(57)【要約】【課題】燃料電池の環境で使用するための、製造性の容易さを示す金属バイポーラプレート、より詳細には、可能な最良の機械的／構造的特性を保ちながら、製造が容易で安価なバイポーラプレートを提供する。【解決手段】燃料電池で用いられるバイポーラプレートおよびバイポーラプレートを作る方法に関する。シートは一般にステンレス鋼から作られ、より好ましくはフェライト系ステンレス鋼から作られる。１つの構成では、プレス加工およびそれに関係する金属成形器具操作は、バイポーラプレートに形成される曲がり部に関係する延伸、ネッキング、薄肉化、および関連する厚さのふれを低減するために、シートを構成する材料の一部分を他の部分へ動かす、または再配置する方法としてマイナスクリアランスを導入する。【選択図】図１
2016046261.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
複数の金型によって金属シートが変形したとき、前記シートが、複数の流路が中に形成されたバイポーラプレートを画定するようにバイポーラプレート成形装置の前記複数の金型の間に前記シートを置くステップと、
前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように前記複数の金型を一緒に閉じることによって、前記シートをバイポーラプレート形状に変形させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記金属シートがフェライト系ステンレス鋼を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイナスクリアランスが約２０％より小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記マイナスクリアランスが約１５％より小さい、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記マイナスクリアランスが約１０％より小さい、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記マイナスクリアランスでの成形が前記複数の金型の１つのパンチストロークの終わり近くで起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記流路が少なくとも１つの壁および少なくとも１つのランドを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記マイナスクリアランスが１ステップ成形工程に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記マイナスクリアランスが多ステップ成形工程に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記バイポーラプレートによって画定された前記実質的に角度の付いた部分が前記バイポーラプレートの曲がり部のR部を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
実質的に平らな金属シートを器具と協働的に係合するように置くステップであって、前記シートが前記バイポーラプレートに対応する表面部分全体にわたって実質的に一定の厚さを画定する、ステップと、
前記シートを複数の反応物質流路を画定する実質的に平らでない形状に成形するように、少なくとも１つの成形ステップを用いるステップであって、前記シートを構成する前記金属の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入することを含む、ステップと
を含む方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの成形ステップがプレス加工を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記金属がフェライト系ステンレス鋼を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記シートの厚さが約５０ミクロンと２００ミクロンの間である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記シートの前記厚さが約７５ミクロンと約１１０ミクロンの間である、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
マイナスクリアランスの前記導入が前記バイポーラプレートの薄肉化を前記シートの厚さの少なくとも約５％低減する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
燃料電池を準備する方法であって、
アノード、カソード、および前記アノードとカソードとの間に配置された膜を含むように膜電極接合体を構成するステップと、
前記燃料電池を作動したとき、燃料源および酸素源からそれぞれ導入された反応する物質が、複数の反応物質流路を通って前記アノードおよび前記カソードへ送られるように、前記反応物質流路をその中に画定する金属バイポーラプレートを、前記接合体の前記アノードおよび前記カソードのそれぞれに隣接して置くステップであって、前記バイポーラプレートが、金属シートを成形装置と協働的に係合するように置くこと、および前記装置の少なくとも一部分の移動が、前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記反応物質流路の実質的に平らな部分から前記反応物質流路の実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように、前記移動によって前記シートを前記バイポーラプレートに変形させることによって、前記バイポーラプレートが成形される、ステップと
を含む方法。
【請求項１８】
前記金属シートがステンレス鋼を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記ステンレス鋼がフェライト系ステンレス鋼を含む、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に、燃料電池の環境で使用するための、製造性の容易さを示す金属バイポーラプレートに関し、より詳細には、可能な最良の機械的／構造的特性を保ちながら、製造が容易で安価なバイポーラプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]多くの燃料電池システムでは、水素または水素リッチのガスは流路を通って燃料電池のアノード側に供給され、酸素は（例えば、大気中の酸素の形態で）別の流路を通って燃料電池のカソード側に供給される。適切な触媒（例えば、白金）は典型的には、これらの各側で、水素の酸化を促進するアノード、および酸素の還元を促進するカソードを形成するように配置される。これから、電流が高温の水蒸気を反応副生物として発生する。陽子交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）または高分子電解膜（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）（いずれも、ＰＥＭ）燃料電池と称される燃料電池の１つの形態においては、アイオノマー膜の形態の電解質は、アノードとカソードとの間に置かれて、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、膜電極接合体はさらに拡散層の間に重ねられ、拡散層はガス状の反応する物質をＭＥＡに流し、電流および水をＭＥＡから流すことを共に可能にする。前記の触媒層は拡散層または膜の上に、あるいは一部として配置することができる。
【０００３】
[0003]電気出力を上げるために、個々の燃料電池ユニットは、１つのＭＥＡの拡散層およびアノード電極と隣接のＭＥＡの拡散層およびカソード電極との間に配置されたバイポーラプレートとともに積み重ねられる。典型的には、バイポーラプレートは、ＭＥＡと外部の電気回路との間に電気経路を形成するために金属または他の導電性材料から作られる。このような積層構成において、隣接して積み重ねられたＭＥＡを仕切るバイポーラプレートは対向面を有しており、その各面は隆起したランドによって互いに隔離された流路を含む。この流路は、水素および酸素の反応する物質の流れをそれぞれＭＥＡのアノードおよびカソードに運ぶ導管として働き、一方、ランドは、触媒側で発生した電流と電気的に連通する導電性拡散層と接触することによって、ＭＥＡで発生した電力の伝送路として働く。このように、電流はバイポーラプレートおよび導電性拡散層を通過する。
【０００４】
[0004]バイポーラプレートは、高温で腐食性の環境で作動するので、普通炭素鋼などの従来の金属は、長寿命（例えば、約１０年間、６０００時間の寿命）が要求される特定の用途（例えば、自動車の環境）には適さない場合がある。典型的なＰＥＭ燃料電池スタックの作動中は、陽子交換膜の温度は約７５℃と約１７５℃の間の範囲にあり、絶対圧力は約１００ｋＰａと２００ｋＰａとの間の範囲（すなわち約１〜２気圧）にある。このような条件下では、ステンレス鋼などの合金から作られたプレートは、望ましい耐腐食性を有しているので好都合な場合がある。燃料電池の製造コストが重要と考えられる状況では、金属ベースのバイポーラプレートは、グラファイトなどの他の高温導電性材料より好ましい場合がある。ステンレス鋼は、比較的安価であることに加えて、比較的薄い部品（例えば、厚さが０．１と１．０ミリメートルの間）に形成することができる。
【０００５】
[0005]様々なタイプのステンレス鋼のうち、典型的にはクロム含有量が高く、典型的にはニッケルがないフェライト微細構造をもつステンレス鋼は、体心立方（ＢＣＣ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）の結晶構造を示し、比較的低コストで耐腐食性が高いという望ましい特性（後者の特性は酸化クロムの防護体を形成するため）を有する傾向にある。それにもかかわらず、これらは、従来のプレス加工または関連する金属成形操作を受ける場合、より一般的なオーステナイト系（例えば３０４ステンレス鋼）対応物よりも、ネッキング、薄肉化（両方とも表面材料の厚さのふれの尺度である）、およびその結果として生じる破断がより発生しやすいような硬化曲線をもっている。これらの問題は、大きな側壁変形が生じる単一ステップの絞り操作（例えば、深さが約２００ミクロンから４００ミクロンなどの比較的大きな面外変形を含む）では特によく起こる。初期のネッキングおよび割れは、反応物質流路の隣接する壁を形成するためにＲ部を密接させる（ｉｎ  ｔｉｇｈｔ  ｒａｄｉｉ）場合には、特によく起こる。他のより成形可能なステンレス鋼（例えば、前記のオーステナイト系鋼）の硬化曲線は一般に、従来の１ステップ手法で課せられるよりきつい曲げ条件でも許容するが、このような単一ステップの成形からの初期ネッキングおよび割れもまた、絞りの深さが比較的大きい（例えば、約４００から５００ミクロンより大きい）状況ではよく起こる。
