(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んだアノードとカソードの各電極にアノードガス又はカソードガスを供給する縦長凹凸形状のガス流路を成形した燃料電池用の金属セパレータの製造方法において、
金属板の左右上下に周辺部を残存させて、該金属板のセンター部に、縦長凹凸形状のガス流路をプレス成形する第一工程と、
ガス流路の長手方向と直交する周辺部にのみ、ガス流路の長手方向に対して平行で、かつ前記センター部の端部から金属板の周縁まで連続した直線状の圧縮成形部を、複数並列させて金属板の表裏からプレス成形し、前記ガス流路の長手方向と直交する周辺部をガス流路の長手方向と直交する方向に延伸させる第二工程とを備えた燃料電池用の金属セパレータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んだアノードとカソードから成るセルを仕切るために用いる燃料電池用の金属製のセパレータに関し、特に、セパレータ成形時における歪みを是正した燃料電池用の金属セパレータの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、開発がすすんでいる、水素と酸素を電気化学的に反応させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池は、発電効率が高く、発電に伴う熱を利用してコジェネレーションシステムとして用いることが可能である。また、燃料電池は、環境汚染や地球温暖化の原因となっている窒素酸化物等の排出が少ないため、自動車、家電等に用いるクリーンなエネルギー供給方法として注目されている。
【０００３】
燃料電池の開発は、初期の燐酸型燃料電池から、溶融炭酸塩型燃料電池、固体電解質型燃料電池へと移行過程にあり、図１及び図２に示すように、溶融炭酸塩型の燃料電池１２においては、電解質として溶融炭酸塩を多孔質物質に染み込ませた電解質板４をアノード（燃料極）５とカソード（酸素極）６の両電極で挟んだサンドイッチ構造のものを一つのセル７とし、アノード５とカソード６との間で発生する電位差により発電が行われるようにしている。燃料電池１２は、各セル７の両側にセパレータ１を配して多層に積層させてスタックし、必要な発電能力を持たせている。
【０００４】
仕切りとなるセパレータ１は、周辺部を除く中央部分にガス流路２となる凹凸形状を表裏両面に形成し、平坦となっている周辺部３にアノードガス供給用マニホールド１０と、カソードガス供給用マニホールド１１を設け、アノード５若しくはカソード６と接触するガス流路２の頂部から、各電極に電子を伝達すると共に、セパレータ１の表裏両面に形成された一方のガス流路２からアノード５にアノードガス（燃料ガス）を、他方のガス流路２からカソード６にカソードガス（酸素ガス）を供給している。
【０００５】
従来において、燃料電池用のセパレータは、ガス不透過性と導電性に優れたカーボングラファイトを用いて形成されていた。
【０００６】
しかし、カーボングラファイトは、素材に展延性がないため、硬い炭素系素材の板材に、ガス流路となる凹凸形状を、もっぱら切削加工等の機械的加工により形成する必要があった。カーボングラファイトは、材料自体が高価であることに加え、切削加工等の機械的加工のコストが高く、量産も困難であり、５０〜１００ｋＷの出力が必要な自動車用燃料電池では、スタック1個当りに数百枚のセパレータを使うため、セパレータは燃料電池の製造コストの約４０％近くを占め、価格は１枚当り数万円もするため、燃料電池のコストアップの要因ともなっていた。
【０００７】
また、カーボングラファイトは、多孔質材料であり、強度的に十分ではなく、複数のセルを積層して締め付け固定すると、経時的にセパレータが変形し、破損する、と云う問題があった。
【０００８】
このため、近年においては、従来のカーボングラファイトの代わりに、金属製の薄板を用いることで、強度を高めて要求される強度を保持しつつ、重さを従来の約半分と軽くし、比較的安価なプレス加工によりガス流路の成形を可能とした金属セパレータの開発がなされている。
【０００９】
溶融炭酸塩型の燃料電池は、６００℃〜７００℃の高温で運転され、腐食性の高い炭酸塩を電解質として用いているため、水蒸気や流れ出した電解質等によりセパレータ材料が腐食されてしまうおそれがあり、ステンレス鋼、アルミ、チタン等の金属板の表面にニッケルをクラッドしたクラッド材等を用いて金属セパレータを形成し、腐食による耐久性の問題を解決している。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の金属セパレータ１は、図９に示すように、ガス供給用のマニホールドを形成する必要性から、金属板のセンター部に凹凸形状のガス流路２を成形し、ガス流路２の周囲に、枠状の周辺部３を残存成形している。ガス流路２を成形した、金属セパレータ１のセンター部は、プレスにより圧延方向（図９中矢印Ｙ方向）に力が加わって圧延され、一方、プレスされない周辺部３は、圧延されずに元の状態を保っている。このため、ガス流路２の形成のために圧延されたセンター部の延びが、特に、ガス流路２の長手方向と直交する周辺部３ａによって規制された状態となり、金属セパレー１がガス流路２を形成したセンター部を中心として、凹状若しくは凸状に湾曲する歪みを生じる（図９(b)及び(c)参照）。この歪みは、金属板のセンター部のみをプレスして、凹凸形状に圧延することによって生じる不可避的な現象である。
