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JP2002015751A - Fuel cell and its separator - Google Patents

Fuel cell and its separator

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Publication number
JP2002015751A
JP2002015751A JP2000197643A JP2000197643A JP2002015751A JP 2002015751 A JP2002015751 A JP 2002015751A JP 2000197643 A JP2000197643 A JP 2000197643A JP 2000197643 A JP2000197643 A JP 2000197643A JP 2002015751 A JP2002015751 A JP 2002015751A
Authority
JP
Japan
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gas
separator
fuel cell
plate
passage
Prior art date
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Granted
Application number
JP2000197643A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP4558150B2 (en
Inventor
Masanori Matsukawa
政憲 松川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aisin Takaoka Co Ltd
Original Assignee
Aisin Takaoka Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Aisin Takaoka Co Ltd filed Critical Aisin Takaoka Co Ltd
Priority to JP2000197643A priority Critical patent/JP4558150B2/en
Publication of JP2002015751A publication Critical patent/JP2002015751A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the accumulation of dimensional errors in the laminating direction even in the case many fuel cells and separators are piled in lamination and to improve the gas separation between the fuel gas region and the oxidizer gas region inside the fuel cell. SOLUTION: A separator which is composed by overlapping two sheets of plate shape separators 10, 20 is provided between the two top and bottom fuel cells 40. On each facing face of the two plate shape separators 10, 20, the passage forming grooves 15, 25 are formed at the position corresponding each other. As a result of the two passage forming grooves 15, 25 being combined, a gas passage of tunnel form is formed which links the gas manifold 51A and the gas chamber that is provided between the upper fuel cell 40 and the plate shape separator 20.

Description

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

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、電池セルとセパレ
ータとを交互に積層して構成される燃料電池に関し、特
に燃料電池内でセパレータにより構成されるガス通路の
構造に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell formed by alternately stacking battery cells and separators, and more particularly to a gas passage structure formed by a separator in a fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に燃料電池は、プロトン透過膜及び
それを挟む一対の電極材からなる電池セルと、その電池
セルの一方の側に配設されて前記電極材との間にガス室
を提供するセパレータを交互に積層して構成される。一
つの電池セルとその上層及び下層に平行に配設されたセ
パレータとによって一つの単位電池が構成され、複数の
単位電池の積層物が燃料電池と理解してもよい。各単位
電池において、上下セパレータ間に介在される電池セル
は一種のガス隔壁に相当し、一方の電極材とそれに対向
するセパレータとの間には燃料ガス室(還元剤ガス室と
も言う)が、他方の電極材とそれに対向するセパレータ
との間には酸化剤ガス室がそれぞれ区画される。尚、か
かるセパレータは、前述のようなガス室を区画する役目
を担うことから、マニホールド板とも呼ばれる。更に燃
料電池には、燃料ガス用及び酸化剤ガス用の各ガス流通
経路(ガスマニホールド)が単位電池の積層方向に貫設
されている。そして、各単位電池の燃料ガス室は燃料ガ
ス用のガスマニホールドに連通されて燃料ガスの供給を
受ける。同様に、各単位電池の酸化剤ガス室は酸化剤ガ
ス用のガスマニホールドに連通されて酸化剤ガスの供給
を受ける。
2. Description of the Related Art In general, a fuel cell has a battery cell comprising a proton permeable membrane and a pair of electrode materials sandwiching the proton permeable membrane, and a gas chamber provided between one side of the battery cell and the electrode material. Are alternately laminated. One unit cell may be constituted by one battery cell and a separator arranged in parallel with the upper and lower layers thereof, and a stack of a plurality of unit cells may be understood as a fuel cell. In each unit battery, a battery cell interposed between the upper and lower separators corresponds to a kind of gas partition, and a fuel gas chamber (also referred to as a reducing agent gas chamber) is provided between one electrode material and the separator facing the same. An oxidizing gas chamber is defined between the other electrode member and the separator facing the other electrode member. Note that such a separator is also called a manifold plate because it serves to partition the gas chamber as described above. Further, in the fuel cell, respective gas flow paths (gas manifolds) for the fuel gas and the oxidizing gas are provided in the unit cell stacking direction. The fuel gas chamber of each unit cell is connected to a fuel gas gas manifold to receive the supply of the fuel gas. Similarly, the oxidizing gas chamber of each unit cell is connected to a gas manifold for the oxidizing gas to receive the oxidizing gas.

