JP2010153040A - 燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材及びその製造方法並びに成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流路形成部材の接触部がガス拡散層に食い込むのを抑制できる
とともに、ガス流路形成部材とセパレータの接触状態を適正化して、燃料電池の発電効率を向上できる発電セルに用いるガス流路形成部材を提供する。
【解決手段】枠状のフレーム１３，１４の内部にＭＥＡ１５を収容し、該ＭＥＡ１５のアノード電極層１７及びカソード電極層１８と、フレーム１３，１４の上下両面に接合固定された第１，第２セパレータ２３，２４との間に第１，第２ガス流路形成部材２１，２２を介在する。ガス流路形成部材２２を、ラスカットメタル２５により成形し、ガス流路形成部材２２の貫通孔を形成するリング部２７のうちガス拡散層１９，２０の表面と接触する第１平面部２９ａの形成幅を、前記セパレータ２４と接触する第２平面部３０ａの形成幅よりも広く設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電セルにおいて、ガス拡散層とセパレータとの間に介在されるガス流路形成部材及びその製造方法並びに成形装置に関する。

従来、固体高分子型燃料電池として、特許文献１に開示されたものが提案されている。この燃料電池は、発電セルを積層した燃料電池スタックにより構成されている。発電セルは、電解質膜の一面側にアノード電極層を形成し、他面側にカソード電極層を形成してなる膜−電極接合体を備えている。又、前記アノード電極層及びカソード電極層には、ガス流路形成部材（コレクタ）を介して水素ガス等の燃料ガスと空気等の酸化剤ガスが供給されることにより、膜−電極接合体に電極反応が生じて発電される。発電された電気はコレクタ及び板状のセパレータを介して外部に出力される。

前記両ガス流路形成部材には、燃料ガス及び酸化剤ガスをアノード電極層及びカソード電極層に効率良く供給する能力が要求される。このため、特許文献１には改良されたガス流路形成部材が開示されている。このガス流路形成部材は、所定形状を有する多数の小さな貫通孔が形成された金属薄板よりなるラスカットメタルにより成形されている。このラスカットメタルは、例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板に対してラスカット加工を施すことにより、略六角形状の貫通孔が網目状に成形されている。又、網目状の六角貫通孔を形成している部分、つまりリング部（ストランド）が順次重なるように連結されて、その断面形状が階段状となっている。
特開２００７−８７７６８号公報

燃料電池スタックを構成する発電セルは、前記両電極層の表面と前記ガス流路形成部材との間に導電性を有する繊維により形成されたカーボンペーパーよりなるガス拡散層が介在されている。このガス拡散層の微細な隙間を燃料ガス及び酸化剤ガスが通過する間にそれぞれ効率良く拡散されて各電極層に燃料ガス及び酸化剤ガスがそれぞれ適正に供給されるようになっている。又、発電セルは、両ガス拡散層とガス流路形成部材との電気的接触を適正に行うため、次の構成が採られている。複数の発電セルが積層されて燃料電池スタックが構成される。この際、単一の発電セルの上下二枚のセパレータが僅かに接近する方向に押圧されて、ガス流路形成部材がガス拡散層に押圧されるようになっている。このため、従来のガス流路形成部材を用いると、次のような現象が生じる。即ち。図１６に示すように、例えばアノード電極層１７に接合されたガス拡散層１９と、セパレータ２３との間にガス流路形成部材２１が介在された状態において、セパレータ２３が図面の下方に押圧される。すると、ガス流路形成部材２１の接触部２９がガス拡散層１９に強く押し付けられる。このため、接触部２９が図１７に示すように、ガス拡散層１９に食い込むので、次のような問題があった。

前記ガス拡散層１９の一部が前記接触部２９により切断破壊されて、ガス拡散層としての機能が低下する。又、ガス流路形成部材２１のガス流路にガス拡散層の一部が侵入して、その有効面積が減少する。このため、燃料ガスの圧力損失が増加するので、燃料ガスの供給量が低下して、発電効率が低下するという問題があった。又、切断されたガス拡散層のカーボン繊維が燃料ガスにより流されてガス流路形成部材の毛細管状の狭いガス流路に付着して目詰まりが生じ、このため、燃料ガスの流れが阻害されて発電効率が低下する。さらに、各発電セル毎に前記ガス流路形成部材２１の接触部２９の食い込み量にバラツキが生じて、発電電圧の安定性が低下するという問題もあった。

