JP2005349463A - 筋状凹凸成形方法および同筋状凹凸成形方法によって製造される燃料電池用のメタルセパレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 多数の貫通孔が網目状に形成された薄肉の素材に複数の筋状凹部および筋状凸部を良好に成形する筋状凹凸成形方法を提供すること。
【解決手段】 筋状凹凸成形方法は予備成形工程と最終成形工程から構成される。予備成形工程は多数の貫通孔が形成されたランスカットメタル１１に最終成形寸法よりも大きな予備成形寸法の波形形状を成形する。最終成形工程は予備成形されたランスカットメタル１１に対して複数の筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する。この最終成形工程においては、予備成形されたランスカットメタル１１を最終成形寸法まで圧縮しながら成形する。これにより、加工硬化の大きいランスカットメタル１１において、その曲げ部分における伸びを抑制することができて割れや破断を防止できる。したがって、ランスカットメタル１１に良好に筋状凹部１２と筋状凸部１３を成形することができる。
【選択図】 図６

Description

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を成形する筋状凹凸成形方法、および、同成形方法によって製造される燃料電池のメタルセパレータに関する。

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流路を形成する集電部サポート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。

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。

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させられ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。
特開平８−１３８７０１号公報 特開２００３−２４９２３８号公報 特開２００２−１８４４２２号公報

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。

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。

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。

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。

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、エキスパンドメタルに多数の溝を成形すれば、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など多数の貫通孔が形成された金属薄板においては、この貫通孔形成時に加工硬化（すなわち残留応力の集中）が生じ、曲げ加工すると極めて容易に割れや破断が生じる可能性がある。

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、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を成形する筋状凹凸成形方法を提供するとともに、同筋状凹凸成形方法によって製造された燃料電池用セパレータを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、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を成形する筋状凹凸成形方法であって、前記薄肉の素材に対して複数の凹部と凸部からなる波形形状を、前記複数の筋状凹部および筋状凸部の最終成形寸法よりも大きな予備成形寸法で予備成形し、前記予備成形した波形形状の凹部と凸部の予備成形寸法が前記最終成形寸法となるまで圧縮しながら変形させて前記複数の筋状凹部または筋状凸部を最終成形することにある。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ンスカットメタルであるとよい。

これらによれば、ランスカットメタルなどの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、まず、予備成形によって緩やかな凹凸形状である波形形状を予備成形寸法となるように成形し、その後、最終成形寸法となるまで圧縮しながら変形させて最終的な筋状凹部と筋状凸部を成形することができる。これにより、貫通孔形成時の加工硬化の影響により割れや破断が発生しやすい薄肉の素材であっても、筋状凹部と筋状凸部を最終成形する際には、薄肉の素材を圧縮しながら、言い換えれば、予備成形寸法で成形された波型形状の凹部と凸部の寸法を縮めながら成形することができる。したがって、薄肉の素材の曲げ加工に対する局所的な伸びを低減することができて、割れや破断の発生を低減することができる。ここで、ランスカットメタルは、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、本発明の他の特徴は、前記薄肉の素材は、多数の貫通孔が網目状に形成された後、さらに、圧延加工された薄肉の素材であり、この薄肉の素材に対して前記圧延加工された方向とは異なる方向に前記波形形状を予備成形することにもある。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であるとよい。

これらによれば、エキスパンドメタルなどの多数の貫通孔が網目状に形成された後に圧延された薄肉の素材に対しては、予備成形を圧延された方向と異なる方向に波形形状を成形し、その後、最終成形寸法まで圧縮しながら変形させて最終的な筋状凹部と筋状凸部を最終成形することにより、割れや破断の発生を低減することができる。具体的に説明すると、貫通孔の形成によって加工硬化が生じた薄肉の素材に対して圧延加工すると、同薄肉の素材には圧延方向にさらに加工硬化が生じ、圧延方向にてこの薄肉の素材を曲げると伸びが極端に不足して割れや破断が生じやすくなる。このため、予備成形および最終成形において、圧延方向と異なる方向に波形形状、筋状凹部および筋状凸部を成形することにより、曲げ加工に必要な伸びを確保することができて、割れや破断の発生を低減することができる。ここで、エキスパンドメタルは、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し、さらに、圧延加工されて略平板状とされたものである。このように、エキスパンドメタルを略平板状とすることにより、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。

