(57)【要約】【課題】燃料電池セルにおいて、エキスパンドメタルを備える構成において、エキスパンドメタル全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、発電体へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることである。【解決手段】セパレータ１６と、発電体に対応する膜−電極アセンブリ１４との間に第１エキスパンドメタル１８及び第２エキスパンドメタル２２を配置する。各エキスパンドメタル１８，２２を、金属板製で、複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けることにより構成する。各エキスパンドメタル１８，２２の充填材の非塗布部を、一部が複数の葉形状となるように設ける。【選択図】図４
2009026472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電体と、
セパレータと、
発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させるエキスパンドメタルと、を備え、
エキスパンドメタルは、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部を有する燃料電池セルであって、
エキスパンドメタルは、エキスパンドメタル本体部に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けるか、またはエキスパンドメタル本体部の形状を、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側とで異ならせることにより構成することを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
エキスパンドメタル本体部に、葉形状または葉脈状またはガス下流側が袋小路状となる形状に、充填材の非塗布部を設けることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の燃料電池セルにおいて、
エキスパンドメタル本体部にガス下流側でガス上流側よりも多く充填材を設けることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の燃料電池セルにおいて、
エキスパンドメタル本体部の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも多く充填材を設けることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料電池セルにおいて、
エキスパンドメタル本体部に形成した開口を、ガス下流側でガス上流側よりも小さくすることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池セルにおいて、
エキスパンドメタル本体部のガス下流側に形成した開口を、発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも小さくすることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の燃料電池セルにおいて、
発電体及びエキスパンドメタルの間に、エキスパンドメタルよりもガスの流通抵抗が大きいガス拡散層を設け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、発電体と、セパレータと、発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させるエキスパンドメタルと、を備える燃料電池セルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、燃料電池について各種の提案がなされている。燃料電池は、通常複数の燃料電池セルを積層して構成され、各燃料電池セルは発電体である、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）の両側にガス流路を介して配置される一対のセパレータからなる。このような燃料電池セルにおいて、空気等の酸化ガスまたは水素ガスである、反応ガスを膜−電極アセンブリ側に効率よく送り込むようにするためにガス流路を工夫することは重要であり、ガス流路の構成について、例えば特許文献１の提案がある。
【０００３】
特許文献１では、セパレータを用いて構成される燃料電池スタックが記載されている。燃料電池スタックは、２個のセパレータと、セパレータ間に配置されるフレーム、及び、発電体に対応する膜−電極接合体とからなる単セルが複数積層されて構成される。セパレータは、セパレータ本体と、ガスの拡散と発電された電気を集電するコレクタとから構成する。コレクタは、ステンレス板にラス加工を施すことにより、略六角形状、菱形、四角形、略五角形のいずれかの多数の貫通孔を網目状に形成した断面形状を階段状とした金属製の薄板であるエキスパンドメタルに対応する、ラスメタルから成形している。ラスメタルは、ラス加工装置を利用して成形する。成形時にはステンレス板を、送りローラにより所定の加工ピッチだけ刃型に送る。刃型の上刃が下刃方向に降下し、下刃とともに略台形形状または略三角形の刃によってステンレス板の一部をせん断し切れ目を加工し、さらに上刃を降下しステンレス板を下方に曲げ伸ばす。これにより上刃の形状が転写され、上刃を上方に復帰させる。次いで、送りローラがステンレス板を加工ピッチだけ刃型に送り、このとき上刃は送り方向と異なる左右方向に半ピッチだけ移動する。そして、上記のように上刃を降下し、切れ目加工と曲げ伸ばし加工とを施す。