(57)【要約】【課題】  良好な製造コストを有しかつ接触抵抗を低減し得る燃料電池用金属セパレータの成形装置を提供する。【解決手段】  第１反応ガスの流路溝を形成するための凹部および凸部を有するキャビティ１４２が設けられ、第１金属板材２４１が配置される第１成形型１４０、第１成形型１４０の凹部および凸部に対応し、第２反応ガスの流路溝を形成するための凸部および凹部を有するキャビティ１１２が設けられ、第１成形型１４０に相対して配置される第２成形型１１０、第１成形型１４０および第２成形型１１０を型締めし、第１金属板材２４１と、第２成形型１１０に相対しかつ第１金属板材２４１に重ね合せて配置される第２金属板材２５１とを、同時に押圧するための押圧手段１７０、および、第１成形型１４０のキャビティ１４２の凹部と、当該凹部に対応する第２成形型１１０のキャビティの凸部との間の差分を保持し、冷却流体の流路を形成するための保持部材１８０を有する。【選択図】            図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の単セルに適用される金属セパレータを製造するための成形方法であって、
第１反応ガスの流路溝を形成するための凹部および凸部を有するキャビティが設けられる第１成形型に、第１金属板材を配置し、
前記第１成形型の凹部および凸部に対応し、第２反応ガスの流路溝を形成するための凸部および凹部を有するキャビティが設けられる第２成形型に、相対しかつ前記第１金属板材に重ね合せて第２金属板材を配置し、
前記第１成形型および前記第２成形型を型締めし、前記第１金属板材および前記第２金属板材を、同時に押圧する際に、前記第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する前記第２成形型のキャビティの凸部との間の差分を保持して、冷却流体の流路を形成する
ことを特徴とする成形方法。
【請求項２】
前記第１反応ガスおよび前記第２反応ガスの一方および他方は、水素ガスおよび酸素ガスであり、前記冷却流体は、水であることを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
前記差分は、前記第１金属板材と前記第２金属板材との間に配置されるスペーサによって保持されており、前記スペーサは、前記第１成形型のキャビティの凹部に対応して位置決めされることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の成形方法。
【請求項４】
前記スペーサは、略矩形断面を有することを特徴とする請求項３に記載の成形方法。
【請求項５】
前記スペーサの角部は、屈曲形状を有することを特徴とする請求項４に記載の成形方法。
【請求項６】
前記スペーサの厚みと前記第２成形型のキャビティの凸部の高さの合計は、前記第１成形型のキャビティの凹部の深さと、略一致していることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の成形方法。
【請求項７】
前記スペーサは、複数からなり、一体化されていることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１項に記載の成形方法。
【請求項８】
前記スペーサは、端部を連結することで、一体化されていることを特徴とする請求項７に記載の成形方法。
【請求項９】
燃料電池の単セルに適用される金属セパレータを製造するための成形装置であって、
第１反応ガスの流路溝を形成するための凹部および凸部を有するキャビティが設けられ、第１金属板材が配置される第１成形型、
前記第１成形型の凹部および凸部に対応し、第２反応ガスの流路溝を形成するための凸部および凹部を有するキャビティが設けられ、前記第１成形型に相対して配置される第２成形型、
前記第１成形型および前記第２成形型を型締めし、前記第１金属板材と、前記第２成形型に相対しかつ前記第１金属板材に重ね合せて配置される第２金属板材とを、同時に押圧するための押圧手段、および、
前記第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する前記第２成形型のキャビティの凸部との間の差分を保持し、冷却流体の流路を形成するための保持部材
を有することを特徴とする成形装置。
【請求項１０】
前記第１反応ガスおよび前記第２反応ガスの一方および他方は、水素ガスおよび酸素ガスであり、前記冷却流体は、水であることを特徴とする請求項９に記載の成形装置。
【請求項１１】
前記保持部材は、前記第１金属板材と前記第２金属板材との間に配置されるスペーサであり、前記スペーサは、前記第１成形型のキャビティの凹部に対応して位置決めされることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の成形装置。
【請求項１２】
前記スペーサは、略矩形断面を有することを特徴とする請求項１１に記載の成形装置。
【請求項１３】
前記スペーサの角部は、屈曲形状を有することを特徴とする請求項１２に記載の成形装置。
【請求項１４】
前記スペーサの厚みと前記第２成形型のキャビティの凸部の高さの合計は、前記第１成形型のキャビティの凹部の深さと、略一致していることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の成形装置。
【請求項１５】
前記スペーサは、複数からなり、一体化されていることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の成形装置。
