(57)【要約】【課題】  セパレータの反りを防止すると共に、流路周囲に凹凸が無くシール性の高いセパレータを有した燃料電池用セパレータの成形方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の方法は、金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状の凹条部１６及び凸条部１７よりなる各流路を形成した２枚のセパレータ１５、１５を重ね合わせた後、その重ね合わされた２枚のセパレータ１５、１５を重ね合わせ方向から加圧して、少なくともセパレータ１５の一部分を塑性変形させて密着させる。セパレータ１５を加圧して一部分を塑性変形させれば、プレス加工によって生じた反りを抑制することができ、セパレータ１５、１５の接触部分を隙間無く密着させて当該セパレータ１５、１５間の導電性を向上させることができる。【選択図】      図７
2006228533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる各流路を形成した２枚のセパレータを重ね合わせるセパレータ重ね合わせ工程と、
前記重ね合わされた２枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧して、少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させる加圧工程とを備えた
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータの成形方法であって、
前記セパレータの凹凸形状に合わせて凹凸部を有した成形ダイで当該セパレータの形状を矯正しながら加圧する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池用セパレータの成形方法であって、
前記２枚のセパレータの重ね合わされる部分に、互いに噛み合うかしめ部を形成する
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの成形方法。
【請求項４】
凹凸形状からなる各流路を形成した２枚の金属板よりなるセパレータを重ね合わせ方向から加圧して少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させるセパレータ形状矯正装置であって、
一方のセパレータを加圧する成形ダイを有した上型と、他方のセパレータを加圧する成形ダイを有した下型とを備えた
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。
【請求項５】
請求項４に記載のセパレータ形状矯正装置であって、
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面を平坦面とした
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。
【請求項６】
請求項４に記載のセパレータ形状矯正装置であって、
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面に、前記セパレータの凹凸形状に合わせて嵌合する凹凸部を形成した
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。
【請求項７】
請求項４に記載のセパレータ形状矯正装置であって、
前記上型及び下型の成形ダイの加圧面に、前記２枚のセパレータの重ね合わされる部分にセパレータ同士を互いに噛み合わせるかしめ形成部を形成してある
ことを特徴とするセパレータ形状矯正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置に関し、詳細には、金属板をプレス加工して流路を形成した時に発生したセパレータの反りを矯正するための技術に関する。  
【背景技術】
【０００２】
例えば、高分子電解質膜の両面に水素と酸素を供給して起電力を発生させる燃料電池では、単位体積当たりの起電力をより一層高めるために、金属製の薄板をプレス加工して凹凸形状の流路を形成する、いわゆる薄板金属セパレータの開発がなされている。セパレータは、この薄板金属セパレータを２枚重ね合わせることで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒をそれぞれ流通させる燃料ガス流路、酸化剤ガス流路及び冷媒流路を形成する。
【０００３】
しかしながら、プレス加工により金属板の中央部分に凹凸形状の流路を形成すると、セパレータの表裏で局部的な伸び量（残留応力）の相違が生じ又はスプリングバックの発生によって、凹凸部の成形高さにバラツキが生じたり、セパレータ全体に反りが生じる。
【０００４】
