(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が、前記金属プレートの孔部の内方に前記シール部材を貫通して設けられる燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記金属プレートの前記外周縁部両面に、前記孔部を閉塞して前記シール部材を一体成形する成形工程と、
前記シール部材に、前記孔部の内方に設定された連通孔トリミングラインに沿ってトリミング処理を施すことにより、前記流体連通孔を閉塞する部分を除去するトリミング工程と、
を有するとともに、
前記シール部材の前記流体連通孔を閉塞する部分は、前記金属プレートを覆う部分の肉厚と同等の肉厚に設定される厚肉部と、前記厚肉部に周回され且つ該厚肉部よりも薄い肉厚に設定される薄肉部とを有し、
前記トリミング工程では、前記薄肉部を含んで前記厚肉部を除去することを特徴とする燃料電池用金属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、金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が設けられる燃料電池用金属セパレータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、固体高分子型燃料電池は、高分子イオン交換膜からなる固体高分子電解質膜を採用している。この燃料電池は、固体高分子電解質膜の両側に、電極触媒と多孔質カーボンからなるアノード側電極及びカソード側電極を配設して構成される電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）を、セパレータ（バイポーラ板）によって挟持する発電セルを有している。複数の発電セルが積層された燃料電池は、例えば、車載用燃料電池スタックとして使用されている。
【０００３】
燃料電池では、アノード側電極に対向するセパレータ面には、燃料ガス（以下、反応ガスともいう）を流すための流路が形成される一方、カソード側電極に対向するセパレータ面には、酸化剤ガス（以下、反応ガスともいう）を流すための流路が設けられている。さらに、各発電セル毎あるいは所定数の発電セル毎に、セパレータ間に冷却媒体を流すための流路が形成されている。
【０００４】
その際、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却媒体が、互いに混合されることがないように、流路間を確実にシールする必要があるとともに、前記流路への異物の混入やセパレータ同士の短絡を阻止する必要がある。このため、例えば、金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形された金属セパレータが採用されている。
【０００５】
この種の金属セパレータを用いる燃料電池として、例えば、特許文献１に開示されているように、セパレータに形成された連通孔の周囲に絶縁性部材を設けた燃料電池が知られている。具体的には、図１０に示すように、セパレータ１が図示しない電解質膜・電極構造体と交互に積層されるとともに、前記セパレータ１には、積層方向に貫通して反応ガスや冷却媒体を流すための連通孔２が形成されている。
【０００６】
そして、セパレータ１は、ステンレス製板材等の金属プレート３を備えるとともに、前記金属プレート３にシール材４が一体成形されている。セパレータ１には、連通孔２を周回して環状の絶縁性部材５が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−３０５００６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、金属プレート３に絶縁性部材５が一体成形される際、前記絶縁性部材５の角部５ａにＲが形成されてしまう。このため、セパレータ１が積層された状態では、隣接する絶縁性部材５間にＲ形状による段差６が発生し易い。従って、この段差６により、連通孔２を流通する流体（反応ガスや冷却媒体）に乱流が惹起されるおそれがある。これにより、流体抵抗が大きくなり、圧力損失や各燃料電池への流量分配性が低下する場合がある。
【０００９】
さらに、金属プレート３に絶縁性部材５が射出成形されると、この絶縁性部材５には、樹脂のオーバーフロー部７が形成されるため、前記オーバーフロー部７を除去する必要がある。その際、ばり部分を手作業で除去しなければならず、作業コストが高騰するおそれがある。
【００１０】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、簡単且つ経済的に、金属プレートにシール部材を一体成形することができ、しかも各金属セパレータの流体連通孔の内壁面同士を凹凸のない状態で平滑に連通させることが可能な燃料電池用金属セパレータの製造方法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】
