JP5287453B2 - 燃料電池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
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Description
本発明は、燃料電池の電極構造体の電極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。
一般に、燃料電池は、多数枚の発電セルを積層した電池スタックを備えている。図１７により従来の発電セル１２について説明すると、上下一対のフレーム１３，１４の接合部には電極構造体１５が装着されている。この電極構造体１５は外周縁を前記両フレーム１３，１４に収容した固体電解質膜１６と、該電解質膜１６の上面に積層されたアノード側の電極層１７と、下面に積層されたカソード側の電極層１８とにより構成されている。前記電極層１７の上面にはアノード側のガス拡散層１９が積層され、前記電極層１８の下面にはカソード側のガス拡散層２０が積層されている。さらに、ガス拡散層１９の上面にはアノード側のガス流路形成部材２１が積層され、前記ガス拡散層２０の下面にはカソード側のガス流路形成部材２２が積層されている。前記ガス流路形成部材２１の上面には平板状のセパレータ２３が接合され、ガス流路形成部材２２の下面には平板状のセパレータ２４が接合されている。
前記ガス流路形成部材２１（２２）は、図１８に示すように、六角形のリング部２１ａ（２２ａ）を千鳥状に多数箇所に形成したラスカットメタルにより形成され、矢印で示すように各リング部２１ａ（２２ａ）及びその貫通孔２１ｂ（２２ｂ）により形成された複雑に蛇行するガス流路２１ｃ（２２ｃ）を通して燃料ガス（酸化ガス）が流れるようになっている。なお、図１８はガス流路形成部材２１（２２）の一部を拡大して描いたものである。
図１７に示すように、前記フレーム１３，１４には燃料ガスとしての水素ガスをアノード側の前記ガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃに供給するための供給通路Ｇ１が形成されるとともに、ガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃを通過した燃料オフガスを外部に導出するための導出通路Ｇ２が形成されている。又、前記フレーム１３，１４には、酸化ガスとしての空気をカソード側のガス流路形成部材２２のガス流路に供給するための供給通路（図示しないが図１７の紙面裏側に位置する）が形成されるとともに、該ガス流路を通過した酸化オフガスを外部に導出するための導出通路（図示しないが図１７の紙面表側に位置する）が形成されている。
そして、図示しない水素ガス供給源から水素ガスを図１７に矢印Ｐで示すように前記供給通路Ｇ１を介して前記ガス流路形成部材２１に供給するとともに、図示しない空気供給源から空気をガス流路形成部材２２に供給することにより発電セル内で電気化学反応により発電が行われる。水素ガス及び酸化ガスは加湿器（図示略）によりそれぞれ加湿されるため、水素ガス及び酸化ガスにはそれぞれ加湿水（水蒸気）が含まれている。又、発電によりカソード側の電極層１８、ガス拡散層２０及びガス流路形成部材２２において生成水が生成され、この生成水及び加湿水の結露により形成された水滴Ｗは、ガス流路形成部材２２のガス流路２２ｃを流れる酸化オフガスにより前記導出通路を通して外部に導出される。一方、前記生成水の一部は、固体電解質膜１６を透過して、アノード側の電極層１７、ガス拡散層１９及びガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃへ浸透水として流入する。そして、この浸透水及び加湿水の結露により形成された水滴Ｗは、前記ガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃを流れる酸化オフガスにより導出通路Ｇ２を通して外部に導出される。（特許文献１には図１７に示す構成と同様の燃料電池の発電セルが開示されている。）
一方、従来の燃料電池として、特許文献２に開示されたものが提案されている。この燃料電池は、図１９に示すように、カソード電極４９に接触されるセパレータ５０の山部５０ａに変形部材５１が嵌合されている。この変形部材５１によってガス流路５２の流路断面Ｒ角を鋭角から９０°以上の鈍角に変形させている。そして、セパレータ５０の排水性を向上するようにしている。
一方、従来の燃料電池として、特許文献２に開示されたものが提案されている。この燃料電池は、図１９に示すように、カソード電極４９に接触されるセパレータ５０の山部５０ａに変形部材５１が嵌合されている。この変形部材５１によってガス流路５２の流路断面Ｒ角を鋭角から９０°以上の鈍角に変形させている。そして、セパレータ５０の排水性を向上するようにしている。
図１８に示すように、アノード側のガス流路形成部材２１は、六角形のリング部２１ａを千鳥状に多数箇所に形成したラスカットメタルにより形成され、各リング部２１ａ及び貫通孔２１ｂにより形成された複雑に蛇行するガス流路２１ｃを通して燃料ガスが流れるようになっている。このため、ガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃから水滴Ｗが外部に導出されずに該ガス流路２１ｃ内に残留することもあるので、以下のような問題があった。
