JP5109622B2 - 燃料電池用ガス拡散層の成形装置および成形方法 - Google Patents

燃料電池用ガス拡散層の成形装置および成形方法 Download PDF

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Description

本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用される金属製のガス拡散層を成形するための成形装置および成形方法に関する。
従来から、例えば、下記特許文献１に示すような燃料電池は知られている。この従来の燃料電池においては、薄平板状の基板と網目状の導電体から構成されるセパレータが互いに隣接する単セルの間に配置されるようになっている。そして、網目状の導電体は、例えば、菱形のスリットが形成されたランスカットメタル（メタルラス）やエキスパンドメタルなどから形成されており、その断面形状が略矩形状に成形されている。これにより、空気または燃料ガスを電極拡散層に供給するための流路を形成するとともに、電流を外部に導出できるようになっている。
ところで、燃料電池の開発においては、発電効率を向上させることはいうまでもなく、電池自体を小型化することも盛んに研究されている。ここで、上記従来の燃料電池においては、導電体の断面形状を略矩形状に形成することによって空気または燃料ガスの流路を必要十分に確保し、効率よくこれらのガスを拡散させて電極拡散層に供給することができるようになっている。また、メタルラスやエキスパンドメタルを採用することにより、電極拡散層に対して導電体をより細かいピッチで全面に渡り均一に接触させることができるため、例えば、貫通孔の形成されていない金属薄板に略矩形状の溝を成形した場合に比して、発電された電気を効率よく導出することができるようになっている。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることについては、十分達成できるものと考えることができる。
しかしながら、導電体の断面形状を略矩形状に形成する点で、燃料電池の小型化が阻害されており、燃料電池の小型化については未だ検討の余地がある。このことに関し、メタルラスやエキスパンドメタルなど、多数の貫通孔が形成された素材を採用して導電体を形成する場合には、これら多数の貫通孔自体を空気または燃料ガスの流路として利用する、言い換えれば、メタルラスやエキスパンドメタルを略平板状のまま導電体として採用することが考えられる。そして、この場合には、例えば、下記特許文献２に示すようなリブ付きのエキスパンドメタルやこのエキスパンドメタルを製造する前の階段状に形成されたメタルラスを採用することが考えられる。
特開２００５−２０９４７０号公報 特開２００１−４７１５３号公報
ところが、上記従来のメタルラスやエキスパンドメタルはその板厚が小さいため、そのまま導電体として採用した場合には、空気や燃料ガスを導通させる際の抵抗すなわち圧力損失が大きく、燃料電池の電極層に対して十分に空気や燃料ガスを供給することができない可能性がある。このため、上記従来のメタルラスやエキスパンドメタルの板厚を大きく確保すべく、例えば、千鳥配置にせん断加工する際の加工ピッチを大きくすることが考えられるが、素材としての金属薄板の変形抵抗力が小さいために切断型の形状が金属薄板に転写されにくく、適正な板厚のメタルラスやエキスパンドメタルを製造することが難しい。また、切断型の形状が金属薄板に対して良好に転写されない場合には、形成される貫通孔の形状が均一でなくなり、この結果、さらに圧力損失が大きくなる可能性もある。
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガス供給時の圧力損失を低減して、ガスを効率よく良好に供給することができる金属製の燃料電池用ガス拡散層を成形するための成形装置および成形方法を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ拡散して供給するために多数の貫通孔が千鳥配置に形成された金属製のガス拡散層を成形する成形装置において、金属薄板を載置する固定型と、同固定型に対して前記金属薄板の送り方向に配置されて、前記金属薄板の板厚方向にて進避するとともに同金属薄板の板幅方向に移動可能に設けられ、前記金属薄板の板幅方向にて配列された複数の突出部と前記固定型とによって前記金属薄板の一部を切断しかつ曲げ伸ばすことにより所望の形状を有する貫通孔を千鳥配置に形成する切断型と、同切断型の複数の突出部のそれぞれに対応して同突出部を収容する収容部を有し、前記切断型の前記金属薄板の板幅方向への移動と同期して移動するとともに前記金属薄板の切断されかつ曲げ伸ばされた部分を前記切断型の突出部とともに挟持する挟持部とを備えたことにある。