【００１１】
本発明は、金属プレートの外周縁部両面にシール部材が一体成形されるとともに、少なくとも燃料ガス、酸化剤ガス又は冷却媒体である流体を流通させる流体連通孔が、前記金属プレートの孔部の内方に前記シール部材を貫通して設けられる燃料電池用金属セパレータの製造方法に関するものである。
【００１２】
この製造方法は、金属プレートの外周縁部両面に、孔部を閉塞してシール部材を一体成形する成形工程と、前記シール部材に、前記孔部の内方に設定された連通孔トリミングラインに沿ってトリミング処理を施すことにより、前記流体連通孔を閉塞する部分を除去するトリミング工程とを有するとともに、前記シール部材の前記流体連通孔を閉塞する部分は、前記金属プレートを覆う部分の肉厚と同等の肉厚に設定される厚肉部と、前記厚肉部に周回され且つ該厚肉部よりも薄い肉厚に設定される薄肉部とを有し、前記トリミング工程では、前記薄肉部を含んで前記厚肉部を除去している。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、金属プレートに流体連通孔を閉塞してシール部材が一体成形された後、前記流体連通孔を閉塞する部分がトリミング処理により除去されている。このため、流体連通孔の内壁面にばりが発生することを阻止することができ、手作業によるばり取りが不要になるとともに、前記内壁面に凹凸部が形成されることがない。
【００１５】
これにより、簡単且つ経済的に、金属プレートにシール部材を一体成形することができ、しかも各金属セパレータの流体連通孔の内壁面同士を凹凸のない状態で平滑に連通させることが可能になる。従って、反応ガスや冷却媒体の圧力損失を減少させることができるとともに、各燃料電池への流量分配性を良好に向上させることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を構成する発電セルの一部分解概略斜視図である。
【図２】前記燃料電池の一部断面説明図である。
【図３】前記発電セルを構成する第１金属セパレータの正面説明図である。
【図４】前記発電セルの、図１中、ＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】前記第１金属セパレータに第１シール部材が射出成形された際の正面説明図である。
【図６】前記第１金属セパレータの、図５中、ＶＩ−ＶＩ線断面図である。
【図７】前記第１金属セパレータにトリミング加工を施す加工装置の要部斜視説明図である。
【図８】前記加工装置によるトリミング処理の説明図である。
【図９】前記第１シール部材に設けられる入口バッファ部の説明図である。
【図１０】特許文献１の燃料電池の断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係る製造方法が適用される燃料電池１０は、複数の発電セル１２が水平方向（矢印Ａ方向）又は鉛直方向（矢印Ｃ方向）に積層される。
【００１８】
発電セル１２は、電解質膜・電極構造体（電解質・電極構造体）（ＭＥＡ）１６と、前記電解質膜・電極構造体１６を挟持する第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０とを備える。第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０は、金属プレート２２及び金属プレート２４を、それぞれ波形状やディンプル形状等にプレス加工することにより、断面凹凸形状を有する（図２参照）。
【００１９】
発電セル１２の長辺方向（図１中、矢印Ｂ方向）の一端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、酸化剤ガス、例えば、酸素含有ガスを供給するための酸化剤ガス供給連通孔（流体連通孔）２６ａ、冷却媒体を供給するための冷却媒体供給連通孔（流体連通孔）２８ａ、及び燃料ガス、例えば、水素含有ガスを排出するための燃料ガス排出連通孔（流体連通孔）３０ｂが設けられる。
【００２０】
発電セル１２の長辺方向の他端縁部には、矢印Ａ方向に互いに連通して、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給連通孔（流体連通孔）３０ａ、冷却媒体を排出するための冷却媒体排出連通孔（流体連通孔）２８ｂ、及び酸化剤ガスを排出するための酸化剤ガス排出連通孔（流体連通孔）２６ｂが設けられる。
【００２１】
電解質膜・電極構造体１６は、例えば、パーフルオロスルホン酸の薄膜に水が含浸された固体高分子電解質膜３２と、前記固体高分子電解質膜３２を挟持するアノード側電極３４及びカソード側電極３６とを備える。
【００２２】
アノード側電極３４及びカソード側電極３６は、カーボンペーパ等からなるガス拡散層と、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が前記ガス拡散層の表面に一様に塗布された電極触媒層とを有する。電極触媒層は、固体高分子電解質膜３２の両面に形成される。
