(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画すべく、金属板に台形の凹凸形状を形成した燃料電池用金属セパレータにおいて、前記金属板に上下セルと接する平坦部と、その平坦部を連結する傾斜部とを形成して台形の凹凸形状とすべく、上方または下方いずれか、あるいは上方と下方の両方の前記平坦部の肉厚を、成形する前記金属板の肉厚の９０％以下に均一に薄く形成した後、前記傾斜部を形成し、
前記金属板は、伸びが３０％以下の延性の少ない材料からなることを特徴とする燃料電池用金属セパレータ。
【請求項２】
前記金属板は、板状のＡｌの両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドＡｌ材、あるいは板状のステンレス鋼の両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドステンレス鋼材からなる請求項１記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項３】
プレス加工により前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成し、この盛り上がり部にプレス加工にて傾斜部と上部平坦部とを形成した請求項１又は２に記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項４】
前記平坦部の圧縮率は、前記金属板を凹凸形状に形成することによる伸び率の逆数よりも小さく設定される請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用金属セパレータ。
【請求項５】
積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画すべく、金属板に台形の凹凸形状を形成する燃料電池用金属セパレータの製造方法において、前記金属板に上下セルと接する平坦部と、その平坦部を連結する傾斜部とを形成して台形の凹凸形状とすべく、上方または下方いずれかの前記平坦部の肉厚を、成形する前記金属板の肉厚の９０％以下に均一に薄く形成した後、前記傾斜部を形成することを特徴とする燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項６】
前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成する圧縮プレス工程と、前記盛り上がり部に傾斜部と上部平坦部を形成する成形プレス工程とからなる請求項５に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
【請求項７】
前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成する第１圧縮プレス工程と、前記盛り上がり部の上部平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下とする第２圧縮プレス工程と、前記上部平坦部と前記下部平坦部との間に傾斜部を形成する成形プレス工程とからなる請求項５記載の燃料電池用金属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、積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画すべく、金属板に台形の凹凸形状を形成した燃料電池用金属セパレータ及びその製造方法に係り、特に、金属板の加工性を向上したうえで成形する高精度形状の燃料電池用金属セパレータ及びそ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、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。固体高分子電解質の表裏にアノード電極とカソード電極を配したものを電解質・電極複合体と呼ぶ。電解質・電極複合体のアノード電極側に燃料ガスを供給し、カソード電極側に酸化剤ガスを供給することで、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応エネルギーにより電気エネルギーを生成する。燃料ガスとして代表的なものは水素であり、酸化剤ガスとしては大気が用いられる。この電気化学反応より取り出せる電圧は１Ｖ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。燃料電池の一つの層を燃料電池セルと呼び、その燃料電池セルを複数層重ねあげたものを燃料電池スタックと呼ぶ。