この場合、前記挟持部は、前記切断型と同期して前記金属薄板の板幅方向に移動するための移動手段を有するとよく、この移動手段は、例えば、電気的に前記挟持部を移動させる電動手段、または、前記切断型と前記挟持部とを機械的に連結する連結手段を含んで構成されるとよい。
これらによれば、固定型と切断型に形成した複数の突出部とにより、金属薄板の一部を切断するとともに曲げ伸ばすことができ、さらに、切断型はこの曲げ伸ばした部分を挟持部とともに挟持することができる。ここで、挟持部は、例えば、電動手段（サーボモータなど）や切断型と機械的に連結する連結手段を含む移動手段によって、切断型と同期して金属薄板の板幅方向に移動することができる。したがって、切断型は、金属薄板の曲げ伸ばし部分を挟持部とともに確実に挟持することができる。
このように、切断型が挟持部とともに金属薄板の曲げ伸ばし部分を確実に挟持できることによって、切断型および挟持部の形状を良好に転写することできる。これにより、例えば、せん断加工する際の加工ピッチを大きくした場合であって金属薄板の変形抵抗力が小さい場合であっても、切断時に発生する無用の変形（所謂、ダレ）を適切に矯正することができる。その結果、加工ピッチを大きくしても、均一な形状の貫通孔を形成することができて、生産性の大幅な向上が期待できる。
また、加工ピッチが大きくなっても、切断型および挟持部の形状を良好に転写することができるため、所望の板厚を確保することもできる。したがって、上記成形装置を用いて金属製のガス拡散層を製造し、この燃料電池用ガス拡散層を燃料電池に採用することにより、空気または燃料ガスを導通する際の圧力損失を低減することができ、電極層に対して、電極反応に必要な空気または燃料ガスを十分に供給することができる。また、多数の貫通孔を均一に形成することができるため、発電された電気を効率よく外部に出力することができる。これらにより、燃料電池の発電効率を十分に確保することができる。
また、本発明の他の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ拡散して供給するために多数の貫通孔が千鳥配置に形成された金属製のガス拡散層を成形する燃料電池用ガス拡散層の成形方法であって、金属薄板を載置する固定型と、同固定型に対して前記金属薄板の送り方向に配置されて、前記金属薄板の板厚方向にて進避するとともに同金属薄板の板幅方向に移動可能に設けられ、前記金属薄板の板幅方向にて配列された複数の突出部と前記固定型とによって前記金属薄板の一部を切断しかつ曲げ伸ばすことにより所望の形状を有する貫通孔を千鳥配置に形成する切断型と、同切断型の複数の突出部のそれぞれに対応して同突出部を収容する収容部を有し、前記切断型の前記金属薄板の板幅方向への移動と同期して移動するとともに前記金属薄板の切断されかつ曲げ伸ばされた部分を前記切断型の突出部とともに挟持する挟持部とを備えた成形装置を用い、前記金属薄板を所定の加工ピッチ分だけ送り、前記金属薄板の板厚方向に対して前記切断型を移動させて前記金属薄板を切断しかつ曲げ伸ばすとともに前記挟持部とにより挟持させた後、前記切断型を退避させて前記所望の形状を有する貫通孔を形成する加工サイクルを実行する第１の工程と、前記第１の工程後、前記切断型を前記金属薄板の板幅方向に所定量だけ移動させて、前記加工サイクルを実行し、同加工サイクルの実行後、前記切断型を前記金属薄板の板幅方向への前記移動とは逆方向に前記所定量だけ移動させる第２の工程とを備えており、前記第１の工程と前記第２の工程とを繰り返し実行するようにしたことにある。
これによれば、第１の工程と第２の工程において、固定型、切断型および挟持部により貫通孔を形成する加工サイクルをそれぞれ実行するとともに、これら第１の工程と第２の工程とを繰り返すことにより、燃料電池用ガス拡散層を成形することができる。そして、このように成形された燃料電池用ガス拡散層は、切断型および挟持部の形状が良好に転写された均一な形状の貫通孔を有することができるため、空気または燃料ガスの導通に適した板厚を有することができる。
したがって、この燃料電池用ガス拡散層を燃料電池に採用することにより、空気または燃料ガスを導通する際の圧力損失を低減することができ、電極層に対して、電極反応に必要な空気または燃料ガスを十分に供給することができる。また、多数の貫通孔を均一に形成することができるため、発電された電気を効率よく外部に出力することができる。これらにより、燃料電池の発電効率を十分に確保することができる。一方で、燃料電池用ガス拡散層に、例えば、断面略矩形状に溝などを成形する必要がないため、燃料電池自体を小型化することができる。したがって、燃料電池の発電効率の確保と小型化を両立させることができる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係り、燃料電池用セパレータ１０（以下、単にセパレータ１０という）を用いて構成された固体高分子型燃料電池のスタックの一部を概略的に示した断面図である。