JP2009199736A - ガス流路層加工装置と加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路層となるラスメタル等の素材が幅広化した場合でも、加工速度の低下を抑止し、優れた加工品質を有するガス流路層を形成することのできるガス流路層加工装置と加工方法を提供する。
【解決手段】ガス流路層加工装置１０は、メタル製の素材Ｍを送る送り手段１と、素材Ｍの送り方向に直交する方向に回転姿勢で移動するとともに上刃２１を具備する回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、該回転体の移動方向にエッジ４１を有する下刃４と、からなるせん断加工ユニットにて素材Ｍを挟み、該下刃４のエッジ４１上で該回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃが回転することで該素材Ｍをせん断しながら網目形状を形成するせん断加工手段と、送り手段１によって素材Ｍを一定量だけ移動させる第１の移動制御と、該第１の移動制御の後に回転姿勢の前記回転体を直交する方向に移動させる第２の移動制御と、を実行する制御手段５と、からなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池を構成するガス流路層の加工装置と加工方法に関するものである。

固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の単セルは、イオン透過性の電解質膜と、該電解質膜を挟持するアノード側触媒層（電極層）およびカソード側触媒層（電極層）とからなる膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と、該膜電極接合体に燃料ガスもしくは酸化剤ガスを提供するとともに電気化学反応によって生じた電気を集電するためのガス拡散層とセパレータを少なくとも備えている。なお、このセパレータは、各単セルを画成するとともにガス流路層となるものであり、このガス流路層がセパレータから分離した、いわゆるフラットタイプのセパレータもある。燃料電池スタックは、所要電力に応じてこの単セルを所定数だけ直列的に積層することによって形成されている。

上記する燃料電池では、アノード電極に燃料ガスとして水素ガス等が提供され、カソード電極には酸化剤ガスとして酸素や空気が提供され、各電極では固有のガス流路層（またはセパレータ）にて面内方向にガスが流れ、次いでガス拡散層にて拡散されたガスが電極触媒層に導かれて電気化学反応がおこなわれるものである。

上記するフラットタイプのセパレータに当接するガス流路層は、一般にその素材がステンレス等の金属からなり、この金属の素材（板）を下刃と上刃の間を送りローラで所定量送った後に、下刃のエッジで鋸歯状の上刃を揺動させることにより、多数の網目状の貫通孔を素材に形成する方法によっておこなわれている。この加工方法と加工装置にかかる従来技術として特許文献１を挙げることができる。

特開２００７−２６８１２号公報

特許文献１に開示の加工装置によれば、ガス流路層に高精度の開口を設けることができ、品質に優れたラスメタルからなるガス流路層を製造することができる。

ところで、上記のごとく加工されるラスメタルは近時益々幅広となってきており、この幅広加工に応じて幅広化された上刃の重量が増加し、その結果、素材カットのための揺動速度が格段に低下することで加工効率が低下し、加工時間の長期化が招来されている。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、ガス流路層となるラスメタル等の素材が幅広化した場合でも、加工速度の低下を抑止し、優れた加工品質を有するガス流路層を形成することのできるガス流路層加工装置と加工方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるガス流路層加工装置は、燃料電池を構成する網目状でメタル製のガス流路層を加工するガス流路層加工装置であって、メタル製の素材を送る送り手段と、前記素材の送り方向に直交する方向に回転姿勢で移動するとともに上刃を具備する回転体と、該回転体の移動方向にエッジを有する下刃と、からなるせん断加工ユニットにて前記素材を挟み、該下刃のエッジ上で該回転体が回転することで該素材をせん断しながら網目形状を形成するせん断加工手段と、前記送り手段によって素材を一定量だけ移動させる第１の移動制御と、該第１の移動制御の後に回転姿勢の前記回転体を前記直交する方向に移動させる第２の移動制御と、を実行する制御手段と、からなるものである。

本発明の加工装置は、たとえばステンレス等のメタル製の薄肉の素材で、その幅が比較的広幅の素材を順次送り出しながら上刃と下刃でせん断加工することにより、たとえばフラットタイプモジュールの燃料電池セルを構成するガス流路層を加工するための装置である。この素材は、一般にラスメタルと称することができる。

従来技術のごとく、上刃が下刃のエッジ上で揺動することで素材をせん断加工（もしくはせん断曲げ加工）する装置とは異なり、素材の送り方向に直交する方向、たとえば素材の幅方向に上刃を具備する回転体を回転させながら移動させることで、素材にガス流路となる網目構造を形成するものである。

