JP2007157667A

JP2007157667A - Fuel cell

Info

Publication number: JP2007157667A
Application number: JP2005355537A
Authority: JP
Inventors: Hirobumi Sasaki; 寛文佐々木; Masashi Yamaga; 賢史山賀; Hiroshi Yamauchi; 博史山内; Hiroshi Takahashi; 宏高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP4857750B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator which supplies fuel gas and oxidant gas more uniformly to an electrode surface in a solid polymer fuel cell. <P>SOLUTION: The separator for fuel cell has a plurality of reaction gas passages which contact with electrodes and are independent, and comprises one or a plurality of passage walls 21 formed in the passages which change the flowing direction of the reaction gas. In the separator for solid polymer fuel cell, the flow of the reaction gas is restricted and the flowing direction of the reaction gas is changed by the passage walls 21, and the flowing velocity of the reaction gas is made uniform. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は燃料電池及び燃料電池用セパレータに関する。 The present invention relates to a fuel cell and a fuel cell separator.

従来、固体高分子形燃料電池は、高分子からなる膜状の固体電解質に白金などの触媒を担持したカーボン電極で構成されている点が主な特徴である。このカーボン電極を燃料の水素ガス及び酸化剤ガス（酸素あるいは空気など）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構造である。これを単セルといい、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。 Conventionally, a solid polymer fuel cell is mainly characterized in that it is composed of a carbon electrode in which a catalyst such as platinum is supported on a membrane solid electrolyte made of a polymer. This carbon electrode has a structure in which a flow path for fuel hydrogen gas and oxidant gas (oxygen or air, etc.) is formed and sandwiched between a pair of separators having a current collecting action. This is called a single cell, and the fuel cell stack is formed by stacking a plurality of such single cells.

これらの部材の中でセパレータは電極に効率良く反応ガスを供給するための部材であって、炭素系あるいは金属系の導電性材料で構成されている。ここで反応ガスは燃料ガスと酸化剤ガスの総称である。 Among these members, the separator is a member for efficiently supplying the reaction gas to the electrode, and is made of a carbon-based or metal-based conductive material. Here, the reaction gas is a general term for fuel gas and oxidant gas.

その他、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）の接触面が凹凸形状を有するセパレータ、あるいは、平板と凹凸や溝の形状を有するインターコレクタを組み合わせたセパレータなどがある。セパレータ材料としては炭素系と金属系に大別されるが、金属は原料費が廉価で、かつ量産性に優れているため、広く検討されている。また、金属薄板を使用するため、コンパクトで軽量化できるといったメリットも有る。 In addition, the separator is classified into some types depending on the structure of the surface in contact with the electrode or the diffusion layer. For example, there is a separator in which the contact surface of the electrode (diffusion layer) has an uneven shape, or a separator in which a flat plate and an intercollector having an uneven shape or groove shape are combined. Separator materials are broadly classified into carbon and metal, but metals are widely studied because they have low raw material costs and are excellent in mass productivity. In addition, since a metal thin plate is used, there is an advantage that it is compact and can be reduced in weight.

主に炭素系セパレータなどはマニホールドや流路溝の成型性が比較的に優れ、１〜２mm程度以上の肉厚を有する材料へ適用が可能であった。しかし、金属薄板からプレス成型で製作したものは上記の従来技術を適用することが困難である。原料に用いる金属は肉厚
０.２mm 前後の薄板であるため、マニホールド部，連絡部にはトンネル構造やサブマリン構造を適用するだけの十分な肉厚がとれないことに理由がある。 Mainly carbon-based separators and the like have relatively excellent moldability for manifolds and flow channel grooves, and can be applied to materials having a thickness of about 1 to 2 mm or more. However, it is difficult to apply the above-described conventional technique to a metal thin plate manufactured by press molding. The metal used as a raw material is a thin plate with a thickness of about 0.2 mm, so there is a reason that the manifold part and the connecting part cannot be thick enough to apply the tunnel structure or submarine structure.

セパレータに求められる更なる機能は、反応ガスを効率良く電極に供給することである。セパレータ材料が炭素系の場合は任意の流路形状が可能であるため、効果的なセパレータを得やすいが、金属の場合は塑性加工の限界があり、炭素系と比べると成形性の自由度が低い。炭素系材料のセパレータでは、一枚のセパレータの両面にサーペンタイン構造
（蛇行流路）を形成することが可能であるが、金属プレス加工ではこれが困難である。 A further function required for the separator is to efficiently supply the reaction gas to the electrode. When the separator material is carbon-based, any flow path shape is possible, so it is easy to obtain an effective separator, but in the case of metal, there is a limit of plastic working, and the freedom of formability is higher than that of carbon-based separator material. Low. With a carbon-based material separator, it is possible to form a serpentine structure (meandering flow path) on both sides of a single separator, but this is difficult in metal press processing.

通常、金属を用いた燃料電池用のセパレータとして、内部マニホールド型を金属薄板で形成しようとした場合、金属薄板の中央部及びその周辺部に流路溝や突起などの加工を施して、擬似的なサーペンタイン流路を形成し、反応ガスの流れる方向を変える流路を形作る（特許文献１）。 Normally, when an internal manifold type is to be formed of a thin metal plate as a separator for a fuel cell using metal, the center portion of the thin metal plate and its peripheral portion are processed such as channel grooves and protrusions to simulate A simple serpentine channel is formed to change the flow direction of the reaction gas (Patent Document 1).

