JP7413779B2 - セパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置 - Google Patents

Description

本開示は、例えば燃料電池に用いられるセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置に関する。

従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池は、ガスを流通させる流路を有するセパレータを備える。特許文献１は、周知の燃料電池の構造を例示するとともに説明されたセパレータを開示している。

一般に、ＳＯＦＣに採用されるセパレータは、複数の金属薄板を互いに重ね合わせて形成されることが多いが、金属製の一体型、いわゆるシームレスに形成されることもある。このようなシームレス金属セパレータの製造には、例えば三次元金属積層造形技術を採用可能である。特許文献２は、高エネルギービームの照射により凝固される金属粉末を用いて金属部材を造形することが可能な三次元積層造形方法を開示している。

特開２０１５－２３２９９７号公報 特表２００９－５４４５０１号公報

平板状の金属部材を三次元金属積層造形技術により造形する場合、一般に、造形方向は金属部材の平面方向と平行となるように設定される。一方、従来の平板状のシームレス金属セパレータには、例えば、厚肉部に相当する外周部と、薄肉部に相当する流路領域とが形成されている。このようなセパレータを三次元金属積層造形技術により造形しようとすると、外周部に意図しない凹凸が発生する場合がある。

そこで、本開示は、三次元金属積層造形により造形されるセパレータでの意図しない凹凸の発生を抑えるのに有利なセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータを、当該セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する方法であって、平板面に、ガスを流通させる流路溝をそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成する造形工程を有し、突起部は、平板面に沿いつつ造形方向に対して直交する方向では、隣り合う他の突起部の少なくとも１つの一部と並ぶ。

上記のセパレータの造形方法では、複数の突起部は、造形方向では、それぞれ、一定の間隔で整列し、平板面に沿いつつ造形方向に対して直交する方向では、それぞれ、隣り合うもの同士の一部と並ぶものとしてもよい。突起部の平面形状は、平板面に沿いつつ造形方向に対して直交する方向に延伸する第１辺と、造形方向に延伸する第２辺とを有する矩形であり、第１辺の長さは、第２辺の長さよりも長くてもよい。突起部の平面形状は、円形であってもよい。

また、本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータであって、平板面にそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成され、ガスを流通させる流路溝を備え、平板面に沿う１つの方向を基準方向とすると、突起部において基準方向に向かう端部と流路溝の底部との連続部分に肉盛部が存在し、突起部は、平板面に沿いつつ基準方向に対して直交する方向では、隣り合う他の突起部の少なくとも１つの一部と並ぶ。

また、本開示の一態様に係る造形プログラムは、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータを造形する三次元積層造形装置に備えられた制御部に、セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として規定する処理と、平板面に、ガスを流通させる流路溝をそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成する造形処理と、を実行させ、造形処理では、突起部が、平板面に沿いつつ造形方向に対して直交する方向で、隣り合う他の突起部の少なくとも１つの一部と並ぶように、流路溝を形成させる。

さらに、本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータを造形する三次元積層造形装置であって、上記の造形プログラムを格納する記録媒体と、記録媒体に格納されている造形プログラムを実行する制御部と、を備える。

本開示によれば、三次元金属積層造形により造形されるセパレータでの意図しない凹凸の発生を抑えるのに有利なセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置を提供することができる。

本開示の一実施形態における造形対象のセパレータを示す図である。 図１のＩＩ部の拡大図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩに対応する断面図である。 三次元金属積層造形装置の構成を示す図である。 造形プログラムの流れを示すフローチャートである。 造形処理の流れを示す図である。 本開示の他の実施形態における造形対象のセパレータの一部を示す図である。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本開示に直接関係のない要素については、図示を省略する。

（セパレータ）
図１は、本実施形態に係る造形方法において造形対象となるセパレータ１００を示す平面図である。セパレータ１００は、全体として平板状である。以下の各図では、セパレータ１００の形状又は姿勢に関する方向を示すものとして、Ｘｓ軸、Ｙｓ軸、Ｚｓ軸の各軸を規定する。セパレータ１００の平板面は、Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して平行な面である。Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して垂直となるＺｓ方向は、セパレータ１００の厚み方向に相当する。

セパレータ１００は、各種の燃料電池の中でも、例えば、複数の平板状の燃料電池本体を互いに重ね合わせた積層形のＳＯＦＣに採用され得る。なお、セパレータは、インターコネクタと称されることもある。また、燃料電池本体は、単セルと称されることもある。燃料電池本体は、基本構成として、電解質膜としての固体酸化物膜と、互いに固体酸化物膜を挟み込む空気極及び燃料極と、例えばガス拡散層を介して空気極又は燃料極にそれぞれ張り合わされる２つのセパレータとを備える。燃料極に供給されるガスは、例えば水素である。セパレータ１００は、このような燃料電池本体に含まれるセパレータとして用いられ得る。

セパレータ１００は、厚み方向で互いに対向する２つの平板面を有する。一方の第１平板面１０２は、不図示の一方の燃料電池本体に含まれる燃料極に対向する燃料極側の平板面である。なお、不図示であるが、他方の第２平板面は、不図示の他方の燃料電池本体に含まれる空気極に対向する空気極側の平板面である。