この燃料電池用スタックは、２つのセパレータ１０と、これらセパレータ１０間に配置されて積層されるフレーム２０およびＭＥＡ３０（Membrane-Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）とからなる単セルが多数積層されて構成される。そして、各単セルに対して、例えば水素ガスなどの燃料ガスと、例えば空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタック外部から導入されることにより、ＭＥＡ３０による電極反応によって電気が発電される。ここで、本明細書では、以下の説明において、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。なお、酸化剤ガスには、ＭＥＡ３０による電極反応に伴って発生する反応熱を冷却するとともにＭＥＡ３０が適度な水分を有するように水のミストが含まれる場合がある。
セパレータ１０は、略正方形の平板状に形成されて燃料電池スタック内に導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体１１と、外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを適切に拡散させてＭＥＡ３０に導入するとともに電極反応によって発電された電気を集電するガス拡散層としてのコレクタ１２とから構成される。セパレータ本体１１は、図２に示すように、金属製の薄板（例えば、板厚が０．１ｍｍ程度のステンレス板など）から形成されている。なお、金属製の薄板としては、他に、例えば、金めっきなどの防錆処理を施した鋼板などを採用することができる。
また、セパレータ本体１１の周縁部分には、ガス導入口１１ａと、同ガス導入口１１ａと対向する位置にガス導出口１１ｂが２対形成されている。ここで、各対は、互いに略直交するように形成されている。ガス導入口１１ａは、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを単セル内に導入するとともに、積層された他の単セルに供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口１１ｂも、略長楕円状の貫通孔に形成されていて、単セル内にガス導入口１１ａから導入されたガスのうちＭＥＡ３０にて未反応のガスを外部に排出するとともに、積層された他の単セルからの未反応のガスを流通する。
コレクタ１２は、図３（ａ）に示すように、多数の小径の略六角形状の貫通孔が網目状に形成された金属製の薄板（以下、この金属製の薄板をメタルラスＭＲという）で構成される。そして、このメタルラスＭＲは、例えば、板厚が０．１ｍｍ程度の金属薄板（例えば、ステンレスなど）から形成されるものであり、多数形成される貫通孔の孔径は０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされている。また、メタルラスＭＲは、図３（ｂ）にて図３（ａ）における左右方向の側面視を示すように、網目状の貫通孔を形成している部分が順次重なるように連結されて、その断面形状が階段形状とされている。このメタルラスＭＲは、以下に説明する燃料電池用ガス拡散層の成形方法としてのメタルラス成形工程を経て製造される。
メタルラス成形工程は、図４（ａ）に概略的に示すメタルラス加工装置Ｒを用いて、ステンレス板Ｓに多数の網目状の貫通孔を階段形状に形成するものである。メタルラス加工装置Ｒは、ステンレス板Ｓを順次送り供給するための送りローラＯＲと、加工時にステンレス板Ｓを適切に固定するための押え機構ＯＫと、ステンレス板Ｓに順次せん断加工して網目状の貫通孔を千鳥配置に成形する刃型Ｈとを備えている。なお、ステンレス板Ｓは、所定の長さに予め切断された板材であってもよいし、コイル状に巻き取られたコイル材であってもよい。
刃型Ｈは、図示省略のベースに固定されてステンレス板Ｓを載置する固定型としての下刃ＳＨと、ステンレス板Ｓの板厚方向（図４（ａ）にて上下方向）およびステンレス板Ｓの板幅方向（図４（ａ）にて紙面垂直方向）にて図示しない移動機構によって移動可能な切断型としての上刃ＵＨとから構成される。そして、図４（ｂ）に示すように、下刃ＳＨは、押え機構ＯＫとの間でステンレス板Ｓを適切に固定するために、その上面が平面形状とされている。また、上刃ＵＨは、ステンレス板Ｓに対して、せん断加工により千鳥配置に切れ目を形成するとともに引き伸ばし加工により略六角形状の貫通孔を形成するために、複数の突出部としての略台形形状とされた刃を備えている。