このような凹凸部の成形高さのバラツキやセパレータ全体に反りが発生すると、セパレータ同士の接触部やセパレータと膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）との間に隙間が生じ、接触抵抗の増大により導電性が悪化し、発電性能の低下が起こる。
【０００５】
そこで、金属板に凹凸形状をなすガス流路をプレス成形した後に、その凹凸部のガス流路の周辺に形成される平坦部に、前記凹凸部の長手方向と直交する方向に長尺状又は短冊状の凹部又は凸部を形成することで当該セパレータの反りを防止する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３８２９５号公報（第３頁から第５頁、第３図から第５図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、反りを防止するための凹部及び凸部がガス流路を取り囲む周辺部に存在するため、当該ガス流路の周囲に設けられるシール部材がこれら凹部又は凸部によって密着しないことが考えられる。
【０００７】
そこで、本発明は、セパレータの反りを防止すると共に、流路周囲に凹凸が無くシール性の高いセパレータを有した燃料電池用セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る燃料電池用セパレータの成形方法は、金属板をプレス加工して発電に寄与する領域に凹凸形状からなる各流路を形成した２枚のセパレータを重ね合わせるセパレータ重ね合わせ工程と、前記重ね合わされた２枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧して、少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させる加圧工程とを備える。
【０００９】
また、本発明に係るセパレータ形状矯正装置は、凹凸形状からなる各流路を形成した２枚の金属板よりなるセパレータを重ね合わせ方向から加圧して少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させるセパレータ形状矯正装置であって、一方のセパレータを加圧する成形ダイを有した上型と、他方のセパレータを加圧する成形ダイを有した下型とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、プレス加工時に発生した凹凸形状の高さのバラツキ及び反りのある２枚のセパレータを重ね合わせ、その重ね合わせたセパレータを重ね合わせ方向から加圧して少なくともセパレータの一部分を塑性変形させて密着させているので、それらセパレータ同士の重ね合わせ部に隙間が無くなり、それらの間の接触抵抗が低減し導電性を高めることができる。また、本発明方法によれば、重ね合わされた２枚のセパレータを重ね合わせ方向から加圧することで、その加圧力によってセパレータの一部分が塑性変形を起こすことで反りが緩和される。
【００１１】
また、本発明のセパレータ形状矯正装置によれば、セパレータを加圧する成形ダイを有した上型及び下型にて、プレス加工時に発生した凹凸形状の高さのバラツキ及び反りのある２枚のセパレータを重ね合わせてこれらを重ね合わせ方向から加圧するように構成されているので、セパレータの一部分が塑性変形を起こしてセパレータ同士が隙間無く密着し、それらの間の接触抵抗が低減して導電性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
先ず、燃料電池スタックの全体構成について簡単に説明する。図１は燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図、図２は燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。
【００１４】
「燃料電池スタックの構成」
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により起電力を生じる単位電池としての燃料電池単セル２を所定数だけ積層した積層体３とされ、その積層体３の両端に集電板４、絶縁板５およびエンドプレート６を配置し、該積層体３の内部に貫通した貫通孔（図示は省略する）にタイロッド７を貫通させ、そのタイロッド７の端部にナット（図示は省略する）を螺合させることで構成されている。
【００１５】
この燃料電池スタック１においては、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ各燃料電池単セル２のセパレータ（図示は省略する）に形成された流路に流通させるための燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１６】
