JP2015018661A - Separator for fuel cell - Google Patents

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Motoi Yaginuma
基 柳沼
山本 啓介
Keisuke Yamamoto
啓介 山本
淳一 濱
Junichi Hama
淳一 濱
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enhance the performance of a conventional separator for fuel cell furthermore.SOLUTION: In the separators 3, 4 for fuel cell forming a gas flow channel and a conductive path between a membrane electrode assembly 2 and the separators, a rough surface region 5 having a surface of fine uneven shape subjected to roughening is provided, at least partially, on a principal surface facing the membrane electrode assembly 2. Conductivity between the membrane electrode assembly 2 and the separators is enhanced by increasing the contact area with the membrane electrode assembly 2 by the fine uneven shape of the rough surface region 5.

Description

本発明は、膜電極接合体とともに単セルを構成するのに用いられる燃料電池用セパレータに関するものである。   The present invention relates to a fuel cell separator used for constituting a single cell together with a membrane electrode assembly.

従来における燃料電池用セパレータとしては、例えば、特許文献1に記載されているものがある。特許文献1に記載の燃料電池用セパレータは、金属基材層と、金属基材層の少なくとも一方の主表面に位置する導電性炭素層を有している。そして、上記のセパレータは、導電性炭素層のラマン散乱光分析により測定されたDバンドピーク強度とGバンドピーク強度との強度比を1.3以上とすることで、優れた導電性を確保しつつ、耐食性をより一層向上させている。   Conventional fuel cell separators include those described in Patent Document 1, for example. The fuel cell separator described in Patent Document 1 has a metal base layer and a conductive carbon layer located on at least one main surface of the metal base layer. And said separator ensures the outstanding electroconductivity by making the intensity ratio of D band peak intensity measured by the Raman scattering light analysis of a conductive carbon layer and G band peak intensity 1.3 or more. However, the corrosion resistance is further improved.

特開2010−153353号公報JP 2010-153353 A

この種の燃料電池用セパレータは、膜電極接合体とともに単セルを構成し、さらに、複数の単セルを積層して燃料電池を構成する。このような燃料電池では、電池全体の高性能化を図るために、単セル及びその構成部品、すなわち特許文献1に記載のセパレータのような構成部品の性能を向上させることが非常に重要である。   This type of fuel cell separator forms a single cell together with a membrane electrode assembly, and further stacks a plurality of single cells to form a fuel cell. In such a fuel cell, in order to improve the performance of the entire battery, it is very important to improve the performance of the single cell and its components, that is, the components such as the separator described in Patent Document 1. .

本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされたもので、膜電極接合体とともに単セルを構成する燃料電池用セパレータであって、膜電極接合体との間の導電性を向上させることができる燃料電池用セパレータを提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and is a fuel cell separator that constitutes a single cell together with a membrane electrode assembly, and can improve conductivity between the membrane electrode assembly. It aims at providing the separator for fuel cells.

本発明に係わる燃料電池用セパレータは、膜電極接合体との間にガス流路及び導電経路を形成する。この燃料電池用セパレータは、膜電極接合体に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有する構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。   The fuel cell separator according to the present invention forms a gas flow path and a conductive path between the membrane electrode assembly. This separator for a fuel cell has a structure having a rough surface area in which the surface is made fine irregularities by roughening treatment on at least a part of the main surface facing the membrane electrode assembly. As a means to solve.

本発明の燃料電池用セパレータは、膜電極接合体に部分的に接触して、その膜電極接合体との間に導電経路を形成することとなり、この際、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有するので、その微細凹凸形状によって膜電極接合体との接触面積が増大し、膜電極接合体との間の導電性を向上させることができる。   The fuel cell separator of the present invention partially contacts the membrane electrode assembly and forms a conductive path with the membrane electrode assembly. At this time, the surface is finely uneven by roughening treatment. Since the rough surface region is formed into a shape, the contact area with the membrane electrode assembly is increased by the fine uneven shape, and the conductivity between the membrane electrode assembly can be improved.