【０００３】
燃料電池セルを積層する際には、隣り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とを分離するだけではなく、表面に形成された深さ０．５ｍｍ前後で溝間隔が１〜３ｍｍ程度の微細溝により、効率よ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、隣り合うセルのカソード電極に供給する役割も担っている。
【０００４】
上記のような役割を担うセパレータは、水素と酸素とを分離するために水素の透過性が低いことが求められる。また、表面に微細な溝を加工できる成形性や、電子を集め伝導するための低い接触抵抗、高い電気伝導性、および高い耐蝕性能が求められる。
【０００５】
セパレータに要求されるこれらの条件を満たす材料として、従来より黒鉛が用いられてきたが、靭性や加工性に課題がある。
【０００６】
金属を用いたセパレータも用いられている。金属セパレータの利点は、靭性が高く薄くできるため燃料電池の省スペース化につながることや、プレス成形を用いれば生産性が飛躍的に向上し、コスト削減につながることがあげられる。それに対して、金属材料を用いる場合の最大の課題は腐食による電池性能の劣化である。そのために、鉄、ステンレス、アルミや銅などの安価な材料を母材とし、耐食性と高い電気伝導性の両方を満たすＡｕ、Ｐｔなどの貴金属をメッキしたものなどがある。あるいは、母材の上に耐食性の高いＴｉを圧延などで接合し、さらに接触抵抗を避けるためのコーティング処理を施した材料などが用いられている。
【０００７】
金属セパレータの溝の成形方法としては、プレスを用いた加工による方法が主に用いられている。この方法では、１ないし数回の工程でセパレータを成形するが、１工程が数秒以内で終了するために生産性が高い。この成形方法には長短があり、黒鉛製のセパレータと比較すると、形状の自由度が低いという課題がある反面、コンパクトなセルスタックが出来るというメリットもある。
【０００８】
特許文献１には、溝形状を一度成形した後に、頂部を内側に湾曲させてから、再度、平らに成形することにより電解質・電極複合体との接触面を平坦化し、接触抵抗を抑制する方法が開示されている。しかし、凹凸成形自体の変形度は大きく、伸びの少ない材料へは適用が難しい。
【０００９】
特許文献２には、セパレータの成形に角部が凸な金型を用いることで、角部の板厚減少を補償し、電解質・電極複合体との接触面を平坦化し、接触抵抗を抑制する方法が開示されている。これでも、多少材料の加工性が改善できる。
【００１０】
特許文献１、２もそうであるが、従来からの張出成形法を一部改良したもので、図１１に示すように、張出形成する外面コーナー１１２には引張下の曲げがかかり、加工性の悪い材料はそこで引張伸びの限界に達し、割れ、クラックを発生しやすい。
【００１１】
特許文献３には、セパレータ凹凸の凹面１２２をアール工具１２３で押しつけ、アール先端部の肉厚を薄くし、その分反対側の凸面１２４を平滑にするものであるが（図１２参照）、加工性の悪い材料の場合、最初の変形過程は、張出成形と同じで引張応力が発生してしまい、割れる可能性が高い。型に馴染んだ後に圧縮力が加わり、肉薄となるが、それでは加工性改善の効果はない。
【００１２】
【特許文献１】特開２００５−１９０９６８号公報
【特許文献２】特開２００７−１４９４７８号公報
【特許文献３】特開２００２−７５４０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
このように、従来技術の問題点は、いくら耐食性が良く、セパレータの特性や寿命に良い材料であっても、加工性が悪い材料は、セパレータのプレス成形過程でクラックが入り割れてしまい、セパレータに成形できないことである。
【００１４】
