(57)【要約】【課題】セルのガス流路におけるガスの圧損を低下させる。【解決手段】エキスパンドメタル２８の、メッシュを構成するストランド部ＳＴに形成された刻み幅の狭小部ＳＴＮによって、セル構成部材間に、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路１６Ｓが形成される。しかも、エキスパンドメタル２２の、ストランド部ＳＴの刻み幅の狭小部ＳＴＮが、エキスパンドメタルに２２隣接するセパレータ１８と、ストランド部ＳＴとが離間する位置に設けられていることにより、エキスパンドメタル２２に隣接するセパレータ１８の表面に沿って、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路１６Ｓが形成される。よって、直線状のガス流路１６Ｓを、ガス流ＧＦは揺動することなく直線状に流れる。その結果として、セル１０のガス流路１６におけるガスの圧損を低下させることが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、
前記エキスパンドメタルの、メッシュを構成するストランド部に、刻み幅の狭小部が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ストランド部の刻み幅の狭小部は、前記エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材と、前記ストランド部とが離間する位置に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
燃料電池セルの構成部材間に配置されガス流路を形成するエキスパンドメタルの製造装置であって、
材料送り手段と、該材料送り手段により送り込まれる平板材料に対し千鳥状に並ぶ切込みを複数成形し、各切込みを押し広げて所定形状のメッシュを成形するための金型とを備え、
該金型は下刃及び上刃を含み、該下刃及び上刃の開閉方向対向面には、前記所定形状のメッシュを成形するための第１の凹凸対と、前記所定形状のメッシュのストランド部を打抜き、刻み幅の狭小部を成形するための第２の凹凸対とが設けられていることを特徴とする燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
【請求項４】
前記第１の凹凸対は、材料送り方向視で台形ないし三角形をなし、前記第２の凹凸対は、材料送り方向視で、前記第１の凹凸対の台形ないし三角形の傾斜部に、前記第１の凹凸対の頂点部分よりも凹凸量が大きく、かつ、前記第１の凹凸対の材料送り方向上流側面に沿って、前記第１の凹凸対の材料送り方向の幅よりも狭く形成されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池及び燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、図６に示されるように、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、セル（単セル）１０が構成され、なおかつ、セル１０が複数枚積層された燃料電池スタック１１を構成することで、必要な電圧が確保されるものである。セル１０の構造例としては、図７に示されるように、膜電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった形態を、膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion Layer Assembly）と称することもある。
そして、図７のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタルが用いられる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−８７７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、例えば、図８、図９に示されるような亀甲形のメッシュ２２が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が形成されるという製造手順（後述する）に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。
【０００５】
このエキスパンドメタル２０の製造装置は、図１０に示されるように、下刃３８及び上刃４０を含む金型を備えている。下刃３８、上刃４０は、いずれもＴＤ方向（ＦＤ方向と直交する方向）にシフトし、かつ上刃４０はＷＤ方向（上下方向）に昇降するものである。又、上刃４０の下面には、図示の例では台形状の凸部４０ａがＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、下刃３８の上面には、上刃４０の台形状の凸部４０ａと噛合うように一定間隔を空けて、台形状の凹部３８ａが形成されている。
【０００６】
そして、平板材料４２は、ローラ４１等を備えた材料送り手段によって、所定の刻み幅Ｗで金型へと送り込まれ、この平板材料４２の送り込みのタイミングに合わせて、上刃４０及び下刃３８が開閉する。この際、上刃４０の台形状の凸部４０ａと、下刃３８の台形状の凹部３８ａとによって、平板材料４２は一定間隔に部分的にせん断され、下方向に突出する台形状の切り起しが形成される。
【０００７】
そして、上刃４０の上昇の都度、上刃４０及び下刃３８がＴＤ方向にシフトすることで、台形状の切起こしが千鳥状に一段づつ成形され、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２０’が形成されるものである。
その後、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２０’が、図１１に示される圧延ローラ４３によって圧延されることにより、必要な全厚Ｄ（図５（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２０が成形される。
