(57)【要約】【課題】  周りに平坦部を有する凹凸形状板を容易に製造することができる金型ロール及びこれを用いた成型方法を提供すること。【解決手段】  全周３６０°にわたり複数の平行な凸形状又は凹凸形状を有する上ロール及び下ロールからなる１対の金型ロールであって、前記上ロールの凸形状又は凹凸形状の間に前記下ロールの凸形状又は凹凸形状が嵌合するように配置されている金型ロール。この金型ロールを用いることにより成形した凹凸形状板の一部をプレス成形、又はロール成形により潰すことにより、周りに平坦部を有するしわ又は反りのない凹凸形状板を成形する方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周方向の全周にわたって複数の平行な凸形状又は凹凸形状を有する上ロール及び下ロールからなる１対の金型ロールであって、前記上ロールの凸形状又は凹凸形状の間に前記下ロールの凸形状又は凹凸形状が嵌合するように配置されていることを特徴とする凹凸形状板の金型ロール。
【請求項２】
上ロール、下ロールの何れか一方又は双方の片側または両側の軸受部のスラスト方向に弾性体を設けることを特徴とする請求項１記載の凹凸形状板の金型ロール。
【請求項３】
請求項１又は２記載の金型ロールを一段又は複数段用いて板材に凹凸形状を成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
【請求項４】
請求項３記載の方法により成形した凹凸形状板の一部を圧延し、任意形状の凹凸形状に連続的に成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
【請求項５】
請求項３記載の方法により成形した凹凸形状板の一部をプレスし、任意形状の凹凸形状に成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
【請求項６】
前記板材が燃料電池用セパレータ材料であることを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の凹凸形状板の成形方法。
【請求項７】
成形した凹凸形状板の一部を圧延又はプレスする際に、表面側及び裏面側の燃料入口及び燃料出口を併せて成形することを特徴とする請求項６記載の凹凸形状板の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平坦な金属材料の周りに平坦部を有する凹凸形状を容易に成形する為の金型ロール、及びそのロールを用いた成形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば固体高分子型燃料電池は、水素の流路を持つセパレータ、燃料極、固体高分子膜、空気（酸素）極、空気（酸素）の流路を持つセパレータよりなるサンドイッチ構造単セルとして、実際には必要とする電力を取り出す為にこの単セルを積層したスタックが用いられる。したがって、セパレータの両面は独立した流路を持ち、片面が水素、もう一方の片面が空気および生成した水の流路となる。また、セパレータには高い導電性や機械強度なども求められ、このような要求を満たす為に、金属などの導電性の板材に流路凹凸形状を形成した板をセパレータとして使用することが考えられる。
【０００３】
冷却用水溶液の沸点以下の領域で稼働する固体高分子型燃料電池の構成材料としては、温度がさほど高くないこと、その環境下で耐食性・耐久性を十分に発揮させることが可能であること、さらに、任意の流路形状を形成するため炭素系の材料を切削加工などにより加工して使用されてきているが、より低コスト化や小型化、すなわちセパレータの薄肉化を目指してステンレス鋼やチタンの適用に関する技術開発が進んでいる。
【０００４】
従来、燃料電池用ステンレス鋼としては、例えば特許文献１に開示されているように、高い耐食性が要求される溶融炭酸塩環境で稼働する燃料電池用ステンレス鋼がある。
また、特許文献２などに開示されているように、数百度の高温で稼働する固体電解質型燃料電池用ステンレス鋼の発明がなされてきた。
さらに、特許文献３にはステンレス鋼を２工程でプレス成形することにより、反りの少ないメタルセパレータを成形する技術が開示されている。
また、特許文献４では、ロール成形によりメタルセパレータを成形する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平４−２４７８５２号公報、
【特許文献２】特開平６−２６４１９３号公報
