JP2003217607A - Separator, method for manufacturing the separator, and solid high polymer fuel cell - Google Patents
Separator, method for manufacturing the separator, and solid high polymer fuel cellInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質膜の両側に
多孔質の電極を介して配置されセパレータ、セパレータ
の製造方法および固体高分子型燃料電池に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a separator disposed on both sides of an electrolyte membrane via porous electrodes, a method for manufacturing the separator, and a polymer electrolyte fuel cell.
【０００２】[0002]
【従来の技術】この種の固体高分子型燃料電池として
は、図１１〜図１３に示すように、電解質膜１の両側に
電極２を介してセパレータ３を設けたものを単位セル４
とし、この単位セル４を複数積層させたスタック構造の
ものが知られている。上記セパレータ３は、導電性の材
料で板状に形成されたものであり、その電解質膜１側の
面にはガスの流路となる溝３ａが形成されている。そし
て、アノード側のセパレータ３の溝３ａには、燃料ガス
としての例えば水素が供給され、カソード側のセパレー
タ３の溝３ａには、酸化剤ガスとして例えば酸素あるい
は空気が供給されるようになっている。2. Description of the Related Art As a polymer electrolyte fuel cell of this type, as shown in FIGS. 11 to 13, a unit cell 4 is one in which separators 3 are provided on both sides of an electrolyte membrane 1 with electrodes 2 interposed therebetween.
There is known a stack structure in which a plurality of unit cells 4 are stacked. The separator 3 is formed of a conductive material in a plate shape, and a groove 3a serving as a gas flow path is formed on the surface of the separator 3 on the electrolyte membrane 1 side. Then, for example, hydrogen as a fuel gas is supplied to the groove 3a of the separator 3 on the anode side, and oxygen or air as an oxidant gas is supplied to the groove 3a of the separator 3 on the cathode side. There is.
【０００３】上記固体高分子型燃料電池においては、ア
ノード側で水素が酸化されてプロトン（Ｈ+ ）と電子
（ｅ- ）が生成される。すなわち、
Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ-
の電池反応が生じる。プロトンは、水分子（Ｈ2 Ｏ）を
伴って電解質膜１中をカソード側に移動し、外部回路か
ら供給される電子とともに酸素の還元に使われる。すな
わち、
１／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ
の電池反応が生じる。そして、アノード側の電子がカソ
ード側に流れることから、これを電気エネルギとして使
うことができる。In the polymer electrolyte fuel cell, hydrogen is oxidized on the anode side to generate protons (H + ) and electrons (e − ). That is, a cell reaction of H 2 → 2H + + 2e − occurs. The protons move to the cathode side in the electrolyte membrane 1 along with water molecules (H 2 O), and are used for the reduction of oxygen together with the electrons supplied from the external circuit. That is, a cell reaction of 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − → H 2 O occurs. Since the electrons on the anode side flow to the cathode side, this can be used as electric energy.
【０００４】電極２は、ガスや水の通過が可能な多孔質
のもので構成されており、上記電池反応は主に電極２と
電解質膜１との境界部で発生することになる。The electrode 2 is made of a porous material which allows gas and water to pass therethrough, and the above-mentioned battery reaction mainly occurs at the boundary between the electrode 2 and the electrolyte membrane 1.
【０００５】また、セパレータ３は、その溝３ａを蛇行
して形成することによって、ガスの流速を速めるととも
に、電極２にガスを均一に供給するようになっており、
これにより燃料電池の性能の向上を図っている。また、
燃料電池の性能は、電解質膜１の単位表面積当たりの電
流量、すなわち電流密度（ｍＡ／ｃｍ2 ）によって評価
することができる。Further, the separator 3 is formed so as to meander the groove 3a so that the gas flow rate is increased and the gas is uniformly supplied to the electrode 2.
As a result, the performance of the fuel cell is improved. Also,
The performance of the fuel cell can be evaluated by the amount of current per unit surface area of the electrolyte membrane 1, that is, the current density (mA / cm 2 ).
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記固体高
分子型燃料電池においては、いまだ開発途上にあること
から、自動車等への実用化を目指して、各社がしのぎを
削っている状態にある。本発明者等も、性能の向上を図
るべく鋭意研究を重ね、その結果、セパレータ３の溝３
ａに突部を設けることによって、電流密度の向上を図る
ことができることを見出し、本発明に至ったものであ
る。By the way, since the polymer electrolyte fuel cell described above is still under development, each company is competing to make it into practical use for automobiles and the like. The inventors of the present invention also conducted extensive studies to improve the performance, and as a result, the grooves 3 of the separator 3 were
The present invention has been found out that it is possible to improve the current density by providing a protrusion on a.
【０００７】本発明は、上記研究に基づいてなされたも
のであり、電流密度の向上を図ることのできるセパレー
タ、そのセパレータの製造方法およびそのセパレータを
備えた固体高分子型燃料電池を提供することを課題とし
ている。The present invention has been made based on the above research, and provides a separator capable of improving the current density, a method for manufacturing the separator, and a polymer electrolyte fuel cell including the separator. Is an issue.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載のセパレータは、電解質膜の両側に
電極を介して配置され、上記電極側にガスの流路となる
溝が形成された板状のセパレータであって、上記溝に
は、上記流路を狭める方向に突出する突部が複数設けら
れていることを特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, the separator according to claim 1 is arranged on both sides of an electrolyte membrane with electrodes interposed therebetween, and a groove serving as a gas flow path is formed on the electrode side. The plate-shaped separator is characterized in that the groove is provided with a plurality of protrusions protruding in a direction of narrowing the flow path.