本発明の燃料電池スタック構造を説明する燃料電池スタックの斜視図(A)及び分解状態の斜視図(B)である。FIG. 2 is a perspective view (A) of a fuel cell stack and a perspective view (B) in an exploded state for explaining a fuel cell stack structure of the present invention. 図1に示す単セルを分解状態にして示す平面図(A)、及び単セルの断面図(B)である。It is the top view (A) which shows the single cell shown in FIG. 1 in the decomposition | disassembly state, and sectional drawing (B) of a single cell. 第1実施形態におけるセパレータの平面図である。It is a top view of the separator in a 1st embodiment. 粗面化処理時間と面粗度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between roughening processing time and surface roughness. 電気抵抗と面圧との関係を示すグラフ(A)、及び電気抵抗の測定装置を示す説明図(B)である。It is graph (A) which shows the relationship between an electrical resistance and a surface pressure, and explanatory drawing (B) which shows the measuring apparatus of an electrical resistance. 第2実施形態における電流密度とガス流路との関係を示すグラフ(A)及びセパレータの平面図(B)である。It is the graph (A) which shows the relationship between the current density in 2nd Embodiment, and a gas flow path, and the top view (B) of a separator. 第3実施形態における電流密度とガス流路との関係を示すグラフ(A)及びセパレータの平面図(B)である。It is the graph (A) which shows the relationship between the current density in 3rd Embodiment, and a gas flow path, and the top view (B) of a separator.

〈第1実施形態〉
図1に示す燃料電池スタックFSは、とくに図1(B)に示すように、発電要素である単セルCを複数枚積層して一体化した少なくとも二つ以上のセルモジュールMと、セルモジュールM同士の間に介装するシールプレートPとを備えている。図示例の単セルC及びシールプレートPは、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状を成している。なお、図1(B)には、2つのセルモジュールMと、1つのシールプレートPを示しているが、実際には、それ以上の数のセルモジュールM及びシールプレートPを積層する。
<First Embodiment>
As shown in FIG. 1B, the fuel cell stack FS shown in FIG. 1 includes at least two cell modules M in which a plurality of single cells C as power generation elements are stacked and integrated, and the cell module M And a seal plate P interposed therebetween. The unit cell C and the seal plate P in the illustrated example each have a rectangular plate shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions. In FIG. 1B, two cell modules M and one seal plate P are shown, but in reality, a larger number of cell modules M and seal plates P are stacked.

また、燃料電池スタックFSは、セルモジュールMの積層方向の両端部に、エンドプレート56A,56Bを夫々配置し、単セルCの長辺側の積層端面(図1中で上下面)に、締結板57A,57Bが設けてあると共に、短辺側の積層端面に、補強板58A,58Bが設けてある。各締結板57A,57B及び補強板58A,58Bは、セルモジュールM及びシールプレートPから成る積層体Aの積層方向全長にわたる大きさを有し、図示しないボルトにより両エンドプレート56A,56Bに連結する。   The fuel cell stack FS has end plates 56A and 56B arranged at both ends in the stacking direction of the cell modules M, and fastened to the stacking end surfaces (upper and lower surfaces in FIG. 1) on the long side of the single cell C. The plates 57A and 57B are provided, and the reinforcing plates 58A and 58B are provided on the laminated end surface on the short side. Each of the fastening plates 57A, 57B and the reinforcing plates 58A, 58B has a size over the entire length in the stacking direction of the stacked body A composed of the cell module M and the seal plate P, and is connected to both end plates 56A, 56B by bolts (not shown). .

このようにして、燃料電池スタックFSは、図1(A)に示すようなケース一体型構造となり、各セルモジュールM及びシールプレートPを積層方向に拘束・加圧して個々の単セルCに所定の接触面圧を加え、ガスシール性や導電性等を良好に維持する。   In this way, the fuel cell stack FS has a case-integrated structure as shown in FIG. 1A. Each cell module M and the seal plate P are constrained and pressurized in the stacking direction, and each unit cell C is predetermined. In order to maintain good gas sealing performance and electrical conductivity.

単セルCは、図2に示すように、膜電極接合体2をアノード側及びカソード側のセパレータ3,4で挟持した構造を有している。この実施形態の膜電極接合体2は、その周囲に樹脂製のフレーム1を一体的に有している。このフレーム1及びセパレータ3,4は、いずれもほぼ同じ縦横寸法を有する矩形板状である。   As shown in FIG. 2, the single cell C has a structure in which the membrane electrode assembly 2 is sandwiched between separators 3 and 4 on the anode side and the cathode side. The membrane electrode assembly 2 of this embodiment integrally has a resin frame 1 around it. Each of the frame 1 and the separators 3 and 4 has a rectangular plate shape having substantially the same vertical and horizontal dimensions.