本発明の加工装置は、素材を送る送り手段と、送られた素材をせん断加工するせん断加工手段と、素材の送り制御や回転体の回転移動制御を実行する制御手段と、から大略構成されている。

せん断加工手段は、上刃を具備して、素材の送り方向に直交する方向に回転移動する回転体と、この回転体との間で素材を挟む下刃であって、回転体の移動位置がそのエッジとなるように位置決めされた下刃と、から構成されている。

たとえば、回転体が素材の幅方向に回転移動しながら上刃の幅分だけ素材をせん断加工した後に、送り手段にて素材が一定量、たとえばこの上刃の幅だけ移動され、回転体が再度素材上を回転移動してせん断加工を実施する。なお、加工速度を速める必要がある場合には、この回転体の回転移動速度を適宜高速に調整すればよい。

この加工ステップを繰り返しながら、一定長で一定幅の素材に対してせん断加工が実施され、メタル製の素材に網目構造が形成されて燃料電池用のガス流路層が形成される。

上記する本発明の加工装置によれば、素材の幅が広幅となった場合でも、比較的軽量な回転体が素材上を移動しながらせん断加工を実施することにより、重量の重い上刃が揺動しながらせん断加工する装置に比して、せん断加工速度を格段に速めることができ、広幅素材に対して高効率で網目構造を形成することができる。

また、本発明によるガス流路層加工装置の好ましい実施の形態において、前記回転体が複数設けられており、それぞれの回転体が前記素材の幅方向であって前記直交する方向へ、固有の分割幅だけ移動することにより、該素材の全幅に亘るせん断加工が実行されるものである。

本実施の形態は、加工装置が回転体を複数具備し、それぞれの回転体が素材幅に対して固有の分割幅だけ回転移動しながらせん断加工を実施することにより、加工速度を一層向上させることのできる加工装置に関するものである。

たとえば３基の回転体が、それぞれ素材の幅の１／３ずつ、具体的には素材の右側、中央、左側の１／３の幅を分担し、同期して回転移動することにより、一つの回転体でせん断加工する形態に比して３倍の加工速度を実現することができる。

また、本発明によるガス流路層加工方法は、燃料電池を構成する網目状でメタル製のガス流路層を加工するガス流路層加工方法であって、メタル製の素材を一定量だけ送る送りステップと、前記素材上で、前記素材の送り方向に直交する方向に回転姿勢で移動するとともに上刃を具備する回転体を下刃のエッジに沿って移動させ、該素材をせん断しながら、素材の全幅に亘って網目形状を形成するせん断加工ステップと、からなり、前記送りステップと前記せん断加工ステップを繰り返すことで網目形状が形成された素材を加工するものである。

さらに、本発明によるガス流路層加工方法の好ましい実施の形態において、前記回転体が複数設けられており、それぞれの回転体が前記素材の幅方向であって前記直交する方向へ、固有の分割幅だけ移動して該素材の全幅に亘るせん断加工が実行されるものである。

本発明の加工方法によれば、既述する加工装置と同様の効果、すなわち、広幅のメタル製の素材に網目構造を形成する加工を、極めて効率的に実行することが可能となる。

ガス流路となる網目構造が形成されたメタル製素材（ラスメタル）は、フラットタイプモジュールの燃料電池セルのガス流路層としてＭＥＡやセパレータとともに組み付けられ、燃料電池の単セルが形成される。

以上の説明から理解できるように、本発明のガス流路層加工装置および加工方法によれば、広幅のメタル製素材に効率的にガス流路となる網目構造を形成することができ、燃料電池用のガス流路層の製造効率を格段に高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明のガス流路層の加工装置を示した模式図であり、図２は加工装置の制御機構のブロック図である。

図示する加工装置１０は、間隔を置いて配設された複数の送りローラ１，…の回転送り（Ｘ１方向）によってステンレス等の薄肉の素材Ｍを送り、送られた素材Ｍは、下刃４と上刃２１を具備する３基の回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃとの間を通ってせん断加工され、多孔質の網目状のラスメタルＭ１を加工するものである。なお、各回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃを回転させるサーボモータや送りローラ１を回転させるサーボモータの図示は省略している。

各回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃはそれぞれ、素材Ｍの幅Ｗの１／３の領域となるＭａ，Ｍｂ，Ｍｃを固有の移動領域とし、素材の送り方向（Ｙ１方向）に直交する方向である素材の幅方向に、回転姿勢（Ｘ２方向）で往復移動（Ｙ２方向）するようになっている。

