(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池であって、
電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記セパレーターからの前記反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成する流路形成部材とを備え、
該流路形成部材は、
前記ガス流れ方向と交差する交差方向に沿って凹凸が交互に繰り返し並んだ凹凸の交互繰り返しを、前記交差方向に沿った網目状の流路をガス流路域に亘って形成する流路形成要素とし、該流路形成要素を前記ガスの流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記ガスの流れ方向に沿ったｎ列（ｎは２以上の整数）の前記流路形成要素を、前記交差方向に沿った一方方向のズレを持って連設し、該一方方向のズレを持って連設されたｎ列の前記流路形成要素の連設単位を、前記ガスの流れ方向に繰り返し有し、
前記連設単位において前記ガスの流れ方向に沿って隣り合う前記流路形成要素は、前記一方方向に沿って同じズレ量ｓｐを持って連設され、該ズレ量ｓｐは、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとされている
燃料電池。
【請求項２】
前記流路形成要素の前記凹凸の交互繰り返しにおいて、一部の凹凸の交互並びのピッチは、残余の凹凸の交互繰り返しの前記繰り返しピッチτより大きくされている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記繰り返しピッチτより大きくされたピッチの前記凹凸の交互並びは、前記ガス流路域の端部とされている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記流路形成部材は、エキスパンドメタルにより形成されている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料電池用のエキスパンドメタルであって、
凹凸が交互に繰り返し並んだ凹凸の交互繰り返しを網目状の流路を形成する流路形成要素とし、該流路形成要素を前記凹凸が繰り返される方向と交差する交差方向に沿って複数連設して備え、
前記交差方向に沿ったｎ列（ｎは２以上の整数）の前記流路形成要素を、前記凹凸が繰り返される方向に沿った一方方向のズレを持って連設し、該一方方向のズレを持って連設されたｎ列の前記流路形成要素の連設単位を、前記交差方向に繰り返し有し、
前記連設単位において前記交差方向に沿って隣り合う前記流路形成要素は、前記一方方向に沿って同じズレ量ｓｐを持って連設され、該ズレ量ｓｐは、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとされている
燃料電池用のエキスパンドメタル。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池用のエキスパンドメタルを製造するための装置であって、
金属製の板材を送り出す供給部と、
凸形状の刃部を金型幅方向に繰り返しピッチτで並べて有し、前記金型幅方向に沿った一方方向に原点位置からスライド可能に保持された金型と、
該金型を、前記供給部により送り出される前記金属製の板材に対してプレスするプレス動作を実行することで、前記板材の板幅において凹部と凸部が交互に前記繰り返しピッチτで連続した網目状の流路をプレス形成し、前記プレス動作を行うごとに、前記金型を前記一方方向のズレを持ってスライドさせるプレス部とを備え、
該プレス部は、
ｎ回（ｎは２以上の整数）の前記プレス動作を繰り返す間の前記プレス動作ごとの前記金型のスライド量ｓｐを、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとし、前記ｎ回の前記プレス動作を繰り返した後に前記金型を前記原点位置に復帰させ、前記プレス動作を新たに繰り返す
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置。
【請求項７】
請求項５に記載の燃料電池用のエキスパンドメタルを製造するための方法であって、
金属製の板材を送り出す送り出し工程と、
凸形状の刃部を金型幅方向に繰り返しピッチτで並べて有し、前記金型幅方向に沿った一方方向に原点位置からスライド可能に保持された金型を、前記送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記板材の板幅において凹部と凸部が交互に前記繰り返しピッチτで連続した網目状の流路をプレス形成するプレス工程とを備え、
該プレス工程では、
前記送り出される前記金属製の板材に対して前記金型をプレスするプレス動作を実行するごとに、前記金型を前記一方方向にスライドさせ、
ｎ回（ｎは２以上の整数）の前記プレス動作を繰り返す間の前記プレス動作ごとの前記金型のスライド量ｓｐを、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとし、
該ｎ回の前記プレス動作の繰り返し後に前記金型を前記原点位置に復帰させて、前記プレス動作を新たに繰り返す
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法。
【請求項８】
前記プレス工程では、繰り返し並んだ前記凸形状の刃部の一部の刃部が残余の刃部の前記繰り返しピッチτより大きいピッチで形成された前記金型を、前記プレス動作ごとに前記一方方向にスライドさせる請求項７に記載の燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法。
【請求項９】
