(57)【要約】【課題】  大量生産が容易で分離板の剛性を増加させ、熱変形を最小にした燃料電池用金属分離板の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、燃料電池用金属分離板の製造方法において、２個の平板を凹凸形態に成形する第１段階と、前記平板にコンパウンダーを塗布する第２段階と、前記平板が対称となるように向かい合わせマッチングさせる第３段階と、前記平板をスポット溶接により接合する第４段階と、を含んでなり、前記第１段階の平板は上部に位置した第１平板と下部に位置した第２平板にて構成され、前記第１平板および第２平板の接合部は凹凸形態で成形され、前記第２段階の平板接合部の間にコンパウンダーが塗布され、前記第３段階は前記コンパウンダーを間に置き、両側には一定間隔でスポット溶接が行われることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用金属分離板の製造方法において、
２個の平板を凹凸形態に成形する第１段階と、
前記平板にコンパウンダーを塗布する第２段階と、
前記平板が対称となるように向かい合わせマッチングさせる第３段階と、
前記平板をスポット溶接により接合する第４段階と
を含んでなることを特徴とする燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項２】
前記第１段階の平板は上部に位置した第１平板と下部に位置した第２平板にて構成され、前記第１平板および第２平板の接合部は凹凸形態で成形され、前記第２段階の平板接合部の間にコンパウンダーが塗布され、前記第３段階は前記コンパウンダーを間に置き、両側には一定間隔でスポット溶接が行われることを特徴とする請求項１記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項３】
前記第１平板および第２平板の接合部は分離板の端であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項４】
前記第１平板および第２平板の接合部は水素マニホールド、空気マニホールドおよび冷却水マニホールドの間に形成されたことを特徴とする請求項３記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項５】
前記接合部のスポット溶接部の間にはコンパウンダー流出防止用溝が形成されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【請求項６】
前記接合部は上部金型の下段に形成された突出部と下部金型の上段に形成された受容部の間に挿入され、成形および支持され、前記スポット溶接ガンが上部金型に形成されたガイドホールを通して挿入されたことを特徴とする請求項２記載の燃料電池用金属分離板の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池用金属分離板の製造方法に係り、更に詳しくは、従来は分離板を接合するためのシールの接着力によって気密性が決まるため、シールハンドリングによる自動化が不可能であったが、気密性維持および分離板接合のためのコンパウンダー塗布およびスポット溶接の自動化を実現することで、大量生産が容易で分離板の剛性を増加させ、熱変形を最小にすることができるようにした燃料電池用金属分離板の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型燃料電池は無公害電源として携帯電話、無電機、ノートパソコンおよびその他のバッテリーを使用する小型携帯用電子機器で随時充電が必要なバッテリーを代替したり、野外でバッテリーを充電して使用する際に有用であり、世界中で多くの研究開発が行われている。
小型燃料電池は燃料として水素またはメタノールを使用することができ、燃料が供給されるとすぐに電力を発生させるだけでなく、燃料が供給される限り電力を継続して発生することができるため、長時間の充電が要求されるバッテリーを代替したり、別途の電源がない場所でも既存バッテリーを充電することができる。
特に、水素は携帯可能な燃料であるＬＰＧ、ガソリン、ディーゼルなどの燃料を小型改質器を通して得ることができるため、一般燃料を使用する携帯用燃料電池も構成可能である。
【０００３】
現在まで開発された小型携帯用燃料電池は大部分が高分子電解質膜または固体酸化物膜などの固体電解質を使用しており、一部アルカリ水溶液または溶融炭酸塩などの液体電解質を使用する場合もある。
高分子電解質燃料電池は基本的に高分子電解質膜と膜の両面にコーティングされた燃料極層（ａｎｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）および空気極層（ｃａｔｈｏｄｅ  ｌａｙｅｒ）、そしてこれら電極に燃料および空気を供給する分離板とからなる。
電極層がコーティングされた電解質膜を電極―電解質アッセンブリー（ｍｅｍｂｒａｎｃｅ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ、以下ＭＥＡ）と称し、ＭＥＡの燃料極では水素またはメタノールが水素イオン（Ｈ＋）に転換され、燃料極で生成された水素イオンは電解質膜を通して空気極側に移動し、空気極に供給される空気中、酸素と反応して水を生成する。
【０００４】
