(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の金属板の少なくとも一側面に多数の凸部を備え、電解質の各側面に接触して位置する各電極の外側面に接触して配置されて、これら各電極の外側面との間に供給流体の流通路を形成する燃料電池用集電極を製造するための製造装置であり、当該製造装置は下型と上型とからなり、前記下型は所定間隔で均等に配設されて同下型の上端面から所定長さ突出する複数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する複数の押出ピンを備えるとともに、前記上型は前記各凹状ダイスに対向して位置して同上型の下端面から前記各凹状ダイスの上端面に対して進退する複数の凸状ポンチを備え、かつ、前記各凸状ポンチは前記上型の上方に設けた固定プレートに固定されているとともに、同固定プレートと前記上型は第１ガススプリングを介して連結され、かつ、前記各押出ピンは前記上型の下方に設けたリフタープレートに一体に固定されているとともに、同リフタープレートと前記固定プレートは第２ガススプリングを介して互いに連結されていて、半抜きプレス加工後に前記固定プレートを上昇させて、前記上型を半抜きプレス加工後の金属板から離間させた状態で生じる前記リフタープレートの上昇動作によって、前記押出ピンが押出し作用をするように設定されていることを特徴とする燃料電池用集電極の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用集電極の製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、例えば特開平７−１３５００１号公報に示されているように、電解質と、電解質の各側面に接触して位置する一対の電極と、これら各電極の外側面に接触して位置して各電極との間に燃料ガス、酸化剤ガス等の供給流体の流通路を形成する一対の集電極を単一セルとして、かかる単一セルを多数重合して形成されている。
【０００３】
かかる形式の燃料電池においては、集電極の電極に対向する側面に複数の凸部が形成されていて、集電極と陰極間には、供給流体である水素等の燃料ガスおよび水蒸気の混合ガスの流通路が形成されており、また、集電極と陽極間には、供給流体である空気等の酸化剤ガスおよび化学反応で生成される水の流通路が形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、かかる形式の燃料電池においては、集電極は集電機能を考慮してカーボンプレートにて形成されるのが一般であるが、カーボンプレートのコストが高いことから、多数の単一セルを一体化して構成される燃料電池はコストが高くなることは避けられない。
【０００５】
特に、かかる集電極においては、その電極に対向する一側面に多数の凸部を形成して、電極との間に供給流体の良好な流通路を形成するための流通路形成性能を付与されることが多く、この場合には、カーボンプレートの一側面に多数の凸部を形成すべく切削加工等の機械加工が施される。
【０００６】
しかしながら、集電極の基材として採用されるカーボンプレートは緻密カーボングラファイトからなる硬度が極めて高いものであることから、カーボンプレートの表面に多数の凸部を形成すべく切削加工等の機械加工を施すことは容易ではなく、量産が困難であって加工コストが極めて高くなる。このため、集電極は、高い材料コストに高い加工コストが付加されて一層コスト高になって、燃料電池のコストを一層上昇させることになる。
【０００７】
従って、本発明の目的は、集電極の基材として加工性に優れた金属材料を採用することにより材料コストと加工コストの低減を図り、電極に対向する一側面に多数の凸部を有する集電極を極めて安価に提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料電池用集電極の製造装置に関するもので、導電性の金属板の少なくとも一側面に多数の凸部を備え、電解質の各側面に接触して位置する各電極の外側面に接触して配置されて、これら各電極の外側面との間に供給流体の流通路を形成する形式の燃料電池用集電極を製造の対象とするものである。