一方、前記ガス流路形成部材２１のセパレータ２３側の接触部３０が角当たりしているので、セパレータ２３を損傷する。又、ガス流路形成部材２１とセパレータ２３の通電に必要な接触面積を確保しにくい。このため、発電された電気がガス流路形成部材２１からセパレータ２３に流れ難く、発電効率を低下させるという問題があった。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、ガス流路形成部材の接触部がカーボンペーパー等よりなるガス拡散層に食い込むことを抑制することができるとともに、ガス流路形成部材とセパレータの接触状態を適正化して、燃料電池の発電効率を向上することができる発電セルに用いるガス流路形成部材及びその製造方法並びに成形装置を提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、電極構造体の電極層に形成されたガス拡散層と、セパレータとの間にガス流路形成部材を介在し、該ガス流路形成部材に形成されたガス流路によって前記電極層に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電するように構成された燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材において、前記ガス流路形成部材を、所定の形状の貫通孔を有するリング部が網目状に形成された金属薄板製のラスカットメタルにより形成し、前記リング部のうち前記ガス拡散層の表面と接触する第１接触部に第１平面部を成形し、前記セパレータの裏面と接触する第２接触部に対し第２平面部を成形し、前記第１平面部のガス流路方向の形成幅を、第２平面部の形成幅よりも広く設定したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記リング部のうち前記ガス拡散層側の半リング部は、各リング部を連結する連結板部に連結された一対の第１側板部と、両第１側板部の先端部に一体に連結された第１傾斜板部と、両第１傾斜板部に一体に架橋連結された第１平板部とにより形成され、該第１平板部の端部の第１接触部に前記第１平面部が成形され、一方、前記セパレータ側の半リング部は、前記連結板部に一体に連結された一対の第２傾斜板部と、両第２傾斜板部の先端部に一体に、かつ平行に連結された一対の第２側板部と、両第２側板部の先端部間に一体に架橋連結された第２平板部とにより形成され、該第２平板部の端部の第２接触部に前記第２平面部が成形されていることを要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材の製造方法において、凹部と凸部を交互に所定のピッチで複数箇所に形成した第１剪断型と、前記凹部と凸部に対応するように凸部と凹部を交互に所定のピッチで複数箇所に形成した第２剪断型とを用いて、金属薄板の端部に対しガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とを交互に複数箇所に成形する第１の工程と、前記金属薄板を所定量送り、前記第１剪断型及び第２剪断型を前記金属薄板の送り方向と直交する方向にオフセットさせて、金属薄板にガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とを交互に複数箇所に成形する第２の工程と、上記第１の工程及び第２の工程と同様の工程を交互に繰り返し行い、金属薄板に対し該金属薄板の送り方向に隣接する前記ガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とにより貫通孔を有するリング部を網目状に多数箇所に成形してラスカットメタルを成形する第３の工程と、上記第３の工程の後に、前記ラスカットメタルをその表裏両面側から同時にプレスして、前記ガス拡散層側の半リング部の第１接触部に対し、ガスの流路方向の形成幅の大きい第１平面部を成形するとともに、前記セパレータ側の半リング部の第２接触部に対し、形成幅の小さい第２平面部を成形する第４の工程とを含むことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置であって、凹部と凸部を所定のピッチで交互に複数箇所に形成した第１剪断型と、上記第１剪断型の凹部と凸部に噛み合わされる凸部と凹部を所定のピッチで複数箇所に形成した第２剪断型とを備え、前記第１及び第２剪断型を金属薄板の板厚方向及び薄板の送り方向と直交する方向にそれぞれ往復動して、前記凹部と凸部を噛み合わせ、金属薄板に対し所定のピッチで複数箇所に切れ目を入れて該金属薄板を曲げ伸ばしすることにより、複数の貫通孔を形成するリング部を千鳥配置に形成してラスカットメタルを成形することができるように構成され、前記第１剪断型及び第２剪断型の前記凹部と凸部の形状は、前記リング部を形成するガス拡散層側の半リング部の形状と、セパレータ側の半リング部の形状とがプレスによる塑性変形量が相違する形状にプレス成形できるように設定され、前記ラスカットメタルをその厚さ方向からプレス成形するプレス装置を備えたたことを特徴とするガス流路形成部材の製造方法に用いることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、ガス拡散層側の半リング部を成形する前記第１剪断型の凸部と、第２剪断型の凹部は、該半リング部を構成する一対の第１側板の成形面と、前記両第１側板に連結された一対の第１傾斜板部の成形面と、両第１傾斜板部に架橋連結された第１平板部の成形面とを備え、セパレータ側の半リング部を成形する前記第１剪断型の凹部と、第２剪断型の凸部は、該半リング部を構成する一対の第２傾斜板部を成形する成形面と、前記第１傾斜板部に連結された一対の第２側板部の成形面と、前記第２側板部に架橋連結された第２平板部の成形面とを備えていることを要旨とする。

（作用）
この発明は、ガス流路形成部材の貫通孔を形成するリング部の外周縁のうちカーボンペーパー等のガス拡散層と接触する第１接触部に第１平面部がプレス成形されているので、ガス拡散層の表面に対し、該第１平面部が面接触される。このため、ガス拡散層に第１接触部が食い込むことはなく、ガス拡散層の破壊が防止されるとともに、ガス流路形成部材のガス流路に破壊されたガス拡散層が侵入してガス流路の有効面積が減少することはない。

一方、ガス流路形成部材のリング部の外周縁のうちセパレータと接触する第２接触部に第２平面部がプレス成形されているので、セパレータの裏面に対し前記第２平面部が面接触される。このため、セパレータの損傷が防止されるとともに、ガス流路形成部材とセパレータとの接触部の通電面積が確保され、発電された電流の電気抵抗が低減され、発電効率を向上することができる。