従来技術では、主として燃料電池用の金属セパレータの成形は、張出成形法で行われている。材料には、張出成形に必要な引張力がかかっており、それが材料の限界伸びを超えれば、クラック、割れが発生する。
【００１５】
セパレータの特性には、形状の影響・効果も大きく、凹凸ピッチに対し深さが大きいこと、ピッチ自体が小さいことが要求されるが、従来、そのような形状は、加工性の悪い材料では成形できなかった。
【００１６】
オーステナイト系ＳＵＳ（ステンレス鋼）の場合、伸びは４０％から５０％あり、十分な成型能があるが、燃料電池特性の向上が期待される材料は、どちらかと言うと延性が少なく、引張伸びは３０％程度である。例えば、軽量性が期待される表面導電処理ＴｉクラッドＡｌ材の場合には、引張伸びは１０〜２０％というオーダーであり、従来成形法では、浅い凹凸形状しか成形できなかった。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、延性が少なく、加工性の悪い材料でも、割れることなく複雑な凹凸形状の加工を可能とし、高精度な燃料電池用セパレータ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画すべく、金属板に台形の凹凸形状を形成した燃料電池用金属セパレータにおいて、前記金属板に上下セルと接する平坦部と、その平坦部を連結する傾斜部とを形成して台形の凹凸形状とすべく、上方または下方いずれか、あるいは上方と下方の両方の前記平坦部の肉厚を、成形する前記金属板の肉厚の９０％以下に均一に薄く形成した後、前記傾斜部を形成し、前記金属板は、伸びが３０％以下の延性の少ない材料からなる燃料電池用金属セパレータである。
【００２０】
請求項２の発明は、前記金属板は、板状のＡｌの両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドＡｌ材、あるいは板状のステンレス鋼の両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドステンレス鋼材からなる請求項１記載の燃料電池用金属セパレータである。
【００２１】
請求項３の発明は、プレス加工により前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成し、この盛り上がり部にプレス加工にて傾斜部と上部平坦部とを形成した請求項１又は２に記載の燃料電池用金属セパレータである。
【００２２】
請求項４の発明は、前記平坦部の圧縮率は、前記金属板を凹凸形状に形成することによる伸び率の逆数よりも小さく設定される請求項１〜３いずれかに記載の燃料電池用金属セパレータである。
【００２３】
請求項５の発明は、積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画すべく、金属板に台形の凹凸形状を形成する燃料電池用金属セパレータの製造方法において、前記金属板に上下セルと接する平坦部と、その平坦部を連結する傾斜部とを形成して台形の凹凸形状とすべく、上方または下方いずれかの前記平坦部の肉厚を、成形する前記金属板の肉厚の９０％以下に均一に薄く形成した後、前記傾斜部を形成する燃料電池用金属セパレータの製造方法である。
【００２４】
請求項６の発明は、前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成する圧縮プレス工程と、前記盛り上がり部に傾斜部と上部平坦部を形成する成形プレス工程とからなる請求項５に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法である。
【００２５】
請求項７の発明は、前記金属板の平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、前記セルの一方に接する下部平坦部を形成すると共に、その下部平坦部間に盛り上がり部を形成する第１圧縮プレス工程と、前記盛り上がり部の上部平坦部となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下とする第２圧縮プレス工程と、前記上部平坦部と前記下部平坦部との間に傾斜部を形成する成形プレス工程とからなる請求項５記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、低延性の難加工材でもセパレータに適した波形凹凸形状に成形できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータは、固体高分子型燃料電池の積層するセル間に設けられ、燃料ガスと酸化剤ガスの流路を区画するために用いられるものである。
