JP2010080113A - 燃料電池用エキスパンドメタルの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】セル内部にガス流路を形成するために、燃料電池のセル構成部材間に配置されるエキスパンドメタルの、メッシュ端部に生じるバリを除去する。
【解決手段】金型の上刃４０及びダイ３４により、平板材料４２を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、なおかつ、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起し４２ａを成形する。そして、この切り起し４２ａを、材料送り手段によって平板材料４２を送りながら金型によって一段づつ成形することにより、ＦＤ方向に階段状に連なった構造のメッシュ２２を成形する。又、各段毎の切り起し４２ａの成形と同時に、下受刃３８のＦＤ方向下流側に隣接する挟持部５２と上刃４０とで、所定形状の切り起し４２ａを挟持する。そして、挟持部５２と上刃４０とで、切り起し４２ａのせん断端部に形成されるバリを潰すことにより、エキスパンドメタルを構成するメッシュ２２の端部から、バリを除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

燃料電池は、複数種類のセル構成部材が積層されることによって、最小単位であるセル（単セル）が構成され、なおかつ、セルが複数枚積層されたスタック構造となることで、必要な電圧が確保されるものである。かかるスタック構造において、各セルの最外層に位置してスタック内の各セルを区分けする部材として、板状の部品であるセパレータが用いられている。又、セパレータは、アノード側に燃料ガスをカソード側に酸化剤を各々供給する機能、セルで発電された電気の導電機能、セル内で発生する生成水の排出を行う機能等、様々な役目を担っている。

さて、図７には、固体高分子型燃料電池のセル構造の一例が示されている。このセル１０は、膜・電極接合体１２（Membrane Electrode Assembly：以下、「ＭＥＡ」という。）がセル１０の厚み方向の中心部に配置され、その両面に、ガス拡散層１４（アノード側/カソード側のガス拡散層１４Ａ、１４Ｃ）、ガス流路１６（アノード側/カソード側のガス流路１６Ａ、１６Ｃ）、セパレータ１８（アノード側/カソード側のセパレータ１８Ａ、１８Ｃ）が夫々配置された構造となっている。なお、ＭＥＡ１２とガス拡散層１４とが一体となった膜電極ガス拡散層接合体（ＭＥＧＡ：Membrane Electrode ＆Gas Diffusion
Layer Assembly）が用いられる例もある。
そして、図７のようにガス流路１６がセパレータ１８と別体構造をなすセル１０構造においては、ガス流路１６を形成する構造物として、例えばエキスパンドメタルが用いられることで、上述の如きセパレータの機能を分担、保持している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１０８５７３号公報

セル１０のガス流路１６を形成する構造物として用いられるエキスパンドメタル２０は、例えば、図８に示されるような亀甲形のメッシュ２２が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。このエキスパンドメタル２０は、平板材料を送りながら金型によって一段づつ切れ込みを入れることによってメッシュ２２が成形されるという製造手順（後述する）に起因して、各メッシュ２２が、材料送り方向〔（Materials）Forwarding Direction：以下、本説明において「ＦＤ方向」ともいう。〕に、階段状に連なった構造となっている。
そして、図７に示されたセル１０において、エキスパンドメタル２０は、図９に示されるようにメッシュ２２がガス拡散層１４とセパレータ１８との間に傾斜面を構成するようにして配置されることで、千鳥配置されたメッシュ２２と、ガス拡散層１４表面及びセパレータ１８表面との間に、図９に斜線部で示される三角形状の空間２４が、千鳥状に構成される。従って、ガス流路１６を流れるガスは、千鳥状に配置された三角形状の空間２４を順に伝ってＦＤ方向へと流れ、この際、ガス流ＧＦは図８に示されるように、ＦＤ方向と直交する方向〔Transverse Direction又はTool Direction：以下、本説明において「ツール送り方向」又は「ＴＤ方向」ともいう。〕に揺動し、ターンを繰り返す態様の流れが形成される。

ところで、セル内で電気化学反応が生じる際にカソード側電極に発生する生成水１００
は、ガス拡散層１４（１４Ｃ）を通過し、図１０に示されるようにガス流路１６（１６Ｃ）を構成するエキスパンドメタル２０のメッシュ２２を伝わり、セパレータ１８（１８Ｃ）の表面に沿ってガス流路１６中をガス流出端へ向って移動し、最終的にセル１０の外部へと排出される。しかしながら、エキスパンドメタル２０の製造手順（後述する）に起因して、図１０に示されるようにメッシュ２２にバリ２２ａが生じていると、バリ２２ａとセパレータ１８との界面における表面張力により、生成水１００の滞留が生じ、排水性が悪化することとなる。その結果、流路断面積の減少とそれに伴うガス圧損の上昇を来すこととなる。