【0003】実開平5−66875号公報は、燃料ガス
用のガスマニホールドと各単位電池の燃料ガス室との間
におけるガス連通構造の一例を開示する。この公開公報
によれば、マニホールド板の周縁部には燃料ガス用のガ
スマニホールド(導入孔及び排出孔)が貫設されると共
に、マニホールド板の一方の面の中央域には燃料ガス室
を提供する深い凹部が設けられている。更に、その中央
域の深い凹部とガスマニホールドのある周縁部との間に
は浅い凹部(又は段差部)が設けられ、その浅い凹部の
底壁には前記深い凹部とガスマニホールドとをつなぐた
めの複数条の平行溝が形成されている。そして、燃料電
池の組立時には、その浅い凹部に対して保護用プレート
を嵌め込んで前記平行溝の各々をトンネル状通路とし、
これらのトンネル状通路を経由してガスマニホールドと
燃料ガス室との間における燃料ガス流通を確保してい
る。
[0003] Japanese Utility Model Laid-Open No. 5-66875 discloses an example of a gas communication structure between a fuel gas gas manifold and a fuel gas chamber of each unit cell. According to this publication, a gas manifold (introduction hole and discharge hole) for fuel gas penetrates a peripheral portion of the manifold plate, and a fuel gas chamber is provided in a central region of one surface of the manifold plate. Deep recesses are provided. Further, a shallow concave portion (or a step portion) is provided between the deep concave portion in the center region and the peripheral portion having the gas manifold, and a bottom wall of the shallow concave portion is provided for connecting the deep concave portion and the gas manifold. A plurality of parallel grooves are formed. Then, at the time of assembling the fuel cell, a protection plate is fitted into the shallow recess to make each of the parallel grooves a tunnel-like passage.
Fuel gas flow between the gas manifold and the fuel gas chamber is ensured via these tunnel-like passages.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】前記公開公報には、保
護用プレートが前記浅い凹部に嵌め込まれたとき当該プ
レートの表面とマニホールド板の表面とは同一平面をな
す、と記載されている。しかしながら、実際にこのよう
な構造を採用した場合に、保護用プレートの表面とマニ
ホールド板の表面とを面一化することは難しい。なぜな
ら、単位電池の高密度積層が求められる今日の時代状況
では、マニホールド板又はセパレータの薄肉化は避けら
れず、その厚みは約1.0mm以下にまでなっている。
かかる状況下で保護用プレート及びそれを収容する浅い
凹部を設計するとなれば、保護用プレートの厚さ及び浅
い凹部の深さはかなりの高精度で管理される必要がある
が、そのような厚さ及び深さの厳格な管理は極めて困難
である。このため、保護用プレート及び浅い凹部の加工
精度を高めたつもりでも、実際に浅い凹部にプレートを
嵌めたとき、プレートの一部がマニホールド板表面より
も盛り上がったり、プレートの端面と浅い凹部の内壁面
との間に隙間ができたりするのを回避することは困難で
ある。
The publication discloses that when a protective plate is fitted in the shallow recess, the surface of the plate and the surface of the manifold plate are flush with each other. However, when such a structure is actually adopted, it is difficult to make the surface of the protection plate flush with the surface of the manifold plate. This is because in today's era in which high-density stacking of unit batteries is required, the thickness of the manifold plate or the separator is inevitably reduced, and its thickness is reduced to about 1.0 mm or less.
Under such circumstances, if a protection plate and a shallow recess for accommodating the protection plate are to be designed, the thickness of the protection plate and the depth of the shallow recess need to be controlled with considerably high precision. Strict control of depth and depth is extremely difficult. For this reason, even if it is intended to increase the processing accuracy of the protection plate and the shallow recess, when the plate is actually fitted into the shallow recess, a part of the plate rises above the surface of the manifold plate, or the end face of the plate and the inside of the shallow recess are formed. It is difficult to avoid a gap between the wall and the wall.

