(57)【要約】【課題】膜電極接合体３をガス流路構成材２０Ａと平板状セパレータ本体２７との２部材からなるセパレータ２８で挟持してなる燃料電池セル３０において、ガス流路構成材２０Ａに起因して膜電極接合体側３、特に拡散層２ｂに損傷が生じるのを抑制する。【解決手段】ガス流路構成材２０Ａは金属薄板Ｓから形成されたエキスパンドメタルであり、エキスパンドメタルが膜電極接合体３と接する部分には、膜電極接合体３との接触面積を大きくするための面方向に展開加工された領域５０を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルで用いる前記ガス流路構成材であって、
前記ガス流路構成材は金属薄板から形成された厚さ方向に開口する多数の開口部を備えたエキスパンドメタルであり、該エキスパンドメタルが膜電極接合体と接する部分には、膜電極接合体との接触面積を大きくするための面方向に展開加工された領域が形成されていることを特徴とするガス流路構成材。
【請求項２】
請求項１に記載のガス流路構成材であって、前記エキスパンドメタルに形成した前記開口部は、所定の間隔をおいてＹ軸方向に形成された複数個の開口部がＹ軸方向に直交するＸ軸方向に所定の距離をおいて互いに千鳥状をなすようにして多段に形成されており、すべての開口部の一方側に位置する金属薄板領域は同じ形状の凹陥部となっており、すべての開口部の下端縁は第１の同一仮想平面内に位置しており、すべての開口部の上端縁は前記第１の仮想平面に平行な第２の同一仮想平面内に位置しており、さらに、前記面方向に展開加工された領域は、前記凹陥部の前記開口部側の一部を面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領域であることを特徴とするガス流路構成材。
【請求項３】
膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材は請求項１または２に記載のガス流路構成材であり、該ガス流路構成材が前記面方向に展開加工された領域または前記長さの長い平板領域側を膜電極接合体側として膜電極接合体と平板状セパレータ本体との間に配置されていることを特徴とする燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルで用いられるガス流路構成材と、そのガス流路構成材を備えた燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の１つとして固体高分子形燃料電池が知られている。図４は、その一例を示す断面図であり、電解質膜１の両面に触媒層２ａと拡散層２ｂとがこの順で積層した電極層２を備えた膜電極接合体３が形成され、その両側をガス流路４を有するセパレータ５、５で挟持することで、１つの燃料電池セルとされている。多くの場合、セパレータ５は金属薄板を板金加工して作られる。セパレータを一枚の金属薄板で作るのではなく、金属薄板から形成したエキスパンドメタルと通称されるガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材で構成することも知られており、その場合、ガス流路構成材側を膜電極接合体の電極層側に接するようにして組み付けることで、１つの燃料電池セルとされる（特許文献１および２等参照）。このようなエキスパンドメタル型のガス流路構成材を用いることにより、燃料ガスあるいは酸化ガスの流通効率を向上させることができる。
【０００３】
従来のセパレータ用のガス流路構成材としてのエキスパンドメタルは、基本的に、図５のようにして製造されている。すなわち、図５（ａ）に示すように、元板である金属薄板Ｓを送りローラ１０，１０によって上刃体１１および下刃体１３からなる刃型に送る。下刃体１３は固定であり、上刃体１１は下刃体１３の前縁に沿って上下動する。図５（ｂ）に示すように、上刃体１１の厚さはａであり、下部に横幅ｂ、上下高さｃである複数個（図では２個）の凸部１２を持つ。
【０００４】
金属薄板Ｓを上刃体１１の厚さａ分だけ下刃体１３の前縁から前方に送り出し、上刃体１１を前記凸部１２の上下高さｃだけ下方に押し下げる。それにより、金属薄板Ｓには前記凸部１２の領域において延伸加工が施され、前後方向の幅ａ、横幅ｂ，深さｃである前記凸部１２の形状に対応した凹陥部２１（図６も参照）が、前記凸部１２の数だけ形成される。上刃体１１を上昇して元の位置に戻した後、所定距離ｓだけ横方向（図で紙面に垂直な方向）に移動させ、また金属薄板Ｓを距離ａだけ前進させた後、再び、上刃体１１を下降させる。以下、その工程を必要な回数だけ繰り返す。
【０００５】
そのようにして形成されたガス流路構成材（エキスパンドメタル）２０の一例を図６に示す。図示のように、ガス流路構成材（エキスパンドメタル）２０は、所定の間隔ｓをおいてＹ軸方向に複数個の開口部２５を有しており、該開口部２５はさらにＹ軸方向に直交するＸ軸方向に所定の距離ａ（前記した上刃体１１の厚さａに相当する）をおいて互いに千鳥状をなすようにして多段に形成されている。そして、前記すべての開口部２５の一方側（図６で手前側）に位置する金属薄板領域は同じ形状の凹陥部２１（前記した押圧加工に用いた押圧加工の凸部１２の形状に対応する凹陥部）となっており、それにより、図７に示すように、すべての開口部２５の下端縁２２は第１の仮想平面Ｐ１内に位置し、すべての開口部２５の上端縁２３は前記第１の仮想平面Ｐ１に平行な第２の仮想平面Ｐ２内に位置するようになる。
