WO2010047143A1

WO2010047143A1 - 発電セル用ガス流路形成部材及びその製造方法、並びに、成形装置

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Publication number: WO2010047143A1
Application number: PCT/JP2009/058628
Authority: WO
Inventors: 諭二見; 橋本　圭二
Original assignee: トヨタ車体株式会社
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2009-05-07
Publication date: 2010-04-29
Also published as: JP2010153040A; JP5169722B2

Abstract

　ＭＥＡ１５は、枠状のフレーム１３，１４内に収容されている。ＭＥＡ１５は、アノード電極層１７及びカソード電極層１８を備えている。アノード電極層１７及びフレーム１３間には、第１ガス流路形成部材２１が介在されている。カソード電極層１８及びフレーム１４間には、第２ガス流路形成部材２２が介在されている。ガス流路形成部材２２は、ラスカットメタル２５からなる。ガス流路形成部材２２には、貫通孔を形成する複数のリング部２７が形成されている。リング部２７は、ガス拡散層１９，２０の表面と接触する第１平面部２９ａと、セパレータ２４と接触する第２平面部３０ａとを備えている。第１平面部２９ａの幅は、第２平面部３０ａの幅よりも広く設定されている。

Description

[規則37.2に基づきISAが決定した発明の名称]　発電セル用ガス流路形成部材及びその製造方法、並びに、成形装置

　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、ガス流路形成部材の製造に用いる成形装置に関する。

　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。この種の燃料電池は、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、アノード電極層、及びカソード電極層を含む膜－電極接合体を備えている。電解質膜の第１面上にはアノード電極層が形成され、電解質膜の第２面上にはカソード電極層が形成されている。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とがそれぞれ供給される。これにより、膜－電極接合体において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。

　ガス流路形成部材には、アノード電極層及びカソード電極層に燃料ガス及び酸化剤ガスをそれぞれ効率良く供給する能力が要求される。特許文献１に開示の構成によれば、ガス流路形成部材は、金属薄板よりなるラスカットメタルにより形成されている。ラスカットメタルには、所定形状を有する複数の小さな貫通孔が形成されている。ラスカットメタルは、例えば、０．１ｍｍ程度の厚みを有するステンレス板に略六角形状の貫通孔を網目状に形成するラスカット加工により形成されている。略六角形状の貫通孔を形成するリング部（ストランド）は、互いに重なるようにして連結されている。このため、ラスカットメタルは、階段状の断面形状を有している。

　発電セルでは、両電極層の表面とガス流路形成部材との間に、導電性繊維からなるカーボンペーパー製のガス拡散層が介在されている。燃料ガス及び酸化剤ガスは、このガス拡散層の微細な隙間を通過して拡散されることにより、各電極層に対して効率良くそれぞれ供給される。又、複数の発電セルを積層して燃料電池スタックを構成する際、両ガス拡散層とガス流路形成部材とを電気的に接触させるため、発電セルの上部と下部とに配置された二枚のセパレータを互いに接近する方向に移動させる。図１６は、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、従来のガス流路形成部材２１が介在されている状態を示す。この状態で、セパレータ２３が下方に押圧されると、図１７に示すように、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て、ガス拡散層１９に食い込む。

　これにより、ガス拡散層１９の一部が接触部２９により切断されて、ガス拡散層としての機能が低下する。また、ガス流路形成部材２１の燃料ガス通路にガス拡散層の一部が侵入し、燃料ガス通路の有効面積が減少する。この場合、燃料ガスの圧力損失が増加し、燃料ガスの供給量及び発電効率が低下する。また、切断された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狭いガス流路に付着し、目詰まりを生じさせる。この場合、燃料ガスの流れが阻害されるため、発電効率が低下する。更には、発電セル間でガス拡散層１９への接触部２９の食い込み量にバラツキが生じるため、発電電圧が不安定になる。

　一方、ガス流路形成部材２１は、接触部２９と反対側に別の接触部３０を有している。このため、接触部３０の角部がセパレータ２３に接触し、セパレータ２３が損傷する。又、この場合、ガス流路形成部材２１及びセパレータ２３間の通電に要する接触面積を確保しにくい。このため、ガス流路形成部材２１からセパレータ２３へと電流が流れ難くなり、発電効率が低下する。
特開２００７－８７７６８号公報

　本発明の目的は、ガス流路形成部材の接触部がガス拡散層に食い込むことを抑制することができ、ガス流路形成部材及びセパレータの接触状態を適正化することにより燃料電池の発電効率が向上する発電用ガス流路形成部材、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。

