JP3991681B2

JP3991681B2 - Metal separator and fuel cell using the same

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Publication number: JP3991681B2
Application number: JP2001399955A
Authority: JP
Inventors: 忍高木; 伸一八木
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2007-10-17
Anticipated expiration: 2021-12-28
Also published as: JP2003203644A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属セパレータおよびこれを用いた固体高分子電解質形燃料電池(以下、単に燃料電池と称する)に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、図１０(Ａ)に示すように、固体高分子膜７０の両側に金属セパレータ７２を積層し、これらの周辺部間に図示しないシール材を挟んで固定している。固体高分子膜７０は、電解質膜の両側に正極・負極の触媒電極を配置し、それらの上にカーボンペーパーまたはカーボンクロスなどからなる図示しないガス拡散電極を配置している。また、金属セパレータ７２は、図１０(Ｂ)に示すように、複数の凹溝７５を有する負極側基板７４と複数の凹溝７９を有する正極側基板７８とを、凹溝７５と凹溝７９とが直交し且つこれらの底面が互いに面接触するようにして積層したものである。
【０００３】
負極・正極側基板７４，７８は、同じサイズおよび形状からなり、前者を例として説明すると、例えば図１０(Ｃ)に示すように、金属薄板７４ａの周辺部を除いた位置に複数の凹溝７５と、これらの間に位置する複数の凸条７７と、複数の凹溝７５の長手方向における両端部を連通するヘッダー溝７６，７６と、を備えている。
以上のような負極側基板７４は、平坦な金属薄板７４ａをプレス加工することにより、上記複数の凹溝７５、複数の凸条７７、およびヘッダー溝７６が一体に形成される。尚、図１０(Ｂ)に示すように、負極側基板７４の金属薄板７４ａの底面側には、凹溝７５やヘッダー溝７６の断面形状に倣った形状の凸条７５ａと、凸条７７の断面形状に倣った形状の凹溝７７ａとが形成されている。また、かかる表・裏面の形状は、正極側基板７８についても同様である。
【０００４】
そして、負極側基板７４では、一方のヘッダー溝７６に開口した図示しない供給孔から負極活物質である燃料ガスが供給され、複数の凹溝７５内を分流した後、他方のヘッダー溝７６に開口した図示しない排出孔から排出される。かかる燃料ガスは、各凹溝７５内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分かれる。かかる水素イオンは、固体高分子膜７０の電解質(液)を貫通し、上記電子は、図示しない外部回路を経て、それぞれ正極側の触媒電極へ送られる。
また、正極側基板７８では、正極活物質である酸化剤ガスが上記と同様に流通され、各凹溝７９内を流通する間に隣接する固体高分子膜７０中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【０００５】
【発明が解決すべき課題】
しかしながら、図１０(Ａ)に示すように、複数の固体高分子膜７０，７０間に挟持される金属セパレータ７２は、２枚の金属セパレータである前記負極・正極側基板７４，７８を積層しているため、燃料電池の構成部材が多くなり且つその組み立ても煩雑になると共に、得られる燃料電池全体の厚みも過大になる、という問題があった。また、前記負極側基板７４の凸条７７と正極側基板７８の凸条との接触面積が小さいため、上下に隣接する固体高分子膜７０，７０間を流れる厚み方向に沿う電流の抵抗が大きくなる、という問題もあった。
本発明は、以上にて説明した従来の技術における問題点を解決し、１枚の金属薄板からなりその表面と裏面とに異なるガスの流通路を有し且つ電気抵抗の少ない金属セパレータおよびこれを用いた燃料電池を提供する、ことを課題とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、１枚の金属薄板の表面および裏面に形成する凹凸部をそれぞれガス流通路とすると共に、これらに燃料ガスや酸化剤ガスが均一に流通させるようにする、ことに着想して成されたものである。
即ち、本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形の凹溝および凸条を交互に複数ずつ平行に形成した凹凸部と、かかる凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に、かかる凹溝および上記凸条と直交し、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた一対のヘッダー部と、を含み、上記凹凸部の複数の凹溝における長手方向の両端に設けた一対のヘッダー部の外側に沿って、上記凹溝の深さおよび前記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、ことを特徴とする。
【０００７】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの平行な流通路となり、かかる表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。更に、金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させることなく、各凹凸部の凹溝内を流通させることにより、水素イオン化および電子化などの前記反応を生じさせることができる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【０００８】
尚、前記金属薄板における表面と裏面とは、相対的な呼称であって、金属薄板の何れか一方の表面とこれと反対側の表面とを指称するものである。また、前記ヘッダー部の高さは、従来の２枚構造の正極側・負極側基板におけるヘッダー溝よりも小さくなるため、該ヘッダー部の幅は、従来よりも幅広く設定される。
また、本発明には、前記ヘッダー部は、燃料ガスや酸化剤ガスの出入口付近を深くし、それらの反対寄りを浅くするように形成されている、金属セパレータ（請求項２）も含まれる。
【０００９】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）は、平面視が矩形で表面および裏面を有し、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる金属薄板からなり、表面が凹部または凸部で且つ裏面が凸部または凹部となる断面が四角形または台形で且つ交互に平行に形成された複数の凹溝および複数の凸条と、上記凹溝および上記凸条の一端と上記金属薄板の一辺または他辺との間に、上記凹溝の深さよりも浅く且つ上記凸条の高さよりも低くして設けた複数の迂回流路と、を含み、上記凹溝および上記凸条の他端は、上記金属薄板の一辺または他辺に至ると共に、上記複数の迂回流路は、平面視で交互に逆向きに配置されている、ことを特徴とする。
【００１０】
これによれば、１枚の金属薄板における表面と裏面とに形成した複数の凹溝およびこれらの一端に交互に位置する迂回流路が、ジグザグ状を呈する燃料ガスまたは酸化剤ガスのための単一の流通路となる。このため、かかるジグザグ状に流通する上記各ガスの反応を確実に行わせられると共に、表面および裏面を正負極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。従って、第２の金属セパレータでも、２枚の正極側・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレス成形などすることにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用できる。
しかも、前記金属薄板は、金属ベース材と、かかる金属ベース材の表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層と、からなるため、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置している。このため、１枚の金属薄板のみからなると共に、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００１１】
尚、前記ガスの入口や出口は、両端の凹溝の端部付近に位置する共に、金属薄板における対角位置または同じ辺の両端に配置される。更に、迂回流路の幅は、上記凹溝の幅以上に設定する。
【００１２】
また、本発明には、前記複数の迂回流路および前記凹溝または前記凸条の外側に沿って、前記金属薄体を包囲するように上記凹溝の深さおよび上記凸条の高さと同じ厚みのシール材を配置している、金属セパレータ（請求項４）も含まれる。
これによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽することができる。
【００１３】
更に、本発明には、前記金属ベース材は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金からなり、前記貴金属の薄膜層は、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金からなる、金属セパレータ（請求項５）も含まれる。これによれば、上述したような１枚の金属薄板のみからなり耐食性に優れた金属セパレータを最適のコストで得ることが可能となる。
【００１４】
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜の間およびこれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、ことを特徴とする。これによれば、金属セパレータが１枚の金属薄板からなるため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池を提供することが可能となる。
付言すれば、本発明の燃料電池には、互いに平行な少なくとも２つの固体高分子膜の間およびそれらの両端側に、前記のような金属セパレータを１枚ずつ平行に配置している、燃料電池を含むことも可能である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下において、本発明の実施に好適な形態を図面と共に説明する。
図１(Ａ)，(Ｂ)，図２(Ａ)，(Ｂ)は、本発明における第１の金属セパレータ１の表面２ａおよび裏面２ｂを示す。かかる金属セパレータ１は、例えばステンレス鋼板などからなり平面視が矩形である１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図１(Ａ)，図２(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ａと、かかる凸条４ａ間に交互に位置する複数の凹溝６ａとからなる凹凸部３ａを中央部に有する。また、複数の凸条４ａおよび凹溝６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ａを設けている。各ヘッダー部７ａは、ガスの出・入口９ａの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成されている。
【００１６】
更に、金属セパレータ１の裏面２ｂも、図１(Ｂ)，図２(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｂと、かかる凸条４ｂ間に交互に位置する複数の凹溝６ｂとからなる凹凸部３ｂを中央部に有し、複数の凸条４ｂおよび凹溝６ｂの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部７ｂを設けている。
尚、各ヘッダー部７ｂは、ガスの出・出口９ｂの付近を深くし、これらと反対寄りを浅く形成しても良い。尚また、図１(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４ａ，４ｂは太線で示し、凹溝６ａ，６ｂは細線で示している。
【００１７】
図１(Ａ)中におけるａ−ａ線に沿った端面である図１(ａ)と図１(Ｂ)中におけるｂ−ｂ線に沿った端面である図１(ｂ)とは、金属セパレータ１を同じ位置で切断した端面図である。図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの凸条４ａの裏側は、裏面２ｂの凹溝６ｂであり、両者は表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。また、表面２ａの凹溝６ａの裏側は、裏面２ｂの凸条４ｂであり、両者も表裏一体の裏腹となる位置に形成されている。
尚、図１(α)に例示するように、凸条４ａや凹溝６ａなどは、端部をほぼ半円形の丸形とした凸条４αおよび凹溝６αからなる凹凸部３αとしても良い。
【００１８】
即ち、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ａは、表面２ａでは断面台形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凹部を呈する凹溝６ｂとなる。また、上記凹溝６ａは、表面２ａでは断面台形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面台形の凸部を呈する凸条４ｂとなる。尚、凹溝６ａと凹溝６ｂとの幅は、異なるようにしても良い。例えば、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが酸素の場合、両者の流路幅の比を２：１とし、燃料ガスが水素で酸化剤ガスが空気の場合、両者の流路幅の比を２：５となるように、凹溝６ａ，６ｂの幅を設定する。
