JP6125194B2 - 金属プレートにおけるシール装着溝の加工方法 - Google Patents

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Description

本発明は、金属プレートにおけるシール装着溝の加工方法に係り、すなわち金属プレートの平面上にシール装着溝を加工するための方法に関する。金属プレートは例えば、燃料電池のセル構成部品であるセパレータとして用いられる。
これからの燃料電池の普及にはセパレータやガスケット等のセル構成部品の小型化、製作容易化および低コスト化が必要である。これらの要求に応えるには例えば、金属プレートよりなるセパレータにゴム状弾性体よりなるガスケットを直接一体成形するセパレータ一体シールが有望であるが、このようなセパレータ一体シールを採用するにはその前提として、セパレータ自体の製作容易化および低コスト化を併せ検討する必要がある。
図４は、金属プレートよりなるセパレータ１１の一例を示し、セパレータ１１の平面上には、発電領域１２の回りを囲むようにして、また各マニホールド孔１３の回りを囲むようにしてガスケット２１が一体成形されている（特許文献１参照）。
また図５に示すように、セパレータ１１の平面上には、ガスケット２１の配置に合わせて、ガスケット２１を装着するためのシール装着溝１４が形成され、このシール装着溝１４の溝底部１４ａに対しガスケット２１を一体成形するのが一般的である。
金属プレートよりなるセパレータ１１の平面上にシール装着溝１４を形成する方法として、切削加工法がある。
しかしながら切削加工法には、加工精度が良いものの、加工コストが高い問題がある。
また、金属プレートよりなるセパレータ１１の平面上にシール装着溝１４を形成する方法として、プレス加工法があり、このプレス加工法は図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、ポンチ３１による強圧によってセパレータ１１の平面上にシール装着溝１４を形成する。ポンチ３１はプレス型の一部として備えられることが多い。
しかしながら従来は、図示するようにポンチ３１の先端部３１ａがセパレータ１１の表面１１ａに対し平行な平坦状とされているため、プレス圧力が分散し、よってよほど大きなプレス圧力をかけないと、所定の深さを備えるシール装着溝１４を形成することができない。
また、シール装着溝１４の形成に伴って塑性変形する金属がシール装着溝１４の左右両側の肩部で盛り上がるため（盛り上がり部を符号１５で示す）、この盛り上がり現象によって、正常に機能することが可能な発電領域１２の平面積が狭くなる虞がある。また、盛り上がり部１５を潰して平らにする絞り加工を行なう場合に、大きなプレス圧力をかけないと、左右両側の盛り上がり部１５を潰して平らにすることができない。
特開２０１１−９６５４５号公報（図６）
本発明は以上の点に鑑みて、小さなプレス圧力でシール装着溝を形成することができ、もって製作容易性および低コスト化の要求に応えることが可能であるとともに、シール装着溝の形成に伴って塑性変形する金属の盛り上がり現象による不都合を解消することが可能な金属プレートにおけるシール装着溝の加工方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の請求項１による加工方法は、金属プレートの平面上にポンチを用いてシール装着溝をプレス加工する方法であって、前記ポンチの先端部をポンチ幅方向に傾斜する斜面状とし、前記ポンチを用いてプレス加工することにより溝底部が溝幅方向に傾斜する斜面状のシール装着溝を形成し、前記シール装着溝の形成に伴って前記金属プレートを塑性変形させ、前記塑性変形する金属プレートは前記シール装着溝の浅溝側の肩部のみで盛り上がり部を形成し、前記シール装着溝は、その斜面状の溝底部に対しゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形するものであることを特徴とする。
上記構成を備える本発明の加工方法においては、ポンチの先端部がポンチ幅方向に傾斜する斜面状とされているため、このポンチを用いると、プレス加工がシール装着溝の溝幅方向一方の端部で先行して開始され、加工が進行するのに伴って、ポンチが金属プレートに食い込む食い込み幅が徐々に拡大してゆく。したがってプレス圧力が一部に集中して作用するため、従来対比小さなプレス圧力でシール装着溝を形成することが可能とされる。
また、このように先端部を斜面状としたポンチを用いてプレス加工を行なうと、シール装着溝の形成に伴って塑性変形する金属が、シール装着溝の左右両側の肩部ではなく、左右何れか一方（ポンチ先端斜面が後退した方）の肩部のみで盛り上がる。したがって、盛り上がり現象が発生しない方の肩部を例えば燃料電池用セパレータにおける発電領域に含ませることにより、正常に機能することが可能な発電領域の平面積が狭くなるのを抑制することが可能とされる。また、盛り上がり部を潰して平らにする絞り加工を行なう場合に、片方のみの盛り上がり部を対象とすれば良いため、従来対比小さなプレス圧力で盛り上がり部を潰して平らにすることが可能とされる。
