JP3330343B2 - Fuel cell separator - Google Patents

Fuel cell separator

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JP3330343B2
JP3330343B2 JP03159099A JP3159099A JP3330343B2 JP 3330343 B2 JP3330343 B2 JP 3330343B2 JP 03159099 A JP03159099 A JP 03159099A JP 3159099 A JP3159099 A JP 3159099A JP 3330343 B2 JP3330343 B2 JP 3330343B2
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、主として電気自動
車や小型可搬電源等として用いられる燃料電池用セパレ
ータで、詳しくは、例えばイオン交換膜からなる固体高
分子膜を両側からアノード(陽極)及びカソード(陰
極)で挟んでサンドイッチ構造としたガス拡散電極をさ
らにそれの外部両側から挟むとともに、アノード及びカ
ソードとの間に、燃料ガス流路及び酸化ガス流路を形成
して燃料電池の構成単位である単セルが構成されている
固体高分子型等の燃料電池用セパレータに関するもので
ある。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell separator mainly used as an electric vehicle or a small portable power supply. A gas diffusion electrode having a sandwich structure sandwiched between cathodes (cathode) is further sandwiched from both outer sides thereof, and a fuel gas flow path and an oxidizing gas flow path are formed between the anode and the cathode to constitute a fuel cell. single cell is is relates to separators for a fuel cell of solid polymer type or the like that are configured.

【0002】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、アノードに水素を含有する
燃料ガスを供給し、カソードに酸素を含有する酸化ガス
を供給することにより、アノード側及びカソード側にお
いて、 H2 →2H´+2e´ …(1) (1/2)O2 +2H´+2e´→H2 O …(2) なる式の電気化学反応を示し、電池全体としては、 H2 +(1/2)O2 →H2 O …(3) なる式の電気化学反応が進行し、このような燃料が有す
る化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換すること
で、所定の電池性能を発揮するものである。
2. Description of the Related Art In a fuel cell, a fuel gas containing hydrogen is supplied to an anode, and an oxidizing gas containing oxygen is supplied to a cathode, so that H2.fwdarw.2H '+ 2e'... 1) (1/2) O2 + 2H '+ 2e' → H2O (2) An electrochemical reaction of the following formula is shown. As a whole battery, the following formula is obtained: H2 + (1/2) O2 → H2O (3) The electrochemical reaction progresses, and the chemical energy of such fuel is directly converted into electric energy, thereby exhibiting a predetermined cell performance.

【0003】上記のようなエネルギー変換を生じる燃料
電池の一種である固体高分子型燃料電池用セパレータ
は、電気自動車などの移動媒体の電源として適用される
ことが多いために、燃料電池自体の設置面積をなるべく
小さくし、かつ軽量化するためにセパレータの肉厚を薄
肉化することが要求されている。
[0003] A separator for a polymer electrolyte fuel cell, which is a kind of fuel cell that generates the above-described energy conversion, is often applied as a power source for a moving medium such as an electric vehicle. In order to reduce the area as much as possible and reduce the weight, it is required to reduce the thickness of the separator.

【0004】一方、固体高分子型燃料電池においては、
固体高分子膜自体が酸性であることから、この固体高分
子膜を挟持するセパレータに耐酸性が要求されることに
加えて、セパレータが燃料ガスとなる水素や酸素あるい
は反応生成物である水等の流路として直接、ガスや生成
水と接触するために、酸化膜の生成等を防止することが
可能な耐食性の高い材料から構成することも要求されて
いる。
On the other hand, in a polymer electrolyte fuel cell,
Since the solid polymer membrane itself is acidic, the separator sandwiching the solid polymer membrane is required to have acid resistance. In addition, hydrogen and oxygen as a fuel gas or water as a reaction product are used for the separator. It is also required that the flow path be made of a material having high corrosion resistance that can prevent the formation of an oxide film or the like because it directly contacts the gas or the generated water.

