CN101946349A - 气体流路形成部件、制造气体流路形成部件的方法及气体流路形成部件的成形装置 - Google Patents

气体流路形成部件、制造气体流路形成部件的方法及气体流路形成部件的成形装置 Download PDF

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Abstract

MEA(15)布置在框架(13，14)之间。第一气体流路形成部件(21)布置在MEA(15)的阳极电极层(17)和固定在框架(13)的上表面上的第一隔板(23)之间。第二气体流路形成部件(22)布置在MEA(15)的阴极电极层(18)和固定在框架(14)的下表面上的第二隔板(24)之间。气体流路形成部件(21，22)由金属板网(25)构成。该金属板网是通过在金属薄板中以网目状的方式形成通孔(26)、然后再使金属薄板成形为阶梯状而形成的。气体流路形成部件(21，22)具有形成通孔(26)的环形部(27)。环形部(27)具有设置在与碳纸(19，20)接触的第一接触部(28)中的平表面部(28a)。

Description

气体流路形成部件、制造气体流路形成部件的方法及气体流路形成部件的成形装置
技术领域
本发明涉及一种布置在燃料电池的发电单元(单格电池)中的气体扩散层和隔板(隔离器)之间的气体流路形成部件、用于制造所述气体流路形成部件的方法、用于制造所述气体流路形成部件的成形装置、用于包括所述气体流路形成部件的燃料电池的发电单元、和用于制造用于所述燃料电池的发电单元的方法。
背景技术
传统上已提出了一种在专利文献1中公开的聚合物电解质燃料电池。这种燃料电池是由通过将发电单元堆叠起来所形成的燃料电池组构造而成的。每个发电单元都包括具有电解质膜、阳极电极层和阴极电极层的膜电极组件。阳极电极层形成在电解质膜的第一表面上，阴极电极层安置在电解质膜的第二表面上。燃料气体如氢气和氧化剂气体如空气经气体流路形成部件(集电体)供给到阳极电极层和阴极电极层。这在膜电极组件中引发电极反应，由此发电。所发出的电力经集电体和板状隔板输出到外部。
气体流路形成部件必须能够将燃料气体和氧化剂气体两者有效地供给到阳极电极层和阴极电极层。根据在专利文献1中公开的构型，气体流路形成部件由形成为金属板的金属板网(lath)构成。在金属板网中形成有多个具有预定形状的小通孔。另外，通过将厚度约为0.1mm的不锈钢板加工成金属板网，在金属板网中以网目状的方式形成大致六角形的通孔。各自形成六角形通孔的环形部(条片(strand))以相互交迭的状态连接在一起。因此，金属板网具有阶梯状截面。
在发电单元中，在各电极层的表面和气体流路形成部件之间布置有由导电纤维形成的碳纸板片。碳纸板片使燃料气体和氧化剂气体有效地扩散到相应的电极层。当通过堆叠多个发电单元来构成燃料电池组时，布置在各发电单元的上部和下部的两个隔板移动得彼此更加接近，以便在碳纸板片和气体流路形成部件之间产生电接触。图49示出了传统的气体流路形成部件1021，其布置在与阳极电极层17接合的碳纸板片19和隔板23之间。在该状态下，当隔板23被向下挤压时，如图50所示，气体流路形成部件1021的接触部1028被牢牢地压靠在碳纸板片19上并咬入碳纸板片19中。
因此，接触部1028可能切断碳纸板片19的一部分，由此使碳纸板片19作为气体扩散层的功能变差。另外，气体扩散层的一部分可能进入气体流路形成部件1021中的燃料气体流路，从而减小燃料气体流路的有效面积。这会增大燃料气体的压力损失，从而减少燃料气体的供给量并降低发电效率。此外，被切断的碳纤维可能由燃料气体夹带并附着在气体流路形成部件中的狭窄气体流路的壁上，从而堵塞通路。这会阻碍燃料气体的流动并降低发电效率。另外，接触部1028咬入碳纸板片19中的量在各发电单元间变化。这使得发电电压不稳定。
气体流路形成部件1021具有布置在接触部1029的相对侧的接触部1030。接触部1030的角部与隔板23接触，从而损害隔板23。此外，在这种情况下，难以确保在气体流路形成部件1021和隔板23之间通电所需的接触表面积。这会妨碍电流从气体流路形成部件1021供给到隔板23，从而降低发电效率。
为了解决上述问题，采用了图40所示的金属板网成形装置。参照图40，该金属板网成形装置包括具有单个剪切刃(剪切边缘)333b的第一剪切模333、和第二剪切模334，第二剪切模334布置在第一剪切模333上方并具有交替布置的凹部334b和凸部334a。当使用该装置使金属板网成形时，通过第二剪切模334的单个下降和上升循环，凹部334b和凸部334a以交替方式分别形成上半环形部和下半环形部。在这种情况下，由凸部334a形成的下半环形部向下变形而使由凹部334b形成的上半环形部向下倾斜下弯。如图51所示，每个这种下弯部都形成弯曲平表面部1029。弯曲平表面部1029用作气体流路形成部件1021的接触部1029并与气体扩散层1019保持面接触。这样，解决了上述由接触部1029的咬入带来的问题。但是，由于形成了弯曲平表面部1029a，气体流路形成部件1021的厚度T减小。这会减小气体流路的有效面积并降低发电效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-87768号公报
发明内容
本发明要解决的问题
因此，本发明的目的涉及一种能够防止气体流路形成部件的接触部咬入气体扩散层中并由此提高燃料电池的发电效率的气体流路形成部件、用于制造所述气体流路形成部件的方法、用于制造所述气体流路形成部件的成形装置、用于包括所述气体流路形成部件的燃料电池的发电单元、和用于制造用于所述燃料电池的发电单元的方法。
解决问题的手段
为了实现上述目的以及根据本发明的第一方面，提供了一种用在燃料电池的发电单元中的气体流路形成部件。所述发电单元包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和用于使相邻的发电单元彼此隔离的隔板。所述气体流路形成部件布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并且具有气体流路。所述发电单元构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电。所述气体流路形成部件由利用金属薄板形成的金属板网构成。在所述金属板网中以网目状的方式形成有多个通孔。所述气体流路形成部件具有形成所述通孔的多个环形部。所述环形部各自都包括位于所述环形部和所述气体扩散层之间的接触部中的平表面部。
在该构型中，在所述气体流路形成部件的形成所述通孔的各个环形部和所述气体扩散层如碳纸板片之间的接触部中形成有所述平表面部。由此所述接触部与所述气体扩散层保持面接触。这可防止所述接触部咬入所述气体扩散层中，由此防止所述气体扩散层受损。因此，不会有所述气体扩散层的碎片进入所述气体流路形成部件的气体流路中。这可防止所述气体流路的有效面积减小。
上述气体流路形成部件优选地包括位于所述气体流路形成部件和所述隔板之间的接触部中的平表面部。
在上述气体流路形成部件中，所述通孔和所述环形部优选地各自都形成为具有六角形截面，并且各个接触部优选地设置在与所述六角形的一个侧边对应的位置。
为了实现上述目的以及根据本发明的第二方面，提供了一种用于制造用在燃料电池的发电单元中的气体流路形成部件的方法。所述发电单元包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和用于使相邻的发电单元彼此隔离的隔板。所述气体流路形成部件布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并且具有气体流路。所述发电单元构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电。用于制造所述气体流路形成部件的所述方法包括：通过在金属薄板中以网目状的方式形成多个通孔来制造金属板网的第一步骤；和在所述第一步骤之后、在形成所述金属板网的所述通孔的各个环形部和所述气体扩散层之间的接触部中形成平表面部的第二步骤。
在用于制造气体流路形成部件的上述方法中，优选地，在所述第二步骤中，通过在一对辊之间布置和压缩在所述第一步骤中获得的金属板网以使所述接触部发生塑性变形，来形成所述平表面部。
在用于制造气体流路形成部件的上述方法中，优选地，通过在制造所述金属板网的所述第一步骤时利用固定切断模和可动切断模使所述接触部在所述金属板网的厚度方向上发生塑性变形，来进行所述第二步骤中所述平表面部的形成。
为了实现上述目的以及根据本发明的第三方面，提供了一种用于制造气体流路形成部件的成形装置。所述成形装置包括具有以预定的节距(pitch)交替布置的第一凹部和第一凸部的固定切断模、和具有以预定的节距布置的第二凸部和第二凹部的可动切断模。所述第二凸部与所述第一凹部接合。所述第二凹部与所述固定切断模的所述第一凸部接合。所述可动切断模能够沿所述金属薄板的厚度方向和宽度方向往复运动。通过借由所述固定切断模的第一凹部和第一凸部与所述可动切断模的第二凸部和第二凹部之间的接合在所述金属薄板中以预定的节距形成多个切口并使所述金属薄板弯曲和拉伸，在所述金属薄板中形成有限定了通孔的多个环形部。在所述固定切断模的各个第一凸部的上表面中形成有倾斜表面。所述倾斜表面朝所述金属薄板的进给方向的下游侧向下倾斜。