前記繰り返しピッチτより大きいピッチで形成された前記刃部は、前記金型幅方向の端部とされている請求項８に記載の燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池における電解質膜の膜面に沿った網目状の流路を形成するエキスパンドメタルを製造する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、当該発電体層を間に挟んで配置されるセパレーターとを備え、発電体層とセパレーターとの間をガス流路とする。近年では、このガス流路を、金属製の薄板のプレス成形を経たエキスパンドメタルにて、網目状に形成することが提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７０９８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
エキスパンドメタルは、プレス成形という簡便な既存技術で網目状の流路（ガス流路）を形成できることから、コスト的に有利であるものの、更なる改善が要請されている。
【０００５】
一般に、反応ガスは、燃料電池の一方の端部の側から供給されて、エキスパンドメタルの凹凸の交互繰り返しで形成された網目状の流路を通過し、この流路通過の間に電極面の各部位に到って消費される。そして、燃料電池の他方の端部からは、オフガスが排出される。上記の特許文献では、ガス供給側から排出側に向かうガスの流れ方向に交差して網目状の流路を並べる。そして、流路形成用の金型をその幅方向の一方方向にスライドさせつつ複数回プレスし、その後は逆方向に金型をスライドさせつつ複数回プレスすることで、図８に示すように、網目状の流路をガス供給側から排出側に掛けて繋ぎ、凹部同士或いは凸部同士が連続した流路（連続流路）については、これを屈曲させつつ繋いでいる。
【０００６】
この図８に示す流路構成において、金型のスライド方向が切り替わるスライドターンまでのプレス回数（以下、ショット数とも称する）を多くすると、図９に示すように、連続流路の屈曲箇所を減らすことができる。こうすれば、流路屈曲によるガスの圧力損失を抑制できるので、電極面各部位へのガス供給の不均等を是正でき、発電性能向上の上から望ましい。しかしながら、ショット数を多くすると、スライドターンまでの金型のスライド量も増えるので、ショット数にスライド量を乗じた分だけ金型幅が広くなり、金型の大型化、延いてはプレス装置の大型化が避けられない。
【０００７】
本発明は、上記した課題を踏まえ、網目状の流路通過の際の圧力損失を抑制しつつ金型の小型化をもたらす新たなエキスパンドメタルを提供して、発電性能の向上を図ることをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した目的の少なくとも一部を達成するために、本発明では、以下の構成を採用した。
【０００９】
[適用１：燃料電池]
燃料電池であって、
電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、
前記発電体層を間に挟んで配置され、前記発電体層での発電反応に供される反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターと、
前記発電体層と前記一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置され、前記セパレーターからの前記反応ガスを前記電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す流路を形成する流路形成部材とを備え、
該流路形成部材は、
前記ガス流れ方向と交差する交差方向に沿って凹凸が交互に繰り返し並んだ凹凸の交互繰り返しを、前記交差方向に沿った前記網目状の流路をガス流路域に亘って形成する流路形成要素とし、該流路形成要素を前記ガスの流れ方向に沿って複数連設して備え、
前記ガスの流れ方向に沿ったｎ列（ｎは２以上の整数）の前記流路形成要素を、前記交差方向に沿った一方方向のズレを持って連設し、該一方方向のズレを持って連設されたｎ列の前記流路形成要素の連設単位を、前記ガスの流れ方向に繰り返し有し、
前記連設単位において前記ガスの流れ方向に沿って隣り合う前記流路形成要素は、前記一方方向に沿って同じズレ量ｓｐを持って連設され、該ズレ量ｓｐは、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとされている
ことを要旨とする。
【００１０】
上記構成の燃料電池は、流路形成部材にて、セパレーターからの反応ガスの電解質膜の膜面に沿った網目状の流路を形成するに当たり、ガス流れ方向と交差する交差方向では、この交差方向に沿って凹凸が交互に繰り返し並んだ凹凸の交互繰り返しを流路形成要素とする。そして、この流路形成要素により、交差方向に沿った網目状の流路をガス流路域に亘って形成する。ガス流れ方向に沿った流路形成は、次のようになる。
【００１１】
流路形成要素は、ガスの流れ方向に沿ってｎ列連設して連設単位を構成し、この連設単位においてガスの流れ方向に沿って隣り合う流路形成要素は、交差方向の一方方向に沿って同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）を持って連設している。よって、流路形成要素における凹凸の交互繰り返しのうちのある凹部或いは凸部に着目すると、その凹部は、連設単位においては交差方向に沿った一方方向のズレでガスの流れ方向に沿って連続することになる。凸部についても同様である。そして、このｎ列の流路形成要素が連設単位となって、この連設単位がガス流れ方向に沿って繰り返されるので、それぞれの連設単位において、凹部或いは凸部は交差方向に沿った一方方向のズレでガスの流れ方向に沿って連続する。
【００１２】