さらに、この発明は前記第１平面部の形成幅が前記ガス拡散層への第１平面部の食い込みを防止するように広く設定され、第２平面部の形成幅がセパレータの損傷を防止し、かつ第２平面部とセパレータとの通電面積を適度に確保できる程度に小さく設定されている。このため、ガス流路形成部材の厚さ寸法を適正に保持し、ガス流路形成部材内のガス流路の有効面積を確保することができる。仮に、第２平面部も第１平面部と同じ形成幅に広く設定すると、第１及び第２平面部のプレス成形時にガス流路形成部材が厚さ方向に圧縮されて塑性変形量が多くなって、ガス流路形成部材の厚さ寸法が低下し、ガス流路が小さくなる。

本発明によれば、ガス流路形成部材の接触部がカーボンペーパー等よりなるガス拡散層に食い込むことを抑制することができるとともに、ガス流路形成部材の接触部とセパレータの接触状態を適正化して、燃料電池の発電効率を向上することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図１４に従って説明する。
この実施形態の固体高分子型の燃料電池スタック１１は、図１に示すように多数の発電セル１２を積層して構成されている。

前記発電セル１２は、図１及び図２に示すように、四角枠状をなし、それぞれ燃料ガス通路空間Ｓ１及び酸化剤ガス通路空間Ｓ２を有する合成ゴム（又は合成樹脂）製の第１，第２フレーム１３，１４と、両フレーム１３，１４間に配設される電極構造体としてのＭＥＡ１５（Ｍｅｍｂｒａｎｅ−Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ: 膜−電極接合体）とを備えている。又、前記発電セル１２は、前記燃料ガス通路空間Ｓ１に収容された金属よりなる第１ガス流路形成部材２１と、前記酸化剤ガス通路空間Ｓ２に収容された金属よりなる第２ガス流路形成部材２２とを備えている。さらに、前記発電セル１２は、前記フレーム１３及び第１ガス流路形成部材２１の図示上面に接着された平板状のチタン又はチタン合金よりなる第１セパレータ２３と、前記フレーム１４及び第２ガス流路形成部材２２の図示下面に接着されたチタン又はチタン合金よりなる第２セパレータ２４とを備えている。図２においては、前記ガス流路形成部材２１，２２の構成は平板状に簡略化して図示されている。

前記第１フレーム１３の対向する平行な二辺には、それぞれ長孔状のガス通路１３ａ，１３ｂが形成されている。前記第２フレーム１４の対向する平行な二辺には、それぞれガス通路１４ａ，１４ｂが形成されている。前記ガス通路１３ａ，１３ｂと、ガス通路１４ａ，１４ｂとは、互いに対応されない辺に形成されている。

前記ＭＥＡ１５は、図１及び図２に示すように電解質膜１６と、該電解質膜１６の図示上面及び下面に対し所定の触媒を積層して形成されたアノード電極層１７及びカソード電極層１８と、前記両電極層１７、１８の表面にぞれぞれ接着された導電性を有する例えばカーボンペーパーよりなるガス拡散層１９，２０とにより構成されている。

第１，第２セパレータ２３，２４の直交する二辺には、ガス導入口２３ａ，２４ａが形成され、他の直交する二辺には、ガス導出口２３ｂ，２４ｂが形成されている。
図３に示すように、前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２は、板厚が例えば０．１ｍｍ程度の金属製のラスカットメタル２５（以下、単にラスメタルという）によって形成されている。前記ラスメタル２５には、角形状の貫通孔２６が千鳥状に多数箇所に成形されている。前記貫通孔２６を形成している部分をリング部２７といい、これらのリング部２７が連結板部２８（図３のドットを施した部分）によって順次重なるように連結されている。

図４に示すように、前記リング部２７の図示上側の前記ガス拡散層１９に接触される半リング部Ｒ１は、左右一対の第１側板部２７ａと、両側板部２７ａの上端部に一体に連結された左右一対の第１傾斜板部２７ｂと、両第１傾斜板部２７ｂの先端部に一体に架橋連結された第１平板部２７ｃとにより構成されている。前記リング部２７の図示下側の前記セパレータ２３と接触される半リング部Ｒ２は、左右一対の第２傾斜板部２７ｄと、両第２傾斜板部２７ｄの先端部に一体に下方に連結された第２側板部２７ｅと、両側板部２７ｅの先端部に一体に架橋連結された第２平板部２７ｆとにより構成されている。

図３に示すように、前記連結板部２８は前記半リング部Ｒ２を構成する第２平板部２７ｆと同じ板部となっている。そして、前記半リング部Ｒ１の前記第１平板部２７ｃの前記連結板部２８（第２平板部２７ｆ）と反対側の端部は、前記ガス拡散層１９（又は２０）の表面に接触される第１接触部２９となっている。前記半リング部Ｒ２の前記第２平板部２７f （連結板部２８）の前記第１平板部２７ｃと反対側の端部は、図５に示すように第１又は第２セパレータ２３，２４の内面に接触される第２接触部３０となっている。前記両接触部２９，３０には第１，第２平面部２９ａ，３０ａが後述するように前記ラスメタル２５を板厚方向から同時に圧縮することによりプレス成形されている。前記第１及び第２平面部２９ａ，３０ａは、図５に示すように互に平行に形成されている。