即ち、アノード側及びカソード側のガス流路形成部材２１，２２のガス流路２１ｃ，２２ｃに水滴Ｗが長時間滞留すると、電極構造体１５の固体電解質膜１６が水滴Ｗによって劣化して、発電セルの寿命が低下する。又、前述した水滴Ｗの滞留によってアノード側の電極層１７に異常（過）電位が発生すると、カソード側の電極層１８の白金（触媒）がイオン化されて電極層１８から流出し、発電セルの耐久性が低下する。
前記ガス拡散層１９，２０を形成するカーボンファイバー等の繊維に水滴Ｗに含まれる例えば珪素（Ｓｉ）等の不純物が水垢のように付着すると、ガス拡散作用が低下し、発電効率が低下する。
さらに、燃料電池が高負荷で運転されている状態において、ガス流路形成部材２１のガス流路２１ｃの水滴Ｗの排出が不十分になると、水滴により電極構造体１５への燃料ガスの供給が邪魔されて不足するとともに、発電を阻害する水滴Ｗが不規則に移動することにより、発電電圧が変動し、所謂、フラッティングが発生して、電圧安定性が低下する。
さらに、ガス流路形成部材２１，２２のガス流路２１ｃ，２２ｃの残留水滴Ｗによって、通路面積が狭くなり、燃料ガス及び酸化ガスの圧力損失が増大して、コンプレッサ等のガス供給機器の動力損失が増大し、燃料電池の発電効率が低下する。
加えて、ガス流路形成部材２１，２２のガス流路内に残留する水滴は、燃料ガス及び酸化剤ガスによって大半が排出される場合もあり、このような場合は、発電セル１２内がドライ現象となる恐れがある。この場合には、発電セル１２の内部の加湿が不十分となって、燃料ガス及び酸化剤ガスの高加湿化を図ることができず、ドライ現象によって電極構造体１５及びガス拡散層１９，２０の劣化が生じ、発電セル１２の耐久性が低下する。
一方、特許文献２に開示された燃料電池は、ガス流路５２の排水性が向上する反面、部品点数が多くなるので、構造を簡素化することができない。又、変形部材５１によってカソード電極４９の表面が塞がれるので、その分、カソード電極４９へのガスの供給面積が狭くなり、発電効率が低下する。
本発明の目的は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、耐久性及び電圧安定性を向上することができるとともに、発電効率を向上することができる燃料電池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に用いるガス流路形成部材であって、該ガス流路形成部材は、所定の形状の複数の貫通孔が網目状に形成された金属薄板よりなるラスカットメタルにより形成され、前記各貫通孔を形成する各リング部を連結する連結板部は、ガスの流路方向に対して傾斜され、前記連結板部のうち、前記セパレータの裏面と接触する側の第１傾斜板部の該セパレータに対する第１傾斜角を、前記連結板部のうち前記電極層の表面側と接触する第２傾斜板部の該電極層に対する第２傾斜角よりも小さ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、前記第１傾斜角及び第２傾斜角を共に鋭角にしたことを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記ガス流路形成部材の前記リング部のうち前記セパレータの裏面と接触する第１半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第３傾斜板部を形成し、前記電極層の表面と接触する第２半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第４傾斜板部を形成し、前記セパレータに対する第３傾斜板部の第３傾斜角を、前記電極層に対する第４傾斜板部の第４傾斜角よりも小さく設定したことを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記ガス流路形成部材の前記リング部のうち前記セパレータの裏面と接触する第１半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第３傾斜板部を形成し、前記電極層の表面と接触する第２半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第４傾斜板部を形成し、前記セパレータに対する第３傾斜板部の第３傾斜角を、前記電極層に対する第４傾斜板部の第４傾斜角よりも小さく設定したことを要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項３において、前記第３斜角及び第４傾斜角を共に鋭角にしたことを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記第２傾斜板部には前記電極層の表面と面接触される平面部が形成されていることを要旨とする。
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記第２傾斜板部には前記電極層の表面と面接触される平面部が形成されていることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項３〜５のうちいずれか一項に記載のガス流路形成部材の製造方法であって、金属薄板に対し所定の形状を有する第１半リング部及び第２半リング部を交互に複数箇所に成形するとともに、第１傾斜板部及び第２傾斜板部を交互に複数箇所に成形する第１の工程と、上記第１の工程の後、該第１の工程と同様の第２の工程を、金属薄板の送り方向と直交する方向に所定のピッチだけオフセットして行うことにより金属薄板に複数の貫通孔及びリング部を成形する第２の工程と、上記第１の工程と第２の工程を交互に繰り返す工程とを含むことを要旨とする。