しかも、バリ２２ａの形状は均一ではないことから、単一のセル内における部位毎の流路断面積にばらつき生じ、積層されたセル毎の流露断面積にもばらつきを生じる原因となり、集電体としてのエキスパンドメタル２０の、圧損のばらつきを来たす原因となる。又、不均一に発生するバリは、エキスパンドメタル２０の表面処理材の均一性にも悪影響を及ぼすものとなる。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、セル内部にガス流路を形成するために、燃料電池のセル構成部材間に配置されるエキスパンドメタルの、メッシュ端部に生じるバリを除去することを可能とするものである。そして、燃料電池セルのガス流路における生成水の滞留を防ぎ、排水性を高め、燃料電池の発電性能を向上させることにある。

（発明の態様）
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、更に他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）セル内部にガス流路を形成するために、燃料電池のセル構成部材間に配置されるエキスパンドメタルの製造装置であって、材料送り手段と、該材料送り手段により送り込まれる平板材料に対し、千鳥状に並ぶ切込みを複数成形し、各切込みを押し広げて所定形状の切り起しを成形するための金型とを備え、該金型は、ダイと、該ダイに対し平板材料の送り方向下流に隣接する下受刃と、該下受刃と対をなす上刃とを含む燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、金型の上刃及びダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、なおかつ、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形する。そして、この切り起しを、材料送り手段によって平板材料を送りながら金型によって一段づつ成形することにより、ＦＤ方向に階段状に連なった構造のメッシュを成形するものである。

（２）上記（１）項において、前記下受刃のＦＤ方向下流側に、前記上刃と共に所定形状の切り起しを挟持する挟持部を備える燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置（請求項１）。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、各段毎の切り起しの成形と同時に、下受刃のＦＤ方向下流側に隣接する挟持部と上刃とで、所定形状の切り起しを挟持する。そして挟持部と上刃とで切り起しのせん断端部に形成されるバリを潰すことにより、エキスパンドメタルを構成するメッシュの端部から、バリを除去するものである。

（３）上記（１）、（２）項において、前記金型の、前記上刃の下面には、所定形状の突起が前記ＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、前記下受刃の上面には、前記上刃の所
定形状の突起と噛合うように一定間隔を空けて、所定形状の突起が形成されている料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、上刃の所定形状の突起及びダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形するものである。この切り起しを、平板材料を送りながら金型によって一段づつ成形することで、ＦＤ方向に、階段状に連なった構造のメッシュを成形するものである。

（４）上記（３）項において、前記材料送り手段による、平板材料の所定の刻み幅での送り込みのタイミングに合わせて、前記下受刃及び前記上刃は、いずれもＴＤ方向にシフトし、かつ、前記上刃のみエキスパンドメタルを構成するメッシュの刻み幅方向（ＷＤ方向）に昇降するように駆動されることで、前記上刃の所定形状の突起及び前記ダイにより、平板材料は一定間隔に部分的にせん断されて切込みが成形され、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しが成形されるものである料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、材料送り手段による、平板材料の所定の刻み幅での送り込みのタイミングに合わせて、下受刃及び上刃が、いずれもＴＤ方向にシフトし、かつ、上刃のみＷＤ方向に昇降するように駆動されることで、上刃の所定形状の突起及びダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形する。又、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形し、この切り起しを、平板材料を送りながら金型によって一段づつ成形することにより、ＦＤ方向に、階段状に連なった構造のメッシュを成形するものである。

（５）上記（３）項において、前記挟持部は、前記上刃及び前記下受刃の所定形状の突起が噛合った状態で、前記上刃の所定形状の突起と共に、前記所定形状の切り起しを挟持する挟持面を具備する料電池用エキスパンドメタルの製造装置（請求項２）。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、各段毎の切り起しの成形と同時に、下受刃のＦＤ方向下流側に隣接する挟持部と上刃の所定形状の突起とで、所定形状の切り起しを挟持する。そして、挟持部と上刃の所定形状の突起とで切り起しのせん断端部に形成されるバリを潰すことにより、エキスパンドメタルを構成するメッシュの端部から、バリを除去するものである。

