(57)【要約】      （修正有）【課題】  ガスを良好に供給するとともに機械的強度が十分確保された燃料電池用セパレータの流路形成部材の製造方法を提供すること。【解決手段】  薄肉の素材に、開口率の高い第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部１１ａと、第一の開口率よりも開口率の低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部１１ｂを交互に層状に形成する（開口形成工程）。そして、このようにして貫通孔が形成された素材に、ガス流路としての筋状凹部および筋状凸部を形成する。このとき、第一の開口率で貫通孔が形成された第一開口部１１ａが筋状凹部の溝底部に位置するように、筋状凹部および筋状凸部を形成する（凹凸成形工程）。このようにして流路形成部材を製造する。燃料電池の単セルを組み立てる際には、上記溝底部がＭＥＡに接するように当接させる。【選択図】  図２
2007026812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路が形成されたガス流路形成部材の製造方法であって、
薄肉の素材に第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部とを交互に層状に形成する開口形成工程と、
前記開口形成工程によって形成された前記第一開口部が凹部の溝底部となるように前記薄肉の素材に前記ガス流路としての複数の筋状凹部および筋状凸部を交互に成形する凹凸成形工程とを有することを特徴とするガス流路形成部材の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記第一開口部と前記第二開口部とに形成された貫通孔の形状は略同一の形状であり、前記第一開口部に形成された貫通孔の形成間隔が前記第二開口部に形成された貫通孔の形成間隔よりも狭いことを特徴とするガス流路形成部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２において、前記開口形成工程は、前記薄肉の素材にせん断曲げ加工で多数の貫通孔を網目状に形成したラスカットメタルを成形する工程であることを特徴とするガス流路形成部材の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記開口形成工程後であって、前記凹凸成形工程前にラスカットメタルを圧延加工によって略平板状に成形することによりエキスパンドメタルを得る圧延工程を更に有することを特徴とするガス流路形成部材の製造方法。
【請求項５】
燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路を形成する燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材において、
前記ガス流路形成部材は、薄肉の素材に第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部とを交互に層状に形成し、形成された前記第一開口部が凹部の溝底部となるように前記薄肉の素材に前記ガス流路としての複数の筋状凹部および筋状凸部を交互に成形することにより成形されたことを特徴とするガス流路形成部材。
【請求項６】
請求項５において、前記第一開口部と前記第二開口部とに形成された貫通孔の形状は略同一の形状であり、前記第一開口部に形成された貫通孔の形成間隔が前記第二開口部に形成された貫通孔の形成間隔よりも狭いことを特徴とするガス流路形成部材。
【請求項７】
請求項５または６において、前記薄肉の素材は、平板状の金属薄板に対してせん断曲げ加工により多数の貫通孔を網目状に形成したラスカットメタルとして、前記第一開口部および前記第二開口部が成形されたものであることを特徴とするガス流路形成部材。
【請求項８】
請求項５または６において、前記薄肉の素材は、平板状の金属薄板に対してせん断曲げ加工により多数の貫通孔を網目状に形成した後、圧延加工によって略平板状に形成したエキスパンドメタルとして、前記第一開口部および前記第二開口部が成形されたものであることを特徴とするガス流路形成部材。
【請求項９】
燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路が形成されるガス流路形成部材に用いられる薄肉の素材に多数の貫通孔を形成する貫通孔形成装置であって、
前記薄肉の素材に多数の貫通孔を形成する刃部を有するパンチと、
前記パンチに前記薄肉の素材を送る送り装置と、
前記薄肉の素材に多数の貫通孔を第一の開口率で形成する第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔を形成する第二開口部とを交互に層状に形成するように、前記パンチおよび／または前記送り装置を制御する制御手段とを具備することを特徴とする貫通孔形成装置。
【請求項１０】
請求項９において、前記制御手段は、前記第一開口部に貫通孔を形成する際における前記送り装置による前記薄肉の素材の送り量を、前記第二開口部に貫通孔を形成する際における前記送り装置による前記薄肉の素材の送り量よりも小さくなるように、前記送り装置を制御することを特徴とする貫通孔形成装置。
【請求項１１】