【０００６】
[0006]さらに、現状のバイポーラプレートの製造コストは、全体の燃料電池スタックのコストの大きな部分を占めている。プレス加工のステンレス鋼バイポーラプレートを使用することは、このコストの大きな部分に対処するには都合はよいが、一般にステンレス鋼（および特にフェライト系ステンレス鋼）の成形性が低いことは大きな課題であり、特に、機能の要求を満たすために必要な流路の強度および深さを有する非常に薄い（例えば、０．１００ミリメートル以下）シートに対するプレス加工にとっては大きな課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８，７７８，５６７号
【発明の概要】
【０００８】
[0007]本発明の態様によれば、燃料電池用の金属バイポーラプレートを成形する方法が開示される。本文脈においては、多くの鉄ベースおよびアルミニウムベースの金属が本方法によって操作することができるが、一般にはステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼に対して特に有益であるが、すべてのこのような金属を被加工物として用いることは、本発明の範囲内であるとみなされる。本方法は、わずかなマイナスクリアランスを用いて、プレート成形器具によって変形されるシートの少なくとも表面部分に沿って圧縮応力を導入するステップを含む。より具体的には、本方法は、少なくとも２つの金型（あるいは、パンチとダイで、どちらの変形形態も互いに機能的には等価であるとみなされ、したがって、本発明の範囲内である）の間にシートを置いて、燃料電池の反応する物質（水素および酸素など）の通路に使うことができる多くの流路を有するバイポーラプレートの形状に変換するステップを含む。本文脈では、シートはおおむね平らであってもよく、またはすでに何らかの予成形を加えられていてもよく、後者の場合には、いくつかの平らでない（すなわち３次元の）属性はすでに最終形状の中に含まれる。いずれにしても、金型器具の操作によって生成されたマイナスクリアランスは、シートの厚さよりも狭い金型間の間隔を画定する。このように、金型の圧縮動作は、押し出す動きによって、材料をマイナスクリアランスを受けるシートの部分から、そうでない部分へ再配置しようとする。燃料電池バイポーラプレートに特有な１つの例示的な形態では、材料が動かされる元のシートの部分は、流路の壁およびランドなどのおおむね平らな表面を含む、その後に形成されるバイポーラプレートの部分に隣接し、一方、材料が動いていく先のシートの部分は、壁とランドの交点において形成される角度の付いたR部などのおおむね曲がっている表面を含む、その後に形成されるバイポーラプレートの部分に隣接する（またはその一部である）。さらに、流路の形状を画定するシートの部分は壁とランドを含み、前者は面外部分に一般に相当しており、後者は、燃料電池を形成したとき、隣接の拡散層またはＭＥＡと実質的に面して接触する面内部分に相当する。
【０００９】
[0008]１つの形態では、圧力をかけられて一体となる、一対の協働するように形作られた金型（パンチとダイとも称される）とすることができる器具は、バイポーラプレートの最終形状を形成することができる。マイナスクリアランスを器具に導入することは、シート材料の部分がシート表面の１つの部分から別の部分へ有効に押し出される、またはしごかれるように器具の圧縮力を受けるとき、シートまたは関係する被加工物の相対的な成形性を利用する。したがって、本成形操作によって、表面のおおむね平らな部分から金型のＲ部（曲がり部のＲ部）を構成する角度の付いた部分まで、シートの厚さを構成する材料を選択的に移動させることは、曲がり部における、およびその周りでのネッキングを最小限に保つことを助ける。１つの形態では、フェライト系ステンレス鋼で使用するための金型間の約２０％以下のマイナスクリアランスの導入によって、器具への荷重（「プレス力」などと称されることが多い）、およびその結果生じる金型の摩耗の影響を低く保ちながら、ネッキングの所望の低減が十分達成される。上記のように、本手法は、１ステップおよび多ステップ両方の成形工程に適しており、後者は、本発明の譲受人所有の「Ａ  ＵＮＩＱＵＥ  ＰＲＥ−ＦＯＲＭ  ＤＥＳＩＧＮ  ＦＯＲ  ＴＷＯ−ＳＴＥＰ  ＦＯＲＭＩＮＧ  ＯＦ  ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ  ＳＴＥＥＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＢＩＰＯＬＡＲ  ＰＬＡＴＥＳ」という名称の米国特許第８，７７８，５６７号で考察され、これにより、この特許の内容全体を参照によって援用する。
【００１０】
[0009]本発明の別の態様によれば、燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法は、実質的に平らな金属シートを器具と協働的に係合するように置くステップと、シートをその中に形成される反応する物質の多くの流路を有する実質的に平らでない形状に成形するように、１つまたは複数の成形ステップを用いるステップとを含む。成形は、シートを構成するステンレス鋼の一部分を、実質的に平らな部分から、その後に形成されるバイポーラプレートの実質的に角度の付いた部分（例えば、曲がり部のR部における、またはその近くの部分）へ（例えば、押し出すことなどによって）再配置する方法としてマイナスクリアランスがシートの少なくとも一部分に導入されるように行われる。好ましい形態では、シートは、バイポーラプレートに対応する少なくとも表面部分全体にわたって実質的に一定の厚さを有する。
【００１１】
[0010]本発明のさらに別の態様によれば、燃料電池を準備する方法が開示される。本方法は、反応する物質をアノードおよびカソードのそれぞれの電極と流体連通して置くことができるように、アノード、カソード、ならびにアノードとカソードとの間に配置された膜を有するようにＭＥＡを構成するステップと、次いで、アノードおよびカソードのそれぞれに隣接する複数の反応物質流路を画定する金属バイポーラプレートを置いて、燃料電池を作動したとき、燃料源および酸素源からそれぞれ導入された反応する物質が、反応物質流路を通ってアノードおよびカソードへ送られるステップとを含む。シートを器具または関係する成形装置と協働的に係合するように置いて、装置によってシートが変形したとき、装置の少なくとも一部分の移動は、シートを構成するステンレス鋼の一部分を、反応物質流路の実質的に平らな部分から反応物質流路の実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスをシートの少なくとも一部分に導入することによって、バイポーラプレートは成形される。
【００１２】
[0011]各電極（すなわちアノードおよびカソード）と、反応物質流路および外部の負荷消費回路への電流経路のうちの１つまたは両方を提供するバイポーラプレートとの間に置くことができる１つまたは複数のガス拡散層（ＧＤＬ：ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）などの他の構成部品も燃料電池を構成することは当業者には理解されよう。同様に、ＧＤＬおよび電極によって共有される機能が結合したハイブリッド構造とすることができることは理解されよう。したがって、例えば、触媒材料は、ＧＤＬならびにアノードおよびカソードを画定するために用いられる基板のどちらかまたは両方に形成することができる。さらに、バイポーラプレートをアノードまたはカソードに隣接して置くことは、それらの間に各ＧＤＬを有することを含み、その結果、バイポーラプレートの外向きに突出するランドは、一方の側でプレートとＧＤＬとの間で直接接触し、他方の側でアノードまたはカソードとＧＤＬとの間で直接接触することによって、電極と中継ぎ接触状態にある。本文脈内では、このような間接的な接触がプレートと各電極との間の反応する物質の流れの属性のすべてを維持する限り、それらは隣接するとみなされる
[0012]本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示される以下の図面と併せて読めば最もよく理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】周囲のバイポーラプレートを有する燃料電池の一部分を部分的に分解した断面の概略図である。
【図２】図２Ａは、従来技術によって形成された判定用シートを含む、１ステップ成形工程を受けたシートである。図２Ｂは、本発明の態様による、約１３％と２０％の間のマイナスクリアランスを受けたシートである。
【図３】図３Ａは、従来技術によって形成された判定用シートを含む、２ステップ成形工程を受けたシートである。図３Ｂは、本発明の態様による、約１３％と２０％の間のマイナスクリアランスを受けたシートである。
【図４】ステンレス鋼のおおよそ平らなシートへのパンチ−ダイ器具の操作とともに本文脈内でマイナスクリアランスの決め方を示す図である。
【図５】本発明の態様による、バイポーラプレートの成形の流れで用いられる様々なステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
[0013]はじめに図１を参照すると、従来のＰＥＭ燃料電池１の部分断面図が分解された形で示されている。燃料電池１は、実質的に平らな陽子交換膜１０、陽子交換膜１０の一方の面に面して接触するアノード触媒層２０、および他方の面に面して接触するカソード触媒層３０を含む。陽子交換膜１０ならびに触媒層２０および３０は、まとめてＭＥＡ４０と称する。アノード拡散層５０はアノード触媒層２０に面して接触して配置され、カソード拡散層６０はカソード触媒層３０に面して接触して配置される。拡散層５０および６０のそれぞれは、全体的に多孔質の構造で作られて、ガス状の反応する物質が触媒層２０および３０へ移動するのを容易にする。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、まとめて電極と称し、図示のように異なる別々の層として形成することができ、あるいは（上記のように）少なくとも部分的に拡散層５０または６０にそれぞれ組み込まれて、ならびに部分的に陽子交換膜１０の両面に組み込まれて形成することができる。
【００１５】
[0014]拡散層５０および６０は、反応するガスが陽子交換膜１０の適切な側に到達するように実質的に多孔質の流路を提供することに加えて、電極触媒層２０、３０と集電体として働くバイポーラプレート７０との間を電気的に接触させる。さらに、拡散層５０および６０はまた、全体的に多孔質であることによって、触媒層２０、３０で発生した生成ガスを除去するための導管を形成する。さらに、カソード拡散層６０はカソード拡散層中に大量の水蒸気を発生させる。このような特徴は、陽子交換膜１０を含水した状態に保つことを助けるため重要である。拡散層の水の透過は、小量のポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ：ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ)または関連する材料を導入することによって調節することができる。