　上記の課題を解決するため、本発明の第一の態様によれば、電極構造体の電極層に形成されたガス拡散層と、ガス拡散層とセパレータとの間に介在され、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有するガス流路形成部材とを備え、ガス流路により電極層に燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されて、電極層での電極反応により発電するように構成された発電セル用ガス流路形成部材が提供される。ガス流路形成部材は、貫通孔を有する複数のリング部を金属薄板に網目状に形成してなるラスカットメタルからなる。リング部においてガス拡散層の表面と接触する第１接触部には第１平面部が形成されている。また、リング部においてセパレータの裏面と接触する第２接触部には第２平面部が形成されている。第１平面部のガス流路方向の幅は、第２平面部のガス流路方向の幅よりも広く設定されている。

　この構成によれば、ガス流路形成部材には、貫通孔を形成する複数のリング部が形成されている。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接触部には、第１平面部が、プレス成形により形成されている。このため、ガス拡散層の表面に対し、第１平面部を面接触させることができる。このため、ガス拡散層には、第１接触部が食い込まない。よって、ガス拡散層の破壊が防止される。従って、ガス流路形成部材のガス流路にガス拡散層の破片が侵入してガス流路の有効面積が減少することを防止できる。

　一方、リング部の外周縁のうち、セパレータと接触する第２接触部にも、第２平面部が、プレス成形により形成されている。このため、セパレータの裏面に対しても、第２平面部を面接触させることができる。このため、セパレータの損傷が防止される。また、ガス流路形成部材とセパレータとの間の通電面積も確保できる。よって、発電時の電気抵抗が低減され、発電効率が向上する。

　さらに、第１平面部の幅は、ガス拡散層への第１平面部の食い込みを防止すべく相対的に広く設定されている。また、第２平面部の幅は、セパレータへの損傷を防止し、かつ第２平面部とセパレータとの間の通電面積を確保できる程度に、第１平面部よりも小さく設定されている。これにより、ガス流路形成部材の厚さ寸法を適正に保持でき、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もできる。仮に、第２平面部を第１平面部と同じ幅に設定した場合、第１及び第２平面部をプレス成形すると、ガス流路形成部材が過剰に圧縮されてしまう。よって、ガス流路形成部材の厚さが小さくなり、ガス流路も小さくなる。

　上記のガス流路形成部材において、複数のリング部を連結する連結板部を備え、リング部には、ガス拡散層に面する第１半リング部が設けられ、第１半リング部は、連結板部に連結された一対の第１側板部と、各第１側板部の端部に一体に連結された一対の第１傾斜板部と、両第１傾斜板部に対しそれらを架橋するように一体に連結された第１平板部とを備え、第１平板部は、ガス拡散層と接触する第１接触部を備え、第１接触部には第１平面部が成形され、リング部には、セパレータに面する第２半リング部が設けられ、第２半リング部は、連結板部に一体に連結された一対の第２傾斜板部と、各第２傾斜板部の端部に一体に連結され、かつ平行に配置された一対の第２側板部と、両第２側板部に対しそれらを架橋するように一体に連結された第２平板部とを備え、第２平板部は、セパレータと接触する第２接触部を備え、第２接触部には第２平面部が成形されていることが好ましい。

　上記の課題を解決するため、本発明の第二の態様によれば、発電セル用ガス流路形成部材の製造方法が提供される。その製造方法は、複数の第１凹部と第１凸部とが交互に所定のピッチで形成された第１剪断型と、第１凹部に対応する第２凸部と第１凸部に対応する第２凹部とが交互に所定のピッチで複数箇所に形成された第２剪断型とを用いて、金属薄板の端部の複数箇所に対しガス拡散層に面する第１半リング部とセパレータに面する第２半リング部とを交互に形成する第１の工程と、金属薄板を所定量送り、第１剪断型及び第２剪断型を金属薄板の送り方向と直交する方向にオフセットし、金属薄板の複数箇所に対し第１半リング部と第２半リング部とを交互に形成する第２の工程と、第１及び第２の工程と同様の工程を交互に繰り返すことにより、金属薄板の送り方向に沿って隣接する第１半リング部と第２半リング部とによって、貫通孔を有する複数のリング部を金属薄板に網目状に形成してラスカットメタルを得る第３の工程と、第３の工程後、ラスカットメタルの両面を同時にプレスして、第１半リング部の第１接触部に第１平面部を形成し、第２半リング部の第２接触部に第２平面部を形成する第４の工程であって、第１平面部のガスの流路方向の幅は、第２平面部のガスの流路方向の幅よりも小さく設定されている第４の工程とを備えている。