为了实现上述目的以及根据本发明的第四方面，提供了一种用于制造气体流路形成部件的成形装置。所述成形装置包括具有以预定的节距交替布置的第一凹部和第一凸部的固定切断模、和具有以预定的节距布置的第二凸部和第二凹部的可动切断模。所述第二凸部与所述第一凹部接合。所述第二凹部与所述固定切断模的所述第一凸部接合。所述可动切断模能够沿所述金属薄板的厚度方向和宽度方向往复运动。通过借由所述固定切断模的第一凹部和第一凸部与所述可动切断模的第二凸部和第二凹部之间的接合在所述金属薄板中以预定的节距形成多个切口并使所述金属薄板弯曲和拉伸，在所述金属薄板中形成有限定了通孔的多个环形部。在所述可动切断模的各个第二凸部的下表面中形成有倾斜表面。所述倾斜表面朝与所述金属薄板的进给方向相反的上游方向向上倾斜。
在上述成形装置中，所述固定切断模或所述可动切断模优选地使各个环形部的处于所述环形部与所述燃料电池的气体扩散层的接触部的相对两侧的两个侧部朝相应通孔的中心弯曲。
为了实现上述目的以及根据本发明的第四方面，提供了一种气体流路形成部件，其包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和布置在所述气体扩散层和隔板之间以供给燃料气体或氧化剂气体的气体流路。所述气体流路形成部件构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电。所述气体流路形成部件由通过在金属薄板中以网目状的方式形成多个环形部而构造成的金属板网形成。各个环形部都具有通孔。在各个环形部的与所述气体扩散层的表面接触的第一接触部中形成有第一平表面部。在各个环形部的与所述隔板的背面接触的第二接触部中形成有第二平表面部。所述第一平表面部在所述气体流路的方向上的宽度被设定成大于所述第二平表面部在所述气体流路的方向上的宽度。
在该构型中，在所述气体流路形成部件中形成有形成所述通孔的环形部。通过挤压，在各个环形部的外周内的与所述气体扩散层如碳纸板片接触的第一接触部中形成有所述第一平表面部。由此所述第一平表面部与所述气体扩散层的相应表面保持面接触。这可防止所述第一接触部咬入所述气体扩散层中，从而防止所述气体扩散层受损。因此，可防止所述气体流路的有效面积因所述气体扩散层的碎片进入所述气体流路形成部件的气体流路中而减小。
通过挤压，在各个环形部的外周内的与所述隔板接触的第二接触部中形成有所述第二平表面部。由此所述第二平表面部与所述隔板的背面保持面接触，从而可防止所述隔板受损并确保所述气体流路形成部件和所述隔板之间的必要通电表面积。这可减小由发电产生的电阻并提高发电效率。
所述第一平表面部的宽度被设定为较大值以便防止所述第一平表面部咬入所述气体扩散层中。所述第二平表面部的宽度被设定得比所述第一平表面部的宽度小到如此程度，使得可防止所述隔板受损并在所述第二平表面部和所述隔板之间确保必要的通电表面积。这可保持所述气体流路形成部件的适当厚度并确保所述气体流路形成部件中所述气体流路的有效面积。如果所述第二平表面部的宽度等于所述第一平表面部的宽度，则在挤压出所述第一和第二平表面部时所述气体流路形成部件会被过度压缩。这会减小所述气体流路形成部件的厚度并减小所述气体流路的尺寸。
如上，所述气体流路形成部件优选地构造成：形成有使所述环形部连接的连结板部；在各个环形部中布置有面向所述气体扩散层的第一半环形部；所述第一半环形部包括连接到相应的连结板部的一对第一侧板部、与所述第一侧板部的端部一体连结的一对第一倾斜板部、和以使所述第一倾斜板部彼此连接的方式与所述第一倾斜板部一体连结的第一平板部，所述第一平板部包括与所述气体扩散层接触的第一接触部，所述第一平表面部形成在所述第一接触部中；在各个环形部中形成有面向所述隔板的第二半环形部；并且所述第二半环形部包括与相应的连结板部一体连结的一对第二倾斜板部、与所述第二倾斜板部的端部一体连结的一对平行的第二侧板部、和以使所述第二侧板部彼此连接的方式与所述第二侧板部一体连结的第二平板部，所述第二平板部具有与所述隔板接触的第二接触部，所述第二平表面部形成在所述第二接触部中。
为了实现上述目的以及根据本发明的第五方面，提供了一种用于制造气体流路形成部件的方法。所述方法包括：利用第一剪切模和第二剪切模在所述金属薄板的端部的多个位置交替地形成面向所述气体扩散层的第一半环形部和面向所述隔板的第二半环形部的第一步骤，其中所述第一剪切模具有以预定的节距交替布置的多个第一凹部和多个第一凸部，所述第二剪切模具有以预定的节距交替布置在多个位置的第二凸部和第二凹部，所述第二凸部对应于所述第一凹部且所述第二凹部对应于所述第一凸部；通过使所述金属薄板移动预定量并使所述第一剪切模和所述第二剪切模在与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上偏移而在所述金属薄板的多个位置交替地形成所述第一半环形部和所述第二半环形部的第二步骤；通过与所述第一步骤类似的步骤和与所述第二步骤类似的步骤的交替重复、利用沿所述金属薄板的进给方向邻接布置的所述第一半环形部和相应的第二半环形部在所述金属薄板中以网目状的方式形成各自都具有通孔的多个环形部而获得金属板网的第三步骤；和通过在所述第三步骤之后同时挤压所述金属板网的两个表面而在各个第一半环形部的第一接触部中形成第一平表面部以及在各个第二半环形部的第二接触部中形成第二平表面部的第四步骤，所述第一平表面部在所述气体流路的方向上的宽度被设定成小于所述第二平表面部在所述气体流路的方向上的宽度。
为了实现上述目的以及根据本发明的第六方面，提供了一种用在用于制造气体流路形成部件的方法中的成形装置。所述装置包括第一剪切模、第二剪切模和压机，所述压机沿包括环形部的金属板网的厚度方向挤压所述金属板网。所述金属板网是通过使所述第一剪切模和所述第二剪切模分别在所述金属薄板的厚度方向和与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上往复运动、从而实现所述第一凹部和所述第二凸部之间以及所述第一凸部和所述第二凹部之间的接合、并在以预定的节距在所述金属薄板中形成多个切口之后使所述金属薄板弯曲和拉伸而形成的。所述第一凸部、所述第一凹部、所述第二凹部和所述第二凸部以如此方式被成形为，使得各个第一半环形部在被挤压时的变形量与相应的第二半环形部在被挤压时的变形量不同，以便挤压所述半环形部。
在上述成形装置中，所述第一剪切模的各个第一凸部和所述第二剪切模的各个第二凹部各自都具有用于使构成所述第一半环形部的一对第一侧板成形的成形表面、用于使连接到所述第一侧板的一对第一倾斜板部成形的成形表面、和用于使以使所述第一倾斜板部彼此连接的方式连接到所述第一倾斜板部的第一平板部成形的成形表面。另外，所述第一剪切模的各个第一凹部和所述第二剪切模的各个第二凸部各自都具有用于使构成所述第二半环形部的一对第二倾斜板部成形的成形表面、用于使连接到所述第一倾斜板部的一对第二侧板部成形的成形表面、和用于使以使所述第二侧板部彼此连接的方式连接到所述第二侧板部的第二平板部成形的成形表面。
为了实现上述目的以及根据本发明的第七方面，提供了一种用于燃料电池的发电单元。所述单元包括电极层、形成在所述电极层的表面上的气体扩散层、面向所述气体扩散层的隔板、和布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并具有供燃料气体或氧化剂气体供给到所述电极层的气体流路的气体流路形成部件。所述发电单元通过在所述电极层中引发的电极反应来发电。所述气体流路形成部件由利用金属薄板形成的金属板网构成。在所述气体流路形成部件中以网目状的方式形成有多个环形部，所述多个环形部各自都具有带有预定形状的通孔。在各个环形部中形成有与所述气体扩散层的表面保持面接触的弯曲平表面部。在所述弯曲平表面部和使相应的环形部连接的连结板部之间形成有非弯曲平表面部。所述弯曲平表面部和所述非弯曲平表面部利用金属板网成形装置在多个连续的步骤中形成。
根据本发明，在所述气体流路形成部件的形成所述通孔的各个环形部的外周内的与所述气体扩散层如碳纸板片接触的接触部中形成有所述弯曲平表面部。由此所述弯曲平表面部与所述气体扩散层的相应表面保持面接触。这可防止所述接触部咬入所述气体扩散层中，由此防止所述气体扩散层受损。因此，不会有受损的气体扩散层的碎片进入所述气体流路形成部件内的气体流路中。由此可防止所述气体流路的有效面积减小。
根据本发明，所述弯曲平表面部和所述非弯曲平表面部通过两个金属板网加工循环形成。因此，与通过单个金属板网加工循环在各个环形部的位于环形部的宽度方向上的整个范围内形成宽的弯曲平表面部的情况相比，弯曲平表面部所形成的宽度减小，并且因此，所述气体流路形成部件的厚度增大。结果，所述气体流路的有效面积增大并且发电效率提高。
在根据本发明的用于燃料电池的发电单元中，各个环形部优选地形成为五角形或六角形。
