JP4407614B2

JP4407614B2 - 多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータおよび多連凹凸板用曲げ加工型

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Publication number: JP4407614B2
Application number: JP2005301756A
Authority: JP
Inventors: 幸一生島; 好司霜田; 準船津
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-08-03
Filing date: 2005-10-17
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2019-05-21
Also published as: JP2006054198A

Description

この発明は、全体として板状を成すとともに、少なくとも一方の面に複数の凹部もしくは凸部を形成することにより、相対的に多数の凹凸部が設けられた多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ、およびその多連凹凸板を曲げ加工するための曲げ加工型に関するものである。

全体として板状を成し、その一方の面もしくは両方の面に多数の突起（凸部）やその突起を形成することに伴う窪み（凹部）を設けた板状材すなわち多連凹凸板が、各種の分野で使用されている。この種の多連凹凸板は、凸部や凹部を設けることにより断面二次モーメントを増大させてその板状体の強度を向上させたものであったり、あるいはその凸部や凹部が板状体の全体の表面積を増大させるものであったり、さらには凸部が接点として機能し、もしくは支柱として機能するものであるなど、用途あるいは機能などが多様である。

いずれの多連凹凸板であってもその凸部や凹部が基体部分である平板部に一体化されている必要があり、したがってその製造方法としては、材料となる金属板などの板体をプレスなどによって板厚方向に変形させる方法が基本となる。また、凸部に要求される機能がその基体部分である平板部とは異なる場合、凸部と平板部との素材を異ならせることになるので、このような場合には、凸部となる軸状部材もしくはピン状の部材を、起立状態に接合することになる。このような凸部と平板部との材質が異なる多連凹凸板を製造する方法として、溶接や接着により凸部用の部品を平板体に接合する方法や、平板体に形成した下孔に凸部用の部品を挿入し、しかる後に凸部用の部品を圧潰するいわゆるカシメによって凸部を基体部分に一体化する方法がある。

上述した多連凹凸板を製造するにあたって素材となる金属板を部分的に変形させて凸部や凹部を形成する方法を採用するとすれば、材料の延びや流動を生じさせることになる。しかしながら延性に優れた金属材料を使用する場合であっても、その延びや流動が制約されるから、形成し得る凸部の高さあるいは凹部の深さは素材の板厚の１．５倍程度に制限され、必要とする凹凸形状を得られない場合が多い。このような不都合を解消する方法として、絞りしごき加工を複数回繰り返す方法があるが、このような方法では、加工工数が多くなって生産性が低下する問題があり、また形成すべき凸部や凹部に対して充分に素材を供給できる場合に限られる不都合がある。

さらに、特に凸部や凹部を互いに接近させて多数形成する多連凹凸板にあっては、凸部や凹部が互いに接近していることにより、それぞれの凸部や凹部に対して供給し得る素材の量が制約されるので、この点で凸部の高さや凹部の深さが制約され、一般には凹凸部の径とピッチとの比率を２．５以上に設定せざるを得ず、この点でも多連凹凸板の形状が制限される不都合がある。

また一方、凸部用の部品を平板体に接合して多連凹凸板を製造する方法では、素材の変形を伴わないので、上述したような形状の制約はない。しかしながら接合のために溶接するとすれば、素材の溶融を生じさせるので、凸部が数mm程度の微小なものであってかつその間隔が微小であれば、凸部用部品自体が溶融して消失してしまう可能性が高い。これに対して接着剤を使用するとすれば、凸部と平板部の導電性を確保することが困難であるばかりか、接合強度や耐久性が不充分になるおそれがある。

これに替えて、カシメ加工によって凸部を平板体に接合するとすれば、凸部用部品を挿入するための下孔を平板体に形成する必要があるために、加工工数が多くなる不都合がある。またその下孔は、凸部用部品を挿入しやすくするために、凸部用部品の外径より大きい内径のものとし、これら両者の間隙を凸部用部品をカシメることにより密閉することになるが、カシメ加工は、凸部用部品と平板体とを一体化させることを補償し得ても、気密性を確保することは困難であり、したがってこの方法は全ての多連凹凸板の製造方法として採用することはできない。

このように従来では、多連凹凸板を製造する場合、加工上の制約で、凸部の高さや凹部の深さを大きくできず、あるいはそれらの間隔を広くせざるを得ないなど、多連凹凸板の形状が制約されるなどの不都合があった。またこのような不都合を解消するためには、加工工数が増大したり、信頼性が低下するなど、製品コストが上昇したり、品質の低下を招来するなどの他の不都合が生じるのが実情であった。