【請求項１６】
前記スペーサは、端部を連結することで、一体化されていることを特徴とする請求項１５に記載の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池用金属セパレータの成形方法および成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の単セルは、燃料ガスと酸化剤ガスとを分離するためのセパレータを有する。金属材料は、厚さが薄くても優れた強度が得られるため、セパレータに適用することが試みられており、流路溝に対応する凹部および凸部を有する２枚の金属プレートを積層することで、セパレータを形成している（例えば、特許文献１および特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００２−３７３６７３号公報
【特許文献２】特開２００３−３３１８５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、金属プレートの凹部および凸部は、プレス加工によって形成されるため、スプリングバックが存在する。そのため、２枚の金属プレートを重ね合せて、セパレータを形成する場合、金属プレートの凸部の合せ面に隙間を生じることで、接触抵抗が増加する問題を有する。一方、スプリングバックによる変形を矯正する場合、工程が増加し、製造コストを上昇させる。
【０００４】
本発明は、上記従来技術に伴う課題を解決するためになされたものであり、良好な製造コストを有しかつ接触抵抗を低減し得る燃料電池用金属セパレータの成形方法および成形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】
【０００５】
上記目的を達成するための請求項１に記載の発明は、
燃料電池の単セルに適用される金属セパレータを製造するための成形方法であって、
第１反応ガスの流路溝を形成するための凹部および凸部を有するキャビティが設けられる第１成形型に、第１金属板材を配置し、
前記第１成形型の凹部および凸部に対応し、第２反応ガスの流路溝を形成するための凸部および凹部を有するキャビティが設けられる第２成形型に、相対しかつ前記第１金属板材に重ね合せて第２金属板材を配置し、
前記第１成形型および前記第２成形型を型締めし、前記第１金属板材および前記第２金属板材を、同時に押圧する際に、前記第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する前記第２成形型のキャビティの凸部との間の差分を保持して、冷却流体の流路を形成する
ことを特徴とする成形方法である。
【０００６】
上記目的を達成するための請求項９に記載の発明は、
燃料電池の単セルに適用される金属セパレータを製造するための成形装置であって、
第１反応ガスの流路溝を形成するための凹部および凸部を有するキャビティが設けられ、第１金属板材が配置される第１成形型、
前記第１成形型の凹部および凸部に対応し、第２反応ガスの流路溝を形成するための凸部および凹部を有するキャビティが設けられ、前記第１成形型に相対して配置される第２成形型、
前記第１成形型および前記第２成形型を型締めし、前記第１金属板材と、前記第２成形型に相対しかつ前記第１金属板材に重ね合せて配置される第２金属板材とを、同時に押圧するための押圧手段、および、
前記第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する前記第２成形型のキャビティの凸部との間の差分を保持し、冷却流体の流路を形成するための保持部材
を有することを特徴とする成形装置である。
【発明の効果】
【０００７】
上記のように構成した本発明は、以下の効果を奏する。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、第１および第２金属板材は、同時に押圧されて、凹部および凸部が形成される。凸部の合せ面は、密着し、その後、スプリングバックが生じる場合であっても、同様に変形することで、接触抵抗の増加は抑制される。そのため、スプリングバックによる変形の矯正は、不要であり、工程の増加および製造コストの上昇を、避けることが可能である。また、第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する第２成形型のキャビティの凸部との間の差分は、押圧の際に保持されるため、冷却流体の流路の形成は、妨げられない。したがって、良好な製造コストを有しかつ接触抵抗を低減し得る燃料電池用金属セパレータの成形方法を提供することができる。
【０００９】
請求項９に記載の発明によれば、第１および第２金属板材を、同時に押圧して、凹部および凸部を形成することが可能である。この場合、凸部の合せ面は、密着し、その後、スプリングバックが生じる場合であっても、同様に変形することで、接触抵抗の増加は抑制される。そのため、スプリングバックによる変形の矯正は、不要であり、工程の増加および製造コストの上昇を、避けることが可能である。また、第１成形型のキャビティの凹部と、当該凹部に対応する第２成形型のキャビティの凸部との間の差分は、保持部材によって、押圧の際に保持されるため、冷却流体の流路の形成は、妨げられない。したがって、良好な製造コストを有しかつ接触抵抗を低減し得る燃料電池用金属セパレータの成形装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池およびセパレータを説明するための断面図、図２は、図１に示されるセパレータの平面図である。