フレーム1は、樹脂成形により膜電極接合体2と一体化してあって、その中央に膜電極接合体2を配置すると共に、短辺側の両端部に、各々三個ずつのマニホールド穴H1〜H6が配列してある。   The frame 1 is integrated with the membrane electrode assembly 2 by resin molding. The membrane electrode assembly 2 is arranged at the center thereof, and three manifold holes H1 to H6 are provided at both ends on the short side. Are arranged.

膜電極接合体2は、一般に、MEA(Membrane Electrode Assembly)と呼ばれるものであって、図2(B)に示すように、例えば固体高分子から成る電解質層11を燃料極層(アノード)12と空気極層(カソード)13とで挟持した構造を有している。図示例の燃料極層12及び空気極層13は、電解質層11側から、触媒層12A,13Aと、導電性多孔質体から成るガス拡散層12B,13Bを有している。この膜電極接合体2は、燃料極層12にアノードガス(水素)が供給されると共に、空気極層13にカソードガス(水素)が供給されて、電気化学反応により発電をする。   The membrane electrode assembly 2 is generally called an MEA (Membrane Electrode Assembly). As shown in FIG. 2B, for example, an electrolyte layer 11 made of a solid polymer is combined with a fuel electrode layer (anode) 12. It has a structure sandwiched between the air electrode layer (cathode) 13. The fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13 in the illustrated example have catalyst layers 12A and 13A and gas diffusion layers 12B and 13B made of a conductive porous body from the electrolyte layer 11 side. In the membrane electrode assembly 2, anode gas (hydrogen) is supplied to the fuel electrode layer 12 and cathode gas (hydrogen) is supplied to the air electrode layer 13 to generate power by an electrochemical reaction.

各セパレータ3,4は、表裏反転形状を有する金属製の板部材であって、例えばステンレス製であり、プレス加工により適宜の形状に成形することができる。各セパレータ3,4は、膜電極接合体2に対応する中央部分が、短辺方向の断面において波形状に形成してある。この波形状は図示の如く長辺方向に連続している。   Each of the separators 3 and 4 is a metal plate member having an inverted shape, and is made of stainless steel, for example, and can be formed into an appropriate shape by pressing. Each of the separators 3 and 4 has a central portion corresponding to the membrane electrode assembly 2 formed in a wave shape in a cross section in the short side direction. This wave shape is continuous in the long side direction as shown in the figure.

これにより、各セパレータ3,4は、波形状における膜電極接合体2に対応する中央部分では、波形凸部が膜電極接合体2に夫々接触していると共に、波形凹部がガス流路となる。より具体的には、セパレータ3,4は、図2(B)に示すように、波形凸部3A,4Aの頂部(断面で現れている)が、燃料極層12及び空気極層13のガス拡散層12B,13Bに夫々接触している。また、波形凹部から成るガス流路は、単セルCの長辺方向に沿って形成されている。さらに、各セパレータ3,4は、短辺側の両端部に、フレーム1の各マニホールド穴H1〜H6と同様のマニホールド穴H1〜H6を有している。   Accordingly, each of the separators 3 and 4 has a corrugated convex portion in contact with the membrane electrode assembly 2 and a corrugated concave portion serving as a gas flow path at a central portion corresponding to the membrane electrode assembly 2 in a wave shape. . More specifically, as shown in FIG. 2 (B), the separators 3 and 4 have the top portions (shown in cross section) of the corrugated convex portions 3A and 4A as the gas in the fuel electrode layer 12 and the air electrode layer 13. The diffusion layers 12B and 13B are in contact with each other. Further, the gas flow path composed of the corrugated recesses is formed along the long side direction of the single cell C. Further, the separators 3 and 4 have manifold holes H1 to H6 similar to the manifold holes H1 to H6 of the frame 1 at both ends on the short side.

