JP4273299B2

JP4273299B2 - 燃料電池用セパレータの製作方法

Info

Publication number: JP4273299B2
Application number: JP2002289627A
Authority: JP
Inventors: 直樹藤原; 信之在間
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2022-10-02
Also published as: JP2004127699A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、金属の薄板を重ねて溶接して組立てる燃料電池用セパレータの製作方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶融炭酸塩型燃料電池（図４Ａ）は、薄い平板状の電解質板（タイル）１を燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３の平板状の電極で挟んだ単セル４と、導電性のバイポーラプレート（セパレータ）５とからなる。セパレータ５は、単セル１では電圧が低い（０．８Ｖ程度）ため、これを多段に積層した電池とするために用いられる。積層した電池をスタックと呼ぶ。
【０００３】
スタック内の各セルの両面への燃料ガス（アノードガス）６と酸化ガス（カソードガス）７の供給方式には、図４Ｂに示すように、直交流（ａ）と平行流（並流（ｂ）と向流（ｃ））があるが、燃料電池のプロセスガス（アノードガス、カソードガス）による冷却、およびセパレータに生じる熱応力の点から平行流、特に並流（ｂ）が有利であると考えられている。
【０００４】
更に、スタック内の各セルにプロセスガスを供給する手段として、図４Ｃに示すように、スタックの側面から直接プロセスガスを供給する外部マニホールド方式（ａ）と、セパレータ自体に垂直な貫通マニホールド８を備え、このマニホールドを介して各セルにプロセスガスを供給する内部マニホールド方式（ｂ）とがあるが、スタックの高さ変化やスタック側面の凹凸の影響を受けない点で、内部マニホールド方式が優れていると考えられている。
【０００５】
本発明はかかる平行流内部マニホールド型セパレータに関するものである。以下、平行流内部マニホールド型の燃料電池用セパレータを「燃料電池用セパレータ」又は単に「セパレータ」と呼ぶ。
【０００６】
上述したように燃料電池用セパレータは、（１）アノードガスとカソードガスを仕切る仕切板、（２）各セルを接続する電流コレクタ、（３）各セルにアノードガスとカソードガスをそれぞれ供給するガスマニホールド、等の複数の機能をになっており、（１）約７００℃以上の高温に耐える耐熱性、（２）腐食性の高い溶融炭酸塩に耐える耐食性、（３）溶融した炭酸塩を含む電解質板（タイル）により、セパレータ間にウェットシールを形成する平面精度と柔軟性、（４）電池の内部抵抗を下げる低い電気抵抗、等が要求される。かかるセパレータは当初は、機械加工により製作されていたが、燃料電池による発電コストの低減のため、セパレータの大幅なコストダウンが要望されている。
【０００７】
かかる要望を実現するために、主要部分をプレス成形で成形した燃料電池用セパレータが、提案され既に一部で実施されている（例えば、［特許文献１］、［特許文献２］、［特許文献３］、［特許文献４］）。
【０００８】
【特許文献１】
特許第３０７２０３２号公報
【特許文献２】
特許第３１５８６７３号公報
【特許文献３】
特許第３２５７７５７号公報
【特許文献４】
特開平１１−６７２４２号公報
【０００９】
図５〜図９は、［特許文献１］に開示された「燃料電池用セパレータ」の構成図である。
【００１０】
図５、６に示すように、このセパレータ１０は、それぞれほぼ矩形平板状のカソードマスク１１、カソードコレクタ１２、センタープレート１３、アノードコレクタ１４、及びアノードマスク１５を構成部品とし、これらが順次積層されたものである。
セパレータ１０の各構成部品１１、１２、１３、１４、１５は、対向する２辺に沿ってそれぞれ複数のカソードガス用貫通孔１６とアノードガス用貫通孔１７を有する。
【００１１】