この過程で、燃料極から生成された電子が外部回路を通して空気極に伝達されて消耗されることで電力が発生する。即ち、高分子電解質燃料電池は水素と酸素の化学的エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる役割を行い、室温でも作動するため携帯用燃料電池としても使用できる。
実際に使用される高分子電解質燃料電池は、ＭＥＡと分離板数枚を互いに順次積層することで構成される。この時、分離板は積層された各々のＭＥＡに水素と空気が均一に供給されるようにし、電気的にはＭＥＡを直列連結する役割を有する。
現在、高分子電解質燃料電池用分離板の材料としては電気伝導度、重量、腐食などを考慮して黒鉛（ｇｒａｐｈｉｔｅ）が最も多く使用されている。
【０００５】
黒鉛粉末を高温、高圧で板型に成形した後、樹脂を含浸させて製造された厚さ２ｍｍ以上の黒鉛板を母材とし、この板の両面に機械加工によりガスチャンネルを形成させる分離板製造方法が一般的に使用される。
しかし、機械加工により分離板を製造する場合、加工費が高いだけでなく、加工時間が長く、特に母材の厚さが３ｍｍ以下である場合には機械的強度が落ち、加工が非常に難しいという短所がある。
最近はファイバーで強化された厚さ１〜２ｍｍの黒鉛ホイルをプレスで圧縮して流路を形成させることで、分離板の加工費を節減して厚さを減少させようという試みが行われている。
【０００６】
しかし、このような分離板製造方法の場合にも流路が形成された薄い黒鉛分離板の機械的強度が低く、衝撃または若干の大きい力が加えられる場合、容易に破損するという短所がある。
従って、黒鉛分離板の厚さを減らすには限界があり、これは小型高分子電解質燃料電池の実用化において障害要因として作用している。
このような黒鉛分離板の短所を解決するために、最近は金属材料を使用して分離板を製造する方法が一部試みられている。
金属製品を分離板材料として使用する場合、加工が容易であり製造単価が低くなり、分離板の厚さもまた減少させることができる。
また、既存の黒鉛分離板に比べて電気伝導度が優れて、燃料電池全体のサイズを黒鉛板に比べて４０％縮小させることができるため、次世代燃料電池用分離板として現在活発に開発されている。
【０００７】
前記分離板は水素、空気および冷却水を供給するための流路を形成し、ＭＥＡ１６を支持する役割を有し、このような役割を果たすために電気伝導度および気密性が要求されている。
しかし、気密性が維持されない場合は、冷却水漏洩によりＭＥＡ１６が汚染され、汚染されたセルが作動できず、特に水素ガス漏洩による火災の危険が発生する恐れもある。
【０００８】
現在は気密性を維持するために図６，７に示す通り、２個の板を凹凸形態に成形した後、上下板の両端部にゴム系列シール１００を挿入し、ゴム系列シール１００の接着力を利用して金属分離板の気密性を維持し、上下板を結合する。
しかし、従来の製造方法による分離板の成形後、シール接着および第１および第２平板１０，１１の接着は手作業で行われるため大量生産が難しく、人件費が増加する要因となっている。
【特許文献１】特開２００５−２７６８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は前記のような点を勘案してなされたものであり、気密性の維持および分離板接合のためのコンパウンダーの塗布およびスポット溶接の自動化を実現することで、大量生産が容易で分離板の剛性を増加させ、熱変形を最小にした燃料電池用金属分離板の製造方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記した目的を達成するための本発明は、燃料電池用金属分離板の製造方法において、２個の平板を凹凸形態に成形する第１段階と、前記平板にコンパウンダーを塗布する第２段階と、前記平板が対称となるように向かい合わせマッチングさせる第３段階と、前記平板をスポット溶接により接合する第４段階と、を含んでなることを特徴とする。
【００１１】
前記第１段階の平板は上部に位置した第１平板と下部に位置した第２平板にて構成され、前記第１平板および第２平板の接合部は凹凸形態で成形され、前記第２段階の平板接合部の間にコンパウンダーが塗布され、前記第３段階は前記コンパウンダーを間に置き、両側には一定間隔でスポット溶接が行われることを特徴とする。
【００１２】
前記第１平板および第２平板の接合部は分離板の端であり、水素マニホールド、空気マニホールドおよび冷却水マニホールドの間に形成され、前記接合部のスポット溶接部の間にはコンパウンダー流出防止用溝が形成されたことを特徴とする。
【００１３】
前記接合部は上部金型の下段に形成された突出部と下部金型の上段に形成された受容部の間に挿入され、成形および支持され、前記スポット溶接ガンが上部金型に形成されたガイドホールを通して挿入されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による燃料電池用金属分離板の製造方法によると、分離板の端およびチャンネル別気密性を維持するためのコンパウンダーの塗布およびスポット溶接が自動化されているため、大量生産が容易で、上部および下部金型が分離板の凹凸と同一な形態に製造され、溶接順序が対称位置から順次同時に行われるため、分離板の剛性が増加し、熱変形の最小化および成形によるスプリングバックの補正が可能である。
また、前記分離板のスポット溶接により分離板に形成された冷却水流路部が固定可能であり、成形時の変形の補正も可能であり、スタック積層が容易であるため分離板の剛性が増加するという長所がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面を参照にして詳しく説明する。
