(57)【要約】【課題】電極における発熱や偏流の発生を極力抑制して電気化学的加工の加工精度を向上させることができると共に、装置の小型化及び軽量化を図ることが可能な電気化学加工装置を提供する。【解決手段】電気化学加工装置の一種である電解加工装置は、被加工物Ｗ及び電解液を収める電解槽１４と、直流電源としての燃料電池スタック２０と、加工用電極３１とを備えている。燃料電池スタック２０の積層方向下端部を構成するセパレータ２６と加工用電極３１とは、緊密な面接触状態を保ちながら一体化されている。このため、被加工物Ｗを加工用電極３１に対する反対電極と位置づけて電解加工を行ったときでも、加工用電極３１における発熱や偏流の発生が抑制される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源及び加工用電極を備え、被加工物を前記加工用電極に対する反対電極と位置づけて電気化学的加工を行う電気化学加工装置において、
前記直流電源は燃料電池スタックであり、その燃料電池スタックが前記二つの電極のうちの一方と一体化している又は一体化し得ることを特徴とする電気化学加工装置。
【請求項２】
前記燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータの端面が前記二つの電極のうちの一方に対して面接触することにより、当該燃料電池スタックが前記二つの電極のうちの一方と一体化している又は一体化し得ることを特徴とする請求項１に記載の電気化学加工装置。
【請求項３】
前記燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータと前記加工用電極とを一体物として形成することにより、当該燃料電池スタックが前記加工用電極と一体化していることを特徴とする請求項１に記載の電気化学加工装置。
【請求項４】
電気化学的加工の際に前記二つの電極のうちの一方から発生する水素を回収するためのガス回収機構を備え、その回収した水素を前記燃料電池スタックの燃料として再利用可能としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解加工、電解エッチングあるいは電気メッキに代表されるような電気化学的加工を行うための電気化学加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学加工装置の一種である電解加工装置は、加工用電極と、それに電流を供給する電源とを備え、被加工物を前記加工用電極に対する反対電極と位置づけて電解加工を行うように構成されている。一般に電源は、交流電流を直流電流に変換するための整流器を備えた直流電源である。このため、電源は加工用電極とは別体であり、両者は給電ケーブル及び接続端子を介して電気的に接続される（例えば特許文献１の図２１参照）。
【０００３】
電解加工では、加工能率を高めるために大電流（例えば数百アンペア）を使用することが多い。そのため、電極と接続端子との間の接触電気抵抗のために当該接続部で発熱が起こりエネルギーロスを生じやすかった。それのみならず、接続部での発熱によって電極の接続端子付近とそれ以外の部位とで大きな温度差が生じ、温度分布の不均一性に起因して同一被加工物であっても部位によって加工精度にばらつきが生じやすかった。また、電極に対して接続端子が小さすぎると、電極内に電流の偏り（偏流）が生じ、そのことが被加工物の加工精度に悪影響を及ぼすことがあった。
【０００４】
接続部での発熱や偏流を極力回避するために、電極と給電ケーブルとをつなぐ接続端子の断面積を大きくしたり、高導電率の配線材料を用いたりして電気抵抗の低減を図るような対策も可能ではある。しかしながら、そのような対策では、接続端子を含めた給電回路全体が大型化及び大重量化してしまう。そもそも、交流電流から大出力の直流電流を得るという電源構成では大型の整流器が必要となり、電源を含めた装置全体のコンパクト化を図ることが難しい。
【０００５】
【特許文献１】特開平５−３４５２２５号公報（図２１、従来技術の欄）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電極における発熱や偏流の発生を極力抑制して電気化学的加工の加工精度を向上させることができると共に、装置の小型化及び軽量化を図ることが可能な電気化学加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、直流電源及び加工用電極を備え、被加工物を前記加工用電極に対する反対電極と位置づけて電気化学的加工を行う電気化学加工装置において、前記直流電源は燃料電池スタックであり、その燃料電池スタックが前記二つの電極のうちの一方と一体化している又は一体化し得ることを特徴とする電気化学加工装置である。
【０００８】
請求項１によれば、燃料電池スタックを電極（加工用電極又は反対電極としての被加工物）と一体化することで、両者間の接触電気抵抗を低減でき、接続部における発熱を抑制して電極における温度分布の不均一化を回避し、電気化学的加工の加工精度を向上させることができる。また、燃料電池スタックと電極との一体化により、給電回路構成を従来よりも簡素化でき、装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の電気化学加工装置において、前記燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータの端面が前記二つの電極のうちの一方に対して面接触することにより、当該燃料電池スタックが前記二つの電極のうちの一方と一体化している又は一体化し得ることを特徴とする。
