JP7040131B2 - セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、セパレータの製造方法に関する。

特許文献１には、燃料電池用のセパレータの製造装置、及び製造方法が開示されている。特許文献１の製造装置は、上型と下型との間に配置された金属製平板をプレスして凹凸を形成するプレス成形手段と、セパレータの型を打ち抜く打ち抜き加工手段工程とを備えている。下型の表面粗さが上型の表面粗さよりも大きくなっている。

特開２０１２－９９３７１号公報

セパレータ材料である薄板をプレス加工により成形する場合、セパレータ材料に反りが生じてしまうことがある。成形時のひずみにより、セパレータに反りが生じると、セパレータを接着するときに、肉余りが生じてしまう。あるい、セパレータのスタック時での組み付け不良や、ワーク搬送不良の要因となってしまう。したがって、プレス加工時の反りをより抑制することが望まれる。

本実施形態にかかるセパレータの製造方法は、流路形成領域を有するセパレータ材料を第１の上型と第１の下型との間に配置する工程と、前記第１の上型と前記第１の下型とを用いて前記セパレータ材料をプレス加工することで、前記流路形成領域に第１の凹凸形状を形成するとともに、前記流路形成領域の外側に第２の凹凸形状を形成する工程と、を備えている。

上記の製造方法は、前記第２の凹凸形状を押し潰す工程と、をさらに備えていてもよい。

上記の製造方法は、前記第２の凹凸形状が形成された領域を打ち抜く工程をさらに備え、前記セパレータのマニホールド部に、前記第２の凹凸形状が形成されていてもよい。

上記の製造方法において、前記第２の凹凸形状の凹凸高さが、前記第１の凹凸形状の凹凸高さよりも高いことが好ましい。

上記の製造方法において、前記第２の凹凸形状の凹部と凸部とが、平面視における前記セパレータ材料の長手方向から傾いた方向に沿って繰り返されていてもよい。

本実施形態によれば、プレス加工時の反りを抑制することができるセパレータの製造方法を提供することができる。

セパレータの製造工程を示す図である。 第１のプレス加工工程を説明するための断面図である。 第１のプレス加工工程でのセパレータ材料の構成を示す図である。 第２の凹凸形状の構成を拡大して示す断面図である。 第１の凹凸形状を拡大して示す断面図である。 第２の凹凸形状を拡大して示す断面図である。 第２のプレス加工工程を説明するための断面図である。 第２のプレス加工工程でのセパレータ材料の構成を示す図である。 抜き工程でのセパレータ材料の構成を示す図である。 反り値の測定結果を示す図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

本実施の形態にかかるセパレータの製造方法について、図を参照して説明する。図１は、セパレータの製造方法を示すフローチャートである。図１に示すように、本実施の形態では、第１のプレス加工工程（絞り工程）、第２のプレス加工工程（押し工程）、及び抜き工程をこの順で実施することで、セパレータを製造している。

まず、第１のプレス加工を開始する（Ｓ１１）。図２に示すように、第１の上型５１と第１の下型５０との間に、セパレータ材料１０を配置する。なお、図２は、セパレータ材料１０をプレス加工するための金型の構成を簡略化して示す側面断面図である。セパレータ材料１０は、厚さ０．１ｍｍ程度の金属板となっている。セパレータ材料１０としては、アルミニウム、ステンレス、チタンなどの導電性の平板を用いることができる。第１の上型５１及び第１の下型５０は、成型する形状に応じた凹凸が形成された金型である。

図３はセパレータ材料１０の形状を模式的に示す平面図であり、第１のプレス加工工程後の構成を模式的に示している。図３では、説明のため、ＸＹＺ３次元直交座標系を示す。セパレータ材料１０は、ＸＹ平面視において、長方形状になっている。ここで、長方形状のセパレータ材料１０の長手方向をＸ方向、短手方向をＹ方向とする。長手方向（Ｘ方向）は、冷却水、及び燃料ガスが流れる方向である。セパレータ材料１０の厚さ方向（高さ方向）をＺ方向とする。また、＋Ｚ側を上側、－Ｚ側を下側として説明する。セパレータ材料１０は、短手方向の長さが１００ｍｍ～１５０ｍｍ程度、長手方向の長さが２００ｍｍ～２５０ｍｍ程度になっている。

