JP7401357B2 - 金属セパレータ及びセパレータの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料電池に適用される金属セパレータ及び金属セパレータの製造方法に関する。
燃料電池は、アノード電極、固体高分子電解質膜及びカソード電極を積層した電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ）と、ＭＥＡを挟持するバイポーラ板である一対の金属セパレータとを備える。金属セパレータは、ＭＥＡとの接触箇所の間に、発電に使用する反応ガスを流通するための流路を有すると共に、ＭＥＡとの間でシールを形成して反応ガスの漏れを防止する。
この種の金属セパレータの中には、上記のシールを形成するために、セパレータ面から一体でメタルビード（ビードベース）を突出させたものがある（特許文献１参照）。また、特許文献１に開示されている金属セパレータのビードベースの頂部には、スクリーン印刷によりマイクロシール（ゴムシール）が設けられる。
ところで、金属セパレータのビードベースに設けられるゴムシールは、適切なシール性能を得るために、充分な厚み（膜厚）を持つように構成される。しかしながら、特許文献１に開示されているようなスクリーン印刷によりゴムシールを厚く形成する場合には、その厚み自体や突出端面の平坦性（平坦部分の範囲や高低差）をコントロールすることが難しいという課題がある。厚みが不安定であったり、平坦部分が少なくなったりしたゴムシールは、金属セパレータとＭＥＡの積層においてシール不良を生じさせる可能性がある。
本発明は、上記の課題を解決するものであり、ゴムシールを厚く形成しつつ、突出端面の平坦性を良好に確保可能とすることで、安定的なシール性能を得ることができる金属セパレータ及び金属セパレータの製造方法を提供することを目的とする。
前記の目的を達成するために、本発明の第１の態様は、燃料電池に適用される金属セパレータであって、前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースと、前記ビードベース上に設けられるゴムシールとを有し、前記ゴムシールは、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向中央部に第１凸部を有すると共に、前記第１凸部の外側で当該第１凸部を覆う第２凸部を有し、前記第２凸部の突出端面は、幅方向中央に窪み部を有すると共に、幅方向両側に***部を有し、前記窪み部の最底部と前記***部の最頂部との高低差が、前記ゴムシールの厚みの５％以下である。
また前記の目的を達成するために、本発明の第２の態様は、燃料電池に適用される金属セパレータであって、前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースと、前記ビードベース上に設けられるゴムシールとを有し、前記ゴムシールは、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向全体にわたって凸部を備え、前記凸部の上部且つ幅方向中央部には窪み部が形成され、前記ゴムシールは、前記窪み部を覆う埋部を有する。
また前記の目的を達成するために、本発明の第３の態様は、燃料電池に適用される金属セパレータの製造方法であって、前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースを形成するプレート加工工程と、前記プレート加工工程により形成された前記ビードベースに対してスクリーン印刷によりゴムシールを設けるゴムシール形成工程とを有し、前記ゴムシール形成工程は、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向中央部に第１凸部を形成する第１凸部形成工程と、前記第１凸部形成工程後に、前記第１凸部の外側で当該第１凸部を覆う第２凸部を形成する第２凸部形成工程とを有し、前記第２凸部の突出端面は、幅方向中央に窪み部を有すると共に、幅方向両側に***部を有し、前記窪み部の最底部と前記***部の最頂部との高低差が、前記ゴムシールの厚みの５％以下である。
上記の金属セパレータ及び金属セパレータの製造方法は、ゴムシールを厚く形成しつつ、突出端面の平坦性を良好に確保可能とすることで、安定的なシール性能を得ることができる。
以下、本発明について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
本発明の第１実施形態に係る金属セパレータ１０は、図１に示すように、燃料電池１２（発電セル、単セル）に適用される。燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４（以下、樹脂枠付きＭＥＡ１４という）を一対の金属セパレータ１０（１１Ａ、１１Ｂ）で挟み込むことにより構成される。燃料電池１２は、一方の金属セパレータ１１Ａと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に水素等の燃料ガスが流通する一方で、他方の金属セパレータ１１Ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に酸素等の酸化剤ガスが流通し、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う。
本発明の第１実施形態に係る金属セパレータ１０は、図１に示すように、燃料電池１２（発電セル、単セル）に適用される。燃料電池１２は、樹脂枠付き電解質膜・電極構造体１４（以下、樹脂枠付きＭＥＡ１４という）を一対の金属セパレータ１０（１１Ａ、１１Ｂ）で挟み込むことにより構成される。燃料電池１２は、一方の金属セパレータ１１Ａと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に水素等の燃料ガスが流通する一方で、他方の金属セパレータ１１Ｂと樹脂枠付きＭＥＡ１４の間に酸素等の酸化剤ガスが流通し、これら燃料ガス及び酸化剤ガスの電気化学反応により発電を行う。