【００２３】
図３に示すように、第１金属セパレータ１８の電解質膜・電極構造体１６に向かう面１８ａには、燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス排出連通孔３０ｂとを連通する燃料ガス流路３８が形成される。この燃料ガス流路３８は、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。図１に示すように、第１金属セパレータ１８の面１８ｂには、冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体排出連通孔２８ｂとを連通する冷却媒体流路４０が形成される。この冷却媒体流路４０は、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部により構成される。
【００２４】
第２金属セパレータ２０の電解質膜・電極構造体１６に向かう面２０ａには、例えば、矢印Ｂ方向に延在する複数本の溝部からなる酸化剤ガス流路４２が設けられる。この酸化剤ガス流路４２は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス排出連通孔２６ｂとに連通する。第２金属セパレータ２０の面２０ｂには、第１金属セパレータ１８の面１８ｂと重なり合って冷却媒体流路４０が一体的に形成される。
【００２５】
第１金属セパレータ１８の面１８ａ、１８ｂには、金属プレート２２の外周端部を周回して第１シール部材４４が一体成形される。第１シール部材４４は、例えば、ＥＰＤＭ、ＮＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、フロロシリコンゴム、ブチルゴム、天然ゴム、スチレンゴム、クロロプレーン、又はアクリルゴム等のシール材、クッション材、あるいはパッキン材を使用する。
【００２６】
第１シール部材４４は、図３に示すように、面１８ａで燃料ガス供給連通孔３０ａ、燃料ガス排出連通孔３０ｂ及び燃料ガス流路３８を囲繞してこれらを連通させる。燃料ガス供給連通孔３０ａと燃料ガス流路３８との間には、複数本の凸部形状の入口ブリッジ部４５ａが設けられる一方、燃料ガス排出連通孔３０ｂと前記燃料ガス流路３８との間には、複数本の凸部形状の出口ブリッジ部４５ｂが設けられる。
【００２７】
入口ブリッジ部４５ａは、燃料ガス供給連通孔３０ａに対向する端部にＲ形状部４７ａを有する。Ｒ形状部４７ａは、Ｒ（曲率半径）が大きく設定されており、入口ブリッジ部４５ａの幅寸法を直径とするＲ以上に形成される。
【００２８】
出口ブリッジ部４５ｂは、同様に燃料ガス排出連通孔３０ｂに対向する端部にＲ形状部４７ｂを有する。Ｒ形状部４７ｂは、Ｒが大きく設定されており、出口ブリッジ部４５ｂの幅寸法を直径とするＲ以上に形成される。
【００２９】
図１に示すように、第１シール部材４４は、面１８ｂで冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ及び冷却媒体流路４０を囲繞してこれらを連通させる。冷却媒体供給連通孔２８ａと冷却媒体流路４０との間には、複数本の凸部形状の入口ブリッジ部４５ｃが設けられる一方、冷却媒体排出連通孔２８ｂと前記冷却媒体流路４０との間には、複数本の凸部形状の出口ブリッジ部４５ｄが設けられる。入口ブリッジ部４５ｃ及び出口ブリッジ部４５ｄは、冷却媒体供給連通孔２８ａ側の端部及び冷却媒体排出連通孔２８ｂ側の端部に、それぞれＲ形状部４７ｃ、４７ｄが設けられる。Ｒ形状部４７ｃは、入口ブリッジ部４５ｃの幅寸法を直径とするＲ以上に形成されるとともに、Ｒ形状部４７ｄは、出口ブリッジ部４５ｄの幅寸法を直径とするＲ以上に形成される。
【００３０】
第２金属セパレータ２０の面２０ａ、２０ｂには、この第２金属セパレータ２０の外周端部を周回して第２シール部材４６が一体成形される。第２シール部材４６は、面２０ａで酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ及び酸化剤ガス流路４２を囲繞してこれらを連通させる。
【００３１】
酸化剤ガス供給連通孔２６ａと酸化剤ガス流路４２との間には、複数本の凸部形状の入口ブリッジ部４８ａが設けられる一方、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂと前記酸化剤ガス流路４２との間には、複数本の凸部形状の出口ブリッジ部４８ｂが設けられる。
【００３２】
入口ブリッジ部４８ａ及び出口ブリッジ部４８ｂは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ側の端部及び酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ側の端部に、それぞれＲ形状部５０ａ、５０ｂが設けられる。Ｒ形状部５０ａは、入口ブリッジ部４８ａの幅寸法を直径とするＲ以上に形成されるとともに、Ｒ形状部５０ｂは、出口ブリッジ部４８ｂの幅寸法を直径とするＲ以上に形成される。
