特許7413778セパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-05
(45)【発行日】2024-01-16
(54)【発明の名称】セパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置
(51)【国際特許分類】
H01M 8/0202 20160101AFI20240109BHJP
B33Y 30/00 20150101ALI20240109BHJP
B33Y 10/00 20150101ALI20240109BHJP
B33Y 50/02 20150101ALI20240109BHJP
B33Y 80/00 20150101ALI20240109BHJP
B22F 3/16 20060101ALI20240109BHJP
B22F 3/105 20060101ALI20240109BHJP
H01M 8/0206 20160101ALI20240109BHJP
H01M 8/026 20160101ALI20240109BHJP
H01M 8/0247 20160101ALI20240109BHJP
H01M 8/12 20160101ALN20240109BHJP
【ＦＩ】
H01M8/0202
B33Y30/00
B33Y10/00
B33Y50/02
B33Y80/00
B22F3/16
B22F3/105
H01M8/0206
H01M8/026
H01M8/0247
H01M8/12 101
H01M8/12 102A
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019238847
(22)【出願日】2019-12-27
(65)【公開番号】P2021108250
(43)【公開日】2021-07-29
【審査請求日】2022-11-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100101247
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 俊一
(74)【代理人】
【識別番号】100095500
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 正和
(74)【代理人】
【識別番号】100098327
【弁理士】
【氏名又は名称】高松 俊雄
(72)【発明者】
【氏名】上口 聡
【審査官】川口 由紀子
(56)【参考文献】
【文献】特開２００６－１０００８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１２２５２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１２３４１３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１１５３６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－２１６２９４（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｍ ８／０２０２
Ｂ３３Ｙ ３０／００
Ｂ３３Ｙ １０／００
Ｂ３３Ｙ ５０／０２
Ｂ２２Ｆ ３／１６
Ｂ２２Ｆ ３／１０５
Ｈ０１Ｍ ８／０２０６
Ｈ０１Ｍ ８／０２６
Ｈ０１Ｍ ８／０２４７
Ｈ０１Ｍ ８／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃料電池に用いられる平板状のセパレータを、当該セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する方法であって、前記平板面に、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域を形成し、
前記流路領域と前記セパレータの外周端とに挟まれる外周部に中空部を形成し、
前記中空部は、当該中空部を含むように前記外周部の一部位に第１単位領域が設定され、前記流路領域の一部位に前記平板面に対して垂直な方向視で前記第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定されたときに、前記第１単位領域の内部の体積が前記第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される、セパレータの造形方法。
【請求項2】
前記平板面に沿いつつ前記造形方向に対して直交する方向での前記流路領域の２箇所の最外端が規定され、
前記造形方向に対して直交する前記方向と前記平板面とに沿って、前記流路領域の前記最外端から前記外周部を通じて前記外周端に向かって延伸する基準線を規定し、
前記中空部は、少なくとも、前記外周部のうち前記基準線よりも前記造形方向の進行側にある基準領域に形成され、
前記中空部の容積は、前記基準領域の体積の５０％以上、８０％以下である、請求項１に記載のセパレータの造形方法。
【請求項3】
前記外周部に、前記流路領域と連通する内部流路を形成し、前記基準領域の体積は、前記内部流路の容積を除く、請求項２に記載のセパレータの造形方法。
【請求項4】
前記流路領域の前記最外端が前記造形方向に延伸する端辺である場合、前記基準線の始端となる前記最外端は、前記造形方向の進行側に対して最も反対側にある端部が選択される、請求項２又は３に記載のセパレータの造形方法。
【請求項5】
前記中空部は、前記外周部のうち、前記基準領域に加えて、前記造形方向において前記基準領域の反対側にある残存領域にも形成され、前記残存領域にある前記中空部の容積は、前記基準領域にある前記中空部の容積よりも少ない、請求項２～４のいずれか１項に記載のセパレータの造形方法。
【請求項6】
前記外周部に、一端が前記中空部に連通し、他端が外部に向けて開放される貫通穴を形成する、請求項１～５のいずれか１項に記載のセパレータの造形方法。
【請求項7】
燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータであって、平板面に形成され、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域と、
前記流路領域と前記セパレータの外周端とに挟まれる外周部に形成される中空部と、
前記中空部に一端が連通し、他端が外部に向けて開放される貫通穴と、
を備え、
前記外周部の一部位には、前記中空部を含むように第１単位領域が設定され、
前記流路領域の一部位には、前記平板面に対して垂直な方向視で前記第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定され、
前記第１単位領域の内部の体積は、前記第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される、セパレータ。
【請求項8】
燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータを造形する三次元積層造形装置に備えられた制御部に、前記セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として規定する処理と、
前記平板面に、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域を形成させ、かつ、前記流路領域と前記セパレータの外周端とに挟まれる外周部に中空部を形成させる処理と、
を実行させ、
前記中空部は、当該中空部を含むように前記外周部の一部位に第１単位領域が設定され、前記流路領域の一部位に前記平板面に対して垂直な方向視で前記第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定されたときに、前記第１単位領域の内部の体積が前記第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される、造形プログラム。
【請求項9】
燃料電池に用いられる平板状のセパレータを造形する三次元積層造形装置であって、請求項８に記載の造形プログラムを格納する記録媒体と、
前記記録媒体に格納されている前記造形プログラムを実行する制御部と、