これによりステンレス板に貫通孔を形成し、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を形成したラスメタルを成形するとされている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−８７７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような特許文献１に記載された燃料電池スタックの場合、燃料電池スタックに送られたガス、例えば酸化ガスがコレクタに形成された貫通孔を通過する。ただし、コレクタであるラスメタルに関して、ガスに対する圧力損失をガス上流側とガス下流側とで異ならせるようにすることは考慮されていない。膜−電極接合体を構成する電極層とコレクタとの間にガス拡散層を設けることが考えられるが、この場合、コレクタを、ガス流通方向に関して一様な溝流路を形成した溝流路形成部材とする場合と異なり、コレクタのガスに対する圧力損失を高くできる可能性がある。コレクタの圧力損失が高くなると、ガス拡散層に供給されるガス量を多くしやすくできる可能性がある。ただし、コレクタ全体での圧力損失が過度に高くなると、ガスを供給する供給装置、例えばエアコンプレッサを駆動する動力を大きくする必要がある。すなわち、燃料電池の集電体であるコレクタには、ガス拡散層と電極層とを十分に押さえることと、電極層へのガス供給性を高くすることとが求められる。これに対して、コレクタの圧力損失が全体で過度に高くなると、電極層へのガス供給性が悪くなるため、ガス供給のための供給装置の動力を高くする必要が生じる。この場合には、燃料電池システム全体のエネルギ効率が悪化し、コストがかさむ原因となったり、燃料電池システム全体が大型化するという不都合が生じる可能性がある。
【０００６】
また、燃料電池のガス上流側はガスのストイキ比、例えばエアストイキ比が大きく、発電しやすいのに対して、ガス下流側はガスのストイキ比が小さく、発電しにくくなる傾向となる。すなわち、発電体に対応する膜−電極接合体のガス上流側では、ガス供給量が過剰となりやすいのに対して、膜−電極接合体のガス下流側ではガスが不足しやすい。これらに対して、本発明者は、エキスパンドメタルを備える燃料電池セルにおいて、エキスパンドメタルの全体の圧力損失を過度に高くすることなく、膜−電極接合体、すなわち発電体へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることが有効であると考えた。特許文献１に記載された燃料電池スタックのように、ガスの流通方向に関して一様な内部構造を有するコレクタ、すなわちエキスパンドメタルを使用する場合、このような不均一を小さくすることに対して改良の余地がある。
【０００７】
また、膜−電極接合体のガス上流側とガス下流側とへのガス供給量の不均一が大きくなると、燃料電池のガスの流れ方向に関して温度の不均一が大きくなる可能性がある。燃料電池の一部の温度が高い場合、ラジエータ等の燃料電池用冷却装置は、この高い温度に対応して冷却性能を決定する必要があるため、冷却装置が大きくなる可能性がある。このため、燃料電池の温度の不均一を小さくすることが求められている。これに対して、上記のように、発電体へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくできれば、燃料電池の温度の不均一も小さくできる可能性がある。
【０００８】
本発明は、燃料電池セルにおいて、エキスパンドメタルを備える構成において、エキスパンドメタル全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、発電体へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る燃料電池セルは、発電体と、セパレータと、発電体及びセパレータの間に配置され、反応ガスを流通させるエキスパンドメタルと、を備え、エキスパンドメタルは、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部を有する燃料電池セルであって、エキスパンドメタルは、エキスパンドメタル本体部に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けるか、またはエキスパンドメタル本体部の形状を、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側とで異ならせることにより構成することを特徴とする燃料電池セルである。
なお、本明細書及び特許請求の範囲全体で、「エキスパンドメタル」とは、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成するが、圧延加工を施さないものだけでなく、複数の開口を千鳥状に形成したものに圧延加工を施して略平板状としたものも含む。
【００１０】
また、好ましくは、エキスパンドメタル本体部に、葉形状または葉脈状またはガス下流側が袋小路状となる形状に、充填材の非塗布部を設ける。
【００１１】
また、より好ましくは、エキスパンドメタル本体部にガス下流側でガス上流側よりも多く充填材を設ける。
【００１２】
また、より好ましくは、エキスパンドメタル本体部の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも多く充填材を設ける。
【００１３】
また、本発明に係る燃料電池セルにおいて、好ましくは、エキスパンドメタル本体部に形成した開口を、ガス下流側でガス上流側よりも小さくする。
【００１４】
また、より好ましくは、エキスパンドメタル本体部のガス下流側に形成した開口を、発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも小さくする。
