(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属平板からなり、中央部の領域に複数の凹凸部からなるガス流路と、前記ガス流路の周辺部に平坦部とを含んだ燃料電池セパレータの製造方法において、
前記ガス流路を形成させる工程と、
前記平坦部の少なくとも一方向の各々の両縁部を同一方向に略垂直に折り曲げて固定させる第１工程と、
第１工程で折り曲げた両縁部の折曲線と中央部の領域との間における各々の平坦部において、前記中央部の領域の近傍平坦部と前記折曲線の近傍平坦部とを金属平板に垂直な方向に相対移動させて、前記折曲線に平行に屈曲させる第２工程とが含まれ、
第２工程が、ガス流路を形成させる工程以後に行われ、第２工程において、前記折曲線の近傍平坦部を前記中央部の領域の方に引き込ませないようにして、前記中央部の領域の近傍平坦部に引張力を加えて金属平板の反りを抑制させる、
ことを特徴とする燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項２】
前記ガス流路を形成するガス流路形成工程の後に、第１工程と、第２工程が含まれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項３】
第１工程と第２工程との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成工程が含まれている、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項４】
第１工程の後に、前記ガス流路を形成するガス流路形成工程と第２工程が同時に行われる、
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セパレータの製造方法。
【請求項５】
金属平板からなり、中央部の領域に複数の凹凸部からなるガス流路と、前記ガス流路の周辺部に平坦部を含んだ反りが小さい燃料電池セパレータにおいて、
前記平坦部の少なくとも一方向の両縁部には、夫々が同一方向に略垂直に折れ曲がる第１の折曲部を有すると共に、
第１の折曲部がなす各々の折曲線と前記ガス流路との間に、各々の前記折曲線と平行に折り曲げられた第２の折曲部を有し、
各々の第２の折曲部におけるガス流路側の屈曲端の断面形状が滑らかな曲線をなし、各々の前記屈曲端の内方の平坦部において、前記折曲線と交差する方向に対して引き延ばされることで、前記ガス流路の両側方に位置する平坦部の板厚が、第１の折曲部の板厚より薄くされ、残留応力が低減されている、
ことを特徴とする燃料電池セパレータ。
【請求項６】
前記金属平板の板厚が、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされている、
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項７】
前記凹凸部が、一つの方向に長く伸びる複数の筋状のリブを含んでいる、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項８】
前記凹凸部が、独立した複数の点状の凹凸部である、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池セパレータ。
【請求項９】
前記金属平板の四隅部が切り欠かれ、各々の四隅の切欠き部の切欠き形状の内方が円弧状とされ、
第２の折曲部が前記切欠き部よりも縁部側に位置している、
ことを特徴とする請求項５乃至請求項８のいずれか一項に記載の燃料電池セパレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セパレータ及びその製造方法に関する。より詳細には、金属平板にガス流路をなす複数の凹凸部が形成されている反りが小さい燃料電池セパレータ、及びプレス成形によるその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高効率かつ環境性能の高い燃料電池の需要が高まっている。しかし、燃料電池は製造コストが高いことから依然として普及が進んでいない。製造コストが高い理由の一つに、燃料電池のセルをなす燃料電池セパレータが高価であることが挙げられる。従来の燃料電池セパレータは、切削やエッチング等により金属平板にガス流路を形成させていたため、製造に時間を要し、一枚当たりの製造単価が非常に高価となっていた。
【０００３】
そのため、燃料電池を普及させるためには、燃料電池セパレータの製造コストを低減させることが重要とされる。そこで、金属燃料電池セパレータの加工方法が、高価なエッチング等から安価なプレス成形に移行されつつある。しかし、平坦な金属平板に複数の凹凸部をプレス成形させると、凹凸部分とその周囲に残留応力が残り、燃料電池セパレータに反りが発生するという課題があった。
【０００４】
燃料電池セパレータに反りが発生すると、燃料電池セパレータと電極との面圧が不均一となって接触抵抗が大きくなり、発電電圧が低下すると共に、ガスシール性が低下するといった課題があった。更に、反りを修正しながら燃料電池スタックを組立てる必要があり、組立て作業が煩雑になるといった課題もあった。
【０００５】
また、燃料電池自動車に使用される燃料電池では、燃料電池の小型軽量化が求められるため、燃料電池セパレータが約０．２ｍｍから約０．３ｍｍといった薄い金属平板から製造されている。そうすると、金属平板の板厚が薄く剛性が低いため、ガス流路をプレス成形させた場合には、燃料電池セパレータに反りが発生しやすくなっていた。そこで、板厚の薄い燃料電池セパレータであっても、反りを少なくできる技術が特許文献１及び特許文献２に開示されている。
【０００６】