また、カソードマスク１１とアノードマスク１５は、中央部にそれぞれ電極２、３を収容する開口１１ａ、１５ａを有し、カソードコレクタ１２とアノードコレクタ１４も、この開口に対応する位置に貫通孔を有する。
また、図７に示すように、センタープレート１３は、アノード及びカソードを支持する複数の電極凹凸部１３ａと、カソードマスク１１及びアノードマスク１５を支持する複数のマスク凹凸部１３ｂとを有する。
【００１２】
更に図８、９に示すように、センタープレート１３、アノードマスク１５、及びカソードマスク１１のセパレータ外周部Ａと、センタープレート１３及びカソードマスク１１のアノードガス用貫通孔１７の内端部Ｂと、センタープレート１３及びアノードマスク１５のカソードガス用貫通孔１６の内端部Ｃが、それぞれ互いに気密に連結されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
燃料電池の製造コストを低減するためには、セパレータの大幅なコストダウンが不可欠であり、そのため、単一セパレータにおける反応面積の大型化と、セパレータのコストダウンが並行して進められている。図１０、１１は、図５〜９に示したセパレータの約１０倍の反応面積を有する大面積のセパレータである。なお、大面積であっても基本構造は同様である。
【００１４】
上述した大面積のセパレータは、従来、以下の手順で製作されていた。
（１）セパレータ１０を構成する２枚のマスク板１１、１５とセンタープレート１３は、まず所定の形状に切断加工される（「切断工程」）。
（２）その後、マスク板１１、１５は、プレス加工と表面処理（耐食処理）が施工され、センタープレート１３も、プレス加工される（「成形工程」）。
（３）次に、図８、９及び図１０、１１に示すように、マスク板１１、１５とセンタープレート１３を重ね合わせて組立て（「組立工程」）、（４）上述したＡ，Ｂ，Ｃの箇所を溶接する（「溶接工程」）。
【００１５】
すなわち、セパレータ１０は、その機能として、燃料および酸化剤ガスを反応部に供給することが要求されるため、セパレータ外周部Ａやマニホールド内端部Ｂ、Ｃで、ガスがセパレータ外部や他方のガス側に漏れないよう、センタープレートとマスク板を溶接することによりガスシールを行っていた。
なおこの場合、溶接継手は、板端面を溶かす「へり継手」、或いは、端面近傍の重ねて溶接する「重ね継手」が採用され、溶接にはレーザヘッド１９をＮＣ制御するレーザ溶接が主に用いられる。
【００１６】
しかし、切断、成形、組立、及び溶接の各工程の順でセパレータ１０を製作する場合、切断、成形工程において、部品を所定形状に切断後、プレス加工等を行っていたため、歪や変形が生じる。
そのため、組立工程において、歪や変形により各部品の端面位置に差異が生じ、歪や変形を矯正しながら端面を揃える必要が生じ、時間と手間を要していた。また、端面を正確に揃えた場合でも、接合部Ａ，Ｂ，Ｃの幅はできるだけ狭く（例えば２〜３ｍｍ）設定されているため、この部分に隙間が生じないように治具１８等で押さえることが困難であり、そのため、溶接欠陥が発生しやすく、歩留まりが低い問題点があった。
【００１７】
本発明は、かかる問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、プレス成形で成形した大面積のセパレータの組立工程と溶接工程を容易化して時間と手間を節約でき、かつ溶接品質を高め、溶接欠陥を低減し歩留まりを高めることができるセパレータの製作方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、それぞれほぼ矩形平板状のカソードマスク（１１）、センタープレート（１３）、及びアノードマスク（１５）を構成部品とし、これらが順次積層された燃料電池用セパレータ（１０）の製作方法であって、（１）カソードマスク、センタープレート及びアノードマスクの外縁を所定の形状に切断するための外縁切代（２２）を残し、かつ対応する複数のカソードガス用貫通孔（１６）とアノードガス用貫通孔（１７）を加工せずにマニホールド切代（２３）として残して、前記各構成部品を所定の形状に切断加工する切断工程と、（２）カソードマスク、センタープレート及び／又はアノードマスクを