この発明は上述した事情を背景としてなされたものであり、凹凸部の形状や間隔などの制約がなく、しかも生産性の高い多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ、およびそのセパレータとされる多連凹凸板を曲げ加工する曲げ加工型を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、板材の表裏両面に互いに区分もしくは分断されて独立した複数の凹凸部が形成された多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータにおいて、素材となる板材の少なくとも一方の面に、板厚を減少させて形成された互いに平行な複数条の第１の溝部と、互いに平行な谷線および山線がそれらの第１の溝部に交差する波状に連続した曲げ形状となるように、前記板材に曲げ加工を施して前記板材の表裏両面に形成された第２の溝部とを有することを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記一方の面に形成されている溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面に形成されている溝部がガス用流路を形成していることを特徴とする多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータである。

さらに、請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記冷却水の流動方向における上流側の第１の溝部の形状もしくは配列と下流側の第１の溝部の形状もしくは配列とが相違していることを特徴とする多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータである。

またさらに、請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記曲げ加工に伴って前記板材の他方の面の山線に相当する部分に該山線に交差しかつ前記第１の溝部の背面側の部分に形成された第３の溝部を有し、前記一方の面における第１の溝部および第２の溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面における第２の溝部および第３の溝部がガス用流路を形成していることを特徴とする多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータである。

そして、請求項５の発明は、請求項４の発明において、前記板材の他方の面の山線に相当する部分の前記第３の溝部以外の所定箇所が板厚方向に押圧変形されて前記第３の溝部より断面積の大きい第４の溝部が形成されていることを特徴とする多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータである。

また、請求項６の発明は、一方の面にのみ板厚が他の部分より薄い互いに平行な複数条の溝を形成した板材に、互いに平行な谷線および山線が前記溝に交差するように山谷が連続する曲げ加工を施して請求項１に記載の燃料電池用セパレータに利用される多連凹凸板を得る多連凹凸板用曲げ加工型であって、前記溝の変形を規制する突部を有していることを特徴とするものである。

したがって請求項１の発明によれば、板材の表裏両面に互いに区分もしくは分断されて独立した複数の凹凸部が形成された多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータであって、素材となる板材の少なくとも一方の面に、板厚を減少させて形成された互いに平行な複数条の第１の溝部と、互いに平行な谷線および山線がそれらの第１の溝部に交差するように前記板材を波状に連続した曲げ形状となるように曲げ加工して前記板材の表裏両面に形成された第２の溝部とを有する構造としたから、第１の溝部と第２の溝部とによって区画された凸部が、燃料電池における電極に導通する接点となり、しかもそれらの溝部をガスや冷媒のための流路とすることができる。

また、請求項２の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果に加えて、前記一方の面に形成されている溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面に形成されている溝部がガス用流路を形成しているので、１枚のセパレータもしくは一対のセパレータでガス流路および冷却水流路を形成することができる。

さらに、請求項３の発明によれば、請求項１あるいは２の発明と同様の効果に加えて、前記冷却水の流動方向における上流側の第１の溝部の形状もしくは配列と下流側の第１の溝部の形状もしくは配列とを相違させているために、第１の溝部を介して第２の溝部に分散させる冷却水の流量を、第１の溝部の形状もしくは配列によって制御し、第２の溝部ごとの冷却水量を充分確保し、冷却不良個所の発生を未然に防止することができる。

またさらに、請求項４の発明によれば、請求項１の発明と同様の効果に加えて、前記曲げ加工に伴って前記板材の他方の面の山線に相当する部分に該山線に交差しかつ前記第１の溝部の背面側の部分に形成された第３の溝部を有し、前記一方の面における第１の溝部および第２の溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面における第２の溝部および第３の溝部がガス用流路を形成したので、板材の一方の面側を冷却水の流動する冷却部とし、かつ他方の面を燃料電池での発電の用に供されるガスの供給部および排出部とすることができ、しかもそれぞれの面で、溝部が交差して形成されているので、冷却水およびガスの分散を促進することができる。

そして、請求項５の発明によれば、請求項４の発明と同様の効果に加えて、前記板材の他方の面の山線に相当する部分の前記第３の溝部以外の所定箇所を板厚方向に押圧変形させて前記第３の溝部より断面積の大きい第４の溝部を形成したので、ガス流路中の水滴などの液体をその第４の溝部に送り込み、あるいは第４の溝部を介して他の第２の溝部に分散させることができ、その結果、第２の溝部の液滴による閉塞を解消してガスの流通および分散を良好におこなうことができる。