【００１１】
燃料電池１０は、単セルを多数積層してなる積重ね体の形態で、例えば、自動車の駆動源として使用される。単セルは、水の電気分解の逆の原理を利用し、水素と酸素とを反応させて水を得る過程で電気を得ることができる電池であり、電極部２０および金属セパレータ３０を有する。
【００１２】
電極部２０は、金属セパレータ３０の間に配置され、固体高分子電解質膜と、その両面に配置されるガス拡散層を有する。
【００１３】
金属セパレータ３０は、流路溝が配置される中央の流路部３２と、流路部３２の両側に位置する端部３３とを有する。端部３３には、反応ガスである水素および酸素と、冷却流体である水とを流通させるための開口部３４，３５，３６が配置される。
【００１４】
金属セパレータ３０は、重ね合わされた２枚のプレート（上層プレート４１および下層プレート５１）から構成される。上層プレート４１および下層プレート５１は、凸部４２，５２および凹部４６，５６を有し、凹凸形状を呈する。上層プレート４１および下層プレート５１の材料は、例えば、ステンレス鋼鈑である。ステンレス鋼鈑は、複雑な機械加工を施しやすくかつ導電性が良好である点で好ましい。ステンレス鋼板は、必要に応じて、耐食性のコーティングを施すことも可能である。また、アルミニウム板や、クラッド材を適用することも可能である。
【００１５】
上層プレート４１の凸部４２の上部面４３は、上方に位置する電極部３０の下部面と接触している。凹部４６の上部面４７と電極部３０の下部面とによって定義される空間Ｓ１は、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝を形成する。
【００１６】
下層プレート５１の凸部５２の上部面５３は、上層プレート４１の凸部４２の下部面４４と接触している。凸部５２の下部面５４と、下方に位置する電極部３０の上部面とによって定義される空間Ｓ２は、酸化剤ガス（空気）を流通させるための流路溝を形成する。凹部５６の下部面５８は、下方に位置する電極部３０の上部面と接触している。
【００１７】
下層プレート５１の凹部５６の深さは、上層プレート４１の凹部５６の深さより大きくなるように設定されており、上層プレート４１の凹部５６の下部面５８と、下層プレート５１の凹部５６の上部面５７とによって定義される空間Ｓ３は、冷却水を流通させるための流路溝を形成する。空間Ｓ３は、上層プレート４１の凹部５６を介し、燃料ガス（水素）を流通させるための流路溝（空間Ｓ１）の下方に位置する。
【００１８】
隣接する金属セパレータ３０は、凹部および凸部がオフセットされて配置される。したがって、金属セパレータ３０の酸化剤ガスを流通させるための流路溝（空間Ｓ２）は、上方に位置する電極部３０を介して隣接する金属セパレータ３０の燃料ガスを流通させるための流路溝（空間Ｓ１）および冷却水を流通させるための流路溝（空間Ｓ３）と相対する。一方、金属セパレータ３０の燃料ガスを流通させるための流路溝（空間Ｓ１）および冷却水を流通させるための流路溝（空間Ｓ３）は、下方に位置する電極部３０を介して隣接する金属セパレータ３０の酸化剤ガスを流通させるための流路溝（空間Ｓ２）と相対している。
【００１９】
空間（流路溝）Ｓ１〜Ｓ３の形状および配置は、ガスの拡散性、圧力損失、生成水の排出性、冷却性能等を考慮し、適宜設定される。
【００２０】
図３は、本発明の実施の形態に係る成形装置を説明するための側面図、図４は、図３に示される成形金型を説明するための平面図、図５は、図３に示されるスペーサを説明するための平面図、図６は、図３の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図である。
【００２１】
成形装置１００は、上型（第２成形型）１１０、下型（第１成形型）１４０、押圧装置（押圧手段）１７０、およびスペーサ（保持部材）１８０を有する。
【００２２】
上型１１０は、下型１４０に対して近接離間可能に配置され、金属セパレータ３０の上部面の流路部３２および端部３３に対応する上部流路ダイ１１１および上部端部ダイ１２１を有する。上部流路ダイ１１１および上部端部ダイ１２１と、周囲に配置されるホルダー部１３５とは、支持部１３０に連結されて保持されている。
【００２３】
上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２は、燃料ガスの流路溝を形成するための凸部１１３および凹部１１４を有する。凸部１１３は、上層プレート４１の凹部４６に対応し、凹部１１４は、上層プレート４１の凸部４２に対応する。上部流路ダイ１１１は、５分割されている。
【００２４】
下型１４０は、固定式に配置され、金属セパレータ３０の下部面に対応する流路部３２および端部３３に対応する下部流路ダイ１４１および下部端部ダイ１５１を有する。下部流路ダイ１４１および下部端部ダイ１５１と、周囲に配置されるホルダー部１６５とは、支持部１６０に連結されて支持されている。
【００２５】
下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２は、酸化剤ガスの流路溝を形成するための凸部１４３および凹部１４４を有する。凸部１４３は、下層プレート５１の凹部５６に対応し、凹部１４４は、下層プレート５１の凸部５２に対応する。
【００２６】
