JP2007035449A - Separator - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a separator exerting optimum seal performance. <P>SOLUTION: A seal line L is formed into a shape having circular arcs Ac each having a center at each corner part located inside the seal line L, and formed by connecting the circular arcs Ac adjacent to each other through a circular arc Am having the center located outside the seal line L. By forming such a seal line, contact pressure generated by fastening in assembly can be dispersed, whereby sufficient seal performance can be exerted without breaking a polymer film. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

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に関する。   The present invention relates to a separator provided in a stack type polymer electrolyte fuel cell.

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.

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膜と、電解質膜を両側から挟み、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、電極を発生した電気を回収する収電板などとを含んで構成される。また、セパレータは燃料電池を構成する部品の約80%もの体積および重量を占めるため、燃料電池のコンパクト化には欠かせない部品である。   The structure of the polymer electrolyte fuel cell consists of an electrolyte membrane with a catalyst electrode on the surface, a separator with an electrolyte membrane sandwiched from both sides and a groove for supplying hydrogen and oxygen, and the electricity generated by the electrode is recovered And a current collecting plate. In addition, since the separator occupies about 80% of the volume and weight of the parts constituting the fuel cell, it is an indispensable part for making the fuel cell compact.

セパレータ材料としては、緻密性カーボン、合成樹脂などがあるが、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。燃料電池の組立工程において、水素および酸素などのガスの漏れを防ぐために、セパレータの外周部をOリングなどのシール材を用いて密閉したり、外周部にガスケットを設ける必要がある。これに対して本件発明者らは、これまでの研究により、金属セパレータの外周部に、電解質の触媒電極形成面に平行に延びるシール突部を、その頂部がばね力によって電解質に圧接されるように設けることで、シール材がなくともガスの漏れを防ぐことができるという知見を得ている。   As the separator material, there are dense carbon, synthetic resin, and the like, but metal is often used from the viewpoint of conductivity, workability, sealing property, and the like. In the assembly process of the fuel cell, in order to prevent leakage of gases such as hydrogen and oxygen, it is necessary to seal the outer periphery of the separator with a sealing material such as an O-ring or to provide a gasket on the outer periphery. On the other hand, the inventors of the present invention have, as a result of previous research, a seal projection that extends in parallel with the catalyst electrode formation surface of the electrolyte on the outer periphery of the metal separator so that the top thereof is pressed against the electrolyte by a spring force. It has been found that gas leakage can be prevented even without a sealing material.

特許文献1記載セパレータのシールラインはその外周に沿って設けられるか、またはガス流路を取り囲むようにして設けられる。   The seal line of the separator described in Patent Document 1 is provided along the outer periphery thereof, or is provided so as to surround the gas flow path.

特開2005−38868号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-38868

前述のようなシール突部をプレス加工で形成する場合、シールラインは、セパレータの各角部分についてはそれぞれ円弧形状とし、各辺部分については各円弧を結ぶ直線とする、いわゆる角丸四角形状のシールラインになる。   In the case where the above-described seal protrusion is formed by press working, the seal line has a so-called rounded quadrangular shape in which each corner portion of the separator has an arc shape and each side portion has a straight line connecting the arcs. It becomes a seal line.

このようなシールラインとなるような金属セパレータを用いて燃料電池を組み立てた場合、締め付け圧力が角部の円弧形状の部分に集中し、電解質膜を破壊するおそれがある。また、電解質膜を破壊しない程度の締め付け圧力とするとシール性能が低下し、ガス漏れが発生するおそれがある。
本発明の目的は、最適なシール性能を発揮するセパレータを提供することである。
When a fuel cell is assembled using such a metal separator that forms a seal line, the tightening pressure may be concentrated on the arcuate portion of the corner, and the electrolyte membrane may be destroyed. Further, when the tightening pressure is such that the electrolyte membrane is not broken, the sealing performance is deteriorated and gas leakage may occur.
An object of the present invention is to provide a separator that exhibits optimum sealing performance.

