JP7264802B2

JP7264802B2 - セパレータの製造方法

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Publication number: JP7264802B2
Application number: JP2019231111A
Authority: JP
Inventors: 陽平佐野; 茂渡部; 章仁儀賀; 優大森
Original assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Current assignee: Honda Motor Co Ltd; Nok Corp
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2039-12-23
Also published as: US20210194019A1; JP2021099928A; US11380909B2; CN113036175B; CN113036175A

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１，２に示すように、セパレータを備えた燃料電池セルが知られている。図７は、関連技術に係るセパレータを示す断面図である。図７に示すように、セパレータ１２０は、第１金属セパレータ１０１と、第２金属セパレータ１０２と、シール部材１１３，１１３とを備えている。

第１金属セパレータ１０１及び第２金属セパレータ１０２は、凸状を呈するシール用ビード部１１１と、凸状を呈しシール用ビード部１１１より突出高さが小さいストッパー用ビード部１１２と、をそれぞれ備えている。第１金属セパレータ１０１と第２金属セパレータ１０２とは、シール用ビード部１１１が突出する側の面とは反対側の面同士が接合されている。シール用ビード部１１１の先端には、シール部材１１３が設けられている。

セパレータ１２０のうち、シール用ビード部１１１，１１１及びシール部材１１３，１１３でビードシール部１２１が形成されている。また、セパレータ１２０のうち、ストッパー用ビード部１１２，１１２でストッパー部１２２が形成されている。対向するビードシール部１２１，１２１同士で電解質膜を挟持してシールすることにより、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスの漏洩を防ぐことができる。また、燃料電池セルに過大な押付け荷重が作用した場合には、各ストッパー部１２２が当該荷重を受けることで、ビードシール部１２１に過大なひずみやへたりが生じ難くなる。

セパレータには、燃料電池セルを組み付ける前に、予備荷重が付与されている。図８は、関連技術に係るセパレータにおいて、予備荷重付与工程を示す模式断面図である。図８に示すように、予備荷重付与工程では、一対の板状の圧盤１４０，１４０によりセパレータ１２０に予備荷重を付与することができる。シール用ビード部１１１の突出方向とは逆方向に荷重を作用させてビードシール部１２１を予め変形させておくと、ビードシール部１２１に作用する押付け荷重に変動が生じた場合であっても、塑性変形を惹起することなく安定したシール性を得ることができる。

図９は、関連技術に係るセパレータにおいて、ビードシール部及びストッパー部の変形量と押付け荷重との関係を示すグラフである。予備荷重の作用効果について詳述すると、図９に示すように、予め変形させていないビードシール部１２１（点ａ）に対し、荷重特性線Ｌ１に沿って押付け荷重を加えシール性を発現させた場合（点ｂ）、外乱による押付け荷重が作用すると（点ｃ）、塑性変形が惹起されビードシール部１２１の荷重特性線がＬ１からＬ２に移動する。そのため、ビードシール部１２１は安定したシール性を維持するのが困難となる。

これに対し、ビードシール部１２１に予備荷重を作用させて荷重特性線をＬ１からＬ３に移動させた後（点ｅ）、一旦押付け荷重を取り除き（点ａ’）、押付け荷重を再度付与しシール性を発現させた場合（点ｂ’）、外乱による押付け荷重が点ｃ’まで増大した際にも、ビードシール部１２１に塑性変形が惹起され難く、ビードシール部１２１は荷重特性線Ｌ３に沿った特性を保つことができる。そのため、ビードシール部１２１に押付け荷重の変動が生じた場合に、塑性変形を惹起することなく安定したシール性を得ることができる。

特表２００６－５０４８７２号公報米国特許出願公開第２０１８／０１２３１４１Ａ１号明細書

このようなセパレータにおいて、第１金属セパレータ１０１、第２金属セパレータ１０２をプレス成形すると、加工誤差等の影響によりビードシール部１２１の高さＨ１（図７参照）と、ストッパー部１２２の高さＨ２の寸法ばらつきが大きくなる場合がある。図１０は、関連技術に係るセパレータにおいて、押付け荷重とビードシール部に発生する線圧との関係を示すグラフである。例えば、ストッパー部１２２の高さＨ２が過大な状態で、その燃料電池セルに押付け荷重が作用した場合、ストッパー部１２２が押付け荷重の一部を受けるため、ビードシール部１２１に必要な線圧が発生しない可能性がある（領域Ｗ１参照）。