また、刃型Ｈには、図４（ａ），（ｂ）に示すように、上刃ＵＨがステンレス板Ｓを引き伸ばし加工後、さらに、引き伸ばされたステンレス板Ｓを上刃ＵＨとともに挟持する挟持部Ｋが設けられている。挟持部Ｋは、上刃ＵＨとともに引き伸ばされたステンレス板Ｓを挟持するために、上刃ＵＨの略台形形状の刃を収容する収容部としての略逆台形形状の凹部が複数形成されている。また、挟持部Ｋは、上刃ＵＨにおけるステンレス板Ｓの板幅方向への移動と同期して移動するための移動手段としての移動機構ＩＫが設けられている。移動機構ＩＫは、挟持部Ｋをステンレス板Ｓの板幅方向にて自由変位させるためのスライド機構ＳＫを備えるとともに、挟持部Ｋを上刃ＵＨに合わせて移動させるための電動手段としての駆動機構ＫＫ（例えば、サーボモータなど）から構成される。ここで、上刃ＵＨがステンレス板Ｓの板厚方向にて移動可能であれば、上刃ＵＨに対して、例えば、連結手段としてのリンク機構（図示を省略）を介して挟持部Ｋを連結することが可能である。なお、このように連結した場合には、駆動機構ＫＫを省略することも可能である。
このように構成されたメタルラス加工装置Ｒを用いたメタルラス成形工程は、第１工程と第２工程の２つの工程から構成される。すなわち、第１工程は、上刃ＵＨがステンレス板Ｓの板幅方向における所定位置（以下、この所定位置を第１加工位置という）にある状態でステンレス板Ｓに略六角形状の貫通孔を成形する工程である。また、第２工程は、上刃ＵＨが第１加工位置から所定量（例えば、略台形形状の刃の形成間隔の半分）だけステンレス板Ｓの板幅方向に移動した位置（以下、この位置を第２加工位置という）にある状態でステンレス板Ｓに略六角形状を成形する工程である。ここで、挟持部Ｋは、上述したように、移動機構ＩＫによって上刃ＵＨと同期してステンレス板Ｓの板幅方向に移動するため、第１工程においては上刃ＵＨの第１加工位置に対応する位置に移動し、第２工程においては上刃ＵＨの第２加工位置に対応する位置に移動する。以下、図５および図６を用いて、このメタルラス成形工程を具体的に説明する。
まず、第１工程においては、図５（ａ）に示すように、上刃ＵＨが第１加工位置にある状態で、送りローラＯＲによってステンレス板Ｓが所定の加工長さ（加工ピッチ）だけ刃型Ｈに送られる。そして、図５（ｂ）に示すように、上刃ＵＨは、下刃ＳＨ方向すなわちステンレス板Ｓの板厚方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその略台形形状の部分によってステンレス板Ｓの一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは最下点位置まで降下し、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを下方に曲げ伸ばす。
このように上刃ＵＨが最下点位置まで降下すると、ステンレス板Ｓの曲げ伸ばされた加工部分は、上刃ＵＨと挟持部Ｋとによって挟持される。これにより、ステンレス板Ｓの加工部分は、上刃ＵＨおよび挟持部Ｋの略台形形状が良好に転写された状態となる。そして、上刃ＵＨは、最下点位置まで移動した後、図５（ｃ）に示すように、上方の原位置すなわち第１加工位置まで復帰する。
このように、第１工程が実行されると、引き続き、第２工程が実行される。すなわち、第２工程においては、図６（ａ）に示すように、まず、上刃ＵＨが第２加工位置に移動するとともに挟持部Ｋも移動機構ＩＫによって第２加工位置に対応する位置に移動する。そして、上刃ＵＨが第２加工位置にある状態で、送りローラＯＲによってステンレス板Ｓが加工ピッチだけ刃型Ｈに送られる。そして、図６（ｂ）に示すように、上刃ＵＨは、下刃ＳＨ方向すなわちステンレス板Ｓの板幅方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその略台形形状の部分によってステンレス板Ｓの一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは、最下点位置まで降下し、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを下方に曲げ伸ばし、その後、図６（ｃ）に示すように、上方の原位置すなわち第２加工位置まで復帰する。
ここで、第２工程においても、挟持部Ｋは、上刃ＵＨの移動と同期して移動する。このため、上刃ＵＨが最下点位置まで降下すると、ステンレス板Ｓの曲げ伸ばされた加工部分は、上刃ＵＨと挟持部Ｋとによって挟持される。これにより、ステンレス板Ｓの加工部分は、上刃ＵＨおよび挟持部Ｋの略台形形状が良好に転写された状態となる。
そして、第２工程が実行されると、上刃ＵＨが図６（ａ）に示した第２加工位置から図５（ａ）に示した第１加工位置に移動し、再び、第１工程が実行される。また、第１工程が実行されると、上刃ＵＨは、図５（ａ）に示した第１加工位置から図６（ａ）に示した第２加工位置に移動し、再び、第２工程が実行される。このようにして、第１工程と第２工程とが繰り返し実行されることにより、図３（ａ），（ｂ）に示したようなメタルラスＭＲが成形される。