所定の形状にプレス加工する成形工程と、（３）前記各構成部品を重ね合わせて組立てる組立工程と、（４）前記センタープレート、アノードマスク、及びカソードマスクのセパレータ外周部Ａと、センタープレート及びカソードマスクのアノードガス用貫通孔の内端部Ｂと、センタープレート及びアノードマスクのカソードガス用貫通孔の内端部Ｃを溶接する溶接工程と、その後、（５）前記外縁切代（２２）とマニホールド切代（２３）を切断除去する仕上げ切断工程とを有する、ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製作方法が提供される。
【００１９】
上記本発明の方法によれば、切断工程において、カソードマスク、センタープレート及びアノードマスクの外縁を所定の形状に切断するための外縁切代（２２）を残し、かつ対応する複数のカソードガス用貫通孔（１６）とアノードガス用貫通孔（１７）を加工せずにマニホールド切代（２３）を残すので、外縁切代（２２）とマニホールド切代（２３）を用いて、組立工程と溶接工程を容易化して時間と手間を節約でき、かつ溶接品質を高めることができる。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記切断工程において、マニホールド切代（２３）に位置合わせ用貫通穴（２３ａ）を設け、前記組立工程において位置合わせ用貫通穴を位置決めピン（２４）に嵌合させて各構成部品を位置決めし、重ね合わせる。
この方法により、位置合わせ用貫通穴（２３ａ）を位置決めピン（２４）に嵌合させて各構成部品を位置決めできるので、端面を揃える必要がなくなり、作業が容易になる。
【００２１】
また、前記溶接工程において、前記外縁切代（２２）とマニホールド切代（２３）を溶接部の板材間に隙間が生じないように把持する。
この方法により、溶接線の両側を治具等で押さえることが可能となるため、溶接欠陥が発生せず、手直しが不要となるとともに、溶接品質の確保も容易となる。
【００２２】
前記溶接工程において、マニホールド切代（２３）の位置合わせ用貫通穴（２３ａ）を用いて溶接部の板材間に隙間が生じないように把持する。
この方法により、位置合わせ用貫通穴（２３ａ）をマニホールド部の押さえにも利用して、マニホールド部の溶接線の両側を治具等で押さえることが容易となる。
【００２３】
前記仕上げ切断工程において、マニホールド切代（２３）の切断位置を、溶接線上又は溶接線から離れた位置に設定する。
切断位置を溶接線上にすることにより、へり継手の形態にでき、端部の隙間を無くすことができる。また、切断位置を、溶接線から離れた位置に設定することにより、重ね継手の形態にでき、接合強度を高めることができる。
【００２４】
前記各構成部品（１１、１３、１５）の複数のカソードガス用貫通孔（１６）とアノードガス用貫通孔（１７）は、対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられ、カソードマスク（１１）とアノードマスク（１５）は、中央部にそれぞれ電極（２、３）を収容する開口（１１ａ、１５ａ）を有し、センタープレート（１３）は、アノード及びカソードを支持する複数の電極凹凸部（１３ａ）と、カソードマスク及びアノードマスクを支持する複数のマスク凹凸部（１３ｂ）とを有する。
【００２５】
この構成によれば、それぞれほぼ矩形平板状のカソードマスク、カソードコレクタ、センタープレートの３枚、或いはアノードコレクタ、及びアノードマスクを加えた５枚の構成部品を溶接等で連結するだけで、セパレータを完成させることができる。従って、コルゲートセパレータのように、コルゲート材を種々の形状に切断したり、切断した形状の異なるコルゲート材をセンタープレートの両面に張り付けたりする工程が不要であり、組立に要する費用と時間を大幅に削減することができる。
また、電極凹凸部とマスク凹凸部とを有するセンタープレートは、可撓性の高い薄板をプレス加工することにより容易に成形することができるので、柔軟性を保持し、平面精度を高めることができ、かつ生産性が高く大量生産が可能で大幅なコストダウンができる。