【0005】仮にマニホールド板表面からの保護用プレ
ートの一部の盛り上がりが数十ミクロンのレベルであっ
たとしても、単位電池を多数積層した場合には、僅かの
寸法の狂いが累積して無視できない大きさとなる。さす
れば、複数の単位電池相互間の平行状態が維持できなく
なって、燃料電池の組立てに支障を来すのみならず、ガ
スシール性を低下させる一因となる。又、保護用プレー
トの端面と浅い凹部の内壁面との間に隙間ができる場合
も同様にガスシール性を低下させる。特に、燃料電池内
部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との隔絶が不
十分となり、両方のガスが互いに混じり合うと、電池性
能が著しく低下してしまう。
[0005] Even if a part of the protection plate rises from the surface of the manifold plate to a level of several tens of microns, when a large number of unit batteries are stacked, slight dimensional deviations are accumulated and cannot be ignored. It will be large. This makes it impossible to maintain the parallel state between the plurality of unit cells, which not only hinders the assembly of the fuel cell, but also reduces the gas sealing performance. Also, when a gap is formed between the end face of the protection plate and the inner wall surface of the shallow recess, the gas sealing performance is similarly reduced. In particular, when the separation between the fuel gas region and the oxidizing gas region becomes insufficient inside the fuel cell and both gases are mixed with each other, the cell performance is significantly reduced.

【0006】本発明の目的は、単位電池を多数積層した
場合でも積層方向に寸法誤差が累積し難く単位電池相互
間の平行状態を極力維持することができると共に、燃料
電池内部において燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間
のガス隔絶性に優れた燃料電池及びそのセパレータを提
供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to keep a parallel state between unit cells as small as possible even when a large number of unit cells are stacked, so that a dimensional error is unlikely to accumulate in the stacking direction, and to provide a fuel gas region inside a fuel cell. An object of the present invention is to provide a fuel cell and a separator thereof having excellent gas isolation from an oxidizing gas region.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、プロ
トン透過膜及びそれを挟む一対の電極材からなる電池セ
ルと、その電池セルの一方の側に配設されて前記電極材
との間にガス室を提供するセパレータを交互に積層して
構成されると共に、積層されたセパレータ群を積層方向
に貫通するガスマニホールドが設けられた燃料電池にお
いて、前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板
状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記
二つの板状セパレータ片が相互接触するそれぞれの合わ
せ面の少なくとも一方には、前記ガスマニホールドとガ
ス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が
形成されていることを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a battery cell comprising a proton-permeable membrane and a pair of electrode members sandwiching the proton-permeable membrane, and a battery cell disposed on one side of the battery cell. In a fuel cell, which is configured by alternately stacking separators that provide gas chambers therebetween, and is provided with a gas manifold that penetrates the stacked separator group in the stacking direction, the separators have substantially the same planar shape. The two plate-shaped separator pieces are configured to overlap each other, and at least one of the mating surfaces where the two plate-shaped separator pieces are in contact with each other, to form a gas passage connecting the gas manifold and the gas chamber. Is formed.