【0005】この種の固体高分子型燃料電池用セパレー
タとして、従来、次に説明するようなものが提案されて
いる。平板状の焼結カーボンに切削機械加工を施し
て、その表面に複数個の凸部を形成してなる焼結カーボ
ン製セパレータ。図に示すように、膨張黒鉛単体も
しくは膨張黒鉛にフェノール樹脂やピッチ等の強度向上
材を含浸または混合した平板状部材30を、凸部形成用
凹部31を有する下型32と上型33とからなる成型金
型を用いて成形することにより、図に示すように、平
板状部材30の厚みをt2からt2´に薄肉化するとと
もに、この平板状部材30の表面に複数個の凸部34を
形成させてなる膨張黒鉛製セパレータ。
[0005] As a separator for a polymer electrolyte fuel cell of this type, the following has been proposed in the past. A sintered carbon separator obtained by subjecting a flat sintered carbon to cutting machining and forming a plurality of convex portions on the surface thereof. As shown in FIG. 8 , a flat member 30 obtained by impregnating or mixing expanded graphite alone or a strength improving material such as a phenol resin or pitch into expanded graphite is formed into a lower mold 32 and an upper mold 33 having a concave portion 31 for forming a convex portion. As shown in FIG. 9 , the thickness of the flat plate member 30 is reduced from t2 to t2 ′, and a plurality of convex portions are formed on the surface of the flat plate member 30, as shown in FIG. 34. An expanded graphite separator formed by forming No. 34.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記した従来
の固体高分子型燃料電池用セパレータうち、の焼結カ
ーボン製セパレータは、切削機械加工によって平板部の
厚みが1.0mm以下でセパレータ全体の厚みが2.0
mm以下になるまで薄肉化するには多大な手間および熟
練を要し、製品コストが非常に高くなるだけでなく、例
え平板部の厚みを1.0mm程度にまで薄肉化できたと
しても、その薄肉平板部の機械的強度が小さいために、
何百枚ものセパレータをスタックして締め付け固定する
燃料電池組立て時の締め付け力や切削加工時に割れ等の
損傷が生じやすいという問題がある。
However, among the above-mentioned conventional separators for polymer electrolyte fuel cells, the sintered carbon separator has a flat plate portion having a thickness of 1.0 mm or less by cutting machining and has a thickness of 1.0 mm or less. 2.0 thickness
However, even if the thickness of the flat part can be reduced to about 1.0 mm, it requires a great deal of labor and skill to reduce the thickness to less than 1.0 mm. Because the mechanical strength of the thin flat plate is small,
Hundreds of separators are stacked and fastened and fixed, so that there is a problem that a fastening force at the time of assembling the fuel cell and a damage such as a crack at the time of cutting are easily generated.

【0007】また、の膨張黒鉛製セパレータは、耐食
性に優れているものの、本来的に加工成形時の流動性に
乏しい性質を有する膨張黒鉛を使用するために、平板部
を所望の薄肉度になるように金型成形した場合、ガス流
路を形成する凸部34の角部にRや欠けが生じるなどし
て角部が直角の所定形状に成形することが困難である。
このように成形精度が悪く、結果的に凸部34の角部に
Rや欠けが生じると、凸部34に隣接する電極との接触
面積が縮小されてセパレータをスタックした場合の電気
抵抗率が上昇するとともに、凸部間に形成されて隣接す
る流路溝35に燃料ガスが流れ込みガス流路の短絡化
(ショート)を招き、これに起因して燃料電池自体の起
電力が低下するといった問題がある。
The expanded graphite separator is excellent in corrosion resistance, but uses expanded graphite which inherently has poor fluidity during processing and molding, so that the flat portion has a desired thinness. When the mold is formed as described above, it is difficult to form the convex portion 34 forming the gas flow path into a predetermined shape having a right angle due to R or chipping at the corner.
As described above, the molding accuracy is poor, and as a result, when the corners of the convex portion 34 are rounded or chipped, the contact area with the electrode adjacent to the convex portion 34 is reduced, and the electrical resistivity when the separator is stacked is reduced. As the fuel gas rises, the fuel gas flows into the adjacent flow channel groove 35 formed between the convex portions, causing a short circuit in the gas flow channel (short circuit). As a result, the electromotive force of the fuel cell itself decreases. There is.

【0008】以上のように、耐食性に優れた膨張黒鉛を
構成材料とする燃料電池用セパレータにおいても、平板
部を所望の薄肉度に成形する場合、ガス流路を形成する
溝や凸部についてはそれらを精密成形して多数のセパレ
ータをスタックした時の電気抵抗率が増大するなど電気
伝導性の低下を招かないようにすることが要望されてい
る。因みに、この種のセパレータの薄肉度については、
具体的にセパレータの厚みが2mm以下で、凸部以外の
平板部の厚みが1.0mm以下とすることが望ましく、
また、セパレータの電気特性については、電気伝導性
(電気接触抵抗)が極力小さいことが求められている。
As described above, even in a fuel cell separator made of expanded graphite having excellent corrosion resistance, when the flat plate portion is formed to have a desired thinness, the grooves and convex portions forming the gas flow path are not formed. There is a demand for precision molding of them to prevent a decrease in electric conductivity such as an increase in electric resistivity when a large number of separators are stacked. By the way, about the thinness of this kind of separator,
Specifically, the thickness of the separator is preferably 2 mm or less, and the thickness of the flat plate portion other than the convex portion is preferably 1.0 mm or less,
As for the electrical characteristics of the separator, it is required that the electrical conductivity (electrical contact resistance) be as low as possible.