【００２９】
図１（ａ）は、本発明の好適な実施形態を示す燃料電池用金属セパレータの概略図であり、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。
【００３０】
図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１は、金属板の両面に交互に溝部２を形成して、台形の凹凸形状を有する凹凸部３を形成したものであり、金属板にプレス加工などにより上下セルと接する平坦部４と、その平坦部４を連結する傾斜部５とを形成して台形の凹凸形状とすべく、上方または下方いずれか、あるいは上方と下方の両方の平坦部４の肉厚を、成形する金属板の肉厚の９０％以下に均一に薄く形成した後、傾斜部５を形成したものである。
【００３１】
より詳細には、燃料電池用金属セパレータ１に成形する金属板は、伸びが３０％以下の延性の少ない材料からなり、例えば、板状のＡｌの両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドＡｌ材、あるいは板状のＳＵＳ（ステンレス鋼）の両面にＴｉを被覆したＴｉクラッドＳＵＳからなる。本実施形態では、金属板として、Ａｕ、Ｐｔなどの貴金属からなる導電性のナノ膜（Ｍコート）を形成したＴｉクラッドＡｌ（Ｍ−ＴＡＴ）材、あるいはＴｉクラッドＳＵＳ（Ｍ−ＴＳＴ）材を用いた。望ましくは、成形時のプレス荷重を低くするため、変形抵抗の低いＭ−ＴＡＴ材を用いるとよい。
【００３２】
燃料電池用金属セパレータ１は、矩形の板状の外形を有し、その中央部に凹凸形状を形成した矩形状の凹凸部３と、その凹凸部３を囲む平滑な周辺部６からなり、その周辺部６には、周辺部６を貫通するマニホールド穴７が形成される。本実施形態では、マニホールド穴７は、凹凸部３を長さＬ方向（溝部２の溝方向）に挟んで両側に対称に形成し、その幅Ｗ方向に沿って上下対称に２つずつ、合計４つの矩形のマニホールド穴７を形成した。
【００３３】
凹凸部３には、溝部２の底面となる平坦部４と、その平坦部４を連結する傾斜部５とからなる台形の凹凸形状が形成され、その凹凸形状は燃料電池用金属セパレータ１の幅Ｗ方向に沿って形成される。すなわち、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路となる溝部２は、燃料電池用金属セパレータ１の長さ方向と平行に形成され、凹凸部３は平行流路構造を形成する。
【００３４】
凹凸部３の平坦部４は、燃料電池スタック形成時に一方のセルに接する上部平坦部８（図１（ｂ）では上側）と、他方のセルに接する下部平坦部９（図１（ｂ）では下側）とからなる。
【００３５】
また、図２に示すように、凹凸部３の凹凸形状は所定のピッチＰｉで形成され、溝部２の深さ（凹部の高さ）は所定の深さｄｅで形成される。傾斜部５は鉛直方向より所定のテーパ角αをなすように形成され、平坦部４と傾斜部５との接続部である肩部２１は、所定の曲率Ｒで形成される。
【００３６】
本実施形態では、上部平坦部８あるいは下部平坦部９のいずれか、または上部平坦部８と下部平坦部９の両方の肉厚ｔを、成形する金属板の肉厚（周辺部６の肉厚）ｔｏの９０％以下に均一に薄く形成した。これは、平坦部４の肉厚ｔを、成形する金属板の肉厚ｔｏの９０％を超えると、成形時に肩部２１にクラック（割れ）が発生するためである。
【００３７】
次に、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１の製造方法を説明する。
【００３８】
第１の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、図３に示すように、まず、金属板３１の上方に上側凹凸成形型３２、下方に平面成形型３３を対向配置し、これら上側凹凸成形型３２、平面成形型３３間に金属板３１を配置して上下からプレスする（圧縮プレス工程）。このとき、金属板３１に上側凹凸成形型３２の凸部が接触する部分が下部平坦部９となる。