【００１５】
また、本発明に係る燃料電池セルにおいて、好ましくは、発電体及びエキスパンドメタルの間に、エキスパンドメタルよりもガスの流通抵抗が大きいガス拡散層を設ける。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池セルによれば、発電体およびセパレータの間に配置されたエキスパンドメタルを、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けるか、またはエキスパンドメタル本体部の形状を、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側とで異ならせることにより構成するため、エキスパンドメタルのガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失が大きくなり、ガス供給量が多くなりやすい発電体のガス上流側へのガス供給量を抑えることができる一方、ガス供給量が少なくなりやすい発電体のガス下流側へのガス供給量を多くできる。このため、エキスパンドメタル全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、発電体へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。
【００１７】
また、エキスパンドメタルは、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けることにより構成する場合には、エキスパンドメタルの圧力損失を部分的に変えることを容易に行えるようになる。例えば、エキスパンドメタル本体部に、葉形状または葉脈状またはガス下流側が袋小路状となる形状に、充填材の非塗布部を設ける等により、エキスパンドメタルのガス流通方向に関して同じ部分でも部分的にガス流速を増大させ、部分的に酸素濃度を高め、発電分布の均等化を図れる可能性を高めることができる。
【００１８】
また、エキスパンドメタルは、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部の形状を、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側とで異ならせることにより構成する場合には、エキスパンドメタル本体部に充填材を設ける場合と異なり、充填材がエキスパンドメタル本体部から剥がれる事態が生じる可能性がなく、耐振動性を高くできる。また、製造工程が充填材を設けない分簡略化される。
【００１９】
また、エキスパンドメタル本体部の発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも多く充填材を設ける、または、エキスパンドメタル本体部のガス下流側に形成した開口を、発電体及びセパレータのうち、セパレータ側で発電体側よりも小さくする構成によれば、エキスパンドメタル部分を流通するガスを発電体側により導入しやすくでき、発電性能をより高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１から図８は、本発明に係る第１の実施の形態を示している。図１は、本実施の形態の燃料電池セルを複数積層して構成する燃料電池スタックの略斜視図である。図２は、図１の正面図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。図４は、燃料電池セルの模式図である。図５は、燃料電池セルを構成するエキスパンドメタル本体部の部分斜視図である。図６は、エキスパンドメタルの充填材の塗布分布を示す略図である。図７は、エキスパンドメタルの充填材塗布部分を示す部分斜視図である。図８は、燃料電池セルの酸化ガス流通側において、酸化ガスが流れる様子の違いを説明するための（ａ）はガス上流側を、（ｂ）がガス下流側を、それぞれ示す模式図である。
【００２１】
図１、図２に示すように、燃料電池スタック１０は、複数の燃料電池セル１２を積層し、両側から図示しない一対のエンドプレート等で狭持することにより構成している。各燃料電池セル１２は、図３、図４に示すように、発電体である、膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ）１４の両側に一対のセパレータ１６を設けている。膜−電極アセンブリ１４は、高分子イオン交換膜から成る電解質膜の一方の面（図３の下面）にアノード側電極を、他方の面（図３の上面）にカソード側電極を、それぞれ配置している。膜−電極アセンブリ１４は、触媒、例えば白金等を含む。また、セパレータ１６とカソード側電極との間に、セパレータ１６側から順に、反応ガスである酸化ガスを流通させる酸化ガス側多孔性集電体である、第１エキスパンドメタル１８と、酸化ガス拡散層２０とを設けている。また、セパレータ１６とアノード側電極との間に、セパレータ１６側から順に、反応ガスである燃料ガスを流通させる燃料ガス側多孔性集電体である、第２エキスパンドメタル２２と、燃料ガス拡散層２４とを設けている。このような燃料電池セル１２を、中間セパレータ２６を介して複数組積層し、さらに図示しない集電板、絶縁板及びエンドプレートで狭持し、図示しないテンションロッドとナットとで締め付けることにより、高電圧を発生する燃料電池スタック１０（図１、図２）を構成する。なお、酸化ガスは、例えば空気とする。また、燃料ガスは、水素ガス等の水素含有ガスとする。
【００２２】
