第４の変形例をあらわす図（ｄ）である。
【図１０】燃料電池用メタルセパレータを燃料電池スタックに適用した時の燃料電池スタック内部の一部断面図である。
【符号の説明】
１０…燃料電池用メタルセパレータ、１０ａ１、１０ａ２…マニホールド、１０ｋ１、１０ｋ２…結合部、１１…第１セパレータ部材、１２…第２セパレータ部材、１１ａ、１２ａ…成形形状部、１１ｃ、１２ｃ…立壁部、１１ｄ…先端部、１１ｅ、１２ｅ…折返し部、１１ｆ、１２ｆ…段差部、Ｌ…立壁部と成形形状部との間の距離、ＳＳ…空間

Claims

気体を導入するためのガス導入部を形成する複数の筋状の成形形状部のうちの前記ガス導入部の両端に位置する成形形状部から所定距離隔てた位置を中心とする貫通孔の成形に伴って形成される筒状の立壁部を有する第１セパレータ部材、および
気体を導入するためのガス導入部を構成する複数の筋状の成形形状部のうちの前記ガス導入部の両端に位置する成形形状部から前記所定距離隔てた位置を中心とする貫通孔の成形に伴って形成される筒状の立壁部を有する第２セパレータ部材を備え、
前記第２セパレータ部材の前記筒状の立壁部に前記第１セパレータ部材の前記筒状の立壁部を嵌挿させ、前記第１セパレータ部材の前記立壁部および前記第２セパレータ部材の前記立壁部を折返してかしめることによって互いに結合したことを特徴とする燃料電池用メタルセパレータ。
前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめることによって形成される貫通孔を、気体通過用のマニホールドとしたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータ。
前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめた結合部は、前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部の先端部を前記第２セパレータ部材に当接させることによって、前記第２セパレータ部材の折返し部を前記第１セパレータ部材の折返し部によって覆い隠していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータ。
前記第２セパレータ部材と前記第１セパレータ部材の前記折返し部との間に形成された空間に、シール剤を内蔵したことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用メタルセパレータ。
前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材の前記結合部に段差部を設けたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用メタルセパレータ。
前記第１セパレータ部材に形成した前記立壁部および前記第２セパレータ部材に形成した前記立壁部を折返してかしめた結合部において、前記第１セパレータ部材および前記第２セパレータ部材を互いに強固に密着させることによって、前記結合部における前記第１セパレータ部材あるいは前記第２セパレータ部材の板厚が減少していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用メタルセパレータ。