(57)【要約】【課題】燃料電池用金属セパレータの成形方法で周辺部に発生するしわを抑制する加工工程を提供する。【解決手段】燃料電池用金属セパレータの燃料ガスと酸化剤ガスの流路となる微細溝の成形方法で、微細溝部を張り出す張出し工程と、微細溝を製品形状とする成形工程を含む加工工程で、張出し工程で用いる張出し工程上型３２と張出し工程下型３３の展開長が、成形工程で用いる成形工程上型３４と成形工程下型３５の展開長よりも長い金型を用いて、成形工程の前後で材料の展開長が縮小することを特徴とする、燃料電池用金属セパレータの成形方法。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程とを含み、
該成形工程の前後で材料の溝幅方向の展開長が収縮することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項２】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程とを含み、
前記張出し工程の金型の展開長が前記成形工程の金型の展開長と比較して大きい金型を用いて成形することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項３】
前記張出し工程または前記成形工程は２工程以上で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項４】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
溝形状に成形するための成形工程と溝形状を矯正するための矯正工程を含み、
該矯正工程の前後で材料の溝幅方向の展開長が収縮することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項５】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
溝形状に成形するための成形工程と溝形状を矯正するための矯正工程を含み、
成形工程の金型の展開長が矯正工程の金型の展開長と比較して大きい金型を用いて成形することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項６】
前記成形工程または前記矯正工程は２工程以上で構成されることを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項７】
前記矯正工程では、矯正工程の金型として平面型を用いることを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項８】
燃料電池用金属セパレータであって、
溝鉛直方向に対して直角な方向の周辺部に発生する応力の溝方向成分が引張応力であることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項９】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、
前記張出し工程において溝幅方向における中央部の溝の張出し量が端部の溝の張出し量と比較して大きいことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項１０】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、
前記張出し工程において溝幅方向における中央部の溝の展開長が端部の溝の展開長よりも大きい金型を用いることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項１１】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、
前記成形工程において溝幅方向における中央部の溝の展開長が端部の溝の展開長よりも大きい金型を用いることを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項１２】
前記張出し工程または前記成形工程は２工程以上で構成されることを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項１３】
燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、
前記成形工程後に溝形状を矯正するための矯正工程を行うことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれか一つに記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【請求項１４】