【００１２】
しかして、本発明に係る燃料電池用集電極の製造装置は、下型と上型とからなり、前記下型は所定間隔で均等に配設されて同下型の上端面から所定長さ突出する複数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する複数の押出ピンを備えるとともに、前記上型は前記各凹状ダイスに対向して位置して同上型の下端面から前記各凹状ダイスの上端面に対して進退する複数の凸状ポンチを備え、かつ、前記各凸状ポンチは前記上型の上方に設けた固定プレートに固定されているとともに、同固定プレートと前記上型は第１ガススプリングを介して連結され、かつ、前記各押出ピンは前記上型の下方に設けたリフタープレートに一体に固定されているとともに、同リフタープレートと前記固定プレートは第２ガススプリングを介して互いに連結されていて、半抜きプレス加工後に前記固定プレートを上昇させて、前記上型を半抜きプレス加工後の金属板から離間させた状態で生じる前記リフタープレートの上昇動作によって、前記押出ピンが押出し作用をするように設定されていることを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の作用・効果】
本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の基材として、低コストで加工性に優れた金属材料を採用しているので、材料コストと加工コストを従来のカーボンプレートからなる集電極に比較して低くすることができ、同集電極に比較して極めて安価に提供することができる。
【００１４】
また、本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の基材が金属材料であることから、強度上および加工上からも薄肉化することができ、多数の単一セルからなる燃料電池を小型化することができる。
【００１５】
本発明に係る製造装置によって製造された燃料電池用集電極においては、集電極の一側面に数多くの凸部を精度よく、特に、凸部の上面が平滑でコーナ部にだれがない寸法精度の高い凸部を形成することができて、電極との接触面積および供給流体の流通路を十分に確保することができる。また、当該製造装置によれば、特に、半抜きプレス加工された金属板の離型を特殊なタイミングで行っていることから、金属板の離型時における凸部の変形が大幅に抑制され、凸部の寸法精度が一層高くなる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明すると、図１には本発明に係る燃料電池用集電極を採用して構成した燃料電池の単一セルの構造が示されており、図２には同単一セルにおける集電極と電極との関係が示されている。燃料電池は、当該構造の単一セルを多数個左右側に互いに重合することにより構成される。
【００１８】
当該単一セル１０は、固体高分子型燃料電池のセル構造を構成しているもので、電解質１１と、電解質１１の一側に接触して位置する陽極１２および他側に接触して位置する陰極１３と、陽極１２および陰極１３のそれぞれの外側に接触して位置する一対の集電極１４にて構成されている。
【００１９】
電解質１１は、フッ素系樹脂からなるイオン交換膜であり、当該単一セル１０においては、厚み５０μｍのナフィオン（デュポン社製、登録商標）を採用している。陽極１２および陰極１３は、炭素繊維糸を平織りにしたカーボンクロスを基材として、同基材の間隙に白金または白金の合金を担持したカーボン粉を担持させてなるもので、陽極１２は酸素極として機能するとともに陰極１３は燃料極（水素極）として機能し、かつ、白金、白金合金等は燃料を酸化させるための酸化触媒として機能する。
【００２０】
各集電極１４は、一側面１４ａに多数の凸部１４ｂを備え、各凸部１４ｂの頂部が陽極１２または陰極１３の外側面に接触していて、陽極１２の外側面と集電極１４の一側面１４ａとの間には酸化剤ガスである空気、および化学反応で生成される水の流通路が形成されており、また、陰極１３の外側面と集電極１４の一側面１４ａとの間には燃料ガスである水素ガス、および水蒸気の流通路が形成されている。
