(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面凹凸状のガス流路を有する燃料電池用金属製セパレータを、金型を用いたプレス成形によって製造するにあたり、前記ガス流路を成形した後、前記金型の型締め中に、セパレータに位置決め孔を形成し、この後、該位置決め孔を基準にして当該セパレータの外周縁をトリミングすることを特徴とする燃料電池用金属製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、固体高分子型等の燃料電池に用いる燃料電池用金属製セパレータと、そのセパレータを用いた燃料電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、平板状の電極構造体（MEA：Membrane Electrode Assembly）の両側にセパレータが積層されたものが１つのセルとされ、複数のセルが積層されて燃料電池スタックとして構成される。電極構造体は、正極（カソード）および負極（アノード）を構成する一対のガス拡散電極の間にイオン交換樹脂等からなる電解質膜が挟まれた三層構造である。ガス拡散電極は、電解質膜に接触する電極触媒層の外側にガス拡散層が形成されたものである。また、セパレータは、電極構造体のガス拡散電極に接触するように積層され、ガス拡散電極との間にガスを流通させるガス流路や冷媒流路が形成されている。このような燃料電池によると、例えば、負極側のガス拡散電極に面するガス流路に燃料である水素ガスを流し、正極側のガス拡散電極に面するガス流路に酸素や空気等の酸化性ガスを流すと電気化学反応が起こり、電気が発生する。
【０００３】
上記構造の燃料電池では、各セパレータ間およびセパレータと外界とは絶縁されている必要があり、そのため、従来においては、例えば特許文献１の図８に示されるように、反応ガスや冷媒の流路を仕切るシール部材を内部に設けるとともに、セパレータ１つ１つの外周縁を絶縁カバーで覆ったものがあった。ところが同文献によると、この形態では電解質膜が外界に曝されて乾燥による性能劣化を招くなどの問題があり、組立時の作業環境の湿度管理が必要であるとされている。そして、これを解決するためには、絶縁カバーを厚くして隣接する絶縁カバーどうしを当接させることにより電解質膜を内部に封止する形態が考えられるが、これでは、絶縁カバーによるシール性を確保するために、絶縁カバーどうしの密着性と、セパレータと電極構造体との密着性とを、同時に確保する必要が生じ、そのためには、内部のシール部材の厚さを高精度に管理することが求められるので、量産性の点で不利とされている。
【０００４】
また、特許文献２には、セパレータの外周縁に設けた絶縁部材で電解質膜の外周縁を挟み込み、これら絶縁部材と電解質膜の外側を外枠で包囲し、外枠どうしを連結部材で連結する燃料電池スタックが開示されている。この構造では、電解質膜の乾燥は外枠で防止することができるが、外枠どうしを連結してスタックを最後まで組み上げるまで電解質膜は外気に触れるので、やはり作業環境の湿度管理が必要であり、また、部品点数の増加という問題も挙げられる。さらに、特許文献３には、電極構造体の外周縁を包囲したシール部材によって電極構造体とセパレータとの間をシールする構造が開示されているが、この構造では、セパレータの外周縁が露出しているので、そもそもの課題であったセパレータと外界との絶縁は達成されていない。
【０００５】
上記各問題に対して有効な解決策が前出の特許文献１に開示されており、それは、同文献の図１に示されるように、１つのセルの各セパレータを跨ぐコ字状の絶縁カバーでセパレータの外周縁を覆うもので、これによれば、電解質膜の密封による乾燥防止やセパレータ間の絶縁といった機能を果たすとともに、部品点数の削減といった利点を備えている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３１２７３号公報（図１，図８）
【特許文献２】特開平７−２９５９２号公報