また、請求項６の発明によれば、請求項１の発明によるセパレータとされる多連凹凸板を曲げ加工する際に、前記一方の面における溝の変形を防止することができると同時に、他方の面の山の部分の頂部における溝を確実に生じさせることができ、その結果、互いに区分もしくは分断されて独立した多数の凹凸部を、板厚に対して大きく突出し、また相互の間隔を接近させて形成することができる。

つぎにこの発明を図面を参照して具体的に説明する。先ず、この発明で燃料電池用のセパレータとして利用される多連凹凸板１の一例を説明すると、図１に示す例は、基体部分である平板部２の表裏両面に互いに離隔して２方向に配列された多数の凸部３を設けたものである。これらの平板部２と凸部３とは、同一の金属材料によって構成され、あるいは互いに異なる種類の金属材料によって構成されている。また、凸部３と平板部２とは製品の状態では完全に一体化されているが、これらは別部品であって、凸部３を構成する部品を、平板部２を構成する部品に密着嵌合させることにより構成されている。

ここで上記の多連凹凸板１における各部の寸法の関係を説明すると、凸部３の高さｈが平板部２の板厚ｔの１．５倍以上に設定され、また凸部３の外径ｄが凸部３同士のピッチｐ以下に設定されている。一例として板厚ｔが０．３mm、凸部３の高さｈが０．６mm、凸部３の外径ｄが１．０mm、ピッチｐが１．０mmである。なお、平板部２を基準にすれば、その表裏両面に凸部３が形成されていることになるが、凸部３の先端を結んだ平面を想定し、その平面を基準にすれば、前記凸部３同士の間の部分が窪んでいることになり、ここに凹部が形成されているとすることもできる。その場合には凹部の深さが板厚ｔの１．５倍以上となる。

つぎに、図１に示す多連凹凸板１の製造方法について説明する。この発明で利用される多連凹凸板は、単一の平板体から構成することができる。図２の（Ａ）に示す平板体２０は、アルミニウムなどの適宜の金属もしくは合金からなるものであって、先ず、この平板体２０の表裏両面に互いに平行な複数の溝２１を形成する。この溝２１は平板体２０を曲げることによって形成したものではなく、コイニングや切削加工などの材料の流動や除去によって形成されたものであり、したがってこれらの溝２１の部分での板厚が溝２１以外の部分の板厚より薄くなっている。また、表面側の溝２１と裏面側の溝２１とは、図２の（Ａ）に示すように、その長手方向に対して交差する方向に半ピッチずれている。なおここで、平板体２０の各部の寸法の一例を示すと、その板厚が０．３mm、溝２１の幅および深さがそれぞれ０．１５mmである。

上記の溝２１をコイニングによって形成する場合、その深さは、板厚の５０％以下とする。これは、コイニングに使用する型の寿命を維持すると同時に、コイニングによって除去されて溝２１同士の間に盛り上がる材料の量を制限するためである。溝２１同士の間に盛り上がる材料の量が多くなると、その部分で加工硬化を生じ、後に述べる波曲げ加工の際に割れを生じる可能性が高くなる。なお、コイニング加工あるいはこれに類する材料流動の生じる加工によって溝２１を形成した後に焼鈍をおこなう場合には、板厚の５０％以上の深さに溝２１を形成してもよい。

つぎに、図２の（Ａ）に示す平板体２０に波曲げ加工（ウェーブ曲げ加工）を施す。この波曲げ加工とは、断面での山となる部分と谷となる部分とが一方向に交互に連続した状態となる形状に曲げる加工であり、その山線２２あるいは谷線２３が前記の溝２１と交差するように波曲げ加工をおこなう。その波曲げ加工によって生じる山の部分の高さあるいは谷の部分の深さ、すなわち山の部分の頂部と谷の部分の底部との間の寸法は、平板体２０の板厚の１．５倍以上である。

このように波曲げ加工をおこなって形成した山の部分は、波曲げの方向が溝２１に直交もしくは斜めに交差する方向であるから、波曲げ加工の後にも残っている溝２１によって山線の方向において区分されている。そしてこのように区分された各山の部分が、凸部２４となっている。これら凸部２４は、前記溝２１が平板体２０の表裏両面に同様に形成され、また波曲げが、表面側と裏面側とで同様の曲げ状態を形成するので、平板体２０の表裏両面に同様に形成される。なお、表面側の凸部２４と裏面側の凸部２４との位置は、半ピッチずれている。

