JP2003217644A - Separator for solid polymer fuel cell and solid polymer fuel cell using the same - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a solid polymer fuel cell with improved sealing capability of a reaction gas at a plurality of bridge parts mounted inside a manifold of the separator. <P>SOLUTION: The separator 1 for a solid polymer fuel cell has a polyelectrolyte film 2 with ion conductivity and an electrode 3, a gas diffusion layer 5 and the manifold 7 on either surface of the polyelectrolyte film. The manifold 7 of the separator 1 is formed in a tunnel structure. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子型燃料電
池用セパレータ、および、それを用いた固体高分子型燃
料電池に関する。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid polymer fuel cell separator and a solid polymer fuel cell using the same.

【０００２】[0002]

【従来の技術】種々ある燃料電池の中で、固体高分子型
燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質が白金等
の触媒が担持されたカーボン電極で挟まれている。更
に，これに燃料の水素ガスと酸化剤ガス（酸素あるいは
空気）の流路を形成し、かつ、集電作用を有する一対の
セパレータで挟持したものである。これを単セルと云
い、燃料電池スタックはこの単セルを複数個積層したも
のである。2. Description of the Related Art Among various fuel cells, a polymer electrolyte fuel cell comprises a polymer-made membrane-like solid electrolyte sandwiched between carbon electrodes carrying a catalyst such as platinum. Further, a flow path for hydrogen gas as a fuel and an oxidant gas (oxygen or air) is formed in this, and is sandwiched by a pair of separators having a current collecting function. This is called a single cell, and the fuel cell stack is a stack of a plurality of this single cell.

【０００３】これら部材の中で、セパレータは電極に効
率よく反応ガスを供給するための部材で、炭素系あるい
は金属系の導電性材料で構成されている。Among these members, the separator is a member for efficiently supplying the reaction gas to the electrodes, and is made of a carbon-based or metal-based conductive material.

【０００４】セパレータには多数の種類が存在する。反
応ガスがセパレータ内に設けられた孔を通し、隣り合う
セパレータに供給される内部マニホールド型と、セパレ
ータ内にガス通気用の貫通孔が無く、反応ガスをセパレ
ータの側部から各々供給する外部マニホールド型に分け
られる。There are many types of separators. An internal manifold type in which the reaction gas passes through the holes provided in the separator and is supplied to the adjacent separators, and an external manifold in which there is no through hole for gas ventilation in the separator and the reaction gas is supplied from each side of the separator. Divided into molds.

【０００５】その他に、セパレータが電極あるいは拡散
層に接する面の構造の違いによっても幾つかに分類され
る。例えば、電極（拡散層）接触面が凹凸形状を有する
セパレータ、あるいは、平板と凹凸様や溝様の形状を有
するカレントコレクタを組み合わせたセパレータ等があ
る。In addition, the separator is classified into several types depending on the difference in the structure of the surface in contact with the electrode or the diffusion layer. For example, there is a separator in which an electrode (diffusion layer) contact surface has an uneven shape, or a separator in which a flat plate and a current collector having an uneven shape or a groove shape are combined.

【０００６】燃料電池の低コスト化を考慮すると、外部
マニホールド方式に比べ内部マニホールド方式の方が、
また、一枚の板材で流路溝付セパレータを実現できる凹
凸形状を有するセパレータが部品点数を少なくする上で
有効である。Considering the cost reduction of the fuel cell, the internal manifold type is better than the external manifold type.
Further, a separator having an uneven shape that can realize a separator with a flow channel using a single plate material is effective in reducing the number of parts.

【０００７】この内部マニホールド型セパレータの場
合、マニホールドから電極面へ反応ガスを供給、あるい
は、排出するためのマニホールドと、電極面流路溝との
間に凹凸構造を有する連結部が必要である。一般にはマ
ニホールドから流路溝までの間は凹状の溝が形成されて
いるタイプと、この部位がトンネル状となったタイプが
ある。In the case of this internal manifold type separator, a connecting portion having a concavo-convex structure is required between the manifold for supplying or discharging the reaction gas from the manifold to the electrode surface and the electrode surface channel groove. Generally, there are a type in which a concave groove is formed between the manifold and the flow channel, and a type in which this portion has a tunnel shape.

【０００８】前者のタイプではシール材や電解質膜が締
め付け圧により変形し、連絡部の凹溝を塞いだり、シー
ル材や電解質膜が凹に押し付けられることによって変形
し、間隙が生じることがある。この間隙を介して反応ガ
スが反対側の極にリークするガスクロスが発生すること
もある。後者はこれらの欠点を克服するために工夫した
方式である。例えば、特開平９−３５７２６号公報で開
示されているように、連結部の上面に板材を被覆したも
のがある。In the former type, the sealing material and the electrolyte membrane may be deformed by the tightening pressure to block the recessed groove of the connecting portion, or the sealing material and the electrolyte membrane may be deformed by being pressed into the recess to form a gap. A gas cross may occur in which the reaction gas leaks to the opposite electrode through this gap. The latter is a method devised to overcome these drawbacks. For example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-35726, there is one in which the upper surface of the connecting portion is covered with a plate material.

【０００９】さらにはガス流路溝以外を樹脂で被覆し、
平板の剥離防止やガスシール性の向上を図った特開２０
００−１３３２８９号公報、さらにはガス流体抵抗を改
善した特開２０００−１６４２２７号公報がある。Furthermore, the resin is coated except for the gas flow channel groove,
A method for preventing peeling of a flat plate and improving gas sealability
No. 00-133289 and further Japanese Patent Laid-Open No. 2000-164227 in which gas fluid resistance is improved.