特許文献１の技術には、金属平板の中央の集電部と、集電部の周囲に縁部とが成形されてなる燃料電池セパレータの技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、集電部の縁部に一方の面側が凸部とされ、他方の面側が溝部をなすリブが形成されることにより、縁部の剛性が高くなり、燃料電池セパレータ全体の反りを抑制できるとされている。
【０００７】
しかし、特許文献１の技術によれば、リブにより縁部の剛性が高められて、燃料電池セパレータの反りが抑制されるため、縁部にリブを備えさせることが必須の要件とされている。そのため、縁部全体が平坦とされた燃料電池セパレータを得ることはできなかった。そうすると、セルを重ねて、縁部の平坦部を貫通する状態に配設される燃料等の流路孔の配置が制約されるため、セルの面積が大きくなる、シール材の厚さが分厚くなると共に、リブの形状に合わせた凹凸溝を設ける必要がある等の課題があった。
【０００８】
特許文献２には、０．２ｍｍ以下の薄板の固体高分子型燃料電池セパレータについて、反りを抑制させる技術が開示されている。特許文献２の技術によれば、中央に燃料電池セパレータに沿うガス流路が備えられ、その周囲に平坦部が備えられる燃料電池セパレータにおいて、ガス流路の長さ方向と平行となる平坦部の二辺に、折り曲げ、若しくはガス流路とは異なる凹部又は凸部を形成させている。一方で、ガス流路の幅方向と平行となる平坦部の二辺には、曲げ部等を有さない領域を備えさせている。これにより、燃料電池セパレータ部材自体として剛性を確保しにくい０．２ｍｍ以下の薄板であっても、平坦部の剛性を高くして燃料電池セパレータの反りを抑制できるとされている。
【０００９】
しかし、特許文献２の技術によれば、剛性を確保しにくい板厚が０．２ｍｍ以下の薄板を対象としているため、積層組立作業において板を移動させる際に、板同士の衝突等により、部分的な破損や反りを発生させる可能性があるという課題があった。また、厚板の場合については、それ自体で燃料電池セパレータ材としての剛性を確保できるとして、反りが発生することを想定していなかった。
【００１０】
一方で、定置型発電機として利用される燃料電池の場合には、燃料電池自動車のように小型軽量化が必ずしも必要ではなく、厚板の燃料電池セパレータを使用することも可能であった。ここで、厚板とは、板厚が少なくとも約０．５ｍｍ以上の金属平板を指している。
【００１１】
しかし、燃料電池セパレータを厚板とすれば、燃料電池セパレータを積み重ねる際にも、燃料電池セパレータを変形させにくく組み立てやすい反面、厚板が反った場合には、従来の抑制方法では反りを抑制することはできなかった。
【００１２】
そこで、本願の発明者は、燃料電池セパレータをプレス成形するにあたって、金属平板が反りにくいと考えられていた、板厚が約０．８ｍｍの厚板を使用して試作を行った。しかし、燃料電池セパレータが厚板であっても、凹凸部の密度と配列によっては、燃料電池セパレータに反りが発生するという新たな課題に直面した。
【００１３】
このような場合には、厚板に反りを発生させる程の強い残留応力が働いていることに加えて、板自体の剛性も高いため、反りを矯正することが非常に困難であった。そこで、本願の発明者は、金属製の厚板に、高い密度で凹凸部がプレス成形されて反りが発生した場合であっても、その反りを矯正できる燃料電池セパレータの製造方法と反りが矯正された燃料電池セパレータを提供することを課題とした。
【００１４】
特許文献３には、金属製の薄板にガス流路をプレス成形した後に、ガス流路の周辺平坦部を加圧して部分的に圧縮することにより、プレス加工により生じた燃料電池セパレータの反りを矯正できる燃料電池セパレータの製造方法の技術が開示されている。特許文献３の技術によれば、第一工程において、金属平板の左右上下に周辺部を残して、センター部に、縦長凹凸形状のガス流路をプレス成形している。そして、第二工程において、ガス流路の長手方向の端部平坦部にのみ、ガス流路の長手方向に対して平行で、かつ、ガス流路の端部から燃料電池セパレータ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プレス形成させている。
【００１５】
圧縮成形部は、板厚に対して千分の一程度の極浅い圧縮部とされているが、周辺平坦部に凹凸を形成させることに変わりはなく、燃料電池セパレータの気密性・水密性を維持して組立加工することが困難となると共に、時間の経過とともに気密性・水密性が低下する可能性があるという課題があった。
【００１６】
特許文献４には、金属製の薄板にガス流路をプレス成形した後に、ガス流路の周辺部に引張力を与えて、プレス加工により生じた燃料電池セパレータの反りを矯正できる燃料電池セパレータの製造方法の技術が開示されている。特許文献４の技術によれば、第一工程において、金属平板の左右上下に周辺部を残して、センター部に、縦長凹凸形状のガス流路をプレス成形している。そして、第二工程において、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おいて、ガス流路の長手方向と直交する周辺部にのみ、引張力を加えて燃料電池セパレータの反りを矯正している。
【００１７】
具体的には、燃料電池セパレータのガス流路の両脇の平坦部を、下方に折り曲げて係止片を突設し、ガス流路の周辺部を治具で上下から挟んで固定し、ガス流路の両脇部分の係止片にカム金型を係止し、カム金型を左右に開いてガス流路の両脇部分を押し広げるとされている。そのため、燃料電池セパレータの一部を上下から挟む固定機構と、燃料電池セパレータの両脇部分のみを水平方向に押し広げるカム金型機構が必要とされている。
【００１８】
