JP6056347B2

JP6056347B2 - 燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置

Info

Publication number: JP6056347B2
Application number: JP2012224206A
Authority: JP
Inventors: 金森　謙二; 謙二金森; 森田　司; 司森田; 樋口　学; 学樋口; 桂太入月
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-10-09
Also published as: JP2014078337A

Description

本発明は、燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置に関する。

燃料電池は、カソード電極およびアノード電極を有する膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）と、膜電極接合体を挟持するセパレータと、を有する。セパレータは、例えば、ステンレス鋼鈑からなり、カソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を有するカソードセパレータと、アノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を有するアノードセパレータと、を有し、生産性を向上させるため、順送プレスで製造される（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−１２５４６２号公報

しかし、膜電極接合体とガス流路との接触部におけるガスの拡散を促進し、出力の向上を図るため、カソードセパレータのガス流路を構成するリブ部と、アノードセパレータのガス流路を構成するリブ部と、がオフセットしている構造を採用する場合、従来の順送プレスの適用によるセパレータ製造は、設備コストに問題を有する。例えば、ガス流路を成形するための金型は、ガス流路本数が多いため、極めて高価であるが、カソードセパレータ用およびアノードセパレータ用にそれぞれ用意する必要があり、また、プレス設備などの付帯設備も併設されるため、設備コストが上昇する。

本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池の製造方法および燃料電池の製造装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一様相は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形されており、前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造方法である。前記燃料電池の製造方法は、前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造工程を有し、前記セパレータ製造工程は、前記第１および第２セパレータに係る同一形状のリブ部を、共用される金型によって前記素材金属板に成形するリブ成形工程を、有する。また、前記セパレータ製造工程は、前記第１セパレータに係る第１シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第１シール溝成形部によって、前記素材金属板に前記第１シール溝を成形し、また、前記第２セパレータに係る第２シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第２シール溝成形部によって、前記素材金属板に前記第２シール溝を成形するシール溝成形工程を、さらに有する。そして、前記シール溝成形工程において、前記素材金属板に前記第１シール溝成形部によって前記第１シール溝を成形する際、前記第２シール溝成形部は、アイドル状態になるように制御され、前記素材金属板に前記第２シール溝成形部によって前記第２シール溝を成形する際、前記第１シール溝成形部は、アイドル状態になるように制御される。
前記燃料電池の製造方法の別の様相においては、前記セパレータ製造工程は、前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を成形し、また、前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を成形するマニホールド穴形成工程を、さらに有する。そして、前記マニホールド穴形成工程において、前記素材金属板に前記第１マニホールド穴形成部によって前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御され、前記素材金属板に前記第２マニホールド穴形成部によって前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御される。

上記目的を達成するための本発明の別の様相は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形され、前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造装置である。前記燃料電池の製造装置は、前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造手段を有し、前記セパレータ製造手段は、前記リブ部を成形する金型を有するリブ成形部を有し、前記リブ成形部の前記金型は、前記第１および第２セパレータで共用される。また、前記セパレータ製造手段は、前記第１セパレータに係る第１シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第１シール溝成形部と、前記第２セパレータに係る第２シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第２シール溝成形部と、前記第１シール溝成形部および前記第２シール溝成形部を制御する制御手段と、をさらに有する。そして、前記制御手段は、前記第１シール溝成形部によって前記素材金属板に前記第１シール溝を成形する際、前記第２シール溝成形部をアイドル状態になるように制御し、前記第２シール溝成形部によって前記素材金属板に前記第２シール溝を成形する際、前記第１シール溝成形部をアイドル状態になるように制御する。
前記燃料電池の製造装置の別の様相においては、前記セパレータ製造手段は、前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部と、前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部と、前記第１マニホールド穴形成部および前記第２マニホールド穴形成部を制御する制御手段と、をさらに有する。そして、前記制御手段は、前記第１マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御し、前記第２マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御する。