【0009】本発明は上記のような実情に鑑みてなされ
たもので、燃料電池自体の設置面積の低減及び軽量化の
要求を満たすに足りる薄肉化を図った場合でも、ガス流
路を形成する溝や凸部の形状及び寸法などに非常に高い
成形精度を確保して優れた電気特性を発揮させることが
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 circumstances, and a gas flow path is formed even if the fuel cell itself is made thinner enough to reduce the installation area and reduce the weight. and its object is to provide a separators for a fuel cell can exhibit excellent electrical properties to ensure a very high forming accuracy to the shape and dimensions of the grooves and protrusions.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1に記載の発明に係る燃料電池用セパレータ
は、主としてシート状部材と凸部形成部材とからなる燃
料電池用セパレータであって、上記シート状部材の表面
には複数個の凸部が形成されており、このシート状部材
の凸部に対応する裏面側の凹部内に凸部形成部材が埋設
されており、上記凸部形成部材が、膨張黒鉛素材をシー
ト状部材の平面に対して直交する方向に配置されるよう
に複数回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整
形して、もしくは、帯状の膨張黒鉛シート素材の複数枚
を平面に対して平行に積層して、作成されていることを
特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a fuel cell separator according to the first aspect of the present invention is a fuel cell separator mainly comprising a sheet-shaped member and a projection-forming member. A plurality of protrusions are formed on the surface of the sheet-like member, and a protrusion-forming member is embedded in a concave portion on the back surface corresponding to the protrusion of the sheet-like member. The forming member spirally winds the expanded graphite material a plurality of times so as to be arranged in a direction perpendicular to the plane of the sheet-like member, and shapes it into a predetermined convex shape, or a band-like expansion. It is characterized by being made by laminating a plurality of graphite sheet materials in parallel to a plane.

【0011】上記構成を有する請求項1に記載の発明に
よれば、シート状部材と凸部形成専用の凸部形成部材と
を別個に作成して、シート状部材に形成される、あるい
は、予備成形された凸部に対応する凹部に凸部形成部材
を埋設するといったように、互いに異なる特性を有する
両部材を複合化することにより、手間および熟練を要す
る切削機械加工が不要となり、製作コストの低減と同時
に、平板部を薄肉化して燃料電池全体の設置面積の低減
及び軽量化の要求を満たしながらも、ガス流路を形成す
る凸部の角部にRや欠けなどを生じることなく、角部が
直角の所定形状および所定寸法の凸部を高精度に成形し
て優れた電気特性を持たせることが可能である。特に、
電極に接するセパレータ凸部の頂端面を平坦にすること
が可能で、電極とのなじみ性にも優れ、接触部の電気抵
抗率を小さくし電気特性の向上、ひいては燃料電池性能
の向上を図ることができる。
According to the first aspect of the present invention, the sheet-like member and the protrusion-forming member dedicated to forming the protrusion are separately formed and formed on the sheet-like member. By embedding both members having different characteristics, such as embedding a protrusion forming member in a concave portion corresponding to the formed convex portion, cutting work requiring labor and skill is not required, thereby reducing manufacturing costs. At the same time as reducing the thickness, the flat plate portion is made thinner to satisfy the requirements for the reduction of the installation area of the entire fuel cell and the weight reduction, but the corner portion of the convex portion forming the gas flow path does not have R or chip, and the like. It is possible to form a convex portion having a predetermined shape and a predetermined dimension with a right angle at a high precision so as to have excellent electric characteristics. In particular,
It is possible to flatten the top end surface of the separator convex part that is in contact with the electrode, and it is also excellent in conformity with the electrode, to reduce the electrical resistivity of the contact part and improve the electrical characteristics, and ultimately to improve the fuel cell performance. Can be.

【0012】また、上記凸部形成部材として、膨張黒鉛
シート素材を複数回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸
部形状に整形して作成されたもの、もしくは、帯状の膨
張黒鉛シート素材の複数枚を平面に対して平行に積層し
て作成されたものを用いることによって、凸部形成部材
自体の体積抵抗率が非常に低くなり、セパレータ全体の
電気特性を一層向上することができる。
[0012] Further, as the above-mentioned convex portion forming member, an expanded graphite sheet material formed by spirally winding a plurality of times and shaping it into a predetermined convex shape, or a belt-like expanded graphite sheet material is used. By using one formed by laminating a plurality of sheets in parallel with the plane, the volume resistivity of the projection-forming member itself becomes extremely low, and the electrical characteristics of the entire separator can be further improved.