【００１９】
また、図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ａ，３ｂや一対ずつのヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲する。
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図１(ａ)，(ｂ)および図２(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ａ，４ｂの高さよりも低く且つ凹溝６ａ，６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ａ，７ｂは、凸条４ａ，４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ａ，６ｂの深さのほぼ半分のレベルにある。このため、ヘッダー部７ａ，７ｂの幅は、従来よりもやや幅広の寸法に設定される。
【００２０】
図１(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ１の周囲には、ほぼ正方形の枠形のシール材(ガスケット)１０が配置されている。かかるシール材１０は、例えばクロロプレンゴムのような弾性を有する合成ゴムからなる一体成形体であり、その内周面における厚み方向の中央に設けたスリット１２に金属セパレータ１の周辺部２ｃ，２ｄを密着しつつ嵌合している。
また、シール材１０の内部または一部における表面側２ａには、水素などの燃料ガスの入口９ａ・出口９ａを開設し、裏面２ｂ側には、酸素などの酸化剤ガスの入口９ｂ・出口９ｂを開設する。更に、当該シール材１０における各辺の中央には、それぞれ隣接して配置される同じ金属セパレータ１を内側に嵌合したシール材１０を貫通ししつ連結するボルトの貫通孔１３が穿設されている。
尚、シール材１０の厚みは、図１(ａ)，(ｂ)に示すように、表面２ａの各凸条４ａの高さと裏面２ｂの各凸条４ｂの高さとの間における差とほぼ同じか、あるいはこの差よりもやや厚肉とされる。かかる厚さは、燃料電池を組み立てるため、シール材１０が弾性変形した際に凸条４ａ，４ｂ間の厚み(差)と一致する。尚また、シール材１０には、冷却水の入口ｗｉと出口ｗａとが形成されている。
【００２１】
図３(Ａ)，(Ｂ)は、異なる形態の金属セパレータ１ａの表面２ａと裏面２ｂとを示す。かかる金属セパレータ１ａも、ステンレス鋼板などからなる１枚の金属薄板からなり、その表面２ａは、図３(Ａ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｃと、かかる凸条４ｃ間に交互に位置する複数の凹溝６ｃとからなる凹凸部３ｃを中央部に有し、複数の凸条４ｃおよび凹溝６ｃの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ａ，７ａを設けている。
また、金属セパレータ１ａの裏面２ｂも、図３(Ｂ)に示すように、互いに平行な複数の凸条４ｄと、かかる凸条４ｄ間に交互に位置する複数の凹溝６ｄとからなる凹凸部３ｄを中央部に有し、複数の凸条４ｄおよび凹溝６ｄの長手方向における両端に、これらと直交するヘッダー部７ｂ，７ｂを設けている。
【００２２】
図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、上記凸条４ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凸部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凹部を呈する凹溝６ｄとなる。また、上記凹溝６ｃは、表面２ａでは断面コ字(四角)形の凹部であり、且つ裏面２ｂでは断面コ字(四角)形の凸部を呈する凸条４ｄとなる。
尚、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凹凸部３ｃ，３ｄやヘッダー部７ａ，７ｂの周囲には、これらを囲むように各ヘッダー部７ａ，７ｂと同じレベルで延在する周辺部２ｃ，２ｄが包囲している。また、凸条４ｃや凹溝６ｃなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝６ｃ，６ｄの幅を互いに相違させても良い。
【００２３】
更に、ヘッダー部７ａ，７ｂは、図３(Ａ)，(Ｂ)に示すように、凸条４ｃ，４ｄの高さよりも低く且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さよりも浅い位置に設けられている。具体的には、ヘッダー部７ｃ，７ｄは、凸条４ｃ，４ｄの高さのほぼ半分で且つ凹溝６ｃ，６ｄの深さのほぼ半分のレベルにある。
尚、金属セパレータ１ａの周辺部２ｃ，２ｄの外周縁にも、前記図１に示したシール材１０が前記同様に嵌合して配置される。
【００２４】
図４(Ａ)は、前記金属セパレータ１の凹凸部３ａ，３ｂにおける断面を示す。図示のように、金属セパレータ１を形成する金属薄板は、例えばＳＵＳ３１６Ｌなどのステンレス鋼からなる厚さ０．０１〜約１ｍｍの金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる薄膜層１５とからなる。
上記薄膜層１５は、１μｍ以下、より望ましくは１００ｎｍ以下の厚みであるＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｐｄの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、あるいは上記の貴金属の２種類以上からなる合金、例えばＡｕ−Ａｇ系合金からなる。かかる薄膜層１５は、メッキ、スクリーン印刷、クラッド圧延、ＣＶＤ処理、またはＰＶＤ処理(真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティングなど)により、金属ベース材１４の表面および裏面に被覆されている。
【００２５】
また、図４(Ｂ)は、前記金属セパレータ１ａの凹凸部３ｃ，３ｄにおける断面を示し、その金属薄板も、上記同様の金属ベース材１４と、その表面および裏面にそれぞれ被覆した貴金属からなる上記同様の薄膜層１５とからなる。
尚、凹凸部３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄは、表面および裏面にそれぞれ薄膜層１５を被覆した金属ベース材１４からなる３層構造の金属薄板を、図示しない金型プレスを用いる塑性加工によって成形される。また、金属ベース材１４は、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ａｌの単体、またはこれらの何れかをベースとする合金、例えば上記ステンレス鋼からなり、その表・裏面に薄膜層１５を被覆することにより、後述する燃料ガスや酸化剤ガスに対する耐食性を補っている。
【００２６】
図５(Ａ)は、前記金属セパレータ１(１ａ)を用いた燃料電池１６の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の両面に金属セパレータ１(１ａ)をそれぞれ平行に配置したもので、各セパレータ１(１ａ)の上／下にも図示しない固体高分子膜１７が隣接して配置される。即ち、燃料電池１６は、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜１７の間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置したものである。また、固体高分子膜１７における金属セパレータ１と隣接する部分は、当該固体高分子膜１７の両側面に配置した図示しないガス拡散電極と正極の触媒電極または負極の触媒電極との３層構造を有する。
【００２７】
図５(Ａ)に示すように、固体高分子膜１７の周辺部１８は、ガス拡散電極および触媒層が形成されていない部分で、隣接する金属セパレータ１(１ａ)の周囲に設けたシール材１０，１０と面接触する。金属セパレータ１(１ａ)のヘッダー部７ａ，７ｂは、シール材１０と周辺部１８とにより、密閉された空間となる。
尚、凹溝６ａ(６ｃ)と凹溝６ｂ(６ｄ)とは、図４(Ａ)((Ｂ))に示したように互いに隣接し且つ交互に逆向きに開口するように配置される。また、図５(Ａ)では、上方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ａ(６ｃ)の直下には、下方の金属セパレータ１(１ａ)の凹溝６ｂ(６ｄ)が位置している。更に、上記シール材１０には、ヘッダー部７ａ，７ｂに開口するガスの出・入口９ａ，９ｂが設けられる。
【００２８】
ここで、金属セパレータ１を用いた燃料電池１６の作用について説明する。
図５(Ｂ)は、３つの固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間に１枚ずつの金属セパレータ１を配置した燃料電池１６の断面を示し、上側のセパレータ１では凹溝６ａが、下側のセパレータ１では凹溝６ｂが、金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。
前記ガスの入口９ａ，９ｂから燃料ガスまたは酸化剤ガスを各金属セパレータ１のヘッダー部７ａ，７ｂに供給する。図５(Ｂ)中で上側の実線で矢印で示す水素ガスまたはメタノールなどの燃料ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。
また、図５(Ｂ)中で下側の破線で矢印で示す酸素または空気などの酸化剤ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
【００２９】
上記凹溝６ａまたは凹溝６ｂ内を流通する間に、燃料ガスや酸化剤ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ，１７ｃ中の負極側または正極側の触媒電極に接触する。この際、固体高分子膜１７ａの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｂ)で実線の矢印で示す)において、これに含まれている水素は、水素イオンと電子とに分解される。かかる水素は、固体高分子膜１７ａを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電する間に所要の作用を果たした後、固体高分子膜１７ａ中の正極側の触媒電極に送られる。
一方、固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、正極活物質である酸化剤ガス(図５(Ｂ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通する。この際、凹溝６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスは、隣接する固体高分子膜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
【００３０】
図５(Ｃ)は、図５(Ｂ)の前後方向の何れかに隣接する断面を示し、金属セパレータ１７ａ〜１７ｃ間に金属セパレータ１をそれぞれ配置し、上側のセパレータ１では凹溝６ｂが、下側のセパレータ１では凹溝６ａが、中央の金属セパレータ１７ｂを挟んでいる。図５(Ｃ)中で下側の実線で矢印で示す燃料ガスは、下側の金属セパレータ１のヘッダー部７ａから各凹溝６ａを分流しつつ反対側のヘッダー部７ａに流通される。また、図５(Ｃ)中で上側の破線で矢印で示す酸化剤ガスは、上側の金属セパレータ１のヘッダー部７ｂから各凹溝６ｂを分流しつつ反対側のヘッダー部７ｂに流通される。
この際、固体高分子膜１７ｂの負極側の触媒電極に対向する表面２ａの凹溝６ａ内を流れる燃料ガス(図５(Ｃ)で実線の矢印で示す)に含まれる水素は、水素イオンと電子とに分解され、かかる水素は、固体高分子膜１７ｂを上向きに貫通し且つ正極側の触媒電極に移動する。また、上記電子は、図示しない外部回路を通電した後、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に送られる。
【００３１】
一方、固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極に対向する裏面２ｂの凹溝６ｂでは、酸化剤ガス(図５(Ｃ)で破線の矢印で示す)が上記と同様に流通し、凹溝６ｂ内を流通する間に、隣接する固体高分子膜１７ｂ中の正極側の触媒電極と接触するため、酸素と水素イオンと電子とが反応して水を生成する。
以上のような燃料電池１６によれば、複数の固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ間およびその両端(上・下端)側に１枚ずつの金属セパレータ１(１ａ)を平行に配置することにより、全体がコンパクト化したサイズで且つ軽量化にできると共に、化学エネルギを効率良く電気エネルギに変換することができる。しかも、金属セパレータ１(１ａ)を流れる電流の電気抵抗も小さくすることができる。従って、かかる燃料電池１６は、例えば車両用の電源として極めて有効となる。
尚、図５(Ｂ)，(Ｃ)において、燃料ガスと酸化剤ガスとは、互いに逆向きの流通にしたが、これらを同じ向きに流通するようにしても良い。
【００３２】
図６(Ａ)は、更に異なる形態の金属セパレータ２０の外観斜視図を示す。