【００１０】
請求項２によれば、燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータの端面が電極（加工用電極又は反対電極としての被加工物）に対して面接触するため、セパレータ端面と電極との接触面積が広大化して両者間の導通抵抗を低減できる。また、面接触とすることによりセパレータ端面と電極との密着度を高めて接触電気抵抗を小さくすることが可能となる。このため、直流電源からの電流供給時に当該電極において発熱や偏流の発生が抑制され、電気化学的加工の加工精度が向上する。
【００１１】
尚、請求項１及び２における「二つの電極のうちの一方」が加工用電極であることは好ましい。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１に記載の電気化学加工装置において、前記燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータと前記加工用電極とを一体物として形成することにより、当該燃料電池スタックが前記加工用電極と一体化していることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３によれば、燃料電池スタックの積層方向一端部を構成するセパレータと加工用電極とを一体物として形成しておくことで、直流電源と加工用電極との電気的接続に関する各種問題（上述したような発熱や偏流の問題等）を回避して、電気化学的加工の加工精度を向上させることができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の電気化学加工装置において、電気化学的加工の際に前記二つの電極のうちの一方から発生する水素を回収するためのガス回収機構を備え、その回収した水素を前記燃料電池スタックの燃料として再利用可能としたことを特徴とする。
【００１５】
請求項４によれば、電気化学的加工の際に発生した水素を燃料電池スタックの燃料として再利用でき、資源及びエネルギーの有効利用を図ることが可能となる。
【発明の効果】
【００１６】
以上詳述したように各請求項に記載の電気化学加工装置によれば、電極における発熱や偏流の発生を極力抑制して電気化学的加工の加工精度を向上させることができる。また、直流電源としての燃料電池スタックと電極との一体化により、装置全体の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
【００１７】
また請求項４によれば、電気化学的加工の際に発生した水素を燃料電池スタックの燃料として再利用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】
【００１８】
本発明を電解加工装置に具体化したいくつかの実施形態を図面を参照しつつ説明する。図１は電解加工装置の基本型を示し、図２はその基本型を発展させた実用型を示す。
【００１９】
図１に示すように、絶縁基台１１の上に設けられた平板状の端子板１２の上には、被加工物Ｗが設置される。被加工物Ｗは例えばステンレス製の直方体である。被加工物Ｗは、複数本のボルト１３を用いて端子板１２及び絶縁基台１１に締結されており、被加工物Ｗの底面全体が端子板１２の上面に面接触している。被加工物Ｗの底面及び端子板１２の上面はともに平滑面となっている。ボルト１３の締結力のために、被加工物Ｗの底面と端子板１２との面接触は緊密であり、両者（Ｗ，１２）間の接触電気抵抗は非常に小さい。
【００２０】
絶縁基台１１の上には電解槽１４が設けられている。被加工物Ｗは、その上半部が電解槽１４の底壁部から突出するように電解槽１４内に配置されている。被加工物Ｗと電解槽１４の底壁部との接触領域近傍には液漏れ防止用のシール材１５が設けられ、電解槽１４内には電解液（例えば硝酸ナトリウム水溶液）が満たされる。電解槽１４の外に設けられたポンプ機構Ｐにより電解液に電解槽１４の内外を循環させ、その際に電解液にフィルタ１６を通過させることで、電解加工時の副生物を除去可能としている。
【００２１】
電解槽１４の上方には、燃料電池スタック２０及び加工用電極３１が、図示しない支持機構によって垂直方向に移動可能に支持されている。燃料電池スタック２０と加工用電極３１とは一体化されており、両者は電極送り機構３２によって一体的に垂直移動可能となっている。尚、電極送り機構３２は、電解加工時に、加工用電極３１と反対電極としての被加工物Ｗとの間の距離（極間距離）が常に許容限度内に保たれるように加工用電極３１の垂直位置を調節する。
【００２２】
図１には、電池セル２５（又は単位電池）の積層数が１（即ち単セル）の燃料電池スタック２０が示されている。即ちその燃料電池スタック２０は、プレッシャプレート２１、絶縁板２２、平板状の端子板２３、空気側セパレータ２４、電池セル２５及び水素側セパレータ２６を上から順に積層して構成されている。電池セル２５は、プロトン透過性を持つ高分子材料を基材とする固体高分子膜２５ｂを、ガス透過性と導電性とを兼ね備えた材料（例えば多孔質カーボン材料）からなる空気側電極２５ａ及び水素側電極２５ｃ間に挟んで構成されている。そして、この電池セル２５を空気側セパレータ２４と水素側セパレータ２６との間に配置することにより、単位電池（２４〜２６）が構成されている。空気側セパレータ２４は、空気供給経路２７を介してもたらされる空気（酸素）を電池セルの空気側電極２５ａに供給するための内部通路を備えている。同様に、水素側セパレータ２６は、水素供給経路２８を介してもたらされる水素を電池セルの水素側電極２５ｃに供給するための内部通路を備えている。
