JP2005216537A

JP2005216537A - Metal separator for fuel cell

Info

Publication number: JP2005216537A
Application number: JP2004018891A
Authority: JP
Inventors: Toshikatsu Hayashi; 利勝林; Koretomo Ko; 云智高; Akira Kunimoto; 晃国元; Susumu Aoyama; 進青山
Original assignee: Riken Corp
Current assignee: Riken Corp
Priority date: 2004-01-27
Filing date: 2004-01-27
Publication date: 2005-08-11

Abstract

【課題】塑性加工による変形や成形不良がなく、スタックしたときのガスのシール性に優れた燃料電池用セパレータを提供する。
【解決手段】凸部３及び凹部５からなる複数の並列する通気溝が形成された反応ガス流路２と、反応ガス流路２に接続する反応ガス出入口４,８とから構成されるガス流路部１を有し、ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成されている燃料電池用金属セパレータ。
【選択図】図１
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator for a fuel cell which is free from deformation or molding failure due to plastic working and has excellent gas sealing properties when stacked.
SOLUTION: A gas flow comprising a reaction gas flow path 2 in which a plurality of parallel ventilation grooves formed of a convex part 3 and a concave part 5 are formed, and reaction gas inlets 4 and 8 connected to the reaction gas flow path 2. A metal separator for a fuel cell that has a passage portion 1 and has a first outer groove A formed around the gas passage portion 1.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は燃料電池用金属セパレータに関し、特に自動車の動力用車載燃料電池に使用することが可能な燃料電池用金属セパレータに関する。 The present invention relates to a metal separator for a fuel cell, and more particularly to a metal separator for a fuel cell that can be used in an in-vehicle fuel cell for automobile power.

燃料電池は燃料から電気へのエネルギー変換効率が高く、有害物質を排出しないため、次世代の発電装置として注目されている。特に、150℃以下の温度領域で作動する高分子イオン交換膜型燃料電池は盛んに研究されており、数年後の実用化が見込まれている。この燃料電池は比較的低い温度で作動でき、発電の出力密度が高く、小型化が可能であるため家庭用や車載用の燃料電池として適している。 Fuel cells are attracting attention as next-generation power generation devices because they have high energy conversion efficiency from fuel to electricity and do not emit harmful substances. In particular, polymer ion exchange membrane fuel cells that operate in a temperature range of 150 ° C. or less have been actively researched and are expected to be put into practical use after several years. This fuel cell can be operated at a relatively low temperature, has a high output density of power generation, and can be downsized. Therefore, the fuel cell is suitable as a fuel cell for home and vehicle use.

高分子イオン交換膜型燃料電池は、通常固体電解質膜の両面に燃料電極及び酸素電極（空気電極）を固定して単電池（セル）を形成し、これを燃料ガスと酸化剤ガス（酸素又は空気）を供給する通気溝を設けた板状セパレータを介して積層することにより構成される。固体電解質膜としてはスルホン酸基を有するフッ素樹脂系イオン交換膜等が用いられ、電極はカーボンブラックに撥水材（PTFE）と貴金属微粒子触媒を分散したもの等により形成される。水素−酸素燃料電池が作動する際には、水素ガスが酸化されて生じたプロトンが電解質膜中を正極側に移動する。正極側では通気溝から供給された酸素と、水素の酸化反応により発生した電子と、電解質中のプロトンとが結合し水となる。これらの反応過程を継続することにより電気エネルギーを連続的に取り出すことができる。 In a polymer ion exchange membrane fuel cell, a fuel cell and an oxygen electrode (air electrode) are usually fixed on both sides of a solid electrolyte membrane to form a single cell (cell), which is composed of a fuel gas and an oxidant gas (oxygen or oxygen). It is configured by laminating via a plate-like separator provided with a ventilation groove for supplying (air). As the solid electrolyte membrane, a fluororesin ion exchange membrane having a sulfonic acid group is used, and the electrode is formed of carbon black dispersed with a water repellent (PTFE) and a noble metal fine particle catalyst. When the hydrogen-oxygen fuel cell operates, protons generated by oxidizing the hydrogen gas move in the electrolyte membrane to the positive electrode side. On the positive electrode side, oxygen supplied from the ventilation groove, electrons generated by the oxidation reaction of hydrogen, and protons in the electrolyte are combined to form water. Electric energy can be continuously taken out by continuing these reaction processes.

従来の燃料電池用セパレータの多くは黒鉛板を機械加工したものである。黒鉛セパレータは電気抵抗が低く耐食性に優れる反面、機械強度が低く加工コストが高い。これに対して、金属セパレータは高い気密性及び機械強度を有し、加工コストを低減できる。例えば、プレス成形により容易に反応ガス流路を形成でき、生産性が高い。しかしながら、プレス成形の際に金属の展延により外形が変形してしまったり、材料が流れて十分に圧力がかからず、流路等を形成する凸部（以下「リブ」ともいう。）の一部が成形不良となる等の問題が生じる。このような問題は、燃料電池を組み付けたときに電極との接触不良が生じたり、反応ガスの流速が安定しなくなる等の発電性能を低下させる原因となる。 Many conventional fuel cell separators are obtained by machining a graphite plate. A graphite separator has low electrical resistance and excellent corrosion resistance, but has low mechanical strength and high processing cost. On the other hand, a metal separator has high airtightness and mechanical strength, and can reduce processing costs. For example, the reaction gas channel can be easily formed by press molding, and the productivity is high. However, the outer shape is deformed by the spreading of the metal during press forming, or the material flows and the pressure is not sufficiently applied, and convex portions (hereinafter also referred to as “ribs”) that form flow paths and the like. There arises a problem that a part becomes defective in molding. Such problems cause poor power generation performance such as poor contact with the electrode when the fuel cell is assembled, and the flow rate of the reaction gas becomes unstable.

特開2000-285934号（特許文献１）はスリットを設けたセパレータを開示している。しかし、このスリットはセパレータ（金属板）の反りや歪みを防止することはできても、プレス成形する際の展延による材料の逃げを防止し、成形性を高める効果はない。また特開2002-175818号（特許文献２）は縁部にリブ（片面側に突出し、他面側は溝の凸条）が形成されている燃料電池用セパレータを開示している。しかし、このリブは縁部の剛性を高め、反りの発生を抑制する効果はあっても、プレス成形する際の展延による材料の逃げを防止し、成形性を向上させる効果はない。 Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-285934 (Patent Document 1) discloses a separator provided with a slit. However, even though this slit can prevent warping and distortion of the separator (metal plate), it prevents the material from escaping due to spreading during press molding, and has no effect of improving formability. Japanese Patent Laid-Open No. 2002-175818 (Patent Document 2) discloses a fuel cell separator having ribs (projecting on one side and projecting grooves on the other side) on the edge. However, although this rib has the effect of increasing the rigidity of the edge and suppressing the occurrence of warpage, it does not have the effect of preventing material escape due to spreading during press molding and improving moldability.

燃料電池用セパレータを積層し燃料電池スタックを構成する際にガスが外部に漏れないようにしたり、他極側のガスと混合しないようにする必要がある。特に水素ガスは爆発する危険があるので注意が必要である。このため、特開平11-354142号（特許文献３）等はセパレータの間にパッキン等を挟んだり、締め付けたりして密着させ、シールする方法を開示している。しかしながら、パッキンでシールする場合はパッキンを挿入できる構造にするためセパレータの形状が複雑になる。また十分な密着性を得るには高い平坦度と寸法精度が要求され、後加工等が必要になるためコストアップとなる。 When stacking fuel cell separators to form a fuel cell stack, it is necessary to prevent gas from leaking to the outside or to mix with gas on the other electrode side. In particular, hydrogen gas has a danger of explosion, so care must be taken. For this reason, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-354142 (Patent Document 3) and the like disclose a method of sealing by sandwiching packing or the like between separators, or by tightly attaching them. However, in the case of sealing with packing, the shape of the separator becomes complicated because the packing can be inserted. Moreover, high flatness and dimensional accuracy are required to obtain sufficient adhesion, and post-processing and the like are required, resulting in an increase in cost.

