(57)【要約】【課題】成形荷重を抑えつつも、一度のプレス工程によりセパレータを成形することのできる燃料電池用セパレータの製造装置及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供する。【解決手段】燃料電池用セパレータの製造装置は、第１凸部４０及び第１凸部４０を挟んで設けられた一対の第１凹部５０がそれぞれ延在されてなる成形面３１を有する第１成形型３０を備える。さらに、第１凹部５０の各々に対向する一対の第２凸部７０及び第２凸部７０の各々の間に設けられて第１凸部４０に対向する第２凹部８０がそれぞれ延在されてなる成形面３２を有する第２成形型６０を備える。第２凹部８０の底面８１には、第２凹部８０の延在方向に沿って延在する突条８０ａが設けられており、第１凸部４０の頂面４１には、突条８０ａに対向するとともに第１凸部４０の延在方向に沿って延在し、突条８０ａの突出高さよりも大きい深さを有する凹溝４０ａが設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１凸部及び前記第１凸部を挟んで設けられた一対の第１凹部がそれぞれ延在されてなる成形面を有する第１成形型と、前記第１凹部の各々に対向する一対の第２凸部及び前記第２凸部の各々の間に設けられて前記第１凸部に対向する第２凹部がそれぞれ延在されてなる成形面を有する第２成形型と、を備え、前記第１成形型と前記第２成形型とにより金属板材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成する燃料電池用セパレータの製造装置であって、
前記第２凹部の底面には、前記第２凹部の延在方向に沿って延在する突条が設けられており、
前記第１凸部の頂面には、前記突条に対向するとともに前記第１凸部の延在方向に沿って延在し、前記突条の突出高さよりも大きい深さを有する凹溝が設けられている、
燃料電池用セパレータの製造装置。
【請求項２】
第１凸部及び前記第１凸部を挟んで設けられた一対の第１凹部がそれぞれ延在された第１成形型と、前記第１凹部の各々に対向する一対の第２凸部及び前記第２凸部の各々の間に設けられて前記第１凸部に対向する第２凹部がそれぞれ延在された第２成形型とにより、金属板材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成する燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記第２凹部の底面には、前記第２凹部の延在方向に沿って延在する突条が設けられており、
前記第１凸部の頂面には、前記突条に対向するとともに前記第１凸部の延在方向に沿って延在し、前記突条の突出高さよりも大きい深さを有する凹溝が設けられており、
前記第２凸部の頂面と前記第１凹部の底面とにより前記金属板材を圧縮荷重により成形する一方、前記第１凸部の頂面と第２凹部の底面とにより前記金属板材を圧縮荷重により成形するに先立ち、前記突条を支点として曲げ応力を作用させる、
燃料電池用セパレータの製造方法。
【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製造装置及び燃料電池用セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子形燃料電池は、複数の単セルを積層して構成された燃料電池スタックを備えている。単セルは、膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持する一対のセパレータとを有している。
【０００３】
膜電極接合体は、固体高分子材料のイオン交換膜からなる電解質膜と、同電解質膜の一方の面に設けられた燃料極（アノード）と、同電解質膜の他方の面に設けられた空気極（カソード）とを有している。
【０００４】
一対のセパレータは、それぞれ金属などの導電性材料からなる。膜電極接合体の燃料極側に設けられるセパレータの燃料極側の面には、同燃料極に対して水素などの燃料ガスを供給するガス通路が形成されている。膜電極接合体の空気極側に設けられるセパレータの空気極側の面には、同空気極側に空気などの酸化ガスを供給するガス通路が形成されている。また、積層方向に隣接する単セルのセパレータ同士は当接されており、これらセパレータの対向面には、冷却媒体が流通する冷却通路が形成されている。