【０００６】
図７は、このようにして作られたガス流路構成材２０を用いて燃料電池セル３０とした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図であり、ガス流路構成材２０と平板状セパレータ本体２７との２部材でセパレータ２８とされている。ガス流路構成材２０の前記開口部２５の下縁部２２が位置する仮想平面Ｐ１側を、膜電極接合体３の電極層２における拡散層２ｂに接するようにして、またガス流路構成材２０の反対側、すなわち前記開口部２５の上縁部２３が位置する仮想平面Ｐ２側に平板状セパレータ本体２７が位置するようにして組み付け、圧締することにより燃料電池セル３０となっている。
【０００７】
この燃料電池セル３０では、ガス流路構成材２０で形成される厚さＰの空間がガス流路となり、反応ガス（燃料ガスおよび酸化ガス）はガス流路構成材２０の壁面に当たって拡散しながら入口側から出口側に流れるので、反応ガスは電極層２の拡散層２ｂ面上にほぼ均一な分布に拡散するようになり、反応ガスの流通効率が向上する。
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３１０６３３号公報
【特許文献２】特開２００７−２５０２９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記したガス流路構成材２０をガス流路構成材として用いる形態の燃料電池セル３０においては、図７に示すように、ガス流路構成材２０を製造するときにできた開口部２５の下縁部２２部分が電極層２の拡散層２ｂと接する部分となる。前記下端縁２２は、押圧加工に用いた押圧加工の凸部１２の形状に依存する凹陥部２１の下端縁であり、従来のガス流路構成材２０では、その接触面積は比較的小さい。そのために、燃料電池セル３０とするとき、さらにはその他数枚を積層してスタックとするときに圧締を行うと、拡散層２ｂに前記下端縁２２の部分から集中した応力が作用し、場合によっては、突き刺さりが発生して、拡散層２ｂに損傷（ダメージ）を与える恐れがあった。拡散層が破損した場合、拡散層内部の排水性を長期にわたり維持できなくなることや、ガス流路構成材２０の一部が拡散層内部に埋設することでガス流路の流路断面積の設計値が保証できなくなる等の不都合が生じることから、圧締に慎重な作業を必要としている。
【００１０】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃料ガスおよび酸化ガスの流通効率を向上させるために、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルにおいて、ガス流路構成材に起因して膜電極接合体側、特に拡散層に損傷が生じるのを抑制することのできるガス流路構成材を提供することを課題とする。また、それを用いた燃料電池セルを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によるガス流路構成材は、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルで用いるガス流路構成材であって、全体として金属薄板から形成された厚さ方向に開口する多数の開口部を備えたエキスパンドメタルであり、そのエキスパンドメタルが膜電極接合体と接する部分には、膜電極接合体との接触面積を大きくするための面方向に展開加工された領域が形成されていることを特徴とする。
【００１２】
より好ましくは、前記ガス流路構成材であるエキスパンドメタルに形成した前記開口部は、所定の間隔をおいてＹ軸方向に形成された複数個の開口部がＹ軸方向に直交するＸ軸方向に所定の距離をおいて互いに千鳥状をなすようにして多段に形成されており、すべての開口部の一方側に位置する金属薄板領域は同じ形状の凹陥部となっており、すべての開口部の下端縁は第１の同一仮想平面内に位置しており、すべての開口部の上端縁は前記第１の仮想平面に平行な第２の同一仮想平面内に位置しており、さらに、前記面方向に展開加工された領域は、前記凹陥部の前記開口部側の一部を面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領域であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明による燃料電池セルは、膜電極接合体をガス流路構成材と平板状セパレータ本体との２部材からなるセパレータで挟持してなる燃料電池セルであって、前記ガス流路構成材は前記したガス流路構成材であり、前記長さの長い平板領域側を膜電極接合体側として膜電極接合体と平板状セパレータ本体との間に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
