JP5200321B2 - 燃料電池用セパレータの製造方法、及び、燃料電池用セパレータの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータの製造方法、及び、燃料電池用セパレータの製造装置に関する。

地球環境保護の観点から、自動車の内燃機関に代えて燃料電池を利用してモーターにより自動車を駆動することが検討されている。

燃料電池は、使用される電解質の種類に応じて、固体高分子電解質型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体酸化物型等がある。そのうちの一つである固体高分子電解質型燃料電池は、電解質として分子中にプロトン交換基を有する固体高分子電解質膜を使用して、高分子電解質膜を飽和に含水させるとプロトン伝導性電解質として機能することを利用した電池である。

前記固体高分子電解質型燃料電池は、燃料電池スタックを備えており、該燃料電池スタックは、電気化学反応により発電を行う基本単位となる単セルを複数積層し、両端をエンドフランジで挟み、締結ボルトにより加圧保持されて一体に構成される。

そして、前記セパレータにおいては、アノードセパレータとカソードセパレータとを別個に１枚毎にプレス成形している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２４９２３８公報

しかしながら、前記従来例では、セパレータをプレス成形しているため、プレス成形時に反りが発生しやすい傾向にあった。この反りが生じた場合、セパレータを重ね合わせる際に位置決めが困難となったり、シール性が低下するおそれがあった。

また、前記アノードセパレータとカソードセパレータとを別々の金型で成形しているため、金型コストが高くなり、金型の保管スペースも増大するという問題があった。

そこで、本発明は、セパレータの反り量が小さくて製造コストが安価な燃料電池用セパレータの製造方法、及び、燃料電池用セパレータの製造装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、コイル材から順次巻きほぐされる金属板に、アノードガス流路及びカソードガス流路を交互に連続してロール成形によって形成する流路成形工程と、前記金属板における前記アノードガス流路が設けられた部分であるアノードセパレータ及び前記金属板におけるカソードガス流路が設けられた部分であるカソードセパレータを、前記流路成形工程によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で貼り合わせる貼合せ工程とを備えたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置は、コイル材を巻きほぐして金属板を送給する金属板供給手段と、該金属板供給手段から送給される金属板をロール成形して、アノードガス流路及びカソードガス流路を交互に連続して形成する流路成形手段と、前記金属板における前記アノードガス流路が設けられた部分であるアノードセパレータ及び前記金属板におけるカソードガス流路が設けられた部分であるカソードセパレータを、前記ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で前記金属板を貼り合わせる接合手段と、を備えたことを特徴とする。

本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法によれば、アノードセパレータの反りとカソードセパレータの反りとが相殺されて、平板状のセパレータを得ることができる。従って、反りを矯正する特別な装置が必要なくなり、コスト低減を図ることができる。また、アノードセパレータとカソードセパレータとを連続して成形することができるため、製造時間を大幅に短縮することができる。

また、本発明に係る燃料電池用セパレータの製造装置によれば、コイル材を巻きほぐしてからセパレータの積層までを連続して行うことができ、生産効率を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。

図１は、本発明の実施形態による燃料電池スタックを示す斜視図である。

まず、燃料電池スタックの全体構成について、図１を用いて簡単に説明する。

燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての単セル３を所定数だけ積層した積層体５とし、該積層体５の両端に集電板７、絶縁板９及びエンドプレート１１を配置し、この積層体５の内部に貫通した図外の貫通孔にタイロッド１３を挿通させ、該タイロッド１３の端部に図外のナットを螺合させることによって構成されている。

この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水をそれぞれ各単セル３のセパレータに形成された流路溝に流通させるための燃料ガス導入口１５、燃料ガス排出口１７、酸化剤ガス導入口１９、酸化剤ガス排出口２１、冷却水導入口２３及び冷却水排出口２５を、一方のエンドプレート１１に形成している。

燃料ガスは、燃料ガス導入口１５より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路溝を流れ、燃料ガス排出口１７より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１９より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路溝を流れ、酸化剤ガス排出口２１より排出される。冷却水は、冷却水導入口２３より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路溝を流れ、冷却水排出口２５より排出される。

図２は本発明の実施形態による燃料電池用セパレータの成形工程を示す斜視図、図３は本発明の実施形態による燃料電池用セパレータを連続して成形した金属板を示す平面図である。