ところで、このメタルラス成形工程においては、ステンレス板Ｓが上刃ＵＨと挟持部Ｋとによって挟持されて、これら上刃ＵＨと挟持部Ｋの形状が良好にステンレス板Ｓの加工部分に転写されることにより、上刃ＵＨによる切断加工に伴って発生するステンレス板Ｓの曲がり変形（所謂、ダレ）を適切に矯正することができる。このように、上刃ＵＨと挟持部Ｋとによる挟持によってダレが矯正されることにより、図３（ｂ）に示したように、メタルラスＭＲの板厚Ｌを大きく確保することができる。また、ダレを矯正することができるため、例えば、加工ピッチを大きく設定して第１工程および第２工程を実行することができる。これにより、メタルラスＭＲの板厚Ｌを適宜変更することが容易にできるとともに、設定した板厚Ｌを確保するためにダレの発生により減少する板厚分を見越したより大きな加工ピッチを設定する必要がない。その結果、素材としてのステンレス板Ｓを無駄なく利用することができるとともに、生産性を向上させることができる。
このように、成形されたメタルラスＭＲは、所定の製品寸法となるように、より詳しくは、後述するＭＥＡ３０のアノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥの大きさと略同一の大きさの正方形となるように切断されて、コレクタ１２として成形される。
そして、コレクタ１２は、セパレータ本体１１に対して一体的に固設されて、セパレータ１０を形成する。このコレクタ１２の固設について、以下に簡単に説明する。コレクタ１２は、セパレータ本体１１の略中央部分に配置される。そして、セパレータ本体１１とコレクタ１２との接触部分は、例えば、ロー付け工法により、金属的に接合されて一体的に固設される。
具体的に説明すると、まず、コレクタ１２に対して、例えば、銅やニッケルなどのペースト状のロー材を塗布する。そして、ロー材を塗布したコレクタ１２をセパレータ本体１１の所定位置に仮止めする。次に、還元ガス雰囲気中にて、仮止めしたセパレータ本体１１とコレクタ１２とを所定温度で所定時間だけ加熱し、その後冷却する。これにより、セパレータ本体１１とコレクタ１２とが金属的に接合されて一体的に固設される。
ここで、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合する接合工法については、上述したロー付け工法に限定されるものではない。すなわち、セパレータ本体１１とコレクタ１２とを金属的に接合することができる他の工法、例えば、溶接工法や拡散接合工法を採用することができる。
フレーム２０は、図７に示すように、同一の構造とされた２枚一対の樹脂板本体２１，２２から構成されていて、２枚のセパレータ１０（より詳しくは、セパレータ本体１１）にそれぞれの一面側が固着される。これら樹脂板本体２１，２２は、セパレータ本体１１の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、コレクタ１２の成形高さすなわちメタルラスＭＲの板厚Ｌよりも僅かに小さい板厚とされている。そして、樹脂板本体２１に対して、樹脂板本体２２は、同一平面方向にて略９０度回転して配置されて積層される。なお、樹脂板本体２１，２２は、種々の樹脂材料を採用することができ、好ましくは、ガラスエポキシ樹脂を採用するとよい。
また、樹脂板本体２１，２２には、その周縁部分にて、単セルを形成した状態でセパレータ本体１１に形成されたガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂの各貫通孔に対応する位置に同各貫通孔の形状と略同一の形状の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂが形成されている。また、樹脂板本体２１，２２には、その略中央部分にて、セパレータ本体１１に接合されたコレクタ１２を収容する収容孔２１ｃ，２２ｃが形成されている。この収容孔２１ｃ，２２ｃは、固着されるセパレータ本体１１に形成された一対のガス導入口１１ａおよびガス導出口１１ｂと、積層される他方の樹脂板本体２１または樹脂板本体２２に形成された貫通孔２１ａ，２１ｂまたは貫通孔２２ａ，２２ｂとを収容するように形成されている。