【0008】本発明によれば、二つの板状セパレータ片
の合わせ面の少なくとも一方に通路構成溝を設けたの
で、二つの板状セパレータ片の合わせ面を相互接触させ
てセパレータを構成する際には、一方の板状セパレータ
片に形成された通路構成溝の開口部が他方の板状セパレ
ータ片の合わせ面によって封鎖される。その結果、前記
通路構成溝は、ガスマニホールドとガス室とをつなぐト
ンネル状のガス通路となり、このトンネル状ガス通路を
介してガスマニホールドとガス室との間のガス流通が確
保される。この構成によれば、二つの板状セパレータ片
は一方が他方に嵌合される関係にはなく、両者は等価な
合わせ面を持ち、それらを互いに接合させるだけの関係
にある。各々の合わせ面を予め平滑化することは加工技
術上さほど困難ではなく、それ故、表面平滑度の高い合
わせ面を持つ板状セパレータ片からセパレータを構成し
それを複数積層したとしても各単位電池間の平行状態は
損なわれず、従来例のように積層方向に寸法誤差が累積
することはまずない。また、二つの板状セパレータ片は
相互に嵌合する関係にないため、双方に微細な段差部を
形成する必要がなく不要な隙間の発生原因が存在しな
い。従って、ガスマニホールドとガス室との間の連通構
造に関する限り、それ自体である程度の気密性を確保す
ることができる。
According to the present invention, the passage forming groove is provided on at least one of the mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces, so that when the mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces are brought into contact with each other, a separator is formed. The opening of the channel forming groove formed in one plate-shaped separator piece is closed by the mating surface of the other plate-shaped separator piece. As a result, the passage forming groove serves as a tunnel-shaped gas passage connecting the gas manifold and the gas chamber, and the gas flow between the gas manifold and the gas chamber is secured through the tunnel-shaped gas passage. According to this configuration, the two plate-shaped separator pieces do not have a relationship in which one is fitted to the other, but have an equivalent mating surface, and are in a relationship of merely joining them together. It is not so difficult to smooth each mating surface in advance in terms of processing technology. Therefore, even if a separator is composed of a plate-like separator piece having a mating surface having a high surface smoothness and a plurality of such separators are stacked, each unit battery The parallel state between them is not impaired, and dimensional errors are unlikely to accumulate in the stacking direction unlike the conventional example. Further, since the two plate-shaped separator pieces are not in a mutually engaged relationship, it is not necessary to form a fine step on both sides, and there is no cause for generating an unnecessary gap. Therefore, as far as the communication structure between the gas manifold and the gas chamber is concerned, a certain degree of hermeticity can be secured by itself.

【0009】請求項2の発明は、請求項1に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の双方の合
わせ面には、互いに符合する位置において通路構成溝が
それぞれ形成されており、これら通路構成溝が組合わさ
ることで前記ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス
通路が構成されることを特徴とする。この構成によれ
ば、二つの合わせ面の双方に形成された通路構成溝が組
合わさって一つのトンネル状ガス通路が構成されるた
め、一つの通路構成溝の深さを比較的浅く設定してもト
ンネル状ガス通路には十分なガス流通断面積を付与でき
る。故に、各板状セパレータ片の機械的強度を低下させ
ることなく、その厚さを薄くすることが可能となり、燃
料電池の積層密度を向上させることが可能となる。
According to a second aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first aspect, a passage forming groove is formed on each of the mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces at a position corresponding to each other, A gas passage connecting the gas manifold and the gas chamber is formed by combining these passage forming grooves. According to this configuration, since the passage-forming grooves formed on both of the two mating surfaces are combined to constitute one tunnel-like gas passage, the depth of one passage-forming groove is set to be relatively shallow. Also, a sufficient gas flow cross-sectional area can be given to the tunnel-shaped gas passage. Therefore, it is possible to reduce the thickness of each plate-shaped separator piece without lowering its mechanical strength, and it is possible to improve the stacking density of the fuel cell.