上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３および凹部１１４と、下型１４０の下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４および凸部１４３とは、オフセットされて配置されている。つまり、凸部１４３および凹部１４４は、上型１１０の凹部１１４および凸部１１３と対応している。下部流路ダイ１４１は、５分割されている。
【００２７】
下型１４０の下部流路ダイ１４１および下部端部ダイ１５１のキャビティ１４２，１５２には、下ブランク材（第１金属板材）２４１および上ブランク材（第２金属板材）２５１が配置される。下ブランク材２４１および上ブランク材２５１は、金属セパレータ３０の下層プレート５１および上層プレート４１を構成する。上ブランク材２５１は、上型１１０の上部流路ダイ１１１および上部端部ダイ１２１のキャビティ１１２，１２２に相対しかつ下ブランク材２４１に重ね合せて位置決めされる。
【００２８】
押圧装置１７０は、上型１１０の支持部１３０を下型１４０に向って移動させるための駆動装置を有し、上型１１０と下型１４０を型締めし、下ブランク材２４１および上ブランク材２５１を、同時に押圧するために使用される。駆動装置は、例えば、油圧シリンダである。
【００２９】
したがって、下ブランク材２４１を、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凸部１４３および凹部１４４によって押圧することで、凸部１４３および凹部１４４に対応する凸部５２および凹部５６を有する下層プレート５１を形成することが可能である。また、上ブランク材２５１を、上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３および凹部１１４によって押圧することで、凸部１１３および凹部１１４に対応する凸部４２および凹部４６を有する上層プレート４１を形成することが可能である。
【００３０】
スペーサ１８０は、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４と、凹部１４４に対応する上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３との間の差分を保持し、冷却流体の流路を形成するために使用される。スペーサ１８０の材料は、適当な強度を有しておれば、特に限定されず、金属、セラミック、樹脂などを適用することが可能である。樹脂は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）などのエンジニアリングプラスチックである。
【００３１】
スペーサ１８０は、下ブランク材２４１と上ブランク材２５１との間に配置され、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４に対応して位置決めされる。スペーサ１８０は、略矩形断面を有し、その角部は、面取りされており、凹部１４４の隅部の屈曲形状に対応させている。
【００３２】
スペーサ１８０の厚みと、上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３の高さの合計は、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４の深さと、略一致している。スペーサ１８０は、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４に対応して複数設置されるため、ハンドリングを容易とするために一体化されている。一体化は、スペーサ１８０の端部１８１を連結すること実施されている。
【００３３】
したがって、成形装置１００は、下ブランク材２４１および上ブランク材２５１を、同時に押圧して、凹部４６，５６および凸部４２，５２を形成することが可能である。この場合、凸部４２，５２の合せ面は、密着し、その後、スプリングバックが生じる場合であっても、同様に変形することで、接触抵抗の増加は抑制される。そのため、スプリングバックによる変形の矯正は、不要であり、工程の増加および製造コストの上昇を、避けることが可能である。
【００３４】
また、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４と、凹部１４４に対応する上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３との間の差分は、スペーサ１８０によって、押圧の際に保持されるため、冷却流体の流路の形成は、妨げられない。
【００３５】
次に、本発明の実施の形態に係る成形方法を説明する。図７は、下ブランク材および上ブランク材の載置を説明するための断面図、図８は、図７に続く、押圧を説明するための断面図、図９は、図８に続く、型開きを説明するための断面図、図１０は、図９に続く、セパレータの取出しを説明するための断面図である。
【００３６】
下型１４０の下部流路ダイ１４１および下部端部ダイ１５１のキャビティ１４２，１５２に、下ブランク材２４１が配置される。スペーサ１８０は、下ブランク材２４１の上に載置され、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４に対応して位置決めされる。上ブランク材２５１は、上型１１０の上部流路ダイ１１１および上部端部ダイ１２１のキャビティ１１２，１２２に相対し、かつスペーサ１８０が載置された下ブランク材２４１に、重ね合せて位置決めされる（図７参照）。
