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JP2008004291A - Manufacturing method of press metal separator for fuel cell - Google Patents

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JP2008004291A
JP2008004291A JP2006170217A JP2006170217A JP2008004291A JP 2008004291 A JP2008004291 A JP 2008004291A JP 2006170217 A JP2006170217 A JP 2006170217A JP 2006170217 A JP2006170217 A JP 2006170217A JP 2008004291 A JP2008004291 A JP 2008004291A
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fuel cell
separator
press
power generation
metal
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JP2006170217A
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Japanese (ja)
Inventor
Katsuhiko Kinoshita
克彦 木下
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

【課題】発電時において、最も反り等の変形の発生が少ない燃料電池用プレスメタルセパレータを製造する方法を提供すること。
【解決手段】金属薄板部材を所定の金型を用いてプレス成型する工程を備える燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、燃料電池の発電時の温度帯域でプレス成型する。例えば、前記金属薄板部材を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定し、また前記金型を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定する。
【選択図】図2
A method of manufacturing a pressed metal separator for a fuel cell that generates the least amount of deformation such as warpage during power generation is provided.
In a method of manufacturing a pressed metal separator for a fuel cell, the method includes press-molding a thin metal plate member using a predetermined mold, and press-molding in a temperature band during power generation of the fuel cell. For example, the metal thin plate member is set in a temperature band during power generation of the fuel cell, and the mold is set in a temperature band during power generation of the fuel cell.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a press metal separator for a fuel cell.

電解質膜の一方の面に水素ガス等の燃料ガスが反応するアノードを形成し、他方の面に酸素ガス等の酸化ガスが反応するカソードを形成した膜−電極接合体(Membrane-Electrode Assembly、MEA)を、1組のセパレータで挟持した燃料電池(所謂、固体高分子電解質型燃料電池)が知られている。   A membrane-electrode assembly (MEA) in which an anode that reacts with a fuel gas such as hydrogen gas is formed on one surface of an electrolyte membrane and a cathode that reacts with an oxidizing gas such as oxygen gas is formed on the other surface ) Are sandwiched between a pair of separators (so-called solid polymer electrolyte fuel cells) are known.

この種の燃料電池のセパレータは、導電性材料からなり、MEAの表面に接触配置して、集電部として機能する。またセパレータは、両面に凹凸形状を備える。この凹凸形状は、セパレータの表面に平行に配列した条溝を形成し、アノードまたはカソードに水素ガスまたは酸化ガスを供給するための流路として利用される。また、この種の燃料電池は、通常、MEAを複数枚重ねた燃料電池スタックの状態で使用され為、セパレータが各MEAを分離する。   This type of fuel cell separator is made of a conductive material, and is placed in contact with the surface of the MEA to function as a current collector. Moreover, a separator is provided with uneven | corrugated shape on both surfaces. This uneven shape forms a groove arranged in parallel to the surface of the separator, and is used as a flow path for supplying hydrogen gas or oxidizing gas to the anode or cathode. In addition, since this type of fuel cell is normally used in a fuel cell stack in which a plurality of MEAs are stacked, a separator separates each MEA.

上記セパレータとして、薄型で高強度、かつ成形性に優れる金属性セパレータ(メタルセパレータ)が多用されている。メタルセパレータを製造する方法としては、例えば、金属薄板部材を、プレス加工することによって製造される。プレス加工によって、金属薄板部材に凹部状の流路等が形成され、メタルセパレータが得られる(例えば、特許文献1参照)。   As the separator, a metallic separator (metal separator) that is thin, has high strength, and is excellent in moldability is frequently used. As a method for producing a metal separator, for example, a metal thin plate member is produced by pressing. By press working, a recessed channel or the like is formed in the metal thin plate member, and a metal separator is obtained (see, for example, Patent Document 1).

特開2004−296138号公報JP 2004-296138 A 特開2004−241141号公報JP 2004-241141 A 特開2005−339901号公報JP 2005-339901 A

プレス加工によって製造されたメタルセパレータには残留応力が存在する。その為、メタルセパレータは、燃料電池の発電時の発熱によって熱膨張し、変形する場合がある。メタルセパレータが変形し、反りが発生すると、セパレータとMEAとの接触が不充分となり、セパレータの集電部の機能が低下してしまい問題である。集電部の機能が低下すると、ひいては、燃料電池の出力が低下してしまう。また、発電時、メタルセパレータに反りが発生すると、メタルセパレータ上の流路が変形し、流路内のガスが漏洩する場合もある。そのような場合、燃料電池の出力が不安定となり問題である。   Residual stress exists in the metal separator manufactured by press working. For this reason, the metal separator may be thermally expanded and deformed by heat generated during power generation by the fuel cell. If the metal separator is deformed and warps, the contact between the separator and the MEA becomes insufficient, and the function of the current collector of the separator is deteriorated. When the function of the current collector is reduced, the output of the fuel cell is eventually reduced. In addition, when the metal separator warps during power generation, the flow path on the metal separator may be deformed, and gas in the flow path may leak. In such a case, the output of the fuel cell becomes unstable, which is a problem.

なお上記特許文献2および3は、平行に配列した条溝を備えるメタルセパレータであって、条溝間に、条溝と略垂直に交わる方向の強度を向上させるための突起部(隆起部)を設けたメタルセパレータを開示する。このように突起部等を設けることによって、メタルセパレータの変形(反り)を防止することができるが、突起部等の特別な構造を設けることなくメタルセパレータの変形が防止されることが望ましい。   The above-mentioned Patent Documents 2 and 3 are metal separators having strips arranged in parallel, and a projection (bump) is provided between the strips to improve strength in a direction substantially perpendicular to the strips. Disclosed is a metal separator provided. By providing the protrusions and the like in this manner, the deformation (warping) of the metal separator can be prevented, but it is desirable to prevent the metal separator from being deformed without providing a special structure such as the protrusions.