【0010】請求項3の発明は、請求項1又は2に記載
の燃料電池において、前記通路構成溝が形成された板状
セパレータ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連
通させるべく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連
通孔が形成されていることを特徴とする。本件燃料電池
の基本構造に従えば、板状セパレータ片の合わせ面と反
対側の面が電池セルの電極材に対向する面となり、この
反対側の面にガス室が配置される。この点、請求項3の
構成によれば、セパレータ片を積層方向に貫通して設け
られた連通孔が、合わせ面側に形成された通路構成溝と
前記ガス室とを連通させるため、ガス室はこの連通孔及
び通路構成溝を介してガスマニホールドと連通すること
が可能となる。
According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, the plate-shaped separator piece having the passage-forming groove is formed so that the passage-forming groove communicates with the gas chamber. A communication hole penetrating the separator piece in the laminating direction is formed. According to the basic structure of the present fuel cell, the surface opposite to the mating surface of the plate-like separator pieces is the surface facing the electrode material of the battery cell, and the gas chamber is arranged on the opposite surface. In this regard, according to the configuration of claim 3, the communication hole provided through the separator piece in the stacking direction connects the passage configuration groove formed on the mating surface side with the gas chamber, so that the gas chamber is formed. Can communicate with the gas manifold via the communication hole and the passage forming groove.

【0011】請求項4の発明は、請求項3に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の接合領域
には、セパレータの積層方向と直交する面内において、
前記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔
が存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられて
いることを特徴とする。この構成によれば、セパレータ
の積層方向と直交する面内で観察した場合に、互いに連
通するガスマニホールド、通路構成溝(トンネル状通
路)及び連通孔が存在する同種ガス(例えば燃料ガス)
の領域は、ガスシール手段で包囲されることにより、異
種ガス(例えば酸化剤ガス)の領域から隔絶される。こ
のため、燃料電池内部において、二種類のガスが混合す
る事態が確実に回避され、ガス混合による電池性能の低
下を防止できる。尚、前記ガスシール手段が、ゴム、O
リング、接着剤又は金属材料の振動溶着によって提供さ
れることは好ましい。
According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the third aspect, a joining area between the two plate-like separator pieces is provided in a plane orthogonal to the laminating direction of the separators.
A gas sealing means is provided which surrounds a region where the gas manifold, the passage forming groove, and the communication hole are present. According to this configuration, when observed in a plane orthogonal to the laminating direction of the separators, the same kind of gas (for example, fuel gas) having the gas manifold, the passage forming groove (tunnel-like passage), and the communication hole communicating with each other exists.
Region is isolated from the region of a different gas (eg, an oxidizing gas) by being surrounded by the gas sealing means. For this reason, a situation in which two types of gases are mixed inside the fuel cell is reliably avoided, and a decrease in cell performance due to gas mixing can be prevented. The gas sealing means is made of rubber, O,
Preferably provided by vibration welding of a ring, adhesive or metallic material.

【0012】請求項5の発明は、請求項4に記載の燃料
電池において、前記二つの板状セパレータ片の合わせ面
の少なくとも一方には、前記ガスシール手段を収容する
ためのシール溝が形成されていることを特徴とする。板
状セパレータ片の合わせ面にシール溝を付与すること
で、二つの板状セパレータ片の接合領域に設けられるガ
スシール手段の位置決めが容易になる。加えて、ガスシ
ール手段の合わせ面内での横ずれが効果的に防止され
る。尚、二つの板状セパレータ片の合わせ面の双方に対
し、互いに符合する位置で前記シール溝を形成すること
は好ましい。
According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the fourth aspect, a sealing groove for accommodating the gas sealing means is formed on at least one of the mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces. It is characterized by having. By providing the sealing groove on the mating surface of the plate-shaped separator pieces, the positioning of the gas sealing means provided in the joint region between the two plate-shaped separator pieces becomes easy. In addition, lateral displacement in the mating plane of the gas sealing means is effectively prevented. In addition, it is preferable to form the seal groove at a position corresponding to both of the mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces.

