JP2006054058A - Separator - Google Patents

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Toshiaki Kasazaki
敏明 笠崎
Tomohiro Nishio
智博 西尾
Ikuzo Usami
育三 宇佐見
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator which can reduce the number of members of a fuel cell and shorten a production process. <P>SOLUTION: The separator is made of a metal thin sheet 30. A polymer elastic layer 40 is provided at the part contacting a polymer film 20 of a seal protrusion of a seal part 14, and the elastic layer 40 contacts the polymer film 20 to seal it. It is preferable for a seal line direction width W of the elastic layer 40 to be 1 to 10 mm, and further preferable for it to be 2 to 7 mm. And it is preferable that a layer thickness of the elastic layer 40 is 1 to 100 μm, and further preferable that a thickness thereof is 2 to 50 μm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、スタック型の固体高分子型燃料電池に備えられるセパレータの製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a separator provided in a stack type polymer electrolyte fuel cell.

従来から、限りあるエネルギ資源の有効利用や、地球温暖化防止のための省エネルギの必要性は広く認識されている。今日では、火力発電によって、熱エネルギを電力エネルギに変換する形でエネルギ需要が賄われている。   Conventionally, the necessity of energy saving for effective use of limited energy resources and prevention of global warming has been widely recognized. Today, thermal power supplies energy demand in the form of converting thermal energy into electric energy.

しかしながら、火力発電に必要な石炭および石油は埋蔵量が有限な資源であり、これらに代わる新たなエネルギ資源が必要となっている。そこで注目されているのが水素を燃料にして化学発電する燃料電池である。   However, coal and oil necessary for thermal power generation are resources with limited reserves, and new energy resources to replace them are required. Therefore, attention is being focused on fuel cells that generate chemical power using hydrogen as a fuel.

燃料電池は、2つの電極と電極間に挟まれた電解質とを有している。陰極では、供給された水素がイオン化して水素イオンとなり電解質中を陽極に向かって移動する。陽極では、供給された酸素と電解質中を移動してきた水素イオンとが反応して水を発生する。水素がイオン化したときに発生した電子が、陰極から配線を通って陽極へと移動することで電流が流れ、電気が発生する。   The fuel cell has two electrodes and an electrolyte sandwiched between the electrodes. At the cathode, the supplied hydrogen is ionized to form hydrogen ions that move through the electrolyte toward the anode. At the anode, the supplied oxygen reacts with hydrogen ions that have moved through the electrolyte to generate water. Electrons generated when hydrogen is ionized move from the cathode through the wiring to the anode, whereby a current flows and electricity is generated.

燃料電池は、主に電解質の違いから4種類に分類される。イオン導電性セラミックスを電解質に用いた固体電解質型燃料電池(SOFC)、水素イオン導電性高分子膜を電解質に用いた固体高分子型燃料電池(PEFC)、高濃度リン酸を電解質に用いたリン酸型燃料電池(PAFC)、アルカリ金属炭酸塩を電解質に用いた熔融炭酸型燃料電池(MCFC)の4種類である。この中でも特に作動温度が80℃と低い固体高分子型燃料電池(PEFC)の開発が進んでいる。   Fuel cells are classified into four types mainly based on the difference in electrolyte. Solid electrolyte fuel cell (SOFC) using ion conductive ceramics as electrolyte, solid polymer fuel cell (PEFC) using hydrogen ion conductive polymer membrane as electrolyte, phosphorus using high concentration phosphoric acid as electrolyte There are four types: an acid fuel cell (PAFC) and a molten carbonate fuel cell (MCFC) using an alkali metal carbonate as an electrolyte. Among them, development of a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) having an operating temperature as low as 80 ° C. is in progress.

固体高分子型燃料電池の構造は、表面に触媒電極を設けた電解質層と、電解質層を両側から挟み、水素および酸素を供給するための溝を設けたセパレータと、電極発生した電気を回収する集電板などを含んで構成される。電解質層と同じく、セパレータについても改良が重ねられている。   The structure of the polymer electrolyte fuel cell includes an electrolyte layer provided with a catalyst electrode on the surface, a separator provided with a groove for supplying hydrogen and oxygen, sandwiching the electrolyte layer from both sides, and collecting electricity generated by the electrode It includes a current collector plate. As with the electrolyte layer, improvements have been made to the separator.

セパレータの要求特性としては、導電性が高く、かつ燃料ガスおよび酸化剤ガスに対して気密性が高く、さらに水素および酸素を酸化還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要がある。
これらの要求を満たすために以下のようなセパレータ材料が使用されている。
As the required characteristics of the separator, it is necessary to have high conductivity, high airtightness with respect to the fuel gas and the oxidant gas, and high corrosion resistance against the reaction when oxidizing and reducing hydrogen and oxygen.
In order to satisfy these requirements, the following separator materials are used.

最もよく使用されているものとして緻密性カーボンがある。緻密性カーボンは導電性、耐食性に優れ、機械的強度も高い。また加工性がよく軽量である。しかし、振動や衝撃に弱く、切削加工が必要なため、加工費が高くなる。また気体の不浸透化処理を施す必要がある。   The most commonly used is dense carbon. Dense carbon is excellent in electrical conductivity and corrosion resistance, and has high mechanical strength. In addition, it has good workability and is lightweight. However, it is vulnerable to vibrations and shocks and requires cutting, which increases the processing cost. Moreover, it is necessary to perform a gas impermeability treatment.

また、合成樹脂も使用され、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂が使用される。合成樹脂は、低コストであることが主な特徴であるが、寸法安定性が悪く、導電性にも劣る。   Synthetic resins are also used, and thermosetting resins such as phenol resins and epoxy resins are used. Synthetic resins are mainly characterized by low cost, but have poor dimensional stability and poor conductivity.

導電性、加工性、密閉性などの観点から、金属が使用されることが多くなっている。金属としては、主にチタン、ステンレスが使用される。しかし、金属は腐食し易く、電解質膜に金属イオンが取り込まれてイオン導電性が低下してしまうため、セパレータ表面に金めっきを施す必要がある。   From the viewpoints of conductivity, workability, sealing properties, etc., metals are often used. As the metal, titanium and stainless steel are mainly used. However, metal is easily corroded, and metal ions are taken into the electrolyte membrane and ion conductivity is lowered. Therefore, it is necessary to perform gold plating on the separator surface.

また、ゴムも使用され、エチレン−プロピレン−ジエンゴムなどが使用される。ゴムは、ガス透過性が低く、シール性が高い。   Rubber is also used, and ethylene-propylene-diene rubber is used. Rubber has low gas permeability and high sealing properties.

特許文献1には、固体高分子電解質型燃料電池が開示されている。この固体高分子電解質型燃料電池では、セパレータとしてステンレス鋼、チタン合金など大気によって容易に不動態膜が形成される金属薄板を用いており、プレス加工によって所定の形状に加工している。   Patent Document 1 discloses a solid polymer electrolyte fuel cell. In this solid polymer electrolyte fuel cell, a metal thin plate on which a passive film is easily formed by the atmosphere, such as stainless steel and titanium alloy, is used as a separator, and the separator is processed into a predetermined shape by pressing.

特許文献2には、燃料電池用セパレータが開示されている。この燃料電池用セパレータは、周囲の縁部にリブを形成し、シール部材で挟持されたときの剛性を高めて反りを抑制している。   Patent Document 2 discloses a fuel cell separator. In this fuel cell separator, ribs are formed on the peripheral edge portion, and the rigidity when sandwiched between the seal members is increased to suppress warpage.

また、特許文献3には、燃料電池用セパレータが開示されている。この燃料電池用セパレータは、金属基板の少なくとも片面に、樹脂と導電性充填剤を混合した体積抵抗率が1.0Ω・cm以下の第1の樹脂層と、体積抵抗率が第1の樹脂層よりも小さい第2の樹脂層とを設け、集電性能と成型性、強度および耐食性を向上している。   Patent Document 3 discloses a fuel cell separator. The separator for a fuel cell includes a first resin layer having a volume resistivity of 1.0 Ω · cm or less and a volume resistivity of a first resin layer mixed on at least one surface of a metal substrate with a resin and a conductive filler. A smaller second resin layer is provided to improve current collecting performance, moldability, strength, and corrosion resistance.