【０００９】請求項２に記載のセパレータは、請求項１
に記載の発明において、上記溝の幅が０．２〜２ｍｍで
あり、同溝の隣接方向のピッチが０．４〜４ｍｍである
ことを特徴としている。The separator according to claim 2 is the separator according to claim 1.
In the invention described in, the width of the groove is 0.2 to 2 mm, and the pitch of the grooves in the adjoining direction is 0.4 to 4 mm.
【００１０】請求項３に記載のセパレータは、請求項１
または２に記載の発明において、材質がカーボンである
ことを特徴としている。The separator according to claim 3 is the separator according to claim 1.
Alternatively, in the invention described in 2, the material is carbon.
【００１１】請求項４に記載のセパレータは、請求項１
または２に記載の発明において、材質が鉄基合金または
ニッケル基合金である母材に、金、白金、パラジウム、
ルテニウム、ロジウム、タルタル、ニッケルのうち一種
または二種以上の金属のメッキを施したことを特徴とし
ている。The separator according to claim 4 is the separator according to claim 1.
Alternatively, in the invention described in 2, the base material of which the material is an iron-based alloy or a nickel-based alloy is gold, platinum, palladium,
It is characterized by being plated with one or more metals of ruthenium, rhodium, tartar and nickel.
【００１２】請求項５に記載のセパレータの製造方法
は、一対のロータリダイの間に板状の素材を通してプレ
スすることにより、請求項１〜４の何れかに記載のセパ
レータにおける突部を有する溝を形成することを特徴と
している。According to a fifth aspect of the present invention, in a separator manufacturing method, a plate-shaped material is pressed between a pair of rotary dies to press the groove, and the groove having a protrusion in the separator according to any one of the first to fourth aspects is pressed. Is formed.
【００１３】請求項６に記載のセパレータの製造方法
は、請求項５に記載の発明において、一対のロータリダ
イの間に板状の素材を通すことにより、請求項１〜４の
何れかに記載のセパレータの輪郭を形成することを特徴
としている。According to a sixth aspect of the present invention, in the method of producing the separator according to the fifth aspect, a plate-shaped material is passed between a pair of rotary dies to thereby produce the separator. It is characterized in that the contour of the separator is formed.
【００１４】請求項７に記載の固体高分子型燃料電池
は、請求項１〜４の何れかに記載のセパレータを備えて
いることを特徴としている。A polymer electrolyte fuel cell according to a seventh aspect is characterized by including the separator according to any one of the first to fourth aspects.
【００１５】請求項１〜４、７に記載の発明において
は、ガスの流路を狭める方向に突出する突部を溝に設け
ているので、ガスが撹拌されるとともに、突部で圧力が
上昇し電解質膜に向かう流れが生じることになり、この
結果、反応前のガスが電極と電解質膜の界面に接触する
機会が増大することになる。このため、一方のセパレー
タの溝に供給するガスとして例えば水素を用い、他方の
セパレータの溝に供給するガスとして例えば空気を用い
た場合には、一方の電極側において水素のプロトンおよ
び電子の発生量が増大するとともに、電解質膜内を通過
するプロトンの量が増加する。そして、他方の電極側に
おいては、一方の電極側から移動してきたプロトンに対
して酸素が反応する機会が増大することになる。In the invention described in claims 1 to 4, since the groove is provided with a protrusion projecting in a direction in which the gas flow passage is narrowed, the gas is agitated and the pressure rises at the protrusion. Then, a flow toward the electrolyte membrane is generated, and as a result, the chance that the gas before the reaction contacts the interface between the electrode and the electrolyte membrane increases. Therefore, when, for example, hydrogen is used as a gas supplied to the groove of one separator and, for example, air is used as a gas supplied to the groove of the other separator, the amount of hydrogen protons and electrons generated on one electrode side. And the amount of protons passing through the electrolyte membrane increases. Then, on the other electrode side, the chances that oxygen reacts with the protons moving from the one electrode side increases.
【００１６】したがって、一方の電極から他方の電極に
流れる電子の量が増大することになるので、電流密度の
向上を図ることができる。そして、この結果、固体高分
子型燃料電池の小型軽量化を図ることができる。Therefore, since the amount of electrons flowing from one electrode to the other electrode is increased, the current density can be improved. As a result, it is possible to reduce the size and weight of the polymer electrolyte fuel cell.
【００１７】請求項２に記載の発明においては、溝の幅
を０．２〜２ｍｍに設定し、溝の隣接方向のピッチを
０．４〜４ｍｍに設定しているので、一定の流速のガス
を電解質膜の表面の全体に均一に供給することができ
る。したがって、電流密度の向上を図ることができる。According to the second aspect of the present invention, since the width of the groove is set to 0.2 to 2 mm and the pitch in the adjoining direction of the groove is set to 0.4 to 4 mm, the gas having a constant flow velocity is used. Can be uniformly supplied to the entire surface of the electrolyte membrane. Therefore, the current density can be improved.
【００１８】なお、溝の幅とピッチは、原理的には狭け
れば狭いほど電流密度を向上する上で好ましい。しか
し、溝の幅を上述のように０．２〜２ｍｍに設定したの
は、０．２ｍｍ未満では精度よく加工することが困難に
なってくるとともに、その精度の悪化等によって各溝間
のガス流量のばらつきが大きくなるからであり、２ｍｍ
を超えると、セパレータによる集電特性が悪化し電流密
度が低下してしまうからである。そして、このことを考
慮すると、溝の幅は、０．４〜０．９ｍｍに設定するこ
とがより望ましい。In principle, the narrower the width and pitch of the grooves are, the more preferable it is to improve the current density. However, the reason why the width of the groove is set to 0.2 to 2 mm as described above is that if the width is less than 0.2 mm, it becomes difficult to perform accurate machining, and the gas between each groove is deteriorated due to deterioration of the accuracy. 2 mm because the dispersion of the flow rate becomes large.