【００１６】
[0015]バイポーラプレート７０は、厚壁構造を有するように概念的に示したが、（図示され、下記でより詳しく説明するように）薄壁構造を用いるのが好ましく、したがって、図１は、このような流路を画定する流路７２とプレート構造体との間の相対的厚さを推測するために用いるべきでない。一対のバイポーラプレート７０の単純化した対向する面７０Ａおよび７０Ｂは、各ＭＥＡ４０および付随する拡散層５０、６０をスタック中の隣接のＭＥＡおよび層（どちらも図示せず）から隔離するために設けられる。１つのプレート７０Ａはアノード拡散層５０と係合し、第２のプレート７０Ｂはカソード拡散層６０と係合する。各プレート７０Ａおよび７０Ｂ（全体を一体として組み立てたときには、バイポーラプレート７０を構成する）は、各プレート面に沿って多くの反応するガスの流路７２を画定する。３次元（すなわち面外）構造体７４は、各拡散層５０、６０の方へ突出して直接接触することによって、反応するガスの流路７２の隣接する部分を仕切る壁７４Ａおよびランド７４Ｂで構成される。バイポーラプレート７０は、（様式化のため）単に長方形の反応するガスの流路７２および構造体７４を画定して示されているが、より正確な（かつ好ましい）実施形態は下記に示すように、全体として蛇行形状流路７２が（それぞれランド７４Ｂに対応するおおよそ平らな頂点とともに）形成されることは、当業者には理解されよう。
【００１７】
[0016]動作中、水素などの第１のガス状の反応する物質は、プレート７０Ａから流路７２を通ってＭＥＡ４０のアノード２０側へ送られ、一方、（典型的には空気の形態の）酸素などの第２のガス状の反応する物質は、プレート７０Ｂから流路７２を通ってＭＥＡ４０のカソード３０側へ送られる。アノード２０およびカソード３０でそれぞれ触媒反応が起きて、陽子交換膜１０を通って移動する陽子、およびランド７４Ｂと層５０および６０との間での接触によって、拡散層５０および６０ならびにバイポーラプレート７０を通って伝達することができる電流となる電子を発生させる。
【００１８】
[0017]次に図２Ａおよび２Ｂを参照すると、従来の既存技術の手法（図２Ａ）と本発明（図２Ｂ）の手法による、市販のステンレス鋼シート１７０、２７０をバイポーラプレートに１ステップで成形した結果の比較が示される。１つの形態では、シート１７０、２７０はフェライト系ステンレス鋼から作られる。本発明のシート２７０の厚さは、約５０ミクロンと約２００ミクロンの間が好ましく、約７５ミクロンと約１１０ミクロンの間が最適の範囲であると本発明者は決定した。具体的には、本発明者は、厚さが７５ミクロン（図２Ａおよび３Ａ）および１１０ミクロン（図３Ｂ）のシートについて試験および解析を行った。図２Ａを詳細に参照すると、側壁１７４Ａで構成される全体的に連続した表面形状がランド１７４Ｂおよび曲がり部（またはＲ部）１７４Ｃによって区切られるこの加工において、金型絞り深さは３００ミクロンに設定される。本文脈において、絞り深さは流路（例えば、図１の流路７２）深さの尺度であり、これは、材料の平坦なシートに加えられた本質的に垂直方向の変形の尺度であり、典型的には材料の厚さをその測定値の一部として含まない。図からわかるように、シート１７０の対応する側壁１７４Ａとランド１７４Ｂとの間の交点（すなわち曲がり部またはＲ部）１７４Ｃで、顕著な薄肉化ＴＰＡ（具体的には、図では約３７．２％）が生じている。本文脈では、薄肉化とネッキングは異なり、後者は、本開示のバイポーラプレートなどの構成部品内で損傷の起点を形成するように材料の性質に局所的に危険なところがあることを示している。より詳細には、ネッキングは引張応力によって引き起こされるが、圧縮応力状態は壁厚さを減少させる場合があるが局所的なネッキングを引き起こさない。対照的に、薄肉化はシート厚さの減少の尺度で、損傷をもたらす場合もあり、もたらさない場合もある。重要なことは、本発明者は、引張荷重によって引き起こされる薄肉化は、圧縮荷重によって引き起こされる薄肉化とは異なり、この違いは本発明の成功に重要であるという確信をもっていることである。本発明で想定するマイナスクリアランスは、平坦な領域での薄肉化を増大する場合があるが、R部において、またはその近くで選択的に生じる傾向があるネッキングを除去する。
【００１９】
[0018]上記のように、受け入れがたいこのような高いレベルの薄肉化ＴＰＡまたは延伸は、特にフェライト系ステンレス鋼では、ネッキングおよびそれに関連する割れをもたらす場合があり、オーステナイト系または他のステンレス鋼より低い硬化曲線によって特にその傾向がある。本発明者は同じく、一般により強いオーステナイト系ステンレス鋼で、絞り深さが（例えば約４００ミクロンを越える）深い状況では、同様に破断または弱体化（どちらも図示せず）の可能性が高いことを認識している。したがって、本開示の多くは特にフェライト系ステンレス鋼（４３９ステンレス鋼など）に有益であるが、本明細書で説明した発明はまた、特にこのような深い絞り深さが必要な状況のオーステナイト系ステンレス鋼にも適用可能であることは当業者には理解されよう。
【００２０】
[0019]図４とともに図２Ｂを詳細に参照すると、本発明の態様による、シート２７０からバイポーラプレートを成形する工程の結果が示される。このシート２７０は（上記のように）約７５ミクロンの厚さであり、成形したとき薄肉化ＴＮＣは約３１．６％（絶対値）に顕著に減少しており、これは図２Ａに比べて５．６％の改善（または、相対的な薄肉化の減少は約１５％の改善）である。図４に概念的に示すように、プレート成形器具２００は、パンチ２１０およびダイ２２０を含み（あるいは、両半分を一緒にして複数の金型と称することができる）、適切に構成されたアクチュエータ（図示せず）によって、前者は後者に対して垂直に前後に動く。伝統的なプレス加工およびそれに関係する打抜き操作は、マイナスクリアランスを用いて強化することができる。本文脈において、「マイナスクリアランス」という用語は、変形されるシート２７０の厚さが、パンチ２１０の側縁２１０Ｅとダイ２２０の内壁２２０Ｗとの間の隙間Ｇより厚いことを意味し、これは、図４に示されるように、「ｙ」寸法（シート厚２７０Ｔによって示す）が隙間Ｇの「ｘ」寸法より大きい。上記のように、パンチ２１０とダイ２２０が協働して作用することによって、それらの少なくとも１つは、シート厚さ２７０Ｔの部分をシート２７０の表面の１つの場所（例えば、バイポーラプレートを形成したとき、曲がり部およびそれに関係するＲ部から離れて残る平らな面における場所、またはその近くの場所）から、他の場所（例えば、バイポーラプレートを形成したとき、曲がり部およびそれに関係するＲ部になる表面、またはその近くの表面の部分）まで押し出す、または動かす方法として、シート２７０の所望の公称厚さ２７０Ｔに食い込む。１つの好ましい形態では、マイナスクリアランスになるパンチ２１０とシート２７０との間の接触は実質的にシート２７０の中間に隣接して起こり、変形したとき隣接する曲がり部７４Ｃよりも変形がかなり小さい壁７４Ａまたは流路７２を画定する。上記のように、器具２００へのマイナスクリアランスの導入は、シート材料の部分がシート表面の１つの部分から別の部分へ有効に押し出される、またはしごかれるように、器具２００の圧縮力を受けるとき、シート２７０の相対的な成形性を利用する。１つの好ましい形態では、成形工程の最初の段階が有害な影響を受けないように、マイナスクリアランス制御のタイミングは成形工程の終わり近くにする。材料の部分をシート２７０の１つの場所から別の場所へ再配置するための方法としてマイナスクリアランスを用いる結果は、器具２００によって用いられる最大打抜き力が、そうしない場合よりも大きいが、追加の器具を必要としない。さらに、マイナスクリアランスの量を比較的低く（例えば、２０％より低く）保つことによって、必要とするいかなる追加のプレス力もシートの成形性での利益によって十分相殺される。
【００２１】
[0020]好ましい実施形態では、前駆体シート２７０から作られる図１のバイポーラプレート７０の最終的な形態は、ランド７４Bを表すおおよそ台形の形状をもった蛇行形を画定する。上記のように、シート２７０は、腐食防止材料（例えば、クロム、ニッケル、モリブデン、銅など）が鉄ベースに添加されたフェライト系またはオーステナイト系ステンレス鋼合金から作られる。一例として、フェライト系ステンレス鋼（４３９ステンレス鋼は一例である）は、ニッケルは実質的に含まずに、クロムを含む（場合により最大約３０重量パーセント）場合がある。同様に、オーステナイト系ステンレス鋼は、約１５から２６重量パーセントのクロムを含み、約１．５から２２重量パーセントのニッケルを含む場合があり、よく知られた例としては、米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ：ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｒｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のタイプ３０４およびタイプ３１６の種類が挙げられる。
【００２２】
[0021]マイナスクリアランスをこのように使用することによって、全体の操作が、その後に形成されるバイポーラプレート７０の交点部７４Ｃにおける、およびその周りの公称厚さからのふれを最小限に保つように、シート２７０の材料がその表面の一つの場所から別の場所へ選択的に動かされる。本文脈では、このような選択的な動きは、はじめは平坦な元のシートを構成していた材料の個別の部分が隣接するシート区域へ局所的に移動することに相当する。より具体的な形態では（本明細書の他の場所で説明するように）、そのような個別の部分は、流路７２を画定する、これらの形成された領域と一致することができる。重要なことに、マイナスクリアランスと関連する圧縮作用は、適度な塑性変形を促進して、材料が、交点部７４Ｃにおける、およびその周りの曲がりＲ部へ望ましい再配置をされるのを容易にする。さらなる材料のこの動きまたは供給は、最終的なバイポーラプレート７０の壁領域から金属を延伸する、または引っ張ることを低減するのに役立つ。このような特徴はすべて、成形しにくいフェライト系ステンレス鋼であっても、より一様な厚さをもったより深い流路７２を形成する助けとなる。さらに、マイナスクリアランスを使用する本発明によって実現されるのは、薄肉化の低減の利点だけでなく、その圧縮作用は、純粋な張力からの局所的な変形を張力と圧縮力の組合せに変更して、前記のネッキングの発生を低減または除去することを助ける。構成部品の重量およびコストを下げるための方法として非常に薄い材料を追及することはますます続くが、非常に薄い箔（厚さが７５ミクロン以下など）は、製造される構成部品の目標の形状および延伸を達成するために利用できる材料の量に限りがあり、このような箔はより厚いシートよりも成形可能性が低い傾向がある。本明細書で説明される手法は、このような薄い材料の箔の成形を可能にすることに特に役に立つ。