ガスの流れ方向に繰り返されて隣り合う連設単位では、ガスの流れ方向上流側の連設単位の第ｎ列の流路形成要素と下流側の連設単位の第１列の流路構成要素とが連設することになる。ガスの流れ方向下流側の連設単位の第１列の流路構成要素は、上流側の連設単位の第ｎ列の流路形成要素から見れば、ｎ＋１列目の流路構成要素となり、この両流路構成要素を含むそれぞれの連設単位での流路構成要素の交差方向の一方方向に沿った同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）は同じである。このため、上流側の連設単位の第ｎ列の流路形成要素と下流側の連設単位の第１列の流路構成要素における一方方向に沿ったズレ量は、各連設単位でのズレ量ｓｐと同じとなる。よって、ガスの流れ方向に沿って隣り合う上流側の連設単位の第ｎ列の流路形成要素における凹凸の交互繰り返しのうちのある凹部或いは凸部は、その下流側の連設単位の第１列の流路構成要素における凹凸の交互繰り返しのいずれかの凹部或いは凸部と、交差方向に沿った一方方向のズレでガスの流れ方向に沿って連続することになる。つまり、上記構成の燃料電池は、連設単位における凹部或いは凸部を交差方向に沿った一方方向のズレを持ってガスの流れ方向に沿って連続させた上で、隣り合う連設単位においてもこれを連続させる。この結果、上記構成の燃料電池によれば、凹凸の交互繰り返しの凹部或いは凸部による網目状の流路を、ガスの流れ方向に沿ってその上流側から下流側に掛けてガス流路域において連続に形成できるので、流路屈曲による圧力損失を抑制できる。そして、上記構成の燃料電池によれば、圧力損失の抑制を通して、電極面各部位へのガス供給の不均等を是正して、発電性能の向上を図ることができる。
【００１３】
また、上記構成の燃料電池では、金型を用いて凹凸の交互繰り返しによる網目状の流路を形成するが、既述した連設単位での流路形成要素の連設形成において、金型をｎ回のショット数でプレスしつつ各ショットごとに金型を交差方向に沿った一方方向に同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でずらし、ｎ回のショット後では金型が凹凸の繰り返しピッチτの（ｎ−１）／ｎだけずれる。こうして形成済みの連設単位と隣り合う連設単位での流路形成要素の連設形成においては、金型を、一端、凹凸の繰り返しピッチτの（ｎ−１）／ｎだけ元に戻し、改めて、金型をｎ回のショット数でプレスしつつ各ショットにおいて金型を交差方向に沿った一方方向に同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でずらすことで、次の連設単位での流路形成要素の連設形成がなされる。このため、上記構成の燃料電池によれば、金型の金型幅をショット数にスライド量を乗じた幅とする必要がないので、金型の小型化、延いてはプレス装置の小型化を図ることができる。
【００１４】
上記した燃料電池は、次のような態様とすることができる。例えば、前記流路形成要素の前記凹凸の交互繰り返しにおいて、一部の凹凸の交互並びのピッチを、残余の凹凸の交互繰り返しの前記繰り返しピッチτより大きくするようにできる。こうすれば、ピッチが大きくされた凹部或いは凸部（以下、大ピッチの凹部或いは凸部）、例えば、大ピッチの凹部は、ガスの流れ方向で隣り合う流路形成要素においてガスの流れ方向に沿って重なり、その重なり程度は、繰り返しピッチτの残余の凹部の重なりより大きくなる。大ピッチの凸部についても同様である。このため、ガスの流れ方向で隣り合う流路形成要素において大ピッチの凹部或いは凸部がガスの流れ方向に沿って重なった部位は、上流側から下流側に掛けてガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ沿うようになるので、当該部位による網目状の流路はガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びることになる。これが、ガスの流れ方向に連設された範囲で隣り合う流路形成要素において起きることから、上記態様の燃料電池によれば、網目状の流路がガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びる範囲においてガスによる水の持ち去りを高めて、排水性を向上させることができる。このため、大ピッチの凹部或いは凸部による網目状の流路がガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びる範囲を、燃料電池においてフラッディングが起きやすい部位、例えばガス流路域の幅方向端部部位とすれば、フラッディングの抑制の上から望ましい。これは、前記繰り返しピッチτより大きくされたピッチの前記凹凸の交互並びを、前記ガス流路域の端部とすることで、達成できる。
【００１５】
そして、前記流路形成部材をエキスパンドメタルとすれば、簡便に流路形成部材を提供できる。
【００１６】
[適用２：燃料電池用のエキスパンドメタル]
燃料電池用のエキスパンドメタルであって、
凹凸が交互に繰り返し並んだ凹凸の交互繰り返しを網目状の流路を形成する流路形成要素とし、該流路形成要素を前記凹凸が繰り返される方向と交差する交差方向に沿って複数連設して備え、
前記交差方向に沿ったｎ列（ｎは２以上の整数）の前記流路形成要素を、前記凹凸が繰り返される方向に沿った一方方向のズレを持って連設し、該一方方向のズレを持って連設されたｎ列の前記流路形成要素の連設単位を、前記交差方向に繰り返し有し、
前記連設単位において前記交差方向に沿って隣り合う前記流路形成要素は、前記一方方向に沿って同じズレ量ｓｐを持って連設され、該ズレ量ｓｐは、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとされている
ことを要旨とする。
【００１７】
上記構成のエキスパンドメタルは、燃料電池における電解質膜の各膜面に電極を接合した膜電極接合体を含む発電体層と、反応ガスの給排に関与する一対のセパレーターの少なくとも一方との間に配置される。そして、こうして配置されることで、上記構成のエキスパンドメタルは、セパレーターからの反応ガスを電解質膜の膜面に沿ったガス流れ方向に流す網目状の流路を既述したように形成する。
【００１８】
[適用３：燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置]
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置であって、
金属製の板材を送り出す供給部と、
凸形状の刃部を金型幅方向に繰り返しピッチτで並べて有し、前記金型幅方向に沿った一方方向に原点位置からスライド可能に保持された金型と、
該金型を、前記供給部により送り出される前記金属製の板材に対してプレスするプレス動作を実行することで、前記板材の板幅において凹部と凸部が交互に前記繰り返しピッチτで連続した網目状の流路をプレス形成し、前記プレス動作を行うごとに、前記金型を前記一方方向のズレを持ってスライドさせるプレス部とを備え、