为了实现上述目的以及根据本发明的第八方面，提供了一种用于制造用于燃料电池的发电单元的方法。所述方法包括第一步骤，所述第一步骤包括：利用第一剪切模和第二剪切模顺次加工位于所述金属薄板内并在所述金属薄板的进给方向上交替布置的多个第一被加工部分和多个第二被加工部分，所述第一剪切模具有直线形的第一剪切刃，所述第二剪切模具有以预定的间隔交替布置的多个凹部和多个凸部，在所述凸部中形成有第二剪切刃，所述第二剪切刃与所述第一剪切刃协作以在所述金属薄板中形成多个切口；以及在已将所述金属薄板的各个第一被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的中间成形位置的状态下，在所述第一被加工部分中形成各自都具有所述弯曲平表面部的半环形部。所述方法还包括：在所述第一步骤之后、在已将各个第一被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的最终成形位置的状态下、在所述第一被加工部分中形成各自都具有所述非弯曲平表面部的半环形部的第二步骤；在所述第二步骤之后、在已将所述金属薄板中从所述金属薄板的进给方向的上游侧与相应的第一被加工部分邻接的各个第二被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的中间成形位置的状态下、通过使所述第二剪切模在与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上偏移而在所述第二被加工部分中形成各自都具有所述弯曲平表面部的半环形部的第三步骤；在所述第三步骤之后、在已将各个第二被加工部分进一步移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的最终成形位置的状态下在所述第二被加工部分中形成各自都具有所述非弯曲平表面部的半环形部的第四步骤；和通过交替地重复所述第一和第二步骤以及所述第三和第四步骤在所述金属薄板中以网目状的方式形成所述环形部而使所述金属板网成形的步骤。
在根据本发明的用于制造用于燃料电池的发电单元的方法中，所述第二步骤和所述第四步骤都优选地执行多次。
附图说明
[图1]图1是示出由包括根据本发明的气体流路形成部件的发电单元构成的燃料电池组的纵剖视图；
[图2]图2是示出发电单元的分解透视图；
[图3]图3是示出根据本发明第一实施例的第一气体流路形成部件的一部分的透视图，以及局部剖视图；
[图4]图4是示出金属板网加工装置的剖视图；
[图5]图5是示出固定切断模和可动切断模的局部透视图；
[图6]图6是示出固定切断模和可动切断模彼此接合的金属板网加工装置的局部剖视图；
[图7]图7是示出金属板网的一部分的平面图；
[图8]图8是沿图7的线8-8截取的剖视图；
[图9]图9是示出平表面部形成之前的金属板网的一部分的透视图；
[图10]图10是示出平表面部形成装置的示意图；
[图11]图11是示出碳纸板片、第一气体流路形成部件和第一隔板堆叠在一起的状态的局部剖视图；
[图12]图12是示出根据另一实施例的固定切断模和可动切断模的一部分的局部透视图；
[图13]图13是示出利用图12所示的固定切断模和可动切断模在金属板网中形成平表面部的方法的剖视图；
[图14]图14是示出碳纸板片、第一气体流路形成部件和第一隔板堆叠在一起的状态的局部剖视图；
[图15]图15是示出根据本发明另一实施例的平表面部成形装置的局部剖视图；
[图16]图16是示出平表面部形成之前的金属板网的剖视图；
[图17]图17是示出平表面部形成之后的金属板网的剖视图；
[图18]图18是示出平表面部形成之前的金属板网的剖视图；
[图19]图19是示出平表面部形成之后的金属板网的剖视图；
[图20]图20(a)和20(b)都是示出根据本发明另一实施例的金属板网加工装置的局部剖视图；
[图21]图21是示出根据本发明另一实施例的固定切断模的局部剖视图；
[图22]图22是示出根据本发明第二实施例的气体流路形成部件的局部透视图；
[图23]图23是示出气体流路形成部件的局部正视图；
[图24]图24是示出气体流路形成部件的局部剖视图；
[图25]图25是示出金属板网加工装置的剖视图；
[图26]图26是示出第一剪切模和第二剪切模的局部透视图；
[图27]图27是示出金属板网加工装置的局部剖视图，示出了该装置的操作；
[图28]图28是示出金属板网的局部透视图；
[图29]图29是示出金属板网的局部正视图；
[图30]图30是示出金属板网的剖视图；
[图31]图31是示出金属板网的环形部的局部放大正视图；
[图32]图32是示出挤压装置的正视图；
[图33]图33是示出包括气体扩散层、第一气体流路形成部件和第一隔板的堆叠结构的放大剖视图；
[图34]图34是示出根据另一实施例的环形部的局部正视图；
[图35]图35是示出根据本发明第三实施例的气体流路形成部件的局部透视图；
[图36]图36是示出第一气体流路形成部件的一部分的正视图；
[图37]图37是示出第一气体流路形成部件的一部分的剖视图；
[图38]图38是示出包括气体扩散层、第一气体流路形成部件和第一隔板的堆叠结构的剖视图；
[图39]图39是示出用于金属板网的金属板网成形装置的剖视图；
[图40]图40是示出第一剪切模的一部分和第二剪切模的一部分的透视图；
[图41]图41(a)和41(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图42]图42(a)和42(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图43]图43(a)和43(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图44]图44(a)和44(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图45]图45(a)和45(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图46]图46(a)和46(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图47]图47(a)和47(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图48]图48(a)和48(b)是示出制造气体流路形成部件的步骤的剖视侧视图和正视图；
[图49]图49是示出构成传统的发电单元的碳纸板片、第一气体流路形成部件和第一隔板的堆叠状态的剖视图；
[图50]图50是示出第一隔板压靠在碳纸板片上的剖视图；以及
[图51]图51是示出传统的发电单元的、包括气体扩散层、第一气体流路形成部件和隔板的堆叠结构的剖视图。
具体实施方式
(第一实施例)
现在将参照图1至21描述包括根据本发明的气体流路形成部件的聚合物电解质燃料电池组11的实施例。
如图1和2所示，燃料电池组11是通过堆叠多个发电单元12而形成的。每个发电单元12都包括第一框架13、第二框架14和用作电极结构的MEA(膜电极组件)15。第一和第二框架13、14均由合成橡胶或合成树脂形成并形成为矩形框架。第一框架13和第二框架14分别具有燃料气体流路空间S1和氧化剂气体流路空间S2。MEA 15布置在框架13、14之间。每个发电单元12还具有接纳在燃料气体流路空间S1内的第一气体流路形成部件21和接纳在氧化剂气体流路空间S2内的第二气体流路形成部件22。第一和第二气体流路形成部件21、22两者都由钛形成。发电单元12还包括第一隔板23和第二隔板24。第一隔板23与第一框架13的上表面和第一气体流路形成部件21的上表面接合。第二隔板24与第二框架14的下表面和第二气体流路形成部件22的下表面接合。第一和第二隔板23、24两者都由钛形成并成形为平板。在图2中，简化了气体流路形成部件21、22的形状。
在第一框架13的一对相对的边缘内形成有均由长形孔形成的气体流路13a、13b。在第二框架14的一对相对的边缘内形成有均由长形孔形成的气体流路14a、14b。具体地，气体流路13a、13b形成在第一框架13的不与第二框架14的形成有气体流路14a、14b的边缘对应的边缘内。
MEA 15由电极膜16、阳极电极层17、阴极电极层18和各自均用作导电气体扩散层的碳纸板片19、20构成。阳极电极层17是通过将预定的催化剂堆叠在电极膜16的上表面上而形成的。阴极电极层18是通过将预定的催化剂堆叠在电极膜16的下表面上而形成的。碳纸板片19与阳极电极层17的相应表面接合，碳纸板片20与阴极电极层18的相应表面接合。在第一隔板23的彼此垂直延伸的一对边缘内形成有气体入口23a。在第一隔板23的彼此垂直延伸的另一对边缘内形成有气体出口23b。类似地，在第二隔板24的彼此垂直延伸的一对边缘内形成有气体入口24a。在第二隔板24的彼此垂直延伸的另一对边缘内形成有气体出口24b。
如图3所示，第一和第二气体流路形成部件21、22均由厚度约为0.1mm的、成形为板网25(下文中简称为金属板网)的钛部件形成。在金属板网25中以交错的方式形成有大致六角形的通孔26。形成通孔26的环形部27以相互交迭的状态连接在一起。每个环形部27都具有与碳纸板片19、20接触的第一接触部28和与第一或第二隔板23、24的内表面接触的第二接触部29。在第一接触部28和第二接触部29中分别形成有第一平表面部28a和第二平表面部29a。第一平表面部28a与碳纸板片19、20保持面接触，第二平表面部29a与隔板23、24保持面接触。