特開2000-285934号公報JP 2000-285934 A 特開2002-175818号公報JP 2002-175818 特開平11-354142号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-354142

従って本発明の目的は、塑性加工による変形や成形不良がなく、スタックしたときのガスシール性に優れた燃料電池用セパレータを提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell separator that is free from deformation and molding defects due to plastic working and has excellent gas sealing properties when stacked.

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、(a) セパレータのガス流路部の周囲に反応ガス流路と独立した外溝を設けること、(b) 燃料電極側の酸化剤ガス出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス出入口の周囲に外溝を設けること、(c) セパレータの外周に沿って独立した外溝を設けること、(d) セパレータの表裏を同じパターンにするか、一方の面のパターンを他方の面を90°回転させたときのパターンと鏡像となるようにすることにより、セパレータを成形する際の展延による材料の逃げを防ぎ、材料の充填効果を高め、塑性加工による流路の成形性を大幅に向上できることを発見し、本発明に想到した。 As a result of diligent research in view of the above object, the present inventors have: (a) providing an outer groove independent of the reaction gas channel around the gas channel part of the separator; and (b) an oxidant gas on the fuel electrode side. Provide outer grooves around the inlet / outlet and around the fuel gas inlet / outlet on the oxygen electrode side, (c) Provide independent outer grooves along the outer periphery of the separator, (d) Make the front and back of the separator the same pattern, By making the pattern on one side a mirror image with the pattern when the other side is rotated by 90 °, the escape of the material due to spreading when molding the separator is prevented, and the filling effect of the material is enhanced. The present inventors have found that the moldability of the flow path by plastic working can be greatly improved, and have arrived at the present invention.

すなわち、凸部及び凹部からなる複数の並列する通気溝が形成された反応ガス流路と、前記反応ガス流路に接続する反応ガス出入口とから構成されるガス流路部を有する燃料電池用金属セパレータにおいて、前記ガス流路部の周囲に第１の外溝が形成されていることを特徴とする。 That is, a metal for a fuel cell having a gas flow path portion formed of a reaction gas flow path formed with a plurality of parallel ventilation grooves including a convex portion and a concave portion, and a reaction gas inlet / outlet connected to the reaction gas flow channel The separator is characterized in that a first outer groove is formed around the gas flow path portion.

前記第１の外溝は前記ガス流路部に接して形成されているのが好ましい。燃料電池用金属セパレータに形成されている第１の外溝は、複数の並列する通気溝からなる反応ガス流路と反応ガスの出入口とから構成されるガス流路部を囲む外溝であり、反応ガス流路とは独立した溝（ダミー溝）である。プレス成形で反応ガス流路を形成する際にこの外溝を同時に成形することにより材料の展延が止められ、材料の逃げによる成形不良を防ぐことができる。外溝が形成されていない従来のセパレータでは、成形時に材料が流れて金型への材料の充填が不足する。特に最外周のリブは十分な形状が得られない、所定の高さに成形できない等の成形不良が生じる。外溝は通気溝と同等以上の深さであるのが好ましい。また外溝にシール材を流し込んだりパッキンを挿入することにより、セパレータのガスシール性を容易に確保することができる。 The first outer groove is preferably formed in contact with the gas flow path portion. The first outer groove formed in the metal separator for a fuel cell is an outer groove surrounding a gas flow path portion composed of a reaction gas flow path composed of a plurality of parallel ventilation grooves and a reaction gas inlet / outlet port, It is a groove (dummy groove) independent of the reaction gas channel. By forming the outer groove at the same time when forming the reaction gas flow path by press molding, the material is prevented from spreading and the molding failure due to the escape of the material can be prevented. In the conventional separator in which the outer groove is not formed, the material flows at the time of molding and the material is insufficiently filled in the mold. In particular, the outermost peripheral rib has a molding failure such that a sufficient shape cannot be obtained or a predetermined height cannot be formed. The outer groove is preferably at least as deep as the ventilation groove. Moreover, the gas sealing performance of the separator can be easily ensured by pouring a sealing material into the outer groove or inserting a packing.

一方の面に燃料ガス流路と前記燃料ガス流路に接続する燃料ガス出入口とから構成される燃料ガスのガス流路部が形成され、他方の面に酸化剤ガス流路と前記酸化剤ガス流路に接続する酸化剤ガス出入口とから構成される酸化剤ガスのガス流路部が形成されている燃料電池用金属セパレータの場合、前記ガス流路部のパターンは両面が同じパターン、又は一方の面のパターンと他方の面を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されているのが好ましい。ガス流路部が上記のパターンとなるようにセパレータを両面から同時にプレスすることにより、押された材料の逃げ場がなくなり金型内への充填効果が高くなる。このため成形性をより向上させることができる。 A gas channel portion of a fuel gas is formed on one surface, which is composed of a fuel gas channel and a fuel gas inlet / outlet connected to the fuel gas channel, and the oxidant gas channel and the oxidant gas are formed on the other surface. In the case of a metal separator for a fuel cell in which a gas flow path portion of an oxidant gas composed of an oxidant gas inlet / outlet connected to the flow path is formed, the pattern of the gas flow path portion is the same pattern on both sides or one side It is preferable that the pattern of this surface and the pattern when the other surface is rotated by 90 ° are mirror images. By simultaneously pressing the separator from both sides so that the gas flow path portion has the above pattern, there is no escape of the pressed material and the filling effect into the mold is enhanced. For this reason, a moldability can be improved more.

燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口が前記燃料ガスのガス流路部と独立して形成され、酸素電極側の前記燃料ガス出入口が前記酸化剤ガスのガス流路部と独立して形成されている場合、他極側の反応ガス出入口の周囲、すなわち前記燃料電極側の前記酸化剤ガス出入口の周囲及び前記酸素電極側の前記燃料ガス出入口の周囲に第２の外溝が形成されているのが好ましい。セパレータの表裏両面に反応ガス流路を形成する場合、燃料ガスの出入口は燃料電極側のガス流路部内に配置され、酸化剤ガスの出入口は酸素電極側のガス流路部内に配置される。このように、各反応ガスの出入口付近の成形は片面のみの成形となるため材料が逃げやすく、その部分において成形不良が生じやすい。これを防ぐため、他極側の反応ガスの出入口の周囲にも流路の形状をかたどった外溝（ダミー溝）を設ける。これにより、ガス流路部と同様に良好に成形することができる。 The oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side is formed independently of the gas flow path part of the fuel gas, and the fuel gas inlet / outlet of the oxygen electrode side is formed independently of the gas flow path part of the oxidant gas. The second outer groove is formed around the reaction gas inlet / outlet on the other electrode side, that is, around the oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side and around the fuel gas inlet / outlet on the oxygen electrode side. Is preferred. When the reaction gas flow paths are formed on both the front and back surfaces of the separator, the fuel gas inlet / outlet is disposed in the fuel electrode side gas flow path, and the oxidant gas inlet / outlet is disposed in the oxygen electrode side gas flow path. As described above, the molding in the vicinity of the inlet / outlet of each reactive gas is a molding on one side only, so that the material easily escapes, and molding defects are likely to occur in that portion. In order to prevent this, an outer groove (dummy groove) having a flow path shape is also provided around the reactive gas inlet / outlet on the other electrode side. Thereby, it can shape | mold favorably similarly to a gas flow path part.