請求項９において、前記制御手段は、前記第一開口部に貫通孔を形成する際における前記刃部による貫通孔の形成時間間隔を、前記第二開口部に貫通孔を形成する際における前記刃部による貫通孔の形成時間間隔よりも短くなるように、前記パンチを制御することを特徴とする貫通孔形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、薄肉の素材、特に、多数の貫通孔が網目状に形成された薄肉の素材に対して複数の筋状凹部および筋状凸部が形成された燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材の製造方法、前記製造方法によって製造される燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材、ならびにガス流路形成部材に用いる素材に貫通孔を形成するための貫通孔形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、例えば、下記特許文献１に示すような燃料電池の構造は知られている。この燃料電池の構造におけるメタルセパレータは、アノード電極またはカソード電極を支持する集電部と、燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極に供給するためのガス流路を形成するガス流路形成部材とを備える構造となっている。また、メタルセパレータの集電部と電極との間には、多数の貫通孔が形成されるとともにその表面に多数の凹凸形状を有するエキスパンドメタルが設けられている。そして、このエキスパンドメタルの厚み（凹凸寸法）を適宜調整することにより、燃料電池のアノード電極またはカソード電極とエキスパンドメタルとの接触を良好に確保することができ、発電された電気の損失を低減するようになっている。
【０００３】
また、従来から、例えば、下記特許文献２に示すような溝付き板材をメタルセパレータのガス流路形成部材として採用した燃料電池も知られている。この溝付き板材は、薄層が表面に形成された平板状のクラッド材に対して波型形状を予備成形し、その後所望の溝形状を本成形することによって製造される。そして、この製造された溝付き板材をメタルセパレータとして採用することにより、成形された溝が燃料ガスまたは空気を好適に分離し、同分離された燃料ガスまたは空気を燃料電池のアノード電極またはカソード電極に導通するようになっている。
【０００４】
さらに、従来から、例えば、下記特許文献３に示すような燃料電池のセパレータは知られている。この燃料電池のセパレータは、平板状の第１部材（カーボン）と、この第１部材に積層され、燃料電池の電極層に弾性的に接触するとともにガス流路を形成する複数の突片を有する第２部材（金属板）とから構成されている。そして、第２部材の複数の突片によって形成されたガス流路は、突片の周囲や内側に存在する空間とされていて、流入したガスがあらゆる方向に立体的に連通するようになっている。このため、ガス流路を流れるガスの反応効率が高まるとともに電極層に対するガス拡散性がより均一化して、燃料電池の発電効率を向上するようになっている。
【特許文献１】特開平８−１３８７０１号公報
【特許文献２】特開２００３−２４９２３８号公報
【特許文献３】特開２００２−１８４４２２号公報
【０００５】
一般的に、燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極反応および集電効率を向上させることが重要である。このため、燃料電池に採用されるメタルセパレータには、燃料電池に導入される燃料ガスと酸化剤ガスとを電極層に効率よく供給する機能と、電極反応で発電された電気を効率よく集電する機能が要求される。
【０００６】
ところで、上記特許文献１に示された従来の燃料電池の構造においては、エキスパンドメタルと電極との接触が良好に確保されるため、発電された電気を効率よく集電する機能は満足する。しかし、気体不透過性の集電部サポートによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが電極に供給される。このため、各電極に対して十分な燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給できず、言い換えると、ガス拡散性が不均一となり、ガスを効率よく供給する機能を満足しない場合がある。
【０００７】
また、上記特許文献２に示された従来の燃料電池においては、クラッド材に溝を正確に成形することができ、各電極との接触が十分に確保される。このため、発電された電気を効率よく集電する機能は満足する。しかし、上記特許文献１の燃料電池と同様に、気体不透過のクラッド材に形成した溝によって燃料ガスまたは酸化剤ガスを電極に供給する。このため、各電極に対するガス拡散性が不均一となり、ガスを効率よく供給する機能を満足しない場合がある。
【０００８】
さらに、上記特許文献３に示された従来の燃料電池のセパレータにおいては、ガス拡散性を良好に確保することによってガスを供給する機能については満足するものの、電極層と接触する部位が突片の頂面付近となることから電気の集電抵抗が増大して集電効率が低下する場合がある。また、薄板の金属板に突片を成形する際には、成形上の制約、例えば、成形可能な突片の高さ制約などによって、燃料電池に要求される発電効率を確保できない場合がある。
【０００９】
このような燃料電池に対する要求を満たすために、例えば、網目状に多数の貫通孔を有するエキスパンドメタルに多数の溝を流路として形成することによってメタルセパレータの流路形成部材を成形すれば、各電極との接触を良好に確保しつつ、エキスパンドメタルの貫通孔をガスが通過することにより電極層に対するガス拡散性を良好に確保することができる。したがって、燃料電池に要求される機能すなわちガスを効率よく供給する機能および発電された電気を効率よく集電する機能を両立できると考えられる。しかしながら、エキスパンドメタルは、網目状に多数の貫通孔が形成されているために、機械的強度を確保することが難しく、例えば、燃料電池の組み立て時に付与される締結力によってエキスパンドメタルが変形する可能性がある。このため、ガスを効率よく供給する機能が損なわれる場合がある。また、機械的強度を確保するために、貫通孔の開口面積を小さくすると、貫通孔からのガス拡散性が損なわれ、効率的なガスの供給を阻害するという問題が生じる。
【発明の開示】