を備える、三次元積層造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、例えば燃料電池に用いられるセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等の燃料電池は、ガスを流通させる流路を有するセパレータを備える。特許文献１は、周知の燃料電池の構造を例示するとともに説明されたセパレータを開示している。
【0003】
一般に、ＳＯＦＣに採用されるセパレータは、複数の金属薄板を互いに重ね合わせて形成されることが多いが、金属製の一体型、いわゆるシームレスに形成されることもある。このようなシームレス金属セパレータの製造には、例えば三次元金属積層造形技術を採用可能である。特許文献２は、高エネルギービームの照射により凝固される金属粉末を用いて金属部材を造形することが可能な三次元積層造形方法を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１５－２３２９９７号公報
【文献】特表２００９－５４４５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
平板状の金属部材を三次元金属積層造形技術により造形する場合、一般に、造形方向は金属部材の平面方向と平行となるように設定される。一方、従来の平板状のシームレス金属セパレータには、例えば、厚肉部に相当する外周部と、薄肉部に相当する流路領域とが形成されている。このようなセパレータを三次元金属積層造形技術により造形する場合、セパレータの形状と造形方向との関係によっては、熱応力により、造形中にセパレータの一部が意図せず変形することがある。
【0006】
そこで、本開示は、三次元金属積層造形により造形されるセパレータの平坦度を向上させるのに有利なセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータを、当該セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する方法であって、平板面に、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域を形成し、流路領域とセパレータの外周端とに挟まれる外周部に中空部を形成し、中空部は、中空部を含むように外周部の一部位に第１単位領域が設定され、流路領域の一部位に平板面に対して垂直な方向視で第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定されたときに、第１単位領域の内部の体積が第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される。
【0008】
上記のセパレータの造形方法では、平板面に沿いつつ造形方向に対して直交する方向での流路領域の２箇所の最外端が規定され、造形方向に対して直交する方向と平板面とに沿って、流路領域の最外端から外周部を通じて外周端に向かって延伸する基準線を規定し、中空部は、少なくとも、外周部のうち基準線よりも造形方向の進行側にある基準領域に形成され、中空部の容積は、基準領域の体積の５０％以上、８０％以下であってもよい。上記のセパレータの造形方法は、外周部に、流路領域と連通する内部流路を形成し、基準領域の体積は、内部流路の容積を除くものとしてもよい。流路領域の最外端が造形方向に延伸する端辺である場合、基準線の始端となる最外端は、造形方向の進行側に対して最も反対側にある端部が選択されてもよい。上記のセパレータの造形方法は、外周部に、一端が中空部に連通し、他端が外部に向けて開放される貫通穴を形成するものとしてもよい。中空部は、外周部のうち、基準領域に加えて、造形方向において基準領域の反対側にある残存領域にも形成され、残存領域にある中空部の容積は、基準領域にある中空部の容積よりも少なくてもよい。
【0009】
また、本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータであって、平板面に形成され、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域と、流路領域とセパレータの外周端とに挟まれる外周部に形成される中空部と、中空部に一端が連通し、他端が外部に向けて開放される貫通穴と、を備え、外周部の一部位には、中空部を含むように第１単位領域が設定され、流路領域の一部位には、平板面に対して垂直な方向視で第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定され、第１単位領域の内部の体積は、第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される。
【0010】
また、本開示の一態様に係る造形プログラムは、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータを造形する三次元積層造形装置に備えられた制御部に、セパレータの平板面に沿った方向を造形方向として規定する処理と、平板面に、ガスを流通させる流路溝を有する流路領域を形成させ、かつ、流路領域とセパレータの外周端とに挟まれる外周部に中空部を形成させる処理と、を実行させ、中空部は、中空部を含むように外周部の一部位に第１単位領域が設定され、流路領域の一部位に平板面に対して垂直な方向視で第１単位領域と同一の外形となる第２単位領域が設定されたときに、第１単位領域の内部の体積が第２単位領域の内部の体積と同一になるように規定される。
【0011】
さらに、本開示の一態様は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータを造形する三次元積層造形装置であって、上記の造形プログラムを格納する記録媒体と、記録媒体に格納されている造形プログラムを実行する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0012】
本開示によれば、三次元金属積層造形により造形されるセパレータの平坦度を向上させるのに有利なセパレータの造形方法、セパレータ、造形プログラム及び三次元積層造形装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本開示の一実施形態における造形対象のセパレータを示す図である。
【図3】三次元金属積層造形装置の構成を示す図である。
【図4】造形プログラムの流れを示すフローチャートである。
【図5】造形処理の流れを示す図である。
【図6】中空部の形成割合を規定する基準領域の第１例を説明する図である。
【図7】中空部の形成割合を規定する基準領域の第２例を説明する図である。
【図8】円板状のセパレータを造形対象とする場合の基準領域の例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、本開示の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。ここで、実施形態に示す寸法、材料、その他、具体的な数値等は例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。また、実質的に同一の機能及び構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、本開示に直接関係のない要素については、図示を省略する。
【0015】
（セパレータ）
図１は、本実施形態に係る造形方法において造形対象となるセパレータ１００を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩに対応した、セパレータ１００をＹｓ－Ｚｓ平面に沿って切断した断面図である。セパレータ１００は、全体として平板状である。以下の各図では、セパレータ１００の形状又は姿勢に関する方向を示すものとして、Ｘｓ軸、Ｙｓ軸、Ｚｓ軸の各軸を規定する。セパレータ１００の平板面は、Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して平行な面である。Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して垂直となるＺｓ方向は、セパレータ１００の厚み方向に相当する。