本発明の目的は、発電時において、最も反り等の変形の発生が少ない燃料電池用プレスメタルセパレータを製造する方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a method for producing a pressed metal separator for a fuel cell that generates the least deformation such as warpage during power generation.

本発明に係る燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法は、金属薄板部材を所定の金型を用いてプレス成型する工程を備える燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、燃料電池の発電時の温度帯域でプレス成型することを特徴とする。本発明によれば、発電時において、最も残留応力による変形が発生し難い燃料電池用プレスメタルセパレータを製造することができる。   A method for producing a press metal separator for a fuel cell according to the present invention is a method for producing a press metal separator for a fuel cell comprising a step of press-molding a thin metal plate member using a predetermined mold. It is characterized by press molding in a band. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the press-metal separator for fuel cells which hardly deform | transforms by a residual stress can be manufactured at the time of electric power generation.

上記燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、前記金属薄板部材を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定する。   In the method for manufacturing a pressed metal separator for a fuel cell, the metal thin plate member is set to a temperature band during power generation of the fuel cell.

上記燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、前記金型を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定する。   In the method for manufacturing a press metal separator for a fuel cell, the mold is set in a temperature band during power generation of the fuel cell.

上記燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法に用いられる燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置において、金属薄板部材および金型の少なくとも一方を加熱する加熱手段を有することを特徴とする。   The fuel cell press metal separator manufacturing apparatus used in the method for manufacturing a fuel cell press metal separator includes a heating means for heating at least one of the metal thin plate member and the mold.

また、上記製造方法により製造された燃料電池用プレスメタルセパレータは、燃料電池の発電時の温度帯域における平面度が、前記温度帯域以外の温度帯域における平面度よりも高いことを特徴とする。   In addition, the fuel cell press metal separator manufactured by the above-described manufacturing method is characterized in that the flatness in the temperature band during power generation of the fuel cell is higher than the flatness in the temperature band other than the temperature band.

本発明によれば、発電時において、最も反り等の変形の発生が少ない燃料電池用プレスメタルセパレータを製造することができる。   According to the present invention, it is possible to manufacture a fuel cell press metal separator that generates the least amount of deformation such as warping during power generation.

以下、本発明の実施形態を図面を用いて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、燃料電池用プレスメタルセパレータ1の概略平面図である。セパレータ1は、中央部分に、平行に配列した複数の条溝からなる流路を備える。この流路20に沿って、ガスや冷媒が流される。条溝の断面は、略凹部形状である。この流路20は、セパレータ1の表面および裏面の双方に形成される。セパレータ1は、凹部と凸部とが交互に繰り返された凹凸形状を両面に備える。このセパレータ1は、金属薄板部材をプレス加工することによって製造される。金属薄板部材は、アルミニウム、ステンレス、チタン等の金属からなる公知の導電性薄板部材である。なお本実施形態において、金属薄板部材をプレス加工することによって製造されるメタルセパレータ1を、特に、プレスメタルセパレータと称する。なお、セパレータ1の中央部分の外側には、中空部からなり、ガスや冷媒を通す為のマニホールド30を備える。このマニホールド30は、例えば、プレス加工後の金属薄板部材を打ち抜き加工することによって形成される。   FIG. 1 is a schematic plan view of a press metal separator 1 for a fuel cell. The separator 1 is provided with a flow path including a plurality of grooves arranged in parallel at the central portion. A gas or a refrigerant flows along the flow path 20. The cross section of the groove is substantially concave. The flow path 20 is formed on both the front surface and the back surface of the separator 1. Separator 1 is provided with a concavo-convex shape in which concave portions and convex portions are alternately repeated on both surfaces. The separator 1 is manufactured by pressing a metal thin plate member. The metal thin plate member is a known conductive thin plate member made of a metal such as aluminum, stainless steel, or titanium. In the present embodiment, the metal separator 1 manufactured by pressing a metal thin plate member is particularly referred to as a press metal separator. In addition, the outer side of the center part of the separator 1 is provided with a manifold 30 that is formed of a hollow portion and allows gas and refrigerant to pass therethrough. The manifold 30 is formed, for example, by punching a thin metal plate member after pressing.

以下、セパレータ1の製造方法を説明する。セパレータ1は、所定の金型を用いてプレス成型することによって製造される。図2は、燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置40の概略構成図である。装置40は、チャンバー42と、チャンバー42内に設置される金型43を備える。金型43は、上側金型44と、下側金型47とからなる。これらの金型44,47の間に、金属薄板部材2が配置される。上側金型44および下側金型47は、上下方向に移動可能であり、両金型44,47間に配置された金属薄板部材2を、両面側から押圧する。金属薄板部材2と向かい合う上側金型44および下側金型47のそれぞれの押圧面45,48には、それぞれ凸部46,49が備えられる。凸部46,49は、押圧面45,48において細長く平行に延びた形状にある。金型43で金属薄板部材2を押圧した際、上側金型44の凸部46間に、下側金型47の凸部49が入り込み、金属薄板部材2が凸部46,49の形状に沿って折り曲げられる。このように、上側金型44の凸部46と、下側金型47の凸部49とによって折り曲げられて、金属薄板部材2の両面に凹凸形状が形成される。なお、チャンバー42内は、ヒータ等によって所定温度に設定可能である。   Hereinafter, the manufacturing method of the separator 1 is demonstrated. The separator 1 is manufactured by press molding using a predetermined mold. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the fuel cell press metal separator manufacturing apparatus 40. The apparatus 40 includes a chamber 42 and a mold 43 installed in the chamber 42. The mold 43 includes an upper mold 44 and a lower mold 47. The thin metal plate member 2 is disposed between the molds 44 and 47. The upper mold 44 and the lower mold 47 are movable in the vertical direction, and press the metal thin plate member 2 disposed between the both molds 44 and 47 from both sides. Convex portions 46 and 49 are provided on the pressing surfaces 45 and 48 of the upper mold 44 and the lower mold 47 facing the metal thin plate member 2, respectively. The convex portions 46 and 49 are elongated and parallel to each other on the pressing surfaces 45 and 48. When the metal thin plate member 2 is pressed by the mold 43, the convex portion 49 of the lower mold 47 enters between the convex portions 46 of the upper mold 44, and the metal thin plate member 2 follows the shape of the convex portions 46, 49. Can be bent. In this way, the convex portion 46 of the upper mold 44 and the convex portion 49 of the lower mold 47 are bent so that concave and convex shapes are formed on both surfaces of the metal thin plate member 2. Note that the inside of the chamber 42 can be set to a predetermined temperature by a heater or the like.

