JP4924829B2 - Fuel cell separator - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池、特に、固体高分子型燃料電池に採用される燃料電池用セパレータに関する。   The present invention relates to a fuel cell separator, and more particularly to a fuel cell separator employed in a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、一般的に、電解質膜の一面側に形成されたアノード電極層と、他面側に形成されたカソード電極層とからなる電極構造体を備えている。そして、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、それぞれ、燃料ガス(例えば、水素ガスなど)と酸化剤ガス(例えば、空気など)が外部から供給されることにより、電極構造体にて電極反応が生じて発電される。このため、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させるためには、電極構造体に対して、電極反応に必要な燃料ガスおよび酸化剤ガスを効率よく供給することが重要である。   A polymer electrolyte fuel cell generally includes an electrode structure including an anode electrode layer formed on one surface side of an electrolyte membrane and a cathode electrode layer formed on the other surface side. In the polymer electrolyte fuel cell, fuel gas (for example, hydrogen gas) and oxidant gas (for example, air) are supplied from the outside to the anode electrode layer and the cathode electrode layer, respectively. As a result, an electrode reaction occurs in the electrode structure and power is generated. For this reason, in order to improve the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell, it is important to efficiently supply the fuel gas and the oxidant gas necessary for the electrode reaction to the electrode structure.

ここで、固体高分子型燃料電池においては、アノード電極層とカソード電極層に対して、外部から供給される燃料ガスと酸化剤ガスとを互いに分離して供給するためのセパレータが設けられる。そして、従来から、セパレータによる燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給効率を向上させることにより、固体高分子型燃料電池の発電効率を向上させることが行われている。   Here, in the polymer electrolyte fuel cell, a separator for supplying fuel gas and oxidant gas supplied from outside to the anode electrode layer and the cathode electrode layer separately from each other is provided. Conventionally, the power generation efficiency of the polymer electrolyte fuel cell has been improved by improving the supply efficiency of the fuel gas and the oxidant gas by the separator.

例えば、下記特許文献1には、薄平板状の基板と網目状の導電体とから構成されるセパレータを採用した燃料電池が示されている。この従来の燃料電池における網目状の導電体は、例えば、菱形のスリットが形成されたエキスパンドメタルやメタルラスなどから形成されている。そして、この網目状の導電体には、外部から導入された燃料ガスまたは空気(酸化剤ガス)の流通方向に垂直な断面形状が略矩形状に成形された複数のガス流路が形成されている。これにより、外部から導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、略矩形状に成形されたガス流路内を流通し、菱形のスリットを介して、アノード電極層またはカソード電極層に供給される。このように、燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することにより、ガス供給効率が向上するようになっている。   For example, the following Patent Document 1 discloses a fuel cell that employs a separator composed of a thin flat plate-like substrate and a net-like conductor. The mesh-like conductor in this conventional fuel cell is made of, for example, expanded metal or metal lath having diamond-shaped slits. The mesh-shaped conductor is formed with a plurality of gas flow paths in which a cross-sectional shape perpendicular to the flow direction of the fuel gas or air (oxidant gas) introduced from the outside is formed into a substantially rectangular shape. Yes. As a result, the fuel gas or the oxidant gas introduced from the outside flows through the gas flow path formed in a substantially rectangular shape, and is supplied to the anode electrode layer or the cathode electrode layer through the diamond-shaped slit. Thus, the gas supply efficiency is improved by supplying the fuel gas or the oxidant gas.

また、例えば、下記特許文献2には、セパレータのガス供給効率を改善できる燃料電池のセパレータが示されている。この燃料電池セパレータは、平板状の第1部材(カーボン)と、この第1部材に積層されてアノード電極層およびカソード電極層に弾発的に接触するとともにガス流路を形成するための複数の突片が形成された第2部材(金属板)とから構成されている。そして、この従来の燃料電池のセパレータにおいては、第2部材の複数の突片によって形成されたガス流路内を通過させることによって、通過する燃料ガスおよび酸化剤ガスに乱流を生じさせるようになっている。これにより、ガス流路内に供給された燃料ガスおよび酸化剤ガスはあらゆる方向に立体的に通過することによって良好に拡散することができ、アノード電極層およびカソード電極層に対するガス供給効率が向上するようになっている。
特開2005−209470号公報 特開2002−184422号公報
Also, for example, Patent Document 2 below discloses a fuel cell separator that can improve the gas supply efficiency of the separator. The fuel cell separator includes a flat plate-shaped first member (carbon) and a plurality of layers stacked on the first member to elastically contact the anode electrode layer and the cathode electrode layer and to form a gas flow path. It is comprised from the 2nd member (metal plate) in which the protrusion was formed. In this conventional fuel cell separator, the fuel gas and the oxidant gas passing therethrough are turbulent by passing through the gas flow path formed by the plurality of protrusions of the second member. It has become. As a result, the fuel gas and the oxidant gas supplied into the gas flow path can be diffused satisfactorily by passing three-dimensionally in all directions, and the gas supply efficiency to the anode electrode layer and the cathode electrode layer is improved. It is like that.
JP 2005-209470 A JP 2002-184422 A

ところで、上記特許文献1に示された網目状の導電体および上記特許文献2に示された第2部材においては、断面略矩形状に成形されるガス流路や突片によって形成されるガス流路が、例えば、燃料ガスおよび酸化剤ガスを内部に導入する導入口と導入したガスを外部に導出する導出口とを結ぶ方向に対して略平行となる場合がある。このため、形成されたガス流路によって、導入口と導出口とが直線的に連通する状態となり得る。これにより、導入された燃料ガスおよび酸化剤ガスのうちの一部は導電体に形成された網目や突片によって拡散されてアノード電極層およびカソード電極層により消費されるものの、他部は拡散されることなく、言い換えれば、消費されることなく外部に排出される可能性がある。このように、消費されずに排出される燃料ガスおよび酸化剤ガス、すなわち、未反応ガスが増加する状況においては、燃料電池における発電効率の向上は見込めない。   By the way, in the mesh-like conductor shown in the above-mentioned patent document 1 and the second member shown in the above-mentioned patent document 2, the gas flow formed by the gas flow path and the projecting piece formed in a substantially rectangular cross section. For example, the path may be substantially parallel to the direction connecting the inlet for introducing the fuel gas and the oxidant gas into the interior and the outlet for leading the introduced gas to the outside. For this reason, the gas inlet formed and the outlet can be in a linear communication state by the formed gas flow path. As a result, part of the introduced fuel gas and oxidant gas is diffused by the meshes and protrusions formed on the conductor and consumed by the anode electrode layer and the cathode electrode layer, but the other part is diffused. In other words, there is a possibility of being discharged outside without being consumed. Thus, in the situation where the fuel gas and the oxidant gas discharged without being consumed, that is, the unreacted gas increases, the power generation efficiency in the fuel cell cannot be improved.

また、固体高分子型燃料電池においては、電極構造体にて燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いた電極反応が進行すると、電解質膜のイオン交換特性に応じてアノード電極層またはカソード電極層で水が生成する。そして、この生成した水(生成水)は、例えば、アノード電極層またはカソード電極層の表面を覆ったり、上記特許文献1の導電体の網目や上記特許文献2の第2部材の突片に付着したりすることにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスの良好な供給が損なわれる可能性がある。したがって、電極反応が進行するほど、燃料電池における発電効率が低下する可能性がある。また、固体高分子型燃料電池が、例えば、低温雰囲気となる環境下に設置された場合には、内部に残存した生成水が氷結することによって燃料ガスまたは酸化剤ガスが十分に供給されず、その結果、燃料電池の低温始動性が悪化する可能性もある。このため、電極反応による生成水は効率よく外部に排出されることが必要である。   In the polymer electrolyte fuel cell, when an electrode reaction using a fuel gas and an oxidant gas proceeds in the electrode structure, water is generated in the anode electrode layer or the cathode electrode layer according to the ion exchange characteristics of the electrolyte membrane. Generate. The generated water (generated water) covers, for example, the surface of the anode electrode layer or the cathode electrode layer, or adheres to the mesh of the conductor of Patent Document 1 or the protrusion of the second member of Patent Document 2. By doing so, the good supply of fuel gas or oxidant gas may be impaired. Therefore, the power generation efficiency in the fuel cell may decrease as the electrode reaction progresses. In addition, when the polymer electrolyte fuel cell is installed, for example, in an environment having a low temperature atmosphere, fuel gas or oxidant gas is not sufficiently supplied due to freezing of generated water remaining inside, As a result, the low temperature startability of the fuel cell may be deteriorated. For this reason, the water produced by the electrode reaction needs to be efficiently discharged to the outside.

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、燃料ガスおよび酸化剤ガスの良好な供給性能と電極反応によって発生した生成水の良好な排水性能とを両立した燃料電池用セパレータを提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and the object is to achieve both good supply performance of fuel gas and oxidant gas and good drainage performance of generated water generated by electrode reaction. The object is to provide a fuel cell separator.

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止する平板状のセパレータ本体と、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ拡散して前記電極構造体に供給するとともに、前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第1凹凸成形部と、同第1凹凸成形部の凹部および凸部の成形周期に対して半周期だけ異なり、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第2凹凸成形部と、前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部との間にて、前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、前記第1凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に形成されて、前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部とを互いに連結するとともに、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの前記第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から前記第2凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への流路および前記第1凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から前記第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への流路を形成する流路形成部とを備え、前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部、前記流路形成部、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部、前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部、前記流路形成部、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部の順にかつ連続的に成形されて、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部と前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部とが隣接する部分に開口が形成されるコレクタとから構成したことにある。 In order to achieve the above object, a feature of the present invention is a fuel cell separator that supplies an externally introduced fuel gas and oxidant gas to an electrode layer constituting an electrode structure of a fuel cell. A separator body for separating the fuel gas and the oxidant gas to prevent mixed flow; and a fuel gas or an oxidant gas separated by the separator body is diffused and supplied to the electrode structure. A collector for collecting electricity generated by an electrode reaction in the electrode structure, wherein the separated fuel gas or oxidant gas flows in three dimensions through the separator body and the electrode structure A first concavo-convex molded portion formed by linearly and continuously forming a plurality of concave portions and convex portions formed between the body and the concave and convex portions of the first concavo-convex molded portion. A plurality of recesses and projections differing by a half cycle with respect to the molding cycle and forming a gap for the three-dimensional flow of the separated fuel gas or oxidant gas between the separator body and the electrode structure. a second concave-convex mold portion and linearly and continuously molding the parts, similar between the first concave-convex mold portion and the second concave-convex shaped portion, the bottom of the recess forming the first uneven shaping unit And a plane including the bottom of the concave portion forming the second concavo-convex molded portion, and a plane including the top of the convex portion forming the first concavo-convex molded portion and the top of the convex portion forming the second concavo-convex molded portion. A gap formed between the first concavo-convex molding portion and the second concavo-convex molding portion and formed by a recess of the separated fuel gas or oxidant gas in the first concavo-convex molding portion. To the recess of the second concavo-convex molded part Forming a flow path to the gap formed by the convex portion of the first concavo-convex molded portion and a gap formed by the convex portion of the second concavo-convex molded portion. A first concavo-convex molding part or the second concavo-convex molding part, the flow path forming part, the second concavo-convex molding part or the first concavo-convex molding part, the first concavo-convex molding part or the second concavo-convex part. The second concavo-convex molded part or the first concavo-convex molded part and the first concavo-convex molded part are sequentially and successively formed in the order of the molded part, the flow path forming part, the second concavo-convex molded part, or the first concavo-convex molded part. It exists in having comprised from the collector in which an opening is formed in the part which a shaping | molding part or the said 2nd uneven | corrugated shaping | molding part adjoins .

これによれば、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止するセパレータ本体と、分離された燃料ガスと酸化剤ガスとを拡散して電極構造体に供給するとともに集電するコレクタとによって、燃料電池用セパレータを構成することができる。そして、コレクタは、燃料ガスまたは酸化剤ガスを三次元的に流通させるための隙間を形成するために、複数の凹部と凸部の成形周期が互いに半周期だけ異なる第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を有しており、さらに、第1凹凸成形部の凹凸部によって形成される隙間を通過した燃料ガスまたは酸化剤ガスが第2凹凸成形部の凹凸部によって形成される隙間に向けて流れる流路を形成する流路形成部を有することができる。ここで、流路形成部は、分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが、半周期だけ異なる第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から第2凹凸成形部の凹部によって形成される隙間に流通する流路、および、第1凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間に流通する流路を形成することができる。   According to this, the separator body that separates the fuel gas and the oxidant gas introduced from the outside to prevent mixed flow, and the separated fuel gas and the oxidant gas are diffused and supplied to the electrode structure. A fuel cell separator can be constituted by a collector for collecting current. The collector has a first concave-convex forming portion and a second concave-convex forming portion in which the molding cycles of the plurality of concave portions and the convex portions are different from each other by a half cycle in order to form a gap for three-dimensionally flowing the fuel gas or the oxidant gas. Further, the fuel gas or the oxidant gas that has passed through the gap formed by the concavo-convex part of the first concavo-convex molded part has a concavo-convex molded part toward the gap formed by the concavo-convex part of the second concavo-convex molded part. It can have a flow path formation part which forms a flowing flow path. Here, the flow path forming unit is configured such that the separated fuel gas or oxidant gas is changed from the gap formed by the recesses of the first concavo-convex molding part, which is different by a half cycle, to the gap formed by the recesses of the second concavo-convex molding part. A flow path that circulates from a gap formed by the convex portions of the first concavo-convex molded portion to a gap formed by the convex portions of the second concavo-convex molded portion can be formed.