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し、
前記シール突部の頂部が前記電解質層に当接する箇所を仮想的に示す当接線が閉曲線であり、
前記閉曲線の形状が、各角部では中心が前記閉曲線より内側に位置する第1の円弧を有し、互いに隣接する前記第1の円弧を、中心が前記閉曲線より外側に位置する第2の円弧を介して接続した形状であ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. Have
The contact line that virtually shows the location where the top of the seal projection contacts the electrolyte layer is a closed curve,
The shape of the closed curve has a first arc whose center is located inside the closed curve at each corner, the first arc adjacent to each other, and a second arc whose center is located outside the closed curve. It is the separator characterized by having the shape connected through this.

また本発明は、前記第1の円弧の半径rcと、前記第2の円弧の半径rmとの比rm/rcが2以上8以下であることを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that a ratio rm / rc of the radius rc of the first arc and the radius rm of the second arc is 2 or more and 8 or less.

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.

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 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. Have

前記シール突部の頂部が前記電解質層に当接する箇所を仮想的に示す当接線、いわゆるシールラインが閉曲線であり、この閉曲線の形状が、各角部では中心が前記閉曲線より内側に位置する第1の円弧を有し、互いに隣接する前記第1の円弧を、中心が前記閉曲線より外側に位置する第2の円弧を介して接続した形状である。   A contact line that virtually shows a position where the top of the seal protrusion abuts the electrolyte layer, a so-called seal line is a closed curve, and the shape of the closed curve is such that the center of each corner is located inside the closed curve. The first arcs having one arc and adjacent to each other are connected via a second arc whose center is located outside the closed curve.

これにより、組み立て時の締め付けにより発生する当接圧力を分散させることができるので、電解質層を破壊することなく最適なシール性能を発揮することができる。   Thereby, since the contact pressure generated by tightening during assembly can be dispersed, optimum sealing performance can be exhibited without destroying the electrolyte layer.

また本発明によれば、前記第1の円弧の半径rcと、前記第2の円弧の半径rmとの比rm/rcが2以上8以下であることが好ましい。   According to the present invention, it is preferable that a ratio rm / rc between the radius rc of the first arc and the radius rm of the second arc is 2 or more and 8 or less.

比rm/rcをこのような範囲とすることで、当接圧力をより均等に分散させることができる。   By setting the ratio rm / rc in such a range, the contact pressure can be more evenly distributed.

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 transmits hydrogen ions (protons), and a perfluorosulfonic acid resin membrane (for example, a 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U字形状または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U字形状または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. This seal projection has a U-shaped or 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, the U-shaped or V-shaped seal protrusion is used to reduce the membrane contact area of the top 19 and realize a high-pressure seal similar to an O-ring.

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.

図4は、本発明の実施の一形態であるセパレータ1の平面図である。図5は、セパレータ1のS−S線断面図である。   FIG. 4 is a plan view of the separator 1 according to the embodiment of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view of the separator 1 taken along the line SS.

セパレータ1を用いた場合、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をシールラインLとする。   When the separator 1 is used, the top portion 19 of the seal protrusion is in contact with the polymer film 20, and a contact line that virtually indicates the contact portion is referred to as a seal line L.

シールラインLの形状は、各角部において中心がシールラインLより内側に位置する円弧Acを有し、互いに隣接する円弧Acを、中心がシールラインLより外側に位置する円弧Amを介して接続した形状としている。このようなシールラインとすることで、組み立て時の締め付けにより発生する当接圧力を分散させることができるので、高分子膜20を破壊することなく十分なシール性能を発揮することができる。円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rcは、2以上8以下が好ましく、2が最も好ましい。   The shape of the seal line L has an arc Ac whose center is located on the inner side of the seal line L at each corner, and the adjacent arcs Ac are connected via an arc Am whose center is located on the outer side of the seal line L. It has a shape. By using such a seal line, the contact pressure generated by tightening during assembly can be dispersed, so that sufficient sealing performance can be exhibited without destroying the polymer film 20. The ratio rm / rc between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am is preferably 2 or more and 8 or less, and most preferably 2.