セパレータ材料１０は、流路形成領域１１とマニホールド部１６とを備えている。Ｘ方向におけるセパレータ材料１０の中央には、流路形成領域１１が配置されている。本実施の形態にかかる製造方法のプレス加工工程を経ることで、流路形成領域１１には、冷却水、及び燃料ガスの流路となる凹凸形状が形成される。

凹凸形状は、セパレータ材料１０の表面と裏面で反転した形状となっている。従って、流路は、セパレータ材料１０の表面、及び裏面にそれぞれ形成される。具体的には、凹凸形状の凹みが流路溝となり、この流路溝を冷却水、及び燃料ガスが流れていく。流路形成領域１１には、複数の流路溝が形成され、それぞれがＸ方向に沿って延びている。流路形成領域１１には、複数の流路溝がＹ方向に並んで配置される。

さらに、Ｘ方向における流路形成領域１１の両側には、マニホールド部１６が配置されている。つまり、マニホールド部１６は、Ｘ方向におけるセパレータ材料１０の両端部に配置されている。マニホールド部１６は、燃料ガス、及び冷却水の出入り口を形成する。

マニホールド部１６には、穴形成部１２が設けられている。穴形成部１２は、後述する抜き工程において、貫通穴が形成される箇所である。なお、図３では、片側のマニホールド部１６に３つの穴形成部１２が形成されているが、穴形成部１２の数は特に限定されるものではない。

図２に示すように、第１の上型５１及び第１の下型５０の流路形成領域１１に対応する領域を第１加工領域５３とし、穴形成部１２に対応する領域を第２加工領域５４とする。第１加工領域５３には、凹凸５５が形成されている。第２加工領域５４には、凹凸５６が形成されている。第１の下型５０は一体的に形成されている。第１の上型５１は一体的に形成されている。

第１の上型５１と第１の下型５０とに挟まれたセパレータ材料１０に、第１の凹凸形状１３と第２の凹凸形状１４とを形成する（Ｓ１２）。つまり、第１の上型５１と第１の下型５０とによってセパレータ材料１０を挟持して、加圧シリンダ等を有するプレス機械により金型を加圧する。これにより、セパレータ材料１０の流路形成領域１１には、第１の凹凸形状１３が形成されるとともに、穴形成部１２には、第２の凹凸形状１４が形成される。第１の凹凸形状１３は、第１加工領域５３の凹凸５５によって形成され、第２の凹凸形状１４は第２加工領域５４の凹凸５６によって形成される。第１加工領域５３の凹凸５５の凹凸高さは、凹凸５６の凹凸高さよりも低くなっている。また、第１の下型５０、第１の上型５１において、第１加工領域５３、及び第２加工領域５４以外の部分は平坦になっている。

図３には、セパレータ材料１０のＡ－Ａ断面図が模式的に示されている。Ａ－Ａ断面図には、第２の凹凸形状１４の断面形状が模式的に示されている。第２の凹凸形状１４では、凹部と凸部が交互に配置されている。

図４は、第２の凹凸形状１４の詳細な形状の一例を示す。第２の凹凸形状１４は、複数の凸部１４ｂと複数の凹部１４ａを備えている。図４の紙面横方向において、第２の凹凸形状１４は、凸部１４ｂと凹部１４ａとが交互に繰り返される構成となる。

ここで、凸部１４ｂと凹部１４ａとが繰り返される方向を繰り返し方向とする。図３のＡ－Ａ断面図、及び図４の断面図は、繰り返し方向に沿った断面図である。繰り返し方向は、Ｘ方向、及びＹ方向から傾いた方向である。具体的には、繰り返し方向はＸ方向から４５°傾いている。凹部１４ａの上側、及び凸部１４ｂの下側が溝１４ｒとなる。複数の平行な溝１４ｒが、繰り返し方向に直交し、かつ、Ｚ方向と直交する方向に沿って延びている。つまり、溝１４ｒは紙面と直交する方向に延びている。

このように、流路形成領域１１の外側に第２の凹凸形状１４を形成することで、プレス加工時に、金型内においてセパレータ材料１０がロックされる。したがって、セパレータ材料１０が引き込まれることが防止され、セパレータ材料１０の反りを抑制することができる。