そうすると、特許文献４の技術では、前記のカム金型機構をプレス機に備えさせる必要があり、プレス機構が複雑になり、従来のプレス機を使って前記両脇部分だけを押し広げることは困難であるといった課題があった。そこで、本願の発明者は、従来のプレス機のプレス機構だけを使って、反りが発生した厚板の反りを矯正する方法を試行した。その過程で、厚板については、前記両脇部分だけを押し広げるだけでは、両脇部分が伸びるだけで凹凸部の反りを矯正することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
特許文献１：特開２００２−１７５８１８号公報
特許文献２：特開２００３−３３８２９５号公報
特許文献３：特開２００３−２４９２３７号公報
特許文献４：特開２００３−２４９２４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明が解決しようとする課題は、金属製の厚板に、複数の凹凸部をプレス成形させた燃料電池セパレータでも、反りが発生しないようにさせる燃料電池セパレータの製造方法、及び反りの小さい燃料電池セパレータを提供することに関する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の第１の発明は、金属平板からなり、中央部の領域に複数の凹凸部からなるガス流路と、前記ガス流路の周辺部に平坦部とを含んだ燃料電池セパレータの製造方法において、前記ガス流路を形成させる工程と、前記平坦部の少なくとも一方向の各々の両縁部を同一方向に略垂直に折り曲げて固定させる第１工程と、第１工程で折り曲げた両縁部の折曲線と中央部の領域との間における各々の平坦部において、前記中央部の領域の近傍平坦部と前記折曲線の近傍平坦部とを金属平板に垂直な方向に相対移動させて、前記折曲線に平行に屈曲させる第２工程とが含まれ、第２工程が、ガス流路を形成させる工程以後に行われ、第２工程において、前記折曲線の近傍平坦部を前記中央部の領域の方に引き込ませないようにして、前記中央部の領域の近傍平坦部に引張力を加えて金属平板の反りを抑制させることを特徴としている。
【００２２】
金属平板の大きさ、形状、板厚は限定されない。板厚は０．５ｍｍから１ｍｍの厚板でも反りの抑制ができるが、これよりも薄板であってもよいことは勿論のことである。燃料電池セパレータの材質は、熱膨張係数が電解質膜に近似したフェライト系ステンレス鋼、ニッケルクロム系合金等であればよく、限定されない。ガス流路をなす凹凸部の形状、大きさ、数、間隔等も限定されない。ガス流路の周辺の平坦部には、面に沿って交差する二方向の少なくとも一方向について本発明の製造方法を適用してもよく、二方向に順次適用してもよく、二方向に同時に適用してもよい。
【００２３】
第１工程では、ガス流路をなす中央部の領域の周辺部にある両方向の平坦部のうちの、少なくとも一方向の両縁部を折り曲げた状態としている。両縁部を折り曲げることにより、折り曲げた両縁部が金型に引っ掛けられる。プレス金型に両縁部が引っ掛けられた状態となるため、両縁部が面方向へ引き込まれないようにされる。
【００２４】
そのため、第２工程において、第１工程で折り曲げた折曲線の内方の平坦部において、中央部の領域の近傍平坦部と、前記折曲線の近傍平坦部とを金属平板に垂直な方向に相対移動させて屈曲させ、中央部の領域の近傍平坦部に引張力を加えても、折曲線の近傍平坦部が内方側に引き込まれない。すなわち、両縁部が金型に引っ掛けられた状態となって、折曲線の近傍平坦部が中央部の領域に向けて引き込まれないようにされるため、引張力が中央部の領域の近傍平坦部から内方に均一に作用される。第２工程では、第１工程で折り曲げた方向に平行に屈曲させるのが好適であるが限定されず、ガス流路の配置等に応じて屈曲位置は決定されればよい。
【００２５】
ここで、相対移動の距離は、反りの度合いに応じて決定される。具体的には、反りが小さい場合には、中央部の領域の近傍平坦部と、折曲線の近傍平坦部との相対移動距離が小さくされ、一方、反りが大きい場合には、引張力を強くかけられるように、中央部の領域の近傍平坦部と、折曲線の近傍平坦部との相対移動距離を大きくすればよい。
【００２６】
両縁部が固定されていることにより、従来技術によっては反りを矯正しにくい厚板であっても、中央部の領域の近傍平坦部の全体に引張力が作用され、凹凸部の形状をいびつに変形させないようにして、反りが矯正され、又は反りの発生が抑制される。ここで、相対移動させる態様としては、中央部の領域の近傍平坦部を固定して、折り曲げた両縁部と折曲線の近傍平坦部とを一体に移動させてもよく、折り曲げた両縁部と折曲線の近傍平坦部とを一体に固定した状態で、中央部の領域の近傍平坦部だけを移動させてもよく、ともに移動させてもよく限定されない。
【００２７】
また、中央部の領域の近傍平坦部の全域に引張力が作用されているため、偏った残留応力を残すことがなく、反りの矯正後には、折り曲げた両縁部等を切断除去しても、ガス流路部分に反りが復活することはない。これにより、周辺部に凹凸等がなくても平坦な状態の燃料電池セパレータが得られやすいという有利な効果を奏する。
【００２８】
金属平板の面に対して中央部と周辺部を相対移動させる第２工程によって、加圧作用による圧縮力を、金属平板に沿った水平方向への引張力に変える。すなわち、第１工程の両縁部の折り曲げも、第２工程の屈曲のいずれも、従来のプレス機による加圧作用によればよいため、従来のプレス機によって、燃料電池セパレータの反りが矯正され、又は反りの発生が抑制される。
【００２９】
これにより、従来のプレス機に対して複雑な機構追加や変更を要せず、プレス金型を変更するだけで、既存のプレス機を使って反りの小さい燃料電池セパレータを製造でき、引張手段等を付加する必要もなく、燃料電池セパレータの製造スペースが従来のプレス機よりも広くなることもない。
【００３０】
また、金属平板の板厚に拘わらず、複数の凹凸部がプレス成形された場合であっても、反りが小さく、かつ、周辺部全体に凹凸部のない平坦な状態の燃料電池セパレータを得ることができる。これにより、金属平板の板厚に拘わらず、ガスシール性の高い燃料電池セパレータを容易に製造できる。
【００３１】