特開２００５−１０８５０５号公報JP 2005-108505 A

反応ガス折り返し流路部の複数個の突起部が形成されているのみでは反応ガスの流れを制限する手段が無いため、直線流路部を通過してきた反応ガスが外回り側を通り易く、折り返し流路部内回り側は反応ガスの流速が小さくなる傾向がある。そのため、内回り側に凝縮水が溜まり易い傾向となり、それに伴い凝縮水などによりガス流路が閉塞してしまい、膜／電極接合体（Membrane Electrode Assembly；高分子電解質膜に触媒を担持した電極を塗布，接着もしくは印刷したもの、以下ＭＥＡと称す）の電極面に供給するガス供給分布に偏りが生じる。その結果、電気化学反応が不均一になりやすく、電極の寿命の点からも好ましくない。 Since there is no means for restricting the flow of the reaction gas only by forming the plurality of protrusions of the reaction gas return flow path section, the reaction gas that has passed through the straight flow path section easily passes the outer periphery side, and the return flow There is a tendency that the flow velocity of the reaction gas decreases on the inner side of the road. For this reason, condensed water tends to accumulate on the inner side, and the gas flow path is blocked by condensed water, etc., and a membrane / electrode assembly (Membrane Electrode Assembly) is applied. , Adhesion or printing, hereinafter referred to as MEA), the gas supply distribution supplied to the electrode surface is biased. As a result, the electrochemical reaction tends to be uneven, which is not preferable from the viewpoint of the life of the electrode.

本発明の燃料電池用セパレータはこうした問題を解決し、燃料ガス及び酸化剤ガスをより均等にＭＥＡの電極面に供給し安定に発電することが可能な燃料電池セパレータ及び、高出力な燃料電池を提供することを目的とする。 The fuel cell separator of the present invention solves these problems, and provides a fuel cell separator that can supply fuel gas and oxidant gas more evenly to the electrode surface of the MEA to generate power stably, and a high-power fuel cell. The purpose is to provide.

複数の流路溝を有する複数の流路溝ブロックと、前記流路溝ブロックと隣接する流路溝ブロックとを直列に接続する反応ガス折り返し流路部とを有し、前記反応ガス折り返し流路部は、前記流路溝ブロックが有する流路溝よりも少ない流路溝を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータである。 A plurality of flow path groove blocks having a plurality of flow path grooves, and a reaction gas return flow path portion for connecting the flow path groove block and a flow path groove block adjacent to the flow path groove block in series, the reaction gas return flow path The section is a separator for a polymer electrolyte fuel cell, characterized in that it has fewer channel grooves than the channel grooves of the channel groove block.

本発明の燃料電池用セパレータによれば、燃料ガス及び酸化剤ガスをより均等にＭＥＡの電極面に供給し安定に発電することが可能な燃料電池セパレータ及び、従来よりも高出力燃料電池を提供できる。 According to the fuel cell separator of the present invention, a fuel cell separator capable of supplying fuel gas and oxidant gas more evenly to the electrode surface of the MEA and generating power stably, and a higher-power fuel cell than conventional ones are provided. it can.

以下、本発明の実施の形態を説明する。 Embodiments of the present invention will be described below.

（実施例１）
図１は本発明の一実例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の構成概略図である。このセパレータは図３で示すように金属板に反応ガス流路部をプレス成型したセパレータ基板７２にガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路を加工したフレーム
７１Ａ及びフレーム７１Ｂにより形成されている。 Example 1
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a solid polymer fuel cell separator 10 which is an example of the present invention. As shown in FIG. 3, this separator is formed by a frame 71A and a frame 71B obtained by processing a gas manifold connecting portion and a reaction gas return channel on a separator substrate 72 obtained by press-molding a reaction gas channel on a metal plate.

図示するようにセパレータ１０には燃料ガスをセパレータ１０表面に供給する燃料ガス供給マニホールド１４と燃料ガスをセパレータから排出する燃料ガス排出マニホールド
１３とを形成している。また、酸化剤ガス（例えば空気など）をセパレータ１０に供給する酸化剤ガス供給マニホールド１６と、酸化剤ガスをセパレータから排出する酸化剤ガス排出マニホールド１１と冷却水水路を形成する冷却水供給マニホールド１２，冷却水排出マニホールド１５とを形成している。 As shown, the separator 10 is formed with a fuel gas supply manifold 14 for supplying fuel gas to the surface of the separator 10 and a fuel gas discharge manifold 13 for discharging fuel gas from the separator. Further, an oxidant gas supply manifold 16 that supplies an oxidant gas (for example, air) to the separator 10, an oxidant gas discharge manifold 11 that discharges the oxidant gas from the separator, and a cooling water supply manifold 12 that forms a cooling water channel. , A cooling water discharge manifold 15 is formed.

これらのセパレータ表面におけるガス及び冷却水の流れは図示していないが、積層して、燃料電池スタックを形成する際には、燃料電池スタックの積層方向に燃料ガスや酸化剤ガスあるいは冷却水を供給または排出するための流路が形成され、燃料電池スタック内の各セルに燃料ガスや酸化剤ガスを供給し、燃料電池スタックを冷却するために規則的に積層された各冷却部に冷却水が供給されるようになっている。 The flow of gas and cooling water on the surface of these separators is not shown, but when stacking to form a fuel cell stack, fuel gas, oxidant gas or cooling water is supplied in the stacking direction of the fuel cell stack Alternatively, a flow path for discharging is formed, and fuel gas and oxidant gas are supplied to each cell in the fuel cell stack, and cooling water is supplied to each cooling unit regularly stacked to cool the fuel cell stack. To be supplied.