ただし、本発明の方法は、センタープレートにコルゲート材を張り付ける形式のセパレータにも適用できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略する。
【００２７】
図１は、本発明の方法のフロー図（Ａ）とその模式図（Ｂ）である。また、図２は、本発明の大面積セパレータの仕上げ切断工程Ｓ５前のカソード側平面図であり、図３（Ａ）（Ｂ）は、図２のＡ断面図とＢ断面図である。
【００２８】
図１（Ｂ）、図２および図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、本発明の燃料電池用セパレータ１０は、それぞれほぼ矩形平板状のカソードマスク１１、カソードコレクタ１２、センタープレート１３、アノードコレクタ１４、及びアノードマスク１５を構成部品とし、これらが順次積層されたものである。この構成は、図５〜１１と同様である。
【００２９】
図１（Ａ）に示すように、本発明の燃料電池用セパレータの製作方法は、切断工程Ｓ１、成形工程Ｓ２、組立工程Ｓ３、溶接工程Ｓ４及び仕上げ切断工程Ｓ５からなる。
【００３０】
（１）切断工程Ｓ１において、カソードマスク１１、センタープレート１３及びアノードマスク１５の外縁は、市販切板寸法のままで切断する必要はない。また対応する複数のカソードガス用貫通孔１６とアノードガス用貫通孔１７を加工せずにマニホールド切代２３とて残して切断する。さらにその他の部分は、各構成部品を所定の形状（完成品の形状）に切断加工する。
図１において、クロスの斜線部分は、外縁切代２２とマニホールド切代２３を示している。
また、この切断工程Ｓ１において、マニホールド切代２３に位置合わせ用貫通穴２３ａを設ける。
【００３１】
（２）成形工程Ｓ２において、カソードマスク１１、センタープレート１３及びアノードマスク１５を所定の形状にプレス加工する。また、カソードマスク１１とアノードマスク１５には必要な耐食処理を施す。ただし、一方のマスクは平板とすることも可能である。また、センタープレート１３も平板とし、コルゲート等を張り付けることも可能である。さらに、マスクの耐食処理も必須ではない。
【００３２】
（３）組立工程Ｓ３では、各構成部品を重ね合わせて組立てる。また、この組立工程において、位置合わせ用貫通穴２３ａを位置決めピン２４に嵌合させて各構成部品を位置決めし重ね合わせるのがよい。なおこの例で、位置決めピン２４は、マニホールド把持治具２６の固定板２６aに垂直に取付けられている。
【００３３】
（４）溶接工程Ｓ４では、センタープレート１３、アノードマスク１５、及びカソードマスク１１のセパレータ外周部Ａと、センタープレート１３及びカソードマスク１１のアノードガス用貫通孔１７の内端部Ｂと、センタープレート１３及びアノードマスク１５のカソードガス用貫通孔１６の内端部Ｃを溶接する。
この溶接工程において、外縁切代２２とマニホールド切代２３を溶接部に隙間が生じないように外縁把持治具２７と従来の治具１８を併用して把持するのがよい。また、マニホールド切代２３の位置合わせ用貫通穴２３ａを用いてマニホールド把持治具２６と従来の治具１８を併用して溶接部に隙間が生じないように把持するのがよい。なおこの例で、マニホールド把持治具２６は、固定板２６a、上押さえ板２６b、及びナット２６cからなり、ナット２６cは、位置決めピン２４の上端に設けられた雄ネジと螺合し、固定板２６aと上押さえ板２６bの間にマニホールド切代２３を把持するようになっている。
【００３４】
（５）仕上げ切断工程Ｓ５では、外縁切代２２とマニホールド切代２３を切断除去する。この切断は、レーザー溶断であるのがよい。また、この仕上げ切断工程において、マニホールド切代２３の切断位置を、溶接線上又は溶接線から離れた位置に設定する。
【００３５】
なお、これらの図２、３において、上側がカソード側であり、下側がアノード側であるが、本発明はこれに限られるものではなく、上側がアノード側で下側がカソード側であっても良い。
【００３６】
図２、３において、本発明によるセパレータ１０は、各構成部品１１、１２、１３、１４、１５の複数のカソードガス用貫通孔１６とアノードガス用貫通孔１７は、対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられている。