【特許文献３】特開平５−１０１８３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、セパレータが比較的薄いものの場合（例えば主体部分が０．２ｍｍ以下）、外周縁は相応に鋭利であり、このため、上記の解決策のようにセパレータの外周縁を跨ぐ絶縁カバーを装着した場合、鋭利なセパレータの外周縁によって絶縁カバーが切断されやすくなるという問題が発生することが判明した。これは、複数のセルが積層されて燃料電池スタックに組み立てられる際に、セパレータの寸法精度の違いによって外周縁が揃わずにずれが生じ、突出する外周縁を覆う絶縁カバーの一部に大きな負荷が偏ってかかるためである。図４（ｃ）は、そのような状態を模式的に示しており、同図に示すように、セパレータ１００を揃えて積層すると、寸法精度の違いによりセパレータ１００の外周縁が揃わず、突出する外周縁によって絶縁カバー１０１に亀裂が生じて切断されやすくなっている（ａで示す部分）。また、逆に絶縁カバー１０１への掛かり代が短くて外れやすくなる状態が生じる場合もある（ｂで示す部分）。これらの現象を防ぐには、絶縁カバー１０１の厚さを大きくすればよいが、その場合には燃料電池全体の厚さや重量が増大するという問題が生じるので、他の解決策が求められていた。
【０００８】
よって本発明は、絶縁カバーの厚さを増すことなく、セパレータの外周縁に装着される絶縁カバーが切断することを防止することができる燃料電池用金属製セパレータおよび燃料電池の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
また、本発明の燃料電池用金属製セパレータの製造方法は、断面凹凸状のガス流路を有する燃料電池用金属製セパレータを、金型を用いたプレス成形によって製造するにあたり、ガス流路を成形した後、金型の型締め中に、セパレータに位置決め孔を形成し、この後、該位置決め孔を基準にして当該セパレータの外周縁をトリミングすることを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、プレス成形によるガス流路の成形の後、型締めを保持した状態で引き続きセパレータに位置決め孔を形成し、この後、セパレータの外周縁をトリミングするものであり、このようにして製造されるセパレータ１つ１つは、ガス流路と位置決め孔との位置関係が一定であり、両者間の寸法誤差が生じにくい。したがって、位置決め孔を基準にして、セパレータの間に電極構造体を挟んだセルを積層して燃料電池スタックに組み立てることにより、隣り合うセパレータのガス流路およびセパレータの外周縁の双方を揃った状態とすることができる。このため、上記発明と同様にして絶縁部材の切断が防止される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、セパレータの外周縁が揃った状態でその外周縁に絶縁部材を装着させることができるので、絶縁部材の一部にセパレータの外周縁から大きな負荷が偏ってかかるといったことが起こらず、このため、絶縁部材の厚さを増すことなく絶縁部材が切断することを防止することができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の第１参考例を説明する。
（１）第１参考例
図１は、第１参考例に係る燃料電池用金属製セパレータの製造方法の各工程ごとで得られるセパレータの形態を示している。この方法は、まず、ステンレス鋼板等による所定厚さの金属製薄板から、矩形状の素材板１０Ａを切り出して得る（工程１）。次に、図示せぬ金型で素材板１０Ａをプレス成形してガス流路１１を形成する（工程２）。ガス流路１１は、複数の平行な溝がジグザグ状に形成されたもので、溝に直交する断面が凹凸状であり、全体の領域が矩形状である。ガス流路１１が形成された領域は集電部であり、その周囲には、非集電部として、平坦な枠状の縁部１２が形成される。この縁部１２の外周側は、ガス流路成形用の金型から露出するものとされる。
【００１７】