一方、例えば、この寸法ばらつきによってストッパー部１２２の高さ寸法が過小な状態で、その燃料電池用セルに過大な押付け荷重が作用した場合、ビードシール部１２１の異常変形が発生する場合があり、シール機能を損なう可能性がある（領域Ｗ２参照）。よって、ストッパー部１２２（ストッパー用ビード部１１２）の高さの高い寸法精度が必要とされている。

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、荷重変動に対して塑性変形を惹起することなく、所望のシール面圧を得ることが可能な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、凸状を呈するシール用ビード部と、凸状を呈し前記シール用ビード部より突出高さが小さいストッパー用ビード部と、をそれぞれ有する第１金属セパレータ及び第２金属セパレータを成形する成形工程と、前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの前記シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面同士を接合するとともに、前記シール用ビード部の延長方向又は先端部にシール部材を設置する接合工程と、一対の前記シール用ビード部及び前記シール部材で構成されたビードシール部、及び、一対の前記ストッパー用ビード部で構成されたストッパー部の高さ方向に予備荷重を付与し、前記ビードシール部及び前記ストッパー部を同時に塑性変形させる予備荷重付与工程と、を含むことを特徴とする。

かかる製造方法によれば、ストッパー部に予備荷重を付与するので、ストッパー用ビード部の高さの寸法ばらつきを抑制することができる。これにより、燃料電池セルに荷重変動が生じた場合でも所望のシール面圧を得ることができる。また、シール用ビード部及びストッパー用ビード部の両方に予備荷重を付与するので、荷重変動に対して塑性変形を惹起することなく、所望のシール面圧を得ることが可能となる。

本発明のセパレータの製造方法によれば、荷重変動に対して塑性変形を惹起することなく、所望のシール面圧を得ることが可能となる。

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予備荷重付与工程の荷重付与前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予備荷重付与工程の荷重付与中を示す断面図である。実施例１の予備変形量とストッパー部の高さとの関係を示すグラフである。実施例２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断面図である。関連技術に係るセパレータを示す断面図である。関連技術に係るセパレータにおいて、予備荷重付与工程を示す模式断面図である。関連技術に係るセパレータにおいて、ビードシール部及びストッパー部の変形量と押付け荷重との関係を示すグラフである。関連技術に係るセパレータにおいて、押付け荷重とビードシール部に発生する線圧との関係を示すグラフである。

図１に示すように、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、燃料電池セル１は、電解質膜・電極構造体２と、電解質膜・電極構造体２を挟む第１セパレータ３及び第２セパレータ４と、を備えている。

第１セパレータ３及び第２セパレータ４は、それぞれ第１金属セパレータ２１と、第２金属セパレータ２２と、シール部材５１，５１と、を備えた接合セパレータである。第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２は、それぞれ凸状を呈するシール用ビード部３１と、凸状を呈しシール用ビード部３１より突出高さが小さいストッパー用ビード部３２と、をそれぞれ有する。第１金属セパレータ２１と第２金属セパレータ２２とは、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が接合されている。

第１セパレータ３（第２セパレータ４も同様）のうち、シール用ビード部３１，３１及びシール部材５１，５１でビードシール部４１が形成されている。また、第１セパレータ３（第２セパレータ４も同様）のうち、ストッパー用ビード部３２，３２でストッパー部４２が形成されている。

本実施形態に係るセパレータの製造方法では、ビードシール部４１及びストッパー部４２の両方に対して予備荷重を付与する。これにより、荷重変動に対して塑性変形を惹起することなく、所望のシール面圧を得ることが可能となる。以下、実施例について詳細に説明する。

［実施例１］
燃料電池セル１は、アノード側より供給される水素（燃料ガス）と、カソード側より供給される酸素（酸化剤ガス）との化学反応により発電する部材である。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１では、所定の圧縮荷重を付与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１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１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。