特開平8−180883号公報JP-A-8-180883 特開2002−175818号公報JP 2002-175818 A 特開2003−297383号公報JP 2003-297383 A

従来のセパレータは、水素ガス、酸素ガスおよび冷却水などが漏れないように、外周部をOリングなどのシール材を用いて密閉している。   In the conventional separator, the outer peripheral portion is sealed with a sealing material such as an O-ring so that hydrogen gas, oxygen gas, cooling water and the like do not leak.

また、特許文献1および特許文献2に示されているように、反応ガスおよび冷却用流体が漏れ出るのを防止するために、セパレータの周辺部にガスケットを設けている。   Further, as shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, in order to prevent the reaction gas and the cooling fluid from leaking out, a gasket is provided on the periphery of the separator.

このように、従来の燃料電池では、外周部のセパレータとセルとの間に、シール材を形成する必要がある。また製造工程としては、セパレータを加工形成した後、シール材をセパレータの外周部に貼り付ける工程またはセパレータを芯にして金型内にてシール材を成型する工程が必要である。   Thus, in the conventional fuel cell, it is necessary to form a sealing material between the separator and the cell at the outer peripheral portion. Further, as a manufacturing process, after the separator is processed and formed, a process of pasting the sealing material on the outer peripheral portion of the separator or a process of molding the sealing material in the mold with the separator as a core is required.

本発明の目的は、燃料電池の部材点数を削減し、製造工程を短縮することができるセパレータを提供することである。   The objective of this invention is providing the separator which can reduce the number of members of a fuel cell, and can shorten a manufacturing process.

本発明は、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部と、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部とが一体化されたセパレータであって、
シール部に相当する領域には、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって前記電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有することを特徴とするセパレータである。
The present invention is provided between a plurality of electrolyte assemblies each provided with a catalyst electrode on the surface in the thickness direction of an electrolyte layer containing an electrolyte medium, and separating a fuel gas and an oxidant gas flow path; A separator integrated with a seal portion provided to prevent leakage of fuel gas and oxidant gas,
The region corresponding to the seal portion is a seal protrusion that extends in parallel with the catalyst electrode forming surface of the electrolyte assembly, and the top portion of the seal protrusion is pressed against the electrolyte assembly by a spring force. It is a separator characterized by having.

また本発明は、金属板からなることを特徴とする。
また本発明は、少なくとも前記シール突部が電解質層と接触する部分に、弾性体で構成される高分子弾性層が設けられることを特徴とする。
The present invention is characterized by comprising a metal plate.
The present invention is also characterized in that a polymer elastic layer made of an elastic body is provided at least in a portion where the seal projection comes into contact with the electrolyte layer.

また本発明は、前記高分子弾性層の幅は1〜10mmであり、厚みは1〜100μmであることを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the polymer elastic layer has a width of 1 to 10 mm and a thickness of 1 to 100 μm.

また本発明は、前記シール突部を2以上有し、それぞれのシール突部の頂部と電解質層との当接箇所を仮想的に示す当接線が互いに平行であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that there are two or more seal protrusions, and contact lines that virtually indicate contact points between the top portions of the seal protrusions and the electrolyte layer are parallel to each other.

また本発明は、シール部および分離部以外の領域に、前記シール突部と同様に構成された補助突部を有し、補助突部は、セパレータを含む燃料電池の組み立て時に、電解質組立体との間に生じる面圧が均一に分布するように設けられることを特徴とする。   Further, the present invention has an auxiliary protrusion configured in the same manner as the seal protrusion in a region other than the seal part and the separation part, and the auxiliary protrusion is formed with the electrolyte assembly during assembly of the fuel cell including the separator. It is characterized in that the surface pressure generated between the two is uniformly distributed.

本発明によれば、電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部と、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部とが一体化されたセパレータである。   According to the present invention, the separator interposed between the plurality of electrolyte assemblies provided with the catalyst electrodes on the surface in the thickness direction of the electrolyte layer containing the electrolyte medium, and separating the flow path of the fuel gas and the oxidant gas; This is a separator integrated with a seal portion provided in the portion and preventing leakage of fuel gas and oxidant gas.

セパレータは金属板からなり、シール部に相当する領域には、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって前記電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有する。   The separator is made of a metal plate, and a region corresponding to the seal portion is a seal protrusion that extends in parallel to the catalyst electrode forming surface of the electrolyte assembly, and the top portion thereof is pressed against the electrolyte assembly by a spring force. It has the seal | sticker protrusion comprised in this.

これにより、従来必要であった、Oリング、ガスケットなどのシール部材を必要とせず、燃料電池の部材点数を削減し、製造工程を短縮することができる。   This eliminates the need for sealing members such as O-rings and gaskets, which have been conventionally required, and reduces the number of fuel cell members and shortens the manufacturing process.

また本発明によれば、少なくとも前記シール突部が電解質層と接触する部分に、弾性体で構成される高分子弾性層が設けられる。
これにより、弾性体である高分子弾性層を設けることでシール性がさらに向上する。
According to the invention, the polymer elastic layer made of an elastic body is provided at least in a portion where the seal protrusion comes into contact with the electrolyte layer.
Thereby, the sealing performance is further improved by providing the polymer elastic layer which is an elastic body.

また本発明によれば、前記高分子弾性層の幅は1〜10mmであり、厚みは1〜100μmである。   According to the invention, the polymer elastic layer has a width of 1 to 10 mm and a thickness of 1 to 100 μm.

これにより、高分子弾性層を設ける領域がより小さな領域であっても十分なシール性を得ることができる。   Thereby, sufficient sealing performance can be obtained even if the region where the polymer elastic layer is provided is a smaller region.

また本発明によれば、前記シール突部を2以上有し、それぞれのシール突部の頂部と電解質層との当接箇所を仮想的に示す当接線が互いに平行である。
これにより、さらにシール性を向上させることができる。
According to the present invention, there are two or more seal protrusions, and the contact lines that virtually indicate the contact points between the tops of the seal protrusions and the electrolyte layer are parallel to each other.
Thereby, a sealing performance can be further improved.

また本発明によれば、シール部および分離部以外の領域に、前記シール突部と同様に構成された補助突部を有し、補助突部は、セパレータを含む燃料電池の組み立て時に、電解質組立体との間に生じる面圧が均一に分布するように設けられる。   According to the present invention, the auxiliary projection having the same configuration as the seal projection is provided in a region other than the seal portion and the separation portion, and the auxiliary projection is formed in the electrolyte assembly when the fuel cell including the separator is assembled. The surface pressure generated between the three-dimensional object is provided so as to be uniformly distributed.

これにより、組み立て時にセパレータが傾くなどしてセパレータと電解質組立体との間で生じる接触不良などを防止することができる。   Thereby, the poor contact etc. which arise between a separator and an electrolyte assembly by tilting a separator at the time of an assembly, etc. can be prevented.

図1は、固体高分子型燃料電池(Polymer Electrolyte Fuel Cell、略称PEFC)100を展開した状態で模式的に示した斜視図である。PEFC100は、セパレータ1、燃料電池セル2、集電板3、絶縁シート4、エンドフランジ5、電極配線12を有する。PEFC100は、高電圧、高出力を得るために、複数の燃料電池セル2を直列に接続した、いわゆるスタック状態で構成される。このスタック状態を構成するためには、燃料電池セル2間にセパレータを配置し、各燃料電池セル2に対して水素および酸素の供給と、発生した電気の回収とを行う。したがって、図1に示すように、燃料電池セル2とセパレータ1とが交互に配置される。この配置の最外層にはセパレータ1が配置され、セパレータ1のさらに外側には集電板3が設けられる。集電板3は、各セパレータ1で回収された電気を集めて取り出すために設けられ、電極配線12が接続されている。絶縁シート4は、集電板3とエンドフランジ5との間に設けられ、集電板3からエンドフランジ5に電流が漏れるのを防止している。エンドフランジ5は、複数の燃料電池セル2をスタック状態に保持するためのケースである。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing a state in which a polymer electrolyte fuel cell (abbreviated as PEFC) 100 is developed. The PEFC 100 includes a separator 1, a fuel battery cell 2, a current collector plate 3, an insulating sheet 4, an end flange 5, and an electrode wiring 12. The PEFC 100 is configured in a so-called stack state in which a plurality of fuel cells 2 are connected in series in order to obtain a high voltage and a high output. In order to configure this stack state, a separator is disposed between the fuel cells 2, and hydrogen and oxygen are supplied to each fuel cell 2 and the generated electricity is recovered. Therefore, as shown in FIG. 1, the fuel cells 2 and the separators 1 are alternately arranged. The separator 1 is arranged on the outermost layer of this arrangement, and the current collector plate 3 is provided on the outer side of the separator 1. The current collector plate 3 is provided to collect and take out the electricity collected by each separator 1 and is connected to the electrode wiring 12. The insulating sheet 4 is provided between the current collector plate 3 and the end flange 5, and prevents current from leaking from the current collector plate 3 to the end flange 5. The end flange 5 is a case for holding the plurality of fuel cells 2 in a stacked state.