【００３９】
第１の実施形態では、この圧縮プレス工程を行う際、下部平坦部９の肉厚ｔが、金属板の肉厚ｔｏの９０％以下となるように圧縮プレスを行う。これにより、下部平坦部９の１０％の減肉分は、横方向（上側凹凸成形型３２の凹部）にはみ出して盛り上がり部３４を形成し、金属板３１は自然と略凹凸形状を形成してセパレータ基体３５となる。この圧縮プレス工程では圧縮が主体の変形をしており、引張応力は発生しない。
【００４０】
また、この圧縮プレス工程では、従来の張出加工法と比較してプレス荷重が数倍大きくなる。したがって、プレス荷重を下げるため、室温での加工よりも、温間での加工が望ましい。
【００４１】
圧縮プレス工程を行った後、セパレータ基体３５の上方に上側凹凸成形型３２、下方に上側凹凸成形型３２と逆の凹凸形状を有する下側凹凸成形型３６を対向配置し、これら上側凹凸成形型３２、下側凹凸成形型３６間にセパレータ基体３５を配置して上下からプレスする（成形プレス工程）。この成形プレス工程により、セパレータ基体３５の盛り上がり部３４に傾斜部５および上部平坦部８を形成し、凹凸部３の凹凸形状を整形する。
【００４２】
このとき、圧縮プレス工程で盛り上がり部３４を形成して成形厚さ（盛り上がり部３４の厚さ）を大きく取っているため、成形プレス工程で引張応力は殆ど発生せず、圧縮応力下で変形する。
【００４３】
また、下部平坦部９の圧縮率（肉厚比率）ｔ／ｔｏは、金属板３１を凹凸形状に形成することによる伸び率の逆数よりも小さく設定される。
【００４４】
ここで、金属板３１の加工限界を説明する。金属板３１の加工限界は、金属板３１を凹凸形状に成形することによる伸び歪量と等価の肉厚減少による圧縮歪を与える条件により決まる。すなわち、金属板３１の肉厚ｔｏを基準とした下部平坦部９の肉厚ｔの圧縮率ｔ／ｔｏを溝部２の幅方向の伸び率の逆数と等価とする条件が加工限界となる。
【００４５】
伸び率は、図２より（Ｐｉ＋（１／ｃｏｓα−ｔａｎα）ｄｅ×２）／Ｐｉで表されることから、加工限界の条件は、
ｔ／ｔｏ＝Ｐｉ／（Ｐｉ＋（１／ｃｏｓα−ｔａｎα）ｄｅ×２）  （１）
で表すことができる。
【００４６】
圧縮率ｔ／ｔｏを式（１）の加工限界値より小さくすることで、下部平坦部９の圧縮量はその両側に形成される傾斜部５の伸び量を補い、成形時にクラックが生じず、健全な燃料電池用金属セパレータ１を形成できる。
【００４７】
以上により、図１の燃料電池用金属セパレータ１が得られる。
【００４８】
本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１では、上部平坦部８または下部平坦部９いずれか、あるいは上部平坦部８と下部平坦部９の両方の肉厚ｔを、金属板３１の肉厚ｔｏの９０％以下に均一に薄く形成した後、傾斜部５を形成している。
【００４９】
燃料電池用金属セパレータ１では、上部平坦部８または下部平坦部９いずれかの肉厚ｔを、金属板３１の肉厚ｔｏの９０％以下にすることにより、１０％の減肉分は横方向にはみ出して傾斜部５となる部分の厚さを増すため、成形プレス工程時にクラックが入ることがなく、Ｍ−ＴＡＴ材、Ｍ−ＴＳＴ材などの低延性の難加工材でも複雑な凹凸形状の加工が可能となる。さらに、金ナノクラッドＳＵＳ（ＳＵＳ３１６）などの加工性のよい材料を用いた場合には、従来よりもさらに凹凸形状が高く、テーパ角が急な形状に形成でき、より複雑な流路形状を形成できる。
【００５０】
また、特に金属板３１として延性の低いＭ−ＴＡＴ材を用いる場合は、従来の張出形成法では浅い流路形状しか形成できず、セパレータの特性も低い性能しか得られていなかった。しかし、燃料電池用金属セパレータ１によれば、Ｍ−ＴＡＴ材を用いても、平坦部４の肉厚ｔが薄く、溝深さｄｅが深く、テーパ角αが急で、かつ平坦部４の接触面が広い、セパレータに適した形状に形成できる。これにより、燃料電池用金属セパレータ１は、圧損が低く、特性が良好であり、かつ軽量性、対寿命性に優れる。
【００５１】
さらに、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１では、金属板３１として薄肉で、Ｍ−ＴＡＴ材やＭ−ＴＳＴ材よりも加工性の悪い材料を用いても、セパレータに適した形状に加工できる。