図２に示すように、ロール成形装置２７は、外表面に反応ガス流路を形成する凹凸が形成された上下一対のロール体を前後に配置している。後側ロール体２９，３１と前側ロール体３３，３５とは前後に所定間隔をおいて平行に配置され、それぞれ回転自在に軸支されている。また、前側ロール体３３，３５と後側ロール体２９，３１は、それぞれ交互に稼働して、図外のコイル材から巻きほぐされた金属板３７に対してアノードガス流路３９とカソードガス流路を交互に連続して形成する。例えば、図２では前側ロール体３３，３５が圧下して、金属板３７の表面にアノードガス流路３９を、裏面にカソードガス流路を形成している状態を示す。このように、金属板３７の表面と裏面には、一方側にアノードガス流路を形成すると共に、他方側にはカソードガス流路が形成される。この工程が流路成形工程である。なお、前記ロール成形装置２７は流路成形手段である。

また、図３に示すように、金属板３７には、アノードガス流路３９及びマニホールド４１が形成されたアノードセパレータ４３と、カソードガス流路４５及びマニホールド４１が形成されたカソードセパレータとが、交互に連続して形成されている。なお、図２に示すように、ロール成形を経た後においては、金属板３７は下方に向けて湾曲する反りが発生している。

図４は、アノードセパレータとカソードセパレータとを貼り合わせる貼合せ工程を示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとを、ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた側面図であり、（ｂ）はアノードセパレータとカソードセパレータとを貼り合わせた後の側面図である。

図３では、一枚の金属板にアノードセパレータ４３とカソードセパレータとが連続して形成されているが、これらのセパレータを境界部分で切断して分離し、図４（ａ）に示すように反りが生じた凸面同士を対向させて突き合わせ、図４（ｂ）に示すように互いに貼り合わせる。この貼合せ工程は接合手段によって行われ、前記アノードセパレータ４３の反りとカソードセパレータの反りとが相殺されて、平板状のセパレータが作成される。

図５は、アノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分に凹溝を形成した金属板を示す平面図である。また、図６は、図５の凹溝を境に金属板を折り曲げる工程を示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分の拡大側面図であり、（ｂ）は凹溝を境に金属板を折り曲げた後の拡大側面図である。

なお、図４ではアノードセパレータ４３とカソードセパレータ４７とを切断して分離させたが、図５のように、折り曲げ加工を容易にする脆弱部である凹溝４９を形成し、該凹溝４９を境に、金属板３７を折り曲げ加工して貼り合わせても良い。

この凹溝４９は、図５に示すように、アノードセパレータ４３とカソードセパレータ４７との境界部分５１に、金属板３７の幅方向に沿って延設されており、図６（ａ）に示すように、金属板３７の表面側に形成された断面Ｕ字状の溝である。従って、図６（ａ）の矢印方向に金属板３７を折り曲げると、図６（ｂ）に示すように境界部分５１から確実かつ効率的に折り曲げることができる。

図７は、凹溝を２箇所設け、該凹溝を境に金属板を折り曲げる工程を示しており、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分の拡大側面図であり、（ｂ）は凹溝を境に金属板を折り曲げた後の拡大側面図である。

前記図６では、凹溝４９を１箇所設けたが、図７（ａ）に示すように、金属板３７の長手方向に沿って所定間隔をおいて２箇所の凹溝４９，４９としても良く、また、３箇所以上の凹溝４９としても良い。このように、複数の凹溝４９を設けることにより、図７（ｂ）に示すように、金属板３７を折り曲げたときに、凹溝４９同士の間に隙間が生じ、この隙間に膜電極接合体を挿入することができる。

これに対して、図８に示すように、凹溝４９を設けない場合は、カソードセパレータ４７とアノードセパレータ４３との境界部分５１で金属板３７を折り曲げる際に、この境界部分５１の内側が膜電極接合体５３の角部５３ａに当たり、膜電極接合体５３に対して圧縮応力が生じると共に、セパレータの境界部分５１に上下方向に押し広げようとする応力が、楕円状の二点鎖線部に生じてしまい、各セパレータ同士の間に隙間が発生しにくくなる。