　上記の課題を解決するため、本発明の第三の態様によれば、発電セル用ガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置が提供される。成形装置は、第１剪断型と、第２剪断型と、複数のリング部が千鳥配置されたラスカットメタルをその厚さ方向にプレス成形するプレス装置とを備えている。ラスカットメタルは、第１及び第２剪断型を金属薄板の厚み方向と金属薄板の送り方向に直交する方向とにそれぞれ往復動させ、第１凹部と第２凸部及び第１凸部と第２凹部をそれぞれ噛み合わせ、金属薄板に対し所定のピッチで複数の切れ目を入れてから金属薄板を曲げ伸ばすことにより形成され、第１凸部及び第１凹部の形状、及び第２凹部及び第２凸部の形状は、第１半リング部及び第２半リング部の押圧時の変形量を相違させて両半リング部をプレスするように設定されている。

　上記の成形装置において、第１剪断型の第１凸部、及び第２剪断型の第２凹部は、第１半リング部を構成する一対の第１側板を成形する成形面と、両第１側板に連結された一対の第１傾斜板部を成形する成形面と、両第１傾斜板部に対しそれらを架橋するように連結された第１平板部を成形する成形面とを備えている。また、第１剪断型の第１凹部、及び第２剪断型の第２凸部は、第２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、第１傾斜板部に連結された一対の第２側板部を成形する成形面と、第２側板部に対しそれらを架橋するように連結された第２平板部を成形する成形面とを備えている。

本発明の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縦断面図。発電セルの分解斜視図。第１ガス流路形成部材の部分斜視図。ガス流路形成部材の部分正面図。ガス流路形成部材の部分断面図。ラスカット加工装置を示す断面図。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説明するための部分断面図。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を拡大して示す部分正面図。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。リング部の別の実施形態を示す部分正面図。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。

　以下、本発明の発電セル用ガス流路形成部材を固体高分子型の燃料電池スタック１１に適用した一実施形態について図１～図１４に従って説明する。
　図１及び図２に示すように、燃料電池スタック１１は、複数の発電セル１２を積層して構成されている。発電セル１２は、第１，第２フレーム１３，１４と、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。第１，第２フレーム１３，１４は、いずれも合成ゴム又は合成樹脂からなり、四角枠状に形成されている。また、第１，第２フレーム１３，１４は、燃料ガス通路空間Ｓ１及び酸化剤ガス通路空間Ｓ２をそれぞれ有している。ＭＥＡ１５は、両フレーム１３，１４間に配置されている。又、発電セル１２は、燃料ガス通路空間Ｓ１に収容された第１ガス流路形成部材２１と、酸化剤ガス通路空間Ｓ２に収容された第２ガス流路形成部材２２とを備えている。第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２は、いずれも金属よりなる。さらに、発電セル１２は、第１セパレータ２３と、第２セパレータ２４とを備えている、第１セパレータ２３は、第１フレーム１３及び第１ガス流路形成部材２１の上面に接着され、第２セパレータ２４は、第２フレーム１４及び第２ガス流路形成部材２２の下面に接着されている。第１及び第２セパレータ２３，２４は、いずれも金属よりなり、平板状に形成されている。図２は、ガス流路形成部材２１，２２の形状を簡略化して示す。

　第１フレーム１３の対向する一対の縁部には、長孔からなるガス通路１３ａ，１３ｂがそれぞれ形成されている。第２フレーム１４の対向する一対の縁部にも、長孔からなるガス通路１４ａ，１４ｂがそれぞれ形成されている。第１フレーム１３のガス通路１３ａ，１３ｂは、第２フレーム１４のガス通路１４ａ，１４ｂと対応しない縁部にそれぞれ形成されている。

　ＭＥＡ１５は、電解質膜１６と、アノード電極層１７及びカソード電極層１８と、ガス拡散層１９，２０とにより構成されている。ガス拡散層１９，２０は、導電性を有するカーボンペーパーよりなる。アノード電極層１７は、電解質膜１６の上面に所定の触媒を積層することにより形成されている。カソード電極層１８は、電解質膜１６の下面に対し所定の触媒を積層することにより形成されている。ガス拡散層１９，２０は、アノード及びカソード電極層１７，１８の表面にそれぞれ接着されている。

　第１セパレータ２３において、直交する一対の縁部にはガス導入口２３ａがそれぞれ形成されている。また、第１セパレータ２３において、他の直交する一対の縁部には、ガス導出口２３ｂがそれぞれ形成されている。同様に、第２セパレータ２４においても、直交する一対の縁部にはガス導入口２４ａがそれぞれ形成され、また、第２セパレータ２４において、他の直交する一対の縁部には、ガス導出口２４ｂがそれぞれ形成されている。

　図３に示すように、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２は、０．１ｍｍ程度の厚みを有する金属製のラスカットメタル２５（以下、単にラスメタルと称す）によって形成されている。ラスメタル２５には、角形状の貫通孔２６が千鳥配列で形成されている。ここで、貫通孔２６を形成するリング部２７は、連結板部２８（図３のドット部分）を介して互いに連結されている。

