JP6595278B2 - セパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
流路溝の成形に際しては、最終形状に一括成形することが、生産性よく合理的ではあるが、例えば、流路溝が密に形成され、しかも、その形状が複雑な場合は、材料の延びが、成形しようとする形状に追従できず、材料の破断が多く発生する。
ところで、薄板材に対し段階的に成形を行って所望形状に成形する方法では、各工程での塑性変形によって材料が加工硬化を起こすことから、後方の工程に行くに従って材料が破断し易くなるという問題がある。
一般的な焼鈍処理としては、例えば、薄板材がリール状の場合、リール状となった複数の薄板材を束ねた状態で、また、薄板材がシート状の場合、複数の薄板材をラックに入れた状態で、バッチ式の加熱炉に装入して処理する方法が知られている。
また、薄板材をバッチ式で焼鈍処理する場合は、任意の数量でまとめて焼鈍処理を行う特性上、プレス加工後のセパレータが所定数量に達するまで加熱炉に装入できないため、焼鈍設備を待機させる時間が発生し、生産性を阻害する要因になる可能性も高い。
そこで、特許文献2には、金型内に焼鈍の機能を設けた装置を使用する方法が提案されている。
前記薄板条材の搬送方向に隣り合う前記プレス機の間で、前記薄板条材に対し焼鈍処理を行う。
また、前記複数のプレス機は、2台以上の予備成形プレス機と、該予備成形プレス機よりも下流側に配置された1台又は2台以上の本成形プレス機とで構成され、少なくとも、最上流位置に配置された前記予備成形プレス機とその下流位置に配置された前記予備成形プレス機との間で、前記焼鈍処理を行うことが好ましい。
また、前記焼鈍処理後の前記薄板条材に対し冷却処理を行ってもよい。
特に、複数のプレス機を、2台以上の予備成形プレス機と1台又は2台以上の本成形プレス機とで構成し、最上流位置とその下流位置にそれぞれ配置された予備成形プレス機の間で、焼鈍処理を行う場合、本発明の効果がより顕著になる。これは、最上流位置の予備成形プレス機による成形加工後の薄板条材において、成形加工時の張り出し成形の影響(即ち、加工硬化の影響)が最も大きくなることによる。
まず、図1〜図3を参照しながら、本発明の一実施の形態に係るセパレータの製造方法を用いて製造するセパレータ10について説明する。なお、図1には、セパレータ10に形成された流路溝11の断面を、部分拡大して示している。
このセパレータ10は、図2に示すように、厚みが、例えば、0.1〜0.7mm程度の金属製の(例えば、ステンレス板やチタン板等からなる)薄板条材12に成形加工(凹凸加工)を行った後、この薄板条材12から打抜き形成されるものである。なお、薄板状材の材質や厚みは、特に限定されるものではなく、例えば、燃料電池の種類に応じて、種々変更可能である。また、薄板条材としては、例えば、めっきが施されたものや、複数の薄板材が積層されたもの(クラッド材)等を使用することもできる。
この連続する流路溝11の一端側と他端側(ここでは、セパレータ10の上部一側と下部他側)には、水素又は酸素の供給孔13、14がそれぞれ形成され、流路溝11の一端部(上側端部)と一方の供給孔13とが、延長溝15によって、また、流路溝11の他端部(下側端部)と他方の供給孔14とが、延長溝16によって、それぞれ連接されている。
なお、図1中の符号17は、セパレータ10を燃料電池に使用する際に、複数のセパレータ10を積層し固定するために用いる貫通孔である。
製造設備20は、薄板条材12にパイロット孔を形成するパイロット孔抜き装置(図示しない)と、パイロット孔が形成された薄板条材12に流路溝11を形成する流路溝形成装置21と、流路溝11が形成された薄板条材12からセパレータ10に相当する部分を打抜き形成する外周打抜き装置(図示しない)とを有している。以下、詳しく説明する。
外周打抜き装置は、流路溝11が形成された薄板条材12から、セパレータ10に相当する部分を打抜き形成する金型を備えている。
以下、予備成形プレス機23、24と本成形プレス機25について、図2、図3を参照しながら説明する。
具体的には、最上流位置に配置された予備成形プレス機23は、流路溝11の形成領域に対し、断面波状の成形加工を施すことが可能な、雄型と雌型を対峙させた金型27を備えるものである。また、予備成形プレス機23の下流位置に配置された予備成形プレス機24は、予備成形プレス機23によって断面波状となった領域に対し、波状部分の底部と上部を広げる成形加工を施すことが可能な、雄型と雌型を対峙させた金型28を備えるものである。
なお、上記した予備成形プレス機23、24と本成形プレス機25の各構成は、薄板条材12に対する成形加工が可能な構成であれば、特に限定されるものではなく、例えば、特開2015−42418号公報に記載の装置を使用できる。