図９は、凹溝４９を形成するプレス成形装置を概略的に示す側面図である。

前述した凹溝４９は、図９に示すプレス成形装置５５を用いて成形することができる。このプレス成形装置５５は、金属板３７の上側に配置される上型５７と、金属板３７の下側に配置される下型５９と、これらの上型５７及び下型５９を上下に稼働させる図外の駆動装置とを備えている。また、上型５７と下型５９には、アノードガス流路３９又はカソードガス流路４５を形成する図外の溝部が形成されており、下型５９の端部には、上方に向けて突出する凸部６１が設けられ、上型５７の端部には、下型５９の凸部６１に対応する凹部６３が設けられている。従って、上型５７は下降すると同時に、下型５９が上昇して金属板３７に上下からプレス加工することにより、ガス流路と凹溝４９とを同時に成形することができる。

図１０は、凹溝を形成するロール成形装置を概略的に示す側面図である。

また、前記凹溝４９は、ロール成形装置６５を用いて形成することもできる。上下に一対に配置したロール体６７，６８の表面に、ガス流路を形成する溝部と凹溝４９を形成する凸部６９及び凹部７１を設けている。図１０においては、下側ロール体６８に凹溝形成用の凸部６９が設けられ、上側ロール体６７には凹溝４９形成用の凹部７１が前記凸部６９に対応して設けられている。従って、上側ロール体６７と下側ロール体６８との間に金属板３７を挟み込んでロール成形することにより、金属板３７にガス流路と凹溝４９とを同時に成形することができる。

図１１は、本発明の実施形態による燃料電池スタックを示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの折り曲げ部分の一方側を切断する前の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は切断した後の状態を示す断面図である。

前述したように、カソードセパレータ４７とアノードセパレータ４３とを折り曲げて貼り合わせたのち、図１１（ａ）に示すようにセパレータの板厚方向に沿って積層させて燃料電池スタックを作成する。そして、図１１（ａ）（ｂ）に示すように、アノードセパレータ４３とカソードセパレータ４７との折り曲げ部分７３の一方側を切断する。

なお、図１１（ｂ）に示すように、最も下側には、上面側にアノードガス流路３９が形成されたアノードセパレータ７５が配置され、下から２番目には、下面側にカソードガス流路４５が形成されて上面側にアノードガス流路３９が形成されたカソードセパレータ７７が配置されている。また、下から３番目には、上面側にアノードガス流路３９が形成されて下面側にカソードガス流路４５が形成されたアノードセパレータ７９が配置されている。そして、最も下側のアノードセパレータ７５と２番目のカソードセパレータ７７との間には膜電極接合体５３が挿入されており、２番目のカソードセパレータ７７と３番目のアノードセパレータ７９とは、シール材８１を介して貼り合わされている。

図１２は、本発明の実施形態による燃料電池セパレータの製造装置及び製造工程の全体を概略的に示す平面図である。

本発明の実施形態による燃料電池セパレータの製造装置８３は、コイル材を巻きほぐして金属板３７を送給する金属板供給手段（図示せず）と、該金属板供給手段から送給される金属板３７をロール成形して、アノードセパレータ４３に対応するアノードガス流路３９及びカソードセパレータ４７に対応するカソードガス流路４５を交互に連続して形成する流路成形手段（ロール成形装置）２７と、前記アノードガス流路３９が設けられたアノードセパレータ４３及びカソードガス流路４５が設けられたカソードセパレータ４７を、前記ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で前記金属板３７を貼り合わせる接合手段と、前記アノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７の境界部分５１に、折り曲げ加工を容易にする脆弱部である凹溝４９を形成する脆弱部形成手段（凸部６１，凹部６３，凸部６９，凹部７１）と、アノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７にシール材８１を塗布するシール材塗布手段８５と、前記凹溝４９を境に前記金属板３７を折り曲げて積層させる折曲げ積層手段とを備えている。

この脆弱部成形手段は、図９及び図１０で説明したように、プレス成形用の金型、又はロール成形用のロール体に設けた凸部６１，６９及び凹部６３，７１である。また、シール材塗布手段８５には、金属板３７の送り方向と該送り方向に直交する方向とに移動させることができるノズル８９を設けている。