第１平面部２９ａは、前記ガス拡散層１９（２０）に面接触され、第２平面部３０ａは、前記セパレータ２３（２４）に面接触されるようにしている。
図５に示すように、前記ガス流路形成部材２１に形成された第１平面部２９ａのガス流路方向（矢印）に関する形成幅Ｗ１は、例えば０．２ｍｍに設定され、第２平面部３０ａの同じ形成幅Ｗ２は、例えば０．１ｍｍに設定され、形成幅Ｗ１が形成幅Ｗ２よりも広くなるようにしている。

図１に示すように、前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２は、それぞれ第１，第２フレーム１３，１４の燃料ガス通路空間Ｓ１、酸化剤ガス通路空間Ｓ２内において、前記ガス拡散層１９，２０の表面と、第１，第２セパレータ２３，２４の内面とに接触されている。

図２に矢印Ｇ１で示すように、第１セパレータ２３の一方のガス導入口２３ａから前記燃料ガス通路空間Ｓ１に導入された燃料ガスが一方のガス導出口２３ｂ、第２フレーム１４のガス通路１４ｂ及び第２セパレータ２４の一方のガス導出口２４ｂに流れるように前記第１ガス流路形成部材２１が収容されている。図２に矢印Ｇ２で示すように、第１セパレータ２３の他方のガス導入口２３ａから前記第１フレーム１３のガス通路１３ａを通して第２フレーム１４の前記酸化剤ガス通路空間Ｓ２に導入された酸化剤ガスが第１フレーム１３のガス通路１３ｂを通して他方のガス導出口２３ｂ及び第２セパレータ２４の他方のガス導出口２４ｂに流れるように前記第２ガス流路形成部材２２が収容されている。

この実施形態では、図１に示す第１フレーム１３と電解質膜１６との接触面及び第１フレーム１３と第２フレーム１４の接触面のガスのシールを図る観点から、第１及び第２フレーム１３，１４が合成ゴムにより成形されている。このため、発電セル１２を積層して燃料電池スタック１１を構成する際に、該スタック１１の締結荷重により、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２が第１，第２セパレータ２３，２４によってＭＥＡ１５側に若干押圧された状態で組み付けられる。従って、第１ガス流路形成部材２１の第１接触部２９の第１平面部２９ａとガス拡散層１９との接触状態及び第２接触部３０の第２平面部３０ａと第１セパレータ２３との接触状態が適正に保持される。なお、第２ガス流路形成部材２２側についてもガス流路形成部材２１側の上記の構成と同様に構成されている。

さて、燃料電池スタック１１においては、積層された発電セル１２間で、第１セパレータ２３の一方のガス導入口２３ａ及び第２セパレータ２４の一方のガス導入口２４ａが第１フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１及び第２フレーム１４のガス通路１４ａを介して、全て連通された状態となり、燃料ガス（水素ガス）流通路が形成される。一方、第１セパレータ２３の他方のガス導入口２３ａ及び第２セパレータ２４の他方のガス導入口２４ａが第１フレーム１３のガス通路１３ｂ及び第２フレーム１４の酸化剤ガス通路空間Ｓ２を介して、全て連通された状態となり、酸化剤ガス（空気）流通路が形成される。前記燃料ガス流通路及び酸化剤ガス流通路に供給された燃料ガス及び酸化剤ガスは、前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２によって、燃料ガス通路空間Ｓ１、酸化剤ガス通路空間Ｓ２内を均一に拡散して流れることになる。即ち、燃料ガス通路空間Ｓ１内における燃料ガスは、前記第１ガス流路形成部材２１に形成された千鳥配置の多数の貫通孔２６を通過することによって乱流となり、燃料ガスはガス通路空間Ｓ１内において均一に拡散した状態となる。燃料ガスがガス拡散層１９を通過することによって適正に拡散されて、アノード電極層１７に燃料ガスが均一に供給される。そして、燃料ガスと酸化剤ガスとの供給によりＭＥＡ１５において電極反応が起こることによって発電される。発電セル１２は、複数積層されているため、所望の出力が得られる。

次に、前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の製造方法について説明する。
前記第１ガス流路形成部材２１は、図６及び図７に示すラスカット加工装置を用いて成形される。このラスカット加工装置は、金属薄板２５Ａを順次供給するための上下一対の送りローラ３１を備えている。又、この加工装置は、金属薄板２５Ａに複数箇所に切れ目を入れるととも曲げ伸ばして塑性変形させる成形機構３２を備えている。この成形機構３２によって、前記金属薄板２５Ａに網目状をなす多数の角形の貫通孔２６が階段状に成形されてラスメタル２５が成形される。前記成形機構３２は、図６に示すように、図示しないオフセット機構により金属薄板２５Ａの送り方向と直交する幅方向（図６の紙面直交方向）に往復動可能に支持された第１剪断型３３と、図示しない昇降機構及びオフセット機構により上下方向及び金属薄板２５Ａの送り方向と直交する幅方向に往復動可能に支持された第２剪断型３４とによって構成されている。