図１、図２に示すように、各セパレータ１６は、平板状の金属により構成し、外周部に燃料ガス供給マニホールド孔２８、燃料ガス排出マニホールド孔３０、酸化ガス供給マニホールド孔３２、酸化ガス排出マニホールド孔３４、冷媒供給マニホールド孔３６、冷媒排出マニホールド孔３８を、それぞれ設けている。複数の燃料電池セル１２を積層した状態で、燃料電池セル１２の積層方向に対向する複数のマニホールド孔２８，３０，３２，３４，３６，３８同士が連通して、燃料ガス供給マニホールド２９、燃料ガス排出マニホールド３１、酸化ガス供給マニホールド３３、酸化ガス排出マニホールド３５、冷媒供給マニホールド３７、冷媒排出マニホールド３９を、それぞれ構成する。これら各マニホールド２９，３１，３３，３５，３７，３９は、燃料電池スタック１０の積層方向一端部の図示しないエンドプレートに設けた、燃料ガス入口、燃料ガス出口、酸化ガス入口、酸化ガス出口、冷媒入口、冷媒出口にそれぞれ通じさせる。各マニホールド２９，３１，３３，３５，３７，３９は、積層される複数の燃料電池セル１２の積層方向に設けられる。
【００２３】
燃料ガス供給マニホールド２９、燃料ガス排出マニホールド３１、酸化ガス供給マニホールド３３、酸化ガス排出マニホールド３５は、それぞれ各燃料電池セル１２に対応して、これと異なる方向に分岐した図示しない内部流路を通じて、エキスパンドメタル１８，２２（図３、図４）部分およびガス拡散層２０，２４（図３、図４）に通じさせている。
【００２４】
また、図２に斜格子で示すように、膜−電極アセンブリ１４と、エキスパンドメタル１８，２２と、ガス拡散層２０，２４とは、隣り合うセパレータ１６の間の略中央部分に配置している。そして、隣り合うセパレータ１６の外周部分の間に配置した樹脂等の絶縁性を有するシール部材４１（図３）により、膜−電極アセンブリ１４と、エキスパンドメタル１８，２２と、ガス拡散層２０，２４とを、外部からシールしている。また、図３に示すように、隣り合う燃料電池セル１２を構成する２枚のセパレータ１６の間に中間セパレータ２６を配置するとともに、中間セパレータ２６に冷媒である冷却液を流すための冷媒流路４０を形成している。冷媒流路４０は、冷媒供給マニホールド３７および冷媒排出マニホールド３９に通じさせている。
【００２５】
図３、図４に示す各ガス拡散層２０，２４は、導電性及びガス透過性を有する部材により構成している。ガス拡散層２０，２４として、例えばカーボンペーパー等のカーボン製多孔体、導電性材料により形成した織物等を使用できる。
【００２６】
また、各エキスパンドメタル１８，２２は、図５に詳しく示すように、ステンレス合金等の金属製の板材である金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口４２を千鳥状に形成し、全体を略階段状に形成したエキスパンドメタル本体部５８に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材を設けることにより構成している。エキスパンドメタル本体部５８を成形する方法は、上記で説明した特許文献１に記載されたラスメタルの成形方法と同様であるため、重複する説明は省略もしくは簡略にする。なお、開口４２は、例えば略六角形、略菱形、略四角形、略五角形等、種々の形状とすることができる。
【００２７】
このようなエキスパンドメタル本体部５８を備える本実施の形態の燃料電池セル１２（図４）では、ガス拡散層２０，２４（図４）と膜−電極アセンブリ１４（図４）とを両側からサンドイッチ状に狭持した構造となるため、細かいピッチでガス拡散層２０，２４を十分に抑えやすくできるとともに、ガス拡散層２０，２４においてガスと接する面積も大きくできるため、燃料電池スタック１０（図１、図２）の発電出力を高くしやすくできる。ただし、その一方で、エキスパンドメタル１８，２２部分のガス流路の流れが複雑になり、ガス流れに対する圧力損失が大きくなりやすい。そして、この圧力損失を全体で過度に大きくすることなく、発電体である膜−電極アセンブリ１４へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくすることが重要となる。
【００２８】
このために、本実施の形態では、エキスパンドメタル１８，２２のガスに対する圧力損失を、部分的に変えるようにしている。すなわち、図６に示すように、エキスパンドメタル１８，２２を膜−電極アセンブリ１４（図４）の側面に対し直交する方向に見た状態で、エキスパンドメタル本体部５８に充填材の非塗布部６０を、一部が複数の葉形状となるように設けている。図６に示す例では、斜格子で示す部分が充填材の塗布部分となる。すなわち、非塗布部６０は、エキスパンドメタル本体部５８のガスの流通方向（図６の矢印Ｐ方向）に関してガス上流側端部からガス流通方向中間部にわたる上流側非塗布部６２と、上流側非塗布部６２のガスの流通方向に対し直交する方向（図６の上下方向）に離れた２個所部分からガス下流側に伸びる幹部６４と、幹部６４のガス流通方向複数個所からガス下流側に向け傾斜した方向に伸びる枝部６６とを有する形状としている。非塗布部６０は、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側端縁（図６の右端縁）には達していない。
【００２９】
図７は、充填材６８の塗布部分を示すエキスパンドメタル１８，２２の部分斜視図である。図７に示すように、エキスパンドメタル本体部５８の塗布部分には、充填材６８を設けている。充填材６８は、例えば、カーボンブラックを主として含む親水性樹脂を顆粒状にしたものをエキスパンドメタル本体部５８に接着等したもの、または、単純にエキスパンドメタル本体部５８表面に厚膜塗装した塗装部等である。なお、エキスパンドメタル本体部５８で導電性を確保できるため、充填材６８では、導電性があることを必ずしも必要としない。このため、充填材６８を樹脂等とすることができる。また、充填材６８はこれ以外の詰め物とすることもできる。
【００３０】