このように、収容孔２１ｃ，２２ｃを形成することにより、固着されるセパレータ本体１１の下面（または上面）、収容孔２１ｃまたは収容孔２２ｃの内周面およびＭＥＡ３０の上面（または下面）により空間（以下、この空間をガス導通空間という）が形成されている。そして、ガス導通空間内に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口１１ａから、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口１１ａおよび貫通孔２１ａから導入することができる。また、ガス導通空間を通過した未反応のガスは、一方のガス導出口１１ｂを介して、また、他方のガス導出口１１ｂおよび貫通孔２１ｂを介して外部に導出することができる。ここで、樹脂板本体２１に形成される貫通孔２１ａ，２１ｂおよび収容孔２１ｃと、樹脂板本体２２に形成される貫通孔２２ａ，２２ｂおよび収容孔２２ｃは、板厚管理された樹脂板本体２１，２２に対して、例えば、打ち抜き成形を施すことにより形成される。また、樹脂板本体２１，２２は、それぞれ貫通孔２１ａ，２１ｂおよび収容孔２１ｃ、貫通孔２２ａ，２２ｂおよび収容孔２２ｃを有するように、例えば、射出成形によって成形可能であることはいうまでもない。
電極構造体としてのＭＥＡ３０は、図１および図７に示すように、電解質膜ＥＦと、同電解質膜ＥＦ上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、燃料ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるアノード電極層ＡＥと、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるカソード電極層ＣＥとを主要構成部品としている。なお、これら電解質膜ＥＦ、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの作用（電極反応）については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略する。電解質膜ＥＦは、フレーム２０の樹脂板本体２１，２２を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して大きく、かつ、樹脂板本体２１，２２を積層した状態で貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを塞がない大きさに形成されている。このように電解質膜ＥＦを形成することにより、ガス導通空間に導入されたガスが他側に形成されたガス導通空間に漏れることが防止される。電極層としてのアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥは、その大きさがフレーム２０の樹脂板本体２１，２２を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して僅かに小さい外径寸法とされている。
また、ＭＥＡ３０のアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥのそれぞれの表面側は、導電性を有した繊維としてのカーボンクロスＣＣで覆われる。このカーボンクロスＣＣは、アノード電極層ＡＥまたはカソード電極層ＣＥすなわちそれぞれの電極を構成する電極層とコレクタ１２との接触面積を大きく確保するとともに、単セルを構成した際の各構成部品の寸法誤差を吸収するものである。なお、ＭＥＡ３０は、このカーボンクロスＣＣを省略して構成することも可能である。
そして、セパレータ本体１１に金属的に接合されたコレクタ１２とから構成される２枚のセパレータ１０間に、フレーム２０およびＭＥＡ３０を積層することによって単セルが構成される。具体的に説明すると、互いに同一平面内にて略９０度回転されて配置される樹脂板本体２１，２２間にＭＥＡ３０を配置し、例えば、接着剤などを塗布することにより、樹脂板本体２１，２２間にてＭＥＡ３０の電解質膜ＥＦを挟持した状態で一体的に固着する。このように一体的に固着されたフレーム２０およびＭＥＡ３０に対して、２枚のセパレータ１０を、例えば、接着剤などを塗布することにより、一体的に固着する。このとき、コレクタ１２は、ガス導通空間内に導入されたガスの流通方向と、コレクタ１２（より詳しくは、メタルラスＭＲ）の成形方向とが一致するように、フレーム２０の収容孔２１ｃ，２２ｃ内に収容される。そして、このように構成された単セルは、多数積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。
このように構成された燃料電池スタックにおいては、図１に示すように、積層された単セル間でガス導入口１１ａ同士およびガス導出口１１ｂ同士がフレーム２０の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび貫通孔２２ａ，２２ｂを介してすべて連通した状態となる。なお、本明細書中の以下の説明においては、各単セルのガス導入口１１ａおよびフレーム２０の貫通孔２１ａ，２２ａによって形成される連通路をガス供給インナーマニホールド、ガス導出口１１ｂおよびフレーム２０の貫通孔２１ｂ，２２ｂによって形成される連通路をガス排出インナーマニホールド、あるいは、これらガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドをまとめて単にインナーマニホールドという。
