JP7436350B2 - セパレータの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に用いられるセパレータの製造方法に関する。

例えば、特許文献１に示すように、一対の接合セパレータ（以下、単に「セパレータ」とも言う）で電解質膜を挟持してシール性を確保する燃料電池セルが知られている。セパレータは、凸状を呈するシール用ビード部をそれぞれ備えた第１金属セパレータと第２金属セパレータとを接合して形成されている。シール用ビード部の先端にはゴム等で形成されたシール部材が配置されている。セパレータのシール用ビード部同士が対向することで、ビードシール部が形成される。シール用ビード部の反力と、シール部材との追従性によりシール性を高めることができる。

例えば、特許文献１に係るビードシール部は、外部荷重に対する塑性変形の影響が大きいため、ビードシール部に予め予備荷重を付与している。予備荷重付与工程では、加圧装置を用いてセパレータを圧縮することで予備荷重を付与している。

ここで、図９は、特許文献１の燃料電池セルのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。荷重特性線Ｌ４（太点線）は、ビードシール部に予備荷重を付与して得られたセパレータの荷重特性を示している。荷重特性線Ｌ４から分かるように、燃料電池スタックに荷重変動が発生しても塑性変形することがなく、荷重を加えた場合と荷重を抜いた場合とで同一の荷重特性線Ｌ４上を移動することができる。また予備荷重が付与されていない場合には、運転時にシールビードが塑性変形を起こし、シール面圧が維持できなくなる。予備荷重を付与することにより、プレスによる寸法のばらつきによる荷重特性線Ｌａ，ＬｂおよびＬｃのばらつきも緩和することが可能になる。

特許第６３６８８０７号公報

しかし、荷重特性は、セパレータを構成するシール部材、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータの材料特性によって変化する。材料特性としては、セパレータの厚さ寸法、硬度、シール部材のゴム硬度などが挙げられる。そのため、予備荷重付与工程において一定の圧縮量で圧縮しただけでは意図した荷重特性を得ることができないという問題がある（図１０参照）。図１０における太線で示す部分は、図９とは異なる材料特性を備えた第１金属セパレータ及び第２金属セパレータに、図９と同じ圧縮量で予備荷重を付与して得られたセパレータの荷重特性を示している。例えば、図１０の所定の締結隙間αにおける締結圧力は、中央値よりも高くなってしまい、意図した締結圧力を得ることができない。

一方、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータの初期のビード高さを調整（変更）し、荷重特性をシフトさせることで、意図した荷重特性を得ることができる（図１１参照）。しかし、プレス成形時に、材料特性ごとにビード高さを調整しようとすると、高価なプレス成形型を複数用意しなければならず、設備コストが嵩むという問題がある。

本発明はかかる課題を解決するために発明されたものであり、材料特性の異なる材料を用いても所望の荷重特性を備えたセパレータを低コストで得ることができるセパレータの製造方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明は、燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、シール部材と第１金属セパレータと第２金属セパレータとで形成されたプレス・接合体の高さ方向に予備荷重を付与し、前記プレス・接合体を塑性変形させる予備荷重付与工程と、を含み、前記予備荷重付与工程では、シール部材、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの少なくとも一つの材料特性に基づいて予備荷重付与時の圧縮量を変化させ、予備荷重付与時の圧縮量は、予備荷重付与後、締結間隔αにおける締結圧力が締結圧力の中央値となるように設定されることを特徴とする。

かかる製造方法によれば、セパレータを構成するシール部材、第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの材料特性ごとに予備荷重付与時の圧縮量を変化させるため、所望の荷重特性を備えたセパレータを低コストで得ることができる。

また、前記予備荷重付与工程を行う前に、シール部材、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの少なくとも一つの材料特性が記録された材料識別部を読み取る読取り工程を含むことが好ましい。

かかる製造方法によれば、シール部材、第１金属セパレータ及び第２金属セパレータの材料特性を容易に取得することができる。

また、前記予備荷重付与工程で用いられる予備荷重付与装置は、前記予備荷重付与時における隙間の高さ寸法がそれぞれ異なる複数の治具と、前記治具を介して前記プレス・接合体に前記予備荷重を付与する加圧部とを備えており、前記予備荷重付与工程を行う前に、前記読取り工程で読み取られた材料特性に基づいて、複数の前記治具の中から一の治具を選定する治具選定工程を含むことが好ましい。