【特許文献３】特開２０００−３１７５３１号公報
【特許文献４】特開２００２−１９０３０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に微細な形状をプレス成形で複数工程に分けて行う場合、次工程の位置決めが困難となり、ハンドリングの悪化を招き生産性が低下する。さらに、被加工材の面積が大きくなれば、成形反力が面積に比例して大きくなり装置の大型化は避けられない。またそれにともない位置決めも困難になる。
ロール成形法においては、成形限界がプレス成形に対して変形条件の違いから高い。また、成形反力もプレスに比べ小さく装置が小型コンパクトにできるなどの利点がある。しかし、ロール周方向の位置決めは困難である。
本発明は、例えば固体高分子型セパレータのような周りに平坦部を有する凹凸形状板をしわ、反りなく、任意の流路形状に成形する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、種々の金型形状、成形条件の解析、試作を通じて詳細に検討した結果、本発明を完成させたもので、その要旨とするところは以下の通りである。
（１）周方向の全周にわたって複数の平行な凸形状又は凹凸形状を有する上ロール及び下ロールからなる１対の金型ロールであって、前記上ロールの凸形状又は凹凸形状の間に前記下ロールの凸形状又は凹凸形状が嵌合するように配置されていることを特徴とする凹凸形状板の金型ロール。
（２）上ロール、下ロールの何れか一方又は双方の片側または両側の軸受部のスラスト方向に弾性体を設けることを特徴とする前記（１）記載の凹凸形状板の金型ロール。
（３）前記（１）又は（２）記載の金型ロールを一段又は複数段用いて板材に凹凸形状を成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
（４）前記（２）または（３）記載の方法により成形した凹凸形状板の一部を圧延し、任意形状の凹凸形状に連続的に成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
（５）前記（２）または（３）記載の方法により成形した凹凸形状板の一部をプレスし、任意形状の凹凸形状に成形することを特徴とする凹凸形状板の成形方法。
（６）前記板材が燃料電池用セパレータ材料であることを特徴とする前記（３）〜（５）の何れか１項に記載の凹凸形状板の成形方法。
（７）成形した凹凸形状板の一部を圧延又はプレスする際に、表面側及び裏面側の燃料入口及び燃料出口を併せて成形することを特徴とする前記（６）記載の凹凸形状板の成形方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、周りに平坦部を有する凹凸形状板、例えば固体高分子型燃料電池用セパレータなどをしわ及び反りを生ずることなく、任意の流路形状に成形することができ、極めて有効なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下に、本発明の詳細について説明する。
本発明に係る金型ロールの例を図１（ａ）、（ｂ）に示す。上下のロール１、２に複数の凸形状（溝）を全周（３６０°）にわたり設けることにより、上ロール１の凸形状の間に下ロール２の凸形状が嵌合するように金型ロールを軸方向に位置合わせするだけで、周方向の位置合わせを省略することが可能となる。周方向の位置合わせが不要であることは一般的な圧延機に特別な機構を組み込むことなくそのまま流用できるという利点がある。
なお、本発明で嵌合とは上ロールの凸形状の先端部を結ぶ直線上より上方に（上ロールの内部側に）、下ロールの凸形状の先端部を配置することをいう。
また、複数の金型ロール対を用いて段階的に凹凸形状を成形していく場合、前工程で成形している凹凸形状がガイドの役割をはたし、板の蛇行を防ぐ効果がある。
【０００９】
さらに、本発明に係る金型ロールの他の例である、図１（ｃ）、（ｄ）に示す上ロール３、下ロール４のように、複数のそれぞれ対応した凹凸形状（溝）を全周（３６０°）にわたり設けることにより、前述した上下のロール１、２の機能を有したまま、被加工材の片面のみではなく両面に張出した凹凸形状を加工することも可能である。
【００１０】