本実施形態において、プレス成型は、燃料電池の発電時の温度帯域で行われる。例えば、セパレータ1が利用される燃料電池の発電時の温度が略80℃であれば、略80℃の条件でプレス成型が行われる。具体的には、(I)予め、金属薄板部材2を温めておき、金属薄板部材2の温度を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定すること、(II)プレス成型に用いる金型43を予め温めておき、金型43の温度を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定すること、(III)金属薄板部材2および金型43が設置されるチャンバー42内の温度を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定すること、等を行う。少なくとも、(I)〜(III)の内、1つを行う。なお(I)〜(III)のすべてを行うことが好ましい。   In the present embodiment, the press molding is performed in a temperature band during power generation of the fuel cell. For example, if the temperature at the time of power generation of the fuel cell using the separator 1 is approximately 80 ° C., press molding is performed under the condition of approximately 80 ° C. Specifically, (I) the metal thin plate member 2 is warmed in advance, and the temperature of the metal thin plate member 2 is set to a temperature band during power generation of the fuel cell, and (II) a mold 43 used for press molding. Is set in advance, and the temperature of the mold 43 is set to a temperature band during power generation of the fuel cell, and (III) the temperature in the chamber 42 in which the metal thin plate member 2 and the mold 43 are installed is Set the temperature range during power generation. At least one of (I) to (III) is performed. It is preferable to perform all of (I) to (III).

上記(I)において、金属薄板部材2を温める方法としては、例えば、プレス成型する前に、温度が燃料電池の発電時の温度帯域に設定された恒温室に金属薄板部材2を静置して温める方法や、金属薄板部材2に温風を吹き付けて温める方法がある。燃料電池の発電時の温度帯域に設定すること以外は、公知の方法によって温めることができる。また上記(I)において、金属薄板部材2を温め、燃料電池の発電時の温度帯域に温度を設置する場合、金属薄板部材2の全面(全部)を温めることが好ましい。金属薄板部材2を、略均一の条件(温度条件)でプレス成型する為である。   In the above (I), as a method for heating the thin metal plate member 2, for example, before the press molding, the thin metal plate member 2 is allowed to stand in a temperature-controlled room where the temperature is set in the temperature band during power generation of the fuel cell. There are a method of warming and a method of warming the thin metal plate member 2 by blowing warm air. Heating can be performed by a known method except that the temperature range is set at the time of power generation of the fuel cell. Moreover, in said (I), when heating the metal thin plate member 2 and installing temperature in the temperature range at the time of power generation of a fuel cell, it is preferable to warm the whole surface (all) of the metal thin plate member 2. This is because the thin metal plate member 2 is press-molded under substantially uniform conditions (temperature conditions).

上記(II)において、金型43を温める方法として、例えば、金型43に電気ヒータを内蔵させて、金型43を電気ヒータによって温める方法がある。燃料電池の発電時の温度帯域に設定すること以外は、公知の方法によって温めることができる。なお、金型としては、図2において示される金型43や、ロール金型等の公知のプレス加工用金型を用いることができる。なお金型43は、上側金型44および下側金型47の双方を温めることが好ましいが、場合によっては、一方のみを温めてもよい。   In the above (II), as a method for heating the mold 43, for example, there is a method in which an electric heater is built in the mold 43 and the mold 43 is heated by the electric heater. Heating can be performed by a known method except that the temperature range is set at the time of power generation of the fuel cell. As the mold, a known press working mold such as the mold 43 shown in FIG. 2 or a roll mold can be used. In addition, although it is preferable that the metal mold | die 43 heats both the upper metal mold | die 44 and the lower metal mold | die 47, depending on the case, you may heat only one side.

上記(III)において、チャンバー42内をヒータ等で温め、温度を燃料電池の発電時の温度帯域に設定すると、チャンバー42内に設置された金属薄板部材2および金型43が温められる。また上記(I)または(II)において、予め温められた金属薄板部材2および金型43の温度が低下するのを防ぐことができる。   In the above (III), when the inside of the chamber 42 is warmed with a heater or the like and the temperature is set to a temperature band at the time of power generation of the fuel cell, the thin metal plate member 2 and the mold 43 installed in the chamber 42 are warmed. Further, in the above (I) or (II), it is possible to prevent the temperature of the metal sheet member 2 and the mold 43 that have been warmed in advance from decreasing.

本実施形態に係るセパレータ1は、燃料電池の発電時の温度帯域において、発電時において望まれる所定の形状に成型される。図3は、燃料電池の発電時の温度帯域下におけるセパレータ1の斜視図である。図3には、説明の便宜上、流路20として用いられるセパレータ1の凹凸形状の一部のみが示される。セパレータ1は、燃料電池の発電時の温度帯域においてプレス成型される為、少なくとも、この温度帯域においては所定形状を維持する。   The separator 1 according to the present embodiment is molded into a predetermined shape desired during power generation in a temperature range during power generation of the fuel cell. FIG. 3 is a perspective view of the separator 1 under the temperature range during power generation of the fuel cell. FIG. 3 shows only a part of the uneven shape of the separator 1 used as the flow path 20 for convenience of explanation. Since the separator 1 is press-molded in the temperature range during power generation of the fuel cell, the separator 1 maintains a predetermined shape at least in this temperature range.