【００５２】
また、本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータ１では、平坦部４の圧縮率ｔ／ｔｏが、金属板３１を凹凸形状に形成することによる伸び率の逆数よりも小さく設定されている。
【００５３】
すなわち、圧縮率ｔ／ｔｏを式（１）で示される加工限界よりも小さい値とすることで、平坦部４の圧縮量で傾斜部５の伸び量を補うことができ、成形プレス工程時にクラックの発生を抑制することができる。
【００５４】
また、第１の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、金属板３１の下部平坦部９となる位置に圧縮応力を付与して肉厚を９０％以下にし、下部平坦部９と盛り上がり部３４を形成する圧縮プレス工程と、盛り上がり部３４に傾斜部５と上部平坦部８を形成する成形プレス工程とからなる。
【００５５】
一般に、プレス加工では、金属材料（金属板３１またはセパレータ基体３５）にかかる応力状態が引張が主か、あるいは圧縮が主かで、破壊の形態は大きく変わる。金属材料の変形および降伏応力は、引張でも圧縮でもほぼ同じ値で、塑性変形は同じ値で開始する。しかし、それが破壊してクラックが入るかどうかは応力の状態への依存性が大きく、破壊歪は、引張か圧縮かで、数倍から数十倍の違いが出てくる。
【００５６】
第１の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法では、圧縮プレス工程で盛り上がり部３４を形成することにより、成形プレス工程中に引張応力が生じず、圧縮応力で変形させることができるため、成形時に伸びが最大となる肩部２１にクラックを生じることがなく、健全な燃料電池用金属セパレータ１を成形することができる。
【００５７】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法を説明する。
【００５８】
図４に示すように、第２の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、図３に示す第１の実施形態と基本的に同じであり、圧縮プレス工程と成形プレス工程との間に下圧縮プレス工程（第２圧縮プレス工程）を行う方法である。図４の上圧縮プレス工程（第１圧縮プレス工程）は、第１の実施形態で説明した図３の圧縮プレス工程と同じである。
【００５９】
下圧縮プレス工程では、セパレータ基体３５の上方に平面成形型３３、下方に下側凹凸成形型３６を対向配置し、それら平面成形型３３、下側凹凸成形型３６間にセパレータ基体３５を配置して上下からプレスする。これにより、盛り上がり部３４の上部平坦部８となる部分が下側凹凸成形型３５の凸部で圧縮される。
【００６０】
このとき、上部平坦部８の肉厚が、金属板の肉厚ｔｏの９０％以下となるように圧縮プレスを行う。これにより、上部平坦部８での１０％の減肉分が、盛り上がり部３４の傾斜部５となる部分にはみ出し、盛り上がり部３４の傾斜部５となる部分の肉厚をさらに厚くする。
【００６１】
すなわち、下部平坦部９の減肉分に加えて、上部平坦部８の減肉分も盛り上がり部３４の傾斜部５となる部分に移動するため、成形プレス工程でさらに安定して傾斜部５を形成することが可能となり、溝部２の溝深さｄｅをより深く形成することができる。
【００６２】
成形プレス工程を行った後、金属板３１を２つの平面成形型３３を用いて上下からプレスし、平坦部４の面精度を改善させるとよい（矯正プレス工程）。
【００６３】
第２の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、第１の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法では十分な溝深さｄｅを確保できない場合に用いるとよい。
【００６４】
上記実施形態では、金属板３１として、表面に導電性のナノ膜（Ｍコート）を設けたＴｉクラッドＡｌ（Ｍ−ＴＡＴ）材あるいはＴｉクラッドＳＵＳ（Ｍ−ＴＳＴ）材からなるものを用いたが、これに限定されず、例えば、金ナノクラッドＳＵＳ（ＳＵＳ３１６）、導電析出物を含んだＳＵＳなどからなるものを用いてもよい。
【００６５】
また、上記実施形態では、燃料電池用金属セパレータ１を平行流路構造としたが、所定のサーペンタイン（蛇行）構造としてもよい。