図１は、本実施形態に係る造形方法において造形対象となるセパレータ１００を示す平面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩに対応した、セパレータ１００をＹｓ－Ｚｓ平面に沿って切断した断面図である。セパレータ１００は、全体として平板状である。以下の各図では、セパレータ１００の形状又は姿勢に関する方向を示すものとして、Ｘｓ軸、Ｙｓ軸、Ｚｓ軸の各軸を規定する。セパレータ１００の平板面は、Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して平行な面である。Ｘｓ－Ｙｓ平面に対して垂直となるＺｓ方向は、セパレータ１００の厚み方向に相当する。
【0016】
セパレータ１００は、各種の燃料電池の中でも、例えば、複数の平板状の燃料電池本体を互いに重ね合わせた積層形のＳＯＦＣに採用され得る。なお、セパレータは、インターコネクタと称されることもある。また、燃料電池本体は、単セルと称されることもある。燃料電池本体は、基本構成として、電解質膜としての固体酸化物膜と、互いに固体酸化物膜を挟み込む空気極及び燃料極と、例えばガス拡散層を介して空気極又は燃料極にそれぞれ張り合わされる２つのセパレータとを備える。燃料極に供給されるガスは、例えば水素である。セパレータ１００は、このような燃料電池本体に含まれるセパレータとして用いられ得る。
【0017】
セパレータ１００は、厚み方向で互いに対向する２つの平板面を有する。一方の第１平板面１０２は、不図示の一方の燃料電池本体に含まれる燃料極に対向する燃料極側の平板面である。他方の第２平板面１０４は、不図示の他方の燃料電池本体に含まれる空気極に対向する空気極側の平板面である。
【0018】
第１平板面１０２の中央領域には、燃料極に供給される燃料ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを有する第１流路領域１１０が形成されている。本実施形態では、第１流路領域１１０の平面形状は、一例として、正方形であるものとする。第１流路領域１１０上には、それぞれ、平面形状が長矩形であり、Ｚｓ方向に突出する複数の第１突起部１１０ｂが形成されている。複数の第１突起部１１０ｂは、Ｘｓ方向に沿って複数列に、及び、Ｙｓ方向に沿って複数列に、整列している。第１流路溝１１０ａは、これらの第１突起部１１０ｂの配列により規定された、互いに隣り合う第１突起部１１０ｂ同士の間の隙間に相当する。第１流路領域１１０の外周領域には、第１外周溝１１１が形成されている。
【0019】
一方、第２平板面１０４の中央領域には、空気極に供給されるガスとしての空気を流通させる第２流路溝１２０ａを有する第２流路領域１２０が形成されている。本実施形態では、第２流路領域１２０の形状は、第１流路領域１１０の形状と同一、すなわち、Ｚｓ方向で第１流路領域１１０が正反転した形状であるものとする。つまり、第２流路領域１２０上には、それぞれ、平面形状が長矩形であり、Ｚｓ方向に突出する複数の第２突起部１２０ｂが形成されている。複数の第２突起部１２０ｂは、不図示であるが、複数の第１突起部１１０ｂの配列と同様に整列している。第２流路溝１２０ａは、これらの第２突起部１２０ｂの配列により規定された、互いに隣り合う第２突起部１２０ｂ同士の間の隙間に相当する。第２流路領域１２０の外周領域には、第２外周溝１２１が形成されている。
【0020】
なお、本実施形態では、第２流路領域１２０の形状が、第１流路領域１１０の形状と同一であるものとしているが、空気の流れにより適した、第１流路領域１１０とは異なる形状であるものとしてもよい。
【0021】
また、セパレータ１００において、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０と、外周端１１２とに挟まれる部分が外周部１１３となる。
【0022】
外周部１１３は、それぞれ、Ｚｓ方向に沿って貫通し、ガスを流通させる４つのガス流通穴を有する。これらのガス流通穴のうち、第１ガス供給穴１１４及び第１ガス排出穴１１５を含む一組が、燃料ガスを流通させる。その他の第２ガス供給穴１１６及び第２ガス排出穴１１７を含む一組が、空気を流通させる。例えば、第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、第１流路領域１１０及び第２流路領域１２０の位置よりもＸｓ方向のマイナス側にある外周部１１３に形成される。一方、第１ガス排出穴１１５と第２ガス供給穴１１６とは、第１流路領域１１０及び第２流路領域１２０の位置よりもＸｓ方向のプラス側にある外周部１１３に形成される。
【0023】
第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、流通させるガスの種類が異なり、また、後述する第１内部流路１３０と第４内部流路１３３との干渉を回避させるために、互いにずれた位置に設けられる。同様に、第１ガス排出穴１１５と第２ガス供給穴１１６とは、流通させるガスの種類が異なり、また、後述する第２内部流路１３１と第３内部流路１３２との干渉を回避させるために、互いにずれた位置に設けられる。例えば、第１ガス供給穴１１４と第２ガス排出穴１１７とは、又は、第２ガス供給穴１１６と第２ガス排出穴１１７とは、それぞれＹｓ軸に沿って延伸する直線上に並んで離間していてもよい。
【0024】
また、外周部１１３は、第１流路領域１１０と連通する第１内部流路１３０及び第２内部流路１３１と、第２流路領域１２０と連通する第３内部流路１３２及び第４内部流路１３３とを有する。なお、これらの内部流路は、すべて、外周部１１３の内部に形成され、図１では破線で示されている。
【0025】
第１内部流路１３０は、一端が第１ガス供給穴１１４と連通し、他端が第１流路領域１１０の一辺に面する第１外周溝１１１の一部に連通して、第１ガス供給穴１１４から導入された燃料ガスを第１流路領域１１０に供給させる。第１内部流路１３０は、第１ガス供給穴１１４から第１流路領域１１０に向かって徐々に広がっていく形状を有する。
【0026】
第２内部流路１３１は、一端が第１流路領域１１０の一辺に面する第１外周溝１１１の一部に連通し、他端が第１ガス排出穴１１５と連通して、第１流路領域１１０から導出された燃料ガスを第１ガス排出穴１１５に排出させる。第２内部流路１３１は、第１流路領域１１０から第１ガス排出穴１１５に向かって徐々に狭まっていく形状を有する。
【0027】
第３内部流路１３２は、一端が第２ガス供給穴１１６と連通し、他端が第２流路領域１２０の一辺に面する第２外周溝１２１の一部に連通して、第２ガス供給穴１１６から導入された空気を第２流路領域１２０に供給させる。第３内部流路１３２は、第２ガス供給穴１１６から第２流路領域１２０に向かって徐々に広がっていく形状を有する。
【0028】
第４内部流路１３３は、一端が第２流路領域１２０の一辺に面する第２外周溝１２１の一部に連通し、他端が第２ガス排出穴１１７と連通して、第２流路領域１２０から導出された空気を第２ガス排出穴１１７に排出させる。第４内部流路１３３は、第２流路領域１２０から第２ガス排出穴１１７に向かって徐々に狭まっていく形状を有する。
【0029】
なお、第１内部流路１３０と第４内部流路１３３とは、及び、第２内部流路１３１と第３内部流路１３２とは、それぞれ、Ｚｓ方向視では一部重なるが、互いに接触しない。
【0030】
外周部１１３における４つの内部流路がそれぞれ上記のように配置される場合、第１流路領域１１０における燃料ガスの全体的な進行方向、又は、第２流路領域１２０における空気の全体的な進行方向は、それぞれＸｓ方向に沿う。そのため、第１流路領域１１０に設けられている複数の第１突起部１１０ｂ、又は、第２流路領域１２０に設けられている複数の第２突起部１２０ｂの平面形状の長手方向が、それぞれ、Ｘｓ方向に合うものとしてもよい。
【0031】
また、Ｘｓ方向の両側の外周部１１３には、第１内部流路１３０及び第４内部流路１３３、並びに、第２内部流路１３１及び第３内部流路１３２が設けられているのに対して、Ｙｓ方向の両側の外周部１１３には、内部流路は設けられていない。そのため、セパレータ１００において、内部流路が存在しないＹｓ方向の最長寸法は、内部流路が存在するＸｓ方向の最長寸法よりも短くてもよい。また、セパレータ１００の平面形状は、矩形状ではなく、図１に示すように、各内部流路の形成領域を回避しながら、四方の直角部をなくした、楕円に近似した形状であってもよい。このようなセパレータ１００の概略形状によれば、不要な部分を極力排除し、セパレータ１００の軽量化を実現することができる。