なお、予備成形プレス機24も、波状部分の底部と上部を広げる成形加工を施す金型28を1つ、また、本成形プレス機25も、最終形状の成形加工を施す金型29を1つ、備えているが、それぞれ2つ以上の複数備えることもできる。
焼鈍手段30は、予備成形プレス機23の成形加工によって加工硬化を起こした材料の組織を、元の状態に回復させるためのものである。具体的には、成形加工を行った領域のみ、又は、これを含む薄板条材12全体を、加熱処理するものである。
しかし、製品品質の更なる向上を図るため、予備成形プレス機23と予備成形プレス機24との間のみならず、更に、隣り合う予備成形プレス機24と本成形プレス機25との間に、焼鈍手段30を配置することもできる。
ここで、レーザ加熱は、薄板条材12を予め設定した温度まで短時間に昇温できることから、例えば、予備成形プレス機23(予備成形プレス機24や本成形プレス機25も同様)のプレスに要する時間が10秒以下(好ましくは6秒以下、更に好ましくは3秒以下)の場合の薄板条材12の加熱に適している。また、局所的(部分的)な加熱が可能であることから、薄板条材12全体に対する加熱の影響を低減できるため、薄板条材12の加熱に適している。
ここで、誘導加熱は、上記したレーザ加熱と比較して、薄板条材12を予め設定した温度まで昇温するのに時間を要する。このため、予備成形プレス機23(予備成形プレス機24や本成形プレス機25も同様)のプレス時間が、例えば、材料の破断防止のため30秒〜2分程度(ここでは1分程度)を要する場合、加熱時間を十分確保できることから、加熱炉の長さを過剰に長くすることなく、薄板条材12を予め設定した加熱温度まで昇温できる。
ここで、無酸素とは、例えば、真空状態を意味し、また、無酸化性ガスとは、窒素ガスや不活性ガス(例えば、Arガス)を意味する。
これにより、焼鈍処理の際に、薄板条材12が酸化することを抑制、更には防止できる。
このため、焼鈍処理が行われた薄板条材12が、予備成形プレス機24へ搬送されるまでの間に、薄板条材12の温度を低下させる。具体的には、焼鈍手段30より下流側に冷却手段(例えば、送風機等)を配置して、薄板条材12を冷却処理すればよいが、薄板条材12は熱容量が小さいことから、冷却手段を設けてなくてもよい。
セパレータの製造方法は、薄板条材12にパイロット孔を形成するパイロット孔抜き工程(図示しない)と、パイロット孔が形成された薄板条材12に流路溝11を形成する第1、第2成形工程(予備成形工程)及び第3成形工程(本形成工程)と、この工程の間で薄板条材12に焼鈍処理を行う焼鈍工程と、流路溝11が形成された薄板条材12からセパレータ10に相当する部分を打抜き形成する外周打抜き工程(図示しない)とを有している。以下、詳しく説明する。
パイロット孔抜き装置を用いて、薄板条材12の幅方向両側に、円形のパイロット孔を長さ方向に渡って所定ピッチで形成する。この工程では、パイロット孔の周囲に、前記したスリットを形成することが好ましい。
なお、パイロット孔が形成された薄板条材12は、リール状に巻かれているため、このリール状の薄板条材12を巻解き機22にセットし、巻解かれた薄板条材12の先端部を、予備成形プレス機23、焼鈍手段30、予備成形プレス機24、及び、本成形プレス機25に順次通過させ、巻取り機26でリール状に巻取る。
巻解き機22と巻取り機26を用いて、パイロット孔形成後のリール状に巻かれた薄板条材12を巻解き搬送して、薄板条材12から打抜くセパレータ10に相当する部分を、予備成形プレス機23まで移動させる。
そして、予備成形プレス機23を用いて、流路溝11の形成領域に対し、断面波状の成形加工を施す。
巻解き機22と巻取り機26を用いて薄板条材12を搬送し、予備成形プレス機23により断面波状となった領域を、焼鈍手段30まで移動させる。
そして、焼鈍手段30を用いて、薄板条材12を予め設定した温度(加工硬化を解消可能な温度)まで昇温し、予備成形プレス機23の成形加工によって加工硬化を起こした材料の組織を、元の状態に回復させる。この焼鈍手段30による薄板条材12の加熱温度は、薄板条材12の材質等によって種々変わるが、薄板条材12がチタン板の場合は、例えば、600〜700℃程度である。
なお、焼鈍処理後に、巻解き機22と巻取り機26を用いて薄板条材12を搬送し、焼鈍処理が行われた領域を、冷却手段まで移動させて冷却処理することもできる。
この冷却処理により、薄板条材12の温度を、例えば、200℃以下(好ましくは100℃以下)程度まで、低下させる。しかし、薄板条材12は熱容量が小さいことから、冷却手段を用いた冷却処理を行うことなく、空冷でもよい。
巻解き機22と巻取り機26を用いて薄板条材12を搬送し、予備成形プレス機23によって断面波状となった領域(焼鈍処理がなされた領域)を、予備成形プレス機24まで移動させる。