例えば、燃料電池１２は、矢印Ｂ方向に沿って横長（又は縦長）の長方形状を呈する。この燃料電池１２は、複数用意されて、矢印Ａ方向に積層されることにより、図示しない燃料電池スタックに構成される。燃料電池スタックは、例えば、車載用として燃料電池車両に搭載される。
金属セパレータ１０と共に燃料電池１２を構成する樹脂枠付きＭＥＡ１４は、電解質膜・電極構造体２０（以下、「ＭＥＡ２０」という）と、ＭＥＡ２０の矢印Ｂ方向且つ矢印Ｃ方向の外周部に接合されて当該外周部を周回する樹脂枠部材２８とを備える。なお、燃料電池１２は、樹脂枠部材２８を用いることなく、後記の電解質膜２２を電極２４、２６の外方（矢印Ｂ方向且つ矢印Ｃ方向）に突出させた構成でもよい。
ＭＥＡ２０は、電解質膜２２と、電解質膜２２の一方面に設けられるアノード電極２４と、電解質膜２２の他方面に設けられるカソード電極２６とを有する。電解質膜２２は、例えば、水分を含んだパーフルオロスルホン酸の薄膜である固体高分子電解質膜（陽イオン交換膜）が適用される。なお、電解質膜２２は、フッ素系電解質の他、ＨＣ（炭化水素）系電解質を使用することができる。
アノード電極２４及びカソード電極２６の各々は、電解質膜２２の一方面に接合される電極触媒層と、電極触媒層に積層されるガス拡散層とを有する（共に不図示）。電極触媒層は、例えば、白金合金が表面に担持された多孔質カーボン粒子が、イオン導電性高分子バインダと共にガス拡散層の表面に一様に塗布されることで形成される。ガス拡散層は、カーボンペーパ又はカーボンクロス等から形成される。
樹脂枠部材２８は、一定の厚さを有するフィルムから形成される。樹脂枠部材２８の内周は、アノード電極２４の外周部とカソード電極２６の外周部との間に挟持される。樹脂枠部材２８は、電解質膜２２の形成範囲を小さくすることで製造コストを低廉化すると共に、金属セパレータ１０と樹脂枠部材２８との間の接触圧を適切に調整する。樹脂枠部材２８を構成する材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）、ＬＣＰ（リキッドクリスタルポリマー）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、シリコーン、フッ素、又はｍ－ＰＰＥ（変性ポリフェニレンエーテル）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）又は変性ポリオレフィン等が適用される。
金属セパレータ１０は、例えば、鋼板、ステンレス鋼板、アルミニウム板、めっき処理鋼板、又はその金属表面に防食用の表面処理を施した金属プレートをプレスして断面を凹凸に形成して構成される。金属セパレータ１０の厚みは、特に限定されるものではないが、例えば５０μｍ～５００μｍの範囲に設定されるとよく、本実施形態では略１００μｍに設定している。
一対の金属セパレータ１０は、上記したように、樹脂枠付きＭＥＡ１４の面方向に沿って反応ガス（燃料ガス又は酸化剤ガス）を流通させる反応ガス流路１６を形成する。以下、樹脂枠付きＭＥＡ１４の一方面に積層される金属セパレータ１０を第１セパレータ１１Ａともいい、樹脂枠付きＭＥＡ１４の他方面に積層される金属セパレータ１０を第２セパレータ１１Ｂともいう。一方の燃料電池１２の第１セパレータ１１Ａと、他方の燃料電池１２の第２セパレータ１１Ｂとは、燃料電池１２の積層に伴って相互に接触し合う。そのため、複数の燃料電池１２の積層時に、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂは、その外周同士が溶接、ろう付け、かしめ等により接合されて一体的な接合セパレータに構成され、樹脂枠付きＭＥＡ１４に積層される。
第１セパレータ１１Ａは、燃料ガスを流動させる燃料ガス流路３０（反応ガス流路１６）を、樹脂枠付きＭＥＡ１４のアノード電極２４に対向する面１１Ａａに備える。燃料ガス流路３０は、第１セパレータ１１Ａの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部３１間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
第２セパレータ１１Ｂは、酸化剤ガスを流動させる酸化剤ガス流路３２（反応ガス流路１６）を、樹脂枠付きＭＥＡ１４のカソード電極２６に対向する面１１Ｂａに備える（図１中では、便宜的にカソード電極２６上に酸化剤ガスの流通方向を図示している）。酸化剤ガス流路３２は、第２セパレータ１１Ｂの矢印Ｂ方向（水平方向）に延在する複数本の突条部３３間に形成された直線状流路溝（又は波状流路溝）によって構成される。
また、第１セパレータ１１Ａと第２セパレータ１１Ｂとが接触し合う面１１Ａｂ、１１Ｂｂの間には、冷媒（例えば、水）を流通させる冷媒流路３４が形成される。冷媒流路３４は、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０の裏面形状と、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２の裏面形状とが重なり合うことで形成される。
さらに、燃料電池１２（第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８）には、燃料ガス、酸化剤ガス及び冷媒を矢印Ａ方向に流通させる流体連通孔３６が複数設けられる。燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の一端縁部には、流体連通孔３６として１つの燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａが設けられる。燃料ガス入口連通孔３８ａ、２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。