【０００８】
このようにして成形されるエキスパンドメタル２０は、図７、図８に示されたセル１０において、メッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間に傾斜面を構成するようにして配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、空間２４が千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは図９に示されるように、ＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool  Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れとなる。
【０００９】
このように、ガス流路１６のガス流ＧＦが、図９に示されるような非常に細かなターンを繰り返すことに起因して、ガス流路１６におけるガスの圧損は自ずと高くなる。このため、必要なガス流を確保するために、エアコンプレッサーや水素循環ポンプ等に求められる性能値も必然的に高くなり、これら補機の大型化、ひいては燃料電池システムの大型化を来たすこととなる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セルのガス流路におけるガスの圧損を低下させることを可能とし、ガス流量を適宜増大させて、燃料電池システムの小型化、出力向上、電圧安定性の確保等を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、エキスパンドメタルのメッシュ形状を工夫することで、セル構成部材間を、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと流れるガスの圧損を低下させるものである。
又、本発明の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、セル構成部材間を、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと流れるガスの圧損を低下させることが可能なメッシュ形状を有する、エキスパンドメタルの製造を可能とするものである。
（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【００１１】
（１）セル構成部材間に配置されたエキスパンドメタルによりガス流路が形成されたセル構造を有する燃料電池であって、前記エキスパンドメタルの、メッシュを構成するストランド部に、刻み幅の狭小部が形成されている燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルの、メッシュを構成するストランド部に形成された刻み幅の狭小部によって、セル構成部材間に、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路が形成されるものである。
【００１２】
（２）上記（１）項において、前記ストランド部の刻み幅の狭小部は、前記エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材と、前記ストランド部とが離間する位置に設けられている燃料電池（請求項１）。
本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルの、ストランド部の刻み幅の狭小部が、エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材と、ストランド部とが離間する位置に設けられていることにより、エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材の表面に沿って、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路が形成されるものである。
【００１３】
（３）燃料電池セルの構成部材間に配置されガス流路を形成するエキスパンドメタルの製造装置であって、材料送り手段と、該材料送り手段により送り込まれる平板材料に対し千鳥状に並ぶ切込みを複数成形し、各切込みを押し広げて所定形状のメッシュを成形するための金型とを備え、該金型は下刃及び上刃を含み、該下刃及び上刃の開閉方向対向面には、前記所定形状のメッシュを成形するための第１の凹凸対と、前記所定形状のメッシュのストランド部を打抜き、刻み幅の狭小部を成形するための第２の凹凸対とが設けられている燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置（請求項３）。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、金型の下刃及び上刃の開閉方向対向面に設けられた第１の凹凸対によって、所定形状のメッシュを成形し、なおかつ、第２の凹凸対によって、所定形状のメッシュのストランド部を打抜き、刻み幅の狭小部を成形する。
このようにして成形されたエキスパンドメタルが、セル構成部材間に配置されると、ストランド部に形成された刻み幅の狭小部によって、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路が形成されるものである。
【００１４】
（４）上記（３）項において、前記第１の凹凸対は、材料送り方向視で台形ないし三角形をなし、前記第２の凹凸対は、材料送り方向視で、前記第１の凹凸対の台形ないし三角形の傾斜部に、前記第１の凹凸対の頂点部分よりも凹凸量が大きく、かつ、前記第１の凹凸対の材料送り方向上流側面に沿って、前記第１の凹凸対の材料送り方向の幅よりも狭く形成されている燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置（請求項４）。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、材料送り方向視で台形ないし三角形をなす第１の凹凸対によって、平板材料に亀甲形ないし菱形のメッシュを成形する。又、これと同一工程において、材料送り方向視で、第１の凹凸対の台形ないし三角形の傾斜部に、第１の凹凸対の頂点部分よりも凹凸量が大きく、かつ、第１の凹凸対の材料送り方向上流側面に沿って、第１の凹凸対の材料送り方向の幅よりも狭く形成されている第２の凹凸対によって、メッシュのストランド部を打抜き、刻み幅の狭小部を成形するものである。