回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、対向する一組の案内板３，３に開設された案内溝３１，３１にその両端の回転軸を係合させ、この案内溝３１，３１に沿って素材の幅方向に回転移動する。

一方の案内板３の下方には、板状の下刃４のエッジ４１が位置決めされており、素材Ｍが一定量送られた後に素材送りが停止され、３基の回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃがこのエッジ４１に沿って同期して回転移動することにより、回転体表面の上刃２１，…にてせん断加工が実行される。

回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃがそれぞれ固有の加工領域Ｍａ、Ｍｂ，Ｍｃにて素材の１／３幅をせん断加工した段階で、不図示の昇降手段にて案内板３，３が持ち上げられ、次いで、素材Ｍが回転体（の上刃２１）の幅だけ送り制御され、昇降手段にて案内板３，３が降下され、各回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃが前回ステップとは逆方向に回転移動することにより、次のせん断加工が実行される。

上記する加工ステップを順次繰り返すことにより、幅Ｗで送り方向に所定長さの広幅の素材に網目構造が形成され、所定長および所定の広幅のラスメタルＭ１が加工される。

回転体を回転移動させるサーボモータと素材Ｍを送る送りローラ１，…との上記する回転制御は、これらのアクチュエータに接続されたパーソナルコンピュータ５にてその実行制御がおこなわれる。

図２は、パーソナルコンピュータ５内における制御機構を概略的に説明した図である。

パーソナルコンピュータ５内には、回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃの回転速度を調整可能な回転速度制御部５１と、この回転速度制御部５１から送られた現在の回転速度に基づいて各回転体２Ａ，２Ｂ，２Ｃの移動速度を制御する第２の移動制御部５２と、素材Ｍの送り速度および送り量を制御する第１の移動制御部５３と、が内蔵されている。これらがバスにて接続されるとともに、１／Ｆ回路５５を介して不図示の各アクチュエータ（サーボモータ）に所定の回転速度指令信号が送信される。

なお、図示例では、３基の回転体を備えた加工装置が示されているが、回転体は１基のみでもよく、あるいは４基以上であってもよい。素材Ｍの幅に応じて回転体の基数を増加させたり、所望の網目構造を形成することを前提にその回転移動速度を高速に調整することができる。なお、たとえば４基の回転体からなる場合には、各回転移動領域を素材幅の１／４に設定すればよい。

加工装置１０にて形成されたラスメタルＭ１は、その状態で燃料電池セルの膜電極接合体とセパレータとの間に介層され、ガス流路層が構成される。

図示する加工装置１０を使用してラスメタルからなるガス流路層を加工することにより、ラスメタルの素材幅が広幅となった場合でも、比較的軽量で小規模な複数の回転体にてせん断加工が同期して実行されるため、高い加工効率を実現することができ、製造コストの低減に繋がるものである。

次に、加工されたラスメタルからなるガス流路層を具備する燃料電池単セルの構造を図３に基づいて概説する。

この単セル１００は、イオン交換膜である電解質膜２０（ＭＥＡ）と、これを挟持するアノード側、カソード側のガス拡散層３０，３０（ＧＤＬ）と、から形成される膜電極接合体４０（ＭＥＧＡ）と、この膜電極接合体４０を挟持する導電性多孔体であるガス流路層６０，６０Ａと、このガス流路層６０，６０Ａを挟持する３層構造のセパレータ９０，９０と、からなり、その周縁にたとえばゴム等の樹脂製のガスケット７０が一体に形成されている。図１で形成されたラスメタルＭ１が本構造のガス流路層６０，６０Ａとなっている。

電解質膜２０は、高分子材料であるフッ素系膜、ＨＣ膜などからなり、ガス拡散層３０は、白金やその合金からなる触媒をカーボン等に担持させた多孔質素材であり、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。また、ガスケット７０は、膜電極接合体（ＭＥＧＡ）を成形型内に収容し、所望の樹脂を成形型内に射出するインサート成形にて形成することができる。

図示する実施例において、ガス流路層６０，６０Ａは図１に示す加工装置１０にて加工された網目状で多孔質のラスメタルからなるもので、アノード側のラスメタルの端部がカソード側に屈曲し、さらに屈曲してマニホールド８０側に延びることでガスケット７０の補強材６１となっている。ガス流路層６０Ａが比較的硬質のラスメタルから形成されることにより、かかる補強材としての兼用が可能となっている。