If it exceeds, the current collecting characteristics of the separator are deteriorated and the current density is reduced. In consideration of this, it is more preferable that the width of the groove is set to 0.4 to 0.9 mm.
【００１９】一方、溝のピッチを上述のように０．４〜
４ｍｍに設定したのは、０．４ｍｍ未満では隣接する溝
の影響を受けるため、各溝を精度よく加工することが困
難になってくるとともに、その精度の悪化等によって各
溝間のガス流量のばらつきが大きくなるからであり、４
ｍｍを超えると、電解質膜の表面の全体にガスが行き渡
らなくなり、電流密度が低下してしまうからである。そ
して、このことを考慮すると、溝のピッチは、０．８〜
２ｍｍに設定することがより望ましい。On the other hand, the groove pitch is 0.4 to
When the distance is set to 4 mm, if it is less than 0.4 mm, it is difficult to process each groove accurately because it is affected by the adjacent grooves. This is because there will be large variations.
This is because if the thickness exceeds mm, the gas will not spread over the entire surface of the electrolyte membrane, and the current density will decrease. In consideration of this, the pitch of the grooves is 0.8 to
It is more desirable to set it to 2 mm.
【００２０】請求項５および６に記載の発明において
は、一対のロータリダイの間に板状の素材を通してプレ
スすることによって、突部付きの溝を備えたセパレータ
を連続的にかつ簡単に製造することができる。したがっ
て、セパレータの製造コストの低減を図ることができる
ので、固体高分子型燃料電池のコストの低減を図ること
ができる。さらに、請求項６に記載の発明によれば、一
対のロータリダイによってセパレータの輪郭をも簡単に
成形することができるので、当該セパレータの全体を簡
単に製造することができる。According to the fifth and sixth aspects of the present invention, a plate-shaped material is pressed between a pair of rotary dies to press the separator to continuously and easily manufacture a separator having grooves with protrusions. be able to. Therefore, the manufacturing cost of the separator can be reduced, and the cost of the polymer electrolyte fuel cell can be reduced. Further, according to the invention described in claim 6, since the contour of the separator can be easily formed by the pair of rotary dies, the whole separator can be easily manufactured.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。なお、従来例で示した構成要素と
共通する要素には同一の符号を付しその説明を簡略化す
る。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that elements common to the constituent elements shown in the conventional example will be assigned the same reference numerals and description thereof will be simplified.
【００２２】図１は、固体高分子型燃料電池における単
位セル４の要部断面図を示したものであり、図２はセパ
レータ３の要部斜視図、図３は同セパレータ３の要部平
面図、図４は図３のIV−IV線に沿う断面図を示してい
る。単位セル４は、その全体を図示したものではない
が、四角形状に形成された電解質膜１、電極２およびセ
パレータ３、３を積層したもので構成されている。FIG. 1 is a sectional view of a main part of a unit cell 4 in a polymer electrolyte fuel cell, FIG. 2 is a perspective view of a main part of a separator 3, and FIG. 3 is a plan view of a main part of the separator 3. 4 and 5 show sectional views taken along the line IV-IV in FIG. Although not shown in its entirety, the unit cell 4 is formed by stacking a rectangular electrolyte membrane 1, an electrode 2, and separators 3 and 3.
【００２３】セパレータ３は、カーボン、鉄基合金、ニ
ッケル基合金等の導電性を有する材料で板状に形成され
たものである。なお、この実施の形態および後述する実
施例ではセパレータ３をステンレスの板で構成してい
る。また、溝３ａは、図示を省略するが、電解質膜１を
向く面の全体に行き渡るように複数回にわたって蛇行す
るように形成されており、その隣接するもの同士が平行
に延在している。そして、各溝３ａは、断面が四角形状
に形成されており、その底面３ｂには、電解質膜１の表
面に向けて三角形状に突出する突部３ｃが形成されてい
る。The separator 3 is made of a conductive material such as carbon, iron-based alloy, nickel-based alloy or the like, and is formed in a plate shape. In this embodiment and the examples described later, the separator 3 is made of a stainless plate. Further, although not shown, the groove 3a is formed to meander a plurality of times so as to extend over the entire surface facing the electrolyte membrane 1, and the adjacent ones extend in parallel. Each groove 3a has a quadrangular cross section, and a bottom surface 3b thereof has a protrusion 3c protruding in a triangular shape toward the surface of the electrolyte membrane 1.
【００２４】突部３ｃは、溝３ａの延在する方向に対し
て直交する方向に延在し、底面３ｂから二等辺三角形状
に突出しているとともに、溝３ａの側面３ｅからも一体
的に突出した形状になっている。この突部３ｃの底面３
ｂからの高さは、溝３ａの深さの２／１０〜７／１０の
範囲に設定されている。また、溝３ａの幅Ｄは、０．２
〜２ｍｍに設定され、各溝３ａの隣接方向のピッチＰ
は、０．４〜４ｍｍに設定されている。さらに、突部３
ｃは、溝３ａの延在する方向に０．２〜４ｍｍのピッチ
で形成されている。The protrusion 3c extends in a direction orthogonal to the direction in which the groove 3a extends, projects from the bottom surface 3b in an isosceles triangular shape, and also integrally projects from the side surface 3e of the groove 3a. It is shaped like The bottom surface 3 of this protrusion 3c
The height from b is set within the range of 2/10 to 7/10 of the depth of the groove 3a. The width D of the groove 3a is 0.2
Is set to ˜2 mm, and the pitch P of each groove 3a in the adjoining direction is
Is set to 0.4 to 4 mm. Furthermore, the protrusion 3
c are formed at a pitch of 0.2 to 4 mm in the extending direction of the groove 3a.