【００１０】第８回燃料電池シンポジウム講演予稿集、
講演番号Ａ１−１２（平成１３年５月１５日〜１６日、
燃料電池開発情報センター主催）ではサブマリン構造と
称する流路を連絡部に設け、板材を必要としない構造も
ある。Proceedings of the 8th Fuel Cell Symposium
Lecture number A1-12 (May 15th to 16th, 2001,
In the Fuel Cell Development Information Center sponsored), there is also a structure in which a flow path called a submarine structure is provided in the communication part and a plate material is not required.

【００１１】前記は、電解質膜やシール材の押し潰しに
よる連絡部の凹溝の閉塞や、発生した隙間を介して反応
ガスが反対側の極にリークするガスクロスを防止するこ
とを目的とした発明である。The above is intended to prevent the groove of the connecting portion from being closed by crushing the electrolyte membrane or the sealing material, and to prevent the gas cross from leaking the reaction gas to the opposite electrode through the generated gap. It is an invention.

【００１２】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明を実現するため
には平板を別途用意し、これを接着する必要があった。
そのため、部品点数が増加し、かつ、組立工程が複雑と
なり、その結果、製造コストのアップの要因となる。In order to realize the present invention, it was necessary to separately prepare a flat plate and bond it.
Therefore, the number of parts increases and the assembling process becomes complicated, resulting in an increase in manufacturing cost.

【００１３】本発明の目的は、燃料電池のマニホールド
の内部に、複数の平板を橋渡しすることで一体化して部
品点数を低減し、製造コストを低減することにある。An object of the present invention is to reduce the number of parts by bridging a plurality of flat plates inside the manifold of the fuel cell to reduce the number of parts and the manufacturing cost.

【００１４】[0014]

【課題を解決するための手段】上記目的を解決する本発
明の第１の手段として、イオン導電性を有する高分子電
解質膜とその両面に、電極、ガス拡散層、および、マニ
ホールドを有するセパレータからなる固体高分子型燃料
電池のセパレータにおいて、前記セパレータのマニホー
ルド部はトンネル構造に形成されている固体高分子型燃
料電池用セパレータにある。As a first means of the present invention for solving the above-mentioned object, a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity and a separator having an electrode, a gas diffusion layer, and a manifold on both surfaces thereof are used. In the solid polymer fuel cell separator, the manifold portion of the separator is a solid polymer fuel cell separator formed in a tunnel structure.

【００１５】第２の手段として、前記マニホールドは少
なくとも２枚の平板を橋渡しすることでトンネル構造に
構成した前記第１の手段に記載の固体高分子型燃料電池
用セパレータにある。As a second means, the manifold is the solid polymer fuel cell separator according to the first means, which has a tunnel structure by bridging at least two flat plates.

【００１６】第３の手段として、前記トンネル構造を形
成するため、ほぼ平行に橋渡しされた少なくとも２枚の
平板が、垂直方向から見て、互いに重ならない位置に配
置した第２の手段に記載の固体高分子型燃料電池用セパ
レータにある。As a third means, in the second means, at least two flat plates bridged in parallel to each other in order to form the tunnel structure are arranged at positions where they do not overlap each other when viewed in the vertical direction. It is in a polymer electrolyte fuel cell separator.

【００１７】第４の手段としては、前記トンネル構造の
外郭の厚さが、前記マニホールドと同じ厚さに形成した
前記第１，２または３の手段に記載の固体高分子型燃料
電池用セパレータにある。As a fourth means, in the separator for a polymer electrolyte fuel cell according to the first, second or third means, the outer wall of the tunnel structure is formed to have the same thickness as the manifold. is there.

【００１８】第５の手段は、前記トンネル構造を形成す
る部材が、セパレータ構成材料と同じ材料，同じ物性ま
たは同じ特性を有する材料で構成されている前記第１の
手段に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータにあ
る。A fifth means is the solid polymer type as described in the first means, wherein the member forming the tunnel structure is made of a material having the same material, the same physical properties or the same characteristics as the constituent material of the separator. It is in a fuel cell separator.

【００１９】更に、第６の手段は、イオン導電性を有す
る高分子電解質膜と、その両面に電極，ガス拡散層およ
びマニホールドを有するセパレータを備えた固体高分子
型燃料電池において、前記セパレータは前記第１〜５の
手段のいずれかに記載のセパレータであることを特徴と
する固体高分子型燃料電池にある。Further, a sixth means is a solid polymer fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity and a separator having electrodes, a gas diffusion layer and a manifold on both surfaces thereof, wherein the separator is A solid polymer fuel cell is characterized in that it is the separator according to any one of the first to fifth means.

【００２０】[0020]

【発明の実施の形態】本発明の第１と第２の手段を図１
および図２に基づき説明する。第１の手段はマニホール
ド部をトンネル構造とし、スタックに積層した場合の鳥
瞰図の一部を示す。また、図２は図１におけるマニホー
ルドのＡ−Ａ，Ａ'−Ａ'断面を示す。高分子電解質膜２
の両面に電極３を塗布したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ
Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）４を合せ、更
に、マニホールド７を有するセパレータ１がこれらを挟
持して形成される。これを１単位として数層積み重ね、
スタックとする。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 shows the first and second means of the present invention.
And it demonstrates based on FIG. The first means shows a part of a bird's-eye view in the case where the manifold portion has a tunnel structure and is stacked in a stack. 2 shows a cross section taken along the line AA, A'-A 'of the manifold in FIG. Polymer electrolyte membrane 2
MEA (Membrane with electrodes 3 coated on both sides of the
Electrode Assembly 4 is combined, and further, separator 1 having manifold 7 is formed by sandwiching these. Stack several layers with this as one unit,
Use as a stack.