そして、予備成形プレス機24を用いて、予備成形プレス機23により断面波状となった領域に対し、波状部分の底部と上部を広げる成形加工を施す。
巻解き機22と巻取り機26を用いて薄板条材12を搬送し、予備成形プレス機23、24で成形加工が施された領域を、本成形プレス機25まで移動させる。
そして、本成形プレス機25を用いて、予備成形プレス機23、24で成形加工が施された領域に対し、最終形状(底面と側面を平坦面とする形状)の成形加工を施す。
これにより、薄板条材12から打抜くセパレータ10に相当する部分に、流路溝11を形成できる。
なお、焼鈍工程は、第1成形工程と第2成形工程の間で行ったが、第1成形工程と第2成形工程の間のみならず、第2成形工程と第3成形工程の間で行うことも、更には、第3成形工程より下流側(巻取り機26に巻取られる前)で行うこともできる(焼鈍処理後の冷却処理も同様)。
流路溝11を形成した後のリール状に巻かれた薄板条材12を巻解き搬送して、薄板条材12から打抜くセパレータ10に相当する部分を、外周打抜き装置まで移動させる。
そして、外周打抜き装置を用いて、流路溝11が形成された薄板条材12からセパレータ10に相当する部分を打抜く。なお、セパレータ10が打抜かれた薄板条材12は、例えば、リール状に巻いた後、又は、個片化してスクラップ処理した後、廃棄する。
以上の方法で得られたセパレータ10を複数枚積層し固定して、燃料電池に使用する。
また、上記した第1成形工程、焼鈍工程、第2成形工程、及び、第3成形工程の各処理を、リールトゥリールで薄板条材12を搬送しながら行うので、連続的な処理が可能となり、生産性と作業性の向上が図れ、しかも、設備構造も簡略化でき、設備コストを低減できる。
更に、焼鈍処理は、例えば、第1成形工程と第2成形工程の間の限られた空間で行うため、例えば、薄板条材全体をそのままバッチ式の加熱炉に装入して焼鈍処理する場合と比較して、一度に焼鈍処理する領域を狭くできる。このため、例えば、セパレータの製造設備において、トラブル等が発生した際の不良品の発生量を低減できる。
前記実施の形態においては、本成形プレス機の上流側に2台の予備成形プレス機(合計3台のプレス機)を配置した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、以下の形態とすることもできる。
また、材料の破断を防止するため、例えば、薄板条材の材質や厚みに応じて、本成形プレス機の上流側に3台以上の予備成形プレス機(合計4台以上のプレス機)を配置することもできる。この場合、隣り合う予備成形プレス機の間の一部(好ましくは、少なくとも、最上流位置とその下流位置に配置された予備成形プレス機の間)又は全部や、隣り合う予備成形プレス機と本成形プレス機の間で、薄板条材に対し焼鈍処理を行うことができる。
更に、本成形プレス機よりも下流側(薄板条材の巻取り前)で、薄板条材の焼鈍処理(更には、焼鈍処理後の冷却処理)を行うこともできる。
Claims (5)
- 搬送される金属製の薄板条材の同一箇所に対し、該薄板条材の搬送方向に順次配置された加工形状の異なる複数のプレス機で段階的に成形加工を行って流路溝を成形するセパレータの製造方法において、
前記薄板条材の搬送方向に隣り合う前記プレス機の間で、前記薄板条材に対し焼鈍処理を行うことを特徴とするセパレータの製造方法。 - 請求項1記載のセパレータの製造方法において、前記複数のプレス機は、1台又は2台以上の予備成形プレス機と、該予備成形プレス機よりも下流側に配置された1台又は2台以上の本成形プレス機とで構成され、少なくとも、隣り合う前記予備成形プレス機と前記本成形プレス機との間で、前記焼鈍処理を行うことを特徴とするセパレータの製造方法。
- 請求項1記載のセパレータの製造方法において、前記複数のプレス機は、2台以上の予備成形プレス機と、該予備成形プレス機よりも下流側に配置された1台又は2台以上の本成形プレス機とで構成され、少なくとも、最上流位置に配置された前記予備成形プレス機とその下流位置に配置された前記予備成形プレス機との間で、前記焼鈍処理を行うことを特徴とするセパレータの製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載のセパレータの製造方法において、前記焼鈍処理は、無酸素又は無酸化性ガスの雰囲気下で行うことを特徴とするセパレータの製造方法。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載のセパレータの製造方法において、前記焼鈍処理後の前記薄板条材に対し冷却処理を行うことを特徴とするセパレータの製造方法。
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