【００２５】上記構造のセパレータ３は、図５に示すセ
パレータ製造装置５を用いて行う製造方法により製造さ
れるようになっている。すなわち、セパレータ製造装置
５は、一対のロータリダイ６１、６２の間にステンレス
製の板状の素材Ｗを通してプレスすることにより、上記
突部３ｃを有するる溝３ａを形成するとともに、冷却水
の通過に要する孔３ｄ等を形成し、かつ所定の寸法に素
材Ｗを切断してセパレータ３を製造するようになってい
る。なお、図５に示すセパレータ製造装置５は、セパレ
ータ３の輪郭を形成するようにはなっていないが、ロー
タリダイ６１、６２の切断によってセパレータ３の輪郭
を形成するように構成したものであってもよい。The separator 3 having the above structure is manufactured by the manufacturing method using the separator manufacturing apparatus 5 shown in FIG. That is, the separator manufacturing apparatus 5 forms the groove 3a having the protrusion 3c by pressing the pair of rotary dies 61, 62 through the plate-shaped material W made of stainless steel and presses the cooling water. The holes 3d required for the above are formed, and the material W is cut into a predetermined size to manufacture the separator 3. The separator manufacturing apparatus 5 shown in FIG. 5 is not designed to form the outline of the separator 3, but is configured to form the outline of the separator 3 by cutting the rotary dies 61 and 62. Good.
【００２６】また、燃料ガスとしては、水素を用い、酸
化剤ガスとしては、空気を用いるようになっている。Further, hydrogen is used as the fuel gas, and air is used as the oxidant gas.
【００２７】上記のように構成された固体高分子型燃料
電池においては、突部３ｃが溝３ａの底面３ｂから突出
した形状になっているので、溝３ａ内を流れる水素や空
気は突部３ｃに当たるたびに圧力が上昇するとともに、
電解質膜１の表面側に向かう流れに変換されることにな
る。しかも、突部３ｃによって流れが乱れ、撹拌された
状態になるので、反応前の水素や空気が電極２と電解質
膜１の界面に接触する機会が増大することになる。In the polymer electrolyte fuel cell configured as described above, since the protrusion 3c has a shape protruding from the bottom surface 3b of the groove 3a, hydrogen or air flowing in the groove 3a is not protruded. Each time it hits, the pressure rises,
It is converted into a flow toward the surface side of the electrolyte membrane 1. Moreover, since the flow is disturbed by the protrusion 3c and agitated, the chances that hydrogen or air before the reaction contacts the interface between the electrode 2 and the electrolyte membrane 1 increases.
【００２８】このため、電解質膜１の一方の側であるア
ノード側では、水素のプロトンおよび電子の発生量が増
大し、電解質膜１内を通過するプロトンの量が増加する
ことになる。また、カソード側においては、アノード側
から移動してきたプロトンに向かう酸素の量が増大する
ことになる。Therefore, on the anode side, which is one side of the electrolyte membrane 1, the amount of hydrogen protons and electrons generated increases, and the amount of protons passing through the electrolyte membrane 1 increases. Further, on the cathode side, the amount of oxygen toward the protons moving from the anode side increases.
【００２９】したがって、アノード側の電極２から例え
ば外部の負荷を通ってカソード側の電極２に流れる電子
の量が増大することになるので、電流密度の向上を図る
ことができる。この結果、固体高分子型燃料電池の小型
軽量化を図ることができる。Therefore, the amount of electrons flowing from the electrode 2 on the anode side to the electrode 2 on the cathode side through, for example, an external load increases, so that the current density can be improved. As a result, it is possible to reduce the size and weight of the polymer electrolyte fuel cell.
【００３０】また、溝３ａの幅Ｄを０．２〜２ｍｍに設
定し、溝３ａの隣接方向のピッチＰを０．４〜４ｍｍに
設定しているので、一定の流量の水素や空気を電解質膜
１の表面の全体に均一に供給することができる。したが
って、この点からも電流密度の向上を図ることができ
る。Since the width D of the groove 3a is set to 0.2 to 2 mm and the pitch P of the groove 3a in the adjoining direction is set to 0.4 to 4 mm, a constant flow rate of hydrogen or air is applied to the electrolyte. It can be uniformly supplied to the entire surface of the membrane 1. Therefore, also from this point, the current density can be improved.
【００３１】なお、溝３ａの幅ＤとピッチＰは、原理的
には狭ければ狭いほど電流密度を向上させる上で好まし
い。しかし、溝３ａの幅Ｄを０．２〜２ｍｍに設定した
のは、０．２ｍｍ未満では精度よく加工することが困難
になってくるとともに、その精度の悪化等によって各溝
３ａ間の水素や空気の流量のばらつきが大きくなるから
であり、２ｍｍを超えると、セパレータ３による集電特
性が悪化し電流密度が低下してしまうからである。そし
て、このことを考慮すると、溝３ａの幅Ｄは、０．４〜
０．９ｍｍに設定することがより望ましい。In principle, the narrower the width D and the pitch P of the grooves 3a, the better the current density. However, the reason why the width D of the groove 3a is set to 0.2 to 2 mm is that if it is less than 0.2 mm, it becomes difficult to perform accurate machining, and due to deterioration of the accuracy, hydrogen between the grooves 3a and This is because the variation in the flow rate of air becomes large, and if it exceeds 2 mm, the current collecting characteristics of the separator 3 are deteriorated and the current density is reduced. In consideration of this, the width D of the groove 3a is 0.4 to
It is more desirable to set it to 0.9 mm.