図示するようにセパレータ１０には反応ガス流路部３２において、隣接する流路へのショートカットを防止する目的でガスショートカット防止用突起物部２３を形成している。ガスショートカット防止用突起物部２３の長さは特に限定するものでは無く、例えば反応ガス流路部３２一本分全てを覆うほどの長さでも可能であるが、反応ガス直線流路リブ部延長上に配置し、反応ガスのショートカットを防ぐ構造が好ましい。 As shown in the figure, a gas shortcut prevention projection 23 is formed in the separator 10 for the purpose of preventing a shortcut to the adjacent flow path in the reaction gas flow path section 32. The length of the gas shortcut prevention protrusion 23 is not particularly limited. For example, the gas shortcut prevention protrusion 23 may be long enough to cover the entire reaction gas channel 32, but the reaction gas linear channel rib may be extended. A structure that is arranged on top and prevents a shortcut of the reaction gas is preferable.

セパレータ１０表面には燃料ガス供給マニホールド１４から供給された燃料ガスがセパレータ表面の反応ガス流路部３２を通り、反応ガスの流れる方向を変える反応ガス折り返し流路部に流れる。このときセパレータ表面の反応ガス流路リブ３１とは図２のようにガス拡散層５１を面接させることでセパレータ全体に燃料ガスを供給することができる。 On the surface of the separator 10, the fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 14 passes through the reaction gas flow path portion 32 on the separator surface and flows to the reaction gas return flow path portion that changes the flow direction of the reaction gas. At this time, fuel gas can be supplied to the entire separator by bringing the gas diffusion layer 51 into contact with the reaction gas passage ribs 31 on the separator surface as shown in FIG.

ここで、反応ガス流路部３２は、反応ガス流路リブ３１にはさまれた複数の流路溝を有し、これら流路溝は複数を束として流路溝ブロックを形成する。 Here, the reactive gas flow channel portion 32 has a plurality of flow channel grooves sandwiched between the reactive gas flow channel ribs 31, and these flow channel grooves form a flow channel groove block as a bundle.

一つの流路溝ブロックでは、反応ガスは同一方向に流れ、反応ガス折り返し流路部で流れ方向が折り返される。 In one channel groove block, the reaction gas flows in the same direction, and the flow direction is folded at the reaction gas folded channel portion.

反応ガス折り返し流路部には格子状の反応ガス折り返し流路部突起部２２と反応ガス折り返し流路部流路壁２１が形成している。 In the reaction gas return channel portion, a lattice-like reaction gas return channel portion protrusion 22 and a reaction gas return channel portion channel wall 21 are formed.

反応ガス折り返し流路部流路壁２１によって、燃料ガスを外側と内側の燃料ガスの流速を均一にして、折り返すことができ、また格子状の反応ガス折り返し流路部突起部２２を形成することで燃料ガスを効率良く拡散することができる。 The reaction gas return flow path section flow path wall 21 can fold the fuel gas at a uniform flow rate between the outer and inner fuel gases, and form a lattice-like reaction gas return flow path section projection 22. The fuel gas can be diffused efficiently.

図２は図３を貼り合せた後に実際に燃料電池を作製した場合の断面図であり、セパレータ１０表面にＭＥＡ５３を配置した場合、燃料ガス通路５６からＭＥＡ５３を挟んだ対面には酸化剤ガスが流れる酸化剤ガス通路５５が配置され、酸化剤ガスは図１のように酸化剤ガス供給マニホールド１６から導入され、セパレータ１０同様に形成された反応ガス流路を通り、酸化剤ガス排出マニホールド１１によって排出される。 FIG. 2 is a cross-sectional view when the fuel cell is actually fabricated after pasting FIG. 3. When the MEA 53 is disposed on the surface of the separator 10, the oxidant gas is present on the opposite side of the MEA 53 sandwiched from the fuel gas passage 56. A flowing oxidant gas passage 55 is disposed, and the oxidant gas is introduced from the oxidant gas supply manifold 16 as shown in FIG. Discharged.

図１より反応ガスが反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２から形成される折り返し流路部に進入する前の反応ガス直線流路部（反応ガス流路リブ部３１と反応ガス流路部３２により形成）における流路断面積より、折り返し流路部の流路断面積を狭くすることで、反応ガス折り返し流路部における反応ガス流速を高めることが可能である。それに伴い、反応ガス折り返し流路部における反応生成水，凝縮水などをより効率的に排出することができる。 As shown in FIG. 1, the reaction gas straight flow channel portion (reaction gas flow channel) before the reaction gas enters the folded flow channel portion formed by the reaction gas folded flow channel wall 21 and the reaction gas folded flow channel protrusion 22. It is possible to increase the reactive gas flow velocity in the reactive gas folded flow path portion by narrowing the flow sectional area of the folded flow channel portion from that in the rib portion 31 and the reactive gas flow channel portion 32). It is. Accordingly, reaction product water, condensed water, and the like in the reaction gas return flow path can be discharged more efficiently.

