(57)【要約】【課題】セパレータの変形を抑制し、シール性の高いセパレータを提供することを目的とする。【解決手段】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流路を形成した後、前記流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばす。引き伸ばすには、引き伸ばし部材２８、２９を使用し、前記流路の両端部１５Ａ、１５Ｂを板厚方向から一組の引き伸ばし部材２８、２９で挟み込んだ後、流路長手方向に引っ張る。【選択図】図８
2008041456.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流路を形成し、
前記流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばす
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記引き伸ばし工程は、前記流路の形状に応じた凹凸部を一面に有した引き伸ばし部材を一組として、前記流路の長手方向両端部を、これら引き伸ばし部材で前記金属板の板厚方向から挟み込んだ後、該金属板を挟持した状態を保持しながら流路長手方向に当該金属板を引っ張る
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池用セパレータの製造方法であって、
前記引き伸ばし工程において、前記流路が形成された部位を引き伸ばした後、弾性変形により収縮させることによって、前記流路の長手方向に対する圧縮残留応力を減少させた
ことを特徴とする燃料電池用セパレータの製造方法。
【請求項４】
金属板の少なくとも発電に寄与する領域に凹凸からなる流路がプレス加工により形成され、前記流路の流路長手方向に沿って引き伸ばした後、弾性変形による収縮により、流路の長手方向に対する圧縮残留応力を減少させた
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
【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方法及び燃料電池用セパレータに関し、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変形（反りやうねり）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（例えば、特許文献１、２など参照）。
【０００３】
通常、金属セパレータは、プレスマシン及び金型を用いたプレス成形にて形成され、予備成形、仕上げ成形及びトリミング工程を経て製造される。そして、このようにして得られた金属セパレータは、２枚重ね合わせることで、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水（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してなるセパレータとされる。
【特許文献１】特開２００５−７８９８１号公報
【特許文献２】特開２００５−３２５７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、プレス工程の予備成形及び仕上げ工程は何れも材料を引き延ばして成形する張り出し成形であるため、引き延ばされた材料が戻ろうとし、プレス成形後の変形（反りやうねり）が発生する。
【０００５】
特に、燃料電池に使用されるセパレータでは、凹凸形状をなす規則性を持った流路とされていることから、流路と交差する方向に大きく曲がり易い。このように変形したセパレータ同士を重ね合て接合一体化した場合、接合部分に隙間が生じて流路からガスや冷媒が漏れる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、セパレータの変形を抑制し、シール性の高いセパレータを提供し得る燃料電池用セパレータの製造方法及び燃料電池用セパレータ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】
【０００７】
本発明に係る燃料電池用セパレータの製造方法は、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流路を形成し、前記流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばすことを特徴とする。ここでは、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒が流れる部分を流路と定義する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の燃料電池用セパレータの製造方法によれば、プレス加工によって流路を形成した後に、前記流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばすことで、プレス加工時に材料に残る縮もうとする力（残留応力）が、この引っ張り力によって相殺され、残留応力を減少させることができる。したがって、本発明方法によれば、反りやうねりの発生が抑制された燃料電池用セパレータを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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。
【００１０】
「燃料電池スタックの全体構成」