本発明の一様相および別の様相に係る燃料電池の製造方法および製造装置においては、リブ成形用金型を第１および第２セパレータで共用しているため、設備コストが低減される。また、製造された燃料電池は、第１および第２セパレータのリブ部のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有するため、膜電極接合体とガス流路との接触部におけるガスの拡散が促進され、燃料電池の出力が向上する。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池の製造方法および製造装置を提供することができる。特に、第１シール溝成形部によって素材金属板に第１シール溝を成形する際、第２シール溝成形部をアイドル状態になるように制御し、第２シール溝成形部によって素材金属板に第２シール溝を成形する際、第１シール溝成形部をアイドル状態になるように制御する場合、素材金属板に第１および第２シール溝を交互に成形する際、シール溝成形用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上し、また、第１マニホールド穴形成部によって素材金属板に第１マニホールド穴を形成する際、第２マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御し、第２マニホールド穴形成部によって素材金属板に第２マニホールド穴を形成する際、第１マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御する場合、素材金属板に第１および第２マニホールド穴を交互に成形する際、マニホールド穴打抜き用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図である。図１に示される膜電極接合体を説明するための断面図である。図１に示されるアノードセパレータを説明するための斜視図である。図１に示されるカソードセパレータを説明するための斜視図である。アノードおよびカソードセパレータの中間部を説明するための斜視図である。アノードおよびカソードセパレータの相対配置を説明するため斜視図である。本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明するためのフローチャートである。図７に示されるセパレータ製造工程に適用される製造装置を説明するための斜視図である。図８に示される製造装置の機能を説明するための斜視図である。図９に示される第１シール溝成形部を説明するための断面図である。図１０に示される第１シール溝成形部のアイドル状態を説明するための断面図である。本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための概略斜視図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための分解斜視図、図２は、図１に示される膜電極接合体を説明するための断面図である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池１０は、例えば、水素を燃料とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用され、図１に示されるように、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅｅｌｅｃｔｒｏｄｅａｓｓｅｍｂｌｙ）２０およびセパレータ５０，５５を有する。膜電極接合体２０は、図２に示されるように、高分子電解質膜３０、触媒層３２，３３およびガス拡散層（ＧＤＬ：ＧａｓＤｉｆｆｕｓｉｏｎＬａｙｅｒ）３５，３６を有する。

触媒層３２は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、水素の酸化反応が進行するアノード触媒層であり、高分子電解質膜３０の一方の側に配置される。触媒層３３は、触媒成分、触媒成分を担持する導電性の触媒担体および高分子電解質を含んでおり、酸素の還元反応が進行するカソード触媒層であり、高分子電解質膜３０の他方の側に配置される。

高分子電解質膜３０は、触媒層３２で生成したプロトンを触媒層３３へ選択的に透過させる機能およびアノード側に供給される燃料ガスとカソード側に供給される酸化剤ガスとを混合させないための隔壁としての機能を有する。

ガス拡散層３５は、アノード側に供給される燃料ガスを分散させるためのアノードガス拡散層であり、セパレータ５０と触媒層３２との間に位置している。ガス拡散層３６は、カソード側に供給される酸化剤ガスを分散させるためのカソードガス拡散層であり、セパレータ５５と触媒層３３との間に位置している。

セパレータ５０，５５は、単セルを電気的に直列接続する機能および燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒を互いに遮断する隔壁としての機能を有し、膜電極接合体２０と略同一形状であり、後述される順送プレスによってステンレス鋼鈑から製造されている。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましく、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。

セパレータ５０は、膜電極接合体２０のアノード側に配置されるアノードセパレータであり、触媒層３２に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ５０との間に位置するガス流路４０を構成するリブ部５２を有する。ガス流路４０は、燃料ガスを触媒層３２に供給するために利用される。

セパレータ５５は、膜電極接合体２０のカソード側に配置されるカソードセパレータであり、触媒層３３に相対し、膜電極接合体２０とセパレータ５５との間に位置するガス流路４５を構成するリブ部５７を有する。ガス流路４５は、酸化剤ガスを触媒層３３に供給するために利用される。

セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７は、同一形状であり、かつ、セパレータ５０，５５を膜電極接合体２０を挟持するように相対配置した状態（セパレータ５０，５５の製造時の状態を基準として、セパレータ５０，５５の一方を１８０度回転させた状態）において、リブ位相がオフセットしており（図２参照）、かつ、オフセットは、リブピッチＰの２分の１である。

次に、各構成部材の材質およびサイズ等について詳述する。

高分子電解質膜３０は、パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーから構成されるフッ素系高分子電解質膜、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂膜、リン酸やイオン性液体等の電解質成分を含浸した多孔質状の膜を、適用することが可能である。パーフルオロカーボンスルホン酸系ポリマーは、例えば、ナフィオン（登録商標）（デュポン株式会社製）、アシプレックス（登録商標）（旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標）（旭硝子株式会社製）等である。多孔質状の膜は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）から形成される。

高分子電解質膜３０の厚みは、特に限定されないが、強度、耐久性および出力特性の観点から５〜３００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜２００μｍである。

触媒層（カソード触媒層）３５に用いられる触媒成分は、酸素の還元反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。触媒層（アノード触媒層）３４に用いられる触媒成分は、水素の酸化反応に触媒作用を有するものであれば、特に限定されない。

具体的な触媒成分は、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、タングステン、鉛、鉄、クロム、コバルト、ニッケル、マンガン、バナジウム、モリブデン、ガリウム、アルミニウム等の金属、及びそれらの合金等などから選択される。触媒活性、一酸化炭素等に対する耐被毒性、耐熱性などを向上させるために、少なくとも白金を含むものが好ましい。カソード触媒層およびアノード触媒層に適用される触媒成分は、同一である必要はなく、適宜変更することが可能である。