図１より反応ガスが反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２から構成される折り返し流路部出口側の反応ガス直線流路部の反応ガス流路断面積を反応ガス折り返し流路部入口側の反応ガス直線流路分の反応ガス流路断面積よりも狭くすることで、反応ガスが電気化学反応で消耗して、反応ガス流速が減少しても、反応ガス流路断面積を減少させることで、反応ガス流速の減少を低減することができ、それに伴い電極面内の圧力分布をより均一に保つことができる。 As shown in FIG. 1, the reaction gas channel cross-sectional area of the reaction gas straight channel portion on the outlet side of the return gas channel portion in which the reaction gas is composed of the reaction gas return channel portion channel wall 21 and the reaction gas return channel portion protrusion 22 is shown. By making the reaction gas flow path cross-sectional area narrower than the reaction gas linear flow path on the reaction gas return flow path inlet side, the reaction gas is consumed by an electrochemical reaction, and the reaction gas flow rate decreases. By reducing the cross-sectional area of the reaction gas flow path, the decrease in the reaction gas flow velocity can be reduced, and accordingly, the pressure distribution in the electrode surface can be kept more uniform.

図３より金属板をプレス成型したセパレータ基板７２の両側に、ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部を加工したフレーム７１Ａ及びフレーム７１Ｂを張り合わせることによって、ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部にトンネル構造を形成することが可能となる。それに伴い電解質膜またはＭＥＡを補強することできるので、マニホールドからの反応ガスのクロスリークを防止することが可能である。 As shown in FIG. 3, the gas manifold connecting portion and the reaction gas folded flow are bonded to both sides of the separator substrate 72 formed by press-molding a metal plate by bonding the frame 71A and the frame 71B in which the gas manifold connecting portion and the reaction gas turning flow passage portion are processed. A tunnel structure can be formed in the road portion. Accordingly, the electrolyte membrane or the MEA can be reinforced, so that cross leakage of the reaction gas from the manifold can be prevented.

トンネル構造とは、図７に示すように、フレーム５４において反応ガス折り返し流路部突起部２２とＭＥＡとの間に補強板（反応ガス折り返し流路部突起部２２及び反応ガスマニホールド連絡部と一体型）が存在している構造であり、ＭＥＡは補強なしでは非常にフレキシブルであり、よく変形するがそれを本構造で防ぐことができ、それにより反応ガスのクロスリーク（前記燃料ガスと前記酸化剤ガスが直接反応してしまう）を防止することができる。 As shown in FIG. 7, the tunnel structure is a reinforcing plate between the reaction gas return flow path protrusion 22 and the MEA in the frame 54 (with the reaction gas return flow path protrusion 22 and the reaction gas manifold connecting part. The MEA is very flexible without reinforcement and can be deformed well, but it can be prevented by this structure, so that cross-leakage of the reaction gas (the fuel gas and the oxidation) It is possible to prevent the agent gas from reacting directly).

図２のフレーム５４は図３のフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂのどちらかを示す。また燃料ガス通路５６とはガス拡散層５１を介してＭＥＡ５３に燃料ガスを供給する通路を示す。したがってＭＥＡ５３を挟んで反対側の反応ガス通路は酸化剤ガス通路５５となる。また、燃料電池を適度な温度に保つ目的で供給する冷却水が流れる通路は冷却水通路
５７であり、燃料ガス通路５６及び酸化剤ガス通路５５のセパレータ基板５２を挟んで対面に流れるように配置することで、燃料電池内の温度を一定に保つことが可能となる。 The frame 54 in FIG. 2 shows either the frame 71A or the frame 72B in FIG. The fuel gas passage 56 indicates a passage for supplying fuel gas to the MEA 53 via the gas diffusion layer 51. Therefore, the reaction gas passage on the opposite side across the MEA 53 becomes an oxidant gas passage 55. The passage through which the cooling water supplied for the purpose of maintaining the fuel cell at an appropriate temperature flows is a cooling water passage 57, which is arranged so as to flow across the separator substrate 52 of the fuel gas passage 56 and the oxidant gas passage 55. By doing so, the temperature in the fuel cell can be kept constant.

ガス流路断面積とは、例えば図１より燃料ガス供給マニホールド１４より供給された燃料ガスが複数の流路溝を有する１つの流路溝ブロックを通過し、前記反応ガス折り返し流路部に流れる直前の各流路溝の断面積を合計したものである。 The gas channel cross-sectional area refers to, for example, the fuel gas supplied from the fuel gas supply manifold 14 from FIG. 1 passes through one channel groove block having a plurality of channel grooves and flows to the reaction gas return channel part. It is the sum of the cross-sectional areas of the immediately preceding flow channel grooves.

図１より金属板に反応ガス流路部（反応ガス流路リブ３１と反応ガス流路部３２）をプレス成型し、また燃料ガス，酸化剤ガス及び冷却水が通るマニホールドを打ち抜き加工したセパレータ基板７２の両面に反応ガスマニホールド，反応ガスマニホールド連絡部及び反応ガス折り返し流路部（反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２により形成）を加工したフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂを実際に液状ガスケットなどを使用して張り合わせる際に反応ガス折り返し流路部に形成する反応ガス折り返し流路部流路壁２１を反応ガス流路リブ３１の延長上に配置する際に、その隙間を0.5
mm以下とすることで、反応ガス流路間が混同することを低減することができ、それに２つに分けられた反応ガスをそれぞれ均一に折り返すことが可能である。また反応ガス直線流路部をプレス成形した金属板にフレームを取り付ける際のハンドリング性も損なわない。 As shown in FIG. 1, a separator substrate is formed by press-molding a reaction gas channel portion (reaction gas channel rib 31 and reaction gas channel portion 32) on a metal plate, and punching a manifold through which fuel gas, oxidant gas and cooling water pass. A frame 71A in which a reaction gas manifold, a reaction gas manifold connecting portion, and a reaction gas return flow passage portion (formed by the reaction gas return flow passage portion wall 21 and the reaction gas return flow passage portion protrusion portion 22) are processed on both surfaces of 72; When the reaction gas return channel portion channel wall 21 formed in the reaction gas return channel portion when the frame 72B is actually bonded using a liquid gasket or the like is disposed on the extension of the reaction gas channel rib 31. , The gap is 0.5
By setting it to be less than or equal to mm, it is possible to reduce the confusion between the reaction gas flow paths, and it is possible to fold back the reaction gas divided into two uniformly. Further, the handling property when the frame is attached to the metal plate formed by press-forming the reaction gas straight flow path portion is not impaired.