エンドフランジ5には、水素ガス供給口6、冷却水供給口7、酸素ガス供給口8、水素ガス排出口9、冷却水排出口10および酸素ガス排出口11が形成されている。各供給口から供給されたガスおよび水の流体は、燃料電池セル2の積層方向に貫通する各往路を通り最外層のセパレータ1で折り返し、各復路を通って各排出口から排出される。   A hydrogen gas supply port 6, a cooling water supply port 7, an oxygen gas supply port 8, a hydrogen gas discharge port 9, a cooling water discharge port 10 and an oxygen gas discharge port 11 are formed in the end flange 5. The gas and water fluid supplied from each supply port passes through each forward path penetrating in the stacking direction of the fuel cells 2 and is folded back by the outermost separator 1 and is discharged from each discharge port through each return path.

往路および復路は、各セパレータ1で分岐しており、往路を流れる各流体は、セパレータ1によって形成された、燃料電池セル2の面方向に平行な流路を通って復路に流れ込む。水素ガスおよび酸素ガスは、燃料電池セル2で消費されるので、未反応ガスが復路を通って排出されることとなる。排出された未反応ガスは回収され、再度供給口から供給される。酸素ガス流路付近では酸素と水素との反応によって水が生成するので、排出された酸素ガスは水を含んでいる。排出された酸素ガスを再度供給するには水を除去する必要がある。   The forward path and the return path are branched by each separator 1, and each fluid flowing in the forward path flows into the return path through a flow path formed by the separator 1 and parallel to the surface direction of the fuel cell 2. Since hydrogen gas and oxygen gas are consumed in the fuel battery cell 2, unreacted gas is discharged through the return path. The discharged unreacted gas is recovered and supplied again from the supply port. Since water is generated by the reaction between oxygen and hydrogen in the vicinity of the oxygen gas flow path, the discharged oxygen gas contains water. In order to supply the discharged oxygen gas again, it is necessary to remove water.

燃料ガスである水素ガスおよび酸化剤ガスである酸素ガスは、それぞれ水素および酸素のみからなるガスである必要はなく、水素、酸素以外にも、接触する流路を劣化、変性させないガスであれば含んでいてもよい。たとえば、酸素ガスとして窒素を含む空気を用いてもよい。また、水素源としては水素ガスに限らずメタンガス、エチレンガス、天然ガスなどでもよく、エタノールなどでもよい。   The hydrogen gas that is a fuel gas and the oxygen gas that is an oxidant gas do not need to be hydrogen and oxygen alone, but can be any gas other than hydrogen and oxygen that does not deteriorate or denature the flow path in contact. May be included. For example, air containing nitrogen as oxygen gas may be used. The hydrogen source is not limited to hydrogen gas, and may be methane gas, ethylene gas, natural gas, or ethanol.

図2は、セパレータ1を含む単位電池101の水平断面図である。単位電池101とは、1つの燃料電池セル2と、この両側に配置された2つのセパレータ1とからなり、水素および酸素を供給することで電力を発生させることができる最小の構成である。   FIG. 2 is a horizontal sectional view of the unit battery 101 including the separator 1. The unit battery 101 is composed of one fuel battery cell 2 and two separators 1 arranged on both sides of the unit battery 101. The unit battery 101 has a minimum configuration capable of generating electric power by supplying hydrogen and oxygen.

電解質組立体である燃料電池セル2は、電解質媒体である高分子膜20と、高分子膜20の厚み方向表面に形成した触媒電極21とからなり、MEA(Membrane Electrode
Assembly)とも呼ばれる。
A fuel cell 2 as an electrolyte assembly includes a polymer film 20 as an electrolyte medium and a catalyst electrode 21 formed on the surface of the polymer film 20 in the thickness direction. The MEA (Membrane Electrode)
Also called Assembly.

高分子膜20は、水素イオン(プロトン)を透過するプロトン導電性電解質膜であり、パーフルオロスルホン酸樹脂膜(たとえば、デュポン社製、商品名 ナフィオン)がよく用いられる。   The polymer membrane 20 is a proton conductive electrolyte membrane that allows hydrogen ions (protons) to pass therethrough, and a perfluorosulfonic acid resin membrane (for example, product name Nafion manufactured by DuPont) is often used.

触媒電極21は、高分子膜20の厚み方向表面に、プラチナ、ルテニウムなどの触媒金属を含むカーボン層として積層される。触媒電極21に水素ガス、酸素ガスが供給されると、触媒電極21と高分子膜20との界面で電気化学反応が生じて直流電力が発生する。   The catalyst electrode 21 is laminated on the surface of the polymer film 20 in the thickness direction as a carbon layer containing a catalyst metal such as platinum or ruthenium. When hydrogen gas or oxygen gas is supplied to the catalyst electrode 21, an electrochemical reaction occurs at the interface between the catalyst electrode 21 and the polymer film 20 to generate DC power.

高分子膜20は、厚みが約0.1mmであり、触媒電極21は含有する触媒金属などによっても変わるが、数μmの厚みで形成される。   The polymer film 20 has a thickness of about 0.1 mm, and the catalyst electrode 21 is formed with a thickness of several μm although it varies depending on the catalyst metal contained therein.

セパレータ1は、水素ガスおよび酸素ガスの流路を分離する分離部13と、外周部に設けられ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐシール部14とを有している。本実施形態では、触媒電極21は、高分子膜20の全面に形成されているのではなく、外周の幅1〜20mm、好ましくは5〜10mmにわたって高分子膜20が表面に露出している。セパレータ1の分離部13は、触媒電極21が形成されている領域に対向する領域に形成され、シール部14は、高分子膜20が露出している領域に対向する領域に形成される。   The separator 1 has a separation part 13 that separates the flow paths of hydrogen gas and oxygen gas, and a seal part 14 that is provided on the outer periphery and prevents leakage of hydrogen gas and oxygen gas. In this embodiment, the catalyst electrode 21 is not formed on the entire surface of the polymer film 20, but the polymer film 20 is exposed on the surface over an outer peripheral width of 1 to 20 mm, preferably 5 to 10 mm. The separator 13 of the separator 1 is formed in a region facing the region where the catalyst electrode 21 is formed, and the seal portion 14 is formed in a region facing the region where the polymer film 20 is exposed.

セパレータ1の主な材質として、平板状の金属薄板を用いる。たとえば、鉄、アルミニウム、チタンなどの金属薄板、特にステンレス(たとえばSUS304など)鋼板、SPCC(一般用冷間圧延鋼板)、耐食性鋼板が好ましい。ステンレス鋼板については、表面処理されたものを使用することができる。たとえば、表面を酸洗処理、電解エッチング処理したもの、導電性介在物を含むもの、BA皮膜を形成したもの、イオンプレーティング加工により導電性化合物をコーティングしたものなどが使用できる。また、結晶組織を超微細化した高耐食性ステンレス鋼板なども使用できる。   As a main material of the separator 1, a flat metal thin plate is used. For example, metal thin plates such as iron, aluminum and titanium, particularly stainless steel (for example, SUS304) steel plates, SPCC (general cold rolled steel plates), and corrosion resistant steel plates are preferred. As for the stainless steel plate, a surface-treated one can be used. For example, a surface pickled, electrolytically etched, containing conductive inclusions, formed with a BA film, or coated with a conductive compound by ion plating can be used. Further, a highly corrosion-resistant stainless steel plate with an ultrafine crystal structure can be used.

上記のような金属薄板を塑性変形加工、たとえばプレス加工することによって、分離部13とシール部14とを一体形成することができる。なお、耐熱性を向上させるために、プレス加工後に、BH(Baked Hardening)処理を施したものが好ましい。   The separating portion 13 and the seal portion 14 can be integrally formed by subjecting the metal thin plate as described above to plastic deformation processing, for example, press processing. In addition, in order to improve heat resistance, what performed the BH (Baked Hardening) process after press work is preferable.