ガス流路１１を成形したら、金型の型締めを保持したままの状態で、金型から露出する外周縁の全周を、打ち抜き加工等によってトリミングする（工程３）。この場合のトリミングは、ガス流路１１から外周縁までの距離を所定の寸法に切断するとともに、四隅の角をＲ形状に処理することである。トリミング後は金型を型開きし、中央にガス流路１１が形成され、外周縁がトリミングされたセパレータ１０を得る。なお、この製造方法では、工程２のガス流路の成形と、工程３の縁部１２の外周縁のトリミングとを同時に行ってもよい。
【００１８】
次に、上記製造方法で得た複数のセパレータ１０を用いて燃料電池スタックを製造する方法を説明する。図２（ａ）に示すように、電極構造体２０をセパレータ１０で挟み、さらに、セパレータ１０の縁部１２と電極構造体２０との間に、ガス流路１１を仕切るゴム等のシール部材２１を挟んだ複数のセル２２を積層し、各セパレータ１０の外周縁のうちの一辺を平らな基準板３０に載せて当て、その下端縁を揃えるとともに、側方の外周縁の少なくとも一方を、図示せぬ平らな基準板を当てるなどして揃える。次に、図２（ｂ）に示すように、全てのセパレータ１０の外周縁を覆うゴム等からなる絶縁カバー４０を、その外周縁に装着する。絶縁カバー４０は、隣り合うセパレータ１０どうしを絶縁するもので、１つのセル２２の一対のセパレータ１０を跨いで装着されるセル単位のものや、スタック全体を覆う一括タイプのものなどが用いられる。このようにして複数のセル２２を積層したら、最終的に、図３に示すように、セル２２の積層体の両側に集電板２３を設けてから、積層体を２つのクランプ板５０で挟み、これらクランプ板５０をボルト５１とナット５２で締結して燃料電池スタックＳを得る。
【００１９】
上記のセパレータの製造方法によれば、プレス成形によるガス流路１１の成形の後、金型の型締め中に引き続きセパレータ１０の外周縁をトリミングするものであり、このようにして製造されるセパレータ１０は、ガス流路１１と外周縁との位置関係が一定であり、寸法誤差が生じにくい。したがって、図２（ａ）で示したようにセパレータ１０の外周縁を基準板３０に当てることにより、図４（ａ）に示すように、各セパレータ１０の外周縁は全周にわたってずれなく揃う。そして、この状態から絶縁カバー４０をセパレータ１０の外周縁に装着するので、絶縁カバー４０の一部にセパレータ１０の外周縁から大きな負荷が偏ってかかるといったことが起こらず、このため、切断を予防するために絶縁カバー４０の厚さを増すことなく、絶縁カバー４０が切断することを防止することができる。
【００２０】
（２）第１実施形態
図５は、本発明の第１実施形態に係る燃料電池用金属製セパレータの製造方法を示している。この方法は、素材板１０Ａを得た後（工程１）、図示せぬ金型で素材板１０Ａをプレス成形してガス流路１１を形成する（工程２）までは上記第１実施形態と同じである。次に、金型の型締めを保持したままの状態で、金型から露出する縁部１２の所定箇所に、位置決め孔１３を穿孔する（工程３）。この場合の位置決め孔１３は、一対の対角２箇所に形成される円形の孔である。次に、金型の型締めを引き続き保持したままの状態で、位置決め孔１３を基準にして縁部１２の外周縁をトリミングする（工程４）。なお、この製造方法では、外周縁のトリミングは金型から素材板１０Ａを取り出し、他の場所で位置決め孔１３を基準にして縁部１２の外周縁をトリミングしてもよい。また、工程２のガス流路１１の成形と工程３の位置決め孔１３の穿孔を同時に行ってもよく、また、これら工程２，３と、さらに工程４の縁部１２の外周縁のトリミングの３工程を同時に行ってもよい。
【００２１】
次に、上記の製造方法で得た複数のセパレータ１０を用いて、図２で示した方法でセル２２を積層し、全てのセパレータ１０の外周縁を覆う絶縁カバー４０を装着し、この後、図３に示すように燃料電池スタックＳを組み立てる。
【００２２】
（３）第２参考例
次に、燃料電池スタックの製造方法の第２参考例を説明する。この場合のセパレータは、通常の製造方法、すなわち、上記素材板１０Ａを金型にセットして上記ガス流路１１をプレス成形し、次いで、金型から素材板１０Ａを取り出して他の場所で上記縁部１２の外周縁をトリミングする工程によって得たものを用いる。このようにして得たセパレータを、図２と同様にして外周縁を基準にしてセルを積層し、セパレータの外周縁に上記絶縁カバー４０を装着してから、図３に示すように燃料電池スタックＳを組み立てる。
