(57)【要約】【課題】燃料電池において、ガス流路を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させる。【解決手段】エキスパンドメタル２８を構成するメッシュが、ガス流路１６のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、メッシュのストランド部ＳＴ又はボンド部ＢＯのセパレータ１８の表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータ１８の表面との角度が、二種類の傾斜角度θ１、θ２から構成されている。二種類の傾斜角度θ１、θ２に係るストランド部ＳＴ１、ＳＴ２又はボンド部ＢＯ１、ＢＯ２の角度を適宜設定することにより、セパレータ１８に供給されるガス量と、ガス拡散層１４に供給されるガス量とを、適切に調整することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セパレータを含む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を構成するメッシュが、前記ガス流路のガス流入端からガス流出端へ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、該メッシュのストランド部又はボンド部の前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面と、前記セパレータの表面との角度が、二種類の傾斜角度から構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、前記エキスパンドメタルの、全厚の中間部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】
前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、セパレータ及び該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材のいずれとも離間した位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度は、前記メッシュと、セパレータ又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための空間が形成される範囲に設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度は、いずれも、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、最小単位であるセル（単セル）が構成され、なおかつ、セルが複数枚積層されたスタック構造となることで、必要な電圧が確保されるものである。かかるスタック構造において、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材として、板状の部品であるセパレータが用いられている。又、セパレータは、アノード側に燃料ガスをカソード側に酸化剤を各々供給する機能、セルで発電された電気の導電機能、セル内で発生する生成水の排出を行う機能等、様々な役目を担っている。
【０００３】
さて、図８には、固体高分子型燃料電池のセル構造の一例が示されている。このセル１０は、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（アノード側/カソード側のセパレータ１８Ａ、１８Ｃ）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とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion
Layer Assembly）が用いられる例もある。
そして、図８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１０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ことで、上述の如きセパレータの機能を分担、保持している（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０８５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
そして、図８に示されたセル１０において、エキスパンドメタル２０は、図１０に示されるようにメッシュ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、図１０に斜線部で示される三角形状の空間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三角形状の空間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。
【０００６】
したがって、図１０に斜線部で示される三角形状の空間２４の断面積が、ガス流路１６
を流れるガスの流量に大きく影響することになるが、ガス流路１６を流れるガス流ＧＦの流量が過剰となると、電極において発生する生成水の排水性が低下し、ガス拡散性の悪化により濃度過電圧の増加、電圧安定性の悪化を来たすと共に、滞留する水によるカソード側のガス流路１６Ｃの流路断面積の減少により、ガス圧損の増加を招くこととなる。一方、ガス流路１６を流れるガス流ＧＦの流量が不足する場合には、ＭＥＡ１２の電解質膜が乾燥し易くなり、抵抗過電圧が大きくなってしまう。
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において、ガス流路のセパレータ近傍及びセパレータとは反対側のセル構成部材の近傍を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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と、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための空間が形成されるものであり、なおかつ、セパレータに接する側とその反対側とで、ガス流量に差を設けることにより、ガス流路を流れるガス流量の適切化を図るものである。
（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。
【０００８】
（１）セパレータを含む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を構成するメッシュが、前記ガス流路のガス流入端からガス流出端へ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、該メッシュのストランド部又はボンド部の前記セパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面と、前記セパレータの表面との角度が、二種類の傾斜角度から構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を構成するメッシュのストランド部又はボンド部のセパレータの表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータの表面との角度が、二種類の傾斜角度から構成されていることによって、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に各々形成される、ガス流路となる空間の断面積に、大小の差が生じることとなる。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材（例えばガス拡散層）に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。