セパレータの外周に沿って独立した第３の外溝が形成されているのが好ましい。反応ガス流路とセパレータ（金属板）の端部との距離が短い流路パターンの場合、プレス成形した際の展延によってセパレータの端部が変形し、場合によっては端部が肉薄となって切れてしまうことがある。セパレータの外周に沿って形成された外溝（ダミー溝）は、このような端部の変形を防止し、反応ガス流路の成形性を向上させる。さらに、シール材を流し込んだりパッキンを挿入することにより、ガスシールのための溝としても利用することができる。 It is preferable that an independent third outer groove is formed along the outer periphery of the separator. In the case of a flow path pattern in which the distance between the reaction gas flow path and the end of the separator (metal plate) is short, the end of the separator is deformed due to the spread during press molding, and in some cases the end is thin. It may be cut. The outer groove (dummy groove) formed along the outer periphery of the separator prevents such deformation of the end portion and improves the formability of the reaction gas channel. Furthermore, it can be used as a groove for gas sealing by pouring a sealing material or inserting a packing.

燃料電池用金属セパレータの外周部には、膜・電極接合体の厚さの半分に相当する高さの段差部が設けられているのが好ましい。これにより、セパレータにより膜・電極接合体を挟んでセルを形成するときに、樹脂等からなるスペーサを設置することなく、燃料電池をシールすることができる。 Preferably, a step portion having a height corresponding to half the thickness of the membrane / electrode assembly is provided on the outer peripheral portion of the metal separator for a fuel cell. Thereby, when the cell is formed with the membrane / electrode assembly sandwiched between the separators, the fuel cell can be sealed without installing a spacer made of resin or the like.

本発明の燃料電池用金属セパレータは、ガス流路部の周囲に第１の外溝を有するので塑性加工による流路の成形性に優れている。また他極側の反応ガス出入口の周囲に第２の外溝を形成することにより反応ガス出入口付近の成形性を向上させることができる。さらに、セパレータの外周部に第３の外溝を形成することによりセパレータ端部の変形を防止することができる。これらの外溝が形成されたセパレータを用いることにより発電効率やガスシール性の高い燃料電池を得ることができる。 The metal separator for a fuel cell according to the present invention has the first outer groove around the gas flow path portion, and therefore has excellent flow path moldability by plastic working. Further, by forming the second outer groove around the reactive gas inlet / outlet on the other electrode side, the moldability in the vicinity of the reactive gas inlet / outlet can be improved. Furthermore, it is possible to prevent deformation of the separator end by forming the third outer groove on the outer periphery of the separator. By using the separator in which these outer grooves are formed, a fuel cell with high power generation efficiency and high gas sealing properties can be obtained.

[1] 基材
本発明の燃料電池用金属セパレータに用いる好ましい金属材料としては、チタン、クロム、ジルコニウム、ハフニウム、タンタル、鉄、ニッケル、銅、アルミニウム、ニオブ、バナジウム、これらの合金等が挙げられる。中でも軽量かつ成形性に優れるアルミニウム又はアルミニウム合金、耐食性に優れるステンレス鋼（SUS316等）等がより好ましい。アルミニウム又はアルミニウム合金を用いる場合には、耐食性を向上させるため、通常メッキ等により耐食性被膜を形成する。高純度のアルミニウムは比較的ピンホールができにくいため、アルミニウムの純度は99.5％以上が好ましく、99.9％以上がより好ましい。また燃料電池用金属セパレータの板厚は、流路の設計上１〜４mmが好ましく、1.5〜３mmがより好ましい。 [1] Substrate Preferred metal materials for use in the fuel cell metal separator of the present invention include titanium, chromium, zirconium, hafnium, tantalum, iron, nickel, copper, aluminum, niobium, vanadium, and alloys thereof. . Among these, aluminum or aluminum alloy that is lightweight and excellent in formability, stainless steel (such as SUS316) that is excellent in corrosion resistance, and the like are more preferable. When aluminum or an aluminum alloy is used, a corrosion resistant film is usually formed by plating or the like in order to improve the corrosion resistance. Since high-purity aluminum is relatively difficult to make pinholes, the purity of aluminum is preferably 99.5% or more, and more preferably 99.9% or more. Further, the plate thickness of the fuel cell metal separator is preferably 1 to 4 mm, more preferably 1.5 to 3 mm in view of the flow path design.

[2] 耐食被膜
燃料電池用セパレータの電極又は集電体（以下「電極等」と記す。）との接触面（電気伝導面）に導電性の耐食被膜を形成するのが好ましい。導電性の耐食被膜を燃料電池セパレータの全面に被覆してもよいし、電極等との接触面のみに導電性の耐食被膜を被覆し、通気溝表面には化学的又は物理的に安定な耐食被膜を被覆してもよい。後者の場合、通気溝表面を覆う耐食被膜は導電性である必要はなく、例えば高分子耐食被膜とすることもできる。 [2] Corrosion-resistant coating It is preferable to form a conductive corrosion-resistant coating on the contact surface (electrically conductive surface) of the fuel cell separator with the electrode or current collector (hereinafter referred to as “electrode or the like”). A conductive corrosion-resistant film may be coated on the entire surface of the fuel cell separator, or a conductive corrosion-resistant film may be coated only on the contact surface with the electrode, etc., and the surface of the ventilation groove is chemically or physically stable. A coating may be applied. In the latter case, the corrosion-resistant film covering the surface of the ventilation groove does not need to be conductive, and can be a polymer corrosion-resistant film, for example.

導電性の耐食被膜は、Pt、Au、Pd、Ru、Rh、Ir及びAgからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属、カーボン、又は導電性炭化物を含有するのが好ましい。金属被膜の場合、合金被膜であっても複数の金属被膜からなる多層被膜であってもよい。Au、Ag、Pt、Pd等の貴金属系被膜は、接触抵抗が低く耐食性も極めて良好である。カーボン被膜としてはCVDにより形成された黒鉛膜、DLC膜（ダイヤモンドライクカーボン膜）等が好ましい。また黒鉛粉に撥水剤を添加したものを被覆しても良い。カーボンブラックに微量のPtを添加して電極を形成した場合、カーボン被膜と電極の接触なじみが良好となる。導電性炭化物としては炭化ケイ素、炭化ニオブ、炭化タングステン等が好ましい。炭化物被膜は接触抵抗が小さいのみならず、良好な耐食性及び耐酸化性を有するので、セパレータの保護膜としても有効である。 The conductive corrosion-resistant film preferably contains at least one metal selected from the group consisting of Pt, Au, Pd, Ru, Rh, Ir, and Ag, carbon, or conductive carbide. In the case of a metal film, it may be an alloy film or a multilayer film composed of a plurality of metal films. Precious metal coatings such as Au, Ag, Pt, and Pd have low contact resistance and extremely good corrosion resistance. As the carbon film, a graphite film formed by CVD, a DLC film (diamond-like carbon film), or the like is preferable. Further, graphite powder added with a water repellent may be coated. When an electrode is formed by adding a small amount of Pt to carbon black, the contact familiarity between the carbon coating and the electrode becomes good. As the conductive carbide, silicon carbide, niobium carbide, tungsten carbide and the like are preferable. The carbide coating not only has low contact resistance, but also has good corrosion resistance and oxidation resistance, and is therefore effective as a protective film for the separator.