このように、流路形成部が燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路を形成することにより、第1凹凸成形部の凹部(凸部)によって形成される隙間からこの凹部(凸部)に対向する第2凹凸成形部の凸部(凹部)によって形成される隙間に向けての燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが阻害することができる。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第1凹凸成形部の凹部(凸部)によって形成される隙間から対向する第2凹凸成形部の凸部(凹部)によって形成される隙間に向けて直線的に通過することなく、この第2凹凸成形部における凸部(凹部)に隣接して成形される凹部(凸部)によって形成される隙間に向けて蛇行して流通する。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは第1凹凸成形部から第2凹凸成形部に向けて蛇行して流通することによって良好に拡散され、電極構造体を構成する電極層に対して十分な燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、良好なガス供給性能を確保することができ、電極構造体によって消費されない未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスの量を低減することができる。   As described above, the flow path forming portion forms the flow path of the fuel gas or the oxidant gas, so that the concave portion (the convex portion) is opposed to the gap formed by the concave portion (the convex portion) of the first concave / convex forming portion. The flow of the fuel gas or the oxidant gas toward the gap formed by the convex portion (concave portion) of the second concavo-convex molded portion can be inhibited. That is, the fuel gas or the oxidant gas is linearly directed from the gap formed by the concave portion (convex portion) of the first concave / convex molding portion toward the gap formed by the convex portion (concave portion) of the second concave / convex molding portion. Without passing through, the second meandering portion circulates in a meandering manner toward a gap formed by a concave portion (convex portion) formed adjacent to the convex portion (concave portion). As a result, the fuel gas or the oxidant gas is well diffused by meandering from the first concavo-convex molded portion to the second concavo-convex molded portion, and is sufficiently diffused to provide sufficient fuel for the electrode layers constituting the electrode structure. Gas or oxidant gas can be supplied. Therefore, good gas supply performance can be ensured, and the amount of unreacted fuel gas or oxidant gas that is not consumed by the electrode structure can be reduced.

また、セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第1凹凸成形部の凹部または凸部によって形成される隙間と第2凹凸成形部の凹部または凸部によって形成される隙間を横切るように通過して、電極構造体を構成する電極層に供給される。このため、例えば、表面張力の作用により、発生した生成水がコレクタ近傍に到達すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れに乗せて生成水を未反応ガスとともに外部に排水することができる。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限り、言い換えれば、固体高分子型燃料電池が作動している限り、発生した生成水を連続的に排水することができる。したがって、良好な生成水の排水性能を確保することができる。   In addition, the fuel gas or the oxidant gas separated by the separator body crosses the gap formed by the concave or convex portion of the first concave / convex molding portion and the gap formed by the concave or convex portion of the second concave / convex molding portion. And supplied to the electrode layer constituting the electrode structure. For this reason, for example, when the produced water generated by the action of the surface tension reaches the vicinity of the collector, the produced water can be drained to the outside together with the unreacted gas on the flow of the fuel gas or the oxidant gas. Thereby, as long as the fuel gas and the oxidant gas are supplied, in other words, as long as the solid polymer fuel cell is operating, the generated generated water can be continuously drained. Therefore, good drainage performance of generated water can be ensured.

また、この場合、前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部との配列方向が、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通方向と略平行であるとよい。   In this case, the arrangement direction of the first concavo-convex molded portion and the second concavo-convex molded portion may be substantially parallel to the flow direction of the fuel gas or the oxidant gas separated by the separator body.

これによれば、導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的に第1凹凸成形部の凹部および凸部によって形成される隙間と第2凹凸成形部の凹部および凸部によって形成される隙間を横切るように流通することができる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスがコレクタを流通することにより、必然的に拡散されて良好なガス供給性能を確保でき、必然的にガスの排出に伴って生成水の良好な排水性能を確保できる。   According to this, the introduced fuel gas or oxidant gas inevitably has a gap formed by the recesses and projections of the first concavo-convex molding part and a gap formed by the recesses and projections of the second concavo-convex molding part. Can be distributed across the street. As a result, fuel gas or oxidant gas circulates through the collector, inevitably diffusing to ensure good gas supply performance, and inevitably ensuring good drainage performance of generated water as the gas is discharged it can.

また、前記第1凹凸成形部と第2凹凸成形部とをそれぞれ形成する凹部および凸部の成形方向における形状は、略矩形状であるとよい。これによれば、別途特殊な加工を施すことなく、極めて容易に第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成することができる。したがって、燃料電池用セパレータの製造コストを低減することができる。   Moreover, it is good for the shape in the shaping | molding direction of the recessed part and convex part which each form a said 1st uneven | corrugated shaping | molding part and a 2nd uneven | corrugated shaping | molding part in a substantially rectangular shape. According to this, the first concavo-convex molded portion and the second concavo-convex molded portion can be formed very easily without performing special processing separately. Therefore, the manufacturing cost of the fuel cell separator can be reduced.

さらに、前記コレクタは、前記第1凹凸成形部、前記流路形成部および前記第2凹凸成形部が順にかつ連続的に複数成形されているとよい。これによれば、燃料ガスまたは酸化剤ガスが第1凹凸成形部によって形成される隙間から第2凹凸成形部によって形成される隙間を通過する回数すなわち蛇行する回数を増やすことができる。また、第1凹凸成形部と第2凹凸成形部とが互いに隣接して配置される部分が存在することにより、分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスを、セパレータ本体と電極構造体との間で三次元的に流通させることもできる。このため、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより良好に拡散させることができて、良好なガス供給性能を確保することができる。さらに、第1凹凸成形部および第2凹凸成形部が複数成形されることにより、電極構造体における電極反応によって発生した生成水がより容易にコレクタ近傍に到達しやすくなるため、より良好な生成水の排水性能を確保することができる。   Furthermore, it is preferable that the collector has a plurality of the first concavo-convex forming part, the flow path forming part, and the second concavo-convex forming part sequentially and continuously formed. According to this, it is possible to increase the number of times that the fuel gas or the oxidant gas passes through the gap formed by the second concavo-convex molding part from the gap formed by the first concavo-convex molding part, that is, the number of times of meandering. In addition, since there is a portion where the first concavo-convex molded portion and the second concavo-convex molded portion are arranged adjacent to each other, the separated fuel gas or oxidant gas is passed between the separator body and the electrode structure. It can also be distributed in three dimensions. For this reason, fuel gas or oxidant gas can be diffused more favorably, and good gas supply performance can be ensured. Furthermore, by forming a plurality of first concavo-convex molded portions and second concavo-convex molded portions, the generated water generated by the electrode reaction in the electrode structure can more easily reach the vicinity of the collector. The drainage performance can be ensured.

また、本発明の他の特徴は、前記流路形成部が、前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、前記第1凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に成形されることにもある。   Another feature of the present invention is that the flow path forming portion includes a flat surface including a bottom portion of the concave portion that forms the first concave-convex molded portion and a bottom portion of the concave portion that forms the second concave-convex molded portion, and the first It may be formed between the top of the convex part forming the concave / convex molding part and the plane including the top part of the convex part forming the second concave / convex molding part.

そして、この場合、前記流路形成部は、前記第1凹凸成形部を形成する凹部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と、前記第1凹凸成形部を形成する凸部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面を少なくとも含んで平板形状に成形されるとよい。さらに、この場合には、前記平板形状に成形される流路形成部に対して、前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の底部がこれら底部における板厚分だけ突出し、前記第1凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部がこれら頂部における板厚分だけ突出するようにするとよい。   In this case, the flow path forming portion includes a concave portion that forms the first concave-convex molded portion and a molding direction of the concave portion that forms the second concave-convex molded portion, a convex portion that forms the first concave-convex molded portion, and It is good to shape | mold into a flat plate shape including at least the neutral surface with respect to the shaping | molding direction of the convex part which forms the said 2nd uneven | corrugated shaping | molding part. Further, in this case, with respect to the flow path forming portion formed into the flat plate shape, the bottom portion of the concave portion forming the first concave / convex forming portion and the bottom portion of the concave portion forming the second concave / convex forming portion are the bottom portions. It is good to project by the plate | board thickness in this, and make the top part of the convex part which forms the said 1st uneven | corrugated molded part, and the top part of the convex part which forms the said 2nd uneven | corrugated molded part protrude by the plate | board thickness in these top parts.

これらによれば、第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に、平板形状の流路形成部を成形することができる。より具体的には、平板形状の流路形成部を、第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面、すなわち、第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凹部の底部と第1凹凸成形部および第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部との略中間における中立面を含むように成形することができる。   According to these, the plane including the bottoms of the recesses forming the first concavo-convex molded part and the second concavo-convex molded part, and the plane including the tops of the convexes forming the first concavo-convex molded part and the second concavo-convex molded part In the meantime, a plate-shaped flow path forming part can be formed. More specifically, the plate-shaped flow path forming portion is formed by forming the concave portion forming the first concave-convex forming portion and the second concave-convex forming portion and the convex portion forming the first concave-convex forming portion and the second concave-convex forming portion. The neutral plane with respect to the molding direction, that is, the bottom of the concave portion forming the first concave and convex portion and the top portion of the convex portion forming the first concave and convex portion and the second concave and convex portion. It can be shaped to include a neutral surface in the middle.

これにより、凹部または凸部によって形成される第1凹凸成形部から第2凹凸成形部への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路は、凹部および凸部の成形方向において、平板形状の流路形成部によって分割(流路形成部が中立面を含む場合には略等分)される。このため、例えば、第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から対向する第2凹凸成形部によって形成される隙間に向けて燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しようとすると、第1凹凸成形部における凹部の底部と流路形成部との間の間隔が狭くなり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しにくくなる。また、同様に、例えば、第1凹凸成形部の凸部から対向する第2凹凸成形部に向けて燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しようとすると、第1凹凸成形部における凸部の頂部と流路形成部との間の間隔が狭くなり、燃料ガスまたは酸化剤ガスが流通しにくくなる。   As a result, the flow path of the fuel gas or the oxidant gas from the first concavo-convex molded portion to the second concavo-convex molded portion formed by the concave portion or the convex portion is formed as a flat plate-like flow passage in the molding direction of the concave portion and the convex portion. Divided by the portion (substantially equally divided when the flow path forming portion includes a neutral surface). For this reason, for example, when the fuel gas or the oxidant gas flows from the gap formed by the concave portion of the first concavo-convex molded portion toward the gap formed by the opposing second concavo-convex molded portion, the first concavo-convex molded portion The gap between the bottom of the recess and the flow path forming portion becomes narrow, and the fuel gas or the oxidant gas does not easily flow. Similarly, for example, when the fuel gas or the oxidant gas flows from the convex portion of the first concave-convex molded portion toward the opposing second concave-convex molded portion, it flows between the top of the convex portion in the first concave-convex molded portion. The space between the path forming portion is narrowed and the fuel gas or the oxidant gas is less likely to flow.

その結果、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、より流通しやすい部位、具体的には、流路形成部によって分割される隙間のうち、第1凹凸成形部における凸部の下部側や凹部の上部側を優先的に流通するようになる。また、第2凹凸成形部においても、同様に、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、より流通しやすい部位、具体的には、流路形成部によって分割される隙間のうち、凸部の下部側や凹部の上部側を優先的に流通するようになる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路形成部によって、互いに半周期だけ異なる第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間の上部側と第2凹凸成形部の凹部によって形成される隙間の上部側間、または、第1凹凸成形部の凸部によって形成される隙間の下部側と第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間の下部側間を蛇行して流通することができる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給性能を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性能を確保できる。   As a result, the portion where the fuel gas or the oxidant gas is more easily circulated, specifically, the lower side of the convex portion or the upper side of the concave portion in the first concavo-convex molded portion in the gap divided by the flow path forming portion. Will be distributed preferentially. Similarly, in the second concavo-convex molded portion, the fuel gas or the oxidant gas is more easily circulated, more specifically, in the gap divided by the flow path forming portion, The upper part of the recess is preferentially distributed. Thereby, the fuel gas or the oxidant gas is formed between the upper side of the gap formed by the recesses of the first concavo-convex molding part and the recesses of the second concavo-convex molding part, which are different from each other by a half cycle by the flow path forming part. Between the upper sides of the gaps, or between the lower side of the gap formed by the convex portions of the first concavo-convex molded portion and the lower side of the gap formed by the convex portions of the second concavo-convex molded portion. . Therefore, the fuel gas or the oxidant gas can be more meandered, the gas supply performance can be improved, and the good drainage performance of the generated water can be ensured.

また、平板形状の流路形成部に対して、第1凹凸成形部の凹部および第2凹凸成形部の凹部における底部を板厚分だけ突出させ、第1凹凸成形部の凸部および第2凹凸成形部の凸部における頂部を板厚分だけ突出させることができる。これにより、例えば、第1凹凸成形部における凸部によって形成される隙間の下部側を流通した燃料ガスまたは酸化剤ガスが対向する位置に成形された第2凹凸成形部における凹部に到達した場合には、同凹部の底部側面に燃料ガスまたは酸化剤ガスが衝突する。すなわち、第1凹凸成形部における凸部によって形成される隙間の下部側を流通した燃料ガスまたは酸化剤ガスが対向する第2凹凸成形部における凹部を直線的に通過することを効果的に禁止することができる。したがって、この場合には、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給効率を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性を確保できる。   Further, the bottom of the concave portion of the first concavo-convex molded portion and the bottom of the concave portion of the second concavo-convex molded portion is protruded by the plate thickness with respect to the flat channel forming portion, and the convex portion and the second concavo-convex portion of the first concavo-convex molded portion are projected. The top part of the convex part of the molding part can be projected by the thickness. Thereby, for example, when the fuel gas or oxidant gas that has circulated through the lower side of the gap formed by the convex portion in the first concave-convex molded portion reaches the concave portion in the second concave-convex molded portion formed at a position facing it. The fuel gas or oxidant gas collides with the bottom side surface of the recess. That is, the fuel gas or the oxidant gas flowing through the lower side of the gap formed by the projections in the first concavo-convex molding part is effectively prohibited from passing linearly through the recesses in the second concavo-convex molding part. be able to. Therefore, in this case, the fuel gas or the oxidant gas can be more meandered, the gas supply efficiency can be improved, and good drainage of the generated water can be ensured.