【００１０】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、ガスを良好に供給するとともに機械的強度が十分確保された燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材の製造方法、そのようにして成形された燃料電池用メタルセパレータの流路形成部材、ならびに、そのような燃料電池用メタルセパレータに用いられる素材に貫通孔を形成するための貫通孔形成装置を提供することにある。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路が形成されたガス流路形成部材の製造方法であって、薄肉の素材に第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部とを交互に層状に形成する開口形成工程と、前記開口形成工程によって形成された前記第一開口部が凹部の溝底部となるように前記薄肉の素材に前記ガス流路としての複数の筋状凹部および筋状凸部を交互に成形する凹凸成形工程とを有する製造方法とすることにある。この場合、前記薄肉の素材は、例えば、平板状の金属薄板に対してせん断曲げ加工により多数の貫通孔を網目状に形成したラスカットメタルや、このようなラスカットメタルを圧延加工によって略平板状に成形したエキスパンドメタルであるとよい。
【００１２】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路を形成する燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材において、前記ガス流路形成部材は、薄肉の素材に第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部とを交互に層状に形成し、形成された前記第一開口部が凹部の溝底部となるように前記薄肉の素材に前記ガス流路としての複数の筋状凹部および筋状凸部を交互に成形することにより成形されたものとすることにある。この場合、前記薄肉の素材は、例えば、平板状の金属薄板に対してせん断曲げ加工により多数の貫通孔を網目状に形成したラスカットメタルや、このようなラスカットメタルを圧延加工によって略平板状に成形したエキスパンドメタルであるとよい。
【００１３】
上記本発明によれば、薄肉の素材にまず多数の貫通孔を形成する。この場合において、開口率の高い第一の開口率で多数の貫通孔が形成された第一開口部と、第一の開口率よりも開口率の低い第二の開口率で多数の貫通孔が形成された第二開口部が交互に層状に形成されるように素材に貫通孔を形成する（開口形成工程）。そして、このようにして貫通孔が形成された素材に、ガス流路としての筋状凹部および筋状凸部を形成する。このとき、第一の開口率で貫通孔が形成された第一開口部が筋状凹部の溝底部に位置するように、筋状凹部および筋状凸部を形成する（凹凸成形工程）。上記開口形成工程および凹凸成形工程を経て製造した燃料電池用メタルセパレータのガス流路形成部材は、ガス流路を形成する筋状凹部及び筋状凸部のうち、筋状凹部の溝底部の貫通孔の開口率が他の部分の貫通孔の開口率よりも高い。すなわち、筋状凹部の溝底部の開口面積は、他の部分の開口面積に比較して大きい。したがって、この溝底部の部分を電極構造体に当接させることにより、ガス流路から電極構造体へのガスの供給を良好なものとすることができる。また、筋状凹部の溝底部以外の部分の開口率は低く、開口面積は小さいので、開口面積の増加に伴う機械的強度の減少が起こることはない。よって、機械的強度が確保及びガス拡散性の向上をともに達成した燃料電池用メタルセパレータを製造又は成形することができる。
【００１４】
ここで、本発明において、「ラスカットメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって、網目状の小径の貫通孔が形成されたものである。また、「エキスパンドメタル」とは、平板状の薄肉金属板に対して、順次千鳥配置の切れ目を加工するとともに加工した切れ目を押し曲げることによって網目状の小径の貫通孔が形成され、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。エキスパンドメタルは略平板状に成形されるため、例えば、最終成形後の製品において不必要な曲がりや凹凸などを除去するための工程を設ける必要がなく、製造コストを低減することができる。
【００１５】
また、本発明において、「開口率」とは、素材の単位面積あたりに形成された貫通孔の開口面積の割合をいう。したがって、第一開口部と第二開口部とで開口率を異ならせるために、貫通孔の各孔形状は同じとして貫通孔の形成間隔を第一開口部と第二開口部とで異ならせるようにして両部分を形成することもできるし、また、貫通孔の形成間隔は同じであり、貫通孔の各孔形状を相似形状として孔面積自体を異ならせるようにして両部分を形成することもできる。
【００１６】
また、本発明において、「筋状凹部」とは、流路形成部材の素材に溝状に形成された部分をいい、素材平面から直線状に没入した溝底部およびこの溝底部の両側端に形成される側壁部とを有するものである。一方、「筋状凸部」とは、流路形成部材の素材に突条として形成された部分をいい、素材平面から直線状に突出した突条部およびこの突条部の両側端に形成される側壁部とを有するものである。本発明においては、素材にこれらの筋状凹部および筋状凸部が交互に形成されており、隣接する筋状凹部と筋状凸部の側壁部が順次共有される状態で、断面凹凸形状が連続的に形成されているものである。
【００１７】
また、本発明の他の特徴は、前記第一開口部と前記第二開口部とに形成された貫通孔の形状は相似形状であり、前記第一開口部に形成された貫通孔の形成間隔が前記第二開口部に形成された貫通孔の形成間隔よりも狭くすることにある。このようにして第一の開口部と第二の開口部とを形成することにより、両部分を同一のパンチで形成することができるため、両部分を成形するための成形装置を共通化することができ、安価に本発明に係るガス流路形成部材を製造することができる。
【００１８】