【００３３】
図４に示すように、第１シール部材４４及び第２シール部材４６は、第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０の外周端面がトリミングされており、互いに隣接する外周端部同士が重なり合って、隙間なく連続する外周端面を構成する。
【００３４】
第１シール部材４４及び第２シール部材４６は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂの各内壁面がトリミングされることにより、隙間なく積層方向に連続する流体連通孔を形成する。
【００３５】
なお、固体高分子電解質膜３２は、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂの各内壁面まで延在させなくてもよい。その際、第１シール部材４４と第２シール部材４６とは、直接当接する。
【００３６】
このように構成される燃料電池１０において、第１金属セパレータ１８を製造する作業について、以下に説明する。なお、第２金属セパレータ２０は、第１金属セパレータ１８と同様に製造されるため、その詳細な説明は省略する。
【００３７】
先ず、第１金属セパレータ１８を構成する金属プレート２２が、図示しない射出成形機に配置され、この金属プレート２２に第１シール部材４４が射出成形される。
【００３８】
図５及び図６に示すように、金属プレート２２に第１シール部材４４が射出成形された際、第１金属セパレータ１８の外形形状に対応する外形トリミングライン５２の外方には、外周薄肉部（オーバーフロー部）５４が一体に設けられている。セパレータ面内では、第１シール部材４４により、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ、冷却媒体排出連通孔２８ｂ、燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂが閉塞されている。
【００３９】
図６に示すように、燃料ガス供給連通孔３０ａを閉塞する部分は、金属プレート２２を覆う部分の肉厚と同等の肉厚Ｌ１に設定される厚肉部５６と、前記厚肉部５６よりも薄い肉厚Ｌ２に設定される薄肉部５８とを有する。なお、他の流体連通孔である燃料ガス排出連通孔３０ｂ、酸化剤ガス供給連通孔２６ａ、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂ、冷却媒体供給連通孔２８ａ及び冷却媒体排出連通孔２８ｂにおいても、同様である。
【００４０】
図５に示すように、燃料ガス供給連通孔３０ａの近傍に、複数本の入口ブリッジ部４５ａが設けられる一方、燃料ガス排出連通孔３０ｂの近傍に、複数本の出口ブリッジ部４５ｂが設けられる。入口ブリッジ部４５ａ及び出口ブリッジ部４５ｂは、それぞれ燃料ガス供給連通孔３０ａ及び燃料ガス排出連通孔３０ｂの連通孔トリミングライン５９の内方にＲ形状部４７ａ、４７ｂの一部が臨んでいる。
【００４１】
図７に示すように、第１金属セパレータ１８にトリミング加工を行うための加工装置６０は、受け型６２と刃型６４とを備える。受け型６２は、例えば、アルミニウム金属で構成され、金属プレート２２の外周縁部の段差形状に対応する段差部６６を有する。刃型６４は、第１シール部材４４の外形トリミングライン５２にトリミング加工を施すための外形トリミング刃６８と、各流体連通孔の連通孔トリミングライン５９に沿ってトリミング加工を施すための６つの連通孔トリミング刃７０とを有する。
【００４２】
そこで、受け型６２上に、トリミング前の第１金属セパレータ１８が載置された状態で、刃型６４が前記受け型６２側に移動する。このため、外形トリミング刃６８は、第１シール部材４４の外形トリミングライン５２に沿って外周薄肉部５４をトリミングする。一方、各連通孔トリミング刃７０は、各連通孔トリミングライン５９に沿って、薄肉部５８を含んで厚肉部５６の一部をトリミング除去する（図８参照）。これにより、第１金属セパレータ１８が製造される。
【００４３】
この場合、本実施形態では、金属プレート２２に各流体連通孔を閉塞して第１シール部材４４が一体成形された後、前記流体連通孔を閉塞する部分が、各連通孔トリミングライン５９に沿ってトリミング処理により除去されている。このため、図４に示すように、例えば、燃料ガス供給連通孔３０ａの内壁面には、ばりが発生することを阻止するとともに、前記内壁面に凹凸部が形成されることがない。従って、特に、手作業によるばり取りが不要になり、簡単且つ経済的に、金属プレート２２に第１シール部材４４を一体成形することができる。しかも、第１金属セパレータ１８と第２金属セパレータ２０とは、燃料ガス供給連通孔３０ａの内壁面同士を凹凸のない状態で平滑に連通することが可能になる。