また、カソードマスク１１とアノードマスク１５は、中央部にそれぞれ電極２、３を収容する開口１１ａ、１５ａを有する。
さらに、センタープレート１３は、アノード及びカソードを支持する複数の電極凹凸部１３ａと、カソードマスク及びアノードマスクを支持する複数のマスク凹凸部１３ｂとを有する。これらの構成は、図５〜１１と同様である。
【００３７】
上述した本発明の方法によれば、切断工程において、カソードマスク、センタープレート及びアノードマスクの外縁を所定の形状に切断するための外縁切代２２を残し、かつ対応する複数のカソードガス用貫通孔１６とアノードガス用貫通孔１７を加工せずにマニホールド切代２３を残すので、外縁切代２２とマニホールド切代２３を用いて、組立工程と溶接工程を容易化して時間と手間を節約でき、かつ溶接品質を高めることができる。
【００３８】
また、位置合わせ用貫通穴２３ａを位置決めピン２４に嵌合させて各構成部品を位置決めできるので、端面を揃える必要がなくなり、作業が容易になる。
【００３９】
さらに、外縁切代２２とマニホールド切代２３を溶接部に隙間が生じないように把持することにより、溶接線の両側を治具等で押さえることが可能となるため、溶接欠陥が発生せず、手直しが不要となるとともに、溶接品質の確保も容易となる。
【００４０】
また、マニホールド切代２３の位置合わせ用貫通穴２３ａを用いて溶接部に隙間が生じないように把持することにより、位置合わせ用貫通穴２３ａをマニホールド部の押さえにも利用して、マニホールド部の溶接線の両側を治具等で押さえることが容易となる。
【００４１】
さらに、切断位置を溶接線上にすることにより、へり継手の形態にでき、端部の隙間を無くすことができる。また、切断位置を、溶接線から離れた位置に設定することにより、重ね継手の形態にでき、接合強度を高めることができる。
【００４２】
すなわち、本発明の方法では、部品加工前に所定の最終形状に切断することをやめ、定尺寸法で購入した鋼材（板材）にプレス加工や表面処理を実施し、各部品を合わせて重ね溶接後、溶接線外側の不要部分を切断する。これにより、端面を揃える必要がなくなり、作業が容易になる。
また、溶接線の両側を治具等で押さえることが可能となるため、溶接欠陥が発生せず、手直しが不要となるとともに、溶接品質の確保も容易となる。
なお、溶接線外側を切断するため、継手形状は従来と同じへり継手が得られる。また、切断位置を溶接線から離せば、重ね継手の形状とすることも可能である。
また、セパレータ内部のガス供給／排出用マニホールド穴の部分に、各部品とも、位置決め用の穴を設け、溶接で使用する治具に、これに合う位置決めピンを設けることにより、部品の位置合わせをより容易に、かつ、精度よく行うことが可能となる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。例えば、本発明の方法は、センタープレートにコルゲート材を張り付ける形式のセパレータにも適用できる。
【００４４】
【発明の効果】
上述したように、本発明の方法は以下の特徴を有する。
（１）部品の押さえを確実に行うことが可能となり、溶接品質が向上する。
（２）溶接不良の減少により、品質が向上するとともに、手直しに要する手間が減少する。
（３）従来、部品ごとに実施していた切断加工を、溶接後にまとめて実施できるため、切断に要する合計時間が短縮できる。
（４）製品形状が一定になり、寸法が安定する。
（５）位置合わせが容易になるため、作業時間が短縮し、コストダウンが図れる。また、量産化も可能となる。
【００４５】
従って、本発明の燃料電池用セパレータの製作方法は、プレス成形で成形した大面積の燃料電池用セパレータの組立工程と溶接工程を容易化して時間と手間を節約でき、かつ溶接品質を高め、溶接欠陥を低減し歩留まりを高めることができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の方法のフロー図（Ａ）とその模式図（Ｂ）である。
【図２】本発明の大面積セパレータのカソード側平面図である。
【図３】図２のＡ断面図とＢ断面図である。
【図４】従来の溶融炭酸塩型燃料電池の説明図である。
【図５】従来のセパレータのカソード側平面図である。
【図６】図５のセパレータの分解図である。