【００２１】
当該単一セル１０は、その多数個を重合されて固体高分子型燃料電池を構成し、陽極１２の外側面と集電極１４の一側面１４ａとの間には、図示しない供給流路から空気が供給され、また、陰極１３の外側面と集電極１４の一側面１４ａとの間には、図示しない供給流路から水素ガスが供給されて、陽極１２と陰極１３との間で下記のごとき化学反応を生じて、化学反応エネルギーを電気エネルギーに変換する。
【００２２】
陽極反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
陰極反応（水素極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-
しかして、各集電極１４は本発明の一例に係る集電極であり、以下、集電極１４、その製造装置、およびその製造方法について説明する。
【００２３】
（燃料電池用集電極）
本発明に係る燃料電池用集電極は、導電性の金属材料からなる板を基材として採用して、同金属板上に半抜きプレス加工を施すことにより、同金属板の一側面に多数の凸部を形成しているものである。金属板としては、鋼板、ステンレス板、アルミニウム板、銅板等が導電性や価格の点で好ましく、また、凸部については、円柱状、角柱状、その他各種の形状の柱状のものでよい。
【００２４】
単一セル１０で採用されている集電極１４は、厚み０．７ｍｍで縦横２００ｍｍの正方形の鋼板の一側面１４ａに半抜きプレス加工を施して直径２ｍｍで高さ０．５ｍｍの円柱状の凸部１４ｂを２８００個形成した後に、ニッケル鍍金を施してなるもので、各凸部１４ｂは縦横３ｍｍの等間隔のピッチに配列されている。
【００２５】
しかして、当該集電極１４においては、その基材として低コストで加工性に優れた金属材料である鋼板を採用して、各凸部１４ｂの形成に加工コストの低い半抜きプレス加工を採用しているため、従来のカーボンプレートからなる集電極に比較して極めて安価に提供することができる。
【００２６】
また、当該集電極１４においては、採用している基材が鋼板であることから、強度上および加工上からも薄肉化することができ、例えば厚み０．７ｍｍまたはそれ以下とすることができる。従って、当該集電極１４を構成部材とする単一セル１０の集合体からなる燃料電池を小型化することができる。
【００２７】
（燃料電池用集電極の製造装置）
本発明に係る燃料電池用集電極を製造するための製造装置は、下型と上型とからなるもので、下型には、所定間隔で均等に配設されて下型の上端面から所定長さ突出する多数の筒状の凹状ダイスと、これら各凹状ダイスの内孔内に摺動可能に挿入されて同凹状ダイスの上端開口部に対して進退する押出ピンが設けられており、上型には、各凹状ダイスに対向して位置して上型の下端面から各凹状ダイスの上端面に対して進退する多数の凸状ポンチが設けられているものである。
【００２８】
図４には、単一セル１０を構成する集電極１４を製造するための製造装置が示されている。当該製造装置は、下型２０ａと上型３０ａを備え、下型２０ａはプレス装置の下定盤４１に組付けられ、かつ、上型３０ａはプレス装置の上定盤４２に組付けられている。
【００２９】
下型２０ａは、型本体２１、リフタプレート２２、多数のボタンダイス２３、多数の押出ピン２４、およびガススプリング２５を備えていて、基盤２６を介して下定盤４１に組付けられている。型本体２１は、下定盤４１に一体的に固定された基盤２６上に固定されており、リフタプレート２２は基板２６上にガススプリング２５を介して組付けられている。リフタプレート２２は、この組付状態にて基板２６と型本体２１間に位置していて、ガススプリング２５の上方への付勢力にて型本体２１の下面に弾撥的に当接している。
【００３０】
下型２０ａを構成する型本体２１においては、大径部２１ａ1と小径部２１ａ2とからなる多数の貫通孔２１ａが設けられており、大径部２１ａ1は型本体２１の上端面から下方へ所定長さ延び、かつ、小径部２１ａ2は大径部２１ａ1の下端から型本体２１の下端面まで延びている。各貫通孔２１ａは、型本体２１の縦方向および横方向に等間隔に設けられていて、各大径部２１ａ1には凹状ダイスであるボタンダイス２３が埋設されている。