かかる製造方法によれば、複数の治具の中から、そのプレス・接合体の材料特性に適した治具（圧縮量）を選定できるため、セパレータの荷重特性を容易に調整することができる。

また、前記治具は、下治具と、上治具と、前記下治具と前記上治具の間の前記隙間に配置されるとともに治具ごとに厚さ寸法が異なるスペーサーと、を有することが好ましい。

かかる製造方法によれば、各治具の隙間の高さ寸法をスペーサーで調整することができるため、設備コストを低減することができる。

本発明のセパレータの製造方法によれば、材料特性の異なる材料を用いても所望の荷重特性を備えたセパレータを低コストで得ることができる。

実施例１に係るセパレータの断面図である。 実施例１に係る燃料電池セルの断面図である。 実施例１に係るセパレータの製造方法のプレス成形工程及び識別情報付与工程を示す断面図である。 実施例１に係るセパレータの製造方法の接合工程を示す断面図である。 実施例１に係るセパレータの製造方法の読取り工程を示す概略図である。 実施例１に係るセパレータの製造方法の治具選定工程及び載置工程を示す概略図である。 実施例１に係るセパレータの製造方法の予備荷重付与工程を示す概略図である。 実施例１に係るセパレータのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。 特許文献１に係るセパレータのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。 図９とは異なる材料特性を備えたセパレータのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。 図９に対して荷重特性をシフトさせたセパレータのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。

実施形態に係るセパレータの製造方法及びセパレータについて図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、第１セパレータ３（第２セパレータ４）は、燃料電池に用いられる板状の部材であって、第１金属セパレータ２１と、第２金属セパレータ２２と、複数のシール部材５１とで構成されている。第１セパレータ３（第２セパレータ４）は、燃料電池スタックとして組付けられる前に、予備荷重が付与される。

本実施形態に係るセパレータの製造方法の予備荷重付与工程では、シール部材５１、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の少なくとも一つの材料特性ごとに予備荷重付与時の圧縮量を変化させている。シール部材５１、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の少なくとも一つの材料特性ごとに予備荷重付与時の圧縮量を変化させるため、所望の荷重特性を備えた第１セパレータ３（第２セパレータ４）を低コストで得ることができる。以下、実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
燃料電池スタックは、複数個の燃料電池セル１を積層させ、燃料電池セル１の積層方向に所定の圧縮荷重を付与したものである。図２では、所定の圧縮荷重を付与して締結した状態の燃料電池セル１を描画している。

電解質膜・電極構造体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）２は、電解質膜１１と、電極触媒層１２，１２と、ガス拡散層１３，１３とを含んで構成されている。電解質膜１１は、ガス拡散層１３よりも外側に張り出している。なお、ガス拡散層１３よりも外側に張り出す部分は、樹脂フィルム（樹脂枠部材）である場合もある。

第１セパレータ３は、電解質膜・電極構造体２の一方側（図２では下側）に配置される板状部材である。第２セパレータ４は、電解質膜・電極構造体２の他方側（図２では上側）に配置される板状部材である。第１セパレータ３及び第２セパレータ４は、本実施例では同じ構成になっているため、第２セパレータ４については第１セパレータ３と同じ符号を付して詳細な説明は省略する。

ビードシール部４１は、電解質膜１１（又は樹脂フィルム）に向けて突出しており、例えば、無端状態となるように燃料電池セル１の外周縁の全周に亘って形成されている。ビードシール部４１の先端部には、ビードシール部４１の延在方向に沿ってシール部材５１が配置されている。

シール部材５１は、弾性材料で形成されている。本実施例のシール部材５１は、断面矩形のガスケットである。シール部材５１は、例えば、液体状態の材料をビードシール部４１に塗布して形成してもよいし、帯状の材料をビードシール部４１に張り付けて形成してもよい。シール部材５１は、弾性を有する材料で形成すればよいが、例えば、ゴム硬度Hs４５～５５のエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ポリイソブチレン（ＰＩＢ）、ＳＩＦＥＬ（登録商標：信越化学工業株式会社）、樹脂等を用いることができる。