また、これらの場合、前記予備成形の予備成形寸法と前記最終成形の最終成形寸法は、前記複数の筋状凹部または筋状凸部の凹凸成形方向の寸法であるとよい。これによれば、予備成形寸法と最終成形寸法を、例えば、筋状凹部の深さ方向の寸法や筋状凸部の高さ方向の寸法とすることができる。ここで、多数の貫通孔が網目状に形成された薄肉の素材や、さらに圧延加工された薄肉の素材に筋状凹部と筋状凸部を成形する場合には、これら筋状凹部や筋状凸部の角部にて曲げ加工に対する伸びが必要となる。このため、予備成形寸法と最終成形寸法を筋状凹部の深さ方向の寸法や筋状凸部の高さ方法の寸法とすることによって、最終成形時の圧縮変形において、薄肉の素材の余肉を前記角部に向けて流動させることができる。したがって、前記角部の曲げ加工に対する伸びを小さくすることができて、割れや破断の発生を低減することができる。

また、これらの場合、前記予備成形は、前記薄肉の素材に対して連続的に前記波形形状を成形し、前記最終成形は、前記予備成形によって連続的に成形された波形形状を連続的に圧縮しながら変形させて前記筋状凹部および筋状凸部を成形するとよい。これによれば、連続的に、薄肉の素材に対して筋状凹部および筋状凸部を成形することができるため、生産性を大幅に向上させることができる。

さらに、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のメタルセパレータにおいて、メタルセパレータのガス流路は、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成形された複数の筋状凹部および筋状凸部から構成されるものであって、前記複数の筋状凹部および筋状凸部は、前記薄肉の素材に対して複数の凹部と凸部からなる波形形状を、前記複数の筋状凹部および筋状凸部の最終成形寸法よりも大きな予備成形寸法で予備成形し、前記予備成形した波形形状の凹部と凸部の予備成形寸法が前記最終成形寸法となるまで圧縮しながら変形させて成形されることにもある。

これによれば、上述した筋状凹凸成形方法によって多数の貫通孔が網目状に形成された薄肉の素材（ランスカットメタルやエキスパンドメタル）に対して成形された複数の筋状凹部および筋状凸部を成形し、燃料電池用のメタルセパレータを製造することができる。この製造された燃料電池用のメタルセパレータによれば、アノード電極またはカソード電極との接触を良好に確保しつつ、薄肉の素材に多数形成された貫通孔を燃料ガスまたは酸化剤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。これにより、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。したがって、燃料電池の発電効率を向上させることができる。

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。

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ンスカットメタル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凹部１２の成形幅に比して筋状凸部１３の成形幅が大きくなるように成形されている。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。

薄肉の素材としてのランスカットメタル１１は、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレスなど）から形成されるものである。そして、ランスカットメタル１１は、図２（ａ）に示すように、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。また、ランスカットメタル１１は、図２（ｂ）にて図２（ａ）のＸ−Ｘ断面を示すように、網目状の貫通孔を形成している部分（以下、この部分をストランドという）が順次重なるように連結されて（以下、この連結部分をボンド部１１ａという）、その断面形状が段形状とされている。このランスカットメタル１１は、以下に説明するランスカットメタル成形工程を経て製造される。

ランスカットメタル成形工程は、図３（ａ）に概略的に示すラン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。ラン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成形する刃型Ｈとを備えている。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。刃型Ｈ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とから構成される。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。

このように構成されたランスカットメタル加工装置Ｒを用いたランスカットメタル成形工程においては、まず、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）だけ刃型Ｈに送る。刃型Ｈ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が再び加工ピッチだけステンレス板Ｓを刃型Ｈに送り、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形成されたランスカットメタル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ンスカットメタル１１のボンド部１１ａとなり、ランスカットメタル１１はその断面形状が図２（ｂ）に示すような段形状として成形される。これにより、ストランドが順次重なるように連結されて、ランスカットメタル１１が製造される。

