MEA(膜電極接合体)とは何を指し、周辺のスタック部品はどこまで加工発注できるのか？

まず確認すること

燃料電池スタックは、MEAとセパレータを1組として200組から400組積み重ね、両端をエンドプレートで締め付けた構造です[2]。ガスと冷却水をセルごとに配るのがマニホールドブロックです[3]。この3種は要求が別物で、セパレータは資料の参考仕様で板厚0.075mmという薄板成形、エンドプレートは厚板の平面度、マニホールドブロックは交差穴の位置精度が主な管理項目になります[2][4]。弊社が図面を受け取って最初に確かめるのも、この3種のどれで、材質は何かという2点です。

納期が遅れやすいポイント

• MEAと呼ぶ範囲が膜電極接合体だけなのか、セパレータを含むスタック単位なのかで、見積の対象部品が変わる[2]
• セパレータに要求される接触抵抗や耐食性の評価が、機械加工の公差表とは別系統で決まる[1]
• 板厚10mmから80mmのプレートは切削熱とクランプ歪みで0.1mmから0.5mmの反りが出るため、締結面の平面度を図面どおりに出せるか読めない[5]
• マニホールドブロックの交差穴は、位置がずれると流路が塞がるか、意図しない隙間ができて流量とシール性に影響する[3]
• 流体に触れる部品の漏れ基準を、どの試験の何という判定値で示せばよいか決めきれない[4]

Q. MEA(膜電極接合体)とは何を指し、加工発注の対象はどこからか？

A. MEAは電解質膜と触媒層を接合した発電部そのものを指し、加工発注の対象になるのはその外側の金属部品です[2]。 固体高分子形燃料電池のセルは、電解質膜、触媒層、拡散層、セパレータ(バイポーラプレート)という構成要素に分けて評価されます[1]。このうちMEAは膜と触媒層を接合したもので、塗布と接合の工程で作られます。切削や成形で形を出す部品ではないため、機械加工の発注対象にはなりません。 セパレータから先が金属部品です。セパレータは反応ガスを流路へ均一に配り、生成水を抜き、反応熱を逃がし、セル間の電流を通すという役割を同時に負います[2]。1基のスタックにこのセパレータが200枚から400枚入るため[2]、1枚あたりの加工費と不良率は、スタック1基あたりの費用に200倍から400倍で乗る計算になります。 セパレータの評価軸は、寸法公差ではなく接触抵抗と耐食性と表面処理層の密着性です[1]。評価プロトコルには、拡散層に対する接触抵抗を測定面積2cm×2cmで測る手順や、130℃、相対湿度100%の加圧水蒸気に4時間以上さらす密着性試験が規定されています[1]。ここで示される接触抵抗の目標値は、組み合わせる拡散層の銘柄や測定荷重で変わる参考値であり、加工の受入基準としてそのまま使える数値ではありません[1]。

Q. セパレータ、エンドプレート、マニホールドブロックで、精度の要はどこが違うのか？

A. セパレータは薄板の成形精度、エンドプレートは厚板の平面度と平行度、マニホールドブロックは交差穴の位置精度が要になります[2][4]。 セパレータは薄板を成形して流路を作るため、流路成形時に金属が局所的に薄くなるという不良モードを抱えます[2]。アノード側とカソード側の半割を後工程でレーザ溶接して合わせる作り方では、位置決めのための基準点の精度が要求されます[2]。必要になるのはプレス成形と溶接の設備で、切削機ではありません。材質は表面処理済みまたは無処理のステンレス、アルミニウム、チタンが使われます[2]。 エンドプレートは、積層したセルを両端から締め付ける厚板です。素材が厚いほど内部に残る応力の総量が大きく、削って釣り合いが崩れたときの変形量も大きくなります。板厚10mmから80mmの範囲では、切削熱とクランプ歪みで0.1mmから0.5mmの反りが出ます[5]。両面を交互に削って応力を逃がし、クランプ圧を下げ、加工の24時間後に反り戻りを測り直すという手順が要ります[5]。管理値の例は平面度0.02mm/300mm、平行度0.03mm、板厚±0.05mmで、仕上げの面粗度はフライスでRa1.6、研削でRa0.4を目安にします[5]。ただしこれはダイプレートや取付プレートで使っている一般値で、締結圧の分布まで含めた燃料電池向けの基準値ではありません[5]。 マニホールドブロックは、金属塊の複数の面から穴をあけ、内部で交差させて流路網を作る部品です[3]。交差穴は中心軸をずらさずに交わらせる必要があり、位置がずれると流路が塞がるか、意図しない隙間ができて流量とシール性に影響します[3]。深い穴ほど真直度が崩れ、隣の穴との交差を外しやすくなります[3]。弊社の公開事例では、SS400の60×65×400mmの角材にφ34の貫通穴を複数あけ、要求±0.1mmに対して穴間ピッチ精度±0.05mm、真直度0.1mm/400mm以内で仕上げています[6]。