【００３２】一方、溝３ａのピッチＰを０．４〜４ｍｍ
に設定したのは、０．４ｍｍ未満では隣接する溝３ａの
加工の影響を受けるために、各溝３ａを精度よく加工す
ることが困難になってくるとともに、その精度の悪化等
によって各溝３ａ間の水素や空気の流量のばらつきが大
きくなるからであり、４ｍｍを超えると、電解質膜１の
表面の全体にガスが行き渡らなくなり、電流密度が低下
してしまうからである。そして、このことを考慮する
と、溝３ａのピッチは、０．８〜２ｍｍに設定すること
がより望ましい。On the other hand, the pitch P of the grooves 3a is 0.4 to 4 mm.
If the distance is less than 0.4 mm, it is difficult to process each groove 3a with high accuracy because the groove 3a is affected by the processing of the adjacent grooves 3a. This is because the variation in the flow rate of hydrogen or air between them becomes large, and if it exceeds 4 mm, the gas will not spread over the entire surface of the electrolyte membrane 1, and the current density will decrease. Considering this, it is more preferable that the pitch of the grooves 3a is set to 0.8 to 2 mm.
【００３３】また、突部３ｃの高さを溝３ａの深さの２
／１０〜７／１０の範囲に設定したのは、２／１０未満
になると、水素や空気の流れを電解質膜１側に向かう流
れに変換する効果が少なくなるとともに、水素や空気を
撹拌する効果も少なくなるからであり、７／１０を超え
ると、溝３ａが絞られた状態になり、水素や空気が流れ
る流量が少なくなってしまうからである。したがって、
この点を考慮すると、突部３ｃの高さは、溝３ａの深さ
の３／１０〜６／１０に設定することがより好ましい。
因みに、この実施の形態では、５／１０に設定した例を
示している。Further, the height of the protrusion 3c is equal to the depth of the groove 3a, which is 2
The range of / 10 to 7/10 is set so that when it is less than 2/10, the effect of converting the flow of hydrogen or air to the flow toward the electrolyte membrane 1 is reduced, and the effect of stirring hydrogen or air is reduced. This is because the groove 3a is narrowed and the flow rate of hydrogen or air decreases when the ratio exceeds 7/10. Therefore,
Considering this point, it is more preferable that the height of the protrusion 3c is set to 3/10 to 6/10 of the depth of the groove 3a.
Incidentally, this embodiment shows an example in which it is set to 5/10.
【００３４】一方、一対のロータリダイ６１、６２の間
に素材Ｗを通すことによって、突部３ｃ付きの溝３ａを
備えたセパレータ３を製造することができることから、
このセパレータ３を連続的にかつ簡単に製造することが
できるという利点がある。したがって、セパレータ３の
製造コストの低減を図ることができるとともに、固体高
分子型燃料電池の製造コストの低減を図ることができ
る。On the other hand, by passing the material W between the pair of rotary dies 61 and 62, the separator 3 having the groove 3a with the protrusion 3c can be manufactured.
This separator 3 has an advantage that it can be continuously and easily manufactured. Therefore, the manufacturing cost of the separator 3 can be reduced, and the manufacturing cost of the polymer electrolyte fuel cell can be reduced.
【００３５】なお、上記実施の形態においては、ステン
レス製の素材Ｗを一対のロータリダイ６１、６２で加工
する例を示したが、板状に形成されたカーボン製の素材
Ｗに対しても同様にして加工することができる。また、
ステンレス製のセパレータ３の場合には、その母材に
金、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、タルタ
ル、ニッケルのうち一種または二種以上の金属のメッキ
を施すことが好ましい。In the above embodiment, an example in which the stainless steel material W is processed by the pair of rotary dies 61 and 62 has been shown, but the same applies to the plate-shaped carbon material W. Can be processed. Also,
In the case of the separator 3 made of stainless steel, it is preferable to plate the base material with one or more metals selected from gold, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, tartar, and nickel.
【００３６】また、ステンレス以外の鉄基合金またはニ
ッケル基合金によってセパレータ３を構成してもよい。
この場合も、その母材に、金、白金、パラジウム、ルテ
ニウム、ロジウム、タルタル、ニッケルのうち一種また
は二種以上の金属のメッキを施すことが好ましい。The separator 3 may be made of an iron-based alloy or a nickel-based alloy other than stainless steel.
Also in this case, it is preferable that the base material is plated with one or more metals selected from gold, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, tartar, and nickel.
【００３７】次に、この発明の実施例を説明する。図６
は、下記に示す実施例のセパレータを使用した固体高分
子型燃料電池と、比較例のセパレータを使用した固体高
分子型燃料電池とで、発電試験を行うことによって得た
電流−電圧特性を示す実験結果である。Next, embodiments of the present invention will be described. Figure 6
Shows a current-voltage characteristic obtained by conducting a power generation test on a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the example shown below and a polymer electrolyte fuel cell using the separator of the comparative example. These are the experimental results.