次に、上述したように製造されたランスカットメタル１１に対して、多数の筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形して、ガス流路形成部材１０を最終的に製造する筋状凹凸成形工程について詳細に説明する。この筋状凹凸成形工程は、ランスカットメタル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）を予備成形する予備成形工程と、波形形状が予備成形されたランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する最終成形工程とから構成される。

予備成形工程は、図４に示すようなコルゲート成形機Ｋを用いて、ランスカットメタル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、供給されるランスカットメタル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、予備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、予備成形寸法という）が後述する最終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。

このように構成されたコルゲート成形機Ｋを用いた予備成形工程においては、上述のように製造されたランスカットメタル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、ランスカットメタル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、ランスカットメタル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。そして、予備成形工程によってランスカットメタル１１に成形される波形形状の高さ方向における予備成形寸法は、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、予備成形されたランスカットメタル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。

このように、予備成形工程によって連続的に波形形状が成形されたランスカットメタル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、最終成形工程に供給される。最終成形工程は、波形形状が予備成形されたランスカットメタル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を成形して最終的にガス流路形成部材１０を製造する工程である。この最終成形工程は、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。

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、予備成形されたランスカットメタル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、ランスカットメタル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、ランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３が形成される。ここで、最終成形されたランスカットメタル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１１ａが圧縮されて略平面状に形成される。

ここで、上述したように、予備成形工程によって成形された波形形状の予備成形寸法はＬ＋ΔＬであり、最終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、ランスカットメタル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、ランスカットメタル１１のように、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。

すなわち、ランスカットメタル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１１ａの周辺に加工硬化が生じている。このため、上述した予備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１１ａ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１１ａにて割れや破断が発生する。これに対して、ランスカットメタル１１に波形形状を予備成形しておき、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、ランスカットメタル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１１ａ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。

このように製造されたガス流路形成部材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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、薄肉のランスカットメタル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、ランスカットメタル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。これによっても、ガスの圧力損失を低減することができ、ガス導通空間内のガスの導通がスムーズとなる。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。

また、ガス流路形成部材１０の筋状凹部１２と筋状凸部１３の成形幅は、筋状凸部１３の成形幅が大きくなるように成形されている。このため、ガス流路形成部材１０を、図７に示すように、ＭＥＡ４０に形成されたアノード電極およびカソード電極に対して筋状凸部１３が接触するように配置することにより、アノード電極およびカソード電極との接触面積を大きくすることができる。また、ランスカットメタル１１に多数の貫通孔が形成されていることによっても、アノード電極およびカソード電極との接触面積を大きくすることができる。したがって、ＭＥＡ４０にて発電された電気を集電する際の集電抵抗を極めて小さくすることができ、発電された電気を効率よく集電することができる。

上記実施形態においては、ランスカットメタル１１の製造時に生じるボンド部１１ａの加工硬化によって筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形したときの割れや破断を防止すべく、筋状凹凸成形工程を予備成形と最終成形工程とから構成して実施した。しかしながら、上述した筋状凹凸成形工程によれば、より加工硬化が進んだ薄肉の素材すなわち成形性のより劣る薄肉の素材に対しても、筋状凹部および筋状凸部を好適に成形してガス流路形成部材１０を製造することが可能である。以下、上記実施形態の第１変形例について詳細に説明する。

ランスカットメタル１１よりも加工硬化が進んだ薄肉の素材としては、例えば、上述のように製造されたランスカットメタル１１に対してさらに圧延加工を施して製造されるエキスパンドメタル１４を挙げることができる。このエキスパンドメタル１４も、上述のランスカットメタル１１と同様に、板厚が０．１ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のステンレス板（例えば、フェライト系ステンレスなど）から形成されるものである。そして、エキスパンドメタル１４にも、図８（ａ）に示すように、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。そして、エキスパンドメタル１４は、図８（ｂ）にて図８（ａ）のＹ−Ｙ断面を示すように、圧延加工によってランスカットメタル１１のボンド部１１ａに比して引き伸ばされたボンド部１４ａを有していて、略平板状に形成されている。このエキスパンドメタル１４は、以下に説明するエキスパンドメタル成形工程を経て製造される。なお、以下に、同成形工程を説明するが、エキスパンドメタル１４は、上述したランスカットメタル製造工程に圧延加工が付加されて製造されるため、ランスカットメタル１１を圧延する圧延工程について詳細に説明する。