そして、上ロール、下ロールの何れか一方又は双方の片側または両側の軸受部のスラスト方向に空気ばねやゴム等の弾性体を設けることにより、又はロール位置決め機構にスクリュー等を用い、位置決め機構の弾性変形やがたつきを適度に設けることにより、上下ロールの凹凸形状が嵌合し、成形時に軸方向反力が相殺されてゼロになる位置、すなわち上下ロールの各々が嵌合する凹凸の中心が一致する方向に上下ロールの軸方向の位置が自動的に調整される。図２に、上ロール３に弾性体５を設けた場合の装置の模式図を示す。図２（ａ）、（ｂ）において、カラー７は弾性体５に対して外力に対する変形量が十分に小さい。このため外力が生じた場合にカラー７は、上下ロール３、４とベアリング６又はロール固定用カバー８との位置を一定に保持する役目を担い、金属製のリング等を用いることができる。図２（ａ）のように上下ロール３、４の凹凸中心がずれている場合、成形時に上ロールには紙面左側に、下ロールには紙面右側に力が作用する。そして、このロール軸方向の力により、図２（ｂ）のように弾性体５が変形することにより、上下ロール３、４の凹凸中心が一致する。
【００１１】
図３に代表的な燃料電池用セパレータの流路形状である（ａ）パラレルタイプと（ｂ）サーペンタインタイプ、さらに（ｃ）パラレルタイプとサーペンタインタイプの混合タイプを示す。灰色で示した流路１５は周りの白色部分より凹形状になっており、燃料の水素又は酸素（空気）は燃料入口１３から矢印で示した燃料の流れの向き１７に沿って燃料出口１４まで流れ、その間に起電反応が起こる。流路端１６を除く流路（凹凸形状）部は図３の（ａ）パラレルタイプと（ｂ）サーペンタインタイプ、さらに（ｃ）パラレルタイプとサーペンタインタイプの混合タイプ全てで同一形状であり、同じ凹凸形状板から各タイプの流路端部１６の形状を転写した金型を用いることにより、上記の３タイプのセパレータが製作できる。
【００１２】
図４に凹凸形状板からセパレータまでの一連の成形過程の模式図を示す。図４（ａ）は前記（３）の発明に係る凹凸形状板の成形方法の一例である。被加工材２１は二段の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂにより凹凸形状板２２に成形される。このとき、前述したように上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂの周方向の位置合わせが不要であるだけでなく、一段目と二段目の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂの周方向の位置の同期も不要となり、装置の簡便化、低コスト化が図れる。
【００１３】
次に、成形された凹凸形状板２２はセパレータ形状成形用上下ロール１８、１９によりセパレータの端部形状をセパレータ形状成形用ロールの被加工材との接触部２０で圧延時に転写成形され、セパレータ２５に成形される。セパレータ形状成形用上下ロール１８、１９は周方向の位置合わせが必要である。しかし、一段目及び二段目の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂとの周方向の位置の同期を計る必要はない。このため、セパレータ形状成形用上下ロール１８、１９のロール径は、一段目及び二段目の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂのロール径に関係なく任意に設計することが可能であり、ロール径を大きくすることにより、セパレータ形状成形用ロールの被加工材との接触部２０を複数個有するロール（図示しない）も使用できる。
【００１４】
図４（ｂ）は前記（４）の発明に係るプレスによる凹凸形状板の成形方法のプレス加工の前までの工程の一例である。二段の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂで凹凸形状板２２を成形する所までは、図４（ａ）と同様である。次に、成形された凹凸形状板２２をシャー２６で切断し任意の切り板形状に加工する。そして、製作された凹凸形状板（切り板状）２７の両端をプレスして流路端部１６の形状を成形することにより、図３（ａ）〜（ｃ）に例示する任意形状のセパレータ１０、１１、１２が製作できる。また、生産性の向上を考えた場合、シャー２６で切断することなく、ライン上にプレス機を組み込み、図４（ａ）のような連続ラインとすることも可能である（図示しない）。
【００１５】
次に、プレス方法についてパラレルタイプを例に採り具体的に説明する。
上記の上下ロール１ａ、２ａ、１ｂ、２ｂで製作した凹凸形状板（切り板状）２７を、図３（ａ）に示したセパレータ流路端部１６の表裏の形状をそれぞれ転写した図５に示した凸部３０を有するポンチ金型２８、及び凹部３１を有するダイ金型２９を用いて、プレス成形により端部の流路形状と周りの平坦部を成形することにより、図３（ａ）に示したような燃料電池用のセパレータ（流路の溝の数は異なる）が製作できる。