分離部13には、触媒電極21の形成面に平行で、互いに平行な複数の流路溝が形成されている。この流路溝は、ガスの流れ方向に垂直な断面が凹形状となっている。流路溝は、分離壁15と電極接触壁16とからなり、分離壁15、電極接触壁16および触媒電極21で囲まれた空間が水素ガス流路17および酸素ガス流路18となる。分離壁15は、水素ガスと酸素ガスが混合しないように水素ガス流路17と酸素ガス流路18とを隔てる。電極接触壁16は、触媒電極21に接触し、高分子膜20と触媒電極21との界面で発生した直流電力を直流電流として取り出し、分離壁15、他の電極接触壁16などを通って集電板に収集される。   The separation portion 13 is formed with a plurality of flow channel grooves parallel to each other and parallel to the formation surface of the catalyst electrode 21. This channel groove has a concave shape in a cross section perpendicular to the gas flow direction. The channel groove is composed of the separation wall 15 and the electrode contact wall 16, and the space surrounded by the separation wall 15, the electrode contact wall 16 and the catalyst electrode 21 becomes the hydrogen gas channel 17 and the oxygen gas channel 18. The separation wall 15 separates the hydrogen gas channel 17 and the oxygen gas channel 18 so that hydrogen gas and oxygen gas are not mixed. The electrode contact wall 16 is in contact with the catalyst electrode 21, takes out DC power generated at the interface between the polymer membrane 20 and the catalyst electrode 21 as DC current, and collects it through the separation wall 15, another electrode contact wall 16, and the like. Collected on the electric board.

互いに隣接する流路溝は、開放面が逆向きとなるように形成されており、これに応じて、水素ガス流路17および酸素ガス流路18を互いに隣接するように設定する。すなわち、同一の触媒電極21には同一のガスが接触するようにガス流路を設定する。さらに、1つの単位電池101を構成する2つのセパレータ1は、図2に示すように、流路溝の開放部が、燃料電池セル2を挟んで対向するように配置される。すなわち、2つのセパレータ1は、燃料電池セル2の中心を対称面として面対称の関係となるように配置される。ただし、ガス流路の設定は、面対称の関係ではなく、燃料電池セル2を挟んで対向する流路溝が、異なるガスのガス流路を形成するように設定する。たとえば、図2に示すように、燃料電池セル2を挟んで対向するガス流路は、一方が水素ガス流路17であり、もう一方が酸素ガス流路18である。   The channel grooves adjacent to each other are formed so that the open surfaces are opposite to each other, and accordingly, the hydrogen gas channel 17 and the oxygen gas channel 18 are set to be adjacent to each other. That is, the gas flow path is set so that the same gas contacts the same catalyst electrode 21. Further, as shown in FIG. 2, the two separators 1 constituting one unit battery 101 are arranged so that the open portions of the flow channel grooves face each other with the fuel battery cell 2 interposed therebetween. That is, the two separators 1 are arranged so as to have a plane-symmetrical relationship with the center of the fuel cell 2 as the symmetry plane. However, the setting of the gas flow path is not a plane-symmetrical relationship, and the flow path grooves facing each other with the fuel cell 2 interposed therebetween are set so as to form gas flow paths for different gases. For example, as shown in FIG. 2, one of the gas flow paths facing each other across the fuel cell 2 is a hydrogen gas flow path 17, and the other is an oxygen gas flow path 18.

以上のようにセパレータ1を配置し、ガス流路を設定することで、電力を発生させることができる。   Electric power can be generated by arranging the separator 1 and setting the gas flow path as described above.

なお、流路溝と触媒電極21とによって形成された流路には、水素ガスおよび酸素ガスに限らず、冷却水を流してもよい。冷却水を流す場合は、燃料電池セル2を挟んで対向する流路溝のいずれにも流すことが好ましい。   The flow path formed by the flow path groove and the catalyst electrode 21 is not limited to hydrogen gas and oxygen gas, and cooling water may flow. When flowing the cooling water, it is preferable to flow in any of the channel grooves facing each other with the fuel battery cell 2 interposed therebetween.

シール部14には、触媒電極21の形成面に平行に延びるシール突部が形成される。このシール突部は、ガスの流れ方向に垂直な断面が逆U字形状または逆V字形状となっている。シール突部の頂部19は、ばね力によって、露出した高分子膜20に圧接される。この圧接位置でシールされ、水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防ぐことができる。また、シール突部を逆U字形状または逆V字形状とすることで、頂部19の膜接触面積を小さくし、Oリングと同様の高圧シールを実現している。   The seal portion 14 is formed with a seal protrusion that extends parallel to the surface on which the catalyst electrode 21 is formed. The seal projection has an inverted U-shaped or inverted V-shaped cross section perpendicular to the gas flow direction. The top 19 of the seal projection is pressed against the exposed polymer film 20 by a spring force. Sealing at this pressure contact position can prevent leakage of hydrogen gas and oxygen gas. In addition, by forming the seal protrusion in an inverted U shape or an inverted V shape, the membrane contact area of the top portion 19 is reduced, and a high-pressure seal similar to an O-ring is realized.

シール突部の頂部19を、ばね力によって高分子膜20に圧接するには、高分子膜20と接触しない状態、すなわちPEFC1を組み立てる前の状態のセパレータ1において、シール突部の頂部19の位置が、PEFC1が組み立てられ、高分子膜20と接触する位置よりさらに高分子膜20側となるように予めシール部14を形成する。具体的には、図3(a)に示すように、PEFC1が組み立てられた状態では、シール突部の頂部19の位置は、触媒電極21との仮想接触面Aを基準とすると、触媒電極21との接触面と頂部19との距離が触媒電極21の厚みt1となるような位置になる。したがって、PEFC1が組み立てられる以前の状態では、図3(b)に示すように、シール突部の頂部19の位置は、触媒電極21との接触面との距離がt1より大きなt2となるように形成すればよい。分離部13とシール突部との接続部分がばねとして働くので、組み立て時に頂部19が高分子膜に圧接する際の圧力は、このばね力と接触面積によって決まる。ばね力は、フックの法則に従い、ばね定数(弾性定数)に変位量を掛けたものとなる。セパレータ1においては、ばね定数は、セパレータ1の材質およびシール部14の形状とで決まる。変位量は、Δt=t2−t1である。したがって、材質と形状とを予め決定し、ばね定数を決定した状態で、プレス加工時にt2を変えることで、シール圧力を容易に調整することができる。最適なシール圧力を実現するために、材質および形状を変更してもよいことは言うまでもない。   In order to press-contact the top 19 of the seal protrusion against the polymer film 20 by a spring force, the position of the top 19 of the seal protrusion in the separator 1 in a state where it does not come into contact with the polymer film 20, that is, before the PEFC 1 is assembled. However, the seal part 14 is formed in advance so that the PEFC 1 is assembled and the polymer film 20 side is further from the position where it is in contact with the polymer film 20. Specifically, as shown in FIG. 3A, when the PEFC 1 is assembled, the position of the top 19 of the seal protrusion is determined based on the virtual contact surface A with the catalyst electrode 21. The distance between the contact surface and the top portion 19 is a position where the thickness t1 of the catalyst electrode 21 is obtained. Therefore, in a state before the PEFC 1 is assembled, as shown in FIG. 3B, the position of the top portion 19 of the seal projection is such that the distance from the contact surface with the catalyst electrode 21 is t2 larger than t1. What is necessary is just to form. Since the connecting portion between the separation portion 13 and the seal protrusion acts as a spring, the pressure when the top portion 19 is pressed against the polymer film during assembly is determined by this spring force and the contact area. The spring force is obtained by multiplying the spring constant (elastic constant) by the amount of displacement according to Hooke's law. In the separator 1, the spring constant is determined by the material of the separator 1 and the shape of the seal portion 14. The amount of displacement is Δt = t2−t1. Therefore, the seal pressure can be easily adjusted by changing t2 at the time of press work in a state where the material and shape are determined in advance and the spring constant is determined. Needless to say, the material and shape may be changed in order to achieve the optimum sealing pressure.