第１平板面１０２の中央領域には、燃料極に供給される燃料ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを有する第１流路領域１１０が形成されている。本実施形態では、第１流路領域１１０の平面形状は、一例として、正方形であるものとする。第１流路領域１１０の外周領域には、第１外周溝１１１が形成されている。

図２は、図１のＩＩ部に対応した、第１流路領域１１０上の一部を拡大した図である。図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩに対応した、セパレータ１００の一部断面図である。

第１流路領域１１０上には、Ｚｓ方向に突出する複数の第１突起部１１０ｂが形成されている。第１流路溝１１０ａは、これらの第１突起部１１０ｂの配列により規定された、互いに隣り合う第１突起部１１０ｂ同士の間の隙間に相当する。つまり、第１流路溝１１０ａは、複数の第１突起部１１０ｂの組み合わせで形成される。なお、本実施形態では、複数の第１突起部１１０ｂのそれぞれの形状は、すべて同一であるものとする。

第１突起部１１０ｂの平面形状は、Ｘｓ方向に沿って延伸する第１辺１１０ｃと、Ｙｓ方向に沿って延伸する第２辺１１０ｄとを有する矩形である。第１辺１１０ｃの長さである第１長さＬ１は、第２辺１１０ｄの長さである第２長さＬ２よりも長い。

ここで、図３を参照すると、第１突起部１１０ｂのＹｓ方向の形状は、厳密には一様ではない。具体的には、特にＹｓ方向のプラス側の端部は、第１流路溝１１０ａの底部との連続部分が第１肉盛部１１０ｅとなっている。なお、図３では、第１突起部１１０ｂの第２長さＬ２のうち、Ｘｓ－Ｙｓ平面と平行な平面部の長さをＬ２１と表記し、第１肉盛部１１０ｅの長さをＬ２２と表記している。なお、第１肉盛部１１０ｅは、意図して形成しているものではない。セパレータ１００がＳＯＦＣの燃料電池本体に採用される場合、長さＬ２２の寸法は、数ｍｍ程度となる。このようなセパレータ１００を三次元金属積層造形により造形する場合には、セパレータ１００の平板面に沿った方向を造形方向として設定し、かつ、Ｙｓ方向を造形方向と一致させると、三次元金属積層造形の特性として生じ得るものである。つまり、造形されたセパレータ１００を見たときに、第１突起部１１０ｂの端部と第１流路溝１１０ａの底部との連続部分に第１肉盛部１１０ｅが存在していれば、このセパレータ１００が三次元金属積層造形により造形されたものであることが推測可能である。さらに、肉盛り部分が第１突起部１１０ｂのどの位置に存在するかにより、三次元金属積層造形により造形されたときに、セパレータ１００の形状に対して造形方向がどの方向に設定されたかを推定することができる。

造形されたセパレータ１００から、三次元金属積層造形時の造形方向がどの方向に設定されていたのかを把握する手法は、上記のような第１突起部１１ｂにおける第１肉盛部１１０ｅの存在位置から推定する以外にもある。例えば、造形されたセパレータ１００の金属組織を、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や後方散乱電子回折（ＥＢＳＤ：Electron BackScatter Diffraction）を用いて観察・分析してもよい。この観察・分析結果に基づいて、セパレータ１００が三次元金属積層造形により造形されたものであるか、又は、そのときの造形方向を特定してもよい。例えば、三次元金属積層で造形された金属組織には、結晶に配向性が生じる場合がある。結晶配向によって、造形方向を特定してもよい。また、三次元金属積層で造形された金属組織には、溶融凝固界面（Molten Pool Boundary）が残る場合がある。溶融凝固界面によって、造形方向を特定してもよい。

また、セパレータ１００の金属組織をＳＥＭ観察することにより、第１突起部１１０ｂの端部と第１流路溝１１０ａの底部との連続部分に存在する曲面部が、三次元金属積層造形により生じたものなのかを推定することもできる。例えば、セパレータが、三次元金属積層造形ではなく、鋳造や切削などにより製作されたものである場合には、そのセパレータの金属組織は、厳密には、本実施形態に係るセパレータ１００の金属組織とは異なると考えられる。

まず、Ｘｓ方向について、複数の第１突起部１１０ｂは、一定の間隔Ｗ１で整列している。本実施形態では、Ｘｓ方向は、後述するとおり、セパレータ１００を三次元金属積層造形により造形するときの造形方向に相当する。なお、Ｘｓ方向についての第１突起部１１０ｂの整列間隔は、厳密に間隔Ｗ１で一定とするのではなく、隣り合う列ごとに異なっていてもよい。

一方、Ｙｓ方向について、複数の第１突起部１１０ｂは、一定の間隔Ｗ２で整列している。本実施形態では、Ｘｓ方向が造形方向に相当するのに対して、Ｙｓ方向は、造形方向に対して直交する方向に相当する。なお、Ｙｓ方向についての第１突起部１１０ｂの整列間隔に関しても、厳密に間隔Ｗ２で一定とするのではなく、隣り合う第１突起部１１０ｂごとに異なっていてもよい。