【００４４】
これにより、燃料ガスの圧力損失を減少させることができるとともに、各燃料電池１０への燃料ガス流量分配性を良好に向上させることが可能になるという効果が得られる。なお、酸化剤ガス及び冷却媒体においても、同様の効果が得られる。
【００４５】
さらに、本実施形態では、図９に示すように、各入口ブリッジ部４５ａの燃料ガス供給連通孔３０ａ側の端部に、Ｒ形状部４７ａが設けられている。その際、Ｒ形状部４７ａの曲率半径（Ｒ）を大きく設定することにより、連通孔トリミングライン５９の位置誤差ｔによる形状への影響を可及的に小さくすることができる。
【００４６】
すなわち、Ｒ形状部４７ａを用いることにより、燃料ガス供給連通孔３０ａから入口ブリッジ部４５ａに流入される燃料ガスの圧損を有効に低減させることが可能になる。このため、Ｒ形状部４７ａの形状への影響が抑制されることにより、圧損を有効に低減することができる。
【００４７】
さらにまた、各流体連通孔を閉塞する部位には、トリミングにより除去される薄肉部５８が設けられている。従って、除去される樹脂材を削減することが可能になり、経済的であるという利点がある。
【００４８】
次いで、上記のように製造される第１金属セパレータ１８、第２金属セパレータ２０及び電解質膜・電極構造体１６により構成される燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００４９】
図１に示すように、燃料電池１０内では、酸化剤ガス供給連通孔２６ａに酸素含有ガス等の酸化剤ガスが供給されるとともに、燃料ガス供給連通孔３０ａに水素含有ガス等の燃料ガスが供給される。さらに、冷却媒体供給連通孔２８ａに純水やエチレングリコール等の冷却媒体が供給される。このため、各発電セル１２では、酸化剤ガス、燃料ガス及び冷却媒体が、それぞれ矢印Ａ方向に供給される。
【００５０】
酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給連通孔２６ａから第２金属セパレータ２０の酸化剤ガス流路４２に導入され、電解質膜・電極構造体１６のカソード側電極３６に沿って移動する。一方、燃料ガスは、燃料ガス供給連通孔３０ａから第１金属セパレータ１８の燃料ガス流路３８に導入され、電解質膜・電極構造体１６のアノード側電極３４に沿って移動する。
【００５１】
従って、各電解質膜・電極構造体１６では、カソード側電極３６に供給される酸化剤ガスと、アノード側電極３４に供給される燃料ガスとが、電極触媒層内で電気化学反応により消費され、発電が行われる。
【００５２】
次いで、カソード側電極３６に供給されて消費された酸化剤ガスは、酸化剤ガス排出連通孔２６ｂに沿って流動する。同様に、アノード側電極３４に供給されて消費された燃料ガスは、燃料ガス排出連通孔３０ｂに排出されて流動する。
【００５３】
また、冷却媒体は、冷却媒体供給連通孔２８ａから第１金属セパレータ１８及び第２金属セパレータ２０間の冷却媒体流路４０に導入された後、矢印Ｂ方向に沿って流動する。この冷却媒体は、電解質膜・電極構造体１６を冷却した後、冷却媒体排出連通孔２８ｂを移動して燃料電池１０から排出される。
【符号の説明】
【００５４】
１０…燃料電池                      １２…発電セル
１６…電解質膜・電極構造体          １８、２０…金属セパレータ
２２、２４…金属プレート            ２６ａ…酸化剤ガス供給連通孔
２６ｂ…酸化剤ガス排出連通孔        ２８ａ…冷却媒体供給連通孔
２８ｂ…冷却媒体排出連通孔          ３０ａ…燃料ガス供給連通孔
３０ｂ…燃料ガス排出連通孔          ３２…固体高分子電解質膜
３４…アノード側電極                ３６…カソード側電極
３８…燃料ガス流路                  ４０…冷却媒体流路
４２…酸化剤ガス流路                ４４、４６…シール部材
４５ａ、４５ｃ、４８ａ…入口ブリッジ部
４５ｂ、４５ｄ、４８ｂ…出口ブリッジ部
４７ａ、４７ｂ、４７ｃ、４７ｄ、５０ａ、５０ｂ…Ｒ形状部
６０…加工装置                      ６２…受け型
６４…刃型                          ６８…外形トリミング刃
７０…連通孔トリミング刃
【図１】
0005666396.tif 000002
【図２】
0005666396.tif 000003
【図３】
0005666396.tif 000004
【図４】
0005666396.tif 000005
【図５】
0005666396.tif 000006
【図６】
0005666396.tif 000007
【図７】
0005666396.tif 000008
【図８】
0005666396.tif 000009
【図９】
0005666396.tif 000010
【図１０】
0005666396.tif 000011