【００２３】
燃料電池スタック２０の積層方向最下端部を構成する水素側セパレータ２６の下面側には、板状の加工用電極３１が設けられている。加工用電極３１は、例えばグラファイト系の素材で作られている。加工用電極３１、並びに、燃料電池スタック２０を構成する水素側セパレータ２６、空気側セパレータ２４、端子板２３、絶縁板２２及びプレッシャプレート２１は、複数本のボルト２９を用いて相互に締結されている。また、加工用電極３１の上面、水素側セパレータ２６の下面、空気側セパレータ２４の上面及び端子板２３の下面はいずれも平滑面となっている。このため、加工用電極３１の上面全体が水素側セパレータ２６の下面に面接触すると共に、ボルト２９の締結力のために加工用電極３１と水素側セパレータ２６との面接触が緊密となって両者（３１，２６）間の接触電気抵抗が非常に小さくなっている。同様に、端子板２３の下面全体が空気側セパレータ２４の上面に面接触すると共に、ボルト２９の締結力のために端子板２３と空気側セパレータ２４との面接触が緊密となって両者（２３，２４）間の接触電気抵抗が非常に小さくなっている。
【００２４】
また、加工用電極３１及び燃料電池スタック側の端子板２３と、被加工物側の端子板１２とは、負荷制御回路３３を介して電気的に接続されている。この負荷制御回路３３は、燃料電池スタック２０で発電されて端子板２３から端子板１２に向けて流れる直流電流の大きさを制御すると共に、電流値の変動を防止又は緩和する内部回路を備えて直流電流を安定化させる働きをする。
【００２５】
更に、電解槽１４の上方には、ガス回収機構を構成するガス回収フード１８が設けられており、電解加工時の電解液の電気分解により電極付近で発生する水素ガスを回収可能としている。回収された水素ガスは、必要に応じて水素供給経路２８に導かれ、燃料電池スタック２０の燃料として再利用される。
【００２６】
図１の装置では、電池セル又は単位電池の積層数が１の燃料電池スタック２０を採用したが、図２に示すように、電池セル又は単位電池Ｃの積層数がＮ（Ｎは２以上の自然数）の燃料電池スタック２０を採用してもよい。これにより、燃料電池スタック２０の発電能力を飛躍的に向上させることができる。
【００２７】
なお、図２に示すタイプの電解加工装置であって単位電池Ｃの積層数Ｎを２０とした装置を用いて、ＳＵＳ３０４製の被加工物Ｗに対して電解加工を試みた。その際の加工条件を、極間間隔：０．０５〜０．３０ｍｍ、極間電圧：２〜１５ボルト、電流密度：０．５Ａ／ｃｍ2とした。その結果、被加工物Ｗの上面に深さ０．２ｍｍの溝を形成することができ、被加工物Ｗ上のどの位置でも溝深さは一様でほとんどバラツキはなかった。
【００２８】
（実施形態の効果）
図１及び図２の電解加工装置によれば、燃料電池スタック２０と加工用電極３１とが緊密な面接触状態を保ちながら一体化されているので、燃料電池スタック２０の端部を構成する水素側セパレータ２６の端面と加工用電極３１との接触面積が大きくなって両者間の導通抵抗を低減することができる。また、緊密な面接触とすることにより、セパレータ端面と加工用電極３１との密着度を高めて接触電気抵抗を小さくすることができる。このため、電解加工時には、加工用電極３１における局部的な発熱を抑制して温度分布の不均一化を防止できると共に、偏流の発生を極力回避することができ、被加工物Ｗの電解加工精度を向上させることができる。
【００２９】
電解加工装置の電源として燃料電池スタック２０を採用したので、巨大な整流器を必要とした従来の電源装置に比べて、直流電源自体を小型化することができる。加えて、燃料電池スタック２０と加工用電極３１とを一体化することで給電回路構成を簡素化することができ、電解加工装置の小型化及び軽量化を図ることが可能となる。
【００３０】
電解加工時に陰極側で発生する水素ガスをガス回収フード１８で回収し燃料電池スタック２０の燃料として再利用できるので、資源及びエネルギーの有効利用が図られる。
【００３１】
（変更例）本発明の実施形態を以下のように変更してもよい。
前記燃料電池スタック２０の積層方向下端部を構成するセパレータ２６と前記加工用電極３１とを予め一体物として形成すること（即ちセパレータ２６の下端部を加工用電極として機能させるような設計とすること）により、燃料電池スタック２０と加工用電極３１との一体化を図ってもよい。
【００３２】
図１及び図２では、燃料電池スタック２０を電解槽１４の上方に配設した。これに代えて、燃料電池スタック２０を電解槽１４の下部又は下方に配置すると共に、電解加工時には、燃料電池スタック２０の上端部を構成するセパレータに対して被加工物Ｗを面接触状態で一体化させ得るように設計してもよい。
【００３３】
また、水素供給経路２８から排気される水素ガスを回収して再利用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】電解加工装置の一例（基本型）を示す概略断面図。
【図２】電解加工装置の別例（実用型）を示す概略断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１２…被加工物側の端子板、１４…電解槽、１８…ガス回収フード（ガス回収機構）、２０…燃料電池スタック、２３…燃料電池スタック側の端子板、２４…空気側セパレータ、２５…電池セル、２６…水素側セパレータ、２７…空気供給経路、２８…水素供給経路、３１…加工用電極、Ｗ…被加工物。
【図１】
2005111620.tif 000003
【図２】
2005111620.tif 000004