燃料ガス入口連通孔３８ａは、上下方向（矢印Ｃ方向）に５つ並ぶ流体連通孔３６の真中に形成されている。燃料ガス入口連通孔３８ａは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０に連通し、燃料ガス流路３０に燃料ガスを流入させる。
２つの冷媒入口連通孔４２ａは、燃料ガス入口連通孔３８ａの上下に隣接し、この燃料ガス入口連通孔３８ａを間に挟む位置に形成されている。各冷媒入口連通孔４２ａは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４に冷媒を流入させる。
２つの酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、上側の冷媒入口連通孔４２ａよりも上側位置と、下側の冷媒入口連通孔４２ａよりも下側位置とに配置され、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び２つの冷媒入口連通孔４２ａを間に挟んでいる。各酸化剤ガス出口連通孔４０ｂは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２に連通し、酸化剤ガス流路３２から酸化剤ガスを流出させる。
燃料電池１２の長辺方向（矢印Ｂ方向）の他端縁部には、流体連通孔３６として１つの酸化剤ガス入口連通孔４０ａと、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂと、２つの冷媒出口連通孔４２ｂとが設けられる。酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通している。
酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、矢印Ｃ方向に５つ並ぶ流体連通孔３６の真中に形成されている。酸化剤ガス入口連通孔４０ａは、第２セパレータ１１Ｂの酸化剤ガス流路３２に連通し、酸化剤ガス流路３２に酸化剤ガスを流入させる。
２つの冷媒出口連通孔４２ｂは、酸化剤ガス入口連通孔４０ａの上下に隣接し、酸化剤ガス入口連通孔４０ａを間に挟んでいる。各冷媒出口連通孔４２ｂは、第１及び第２セパレータ１１Ａ、１１Ｂ間の冷媒流路３４に連通し、冷媒流路３４から冷媒を流出させる。
２つの燃料ガス出口連通孔３８ｂは、上側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも上側位置と、下側の冷媒出口連通孔４２ｂよりも下側位置とに配置され、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び２つの冷媒出口連通孔４２ｂを間に挟んでいる。各燃料ガス出口連通孔３８ｂは、第１セパレータ１１Ａの燃料ガス流路３０に連通し、燃料ガス流路３０から燃料ガスを流出させる。
なお、流体連通孔３６（燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ）の位置や数、形状等は、要求される仕様に応じて適宜設定されればよい。また、燃料電池１２は、他の流体連通孔３６として、第１セパレータ１１Ａ、第２セパレータ１１Ｂ及び樹脂枠部材２８の各々を矢印Ａ方向に貫通する第１ドレン孔４４及び第２ドレン孔４６を備える。第１ドレン孔４４は、燃料電池１２の発電時に、カソード側に生じた生成水を排出する。第２ドレン孔４６は、燃料電池１２の発電時に、アノード側に生じた生成水を排出する。
そして、第１セパレータ１１Ａの面１１Ａａには、樹脂枠付きＭＥＡ１４に向かって一体で突出し、樹脂枠部材２８に接触してシールを形成する第１ビード部５２（シール用ビード５０）が形成されている。第１ビード部５２は、第１セパレータ１１Ａの外縁近くを周回する外側ビード５２ａと、この外側ビード５２ａの内側で燃料ガス流路３０、燃料ガス入口連通孔３８ａ及び燃料ガス出口連通孔３８ｂを囲う内側ビード５２ｂとを有する。また、第１ビード部５２は、外側ビード５２ａと内側ビード５２ｂの間で、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ、酸化剤ガス出口連通孔４０ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ、第１ドレン孔４４、第２ドレン孔４６を各々囲う連通孔ビード５２ｃを有する。
第２セパレータ１１Ｂの面１１Ｂａには、樹脂枠付きＭＥＡ１４に向かって一体で突出し、樹脂枠部材２８に接触してシールを形成する第２ビード部５４（シール用ビード５０）が形成されている。第２ビード部５４は、第２セパレータ１１Ｂの外縁近くを周回する外側ビード５４ａと、この外側ビード５４ａの内側で酸化剤ガス流路３２、酸化剤ガス入口連通孔４０ａ及び酸化剤ガス出口連通孔４０ｂを囲う内側ビード５４ｂとを有する。また、第２ビード部５４は、外側ビード５４ａと内側ビード５４ｂの間で、燃料ガス入口連通孔３８ａ、燃料ガス出口連通孔３８ｂ、冷媒入口連通孔４２ａ、冷媒出口連通孔４２ｂ、第１ドレン孔４４、第２ドレン孔４６を各々囲う連通孔ビード５４ｃを有する。
シール用ビード５０（第１及び第２ビード部５２、５４）は、図２Ａに示すように、金属セパレータ１０の厚み方向に沿った断面視で、略台形状に形成されている。このシール用ビード５０は、金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａから突出し且つ当該金属セパレータ１０に一体成形されたビードベース６０と、ビードベース６０上に設けられるゴムシール７０（マイクロシール）とを有する。