【００２３】
[0022]次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、本発明のマイナスクリアランス手法の利点は、２ステップの成形法にも適用することができ、図３Ｂに示す例において、２８．７％ＴＰＡから２２．６％ＴＮＣまでの薄肉化の低減（図３Ａの既存技術の手法に対して、６．１％の絶対的な改善、または約２１％の相対的な改善）を実現する蛇行形のプレートを製造する。本質的に、２ステップ法の最初のステップは、材料のシート２７０を予延伸（または予成形）し、より詳細には、そのステップは、その後に形成されるバイポーラプレート７０の割れやすい領域に作用するように行うことができる。図４とともに図３Ｂを詳細に参照すると、図示の実施形態では、最初のステップとともに用いられる器具２００の絞り深さＤは３００ミクロンより浅く（作られる反応物質流路の所望の寸法に応じて、他の深さも用いることができるのは当業者には理解されよう）、流路の横方向の反復長Ｌは１．３ミリメートルである。同様に、最終のバイポーラプレート形状を作るため（すなわち、２番目のステップ）に用いられる器具の絞り深さＤは３１５ミクロンである。さらに、（フェライト系よりむしろ）オーステナイト系ステンレス鋼が用いられる状況では（例えば、絞り深さＤの一方または両方が約４００ミクロンを越える場合）、同様な予成形器具が使われ、絞り深さ（パンチストロークとも言う）を調節することによって異なる予成形絞り形状が得られ、このような手法は器具の余剰およびそれに関係するコストを低減するのを助ける。
【００２４】
[0023]さらに別の形態では、シート２７０の壁７４Ａ、ランド７４Ｂおよび曲がり部７４Ｃによって形成された流路７２は、最終の成形深さにできるだけ一致するように大きな予成形絞り深さＤを含むことができる（器具２００のダイ２２０の深さによって示された深さと一致する）。そのような構成では、大きな塑性変形が生じる。同様に、フェライト系ステンレス鋼の歪み硬化率が低いため（その結果、伸びすぎて薄くなりすぎる傾向がある）、そうでなければ最終形状での十分な塑性変形に耐えられない流路７２のコーナを延伸し変形させるために小さなパンチ半径を用いることができる。本開示の発明によって、バイポーラプレート７０を成形するために用いるシート２７０は、流路７２の形状の最終成形の終わりに、ネッキングや割れなしに十分に一様な厚さ分布をもつことができる。このような手法は、フェライト系およびオーステナイト系ステンレス鋼にともに適している。
【００２５】
[0024]上記の１ステップおよび２ステップ成形手法では、従来技術に対して局所的な薄肉化の顕著な低減が示され、それは、７５ミクロンの初期厚さのシート２７０のフェライト系ステンレス鋼の例では、絞り深さＤが３００ミクロンに対してシートの曲がり部７４Ｃに相当する箇所において、厚さの絶対的な低減は６．１％（２ステップ手法に対して）、および５．６％（１ステップ手法に対して）を越える。この最適な結果は、様々な予成形の形状および寸法を考慮したものであり、それらは、ランド幅が最大０．５ミリメートル、頂部の曲率半径が０．１５ミリメートルから０．４ミリメートルの間、および絞り深さが２００ミクロンから３００ミクロンの間での結果を含む。同様に、この最適な設計は、３１５ミクロンの最終の成形段階に対して繰り返された。器具でいかなるマイナスクリアランスも用いない上記の図２Ａおよび３Ａの手法に比べて、最適化された厚さのふれの低減は著しく良好である。図２および３のシートの比較は１ステップおよび２ステップ成形に対して行われたが、任意の多ステップ作業に対してもまた改善が実現することができ、このような多ステップ作業は本発明の範囲内であるとみなされることは当業者にはさらに理解されよう。
【００２６】
[0025]次に図１および４とともに図５を参照すると、バイポーラプレートを成形するために用いられるステップ３００が示される。はじめに、一対の成形ステップ３１０および３２０が実行される。最初の成形ステップ３１０では、おおむね平坦なシート２７０が予成形パンチ３１０Ａおよび予成形ダイ３１０Ｂの組に（連続的なコンベヤまたは他の既知の手段などによって）送られ、対応する形状のパンチ３２０Ａおよびダイ３２０Ｂを有する最終成形ステップ３２０がこれに続く。当業者に理解されるように、２つの成形ステップ３１０、３２０に対応するパンチおよびダイの組が、特定の部品の機能および材料種類に対して設計される。したがって、別の部品の設計または材料種類にはわずかに異なる形状／設計が必要になることがあり、それに応じてそのような組が修正することができる。ステップ３１０および３２０の成形から、ステップ３３０は、内部機能部、出入口等の穴抜きなどのバイポーラプレート７０の追加の機能部を形成するために用いることができる。このような穴抜きされた機能部は、完成したスタック組立体（図示せず）へ流体を分配するためのヘッダの開口を含むことができ、一方、出入口（すなわち、アノードおよびカソード）は、各セルへ入る、または各セルを出る反応する流体のための経路を提供する。組立のための基準構造を生成する、または支持するための開口、および容易に組立および組込をするため（例えば、容易にセル電圧を監視するため）の他のノックアウトなどの他の機能部もまた形成することができる。この後、付加のステップ３４０は、切断、バリ取り、周囲の穴抜き、または関連した余剰部分の分離をして廃棄するために用いることができる。例えば、ステップ３４０に対応する最後の場所は、周囲の材料を打ち抜いて、材料片から完成したプレート２７０を切りだして集めて下流の組立へ送るために用いることができる。当業者に理解されるように、最終形状のバイポーラプレート２７０を形成するために用いられる装置は、すべてが単一の成形器具または機械に一体化するように、これらの、および他の様々な製造段階を含むことができる。器具の全体形状に付けられたＲは、完全に成形されたバイポーラプレート７０が裂けるのを防ぐためのものである。すべての断面は、コーナが滑らかにブレンドされて応力集中係数および関係する応力集中部を最小限にする。したがって、成形ステップ３１０、３２０で加えられるプレス操作に対して最適ではない、急な変化、コーナなどは避けられる。上記のように、成形が１ステップまたは多ステップに関わらず、マイナスクリアランスは、薄肉化量およびネッキングの可能性を低減する方法として、表面材料を再配置するために用いられる。
【００２７】
[0026]本発明の実施形態によって作られた燃料電池は、より大きな燃料電池スタックの一部とすることができ、さらにそれは自動車などの乗り物の推進システムの少なくとも一部分を形成することができる。燃料電池スタックは、乗り物が必要な駆動力または関係する推進力の少なくとも一部分を提供するように構成することができる。トラック、オートバイ、飛行機、宇宙船、または船舶を含む他の乗り物の形態は、燃料電池スタックとともに用いることができることは当業者にはまた理解されよう。
【００２８】
[0027]特に指摘しない限り、数量を表わすすべての数は、本発明の実施形態で得ようとする所望の特性に応じて変わり得る概算値である。したがって、これらはすべて、近似「約」によって修飾されていることを理解することができる。「好ましくは」、「普通は」、および「典型的には」などの用語は本明細書では、特許請求される発明の範囲を限定するために用いられるものではなくて、あるいは、ある特徴が、特許請求される発明の構造または機能にとって決定的であり、本質的であり、または重要であることを意味するために用いられるものではなく、むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態に利用されるか、または利用されない、代替のまたは追加の特徴を強調するため用いられることに同様に留意されたい。さらに、本発明を記述しかつ定義する目的に対して、「実質的に」という用語は、任意の定量的比較、値、測定または他の表現に帰することができる不確かさの固有の度合いを表わすために本明細書で用いられる。したがって、これは、定量的表現が主題の事項の基本的機能に変化をもたらすことなく記述された参照値から変わり得る度合いを表わすことができる。
【００２９】
[0028]本発明をその特定の実施例を参照して詳細に説明したが、修正および変形が、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかであろう。より詳しくは、本発明のいくつかの態様は、好ましいものとして、または特に有利であるものとして本明細書で同定されているが、本発明は、本発明のこれらの好ましい態様に必ずしも限定されるものではないと考えられる。
【符号の説明】
【００３０】
１  燃料電池
１０  陽子交換膜
２０  アノード触媒層
３０  カソード触媒層
４０  ＭＥＡ
５０  アノード拡散層
６０  カソード拡散層
７０  バイポーラプレート
７０Ａ  バイポーラプレート
７０Ｂ  バイポーラプレート
７２  流路
７４  構造体
７４Ａ  壁
７４Ｂ  ランド
７４Ｃ  曲がり部、交点部
１７０  シート
１７４Ａ  壁
１７４Ｂ  ランド
１７４Ｃ  曲がり部
２００  プレート成形器具
２１０  パンチ
２１０Ｅ  側縁
２２０  ダイ
２２０Ｗ  内壁
２７０  シート、バイポーラプレート
３００  バイポーラプレートを成形するステップ
３１０  成形ステップ 
３１０Ａ  パンチ
３１０Ｂ  ダイ
３２０  成形ステップ
３２０Ａ  パンチ
３２０Ｂ  ダイ
３３０  ステップ
３４０  ステップ
Ｄ  絞り深さ
Ｇ  隙間
Ｌ  反復長
ＴＰＡ  薄肉化
ＴＮＣ  薄肉化
【図１】
2016046261.tif 000003
【図２】
2016046261.tif 000004
【図３】
2016046261.tif 000005
【図４】
2016046261.tif 000006
【図５】