触媒層３２，３３に用いられる触媒の導電性担体は、触媒成分を所望の分散状態で担持するための比表面積、および、集電体として十分な電子導電性を有しておれば、特に限定されないが、主成分がカーボン粒子であることが好ましい。カーボン粒子は、例えば、カーボンブラック、活性炭、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛から構成される。

触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、少なくとも高いプロトン伝導性を有する部材であれば、特に限定されず、例えば、ポリマー骨格の全部又は一部にフッ素原子を含むフッ素系電解質や、ポリマー骨格にフッ素原子を含まない炭化水素系電解質が適用可能である。触媒層３２，３３に用いられる高分子電解質は、高分子電解質膜３０に用いられる高分子電解質と同一であっても異なっていてもよいが、高分子電解質膜３０に対する触媒層３２，３３の密着性を向上させる観点から、同一であることが好ましい。

ガス拡散層３５，３６は、例えば、グラッシーカーボン等の炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルト、不織布といった導電性及び多孔質性を有するシート状材料を、基材として構成される。基材の厚さは、特に限定されないが、機械的強度およびガスや水などの透過性の観点から、３０〜５００μｍが好ましい。ガス拡散層３５，３６は、撥水性およびフラッディング現象の抑制の観点から、基材に撥水剤を含ませることが好ましい。撥水剤は、例えば、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ポリヘキサフルオロプロピレン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系の高分子材料、ポリプロピレン、ポリエチレンである。

セパレータ５０，５５は、ステンレス鋼から構成する形態に限定されず、その他の金属材料（例えば、アルミニウムやクラッド材）を適用することも可能である。

次に、セパレータ５０，５５を詳述する。

図３および図４は、図１に示されるアノードおよびカソードセパレータを説明するための斜視図、図５は、アノードおよびカソードセパレータの中間部を説明するための斜視図、図６は、アノードおよびカソードセパレータの相対配置（積層構造）を説明するため斜視図である。

セパレータ５０，５５は、例えば、板厚が０．１ｍｍのオーステナイト系ステンレス（ＳＵＳ３１６Ｌ）板から形成され、図３および図４に示されるように、端部６０，６５および中間部５１，５６を有する。

端部６０，６５は、中間部５１，５６の外側に位置し、マニホールド穴６１，６６と、マニホールド穴６１，６６の周辺に配置されるシールを位置決めするための第１および第２シール溝（不図示）と、を有する。マニホールド穴形状は、水素通過用、酸素通過用および冷却水通過用で異なるため、マニホールド穴６１および第１シール溝と、マニホールド穴６６および第２シール溝とは、セパレータ５０，５５を膜電極接合体２０を挟持するように相対配置した状態において、一致するが（重なるが）、セパレータ５０，５５の製造時の状態においては、勝手違いになっている。

中間部５１（５６）は、図５に示されるように、リブ部５２（５７）、移行部５３Ａ，５３Ｂ（５８Ａ，５８Ｂ）および枠部５４Ａ，５４Ｂ（５９Ａ，５９Ｂ）を有する。

リブ部５２，５７は、リブ成形用金型を共用するため、同一形状であり、リブ本数およびリブピッチＰが同一である。枠部５４Ａ，５４Ｂ（５９Ａ，５９Ｂ）は、中間部５１（５６）の縁部に位置する同一形状の隆起部である。移行部５３Ａ，５３Ｂ（５８Ａ，５８Ｂ）は、リブ部５２（５７）と枠部５４Ａ，５４Ｂ（５９Ａ，５９Ｂ）との間に位置する平坦部である。横断面方向Ｃに関し、移行部５３Ｂ（５８Ｂ）の長さＬ_２は、移行部５３Ａ（５８Ａ）の長さＬ_１より大きく、その差は、リブピッチＰの２分の１の値に一致している。

したがって、セパレータ５０，５５を膜電極接合体２０を挟持するように相対配置した場合（セパレータ５０，５５の製造時の状態を基準として、セパレータ５０，５５の一方を１８０度回転させた場合）、図６に示されるように、リブ部５２，５７のリブ位相がオフセットし、かつ、オフセットは、リブピッチＰの２分の１となる。

つまり、セパレータ５０，５５を膜電極接合体２９を挟持するように相対配置することにより、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有する燃料電池を得ることができる。この場合、膜電極接合体２０とガス流路４０，４５との接触部におけるガスの拡散が促進し、燃料電池１０の出力が向上する。また、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７は同一形状であるため、極めて高価なリブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用することができる。この場合、従来２つ用意されていたリブ成形用金型および併設されるプレス設備などの付帯設備の一方を削減し、設備コストを低減することが可能である。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池用セパレータおよび燃料電池を提供することができる。