【００３８】実施例
実施例は、図１〜図５に示す構成のものを基本構成とす
るものであり、その詳細は以下の通りである。セパレー
タ３は、厚さ０．８ｍｍのステンレス板に、上記セパレ
ータ製造装置５を用いて突部３ｃ付きの溝３ａを形成し
た母材に、ニッケル下地メッキを施した後、金メッキを
施したものである。溝３ａは、幅Ｄが０．６ｍｍで、ピ
ッチＰが１．６ｍｍである。突部３ｃは、底辺の幅が
１．０ｍｍ、高さが０．２ｍｍ、溝３ａの延在方向のピ
ッチが１．２ｍｍである電解質膜１は、厚さが１７０μ
ｍのパーフルオロ膜を使用した。電極２は、白金を担持
した撥水性カーボンペーパを用い、上記電解質膜１の両
面に加圧圧着した。そして、電解質膜１の両側の電極２
にそれぞれセパレータ３を重ね合わせることにより、固
体高分子型燃料電池の単位セル４を構成した。EXAMPLE The example is based on the configuration shown in FIGS. 1 to 5, and the details are as follows. The separator 3 is a 0.8 mm-thick stainless steel plate on which a base material, in which the groove 3a with the protrusion 3c is formed using the separator manufacturing apparatus 5, is plated with nickel underlayer and then plated with gold. is there. The groove 3a has a width D of 0.6 mm and a pitch P of 1.6 mm. The protrusion 3c has a bottom width of 1.0 mm, a height of 0.2 mm, and a pitch of 1.2 mm in the extending direction of the grooves 3a. The electrolyte membrane 1 has a thickness of 170 μm.
m perfluoro membrane was used. As the electrode 2, water-repellent carbon paper carrying platinum was used and pressure-bonded to both surfaces of the electrolyte membrane 1. Then, the electrodes 2 on both sides of the electrolyte membrane 1
The unit cell 4 of the polymer electrolyte fuel cell was constructed by stacking the separators 3 on top of each other.
【００３９】比較例
比較例の詳細は以下の通りである。セパレータは、厚さ
２ｍｍのステンレス板に、突部のない溝を機械加工によ
り形成した母材に、ニッケル下地メッキを施した後、金
メッキを施したものである。溝は、幅が２ｍｍで、ピッ
チが４ｍｍである。電解質膜および電極は、上記実施例
で示した電解質膜１および電極２と同一である。そし
て、上記実施例と同様にして、固体高分子型燃料電池の
単位セルを構成した。Comparative Example The details of the comparative example are as follows. The separator is a stainless steel plate having a thickness of 2 mm, a base material formed by machining a groove having no protrusions, plated with nickel underlayer, and then plated with gold. The grooves have a width of 2 mm and a pitch of 4 mm. The electrolyte membrane and the electrode are the same as the electrolyte membrane 1 and the electrode 2 shown in the above-mentioned embodiment. Then, a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell was constructed in the same manner as in the above example.
【００４０】実験条件 燃料ガス：水素 酸化剤ガス：空気Experimental conditions Fuel gas: Hydrogen Oxidizer gas: Air
【００４１】考察
図６に示すように、本実施例の固体高分子型燃料電池
は、比較例に比べて電流密度の高いものとなった。この
原因は、本実施例では溝３ａに突部３ｃを設けているの
に対して比較例では突部を設けていないこと、本実施例
の溝３ａの幅ＤおよびピッチＰが比較例より狭められて
いることが考えられる。Discussion As shown in FIG. 6, the polymer electrolyte fuel cell of this example had a higher current density than the comparative example. This is because the groove 3a is provided with the projection 3c in the present embodiment, whereas the comparative example is not provided with the projection 3c, and the width D and the pitch P of the groove 3a of the present embodiment are narrower than those of the comparative example. It is possible that
【００４２】また、一対のロータリダイ６１、６２でセ
パレータ３をプレス加工する製造方法を採用した場合に
は、機械加工でセパレータを形成する場合に比べて、溝
３ａ内に突部３ｃを容易に加工することができるととも
に、溝３ａの幅ＤおよびピッチＰをより狭くかつ精度良
く加工することができることがわかった。したがって、
上記電流密度が向上した原因をロータリダイ６１、６２
の加工によるものということもできる。When the manufacturing method in which the separator 3 is pressed by the pair of rotary dies 61 and 62 is adopted, the protrusion 3c is easily formed in the groove 3a as compared with the case where the separator is formed by machining. It has been found that it is possible to process the groove 3a and the width D and the pitch P of the groove 3a can be made narrower and more accurately. Therefore,
The reason why the current density is improved is the rotary dies 61, 62.
It can be said that it is due to the processing of.
【００４３】なお、上記実施の形態では、突部３ｃを溝
３ａの延在する方向に対して直交する方向に延在するも
のを示したが、図７〜図１０に示すように形成された突
部３ｃを用いてもよい。In the above embodiment, the protrusion 3c extends in the direction orthogonal to the direction in which the groove 3a extends, but it is formed as shown in FIGS. The protrusion 3c may be used.
【００４４】すなわち、図７および図８に示す突部３ｃ
は、溝３ａの各側面３ｅ、３ｅから溝３ａの幅方向の中
央に向かって、ガスが流れる方向ｆ１、あるいは逆方向
ｆ２に斜めに延在し、その中央部で合致する形状のもの
で形成されている。このように形成したセパレータ３に
あっては、水素や空気等のガスが突部３ｃによって撹拌
されるとともに、溝３ａの中央部あるいは各側面３ｅ側
に集められて電解質膜１側に勢いよく押し出されること
になるので、反応前のガスが電解質膜１の表面に接触す
る機会が増大することになる。したがって、電流密度の
向上を図ることができる。That is, the protrusion 3c shown in FIG. 7 and FIG.
Is formed so as to extend obliquely from each side surface 3e, 3e of the groove 3a toward the center in the width direction of the groove 3a in the gas flow direction f1 or the opposite direction f2, and has a shape that matches at the center portion. Has been done. In the separator 3 thus formed, gas such as hydrogen and air is agitated by the protrusions 3c, and is collected at the central portion of the groove 3a or each side surface 3e side and pushed out strongly toward the electrolyte membrane 1 side. Therefore, the chance that the gas before the reaction comes into contact with the surface of the electrolyte membrane 1 increases. Therefore, the current density can be improved.