　図４に示すように、リング部２７の上側には、ガス拡散層１９に接触される半リング部Ｒ１（第１半リング部）が設けられている。半リング部Ｒ１は、一対の第１側板部２７ａと、一対の第１傾斜板部２７ｂと、第１平板部２７ｃとにより構成されている。第１傾斜板部２７ｂは、側板部２７ａの上端に一体に連結されている。第１平板部２７ｃは、両第１傾斜板部２７ｂの先端に対しそれらを架橋するように一体に連結されている。リング部２７の下側には、セパレータ２３と接触される半リング部Ｒ２（第２半リング部）が設けられている。半リング部Ｒ２は、一対の第２傾斜板部２７ｄと、一対の第２側板部２７ｅと、第２平板部２７ｆとにより構成されている。第２側板部２７ｅは、第２傾斜板部２７ｄの先端から下方に延びている。第２平板部２７ｆは、両側板部２７ｅの先端に対しそれらを架橋するように一体に連結されている。

　図３に示すように、連結板部２８は、半リング部Ｒ２を構成する第２平板部２７ｆに対応している。半リング部Ｒ１の第１平板部２７ｃは、連結板部２８（第２平板部２７ｆ）と反対側に端部を有している。この端部が、ガス拡散層１９（又は２０）の表面に接触される第１接触部２９である。半リング部Ｒ２の第２平板部２７f （連結板部２８）は、第１平板部２７ｃと反対側に端部を有している。この端部が、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である。両接触部２９，３０には、第１，第２平面部２９ａ，３０ａがそれぞれ設けられている。第１，第２平面部２９ａ，３０ａは、ラスメタル２５の両面をその厚み方向に同時に圧縮することにより形成されている。第１及び第２平面部２９ａ，３０ａは、互いに平行に形成されている。

　第１平面部２９ａは、ガス拡散層１９（２０）に面接触される。第２平面部３０ａは、セパレータ２３（２４）に面接触される。第１平面部２９ａは、ガス流路方向（図５の矢印方向）に幅Ｗ１を有している。幅Ｗ１は、例えば、０．２ｍｍに設定されている。第２平面部３０ａも、ガス流路方向に幅Ｗ２を有している。幅Ｗ２は、例えば、０．１ｍｍに設定されている。幅Ｗ１は、幅Ｗ２よりも広く設定されている。

　第１ガス流路形成部材２１は、第１フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１内において、ガス拡散層１９の表面と第１セパレータ２３の内面とに接触するように配置されている。第２ガス流路形成部材２２は、第２フレーム１４の酸化剤ガス通路空間Ｓ２内において、ガス拡散層２０の表面と第２セパレータ２４の内面とに接触するように配置されている。

　図２に矢印Ｇ１で示すように、燃料ガスは、第１セパレータ２３の一方のガス導入口２３ａから燃料ガス通路空間Ｓ１に導入された後、第２フレーム１４のガス通路１４ｂを通して第２セパレータ２４の一方のガス導出口２４ｂに流れる。また、図２に矢印Ｇ２で示すように、酸化剤ガスは、第１セパレータ２３の他方のガス導入口２３ａから第１フレーム１３のガス通路１３ａを通して第２フレーム１４の酸化剤ガス通路空間Ｓ２に導入された後、第２セパレータ２４の他方のガス導出口２４ｂに流れる。

　第１フレーム１３と電解質膜１６及び第２フレーム１４との接触面においてシール性を確保する必要がある。このため、第１及び第２フレーム１３，１４は、いずれも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、スタック１１の締結による荷重により、第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２は、第１及び第２セパレータ２３，２４によってＭＥＡ１５に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において、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との接触状態がいずれも適正に保持される。なお、第２ガス流路形成部材２２においても、ガス流路形成部材２１と同様に構成されているため、第１接触部２９の第１平面部２９ａとガス拡散層２０との接触状態、及び第２接触部３０の第２平面部３０ａと第２セパレータ２４との接触状態がいずれも適正に保持される。

　積層された発電セル１２間では、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を介して連通されている。これにより、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１３ａ及び第２フレーム１４の酸化剤ガス通路空間Ｓ２を介して連通されている。これにより、酸化剤ガス（空気）流通路が形成される。

　燃料ガス流通路に供給された燃料ガスは、第１ガス流路形成部材２１によって、燃料ガス通路空間Ｓ１内を均一に拡散して流れる。また、酸化剤ガス流通路に供給された酸化剤ガスも、第２ガス流路形成部材２２によって、酸化剤ガス通路空間Ｓ２内を均一に拡散して流れる。即ち、燃料ガス通路空間Ｓ１内の燃料ガスの流れは、第１ガス流路形成部材２１に形成された千鳥配置の貫通孔２６を通過することによって乱流となる。その結果、燃料ガスは、ガス通路空間Ｓ１内において均一に拡散される。これにより、燃料ガスは、ガス拡散層１９を通過して拡散され、アノード電極層１７に対して均一に供給される。