前記矯正工程では、矯正工程の金型として平面型を用いることを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池用金属セパレータの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池に係わり、特に金属セパレータ及びその製造方法（成形方法）に関わるものである。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、表裏にアノード極側触媒層付き電極とカソード極側触媒付き電極層を配した、イオンを通す性質を持つ固体高分子電解質の膜を用いた燃料電池である。燃料ガスとなる水素及び酸化剤ガスとなる大気を供給すると電気化学反応で電気を抽出する。燃料電池の最小のユニットを燃料電池セルと呼ぶが、燃料電池セルから取り出せる電圧は０．７Ｖ程度と小さいため、通常は何層も積層して大きな電力として取り出す。燃料電池セルを積層する際には、隣合うセルのアノード電極の水素とカソード電極の酸素を分離するためにセパレータを用いる。セパレータは単に酸素と水素を分離するだけではなく、表面に形成された微細溝により、効率良く水素あるいは酸素を供給し生成した水を排出する役割を担う。また、セパレータはアノード電極より電子を集電し、カソード電極に供給する役割も担っている。
【０００３】
燃料電池セルは水素や大気を注入し、その反応物である水を排出するために機密性が要求される。そのため、セパレータの周囲にはシール材を配して機密性を確保している。
【０００４】
燃料電池では黒鉛及び金属製のセパレータが用いられる。金属セパレータは靭性が高いために、薄肉化が可能であり、燃料電池の小型化や軽量化の点で有利である。
【０００５】
金属セパレータの成形方法としては、極薄金属板を材料とし、プレスで微細溝を張出して製造する方法が用いられている。プレスを用いた方法は、各工程が数秒以内で終了するために生産性が高いので価格の点からも有利である。
【０００６】
しかし、金属セパレータは板厚０．１〜０．３ｍｍ程度の素材をプレスで成形するために、周囲にしわが生じやすい。図３に示す金属セパレータを用いて説明する。金属セパレータは中央部に燃料ガス、酸化ガスあるいは、水を通すための溝２１ｂが形成されている。この溝を形成することにより生じる残留応力により周囲にしわが生じる。特に、溝幅方向に存在する横周辺部２２ｂにはしわが生じやすい。また、しわと同様にセパレータ全体がねじれる反りも問題である。
【０００７】
横周辺部２２ｂを含む周辺部は、燃料ガスが漏れないためのシール材を取り付ける箇所である。よって、しわや反りが存在するとシール材と金属セパレータの間に隙間が生じやすいため、そこから燃料ガスや酸化ガス等が漏れる原因となる。また、燃料電池セルは複数を重ねて用いるために、このようなしわが存在する場合には組立作業性が低下する。
【０００８】
上記理由から、金属セパレータの成形では、しわをいかに抑えるかが重要な課題となっている。現在用いられている一般的な方法としては、特許文献１に示すように、周辺部にリブを配して、リブの剛性でしわを低減する方法がある。
【０００９】
また、特許文献２に示すように、圧延ロールを用いた成形方法で周辺部と溝部の歪量のバランスを調整して、しわ及び反りを抑える方法が提案されている。
【００１０】
また、特許文献３に示されるように溝部の周辺部に生じる歪によるしわや反りを減少させるために、溝部の長手方向に存在する縦周辺部をプレスする工程を設ける方法なども提案されている。
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１８５６６７号公報
【特許文献２】特開２００５−２２４８５４号公報
【特許文献３】特開２００３−２４９２３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
金属セパレータの製造は張出し成形を行うために、溝部に引張応力が残留するために周囲の平坦な部分にしわが生じる。その抑制のために、リブを配する方法が良く用いられているが、この方法ではリブの分だけセパレータが不必要に大きくなるために、燃料電池のサイズ及び重量が大きくなるという課題がある。また、リブ高さは溝部の高さ以下で作る必要があるためリブの剛性には限界があり、しわを完全に抑制することは困難である。
【００１３】
また、特許文献２に示される方法は、特殊な加工装置を用いるために、設備費が高くなるという課題がある。
【００１４】
また、特許文献３に示される方法は、溝部の残留応力のうち溝直角方向に生じる圧縮応力を緩和し、長手方向の周辺部に生じるしわを減少する方法であるが、溝鉛直方向に生じる応力を緩和する機能はない。我々の検討では、溝部の左右の周辺部でより大きなしわが生じるのであるが、特許文献３の手段はこのようなしわの解決手段にはならない。
【００１５】
