JP2012199093A - 燃料電池と燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電解質膜の乾燥を抑制可能な新たなエキスパンドメタルを提供して、発電性能の向上を図る。
【解決手段】燃料電池は、エキスパンドメタルのガス流路形成部材４０にて、セパレーターからの空気の電解質膜の膜面に沿った網目状の流路を凹部５１と凸部の連続により形成するに当たり、凹部５１に連続する凸部５３と広範囲凸部５４とにおいて、その頂上部の大きさに差を持たせることで、網目状の流路（貫通孔４１）を取り囲む広範囲凸部５４の頂上部５４ａが発電体層に接触する接触部位面積を広くした。その上で、発電体層３５に接触する接触部位面積の広い広範囲凸部領域４０Ｗを、電解質膜の乾燥が起きやすい範囲に設定した。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池における電解質膜の膜面に沿った網目状の流路を形成するエキスパンドメタルを製造する技術に関する。

一般に、燃料電池は、電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、当該発電体層を間に挟んで配置されるセパレーターとを備え、発電体層とセパレーターとの間をガス流路とする。近年では、このガス流路を、金属製の薄板のプレス成形を経たエキスパンドメタルにて、網目状に形成することが提案されている（特許文献１）。

特開２０１０−１７０９８４号公報

エキスパンドメタルは、プレス成形という簡便な既存技術で網目状の流路（ガス流路）を形成できることから、コスト的に有利であるものの、更なる発電性能の向上が要請されている。

一般に、反応ガスは、燃料電池の一方の端部の側から供給されて、エキスパンドメタルの形成する網目状のガス流路を通過し、この流路通過の間に電極面の各部位に到って消費される。そして、燃料電池の他方の端部からは、オフガスが排出される。このため、反応ガスの供給側は、オフガス排出側と比較して、ガス量（ガス通過量）が多くなるので、エキスパンドメタルのガス流路を通過するガスによる水分の持ち去りが多くなり、その分だけ電解質膜の乾燥が進むと予想される。

その一方、燃料電池は、電気化学反応に伴って昇温するので、冷却用の冷媒を供給することで、昇温の抑制が図られている。冷媒は、燃料電池の温度を奪って暖められるので、冷媒の流入側と流出側とでは、流出側の方が冷媒温度は高くなる。このため、冷媒の流出側でもあり既述した反応ガスの供給側でもある領域では、冷媒温度が高いので、その分、電池温度の昇温抑制の効果が薄れると共に、ガスによる水分持ち去りが増えるので、燃料電池の高温運転時において、電解質膜の乾燥がより進むことが危惧される。電解質膜の乾燥は、反応ガスの電気化学反応の進行の妨げとなり得るので、乾燥抑制を図ることが望ましい。ところが、従来のエキスパンドメタルでは、こうした点への配慮に欠けることから、電解質膜の乾燥対処が望まれるに至った。

本発明は、上記した課題を踏まえ、電解質膜の乾燥を抑制可能な新たなエキスパンドメタルを提供して、発電性能の向上を図ることをその目的とする。

上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。

[適用１：燃料電池]
燃料電池であって、
電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記セパレーターからの前記反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す網目状の流路を形成する流路形成部材とを備え、
該流路形成部材は、
前記網目状の流路を取り囲む部位が前記発電体層に接触する接触部位面積に広狭の差を備え、前記発電体層における前記電解質膜の乾燥が他の電解質膜箇所より起きやすい範囲に、前記接触部位面積が広い範囲の前記網目状の流路を形成する
ことを要旨とする。

上記構成の燃料電池は、流路形成部材にて、セパレーターからの反応ガスの電解質膜の膜面に沿った網目状の流路を形成するに当たり、この網目状の流路を取り囲む部位が発電体層に接触する接触部位面積に広狭の差を持たせた。接触部位面積が広いと、網目状の流路を取り囲む部位にて発電体層表層が覆われる面積が広くなるので、網目状の流路を反応ガスが通過する際に反応ガスが発電体層表層に接触する面積が狭くなり、水分の持ち去りを抑制できる。上記構成の燃料電池は、発電体層における電解質膜の乾燥が他の電解質膜箇所より起きやすい範囲に、接触部位面積が広い範囲の網目状の流路を形成するので、電解質膜の乾燥が起きやすい範囲での水分の持ち去り抑制により、電解質膜の乾燥についても、これを抑制できる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、電解質膜の乾燥抑制により、発電性能を高めることができる。

上記した燃料電池システムは、次のような態様とすることができる。例えば、前記流路形成部材をエキスパンドメタルとすることができ、こうすれば、簡便に流路形成部材を提供できる。

また、セパレーターについては、前記発電体層の冷却用の冷媒の流路を備えるものとした上で、冷媒の流路が前記流路形成部材の形成する前記網目状の流路における前記ガスの流れ方向と交差するようにした。そして、前記冷媒の流路における流路末端側であって前記網目状の流路における前記反応ガスの流路上流側の領域を前記電解質膜の乾燥が起きやすい範囲として、流路形成部材については、これを、前記領域に前記接触部位面積が広い範囲の前記網目状の流路を形成するようにできる。こうすれば、燃料電池の高温運転により冷媒温度が上がる冷媒流路末端側でもあり、水分持ち去りにより電解質膜の乾燥が進むと想定される反応ガス流路上流側でもある領域において、上記した電解質膜の乾燥抑制が可能となる。よって、高温運転時の発電能力を維持もしくは高めることができる。そして、反応ガスの流路上流側では、既述したように網目状の流路を取り囲む部位にて発電体層表層が覆われる面積が広くなるので、その分、反応ガスの消費が抑制される。このため、反応ガスの流路下流側では、未消費の反応ガスが届きやすくなるので、電気化学反応が活性化して発電能力が高まることから、燃料電池全体での発電分布がより均一化して、電池全体の発電能力も高まる。