金属セパレータ２０も表面２１および裏面２２を有する前記同様の金属薄板からなり、図６(Ａ)に示すように、その表面２１の中央部には、互いに平行な複数の凸条２４ａと、かかる凸条２４ａ間に交互に位置する複数の凹溝２６ａとからなる凹凸部２３ａを有する。また、複数の凸条２４ａおよび凹溝２６ａの長手方向における両端に、これらと直交する一対のヘッダー部２７を設けている。
尚、各凸条２４ａおよび各凹溝２６ａは、断面が台形であるが、前記図３や図４(Ｂ)に示したように、それらの断面をコ字形(四角形)の形状としても良い。
【００３３】
図６(Ａ)，(Ｂ)に示すように、表面２１の凹凸部２３ａおよびヘッダー部２７の周囲には、段部２５，２５に囲まれており、その外周に平坦な周辺部２８が包囲している。各ヘッダー２７は図６(Ｂ)に示すように、断面が変形した台形を呈する。また、上記周辺部２８は、各凸条２４ａの頂面と同じレベルに位置し、前記同様のガスの入口９ａ、出口９ｂ、ボルトの貫通孔１３などが形成される。
また、図６(Ｂ)の断面図に示すように、金属セパレータ２０の裏面２２には、上記各凸条２４ａの裏面側に隣接する複数の凹溝２６ｂと、上記各凹溝２６ａの裏面側に隣接し且つ上記凹溝２６ｂ間に位置する複数の凸条２４ｂとからなる凹凸部２３ｂが中央部に形成されている。尚、凸条２４ａや凹溝２６ａなどは、前記同様にその端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、凹溝２６ａ，２６ｂの幅を互いに相違させても良い。
【００３４】
更に、凹凸部２３ｂにおける凸条２４ｂと凹溝２６ｂとの長手方向における両端には、これらと直交する断面がほぼヘ字形のヘッダー部２９が位置している。
図６(Ｂ)に示すように、表・裏面２１，２２のヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さよりも低く且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さよりも浅い位置に設けられている。即ち、ヘッダー部２７，２９は、凸条２４ａ，２４ｂの高さのほぼ半分で且つ凹溝２６ａ，２６ｂの深さのほぼ半分のレベルに位置すると共に、段部２５，２５を介して表面２１の各凸条２４ａの頂面と同じレベルに偏寄した周辺部２８と接続されている。上記ヘッダー部２７，２９は、燃料ガスなどの出・入口付近を深くし、その反対寄りを浅くするように形成されている。
【００３５】
図６(Ｃ)は、金属セパレータ２０を用いた燃料電池３０の単位部分を示す断面図である。かかる燃料電池１６は、図６(Ｃ)に示すように、互いに平行に配置した複数の固体高分子膜３２，３２間およびその両端側に、１枚ずつの金属セパレータ２０を平行に配置したもので、図示で上側のセパレータ２０の上面にも図示しない固体高分子膜３２が配置されている。
図６(Ｃ)に示すように、固体高分子膜３２の周囲には、前記同様の周辺部３４が位置し、その上下に四角枠形のシール材(ガスケット)３６が配置されている。かかるシール材３６も、前記同様の合成ゴムなどの弾性体からなり、隣接する固体高分子膜３２の周辺部３４との間で、金属セパレータ２０の周辺部２８を挟み付ける。かかるシール材３６と上記周辺部３４とにより、各金属セパレータ２０のヘッダー部２７，２９は、密閉された空間となる。
【００３６】
尚、図６(Ｃ)では、便宜上、上方の金属セパレータ２０の凹溝２６ａの直下には、下方の金属セパレータ２０の凹溝２６ｂが位置している。
そして、図６(Ｃ)に示すように、実線と破線の矢印で示す燃料ガスは、上下の金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２７，２９から、凹溝２６ａを分流して他方のヘッダー部２７，２９に流通する。また、上下の一点鎖線の矢印で示す酸化剤ガスは、上下の各金属セパレータ２０における一方のヘッダー部２９，２７から、凹溝２６ｂを分流して他方のヘッダー部２９，２７に流通する。
【００３７】
各金属セパレータ２０における凹溝２６ａ内を流通する間に、燃料ガスは、その一部が隣接する固体高分子膜３２中の負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれている水素が水素イオンと電子とに分解される。また、各セパレータ２０の凹溝２６ｂ内を流通する間に、酸化剤ガスの一部が隣接する固体高分子膜３２中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ２０を用いる燃料電池３０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化できると共に、前記シール材３６により、複数の固体高分子膜３２と複数の金属セパレータ２０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ２０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００３８】
次に、本発明における第２の金属セパレータ４０およびこれを用いた燃料電池６０について、図７〜図９により説明する。
図７(Ａ)，(Ｂ)は、第２の金属セパレータ４０における表面４０ａ、裏面４０ｂの平面図を示す。かかる金属セパレータ４０は、前記同様の素材からなる金属薄板から成形され、図示のように、平面視でほぼ正方形(矩形)を呈する。尚、かかる金属薄板も、前記金属ベース材１４と、かかる金属ベース材１４の表面および裏面に被覆したＡｕなどの貴金属からなる前記薄膜層１５と、からなる。
【００３９】
金属セパレータ４０の表面４０ａは、図７(Ａ)，(ａ１)，(ａ２)に示すように、表面４０ａが凹部で且つ裏面４０ｂが凸部となる複数の凹溝４３，４５と、これらと交互に位置して表面４０ａが凸部で且つ裏面４０ｂが凹部となる複数の凸条４２，４４と、を有する。
図７(Ａ)で幅方向の左端の凹溝４５の斜面４５ａで例示するように、凹溝４３などおよび凸条４２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ａ)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の一端および凸条４２，４４の一端４２ａ，４４ａと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路４６，４７が交互に逆向きに設けられている。かかる迂回流路４６，４７は、凸条４２などの高さよりも低く且つ凹溝４３などの深さよりも浅い位置に設けられている。
【００４０】
金属セパレータ４０の裏面４０ｂは、図７(Ｂ)，(ｂ１)，(ｂ２)に示すように、裏面４０ｂが凸部で且つ表面４０ａが凹部となる複数の凸条５３，５５と、これらと交互に位置して裏面４０ｂが凹部で且つ表面４０ａが凸部となる複数の凹溝５２，５４と、を有する。
図７(Ｂ)で幅方向の左端の凹溝５２の斜面５２ａで例示するように、凸条５３などや凹溝５２などは、断面が台形で且つ互いに平行に配置されている。
図７(Ｂ)に示すように、裏面４０ｂで凹溝５２，５４の一端および凸条５３，５５の一端５３ｂ，５５ｂと、金属薄板の一辺(上辺)または他辺(下辺)との間には、複数の迂回流路５６，５７が交互に逆向きに設けられるかかる迂回流路５６，５７は、凸条５３などの高さよりも低く且つ凹溝５２などの深さよりも浅い位置に設けれている。尚、図７(Ａ)，(Ｂ)において、便宜上凸条４２などは太線で示し、凹溝４３などは細線で示している。
【００４１】
また、図７(ａ１)，(ｂ１)に示すように、表面４０ａの凹溝４３，４５の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凸条５３，５５が位置すると共に、表面４０ａの凸条４２，４４の裏面４０ｂ側には、裏面４０ｂの凹溝５４，５２が、互いに裏腹の関係で位置している。
更に、図７(Ａ)，(ａ２)，図８に示すように、表面４０ａにおける凹溝４３，４５の他端および凸条４２，４４の他端は、金属薄板における他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。図７(Ｂ)，(ｂ２)，図８に示すように、裏面４０ｂにおける凹溝５２，５４の他端および凸条５３，５５の他端も、金属薄板の他辺(上辺)または一辺(下辺)まで至っている。
尚、凸条４２や凹溝４３などは、前記同様に端部を丸形とした凸条や凹溝としても良く、表面４０ａの凹溝４３などと裏面４０ｂの凹溝５２などの幅を相違させても良い。また、以上のような金属セパレータ４０は、薄いステンレス鋼板を例えばプレス加工または絞り加工、あるいはこれらの併用により成形される。
【００４２】
以上のような金属セパレータ４０おいては、図７(Ａ)，図８中の一点鎖線の矢印で示すように、表面４０ａにおいて、図示しない左下隅の入口から供給された燃料ガスは、凹溝４５，４３，４５，４３，４５を、迂回流路４７，４６，４７，４６を介して流通し、対角位置の出口に向けてジグザグ状に送給される。
また、裏面４０ｂでは、図７(Ｂ)，図８中の破線の矢印で示すように、図示しない右上隅の入口から供給された酸化剤ガスは、凹溝５２，５４，５２，５４，５２を、迂回流路５６，５７，５６，５７を介して流通し、左下隅の出口に向けてジグザグ状に送給される。
【００４３】
更に、図８に示すように、金属セパレータ４０における迂回流路４６，４７，５６，５７と表面４０ａおよび裏面４０ｂにおける両端の凹溝４５や凸条５５などの外側に沿って、これらを包囲するようにシール材(ガスケット)６１が、配置される。かかるシール材６１は、弾性を有する合成ゴムなどからなり、平面視で四角枠形の本体６２と、その内周面６３の長手方向に沿って内向きに開口したスリット６５，６６を有する。図８に示すように、直線状のスリット６５には金属セパレータ４０の一対の側辺が挿入され、凹凸形のスリット６６には凸条４２，５５や凹溝４３，５２などの端部が挿入される。
【００４４】
尚、上記シール材６１は、平面視でＬ字形またはコ字形に２分割したものを接合するなどして形成しも良い。また、シール材６１のコーナー付近には、各ガスの流路６９が貫通し、その付近の内周面６３には、ガスの入口または出口６７，６８が開口されている。
そして、図９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、金属セパレータ４０を内側にセットしたシール材６１を、固体高分子膜１７ａ〜１７ｃおよびこれらの周辺部１８の間に配置することにより、金属セパレータ４０を用いた燃料電池６０が得られる。尚、９(Ａ)，(Ｂ)に示すように、複数の金属セパレータ４０は、互いに厚み方向で逆向きであり、且つ交互に逆向きになるよう配設される。
【００４５】
かかる燃料電池６０において、燃料ガスは、金属セパレータ４０の表面４０ａまたは裏面４０ｂにおけるジグザグ状の長い各流路を流通する間に、前記と同様に、その一部が隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃの負極側の触媒電極と接触し、当該燃料ガスに含まれる水素が水素イオンと電子とに分解される。また、酸化剤ガスが各セパレータ４０の凹溝４３などを流通する間に、かかる酸化剤ガスの一部は、隣接する固体高分子膜１７ａ〜１７ｃ中の正極側の触媒電極と接触し、酸素と水素イオンと電子が反応して水を生成する。
以上のような金属セパレータ４０を用いる燃料電池６０によれば、上記ガスの化学エネルギを電気エネルギに効率的に変換でき且つ全体をコンパクト化でき、且つ前記シール材６１などにより、複数の固体高分子膜１７ａなどと複数の金属セパレータ４０とを気密性をもって容易に積層し且つ固定することができる。しかも、金属セパレータ４０を流れる電流の電気抵抗も小さくなる。
【００４６】
本発明は、以上において説明した各形態に限定されるものではない。
例えば、前記凸条４ａ，４ｂや、凹溝６ａ，６ｂの長手方向における両端面は、前記金属セパレータ１の厚み方向に沿った垂直面としても良い。
また、前記凸条２４ａ，２４ｂ，４２などや、凹溝２６ａ，２６ｂ，４３などは、断面ほぼ四角形またはほぼＵ字形としても良い。
更に、前記金属セパレータ１，１ａ，２０，４０の金属薄板は、耐食性に優れた単一の金属板としても良い。また、金属セパレータ１，１ａの凹凸部３ａ，３ｂなどや金属セパレータ４０における凹溝４３などの成形方法も、絞り加工や冷間鍛造などによって行うことも可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上にて説明した本発明の第１の金属セパレータ（請求項１）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面に形成した凹凸部における複数の凹溝がそれぞれ燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となり、かかる表面および裏面を正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。このため、従来のような２枚の正・負極側基板を用いず、１枚の金属薄板をプレスなどで成形することにより、電気抵抗の小さい金属セパレータとして活用することができる。
更に、シール材により金属薄板の表面および裏面における各凹凸部の両端に位置するヘッダー部を密閉空間とし、且つ隣接する固体高分子膜との間で燃料ガスや酸化剤ガスを漏洩させずに、各凹凸部の凹溝内を流通させ且つ水素イオン化や電子化させるなどの反応が行える。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。
【００４８】