次に、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法および製造装置を説明する。

図７は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法を説明するためのフローチャート、図８は、図７に示されるセパレータ製造工程に適用される製造装置を説明するための斜視図、図９は、図８に示される製造装置の機能を説明するための斜視図である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の製造方法は、図７に示されるように、セパレータ製造工程、搭載工程および組立工程を有する。

セパレータ製造工程は、図８に示される順送プレス装置（セパレータ製造手段）１００が適用され、スリット形成工程、位置決め穴形成工程、リブ部成形工程、シール溝成形工程、マニホールド形成工程、トリム工程を含んでおり、順送プレスによって、共用される素材金属板１９２からセパレータ５０，５５が交互に製造される。素材金属板１９２は、例えば、コイル材１９０から引出される。

搭載工程においては、セパレータ製造工程において製造されたセパレータ５０，５５がパレット１７０，１７５にそれぞれ搭載される。

組立工程においては、パレット１７０，１７５にそれぞれ搭載されたセパレータ５０，５５が取り出され、膜電極接合体２０を挟持するように相対配置（セパレータ５０，５５の製造時の状態を基準として、セパレータ５０，５５の一方を１８０度回転させた状態に配置）して、積層される。これにより、リブ部５２，５７のリブ位相がオフセットしており、かつ、オフセットがリブピッチＰの２分の１となる構造が容易に得られる。

次に、順送プレス装置１００およびセパレータ製造工程を順次詳述する。

順送プレス装置１００は、図８および図９に示されるように、スリット形成部１０５、位置決め穴形成部１１０、リブ成形部１１５、第１シール溝成形部１２０、第２シール溝成形部１４０、第１マニホールド穴形成部１４５、第２マニホールド穴形成部１５０、トリム部１５５、搬出部１６０および制御部１６５を有する。なお、制御部１６５は、例えば、マイクロプロセッサ等から構成される制御回路を有しており、順送プレス装置１００の各機能は、それに対応する制御プログラムを制御部１６５が実行することにより発揮される。また、符号１３８、１４２、１４７および１５２は、第１シール溝成形部１２０、第２シール溝成形部１４０、第１マニホールド穴形成部１４５および第２マニホールド穴形成部１５０の金型を、アイドル状態になるように制御するために利用される往復動手段（後述）を示している。

スリット形成部１０５は、素材金属板１９２にスリット１９４を形成し、素材金属板１９２の剛性を調整するために使用される。スリット１９４は、セパレータ５０となる領域（製品予定部）と、セパレータ５５となる領域（製品予定部）との境界部に配置される。例えば、素材金属板１９２の板厚は０．１ｍｍかつ幅が４５０ｍｍ以上であり、順送プレス時において振動し易いが、製品予定部間の境界部は、無加工（無成形）であり、剛性が弱いため、振動に起因するたわみが顕著となり、金型と干渉する虞がある。そのため、スリット１９４を形成することにより、剛性を向上させている。製品予定部間の境界部の剛性向上は、スリット１９４を形成する形態に限定されない。

位置決め穴形成部１１０は、例えば、ロケートピンを挿入するための位置決め穴１９６を素材金属板１９２を形成するために使用される。位置決め穴１９６は、製品予定部における四隅の外側に配置される。

リブ成形部１１５は、セパレータ５０，５５で共用される金型を有し、同一形状のリブ部５２，５７を成形する。つまり、極めて高価なリブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用しているため、従来２つ用意されていたリブ成形用金型および併設されるプレス設備などの付帯設備の一方を削減し、設備コストを低減することが可能である。また、製造された燃料電池１０は、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有するため、膜電極接合体２０とガス流路４０，４５との接触部におけるガスの拡散が促進し、燃料電池１０の出力が向上する。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池の製造装置を提供することができる。

第１シール溝成形部１２０は、セパレータ５０に係る第１シール溝を素材金属板１９２に成形する金型を有する。第２シール溝成形部１４０は、セパレータ５５に係る第２シール溝を素材金属板１９２に成形する金型を有する。第１および第２シール溝成形部１２０，１４０は、制御部１６５によって制御自在に構成されている。

例えば、制御部１６５は、第１シール溝成形部１２０によって素材金属板１９２に第１シール溝を成形する際、第２シール溝成形部１４０をアイドル状態になるように制御し、第２シール溝成形部１４０によって素材金属板１９２に第２シール溝を成形する際、第１シール溝成形部１２０をアイドル状態になるように制御する。この場合、素材金属板に第１および第２シール溝を交互に成形する際、シール溝成形用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

第１マニホールド穴形成部１４５は、セパレータ５０に係るマニホールド穴６１を素材金属板１９２に形成する金型を有する。第２マニホールド穴形成部１５０は、セパレータ５５に係るマニホールド穴６６を素材金属板１９２に形成する金型を有する。第１マニホールド穴形部１４５および第２マニホールド穴形成部１５０は、制御部１６５によって制御自在に構成されている。