燃料ガスは、燃料ガス導入口８より導入されてセパレータに形成された燃料ガス供給用の流路を流れ、燃料ガス排出口９より排出される。酸化剤ガスは、酸化剤ガス導入口１０より導入されてセパレータに形成された酸化剤ガス供給用の流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷却水は、冷却水導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷却水供給用の流路を流れ、冷却水排出口１３より排出される。
【００１７】
燃料電池単セル２は、図２に示すように、膜電極接合体（MEA:membrane electrode assembly）１４と、この膜電極接合体１４の両面にそれぞれ配置されるセパレータ１５とから構成される。
【００１８】
膜電極接合体１４は、例えば水素イオンを通す高分子電解質膜である固体高分子電解質膜と、アノード触媒とガス拡散層からなるアノード電極と、カソード触媒とガス拡散層からなるカソード電極（何れも図示は省略する）とからなる。かかる膜電極接合体１４は、アノード電極とカソード電極によって、固体高分子電解質膜をその両側から挟み込んだ積層構造とされている。
【００１９】
セパレータ１５は、例えば厚みの薄いステンレスなどの金属板からなり、発電に寄与するアクティブ領域（膜電極接合体１４と接する中央部分の領域）に、プレス加工によって凹条部１６と凸条部１７を交互に形成した凹凸形状（いわゆるコルゲート形状）を形成している。本実施の形態では、発電性能のより一層の向上を図るために、厚み０．１ｍｍ程度の薄板金属セパレータを使用する。
【００２０】
膜電極接合体１４のアノード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に燃料ガス（水素Ｈ）を流通させる燃料ガス流路１８を形成する。一方、膜電極接合体１４のカソード側に接して配置された凹条部１６は、膜電極接合体１４との間に酸化剤ガス（酸素Ｏ）を流通させる酸化剤ガス流路１９を形成する。そして、セパレータ１５、１５同士が接合された凸条部１７、１７で囲まれた空間部は、冷却水（ＬＬＣ）を流通させる冷媒流路２０を形成する。
【００２１】
また、セパレータ１５には、前記した燃料ガス導入口８、燃料ガス排出口９、酸化剤ガス導入口１０、酸化剤ガス排出口１１、冷却水導入口１２および冷却水排出口１３と連通するそれぞれのマニホールド（図示は省略する）が形成されている。さらに、セパレータ１５には、タイロッド７を貫通させるスタッキング孔（図示は省略する）が形成されている。
【００２２】
このように構成された膜電極接合体１４とセパレータ１５とからなる燃料電池単セル２は、一対のセパレータ１５、１５で膜電極接合体１４を挟み込むようにして積層され、当該膜電極接合体１４の平坦面とされた外周縁部に設けられた第１シール部材２３を介して上下のセパレータ１５、１５同士を結合一体化してある。そして、この燃料電池単セル２は、外周縁部に第２シール部材２４を介在させることにより複数層積層されて燃料電池スタック１を構成する。
【００２３】
「セパレータの成形方法及びセパレータ形状矯正装置の説明」
次に、セパレータ１５の成形方法について説明する。金属板をプレス加工（プレス成形）して発電に寄与するアクティブ領域に凹凸形状からなる燃料ガス流路１８、酸化剤ガス流路１９及び冷媒流路２０を形成すると、図３に示すように、セパレータ１５、１５同士の重なり部分（図３（Ｂ）のＡ部分）やセパレータ１５と膜電極接合体１４との接触部分（図３（Ｃ）のＢ部分）は、面同士が接触する面接触ではなく点接触となる場合がある。または、凹条部１６及び凸条部１７の高さにバラツキが生じ、図４に示すように、セパレータ１５、１５同士の重なり部分に隙間が生じたり、セパレータ１５と膜電極接合体１４との間にも隙間が生じる可能性がある。
【００２４】
これを防止するために、本発明では、図５に示すセパレータ形状矯正装置を用いてセパレータ１５の反りや凹条部１６及び凸条部１７の高さのバラツキを無くす。セパレータ形状矯正装置は、プレス加工機のボルスターベット３０にセットされる下型３１と、ラムスライド３２にセットされる上型３３とからなり、これら下型３１と上型３３の間に重ね合わせた２枚のセパレータ１５、１５を、これら下型３１と上型３３とで加圧してセパレータ１５の一部分を塑性加工させることにより当該セパレータ１５、１５同士を密着させる。
【００２５】
下型３１は、ボルスターベット３０の上に固定される下型ダイセット３４と、この下型ダイセット３４の上に固定される下型ダイホルダー３５と、この下型ホルダー３５に設けられる下型ダイ３６からなる。
【００２６】
上型３３は、ラムスライド３２に固定される上型ダイセット３７と、この上型ダイセット３７に固定される上型ダイホルダー３８と、この上型ダイホルダー３８に設けられる上型ダイ３９からなる。
【００２７】