また、本発明の他の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給するガス流路が形成されるガス流路形成部材に用いられる薄肉の素材に多数の貫通孔を形成する貫通孔形成装置であって、前記薄肉の素材に多数の貫通孔を形成する刃部を有するパンチと、前記パンチに前記薄肉の素材を送る送り装置と、前記薄肉の素材に多数の貫通孔を第一の開口率で形成する第一開口部と前記第一の開口率よりも低い第二の開口率で多数の貫通孔を形成する第二開口部とを交互に層状に形成するように、前記パンチおよび／または前記送り装置を制御する制御手段とを具備する貫通孔形成装置とすることにある。
【００１９】
上記本発明によれば、貫通孔形成装置を、素材に貫通孔を形成するパンチと、素材をパンチに送る送り装置と、パンチおよび／または送り装置を制御する制御手段を有する構成とする。そして、制御手段は、パンチの駆動制御又は送り装置の送り制御の少なくともどちらか一方を制御することによって、素材に第一開口部と第二開口部を層状に形成する。このように、簡易な装置構成で、本発明に係るガス流路形成部材を成形する装置を提供することができる。この場合において、制御手段は、第一開口部に貫通孔を形成する際における送り装置による薄肉の素材の送り量を制御するものとすることができる。たとえば、送り装置を送りローラと送りローラを駆動させるステップモータとを有する構成とし、送りローラでの送り量を第一開口部と第二開口部とで異なるようにステップモータによる駆動を制御することができる。また、制御手段は、第一開口部に貫通孔を形成する際における刃部による貫通孔の形成時間間隔を、第二開口部に貫通孔を形成する際における刃部による貫通孔の形成時間間隔よりも短くなるように、前記パンチを制御するものとすることができる。たとえば、パンチの刃部の往復周期を第一開口部と第二開口部とで異なるように刃部を駆動させるアクチュエータを制御する構成とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を用いて本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は、燃料電池に利用されて、同燃料電池のメタルセパレータを構成するガス流路形成部材１０を示している。このガス流路形成部材１０は、燃料電池を構成する電極（アノード電極およびカソード電極）に外部から供給される燃料ガスおよび酸化剤ガス（以下、まとめて単にガスという）を供給するとともに、これら電極の電極反応によって発電された電気を集電するものである。このため、ガス流路形成部材１０の形状としては、外部から供給されたガスを各電極に効率よく供給することに加え、発電された電気を効率よく集電する形状が要求される。すなわち、外部から供給されたガスを各電極に効率よく供給するためには、導通するガスの圧力損失を低減する形状であることが要求される。一方、発電された電気を効率よく集電するためには、各電極との接触面積を大きくし集電抵抗を低減する形状であることが要求される。
【００２１】
したがって、ガス流路形成部材１０は、図１に示すように、導通ガスの圧力損失を低減するために多数の網目状の貫通孔が形成されたラスカットメタル１１に対して多数の筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形されている。また、集電抵抗を低減するために筋状凸部１３の成形幅に比して筋状凹部１２の成形幅が大きくなるように成形されている。さらに、筋状凹部１２の溝底部に形成された貫通孔の開口率は、それ以外の部分に形成された貫通孔の開口率よりも高くされている。すなわち、筋状凹部１２の溝底部の開口率を第一開口率、それ以外の部分の開孔率を第二開口率とすると、第二開口率は第一開口率よりも低くされている。以下、このガス流路形成部材１０の製造について詳細に説明する。
【００２２】
薄肉の素材としてのラスカットメタル１１は、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板を素材とし、孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされた多数の小径の貫通孔が網目状に形成されるものである。そして、本実施形態におけるラスカットメタル１１は、図２に示すように、開口形状自体はほぼ同じ形状（相似形状）であるが、貫通孔の形成間隔が異なる第一開口部１１ａと第二開口部１１ｂを有して形成されている。第一開口部１１ａは、図に示すように貫通孔の形成間隔が狭く、開口率（単位面積あたりの開口面積の割合）が高い第一の開口率で貫通孔が形成されている。一方、第二開口部１１ｂは、図に示すように貫通孔の形成間隔が広く、第一開口部１１ａよりも開口率が低い第二の開口率で貫通孔が形成されている。このような形状のラスカットメタル１１は、以下に説明するラスカットメタル成形工程（開口形成工程）を経て製造される。
【００２３】
ラスカットメタル成形工程は、図３（ａ）に概略的に示すラスカットメタル加工装置Ｒを用いて、ステンレス板Ｓに多数の網目状の貫通孔を成形する。ラスカットメタル加工装置Ｒは、ステンレス板Ｓを供給するための送りローラＯＲと、ステンレス板Ｓを順次せん断加工して網目状の貫通孔を形成するパンチＰと、送りローラＯＲの送り量を制御する制御装置としてのステップモータＭを備えている。なお、ステンレス板Ｓは、所定の長さに予め切断された板材であってもよいし、コイル状に巻き取られたコイル材であってもよい。パンチＰは、図３（ｂ）に示すように、上下動可能な上刃ＵＨと固設された下刃ＳＨとを有して構成される。そして、上刃ＵＨおよび下刃ＳＨは、ステンレス板Ｓに対してせん断加工により千鳥配置に切れ目を形成するために、複数の山谷形状とされた刃を備えている。
【００２４】