[適用２：燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置]
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置であって、
金属製の板材を送り出す供給部と、
凸形状の刃部を金型幅方向に並べて有する金型を、前記供給部により送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記板材の板幅において凹部と凸部が交互に連続した網目状の流路をプレス形成するプレス部とを備え、
前記金型は、
前記網目状の流路の流路幅より幅広の金型幅とされ、該金型幅を前記網目状の流路の流路幅に対応する範囲の第１金型幅部と残余の範囲の第２金型幅部とに分け、前記第１金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチが前記第２金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチより狭くなるように、前記凸形状の刃部を前記第１、第２の金属幅部に並べて備え、
前記プレス部は、
前記金型を前記金型幅方向に沿ってスライド可能に保持し、
前記第１金型幅において並んだ前記凸形状の刃部による前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成と、前記第２金型幅部において並んだ前記凸形状の刃部と前記第２金型幅部に連続した前記第１金型幅における前記凸形状の刃部とによる前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成とを、前記金型の前記金型幅方向に沿ったスライドにより切り換える
ことを要旨とする。

[適用３：燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法]
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法であって、
金属製の板材を送り出す送り出し工程と、
凸形状の刃部を金型幅方向に並べて有する金型を、前記送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記流路幅において凹部と凸部が交互に連続した網目状の流路をプレス形成するプレス工程とを備え、
該プレス工程では、
前記流路幅より幅広の金型幅を前記網目状の流路の流路幅に対応する第１金型幅部と残余の第２金型幅部とに分け、前記第１金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチが前記第２金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチより狭くなるように、前記凸形状の刃部を備えた前記金型を、前記金型幅方向に沿ってスライド可能に保持し、
前記第１金型幅において並んだ前記凸形状の刃部による前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成と、前記第２金型幅部において並んだ前記凸形状の刃部と前記第２金型幅部に連続した前記第１金型幅における前記凸形状の刃部とによる前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成とを、前記金型の前記金型幅方向に沿ったスライドにより切り換える
ことを要旨とする。

上記した構成・手順を有する燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置と製造方法によれば、電解質膜の乾燥抑制を通して発電性能の向上に寄与し得るエキスパンドメタルを、金属製の板材に対する金型のプレスという既存手法で、容易に製造できる。しかも、刃部を有する金型の交換も不要であることから、工数低減、延いては、コスト低減も可能となる。

さらに、本発明は、種々の形態で実現可能であり、例えば、上記したエキスパンドメタルにて網目状のガス流路を形成する燃料電池の製造方法の形態で実現することが可能である。

本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。 ガス流路形成部材４０の概略構造を示す説明図である。 ガス流路形成部材４０を平面視しつつ当該形成部材における空気の流れ方向をガス流路形成部材４０に接触するセパレーター８０での冷却水流れ方向と関連付けて示す説明図である。 図３における４−４線に沿って発電体層３５とガス流路形成部材４０とセパレーター８０との関係を模式的に示す説明図である。 図３における５−５線に沿って発電体層３５とガス流路形成部材４０とセパレーター８０との関係を模式的に示す説明図である。 ガス流路形成部材４０のプレス形成に用いる刃型部３００と供給系３４０の構成および両者の関係を示す説明図である。 プレス形態の切り換えと刃型スライドと基材２１０との関係を概略的に平面視して示す説明図である。 ４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第一段階を示す説明図である。 ４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第２段階を説明図である。 ４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第３段階を示す説明図である。 ４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第一段階を示す説明図である。 ４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第２段階を説明図である。 ４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第３段階を示す説明図である。 燃料電池２０の発電体層３５における電解質膜３１の発電分布の様子と空気とガスの流路との関係を常温運転と高温運転とで概略的に示す説明図である。

以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池２０を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ（図示省略）を配置して、これをエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。この燃料電池スタック１００では、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから燃料電池２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから燃料電池２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。

燃料電池２０は、発電体層３５の両面に、ガス流路形成部材４０、６０、セパレーター７０、８０を積層して構成される。発電体層３５は、電解質膜・電極接合体としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）３４の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂを接合して構成される。ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。

ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、後述するガス流路形成部材４０、６０と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。

かかる発電体層３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドと発電体層３５の外周部とをそれぞれ囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレーター７０、８０と当接し、マニホールド内や発電体層３５内からの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。

ガス流路形成部材４０、６０は、発電体層３５にガスを供給するガス流路を形成する。ガス流路形成部材４０は、発電体層３５のアノード電極３２ｂ側とセパレーター７０との間（流路形成領域）に配設され、セパレーター７０を介して供給された燃料ガス（ここでは水素ガス）を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、燃料ガスを発電体層３５のアノード電極３２ｂ側に供給する。同様に、ガス流路形成部材６０は、酸化ガス（ここでは空気）を発電体層３５のカソード電極３２ａ側に供給する。かかるガス流路形成部材４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、ステンレス鋼を用いた。ガス流路形成部材４０、６０の詳細な構造については後述する。なお、本実施例では、発電体層３５の両面にガス流路形成部材４０、６０を備える構成としたが、発電体層３５の片面のみに備える構成としてもよい。