2016046261.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成27年10月21日(2015.10.21)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は一般に、燃料電池の環境で使用するための、製造性の容易さを示す金属バイポーラプレートに関し、より詳細には、可能な最良の機械的／構造的特性を保ちながら、製造が容易で安価なバイポーラプレートに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]多くの燃料電池システムでは、水素または水素リッチのガスは流路を通って燃料電池のアノード側に供給され、酸素は（例えば、大気中の酸素の形態で）別の流路を通って燃料電池のカソード側に供給される。適切な触媒（例えば、白金）は典型的には、これらの各側で、水素の酸化を促進するアノード、および酸素の還元を促進するカソードを形成するように配置される。これから、電流が高温の水蒸気を反応副生物として発生する。陽子交換膜（ｐｒｏｔｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）または高分子電解膜（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）（いずれも、ＰＥＭ）燃料電池と称される燃料電池の１つの形態においては、アイオノマー膜の形態の電解質は、アノードとカソードとの間に置かれて、膜電極接合体（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ａｓｓｅｍｂｌｙ）を形成し、膜電極接合体はさらに拡散層の間に重ねられ、拡散層はガス状の反応する物質をＭＥＡに流し、電流および水をＭＥＡから流すことを共に可能にする。前記の触媒層は拡散層または膜の上に、あるいは一部として配置することができる。
【０００３】
[0003]電気出力を上げるために、個々の燃料電池ユニットは、１つのＭＥＡの拡散層およびアノード電極と隣接のＭＥＡの拡散層およびカソード電極との間に配置されたバイポーラプレートとともに積み重ねられる。典型的には、バイポーラプレートは、ＭＥＡと外部の電気回路との間に電気経路を形成するために金属または他の導電性材料から作られる。このような積層構成において、隣接して積み重ねられたＭＥＡを仕切るバイポーラプレートは対向面を有しており、その各面は隆起したランドによって互いに隔離された流路を含む。この流路は、水素および酸素の反応する物質の流れをそれぞれＭＥＡのアノードおよびカソードに運ぶ導管として働き、一方、ランドは、触媒側で発生した電流と電気的に連通する導電性拡散層と接触することによって、ＭＥＡで発生した電力の伝送路として働く。このように、電流はバイポーラプレートおよび導電性拡散層を通過する。
【０００４】
[0004]バイポーラプレートは、高温で腐食性の環境で作動するので、普通炭素鋼などの従来の金属は、長寿命（例えば、約１０年間、６０００時間の寿命）が要求される特定の用途（例えば、自動車の環境）には適さない場合がある。典型的なＰＥＭ燃料電池スタックの作動中は、陽子交換膜の温度は約７５℃と約１７５℃の間の範囲にあり、絶対圧力は約１００ｋＰａと２００ｋＰａとの間の範囲（すなわち約１〜２気圧）にある。このような条件下では、ステンレス鋼などの合金から作られたプレートは、望ましい耐腐食性を有しているので好都合な場合がある。燃料電池の製造コストが重要と考えられる状況では、金属ベースのバイポーラプレートは、グラファイトなどの他の高温導電性材料より好ましい場合がある。ステンレス鋼は、比較的安価であることに加えて、比較的薄い部品（例えば、厚さが０．１と１．０ミリメートルの間）に形成することができる。
【０００５】
[0005]様々なタイプのステンレス鋼のうち、典型的にはクロム含有量が高く、典型的にはニッケルがないフェライト微細構造をもつステンレス鋼は、体心立方（ＢＣＣ：ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ｃｕｂｉｃ）の結晶構造を示し、比較的低コストで耐腐食性が高いという望ましい特性（後者の特性は酸化クロムの防護体を形成するため）を有する傾向にある。それにもかかわらず、これらは、従来のプレス加工または関連する金属成形操作を受ける場合、より一般的なオーステナイト系（例えば３０４ステンレス鋼）対応物よりも、ネッキング、薄肉化（両方とも表面材料の厚さのふれの尺度である）、およびその結果として生じる破断がより発生しやすいような硬化曲線をもっている。これらの問題は、大きな側壁変形が生じる単一ステップの絞り操作（例えば、深さが約２００ミクロンから４００ミクロンなどの比較的大きな面外変形を含む）では特によく起こる。初期のネッキングおよび割れは、反応物質流路の隣接する壁を形成するためにＲ部を密接させる（ｉｎ  ｔｉｇｈｔ  ｒａｄｉｉ）場合には、特によく起こる。他のより成形可能なステンレス鋼（例えば、前記のオーステナイト系鋼）の硬化曲線は一般に、従来の１ステップ手法で課せられるよりきつい曲げ条件でも許容するが、このような単一ステップの成形からの初期ネッキングおよび割れもまた、絞りの深さが比較的大きい（例えば、約４００から５００ミクロンより大きい）状況ではよく起こる。
【０００６】
[0006]さらに、現状のバイポーラプレートの製造コストは、全体の燃料電池スタックのコストの大きな部分を占めている。プレス加工のステンレス鋼バイポーラプレートを使用することは、このコストの大きな部分に対処するには都合はよいが、一般にステンレス鋼（および特にフェライト系ステンレス鋼）の成形性が低いことは大きな課題であり、特に、機能の要求を満たすために必要な流路の強度および深さを有する非常に薄い（例えば、０．１００ミリメートル以下）シートに対するプレス加工にとっては大きな課題である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第８，７７８，５６７号
【発明の概要】
【０００８】
[0007]本発明の態様によれば、燃料電池用の金属バイポーラプレートを成形する方法が開示される。本文脈においては、多くの鉄ベースおよびアルミニウムベースの金属が本方法によって操作することができるが、一般にはステンレス鋼、特にフェライト系ステンレス鋼に対して特に有益であるが、すべてのこのような金属を被加工物として用いることは、本発明の範囲内であるとみなされる。本方法は、わずかなマイナスクリアランスを用いて、プレート成形器具によって変形されるシートの少なくとも表面部分に沿って圧縮応力を導入するステップを含む。より具体的には、本方法は、少なくとも２つの金型（あるいは、パンチとダイで、どちらの変形形態も互いに機能的には等価であるとみなされ、したがって、本発明の範囲内である）の間にシートを置いて、燃料電池の反応する物質（水素および酸素など）の通路に使うことができる多くの流路を有するバイポーラプレートの形状に変換するステップを含む。本文脈では、シートはおおむね平らであってもよく、またはすでに何らかの予成形を加えられていてもよく、後者の場合には、いくつかの平らでない（すなわち３次元の）属性はすでに最終形状の中に含まれる。いずれにしても、金型器具の操作によって生成されたマイナスクリアランスは、シートの厚さよりも狭い金型間の間隔を画定する。このように、金型の圧縮動作は、押し出す動きによって、材料をマイナスクリアランスを受けるシートの部分から、そうでない部分へ再配置しようとする。燃料電池バイポーラプレートに特有な１つの例示的な形態では、材料が動かされる元のシートの部分は、流路の壁およびランドなどのおおむね平らな表面を含む、その後に形成されるバイポーラプレートの部分に隣接し、一方、材料が動いていく先のシートの部分は、壁とランドの交点において形成される角度の付いたR部などのおおむね曲がっている表面を含む、その後に形成されるバイポーラプレートの部分に隣接する（またはその一部である）。さらに、流路の形状を画定するシートの部分は壁とランドを含み、前者は面外部分に一般に相当しており、後者は、燃料電池を形成したとき、隣接の拡散層またはＭＥＡと実質的に面して接触する面内部分に相当する。
【０００９】
[0008]１つの形態では、圧力をかけられて一体となる、一対の協働するように形作られた金型（パンチとダイとも称される）とすることができる器具は、バイポーラプレートの最終形状を形成することができる。マイナスクリアランスを器具に導入することは、シート材料の部分がシート表面の１つの部分から別の部分へ有効に押し出される、またはしごかれるように器具の圧縮力を受けるとき、シートまたは関係する被加工物の相対的な成形性を利用する。したがって、本成形操作によって、表面のおおむね平らな部分から金型のＲ部（曲がり部のＲ部）を構成する角度の付いた部分まで、シートの厚さを構成する材料を選択的に移動させることは、曲がり部における、およびその周りでのネッキングを最小限に保つことを助ける。１つの形態では、フェライト系ステンレス鋼で使用するための金型間の約２０％以下のマイナスクリアランスの導入によって、器具への荷重（「プレス力」などと称されることが多い）、およびその結果生じる金型の摩耗の影響を低く保ちながら、ネッキングの所望の低減が十分達成される。上記のように、本手法は、１ステップおよび多ステップ両方の成形工程に適しており、後者は、本発明の譲受人所有の「Ａ  ＵＮＩＱＵＥ  ＰＲＥ−ＦＯＲＭ  ＤＥＳＩＧＮ  ＦＯＲ  ＴＷＯ−ＳＴＥＰ  ＦＯＲＭＩＮＧ  ＯＦ  ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ  ＳＴＥＥＬ  ＦＵＥＬ  ＣＥＬＬ  ＢＩＰＯＬＡＲ  ＰＬＡＴＥＳ」という名称の米国特許第８，７７８，５６７号で考察され、これにより、この特許の内容全体を参照によって援用する。
【００１０】
[0009]本発明の別の態様によれば、燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法は、実質的に平らな金属シートを器具と協働的に係合するように置くステップと、シートをその中に形成される反応する物質の多くの流路を有する実質的に平らでない形状に成形するように、１つまたは複数の成形ステップを用いるステップとを含む。成形は、シートを構成するステンレス鋼の一部分を、実質的に平らな部分から、その後に形成されるバイポーラプレートの実質的に角度の付いた部分（例えば、曲がり部のR部における、またはその近くの部分）へ（例えば、押し出すことなどによって）再配置する方法としてマイナスクリアランスがシートの少なくとも一部分に導入されるように行われる。好ましい形態では、シートは、バイポーラプレートに対応する少なくとも表面部分全体にわたって実質的に一定の厚さを有する。
【００１１】
[0010]本発明のさらに別の態様によれば、燃料電池を準備する方法が開示される。本方法は、反応する物質をアノードおよびカソードのそれぞれの電極と流体連通して置くことができるように、アノード、カソード、ならびにアノードとカソードとの間に配置された膜を有するようにＭＥＡを構成するステップと、次いで、アノードおよびカソードのそれぞれに隣接する複数の反応物質流路を画定する金属バイポーラプレートを置いて、燃料電池を作動したとき、燃料源および酸素源からそれぞれ導入された反応する物質が、反応物質流路を通ってアノードおよびカソードへ送られるステップとを含む。シートを器具または関係する成形装置と協働的に係合するように置いて、装置によってシートが変形したとき、装置の少なくとも一部分の移動は、シートを構成するステンレス鋼の一部分を、反応物質流路の実質的に平らな部分から反応物質流路の実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスをシートの少なくとも一部分に導入することによって、バイポーラプレートは成形される。