このガス供給インナーマニホールドを介して燃料ガスまたは酸化剤ガスがそれぞれ外部から圧送されて供給されると、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス導通空間内に導入される。このように導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、コレクタ１２によって適宜拡散されて、そのガス濃度勾配が均等化されてガス導通空間内を導通する。
すなわち、コレクタ１２は、多数の小径の貫通孔が網目状に形成されたメタルラスＭＲから成形されており、同メタルラスＭＲは板厚Ｌが大きくなるように成形されている。このため、コレクタ１２がガス導通空間内に収容された状態では、多数の小径の貫通孔を通過してガス導通空間内全体に広がることができる。これにより、ガス導通空間内のガス濃度勾配が均一化され、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの電極反応領域は、形成したアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥの全面となる。この結果、有効な電極反応領域が増大することにより、アノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥが供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスと効率よく電極反応して電極反応効率を大幅に向上させることができる。また、供給されたガスを有効に利用することができるため、未反応ガスが減少する。したがって、燃料電池は、効率よく電気を発電することができる。
また、コレクタ１２すなわちメタルラスＭＲの板厚Ｌを大きく確保できることにより、上述した極めて優れたガス拡散性を確保できるとともに、ガス導通空間内を導通する際のガスの抵抗、言い換えれば、圧力損失を低減することができる。さらに、ガス導通空間内に導入されたガスが均一に成形された多数の小径の貫通孔を通過する際の抵抗も小さくすることができる。これらにより、ガス導通空間内を導通するガスは、スムーズに導通することができるため、ガスとアノード電極層ＡＥおよびカソード電極層ＣＥとの反応を促進することができ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
以上の説明からも理解できるように、下刃ＳＨと上刃ＵＨに形成した複数の略台形形状の刃とにより、ステンレス板Ｓの一部を切断するとともに曲げ伸ばすことができ、さらに、上刃ＵＨはこの曲げ伸ばした部分を挟持部Ｋとともに挟持することができる。ここで、挟持部Ｋは、移動機構ＩＫを構成するスライド機構ＳＫおよび駆動機構ＫＫによって、上刃ＵＨと同期してステンレス板Ｓの板幅方向に移動することができる。したがって、上刃ＵＨは、ステンレス板Ｓの曲げ伸ばし部分を挟持部Ｋとともに確実に挟持することができる。
このように、上刃ＵＨが挟持部Ｋとともにステンレス板Ｓの曲げ伸ばし部分を確実に挟持できることによって、上刃ＵＨおよび挟持部Ｋの形状を良好に転写することできる。これにより、例えば、せん断加工する際の加工ピッチを大きくした場合であってステンレス板Ｓの変形抵抗力が小さい場合であっても、切断時に発生するダレを適切に矯正することができる。その結果、加工ピッチを大きくしても、均一な形状の貫通孔を形成することができて、生産性の大幅な向上が期待できる。
また、加工ピッチが大きくなっても、上刃ＵＨおよび挟持部Ｋの形状を良好に転写することができるため、コレクタ１２における所望の板厚Ｌを確保することもできる。したがって、このコレクタ１２を燃料電池に採用することにより、空気または燃料ガスを導通する際の圧力損失を低減することができ、ＭＥＡ３０に対して、電極反応に必要な空気または燃料ガスを十分に供給することができる。また、多数の貫通孔を均一に形成することができるため、発電された電気を効率よく外部に出力することができる。これらにより、燃料電池の発電効率を十分に確保することができる。
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態においては、メタルラスＭＲに形成される貫通孔を略六角形状に形成して実施した。しかし、このメタルラスＭＲの貫通孔の形状に関しては、図８から図１０に示すように、種々の形状を採用することができる。この場合においても、上記実施形態におけるメタルラス成形工程を実施することにより、メタルラスＭＲの板厚を適正に確保することができ、この結果、ガス導入空間内に導入されるガスの圧力損失を低減することができるとともに発電された電気を効率よく集電することができる。したがって、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