例えば、制御部１６５は、第１マニホールド穴形成部１４５によって素材金属板１９２にマニホールド穴６１を形成する際、第２マニホールド穴形成部１５０をアイドル状態になるように制御し、第２マニホールド穴形成部１５０によって素材金属板１９２にマニホールド穴６６を形成する際、第１マニホールド穴形成部１４５をアイドル状態になるように制御する。この場合、素材金属板１９２にマニホールド穴６１，６６を成形する際、マニホールド穴打抜き用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

トリム部１５５は、素材金属板１９２を打抜いて、セパレータ５０，５５の製品形状とする金型を有する。つまり、セパレータ５０，５５の製品形状は、外周輪郭に関して同一であり、製品形状打抜き用金型は、セパレータ５０，５５で共用されるため、設備コストを低減することが可能である。

搬出部１６０は、例えば、ベルトコンベヤを有し、打抜かれて落下したセパレータ５０，５５を、順送プレス装置１００から外部に搬出する。搬出されたセパレータ５０，５５は、パレット１７０，１７５にそれぞれ搭載される（図８参照）。なお、第１および第２セパレータを一個ずつ交互に製造する場合、生産個数の管理が非常に簡便となる。

次に、第１シール溝成形部を詳述する。

図１０は、図９に示される第１シール溝成形部を説明するための断面図、図１１は、図１０に示される第１シール溝成形部のアイドル状態を説明するための断面図である。

第１シール溝成形部１２０は、下型１２２、上型１２４、押圧型１２６、付勢手段１２８、可動型１３０および可動型駆動手段１３４を有する。

下型１２２は、セパレータ５０に係る第１シール溝の背面形状に対応する形状を有するキャビティ面１２３を有し、素材金属板１９２が載置される。上型１２４は、可動型１３０および可動型駆動手段１３４の駆動部材１３５（後述）が収容される内部空間１２５を有する。押圧型１２６は、素材金属板１９２における第１シール溝が形成される領域の外側を、下型１２２に向かって押圧することで、第１シール溝成形時において、素材金属板１９２に予期せぬ歪みが形成されることを抑制する。付勢手段１２８は、上型１２４と押圧型１２６との間に配置され、押圧型１２６を付勢することにより、下型１２２に向かって素材金属板１９２を押圧するための力を、押圧型１２６に付与する。

可動型１３０は、上型１２４の内部空間１２５に収容され、上下方向Ｖに移動自在（下型１２２から離間および下型１２２に向かって近接自在）に配置され、上面に形成された凹凸部１３１および下面に形成されたキャビティ面１３２を有する。キャビティ面１３２は、セパレータ５０に係る第１シール溝の表面形状に対応する形状を有する。なお、可動型１３０は、上方（下型１２２から離間する方向）に向かって付勢されている。

可動型駆動手段１３４は、駆動部材１３５および往復動手段１３８を有する。駆動部材１３５は、上型１２４の内部空間１２５に収容され、水平方向Ｈ（可動型１３０の移動と交差する方向）に往復動自在に配置され、凹凸部１３６を有する。凹凸部１３６は、駆動部材１３５の先端に配置され、可動型１３０の凹凸部１３１に相対するように、位置決めされている。凹凸部１３６の形状は、凹凸部１３１の形状と対応しており、凹凸部１３６と凹凸部１３１とは嵌合自在である。

往復動手段１３８は、制御部１６５からの指示に従い、駆動部材１３５を水平方向Ｈに駆動するために使用され、例えば、動力源としてエアーシリンダーを有している。

したがって、セパレータ５０に係る素材金属板１９２が順送されて来た場合、制御部１６５からの指示によって往復動手段１３８が駆動部材１３５を往動（前進）させることで、駆動部材１３５の凹凸部１３１の凸部と可動型１３０の凹凸部１３１の凸部とが当接する。これにより、図１０に示されるように、可動型１３０は、付勢力に逆らい、下型１２２に向かって近接し、キャビティ面１３２が素材金属板１９２に押圧され、下型１２２のキャビティ面１２３と連動し、第１シール溝が成形されることとなる。

一方、セパレータ５５に係る素材金属板１９２が順送されて来た場合、制御部１６５からの指示によって往復動手段１３８が駆動部材１３５を復動（後退）させることで、駆動部材１３５の凹凸部１３１の凸部および凹部と、可動型１３０の凹凸部１３１の凹部および凸部とが嵌合し、可動型１３０が移動可能な隙間が上方に生成される。これにより、可動型１３０は、付勢力に従って、下型１２２から離間し、アイドル状態となるため、セパレータ５５に係る素材金属板１９２に第１シール溝が成形されることが回避される。