本発明の第２の発明は、第１の発明の燃料電池セパレータの製造方法であって、前記ガス流路を形成するガス流路形成工程の後に、第１工程と、第２工程が含まれていることを特徴としている。第１工程と第２工程とを一連の工程としてもよく、複数の工程としてもよい。ガス流路を形成する工程と反りを矯正する工程が分割されているため、各々の工程に応じた加圧能力のプレス機により加圧すればよく、加圧能力の高い大型のプレス機を使用しなくてもよい。
【００３２】
本発明の第３の発明は、第１の発明の燃料電池セパレータの製造方法であって、第１工程と第２工程との間に、前記ガス流路を形成するガス流路形成工程が含まれていることを特徴としている。まず、両縁部を折り曲げた状態として、ガス流路を形成させるようにしているため、ガス流路をプレス成形する際にも、反りの発生が抑制される。第２の工程では、小さな反りを矯正すればよいため、第２の工程に要する加圧力は小さなものであればよい。これにより、凹凸部の寸法精度の高い、高い品質の燃料電池セパレータを製造することができる。
【００３３】
本発明の第４の発明は、第１の発明の燃料電池セパレータの製造方法であって、第１工程の後に、前記ガス流路を形成するガス流路形成工程と第２工程が同時に行われることを特徴としている。反りを発生させやすいガス流路形成工程と、反りを抑制させる第２工程とが同時に行われることにより、ガス流路がプレス成形された時点で、燃料電池セパレータは反りがない状態とされている。ガス流路形成工程と、第２工程とを同時に行うことにより、凹凸部の寸法精度の高い、高い品質の燃料電池セパレータを高い生産効率で製造することが可能となる。
【００３４】
本発明の第５の発明の燃料電池セパレータは、金属平板からなり、中央部の領域に複数の凹凸部からなるガス流路と、前記ガス流路の周辺部に平坦部を含んだ反りが小さい燃料電池セパレータにおいて、前記平坦部の少なくとも一方向の両縁部には、夫々が同一方向に略垂直に折れ曲がる第１の折曲部を有すると共に、第１の折曲部がなす各々の折曲線と前記ガス流路との間に、各々の前記折曲線と平行に折り曲げられた第２の折曲部を有し、各々の第２の折曲部におけるガス流路側の屈曲端の断面形状が滑らかな曲線をなし、各々の前記屈曲端の内方の平坦部において、前記折曲線と交差する方向に対して引き延ばされることで、前記ガス流路の両側方に位置する平坦部の板厚が、第１の折曲部の板厚より薄くされ、残留応力が低減されていることを特徴としている。
【００３５】
両側の折曲線の内方の平坦部において、各々の第２の折曲部が折り曲げられる。第２の折曲部は、各々の折曲線に平行に屈曲させるのが好適であるが限定されず、ガス流路の配置等に応じて屈曲位置は決定されればよい。また、第１の折曲部と、第２の折曲部とが金属平板の表側・裏側のいずれ側に折り曲げられるかは限定されない。第１の折曲部が略垂直に折り曲げられているため、第２の折曲部が折り曲げられる際に、第１の折曲部は内方側に引き込まれない。また、第１の折曲部を形成させた後に、第２の折曲部を形成させても、第２の折曲部のガス流路側の屈曲端の断面形状が滑らかな曲線とされているため、金属平板自体が破断せず、くびれを発生させることもなく、ガス流路の凹凸部の形状がいびつに変形されない。
【００３６】
屈曲端の断面形状がなす滑らかな曲線は、例えば、プレス金型の肩部の縁部を金属平板の板厚の３倍以上の曲率の曲線とすればよく、また半径２ｍｍ乃至５ｍｍの円又は楕円形状の一部に沿った曲線としてもよく限定されない。プレス金型の肩部の縁部に外接させて滑らかに折り曲げられることにより、金属平板に破断やくびれを発生させないで、金属平板を引き延ばすことができる。
【００３７】
第２の折曲部の折り曲げ形状は、燃料電池セパレータの反りの大きさに応じて適宜調整される。燃料電池セパレータの反りが小さい場合は、相対移動距離を小さくして、屈曲端が緩やかに曲げられるように、浅く折り曲げればよく、反りが大きい場合には、相対移動距離を大きくして深く屈曲させればよい。これにより、厚板であっても反りの小さい燃料電池セパレータとされる。
【００３８】
本発明の第６の発明は、第５の発明の燃料電池セパレータであって、前記金属平板の板厚が、０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下とされていることを特徴としている。金属平板の板厚が０．５ｍｍ以上の厚板とされ、剛性が高いため、第２の折曲部より外方を切除しても、平坦な金属平板体を変形させにくく、セルを組み立てやすい燃料電池セパレータとされる。また、１．０ｍｍ以下の厚板であるため、加圧能力の高い大型のプレス機を使用せず燃料電池セパレータを製造できる。
【００３９】
本発明の第７の発明は、第５又は第６の発明の燃料電池セパレータであって、前記凹凸部が、一つの方向に長く伸びる複数の筋状のリブを含んでいることを特徴としている。リブは連続している必要はなく、分断されていてもよく、点状の凹凸部が混在していてもよい。リブの起伏の大きさ、形状は限定されない。これにより、反りの小さい燃料電池セパレータが、ガス流路に沿った複数の筋状のリブを含んだ燃料電池セパレータとされる。
【００４０】
本発明の第８の発明は、第５又は第６の発明の燃料電池セパレータであって、前記凹凸部が、独立した複数の点状の凹凸部であることを特徴としている。ここで点状とは、独立し、方向性の無い突起であればよく、形状は限定されない。これにより、反りの小さい燃料電池セパレータが、凸部の頂部に方向性のない燃料電池セパレータとされる。
【００４１】
本発明の第９の発明は、第５から第８の発明の燃料電池セパレータであって、前記金属平板の四隅部が切り欠かれ、各々の四隅の切欠き部の切欠き形状の内方が円弧状とされ、第２の折曲部が前記切欠き部よりも縁部側に位置していることを特徴としている。
【００４２】