【0013】ここで、上記シート状部材として、請求項
2に記載のように、膨張黒鉛から構成する場合は、この
シート状部材に凸部を予備成形する必要がなく、その裏
面側に凸部形成部材を配置して金型成形することのみに
よって、シート状部材の表面に凸部を形成し、それに対
応する裏面側の凹部に凸部形成部材を圧入埋設すること
が可能であり、セパレータ全体の製造工程を少なくし製
作コストを一層低減することができるとともに、この種
のセパレータとして要求される耐食性にも優れたものが
得られる。
Here, when the sheet-like member is made of expanded graphite as described in claim 2, it is not necessary to preform the sheet-like member with a convex portion, and the convex portion is formed on the back side thereof. It is possible to form a convex portion on the surface of the sheet-like member and press-fit the convex-portion forming member into the corresponding concave portion on the rear surface side only by arranging the forming member and performing mold molding. In addition to reducing the number of production steps, the production cost can be further reduced, and a separator excellent in corrosion resistance required for this type of separator can be obtained.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
にもとづいて説明する。まず最初に、燃料電池用セパレ
ータの一実施形態として固体高分子型燃料電池の構成及
び動作について図1〜図3を参照して簡単に説明する。
固体高分子型燃料電池20は、例えばフッ素系樹脂より
形成されたイオン交換膜である固体高分子膜1と、炭素
繊維糸で織成したカーボンクロスやカーボンペーパーあ
るいはカーボンフェルトにより形成され、上記固体高分
子膜1を両側から挟みサンドイッチ構造をなすガス拡散
電極となるアノード2及びカソード3と、そのサンドイ
ッチ構造をさらに両側から挟むセパレータ4,4とから
構成される単セル5の複数組を積層し、その両端に図示
省略した集電板を配置したスタック構造に構成されてい
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, the configuration and operation of a polymer electrolyte fuel cell as an embodiment of a fuel cell separator will be briefly described with reference to FIGS.
The polymer electrolyte fuel cell 20 is formed of, for example, a solid polymer membrane 1 which is an ion exchange membrane formed of a fluorine-based resin, and a carbon cloth, carbon paper or carbon felt woven with carbon fiber yarns. A plurality of sets of single cells 5 each comprising an anode 2 and a cathode 3 serving as a gas diffusion electrode forming a sandwich structure sandwiching the molecular film 1 from both sides and separators 4 and 4 further sandwiching the sandwich structure from both sides are laminated. It has a stack structure in which current collector plates (not shown) are arranged at both ends.

【0015】上記両セパレータ4は、図2に明示するよ
うに、その周辺部に、水素を含有する燃料ガス孔6,7
と酸素を含有する酸化ガス孔8,9と冷却水孔10とが
形成されており、上記単セル5の複数組を積層した時、
各セパレータ4の各孔6,7、8,9、10がそれぞれ
燃料電池20内部をその長手方向に貫通して燃料ガス供
給マニホールド、燃料ガス排出マニホールド、酸化ガス
供給マニホールド、酸化ガス排出マニホールド、冷却水
路を形成するようになされている。
As shown in FIG. 2, the two separators 4 have fuel gas holes 6 and 7 containing hydrogen at their peripheral portions.
And oxidizing gas holes 8 and 9 containing oxygen and cooling water holes 10 are formed. When a plurality of sets of the single cells 5 are stacked,
Each hole 6, 7, 8, 9, 10 of each separator 4 penetrates through the inside of the fuel cell 20 in the longitudinal direction, and the fuel gas supply manifold, fuel gas discharge manifold, oxidizing gas supply manifold, oxidizing gas discharge manifold, cooling It is designed to form a channel.

【0016】また、上記両セパレータ4の表面には、多
数の突起を形成することで、それらの突起間に溝部11
が形成されており、図3に明示するように、上記溝部1
1とアノード2の表面との間に燃料ガス流路12が形成
されているとともに、溝部11とカソード3の表面との
間に酸化ガス流路13が形成されている。
Further, by forming a large number of projections on the surface of the separators 4, a groove 11 is formed between the projections.
The groove 1 is formed as shown in FIG.
A fuel gas flow path 12 is formed between the surface of the anode 1 and the anode 2, and an oxidizing gas flow path 13 is formed between the groove 11 and the surface of the cathode 3.

【0017】上記構成の固体高分子型燃料電池20にお
いては、外部に設けられた燃料ガス供給装置から燃料電
池20に対して供給された水素を含有する燃料ガスが上
記燃料ガス供給マニホールドを経由して各単セル5の燃
料ガス流路12に供給されて各単セル5のアノード2側
において既述(1)式で示したとおりの電気化学反応を
呈し、その反応後の燃料ガスは各単セル5の燃料ガス流
路12から上記燃料ガス排出マニホールドを経由して外
部に排出される。同時に、外部に設けられた酸化ガス供
給装置から燃料電池20に対して供給された酸素を含有
する酸化ガス(空気)が上記酸化ガス供給マニホールド
を経由して各単セル5の酸化ガス流路13に供給されて
各単セル5のカソード3側において既述(2)式で示し
たとおりの電気化学反応を呈し、その反応後の酸化ガス
は各単セル5の酸化ガス流路13から上記酸化ガス排出
マニホールドを経由して外部に排出される。
In the polymer electrolyte fuel cell 20 having the above-described structure, the fuel gas containing hydrogen supplied to the fuel cell 20 from the externally provided fuel gas supply device passes through the fuel gas supply manifold. The fuel gas is supplied to the fuel gas flow channel 12 of each unit cell 5 and undergoes an electrochemical reaction on the anode 2 side of each unit cell 5 on the anode 2 side as described in the above formula (1). The fuel gas is discharged from the fuel gas passage 12 of the cell 5 to the outside via the fuel gas discharge manifold. At the same time, an oxidizing gas (air) containing oxygen supplied to the fuel cell 20 from an oxidizing gas supply device provided outside is supplied to the oxidizing gas passage 13 of each unit cell 5 via the oxidizing gas supply manifold. Is supplied to the cathode 3 side of each unit cell 5 to cause an electrochemical reaction as shown in the above-mentioned equation (2), and the oxidized gas after the reaction flows from the oxidized gas flow path 13 of each unit cell 5 to the oxidized gas. The gas is discharged to the outside via the gas discharge manifold.