【００２３】
この燃料電池スタックの製造方法によれば、セパレータの外周縁を位置決め基準にしてセルを積層することにより、図４（ｂ）に示すように、各セパレータ１０の外周縁が揃って積層される。このため、絶縁カバー４０の一部にセパレータ１０から偏った負荷がかかることがなく、その結果、絶縁カバー４０が切断することを防止することができる。なお、この製造方法では、ガス流路１１のプレス成形と外周縁のトリミングを上記第１実施形態のように関連して行わず、それぞれ独立した工程としたので、ガス流路１１の成形位置にばらつきが生じ、このため、図４（ｂ）に示すように、対面するガス流路１１が整合せず、若干のずれが生じる場合があるが、セパレータ１０の外周縁の突出による絶縁カバー４０の切断は防止される。
【実施例】
【００２４】
次に、実施例を示して本発明の効果を実証する。
（１）素材板の製造
表１に示す成分を有する厚さ０．２ｍｍのオーステナイト系ステンレス鋼板から、一辺が約１００ｍｍの素材板を、必要数切り出して得た。次に、この素材板を用いて、以下の実施例および比較例に係るセパレータを製造し、さらにこれらセパレータと電極構造体を組み合わせて燃料電池スタックを製造した。なお、セパレータの寸法は、いずれも、一辺：８６ｍｍ、厚さ：０．２ｍｍ、ガス流路の領域の一辺：６０ｍｍ、ガス流路の幅：１．５ｍｍ、ガス流路の深さ：１．０ｍｍとした。
【００２５】
【表１】
0004721649.tif 000002
【００２６】
（２）燃料電池スタックの製造
［参考例２］
・試料Ｎｏ．１１〜２０
上記第２参考例の製造方法、すなわち、素材板をプレス成形してガス流路を形成し、素材板を金型から取り出して外周縁をトリミングする工程によって必要数のセパレータを得た。次いで、得られた複数のセパレータと電極構造体を用いて、図２〜図３に示すようにしてセルを積層し、セパレータの外周縁に絶縁カバーを装着して燃料電池スタックを製造した。この製造方法によって、本発明の参考例２に係る１０個の燃料電池スタック：試料Ｎｏ．１１〜２０を得た。
【００２７】
・試料Ｎｏ．２１〜３０
上記第１参考例の製造方法、すなわち、素材板をプレス成形してガス流路を形成し、金型の型締め中に素材板の外周縁をトリミングする工程によって必要数のセパレータを得た。次いで、得られた複数のセパレータと電極構造体を用いて、図２〜図３に示すようにしてセルを積層し、セパレータの外周縁に絶縁カバーを装着して燃料電池スタックを製造した。この製造方法によって、参考例１に係る１０個の燃料電池スタック：試料Ｎｏ．２１〜３０を得た。
【００２８】
・試料Ｎｏ．３１〜４０
上記第１実施形態の製造方法、すなわち、素材板をプレス成形してガス流路を形成し、金型の型締め中に位置決め孔を穿孔し、この後、セパレータの外周縁をトリミングする工程によって必要数のセパレータを得た。次いで、得られた複数のセパレータと電極構造体を用いて、図２〜図３に示すようにしてセルを積層し、セパレータの外周縁に絶縁カバーを装着して燃料電池スタックを製造した。この製造方法によって、本発明の実施例に係る１０個の燃料電池スタック：試料Ｎｏ．３１〜４０を得た。
【００２９】
［比較例］
・試料Ｎｏ．１〜１０
素材板をプレス成形してガス流路を形成し、金型からセパレータを取り出して位置決め孔を穿孔し、この後、外周縁をトリミングする工程によって必要数のセパレータを得た。次いで、得られた複数のセパレータと電極構造体を用いて、セパレータの位置決め孔を基準にしてセルを積層し、セパレータの外周縁に絶縁カバーを装着して燃料電池スタックを製造した。この製造方法によって、本発明に対する比較例に係る１０個の燃料電池スタック：試料Ｎｏ．１〜１０を得た。
【００３０】
（３）測定試験
上記の試料Ｎｏ．１〜４０の燃料電池スタックにつき、以下の項目の測定試験を行った。
ａ．セパレータの有効接触面積率
隣り合うセパレータの有効接触面積率を、次の方法により測定した。