四隅の切欠き部の切欠き形状の内方が円弧状とされることにより、反りを矯正させる際に、引張力による応力が隅部に集中することが防がれ、同時に二方向から引張力を加えても、切欠き部分が破断されていない燃料電池セパレータとなる。これにより、反りが発生し易い形状のガス流路の形状の燃料電池セパレータであっても、金属平板に割れ、反りの小さい平坦部を有する燃料電池セパレータとされる。
【発明の効果】
【００４３】
・本発明の第１の発明によれば、従来のプレス機に対して複雑な機構追加や変更を要せず、プレス金型を変更するだけで、既存のプレス機を使って反りの小さい燃料電池セパレータを製造でき、引張手段等を付加する必要もなく、燃料電池セパレータの製造スペースが従来のプレス機よりも広くなることもなく、金属平板が板厚に拘わらず、ガスシール性の高い燃料電池セパレータを容易に製造できるという有利な効果を奏する。
・本発明の第２の発明によれば、ガス流路を形成する工程と反りを矯正する工程が分割されているため、各々の工程に応じた加圧能力のプレス機により加圧すればよく、加圧能力の高い大型のプレス機を使用しなくてもよい。
【００４４】
・本発明の第３の発明によれば、凹凸部の寸法精度の高い、高い品質の燃料電池セパレータを製造することができる。
・本発明の第４の発明によれば、ガス流路形成工程と、第２工程とを同時に行うことにより、凹凸部の寸法精度の高い、高い品質の燃料電池セパレータを高い生産効率で製造することが可能となる。
【００４５】
・本発明の第５の発明によれば、厚板であっても反りの小さい燃料電池セパレータとされる。
・本発明の第６の発明によれば、剛性が高いため、第２の折曲部より外方を切除しても、平坦な金属平板体を変形させにくく、セルを組み立てやすい燃料電池セパレータとされる。また、加圧能力の高い大型のプレス機を使用せず燃料電池セパレータを製造できる。
・本発明の第７の発明によれば、反りの小さい燃料電池セパレータが、ガス流路に沿った複数の筋状のリブを含んだ燃料電池セパレータとされる。
・本発明の第８の発明によれば、反りの小さい燃料電池セパレータが、凸部の頂部に方向性のない燃料電池セパレータとされる。
・本発明の第９の発明によれば、反りが発生し易い形状のガス流路の形状の燃料電池セパレータであっても、金属平板に割れ・反りの小さい平坦部を有する燃料電池セパレータとされる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】燃料電池セパレータの斜視図（実施例１）。
【図２】ガス流路をプレス成形させた金属厚板（実施例１）。
【図３】反り矯正工程の工程図（実施例１）。
【図４】反り矯正工程の工程図（実施例１）。
【図５】燃料電池セパレータの平面図（実施例２）。
【図６】反り矯正工程と凸部成形とを、一工程で行う場合の工程図（実施例３）。
【図７】反り矯正工程と凸部成形とを、一工程で行う場合の工程図（実施例３）。
【図８】燃料電池セパレータの斜視図（実施例４）。
【図９】反り矯正工程の工程図（実施例４）。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
ガス流路をなす凹凸部の一方向の両縁部を折り曲げて、両縁部がガス流路側に引き込まれないようにした。そして、ガス流路側平坦部すなわち中央部の領域の近傍平坦部と、縁部側平坦部すなわち折曲線の近傍平坦部とを、燃料電池セパレータの面に対して垂直な方向に相対移動させることにより、屈曲させるようにし、縁部側平坦部をガス流路側に引き込ませないようにして、前記ガス流路側平坦部に引張力を加え、燃料電池セパレータの反りを抑制させることとした。
【実施例１】
【００４８】
実施例１では、反りの小さい燃料電池セパレータ１、及びその製造方法を、図１から図４を参照して説明する。図１は、反りの小さい燃料電池セパレータ１の斜視図を示している。図１（Ａ）図は、反りを矯正した状態の燃料電池セパレータ１を示し、図１（Ｂ）図は、反りを矯正した後に、所望の形状に切り出した燃料電池セパレータ７を示している。図２は、ガス流路をプレス成形させた燃料電池セパレータ４を説明する説明図である。図２（Ａ）図は、燃料電池セパレータ４の平面図を示し、図２（Ｂ）図は、図２（Ａ）図のＡ−Ａ位置断面図を示し、図２（Ｃ）図は、図２（Ｂ）図の一部拡大図を示している。図３及び図４は、反り矯正工程を説明する工程図を示している。
【００４９】
まず、図２を参照して、反りを矯正させる前の燃料電池セパレータ４を説明する。矯正前の燃料電池セパレータ４は、金属平板からなり、その中央部の領域２０には筋状に伸びる複数の凸部２１が、平行に備えられると共に、周辺部が平坦部１０とされている。金属平板は、厚さが約０．８ｍｍの厚板とされている。金属平板の材質は、周知のフェライト系ステンレス鋼とされている。凸部２１が形成される中央部の領域の側方平坦部１５には、凸部２１を挟んで一方側に一つの貫通孔１２が備えられ、他方側に二つの貫通孔１３，１３が備えられている。各々の貫通孔１２，１３は、反り矯正工程において、金属平板の位置合わせ用の目途とされる。
【００５０】
筋状の凸部２１は、プレス成形により形成され、表面側が凸部２１をなし、裏面側が凹部２３をなしている（図２（Ｃ）図参照）。この表面側の隣り合う凸部２１，２１の間が、燃料ガス等が流れるガス流路２２とされる。筋状の凸部２１が押し出されるようにプレス成形されることにより、金属平板の中央部の領域２０は伸びるが、その周囲の平坦部１０（図２（Ａ）図参照）は伸びないため、主として凸部２１が配列された方向に、燃料電池セパレータ４の中央部の領域２０が一方に膨出するように、反り１４が発生される（図２（Ｂ）図参照）。
【００５１】
次に、図１を参照して、反りの小さい燃料電池セパレータ１について説明する。反りの小さい燃料電池セパレータ１は、矯正前の燃料電池セパレータ４の平坦部１０（１６）（図２参照）に、第１の折曲部３０と第２の折曲部４０を備えさせている（図１（Ａ）図）。各々の第１の折曲部３０は、中央部の領域２０の周りの平坦部１０において、凸部２１が延びる方向の側方の両縁部１１，１１（図２（Ａ）図参照）を略垂直に折り下げることにより形成されている。