また、前記流路形成部は、前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および凸部の頂部と、前記第2凹凸成形部を形成して前記第1凹凸成形部の凹部に対向する凸部の頂部および前記第1凹凸成形部の凸部に対向する凹部の底部とを連結する三次元曲面に成形されるとよい。   In addition, the flow path forming portion includes a bottom portion of the concave portion and the top portion of the convex portion forming the first concave and convex portion, and a convex portion that forms the second concave and convex portion and faces the concave portion of the first concave and convex portion. It is good to shape | mold into the three-dimensional curved surface which connects the top part of a part, and the bottom part of the recessed part facing the convex part of a said 1st uneven | corrugated shaping | molding part.

これによれば、三次元曲面に成形された流路形成部が、第1凹凸成形部における凹部の底部と対向する位置に成形された第2凹凸成形部の凸部の頂部とを連結し、第1凹凸成形部における凸部の頂部と対向する位置に成形された第2凹凸成形部の凹部の底部とを連結することができる。これにより、第1凹凸成形部における凹部によって形成される隙間から第2凹凸成形部における凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第1凹凸成形部における凸部によって形成される隙間から第2凹凸成形部における凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に禁止することができる。   According to this, the flow path forming part formed into a three-dimensional curved surface connects the top part of the convex part of the second concave-convex molded part formed at a position facing the bottom part of the concave part in the first concave-convex molded part, The bottom part of the recessed part of the 2nd uneven | corrugated shaped part shape | molded in the position facing the top part of the convex part in a 1st uneven | corrugated shaped part can be connected. Thereby, the flow of the fuel gas or the oxidant gas from the gap formed by the concave portion in the first concave-convex molded portion to the gap formed by the convex portion in the second concave-convex molded portion, and the convex portion in the first concave-convex molded portion Thus, the flow of the fuel gas or the oxidant gas from the gap formed by the gap to the gap formed by the recess in the second concavo-convex molded portion can be reliably prohibited.

言い換えれば、三次元曲面に形成された流路形成部により、第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から第2凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第1凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に形成することができる。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、流路形成部によって、互いに半周期だけ異なる第1凹凸成形部の凹部と第2凹凸成形部の凹部とによって形成される隙間、または、第1凹凸成形部の凸部と第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間を蛇行して流通することができる。したがって、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより確実に蛇行させることができ、ガス供給性能を向上させることができるとともに、生成水の良好な排水性能を確保できる。   In other words, the flow path forming part formed on the three-dimensional curved surface causes the fuel gas or the oxidant gas to flow from the gap formed by the concave part of the first concave / convex molding part to the gap formed by the concave part of the second concave / convex molding part. The flow of fuel gas or oxidant gas from the flow and the gap formed by the convex portions of the first concavo-convex molded portion to the gap formed by the convex portions of the second concavo-convex molded portion can be reliably formed. As a result, the fuel gas or the oxidant gas is formed by the flow path forming portion by the gap formed by the concave portion of the first concave / convex molding portion and the concave portion of the second concave / convex molding portion that differ from each other by a half cycle, or the first concave / convex molding. The gap formed by the convex part of the part and the convex part of the second concavo-convex molded part can snake and circulate. Therefore, the fuel gas or the oxidant gas can be more meandered, the gas supply performance can be improved, and the good drainage performance of the generated water can be ensured.

以下、本発明の第1実施形態を、図面を用いて詳細に説明する。図1は、本発明の第1実施形態に係る燃料電池用セパレータ10(以下、単にセパレータ10という)を用いて構成された固体高分子型の燃料電池スタックの一部を概略的に示した断面図である。燃料電池スタックは、2つのセパレータ10と、これらセパレータ10間に配置されて積層されるフレーム20およびMEA30(Membrane-Electrode Assembly:膜−電極接合体)とからなる単セルが複数積層されて形成される。   Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a part of a polymer electrolyte fuel cell stack configured using a fuel cell separator 10 (hereinafter simply referred to as a separator 10) according to a first embodiment of the present invention. FIG. The fuel cell stack is formed by laminating a plurality of single cells including two separators 10 and a frame 20 and a MEA 30 (Membrane-Electrode Assembly) arranged between the separators 10 and stacked. The

そして、各単セルに対して、例えば、水素ガスなどの燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとが燃料電池スタックの外部から導入されると、MEA30にて電極反応が起こることによって発電される。ここで、本明細書では、以下の説明において、燃料ガスと酸化剤ガスとをまとめて単にガスともいう。   For example, when a fuel gas such as hydrogen gas and an oxidant gas such as air are introduced from the outside of the fuel cell stack to each single cell, power is generated by an electrode reaction occurring in the MEA 30. Here, in the present specification, in the following description, the fuel gas and the oxidant gas are collectively referred to simply as gas.

セパレータ10は、図1に示すように、燃料電池スタック内に導入されたガスの混流を防ぐセパレータ本体11と、外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスをMEA30に対して一様に拡散するとともに電極反応によって発電された電気を集電するコレクタ12とから構成される。   As shown in FIG. 1, the separator 10 uniformly diffuses the separator main body 11 that prevents the mixed flow of the gas introduced into the fuel cell stack and the fuel gas or the oxidant gas supplied from the outside into the MEA 30. And a collector 12 that collects electricity generated by the electrode reaction.

セパレータ本体11は、素材として金属製の薄板(例えば、板厚が0.1mm程度のステンレス板など)から形成されている。なお、セパレータ本体11を形成する素材としては、他に、例えば、金めっきなどの防食処理を施した鋼板などを採用することができる。また、セパレータ本体11を金属製の薄板から形成することに代えて、導電性を有する非金属材料(例えば、カーボンなど)を素材にして形成することも可能である。   The separator body 11 is formed from a metal thin plate (for example, a stainless plate having a thickness of about 0.1 mm) as a material. In addition, as a raw material which forms the separator main body 11, the steel plate etc. which gave anti-corrosion processing, such as gold plating, etc. can be employ | adopted elsewhere, for example. Further, instead of forming the separator body 11 from a thin metal plate, it is also possible to use a non-metallic material having conductivity (for example, carbon) as a raw material.

そして、セパレータ本体11は、図2に示すように、略正方形の平板状に形成されており、その周縁部分には、ガス導入口11aと、同ガス導入口11aに対向するガス導出口11bとからなる対が2対形成されている。なお、各対は、互いに略直交するように形成されている。   As shown in FIG. 2, the separator body 11 is formed in a substantially square flat plate shape, and a gas inlet 11a and a gas outlet 11b opposed to the gas inlet 11a are formed at the peripheral portion thereof. Two pairs consisting of are formed. Each pair is formed so as to be substantially orthogonal to each other.

ガス導入口11aは、略長楕円状の貫通孔として形成されていて、燃料電池スタックの外部から供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを単セル内に導入するとともに、積層された他の単セルに対して供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスを流通する。ガス導出口11bも、略長楕円状の貫通孔として形成されていて、単セル内に導入されたガスのうちMEA30にて未反応のガスを外部に排出するとともに、積層された他の単セルからの未反応のガスを流通する。   The gas introduction port 11a is formed as a substantially oblong through hole, and introduces a fuel gas or an oxidant gas supplied from the outside of the fuel cell stack into the single cell, and other stacked single cells. The fuel gas or oxidant gas supplied to the gas is circulated. The gas outlet 11b is also formed as a substantially oblong through hole, and out of the gas introduced into the single cell, the MEA 30 discharges unreacted gas to the outside, and other stacked single cells. Circulate unreacted gas from

コレクタ12は、平板状の素材(例えば、板厚が0.1mm程度のステンレス板など)から形成されている。そして、コレクタ12は、図3に概略的に示すように、素材の一部を切断することにより、素材の板幅方向にて断面略矩形状の凹部と凸部とが連続的に成形された第1凹凸成形部12aと、この第1凹凸成形部12aに成形された凹部と凸部の成形周期に対して半周期だけ異なる成形周期によって素材の板幅方向にて断面略矩形状の凹部と凸部とが連続的に成形された第2凹凸成形部12bとを有している。より具体的に説明すると、例えば、第1凹凸成形部12aにおける凹部と凸部が、図4(a)に示すように、図示左側から凹部、凸部、凹部、凸部…となる成形周期で成形される場合には、第2凹凸成形部12bにおける凹部と凸部が、図4(b)に示すように、図示左側から凸部、凹部、凸部、凹部…となる成形周期で成形される。   The collector 12 is made of a flat material (for example, a stainless plate having a thickness of about 0.1 mm). Then, as schematically shown in FIG. 3, the collector 12 was formed by continuously cutting a part of the material so that a concave portion and a convex portion having a substantially rectangular cross section were formed in the plate width direction of the raw material. A first concave-convex molding portion 12a, and a concave portion formed in the first concave-convex molding portion 12a, and a concave portion having a substantially rectangular cross section in the plate width direction of the material by a molding cycle different from the molding cycle of the convex portion by a half cycle It has the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b by which the convex part was continuously shape | molded. More specifically, for example, as shown in FIG. 4A, the concave and convex portions in the first concave-convex molded portion 12a are formed into concave portions, convex portions, concave portions, convex portions, etc. from the left side of the drawing. In the case of molding, the concave and convex portions in the second concavo-convex molding portion 12b are molded with a molding cycle from the left side to the convex, concave, convex, concave, etc. as shown in FIG. 4B. The

また、コレクタ12は、素材の長手方向にて所定の間隔を有して成形された第1凹凸成形部12aと第2凹凸成形部12bとを互いに連結し、第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bへのガスの流路を形成する流路形成部としての平板部12cを有している。   The collector 12 connects the first concavo-convex molded portion 12a and the second concavo-convex molded portion 12b, which are formed with a predetermined interval in the longitudinal direction of the material, to each other, and the second concavo-convex molded portion 12a through the second concavo-convex molded portion 12a. It has a flat plate part 12c as a flow path forming part for forming a gas flow path to the concave-convex forming part 12b.

平板部12cは、図5(a)に示すように、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凹部の底部を含む仮想平面と凸部の頂部を含む仮想平面との間の距離(すなわち、成形高さ寸法)の略中間に位置する面(中立面)を含むように成形されている。そして、図5(b)に示すように、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凸部の頂部は、平板部12cの上面から、例えば、板厚分だけ突出するようになっている。一方、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凹部の底部は、平板部12cの下面から、例えば、板厚分だけ突出するようになっている。なお、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの成形高さについては、素材の材料特性(例えば、流動特性)に起因する良好な加工性を維持するために、例えば、素材の板厚に対して略3倍以下の成形高さに成形されるとよい。   As shown in FIG. 5A, the flat plate portion 12c is a distance between a virtual plane including the bottom of the concave portion and a virtual plane including the top of the convex portion in the first concave and convex portion 12a and the second concave and convex portion 12b. It is molded so as to include a surface (neutral surface) located approximately in the middle of (the molding height dimension). And as shown in FIG.5 (b), the top part of the convex part in the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b comes to protrude only the board | plate thickness from the upper surface of the flat plate part 12c, for example. ing. On the other hand, the bottom part of the recessed part in the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b protrudes only the board | plate thickness from the lower surface of the flat plate part 12c, for example. In addition, about the shaping | molding height of the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b, in order to maintain the favorable workability resulting from the material characteristic (for example, flow characteristic) of a raw material, it is a board | substrate of a raw material, for example. It is good to shape | mold to the shaping height of about 3 times or less with respect to thickness.

そして、コレクタ12は、素材に対して、第1凹凸成形部12a、平板部12cおよび第2凹凸成形部12bが順に素材の長手方向にて連続的に成形されることによって構成されている。   And the collector 12 is comprised by shape | molding sequentially the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a, the flat plate part 12c, and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b with respect to the raw material in order in the longitudinal direction of a raw material.

このように構成されたコレクタ12は、セパレータ本体11に対して一体的に固設されて、セパレータ10を形成する。このコレクタ12の固設について、以下に簡単に説明する。コレクタ12は、セパレータ本体11の略中央部分に配置される。そして、セパレータ本体11とコレクタ12との接触部分は、例えば、ロー付け工法により、金属的に接合されて一体的に固設される。   The collector 12 configured in this manner is integrally fixed to the separator body 11 to form the separator 10. The fixing of the collector 12 will be briefly described below. The collector 12 is disposed at a substantially central portion of the separator body 11. And the contact part of the separator main body 11 and the collector 12 is metal-bonded by the brazing method, for example, and is integrally fixed.