図１のように反応ガス折り返し流路部流路壁２１によって、反応ガス折り返し流路部に反応ガス折り返し流路部外回り側（流路距離が長い部分）と反応ガス折り返し流路部内回り側（流路距離が短い部分）とに分けることができ、２つ分割された反応ガス折り返し流路部は互い独立させる。この構造により反応ガス折り返し流路部内回り側を通った反応ガスは反応ガス折り返し流路部を経て次に折り返し流路を通過する際に外回り側を通り、反応ガス折り返し流路部の外回り側を通った反応ガスは次に折り返し流路を通る際には内回り側を通るので内回り、外回りともに反応ガスが通る流路長は同じにすることができる。反応ガス分布を電極面に均一にすることで、燃料電池の安定な発電が可能となる。 As shown in FIG. 1, the reaction gas return flow path section channel wall 21 causes the reaction gas return flow path section to be connected to the reaction gas return flow path section outer side (part where the flow path distance is long) and the reaction gas return flow path section inner side ( The portion where the flow path distance is short) can be divided, and the two divided reaction gas folded flow path portions are made independent of each other. With this structure, the reaction gas that has passed through the inner side of the reaction gas return flow passage passes through the reaction gas return flow passage and then passes through the outer turn side when passing through the return flow passage. Since the reaction gas that has passed next passes through the inner flow side when passing through the return flow path, the length of the flow path through which the reaction gas passes can be the same for both the inner and outer circulations. By making the reaction gas distribution uniform on the electrode surface, stable power generation of the fuel cell becomes possible.

反応ガス折り返し流路部とは反応ガスの流れる方向が変更される部位で、図１においては反応ガス折り返し流路部流路壁２１と反応ガス折り返し流路部突起部２２によって構成される。 The reactive gas return flow path portion is a portion where the flow direction of the reaction gas is changed. In FIG.

独立した反応ガス流路部３２とは金属板にプレス成型した直線流路部で、図１においては反応ガス直線流路部リブ部と反応ガス直線流路溝部によって構成される。 The independent reaction gas flow path portion 32 is a straight flow path portion press-molded on a metal plate, and in FIG. 1, is constituted by a reaction gas straight flow path portion rib portion and a reaction gas straight flow path groove portion.

反応ガス折り返し流路部突起部２２のセパレータ面に対して垂直方向の高さは反応ガス折り返し流路部流路壁２１と同じ高さである。 The height in the direction perpendicular to the separator surface of the reaction gas return channel projection 22 is the same as the height of the reaction gas return channel wall 21.

以上の実施例によれば、図１のように電極と面接して独立した反応ガスの流れを形成する反応ガス流路を複数有するセパレータであって、反応ガス折り返し流路部に一本または複数本の流路壁を形成することで、反応ガスが折り返す際に反応ガスの流れを制限できるため、反応ガス流速を均一にすることができ、それにより反応ガスをＭＥＡ電極面内に均等に供給することができる。 According to the above embodiment, as shown in FIG. 1, the separator has a plurality of reaction gas flow paths that form an independent flow of reaction gas in contact with the electrode, and one or a plurality of reaction gas return flow path sections are provided. By forming the flow path wall of the book, the flow of the reaction gas can be limited when the reaction gas turns back, so that the reaction gas flow rate can be made uniform, thereby supplying the reaction gas evenly in the MEA electrode surface. can do.

本実施例によれば、固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の反応ガス折り返し流路部の中心付近に流路壁を一本または複数本設け、流路壁によって単一であった反応ガス折り返し流路を複数本形成することで、反応ガス折り返し流路部において、外側を流れ易い反応ガスの流れを制限することで反応ガス流速が均一になり、それに伴いセパレータ全体にも反応ガスを均一に供給することが可能である。 According to this embodiment, one or a plurality of flow channel walls are provided near the center of the reactive gas folded flow channel portion of the solid polymer fuel cell separator 10, and the single reactive gas folded by the flow channel wall is provided. By forming a plurality of flow paths, the flow rate of the reaction gas that tends to flow outside is limited in the reaction gas return flow path section, so that the reaction gas flow velocity becomes uniform, and accordingly the reaction gas is evenly distributed throughout the separator. It is possible to supply.

