JP5381647B2 - 燃料電池用セパレータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池用セパレータ及びその製造方法に係り、詳しくはガス流路の断面積を広くできて燃料電池の発電効率を向上することができる燃料電池用セパレータ及びその製造方法に関する。

固体高分子型の燃料電池は、平板状の電極構造体（ＭＥＡ：Membranｅ・Electrode・Asembly）の両側にセパレータが積層された発電セルを、複数積層して燃料電池のスタックとしている。前記電極構造体は、正極（カソード）及び負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟着された三層構造となっている。前記セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路が形成されている。そして、例えば正極側のガス拡散電極（正電極層）に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流し、負極側のガス拡散電極（負電極層）に面するガス流路に燃料である水素ガスを流すことにより、電気化学反応が起こり、電気が発生する。

上述した燃料電池に用いられる金属製のセパレータとして、特許文献１に開示されたものが提案されている。このセパレータは、図９に示すように、基板３５に一対のリブ３６とウェブ３７とよりなる複数の凸条部Ｔが成形されている。前記リブ３６は基板３５に対し傾斜角αだけ傾斜するように屈曲成形されている。各凸条部Ｔの間には、ガス流路用溝１８が形成され、該ガス流路用溝１８の開口１９が正電極層１４によって閉塞されることで、ガス流路２０が形成される。

前記基板３５に対してリブ３６を傾斜させた理由は、正電極層１４に対する当接部としてのウェブ３７の接触面積を広くして通電を適正に行うとともに、ガス流路２０の通路断面積も適正に確保するためである。リブ３６を傾斜させるためには、成形装置を用いて精密コイニング加工が行われる。

一方、燃料電池用のセパレータとして、特許文献２に開示されたものも提案されている。このセパレータ１６は、図１０に示すように、ほぼ直線状に延びた複数本の凸条部Ｔを設けることにより凸条部Ｔ間にガス流路用溝１８を形成し、凸条部Ｔを正電極層１４（又は負電極層）に当接させてガス流路用溝１８をガス流路２０に形成するようになっている。前記凸条部Ｔは、基板３５に対してほぼ直角に立ち上げた一対のリブ（特許文献２では縦壁部）３６と、それぞれのリブ３６の上端から外側に向けて張り出した張出部３６７と、それぞれの張出部３６７の上端に、前記基板３５に対して平行になるように掛け渡したウェブ３７（特許文献２では当接部）とによって構成されている。

特開２００４‐２６５８５６号公報（明細書の段落０００９、００１０及び図１参照） 特開２００４‐２８１１４６号公報（明細書の段落００３４〜００３７及び図３参照）

ところが、図９に示すリブ３６が傾斜したセパレータ１６を、周知のコイニング加工を用いて成形する際には、次のような問題が生じた。即ち、基板３５とリブ３６の境界部３９及びリブ３６とウェブ３７の境界部３９が塑性変形するので、基板３５に対するリブ３６の傾斜角αが８０°以下になると、境界部３９に応力集中が生じて被加工材の割れや破断が生じ易くなる。このため、前記セパレータ１６の厚さ寸法を適正に保持し、ガス流路２０の通路断面積を適正に確保した状態で、傾斜角αを小さくすることが難しい。

一方、図１０に示すセパレータ１６は、張出部３６７によって、前記正電極層１４に対するウェブ３７の当接面積を加工することができる。しかし、張出部３６７を成形する作業に多数の工程（特許文献２の明細書の段落００４１〜００７３及び図７〜図１４参照）を要するため、非常に面倒であり、製造コストを低減することができないという問題があった。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、ガス流路の面積を広くすることができるとともに、基板に対しリブを傾斜させる加工動作を適正に行ない、製造コストを低減することができる燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板にリブとウェブとよりなる複数の凸条部を平行に形成して、各凸条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、前記基板の幅方向の中間部の内面に、鍛造によって前記凸条部と平行な帯状溝を成形することにより、前記基板に薄肉部を成形するとともに、前記基板のリブ間の部分を拡幅して、該基板に対する前記リブの傾斜角が９０゜未満となるよう前記リブを傾斜させたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記基板と前記リブとの境界部は、円弧状に成形されていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記ウェブの幅方向の中間部の表面には、鍛造によって前記凸条部と平行に補助帯状溝を成形することにより前記ウェブに薄肉部が成形されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記帯状溝の横断面は、中央部から両側方に行くに従って浅くなるように偏平Ｖ字状に成形されていることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、基板にリブとウェブとよりなる複数の凸条部を平行に形成して、各凸条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータの製造方法において、平板状の基板に一対の平行なリブとウェブとよりなる複数の凸条部を成形する第１の工程と、前記基板のリブ間の部分の幅方向の中間部の内面を、鍛造により外面側に圧縮変形させて、帯状溝及び薄肉部を成形することにより、前記基板のリブ間の部分を拡幅して、該基板に対する前記リブの傾斜角が９０゜未満となるよう前記リブを傾斜させる第２の工程とを含むことを要旨とする。