請求項７に記載の発明は、請求項６において、第１の工程及び第２の工程は、第３傾斜板部及び第４傾斜板部を成形する工程を含むことを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７において、ガス流路形成部材の各リング部を連結する連結板部の第１傾斜板部に平面部を成形する工程を含むことを要旨とする。
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７において、ガス流路形成部材の各リング部を連結する連結板部の第１傾斜板部に平面部を成形する工程を含むことを要旨とする。
請求項９に記載の発明は、請求項６に記載の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形成した第１切断型と、上記第１切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交互に形成した第２切断型とを備え、前記第１及び第２切断型を金属薄板の板厚方向及び板幅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することができるように構成され、前記第１切断型の前記凸部の上面に対し、金属薄板の送り方向下流側ほど低くなる第１傾斜板部成形面を形成し、該傾斜板部成形面によりガス流路形成部材のリング部の連結板部に第１傾斜板部を成形するようにしたことを要旨とする。
請求項１０に記載の発明は、請求項９において、第１切断型の前記凸部には、金属薄板の送り方向から見て、前記第１半リング部の頂部に第３傾斜板部を成形するための左右一対の第３傾斜板部成形面が形成され、第１切断型の前記凹部には、金属薄板の送り方向から見て、前記第２半リング部の頂部に第４傾斜板部を成形するための左右一対の第４傾斜板部成形面が形成されていることを要旨とする。
請求項１１に記載の発明は、請求項９又は１０において、小径の第１成形用ローラと、ラスカットメタルの厚さより狭い間隔を隔てて配置された大径の第２成形用ローラとを備え、両成形用ローラの間にラスカットメタルを通過させることによって、第１成形用ローラにより前記連結板部の第２傾斜板部の先端縁を変形させて、該第２傾斜板部の先端縁に平面部を成形するようにしたことを要旨とする。
（作用）
この発明は、ガス流路形成部材のリング部の連結板部のうちセパレータの裏面と接触する側の第１傾斜板部の該セパレータに対する第１傾斜角を、連結板部のうち前記電極層の表面側と接触する第２傾斜板部の電極層に対する第２傾斜角よりも小さく設定した。このため、ガス流路形成部材のガス流路に生成され成長した水滴が、第２傾斜板部と電極層との間の傾斜角の大きい隙間からセパレータと第１傾斜板部との間の小さい楔状の隙間の毛細管作用により、該隙間に吸い込まれ、電極層側に水滴が残留することはない。従って、ガス流路形成部材のガス流路から電極層に燃料ガス又は酸化剤ガスが水滴によって阻害されることなく適正に供給され、発電が適正に行われるとともに、水滴による電極層の劣化が防止される。
この発明は、ガス流路形成部材のリング部の連結板部のうちセパレータの裏面と接触する側の第１傾斜板部の該セパレータに対する第１傾斜角を、連結板部のうち前記電極層の表面側と接触する第２傾斜板部の電極層に対する第２傾斜角よりも小さく設定した。このため、ガス流路形成部材のガス流路に生成され成長した水滴が、第２傾斜板部と電極層との間の傾斜角の大きい隙間からセパレータと第１傾斜板部との間の小さい楔状の隙間の毛細管作用により、該隙間に吸い込まれ、電極層側に水滴が残留することはない。従って、ガス流路形成部材のガス流路から電極層に燃料ガス又は酸化剤ガスが水滴によって阻害されることなく適正に供給され、発電が適正に行われるとともに、水滴による電極層の劣化が防止される。
本発明によれば、耐久性及び電圧安定性を向上することができるとともに、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１２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に示す発電セル１２を多数積層して構成されている。
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に示す発電セル１２を多数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に収容されたチタンよりなる第１ガス流路形成部材２１と、前記酸化剤ガス通路空間Ｓ２に収容されたチタンよりなる第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とにより構成されている。前記両電極層１７、１８の表面には導電性を有するカーボンペーパーよりなるガス拡散層１９，２０がそれぞれ接着されている。
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。
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。
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。
前記第１ガス流路形成部材２１は、図２に矢印Ｍ１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セパレータ２４の一方のガス導出口２４ｂ及び第２フレーム１４のガス通路１４ｂに流れるように収容されている。前記第２ガス流路形成部材２２は、図２に矢印Ｍ２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。