【００２１】本発明の第１の手段では、図２に示すよう
にマニホールド７内にはセパレータ１の垂直方向に２枚
の橋渡し部８により形成されたトンネル構造を有する。
反応ガスは前記２枚の橋渡し部８によるトンネル内を通
り、連絡部９よって導かれ供給される構造となってい
る。According to the first means of the present invention, as shown in FIG. 2, the manifold 7 has a tunnel structure formed by two bridging portions 8 in the vertical direction of the separator 1.
The reaction gas passes through the tunnel formed by the two bridging portions 8 and is guided and supplied by the connecting portion 9.

【００２２】ＭＥＡ４およびガスシール材６にもマニホ
ールド７が設けられているが、マニホールド７の位置
は、セパレータ１のマニホールド７内に設けられた橋渡
し部８からセパレータ１の外周部側とする。これによっ
てＭＥＡ４とガスシール材６は、２枚のセパレータ１の
橋渡し部８に挟まれて密着するので、ＭＥＡ４の変形
（ダレの発生）によるガスクロスを防止することができ
る。The MEA 4 and the gas sealing material 6 are also provided with the manifold 7, but the position of the manifold 7 is from the bridging portion 8 provided in the manifold 7 of the separator 1 to the outer peripheral side of the separator 1. As a result, the MEA 4 and the gas sealing material 6 are sandwiched between the bridging portions 8 of the two separators 1 and are in close contact with each other, so that gas cross due to deformation of the MEA 4 (generation of sag) can be prevented.

【００２３】第３の手段は、セパレータ１を垂直方向か
ら見た場合、マニホールド７内の２枚の橋渡し部８が互
いに重ならないように配置する。同時に橋渡し部８の一
つは２枚のセパレータ１の対向面が一致するように配置
し、別の橋渡し部８は先の橋渡し部８と反対側の面と一
致するように配置する。これによって第１の手段と同じ
効果が得られる。The third means is to arrange the two bridging portions 8 in the manifold 7 so as not to overlap each other when the separator 1 is viewed from the vertical direction. At the same time, one of the bridging portions 8 is arranged so that the facing surfaces of the two separators 1 coincide with each other, and the other bridging portion 8 is arranged so as to coincide with the surface opposite to the preceding bridging portion 8. This has the same effect as the first means.

【００２４】第４の手段は、橋渡し部８に流路溝を形成
した。例えば、図２に示す２枚の橋渡し部８の流路板の
セパレータ１内面側に流路溝を形成することによりガス
の流れを阻害せず、かつ、２枚の流路板が互いに支持し
合うので、流路板の強度を増加させることができる。あ
るいは、突起によりガスシール材６やＭＥＡ４を支持す
る構造をとることができるので、これらの損傷を抑える
ことができる。The fourth means is to form a channel groove in the bridging portion 8. For example, by forming a flow channel on the inner surface side of the separator 1 of the flow channel plates of the two bridging portions 8 shown in FIG. 2, the flow of gas is not hindered, and the two flow channel plates support each other. Since they match, the strength of the flow path plate can be increased. Alternatively, since the structure in which the gas seal material 6 and the MEA 4 are supported by the protrusions can be adopted, it is possible to suppress damage to these.

【００２５】第５の手段は、橋渡し部８の流路板の材質
をセパレータ１と同質材とすることで、圧縮成型や射出
成型による一体成型が可能となり、製造工程を簡略化で
きる。In the fifth means, the flow path plate of the bridging portion 8 is made of the same material as that of the separator 1 so that compression molding or injection molding can be performed integrally, and the manufacturing process can be simplified.

【００２６】第６の手段は、上記第１，２の手段に記載
のセパレータを用いることで、耐ガスリーク性に優れた
固体高分子型燃料電池を得ることができる。The sixth means uses the separator described in the first and second means, whereby a polymer electrolyte fuel cell excellent in gas leak resistance can be obtained.

【００２７】〔実施例 １〕前記第１手段の実施例を図
を用いて説明する。図１は内部マニホールド型セパレー
タの鳥瞰図である。一つのセルはセパレータ１／ガスシ
ール材６，ガス拡散層５／ＭＥＡ４／ガスシール材６，
ガス拡散層５／セパレータ１で構成され、７０℃におけ
る理論開回路電圧（反応ガス分圧が等しい場合）は１.
２Ｖとなる。図の複雑化を避けるため、ガス拡散層５は
記載していない。なお、このガス拡散層５は、用いない
場合もある。[Embodiment 1] An embodiment of the first means will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a bird's eye view of an internal manifold type separator. One cell is a separator 1 / gas sealing material 6, gas diffusion layer 5 / MEA 4 / gas sealing material 6,
It is composed of gas diffusion layer 5 / separator 1 and the theoretical open circuit voltage at 70 ° C (when the reaction gas partial pressures are equal) is 1.
It becomes 2V. The gas diffusion layer 5 is not shown in order to avoid complication of the drawing. The gas diffusion layer 5 may not be used in some cases.