該プレス部は、
ｎ回（ｎは２以上の整数）の前記プレス動作を繰り返す間の前記プレス動作ごとの前記金型のスライド量ｓｐを、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとし、前記ｎ回の前記プレス動作を繰り返した後に前記金型を前記原点位置に復帰させ、前記プレス動作を新たに繰り返す
ことを要旨とする。
【００１９】
[適用４：燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法]
燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法であって、
金属製の板材を送り出す送り出し工程と、
凸形状の刃部を金型幅方向に繰り返しピッチτで並べて有し、前記金型幅方向に沿った一方方向に原点位置からスライド可能に保持された金型を、前記送り出される前記金属製の板材に対してプレスすることで、前記流路幅において凹部と凸部が交互に前記繰り返しピッチτで連続した網目状の流路をプレス形成するプレス工程とを備え、
該プレス工程では、
前記送り出される前記金属製の板材に対して前記金型をプレスするプレス動作を実行するごとに、前記金型を前記一方方向にスライドさせ、
ｎ回（ｎは２以上の整数）の前記プレス動作を繰り返す間の前記プレス動作ごとの前記金型のスライド量ｓｐを、前記繰り返しピッチτを前記連設単位における前記流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎとし、
該ｎ回の前記プレス動作の繰り返し後に前記金型を前記原点位置に復帰させて、前記プレス動作を新たに繰り返す
ことを要旨とする。
【００２０】
上記した構成・手順を有する燃料電池用のエキスパンドメタルの製造装置と製造方法によれば、凹凸の交互繰り返しの凹部或いは凸部による網目状の流路を、ガスの流れ方向に沿ってその上流側から下流側に掛けてガス流路域において連続に形成できるエキスパンドメタルを、金属製の板材に対する金型のプレスという既存手法で、容易に製造できる。しかも、ｎ回のプレス動作（ショット）ごとに凹凸の繰り返しピッチτを連設単位における流路形成要素の列数ｎで除算したτ／ｎのスライド量ｓｐずつ金型をずらし、ｎ回のプレス動作の繰り返し後に金型を原点位置に復帰させて、プレス動作を新たに繰り返せば済むので、ショット数にスライド量を乗じた幅とする必要がなくなり、金型の小型化、延いてはプレス装置の小型化をもたらすことができる。この場合、ｎ回のプレス動作の繰り返し後に金型を原点位置に復帰させることは、ｎ＋１回目のプレス動作は、原点位置に復帰した金型で行われることを意味する。
【００２１】
上記した手順を有する燃料電池用のエキスパンドメタルの製造方法は、次のような態様とすることができる。例えば、金型を、繰り返し並んだ前記凸形状の刃部の一部の刃部が残余の刃部の前記繰り返しピッチτより大きいピッチで形成されたものとした上で、その金型を、前記プレス動作ごとに前記一方方向にスライドさせるようにできる。こうすれば、既述したように大ピッチの凹部或いは凸部による網目状の流路をガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びるようにしたエキスパンドメタルを容易に製造できる。そして、前記繰り返しピッチτより大きいピッチで形成された前記刃部を、前記金型幅方向の端部とすれば、燃料電池においてフラッディングが起きやすいガス流路域の幅方向端部部位に大ピッチの凹部或いは凸部による網目状の流路をガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延ばしてフラッディングの抑制が可能なエキスパンドメタルを容易に製造できる。
【００２２】
さらに、本発明は、種々の形態で実現可能であり、例えば、上記したエキスパンドメタルにて網目状のガス流路を形成する燃料電池の製造方法の形態で実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。
【図２】ガス流路形成部材４０をガス上流側から俯瞰した概略構成とガス上流側から見た概略構成とを併せて示す説明図である。
【図３】ガス流路形成部材４０のプレス形成に用いる刃型部３００と基材Ｐと流路形成要素４２との関係を示す説明図である。
【図４】上刃型３１０のスライドの様子と基材Ｐおよび供給系３４０との関係を示す説明図である。
【図５】図９に示した圧力損失の抑制が可能な既存エキスパンドメタルの製造に用いる金型の概要を示す説明図である。
【図６】変形例のガス流路形成部材４０Ａをガス上流側から俯瞰した概略構成とガス上流側から見た概略構成とを併せて示す説明図である。
【図７】変形例のガス流路形成部材４０Ａのプレス形成に用いる刃型部３００Ａと基材Ｐと流路形成要素４２との関係を示す説明図である。
【図８】金型のスライド方向を切り替えるスライドターンの手法にて網目状の流路を連続流路として屈曲させつつ形成した既存のエキスパンドメタルを示す説明図である。
【図９】スライドターンの手法を用いつつ連続流路の屈曲箇所を減らすようにした既存のエキスパンドメタルを示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について、その実施例を図面に基づき説明する。図１は本実施例の燃料電池スタック１００の概略構成を燃料電池２０の概略構成と合わせて示す説明図である。図示するように、燃料電池スタック１００は、固体高分子形の燃料電池２０を複数積層し、その両端にターミナルおよびインシュレータ（図示省略）を配置して、これをエンドプレート９５，９６で挟持して構成される。この燃料電池スタック１００では、燃料ガスとしての水素ガスおよび酸化ガスとしての空気が水素供給マニホールド９５ａ、空気供給マニホールド９５ｂから燃料電池２０に供給され、その排ガスが水素排出マニホールド９５ｃおよび空気排出マニホールド９５ｄから排出される。また、冷却水が冷却水供給マニホールド９５ｅから燃料電池２０に供給され、その排水が冷却水排出マニホールド９５ｆから排出される。