ここで、燃料入口１３、燃料出口１４はプレス成形によりセパレータ１０の形状を製作した後、後工程で穴あけ加工をしたが、プレス成形時にピアス加工を同時に行い工程数を削減することも可能である。
また、図４（ａ）のセパレータ形状成形用ロールの被加工材との接触部２０は、ポンチ金型２８およびダイ金型２９の形状をロール表面に加工したものである。これにより上述のプレス成形と同様にロール成形により、図３（ａ）に示したような燃料電池用のセパレータ１０が製作できる。
【００１６】
図６には、両面張出し形状セパレータ３２の流路端部形状の例を示す。
図示した燃料の流れの向き１７からわかるように、パラレルタイプとサーペンタインタイプの混合タイプである。両面張出し形状のセパレータ３２も、図１（ｃ）、（ｄ）に示した両面張出し形状の上下のロール３、４により製作した両面張出し形状の凹凸形状板をロール成形し、図７に示したセパレータ３２の流路端部の表裏形状を転写した上金型３５、下金型３６を用い、セパレータ端部の流路形状と周りの平坦部を成形することにより製作することができる。
また、上金型３５、下金型３６の形状を図４（ａ）のセパレータ形状成形用ロールの被加工材との接触部２０に加工したロールにより、セパレータ３２の端部の流路形状と周りの平坦部をロール成形により製作することも可能である。
【００１７】
また、両面張出し形状セパレータでは、燃料入口、燃料出口を流路形状の内側に設けると、表面側と裏面側の流路が連結されるので燃料ガスの水素と空気が混ざってしまうので、燃料入口、燃料出口を流路形状の内側に設けることはできない。さらに片面張出し形状セパレータでも、複数組を直列にスタックする場合には両面張出し形状セパレータと同様の理由により、図３のように燃料入口１３、燃料出口１４を流路形状の内側に設けることは出来ない。
このため図９のように燃料入口３７ａ、３８ａ及び燃料出口３７ｂ、３８ｂは流路形状の外側に設ける必要がある。燃料入口３７ａ、３８ａ、燃料出口３７ｂ、３８ｂは前記したプレスまたはロール成形の金型に供給口形状を追加することにより、成形工程を増やすことなく成形可能である。また、しわが生じやすい箇所、たとえば流路形状の四隅に図９のように燃料入口３７ａ、３８ａ、及び燃料出口３７ｂ、３８ｂを設けることにより、しわの発生箇所を無くすことが可能である。
【００１８】
尚、図９において、両面張出し形状セパレータの表側に供給された燃料は、流路凹部直線部３４ａ、流路凹部斜辺部３４ｂ、流路凹部直角部３４ｃ、及び流路凸部斜辺部３３ｂ部分を通過可能であり、両面張出し形状セパレータの裏側に供給された燃料は、流路凸部直線部３３ａ、流路凸部斜辺部３３ｂ、流路凸部直角部３３ｃ、及び流路凹部斜辺部３４ｂ部分を通過可能である。従って、燃料の一方（水素又は酸素（空気））は表面側燃料入口３７ａから黒色の矢印で示した燃料の流れの向き１７に沿って表面側燃料出口３７ｂまで流れ、他方の燃料（酸素（空気）又は水素）は裏面側燃料入口３８ａから裏面側燃料出口３８ｂへ流れ、その間に起電反応が起こる。
本発明において、塑性変形可能な燃料電池用セパレータ材料として、各種表面処理鋼板、ステンレス鋼、チタン等を使用することができる。
【実施例】
【００１９】
金型ロール１、２の胴長２００ｍｍ、直径２５０ｍｍとし、周囲に設けた凸形状（溝）の１周期の間隔を２ｍｍ、溝の深さを０．５ｍｍ、溝の幅を１ｍｍ、金型ロール１、２に溝を各２５本設けた形状の金型ロールを製作した。金型ロール１、２の材質はＳＫＤ１１、被加工材はオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３１６、板厚０．１ｍｍ、幅１００ｍｍ、でコイル状のものを用いた。成形工程は図４（ｂ）の方法を用い、金型ロールは１段とし、上ロールと下ロールのクリアランスは被加工材の板厚とし今回は０．１ｍｍで成形を行った。これによりしわ、反りのない凹凸形状板を製作できた。
【００２０】
図８に製作したパラレルタイプ用の金型を示す。ダイ金型２９には深さ０．５ｍｍ、幅１．１ｍｍのダイ金型凹部３１が設けられている。またポンチ金型２８には高さ０．５ｍｍ、幅０．９ｍｍのポンチ金型凸部３０が設けられている。金型材質は金型ロールと同様ＳＫＤ１１とした。この金型を用い前述した凹凸形状板に流路端部１６をプレス成形することにより、固体高分子型燃料電池用の５０ｍｍ□のセパレータが成形できた。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）は、本発明例の被加工材片面張出しタイプ金型ロールを示す立面図である。  （ｂ）は、本発明例の被加工材片面張出しタイプ金型ロールを示す側面図である。  （ｃ）は、本発明例の被加工材両面張出しタイプ金型ロールを示す立面図である。  （ｄ）は、本発明例の被加工材両面張出しタイプ金型ロールを示す側面図である。