図３及び図４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０．１ｍｍ程度のチタン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、多角形状の前記貫通孔２６が多数箇所に千鳥状に成形されている。
前記各貫通孔２６を形成しているリング部２７は、連結板部２８によって連結されている。各連結板部２８は、図５（ａ）に示すように、ガスの流路Ｐｇ方向に対し斜交するように傾斜され、前記連結板部２８において前記セパレータ２３，２４の裏面と接触する部分には第１傾斜板部２８ａが同じくガスの流路Ｐｇ方向に対し斜交するように形成されている。ガス拡散層１９，２０と接触する部分には、第２傾斜板部２８ｂが同じくガスの流路Ｐｇ方向に対し斜交するように形成されている。前記セパレータ２３，２４に対する第１傾斜板部２８ａの傾斜角を第１傾斜角αといい、ガス拡散層１９，２０に対する第２傾斜板部２８ｂの傾斜角を第２傾斜角βという。第１傾斜角αは第２傾斜角βよりも小さく設定され、両傾斜角はともに鋭角となっている。
前記両ガス流路形成部材２１，２２の前記リング部２７のうち前記セパレータ２３，２４の裏面と接触する側の半リング部を第１半リング部２７ａといい、ガス拡散層１９，２０の表面と接触する側の半リング部を第２半リング部２７ｂという。又、第１半リング部２７ａの頂部は、前記第１傾斜板部２８ａとなっている。第２半リング部２７ｂの底部は、平板部２７ｄとなっており、該平板部２７ｄが前記第２傾斜板部２８ｂとなる。図５（ｂ）に示すように、第１半リング部２７ａのガスの流路Ｐｇ（図５（ｂ）の紙面直交）方向から見て左右には一対の第３傾斜板部２７ｃが形成されている。セパレータ２３，２４に対する第３傾斜板部２７ｃの傾斜角を第３傾斜角γという。前記第２傾斜板部２８ｂに連なり、かつ前記第３傾斜板部２７ｃに連なるように左右一対の第４傾斜板部２７ｅが形成されている。ガス拡散層１９，２０に対する前記第４傾斜板部２７ｅの傾斜角を第４傾斜角δという。前記第３傾斜角γは、前記第４傾斜角δよりも小さく設定され、両傾斜角はともに鋭角となっている。
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、チタン薄板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、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、前記チタン薄板２５Ａに網目状をなす多数の多角形状の貫通孔２６が階段状かつ千鳥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７に示すように、所定高さ位置において、図示しない駆動機構によって、前記チタン薄板２５Ａの送り方向と直交する水平方向（紙面直交方向）に往復動可能に配設された第１切断型３３と、図示しない駆動機構によって上下方向及び水平方向（紙面直交方向）に往復動可能に配設された第２切断型３４とによって構成されている。
前記第１ガス流路形成部材２１は、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、チタン薄板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、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、前記チタン薄板２５Ａに網目状をなす多数の多角形状の貫通孔２６が階段状かつ千鳥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７に示すように、所定高さ位置において、図示しない駆動機構によって、前記チタン薄板２５Ａの送り方向と直交する水平方向（紙面直交方向）に往復動可能に配設された第１切断型３３と、図示しない駆動機構によって上下方向及び水平方向（紙面直交方向）に往復動可能に配設された第２切断型３４とによって構成されている。
図８に示すように前記第１切断型３３のチタン薄板２５Ａの送り方向下流側の側壁の上部には、凸部３３ａと凹部３３ｂが水平方向（矢印Ｘ参照）に所定のピッチで交互に形成されている。前記第２切断型３４の下部には、第１切断型３３の凹部３３ｂと凸部３３ａに噛み合わされる凸部３４ａと凹部３４ｂが水平方向（矢印Ｘ参照）に所定のピッチで交互に形成されている。前記第１切断型３３の凹部３３ｂの内奥の側面の上端縁及びこの上端縁と対応する第２切断型３４の凸部３４ａの下端縁及び左右両側縁がチタン薄板２５Ａに切れ目を入れる剪断刃３３ｃ、３４ｃとなっている。
前記第１切断型３３の凸部３３ａの頂部は、前記ラスカットメタル２５のリング部２７の第１傾斜板部２８ａを成形する第１傾斜板部成形面３３ｄとなっている。この第１傾斜板部成形面３３ｄは材料（チタン薄板２５Ａ）の送り方向（矢印Ｙ参照）の下流側に行くほど下方に傾斜するようになっている。この第１傾斜板部成形面３３ｄと対応する第２切断型３４の凹部３４ｂの内頂面は、傾斜しない水平な成形面３４ｄとなっている。前記凸部３３ａの第１傾斜板部成形面３３ｄに連なる左右一対の成形面は、第１半リング部２７ａの第３傾斜板部２７ｃを成形するための第３傾斜板部成形面３３ｅとなっている。この第３傾斜板部成形面３３ｅは、第１傾斜板部成形面３３ｄから水平方向に遠ざかるほど下方に傾斜するようになっている。この第３傾斜板部成形面３３ｅと対応するように第２切断型３４の凹部３４ｂの左右両側面にも第３傾斜板部成形面３４ｅが形成され、傾斜方向は第３傾斜板部成形面３３ｅと同じとなっている。