一方、本発明の第２の金属セパレータ（請求項３）によれば、１枚の金属薄板における表面および裏面にジグザグ状の流通路が確実に形成されているため、かかる表面および裏面を、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通路となる正極側基板または負極側基板の何れか一方として活用できる。しかも、前記金属薄板は、成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材と、その表面および裏面に被覆した貴金属からなる薄膜層とからなる１枚の金属薄板のみからなるので、低コストで耐食性および耐久性に優れた金属セパレータとなる。従って、１枚の金属薄板からなり、水素イオン化などの前記反応を生じ易く且つ電気抵抗の小さい金属セパレータとすることができる。
また、請求項４の金属セパレータによれば、複数の迂回流路および両端の凹溝または凸条を包囲したジグザグ状のガス流通路を外部から確実に遮蔽できる。
【００４９】
更に、請求項５の金属セパレータによれば、耐食性に優れた貴金属からなる薄膜層を表面および裏面に被覆し、これらの間に成形性に優れ且つ所要の強度を有する金属ベース材が位置する金属薄板からなる金属セパレータとなる。従って、耐食性および耐久性に優れ且つ低コストまたは最適コストの金属セパレータとすることが可能となる。
加えて、本発明の燃料電池（請求項６）によれば、金属セパレータを１枚の金属薄板としているため、全体の厚みを薄くしてコンパクト化できると共に、低コストで且つ安定した作用が得られる燃料電池とすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第１の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ)，(ｂ)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ−ａ線またはｂ−ｂ線に沿った端面図、(α)は凸条および凹溝の変形形態を示す部分概略図。
【図２】 (Ａ)，(Ｂ)は図１の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図３】 (Ａ)，(Ｂ)は異なる形態の金属セパレータの表面または裏面を示す斜視図。
【図４】 (Ａ)は図１，２の金属セパレータの部分断面図、(Ｂ)は図３の金属セパレータの部分断面図。
【図５】 (Ａ)は図１(図３)の金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図、(Ｂ)および(Ｃ)は上記燃料電池の作用を示す概略図。
【図６】 (Ａ)は更に異なる形態の金属セパレータの表面を示す斜視図、(Ｂ)は(Ａ)中のＢ−Ｂ線に沿った視覚における断面図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを用いた燃料電池を示す概略図。
【図７】 (Ａ)，(Ｂ)は本発明の第２の金属セパレータの表面または裏面を示す平面図、(ａ１)，(ａ２)，(ｂ１)，(ｂ２)は(Ａ)，(Ｂ)中のａ１−ａ１線、ａ２−ａ２線、ｂ１−ｂ１線、またはｂ２−ｂ２線に沿った端面図。
【図８】図７の金属セパレータおよびこれに用いるシール材を示す斜視図。
【図９】 (Ａ)，(Ｂ)は図７，８の金属セパレータを用いた燃料電池を示す断面図。
【図１０】 (Ａ)は従来の燃料電池を示す概略図、(Ｂ)はかかる燃料電池に用いる金属セパレータを示す部分斜視図、(Ｃ)はかかる金属セパレータを形成する金属薄板を示す斜視図。
【符号の説明】
１，１ａ，２０，４０………………………………………金属セパレータ
２ａ，２１，４０ａ…………………………………………表面
２ｂ，２２，４０ｂ…………………………………………裏面
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，２３ａ，２３ｂ………………凹凸部
４ａ,４ｂ,２４ａ,２４ｂ，４２,４４,５３,５５………凸条
６ａ,６ｂ,２６ａ,２６ｂ，４３,４５,５２,５４………凹溝
７ａ,７ｂ，２７,２９………………………………………ヘッダー部
１０，３４，６１……………………………………………シール材
１４……………………………………………………………金属ベース材
１５……………………………………………………………薄膜層
１６，３０，６０……………………………………………燃料電池
１７，３２……………………………………………………固体高分子膜
４６，４７，５６，５７……………………………………迂回流路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a metal separator and a solid polymer electrolyte fuel cell (hereinafter simply referred to as a fuel cell) using the same.
[0002]
[Prior art]
In the fuel cell, as shown in FIG. 10A, metal separators 72 are laminated on both sides of a solid polymer film 70, and a sealing material (not shown) is sandwiched and fixed between these peripheral portions. In the solid polymer membrane 70, positive and negative catalyst electrodes are arranged on both sides of the electrolyte membrane, and a gas diffusion electrode (not shown) made of carbon paper or carbon cloth is arranged thereon. Further, as shown in FIG. 10B, the metal separator 72 includes a negative electrode substrate 74 having a plurality of concave grooves 75 and a positive electrode substrate 78 having a plurality of concave grooves 79, and the concave grooves 75 and the concave grooves 79. Are laminated so that they are orthogonal to each other and their bottom surfaces are in surface contact with each other.
[0003]
The negative electrode / positive electrode side substrates 74 and 78 have the same size and shape, and the former will be described as an example. For example, as shown in FIG. 10C, a plurality of concave grooves are formed at positions excluding the peripheral portion of the metal thin plate 74a. 75, a plurality of ridges 77 positioned therebetween, and header grooves 76 and 76 communicating with both ends of the plurality of concave grooves 75 in the longitudinal direction.
In the negative electrode side substrate 74 as described above, the plurality of concave grooves 75, the plurality of convex stripes 77, and the header grooves 76 are integrally formed by pressing a flat metal thin plate 74a. 10B, on the bottom surface side of the metal thin plate 74a of the negative electrode side substrate 74, the ridges 75a having a shape following the cross-sectional shape of the grooves 75 and the header grooves 76, and the ridges 77 are provided. A concave groove 77a having a shape following the cross-sectional shape is formed. Further, the shape of the front and back surfaces is the same for the positive electrode side substrate 78.
[0004]
Then, in the negative electrode side substrate 74, fuel gas as a negative electrode active material is supplied from a supply hole (not shown) opened in one header groove 76, and after diverting through the plurality of concave grooves 75, the other header groove 76 is opened. It is discharged from a discharge hole (not shown). The fuel gas contacts with the negative electrode side catalyst electrode in the adjacent solid polymer film 70 while flowing in each concave groove 75, and hydrogen contained in the fuel gas is divided into hydrogen ions and electrons. . Such hydrogen ions penetrate the electrolyte (liquid) of the solid polymer membrane 70, and the electrons are sent to the catalyst electrode on the positive electrode side through an external circuit (not shown).
Further, in the positive electrode side substrate 78, the oxidant gas as the positive electrode active material is circulated in the same manner as described above, and is in contact with the catalyst electrode on the positive electrode side in the adjacent solid polymer film 70 while flowing in the respective concave grooves 79. Then, oxygen, hydrogen ions, and electrons react to generate water.
[0005]
[Problems to be Solved by the Invention]
However, as shown in FIG. 10A, a metal separator 72 sandwiched between a plurality of solid polymer films 70, 70 is formed by laminating the negative electrode / positive electrode side substrates 74, 78 which are two metal separators. Therefore, there are problems that the constituent members of the fuel cell are increased and the assembly thereof is complicated, and the thickness of the obtained fuel cell is excessively large. Further, since the contact area between the ridges 77 of the negative electrode-side substrate 74 and the ridges of the positive electrode-side substrate 78 is small, the resistance of the current along the thickness direction flowing between the solid polymer films 70 and 70 adjacent vertically is large. There was also a problem of becoming.