このようにして製造された多連凹凸板２５は、その凸部２４の高さあるいはその反対の凹部の深さが、板厚の１．５倍以上になっている。また、凸部２４もしくは凹部のピッチは、前記溝２１に沿う方向では、波曲げ加工の際のピッチによって任意に設定でき、またこれと交差する方向でのピッチは、前記溝２１のピッチに設定することができる。すなわち凸部２４の最大外形寸法より小さいピッチとすることができる。

なお、図２の（Ｂ）に示す形状では、凸部２４の頂部を平坦に形成してあるが、このような形状は、波曲げ加工の際の加工型に平坦面を形成しておくことにより得ることができる。また、図２には、溝加工および波曲げ加工によってエッジが明瞭に現れた形状を示してあるが、これは模式的に示したものであり、実際に加工をおこなった場合には、エッジの部分や折り曲げ部分が曲面となって現れる。

ここで、平板体２０に形成する溝２１の形状の例を示すと、図３の（Ａ）、（Ｂ）のとおりである。図３の（Ａ）に示す例は、平板体２０の表裏両面に、半ピッチずつずらして溝２１を形成した例である。また図３の（Ｂ）に示す例は、平板体２０の表裏両面の幅方向で同一の位置に、溝２１を形成した例である。さらに特には図示しないが、平板体２０の表裏両面のいずれか一方にのみ溝を形成し、その部分の板厚を減じてあってもよい。一方の面にのみ溝を形成した場合であっても、その平板体を前述したように波曲げ加工した際に、溝の部分を外れた板厚の厚い箇所において、いわゆる山となる部分の先端部に最も大きい張力が作用し、その結果、その部分で材料流動が生じ、山線を横切るように僅かながら溝が形成される。したがって一方の面にのみ溝を形成した平板体であっても、波曲げ加工を施すことにより、波曲げ加工に伴う連続した山が、その頂部に交差方向に生じる溝によって区分され、独立した多数の凸部が形成される。このように、平板体の一方の面にのみ溝を形成する加工方法では、溝を形成するための突条を備えた型が上下いずれか一方のみであり、したがって摩耗する型が上下いずれか一方のみとなるので、型に要する費用を低廉化することができる。

また、波曲げ加工による曲げ形状は、図４に示すように円弧を連続させた断面形状となる形状であってもよい。さらに溝２１を予め形成してある平板体２０を波曲げ加工する場合、平板体２０にはその面方向に複雑に応力が生じ、溝２１の形状がくずれる可能性がある。また、一方の面にのみ溝２１を形成してある場合には、他方の面における山の部分の頂部に確実に溝を生じさせるために、材料流動を適正に生じさせることが望まれる。そこで、波曲げ加工に使用する曲げ型には、図５に示すように、予め形成された溝２１に嵌合する突部２６を形成しておく。この突部２６は、図５に示すように連続したものであってもよく、あるいは波曲げ加工の際の山の頂部に対応する箇所と谷の底部に対応する箇所とにのみ形成されたものであってもよい。また、この突部２６は、凸部２４を区分する溝の部分の形状を、目的とする形状に成形するためのものであるから、必ずしも予め形成された溝２１に密着して嵌合する形状である必要はない。さらにこの突部２６は、波曲げ加工型を構成するポンチ２７とダイス（図示せず）との両方の加工面もしくはいずれか一方の加工面に形成してもよい。

なお、上述した各具体例では、平板部の面方向に切断した場合の断面が円形に閉じた断面の凹部もしくは凸部を形成する例を示したが、この発明では、その断面が矩形の断面もしくは多角形となる凹部もしくは凸部を形成してもよい。また、平板部に垂直な方向での断面が矩形もしくはカップ状の凹部もしくは凸部を形成する例を上記の具体例で示したが、この発明における凹部もしくは凸部の断面形状は上記の例で示したものに限定されず、必要に応じて適宜の形状とすることができる。そして上記の多連凹凸板は、固体電解質型燃料電池スタックにおけるセパレータに使用される。