（作用）
この発明は、基板の幅方向の中央部のガス流路側の内面に帯状溝が鍛造により成形されているので、ガス流路の通路断面積を広くすることができる。又、基板に帯状溝及び薄肉部を鍛造により成形する行程で、基板が拡幅されて、リブが傾斜される。このため、周知のコイニング加工によってリブを傾斜させる加工方法と比較して、基板とリブとの境界部の応力集中が緩和され、被加工材の割れが防止される。前記基板の拡幅によって、前記リブが所望する傾斜角に容易に傾斜される。

本発明によれば、ガス流路の面積を広くすることができるとともに、基板に対しリブを傾斜させる加工を容易に行ない、製造コストを低減することができる。

この発明を具体化した燃料電池用セパレータの部分断面図。 セパレータの製造方法を説明する上型と下型の離型状態の断面図。 上型と下型の型締め状態の断面図。 セパレータの基板に帯状溝及び薄肉部を鍛造する鍛造装置の型締め状態の断面図。 燃料電池の発電セルの構成部品を示す分解斜視図。 この発明の別の実施形態のセパレータの鍛造装置を示す型締め状態の断面図。 別の実施形態のセパレータの部分断面図。 この発明の別の実施形態を示すセパレータの部分断面図。 従来の燃料電池用セパレータの部分断面図。 従来の別の燃料電池用セパレータの部分断面図。

以下、本発明を具体化した燃料電池用セパレータの一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。
最初に、図５に基づいて、本実施形態のセパレータを用いた燃料電池について説明する。

この燃料電池の発電セル１１を構成する四角環状の枠体１２の内側には、固体高分子電解質膜１３が収容され、該固体高分子電解質膜１３の表面に正電極層１４及び負電極層１５が積層される。前記枠体１２及び正電極層１４の表面には正極用のセパレータ１６が当接され、前記枠体１２及び負電極層１５の表面には負極用のセパレータ１７が当接される。この発電セル１１が多数枚積層されて燃料電池スタックとして構成される。

前記正極用のセパレータ１６の前記正電極層１４に接触する面には、酸素ガス流路用溝１８（ガス流路用溝）が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。この酸素ガス流路用溝１８の開口１９が前記正電極層１４によって閉塞されることにより酸素ガス流路（ガス流路）２０が形成されている。前記セパレータ１６の上部には酸素ガス供給孔２１が形成され、該酸素ガス供給孔２１から共通のガス流路２２を通して酸素ガスが前記各酸素ガス流路２０に供給されるようになっている。前記セパレータ１６の下部には酸素ガス排出孔２３が形成され、各酸素ガス流路２０から発電に供された酸素オフガスが共通のガス流路２４を通して酸素ガス排出孔２３から排出されるようになっている。

前記負極用のセパレータ１７の前記負電極層１５に接触する面には、燃料ガス流路用溝２５（ガス流路用溝）が上下方向に、かつ互いに平行に形成されている。このガス流路用溝２５の開口２６が前記負電極層１５によって閉塞されることにより燃料ガス流路（ガス流路）２７が形成されている。前記セパレータ１７の上部には燃料ガス供給孔２８が形成され、該燃料ガス供給孔２８からガス流路（図示しないが前記ガス流路２２参照）を通して燃料ガスが前記各燃料ガス流路２７に供給されるようになっている。前記セパレータ１７の下部には燃料ガス排出孔２９が形成され、各燃料ガス流路２７から発電に供された燃料オフガスが共通のガス流路（図示しないが前記ガス流路２４参照）を通して燃料ガス排出孔２９から排出されるようになっている。

次に、前記セパレータ１６の構成について説明する。なお、一方のセパレータ１７は、他方のセパレータ１６と同様に構成されているので、構成の説明を省略する。この実施形態においては、図１において、セパレータ１６のガス流路用溝１８（ガス流路２０）の両側を左右とし、正電極層１４側を上部、正電極層１４から離れる側を下部とする。

図１に示すように、ステンレススチールよりなるセパレータ１６の基板３５の左右両側縁には、リブ３６が一体に、かつ上端（正電極層１４側）ほど互いに間隔が狭くなるように傾斜状態に成形され、両リブ３６の先端部間には、正電極層１４に接触される平板状のウェブ３７が一体に成形されている。前記両リブ３６及びウェブ３７によって基板３５に複数の凸条部Ｔが形成され、各凸条部Ｔの間に前記ガス流路用溝１８が形成され、前記正電極層１４によってガス流路用溝１８の開口１９が閉塞されることで、前記ガス流路用溝１８がガス流路２０に形成されている。