【００５２】
第２の折曲部４０は、第１の折曲部３０と中央部の領域２０との間に位置する平坦部１７を、燃料電池セパレータの面に対して、折曲線３３に平行に緩やかに折り下げることにより形成されている。ここで、第２の折曲部４０が備えられる位置は、実施例１では第１の折曲部の近傍とされているが、第１の折曲部３０と、中央部の領域２０との間のいずれかの位置が折り曲げられればよい。
【００５３】
折曲線３３よりも内方側の平坦部に、第２の折曲部４０が形成されることに伴って、ガス流路周辺の平坦部１０（図２（Ａ）図参照）に、凸部２１の伸びる方向に対して直交する外向きの引張力が加えられる。この引張力が加えられることにより、中央部の領域の側方平坦部１５が凸部２１の伸びる方向に対して直交する方向に引き延ばされる。これにより、中央部の領域２０とその周囲との間に発生している金属平板を反らせる残留応力がなくなり、矯正前の燃料電池セパレータ４に発生していた反りが矯正されて、反りの小さい燃料電池セパレータ１を得ることができる（図１（Ａ）図）。
【００５４】
また、金属平板を反らせる残留応力がなくなるため、第１の折曲部３０と、第２の折曲部４０とを切除しても、反りが復活することがない（図１（Ｂ）図）。そのため、燃料電池セパレータ１を所望の形状となるように切り出すことにより、平坦部１０に凹凸がなく、かつ、反りの小さい燃料電池セパレータ７を得ることができる。これにより、燃料電池セルを組立てる際に組立作業が容易になる。また、両縁部全体を固定した状態で、周辺の平坦部１０が中央部２０よりも優先して引き延ばされるため、中央部２０の延びはガス流路２２の形態に影響を出さない程度に収まる。
【００５５】
次に、図３及び図４を参照して、反り矯正工程について説明する。図３（Ａ）図は、矯正工程開始前の状態を示し、図３（Ｂ）図は、上方金型５０と下方金型６０との間に燃料電池セパレータ４を挟持させる工程を示している。図４（Ｃ）図は、燃料電池セパレータ４の両縁部を折り曲げる工程を示し、図４（Ｄ）図は、燃料電池セパレータの中央部の領域２０の両縁部の各々の内方を傾斜する状態に折り曲げる工程を示し、図４（Ｅ）図は、矯正工程が終了した状態を示している。また、各々の図では、理解を容易にするため、プレス機の金型部分のみを示すと共に、一部の金型を破線で示している。
【００５６】
まず、図３（Ａ）図を参照してプレス機の構成を説明する。プレス機は、燃料電池セパレータ４を挟み込んで矯正するための上方金型５０と下方金型６０と、周知のプレス機構（図示を省略している）とから構成されている。上方金型５０は、先に下降する先方金型５１（理解を容易にするため、図３，４では破線で示している。）と、遅れて下降する後方金型５４とからなり、延伸軸５７が延伸することにより互いが一体に連動して垂直方向に移動可能とされている。また、進退軸５８が進退することにより、先方金型５１を進退させずに、後方金型５４のみを進退可能とさせている。
【００５７】
先方金型５１は、下端面５２が平坦とされると共に、両端部に筋状に伸びる貫通孔５３を備えている。後方金型５４は、両端部に筋状に伸びる押込部材５５を備えている。押込部材５５は、貫通孔５３に挿通されると共に、進退軸５８が後退した状態で、貫通孔５３の下端よりも僅かに先方に突出するようにされ、先方金型５１の下端面５２よりも先に、燃料電池セパレータ４と当接するようにされている。押込部材５５の幅は、後述する受部材６９よりも、燃料電池セパレータ４の板厚に相当する分だけ細くされている。また、貫通孔５３は、両縁部１１が折り曲げられる際に先方金型５１と接触しない幅とされている。
【００５８】
下方金型６０は、一対の架設部材６５と、一対の受部材６９と、受台６１とを備えている。架設部材６５は、筋状に伸びると共に、内方側の肩部６６が曲面とされている。また、架設部材６５の天面には、燃料電池セパレータ４が奥行き方向にずれないように位置合わせするガイド片６７が備えられている。受部材６９は、筋状に伸びると共に、架設部材６５と受台６１との間に配設され、弾性部材７０が伸縮されることにより上下に進退可能とされる。受部材６９の天面の高さは、押し込まれる前の状態で、架設部材６５の天面の高さと同一となるように位置合わせされている。
【００５９】
受台６１は、中央に燃料電池セパレータの凸部２１が潰れないようにする陥没部６２を備えると共に、周囲が平坦とされ、受部材６９と隣接する位置の肩部６３が、断面形状が半径５ｍｍの円弧状をなす曲面とされている。また、受台６１の天面には、燃料電池セパレータの平坦部１０に備えられた貫通孔１２，１３（図２（Ａ）図参照）に挿通されて、燃料電池セパレータの位置合わせをする孔１２，１３よりも僅かに細い位置合わせ部材６４が備えられる。
【００６０】
次に、図３及び図４の各々の図を参照して、反り矯正工程について説明する。まず、矯正前の燃料電池セパレータ４の貫通孔１３が、位置合わせ部材６４に挿し込まれると共に、燃料電池セパレータ４の先方が、ガイド片６７に当接されて位置合わせされ、一対の架設部材６５，６５の間に架け渡されるように載置される（図３（Ａ）図）。
【００６１】
そして、延伸軸５７が延伸されることにより上方金型５０が降下され、押込部材５５の下端面と、受部材６９の上端面の間に、矯正前の燃料電池セパレータ４が挟み込まれる（図３（Ｂ）図）。更に、延伸軸５７が延伸されると、押込部材５５の前進に伴って、弾性部材７０が収縮して受部材６９が後退するように押し込まれ、矯正前の燃料電池セパレータ４の両縁部１１，１１（図３（Ｂ）図参照）が、架設部材６５の肩部６６の曲面に沿って、略垂直に折り曲げられる。そして、受部材６９の上端面が、受台６１の天面と同じ高さとなる位置まで後退した時点で、第１の折曲部３０が形成される（図４（Ｃ）図）。