本発明の解決しようとする課題は、リブの配置を最小限にしながら、金属セパレータの周辺部のしわのうち、特に溝部鉛直方向に対して左右の周辺部に生じるしわを抑制することが可能な金属セパレータの製造方法（成形方法）及びしわを抑制した金属セパレータを提供することである。また、溝部全体の反りを抑制することが可能な金属セパレータの製造方法（成形方法）を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題の皺を解決するために、本発明は、材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程とを含み、該成形工程の前後で材料の溝幅方向の展開長が収縮することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法である。
【００１７】
また、本発明は、燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、  材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程とを含み、  前記張出し工程の金型の展開長が前記成形工程の金型の展開長と比較して大きい金型を用いて成形することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、前記張出し工程または前記成形工程は２工程以上で構成されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、燃料電池用金属セパレータの微細溝の成形方法であって、溝形状に成形するための成形工程と溝形状を矯正するための矯正工程を含み、該矯正工程の前後で材料の溝幅方向の展開長が収縮することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明は、溝形状に成形するための成形工程と溝形状を矯正するための矯正工程を含み、成形工程の金型の展開長が矯正工程の金型の展開長と比較して大きい金型を用いて成形することを特徴とする。
【００２１】
また、本発明は、前記成形工程または前記矯正工程は２工程以上で構成されることを特徴とする。
【００２２】
また、本発明は、前記矯正工程では、矯正工程の金型として平面型を用いることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明は、溝鉛直方向に対して直角な方向の周辺部に発生する応力の溝方向成分が引張応力であることを特徴とする燃料電池用金属セパレータである。
【００２４】
また、本発明は、材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、前記張出し工程において溝幅方向における中央部の溝の張出し量が端部の溝の張出し量と比較して大きいことを特徴とする燃料電池用金属セパレータの成形方法である。
【００２５】
また、本発明は、材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、前記張出し工程において溝幅方向における中央部の溝の展開長が端部の溝の展開長よりも大きい金型を用いることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明は、材料を張り出すための張出し工程と溝形状に成形するための成形工程を含み、前記成形工程において溝幅方向における中央部の溝の展開長が端部の溝の展開長よりも大きい金型を用いることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明は、前記張出し工程または前記成形工程は２工程以上で構成されることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明は、前記成形工程後に溝形状を矯正するための矯正工程を行うことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明は、前記矯正工程では、矯正工程の金型として平面型を用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、金属セパレータの溝の周辺部にしわや反りを生じることがなく、燃料ガスや酸化ガスが漏れることがないために信頼性が高い燃料電池を提供することが可能となる。また、しわがないために組立性が向上し安価な燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１に発電セルの断面構造を示す。発電セル２は固体高分子の電解質膜の表裏にアノード電極、カソード電極を接着した電解質・電極複合体１１を、金属セパレータ１２で挟んだ構造である。