Q. 弊社に相談いただくとき、事前に確認させていただく条件は何か？

A. 部品の区分、材料、要求精度、検査条件、数量の5点です。この5点が揃えば、対応可否と見積を回答します。 弊社が公開している加工事例のうち、性質の近い仕事として示せるのは、流体を通す金属ブロックの加工と検査です。A6061-T6の250×180×120mmブロックにφ10からφ20の流路を14本、3層で交差させて加工し、交差部のバリを熱エネルギー式のバリ取りで処理したうえで、35MPaを30分保持する耐圧試験を全数実施した事例があります[7]。圧力媒体は作動油で、水素ではありません[7]。 ガスに触れる面の清浄度が問題になる場合は、溶接継手を作らない一体削り出しという選び方があります。SUS316L-BAのチャンバ用ガス導入ポートを旋盤と横形マシニングで一体加工し、電解研磨とパッシベーションで面粗度Ra0.15、金属イオン溶出3ppt、0.1μm以上のパーティクル0個/cm²という結果を得た事例です[8]。溶接残渣が洗浄で落としきれずに異物源になるため、継手そのものを作らないという判断です[8]。半導体の成膜装置向けの事例です[8]。 材質と要求精度が決まっていない段階でも受け付けます。使用流体、想定圧力、外形寸法、必要数量のうち分かっているものだけで、加工方法の候補と対応可否の見当を返します。交差穴を含むブロックであれば、位置度φ0.05とポート穴H7という管理値を基準に図面要求と照らします[4]。

図面で見ておきたい条件

• MEA本体、つまり電解質膜と触媒層を接合する工程は化学プロセスであり、弊社の機械加工の範囲外です。加工発注の対象になるのは、MEAを挟むセパレータ、エンドプレート、マニホールドブロックなどの金属部品です[2]。図面と材料規格、検査条件が出せる範囲であれば見積の対象になります。
• セパレータの接触抵抗と耐食性は、機械加工の寸法公差とは別の試験で評価されます。評価プロトコルでは、pH3、液温80℃、塩化物イオン10ppm相当と弗化物イオン3ppm相当を加えた試験液の中で、アノード側0.0V、カソード側1.1V(vs RHE)を60時間以上印加する条件が示されています[1]。この評価を発注側と加工側のどちらが持つかは、見積の前に決めておく必要があります。
• 水素に触れる部品の漏れ基準値は、使用圧力と検査方法が決まってから回答します。弊社が管理値として示せるヘリウムリーク試験10⁻⁶Pa·m³/s級は油圧や空圧のマニホールドでの範囲であり、水素サービスでの保証値としてそのまま転用はしません[4]。

相談前に知っておきたいこと

• 加工費と納期の絶対値は、部品の区分、材質、要求精度、検査条件、数量の5点が決まってから算出します。この5点が決まった段階で、対応可否と費用を回答します。
• 深江特殊鋼が示せるのは、流体を通す金属部品としての隣接事例です。作動油を通すアルミ製マニホールドの多層流路[7]、SS400角材への多穴深穴加工[6]、ガスに触れる面の清浄度を確保した半導体向けガス導入ポートの一体削り出し[8]がこれにあたります。いずれも燃料電池向けまたは水素サービス向けの事例ではなく、隣接領域の実績として提示します。
• セパレータの薄板成形に必要なプレス成形と溶接の設備は、弊社の自社設備の範囲外です。[2] 材質、板厚、流路形状、必要枚数が決まった時点で、対応可否と見積を回答します。
• 水素に触れる部品の漏れ判定値と、燃料電池のエンドプレートに要る平面度の基準値は、使用圧力、検査方法、締結圧の分布が決まってから照合します。[4][5] 現在示せる管理値は油圧と空圧のマニホールド、およびダイプレートや取付プレートに対するものです。

関連するものづくりトピックス