　同様に、酸化剤ガス通路空間Ｓ２内の酸化剤ガスの流れも、第２ガス流路形成部材２２に形成された千鳥配置の貫通孔２６を通過することによって乱流となる。その結果、酸化剤ガスは、酸化剤ガス通路空間Ｓ２内において均一に拡散される。これにより、酸化剤ガスは、カーボンペーパー２０を通過して拡散され、カソード電極層１８に対して均一に供給される。こうして、燃料ガスと酸化剤ガスとがＭＥＡ１５に供給されることにより、ＭＥＡ１５で電極反応が生じ、発電される。複数の発電セル１２が積層された燃料電池からは、所望の出力が得られる。

　次に、第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２の製造方法について説明する。
　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。ラスカット加工装置は、金属薄板２５Ａを順次供給する一対の送りローラ３１を備えている。ラスカット加工装置は、ラスメタル２５を成形するための成形機構３２を備えている。成形機構３２は、金属薄板２５Ａの複数箇所に切れ目を入れると共に、金属薄板２５Ａを曲げ伸ばして塑性変形させる。ラスメタル２５は、金属薄板２５Ａに複数の角形の貫通孔２６を網目状に入れてから、金属薄板２５Ａを階段状に成形することにより形成される。成形機構３２は、第１剪断型３３と第２剪断型３４とによって構成されている。第１剪断型３３は、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方向（図６の紙面に直交する方向）に沿って往復動可能する。第２剪断型３４は、図示しない昇降機構により上下方向に沿って往復移動すると共に、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方向に沿って往復移動する。

　図７に示すように、第１剪断型３３は、金属薄板２５Ａの送り方向の下流側に側壁３３ａを有している。側壁３３ａの上部には、第１凸部としての凸部３３ｂと、第１凹部としての凹部３３ｃとが交互に形成されている。また、凸部３３ｂ及び凹部３３ｃは、水平方向に沿って所定のピッチを置いて配置されている。第２剪断型３４の下部には、第１剪断型３３の凹部３３ｃに噛合する第２凸部としての凸部３４ａと、第１剪断型３３の凸部３３ｂに噛合する第２凹部としての凹部３４ｂとが設けられている。凸部３４ａ及び凹部３４ｂは、第２剪断型３４の下部において交互に形成されている。また、凸部３４ａ及び凹部３４ｂは、水平方向に沿って所定のピッチを置いて配置されている。第１剪断型３３の凹部３３ｃは、金属薄板２５Ａの送り方向の上流側に側面を有している。そ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。第２剪断型３４の凸部３４ａの下端縁及び両側縁には、逆台形状の剪断刃３４ｃが形成されている。剪断刃３４ｃは、剪断刃３３ｄと対応する位置に設けられている。剪断刃３４ｃは、剪断刃３３ｄと協働して金属薄板２５Ａに切れ目を入れる。

　図７に示すように、第１剪断型３３の凸部３３ｂには、一対の成形面３３ｅ、一対の成形面３３ｆ、及び成形面３３ｇが形成されている。成形面３３ｅは、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。成形面３３ｆは、両第１傾斜板部２７ｂの内面を成形する。成形面３３ｇは、平板部２７ｃの内面を成形する。一方、第２剪断型３４の凹部３４ｂには、一対の成形面３４ｄ、一対の成形面３４ｅ、及び成形面３４ｆが形成されている。成形面３４ｄは、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３４ｅは、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３４ｆは、平板部２７ｃの外面を成形する。又、第２剪断型３４の凸部３４ａの下端には、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。

　図６に示すように、送りローラ３１によって、金属薄板２５Ａは、所定の加工ピッチずつ、第１剪断型３３から第２剪断型３４へと送られる。この状態で、第１剪断型３３の剪断刃３３ｄと下降する第２剪断型３４の剪断刃３４ｃとによって、金属薄板２５Ａの一部を剪断して、金属薄板２５Ａに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、第２剪断型３４の凸部３４ａと接触する金属薄板２５Ａを下方に押圧して曲げ伸ばす。こうして曲げ伸ばされた金属薄板２５Ａの一部が、図８に示すように略台形状に形成される。その後、第２剪断型３４は、最下点位置から上方に移動し、原位置まで戻る。

