JP4700393B2 - 多段ロール成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、平坦な金属材料の廻りに平坦部を有する凹凸形状を有する金属材料、特に燃料電池用セパレータ材料を容易に成形するための装置に関する。

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。これらの新技術が広く一般に利用できるようにするためには、燃料供給システムを含めて低コスト化と高信頼化に係わる技術開発を推進する必要がある。近年、電気自動車用燃料電池の開発が固体高分子材料の開発成功を契機に急速に伸展し始めている。この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質を電解質として用いる燃料電池であり、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特徴を有している。

この固体高分子型燃料電池は、例えば、水素の流路をもつセパレータ、燃料極、固体高分子膜、空気（酸素）極、空気（酸素）の流路をもつセパレータよりなるサンドイッチ構造単セルとして、実際には必要とする電力を取り出すために、この単セルを積層したスタックが用いられている。従って、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。また、セパレータには高い導電性や機械的強度なども求められており、このような要求を満足させるために、金属などの導電性の板材に流路凹凸形状を設けた板をセパレータとして使用することが考えられている。

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鋼製材料としては、温度がさほど高くないこと、その環境下で耐食性、耐久性を十分発揮させることが可能であること、更には、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しているが、より低コスト化や小型化、すなわち、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。

従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、特許文献１に開示された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や、特許文献２に開示された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がある。また、特許文献３ではステンレス鋼を２工程でプレス成形することで反りの少ないメタルセパレータを成形する技術が開示されている。しかしながら、これらは何れもプレス成形するもので、微細な形状をプレス成形で複数工程に分けて行うことは、次工程の位置決めが困難となり、ハンドリングの悪化を招き生産性の低下となる。更に、被加工材の面積が大きくなれば、成形反力が面積に比例して大きくなり装置の大型化を避けられず、大型化に伴い位置決めも困難になるという問題がある。

更に、特許文献４では、鋼板に波形状を複数工程に分けて加工することにより割れや皺を抑制できる技術が開示されているが、この技術はセパレータが精巧かつ複雑化すればするほどロールを並列に並べた位置で高度の位置合わせ精度を確保しなければならないという問題がある。また、特許文献５では、ロールに被加工材を巻き付け、テンションをかけて板幅を制御する技術が開示されているが、この技術は大規模な鋼板の熱間或いは冷間圧延における板幅の制御であり、とてもセパレータの製造技術には適用できないものである。更に、特許文献６では、ロール成形によりメタルセパレータを成形する技術が開示されているが、１段成形では難加工性材料の成形は困難であり、加工可能な凹凸形状が極めて限定されるという問題がある。

更に、本発明が適用を目指す固体高分子型燃料電池のセパレータ（以下ＳＰという）においては、被加工材料の板厚ｔは０．１〜０．５ｍｍ、凹凸形状の溝深さｄは１＜ｄ／ｔ＜１０と小さく、ロールの位置合わせにミクロンオーダーの精度が要求され、ロールを単に並列に並べた配置で位置合わせ精度を確保することは困難である。

特開平４−２４７８５２号公報 特開平６−２６４１９３号公報 特開２０００−３１７５３１号公報 特開昭６０−６１１２０号公報 特開２００２−５９２０９号公報 特開２００２−１９０３０５公報

本発明は、平坦な金属材料の廻りに平坦部を有する凹凸形状を有する金属材料、特に燃料電池用セパレータ材料を容易に成形するための成形装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は次の通りである。
（１）ロール軸方向に垂直な凹凸をロール周面の円周方向に設けた基準ロールと、それに外接する、ロール軸方向に垂直な凹凸をロール周面の円周方向に有する複数の成形ロールを配置して構成した鋼板成形装置であって、前記複数の成形ロールのうち２個の成形ロールが、前記基準ロールを挟み互いに対向する位置に配置され、また、それら２個以外の成形ロールが用いられる場合は、該成形ロールと対のバックアップロールが前記基準ロールを挟み互いに対向する位置に配置され、かつ、成形開始からｎ個目（ｎ＝２又は３）の成形ロールの凹凸溝深さ、溝凸部の幅の一方又はその両方がｎ−１個目の成形ロールの凹凸より大きい凹凸を有し、基準ロールと成形ロールの位置合わせすることのみで被加工金属板の位置決めが自動的になされ、さらに前記基準ロールの凹凸の溝周期ｐ（ｍｍ）、溝深さｄ（ｍｍ）が、それぞれ（１）〜（２）式を満たすことを特徴とする固体高分子燃料電池セパレータ成形用多段ロール成形装置。
２＜ｐ／ｔ＜２４ （１）
１＜ｄ／ｔ＜１０ （２）
但し、ｔ：被加工金属板の板厚（ｍｍ）
（２）複数の成形ロールの凹凸溝深さ、溝凸部の幅の一方又は両方が基準ロールの凹凸と等しいか小さいことを特徴とする（１）記載の固体高分子燃料電池セパレータ成形用多段ロール成形装置。