尚、上記したように先端部を斜面状としたポンチを用いてプレス加工を行なうと、これによって形成されるシール装着溝は、その溝底部が溝幅方向に傾斜する斜面状とされるので、この斜面状の溝底部に対し例えば燃料電池用ガスケットを一体成形する。
斜面状の溝底部を備えるシール装着溝の断面形状としては、以下の態様が考えられる。
（１）斜面状の溝底部、溝深さが深い方の溝側面部、溝深さが浅い方の溝側面部および溝開口部よりなる４辺を備える断面四角形ないし略四角形の形状。
（２）斜面状の溝底部、溝側面部および溝開口部よりなる３辺を備える断面三角形ないし略三角形の形状。
本発明は、上記（１）および（２）の双方を含むが、（２）の場合は、溝幅方向の一方のみに溝側面部が形成されて他方には形成されないので、この他方の端部では、ポンチが金属プレートに食い込むことなくプレス加工が終了する。したがって（２）によれば（１）対比でポンチの金属プレートに対する食い込み量が少なくて済むので、その分、プレス加工が短時間で終了するメリットがある。
尚、斜面状の溝底部は、スタック組立時、ガスケットを圧縮する押圧面として作用するので、その傾斜角度は可及的に小さい方が好ましい。したがってこの観点からして、斜面状の溝底部の長さをＬ１、溝側面部の長さをＬ２、溝開口部の長さをＬ３として、三角形は、Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２の関係を充足するのが好適である。
本発明は、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明においては以上説明したように、ポンチの先端部がポンチ幅方向に傾斜する斜面状とされているため、プレス加工がシール装着溝の溝幅方向一方の端部で先行して開始され、加工が進行するのに伴って、ポンチが金属プレートに食い込む食い込み幅が徐々に拡大する。したがってプレス圧力が一部に集中して作用するため、従来対比小さなプレス圧力でシール装着溝を形成することができる。
また、先端部を斜面状としたポンチを用いてプレス加工を行なうことにより、シール装着溝の形成に伴って塑性変形する金属がシール装着溝の一方の肩部のみで盛り上がる。したがって、盛り上がり現象が発生しない方の肩部を例えば燃料電池用セパレータの発電領域に含ませることにより、正常に機能する発電領域の面積が狭くなるのを抑制することができる。また、盛り上がり部を潰して平らにする絞り加工を行なう場合、片方のみの盛り上がり部を対象とするため、従来対比小さなプレス圧力で盛り上がり部を潰して平らにすることができる。
したがって、以上のことから本発明所期の目的どおり、小さなプレス圧力でシール装着溝を形成することができ、もって製作容易性および低コスト化の要求に応えることが可能であるとともに、シール装着溝の形成に伴って塑性変形する金属の盛り上がり現象による不都合を解消することが可能な金属プレートにおけるシール装着溝の加工方法を提供することができる。
また、シール装着溝の断面形状を、斜面状の溝底部、溝側面部および溝開口部よりなる３辺を備える断面三角形ないし略三角形とすることにより、プレス加工時間を短縮することができ、三角形の各辺の長さについて、上記したＬ１＞Ｌ３＞Ｌ２の関係を充足することにより、溝底部が斜面状であってもガスケットを十分に圧縮することができる。
本発明の実施例に係る加工方法の工程説明図 同加工方法によって形成したシール装着溝の断面図 シール装着溝の他の例を示す断面図 金属プレートの一例としての燃料電池用セパレータおよび同セパレータに備えられるガスケットの平面図 同セパレータ、同ガスケットおよび積層部品の断面図 従来例に係る加工方法の工程説明図
つぎに本発明の実施例を図面にしたがって説明する。
当該実施例に係るシール装着溝の加工方法は、図１に示すように、金属プレートである燃料電池用セパレータ１１の平面上にポンチ３１を用いてシール装着溝１４をプレス加工するための方法であって、図１（Ａ）に示すようにポンチ３１として、先端部３１ａをポンチ幅方向に傾斜する斜面状としたポンチ３１を用意し、図１（Ｂ）に示すようにこのポンチ３１を用いてプレス加工することにより、図１（Ｃ）に示すように溝底部１４ａが溝幅方向に傾斜する斜面状のシール装着溝１４を形成する。後工程として、溝底部１４ａにはゴム状弾性体よりなるガスケット２１が一体成形され、ガスケット２１はスタック組立時、溝底部１４ａおよび積層部品４１間で挟圧され圧縮されることになる。