（６）上記（１）から（４）項において、前記挟持部は、前記下受刃に対し着脱自在に構成されている料電池用エキスパンドメタルの製造装置（請求項３）。
本項に記載の料電池用エキスパンドメタルの製造装置は、挟持部が磨耗した場合に、挟持部を下受刃から取り外し、新たな挟持部と交換し、あるいは、取り外した挟持部を研磨して再度装着することで、挟持部の機能を維持するものである。

（７）燃料電池のセルを構成する部材間に配置され、セル内部にガス流路を形成するためのエキスパンドメタルの製造方法であって、ダイと、該ダイに対しＦＤ方向下流に隣接する下受刃と、該下受刃と対をなす上刃とを含む金型に、所定の刻み幅で平板材料を送り込み、型締めを行い、前記上刃及び前記ダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形し、これと同時に、前記下受刃の前記ＦＤ方向下流側に隣接する位置に設けられた挟持部と前記上刃とで、１サイクル前の型締め時に成形された切り起しを挟持する燃料電池用エキスパンドメタルの製造方法（請求項４）。
本項に記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造方法は、金型に所定の刻み幅で平板材料を送り込み、型締めを行い、上刃及びダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形する。又、これと同時に、下受刃のＦＤ方向下流側に隣接する位置に設けられた挟持部と上刃
とで、１サイクル前の型締め時に成形された切り起しを挟持することで、切り起しのせん断端部、すなわち、エキスパンドメタルを構成するメッシュの端部からバリを潰し、除去するものである。

本発明はこのように構成したので、燃料電池のセルを構成する部材間に配置され、セル内部にガス流路を形成するエキスパンドメタルの、メッシュ端部に生じるバリを除去することができる。そして、燃料電池セルのガス流路における生成水の滞留を防ぎ、排水性を高め、燃料電池の発電性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基づいて説明する。なお、従来技術と同一部分若しくは相当する部分については、詳しい説明を省略する。
まず、本発明を実施するための最良の形態を説明するにあたり、予め、図６を参照しながらエキスパンドメタルの各部名称を明らかにする。エキスパンドメタルは、一般的には、既に説明した亀甲形のメッシュ２２（図８、図６（ｃ）参照）や、図６（ａ）に示されるような、菱形のメッシュ２６が、いわゆる千鳥配置された連続構造をなしている。そして、メッシュの交差部をボンド部ＢＯ、メッシュのボンド部ＢＯ間をつなぐ部分をストランド部ＳＴという。又、ボンド部ＢＯのＴＤ方向の長さをボンド長さＢＯｌ、ストランド部ＳＴの厚みを刻み幅（送り幅）Ｗという。図中、符号ｔは素材の板厚、符号Ｄはエキスパンドメタルの全厚であり、この全厚Ｄが、セル構成部材間に配置された状態における、エキスパンドメタルの厚みとなる。なお、図６には、併せてＦＤ方向（材料送り方向）、ＴＤ方向（ツール送り方向）及びＷＤ方向（メッシュの刻み幅方向）を示している。
各部名称から明らかなように、亀甲形のメッシュ２２は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの長いメッシュ形状であり、菱形のメッシュ２６は、ボンド部ＢＯのボンド長さＢＯｌの短いメッシュ形状である。そして、菱形のメッシュ２６のＦＤ方向断面形状（Ａ−Ａ断面形状）と、亀甲形のメッシュ２２のＦＤ方向断面形状（Ａ’−Ａ’断面図）とは同一であることから、図６（ｂ）に両者のＦＤ方向断面形状を示している。

続いて、本発明を実施するための最良の形態の理解を高めるために、図３〜図５を参照しながら、エキスパンドメタル２８の一般的な製造手順を説明する。
エキスパンドメタル２８の製造金型は、図３、図４に示されるダイ３４、パッド３６、下受刃３８及び上刃４０を含む金型を備えている。ここで、下受刃３８及び上刃４０は、いずれもＴＤ方向（ＦＤ方向と直交する方向）にシフトし、かつ、上刃４０のみＷＤ方向（上下方向）に昇降するように駆動されるものである。又、上刃４０の下面には、所定形状の突起４０ａがＴＤ方向に一定間隔を空けて形成され、下受刃３８の上面にも、上刃４０の所定形状の突起４０ａと噛合うように一定間隔を空けて、台形状突起３８ａが形成されている。本例では、亀甲形のメッシュ２２（図８、図６（ｃ）参照）を成形する金型を例示していることから、所定形状の突起３８ａ、４０ａは、いずれも台形状の突起である。