【0018】上記(1)及び(2)式の電気化学反応に
伴い、燃料電池20全体としては既述(3)式で示した
電気化学反応が進行して、燃料が有する化学エネルギー
を直接電気エネルギーに変換することで、所定の電池性
能が発揮される。なお、この燃料電池20は、固体高分
子膜1の性質から約80〜100℃の温度範囲で運転さ
れるために発熱を伴う。そこで、燃料電池20の運転中
は、外部に設けられた冷却水供給装置から該燃料電池2
0に対して冷却水を供給し、これを上記冷却水路に循環
させることによって、燃料電池20内部の温度上昇を抑
制している。
With the electrochemical reactions of the above formulas (1) and (2), the electrochemical reaction of the fuel cell 20 as a whole proceeds as shown in the above formula (3), and the chemical energy of the fuel is directly converted to the electric energy. By converting to energy, predetermined battery performance is exhibited. In addition, the fuel cell 20 generates heat because it is operated in a temperature range of about 80 to 100 ° C. due to the properties of the solid polymer membrane 1. Therefore, during operation of the fuel cell 20, the fuel cell 2 is supplied from a cooling water supply device provided outside.
By supplying cooling water to the cooling water channel 0 and circulating the cooling water in the cooling water channel, a rise in the temperature inside the fuel cell 20 is suppressed.

【0019】次に、上記のような構成及び動作を有する
固体高分子型燃料電池20におけるセパレータ4の構成
及びその製造方法について説明する。図4は本発明に係
る燃料電池用セパレータ4の第1の実施形態を示す一部
破断斜視図であり、この燃料電池用セパレータ4は、シ
ート状部材14と凸部形成部材15とからなる。シート
状部材14は膨張黒鉛からなり、平板部の厚さがt1に
形成されている。一方、凸部形成部材15は、長尺帯状
の膨張黒鉛シート素材15aをシート状部材14の平面
に対して直交する方向に配置されるように何回も渦巻き
状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整形して作成され
たもので、セパレータ4において必要な大きさ及び所定
形状の凸部19(後述する)と相似形でそれよりも小さ
い凸形状に形成されている。
Next, the structure of the separator 4 in the polymer electrolyte fuel cell 20 having the above-described structure and operation and a method of manufacturing the separator 4 will be described. FIG. 4 is a partially cutaway perspective view showing a first embodiment of the fuel cell separator 4 according to the present invention. The fuel cell separator 4 includes a sheet-like member 14 and a projection-forming member 15. The sheet member 14 is made of expanded graphite, and the thickness of the flat plate portion is formed at t1. On the other hand, the convex part forming member 15 has a long strip shape.
Of the expanded graphite sheet material 15a
Many times so that they are arranged in a direction perpendicular to
And shaped into a predetermined convex shape.
As hereinbefore, it is formed in a small convex shape than in similar shape with the convex portion 19 of the size and predetermined shape necessary (described below) in the separators 4.

【0020】全体がt0なる厚さを有する上記膨張黒鉛
製シート状部材14を、図5に示すように、凸部形成部
に対応する箇所に凹部17aを有する下型17の上面に
その裏面14aが上向きになるようにセットするととも
に、そのセットされたシート状部材14の上部に上記凸
部形成部に対応する箇所に可動押型18aを備えた上型
18を配置し、かつ、この上型18における可動押型1
8aの下部で上記シート状部材14の裏面に上記凸部形
成部材15を配置する。
As shown in FIG. 5, the expanded graphite sheet-like member 14 having a thickness of t0 is placed on the upper surface of a lower mold 17 having a concave portion 17a at a position corresponding to the convex portion forming portion, as shown in FIG. Is set to face upward, and an upper die 18 having a movable press die 18a is disposed above the set sheet-like member 14 at a position corresponding to the projection forming portion. Movable die 1
The protrusion forming member 15 is arranged on the back surface of the sheet-like member 14 below 8a.