具体的に説明すると、まず、コレクタ12の一面側に対して、例えば、銅やニッケルなどのペースト状のロー材を薄く塗布する。そして、ロー材を塗布したコレクタ12をセパレータ本体11の所定位置に仮止めする。このとき、コレクタ12は、セパレータ本体11に形成された一対のガス導入口11aおよびガス導出口11bの配置方向と、コレクタ12における第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの配列方向とが一致するように仮止めされる。次に、還元ガス雰囲気中にて、仮止めしたセパレータ本体11とコレクタ12とを所定温度で所定時間だけ加熱し、その後冷却する。これにより、セパレータ本体11とコレクタ12とが金属的に接合されて一体的に固設される。   More specifically, first, a paste-like brazing material such as copper or nickel is thinly applied to one side of the collector 12. And the collector 12 which apply | coated the brazing material is temporarily fixed to the predetermined position of the separator main body 11. FIG. At this time, the collector 12 has an arrangement direction of the pair of gas inlets 11a and gas outlets 11b formed in the separator main body 11, and an arrangement direction of the first concavo-convex molding part 12a and the second concavo-convex molding part 12b in the collector 12. Are temporarily fixed to match. Next, the temporarily fixed separator body 11 and collector 12 are heated at a predetermined temperature for a predetermined time in a reducing gas atmosphere, and then cooled. Thereby, the separator main body 11 and the collector 12 are joined metallically and fixed integrally.

ここで、セパレータ本体11とコレクタ12とを金属的に接合する接合工法については、上述したロー付け工法に限定されるものではない。すなわち、セパレータ本体11とコレクタ12とを金属的に接合することができる他の工法、例えば、溶接工法や拡散接合工法を採用することができる。   Here, the joining method for metallicly joining the separator body 11 and the collector 12 is not limited to the brazing method described above. That is, other methods that can metallically join the separator body 11 and the collector 12, for example, a welding method or a diffusion bonding method can be employed.

フレーム20は、図6に示すように、同一の構造とされた2枚一対の樹脂板本体21,22から構成されていて、2枚のセパレータ10(より詳しくは、セパレータ本体11)にそれぞれの一面側が固着される。これら樹脂板本体21,22は、セパレータ本体11の外形寸法と略同一の外形寸法とされるとともに、コレクタ12の成形高さよりも僅かに小さい板厚とされている。そして、樹脂板本体21に対して、樹脂板本体22は、同一平面方向にて略90度回転して配置されて積層される。なお、樹脂板本体21,22は、種々の樹脂材料を採用することができ、好ましくは、ガラスエポキシ樹脂を採用するとよい。   As shown in FIG. 6, the frame 20 is composed of a pair of two resin plate bodies 21 and 22 having the same structure, and each of the two separators 10 (more specifically, the separator body 11) has its own structure. One side is fixed. The resin plate main bodies 21 and 22 have an outer dimension substantially the same as the outer dimension of the separator main body 11 and a thickness slightly smaller than the molding height of the collector 12. And with respect to the resin plate main body 21, the resin plate main body 22 rotates and arrange | positions about 90 degree | times in the same plane direction, and is laminated | stacked. The resin plate bodies 21 and 22 can employ various resin materials, and preferably glass epoxy resins.

また、樹脂板本体21,22には、その周縁部分にて、単セルを形成した状態でセパレータ本体11に形成されたガス導入口11aおよびガス導出口11bの各貫通孔に対応する位置に同各貫通孔の形状と略同一の形状の貫通孔21a,21bおよび貫通孔22a,22bが形成されている。また、樹脂板本体21,22には、その略中央部分にて、セパレータ本体11に接合されたコレクタ12を収容する収容孔21c,22cが形成されている。この収容孔21c,22cは、固着されるセパレータ本体11に形成された一対のガス導入口11aおよびガス導出口11bと、積層される他方の樹脂板本体21または樹脂板本体22に形成された貫通孔21a,21bまたは貫通孔22a,22bとを収容するように形成されている。   Further, the resin plate main bodies 21 and 22 have the same peripheral edge portions as the positions corresponding to the through holes of the gas inlet 11a and the gas outlet 11b formed in the separator main body 11 in a state where a single cell is formed. Through holes 21a and 21b and through holes 22a and 22b having substantially the same shape as each through hole are formed. The resin plate main bodies 21 and 22 are provided with receiving holes 21c and 22c for receiving the collector 12 joined to the separator main body 11 at substantially the center part thereof. The accommodating holes 21c and 22c are formed through a pair of gas inlet 11a and gas outlet 11b formed in the separator body 11 to be fixed, and the other resin plate body 21 or resin plate body 22 stacked. It is formed so as to accommodate the holes 21a, 21b or the through holes 22a, 22b.

このように、収容孔21c,22cを形成することにより、固着されるセパレータ本体11の下面(または上面)、収容孔21c(または収容孔22c)の内周面およびMEA30の上面(または下面)により空間(以下、この空間をガス導通空間という)が形成される。そして、ガス導通空間内に対して、例えば、燃料ガスを一方のガス導入口11aから、また、酸化剤ガスを他方のガス導入口11aおよび貫通孔21aから導入することができる。また、ガス導通空間内を通過した未反応のガスは、一方のガス導出口11bを介して、また、他方のガス導出口11bおよび貫通孔21bを介して外部に導出することができる。   Thus, by forming the accommodation holes 21c and 22c, the lower surface (or upper surface) of the separator body 11 to be fixed, the inner peripheral surface of the accommodation hole 21c (or accommodation hole 22c), and the upper surface (or lower surface) of the MEA 30. A space (hereinafter, this space is referred to as a gas conduction space) is formed. For example, the fuel gas can be introduced into the gas conduction space from one gas introduction port 11a, and the oxidant gas can be introduced from the other gas introduction port 11a and the through hole 21a. Further, the unreacted gas that has passed through the gas conduction space can be led out to the outside through one gas outlet 11b and through the other gas outlet 11b and the through hole 21b.

電極構造体としてのMEA30は、図1および図6に示すように、電解質膜EFと、同電解質膜EF上にて所定の触媒を層状に積層することにより形成されて、燃料ガスが導入されるガス導通空間内に配置されるアノード電極層AEと、酸化剤ガスが導入されるガス導通空間内に配置されるカソード電極層CEとを主要構成部品としている。なお、これら電解質膜EF、アノード電極層AEおよびカソード電極層CEの作用(電極反応)については、広く知られているとともに本発明に直接関係しないため、以下の記載においてその詳細な説明を省略する。   As shown in FIGS. 1 and 6, the MEA 30 as an electrode structure is formed by laminating an electrolyte membrane EF and a predetermined catalyst in layers on the electrolyte membrane EF, and a fuel gas is introduced. The main components are an anode electrode layer AE arranged in the gas conduction space and a cathode electrode layer CE arranged in the gas conduction space into which the oxidant gas is introduced. Note that the actions (electrode reactions) of the electrolyte membrane EF, the anode electrode layer AE, and the cathode electrode layer CE are widely known and are not directly related to the present invention. Therefore, detailed descriptions thereof are omitted in the following description. .

電解質膜EFは、カチオン(より具体的には、水素イオン(H))を選択的に透過するイオン交換膜(例えば、デュポン社製ナフィオン(登録商標)など)、あるいは、アニオン(より具体的には、水酸化物イオン(OH))を選択的に透過するイオン交換膜(例えば、トクヤマ社製ネオセプタ(登録商標)など)から形成される。そして、電解質膜EFは、フレーム20の樹脂板本体21,22を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して大きく、かつ、樹脂板本体21,22を積層した状態で貫通孔21a,21bおよび貫通孔22a,22bを塞がない大きさに形成されている。このように、電解質膜EFを形成することにより、ガス導通空間に導入されたガスが他側に形成されたガス導通空間に漏れること(所謂、クロスリーク)を防止することができる。 The electrolyte membrane EF may be an ion exchange membrane that selectively permeates cations (more specifically, hydrogen ions (H + )) (for example, Nafion (registered trademark) manufactured by DuPont), or an anion (more specifically, Is formed from an ion exchange membrane (for example, Neoceptor (registered trademark) manufactured by Tokuyama Corporation) that selectively transmits hydroxide ions (OH ). The electrolyte membrane EF is larger than the substantially square opening formed when the resin plate main bodies 21 and 22 of the frame 20 are laminated, and the through-hole is formed in a state where the resin plate main bodies 21 and 22 are laminated. 21a, 21b and the through-holes 22a, 22b are formed in a size that does not block. Thus, by forming the electrolyte membrane EF, it is possible to prevent the gas introduced into the gas conduction space from leaking into the gas conduction space formed on the other side (so-called cross leak).

電極層としてのアノード電極層AEおよびカソード電極層CEは、貴金属触媒(例えば、白金(Pt)など)を担持したカーボン(担持カーボン)や水素吸蔵合金などを主成分とするものであり、電解質膜EFの表面に対して層状に形成される。そして、層状に形成されるアノード電極層AEおよびカソード電極層CEは、フレーム20の樹脂板本体21,22を積層した際に形成される略正方形の開口部分に比して僅かに小さい外形寸法とされている。   The anode electrode layer AE and the cathode electrode layer CE as electrode layers are mainly composed of carbon (supported carbon) supporting a noble metal catalyst (for example, platinum (Pt)), a hydrogen storage alloy, or the like. A layer is formed on the surface of the EF. The anode electrode layer AE and the cathode electrode layer CE formed in a layer shape have slightly smaller external dimensions than the substantially square opening formed when the resin plate bodies 21 and 22 of the frame 20 are laminated. Has been.

また、アノード電極層AEおよびカソード電極層CEは、それぞれの表面側が導電性を有した繊維から形成されたカーボンクロスCCで覆われて構成される。このカーボンクロスCCは、ガス導通空間内に供給される燃料ガスまたは酸化剤ガスを各電極層に対して均一に供給するものであるとともに、電極反応によって発電された電気をコレクタ12に効率よく供給するものである。すなわち、カーボンクロスCCは繊維状であるため、この繊維間を導通することによって、供給されたガスはより一様に拡散される。また、カーボンクロスCCは導電性を有しているため、発電された電気を効率よくコレクタ12に流すことができる。なお、必要に応じて、カーボンクロスCCを省略して実施することも可能である。   In addition, the anode electrode layer AE and the cathode electrode layer CE are configured such that the respective surface sides are covered with carbon cloth CC formed of conductive fibers. The carbon cloth CC uniformly supplies fuel gas or oxidant gas supplied into the gas conduction space to each electrode layer, and efficiently supplies electricity generated by the electrode reaction to the collector 12. To do. That is, since the carbon cloth CC is fibrous, the supplied gas is more uniformly diffused by conducting between the fibers. In addition, since the carbon cloth CC has conductivity, the generated electricity can be efficiently flowed to the collector 12. If necessary, the carbon cloth CC can be omitted.

そして、単セルは、セパレータ本体11、コレクタ12、フレーム20およびMEA30を順次積層することによって形成される。具体的に説明すると、図6に示したように、互いに同一平面内にて略90度回転されて配置される上下2枚のフレーム20間にMEA30を配置し、例えば、接着剤などを塗布することによって各フレーム20間にてMEA30の電解質膜EFを挟持した状態で一体的に固着する。   And a single cell is formed by laminating | stacking the separator main body 11, the collector 12, the flame | frame 20, and MEA30 one by one. More specifically, as shown in FIG. 6, the MEA 30 is disposed between the upper and lower two frames 20 that are disposed by being rotated approximately 90 degrees in the same plane, and, for example, an adhesive is applied. Accordingly, the electrolyte membrane EF of the MEA 30 is sandwiched between the frames 20 and is integrally fixed.

この一体的に固着したフレーム20およびMEA30に対して、各フレーム20の収容孔21c,22c内にコレクタ12を収容する。このとき、コレクタ12は、収容されるフレーム20に形成された一対の貫通孔21a,21b(貫通孔22a,22b)の配置方向すなわち導入されたガスの導通方向と、コレクタ12における第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの配列方向とが一致するように、フレーム20の収容孔21c,22c内に収容される。   The collector 12 is accommodated in the accommodating holes 21c and 22c of each frame 20 with respect to the integrally fixed frame 20 and MEA 30. At this time, the collector 12 is arranged in the arrangement direction of the pair of through holes 21 a and 21 b (through holes 22 a and 22 b) formed in the frame 20 to be accommodated, that is, the conduction direction of the introduced gas, and the first uneven forming in the collector 12. It accommodates in the accommodation holes 21c and 22c of the flame | frame 20 so that the arrangement direction of the part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b may correspond.

そして、例えば、接着剤などを塗布することにより、フレーム20の収容孔21c,22c内にコレクタ12を収容した状態でセパレータ本体11をフレーム20に対して一体的に固着する。このとき、樹脂板本体21,22の板厚がコレクタ12の成形高さよりも僅かに小さい寸法であるため、コレクタ12がセパレータ本体11によってMEA30側に若干押圧された状態で組み付けられる。これにより、コレクタ12とMEA30(より詳しくは、カーボンクロスCC)との接触状態を良好に保つことができる。そして、このように形成された単セルは、要求出力に応じて複数積層されることによって、燃料電池スタックを構成する。   Then, for example, by applying an adhesive or the like, the separator body 11 is integrally fixed to the frame 20 in a state where the collector 12 is accommodated in the accommodation holes 21 c and 22 c of the frame 20. At this time, since the plate thickness of the resin plate main bodies 21 and 22 is slightly smaller than the molding height of the collector 12, the collector 12 is assembled in a state of being slightly pressed by the separator main body 11 toward the MEA 30 side. Thereby, the contact state between the collector 12 and the MEA 30 (more specifically, the carbon cloth CC) can be kept good. And the single cell formed in this way constitutes a fuel cell stack by laminating a plurality according to demand output.