【００１１】
このように歪みを生じた金属セパレータを用いてセルをスタックすると、金属セパレータと隣接する部材との面圧が、燃料電池全体で均一とならず、面圧の低い領域で、導電性が低下し、燃料電池動作時の内部抵抗が大きくなるため、発電性能が低下する、と云う問題があった。また、面圧の低い領域では、熱伝導性も低下するため、燃料電池の内部温度も不均一化し、発電性能の低下につながる、と云う問題もあった。更に、歪んだ金属セパレータを積層して燃料電池を構成すると、セルと金属セパレータとをスタックした周辺部において、ガスシール性を確保することが困難になる、と云う問題も生じる。
【００１２】
そこで、本発明は、叙述の諸事情を鑑みて創案されたもので、金属製の薄板に凹凸形状のガス流路をプレス成形した後、簡単な第二工程により、金属板の圧延によって生じた歪みを是正し得る燃料電池用の金属セパレータの製造方法を提供することを課題とし、もって燃料電池の発電性能を向上させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記技術的課題を解決するために、
請求項１記載の発明の手段は、電解質を挟んだアノードとカソードの各電極にアノードガス又はカソードガスを供給する縦長凹凸形状のガス流路を成形した燃料電池用の金属セパレータの製造方法において、
金属板の左右上下に周辺部を残存させて、該金属板のセンター部に、縦長凹凸形状のガス流路をプレス成形する第一工程と、
ガス流路の長手方向と直交する周辺部にのみ、ガス流路の長手方向に対して平行で、かつ前記センター部の端部から金属板の周縁まで連続した直線状の圧縮成形部を、複数並列させて金属板の表裏からプレス成形し、前記ガス流路の長手方向と直交する周辺部をガス流路の長手方向と直交する方向に延伸させる第二工程とを備えて燃料電池用の金属セパレータの製造方法を構成したこと、にある。
【００１４】
請求項１記載の発明にあっては、凹凸形状のガス流路をプレス成形した後、ガス流路と直交する上下の周辺部に、ガス流路に対して直列となる複数の線状のプレス加工を施して、ガス流路の成形によってセンター部が圧延された方向と同一方向に周辺部を延ばし、圧延されたセンター部の延びを解放するため、圧延されない周辺部でセンター部の延びが規制されることによって生じていた歪みを、是正する。
【００１５】
第二工程においては、ガス流路の長手方向の上下端部に沿って、ガス流路の長手方向と直交する上下の周辺部のみをプレスしているため、成形されたガス流路の形態に影響を与えることなく、正常なガス流路の形態を保ったまま、金属セパレータ全体としての平坦度を確保することができ、歪みのない金属セパレータを得ることができる。なお、ガス流路の長手方向と直交する周辺部に加えた線状のプレスは、金属板厚に対して、極浅くプレスするため、該周辺部の平板形状を維持し、マニホールドの形成に影響を与えない。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を、図面を参照にしながら説明する。
先ず、図３に示すように、金属板１’の左右上下の全周辺部３を残存して、金属板１’のセンター部の表裏両面に凹凸形状のガス流路２をプレス成形する第一工程を行う。
【００２０】
第一工程後、金属セパレータ１のセンター部は、凹凸形状のプレスにより圧延方向に力が加わって圧延され、一方、プレスされない周辺部３は、圧延されずに元の状態を保つため、ガス流路２の形成により圧延されたセンター部の延びが、ガス流路２の長手方向と直交する上下の周辺部３ａに規制され、センター部を中心として、金属セパレータ１全体が凹状若しくは凸状に湾曲する歪みを生じている。
【００２１】
次に、図４に示すように、第二工程として、ガス流路２の長手方向と直交する上下の周辺部３ａ（図４中、Ｃ―Ｈ間、Ｄ−Ｇ間）を、金属セパレータ１の表裏両面から、ガス流路２と直列となるように、複数の線状にプレスする。
【００２２】
図５及び図６に示すように、周辺部３ａを複数の線状にプレスすると、周辺部３ａに延びが生じ（図６図示Ｗ方向）、周辺部３ａの表裏両面に断面皿形状の圧縮成形部２ａを成形される。
【００２３】
周辺部３ａに、ガス流路２に対して直列となる線状の圧縮成形部２ａをプレスすることによって、圧延されない周辺部３ａで規制されていたセンター部の延びが、センター部の圧延方向（図４図示矢印Ｙ方向）と同一方向（図４図示矢印Ｗ方向）に生じる周辺部３ａの延びによって解放され、周辺部３ａの規制によって生じていた不可避的な歪みを、是正することができる（図４(b)及び(c)参照）。
【００２４】
第二工程においては、ガス流路２の長手方向に直交する上下の周辺部３ａを線状にプレスするため、成形されたガス流路２の形態に影響を与えることなく、正常なガス流路２の形態を維持することができる。
【００２５】
図５及び図６は、圧縮成形部２ａを明示するための説明図であり、実際は、金属セパレータ１の板厚に対して、千分の一程度の極浅い圧縮成形部２ａをプレス成形し、周辺部３ａに延びを加えているため、マニホールドの形成やスタックの際に影響を与えることはない。
【００２６】