シールラインLの形状、特に円弧Acの半径rcと、円弧Amの半径rmとの比を変更したときの当接圧力の変化について、以下のように、有限要素法に基づくシミュレーションで検証する。   The change of the contact pressure when the ratio of the shape of the seal line L, in particular, the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am is changed is verified by simulation based on the finite element method as follows.

図6は、シミュレーションを行う際のセパレータの有限要素モデルを示す図である。図6(a)は平面図を示し、図6(b)はT−T線断面図である。   FIG. 6 is a diagram showing a finite element model of the separator when performing the simulation. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line TT.

この有限要素モデルでは、金属セパレータの材質をSUS(縦弾性係数=200000N/mm、ポアソン比=0.3)とし、5.9Nの外力を保持した仮想剛体平面(高分子膜に相当)22をセパレータに押し当てる条件でシミュレーションを行う。セパレータの形状および力学的対称面を考慮しセパレータ全体の1/8の部分をモデル化する。 In this finite element model, the material of the metal separator is SUS (longitudinal elastic modulus = 200000 N / mm 2 , Poisson's ratio = 0.3), and a virtual rigid plane (corresponding to a polymer film) 22 holding an external force of 5.9 N 22 The simulation is performed under the condition of pressing against the separator. Considering the shape of the separator and the plane of mechanical symmetry, a 1/8 portion of the entire separator is modeled.

円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rcを変化させたモデルを作成し、ミーゼス応力分布を算出することで、シール突部の頂部19と高分子膜20との当接圧力分布を評価する。   A model in which the ratio rm / rc between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am is changed, and the Mises stress distribution is calculated, whereby the apex portion 19 of the seal protrusion and the polymer film 20 are brought into contact with each other. Evaluate the pressure distribution.

図7〜図13は、それぞれ検討例1〜7のシミュレーションモデルを示す図である。
検討例1は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=0mmとしたモデルである。
7 to 13 are diagrams illustrating simulation models of the examination examples 1 to 7, respectively.
Examination Example 1 is a model in which the radius rc of the arc Ac = 5 mm and the radius rm of the arc Am = 0 mm.

検討例2は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=50mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=10である。   Examination Example 2 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 50 mm, and the ratio of the radius rc of the arc Ac to the radius rm of the arc Am is rm / rc = 10.

検討例3は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=40mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=8である。   Examination Example 3 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 40 mm, and the ratio rm / rc = 8 between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am.

検討例4は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=30mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=6である。   Examination Example 4 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 30 mm, and the ratio rm / rc = 6 between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am.

検討例5は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=20mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=4である。   Examination Example 5 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 20 mm, and the ratio rm / rc = 4 between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am.

検討例6は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=10mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=2である。   Examination Example 6 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 10 mm, and the ratio rm / rc = 2 between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am.

検討例7は、円弧Acの半径rc=5mm、円弧Amの半径rm=5mmとしたモデルであり、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rc=1である。   The examination example 7 is a model in which the radius rc of the arc Ac is 5 mm and the radius rm of the arc Am is 5 mm, and the ratio rm / rc = 1 between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am.

これらのモデルを用いて上記の条件でシミュレーションを行った結果を、図14〜図20の応力分布図に示す。   The results of simulations using these models under the above conditions are shown in the stress distribution diagrams of FIGS.

検討例1では、円弧Acにおいてミーゼス応力が229N/mmであり、このようなシールライン形状の場合、円弧Acに当接圧力が集中している、すなわち高分子膜が破壊される可能性が高いことがわかる。また、円弧Acを結ぶ直線部分の応力が小さいことから、高分子膜を破壊しない程度の締め付けにするとシール性能が低下する可能性が高く、シール性能を高めるために締め付け力を大きくすると、高分子膜を破壊する可能性がさらに高くなってしまう。 In Study Example 1, the Mises stress is 229 N / mm 2 in the arc Ac, and in such a seal line shape, the contact pressure is concentrated on the arc Ac, that is, the polymer film may be destroyed. I understand that it is expensive. In addition, since the stress at the straight line connecting the arcs Ac is small, there is a high possibility that the sealing performance will be lowered if tightening is performed to such an extent that the polymer film is not broken. If the tightening force is increased to increase the sealing performance, the polymer The possibility of breaking the film is further increased.