【００３１】
ボタンダイス２３は円筒状のもので、上端面には内孔２３ａを中心とする環状突起部２３ｂが形成されていて、型本体２１の上面から上方へわずかに突出している。また、ボタンダイス２３の内孔２３ａには、型本体２１における貫通孔２１ａの小径部２１ａ2を下方から貫通する押出ピン２４が摺動可能に貫通している。
【００３２】
押出ピン２４は、リフタプレート２２を構成する上側プレート２２ａに下から挿入されていて、上方へ突出した状態で下側プレート２２ｂを介して固定されている。押出ピン２４は、リフタプレート２２が上動位置にある場合には、その上端部をボタンダイス２３の上端部と面一に位置させている。
【００３３】
上型３０ａは、型本体３１、固定プレート３２、ポンチ３３、吊りボルト３４、第１ガススプリング３５、および第２ガススプリング３６を備えていて、基盤３７を介して上定盤４２に組付けられている。型本体３１は、上定盤４２に固定された基盤３７に吊りボルト３４、および第１ガススプリング３５を介して上下動可能に組付けられている。型本体３１は、この組付状態にて第１ガススプリング３５の下方への付勢力にて基盤３７から所定量離間している。また、第２ガススプリング３６は基盤３７の端部に組付けられていて、型本体３１を貫通して下方へ突出し、下型２０ａのリフター２２に突設した受承ピン２２ｃに対向している。
【００３４】
上型３０ａを構成する型本体３１においては、大径部３１ａ1と小径部３１ａ2とからなる円形状の多数の貫通孔３１ａが設けられており、大径部３１ａ1は型本体３１の上端面から下方へ所定長さ延び、かつ、小径部３１ａ2は大径部３１ａ1の下端から型本体３１の下面まで延びている。各貫通孔３１ａは、型本体３１の縦方向および横方向に等間隔に設けられていて、下型２０ａ側の各ボタンダイス２３の上端部に対向して開口している。
【００３５】
固定プレート３２は、基盤３７の下面に一体的に固定されているもので、固定プレート３２を構成する下側プレート３２ａには多数のポンチ３３が上から挿入されていて、下方へ突出した状態で上側プレート３２ｂを介して固定されている。ポンチ３３は、上方の大径部３３ａと下方の小径部３３ｂとからなる円柱状を呈しているもので、型本体３１が基盤３７に吊下状に支持されている状態では、型本体３１の各貫通孔３１ａの上端部に臨んでいる。
【００３６】
上型３０ａは、上定盤４２と一体に下降するもので、上定盤４２が所定量下降した際には、型本体２１上に搬入されて２点鎖線で示すように各ボタンダイス２３上に載置された状態の鋼板１４Ａを、各ボタンダイス２３の上端面に弾撥的に当接して、鋼板１４Ａを各ボタンダイス２３の環状突起部２３ｂとともに挟持する。この間、第２ガススプリンブ３６は受承ピン２２ｃの上端部に弾撥的に当接してリフター２２をわずかに押下げ、各押出ピン２４を各ボタンダイス２３の上端面からわずかに埋没させる。
【００３７】
その後の上定盤４２の所定量の下降により、各ポンチ３３のみが型本体３１の貫通孔３１ａ内を下降して、貫通孔３１ａの下端開口部からわずかに突出し、鋼板１４Ａの対向部位をこの突出量だけ押圧する。この押圧力にて、図５に示すように、当該押圧部位が半抜きプレスされて、鋼板１４Ａの一側面１４ａに各押出ピン２４の下降量に相当する高さ凸部１４ｂが形成される。
【００３８】
プレス成形の終了後には、型本体３１は上定盤４２とともに上昇してプレス加工の施された鋼板１４Ａから離間し、下型２０ａ上にはプレス加工終了後の鋼板１４Ａが残存するが、各押出ピン２４がガススプリング４３の上方への付勢力にてリフタプレート２２と一体に上昇して各ボタンダイ２３の上端部と同一面まで上昇して鋼板１４Ａを図６に示すように離型させる。
【００３９】
この間、各押出ピン２４は第２ガススプリング３６の作用で、型本体３１が鋼板１４Ａ上から離間するまで上動せず、型本体３１が鋼板１４Ａ上から離間した後に上動して鋼板１４Ａを押上げる。このため、鋼板１４Ａは上からの荷重のない状態で押上げられることになって、離型の際の変形が防止される。
【００４０】
（燃料電池用集電極の製造方法）