【0021】この状態で、図6に示すように、上型18
を下型17に近接させてシート状部材14を挟持固定し
て平板部を厚さt0からt1に縮小した後、可動押型1
8aを下型17側に押圧移動させるといった金型成形を
行なうことにより、つまり、可動押型18aを介して凸
部形成部材15をシート状部材14の裏面14a側から
表面側に向けて圧入することにより、シート状部材14
のうち下型17の凹部17aに対応する部分を該凹部1
7aの内面に沿うように変形させてシート状部材14の
表面の複数箇所に凸部16を突出成形させるとともに、
これら凸部16に対応するシート状部材14の裏面側の
凹部16a内に上記凸部形成部材15を嵌着(埋設)さ
せて両部材14,15を一体化することで、シート状部
材14の表面に該シート状部材14の凸部16と凸部形
成部材15とからなる複数個の凸部19を形成し、か
つ、隣接する凸部19,19間に上記燃料ガス流路12
や酸化ガス流路13となる溝部11を形成している。
In this state, as shown in FIG.
Is brought close to the lower mold 17, the sheet-shaped member 14 is pinched and fixed to reduce the flat plate portion from the thickness t0 to t1, and then the movable pressing die 1
Pressing and moving the mold 8a to the lower mold 17 side, that is, pressing the convex forming member 15 from the back surface 14a side of the sheet-like member 14 toward the front surface side via the movable press die 18a. As a result, the sheet-like member 14
Of the lower mold 17 corresponding to the concave portion 17a is
While deforming along the inner surface of 7a to form protrusions 16 at a plurality of locations on the surface of the sheet-like member 14,
By fitting (embedding) the protrusion forming member 15 into the recess 16 a on the back surface side of the sheet member 14 corresponding to the protrusion 16, and integrating the two members 14, 15, the sheet member 14 is formed. A plurality of protrusions 19 formed of the protrusions 16 of the sheet-like member 14 and the protrusion formation members 15 are formed on the surface, and the fuel gas flow path 12 is formed between adjacent protrusions 19.
And a groove 11 that becomes the oxidizing gas flow path 13 .

【0022】図は本発明に係る燃料電池用セパレータ
4の第の実施形態を示す一部破断斜視図であり、この
燃料電池用セパレータ4は、凸部形成部材15として、
帯状の膨張黒鉛シート素材15bの複数枚を平面に対し
て平行に積層して作成されたものを使用したものであ
り、その他の構成及び製造方法は上記第1の実施形態で
説明したものと同一であるため、詳しい説明は省略す
る。
FIG. 7 is a partially cutaway perspective view showing a second embodiment of a fuel cell separator 4 according to the present invention.
This is a belt-shaped expanded graphite sheet material 15b which is prepared by laminating a plurality of sheets in parallel with a plane, and other configurations and manufacturing methods are the same as those described in the first embodiment. Therefore, detailed description is omitted.

【0023】上記各実施形態で示した構成の燃料電池用
セパレータ4は、平板部のみからなるシート状部材14
と、凸部19形成専用の凸部形成部材15とを別個に作
成して、シート状部材14に形成される、あるいは、予
備成形された凸部16に対応する凹部16aに凸部形成
部材15を埋設するといったように、互いに異なる特性
を有する両部材14,15を複合化することにより、切
削機械加工を不要として製作コストの低減を図ると同時
に、平板部を薄肉化して燃料電池20全体の設置面積の
低減及び軽量化の要求を満たしながらも、ガス流路を形
成する凸部19の角部にRや欠けなどを生じることな
く、角部が直角の所定形状および所定寸法の凸部19を
高精度に成形して優れた電気特性を持たせることが可能
である。特に、電極(アノード3およびカソード4)に
接するセパレータ凸部19の頂端面を平坦にすることが
可能で、電極3,4とのなじみ性にも優れ、接触部の電
気抵抗率を小さくし電気特性の向上、ひいては燃料電池
性能の向上を図ることが可能である。
The fuel cell separator 4 having the structure shown in each of the above embodiments is a sheet-like member 14 composed of only a flat plate portion.
And a protrusion forming member 15 dedicated to forming the protrusion 19 are separately formed, and the protrusion forming member 15 is formed in the concave portion 16 a corresponding to the protrusion 16 formed on the sheet-like member 14 or the preformed portion 16. By combining the two members 14 and 15 having different characteristics, such as embedding, a cutting machine is not required to reduce the manufacturing cost, and at the same time, the flat plate portion is thinned to reduce the entire fuel cell 20. While satisfying the requirements for the reduction of the installation area and the weight reduction, the convex portion 19 having a right angle in a predetermined shape and a predetermined size is formed without generating a radius or a chip at the corner portion of the convex portion 19 forming the gas flow path. Can be molded with high precision to have excellent electrical characteristics. In particular, it is possible to flatten the top end surface of the separator convex portion 19 in contact with the electrodes (anode 3 and cathode 4), to have excellent conformability with the electrodes 3 and 4, to reduce the electrical resistivity of the contact portion, It is possible to improve the characteristics and eventually the fuel cell performance.