【0032】
また、外周部１１３は、燃料電池本体ごとに、又は、複数の燃料電池を互いに積層させたいわゆるセルスタックごとに、セパレータ１００を含む複数の構成要素を積層方向に結合するためのボルトを貫通させる複数のボルト穴１３５を有する。複数のボルト穴１３５は、それぞれ、Ｚｓ方向に沿って貫通し、外周端１１２に沿っておおよそ一定の間隔で配置される。
【0033】
さらに、外周部１１３は、ボルト穴１３５や第１内部流路１３０等の各内部流路を除いた領域に、中空部１４０を有する。ここで、中空部１４０は、内部になんら固形物質を含まない中空空間で構成されるものを示すほか、後述するようにセパレータ１００が三次元金属積層造形により造形される場合には、凝固していない金属粉末を残留させた空間で構成されるものも含む。
【0034】
中空部１４０としては、例えば、以下に示すようなものがあり得る。
【0035】
第１中空部１４０ａは、外周部１１３のうち、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０とは、内部流路が形成されていないＹｓ方向で隣接する領域で、かつ、２つのボルト穴１３５同士に挟まれる領域に設けられる中空部である。この第１中空部１４０ａが設けられるような領域には、少なくとも、ボルト穴１３５を設置させるのに必要な分のＹｓ方向の幅がなければならない。そのため、第１中空部１４０ａは、以下の他の中空部と比較して、より大きな中空空間を確保することができる。
【0036】
また、外周部１１３は、一端が第１中空部１４０ａに連通し、他端が外周端１１２から外部に向けて開放される単数又は複数の第１貫通穴１４１を有する。なお、図１では、１つの第１中空部１４０ａに対して第１貫通穴１４１が２つある場合を例示している。セパレータ１００が三次元金属積層造形により造形されたとき、第１中空部１４０ａには、凝固していない金属粉末が残留する。第１貫通穴１４１を外周部１１３に設けることで、造形後、第１貫通穴１４１を通じて第１中空部１４０ａ内に残留している金属粉末を外部に排出させることができる。そして、金属粉末が排出された後の第１中空部１４０ａの内部は、固形物質を含まない中空空間となる。
【0037】
第２中空部１４０ｂは、外周部１１３のうち、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０とはＹｓ方向で隣接する領域とＸｓ方向で隣接する領域との双方に一部が含まれる領域に設けられる中空部である。この第２中空部１４０ｂが設けられるような領域は、Ｙｓ方向又はＸｓ方向のいずれの幅も大きく確保することはできないため、通常、ボルト穴１３５が設けられない。そのため、第２中空部１４０ｂは、このような領域を有効に利用して中空空間を確保することができる。
【0038】
また、外周部１１３は、一端が第２中空部１４０ｂに連通し、他端が外周端１１２から外部に向けて開放される単数又は複数の第２貫通穴１４２を有する。なお、図１では、１つの第１中空部１４０ａごとに第２貫通穴１４２が１つずつある場合を例示している。第２貫通穴１４２も第１貫通穴１４１と同様に、造形後、第２貫通穴１４２を通じて第２中空部１４０ｂ内に残留している金属粉末を外部に排出させることができる。
【0039】
さらに、第２中空部１４０ｂが設けられる位置によれば、例えば、図１に示すように、Ｘｓ方向の両側にそれぞれ設けられている第２中空部１４０ｂ同士を、直管状の連通路１４３を介して連通させることができる。連通路１４３は、外周部１１３において、ボルト穴１３５と第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０とで挟まれる部分を通過して、Ｘｓ方向に延伸する。第２中空部１４０ｂ及び連通路１４３により、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０の近傍にあり、かつ、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０の一辺に沿った内部領域を、中空部とすることができる。また、外周端１１２からの距離で考えた場合、連通路１４３が比較的内側に形成されていたとしても、造形後、連通路１４３に残留している金属粉末は、連通路１４３の両端のいずれかに接続されている第２中空部１４０ｂを通じて外部に排出させることができる。
【0040】
第３中空部１４０ｃは、外周部１１３のうち、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０とは、内部流路が形成されていないＹｓ方向で隣接する領域に設けられている点は、第１中空部１４０ａ及び連通路１４３と同様である。これに対して、第３中空部１４０ｃは、さらに、第１外周溝１１１又は第２外周溝１２１の近傍で、かつ、第１外周溝１１１又は第２外周溝１２１に沿った領域に設けられる中空部である。つまり、第３中空部１４０ｃは、図１に示されている各種の中空部１４０のうち、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０に最も近い位置にある。
【0041】
第４中空部１４０ｄは、外周部１１３のうち、ボルト穴１３５と第１ガス供給穴１１４等のガス流通穴との間などに存在する空き領域に設けられる中空部である。第４中空部１４０ｄは、このような空き領域を有効に利用して中空空間を確保することができる。
【0042】
なお、図１及び図２にそれぞれ描画されている中空部１４０の具体的な形状は、すべて例示である。したがって、中空部１４０の形状は、第１流路領域１１０等の平面形状、又は、ボルト穴１３５等の設置位置などにより、種々変形可能である。
【0043】
そして、セパレータ１００に中空部１４０を設けるに際して、本実施形態では、第１中空部１４０ａ等の個々の中空部を含む中空部１４０の形成割合を規定する。この中空部１４０の形成割合については、以下、セパレータ１００の造形工程と併せて説明する。
【0044】
（三次元積層造形装置）
本実施形態では、セパレータ１００は、三次元金属積層造形により造形される。以下、三次元金属積層造形を「三次元造形」と略記する。
本実施形態では、セパレータ１００は、三次元金属積層造形により造形される。以下、三次元金属積層造形を「三次元造形」と略記する。
【0045】
図３は、本実施形態に係る造形方法に用いられる三次元造形装置１の構成の一例を示す概略断面図である。以下の各図では、三次元造形装置１の構成や動作に関する方向を示すものとして、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各軸を規定する。セパレータ１００を載置するステージ３１の平面は、Ｘ－Ｙ平面に対して平行な面である。Ｘ－Ｙ平面に対して垂直となるＺ方向は、セパレータ１００の造形方向に相当する。
【0046】
三次元造形装置１は、金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射して金属粉末Ｐを溶融し凝固させ、凝固した金属粉末Ｐを積層させていくことで、三次元の物体を造形する、いわゆるパウダーベッド方式を採用した装置である。金属粉末Ｐの材質は、特に限定されるものではく、燃料電池用のセパレータとして機能し、かつ、三次元造形に支障がないものが選択され得る。金属粉末Ｐは、多数の粉末体により構成される。また、金属粉末Ｐとしては、電子ビームＥの照射により溶融及び凝固できるものであれば、粉末より粒径の大きい粒体を用いてもよい。
【0047】
三次元造形装置１は、ビーム出射部２と、造形部３と、制御部４とを備える。
【0048】
ビーム出射部２は、造形部３の金属粉末Ｐに対し電子ビームＥを出射し、金属粉末Ｐを溶融させるユニットである。電子ビームＥは、荷電粒子である電子の直線的な運動により形成される荷電粒子ビームである。ビーム出射部２は、電子銃部２１と、収差コイル２２と、フォーカスコイル２３と、偏向コイル２４と、コラム２５とを備える。
【0049】
電子銃部２１は、造形部３に向けて電子ビームＥを出射する。電子銃部２１は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【0050】
収差コイル２２は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥの収差を補正する。収差コイル２２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。なお、三次元造形装置１の種類によっては、収差コイル２２の設置を省略する場合もある。