また、固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の反応ガス折り返し流路部に反応ガス折り返し流路部流路壁２１と、反応ガス折り返し流路部突起部２２とを形成することで、折り返し流路部を流れる反応ガスを拡散して反応ガスの流れる向きを変更することにより、反応ガス流速を均一にすることが可能である。またＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly；高分子電解質膜に触媒を担持した電極を塗布，接着もしくは印刷したもの）を補強することを目的としたトンネル構造とする際、複数の反応ガス折り返し流路部突起部２２を反応ガス折り返し流路部に形成することでＭＥＡを補強することが容易となる。 Further, the reaction gas return channel portion channel wall 21 and the reaction gas return channel portion protrusion 22 are formed in the reaction gas return channel portion of the solid polymer fuel cell separator 10, thereby providing the return channel. It is possible to make the reaction gas flow rate uniform by diffusing the reaction gas flowing through the section and changing the flow direction of the reaction gas. In addition, when a tunnel structure is intended to reinforce MEA (Membrane Electrode Assembly; coated, bonded or printed electrodes carrying a catalyst on a polymer electrolyte membrane), a plurality of reaction gas return channel projections It becomes easy to reinforce the MEA by forming 22 in the reaction gas return flow path section.

（実施例２）
本セパレータを用いて発電試験をするためにＭＥＡ５３にはジャパンゴアテックス社のＧＯＲＥＳＥＬＥＣＴ III ＰＲＩＭＥＡ５５６１、ガス拡散層５１には同社製
ＣＡＲＢＥＬ−ＣＬを用いた。セパレータ１０のセパレータ基板７２はステンレス鋼製で中央部にプレス加工により両面に凹凸を有する構造となっている。プレス寸法は１１６×１１７mmでＭＥＡ５３の電極サイズもこれに合わせて造られている。 (Example 2)
In order to perform a power generation test using this separator, GORE SELECT III PRIMEA5561 manufactured by Japan Gore-Tex was used for MEA53, and CARBEL-CL manufactured by the same company was used for gas diffusion layer 51. The separator substrate 72 of the separator 10 is made of stainless steel, and has a structure having irregularities on both sides by pressing at the center. The press size is 116 × 117 mm, and the electrode size of MEA 53 is also made accordingly.

図３に示すように前記セパレータ基板７２の両面には打ち抜き加工により製作された
ＰＰＳ製のフレーム７１Ａ及びフレーム７２Ｂが液状ガスケット等の接着剤で面接され、一組のセパレータ１０を形成している。 As shown in FIG. 3, a PPS frame 71A and a frame 72B manufactured by punching are in contact with both surfaces of the separator substrate 72 with an adhesive such as a liquid gasket to form a set of separators 10.

また、ここで図２に示すフレーム５４は図３のフレーム７１Ａ及びフレーム７１Ｂのどちらかを示す。 Further, the frame 54 shown in FIG. 2 here indicates either the frame 71A or the frame 71B of FIG.

図６に示すのは実施例２の燃料電池の構成部材とその配置図である。まず、中心には
ＭＥＡ５３を配置し、ＭＥＡの電極部分を覆うようにガス拡散層５１で挟持する。ここでガス拡散層５１とはＭＥＡ電極部分に均一に反応ガスを供給する多孔質層を有している。更にそのＭＥＡ５３とガス拡散層５１を覆うような状態でセパレータ１０を配置する。この状態を単セルと呼ぶ。 FIG. 6 shows the components of the fuel cell according to the second embodiment and its layout. First, the MEA 53 is disposed at the center, and is sandwiched between the gas diffusion layers 51 so as to cover the MEA electrode portions. Here, the gas diffusion layer 51 has a porous layer that uniformly supplies the reaction gas to the MEA electrode portion. Further, the separator 10 is disposed so as to cover the MEA 53 and the gas diffusion layer 51. This state is called a single cell.

単セルを挟持する形で集電板８３を両側に配置する。集電板とは燃料電池が発電する際に実際に発電した電気エネルギーを取り出す端子を意味する。材質は銅板を金メッキしたものを使用する。また、この集電板には反応ガス及び冷却水が流れる貫通穴が存在する。 Current collector plates 83 are arranged on both sides so as to sandwich the single cell. The current collector plate means a terminal for extracting electric energy actually generated when the fuel cell generates power. The material used is a gold plated copper plate. Further, the current collector plate has a through hole through which the reaction gas and the cooling water flow.

端板８１には燃料ガス供給口８０とボルトが通る貫通穴が存在する。ボルトを端板８１同士の間に通した後、片側の端板にコイルバネなどのバネ材を用いて全体的に均一に面圧をかけるように締める。このときＭＥＡには１ＭＰａの面圧がかかるように設定する。 The end plate 81 has a through hole through which the fuel gas supply port 80 and the bolt pass. After the bolt is passed between the end plates 81, the end plate on one side is tightened so as to apply a uniform surface pressure using a spring material such as a coil spring. At this time, the MEA is set so that a surface pressure of 1 MPa is applied.

端板８１及びボルトには機械強度などが必要なため金属を使用する。そのため、このままでは燃料電池のアノード電極とカソード電極が短絡してしまうため、絶縁をする必要がある。そこで集電板８３と端板８１に間に絶縁板８２を配置する。ここで絶縁板８２は絶縁性のある材料をもちいなければならず、例えばＰＴＦＥなどを用いることでアノード電極とカソード電極の絶縁を確保することができる。 Since the end plate 81 and the bolts require mechanical strength, metal is used. Therefore, since the anode electrode and the cathode electrode of the fuel cell are short-circuited as they are, it is necessary to insulate them. Therefore, an insulating plate 82 is disposed between the current collector plate 83 and the end plate 81. Here, the insulating plate 82 must use an insulating material. For example, the insulation between the anode electrode and the cathode electrode can be ensured by using PTFE or the like.