第一气体流路形成部件21以与碳纸板片19的相应表面和第一隔板23的内表面接触的方式布置在第一框架13的燃料气体流路空间S1内。第二气体流路形成部件22以与碳纸板片20的相应表面和第二隔板24的内表面接触的方式布置在第二框架14的氧化剂气体流路空间S2内。
如图2中的箭头G1所示，第一气体流路形成部件21将燃料气体从第一隔板23的第一气体入口23a导入到燃料气体流路空间S1内。然后燃料气体流到第一气体出口23b或第二框架14的气体流路14b和第二隔板24的相应的第一气体出口24b。如图2中的箭头G2所示，第二气体流路形成部件22将氧化剂气体从第一隔板23的第二气体入口23a经第一框架13的气体流路13a导入到氧化剂气体流路空间S2内。然后氧化剂气体经第一框架13的气体流路13b流到第二气体出口23b，或流到第二隔板24的第二气体出口24b。
为了确保第一框架13和电极膜16及第二框架14之间的面接触的密封性能，第一和第二框架13、14均由合成树脂模制而成。因此，当通过堆叠发电单元12而构成燃料电池组11时，由紧固燃料电池组11所产生的载荷使得第一和第二气体流路形成部件21、22以被相应的第一和第二隔板23、24压靠在MEA 15上的状态被组装在一起。这保持了第一接触部28的第一平表面部28a和碳纸板片19之间的适当的接触状态以及第二接触部29的第二平表面部29a和第一隔板23之间的适当的接触状态。由于第二气体流路形成部件22以与气体流路形成部件21相同的方式构造而成，所以在第一接触部28的第一平表面部28a和碳纸板片20之间以及在第二接触部29的第二平表面部29a和第二隔板24之间都保持了适当的接触状态。
在各相邻的成对被堆叠的发电单元12之间，第一隔板23的第一气体入口23a经第一框架13的燃料气体流路空间S1和第二框架14的气体流路14a与第二隔板24的相应的第一气体入口24a连通。这样，形成了燃料气体流路(氢气流路)。第一隔板23的第二气体入口23a经第一框架13的气体流路13b和第二框架14的氧化剂气体流路空间S2与第二隔板24的相应的第一气体入口24a连通。这样，形成了氧化剂气体流路(空气流路)。
第一气体流路形成部件21使得燃料气体流路中的燃料气体在燃料气体流路空间S1内以均匀扩散的状态流动。第二气体流路形成部件22使得氧化剂气体流路空间S2内的氧化剂气体在氧化剂气体流路空间S2内以均匀扩散的状态流动。换言之，燃料气体流路空间S1内的燃料气体流通过在第一气体流路形成部件21中以交错方式形成的通孔26，从而引起湍流。结果，燃料气体在气体流路空间S1内均匀扩散。这样，燃料气体因通过碳纸板片19而扩散并均匀地供给到阳极电极层17。
类似地，氧化剂气体流路空间S2内的氧化剂气体流通过在第二气体流路形成部件22中以交错方式形成的通孔26，从而引起湍流。结果，氧化剂气体在氧化剂气体流路空间S2内均匀扩散。这样，氧化剂气体因通过碳纸板片20而扩散并均匀地供给到阴极电极层18。通过将燃料气体和氧化剂气体这样供给到MEA 15，在MEA 15中引发电极反应并发电。由于在燃料电池组11中堆叠有多个发电单元12，所以能获得期望的输出。
下面将描述用于制造第一和第二气体流路形成部件21、22的方法。
第一气体流路形成部件21利用图4所示的金属板网加工装置而成形。该金属板网加工装置包括连续供给钛薄板25A的一对进给辊31。该金属板网加工装置包括用于使金属板网25成形的成形机构32。成形机构32在钛薄板25A中形成多个切口并通过弯曲和拉伸使钛薄板25A发生塑性变形。成形机构32在钛薄板25A中以网目状的方式形成多个六角形通孔26并使钛薄板25A成形为阶梯状。成形机构32具有不动地固定在预定位置的固定切断模33，和能够沿向上、向下、向左和向右方向往复运动的可动切断模34。
如图5所示，固定切断模33具有侧壁33a，侧壁33a位于朝各钛薄板25A的进给方向的下游侧的位置。在侧壁33a的上部内形成有多个凸部33b(第一凸部)和多个凹部33c(第一凹部)。凸部33b和凹部33c以预定的横向节距交替布置。在可动切断模34的下部内形成有与固定切断模33的相应凹部33c接合的多个凸部34a(第二凸部)和与固定切断模33的相应凸部33b接合的多个凹部34b(第二凹部)。凸部34a和凹部34b以预定的横向节距交替布置。固定切断模33具有剪切刃33d，各个剪切刃33d形成在凹部33c中相关一个凹部的内表面的上端并在钛薄板25A中形成切口。可动切断模34具有剪切刃34c，各个剪切刃34c形成在凸部34a中相关一个凸部的下端以在钛薄板25A中形成切口。
如图4所示，进给辊31将钛薄板25A从固定切断模33向可动切断模34移动预定的加工节距。在该状态下，固定切断模33的剪切刃33d和下降的可动切断模34的剪切刃34c使得所述剪切刃剪切钛薄板25A的一部分，以在钛薄板25A中形成多个切口。可动切断模34持续下降到最低位置并利用可动切断模34的凸部34a将钛薄板25A下压，由此使板25A弯曲和拉伸。通过钛薄板25A的一部分的这种弯曲和拉伸，钛薄板25A形成为图6所示的大致梯形。此后，可动切断模34从最低位置向上移动并回到初始位置。
然后，进给辊31使钛薄板25A又向成形机构32移动预定节距。同时，可动切断模34向左或向右移动与环形部27的排列节距(alignment pitch)的一半对应的距离。然后，可动切断模34再次下降以在钛薄板25A中在从先前加工的弯曲拉伸部向左或向右偏移一半节距的位置处形成切口，并使钛薄板25A弯曲拉伸。这样，通过在钛薄板25A中形成多个通孔26并使钛薄板25A弯曲和拉伸，便制成了金属板网25。
通过重复上述操作，如图7至9所示，通孔26在金属板网25中以网目状和交错的方式形成。尽管固定切断模33的凸部33b和凹部33c与可动切断模34的凸部34a和凹部34b接合，但在金属板网25中仍存在没有被下降的可动切断模34加工的未加工部分。通过所述未加工部分，环形部27以相互交迭的状态连接在一起。这样，便形成了图8和9所示的具有阶梯状截面的金属板网25。
下面将描述用于在各个第一接触部28和各个第二接触部29中分别形成第一平表面部28a和第二平表面部29a的方法。
如图10所示，平表面部形成装置40包括将金属板网25支承在底座41的顶表面上的一对台架42、43。在底座41上安装有平表面部形成机构44。平表面部形成机构44具有立柱45、安装在立柱45上的未示出的马达和由所述马达旋转的一对压缩辊46、47。
为了在金属板网25的第一和第二接触部28、29中形成平表面部28a、29a，金属板网25从台架42被送到如箭头所示地旋转的压缩辊46、47之间的位置。然后两个压缩辊46、47压缩金属板网25的上表面和下表面并将金属板网25向如图10中看去的右侧移动。该操作将金属板网25的第一和第二接触部28、29从上方和下方各压缩预定量。这样，第一和第二接触部28、29发生塑性变形，从而在第一接触部28中形成第一平表面部28a并在第二接触部29中形成第二平表面部29a。此后，金属板网25按照预定的尺寸被切断，并且形成第一和第二气体流路形成部件21、22。
如图11所示，第一气体流路形成部件21结合在图1所示的各个发电单元12内，其中第一平表面部28a与碳纸板片19的上表面保持面接触，第二平表面部29a与第一隔板23的背面保持面接触。
第一实施例具有下述优点。
(1)接纳在第一框架13的燃料气体流路空间S1内的第一气体流路形成部件21由金属板网25形成。接纳在第二框架14的氧化剂气体流路空间S2内的第二气体流路形成部件22也由金属板网25形成。在形成金属板网25的通孔26的各个环形部27的与碳纸板片19接触的第一接触部28中形成有第一平表面部28a。这使得在第一接触部28与由纤维形成的碳纸板片19之间能产生面接触。由此可防止第一接触部28咬入碳纸板片19的表面中。因此，可防止碳纸板片19和碳纸板片20分别进入第一气体流路形成部件21的燃料气体流路和第二气体流路形成部件22的氧化剂气体流路。这防止了燃料气体流路空间S1和氧化剂气体流路空间S2的有效面积的减小。结果，可防止燃料气体和氧化剂气体的供给量减少，并避免发电效率的降低。
此外，同第一和第二接触部28、29与碳纸板片19、20线接触的情况相比，碳纸板片19、20与相应的第一和第二气体流路形成部件21、22以可靠的方式电连接。这使得从碳纸板片19、20到第一和第二气体流路形成部件21、22能进行平稳的通电。另外，可防止碳纸板片19、20被第一和第二接触部28、29损坏。这防止了由断裂的碳纤维引起的对气体流路形成部件21、22中气体流路的堵塞。由此确保了发电性能。
(2)在第一和第二气体流路形成部件21、22的各个第二接触部29中形成有第二平表面部29a。这使得在第二平表面部29a与第一和第二隔板23、24之间能产生面接触。因此，同第二接触部29与第一和第二隔板23、24线接触的情况相比，第一和第二气体流路形成部件21、22与第一和第二隔板23、24以可靠的方式电连接。这使得从气体流路形成部件21、22到隔板23、24能进行平稳的通电，从而提高了集电效率。另外，可防止隔板23、24被第二接触部29损坏。