【００２５】
燃料電池２０は、発電体層３５の両面に、ガス流路形成部材４０、６０、セパレーター７０、８０を積層して構成される。発電体層３５は、電解質膜・電極接合体としてのＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）３４の両面にガス拡散層３３ａ、３３ｂを接合して構成される。ＭＥＡ３４は、電解質膜３１の表面上に、カソード電極３２ａとアノード電極３２ｂとを備える。電解質膜３１は、湿潤状態で良好なプロトン伝導性を示す固体高分子材料の薄膜である。本実施例では、電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）を用いた。カソード電極３２ａおよびアノード電極３２ｂは、導電性を有する担体上に触媒を担持させた電極であり、本実施例においては、白金触媒を担持したカーボン粒子と、電解質膜３１を構成する高分子電解質と同質の電解質とを備えている。
【００２６】
ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、ガス透過性を有する導電性部材、例えば、カーボンペーパやカーボンクロス、あるいは金属メッシュや発泡金属によって形成することができる。本実施例においては、ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、カーボンペーパを用いた。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、酸化ガスまたは燃料ガスを拡散して、カソード電極３２ａまたはアノード電極３２ｂの全面に供給する。ガス拡散層３３ａ，３３ｂは、後述するガス流路形成部材４０、６０と比べて小さい気孔率を有しており、ガス拡散機能の他に、集電機能や、ＭＥＡ３４の保護機能も担っている。なお、このガス拡散層３３ａおよび３３ｂには、ＭＥＡ３４の水分量を調節する機能などを持たせてもよい。
【００２７】
かかる発電体層３５は、その外周に配されたシールガスケット３６と一体形成される。シールガスケット３６には、水素供給マニホールド３０ａ、空気供給マニホールド３０ｂ、水素排出マニホールド３０ｃ、空気排出マニホールド３０ｄ、冷却水供給マニホールド３０ｅ、冷却水排出マニホールド３０ｆを備えている。また、シールガスケット３６には、厚み方向に、各マニホールドと発電体層３５の外周部とをそれぞれ囲む凸状の部位が形成されており、当該部位は、シールガスケット３６の両側に積層されるセパレーター７０、８０と当接し、マニホールド内や発電体層３５内からの流体（燃料ガス、酸化ガス、冷却水）の漏れを抑制するシールとして機能する。
【００２８】
ガス流路形成部材４０、６０は、発電体層３５にガスを供給するガス流路を形成する。なお、図１ではこれら流路形成部材を波線で示すが、その構成については後述する。ガス流路形成部材４０は、発電体層３５のアノード電極３２ｂ側とセパレーター７０との間（流路形成領域）に配設され、セパレーター７０を介して供給された燃料ガス（ここでは水素ガス）を、ＭＥＡ３４の電極面の側方の一方の側から他方の側に向けた流れで流しつつ、燃料ガスを発電体層３５のアノード電極３２ｂ側に供給する。同様に、ガス流路形成部材６０は、酸化ガス（ここでは空気）を発電体層３５のカソード電極３２ａ側に供給する。かかるガス流路形成部材４０、６０は、耐食性と導電性とを有する金属、例えば、ステンレス鋼やチタン、チタン合金などによって形成されるが、本実施例では、ステンレス鋼を用いた。ガス流路形成部材４０、６０の詳細な構造については後述する。本実施例では、発電体層３５の両面にガス流路形成部材４０、６０を備える構成としたが、発電体層３５の片面のみに備える構成としてもよい。
【００２９】
セパレーター７０、８０は、反応ガスの隔壁として機能する部材であり、同一の構成を有している。以下、セパレーター７０について説明する。セパレーター７０は、ガス不透過な導電性部材、例えば圧縮カーボンやステンレス鋼から成る部材によって形成される。本実施例では、ステンレス鋼を用いた。セパレーター７０は、カソード電極３２ａ側に設けられる平坦なカソード側セパレーター７１と、アノード電極３２ｂ側に設けられる平坦なアノード側セパレーター７３と、それらの間に配置される中間セパレーター７２とが一体となって構成される。カソード側セパレーター７１は、水素供給マニホールド７１ａ、空気供給マニホールド７１ｂ、水素排出マニホールド７１ｃ、空気排出マニホールド７１ｄ、冷却水供給マニホールド７１ｅ、冷却水排出マニホールド７１ｆ、空気連通孔７５，７６を備えている。空気供給マニホールド７１ｂに供給された空気は、中間セパレーター７２の空気連通孔７２ｂおよび空気連通孔７５を介して、カソード側セパレーター７１に面して設けられる他の燃料電池２０（図示省略）のガス流路形成部材４０に導かれる。また、その排ガスは、空気連通孔７６および中間セパレーター７２の連通孔（図示省略）を介して、空気排出マニホールド７１ｄに排出される。
【００３０】
同様に、水素供給マニホールド７１ａに供給された水素は、中間セパレーター７２の水素連通孔７２ａおよびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示省略）を介して、ガス流路形成部材６０に導かれ、ガス流路形成部材６０を流れた後、中間セパレーター７２およびアノード側セパレーター７３の連通孔（図示せず）を介して、水素排出マニホールド７１ｃに排出される。また、中間セパレーター７２には、略長方形外形の長辺方向に沿って複数の切欠が形成され、その切欠の両端はそれぞれ、冷却水排出マニホールド７１ｆおよび冷却水供給マニホールド７１ｅと連通している。なお、セパレーター７０は、上述した３層構造のものに限るものではない。例えば、カソード側セパレーター７１とアノード側セパレーター７３との２層構造とし、中間セパレーター７２に形成される連通孔に相当する形状をカソード側セパレーター７１および／またはアノード側セパレーター７３の内側に形成してもよい。
【００３１】