【００６２】
そして、第１の折曲部３０は、架設部材６５の上方側と共に先方金型５１の貫通孔に嵌って、架設部材６５の側面６８と、押込部材５５の側面５６との間に挟まれて位置固定される。この状態で、矯正前の燃料電池セパレータ４の中央部の領域２０は、凸部２１が陥没部６２に納まって、その潰れが防止される。
【００６３】
次に、進退軸５８が前進することにより、後方金型５４のみが降下されて、押込部材５５が更に前進される。そうすると、弾性部材７０が更に収縮して受部材６９が押し下げられ、受台６１と架設部材６５との間に窪み溝７１が形成される。この窪み溝７１に落とし込まれるように、第１の折曲部３０と、第１の折曲部がなす折曲線の近傍平坦部１７とが一体に押し下げられる。これにより、ガス流路側平坦部と縁部側平坦部とが、金属平板面に垂直な方向に相対移動される。そうすると、折曲線の近傍平坦部１７が外方に引っ張られると共に、受台の肩部６３に沿って、屈曲端４２の断面形状が滑らかな曲線をなすように折り曲げられて、第２の折曲部４０が形成される（図４（Ｄ）図）。
【００６４】
この際に、第１の折曲部３０は位置固定されているため、内方側に引き込まれることがない。そのため、第２の折曲部４０が形成される際に働く引張力は、第２の折曲部よりも内方側の平坦部１０に作用される。そして、中央部の領域２０の周囲に反りを発生させるように残っていた残留応力がなくなり、燃料電池セパレータが平坦な状態に矯正される。そして、後方金型５４が後退して、反りの無い燃料電池セパレータが得られる（図４（Ｅ）図）。
【実施例２】
【００６５】
実施例２では、図５を参照して、複数の突起が行列をなすように備えられた場合の燃料電池セパレータ２を説明する。図５（Ａ）図は、矯正前の燃料電池セパレータ５の平面図を示し、図５（Ｂ）図は、反りの矯正後の燃料電池セパレータ２の平面図を示している。実施例１と同一の構成については、同一の番号を付して説明を省略している。なお、図２（Ｂ）図では、第１の折曲部３１を破線で示している。
【００６６】
矯正前の燃料電池セパレータ５は、四角形形状の金属平板の四隅が切り欠かれ、周囲の平坦部１８が略十字形状とされている。また、切欠きの内方には、円弧状とされた円弧状部１９が備えられている。中央部の領域２４には、ガス流路をなす突起２５が行列をなすように複数配列されると共に、四隅が曲線を描くように配置されている（図５（Ａ）図参照）。このような場合には、残留応力が突起２５に対して行方向及び列方向のいずれかに偏らず発生しやすいことになる。そのため、矯正前の燃料電池セパレータ５には、中央部の領域２４に二方向に湾曲した反りが発生する。
【００６７】
反りの小さい燃料電池セパレータ２においては、第１の折曲部３１は突起２５に対して、二方向の平坦部１５，１６の各々の両縁部１１に備えられている。第２の折曲部４１は、各々の平坦部１５，１６において、第１の折曲部３１よりも内方側、かつ、円弧状部１９よりも両縁部１１寄りに備えられている。これにより、中央部の領域２４に対して、外方に向かって二方向に引張力を加えることができる。そのため、突起２５に対して、行方向及び列方向のいずれにも働く残留応力がなくなり、反りが矯正される。また、円弧状部１９が備えられることにより、反りを矯正させる際に、応力が切欠きの隅部に集中せず、隅部から金属平板が破断されにくくなる。
【実施例３】
【００６８】
実施例３では、連続した一つの工程により、反りの小さい燃料電池セパレータ１を製造する場合の製造方法を、図６及び図７を参照して説明する。図６（Ａ）図は、反り矯正工程の開始前の状態を示し、図６（Ｂ）図は、上方金型８０と下方金型９０との間にガス流路成形前の平坦な金属平板６を挟み込む工程を示している。図７（Ｃ）図は、金属平板６の両縁部１１を折り曲げて、位置固定する工程を示し、図７（Ｄ）図は、ガス流路をなす凸部２１をプレス成形する工程を示し、図７（Ｅ）図は、金属平板６を引き延ばして反りを矯正する工程を示している。実施例３では、実施例１と共通する構成については、同一の符号を付して説明を省略している。また、理解を容易にするため、図７（Ｅ）図のみ、先方金型８１を破線で示している。
【００６９】
まず、図６（Ａ）図を参照して、実施例１のプレス金型との相違点を説明する。先方金型８１の下端面８２には、凸部２１（図７（Ｄ）図参照）を形成させるための筋状凸部８３が備えられ、受台９１の天面には、筋状凸部８３に対向するように筋状凹部９２が備えられる点が、実施例１の構成と異なっている（図６（Ａ）図）。まず、平坦な金属平板６を、架設部材６５及び受部材６９に載置させる。次に、実施例１と同様に、押込部材５５と受部材６９の間に金属平板６が挟み込まれる（図６（Ｂ）図）。そして、金属平板６の両縁部１１が折り曲げられて、押込部材５５と架設部材６５との間に挟まれて位置固定される（図７（Ｃ）図）。
【００７０】
この状態から、更に延伸軸５７が延伸されることにより、金属平板６が先方金型８１と受台９１との間に挟まれて加圧され、凸部２１がプレス成形される（図７（Ｄ）図）。そして、第１の折曲部３０がなす折曲線の近傍平坦部１７が僅かに湾曲され始める。実施例１と同様に、第２の折曲部４０が形成されることにより金属平板６が引き延ばされて、金属平板６の反りが矯正される（図７（Ｅ）図）。これにより、反りの小さい燃料電池セパレータ１（図１（Ａ）図参照）を、一つの工程で製造することができるという有利な効果を奏する。
【実施例４】
【００７１】