このように構成された燃料電池スタックにおいては、図1に示すように、積層された単セル間でセパレータ本体11のガス導入口11a同士およびガス導出口11b同士がフレーム20の貫通孔21a,21bおよび貫通孔22a,22bを介してすべて連通した状態となる。このため、本明細書中の以下の説明においては、各単セルのガス導入口11aおよびフレーム20の貫通孔21a,22aによって形成される連通路をガス供給インナーマニホールド、ガス導出口11bおよびフレーム20の貫通孔21b,22bによって形成される連通路をガス排出インナーマニホールドという。   In the fuel cell stack configured as described above, as shown in FIG. 1, the gas inlets 11 a and the gas outlets 11 b of the separator body 11 are connected to the through holes 21 a and 21 b of the frame 20 between the stacked single cells. And it will be in the state which all communicated through through-hole 22a, 22b. For this reason, in the following description in the present specification, the gas supply inner manifold, the gas outlet 11b, and the frame 20 are connected to the communication path formed by the gas inlet 11a of each single cell and the through holes 21a and 22a of the frame 20. The communication passage formed by the through holes 21b and 22b is referred to as a gas discharge inner manifold.

このガス供給インナーマニホールドを介して燃料ガスまたは酸化剤ガスがそれぞれ外部から供給されると、供給された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、ガス導通空間内に導入される。このように導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、コレクタ12によって、ガス導通空間内を均一に拡散されて流通する。   When fuel gas or oxidant gas is supplied from the outside via the gas supply inner manifold, the supplied fuel gas or oxidant gas is introduced into the gas conduction space. The fuel gas or oxidant gas introduced in this way is circulated uniformly in the gas conduction space by the collector 12.

具体的に説明すると、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入されたガスは、ガス導通空間内に配置されたコレクタ12に接触しながらガス排出インナーマニホールドに向けて流れる。ここで、コレクタ12は、ガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドの配置方向に対して、第1凹凸成形部12a、平板部12cおよび第2凹凸成形部12bが連続的に配置するようになっている。   More specifically, the gas introduced into the gas conduction space from the gas supply inner manifold flows toward the gas discharge inner manifold while being in contact with the collector 12 disposed in the gas conduction space. Here, in the collector 12, the first concavo-convex molding portion 12a, the flat plate portion 12c, and the second concavo-convex molding portion 12b are continuously arranged with respect to the arrangement direction of the gas supply inner manifold and the gas discharge inner manifold. Yes.

このため、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、図7に概略的に示すように、コレクタ12の第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bに向けて、平板部12cによって形成される流路を蛇行して三次元的に流れる。以下、このことを具体的に説明する。   For this reason, the fuel gas or oxidant gas introduced into the gas conduction space from the gas supply inner manifold is changed from the first concavo-convex molding portion 12a to the second concavo-convex molding portion 12b of the collector 12 as schematically shown in FIG. Toward, the flow path formed by the flat plate portion 12c meanders and flows three-dimensionally. This will be specifically described below.

ガス導通空間内に導入されたガスがコレクタ12に到達すると、ガスは、MEA30の上面(または下面)と第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凸部(または凹部)とによって形成される隙間(以下、この隙間をMEA側通路という)、および、セパレータ本体11の下面(または上面)と第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凹部(または凸部)とによって形成される隙間(以下、この隙間をセパレータ本体側通路という)内を流通する。ここで、以下の説明を簡単にして理解を容易とするために、MEA30の上面側にコレクタ12とセパレータ本体11が積層されて燃料ガスが流通する場合を例示して説明する。   When the gas introduced into the gas conduction space reaches the collector 12, the gas is formed by the upper surface (or lower surface) of the MEA 30 and the convex portions (or concave portions) of the first concave and convex molding portions 12a and the second concave and convex molding portions 12b. Formed by a gap (hereinafter, this gap is referred to as an MEA-side passage), and a lower surface (or upper surface) of the separator body 11 and a concave portion (or convex portion) in the first concavo-convex molded portion 12a and the second concavo-convex molded portion 12b. Circulates in a gap (hereinafter, this gap is referred to as a separator body side passage). Here, in order to simplify the following description and facilitate understanding, the case where the collector 12 and the separator body 11 are laminated on the upper surface side of the MEA 30 and the fuel gas flows will be described as an example.

まず、MEA側通路における燃料ガスの流通から説明する。燃料ガスが第1凹凸成形部12aの凸部によって形成されるMEA側通路内に流入すると、図7にて破線で示すように、この流入した燃料ガスは、平板部12cにより、第2凹凸成形部12bの凸部によって形成されるMEA側通路に向けて流れる。   First, the fuel gas distribution in the MEA side passage will be described. When the fuel gas flows into the MEA side passage formed by the convex portions of the first concave / convex molding portion 12a, the fuel gas that has flowed in is formed into the second concave / convex molding by the flat plate portion 12c as shown by a broken line in FIG. It flows toward the MEA side passage formed by the convex part of the part 12b.

すなわち、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの凸部は、これらの各頂部が平板部12cの上面から板厚分だけ突出している。このため、第1凹凸成形部12aにおける凸部の頂部近傍に流入した燃料ガスは、平板部12cの側面に衝突し、第2凹凸成形部12b方向への直線的な流通が禁止される。したがって、第1凹凸成形部12aによって形成されるMEA側通路内に流入した燃料ガスは、第1凹凸成形部12aの凸部におけるMEA30側すなわち凸部の下部側を第2凹凸成形部12bに向けて流れる。言い換えれば、燃料ガスは、MEA30と平板部12cとの間に形成される空間(以下、この空間を隙間空間という)内を流通する。   That is, as for the convex part of the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b, each of these top parts protrudes by plate | board thickness from the upper surface of the flat plate part 12c. For this reason, the fuel gas that has flowed into the vicinity of the top of the convex portion in the first concavo-convex molded portion 12a collides with the side surface of the flat plate portion 12c, and linear circulation in the direction of the second concavo-convex molded portion 12b is prohibited. Therefore, the fuel gas that has flowed into the MEA side passage formed by the first concavo-convex molded portion 12a faces the MEA 30 side of the convex portion of the first concavo-convex molded portion 12a, that is, the lower side of the convex portion toward the second concavo-convex molded portion 12b. Flowing. In other words, the fuel gas flows in a space formed between the MEA 30 and the flat plate portion 12c (hereinafter, this space is referred to as a gap space).

ここで、第1凹凸成形部12aにおける凹部と凸部の成形周期と、第2凹凸成形部12bにおける凹部と凸部の成形周期とは、互いに半周期だけ異なる。また、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの凹部は、これらの各底部が平板部12cの下面から板厚分だけ突出している。   Here, the molding cycle of the concave and convex portions in the first concave and convex molding portion 12a and the molding cycle of the concave and convex portions in the second concave and convex molding portion 12b differ from each other by a half cycle. Moreover, as for the recessed part of the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a and the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b, these each bottom part protrudes only board | plate thickness from the lower surface of the flat plate part 12c.

このため、第1凹凸成形部12aの凸部を横切って隙間空間内に流入した燃料ガスは、第2凹凸成形部12bにおける凹部の底部の側面に衝突し、隣接する第1凹凸成形部12a方向への流通が禁止される。したがって、第1凹凸成形部12aの凸部によって形成されるMEA側通路を通過した燃料ガスは、隙間空間を介して、第2凹凸成形部12bの凸部によって形成されるMEA側通路に向けて蛇行しながら流通する。   For this reason, the fuel gas that has flowed into the gap space across the convex portion of the first concavo-convex molded portion 12a collides with the side surface of the bottom portion of the concave portion in the second concavo-convex molded portion 12b, and is adjacent to the first concavo-convex molded portion 12a. Distribution to is prohibited. Therefore, the fuel gas that has passed through the MEA side passage formed by the convex portion of the first concave / convex molding portion 12a is directed toward the MEA side passage formed by the convex portion of the second concave / convex molding portion 12b via the gap space. Circulate while meandering.

一方、燃料ガスが第1凹凸成形部12aの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路内に流入すると、図7にて実線で示すように、この流入した燃料ガスは、平板部12cにより、第2凹凸成形部12bの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路に向けて流れる。   On the other hand, when the fuel gas flows into the separator main body side passage formed by the concave portion of the first concavo-convex molding portion 12a, as shown by a solid line in FIG. It flows toward the separator main body side passage formed by the concave portion of the concave-convex molding portion 12b.

すなわち、上述したように、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凸部の頂部は、平板部12cの上面から板厚分だけ突出している。このため、第1凹凸成形部12aの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路を通過した燃料ガスは、第2凹凸成形部12bにおける凸部の頂部の側面に衝突し、第2凹凸成形部12b方向への流通が禁止される。したがって、セパレータ本体11と平板部12cとの間に形成される空間内に流入した燃料ガスは、衝突した凸部の両側に形成された第2凹凸成形部12bの凹部に向けて流れる。   That is, as described above, the tops of the convex portions of the first concavo-convex molded portion 12a and the second concavo-convex molded portion 12b protrude from the upper surface of the flat plate portion 12c by the thickness. For this reason, the fuel gas that has passed through the separator body side passage formed by the concave portion of the first concavo-convex molded portion 12a collides with the side surface of the top of the convex portion in the second concavo-convex molded portion 12b, and the second concavo-convex molded portion 12b direction Distribution to is prohibited. Therefore, the fuel gas that has flowed into the space formed between the separator body 11 and the flat plate portion 12c flows toward the concave portions of the second concavo-convex molded portion 12b formed on both sides of the collided convex portion.

ここで、コレクタ12においては、図7に示すように、第2凹凸成形部12bに隣接して第1凹凸成形部12aが成形される部分が存在する。このため、この部分においては、第2凹凸成形部12bの凹部に隣接して第1凹凸成形部12aの凸部が成形され、第2凹凸成形部12bの凸部に隣接して第1凹凸成形部12aの凹部が成形される。すなわち、コレクタ12において、第2凹凸成形部12bと第1凹凸成形部12aとが互いに隣接している部分では、凹部と凸部(凸部と凹部)によって比較的大きな開口が形成される。   Here, in the collector 12, as shown in FIG. 7, there is a portion where the first concavo-convex forming portion 12a is formed adjacent to the second concavo-convex forming portion 12b. For this reason, in this part, the convex part of the 1st uneven | corrugated shaped part 12a is shape | molded adjacent to the recessed part of the 2nd uneven | corrugated shaped part 12b, and 1st uneven | corrugated shaping | molding is adjacent to the convex part of the 2nd uneven | corrugated shaped part 12b. A concave portion of the portion 12a is formed. That is, in the collector 12, a relatively large opening is formed by the concave portion and the convex portion (the convex portion and the concave portion) in a portion where the second concave and convex portion 12b and the first concave and convex portion 12a are adjacent to each other.

このため、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスは、第2凹凸成形部12bを通過すると、形成された開口を介して、MEA側通路方向に(図7に示すコレクタ12の下方向)に三次元的に流れ、MEA側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。一方、MEA側通路を流通する燃料ガスは、第2凹凸成形部12bを通過すると、形成された開口を介して、セパレータ本体側通路方向(図7に示すコレクタ12の上方向)に三次元的に流れ、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。   For this reason, when the fuel gas flowing through the separator main body side passage passes through the second concavo-convex molding portion 12b, the fuel gas is tertiary in the MEA side passage direction (downward direction of the collector 12 shown in FIG. 7) through the formed opening. Originally flows and merges with the fuel gas flowing through the MEA side passage. On the other hand, when the fuel gas flowing through the MEA side passage passes through the second concavo-convex molding portion 12b, the fuel gas passes through the formed opening and is three-dimensionally in the separator body side passage direction (upward direction of the collector 12 shown in FIG. 7). The fuel gas flowing through the separator main body side passage is joined.

したがって、ガス導通空間内に導入された燃料ガスは、コレクタ12を通過することにより、上下左右方向に三次元的に蛇行しながら流通する。これにより、燃料ガスは、ガス導通空間内で良好に拡散することができ、アノード電極層AEに対して、効率よく供給される。   Therefore, the fuel gas introduced into the gas conduction space passes through the collector 12 and flows while meandering three-dimensionally in the vertical and horizontal directions. Thus, the fuel gas can be diffused well in the gas conduction space, and is efficiently supplied to the anode electrode layer AE.

なお、上記説明においては、MEA30の上面側にコレクタ12およびセパレータ本体11を積層して燃料ガスを導通させた場合を例示して説明したが、酸化剤ガスを導通させる場合であっても全く同様である。また、MEA30の下面側にコレクタ12およびセパレータ本体11を積層する場合であっても、上記例示におけるコレクタ12の第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの凹部または凸部が異なるのみで、燃料ガスまたは酸化剤ガスは全く同様に流通する。   In the above description, the case where the collector gas 12 and the separator main body 11 are stacked on the upper surface side of the MEA 30 and the fuel gas is conducted is described as an example, but the same applies even when the oxidant gas is conducted. It is. Further, even when the collector 12 and the separator body 11 are laminated on the lower surface side of the MEA 30, only the recesses or protrusions of the first unevenness forming portion 12a and the second unevenness forming portion 12b of the collector 12 in the above example are different. The fuel gas or oxidant gas flows in exactly the same way.