【実施例】
【００６６】
金属板３１として、表面に導電性のナノ膜（Ｍコート）を設けたＭ−ＴＡＴ材０．３ｔ（実施例１）、Ｍ−ＴＳＴ材０．２ｔ（実施例２）、Ｍ−ＴＳＴ材０．１ｔ（実施例３）を用いた。
【００６７】
各クラッド材の詳細は、
Ｍ−ＴＡＴ材：Ｍコートとして、９ｎｍのＡｕを付着させた
純Ｔｉ／Ａ５１８３／純Ｔｉのクラッド材
純Ｔｉクラッド比率２０％
Ｍ−ＴＳＴ材：Ｍコートとして、９ｎｍのＡｕを付着させた
純Ｔｉ／ＳＵＳ４３０／純Ｔｉのクラッド材
純Ｔｉクラッド比率２０％
である。これらの材料の引張特性および引張伸びを表１に示す。表１では、比較のためＴｉ、Ａｌ、ＳＵＳ４３０、ＳＵＳ３０４の素材単体の引張特性および引張伸びもあわせて示した。
【００６８】
【表１】
0005163028.tif 000002
【００６９】
表１に示すように、引張強度は、Ｍ−ＴＡＴ材で約３２０ＭＰａ、Ｍ−ＴＳＴ材で約５２０ＭＰａであり、Ｍ−ＴＡＴ材の方がかなり低い。引張伸びは、Ｍ−ＴＡＴ材０．３ｔで約２０％、Ｍ−ＴＳＴ０．２ｔで約３０％、Ｍ−ＴＳＴ０．１ｔで約２０％である。板厚が薄いほど引張伸びは減少し、Ｍ−ＴＡＴ材の方が、Ｍ−ＴＳＴ材より伸びが少ない。
【００７０】
これらの金属板３１を用い、図１に示す小型形状の燃料電池用金属セパレータ１をそれぞれ製作した。燃料電池用金属セパレータ１の長さＬは６７ｍｍ、幅Ｗは３２ｍｍ、周辺部６の肉厚ｔｏは０．７ｍｍとした。周囲は平滑な周辺部６で、マニホールド孔７があり、中央部に波型の凹凸形状を有する凹凸部３を形成した。凹凸部３は、図２に示すように、一定間隔ピッチＰｉの波形の凹凸形状で、上下面に平坦部４を有し、そこに深さｄｅの溝部２を設けており、傾斜部５は角度αの傾斜をつけた形状とした。金属セパレータでは一般にこのような形状が用いられ、アノード側、カソード側で溝間隔を変える場合もある。実施例１〜３では、Ｐｉ＝３ｍｍ、α＝４５度とし、溝深さｄｅを変化して成形を行い、加工限界の試験を行った。
【００７１】
また、比較例として、Ｍ−ＴＡＴ材０．３ｔ（比較例１）、Ｍ−ＴＳＴ０．２ｔ（比較例２）、Ｍ−ＴＳＴ０．１ｔ（比較例３）の金属板を用い、従来の張出成形法で燃料電池用金属セパレータを製作した。加工限界の比較結果を図６に示す。図６の○、×は、割れの有無を示す。
【００７２】
図６に示すように、比較例１〜３では、溝深さ比ｄｅ／Ｐｉを大きくすると、波形の凹凸形状の肩部２１に割れ（クラック）が発生する（図５参照）。比較例１は加工限界値がｄｅ／Ｐｉ＝０．１１であるのに対し、比較例２ではｄｅ／Ｐｉ＝０．１７、比較例３ではｄｅ／Ｐｉ＝０．１６である。この加工限界値は、ある程度引張伸びと相関があり、正確には、張力と凹凸曲げによる伸び量が、材料の限界値を超えるとクラック割れが発生するもので、伸びが最大となる肩部２１で割れが発生する。したがって、従来の張出成形法では、伸びの小さい材料には大きな溝深さは成形できない。
【００７３】
一方、本発明による実施例１〜３では、図３に示すように、圧縮された材料が水平方向にはみ出すことにより、その余肉で曲げ変形をさせ、波形の凹凸形状とするもので、材料内に引張応力は発生しない。実施例１〜３では、比較例１〜３の加工限界値を超える溝深さ比ｄｅ／Ｐｉ＝０．２（Ｐｉ＝３ｍｍ、ｄｅ＝０．６ｍｍ）以上としたが、肩部２１のクラック割れは全くなく、健全であった。このように、従来例と本発明との成形性に関する差は顕著である。使用した金属板の表面にはＡｕのナノ膜を被覆したＭコート処理をしてあるが、実施例１〜３では被膜の剥離などもなく、全て健全であった。
【００７４】
以上のような加工方式による加工限界の違いが、どのような理由によるものかをさらに明確にするために、変形による肉厚比率ｔ／ｔｏを変化させて実験を行った。プレス加工による成形前と成形後の溝部２の底面（平坦部４）の肉厚比率ｔ／ｔｏを基準として、加工限界を示したのが図７〜９である。図７はＭ−ＴＡＴ０．３ｔ材（実施例１、比較例１）、図８はＭ−ＴＳＴ０．２ｔ材（実施例２、比較例２）、図９はＭ−ＴＳＴ０．１ｔ材（実施例３、比較例３）の加工限界を示す。図１０は、実施例１〜３において、一定の成形条件（成形線で示す）で統括し、肉厚比率ｔ／ｔｏと溝深さｄｅの加工限界を示したものである。