セパレーター７０は、冷却水供給マニホールド７１ｅから流入した冷却水を、冷却水排出マニホールド７１ｆから排出するに当たり、カソード側セパレーター７１と中間セパレーター７２で挟まれた中間セパレーター７２にて、冷却水流路を形成する。セパレーター８０にあっても同様であり、発電体層３５のカソード電極３２ａの側に位置するセパレーター８０は、冷却水流路を図１に点線で示すように、形成し、当該流路を流れる冷却水にて、発電体層３５を冷却する。この場合、セパレーター８０の冷却水流路とガス流路形成部材４０における空気流路とは、冷却水の流れ方向と空気の流れ方向とが交差するように形成されることになる。
【００３２】
次に、ガス流路形成部材４０、６０について説明する。本実施例においては、ガス流路形成部材４０とガス流路形成部材６０とは同一の構造を有しているので、以下では、カソード電極３２ａの側のガス流路形成部材４０の構造として説明する。図２はガス流路形成部材４０をガス上流側から俯瞰した概略構成とガス上流側から見た概略構成とを併せて示す説明図である。
【００３３】
図２に示すように、ガス流路形成部材４０は、多列の流路形成要素４２で構成される。この図２では、流路形成要素４２に添え字１〜３（ｎ）を付して示している。それぞれの流路形成要素４２は、凹部４４と凸部４６とを図における左右方向（以下、この方向を便宜上Ｘ方向と称する）に交互に繰り返し並べてＸ方向に沿った網目状の流路をガス流路域に亘って形成する。この場合の、ガス流路域は、図１における発電体層３５の電極面の電極幅に相当する。そして、ガス流路形成部材４０は、この流路形成要素４２を、Ｘ方向と直交するＹ方向、即ち図において上下方向で示されるガス（空気）の流れ方向に沿ってガス流路域に亘り複数連設したエキスパンドメタルとされている。この場合のガス流路域は、図１における発電体層３５の電極面のガスの流れ方向の電極長さに相当する。また、Ｘ方向が、ガス流れ方向と交差する交差方向となる。以下、本実施例では、図２の下方側が空気のｉｎ側、上方側がｏｕｔ側となり、凹部４４と凸部４６とで形成された網目状の流路は、ＸＹ平面に対して凹部４４および凸部４６の形成壁が一定の勾配をもって連設された形状として構成される。図２に示すＹ方向の空気の流れ方向は、図１のガス流路形成部材４０においては、図中実線で示された方向となる。
【００３４】
流路形成要素４２は、凹部４４と凸部４６とを交互に繰り返し並べるに当たり、これら凹凸を繰り返しピッチτで連続させ、Ｙ方向において連設した３列の流路形成要素４２で、流路連設単位５０を構成する。この流路連設単位５０は、本実施例では、空気の流れ方向（Ｙ方向）に沿った各列の流路形成要素４２を、Ｘ方向に沿った一方方向のズレ（本実施例ではＸ＋方向のズレ）を持って連設し、ガス流路形成部材４０は、この流路連設単位５０をＹ方向に繰り返し備える。それぞれの流路連設単位５０におけるＹ方向に沿って隣り合う流路形成要素４２は、Ｘ方向に沿った一方方向（Ｘ＋方向）に沿って同じズレ量ｓｐを持って連設され、このズレ量ｓｐは、繰り返しピッチτを流路連設単位５０における流路形成要素４２の列数３で除算したτ／３とされている。こうした流路形成要素４２の形成の様子については、後述する。
【００３５】
次に、ガス流路形成部材４０、６０の製造手法について説明する。図３はガス流路形成部材４０のプレス形成に用いる刃型部３００と基材Ｐと流路形成要素４２との関係を示す説明図である。基材Ｐは、ステンレスの薄板鋼板であり、刃型部３００による後述のプレスを受けて、図２に示すエキスパンドメタルのガス流路形成部材４０となる。図示するように、刃型部３００は、プレス金型であり、上刃型３１０と下刃型３２０とを備える。これら刃部を有する刃型部３００は、図示する基材Ｐ、即ちガス流路形成部材４０を既述したガス流路域に亘ってプレスするに足りる幅により後述の凸刃部３１２のピッチτだけ幅広の金型幅とされ、後述の供給系３４０の送り出す基材Ｐに対して上刃型３１０をプレスする。上刃型３１０は、その金型幅方向（Ｘ方向）に、凸形状の凸刃部３１２をピッチτで並べて有する。下刃型３２０は、その金型幅方向（Ｘ方向）に沿って伸びるエッジと、上刃型３１０の凸刃部３１２に対応した凹刃部３２２とを備え、降下する凸刃部３１２とで基材切断に関与する。この場合、凹刃部３２２に凸刃部３１２が入り込むことで、図２に示した凹部４４と凸部４６とを交互に繰り返し形成する。刃型部３００は、上刃型３１０と下刃型３２０とを、金型幅方向に沿ってスライド可能に保持する。よって、上刃型３１０と下刃型３２０とは、供給系３４０が送り出す基材Ｐに対して、その基材幅方向、即ち金型幅方向にスライドする。
【００３６】
図４は上刃型３１０のスライドの様子と基材Ｐおよび供給系３４０との関係を示す説明図である。図示するように、供給系３４０は、ローラを対向させたローラ対３４２により基材Ｐを刃型部３００の上刃型３１０に対して送り出す。上刃型３１０は、単一の刃型であるものの、供給系３４０が送り出す基材Ｐに対してのプレスのための上下動とＸ方向に沿った一方方向（Ｘ＋方向）に沿ったスライドを起こす。つまり、上刃型３１０と基材Ｐとは、相対的な移動を起こす関係にあるため、図４のように、Ｘ方向に沿った一方方向（Ｘ＋方向）に沿ったスライドを起こす上複数の上刃型３１０が基材Ｐに対してプレス動作を起こすことになる。以下、この図４を用いて、図２に示したガス流路形成部材４０の形成手順を説明する。
【００３７】
まず、図４に示すように、上刃型３１０は、第１ショットに際して、つまり、図２の流路形成要素４２_1の形成に際して、図示する原点位置にある。この原点位置での上刃型３１０の上下動作を経た第１ショットにより、基材Ｐは、上刃型３１０の凸刃部３１２によりプレスされて図中に示すプレス箇所Ｐｄにて押し下げられる。これにより、凹部４４と凸部４６がＸ方向に交互に繰り返し並んだ流路形成要素４２_1が形成される。次に、上刃型３１０は、Ｘ＋方向にτ／３（この数値３は、流路連設単位５０を構成する流路形成要素４２の列数）だけスライドし、そのスライド位置で第２ショットを行い、流路形成要素４２_2を形成する。この流路形成要素４２_1と流路形成要素４２_2は、Ｙ方向に沿って隣り合い、Ｘ＋方向にτ／３のズレを持って連設する。次いで、上刃型３１０は、更にＸ＋方向にτ／３だけスライドし、そのスライド位置で第３ショットを行い、流路形成要素４２_3を形成する。これにより、Ｙ方向に沿った３列の流路形成要素４２_1〜流路形成要素４２_3で構成される流路連設単位５０が形成される。