セパレーター７０、８０は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、同一の構成を有している。以下、セパレーター７０について説明する。セパレーター７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。セパレーター７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレーター７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレーター７３と、それらの間に配置される中間セパレーター７２とが一体となって構成される。カソード側セパレーター７１は、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレーター７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、カソード側セパレーター７１に面して設けられる他の燃料電池２０（図示省略）のガス流路形成部材４０に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレーター７２の連通孔（図示省略）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。

同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレーター７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示省略）を介して、ガス流路形成部材６０に導かれ、ガス流路形成部材６０を流れた後、中間セパレーター７２およびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレーター７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。なお、セパレーター７０は、上述した３層構造のものに限るものではない。例えば、カソード側セパレーター７１とアノード側セパレーター７３との２層構造とし、中間セパレーター７２に形成される連通孔に相当する形状をカソード側セパレーター７１および／またはアノード側セパレーター７３の内側に形成してもよい。

セパレーター７０は、冷却水供給マニホールド７１ｅから流入した冷却水を、冷却水排出マニホールド７１ｆから排出するに当たり、カソード側セパレーター７１と中間セパレーター７２で挟まれた中間セパレーター７２にて、冷却水流路を形成する。セパレーター８０にあっても同様であり、発電体層３５のカソード電極３２ａの側に位置するセパレーター８０は、冷却水流路を図１に点線で示すように、形成し、当該流路を流れる冷却水にて、発電体層３５を冷却する。この場合、セパレーター８０の冷却水流路とガス流路形成部材４０における空気流路とは、冷却水の流れ方向と空気の流れ方向とが交差するように形成されることになる。

次に、ガス流路形成部材４０、６０について説明する。本実施例においては、ガス流路形成部材４０とガス流路形成部材６０とは同一の構造を有しているので、以下では、カソード電極３２ａの側のガス流路形成部材４０の構造として説明する。図２はガス流路形成部材４０の概略構造を示す説明図、図３はガス流路形成部材４０を平面視しつつ当該形成部材における空気の流れ方向をガス流路形成部材４０に接触するセパレーター８０での冷却水流れ方向と関連付けて示す説明図である。

図２に示すように、ガス流路形成部材４０は、凹部５１と凸部５３とを一方向（以下、この方向を便宜上Ｘ方向と称する）に交互に連続させ、この凹凸の連続をＸ方向と直交するＹ方向に繰り返すエキスパンドメタルとされている。このガス流路形成部材４０は、Ｙ方向に沿って凹部５１と凸部５３を並べ、このＹ方向に並ぶ凹部５１の底部と凸部５３の頂上部５３ａとを繋げて、凹部５１と凸部５３とでＹ方向に沿った貫通孔４１を形成し、この貫通孔４１の連続により網目状の流路を形成する。以下、本実施例では、図におけるＹ方向が流路方向となり、図の手前側が空気のｉｎ側、奥側がｏｕｔ側となり、凹部５１と凸部５３とで形成された網目状の流路は、ＸＹ平面に対して凹部５１および凸部５３の形成壁が一定の勾配をもって連設された形状として構成される。図２に示すＹ方向の空気の流路方向は、図１のガス流路形成部材４０においては、図中実線で示された方向となる。

ガス流路形成部材４０は、凹部５１と凸部５３とを１周期として、同一周期で連続させる他、Ｙ方向では、凹凸の位相をほぼ半周期（ハーフピッチ）ズラしている。また、ガス流路形成部材４０は、図２における右下端側の領域において、凹部５１に連続する凸部を広範囲凸部５４としている。この広範囲凸部５４の形成領域（以下、広範囲凸部領域４０Ｗ）は、図３にクロスハッチで示され、発電体層３５とセパレーター８０とで挟まれたガス流路形成部材４０（図１参照）において、セパレーター８０における冷却水流路の末端側（詳しくは、冷却水流路の末端側１／４〜１／２）であって、ガス流路形成部材４０における貫通孔４１で形成される空気の流路の上流側（詳しくは、空気流路の上流側１／４〜１／２）の領域とされている。そして、この図３におけるノーマルハッチの範囲は、凹部５１と凸部５３の交互連続で空気流路が網目状に形成された領域（以下、ノーマル領域４０Ｎ）とされている。なお、図２の例では、Ｘ方向の凹凸の連続をＹ方向に６対繰り返して記載しているが、これは図示の都合によるもので、実際は、発電体層３５のスペックに合わせて、凹凸連続がＸ方向およびＹ方向に繰り返される。