ところで、セパレータ1は、プレス成型によって製造される為、残留応力や歪みエネルギーが内在した状態にある。セパレータ1は、条溝(流路20)に沿った方向(図3における矢印aの方向)よりも、条溝と垂直に交わる方向(矢印bの方向)の強度が弱く、曲がり易い。その為、残留応力等の影響を受けた際、セパレータ1は、条溝と垂直に交わる方向において反りが生じる。   By the way, since the separator 1 is manufactured by press molding, it has a state in which residual stress and strain energy are inherent. The separator 1 has a lower strength in the direction perpendicular to the groove (the direction of the arrow b) than the direction along the groove (the flow path 20) (the direction of the arrow a in FIG. 3), and is easily bent. Therefore, when affected by residual stress or the like, the separator 1 warps in the direction perpendicular to the groove.

燃料電池の発電時の温度(帯域)は、通常、常温以上である。したがって、プレス成型後、セパレータ1の温度は、プレス成型時よりも下がる。温度の下がったセパレータ1には、熱収縮が起こり、反りが生じ得る。したがって、このセパレータ1は、燃料電池に用いた場合、待機時等の発電時以外は、熱収縮し、反りが生じ得る状態にある。しかし、セパレータは、発電時においては、温度が上がり、熱膨張してプレス成型時の所定形状に復元する。本実施形態に係るセパレータ1は、少なくとも発電時は所定形状が維持され、また、発電時に最も反り等の変形が発生し難い。   The temperature (band) at the time of power generation of the fuel cell is usually at room temperature or higher. Accordingly, after press molding, the temperature of the separator 1 is lower than that during press molding. The separator 1 that has fallen in temperature may undergo thermal shrinkage and warp. Therefore, when this separator 1 is used for a fuel cell, it is in a state where it can be warped due to thermal contraction except during power generation such as during standby. However, during power generation, the separator rises in temperature and thermally expands to restore the predetermined shape during press molding. The separator 1 according to the present embodiment maintains a predetermined shape at least during power generation, and is most unlikely to undergo deformation such as warping during power generation.

プレス成型時、セパレータ1の両面に形成される凹凸形状において、各凸部の高さh(各凹部の深さ)は、同一に設定される。また、図3において示されるセパレータ1において、上面の各凸部の表面S同士は、略同一平面(水平面)となるように設定される。つまり、セパレータ1は、燃料電池の発電時の温度帯域において、最も平面度が高い状態にある。 In the concavo-convex shape formed on both surfaces of the separator 1 during press molding, the height h 1 (depth of each concave portion) of each convex portion is set to be the same. Further, in the separator 1 shown in FIG. 3, the surface S 1 of the respective projecting portions of the upper surface is set to be substantially flush (horizontal plane). That is, the separator 1 has the highest flatness in the temperature range during power generation of the fuel cell.

なおセパレータ1には、耐食性を向上させる等の目的で、貴金属めっきや、導電性樹脂コーティングを施してもよい。   The separator 1 may be subjected to noble metal plating or conductive resin coating for the purpose of improving the corrosion resistance.

以下、本実施形態に係るセパレータ1を用いた燃料電池50について説明する。図4は、上記セパレータ1を含む燃料電池50の概略構成図である。燃料電池50は、イオン伝導性の電解質膜51と、電解質膜51の両面上に配置する電極52とからなる膜−電極接合体53(MEA)と、MEA53の両面上に配置する1組のセパレータ1(1A,1B)を備える。この燃料電池50は、水素ガスと酸化ガス(酸素)とをMEA53において反応させることにより、発電する。なお、図4には、燃料電池50として、説明の便宜上、1枚のMEA53と1組のセパレータ1を備える燃料電池セルを示した。なお、燃料電池セルは、複数個積層し、電気的に直列接続した燃料電池スタックとして用いられる。   Hereinafter, the fuel cell 50 using the separator 1 according to the present embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a fuel cell 50 including the separator 1. The fuel cell 50 includes a membrane-electrode assembly 53 (MEA) including an ion conductive electrolyte membrane 51 and electrodes 52 disposed on both surfaces of the electrolyte membrane 51, and a set of separators disposed on both surfaces of the MEA 53. 1 (1A, 1B). The fuel cell 50 generates power by reacting hydrogen gas and oxidizing gas (oxygen) in the MEA 53. In FIG. 4, as the fuel cell 50, a fuel cell including one MEA 53 and one set of separators 1 is shown for convenience of explanation. A plurality of fuel cells are stacked and used as a fuel cell stack electrically connected in series.