この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ンスカットメタル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、供給されたランスカットメタル１１を圧延する。これにより、ランスカットメタル１１のボンド部１１ａ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。

このように製造されたエキスパンドメタル１４は、ランスカットメタル１１と異なり、略平板状とされている。このため、エキスパンドメタル１４のボンド部１４ａには、網目状の貫通孔の成形時の加工硬化と圧延加工時の加工硬化とが生じ、ランスカットメタル１１に比してさらに加工硬化が進んだ状態となっている。この状態においては、筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形に必要な伸びが十分に確保できず、例えば、波形形状を成形する予備成形であっても割れや破断が発生することが考えられる。そこで、この第１変形例においては、加工硬化が進んだエキスパンドメタル１４に予備成形や最終成形を施す場合には、図８（ａ）に示すように、圧延方向に対して略直交する方向に波形形状や筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形する。これにより、エキスパンドメタル１４のボンド部１４ａが圧延方向への曲げによってさらに引き伸ばされることを防止することができる。

具体的に説明すると、上述したように製造されたエキスパンドメタル１４に予備成形する場合には、エキスパンドメタル１４は、その供給方向が圧延方向と略直交する向きに調整されて、コルゲート成形機Ｋに供給される。そして、コルゲート成形機Ｋは、上記実施形態と同様に、供給されたエキスパンドメタル１４に対して波形形状を予備成形する。ここで、波形形状が成形されたエキスパンドメタル１４においては、例えば、ボンド部１４ａが曲げられた場合であっても、曲げ方向が圧延方向と直交しているために曲げに伴う伸びが確保されて、圧延方向に曲げるよりも割れや破断の発生頻度を低減することができる。

また、圧延方向と略直交する向きで波形形状を成形することによって、成形された波形形状部分におけるストランドの占める割合が大きくなる。このため、波形形状の成形において、加工硬化の小さいストランドが大きく変形することによって、加工硬化の大きなボンド部１４ａの伸びが抑制され、ボンド部１４ａの割れや破断を防止することもできる。これにより、全体として良好に波形形状を成形することができる。ここで、この予備成形においても、上記実施形態と同様に、ガス流路形成部材１０の筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形方向における断面の断面長に比して、予備成形されたエキスパンドメタル１４の波形形状成形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。

そして、予備成形されたエキスパンドメタル１４は、上記実施形態と同様に、最終成形工程にて、プレス成形機Ｏによって筋状凹部１２と筋状凸部１３が成形される。この最終成形工程においても、エキスパンドメタル１４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、エキスパンドメタル１４のように、加工硬化が大きく成形性に劣る薄肉の素材であっても、割れや破断の発生を防止して良好に曲げ加工を施すことができる。そして、このようにエキスパンドメタル１４に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形することによって製造されたガス流路形成部材１０も、上記実施形態と同様に、固体高分子型燃料電池に採用することができる。

以上の説明からも理解できるように、この第１変形例によれば、加工硬化が大きく成形性に劣る薄肉の素材すなわちエキスパンドメタル１４であっても、筋状凹凸成形加工における割れや破断を防止することができる。また、その他の効果については、上記実施形態と同様の効果が期待できる。

上記実施形態においては、予備成形されたランスカットメタル１１をガス流路形成部材１０の製品幅と等しくなるように切断し、プレス成形機Ｏによって最終形状としての筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形するように実施した。これに対し、生産性を向上するために、連続的に予備成形されたランスカットメタル１１に切断することなく、連続的に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形することも可能である。以下、この第２変形例について詳細に説明する。