本発明による多段成形装置では、成形困難な溝深さの深い凹凸形状を多段成形することが可能となり、更に、金型ロールの配置を工夫することでロール本数を減らし、各ロールの周期も容易にとることができる。また、多段成形時に被加工材を基準ロールに巻き付けることにより、ロールと被加工材の位置合わせをすることなく基準ロールと基準ロールの周囲に配置したロールの位置合わせのみで被加工材に凹凸を付与することができ、燃料電池用セパレータ材料を低コストで提供することが可能となる。

本発明は、図３に示すように、ステンレスまたはチタンなどの金属材料板表面に極く狭い燃料流路（凹部）を有する燃料電池用セパレータ（ＳＰ）用の材料を成形するための成形装置である。図面を以てその具体的成形装置を説明する。なお、本発明で製造する燃料電池用セパレータ（ＳＰ）用の材料は、耐熱性、耐久性および機械的強度の観点からステンレス鋼板或いはチタン板、更には各種表面処理鋼板（以下、総称して被加工金属板という。）が最適である。

図１は、本発明にかかる多段ロール成形装置の概略構成を示したもので、その構成は、基準ロール１と、それに外接する、ロール軸方向に垂直な凹凸を周面の円周方向に有する複数の成形ロール２、３、４を配置し、複数の成形ロール２、３、４のうち、成形開始からｎ個目（ｎ＝２又は３）の成形ロールの凹凸溝深さ、溝凸部の幅の一方又はその両方がｎ−１個目の成形ロールの凹凸より大きい凹凸を有することを特徴とする多段ロール成形装置である。

図１において、（ａ）は２段成形装置のロール構成を、（ｂ）は３段成形装置のロール構成の例である。図１（ａ）において、基準ロール１に外接して上下方向にそれぞれ成形ロール２、３を配置し、この基準ロール１と成形ロール２との間、および基準ロール１と成形ロール３との間に被加工鋼板Ｓをそれぞれのロールに巻き付けながら通板させる。基準ロール１のロール周面に、ロール軸方向に垂直な凹凸の溝を設けてあり、その溝の周期ｐ（ｍｍ）、溝深さｄ（ｍｍ）は、それぞれ２＜ｐ／ｔ＜２４、１＜ｄ／ｔ＜１０（ｔ：被加工鋼板の板厚（ｍｍ））とすると被加工金属板の材料特性により成形可能範囲に違いはあるが、割れなどの成形不良のない凹凸溝形状が成形できるので好ましい。これは、上述した燃料電池用セパレータ（ＳＰ）の燃料流路のサイズに相当する。基準ロール１と第１段目の成形ロール２の溝形状は図２（ａ）に示すように、基準ロール１の溝の大きさは上記した通りであるが、成形ロール２の溝の形状を基準ロール１と同形状ではなく、溝深さにおいては基準ロール１の溝深さより小さく、溝凸部の幅は基準ロール１の溝凸部より狭くすると、加工条件が緩和され、延性の低い被加工鋼板の成形が可能となるので好ましく、成形時に両者の溝が適切に嵌合するようにしてある。このような溝形状を有する基準ロール１と第１段目の成形ロール２との間を通板した被加工鋼板Ｓの成形形状は鋭角な山形をなす。このように山形形状に初期成形加工された被加工鋼板Ｓは、次いで、第二段の成形に入る。基準ロール１と第２段目の成形ロール３と間では、成形ロール３の溝形状が基準ロール１と同一の溝形状を有しており（溝深さ及び溝凸部の幅が同一）、両者のロールで成形加工される被加工鋼板Ｓの成形形状は矩形状の燃料流路に相当する形状に成形加工される。

図１（ｂ）の３段成形装置のロール構成の場合には、第１段での成形加工は図２（ａ）の第１段での成形加工と同一であるが、３段成形においては、基準ロール１の側面に外接する位置に第三の成形ロール４を配置し、基準ロール１と成形ロール２での成形後、更に基準ロール１と成形ロール４とで成形加工し、最終的に基準ロール１と成形ロール３で成形加工する態様である。この成形方法を図２（ｂ）に基づいて説明する。前述したように、第１段での成形は図２（ａ）と同様であるが、第２段での成形は成形ロール４に設けた溝凸部の幅が成形ロール２の溝凸部の幅より大きくしてあるために、第１段で成形加工された被加工鋼板Ｓの鋭角な山形形状より矩形に近い形状まで成形加工され、最終的に第３段の成形加工（図２（ｂ）に相当）で被加工鋼板Ｓに矩形状の燃料流路に相当する形状に成形加工される。なお、図１（ｂ）の３段成形においては、成形ロール４の成形反力を相殺し基準ロールの位置ずれを防止するために図１（ｃ）に示す断面形状を有するバックアップロール５を設けることが好ましい。