【０００５】
各ガス通路を通じて燃料ガス及び酸化ガスが供給されることにより、膜電極接合体内において燃料ガスと酸化ガスとの電気化学反応が生じ、これに伴って起電力が得られる。
こうしたガス通路や冷却通路は、セパレータの両面に設けられた多数の溝部により構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−４８６１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、セパレータと膜電極接合体との間やセパレータ同士の間におけるシール性、導電性、及び熱伝達性を確保する上で、セパレータの各溝部の底面の裏面を形成してセパレータと膜電極接合体との接触面積やセパレータ同士の接触面積を確保する必要がある。
【０００８】
ところが、プレス金型を用いて金属板材からなるセパレータ材料を一度に成形しようとすると、金型に高い精度が求められることで加工費が増大するといった問題や、大きな成形荷重が求められるために製造装置が大型化するといった問題が生じる。
【０００９】
これに対して、特許文献１に記載のセパレータの製造装置及び製造方法では、まず一対の第１成形型を用いてセパレータ材を曲げ加工することにより、上記溝部となる部位を仮成形する。次に、一対の第２成形用型を用いて、上記部位が成形されたセパレータ材を圧縮加工することにより上記溝部を本成形する。
【００１０】
しかしながら、この場合には、２種類の成形型が必要となるとともに２つの成形工程が必要となるといった背反が生じる。
本発明の目的は、成形荷重を抑えつつ、一度のプレス工程によりセパレータを成形することのできる燃料電池用セパレータの製造装置及び燃料電池用セパレータの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造装置は、第１凸部及び前記第１凸部を挟んで設けられた一対の第１凹部がそれぞれ延在されてなる成形面を有する第１成形型と、前記第１凹部の各々に対向する一対の第２凸部及び前記第２凸部の各々の間に設けられて前記第１凸部に対向する第２凹部がそれぞれ延在されてなる成形面を有する第２成形型と、を備え、前記第１成形型と前記第２成形型とにより金属板材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成する。前記第２凹部の底面には、前記第２凹部の延在方向に沿って延在する突条が設けられており、前記第１凸部の頂面には、前記突条に対向するとともに前記第１凸部の延在方向に沿って延在し、前記突条の突出高さよりも大きい深さを有する凹溝が設けられている。
【００１２】
同構成によれば、第１成形型と第２成形型とによって金属板材をプレスする際、まず、金属板材は、各成形面の凹凸形状に倣うように波形に成形される。この状態から更に第１成形型と第２成形型とを近接させると、金属板材のうち第１凸部により押圧されて第２凹部内に突出された部分（以下、第１突出部）が第２凹部の突条に押し当てられる。そして、この状態から更に第１成形型と第２成形型とを近接させると、第１突出部は、突条を支点として曲げ変形されて、第２凹部の底面に沿うように変形する。その後、金属板材のうち第１凸部と第２凹部との間の部分には、第１凸部の頂面と第２凹部の底面とにより圧縮加重が作用されることで、第１突出部の先端部分がセパレータの一方の面における溝部の底部に成形される。なお、第１突出部のうち第１凸部の頂面に対向する部分の一部は、凹溝内に逃がされることとなるが、凹溝の深さは、突条の突出高さよりも大きくされているため、凹溝との間には隙間が生じる。
【００１３】
一方、金属板材のうち第２凸部により押圧されて第１凹部内に突出された部分（以下、第２突出部）には、第２凸部の頂面と第１凹部の底面とにより圧縮加重が作用する。これにより、第２突出部の先端部分がセパレータの他方の面における溝部の底部に成形される。
【００１４】
このように、上記構成によれば、セパレータの一方の面の溝部の底部については圧縮加重により成形され、他方の面の溝部については曲げ変形に伴う曲げ応力を用いつつ圧縮加重により成形される。このため、両面の溝部の底部をいずれも圧縮加重のみにより成形する場合と比較して、プレスに要する荷重を低くすることができる。したがって、成形荷重を抑えつつ、一度のプレス工程によりセパレータを成形することができる。