【0024】特に、凸部形成部材15の構成材料とし
て、第1及び第2の実施形態で示すように、膨張黒鉛を
用いることが耐食性の面で好ましく、特に、膨張黒鉛シ
ート素材15aを巻回して作成されたものや、膨張黒鉛
シート素材15bの複数枚を積層して作成されたものを
用いる場合は、凸部形成部材15の体積抵抗率が非常に
低くなり、セパレータ4全体の電気特性を一層向上する
ことができる。
In particular, as shown in the first and second embodiments, it is preferable to use expanded graphite as a constituent material of the projection- forming member 15 in terms of corrosion resistance. In particular, the expanded graphite sheet material 15a is wound. In the case of using a material formed by laminating a plurality of sheets of the expanded graphite sheet material 15b or a material formed by laminating a plurality of sheets of the expanded graphite sheet material 15b, the volume resistivity of the convex portion forming member 15 becomes extremely low, and the electrical characteristics of the entire separator 4 are reduced. It can be further improved.

【0025】[0025]

【実験例】以下、実験例によって本発明を更に詳しく説
明する。表1に示すような仕様を有するように製造され
た実施例に相当する本発明の燃料電池用セパレータと
比較例1に相当する従来の燃料電池用セパレータとにお
ける電気接触抵抗および成形精度について下記の試験方
法で測定し評価したところ、表2に示すような結果が得
られた。
EXPERIMENTAL EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples. Below the electrical contact resistance and molding accuracy of the separator for a conventional fuel cell corresponding to Comparative Example 1 and the fuel cell separator of the present invention corresponding to Example 1 was manufactured with the specifications shown in Table 1 As a result, the results shown in Table 2 were obtained.

【0026】 電気接触抵抗:セパレータの2枚を銅板電極間に配置し
て加圧した後、四端子法により電極の電流と電圧を計測
することにより測定した。 成形精度:ガス流路を形成する凸部の角部にRが発生し
なかったものを○、Rが発生したものを×とした。
Electric contact resistance: measured by measuring the current and voltage of the electrodes by a four-terminal method after two separators were placed between the copper plate electrodes and pressurized. Molding accuracy: R indicates that no R was generated at the corner of the convex portion forming the gas flow path, and × indicates that R was generated.

【0027】[0027]

【表1】 [Table 1]

【0028】[0028]

【表2】 [Table 2]

【0029】上記の表1からも明らかなように、実施例
1に相当する本発明の燃料電池用セパレータは、シー
状部材の平板部の厚みtを1.0mm以下まで薄肉化す
ることが可能でありながら、表2から明らかなように、
高い成形精度を保持することが可能であり、ひいてはセ
パレータをスタックした場合の電気接触抵抗も小さい。
これに対して、比較例1に相当する従来の燃料電池用セ
パレータは、平板部の厚みが1.3mmとセパレータと
して要求される薄肉度に到達しないだけでなく、成形精
度の面でも頗る劣っており、燃料電池の効率よい起電作
用に悪影響を及ぼすことが分かった。
As is clear from Table 1 above,
The fuel cell separator of the present invention corresponding to one, while it is possible to thin the thickness t of the flat portion of the sheet-like member to 1.0mm or less, as is clear from Table 2,
It is possible to maintain high molding accuracy and, consequently, the electrical contact resistance when stacking separators is small.
On the other hand, the conventional fuel cell separator corresponding to Comparative Example 1 has a flat plate thickness of 1.3 mm, which does not reach the thinness required as a separator, and is extremely inferior in terms of molding accuracy. Thus, it was found that the effective electromotive force of the fuel cell was adversely affected.

【0030】[0030]

【発明の効果】以上のように、請求項1に記載の発明に
よれば、セパレータの平板部を薄肉化して燃料電池全体
の設置面積の低減及び軽量化の要求を満たしながらも、
ガス流路を形成する凸部の角部にRや欠けを発生させる
ことなく、所定形状および所定寸法の凸部を非常に高精
度に成形して優れた電気特性を持たせることができる。
特に、電極に接するセパレータ凸部の頂端面を平坦にし
て電極とのなじみ性をよくし、接触部の電気抵抗率を小
さくして電気特性の向上、ひいては燃料電池性能の著し
い向上を図ることができるという効果を奏する。
As described above, according to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the thickness of the flat plate portion of the separator to reduce the installation area and the weight of the entire fuel cell.
A convex portion having a predetermined shape and a predetermined dimension can be formed with very high precision without causing an R or a chip at a corner portion of the convex portion forming the gas flow path, and excellent electric characteristics can be provided.
In particular, it is possible to improve the conformability with the electrode by flattening the top end surface of the separator convex portion in contact with the electrode, to reduce the electrical resistivity of the contact portion, to improve the electrical characteristics, and thereby to remarkably improve the fuel cell performance. It has the effect of being able to.