【００３７】
押圧装置１７０は、上型１１０の支持部１３０を下型１４０に向って移動させることで、上型１１０および下型１４０を型締めし、下ブランク材２４１および上ブランク材２５１を、同時に押圧する。
【００３８】
下ブランク材２４１は、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凸部１４３および凹部１４４によって押圧され、凸部１４３および凹部１４４に対応する凸部５２および凹部５６を有する下層プレート５１に成形される。上ブランク材２５１は、上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３および凹部１１４によって押圧され、凸部１１３および凹部１１４に対応する凸部４２および凹部４６を有する上層プレート４１に成形される（図８参照）。
【００３９】
下ブランク材２４１および上ブランク材２５１は、同時に押圧されて、凹部４６，５６および凸部４２，５２が形成されるため、凸部４２，５２の合せ面は、密着し、その後、スプリングバックが生じる場合であっても、同様に変形することで、接触抵抗の増加は抑制される。そのため、スプリングバックによる変形の矯正は、不要であり、工程の増加および製造コストの上昇を、避けることが可能である。
【００４０】
成形が完了後、押圧装置１７０は、上型１１０の支持部１３０を下型１４０から離間させるように移動させることで、上型１１０および下型１４０は、型開され（図９参照）、その後、スペーサ１８０が取り外される（図１０参照）。
【００４１】
スペーサ１８０は、押圧の際に、下部流路ダイ１４１のキャビティ１４２の凹部１４４と、凹部１４４に対応する上部流路ダイ１１１のキャビティ１１２の凸部１１３との間の差分を保持している。そのため、スペーサ１８０が占めていた空間は、冷却流体の流路を構成することが可能である。つまり、冷却流体の流路の形成は、妨げられない。
【００４２】
以上のように、本実施の形態は、良好な製造コストを有しかつ接触抵抗を低減し得る燃料電池用金属セパレータの成形方法および成形装置を提供することができる。
【００４３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の範囲内で種々改変することができる。
【００４４】
例えば、上型の上部流路ダイおよび下型の下部流路ダイは、一体型を適用することも可能である。また、スペーサは、取外しを容易とするために、一方の端部を連結せずに、自由端とすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池およびセパレータを説明するための断面図である。
【図２】図１に示されるセパレータの平面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る成形装置を説明するための側面図である。
【図４】図３に示される成形金型を説明するための平面図である。
【図５】図３に示されるスペーサを説明するための平面図である。
【図６】図３の線ＶＩ−ＶＩに関する断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る成形方法を説明するための断面図であり、下ブランク材および上ブランク材の載置を示している。
【図８】図７に続く、押圧を説明するための断面図である。
【図９】図８に続く、型開きを説明するための断面図である。
【図１０】図９に続く、セパレータの取出しを説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００４６】
１０・・燃料電池、
２０・・電極部、
３０・・金属セパレータ、
３２・・流路部、
３３・・端部、
３４，３５，３６・・開口部、
４１・・上層プレート、
４２・・凸部、
４３・・上部面、
４４・・下部面、
４６・・凹部、
４７・・上部面、
４８・・下部面、
５１・・下層プレート、
５２・・凸部、
５３・・上部面、
５４・・下部面、
５６・・凹部、
５７・・上部面、
５８・・下部面、
１００・・成形装置、
１１０・・上型、
１１１・・上部流路ダイ、
１１２・・キャビティ、
１１３・・凸部、
１１４・・凹部、
１２１・・上部端部ダイ、
１２２・・キャビティ、
１３０・・支持部、
１３５・・ホルダー部、
１４０・・下型、
１４１・・下部流路ダイ、
１４２・・キャビティ、
１４３・・凸部、
１４４・・凹部、
１５１・・下部端部ダイ、
１５２・・キャビティ、
１６０・・支持部、
１６５・・ホルダー部、
１７０・・押圧装置、
１８０・・スペーサ、
１８１・・端部、
２４１・・下ブランク材、
２５１・・上ブランク材、
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３・・空間。
【図１】
2006185667.tif 000003
【図２】
2006185667.tif 000004
【図３】
2006185667.tif 000005
【図４】
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【図５】
2006185667.tif 000007
【図６】
2006185667.tif 000008
【図７】
2006185667.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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