このように構成されたラスカットメタル加工装置Ｒを用いたラスカットメタル成形工程においては、まず、素材に第一開口部１１ａを形成する。この場合には、ステップモータＭの駆動により送りローラＯＲがステンレス板Ｓを所定の加工長さ（加工ピッチ）Ｌ１だけパンチＰに送る。パンチＰの上刃ＵＨは、送りローラＯＲによってステンレス板Ｓが供給されると、下刃ＳＨ方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその山形状の部分によってステンレス板Ｓの一部をせん断して千鳥配置の切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは最下点位置まで降下し、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを下方に曲げ伸ばし、その後、上方の原位置まで復帰する。続いて、送りローラＯＲが再び加工ピッチＬ１だけステンレス板Ｓを刃型Ｈに送り、上刃ＵＨが山谷形状の半ピッチ分だけ左（右）に移動した後、再び上刃ＵＨが降下することによって切れ目加工および曲げ伸ばし加工が施される。
【００２５】
そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状の貫通孔が、加工ピッチＬ１と等しい形成間隔で形成されたラスカットメタル１１が成形される。ここで、上刃ＵＨと下刃ＳＨに谷部分を設けることにより、上刃ＵＨの降下に伴ってステンレス板Ｓに切れ目が加工されない部分を設けることができる。この切れ目が加工されない部分がラスカットメタル１１のボンド部１１ｃとなり、ラスカットメタル１１はその断面形状が図３（ａ）に示すような段形状として成形される。
【００２６】
加工ピッチＬ１の送り動作および、パンチＰによるせん断加工が所定回数行われたら、ついで、素材に第二開口部１１ｂを形成する。この場合には、ステップモータＭの駆動により送りローラＯＲがステンレス板Ｓを加工ピッチＬ２だけパンチＰに送る。ここで、加工ピッチＬ２は、加工ピッチＬ１よりも長く設定される。このように加工ピッチＬ２で送りローラＯＲからステンレス板Ｓが供給されると、上刃ＵＨが下刃ＳＨ方向へ降下し、下刃ＳＨとともにその山形状の部分によってステンレス板Ｓの一部をせん断し、千鳥配置の切れ目を加工する。さらに続けて、上刃ＵＨは最下点位置まで降下し、同上刃ＵＨの刃と接触しているステンレス板Ｓを下方に曲げ伸ばし、その後、上方の原位置まで復帰する。続いて、送りローラＯＲが再び加工ピッチＬ２だけステンレス板Ｓを刃型Ｈに送り、上刃ＵＨが山谷形状の半ピッチ分だけ左（右）に移動した後、再び上刃ＵＨが降下することによって切れ目加工および曲げ伸ばし加工が施される。そして、これらの動作を繰り返すことにより、多数の網目状の貫通孔が、加工ピッチＬ２と等しい形成間隔で形成されたラスカットメタル１１が成形される。
【００２７】
上記のように、加工ピッチＬ１での送りと加工ピッチＬ２での送りを交互に繰り返しながら送りローラＯＲでステンレス板ＳをパンチＰに供給すると、図２に示すように、開口率の高い第一の開口率で貫通孔が形成された第一開口部１１ａと、開口率の低い第二の開口率で貫通孔が形成された第二開口部１１ｂとが交互に層状に形成されたラスカットメタル１１を作製することができる。ここで、上記開口形成工程において、加工ピッチＬ１は、加工ピッチＬ２よりも短いので、加工ピッチＬ１の加工送りで貫通孔が形成された部分は、貫通孔の形成間隔が短く、密に貫通孔が形成されている。一方、加工ピッチＬ２の加工送りで貫通孔が形成された部分は、貫通孔の形成間隔が長く、疎に貫通孔が形成されている。したがって、加工ピッチＬ１の加工送りで形成された部分が第一開口部１１ａに、加工ピッチＬ２の加工送りで形成された部分が第二開口部１１ｂとなる。
【００２８】
次に、上述したように製造されたラスカットメタル１１に対して、多数の筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する工程（凹凸成形工程）について詳細に説明する。この工程は、ラスカットメタル１１に対して緩やかな凹凸形状（以下、この凹凸形状を波形形状という）を仮成形する第一成形工程と、波形形状が仮成形されたラスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する第二成形工程とから構成される。
【００２９】
第一成形工程は、図４に示すようなコルゲート成形機Ｋを用いて、ラスカットメタル１１に波形形状を成形する。このコルゲート成形機Ｋは、ピニオンギア形状のピニオンツールＰＴとラック形状のラックツールＲＴとを備えている。ピニオンツールＰＴは、供給されるラスカットメタル１１の幅寸法に比して大きな軸線方向寸法を有していて、図示しない駆動装置に連結されたシャフトＪに対して同軸的かつ相対回転不能に組み付けられている。ラックツールＲＴは、平板状に形成されており、ピニオンツールＰＴと対向する面には、ピニオンツールＰＴのピニオンギア形状と歯合するラック形状が形成されている。そして、ラックツールＲＴは、図示しない送り装置によって、ピニオンツールＰＴの回動に合わせてその軸線方向（図４において左右方向）に正確に変位するようになっている。また、ピニオンツールＰＴに形成されたピニオンギア形状とラックツールＲＴに形成されたラック形状の歯の高さは、第一成形工程にて成形される波形形状の凹凸の成形寸法（以下、第一成形寸法という）が後述する第二成形工程にて成形される筋状凹部１２および筋状凸部１３の最終成形寸法Ｌよりも所定寸法ΔＬだけ大きくなるように設定されている。
【００３０】
このように構成されたコルゲート成形機Ｋを用いた第一成形工程においては、上述のように製造されたラスカットメタル１１がピニオンツールＰＴとラックツールＲＴとの歯合部分に連続的に供給される。このように、ラスカットメタル１１が供給されると、ピニオンツールＰＴは、駆動装置からシャフトＪを介して伝達された駆動力によって回動を開始する。また、ラックツールＲＴは、送り装置により、ピニオンツールＰＴの回動に合わせて軸線方向への変位を開始する。これにより、ラスカットメタル１１は、図５（ａ）に示すように、ピニオンツールＰＴとラックツールＲＴの噛み合わせ部分（詳しくは、ピニオンギア形状とラック形状の歯の噛み合わせ部分）にて連続的に波形形状が成形される。この場合において、上記開口形成工程においてラスカットメタル１１に第一開口部１１ａと第二開口部１１ｂが交互に層状に形成されているが、第一開口部１１ａがラックツールＲＴの突条部分Ｔに位置して加工されるようにラスカットメタル１１をセットする。そして、第一成形工程によってラスカットメタル１１に成形される波形形状の高さ方向における第一成形寸法は、図５（ｂ）に示すように、最終成形寸法ＬよりもΔＬだけ大きく成形される。言い換えれば、ガス流路形成部材１０の筋状凹部１２および筋状凸部１３の形成方向における断面の断面長に比して、第一成形工程で成形されたラスカットメタル１１の波形形状の形成方向における断面の断面長が大きく（長く）なるように成形される。