この第２変形例においては、上記実施形態の最終成形工程で用いられるプレス成形機Ｏに代えて、図１０に概略的に示す順送型プレス成形機Ｔが用いられる。この順送型プレス成形機Ｔは、ランスカットメタル１１の幅方向（図１０において紙面垂直方向）全体に対して、筋状凹部１２を成形するための凹部および筋状凸部１３を成形するための凸部が形成された下型ＳＧと、上下動可能とされて下型ＳＧに形成された凹部に進入してランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形するパンチＰと、同パンチＰの成形中においてランスカットメタル１１を固定する先行パッドＳＰとを備えている。

この順送型プレス成形機Ｔを利用した最終成形工程においては、まず、図１０（ａ）に示すように、前回の成形サイクルにより成形された筋状凹部１２および筋状凸部１３を一段送り、下型ＳＧ上に載置する。続いて、図１０（ｂ）に示すように、先行パッドＳＰを、前回の成形サイクルにより成形した筋状凹部１２方向に下降させて、ランスカットメタル１１を下型ＳＧとともに挟持して固定する。このように、ランスカットメタル１１を固定した状態で、図１０（ｃ）に示すように、パンチＰを、下型ＳＧに形成された凹部方向にランスカットメタル１１とともに下降させることによって、ランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形される。

このように、図１０（ａ）〜（ｃ）にて概略的に示した成形サイクルを繰り返すことにより、ランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を連続的に成形することができる。そして、この順送型プレス成形機Ｔによる最終成形工程においても、下型ＳＧとパンチＰとによって、ランスカットメタル１１を圧縮しながら、筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形される。これにより、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。したがって、この第２変形例においても、上記実施形態と同様に、加工硬化の生じた薄肉の素材すなわちランスカットメタル１１であっても、割れや破断の発生を防止して良好に曲げ加工を施すことができる。また、最終成形工程において順送型プレス成形機Ｔを用いた場合には、図１０（ｃ）にて矢印で示す方向にランスカットメタル１１を送ることによっても、筋状凹部１２および筋状凸部１３の成形における角部分の伸びを抑制して割れや破断を防止することができる。

さらに、上記第２変形例においては、順送型プレス成形機Ｔを用いて、ランスカットメタル１１に筋状凹部１２および筋状凸部１３を最終成形したが、エキスパンドメタル１４に対しても筋状凹部１２および筋状凸部１３を最終成形することが可能である。この場合においては、上記第１変形例で説明したように、エキスパンドメタル１４には、圧延方向と略直交する方向にて予備成形がされている。そして、予備成形されたエキスパンドメタル１４を連続的に順送型プレス成形機Ｔに供給することにより、上述したように、エキスパンドメタル１４に連続的に筋状凹部１２および筋状凸部１３が成形される。したがって、エキスパンドメタル１４に対しても、割れや破断を生じることなく、良好に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形することができる。

また、本発明は、上記実施形態および各変形例に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態および各変形例においては、ランスカットメタル１１やエキスパンドメタル１４の幅方向全体に筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形したが、所定の大きさに切り出したランスカットメタル１１やエキスパンドメタル１４の略中央部分にのみ筋状凹部１２や筋状凸部１３を成形することも可能である。この場合においても、予備成形工程にて予備成形寸法の波形形状を成形し、その後、最終成形工程にて圧縮しながら筋状凹部１２および筋状凸部１３を成形することができる。このとき、ランスカットメタル１１またはエキスパンドメタル１４において、波形形状や筋状凹部１２と筋状凸部１３が成形される略中央部分と、平板状の形状が維持される周縁部分との境界部分は、予備成形により緩やかに変形された後に圧縮しながら最終成形が施されるため、同境界部分でも曲げ加工による伸びが抑制される。したがって、ランスカットメタル１１やエキスパンドメタル１４の一部分に筋状凹部１２や筋状凸部１３を成形する場合であっても、本発明に係る筋状凹凸成形方法によれば、割れや破断の発生を防止して良好に成形することができる。

さらに、例えば、上述したランスカットメタル１１およびエキスパンドメタル１４の製造に関しては、上述した製造工程以外の工程によって製造することが可能である。また、上述した予備成形工程および最終成形工程においてコルゲート成形機Ｋおよびプレス成形機Ｏを利用して実施したが、予備成形寸法が最終成形寸法よりも大きくなるように予備成形可能であり、圧縮しながら最終成形寸法とする最終成形が可能であれば、その他の装置を利用して成形することも可能である。この場合にも、上述した実施形態および各変形例と同様の効果を期待することができる。