先ず、本発明の燃料電池用セパレータが使用される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は燃料電池単セルの拡大断面図、図３は燃料電池単セルの要部拡大断面図である。
【００１１】
燃料電池スタック１は、図１に示すように、燃料ガス（水素ガス）と酸化剤ガス（酸素）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をタイロッド７で締め付け、そのタイロッド７の端部にナット１００を螺合させることで構成されている。
【００１２】
この燃料電池スタック１では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷媒（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）に形成された各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、冷媒導入口１２および冷媒排出口１３を、一方のエンドプレート６に形成している。
【００１３】
かかる構成の燃料電池スタック１においては、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流路を流れ、酸化剤ガス排出口１１より排出される。冷媒は、冷媒導入口１２より導入されてセパレータに形成された冷媒流路を流れ、冷媒排出口１３より排出される。
【００１４】
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燃料電池用セパレータ（以下、単にセパレータという）１５とから構成される。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
「セパレータの製造方法」
図４はセパレータ製造工程のうち予備成形工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図、図５はセパレータ製造工程のうち仕上げ工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図、図６はセパレータ製造工程のうちトリミング工程を示し、その工程におけるセパレータの平面図、図７はワークに引っ張り応力が残存していることを示す図、図８はセパレータ製造工程のうち引き伸ばし工程を示し、（Ａ）は引き伸ばし部材を金属板の板厚方向から挟み込む前の状態を示す斜視図、（Ｂ）は引き伸ばし部材で金属板を挟持して引き伸ばす状態を示す正面図、図９は引張り応力と歪量との関係を示す図である。
【００２１】
本実施形態のセパレータ１５を製造するには、先ず、図４に示すように、金属板をプレス加工してアクティブ領域に凹凸形状からなる流路を形成する予備成形工程行う。予備成形工程では、予備成形金型を使用してステンレスからなる金属板２６に、前記凹条部１６と凸条部１７からなる凹凸形状をなす流路をなだらかに形成する。
【００２２】
予備成形工程では、通常の成形高さ（図４（Ｂ）の点線で示す）よりもその成形高さＨ１を十分高くして成形することが望ましい。例えば、このときの成形高さＨ１は、予備成形時と仕上げ成形時それぞれの周長における比率である周長比（予備成形周長／仕上げ成形周長）が１００％近辺で歪みが極小となることから、そのときの予備成形高さＨ１（０．８ｍｍ）以上で予備成形を行う。
【００２３】
次に、図５に示すように、仕上げ成形金型を使用して前記予備成形工程で形成した流路を所定形状に成形する仕上げ工程を行う。仕上げ工程では、前記予備成形工程で成形高さＨ１を十分高くして成形してあるため、引っ張り成形ではなく材料を潰しながらの圧縮成形となる。そのため、ワーク内部に残る縮もうとする力（残留応力）が圧縮加工によってある程度相殺され、加工部分（凹条部１６と凸条部１７からなる凹凸形状をなす流路部位）が未加工部分を引っ張ろうとすることで生じる歪みの影響がある程度和らぐ。
【００２４】
次に、図６に示すように、仕上げ工程で得られた金属板２６の不要部分を切り落とすトリミング工程を行う。トリミング工程では、金属板２６の不要部分（図６の斜線部分）を切り落とすと共に、各流路に燃料ガス、酸化剤ガスまたは冷媒を供給するためのマニホルド孔２７を形成する。
【００２５】
トリミング工程後では、その前の工程で図７に示すようにセパレータ１５の内部に引っ張りの残留応力（同図中矢印で示す）が残っている。これは、仕上げ工程において、仕上げ成形金型を開くと引き伸ばされた材料（特に、成形部分である流路部位）は戻ろうとし（縮もうとし）、未加工部分（流路外側のフランジ部）は形状を維持しようとする結果、流路部位が縮もうとする力によりフランジ部が引き寄せられ歪みとなる。
【００２６】
次に、図８に示すように、トリミング工程後に、流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばす引き伸ばし工程を行う。引き伸ばし工程では、前記流路の形状（凹条部１６と凸条部１７からなる凹凸形状）に応じた凹凸部を一面に有した引き伸ばし部材２８、２９を一組として使用し、セパレータ１５の流路の流れ方向両端部１５Ａ、１５Ｂを、これら引き伸ばし部材２８、２９でその板厚方向から挟み込んだ後、セパレータ１５を挟持した状態を保持しながら流路流れ方向に該セパレータ１５を引っ張る。
【００２７】