電解質膜51は、フッ素系高分子材料からなる。側鎖にスルホン酸基やカルボキシル基等のイオン交換基を有する高分子膜である。電解質膜51としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体膜(ナフィオン、登録商標、デュポン社製)が用いられる。電解質膜51の一方の面上には、水素ガスが反応する電極52であるアノード52Aが備えられる。また他方の面上には、酸化ガスが反応する電極52であるカソード52Bが備えられる。これらの電極52は、電解質膜51の表面上に形成される触媒層54(54A,54B)と、触媒層54(54A,54B)の表面上に形成される拡散層55(55A,55B)を備える。触媒層54は、白金、金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム等の貴金属触媒をカーボンで担持した触媒担持カーボンと、この触媒担持カーボンを結着する為の結着樹脂とを含む。カーボンとしては、オイルファーネスブラック、チャンネルブラック、サーマルブラック、アセチレンブラック等が用いられる。結着樹脂としては、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、ポリヘキサフルオロプロピレン等が用いられる。拡散層55は、カーボン繊維(例えば、カーボンクロス、カーボンペーパー)等の導電性多孔質材料からなる。なお図2で示されるMEA53において、電解質膜51の上側に配置する電極52がアノード52Aであり、下側に配置する電極52がカソード52Bである。   The electrolyte membrane 51 is made of a fluorine-based polymer material. It is a polymer membrane having an ion exchange group such as a sulfonic acid group or a carboxyl group in the side chain. As the electrolyte membrane 51, for example, a perfluorosulfonic acid polymer membrane (Nafion, registered trademark, manufactured by DuPont) is used. On one surface of the electrolyte membrane 51, an anode 52A that is an electrode 52 with which hydrogen gas reacts is provided. On the other surface, a cathode 52B, which is an electrode 52 that reacts with an oxidizing gas, is provided. These electrodes 52 include a catalyst layer 54 (54A, 54B) formed on the surface of the electrolyte membrane 51 and a diffusion layer 55 (55A, 55B) formed on the surface of the catalyst layer 54 (54A, 54B). Prepare. The catalyst layer 54 includes a catalyst-supporting carbon in which a noble metal catalyst such as platinum, gold, palladium, ruthenium, iridium and the like is supported by carbon, and a binder resin for binding the catalyst-supporting carbon. As the carbon, oil furnace black, channel black, thermal black, acetylene black and the like are used. As the binder resin, polyvinyl fluoride, polyvinylidene fluoride, polyhexafluoropropylene, or the like is used. The diffusion layer 55 is made of a conductive porous material such as carbon fiber (for example, carbon cloth, carbon paper). In the MEA 53 shown in FIG. 2, the electrode 52 disposed on the upper side of the electrolyte membrane 51 is the anode 52A, and the electrode 52 disposed on the lower side is the cathode 52B.

MEA53の両面上に、1組の燃料電池用プレスメタルセパレータ1(1A,1B)が配置される。図4においてMEA53の上側に配置するセパレータ1は、アノード側セパレータ1Aであり、下側に配置するセパレータ1はカソード側セパレータ1Bである。これらのセパレータ1(1A,1B)は、MEA53を介して対向配置される。なお、これらのセパレータ1(1A,1B)は、略80℃の条件で、プレス成型(加工)されたものである。   A pair of fuel cell press metal separators 1 (1A, 1B) is disposed on both surfaces of the MEA 53. In FIG. 4, the separator 1 disposed on the upper side of the MEA 53 is the anode-side separator 1A, and the separator 1 disposed on the lower side is the cathode-side separator 1B. These separators 1 (1A, 1B) are arranged to face each other via the MEA 53. In addition, these separators 1 (1A, 1B) are press-molded (processed) under conditions of approximately 80 ° C.

セパレータ1(1A,1B)は、凹凸形状を備える。この凹凸形状は、平行に配列した複数の条溝からなり、流路として利用される。アノード側セパレータ1Aにおいて、MEA53と面する条溝(凹部22A)は、MEA53のアノード52Aへ水素ガスを供給する為の水素ガス流路として用いられる。また、水素ガス流路の反対側の条溝(凹部23A)は、冷媒(冷却水)を通す為の冷媒流路として用いられる。これに対し、カソード側セパレータ1Bにおいて、MEA53と面する条溝(凹部22B)は、MEA53のカソード52Bへ酸化ガスを供給する為の酸化ガス流路として用いられる。また、酸化ガス流路の反対側の条溝(凹部23B)は、冷媒流路として用いられる。なおアノード側セパレータ1Aの上面には、他の燃料電池のカソード側セパレータ1B’が配置され、カソード側セパレータ1Bの下面には、他の燃料電池のアノード側セパレータ1A’’が配置される。セパレータ1(1A,1B)は、燃料電池50のMEA53と、他の燃料電池のMEAとを分離する。   The separator 1 (1A, 1B) has an uneven shape. This uneven shape consists of a plurality of grooves arranged in parallel and is used as a flow path. In the anode-side separator 1A, the groove (recess 22A) facing the MEA 53 is used as a hydrogen gas flow path for supplying hydrogen gas to the anode 52A of the MEA 53. Further, the groove (recess 23A) on the opposite side of the hydrogen gas flow path is used as a refrigerant flow path for passing a refrigerant (cooling water). On the other hand, in the cathode side separator 1B, the groove (recess 22B) facing the MEA 53 is used as an oxidizing gas flow path for supplying oxidizing gas to the cathode 52B of the MEA 53. Further, the groove (recess 23B) on the opposite side of the oxidizing gas channel is used as a refrigerant channel. A cathode separator 1B 'of another fuel cell is disposed on the upper surface of the anode separator 1A, and an anode separator 1A "of another fuel cell is disposed on the lower surface of the cathode separator 1B. Separator 1 (1A, 1B) separates MEA 53 of fuel cell 50 from MEAs of other fuel cells.

この燃料電池50において、MEA53のアノード52Aにセパレータ1Aの水素ガス流路を経由させて水素ガスが供給され、カソード52Bにセパレータ1Bの酸化ガス流路を経由させて酸化ガス(通常は、空気)が供給される。供給された水素ガスはアノード52Aにおいて、以下に示す(1)式の化学反応に供される。また酸化ガス(酸素)はカソード52Bにおいて、以下に示す(2)式の化学反応に供される。   In this fuel cell 50, hydrogen gas is supplied to the anode 52A of the MEA 53 via the hydrogen gas flow path of the separator 1A, and the oxidizing gas (usually air) is supplied to the cathode 52B via the oxidizing gas flow path of the separator 1B. Is supplied. The supplied hydrogen gas is subjected to a chemical reaction of the following formula (1) at the anode 52A. Further, the oxidizing gas (oxygen) is subjected to a chemical reaction of the following formula (2) at the cathode 52B.