導電性の耐食被膜を電極等との接触面にのみ形成する場合には、化学蒸着（プラズマCVD、レーザーCVD）、物理蒸着（真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等）、湿式メッキ、塗布（スプレイ、ディップコーティング）等により耐食被膜を形成することができる。一方、導電性の耐食被膜をセパレータの全面に被覆する場合には、入り組んだ通気溝に均一に被膜形成できる湿式メッキ、ディップコーティング等が好ましい。非導電性の耐食被膜を通気溝表面に被覆する場合にも、湿式メッキ、ディップコーティング等が好ましい。この場合、例えば高分子化合物を含有する塗布液を調製し、ディップコーティング等により高分子耐食被膜を形成することができる。耐食被膜の膜厚は0.01〜５μmが好ましい。膜厚が0.01μｍより薄いと膜強度が弱く不安定であり、５μｍより厚いとコストが高くなる。 When forming a conductive corrosion-resistant film only on the contact surface with the electrode, etc., chemical vapor deposition (plasma CVD, laser CVD), physical vapor deposition (vacuum deposition, sputtering, ion plating, etc.), wet plating, coating (spray) Corrosion-resistant film can be formed by dip coating). On the other hand, when a conductive anticorrosive film is coated on the entire surface of the separator, wet plating, dip coating, or the like that can uniformly form a film in an intricate ventilation groove is preferable. Even when a non-conductive corrosion-resistant film is coated on the surface of the ventilation groove, wet plating, dip coating, or the like is preferable. In this case, for example, a coating solution containing a polymer compound can be prepared, and a polymer corrosion-resistant film can be formed by dip coating or the like. The thickness of the corrosion resistant coating is preferably 0.01 to 5 μm. If the film thickness is less than 0.01 μm, the film strength is weak and unstable, and if it is more than 5 μm, the cost increases.

[3] 構造
図１は本発明の一実施例による燃料電池用金属セパレータ10の反応ガス流路パターンを示す平面図であり、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。セパレータ10の中央部の電極等との接触面にはガス流路部１が形成されている。図１(a)に示すように表側（水素極側）のガス流路部１は反応ガス流路２とそれに接続する燃料ガス（水素）出入口４（導入口4aと排出口4b）からなり、反応ガス流路２は凸部（リブ）及び凹部からなる複数の並列する通気溝により形成され、リブ３の頂部は電極等との接触面となっている。反応ガス流路２の両端は燃料ガス（水素）出入口４と接続しており、導入口4aから導入された燃料ガス（水素）は、直線部とUターン部によりセパレータ10の表面を蛇行している反応ガス流路２を通りながら電極面と接触し、燃料電極に燃料ガス（水素）を供給した後排出口4bから排出される。 [3] Structure FIG. 1 is a plan view showing a reaction gas flow path pattern of a metal separator 10 for a fuel cell according to one embodiment of the present invention, where (a) shows the front side (hydrogen electrode side), and (b) shows The back side (oxygen electrode side) is shown. A gas flow path portion 1 is formed on the contact surface of the separator 10 with the center electrode or the like. As shown in FIG. 1 (a), the front side (hydrogen electrode side) gas flow path section 1 is composed of a reaction gas flow path 2 and a fuel gas (hydrogen) inlet / outlet 4 (inlet 4a and outlet 4b) connected thereto. The reaction gas channel 2 is formed by a plurality of parallel ventilation grooves composed of convex portions (ribs) and concave portions, and the top portions of the ribs 3 are contact surfaces with electrodes and the like. Both ends of the reaction gas channel 2 are connected to the fuel gas (hydrogen) inlet / outlet 4, and the fuel gas (hydrogen) introduced from the inlet 4 a meanders the surface of the separator 10 by the straight part and the U-turn part. The fuel gas (hydrogen) is brought into contact with the electrode surface while passing through the reaction gas flow path 2 and is supplied to the fuel electrode, and then discharged from the discharge port 4b.

図１(b)に示すように、裏側（酸素極側）のガス流路部１は反応ガス流路２とそれに接続する酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８（導入口8aと排出口8b）とからなり、反応ガス流路２は凸部（リブ）３及び凹部５からなる複数の並列する通気溝により形成され、リブ３の頂部は電極等との接触面となっている。反応ガス流路２の両端は酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８と接続しており、導入口8aから導入された酸化剤ガス（酸素又は空気）は、直線部とUターン部によりセパレータ10の表面を蛇行している反応ガス流路２を通りながら酸素電極面と接触し、酸素電極に酸化剤ガス（酸素又は空気）を供給した後排出口8bから排出される。セパレータ10の表側及び裏側の四隅には冷却水の出入口９が形成されており、燃料ガス出入口４、酸化剤ガス出入口８及び冷却水出入口９はセルを積層して燃料電池スタックを構成したときにそれぞれ連通孔を形成し、反応ガス、酸化剤ガス及び冷却水の流路となる。 As shown in FIG. 1 (b), the gas flow path portion 1 on the back side (oxygen electrode side) includes a reaction gas flow path 2 and an oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet 8 (inlet 8a and outlet 8b) connected thereto. The reaction gas flow path 2 is formed by a plurality of parallel ventilation grooves composed of convex portions (ribs) 3 and concave portions 5, and the top portions of the ribs 3 are contact surfaces with electrodes and the like. Both ends of the reaction gas flow path 2 are connected to an oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet 8, and the oxidant gas (oxygen or air) introduced from the inlet 8 a is separated by a straight portion and a U-turn portion. The oxygen electrode surface is brought into contact with the oxygen electrode surface while passing through the reaction gas flow path 2 meandering, and after the oxidant gas (oxygen or air) is supplied to the oxygen electrode, it is discharged from the discharge port 8b. Cooling water inlets / outlets 9 are formed at the four corners of the front side and the back side of the separator 10, and the fuel gas inlet / outlet 4, the oxidant gas inlet / outlet 8 and the cooling water inlet / outlet 9 are stacked to form a fuel cell stack. A communication hole is formed in each case, and it becomes a flow path for the reaction gas, the oxidant gas, and the cooling water.

図１(a)、(b)に示すように表側と裏側のガス流路部１のパターンは、一方のガス流路部１のパターンと他方のガス流路部１を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されている。燃料ガス（水素）出入口と酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口は別々に形成されており、セパレータ10の表側では燃料ガス出入口４は反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続しているが、セパレータ10の裏側では燃料ガス出入口４は独立して形成されており反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続していない。同様にセパレータ10の裏側では酸化剤ガス出入口８は反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続しているが、セパレータ10の表側では酸化剤ガス出入口８は独立して形成されており反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続していない。このように、燃料ガス（水素）の出入口は表側（水素極側）の反応ガス流路のみに接続し、水素極のみに水素を供給するように形成されており、酸化剤ガス（酸素又は空気）の出入口は裏側（酸素極側）の反応ガス流路のみに接続し、酸素極のみに酸素又は空気を供給するように形成されている。 As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the pattern of the gas flow path section 1 on the front side and the back side is obtained by rotating the pattern of one gas flow path section 1 and the other gas flow path section 1 by 90 °. The pattern is formed to be a mirror image. The fuel gas (hydrogen) inlet / outlet and the oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet are formed separately, and the fuel gas inlet / outlet 4 is connected to the reaction gas channel (fuel gas channel) 2 on the front side of the separator 10. However, the fuel gas inlet / outlet 4 is formed independently on the back side of the separator 10 and is not connected to the reaction gas channel (oxidant gas channel) 2. Similarly, the oxidant gas inlet / outlet 8 is connected to the reaction gas channel (oxidant gas channel) 2 on the back side of the separator 10, but the oxidant gas inlet / outlet 8 is formed independently on the front side of the separator 10. The reaction gas channel (fuel gas channel) 2 is not connected. Thus, the inlet / outlet of the fuel gas (hydrogen) is connected only to the reaction gas flow path on the front side (hydrogen electrode side), and is formed so as to supply hydrogen only to the hydrogen electrode. ) Is connected to only the reaction gas flow path on the back side (oxygen electrode side), and is configured to supply oxygen or air only to the oxygen electrode.