【0051】
フォーカスコイル２３は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、電子ビームＥを収束させて、電子ビームＥの照射位置におけるフォーカス状態を調整する。フォーカスコイル２３は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【0052】
偏向コイル２４は、電子銃部２１から出射される電子ビームＥの周囲に設置され、制御信号に応じて電子ビームＥの照射位置を調整する。偏向コイル２４は、電磁的にビーム偏向を行うため、機械的にビーム偏向を行う場合に比べて、電子ビームＥの照射時における走査速度を高速にすることができる。また、偏向コイル２４は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。
【0053】
コラム２５は、例えば筒状の筐体である。コラム２５は、電子銃部２１、収差コイル２２、フォーカスコイル２３及び偏向コイル２４を収容する。
【0054】
造形部３は、所望の形状にセパレータ１００を造形するユニットである。造形部３は、チャンバ３０と、ステージ３１と、昇降機３２と、造形タンク３３と、リコータ３４と、ホッパ３５とを備える。
【0055】
チャンバ３０は、例えば箱状の筐体である。チャンバ３０は、ステージ３１、昇降機３２、リコータ３４及びホッパ３５を収容する。チャンバ３０は、ビーム出射部２のコラム２５と連結している。チャンバ３０の内部空間は、電子銃部２１が配置されるコラム２５の内部空間と連通している。また、チャンバ３０の内部空間は、真空又はほぼ真空な状態に維持されている。
【0056】
ステージ３１は、セパレータ１００を支持する。ステージ３１は、電子ビームＥの出射方向の延長線上に位置し、例えば、主平面を水平面とする円板状の部材である。また、ステージ３１は、造形タンク３３内に配置され、Ｚ方向に移動可能である。なお、ステージ３１の表面上には、底板３６が設置されている。金属粉末Ｐは、底板３６上に直接的に供給される。
【0057】
昇降機３２は、ステージ３１を昇降させる機構である。昇降機３２は、制御部４と電気的に接続され、制御部４からの制御信号を受けて作動する。例えば、昇降機３２は、セパレータ１００の造形の初期においてステージ３１を上部へ移動させておき、ステージ３１上で金属粉末Ｐが溶融凝固されて積層されるごとにステージ３１を降下させる。なお、昇降機３２は、ステージ３１を昇降できる機構であれば、いずれの機構のものを用いてもよい。
【0058】
造形タンク３３は、ステージ３１の外形に合わせた内壁を有する筒状容器である。本実施形態の例では、ステージ３１の形状は円板状であるので、造形タンク３３の形状は、ステージ３１の移動方向に沿った軸に対して断面形状が同心円状となる内壁を有する円筒状である。これにより、造形タンク３３に供給される金属粉末Ｐのステージ３１の下方へ漏れ落ちが抑制される。なお、金属粉末Ｐの漏れ落ちをより抑制するために、ステージ３１の外縁部にシール材を設けてもよい。また、造形タンク３３の形状は、円筒状に限定されず、断面矩形の角筒状であってもよい。
【0059】
リコータ３４は、ステージ３１の上方に金属粉末Ｐを供給し、金属粉末Ｐの表面を均す粉末塗布機構である。リコータ３４は、例えば棒状又は板状の部材である。リコータ３４は、図３中の矢印で示すように、水平方向に移動することにより電子ビームＥの照射領域に金属粉末Ｐを供給し、金属粉末Ｐの表面を均す。また、リコータ３４は、不図示のアクチュエータ等により移動制御される。なお、金属粉末Ｐを均す機構として、リコータ３４以外の機構を用いてもよい。
【0060】
ホッパ３５は、塗布前の金属粉末Ｐを収容する容器である。ホッパ３５は、下部に、金属粉末Ｐを排出する排出口３５ａを有する。排出口３５ａから排出された金属粉末Ｐは、ステージ３１上へ直接流入するか、又は、リコータ３４によりステージ３１上へ供給される。なお、ステージ３１上に金属粉末Ｐを層状に供給する機構としては、リコータ３４及びホッパ３５以外の機構を用いてもよい。
【0061】
制御部４は、三次元造形装置１の装置全体の動作等を制御するユニットである。制御部４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ又はＲＡＭを有するコンピュータを含む。例えば、制御部４に含まれるＲＡＭ４ａは、本実施形態に係るセパレータ１００の造形方法を行わせる造形プログラムを格納する記録媒体である。この場合、制御部４は、ＲＡＭ４ａに格納されている造形プログラムに従って造形工程を実行する。当該造形処理では、制御部４は、例えば、ステージ３１の昇降制御、リコータ３４の作動制御、電子ビームＥの出射制御、偏向コイル２４の作動制御などを行う。
【0062】
制御部４は、例えば、セパレータ１００の三次元ＣＡＤ（Computer-Aided Design）データを用いて造形を行わせる。三次元ＣＡＤデータは、予め制御部４に入力される、セパレータ１００の形状データである。制御部４は、三次元ＣＡＤデータをもとに、二次元のスライスデータを生成する。スライスデータは、例えば、セパレータ１００の水平断面のデータであり、積層方向の各位置に応じた多数のデータの集合体である。制御部４は、スライスデータに基づいて、電子ビームＥを金属粉末Ｐに対し照射する領域を決定し、その領域に応じて偏向コイル２４に制御信号を出力する。これにより、セパレータ１００の形状に応じた領域に対し、電子ビームＥが照射される。なお、金属粉末Ｐの予備加熱を行う場合も、制御部４は、ビーム出射部２の偏向コイル２４に制御信号を出力し、ステージ３１上の加熱領域に対し、電子ビームＥを走査して照射させる。
【0063】
（セパレータの造形方法）
次に、三次元造形装置１を用いた造形工程について説明する。以下、三次元造形装置１を用いてセパレータ１００を造形する工程を、単に「三次元造形工程」という。
次に、三次元造形装置１を用いた造形工程について説明する。以下、三次元造形装置１を用いてセパレータ１００を造形する工程を、単に「三次元造形工程」という。
【0064】
図４は、制御部４が実行する造形プログラムの主な流れを示すフローチャートである。制御部４は、三次元造形工程を開始すると、ステップＳ１０１として、ＲＡＭ４ａに予め保存されている、セパレータ１００に関する三次元ＣＡＤデータを読み込む。三次元ＣＡＤデータには、少なくとも、第１平板面１０２に第１流路領域１１０を形成させ、かつ、外周部１１３に、セパレータ１００の各部位での単位領域あたりの体積が互いに近似するように、中空部１４０を形成する情報が含まれている。ここでいう外周部１１３とは、第１流路領域１１０とセパレータ１００の外周端１１２とに挟まれる部分をいう。なお、ここでいう単位領域あたりの体積については、以下で詳説する。次に、制御部４は、ステップＳ１０２として、ステップＳ１０１にて読み込んだ三次元ＣＡＤデータに基づいて二次元のスライスデータを生成する。次に、制御部４は、ステップＳ１０３として、造形処理前の造形準備処理を行う。ここで、造形準備処理とは、セパレータ１００の平板面に沿った方向を造形方向として規定するなど、ステップＳ１０２にて生成されたスライスデータに基づいて正確に造形処理を行わせるための処理全般をいう。次に、制御部４は、ステップＳ１０４として、造形処理を開始する。造形処理は、実際にセパレータ１００の造形を行う処理である。
【0065】
図５は、三次元造形装置１による造形処理の流れを時系列で示す概略断面図である。ここで、図５では、三次元造形装置１の要部の一部のみが示されている。図５では、セパレータ１００に形成される第１流路領域１１０等の各流路領域、第１ガス供給穴１１４等の各種の穴部又は中空部１４０は、簡略化のために不図示としている。また、図５に示す例では、セパレータ１００は、計１７層の粉末層Ｌａが最終的に積層されて造形されるものとして説明する。
【0066】
図５（ａ）は、粉末層Ｌａの最下層である第１層Ｌａ１から、次に積層される第２層Ｌａ２までのセパレータ１００の造形状態を示している。図５（ｂ）は、図５（ａ）に引き続き、さらに第７層Ｌａ７までのセパレータ１００の造形状態を示している。そして、図５（ｃ）は、図５（ｂ）に引き続き、粉末層Ｌａの最上層である第１７層Ｌａ１７までのセパレータ１００の造形状態を示している。