フレーム1及び各セパレータ3,4において、図2の左側に示す各マニホールド穴H1〜H3は、カソードガス供給用(H1)、冷却用流体供給用(H2)及びアノードガス排出用(H3)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。また、図2の右側に示す各マニホールド穴H4〜H6は、アノードガス供給用(H4)、冷却流体排出用(H5)及びカソードガス排出用(H6)であり、積層方向に互いに連通して夫々の流路を形成する。なお、供給用と排出用は、一部または全部が逆の位置関係でも良い。   In the frame 1 and the separators 3 and 4, the manifold holes H1 to H3 shown on the left side of FIG. 2 are for cathode gas supply (H1), cooling fluid supply (H2), and anode gas discharge (H3). The respective flow paths are formed in communication with each other in the stacking direction. Also, the manifold holes H4 to H6 shown on the right side of FIG. 2 are for anode gas supply (H4), cooling fluid discharge (H5), and cathode gas discharge (H6), and communicate with each other in the stacking direction. The flow path is formed. The supply and discharge may be partially or entirely reversed in positional relationship.

また、フレーム1及び各セパレータ3,4の周縁部や、マニホールド穴H1〜H6の周囲には、シール部材Sが連続的に配置してある。これらのシール部材は、接着剤としても機能するもので、フレーム1及び膜電極接合体2とセパレータ3,4とを気密的に接合する。また、マニホールド穴H1〜H6の周囲に配置したシール部材Sは、各マニホールドの気密性を維持する一方で、各層間に応じた流体を供給するために該当箇所に開口を有している。   Further, a seal member S is continuously arranged around the peripheral edge of the frame 1 and the separators 3 and 4 and around the manifold holes H1 to H6. These sealing members also function as adhesives, and airtightly join the frame 1 and membrane electrode assembly 2 to the separators 3 and 4. Further, the seal member S disposed around the manifold holes H1 to H6 has an opening at a corresponding portion in order to supply fluid according to each layer while maintaining the airtightness of each manifold.

上記の単セルCは、所定枚数を積層してセルモジュールMを形成する。このとき、隣接する単セルC同士の間には、冷却液(例えば水)の流路を形成し、隣接するセルモジュールM同士の間にも冷却液の流路を形成する。したがって、シールプレートPは、セルモジュールM同士の間、すなわち冷却液の流路内に配置されている。   The unit cell C is formed by stacking a predetermined number of cell modules M. At this time, a flow path of the cooling liquid (for example, water) is formed between the adjacent single cells C, and a flow path of the cooling liquid is also formed between the adjacent cell modules M. Therefore, the seal plate P is disposed between the cell modules M, that is, in the flow path of the coolant.

シールプレートPは、導電性の一枚の金属板を成形したものであり、平面視において上記した単セルCとほぼ同じ矩形板状で且つ同じ大きさに形成され、両短辺側には、単セルCと同様のマニホールド穴H1〜H6が形成されている。このシールプレートPは、マニホールド穴H1〜H6の各周囲に、図示しないシール部材を備えると共に、その周縁部分に、外周シール部材51及び内周シール部材52が、全周にわたって平行に設けてあり、外周シール部材51により外部からの雨水等の浸入を防止すると共に、内周シール部材52によりセルモジュールM間の流路を流通する冷却液の漏出を防止する。   The seal plate P is formed by molding a single conductive metal plate, is formed in the same rectangular plate shape and in the same size as the above-described single cell C in plan view, and on both short sides, Manifold holes H1 to H6 similar to the single cell C are formed. This seal plate P is provided with a seal member (not shown) around each of the manifold holes H1 to H6, and an outer peripheral seal member 51 and an inner peripheral seal member 52 are provided in parallel on the entire periphery thereof, The outer peripheral seal member 51 prevents rainwater and the like from entering from the outside, and the inner peripheral seal member 52 prevents leakage of the coolant flowing through the flow path between the cell modules M.

上記の単セルCを構成する燃料電池用セパレータ3,4は、膜電極接合体2との間にガス流路及び導電経路を形成している。ガス流路は、セパレータ3,4の膜電極接合体2側の面において、波形凹部により形成されている。導電経路は、セパレータ3,4の波形凸部3A,4Aと、これに接触する膜電極接合体2のガス拡散層12B,13Bとで形成されている。   The fuel cell separators 3 and 4 constituting the single cell C form a gas flow path and a conductive path between the membrane electrode assembly 2. The gas flow path is formed by a corrugated concave portion on the surface of the separators 3 and 4 on the membrane electrode assembly 2 side. The conductive path is formed by the corrugated convex portions 3A and 4A of the separators 3 and 4 and the gas diffusion layers 12B and 13B of the membrane electrode assembly 2 in contact therewith.