【００３８】
こうして第１〜第３のショットのプレス動作が完了すると、上刃型３１０は、次のショット、即ち第４ショット（この数値４は、流路連設単位５０を構成する流路形成要素４２の列数３＋１）を行うに当たり、まず、原点位置に復帰する。この際の戻り量は、２τ／３（この数値２は、流路連設単位５０を構成する流路形成要素４２の列数３−１）となる。こうして原点復帰した後に、上刃型３１０は、第４〜第６のショット（この数値６は、流路連設単位５０を構成する流路形成要素４２の列数３の倍数）を、各ショットごとにＸ＋方向にτ／３だけスライドさせ、第１〜第３のショットと同様にプレス動作を行う。以下、上記のプレス動作を繰り返すことにより、Ｙ方向に沿った３列の流路形成要素４２_1〜流路形成要素４２_3で構成される流路連設単位５０が、Ｙ方向に隣り合って繰り返し連続することになる（図２参照）。
【００３９】
Ｙ方向に繰り返されて隣り合う流路連設単位５０では、図２に示すように、Ｙ方向の最上流側の連設単位の第３列の流路形成要素４２_3とその下流側の流路連設単位５０の第１列の流路形成要素４２_1とが連設することになる。Ｙ方向下流側の流路連設単位５０の第１列の流路構成要素４２_1は、上流側の流路連設単位５０の第３列の流路形成要素４２_3から見れば、４列目（この数値４は、流路連設単位５０を構成する流路形成要素４２の列数３＋１）の流路構成要素４２となり、この流路形成要素４２は凸刃部３１２の原点復帰後のショット（第４ショット）で形成される。しかも、第３列の流路形成要素４２_3とその下流側の第１列の流路形成要素４２_1の両流路構成要素４２を含むそれぞれの流路連設単位５０では、隣り合う流路構成要素４２のＸ＋方向に沿った同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）は同じである。このため、上流側の連設単位３０の第３列の流路形成要素４２_3と下流側の流路連設単位５０の第１列の流路構成要素４２_1における交差方向の一方方向に沿ったズレ量は、各流路連設単位５０でのズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）と同じとなる。よって、Ｙ方向に沿って隣り合う上流側の流路連設単位５０の第３列の流路形成要素４２_3における凹部４４と凸部４６の交互繰り返しのうちのある凹部４４或いは凸部４６は、その下流側の流路連設単位５０の第１列の流路構成要素４２_1における凹部４４或いは凸部４６、詳しくは、隣り合う凸刃部３１２により形成された凹部４４或いは凸部４６とＸ＋方向に沿ったズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でＹ方向に沿って連続することになる。つまり、本実施例の燃料電池２０は、流路連設単位５０における凹部４４或いは凸部４６をＸ＋方向に沿ったズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でＹ方向に沿って連続させた上で、隣り合う流路連設単位５０においてもこれを連続させる。この結果、本実施例の燃料電池２０によれば、図２に示すように、凹部４４或いは凸部４６による網目状の流路を、Ｙ方向に沿ってその上流側から下流側に掛けてガス流路域において連続に形成できるので、流路屈曲による圧力損失を抑制できる。そして、上記構成の燃料電池によれば、圧力損失の抑制を通して、電極面各部位へのガス供給の不均等を是正して、発電性能の向上を図ることができる。
【００４０】
また、本実施例の燃料電池２０では、次の利点がある。図５は図９に示した圧力損失の抑制が可能な既存エキスパンドメタルの製造に用いる金型の概要を示す説明図である。図９に示すエキスパンドメタルでは、本実施例における流路形成要素４２に相当する７列の要素が基材Ｐの送り方向（Ｙ方向）に連設するため、上刃型については、基材Ｐの幅（ガス流路域）よりも金型幅をショット数と凸刃部のピッチを乗じた分だけ幅広とする必要がある。
【００４１】
これに対して、本実施例の燃料電池２０が採用したガス流路形成部材４０のエキスパンドメタルでは、上刃型３１０と下刃型３２０の刃型部３００を用いて凹部４４と凸部４６の交互繰り返しによる網目状の流路を形成するに当たり、３列の流路形成要素４２がＹ方向に連設した流路連設単位５０をＹ方向に繰り返し連設する。そして、流路連設単位５０での３列の流路形成要素４２の連設形成において、上刃型３１０を３回のショット数でプレスしつつ各ショットごとに上刃型３１０をＸ＋方向に同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でずらし、３回のショット後には上刃型３１０をτ（ｎ−１）／ｎだけ元に戻して原点位置に復帰させる。その後は、この原点位置から改めて上刃型３１０を３回のショット数でプレスしつつ各ショットごとに上刃型３１０をＸ＋方向に同じズレ量ｓｐ（＝τ／ｎ）でずらせばよい。この結果、図４に示すように、上刃型３１０の金型幅を凸刃部３１２の一ピッチτ分だけ付加させればよく、ショット数にスライド量を乗じた幅とする必要がないので、金型の小型化、延いてはプレス装置の小型化を図ることができる。
【００４２】
また、本実施例によれば、小型の刃型部３００にて、燃料電池２０に用いるガス流路形成部材４０としてのエキスパンドメタルを容易に製造できる。
【００４３】
次に、変形例について説明する。図６は変形例のガス流路形成部材４０Ａをガス上流側から俯瞰した概略構成とガス上流側から見た概略構成とを併せて示す説明図である。図６に示すように、変形例のガス流路形成部材４０Ａは、Ｙ方向に繰り返し連設する流路連設単位５０のそれぞれの流路形成要素４２の凹部４４と凸部４６の交互繰り返しにおいて、図における左端側、即ちガス流路域の幅方向の端部側の凹部４４のピッチを、残余の凸部４６と凹部４４の交互繰り返しの繰り返しピッチτより大きくした。このため、端部側の凹部４４とその隣の凹部４４との間は、他の凸部４６より幅広の凸部４６Ｗとなる。本実施例では、端部側の凹部４４の幅広ピッチを残余の凹部４４の繰り返しピッチτの１．５倍以上とした。