前記第１切断型３３の凹部３３ｂの底面は、前記第２半リング部２７ｂの第２傾斜板部２８ｂを成形する第２傾斜板部成形面３３ｆとなっており、この第２傾斜板部成形面３３ｆは水平面となっている。これと対応する前記第２切断型３４の凸部３４ａの頂面も水平な第２傾斜板部成形面３４ｆとなっている。前記第２傾斜板部成形面３４ｆと連なり、かつ前記第３傾斜板部成形面３３ｅと連なる左右一対の成形面は、前記第２半リング部２７ｂの第４傾斜板部２７ｅを成形する第４傾斜板部成形面３３ｇとなっている。この第４傾斜板部成形面３３ｇは、第３傾斜板部成形面３３ｅから遠ざかるほど下方に傾斜するようになっている。前記第１切断型３３の第４傾斜板部成形面３３ｇと対応するように前記第２切断型３４の凸部３４ａの成形面３４ｄと第２傾斜板部成形面３４ｆとの間は、前記第４傾斜板部成形面３３ｇと平行な第４傾斜板部成形面３４ｇとなっている。
次に、図７及び図８に示す成形装置を用いて、ラスカットメタル２５を成形するための動作を図９〜図１２を中心に説明する。
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、送りローラ３１によって、チタン薄板２５Ａの先端部が所定の加工ピッチずつ成形機構３２の第１切断型３３及び第２切断型３４の間に進入するように送られる。この状態で、第２切断型３４が第１切断型３３に向かって下降され、第１切断型３３の剪断刃３３ｃと第２切断型３４の剪断刃３４ｃによって、チタン薄板２５Ａの一部を剪断して、複数の切れ目を形成する。次に、第２切断型３４は、図１０（ａ）に示すように、最下点位置まで下降し、該第２切断型３４の凸部３４ａと接触しているチタン薄板２５Ａを下方に曲げ伸ばす。これによって、曲げ伸ばされた部分は、図１０（ｂ）に示すように略Ｕ字形状となり、チタン薄板２５Ａに第１半リング部２７ａ、第２半リング部２７ｂ、第１傾斜板部２８ａ、第２傾斜板部２８ｂ、第３傾斜板部２７ｃ及び第４傾斜板部２７ｅが所定のピッチで交互に成形される。その後、第２切断型３４は、図１１（ａ）に示すように、最下点位置から上方の原位置まで復帰する。
図９（ａ）及び（ｂ）に示すように、送りローラ３１によって、チタン薄板２５Ａの先端部が所定の加工ピッチずつ成形機構３２の第１切断型３３及び第２切断型３４の間に進入するように送られる。この状態で、第２切断型３４が第１切断型３３に向かって下降され、第１切断型３３の剪断刃３３ｃと第２切断型３４の剪断刃３４ｃによって、チタン薄板２５Ａの一部を剪断して、複数の切れ目を形成する。次に、第２切断型３４は、図１０（ａ）に示すように、最下点位置まで下降し、該第２切断型３４の凸部３４ａと接触しているチタン薄板２５Ａを下方に曲げ伸ばす。これによって、曲げ伸ばされた部分は、図１０（ｂ）に示すように略Ｕ字形状となり、チタン薄板２５Ａに第１半リング部２７ａ、第２半リング部２７ｂ、第１傾斜板部２８ａ、第２傾斜板部２８ｂ、第３傾斜板部２７ｃ及び第４傾斜板部２７ｅが所定のピッチで交互に成形される。その後、第２切断型３４は、図１１（ａ）に示すように、最下点位置から上方の原位置まで復帰する。
続いて、図１１（ａ）に示すように、前記送りローラ３１が、チタン薄板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、図１１（ｂ）に示すように、第１切断型３３及び第２切断型３４が右方向（又は左方向）に前記第１半リング部２７ａ及び第２半リング部２７ｂの配列ピッチの半ピッチだけ移動される。その後、図１２（ａ）及び（ｂ）に示すように、前記第２切断型３４が再び下降され、チタン薄板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右方向（又は左方向）に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及びリング部２７が成形される。
上述の動作を繰り返すことによって、前記チタン薄板２５Ａはラスメタル２５となり、該ラスメタル２５には、図３及び図４に示すように多数の網目状の貫通孔２６及びリング部２７が千鳥状に形成される。前記第１切断型３３の凸部３３ａ及び凹部３３ｂと、第２切断型３４の凸部３４ａ及び凹部３４ｂが噛み合わされるため、第２切断型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３及び図７に示すような階段状に形成される。
次に、前記のように構成された燃料電池スタック１１の動作について説明する。
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と第２セパレータ２４の一方のガス導入口２４ａとの間が第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と第２セパレータ２４の他方のガス導入口２４ａとの間が第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、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（酸化剤ガス通路空間Ｓ２）内における燃料ガス（酸化剤ガス）は、前記第１ガス流路形成部材２１（第２ガス流路形成部材２２）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（酸化剤ガス）はガス通路空間Ｓ１（酸化剤ガス通路空間Ｓ２）内において均一に拡散した状態となる。そして、燃料ガス（酸化剤ガス）はガス拡散層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（カソード電極層１８）に均一に供給される。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。