このように、エキスパンドメタル１８，２２に部分的に充填材６８を設けることにより、図６に示すように、ガス上流側の非塗布部６０でガスに対する圧力損失を低くし、ガス下流側の塗布部で圧力損失を高くする。すなわち、エキスパンドメタル本体部５８にガス下流側でガス上流側よりも多く充填材６８を設ける。これにより、ガス拡散層２０，２４（図４）のガス上流側へのガス供給量を抑えて、ガス拡散層２０，２４のガス下流側へのガス供給量を高めることにより、ガス下流側でのガス拡散によるガス供給の低下を補うことができる。これにより、燃料電池スタック１０（図１、図２）の発電出力の低下を抑えるとともに、燃料電池セル１２及び燃料電池スタック１０全体のガスに対する圧力損失が過度に高くなることを防止できる。
【００３１】
また、エキスパンドメタル１８，２２の充填材６８（図７）は、エキスパンドメタル本体部５８の膜−電極アセンブリ１４（図４）及びセパレータ１６（図４）のうち、セパレータ１６側で膜−電極アセンブリ１４側よりも多く設けることが好ましい。例えば、エキスパンドメタル１８，２２を複数枚のエキスパンドメタル要素を積層することにより構成し、セパレータ１６側に設けるエキスパンドメタル要素の充填材６８の塗布量を、膜−電極アセンブリ１４側に設けるエキスパンドメタル要素の充填材６８の塗布量よりも多くする。
【００３２】
このような燃料電池スタック１０（図１）では、例えば図１に矢印αで示す方向に、燃料ガスである水素ガスを燃料ガス供給マニホールド２９内に送りこむことにより、アノード側の燃料ガス流路に対応する、第２エキスパンドメタル２２（図３、図４）と燃料ガス拡散層２４（図３）とに燃料ガスを送り込む。そして、図１に矢印βで示す方向に燃料ガスを、燃料ガス排出マニホールド３１を通じて外部に排出する。また、同図に矢印γで示す方向に、酸化ガスである空気を酸化ガス供給マニホールド３３に送り込むことにより、カソード側の酸化ガス流路に対応する、第１エキスパンドメタル１８（図３、図４）と酸化ガス拡散層２０（図３）とに酸化ガスを送り込む。そして、図１に矢印δで示す方向に酸化ガスを、酸化ガス排出マニホールド３５を通じて外部に排出する。燃料ガスおよび酸化ガスは、膜−電極アセンブリ１４（図３、図４）で、電気化学反応に供される。そして、発電電力がカソード側電極とアノード側電極との間で得られ、複数の積層した燃料電池セル１２を備える燃料電池スタック１０（図１）の両端から電池出力が得られる。
【００３３】
このような燃料電池スタック１０を構成する燃料電池セル１２によれば、膜−電極アセンブリ１４及びセパレータ１６の間に配置されたエキスパンドメタル１８，２２を、金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより複数の開口４２を千鳥状に形成したエキスパンドメタル本体部５８に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように充填材６８を設けることにより構成している。このため、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失が大きくなり、ガス供給量が多くなりやすい膜−電極アセンブリ１４のガス上流側へのガス供給量を抑えることができる一方、ガス供給量が少なくなりやすい膜−電極アセンブリ１４のガス下流側へのガス供給量を多くできる。
【００３４】
例えば、図８は、燃料電池セル１２の酸化ガス流通側において、酸化ガスが流れる様子の違いを、ガス上流側（図８（ａ））と、ガス下流側（図８（ｂ））とで、それぞれ示す模式図である。本実施の形態では、酸化ガス流通側の第１エキスパンドメタル１８に充填材６８（図８（ｂ））を設けない場合でも、酸化ガス流通側の酸化ガス拡散層２０において、酸素濃度が高くなる傾向となるガス上流側では、ガスの拡散のみで酸素が十分に供給されやすい。このため、本実施の形態では、第１エキスパンドメタル１８のガス上流側に充填材６８を設けないようにし、図８（ａ）に矢印Ｑで示す方向のガス拡散を主として酸化ガス拡散層２０に十分量の酸素を供給しやすくするとともに、矢印Ｒで示す方向に、第１エキスパンドメタル１８に多くの酸化ガスを流すことができる。
【００３５】
一方、酸化ガス拡散層２０において、酸素濃度が低くなる傾向となるガス下流側では、ガスの拡散のみでは酸素が十分に供給されにくい。これに対して、本実施の形態では、図８（ｂ）に示すように、第１エキスパンドメタル１８のガス下流側に充填材６８を設けることにより、第１エキスパンドメタル１８のガス下流側の圧力損失を高くして、図８（ｂ）に矢印Ｓで示す方向に、酸化ガス拡散層２０のガス下流側に十分量の酸素を供給しやすくできる。このように、本実施の形態では、各エキスパンドメタル１８，２２に部分的に充填材６８を設けることで、各エキスパンドメタル１８，２２全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、膜−電極アセンブリ１４へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。この結果、燃料電池セル１２及び燃料電池スタック１０の温度及び発電性能の、ガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。また、エアコンプレッサ等のガス供給装置の動力が過度に大きくなることを防止できる。
【００３６】
また、本実施の形態では、エキスパンドメタル１８，２２の圧力損失を部分的に変えることを容易に行えるようになる。例えば、本実施の形態のように、エキスパンドメタル本体部５８に、葉形状に、充填材６８の非塗布部６０を設けることにより、エキスパンドメタル１８，２２のガス流通方向に関して同じ部分でも、部分的にガス流速を増大させ、部分的に酸素濃度を高め、発電分布の均等化を図れる可能性を高めることができる。