また、本実施形態では、Ｘｓ方向に沿って延伸する方向では、複数の第１突起部１１０ｂが一直線上に整列していない。換言すれば、複数の第１突起部１１０ｂのうちの１つは、Ｘｓ方向では、少なくとも他の１つの一部と並ぶ。例えば、図２に示す例では、複数の第１突起部１１０ｂは、Ｘｓ方向では、それぞれ、隣り合うもの同士の一部と並ぶ。

ここで、図２を参照し、ある１つの第１突起部１１０ｂ_１について着目する。第１突起部１１０ｂ_１は、Ｙｓ方向に複数の第１突起部１１０ｂが並ぶ第１列に含まれる。同じくＹｓ方向に複数の第１突起部１１０ｂが並び、第１列に対してＸｓ方向のプラス側で隣り合う第２列には、第１突起部１１０ｂ_１の近傍に、第１突起部１１０ｂ_２及び第１突起部１１０ｂ_３との２つの第１突起部１１０ｂが存在する。なお、第１突起部１１０ｂ_２と第１突起部１１０ｂ_３とは、Ｙｓ方向で互いに隣り合う。

このとき、第１列にある第１突起部１１０ｂ_１は、第２列にある第１突起部１１０ｂ_２又は第１突起部１１０ｂ_３のいずれとも、Ｘｓ方向に延伸する一直線上で整列しない。つまり、第１列と第２列とでは、Ｙｓ方向で、それぞれに含まれる第１突起部１１０ｂが同列とならない。そして、具体的には、第１突起部１１０ｂ_１は、第１突起部１１０ｂ_２の一部と、及び、第１突起部１１０ｂ_３の一部と、それぞれ並ぶことになる。図２で、第１突起部１１０ｂ_２及び第１突起部１１０ｂ_３において、それぞれ、Ｘｓ方向で並ぶ領域をハッチングで示している。

なお、複数の第１突起部１１０ｂの配列は、複数の第１突起部１１０ｂのうちの１つがＸｓ方向で少なくとも他の１つの一部と並ぶという条件を満たせば、図２に示す以外にも、種々考えられる。例えば、図２では、第１列における第１突起部１１０ｂ同士の間隔と、第１列とＸｓ方向で隣り合う第２列における第１突起部１１０ｂ同士の間隔とは、間隔Ｗ２で同一としているが、第１列と第２列とで若干異なっていてもよい。また、図２では、第２列に対して第１列とはＸｓ方向で反対側にある第３列の配列は、第１列の配列と同一であるが、互いに異なっていてもよい。さらに、図２では、第１列と第２列との配列のずれが、他の列においてもＸｓ方向で交互に続くものとしているが、例えば、第１列と第２列とが同列で、第３列が、第１列及び第２列の配列とずれるものとしてもよい。

ここまで、第１平板面１０２に形成されている第１流路領域１１０の形状について説明したが、第１平板面１０２とは厚さ方向で反対側にある第２平板面１０４にも、第１流路領域１１０と同様の第２流路領域が形成されていてもよい。図３では、一例として、第２流路領域の形状が、第１流路領域１１０の形状と同一、すなわち、Ｚｓ方向で第１流路領域１１０が正反転した形状であるものとして、その一部を示している。つまり、第２流路領域上には、それぞれ、Ｚｓ方向に沿って突出する複数の第２突起部１２０ｂが形成されている。第２流路溝１２０ａは、これらの第２突起部１２０ｂの配列により規定された、互いに隣り合う第２突起部１２０ｂ同士の間の隙間に相当する。また、第２突起部１２０ｂに関しても、造形方向に対応したＹｓ方向のプラス側の端部は、第２流路溝１２０ａの底部との連続部分が第２肉盛部１２０ｅとなっている。なお、第２流路領域の形状は、空気の流れにより適した、第１流路領域１１０とは異なる形状であるものとしてもよい。

引き続き、図１を参照し、セパレータ１００において、第１流路領域１１０と外周端１１２とに挟まれる部分が外周部１１３となる。

外周部１１３は、それぞれ、Ｚｓ方向に沿って貫通し、ガスを流通させる４つのガス流通穴を有する。これらのガス流通穴のうち、第１ガス供給穴１１４及び第１ガス排出穴１１５を含む一組が、燃料ガスを流通させる。その他の第２ガス供給穴１１６及び第２ガス排出穴１１７を含む一組が、空気を流通させる。例えば、第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、第１流路領域１１０及び第２流路領域の位置よりもＸｓ方向のマイナス側にある外周部１１３に形成される。一方、第１ガス排出穴１１５と第２ガス供給穴１１６とは、第１流路領域１１０及び第２流路領域の位置よりもＸｓ方向のプラス側にある外周部１１３に形成される。

第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、流通させるガスの種類が異なり、また、後述する第１内部流路１３０と第４内部流路１３３との干渉を回避させるために、互いにずれた位置に設けられる。同様に、第１ガス排出穴１１５と第２ガス供給穴１１６とは、流通させるガスの種類が異なり、また、後述する第２内部流路１３１と第３内部流路１３２との干渉を回避させるために、互いにずれた位置に設けられる。例えば、第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、又は、第２ガス供給穴１１６と第２ガス排出穴１１７とは、それぞれＹｓ軸に沿って延伸する直線上に並んで離間していてもよい。