検討例2では、円弧Acにおいてミーゼス応力が135N/mmであり、円弧Amにおいて38.2N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力が小さくなる、すなわち高分子膜が破壊される可能性が低くなったことがわかる。しかしながら、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分の圧力が0であることからシール性能が発揮されない。シール性能を発揮させるために締め付け力を大きくすると、高分子膜を破壊する可能性が高くなってしまう。 In Study Example 2, Mises stresses in the arc Ac is 135N / mm 2, a 38.2N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, so that the contact pressure in the arc Ac is reduced, that is, the possibility that the polymer film is broken is reduced. I understand. However, since the pressure at the portion connecting the arc Ac and the arc Am is 0, the sealing performance is not exhibited. If the tightening force is increased in order to exhibit the sealing performance, the possibility of breaking the polymer film increases.

検討例3では、円弧Acにおいてミーゼス応力が128N/mmであり、円弧Amにおいて35.3N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力が小さくなる、すなわち高分子膜が破壊される可能性が低くなったことがわかる。また、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分にも適度な圧力が発生し、シール性能が保持されていることがわかる。 In Study Example 3, Mises stresses in the arc Ac is 128N / mm 2, a 35.3N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, so that the contact pressure in the arc Ac is reduced, that is, the possibility that the polymer film is broken is reduced. I understand. In addition, it can be seen that an appropriate pressure is also generated at the portion connecting the arc Ac and the arc Am, and the sealing performance is maintained.

検討例4では、円弧Acにおいてミーゼス応力が117N/mmであり、円弧Amにおいて42.1N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力が小さくなる。また、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分にも適度な圧力が発生し、シール性能が保持されていることがわかる。 In Study Example 4, Mises stresses in the arc Ac is 117N / mm 2, a 42.1N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, so the contact pressure in the arc Ac is reduced. In addition, it can be seen that an appropriate pressure is also generated at the portion connecting the arc Ac and the arc Am, and the sealing performance is maintained.

検討例5では、円弧Acにおいてミーゼス応力が105N/mmであり、円弧Amにおいて55.9N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力がさらに小さくなる。また、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分にも適度な圧力が発生し、シール性能が保持されていることがわかる。 In Study Example 5, Mises stresses in the arc Ac is 105N / mm 2, a 55.9N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, so that the contact pressure in the arc Ac is further reduced. In addition, it can be seen that an appropriate pressure is also generated at the portion connecting the arc Ac and the arc Am, and the sealing performance is maintained.

検討例6では、円弧Acにおいてミーゼス応力が83.3N/mmであり、円弧Amにおいて89.2N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力がさらに小さくなり、円弧Acにおける当接圧力と、円弧Amにおける当接圧力がほぼ等しくなる。また、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分にも適度な圧力が発生し、シール性能が保持されており、特に適したシールライン形状であることがわかる。 In study example 6, Mises stresses in the arc Ac is 83.3N / mm 2, a 89.2N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, since the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, the contact pressure in the arc Ac is further reduced, and the contact pressure in the arc Ac and the contact pressure in the arc Am are reduced. Are almost equal. Further, it can be seen that an appropriate pressure is also generated at the portion connecting the arc Ac and the arc Am, the sealing performance is maintained, and the seal line shape is particularly suitable.