→ 2H+ 2e ・・・(1)
(1/2)O+ 2H+ 2e → HO ・・・(2)
H 2 → 2H + + 2e (1)
(1/2) O 2 + 2H + + 2e - → H 2 O ··· (2)

アノード52Aでは、水素からプロトンおよび電子が生じる。生成したプロトンは電解質膜51中を移動してカソード52Bへ到達し、上記(2)式で示される化学反応に供される。なおプロトンは、水分子を伴って電解質膜51中を移動する。アノード52Aで生成した電子は、アノード側セパレータ1A内を移動し、隣接するカソード側セパレータ1B’内を移動して、他の燃料電池のカソードへ移動する。なお燃料電池50のカソード52Bにおいて用いられる電子は、カソード側セパレータ1Bが隣接する燃料電池のアノードからアノード側セパレータ1A’’を通って供給されたものである。燃料電池50は、通常、略80℃の温度条件で発電する。   At the anode 52A, protons and electrons are generated from hydrogen. The generated protons move through the electrolyte membrane 51 to reach the cathode 52B and are subjected to the chemical reaction represented by the above formula (2). The proton moves through the electrolyte membrane 51 with water molecules. The electrons generated in the anode 52A move in the anode side separator 1A, move in the adjacent cathode side separator 1B ', and move to the cathode of another fuel cell. The electrons used in the cathode 52B of the fuel cell 50 are supplied from the anode of the fuel cell adjacent to the cathode separator 1B through the anode separator 1A ″. The fuel cell 50 generally generates power under a temperature condition of approximately 80 ° C.

アノード52Aへ供給された水素ガスや、カソード52Bへ供給された酸化ガスは、それらのすべてが反応に供され、消費される訳ではない。未消費の水素ガスは、アノード側セパレータ1Aの水素ガス流路を通って、未消費の酸化ガスは、カソード側セパレータ1Bの酸化ガス流路を通って燃料電池50の外部へオフガスとして排出される。また上記(2)式で示されるように、カソードでは水が生成する。生成した水は、カソード側セパレータ1Bの酸化ガス流路を通ってオフガスと共に燃料電池50の外部へ排出される。   The hydrogen gas supplied to the anode 52A and the oxidizing gas supplied to the cathode 52B are not all consumed for the reaction. Unconsumed hydrogen gas passes through the hydrogen gas flow path of the anode-side separator 1A, and unconsumed oxidizing gas passes through the oxidizing gas flow path of the cathode-side separator 1B and is discharged as off-gas to the outside of the fuel cell 50. . Further, as shown in the above equation (2), water is generated at the cathode. The produced water is discharged to the outside of the fuel cell 50 together with the off gas through the oxidizing gas flow path of the cathode side separator 1B.

発電中の燃料電池50において、セパレータ1(1A,1B)は、プレス成型時と同じ略80℃の温度条件下にある。この温度条件下に存在すると、セパレータ1(1A,1B)には、プレス成型時の形状に復元しようとする力が働く。その為、このセパレータ1(1A,1B)は、少なくとも発電時において、反り等の発生が防止され為、セパレータ1(1A,1B)がMEAの表面から浮き上がってガス流路等からガス等が漏洩することや、電子を集電する機能が低下する等の問題が生じない。   In the fuel cell 50 during power generation, the separator 1 (1A, 1B) is under the same temperature condition of about 80 ° C. as in the press molding. When present under this temperature condition, the separator 1 (1A, 1B) exerts a force to restore the shape during press molding. For this reason, the separator 1 (1A, 1B) is prevented from warping at least during power generation, so that the separator 1 (1A, 1B) is lifted from the surface of the MEA and gas etc. leaks from the gas flow path. And problems such as deterioration of the function of collecting electrons do not occur.

なお、本実施形態のセパレータ1において、より確実に反り等を防止する目的で、平行に配列した条溝内に補強部を設けてもよい。即ち、凸部と凸部の間に形成される凹部内に、凸部間を差し渡すように補強部を形成してもよい。図5は、補強部15を備えるセパレータ11の一部分の斜視図である。補強部15はセパレータ11の表面および裏面の双方に形成される。図6は、図5において示される矢印Aの向きから見たセパレータの側面図である。補強部15は、凹部の深さhの約半分の深さに相当する高さhを有する。この補強部15によって、凹部(条溝)に沿った方向(図5における矢印aの方向)と垂直に交わる方向(矢印bの方向)の強度が向上する。なお補強部15が形成された凹部(条溝)内には、ガスや冷媒等の流体の流れを確保するための空間(S10、S20)が備えられる。 In addition, in the separator 1 of this embodiment, you may provide a reinforcement part in the groove | channel arranged in parallel in order to prevent a curvature etc. more reliably. That is, the reinforcing portion may be formed so as to pass between the convex portions in the concave portion formed between the convex portions. FIG. 5 is a perspective view of a part of the separator 11 including the reinforcing portion 15. The reinforcing portion 15 is formed on both the front surface and the back surface of the separator 11. FIG. 6 is a side view of the separator as viewed from the direction of the arrow A shown in FIG. Reinforcing portion 15 has a height h 3 corresponds to the depth of about half of the recess of depth h 2. This reinforcing portion 15 improves the strength in the direction (in the direction of arrow b) perpendicular to the direction along the recess (strip) (in the direction of arrow a in FIG. 5). Note that spaces (S 10 , S 20 ) for ensuring the flow of fluid such as gas or refrigerant are provided in the recesses (slots) in which the reinforcing portions 15 are formed.

