JP7031455B2 - 燃料電池用金属セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は燃料電池用金属セパレータの製造方法に関する。

近年、自動車向け燃料電池として固体高分子電解質型燃料電池が注目されている。固体高分子電解質型燃料電池は、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。ここで、単セルは、高分子電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極がそれぞれ接合された膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、一対のセパレータにより挟持した構成を有している。カソード側のセパレータを介して供給されたエア（空気）と、アノード側のセパレータを介して供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。

セパレータとしては、プレス成形可能で生産性に優れる金属セパレータが主に使用されている。特許文献１には、プレス成形を用いた燃料電池用金属セパレータの製造方法が開示されている。

特開２００８－００４２９１号公報

発明者は、プレス成形を用いた燃料電池用金属セパレータの製造方法に関し、以下の課題を見出した。
このようなセパレータの製造方法では、一般的に、金属板を位置決めし、異なる金型を用いて複数回プレスする。そこで、最初のプレス工程において位置決め用の貫通孔を打ち抜き成形していた。

しかしながら、位置決め用の貫通孔を打ち抜く際、当該貫通孔の周縁にバリが発生する。金属板から脱落したバリが金型に残留し、金属板（他の金属板も含む）に付着してプレスされると、セパレータの表面に押し傷が形成されることになる。セパレータの流路形成部に形成された押し傷は、流路の穴開き不良に進展する虞がある。また、セパレータのシール部に形成された押し傷は、シール不良を招来する虞がある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、位置決め部をプレス成形する際に発生するバリによる押し傷を低減可能な燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供するものである。

本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法は、
第１の金型を用いて金属板に位置決め部を成形する第１プレス工程と、
第２の金型に対して前記位置決め部を用いて前記金属板を位置決めし、前記第２の金型を用いて前記金属板を再度プレス加工する第２プレス工程と、を備えた燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
前記位置決め部は、前記第２の金型に設けられた凸部と嵌合する凹部であるものである。

本発明に係る燃料電池用金属セパレータの製造方法では、第１プレス工程において成形された位置決め部が、第２の金型に設けられた凸部と嵌合する凹部である。そのため、第１プレス工程におけるバリの発生が抑制され、当該バリによって金属セパレータの表面に形成される押し傷を低減することができる。

前記第１プレス工程において、前記位置決め部をマニホールド形成部に形成し、前記第２プレス工程において、前記マニホールド形成部を打ち抜いてもよい。最終的に除去する必要がある位置決め部をマニホールド形成部に成形し、第２プレス工程においてマニホールド形成部と共に打ち抜き除去することによって、生産性が向上する。また、位置決め部を成形するためのスペースを別途設ける必要もなく、スペース効率にも優れる。

前記凸部は、円頭状に突出したピンであり、前記凹部は、前記ピンと嵌合する円筒部を有してもよい。このような構成によって、位置決め部と凸部とを容易かつしっかり嵌合させ、位置ずれを抑制することができる。

前記第２プレス工程において、前記ピンは、下型から上方に突出するように設けられており、前記ピンと嵌合した前記凹部の周囲を上側から押圧しつつ、上型を降下させてプレス加工してもよい。このような構成によって、金属板の反りなどに起因する凹部（位置決め部）のピン（凸部）からの離脱を抑制することができる。

本発明により、位置決め部をプレス成形する際に発生するバリによる押し傷を低減可能な燃料電池用金属セパレータの製造方法を提供することができる。

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用いて製造される金属セパレータの模式平面図である。 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示す模式平面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。 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の実施例及び比較例における位置決め部を示すマクロ写真である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜金属セパレータの構成＞
まず、図１を参照して、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用いて製造される金属セパレータの構成について説明する。図１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を用いて製造される金属セパレータの模式平面図である。

なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

図１に示すように、金属セパレータ１０は、流路１１、マニホールド孔１２を備えたｘｙ平面視矩形状の金属板である。金属セパレータ１０は、例えばチタンやチタン合金、ステンレス鋼、アルミニウム合金等からなる厚さ０．１～０．２ｍｍ程度の薄板である。
金属セパレータ１０は、例えば燃料電池自動車の燃料電池に用いられる。燃料電池自動車は、燃料電池により発電した電気によりモータを駆動し、走行する。但し、金属セパレータ１０は、燃料電池自動車用途に限定されるものではなく、他の燃料電池用途に適用することもできる。