ガス流路形成部材４０は、既述した広範囲凸部領域４０Ｗにおいて広範囲凸部５４を凹部５１に連続させているので、この広範囲凸部領域４０Ｗにおいては、Ｙ方向に並んで凹部５１の底部と広範囲凸部５４の頂上部５４ａとを繋げて、この凹部５１と広範囲凸部５４とで貫通孔４１を形成する。こうして凹部５１と広範囲凸部５４とで形成された貫通孔４１と、凹部５１と凸部５３の連続したノーマル領域４０Ｎの貫通孔４１とでは、その大きさに差が生じる。ガス流路形成部材４０は、図２に示したように、凸部５３および広範囲凸部５４の頂上面側をＭＥＡ３４、詳しくは発電体層３５（図１参照）に接触させる。そして、凹部５１と広範囲凸部５４の連続した広範囲凸部領域４０Ｗの貫通孔４１を発電体層３５の側で取り囲む広範囲凸部５４の頂上部５４ａは、凹部５１と凸部５３の連続したノーマル領域４０Ｎの貫通孔４１を発電体層３５の側で取り囲む凸部５３の頂上部５３ａより広くなる。よって、ガス流路形成部材４０は、貫通孔４１を取り囲む凸部５３或いは広範囲凸部５４の頂上部が発電体層３５に接触する頂上部面積に広狭の差を持たせている。この様子を、図でもって説明する。図４は図３における４−４線に沿って発電体層３５とガス流路形成部材４０とセパレーター８０との関係を模式的に示す説明図、図５は図３における５−５線に沿って発電体層３５とガス流路形成部材４０とセパレーター８０との関係を模式的に示す説明図である。この場合、図においては、図２におけるＸ方向の一列の凹部５１と凸部５３および凹部５１と広範囲凸部５４の連続を示しているが、図紙面の手前側から奥側に掛けて、これらの連続が重なることで貫通孔４１が、凹部５１と凸部５３の半周期分だけずれて重なることになる。

この図４〜図５に示すように、広範囲凸部領域４０Ｗでは、当該領域での凹部５１のピッチが広い分だけ広範囲凸部５４の頂上部５４ａが広くなって、発電体層３５に接触する頂上部面積も広くなる。その一方、ノーマル領域４０Ｎでは、当該領域での凹部５１のピッチが狭い分だけ凸部５３の頂上部５３ａが狭くなって、発電体層３５に接触する頂上部面積も狭くなる。この場合、凸部５３の頂上部５３ａおよび広範囲凸部５４の頂上部５４ａは、傾斜して発電体層３５に接触することになるが、ガス流路形成部材４０を通過するガス（空気；図１参照）に対しては、発電体層３５の側からセパレーター８０の側に案内するよう傾斜しているので、上記の頂上部５３ａおよび頂上部５４ａは、発電体層３５へのガス拡散（浸透）を妨げるよう発電体層３５の表層を覆うようになる。なお、凹部５１の底部と凸部５３の頂上部５３ａおよび広範囲凸部５４の頂上部５４ａとを、図２におけるＸＹ平面と並行となるよう平坦化させることができ、こうすれば、発電体層３５とは面接触することになって上記した頂上部面積の広狭、即ち、発電体層３５の表層を覆う面積の広狭はより顕著となる。

次に、ガス流路形成部材４０、６０の製造手法について説明する。図６はガス流路形成部材４０のプレス形成に用いる刃型部３００と供給系３４０の構成および両者の関係を示す説明図である。図示するように、供給系３４０は、ローラーを対向させたローラ対３４２により基材２１０を刃型部３００に対して送り出す。基材２１０は、ステンレスの薄板鋼板であり、刃型部３００による後述のプレスを受けて、図２に示すエキスパンドメタルのガス流路形成部材４０となる。以下、説明の便宜上、基材２１０の幅はガス流路形成部材４０の幅と同一とするが、基材２１０は、ガス流路形成部材４０の幅の等倍とすることもでき、この場合には、以下に説明する刃型部３００についても幅広とすればよい。

刃型部３００は、プレス金型であり、上刃型３１０と下刃型３２０と下受け刃型３３０とを備える。これら刃部を有する刃型部３００は、図３に示すガス流路形成部材４０の空気流路幅、即ちガス流路形成部材４０自体の幅より幅広の金型幅とされ、供給系３４０の送り出す基材２１０に対して上記刃部にてプレスして、既述した貫通孔４１（図２〜５参照）が連続した網目状のガス流路を形成する。上刃型３１０は、その金型幅方向（Ｘ方向）に、凸形状の凸刃部３１２を並べて有する。下刃型３２０は、その金型幅方向（Ｘ方向）に沿って伸びるエッジを有するものであり、降下する凸刃部３１２とで基材切断に関与する。下受け刃型３３０は、上刃型３１０の凸刃部３１２に対応した凹刃部３３２をその金型幅方向（Ｘ方向）に並べて有し、凹刃部３３２に凸刃部３１２が入り込むことで、図２に示した凹部５１を形成する。刃型部３００は、供給系３４０が送り出す基材２１０に対して固定した位置関係で下刃型３２０を備え、上刃型３１０と下受け刃型３３０とを、金型幅方向に沿ってスライド可能に保持する。よって、上刃型３１０と下受け刃型３３０とは、供給系３４０が送り出す基材２１０に対して、その基材幅方向、即ち金型幅方向にスライドする。

