JP4180929B2

JP4180929B2 - 固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置

Info

Publication number: JP4180929B2
Application number: JP2003006598A
Authority: JP
Inventors: 光晴山形; 規之鈴木; 裕一吉田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004220908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力を駆動源とする自動車、小規模の発電システムなどに用いられる固体高分子型燃料電池に用いられる金属製セパレータの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
環境保全に対する意識の高まりから、化石燃料を利用した現行の内燃機関から水素を利用した固体高分子型燃料電池による電気駆動型の自動車や、分散型コジェネシステムへの移行が世界的に検討されている。これらの新技術を広く一般に利用できるようにするためには、低コスト化と高信頼化に関わる技術開発を燃料供給システムも含めて推進する必要がある。
【０００３】
近年、固体高分子材料の開発成功を契機に電気自動車用燃料電池の開発が急速に進展し始めている。
固体高分子型燃料電池とは、従来のアルカリ型燃料電池、燐酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池などと異なり、水素イオン選択透過型の有機物膜を電解質として用いることを特徴とする燃料電池であり、燃料には純水素のほか、アルコール類の改質によって得た水素ガスなどを用い、空気中の酸素との反応を電気化学的に制御することによって電力を取り出すシステムである。固体高分子膜は薄くても十分に機能し、電解質が膜中に固定されていることから、電池内の露点を制御すれば電解質として機能するため、水溶液系電解質や溶融塩系電解質など流動性のある媒体を使う必要がなく、電池自体をコンパクトに単純化して設計できることも特徴である。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、水素の流路を持つセパレータ、燃料極、固体高分子膜、空気（酸素）極、空気（酸素）の流路を持つセパレータよりなるサンドイッチ構造を単セルとして、実際にはこの単セルを積層したスタックが用いられる。したがって、セパレータの両面は独立した流路を持ち、片面が水素、もう一方の片面が空気および生成した水の流路となる。
【０００５】
冷却用水溶液の沸点以下の領域で稼働する固体高分子型燃料電池の構成材料としては、温度がさほど高くないこと、その環境下で耐食性・耐久性を十分に発揮させることが可能であること、さらに、任意の流路形状を形成するため炭素系の材料を切削加工などにより加工して使用されてきているが、より低コスト化や小型化、すなわち金属製セパレータの薄肉化を目指してステンレス鋼やチタンの適用に関する技術開発が進んでいる。
【０００６】
従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、例えば特許文献１に開示されているように、高い耐食性が要求される溶融炭酸塩環境で稼働する燃料電池用ステンレス鋼がある。また、特許文献２などに開示されているように、数百度の高温で稼働する固体電解質型燃料電池用ステンレス鋼の発明がなされてきた。
さらに、特許文献３には、単位電池の電極との接触抵抗の小さい燃料電池用金属製セパレータを得ることを目的に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を張出し成形（プレス成形ともいう）することにより、内周部に多数個の凹凸からなる膨出成形部を形成し、膨出成形部の膨出先端側端面に０．０１〜０．０２μｍの厚さの金メッキ層を形成したことを特徴とする燃料電池用金属製セパレータが開示され、その使用法として燃料電池を形成する際に燃料電池用セパレータを積層された単位電池の間に介在させ、単位電池の電極と膨出成形部の膨出先端側端面に形成された金メッキ層とが当接するように配設し、燃料電池用金属製セパレータと電極との間に反応ガス通路を画成する技術が開示されている。
また、特許文献４では、安価に加工するため、プレス加工した波形状の穴明きバイポーラ板が開示されている。ロールを用いた成形に関しては、特許文献５で、平板を金型に挟み込み、圧延ロールで金型を圧縮する製造方法が開示されている。
【０００７】