【００７５】
図７〜９のいずれの図でもそうであるが、比較例１〜３では、肉厚比率ｔ／ｔｏは０．９５〜１．０であり、プレス加工により肉厚は殆ど変化しておらず、溝形成による張出変形と凹凸曲げ変形による伸び率が材料の限界値を超えると、クラックが発生する。一方、本発明による実施例１〜３では、圧縮プレス工程の肉厚減少が肉厚比率ｔ／ｔｏを決めており、肉厚減少が少ない条件ではクラック割れは残るが、ある限界以上に肉厚を薄くすると、肩部２１のクラックはなくなり、それ以上は割れることがなく健全となる。
【００７６】
この加工限界は、ｔ／ｔｏが約０．９以下であり、平坦部４の肉厚ｔを加工前の金属板３１の肉厚ｔｏの９０％以下に均一に薄くすることで、健全品が得られることになる。本発明を用いなければ、このように周辺部６の肉厚よりも平坦部４の肉厚が薄い燃料電池用金属セパレータ１を造ることはできない。
【００７７】
また、図７〜９において比較例１〜３の加工限界を点線（２）で示すが、これは、張出変形と曲げ変形による伸び率が、材料の限界値を超えたことにより生ずるもので、材種により変化し、伸びの大きい材料ほど健全加工領域は広くなる。
【００７８】
さらに、図７〜１０において、式（１）により算出した値を計算値として示す。図７〜１０に示すように、式（１）より算出した計算値が実施例１〜３のクラック割れ発生の限界条件値と一致している。したがって、加工性の悪い材料でも、加工前後の肉厚比率ｔ／ｔｏを式（１）よりも小さくすることで、材料の延性に関係なく、健全な燃料電池用金属セパレータ１を成形することができる。
【００７９】
すなわち、本発明によれば、平坦部４の肉厚ｔが、加工前の金属板３１の肉厚（周辺部６の肉厚）ｔｏより、式（１）で与えられる比率以下に薄くすることにより、燃料電池用金属セパレータ１をクラックのない健全な形で提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１（ａ）は本発明の好適な実施形態を示す燃料電池用金属セパレータの概略図、図１（ｂ）はその１Ｂ−１Ｂ線断面図である。
【図２】本実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの凹凸部の拡大断面図である。
【図３】第１の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法を説明する図である。
【図４】第２の実施形態に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法を説明する図である。
【図５】燃料電池用金属セパレータ成形時に生じるクラックを説明する図である。
【図６】本発明と従来の張出成形法の加工限界を比較する図である。
【図７】Ｍ−ＴＡＴ０．３ｔ材の肉厚比率と溝深さの加工限界を示す図である。
【図８】Ｍ−ＴＳＴ０．２ｔ材の肉厚比率と溝深さの加工限界を示す図である。
【図９】Ｍ−ＴＳＴ０．１ｔ材の肉厚比率と溝深さの加工限界を示す図である。
【図１０】Ｍ−ＴＡＴ０．３ｔ材、Ｍ−ＴＳＴ０．２ｔ材、Ｍ−ＴＳＴ０．１ｔ材の肉厚比率と溝深さの加工限界を示す図である。
【図１１】従来の燃料電池用金属セパレータの製造方法の一例を説明する図である。
【図１２】図１２（ａ）は従来の燃料電池用金属セパレータの一例を示す概略図、図１２（ｂ）はその製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
【００８１】
１  燃料電池用金属セパレータ
４  平坦部
５  傾斜部
【図１】
0005163028.tif 000003
【図２】
0005163028.tif 000004
【図３】
0005163028.tif 000005
【図４】
0005163028.tif 000006
【図５】
0005163028.tif 000007
【図６】
0005163028.tif 000008
【図７】
0005163028.tif 000009
【図８】
0005163028.tif 000010
【図９】
0005163028.tif 000011
【図１０】
0005163028.tif 000012
【図１１】
0005163028.tif 000013
【図１２】
0005163028.tif 000014