図７に示すように前記第１剪断型３３の金属薄板２５Ａの送り方向下流側の側壁３３ａの上部には、凸部３３ｂと凹部３３ｃが水平方向に所定のピッチで交互に形成されている。前記第２剪断型３４の下部には、第１剪断型３３の凹部３３ｃと凸部３３ｂに噛み合わされる凸部３４ａと凹部３４ｂが水平方向に所定のピッチで交互に形成されている。前記第１剪断型３３の凹部３３ｃの金属薄板２５Ａの送り方向の上流側の側面の上端縁には、金属薄板２５Ａに切れ目を入れる剪断刃３３ｄが形成されている。この剪断刃３３ｄと対応するように、第２剪断型３４の凸部３４ａの下端縁及び左右両側縁には、金属薄板２５Ａに切れ目を入れる逆台形状の剪断刃３４ｃが形成されている。

図７に示すように、前記第１剪断型３３の凸部３３ｂには、前記リング部２７の両第１側板部２７ａの内面（第２側板部２７ｅの外面）を成形する左右一対の成形面３３ｅ、前記両第１傾斜板部２７ｂの内面を成形する左右一対の成形面３３ｆ、平板部２７ｃの内面を成形する成形面３３ｇが形成されている。一方、前記第２剪断型３４の凹部３４ｂには、前記リング部２７の第１側板部２７ａの外面（第２側板部２７ｅの内面）を成形する成形面３４ｄ、前記リング部２７の第１傾斜板部２７ｂの外面（第２傾斜板部２７ｄの内面）を成形する成形面３４ｅ、前記平板部２７ｃの外面を成形する成形面３４ｆが形成されている。又、前記第２剪断型３４の凸部３４ａの下端には、前記リング部２７の平板部２７ｆの内面を成形する成形面３４ｇが形成されている。

そして、図６において、送りローラ３１によって、金属薄板２５Ａが所定の加工ピッチずつ成形機構３２の第１剪断型３３よりも第２剪断型３４側に突出するように送られる。この状態で、第２剪断型３４が第１剪断型３３に向かって下降され、第１剪断型３３の剪断刃３３ｄと第２剪断型３４の剪断刃３４ｃによって、金属薄板２５Ａの一部を剪断して、複数の切れ目を形成する。次に、第２剪断型３４は、最下点位置まで下降し、該第２剪断型３４の凸部３４ａと接触している金属薄板２５Ａを下方に曲げ伸ばす。この動作によって、曲げ伸ばされた部分は、図８に示すような形状となる。そして、第２剪断型３４は、最下点位置から上方の原位置まで復帰する。

続いて、図６において前記送りローラ３１が、金属薄板２５Ａを再び加工ピッチだけ成形機構３２に送る。これと同期して、前記第１剪断型３３及び第２剪断型３４が左方向又は右方向に前記複数のリング部２７の配列ピッチの例えば半ピッチだけ移動される。そして、前記第２剪断型３４が再び下降され、金属薄板２５Ａに対し、前回の加工によって形成された曲げ伸ばし部分から左方向又は右方向に例えば半ピッチだけオフセットした位置に切れ目加工及び曲げ伸ばし加工が行われ、複数の貫通孔２６を有するリング部２７が成形され、ラスメタル２５が成形される。

上述の動作を繰り返すことによって、前記ラスメタル２５には、図９及び図１０に示すように多数の網目状の貫通孔２６を有するリング部２７が千鳥状に形成される。前記第１剪断型３３の凸部３３ｂ及び凹部３３ｃと、第２剪断型３４の凸部３４ａ及び凹部３４ｂが噛み合わされるため、第２剪断型３４の下降に伴って、ラスメタル２５に切れ目が加工されない部分が形成される。この切れ目なしの部分が前記連結板部２８（第２平板部２７ｆ）となることによりリング部２７は順次重なるように連結されて、ラスメタル２５は、その断面形状が図１１に示すような階段状に形成される。

又、前記リング部２７は図１２に示すように多角形状に成形されていて、リング部２７の上側の半リング部Ｒ１を構成する第１側板部２７ａ及び第１傾斜板部２７ｂによって、前記第１平板部２７ｃが図示下方に押圧されたときに、該第１平板部２７ｃの塑性変形を許容する第１変形許容部Ｆ１が形成されている。そして、前記平板部２７ｃに外力が矢印Ｐ方向に加えられると、二点鎖線で示すように、第１変形許容部Ｆ１が塑性変形されるようにしている。又、前記リング部２７の下側の半リング部Ｒ２を構成する前記第２側板部２７ｅによって前記第２平板部２７ｆが図示上方に押圧されたときに、該第２平板部２７ｆの塑性変形を許容する第２変形許容部Ｆ２が形成されている。そして、前記第２平板部２７ｆに外力が上方向に加えられると、二点鎖線で示すように、第２変形許容部Ｆ２が塑性変形されるようにしている。