【０００９】
（２）上記（１）項において、前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、前記エキスパンドメタルの、全厚の中間部に設けられている燃料電池（請求項２）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、エキスパンドメタルの、全厚の中間部に設けられているものであるが、エキスパンドメタルの「全厚」は、後述のように、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である。よって、本項に記載の燃料電池は、エキスパンドメタルにより構成されるガス流路の厚み方向中間部に、二種類の傾斜角度のストランド部又はボンド部の境界線が位置するものである。従って、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成
される。そして、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度を適宜設定することにより、ガス流路となる空間の断面積に大小の差が生じ、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。
【００１０】
（３）上記（１）、（２）項において、前記ストランド部又は前記ボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、セパレータ及び該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材のいずれとも離間した位置に設けられている燃料電池（請求項３）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の境界線が、セパレータ及び該セパレータとは反対側に位置するセル構成部材のいずれとも離間した位置に設けられている。従って、メッシュと、セパレータ又はその反対側のセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成される。そして、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度を適宜設定することにより、ガス流路となる空間の断面積に大小の差が生じ、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。
【００１１】
（４）上記（１）から（３）項において、前記ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、前記メッシュと、セパレータ又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、各々、ガス通路として機能するための空間が形成される範囲に設定されている燃料電池（請求項４）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の角度を適宜設定することにより、メッシュと、セパレータ又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、ガス流路となる空間の断面積の異なる空間が形成される。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。
【００１２】
（５）上記（１）から（４）項において、前記ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、いずれも、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されている燃料電池（請求項５）。
本項に記載の燃料電池は、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度は、いずれも、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されていることにより、ストランド部又はボンド部に係る二種類の傾斜角度の壁面は、いずれも、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材と密着することはなく、夫々の傾斜角度に応じて、メッシュと、セパレータとの間又はセパレータとは反対側に位置するセル構成部材との間に、ガス通路として機能するための、断面積の異なる空間が形成される。そして、セパレータの近傍を流れるガスの流量と、セパレータの反対側のセル構成部材の近傍を流れるガスの流量とに差が生じることで、セパレータに供給されるガス量と、セパレータの反対側のセル構成部材に供給されるガス量とを、適切に調整するものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明はこのように構成したので、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において、ガス流路のセパレータ近傍及びセパレータとは反対側のセル構成部材の近傍を流れるガス流量の適切化を図り、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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、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７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７（ｃ）参照）や、図７（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７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７（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。
【００１５】
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、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を構成するメッシュが、ガス流路１６のガス流入端ＧＦ−Ｉｎからガス流出端ＧＦ−Ｏｕｔへ向う方向に対し傾斜面をなすように配置され、なおかつ、メッシュのストランド部ＳＴ又はボンド部ＢＯのセパレータ１８の表面に対し鋭角に配置される側の表面と、セパレータ１８の表面との角度が、二種類の傾斜角度θ１、θ２から構成されているものである。
【００１６】
そして、二種類の傾斜角度θ１、θ２に係るストランド部ＳＴ１、ＳＴ２又はボンド部ＢＯ１、ＢＯ２の境界線ＢＬが、エキスパンドメタル２８の、全厚Ｄの中間部、換言すれば、セパレータ１８及びセパレータとは反対側に位置するセル構成部材（図示の例ではガス拡散層１４）のいずれとも離間した位置に設けられている。
又、メッシュを構成する二種類の傾斜角度に係るストランド部ＳＴ１、ＳＴ２又はボンド部ＢＯ１、ＢＯ２の傾斜角度θ１、θ２は、セパレータ１８との間又はガス拡散層１４との間に、各々、ガス通路として機能するための空間２４１、２４２が形成され得る範囲、具体的には、０度を超え９０度に満たない範囲に設定されている。
なお、図１、図２の例は、エキスパンドメタル２８の表裏が逆転した状態でガス流路１６Ａに配置された点にのみ違いがある。又、図１、図２の例は、いずれもアノード側のガス流路１６Ａを例示したものであるが、カソード側のガス流路１６Ｃ（図８参照）も、同様の構成とすることが可能である。