金属セパレータ１２の断面はプレス加工により連続した矩形形状になっており、表裏に微細溝を形成している。矩形形状は平面部と６０°程度の角度を与えられた斜辺部で構成される。斜辺部の角度については直角でも良く、またより小さい角度でも良いが、３０°から７５°の間の角度であることが望ましい。矩形のピッチ間隔は板厚の５倍〜５０倍の間隔であれば良く、１０倍から３０倍程度の間隔であることが望ましい。また、ピッチ間隔は等間隔でも不等間隔でも良い。溝深さはピッチ間隔の０．０５倍〜１倍の間であり、望ましくはピッチ間隔の０．２倍〜０．５倍程度である。同一セパレータ内の溝高さの違いは１０％以内であり、２％以内であることが望ましい。微細溝の角部の形状は円弧上であり、円弧の半径は外側が大きくても内側が大きくても良い。また、円弧の半径は内側あるいは外側が板厚の０．５倍〜５倍程度の大きさであり、望ましくは１倍〜３倍の大きさである。
【００３２】
微細溝は、酸化剤ガス流路１３及び燃料ガス流路１４に分けられる。酸化剤ガス流路１３は同時に反応した生成した水の排出路となっている。また、燃料電池の反応熱を放出するために、微細溝を冷却水の流路として用いても良い。セパレータの端部にはシール部品１５があり、酸化剤ガスあるいは燃料ガスが漏れることを防止する。シール部品は、セパレータに溶着して用いる。また、セパレータに穴を開けスナップフィットで固定する方法でも良い。また、セパレータに穴を開け、穴部で上下のシールを溶着しても良い。
【００３３】
図２は本発明の対象となる金属セパレータの斜視図である。図２は製造途中の金属セパレータ１２を示す図であり、製品として用いる前にはトリミングライン２６に従いリブ２５を取り除いて用いる。金属セパレータの中央には微細溝が形成された溝部２１があり、その周囲に微細溝が形成されていない周辺部がある。周辺部のうち溝鉛直方向に対して左右の周辺部を横周辺部２２、上下の周辺部を縦周辺部２３とし、四隅の周辺部を４隅周辺部２４とする。図２では溝部２１は溝方向に長い長方形となっているが、正方形でも良い。また、溝幅方向に長い長方形の形状でも良い。また、金属セパレータ１２は製品機能の観点からは長方形に限るわけではなく、円形でもまた他の形状でも問題ないが、材料歩留まりの観点から望ましくは長方形である。また、溝方向はセパレータの辺と直角または平行であることが望ましいが、これに限定するものではなく斜め方向であっても問題ない。
【００３４】
図中では全ての溝の長さが同一であるが、異なっていても良い。また、図２では全ての溝が同一方向を向いているが、異なる方向を向いていても良い。また、溝が途中で屈曲していても良い。また、溝が途中で分断されていても良い。また、溝幅についても同一でも良く、異なっていても良い。図中では省略するが、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するためのマニホールドの穴が周辺部に開いている。マニホールド用の穴については、燃料ガスや大気の利用効率を最大にする箇所にあけるため、必ずしも周辺部に開ける必要はなく、例えば溝部を分割してその中央に開けても良い。また、燃料ガス及び酸化剤ガスを供給するための溝部への燃料の流れを均一化するための整流部が存在しても良い。整流部はそれ自体が溝形状をしている物や、拡散を促すように点状に張出されたものでも良い。また、セパレータに剛性を付与するためのリブが存在しても良い。また、周辺部にはシール部品等の他の部品を固定するための貫通穴やバーリング穴、あるいは小さな張出し加工等がされていても良い。また、溝加工を施さない周辺部は燃料電池の発電部としては機能しないため、シール部品を配置するスペースがあれば良い。そのため、左右のそれぞれの横周辺部２２の幅Ｗ１は溝部２１の幅Ｗ２よりも小さいことが望ましい。金属セパレータ１２の大きさが十分に大きい場合には横周辺部２２の幅Ｗ１は溝部２１の幅Ｗ２の２０％以内であることが望ましい。より望ましくは５％程度である。但し、金属セパレータ１２の大きさが小さい場合には、シールの配置に要する面積が相対的に大きくなるのでこの限りではない。
【００３５】
本発明では、しわを抑制するために加工工程を工夫し、金属セパレータ１２の横周辺部２２において溝方向に引張歪を残留させる。引張歪の大きさは０．２％以内であり、望ましくは０．０５％以内である。その結果として横周辺部２２には溝方向に材料の降伏応力以下の引張応力が生じる。その大きさは材料の降伏応力以下であり、望ましくは１００ＭＰａ以下の大きさである。
【００３６】
金属セパレータ１２はセパレータ加工の工程が全て終了すると、トリミングライン２６に従い切断する。トリミングライン２６の外側には、セパレータ加工中に周囲の材料が溝部に引き込まれないためのリブ２５が存在する。燃料電池は小型軽量が求められるので、トリミングライン２６に沿って発電に寄与しない箇所は切断するのが望ましいが、リブを残した形状でも良い。また、セパレータ加工時には必ずしもリブを用いる必要はなく、例えば板押え力を大きくすることで摩擦力を用いることも可能である。