具体的には、流路形成領域１１とマニホールド部１６との境界部分（合流部）を形成する際に、材料が図３の矢印Ａ１の方向に引き込まれる。ここで、矢印Ａ１は、第２の凹凸形状１４の凹部１４ａと凸部１４ｂの繰り返し方向と平行な方向であり、セパレータ材料１０の長手方向（Ｘ方向）から傾いている方向である。マニホールド部１６に第２の凹凸形状１４を形成することで、流路形成領域１１とマニホールド部１６との境界部分における長手方向の歪みを低減することができる。これにより、セパレータ材料１０の反りを抑制することができる。このように、凹部１４ａと凸部１４ｂとがＸ方向から傾いた方向に繰り返されている。なお、繰り返し方向は、矩形状のセパレータ材料１０の対角方向であってもよい。

ここで、流路形成領域１１を加工する前に、セパレータ材料１０をロックするために、第２の凹凸形状１４の凹凸高さを第１の凹凸形状１３の凹凸高さよりも高くすることが好ましい。すなわち、凹凸５６による第２の凹凸形状１４の加工が開始した後に、凹凸５５による第１の凹凸形状１３の加工が開始する。これにより、第２加工領域５４において、セパレータ材料１０が第１の下型５０及び第１の上型５１にロックされた後に、第１加工領域５３において、第１の下型５０及び第１の上型５１がセパレータ材料１０を変形する。マニホールド部１６において、金型がセパレータ材料１０をロックすることができ、セパレータ材料１０の引き込みを抑制することができる。

図５、及び図６を用いて、第１の凹凸形状１３、第２の凹凸形状１４について、詳細に説明する。図５、及び図６は、セパレータ材料１０が第１の上型５１と第１の下型５０との挟持されている状態を拡大して示す断面図である。図５では、第１加工領域５３における断面、つまり、第１の凹凸形状１３を形成する箇所における断面を示している。図６は、第２加工領域５４における断面、つまり、第２の凹凸形状１４を形成する箇所における断面を示している。

図５に示すように、第１の凹凸形状１３は、凹部１３ａと凸部１３ｂとを備えている。凹部１３ａの最も低い位置を底部１３ｃとし、凸部１３ｂの最も高い位置を頂部１３ｄとする。第１の凹凸形状１３の凹凸高さはＨ１となる。凹凸高さＨ１は、第１の凹凸形状１３の一方の面における底部１３ｃから頂部１３ｄまでのＺ方向の距離となる。従って、凹凸高さＨ１は、第１加工領域５３における第１の上型５１の凹凸高さと一致する。換言すると、凹凸高さＨ１は、第１加工領域５３における第１の下型５０の凹凸高さと一致する。凹凸高さＨ１は例えば、０．４ｍｍ～０．５ｍｍ程度である。

図６に示すように、第２の凹凸形状１４は、凹部１４ａと凸部１４ｂとを備えている。第１の凹凸形状１３と同様に、凹部１４ａの最も低い位置を底部１４ｃとし、凸部１４ｂの最も高い位置を頂部１４ｄとする。第２の凹凸形状１４の凹凸高さをＨ２とする。凹凸高さＨ２は、第２の凹凸形状１４の一方の面における底部１４ｃから頂部１４ｄまでのＺ方向の距離となる。従って、凹凸高さＨ２は、第２加工領域５４における第１の上型５１の表面の凹凸高さと一致する。換言すると、凹凸高さＨ２は、第２加工領域５４における第１の下型５０の凹凸高さと一致する。凹凸高さＨ２は例えば、０．５ｍｍ～０．６ｍｍ程度である。

第２の凹凸形状１４の凹凸高さＨ２は、第１の凹凸形状１３の凹凸高さＨ１よりも高いことが好ましい。具体的には、第２の凹凸形状１４の凹凸高さＨ２が、第１の凹凸形状１３の凹凸高さＨ１よりも０．１ｍｍ以上高いことが好ましい。このようにすることで、流路形成領域１１に第２の凹凸形状１４を形成する前に、確実にセパレータ材料１０を金型内に確実にロックすることができる。

図１の説明に戻る。第１のプレス加工が完了する（Ｓ１３）。すなわち、金型を開いて、第１の凹凸形状１３及び第２の凹凸形状１４を有するセパレータ材料１０を金型から取り出す。次に、第２のプレス加工を開始する（Ｓ２１）。ここでは、図７に示すように、第２の下型６０と第２の上型６１との間に、第１の凹凸形状１３及び第２の凹凸形状１４（図７では不図示）が形成されたセパレータ材料１０を配置する。