前述した多連凹凸板を燃料電池用セパレータに利用した例を次に説明する。図６は、高分子電解質膜型燃料電池スタックの一部を示す模式的な断面図であって、プロトンなどのイオンを透過させる電解質膜５０を挟んだ両側に、触媒反応層とガス拡散層とを含む電極５１，５２が設けられている。その電解質膜５０は、例えば湿潤状態でカチオン透過性を示すイオン交換膜によって構成され、また各電極５１，５２は、燃料ガスの電離や電離して生じたイオンと酸化性ガス（空気）との反応を促進するための触媒層とその触媒層に対してガスを拡散させる多孔構造の拡散層とによって構成されている。それぞれの電極５１，５２の表面に多連凹凸板からなるセパレータ５３が密着状態で配置されている。

これらのセパレータ５３は導電性材料（例えば金属）から形成されており、その凸部の頂面もしくは凹部の底面を電極に密着させ、電気的な導通状態を維持するように配置されている。したがってセパレータ５３が多連凹凸板であることにより、電極５１，５２の表面から離隔した多数の中空部が、相互に連通しかつ一定間隔をあけて形成されており、その中空部が燃料ガス（例えば水素ガス）および酸化性ガス（例えば空気）を流通させるガス流路５４とされている。

上記の互いに積層された電解質膜５０および電極５１，５２を一対のセパレータ５３で挟み込んで単セル（単電池）５５が構成されており、これらの単セル５５が、その厚さ方向に多数積層されて燃料電池スタック５６を構成している。その場合、互いに隣接する単セル５５におけるセパレータ５３の凸部同士もしくは凹部同士が突き合わされており、したがって互いに突き合わせた箇所に隣接して互いに離隔する方向に変形した箇所が存在し、その互いに離隔した箇所がそれぞれ連通し、ここに冷却水用流路５７が形成されている。

上記のセパレータ５３は、前述した多連凹凸板の製造方法のうちコイニングと波曲げ加工とを併用した方法で製造されている。具体的には、図７に示すように、金属板の一方の面にコイニング加工によって互いに平行な複数条の溝（以下、仮にコイニング溝と記す）５８を形成し、ついで山線および谷線がこれらのコイニング溝５８と交差するように波状の曲げ加工を施す。その結果、コイニング溝５８を形成してある面では、コイニング溝５８と波曲げによる溝（以下、仮に波曲げ溝と記す）５９とが交差するので、これらの溝５８，５９によって囲まれた部分が凸部となる。

これに対してコイニング溝５８を形成していない面では、その面側での山線に相当する部分でかつコイニング溝５８の背面側の部分に「ひけ」が生じ、浅い溝（以下、仮にひけ溝と記す）６０が形成される。図８はそのひけ溝６０の部分の断面を示しており、ひけ溝６０の深さｄ2 とその反対側の部分のコイニング溝５８の深さｄ1 との和が、「ひけ」の生じていない箇所でのコイニング溝５８の深さｄ0 とほぼ等しくなっている。したがってコイニング加工を施していない面においても、その面での山線に相当する部分が、ひけ溝６０によって一定間隔ごとに分断され、その結果、互いに区分もしくは分断されて独立した多数の凸部が形成されている。

図８に示してあるように、コイニング溝５８は金属板の板厚の半分程度の深さであるのに対し、波曲げ溝５９は金属板の曲げ加工によって形成されたものであるから、波曲げ溝５９の深さがコイニング溝５８の深さよりもかなり深い。また、ひけ溝６０は、波曲げ加工に伴う「ひけ」によって生じたものであるから、その深さはコイニング溝５８よりもかなり浅い。したがってコイニング加工を施した面側の波曲げ溝５９同士が、ひけ溝６０より断面積の大きいコイニング溝５８によって互いに連通されているので、コイニング加工を施した面側の波曲げ溝５９とコイニング溝５８とが冷却水を流通させるための冷却水流路とされている。これに対して、コイニング加工を施していない面側の波曲げ溝５９とひけ溝６０とが、燃料ガスや酸化性ガスなどの反応ガスを流通させるためのガス流路とされている。

ところで反応ガスは、その反応効率を向上させるために、可及的に長い間、電極５１，５２の表面に沿って流動させることが好ましい。そのために、ガス流路は、反応ガスが蛇行して流動するように形成されている。その一例を図９に模式的に示してある。コイニング溝は図９に現れていない反対側の面の中央部分に図９の上下方向に向けて形成されている。このようにしてコイニング溝が形成されている領域が、図９の上下方向で４つの領域に等分されており、それぞれの領域において、山線および谷線が図９の左右方向を向くように波曲げ加工が施されている。その結果、図９に表されているガス流路側の面には、波曲げ溝５９とひけ溝６０とが互いに直交する方向に形成され、隣接する波曲げ溝５９同士がひけ溝６０によって連通されている。言い換えれば、各領域内に縦横に交差したガス流路が形成されている。