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と第２セパレータ２４の一方のガス導入口２４ａとの間が第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と第２セパレータ２４の他方のガス導入口２４ａとの間が第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、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（酸化剤ガス通路空間Ｓ２）内における燃料ガス（酸化剤ガス）は、前記第１ガス流路形成部材２１（第２ガス流路形成部材２２）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（酸化剤ガス）はガス通路空間Ｓ１（酸化剤ガス通路空間Ｓ２）内において均一に拡散した状態となる。そして、燃料ガス（酸化剤ガス）はガス拡散層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（カソード電極層１８）に均一に供給される。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。
図５（ａ）に示すように、アノード側のガス流路形成部材２１のガス流路に生成され成長した水滴Ｗは、第２傾斜板部２８ｂとガス拡散層１９との間の傾斜角βの大きい隙間ｇ２からセパレータ２３と第１傾斜板部２８ａとの間の傾斜角αの小さい楔状の隙間ｇ１の毛細管作用により、該隙間ｇ１に吸い込まれ、ガス拡散層１９側に水滴Ｗが残留することは殆どない。従って、ガス流路形成部材２１のガス流路からガス拡散層１９及び電極層１７に燃料ガスが水滴Ｗによって阻害されることなく適正に供給され、発電が適正に行われるとともに、水滴によるガス拡散層１９及び電極層１７の劣化が防止される。
又、図５（ｂ）に示すように、ガス流路形成部材２１のガス流路に生成され成長した水滴Ｗは、第４傾斜板部２７ｅとガス拡散層２０との間の傾斜角δの大きい隙間ｇ４からセパレータ２３と第３傾斜板部２７ｃとの間の傾斜角γ小さい楔状の隙間ｇ３の毛細管作用により、該隙間ｇ３に吸い込まれ、ガス拡散層１９側に水滴Ｗが残留することは殆どない。従って、ガス流路形成部材２１のガス流路からガス拡散層１９及び電極層１７に燃料ガスが水滴Ｗによって阻害されることなく適正に供給され、発電が適正に行われるとともに、水滴による電極構造体１５及びガス拡散層１９の劣化が防止される。
一方、カソード側のガス流路形成部材２２側においても、図６（ａ）及び（ｂ）において、前述したアノード側のガス流路形成部材２１と動作と同様に、前記隙間ｇ２及び隙間ｇ４の水滴Ｗが毛細管作用により隙間ｇ１及び隙間ｇ３に吸い込まれる。
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の貫通孔２６の各リング部２７の連結板部２８の前記セパレータ２３，２４の裏面と接触する第１傾斜板部２８ａの傾斜角αを、ガス拡散層１９の表面に接触する第２傾斜板部２８ｂの傾斜角βよりも小さくした。このため、ガス流路形成部材２１，２２のガス流路に生成され成長した水滴Ｗを傾斜角αの小さい第１傾斜板部２８ａとセパレータ２３，２４との楔状の隙間ｇ１に毛細管作用によって吸い込むことができ、ガス拡散層１９，２０に燃料ガス及び酸化剤ガスを適正に供給することができる。従って、前記ガス拡散層１９，２０及び電極層１７，１８の水滴Ｗによる劣化を防止することができるとともに、発電効率を向上することができる。
（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の貫通孔２６の各リング部２７の連結板部２８の前記セパレータ２３，２４の裏面と接触する第１傾斜板部２８ａの傾斜角αを、ガス拡散層１９の表面に接触する第２傾斜板部２８ｂの傾斜角βよりも小さくした。このため、ガス流路形成部材２１，２２のガス流路に生成され成長した水滴Ｗを傾斜角αの小さい第１傾斜板部２８ａとセパレータ２３，２４との楔状の隙間ｇ１に毛細管作用によって吸い込むことができ、ガス拡散層１９，２０に燃料ガス及び酸化剤ガスを適正に供給することができる。従って、前記ガス拡散層１９，２０及び電極層１７，１８の水滴Ｗによる劣化を防止することができるとともに、発電効率を向上することができる。
（２）上記実施形態では、前記リング部２７の第１半リング部２７ａの第３傾斜板部２７ｃと、ガス拡散層１９，２０との第３傾斜角γよりも、第２半リング部２７ｂの第４傾斜板部２７ｅとセパレータ２３，２４との第４傾斜角δを小さくした。このため、ガス拡散層１９，２０と第４傾斜板部２７ｅとの間の隙間にある水滴Ｗを傾斜角γの小さい第３傾斜板部２７ｃとセパレータ２３，２４との楔状の細隙に毛細管作用によって吸い込むことができ、より一層、ガス拡散層１９，２０側に水滴Ｗが残留するの防止することができる。