平板材料４２は、図３に示されるように、ローラ３９を備えた材料送り手段によって、所定の刻み幅Ｗ（図６（ｂ）参照）で金型へと送り込まれ、この平板材料４２の送り込みのタイミングに合わせて、パッド３６は、平板材料４２が通過可能となるようＷＤ方向に昇降する。そして、図４に示されるように、ダイ３４とパッド３６により平板材料４２が挟持された状態で、上刃４０及び下受刃３８が開閉し、上刃４０の所定形状の突起４０ａとダイ３４とによって、平板材料４２は一定間隔に部分的にせん断され、かつ、下方向に突出する所定形状（台形状）の切り起しが成形される。

そして、上刃４０及び下受刃３８の上昇の都度、上刃４０及び下受刃３８がＴＤ方向に
シフトすることで、台形状の切り起し４２ａが千鳥状に一段づつ成形され、階段状のメッシュ２２を有するラスカットメタル２８’が成形されるものである。
その後、階段状のメッシュを有するラスカットメタル２８’が、図５に示される圧延ローラ４３によって圧延されることにより、必要な全厚Ｄ（図６（ｂ）参照）のエキスパンドメタル２８が成形される。

さて、図１には、本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置５０が示されているが、本製造装置５０の金型は、図３、図４の例との相違点として、下受刃３８のＦＤ方向下流側に、挟持部５２を備えるものである。図１の例では、挟持部５２は下受刃３８と一体に形成されている。又、挟持部の上面５２ａは、下受刃３８の所定形状の突起３８ａが形成されていない一般部３８ｂと同一面をなす、平面となっている。そして、上刃４０所定形状の突起４０ａ及び下受刃３８の所定形状の突起３８ａが噛合った状態で、挟持部５２は、上刃４０の所定形状の突起４０ａと共に、所定形状の切り起し４２ａを挟持するものである。図中符号５２ｂで示される部分は、成形された各段毎の切り起し４２ａを逃がすための「逃げ」であり、かかる機能を発揮するだけの形状及び深さに形成されていれば良い。
なお、図２に示されるように、挟持部５２が下受刃３８と別体をなし、下受刃３８に対し着脱自在に構成されるものであっても良い。この場合には、挟持部５２と下受刃３８との着脱に、ボルト、ピン等、適切な着脱手段を用いることが可能である。又、図１、図２は、説明の便宜上、型開き状態でかつ平板材料４２が各金型構成要素から離間した状態で図示されているが、実際には、平板材料４２は型締め状態で、上記所定の成形がなされるものである。

さて、上記構成をなす、本発明の実施の形態によれば、次のような作用効果を得ることが可能である。即ち、本発明の実施の形態に係る、燃料電池用エキスパンドメタルの製造方法及び製造装置によれば、金型の上刃４０及びダイ３４により、平板材料４２を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、なおかつ、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起し４２ａを成形する。そして、この切り起し４２ａを、材料送り手段（図３のローラ３９参照）によって平板材料４２を送りながら金型によって一段づつ成形することにより、ＦＤ方向に階段状に連なった構造のメッシュ２２を成形するものである。又、各段毎の切り起し４２ａの成形と同時に、下受刃３８のＦＤ方向下流側に隣接する挟持部５２と上刃４０とで、所定形状の切り起し４２ａを挟持する。そして、挟持部５２と上刃４０とで、切り起し４２ａのせん断端部に形成されるバリ２２ａ（図４参照）を潰すことにより、エキスパンドメタル２８を構成するメッシュ２２の端部から、バリ２２ａを除去するものである。

より具体的には、材料送り手段（図３のローラ３９参照）による、平板材料４２の所定の刻み幅での送り込みのタイミングに合わせて、下受刃３８及び上刃４０が、いずれもＴＤ方向にシフトし、かつ、上刃４０のみＷＤ方向に昇降するように駆動されることで、上刃４０の所定形状の突起４０ａ及びダイ３４により、平板材料４２を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形する。又、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起し４２ａを成形し、この切り起し４２ａを、平板材料４２を送りながら金型によって一段づつ成形することにより、ＦＤ方向に、階段状に連なった構造のメッシュ２２を成形するものである。
しかも、各段毎の切り起し４２ａの成形のタイミング（図１の符号Ｓ₀参照。）と同時に、下受刃３８のＦＤ方向下流側に隣接する挟持部５２と上刃４０の所定形状の突起４０ａとで、１サイクル前の型締め時に成形された切り起し４２ａ（図１の符号Ｓ_１参照。）を挟持する。そして、挟持部５２と上刃４０の所定形状の突起４０ａとで、切り起し４２ａのせん断端部に形成されるバリ２２ａを潰すことにより、エキスパンドメタル２８を構成するメッシュ２２の端部から、バリ２２ａを除去するものである。