さらに、このセパレータ製造装置８３の後工程には、セパレータ製造装置８３によって作成されたセパレータを用いて燃料電池スタック９５を製造する燃料電池スタック製造装置９７が配設されている。

この燃料電池スタック製造装置９７は、折り曲げたセパレータ同士の間に膜電極接合体５３を挿入する膜電極接合体挿入手段９１と、燃料電池スタック９５の折り曲げ部分７３の一方側を切断する切断手段９３とを備えている。

このように、燃料電池セパレータの製造装置８３及び燃料電池スタック製造装置９７は、一直線状に配置されており、コイル材から金属板３７を巻きほぐす工程から、セパレータを折り曲げて積層し、折り曲げ部分７３の一方側を切断して燃料電池用スタック９５を製造する工程までを連続して一環で行うことができるように構成されている。

なお、セパレータ折り曲げ工程においては、セパレータは、上下方向に起伏を繰り返す、側面視略三角状の連続体に形成されている。

以下に、本発明の実施形態による作用効果を説明する。

（１）本発明の実施形態による燃料電池用セパレータの製造方法は、コイル材から順次巻きほぐされる金属板３７に、アノードセパレータ４３に対応するアノードガス流路３９及びカソードセパレータ４７に対応するカソードガス流路４５を交互に連続して形成する流路成形工程と、前記アノードガス流路３９が設けられたアノードセパレータ４３及びカソードガス流路４５が設けられたカソードセパレータ４７を、前記成形工程によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で貼り合わせる貼合せ工程とを備えている。

このため、アノードセパレータ４３の反りとカソードセパレータ４７の反りとが相殺されて、平板状のセパレータを得ることができる。従って、反りを矯正する特別な装置が必要なくなり、コスト低減を図ることができる。

また、アノードセパレータ４３とカソードセパレータ４７とを連続して成形することができるため、製造時間を大幅に短縮することができる。

（２）さらに、前記金属板３７における隣接したアノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７の境界部分５１に、折り曲げ加工を容易にする脆弱部（凹溝４９）を形成し、該脆弱部を境にして前記アノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７を折り曲げて貼り合わせるため、アノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７を切り離すことなく、脆弱部を境に折り曲げることでセパレータを作成することができ、従ってセパレータの製造効率を向上させることができる。なお、脆弱部を設けない場合は、金属板３７を折り曲げる際に、この折り曲げ部分７３に不要な応力が発生するが、本発明によればそのような応力は生じない。

（３）また、前記脆弱部は、金属板３７の幅方向に沿って延びる凹溝４９であり、該凹溝４９を金属板３７の長手方向に所定間隔をおいて複数形成するため、金属板３７を前記凹溝４９を境に確実に折り曲げることができる。また、凹溝４９同士の間隔が金属板３７を折り曲げたときのセパレータ同士の積層方向の間隔に相当するため、セパレータ間に膜電極接合体５３を配置するスペースを確実に確保することができる。

（４）そして、前記凹溝４９を、ロール成形又はプレス成形によって形成するため、簡便な方法で凹溝４９を形成することができる。

（５）なお、前記アノードセパレータ４３とカソードセパレータ４７を交互に折り曲げて積層したのち、この折り曲げ部分７３の一方側を切断する。

燃料電池スタックにおいては、起電力を増幅するために複数のセルが直接に接続されるが、本発明によれば、全てのセパレータを繋げて積層させたのちに折り曲げ部分７３を切断することにより、燃料電池スタックの製造工程数を削減することができる。

（６）本発明の実施形態による燃料電池用セパレータの製造装置は、コイル材を巻きほぐして金属板３７を送給する金属板供給手段と、該供給手段から送給される金属板３７をロール成形して、アノードガス流路３９及びカソードガス流路４５を交互に連続して形成する流路成形手段と、前記アノードガス流路３９が設けられたアノードセパレータ４３及びカソードガス流路４５が設けられたカソードセパレータ４７を、前記ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で前記金属板を貼り合わせる接合手段と、を備えている。さらに、前記アノードセパレータ４３及びカソードセパレータ４７の境界部分５１に、折り曲げ加工を容易にする脆弱部を形成する脆弱部形成手段と、前記脆弱部を境に前記金属板３７を折り曲げて積層させる折曲げ積層手段とを備えている。