そして、上記のセパレータ3,4は、図3に示すように、膜電極接合体2に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域5を有している。この実施形態のセパレータ3,4は、膜電極接合体2に相対向する全域に粗面領域5を有している。   Then, as shown in FIG. 3, the separators 3 and 4 have a rough surface region 5 whose surface is finely uneven by roughening treatment on at least a part of the main surface facing the membrane electrode assembly 2. Have. The separators 3 and 4 of this embodiment have a rough surface region 5 in the entire area facing the membrane electrode assembly 2.

粗面化処理としては、ボンバードメント処理やエッチング処理などが挙げられ、とくに、セパレータ3,4がステンレス製である場合には、その表面の酸化膜を除去するのに好適なイオンボンバードメント処理が行われる。また、粗面領域5の表面粗さは、中心平均粗さRaで0.05μm以上とするのが望ましい。この表面粗さは、図4に示すように、処理時間を長くするほど大きくなるが、少なくとも5分以上の粗面化処理(ボンバード処理)により、Raで0.05μm以上の充分な値を得ることができる。   Examples of the roughening treatment include bombardment treatment and etching treatment. In particular, when the separators 3 and 4 are made of stainless steel, an ion bombardment treatment suitable for removing the oxide film on the surface is performed. Done. Further, the surface roughness of the rough surface region 5 is preferably 0.05 μm or more in terms of the center average roughness Ra. As shown in FIG. 4, the surface roughness increases as the treatment time is increased, but a sufficient value of Ra of 0.05 μm or more is obtained by roughening treatment (bombarding treatment) of at least 5 minutes or more. be able to.

さらに、セパレータ3,4は、粗面領域の形成後に硬質炭素被膜処理が施してあるものとすることができる。この硬質炭素被膜としては、例えばDLC(ダイヤモンドライクカーボン)などが挙げられる。   Further, the separators 3 and 4 may be subjected to a hard carbon film treatment after the rough surface region is formed. Examples of the hard carbon coating include DLC (diamond-like carbon).

上記構成を備えた燃料電池用セパレータ3,4は、膜電極接合体2に部分的に接触して、その膜電極接合体2との間に導電経路を形成する。この際、セパレータ3,4は、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域5を有するので、その微細凹凸形状によって膜電極接合体2との接触面積が増大し、とくに、導電性多孔質体から成るガス拡散層12B,13Bとの接触面積が増大する。これにより、セパレータ3,4は、膜電極接合体2との間の導電性を向上させることができる。   The fuel cell separators 3, 4 having the above-described configuration partially contact the membrane electrode assembly 2 and form a conductive path between the membrane electrode assembly 2. At this time, since the separators 3 and 4 have the rough surface region 5 whose surface is made into a fine uneven shape by the roughening treatment, the contact area with the membrane electrode assembly 2 is increased by the fine uneven shape, The contact area with the gas diffusion layers 12B and 13B made of a porous porous material increases. Thereby, the separators 3 and 4 can improve the electroconductivity between the membrane electrode assemblies 2.

ここで、図5(A)は、電気抵抗と面圧との関係を示すグラフであって、面粗度(表面粗さ)が異なるセパレータの各データを示している。この電気抵抗は、図5(B)に示す測定装置により測定した。測定装置は、夫々の金板31A,32Aを備えた一対の電極31,32を備えており、両電極31,32の間に、セパレータの試料33と、この試料33を挟持する一対の導電性多孔質体34,34を介装する。   Here, FIG. 5A is a graph showing the relationship between the electrical resistance and the surface pressure, and shows each data of separators having different surface roughness (surface roughness). This electrical resistance was measured with a measuring apparatus shown in FIG. The measuring device includes a pair of electrodes 31 and 32 having respective metal plates 31A and 32A. A separator sample 33 and a pair of conductive members sandwiching the sample 33 are sandwiched between the electrodes 31 and 32. The porous bodies 34 and 34 are interposed.

セパレータの試料33には、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域(5)が形成してあり、ここでは、表面粗さがRaで0.05μm以上である実施例と、これよりも表面粗さが小さい比較例を用意した。導電性多孔質体は、膜電極接合体2のガス拡散層12B,13Bに相当する。そして、両電極31,32間に、所定の荷重を加えて通電をし、面圧を変化させながら電気抵抗を測定した。   The sample 33 of the separator is formed with a rough surface region (5) having a rough surface formed by a roughening treatment, and here, an example in which the surface roughness Ra is 0.05 μm or more, The comparative example whose surface roughness is smaller than this was prepared. The conductive porous body corresponds to the gas diffusion layers 12B and 13B of the membrane electrode assembly 2. A predetermined load was applied between the electrodes 31 and 32 to conduct electricity, and the electrical resistance was measured while changing the surface pressure.