【００２８】上記の基本構成を複数組積層し、目的に応
じた出力電圧を得る。実際の発電の際は各種の抵抗成分
により、得られる電流あるいは電圧が低くなる。例え
ば、電気化学反応に伴う電極系の活性化過電圧，濃度過
電圧，イオンや電子が流れる際の抵抗が存在するためで
ある。従って、セパレータ１は反応ガスを電極３に効率
良く供給するだけでなく、通電材としての機能も必要と
される。そのため、セパレータ１は、熱硬化性樹脂を１
割程度含む黒鉛粉を原料として、加熱圧縮加工により適
当な流路加工を施してある。A plurality of sets of the above basic structure are laminated to obtain an output voltage according to the purpose. In actual power generation, the obtained current or voltage becomes low due to various resistance components. This is because, for example, there are activation overvoltage, concentration overvoltage, and resistance when ions and electrons flow due to the electrochemical reaction. Therefore, the separator 1 is required not only to efficiently supply the reaction gas to the electrode 3 but also to have a function as a current-carrying material. Therefore, the separator 1 is made of a thermosetting resin.
Appropriate flow path processing is performed by heat compression processing using graphite powder containing about 50%.

【００２９】図２は、図１のマニホールド７におけるＡ
−Ａ，Ａ'−Ａ'の断面を示す。セパレータ１のマニホー
ルド７は、２つの橋渡し部８が一定の間隔を設けて上下
に配設されている。FIG. 2 shows A in the manifold 7 of FIG.
-A, A'-A 'shows the cross section. In the manifold 7 of the separator 1, two bridging portions 8 are vertically arranged with a constant interval.

【００３０】単純な圧縮成型では２枚の橋渡し部８の間
隙を形成することが困難なので、圧縮成型加工時にはこ
の間隙に相当するインサート材を入れて成型する。その
ため、橋渡し部８にインサート材固定用のインサート材
支持穴１０が存在する。Since it is difficult to form a gap between the two bridging portions 8 by simple compression molding, an insert material corresponding to this gap is inserted and molded during compression molding. Therefore, the bridging portion 8 has the insert material support hole 10 for fixing the insert material.

【００３１】インサート材は高分子材料かセラミックス
であり加熱圧縮成型後、高分子材料の場合は有機溶剤、
セラミックスの場合は濃アルカリ溶液で溶解除去して反
応ガスの通気部となるトンネルを形成する。The insert material is a polymer material or ceramics. After heat compression molding, in the case of a polymer material, an organic solvent,
In the case of ceramics, it is dissolved and removed with a concentrated alkaline solution to form a tunnel that serves as a vent for the reaction gas.

【００３２】スタックはセパレータ１にガスシール材
６，ガス拡散層５，ＭＥＡ４を順次積み重ねて完成す
る。スタック内の反応ガスを各セルに導入するためのマ
ニホールド７が、セパレータ１と同様にガスシール材
６，ガス拡散層５およびＭＥＡ４が設けられている。但
し、これらのマニホールド７の位置は、セパレータ１の
マニホールド７と重ね合わせたとき、橋渡し部８を覆う
ように形成される。これにより反応ガスのシールは橋渡
し部８とガスシール材６との間で保たれる。セパレータ
１と橋渡し部８との間には段差や溝等の不連続面が存在
しないため、ガスシール性を高めることができる。これ
は本発明の前記第２の手段に相当する。The stack is completed by sequentially stacking the gas sealing material 6, the gas diffusion layer 5, and the MEA 4 on the separator 1. The manifold 7 for introducing the reaction gas in the stack into each cell is provided with the gas sealing material 6, the gas diffusion layer 5 and the MEA 4 similarly to the separator 1. However, the positions of these manifolds 7 are formed so as to cover the bridging portions 8 when they are overlapped with the manifold 7 of the separator 1. As a result, the sealing of the reaction gas is maintained between the bridging portion 8 and the gas sealing material 6. Since there is no discontinuous surface such as a step or a groove between the separator 1 and the bridging portion 8, the gas sealability can be improved. This corresponds to the second means of the present invention.

【００３３】また、連絡部９のマニホールド７側の端部
には、ＭＥＡ４やガスシール材６のマニホールド７の端
部が隣り合うことが無いため、ガスクロスが発生しにく
い。Further, since the end of the manifold 7 side of the connecting portion 9 is not adjacent to the end of the manifold 7 of the MEA 4 and the gas sealing material 6, gas cross is less likely to occur.

【００３４】更に、連絡部９に面するガスシール材６
は、連絡部９を中心として４方が固定されるので、スタ
ック締め付け時にガスシール材６の変形が生じにくくな
り、その結果、連絡部９の凹溝を閉塞すると云う問題が
ない。Further, the gas sealing material 6 facing the connecting portion 9
Since the four sides are fixed around the connecting portion 9, the gas sealing material 6 is less likely to be deformed when the stack is tightened, and as a result, there is no problem of closing the concave groove of the connecting portion 9.

【００３５】〔実施例 ２〕前記第３の手段の実施例を
図３，４により説明する。図３は、セパレータ１のマニ
ホールド７の周辺を抜き出し、拡大した斜視図である。
電極面における流路溝等は図１と同じであるので省略し
た。[Embodiment 2] An embodiment of the third means will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a perspective view in which the periphery of the manifold 7 of the separator 1 is extracted and enlarged.
Since the flow path groove and the like on the electrode surface are the same as those in FIG. 1, they are omitted.