積層されている状態の燃料電池スタック（２０セルの積層体）を、ファインカッターで切断して図４に示すような断面状態とした。この状態で、断面の溝山部分の接触長さを各セルの全てについて光学顕微鏡を用いて計測し、各セルごとの平均値を算出する。その平均値のうち最小の値を、そのスタックの接触長さＬ１とした。そして、セパレータ溝山の平坦部の長さの図面値（設計値）をＬ０としたとき、以下の式から有効接触面積率を求めた。
有効接触面積率＝Ｌ１／Ｌ０
【００３１】
ｂ．セパレータの外周縁の位置ずれ量
セパレータの外周縁の位置ずれ量を、次の方法により測定した。
積層されている状態の燃料電池スタック（２０セルの積層体）を、ファインカッターで切断して図４に示すような断面状態とした。この状態で、図面値（設計値）通りのセパレータの外周縁の位置（絶縁カバーに適性長さ挿入されている状態の外周縁の位置）に対する各セパレータの外周縁のずれ量を光学顕微鏡を用いて計測し、全てのずれ量の中で最大のずれ量を、外周縁の位置ずれ量とした。
【００３２】
ｃ．絶縁カバーの亀裂深さ
絶縁カバーの亀裂深さを、次の方法により測定した。
亀裂が発生したスタックの全ての亀裂について、表面から観察される亀裂の中央部を切断し、切断面に現れる亀裂の深さを計測した。そして、それらの亀裂の深さのうち、最大の深さを、そのスタックの絶縁カバーの亀裂深さとした。
【００３３】
ｄ．１つのセル（単セル）当たりの接触抵抗
２０セルの燃料電池スタックを分解すると、セパレータ：４０枚、電極構造体：２０枚であるから、この電極構造体をカーボンペーパー（東レ社製）に置き換え、再度積層して燃料電池スタックを組み立て、このスタックの端部間の抵抗を測定し、その測定値を、セル数の２０で除した数値を、そのスタックの単セル当たりの接触抵抗とした。
【００３４】
【表２】
0004721649.tif 000003
【００３５】
上記の測定結果を表２に示し、また、特に単セル当たりの接触抵抗と絶縁カバーの亀裂深さに関して、図６にグラフ化した。この測定結果によると、参考例１、参考例２、および実施例の試料Ｎｏ．１１〜４０では、セパレータの外周縁の位置ずれ量が０．１ｍｍを下回っており、いずれも絶縁カバーに亀裂は生じなかった。一方、比較例の試料Ｎｏ．１〜１０では、セパレータの外周縁の位置ずれ量が０．１ｍｍを超え、いずれも絶縁カバーに亀裂を生じていた。したがって、セパレータの外周縁を揃えてセルを積層する製造方法により、絶縁カバーの切断防止の効果が顕著に得られることが実証された。なお、試料Ｎｏ．１１〜２０では、外周縁を揃えるものの、図２（ｂ）に示したようにガス流路にずれが生じたため、本発明の実施例よりもセパレータの有効接触面積率が低く、その結果、接触抵抗も低下したと推測された。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１参考例に係るセパレータの製造方法を示す工程図である。
【図２】本発明の第１参考例に係る燃料電池スタックの製造方法を示す断面図である。
【図３】本発明の第１参考例で製造される燃料電池スタックの断面図である。
【図４】セパレータの外周縁に対する絶縁カバーの装着状態を示す断面図であって、（ａ）は第１参考例および第１実施形態による装着状態、（ｂ）は第２参考例による装着状態、（ｃ）は従来方法による装着状態を示している。
【図５】本発明の第１参考例に係るセパレータの製造方法を示す工程図である。
【図６】参考例１，２、実施例および比較例で製造した燃料電池スタックの単セル当たりの接触抵抗と絶縁カバーの亀裂深さの関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１０…セパレータ、１１…ガス流路、１３…位置決め孔、２０…電極構造体、
２２…セル、４０…絶縁カバー（絶縁部材）、Ｓ…燃料電池スタック。
【図１】
0004721649.tif 000004
【図２】
0004721649.tif 000005
【図３】
0004721649.tif 000006
【図４】
0004721649.tif 000007
【図５】
0004721649.tif 000008
【図６】
0004721649.tif 000009