【００１２】
[0011]各電極（すなわちアノードおよびカソード）と、反応物質流路および外部の負荷消費回路への電流経路のうちの１つまたは両方を提供するバイポーラプレートとの間に置くことができる１つまたは複数のガス拡散層（ＧＤＬ：ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）などの他の構成部品も燃料電池を構成することは当業者には理解されよう。同様に、ＧＤＬおよび電極によって共有される機能が結合したハイブリッド構造とすることができることは理解されよう。したがって、例えば、触媒材料は、ＧＤＬならびにアノードおよびカソードを画定するために用いられる基板のどちらかまたは両方に形成することができる。さらに、バイポーラプレートをアノードまたはカソードに隣接して置くことは、それらの間に各ＧＤＬを有することを含み、その結果、バイポーラプレートの外向きに突出するランドは、一方の側でプレートとＧＤＬとの間で直接接触し、他方の側でアノードまたはカソードとＧＤＬとの間で直接接触することによって、電極と中継ぎ接触状態にある。本文脈内では、このような間接的な接触がプレートと各電極との間の反応する物質の流れの属性のすべてを維持する限り、それらは隣接するとみなされる
[0012]本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示される以下の図面と併せて読めば最もよく理解することができる。
【００１３】
本明細書には、以下の態様が記載されている。
（態様１）
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
複数の金型によって金属シートが変形したとき、前記シートが、複数の流路が中に形成されたバイポーラプレートを画定するようにバイポーラプレート成形装置の前記複数の金型の間に前記シートを置くステップと、
前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように前記複数の金型を一緒に閉じることによって、前記シートをバイポーラプレート形状に変形させるステップと
を含む方法。
（態様２）
前記金属シートがフェライト系ステンレス鋼を含む、態様１に記載の方法。
（態様３）
前記マイナスクリアランスが約２０％より小さい、態様１に記載の方法。
（態様４）
前記マイナスクリアランスが約１５％より小さい、態様３に記載の方法。
（態様５）
前記マイナスクリアランスが約１０％より小さい、態様３に記載の方法。
（態様６）
前記マイナスクリアランスでの成形が前記複数の金型の１つのパンチストロークの終わり近くで起こる、態様１に記載の方法。
（態様７）
前記流路が少なくとも１つの壁および少なくとも１つのランドを含む、態様１に記載の方法。
（態様８）
前記マイナスクリアランスが１ステップ成形工程に適用される、態様１に記載の方法。
（態様９）
前記マイナスクリアランスが多ステップ成形工程に適用される、態様１に記載の方法。
（態様１０）
前記バイポーラプレートによって画定された前記実質的に角度の付いた部分が前記バイポーラプレートの曲がり部のR部を含む、態様１に記載の方法。
（態様１１）
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
実質的に平らな金属シートを器具と協働的に係合するように置くステップであって、前記シートが前記バイポーラプレートに対応する表面部分全体にわたって実質的に一定の厚さを画定する、ステップと、
前記シートを複数の反応物質流路を画定する実質的に平らでない形状に成形するように、少なくとも１つの成形ステップを用いるステップであって、前記シートを構成する前記金属の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入することを含む、ステップと
を含む方法。
（態様１２）
前記少なくとも１つの成形ステップがプレス加工を含む、態様１１に記載の方法。
（態様１３）
前記金属がフェライト系ステンレス鋼を含む、態様１２に記載の方法。
（態様１４）
前記シートの厚さが約５０ミクロンと２００ミクロンの間である、態様１１に記載の方法。
（態様１５）
前記シートの前記厚さが約７５ミクロンと約１１０ミクロンの間である、態様１１に記載の方法。
（態様１６）
マイナスクリアランスの前記導入が前記バイポーラプレートの薄肉化を前記シートの厚さの少なくとも約５％低減する、態様１１に記載の方法。
（態様１７）
燃料電池を準備する方法であって、
アノード、カソード、および前記アノードとカソードとの間に配置された膜を含むように膜電極接合体を構成するステップと、
前記燃料電池を作動したとき、燃料源および酸素源からそれぞれ導入された反応する物質が、複数の反応物質流路を通って前記アノードおよび前記カソードへ送られるように、前記反応物質流路をその中に画定する金属バイポーラプレートを、前記接合体の前記アノードおよび前記カソードのそれぞれに隣接して置くステップであって、前記バイポーラプレートが、金属シートを成形装置と協働的に係合するように置くこと、および前記装置の少なくとも一部分の移動が、前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記反応物質流路の実質的に平らな部分から前記反応物質流路の実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように、前記移動によって前記シートを前記バイポーラプレートに変形させることによって、前記バイポーラプレートが成形される、ステップと
を含む方法。
（態様１８）
前記金属シートがステンレス鋼を含む、態様１７に記載の方法。
（態様１９）
前記ステンレス鋼がフェライト系ステンレス鋼を含む、態様１８に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】周囲のバイポーラプレートを有する燃料電池の一部分を部分的に分解した断面の概略図である。
【図２】図２Ａは、従来技術によって形成された判定用シートを含む、１ステップ成形工程を受けたシートである。図２Ｂは、本発明の態様による、約１３％と２０％の間のマイナスクリアランスを受けたシートである。
【図３】図３Ａは、従来技術によって形成された判定用シートを含む、２ステップ成形工程を受けたシートである。図３Ｂは、本発明の態様による、約１３％と２０％の間のマイナスクリアランスを受けたシートである。
【図４】ステンレス鋼のおおよそ平らなシートへのパンチ−ダイ器具の操作とともに本文脈内でマイナスクリアランスの決め方を示す図である。
【図５】本発明の態様による、バイポーラプレートの成形の流れで用いられる様々なステップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
[0013]はじめに図１を参照すると、従来のＰＥＭ燃料電池１の部分断面図が分解された形で示されている。燃料電池１は、実質的に平らな陽子交換膜１０、陽子交換膜１０の一方の面に面して接触するアノード触媒層２０、および他方の面に面して接触するカソード触媒層３０を含む。陽子交換膜１０ならびに触媒層２０および３０は、まとめてＭＥＡ４０と称する。アノード拡散層５０はアノード触媒層２０に面して接触して配置され、カソード拡散層６０はカソード触媒層３０に面して接触して配置される。拡散層５０および６０のそれぞれは、全体的に多孔質の構造で作られて、ガス状の反応する物質が触媒層２０および３０へ移動するのを容易にする。アノード触媒層２０およびカソード触媒層３０は、まとめて電極と称し、図示のように異なる別々の層として形成することができ、あるいは（上記のように）少なくとも部分的に拡散層５０または６０にそれぞれ組み込まれて、ならびに部分的に陽子交換膜１０の両面に組み込まれて形成することができる。
【００１６】
[0014]拡散層５０および６０は、反応するガスが陽子交換膜１０の適切な側に到達するように実質的に多孔質の流路を提供することに加えて、電極触媒層２０、３０と集電体として働くバイポーラプレート７０との間を電気的に接触させる。さらに、拡散層５０および６０はまた、全体的に多孔質であることによって、触媒層２０、３０で発生した生成ガスを除去するための導管を形成する。さらに、カソード拡散層６０はカソード拡散層中に大量の水蒸気を発生させる。このような特徴は、陽子交換膜１０を含水した状態に保つことを助けるため重要である。拡散層の水の透過は、小量のポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ：ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ)または関連する材料を導入することによって調節することができる。
【００１７】
[0015]バイポーラプレート７０は、厚壁構造を有するように概念的に示したが、（図示され、下記でより詳しく説明するように）薄壁構造を用いるのが好ましく、したがって、図１は、このような流路を画定する流路７２とプレート構造体との間の相対的厚さを推測するために用いるべきでない。一対のバイポーラプレート７０の単純化した対向する面７０Ａおよび７０Ｂは、各ＭＥＡ４０および付随する拡散層５０、６０をスタック中の隣接のＭＥＡおよび層（どちらも図示せず）から隔離するために設けられる。１つのプレート７０Ａはアノード拡散層５０と係合し、第２のプレート７０Ｂはカソード拡散層６０と係合する。各プレート７０Ａおよび７０Ｂ（全体を一体として組み立てたときには、バイポーラプレート７０を構成する）は、各プレート面に沿って多くの反応するガスの流路７２を画定する。３次元（すなわち面外）構造体７４は、各拡散層５０、６０の方へ突出して直接接触することによって、反応するガスの流路７２の隣接する部分を仕切る壁７４Ａおよびランド７４Ｂで構成される。バイポーラプレート７０は、（様式化のため）単に長方形の反応するガスの流路７２および構造体７４を画定して示されているが、より正確な（かつ好ましい）実施形態は下記に示すように、全体として蛇行形状流路７２が（それぞれランド７４Ｂに対応するおおよそ平らな頂点とともに）形成されることは、当業者には理解されよう。
【００１８】
[0016]動作中、水素などの第１のガス状の反応する物質は、プレート７０Ａから流路７２を通ってＭＥＡ４０のアノード２０側へ送られ、一方、（典型的には空気の形態の）酸素などの第２のガス状の反応する物質は、プレート７０Ｂから流路７２を通ってＭＥＡ４０のカソード３０側へ送られる。アノード２０およびカソード３０でそれぞれ触媒反応が起きて、陽子交換膜１０を通って移動する陽子、およびランド７４Ｂと層５０および６０との間での接触によって、拡散層５０および６０ならびにバイポーラプレート７０を通って伝達することができる電流となる電子を発生させる。
【００１９】