【００３７】
また、エキスパンドメタル本体部５８の膜−電極アセンブリ１４及びセパレータ１６のうち、セパレータ１６側で膜−電極アセンブリ１４側よりも多く充填材６８を設けた場合には、エキスパンドメタル１８，２２部分を流通するガスを膜−電極アセンブリ１４側により導入しやすくでき、発電性能をより高めることができる。
【００３８】
なお、本実施の形態では、燃料電池セル１２の酸化ガス流通側の第１エキスパンドメタル１８と燃料ガス流通側の第２エキスパンドメタル２２との両方に、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、部分的に充填材６８を設けているが、第１エキスパンドメタル１８のみ、または第２エキスパンドメタル２２のみに、上記のように部分的に充填材６８を設けることもできる。この場合、発電性能を、コスト低減の面でより有効に高める面から、第１エキスパンドメタル１８のみに部分的に充填材６８を設けるのが好ましい。なお、第２エキスパンドメタル２２に充填材６８を部分的に設ける理由は、燃料電池セル１２の燃料ガスである水素含有ガス側でも、水素含有ガスが窒素等、水素以外の成分を含む場合があり、この場合に燃料電池セル１２のガス下流側でも、水素を膜−電極アセンブリ１４側へより供給しやすくするためである。
【００３９】
［第２の発明の実施の形態］
図９は、本発明の第２の実施の形態において、上記の第１の実施の形態の図６に対応する図である。本実施の形態では、各エキスパンドメタル１８，２２を構成するエキスパンドメタル本体部５８に、一部が葉脈状となるように充填材６８（図７参照）の非塗布部６０ａを設けている。図９において、斜格子で示す部分は充填材６８の塗布部である。非塗布部６０は、エキスパンドメタル本体部５８のガス流通方向（図９の矢印方向）に関してガスの上流側端部（図９の下端部）からガス流通方向中間部にわたる上流側非塗布部６２と、上流側非塗布部６２のガスの流通方向に対し直交する方向（図９の左右方向）の中間部からガス下流側に伸びる幹部６４ａと、幹部６４ａのガス流通方向複数個所からガス下流側に向け傾斜した方向に伸びる枝部６６ａとを有する形状としている。幹部６４ａは、直線状に形成している。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様である。
【００４０】
［第３の発明の実施の形態］
図１０は、本発明の第３の実施の形態において、上記の図１から図８に示した第１の実施の形態の図６に対応する図である。本実施の形態の場合には、各エキスパンドメタル１８，２２を構成するエキスパンドメタル本体部５８に、ガス流通方向（図１０の矢印方向）に関して下流側が袋小路状となる形状に、充填材６８（図７参照）の非塗布部６０ｂを設けている。非塗布部６０ｂは、エキスパンドメタル本体部５８のガス上流側端部（図１０の下端部）からガス流通方向中間部にわたる上流側非塗布部６２と、上流側非塗布部６２のガスの流通方向に対し直交する方向（図１０の左右方向）の中間部の３個所位置からガス下流側に伸びる幹部６４ｂと、幹部６４ｂのガス流通方向複数個所からガス下流側に向け傾斜した方向に伸びる枝部６６ｂとを有する形状としている。幹部６４ｂは、ガス上流側から下流側に向かうほど幅Ｗが小さくなる略三角形としている。その他の構成及び作用は、上記の図１から図８に示した第１の実施の形態と同様である。
【００４１】
［第４の発明の実施の形態］
図１１から図１３は、本発明の第４の実施の形態を示している。図１１は、エキスパンドメタルの部分略斜視図である。図１２は、エキスパンドメタルのガス上流側部分の成形途中の状態を示す略図である。図１３は、エキスパンドメタルのガス下流部分の成形途中の状態を示す略図である。
【００４２】
図１１に示すように、本実施の形態では、上記の各実施の形態の場合と異なり、各エキスパンドメタル１８，２２に充填材６８（図７参照）を設けていない。その代わりに、各エキスパンドメタル１８，２２を構成するエキスパンドメタル本体部５８ａの、ガスの流通方向である図１１の矢印Ｔ方向に関して、エキスパンドメタル本体部５８ａの形状を、ガス上流側と、ガス下流側と、ガス流通方向中間部とで異ならせている。すなわち、エキスパンドメタル１８，２２は、ステンレス合金等の金属製の板材である金属板材にせん断加工及び曲げ加工を施すことにより、略四角形の片側一部に半円を連結したような形状の多数の開口４２ａを千鳥状に形成するとともに、全体を階段状に形成したエキスパンドメタル本体部５８ａを有する。
【００４３】
このようなエキスパンドメタル本体部５８ａは、図１２に略示するように、せん断曲げ加工装置７０により成形する。せん断曲げ加工装置７０は、下刃７２と、下刃７２に対し上下方向及び水平方向（図１２の表裏方向）に移動可能な上刃７４とを有する刃型（ダイス）７６を備える。上刃７４は、切れ目形成用部分と、図１１に示す形状に対応する曲げ加工用部分とを備える。エキスパンドメタル１８，２２の成形時には、図１２に示すように、金属板７８を、送りローラ８０により所定の加工ピッチだけ刃型７６に送る。刃型７６の上刃７４が下刃７２方向に下降させ、下刃７２とともに金属板７８の直線状の複数個所をせん断し切れ目を形成し、さらに上刃７４を下降させ、金属板７８を下方に曲げ伸ばす。これにより上刃７４の形状が転写されるので、その後、上刃７４を上方に移動させる。次いで、送りローラ８０が金属板７８を加工ピッチだけ刃型７６に送るとともに、上刃７４を送り方向に対し直交する方向である水平方向（図１２の表裏方向）に半ピッチだけ移動させる。そして、上記と同様に上刃７４を下降させ、切れ目形成の加工と曲げ伸ばし加工とを金属板７８に施し、これらの動作を繰り返す。これにより金属板に千鳥状に開口４２ａ（図１１）を形成するとともに、全体を略階段状に形成したエキスパンドメタル１８，２２を成形する。