前記第１及び第２変形許容部Ｆ１，Ｆ２に加えられる外力が同じ場合に、第１変形許容部Ｆ１の塑性変形量が第２変形許容部Ｆ２の塑性変形量よりも大きくなるようにしている。即ち、前記第１変形許容部Ｆ１は、図１２に示すように第１平板部２７ｃに図示下方に外力が加えられると、前記第１傾斜板部２７ｂを介して前記第１側板部２７ａに外力が伝達され、該第１側板部２７ａがその基端付け根部を中心に左右方向外側に塑性変形し、両第１傾斜板部２７ｂが第１側板部２７ａとの連結部を中心にそれぞれ下方に回動されて、塑性変形し易い構造となっている。一方、前記第２変形許容部Ｆ２は、第２平板部２７ｆに外力が図示上方向に作用した場合に、第２傾斜板部２７ｄがその基端付け根部を中心に回動されず、両第２側板部２７ｅがその基端付け根部を中心に左右方向外側にある程度塑性変形するが、前記第１変形許容部Ｆ１よりも塑性変形し難い構造となっている。

次に、前記のように構成されたラスメタル２５の前記ガス拡散層１９に接触される第１接触部２９及びセパレータ２３に接触される第２接触部３０に対し第１平面部２９ａ及び第２平面部３０ａをプレス成形する方法について説明する。

図１３に示すように、プレス装置４０は、ベッド４１の上面にラスメタル２５を支持するための一対のテーブル４２，４３を備えるとともに、ベッド４１の上面に対し、平面部形成機構４４が装着されている。この平面部形成機構４４はコラム４５と、該コラム４５に装着された図示しないモータによって積極的に矢印方向に回転される上下一対の圧縮ローラ４６，４７とにより構成されている。なお、前記圧縮ローラ４６，４７は実際には大径寸法であるが図１３では小径に描かれている。

上記のプレス装置４０を用いてラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０に平面部２９ａ，３０ａを形成するには、図１３に示すように、矢印方向に回転される前記圧縮ローラ４６，４７の間に前記テーブル４２側からラスメタル２５を挟入して、ラスメタル２５を上下方向から圧縮しながら右方向に引き出す。この動作によりラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０が上下方向からそれぞれ所定量だけ圧縮されるので、第１，第２接触部２９，３０が塑性変形されて第１，第２平面部２９ａ，３０ａが形成される。このとき、図１２に示すようにリング部２７の上側の半リング部Ｒ１の第１変形許容部Ｆ１が下側の半リング部Ｒ２の第２変形許容部Ｆ２よりも圧縮され易い構造であるため、図５に示すように、第１接触部２９の第１平面部２９ａのガス流路方向に関する形成幅Ｗ１が第２接触部３０の第２平面部３０ａの同じ形成幅Ｗ２よりも広く成形される。

このようにして、ラスメタル２５の製造が完了すると、このラスメタル２５を所定寸法に切断することによって図１及び図３に示す第１，第２ガス流路形成部材２１，２２が形成される。

上記のように製造された第１ガス流路形成部材２１は図１に示すように発電セル１２に組み込まれた状態で、図１４に示すように、ガス拡散層１９の上面に第１ガス流路形成部材２１の第１接触部２９の第１平面部２９ａが面接触されるとともに、第２接触部３０の第２平面部３０ａが第１セパレータ２３の裏面に面接触される。

上記実施形態の第１，第２ガス流路形成部材２１，２２によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、第１，第２フレーム１３，１４の燃料ガス通路空間Ｓ１、酸化剤ガス通路空間Ｓ２に収容された第１，第２ガス流路形成部材２１，２２をラスメタル２５により成形した。そして、ラスメタル２５のリング部２７の前記ガス拡散層１９の表面に接触される第１接触部２９に対し第１平面部２９ａを形成した。このため、繊維から形成されたガス拡散層１９と第１接触部２９との接触状態を面接触にすることができ、ガス拡散層１９の表面に第１接触部２９が食い込むことを抑制することができる。従って、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路にガス拡散層１９、２０が侵入して、燃料ガス通路空間Ｓ１及び酸化剤ガス通路空間Ｓ２の有効断面積が低減されることを防止でき、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量が低減して発電効率が低下することを回避することができる。

又、第１接触部２９がガス拡散層１９，２０に線接触される場合と比較して、ガス拡散層１９，２０と第１，第２ガス流路形成部材２１，２２との電気的な接続を適正に行い、ガス拡散層１９，２０から第１，第２ガス流路形成部材２１，２２への電気の流れが円滑になり、集電効率を向上することができる。さらに、第１接触部２９が接触されるガス拡散層１９，２０の接触部の損傷を防止することができる。このため、ガス拡散層１９，２０を形成する例えばカーボンペーパーの切断されたカーボン繊維がガス流路形成部材２１，２２のガス通路に目詰まりするのを防止でき、発電性能を確保することができる。