前述のように、燃料電池セル2を挟む2つのセパレータ1は、面対称の関係となるように配置されるので、頂部19による圧接位置も、燃料電池セル2の中心を対称面として面対称の関係となる。頂部19の圧接位置が対向する位置となることで、シール性が向上する。なお、前述のBH処理によって、シール部14の応力緩和を小さくし、シール性を保持することが可能である。   As described above, since the two separators 1 sandwiching the fuel cell 2 are arranged so as to have a plane symmetry, the pressure contact position by the top portion 19 is also plane-symmetric with the center of the fuel cell 2 as the plane of symmetry. It becomes a relationship. Since the pressure contact position of the top portion 19 is a facing position, the sealing performance is improved. Note that the stress relaxation of the seal portion 14 can be reduced and the sealing performance can be maintained by the above-described BH treatment.

図4は、単位電池101を側面から見た概略図である。中央部に分離部13が設けられ、外周部にシール部14が設けられている。なお、図4では、分離部13およびシール部14の詳細な形状は省略している。シール部14では、シール突部の頂部19が高分子膜20に当接しており、この当接箇所を仮想的に示す当接線であるシールラインLが分離部13を取り囲むことで水素ガスおよび酸素ガスの漏出を防いでいる。   FIG. 4 is a schematic view of the unit battery 101 as viewed from the side. The separation part 13 is provided in the center part, and the seal part 14 is provided in the outer peripheral part. In FIG. 4, detailed shapes of the separation portion 13 and the seal portion 14 are omitted. In the seal portion 14, the top portion 19 of the seal protrusion is in contact with the polymer film 20, and the seal line L, which is a contact line virtually showing the contact portion, surrounds the separation portion 13, so that hydrogen gas and oxygen Prevents gas leakage.

さらに、図2の水平断面図に示すように、シール突部の頂部19よりさらに外周部の頂部19aが、隣接する燃料電池セルに当接してシールすることでさらにシール性が向上する。この頂部19aによるシールラインは、頂部19によるシールラインと平行であり隣接している。   Furthermore, as shown in the horizontal sectional view of FIG. 2, the sealing portion is further improved by sealing the outer peripheral top portion 19a in contact with the adjacent fuel cell, in addition to the top portion 19 of the sealing protrusion. The seal line by the top portion 19 a is parallel to and adjacent to the seal line by the top portion 19.

図5は、第1の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ1は、金属薄板30からなり、シール部14では、シール突部の高分子膜20に接触する部分に高分子弾性層40が設けられ、高分子弾性層40が高分子膜20に当接してシールしている。   FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the seal portion 14 in the first embodiment. In the present embodiment, the separator 1 is made of a thin metal plate 30, and in the seal portion 14, a polymer elastic layer 40 is provided in a portion of the seal protrusion that contacts the polymer film 20, and the polymer elastic layer 40 is a polymer. The membrane 20 contacts and is sealed.

これにより、シール性がさらに向上し、従来必要であった、Oリング、ガスケットなどのシール部材を必要とせず、燃料電池の部材点数を削減し、製造工程を短縮することができる。   As a result, the sealing performance is further improved, and sealing members such as O-rings and gaskets, which have been conventionally required, are not required, the number of members of the fuel cell can be reduced, and the manufacturing process can be shortened.

さらに、このシール突部によって、高分子弾性層40が薄層であってもシール機能を発揮し、応力緩和量が極めて低くなるという効果が得られる。   Further, the sealing protrusion provides an effect that the sealing function is exhibited even if the polymer elastic layer 40 is a thin layer, and the amount of stress relaxation is extremely low.

高分子弾性層40のシールライン方向幅Wは、1〜10mmが好ましく、さら好ましくは2〜7mmである。また、層厚みtは、1〜100μmが好ましく、さら好ましくは2〜50μmである。このような領域に高分子弾性層40を設けることで、より小さな領域であっても十分なシール性を得ることができる。   The width W in the seal line direction of the polymer elastic layer 40 is preferably 1 to 10 mm, more preferably 2 to 7 mm. Moreover, 1-100 micrometers is preferable and, as for layer thickness t, More preferably, it is 2-50 micrometers. By providing the polymer elastic layer 40 in such a region, a sufficient sealing property can be obtained even in a smaller region.

金属薄板30を高分子膜20に直接に接触させると、シール突部の頂部が変形しているような場合に、変形部分と高分子膜20表面との間に微小な隙間が生じ、この隙間から流体が漏出するおそれがある。シール部14において、弾性体である高分子弾性層40を設けると、ばね力によって頂部19が圧接されることにより接触部分が変形し、高分子膜20表面との間に隙間が生じないのでシール性が向上する。   When the metal thin plate 30 is brought into direct contact with the polymer film 20, a minute gap is generated between the deformed portion and the surface of the polymer film 20 when the top of the seal projection is deformed. There is a risk of fluid leaking out. When the polymer elastic layer 40, which is an elastic body, is provided in the seal portion 14, the contact portion is deformed by the pressure contact of the top portion 19 by the spring force, and no gap is formed between the surface of the polymer film 20 and the seal portion 14 is sealed. Improves.

高分子弾性層40は、ゴムまたは合成樹脂からなり、ゴムとしては、たとえば、イソプレンゴム、ブタジエンゴム、スチレン−ブタジエンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムおよびニトリルゴムなどの汎用ゴム、耐ガス透過性および耐熱性を有するエピクロロヒドリンゴムなどを使用することができる。特に、耐熱性、耐酸性に優れたアリル系付加重合型ポリイソブチレンが好ましい。   The polymer elastic layer 40 is made of rubber or a synthetic resin. Examples of rubber include general-purpose rubbers such as isoprene rubber, butadiene rubber, styrene-butadiene rubber, butyl rubber, ethylene-propylene rubber, fluorine rubber, silicone rubber, and nitrile rubber. Epichlorohydrin rubber having gas permeation resistance and heat resistance can be used. In particular, allylic addition polymerization type polyisobutylene having excellent heat resistance and acid resistance is preferable.

また、合成樹脂としては、エポキシ樹脂、ウレタン−アクリレート樹脂、ポリアミド樹脂、シリコーン樹脂および含フッ素樹脂などを使用することができる。特には、耐腐食性に優れた含フッ素樹脂が好ましく、たとえば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、FEP(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、EPE(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体)、PCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)、ECTFE(クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)、PVF(ポリビニルフルオライド)、THV(テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン−フッ化ビニリデン共重合体)、VDF−HFP(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体)、TFE−P(フッ化ビニリデン−プロピレン共重合体)などが好ましい。   Moreover, as a synthetic resin, an epoxy resin, a urethane-acrylate resin, a polyamide resin, a silicone resin, a fluorine-containing resin, or the like can be used. In particular, a fluorine-containing resin excellent in corrosion resistance is preferable. For example, PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer). Polymer), EPE (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer), ETFE (tetrafluoroethylene-ethylene copolymer), PCTFE (polychlorotrifluoroethylene), ECTFE (chlorotrifluoroethylene). -Ethylene copolymer), PVDF (polyvinylidene fluoride), PVF (polyvinyl fluoride), THV (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene-vinylidene fluoride copolymer), VD -HFP (vinylidene fluoride - hexafluoropropylene copolymer), TFE-P (vinylidene fluoride - propylene copolymer) and the like are preferable.

高分子弾性層40は、たとえば、金属薄板30を酸化処理するなどして表面粗化し、アンカー効果によって密着させるか、フェノール樹脂、レゾルシン樹脂、シリコーン樹脂およびポリウレタンなどの樹脂系接着剤、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリベンズイミダゾール、ポリオキサジアゾールなどの耐熱性構造用接着剤、α−シアノアクリレートなどの瞬間接着剤、ならびに熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂、フェノール樹脂など)に、脆性を緩和するために熱可塑性樹脂(ナイロン、アセタール樹脂など)やエラストマー(ニトリルゴム、シリコーンゴムなど)を混合したナイロン‐エポキシ樹脂、ナイロン−フェノール樹脂などの接着剤を用いればよい。   The polymer elastic layer 40 is roughened by, for example, oxidizing the metal thin plate 30 and adhered by an anchor effect, or a resin adhesive such as phenol resin, resorcin resin, silicone resin and polyurethane, polyimide, polyamide To reduce brittleness in heat-resistant structural adhesives such as imide, polybenzimidazole, and polyoxadiazole, instantaneous adhesives such as α-cyanoacrylate, and thermosetting resins (epoxy resins, phenol resins, etc.) An adhesive such as nylon-epoxy resin or nylon-phenol resin mixed with thermoplastic resin (nylon, acetal resin, etc.) or elastomer (nitrile rubber, silicone rubber, etc.) may be used.