ポンチ３１の先端部３１ａは、ポンチ幅方向の全幅に亙って直線的な斜面状とされている。先端部３１ａにおける一方の端部は、鋭角状の前方角部（鋭角角部）３１ｂとされ、他方の端部は、鈍角状の後方角部（鈍角角部）３１ｃとされている。鋭角状の前方角部３１ｂおよび鈍角状の後方角部３１ｃ間のプレス方向変位量は、図上ｄをもって表わされ、ポンチ３１によるプレス加工は、この変位量ｄ分に亙って行なわれる。したがってプレス加工は、鈍角状の後方角部３１ｃがセパレータ１１の表面１１ａに到達するのと同時に終了するものとされ、換言すると、セパレータ１１のポンチ３１に対するプレス抵抗が最大値に到達する直前に終了するものとされている。
また、このように先端部３１ａを斜面状としたポンチ３１を用いてプレス加工を行なうと、シール装着溝１４の形成に伴って塑性変形する金属が、シール装着溝１４の浅溝側（ポンチ先端部３１ａにおける鈍角状の後方角部３１ｃの方）の肩部のみで盛り上がる（盛り上がり部を符号１５で示す）。
また、当該方法で形成されたシール装着溝１４は、図２に拡大して示すようにその断面形状を、斜面状の溝底部１４ａ、溝側面部１４ｂおよび溝開口部１４ｃを３辺とする断面三角形ないし略三角形とされる。ここで、三角形は、溝側面部１４ｂがセパレータ１１の表面１１ａに対し直角であるため、直角三角形とされる。また、三角形は、斜面状の溝底部１４ａの長さをＬ１、溝側面部１４ｂの長さ（溝深さ）をＬ２、溝開口部の長さ（溝幅）をＬ３として、
Ｌ１＞Ｌ３＞Ｌ２・・・・（ｅ）式
の関係を充足するものとされる。Ｌ２は、上記ｄに相当する。
上記構成を備える加工方法においては、ポンチ３１の先端部３１ａがポンチ幅方向に傾斜する斜面状とされているために、プレス加工がシール装着溝１４の溝幅方向一方の端部で先行して開始され、加工が進行するのに伴って、ポンチ３１がセパレータ１１に食い込む食い込み幅が徐々に拡大する。したがってプレス圧力が一部に集中して作用するため、従来対比小さなプレス圧力でシール装着溝１４を形成することができる。
また、先端部３１ａを斜面状としたポンチ３１を用いてプレス加工を行なうことにより、シール装着溝１４の形成に伴って塑性変形する金属がシール装着溝１４の浅溝側の肩部のみで盛り上がる。したがって、盛り上がり現象が発生しない方の肩部をセパレータ１１の発電領域に含ませることにより、正常に機能することが可能な発電領域の平面積が狭くなるのを抑制することができる。また、盛り上がり部１５を潰して平らにする絞り加工を行なう場合に、片方のみの盛り上がり部１５を対象とすれば良いため、従来対比小さなプレス圧力で盛り上がり部１５を潰して平らにすることができる。
また、シール装着溝１４の断面形状を、斜面状の溝底部１４ａ、溝側面部１４ｂおよび溝開口部１４ｃを３辺とする断面三角形ないし略三角形とすることにより、プレス加工時間を短縮することができる。さらに三角形の各辺の長さについて、上記した（ｅ）式の関係を充足させることにより、溝底部１４ａが斜面状であってもガスケット２１を十分に圧縮することができる。
尚、上記したようにシール装着溝１４の断面形状は、例えば図３に示すような斜面状の溝底部１４ａ、溝深さが深い方の溝側面部１４ｂ、溝深さが浅い方の溝側面部１４ｄおよび溝開口部１４ｃを４辺とする断面四角形ないし略四角形の形状であっても良く、この場合には、図２対比で溝深さが深くなるが、シール装着溝１４の容積を増大させることができる。また図１（Ｃ）において、ガスケット２１は断面三角形とされているが、本発明においてガスケット２１の断面形状は特に限定されず、例えば断面山形などであっても良い。またガスケット２１は、シール装着溝１４の溝底部１４ａに一体成形するほか、別途成形したうえで溝底部１４ａに接着するようにしても良い。
１１ セパレータ（金属プレート）
１１ａ 表面
１２ 発電領域
１３ マニホールド孔
１４ シール装着溝
１４ａ 溝底部
１４ｂ，１４ｄ 溝側面部
１４ｃ 溝開口部
１５ 盛り上がり部
２１ ガスケット
３１ ポンチ
３１ａ 宣端部
３１ｂ 前方角部
３１ｃ 後方角部
４１ 積層部品

Claims (1)

  1. 金属プレートの平面上にポンチを用いてシール装着溝をプレス加工する方法であって、
    前記ポンチの先端部をポンチ幅方向に傾斜する斜面状とし、前記ポンチを用いてプレス加工することにより溝底部が溝幅方向に傾斜する斜面状のシール装着溝を形成し、
    前記シール装着溝の形成に伴って前記金属プレートを塑性変形させ、前記塑性変形する金属プレートは前記シール装着溝の浅溝側の肩部のみで盛り上がり部を形成し、
    前記シール装着溝は、その斜面状の溝底部に対しゴム状弾性体よりなるガスケットを一体成形するものであることを特徴とする金属プレートにおけるシール装着溝の加工方法。
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