上刃型３１０と下刃型３２０とは、上記した金型幅方向のスライドを経て、図３に示すように、流路幅方向にノーマル領域４０Ｎと広範囲凸部領域４０Ｗが連続した流路のプレス形成となる４０Ｗプレス形態と、流路幅全域がノーマル領域４０Ｎの流路のプレス形成となる４０Ｎプレス形態とを採る。上刃型３１０は、４０Ｎプレス形態でのプレス形成の要をなす第１金型幅部において、凸刃部３１２を等ピッチで備え、残余の第２金型幅部においては、凸刃部３１２を幅広のピッチで備える。４０Ｎプレス形態でのプレス形成の要をなす第１金型幅部における凸刃部３１２の形成ピッチは、図２に示した凸部５３に並ぶ凹部５１のピッチ（第１ピッチ）と等しくされている。また、残余の第２金型幅部における凸刃部３１２のピッチ（第２ピッチ）は、図２に示した広範囲凸部５４に並ぶ凹部５１のピッチと等しくされ、上記の第１ピッチは上記の第２ピッチより狭くされている。下受け刃型３３０にあっては、上記した上刃型３１０の凸刃部３１２の並びに合わせて、凹刃部３３２を備える。そして、刃型部３００は、図６に示す４０Ｗプレス形態では、幅広の第２ピッチで並んだ凹部５１と狭小の第１ピッチで並んだ凹部５１とを、基材２１０に対してプレスする。その一方、図６に示す４０Ｎプレス形態では、狭小の第１ピッチで並んだ凹部５１だけを、基材２１０に対してプレスする。なお、既述したように基材２１０がガス流路形成部材４０の幅の等倍である場合には、刃型部３００、詳しくは、上刃型３１０は、上記した第１ピッチおよび第２ピッチで並んだ凹部５１を、金型幅方向に繰り返して備えることになる。下受け刃型３３０についても同様である。また、図６では、図示の都合、上記の４０Ｗプレス形態では、第１ピッチで三つの凹部５１が並び、第２ピッチで三つの凹部５１が並ぶようにし、上記の４０Ｎプレス形態では、第１ピッチで六つの凹部５１が並ぶこととした。後述の図８以降にあっても同様である。

次に、刃型部３００によるプレス成形手順について説明する。図７はプレス形態の切り換えと刃型スライドと基材２１０との関係を概略的に平面視して示す説明図である。図示するように、基材２１０は、紙面下方に送り出され、この基材２１０に対して、刃型部３００の上刃型３１０と下受け刃型３３０とは、４０Ｗプレス形態と４０Ｎプレス形態の各プレス形態において、ノーマル領域４０Ｎでの凹部５１のピッチの半分ずつ図における左右方向である金型幅方向にハーフピッチスライドする。そして、４０Ｗプレス形態と４０Ｎプレス形態の各プレス形態との間のプレス形態切換の際には、上刃型３１０と下受け刃型３３０とは、図６に示すように広範囲に亘って金型幅方向にスライドする。図８は４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第一段階を示す説明図、図９は４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第２段階を説明図、図１０は４０Ｗプレス形態でのプレス形成の第３段階を示す説明図である。

図６の４０Ｗプレス形態では、図８（ａ）に示すように、供給系３４０は、基材２１０をローラ対３４２によりＹ方向に送り出す。この基材２１０の送り出し量は、上刃型３１０の刃厚さに相当する長さであり、供給系３４０は、この基材送り出しを刃型部３００による後述のプレスの都度に行う。刃型部３００は、こうして送り出された２１０に対して、図８（ｂ）に示すように、上刃型３１０をＺ軸方向に上下させてプレスする。このプレスにより、基材２１０は、下刃型３２０と上刃型３１０の凸刃部３１２、並びに下受け刃型３３０の凹刃部３３２で一部剪断加工を受けるので、凸部５３と凹部５１とを形成する。これにより、狭小の第１ピッチで凹部５１が並んでこの凹部５１と凸部５３が交互に連続して形成され、幅広の第２ピッチで凹部５１が並んでこの凹部５１に広範囲凸部５４が交互に連続して形成される。つまり、図２における紙面手前側のＸ方向の第一列目の凹凸が、凹部５１と凸部５３および凹部５１と広範囲凸部５４とが基材２１０の幅方向に交互に連続して形成される。なお、図におけるＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する方向である（以下、同じ）。

刃型部３００は、上刃型３１０をＺ軸に沿ってプレス前の位置に復帰させると、供給系３４０は、図９（ａ）に示すように、既述した基材送り出し量で、基材２１０をローラ対３４２によりＹ方向に送り出す。刃型部３００は、供給系３４０による基材送り出しと並行してもしくは基材送り出し後に、図９（ｂ）に示すように、上刃型３１０および下受け刃型３３０をＸ方向に移動させる。この時の移動量は、凹部５１が狭小間隔で並ぶ第１ピッチの半分よりも短いハーフピッチとなる。この移動量が、図２におけるＹ方向に隣接する各列の凹凸の位相ずれとなる。

刃型部３００は、上刃型３１０と下受け刃型３３０を移動させると、図１０（ａ）に示すように、再度、上刃型３１０を上下させて、基材２１０に対してプレスする。これにより、図８（ｂ）で形成済みの凹部５１と凸部５３の連続および凹部５１と広範囲凸部５４の連続による凹凸に対して上記のハーフピッチだけ位相ずれした配列で、新たな凹部５１と凸部５３の連続および凹部５１と広範囲凸部５４の連続による凹凸がＹ方向に隣接して形成される。こうしたＹ方向の隣接において、図２に示すように、凹部５１の底部と凸部５３の頂上部５３ａとが繋がり、および凹部５１の底部と広範囲凸部５４の頂上部５４ａとが繋がり、これらで取り囲まれた貫通孔４１が連続した網目状の流路が形成される。その後、刃型部３００は、図１０（ｂ）に示すように、上刃型３１０および下受け刃型３３０をハーフピッチ分もとの位置に戻し、以後においては、図８〜図１０の上記した各工程を繰り返す。上記した４０Ｗプレス形態における工程の繰り返しは、図３および図７に示すように、流路幅方向（基材２１０の幅方向）にノーマル領域４０Ｎと広範囲凸部領域４０Ｗが連続した範囲に亘って行われる。