【0067】
三次元造形工程では、底板３６上の金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射してセパレータ１００の一部の造形を繰り返して積層していくことで、所望の形状にセパレータ１００を造形する。すなわち、造形処理における造形方向は、積層方向と同義である。また、三次元造形装置１では、平板状であるセパレータ１００のＸｓ－Ｙｓ平面が、三次元造形装置１の造形方向を規定するＺ軸と平行となるように、セパレータ１００を造形する。
【0068】
三次元造形装置１は、まず、粉末層Ｌａの最下層である第１層Ｌａ１における粉末供給処理を行う。粉末供給処理は、底板３６上に金属粉末Ｐを供給し、そして、供給された金属粉末Ｐの表面を均す処理である。具体的には、制御部４は、昇降機３２に制御信号を出力してステージ３１の上下位置を調節し、不図示のアクチュエータ又は機構に制御信号を出力してリコータ３４を作動させる。これにより、リコータ３４が例えばＹ軸に沿って移動し、ステージ３１上に金属粉末Ｐが供給され、金属粉末Ｐの表面が均される。
【0069】
次に、三次元造形装置１は、第１層Ｌａ１における造形処理を行う。具体的には、制御部４は、ステップＳ１０２で生成されたスライスデータに基づいて、金属粉末Ｐに対し電子ビームＥを照射する領域を決定し、その領域に応じてビーム出射部２から電子ビームＥを照射させる。
【0070】
第１層Ｌａ１に関してセパレータ１００の一部が造形された後、第２層Ｌａ２では、上記のような粉末供給処理から当該層に対する造形処理までの一連の処理を繰り返すことにより、さらにセパレータ１００の一部が造形される。そして、三次元造形装置１は、引き続き第１７層Ｌａ１７までの各層に対する造形処理を施すことにより、最終的に、所望の形状のセパレータ１００が造形される。
【0071】
ここで、中空部１４０は、造形処理においては、電子ビームＥが照射されない領域となり、つまり、造形後に金属粉末Ｐがそのまま残留する領域となる。そして、上記のとおり、第１貫通穴１４１等の貫通穴が連設されている第１中空部１４０ａや第２中空部１４０ｂであれば、貫通穴を通じて、内部の金属粉末Ｐが外部に排出される。一方、第３中空部１４０ｃや第４中空部１４０ｄのように、第１貫通穴１４１のような貫通穴を連設させることができない、又は、連設させづらい場合には、最終製品としてのセパレータ１００において、金属粉末Ｐを残留させたままとしてもよい（図２参照）。
【0072】
なお、金属粉末Ｐを溶融し凝固させる粉末層Ｌａの造形処理ごとに、その造形処理の前に、さらに金属粉末Ｐに電子ビームＥを照射することで、金属粉末Ｐの予備加熱を行ってもよい。予備加熱は、予熱とも称され、金属粉末Ｐの融点未満の温度で金属粉末Ｐを加熱する処理である。この予備加熱により、金属粉末Ｐが加熱されて仮焼結され、電子ビームＥの照射による金属粉末Ｐへの負電荷の蓄積が抑制されて、電子ビームＥの照射時に金属粉末Ｐが飛散して舞い上がるスモーク現象を抑制することができる。ただし、造形後に内部に残留している金属粉末Ｐを排出する中空部１４０が造形される粉末層Ｌａでは、予備加熱を行わなくてもよい。
【0073】
次に、三次元造形工程で形成される中空部１４０の形成割合について説明する。
【0074】
一般的なＳＯＦＣでは、燃料電池本体を構成する平板状の各要素は、互いに積層方向に沿って重ね合わされる。そのため、セパレータには、燃料電池本体の一部として用いられているときのガスリークを抑えるために、歪みが抑えられた高い平坦度が要求される。ここで、セパレータの各部位には、造形時の熱膨張により発生した熱応力により、収縮力が働く。セパレータの各部位での断面積を見たとき、断面積が大きい部位では、断面積が小さい部位に比べて収縮力が大きくなる。そのため、従来の平板状のシームレス金属セパレータに厚肉部と薄肉部とが混在する場合、セパレータの形状と造形方向との関係によっては、このような収縮力の差に起因して、造形中にセパレータの一部が意図せず変形することがある。そして、平板状のセパレータの平面方向と造形方向とが平行となる場合には、このような変形の発生は、終盤の造形処理にて造形される造形方向の進行側の端部において顕著となり得る。図５（ｃ）に示す例を参照すると、造形方向の進行側の端部とは、最上層である第１７層Ｌａ１７側にある最終端に相当する。
【0075】
これに対して、本実施形態では、セパレータ１００を三次元造形工程により造形するに際して、セパレータ１００の各部位での単位領域あたりの体積を互いに近似させることで、造形後のセパレータ１００の変形を抑える。ここで、単位領域とは、セパレータ１００における任意の各部位同士の体積を比較するために想定された仮想の範囲をいう。例えば、外周部１１３において、ある外形で表される一単位領域内の体積が求められたならば、第１流路領域１１０のような流路領域においても、同じ外形で表される一単位領域内の体積が求められ、それぞれの体積同士が比較されることになる。
【0076】
一般的なセパレータでは、外周部１１３に相当する部位が厚肉部となり、第１流路領域１１０のような流路領域に相当する部位などが薄肉部となることが多い。つまり、上記の単位領域の概念を用いると、一般的なセパレータでは、例えば、外周部１１３に相当する部位の単位領域あたりの体積は、流路領域に相当する部位の単位領域あたりの体積よりも大きくなる。そこで、本実施形態では、外周部１１３に中空部１４０を設けることで、外周部１１３の体積を低減させる。
【0077】
例えば、図１に示すように、セパレータ１００における２箇所の部位に、それぞれ、互いに同一の外形を有する第１単位領域ＲＵ１及び第２単位領域ＲＵ２を設定することができる。第１単位領域ＲＵ１は、外周部１１３の一部位に設定される単位領域である。第２単位領域ＲＵ２は、第１流路領域１１０の一部位に設定される単位領域である。この場合、第１単位領域ＲＵ１内に形成される中空部１４０は、中空部１４０が形成された後の第１単位領域ＲＵ１内の体積が第２単位領域ＲＵ２内の体積に近似するように規定されることになる。なお、単位領域の形状、及び、単位領域を設定するセパレータ１００上の位置は任意であり、セパレータ１００の全体形状や、セパレータ１００に形成されている流路形状等に基づいて適宜設定される。
【0078】
より具体的には、中空部１４０は、外周部１１３のうち、第１内部流路１３０等の内部流路を除き、少なくとも、特定の基準線よりも造形方向の進行側にある基準領域に形成されるものとしてもよい。ここで、基準線とは、造形方向に対して直交する方向に沿って、流路領域の最外端から外周端１１２に向かって延伸する仮想の直線をいう。基準線の定義で用いる流路領域は、燃料極側の第１流路領域１１０、又は、空気極側の第２流路領域１２０のいずれでも適用可能であるが、基本的には、より複雑な形状が採用されやすい第１流路領域１１０を適用してもよい。
【0079】
図６は、特定の基準線を用いて定義された基準領域の第１例を説明するための概略図である。本実施形態では、造形方向であるＺ方向に対して、セパレータ１００のＸｓ－Ｙｓ平面が平行であれば、造形されるセパレータ１００の姿勢は問わない。第１例では、造形直後のセパレータ１００が、Ｙｓ方向がＺ方向に対して角度θで傾いた姿勢となる場合を例示している。なお、図６では、三次元造形装置１の構成としては、セパレータ１００を直接的に載置する底板３６のみ示している。
【0080】
まず、造形方向に対して直交する方向がＹ方向であると想定する。このＹ方向における第１流路領域１１０の最外端は、Ｙ方向の最大幅がＷ１で表される第１流路領域１１０の四隅の角部のうち、Ｙ方向の最もプラス側にある第１角部Ｃ１と、Ｙ方向の最もマイナス側にある第２角部Ｃ２となる。この場合、Ｙ方向に沿って第１角部Ｃ１から外周端１１２に向かって延伸する基準線が第１基準線Ｌ１ａであり、一方、Ｙ方向に沿って第２角部Ｃ２から外周端１１２に向かって延伸する基準線が第２基準線Ｌ１ｂである。つまり、第１例では、造形方向での高さが互いに異なる第１基準線Ｌ１ａと第２基準線Ｌ１ｂとの２つの基準線が存在する。
【0081】