[0017]次に図２Ａおよび２Ｂを参照すると、従来の既存技術の手法（図２Ａ）と本発明（図２Ｂ）の手法による、市販のステンレス鋼シート１７０、２７０をバイポーラプレートに１ステップで成形した結果の比較が示される。１つの形態では、シート１７０、２７０はフェライト系ステンレス鋼から作られる。本発明のシート２７０の厚さは、約５０ミクロンと約２００ミクロンの間が好ましく、約７５ミクロンと約１１０ミクロンの間が最適の範囲であると本発明者は決定した。具体的には、本発明者は、厚さが７５ミクロン（図２Ａおよび３Ａ）および１１０ミクロン（図３Ｂ）のシートについて試験および解析を行った。図２Ａを詳細に参照すると、側壁１７４Ａで構成される全体的に連続した表面形状がランド１７４Ｂおよび曲がり部（またはＲ部）１７４Ｃによって区切られるこの加工において、金型絞り深さは３００ミクロンに設定される。本文脈において、絞り深さは流路（例えば、図１の流路７２）深さの尺度であり、これは、材料の平坦なシートに加えられた本質的に垂直方向の変形の尺度であり、典型的には材料の厚さをその測定値の一部として含まない。図からわかるように、シート１７０の対応する側壁１７４Ａとランド１７４Ｂとの間の交点（すなわち曲がり部またはＲ部）１７４Ｃで、顕著な薄肉化ＴＰＡ（具体的には、図では約３７．２％）が生じている。本文脈では、薄肉化とネッキングは異なり、後者は、本開示のバイポーラプレートなどの構成部品内で損傷の起点を形成するように材料の性質に局所的に危険なところがあることを示している。より詳細には、ネッキングは引張応力によって引き起こされるが、圧縮応力状態は壁厚さを減少させる場合があるが局所的なネッキングを引き起こさない。対照的に、薄肉化はシート厚さの減少の尺度で、損傷をもたらす場合もあり、もたらさない場合もある。重要なことは、本発明者は、引張荷重によって引き起こされる薄肉化は、圧縮荷重によって引き起こされる薄肉化とは異なり、この違いは本発明の成功に重要であるという確信をもっていることである。本発明で想定するマイナスクリアランスは、平坦な領域での薄肉化を増大する場合があるが、R部において、またはその近くで選択的に生じる傾向があるネッキングを除去する。
【００２０】
[0018]上記のように、受け入れがたいこのような高いレベルの薄肉化ＴＰＡまたは延伸は、特にフェライト系ステンレス鋼では、ネッキングおよびそれに関連する割れをもたらす場合があり、オーステナイト系または他のステンレス鋼より低い硬化曲線によって特にその傾向がある。本発明者は同じく、一般により強いオーステナイト系ステンレス鋼で、絞り深さが（例えば約４００ミクロンを越える）深い状況では、同様に破断または弱体化（どちらも図示せず）の可能性が高いことを認識している。したがって、本開示の多くは特にフェライト系ステンレス鋼（４３９ステンレス鋼など）に有益であるが、本明細書で説明した発明はまた、特にこのような深い絞り深さが必要な状況のオーステナイト系ステンレス鋼にも適用可能であることは当業者には理解されよう。
【００２１】
[0019]図４とともに図２Ｂを詳細に参照すると、本発明の態様による、シート２７０からバイポーラプレートを成形する工程の結果が示される。このシート２７０は（上記のように）約７５ミクロンの厚さであり、成形したとき薄肉化ＴＮＣは約３１．６％（絶対値）に顕著に減少しており、これは図２Ａに比べて５．６％の改善（または、相対的な薄肉化の減少は約１５％の改善）である。図４に概念的に示すように、プレート成形器具２００は、パンチ２１０およびダイ２２０を含み（あるいは、両半分を一緒にして複数の金型と称することができる）、適切に構成されたアクチュエータ（図示せず）によって、前者は後者に対して垂直に前後に動く。伝統的なプレス加工およびそれに関係する打抜き操作は、マイナスクリアランスを用いて強化することができる。本文脈において、「マイナスクリアランス」という用語は、変形されるシート２７０の厚さが、パンチ２１０の側縁２１０Ｅとダイ２２０の内壁２２０Ｗとの間の隙間Ｇより厚いことを意味し、これは、図４に示されるように、「ｙ」寸法（シート厚２７０Ｔによって示す）が隙間Ｇの「ｘ」寸法より大きい。上記のように、パンチ２１０とダイ２２０が協働して作用することによって、それらの少なくとも１つは、シート厚さ２７０Ｔの部分をシート２７０の表面の１つの場所（例えば、バイポーラプレートを形成したとき、曲がり部およびそれに関係するＲ部から離れて残る平らな面における場所、またはその近くの場所）から、他の場所（例えば、バイポーラプレートを形成したとき、曲がり部およびそれに関係するＲ部になる表面、またはその近くの表面の部分）まで押し出す、または動かす方法として、シート２７０の所望の公称厚さ２７０Ｔに食い込む。１つの好ましい形態では、マイナスクリアランスになるパンチ２１０とシート２７０との間の接触は実質的にシート２７０の中間に隣接して起こり、変形したとき隣接する曲がり部７４Ｃよりも変形がかなり小さい壁７４Ａまたは流路７２を画定する。上記のように、器具２００へのマイナスクリアランスの導入は、シート材料の部分がシート表面の１つの部分から別の部分へ有効に押し出される、またはしごかれるように、器具２００の圧縮力を受けるとき、シート２７０の相対的な成形性を利用する。１つの好ましい形態では、成形工程の最初の段階が有害な影響を受けないように、マイナスクリアランス制御のタイミングは成形工程の終わり近くにする。材料の部分をシート２７０の１つの場所から別の場所へ再配置するための方法としてマイナスクリアランスを用いる結果は、器具２００によって用いられる最大打抜き力が、そうしない場合よりも大きいが、追加の器具を必要としない。さらに、マイナスクリアランスの量を比較的低く（例えば、２０％より低く）保つことによって、必要とするいかなる追加のプレス力もシートの成形性での利益によって十分相殺される。
【００２２】
[0020]好ましい実施形態では、前駆体シート２７０から作られる図１のバイポーラプレート７０の最終的な形態は、ランド７４Bを表すおおよそ台形の形状をもった蛇行形を画定する。上記のように、シート２７０は、腐食防止材料（例えば、クロム、ニッケル、モリブデン、銅など）が鉄ベースに添加されたフェライト系またはオーステナイト系ステンレス鋼合金から作られる。一例として、フェライト系ステンレス鋼（４３９ステンレス鋼は一例である）は、ニッケルは実質的に含まずに、クロムを含む（場合により最大約３０重量パーセント）場合がある。同様に、オーステナイト系ステンレス鋼は、約１５から２６重量パーセントのクロムを含み、約１．５から２２重量パーセントのニッケルを含む場合があり、よく知られた例としては、米国鉄鋼協会（ＡＩＳＩ：ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｉｒｏｎ  ａｎｄ  Ｓｔｅｅｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ）のタイプ３０４およびタイプ３１６の種類が挙げられる。
【００２３】
[0021]マイナスクリアランスをこのように使用することによって、全体の操作が、その後に形成されるバイポーラプレート７０の交点部７４Ｃにおける、およびその周りの公称厚さからのふれを最小限に保つように、シート２７０の材料がその表面の一つの場所から別の場所へ選択的に動かされる。本文脈では、このような選択的な動きは、はじめは平坦な元のシートを構成していた材料の個別の部分が隣接するシート区域へ局所的に移動することに相当する。より具体的な形態では（本明細書の他の場所で説明するように）、そのような個別の部分は、流路７２を画定する、これらの形成された領域と一致することができる。重要なことに、マイナスクリアランスと関連する圧縮作用は、適度な塑性変形を促進して、材料が、交点部７４Ｃにおける、およびその周りの曲がりＲ部へ望ましい再配置をされるのを容易にする。さらなる材料のこの動きまたは供給は、最終的なバイポーラプレート７０の壁領域から金属を延伸する、または引っ張ることを低減するのに役立つ。このような特徴はすべて、成形しにくいフェライト系ステンレス鋼であっても、より一様な厚さをもったより深い流路７２を形成する助けとなる。さらに、マイナスクリアランスを使用する本発明によって実現されるのは、薄肉化の低減の利点だけでなく、その圧縮作用は、純粋な張力からの局所的な変形を張力と圧縮力の組合せに変更して、前記のネッキングの発生を低減または除去することを助ける。構成部品の重量およびコストを下げるための方法として非常に薄い材料を追及することはますます続くが、非常に薄い箔（厚さが７５ミクロン以下など）は、製造される構成部品の目標の形状および延伸を達成するために利用できる材料の量に限りがあり、このような箔はより厚いシートよりも成形可能性が低い傾向がある。本明細書で説明される手法は、このような薄い材料の箔の成形を可能にすることに特に役に立つ。
【００２４】
[0022]次に図３Ａおよび３Ｂを参照すると、本発明のマイナスクリアランス手法の利点は、２ステップの成形法にも適用することができ、図３Ｂに示す例において、２８．７％ＴＰＡから２２．６％ＴＮＣまでの薄肉化の低減（図３Ａの既存技術の手法に対して、６．１％の絶対的な改善、または約２１％の相対的な改善）を実現する蛇行形のプレートを製造する。本質的に、２ステップ法の最初のステップは、材料のシート２７０を予延伸（または予成形）し、より詳細には、そのステップは、その後に形成されるバイポーラプレート７０の割れやすい領域に作用するように行うことができる。図４とともに図３Ｂを詳細に参照すると、図示の実施形態では、最初のステップとともに用いられる器具２００の絞り深さＤは３００ミクロンより浅く（作られる反応物質流路の所望の寸法に応じて、他の深さも用いることができるのは当業者には理解されよう）、流路の横方向の反復長Ｌは１．３ミリメートルである。同様に、最終のバイポーラプレート形状を作るため（すなわち、２番目のステップ）に用いられる器具の絞り深さＤは３１５ミクロンである。さらに、（フェライト系よりむしろ）オーステナイト系ステンレス鋼が用いられる状況では（例えば、絞り深さＤの一方または両方が約４００ミクロンを越える場合）、同様な予成形器具が使われ、絞り深さ（パンチストロークとも言う）を調節することによって異なる予成形絞り形状が得られ、このような手法は器具の余剰およびそれに関係するコストを低減するのを助ける。
【００２５】
[0023]さらに別の形態では、シート２７０の壁７４Ａ、ランド７４Ｂおよび曲がり部７４Ｃによって形成された流路７２は、最終の成形深さにできるだけ一致するように大きな予成形絞り深さＤを含むことができる（器具２００のダイ２２０の深さによって示された深さと一致する）。そのような構成では、大きな塑性変形が生じる。同様に、フェライト系ステンレス鋼の歪み硬化率が低いため（その結果、伸びすぎて薄くなりすぎる傾向がある）、そうでなければ最終形状での十分な塑性変形に耐えられない流路７２のコーナを延伸し変形させるために小さなパンチ半径を用いることができる。本開示の発明によって、バイポーラプレート７０を成形するために用いるシート２７０は、流路７２の形状の最終成形の終わりに、ネッキングや割れなしに十分に一様な厚さ分布をもつことができる。このような手法は、フェライト系およびオーステナイト系ステンレス鋼にともに適している。