また、外周部１１３は、第１流路領域１１０と連通する第１内部流路１３０及び第２内部流路１３１と、第２流路領域と連通する第３内部流路１３２及び第４内部流路１３３とを有する。なお、これらの内部流路は、すべて、外周部１１３の内部に形成され、図１では破線で示されている。

第１内部流路１３０は、一端が第１ガス供給穴１１４と連通し、他端が第１流路領域１１０の一辺に面する第１外周溝１１１の一部に連通して、第１ガス供給穴１１４から導入された燃料ガスを第１流路領域１１０に供給させる。第１内部流路１３０は、第１ガス供給穴１１４から第１流路領域１１０に向かって徐々に広がっていく形状を有する。

第２内部流路１３１は、一端が第１流路領域１１０の一辺に面する第１外周溝１１１の一部に連通し、他端が第１ガス排出穴１１５と連通して、第１流路領域１１０から導出された燃料ガスを第１ガス排出穴１１５に排出させる。第２内部流路１３１は、第１流路領域１１０から第１ガス供給穴１１４に向かって徐々に狭まっていく形状を有する。

一方、第３内部流路１３２は、一端が第２ガス供給穴１１６と連通し、第１流路領域１１０に対する第１内部流路１３０と同様に、第２ガス供給穴１１６から導入された空気を第２流路領域１２０に供給させる。また、第４内部流路１３３は、一端が第２ガス排出穴１１７と連通し、第１流路領域１１０に対する第２内部流路１３１と同様に、第２流路領域から導出された空気を第２ガス排出穴１１７に排出させる。

なお、第１内部流路１３０と第４内部流路１３３とは、及び、第２内部流路１３１と第３内部流路１３２とは、それぞれ、Ｚｓ方向視では一部重なるが、互いに接触しない。

外周部１１３における４つの内部流路がそれぞれ上記のように配置される場合、少なくとも、第１流路領域１１０における燃料ガスの全体的な進行方向はＸｓ方向に沿う。つまり、少なくとも、第１流路領域１１０に設けられている複数の第１突起部１１０ｂにおける長手方向の第１辺１１０ｃは、それぞれ、燃料ガスの全体的な進行方向と平行である。

また、Ｘｓ方向の両側の外周部１１３には、第１内部流路１３０及び第４内部流路１３３、並びに、第２内部流路１３１及び第３内部流路１３２が設けられているのに対して、Ｙｓ方向の両側の外周部１１３には、内部流路は設けられていない。そのため、セパレータ１００において、内部流路が存在しないＹｓ方向の最長寸法は、内部流路が存在するＸｓ方向の最長寸法よりも短くてもよい。また、セパレータ１００の平面形状は、矩形状ではなく、図１に示すように、各内部流路の形成領域を回避しながら、四方の直角部をなくした、楕円に近似した形状であってもよい。このようなセパレータ１００の概略形状によれば、不要な部分を極力排除し、セパレータ１００の軽量化を実現することができる。

さらに、外周部１１３は、燃料電池本体ごとに、又は、複数の燃料電池を互いに積層させたいわゆるセルスタックごとに、セパレータ１００を含む複数の構成要素を積層方向に結合するためのボルトを貫通させる複数のボルト穴１３５を有する。複数のボルト穴１３５は、それぞれ、Ｚｓ方向に沿って貫通し、外周端１１２に沿っておおよそ一定の間隔で配置される。

（三次元積層造形装置）
本実施形態では、セパレータ１００は、三次元金属積層造形により造形される。以下、三次元金属積層造形を「三次元造形」と略記する。

図４は、本実施形態に係る造形方法に用いられる三次元造形装置１の構成の一例を示す概略断面図である。以下の各図では、三次元造形装置１の構成や動作に関する方向を示すものとして、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸を規定する。セパレータ１００を載置するステージ３１の平面は、Ｘ－Ｙ平面に対して平行な面である。Ｘ－Ｙ平面に対して垂直となるＺ方向は、セパレータ１００の造形方向に相当する。

三次元造形装置１は、金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射して金属粉末Ｐを溶融し凝固させ、凝固した金属粉末Ｐを積層させていくことで、三次元の物体を造形する、いわゆるパウダーベッド方式を採用した装置である。金属粉末Ｐの材質は、特に限定されるものではく、燃料電池用のセパレータとして機能し、かつ、三次元造形に支障がないものが選択され得る。金属粉末Ｐは、多数の粉末体により構成される。また、金属粉末Ｐとしては、電子ビームＥの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。

三次元造形装置１は、ビーム出射部２と、造形部３と、制御部４とを備える。

ビーム出射部２は、造形部３の金属粉末Ｐに対し電子ビームＥを出射し、金属粉末Ｐを溶融させるユニットである。電子ビームＥは、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される荷電粒子ビームである。ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収差コイル２２と、フォーカスコイル２３と、偏向コイル２４と、コラム２５とを備える。

電子銃部２１は、造形部３に向けて電子ビームＥを出射する。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。

収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥの収差を補正する。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。なお、三次元造形装置１の種類によっては、収差コイル２２の設置を省略する場合もある。

フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥを収束させて、電子ビームＥの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。フォーカスコイル２３は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。

偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームＥの照射位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的にビーム偏向を行うため、機械的にビーム偏向を行う場合に比べて、電子ビームＥの照射時における走査速度を高速にすることができる。また、偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。