このような構成とすることで、図２に示すような各成形過程で金型と接触し、最も塑性変形を受ける場所が変わり、局所的な変形が生じることを防止することで、一段成形では成形困難な微細な凹凸形状を二段成形で成形可能とする。また、従来のように並列配置の多段成形で求められた前後ロール間および被成形加工材の３者の位置合わせが不要となる。すなわち、本発明によるロール配置では基準ロールに被加工金属板が巻きつき位置決めが自動的になされることで、基準ロールとそれに外接する複数の成形ロールの２者の位置合わせのみで成形が可能となるのである。

胴長：２００ｍｍ、直径：３００ｍｍの基準ロール（基準金型ロール）のロール周面に設けた凸形状（溝）の１周期の間隔を２ｍｍ、溝深さｄ：０．５ｍｍ、溝幅：１ｍｍ、溝凸部の幅：０．８５ｍｍの凹凸部を断面でみて１００ｍｍ□としてロール周方向に等間隔に４ヵ所設けた基準ロール（基準金型ロール）を製作した。この基準ロール（基準金型ロール）の回りに外接して配置する成形ロールの断面形状は図２（ａ）、（ｂ）に示すように凹凸溝深さと溝凸部の幅が次第に大きくなるようにし、図１（ａ）、（ｂ）に示すように配置した。最終段の成形ロール形状は基準ロール（基準金型ロール）と同形状である。この基準ロール（基準金型ロール）の材質はＳＫＤ１１とし、被加工金属板の材質はオーステナイト系ステンレス鋼：ＳＵＳ３１６で、板厚：０．１ｍｍ、板幅：２００ｍｍとし、図１（ａ）、（ｂ）に示した方法で被加工金属板を巻き付け成形して図３に示すような固体高分子型燃料電池のセパレータ用素材を製作した。得られた素材は割れ等の成形不良は全く見られず、高精度の溝を有する凹凸形状板を有する固体高分子型燃料電池のセパレータを製作することができた。

本発明による多段成形装置の概略構成図で、（ａ）は２段成形装置、（ｂ）は３段成形装置、（ｃ）はバックアップロール側面の例を示す図である。 本発明による多段成形装置による成形方法を示す図で、（ａ）は２段成形装置における成形方法を、（ｂ）は３段成形装置における成形方法の例を示す図である。 燃料電池用セパレータ（ＳＰ）を示す平面図である。

符号の説明

１ 基準ロール
２、３、４ 成形ロール
５ バックアップロール
６ 通板方向
７ セパレータ
８ 流路
９ 燃料入口
１０ 燃料出口
Ｓ 被加工鋼板（被加工金属板）

Claims (2)

1. ロール軸方向に垂直な凹凸をロール周面の円周方向に設けた基準ロールと、それに外接する、ロール軸方向に垂直な凹凸をロール周面の円周方向に有する複数の成形ロールを配置して構成した鋼板成形装置であって、前記複数の成形ロールのうち２個の成形ロールが、前記基準ロールを挟み互いに対向する位置に配置され、また、それら２個以外の成形ロールが用いられる場合は、該成形ロールと対のバックアップロールが前記基準ロールを挟み互いに対向する位置に配置され、かつ、成形開始からｎ個目（ｎ＝２又は３）の成形ロールの凹凸溝深さ、溝凸部の幅の一方又はその両方がｎ−１個目の成形ロールの凹凸より大きい凹凸を有し、基準ロールと成形ロールの位置合わせすることのみで被加工金属板の位置決めが自動的になされ、
   さらに、前記基準ロールの凹凸の溝周期ｐ（ｍｍ）、溝深さｄ（ｍｍ）が、それぞれ（１）〜（２）式を満たすことを特徴とする固体高分子燃料電池セパレータ成形用多段ロール成形装置。
   ２＜ｐ／ｔ＜２４ （１）
   １＜ｄ／ｔ＜１０ （２）
   但し、ｔ：被加工金属板の板厚（ｍｍ）
2. 前記複数の成形ロールの凹凸溝深さ、溝凸部の幅の一方又はその両方が基準ロールの凹凸と等しいか小さいことを特徴とする請求項１記載の固体高分子燃料電池セパレータ成形用多段ロール成形装置。

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