本発明によるガス流路構成材を備えた燃料電池セルでは、ガス流路構成材が膜電極接合体と接する個所は、ガス流路構成材に形成した前記面方向に展開加工された領域、または前記凹陥部の前記開口部側の一部を面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領となる。そのために、従来のエキスパンドメタルによるガス流路構成材と比較して、電極層の拡散層と接する部分の面積が大きくなり、圧締時等に、圧膜電極接合体、特に拡散層に損傷が生じるのを効果的に回避することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池セルにおいて、ガス流路構成材に起因して膜電極接合体側に損傷が生じるのを大きく低減することができ、それにより、長寿命でありかつ高い発電効率を備えた燃料電池セルが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１（ａ）は本発明によるガス流路構成材を製造する方法の一例を製造装置と共に説明する図であり、図１（ｂ）はそこで用いる刃型の一例を示している。図２は本発明によるガス流路構成材を用いて燃料電池セルとした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図であり、図３は本発明によるガス流路構成材を斜め上から見た斜視図（図３（ａ））と、正面から見た図（図３（ｂ））である。
【００１７】
本発明によるガス流路構成材２０Ａを製造する製造装置および製造方法は、上刃体４０の構成を除いて、前記図５に基づき説明したものと同じであってよい。また、本発明によるガス流路構成材２０Ａは、後に説明する膜電極接合体との接触面積を大きくするための面方向に展開加工された領域５０が形成されていることを除いて、他の構成は図６に示したガス流路構成材（エキスパンドメタル）２０と同じであってよい。従って、図１〜図３において、図５〜図７に示したものと同じ部材には同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００１８】
図１（ａ）に示す装置で用いる上刃体４０は厚さａであり、その下部に、図１（ｂ）に示すように、横幅ｂ、上下高さｃである複数個（図では２個のみが示される）の凸部４１を持つ。該凸部４１は、後方すなわち金属薄板Ｓの送り出し後方側に位置する第１の凸部４２と、第１の凸部４２の前方側に並置する第２の凸部４３とからなる。第１の凸部４２は、厚さｄ（＜厚さａ）、横幅ｂ、上下高さｃの直方体であり、第２の凸部４３は、厚さｅ（＝厚さａ−厚さｄ）、上下高さｃの下狭まりの台形形状であって、第１の凸部４２と第２の凸部４３の双方の下端面４４は同一平面内に位置している。下刃体１３は平坦な上面１４を持ち、その平面１４と第１の凸部４２と第２の凸部４３の双方の下端面４４は互いに並行である。前記第１の凸部４２と第２１の凸部４３は図示のように一体のものでもよく、別体のものを並置して構成してもよい。
【００１９】
上刃体４０が上昇位置にあるときに、元板である金属薄板Ｓを、送りローラ１０，１０によって、下刃体１３の先端から距離ａ（すなわち、刃体の厚さａ分）だけ前方に送り出す。その位置で、上刃体４０をその凸部４１の全体が下刃体１３の上面１４より下方となる下降位置まで移動させる。それにより、金属薄板Ｓは凸部４１が当接する領域では下方に向けて延伸され、かつ一部破断される。それにより、その領域は凸部４１の外形形状に沿った形状となると共に、上下方向に開いた開口が形成される。
【００２０】
上刃体４０を上昇位置とし、金属薄板Ｓを再度距離ａだけ前進させる。同時に、上刃体４０を横方向（図で紙面に垂直な方向）に所定距離ｓだけ移動させ、その後、上刃体４０を前回と同じ下降位置まで下降させる。以下、その工程を必要な回数だけ繰り返す。
【００２１】
そのようにして形成されたガス流路構成材（エキスパンドメタル）２０Ａの一例が図３に示される。図示のように、ガス流路構成材２０Ａは、厚さ方向に開口する多数の開口部２５を備えると共に、各開口部２５の下端部には、上刃体４０の凸部４１における第１の凸部４２の形状に起因する面方向に展開加工された領域５０が形成されている。
【００２２】
より詳細には、このガス流路構成材（エキスパンドメタル）２０Ａは、所定の間隔ｓをおいてＹ軸方向に形成された複数個の開口部２５・・がＹ軸方向に直交するＸ軸方向に所定の距離ａ（前記した上刃体４０の厚さａに相当する）をおいて互いに千鳥状をなすようにして多段に形成されており、すべての開口部２５の一方側（図６（ａ）で手前側）に位置する金属薄板領域は、刃型の凸部４１の形状と同じ形状の凹陥部２１Ａとなっている。そして、図２に示すように、すべての開口部２５の下端縁２２は第１の同一仮想平面Ｐ１内に位置し、すべての開口部２５の上端縁２３は前記第１の仮想平面Ｐ１に平行な第２の同一仮想平面Ｐ２内に位置している。
【００２３】
さらに、前記凹陥部２１Ａの一部は、前記刃型の凸部４１の形状に起因して、前記開口部２５側の一部が面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領域５０とされ、該平板領域５０の開口部２５側の縁部５１が前記開口部２５の下端縁２２を形成する形状になる。
【００２４】
すなわち、図３（ａ），（ｂ）に示すように、前記凹陥部２１Ａは、上刃体４０の凸部４１を構成する直方体状である第１の凸部４２（の下端面４４）によって形成された前記長さの長い平板領域５０と、下狭まりの台形形状である第２の凸部４３によって形成された下狭まりの凹陥部２２の２つの部分から構成される。