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のセパレータの流路形成部材を示す概略図である。 （ａ），（ｂ）は、図１の流路形成部材を形成するランスカットメタルを説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、図２のランスカットメタルを製造するランスカット製造工程を説明するための図である。 図２のランスカットメタルに波形形状を成形する予備成形を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は、予備成形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。 （ａ）は、最終成形工程を説明するための概略図であり、（ｂ）は、最終成形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。 （ａ），（ｂ）は、本発明の第１変形例に係るエキスパンドメタルを説明するための図である。 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。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２実施形態に係り、連続的に筋状凹部および筋状凸部を最終成形する最終成形工程を説明するための図である。

符号の説明

１０…流路形成部材、１１…ランスカットメタル、１１ａ…ボンド部、１２…筋状凹部、１３…筋状凸部、１４…エキスパンドメタル、１４ａ…ボンド部、２０…金属薄板、３０…樹脂フレーム、４０…ＭＥＡ、Ｒ…ランスカットメタル加工装置、Ｋ…コルゲート成形機、Ｏ…プレス成形機、Ａ…圧延成形機、Ｔ…順送型プレス成形機

Claims (11)

1. 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を成形する筋状凹凸成形方法であって、
   前記薄肉の素材に対して複数の凹部と凸部からなる波形形状を、前記複数の筋状凹部および筋状凸部の最終成形寸法よりも大きな予備成形寸法で予備成形し、
   前記予備成形した波形形状の凹部と凸部の予備成形寸法が前記最終成形寸法となるまで圧縮しながら変形させて前記複数の筋状凹部または筋状凸部を最終成形することを特徴とする筋状凹凸成形方法。
2. 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ンスカットメタルである請求項１に記載した筋状凹凸成形方法。
3. 前記薄肉の素材は、多数の貫通孔が網目状に形成された後、さらに、圧延加工された薄肉の素材であり、
   この薄肉の素材に対して前記圧延加工された方向とは異なる方向に前記波形形状を予備成形する請求項１に記載した筋状凹凸成形方法。
4. 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である請求項３に記載した筋状凹凸成形方法。
5. 前記予備成形寸法と前記最終成形の最終成形寸法は、
   前記複数の筋状凹部または筋状凸部の凹凸成形方向の寸法である請求項１に記載した筋状凹凸成形方法。
6. 前記予備成形は、前記薄肉の素材に対して連続的に前記波形形状を成形し、
   前記最終成形は、前記予備成形によって連続的に成形された波形形状を連続的に圧縮しながら変形させて前記筋状凹部および筋状凸部を成形する請求項１ないし請求項５のうちのいずれか一つに記載した筋状凹凸成形方法。
7. 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のメタルセパレータにおいて、
   メタルセパレータのガス流路は、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成形された複数の筋状凹部および筋状凸部から構成されるものであって、
   前記複数の筋状凹部および筋状凸部は、
   前記薄肉の素材に対して複数の凹部と凸部からなる波形形状を、前記複数の筋状凹部および筋状凸部の最終成形寸法よりも大きな予備成形寸法で予備成形し、
   前記予備成形した波形形状の凹部と凸部の予備成形寸法が前記最終成形寸法となるまで圧縮しながら変形させて成形されることを特徴とする燃料電池用のメタルセパレータ。
8. 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ンスカットメタルである請求項７に記載した燃料電池用のメタルセパレータ。
9. 前記薄肉の素材は、多数の貫通孔が網目状に形成された後、さらに、圧延加工された薄肉の素材であり、
   この薄肉の素材に対して前記圧延加工された方向とは異なる方向に前記波形形状を予備成形する請求項７に記載した燃料電池用のメタルセパレータ。
10. 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である請求項９に記載した燃料電池用のメタルセパレータ。
11. 前記予備成形の成形寸法と前記最終成形の最終成形寸法は、
    前記複数の筋状凹部または筋状凸部の凹凸成形方向の寸法である請求項７に記載した燃料電池用のメタルセパレータ。
    

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