本発明の実施形態に係るコレクタを用いて構成した燃料電池スタックの一部示す概略図である。 図１のセパレータを構成するセパレータ本体を示した概略的な斜視図である。 （ａ），（ｂ）は、コレクタを形成するメタルラスを説明するための図である。 （ａ）は、図３のメタルラスを成形するメタルラス加工装置を概略的に示した概略図であり、（ｂ）は、（ａ）の刃型および挟持部の形状を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図３のメタルラスを成形する第１工程を説明するために概略的に示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図３のメタルラスを成形する第２工程を説明するために概略的に示した図である。 図１に示したフレームおよびＭＥＡの組み付け状態を説明するための概略的な分解斜視図である。 本発明の変形例に係るメタルラスを説明するための図である。 本発明の変形例に係るメタルラスを説明するための図である。 本発明の変形例に係るメタルラスを説明するための図である。
符号の説明
１０…燃料電池用セパレータ、１１…セパレータ本体、１２…コレクタ、２０…フレーム、２１，２２…樹脂板本体、３０…ＭＥＡ、ＭＲ…メタルラス、Ｈ…刃型、ＳＨ…下刃（固定型）、ＵＨ…上刃（切断型）、Ｋ…挟持部

Claims (5)

  1. 燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ拡散して供給するために多数の貫通孔が千鳥配置に形成された金属製のガス拡散層を成形する成形装置において、
    金属薄板を載置する固定型と、
    同固定型に対して前記金属薄板の送り方向に配置されて、前記金属薄板の板厚方向にて進避するとともに同金属薄板の板幅方向に移動可能に設けられ、前記金属薄板の板幅方向にて配列された複数の突出部と前記固定型とによって前記金属薄板の一部を切断しかつ曲げ伸ばすことにより所望の形状を有する貫通孔を千鳥配置に形成する切断型と、
    同切断型の複数の突出部のそれぞれに対応して同突出部を収容する収容部を有し、前記切断型の前記金属薄板の板幅方向への移動と同期して移動するとともに前記金属薄板の切断されかつ曲げ伸ばされた部分を前記切断型の突出部とともに挟持する挟持部とを備えたことを特徴とする成形装置。
  2. 請求項１に記載した成形装置において、
    前記挟持部は、
    前記切断型と同期して前記金属薄板の板幅方向に移動するための移動手段を有することを特徴とする成形装置。
  3. 請求項２に記載した成形装置において、
    前記移動手段は、
    電気的に前記挟持部を移動させる電動手段を含んで構成されることを特徴とする成形装置。
  4. 請求項２に記載した成形装置において、
    前記移動手段は、
    前記切断型と前記挟持部とを機械的に連結する連結手段を含んで構成されることを特徴とする成形装置。
  5. 燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ拡散して供給するために多数の貫通孔が千鳥配置に形成された金属製のガス拡散層を成形する燃料電池用ガス拡散層の成形方法であって、
    金属薄板を載置する固定型と、同固定型に対して前記金属薄板の送り方向に配置されて、前記金属薄板の板厚方向にて進避するとともに同金属薄板の板幅方向に移動可能に設けられ、前記金属薄板の板幅方向にて配列された複数の突出部と前記固定型とによって前記金属薄板の一部を切断しかつ曲げ伸ばすことにより所望の形状を有する貫通孔を千鳥配置に形成する切断型と、同切断型の複数の突出部のそれぞれに対応して同突出部を収容する収容部を有し、前記切断型の前記金属薄板の板幅方向への移動と同期して移動するとともに前記金属薄板の切断されかつ曲げ伸ばされた部分を前記切断型の突出部とともに挟持する挟持部とを備えた成形装置を用い、
    前記金属薄板を所定の加工ピッチ分だけ送り、前記金属薄板の板厚方向に対して前記切断型を移動させて前記金属薄板を切断しかつ曲げ伸ばすとともに前記挟持部とにより挟持させた後、前記切断型を退避させて前記所望の形状を有する貫通孔を形成する加工サイクルを実行する第１の工程と、
    前記第１の工程後、前記切断型を前記金属薄板の板幅方向に所定量だけ移動させて、前記加工サイクルを実行し、同加工サイクルの実行後、前記切断型を前記金属薄板の板幅方向への前記移動とは逆方向に前記所定量だけ移動させる第２の工程とを備えており、
    前記第１の工程と前記第２の工程とを繰り返し実行することを特徴とする燃料電池用ガス拡散層の成形方法。
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