【００１７】
ここで、図３〜図５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の製造手順を説明する。以下、エキスパンドメタルが亀甲形のメッシュを有する場合について例示するが、菱形のメッシュを有する場合も同様となる。
エキスパンドメタル２８の製造金型は、図３、図５に示されるダイ３４、パッド３６、下受刃３８及び上刃４０からなる金型を備えている。上刃４０は、ＴＤ方向（ＦＤ方向と直交する方向）にシフトしかつＷＤ方向（上下方向）に昇降するものであり、下受刃３８は、上刃４０のＴＤ方向のシフトに同期して、ＴＤ方向にシフトするものである。又、上刃４０の下面には、台形状の突起４０ａがＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、下受刃３８の上面にも、上刃４０の台形状の突起４０ａと噛合うように一定間隔を空けて、突起３８ａが形成されている。しかも、突起３８ａは、図５に示されるように、ＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜する形状に構成されている。
【００１８】
平板材料４２は、ローラ等を備えた材料送り手段によって、所定の刻み幅Ｗ（図７）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、パッド３６は、平板材料４２が通過可能となるようＷＤ方向に昇降する。そして、ダイ３４とパッド３６により平板材料４２が挟持された状態で、上刃４０が昇降し、上刃４０の台形状の突起４０ａとダイ３４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。この際、切り越しは、下受刃３８の突起３８ａに倣うことによりＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜するように成形される。
【００１９】
そして、上刃４０の上昇の都度、上刃４０及び下受刃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、階段状のメッシュが図１、図２に示されるように、二種類の傾斜角度のストランド部ＳＴ１、ＳＴ２又はボンド部ＢＯ１、ＢＯ２の連続体として構成されたラスカットメタル２８’が成形されるものである。
その後、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２８’が、図４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７（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２８が成形される。
【００２０】
なお、エキスパンドメタル２８の製造に当たっては、図６に示されるように、上刃４０の下面に形成された突起４０ａが、ＦＤ方向上流側から下流側に向けて、ＷＤ方向下側へと傾斜する形状に構成され、下受刃３８の上面の突起３８ａが、ＦＤ方向に一定の高さとなるように形成されている金型を用いることも可能である。この場合には、図５の金型を用いる場合と表裏が逆転した形状の、エキスパンドメタルを成形することが可能である。
【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。すなわち、図１の例では、θ１＜θ２であり、空間２４１の断面積が、空間２４２の断面積よりも小さくなる。よって、セパレータ１８の近傍におけるガス流ＧＦ１の流量よりも、ガス拡散層１４の近傍におけるガス流ＧＦ２の流量の方が大流量となる。又、図２の例ではθ１＞θ２であることから、空間２４１の断面積が、空間２４２の断面積よりも大きくなり、ガス拡散層１４に接するガス流ＧＦ２の流量よりも、セパレータ１８に接するガス流ＧＦ１の流量の方が大流量となる。
【００２２】
よって、図１の例と図２の例との比較においては、エキスパンドメタル２８のメッシュにより、ガス拡散層１４に偏向されるガス流ＧＦの流量は、図１の例の方が多くなり、ＭＥＡ１２の電解質膜の乾燥による、抵抗過電圧の増加を来たすような場合に、その解消策として有効となる。又、図２の例では、ガス拡散層１４に偏向されるガス流ＧＦの流量が少なくなるので、電極において発生する生成水の排水性の低下に起因するガス拡散性の悪化により濃度過電圧の増加、電圧安定性の悪化を来たすような場合に有効な対応策となる。
このように、本発明の実施の形態によれば、ストランド部ＳＴ１、ＳＴ２又はボンド部ＢＯ１、ＢＯ２に係る二種類の傾斜角度θ１、θ２を適宜設定することにより、セパレータ１８に供給されるガス量と、ガス拡散層１４に供給されるガス量とを、適切に調整することができる。
【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、エキスパンドメタルを用いたガス流路の断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池の、エキスパンドメタルを用いたガス流路の別例に係る断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型を概略的に的に示した斜視図である。
【図４】本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する圧延ローラを概略的に示した側面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型の模式図である。
【図６】本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの、製造装置を構成する金型の別例に係る模式図である。
【図７】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８】従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。
【図９】図８に示されるセルのガス流路を形成する、亀甲形のメッシュを備えるエキスパンドメタルを、メッシュの刻み幅方向に見た図である。
【図１０】図９に示されたエキスパンドメタルを用いた、従来のセルのガス流路の断面図である。
【符号の説明】
【００２４】
１０：セル、１２：ＭＥＡ、  １４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、  １６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、  １８、１８Ａ、１８Ｃ：セパレータ、２２：亀甲形のメッシュ、２４：空間、  ２８：エキスパンドメタル、３４：ダイ、３６：パッド、  ３８：下受刃、
３８ａ、４０ａ：台形状の突起、  ４０：上刃、４２：平板素材、ＳＴ、ＳＴ１、ＳＴ２：ストランド部  、ＢＯ、ＢＯ１、ＢＯ２  ：ボンド部、  θ１、θ２：ストランド部又はボンド部の傾斜角度
【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１０】
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【図１】
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【図２】
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【図８】
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【図９】
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