図９における上部の領域の一端部にはその領域における全ての波曲げ溝５９に連通する入口マニホールド６１が形成されている。また、中間の２つの領域の一端部にはこれらの領域における波曲げ溝５９の全てに連通する中間マニホールド６２が形成され、さらに、下部の領域の一端部にはその領域における全ての波曲げ溝５９に連通する出口マニホールド６３が形成されている。これらのマニホールド６１，６２，６３はセパレータ５３をその板厚方向に貫通した長孔であって、単セルを多数積層することにより、燃料電池スタックの全体に亘って反応ガスを供給もしくは排出するための流路を形成するようになっている。

また上部の領域と上から２番目の領域との他方の端部に、これらの領域における波曲げ溝５９を相互に連通させるように上下方向に湾曲した波曲げ溝５９が形成されている。これは、上から３番目の領域と下部の領域とにおいても同様である。したがって前記入口マニホールド６１から供給された反応ガスが上部の領域におけるガス流路（すなわち波曲げ溝５９とひけ溝６０）を通ってその一端部に到り、ここから上下方向に沿う波曲げ溝（いわゆるＵターン溝）５９を介して上から２番目の領域におけるガス流路を通って中間マニホールド６２に到り、ここから第３番目の領域におけるガス流路に流れ込む。以降、同様にして、他方の端部に上下方向に沿ういわゆるＵターン溝を介して下部の領域に入り、最終的には出口マニホールド６３から排出される。

なお、図９において、符号６４，６５，６６は貫通孔であって、前記各マニホールド６１，６２，６３に対して左右方向で対称となる位置に形成され、燃料電池スタックとして積層されることにより、他の反応ガスのための流路を形成するようになっている。また、図９の下側の部分には、冷却水用の入口マニホールド６７が形成され、さらに上側の部分には、冷却水用の出口マニホールド６８が形成されている。これらのマニホールド６７，６８は、左右方向に長い長孔であって、セパレータ５３を貫通しており、図９には現れていない他方の面に形成されている冷却水流路に連通している。

上述したようにガス流路は波曲げ溝５９とひけ溝６０とによって形成されているが、そのひけ溝６０は波曲げに伴う「ひけ」によって生じた浅い溝である。これに対して、前記電解質膜５０はカチオン透過性を維持するために湿潤状態とする必要があり、また燃料ガスとして水素ガスを使用する燃料電池では反応生成物として水が生じる。したがってガス流路に水滴が流入もしくは発生することがあるが、その水滴に対してひけ溝６０の開口断面積が相対的に小さく、そのために水滴が波曲げ溝５９に詰まってしまい、その水滴がその波曲げ溝５９から押し出されるまでは、波曲げ溝５９がガス流路として有効に機能せず、燃料電池の発電効率の低下要因となる可能性がある。このような不都合を解消するために、上記のセパレータ５３には、水滴除去溝６９が形成されている。

この水滴除去溝６９について具体的に説明すると、図１０はセパレータ５３におけるガス流路側の面の一部およびそのＡ−Ａ線断面ならびにＢ−Ｂ線断面を示しており、図１０の上下方向に向けて波曲げ溝５９が形成され、かつ裏面側のコイニング溝５８に対応する位置にひけ溝６０が形成されている。それらのひけ溝６０に挟まれた箇所が電極に接触させられる凸部となっており、その凸部に相当する部分が、所定間隔ごとに裏面側に押し曲げられ、その部分が凸部とは逆に窪んでおり、ここに水滴除去溝６９が形成されている。したがってその水滴除去溝６９は裏面側（コイニング加工を施してある面側）のコイニング溝５８を避けた位置に曲げ加工によって形成されている。これは、コイニング溝５８を潰さないようにするためであり、したがってその幅Ｗ2 はコイニング溝５８の幅Ｗ1 より狭く設定されている。また、水滴除去溝６９の深さは、要は、水滴Ｗd が通過できる断面積となる程度で良く、一例として波曲げ溝５９の深さ程度とすればよい。

したがって上記の水滴除去溝６９を形成したセパレータ５３では、ガス流路が水滴によって閉塞されることがなく、もしくはガス流路の閉塞を迅速に解消することができるので、燃料ガスもしくは酸化性ガスを電解質膜５０の全体に効率よく分散させることが可能になる。そのため、上記のセパレータ５３を使用すれば、燃料電池の発電効率を向上させることが可能になる。