(3)平表面部形成装置40具有图10所示的两个辊46、47。利用这些辊46、47便于在金属板网25的第一和第二接触部28、29中形成平表面部28a、29a。
第一实施例可变型如下。
成形机构32的固定切断模33的构型可如图12至14所示地改变。在这种情况下，在固定切断模33的凸部33b的顶表面中形成有倾斜表面33e。倾斜表面33e朝钛薄板25A的进给方向的下游侧向下倾斜。类似地，在可动切断模34的凹部34b的内表面中形成有倾斜表面34d。与倾斜表面33e一样，倾斜表面34d朝钛薄板25A的进给方向的下游侧向下倾斜。当用固定切断模33和可动切断模34加工金属板网25时，倾斜表面33e、34d在环形部27的第一接触部28中形成弯曲部。各个弯曲部的表面形成第一平表面部28a。在这种情况下，第一平表面部28a只形成在与碳纸板片19接触的第一接触部28中。或者，如图13中的双点划线所示，可动切断模34的厚度能以如此方式增大，使得在可动切断模34中形成有各自从相应的倾斜表面34d水平伸出的平部34e。这增大了可动切断模34的刚性。
如此制成的第一气体流路形成部件21结合在各个发电单元12内，其中第一接触部28的第一平表面部28a与MEA 15的碳纸板片19保持面接触。
如图15所示，在可动切断模34的凸部34a的下表面中可形成有朝钛薄板25A的进给方向的上游侧向上倾斜的倾斜表面34f。在这种情况下，在第二接触部29中形成平表面部29a。
图12所示的构型和图15所示的构型可结合使用。在这种情况下，在气体流路形成部件21中第一平表面部28a和第二平表面部29a两者分别形成在接触部28和接触部29上。
如果利用图10所示的平表面部形成装置40在由各自形成通孔26的六角形环形部27形成的、图16所示的金属板网25中形成平表面部，则参照图17，各个六角形环形部27的位于处在环形部27和碳纸板片20之间的接触部的相对侧的两个侧部向外扩展。这会减小由碳纸板片20和金属板网25包围的气体流路T的有效面积。为了解决该问题，如图18所示，各个六角形环形部27的侧部能以形成大致L形或弓形弯曲部27a的方式朝通孔26的中心弯曲。如果金属板网25如图18所示地成形，然后再经受平表面部形成装置40的操作，则参照图19，各个通孔26的面积减小，但气体流路T的有效面积增大。这可提高燃料电池的发电效率。
参照图20(a)，例如，可动切断模34的各个凸部34a的两个侧面和各个凹部34b的两个侧面可改变为倾斜表面以在环形部27中形成弯曲部27a。或者，如图20(b)所示，固定切断模33的各个凸部33b的两个侧面和各个凹部33c的两个侧面可改变为倾斜表面。
可通过利用压机在金属板网25的厚度方向上将金属板网25压缩预定量，在第一和第二气体流路形成部件21、22中形成平表面部28a、29a。第一接触部28和第二接触部29可利用研磨机或通过机械加工形成。
除了不锈钢板之外，还可采用例如由铝、铜或钛形成的导电金属板作为第一和第二气体流路形成部件21、22的材料。
参照图21，固定切断模33可由模具33h和下方的可动切断模33i构成，模具33和可动切断模33i是分立的体部。在这种情况下，上方的可动切断模34通过未示出的升降机构或伺服马达M1的操作沿向上、向下、向左和向右的方向往复运动。模具33h固定在预定位置。下方的可动切断模33i通过伺服马达M2的操作沿向左和向右的方向往复运动。如在图21所示的构型中那样，图12所示的固定模33也可由作为分立体部的模具和下方的可动切断模构成。
(第二实施例)
现在将参照图22至34描述本发明的第二实施例。此处将省略对第二实施例的与第一实施例的相应组成部分类似或相同的组成部分的详细说明。
参照图23，在环形部227的上部内布置有与气体扩散层19接触的半环形部R1(第一半环形部)。半环形部R1由一对第一侧板部227a、一对第一倾斜板部227b、和第一平板部227c构成。第一倾斜板部227b与相应的侧板部227a的上端一体连结。第一平板部227c以使第一倾斜板部227b的末端彼此连接的方式与第一倾斜板部227b的末端一体连结。在各个环形部227的下部内布置有与隔板23接触的半环形部R2(第二半环形部)。半环形部R2由一对第二倾斜板部227d、一对第二侧板部227e、和第二平板部227f构成。第二侧板部227e从相应的第二倾斜板部227d的末端向下延伸。第二平板部227f以使侧板部227e的末端彼此连接的方式与侧板部227e的末端一体连结。
参照图22，连结板部228对应于构成各个半环形部R2的第二平板部227f。各个半环形部R1的第一平板部227c具有位于连结板部228(第二平板部227f)的相对侧的端部。该端部是与气体扩散层19(或20)的表面接触的第一接触部229。各个半环形部R2的第二平板部227f(连结板部228)具有位于第一平板部227c的相对侧的端部。如图24所示，该端部是与第一或第二隔板23、24的内表面接触的第二接触部230。在第一接触部229和第二接触部230中分别形成有第一平表面部229a和第二平表面部230a。第一和第二平表面部229a、230a是通过在金属板网25的厚度方向上同时压缩金属板网25的两个表面而形成的。第一平表面部229a和第二平表面部230a彼此平行地形成。
第一平表面部229a与气体扩散层19(20)保持面接触。第二平表面部230a与隔板23(24)保持面接触。第一平表面部229a在气体流路的方向上(由图24中的箭头示出的方向)具有宽度W1。宽度W1被设定为例如0.2mm。第二平表面部230a在气体流路的方向上具有宽度W2。宽度W2被设定为例如0.1mm。宽度W1被设定成大于宽度W2。
下面将描述用于制造第一和第二气体流路形成部件221、222的方法。
成形机构232由第一剪切模233和第二剪切模234构成。第一剪切模233通过未示出的偏移机构沿与金属薄板225A的进给方向垂直的方向(垂直于图25的纸面的方向)往复运动。第二剪切模234通过未示出的升降机构沿上下方向往复运动以及通过所述偏移机构沿与金属薄板225A的进给方向垂直的方向往复运动。
如图26所示，第一剪切模233具有位于金属薄板225A的进给方向的下游侧的侧壁233a。在侧壁233a的上部内交替地形成有用作第一凸部的凸部233b和用作第一凹部的凹部233c。凸部233b和凹部233c以预定的水平节距间隔开。在第二剪切模234的下部内形成有与第一剪切模233的凹部233c接合的、用作第二凸部的凸部234a和与第一剪切模233的凸部233b接合的、用作第二凹部的凹部234b。凸部234a和凹部234b交替地形成在第二剪切模234的下部内。凸部234a和凹部234b以预定的水平节距间隔开。第一剪切模233的各个凹部233c都具有位于金属薄板225A的进给方向的上游侧的侧表面。沿各个凹部233c的侧表面的上端形成有在金属薄板225A中形成切口的剪切刃233d。沿第二剪切模234的各个凸部234a的下端和两个侧端形成有具有倒梯形形状的剪切刃234c。剪切刃234c位于与剪切刃233d对应的位置。剪切刃234c与剪切刃233d协作以在金属薄板225A中形成切口。
参照图26，在第一剪切模233的各个凸部233b中形成有一对成形表面233e、一对成形表面233f、和成形表面233g。成形表面233e形成各个环形部227的两个第一侧板部227a的内表面(第二侧板部227e的外表面)。成形表面233f形成两个第一倾斜板部227b的内表面。成形表面233g形成平板部227c的内表面。类似地，在第二剪切模234的各个凹部234b中形成有一对成形表面234d、一对成形表面234e、和成形表面234f。成形表面234d形成各个环形部227的第一侧板部227a的外表面(第二侧板部227e的内表面)。成形表面234e形成环形部227的第一倾斜板部227b的外表面(第二倾斜板部227d的内表面)。成形表面234f形成平板部227c的外表面。沿第二剪切模234的各个凸部234a的下端形成有形成环形部227的平板部227f的内表面的成形表面234g。
参照图25，进给辊231将金属薄板225A从第一剪切模233向第二剪切模234移动预定的加工节距。在该状态下，第一剪切模233的剪切刃233d和下降的第二剪切模234的剪切刃234c剪切金属薄板225A的一部分。这样，在金属薄板225A中形成多个切口。然后，第二剪切模234下降到最低位置并利用第二剪切模234的凸部234a将金属薄板225A下压，由此使金属薄板225A弯曲和拉伸。如图27所示，金属薄板225A的弯曲拉伸部形成为大致梯形。此后，第二剪切模234从最低位置升高并回到初始位置。
然后，进给辊231使金属薄板225A又向成形机构232移动预定节距。同时，第一剪切模233和第二剪切模234向左或向右移动与环形部227的排列节距的一半对应的距离。然后，第二剪切模234再次下降以在金属薄板225A中在从先前加工的弯曲拉伸部沿向左或向右的方向偏移一半节距的位置处形成切口，并使金属薄板225A弯曲和拉伸。这样，便形成了具有通孔226的环形部227，并且制成了金属板网225。