図7は、それぞれの面に大きさの異なる凹凸形状を備えるセパレータ61の説明図である。図7(a)は、プレス成型時および発電中の燃料電池内におけるセパレータ61の状態を示す説明図である。このセパレータ61は、上面側に突出する凸部62の幅Lが、下面側に突出する凸部63の幅Lよりも大きく設定されている。換言すれば、上面側の凹部64の底の幅Lが下面側の凹部65の底の幅Lよりも小さく設定されている。図7(b)は、図7(a)で示されるセパレータ61の熱が奪われ、温度が低下し、セパレータ61が熱収縮する様子を示す説明図である。幅L(幅L)に対し、幅L(幅L)の方が長いため、熱収縮する量は、幅L(幅L)の方が幅L(幅L)よりも大きい。したがって、幅L(幅L)における熱収縮量が、幅L(幅L)における熱収縮量を上回り、その結果、セパレータ全体としては、下側へ反る。これに対し、図7(c)は、図7(a)で示されるセパレータ61に熱が加わり、温度が上昇して、セパレータ61が熱膨張する様子を示す説明図である。熱膨張する量も、幅L(幅L)の方が幅L(幅L)よりも大きい。したがって、幅L(幅L)における熱膨張量が、幅L(幅L)における熱膨張量を上回り、その結果、セパレータ全体としては、上側へ反る。このように、凹凸形状の幅を適宜、設定することによって、熱膨張後または熱収縮後のセパレータ61の反る向きを制御することができる。 FIG. 7 is an explanatory diagram of a separator 61 having uneven shapes with different sizes on each surface. FIG. 7A is an explanatory diagram showing the state of the separator 61 in the fuel cell during press molding and during power generation. The separator 61 has a width L 1 of the projecting portion 62 projecting to the upper surface side is set larger than the width L 2 of the convex portion 63 projecting on the lower surface side. In other words, the width L 3 of the bottoms of the recesses 64 on the upper surface side is set smaller than the base width L 4 of the lower surface side recessed portion 65 of the. FIG. 7B is an explanatory diagram showing a state in which the separator 61 shown in FIG. 7A is deprived of heat, the temperature is lowered, and the separator 61 is thermally contracted. Since the width L 1 (width L 3 ) is longer than the width L 2 (width L 4 ), the amount of heat shrinkage is the width L 2 (width L 4 ) in the width L 1 (width L 3 ). Bigger than. Therefore, the heat shrinkage amount in the width L 1 (width L 3 ) exceeds the heat shrinkage amount in the width L 2 (width L 4 ), and as a result, the separator as a whole warps downward. On the other hand, FIG.7 (c) is explanatory drawing which shows a mode that heat is added to the separator 61 shown by Fig.7 (a), temperature rises, and the separator 61 expands thermally. As for the amount of thermal expansion, the width L 1 (width L 3 ) is larger than the width L 2 (width L 4 ). Therefore, the thermal expansion amount in the width L 1 (width L 3 ) exceeds the thermal expansion amount in the width L 2 (width L 4 ), and as a result, the entire separator warps upward. Thus, by appropriately setting the width of the concavo-convex shape, the warping direction of the separator 61 after thermal expansion or thermal contraction can be controlled.

他の実施形態において、燃料電池の発電時の温度帯域よりも高い温度で、金属薄板材料をプレス加工してセパレータを製造してもよい。この温度条件で、例えば、図7において示される形状のセパレータを製造した場合、待機時のセパレータは、図7(b)に示すように、熱収縮して下側へ反った状態となる。燃料電池の発電時は、待機時よりも反りの程度が小さくなるものの、セパレータは、中央部分が依然として下側へ反った状態にある。ところで、この種の燃料電池は、専ら、MEAの中央部分が発電に利用される。その為、セパレータの中央部を、MEAの中央部分と特に強く接触させたい場合がある。そのような場合、このように発電時においてMEAと中央部分が強く接触するセパレータが有用となる。   In another embodiment, the separator may be manufactured by pressing a metal sheet material at a temperature higher than the temperature range during power generation of the fuel cell. For example, when a separator having the shape shown in FIG. 7 is manufactured under this temperature condition, the standby separator is thermally contracted and warped downward as shown in FIG. 7B. At the time of power generation of the fuel cell, although the degree of warpage is smaller than that at the time of standby, the separator is still in a state where the central portion is warped downward. By the way, in this type of fuel cell, the central portion of the MEA is exclusively used for power generation. Therefore, there is a case where it is desired to make the central portion of the separator particularly strongly contact with the central portion of the MEA. In such a case, a separator in which the MEA and the central portion are in strong contact during power generation is useful.