なお、高分子弾性層40は、金属薄板30に接着する必要はなく、低度の付着、粘着、弱接着、強接着と要求条件によって適宜選択すればよい。低度の付着であっても、締め付け面圧が適性であれば十分なシール機能を発揮する。しかしながら、締め付け面圧以上の圧力が締め付け方向に対して横方向から加えられると、高分子弾性層40の横ずれ、脱落などが生じてしまうため、表面粗化も行うことが好ましい。   The polymer elastic layer 40 does not need to be bonded to the metal thin plate 30 and may be appropriately selected depending on the required conditions such as low adhesion, adhesion, weak adhesion, and strong adhesion. Even with a low degree of adhesion, a sufficient sealing function is exhibited if the tightening surface pressure is appropriate. However, when a pressure equal to or higher than the tightening surface pressure is applied from the lateral direction with respect to the tightening direction, the polymer elastic layer 40 may be laterally displaced, dropped off, and the like, and surface roughening is also preferably performed.

図6は、第1の実施形態における分離部13の要部拡大図である。本実施形態の分離部13では、金属薄板30が触媒電極21に接触して、高分子膜20と触媒電極21との界面で発生した直流電力を直流電流として取り出し、セパレータ1内を通って集電板に収集される。   FIG. 6 is an enlarged view of a main part of the separation unit 13 in the first embodiment. In the separation unit 13 of the present embodiment, the metal thin plate 30 comes into contact with the catalyst electrode 21, and DC power generated at the interface between the polymer film 20 and the catalyst electrode 21 is taken out as DC current and collected through the separator 1. Collected on the electric board.

図7は、第2の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ1は、金属薄板30および被覆層31で構成され、被覆層31を形成して金属薄板30の表面を被覆している。シール部14では、第1の実施形態と同様にシール突部の高分子膜20に接触する部分に高分子弾性層40が設けられ、高分子弾性層40が高分子膜20に当接してシールしている。   FIG. 7 is an enlarged view of a main part of the seal portion 14 in the second embodiment. In the present embodiment, the separator 1 includes a metal thin plate 30 and a coating layer 31, and the coating layer 31 is formed to cover the surface of the metal thin plate 30. In the seal portion 14, a polymer elastic layer 40 is provided in a portion of the seal protrusion that contacts the polymer film 20, as in the first embodiment, and the polymer elastic layer 40 contacts the polymer film 20 and seals. is doing.

図8は、第2の実施形態における分離部13の要部拡大図である。分離部13では、被覆層31が触媒電極21に接触して直流電流を収集する。したがって、被覆層31は、導電性を有することが必要である。   FIG. 8 is an enlarged view of a main part of the separation unit 13 in the second embodiment. In the separation unit 13, the coating layer 31 contacts the catalyst electrode 21 and collects a direct current. Therefore, the coating layer 31 needs to have conductivity.

被覆層31としては、高分子弾性層40に使用するするゴムまたは合成樹脂と同様のゴムまたは合成樹脂にカーボンフィラーなどの導電性フィラーを添加して導電性を付与したものを使用する。特には、アリル系付加重合型ポリイソブチレンにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。   As the coating layer 31, a material obtained by adding conductivity by adding a conductive filler such as a carbon filler to rubber or synthetic resin similar to the rubber or synthetic resin used for the polymer elastic layer 40 is used. In particular, allylic addition polymerization type polyisobutylene to which a carbon filler is added is preferable.

図9は、第3の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。本実施形態では、セパレータ1は、金属薄板30、被覆層31および接着層32からなり、接着層32を介して金属薄板30の表面に被覆層31を形成している。金属薄板30の表面粗化によって十分な密着性が得られないようなゴムまたは合成樹脂を被覆層31として使用する場合は、接着層32を設ければよい。シール部14では、第1および第2の実施形態と同様にシール突部の高分子膜20に接触する部分に高分子弾性層40が設けられ、高分子弾性層40が高分子膜20に当接してシールしている。   FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the seal portion 14 in the third embodiment. In the present embodiment, the separator 1 includes a metal thin plate 30, a coating layer 31, and an adhesive layer 32, and the coating layer 31 is formed on the surface of the metal thin plate 30 via the adhesive layer 32. When rubber or synthetic resin that does not provide sufficient adhesion due to surface roughening of the metal thin plate 30 is used as the coating layer 31, the adhesive layer 32 may be provided. In the seal portion 14, as in the first and second embodiments, a polymer elastic layer 40 is provided in a portion of the seal protrusion that contacts the polymer film 20, and the polymer elastic layer 40 contacts the polymer film 20. Seals in contact.

図10は、第3の実施形態における分離部13の要部拡大図である。分離部13では、第2の実施形態と同様に被覆層31が触媒電極21に接触して直流電流を収集する。したがって、被覆層31は、導電性を有することが必要である。   FIG. 10 is an enlarged view of a main part of the separation unit 13 according to the third embodiment. In the separation unit 13, as in the second embodiment, the coating layer 31 contacts the catalyst electrode 21 and collects a direct current. Therefore, the coating layer 31 needs to have conductivity.

被覆層31としては、高分子弾性層40に使用するするゴムまたは合成樹脂と同様のゴムまたは合成樹脂にカーボンフィラーなどの導電性フィラーを添加して導電性を付与したものを使用する。特には、アリル系付加重合型ポリイソブチレンにカーボンフィラーを添加したものが好ましい。   As the coating layer 31, a material obtained by adding conductivity by adding a conductive filler such as a carbon filler to rubber or synthetic resin similar to the rubber or synthetic resin used for the polymer elastic layer 40 is used. In particular, allylic addition polymerization type polyisobutylene to which a carbon filler is added is preferable.

接着層32は、金属薄板30表面に対してトリアジンチオール類に代表される導電性カップリング剤によるコーティング、ポリアニリン類に代表される導電性ポリマーによるドーピング処理されたコーティングを行うことにより、金属表面に拡散層として形成される。金属表面に拡散したトリアジンチオール類、ポリアニリン類は、導電性を示すので、樹脂層32との導電性を確保し、発生した直流電力を直流電流として取り出すことができる。   The adhesive layer 32 is formed on the surface of the metal sheet 30 by performing coating with a conductive coupling agent typified by triazine thiols and doping treatment with a conductive polymer typified by polyanilines. It is formed as a diffusion layer. Since the triazine thiols and polyanilines diffused on the metal surface exhibit conductivity, the conductivity with the resin layer 32 can be secured and the generated DC power can be taken out as a DC current.

図11は、他の実施形態であるセパレータ1を含む単位電池101の水平断面図である。図に示すように、単位電池101の一方のセパレータ1において、シール突部が、高分子膜20と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。また、図12に示すように、単位電池101の両方のセパレータ1において、シール突部が、高分子膜20と面接触するように、シール突部の断面を台形形状としてもよい。   FIG. 11 is a horizontal sectional view of a unit battery 101 including the separator 1 according to another embodiment. As shown in the figure, in one separator 1 of the unit battery 101, the cross section of the seal protrusion may be trapezoidal so that the seal protrusion is in surface contact with the polymer film 20. In addition, as shown in FIG. 12, in both separators 1 of the unit battery 101, the cross section of the seal protrusion may be trapezoidal so that the seal protrusion is in surface contact with the polymer film 20.

図13は、単位電池101を側面から見た概略図である。分離部13は、必ずしも燃料電池セル2の全面にわたって設けられるとは限らず、図13に示したように、シールラインLが偏ってしまう場合がある。このような場合、組み立て時にセパレータ1と燃料電池セル2との間に生じる面圧の分布に偏りが生じ、分離部13での接触不良を生じることとなる。これを防止するために、シール部14以外の領域にもシール突部と同様の突部(補助突部)を設ける。図に示すように、補助突部が高分子膜20に当接する箇所を示す当接ラインMとシールラインLとが燃料電池セル2面内に均一に分布するように、補助突部を設けることによって、面圧の分布が均一となる。   FIG. 13 is a schematic view of the unit battery 101 as viewed from the side. The separation part 13 is not necessarily provided over the entire surface of the fuel battery cell 2, and the seal line L may be biased as shown in FIG. In such a case, the distribution of the surface pressure generated between the separator 1 and the fuel cell 2 at the time of assembly is biased, resulting in poor contact at the separation portion 13. In order to prevent this, a protrusion (auxiliary protrusion) similar to the seal protrusion is provided in a region other than the seal portion 14. As shown in the figure, the auxiliary protrusions are provided so that the contact lines M and the seal lines L indicating the positions where the auxiliary protrusions contact the polymer membrane 20 are uniformly distributed in the fuel cell 2 surface. As a result, the surface pressure distribution becomes uniform.