通过重复上述操作，如图28和29所示，多个通孔226在金属板网225中以网目状的方式形成，并且环形部227以交错的方式布置。在该状态下，第一剪切模233的凸部233b和凹部233c与第二剪切模234的相应的凸部234a和相应的凹部234b接合。这样，在金属板网225中存在没有被下降的第二剪切模234加工的未加工部分。所述未加工部分形成连结板部228(第二平板部227f)。通过连结板部228，环形部227以相互交迭的状态连接在一起。结果，便形成了图30所示的具有阶梯状截面的金属板网225。
如图31所示，各个环形部227形成为多边形(多角形)。在环形部227中，构成半环形部R1的第一侧板部227a和第一倾斜板部227b形成第一变形容许部F1，当第一平板部227c被向下挤压时，第一变形容许部F1允许第一平板部227c发生塑性变形。因此，当外力向下作用在平板部227c上时，第一变形容许部F1如图31中的相应双点划线所示地发生变形。此外，构成各个半环形部R2的第二侧板部227e形成第二变形容许部F2，当第二平板部227f被向上挤压时，第二变形容许部F2允许第二平板部227f发生塑性变形。因此，当外力向上作用在第二平板部227f上时，第二变形容许部F2如图31中的相应双点划线所示地发生变形。
第一变形容许部F1的变形量被设定成在有相同的外力作用于第一变形容许部F1和第二变形容许部F2上时超过第二变形容许部F2的变形量。当外力向下作用在第一变形容许部F1的第一平板部227c上时，力经第一倾斜板部227b传递到第一侧板部227a。这使得各个第一侧板部227a绕第一侧板部227a的近端向左或向右发生变形，并使得各个第一倾斜板部227b绕第一倾斜板部227b和相应的第一侧板部227a之间的连结部向下枢转。换言之，第一变形容许部F1构造成响应于外力容易发生变形。当外力向上作用在第二变形容许部F2的第二平板部227f上时，各个第二倾斜板部227d保持在当前状态而不绕第二倾斜板部227d的近端枢转。各个第二侧板部227e仅绕第二侧板部227e的近端向左或向右稍微变形。也就是说，第二变形容许部F2以如此方式构造而成，使得第二变形容许部F2比第一变形容许部F1更不易于发生变形。
下面将描述用于在金属板网225的相应的第一和第二接触部229、230中形成第一和第二平表面部229a、230a的方法。由于用于形成第一和第二平表面部229a、230a的压机的构型与图10所示的根据第一实施例的压机40的构型相同，所以此处将省略对用于形成第一和第二平表面部229a、230a的压机的说明。
首先，金属板网225从台架42被送到如图32中的箭头所示地旋转的压缩辊46、47之间的位置。然后压缩辊46、47从上方和下方压缩金属板网225，并将金属板网225向如图32中看去的右侧移动。这样，金属板网225的第一和第二接触部229、230从上方和下方被压缩预定量。通过使第一和第二接触部229、230发生变形，在第一接触部229中形成第一平表面部229a并在第二接触部230中形成第二平表面部230a。参照图31，各个半环形部R1的第一变形容许部F1比各个半环形部R2的第二变形容许部F2更容易被压缩。结果，如图24所示，各个第一接触部229的第一平表面部229a在气体流路的方向上的宽度W1变得大于各个第二接触部230的第二平表面部230a的宽度W2。
当制成金属板网225时，金属板网225按预定的尺寸被切断，从而制成第一和第二气体流路形成部件221、222。如图33所示，制成的第一气体流路形成部件221结合在各个发电单元12内，其中第一平表面部229a与气体扩散层19的上表面保持面接触，第二平表面部230a与第一隔板223的背面保持面接触。
第二实施例具有下述优点。
(1)参照图31，容易变形的第一变形容许部F1布置在各个环形部227的半环形部R1中，而不容易变形的第二变形容许部F2形成在环形部227的半环形部R2中。第一和第二平表面部229a、230a形成在金属板网225的相应的第一和第二接触部229、230中。第一和第二平表面部229a、230a是利用压缩辊246、247压缩金属板网225的两个表面而形成的。各个第一平表面部229a的宽度W1被设定成大于各个第二平表面部230a的宽度W2。因此，尽管使用了压缩辊246、247，第二平表面部230a的宽度W2也被设定为适当的值而与第一平表面部229a的宽度W1无关。结果，第二平表面部230a的宽度W2被设定为使得隔板23的内表面不会受损的值。另外，保持了隔板23的外表面和各个第二平表面部230a之间的适当的通电表面积。因此，如图24所示，适当地保持了气体流路形成部件221的厚度T，即气体流路形成部件221的气体流路的有效表面积。这减小了供给到气体流路的气体的压力损失并保持了适当的发电效率。如果第二接触部230的第二平表面部230a的宽度W2被设定成等于第一平表面部229a的宽度W1，则如图24中的相应的虚线所示，气体流路形成部件221的厚度T减小且由此气体流路的有效表面积减小。
第二实施例可变型为下述形式。
如图34所示，各个环形部227的第一倾斜板部227b和第二倾斜板部227d可形成为弧形。具体地，环形部227整体上可具有平滑的形状。
图26所示的第一剪切模233可被分成具有剪切刃233d的体部和具有凸部233b及凹部233c的剪切板。在这种情况下，第一剪切模233的剪切板处在与第二剪切模234对应的位置。此外，在这种情况下，第一剪切模233的体部固定在预定位置且剪切板形成为沿水平方向往复运动。
在第二实施例中，为了形成半环形部R1、R2，第一剪切模233和第二剪切模234移动到向左或向右偏移与第二剪切模234的凸部234a和凹部234b的节距的一半对应的距离的位置。但是，该偏移量可按照需要改变。此外，环形部227的布置不限于交错布置。
(第三实施例)
现在将参照图35至48描述本发明的第三实施例。此处将省略对第三实施例的与第一或第二实施例的相应组成部分类似或相同的组成部分的详细说明。
如图35和36所示，各个环形部327的上半环形部R1由一对第一倾斜板部327a和一第一平板部327b构成。两个第一倾斜板部327a彼此面对。第一平板部327b以使倾斜板部327a的上端相互连接的方式与倾斜板部327a一体连结。各个环形部327的下半环形部R2由一对第二倾斜板部327c和一第二平板部327d构成。两个第二倾斜板部327c彼此面对。第二平板部327d以使倾斜板部327c的上端相互连接的方式与倾斜板部327c一体连结。
参照图35，连结板部328与各个环形部327的第二平板部327d相同。在环形部327的第一平板部327b中形成有面向环形部327的第二平板部327d的第一接触部329。当结合在发电单元12中时，第一接触部329与气体扩散层19的表面接触。具体地，在各个第一接触部329中形成有弯曲平表面部329a。参照图37，弯曲平表面部329a与气体扩散层19(20)保持面接触。在环形部327的第二平板部327d中形成有面向各个环形部327的第一平板部327b的第二接触部330。如图38所示，当结合在发电单元12中时，第二接触部330与第一或第二隔板23、24的内表面产生线接触。
在各个第一平板部327b中在相应的弯曲平表面部329a和连结板部328(下方的平板部327d)之间的位置形成有与连结板部328大致齐平的非弯曲平表面部327f。第一平板部327b由非弯曲平表面部327f和弯曲平表面部329a形成。参照图37，弯曲平表面部329a相对于连结板部328(非弯曲平表面部327f)的弯曲角度α被设定在60°至70°的范围内。在第三实施例中，弯曲角度α被设定为65°。
现在将描述用于使第一和第二气体流路形成部件321、322成形的金属板网成形装置。
如图40所示，成形机构332包括第一剪切模333和第二剪切模334。第一剪切模333固定在未示出的支承台上。未示出的升降机构使第二剪切模334沿上下方向往复运动。未示出的偏移机构使第二剪切模334沿金属薄板325A的宽度方向、亦即各个进给辊331的旋转轴线的方向(与图39的纸面垂直的方向)往复运动。第一剪切模333的顶表面333a用作支承金属薄板325A的表面。沿第一剪切模333的顶表面333a的位于金属薄板325A的进给方向H的下游侧的端部形成有直线形的第一剪切刃333b。在第一剪切刃333b的下方形成有平的位置限制表面333c。
多个凸部334a形成在第二剪切模334的下部中并以预定的水平节距D隔开。在第二剪切模334的各个凸部334a的下端形成有水平成形表面334c。在各个凸部334a的相对的左表面和右表面上形成有倾斜成形表面334d。在各对相邻的凸部334a的相应的倾斜成形表面334d之间形成有水平成形表面334e。倾斜成形表面334d和水平成形表面334e限定多个凹部334b。凹部334b与凸部334a交替形成。沿各个成形表面334c和相关联的倾斜成形表面334d的位于金属薄板325A的进给方向H的上游侧的端部形成有呈倒梯形形状的第二剪切刃334f。第二剪切刃334f与第一剪切刃333b协作以在金属薄板325A中形成切口。
下面将参照图41至48描述利用如上所述地构造的成形装置使气体流路形成部件321、322成形的方法。