【００２５】
図２は、このようにして作られたガス流路構成材２０Ａを用いて燃料電池セル３０とした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図であり、上記したエキスパンドメタルであるガス流路構成材２０Ａと平板状セパレータ本体２７との２部材でセパレータ２８とされている。ガス流路構成材２０Ａの前記開口部２５の下縁部２２側、すなわち、前記凹陥部２１Ａに形成された長さの長い平板領域５０が位置する仮想平面Ｐ１側を、膜電極接合体３の電極層２における拡散層２ｂに接するようにして、またガス流路構成材２０の反対側、すなわち前記開口部２５の上縁部２３が位置する仮想平面Ｐ２側に平板状セパレータ本体２７が位置するようにして組み付け、圧締することにより燃料電池セル３０となっている。
【００２６】
この燃料電池セル３０では、図７において説明したと同様、ガス流路構成材２０Ａで形成される厚さＰの空間がガス流路となり、反応ガスはガス流路構成材２０Ａの壁面に当たって拡散しながら入口側から出口側に流れるので、電極層２の拡散層２ｂ面上にほぼ均一な分布に拡散するようになり、燃料ガスおよび酸化ガスの流通効率が向上する。
【００２７】
さらに、本発明によるガス流路構成材２０Ａを備えた燃料電池セル３０では、ガス流路構成材２０Ａであるエキスパンドメタルが膜電極接合体３と接する個所は、ガス流路構成材２０Ａに形成した前記面方向に展開加工された領域５０、すなわち、凹陥部２１Ａにおける開口部２５側の一部を面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領域５０の外側縁５１となる。そのために、従来のエキスパンドメタルによるガス流路構成材と比較して、電極層２の拡散層２ｂと接する部分の面積を大きくすることができ、圧締時等に、圧膜電極接合体３、特に拡散層２ｂに損傷が生じるのを効果的に回避することができる。
【００２８】
なお、本発明によるガス流路構成材２０Ａを構成するエキスパンドメタルは、上記した方法以外の方法で作ることもできる。例えば、従来法によって図６に示すように長さの長い平板領域５０を備えないエキスパンドメタルを作り、次の工程で長さの長い平板領域５０を形成する加工を行ってもよい。図１に説明したように１回の工程で、凹陥部２１Ａと長さの長い平板領域５０とを同時成形する場合には、上刃体４０における前記第１の凸部４２の外周縁に尖鋭な切断刃を設けることが好ましい。
【００２９】
さらに、本発明によるガス流路構成材は、全体として金属薄板から形成された厚さ方向に開口する多数の開口部を備えたエキスパンドメタルであって、燃料電池セルを作成するときに、膜電極接合体と接する部分に、膜電極接合体との接触面積を大きくするための面方向に展開加工された領域が形成されていることを条件に、他の構成は任意である。面方向に展開加工された領域が、凹陥部２１Ａにおける開口部２５側の一部を面方向に展開することにより形成された長さの長い平板領域５０であることも、一つの例であって、これに限らない。平板領域５０の長さは、開口部２５の横幅程度であることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１（ａ）は本発明によるガス流路構成材を製造する方法の一例を製造装置と共に説明する図、図１（ｂ）はそこで用いる刃型の一例を説明する図。
【図２】本発明によるガス流路構成材を用いて燃料電池セルとした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図。
【図３】本発明によるガス流路構成材を斜め上から見た斜視図（図３（ａ））と正面から見た図（図３（ｂ））。
【図４】固体高分子型燃料電池の一例を説明するための図。
【図５】従来のガス流路構成材を構成するエキスパンドメタルの製造工程を説明するための図。
【図６】従来のガス流路構成材を構成するエキスパンドメタルを示す斜視図。
【図７】従来のガス流路構成材を用いて燃料電池セルとした場合のセパレータ部分を中心にして示す断面図。
【符号の説明】
【００３１】
１…電解質膜、２…電極層、２ａ…触媒層、２ｂ…拡散層、３…膜電極接合体、Ｓ…金属薄板、１０…送りローラ、４０…上刃体、４１…上刃体部の凸部、４２…第１の凸部、４３…第２の凸部、１３…下刃体、２０Ａ…ガス流路構成材（エキスパンドメタル）、２１Ａ…凹陥部、２２…開口部の下端縁、２３…開口部の上端縁、２５…開口部、２７…平板状セパレータ本体、２８…セパレータ、３０…燃料電池セル、５０…面方向に展開加工された領域（長さの長い平板領域）、５１…長さの長い平板領域の開口部側の縁部
【図１】
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【図２】
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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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