次にセパレータ1の製造方法について説明する。セパレータ1の製造方法は、主に以下の工程からなる。   Next, the manufacturing method of the separator 1 is demonstrated. The manufacturing method of the separator 1 mainly includes the following steps.

(1)金属薄板処理工程
シート状の金属薄板に対し、ゴムとの密着性を得るための処理を行う。処理方法には、前述の表面粗化による処理、接着層を形成する処理などがある。
(1) Metal thin plate treatment process The sheet-like metal thin plate is treated to obtain adhesion to rubber. Examples of the processing method include the above-described surface roughening treatment and the treatment of forming an adhesive layer.

(2)型抜き加工処理
表面処理された金属薄板に対し、所定の外形およびガス経路を得るために、型抜き加工を行う。
(2) Die-cutting process A die-cutting process is performed on the surface-treated metal sheet to obtain a predetermined external shape and gas path.

(3)被覆層形成処理
型抜き加工が施された金属薄板の表面に、予め導電性のカーボンフィラーなどを含有させた液状導電性ゴムをコーティングするか、グリーンシート状導電性ゴムを積層する。液状導電性ゴムには、たとえばポリイソブチレンゴムなどを用いる。
(3) Coating layer forming treatment The surface of the metal sheet that has been subjected to die cutting is coated with a liquid conductive rubber containing a conductive carbon filler or the like, or a green sheet-like conductive rubber is laminated. For example, polyisobutylene rubber is used as the liquid conductive rubber.

(4)高分子弾性層形成処理
金属薄板または被覆層のシール突部の頂部となる領域に、高分子弾性層を設ける。具体的には、高分子弾性層となるゴムまたは合成樹脂を溶剤に溶解させた溶解液を用いる方法と、ゴムまたは合成樹脂となるモノマー、オリゴマーを含む反応液を用いる方法の2種類の方法がある。
さらに、これらの溶解液または反応液を所定の領域に塗布する方法としては、たとえば、スクリーン印刷、凹版印刷、ステンシル印刷などの印刷方法を使用することができる。
(4) Polymer elastic layer forming treatment A polymer elastic layer is provided in a region that becomes the top of the seal projection of the metal thin plate or coating layer. Specifically, there are two methods: a method using a solution obtained by dissolving a rubber or synthetic resin to be a polymer elastic layer in a solvent, and a method using a reaction solution containing a monomer or an oligomer to be rubber or a synthetic resin. is there.
Furthermore, as a method for applying these solution or reaction solution to a predetermined region, for example, a printing method such as screen printing, intaglio printing, or stencil printing can be used.

(5)プレス加工処理
分離部13の流路溝とシール部14のシール突部とを形成するためにプレス加工を行う。プレス加工により、分離部13とシール部14を同時に形成することができる。
(5) Pressing process In order to form the flow path groove of the separation part 13 and the seal protrusion part of the seal part 14, press work is performed. The separation part 13 and the seal part 14 can be formed simultaneously by pressing.

(6)加硫処理
加熱により高分子弾性層および被覆層の加硫処理を行う。なお、プレス加工時に加熱することで、金属薄板のBH(Baked Hardening)処理およびゴム層の架橋処理を同時に行うようにしてもよい。金属薄板をBH処理することによって、耐熱性を向上させるとともに、シール部14の応力緩和を小さくし、シール性を保持することが可能である。
以上のようにして得られたセパレータ1と燃料電池セル2とを交互に所定数配置し、その外側に集電板3、絶縁シート4を配置してエンドフランジ5で挟持し固定することによりPEFC100が得られる。
(6) Vulcanization treatment The polymer elastic layer and the coating layer are vulcanized by heating. In addition, you may make it perform simultaneously the BH (Baked Hardening) process of a metal thin plate, and the bridge | crosslinking process of a rubber layer by heating at the time of press work. By subjecting the metal thin plate to BH treatment, it is possible to improve heat resistance, reduce stress relaxation of the seal portion 14, and maintain sealing performance.
A predetermined number of separators 1 and fuel cells 2 obtained as described above are alternately arranged, current collector plates 3 and insulating sheets 4 are arranged outside them, and are sandwiched and fixed by end flanges 5 to thereby fix PEFC100. Is obtained.

下記の実施例に示す条件でセパレータを作製した。
金属薄板は各実施例で共用し、たて10cm、よこ10cm、厚さ0.2mmのSUS304製薄板を用いた。また、サンドブラストによる表面粗化を行い、プレス加工により外周部にシール突部を形成し、中央部に分離溝を形成した。
A separator was produced under the conditions shown in the following examples.
A thin metal plate was commonly used in each example, and a thin plate made of SUS304 having a length of 10 cm, a width of 10 cm, and a thickness of 0.2 mm was used. Further, the surface was roughened by sand blasting, a seal protrusion was formed on the outer peripheral portion by pressing, and a separation groove was formed in the central portion.

(実施例1)
1液性加熱硬化型オレフィン系シール材(スリーボンド社製、商品名 スリーボンド1152)を、シール突部の頂部となる位置にスクリーン印刷で印刷する。120℃で40分間加熱硬化させ、層厚みが25μm〜30μmの高分子弾性層を形成する。加熱硬化後、プレス加工によりシール突部を形成する。
Example 1
A one-component thermosetting olefin-based sealing material (manufactured by ThreeBond Co., Ltd., trade name ThreeBond 1152) is printed by screen printing at a position to be the top of the seal protrusion. Heat curing at 120 ° C. for 40 minutes to form a polymer elastic layer having a layer thickness of 25 μm to 30 μm. After heat curing, the seal protrusion is formed by press working.

(実施例2)
予めプレス加工によりシール突部を形成する。クロロスルフォン化ポリエチレン、無機質フィラーおよび溶媒を混合したシール材(スリーボンド社製、商品名 スリーボンド1104)を、シール突部の頂部にスクリーン印刷で印刷し、加熱硬化させ、層厚みが15μm〜20μmの高分子弾性層を形成する。
(Example 2)
A seal protrusion is formed in advance by pressing. A sealing material mixed with chlorosulfonated polyethylene, an inorganic filler, and a solvent (manufactured by ThreeBond Co., Ltd., trade name ThreeBond 1104) is printed on the top of the seal protrusion by screen printing, heat cured, and a layer thickness of 15 μm to 20 μm is high. A molecular elastic layer is formed.

(実施例3)
予めプレス加工によりシール突部を形成する。光硬化性粘着材であるシリコーンPSAを、シール突部の頂部に針状ノズルで吐出し、光照射して硬化させ、層厚みが15μm〜20μmの高分子弾性層を形成する。
(Example 3)
A seal protrusion is formed in advance by pressing. Silicone PSA, which is a photocurable adhesive material, is ejected with a needle-like nozzle on the top of the seal protrusion, and cured by light irradiation to form a polymer elastic layer having a layer thickness of 15 μm to 20 μm.

(実施例4)
SUS304薄板表面をサンドブラストで粗化し、ポリアニリンによるプライマー処理を施し、アリル系付加重合型ポリイソブチレンと、導電性カーボングラファイトとを混合したものを、厚さ50μmで塗布し、130℃で2時間加熱硬化させて被覆層を形成する。実施例1と同様に、1液性加熱硬化型オレフィン系シール材(スリーボンド社製、商品名 スリーボンド1152)を、シール突部の頂部となる位置にスクリーン印刷で印刷し、120℃で40分間加熱硬化させ、層厚みが25μm〜30μmの高分子弾性層を形成する。加熱硬化後、プレス加工によりシール突部を形成する。
Example 4
The surface of SUS304 thin plate is roughened by sandblasting, primed with polyaniline, mixed with allyl-based addition-polymerized polyisobutylene and conductive carbon graphite at a thickness of 50μm, and cured by heating at 130 ° C for 2 hours. To form a coating layer. In the same manner as in Example 1, a one-component heat-curable olefin-based sealing material (manufactured by ThreeBond Co., Ltd., trade name ThreeBond 1152) is printed by screen printing on the top of the seal protrusion, and heated at 120 ° C. for 40 minutes. Curing is performed to form a polymer elastic layer having a layer thickness of 25 μm to 30 μm. After heat curing, a seal projection is formed by press working.