第１シール溝成形部１２０をアイドル状態とするための機構は、往復動を利用する上記形態に限定されず、例えば、回転を利用するカム機構を利用することも可能である。

第２シール溝成形部１４０、第１マニホールド穴形成部１４５および第２マニホールド穴形成部１５０は、第１シール溝成形部１２０と同様に、制御部１６５からの指示に従い、アイドル状態となるように、構成されており、また、金型のキャビティ面の構造が異なる点を除けば、第１シール溝成形部１２０の構成と略一致しているため、その詳細な説明は省略する。

次に、セパレータ製造工程を詳述する。

セパレータ製造工程は、スリット形成工程、位置決め穴形成工程、リブ部成形工程、シール溝成形工程、マニホールド形成工程、トリム工程、搬出工程を有する。

スリット形成工程においては、スリット形成部１０５によって、セパレータ５０となる製品予定部とセパレータ５５となる製品予定部との境界部にスリット１９４が形成され、素材金属板１９２の剛性が調整（剛性が向上）される。

位置決め穴形成工程においては、位置決め穴形成部１１０によって、例えば、ロケートピンを挿入するための位置決め穴１９６が素材金属板１９２に形成される。

リブ部成形工程においては、セパレータ５０，５５で共用されるリブ成形部１１５のリブ成形用金型によって、同一形状のリブ部５２，５７が成形される。つまり、リブ成形工程に係る極めて高価なリブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用しているため、従来２つ用意されていたリブ成形用金型および併設されるプレス設備などの付帯設備の一方を削減し、設備コストを低減することが可能である。また、製造された燃料電池１０は、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有するため、膜電極接合体２０とガス流路４０，４５との接触部におけるガスの拡散が促進し、燃料電池１０の出力が向上する。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池を提供することができる。

シール溝成形工程においては、第１および第２シール溝成形部１２０，１４０の金型によって、異なる形状の第１および第２シール溝が、素材金属板１９２に、それぞれ成形される。この際、第１シール溝成形部１２０によって素材金属板１９２に第１シール溝を成形する場合、第２シール溝成形部１４０がアイドル状態になるように制御され、第２シール溝成形部１４０によって素材金属板１９２に第２シール溝を成形する場合、第１シール溝成形部１２０がアイドル状態になるように制御される。これにより、素材金属板１９２に第１および第２シール溝を交互に成形する際、シール溝成形用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

マニホールド形成工程においては、第１および第２マニホールド穴形成部１４５，１５０金型によって、異なる形状のマニホールド穴６１，６６が、素材金属板１９２に、それぞれ形成される。この際、第１マニホールド穴形成部１４５によって素材金属板１９２にマニホールド穴６１を形成する場合、第２マニホールド穴形成部１５０がアイドル状態になるように制御され、第２マニホールド穴形成部１５０によって素材金属板１９２にマニホールド穴６６を形成する場合、第１マニホールド穴形成部１４５がアイドル状態になるように制御される。これにより、素材金属板１９２にマニホールド穴６１，６６を成形する際、マニホールド穴打抜き用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

トリム工程においては、セパレータ５０，５５で共用される金型によって、素材金属板１９２を打抜いて、製品形状とされる。つまり、セパレータ５０，５５の製品形状は、外周輪郭に関して同一であるため、製品形状打抜き用金型をセパレータ５０，５５で共用することにより、設備コストを低減することが可能である。

搬出工程においては、搬出部１６０によって、打抜かれて落下したセパレータ５０，５５が、外部に搬出される。搬出されたセパレータ５０，５５は、パレット１７０，１７５にそれぞれ搭載される（図８参照）。

図１２は、本発明の実施の形態に係る変形例を説明するための概略斜視図である。

搬出されたセパレータ５０，５５は、個別のパレット１７０，１７５に搭載される形態に限定されず、図１２に示されるように、同一のパレット１７８に交互に搭載することも可能である。この場合、製造されたセパレータ５０，５５でパレットを共用することで、パレットの種類は１つとなるため、組立工程における作業エリアを縮小し、作業効率を向上させることが可能である。また、パレット１７８に搭載する際、セパレータ５０，５５の製造時の状態を基準として、セパレータ５０，５５の一方を、１８０度回転させ、組立時の状態で搭載することを可能である。

以上のように、本実施の形態に係る燃料電池用セパレータにおいては、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有する燃料電池を得ることができる。この場合、燃料電池においては、膜電極接合体とガス流路との接触部におけるガスの拡散が促進し、燃料電池の出力が向上する。また、燃料電池に組み込まれるセパレータ５０，５５のリブ部５２，５７は同一形状であるため、セパレータ５０，５５の製造の際、リブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用することにより、設備コストを低減することが可能である。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池用セパレータを提供することができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池においては、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有するため、膜電極接合体とガス流路との接触部におけるガスの拡散が促進し、燃料電池の出力が向上する。また、燃料電池に組み込まれるセパレータ５０，５５のリブ部５２，５７は同一形状であるため、セパレータ５０，５５の製造の際、リブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用することにより、設備コストを低減することが可能である。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池を提供することができる。