The present invention solves the problems in the prior art described above, and comprises a metal separator comprising a single metal thin plate and having different gas flow paths on the front and back surfaces thereof and having a low electrical resistance. It is an object to provide a used fuel cell.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention makes the uneven portions formed on the front surface and the back surface of a single sheet of metal a gas flow path, and allows a fuel gas and an oxidant gas to flow uniformly therethrough. , It was conceived.
That is, the first metal separator of the present invention (Claim 1) has a plan view. Is rectangular With front and back And a metal base material and a thin film layer made of a noble metal coated on the front and back surfaces of the metal base material. A cross section in which the front surface is a concave or convex portion and the back surface is a convex or concave portion Four A concave or convex portion in which a plurality of square or trapezoidal concave grooves and ridges are alternately formed in parallel, and longitudinal ends of the plurality of concave grooves of the concavo-convex portion are orthogonal to the concave grooves and the convex stripes, and the concave A pair of header parts provided shallower than the depth of the groove and lower than the height of the ridge. Only , A sealing material having the same thickness as the depth of the groove and the height of the ridge is disposed along the outside of the pair of header portions provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of grooves in the uneven portion. It is characterized by that.
[0007]
According to this, the plurality of concave grooves in the concavo-convex portions formed on the front surface and the back surface of one metal thin plate respectively become parallel flow paths of the fuel gas or the oxidant gas, and the front surface and the back surface are connected to the positive and negative side substrates or It can be used as either one of the negative electrode side substrate. For this reason, it can utilize as a metal separator with small electrical resistance by shape | molding one metal thin plate with a press etc., without using two conventional positive electrode side and negative electrode side substrates. Further, the header portions located at both ends of each uneven portion on the front and back surfaces of the thin metal plate are sealed spaces, and each uneven portion is allowed to leak between the adjacent solid polymer films without causing fuel gas or oxidant gas to leak. The reaction such as hydrogen ionization and digitization can be caused by circulating the inside of the concave groove. .
Moreover, since the metal thin plate comprises a metal base material and a thin film layer made of a noble metal coated on the surface and the back surface of the metal base material, the thin film layer made of a noble metal having excellent corrosion resistance is coated on the surface and the back surface. Between these, the metal base material having excellent formability and the required strength is located. . For this reason, it consists of only one metal thin plate, and it becomes a metal separator excellent in corrosion resistance and durability at low cost. .
[0008]
In addition, the surface and back surface in the said metal thin plate are relative names, Comprising: One surface of a metal thin plate and the surface on the opposite side are designated. Moreover, since the height of the header portion is smaller than the header groove in the conventional positive electrode / negative electrode substrate having a two-sheet structure, the width of the header portion is set wider than the conventional one.
The present invention also includes a metal separator (Claim 2) in which the header portion is formed so as to deepen the vicinity of the entrance and exit of the fuel gas and the oxidant gas and shallow the opposite side thereof. .
[0009]
On the other hand, the second metal separator of the present invention (Claim 3) is a plan view. Is rectangular With front and back And a metal base material and a thin film layer made of a noble metal coated on the front and back surfaces of the metal base material. A cross section in which the front surface is a concave or convex portion and the back surface is a convex or concave portion Four A plurality of concave grooves and a plurality of convex stripes that are square or trapezoidal and alternately formed in parallel, and between the one end of the concave groove and the convex stripes and one side or the other side of the metal thin plate, A plurality of detour passages that are shallower than the depth and lower than the height of the ridge, and the other end of the groove and the ridge reaches one side or the other side of the thin metal plate. The plurality of bypass flow paths are alternately arranged in opposite directions in a plan view.
[0010]
According to this, the plurality of concave grooves formed on the front surface and the back surface of one thin metal plate and the detour channels alternately positioned at one end thereof are simply used for the fuel gas or the oxidant gas having a zigzag shape. It becomes one flow path. For this reason, the reaction of each gas flowing in a zigzag manner can be performed reliably, and the front and back surfaces can be used as either the positive or negative electrode side substrate or the negative electrode side substrate. Therefore, the second metal separator can also be used as a metal separator having a low electrical resistance by press-molding one metal thin plate without using two positive and negative substrates.
Moreover, since the metal thin plate comprises a metal base material and a thin film layer made of a noble metal coated on the surface and the back surface of the metal base material, the thin film layer made of a noble metal having excellent corrosion resistance is coated on the surface and the back surface. Between these, the metal base material having excellent formability and the required strength is located. . For this reason, it consists of only one metal thin plate, and it becomes a metal separator excellent in corrosion resistance and durability at low cost. .
[0011]
The gas inlet and outlet are located in the vicinity of the ends of the concave grooves at both ends, and are arranged at diagonal positions on the metal thin plate or at both ends of the same side. Furthermore, the width of the bypass channel is set to be equal to or greater than the width of the concave groove.
[0012]
Further, in the present invention, the depth of the concave groove and the height of the convex stripe so as to surround the metal thin body along the outer sides of the plurality of bypass channels and the concave groove or the convex stripe. Same as Also included is a metal separator (Claim 4) in which a sealing material having the same thickness is disposed.
According to this, the zigzag gas flow passage surrounding the plurality of bypass channels and the concave grooves or the ridges at both ends can be reliably shielded from the outside.
[0013]
More In the present invention, the metal base material is composed of a simple substance of Fe, Ni, Ti, Cu, Al, or an alloy based on any of these, and the thin film layer of the noble metal includes Au, Ag, Pt, A metal separator made of a simple substance of Pd, an alloy based on any of these, or an alloy composed of two or more of the above-mentioned noble metals (claims) 5 ) Is also included. According to this, it becomes possible to obtain a metal separator having only one metal thin plate as described above and having excellent corrosion resistance at an optimum cost.
[0014]
In addition, the fuel cell of the present invention (claims) 6 ) Is characterized in that the metal separators as described above are arranged in parallel one by one between a plurality of solid polymer films arranged in parallel with each other and on both ends thereof. According to this, since the metal separator is made of one metal thin plate, it is possible to provide a fuel cell that can be made compact by reducing the overall thickness, and that can obtain a stable operation at low cost.
In other words, in the fuel cell of the present invention, the metal separator as described above is disposed in parallel between each of at least two solid polymer membranes parallel to each other and on both ends thereof. Can also be included.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
1A, 1B, 2A, and 2B show the front surface 2a and the back surface 2b of the first metal separator 1 in the present invention. The metal separator 1 is made of, for example, a single metal thin plate made of a stainless steel plate and having a rectangular shape in plan view, and its surface 2a is parallel to each other as shown in FIGS. 1 (A) and 2 (A). An uneven portion 3a composed of a plurality of ridges 4a and a plurality of recessed grooves 6a alternately positioned between the ridges 4a is provided at the center. In addition, a pair of header portions 7a orthogonal to these are provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of ridges 4a and the groove 6a. . each The header portion 7a is formed deeper in the vicinity of the gas inlet / outlet 9a and shallower on the opposite side. Has been .
[0016]
Furthermore, as shown in FIGS. 1B and 2B, the back surface 2b of the metal separator 1 also has a plurality of parallel projections 4b and a plurality of concave grooves alternately positioned between the projections 4b. An uneven portion 3b composed of 6b is provided at the center, and a pair of header portions 7b orthogonal to these are provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of ridges 4b and the grooves 6b.
Each header portion 7b may be formed deeper in the vicinity of the gas outlet / outlet 9b and shallower on the opposite side. In FIGS. 1A and 1B, the ridges 4a and 4b are indicated by thick lines and the concave grooves 6a and 6b are indicated by thin lines for convenience.
[0017]
1A, which is an end surface along line aa in FIG. 1A, and FIG. 1B, which is an end surface along line bb in FIG. 1B, are metal separators. It is the end elevation which cut | disconnected 1 in the same position. As shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), the back side of the ridge 4a on the front surface 2a is a concave groove 6b on the back surface 2b, and both are formed at positions that are the back side of the front and back. Moreover, the back side of the concave groove 6a on the front surface 2a is a protrusion 4b on the back surface 2b, and both are formed at positions that are the back and front of the back surface.
In addition, as illustrated in FIG. 1 (α), the protrusion 4a, the groove 6a, and the like may be a concavo-convex portion 3α including a protrusion 4α and a groove 6α whose ends are substantially semicircular round.
[0018]
That is, as shown in FIGS. 2A and 2B, the protrusion 4a is a concave groove 6b having a trapezoidal cross section on the front surface 2a and a concave section having a trapezoidal cross section on the back surface 2b. The concave groove 6a is a concave portion having a trapezoidal cross section on the front surface 2a, and a ridge 4b having a convex portion having a trapezoidal cross section on the back surface 2b. In addition, you may make it the width | variety of the ditch | groove 6a and the ditch | groove 6b differ. For example, when the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is oxygen, the ratio of the two channel widths is 2: 1, and when the fuel gas is hydrogen and the oxidant gas is air, the ratio of the two channel widths is 2 : The width of the grooves 6a and 6b is set so as to be 5.
[0019]
Further, as shown in FIGS. 2A and 2B, the uneven portions 3a and 3b and the pair of header portions 7a and 7b are surrounded at the same level as the header portions 7a and 7b so as to surround them. The extending peripheral portions 2c and 2d surround the surrounding portion.
Furthermore, as shown in FIGS. 1A and 1B and FIGS. 2A and 2B, the header portions 7a and 7b are lower than the height of the ridges 4a and 4b and are formed in the grooves 6a and 6b. It is provided at a position shallower than the depth. Specifically, the header portions 7a and 7b are at a level that is approximately half the height of the ridges 4a and 4b and approximately half the depth of the grooves 6a and 6b. For this reason, the width | variety of the header parts 7a and 7b is set to the dimension a little wider than before.
[0020]
As shown in FIGS. 1A and 1B, a substantially square frame-shaped sealing material (gasket) 10 is disposed around the metal separator 1. The sealing material 10 is an integrally molded body made of a synthetic rubber having elasticity such as chloroprene rubber, and the peripheral portions 2c and 2d of the metal separator 1 are formed in a slit 12 provided at the center in the thickness direction on the inner peripheral surface thereof. It is fitted while closely contacting.