　次に、送りローラ３１は、再び、金属薄板２５Ａを、所定のピッチだけ成形機構３２に向けて送り出す。これと同期して、第１剪断型３３及び第２剪断型３４が、リング部２７の配列ピッチの半分の距離（半ピッチ）だけ左又は右に移動する。そして、第２剪断型３４が再び下降し、金属薄板２５Ａに対し、前回加工された曲げ伸ばし部から半ピッチだけ左又は右にオフセットした位置に切れ目を入れると共に、曲げ伸ばし加工を行う。こうして、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、ラスメタル２５には、図９及び図１０に示すように、複数の貫通孔２６が網目状に形成され、リング部２７が千鳥配列で形成される。その際、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とがそれぞれ噛み合わされる。これにより、ラスメタル２５には、下降する第２剪断型３４によって切れ目の加工されない未加工部分が形成される。この未加工部分が、連結板部２８（第２平板部２７ｆ）として形成される。複数のリング部２７は、連結板部２８を介して、互いに重なるようにして連結される。こうして、図１１に示すように、階段状の断面を有するラスメタル２５が形成される。

　図１２に示すように、リング部２７は、多角形状に成形されている。リング部２７では、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、第１平板部２７ｃが下方に押圧されたときに第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。このため、平板部２７ｃに対し下方に外力が加えられると、図１２の二点鎖線で示すように第１変形許容部Ｆ１は変形する。又、半リング部Ｒ２を構成する第２側板部２７ｅによって、第２平板部２７ｆが上方に押圧されたときに第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。このため、第２平板部２７ｆに対し上方に外力が加えられると、図１２の二点鎖線で示すように第２変形許容部Ｆ２は変形する。

　第１及び第２変形許容部Ｆ１，Ｆ２に加えられる外力が同じである場合、第１変形許容部Ｆ１の変形量が第２変形許容部Ｆ２の変形量よりも大きくなるように設定されている。第１変形許容部Ｆ１の第１平板部２７ｃに対し下方に外力が加えられると、その力は、第１傾斜板部２７ｂを介して第１側板部２７ａへと伝達される。その結果、第１側板部２７ａは、その基端を中心に左方又右方に変形すると共に、第１傾斜板部２７ｂは、第１側板部２７ａとの連結部を中心に下方に回動される。このように、第１変形許容部Ｆ１は、外力に対し変形し易い構造となっている。一方、第２変形許容部Ｆ２の第２平板部２７ｆに対し上方に外力が作用した場合、第２傾斜板部２７ｄは、その基端を中心に回動されずに、そのままの状態で固定されている。また、両第２側板部２７ｅは、その基端を中心に左方又は右方へと僅かに変形するのみである。このように、第２変形許容部Ｆ２は、第１変形許容部Ｆ１よりも変形し難い構造となっている。

　次に、ラスメタル２５の第１及び第２接触部２９，３０に対し第１及び第２平面部２９ａ，３０ａをそれぞれ形成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を備えている。ベッド４１の上面には、平面部形成機構４４が装着されている。平面部形成機構４４は、コラム４５と、コラム４５に装着された図示しないモータと、モータによって回転する一対の圧縮ローラ４６，４７とを備えている。

　ラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０に平面部２９ａ，３０ａを形成するため、まず、図１３の矢印方向に回転される圧縮ローラ４６，４７間にテーブル４２からラスメタル２５を送る。そして、圧縮ローラ４６，４７により、ラスメタル２５を上下方向より圧縮しながら、図１３に示す右方向へと送り出す。この動作により、ラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０は、上下方向から所定量だけそれぞれ圧縮される。こうして、第１，第２接触部２９，３０を変形させることにより、ラスメタル２５の第１接触部２９に第１平面部２９ａが形成され、ラスメタル２５の第２接触部３０に第２平面部３０ａが形成される。このとき、図１２に示すように、半リング部Ｒ１の第１変形許容部Ｆ１の方が、半リング部Ｒ２の第２変形許容部Ｆ２よりも圧縮され易くなっている。このため、図５に示すように、第１接触部２９の第１平面部２９ａにおけるガス流路方向の幅Ｗ１が、第２接触部３０の第２平面部３０ａにおける幅Ｗ２よりも広くなる。

　ラスメタル２５の製造が完了すると、ラスメタル２５を所定寸法に切断することによって、第１，第２ガス流路形成部材２１，２２が形成される。こうして形成された第１ガス流路形成部材２１は、図１４に示すように、ガス拡散層１９の上面に第１接触部２９の第１平面部２９ａを面接触させ、第２接触部３０の第２平面部３０ａを第１セパレータ２３の裏面に面接触させた状態で、図１に示すように発電セル１２内に組み込まれる。