図７に示すように、第２の上型６１及び第２の下型６０の流路形成領域１１に対応する領域を第２加工領域６３とし、穴形成部１２に対応する領域を第２加工領域６４とする。第２加工領域６３には、凹凸６５が形成されている。第２加工領域６４には、平坦面６６が形成されている。第２の下型６０は一体的に形成されている。第２の上型６１は一体的に形成されている。

そして、第２の上型６１と第２の下型６０とを用いて、セパレータ材料１０をプレス加工することで、第２の凹凸形状１４を押し潰す（Ｓ２２）。つまり、第２の上型６１と第２の下型６０とによってセパレータ材料１０を挟持して、加圧シリンダ等を有するプレス機械により金型を加圧する。

第２の上型６１と第２の下型６０の第２加工領域６４には、平坦面６６が形成されている。このため、図８に示すように、穴形成部１２が平坦部１８になる。第２の凹凸形状１４を押し潰すことで、流路形成領域１１とマニホールド部１６との境界部分において、図８の矢印Ａ３の方向にセパレータ材料１０が引き込まれる。従って、材料が流路形成領域１１に送り出され、Ｓ１２で生じた引張のひずみ（図３の矢印Ａ２）を低減することができる。

さらに、Ｓ２２では、流路形成領域１１に流路１７が形成される。流路１７は、第１のプレス加工工程で形成された第１の凹凸形状１３よりも凹凸高さが小さくなっている。例えば、流路１７は、凹凸高さが０．３ｍｍ～０．４ｍｍ程度になっている。Ｓ２２後において、流路１７の凹凸高さは、穴形成部１２の凹凸高さよりも大きくなっている。

第２のプレス加工が完了する（Ｓ２３）。すなわち、金型を開いて、流路１７、及び平坦部１８を有するセパレータ材料１０を金型から取り出す。

なお、第２のプレス加工工程では、穴形成部１２が平坦部１８になるよう、セパレータ材料１０が押し潰されている。具体的には、加圧時において、第２加工領域６４における第２の下型６０と第２の上型６１とのギャップが、セパレータ材料１０の板厚の上限となるように、金型寸法が決定されている。したがって、穴形成部１２の凹凸高さが０となっている。なお、Ｓ２２において、穴形成部１２は、完全に平坦にならなくてもよい。すなわち、Ｓ２２後における穴形成部１２の凹凸高さが、第１のプレス加工工程で形成された第２の凹凸形状１４の凹凸高さよりも小さくなるようにすればよい。

そして、穴形成部１２を抜き落とす（Ｓ３１）。これにより、図９に示すように、穴形成部１２であった箇所に貫通穴２２が形成され、セパレータ２０が完成する。第２の凹凸形状１４が形成された領域が打ち抜かれる。貫通穴２２は、燃料ガス及び冷却水を供給又は排出するために、マニホールド部１６に形成される。すなわち、Ｘ方向におけるセパレータ２０の一端側の貫通穴２２から供給された燃料ガス、及び冷却水が、流路１７を通って、他端側の貫通穴２２から排出される。

図１０に、実施例にかかるセパレータ材料の反り量と、比較例にかかるセパレータ材料の反り量との測定結果を示す。実施例の製造方法では、第１のプレス加工工程において、穴形成部１２に第２の凹凸形状１４を形成しているのに対して、比較例の製造方法では、第１のプレス加工工程において、穴形成部１２に第２の凹凸形状１４を形成していない。なお、図１０では、第１のプレス加工工程（絞り工程）、第２のプレス加工工程（押し工程）、及び抜き工程のそれぞれにおいて測定された反り量（反り値）を示している。実施例、及び比較例ともにＮ個のサンプルの反り値の平均値が示されている。

図１０に示すように、それぞれの工程において、本実施例での反り値の平均値が比較例の反り値の平均値よりも小さくなっている。さらに、第２のプレス工程、及び抜き工程を経ることで、反り値、及びそのばらつきが小さくなる。このようにすることで、規格値（１０ｍｍ）以下のセパレータ２０を高い生産性で製造することができる。

第１のプレス加工工程において、流路形成領域１１の外側にあるマニホールド部１６に、第２の凹凸形状１４を形成する。このようにことで、セパレータ材料１０の反りを抑制することができる。セパレータ２０の歪みを抑制することができる。セパレータ２０を接着する際の肉余り、スタック時の組み付け不良、ワーク搬送不良などを防ぐことができる。よって、セパレータ材料１０、及び燃料電池の生産性を向上することができる。