なお、下型ダイ３６及び上型ダイ３９は、ダイの型寸法精度を高めるために分割（３分割）してある。一つのダイとした場合は、加工寸法精度を高精度に出すことが難しくなる。そのため、ダイを分割することで、一つ当たりのダイの加工寸法精度を高精度なものとしている。
【００２８】
このセパレータ形状矯正装置を使用して２枚のセパレータ１５、１５の反りを無くすには、図６に示すように、２枚のセパレータ１５、１５を重ね合わせる。すなわち、凹条部１６、１６同士をそれぞれ接触させるようにして、２枚のセパレータ１５、１５を重ねる。
【００２９】
そして、重ね合わせた２枚のセパレータ１５、１５を、セパレータ形状矯正装置の下型３１の上にセットし、上型３３を下降させて図７に示すようにこれらセパレータ１５、１５をその重ね合わせ方向から加圧する。本実施の形態では、下型ダイ３６及び上型ダイ３９の加圧面３６ａ、３９ａを、何れも平坦面としている。
【００３０】
このセパレータ形状矯正装置でセパレータ１５、１５に加圧力を加えると、凹条部１６及び凸条部１７を連結する傾斜部１５ａが微小に塑性変形し、前記凹条部１６、１６同士が隙間無く密着すると共に、凸条部１７と膜電極接合体１４との接触部が隙間無く密着する。このセパレータ形状矯正装置でセパレータ１５、１５を加圧する加圧力は、セパレータ１５全体を塑性変形させるのではなくセパレータ１５の一部分のみを微小に塑性変形させる程度の加圧力とする。
【００３１】
所定の加圧力を加え終えたら上型３３を下型３１より上昇させてセパレータ１５、１５を型から取り出す。加圧されたセパレータ１５は、お互いに重ね合わされた状態でその重ね合わせ方向から微小に塑性変形する程度に加圧されるため、加圧する前の状態に戻ることはなく、互いの凹条部１６、１６同士が隙間無く密着すると共に、燃料電池単セル２の積層時に膜電極接合体１４とセパレータ１５とがやはり隙間無く密着する。したがって、セパレータ１５、１５同士の接触部分とセパレータ１５と膜電極接合体１４との接触部分が面接触し、これらの間の接触抵抗が低減し導電性が大幅に向上する。
【００３２】
本実施の形態の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、プレス加工によって反りが発生したセパレータ１５、１５同士の接触部分及びセパレータ１５と膜電極接合体１４との接触部分を面接触にて密着させることができ、それらの間の導電性を高めて燃料電池の発電性能を大幅に向上させることができる。
【００３３】
また、本実施の形態の燃料電池用セパレータの成形方法によれば、各流路が形成されるアクティブ領域の外周囲に反り防止用の突起を形成する必要が無いので、シール部材をセパレータ１５に隙間無く密着させることができ、膜電極接合体１４とセパレータ１５間のシール性を高めることができる。
【００３４】
また、本実施の形態のセパレータ形状矯正装置によれば、下型３１と上型３３で２枚のセパレータ１５、１５を重ね合わせ方向から加圧する単純な装置であるから低コストでセパレータ１５の反りを無くすことができる。
【００３５】
［その他の実施の形態］
以上、本発明を適用した具体的な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に制限されることなく種々の変更が可能である。
【００３６】
上記した実施の形態では、下型ダイ３６及び上型ダイ３９の加圧面３６ａ、３９ａを平坦面としたが、セパレータ１５の凹凸形状に合わせて凹凸部を有した成形ダイを使用してもよい。
【００３７】
例えば、図８及び図９に示すように、セパレータ１５に形成された凹条部１６に嵌合する凸部４０と、凸条部１７を嵌合させる凹部４１とを下型ダイ３６及び上型ダイ３９の加圧面３６ａ、３９ａにそれぞれ形成する。前記凸部４０は、図８に示すように凹条部１６の途中まで入り込む程度の突起であってもよく、或いは図９に示すように凹条部１６の全体に入り込む程度の突起であってもよい。
【００３８】
このように、セパレータ１５にプレス加工して形成された凹条部１６及び凸条部１７の形状に合った凸部４０及び凹部４１を加圧面３６ａ、３９ａに形成した下型３１及び上型３３で、重ね合わせた２枚のセパレータ１５、１５を重ね合わせ方向から加圧すれば、凸部４０及び凹部４１が位置決めガイドとして機能し、加圧時におけるセパレータ１５の位置決めを正確に行うことができると共に、加圧時にこれら凹条部１６及び凸条部１７の形状の崩れを防止してセパレータ１５の形状矯正が図れる。特に、図９では、凸部４０が凹条部１６にすっぽり嵌り込むと共にその凸部４０の先端がセパレータ１５、１５の接触部に当接する形状であるため、該セパレータ１５、１５の接触部を塑性変形させて隙間無く完全に密着させることができる。これにより、図９の下型３１及び上型３３を使用すれば、これらセパレータ１５、１５間の導電性をより一層向上させることができる。
【００３９】