刃型部３００は、上記した４０Ｗプレス形態（図６参照）に続き、狭小の第１ピッチで並んだ凹部５１だけによる４０Ｎプレス形態（図６参照）でのプレスを継続する。このプレス形態推移に当たり、刃型部３００は、図６〜図７に示すように、４０Ｗプレス形態におけるプレス位置にあった上刃型３１０と下受け刃型３３０とを、上記両図における右方に広範囲にスライドさせる。これにより、基材２１０の基材幅（即ち、ガス流路形成部材４０の流路幅）において、狭小の第１ピッチで凸刃部３１２と凹刃部３３２とが交互に並ぶようになり、これらによるプレス（４０Ｎプレス形態）が可能となる。図１１は４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第一段階を示す説明図、図１２は４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第２段階を説明図、図１３は４０Ｎプレス形態でのプレス形成の第３段階を示す説明図である。

図６の４０Ｎプレス形態では、図１１（ａ）に示すように、供給系３４０は、基材２１０を既述した送り出し量でローラ対３４２によりＹ方向に送り出す。刃型部３００は、こうして送り出された２１０に対して、図１１（ｂ）に示すように、上刃型３１０をＺ軸方向に上下させてプレスする。この場合、図示するように基材２１０には狭小の第１ピッチで凸刃部３１２と凹刃部３３２しかプレス形成に作用しないので、基材２１０には、狭小の第１ピッチで凹部５１が並んでこの凹部５１と凸部５３が交互に連続して形成される。

刃型部３００は、上刃型３１０をＺ軸に沿ってプレス前の位置に復帰させると、供給系３４０は、図１２（ａ）に示すように、既述した基材送り出し量で、基材２１０をローラ対３４２によりＹ方向に送り出す。刃型部３００は、供給系３４０による基材送り出しと並行してもしくは基材送り出し後に、図１２（ｂ）に示すように、上刃型３１０および下受け刃型３３０をＸ方向に移動させる。この時の移動量は、凹部５１が狭小間隔で並ぶ第１ピッチの半分よりも短いハーフピッチとなる。この移動量が、図２におけるＹ方向に隣接する各列の凹凸の位相ずれとなる。

刃型部３００は、上刃型３１０と下受け刃型３３０を移動させると、図１３（ａ）に示すように、再度、上刃型３１０を上下させて、基材２１０に対してプレスする。これにより、図１１（ｂ）で形成済みの凹部５１と凸部５３の連続による凹凸に対して上記のハーフピッチだけ位相ずれした配列で、新たな凹部５１と凸部５３の連続による凹凸がＹ方向に隣接して形成される。こうしたＹ方向の隣接において、図２に示すように、凹部５１の底部と凸部５３の頂上部５３ａとが繋がり、この底部と頂上部５３ａで取り囲まれた貫通孔４１が連続した網目状の流路が形成される。その後、刃型部３００は、図１３（ｂ）に示すように、上刃型３１０および下受け刃型３３０をハーフピッチ分もとの位置に戻し、以後においては、図１１〜図１３の上記した各工程を繰り返す。上記した４０Ｎプレス形態における工程の繰り返しは、図３および図７に示すように、流路幅方向（基材２１０の幅方向）の全域がノーマル領域４０Ｎの範囲に亘って行われる。

本実施例では、上記した４０Ｗプレス形態でのプレスと４０Ｎプレス形態でのプレスが、図７に示すように繰り返すので、上記プレスを経て得られたエキスパンドメタルたるガス流路形成部材４０は、ガス流路方向に複数繋がることになる。よって、刃型部３００でのプレスに続き、基材２１０の送り方向に交差した切断を経ることで、ガス流路形成部材４０が得られる。ガス流路形成部材６０についても同様であるが、アノード側のガス流路形成部材６０については、狭小の第１ピッチで凹部５１が並んでこの凹部５１と凸部５３とが交互に連続したエキスパンドメタルとできる。こうして得られたガス流路形成部材４０、６０を有する燃料電池２０、延いては燃料電池スタック１００の製造に当たっては、まず、得られたガス流路形成部材４０、６０を、凸部５３の頂上部５３ａおよび広範囲凸部５４の頂上部５４ａがＭＥＧＡ３５と当接するように配置し、積層する。その後、セパレーター７０とセパレーター８０とで挟持して燃料電池２０を製造し、これを図１のように積層することで、燃料電池スタック１００が得られる。

次に、図３に示したように、ガス流路形成部材４０において広範囲凸部領域４０Ｗを設ける利点について説明する。図１４は燃料電池２０の発電体層３５における電解質膜３１の発電分布の様子と空気とガスの流路との関係を常温運転と高温運転とで概略的に示す説明図である。図示するように、本実施例の燃料電池２０では、ガス流路形成部材４０は、発電体層３５の一方端（図では下端）から他方端（図では上端）に向けた空気の流路（図１参照）を形成する。この空気流路は、既述した凹部５１の底部と凸部５３の頂上部５３ａとで取り囲んだ貫通孔４１、および凹部５１の底部と広範囲凸部５４の頂上部５４ａとで取り囲んだ貫通孔４１による網目状の流路である。また、燃料電池２０のセパレーター８０は、上記した空気の流路と直交するよう、発電体層３５の一方端（図では左端）から他方端（図では右端）に向かう冷却水の流路（図１参照）を形成する。