【００３１】
このように、第一成形工程によって連続的に波形形状が成形されたラスカットメタル１１は、ガス流路形成部材１０の製品寸法と等しくなるように切断されて、第二成形工程に供給される。第二成形工程は、波形形状が成形されたラスカットメタル１１に対し、最終形状としての筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形し、ガス流路形成部材１０とする工程である。この第二成形工程は、図６（ａ）に概略的に示すように、プレス成形機Ｏを用いて筋状凹部１２と筋状凸部１３をプレス成形する。プレス成形機Ｏは、床面に固設された下型ＳＯと、同下型ＳＯの上方に配置されて上下動可能な上型ＵＯとを備えている。そして、これら下型ＳＯと上型ＵＯの対向する面は、筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形するための凹凸形状が形成されている。ここで、下型ＳＯと上型ＵＯに形成される凹形状と凸形状の形成幅については、凹形状の形成幅が凸形状の形成幅よりも大きくなるように設定されている。また、凹形状の形成深さと凸形状の形成高さについては、最終成形寸法Ｌと略等しくなるように設定されている。
【００３２】
このように構成されたプレス成形機Ｏを用いた最終成形工程においては、まず、第一成形工程で成形されたラスカットメタル１１が下型ＳＯの凹凸形状が形成された上面に載置される。この載置においては、図６（ａ）に示すように、ラスカットメタル１１に成形された波形形状の凹凸が下型ＳＯに形成された凹凸形状と一致するように載置される。この状態にて、上型ＵＯが下型ＳＯの方向へ降下すると、下型ＳＯおよび上型ＵＯに形成された凹凸形状によって、図６（ｂ）に示すように、ラスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３が形成される。ここで、成形されたラスカットメタル１１の筋状凹部１２と筋状凸部１３は、下型ＳＯと上型ＵＯ間で挟持されることによって、ボンド部１１ｃが圧縮されて略平面状に形成される。
【００３３】
ここで、上述したように、第一成形工程によって成形された波形形状の成形寸法はＬ＋ΔＬであり、第二成形工程によって成形された筋状凹部１２および筋状凸部１３の最終成形寸法はＬとなっている。このため、最終成形工程においては、ラスカットメタル１１を圧縮しながら、言い換えれば、波形形状の成形方向における断面の断面長を縮めながら筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する。これにより、特に、略直角に曲げ加工される筋状凹部１２および筋状凸部１３の角部分が過度に延ばされる（引っ張られる）ことを効果的に防止することができる。このため、ラスカットメタル１１のように、せん断加工によって加工硬化の生じた薄肉の素材であっても、割れや破断の発生を防止して容易に曲げ加工を施すことができる。
【００３４】
すなわち、ラスカットメタル１１は、その製造時において、網目状の貫通孔を成形するためのせん断加工や曲げ伸ばし加工によって、ボンド部１１ｃの周辺に加工硬化が生じている。このため、上述した第一成形を行わずに筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形した場合には、例えば、ボンド部１１ｃが筋状凹部１２や筋状凸部１３の角部分に存在していると、曲げ加工に伴う伸びが不足してボンド部１１ｃにて割れや破断が発生する。これに対して、ラスカットメタル１１に波形形状を一旦成形しておき、圧縮しながら筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形すれば、ラスカットメタル１１の余肉（詳しくは、ストランド）を角部分に向けて流動させることができる。したがって、曲げ加工に伴ってボンド部１１ｃが過度に延ばされないため、好適に曲げ加工を施すことができる。
【００３５】
また、この第二成形工程では、第一成形工程によって成形した幅広の部分が筋状凹部１２の溝底部の部分に成形されるが、この部分は上述したように開口率の高い第一の開口率で貫通孔が形成された第一開口部１１ａである。一方、それ以外の部分の開口率は、第二の開口率で貫通孔が形成された第二開口部１１ｂである。ここで、第一の開口率は第二の開口率よりも高い開口率である。したがって、このようにして作製したラスカットメタル１１は、筋状凹部１２の溝底部のみの開口率が高いものとなる。
【００３６】
開口形成工程及び凹凸成形工程を経て製造されたラスカットメタル１１は、所定寸法にされてガス流路形成部材１０とされる。このガス流路形成部材１０は、固体高分子型燃料電池を構成するメタルセパレータとして用いられる。なお、固体高分子型燃料電池の構成については、本発明に直接関係しないため、その詳細な説明を省略するが、以下に簡単に説明しておく。
【００３７】
固体高分子型燃料電池は、図７にその構成を示す単セルが多数積層されて構成される。単セルは、上述したガス流路形成部材１０および金属薄板２０から構成されるメタルセパレータを上下に配し、同メタルセパレータ間に２枚の樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０（Membrane−Electrode Assembly：膜−電極アッセンブリ）を備えて構成される。そして、各単セルに対して、例えば水素ガスなどの燃料ガスと、例えば空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタック外部から導入されることにより、ＭＥＡ４０での電極反応によって電気が発電される。