【００１５】
また、上記目的を達成するための燃料電池用セパレータの製造方法は、第１凸部及び前記第１凸部を挟んで設けられた一対の第１凹部がそれぞれ延在された第１成形型と、前記第１凹部の各々に対向する一対の第２凸部及び前記第２凸部の各々の間に設けられて前記第１凸部に対向する第２凹部がそれぞれ延在された第２成形型とにより、金属板材をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成する。前記第２凹部の底面には、前記第２凹部の延在方向に沿って延在する突条が設けられており、前記第１凸部の頂面には、前記突条に対向するとともに前記第１凸部の延在方向に沿って延在し、前記突条の突出高さよりも大きい深さを有する凹溝が設けられており、前記第２凸部の頂面と前記第１凹部の底面とにより前記金属板材を圧縮荷重により成形する一方、前記第１凸部の頂面と第２凹部の底面とにより前記金属板材を圧縮荷重により成形するに先立ち、前記突条を支点として曲げ応力を作用させる。
【００１６】
同方法によれば、上記燃料電池用セパレータの製造装置による作用効果に準じた作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、成形荷重を抑えつつ、一度のプレス工程によりセパレータを成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池用セパレータの製造装置の一実施形態について、当該セパレータを有する単セルを中心とした燃料電池スタックの拡大断面図。
【図２】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造装置の断面図。
【図３】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、基材がプレスされる直前の状態を示す断面図。
【図４】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、基材がプレスされている途中の状態を示す断面図。
【図５】同実施形態の燃料電池用セパレータの製造過程において、基材のプレスが完了した直後の状態を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図５を参照して、燃料電池用セパレータの製造装置の一実施形態について説明する。
本実施形態の燃料電池用セパレータの製造装置（以下、製造装置）は、図１に示す固体高分子形燃料電池のスタック１００に用いられるセパレータ２０を製造する装置である。なお、セパレータ２０は、後述する一対のセパレータ２１，２２の総称である。
【００２０】
図１に示すように、スタック１００は、複数の単セル１０が積層された構造を有している。単セル１０は、凹凸形状を有する一対のセパレータ２１，２２により挟持された膜電極接合体１１と、膜電極接合体１１と各セパレータ２１，２２との間に介設された炭素繊維からなるガス拡散層１４とを備えている。膜電極接合体１１は、イオン交換膜である電解質膜１２と、電解質膜１２を挟持する一対の触媒電極層１３とを備えている。
【００２１】
一方のセパレータ２１の両面には、それぞれ延在する第１溝部２１ａ及び第２溝部２１ｂが交互に並設されている。また、他方のセパレータ２２の両面には、それぞれ延在する第１溝部２２ａ及び第２溝部２２ｂが交互に並設されている。各セパレータ２１，２２の第１溝部２１ａ，２２ａの底面の裏面（図１の下面及び上面）は、各ガス拡散層１４に当接されている。一方のセパレータ２１の第２溝部２１ｂと一方のガス拡散層１４とで区画される部分は、水素などの燃料ガスが流通されるガス流路とされている。他方のセパレータ２２の第２溝部２２ｂと他方のガス拡散層１４とで区画される部分は、空気などの酸化ガスが流通されるガス流路とされている。
【００２２】
また、一方のセパレータ２１における第２溝部２１ｂの底面の裏面（図１の上面）と、同セパレータ２１に隣り合う他方のセパレータ２２の第２溝部２２ｂの裏面（図１の下面）とは当接されている。一方のセパレータ２１の第１溝部２１ａと、他方のセパレータ２２における上記第１溝部２１ａに対向する第１溝部２２ａとで区画される部分は、冷却水が流通する冷却流路とされている。
【００２３】
各セパレータ２１，２２は、例えば、ステンレス鋼やチタンなどの金属材料により成形される。