具体的には、ビードベース６０は、金属セパレータ１０に連なる一対の傾斜部６２と、一対の傾斜部６２の上端を架橋する頂部６４とを有し、頂部６４の幅方向中央部を中心に対称形状に形成されている。一対の傾斜部６２及び頂部６４の厚みは、金属セパレータ１０の他の箇所の厚み（例えば、５０μｍ～２００μｍ）と略一致している。
本実施形態において、頂部６４は、金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａに略平行な平坦部６４ａと、平坦部６４ａの幅方向両側で一対の傾斜部６２にそれぞれ連なる一対の湾曲部６４ｂとを有する。なお、ビードベース６０は、頂部６４を円弧状に形成した構成でもよく、またビードベース６０（一対の傾斜部６２及び頂部６４）全体を円弧状に形成した構成でもよい。ビードベース６０は、断面視で非対称形状に形成されていてもよい。
ビードベース６０の根元部分の幅（各傾斜部６２が金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａに接続している箇所間の距離Ｌ）は、例えば、２．０ｍｍ～４．０ｍｍ程度の範囲に設定される。ビードベース６０の頂部６４の幅（各傾斜部６２が頂部６４に接続している箇所間の距離ｌ）は、例えば、１．０ｍｍ～３．５ｍｍ程度の範囲に設定される。またビードベース６０の突出高さは、ビードベース６０の幅に対して１０％～３５％の範囲に設定される。ビードベース６０は、金属セパレータ１０の反応ガス流路１６がプレス成形される際に、同時にプレス成形される。なお、ビードベース６０は、反応ガス流路１６の形成工程とは別の工程で形成されてもよい。
一方、ゴムシール７０は、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、金属セパレータ１０の厚み方向に沿った断面視で、成形後のビードベース６０の頂部６４よりも突出するように設けられる。ゴムシール７０は、スクリーン印刷によって液状（ゲル状、半固形状）のゴム材料がビードベース６０に塗布されて硬化することにより、適宜の厚み（膜厚）を持った略台形状に形成される。
ゴムシール７０の膜厚は、第１及び第２ビード部５２、５４のシール性を高めるために、通常の凸版印刷等により塗布されるインキの厚み（１０μｍ以下）よりも充分に厚く形成される。例えば、ゴムシール７０の膜厚（ビードベース６０の頂部６４から突出端面７８の最頂部７８ｂｘまでの距離）は、５０μｍ～１５０μｍの範囲に設定される。本実施形態に係るゴムシール７０は略７２μｍの厚みに設定される。なお、図２Ｂは、本発明の理解の容易化のために、ゴムシール７０の膜厚を誇張した断面図を示している。
そして、本実施形態に係るゴムシール７０は、金属セパレータ１０（ゴムシール７０）の厚み方向に沿った断面視で、断面形状として頂部６４の幅方向中央部に第１凸部７２を有すると共に、第１凸部７２の外側で当該第１凸部７２を覆う第２凸部７４を有する。つまり、ゴムシール７０は、ビードベース６０に対して第１凸部７２を先に形成した後、第１凸部７２を有するビードベース６０に対して第２凸部７４を形成することで構成される。
第１凸部７２は、頂部６４の上面との接触部分（根元部分７２ａ）が幅広で、この根元部分７２ａから突出方向に向かって幅狭となり、頂点７２ｂの周囲が円弧状を呈して形成される。この第１凸部７２は、液状のゴム材料の塗布時に、ビードベース６０に対する第１凸部７２の根元部分７２ａの傾斜角度θ１が安息角の範囲内となるように塗布されて、山形状を維持した状態で硬化される。
第１凸部７２は、スクリーン印刷において、頂部６４から頂点７２ｂまでの膜厚Ｈ１（突出高さ）及び根元部分７２ａの幅Ｗ１が適切な値に調整される。例えば、第１凸部７２の膜厚Ｈ１は、ゴムシール７０全体の膜厚に対して２／３～９／１０の割合に設定されることが好ましい。第１凸部７２の膜厚Ｈ１が２／３の割合よりも小さい場合には、第２凸部７４の幅方向中央部が窪み易くなる可能性がある一方で、第１凸部７２の膜厚Ｈ１が９／１０の割合よりも大きい場合に、第２凸部７４が形成し難くなる可能性がある。第１凸部７２の具体的な膜厚Ｈ１としては、例えば、４０μｍ～７０μｍの範囲であるとよく、本実施形態では略６０μｍに設定している。
また例えば、第１凸部７２の根元部分７２ａの幅Ｗ１は、０．５ｍｍ～０．９ｍｍの範囲に設定されるとよく、本実施形態では０．７ｍｍに設定している。第１凸部７２は、幅Ｗ１を０．９ｍｍ以下に設定することで、スクリーン印刷を実施した際に頂点７２ｂの周囲を良好に円弧状に形成することができる（頂点７２ｂの周囲が平坦状となることが抑制される）。
一方、第２凸部７４は、ゴムシール７０の厚み方向に沿った断面視で、ビードベース６０から第１凸部７２よりも高く突出した略台形状に形成され、第１凸部７２全体を覆う。すなわち、第２凸部７４は、第１凸部７２に塗布されて当該第１凸部７２よりも幅広に形成されることで、その内側が第１凸部７２の表面全体に密着した形状となる。また断面視において、第２凸部７４を構成するゴム材料の量は、第１凸部７２を構成するゴム材料よりも多い。
第２凸部７４の外面は、一対の傾斜側面７６と、一対の傾斜側面７６の上端の間を連結する突出端面７８とを有する。一対の傾斜側面７６の根元側は、ビードベース６０の一対の傾斜部６２（又は一対の湾曲部６４ｂ）に連続している。例えば、ビードベース６０の平坦部６４ａに対する各傾斜側面７６の根元側の傾斜角度θ２は、第１凸部７２（根元部分７２ａ）の側面の傾斜角度θ１よりも小さく設定される。一対の傾斜側面７６と突出端面７８とは湾曲部により滑らかに接続される。
第２凸部７４の突出端面７８は、若干の起伏を有するものの、概ね平坦状に形成される。より詳細には、突出端面７８は、幅方向中央部にビードベース６０側に僅かに窪む窪み部７８ａを有すると共に、幅方向両側の各々に僅かに***する***部７８ｂを有する。各***部７８ｂは、幅方向外側に向かって滑らかに湾曲して、一対の傾斜側面７６に連なっている。