【００３８】
金属薄板２０は、単セルが多数積層されたとき、外部から導入されたガスの混流を防止するとともに、各単セル内にガスを導入するものである。このため、金属薄板２０には、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ導入するためのガス導入口２１と、ＭＥＡ４０にて未反応の燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞれ排出するためのガス導出口２２が形成されている。
【００３９】
樹脂フレーム３０は、その周縁部分にて、単セルを形成した状態で金属薄板２０に形成されたガス導入口２１およびガス導出口２２の各貫通孔に対応する位置に同各貫通孔の形状と略同一の形状の貫通孔３１，３２が形成されている。また、樹脂フレーム３０には、その略中央部分にて、ガス流路形成部材１０を収容する収容孔３３が形成されている。この収容孔３３は、固着される金属薄板２０に形成された一対のガス導入口２１およびガス導出口２２と、積層される他方の樹脂フレーム３０に形成された貫通孔３１，３２とをも収容するように形成されている。
【００４０】
このように、収容孔３３を形成することにより、固着される金属薄板２０の下面（または上面）、収容孔３３の内周面およびＭＥＡ４０の上面（または下面）により空間（以下、この空間をガス導通空間という）が形成される。そして、ガス導通空間内に対して、例えば、燃料ガスを金属薄板２０の一方のガス導入口２１から、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口２１および樹脂フレーム３０の貫通孔３１から導入することができる。また、ガス導通空間を通過した未反応のガスは、金属薄板２０の一方のガス導出口２２を介して、また、他方のガス導出口２２および樹脂フレーム３０の貫通孔３２を介して外部に導出することができる。また、樹脂フレーム３０は、ガス流路形成部材１０の筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。
【００４１】
電極構造体としてのＭＥＡ４０は、電解質膜ＥＦを備えている。そして、電解質膜ＥＦ表面上にて、燃料ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるアノード電極と、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間側に配置されるカソード電極とが、所定の触媒を層状に積層することにより形成されている。
【００４２】
そして、２枚のセパレータ本体２０間に、ガス流路形成部材１０、樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０を積層することによって単セルが構成される。具体的に説明すると、互いに同一平面内にて略９０°回転して配置される樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０を挟持し、例えば、接着剤などを塗布することにより、樹脂フレーム３０間にＭＥＡ４０の電解質膜ＥＦを一体的に固着する。このように一体的に固着された樹脂フレーム３０およびＭＥＡ４０に対して、ガス流路形成部材１０が収容孔３３に収容された状態で、２枚のセパレータ本体２０を、例えば、接着剤などを塗布することにより、一体的に固着する。
【００４３】
このとき、ガス流路形成部材１０は、図８に示すように、成形幅が幅広の筋状凹部１２とＭＥＡ４０（詳しくは、カーボンクロスＣＣ）とが接触するように配置される。また、樹脂フレーム３０の板厚が筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形高さよりも僅かに小さい寸法とされているため、筋状凹部１２がセパレータ本体２０によってＭＥＡ４０側に若干押圧された状態で固着される。これにより、ガス流路形成部材１０とＭＥＡ４０との接触状態を良好に保つことができる。そして、このように形成された単セルは、多数積層された後、例えば、図示しないボルトとナットによって所定の締結力で固定されることによって、燃料電池スタックを構成する。
【００４４】
このように構成された単セルを多数積層した固体高分子型燃料電池においては、上述した各工程を経て製造されたガス流路形成部材１０によって、ＭＥＡ４０のアノード電極およびカソード電極に燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することができる。具体的に説明すると、ガス流路形成部材１０は、薄肉のラスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形されて構成されている。このため、外部からガス導入口２１を介してガス導通空間内に導入されたガスは、筋状凹部１２または筋状凸部１３を導通することにより、圧力損失を大幅に低減することができる。また、ラスカットメタル１１は多数の網目状の貫通孔が形成されているため、ガス導通空間内に導入されたガスは前記貫通孔を介して筋状凹部１２と筋状凸部１３間を極めて容易に透過することができる。とりわけ、本実施形態において作製された流路形成部材１０においては、ＭＥＡ４０に接している筋状凹部１２の溝底部に形成された貫通孔の開口率が他の部分よりも高くされているため、ガス流路形成部材１０から供給されたガスがこの開口率の高い部分からＭＥＡ４０に良好に拡散する。したがって、ガスを各電極に対して効率よく供給することができ、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることができる。加えて、ガス流路部材の筋状凹部の溝底部以外の部分の開口率は低いため、開口率の増加に伴う機械的強度の低下が生じることはない。したがって、ガスを良好に供給するとともに機械的強度が十分確保された燃料電池用セパレータのガス流路形成部材を提供することができる。