【図２】（ａ）は、本発明例の上下ロールの凹凸中心がずれている場合の弾性体を用いた自動調整機構（自動調整前）の模式図である。  （ｂ）は、本発明例の上下ロールの凹凸中心がずれている場合の弾性体を用いた自動調整機構（自動調整後）の模式図である。
【図３】（ａ）は、本発明により製作した流路溝が被加工材の片面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータの例（パラレルタイプ）を示す模式図である。  （ｂ）は、本発明により製作した流路溝が被加工材の片面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータの例（サーペンタインタイプ）を示す模式図である。  （ｃ）は、本発明により製作した流路溝が被加工材の片面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータの例（混合タイプ）を示す模式図である。
【図４】（ａ）は、本発明に係る凹凸形状板の成形方法の例を示す模式図である。  （ｂ）は、本発明に係る別の凹凸形状板の成形方法のプレス成形前までの例を示す模式図である。
【図５】本発明により製作した流路溝が被加工材の片面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータ（パラレルタイプ）の流路端部成形用金型の例を示す模式図である。
【図６】本発明により製作した流路溝が被加工材の両面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータの例（混合タイプ）を示す模式図である。
【図７】本発明により製作した流路溝が被加工材の両面に張出した形状の固体高分子型燃料電池用セパレータの例（混合タイプ）の流路端部成形用金型の例を示す模式図である。
【図８】本発明により製作した流路溝が被加工材の片面に張出した形状の固体高分子型セパレータ（パラレルタイプ）の流路端部成形用金型の例を示す模式図である。
【図９】本発明により製作した流路溝が被加工材の両面に張出した形状において燃料入口及び燃料出口も併せて成形した固体高分子型セパレータの例（混合タイプ）を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２２】
１、１ａ、１ｂ：上ロール（被加工材片面張出しタイプ）
２、２ａ、２ｂ：下ロール（被加工材片面張出しタイプ）
３：上ロール（被加工材両面張出しタイプ）
４：下ロール（被加工材両面張出しタイプ）
５：弾性体
６：ベアリング
７：カラー
８：ロール固定用カバー
９：凹凸形状板
１０：片面張出し形状セパレータ（流路形状：パラレルタイプ）
１１：片面張出し形状セパレータ（流路形状：サーペンタインタイプ）
１２：片面張出し形状セパレータ（流路形状：パラレルタイプとサーペンタインタイプ        の混合タイプ）
１３：燃料入口
１４：燃料出口
１５：流路
１６：流路端部
１７：燃料の流れの向き
１８：セパレータ形状成形用上ロール
１９：セパレータ形状成形用下ロール
２０：セパレータ形状成形用ロールの被加工材との接触部
２１：被加工材
２２：凹凸形状板
２３：凹凸形状板凹部
２４：凹凸形状板凸部
２５：セパレータ
２６：シャー
２７：凹凸形状板（切り板状）
２８：ポンチ金型
２９：ダイ金型
３０：ポンチ金型凸部
３１：ダイ金型凹部
３２：両面張出し形状セパレータ（流路形状：パラレルタイプとサーペンタインタイプ        の混合タイプ）
３３ａ：流路凸部直線部
３３ｂ：流路凸部斜辺部
３３ｃ：流路凸部直角部
３４ａ：流路凹部直線部
３４ｂ：流路凹部斜辺部
３４ｃ：流路凹部直角部
３５：上金型
３６：下金型
３７ａ：表面側燃料入口
３７ｂ：表面側燃料出口
３８ａ：裏面側燃料入口
３８ｂ：裏面側燃料出口
【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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