本発明に係る燃料電池用集電極は、金属板を凹状ダイス上で凸状ポンチによる押圧作用により半抜きプレスを行って同金属板上に凸部を形成し、半抜きプレス加工後の金属板を押出ピンによる押出し作用により凹状ダイスから離型させる方法により製造される。この場合、金属板の一面を、凸部の配設部位が縦横同数となる正方形の複数の領域に区画して、各領域の対応する配設部位毎に半抜きプレスを施す多段階の半抜きプレス加工を採用することが好ましい。
【００４１】
かかる製造方法を実施して単一セル１０を構成する集電極１４を製造するには、上記した製造装置が好適に採用される。当該製造装置においては、集電極１４の形状、構造に対応して両型２０ａ，３０ａの各種の構成部材の寸法が設定されていて、鋼板１４Ａには、９工程のプレス工程を経て全ての凸部１４ｂが形成される。
【００４２】
製造装置を構成する下型２０ａにおいて、ボタンダイ２３は、その外径が６．０ｍｍ、環状突起部２３ｂの外径が３．８ｍｍ、その高さが０．５ｍｍ、内孔２３ａの孔径が２．０ｍｍに設定されており、また、隣合う各ボタンダイ２３の内孔２３ａの中心間の距離（ピッチ）が９．０ｍｍに設定されている。
【００４３】
リフトプレート２２は、その昇降量が０．５ｍｍの範囲に設定されていて、各押出ピン２４の各ボタンダイ２３の内孔２３ａへの最大埋没長さが０．５ｍｍに設定されている。
【００４４】
製造装置を構成する上型３０ａにおいて、各ポンチ３３の下端側の小径部３３ｂは外径が２．０ｍｍに設定されている。各ポンチ３３は、型本体３１が下降して鋼板１４Ａを介して各ボタンダイス２３の上端面に弾撥的に当接した後にさらに下降して、型本体３１の貫通孔３１ａの下端から最大０．５ｍｍ下方に突出するように設定されている。
【００４５】
集電極１４においては、厚み０．７ｍｍで縦横２００ｍｍの鋼板の一側面１４ａに、半抜きプレス加工を施して形成される直径２ｍｍで高さ０．５ｍｍの円柱状の凸部１４ｂを２８００個を備えているもので、板厚０．７ｍｍの鋼板１４Ａを採用すれば、各構成部材の寸法を上記のごとく設定した両型２０ａ，３０ａを備えた製造装置にて製造することができるが、各凸部１４ｂが縦横３ｍｍの等間隔という極めて小さいピッチに配列されることから、これらの全ての凸部１４ｂを同一寸法で同一間隔に形成するのに９工程のプレス工程を採用する。
【００４６】
すなわち、鋼板１４Ａの一側面における凸部１４ｂの配設部位を、図３に示すように、縦横３個づつの合計９個を含む範囲を１領域として一側面の全てをこれに相当する領域に区画し、各領域の配設部位毎に半抜きプレスを施す。例えば、図３に示す各領域では、第１プレス工程では第１列で第１行に位置するそれぞれの部位を、第２プレス工程では第２列で第１行に位置するそれぞれの部位を、第３プレス工程では第３列で第１行に位置するそれぞれの部位を、第４プレス工程では第１列で第２行に位置するそれぞれの部位を、第５プレス工程では第２列で第２行に位置するそれぞれの部位をという順序で、第９プレス工程までプレス加工を行う。これにより、鋼板１４Ａの一側面には、直径２ｍｍで高さ０．５ｍｍの円柱状の凸部１４ｂが、縦横３ｍｍの等間隔という極めて小さいピッチで形成される。
【００４７】
図４には第１プレス工程で採用される両型２０ａ，３０ａが、図７には第２プレス工程で採用される両型２０ｂ，３０ｂが、図８には第３プレス工程で採用される両型２０ｃ，３０ｃがそれぞれ示されており、両型２０ａ，３０ａと、両型２０ｂ，３０ｂと、両型２０ｃ，３０ｃとは互いに同一の構成のものである。
【００４８】
但し、鋼板１４Ａに対するボタンダイス２３およびポンチ３３の位置関係が相違しており、第１プレス工程の両型２０ａ，３０ａにおける鋼板１４Ａに対するボタンダイス２３およびポンチ３３の位置を基準Ｌ1とした場合、第２プレス工程の両型２０ｂ，３０ｂにおける鋼板１４Ａに対するボタンダイス２３およびポンチ３３の位置Ｌ2は基準位置Ｌ1に対して３．０ｍｍ偏倚しており、第３プレス工程の両型２０ｃ，３０ｃにおける鋼板１４Ａに対するボタンダイス２３およびポンチ３３の位置Ｌ3は基準位置Ｌ1に対して６．０ｍｍ偏倚している。
【００４９】