ここで、固体高分子型燃料電池を構成するMEA30においては、周知の通り、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いた電極反応によって、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEにて水が生成する。具体的に説明すると、例えば、MEA30の電解質膜EFがカチオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式1,2に従い、カソード電極層CEにおいて水が生成する。
アノード電極層:H2→2H++2e …化学反応式1
カソード電極層:2H++2e+(1/2)O2→H2O …化学反応式2
Here, in the MEA 30 constituting the solid polymer fuel cell, as is well known, water is generated in the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE by an electrode reaction using a fuel gas and an oxidant gas. Specifically, for example, when the electrolyte membrane EF of the MEA 30 is formed of an ion exchange membrane that selectively permeates cations, water is generated in the cathode electrode layer CE according to the following chemical reaction formulas 1 and 2. .
Anode electrode layer: H 2 → 2H + + 2e … chemical reaction formula 1
Cathode electrode layer: 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O… chemical reaction formula 2

また、例えば、MEA30の電解質膜EFがアニオンを選択的に透過するイオン交換膜から形成される場合には、下記化学反応式3,4に従い、アノード電極層AEにおいて水が生成する。
アノード電極層:H2+2OH→2H2O+2e …化学反応式3
カソード電極層:(1/2)O2+H2O+2e→2OH …化学反応式4
For example, when the electrolyte membrane EF of the MEA 30 is formed of an ion exchange membrane that selectively permeates anions, water is generated in the anode electrode layer AE according to the following chemical reaction formulas 3 and 4.
Anode electrode layer: H 2 + 2OH → 2H 2 O + 2e … chemical reaction formula 3
Cathode electrode layer: (1/2) O 2 + H 2 O + 2e → 2OH … chemical reaction formula 4

そして、このように、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEにおいて生成水が多量に発生すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの供給が阻害される状態、すなわち、フラッディング状態が生じる場合がある。このフラッディング状態が発生した状況では、生成水は、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEの表面を覆うとともに、カーボンクロスCCを通過してコレクタ12に到達する。そして、コレクタ12に到達した生成水は、その表面張力により、コレクタ12に形成された第1凹凸成形部12aまたは第2凹凸成形部12bにおける凹部と凸部に浸入して水膜を形成するようになる。   As described above, when a large amount of generated water is generated in the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE, a state where the supply of the fuel gas or the oxidant gas is inhibited, that is, a flooding state may occur. In the situation where the flooding state occurs, the generated water covers the surface of the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE and passes through the carbon cloth CC to reach the collector 12. Then, the generated water that has reached the collector 12 penetrates into the concave and convex portions of the first concavo-convex molding portion 12a or the second concavo-convex molding portion 12b formed in the collector 12 by the surface tension so as to form a water film. become.

ところで、コレクタ12は、上述したように、ガス導通空間内に導入されたガスを三次元的に導通させることができる。すなわち、コレクタ12には、第1凹凸成形部12a、第2凹凸成形部12bおよび平板部12cとが連続的に成形されており、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの配列方向がガス導通方向と略平行となるようにフレーム20内に収容される。これにより、ガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的にコレクタ12に形成された第1凹凸成形部12aと第2凹凸成形部12bの凹部または凸部を横切るように通過する。   Incidentally, the collector 12 can conduct the gas introduced into the gas conduction space three-dimensionally as described above. In other words, the first concavo-convex forming portion 12a, the second concavo-convex forming portion 12b, and the flat plate portion 12c are continuously formed on the collector 12, and the arrangement direction of the first concavo-convex forming portion 12a and the second concavo-convex forming portion 12b is formed. Is accommodated in the frame 20 so as to be substantially parallel to the gas conduction direction. As a result, the fuel gas or the oxidant gas introduced into the gas conduction space inevitably crosses the recesses or protrusions of the first unevenness forming part 12a and the second unevenness forming part 12b formed in the collector 12. pass.

したがって、MEA30における電極反応が進行し、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bにおける凹部または凸部が生成水の水膜によって塞がれる程度にまでフラッディング状態が発生する状況であっても、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入されて、ガス排出インナーマニホールドから排出されるガスの流れによって水膜の形成が防止される。さらに、所定の圧力で燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入されることから、コレクタ12にまで到達した生成水は、一部の未反応ガスとともに単セルすなわち燃料電池スタック外に排水される。   Therefore, the electrode reaction in the MEA 30 proceeds, and the flooding state is generated to such an extent that the concave portions or the convex portions in the first concave / convex molding portion 12a and the second concave / convex molding portion 12b are blocked by the water film of the generated water. In addition, the formation of a water film is prevented by the flow of gas introduced from the gas supply inner manifold into the gas conduction space and discharged from the gas discharge inner manifold. Further, since the fuel gas or the oxidant gas is introduced at a predetermined pressure, the generated water that has reached the collector 12 is drained out of the single cell, that is, the fuel cell stack together with some unreacted gas.

そして、このように、コレクタ12に到達した生成水が外部に排水されることによって、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEの近傍に存在する生成水のうち、例えば、電解質膜EFを保水する以外の余剰水がカーボンクロスCCを介して連続的にコレクタ12近傍に到達し、この到達した生成水(余剰水)が排水される。このような、水膜の形成防止および生成水の排水は、燃料電池の作動状態時、言い換えれば、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限りにおいて、連続的に行われる。   In this way, the generated water that has reached the collector 12 is drained to the outside, so that, for example, the electrolyte membrane EF is retained in the generated water existing in the vicinity of the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE. Surplus water continuously reaches the vicinity of the collector 12 via the carbon cloth CC, and this generated water (surplus water) is drained. Such water film formation prevention and generated water drainage are continuously performed when the fuel cell is in operation, in other words, as long as fuel gas and oxidant gas are supplied.

したがって、燃料電池が作動している間は、コレクタ12に生成水が溜まることがなく、また、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEに余分な生成水が溜まることがないため、フラッディング状態の発生を良好に防止することができる。また、燃料電池の作動中において生成水が燃料電池スタック外に連続的に排水されるため、燃料電池の作動を停止した後における単セル、より詳しくは、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEやコレクタ12の内部に残留する生成水の量を極めて少なくすることができる。これにより、例えば、燃料電池が低温(0℃以下)となる環境下に設置された場合であっても、生成水が氷結してガスの供給量が低下することを防止することができ、低温環境下における燃料電池の良好な始動性を確保することができる。   Therefore, while the fuel cell is in operation, the generated water does not collect in the collector 12 and the excess generated water does not collect in the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE. Can be prevented satisfactorily. Further, since the generated water is continuously drained outside the fuel cell stack during the operation of the fuel cell, the single cell after the operation of the fuel cell is stopped, more specifically, the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE The amount of generated water remaining inside the collector 12 can be extremely reduced. Thereby, for example, even when the fuel cell is installed in an environment where the temperature is low (0 ° C. or lower), it is possible to prevent the generated water from freezing and the gas supply amount from being reduced. Good startability of the fuel cell in the environment can be ensured.

以上の説明からも理解できるように、この第1実施形態によれば、コレクタ12に成形された平板部12cが燃料ガスまたは酸化剤ガスの流路を形成することにより、第1凹凸成形部12aの凹部(凸部)によって形成される隙間からこの凹部(凸部)に対向する第2凹凸成形部12bの凸部(凹部)によって形成される隙間に向けての燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れが阻害することができる。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスは、平板部12cにより、第1凹凸成形部12aの凹部(凸部)によって形成される隙間から第2凹凸成形部12bの凸部(凹部)によって形成される隙間に向けて直線的に通過することなく、この第2凹凸成形部12bにおける凸部(凹部)に隣接して成形される凹部(凸部)によって形成される隙間に向けて蛇行して流通する。これにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスは第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bに向けて蛇行して流通することによって良好に拡散され、MEA30を構成するアノード電極層AEまたはカソード電極層CEに対して十分な燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給することができる。したがって、良好なガス供給性能を確保することができ、MEA30によって消費されない未反応の燃料ガスまたは酸化剤ガスの量を低減することができる。   As can be understood from the above description, according to the first embodiment, the flat plate portion 12c formed on the collector 12 forms the flow path of the fuel gas or the oxidant gas. Flow of fuel gas or oxidant gas from the gap formed by the concave portion (convex portion) toward the gap formed by the convex portion (concave portion) of the second concave-convex forming portion 12b facing the concave portion (convex portion) Can be inhibited. In other words, the fuel gas or the oxidant gas is formed by the flat plate portion 12c from the gap formed by the concave portion (convex portion) of the first concave / convex molding portion 12a and the gap formed by the convex portion (concave portion) of the second concave / convex molding portion 12b. Without passing linearly toward the surface, the second concavo-convex shaped portion 12b circulates meandering toward a gap formed by a concave portion (convex portion) formed adjacent to the convex portion (concave portion). As a result, the fuel gas or the oxidant gas is satisfactorily diffused by meandering and flowing from the first concavo-convex molded portion 12a toward the second concavo-convex molded portion 12b, and the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer constituting the MEA 30 Sufficient fuel gas or oxidant gas can be supplied to the CE. Therefore, good gas supply performance can be ensured, and the amount of unreacted fuel gas or oxidant gas that is not consumed by the MEA 30 can be reduced.

また、セパレータ本体11によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、第1凹凸成形部12aの凹部または凸部によって形成される隙間と第2凹凸成形部12bの凹部または凸部によって形成される隙間を横切るように通過して、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEに供給される。このため、例えば、表面張力の作用により、発生した生成水がコレクタ12近傍に到達すると、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れに乗せて生成水を未反応ガスとともに外部に排水することができる。これにより、燃料ガスおよび酸化剤ガスが供給されている限り、言い換えれば、固体高分子型燃料電池が作動している限り、発生した生成水を連続的に排水することができる。したがって、良好な生成水の排水性能を確保することができる。   In addition, the fuel gas or the oxidant gas separated by the separator main body 11 is a gap formed by the recesses or projections of the first concavo-convex molding portion 12a and a gap formed by the recesses or projections of the second concavo-convex molding portion 12b. And is supplied to the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE. For this reason, for example, when the generated water generated by the action of the surface tension reaches the vicinity of the collector 12, the generated water can be discharged together with the unreacted gas on the flow of the fuel gas or the oxidant gas. Thereby, as long as the fuel gas and the oxidant gas are supplied, in other words, as long as the solid polymer fuel cell is operating, the generated generated water can be continuously drained. Therefore, good drainage performance of generated water can be ensured.

さらに、第1凹凸成形部12a、平板部12cおよび第2凹凸成形部12bを順に連続的に成形することにより、燃料ガスまたは酸化剤ガスが第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bを通過する回数すなわち蛇行する回数を増やすことができるとともに、燃料ガスまたは酸化剤ガスを三次元的に流通させることができる。このため、燃料ガスまたは酸化剤ガスをより良好に拡散させることができて、良好なガス供給性能を確保することができる。また、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bが複数成形されることにより、MEA30における電極反応によって発生した生成水がより容易にコレクタ12近傍に到達しやすくなるため、より良好な生成水の排水性能を確保することができる。   Further, the first concavo-convex forming portion 12a, the flat plate portion 12c, and the second concavo-convex forming portion 12b are successively formed in order, so that the fuel gas or the oxidant gas is changed from the first concavo-convex forming portion 12a to the second concavo-convex forming portion 12b. The number of times of passage, that is, the number of times of meandering can be increased, and fuel gas or oxidant gas can be distributed three-dimensionally. For this reason, fuel gas or oxidant gas can be diffused more favorably, and good gas supply performance can be ensured. In addition, by forming a plurality of the first concavo-convex molded portions 12a and the second concavo-convex molded portions 12b, the generated water generated by the electrode reaction in the MEA 30 can more easily reach the vicinity of the collector 12, and therefore, better generation Water drainage performance can be ensured.

上記第1実施形態においては、流路形成部としての平板部12cを採用し、燃料ガスまたは酸化剤ガスの第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bへの流路を形成するように実施した。しかし、上述したように、平板部12cを平板形状とするために、言い換えれば、平板状の素材に対して第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bを選択的に成形するために、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの成形高さが制限される。すなわち、上記第1実施形態においては、素材に対して局所的にせん断加工および引き伸ばし加工が施されるために加工度が高くなる。このため、良好な成形を行うために、これら加工に対する素材の材料特性(例えば、材料の流動特性)を考慮しなければならず、成形高さを制限する必要がある。   In the said 1st Embodiment, the flat plate part 12c as a flow path formation part is employ | adopted, and the flow path from the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a of fuel gas or oxidant gas to the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b is formed. Carried out. However, as described above, in order to make the flat plate portion 12c into a flat plate shape, in other words, in order to selectively form the first concavo-convex molding portion 12a and the second concavo-convex molding portion 12b with respect to the flat plate-like material, The molding height of the first concavo-convex molded portion 12a and the second concavo-convex molded portion 12b is limited. That is, in the first embodiment, since the material is locally subjected to shearing and stretching, the degree of processing increases. For this reason, in order to perform favorable shaping | molding, the material characteristic (for example, flow characteristic of material) of the raw material with respect to these processes must be considered, It is necessary to restrict | limit a shaping | molding height.

そこで、このような成形上の制限を設ける必要がなく、コレクタ12を成形することができる第2実施形態を説明する。なお、この第2実施形態を説明するにあたり、上記第1実施形態と同一部分に同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。   Therefore, a description will be given of a second embodiment in which the collector 12 can be molded without the need to provide such a restriction on molding. In the description of the second embodiment, the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

この第2実施形態においては、図8に示すように、上記第1実施形態におけるコレクタ12の平板部12cに代えて、三次元的に成形された流路形成部としての三次元曲面部12dが採用される点で異なる。三次元曲面部12dは、図9(a),(b)に示すように、第1凹凸成形部12aにおける凸部の頂部と第2凹凸成形部12bにおける凹部の底部とを連結する曲面、および、第1凹凸成形部12aにおける凹部の底部と第2凹凸成形部12bにおける凸部の頂部とを連結する曲面が複合して形成されている。   In the second embodiment, as shown in FIG. 8, instead of the flat plate portion 12c of the collector 12 in the first embodiment, a three-dimensional curved surface portion 12d as a three-dimensionally formed flow path forming portion is provided. It differs in that it is adopted. As shown in FIGS. 9A and 9B, the three-dimensional curved surface portion 12d is a curved surface that connects the top of the convex portion in the first concave-convex molded portion 12a and the bottom portion of the concave portion in the second concave-convex molded portion 12b, and The curved surface connecting the bottom of the concave portion in the first concave / convex molded portion 12a and the top portion of the convex portion in the second concave / convex molded portion 12b is formed in a composite manner.