【００４４】
特に、本実施の形態では、エキスパンドメタル１８，２２の成形時の送りローラ８０による送りピッチを、ガスの流通方向に関して段階的に異ならせている。図１２は、エキスパンドメタル本体部５８ａのガス上流側部分である、上流側要素８２の成形工程を示している。上流側要素８２の成形工程では、成形時の加工ピッチＰ１（図１２）を大きくしている。また、図１３は、エキスパンドメタル本体部５８ａのガス下流側部分である、下流側要素８４の成形工程を示している。図１３において、せん断曲げ加工装置７０（図１２）の図示は省略している。下流側要素８４の成形工程では、成形時の加工ピッチＰ２（図１３）を上流側要素８２の加工ピッチＰ１（図１２）よりも小さくしている（Ｐ２＜Ｐ１）。また、図１１に示す、エキスパンドメタル本体部５８ａの、ガス流通方向に関して中間部である、中間要素８６の成形時には、加工ピッチを、上流側要素８２と下流側要素８４との間の中間の大きさの加工ピッチとしている。そしてこれにより、エキスパンドメタル本体部５８ａの加工ピッチに対応して形成される、開口４２ａを含む仮想平面に対し直交する方向の板部８８の幅Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を、ガス上流側からガス下流側に向かうほど小さくなるようにしている（Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３）。すなわち、エキスパンドメタル１８，２２の階段のピッチが、ガス下流側部分でガス上流側部分よりも細かくなるようにしている。
【００４５】
なお、図１１では、上流側要素８２、中間要素８６、下流側要素８４が２組ずつ存在するような図示をしているが、これは説明の簡略化のためであり、実際には、各要素８２，８６，８４の数を限定するものではなく、例えば複数ずつがガスの流通方向に関して順に配置される。また、開口４２ａの形状も図示の形状に限定するものではなく、例えば、略菱形等の略四角形、略六角形、略五角形等、種々の形状とすることができる。
【００４６】
このようなエキスパンドメタル１８，２２は、長さ方向である、図１２の矢印Ｕ方向と、図１３の矢印Ｖ方向とが、ガス拡散層２０，２４（図４参照）の側面と略平行になるように、ガス拡散層２０，２４に突き当てて配置する。そして、エキスパンドメタル１８，２２を、階段のピッチがガス下流側部分でガス上流側部分よりも細かくなるように向きを規制する。そして、エキスパンドメタル１８，２２を燃料電池セル１２（図４参照）及び燃料電池スタック１０（図１参照）に組み込んだ状態で、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失が増大するようにしている。すなわち、エキスパンドメタル１８，２２のガス上流側ではガスが、エキスパンドメタル１８，２２の形状に沿って緩やかに曲げられつつエキスパンドメタル１８，２２の開口４２ａ（図１１）等を通じて燃料電池セル１２の内部のエキスパンドメタル１８，２２部分を流通する。これに対して、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側ではガスが、エキスパンドメタル１８，２２の形状に対応して細かく急激に曲げられつつエキスパンドメタル１８，２２の開口４２ａ等を通じてエキスパンドメタル１８，２２部分を流通する。このため、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側部分で、ガスに対する圧力損失がガス上流側部分よりも高くなる。なお、上記の説明では、階段のピッチを３段階で変えた場合を説明したが、本実施の形態は、このような場合に限定せず、２段以上の複数段階でエキスパンドメタル１８，２２の加工ピッチを変えることもできる。
【００４７】
このような本実施の形態によれば、エキスパンドメタル１８，２２の形状を、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側とで異ならせることにより構成している。このため、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失が大きくなり、ガス供給量が多くなりやすい膜−電極アセンブリ１４（図４参照）のガス上流側へのガス供給量を抑えることができる一方、ガス供給量が少なくなりやすい膜−電極アセンブリ１４のガス下流側へのガス供給量を多くできる。このため、エキスパンドメタル１８，２２全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、膜−電極アセンブリ１４へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。
【００４８】
また、本実施の形態では、上記の各実施の形態のように、エキスパンドメタル本体部５８（図７参照）に充填材６８（図７参照）を設ける場合と異なり、大きな振動が加わった場合でも、充填材６８がエキスパンドメタル本体部５８から剥がれる事態が生じる可能性がない。このため、エキスパンドメタル本体部５８から剥がれた充填材６８がガス下流側に流れて、エキスパンドメタル１８，２２の開口４２ａに詰まるような局所詰まりが生じる可能性もない。このため、燃料電池セル１２（図１参照）及び燃料電池スタック１０（図１参照）の耐振動性を高くできる。また、製造工程が充填材６８を設けない分簡略化される。その他の構成及び作用は、上記の図１から図８に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。
【００４９】