前記基板３５に対するリブ３６の傾斜角αは、例えば５０°〜８０°の範囲に設定され、この実施形態では７０°に設定されている。前記基板３５とリブ３６の境界部３９は、ガス流路用溝１８の外側に膨らむ円弧状に成形されている。前記凸条部Ｔの外側に形成された溝は、燃料電池の発電の際に冷却水を流すための冷却水用の溝４０として用いられる。

前記ガス流路用溝１８側の基板３５の内面には、該基板３５の幅方向の中央部に位置するように、所定幅寸法の帯状溝３５ａが形成され、該帯状溝３５ａによって基板３５の幅方向の中央部に薄肉部３５ｂが成形されている。

次に、前記のように構成されたセパレータ１６の製造方法について説明する。
最初に、この製造方法に用いられる成形装置及び鍛造装置について、順次説明する。図２に示すように、成形装置を構成する下型４１の上面には、複数の突条４２が形成されるとともに、各突条４２の間に溝４３が形成されている。上型４４の下面には前記各溝４３と対応するように複数の突条４５が一体に形成されるとともに、各突条４５の間には前記突条４２と対応するように複数の溝４６が形成されている。前記下型４１及び上型４４は、図５に示すセパレータ１６の酸素ガス流路用溝１８の全体を同時成形するように構成されているが、図２ではその一部のみ図示した。

図４に示すように、鍛造装置を構成する下型５１の成形面５１ａは、平面状に形成され、該成形面５１ａには前記リブ３６を位置規制するための複数の位置規制突条５１ｂが一体に、かつ互いに平行に形成されている。上型５２の成形面５２ａは平面状に形成され、該成形面５２ａには、前記基板３５に帯状溝３５ａ及び薄肉部３５ｂを鍛造成形するための突条５３が一体に形成されている。前記突条５３の基端部両側には前記ウェブ３７の両端部を位置規制するための位置規制部５３ａが一体に形成されている。図５に示すセパレータ１６を成形する下型５１及び上型５２は、前記ガス流路用溝１８、開口１９、酸素ガス供給孔２１、酸素ガス排出孔２３及びガス流路２２，２４を同時成形するように構成されているが、図４では下型５１及び上型５２も図２と同様に一部のみを図示した。

次に、第１及び第２成形装置を用いて、セパレータ１６を成形する方向について説明する。
図２に示すように、成形装置の型開き状態の下型４１の突条４２の上面にステンレススチールよりなる平板状の被加工材４７を載置する。

次に、図３に示すように上型４４を下降させて、下型４１に上型４４を型締めし、被加工材４７の基板３５に、リブ３６及びウェブ３７よりなる凸条部Ｔを蛇行するように成形する。この製造工程においては、前記基板３５に対してリブ３６がほぼ直交するように成形される。

次に、成形装置によって成形されたセパレータ１６を、図４に示すように、鍛造装置の下型５１及び上型５２によって成形し、前記基板３５の幅方向の中央部に突条５３によって帯状溝３５ａ及び薄肉部３５ｂを鍛造成形する。この帯状溝３５ａが鍛造成形されることによって、基板３５には薄肉部３５ｂが圧縮成形される。この薄肉部３５ｂの圧縮成形時に基板３５の中間部の板厚が減少するので、その分、基板３５の幅方向の両側縁部が互いに離隔する方向に組成変形されて、基板３５が拡幅される。この結果、基板３５に対し一対のリブ３６が傾斜される。

上記実施形態の燃料電池用セパレータによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、図１に示すように、セパレータ１６の基板３５の中央部に帯状溝３５ａを形成した。このため、前記帯状溝３５ａにより酸素ガス流路用溝１８の容積を広くして、酸素ガス流路２０を流れる酸素ガスの流量を増大して、燃料電池の発電効率を向上することができる。

（２）上記実施形態では、図４に示すように鍛造装置の下型５１及び上型５２を用いて、前記基板３５の幅方向の中央部に上型５２の突条５３によって帯状溝３５ａ及び薄肉部３５ｂを鍛造成形するようにした。このため、前記正電極層１４に接触されるウェブ３７の幅Ｗの寸法及びリブ３６の高さｈ（セパレータ１６の厚さ）寸法をほぼ一定に保持することができる。従って、図９に示す従来の成形方法と比較して、前記基板３５とリブ３６の境界部３９への応力集中が緩和され、被加工材４７に割れが生じるのが防止され、基板３５の幅寸法を容易に拡幅することができる。この基板３５の拡幅によって、前記リブ３６の傾斜角αを所望する範囲に容易に設定することができる。