ここで、このような三次元曲面部12dは、第1凹凸成形部12aにおける凹部と凸部および第2凹凸成形部12bにおける凹部と凸部の成形と同時に成形することができる。すなわち、この第2実施形態においては、素材に対する加工領域を大きくすることができる。このため、例えば、加工時における素材の流動性を十分に確保することができ、良好な成形を行うことができる。したがって、第1凹凸成形部12a、第2凹凸成形部12bおよび三次元曲面部12dの成形に伴う制限を厳密に設ける必要がない。   Here, such a three-dimensional curved surface portion 12d can be formed simultaneously with the formation of the concave and convex portions in the first concave-convex forming portion 12a and the concave and convex portions in the second concave-convex forming portion 12b. That is, in the second embodiment, the processing area for the material can be increased. For this reason, for example, the fluidity of the material at the time of processing can be sufficiently ensured, and good molding can be performed. Therefore, it is not necessary to strictly provide restrictions associated with the molding of the first concavo-convex molded portion 12a, the second concavo-convex molded portion 12b, and the three-dimensional curved surface portion 12d.

そして、このような三次元曲面部12dが形成されたコレクタ12も、上記第1実施形態と同様に、セパレータ本体11に対して一体的に接合されるとともに、一体的に固着されたフレーム20およびMEA30の収容孔21c,22c内に収容され、単セルを形成する。ここで、この第2実施形態におけるコレクタ12も、ガス供給インナーマニホールドとガス排出インナーマニホールドの配置方向に対して、第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの配列方向が略平行となるように、フレーム20の収容孔21c,22c内に収容される。   The collector 12 having such a three-dimensional curved surface portion 12d is also integrally joined to the separator body 11 and integrally fixed to the frame 20 and the same as in the first embodiment. It is accommodated in the accommodating holes 21c and 22c of the MEA 30 to form a single cell. Here, also in the collector 12 in the second embodiment, the arrangement direction of the first concavo-convex forming part 12a and the second concavo-convex forming part 12b is substantially parallel to the arrangement direction of the gas supply inner manifold and the gas discharge inner manifold. Thus, it is accommodated in the accommodation holes 21c, 22c of the frame 20.

そして、この第2実施形態においては、ガス供給インナーマニホールドからガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、図10に概略的に示すように、コレクタ12の第1凹凸成形部12aから第2凹凸成形部12bに向けて、三次元曲面部12dによって形成される流路を蛇行して三次元的に流れる。以下、このことを具体的に説明する。なお、この説明においても、上記実施形態と同様に、理解を容易とするため、MEA30の上面側にコレクタ12とセパレータ本体11が積層されて燃料ガスが流通する場合を例示して説明する。   In the second embodiment, the fuel gas or the oxidant gas introduced from the gas supply inner manifold into the gas conduction space is, as schematically shown in FIG. To the second concavo-convex molded portion 12b, the flow path formed by the three-dimensional curved surface portion 12d meanders and flows three-dimensionally. This will be specifically described below. In this description as well, the case where the collector 12 and the separator main body 11 are stacked on the upper surface side of the MEA 30 and the fuel gas flows is described by way of example in order to facilitate understanding, as in the above embodiment.

まず、MEA側通路における燃料ガスの流通から説明する。燃料ガスが第1凹凸成形部12aの凸部によって形成されるMEA側通路内に流入すると、図10にて破線で示すように、この流入した燃料ガスは、三次元曲面部12dにより、第2凹凸成形部12bの凸部によって形成されるMEA側通路に向けて流れる。   First, the fuel gas distribution in the MEA side passage will be described. When the fuel gas flows into the MEA side passage formed by the convex portions of the first concavo-convex molded portion 12a, the fuel gas that has flowed in is secondly moved by the three-dimensional curved surface portion 12d as shown by a broken line in FIG. It flows toward the MEA side passage formed by the convex portion of the concave-convex molded portion 12b.

すなわち、三次元曲面部12dは、第1凹凸成形部12aの凸部の頂部と第2凹凸成形部12bの凹部の底部を連結する曲面と、第1凹凸成形部12aの凹部の底部と第2凹凸成形部12bの凸部の頂部を連結する曲面とから形成される。このため、第1凹凸成形部12aにおける凸部に流入した燃料ガスは、図10における三次元曲面部12dの下面に沿って、MEA30方向に流通する。すなわち、第1凹凸成形部12aにおける凸部に流入した燃料ガスは、三次元曲面部12dが第2凹凸成形部12bの凹部の底部に連結されるため、第2凹凸成形部12b方向への流通が禁止される。   That is, the three-dimensional curved surface portion 12d has a curved surface that connects the top of the convex portion of the first concavo-convex molded portion 12a and the bottom of the concave portion of the second concavo-convex molded portion 12b, the bottom of the concave portion of the first concavo-convex molded portion 12a, and the second. It forms from the curved surface which connects the top part of the convex part of the uneven | corrugated shaped part 12b. For this reason, the fuel gas which flowed into the convex part in the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a distribute | circulates to MEA30 direction along the lower surface of the three-dimensional curved-surface part 12d in FIG. That is, the fuel gas that has flowed into the convex portion of the first concave / convex molding portion 12a flows in the direction of the second concave / convex molding portion 12b because the three-dimensional curved surface portion 12d is connected to the bottom of the concave portion of the second concave / convex molding portion 12b. Is prohibited.

そして、MEA30に到達した燃料ガスは、第2凹凸成形部12bの凹部の両側に成形された凸部に向けて流れる。これにより、第1凹凸成形部12aの凸部によって形成されるMEA側通路を通過した燃料ガスは、第2凹凸成形部12bの凸部によって形成されるMEA側通路に向けて蛇行しながら流通する。   Then, the fuel gas that has reached the MEA 30 flows toward the convex portions formed on both sides of the concave portion of the second concave-convex molded portion 12b. Thus, the fuel gas that has passed through the MEA side passage formed by the convex portions of the first concave / convex molding portion 12a flows while meandering toward the MEA side passage formed by the convex portions of the second concave / convex molding portion 12b. .

一方、燃料ガスが第1凹凸成形部12aの凹部によって形成されるセパレータ本体側通路内に流入すると、図10にて実線で示すように、この流入した燃料ガスは、図10に示す三次元曲面部12dの上面に沿って、セパレータ本体11に向けて流れる。すなわち、第1凹凸成形部12aにおける凹部に流入した燃料ガスは、三次元曲面部12dが第2凹凸成形部12bの凸部の頂部に連結されるため、第2凹凸成形部12b方向への流通が禁止される。そして、セパレータ本体11に到達した燃料ガスは、第2凹凸成形部12bの頂部の両側に成形された凹部に向けて流れる。   On the other hand, when the fuel gas flows into the separator main body side passage formed by the concave portion of the first concavo-convex molding portion 12a, as shown by the solid line in FIG. It flows toward the separator body 11 along the upper surface of the portion 12d. That is, the fuel gas that has flowed into the concave portion in the first concave / convex molding portion 12a flows in the direction of the second concave / convex molding portion 12b because the three-dimensional curved surface portion 12d is connected to the top of the convex portion of the second concave / convex molding portion 12b. Is prohibited. And the fuel gas which reached | attained the separator main body 11 flows toward the recessed part shape | molded on the both sides of the top part of the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b.

ここで、この第2実施形態におけるコレクタ12においては、図10にも示すように、第2凹凸成形部12bの成形に伴って第1凹凸成形部12aが成形される部分が存在する。すなわち、第2凹凸成形部12bの凹部に隣接して第1凹凸成形部12aの凸部が成形され、第2凹凸成形部12bの凸部に隣接して第1凹凸成形部12aの凹部が成形される。このため、この第2実施形態におけるコレクタ12においても、第2凹凸成形部12bと第1凹凸成形部12aとが互いに隣接している部分では、凹部と凸部(凸部と凹部)によって比較的大きな開口が形成される。   Here, in the collector 12 according to the second embodiment, as shown in FIG. 10, there is a portion where the first concavo-convex molded portion 12a is formed as the second concavo-convex molded portion 12b is formed. That is, the convex part of the first concave / convex molding part 12a is molded adjacent to the concave part of the second concave / convex molding part 12b, and the concave part of the first concave / convex molding part 12a is molded adjacent to the convex part of the second concave / convex molding part 12b. Is done. For this reason, also in the collector 12 in this 2nd Embodiment, in the part which the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b and the 1st uneven | corrugated shaping | molding part 12a adjoin each other, it is comparatively by a recessed part and a convex part (convex part and recessed part). A large opening is formed.

このため、この第2実施形態におけるコレクタ12においても、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスは、第2凹凸成形部12bを通過すると、形成された開口を介して、MEA側通路方向に(図10に示すコレクタ12の下方向)に三次元的に流れ、MEA側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。一方、MEA側通路を流通する燃料ガスは、第2凹凸成形部12bを通過すると、形成された開口を介して、セパレータ本体側通路方向(図10に示すコレクタ12の上方向)に三次元的に流れ、セパレータ本体側通路を流通する燃料ガスと合流するようになる。   For this reason, also in the collector 12 in the second embodiment, when the fuel gas flowing through the separator main body side passage passes through the second concavo-convex molding portion 12b, it passes through the formed opening in the MEA side passage direction (FIG. The fuel gas flows three-dimensionally (downward of the collector 12 shown in FIG. 10) and merges with the fuel gas flowing through the MEA side passage. On the other hand, when the fuel gas flowing through the MEA side passage passes through the second concavo-convex molding portion 12b, it passes through the formed opening and is three-dimensionally in the separator body side passage direction (upward direction of the collector 12 shown in FIG. 10). The fuel gas flowing through the separator main body side passage is joined.

したがって、この第2実施形態においても、ガス導通空間内に導入された燃料ガスは、コレクタ12を通過することにより、上下左右方向に三次元的に蛇行しながら流通する。これにより、燃料ガスは、ガス導通空間内で良好に拡散することができ、アノード電極層AEに対して、効率よく供給される。なお、この第2実施形態における例示においても、酸化剤ガスを導通させる場合や、MEA30の下面側にコレクタ12およびセパレータ本体11を積層する場合は、上記例示におけるコレクタ12の第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの凹部または凸部が異なるのみでその他の部分は全く同様である。   Therefore, also in the second embodiment, the fuel gas introduced into the gas conduction space flows through the collector 12 while meandering three-dimensionally in the vertical and horizontal directions. Thus, the fuel gas can be diffused well in the gas conduction space, and is efficiently supplied to the anode electrode layer AE. Also in the illustration in the second embodiment, when the oxidant gas is conducted, or when the collector 12 and the separator body 11 are laminated on the lower surface side of the MEA 30, the first uneven forming portion 12a of the collector 12 in the above illustration. And only the recessed part or convex part of the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b differs, and other parts are completely the same.

また、この第2実施形態におけるコレクタ12においても、ガス導通空間内に導入された燃料ガスまたは酸化剤ガスは、必然的にコレクタ12に形成された第1凹凸成形部12aと第2凹凸成形部12bの凹部または凸部を横切るように通過する。したがって、上記第1実施形態と同様に、MEA30における電極反応が進行してフラッディング状態が発生する状況であっても、燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れによって水膜の形成が防止される。さらに、所定の圧力で燃料ガスまたは酸化剤ガスが導入されることから、コレクタ12にまで到達した生成水は、一部の未反応ガスとともに単セルすなわち燃料電池スタック外に排水される。   Further, also in the collector 12 in the second embodiment, the fuel gas or the oxidant gas introduced into the gas conduction space inevitably has the first concavo-convex forming portion 12a and the second concavo-convex forming portion formed in the collector 12. It passes so as to cross the concave portion or convex portion of 12b. Therefore, similarly to the first embodiment, even when the electrode reaction in the MEA 30 proceeds and a flooding state occurs, the formation of a water film is prevented by the flow of the fuel gas or the oxidant gas. Further, since the fuel gas or the oxidant gas is introduced at a predetermined pressure, the generated water that has reached the collector 12 is drained out of the single cell, that is, the fuel cell stack together with some unreacted gas.

したがって、上記第1実施形態と同様に、燃料電池が作動している間は、コレクタ12に生成水が溜まることがなく、また、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEに余分な生成水が溜まることがないため、フラッディング状態の発生を良好に防止することができる。また、燃料電池の作動中において生成水が燃料電池スタック外に連続的に排水されるため、例えば、低温環境下においても生成水が氷結することを防止することができ、燃料電池の良好な始動性を確保することができる。   Therefore, as in the first embodiment, while the fuel cell is operating, the generated water does not collect in the collector 12, and excess generated water accumulates in the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE. Therefore, occurrence of flooding can be prevented satisfactorily. In addition, since the generated water is continuously drained outside the fuel cell stack during the operation of the fuel cell, for example, the generated water can be prevented from freezing even in a low temperature environment, and the fuel cell can be started well. Sex can be secured.

以上の説明からも理解できるように、この第2実施形態においては、局所的な成形を行わないため、成形上の制約を設ける必要がない。したがって、極めて容易にコレクタ12を成形することができるため、歩留まりがよくなり、その結果、製造コストを低減することができる。また、成形上の制約を設ける必要がないため、コレクタ12の設計自由度が向上する。これにより、例えば、ガス導通空間内を導通する燃料ガスまたは酸化剤ガスの圧力損失を低減する形状の設計やコレクタ12の厚みを小さくして燃料電池自体を小型化することも可能となる。   As can be understood from the above description, in the second embodiment, there is no need to provide molding restrictions because local molding is not performed. Therefore, since the collector 12 can be molded very easily, the yield is improved, and as a result, the manufacturing cost can be reduced. Further, since there is no need to provide molding restrictions, the design freedom of the collector 12 is improved. As a result, for example, the fuel cell itself can be downsized by designing the shape that reduces the pressure loss of the fuel gas or the oxidant gas that is conducted in the gas conduction space and by reducing the thickness of the collector 12.