ここで、燃料電池について説明する。燃料電池は、固体高分子電解質型燃料電池であり、多数の単セルが積層されたセルスタックを備えている。単セルは、高分子電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極がそれぞれ接合された膜／電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を、一対の金属セパレータ１０により挟持した構成を有している。

カソード電極には、一方の金属セパレータ１０の内面（カソード電極側の面）の流路１１を介してエアが供給される。アソード電極には、他方の金属セパレータ１０の内面（アソード電極側の面）の流路１１を介して水素が供給される。燃料電池は、カソード電極に供給されたエア中の酸素ガスと、アソード電極に供給された水素ガスとの酸化還元反応により発電する。なお、一対の金属セパレータ１０の外面の流路１１にはいずれも冷媒が流れる。

具体的には、アノード電極では、式（１）の酸化反応が生じており、カソード電極では、式（２）の還元反応が生じている。そして、燃料電池全体として、式（３）の化学反応が生じている。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ^－ ・・・（１）
（１／２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ^－→Ｈ_２Ｏ ・・・（２）
Ｈ_２＋（１／２）Ｏ_２→Ｈ_２Ｏ ・・・（３）

図１に示すように、流路１１は、金属セパレータ１０の中央部において略ｘ軸方向に平行に延設された複数の溝から構成されている。流路１１は金属セパレータ１０の両面にプレス成形されている。すなわち、一面（例えば上述の内面）に形成された溝同士の間の凸部が他面（例えば上述の外面）の溝となる。金属セパレータ１０のｘ軸方向両端部には、複数のマニホールド孔１２が設けられている。図１の例では、３対６個のマニホールド孔１２が設けられている。３対のマニホールド孔１２のそれぞれに、エア、水素ガス、もしくは冷媒のいずれかが流れる。

＜金属セパレータの製造方法＞
次に、図２、図３を参照して、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について説明する。図２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を示す模式平面図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面図である。

図２に示すように、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１に位置決め部１３を成形する第１プレス工程と、位置決め部１３を用いて位置決めし、金属板１を再度プレス加工する第２プレス工程と、を備えている。

第１プレス工程は、例えば複数回行うプレス工程の最初の工程である。そのため、第１プレス工程では、第１プレス工程用の第１の金型（不図示）によって、図２の上段に示す平板状の金属板１に、図２の中段に示す位置決め部１３を成形する。位置決め部１３は、その後のプレス工程すなわち第２プレス工程において、金属板１を位置決めするために用いられる。

図２の例では、第１プレス工程において、流路１１と共に位置決め部１３を成形する。図２では、理解を容易にするため、第２プレス工程において打ち抜く取り代部１４及びマニホールド形成部１２ａにハッチングを施した。

ここで、位置決め部１３は、図３に示した第２プレス工程用の第２の金型（図３の例では下型２０）に設けられた凸部２３と嵌合する凹部である。図２に示すように、例えばマニホールド形成部１２ａに位置決め部１３を成形する。位置決め部１３は、一連のプレス工程が終了した後には除去する必要がある。そのため、マニホールド形成部１２ａに位置決め部１３を成形することによって、第２プレス工程においてマニホールド形成部１２ａと共に位置決め部１３も除去することができ、生産性が向上する。また、位置決め部１３を成形するためのスペースを別途設ける必要もなく、スペース効率にも優れる。

図２の例では、２つの位置決め部１３がそれぞれ別々のマニホールド形成部１２ａに設けられている。複数の位置決め部１３を設けることによって、位置決め精度が向上する。また、図２に示すように、２つの位置決め部１３が流路１１を介して対向配置することによって、より位置決め精度を向上させることができる。より詳細には、矩形状の金属板１の対角線上において、２つの位置決め部１３が流路１１を介して対向配置されている。