また、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法および製造装置においては、リブ成形用金型をセパレータ５０，５５で共用しているため、設備コストが低減される。また、製造された燃料電池は、セパレータ５０，５５のリブ部５２，５７のリブ位相が互いにオフセットしている構造を有するため、膜電極接合体とガス流路との接触部におけるガスの拡散が促進され、燃料電池の出力が向上する。したがって、良好な出力を発揮しかつ設備コストを低減し得る燃料電池の製造方法および製造装置を提供することができる。

第１シール溝成形部によって素材金属板に第１シール溝を成形する際、第２シール溝成形部をアイドル状態になるように制御し、第２シール溝成形部によって素材金属板に第２シール溝を成形する際、第１シール溝成形部をアイドル状態になるように制御する場合、素材金属板に第１および第２シール溝を交互に成形する際、シール溝成形用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

第１マニホールド穴形成部によって素材金属板に第１マニホールド穴を形成する際、第２マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御し、第２マニホールド穴形成部によって素材金属板に第２マニホールド穴を形成する際、第１マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御する場合、素材金属板に第１および第２マニホールド穴を交互に成形する際、マニホールド穴打抜き用金型を交換する必要が無いため、生産性が向上する。

素材金属板を打抜いて、セパレータ５０，５５の製品形状とする金型を、セパレータ５０，５５で共用する場合、設備コストを低減することが可能である。

製造されたセパレータ５０，５５を、膜電極接合体を挟持するように相対配置して積層する場合、リブ部５２，５７のリブ位相がオフセットしており、かつ、オフセットがリブピッチの２分の１となる構造が容易に得られる。

製造されたセパレータ５０，５５が搭載されるパレットを共用する場合、パレットの種類は１つとなるため、組立工程における作業エリアを縮小し、作業効率を向上させることが可能である。

本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲で種々改変することができる。例えば、セパレータ５０，５５は、一個ずつ交互に製造する形態に限定されず、複数の個数を単位として、交互に製造することも可能である。

１０燃料電池、
２０膜電極接合体、
３０高分子電解質膜、
３２，３３触媒層、
３５，３６ガス拡散層、
４０，４５ガス流路、
５０，５５セパレータ、
５１，５６中間部、
５２，５７リブ部５２，５７、
５３Ａ，５３Ｂ，５８Ａ，５８Ｂ移行部、
５４Ａ，５４Ｂ，５９Ａ，５９Ｂ枠部、
６０，６５端部、
６１，６６マニホールド穴、
１００順送プレス装置、
１０５スリット形成部、
１１０位置決め穴形成部、
１１５リブ成形部、
１２０第１シール溝成形部、
１２２下型、
１２３キャビティ面、
１２４上型、
１２５内部空間、
１２６押圧型、
１２８付勢手段、
１３０可動型、
１３１凹凸部、
１３２キャビティ面、
１３４可動型駆動手段、
１３５駆動部材、
１３６凹凸部、
１３８往復動手段、
１４０第２シール溝成形部、
１４２往復動手段、
１４５第１マニホールド穴形成部、
１４７往復動手段、
１５０第２マニホールド穴形成部、
１５２往復動手段、
１５５トリム部、
１６０搬出部、
１６５制御部、
１７０，１７５，１７８パレット、
１９０コイル材、
１９２素材金属板、
１９４スリット、
１９６位置決め穴、
Ｃ横断面方向、
Ｈ水平方向、
Ｌ_１，Ｌ_２移行部の長さ
Ｐリブピッチ、
Ｈ水平方向、
Ｖ上下方向。