【００４５】また、図９および図１０に示す突部３ｃ
は、溝３ａの各側面３ｅ、３ｅから溝３ａの幅方向の中
央に向かって、ガスが流れる方向ｆ１、あるいは逆方向
ｆ２に斜めに延在するものを交互に位置を変えて設けた
ものである。このように形成したものにあっては、水素
や空気等のガスが突部３ｃによって撹拌されるととも
に、所定の突部３ｃによって一方の側面３ｅ側から他方
の側面３ｅ側へ変換されたガスの流れが次の突部３ｃに
よって他方の側面３ｅ側から一方の側面３ｅ側へ急激に
変換されることになるので、その方向変換の際にガスが
電解質膜１側に勢いよく押し出されることになる。した
がって、この場合も電流密度の向上を図ることができ
る。The protrusion 3c shown in FIGS. 9 and 10 is also used.
Is provided by obliquely extending from each side surface 3e, 3e of the groove 3a toward the center in the width direction of the groove 3a in the gas flow direction f1 or in the opposite direction f2 by alternately changing the position. is there. In the case of such a structure, the gas such as hydrogen or air is agitated by the protrusion 3c, and the gas converted from the one side face 3e side to the other side face 3e side by the predetermined protrusion 3c Since the flow is rapidly converted from the other side surface 3e side to the one side surface 3e side by the next protrusion 3c, the gas is forced out toward the electrolyte membrane 1 side when the direction is changed. . Therefore, also in this case, the current density can be improved.
【００４６】また、上記突部３ｃは、上述した例ではい
ずれも三角形状に突出するものを示したが、この三角形
状以外に、円弧状等の曲面状に盛り上がるように突出す
るもの等であってもよい。しかも、突部３ｃは、底面３
ｂおよび側面３ｅから突出する形状のものを示したが、
この突部としては、底面３ｂや、側面３ｅのみから突出
するように形成したものであってもよい。その場合も、
三角形状に突出するものでもよいし、円弧状等の曲面状
に盛り上がるように突出するもの等であってもよい。In the above-mentioned examples, the projections 3c are all projected in a triangular shape. However, in addition to the triangular shape, the projections 3c are projected so as to rise in a curved surface such as an arc shape. May be. Moreover, the protrusion 3c has a bottom surface 3
Although the shape protruding from b and the side surface 3e is shown,
The protrusion may be formed so as to protrude only from the bottom surface 3b or the side surface 3e. Even in that case,
It may be one that projects in a triangular shape, or one that projects so as to rise in a curved surface such as an arc shape.
【００４７】[0047]
【発明の効果】以上説明したように、請求項１〜４、７
に記載の発明によれば、ガスの流路を狭める方向に突出
する突部を溝に設けているので、ガスが撹拌されるとと
もに、突部によって圧力が上昇し電解質膜に向かう流れ
が生じることになり、この結果、反応前のガスが電解質
膜の表面に接触する機会が増大することになる。したが
って、一方の電極から他方の電極に流れる電子の量が増
大することになるので、電流密度の向上を図ることがで
きる。そして、この結果、固体高分子型燃料電池の小型
軽量化を図ることができる。As described above, the first to fourth and seventh aspects are provided.
According to the invention described in (3), since the groove is provided with a protrusion projecting in a direction in which the gas flow path is narrowed, the gas is agitated, and the pressure is increased by the protrusion to cause a flow toward the electrolyte membrane. As a result, the chance of the gas before the reaction coming into contact with the surface of the electrolyte membrane increases. Therefore, the amount of electrons flowing from one electrode to the other electrode increases, so that the current density can be improved. As a result, it is possible to reduce the size and weight of the polymer electrolyte fuel cell.
【００４８】請求項２に記載の発明によれば、溝の幅を
０．２〜２ｍｍに設定し、溝の隣接方向のピッチを０．
４〜４ｍｍに設定しているので、一定の流速のガスを電
解質膜の表面の全体に均一に供給することができる。し
たがって、電流密度の向上を図ることができる。According to the invention described in claim 2, the width of the groove is set to 0.2 to 2 mm, and the pitch of the grooves in the adjoining direction is set to 0.
Since the thickness is set to 4 to 4 mm, the gas having a constant flow rate can be uniformly supplied to the entire surface of the electrolyte membrane. Therefore, the current density can be improved.
【００４９】請求項５および６に記載の発明によれば、
一対のロータリダイの間に板状の素材を通してプレスす
ることによって、突部付きの溝を備えたセパレータを連
続的にかつ簡単に製造することができる。したがって、
セパレータの製造コストの低減を図ることができるの
で、固体高分子型燃料電池のコストの低減を図ることが
できる。さらに、請求項６に記載の発明によれば、一対
のロータリダイによってセパレータの輪郭をも形成する
ことができるので、当該セパレータの全体を簡単に製造
することができる。According to the invention described in claims 5 and 6,
By pressing the plate-shaped material between the pair of rotary dies, the separator having the groove with the protrusion can be continuously and easily manufactured. Therefore,
Since the manufacturing cost of the separator can be reduced, the cost of the polymer electrolyte fuel cell can be reduced. Further, according to the invention described in claim 6, since the contour of the separator can be formed by the pair of rotary dies, the whole separator can be easily manufactured.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】この発明の一実施形態としてのセパレータを備
えた固体高分子型燃料電池の単位セルを示す図であっ
て、セパレータの溝に沿う方向の要部断面図である。FIG. 1 is a view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell provided with a separator according to an embodiment of the present invention, and is a main-portion cross-sectional view taken along a groove of the separator.
【図２】同セパレータの要部斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a main part of the separator.
【図３】同セパレータの要部平面図である。FIG. 3 is a plan view of a main part of the separator.
