(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して、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、前記ガス流路の長手方向と平行となる周辺部を固定して、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と直交する方向の引張力を加え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、開発が進んでいる、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乃至図３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、セパレータ１の表裏両面にそれぞれ異なるガスを流通するようにしている。
【０００５】
図３に示すように、セパレータ１は、表裏両面に形成した縦長凹凸形状のガス流路２の頂部がアノード５若しくはカソード６と接触し、各電極に電子を伝達すると共に、金属セパレータ１の表裏両面に形成された一方のガス流路２Ａ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２Ｃからカソード６にカソードガス（酸素ガス）を供給し、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。なお、図３中１３は、スペーサーを示している。
【０００６】
アノード５若しくはカソード６の周囲には、シール板８，９を設け、該シール板８，９の端部を屈曲してセパレータ１の周辺部３に重ね合わせ、この重ね合わせた部分をシールして、セパレータ１に機密性のあるガス流路２を形成している。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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て、腐食による耐久性の問題を解決している。
【００１２】
【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７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７図示矢印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、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７(b)及び(c)参照）。この歪みは、金属板のセンター部をプレスして、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
【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して、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平行となる周辺部を固定して、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と直交する方向の引張力を加える第二工程とを備えたこと、にある。
【００１６】
請求項１記載の発明にあっては、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周辺部を、ガス流路の長手方向と直交する方向に引っ張り延ばし、ガス流路の形成によって圧延されたセンター部の延びが、ガス流路の長手方向と直交する圧延されない周辺部で規制されることによって生じていた金属セパレータの歪みを、是正する。
【００１７】
第二工程においては、ガス流路の長手方向と平行となる周辺部を固定し、ガス流路の長手方向に対して直交する周辺部にのみ引張力を加えているため、センター部のガス流路に引張力が影響せず、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平坦度を改善することができ、歪みのない金属セパレータを得ることができる。
【００１８】
【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４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’のセンター部分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。
【００１９】
次に、図５に示すように、ガス流路２の長手方向と平行となる周辺部３の左右両端部を下方に折り曲げて、係止片１ａを突設する。金属セパレータ１は、ガス流路２成形時のプレスによって、センター部が圧延される。圧延されたセンター部の延びは、ガス流路２の長手方向と直交する圧延されない周辺部３ａによって規制されるため、金属セパレータ１全体が、センター部を中心として、凹状若しくは凸状に湾曲した歪みを生じる（図５(b)及び(c)参照）。
【００２０】
次に、第二工程として、ガス流路２の長手方向と平行となる周辺部３ｂ（Ｃ―Ｄ間、Ｈ−Ｇ間）を固定し、ガス流路２の長手方向と直交する周辺部３ａ（ＢＣＨＡ部分及びＤＥＦＧ部分）にのみ、ガス流路の長手方向と直交する方向（図５図示矢印Ｙ方向）と同一方向の引張力を加える。
【００２１】
すなわち、ガス流路２の長手方向と平行となる周辺部３ｂ（Ｃ−Ｄ間、Ｈ−Ｇ間）を、上下から治具で固定し、ガス流路２の長手方向と直交する周辺部３ａの下部にカム金型（押すことで左右に開く金型）を設置し、該カム金型を係止片１ａに係止し、カム金型を左右に開いて、係止片１ａを押し広げることで、周辺部３ａ（ＢＣＨＡ間、ＤＥＦＧ間）にのみ、ガス流路の長手方向と直交する方向（図５図示矢印Ｙ方向）と同一方向（図５図示矢印Ｘ方向）の引張力を加える。
【００２２】
図６は、引張力を加えた後の金属セパレータ１の状態を示し、カム型で係止片１ａを押し広げることによって、引張力が加えられた周辺部３ａは、引張力が加えられた方向に少々圧延している。
【００２３】
第二工程において、周辺部３ａを、ガス流路の長手方向と直交する方向に引っ張り延ばしているため、圧延されていなかった周辺部３ａで規制されていたセンター部の延びが解放され、金属セパレータ１の歪みを是正することができる（図６(b)及び(c)参照）。
【００２４】
第二工程においては、ガス流路２の長手方向と平行となる周辺部３ｂを固定して、周辺部３ａのみに引張力を加えているため、プレス成形されたガス流路２に引張力が影響せず、正常なガス流路２の形態を維持することができる。
【００２５】
そして、周辺部３を製品形状にカットして、歪みのない金属セパレータ１を得ることができる。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。
【００２６】
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３ａ，３ｂ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。
【００２７】
【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。
請求項１記載の発明にあっては、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に、ガス流路を成形した圧延方向と同一方向の引張力を加え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、該周辺部に引張力を加えることによって解放し、金属セパレータ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。
【００２８】
また、第二工程においては、ガス流路の長手方向と平行となる周辺部を固定して、ガス流路の長手方向と直交する周辺部にのみ引張力を加えるため、プレス成形されたガス流路に引張力が影響せず、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。
【００２９】
ガス流路をプレス成形する第一工程の後に、簡単な第二工程を備えたことによって得られる、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。
【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】金属セパレータを介して複数のセルをスタックした構造を示す説明図。
【図４】本発明の実施例の第一工程を示す説明図。
【図５】  (a)第一工程後の金属セパレータの平面図、(b)底面図、(c)側面図。
【図６】  (a)第二工程後の金属セパレータの平面図、(b)底面図、(c)側面図。
【図７】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
１ａ  ；    係止片
２    ；    ガス流路
２Ａ  ；    アノードガス流路
２Ｃ  ；    カソードガス流路
３    ；    周辺部
３ａ  ；    ガス流路の長手方向と直交する周辺部
３ｂ  ；    ガス流路の長手方向と平行となる周辺部
４    ；    電解質板
５    ；    アノード
６    ；    カソード
７    ；    セル
８    ；    シール板
９    ；    シール板
１０  ；    マニホールド
１１  ；    マニホールド
１２  ；    燃料電池
１３  ；    スペーサー
【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】
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