また、三次元曲面部12dは、第1凹凸成形部12aにおける凹部の底部と対向する位置に成形された第2凹凸成形部12bの凸部の頂部とを連結し、第1凹凸成形部12aにおける凸部の頂部と対向する位置に成形された第2凹凸成形部12bの凹部の底部とを連結することができる。これにより、第1凹凸成形部12aにおける凹部によって形成される隙間から第2凹凸成形部12bにおける凸部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れ、および、第1凹凸成形部12aにおける凸部によって形成される隙間から第2凹凸成形部12bにおける凹部によって形成される隙間への燃料ガスまたは酸化剤ガスの流れを確実に禁止することができる。   The three-dimensional curved surface portion 12d connects the top of the convex portion of the second concave-convex molded portion 12b formed at a position facing the bottom of the concave portion in the first concave-convex molded portion 12a, and the first concave-convex molded portion 12a. The bottom part of the recessed part of the 2nd uneven | corrugated shaping | molding part 12b shape | molded in the position facing the top part of a convex part can be connected. Thereby, the flow of the fuel gas or the oxidant gas from the gap formed by the concave portion in the first concave / convex molded portion 12a to the gap formed by the convex portion in the second concave / convex molded portion 12b, and the first concave / convex molded portion 12a. It is possible to reliably inhibit the flow of fuel gas or oxidant gas from the gap formed by the convex portion in the gap to the gap formed by the concave portion in the second concavo-convex molded portion 12b.

さらに、第1凹凸成形部12aにおける凹部の底部(凸部の頂部)と第2凹凸成形部12bにおける凸部の頂部(凹部の底部)とを三次元曲面部12dによって連結することにより、MEA30(カーボンクロスCC)との接触態様を線状とすることができる。これにより、MEA30、より詳しくは、アノード電極層AEまたはカソード電極層CEに対するガスの供給性能をより向上させることができ、燃料電池自体の発電性能を向上させることができる。その他の効果については、上記第1実施形態と同様である。   Furthermore, the bottom of the concave portion (the top of the convex portion) in the first concave / convex molding portion 12a and the top of the convex portion (the bottom portion of the concave portion) in the second concave / convex molding portion 12b are connected by the three-dimensional curved surface portion 12d, whereby the MEA 30 ( The contact mode with the carbon cloth CC) can be linear. Thereby, the gas supply performance to the MEA 30, more specifically, the anode electrode layer AE or the cathode electrode layer CE can be further improved, and the power generation performance of the fuel cell itself can be improved. Other effects are the same as in the first embodiment.

本発明の実施に当たっては、上記第1実施形態および第2実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。   In carrying out the present invention, the present invention is not limited to the first and second embodiments, and various modifications can be made.

例えば、コレクタ12における第1凹凸成形部12aおよび第2凹凸成形部12bの凹部と凸部の形状については、上記第1および第2実施形態の断面略矩形状に限定されるものではない。すなわち、燃料ガスまたは酸化剤ガスが通過可能な形状であれば、いかなる形状であってもよい。   For example, the shape of the concave and convex portions of the first concave and convex molding portion 12a and the second concave and convex molding portion 12b in the collector 12 is not limited to the substantially rectangular cross section of the first and second embodiments. In other words, any shape may be used as long as fuel gas or oxidant gas can pass therethrough.

また、上記第1および第2実施形態においては、セパレータ本体11とコレクタ12とを金属的に接合することによって、一体的に固設して実施した。しかし、セパレータ本体11とコレクタ12とを金属的に接合することなく実施可能であることはいうまでもない。   Moreover, in the said 1st and 2nd embodiment, the separator main body 11 and the collector 12 were integrally fixed by carrying out metallic joining. However, it goes without saying that the present invention can be implemented without metallicly joining the separator body 11 and the collector 12.

本発明の第1および第2実施形態に係り、燃料電池用セパレータを採用して構成した燃料電池スタックの一部を示す概略図である。FIG. 4 is a schematic view showing a part of a fuel cell stack configured by adopting a fuel cell separator according to the first and second embodiments of the present invention. 図1のセパレータを構成するセパレータ本体を示した概略的な斜視図である。It is the schematic perspective view which showed the separator main body which comprises the separator of FIG. 図1のコレクタを説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the collector of FIG. 図3のコレクタにおける第1凹凸成形部および第2凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を説明するための概略的な図であり、(a)は、図3のコレクタにおける第1凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を示し、(b)は、(a)の第1凹凸成形部に対する第2凹凸成形部の凹部と凸部の成形周期を示すものである。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a molding cycle of a concave portion and a convex portion of a first concave and convex portion and a second concave and convex portion in the collector of FIG. 3, and FIG. (B) shows the molding cycle of the concave and convex portions of the second concavo-convex molding portion with respect to the first concavo-convex molding portion of (a). 図3のコレクタにおける平板部を説明するための概略的な図であり、(a)は、コレクタの長手方向における断面を示し、(b)は、コレクタの幅方向における断面を示すものである。FIG. 4 is a schematic diagram for explaining a flat plate portion in the collector of FIG. 3, (a) shows a cross section in the longitudinal direction of the collector, and (b) shows a cross section in the width direction of the collector. 図1に示したフレームおよびMEAの組み付け状態を説明するための概略的な分解斜視図である。It is a schematic exploded perspective view for demonstrating the assembly | attachment state of the flame | frame and MEA shown in FIG. 図3のコレクタによる燃料ガスまたは酸化剤ガスの三次元的な蛇行を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the three-dimensional meandering of the fuel gas or oxidant gas by the collector of FIG. 本発明の第2実施形態に係るコレクタを説明するための概略的な図である。It is a schematic diagram for demonstrating the collector which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 図8のコレクタにおける三次元曲面を説明するための概略的な図であり、(a)は、コレクタの長手方向における断面を示し、(b)は、コレクタの幅方向における断面を示すものである。9A and 9B are schematic diagrams for explaining a three-dimensional curved surface in the collector of FIG. 8, where FIG. 9A shows a cross section in the longitudinal direction of the collector, and FIG. 9B shows a cross section in the width direction of the collector. . 図8のコレクタによる燃料ガスまたは酸化剤ガスの三次元的な蛇行を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the three-dimensional meandering of the fuel gas or oxidizing agent gas by the collector of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10…セパレータ、11…セパレータ本体、12…コレクタ、12a…第1凹凸成形部、12b…第2凹凸成形部、12c…平板部(流路形成部)、12d…三次元曲面部(流路形成部)、20…フレーム、30…MEA DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Separator, 11 ... Separator main body, 12 ... Collector, 12a ... 1st uneven | corrugated molded part, 12b ... 2nd uneven | corrugated molded part, 12c ... Flat plate part (flow path formation part), 12d ... Three-dimensional curved surface part (flow path formation) Part), 20 ... frame, 30 ... MEA

Claims (6)

燃料電池の電極構造体を構成する電極層に対して、外部から導入された燃料ガスと酸化剤ガスとをそれぞれ供給する燃料電池用セパレータにおいて、
前記燃料ガスと酸化剤ガスとを分離して混流を防止する平板状のセパレータ本体と、
前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスをそれぞれ拡散して前記電極構造体に供給するとともに、前記電極構造体における電極反応によって発電された電気を集電するコレクタであって、
前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第1凹凸成形部と、
同第1凹凸成形部の凹部および凸部の成形周期に対して半周期だけ異なり、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスが三次元的に流通するための隙間を前記セパレータ本体および前記電極構造体との間で形成する複数の凹部と凸部とを直線的にかつ連続的に成形した第2凹凸成形部と、
前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部との間にて、前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の底部を含む平面と、前記第1凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部を含む平面との間に形成されて、前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部とを互いに連結するとともに、前記分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの前記第1凹凸成形部の凹部によって形成される隙間から前記第2凹凸成形部の凹部によって形成される隙間への流路および前記第1凹凸成形部の凸部によって形成される隙間から前記第2凹凸成形部の凸部によって形成される隙間への流路を形成する流路形成部とを備え
前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部、前記流路形成部、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部、前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部、前記流路形成部、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部の順にかつ連続的に成形されて、前記第2凹凸成形部または前記第1凹凸成形部と前記第1凹凸成形部または前記第2凹凸成形部とが隣接する部分に開口が形成されるコレクタとから構成したことを特徴とする燃料電池用セパレータ。
In the fuel cell separator for supplying the fuel gas and the oxidant gas introduced from the outside to the electrode layer constituting the electrode structure of the fuel cell,
A flat separator body that separates the fuel gas and the oxidant gas to prevent mixed flow;
A fuel gas or an oxidant gas separated by the separator main body is diffused and supplied to the electrode structure, and the collector collects electricity generated by an electrode reaction in the electrode structure;
A plurality of concave portions and convex portions that form gaps between the separator main body and the electrode structure so as to allow the separated fuel gas or oxidant gas to flow three-dimensionally linearly and continuously. A molded first concavo-convex molded portion;
The separator main body and the electrode structure are different from each other by a half cycle with respect to the molding cycle of the concave and convex portions of the first concavo-convex molding portion, and the gap for allowing the separated fuel gas or oxidant gas to flow three-dimensionally. A second concavo-convex molded portion obtained by linearly and continuously molding a plurality of concave portions and convex portions formed between the body,
Boil between the second concave-convex molding portion and the first concave-convex mold portion, and a plane including the bottom of the recess forming the bottom and the second concave-convex shaping of the recess forming the first uneven shaping unit, the The first concavo-convex molded part and the second concavo-convex molded part formed between the top of the convex part forming the first concavo-convex molded part and the plane including the top part of the convex part forming the second concavo-convex molded part. And a flow path from the gap formed by the recessed portion of the first concavo-convex molded portion of the separated fuel gas or oxidant gas to the gap formed by the recessed portion of the second concavo-convex molded portion, and A flow path forming part that forms a flow path from a gap formed by the convex part of the first concavo-convex molded part to a gap formed by the convex part of the second concavo-convex molded part ,
The first concavo-convex molding part or the second concavo-convex molding part, the flow path forming part, the second concavo-convex molding part or the first concavo-convex molding part, the first concavo-convex molding part or the second concavo-convex molding part, the flow The path forming portion, the second uneven formed portion or the first uneven formed portion are sequentially and sequentially formed, and the second uneven formed portion or the first uneven formed portion and the first uneven formed portion or the first 2. A fuel cell separator comprising: a collector having an opening formed in a portion adjacent to a two-concave formed portion .
請求項1に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第1凹凸成形部と前記第2凹凸成形部との配列方向が、前記セパレータ本体によって分離された燃料ガスまたは酸化剤ガスの流通方向と略平行であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 1,
The fuel cell separator, wherein an arrangement direction of the first concavo-convex molded portion and the second concavo-convex molded portion is substantially parallel to a flow direction of the fuel gas or the oxidant gas separated by the separator body.
請求項に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路形成部は、
前記第1凹凸成形部を形成する凹部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の成形方向と、前記第1凹凸成形部を形成する凸部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の成形方向とに対する中立面を少なくとも含んで平板形状に成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 1 ,
The flow path forming part is
The forming direction of the concave portion forming the first concave-convex forming portion and the concave portion forming the second concave-convex forming portion, and the convex portion forming the first concave-convex forming portion and the convex portion forming the second concave-convex forming portion. A separator for a fuel cell, characterized by being formed into a flat plate shape including at least a neutral surface with respect to a forming direction.
請求項に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記平板形状に成形される流路形成部に対して、
前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および前記第2凹凸成形部を形成する凹部の底部がこれら底部における板厚分だけ突出し、前記第1凹凸成形部を形成する凸部の頂部および前記第2凹凸成形部を形成する凸部の頂部がこれら頂部における板厚分だけ突出することを特徴とする燃料電池用セパレータ。
In the fuel cell separator according to claim 3 ,
For the flow path forming part formed into the flat plate shape,
The bottom part of the concave part forming the first concavo-convex molded part and the bottom part of the concave part forming the second concavo-convex molded part protrude by the thickness of the bottom part, and the top part of the convex part forming the first concavo-convex molded part and the The top part of the convex part which forms a 2nd uneven | corrugated molded part protrudes only by the plate | board thickness in these top parts, The separator for fuel cells characterized by the above-mentioned.
請求項に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記流路形成部は、
前記第1凹凸成形部を形成する凹部の底部および凸部の頂部と、前記第2凹凸成形部を形成して前記第1凹凸成形部の凹部に対向する凸部の頂部および前記第1凹凸成形部の凸部に対向する凹部の底部とを連結する三次元曲面に成形されることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 1 ,
The flow path forming part is
The bottom part of the concave part and the top part of the convex part forming the first concave and convex part, and the top part of the convex part forming the second concave and convex part and facing the concave part of the first concave and convex part and the first concave and convex part A separator for a fuel cell, characterized in that the separator is molded into a three-dimensional curved surface that connects the bottom of the concave portion facing the convex portion of the portion.
請求項1に記載した燃料電池用セパレータにおいて、
前記第1凹凸成形部と第2凹凸成形部とをそれぞれ形成する凹部および凸部の成形方向における形状は、略矩形状であることを特徴とする燃料電池用セパレータ。
The fuel cell separator according to claim 1,
The fuel cell separator is characterized in that the concave and convex portions forming the first concavo-convex molded portion and the second concavo-convex molded portion are substantially rectangular in shape in the molding direction.
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