根据第三实施例的方法，在金属薄板325A中限定沿金属薄板325A的进给方向H交替布置的多个第一被加工部分P1和多个第二被加工部分P2。在金属薄板325A中顺次加工第一被加工部分P1和第二被加工部分P2。在第一步骤中，如图41(a)所示，进给辊331(见图39)将金属薄板325A的第一被加工部分P1移动到相对于第一剪切模333和第二剪切模334的中间加工位置。换言之，将金属薄板325A的端部从第一剪切刃333b沿进给方向H向前移送预定的第一进给量L1(例如，0.2mm)。在该状态下，第二剪切模334朝第一剪切模333下降并且第一剪切刃333b和第二剪切刃334f剪切各个第一被加工部分P1的一部分，从而在金属薄板325A中形成多个切口。然后，参照图42(a)和42(b)，第二剪切模334下降到最低位置。这使得金属薄板325A的与第二剪切模334的凸部334a接触的部分向下弯曲和拉伸。这样，如图42(b)所示，金属薄板325A的弯曲和拉伸部大致成形为倒梯形。由于弯曲和拉伸部之间的各个部分进入相应的一个凹部334b中，弯曲和拉伸部之间的部分大致成形为梯形。
在第一步骤中，参照图42(b)，形成环形部327的下半环形部R2的第二平板部327d(连结板部328)被凸部334a的水平成形表面334c向下挤压并水平地成形。环形部327的与凹部334b对应地成形的上半环形部R1不被具有水平成形表面的成形部如凸部334a向上挤压。因此，如图42(a)所示，经由凹部334b成形的半环形部R1的第一平板部327b绕第一剪切刃333b向下倾斜和悬垂。这以如此方式形成弯曲平表面部329a，使得弯曲平表面部329a各自相对于金属薄板325A的水平部分具有弯曲角度α。各个弯曲平表面部329a用作第一接触部329。之后，参照图43(a)和43(b)，第二剪切模334从最低位置回到上方的原位置。
随后，在第二步骤中，参照图43(a)，进给辊331(见图39)使金属薄板325A沿进给方向H移动预定的第二进给量L2(例如，0.1mm)。这样，金属薄板325A的第一被加工部分P1被移送到相对于第一剪切模333和第二剪切模334的最终加工位置。在该状态下，如图44(a)和44(b)所示，第二剪切模334从第一步骤中的位置不在金属薄板325A的宽度方向上偏移地再次下降。这在金属薄板325A的相应端部内形成环形部327的上半环形部R1和下半环形部R2。在该阶段，上半环形部R1的第一平板部327b与第一接触部329一样是自由的。第二进给量L2被设定成小于前述第一进给量L1。各个第一平板部327b整体上布置在第一剪切刃333b附近。因此，第一平板部327b容易沿第二剪切模334的凹部334b的水平成形表面334e布置。结果，参照图44(a)，位于弯曲平表面部329a后侧的第一平板部327b保持大致水平而基本不向下悬垂。由此第一平板部327b形成非弯曲平表面部327f。通过第二步骤，制成了包括非弯曲平表面部327f的半环形部R1、R2。
根据本发明，传统上通过单个成形循环形成的半环形部R1、R2如已所述地那样通过两个分开的循环形成。具体地，非弯曲平表面部327f在形成了弯曲平表面部329a的第一个循环之后形成。因此，与通过单个循环形成半环形部R1、R2的传统方法相比，各个弯曲平表面部329a的宽度减小到适当的宽度。
接下来，在第三步骤中，如图45(a)所示，在第二剪切模334上升到原位置之后，将与第一加工目标位置P1邻接的第二加工目标位置P2移送到相对于第一剪切模333和第二剪切模334的中间成形位置。换言之，将金属薄板325A沿进给方向H再次移动第一进给量L1。然后，参照图45(b)，使第二剪切模334在金属薄板325A的宽度方向上偏移环形部327的排列节距D的一半(半节距)。之后，如图46(a)和46(b)所示，第二剪切模334下降并使第二被加工部分P2成形。这样，半环形部R1在半环形部R2的上方成形，半环形部R2在半环形部R1的下方成形。结果，制成了多个环形部327。
然后，在第四步骤中，参照图47(a)和47(b)，在第二剪切模334偏移的状态下，将金属薄板325A进一步移送第二进给量L2。于是第二被加工部分P2被移送到相对于第一剪切模333和第二剪切模334的最终加工位置。参照图48(a)和48(b)，第二剪切模334下降并制成包括非弯曲平表面部327f的半环形部R1、R2。
之后，交替地重复第一和第二步骤以及第三和第四步骤。这样，交替地加工被加工部分P1、P2，并制成图35至37所示的金属板网325。具体地，以使得环形部327以迂回曲折方式延伸的方式形成具有以网目状的方式布置的多个通孔26的金属板网325。
在金属板网325中存在没有被第二剪切模334剪切的未加工部分。未加工部分形成连结板部328(第二平板部327d)，使得环形部327以相互交迭的状态连接在一起。结果，如图35和37所示，便形成了具有阶梯状截面的金属板网325。
第三实施例具有下述优点。
(1)传统上，利用只具有第一剪切刃333b的第一剪切模333及具有凸部334a和凹部334b的第二剪切模334通过单个步骤使环形部327的半环形部R1、R2成形。根据本发明，半环形部R1、R2的成形在两个步骤中进行。因此，与图37所示的、在单个步骤中完成这种成形的传统方法相比，各个弯曲平表面部329a的宽度W1减小且气体流路形成部件321的厚度T1被设定为较大值。这确保了气体流路形成部件321中气体流路的有效面积，从而允许适当地供给气体。结果，提高了发电效率。
(2)图39和40所示的传统装置被用作金属板网成形装置。这简化了成形装置的构型，并且能在环形部327的第一接触部329中使弯曲平表面部329a容易地成形。
第三实施例可变型为以下形式。
可在第一剪切模333的位于金属薄板325A的进给方向H的下游侧的侧表面内形成面向第二剪切模334的凸部334a的水平成形表面334c的成形表面。在这种情况下，当第二剪切模334下降时，第一剪切模333的成形表面与凸部334a的水平成形表面334c夹持住金属薄板325A。这可防止环形部327的第二平板部327d的弯曲。
图43和44所示的第二步骤以及图47和48所示的第四步骤都可被分为分开的多个半步骤(分步骤，semi-step)。
在第三实施例中，第二剪切模334在金属薄板325A的宽度方向上偏移第二剪切模334的凸部334a和凹部334b的节距D的一半(半节距)。但是，该偏移量可根据需要改变。此外，环形部327不必一定要以迂回曲折的方式布置。
各个环形部327的形状可以例如为五角形。

Claims (18)

1.一种用在燃料电池的发电单元中的气体流路形成部件，所述发电单元包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和用于使相邻的发电单元彼此隔离的隔板，所述气体流路形成部件布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并且具有气体流路，其中所述发电单元构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电，
所述气体流路形成部件的特征在于，所述气体流路形成部件由利用金属薄板形成的金属板网构成，在所述金属板网中以网目状的方式形成有多个通孔，所述气体流路形成部件具有形成所述通孔的多个环形部，所述环形部各自都包括位于所述环形部和所述气体扩散层之间的接触部中的平表面部。
2.根据权利要求1所述的气体流路形成部件，其特征在于，包括位于所述气体流路形成部件和所述隔板之间的接触部中的平表面部。
3.根据权利要求1或2所述的用在发电单元中的气体流路形成部件，其特征在于，所述通孔和所述环形部各自都形成为具有六角形截面，并且各个接触部设置在与所述六角形的一个侧边对应的位置。
4.一种用于制造用在燃料电池的发电单元中的气体流路形成部件的方法，所述发电单元包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和用于使相邻的发电单元彼此隔离的隔板，所述气体流路形成部件布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并且具有气体流路，其中所述发电单元构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电，所述用于制造气体流路形成部件的方法的特征在于包括：
通过在金属薄板中以网目状的方式形成多个通孔来制造金属板网的第一步骤；和
在所述第一步骤之后、在形成所述金属板网的所述通孔的各个环形部和所述气体扩散层之间的接触部中形成平表面部的第二步骤。
5.根据权利要求4所述的用于制造气体流路形成部件的方法，其特征在于，在所述第二步骤中，通过在一对辊之间布置和压缩在所述第一步骤中获得的金属板网以使所述接触部发生塑性变形，来形成所述平表面部。
6.根据权利要求4所述的用于制造气体流路形成部件的方法，其特征在于，通过在制造所述金属板网的所述第一步骤时利用固定切断模和可动切断模使所述接触部在所述金属板网的厚度方向上发生塑性变形，来进行所述第二步骤中所述平表面部的形成。
7.一种用于根据权利要求4所述的用于制造气体流路形成部件的方法的成形装置，所述成形装置包括：
具有以预定的节距交替布置的第一凹部和第一凸部的固定切断模；和
具有以预定的节距布置的第二凸部和第二凹部的可动切断模，其中所述第二凸部与所述第一凹部接合，所述第二凹部与所述固定切断模的所述第一凸部接合；
所述成形装置的特征在于：