その結果、図5(A)に示すように、実施例及び比較例のいずれも荷重(面圧)の増大に伴って、接触抵抗の低下により電気抵抗も低下することとなるが、実施例では、比較例に比べて電気抵抗が小さいものとなり、とくに、低面圧側での電気抵抗が明らかに減少した。これは、試料33の粗面領域(5)により、導電性多孔質体34との接触面積が増大したからである。   As a result, as shown in FIG. 5A, in both the example and the comparative example, as the load (surface pressure) increases, the electrical resistance also decreases due to the decrease in contact resistance. The electric resistance was smaller than that of the comparative example, and in particular, the electric resistance on the low surface pressure side was clearly reduced. This is because the contact area with the conductive porous body 34 is increased by the rough surface region (5) of the sample 33.

このようにして、セパレータ3,4の粗面領域5によって膜電極接合体2との間の導電性が向上することが確認された。しかも、低面圧側での電気抵抗が明らかに減少することから、大きな面圧を付与しなくても高い導電性が得られることを確認した。   Thus, it was confirmed that the conductivity between the separators 3 and 4 and the membrane electrode assembly 2 is improved by the rough surface region 5. Moreover, since the electric resistance on the low surface pressure side is clearly reduced, it was confirmed that high conductivity can be obtained without applying a large surface pressure.

また、上記のセパレータ3,4は、粗面領域5の表面粗さをRaで0.05μm以上としたので、膜電極接合体2との間に充分な接触面積が確保され、高い導電性を維持することができる。さらに、上記のセパレータ3,4は、粗面領域の形成後に硬質炭素被膜処理を施すことで、耐久性及び導電性のさらなる向上を実現する。   Further, the separators 3 and 4 have a rough surface area 5 with a surface roughness Ra of 0.05 μm or more, so that a sufficient contact area is ensured between the membrane electrode assembly 2 and high conductivity. Can be maintained. Furthermore, said separators 3 and 4 implement | achieve the further improvement of durability and electroconductivity by performing a hard carbon film process after formation of a rough surface area | region.

これにより、上記セパレータ3,4を用いた単セルC、若しくは単セルCを積層して成る燃料電池FSは、個々のセパレータ3,4において高い導電性が得られるので、発電性能をより一層高めることができる。   Thereby, the single cell C using the separators 3 and 4 or the fuel cell FS formed by laminating the single cells C can obtain high conductivity in the individual separators 3 and 4, thereby further improving the power generation performance. be able to.

〈第2実施形態〉
図6(B)に示す燃料電池用セパレータ4は、膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における入口側及び出口側に粗面領域5,5を有している。すなわち、図示例はカソード側のセパレータ4である。
Second Embodiment
The fuel cell separator 4 shown in FIG. 6B is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly, and has rough surface regions 5 and 5 on the inlet side and outlet side in the cathode gas flow direction. That is, the illustrated example is a cathode-side separator 4.

このセパレータ4は、カソードガス(空気)の加湿度が低い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が低い燃料電池FSでは、図6(A)に示すように、ガス流れ方向(矢印)において、酸素濃度勾配に応じて電流密度分布が変化する。すなわち、電流密度は、入口側から中間部にかけて上昇してピークとなり、中間部から出口側にかけて低下する。この電流密度の変化は、膜電極接合体2を構成する電解質膜11の膨潤量にほぼ等しく、膨潤量の増減に伴う局所面圧にもほぼ等しい。、   This separator 4 is suitable for the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas (air) is low. In the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas is low, as shown in FIG. 6A, the current density distribution changes according to the oxygen concentration gradient in the gas flow direction (arrow). That is, the current density increases from the inlet side to the middle part and reaches a peak, and decreases from the middle part to the outlet side. This change in current density is approximately equal to the amount of swelling of the electrolyte membrane 11 constituting the membrane electrode assembly 2 and is also approximately equal to the local surface pressure accompanying the increase or decrease in the amount of swelling. ,

そこで、セパレータ4は、カソードガスの流れ方向における入口側及び出口側に粗面領域5,5を設けることにより、入口側及び出口側における膜電極接合体2との接触面積を増大させ、導電性を向上させる。これにより、セパレータ4は、とくに、カソードガス(空気)の加湿度が低い燃料電池FSにおいて、実質的に電流密度分布を均一化することができる。   Accordingly, the separator 4 is provided with rough surface regions 5 and 5 on the inlet side and the outlet side in the flow direction of the cathode gas, thereby increasing the contact area with the membrane electrode assembly 2 on the inlet side and the outlet side. To improve. Thereby, separator 4 can make current density distribution substantially uniform especially in fuel cell FS with low humidification of cathode gas (air).