コラム２５は、例えば筒状の筐体である。コラム２５は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４を収容する。

造形部３は、所望の形状にセパレータ１００を造形するユニットである。造形部３は、チャンバ３０と、ステージ３１と、昇降機３２と、造形タンク３３と、リコータ３４と、ホッパ３５とを備える。

チャンバ３０は、例えば箱状の筐体である。チャンバ３０は、ステージ３１、昇降機３２、リコータ３４及びホッパ３５を収容する。チャンバ３０は、ビーム出射部２のコラム２５と連結している。チャンバ３０の内部空間は、電子銃部２１が配置されるコラム２５の内部空間と連通している。また、チャンバ３０の内部空間は、真空又はほぼ真空な状態に維持されている。

ステージ３１は、セパレータ１００を支持する。ステージ３１は、電子ビームＥの出射方向の延長線上に位置し、例えば、主平面を水平面とする円板状の部材である。また、ステージ３１は、造形タンク３３内に配置され、Ｚ方向に移動可能である。なお、ステージ３１の表面上には、底板３６が設置されている。金属粉末Ｐは、底板３６上に直接的に供給される。

昇降機３２は、ステージ３１を昇降させる機構である。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。例えば、昇降機３２は、セパレータ１００の造形の初期においてステージ３１を上部へ移動させておき、ステージ３１上で金属粉末Ｐが溶融凝固されて積層されるごとにステージ３１を降下させる。なお、昇降機３２は、ステージ３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。

造形タンク３３は、ステージ３１の外形に合わせた内壁を有する筒状容器である。本実施形態の例では、ステージ３１の形状は円板状であるので、造形タンク３３の形状は、ステージ３１の移動方向に沿った軸に対して断面形状が同心円状となる内壁を有する円筒状である。これにより、造形タンク３３に供給される金属粉末Ｐのステージ３１の下方へ漏れ落ちが抑制される。なお、金属粉末Ｐの漏れ落ちをより抑制するために、ステージ３１の外縁部にシール材を設けてもよい。また、造形タンク３３の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形の角筒状であってもよい。

リコータ３４は、ステージ３１の上方に金属粉末Ｐを供給し、金属粉末Ｐの表面を均す粉末塗布機構である。リコータ３４は、例えば棒状又は板状の部材である。リコータ３４は、図３中の矢印で示すように、水平方向に移動することにより電子ビームＥの照射領域に金属粉末Ｐを供給し、金属粉末Ｐの表面を均す。また、リコータ３４は、不図示のアクチュエータ等により移動制御される。なお、金属粉末Ｐを均す機構として、リコータ３４以外の機構を用いてもよい。

ホッパ３５は、塗布前の金属粉末Ｐを収容する容器である。ホッパ３５は、下部に、金属粉末Ｐを排出する排出口３５ａを有する。排出口３５ａから排出された金属粉末Ｐは、ステージ３１上へ直接流入するか、又は、リコータ３４によりステージ３１上へ供給される。なお、ステージ３１上に金属粉末Ｐを層状に供給する機構としては、リコータ３４及びホッパ３５以外の機構を用いてもよい。

制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の動作等を制御するユニットである。制御部４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ又はＲＡＭを有するコンピュータを含む。例えば、制御部４に含まれるＲＡＭ４ａは、本実施形態に係るセパレータ１００の造形方法を行わせる造形プログラムを格納する記録媒体である。この場合、制御部４は、ＲＡＭ４ａに格納されている造形プログラムに従って造形工程を実行する。当該造形処理では、制御部４は、例えば、ステージ３１の昇降制御、リコータ３４の作動制御、電子ビームＥの出射制御、偏向コイル２４の作動制御などを行う。

制御部４は、例えば、セパレータ１００の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いて造形を行わせる。三次元ＣＡＤデータは、予め制御部４に入力される、セパレータ１００の形状データである。制御部４は、三次元ＣＡＤデータをもとに、二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、例えば、セパレータ１００の水平断面のデータであり、積層方向の各位置に応じた多数のデータの集合体である。制御部４は、スライスデータに基づいて、電子ビームＥを金属粉末Ｐに対し照射する領域を決定し、その領域に応じて偏向コイル２４に制御信号を出力する。これにより、セパレータ１００の形状に応じた領域に対し、電子ビームＥが照射される。なお、金属粉末Ｐの予備加熱を行う場合も、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力し、ステージ３１上の加熱領域に対し、電子ビームＥを走査して照射させる。

（セパレータの造形方法）
次に、三次元造形装置１を用いた造形工程について説明する。以下、三次元造形装置１を用いてセパレータ１００を造形する工程を、単に「三次元造形工程」という。