本製造方法においては、全てのプレス工程での前後の両プレス工程間において、凸部１４ｂの配設部位の行間または列間で、鋼板１４Ａに対するボタンダイス２３およびポンチ３３の位置が上記したごとく偏倚していて、鋼板１４Ａは第１プレス工程から第９プレス工程まで順次搬送されて半抜きプレス加工され、全ての凸部１４ｂが縦横３ｍｍの等間隔のピッチで形成される。
【００５０】
なお、当該製造方法においては、板厚０．７ｍｍの集電極１４を製造すべく同一厚みの鋼板１４Ａを採用するとともに、ボタンダイス２３の孔径（２．０ｍｍ）とポンチ３３の外径（２．０ｍｍ）とを同一寸法に設定した両型２０ａ，３０ａを採用して、鋼板１４Ａをボタンダイス２３とポンチ３３間でのせん断作用により半抜きプレス加工を施しているが、集電極１４の厚みをさらに薄くすべく厚みの薄い鋼板１４Ａを採用する場合には、ポンチ３３の外径をボタンダイス２３の孔径よりわずかに大きく設定して、押圧時のボタンダイス２３とポンチ３３間での材料の流れ作用を利用した半抜きプレス加工を施すようにすることが好ましい。
【００５１】
このように、集電極１４を製造する場合、上記した半抜きプレス加工により凸部１４ｂを形成する方法を採用すれば、集電極１４の一側面１４ａに多数の凸部１４ｂを精度よく形成することができて、電極との接触面積および供給ガスの流通路を十分に確保することができる。
【００５２】
また、当該半抜きプレス加工によれば、凸部１４ｂの上面が平滑でコーナ部にだれがない寸法精度の高い凸部１４ｂを形成することができるが、特に、半抜きプレス加工を上記したごとく多段階に行うようにすれば、多数の凸部１４ｂを極めて小さいピッチで一層精度よく形成することができ、電極との接触面積および供給ガスの流通路を十分に確保することにより、燃料電池の電池効率を一層向上させることができる。かかる製造方法は、上記した本発明に係る製造装置を採用することにより好適に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る集電極を採用して構成した燃料電池用の単一セルを示す部分断面図である。
【図２】同単一セルにおける集電極と電極の関係を示す部分切欠き斜視図である。
【図３】同集電極における凸部の配設部位の位置関係を示す平面的な説明図である。
【図４】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である（第１プレス工程）。
【図５】同製造装置における半抜きプレスの状態を示す部分縦断面図である。
【図６】同製造装置における半抜きプレス終了後の離型状態を示す部分縦断面図である。
【図７】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である（第２プレス工程）。
【図８】本発明の一例に係る製造装置を示す部分縦断面図である（第３プレス工程）。
【符号の説明】
１０…単一セル、１１…電解質、１２…陽極、１３…陰極、１４…集電極、１４Ａ…鋼板、１４ａ…一側面、１４ｂ…凸部、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ…下型、２１…型本体、２１ａ…貫通孔、２１ａ1…大径部、２１ａ2…小径部、２２…リフタプレート、２２ａ…上側プレート、２２ｂ…下側プレート、２２ｃ…受承ピン、２３…ボタンダイス、２３ａ…内孔、２３ｂ…環状突起部、２４…押出ピン、２５…ガススプリング、２６…基盤、３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…上型、３１…型本体、３１ａ…貫通孔、３１ａ1…大径部、３１ａ2…小径部、３２…固定プレート、３２ａ…下側プレート、３２ｂ…上側プレート、３３…ポンチ、３３ａ…大径部、３３ｂ…小径部、３４…吊りボルト、３５…第１ガススプリング、３６…第２ガススプリング、３７…基盤、４１…下定盤、４２…上定盤、Ｌ1〜Ｌ3…ボタンダイスとポンチの対向位置。
【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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【図８】
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