【0031】また、請求項2に記載の発明によれば、上
記効果に加えて、凸部形成部材の体積抵抗率を非常に低
くして、セパレータ全体の電気特性を一段と向上するこ
とができる。
According to the second aspect of the present invention, in addition to the above effects, the volume resistivity of the projection-forming member can be made extremely low, and the electrical characteristics of the entire separator can be further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のセパレータを備えた固体高分子型燃料
電池を構成するスタック構造の構成を示す分解斜視図で
ある。
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration of a stack structure constituting a polymer electrolyte fuel cell provided with a separator of the present invention.

【図2】同上固体高分子型燃料電池におけるセパレータ
の外観正面図である。
FIG. 2 is an external front view of a separator in the polymer electrolyte fuel cell.

【図3】同上固体高分子型燃料電池の構成単位である単
セルの構成を示す要部の拡大断面図である。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a configuration of a single cell which is a structural unit of the polymer electrolyte fuel cell.

【図4】本発明に係る燃料電池用セパレータの第1の実
施形態を示す一部破断斜視図である。
FIG. 4 is a partially cutaway perspective view showing a first embodiment of a fuel cell separator according to the present invention.

【図5】同上燃料電池用セパレータの製造方法の第1工
程を説明する断面図である。
FIG. 5 is a sectional view illustrating a first step of the method for manufacturing a fuel cell separator.

【図6】同上燃料電池用セパレータの製造方法の第2工
程を説明する断面図である。
FIG. 6 is a sectional view illustrating a second step of the method for manufacturing a fuel cell separator.

【図7】本発明に係る燃料電池用セパレータの第2の実
施形態を示す一部破断斜視図である。
FIG. 7 is a partially broken perspective view showing a second embodiment of the fuel cell separator according to the present invention.

【図8】従来の燃料電池用セパレータの製造方法を説明
する断面図である。
FIG. 8 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a conventional fuel cell separator.

【図9】同上製造方法により製造された従来の燃料電池
用セパレータの一例を示す一部破断斜視図である。
FIG. 9 is a partially cutaway perspective view showing an example of a conventional fuel cell separator manufactured by the above manufacturing method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 固体高分子膜 4 燃料電池用セパレータ 14 シート状部材 15 凸部形成部材 15a,15b 膨張黒鉛シート素材 16 シート状部材の凸部 16a シート状部材の凸部に対応する凹部 19 セパレータの凸部 20 燃料電池 REFERENCE SIGNS LIST 1 solid polymer membrane 4 separator for fuel cell 14 sheet member 15 protrusion forming member 15 a, 15 b expanded graphite sheet material 16 protrusion of sheet member 16 a recess corresponding to protrusion of sheet member 19 protrusion of separator 20 Fuel cell

フロントページの続き (72)発明者 加藤 省二 兵庫県三田市下内神字打場541番地の1 日本ピラー工業株式会社三田工場内 (72)発明者 下山 清 兵庫県三田市下内神字打場541番地の1 日本ピラー工業株式会社三田工場内 審査官 原 賢一 (56)参考文献 特開2000−12048(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/10 Continued on the front page. (72) Inventor Shoji Kato 541-1, Shimouchi jinji bat, Mita city, Hyogo prefecture. Inside the Mita plant of Nippon Pillar Industry Co., Ltd. (72) Inventor Kiyoshi Shimoyama. No. 541, No. 1, Japan Pillar Industry Co., Ltd. Mita Factory Examiner Kenichi Hara (56) References JP-A-2000-12048 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01M 8 / 02 H01M 8/10

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 主としてシート状部材と凸部形成部材と
からなる燃料電池用セパレータであって、 上記シート状部材の表面には複数個の凸部が形成されて
おり、 このシート状部材の凸部に対応する裏面側の凹部内に凸
部形成部材が埋設されており、 上記凸部形成部材が、膨張黒鉛シート素材をシート状部
材の平面に対して直交する方向に配置されるように複数
回渦巻き状に巻回し、かつ、所定の凸部形状に整形し
て、もしくは、帯状の膨張黒鉛シート素材の複数枚を平
面に対して平行に積層して、作成されていることを特徴
とする燃料電池用セパレータ。
1. A fuel cell separator mainly comprising a sheet-shaped member and a projection-forming member, wherein a plurality of projections are formed on a surface of the sheet-shaped member. A convex portion forming member is embedded in a concave portion on the back surface side corresponding to the portion, and a plurality of the convex portion forming members are arranged so that the expanded graphite sheet material is arranged in a direction orthogonal to the plane of the sheet-like member. It is formed by winding in a spiral shape and shaping it into a predetermined convex shape, or laminating a plurality of strip-shaped expanded graphite sheet materials in parallel to a plane. Fuel cell separator.
【請求項2】 上記シート状部材が、膨張黒鉛から構成
されている請求項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 sheet-like member is made of expanded graphite.
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