次に、製造装置について説明する。
【００２４】
図２に示すように、製造装置は、可動型である第１成形型３０と、固定型である第２成形型６０とを備えている。第１成形型３０は、第２成形型６０に対して進退可能に設けられている。
【００２５】
第１成形型３０は、それぞれ延在する第１凸部４０と第１凹部５０とが交互に設けられた成形面３１を有している。第１凸部４０は、頂面４１及び一対の側面４２を有している。一対の側面４２間の距離は、第１凸部４０の突出方向（同図の上下方向）において頂面４１に近接するほど小さくされている。頂面４１と各側面４２との間の角部４３は湾曲されている。第１凹部５０の底面５１と各側面４２との間の隅部は湾曲されている。第１凸部４０の頂面４１には、第１凸部４０の延在方向（同図の紙面垂直方向）に沿って延在する断面円弧状の凹溝４０ａが設けられている。
【００２６】
第２成形型６０は、それぞれ延在する第２凸部７０と第２凹部８０とが交互に設けられた成形面３２を有している。第２凸部７０は、頂面７１及び一対の側面７２を有している。一対の側面７２間の距離は、第２凸部７０の突出方向（同図の上下方向）において頂面７１に近接するほど小さくされている。頂面７１と各側面７２との角部は湾曲されている。第２凹部８０の底面８１と各側面７２との間の隅部は湾曲されている。第２凹部８０の底面８１には、凹溝４０ａに対向するとともに、第２凹部８０の延在方向（同図の紙面垂直方向）に沿って延在する断面円弧状の突条８０ａが設けられている。なお、凹溝４０ａの深さは、突条８０ａの突出高さよりも大きくされている。
【００２７】
ここで、第２凹部８０の底面８１に対する第２凸部７０の各側面７２の傾斜角度は、第１凹部５０の底面５１に対する第１凸部４０の各側面４２の傾斜角度よりも大きくされている。
【００２８】
本実施形態の作用について説明する。
本実施形態の製造装置においては、以下のようにしてセパレータ２０が製造される。
図３に示すように、まず、第２成形型６０の第２凸部７０上にセパレータ２０の材料である基材１２０を載置する。
【００２９】
次に、第１成形型３０を第２成形型６０に向かって変位させる。これにより、図４に示すように、基材１２０は、各成形面３１，３２の凹凸形状に倣うように波形に成形される。
【００３０】
その後、更に第１成形型３０を第２成形型６０に近接させると、基材１２０のうち第１凸部４０により押圧されて第２凹部８０内に突出された部分（以下、第１突出部１３０）が、第２凹部８０の突条８０ａに押し当てられる。
【００３１】
そして、更に第１成形型３０を第２成形型６０に近接させると、第１突出部１３０は、第１凸部４０の各角部４３と突条８０ａとを支点として曲げ変形されて、第２凹部８０の底面８１に沿うように変形する。
【００３２】
その後、図５に示すように、基材１２０の第１突出部１３０には、第１凸部４０の頂面４１と第２凹部８０の底面８１とにより圧縮荷重が作用される。ここで、基材１２０の第１突出部１３０と第２凸部７０の各側面７２との間には逃げ部９０が形成される。第１凸部４０の幅方向（図４及び図５の左右方向）における逃げ部９０の長さは、第２凸部７０の頂面７１に向かうほど小さくされている。上述したように、第１突出部１３０は、曲げ変形に伴う曲げ応力と圧縮荷重（圧縮応力）とが付与されているため、逃げ部９０に逃げるようにして変形される。このため、第１突出部１３０の先端面が平坦面とされる。これにより、第１突出部１３０の先端部分が、セパレータ２０の一方の面における溝部の底部に成形される。なお、図５に示すように、第１突出部１３０のうち第１凸部４０の頂面４１に対向する部分の一部は、凹溝４０ａ内に逃がされることとなる。上述したように、凹溝４０ａの深さが、突条８０ａの突出高さよりも大きくされているため、凹溝４０ａとの間には隙間９１が生じる。
【００３３】
一方、基材１２０のうち第２凸部７０により押圧されて第１凹部５０内に突出された部分（以下、第２突出部１４０）には、第２凸部７０の頂面７１と第１凹部５０の底面５１とにより圧縮荷重が作用する。これにより、第２突出部１４０の先端部分がセパレータ２０の他方の面における溝部の底部に成形される。
【００３４】