図５は、制御部４が実行する造形プログラムの主な流れを示すフローチャートである。制御部４は、三次元造形工程を開始すると、ステップＳ１０１として、ＲＡＭ４ａに予め保存されている、セパレータ１００に関する三次元ＣＡＤデータを読み込む。三次元ＣＡＤデータには、少なくとも、第１平板面１０２に、ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを複数の第１突起部１１０ｂの組み合わせで形成する情報が含まれている。次に、制御部４は、ステップＳ１０２として、ステップＳ１０１にて読み込んだ三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。次に、制御部４は、ステップＳ１０３として、造形処理前の造形準備処理を行う。ここで、造形準備処理とは、セパレータ１００の平板面に沿った方向を造形方向として規定するなど、ステップＳ１０２にて生成されたスライスデータに基づいて正確に造形処理を行わせるための処理全般をいう。本実施形態では、以下のステップＳ１０４で造形処理を行うに際して、第１突起部１１０ｂの形状に関連して、造形方向を第２辺１１０ｄが延伸するＹｓ方向と規定する。一方、造形方向に対して直交する方向を第１辺１１０ｃが延伸するＸｓ方向と規定する。次に、制御部４は、ステップＳ１０４として、造形処理を開始する。造形処理は、実際にセパレータ１００の造形を行う処理である。

図６は、三次元造形装置１による造形処理の流れを時系列で示す概略断面図である。ここで、図６では、三次元造形装置１の要部の一部のみが示されている。図６では、セパレータ１００に形成される第１流路領域１１０等の各流路領域や、第１ガス供給穴１１４等の各種の穴部は、簡略化のために不図示としている。また、図６に示す例では、セパレータ１００は、計１７層の粉末層Ｌａが最終的に積層されて造形されるものとして説明する。

図６（ａ）は、粉末層Ｌａの最下層である第１層Ｌａ１から、次に積層される第２層Ｌａ２までのセパレータ１００の造形状態を示している。図６（ｂ）は、図６（ａ）に引き続き、さらに第７層Ｌａ７までのセパレータ１００の造形状態を示している。そして、図６（ｃ）は、図６（ｂ）に引き続き、粉末層Ｌａの最上層である第１７層Ｌａ１７までのセパレータ１００の造形状態を示している。

三次元造形工程では、底板３６上の金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射してセパレータ１００の一部の造形を繰り返して積層していくことで、所望の形状にセパレータ１００を造形する。すなわち、造形処理における造形方向は、積層方向と同義である。また、三次元造形装置１では、平板状であるセパレータ１００のＸｓ－Ｙｓ平面が、三次元造形装置１の造形方向を規定するＺ軸と平行となるように、セパレータ１００を造形する。

三次元造形装置１は、まず、粉末層Ｌａの最下層である第１層Ｌａ１における粉末供給処理を行う。粉末供給処理は、底板３６上に金属粉末Ｐを供給し、そして、供給された金属粉末Ｐの表面を均す処理である。具体的には、制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力してステージ３１の上下位置を調節し、不図示のアクチュエータ又は機構に制御信号を出力してリコータ３４を作動させる。これにより、リコータ３４が例えばＹ軸に沿って移動し、ステージ３１上に金属粉末Ｐが供給され、金属粉末Ｐの表面が均される。

次に、三次元造形装置１は、第１層Ｌａ１における造形処理を行う。具体的には、制御部４は、ステップＳ１０２で生成されたスライスデータに基づいて、金属粉末Ｐに対し電子ビームＥを照射する領域を決定し、その領域に応じてビーム出射部２から電子ビームＥを照射させる。

ここで、本実施形態では、三次元ＣＡＤデータ内に、図２及び図３を用いて説明した第１突起部１１０ｂの形状や配置が反映されている。つまり、造形処理は、少なくとも、第１平板面１０２に第１流路溝１１０ａを形成する。

第１層Ｌａ１に関してセパレータ１００の一部が造形された後、第２層Ｌａ２では、上記のような粉末供給処理から当該層に対する造形処理までの一連の処理を繰り返すことにより、さらにセパレータ１００の一部が造形される。そして、三次元造形装置１は、引き続き第１７層Ｌａ１７までの各層に対する造形処理を施すことにより、最終的に、所望の形状のセパレータ１００が造形される。

なお、金属粉末Ｐを溶融し凝固させる粉末層Ｌａの造形処理ごとに、その造形処理の前に、さらに金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射することで、金属粉末Ｐの予備加熱を行ってもよい。予備加熱は、予熱とも称され、金属粉末Ｐの融点未満の温度で金属粉末Ｐを加熱する処理である。この予備加熱により、金属粉末Ｐが加熱されて仮焼結され、電子ビームＥの照射による金属粉末Ｐへの負電荷の蓄積が抑制されて、電子ビームＥの照射時に金属粉末Ｐが飛散して舞い上がるスモーク現象を抑制することができる。

次に、本実施形態による効果について説明する。

まず、本実施形態に係る造形方法は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータ１００を、セパレータ１００の第１平板面１０２等に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する。この造形方法は、例えば、第１平板面１０２に、燃料ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを複数の第１突起部１１０ｂの組み合わせで形成する造形工程を有する。複数の第１突起部１１０ｂのうちの１つは、造形方向に対して直交する方向では、少なくとも他の１つの一部と並ぶ。

なお、本実施形態に係る造形方法は、第１平板面１０２に第１流路領域１１０が形成されることに加えて、第１平板面１０２とは反対側の第２平板面に、第１流路領域１１０と同様の第２流路領域が形成されている場合にも、同様に適用可能である。

一般的なＳＯＦＣでは、燃料電池本体を構成する平板状の各要素は、互いに積層方向に沿って重ね合わされる。そのため、セパレータには、燃料電池本体の一部として用いられているときのガスリークを抑えるために、凹凸が抑えられた高い平坦度が要求される。