これらの技術をもとに実際に固体高分子型燃料電池を試作すると、凹凸からなる膨出成形部において延性割れを生じたり、微細な凹凸の繰り返し形状を成形するためプレス荷重が増大し、精度よく成形することが困難であった。そこで、本発明者らは、特許文献６において、金属製セパレータの凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を表面に施した上下一対の圧下ロールを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置を開示した。本装置を用いることにより、低コスト・高耐久型の固体高分子型燃料電池を製造するに際し、割れ、破断が生じない安定した成形加工が可能であると共に、プレス荷重を軽減し、凹凸部を均一に成形し、周囲平坦部の変形，波打ちの少ない金属製セパレータを製造することができる。
【０００８】
【特許文献１】
特開平４−２４７８５２号公報
【特許文献２】
特開平６−２６４１９３号公報
【特許文献３】
特開平１０−２２８９１４号公報
【特許文献４】
特開平５−２９００９号公報
【特許文献５】
特開２０００−２０２５３２号公報
【特許文献６】
特願２００１−１１２９３７号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の燃料電池用金属製セパレータ製造装置において、従来のようなテンションリールによる巻き取りでは、成型した凹凸加工面が変形してしまうという問題がある。このためテンションリールによる被加工材に張力を付与しながらの連続成形は不可能である。
そこで本発明は、この問題を改善して、燃料電池用金属製セパレータの連続成形を可能とすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、種々の送りロール、ロータリーダイカッターの試作を通じて詳細に検討した結果、本発明を完成させたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料電池用金属製セパレータを製造する装置において、前段から順に、前記金属製セパレータの凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を施した少なくとも上下一対の圧下ロールと、前記金属製セパレータの周辺部を含んだ部分を挟持し、前記金属製セパレータに張力を付与する送りロールと、前記金属製セパレータの切断くり貫き加工を行うロータリーダイカッターを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用金属製セパレータ製造装置。
（２）前記送りロールが前記金属製セパレータの周辺部のみを挟持し、前記金属製セパレータの凹凸加工面に非接触であることを特徴とする（１）記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
（３）前記送りロールが合成ゴム製であることを特徴とする（１）又は（２）記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の詳細について説明する。
本発明者らは、被加工材の金属製セパレータの周辺部を挟持する送りロールにより張力を付与し、さらにロータリーダイカッターによりセパレータを切断くり貫き加工することにより、燃料電池用セパレータの連続成形が実現可能であると考え、種々の形状について送りロール、ロータリーダイカッターを試作し、燃料電池用セパレータの連続成形実験を行った結果、連続成形が可能な装置を見出した。
【００１２】
本発明に係る製造装置により製造した金属製セパレータの断面図の例を図１に示す。送りロール形状の例を図３に示すように、被加工材の凹凸加工面が通過する部分の直径ｄ１が、被加工材の周辺部（非加工面）と接触する部分の直径ｄ２より小さく、直径がｄ１である部分のロール幅Ｌ１は、被加工材の凹凸加工部の幅より大きくなっている。従って、被加工材の凹凸形状を維持したまま張力を付与することができる。
【００１３】
図４にロータリーダイカッターの模式図を示す。上ロータリーダイカッターロールスリーブ１４に設けられた刃先の形状に凹凸加工面を切断くり貫き加工できる。ロータリーダイカッターのシャフト部１２、１３の材質は炭素鋼、合金鋼等を用いることができ、スリーブ１４、１５の材質は高速度鋼、超硬合金等を用いることができ、シャフトとスリーブを組付けることによりロータリーダイカッターを製造できる。
【００１４】
図５に示すように、成型用の上金型ロール１６及び下金型ロール１７により圧下して表面の凹凸部の模様を板材料に転写させ、上送りロール１０及び下送りロール１１により張力を付与し、上ロータリーダイカッター１４及び下ロータリーダイカッター１５により凹凸加工面を切断くり貫き加工することにより、金属製セパレータ１を連続的に成形することが可能となる。
【００１５】
また、上記の態様のように、送りロールが金属製セパレータの周辺部のみを挟持する構造とすることにより、金属製セパレータの凹凸加工面の変形を防止するので、好適である。