ここで、ロール成形装置60を用いて燃料電池用メタルセパレータを製造する方法を説明する。図8は、ロール成形装置60の概略構成図である。ロール成形装置60は、上下に近接して配置された一対の成形ロール61A,61Bを備える。上側の成形ロール61Aは、上側のロールシャフト62Aの軸方向中間部の外周に固定された成形型64Aと、成形型64Aの軸方向の両端部に固定された分割型66A,66Cと、ロールシャフト62Aの直径を挟んで成形型64Aの反対側に固定された成形には関与しないダミー68Aとが組み合わさって構成されている。下側の成形ロール61Bは、下側のロールシャフト62Bの軸方向中間部の外周に固定された成形型64Bと、成形型64Bの軸方向の両端部に固定された分割型66B,66Dと、ロールシャフト62Bの直径を挟んで成形型64Bの反対側に固定された成形には関与しないダミー68Bとが組み合わされて構成されている。ロールシャフト62A,62Bの両端部は、ベアリングホルダー74によって装置全体を支えるフレーム76に対して回転可能に保持されている。ロールシャフト62A,62Bには減速機72が接続されている。更に、減速機72を介してモータ71が接続されている。モータ71の駆動により成形ロール61A,61Bが同一速度で反対方向に回転する。上側の成形ロール61Aと、下側の成形ロール61Bとの間に、金属薄板部材が送り込まれ、成形ロール61Aの金型(64A,66A,66C)および成形ロール61Bの金型(64B,66B,66D)によって金属薄板部材が所定形状にロール成形される。このロール成形装置60は、成形ロール61Aおよび成形ロール61Bの内部に、ヒータ(加熱手段)69A,69Bを備える。ヒータによって加熱された金型の温度は、燃料電池の発電時の温度(帯域)とされる。なおロール成形装置60は、金属薄板部材を加熱するヒータを備えるものであってもよい。   Here, a method for producing a fuel cell metal separator using the roll forming apparatus 60 will be described. FIG. 8 is a schematic configuration diagram of the roll forming apparatus 60. The roll forming apparatus 60 includes a pair of forming rolls 61A and 61B arranged close to each other in the vertical direction. The upper forming roll 61A includes a forming die 64A fixed to the outer periphery of the intermediate portion in the axial direction of the upper roll shaft 62A, split dies 66A and 66C fixed to both ends in the axial direction of the forming die 64A, and a roll shaft. A dummy 68A that does not participate in molding fixed to the opposite side of the molding die 64A across the diameter of 62A is combined. The lower forming roll 61B includes a forming die 64B fixed to the outer periphery of the intermediate portion in the axial direction of the lower roll shaft 62B, split molds 66B and 66D fixed to both ends in the axial direction of the forming die 64B, A dummy 68B that does not participate in molding fixed to the opposite side of the molding die 64B across the diameter of the roll shaft 62B is combined. Both end portions of the roll shafts 62 </ b> A and 62 </ b> B are rotatably held by a bearing holder 74 with respect to a frame 76 that supports the entire apparatus. A reduction gear 72 is connected to the roll shafts 62A and 62B. Furthermore, a motor 71 is connected via a speed reducer 72. By driving the motor 71, the forming rolls 61A and 61B rotate in the opposite direction at the same speed. A thin metal plate member is fed between the upper forming roll 61A and the lower forming roll 61B, and the mold (64A, 66A, 66C) of the forming roll 61A and the mold (64B, 66B, 66D), the metal thin plate member is roll-formed into a predetermined shape. The roll forming apparatus 60 includes heaters (heating means) 69A and 69B inside the forming roll 61A and the forming roll 61B. The temperature of the mold heated by the heater is the temperature (band) during power generation of the fuel cell. The roll forming apparatus 60 may include a heater that heats the thin metal plate member.

燃料電池用プレスメタルセパレータの概略平面図である。It is a schematic plan view of the press metal separator for fuel cells. 燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the press metal separator manufacturing apparatus for fuel cells. 燃料電池の発電時の温度帯域下におけるセパレータ(一部分)の斜視図である。It is a perspective view of the separator (part) under the temperature zone at the time of power generation of the fuel cell. 燃料電池の概略構成図である。It is a schematic block diagram of a fuel cell. 補強部を備えるセパレータ(一部分)の斜視図であるIt is a perspective view of a separator (part) provided with a reinforcement part. 図5のセパレータの側面図である。It is a side view of the separator of FIG. 異なる大きさの凹凸形状を備えるセパレータの説明図である。(a):プレス成型時および発電中の燃料電池内におけるセパレータの状態を示す説明図である。(b):図7(a)のセパレータが熱収縮した状態を示す説明図である。(c):図7(a)のセパレータが熱膨張した状態を示す説明図である。It is explanatory drawing of a separator provided with the uneven | corrugated shape of a different magnitude | size. (A): It is explanatory drawing which shows the state of the separator in the fuel cell at the time of press molding and during electric power generation. (B): It is explanatory drawing which shows the state which the separator of Fig.7 (a) thermally contracted. (C): It is explanatory drawing which shows the state which the separator of Fig.7 (a) thermally expanded. 燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置(ロール成形装置)の概略構成図である。It is a schematic block diagram of the press metal separator manufacturing apparatus (roll forming apparatus) for fuel cells.

符号の説明Explanation of symbols

1,1A,1B,11,61 燃料電池用プレスメタルセパレータ、2 金属薄板部材、40 燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置、42 チャンバー、43 金型、50 燃料電池。   1, 1A, 1B, 11, 61 Fuel cell press metal separator, 2 metal thin plate member, 40 fuel cell press metal separator manufacturing apparatus, 42 chamber, 43 mold, 50 fuel cell.

Claims (5)

金属薄板部材を所定の金型を用いてプレス成型する工程を備える燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、
燃料電池の発電時の温度帯域でプレス成型することを特徴とする燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法。
In the manufacturing method of a press metal separator for a fuel cell comprising a step of press-molding a thin metal plate member using a predetermined mold,
A method for producing a pressed metal separator for a fuel cell, which is press-molded in a temperature range during power generation of the fuel cell.
請求項1記載の燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、
前記金属薄板部材を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定することを特徴とする燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法。
In the manufacturing method of the press metal separator for fuel cells of Claim 1,
A method for producing a pressed metal separator for a fuel cell, wherein the metal thin plate member is set in a temperature band during power generation of the fuel cell.
請求項1または請求項2記載の燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法において、
前記金型を、燃料電池の発電時の温度帯域に設定することを特徴とする燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法。
In the manufacturing method of the press-metal separator for fuel cells of Claim 1 or Claim 2,
A method for manufacturing a press metal separator for a fuel cell, wherein the mold is set in a temperature band during power generation of the fuel cell.
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の燃料電池用プレスメタルセパレータの製造方法に用いられる燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置において、
金属薄板部材および金型の少なくとも一方を加熱する加熱手段を有することを特徴とする燃料電池用プレスメタルセパレータ製造装置。
In the press metal separator manufacturing apparatus for fuel cells used for the manufacturing method of the press metal separator for fuel cells of any one of Claims 1-3,
An apparatus for producing a pressed metal separator for a fuel cell, comprising heating means for heating at least one of a metal thin plate member and a mold.
請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の製造方法により製造された燃料電池用プレスメタルセパレータであって、
燃料電池の発電時の温度帯域における平面度が、前記温度帯域以外の温度帯域における平面度よりも高いことを特徴とする燃料電池用プレスメタルセパレータ。
A press metal separator for a fuel cell manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 3,
A press metal separator for a fuel cell, wherein the flatness in a temperature zone during power generation of the fuel cell is higher than the flatness in a temperature zone other than the temperature zone.
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