これにより、第１例における基準領域Ｒ１は、外周部１１３のうち、第１内部流路１３０等の内部流路を除き、少なくとも、第１基準線Ｌ１ａ及び第２基準線Ｌ１ｂよりも造形方向の進行側にある、図６において太枠線で囲まれた領域で表される。ここで、造形方向の進行側とは、図６において白抜きの矢印で示すように、造形方向に沿った上下方向でいう上側に相当する。また、基準領域Ｒ１からは内部流路が除かれているが、第１ガス供給穴１１４等のガス流通穴やボルト穴１３５が除かれていない。これは、基準領域は、後述するように、中空部１４０の形成割合を規定するための体積の基準として用いられるものであり、中空空間ではない貫通領域は、そもそも体積には含まれないためである。
【0082】
そして、本実施形態では、中空部１４０の容積が、基準領域Ｒ１の体積の５０％以上、８０％以下となるように、基準領域Ｒ１内に形成される。つまり、この条件を満たすように、中空部１４０に含まれる第１中空部１４０ａ等の形状や大きさを決定すれば、セパレータ１００の各部位での単位領域あたりの体積を互いに近似させることができる。決定された第１中空部１４０ａ等の形状や大きさは、三次元造形工程に先立って予め制御部４に入力される三次元ＣＡＤデータに反映される。
【0083】
一方、ここでは、基準領域Ｒ１における中空部１４０の形成割合について説明したが、上記条件を満たしていれば、外周部１１３のうち、造形方向において基準領域Ｒ１の反対側にある残存領域にも、中空部１４０を形成してもよい。このとき、残存領域にある中空部１４０は、基準領域Ｒ１にある中空部１４０の形状又は大きさと同様の反転比率で形成されてもよい。又は、残存領域にある中空部１４０は、その容積が基準領域Ｒ１にある中空部１４０の容積よりも少なくなるように形成されてもよい。
【0084】
図７は、特定の基準線を用いて定義された基準領域の第２例を説明するための概略図である。第２例では、造形直後のセパレータ１００が、Ｘｓ方向がＺ方向と一致した姿勢となる場合を例示している。なお、図７でも、三次元造形装置１の構成として底板３６のみ示している。造形方向に対して直交する方向は、Ｙ方向である。
【0085】
第２例では、Ｙ方向の最大幅がＷ２で表される第１流路領域１１０の二辺が、Ｙ方向における最外端となる。この場合、基準線を規定する最外端は、造形方向における進行側とは反対側の端部とする。これらの端部は、図７においても、Ｙ方向のプラス側にある第１角部Ｃ１と、Ｙ方向の最もマイナス側にある第２角部Ｃ２と表記する。造形方向での第１角部Ｃ１の高さと第２角部Ｃ２との高さとは一致する。そのため、Ｙ方向に沿って第１角部Ｃ１から外周端１１２に向かって延伸する基準線と、Ｙ方向に沿って第２角部Ｃ２から外周端１１２に向かって延伸する基準線とは、基準線Ｌ２として同一となる。
【0086】
これにより、第２例における基準領域Ｒ２は、外周部１１３のうち、第１内部流路１３０等の内部流路を除き、少なくとも、基準線Ｌ２よりも造形方向の進行側にある、図７において太枠線で囲まれた領域で表される。ここでも、中空部１４０の容積が、基準領域Ｒ２の体積の５０％以上、８０％以下となるように、基準領域Ｒ２内に形成される。なお、外周部１１３のうち、造形方向において基準領域Ｒ２の反対側にある残存領域に中空部１４０を形成してもよい点などは、第１例と同様である。
【0087】
次に、本実施形態による効果について説明する。
【0088】
まず、本実施形態に係る造形方法は、燃料電池に用いられる平板状のセパレータ１００を、セパレータ１００の第１平板面１０２等に沿った方向を造形方向として三次元金属積層造形により造形する。この造形方法は、例えば、第１平板面１０２に、燃料ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを有する第１流路領域１１０を形成する。そして、この造形方法は、第１流路領域１１０とセパレータ１００の外周端１１２とに挟まれる外周部１１３に、セパレータ１００の各部位での単位領域あたりの体積が互いに近似するように、中空部１４０を形成する。
【0089】
なお、本実施形態に係る造形方法は、第１平板面１０２に第１流路領域１１０が形成されることに加えて、第２平板面１０４に第２流路領域１２０が形成されている場合にも適用可能である。
【0090】
まず、厚肉部である外周部１１３に中空部１４０が設けられることで、外周部１１３の体積が低減される。例えば、図１を参照すると、外周部１１３に含まれる第１単位領域ＲＵ１に中空部１４０が形成される。これにより、第１単位領域ＲＵ１内の体積は、第１単位領域ＲＵ１内に中空部１４０が形成されていない場合に比べて、第２単位領域ＲＵ２の体積に近づく。結果として、これらの単位領域にある各部位での断面積の均一化が図られるので、熱応力により収縮力が働いたとしても、これらの各部位における収縮力も互いに近いものとなる。特に、平板状の従来のセパレータでは、平面方向と造形方向とが平行となる場合に、各部位での収縮力の差に起因した意図しない変形が、造形方向の進行側の端部において発生するおそれがあった。これに対して、本実施形態によれば、各部位での収縮力の差を小さくすることができるので、このような意図しない変形の発生を抑えることができる。したがって、造形されたセパレータ１００は、歪みが抑えられた高い平坦度を有するものとなる。
【0091】
なお、上記例示として、第３中空部１４０ｃ等のように、凝固していない金属粉末Ｐが残留しているものであっても、第１中空部１４０ａ等のような中空空間で構成されるものと同等の中空部１４０として考えることができる。
【0092】
また、外周部１１３に中空部１４０が設けられることで、セパレータ１００の造形直後の外周部１１３における冷却速度が、外周部１１３に中空部１４０が設けられていない場合よりも速くなる。これにより、外周部１１３における冷却速度が、薄肉部である第１流路領域１１０における冷却速度に近づき、結果として冷却時の温度差が小さくなるので、より変形を生じにくくさせることができる。
【0093】
したがって、本実施形態によれば、三次元金属積層造形により造形されるセパレータ１００の平坦度を向上させるのに有利なセパレータの造形方法を提供することができる。
【0094】
また、外周部１１３に中空部１４０が設けられることで、残留していた金属粉末Ｐを排出させた中空部１４０の部分だけセパレータ１００から金属造形部分が減少する。したがって、セパレータ１００の軽量化に有利になるとともに、三次元造形工程にかかる造形時間を短縮させることも可能となる。結果として、本実施形態に係る造形方法によれば、セパレータ１００の造形コストも低減させることができる。
【0095】
また、本実施形態に係る造形方法では、造形方向に対して直交する方向に沿って、例えば、第１流路領域１１０の最外端である第１角部Ｃ１から外周端１１２に向かって延伸する第１基準線Ｌ１ａ等を規定する。この場合、中空部１４０は、少なくとも、外周部の１１３うち第１基準線Ｌ１ａ等よりも造形方向の進行側にある基準領域Ｒ１に形成され、中空部１４０の容積は、基準領域Ｒ１の体積の５０％以上、８０％以下であるものとしてもよい。
【0096】
上記のとおり、従来、平板状のセパレータの平面方向と造形方向とが平行となる場合には、特に、終盤の造形処理にて造形される造形方向の進行側の端部において変形が生じやすかった。これに対して、本実施形態に係る造形方法によれば、このような造形方向の進行側の端部において生じ得る変形を、より生じにくくさせることができる。
【0097】
また、本実施形態に係る造形方法は、外周部１１３に、例えば、第１流路領域１１０と連通する第１内部流路１３０等の内部流路を形成してもよく、この場合、基準領域Ｒ１の体積は、内部流路の容積を除いたものとしてもよい。
【0098】
このような造形方法によれば、セパレータ１００において、特に基本構成として要求される内部流路が存在する場合でも、造形時の変形を生じにくくさせることができる。
【0099】
また、本実施形態に係る造形方法では、例えば、第１流路領域１１０の最外端が造形方向に延伸する端辺である場合、基準線Ｌ２の始端となる最外端は、造形方向の進行側に対して最も反対側にある第１角部Ｃ１等が選択されるものとしてもよい。
【0100】
このような造形方法によれば、セパレータ１００の造形時の姿勢によって、一義に第１流路領域１１０の最外端を特定させることが難しい場合に、造形時の変形を生じにくくさせるのに有効となる基準線Ｌ２を規定し得る。
【0101】
また、本実施形態に係る造形方法では、中空部１４０は、外周部１１３のうち、基準領域Ｒ１等に加えて、造形方向において基準領域Ｒ１等の反対側にある残存領域にも形成されてもよい。この場合、残存領域にある中空部１４０の容積は、基準領域Ｒ１にある中空部１４０の容積よりも少なくてもよい。
【0102】