【００３７】
図３は周辺部にしわが発生した金属セパレータを示す図である。中央に微細溝が形成された溝部２１ｂがあり、その周囲に微細溝が形成されていない周辺部がある。周辺部のうち溝鉛直方向に対して左右の周辺部を横周辺部２２ｂ、上下の周辺部を縦周辺部２３ｂとし、四隅の周辺部を４隅周辺部２４ｂとする。このうち横周辺部２２ｂで最も大きなしわが発生する。
【００３８】
図４は本発明での燃料電池セパレータの成形方法を示す工程図である。図４は微細溝１ピッチ分を示している。よって、材料３１ａ及び材料３１ｂは、左右の端部３６で線対称となるために、端部３６は成形中にＸ方向に動かない。
【００３９】
材料３１ａが張出し工程上型３２と張出し工程下型３３の間に挿入され、張出し工程上型３２と張出し工程下型３３で成形される。張出し工程での加工で材料３１ａの断面形状は材料３１ｂの形状に変化する。材料３１ｂは続いて成形工程上型３４及び成形工程下型３５の下に挿入され、成形工程上型３４と成形工程下型３５を用いて成形され、材料３１ｃの形状となる。このとき張出し後の材料３１ｂの展開長が成形後の材料３１ｃの展開長よりも０．５％長くなるように、張出し加工および成形加工を行うことにより、溝部２１の材料が溝幅方向に圧縮されることによって溝方向に０．０４％膨張するため、横周辺部２２ｂでは等価な引張歪が生じる。その結果横周辺部２２ｂに生じるしわを抑制することが可能となる。本実施例では、張出し工程後の材料３１ｂの展開長が成形後の材料３１ｃの展開長よりも０．５％長い場合について示したが、それに限定するものではなく、望ましくは１０％以内の比率で張出し工程後の材料３１ｂの展開長が成形後の材料３１ｃの展開長よりも長ければよい。
【００４０】
本発明で用いる金型は、張出し工程上型３２及び下型３３の幅方向の展開長が成形工程上型３４と下型３５の幅方向の展開長よりも長い。望ましくは１０％以内の比率で張出し工程上型３２及び下型３３の展開長が成形工程の上型３４及び下型３５の展開長よりも長い。上型における張出し工程と成形工程の展開長の比と下型における張出し工程と成形工程の展開長の比は同一であるのが望ましいがそれに限定するものではない。また、例えば、張出し工程上型３２と下型３３の展開長が成形工程の上型３４と下型３５の展開長よりも１０％大きい場合でも、成形工程での下死点を制御することにより、材料の展開長の比を０．５％にすることが可能である。すなわち、材料のバラツキや金型の精度により、成形工程前後での材料の展開長の比が望ましくならない場合には、下死点を制御して調整することも可能である。そのため、張出し工程の金型の展開長は成形工程の展開長よりも１０％以上大きくても本発明の実施は可能である。
【００４１】
本加工方法は、延性を有する全ての金属極薄板材料の成形に適用することが可能である。固体高分子型燃料電池用の金属セパレータの材料としては、鉄及びステンレス等の鉄合金や銅やアルミ等の安価な材料の表面に耐蝕性の処理や導電性の処理を施した材料が用いられるがこれら全てに適用することが可能である。導電性の膜には金、プラチナ、パラジウム等の貴金属膜や炭素系や有機材料系の非金属の膜があるが、これらの導電性の膜を表面に生成した材料にも適用可能である。また、耐食性の膜には金、プラチナ、パラジウム等の貴金属膜やチタン、ステンレス、クロム等の強固な不働態酸化膜や炭素系や高分子系の膜があるが、これらを生成した材料にも適用可能である。また、薄膜の生成方法としては、真空蒸着法やスパッタリング法やイオンプレーティング法等の物理的気相成長法や化学的気相成長法やメッキ等の方法があるが、いずれの方法を用いた材料でも良い。また、貴金属やチタン等の耐蝕性の高い金属を圧延により表面にクラッドする方法や、メッキ等の薄膜生成方法を採用したのちに、圧延により薄膜中のピンホール欠陥を除く導電性膜や耐蝕性膜の生成方法により製造された材料を用いても良い。また、イオン注入法等により材料表面の組成を連続的に変化させ、表面層に耐食・導電性の層を生成した材料を用いても良い。また、導電性の膜については材料の表面全てを覆う材料もそうでない材料にも適用可能である。一般に金属材料は圧延方向により加工性が異なるが、本加工方法は圧延方向と溝の角度がいずれの場合でも適用可能であり、両者の成す角度が無くても直角でもその中間でも良い。導電性の薄膜や耐蝕性の薄膜の生成は、セパレータ形状を成形した後に生成しても良いし、セパレータ成形の中間工程で行っても良い。
【００４２】