【００３６】また、図４は、図３のＡ−Ａ，Ａ'−Ａ'の
断面図であるが、マニホールド７には２枚の橋渡し部８
が設けられ、セパレータ１を垂直面から観察した際、こ
れらの橋渡し部８，８’が互いに重ならない位置に設け
られている。このような配置とすることで、第１の手段
で必要となるインサート材やインサート材支持穴が不要
となる。Further, FIG. 4 is a sectional view of AA and A'-A 'in FIG.
Is provided, and when the separator 1 is observed from a vertical plane, these bridging portions 8 and 8 ′ are provided at positions where they do not overlap each other. With such an arrangement, the insert material and the insert material supporting hole required in the first means are unnecessary.

【００３７】部材をスタックに組み立てる際は、各々の
セパレータ１の橋渡し部８が面するように配置し、ガス
シール材６，ガス拡散層４およびＭＥＡ４を挟む様に形
成する。ガスシール材６およびＭＥＡ４のマニホールド
７は、橋渡し部８が被覆されるような形状に形成する。When the members are assembled into a stack, they are arranged so that the bridging portions 8 of the respective separators 1 face each other, and the gas sealing material 6, the gas diffusion layer 4 and the MEA 4 are sandwiched therebetween. The gas seal material 6 and the manifold 7 of the MEA 4 are formed in such a shape that the bridging portion 8 is covered.

【００３８】反応ガスは、橋渡し部８で分割されたマニ
ホールド７のうち、セパレータ１の外周寄りに位置する
マニホールド７を通り、連絡部９に到達する。Among the manifolds 7 divided by the bridging portion 8, the reaction gas passes through the manifold 7 located near the outer periphery of the separator 1 and reaches the connecting portion 9.

【００３９】〔実施例 ３〕本実施例では、外観上異な
る２種のマニホールド７を必要とするが、一つのマニホ
ールド７をセパレータの表面と裏面から見た外形が同一
で、かつ、燃料ガスおよび酸化剤ガスのマニホールド７
の外表面形状が同一（マニホールド７の断面形状が合同
あるいは対称）である場合、次に示すようにマニホール
ドを配置すれば一種のセパレータで実現できる。[Embodiment 3] In this embodiment, two types of manifolds 7 having different appearances are required. However, one manifold 7 has the same outer shape as viewed from the front surface and the back surface of the separator, and the fuel gas and Oxidizer gas manifold 7
When the outer surface shapes of (1) and (2) are the same (the cross-sectional shapes of the manifolds 7 are congruent or symmetrical), it can be realized by a kind of separator if the manifolds are arranged as shown below.

【００４０】図６は、セパレータを表面と裏面とから見
た場合のマニホールド７の位置を示す。ここで表面と裏
面とを示しているが、流路溝以下の説明における表面あ
るいは裏面とは、流路溝１２を形成した面に対し垂直方
向から見た面の何れかである。例えば、表面が燃料ガス
流路面とすれば、裏面は酸化剤ガス流路面となる。場合
によっては冷却水流路面であっても構わない。FIG. 6 shows the position of the manifold 7 when the separator is viewed from the front surface and the back surface. Although the front surface and the back surface are shown here, the front surface or the back surface in the following description of the flow channel is either a surface viewed from a direction perpendicular to a surface on which the flow channel 12 is formed. For example, if the front surface is the fuel gas channel surface, the back surface is the oxidant gas channel surface. In some cases, it may be the cooling water flow path surface.

【００４１】マニホールド７は、図中の角部Ａから角部
Ｄの四隅にそれぞれ形成されている。これら四つのマニ
ホールド７の断面形状は、全て合同あるいは対称形状で
ある。The manifold 7 is formed at each of the four corners A to D in the figure. The cross-sectional shapes of these four manifolds 7 are all congruent or symmetrical.

【００４２】ここで便宜上、表面からみた角部Ａ側マニ
ホールド７をマニホールド７−ａ、同じ場所を裏面から
見たマニホールドをマニホールド７−ｂとすると、表面
の４つのマニホールド７を全てマニホールド７−ａとす
るか、あるいは、マニホールド７−ｂとする。この場
合、裏面は必然的にマニホールド７−ｂかマニホールド
７−ａとなる。Here, for convenience, the corner A side manifold 7 when viewed from the front is referred to as the manifold 7-a, and the manifold where the same place is viewed from the back is referred to as the manifold 7-b. Or the manifold 7-b. In this case, the back surface is necessarily the manifold 7-b or the manifold 7-a.

【００４３】この他に、対角位置のマニホールド７を互
いに表裏逆としてもよい。例えば、表面の角部Ａのマニ
ホールド７がマニホールド７−ａならば、その対角部位
置の角部Ｃはマニホールド７−ｂとする。以上はマニホ
ールド７が４つの場合に限らず、それ以上形成されてい
ても同様にして実現できる。Besides, the manifolds 7 at diagonal positions may be turned upside down. For example, if the manifold 7 at the corner A on the surface is the manifold 7-a, the corner C at the diagonal position is the manifold 7-b. The above is not limited to the case where the number of the manifolds 7 is four, and can be realized in the same manner even when more manifolds are formed.

【００４４】本実施例では、一つのマニホールド７内に
２つの橋渡し部８をそれぞれ独立して形成しているが、
２つの橋渡し部８のうち、セパレータ１の内側に位置す
る橋渡し部８を、マニホールド７の流路側壁端に接触あ
るいは接合してもよい。In this embodiment, the two bridging portions 8 are independently formed in one manifold 7, but
Of the two bridging portions 8, the bridging portion 8 located inside the separator 1 may be in contact with or joined to the side wall end of the flow path of the manifold 7.