なお、この水滴除去溝６９が請求項５の発明における第４の溝部に相当する。また、上記のコイニング溝５８が請求項１ないし５の発明における第１の溝部に相当し、かつこれと交差する波曲げ溝５９が第２の溝部に相当し、さらにコイニング加工を施していない面におけるひけ溝６０が請求項４および５の発明における第３の溝部に相当する。

上記のセパレータ５３は波曲げ加工を施すことにより表裏両面に波曲げ溝５９が形成されており、したがって冷却水流路も上述したガス流路と同様に、４つの領域に区分され、上側の２つの領域および下側の２つの領域における波曲げ溝５９がその一端側のＵターン溝によって連通した状態となっている。その形状の一部を図１１に模式的に示してある。この図１１に示すように、冷却水流路を構成する各波曲げ溝５９には、これと交差する方向に向けて形成されているコイニング溝５８を介して冷却水が供給される。その場合、コイニング溝５８は、波曲げ溝５９より浅く、その開口面積（流路面積）が波曲げ溝５９より小さいので、波曲げ溝５９からコイニング溝５８に対しては冷却水が流入しにくい。そのため、冷却水がセパレータ５３の全面に可及的に均等に拡散して全体を均一に冷却できるようにするために、冷却水流路が以下に述べるように構成されている。

冷却水の入口マニホールド６７がセパレータ５３の下側に形成されており、冷却水がここからコイニング溝５８を介して波曲げ溝５９に供給されるようになっている。したがって入口マニホールド６７に最も近い波曲げ溝５９に冷却水が先ず供給され、その波曲げ溝５９に沿って冷却水が流動する一方、冷却水の一部が他のコイニング溝５８を介して、他の隣接する波曲げ溝５９に流入し、かつ該他の波曲げ溝５９の内部を流動する。このように、入口マニホールド６７から遠い位置の波曲げ溝５９に対しては、波曲げ溝５９より浅いコイニング溝５８を介して冷却水が供給されるので、入口マニホールド６７に近い位置の波曲げ溝５９に交差するコイニング溝５８の全開口面積が、遠い位置の波曲げ溝５９に交差するコイニング溝５８の全開口面積より大きく設定されている。

具体的には、
Ｖm＝Ｖ1＋Ｖ1-2
Ｖ1-2＝Ｖ2＋Ｖ2-3
Ｖ2-3＝Ｖ3＋Ｖ3-4
を満たし、かつ
（１／２）^n-1／Ｖm＝Ｖ1
を満たす冷却水量となるように設定する。なお、Ｖm は、入口マニホールド６７での冷却水量、Ｖ1 は入口マニホールド６７に最も近い波曲げ溝５９での冷却水量、Ｖ1-2 は入口マニホールド６７に最も近い波曲げ溝５９とこれに隣接する第２番目の波曲げ溝５９とを接続するコイニング溝５８での冷却水量、以下同様に、Ｖ2 およびＶ3 は第２番目の波曲げ溝５９での冷却水量および第３番目の波曲げ溝５９での冷却水量、Ｖ2-3 は第２番目と第３番目の波曲げ溝５９を接続するコイニング溝５８での冷却水量、Ｖ3-4 は第３番目と第４番目の波曲げ溝５９を接続するコイニング溝５８での冷却水量をそれぞれ示す。また、ｎは波曲げ溝５９の本数であり、図１１に示す例では“４”である。

結局は、入口マニホールド６７に近いコイニング溝５８ほどその冷却水量が多くなるように設定されている。これは、１つずつのコイニング溝５８の幅もしくは深さを大きくして開口断面積を大きくすることにより設定し、もしくはコイニング溝５８の数を入口マニホールド６７側ほど多くすることにより設定される。なお、図１１に示す例では、コイニング溝５８の数を入口マニホールド６７側で多くしてある。