Further, an inlet 9a / outlet 9a for a fuel gas such as hydrogen is opened in the surface side 2a inside or a part of the sealing material 10, and an inlet 9b / outlet 9b for an oxidant gas such as oxygen is provided on the back surface 2b side. Open. Further, at the center of each side of the sealing material 10, a through hole 13 of a bolt that penetrates and connects the sealing material 10 in which the same metal separator 1 disposed adjacently is fitted inside is formed. ing.
The thickness of the sealing material 10 is substantially the same as the difference between the height of each protrusion 4a on the front surface 2a and the height of each protrusion 4b on the back surface 2b, as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b). Or a little thicker than this difference. This thickness matches the thickness (difference) between the protrusions 4a and 4b when the sealing material 10 is elastically deformed in order to assemble the fuel cell. In addition, the sealing material 10 is formed with an inlet wi and an outlet wa of the cooling water.
[0021]
3A and 3B show the front surface 2a and the back surface 2b of the metal separator 1a having different forms. The metal separator 1a is also made of a single thin metal plate made of a stainless steel plate or the like, and its surface 2a has a plurality of parallel projections 4c between the projections 4c parallel to each other, as shown in FIG. The center portion has a concavo-convex portion 3c composed of a plurality of alternately arranged concave grooves 6c, and header portions 7a, 7a orthogonal to these are provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of convex strips 4c and the concave grooves 6c. Yes.
Further, as shown in FIG. 3B, the back surface 2b of the metal separator 1a is also an uneven portion comprising a plurality of parallel ridges 4d and a plurality of concave grooves 6d positioned alternately between the ridges 4d. 3d is provided at the center, and header portions 7b and 7b orthogonal to these are provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of ridges 4d and the grooves 6d.
[0022]
As shown in FIGS. 3A and 3B, the protrusion 4c has a U-shaped (square) cross-section on the front surface 2a, and a U-shaped (square) -shaped recess on the back surface 2b. It becomes the ditch | groove 6d to exhibit. The concave groove 6c is a concave portion having a U-shaped (square) cross section on the front surface 2a and a convex strip 4d having a convex portion having a U-shaped (square) cross section on the back surface 2b.
As shown in FIGS. 3A and 3B, the concavo-convex portions 3c and 3d and the header portions 7a and 7b extend around the same level as the header portions 7a and 7b so as to surround them. Peripheral parts 2c and 2d surround. Further, the ridge 4c, the groove 6c and the like may be a ridge or groove having a round end as described above, and the widths of the grooves 6c and 6d may be different from each other.
[0023]
Further, as shown in FIGS. 3A and 3B, the header portions 7a and 7b are provided at a position lower than the height of the ridges 4c and 4d and shallower than the depth of the concave grooves 6c and 6d. . Specifically, the header portions 7c and 7d are at a level that is approximately half the height of the ridges 4c and 4d and approximately half the depth of the grooves 6c and 6d.
Note that the sealing material 10 shown in FIG. 1 is also fitted and arranged on the outer peripheral edges of the peripheral portions 2c and 2d of the metal separator 1a in the same manner as described above.
[0024]
FIG. 4A shows a cross section of the uneven portions 3 a and 3 b of the metal separator 1. As shown in the drawing, the metal thin plate forming the metal separator 1 includes a metal base material 14 having a thickness of 0.01 to about 1 mm made of stainless steel such as SUS316L, and a thin film made of a noble metal coated on the front and back surfaces, respectively. Layer 15.
The thin film layer 15 has a thickness of 1 μm or less, more preferably 100 nm or less, Au, Ag, Pt, Pd alone, or an alloy based on any of these, or an alloy composed of two or more of the above precious metals For example, it is made of an Au—Ag alloy. The thin film layer 15 is coated on the front and back surfaces of the metal base material 14 by plating, screen printing, clad rolling, CVD processing, or PVD processing (vacuum deposition, sputtering, ion plating, etc.).
[0025]
FIG. 4B shows a cross-section at the concavo-convex portions 3c and 3d of the metal separator 1a, and the metal thin plate is made of the same metal base material 14 and the above-mentioned noble metal coated on the front and back surfaces, respectively. It consists of the same thin film layer 15.
The concavo-convex portions 3a, 3b, 3c, and 3d are formed by plastic processing using a mold press (not shown) formed from a metal thin plate having a three-layer structure made of a metal base material 14 with a thin film layer 15 coated on the front and back surfaces, respectively. The Further, the metal base material 14 is made of Fe, Ni, Ti, Cu, Al alone or an alloy based on any of these, for example, stainless steel, and the thin film layer 15 is coated on the front and back surfaces thereof. This supplements the corrosion resistance against fuel gas and oxidant gas described later.
[0026]
FIG. 5A is a cross-sectional view showing a unit portion of the fuel cell 16 using the metal separator 1 (1a). As shown in FIG. 5 (A), the fuel cell 16 has metal separators 1 (1a) arranged in parallel on both sides of a solid polymer film 17, and is arranged above / below each separator 1 (1a). Also, a solid polymer film 17 (not shown) is disposed adjacently. That is, in the fuel cell 16, one metal separator 1 (1a) is arranged in parallel between a plurality of solid polymer membranes 17 arranged in parallel with each other and on both ends thereof. The portion of the solid polymer film 17 adjacent to the metal separator 1 has a three-layer structure of a gas diffusion electrode (not shown) arranged on both side surfaces of the solid polymer film 17 and a positive electrode catalyst electrode or a negative electrode catalyst electrode. Have.
[0027]
As shown in FIG. 5A, the peripheral portion 18 of the solid polymer film 17 is a portion where the gas diffusion electrode and the catalyst layer are not formed, and a sealing material provided around the adjacent metal separator 1 (1a). 10 and 10 are in surface contact. The header portions 7 a and 7 b of the metal separator 1 (1 a) become a sealed space by the sealing material 10 and the peripheral portion 18.
The concave grooves 6a (6c) and the concave grooves 6b (6d) are arranged so as to be adjacent to each other and alternately open in opposite directions as shown in FIGS. Further, in FIG. 5A, the concave groove 6b (6d) of the lower metal separator 1 (1a) is located immediately below the concave groove 6a (6c) of the upper metal separator 1 (1a). Further, the sealing material 10 is provided with gas inlet / outlet ports 9a and 9b that open to the header portions 7a and 7b.
[0028]
Here, the operation of the fuel cell 16 using the metal separator 1 will be described.
FIG. 5B shows a cross section of the fuel cell 16 in which one metal separator 1 is arranged between three solid polymer membranes 17a to 17c. In the upper separator 1, the concave groove 6a is formed on the lower separator. In FIG. 1, the groove 6b sandwiches the metal separator 17b.
Fuel gas or oxidant gas is supplied from the gas inlets 9a and 9b to the header portions 7a and 7b of the respective metal separators 1. The fuel gas such as hydrogen gas or methanol indicated by an arrow in the upper solid line in FIG. 5B flows from the header portion 7a of the upper metal separator 1 to the opposite header portion 7a while diverting each concave groove 6a. Is done.
Further, an oxidant gas such as oxygen or air indicated by an arrow in the lower broken line in FIG. 5B divides each concave groove 6b from the header portion 7b of the lower metal separator 1, and the header on the opposite side. It is distributed to the part 7b.
[0029]
While flowing through the concave groove 6a or the concave groove 6b, part of the fuel gas or oxidant gas comes into contact with the catalyst electrode on the negative electrode side or the positive electrode side in the adjacent solid polymer films 17a, 17c. At this time, the hydrogen gas contained in the fuel gas (indicated by the solid line arrow in FIG. 5B) flowing in the concave groove 6a of the surface 2a facing the catalyst electrode on the negative electrode side of the solid polymer film 17a. Is decomposed into hydrogen ions and electrons. Such hydrogen penetrates the solid polymer film 17a upward and moves to the catalyst electrode on the positive electrode side. Further, the electrons perform a required action while energizing an external circuit (not shown), and then are sent to the catalyst electrode on the positive electrode side in the solid polymer film 17a.
On the other hand, in the concave groove 6b on the back surface 2b facing the positive electrode side catalyst electrode in the solid polymer film 17c, the oxidant gas (indicated by a broken line arrow in FIG. 5B) is the same as the above. Circulate in At this time, the oxidant gas is in contact with the catalyst electrode on the positive electrode side in the adjacent solid polymer film 17c while flowing in the concave groove 6b, so that oxygen, hydrogen ions, and electrons react to water. Generate.
[0030]
FIG. 5 (C) shows a cross section adjacent to any one of the front and rear directions of FIG. 5 (B), and the metal separator 1 is disposed between the metal separators 17a to 17c. In the lower separator 1, the concave groove 6a sandwiches the central metal separator 17b. The fuel gas indicated by an arrow with the lower solid line in FIG. 5C flows from the header portion 7a of the lower metal separator 1 to the opposite header portion 7a while diverting the grooves 6a. 5C, the oxidant gas indicated by the arrow on the upper broken line is circulated from the header portion 7b of the upper metal separator 1 to the opposite header portion 7b while diverting the grooves 6b.
At this time, hydrogen contained in the fuel gas (indicated by a solid arrow in FIG. 5C) flowing in the concave groove 6a on the surface 2a facing the catalyst electrode on the negative electrode side of the solid polymer film 17b is hydrogen ions. The hydrogen is decomposed into electrons, and the hydrogen passes through the solid polymer film 17b upward and moves to the catalyst electrode on the positive electrode side. Further, the electrons are sent to the catalyst electrode on the positive electrode side in the solid polymer film 17b after energizing an external circuit (not shown).
[0031]
On the other hand, in the recessed groove 6b on the back surface 2b facing the positive electrode side catalyst electrode in the solid polymer film 17b, the oxidant gas (indicated by the broken arrow in FIG. While flowing through the groove 6b, the positive electrode side catalyst electrode in the adjacent solid polymer film 17b comes into contact, so that oxygen, hydrogen ions, and electrons react to generate water.