【００４５】その一例として、図５は橋渡し部８の一つ
をマニホールド７の流路側壁端と接触させ形成した構造
を示す。これにより、橋渡し部８の強度が増強されると
共に、ガスシール性を向上することができる。As an example thereof, FIG. 5 shows a structure in which one of the bridging portions 8 is formed in contact with the side wall end of the flow path of the manifold 7. As a result, the strength of the bridging portion 8 can be increased and the gas sealability can be improved.

【００４６】〔実施例 ４〕次に第４の手段の実施例を
説明する。前記実施例では橋渡し部８が薄いために強度
が不足したり、あるいは、ガスシール材６やＭＥＡ４を
積層したときに、これらがマニホールド７における橋渡
し部８と接触しない部位が、燃料ガスや酸化剤ガス間の
差圧で変形したりする場合がある。これは橋渡し部８に
溝を設けることでこれらを防止できる。[Embodiment 4] Next, an embodiment of the fourth means will be described. In the above-described embodiment, the bridging portion 8 is thin, so that the strength is insufficient, or when the gas sealing material 6 and the MEA 4 are laminated, the portion of the manifold 7 that does not come into contact with the bridging portion 8 is fuel gas or oxidizer. It may be deformed by the pressure difference between the gases. This can be prevented by providing a groove in the bridging portion 8.

【００４７】図７は、橋渡し部８に溝を追加した構造を
示す図である。図７（ａ）はマニホールド７の鳥瞰図、
図７（ｂ）はＡ−Ａ’断面図、図７（ｃ）はＢ−Ｂ’断
面図である。橋渡し部８−ａは、セパレータ１の肉厚と
同一になるように溝を設けた。FIG. 7 is a diagram showing a structure in which a groove is added to the bridging portion 8. FIG. 7A is a bird's-eye view of the manifold 7,
7B is a sectional view taken along the line AA ′, and FIG. 7C is a sectional view taken along the line BB ′. The bridging portion 8-a is provided with a groove so as to have the same thickness as the separator 1.

【００４８】図８は、このセパレータ１にシール材６お
よびＭＥＡ４を重ねた場合のＢ−Ｂ’断面構造を示す。
ガスシール材６およびＭＥＡ４は、橋渡し部８に設けら
れた溝部により固定されるためこれらの破損等を防止で
きる。また、橋渡し部８−ａもガスシール材６，ＭＥＡ
４を介して隣り合ったセパレータ１の橋渡し部８と密着
するため、強度不足による変形などが防止できる。FIG. 8 shows a cross-sectional structure taken along the line BB ′ when the sealing material 6 and the MEA 4 are superposed on the separator 1.
Since the gas sealing material 6 and the MEA 4 are fixed by the groove portion provided in the bridging portion 8, the damage or the like can be prevented. Further, the bridging portion 8-a is also the gas sealing material 6, MEA.
Since it is in close contact with the bridging portion 8 of the adjacent separators 1 through 4, it is possible to prevent deformation due to insufficient strength.

【００４９】本実施例では２枚の橋渡し部のうち、８−
ｂの一枚について述べたが、橋渡し部８−ａについても
８−ｂと同じ構造を適用することができる。In this embodiment, of the two bridging parts, 8-
Although one sheet of b has been described, the same structure as that of 8-b can be applied to the bridging portion 8-a.

【００５０】〔実施例 ５〕第５の手段の実施例は次の
とおりである。橋渡し部８をセパレータ１と同質材料と
することでセパレータ１の製造が容易となる。例えば、
ガスシール性をより向上させるために、橋渡し部８を弾
性のある材料を適用する。[Embodiment 5] An embodiment of the fifth means is as follows. When the bridging portion 8 is made of the same material as the separator 1, the separator 1 can be easily manufactured. For example,
In order to further improve the gas sealing property, the bridging portion 8 is made of an elastic material.

【００５１】まず、最初に橋渡し部８の無いマニホール
ド７を有するセパレータ１を圧縮成型し、その後、別の
金型を用いて橋渡し部８を成型、あるいは、別途成型し
た橋渡し部８を別工程で熱や接着剤により圧着するな
ど、工程が複雑化する。First, the separator 1 having the manifold 7 having no bridging portion 8 is first compression-molded, and then the bridging portion 8 is molded using another mold, or the bridging portion 8 separately molded is subjected to a separate process. The process is complicated, such as pressure bonding with heat or an adhesive.

【００５２】しかし、橋渡し部８とセパレータ１が同材
質であれば、一回の圧縮成型工程でセパレータ１を完成
させることができ、コストの増加を抑えることができ
る。However, if the bridging portion 8 and the separator 1 are made of the same material, the separator 1 can be completed in one compression molding step, and the cost increase can be suppressed.

【００５３】〔実施例 ６〕第６の手段の実施例を説明
する。図９は、実施例１のセパレータを用いた４セルの
ショートスタック１５（冷却板なし）の分解図を示す。[Embodiment 6] An embodiment of the sixth means will be described. FIG. 9 shows an exploded view of a 4-cell short stack 15 (without a cooling plate) using the separator of Example 1.

【００５４】セパレータ１は、緻密黒鉛を機械切削によ
り作製し、両面に流路溝を形成した。セパレータ１の間
に電解質膜厚５０μｍのＭＥＡ４と、更にその両面にＭ
ＥＡ４の電極３の面積に等しい炭素布でガス拡散層５を
挟んで締め付けてある。As the separator 1, dense graphite was produced by mechanical cutting, and channel grooves were formed on both sides. MEA 4 with an electrolyte film thickness of 50 μm is provided between separators 1, and M is provided on both sides of MEA 4.
The gas diffusion layer 5 is sandwiched and fastened with a carbon cloth having the same area as the electrode 3 of the EA 4.