【図７】セパレータを構成するセンタープレートのカソード側平面図である。
【図８】図５のＡ断面図とＢ断面図である。
【図９】図５のＣ断面図とＤ断面図である。
【図１０】従来の大面積セパレータのカソード側平面図である。
【図１１】図１０のＡ断面図とＢ断面図である。
【符号の説明】
１電解質板（タイル）、２燃料極（アノード）、
３空気極（カソード）、４単セル、
５バイポーラプレート（セパレータ）、
６燃料ガス（アノードガス）、７酸化ガス（カソードガス）、
８マニホールド、８ａアノードマニホールド、
８ｂカソードマニホールド、９アノードガス用開口、
１０セパレータ（燃料電池用セパレータ）、
１１カソードマスク、１１ａ開口、
１２カソードコレクタ、１３センタープレート、
１４アノードコレクタ、１５アノードマスク、
１５ａ開口、１６カソードガス用貫通孔、
１７アノードガス用貫通孔、１８治具、
１９レーザヘッド、２２外縁切代、
２３マニホールド切代、２３ａ位置合わせ用貫通穴、
２４位置決めピン、２６マニホールド把持治具、
２６a 固定板、２６b 上押さえ板、２６c ナット、
２７外縁把持治具

Claims

それぞれほぼ矩形平板状のカソードマスク（１１）、センタープレート（１３）、及びアノードマスク（１５）を構成部品とし、これらが順次積層された燃料電池用セパレータ（１０）の製作方法であって、
（１）カソードマスク、センタープレート及びアノードマスクの外縁を所定の形状に切断するための外縁切代（２２）を残し、かつ対応する複数のカソードガス用貫通孔（１６）とアノードガス用貫通孔（１７）を加工せずにマニホールド切代（２３）として残して、前記各構成部品を所定の形状に切断加工する切断工程と、
（２）カソードマスク、センタープレート及び／又はアノードマスクを所定の形状にプレス加工する成形工程と、
（３）前記各構成部品を重ね合わせて組立てる組立工程と、
（４）前記センタープレート、アノードマスク、及びカソードマスクのセパレータ外周部Ａと、センタープレート及びカソードマスクのアノードガス用貫通孔の内端部Ｂと、センタープレート及びアノードマスクのカソードガス用貫通孔の内端部Ｃを溶接する溶接工程と、その後、
（５）前記外縁切代（２２）とマニホールド切代（２３）を切断除去する仕上げ切断工程とを有する、ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製作方法。
前記切断工程において、マニホールド切代（２３）に位置合わせ用貫通穴（２３ａ）を設け、組立工程において位置合わせ用貫通穴を位置決めピン（２４）に嵌合させて各構成部品を位置決めし、重ね合わせる、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製作方法。
前記溶接工程において、前記外縁切代（２２）とマニホールド切代（２３）を溶接部の板材間に隙間が生じないように把持する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製作方法。
前記溶接工程において、マニホールド切代（２３）の位置合わせ用貫通穴（２３ａ）を用いて溶接部の板材間に隙間が生じないように把持する、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製作方法。
前記仕上げ切断工程において、マニホールド切代（２３）の切断位置を、溶接線上又は溶接線から離れた位置に設定する、ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製作方法。
前記各構成部品（１１、１３、１５）の複数のカソードガス用貫通孔（１６）とアノードガス用貫通孔（１７）は、対向する２辺に沿ってそれぞれ設けられ、
カソードマスク（１１）とアノードマスク（１５）は、中央部にそれぞれ電極（２、３）を収容する開口（１１ａ、１５ａ）を有し、
センタープレート（１３）は、アノード及びカソードを支持する複数の電極凹凸部（１３ａ）と、カソードマスク及びアノードマスクを支持する複数のマスク凹凸部（１３ｂ）とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製作方法。