一方、送りロールの材質として、合成ゴム製等の弾性体を用いれば、金属製セパレータ１の凹凸加工面を変形させないので周辺部のみではなく、凹凸加工面も同時に挟持する形状としても良く、より大きな張力を得ることができるので好適である。
【００１６】
【実施例】
直径２５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの一対の成形用圧下ロール表面に、図６に示すような凹凸パターン２０を機械加工により形成した。断面形状は図１に示すもので、凹凸部は幅２００ｍｍ、長さ（弧長）１５０ｍｍである。一方、成形用圧下ロールの凸部は、曲率半径０．５ｍｍの凸形状であり、底部は幅０．５ｍｍの平滑面で、溝深さは０．５ｍｍである。金型ロール２１の材質はＳＫＤ１１とし、被加工物は、板幅３００ｍｍ、板厚０．１ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６のコイルを用い、連続的にステンレス鋼板を図５に示す金属製セパレータ製造装置に供給した。
【００１７】
上下金型ロール１６、１７、ロータリーダイカッター１４、１５の位相及び軸方向を位置合わせした後、運転中に上下金型ロール１６、１７及びロータリーダイカッター１４、１５の相対変位が発生しないように、サーボモータ（図示しない）による上下金型ロール１６、１７、ロータリーダイカッター１４、１５の回転同期手段を設けると共に、ロールの軸受けに精度等級の高い玉軸受けを採用した。送りロール１０、１１（図３参照）の寸法は、ｄ１＝２００ｍｍ、ｄ２＝２５０ｍｍ、Ｌ１＝２２０ｍｍ、Ｌ２＝４００ｍｍとし、ウレタンゴムを用いた。ロータリーダイカッター１４、１５は直径２５０ｍｍ、長さ４００ｍｍの超硬合金製のスリーブとし、上ロール１４（ダイカッター）に幅２２０ｍｍ、長さ（弧長）１７０ｍｍの長方形状の刃先を設けた。上下金型ロール１６、１７とロータリーダイカッター１４、１５は回転同期が取られているため、被加工材の加工面は、ロータリーダイカッターにより幅２２０ｍｍ、長さ１７０ｍｍの長方形状に連続的に切断くり貫き加工された。これにより燃料電池用金属製セパレータの連続成形を実現した。
【００１８】
その後、金属製セパレータ表面に金属メッキ処理を施した後、図２に示すように、金属製セパレータ１の間に耐酸性ゴム製のシール板２、炭素繊維集電体からなる電極３、フッ素系樹脂製の固体高分子膜４、電極３、シール板２を挟んだ多層からなる燃料電池スタックを構成し性能試験を行ったところ、計５０００時間運転してもガス漏れや水漏れも発生せず、本発明の製造装置により製造した金属製セパレータを用いて燃料電池として良好に機能することが確認された。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、固体高分子型燃料電池用ステンレスセパレータの高精度な成形加工を連続的に行うことができるものであり、低コスト固体高分子型燃料電池を実現する技術として極めて有効なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明により製造した金属製セパレータの断面図の例である。
【図２】本発明により製造した金属製セパレータを用いて固体高分子型燃料電池スタックを構築する一例を示した模式図である。
【図３】送りロールの立面図である。
【図４】ロータリーダイカッターの模式図である。
【図５】燃料電池用金属製セパレータ製造装置の模式図である。
【図６】本発明のうち、金型ロール表面形状の例を示す模式図である。
【符号の説明】
１：金属製セパレータ
２：シール板
３：電極（炭素繊維集電体）
４：固体高分子膜
１０：上送りロール
１１：下送りロール
１２：上ロータリーダイカッターシャフト部
１３：下ロータリーダイカッターシャフト部
１４：上ロータリーダイカッター（ダイカッタースリーブ）
１５：下ロータリーダイカッター（アンビルロールスリーブ）
１６：上金型ロール（上圧下ロール）
１７：下金型ロール（下圧下ロール）
２０：金属製セパレータ成形加工面
２１：金型ロール

Claims

周辺に平坦部を有し、周辺を除く部分はガス流路となる凸部及び凹部を有する固体高分子型燃料電池用金属製セパレータを製造する装置において、前段から順に、前記金属製セパレータの凸部及び凹部の形状と相似形の凹凸加工を施した少なくとも上下一対の圧下ロールと、前記金属製セパレータの周辺部を含んだ部分を挟持し、前記金属製セパレータに張力を付与する送りロールと、前記金属製セパレータの切断くり貫き加工を行うロータリーダイカッターを有することを特徴とする固体高分子型燃料電池用金属製セパレータ製造装置。
前記送りロールが前記金属製セパレータの周辺部のみを挟持し、前記金属製セパレータの凹凸加工面に非接触であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。
前記送りロールが合成ゴム製であることを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ製造装置。