例えば、従来のセパレータでは、第１流路領域１１０のような流路領域に流路溝を構成する複数の突起部が形成されており、これらの突起部が、造形方向と、造形方向とは直交する方向とのそれぞれの方向に整列しているものと仮定する。この場合、造形方向とは直交するＸｓ方向では、一直線上に整列する突起部と、一直線上に延伸する流路溝の底部とに明確に分かれる。つまり、流路領域において、複数の突起部が整列する造形部分と、流路溝の底部が延伸する造形部分とで、造形断面積が造形方向で周期的に大きく変化することになる。流路領域で生じる造形断面積の変化が、外周部での凹凸の発生に影響すると考えられる。

これに対して、本実施形態によれば、例えば第１流路領域１１０でみると、複数の第１突起部１１０ｂのうちの１つが造形方向に対して直交する方向すなわちＸｓ方向で少なくとも他の１つの一部と並ぶ。つまり、第１流路領域１１０において、Ｘｓ方向で複数の第１突起部１１０ｂが一直線上に整列することが回避される。例えば、本実施形態に係る造形方法で造形されたセパレータ１００における第１流路領域１１０をＸｓ方向視で観察すると、いずれかの第１突起部１１０ｂが視認されることになる。これは、Ｘｓ方向で一直線上に整列する複数の突起部や、同様にＸｓ方向で一直線上に延伸する流路溝の底部の形成が回避され、第１流路領域１１０では造形方向での造形断面積の周期的な変化が従来よりも小さくなることを意味する。これにより、セパレータ１００全体では、断面積プロファイルの均一化が図られ、結果として、剛性が均一化されるため、意図しない凹凸の発生が抑えられる。

このように、本実施形態によれば、三次元金属積層造形により造形されるセパレータ１００での意図しない凹凸の発生を抑えるのに有利なセパレータ１００の造形方法を提供することができる。

また、本実施形態に係る造形方法では、複数の第１突起部１１０ｂは、造形方向では、それぞれ、一定の間隔で整列し、造形方向に対して直交する方向では、それぞれ、隣り合うもの同士の一部と並ぶものとしてもよい。

このような造形方法によれば、複数の第１突起部１１０ｂの配置が規則的なものとなるため、三次元造形工程時の造形処理の複雑化を抑えることができる。

また、本実施形態に係る造形方法では、第１突起部１１０ｂの平面形状は、造形方向に対して直交する方向に延伸する第１辺１１０ｃと、造形方向に延伸する第２辺１１０ｄとを有する矩形であってもよい。この場合、第１辺１１０ｃの長さは、第２辺１１０ｄの長さよりも長くてもよい。

従来の突起部の配置で、第１辺１１０ｃと第２辺１１０ｄとの長さ関係が上記のように規定されている場合には、凹凸が発生しやすいと考えられる。しかし、本実施形態に係る造形方法によれば、上記のような長さ関係で規定されていても、凹凸の発生を抑えることができる。

また、本実施形態に係る、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータ１００は、第１平板面１０２に形成され、ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを有する第１流路領域１１０を備える。また、セパレータ１００では、第１突起部１１０ｂにおいて１つの基準方向に向かう側面と第１流路溝１１０ａの底部との連続部分に第１肉盛部１１０ｅが存在する。この場合、複数の突起部１１０ｂのうちの１つは、基準方向に対して直交する方向では、少なくとも他の１つの一部と並ぶ。

このようなセパレータ１００によれば、基準方向が三次元金属積層造形での造形方向であるとみなすことで、上記説明したセパレータ１００の造形方法による効果と同様に、意図しない凹凸の発生が抑えられたセパレータ１００を提供することができる。

ここで、造形されたセパレータ１００を見ると、セパレータ１００には、第１突起部１１０ｂの端部と第１流路溝１１０ａの底部との連続部分に第１肉盛部１１０ｅが存在していることがわかる。このような肉盛部は、例えば、鋳造等により製作されたような一般的なセパレータでは現れない。これに対して、三次元金属積層造形を採用した本実施形態に係るセパレータ１００の造形方法によりセパレータ１００を造形すると、第１肉盛部１１０ｅのような肉盛部が現れる。したがって、セパレータに第１肉盛部１１０ｅが存在するかどうかを確認することで、このセパレータが、本実施形態に係るセパレータ１００である、又は、セパレータ１００の造形方法により造形されたものであると推定することができる。

（他の実施形態）
上記の実施形態では、第１流路領域１１０に形成されている第１突起部１１０ｂの平面形状が矩形であるものとしたが、本開示の造形方法において造形対象とするセパレータ１００では、このような平面形状に限定されない。

図７は、第１流路領域２１０に形成され、第１流路溝２１０ａの形状を規定する複数の第１突起部２１０ｂの平面形状が直径Ｄの円形である場合のセパレータを例示する一部拡大図である。なお、図７は、上記の実施形態に関する図２に対応して描画されている。造形方向に相当するＸｓ方向について、複数の第１突起部２１０ｂは、一定の間隔Ｗ１２で整列している。一方、造形方向に対して直交する方向に相当するＹｓ方向について、複数の第１突起部２１０ｂは、一定の間隔Ｗ２２で整列している。