第１セパレータ３及び第２セパレータ４のビードシール部４１には予備荷重が付与されている。予備荷重については後記する。

次に、本実施例のセパレータの製造方法について説明する。本実施例のセパレータの製造方法では、プレス成形工程と、識別情報付与工程と、接合工程と、読取り工程と、治具選定工程と、載置工程と、予備荷重付与工程と、を行う。

プレス成形工程は、図３に示すように、素材をプレス成形して第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２を形成する工程である。第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２は、例えば、厚さ０．０３～０．５ｍｍ程度で、硬度がＨｖ３００以下金属薄板である。

第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２は、本実施例では同じ材料特性を備えた素材を用いている。成形された第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２は、それぞれ単数又は複数のシール用ビード部３１と、単数又は複数の凸部３２とを備えている。なお、シール用ビード部３１及び凸部３２の個数、ビード高さ、配置はあくまで例示であって、適宜設定すればよい。

識別情報付与工程は、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２にこれらの材料特性を付与する工程である。図３に示すように、識別情報付与工程では、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の一部に材料識別部２０ａを設ける。材料識別部２０ａは、例えば、マトリクス型２次元コード（ＱＲコード（登録商標：株式会社デンソーウェーブ））、１次元コード（バーコード）又はＲＦＩＤ（radio frequency identifier）を用いることができる。材料識別部２０ａには、シール部材５１、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の少なくとも一つの材料特性が含まれている。材料特性は、例えば、シール部材５１のゴム硬度や、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータの厚さ寸法、硬度（ビッカーズ硬さ、ブリネル硬さ等）である。また、材料識別部２０ａには、製造番号、ロットナンバー等の製造段階における識別情報が含まれていてもよい。なお、識別情報付与工程は、読取り工程の前であればどのタイミングで行ってもよい。

接合工程は、図４に示すように、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを接合するとともに、シール部材５１を設置する工程である。接合工程では、第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とを、シール用ビード部３１が突出する側の面とは反対側の面同士を接合する。第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とはロウ付け、かしめ、溶接等で一体化する。さらに、シール用ビード部３１，３１の先端部にシール部材５１，５１を設置する。

接合工程を経ると、シール用ビード部３１，３１と、シール部材５１，５１とでビードシール部４１が形成され、ビードシール部４１の内部に中空部が形成される。また、凸部３２，３２で結合凸部４２が形成され、結合凸部４２の内部に中空部が形成される。なお、接合工程で形成された第１金属セパレータ２１、第２金属セパレータ２２及び複数のシール部材５１で構成された構造物を「プレス・接合体Ｘ」とも言う。

読取り工程は、図５に示すように、プレス・接合体Ｘの材料特性を取得する工程である。読取り工程では、読み取り部８０を用いて材料識別部２０ａを読み取る。読み取り部８０で読み取られた検出データは、例えば、当該プレス・接合体Ｘ（プレス・接合体Ｘを構成する素材）の製造番号、ロットナンバー等の識別情報と関連付けて後記する加圧装置７０の制御部（図示省略）に送信される。

治具選定工程は、図６に示すように、読み取り部８０で読み取られた材料特性に基づいて、複数の治具７２の中から一の治具７２を選定する工程である。ここで、予備荷重付与工程で用いる加圧装置７０について説明する。図６及び図７に示すように、加圧装置７０は、プレス・接合体Ｘに予備荷重を付与する装置である。加圧装置７０は、土台７１と、複数の治具７２と、加圧部７６と、制御装置（図示省略）と、搬送部（図示省略）とを備えている。

複数の治具７２は、板状の土台７１の上に間隔をあけて並設されている。治具７２は、本実施例では例えば４つ（治具７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄ）設けている。治具７２は、下治具７３と、上治具７５と、下治具７３と上治具７５との間に配置される一対のスペーサー７４とで構成されている。下治具７３は、プレス・接合体Ｘが載置される部材であって、各治具７２とも同じ高さ寸法になっている。上治具７５は、プレス・接合体Ｘと加圧部７６との間に配置される部材である。スペーサー７４は、スペーサー７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７４の順番で厚さ寸法が徐々に大きくなるように設定されている。換言すると、予備荷重付与時における下治具７３と上治具７５との隙間の高さ寸法は、治具７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄの順番で徐々に大きくなるように設定されている。