第１セパレータ３は、シール領域Ｒ１を形成するビードシール部４１と、ストッパー部４２とを有する。ストッパー部４２は、スタックされた状態で外乱（温度変化や衝突等）が発生した際にビードシール部４１が予め設定された最大圧縮量を超えて変形しないように支持する（外乱による荷重を受ける）部位である。

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は、本実施例では1つであるが複数設けてもよい。ビードシール部４１は、その延長方向又は先端部に延在方向に沿ってシール部材５１を備えている。

シール部材５１は、弾性材料で形成されており、本実施例では断面矩形のフラットガスケットである。シール部材５１は、液体状態の樹脂材料を塗布して形成されている。シール部材５１の厚さは適宜設定すればよいが、例えば、５０～２００μｍ程度に設定することができる。シール部材５１は、弾性を有する材料で形成すればよく、例えば、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。

ストッパー部４２は、電解質膜１１に向けて突出するとともに電解質膜１１に当接するか、若しくはわずかな隙間をあけて対向している。ストッパー部４２は、ビードシール部４１の延長方向に沿って、直線状又は曲線状に延設されている。

シール領域Ｒ１は、第１セパレータ３のビードシール部４１と、第２セパレータ４のビードシール部４１とで電解質膜１１を挟持することにより形成されている。シール領域Ｒ１によって、燃料ガス、酸化剤ガス等の反応ガスの漏洩を防ぐことができる。対向するビードシール部４１が、シール部材５１をそれぞれ備えているためシール性を高めることができる。

また、第１セパレータ３（第２セパレータ４も同様）のリブ部３３，３３で反応面・流路部４３が形成されている。第１セパレータ３の反応面・流路部４３と、第２セパレータ４の反応面・流路部４３とで電解質膜・電極構造体２（ガス拡散層１３，１３）を挟持することにより、反応ガスが流通する反応領域が形成されている。

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、ストッパー部４２にはいずれも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（成形工程）と、接合工程と、予備荷重付与工程と、を行う。

プレス成形工程は、図２に示すように、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２をプレス成形する工程である。プレス成形工程では、平板状の厚さ０．０３～０．５ｍｍ程度の金属薄板（素材）を断面が凸凹形状になるようにプレス成形することにより第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。

第１金属セパレータ２１は、シール用ビード部３１と、ストッパー用ビード部３２（本実施例ではシール用ビード部３１を挟んで２つずつ）とを備えている。シール用ビード部３１及びストッパー用ビード部３２はいずれも断面形状が凸状を呈するフルビード形状である。ストッパー用ビード部３２の板厚方向の突出高さは、シール用ビード部３１よりも小さくなっている。なお、シール用ビード部３１及びストッパー用ビード部３２の個数、配置はあくまで例示であって、適宜設定すればよい。

接合工程は、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。図３に示すように、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の延長方向又は先端部にシール部材５１，５１を設置する。

これにより、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が形成される。ビードシール部４１の内部には中空部が形成されている。また、ストッパー用ビード部３２，３２でストッパー部４２が形成される。ストッパー部４２の内部には中空部が形成されている。

予備荷重付与工程は、図３及び図４に示すように、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及びシール部材５１（以下、「プレス・接合体」とも言う。）に圧盤６１，６１を用いて予備荷重を付与する工程である。圧盤６１は、プレス・接合体に予備荷重を付与する部材である。圧盤６１は、プレス・接合体を挟んで一対配置されている。圧盤６１は、高強度の金属又は樹脂で形成されており、板状を呈する。圧盤６１は、押さえ面６２と、凹溝部６３とをそれぞれ備えている。押さえ面６２は、プレス・接合体のストッパー部４２に対向する平坦な面である。

凹溝部６３は、押さえ面６２の中央部に設けられた断面矩形の溝である。凹溝部６３の深さは、ビードシール部４１及びストッパー部４２に付与する予備荷重の大きさに基づいて適宜設定される。つまり、凹溝部６３の深さを調整することで、ビードシール部４１及びストッパー部４２に付与される予備荷重の大きさを制御することができる。凹溝部６３の幅は、予備荷重を付与する際に凹溝部６３とシール用ビード部３１とが干渉しない大きさに設定する。