（２）上記実施形態では、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の第２接触部３０に対し第２平面部３０ａを形成したので、第２平面部３０ａが第１，第２セパレータ２３，２４に面接触される。このため、第２接触部３０が第１，第２セパレータ２３，２４に線接触される場合と比較して、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２と第１，第２セパレータ２３，２４との電気的な接続を適正に行い、両ガス流路形成部材２１，２２から両セパレータ２３，２４への電気の流れが円滑になり、集電効率を向上することができるとともに、第２接触部３０が接触される両セパレータ２３，２４の接触部の損傷を防止することができる。

（３）上記実施形態では、図１２に示すように、前記ラスメタル２５のリング部２７の上側の半リング部Ｒ１に塑性変形し易い第１変形許容部Ｆ１を設け、下側の半リング部Ｒ２に塑性変形し難い第２変形許容部Ｆ２を設けた。そして、前記ラスカットメタル２５を表裏両面側から圧縮ローラ４６，４７によって圧縮して形成された第１接触部２９の第１平面部２９ａの形成幅Ｗ１を、第２接触部３０の第２平面部３０ａの形成幅Ｗ２よりも広く成形した。このため、前記圧縮ローラ４６，４７を用いるにもかかわらず前記ガス拡散層１９に接触されるガス流路形成部材２１の第１平面部２９ａの形成幅Ｗ１と無関係に、第２平面部３０ａの形成幅Ｗ２を適正な形成幅に設定することができる。従って、前記第２平面部３０ａの形成幅Ｗ２を、前記セパレータ２３の内面を損傷しない程度に、かつセパレータ２３の外面とガス流路形成部材２１の第２平面部３０ａの接触面における通電面積を適正に保持できる程度に狭く設定することができる。このため、図５に示すようにガス流路形成部材２１の厚さＴ寸法、即ちガス流路形成部材２１のガス流路の有効面積を適正に保持して、ガス流路に供給されるガスの圧力損失を低減し、発電効率を適正に保持することができる。仮に、図５に鎖線で示すように、第２接触部３０の第２平面部３０ａの形成幅Ｗ２を第１平面部２９ａの形成幅Ｗ１と同じにすると、前記ガス流路形成部材２１の厚さＴが小さくなり、ガス流路の有効面積が低減される。

（４）上記実施形態では、プレス装置として、図１３に示すような一対のローラ４６，４７を用いたので、ラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０に対し平面部２９ａ，３０ａを容易に成形することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図１５に示すように前記リング部２７の第１傾斜板部２７ｂを円弧状にするとともに、第２傾斜板部２７ｄを円弧状に形成し、リング部２７全体として滑らかな形状にしてもよい。

・図７に示す第１剪断型３３を、図示しないが、剪断刃３３ｄを有する本体と、前記第２剪断型３４と対応する凸部３３ｂ及び凹部３３ｃを有する剪断板とに分割構成し、本体を所定位置に固定し、前記剪断板を水平方向に往復動するようにしてもよい。

・前記実施形態では、前記第２剪断型３４の凸部及び凹部３４ａ，３４ｂの形成ピッチの半ピッチだけ第１剪断型３３及び第２剪断型３４を左右方向にオフセットして、半リング部Ｒ１，Ｒ２を成形するようにしたが、このオフセット量を適宜に変更してもよい。又、各リング部２７を千鳥配置にしなくてもよい。

・前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２に対し第１及び第２平面部２９ａ，３０ａをプレス成形する方法として、図示しないがラスメタル２５を板厚方向からプレス機の平板状のプレス板により圧縮するようにしてもよい。

・第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の材料として、例えば導電性を有するステンレス板、アルミニウム板、銅板等の金属板を用いてもよい。

この発明の第１，第２ガス流路形成部材を備えた発電セルを積層した燃料電池スタックの一部省略縦断面図。 発電セルの構成部品を分離した状態の斜視図。 発電セルに用いる第１ガス流路形成部材の部分拡大斜視図。 ガス流路形成部材の部分拡大正面図。 ガス流路形成部材の部分拡大断面図。 ラスカットメタルのラスカット加工装置を示す縦断面図。 第１剪断型及び第２剪断型の部分斜視図。 ラスカット加工装置の加工動作を剪断型を示す部分拡大断面図。 ラスカットメタルの部分斜視図。 ラスカットメタルの部分正面図。 ラスカットメタルの断面図。 ラスカットメタルのリング部の拡大正面図。 プレス装置の正面図。 ガス拡散層、第１ガス流路形成部材及び第１セパレータの積層構造を示す拡大断面図。 この発明の別の実施形態を示すリング部の部分正面図。 従来の発電セルのガス拡散層、第１ガス流路形成部材及び第１セパレータの積層構造を示す断面図。 ガス拡散層に対し第１セパレータが押し付けられた状態を示す断面図。

符号の説明

Ｒ１，Ｒ２…半リング部、Ｗ１，Ｗ２…形成幅、１２…発電セル、１７…電極層、１９，２０…ガス拡散層、２１，２２…ガス流路形成部材、２３，２４…セパレータ、２５…ラスカットメタル、２５Ａ…金属薄板、２６…貫通孔、２７…リング部、２７ａ…第１側板部、２７ｂ…第１傾斜板部、２７ｃ…第１平板部、２７ｄ…第２傾斜板部、２７ｅ…第２側板部、２７ｆ…第２平板部、２８…連結板部、２９…第１接触部、２９ａ…第１平面部、３０…第２接触部、３０ａ…第２平面部、３３…第１剪断型、３３ｂ，３４ａ…凸部、３３ｃ，３４ｂ…凹部、３３ｅ，３３ｆ，３３ｇ，３４ｄ，３４ｅ，３４ｆ，３４ｇ…成形面、３４…第２剪断型、４０…プレス装置。