ゴムシール７０は、第１凸部７２と第２凸部７４を有することにより、窪み部７８ａの最底部７８ａｘと、一対の***部７８ｂの最頂部７８ｂｘとの高低差Ｄが充分に小さく形成されている。例えば、高低差Ｄは、上記したゴムシール７０の膜厚に対し約５％以下に形成される。なお、第２凸部７４は、ゴムシール７０の外観を構成しており、その膜厚Ｈ２（頂部６４から最頂部７８ｂｘまでの突出高さ）は上記したゴムシール７０の膜厚と一致する。一対の最頂部７８ｂｘ間の間隔（第２凸部７４の突出端面７８の幅Ｗ２）は、例えば、１．７ｍｍ～３．０ｍｍ程度に範囲に設定され、この区間が略平坦となっている。
第１凸部７２と第２凸部７４は、同じ弾性率を有するゴム材料により構成される。ゴムシール７０を構成するゴム材料（樹脂材料）としては、シリコーン、ウレタン、フッ素等の熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、又は他のエラストマー、或いは合成ゴム、天然ゴム等があげられ、本実施形態ではシリコーンを適用している。
また、第１凸部７２と第２凸部７４とは、スクリーン印刷時における液状のゴム材料の状態で、異なる粘度（物性）に設定されている。すなわちゴムシール７０の製造時に、第１凸部７２は、第１の粘度（以下、高粘度樹脂材料という）により形成される一方で、第２凸部７４は、第１の粘度よりも粘度が低い第２の粘度（以下、低粘度樹脂材料という）により形成される。第１凸部７２の粘度と第２凸部７４の粘度は、ゴムシール７０を構成するメインのゴム材料（シリコーン）に対して粘度調整剤（ゼラチン等の増粘剤、シンナー等の希釈剤）の量を適宜調整することで、相互に相違するように構成される。なお、第１凸部７２及び第２凸部７４の塗布後に粘度調整剤に蒸発等が生じることで、第１凸部７２と第２凸部７４は、ゴムシール７０（シール用ビード５０）の構築形態で同じ物性となっていてよい。
例えば、第１凸部７２の高粘度樹脂材料の粘度は、回転粘度計で測定して１０ＰａＳ～５０ＰａＳの範囲に設定されるとよい。その一方で、第２凸部７４の低粘度樹脂材料の粘度は、回転粘度計で測定して５ＰａＳ～２０ＰａＳの範囲で設定されるとよい。なお、第１凸部７２と第２凸部７４は、各々を構成するゴム材料の物性（粘度等）が異なることに限定されず、同じ物性であってもよい。
本実施形態に係る金属セパレータ１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、以下その製造方法及びその作用について説明する。
図３に示すように、金属セパレータ１０の製造方法では、プレート加工工程（ステップＳ１）、連通孔形成工程（ステップＳ２）、ゴムシール形成工程（ステップＳ３）を順に実施する。また、ゴムシール形成工程では、第１凸部形成工程（ステップＳ３－１）、第２凸部形成工程（ステップＳ３－２）を順に実施してゴムシール７０を形成する。
プレート加工工程では、金属セパレータ１０を構成する図示しないプレートを用意して、このプレートをプレス装置（不図示）の金型にセットする。プレス装置は、セット後に金型を動作させることで、金属セパレータ１０の反応ガス流路１６及びシール用ビード５０のビードベース６０をプレス成形する。これにより、プレス後のプレートは、反応ガス流路１６及びビードベース６０を構成する凹凸を有する凹凸プレートとなる。
連通孔形成工程では、プレート加工工程後の凹凸プレートを切断装置（不図示）にセットする。切断装置は、セット後にピアス金型により凹凸プレートに対して流体連通孔３６を貫通形成する。なお、金属セパレータ１０の製造では先に流体連通孔３６を形成した後に反応ガス流路１６及びビードベース６０を形成してもよく、或いはプレス（凹凸の形成）と切断（流体連通孔３６の形成）を同時に実施してもよい。
そして、第１凸部形成工程では、プレート加工工程において成形されたビードベース６０の頂部６４に対して、スクリーン印刷により第１凸部７２を形成する。具体的には、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、凹凸を有すると共に流体連通孔３６が貫通形成されたワークＷ（ゴムシール７０が形成されていない金属セパレータ１０の凹凸プレート）を、第１スクリーン印刷装置８０の印刷台８２上にセットする。このセットにより、ワークＷは、ビードベース６０の頂部６４が鉛直上方を臨んだ状態で固定される。
第１スクリーン印刷装置８０は、セットされたワークＷの上方にスクリーン印刷用の第１スクリーン８４（製版）を配置している。第１スクリーン８４は、ビードベース６０の頂部６４の幅方向中央部に対向する位置にメッシュ８４ａ（紗）が露出した第１開口８６（第１印刷パターン）を有する一方で、他の箇所のメッシュ８４ａを乳剤８４ｂにより塞いでいる。
この状態で、第１スクリーン印刷装置８０は、第１凸部７２を構成する高粘度樹脂材料を第１スクリーン８４の上面に充填する。そして第１スクリーン印刷装置８０は、高粘度樹脂材料の充填後に、第１スクリーン８４を押圧するスキージ８８を第１スクリーン８４の上面に配置して、第１スクリーン８４の面方向（例えば、図１中の矢印Ｂ方向）に沿って移動させる。
スキージ８８は、移動時に、第１スクリーン８４を下方に押圧しつつスライドする。スキージ８８の押圧により第１開口８６付近の第１スクリーン８４が、ビードベース６０の頂部６４に接触すると共に、スキージ８８は高粘度樹脂材料を第１開口８６（露出したメッシュ８４ａ）に押し出す。そして、スキージ８８が第１開口８６を通過した後、第１開口８６付近の第１スクリーン８４がビードベース６０の頂部６４から離間すると、高粘度樹脂材料がビードベース６０の頂部６４に塗布された状態となる。