予備荷重工程では、圧盤６１の凹溝部６３にビードシール部４１を収容しつつ、プレス・接合体の両側から圧盤６１，６１を互いに近接させる。このとき、圧盤６１，６１からビードシール部４１及びストッパー部４２の両方に同時に荷重を付与する。予備荷重の大きさは、適宜設定すればよいが、例えば、燃料電池スタックの発電中に積層方向に作用する最大荷重に設定する。所定の予備荷重を付与したら、プレス・接合体から圧盤６１を離間させて荷重を解放する。以上の工程により、第１セパレータ３及び第２セパレータ４がそれぞれ形成される。なお、セパレータの製造方法は、前記した工程に限定されるものではない。例えば、各工程の順番や材料は適宜変更してもよい。

第１セパレータ３及び第２セパレータ４が形成されたら、組付け工程及び圧縮工程を行って、燃料電池セル１を形成する。組付け工程は、図１に示すように、電解質膜・電極構造体２（電解質膜１１）を、第１セパレータ３と、第２セパレータ４とで挟む工程である。

圧縮工程は、図１に示すように、組み付けられた燃料電池セルを複数個積層させつつ、所定の圧縮荷重を付与して燃料電池スタックを形成する工程である。ビードシール部４１同士で所定の荷重で電解質膜１１を挟み込むと、シール領域Ｒ１が形成される。ストッパー部４２と電解質膜１１とは当接するか、わずかな隙間をあけて対向する。

次に、本実施例の作用効果について説明する。図５は、実施例１の予備変形量とストッパー部の高さとの関係を示すグラフである。図５の２本の実線で挟まれた領域はストッパー部４２の寸法ばらつき範囲を示している。図５に示すように、例えば、予備変形量がゼロの場合（予備荷重を付与しない場合）、ストッパー部４２の高さのばらつきは大きくなる。この状態でセパレータを形成すると、前記したように荷重変動が生じた場合に所望のシール性が得られないおそれがある。

一方、図５に示すように、本実施例の予備荷重付与工程を終えた後の第１セパレータ３（第２セパレータ４）の高さ寸法を計測したところ、例えば、予備変形量をＹＴ１～ＹＴ２とする場合、ストッパー部４２の高さのばらつきを小さくすることができた。ビードシール部４１に加え、ストッパー部４２（ストッパー用ビード部３２）にも予備荷重を付与することにより、ストッパー部４２の寸法精度を高めることができるため、ストッパー部４２の寸法ばらつきに起因するシール機能の低下を防ぐことができる。

また、対向するストッパー部４２，４２によれば、スタックされた状態で外乱が発生した際に、ビードシール部４１が予め設定された最大圧縮量を超えて変形しないように支持することができる。これにより、ビードシール部４１の線圧を安定させることができるため、所望のシール面圧を安定的に得ることができる。

また、凹溝部６３を備えた圧盤６１，６１を用いることで、ビードシール部４１及びストッパー部４２の両方に予備荷重を容易に付与することができる。また、凹溝部６３の深さを調整することで、ビードシール部４１に付与する予備荷重に関わらず、ストッパー部４２に作用する荷重を容易に制御することができる。換言すると、凹溝部６３の深さを調整することで、ビードシール部４１及びストッパー部４２に作用する荷重（予備変形量）をそれぞれ変化させることができる。具体的には、凹溝部６３の部分を入れ子構造とし、圧盤６１の母型と入れ子との間にシムを介設して凹溝部６３の深さを調整することができる。また、深さの異なる凹溝部６３を備えた圧盤６１を複数個用意して、これらの圧盤６１を適宜入れ替えて調整することができる。

また、予備荷重付与工程では、ビードシール部４１及びストッパー部４２に対して両方同時に予備荷重を付与できるため、ビードシール部４１とストッパー部４２との段差（高さ寸法の差）を一定にすることができる。

例えば、ビードシール部４１に予備荷重が付与されていない状態で燃料電池スタックに組み込んで使用すると、運転時の荷重変動により、ビードシール部４１に塑性変形が惹起され易い。従って、荷重を加えたときと荷重を加えなかったときで、ビードシール部４１は、塑性変形前の荷重特性線とは異なる荷重特性線上に移動する。これにより、所望のシール面圧を維持するための運転範囲が狭小になってしまい、外乱（温度変化や衝突）に耐える広い運転範囲を得ることが困難となる。