【００４５】
上記実施形態においては、ラスカットメタル１１を用いてガス流路形成部材を製造する場合について説明したが、ラスカットメタル１１以外にも、適当な貫通孔を素材に形成することにより本発明を実施することができる。適当な貫通孔を素材に形成する他の例としては、エキスパンドメタルを用いる例がある。エキスパンドメタルは、上述のラスカットメタル１１と同様に、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板から形成されるものである。そして、エキスパンドメタルにも、孔径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度とされた多数の小径の貫通孔が網目状に形成されている。このエキスパンドメタル１４は、上述したラスカットメタルにおける開口形成工程に次いで、圧延加工が付加されて製造される。
【００４６】
付加された圧延工程は、図９に概略的に示す圧延成形機Ａを用いて、上述したように製造されるラスカットメタル１１を圧延する。圧延成形機Ａは、上下一対の圧延ローラＡＲを備えていて、供給されたラスカットメタル１１を圧延する。これにより、ラスカットメタル１１のボンド部１１ｃが圧延ローラＡＲによって圧延されて（引き伸ばされて）、エキスパンドメタル１４が製造される。このようにして製造されたエキスパンドメタル１４も、圧延工程前の開口形成工程にて第一開口部１１ａと第二開口部１１ｂとが交互に層状に形成されている（図２参照）。そして、圧延工程後の凹凸形成工程で筋状凹部及び筋状凸部が形成されるが、このとき、開口率の高い第一開口部１１ａが筋状凹部１２の溝底部となるように凹凸が形成される。
【００４７】
このようにして製造したガス流路形成部材１０を燃料電池用セパレータのガス流路形成部材として用いる際に、筋状凹部１２の溝底部をＭＥＡ４０に接する側として組み立てることにより、ガス流路形成部材１０から供給されたガスがこの開口率の高い部分からＭＥＡ４０に良好に拡散する。したがって、ガスを各電極に対して効率よく供給することができ、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることができる。加えて、ガス流路形成部材１０の筋状凹部１２の溝底部以外の部分の開口率は低いため、開口率の増加に伴う機械的強度の低下が生じることはない。したがって、ガスを良好に供給するとともに機械的強度が十分確保された燃料電池用セパレータのガス流路形成部材１０を提供することができる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態および変形例に限定されることなく、種々の変形が可能である。上記実施形態および変形例においては、開口形成工程において、素材に多数の貫通孔を第一の開口率で形成する第一開口部１１ａと第二の開口率で形成する第二開孔部１１ｂとを交互に層状に形成するために、送りローラＯＲによる送り量を制御する例を示している。具体的には、ステップモータＭで送りローラＯＲの駆動を制御することにより、第一開口部１１ａに貫通孔を形成する際における送り量（送りピッチＬ１）を、第二開口部１１ｂに貫通孔を形成する際における送り量（送りピッチＬ２）よりも少なくなるように送りローラを制御した例を示している。しかし、本発明は、それ以外の方法によっても実現することも可能である。例えば、送りローラＯＲによる送り量は常に一定とし、その代わり、第一開口部１１ａに貫通孔を形成する際におけるパンチＰの上刃ＵＨの形成時間間隔（単位時間当たりの形成回数）を、第二開口部１１ｂに貫通孔を形成する際における形成時間間隔よりも短く（早く）なるように、パンチＰを制御することによっても、本発明を実現できる。この場合には、上刃ＵＨを往復駆動させるためのアクチュエータを制御してやればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態に係る筋状凹凸成形方法により製造される燃料電池用メタルセパレータの流路形成部材を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態に係る流路形成部材に用いるラスカットメタルに形成された貫通孔の形成状態を示す図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は、図２のラスカットメタルを製造するラスカット製造工程を説明するための図である。
【図４】図２のラスカットメタルに波形形状を成形する第一成形工程を説明するための図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は、第一成形工程によって成形される波形形状を説明するための図である。
【図６】（ａ）は、第二成形工程を説明するための概略図であり、（ｂ）は、第二成形工程によって成形される筋状凹部および筋状凸部を説明するための図である。
【図７】図１の流路形成部材が採用された燃料電池の構成を説明するための概略的な分解斜視図である。
【図８】本発明の実施形態において作製した流路形成部材を採用した燃料電池における単セルの断面概略図である。
【図９】図８のエキスパンドメタルを製造する圧延工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０…流路形成部材、１１…ラスカットメタル、１１ａ…第一開口部、１１ｂ…第二開口部、１１ｃ…ボンド部、１２…筋状凹部、１３…筋状凸部、１４…エキスパンドメタル、２０…金属薄板、３０…樹脂フレーム、４０…ＭＥＡ、Ｒ…ラスカットメタル加工装置（貫通孔形成装置）、ＯＲ…送りローラ（送り装置）、Ｍ…ステップモータ（制御手段）、Ｐ…パンチ、ＵＨ…上刃（刃部）、ＳＨ…下刃（刃部）、Ｋ…コルゲート成形機、Ｏ…プレス成形機、Ａ…圧延成形機
【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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