なお、図４に示すように、第１突出部１３０が曲げ変形される直前においては、第２突出部１４０の頂面１４１は、部分的に荷重が負荷されたプレス途中の状態であるため、セパレータ２０の溝部の底部の成形は完了していない。基材１２０のプレス成形においては、上記圧縮荷重によって、まず、第１突出部１３０が曲げ変形される。続いて、第２突出部１４０の頂面１４１全体がプレスされるとともに、第１突出部１３０の頂面１３１全体がプレスされる。このようにして、セパレータ２０の両面における溝部の底部がそれぞれ成形されることとなる。
【００３５】
本実施形態の効果について説明する。
（１）燃料電池用セパレータの製造装置は、第１凸部４０及び第１凸部４０を挟んで設けられた一対の第１凹部５０がそれぞれ延在されてなる成形面３１を有する第１成形型３０を備える。さらに、第１凹部５０の各々に対向する一対の第２凸部７０及び第２凸部７０の各々の間に設けられて第１凸部４０に対向する第２凹部８０がそれぞれ延在されてなる成形面３２を有する第２成形型６０を備える。第１成形型３０と第２成形型６０とにより基材１２０をプレスすることにより、その両面に多数の溝部を形成する。第２凹部８０の底面８１には、第２凹部８０の延在方向に沿って延在する突条８０ａが設けられており、第１凸部４０の頂面４１には、突条８０ａに対向するとともに第１凸部４０の延在方向に沿って延在し、突条８０ａの突出高さよりも大きい深さを有する凹溝４０ａが設けられている。
【００３６】
こうした構成によれば、上述した作用を奏することからセパレータ２０の一方の面の溝部の底部については圧縮加重により成形され、他方の面の溝部については曲げ変形に伴う曲げ応力を用いつつ圧縮加重により成形される。このため、両面の溝部の底部をいずれも圧縮加重のみにより成形する場合と比較して、プレスに要する荷重を低くすることができる。したがって、成形荷重を抑えつつ、一度のプレス工程によりセパレータ２０を成形することができる。
【００３７】
（２）第２凸部７０の頂面７１と第１凹部５０の底面５１とにより基材１２０を圧縮荷重により成形する一方、第１凸部４０の頂面４１と第２凹部８０の底面８１とにより基材１２０を圧縮荷重により成形するに先立ち、突条８０ａを支点として曲げ応力を作用させるようにした。
【００３８】
こうした方法によれば、上記効果（１）と同様な効果を奏することができる。
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
【００３９】
・基材１２０の少なくとも一方の面に例えば導電性粒子を含有する塗膜が設けられたものをプレス成形するようにしてもよい。
・突条８０ａ及び凹溝４０ａの断面形状、例えば、幅や高さ（深さ）は実施形態において例示したものに限定されず、適宜変更することもできる。
【００４０】
・本実施形態では、第２成形型６０に対して第１成形型３０を進退させる構成であったが、第１成形型３０に対して、第２成形型６０を進退させるようにしてもよいし、互いに進退させるようにしてもよい。
【００４１】
・第１成形型３０は、第１凸部４０とは別に、凹溝４０ａが設けられていない凸部を有していてもよく、第２成形型６０は、第２凹部８０とは別に、突条８０ａが設けられていない凹部を有していてもよい。
【００４２】
・本実施形態では、図５に示すように、基材１２０の第１突出部１３０のうちの第１凸部４０の頂面４１に対向する部分の一部と、第１凸部４０の凹溝４０ａとの間に隙間９１が生じるようにした。例えば、隙間９１が生じないようにするなど、第１突出部１３０の上記一部が圧縮荷重により鍛造されない程度に、凹溝４０ａの深さを設定することもできる。
【符号の説明】
【００４３】
１０…単セル、１１…膜電極接合体、１２…電解質膜、１３…触媒電極層、１４…ガス拡散層、２０…セパレータ、２１…セパレータ、２１ａ…第１溝部、２１ｂ…第２溝部、２２…セパレータ、２２ａ…第１溝部、２２ｂ…第２溝部、３０…第１成形型、３１…成形面、３２…成形面、４０…第１凸部、４０ａ…凹溝、４１…頂面、４２…側面、４３…角部、５０…第１凹部、５１…底面、６０…第２成形型、７０…第２凸部、７１…頂面、７２…側面、８０…第２凹部、８０ａ…突条、８１…底面、９０…逃げ部、９１…隙間、１００…スタック、１２０…基材、１３０…第１突出部、１３１…頂面、１４０…第２突出部、１４１…頂面。
【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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