検討例7では、円弧Acにおいてミーゼス応力が74.5N/mmであり、円弧Amにおいて149N/mmである。このようなシールライン形状の場合、当接圧力が円弧Acと円弧Amとに分散されるため、円弧Acにおける当接圧力がさらに小さくなるが、円弧Amに当接圧力が集中している、すなわち高分子膜が破壊される可能性が高いことがわかる。また、円弧Acと円弧Amとを結ぶ部分の圧力が0であることからシール性能が発揮されない。シール性能を発揮させるために締め付け力を大きくすると、高分子膜を破壊する可能性が高くなってしまう。 In Study Example 7, Mises stresses in the arc Ac is 74.5N / mm 2, is 149N / mm 2 in the arc Am. In the case of such a seal line shape, the contact pressure is distributed between the arc Ac and the arc Am, so that the contact pressure in the arc Ac is further reduced, but the contact pressure is concentrated on the arc Am. It can be seen that the polymer film is highly likely to be destroyed. Further, since the pressure at the portion connecting the arc Ac and the arc Am is 0, the sealing performance is not exhibited. If the tightening force is increased to exert the sealing performance, the possibility of breaking the polymer film increases.

以上より、互いに隣接する円弧Acを、中心がシールラインLより外側に位置する円弧Amを介して接続した形状のシールラインとすることで、当接圧力を分散させることができるので、高分子膜20を破壊することなく十分なシール性能を発揮することができる。   As described above, since the arcs adjacent to each other are seal lines having a shape in which the centers are connected via the arc Am located outside the seal line L, the contact pressure can be dispersed. Sufficient sealing performance can be exhibited without destroying 20.

また、円弧Acの半径rcと円弧Amの半径rmとの比rm/rcを検討例2および検討例7のように10および1にすると、シール性能が発揮されなくなるので、比rm/rcは、2以上8以下が好ましく、円弧Acにおける当接圧力と、円弧Amにおける当接圧力がほぼ等しくなる2が最も好ましい。   Further, if the ratio rm / rc between the radius rc of the arc Ac and the radius rm of the arc Am is set to 10 and 1 as in Examination Example 2 and Examination Example 7, the sealing performance is not exhibited, so the ratio rm / rc is 2 or more and 8 or less are preferable, and 2 is most preferable because the contact pressure in the arc Ac and the contact pressure in the arc Am are substantially equal.

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。1 is a perspective view schematically showing a polymer electrolyte fuel cell (abbreviated as 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. 本発明の実施の一形態であるセパレータ1の平面図である。It is a top view of separator 1 which is one embodiment of the present invention. セパレータ1のS−S線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the separator 1 taken along the line SS. シミュレーションを行う際のセパレータの有限要素モデルを示す図である。It is a figure which shows the finite element model of the separator at the time of performing simulation. 検討例1のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 1. FIG. 検討例2のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 2. FIG. 検討例3のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 3. FIG. 検討例4のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 4. FIG. 検討例5のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 5. FIG. 検討例6のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 6. FIG. 検討例7のシミュレーションモデルを示す図である。It is a figure which shows the simulation model of the examination example 7. FIG. 検討例1のシミュレーション結果を示す応力分布図である。6 is a stress distribution diagram showing a simulation result of Study Example 1. FIG. 検討例2のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 2. 検討例3のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 3. 検討例4のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 4. 検討例5のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 5. FIG. 検討例6のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 6. 検討例7のシミュレーション結果を示す応力分布図である。It is a stress distribution figure which shows the simulation result of the examination example 7.

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 頂部
20 高分子膜
21 触媒電極
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 Top part 20 Polymer membrane 21 Catalyst electrode

Claims (2)

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し、
前記シール突部の頂部が前記電解質層に当接する箇所を仮想的に示す当接線が閉曲線であり、
前記閉曲線の形状が、各角部では中心が前記閉曲線より内側に位置する第1の円弧を有し、互いに隣接する前記第1の円弧を、中心が前記閉曲線より外側に位置する第2の円弧を介して接続した形状であ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. Have
The contact line that virtually shows the location where the top of the seal projection contacts the electrolyte layer is a closed curve,
The shape of the closed curve has a first arc whose center is located inside the closed curve at each corner, the first arc adjacent to each other, and a second arc whose center is located outside the closed curve. A separator characterized by having a shape connected via a wire.
前記第1の円弧の半径rcと、前記第2の円弧の半径rmとの比rm/rcが2以上8以下であ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, wherein a ratio rm / rc of a radius rc of the first arc to a radius rm of the second arc is 2 or more and 8 or less.
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