加圧部７６は、図７に示すように、上治具７５（プレス・接合体Ｘ）を押圧する部位であり、上治具７５が各スペーサー７４に当接するまで降下するように構成されている。つまり、治具７２のうち、スペーサー７４の高さ寸法が最も小さい治具７２Ａを使用した場合にプレス・接合体Ｘの圧縮量が最も大きくなり（予備荷重が最も大きい）、スペーサー７４の高さ寸法が最も大きい治具７２Ｄを使用した場合にプレス・接合体Ｘの圧縮量が最も小さくなる（予備荷重が最も小さい）。

制御装置（図示省略）は、加圧装置７０の全体を制御する装置である。制御装置は、制御部、入力部、表示部、記憶部等を含んで構成されている。制御部は、読み取り部８０から送信された検出データに基づいて、プレス・接合体Ｘが何れの治具７２に対応するかを選定する「治具選定部」を備えている。

記憶部は、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ等の記憶媒体から構成されている。治具選定部で選定された選定結果は、プレス・接合体Ｘと関連付けて記憶部に記憶される。また、記憶部には、治具７２を選定する際の基準となる治具選定データファイル等が記憶されている。

治具選定データファイルは、例えば、読み取り部８０から送信された検出データが、何れの治具７２に対応するかを規定したファイルである。第１金属セパレータ２１、第２金属セパレータ２２の厚さ寸法及び硬度や、シール部材５１の硬度（ゴム硬度）によって圧縮復元特性が異なるため、治具選定データファイルには、これらの厚さ寸法及び硬度と、予備荷重を付与する際の適切な圧縮量（下治具７３と上治具７５との隙間の高さ寸法）との関係が記憶されている。治具選定データファイルは、事前に取得された複数の素材の厚さ寸法、硬度及びその素材の圧縮復元特性に基づいて適宜生成される。

治具選定データファイルは、本実施例では、厚さ寸法及び硬度に閾値を設けて規定している。厚さ寸法及び硬度がいずれも閾値以上である場合、治具７２Ａを選定するように規定されている。厚さ寸法が閾値以上で、硬度が閾値より小さい場合、治具７２Ｂを選定するように規定されている。厚さ寸法が閾値より小さく、硬度が閾値以上である場合、治具７２Ｃを選定するように規定されている。厚さ寸法及び硬度がいずれも閾値より小さい場合、治具７２Ｄを選定するように規定されている。なお、治具選定データファイルは、素材の材種や、要求されるセパレータの性能に応じて適宜設定すればよい。

搬送部は、制御部の治具選定部で選定された一の治具７２に、その選定結果に対応するプレス・接合体Ｘを搬送し、下治具７３に載置する装置である。搬送部は例えば、搬送ロボットを用いることができる。

治具選定工程では、制御部の治具選定部が、治具選定データファイルに基づいて、読み取り部８０から送信された検出データに適した治具７２を選定する。

載置工程では、図６に示すように、治具選定工程で選定された一の治具７２（ここでは治具７２Ｂ）にプレス・接合体Ｘを載置する工程である。搬送部は、制御部から送信された搬送信号に基づいて、選定された一の治具７２にそのプレス・接合体Ｘを搬送する。

予備荷重付与工程は、図７に示すように、プレス・接合体Ｘを圧縮して予備荷重を付与する工程である。予備荷重付与工程では、制御部から送信された予備荷重付与信号に基づいて、上治具７５がスペーサー７４Ｂ，７４Ｂに当接するまで加圧部７６を降下させてプレス・接合体Ｘを圧縮し、予備荷重を付与する。以上の工程により、第１セパレータ３（第２セパレータ４）が形成される。

図８は、実施例１に係るセパレータのセル厚みとシール圧力との関係を示すグラフである。図８に示す太線部分が、本実施例で形成された第１セパレータ３（第２セパレータ４）の荷重特性線となる。図８に示すように、従来は、予備荷重付与時の位置（圧縮量）を一定寸法による予備荷重位置Ｎ１としていた。これに対し、本実施例では、材料特性に応じて予備荷重位置Ｎ２に調整することで、素材の材料特性が異なる場合であっても締結隙間α時の締結圧力を締結圧力の中央値とすることができる。つまり、本実施例では、材料特性が異なる場合であっても、締結隙間α時の締結圧力を締結圧力の中央値とすることができ、所望の荷重特性を備えたセパレータを得ることができる。