【００５５】セパレータ１とＭＥＡ４との間には、ガス
シール材６を装荷し反応ガスの漏れを防止している。締
付は厚さ１５ｍｍの硬質塩化ビニル製のエンドプレート
１３で各部材を挟み、ステンレス製ボルト／ナット１７
で固定している。１枚のエンドプレート１３には、反応
ガスの入口用および出口用のマニホールドがそれぞれ１
個づつ形成され、コネクタ１８を介して反応ガスがセル
に給排気される。A gas sealing material 6 is loaded between the separator 1 and the MEA 4 to prevent the reaction gas from leaking. Tighten each member with the end plate 13 made of hard vinyl chloride with a thickness of 15 mm, and bolt / nut 17 made of stainless steel.
It is fixed at. Each of the end plates 13 has one manifold for the inlet of the reaction gas and one manifold for the outlet of the reaction gas.
The reaction gas is supplied to and exhausted from the cell through the connector 18 individually.

【００５６】各セパレータ１には、金めっきした銅製の
端子付集電板１４を設け、この端子付集電板１４を通し
て電流を流す。Each separator 1 is provided with a collector plate 14 with a terminal made of gold-plated copper, and an electric current is passed through the collector plate 14 with a terminal.

【００５７】このショートスタック１５のガスシール性
を確認するため、ヘリウムガスにリーク試験を行った。
２つのエンドプレート１３のうち、一方のエンドプレー
ト１３−ａの反応ガス入口からヘリウムガスを１気圧で
封入し、出口側を閉止しておく。もう一方のエンドプレ
ート１３−ｂの入口側から大気圧の窒素ガスを吹入し、
出口側をヘリウム検出器に接続した。In order to confirm the gas sealing property of this short stack 15, a leak test was conducted on helium gas.
Helium gas is sealed at 1 atm from the reaction gas inlet of one of the two end plates 13-a, and the outlet side is closed. Injecting nitrogen gas at atmospheric pressure from the inlet side of the other end plate 13-b,
The outlet side was connected to a helium detector.

【００５８】本実施例によるショートスタック１５では
ヘリウムが検出されず、ガスクロスが発生していないこ
とを確認した。It was confirmed that helium was not detected in the short stack 15 according to this example, and no gas cross was generated.

【００５９】次に、このショットスタック１５を発電試
験に供した。スタックの温度が７０℃になるように雰囲
気の温度を制御し、燃料ガスとして純水素を酸化剤ガス
とし、空気をそれぞれ大気圧で供給した。それぞれの反
応ガスは、電池に送入される前にそれぞれ露点が７０℃
となるように加湿器を通した。Next, this shot stack 15 was subjected to a power generation test. The temperature of the atmosphere was controlled so that the temperature of the stack was 70 ° C., pure hydrogen was used as the fuel gas as the oxidant gas, and air was supplied at atmospheric pressure. Each reaction gas has a dew point of 70 ° C before being fed into the battery.
Was passed through the humidifier.

【００６０】燃料利用率７０％，空気利用率４０％，電
流密度０.５Ａ／ｃｍ²で発電したところ、単セル当たり
平均０.７Ｖの出力電圧が得られた。開回路電圧も単セ
ル当たり１.０Ｖに達しており、反応ガスのクロスリー
クが発生していないことが確認された。When power was generated at a fuel utilization rate of 70%, an air utilization rate of 40%, and a current density of 0.5 A / cm ² , an average output voltage of 0.7 V per unit cell was obtained. The open circuit voltage also reached 1.0 V per unit cell, and it was confirmed that the cross leak of the reaction gas did not occur.

【００６１】本実施例ではセパレータ１の材質を黒鉛と
したが、その他の導電性材料であってもよい。例えば、
導電性セラミックスの焼結体，金属などでも本発明を実
現することができる。In this embodiment, the material of the separator 1 is graphite, but other conductive materials may be used. For example,
The present invention can be realized with a sintered body of conductive ceramics, a metal, or the like.

【００６２】金属の場合はアルミニウムなどの射出成形
が可能な材料が適する。また、鉄鋼などの鉄基金属，ニ
ッケル基合金であっても、型鍛造プレスなどによって成
型できる。In the case of metal, a material capable of injection molding such as aluminum is suitable. Further, even iron-based metals such as steel and nickel-based alloys can be molded by a die forging press or the like.

【００６３】なお、本実施例では橋渡し部８が２つのタ
イプについて主に説明したが、橋渡し部８は２つ以上設
けても同様の効果ゐ得ることができる。In this embodiment, the type having two bridging portions 8 has been mainly described, but the same effect can be obtained even if two or more bridging portions 8 are provided.

【００６４】[0064]

【発明の効果】本発明によれば、セパレータ１と橋渡し
部８との間には段差や溝等の不連続面が存在しないた
め、ガスシール性を高めることができる。また、連絡部
９のマニホールド７側の端部には、ＭＥＡ４やガスシー
ル材６のマニホールド７の端部が隣り合うことが無いた
め、ガスクロスが生じにくい。According to the present invention, since there is no discontinuity surface such as a step or a groove between the separator 1 and the bridging portion 8, the gas sealing property can be improved. Moreover, since the MEA 4 and the end of the manifold 7 of the gas sealing material 6 are not adjacent to the end of the connecting portion 9 on the manifold 7 side, gas cross is less likely to occur.