これにより第１凸部形成工程後のワークＷは、ビードベース６０の頂部６４上に第１凸部７２を有した状態となる。上記したように、第１凸部７２を構成する高粘度樹脂材料は粘度が高く、例えば、回転粘度計で測定して１０ＰａＳ～５０ＰａＳの範囲に設定されている。これにより、第１凸部７２は、高粘度樹脂材料の塗布後も山形状を安定的に維持することができる。なお、第１凸部形成工程では、高粘度樹脂材料の充填や第１スクリーン８４の面方向に沿ったスキージ８８の移動を複数回実施してもよい。
そして、第２凸部形成工程では、第１凸部７２を頂部６４に有するビードベース６０に対して、スクリーン印刷により第２凸部７４を形成する。具体的には、図５Ａに示すように、第１凸部形成工程後のワークＷ’を、第２スクリーン印刷装置９０の印刷台９２上にセットして、ビードベース６０上の第１凸部７２が鉛直上方を臨むように固定する。なお、第２スクリーン印刷装置９０は、第１スクリーン印刷装置８０と同じ装置を使用して、スクリーンや塗布するゴム材料を変えてもよい。
第２スクリーン印刷装置９０は、セットされたワークＷ’の上方にスクリーン印刷用の第２スクリーン９４を配置している。第２スクリーン９４は、ビードベース６０の頂部６４に対向する位置にメッシュ９４ａ（紗）が露出した第２開口９６（第２印刷パターン）を有する一方で、他の箇所のメッシュ９４ａを乳剤９４ｂにより塞いでいる。
この場合、第１開口８６と第２開口９６の幅方向中央部の平面形状は同じでビードベース６０に各々対向している一方で、第２開口９６の幅Ｗｏ２は、第１スクリーン８４の第１開口８６の幅Ｗｏ１よりも幅広である。また、第２スクリーン９４（第２開口９６）の厚みは、第１スクリーン８４（第１開口８６）の厚みよりも厚く設定される。さらに、第２開口９６のメッシュ９４ａの開口率は、第１開口８６のメッシュ８４ａの開口率よりも大きく設定されている。
第２スクリーン印刷装置９０は、第２凸部７４を構成する低粘度樹脂材料を第２スクリーン９４の上面に充填する。そして第２スクリーン印刷装置９０は、低粘度樹脂材料の充填後に、第２スクリーン９４を押圧するスキージ９８を第２スクリーン９４の上面に配置して、第２スクリーン９４の面方向に沿って移動させる。例えば、スキージ９８の移動方向は、第１スクリーン印刷装置８０のスキージ８８の移動方向に対して同じ方向（例えば、図１中の矢印Ｂ方向）に設定されている。なお、スキージ９８の移動方向はスキージ８８と異なっていてもよい。
スキージ９８は、移動時に、第２スクリーン９４を下方に押圧しつつスライドする。スキージ９８の押圧により第２開口９６付近の第２スクリーン９４が、ビードベース６０や第１凸部７２に接触すると共に、スキージ９８は低粘度樹脂材料を第２開口９６（露出したメッシュ９４ａ）に押し出す。そして、スキージ９８が第２開口９６を通過した後、第２開口９６付近の第２スクリーン９４がビードベース６０から離間すると、低粘度樹脂材料が第１凸部７２全体を覆いつつビードベース６０上に塗布された第２凸部７４の形成状態となる。
上記したように、第２凸部７４を構成する低粘度樹脂材料は、第１凸部７２の高粘度樹脂材料よりも粘度が低く、例えば、回転粘度計で測定して５ＰａＳ～２０ＰａＳの範囲に設定されている。これにより、低粘度樹脂材料は、ビードベース６０の幅方向に容易に広がって、ビードベース６０及び第１凸部７２上に満遍なく塗布される。なお、第２凸部形成工程でも、低粘度樹脂材料の充填や第２スクリーン９４の面方向に沿ったスキージ９８の移動を複数回実施してよい。
以上の製造方法により形成された金属セパレータ１０上のゴムシール７０は、高粘度樹脂材料により構成された第１凸部７２が、低粘度樹脂材料で構成された第２凸部７４の幅方向中央部を支える芯材として機能する。
ここで、上記の製造方法により形成された本発明のゴムシール７０の性能について、図６の２点鎖線に示す比較例のゴムシール１００と対比して説明する。比較例のゴムシール１００は、１度のスクリーン印刷の実施によりビードベース６０上にゴム材料を吐出することで、所定の膜厚のゴムシール１００を（ゴムシール７０と同じ膜厚を得るように）形成したものである。
この場合、比較例のスクリーン印刷のスクリーン（不図示）は、開口を幅広に設定すると共に、メッシュの開口率を大きく設定することになる。そのため、スキージが比較例のスクリーンの開口上を移動する際に、幅方向中央部のメッシュが下方に向かって変形し易くなる。その結果、ゴムシール１００には、突出端面１０２の幅方向中央部の最底部１０２ａがより低くなる一方で、幅方向両側の最頂部１０２ｂがより高くなる事象（所謂、サドル現象）が発生する。すなわち、ゴムシール１００は、最底部１０２ａと最頂部１０２ｂとの高低差Ｄｃが大きくなってしまう。
これに対し、本発明のゴムシール７０は、１回目のスクリーン印刷によりビードベース６０の幅方向中央部に第１凸部７２を形成し、２回目のスクリーン印刷により第１凸部７２を覆う第２凸部７４を形成する。このため、第２スクリーン９４の第２開口９６が幅広に設定されることで、第２開口９６の幅方向中央部において樹脂材料の押し出しが少なくなっても、ゴムシール７０の幅方向中央部の厚みが第１凸部７２により補われる。よって、ゴムシール７０の突出端面７８の高低差Ｄが小さくなり、突出端面７８が略平坦状に形成される。すなわち、本実施形態に係るゴムシール７０は、樹脂枠付きＭＥＡ１４に対するシール用ビード５０のシール性能を高めることができる。
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されず、発明の要旨に沿って種々の改変が可能である。例えば、第１凸部７２を構成するゴム材料（樹脂材料）と、第２凸部７４を構成するゴム材料（樹脂材料）とが異なる弾性率を有する材料でもよい。一例として、第１凸部７２を低弾性率の樹脂材料により構成し、第２凸部７４を高弾性率の樹脂材料により構成すること等があげられる。また例えば、第１凸部７２の断面形状は、特に限定されるものではなく、先細り形状であればよく、例えば台形状等に形成されてもよい。