また、本加工方法に用いるプレスとしては、クランクプレスや油圧でコントロールする油圧プレスあるいは、サーボモータで駆動するプレス等を用いることが可能である。また、通常の金属薄板材料のプレス成形と比較して、ストロークが短くて、かつ成形荷重が大きいので、鍛造加工などに用いられるナックル機構やリンク機構を持つ下死点付近での荷重が大きいプレスを用いても良い。また、大面積で荷重を均一化するために複数のシリンダーを持つプレスでも良い。
【００４３】
本発明は燃料ガスの流路あるいは酸化剤ガスの流路となる微細溝の成形工程に関してであるが、その前後の工程で、微細溝へ燃料ガスの供給や酸化剤ガスの供給を均等にするための整流部を製造が微細溝成形の前後の工程、あるいは同時に行われても良い。また、マニホールド用の穴の加工を前後の工程あるいは、同一の工程で行っても良い。また、シール材の取り付け穴やその他部品の取り付け穴等の加工も前後の工程あるいは同時に行われても良い。また、微細溝の成形では大きな張出し成形を行うが、その中間で材料の延性を回復するための中間焼鈍しを行っても良い。
【００４４】
本発明の微細溝加工を行うプレス加工機への材料の供給は、円筒状に材料を巻きつけたフープ材を用いて、ローラーフィーダーあるいはグリッパーフィーダー等を用いて行われることが生産速度を考えると望ましい。このような方法では、プレスを連続して並べて、各工程での材料位置決めを材料に空けたパイロット穴と金型のパイロットピンを用いて位置決めを行うのが一般的である。よって、図４に示す加工工程の前に、金型と材料の位置決めをするためのパイロット穴を開ける工程があっても良い。また、それぞれの加工工程では、金型に位置決めのためのパイロットピンが配置されていて、パイロットピンを用いた位置決めを行っても良い。また、セパレータが製品形状となったのちには、周辺部を切り落としてそれぞれのセパレータを切り分ける工程が存在する。製造ラインの構成としては、材料を保持するアンコイラがあり、材料を定められた量だけ送るフィーダがあり、位置決め用のパイロット穴をあけるパイロット穴用プレスがあり、その後に張出し加工を行うプレスと成形加工を行うプレスが連続に配置されている。その後には加工されたフープ材よりセパレータを切り取る切断加工用のプレスが配置されていることが望ましいが、上記のライン構成に限るものではない。また、フィーダの代わりに金型等に設置されたカムにより材料を送る方式を採用しても良い。また、途中で材料の延性を回復するための中間焼鈍を行う場合には、中間工程で材料を一回巻き取り、炉内にて焼鈍を行ったのちに、再度加工を行うライン構成にしても良い。また、同様に導電膜や耐食膜を生成する工程が中間にあっても良い。
【００４５】
また、フープ材の代わりに切り板を材料としても良い。この場合には、切り板を手動でプレスの中に投入しても良いし、各工程間の搬送を、ロボットを用いて行うトランスファー方式を用いても良い。
【００４６】
次に、本発明のしわ低減の原理について説明する。
【００４７】
横周辺部２２ｂにしわが生じる原因として溝部２１ｂが溝方向に収縮していると推定された。我々は有限要素法の静的陰解法を用いてこのメカニズムについて検討した。
【００４８】
図５が張出し工程の解析モデルになる。図６が成形工程の解析モデルである。図５及び図６で左右方向がＸ軸、上下方向がＹ軸で垂直方向がＺ軸である。それぞれの解析モデルは対称性を考慮し、溝断面形状の半ピッチ分をモデル化している。モデルの左右端は溝の中央に相当するため、Ｘ方向の材料の移動が生じない。よって、Ｘ方向の位置固定としてモデル化している。材料としては、板厚０．１ｍｍで表面より１０％がチタンでその他がＳＵＳ４３０である。それぞれの材料の物性値を図７に示す。
【００４９】
解析手法としては、一般化平面歪解析を用いた。この手法は、断面全体のＺ方向の歪は加工に従い変化するが、同一時刻ではＸ，Ｙ座標を変えても同じとなる解析手法である。
【００５０】
図８の曲線Ａ及び曲線Ｂが解析結果である。なお、図８は縦軸が材料の溝方向の圧縮歪（％）、横軸が材料の加工工程を示す。曲線Ａは、従来の加工方法の例である。材料周囲を固定して中央を金型に沿って張り出す加工を一般に張出し加工と呼ぶが、張出し加工で工程分割をする目的は、特定箇所への歪の集中を抑制し全体としてより大きく張り出すことである。よって、工程分割した場合には徐々に展開長が増加する方法が一般的である。また、展開長が縮小するような工程であれば金型内で材料が座屈ししわが生じる原因と成りかねない。図８の曲線Ａに示す従来の加工方法の例は張出し工程後の展開長が成形工程後の展開長よりも２．５％小さい場合の結果である。曲線Ｂが本発明の加工工程を用いた解析結果であり、成形工程の前後で材料の展開長を０．５％収縮するようにしたものである。金属セパレータの成形では、板厚に対して溝ピッチが狭いことや溝高さが狭いことから、金型内での座屈は起こりにくい。そのためこのように展開長を圧縮する条件であっても成形が可能である。
【００５１】