実施例４では、反りの小さい燃料電池セパレータ３、及び折り曲げた端部に対して、燃料電池セパレータの中央部の領域を下方に相対移動させて、反りを矯正する工程について、図８及び図９を参照して説明する。図８は、燃料電池セパレータ３の斜視図を示している。図９（Ａ）図は、反り矯正工程の開始前の状態を示し、図９（Ｃ）図は、矯正前の燃料電池セパレータ２の両縁部１１を折り曲げて、位置固定する工程を示し、図９（Ｄ）図は、燃料電池セパレータ２の中央部の領域２０と、中央部の領域の近傍平坦部１６を一体に押し下げて、燃料電池セパレータの反りを矯正する工程を示している。実施例４においては、実施例１と共通する工程については、図面及び説明を一部省略している。上方金型１００と下方金型１０１との間に燃料電池セパレータ２を挟持させる工程は、図３（Ｂ）図の上方金型５０と下方金型６０との間に燃料電池セパレータ４を挟持させる工程と同様であるため省略している。
【００７２】
反りの小さい燃料電池セパレータ３は、第１の折曲部３２の折り曲げ方向が、反対方向に折り上げられている点以外は、燃料電池セパレータ１と同じ構成とされている。次に、図９（Ａ）図を参照して、実施例１の各々の金型との相違点を説明する。
【００７３】
上方金型１００は、先方金型１０１と、延伸軸１０７及び進退軸１０８の構成が実施例１と異なっている。先方金型１０１は、下端面１０２が平坦とされると共に、両側の肩部１０３，１０３が緩やかな曲面とされている。また、第２の折曲部４０よりも内方側の領域のみが押し下げられるように、受台１１１と同じ幅とされている。延伸軸１０７は、備えられる位置が異なる点以外は実施例１と共通している。進退軸１０８は、後方金型５４を位置固定した状態で、先方金型１０１のみが進退可能とされている。
【００７４】
下方金型１１０は、受台１１１と、弾性部材１１２と、受部材に換えて挟持部材１１３を備える点が実施例１と異なっている。受台１１１は、弾性部材１１２により垂直方向に進退可能とされ、先方金型１０１の前進に伴って、弾性部材１１２が収縮して、下方に押し下げられる。挟持部材１１３は、進退することのない固定された筋状部材とされ、天面が押し下げられていない状態の受台の天面と同一の高さとされている。
【００７５】
次に、図９の各々の図を参照して、製造工程について説明する。まず、矯正前の燃料電池セパレータ２を一対の架設部材６５に載置させる（図９（Ａ）図）。次に、先方金型１０１に備えられる押込部材５５が、燃料電池セパレータ２の両縁部１１に当接し、両縁部１１が略垂直に折り曲げられて、第１の折曲部３２が形成される（図９（Ｃ）図）。この状態で燃料電池セパレータ２は、両縁部１１が押込部材５５と架設部材６５とに挟まれて、内方側に引き込まれないようにされる。また、第１の折曲部３２がなす折曲線の近傍平坦部１７が、押込部材５５の下端面と挟持部材１１３の上端面に挟まれて挟持される（図３（Ｂ）図参照）。
【００７６】
そして、進退軸１０８が進退されて、先方金型１０１が更に前進すると、燃料電池セパレータ２の中央部の領域の近傍平坦部１６を介して、受台１１１の天面が押し下げられる（図９（Ｄ）図）。そうすると、燃料電池セパレータ２が、先方金型１０１の肩部１０３に沿って、円弧形状に沿うように滑らかに折り曲げられ、第２の折曲部４０が形成される。これにより、燃料電池セパレータ２の反りが矯正されて、平坦な状態の燃料電池セパレータ３を得ることができる。
【００７７】
（その他）
・本実施例では、ガス流路側平坦部と縁路側平坦部との相対移動距離が小さく、第２の折曲部が緩やかに傾斜されている例を示したが、第２の折曲部において、屈曲端が緩やかな円弧形状に沿う形状を維持していれば、相対移動距離は限定されない。例えば、相対移動距離が大きくされて、第２の折曲部の形状が段形状をなすようにされてもよいことは勿論のことである。
・今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記した説明に限られず特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７８】
１，２，３，４，５，７…燃料電池セパレータ、
６…金属平板、１０…平坦部、１１…両縁部、１２，１３…孔、１４…反り、
１５…中央部の領域の側方平坦部、１６…中央部の領域の近傍平坦部、
１７…折曲線近傍の平坦部、１８…周囲の平坦部、１９…円弧状部、
２０，２４…中央部の領域、２１…凸部、２２…ガス流路、２３…凹部、
２５…突起、３０，３１，３２…第１の折曲部、３３…折曲線、
４０，４１…第２の折曲部、４２…屈曲端、
５０，８０，１００…上方金型、５１，８１，１０１…先方金型、
５２，８２，１０２…下端面、５３…貫通孔、
５４…後方金型、５５…押込部材、５６…側面、５７，１０７…延伸軸、
５８，１０８…進退軸、６０…下方金型、６１…受台、６２…陥没部、
６３，６６，１０３…肩部、６４…位置合わせ部材、６５…架設部材、６７…ガイド片、
６８…側面、６９…受部材、７０，１１２…弾性部材、７１…窪み溝、８３…筋状凸部、
９０，１１０…下方金型、９１，１１１…受台、９２…筋状凹部、１１３…挟持部材
【要約】
【課題】金属平板が厚板であっても、反りが小さい燃料電池セパレータ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】中央部の領域に複数の凹凸部からなるガス流路と、前記ガス流路の周辺部に平坦部を含んだ燃料電池セパレータにおいて、平坦部の少なくとも一方向の両縁部には、夫々が同一方向に略垂直に折れ曲がる第１の折曲部を有すると共に、第１の折曲部がなす各々の折曲線と前記ガス流路との間に、各々の前記折曲線と平行に折り曲げられた第２の折曲部を有し、ガス流路側の屈曲端の断面形状が滑らかな曲線をなし、ガス流路の両側方に位置する平坦部の板厚が、第１の屈曲部の板厚よりも薄く引き延ばされることで、残留応力が低減された反りが小さい燃料電池セパレータとその製造方法。
【選択図】図１【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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【図９】
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