（３）上記実施形態では、ガス流路形成部材２１，２２のセパレータ２３，２４側に水滴Ｗが多数の第１傾斜板部２８ａ及び第３傾斜板部２７ｃの多数の前記隙間ｇ２及び隙間ｇ４に均一かつ適度に保水された状態となる。このため、発電セル１２の内部が水滴Ｗによって、適度に加湿され、ドライ現象を回避することができ、燃料ガス及び酸化剤ガスの高加湿化を図り、電極構造体１５及びガス拡散層１９，２０の劣化を防止し、発電セル１２の耐久性を向上することができる。
（４）上記実施形態では、ガス流路形成部材２１，２２の連結板部２８に第１傾斜板部２８ａ及び第２傾斜板部２８ｂを屈曲形成する構成のため、部品点数が増加することは無く、構成を簡素化することができる。又、ガス流路形成部材２１，２２に付属する部品は存在しないので、ガス拡散層１９，２０の有効面積を広くして、ガスの供給量を増加させて発電効率を向上することができる。
（５）上記実施形態では、ラスカット成形装置を用いて、連結板部２８の第１及び第２傾斜板部２８ａ，２８ｂを屈曲するようにした。このため、ラスカットメタル２５の成形作業と同時に、第１傾斜板部２８ａを成形することができ、製造を容易に行うことができる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・図１３に示すように、小径の第１成形用ローラ４１と、大径寸法の第２成形用ローラ４２との間に前記ラスカットメタル２５を通過させることにより、連結板部２８の第２傾斜板部２８ｂの先端縁のみに前記ガス拡散層１９，２０と面接触される平面部２８ｃを形成してもよい。第１成形用ローラ４１と、第２成形用ローラ４２の間隔は、ラスカットメタル２５の厚さより狭い間隔に設定されている。成形用ローラ４１は複数のバックアップローラ４３により支持されている。
・図１３に示すように、小径の第１成形用ローラ４１と、大径寸法の第２成形用ローラ４２との間に前記ラスカットメタル２５を通過させることにより、連結板部２８の第２傾斜板部２８ｂの先端縁のみに前記ガス拡散層１９，２０と面接触される平面部２８ｃを形成してもよい。第１成形用ローラ４１と、第２成形用ローラ４２の間隔は、ラスカットメタル２５の厚さより狭い間隔に設定されている。成形用ローラ４１は複数のバックアップローラ４３により支持されている。
前記連結板部２８の第１傾斜板部２８ａの先端縁は、大径の成形用ローラ４２の外周面に複数箇所に接触されるので、１つの第１傾斜板部２８ａに作用する押圧力が分散されて弱くなり、第１傾斜板部２８ａが変形されにくい。一方、小径の成形用ローラ４１の外周面に接触される第２傾斜板部２８ｂは１つとなり、その先端縁に大きな押圧力が作用するので、第２傾斜板部２８ｂの先端縁が成形用ローラ４１によって屈曲され、平面部２８ｃが成形される。このため、第２傾斜板部２８ｂのみに前記平面部２８ｃが成形される。
上記実施形態において製造されたガス流路形成部材２１，２２を用いた燃料電池は、図１４に示すように、ガス拡散層１９（２０）の表面に対し、第２傾斜板部２８ｂの平面部２８ｃがガス拡散層１９，２０に面接触される。このため、線接触される場合と比較して、ガス拡散層１９，２０と第２傾斜板部２８ｂ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２傾斜板部２８ｂ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。
・図１５に示すように、前記連結板部２８の第１傾斜板部２８ａ及び第２傾斜板部２８ｂを全体として滑らかな円弧状に形成してもよい。
・図１６に示すように、前記ガス流路形成部材２１，２２のリング部２７の形状を、滑らかなほぼ円弧状に変更してもよい。この場合には、成型装置の第１及び第２切断型３３，３４の凸部３３ａ、凹部３３ｂ、凸部３４ａ、凹部３４ｂの成形面に角部を形成する必要がなくなるので、第１及び第２切断型３３，３４の耐久性を向上することができる。
・図１６に示すように、前記ガス流路形成部材２１，２２のリング部２７の形状を、滑らかなほぼ円弧状に変更してもよい。この場合には、成型装置の第１及び第２切断型３３，３４の凸部３３ａ、凹部３３ｂ、凸部３４ａ、凹部３４ｂの成形面に角部を形成する必要がなくなるので、第１及び第２切断型３３，３４の耐久性を向上することができる。
・前記第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の連結板部２８の第２傾斜板部２８ｂに対し、平面部２８ｃを成形する方法として、図示しないがラスメタル２５を厚さ方向から押圧する非ローラ方式のプレス機により所定量圧縮する方法を採用してもよい。
・ガス拡散層１９，２０を省略した燃料電池に具体化してもよい。
・第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の材料として、チタン薄板以外に、導電性を有する例えばステンレス薄板、アルミニウム薄板、銅薄板等の金属薄板を用いてもよい。
・第１，第２ガス流路形成部材２１，２２の材料として、チタン薄板以外に、導電性を有する例えばステンレス薄板、アルミニウム薄板、銅薄板等の金属薄板を用いてもよい。
・図示しないが、前記第１切断型３３を、剪断刃３３ｃを備えた固定型と、凸部３３ａ、凹部３３ｂ、第１傾斜板部成形面３３ｄ、第３傾斜板部成形面３３ｅ、第２傾斜板部成形面３３ｆ及び第４傾斜板部成形面３３ｇを備えた可動型とに分割形成し、可動型のみを水平方向に往復動させてもよい。