又、図２に示されるように、挟持部５２が下受刃３８に対し着脱自在に構成されていることとすれば、挟持部５２が磨耗した場合に、挟持部５２を下受刃３８から取り外し、新たな挟持部５２と交換し、あるいは、取り外した挟持部５２を研磨して再度装着することで、挟持部５２の機能を維持することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置を、概略的に示す正面図及びＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置の、応用例を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係る燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置と、基本構成を同じくする金型及びローラを概略的に示した側面図である。 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの製造装置と、基本構成を同じくする金型と共に、エキスパンドメタルのメッシュ端部に生じるバリ拡大して示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係るエキスパンドメタルの製造装置と、基本構成を同じくする圧延ローラを概略的に示した側面図である。 エキスパンドメタルの各部名称の説明図であり、（ａ）は菱形のメッシュの平面図、（ｂ）はＡ−ＡおよびＡ’−Ａ’線における断面図、（ｃ）は亀甲形のメッシュの平面図である。 従来の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す断面図である。 図７に示されるセルのガス流路を形成する、亀甲形のメッシュを備えるエキスパンドメタルの立体図である。 図８に示されたエキスパンドメタルを用いた、セルのガス流路の断面図である。 メッシュにバリが形成されることによる問題点を示すガス流路断面図の拡大図である。

符号の説明

１０：セル、１２：ＭＥＡ、 １４、１４Ａ、１４Ｃ：ガス拡散層、 １６、１６Ａ、１６Ｃ：ガス流路、 １８、１８Ａ、１８Ｃ：セパレータ、２２：亀甲形のメッシュ、２２ａ：バリ、２８：エキスパンドメタル、３４：ダイ、３６：パッド、３８：下受刃、 ３８ａ、４０ａ：所定形状の突起、３８ｂ：一般部、４０：上刃、４２：平板素材、５０：燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置、５２：挟持部、５２ａ：挟持部の上面

Claims (4)

1. セル内部にガス流路を形成するために、燃料電池のセル構成部材間に配置されるエキスパンドメタルの製造装置であって、
   材料送り手段と、該材料送り手段により送り込まれる平板材料に対し、千鳥状に並ぶ切込みを複数成形し、各切込みを押し広げて所定形状の切り起しを成形するための金型とを備え、
   該金型は、ダイと、該ダイに対し平板材料の送り方向下流に隣接する下受刃と、該下受刃と対をなす上刃とを含み、なおかつ、前記下受刃の材料送り方向下流側に、前記上刃と共に所定形状の切り起しを挟持する挟持部を備えることを特徴とする燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
2. 前記金型の、前記上刃の下面には、所定形状の突起が前記ツール送り方向に一定間隔を空けて形成され、前記下受刃の上面には、前記上刃の所定形状の突起と噛合うように一定間隔を空けて、所定形状の突起が形成され、
   前記挟持部は、前記上刃及び前記下受刃の所定形状の突起が噛合った状態で、前記上刃の所定形状の突起と共に、前記所定形状の切り起しを挟持する挟持面を具備することを特徴とする燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
3. 前記挟持部は、前記下受刃に対し着脱自在に構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池用エキスパンドメタルの製造装置。
4. 燃料電池のセルを構成する部材間に配置され、セル内部にガス流路を形成するためのエキスパンドメタルの製造方法であって、
   ダイと、該ダイに対し平板材料の送り方向下流に隣接する下受刃と、該下受刃と対をなす上刃とを含む金型に、所定の刻み幅で平板材料を送り込み、型締めを行い、前記上刃及び前記ダイにより、平板材料を一定間隔に部分的にせん断して切込みを成形し、各切込みを押し広げることで、所定形状の切り起しを成形し、これと同時に、前記下受刃の前記材料送り方向下流側に隣接する位置に設けられた挟持部と前記上刃とで、１サイクル前の型締め時に成形された切り起しを挟持することを特徴とする燃料電池用エキスパンドメタルの製造方法。