所述可动切断模能够沿所述金属薄板的厚度方向和宽度方向往复运动，通过借由所述固定切断模的第一凹部和第一凸部与所述可动切断模的第二凸部和第二凹部之间的接合在所述金属薄板中以预定的节距形成多个切口并使所述金属薄板弯曲和拉伸，在所述金属薄板中形成有限定了所述通孔的多个环形部；以及
在所述固定切断模的各个第一凸部的上表面中形成有倾斜表面，所述倾斜表面朝所述金属薄板的进给方向的下游侧向下倾斜。
8.一种用于根据权利要求4所述的用于制造气体流路形成部件的方法的成形装置，所述成形装置包括：
具有以预定的节距交替布置的第一凹部和第一凸部的固定切断模；和
具有以预定的节距布置的第二凸部和第二凹部的可动切断模，其中所述第二凸部与所述第一凹部接合，所述第二凹部与所述固定切断模的所述第一凸部接合；
所述成形装置的特征在于：
所述可动切断模能够沿所述金属薄板的厚度方向和宽度方向往复运动，通过借由所述固定切断模的第一凹部和第一凸部与所述可动切断模的第二凸部和第二凹部之间的接合在所述金属薄板中以预定的节距形成多个切口并使所述金属薄板弯曲和拉伸，在所述金属薄板中形成有限定了所述通孔的多个环形部；以及
在所述可动切断模的各个第二凸部的下表面中形成有倾斜表面，所述倾斜表面朝与所述金属薄板的进给方向相反的上游方向向上倾斜。
9.根据权利要求7或8所述的成形装置，其特征在于，所述固定切断模或所述可动切断模使各个环形部的处于所述环形部与所述燃料电池的气体扩散层的接触部的相对两侧的两个侧部朝相应通孔的中心弯曲。
10.一种气体流路形成部件，其包括在电极结构的电极层中形成的气体扩散层、和布置在所述气体扩散层和隔板之间以供给燃料气体或氧化剂气体的气体流路，所述气体流路形成部件构造成通过经所述气体流路向所述电极层供给燃料气体或氧化剂气体而在所述电极层中引发的电极反应来发电，
所述气体流路形成部件的特征在于，所述气体流路形成部件由通过在金属薄板中以网目状的方式形成多个环形部而构造成的金属板网形成，各个环形部都具有通孔，在各个环形部的与所述气体扩散层的表面接触的第一接触部中形成有第一平表面部，在各个环形部的与所述隔板的背面接触的第二接触部中形成有第二平表面部，所述第一平表面部在所述气体流路的方向上的宽度被设定成大于所述第二平表面部在所述气体流路的方向上的宽度。
11.根据权利要求10所述的气体流路形成部件，其特征在于：
形成有使所述环形部连接的连结板部；
在各个环形部中布置有面向所述气体扩散层的第一半环形部；
所述第一半环形部包括连接到相应的连结板部的一对第一侧板部、与所述第一侧板部的端部一体连结的一对第一倾斜板部、和以使所述第一倾斜板部彼此连接的方式与所述第一倾斜板部一体连结的第一平板部，所述第一平板部包括与所述气体扩散层接触的第一接触部，所述第一平表面部形成在所述第一接触部中；
在各个环形部中形成有面向所述隔板的第二半环形部；并且
所述第二半环形部包括与相应的连结板部一体连结的一对第二倾斜板部、与所述第二倾斜板部的端部一体连结的一对平行的第二侧板部、和以使所述第二侧板部彼此连接的方式与所述第二侧板部一体连结的第二平板部，所述第二平板部具有与所述隔板接触的第二接触部，所述第二平表面部形成在所述第二接触部中。
12.一种用于制造根据权利要求10或11所述的气体流路形成部件的方法，所述方法的特征在于包括：
利用第一剪切模和第二剪切模在所述金属薄板的端部的多个位置交替地形成面向所述气体扩散层的第一半环形部和面向所述隔板的第二半环形部的第一步骤，其中所述第一剪切模具有以预定的节距交替布置的多个第一凹部和多个第一凸部，所述第二剪切模具有以预定的节距交替布置在多个位置的第二凸部和第二凹部，所述第二凸部对应于所述第一凹部且所述第二凹部对应于所述第一凸部；
通过使所述金属薄板移动预定量并使所述第一剪切模和所述第二剪切模在与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上偏移而在所述金属薄板的多个位置交替地形成所述第一半环形部和所述第二半环形部的第二步骤；
通过与所述第一步骤类似的步骤和与所述第二步骤类似的步骤的交替重复、利用沿所述金属薄板的进给方向邻接布置的所述第一半环形部和相应的第二半环形部在所述金属薄板中以网目状的方式形成各自都具有通孔的多个环形部而获得金属板网的第三步骤；和
通过在所述第三步骤之后同时挤压所述金属板网的两个表面而在各个第一半环形部的第一接触部中形成第一平表面部以及在各个第二半环形部的第二接触部中形成第二平表面部的第四步骤，所述第一平表面部在所述气体流路的方向上的宽度被设定成小于所述第二平表面部在所述气体流路的方向上的宽度。
13.一种用在根据权利要求12所述的用于制造气体流路形成部件的方法中的成形装置，所述装置的特征在于包括第一剪切模、第二剪切模和压机，所述压机沿包括所述环形部的金属板网的厚度方向挤压所述金属板网，
其中所述金属板网是通过使所述第一剪切模和所述第二剪切模分别在所述金属薄板的厚度方向和与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上往复运动、从而实现所述第一凹部和所述第二凸部之间以及所述第一凸部和所述第二凹部之间的接合、并在以预定的节距在所述金属薄板中形成多个切口之后使所述金属薄板弯曲和拉伸而形成的，并且
其中所述第一凸部、所述第一凹部、所述第二凹部和所述第二凸部以如此方式被成形为，使得各个第一半环形部在被挤压时的变形量与相应的第二半环形部在被挤压时的变形量不同，以便挤压所述半环形部。
14.根据权利要求13所述的用在用于制造气体流路形成部件的方法中的成形装置，其特征在于：
所述第一剪切模的各个第一凸部和所述第二剪切模的各个第二凹部各自都具有用于使构成所述第一半环形部的一对第一侧板成形的成形表面、用于使连接到所述第一侧板的一对第一倾斜板部成形的成形表面、和用于使以使所述第一倾斜板部彼此连接的方式连接到所述第一倾斜板部的第一平板部成形的成形表面；以及
所述第一剪切模的各个第一凹部和所述第二剪切模的各个第二凸部各自都具有用于使构成所述第二半环形部的一对第二倾斜板部成形的成形表面、用于使连接到所述第一倾斜板部的一对第二侧板部成形的成形表面、和用于使以使所述第二侧板部彼此连接的方式连接到所述第二侧板部的第二平板部成形的成形表面。
15.一种用于燃料电池的发电单元，所述单元包括电极层、形成在所述电极层的表面上的气体扩散层、面向所述气体扩散层的隔板、和布置在所述气体扩散层和所述隔板之间并具有供燃料气体或氧化剂气体供给到所述电极层的气体流路的气体流路形成部件，所述发电单元通过在所述电极层中引发的电极反应来发电，所述发电单元的特征在于：
所述气体流路形成部件由利用金属薄板形成的金属板网构成，在所述气体流路形成部件中以网目状的方式形成有多个环形部，所述多个环形部各自都具有带有预定形状的通孔，在各个环形部中形成有与所述气体扩散层的表面保持面接触的弯曲平表面部，在所述弯曲平表面部和使相应的环形部连接的连结板部之间形成有非弯曲平表面部，所述弯曲平表面部和所述非弯曲平表面部利用金属板网成形装置在多个连续的步骤中形成。
16.根据权利要求15所述的用于燃料电池的发电单元，其特征在于，各个环形部形成为五角形或六角形。
17.一种用于制造根据权利要求15或16所述的用于燃料电池的发电单元的方法，其特征在于包括：
第一步骤，所述第一步骤包括：
利用第一剪切模和第二剪切模顺次加工位于所述金属薄板内并在所述金属薄板的进给方向上交替布置的多个第一被加工部分和多个第二被加工部分，所述第一剪切模具有直线形的第一剪切刃，所述第二剪切模具有以预定的间隔交替布置的多个凹部和多个凸部，在所述凸部中形成有第二剪切刃，所述第二剪切刃与所述第一剪切刃协作以在所述金属薄板中形成多个切口；以及
在已将所述金属薄板的各个第一被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的中间成形位置的状态下，在所述第一被加工部分中形成各自都具有所述弯曲平表面部的半环形部；
在所述第一步骤之后、在已将各个第一被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的最终成形位置的状态下、在所述第一被加工部分中形成各自都具有所述非弯曲平表面部的半环形部的第二步骤；
在所述第二步骤之后、在已将所述金属薄板中从所述金属薄板的进给方向的上游侧与相应的第一被加工部分邻接的各个第二被加工部分移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的中间成形位置的状态下、通过使所述第二剪切模在与所述金属薄板的进给方向垂直的方向上偏移而在所述第二被加工部分中形成各自都具有所述弯曲平表面部的半环形部的第三步骤；
在所述第三步骤之后、在已将各个第二被加工部分进一步移动到相对于所述第一剪切模和所述第二剪切模的最终成形位置的状态下在所述第二被加工部分中形成各自都具有所述非弯曲平表面部的半环形部的第四步骤；和
通过交替地重复所述第一和第二步骤以及所述第三和第四步骤在所述金属薄板中以网目状的方式形成所述环形部而使所述金属板网成形的步骤。
18.根据权利要求17所述的用于制造用于燃料电池的发电单元的方法，其特征在于，所述第二步骤和所述第四步骤都执行多次。
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