【００６５】更には、連絡部９に面するガスシール材６
は、連絡部９を中心として４方が固定されるので、スタ
ック締め付け時にガスシール材６が変形されにくくな
り、連絡部９の凹溝を閉塞すると云う問題がない。Further, the gas sealing material 6 facing the connecting portion 9
Since the four sides are fixed around the connecting portion 9, the gas seal material 6 is less likely to be deformed when the stack is fastened, and there is no problem of closing the concave groove of the connecting portion 9.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】本発明の第１の手段を用いた内部マニホールド
型セパレータの鳥瞰模式図である。FIG. 1 is a schematic bird's-eye view of an internal manifold type separator using the first means of the present invention.

【図２】図１の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of FIG.

【図３】セパレータ１のマニホールド７の周辺を抜き出
し拡大した斜視図である。FIG. 3 is a perspective view in which the periphery of the manifold 7 of the separator 1 is extracted and enlarged.

【図４】図３の断面図である。4 is a cross-sectional view of FIG.

【図５】橋渡し部の一つをマニホールド内壁に接合した
場合の断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view when one of the bridging portions is joined to the inner wall of the manifold.

【図６】マニホールドの位置の一例を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing an example of positions of manifolds.

【図７】橋渡し部に溝を追加形成した構造の一例を示す
図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a structure in which a groove is additionally formed in a bridging portion.

【図８】セパレータにシール材およびＭＥＡを重ねた場
合の断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view of a case where a sealing material and an MEA are stacked on a separator.

【図９】実施例１のセパレータを用いて単セルを組み立
てたときの分解図である。FIG. 9 is an exploded view when a single cell is assembled using the separator of Example 1.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１…セパレータ、２…高分子電解質膜、３…電極、４…
ＭＥＡ、５…ガス拡散層、６…ガスシール材、７…マニ
ホールド、８…橋渡し部、９…連絡部、１０…インサー
ト材支持穴、１１…冷却水用マニホールド、１２…流路
溝、１３…エンドプレート、１４…端子付集電板、１５
…ショートスタック、１６…絶縁板、１７…ボルト／ナ
ット、１８…コネクタ。1 ... Separator, 2 ... Polymer electrolyte membrane, 3 ... Electrode, 4 ...
MEA, 5 ... Gas diffusion layer, 6 ... Gas sealing material, 7 ... Manifold, 8 ... Bridging part, 9 ... Communication part, 10 ... Insert material support hole, 11 ... Cooling water manifold, 12 ... Flow channel, 13 ... End plate, 14 ... Current collector with terminal, 15
... Short stack, 16 ... Insulation plate, 17 ... Bolt / nut, 18 ... Connector.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 範雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 斉藤 幸雄 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者 東山 和寿 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株 式会社日立製作所日立研究所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC08 CX05 HH03   ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Norio Yamada             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Yukio Saito             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. (72) Inventor Kazutoshi Higashiyama             7-1-1, Omika-cho, Hitachi-shi, Ibaraki Prefecture             Inside the Hitachi Research Laboratory, Hitachi Ltd. F term (reference) 5H026 AA06 CC03 CC08 CX05 HH03

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 イオン導電性を有する高分子電解質膜と
その両面に電極，ガス拡散層およびマニホールドを有す
る固体高分子型燃料電池用セパレータにおいて、 前記マニホールド部がトンネル構造に形成されているこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池用セパレータ。1. A solid polymer electrolyte fuel cell separator having an ionic conductive polymer electrolyte membrane and electrodes, a gas diffusion layer and a manifold on both sides thereof, wherein the manifold portion is formed in a tunnel structure. A characteristic polymer electrolyte fuel cell separator. 【請求項２】 前記マニホールドは少なくとも２枚の平
板を橋渡しすることでトンネル構造に構成されている請
求項１に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。2. The separator for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the manifold has a tunnel structure by bridging at least two flat plates. 【請求項３】 前記トンネル構造は、ほぼ平行に橋渡し
された少なくとも２枚の平板が互いに重ならない位置に
配置されている請求項２に記載の固体高分子型燃料電池
用セパレータ。3. The separator for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 2, wherein the tunnel structure is arranged at a position where at least two flat plates bridged substantially in parallel do not overlap each other. 【請求項４】 前記トンネル構造の外郭の厚さが、前記
マニホールドと同じ厚さに形成されている請求項１，２
または３に記載の固体高分子型燃料電池用セパレータ。4. The outer wall of the tunnel structure is formed to have the same thickness as the manifold.
Alternatively, the polymer electrolyte fuel cell separator according to the item 3. 【請求項５】 前記トンネル構造を形成する部材が、セ
パレータ構成材料と同じ材料または同じ物性あるいは同
じ特性を有する材料である請求項１，２または３に記載
の固体高分子型燃料電池用セパレータ。5. The separator for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the member forming the tunnel structure is the same material as the separator constituent material or a material having the same physical properties or characteristics. 【請求項６】 イオン導電性を有する高分子電解質膜
と、その両面に電極，ガス拡散層およびマニホールドを
有するセパレータを具備した固体高分子型燃料電池にお
いて、 前記セパレータは請求項１〜５のいずれかに記載のセパ
レータであることを特徴とする固体高分子型燃料電池。6. A polymer electrolyte fuel cell comprising a polymer electrolyte membrane having ionic conductivity, and a separator having electrodes, a gas diffusion layer and a manifold on both surfaces thereof, wherein the separator is one of claims 1 to 5. A polymer electrolyte fuel cell, which is the separator described in 1.