以上に述べた構成のなかでセパレータ１０には腐食防止及び酸化皮膜成長抑制のための炭素粉と樹脂バインダから構成されている導電性塗料を塗布している。塗布方法はスクリーン印刷，転写コート，スプレーコートなど、各所の方法で塗布が可能であるが、ここでは塗布膜厚の制御が容易なスクリーン印刷によりセパレータ基板７２の凹凸面の頂点に塗布している。 In the configuration described above, the separator 10 is coated with a conductive paint composed of carbon powder and a resin binder for preventing corrosion and suppressing oxide film growth. The coating method can be applied by various methods such as screen printing, transfer coating, spray coating, etc., but here, the coating is applied to the apex of the uneven surface of the separator substrate 72 by screen printing with easy control of the coating film thickness. .

このように構成されている燃料電池の反応ガス供給口に燃料ガスと酸化剤ガスを供給して、電池特性を調べるために、市販の電子負荷器に接続して、電流と電圧の関係を測定した。 Supply fuel gas and oxidant gas to the reaction gas supply port of the fuel cell configured in this way, and connect to a commercially available electronic load device to measure the battery characteristics and measure the relationship between current and voltage did.

燃料ガスとして１００％の水素，酸化剤ガスとして空気を選び、それぞれの利用率を水素利用率７０％および酸素利用率４０％とし、燃料電池温度を７０℃，供給反応ガスの露点を７０℃に制御して発電を実施した。その結果を図４の示す。 Select 100% hydrogen as the fuel gas and air as the oxidant gas, set the utilization rate to 70% hydrogen utilization rate and 40% oxygen utilization rate, the fuel cell temperature to 70 ° C, and the dew point of the supplied reaction gas to 70 ° C Power generation was performed under control. The result is shown in FIG.

ここで従来構造とは図１に示すセパレータ１０から反応ガス折り返し流路部流路壁２１を取り除いた構造である。 Here, the conventional structure is a structure in which the reaction gas return flow path section flow path wall 21 is removed from the separator 10 shown in FIG.

図４に本構造と従来構造を比較したＩ−Ｖ特性曲線を示す。図４より、従来構造に比べて、本構造のセル電圧は１Ａ／cm² の場合で約４０ｍＶ程度高く、この結果より本構造のように反応ガス折り返し流路部流路壁を設けることで燃料電池の出力性能が向上するため、本構造の優位性が確認できる。 FIG. 4 shows an IV characteristic curve comparing this structure with the conventional structure. As shown in FIG. 4, the cell voltage of this structure is higher by about 40 mV in the case of 1 A / cm ² than the conventional structure. Since the output performance of the battery is improved, the superiority of this structure can be confirmed.

（実施例３）
図５は本発明の第３実施例を示す。図５のように反応ガス折り返し流路部の流路壁の形状を反応ガス折り返し流路部流路壁（Ｕ字型）２５のようにＵ字型のように角が丸い構造でも用いることが可能であり、本発明において反応ガス折り返し流路部の流路壁の形状を限定することなく本質的に合致すれば如何なる形状でも用いることができる。 (Example 3)
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the shape of the flow path wall of the reaction gas return flow path portion may be used even in a structure with rounded corners such as a U shape such as the reaction gas return flow path portion flow path wall (U shape) 25. In the present invention, any shape can be used as long as it essentially matches without limiting the shape of the flow path wall of the reaction gas return flow path section.

図５のように流路壁角部を丸い構造とすることで、反応ガス折り返し流路部において、コの字構造を形成した場合よりも反応ガス流速が減速するのを低減することができる。 By making the channel wall corners round as shown in FIG. 5, it is possible to reduce the reaction gas flow velocity from decelerating more than when a U-shaped structure is formed in the reaction gas folded channel portion.

実施例のセパレータ１０では、反応ガス折り返し流路部に複数の正方形型の反応ガス折り返し流路部突起部２２を形成しているが、この構造は断面が正方形型以外にも長方形型や円形型，楕円形型，その他の形状を有する突起部を形成するものでも構わない。 In the separator 10 of the embodiment, a plurality of square-shaped reaction gas folded flow path protrusions 22 are formed in the reaction gas folded flow path, but this structure has a rectangular or circular shape in cross section other than the square shape. , An elliptical shape, or other projections having other shapes may be used.

実施例のセパレータ１０の材料は金属プレス板と樹脂フレームを貼り合せた構造であり、反応ガス折り返し流路部はトンネル構造となっているが、本発明はこの構造に限定したものではなく、例えばセパレータ１０を炭素材料を用いて、切削加工などで作製しても効果は変わらない。 The material of the separator 10 of the embodiment has a structure in which a metal press plate and a resin frame are bonded together, and the reaction gas return flow path portion has a tunnel structure, but the present invention is not limited to this structure. Even if the separator 10 is made of a carbon material by cutting or the like, the effect is not changed.

実施例のセパレータ基板７２に金属プレス板を用いているが、材料に関しては金属，炭素、いずれの材料であっても本発明に適用できるが、特にセパレータ基板７２を金属とした場合の効果は大きい。 Although a metal press plate is used for the separator substrate 72 of the embodiment, any material such as metal and carbon can be applied to the present invention, but the effect is particularly great when the separator substrate 72 is made of metal. .

以上、本発明について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨に逸脱しない範囲において様々な形態で実施可能である。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using the Example, this invention is not limited to such an Example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it can implement with a various form.