図８の曲線Ａはリブの効果が完全に働いている理想的な状況をモデル化した場合の解析結果である。曲線Ａではリブの効果が理想的に働いているため張出し工程および成形工程ともに加工中の溝方向の歪は生じない。しかし、張出し工程と成形工程の双方において除荷することにより溝方向に収縮歪が発生している。このことは、加工後に溝方向に引張り応力が残留しており、溝が収縮することを意味する。その結果、リブを用いて材料の流入を抑えても、溝部２１の収縮を完全に無くすことは出来ないことが明らかになった。曲線Ａの結果はリブの効果が理想的に働いていた場合に相当している。実際の実験結果ではこれよりも大きな収縮歪が残留することが分かっている。特に成形工程ではリブの効果が小さいことが我々の検討では判明している。
【００５２】
図８の曲線Ｂは本発明の加工工程を用いた場合の解析結果である。これまでの検討結果から張出し工程では、成形工程ではリブの効果が小さいことが分かっているのでリブの効果が無いという条件で解析し、それでも改善できるかどうかを検討した。その結果、成形工程では溝部が膨張に転じ、０．０４％の膨張歪が残留することが分かった。金属セパレータでは横周辺部２２の幅が溝部２１の幅と比較して小さいため、溝部が膨張すると、それに従い横周辺部２２に引張歪が生じる。横周辺部２２の幅が溝部の幅の５％程度であれば、解析結果で求めた０．０４％とほぼ等価な引張歪が横周辺部２２に生じる。そのため、ステンレス層では１００ＭＰａ程度の引張応力がチタン層ではその半分程度の引張応力が生じる。引張応力が生じている場合にはしわが生じないので、本発明を適用することでしわの抑制が可能であることが示された。
【００５３】
以上が本発明のしわ抑制原理の説明であるが、以上の方法を適用することで横周辺部に生じるしわを抑制することが可能となった。
【００５４】
図９は本発明の別の実施例を示す図である。図９において対称条件位置３６において左右が対称な形状となっている。図９の加工工程は材料を均等に伸ばすための張出し工程と、材料を溝形状に成形するための成形工程と、成形工程における溝高さのバラツキ等の不正変形を矯正するための矯正工程よりなる。張出し工程では張出し工程上型３２と張出し工程下型３３を用いて材料３１ａを加工する。成形工程では成形工程上型３４と成形工程下型３５を用いて材料３１ｂを加工する。矯正工程では矯正工程上型３７と矯正工程下型３８を用いて材料３１ｃを加工する。矯正工程の前後での溝高さをそれぞれ溝高さＨ１及びＨ２とする。
【００５５】
この実施例では、張出し工程後の材料３１ｂの展開長は成形工程後の材料３１ｃの展開長と比較して必ずしも長くなくても良い。同等でも良く、短くても良く、長くても良い。即ち、張出し工程の金型の幅方向の展開長は成形工程の幅方向の展開長と比較して長くなくても良い。本実施例ではそのかわりに成形工程の後に設けた矯正工程の金型展開長を成形工程の金型展開長よりも短くすることにより、矯正後の材料３１ｄの展開長が矯正工程前の展開長よりも短くなるようにすることで、溝部２１に溝方向の膨張歪を生じさせる。矯正工程の金型の展開長を成形工程の金型の展開長よりも短くするための手段としては、金型の溝深さを低くする方法や斜辺部の傾きを小さくする方法やあるいは角部の円弧半径を大きくする方法などがある。
【００５６】
図１０は本発明の別の実施例を示す図である。本実施例では、矯正工程の金型として平面型を用いて、材料３１ｄを加工した。本実施例の金型は、図１０の下図のとおり、矯正工程平面上型３９と矯正工程平面下型４０からなる。まず、前述の張出し工程、成形工程により材料３１ｃを加工する。その後、矯正工程平面上型３９と矯正工程平面下型４０で材料３１ｄを挟み込み、微小変形量圧縮することにより材料３１ｄを加工する。これにより、高さ方向の精度を改善することができる。また、溝形状に合った凹凸の付いた型を用いるのではなく平坦性の高い平面型を用いているので、成形工程における溝高さのバラツキ、さらには、溝部自体の反り等の不正変形を高精度に矯正することができる。この方法においても、溝部２１において溝幅方向に圧縮力を生じ溝方向に膨張させることが可能であり、その結果、横周辺部２２のしわを抑制することが可能となる。
【００５７】
本実施例によれば、Ｈ１とＨ２の高さ比の変更がさらに容易となる。つまり、矯正工程での下死点を制御することにより、同一金型であってもＨ１とＨ２の高さの比を変更することが可能であり、延いては材料のバラツキ等に対応させることが可能である。また、平面型であるので溝形状に合った凹凸の付いた型より高精度金型が安価に供給することが可能である。
【００５８】
この矯正型を用いる場合、張出し工程として単なる張出し工程ではなく、一部成形を伴う張出し工程と形成・矯正工程の２工程で、セパレータを成形する事も可能である。
【００５９】