このようにして成形されたエキスパンドメタルが、セル構成部材間に配置されると、ストランド部の刻み幅の狭小部が、エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材と、ストランド部とが離間する位置に設けられていることにより、エキスパンドメタルに隣接する他のセル構成部材の表面に沿って、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路が形成されるものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明はこのように構成したので、セルのガス流路におけるガスの圧損を低下させることが可能となり、ガス流量を適宜増大させて、燃料電池システムの小型化、出力向上、電圧安定性の確保等を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、予め、図５を参照しながらエキスパンドメタルの各部名称を明らかにする。エキスパンドメタルは、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図９、図５（ｃ）参照）や、図５（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。そして、メッシュの交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図５には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図５（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。
【００１７】
さて、本発明の実施の形態に係るセル燃料電池は、ガス流路の形成部材としてエキスパンドメタルが用いられており、このエキスパンドメタルは、図１及び図２に概略的に示されるような構造的特徴を備えている。すなわち、エキスパンドメタル２８の、メッシュを構成するストランド部ＳＴに、刻み幅Ｗの狭小部ＳＴＮが形成されている。又、ストランド部の刻み幅の狭小部ＳＴＮは、エキスパンドメタル２８に隣接する他のセル構成部材、図示の例ではセパレータ１８と、エキスパンドメタル２８のストランド部ＳＴとが離間し、セパレータ１８の表面に沿って、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路１６Ｓが形成される位置に設けられることが望ましい。
図１（ｂ）及び図２には、ストランド部の狭小部ＳＴＮの刻み幅ＷＰＡが示されているが、この値は、メッシュ２８の強度、必要とされるガス流量、後述する金型強度等を勘案して、適宜設定されるものであり、図示の例ではＷＰＡ＝１／２Ｗ（Ｗ：狭小部以外の刻み幅）となっている。又、図示の例ではストランド部の狭小部ＳＴＮはストランド部の全長に渡って形成されているが、同様に、メッシュ２８の強度、必要とされるガス流量、後述する金型強度等を勘案して、適宜設定されるものである。
【００１８】
続いて、図３、図４を参照しながら、本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタル２８の製造装置の説明をする。
エキスパンドメタル２８の製造装置は、従来（図１０参照）と同様に、下刃３８及び上刃４０を含む金型を備えている。そして、下刃３８及び上刃４０の開閉方向対向面には、メッシュ２２を成形するための凹部３８ｂ、凸部４０ｂからなる第１の凹凸対と、メッシュ２２のストランド部ＳＴを打抜き、刻み幅の狭小部ＳＴＮを成形するための凹部３８ｃ、凸部４０ｃからなる第２の凹凸対とが設けられている。ここで、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂは、図示の例ではＦＤ方向視で台形をなし、第２の凹凸対３８ｃ、４０ｃは、ＦＤ方向視で、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂの台形の傾斜部に、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂの頂点部分よりも凹凸量が大きく、かつ、第１の凹凸対３８ｂのＦＤ方向上流側面に沿って、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂのＦＤ方向の幅よりも狭く形成されている。
【００１９】
そして、金型の下刃３８及び上刃４０の開閉方向対向面に設けられた第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂによって、メッシュ２２を成形し、なおかつ、第２の凹凸対３８ｃ、４０ｃによって、メッシュ２２のストランド部ＳＴを打抜き、刻み幅の狭小部ＳＴＮを成形するものである。
その後、従来と同様に、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２８’が、図１１に示される圧延ローラ４３によって圧延されることにより、必要な全厚Ｄ（図５（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２０が成形される。
【００２０】
なお、図４（ａ）には、本発明の実施の形態に係る金型の下刃３８及び上刃４０が立体的に立体的に示され、図４（ｂ）には、比較対照として従来の金型（図１０参照）の下刃３８及び上刃４０が立体的に示されている。この図からも明らかなように、本発明の実施の形態に係る第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂは、従来の凹凸対３８ａ、４０ａとＦＤ方向視で同一形状を有しており、ＦＤ方向の厚みの一部が第２の凹凸対３８ｃ、４０ｃに置き換えられた形状となっている。