本発明の一実施例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の概略図である。It is the schematic of the separator 10 for polymer electrolyte fuel cells which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である燃料電池積層断面図の構成図である。It is a block diagram of the fuel cell lamination | stacking sectional view which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である固体高分子形燃料電池用セパレータ１０の構成図である。It is a block diagram of the separator 10 for polymer electrolyte fuel cells which is one Example of this invention. 本発明の一実施例であるＩ−Ｖ曲線を示すＩ−Ｖ特性概略図である。It is IV characteristic schematic which shows the IV curve which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である燃料電池用セパレータのバリエーションである。It is a variation of the separator for fuel cells which is one Example of this invention. 本発明の一実施例である燃料電池の構成部材と配置図である。It is a structural member and arrangement | positioning figure of the fuel cell which is one Example of this invention. トンネル構造の説明図である。It is explanatory drawing of a tunnel structure.

符号の説明Explanation of symbols

１０…固体高分子形燃料電池用セパレータ、１１…酸化剤ガス排出マニホールド、１２…冷却水供給マニホールド、１３…燃料ガス排出マニホールド、１４…燃料ガス供給マニホールド、１５…冷却水排出マニホールド、１６…酸化剤ガス供給マニホールド、２１…反応ガス折り返し流路部流路壁、２２…反応ガス折り返し流路部突起部、２３…ガスショートカット防止用突起物部、２５…反応ガス折り返し流路部流路壁（Ｕ字型）、３１…反応ガス流路リブ、３２…反応ガス流路部、５１…ガス拡散層、５２，７２…セパレータ基板、５３…ＭＥＡ(Membrane Electrode Assembly) 、５４，７１Ａ，７２Ｂ…フレーム、５５…酸化剤ガス通路、５６…燃料ガス通路、５７…冷却水流通路、８０…燃料ガス供給口、８１…端板、８２…絶縁板、８３…集電板。

DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Separator for polymer electrolyte fuel cells, 11 ... Oxidant gas discharge manifold, 12 ... Cooling water supply manifold, 13 ... Fuel gas discharge manifold, 14 ... Fuel gas supply manifold, 15 ... Cooling water discharge manifold, 16 ... Oxidation Agent gas supply manifold, 21... Reaction gas return flow path section flow path wall, 22... Reaction gas return flow path section protrusion, 23. (U-shaped), 31 ... reactive gas flow path rib, 32 ... reactive gas flow path part, 51 ... gas diffusion layer, 52,72 ... separator substrate, 53 ... MEA (Membrane Electrode Assembly), 54,71A, 72B ... frame 55 ... oxidant gas passage, 56 ... fuel gas passage, 57 ... cooling water flow passage, 80 ... fuel gas supply port, 81 ... end plate, 82 ... insulating plate, 83 ... collection Plate.

Claims

複数の流路溝を有する複数の流路溝ブロックと、前記流路溝ブロックと隣接する流路溝ブロックとを直列に接続する反応ガス折り返し流路部とを有し、前記反応ガス折り返し流路部は、前記流路溝ブロックが有する流路溝よりも少ない流路溝を有することを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。 A plurality of flow path groove blocks having a plurality of flow path grooves, and a reaction gas return flow path portion for connecting the flow path groove block and a flow path groove block adjacent to the flow path groove block in series, the reaction gas return flow path The part has a smaller number of channel grooves than the channel grooves of the channel groove block.

前記折り返し流路部の流路溝に一つまたは複数個の突起部を形成することを特徴とした請求項１記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。 2. The separator for a polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein one or a plurality of protrusions are formed in the channel groove of the folded channel portion.

反応ガス供給マニホールドから導入された反応ガスが前記流路ブロック及び反応ガス折り返し部を経て反応ガス排出マニホールドから排出されることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形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 reaction gas introduced from the reaction gas supply manifold is discharged from the reaction gas discharge manifold through the flow path block and the reaction gas turn-back portion.

反応ガス供給マニホールドから、反応ガスマニホールドにかけて前記反応ガス折り返し流路部を通る毎にガス流路断面積を減少することを特徴とする固体高分子形燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell, wherein the cross-sectional area of the gas flow path is reduced every time the reaction gas return flow passage section is passed from the reaction gas supply manifold to the reaction gas manifold.

前記流路溝を形成する流路壁と前記反応ガス折り返し部の流路溝を形成する流路壁との最短距離が０.５mm 以下であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池用セパレータ。 2. The solid polymer according to claim 1, wherein the shortest distance between the flow path wall forming the flow path groove and the flow path wall forming the flow path groove of the reaction gas turn-back portion is 0.5 mm or less. Fuel cell separator.

請求項１記載の固体高分子形燃料電池用セパレータであって、前記反応ガス折り返し流路部の流路溝が２つのであり、それぞれの反応ガス流路を内周流路，外周流路とした場合、前記内周流路を通ってきた反応ガスは次に折り返す際には全て外周流路に流れるように前記反応ガス折り返し流路の流路壁を配置することを特徴とする固体高分子形燃料電池用セパレータ。 2. The polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1, wherein the reaction gas return channel portion has two channel grooves, and each of the reaction gas channels serves as an inner circumferential channel and an outer circumferential channel. The polymer gas fuel cell is characterized in that a flow path wall of the reaction gas return flow path is arranged so that all of the reaction gas that has passed through the inner flow path flows to the outer flow path when it is turned back next time. Separator.

高分子電解質膜の両面に触媒を担持した電極を形成させた膜／電極接合体と請求項１記載の固体高分子型燃料電池セパレータとを積層したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 2. A polymer electrolyte fuel cell comprising a membrane / electrode assembly in which electrodes carrying a catalyst are formed on both sides of a polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte fuel cell separator according to claim 1.