本発明の燃料電池用金属セパレータ10は、ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成されており、好ましくは他極側の反応ガス出入口（燃料電極側の酸化剤ガス出入口及び酸素電極側の燃料ガス出入口）の周囲に第２の外溝B、及びセパレータ10の外周部に第３の外溝Cが形成されている。図１に示すように、外溝Aはガス流路部に接して形成されているのが好ましい。また燃料電極（水素極）側の酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス（水素）出入口の周囲にそれぞれリブ７と第２の外溝Bからなるダミーパターンが形成されているのが好ましい。これらの外溝A〜Cは流路と独立して形成され、流路として機能しないダミー溝であるが、外溝によりプレス成形する際の材料の展延が止められ、成形不良を防止することができる。これらの外溝が形成されていないと、材料が流れて金型への充填が不足する可能性がある。特に、最外周のリブは十分な形状が得られないか、所定の高さに成形できないこともある。 The metal separator 10 for a fuel cell according to the present invention has a first outer groove A formed around the gas flow path portion 1, preferably a reaction gas inlet / outlet on the other electrode side (an oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side and A second outer groove B is formed around the fuel electrode inlet / outlet on the oxygen electrode side, and a third outer groove C is formed on the outer periphery of the separator 10. As shown in FIG. 1, the outer groove A is preferably formed in contact with the gas flow path portion. Also, dummy patterns including ribs 7 and second outer grooves B are formed around the oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet on the fuel electrode (hydrogen electrode) side and around the fuel gas (hydrogen) inlet / outlet on the oxygen electrode side, respectively. It is preferable. These outer grooves A to C are dummy grooves that are formed independently of the flow path and do not function as flow paths. However, the outer grooves prevent the material from spreading during press molding and prevent molding defects. Can do. If these outer grooves are not formed, the material may flow and the mold may be insufficiently filled. In particular, the outermost rib may not have a sufficient shape or may not be molded to a predetermined height.

外溝A〜Cの深さは特に限定されないが、材料の逃げを効果的に防ぐ観点から通気溝と同等以上の深さが好ましい。外溝A〜Cの深さは好ましくは0.5〜3.0 mmであり、より好ましくは0.5〜1.5 mmである。また外溝A〜Cの幅は好ましくは0.5〜5.0 mmであり、より好ましくは1.0〜3.0 mmである。 The depth of the outer grooves A to C is not particularly limited, but is preferably equal to or greater than the depth of the ventilation groove from the viewpoint of effectively preventing escape of the material. The depth of the outer grooves A to C is preferably 0.5 to 3.0 mm, more preferably 0.5 to 1.5 mm. The width of the outer grooves A to C is preferably 0.5 to 5.0 mm, more preferably 1.0 to 3.0 mm.

セパレータ10の外周に沿って外溝Cを形成することにより、ガス流路部１及び他極側のガス出入口の成形性が向上するとともに、それらの成形の影響によりセパレータ10の外周部で変形が生じるのを防止することができる。特に他極側のガス出入口はセパレータ10の外周部に近いため、ガス流路部１等の成形による影響を受けやすいが、外溝Cにより材料の展延による外周部で歪みや変形を効果的に防止することができる。 By forming the outer groove C along the outer periphery of the separator 10, the moldability of the gas flow path portion 1 and the gas inlet / outlet on the other electrode side is improved, and the outer peripheral portion of the separator 10 is deformed by the influence of the molding. It can be prevented from occurring. In particular, since the gas inlet / outlet on the other electrode side is close to the outer periphery of the separator 10, it is easily affected by the molding of the gas flow path 1 and the like, but the outer groove C is effective for distortion and deformation at the outer periphery due to material spreading. Can be prevented.

図１に示すように流路パターンをセパレータ10の両面に設け、両面から同時にプレスすることにより押された材料の逃げ場がなくなり、金型内への充填効果が高まり成形性をより向上させることができる。しかし、燃料ガスの出入口は燃料電極側の反応ガス流路内にのみ配置され、酸化剤ガスの出入口は酸素電極側の反応ガス流路内にのみ配置されるため、ガスの出入口付近の成形は片面のみの成形となり材料が逃げやすく、その部分において成形不良を生じやすい。このため、他極側の反応ガス出入口の周囲（燃料電極側の酸化剤ガス出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス出入口の周囲）に外溝Bを設けることによりガス流路部と同様に成形性を向上させるのが好ましい。その際、外溝Bにシール材を流し込んだり、パッキンを挿入してもよい。スタックセルを形成する場合、通気溝のリブ３やダミーパターンのリブ７を膜・電極接合体（MEA）に密着させることによりガスのシールを行うが、外溝Bにシール材等を挿入または注入することでより高いシール性を確保することができる。 As shown in FIG. 1, the flow path pattern is provided on both sides of the separator 10, and the pressed material is eliminated by simultaneously pressing from both sides, so that the filling effect into the mold is increased and the moldability is further improved. it can. However, since the inlet / outlet of the fuel gas is arranged only in the reaction gas channel on the fuel electrode side and the inlet / outlet of the oxidant gas is arranged only in the reaction gas channel on the oxygen electrode side, molding near the gas inlet / outlet Since molding is performed only on one side, the material is likely to escape, and molding defects are likely to occur at that portion. For this reason, by forming an outer groove B around the reactive gas inlet / outlet on the other electrode side (around the oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side and around the fuel gas inlet / outlet on the oxygen electrode side), it is shaped in the same way as the gas flow path section. It is preferable to improve the property. At that time, a sealing material may be poured into the outer groove B or a packing may be inserted. When forming a stack cell, gas is sealed by bringing the rib 3 of the ventilation groove and the rib 7 of the dummy pattern into close contact with the membrane / electrode assembly (MEA), but a sealing material or the like is inserted or injected into the outer groove B. By doing so, higher sealing performance can be secured.