以上説明した本実施例によれば、シール部材５１、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の少なくとも一つの材料特性ごとに予備荷重付与時の圧縮量を変化させるため、第１セパレータ３（第２セパレータ４）の所望の荷重特性を低コストで得ることができる。

また、予備荷重付与工程を行う前に、材料識別部２０ａを読み取る読取り工程を含むことで、シール部材５１、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の少なくとも一つの材料特性を容易に取得することができる。

また、本実施例によれば、予備荷重付与工程を行う前に、読取り工程で読み取られた材料特性に基づいて、複数の治具７２の中から一の治具を選定する治具選定工程を行うため、そのプレス・接合体Ｘの材料特性に適した治具７２（圧縮量）を選定できるため、第１セパレータ３（第２セパレータ４）の荷重特性を容易に調整することができる。

また、プレス成形工程では、材料特性に応じてシール用ビード部３１の高さ寸法を変える必要が無いため、複数種類のプレス成形型を用意する必要がなく、設備コストを低減することができる。また、予備荷重付与工程では、厚さの異なるスペーサー７４（７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７４Ｄ）を下治具７３の上に載置するだけで、各治具７２の圧縮量（下治具７３と上治具７５との隙間の高さ寸法）を低コストで容易に変更することができる。また、上治具７５がスペーサー７４に当接するまで加圧部７６を降下させるだけでよいため、加圧装置７０の設定作業を簡易に行うことができる。

また、治具選定工程では、読み取り部８０から送信された検出データと、予め設定された治具選定データファイルに基づいて、隙間の高さ寸法が異なる治具７２の中から、素材の材料特性に適した治具７２を容易に選定することができる。

以上本発明の実施例について説明したが、本発明の趣旨に反しない範囲で適宜設計変更が可能である。例えば、読取り工程は、予備荷重付与工程の前であればいつ行ってもよい。また、本実施例ではスペーサー７４で圧縮量（下治具７３と上治具７５との隙間の高さ寸法）を調整したが、他の方法で調整してもよい。例えば、各下治具７３及び各上治具７５の高さ寸法はそれぞれ一定とし、加圧部７６の降下量をそれぞれ変更することで圧縮量を調整してもよい。また、素材（シール部材５１、第１金属セパレータ２１、第２金属セパレータ２２）の材料特性は、厚さ寸法、硬度だけでなく、他の要素を含むようにしてもよい。

１ 燃料電池セル
２ 電解質膜・電極構造体
３ 第１セパレータ（セパレータ）
４ 第２セパレータ（セパレータ）
１１ 電解質膜（フィルム）
２０ａ 材料識別部
２１ 第１金属セパレータ
２２ 第２金属セパレータ
３１ シール用ビード部
４１ ビードシール部
５１ シール部材
７２ 治具
７３ 下治具
７４ スペーサー
７５ 上治具
８０ 読み取り部
Ｘ プレス・接合体

Claims (4)

1. 燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、
   シール部材と第１金属セパレータと第２金属セパレータとで形成されたプレス・接合体の高さ方向に予備荷重を付与し、前記プレス・接合体を塑性変形させる予備荷重付与工程と、を含み、
   前記予備荷重付与工程では、シール部材、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの少なくとも一つの材料特性に基づいて予備荷重付与時の圧縮量を変化させ、予備荷重付与時の圧縮量は、予備荷重付与後、締結間隔αにおける締結圧力が締結圧力の中央値となるように設定されることを特徴とするセパレータの製造方法。
2. 前記予備荷重付与工程を行う前に、シール部材、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの少なくとも一つの材料特性が記録された材料識別部を読み取る読取り工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のセパレータの製造方法。
3. 前記予備荷重付与工程で用いられる予備荷重付与装置は、前記予備荷重付与時における隙間の高さ寸法がそれぞれ異なる複数の治具と、前記治具を介して前記プレス・接合体に前記予備荷重を付与する加圧部とを備えており、
   前記予備荷重付与工程を行う前に、前記読取り工程で読み取られた材料特性に基づいて、複数の前記治具の中から一の治具を選定する治具選定工程を含むことを特徴とする請求項２に記載のセパレータの製造方法。
4. 前記治具は、下治具と、上治具と、前記下治具と前記上治具の間の前記隙間に配置されるとともに治具ごとに厚さ寸法が異なるスペーサーと、を有することを特徴とする請求項３に記載のセパレータの製造方法。

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