【００４４】
図７は変形例のガス流路形成部材４０Ａのプレス形成に用いる刃型部３００Ａと基材Ｐと流路形成要素４２との関係を示す説明図である。図示するように、刃型部３００Ａにあっても、先に説明した刃型部３００と同様、上刃型３１０Ａと下刃型３２０Ａとを備え、上下の刃型は金型幅方向に沿ってスライド可能とされている。上刃型３１０Ａは、図における右端側から凸刃部３１２をピッチτで並べて備え、最左端の凸刃部３１２については、幅広ピッチτｗ（≧１．５ｘτ）とした。
【００４５】
この図７に示す上刃型３１０Ａを、図４で説明したように、原点位置にて第１ショットを行った後に、Ｘ＋方向にτ／３だけスライドしつつ第２〜第３ショットを行い、３列の流路形成要素４２がＹ方向に連設した流路連設単位５０を形成する。そして、第４ショットについては、上刃型３１０Ａを原点位置に復帰させてから実行し、その後の第５〜第６ショットのショットごとにＸ＋方向にτ／３だけスライドさせ、第１〜第３のショットと同様にプレス動作を行う。このプレス動作を繰り返すことにより、Ｙ方向に沿った３列の流路形成要素４２_1〜流路形成要素４２_3で構成される流路連設単位５０が、Ｙ方向に隣り合って繰り返し連続することになる（図６参照）。
【００４６】
こうして得られた変形例のガス流路形成部材４０Ａでは、Ｙ方向に連設した流路形成要素４２の凹部４４の交互繰り返しにおいて、端部の凹部４４とその隣の凹部４４とのピッチを幅広ピッチτｗとし、これを、端部の凹部４４以外の凹部４４の繰り返しピッチτより大きく、具体的には、繰り返しピッチτの１．５倍以上とした。こうすることで、幅広ピッチτｗで並んだ凹部４４の間を、端部の凹部４４以外の凹部４４の間の凸部４６より幅広の凸部４６Ｗとできることから、この幅広の凸部４６Ｗは、Ｙ方向で隣り合う流路形成要素４２においてＹ方向、即ちガスの流れ方向に沿って重なり、その重なり程度は、端部の凹部４４以外の凹部４４の間の凸部４６の重なりより大きくなる。このため、変形例のガス流路形成部材４０Ａでは、ガスの流れ方向で隣り合う流路形成要素４２において幅広の凸部４６Ｗがガスの流れ方向に沿って重なった部位は、図６に示すように、上流側から下流側に掛けてガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ沿うようになる。よって、この幅広の凸部４６Ｗがガスの流れ方向に沿って重なった部位による網目状の流路は、ガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びることになるので、変形例のガス流路形成部材４０Ａによれば、網目状の流路がガスの流れ方向にほぼ真っ直ぐ延びる範囲においてガスによる水の持ち去りを高めて、排水性を向上させることができる。しかも、この変形例のガス流路形成部材４０Ａでは、幅広の凸部４６Ｗをガスの流れ方向に沿って重ねることでガスの流れ方向に網目状の流路がほぼ真っ直ぐ延びる範囲を、燃料電池２０においてフラッディングが起きやすいガス流路域の幅方向端部部位とした。この結果、変形例のガス流路形成部材４０Ａによれば、フラッディングの抑制を図ることができる。
【００４７】
また、上記した変形例では、上刃型３１０Ａにおける凸刃部３１２のピッチを変えるという単純な処置で、ガスの流れ方向に網目状の流路がほぼ真っ直ぐ延びる範囲を有するエキスパンドメタルをガス流路形成部材４０Ａとして容易に製造できる。
【００４８】
以上、本発明の実施の形態を実施例にて説明したが、本発明は上記した実施例や変形例の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様にて実施することが可能である。例えば、上記の変形例では、凸刃部３１２のピッチを広く変えることで幅広の凸部４６Ｗを形成するようにしたが、凸刃部３１２の形状自体を幅広にして、一部の凹部４４を幅広とすることもできる。
【００４９】
また、上記の実施例では、流路連設単位５０をＹ方向に３列連設した流路形成要素４２で構成したが、４列以上の流路形成要素４２にて流路連設単位５０を構成するようにすることもできる。
【符号の説明】
【００５０】
２０…燃料電池
３０…連設単位
３０ａ…水素供給マニホールド
３０ｂ…空気供給マニホールド
３０ｃ…水素排出マニホールド
３０ｄ…空気排出マニホールド
３０ｅ…冷却水供給マニホールド
３０ｆ…冷却水排出マニホールド
３１…電解質膜
３２ａ…カソード電極
３２ｂ…アノード電極
３３ａ…ガス拡散層
３４…ＭＥＡ
３５…発電体層
３６…シールガスケット
４０…ガス流路形成部材
４０Ａ…ガス流路形成部材
４２…流路構成要素
４４…凹部
４６…凸部
４６Ｗ…幅広の凸部
５０…流路連設単位
６０…ガス流路形成部材
７０…セパレーター
７１…カソード側セパレーター
７１ａ…水素供給マニホールド
７１ｂ…空気供給マニホールド
７１ｃ…水素排出マニホールド
７１ｄ…空気排出マニホールド
７１ｅ…冷却水供給マニホールド
７１ｆ…冷却水排出マニホールド
７２…中間セパレーター
７２ａ…水素連通孔
７２ｂ…空気連通孔
７３…アノード側セパレーター
７５…空気連通孔
７６…空気連通孔
８０…セパレーター
９５…エンドプレート
９５ａ…水素供給マニホールド
９５ｂ…空気供給マニホールド
９５ｃ…水素排出マニホールド
９５ｄ…空気排出マニホールド
９５ｅ…冷却水供給マニホールド
９５ｆ…冷却水排出マニホールド
１００…燃料電池スタック
３００…刃型部
３００Ａ…刃型部
３１０…上刃型
３１０Ａ…上刃型
３１２…凸刃部
３２０…下刃型
３２０Ａ…下刃型
３２２…凹刃部
３４０…供給系
３４２…ローラ対
Ｐｄ…プレス箇所
【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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【図８】
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【図９】
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