図２は本発明の別の実施例による燃料電池用金属セパレータ110の反応ガス流路パターンを示し、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。セパレータ110に形成されたガス流路部１のパターンは、両面が同パターンである。図２(a)、(b)に示すようにセパレータ110の表側では燃料ガス（水素）出入口４は反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続しているが、セパレータ110の裏側では燃料ガス（水素）出入口４は独立して形成されており、反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続していない。同様にセパレータ110の裏側では酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８は反応ガス流路（酸化剤ガス流路）２に接続しているが、セパレータ110の表側では酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口８は独立して形成されており、反応ガス流路（燃料ガス流路）２に接続していない。すなわち、図１に示すセパレータ110と同様に燃料ガス（水素）の出入口は表側（水素極側）の反応ガス流路のみに接続し、水素極のみに水素を供給するように形成されており、酸化剤ガス（酸素又は空気）の出入口は裏側（酸素極側）の反応ガス流路のみに接続し、酸素極のみに酸素又は空気を供給するように形成されている。 FIG. 2 shows a reaction gas flow path pattern of a fuel cell metal separator 110 according to another embodiment of the present invention, where (a) shows the front side (hydrogen electrode side) and (b) shows the back side (oxygen electrode side). Show. The pattern of the gas flow path part 1 formed in the separator 110 is the same pattern on both sides. As shown in FIGS. 2A and 2B, the fuel gas (hydrogen) inlet / outlet 4 is connected to the reaction gas passage (fuel gas passage) 2 on the front side of the separator 110, but the fuel on the back side of the separator 110. The gas (hydrogen) inlet / outlet 4 is formed independently and is not connected to the reaction gas channel (oxidant gas channel) 2. Similarly, the oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet 8 is connected to the reaction gas channel (oxidant gas channel) 2 on the back side of the separator 110, but the oxidant gas (oxygen or air) is connected to the front side of the separator 110. The entrance / exit 8 is formed independently and is not connected to the reaction gas passage (fuel gas passage) 2. That is, like the separator 110 shown in FIG. 1, the inlet / outlet of the fuel gas (hydrogen) is connected only to the reaction gas passage on the front side (hydrogen electrode side), and is formed so as to supply hydrogen only to the hydrogen electrode, The inlet / outlet of the oxidant gas (oxygen or air) is connected only to the reaction gas flow path on the back side (oxygen electrode side), and is configured to supply oxygen or air only to the oxygen electrode.

ガス流路部１の周囲に第１の外溝Aが形成され、水素極側の酸化剤ガス（空気）出入口の周囲及び酸素電極側の燃料ガス（水素）出入口の周囲にリブ７と第２の外溝Bが形成されている。さらに、セパレータ110の外周に沿って第３の外溝Cが形成されている。これらの外溝の作用効果は図１に示すセパレータ110と同じである。 A first outer groove A is formed around the gas flow path portion 1, and ribs 7 and second are formed around the oxidant gas (air) inlet / outlet on the hydrogen electrode side and around the fuel gas (hydrogen) inlet / outlet on the oxygen electrode side. The outer groove B is formed. Further, a third outer groove C is formed along the outer periphery of the separator 110. The effect of these outer grooves is the same as that of the separator 110 shown in FIG.

図３は本発明のさらに別の実施例による燃料電池用金属セパレータ210の反応ガス流路パターンを示し、(a)は表側（水素極側）を示し、(b)は裏側（酸素極側）を示す。図３(a)、(b)に示すように表側と裏側のガス流路部１のパターンは、一方のガス流路部１のパターンと他方のガス流路部１を90°回転させたときのパターンとが鏡像となるように形成されている。この例では外溝Aは外溝Bを兼ねてガス流路部１と他極側の反応ガス出入口8a, 8b（又は4a, 4b）との周囲に一体的に形成されている。この場合、他極側の反応ガスはリブ７によって遮断され反応ガス流路２内に入らないようになっている。このように外溝Aによりガス流路部１と他極側の反応ガス出入口8a, 8b（又は4a, 4b）の成形性をともに向上させることもできる。上記以外の構成は図１に示すセパレータ210と同じであるので説明を省略する。 FIG. 3 shows a reactive gas flow path pattern of a fuel cell metal separator 210 according to still another embodiment of the present invention, where (a) shows the front side (hydrogen electrode side), and (b) shows the back side (oxygen electrode side). Indicates. As shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the pattern of the gas flow path part 1 on the front side and the back side is obtained by rotating the pattern of one gas flow path part 1 and the other gas flow path part 1 by 90 °. The pattern is formed to be a mirror image. In this example, the outer groove A also serves as the outer groove B and is integrally formed around the gas flow path portion 1 and the reaction gas inlets 8a, 8b (or 4a, 4b) on the other electrode side. In this case, the reaction gas on the other electrode side is blocked by the rib 7 so as not to enter the reaction gas channel 2. Thus, the outer groove A can improve both the moldability of the gas flow path section 1 and the reaction gas inlets 8a and 8b (or 4a and 4b) on the other electrode side. Since the configuration other than the above is the same as that of the separator 210 shown in FIG.

一方、燃料電池の集電部の周囲にリブが形成されたセパレータ（特許文献２に開示）は、特許文献２の図２〜図４から明らかなように、片面側にリブが突出して他面側に溝が形成される構造を有するため、折り曲げ構造により縁部の剛性を高め、反りを抑制するという効果が得られるだけである。これに対し、本発明の燃料電池用金属セパレータ210は、集電部の周囲に溝を形成することによりプレス成形の際の材料の展延を防止し、優れた成形性を有するという効果を有する。特に、ガス流路部に接して外溝を形成した場合にはガス流路部の金属流れを効果的に防止でき、通気溝の成形性が一層良好となる。また特許文献２のセパレータでは端部にスペーサを設置する必要があるのに対し、本発明の燃料電池用金属セパレータ210は樹脂等のスペーサを設置する必要がなく、放熱性に優れるという利点を有する。 On the other hand, in the separator (disclosed in Patent Document 2) in which a rib is formed around the current collector of the fuel cell, as is apparent from FIGS. Since it has a structure in which a groove is formed on the side, only the effects of enhancing the rigidity of the edge and suppressing the warp by the bent structure are obtained. On the other hand, the metal separator 210 for a fuel cell of the present invention has an effect of preventing the spread of the material at the time of press molding by forming a groove around the current collecting portion and having excellent formability. . In particular, when the outer groove is formed in contact with the gas flow path portion, the metal flow in the gas flow path portion can be effectively prevented, and the moldability of the ventilation groove is further improved. Further, in the separator of Patent Document 2, it is necessary to install a spacer at the end, whereas the metal separator 210 for a fuel cell of the present invention does not need to install a spacer such as a resin and has an advantage of excellent heat dissipation. .

図４は本発明の燃料電池用金属セパレータの通気溝の断面形状の好ましい一例を示す。この通気溝はいずれの実施例のセパレータ10，110，210にも適用されるので、セパレータ10を例にとって説明する。 FIG. 4 shows a preferred example of the cross-sectional shape of the ventilation groove of the metal separator for a fuel cell of the present invention. Since this ventilation groove is applied to the separators 10, 110, and 210 of any of the embodiments, the separator 10 will be described as an example.

通気溝はリブ（凸部）３と凹部５により構成されており、凹部５は電極等との接触面側にテーパ状に広がっている。凹部５の断面形状をテーパ状にすることにより、プレス成形時の離型性が向上する。テーパ状になっていないと、プレス成形の際にガス流路部１が金型に噛みついてしまい、これを剥がそうとすると金属板が反ったり変形したりする。テーパ角度θ（セパレータ10の表面に垂直な直線とリブ３の側面とのなす鋭角側の角度θ）は、離型性の観点からは広角になるほどよいが、広すぎると通気溝の幅又は集電部と接触するリブ３の幅が狭くなってしまう。プレス成形の場合には離型性と発電効率の観点からテーパ角度θは5〜40°が好ましく、10〜30°がより好ましい。 The ventilation groove is constituted by a rib (convex portion) 3 and a concave portion 5, and the concave portion 5 extends in a tapered shape on the contact surface side with an electrode or the like. By making the cross-sectional shape of the recessed part 5 into a taper shape, the releasability at the time of press molding improves. If it is not tapered, the gas flow path portion 1 bites into the mold during press molding, and the metal plate warps or deforms when it is peeled off. The taper angle θ (the angle θ on the acute angle side between the straight line perpendicular to the surface of the separator 10 and the side surface of the rib 3) is preferably as wide as possible from the viewpoint of releasability. The width of the rib 3 that comes into contact with the electric part is reduced. In the case of press molding, the taper angle θ is preferably 5 to 40 ° and more preferably 10 to 30 ° from the viewpoint of mold release and power generation efficiency.