【図４】同セパレータを示す図であって、図３のIV−IV
線に沿う方向の断面図である。FIG. 4 is a view showing the same separator, which is taken along line IV-IV in FIG.
It is sectional drawing of the direction along a line.
【図５】同セパレータの製造方法を実施するためのセパ
レータ製造装置を示す概略斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view showing a separator manufacturing apparatus for carrying out the same separator manufacturing method.
【図６】この発明の実施例としてのセパレータを備えた
固体高分子型燃料電池で実験した結果を示すグラフであ
る。FIG. 6 is a graph showing the results of an experiment conducted on a polymer electrolyte fuel cell provided with a separator as an example of the present invention.
【図７】上記一実施形態として示したセパレータの他の
例を示す要部平面図である。FIG. 7 is a main part plan view showing another example of the separator shown as the one embodiment.
【図８】同セパレータを示す図であって、図７のVIII−
VIII線に沿う方向の断面図である。FIG. 8 is a view showing the separator, which is taken along line VIII- of FIG.
FIG. 8 is a sectional view taken along a line VIII.
【図９】上記一実施形態として示したセパレータのさら
に他の例を示す要部平面図である。FIG. 9 is a main part plan view showing still another example of the separator shown as the one embodiment.
【図１０】同セパレータを示す図であって、図９のＸ−
Ｘ線に沿う方向の断面図である。FIG. 10 is a view showing the same separator, which is taken along line X- in FIG.
It is sectional drawing of the direction along an X-ray.
【図１１】従来例のセパレータを備えた固体高分子型燃
料電池の単位セルを示す図であって、セパレータの溝に
直交する方向の要部断面図である。FIG. 11 is a view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell including a separator of a conventional example, which is a cross-sectional view of a main part in a direction orthogonal to a groove of the separator.
【図１２】同セパレータの要部斜視図である。FIG. 12 is a perspective view of a main part of the separator.
【図１３】同セパレータを備えた固体高分子型燃料電池
の単位セルを示す図であって、セパレータの溝に沿う方
向の要部断面図である。FIG. 13 is a view showing a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell including the separator, which is a cross-sectional view of a main part in a direction along a groove of the separator.
１ 電解質膜 ２ 電極 ３ セパレータ ３ａ 溝 ３ｃ 突部 ６１、６２ ロータリダイ Ｄ 幅 Ｐ ピッチ Ｗ 素材 1 electrolyte membrane 2 electrodes 3 separator 3a groove 3c protrusion 61, 62 rotary die D width P pitch W material
フロントページの続き (72)発明者 細井 敬 茨城県那珂郡那珂町向山1002−14 三菱マ テリアル株式会社総合研究所那珂研究セン ター内 (72)発明者 駒田 紀一 茨城県那珂郡那珂町向山1002−14 三菱マ テリアル株式会社総合研究所那珂研究セン ター内 (72)発明者 高橋 務 東京都千代田区大手町１−５−１ 三菱マ テリアル株式会社開発技術センター内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB02 BB04 CC03 CC04 CC05 EE02 EE05 HH03 Continued front page (72) Inventor Kei Hosoi 1002-14 Mukoyama, Naka-machi, Naka-gun, Ibaraki Prefecture Terari Co., Ltd. Inside (72) Inventor Kiichi Komada 1002-14 Mukoyama, Naka-machi, Naka-gun, Ibaraki Prefecture Terari Co., Ltd. Inside (72) Inventor Tsutomu Takahashi Mitsubishi Ma 1-5-1 Otemachi, Chiyoda-ku, Tokyo Terial Co., Ltd. Development Technology Center F-term (reference) 5H026 AA06 BB02 BB04 CC03 CC04 CC05 EE02 EE05 HH03
Claims (7)
れ、上記電極側にガスの流路となる溝が形成された板状
のセパレータであって、 上記溝には、上記流路を狭める方向に突出する突部が複
数設けられていることを特徴とするセパレータ。1. A plate-shaped separator which is disposed on both sides of an electrolyte membrane via electrodes and has a groove serving as a gas flow path formed on the electrode side, wherein the flow path is narrowed in the groove. A separator having a plurality of protrusions projecting in the direction.
溝の隣接方向のピッチが０．４〜４ｍｍであることを特
徴とする請求項１に記載のセパレータ。2. The separator according to claim 1, wherein the width of the groove is 0.2 to 2 mm, and the pitch of the grooves in the adjoining direction is 0.4 to 4 mm.
請求項１または２に記載のセパレータ。3. The separator according to claim 1, wherein the material is carbon.
ある母材に、金、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジ
ウム、タルタル、ニッケルのうち一種または二種以上の
金属のメッキを施したことを特徴とする請求項１または
２に記載のセパレータ。4. A base material made of an iron-based alloy or a nickel-based alloy, which is plated with one or more metals selected from gold, platinum, palladium, ruthenium, rhodium, tartar, and nickel. The separator according to claim 1 or 2.
通してプレスすることにより、請求項１〜４の何れかに
記載のセパレータにおける突部を有する溝を形成するこ
とを特徴とするセパレータの製造方法。5. A separator according to claim 1, wherein a groove having a protrusion is formed by pressing a plate-shaped material between a pair of rotary dies. Production method.
通すことにより、請求項１〜４の何れかに記載のセパレ
ータの輪郭を形成することを特徴とする請求項５に記載
のセパレータの製造方法。6. The separator according to claim 5, wherein a contour of the separator according to claim 1 is formed by passing a plate-shaped material between a pair of rotary dies. Manufacturing method.
タを備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電
池。7. A polymer electrolyte fuel cell comprising the separator according to any one of claims 1 to 4.
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