この場合も、複数の第１突起部２１０ｂのうちの１つは、Ｘｓ方向では、少なくとも他の１つの一部と並び、特に図６に示す例では、複数の第１突起部１１０ｂは、Ｘｓ方向では、それぞれ、隣り合うもの同士の一部と並ぶ。

ここでも、ある１つの第１突起部２１０ｂ_１について着目すると、第１突起部２１０ｂ_１は、Ｙｓ方向に複数の第１突起部２１０ｂが並ぶ第１列に含まれる。同じくＹｓ方向に複数の第１突起部２１０ｂが並び、第１列に対してＸｓ方向のプラス側で隣り合う第２列には、第１突起部２１０ｂ_１の近傍に、第１突起部２１０ｂ_２及び第１突起部２１０ｂ_３との２つの第１突起部２１０ｂが存在する。第１列にある第１突起部２１０ｂ_１は、第２列にある第１突起部２１０ｂ_２又は第１突起部２１０ｂ_３のいずれとも、Ｘｓ方向に延伸する一直線上で整列しない。そして、第１突起部２１０ｂ_１は、第１突起部２１０ｂ_２の一部と、及び、第１突起部２１０ｂ_３の一部と、それぞれ並ぶことになる。図７で、第１突起部２１０ｂ_２及び第１突起部２１０ｂ_３において、それぞれ、Ｘｓ方向で並ぶ領域をハッチングで示している。

複数の第１突起部２１０ｂの形状や配列が図６に示すようなものであっても、結果として、図２等を用いて説明した上記の実施形態における効果と同様の効果を奏する。

また、上記の実施形態では、三次元造形装置１が、パウダーベッド方式のうちエネルギービームとして電子ビームを用いて造形する三次元金属積層造形装置であるものとして説明した。しかし、本開示で用いることができる三次元造形装置は、これに限定されず、パウダーベッド方式のうちエネルギービームとしてレーザを用いて造形する三次元金属積層造形装置であってもよい。レーザを用いる三次元造形装置としては、例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ：Selective laser melting）、レーザ焼結法（ＳＬＳ：Selective laser sintering）を採用するものがある。なお、レーザを用いる三次元造形装置では、造形を行うチャンバ内を真空状態としなくてもよく、例えばアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気にすればよい。また、上記の実施形態では、金属粉末Ｐを溶融し凝固させることで金属粉末Ｐを固化させる方法を説明したが、かかる方法には限定されず、金属粉末Ｐを焼結させることで金属粉末Ｐを固化させるものとしてもよい。また、三次元造形装置１は、選択溶融方式であるパウダーベッド方式に限らず、例えば材料付加方式である、いわゆるパウダーフィード方式を採用するものであってもよい。

以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 三次元造形装置
４ 制御部
４ａ ＲＡＭ
１００ セパレータ
１０２ 第１平板面
１１０ａ 第１流路溝
１１０ｂ 第１突起部
１１０ｃ 第１辺
１１０ｄ 第２辺

Claims (7)

1. 燃料電池に用いられる平板状のセパレータを、当該セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する方法であって、
   前記平板面に、ガスを流通させる流路溝をそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成する造形工程を有し、
   前記突起部は、前記平板面に沿いつつ前記造形方向に対して直交する方向では、隣り合う他の前記突起部の少なくとも１つの一部と並ぶ、セパレータの造形方法。
2. 前記複数の突起部は、前記造形方向では、それぞれ、一定の間隔で整列する、請求項１に記載のセパレータの造形方法。
3. 前記突起部の平面形状は、前記平板面に沿いつつ前記造形方向に対して直交する方向に延伸する第１辺と、前記造形方向に延伸する第２辺とを有する矩形であり、
   前記第１辺の長さは、前記第２辺の長さよりも長い、請求項１又は２に記載のセパレータの造形方法。
4. 前記突起部の平面形状は、円形である、請求項１又は２に記載のセパレータの造形方法。
5. 燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータであって、
   平板面にそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成され、ガスを流通させる流路溝を備え、
   前記平板面に沿う１つの方向を基準方向とすると、
   前記突起部において前記基準方向に向かう端部と前記流路溝の底部との連続部分に肉盛部が存在し、
   前記突起部は、前記平板面に沿いつつ前記基準方向に対して直交する方向では、隣り合う他の前記突起部の少なくとも１つの一部と並ぶ、セパレータ。
6. 燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータを造形する三次元積層造形装置に備えられた制御部に、
   前記セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として規定する処理と、
   前記平板面に、ガスを流通させる流路溝をそれぞれ平面形状が同一である複数の突起部の組み合わせで形成する造形処理と、
   を実行させ、
   前記造形処理では、前記突起部が、前記平板面に沿いつつ前記造形方向に対して直交する方向で、隣り合う他の前記突起部の少なくとも１つの一部と並ぶように、前記流路溝を形成させる、造形プログラム。
7. 燃料電池に用いられる平板状のセパレータを造形する三次元積層造形装置であって、
   請求項６に記載の造形プログラムを格納する記録媒体と、
   前記記録媒体に格納されている前記造形プログラムを実行する制御部と、
   を備える、三次元積層造形装置。

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