〈第3実施形態〉
図7(B)に示す燃料電池用セパレータ4は、膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における出口側に粗面領域5を有している。すなわち、図示例はカソード側のセパレータ4である。
<Third Embodiment>
The fuel cell separator 4 shown in FIG. 7B is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly, and has a rough surface region 5 on the outlet side in the flow direction of the cathode gas. That is, the illustrated example is a cathode-side separator 4.

このセパレータ4は、第2実施形態とは逆に、カソードガス(空気)の加湿度が高い燃料電池FSに好適である。カソードガスの加湿度が高い燃料電池FSでは、図7(A)に示すように、ガス流れ方向(矢印)において、酸素濃度勾配に応じて電流密度分布が変化する。すなわち、電流密度は、入口側から出口側にかけて低下する。   In contrast to the second embodiment, the separator 4 is suitable for the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas (air) is high. In the fuel cell FS in which the humidification of the cathode gas is high, as shown in FIG. 7A, the current density distribution changes according to the oxygen concentration gradient in the gas flow direction (arrow). That is, the current density decreases from the inlet side to the outlet side.

そこで、セパレータ4は、カソードガスの流れ方向における出口側に粗面領域5を設けることにより、出口側における膜電極接合体2との接触面積を増大させ、導電性を向上させる。これにより、セパレータ4は、とくに、カソードガス(空気)の加湿度が高い燃料電池FSにおいて、実質的に電流密度分布を均一化することができる。   Therefore, the separator 4 is provided with the rough surface region 5 on the outlet side in the cathode gas flow direction, thereby increasing the contact area with the membrane electrode assembly 2 on the outlet side and improving the conductivity. Thereby, separator 4 can make current density distribution substantially uniform especially in fuel cell FS with high humidification of cathode gas (air).

なお、本発明に係わる燃料電池用セパレータは、その構成が上記各実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で各部材の材料、形状、大きさ及び数などを変更することが可能であり、例えば、粗面領域を二カ所以上に形成したり、部分的に粗さが異ならせたりすることも可能である。   The configuration of the separator for a fuel cell according to the present invention is not limited to each of the above embodiments, and the material, shape, size, number, and the like of each member are within the scope not departing from the gist of the present invention. For example, it is possible to form two or more rough surface areas, or to partially vary the roughness.

C 単セル
2 膜電極接合体
3 アノード側セパレータ
4 カソード側セパレータ
5 粗面領域
C single cell 2 membrane electrode assembly 3 anode side separator 4 cathode side separator 5 rough surface region

Claims (5)

膜電極接合体との間にガス流路及び導電経路を形成する燃料電池用セパレータであって、
膜電極接合体に対向する主面の少なくとも一部に、粗面化処理により表面を微細凹凸形状にした粗面領域を有することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
A fuel cell separator that forms a gas flow path and a conductive path with a membrane electrode assembly,
A separator for a fuel cell, characterized by having a rough surface region having a rough surface formed by a roughening treatment on at least a part of a main surface facing the membrane electrode assembly.
粗面領域の表面粗さが、Raで0.05μm以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池用セパレータ。   2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the surface roughness of the rough surface region is 0.05 [mu] m or more in Ra. 粗面領域の形成後に硬質炭素被膜処理が施してあることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to claim 1 or 2, wherein a hard carbon film treatment is applied after the rough surface region is formed. 膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における入口側及び出口側に粗面領域を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the separator for a fuel cell is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly, and has rough surface regions on an inlet side and an outlet side in a cathode gas flow direction. . 膜電極接合体のカソード側に配置され、カソードガスの流れ方向における出口側に粗面領域を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池用セパレータ。   The fuel cell separator according to any one of claims 1 to 3, wherein the fuel cell separator is disposed on the cathode side of the membrane electrode assembly and has a rough surface region on the outlet side in the flow direction of the cathode gas.
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