又、図３、図４の例は、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂが台形をなすことで、亀甲形のメッシュ２２が成形されるが、菱形のメッシュ２６（図５（ａ））を成形する場合には、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂを三角形に構成する。
【００２１】
上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。まず、本発明の実施の形態に係る燃料電池は、エキスパンドメタル２８の、メッシュ２２（２６）を構成するストランド部ＳＴに形成された刻み幅の狭小部ＳＴＮによって、セル構成部材間に、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路１６Ｓが形成されるものである。しかも、エキスパンドメタル２２（２６）の、ストランド部ＳＴの刻み幅の狭小部ＳＴＮが、エキスパンドメタルに２２（２６）隣接するセパレータ１８と、ストランド部ＳＴとが離間する位置に設けられていることにより、エキスパンドメタル２２（２６）に隣接するセパレータ１８の表面に沿って、ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路１６Ｓが形成される。よって、直線状のガス流路１６Ｓを、ガス流ＧＦは、図２に示されるように揺動することなく直線状に流れることとなる。その結果として、セル１０のガス流路１６におけるガスの圧損を低下させることが可能となり、ガス流量を適宜増大させて、燃料電池システムの小型化、出力向上、電圧安定性の確保等を図ることが可能となる。
【００２２】
又、本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、金型の下刃３８及び上刃４０の開閉方向対向面に設けられた第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂによって、所定形状のメッシュ２２（２６）を成形し、なおかつ、第２の凹凸対３８ｃ、４０ｃによって、所定形状のメッシュのストランド部ＳＴを打抜き、刻み幅の狭小部ＳＴＮを成形することができる。
しかも、ＦＤ方向視で台形ないし三角形をなす第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂによって、平板材料４２に亀甲形ないし菱形のメッシュ２２（２６）を成形する。又、これと同一工程において、ＦＤ方向視で、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂの台形ないし三角形の傾斜部に、第１の凹凸対の頂点部分よりも凹凸量が大きく、かつ、第１の凹凸対３８ｂ、４０ｂのＦＤ方向上流側面に沿って、第１の凹凸対の材料送り方向の幅よりも狭く形成されている第２の凹凸対３８ｃ、４０ｃによって、メッシュのストランド部ＳＴを打抜き、刻み幅の狭小部ＳＴＮを成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池のセルの断面図であり、（ａ）はＦＤ方向視断面図、（ｂ）はＣ−Ｃ線断面図（ＴＤ方向視断面図）である。
【図２】図１に示されるセルのガス流路を形成するエキスパンドメタルの立体図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を構成する、金型及び材料送り手段を示す模式図であり、（ａ）はＴＤ方向視図、（ｂ）は金型のＦＤ方向視図である。
【図４】（ａ）は、図３に示される金型の下刃及び上刃を示す立体図であり、（ｂ）は、比較対照として従来の金型の下刃及び上刃を示す立体的である。
【図５】エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。
【図６】従来の燃料電池スタックの立体模式図である。
【図７】図６に示される燃料電池スタックを構成するセルの、構成部材を示す模式図である。
【図８】従来の燃料電池のセルの断面図であり、（ａ）はＦＤ方向視断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ線断面図（ＴＤ方向視断面図）である。
【図９】図８に示されるセルのガス流路を形成するエキスパンドメタルの立体図である。
【図１０】従来の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を構成する、金型及び材料送り手段を示す模式図であり、（ａ）はＴＤ方向視図、（ｂ）は金型のＦＤ方向視図である。
【図１１】従来の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を構成する、圧延ローラの模式図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０：セル、１２：ＭＥＡ、  １４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、  １６：ガス流路、１６Ｓ：ガス流路のガス流入端からガス流出端へと向う直線状のガス流路、１８：セパレータ、２２：亀甲形のメッシュ、２４：空間、２６：菱形のメッシュ、２８：エキスパンドメタル、３８：下刃、３８ａ：台形状の凹部、４０：上刃、４０ａ：台形状の凸部、４２：平板素材、ＳＴ：ストランド部、ＳＴＮ：狭小部
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図２】
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【図９】
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