このような造形方法によれば、造形時の変形を生じにくくさせることに加えて、中空部１４０の形成場所が増えるので、セパレータ１００の軽量化等をより向上させることができる。
【0103】
また、本実施形態に係る造形方法は、外周部１１３に、例えば、一端が第１中空部１４０ａに連通し、他端が外部に向けて開放される第１貫通穴１４１を形成してもよい。
【0104】
このような造形方法によれば、第１貫通穴１４１等の貫通穴を通じて、造形後に内部に残留している金属粉末Ｐを外部に排出することができるので、中空部１４０の内部を中空空間とすることができる。
【0105】
また、本実施形態に係る、燃料電池に用いられる平板状かつ金属製のセパレータ１００は、第１平板面１０２に形成され、ガスを流通させる第１流路溝１１０ａを有する第１流路領域１１０を備える。また、セパレータ１００は、第１流路領域１１０とセパレータ１００の外周端１１２とに挟まれる外周部１１３に形成される中空部１４０と、第１中空部１４０ａに一端が連通し、他端が外部に向けて開放される第１貫通穴１４１とを備える。セパレータ１００の各部位での単位領域あたりの体積は、互いに近似する。
【0106】
このようなセパレータ１００によれば、上記説明したセパレータ１００の造形方法による効果と同様に、結果として平坦度を向上させることができる。また、残留していた金属粉末Ｐを排出させた中空部１４０の部分だけセパレータ１００から金属造形部分が減少するので、セパレータ１００の軽量化に有利になり、結果として、セパレータ１００の造形コストも低減させることができる。
【0107】
ここで、造形されたセパレータ１００を見ると、セパレータ１００には、第１貫通穴１４１のような貫通穴が形成されていることがわかる。このような貫通穴は、例えば、複数枚の金属薄板を重ね合わせて製作されたようなセパレータでは不要なものであり、一般的なセパレータでは現れない。これに対して、三次元金属積層造形を採用した本実施形態に係るセパレータ１００の造形方法によりセパレータ１００を造形すると、造形後に第１中空部１４０ａの内部に残留している金属粉末Ｐを外部に排出させるものとして、第１貫通穴１４１が現れる。したがって、セパレータに第１貫通穴１４１が存在するかどうかを確認することで、このセパレータが、本実施形態に係るセパレータ１００である、又は、セパレータ１００の造形方法により造形されたものであると推定することができる。
【0108】
（他の実施形態）
上記の実施形態では、造形対象として、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０の平面形状が正方形であり、全体の平面形状がおおよそ楕円であるセパレータ１００を例示した。しかし、本開示の造形方法において造形対象とするセパレータの形状は、セパレータ１００のような形状のものに限られない。
上記の実施形態では、造形対象として、第１流路領域１１０又は第２流路領域１２０の平面形状が正方形であり、全体の平面形状がおおよそ楕円であるセパレータ１００を例示した。しかし、本開示の造形方法において造形対象とするセパレータの形状は、セパレータ１００のような形状のものに限られない。
【0109】
図８は、全体として円板状であり、第１流路領域２１０の平面形状が円形であるセパレータ２００を造形対象とする場合における、特定の基準線を用いて定義された基準領域の他の例を説明するための概略図である。なお、図８でも、三次元造形装置１の構成として底板３６のみ示している。造形方向に対して直交する方向は、Ｙ方向である。
【0110】
セパレータ２００において、第１流路領域２１０の内周側には第１内周溝２１１ａが形成され、外周側には第１外周溝２１１ｂが形成されている。第１流路領域２１０には、平面形状が円形である複数の第１突起部２１０ｂが、第１内周溝２１１ａを中心として放射状に多数点在している。これらの第１突起部２１０ｂ間の領域が、燃料ガスが流通する第１流路溝２１０ａとなる。また、セパレータ２００において、第１流路領域２１０と外周端２１２とに挟まれる部分が外周部２１３となる。外周部２１３には、例えば、外周端２１２に沿って等間隔に、複数のボルト穴２３５が形成されている。なお、セパレータ２００では、内部流路を特に明示していない。また、第１流路領域２１０が形成されている平面部の反対側の平面部には、空気が流通する第２流路領域が形成されていてもよい。
【0111】
この例では、Ｙ方向における第１流路領域２１０の最外端は、直径であるＷ３で表される第１流路領域２１０の外周のうち、Ｙ方向の最もプラス側にある第１点部Ｐ１と、Ｙ方向の最もマイナス側にある第２点部Ｐ２となる。造形方向での第１点部Ｐ１の高さと第２点部Ｐ２との高さとは一致する。そのため、Ｙ方向に沿って第１点部Ｐ１から外周端２１２に向かって延伸する基準線と、Ｙ方向に沿って第２点部Ｐ２から外周端２１２に向かって延伸する基準線とは、基準線Ｌ３として同一となる。
【0112】
この場合、基準領域Ｒ３は、外周部２１３のうち、内部流路を除き、少なくとも、基準線Ｌ３よりも造形方向の進行側にある、図８において太枠線で囲まれた領域で表される。ここでも、中空部の容積が基準領域Ｒ３の体積の５０％以上、８０％以下となるように、基準領域Ｒ３内に形成される。なお、外周部１１３のうち、造形方向において基準領域Ｒ３の反対側にある残存領域に中空部を形成してもよい点などは、第１例等と同様である。
【0113】
セパレータ２００がこのような形状を有する場合でも、上記説明したセパレータ１００に対するものと同様の造形方法により、セパレータ２００を造形することができる。
【0114】
また、上記の実施形態では、三次元造形装置１が、パウダーベッド方式のうちエネルギービームとして電子ビームを用いて造形する三次元金属積層造形装置であるものとして説明した。しかし、本開示で用いることができる三次元造形装置は、これに限定されず、パウダーベッド方式のうちエネルギービームとしてレーザを用いて造形する三次元金属積層造形装置であってもよい。レーザを用いる三次元造形装置としては、例えば、選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ：Selective laser melting）、レーザ焼結法（ＳＬＳ：Selective laser sintering）を採用するものがある。なお、レーザを用いる三次元造形装置では、造形を行うチャンバ内を真空状態としなくてもよく、例えばアルゴンガス雰囲気などの不活性ガス雰囲気にすればよい。また、上記の実施形態では、金属粉末Ｐを溶融し凝固させることで金属粉末Ｐを固化させる方法を説明したが、かかる方法には限定されず、金属粉末Ｐを焼結させることで金属粉末Ｐを固化させるものとしてもよい。また、三次元造形装置１は、選択溶融方式であるパウダーベッド方式に限らず、例えば材料付加方式である、いわゆるパウダーフィード方式を採用するものであってもよい。
【0115】
以上、本開示の好ましい実施形態について説明したが、本開示は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【0116】
１ 三次元造形装置
４ 制御部
４ａ ＲＡＭ
１００ セパレータ
１０２ 第１平板面
１１０ 第１流路領域
１１０ａ 第１流路溝
１１２ 外周端
１１３ 外周部
１４０ 中空部
１４１ 第１貫通穴
１４２ 第２貫通穴
２００ セパレータ
２１０ 第１流路領域
２１０ａ 第１流路溝
２１２ 外周端
２１３ 外周部
Ｃ１ 第１角部
Ｃ２ 第２角部
Ｌ１ａ 第１基準線
Ｌ１ｂ 第２基準線
Ｌ２ 基準線
Ｌ３ 基準線
Ｐ１ 第１点部
Ｐ２ 第２点部
Ｒ１ 基準領域
Ｒ２ 基準領域
Ｒ３ 基準領域
ＲＵ１ 第１単位領域
ＲＵ２ 第２単位領域
４ 制御部
４ａ ＲＡＭ
１００ セパレータ
１０２ 第１平板面
１１０ 第１流路領域
１１０ａ 第１流路溝
１１２ 外周端
１１３ 外周部
１４０ 中空部
１４１ 第１貫通穴
１４２ 第２貫通穴
２００ セパレータ
２１０ 第１流路領域
２１０ａ 第１流路溝
２１２ 外周端
２１３ 外周部
Ｃ１ 第１角部
Ｃ２ 第２角部
Ｌ１ａ 第１基準線
Ｌ１ｂ 第２基準線
Ｌ２ 基準線
Ｌ３ 基準線
Ｐ１ 第１点部
Ｐ２ 第２点部
Ｒ１ 基準領域
Ｒ２ 基準領域
Ｒ３ 基準領域
ＲＵ１ 第１単位領域
ＲＵ２ 第２単位領域
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】