〔第２実施形態〕
図７Ａ及び図７Ｂに示す第２実施形態に係る金属セパレータ１０Ａは、上記の金属セパレータ１０と同様にビードベース６０の上部にゴムシール７０Ａを設けているが、ゴムシール７０Ａは、幅広な凸部１１０を有すると共に、凸部１１０の幅方向中央部に幅狭な埋部１１２を有している点で、上記のゴムシール７０と異なる。すなわち、ゴムシール７０Ａは、凸部１１０の樹脂材料の塗布量よりも、埋部１１２の樹脂材料の塗布量のほうが少ない。
図７Ａ及び図７Ｂに示す第２実施形態に係る金属セパレータ１０Ａは、上記の金属セパレータ１０と同様にビードベース６０の上部にゴムシール７０Ａを設けているが、ゴムシール７０Ａは、幅広な凸部１１０を有すると共に、凸部１１０の幅方向中央部に幅狭な埋部１１２を有している点で、上記のゴムシール７０と異なる。すなわち、ゴムシール７０Ａは、凸部１１０の樹脂材料の塗布量よりも、埋部１１２の樹脂材料の塗布量のほうが少ない。
具体的には、凸部１１０は、ビードベース６０に対して埋部１１２よりも先に塗布される。凸部１１０は、頂部６４の幅方向に沿って塗布され、その根元部分が頂部６４の幅方向全体（一対の湾曲部６４ｂ間）を覆うように構成される。凸部１１０の根元部分の幅Ｗ１は、例えば、１．７ｍｍ～３．０ｍｍ程度の範囲に設定されている。凸部１１０の上部は、金属セパレータ１０Ａ（ゴムシール７０Ａ）の厚み方向に沿った断面視で、幅方向両側部に***部１１０ａを有する一方で、これら一対の***部１１０ａに挟まれた幅方向中央部に窪み部１１０ｂを有するように構成される。
凸部１１０は、高粘度樹脂材料で構成され、その粘度は、例えば、回転粘度計で測定して１０ＰａＳ～５０ＰａＳの範囲に設定される。凸部１１０は、ビードベース６０の頂部６４と同じ幅のメッシュを有する図示しない第１製版（第１スクリーン印刷装置）を使用して頂部６４上に塗布されることで、塗布後に上記のように一対の***部１１０ａ、窪み部１１０ｂ（サドル現象）が生じるようになる。
一方、埋部１１２は、凸部１１０の窪み部１１０ｂに塗布されることで、窪み部１１０ｂを覆うように形成される。埋部１１２の上部は、窪み部１１０ｂを挟む一対の***部１１０ａの最頂部１１０ａｘに対して略同じ高さに（又は最頂部１１０ａｘに対して若干低く）形成される。埋部１１２の上部の幅Ｗ２は、例えば、０．６ｍｍ～１．２ｍｍ程度の範囲に設定され、本実施形態では０．９ｍｍに設定している。
埋部１１２は、凸部１１０の粘度よりも低い低粘度樹脂材料で構成され、その粘度は、例えば、回転粘度計で測定して５ＰａＳ～２０ＰａＳの範囲に設定される。埋部１１２は、ビードベース６０の頂部６４よりも幅狭のメッシュを有する図示しない第２製版（第２スクリーン印刷装置）を使用して凸部１１０上に塗布される。
埋部１１２は、中央部分が深く窪む凸部１１０の窪み部１１０ｂ内に塗布されることで、中央部分の厚みが自然に多くなり下方向（頂部６４）に向かって凸形状に形成される。そのため、埋部１１２の上部は、一対の***部１１０ａの間において略平坦状を呈するように形成される。すなわち、ゴムシール７０Ａの突出端面１１４は、一対の***部１１０ａ及び埋部１１２を含み、且つ略平坦状に形成される。
以上のように、第２実施形態に係る金属セパレータ１０Ａのゴムシール７０Ａは、窪み部１１０ｂを有する凸部１１０の中央部分の厚みを補うように埋部１１２が塗布されて構成される。このため、ゴムシール７０Ａでも、突出端面１１４が略平坦状に形成され、樹脂枠付きＭＥＡ１４に対するシール用ビード５０のシール性能を高めることができる。
上記の実施形態から把握し得る技術的思想及び効果について、以下に記載する。
本発明の第１の態様は、燃料電池１２に適用される金属セパレータ１０であって、金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａから突出し、且つ当該金属セパレータ１０に一体成形されたビードベース６０と、ビードベース６０上に設けられるゴムシール７０とを有し、ゴムシール７０は、当該ゴムシール７０の厚み方向に沿った断面視で、ビードベース６０の頂部６４の幅方向中央部に第１凸部７２を有すると共に、第１凸部７２の外側で当該第１凸部７２を覆う第２凸部７４を有する。
上記の金属セパレータ１０は、ゴムシール７０が第１凸部７２と第２凸部７４とを有することで、ゴムシール７０を厚く形成しつつ、突出端面７８の平坦性を良好に確保することができる。すなわち、ビードベース６０の頂部６４に形成された第１凸部７２は、第２凸部７４の幅方向中央部の樹脂材料の不足分を補うと共に第２凸部７４の内側を支持して、第２凸部７４の厚みを確保し、また突出端面７８の幅方向中央部が大きく窪むことを抑制する。これにより金属セパレータ１０は、ゴムシール７０の良好なシール性能を得ることができ、適用される燃料電池１２の発電性能を大幅に向上させることができる。
また、第１凸部７２と第２凸部７４は、互いに同じ弾性率を有する。これにより、ゴムシール７０は、第１凸部７２と第２凸部７４を有する構成でも、互いに同じシール性能を発揮することができ、シール用ビード５０全体のシール性能を安定化させることが可能となる。
また、第２凸部７４の突出端面７８は、幅方向中央に窪み部７８ａを有すると共に、幅方向両側に***部７８ｂを有し、窪み部７８ａの最底部７８ａｘと***部７８ｂの最頂部７８ｂｘとの高低差Ｄが、ゴムシール７０の厚みの５％以下である。これにより、ゴムシール７０は、突出端面７８の平坦性が充分に確保されることになり、金属セパレータ１０のシール性能をより一層安定化させることができる。