ガスケット７０とその補強材６１には、図示する冷却水供給用および排水用のマニホールド８０，８０のほかにも、水素ガス、酸素ガス（または空気）を供給するための孔（マニホールド）と、反応後のガスを排気するための孔（マニホールド）がそれぞれに対応する基数だけ穿孔されており、実際の燃料電池では、単セルが発電能力に応じた基数だけ積層され、対応する孔が積層方向に繋がることで、冷却水供給用および排水用のマニホールド８０とガス供給用もしくは排気用の不図示のマニホールドが形成される。

３層構造のセパレータ９０は、隣接する単セルとの間でセル間を画成する面材９３と、これに対向するＭＥＧＡ側の面材９１と、これら面材９１，９３間に介層され、面材９１，９３の外周輪郭に沿う枠状（無端状）に形成された樹脂素材のスペーサ９２と、から構成されている。なお、図示例では、面材９１，９３とスペーサ９２にはガス供給用および排気用の貫通孔の図示を省略している。

実際の燃料電池においては、所望する発電量に応じて単セル１００が所定段積層されて燃料電池スタックが形成されるものである。さらに、この燃料電池スタックは、最外側にエンドプレート、テンションプレート等を備え、両端のテンションプレート間に圧縮力が加えられて燃料電池が形成される。

電気自動車等に車載される燃料電池システムは、この燃料電池と、水素ガスや空気を収容する各種タンク、これらのガスを燃料電池に提供するためのブロア、燃料電池を冷却するためのラジエータ、燃料電池で生成された電力を蓄電するバッテリ、この電力で駆動する駆動モータ等から大略構成されるものである。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のガス流路層の加工装置を示した模式図である。 加工装置の制御機構のブロック図である。 加工されたガス流路層を含む燃料電池の単セル構造を示した縦断面図である。

符号の説明

１…送りローラ（送り手段）、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…回転体、２１…上刃、３…案内板、３１…案内溝、４…下刃、４１…エッジ、５…パーソナルコンピュータ（制御手段）、１０…加工装置、２０…電解質膜（ＭＥＡ）、３０…ガス拡散層（ＧＤＬ）、４０…膜電極接合体（ＭＥＧＡ）、６０，６０Ａ…ガス流路層（ラスメタル）、６１…補強体、７０…ガスケット、７１…無端状リブ、８０…マニホールド、９０…セパレータ、９１…面材、９２…スペーサ、９３…面材、１００…単セル、Ｍ…素材、Ｍ１…ラスメタル

Claims (4)

1. 燃料電池を構成する網目状でメタル製のガス流路層を加工するガス流路層加工装置であって、
   メタル製の素材を送る送り手段と、
   前記素材の送り方向に直交する方向に回転姿勢で移動するとともに上刃を具備する回転体と、該回転体の移動方向にエッジを有する下刃と、からなるせん断加工ユニットにて前記素材を挟み、該下刃のエッジ上で該回転体が回転することで該素材をせん断しながら網目形状を形成するせん断加工手段と、
   前記送り手段によって素材を一定量だけ移動させる第１の移動制御と、該第１の移動制御の後に回転姿勢の前記回転体を前記直交する方向に移動させる第２の移動制御と、を実行する制御手段と、からなる、ガス流路層加工装置。
2. 前記回転体が複数設けられており、それぞれの回転体が前記素材の幅方向であって前記直交する方向へ、固有の分割幅だけ移動することにより、該素材の全幅に亘るせん断加工が実行される、請求項１に記載のガス流路層加工装置。
3. 燃料電池を構成する網目状でメタル製のガス流路層を加工するガス流路層加工方法であって、
   メタル製の素材を一定量だけ送る送りステップと、
   前記素材上で、前記素材の送り方向に直交する方向に回転姿勢で移動するとともに上刃を具備する回転体を下刃のエッジに沿って移動させ、該素材をせん断しながら、素材の全幅に亘って網目形状を形成するせん断加工ステップと、からなり、
   前記送りステップと前記せん断加工ステップを繰り返すことで網目形状が形成された素材を加工する、ガス流路層加工方法。
4. 前記回転体が複数設けられており、それぞれの回転体が前記素材の幅方向であって前記直交する方向へ、固有の分割幅だけ移動して該素材の全幅に亘るせん断加工が実行される、請求項３に記載のガス流路層加工方法。

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