【００２６】
[0024]上記の１ステップおよび２ステップ成形手法では、従来技術に対して局所的な薄肉化の顕著な低減が示され、それは、７５ミクロンの初期厚さのシート２７０のフェライト系ステンレス鋼の例では、絞り深さＤが３００ミクロンに対してシートの曲がり部７４Ｃに相当する箇所において、厚さの絶対的な低減は６．１％（２ステップ手法に対して）、および５．６％（１ステップ手法に対して）を越える。この最適な結果は、様々な予成形の形状および寸法を考慮したものであり、それらは、ランド幅が最大０．５ミリメートル、頂部の曲率半径が０．１５ミリメートルから０．４ミリメートルの間、および絞り深さが２００ミクロンから３００ミクロンの間での結果を含む。同様に、この最適な設計は、３１５ミクロンの最終の成形段階に対して繰り返された。器具でいかなるマイナスクリアランスも用いない上記の図２Ａおよび３Ａの手法に比べて、最適化された厚さのふれの低減は著しく良好である。図２および３のシートの比較は１ステップおよび２ステップ成形に対して行われたが、任意の多ステップ作業に対してもまた改善が実現することができ、このような多ステップ作業は本発明の範囲内であるとみなされることは当業者にはさらに理解されよう。
【００２７】
[0025]次に図１および４とともに図５を参照すると、バイポーラプレートを成形するために用いられるステップ３００が示される。はじめに、一対の成形ステップ３１０および３２０が実行される。最初の成形ステップ３１０では、おおむね平坦なシート２７０が予成形パンチ３１０Ａおよび予成形ダイ３１０Ｂの組に（連続的なコンベヤまたは他の既知の手段などによって）送られ、対応する形状のパンチ３２０Ａおよびダイ３２０Ｂを有する最終成形ステップ３２０がこれに続く。当業者に理解されるように、２つの成形ステップ３１０、３２０に対応するパンチおよびダイの組が、特定の部品の機能および材料種類に対して設計される。したがって、別の部品の設計または材料種類にはわずかに異なる形状／設計が必要になることがあり、それに応じてそのような組が修正することができる。ステップ３１０および３２０の成形から、ステップ３３０は、内部機能部、出入口等の穴抜きなどのバイポーラプレート７０の追加の機能部を形成するために用いることができる。このような穴抜きされた機能部は、完成したスタック組立体（図示せず）へ流体を分配するためのヘッダの開口を含むことができ、一方、出入口（すなわち、アノードおよびカソード）は、各セルへ入る、または各セルを出る反応する流体のための経路を提供する。組立のための基準構造を生成する、または支持するための開口、および容易に組立および組込をするため（例えば、容易にセル電圧を監視するため）の他のノックアウトなどの他の機能部もまた形成することができる。この後、付加のステップ３４０は、切断、バリ取り、周囲の穴抜き、または関連した余剰部分の分離をして廃棄するために用いることができる。例えば、ステップ３４０に対応する最後の場所は、周囲の材料を打ち抜いて、材料片から完成したプレート２７０を切りだして集めて下流の組立へ送るために用いることができる。当業者に理解されるように、最終形状のバイポーラプレート２７０を形成するために用いられる装置は、すべてが単一の成形器具または機械に一体化するように、これらの、および他の様々な製造段階を含むことができる。器具の全体形状に付けられたＲは、完全に成形されたバイポーラプレート７０が裂けるのを防ぐためのものである。すべての断面は、コーナが滑らかにブレンドされて応力集中係数および関係する応力集中部を最小限にする。したがって、成形ステップ３１０、３２０で加えられるプレス操作に対して最適ではない、急な変化、コーナなどは避けられる。上記のように、成形が１ステップまたは多ステップに関わらず、マイナスクリアランスは、薄肉化量およびネッキングの可能性を低減する方法として、表面材料を再配置するために用いられる。
【００２８】
[0026]本発明の実施形態によって作られた燃料電池は、より大きな燃料電池スタックの一部とすることができ、さらにそれは自動車などの乗り物の推進システムの少なくとも一部分を形成することができる。燃料電池スタックは、乗り物が必要な駆動力または関係する推進力の少なくとも一部分を提供するように構成することができる。トラック、オートバイ、飛行機、宇宙船、または船舶を含む他の乗り物の形態は、燃料電池スタックとともに用いることができることは当業者にはまた理解されよう。
【００２９】
[0027]特に指摘しない限り、数量を表わすすべての数は、本発明の実施形態で得ようとする所望の特性に応じて変わり得る概算値である。したがって、これらはすべて、近似「約」によって修飾されていることを理解することができる。「好ましくは」、「普通は」、および「典型的には」などの用語は本明細書では、特許請求される発明の範囲を限定するために用いられるものではなくて、あるいは、ある特徴が、特許請求される発明の構造または機能にとって決定的であり、本質的であり、または重要であることを意味するために用いられるものではなく、むしろ、これらの用語は、本発明の特定の実施形態に利用されるか、または利用されない、代替のまたは追加の特徴を強調するため用いられることに同様に留意されたい。さらに、本発明を記述しかつ定義する目的に対して、「実質的に」という用語は、任意の定量的比較、値、測定または他の表現に帰することができる不確かさの固有の度合いを表わすために本明細書で用いられる。したがって、これは、定量的表現が主題の事項の基本的機能に変化をもたらすことなく記述された参照値から変わり得る度合いを表わすことができる。
【００３０】
[0028]本発明をその特定の実施例を参照して詳細に説明したが、修正および変形が、添付の特許請求の範囲に規定された本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかであろう。より詳しくは、本発明のいくつかの態様は、好ましいものとして、または特に有利であるものとして本明細書で同定されているが、本発明は、本発明のこれらの好ましい態様に必ずしも限定されるものではないと考えられる。
【符号の説明】
【００３１】
１  燃料電池
１０  陽子交換膜
２０  アノード触媒層
３０  カソード触媒層
４０  ＭＥＡ
５０  アノード拡散層
６０  カソード拡散層
７０  バイポーラプレート
７０Ａ  バイポーラプレート
７０Ｂ  バイポーラプレート
７２  流路
７４  構造体
７４Ａ  壁
７４Ｂ  ランド
７４Ｃ  曲がり部、交点部
１７０  シート
１７４Ａ  壁
１７４Ｂ  ランド
１７４Ｃ  曲がり部
２００  プレート成形器具
２１０  パンチ
２１０Ｅ  側縁
２２０  ダイ
２２０Ｗ  内壁
２７０  シート、バイポーラプレート
３００  バイポーラプレートを成形するステップ
３１０  成形ステップ 
３１０Ａ  パンチ
３１０Ｂ  ダイ
３２０  成形ステップ
３２０Ａ  パンチ
３２０Ｂ  ダイ
３３０  ステップ
３４０  ステップ
Ｄ  絞り深さ
Ｇ  隙間
Ｌ  反復長
ＴＰＡ  薄肉化
ＴＮＣ  薄肉化
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
複数の金型によって金属シートが変形したとき、前記シートが、複数の流路が中に形成されたバイポーラプレートを画定するようにバイポーラプレート成形装置の前記複数の金型の間に前記シートを置くステップと、
前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように前記複数の金型を一緒に閉じることによって、前記シートをバイポーラプレート形状に変形させるステップと
を含む方法。
【請求項２】
前記マイナスクリアランスが約２０％より小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイナスクリアランスが約１０％より小さい、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記マイナスクリアランスでの成形が前記複数の金型の１つのパンチストロークの終わり近くで起こる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記マイナスクリアランスが１ステップ成形工程に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記マイナスクリアランスが多ステップ成形工程に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
燃料電池用バイポーラプレートを準備する方法であって、
実質的に平らな金属シートを器具と協働的に係合するように置くステップであって、前記シートが前記バイポーラプレートに対応する表面部分全体にわたって実質的に一定の厚さを画定する、ステップと、
前記シートを複数の反応物質流路を画定する実質的に平らでない形状に成形するように、少なくとも１つの成形ステップを用いるステップであって、前記シートを構成する前記金属の一部分を、前記バイポーラプレートによって画定される実質的に平らな部分から前記バイポーラプレートによって画定される実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入することを含む、ステップと
を含む方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの成形ステップがプレス加工を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記シートの前記厚さが約７５ミクロンと約１１０ミクロンの間である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
燃料電池を準備する方法であって、
アノード、カソード、および前記アノードとカソードとの間に配置された膜を含むように膜電極接合体を構成するステップと、
前記燃料電池を作動したとき、燃料源および酸素源からそれぞれ導入された反応する物質が、複数の反応物質流路を通って前記アノードおよび前記カソードへ送られるように、前記反応物質流路をその中に画定する金属バイポーラプレートを、前記接合体の前記アノードおよび前記カソードのそれぞれに隣接して置くステップであって、前記バイポーラプレートが、金属シートを成形装置と協働的に係合するように置くこと、および前記装置の少なくとも一部分の移動が、前記シートを構成するステンレス鋼の一部分を、前記反応物質流路の実質的に平らな部分から前記反応物質流路の実質的に角度の付いた部分へ再配置する方法としてマイナスクリアランスを前記シートの少なくとも一部分に導入するように、前記移動によって前記シートを前記バイポーラプレートに変形させることによって、前記バイポーラプレートが成形される、ステップと
を含む方法。
【外国語明細書】
2016046261000001.pdf