これに対し、本実施例では、ビードシール部４１及びストッパー部４２の両方に予備荷重が付与され予め塑性変形されている。このため、ビードシール部４１及びストッパー部４２は、燃料電池スタックの運転時の荷重変動に起因して塑性変形することがなく、荷重を加えた際と荷重を抜いた際で、同一の荷重特性線上を移動することができる。従って、運転範囲が拡大し、外乱（温度変化や衝突等）に耐え得る広い荷重特性が得られ、所望のシール面圧を確実に得ることが可能になる。

また、第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２を接合した後に予備荷重が付与されるため、当該接合の際の第１金属セパレータ２１及び第２金属セパレータ２２の変形を矯正することができる。

このように、本実施例では、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（シール用ビード部３１及びシール部材５１）及びストッパー部４２（ストッパー用ビード部３２）の両方に予備荷重を付与することにより、押付け荷重の変動に対して塑性変形を惹起することなく、相乗的にシール性能を向上させることができる。

［実施例２］
次に、実施例２に係るセパレータの製造方法について説明する。本実施例では、実施例１と相違する部分を中心に説明する。図６に示すように、実施例２では、圧盤６１Ａと、スペーサー７１を用いる点で実施例１と相違する。

実施例２の予備荷重付与工程では、圧盤６１Ａ及び４つのスペーサー７１を準備する。圧盤６１Ａの押さえ面６２は平坦になっている（凹溝部は無い）。スペーサー７１，７１は、圧盤６１Ａに固定されるとともに、圧盤６１Ａの中央部を挟んで両側に一枚ずつ配置される。

実施例２の予備荷重付与工程では、ビードシール部４１のシール部材５１，５１を押さえ面６２，６２にそれぞれ当接せさせつつ、ストッパー部４２の両端をスペーサー７１，７１にそれぞれ当接させる。この状態で、圧盤６１Ａ，６１Ａを近接させて、ビードシール部４１及びストッパー部４２に予備荷重を付与する。

以上説明した実施例２であっても、実施例１と概ね同じ効果を奏することができる。また、実施例２では、スペーサー７１の厚さ寸法を調整することで、ビードシール部４１及びストッパー部４２に作用する荷重を容易に制御することができる。

以上のように実施形態及び実施例について説明したが、適宜設計変更が可能である。例えば、前記したストッパー部４２は、電解質膜１１を挟んで両側に配置されているが、片側のみに配置される領域があってもよい。

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）
２１第１金属セパレータ
２２第２金属セパレータ
４１ビードシール部
４２ストッパー部
５１シール部材
Ｒ１シール領域

Claims

燃料電池に用いられるセパレータの製造方法であって、
凸状を呈するシール用ビード部と、凸状を呈し前記シール用ビード部より突出高さが小さいストッパー用ビード部と、をそれぞれ有する第１金属セパレータ及び第２金属セパレータを成形する成形工程と、
前記第１金属セパレータ及び前記第２金属セパレータの前記シール用ビード部が突出する側の面とは反対側の面同士を接合するとともに、前記シール用ビード部の延長方向又は先端部にシール部材を設置する接合工程と、
一対の前記シール用ビード部及び前記シール部材で構成されたビードシール部、及び、一対の前記ストッパー用ビード部で構成されたストッパー部の高さ方向に予備荷重を付与し、前記ビードシール部及び前記ストッパー部を同時に塑性変形させる予備荷重付与工程と、を含むことを特徴とするセパレータの製造方法。
前記予備荷重付与工程では、押さえ面と、前記押さえ面に設けられ前記ビードシール部が配置される凹溝部と、をそれぞれ有する一対の圧盤を用い、対向する前記凹溝部同士で前記ビードシール部を挟持するとともに、対向する前記押さえ面同士で前記ストッパー部を挟持して予備荷重を付与する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。
前記予備荷重付与工程では、押さえ面をそれぞれ有する一対の圧盤と、一対のスペーサーとを用い、対向する前記押さえ面同士で前記ビードシール部を挟持するとともに、対向する前記スペーサー同士で前記ストッパー部を挟持して予備荷重を付与する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。