なお、本実施の形態の場合も、燃料電池セル１２（図１参照）の酸化ガス流通側の第１エキスパンドメタル１８（図４参照）と燃料ガス流通側の第２エキスパンドメタル２２（図４参照）との両方で、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失を増大させるように、ガス上流側とガス下流側との形状を異ならせているが、第１エキスパンドメタル１８のみ、または第２エキスパンドメタル２２のみにおいて、上記のようにガス上流側とガス下流側との形状を異ならせることもできる。この場合、発電性能を、コスト低減の面でより有効に高める面から、第１エキスパンドメタル１８のみにおいて、上記のようにガス上流側とガス下流側との形状を異ならせることが好ましい。
【００５０】
また、本実施の形態において、エキスパンドメタル１８，２２のガス上流側とガス下流側との形状を異ならせるために、成形時の加工ピッチＰ１，Ｐ２（図１２、図１３）を変えるのではなく、エキスパンドメタル１８，２２成形時の上刃７４の下刃７２に対する上下方向の移動量を、ガスの流通方向に関して段階的に異ならせることもできる。また、エキスパンドメタル１８，２２成形時に、エキスパンドメタル１８，２２の形状がガス流通方向に関して段階的に異なるように、形状が異なる上刃７４を使用することもできる。いずれにしても、燃料電池セル１２（図１参照）及び燃料電池スタック１０（図１参照）にエキスパンドメタル１８，２２を組み込んだ状態で、ガス下流側でガス上流側よりもガスに対する圧力損失が増大するように、ガス流通方向に関してエキスパンドメタル１８，２２の形状を変える。
【００５１】
また、本実施の形態で、エキスパンドメタル１８，２２のガス上流側とガス下流側との形状を異ならせるために、成形時の加工ピッチを変えるのではなく、エキスパンドメタル１８，２２に形成した開口４２ａを、ガス下流側でガス上流側よりも小さくなるようにすることもできる。この場合も、エキスパンドメタル１８，２２全体のガスに対する圧力損失を過度に高くすることなく、膜−電極アセンブリ１４（図４参照）へのガスの供給量のガスの流通方向に関する不均一を小さくできる。
【００５２】
また、このように、エキスパンドメタル１８，２２のガス下流側に形成した開口４２ａを、ガス下流側でガス上流側よりも小さくなるようにした場合に、膜−電極アセンブリ１４（図４参照）及びセパレータ１６（図４参照）のうち、セパレータ１６側で膜−電極アセンブリ１４側よりも小さくすることもできる。例えば、エキスパンドメタル１８，２２を複数枚のエキスパンドメタル要素を積層することにより構成し、セパレータ１６側のエキスパンドメタル要素の開口を、膜−電極アセンブリ１４側のエキスパンドメタル要素の開口よりも小さくすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施の形態の燃料電池セルを複数積層して構成する燃料電池スタックの略斜視図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面の一部を示す図である。
【図４】第１の実施の形態の燃料電池セルの模式図である。
【図５】同じく燃料電池セルを構成するエキスパンドメタル本体部の部分斜視図である。
【図６】第１の実施の形態において、エキスパンドメタルの充填材の塗布分布を示す略図である。
【図７】同じく充填材塗布部分を示す部分斜視図である。
【図８】第１の実施の形態の燃料電池セルの酸化ガス流通側において、酸化ガスが流れる様子の違いを説明するための（ａ）はガス上流側を、（ｂ）がガス下流側を、それぞれ示す模式図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態において、図６に対応する図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態において、図６に対応する図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態において、エキスパンドメタルの部分略斜視図である。
【図１２】同じくエキスパンドメタルのガス上流側部分の成形途中の状態を示す略図である。
【図１３】同じくエキスパンドメタルのガス下流側部分の成形途中の状態を示す略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１０  燃料電池スタック、１２  燃料電池セル、１４  膜−電極アセンブリ（ＭＥＡ），１６  セパレータ、１８  第１エキスパンドメタル、２０  酸化ガス拡散層、２２  第２エキスパンドメタル、２４  燃料ガス拡散層、２６  中間セパレータ、２８  燃料ガス供給マニホールド孔、２９  燃料ガス供給マニホールド、３０  燃料ガス排出マニホールド孔、３１  燃料ガス排出マニホールド、３２  酸化ガス供給マニホールド孔、３３  酸化ガス供給マニホールド、３４  酸化ガス排出マニホールド孔、３５  酸化ガス排出マニホールド、３６  冷媒供給マニホールド孔、３７  冷媒供給マニホールド、３８  冷媒排出マニホールド孔、３９  冷媒排出マニホールド、４０  冷媒流路、４１  シール部材、４２，４２ａ  開口、５８，５８ａ  エキスパンドメタル本体部、６０，６０ａ，６０ｂ  非塗布部、６２  上流側非塗布部、６４，６４ａ，６４ｂ  幹部、６６，６６ａ，６６ｂ  枝部、６８  充填材、７０  せん断曲げ加工装置、７２  下刃、７４  上刃、７６  刃型（ダイス）、７８  金属板、８０  送りローラ、８２  上流側要素、８４  下流側要素、８６  中間要素、８８  板部。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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