　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）第１フレーム１３の燃料ガス通路空間Ｓ１内に収容された第１ガス流路形成部材２１はラスメタル２５からなる。また、第２フレーム１４の酸化剤ガス通路空間Ｓ２内に収容された第２ガス流路形成部材２２もラスメタル２５からなる。そして、ラスメタル２５の貫通孔２６を形成するリング部２７において、ガス拡散層１９と接触する第１接触部２９には、第１平面部２９ａが形成されている。このため、繊維からなるガス拡散層１９に対し第１接触部２９を面で接触させることができる。よって、ガス拡散層１９の表面に第１接触部２９が食い込むことを防止することができる。従って、第１ガス流路形成部材２１の燃料ガス流路と第２ガス流路形成部材２２の酸化剤ガス流路とにガス拡散層１９，２０が侵入することを防止できる。よって、燃料ガス通路空間Ｓ１及び酸化剤ガス通路空間Ｓ２の有効断面積の低減が防止される。従って、燃料ガス及び酸化剤ガスの供給量の低減が防止されるため、発電効率の低下を回避できる。

　又、第１接触部２９がガス拡散層１９，２０と線接触される場合と比較して、ガス拡散層１９，２０と第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２との電気的な接続を適正に行うことができる。これにより、ガス拡散層１９，２０から第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２への電気の流れが円滑になり、集電効率が向上する。更に、第１接触部２９によるガス拡散層１９，２０への損傷を防止することもできる。これにより、切断されたカーボン繊維によりガス流路形成部材２１，２２のガス通路に目詰まりが生じることを防止でき、発電性能を確保することができる。

　（２）第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２の第２接触部３０には、第２平面部３０ａが形成されている。これにより、第１及び第２セパレータ２３，２４に対しても、第２平面部３０ａを面で接触させることができる。このため、第２接触部３０が第１及び第２セパレータ２３，２４と線で接触する場合と比較して、第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２と第１及び第２セパレータ２３，２４との電気的な接続を適正に行うことができる。これにより、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、集電効率が向上する。また、第２接触部３０による両セパレータ２３，２４の損傷を防止することもできる。

　（３）図１２に示すように、リング部２７の半リング部Ｒ１には、変形し易い第１変形許容部Ｆ１が設けられ、リング部２７の半リング部Ｒ２には、変形し難い第２変形許容部Ｆ２が設けられている。また、ラスカットメタル２５の第１及び第２接触部２９，３０には、第１及び第２平面部２９ａ、３０ａが形成されている。第１及び第２平面部２９ａ、３０ａは、ラスカットメタル２５の両面を圧縮ローラ４６，４７を用いて圧縮することにより形成されている。更に、第１平面部２９ａの幅Ｗ１は、第２平面部３０ａの幅Ｗ２よりも広く設定されている。このため、圧縮ローラ４６，４７を用いるにもかかわらず、第１平面部２９ａの幅Ｗ１とは無関係に、第２平面部３０ａの幅Ｗ２を適正な幅に設定することができる。従って、第２平面部３０ａの幅Ｗ２を、セパレータ２３の内面を損傷しない程度に設定することができ、また、セパレータ２３の外面と第２平面部３０ａとの間の通電面積を適正に保持することができる。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、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することができる。よって、ガス流路に供給されるガスの圧力損失が低減され、発電効率が適正に保持される。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の幅Ｗ２を第１平面部２９ａの幅Ｗ１と同じに設定すると、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小さくなる。

　（４）プレス装置として、図１３に示すような一対のローラ４６，４７を用いることにより、ラスメタル２５の第１，第２接触部２９，３０に対し平面部２９ａ，３０ａを容易に形成することができる。

　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、リング部２７の第１傾斜板部２７ｂ、及び第２傾斜板部２７ｄをそれぞれ円弧状に形成してもよい。即ち、リング部２７全体を滑らかな形状に形成してもよい。

　・図７に示す第１剪断型３３を、剪断刃３３ｄを有する本体と、凸部３３ｂ及び凹部３３ｃを有する剪断板とに分割してもよい。この場合、第１剪断型３３の剪断板は、第２剪断型３４と対応する位置に設けられる。また、この場合、第１剪断型３３の本体が所定の位置に固定され、剪断板は水平方向に往復移動可能に形成される。

　・本実施形態において、半リング部Ｒ１，Ｒ２を形成するため、第１剪断型３３及び第２剪断型３４を、第２剪断型３４の凸部及び凹部３４ａ，３４ｂのピッチの半分の距離だけ左又は右にオフセットした位置に移動させていたが、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を千鳥配置に形成しなくてもよい。

　・平板状のプレス板を用いるプレス機により、第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２に第１及び第２平面部２９ａ，３０ａを形成してもよい。
　・第１及び第２ガス流路形成部材２１，２２の材料として、ステンレス板以外に、例えば、アルミニウム、銅等の導電性を有する金属板を用いてもよい。