本発明のしわ抑制方法の実施例として３例示したが、本発明の適用範囲は上記実施例に限らない。後工程の材料展開長を前工程よりも短くすることにより、他の加工工程であっても、溝部２１において溝幅方向に圧縮力を生じ溝方向に膨張させることが可能であり、その結果、横周辺部２２のしわを抑制することが可能となる。
【００６０】
次に、本発明を、溝部の反り不良に適用した例を示す。図１１に示すようにセパレータ１２ｄの溝部４１が捻れた反り形状となることが、しばしば問題となる。このことは、図１２に示すように中央部溝４２の歪と端部溝４３の歪に差が生じ、中央部溝の成形後の長さが端部溝の長さより相対的に異なることが原因である。このような反りに対しては、張出し工程での張出し量を、端部に比べて中央部でより大きくすることにより、中央部溝と端部溝の歪量の差が減少し改善することが可能となる。溝部４１の反りを抑制するための張出し工程の金型を図１３に示す。図１３で反り抑制張出し上型３２ｂと反り抑制張出し下型３３ｂがあり、中央に材料３８ａがある。上型中央部溝高さＨ３は上型端部溝高さＨ４よりも大きい。下型についても同様である。成形工程上型３４ｂと成形工程下型３５ｂでは各溝の形状は同一である。成形工程で成形する材料３８ｂは張出し工程での金型形状に従い、中央部の溝高さＨ５が端部の溝高さＨ６よりも大きい。材料３８ｂを成形工程上型３４ｂと成形工程下型３５ｂで成形すると、中央部の微細溝でより大きな圧縮力がかかるため、溝方向への膨張が大きくなる。その結果として、反り防止セパレータ３８ｃではそりの原因となる中央部の溝４１と端部の溝４２での溝方向収縮量の差が小さくなり、反りを緩和することが可能となる。また、張出し工程での金型形状を中央部と端部で同じくして、成形工程の金型の中央部での展開長を端部での展開長よりも小さくすることでも同等の効果が得られる。そのための方法として、中央部での金型の斜辺部の角度を端部と比較して小さくする。あるいは角部の円弧半径を大きくする等の方法を取ることが可能である。また、張出し工程、成形工程ともに中央部と溝部で形状がことなる場合でも、成形工程での金型の展開長に対する張出し工程の金型の展開長の比が中央部の方が端部よりも大きい場合には、同様の効果が得られる。また、この反り不良防止の加工の次工程に矯正工程を加えることが有効であるのはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上に説明したように、本発明を用いれば、固体高分子型の電解質を用いた燃料電池用の金属セパレータの成形方法でしわと反りを抑制することが可能となる。また、その結果として、燃料電池セルで燃料ガスあるいは酸化剤ガスが漏れる危険性が減少し、信頼性の高い燃料電池を提供することが可能となる。さらに、組立作業を容易化し、安価な燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る燃料電池セルの断面拡大図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用金属セパレータの説明図である。
【図３】本発明に係る燃料電池用金属セパレータのしわの説明図である。
【図４】本発明に係る金属セパレータのしわを抑制する加工工程の一実施例を示す図である。
【図５】本発明に係る金属セパレータの張出し工程の有限要素解析モデルを示す図である。
【図６】本発明に係る金属セパレータの成形工程の有限要素解析モデルを示す図である。
【図７】図５及び図６に示す有限要素解析に用いた物性値を示す図である。
【図８】本発明に係る金属セパレータの加工工程を示す有限要素解析結果を示す図である。
【図９】本発明に係る金属セパレータの加工工程の別の実施例を示す図である。
【図１０】本発明に係る金属セパレータの加工工程の別の実施例を示す図である。
【図１１】反りの生じた燃料電池用金属セパレータの説明図である。
【図１２】反りの生じた燃料電池用金属セパレータの説明図である。
【図１３】本発明に係る金属セパレータのそりを抑制する加工工程の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
２…燃料電池セル
１１…電化質・電極複合体
１２…金属セパレータ
１３…酸化剤ガス流路
１４…燃料ガス流路
１５…シール
２１…溝部
２２…横周辺部
２３…縦周辺部
２４…四隅周辺部
２５…リブ
３１…材料
３２…張出し工程上型
３３…張出し工程下型
３４…成形工程上型
３５…成形工程下型
３６…対称条件位置
３７…矯正工程上型
３８…矯正工程下型
３９…矯正工程平面上型
４０…矯正工程平面下型
４１…反った燃料電池用金属セパレータの溝部
４２…中央溝部
４３…端部溝。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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