空気の流入側（供給側）である流路上流側の領域では、ガス流入側であるために未消費ガスが多いので、空気の通過量が多くなり、ガス流路形成部材４０の上記の網目状の流路を通過する空気による水分の持ち去りが多くなる。このため、空気の流路上流側の領域では、電解質膜３１の乾燥が進むと予想される。また、冷却水は、発電体層３５での発電に伴う熱を奪いつつセパレーター８０の流路を流れることから、セパレーター８０からの冷却水流出側で、冷却水温度が高くなる。このため、冷却水の流出側でもあり空気の流路上流側でもある領域では、冷媒温度が高いので、その分、電解質膜３１の昇温抑制の効果が薄れると共に、水分持ち去り増により、電解質膜３１の乾燥より進むことが危惧される。図では、冷却水の流出側でもあり空気の流路上流側でもある領域を乾き顕在域として示している。常温運転時の上記の乾き顕在域では、膜の乾燥に伴う発電能力低下が観察され、高温運転時では、発電能力の低下が見られる部位が広がる。このため、本実施例の燃料電池２０では、図１４の高温運転時の乾き顕在域と重なる領域、即ち冷却水の流出側でもあり空気の流路上流側でもある領域については、図３に示す広範囲凸部領域４０Ｗとした。

この広範囲凸部領域４０Ｗでは、図２に示すように、空気の流れ方向と交差する方向（Ｘ方向）に広範囲凸部５４を凹部５１に連続させ、空気の流れ方向（Ｙ方向）に沿っては凹部５１の底部と広範囲凸部５４の頂上部５４ａとを繋げて、この凹部５１と広範囲凸部５４とで貫通孔４１を形成する。こうして凹部５１と広範囲凸部５４とで形成された貫通孔４１は、広範囲凸部５４が幅広のピッチで形成された凹部５１の間に位置することから、凹部５１と凸部５３の連続による貫通孔４１よりも大きくなる。そして、この貫通孔４１を発電体層３５の側で取り囲む広範囲凸部５４の頂上部５４ａは、凹部５１と凸部５３の連続による貫通孔４１を発電体層３５の側で取り囲む凸部５３の頂上部５３ａより広い面積で発電体層３５に接触する。このため、広範囲凸部領域４０Ｗでは、広範囲凸部５４の頂上部５４ａにより、発電体層３５へのガス拡散（浸透）を妨げるよう発電体層３５の表層を覆うので、貫通孔４１が連続した網目状の流路を空気が通過する際に、この空気が発電体層３５の表層に接触する面積を狭くでき、通過する空気による水分の持ち去りを抑制する。つまり、本実施例の燃料電池２０では、冷却水の流出側でもあり空気の流路上流側でもあって電解質膜３１の乾燥より進むことが危惧される領域を、水分持ち去りの抑制が可能な広範囲凸部領域４０Ｗとするので、発電体層３５の乾燥を抑制できる。この結果、本実施例の燃料電池２０によれば、電解質膜３１の乾燥抑制により、常温運転時はもとより、高温運転時にあっても、発電性能を高めることができる。

また、本実施例の燃料電池２０では、広範囲凸部領域４０Ｗにおいて頂上部５４ａにより発電体層３５の表層を覆う面積を広くするので、その分、空気中の酸素が発電体層３５に浸透し難くなり空気（酸素）の消費を抑制する。このため、広範囲凸部領域４０Ｗよりも空気の流路下流側（図３参照）において、未消費の空気（酸素）が届きやすくなって電気化学反応が活性化し、発電能力が高まる。この結果、本実施例の燃料電池２０によれば、燃料電池全体での発電分布の均一化により、電池全体の発電能力を高めることができる。

また、本実施例では、ガス流路形成部材４０の製造に用いる刃型部３００を、ガス流路形成部材４０の流路幅より幅広の金型とした上で、刃型部３００において、狭小の第１ピッチで凸刃部３１２を金型幅方向に並べて有すると共に、これに続いて幅広の第２ピッチで金型幅方向に凸刃部３１２を並べて有するようにした。そして、狭小の第１ピッチで並んだ凸刃部３１２とこれに続いて幅広の第２ピッチで並んだ凸刃部３１２とを、流路幅方向にノーマル領域４０Ｎと広範囲凸部領域４０Ｗが連続した流路領域のプレス形成（４０Ｗプレス形態：図３，図６〜図７参照）に用い、流路幅全域がノーマル領域４０Ｎの流路領域のプレス形成（４０Ｎプレス形態：図３，図６〜図７参照）に際しては、刃型部３００（詳しくは、上刃型３１０と下受け刃型３３０）を金型幅方向にスライドすることで、狭小の第１ピッチで並んだ凸刃部３１２だけを用いるようにした。この結果、本実施例のガス流路形成部材製造方法によれば、電解質膜３１の乾燥抑制を通して発電性能の向上に寄与し得るエキスパンドメタルとしてのガス流路形成部材４０、６０を、金属製の基材２１０に対する金型のプレスという既存手法で、容易に製造できる。しかも、流路幅方向にノーマル領域４０Ｎと広範囲凸部領域４０Ｗが連続した流路領域のプレス形成（４０Ｗプレス形態：図３，図６〜図７参照）と、流路幅全域がノーマル領域４０Ｎの流路領域のプレス形成（４０Ｎプレス形態：図３，図６〜図７参照）とを、刃型部３００のスライド移動により切り換えることができるので、金型交換が不要となって工数低減、延いては、コスト低減を図ることもできる。