この他、図１０に示すように、２枚のセパレータ１５、１５の重ね合わされる部分であるセパレータ接触部分に、互いに噛み合うかしめ部を形成するためのかしめ形成部４２を、下型ダイ３６と上型ダイ３９に形成してもよい。かしめ形成部４２は、上型ダイ３９の凸部４０の先端に形成される突起部４２ａと、この突起部４２ａの受けとなる下型ダイ３６の凸部４０の先端に形成される凹状部４２ｂとからなる。
【００４０】
前記かしめ形成部４２を形成したセパレータ形状矯正装置で重ね合わせたセパレータ１５、１５を加圧すれば、これらセパレータ１５、１５同士の接触部分がお互いに噛み合ってかしめ部が形成され、該セパレータ１５、１５間の接触面積の増大によりそれらの間の導電性がより一層向上する。また、セパレータ１５、１５の接触部分がかしめられることによって、燃料電池単セル２のスタッキング荷重負荷時において変形による接触位置ずれを無くすことができる。
【００４１】
図１０では、セパレータ１５、１５の接触部には、一つのかしめ部を形成したが、図１１に示すように、複数のかしめ部をセパレータ１５、１５の接触部に形成するようにしてもよい。このようにすれば、図１０のセパレータ形状矯正装置で加圧した場合よりもセパレータ１５、１５間の接触面積をより一層増大させることができ、さらなる導電性の向上を図ることができる。
【００４２】
なお、図１２に示すように、プレス加工後のセパレータ１５の凹条部１６の表面にササクレ形状の突条部４３を引っ掻き又は機械加工によって形成するようにしてもよい。このとき、一方のセパレータ１５の突条部４３と他方のセパレータ１５の底部４３ａが向き合うように、互いに突条部４３、４３同士の位置が等間隔にずれるように形成しておく。その後、そのセパレータ１５、１５同士を重ね合わせて図５に示すセパレータ形状矯正装置で加圧することで、一方と他方のセパレータ１５、１５の突条部４３、４３同士が押し潰されて接合されるようにしてもよい。こうすることで、セパレータ１５、１５の接触部に形成された突条部４３、４３同士が潰されて絡み合い、それらの間の接触面積が増え、導電性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】燃料電池スタックの全体構成を示す斜視図である。
【図２】燃料電池スタックの積層構造の一部を示す要部拡大断面図である。
【図３】プレス加工によって流路を形成しただけのセパレータを使用して形成した従来構成の燃料電池スタックの一部を示す要部拡大断面図である。
【図４】同じくプレス加工によって流路を形成しただけのセパレータを使用して形成した従来構成の燃料電池スタックの他の例を示し、その一部を示す要部拡大断面図である。
【図５】本実施の形態のセパレータ形状矯正装置の一例を示す図である。
【図６】プレス加工後のセパレータ同士を重ね合わせた状態を示す要部拡大断面図である。
【図７】重ね合わせたセパレータを平坦面とした下型ダイ及び上型ダイで加圧するセパレータ形状矯正装置の要部拡大断面である。
【図８】セパレータの凹凸形状に合わせて凹凸部を有した成形ダイでセパレータの形状を矯正しながら加圧するセパレータ形状矯正装置の要部拡大断面図である。
【図９】セパレータに形成された凹条部及び凸条部を完全に嵌合させた状態でセパレータの形状を矯正しながら加圧するセパレータ形状矯正装置の要部拡大断面図である。
【図１０】２枚のセパレータの重ね合わされる部分に互いに噛み合うかしめ部を形成する成形ダイでセパレータを加圧するセパレータ形状矯正装置の要部拡大断面図である。
【図１１】セパレータ接触部分に複数のかしめ部を形成する成形ダイでセパレータを加圧するセパレータ形状矯正装置の要部拡大断面図である。
【図１２】セパレータ同士の接触部分にササクレ形状の突条部を形成したセパレータの要部拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００４４】
１…燃料電池スタック
２…燃料電池単セル
１４…膜電極接合体
１５…セパレータ
１６…凹条部（凹凸形状）
１７…凸条部（凹凸形状）
１８…燃料ガス流路（流路）
１９…酸化剤ガス流路（流路）
２０…冷媒流路（流路）
３１…下型
３３…上型
３６…下型ダイ
３９…上型ダイ
４０…凸部（凹凸部）
４１…凹部（凹凸部）
４２…かしめ形成部
【図１】
2006228533.tif 000003
【図２】
2006228533.tif 000004
【図３】
2006228533.tif 000005
【図４】
2006228533.tif 000006
【図５】
2006228533.tif 000007
【図６】
2006228533.tif 000008
【図７】
2006228533.tif 000009
【図８】
2006228533.tif 000010
【図９】
2006228533.tif 000011
【図１０】
2006228533.tif 000012
【図１１】
2006228533.tif 000013
【図１２】
2006228533.tif 000014