Claims (5)

1. 電極構造体の電極層に形成されたガス拡散層と、セパレータとの間にガス流路形成部材を介在し、該ガス流路形成部材に形成されたガス流路によって前記電極層に燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するとともに、前記電極層における電極反応によって発電するように構成された燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材において、
   前記ガス流路形成部材を、所定の形状の貫通孔を有するリング部が網目状に形成された金属薄板製のラスカットメタルにより形成し、前記リング部のうち前記ガス拡散層の表面と接触する第１接触部に第１平面部を成形し、前記セパレータの裏面と接触する第２接触部に対し第２平面部を成形し、前記第１平面部のガス流路方向の形成幅を、第２平面部の形成幅よりも広く設定したことを特徴とする燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材。
2. 請求項１において、前記リング部のうち前記ガス拡散層側の半リング部は、各リング部を連結する連結板部に連結された一対の第１側板部と、両第１側板部の先端部に一体に連結された第１傾斜板部と、両第１傾斜板部に一体に架橋連結された第１平板部とにより形成され、該第１平板部の端部の第１接触部に前記第１平面部が成形され、一方、前記セパレータ側の半リング部は、前記連結板部に一体に連結された一対の第２傾斜板部と、両第２傾斜板部の先端部に一体に、かつ平行に連結された一対の第２側板部と、両第２側板部の先端部間に一体に架橋連結された第２平板部とにより形成され、該第２平板部の端部の第２接触部に前記第２平面部が成形されていることを特徴とする燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材。
3. 請求項１又は２に記載の燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材の製造方法において、
   凹部と凸部を交互に所定のピッチで複数箇所に形成した第１剪断型と、前記凹部と凸部に対応するように凸部と凹部を交互に所定のピッチで複数箇所に形成した第２剪断型とを用いて、金属薄板の端部に対しガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とを交互に複数箇所に成形する第１の工程と、
   前記金属薄板を所定量送り、前記第１剪断型及び第２剪断型を前記金属薄板の送り方向と直交する方向にオフセットさせて、金属薄板にガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とを交互に複数箇所に成形する第２の工程と、
   上記第１の工程及び第２の工程と同様の工程を交互に繰り返し行い、金属薄板に対し該金属薄板の送り方向に隣接する前記ガス拡散層側の半リング部とセパレータ側の半リング部とにより貫通孔を有するリング部を網目状に多数箇所に成形してラスカットメタルを成形する第３の工程と、
   上記第３の工程の後に、前記ラスカットメタルをその表裏両面側から同時にプレスして、前記ガス拡散層側の半リング部の第１接触部に対し、ガスの流路方向の形成幅の大きい第１平面部を成形するとともに、前記セパレータ側の半リング部の第２接触部に対し、形成幅の小さい第２平面部を成形する第４の工程と
   を含むことを特徴とする燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材の製造方法。
4. 請求項３に記載の燃料電池の発電セルに用いるガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置であって、
   凹部と凸部を所定のピッチで交互に複数箇所に形成した第１剪断型と、
   上記第１剪断型の凹部と凸部に噛み合わされる凸部と凹部を所定のピッチで複数箇所に形成した第２剪断型とを備え、
   前記第１及び第２剪断型を金属薄板の板厚方向及び薄板の送り方向と直交する方向にそれぞれ往復動して、前記凹部と凸部を噛み合わせ、金属薄板に対し所定のピッチで複数箇所に切れ目を入れて該金属薄板を曲げ伸ばしすることにより、複数の貫通孔を形成するリング部を千鳥配置に形成してラスカットメタルを成形することができるように構成され、
   前記第１剪断型及び第２剪断型の前記凹部と凸部の形状は、前記リング部を形成するガス拡散層側の半リング部の形状と、セパレータ側の半リング部の形状とがプレスによる塑性変形量が相違する形状にプレス成形できるように設定され、
   前記ラスカットメタルをその厚さ方向からプレス成形するプレス装置を備えた
   たことを特徴とするガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置。
5. 請求項４において、ガス拡散層側の半リング部を成形する前記第１剪断型の凸部と、第２剪断型の凹部は、該半リング部を構成する一対の第１側板の成形面と、前記両第１側板に連結された一対の第１傾斜板部の成形面と、両第１傾斜板部に架橋連結された第１平板部の成形面とを備え、セパレータ側の半リング部を成形する前記第１剪断型の凹部と、第２剪断型の凸部は、該半リング部を構成する一対の第２傾斜板部を成形する成形面と、前記第１傾斜板部に連結された一対の第２側板部の成形面と、前記第２側板部に架橋連結された第２平板部の成形面とを備えていることを特徴とするガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置。

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