According to the fuel cell 16 as described above, by arranging the metal separators 1 (1a) in parallel between the plurality of solid polymer membranes 17a to 17c and on both ends (upper and lower ends) thereof, Can be reduced in size and weight, and chemical energy can be efficiently converted into electrical energy. Moreover, the electrical resistance of the current flowing through the metal separator 1 (1a) can be reduced. Therefore, the fuel cell 16 is extremely effective as a power source for vehicles, for example.
In FIGS. 5B and 5C, the fuel gas and the oxidant gas flow in opposite directions, but they may flow in the same direction.
[0032]
FIG. 6A shows an external perspective view of a metal separator 20 having a different form.
The metal separator 20 is also made of the same thin metal plate having a front surface 21 and a back surface 22, and, as shown in FIG. 6A, a central portion of the surface 21 has a plurality of ridges 24a parallel to each other and such protrusions. It has the uneven | corrugated | grooved part 23a which consists of the several ditch | groove 26a located alternately between the stripes 24a. In addition, a pair of header portions 27 orthogonal to these are provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of ridges 24a and the groove 26a.
Each ridge 24a and each groove 26a has a trapezoidal cross section, but as shown in FIG. 3 and FIG. 4 (B), the cross section may have a U-shape (quadrangle).
[0033]
As shown in FIGS. 6A and 6B, the uneven portion 23a and the header portion 27 on the surface 21 are surrounded by step portions 25 and 25, and a flat peripheral portion 28 is surrounded on the outer periphery thereof. is doing. As shown in FIG. 6B, each header 27 has a trapezoidal shape with a deformed cross section. The peripheral portion 28 is located at the same level as the top surface of each protrusion 24a, and the same gas inlet 9a, outlet 9b, bolt through-hole 13 and the like are formed.
Further, as shown in the cross-sectional view of FIG. 6B, the back surface 22 of the metal separator 20 includes a plurality of concave grooves 26b adjacent to the back surface side of the convex ridges 24a and the back surface side of the concave grooves 26a. A concavo-convex portion 23b composed of a plurality of ridges 24b located adjacent to each other and between the concave grooves 26b is formed in the central portion. Note that the ridges 24a, the grooves 26a, and the like may be round ridges or grooves, as described above, and the widths of the grooves 26a, 26b may be different from each other.
[0034]
Furthermore, header portions 29 having a substantially square cross section perpendicular to these are located at both ends in the longitudinal direction of the ridges 24b and the grooves 26b in the concavo-convex portion 23b.
As shown in FIG. 6B, the header portions 27 and 29 of the front and back surfaces 21 and 22 are provided at positions lower than the heights of the ridges 24a and 24b and shallower than the depths of the concave grooves 26a and 26b. Yes. That is, the header portions 27 and 29 are located at a level that is approximately half the height of the ridges 24a and 24b and approximately half the depth of the recessed grooves 26a and 26b, and the surface 21 through the step portions 25 and 25. Are connected to a peripheral portion 28 that is biased to the same level as the top surface of each ridge 24a. the above The header portions 27 and 29 are formed so that the vicinity of the entrance / exit of fuel gas and the like is deepened and the opposite side is shallow. Has been .
[0035]
FIG. 6C is a cross-sectional view showing a unit portion of the fuel cell 30 using the metal separator 20. As shown in FIG. 6 (C), the fuel cell 16 has metal separators 20 arranged in parallel between a plurality of solid polymer membranes 32, 32 arranged in parallel to each other and both ends thereof. Thus, a solid polymer film 32 (not shown) is also disposed on the upper surface of the upper separator 20 in the figure.
As shown in FIG. 6C, a peripheral portion 34 similar to the above is located around the solid polymer film 32, and a rectangular frame-shaped sealing material (gasket) 36 is disposed above and below the same. Such a sealing material 36 is also made of an elastic body such as synthetic rubber, and sandwiches the peripheral portion 28 of the metal separator 20 between the peripheral portions 34 of the adjacent solid polymer films 32. With the sealing material 36 and the peripheral portion 34, the header portions 27 and 29 of each metal separator 20 become a sealed space.
[0036]
In FIG. 6C, for convenience, the concave groove 26b of the lower metal separator 20 is located immediately below the concave groove 26a of the upper metal separator 20.
Then, as shown in FIG. 6C, the fuel gas indicated by the solid and broken arrows is diverted from the one header portion 27, 29 in the upper and lower metal separators 20 through the concave groove 26 a to the other header portion 27. , 29. Further, the oxidant gas indicated by the upper and lower dashed-dotted arrows flows from one header portion 29, 27 in each of the upper and lower metal separators 20 to the other header portion 29, 27 by diverting the concave groove 26b.
[0037]
While flowing through the concave groove 26a in each metal separator 20, the fuel gas comes into contact with the catalyst electrode on the negative electrode side in the adjacent solid polymer film 32, and hydrogen contained in the fuel gas. Is decomposed into hydrogen ions and electrons. Further, while flowing through the concave groove 26b of each separator 20, a part of the oxidant gas comes into contact with the catalyst electrode on the positive electrode side in the adjacent solid polymer film 32, and oxygen, hydrogen ions, and electrons react. To produce water.
According to the fuel cell 30 using the metal separator 20 as described above, the chemical energy of the gas can be efficiently converted into electric energy and the whole can be made compact, and a plurality of solid polymer films can be formed by the sealing material 36. 32 and the plurality of metal separators 20 can be easily laminated and fixed with airtightness. Moreover, the electrical resistance of the current flowing through the metal separator 20 is also reduced.
[0038]
Next, the second metal separator 40 and the fuel cell 60 using the same according to the present invention will be described with reference to FIGS.
7A and 7B are plan views of the front surface 40a and the back surface 40b of the second metal separator 40. FIG. The metal separator 40 is formed from a thin metal plate made of the same material as described above, and has a substantially square (rectangular) shape in plan view as shown in the figure. The metal thin plate also includes the metal base material 14 and the thin film layer 15 made of a noble metal such as Au coated on the front and back surfaces of the metal base material 14.
[0039]
As shown in FIGS. 7 (A), (a1), and (a2), the surface 40a of the metal separator 40 includes a plurality of grooves 43 and 45 having a concave surface and a back surface 40b. It has a plurality of ridges 42 and 44 that are alternately positioned and the front surface 40a is a convex portion and the back surface 40b is a concave portion.
As exemplified by the slope 45a of the concave groove 45 at the left end in the width direction in FIG. 7A, the concave groove 43 and the ridge 42 have a trapezoidal cross section and are arranged in parallel to each other.
As shown in FIG. 7A, between the one end of the concave grooves 43 and 45 on the surface 40a and the one end 42a and 44a of the ridges 42 and 44 and one side (upper side) or the other side (lower side) of the thin metal plate. A plurality of bypass channels 46 and 47 are alternately provided in opposite directions. The detour channels 46 and 47 are provided at positions lower than the height of the ridges 42 and the like and shallower than the depth of the grooves 43 and the like.
[0040]
As shown in FIGS. 7 (B), (b1), and (b2), the back surface 40b of the metal separator 40 includes a plurality of ridges 53 and 55 having a back surface 40b and a surface 40a. There are a plurality of concave grooves 52 and 54 that are alternately positioned and have the back surface 40b as a concave portion and the front surface 40a as a convex portion.
As exemplified by the inclined surface 52a of the groove 52 at the left end in the width direction in FIG. 7B, the ridges 53 and the grooves 52 have a trapezoidal cross section and are arranged in parallel to each other.
As shown in FIG. 7B, between the one end (upper side) or one side (upper side) or the other side (lower side) of the thin metal plate and one end of the concave grooves 52, 54 and one end 53b, 55b of the ridges 53, 55 on the back surface 40b. A plurality of bypass channels 56 and 57 are alternately provided in opposite directions. These bypass channels 56 and 57 are provided at a position lower than the height of the ridge 53 and shallower than the depth of the groove 52. ing. In FIGS. 7A and 7B, for the sake of convenience, the ridges 42 and the like are indicated by thick lines, and the concave grooves 43 and the like are indicated by thin lines.
[0041]
Further, as shown in FIGS. 7 (a1) and (b1), the ridges 53 and 55 of the back surface 40b are located on the back surface 40b side of the concave grooves 43 and 45 of the surface 40a, and the ridges 42 of the surface 40a. , 44 on the back surface 40b side, the concave grooves 54, 52 of the back surface 40b are located in a reverse relationship.
Further, as shown in FIGS. 7 (A), (a2), and FIG. 8, the other end of the concave grooves 43, 45 and the other end of the ridges 42, 44 on the surface 40a are the other side (upper side) or It leads to one side (bottom side). As shown in FIGS. 7B, 7B, and 8, the other end of the grooves 52 and 54 and the other end of the ridges 53 and 55 on the back surface 40b are also the other side (upper side) or one side ( To the bottom).
The ridges 42, the grooves 43, and the like may be ridges or grooves having round ends as described above, and the widths of the grooves 43 on the front surface 40a and the grooves 52 on the back surface 40b are different. You may let them. Further, the metal separator 40 as described above is formed by, for example, pressing or drawing a thin stainless steel plate, or a combination thereof.
[0042]
In the metal separator 40 as described above, the fuel gas supplied from the inlet of the lower left corner (not shown) on the surface 40a is a concave groove, as indicated by the one-dot chain arrow in FIG. 7 (A) and FIG. 45, 43, 45, 43, and 45 are circulated through the detour channels 47, 46, 47, and 46, and are fed in a zigzag shape toward the outlet at the diagonal position.
On the back surface 40b, as indicated by broken arrows in FIGS. 7B and 8, the oxidant gas supplied from the inlet in the upper right corner (not shown) is recessed grooves 52, 54, 52, 54, 52. Are circulated through the detour channels 56, 57, 56, and 57 and are fed in a zigzag shape toward the outlet at the lower left corner.