（３）上記実施形態では、基板３５とリブ３６との境界部３９を、図１に示すように、それぞれ円弧状にしたので、鋭角状に成形された境界部と比較して、発電によってガス流路２０内に生成された生成水が境界部３９の内面に付着しにくくなって、生成水を適正に排水することができる。このためガス流路２０を流れる酸素ガスの流量を増大して、燃料電池の発電効率を向上することができる。

（４）上記実施形態では、前記下型５１の成形面５１ａに位置規制突条５１ｂを設け、上型５２の成形面５２ａに位置規制部５３ａを設けたので、リブ３６及びウェブ３７を位置規制して、成形寸法精度を向上することができる。

次に、この発明の別の実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。
この実施形態のセパレータ１６は図６に示すように、前記基板３５の幅方向の中央部に形成された帯状溝３５ａの横断面の形状を、基板３５の幅方向の中心から遠くなるに従って浅くなるように偏平山形状に成形したものである。このセパレータ１６の成形に用いられる鍛造装置においては、図６に示すように、上型５２の突条５３の下端の成形面５３ｂの形状が緩やかな山形状に形成されている。

上記実施形態では、前述した肉厚が均一の薄肉部３５ｂの鍛造と比較して、被加工材が基板３５の幅方向に圧延され易いので、薄肉部３５ｂの鍛造が容易となる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。

・図８に示すように、前記ウェブ３７の前記正電極層１４と反対側の表面に補助帯状溝３７ａ及び薄肉部３７ｂを形成するようにしてもよい。この場合には、凸条部Ｔの内側に形成される冷却水流路用溝４０の通路面積を広くし、燃料電池の冷却効率を向上することができる。

・前記基板３５の帯状溝３５ａの左右両側の形状を、例えば四半円弧状等の滑らかな形状にしてもよい。
・図４に示す上型５２の突条５３の間に、前記基板３５の帯状溝３５ａの鍛造工程において、前記ウェブ３７の左右両側を位置規制する位置規制部を設けてもよい。

次に、前述した実施形態から把握される請求項以外の技術的思想について、効果とともに順次説明する。
（イ）基板にリブとウェブとよりなる複数の凸条部を平行に形成して、各凸条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータの製造装置であって、
平板状の基板に一対の平行なリブとウェブとよりなる複数の凸条部を成形するための下型及び上型と、
前記基板のリブ間の部分の幅方向の中間部の内面を、鍛造により外面側に圧縮変形させて、帯状溝及び薄肉部を成形するとともに、前記基板のリブ間の部分を拡幅して、該リブ間の部分に対し前記リブを傾斜させる鍛造用下型及び鍛造用上型とを含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。

上記の製造装置によれば、燃料電池用セパレータを容易に製造することができる。
（ロ）上記技術的思想（イ）において、鍛造用下型には、前記リブの位置を規制する位置規制突条が設けられ、鍛造用上型には、ウェブの両端を位置規制する位置規制部が設けられていることを特徴とする燃料電池用セパレータの製造装置。

上記の製造装置によれば、燃料電池用セパレータの成形寸法精度を向上することができる。

Ｔ…凸条部、１８，２５…ガス流路用溝、３５…基板、３５ａ，３７ａ…帯状溝、３５ｂ，３７ｂ…薄肉部、３６…リブ、３７…ウェブ、３９…境界部。

Claims (5)

1. 基板にリブとウェブとよりなる複数の凸条部を平行に形成して、各凸条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータにおいて、
   前記基板の幅方向の中間部の内面に、鍛造によって前記凸条部と平行な帯状溝を成形することにより、前記基板に薄肉部を成形するとともに、前記基板のリブ間の部分を拡幅して、該基板に対する前記リブの傾斜角が９０゜未満となるよう前記リブを傾斜させたことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
2. 請求項１において、前記基板と前記リブとの境界部は、円弧状に成形されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
3. 請求項１又は２において、前記ウェブの幅方向の中間部の表面には、鍛造によって前記凸条部と平行に補助帯状溝を成形することにより前記ウェブに薄肉部が成形されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、前記帯状溝の横断面は、中央部から両側方に行くに従って浅くなるように偏平Ｖ字状に成形されていることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
5. 基板にリブとウェブとよりなる複数の凸条部を平行に形成して、各凸条部の間にガス流路用溝を形成した燃料電池用セパレータの製造方法において、
   平板状の基板に一対の平行なリブとウェブとよりなる複数の凸条部を成形する第１の工程と、
   前記基板のリブ間の部分の幅方向の中間部の内面を、鍛造により外面側に圧縮変形させて、帯状溝及び薄肉部を成形することにより、前記基板のリブ間の部分を拡幅して、該基板に対する前記リブの傾斜角が９０゜未満となるよう前記リブを傾斜させる第２の工程と
   を含むことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。

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