さらに、抜き工程において貫通穴２２が形成される穴形成部１２に、第２の凹凸形状１４が形成されている。すなわち、第２の凹凸形状１４が形成された箇所が打ち抜かれる。セパレータ２０の最終的な製品形状を変えずに、反りを抑制することができる。セパレータ材料１０に、第２の凹凸形状１４を形成するためだけのスペースを追加することなく、プレス加工を行うことができる。よって、スペース効率を向上することができる。

また、第１のプレス加工工程と抜き工程との間の第２のプレス加工工程において、第２の凹凸形状１４を押し潰している。このようにすることで、第２のプレス加工工程において、マニホールド部１６と流路形成領域１１との境界に生じる急激な断面力差を低減することができる。例えば、比較例及び実施例において、加圧時の構造を解析した結果、実施例は、点Ｐ１と点Ｐ２（図８参照）との断面力差が２Ｎとなり、比較例では、断面力差が５Ｎとなる。このように、本実施例ではプレス加工により生じる急激な断面力差を低減することができる。

比較例では、流路形成領域１１とマニホールド部１６との境界部分において、長手方向（Ｘ方向）の歪みが大きくなる。この歪みによって、セパレータ材料１０の端部での反り量が大きくなってしまう。本実施の形態の通り、第２のプレス加工工程において、第２の凹凸形状１４を押し潰して平坦にすることで、急激な断面力差を低減することができ、反りを抑制することができる。

第１の下型５０、第１の上型５１、第２の下型６０、第２の上型６１がそれぞれ一体的に形成されている。例えば、一体的に形成された第１の上型５１に、第１加工領域５３と第２加工領域５４とが設けられている。同様に、一体的に形成された第１の下型５０に、第１加工領域５３と第２加工領域５４とが設けられている。よって、アクチュエータ等の付帯設備の増加を防ぐことができ、生産性を向上することができる。

これに対して、特許文献１では、下型、及び上型がそれぞれ中間部形成用型と外周部押え型の２つに分割されている。よって、油圧シリンダなどの加圧設備が、中間部成型型と外周部押さえ型にそれぞれ必要になる。また、上型、及び下型のそれぞれを分割すると、摺動部で金型が摩耗して、保全が必要となる。従って、特許文献１の方法では、生産性が低下してしまう。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ セパレータ材料
１１ 流路形成領域
１２ 穴形成部
１３ 第１の凹凸形状
１４ 第２の凹凸形状
１６ マニホールド部
１７ 流路
１８ 平坦部
２０ セパレータ
２２ 貫通穴
５０ 第１の下型
５１ 第１の上型
５３ 第１加工領域
５４ 第２加工領域
５５ 凹凸
５６ 凹凸
６０ 第２の下型
６１ 第２の上型
６３ 第１加工領域
６４ 第２加工領域
６５ 凹凸
６６ 平坦面

Claims (4)

1. 流路形成領域を有する金属のセパレータを第１の上型と第１の下型との間に配置する工程と、
   前記第１の上型と前記第１の下型とを用いて前記セパレータを絞り工程でプレス加工することで、前記流路形成領域に第１の凹凸形状を形成するとともに、前記セパレータの長手方向における前記流路形成領域の両端外側に第２の凹凸形状を形成する第１のプレス加工工程と、
   前記第１及び第２の凹凸形状が形成された前記セパレータを第２の上型と第２の下型との間に配置する工程と、
   前記第２の上型と前記第２の下型とを用いて前記セパレータをプレス加工することで、前記第２の凹凸形状を押し潰す第２のプレス加工工程と、を備え、
   前記第１のプレス加工工程では、前記第２の凹凸形状を形成することにより前記セパレータが引き込まれることが防止されるように、前記流路形成領域の外側に、凹凸高さが前記第１の凹凸形状の凹凸高さよりも高い前記第２の凹凸形状を形成するセパレータの製造方法。
2. 前記第２の凹凸形状が形成された領域を打ち抜く工程をさらに備え、
   前記セパレータのマニホールド部に、前記第２の凹凸形状が形成されている請求項１に記載のセパレータの製造方法。
3. 前記第２の凹凸形状の凹部と凸部とが、平面視における前記セパレータの長手方向から傾いた方向に沿って繰り返されている請求項１、又は２に記載のセパレータの製造方法。
4. 前記第２のプレス加工工程では、前記第１の凹凸形状の凹凸高さを小さくして、流路を形成する請求項１～３のいずれか１項に記載のセパレータの製造方法。

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