(実施例5)
SUS304薄板表面をサンドブラストで粗化し、ポリアニリンによるプライマー処理を施し、アリル系付加重合型ポリイソブチレンと、導電性カーボングラファイトとを混合したものを、厚さ50μmで塗布し、130℃で2時間加熱硬化させて被覆層を形成する。プレス加工によりシール突部を形成する。クロロスルフォン化ポリエチレン、無機質フィラーおよび溶媒を混合したシール材(スリーボンド社製、商品名 スリーボンド1104)を、シール突部の頂部にスクリーン印刷で印刷し、加熱硬化させ、層厚みが15μm〜20μmの高分子弾性層を形成する。
(Example 5)
The surface of SUS304 thin plate is roughened by sandblasting, primed with polyaniline, mixed with allyl-based addition-polymerized polyisobutylene and conductive carbon graphite at a thickness of 50μm, and cured by heating at 130 ° C for 2 hours. To form a coating layer. A seal projection is formed by pressing. A sealing material mixed with chlorosulfonated polyethylene, an inorganic filler, and a solvent (manufactured by ThreeBond Co., Ltd., trade name ThreeBond 1104) is printed on the top of the seal protrusion by screen printing, heat cured, and a layer thickness of 15 μm to 20 μm is high. A molecular elastic layer is formed.

(比較例)
プレス加工により、SUS304薄板に流路溝を形成する。このときシール突部は形成しない。上記実施例でシール突部を形成した外周部に相当する部分に、厚さ1mmのポリイソブチレン系フラットシートガスケットを設ける。
実施例1〜5および比較例についてシール試験を行った。シール試験は、セパレータを4枚積層し、厚み10mmの鋼材板で挟み込んでボルトにより積層方向に締め付ける。分離部に設けた注入孔から空気を注入し、漏れの有無を調べた。
実施例1〜5では空気漏れは全く無く、良好なシール性能を示した。これに対し、比較例では空気漏れが発生した。
(Comparative example)
A flow path groove is formed in the SUS304 thin plate by press working. At this time, no seal protrusion is formed. A polyisobutylene-based flat sheet gasket having a thickness of 1 mm is provided in a portion corresponding to the outer peripheral portion where the seal protrusion is formed in the above embodiment.
Seal tests were conducted on Examples 1 to 5 and Comparative Examples. In the seal test, four separators are stacked, sandwiched between 10 mm thick steel plates, and tightened in the stacking direction with bolts. Air was injected from an injection hole provided in the separation part, and the presence or absence of leakage was examined.
In Examples 1 to 5, there was no air leakage and good sealing performance was shown. On the other hand, air leakage occurred in the comparative example.

固体高分子型燃料電池(PEFC)100を展開した状態で模式的に示した斜視図である。1 is a perspective view schematically showing a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) 100 in a developed state. FIG. セパレータ1を含む単位電池101の水平断面図である。2 is a horizontal sectional view of a unit battery 101 including a separator 1. FIG. ばね力が発生するためのシール部14の形状を説明する図である。It is a figure explaining the shape of the seal part 14 for a spring force to generate | occur | produce. 単位電池101を側面から見た概略図である。It is the schematic which looked at the unit battery 101 from the side. 第1の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the seal part 14 in 1st Embodiment. 第1の実施形態における分離部13の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the isolation | separation part 13 in 1st Embodiment. 第2の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the seal part 14 in 2nd Embodiment. 第2の実施形態における分離部13の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the isolation | separation part 13 in 2nd Embodiment. 第3の実施形態におけるシール部14の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the seal part 14 in 3rd Embodiment. 第3の実施形態における分離部13の要部拡大図である。It is a principal part enlarged view of the isolation | separation part 13 in 3rd Embodiment. 他の実施形態であるセパレータ1を含む単位電池101の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of unit battery 101 including separator 1 which is other embodiments. 他の実施形態であるセパレータ1を含む単位電池101の水平断面図である。It is a horizontal sectional view of unit battery 101 including separator 1 which is other embodiments. 単位電池101を側面から見た概略図である。It is the schematic which looked at the unit battery 101 from the side.

符号の説明Explanation of symbols

1 セパレータ
2 燃料電池セル
3 集電板
4 絶縁シート
5 エンドフランジ
6 水素ガス供給口
7 冷却水供給口
8 酸素ガス供給口
9 水素ガス排出口
10 冷却水排出口
11 酸素ガス排出口
12 電極配線
13 分離部
14 シール部
15 分離壁
16 電極接触壁
17 水素ガス流路
18 酸素ガス流路
19,19a 頂部
20 高分子膜
21 触媒電極
30 金属薄板
31 被覆層
32 接着層
40 高分子弾性層
100 固体高分子型燃料電池(PEFC)
101 単位電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Separator 2 Fuel cell 3 Current collector plate 4 Insulation sheet 5 End flange 6 Hydrogen gas supply port 7 Cooling water supply port 8 Oxygen gas supply port 9 Hydrogen gas discharge port 10 Cooling water discharge port 11 Oxygen gas discharge port 12 Electrode wiring 13 Separation part 14 Seal part 15 Separation wall 16 Electrode contact wall 17 Hydrogen gas flow path 18 Oxygen gas flow path 19, 19a Top part 20 Polymer film 21 Catalyst electrode 30 Metal thin plate 31 Coating layer 32 Adhesion layer 40 Polymer elastic layer 100 Solid high Molecular fuel cell (PEFC)
101 unit battery

Claims (6)

電解質媒体を含有した電解質層の厚み方向表面に触媒電極を設けた複数の電解質組立体間に介在され、燃料ガスおよび酸化剤ガスの流路を分離する分離部と、外周部に設けられ、燃料ガスおよび酸化剤ガスの漏出を防ぐシール部とが一体化されたセパレータであって、
シール部に相当する領域には、電解質組立体の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部であって、その頂部がばね力によって前記電解質組立体に圧接されるように構成されたシール突部を有することを特徴とするセパレータ。
A separator disposed between a plurality of electrolyte assemblies each provided with a catalyst electrode on a surface in a thickness direction of an electrolyte layer containing an electrolyte medium, separating a flow path of a fuel gas and an oxidant gas; A separator integrated with a seal portion that prevents leakage of gas and oxidant gas,
The region corresponding to the seal portion is a seal protrusion that extends in parallel with the catalyst electrode forming surface of the electrolyte assembly, and the top portion of the seal protrusion is pressed against the electrolyte assembly by a spring force. The separator characterized by having.
金属板からなることを特徴とする請求項1記載のセパレータ。   The separator according to claim 1, comprising a metal plate. 少なくとも前記シール突部が電解質層と接触する部分に、弾性体で構成される高分子弾性層が設けられることを特徴とする請求項1または2記載のセパレータ。   The separator according to claim 1 or 2, wherein a polymer elastic layer made of an elastic body is provided at least in a portion where the seal projection comes into contact with the electrolyte layer. 前記高分子弾性層の幅は1〜10mmであり、厚みは1〜100μmであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のセパレータ。   The separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the polymer elastic layer has a width of 1 to 10 mm and a thickness of 1 to 100 µm. 前記シール突部を2以上有し、それぞれのシール突部の頂部と電解質層との当接箇所を仮想的に示す当接線が互いに平行であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のセパレータ。   The contact line which has two or more said seal protrusions, and shows the contact location of the top part and electrolyte layer of each seal protrusion is mutually parallel, The one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. The separator according to one. シール部および分離部以外の領域に、前記シール突部と同様に構成された補助突部を有し、補助突部は、セパレータを含む燃料電池の組み立て時に、電解質組立体との間に生じる面圧が均一に分布するように設けられることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のセパレータ。   A region other than the seal portion and the separation portion has an auxiliary protrusion configured in the same manner as the seal protrusion, and the auxiliary protrusion is a surface generated between the electrolyte assembly when the fuel cell including the separator is assembled. The separator according to any one of claims 1 to 5, wherein the separator is provided so that the pressure is uniformly distributed.
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