図５は本発明の燃料電池用金属セパレータ10の通気溝の断面形状の好ましい例を示す。(a)はT字状断面のリブ３を示し、(b)は凹曲面状側面を有するリブ３を示す。これらの通気溝はいずれもリブ３の頂部が広いため、電極等との接触面積が大きい。また導電性耐食被膜の形成が容易であり、通気溝の幅を狭めることなく集電部との接触面積を広げることができる。 FIG. 5 shows a preferred example of the cross-sectional shape of the ventilation groove of the fuel cell metal separator 10 of the present invention. (a) shows the rib 3 having a T-shaped cross section, and (b) shows the rib 3 having a concave curved side surface. Since each of these ventilation grooves has a wide top portion of the rib 3, the contact area with the electrode or the like is large. In addition, it is easy to form a conductive corrosion-resistant coating, and the contact area with the current collector can be increased without reducing the width of the ventilation groove.

図５に示す断面形状のセパレータ10は２段階のプレス成形により容易に作製することができる。まず一回目のプレス成形によりセパレータ10の通気溝のリブ３を一次加工した後、２回目のプレス成形により集電部と接触するリブ３の頂部を平坦に成形する。一回目の成形で得られるリブ３は、集電部との接触面が成形されている必要はなく、山なりの形状であってもよい。一次成形されたリブ３の先端（頂部）を金型の平坦面で一定の高さに潰すことにより所定の形状（T字状等）を得ることができる。ガスの出入口や冷却水口は、プレス成形でパターンを形成した後、穴あけ加工等により形成することができる。以上のように成形されたセパレータ10はリブ３の先端が平坦に成形されているため、集電部との接触面の平坦度が高く、電極との密着性やガスのシール性が良いので、発電効率に優れている。 The separator 10 having a cross-sectional shape shown in FIG. 5 can be easily manufactured by two-stage press molding. First, the ribs 3 of the ventilation grooves of the separator 10 are first processed by the first press molding, and then the tops of the ribs 3 that come into contact with the current collector are formed flat by the second press molding. The rib 3 obtained by the first molding does not have to have a contact surface with the current collector, and may have a mountain shape. A predetermined shape (T-shape or the like) can be obtained by crushing the tip (top) of the primary molded rib 3 to a certain height on the flat surface of the mold. The gas inlet / outlet and the cooling water inlet can be formed by drilling or the like after forming a pattern by press molding. Since the separator 10 molded as described above has the flat tip of the rib 3, the flatness of the contact surface with the current collector is high, and the adhesion with the electrode and the gas sealing property are good. Excellent power generation efficiency.

図６は本発明の燃料電池用の一対の金属セパレータ10a, 10bにより膜・電極接合体（MEA）12を挟み、セルを形成した状態を示す。セパレータ10a, 10bの外周部には、膜・電極接合体の厚さの半分に相当する高さの段差部11a, 11bを有し、段差部11a, 11bにより膜・電極接合体（MEA）12の厚さにほぼ等しい隙間が形成されるようになっている。セパレータ10a, 10bにより膜・電極接合体（MEA）12を挟むと、段差部11a, 11bによってセルをシールすることができる。このような段差部はプレス成形によって容易に形成することができる。また外溝A〜Cにシール材を充填することによってシール性をさらに向上させることもできる。段差部11a, 11bを設けた燃料電池用金属セパレータは、上記のようにセパレータによるシールを主体とするため、樹脂等のシール材を主体とした場合のような腐食等による劣化がなく、長期にわたり優れたシール性を維持できる。 FIG. 6 shows a state in which a cell is formed by sandwiching a membrane-electrode assembly (MEA) 12 between a pair of metal separators 10a, 10b for a fuel cell of the present invention. On the outer periphery of the separators 10a and 10b, there are stepped portions 11a and 11b having a height corresponding to half the thickness of the membrane / electrode assembly, and the membrane / electrode assembly (MEA) 12 is formed by the stepped portions 11a and 11b. A gap that is substantially equal to the thickness is formed. When the membrane / electrode assembly (MEA) 12 is sandwiched between the separators 10a and 10b, the cells can be sealed by the step portions 11a and 11b. Such a step portion can be easily formed by press molding. Further, the sealing performance can be further improved by filling the outer grooves A to C with a sealing material. The fuel cell metal separator provided with the stepped portions 11a and 11b is mainly sealed by the separator as described above. Excellent sealing performance can be maintained.

本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited thereto.

実施例１
厚さ３mmのアルミニウム板（純度99.9％）を用い、プレス成形により通気溝の凹部５の幅及びリブ３の幅をそれぞれ１mm、通気溝の深さを１mm、通気溝の凹部５のテーパ角度θを10°、外溝A〜Cの幅を２mm、及び外溝A〜Cの深さを１mmに形成した。反応ガス出入口及び冷却水口を穴あけ加工した後、セパレータ全面に金メッキ処理を施して導電性皮膜を形成し、図１に示す流路パターンの燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータは成形による金属流れがなく、ガス流路部及び他極側の反応ガス出入口は良好に成形されており、外周部の歪みや変形もなかった。得られたセパレータ（1-c）について、プレス成形時の離型性及び膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表１に示す。 Example 1
Using a 3 mm thick aluminum plate (purity 99.9%), the width of the groove 5 and the width of the rib 3 are 1 mm, the depth of the groove is 1 mm, and the taper angle θ of the groove 5 of the ventilation groove by press molding. Was 10 °, the width of the outer grooves A to C was 2 mm, and the depth of the outer grooves A to C was 1 mm. After the reaction gas inlet / outlet and the cooling water inlet were drilled, the entire surface of the separator was subjected to gold plating to form a conductive film, thereby producing a fuel cell metal separator having a flow path pattern shown in FIG. The obtained separator had no metal flow due to molding, the gas flow path portion and the reaction gas inlet / outlet on the other electrode side were well formed, and there was no distortion or deformation of the outer peripheral portion. About the obtained separator (1-c), the releasability at the time of press molding and the cell voltage-current characteristic when a cell was formed with the membrane-electrode assembly (MEA) interposed therebetween were measured. The results are shown in Table 1.

実施例２
通気溝の凹部５のテーパ角度θを５〜40°にした以外実施例１と同様にして燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータ（1-a, 1-b, 1-d, 1-e）について、プレス成形時の離型性及び膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表１に示す。 Example 2
A metal separator for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the taper angle θ of the recess 5 of the ventilation groove was 5 to 40 °. With respect to the obtained separators (1-a, 1-b, 1-d, 1-e), the releasability during press molding and the cell voltage when the cell is formed with the membrane-electrode assembly (MEA) interposed therebetween -Current characteristics were measured. The results are shown in Table 1.

(1) 離型性の評価基準:
◎・・・ヘラを差し込むと金型から容易に外すことができる。
○・・・ヘラを差し込むと金型から比較的容易に外すことができる。
△・・・ヘラを四方から差し込み、徐々に外すことができる。

(1) Evaluation criteria for releasability:
◎ ・・・ Can be easily removed from the mold by inserting a spatula.
○ ... It can be removed from the mold relatively easily by inserting a spatula.
Δ: Spatula can be inserted from all sides and removed gradually.

テーパ角度θが５°未満では離型性が悪く、テーパ角度θが40°を超えると電圧低下が大きくなり電池性能が低下した。プレス成形により離型性と電池性能の両方が良好なセパレータを得るにはテーパ角度θを５〜40°にすればよいことが分る。 When the taper angle [theta] is less than 5 [deg.], The releasability is poor, and when the taper angle [theta] exceeds 40 [deg.], The voltage drop increases and the battery performance deteriorates. It can be seen that the taper angle θ should be 5 to 40 ° in order to obtain a separator having both good releasability and battery performance by press molding.