[0043]
Further, as shown in FIG. 8, the bypass channels 46, 47, 56, 57 in the metal separator 40 and the outer surfaces of the concave grooves 45 and the ridges 55 at both ends of the front surface 40 a and the rear surface 40 b are surrounded. Thus, a sealing material (gasket) 61 is arranged. The sealing material 61 is made of an elastic synthetic rubber or the like, and includes a rectangular frame-shaped main body 62 and slits 65 and 66 opened inward along the longitudinal direction of the inner peripheral surface 63 in plan view. As shown in FIG. 8, a pair of sides of the metal separator 40 is inserted into the linear slit 65, and ends of the ridges 42, 55 and the grooves 43, 52 are inserted into the concavo-convex slit 66. Is done.
[0044]
Note that the sealing material 61 may be formed by joining two L-shaped or U-shaped parts in plan view. Further, in the vicinity of the corner of the sealing material 61, each gas flow path 69 penetrates, and gas inlets or outlets 67, 68 are opened on the inner peripheral surface 63 in the vicinity thereof.
And as shown to FIG. 9 (A), (B), by arrange | positioning the sealing material 61 which set the metal separator 40 inside, between the solid polymer films 17a-17c and these peripheral parts 18, A fuel cell 60 using the metal separator 40 is obtained. In addition, as shown to 9 (A) and (B), the some metal separator 40 is arrange | positioned so that it may become reverse direction mutually in the thickness direction, and may become reverse direction alternately.
[0045]
In such a fuel cell 60, while the fuel gas flows through the long zigzag flow paths on the front surface 40a or the back surface 40b of the metal separator 40, a part of the solid polymer membranes 17a to 17a are adjacent to each other as described above. In contact with the catalyst electrode on the negative electrode side of 17c, hydrogen contained in the fuel gas is decomposed into hydrogen ions and electrons. Further, while the oxidant gas flows through the concave grooves 43 of each separator 40, a part of the oxidant gas comes into contact with the catalyst electrode on the positive electrode side in the adjacent solid polymer films 17a to 17c, and oxygen Hydrogen ions and electrons react to produce water.
According to the fuel cell 60 using the metal separator 40 as described above, the chemical energy of the gas can be efficiently converted into electric energy, the whole can be made compact, and a plurality of solid polymers can be obtained by the sealing material 61 and the like. The film 17a and the like and the plurality of metal separators 40 can be easily laminated and fixed with airtightness. Moreover, the electrical resistance of the current flowing through the metal separator 40 is also reduced.
[0046]
The present invention is not limited to the embodiments described above.
For example, both end surfaces in the longitudinal direction of the ridges 4 a and 4 b and the grooves 6 a and 6 b may be vertical surfaces along the thickness direction of the metal separator 1.
Further, the ridges 24a, 24b, 42, etc. and the grooves 26a, 26b, 43, etc. may have a substantially square or substantially U-shaped cross section.
Furthermore, the metal thin plates of the metal separators 1, 1a, 20, 40 may be a single metal plate having excellent corrosion resistance. Further, the method of forming the concave and convex portions 3a and 3b of the metal separators 1 and 1a and the concave grooves 43 in the metal separator 40 can also be performed by drawing or cold forging.
[0047]
【The invention's effect】
According to the first metal separator of the present invention described above (Claim 1), the plurality of concave grooves in the concavo-convex portions formed on the front surface and the rear surface of one metal thin plate are respectively made of fuel gas or oxidant gas. It becomes a flow path, and the front and back surfaces can be utilized as either the positive electrode side substrate or the negative electrode side substrate. For this reason, it can utilize as a metal separator with a small electrical resistance by shape | molding one metal thin plate with a press etc., without using the two positive / negative electrode side board | substrates conventionally.
More , Each of the header portions located at both ends of each uneven portion on the front and back surfaces of the metal thin plate with a sealing material is a sealed space, and without leaking fuel gas and oxidant gas between adjacent solid polymer films, Reactions such as hydrogen ionization and digitization can be carried out through the concave grooves of the concave and convex portions. Moreover, the metal thin plate is composed of only one metal thin plate comprising a metal base material having excellent formability and a required strength, and a thin film layer made of a noble metal coated on the front and back surfaces of the metal thin plate. Metal separator with excellent corrosion resistance and durability .
[0048]
On the other hand, according to the second metal separator of the present invention (Claim 3), since zigzag flow passages are reliably formed on the front surface and the back surface of one metal thin plate, the front surface and the back surface are provided with fuel. It can be utilized as either a positive electrode side substrate or a negative electrode side substrate which serves as a gas or oxidant gas flow path. Moreover, the metal thin plate is composed of only one metal thin plate comprising a metal base material having excellent formability and a required strength, and a thin film layer made of a noble metal coated on the front and back surfaces of the metal thin plate. Metal separator with excellent corrosion resistance and durability . Accordingly, it is possible to provide a metal separator that is made of a single sheet metal, easily causes the reaction such as hydrogen ionization, and has low electric resistance.
According to the metal separator of the fourth aspect, the zigzag gas flow passage surrounding the plurality of bypass channels and the concave grooves or the ridges at both ends can be reliably shielded from the outside.
[0049]
Further claims 5 According to this metal separator, a thin metal layer made of a noble metal excellent in corrosion resistance is coated on the front and back surfaces, and a metal separator made of a thin metal plate on which a metal base material having excellent formability and a required strength is located. It becomes. Therefore, it is possible to obtain a metal separator having excellent corrosion resistance and durability and low cost or optimum cost.
In addition, the fuel cell of the present invention (claims) 6 ), Since the metal separator is a single thin metal plate, the overall thickness can be reduced and the fuel cell can be made compact, and at the same time, a low-cost and stable operation can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are plan views showing a front surface or a back surface of a first metal separator of the present invention, and FIGS. 1A and 1B are aa lines in FIGS. Or, an end view along the line bb, (α) is a partial schematic view showing a deformation form of the ridge and the groove.
2A and 2B are perspective views showing the front or back surface of the metal separator of FIG.
FIGS. 3A and 3B are perspective views showing the front surface or the back surface of different types of metal separators. FIGS.
4A is a partial cross-sectional view of the metal separator of FIGS. 1 and 2, and FIG. 4B is a partial cross-sectional view of the metal separator of FIG.
5A is a schematic view showing a fuel cell using the metal separator shown in FIG. 1 (FIG. 3), and FIGS. 5B and 5C are schematic views showing the operation of the fuel cell.
6A is a perspective view showing the surface of a metal separator having a different form, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 6A, and FIG. Schematic which shows the used fuel cell.
FIGS. 7A and 7B are plan views showing the front surface or the back surface of the second metal separator of the present invention, and FIGS. 7A and 7B are (A) and (b2). B) An end view along line a1-a1, line a2-a2, line b1-b1, or line b2-b2.
8 is a perspective view showing the metal separator of FIG. 7 and a sealing material used therefor.
9A and 9B are cross-sectional views showing a fuel cell using the metal separator of FIGS.
10A is a schematic view showing a conventional fuel cell, FIG. 10B is a partial perspective view showing a metal separator used in the fuel cell, and FIG. 10C is a perspective view showing a thin metal plate forming the metal separator. .
[Explanation of symbols]
1,1a, 20,40 ... …………………………………… Metal separator
2a, 21, 40a ………………………………………… Surface
2b, 22, 40b ………………………………………… Back side
3a, 3b, 3c, 3d, 23a, 23b ............ Uneven portion
4a, 4b, 24a, 24b, 42, 44, 53, 55 ... ... ridge
6a, 6b, 26a, 26b, 43, 45, 52, 54 ......... concave groove
7a, 7b, 27, 29 ……………………………………… Header
10, 34, 61 …………………………………………… Sealant
14 …………………………………………………………… Metal base material
15 …………………………………………………………… Thin film layer
16, 30, 60 ……………………………………………… Fuel Cell
17, 32 …………………………………………………… Solid polymer membrane
46, 47, 56, 57 …………………………………… Detour channel

Claims

Plan view have a front and back surfaces in rectangle, becomes a metal base material, a ing sheet metal and a thin film layer made of the surface and a noble metal coated on the back surface of such a metal base member,
A concavo-convex portion whose surface is formed in parallel by multiple alternating and cross the back becomes projections or recesses a four rectangular or trapezoidal groove and projections in recesses or protrusions,
A pair of headers provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of concave grooves of the concavo-convex portion, perpendicular to the concave grooves and the ridges, shallower than the depth of the concave grooves and lower than the height of the ridges. and parts, only including,
A sealing material having the same thickness as the depth of the groove and the height of the ridge is disposed along the outside of the pair of header portions provided at both ends in the longitudinal direction of the plurality of grooves in the uneven portion.
A metal separator characterized by that.

The header part is formed so as to deepen the vicinity of the entrance and exit of the fuel gas and oxidant gas, and shallow the opposite side of them .
The metal separator according to claim 1.

Plan view have a front and back surfaces in rectangle, becomes a metal base material, a ing sheet metal and a thin film layer made of the surface and a noble metal coated on the back surface of such a metal base member,
A plurality of grooves and a plurality of ridges surface cross section of the back surface and by recesses or protrusions is projections or recesses are formed in parallel alternately and with a four-square or trapezoidal,
A plurality of detour passages provided between one end of the groove and the ridge and one side or the other side of the thin metal plate, which are shallower than the depth of the groove and lower than the height of the ridge. Including,
The other end of the concave groove and the protruding line reaches one side or the other side of the thin metal plate,
The plurality of bypass channels are alternately arranged in a reverse direction in plan view,
A metal separator characterized by that.

Along the outside of the plurality of bypass flow passage and the groove or the convex, the sealant height and same thickness depth and the convex of the concave groove so as to surround the thin metal body Have placed,
The metal separator according to claim 3.

The metal base material is made of a simple substance of Fe, Ni, Ti, Cu, Al, or an alloy based on any of these, and the thin film layer of the noble metal is a simple substance of Au, Ag, Pt, Pd, or these An alloy based on any of the above, or an alloy composed of two or more of the above-mentioned noble metals,
The metal separator according to claim 1 , wherein the metal separator is a metal separator.

The metal separators according to any one of claims 1 to 5 are arranged in parallel one by one between a plurality of solid polymer films arranged in parallel with each other and on both ends thereof.
The fuel cell characterized by the above-mentioned.