第２プレス工程では、図３に示す第２プレス工程用の第２の金型（下型２０、上型３０）に対して、位置決め部１３を用いて金属板１を位置決めし、取り代部１４及びマニホールド形成部１２ａを打ち抜き除去する。より詳細には、下型２０に位置決めされた金属板１に、図３に二点鎖線及び白抜き矢印で示すように、上型３０を降下させることによって、位置決め部１３が設けられたマニホールド形成部１２ａを打ち抜き除去する。これにより、図２の下段に示すように、流路１１及びマニホールド孔１２を備えた金属セパレータ１０が製造される。

ここで、図３の例では、下型２０に設けられた位置決め用の凸部２３が、下型２０から上方（ｚ軸正方向）に突出した円頭状のピンである。そのため、位置決め部１３は、円頭状の凸部２３に対応して円頭状に窪んだ凹部である。具体的には、凸部２３は円柱状のストレート部を有しており、位置決め部１３にも、凸部２３のストレート部と嵌合する円筒部１３ａが設けられている。このような構成によって、位置決め部１３と凸部２３とを容易かつしっかり嵌合させ、位置ずれを抑制することができる。

また、図３の例では、位置決め部１３及び凸部２３の頂部が、いずれも半球状に上側（ｚ軸正方向側）に突出している。凸部２３の頂部が半球状であるため、位置決め部１３を凸部２３に挿入し易くなっている。

さらに、図３に示すように、凸部２３と嵌合した位置決め部１３の周囲を上側から例えば円筒状の押さえ部４０によって押圧しつつ、上型３０を降下させてもよい。位置決め部１３の周囲を押さえ部４０によって押圧することにより、金属板１の反りなどに起因する位置決め部１３の凸部２３からの離脱を抑制することができる。

図４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の実施例及び比較例における位置決め部を示すマクロ写真である。比較例では、第１プレス工程においてマニホールド形成部１２ａに成形された位置決め部１３０が、図３に示した凸部２３を挿通させる貫通孔である。これに対し、実施例では、第１プレス工程においてマニホールド形成部１２ａに成形された位置決め部１３が図３に示した凸部２３と嵌合する凹部である。

比較例では、位置決め部１３０が貫通孔であるため、第１プレス工程において位置決め部１３０の周縁にバリが発生する。金属板１から脱落したバリが第１プレス工程用の金型に残留するなどし、金属板１（他の金属板１も含む）に付着してプレスされると、金属セパレータ１０の表面に押し傷が形成される。比較例では、金属セパレータ１０の流路１１に形成された押し傷が穴開き不良に進展したり、シール部に形成された押し傷がシール不良を招来する虞がある。

これに対し、実施例では、位置決め部１３が凹部であるため、第１プレス工程においてバリが発生しない。そのため、バリによって金属セパレータ１０の表面に形成される押し傷を低減することができる。
このように、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、位置決め部をプレス成形する際に発生するバリによる押し傷を低減することができるため、不良率が低減し、金属セパレータ１０の生産性が向上する。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ 金属板
１０ 金属セパレータ
１１ 流路
１２ マニホールド孔
１２ａ マニホールド形成部
１３ 位置決め部
１３ａ 円筒部
１４ 取り代部
２０ 下型
２３ 凸部
３０ 上型
４０ 押さえ部

Claims (4)

1. 第１の金型を用いて金属板に位置決め部を成形する第１プレス工程と、
   第２の金型に対して前記位置決め部を用いて前記金属板を位置決めし、前記第２の金型を用いて前記金属板を再度プレス加工する第２プレス工程と、を備えた燃料電池用金属セパレータの製造方法であって、
   前記位置決め部は、前記第２の金型に設けられた凸部と嵌合する凹部である、
   燃料電池用金属セパレータの製造方法。
2. 前記第１プレス工程において、前記位置決め部をマニホールド形成部に形成し、
   前記第２プレス工程において、前記マニホールド形成部を打ち抜く、
   請求項１に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
3. 前記凸部は、円頭状に突出したピンであり、
   前記凹部は、前記ピンと嵌合する円筒部を有する、
   請求項１又は２に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。
4. 前記第２プレス工程において、
   前記ピンは、下型から上方に突出するように設けられており、
   前記ピンと嵌合した前記凹部の周囲を上側から押圧しつつ、上型を降下させてプレス加工する、
   請求項３に記載の燃料電池用金属セパレータの製造方法。

Images