α…第１傾斜角、β…第２傾斜角、α，β…傾斜角、γ…第３傾斜角、δ…第４傾斜角、１２…発電セル、１７，１８…電極層、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、２６…貫通孔、２７…リング部、２７ａ…第１半リング部、２７ｂ…第２半リング部、２７ｃ…第３傾斜板部、２７ｅ…第４傾斜板部、２８…連結板部、２８ａ…第１傾斜板部、２８ｂ…第２傾斜板部、２８ｃ…平面部、３３…第１切断型、３３ａ，３４ａ…凸部、３３ｂ，３４ｂ…凹部、３３ｄ…第１傾斜板部成形面、３３ｅ，３４ｅ…第３傾斜板部成形面、３３ｇ，３４ｇ…第４傾斜板部成形面、３４…第２切断型。
Claims (11)
- 電極構造体の電極層と、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に用いるガス流路形成部材であって、
該ガス流路形成部材は、所定の形状の複数の貫通孔が網目状に形成された金属薄板よりなるラスカットメタルにより形成され、前記各貫通孔を形成する各リング部を連結する連結板部は、ガスの流路方向に対して傾斜され、前記連結板部のうち、前記セパレータの裏面と接触する側の第１傾斜板部の該セパレータに対する第１傾斜角を、前記連結板部のうち前記電極層の表面側と接触する第２傾斜板部の該電極層に対する第２傾斜角よりも小さく設定したことを特徴とする燃料電池におけるガス流路形成部材。 - 請求項１において、前記第１傾斜角及び第２傾斜角を共に鋭角にしたことを特徴とする燃料電池におけるガス流路形成部材。
- 請求項１又は２において、前記ガス流路形成部材の前記リング部のうち前記セパレータの裏面と接触する第１半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第３傾斜板部を形成し、前記電極層の表面と接触する第２半リング部にガスの流路方向から見て左右一対の第４傾斜板部を形成し、前記セパレータに対する第３傾斜板部の第３傾斜角を、前記電極層に対する第４傾斜板部の第４傾斜角よりも小さく設定したことを特徴とする燃料電池におけるガス流路形成部材。
- 請求項３において、前記第３斜角及び第４傾斜角を共に鋭角にしたことを特徴とする燃料電池におけるガス流路形成部材。
- 請求項１〜４のいずれか一項において、前記第２傾斜板部には前記電極層の表面と面接触される平面部が形成されていることを特徴とする発電セルに用いるガス流路形成部材。
- 請求項３〜５のうちいずれか一項に記載のガス流路形成部材の製造方法であって、
金属薄板に対し所定の形状を有する第１半リング部及び第２半リング部を交互に複数箇所に成形するとともに、第１傾斜板部及び第２傾斜板部を交互に複数箇所に成形する第１の工程と、
上記第１の工程の後、該第１の工程と同様の第２の工程を、金属薄板の送り方向と直交する方向に所定のピッチだけオフセットして行うことにより金属薄板に複数の貫通孔及びリング部を成形する第２の工程と、
上記第１の工程と第２の工程を交互に繰り返す工程と
を含むことを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の製造方法。 - 請求項６において、第１の工程及び第２の工程は、第３傾斜板部及び第４傾斜板部を成形する工程を含むことを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の製造方法。
- 請求項６又は７において、ガス流路形成部材の各リング部を連結する連結板部の第１傾斜板部に平面部を成形する工程を含むことを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の製造方法。
- 請求項６に記載の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形成した第１切断型と、
上記第１切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交互に形成した第２切断型とを備え、
前記第１及び第２切断型を金属薄板の板厚方向及び板幅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することができるように構成され、
前記第１切断型の前記凸部の上面に対し、金属薄板の送り方向下流側ほど低くなる第１傾斜板部成形面を形成し、該傾斜板部成形面によりガス流路形成部材のリング部の連結板部に第１傾斜板部を成形するようにしたことを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の成形装置。 - 請求項９において、第１切断型の前記凸部には、金属薄板の送り方向から見て、前記第１半リング部の頂部に第３傾斜板部を成形するための左右一対の第３傾斜板部成形面が形成され、第１切断型の前記凹部には、金属薄板の送り方向から見て、前記第２半リング部の頂部に第４傾斜板部を成形するための左右一対の第４傾斜板部成形面が形成されていることを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の成形装置。
- 請求項９又は１０において、小径の第１成形用ローラと、ラスカットメタルの厚さより狭い間隔を隔てて配置された大径の第２成形用ローラとを備え、両成形用ローラの間にラスカットメタルを通過させることによって、第１成形用ローラにより前記連結板部の第２傾斜板部の先端縁を変形させて、該第２傾斜板部の先端縁に平面部を成形するようにしたことを特徴とする燃料電池に用いるガス流路形成部材の成形装置。
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