実施例３
厚さ３mmのアルミニウム板（純度99.9％）を用い、１回目のプレス成形によりリブ３の高さが板厚（セパレータの厚さ）よりも高くなるように成形し、２回目のプレス成形によりプレス面が平坦な金型31で板厚（セパレータの厚さ）になるまで成形した。これにより、図５(a)に示すように先端が潰れてT字状断面のリブ３が形成された。得られた流路パターンは図１に示す形状を有し、通気溝の凹部５の幅（リブ３の根元部の幅）は１mm、リブ３の先端部の幅は1.5 mm、凹部５の深さは１mm、テーパ角度θは10°、外溝A〜Cの幅は２mm、及び外溝A〜Cの深さは１mmであった。 Example 3
Using a 3mm thick aluminum plate (purity 99.9%), press the first press molding so that the height of the rib 3 is higher than the plate thickness (separator thickness), and press the second press molding. Molding was performed with a mold 31 having a flat surface until the plate thickness (separator thickness) was reached. As a result, as shown in FIG. 5A, the tip was crushed to form the rib 3 having a T-shaped cross section. The obtained flow path pattern has the shape shown in FIG. 1, the width of the concave portion 5 of the ventilation groove (the width of the root portion of the rib 3) is 1 mm, the width of the tip portion of the rib 3 is 1.5 mm, and the depth of the concave portion 5 The thickness was 1 mm, the taper angle θ was 10 °, the width of the outer grooves A to C was 2 mm, and the depth of the outer grooves A to C was 1 mm.

実施例１と同様に穴あけ加工及び金メッキ処理を施し、燃料電池用金属セパレータを作製した。実施例１と同様にセパレータに膜・電極接合体（MEA）を挟んでセルを形成したときのセル電圧−電流特性を測定した。結果を表２に示す。 Drilling and gold plating were performed in the same manner as in Example 1 to produce a fuel cell metal separator. Similarly to Example 1, cell voltage-current characteristics were measured when a cell was formed with a membrane / electrode assembly (MEA) sandwiched between separators. The results are shown in Table 2.

T字状断面のリブを有する実施例３のセパレータを用いたセルは、四角形状断面のリブを有する実施例２の試料1-cのセパレータを使用したセルよりも電圧低下が少なく、電池性能が高かった。 The cell using the separator of Example 3 having a rib having a T-shaped cross section has less voltage drop and the battery performance is lower than the cell using the separator of Sample 1-c of Example 2 having a rib having a square cross section. it was high.

比較例１
外溝A〜Cを形成しなかった以外実施例１と同様にして燃料電池用金属セパレータを作製した。得られたセパレータは外周部分の通気溝の凹凸の成形性が不良であり、セパレータの端部に変形が見られた。このため、比較例１のセパレータは電極との密着性やガスのシール性が劣り、比較例１のセパレータを用いたセルは実施例１のセパレータを用いたセルに比べ電池性能が大きく低下した。 Comparative Example 1
A metal separator for a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the outer grooves A to C were not formed. The obtained separator had poor moldability of the recesses and projections on the outer peripheral portion, and deformation was observed at the end of the separator. For this reason, the separator of Comparative Example 1 was inferior in adhesion to the electrode and gas sealing property, and the cell performance using the separator of Comparative Example 1 was significantly lower than that of the cell using the separator of Example 1.

本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましい一例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。FIG. 2 is a plan view showing a preferred example of the metal separator for a fuel cell of the present invention, where (a) shows the front side and (b) shows the back side. 本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましい別の例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。It is a top view which shows another preferable example of the metal separator for fuel cells of this invention, (a) shows front side, (b) shows a back side. 本発明の燃料電池用金属セパレータの好ましいさらに別の例を示す平面図であり、(a)は表側を示し、(b)は裏側を示す。It is a top view which shows another preferable example of the metal separator for fuel cells of this invention, (a) shows front side, (b) shows a back side. 本発明の燃料電池用金属セパレータに形成された通気溝の好ましい一例として、凹部が電極等との接触面側にテーパ状に広がっている通気溝を示す概略断面図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing a ventilation groove having a concave portion that tapers toward a contact surface with an electrode or the like as a preferred example of the ventilation groove formed in the metal separator for a fuel cell of the present invention. 本発明の燃料電池用金属セパレータに形成された通気溝の好ましい別の例を示す概略断面図であり、(a)はT字状断面のリブを示し、(b)は凹曲面状側面を有するリブを示す。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing another preferred example of a ventilation groove formed in the metal separator for a fuel cell of the present invention, wherein (a) shows a rib having a T-shaped cross section, and (b) has a concave curved side surface. Show ribs. 本発明の燃料電池用金属セパレータにより膜・電極接合体（MEA）を挟み、セルを形成した状態を示す部分断面図である。It is a fragmentary sectional view which shows the state which pinched | interposed the membrane-electrode assembly (MEA) with the metal separator for fuel cells of this invention, and formed the cell.

Explanation of symbols

１・・・ガス流路部
２・・・反応ガス流路
３・・・凸部（リブ）
４・・・燃料ガス（水素）出入口
５・・・凹部
4a・・・導入口
4b・・・排出口
７・・・リブ
８・・・酸化剤ガス（酸素又は空気）出入口
8a・・・導入口
8b・・・排出口
９・・・冷却水出入口
10，110，210・・・セパレータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas flow path part 2 ... Reaction gas flow path 3 ... Convex part (rib)
4 ... Fuel gas (hydrogen) doorway 5 ... Recess
4a ... Inlet
4b ... Exhaust port 7 ... Rib 8 ... Oxidant gas (oxygen or air) inlet / outlet port
8a ... Inlet
8b ... Discharge port 9 ... Cooling water inlet / outlet port
10,110,210 ・・・ Separator

Claims

In a metal separator for a fuel cell, having a gas flow path portion comprising a reaction gas flow path formed with a plurality of parallel ventilation grooves formed of a convex part and a concave part, and a reaction gas inlet / outlet connected to the reaction gas flow path A metal separator for a fuel cell, wherein a first outer groove is formed around the gas flow path portion.

2. The metal separator for a fuel cell according to claim 1, wherein a gas flow path portion of a fuel gas comprising a fuel gas flow path and a fuel gas inlet / outlet connected to the fuel gas flow path is formed on one surface, An oxidant gas flow channel portion comprising an oxidant gas flow channel and an oxidant gas inlet / outlet connected to the oxidant gas flow channel is formed on the surface of the gas flow channel. A metal separator for a fuel cell, characterized in that the same pattern, or the pattern on one side and the pattern obtained by rotating the other side by 90 ° are mirror images.

3. The metal separator for a fuel cell according to claim 2, wherein the oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side is formed independently of a gas flow path portion of the fuel gas, and the fuel gas inlet / outlet on the oxygen electrode side is the A second outer groove is formed around the oxidant gas inlet / outlet on the fuel electrode side and around the fuel gas inlet / outlet on the oxygen electrode side. A metal separator for a fuel cell.

The metal separator for fuel cells according to any one of claims 1 to 3, wherein an independent third outer groove is formed along the outer periphery of the separator.

5. The fuel cell metal separator according to claim 1, wherein a step portion having a height corresponding to half the thickness of the membrane-electrode assembly is provided on the outer peripheral portion. Metal separator for batteries.