Claims

膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、
前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形されており、
前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造方法であって、
前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造工程を有し、
前記セパレータ製造工程は、前記第１および第２セパレータに係る同一形状のリブ部を、共用される金型によって前記素材金属板に成形するリブ成形工程を、有し
前記セパレータ製造工程は、
前記第１セパレータに係る第１シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第１シール溝成形部によって、前記素材金属板に前記第１シール溝を成形し、また、前記第２セパレータに係る第２シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第２シール溝成形部によって、前記素材金属板に前記第２シール溝を成形するシール溝成形工程を、さらに有し、
前記シール溝成形工程において、
前記素材金属板に前記第１シール溝成形部によって前記第１シール溝を成形する際、前記第２シール溝成形部は、アイドル状態になるように制御され、
前記素材金属板に前記第２シール溝成形部によって前記第２シール溝を成形する際、前記第１シール溝成形部は、アイドル状態になるように制御される
ことを特徴とする記載の燃料電池の製造方法。
前記セパレータ製造工程は、
前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を成形し、また、前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を成形するマニホールド穴形成工程を、さらに有し、
前記マニホールド穴形成工程において、
前記素材金属板に前記第１マニホールド穴形成部によって前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御され、
前記素材金属板に前記第２マニホールド穴形成部によって前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御される
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池の製造方法。
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、
前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形されており、
前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造方法であって、
前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造工程を有し、
前記セパレータ製造工程は、前記第１および第２セパレータに係る同一形状のリブ部を、共用される金型によって前記素材金属板に成形するリブ成形工程を、有し
前記セパレータ製造工程は、
前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を成形し、また、前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部によって、前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を成形するマニホールド穴形成工程を、さらに有し、
前記マニホールド穴形成工程において、
前記素材金属板に前記第１マニホールド穴形成部によって前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御され、
前記素材金属板に前記第２マニホールド穴形成部によって前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部は、アイドル状態になるように制御される
ことを特徴とする燃料電池の製造方法。
前記第１および第２セパレータの製品形状は、外周輪郭に関して同一であり、
前記セパレータ製造工程は、前記第１および第２セパレータで共用される金型によって、前記素材金属板を打抜いて、前記製品形状とする打抜き工程を、さらに有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
前記セパレータ製造工程において製造された前記第１および第２セパレータを、前記膜電極接合体を挟持するように相対配置して積層する組立工程、をさらに有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池の製造方法。
前記セパレータ製造工程において、前記第１および第２セパレータが交互に製造されており、
前記燃料電池の製造方法は、前記セパレータ製造工程において製造された前記第１および第２セパレータを同一のパレットに交互に搭載する搭載工程を、さらに有することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池の製造方法。
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、
前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形され、
前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、
前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造装置であって、
前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造手段を有し、
前記セパレータ製造手段は、前記リブ部を成形する金型を有するリブ成形部を有し、
前記リブ成形部の前記金型は、前記第１および第２セパレータで共用され、
前記セパレータ製造手段は、
前記第１セパレータに係る第１シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第１シール溝成形部と、
前記第２セパレータに係る第２シール溝を前記素材金属板に成形する金型を有する第２シール溝成形部と、
前記第１シール溝成形部および前記第２シール溝成形部を制御する制御手段と、をさらに有し、
前記制御手段は、
前記第１シール溝成形部によって前記素材金属板に前記第１シール溝を成形する際、前記第２シール溝成形部をアイドル状態になるように制御し、
前記第２シール溝成形部によって前記素材金属板に前記第２シール溝を成形する際、前記第１シール溝成形部をアイドル状態になるように制御する
ことを特徴とする燃料電池の製造装置。
前記セパレータ製造手段は、
前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部と、
前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部と、
前記第１マニホールド穴形成部および前記第２マニホールド穴形成部を制御する制御手段と、をさらに有し、
前記制御手段は、
前記第１マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御し、
前記第２マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御する
ことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の製造装置。
膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するように相対配置される第１および第２セパレータと、を有し、
前記第１および第２セパレータは、前記膜電極接合体のカソード電極に酸化剤ガスを供給するガス流路を形成するリブ部および前記膜電極接合体のアノード電極に燃料ガスを供給するガス流路を形成するリブ部が、それぞれ成形され、
前記リブ部は、同一形状であり、前記第１および第２セパレータを前記膜電極接合体を挟持するように相対配置した状態において、リブ位相がオフセットするように位置決めされており、
前記オフセットは、リブピッチの２分の１である燃料電池の製造装置であって、
前記第１および第２セパレータを、順送プレスによって、共用される素材金属板から製造するセパレータ製造手段を有し、
前記セパレータ製造手段は、前記リブ部を成形する金型を有するリブ成形部を有し、
前記リブ成形部の前記金型は、前記第１および第２セパレータで共用され、
前記セパレータ製造手段は、
前記第１セパレータに係る第１マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第１マニホールド穴形成部と、
前記第２セパレータに係る第２マニホールド穴を前記素材金属板に形成する金型を有する第２マニホールド穴形成部と、
前記第１マニホールド穴形成部および前記第２マニホールド穴形成部を制御する制御手段と、をさらに有し、
前記制御手段は、
前記第１マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第１マニホールド穴を形成する際、前記第２マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御し、
前記第２マニホールド穴形成部によって前記素材金属板に前記第２マニホールド穴を形成する際、前記第１マニホールド穴形成部をアイドル状態になるように制御する
ことを特徴とする燃料電池の製造装置。
前記第１および第２セパレータの製品形状は、外周輪郭に関して同一であり、
前記セパレータ製造手段は、前記素材金属板を打抜いて前記製品形状とする金型を有するトリム部を、さらに有し、
前記トリム部の前記金型は、前記第１および第２セパレータで共用される
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか１項に記載の燃料電池の製造装置。