Claims

電極構造体の電極層に形成されたガス拡散層と、前記ガス拡散層とセパレータとの間に介在され、燃料ガス又は酸化剤ガスを供給するためのガス流路を有するガス流路形成部材とを備え、前記ガス流路により前記電極層に前記燃料ガス又は酸化剤ガスが供給されて、前記電極層での電極反応により発電するように構成された発電セル用ガス流路形成部材において、
　前記ガス流路形成部材は、貫通孔を有する複数のリング部を金属薄板に網目状に形成してなるラスカットメタルからなり、前記リング部において前記ガス拡散層の表面と接触する第１接触部には第１平面部が形成され、前記リング部において前記セパレータの裏面と接触する第２接触部には第２平面部が形成され、前記第１平面部のガス流路方向の幅は、前記第２平面部のガス流路方向の幅よりも広く設定されていることを特徴とする発電セル用ガス流路形成部材。
請求項１記載のガス流路形成部材において、
　前記複数のリング部を連結する連結板部を備え、
　前記リング部には、前記ガス拡散層に面する第１半リング部が設けられ、
　前記第１半リング部は、前記連結板部に連結された一対の第１側板部と、前記各第１側板部の端部に一体に連結された一対の第１傾斜板部と、前記両第１傾斜板部に対しそれらを架橋するように一体に連結された第１平板部とを備え、前記第１平板部は、前記ガス拡散層と接触する第１接触部を備え、前記第１接触部には前記第１平面部が成形され、
　前記リング部には、前記セパレータに面する第２半リング部が設けられ、
　前記第２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、前記各第２傾斜板部の端部に一体に連結され、かつ平行に配置された一対の第２側板部と、前記両第２側板部に対しそれらを架橋するように一体に連結された第２平板部とを備え、前記第２平板部は、前記セパレータと接触する第２接触部を備え、前記第２接触部には前記第２平面部が成形されていることを特徴とする発電用ガス流路形成部材。
請求項１又は２記載の発電セル用ガス流路形成部材の製造方法において、
　複数の第１凹部と第１凸部とが交互に所定のピッチで形成された第１剪断型と、前記第１凹部に対応する第２凸部と前記第１凸部に対応する第２凹部とが交互に所定のピッチで複数箇所に形成された第２剪断型とを用いて、前記金属薄板の端部の複数箇所に対し前記ガス拡散層に面する第１半リング部と前記セパレータに面する第２半リング部とを交互に形成する第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し、前記金属薄板の複数箇所に対し第１半リング部と第２半リング部とを交互に形成する第２の工程と、
　前記第１及び第２の工程と同様の工程を交互に繰り返すことにより、前記金属薄板の送り方向に沿って隣接する前記第１半リング部と前記第２半リング部とによって、貫通孔を有する複数のリング部を前記金属薄板に網目状に形成してラスカットメタルを得る第３の工程と、
　第３の工程後、前記ラスカットメタルの両面を同時にプレスして、前記第１半リング部の第１接触部に第１平面部を形成し、前記第２半リング部の第２接触部に第２平面部を形成する第４の工程であって、前記第１平面部のガスの流路方向の幅は、前記第２平面部のガスの流路方向の幅よりも小さく設定されている第４の工程と
　を備えることを特徴とする発電セル用ガス流路形成部材の製造方法。
請求項３記載の発電セル用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、
　前記第１剪断型と、前記第２剪断型と、前記複数のリング部が千鳥配置されたラスカットメタルをその厚さ方向にプレス成形するプレス装置とを備え、
　前記ラスカットメタルは、前記第１及び前記第２剪断型を前記金属薄板の厚み方向と前記金属薄板の送り方向に直交する方向とにそれぞれ往復動させ、前記第１凹部と第２凸部及び前記第１凸部と第２凹部をそれぞれ噛み合わせ、前記金属薄板に対し所定のピッチで複数の切れ目を入れてから前記金属薄板を曲げ伸ばすことにより形成され、
　前記第１凸部及び前記第１凹部の形状、及び前記第２凹部及び前記第２凸部の形状は、前記第１半リング部及び前記第２半リング部の押圧時の変形量を相違させて前記両半リング部をプレスするように設定されていることを特徴とする成形装置。
請求項４記載の発電セル用ガス流路形成部材の製造方法に用いる成形装置において、
　前記第１剪断型の第１凸部、及び第２剪断型の第２凹部は、前記第１半リング部を構成する一対の第１側板を成形する成形面と、前記両第１側板に連結された一対の第１傾斜板部を成形する成形面と、前記両第１傾斜板部に対しそれらを架橋するように連結された第１平板部を成形する成形面とを備え、
　前記第１剪断型の第１凹部、及び第２剪断型の第２凸部は、前記第２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側板部を成形する成形面と、前記第２側板部に対しそれらを架橋するように連結された第２平板部を成形する成形面とを備えていることを特徴とする成形装置。