【実施例】
【００１６】
本発明による金属分離板の成形方法は２個の板を切断した後、凹凸状にするためにプレス機（金型）で折り曲げた後、上部に位置する第１平板１０と下部に位置する第２平板１１を、凹部は凹部同士、凸部は凸部同士向かい合わせて置く。図１は本発明による燃料電池用金属分離板の接合順序を表す構成図であり、図２は本発明による接合方法により製造された燃料電池用金属分離板の一実施例を表す構成図である。
【００１７】
プレス機で折り曲げ成形された第１平板１０の形状は、台形の凹部と凸部が交互に形成されており、第２平板１１の形状も第１平板１０と同一である。この時、第１平板１０と第２平板１１が対称になるように第２平板１１を反転させて第１平板１０と接合させると、六角形の冷却水流路１２が形成され、冷却水流路１２間には第１平板１０の水素流路１３と第２平板１１の空気流路１４が形成される。
【００１８】
第１平板１０と第２平板１１が接合された分離板はＭＥＡ１６を間に置き、積層されるとＭＥＡ１６の上部に形成された空気極に酸素が供給され、ＭＥＡ１６の下部に形成された水素極に水素が供給される。
分離板の気密性を維持するためにまず、上部および下部金型２６，２７を利用して第１平板１０および第２平板１１を重ねた後、凹凸形状に成形する。
即ち、上部金型２６の下段部には台形形状の突出部が形成されており、下部金型２７の上段部には前記突出部と対応する形状にて受容部が形成されており、前記突出部と受容部の間に第１平板１０および第２平板１１の両端部を重ね合わせた後、加圧すると、台形形状の接合部１７が形成される。
【００１９】
台形形状の接合部１７の間には粘度がある液体型シーラーであるコンパウンダー１５が自動に塗布され、接合部１７を加圧する際、コンパウンダー１５が流出するのを防止するために第２平板１１の接合部１７の両側には流出防止用溝２５が形成されている。
流出防止用溝２５の両側で第１平板１０と第２平板１１を接着させるためにスポット溶接を行う。スポット溶接は、分離板１８の一側部が入口マニホールドから出口マニホールド方向に、分離板１８の他側部が出口マニホールドから入口マニホールド方向に一定間隔で同時に行われる。
【００２０】
スポット溶接のためにマイクロスポット溶接ガン２４は上部金型２６に形成されたガイドホール２３を通して挿入され、第１平板１０および第２平板１１の接合部１７を溶接する。下部金型２７はスポット溶接のために電極の役割を有する。
スポット溶接は電極の間に溶接物を入れて加圧しながら電流を通してその接触部分の抵抗熱で加圧部分を融合させるため、上部および下部金型２６，２７に伝達された抵抗熱を冷却させるための冷却水流路２８が金型内部に形成されている。
また、水素マニホールド２２、冷却水マニホールド２１および空気マニホールド２０の間にコンパウンダー１５を塗布するとともにスポット溶接を行い、チャンネル別に気密を維持することができる。
【００２１】
このような構成により、分離板１８の端およびチャンネル別気密性を維持するためにコンパウンダー１５の塗布およびスポット溶接が自動化され、大量生産が容易で、上部および下部金型が分離板の凹凸と同じ形状で製造され、溶接順序が対称位置から順次同時に行われるため、分離板の剛性が増加し、熱変形の最小化および成形によるスプリングバックの補正が可能である。
また、スポット溶接により分離板１８に形成された冷却水流路１２部が固定可能であり、成形変形による補正が可能であり、スタック積層が容易で分離板１８の剛性が増加するという長所がある。
【００２２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明によるスポット溶接により接合された金属分離板の一実施例を表す斜視図である。
【図２】本発明による分離板のスポット溶接部を表す概略図である。
【図３】マニホールド（チャンネル）別の気密維持のための溶接部を表す図面であり、図２の“Ａ−Ａ”線に沿って切り取った断面図である。
【図４】本発明による上部および下部金型と分離板の形状を表す概略図である。
【図５】本発明によるスポット溶接を説明するための断面図である。
【図６】従来の金属分離板の接着構造を表す構成図である。
【図７】従来の接合方法により製造された金属分離板である。
【符号の説明】
【００２４】
１０  第１平板                  
１１  第２平板
１２  冷却水流路                
１３  水素流路
１４  空気流路                  
１５  コンパウンダー
１６  ＭＥＡ                    
１７  接合部
１８  分離板                    
１９  スポット溶接部
２０  空気マニホールド          
２１  冷却水マニホールド
２２  水素マニホールド          
２３  ガイドホール
２４  スポット溶接ガン          
２５  流出防止用溝
２６  上部金型                  
２７  下部金型
２８  冷却水流路（金型内）
【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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【図６】
2008147157.tif 000008
【図７】
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