このため、コイル材を巻きほぐしてからセパレータの積層までを連続して行うことができ、生産効率を向上させることができる。

なお、前記金属板供給手段、ロール成形手段（流路成形手段）２７、脆弱部形成手段、及び折曲げ積層手段を直線状に配置すれば、リピートパーツの少ない従来のエンジン生産と同様のレイアウトでリピート部品の多い燃料電池用セパレータを生産することができる。このため、工程設計手法などを転用することが可能となり、既存技術を応用することができる。

本発明の実施形態による燃料電池スタックを示す斜視図である。 本発明の実施形態による燃料電池用セパレータの成形工程を示す斜視図である。 本発明の実施形態による燃料電池用セパレータを連続して成形した金属板を示す平面図である。 アノードセパレータとカソードセパレータとを貼り合わせる工程を示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとを、ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた側面図であり、（ｂ）はアノードセパレータとカソードセパレータとを貼り合わせた後の側面図である。 アノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分に凹溝を形成した金属板を示す平面図である。 図５の凹溝を境に金属板を折り曲げる工程を示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分の拡大側面図であり、（ｂ）は凹溝を境に金属板を折り曲げた後の拡大側面図である。 凹溝を２箇所設け、該凹溝を境に金属板を折り曲げる工程を示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分の拡大側面図であり、（ｂ）は凹溝を境に金属板を折り曲げた後の拡大側面図である。 凹溝を設けることなく、アノードセパレータとカソードセパレータとの境界部分を境に金属板を折り曲げた後の拡大側面図である。 凹溝を形成するプレス成形装置を概略的に示す側面図である。 凹溝を形成するロール成形装置を概略的に示す側面図である。 本発明の実施形態による燃料電池スタックを示し、（ａ）はアノードセパレータとカソードセパレータとの折り曲げ部分の一方側を切断する前の状態を示す斜視図であり、（ｂ）は切断した後の状態を示す断面図である。 本発明の実施形態による燃料電池スタックの製造装置及び製造工程の全体を概略的に示す平面図である。

２７…ロール成形装置（流路成形手段）
３７…金属板
３９…アノードガス流路
４３…アノードセパレータ
４５…カソードガス流路
４７…カソードセパレータ
４９…凹溝（脆弱部）
５１…境界部分
６１…凸部
６１，６９…凸部（脆弱部成形手段）
６３，７１…凹部（脆弱部成形手段）

Claims (7)

1. コイル材から順次巻きほぐされる金属板に、アノードガス流路及びカソードガス流路を交互に連続してロール成形によって形成する流路成形工程と、
   前記金属板における前記アノードガス流路が設けられた部分であるアノードセパレータ及び前記金属板におけるカソードガス流路が設けられた部分であるカソードセパレータを、前記流路成形工程によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で貼り合わせる貼合せ工程と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
2. 前記金属板における隣接したアノードセパレータ及びカソードセパレータの境界部分に、折り曲げ加工を容易にする脆弱部を形成し、該脆弱部を境にして前記アノードセパレータ及びカソードセパレータを折り曲げて貼り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造方法。
3. 前記脆弱部は、金属板の幅方向に沿って延びる凹溝であり、該凹溝を金属板の長手方向に所定間隔をおいて複数形成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造方法。
4. 前記凹溝を、ロール成形又はプレス成形によって形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
5. 前記アノードセパレータとカソードセパレータを交互に折り曲げて積層したのち、この折り曲げ部分の一方側を切断することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用セパレータの製造方法。
6. コイル材を巻きほぐして金属板を送給する金属板供給手段と、
   該金属板供給手段から送給される金属板をロール成形して、アノードガス流路及びカソードガス流路を交互に連続して形成する流路成形手段と、
   前記金属板における前記アノードガス流路が設けられた部分であるアノードセパレータ及び前記金属板におけるカソードガス流路が設けられた部分であるカソードセパレータを、前記ロール成形によって生じた反りの凸面同士を対向させた状態で前記金属板を貼り合わせる接合手段と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。
7. 前記アノードセパレータ及びカソードセパレータの境界部分に、折り曲げ加工を容易にする脆弱部を形成する脆弱部形成手段と、
   前記脆弱部を境に前記金属板を折り曲げて積層させる折曲げ積層手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池用セパレータの製造装置。

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