冷却水をセパレータ５３の全面に可及的に均等に分散させるためには、入口マニホールド６７から波曲げ溝５９に対する冷却水の分散を促進する必要があり、そのために波曲げ溝５９に対して開口面積の小さいコイニング溝５８の形状もしくは配列を上記のように設定してある。したがって冷却水流路全体としての中流域あるいは下流域では、冷却水が既に各波曲げ溝５９に分散させられているので、コイニング溝５８を介した冷却水の分散を図る必要は特にはない。そこで、この発明に係る上記のセパレータ５３では、冷却水の分散を促進するためのコイニング溝５８の形状もしくは配列が、冷却水流路全体のうち入口マニホールド６７に近い箇所で採用され、これより下流側では、コイニング溝５８の形状もしくは配列が、各波曲げ溝５９の間で同一に設定されている。すなわちこの発明における第１の溝部に相当するコイニング溝５８の形状もしくは配列が、冷却水の流動方向での上流側と下流側とで異なっている。

なお、波曲げ溝５９のうち、Ｕターン溝の部分では、コイニング溝５８との交差角度が連続的に変化し、かつ一部で両者の向きが一致するので、直線状のコイニング溝５８と湾曲したＵターン溝とを安定的に形成することが難しい。そのため、図に示す例では、Ｕターン溝の部分には、コイニング溝５８を形成していない。そしてそのＵターン溝の中間の部分までが、冷却水の拡散の用に供されるので、上述したコイニング溝５８について形状もしくは配列を各波曲げ溝５９の間で相違させる処理は、Ｕターン溝の中間部、より具体的にはＵターン溝の開始端からほぼ４５度旋回した位置に到るまでの区間において施せばよい。

この発明による多連凹凸板の一部を示す斜視図である。（Ａ）および（Ｂ）は波曲げ加工によって多連凹凸板を製造する過程を説明するための説明図である。（Ａ）および（Ｂ）は図２に示す方法で採用することのできる溝形状を示す断面図である。図２に示す方法で採用することのできる波曲げ形状の一例を示す断面図である。溝形成のための突条を有する曲げ型の一例を示す模式図である。この発明に係るセパレータを使用した燃料電池スタックの模式的な部分断面図である。セパレータ用の板材の波曲げ加工前の状態と波曲げ加工によってひけ溝が形成された状態とを示す部分斜視図である。ひけ溝を示す拡大部分端面図である。この発明に係るセパレータの斜視図である。この発明に係るセパレータにおける水滴除去溝を示す部分平面な図および断面図である。この発明に係るセパレータにおける冷却水流路の一部を示す部分平面図である。

符号の説明

１…多連凹凸板、２…平板部、３…凸部、２０…平板体、２１…溝、２２…山線、２３…谷線、２４…凸部、２５…多連凹凸板、２６…突部、５０…電解質膜、５１，５２…電極、５３…セパレータ、５４…ガス流路、５７…冷却水用流路、５８…コイニング溝、５９…波曲げ溝、６０…ひけ溝、６７…入口マニホールド、６９…水滴除去溝。

Claims

板材の表裏両面に互いに区分もしくは分断されて独立した複数の凹凸部が形成された多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータにおいて、
素材となる板材の少なくとも一方の面に、板厚を減少させて形成された互いに平行な複数条の第１の溝部と、互いに平行な谷線および山線がそれらの第１の溝部に交差する波状に連続した曲げ形状となるように、前記板材に曲げ加工を施して前記板材の表裏両面に形成された第２の溝部とを有することを特徴とする多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ。
前記一方の面に形成されている溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面に形成されている溝部がガス用流路を形成していることを特徴とする請求項１に記載の多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ。
前記冷却水の流動方向における上流側の第１の溝部の形状もしくは配列と下流側の第１の溝部の形状もしくは配列とが相違していることを特徴とする請求項２に記載の多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ。
前記曲げ加工に伴って前記板材の他方の面の山線に相当する部分に該山線に交差しかつ前記第１の溝部の背面側の部分に形成された第３の溝部を有し、
前記一方の面における第１の溝部および第２の溝部が冷却水用流路を形成し、かつ他方の面における第２の溝部および第３の溝部がガス用流路を形成していることを特徴とする請求項１に記載の多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ。
前記板材の他方の面の山線に相当する部分の前記第３の溝部以外の所定箇所が板厚方向に押圧変形されて前記第３の溝部より断面積の大きい第４の溝部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の多連凹凸板を利用した燃料電池用セパレータ。
一方の面にのみ板厚が他の部分より薄い互いに平行な複数条の溝を形成した板材に、互いに平行な谷線および山線が前記溝に交差するように山谷が連続する曲げ加工を施して請求項１に記載の燃料電池用セパレータに利用される多連凹凸板を得る多連凹凸板用曲げ加工型であって、前記溝の変形を規制する突部を有していることを特徴とする多連凹凸板用曲げ加工型。