以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の実施例では、冷却水の流出側でもあり空気の流路上流側でもある領域を電解質膜３１の乾燥が進みやすい領域であるとして当該領域を広範囲凸部領域４０Ｗとしたが、これに限るわけではない。仮に、図３における広範囲凸部領域４０Ｗからガス流路方向に隔たった流路末端側においても乾燥が進むのであれば、ガス流路末端側で冷却水流路の末端側においても、広範囲凸部領域４０Ｗとすることもできる。つまり、図３においてガス流路方向に広範囲凸部領域４０Ｗと並んだノーマル領域４０Ｎの流路末端側の一部領域を、広範囲凸部領域４０Ｗとすることもできる。

２０…燃料電池
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３４…ＭＥＡ
３５…発電体層
３６…シールガスケット
４０…ガス流路形成部材
４０Ｎ…ノーマル領域
４０Ｗ…広範囲凸部領域
４１…貫通孔
５１…凹部
５３…凸部
５３ａ…頂上部
５４…広範囲凸部
５４ａ…頂上部
６０…ガス流路形成部材
７０…セパレーター
７１…カソード側セパレーター
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ…冷却水供給マニホールド
７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレーター
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレーター
７５…空気連通孔
７６…空気連通孔
８０…セパレーター
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ…冷却水供給マニホールド
９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池スタック
２１０…基材
３００…刃型部
３１０…上刃型
３１２…凸刃部
３２０…下刃型
３３０…下受け刃型
３３２…凹刃部
３４０…供給系
３４２…ローラ対

Claims (5)

1. 燃料電池であって、
   電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
   前記発電体層を間に挟んで配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
   前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記セパレーターからの前記反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す網目状の流路を形成する流路形成部材とを備え、
   該流路形成部材は、
   前記網目状の流路を取り囲む部位が前記発電体層に接触する接触部位面積に広狭の差を備え、前記発電体層における前記電解質膜の乾燥が他の電解質膜箇所より起きやすい範囲に、前記接触部位面積が広い範囲の前記網目状の流路を形成する
   燃料電池。
2. 前記流路形成部材は、エキスパンドメタルとされている請求項１に記載の燃料電池。
3. 請求項１または請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記セパレーターは、前記発電体層の冷却用の冷媒の流路を、該冷媒の流路が前記流路形成部材の形成する前記網目状の流路における前記ガスの流れ方向と交差するように、備え、
   前記流路形成部材は、前記冷媒の流路における流路末端側であって前記網目状の流路における前記反応ガスの流路上流側の領域を前記電解質膜の乾燥が起きやすい範囲として、前記領域に前記接触部位面積が広い範囲の前記網目状の流路を形成する
   燃料電池。
4. 燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置であって、
   金属製の板材を送り出す供給部と、
   凸形状の刃部を金型幅方向に並べて有する金型を、前記供給部により送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記板材の板幅において凹部と凸部が交互に連続した網目状の流路をプレス形成するプレス部とを備え、
   前記金型は、
   前記網目状の流路の流路幅より幅広の金型幅とされ、該金型幅を前記網目状の流路の流路幅に対応する範囲の第１金型幅部と残余の範囲の第２金型幅部とに分け、前記第１金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチが前記第２金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチより狭くなるように、前記凸形状の刃部を前記第１、第２の金属幅部に並べて備え、
   前記プレス部は、
   前記金型を前記金型幅方向に沿ってスライド可能に保持し、
   前記第１金型幅において並んだ前記凸形状の刃部による前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成と、前記第２金型幅部において並んだ前記凸形状の刃部と前記第２金型幅部に連続した前記第１金型幅における前記凸形状の刃部とによる前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成とを、前記金型の前記金型幅方向に沿ったスライドにより切り換える
   燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置。
5. 燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法であって、
   金属製の板材を送り出す送り出し工程と、
   凸形状の刃部を金型幅方向に並べて有する金型を、前記送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記流路幅において凹部と凸部が交互に連続した網目状の流路をプレス形成するプレス工程とを備え、
   該プレス工程では、
   前記流路幅より幅広の金型幅を前記網目状の流路の流路幅に対応する第１金型幅部と残余の第２金型幅部とに分け、前記第１金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチが前記第２金型幅部における前記凸形状の刃部のピッチより狭くなるように、前記凸形状の刃部を備えた前記金型を、前記金型幅方向に沿ってスライド可能に保持し、
   前記第１金型幅において並んだ前記凸形状の刃部による前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成と、前記第２金型幅部において並んだ前記凸形状の刃部と前記第２金型幅部に連続した前記第１金型幅における前記凸形状の刃部とによる前記流路幅に亘っての前記網目状の流路のプレス形成とを、前記金型の前記金型幅方向に沿ったスライドにより切り換える
   燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法。

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