周辺部３ａは、第二工程後、製品形状にカットするため、製品形状に周辺部３ａの延びが影響することなく、マニホールドを形成する周辺部３ａの平板形状を維持したまま、全体として平坦度を確保した歪みのない金属セパレータ１を得ることができる。
【００２７】
また、図７及び図８は、第二工程として、ガス流路２の長手方向と直交する上下の周辺部３ａ（図７中、ＡＢＣＨ間、ＤＥＦＧ間）全体を、金属セパレータ１の表裏両面から平板状にプレスする工程を示している。
【００２８】
第二工程として、ガス流路２の長手方向と直交する周辺部３ａ全域を、平板状にプレスすることによって、圧延されない周辺部３ａで規制されていたセンター部の延びが、センター部の圧延方向（図７図示矢印Ｙ方向）と同一方向（図７図示矢印Ｗ方向）に生じる周辺部３ａの延びによって解放され、周辺部３ａの規制によって生じていた不回避的に生じていた歪みを、是正することができる（図６(ｂ)及び(ｃ)参照）。
【００２９】
第二工程においては、ガス流路２の長手方向と直交する上下の周辺部３ａのみを平板状にプレスするため、第一工程で成形されたガス流路２の形態に影響を与えることなく、ガス流路２の正常な形態を維持する。
【００３０】
また、ガス流路２の長手方向と直交する上下の周辺部３ａを平板状にプレスしているため、マニホールドの形成に影響を与えることがない。また、第二工程後、周辺部３ａを製品形状にカットするため、周辺部３ａの延びが製品形状に影響を与えることなく、全体として平坦度を確保した金属セパレータ１を得ることができる。
【００３１】
そして、歪みのない金属セパレータ１は、スタックしたアノード５及びカソード６との接触面積を確保することができるため、導電性が向上し、燃料電池１２の発電性能を向上することができる。
【００３２】
また、各電極５，６との接触面積を確保した歪みのない金属セパレータ１は、熱伝導性も向上し、燃料電池１２の発電性能の向上につなげることができる。更に、スタックしたセル７と金属セパレータ１の周辺部のガスシール性も向上するため、機密性を確保して、燃料電池１２の性能が向上する。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、上記した構成となっているので、以下に示す効果を奏する。
本発明にあっては、凹凸形状のガス流路をプレス成形する第一工程の後に、ガス流路の長手方向と直交する上下の周辺部を、ガス流路と直列となるように複数の線状に、金属セパレータの表裏から周辺部をプレスする簡単な第二工程を備えることにより、ガス流路の長手方向と直交する周辺部を、ガス流路の成形により圧延されたセンター部と同一方向に圧延し、圧延しない周辺部で規制されていたセンター部の延びを解放するため、不可避的に生じていた金属セパレータの歪みを是正し、全体として平坦度を確保した、歪みのない金属セパレータを得ることができる。
【００３４】
第二工程においては、ガス流路の上下の周辺部のみをプレスしているため、成形されたガス流路の形態に影響を与えることなく、正常なガス流路の形態を維持して、金属セパレータ全体としての平坦度を改善することができる。また、周辺部を金属セパレータの板厚に対して、極浅くプレスしているため、マニホールドの形成に影響を与えることなく、周辺部の平板形状も維持する。
【００３７】
このように、正常なガス流路を成形した歪みのない金属セパレータは、アノード及びカソードとの接触面積を確保することができ、導電性、熱伝導性及びシール性を向上して、該金属セパレータを用いた燃料電池の発電性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池を示す平面図。
【図２】単一のセルの構造及び金属セパレータを示す斜視図。
【図３】本発明の実施例の第一工程である、プレス加工を示す説明図。
【図４】第二工程である、(a)線状のプレス加工を行った金属セパレータの平面図、(b)底面図、(c)側面図。
【図５】図４に示す、プレス後の金属セパレータの一部を説明する斜視図。
【図６】図４のＣ―Ｈ間の一部を拡大した縦断面図。
【図７】第二工程の他の実施例を示し、(a)平板状のプレス加工を行った金属セパレータの平面図、(b)底面図、(c)側面図。
【図８】図７に示す、プレス後の金属セパレータの一部を説明する斜視図。
【図９】従来例を示し、(a)ガス流路成形後の金属セパレータの平面図、(b)底面図、(c)側面図。
【符号の説明】
１    ；    金属セパレータ
１’  ；    金属板
２    ；    ガス流路
２ａ  ；    圧縮成形部
３    ；    周辺部
３ａ  ；    ガス流路の上下の周辺部
４    ；    電解質板
５    ；    アノード
６    ；    カソード
７    ；    セル
１０  ；    マニホールド
１１  ；    マニホールド
１２  ；    燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003700016.tif 000008
【図８】
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【図９】
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