また、ゴムシール７０は、スクリーン印刷により形成され、当該ゴムシール７０の厚みは、５０μｍ～１５０μｍの範囲に設定される。このように、スクリーン印刷によって５０μｍ～１５０μｍの比較的厚いゴムシール７０を形成する場合でも、第１及び第２凸部７２、７４によって、ゴムシール７０の突出端面の平坦性を良好に確保することができる。
また、本発明の第２の態様は、燃料電池１２に適用される金属セパレータ１０Ａであって、金属セパレータ１０Ａの面から突出し、且つ当該金属セパレータ１０Ａに一体成形されたビードベース６０と、ビードベース６０上に設けられるゴムシール７０Ａとを有し、ゴムシール７０Ａは、当該ゴムシール７０Ａの厚み方向に沿った断面視で、ビードベース６０の頂部６４の幅方向全体にわたって凸部１１０を備え、凸部１１０の上部且つ幅方向中央部には窪み部１１０ｂが形成され、ゴムシール７０Ａは、窪み部１１０ｂを覆う埋部１１２を有する。このように凸部１１０及び埋部１１２を有するゴムシール７０Ａでも安定的良好なシール性能を得ることができ、適用される燃料電池１２の発電性能を大幅に向上させることができる。
また、本発明の第３の態様は、燃料電池１２に適用される金属セパレータ１０の製造方法であって、金属セパレータ１０の面１１Ａａ、１１Ｂａから突出し、且つ当該金属セパレータ１０に一体成形されたビードベース６０を形成するプレート加工工程と、プレート加工工程により形成されたビードベース６０に対してスクリーン印刷によりゴムシール７０を設けるゴムシール形成工程とを有し、ゴムシール形成工程は、当該ゴムシール７０の厚み方向に沿った断面視で、ビードベース６０の頂部６４の幅方向中央部に第１凸部７２を形成する第１凸部形成工程と、第１凸部形成工程後に、第１凸部７２の外側で当該第１凸部７２を覆う第２凸部７４を形成する第２凸部形成工程とを有する。これにより、製造された金属セパレータ１０は、ゴムシール７０を厚く形成しつつ、突出端面７８の平坦性を良好に確保することができ、ゴムシール７０のシール性能が安定的に発揮可能となる。
また、第１凸部形成工程では、第１の粘度を有する樹脂材料により第１凸部７２を形成し、第２凸部形成工程では、第１の粘度よりも粘度が低い第２の粘度を有する樹脂材料により第２凸部７４を形成する。これにより、ゴムシール７０は、第１凸部７２の突出形状を良好に維持し、この第１凸部７２により第２凸部７４の内側を支持することができる。
１０、１０Ａ…金属セパレータ １１Ａａ、１１Ｂａ…面
１２…燃料電池 ５０…シール用ビード
５２…第１ビード部 ５４…第２ビード部
６０…ビードベース ６４…頂部
７０、７０Ａ…ゴムシール ７２…第１凸部
７４…第２凸部 ７８…突出端面
７８ａ…窪み部 ７８ａｘ…最底部
７８ｂ…***部 ７８ｂｘ…最頂部
１２…燃料電池 ５０…シール用ビード
５２…第１ビード部 ５４…第２ビード部
６０…ビードベース ６４…頂部
７０、７０Ａ…ゴムシール ７２…第１凸部
７４…第２凸部 ７８…突出端面
７８ａ…窪み部 ７８ａｘ…最底部
７８ｂ…***部 ７８ｂｘ…最頂部
Claims (6)
- 燃料電池に適用される金属セパレータであって、
前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースと、
前記ビードベース上に設けられるゴムシールとを有し、
前記ゴムシールは、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向中央部に第１凸部を有すると共に、前記第１凸部の外側で当該第１凸部を覆う第２凸部を有し、
前記第２凸部の突出端面は、幅方向中央に窪み部を有すると共に、幅方向両側に***部を有し、
前記窪み部の最底部と前記***部の最頂部との高低差が、前記ゴムシールの厚みの５％以下である
金属セパレータ。 - 請求項１記載の金属セパレータにおいて、
前記第１凸部と前記第２凸部は、互いに同じ弾性率を有する
金属セパレータ。 - 請求項１又は２に記載の金属セパレータにおいて、
前記ゴムシールは、スクリーン印刷により形成され、
当該ゴムシールの厚みは、５０μｍ～１５０μｍの範囲に設定される
金属セパレータ。 - 燃料電池に適用される金属セパレータであって、
前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースと、
前記ビードベース上に設けられるゴムシールとを有し、
前記ゴムシールは、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向全体にわたって凸部を備え、
前記凸部の上部且つ幅方向中央部には窪み部が形成され、
前記ゴムシールは、前記窪み部を覆う埋部を有する
金属セパレータ。 - 燃料電池に適用される金属セパレータの製造方法であって、
前記金属セパレータの面から突出し、且つ当該金属セパレータに一体成形されたビードベースを形成するプレート加工工程と、
前記プレート加工工程により形成された前記ビードベースに対してスクリーン印刷によりゴムシールを設けるゴムシール形成工程とを有し、
前記ゴムシール形成工程は、当該ゴムシールの厚み方向に沿った断面視で、前記ビードベースの頂部の幅方向中央部に第１凸部を形成する第１凸部形成工程と、
前記第１凸部形成工程後に、前記第１凸部の外側で当該第１凸部を覆う第２凸部を形成する第２凸部形成工程とを有し、
前記第２凸部の突出端面は、幅方向中央に窪み部を有すると共に、幅方向両側に***部を有し、
前記窪み部の最底部と前記***部の最頂部との高低差が、前記ゴムシールの厚みの５％以下である
金属セパレータの製造方法。 - 請求項５記載の金属セパレータの製造方法であって、
前記第１凸部形成工程では、第１の粘度を有する樹脂材料により前記第１凸部を形成し、
前記第２凸部形成工程では、前記第１の粘度よりも粘度が低い第２の粘度を有する樹脂材料により前記第２凸部を形成する
金属セパレータの製造方法。
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