一方の引き伸ばし部材２８には、セパレータ１５の一面１５ａに上方へ突出形成された凹条部１６の断面形状（凹条部１６の短辺方向における断面形状）とほぼ一致する円弧断面とされた凹部３０が、前記凹条部１６の数と同数形成されている。他方の引き伸ばし部材２９には、セパレータ１５の他面１５ｂに下方へ突出形成された凸条部１７の断面形状（凸条部１７の短辺方向における断面形状）とほぼ一致する円弧断面とされた凹部３１が、前記凸条部１７の数と同数形成されている。これら凹部３０、３１がそれぞれの凹条部１６、凸条部１７に合致されて上下の引き伸ばし部材２８、２９で前記セパレータ１５を挟持したときに、前記凹条部１６と凸条部１７を潰さないような寸法関係とされている。
【００２８】
このように形成された引き伸ばし部材２８、２９を一組として、セパレータ１５の流路の流れ方向両端部１５Ａ、１５Ｂをその板厚方向から挟んで挟持した後、これら引き伸ばし部材２８、２９を、流路の長手方向に前記セパレータ１５を引っ張って引き伸ばす。仕上げ工程では内部に縮まろうとする力が残存しているため、これに対して逆方向にセパレータ１５を引っ張れば、前記内部応力を相殺させることができ、歪みを無くせる。
【００２９】
例えば、セパレータ１５の内部に縮まろうとする力が０．２％歪量相当残存しているとした場合、縮まろうとする力に対して０．３％〜０．４％程度の変位量を、前記縮まろうとする力に対して逆方向に与える。０．４％の変位量を与えた後、引っ張り力を解除すると、０．２％程度弾性回復し、０．２％の塑性変形を行ったことになる。引っ張り力を与える前には、０．２％歪み相当の縮まろうとする力が残存し未加工部分（フランジ部）を引っ張っていたが、引っ張りによる塑性変形により未加工部分と同じ長さになるため縮もうとする力は残存しない。よって、歪みが無くなる。図９の特性図からも判るように、縮もうとする力の源は弾性回復であるから、その弾性回復域を超えた塑性域（０．２％を超える０．３％以上が好ましい）にてセパレータを引っ張るようにすれば、前記したように歪みを無くすことができる。
【００３０】
以上のように、本実施形態によれば、トリミング工程後に、流路が形成された部位をその流路長手方向に沿って引き伸ばすことで、プレス加工時に材料に残る縮もうとする力（残留応力）が、この引っ張り力によって相殺され、残留する応力を減少させることができる。したがって、本発明方法によれば、反りやうねりの発生が抑制された燃料電池用セパレータを得ることができる。
【００３１】
また、本実施形態によれば、流路の形状に応じた凹凸部を一面に有した引き伸ばし部材を一組として、流路の長手方向両端部を、これら引き伸ばし部材でセパレータの板厚方向から挟み込んだ後、セパレータを挟持した状態を保持しながら流路長手方向に当該セパレータを引っ張る簡単な作業で、仕上げ工程で残存した反り及びうねりの原因とする内部応力を無くすことができる。
【００３２】
また、本実施の形態によれば、引き伸ばし工程において、流路が形成された部位を引き伸ばした後、弾性変形により収縮させることによって、前記流路の長手方向に対する圧縮残留応力を減少させたので、セパレータ全体の歪みを無くすことができる。
【００３３】
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。
【００３４】
上記した実施の形態では、トリミング工程後に引き伸ばし工程を行ったが、仕上げ工程後に引き伸ばし工程を行っても良い。
【００３５】
また、上述の実施の形態では、予備成形工程において通常の成形高さよりもその成形高さＨ１を十分高くして成形することが望ましいとしたが、通常の成形高さで予備成形を行い、その後仕上げ成形して、本発明の特徴である引き伸ばし工程を行えば、セパレータの歪み無くすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【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】燃料電池単セルの拡大断面図である。
【図３】燃料電池単セルの要部拡大断面図である。
【図４】セパレータ製造工程のうち予備成形工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図である。
【図５】セパレータ製造工程のうち仕上げ工程を示し、（Ａ）はその工程におけるセパレータの平面図、（Ｂ）はその流路部分の要部拡大断面図である。
【図６】セパレータ製造工程のうちトリミング工程を示し、その工程におけるセパレータの平面図である。
【図７】ワークに引っ張り応力が残存していることを示す図である。
【図８】セパレータ製造工程のうち引き伸ばし工程を示し、（Ａ）は引き伸ばし部材を金属板の板厚方向から挟み込む前の状態を示す斜視図、（Ｂ）は引き伸ばし部材で金属板を挟持して引き伸ばす状態を示す正面図である。
【図９】引張り応力と歪量との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
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
１５ａ…セパレータの一面
１５ｂ…セパレータの他面
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）
２６…金属板
２８、２９…引き伸ばし部材
３０、３１…凹部（凹凸部）
【図１】
2008041456.tif 000003
【図２】
2008041456.tif 000004
【図３】
2008041456.tif 000005
【図４】
2008041456.tif 000006
【図５】
2008041456.tif 000007
【図６】
2008041456.tif 000008
【図７】
2008041456.tif 000009
【図８】
2008041456.tif 000010
【図９】
2008041456.tif 000011