【0013】請求項6の発明は、平面形状がほぼ同じ二
つの板状セパレータ片を重ね合わせて構成されると共
に、前記二つの板状セパレータ片が相互接触するそれぞ
れの合わせ面の少なくとも一方には、燃料電池における
ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通路を構成す
るための通路構成溝が形成されていることを特徴とする
燃料電池セパレータである。この請求項6の技術的意義
は、前記請求項1の発明とほぼ同じである。
According to a sixth aspect of the present invention, two plate-like separator pieces having substantially the same planar shape are overlapped with each other, and at least one of the mating surfaces where the two plate-like separator pieces contact each other is provided. A fuel cell separator, wherein a gas passage connecting groove for connecting a gas manifold and a gas chamber in the fuel cell is formed. The technical significance of the sixth aspect is substantially the same as that of the first aspect.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】本実施形態の燃料電池は、図1及
び図2に示すように、冷却媒体流通路を提供する基礎セ
パレータ片30の上に2階層の単位電池を積み上げたも
のを一組の最小積層群とし、この最小積層群を垂直方向
に複数組積み上げて構成されている。そして、前記2階
層の単位電池の各々は、第1セパレータ片10、第2セ
パレータ片20及びこれらセパレータ片10,20間に
介在される電池セル40から構成される。なお、図1は
図3,5及び7におけるA−A線での断面を示し、図2
は図3,5及び7におけるB−B線での断面を示す。こ
れらの図面からわかるように、各セパレータ片10,2
0,30の周縁部には、セパレータ片を積層方向に貫通
する複数のガスマニホールド51A,51B,52A,
52B及び冷却媒体通路53A,53Bが設けられてい
る。一対のガスマニホールド51A及び51Bは還元剤
ガスとしての燃料ガス用のマニホールドであり、一対の
ガスマニホールド52A及び52Bは酸化剤ガスとして
の空気用のマニホールドである。燃料ガスとしては一般
に、水素ガスや、メタノール又は天然ガスから製造され
る改質ガスが使用される。なお、一対をなす冷却媒体通
路53A,53Bには冷却媒体としての冷却水が流され
る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A fuel cell according to this embodiment is obtained by stacking unit cells of two layers on a base separator piece 30 for providing a cooling medium flow path, as shown in FIGS. The minimum stacking group of the set is a plurality of the minimum stacking groups stacked vertically. Each of the unit batteries in the two layers is composed of a first separator piece 10, a second separator piece 20, and a battery cell 40 interposed between the separator pieces 10, 20. FIG. 1 shows a cross section taken along line AA in FIGS. 3, 5 and 7, and FIG.
Shows a cross section taken along the line BB in FIGS. As can be seen from these drawings, each separator piece 10, 2
A plurality of gas manifolds 51A, 51B, 52A, which penetrate the separator pieces in the laminating direction at the peripheral portions of 0, 30.
52B and cooling medium passages 53A, 53B are provided. A pair of gas manifolds 51A and 51B are manifolds for fuel gas as a reducing agent gas, and a pair of gas manifolds 52A and 52B are manifolds for air as an oxidizing gas. In general, a hydrogen gas or a reformed gas produced from methanol or natural gas is used as the fuel gas. In addition, cooling water as a cooling medium flows through the pair of cooling medium passages 53A and 53B.

【0015】各単位電池を構成する電池セル40は、プ
ロトン透過性を持つ高分子材料を基材とする高分子固体
電解質膜(プロトン透過膜)41と、その下側に設けら
れた負極側の電極材42と、上側に設けられた正極側の
電極材43とから構成されている。つまり高分子固体電
解質膜41は、二つの電極材42及び43によって挟着
されている。これらの電極材42,43は、優れたガス
透過性と導電性とを兼ね備えた材料(例えば多孔質のカ
ーボン材料)で構成される。電極材42,43は、ガス
の拡散層及び流通層としての役割を果たすと共に、電気
化学反応における電子の授受及び移動に関与する電極と
して機能する。なお、各電極材と高分子固体電解質膜4
1との境界領域には、電気化学反応を促進するための触
媒層(図示略)が設けられている。
A battery cell 40 constituting each unit battery includes a polymer solid electrolyte membrane (proton permeable membrane) 41 made of a polymer material having proton permeability and a negative electrode side provided thereunder. It is composed of an electrode member 42 and a positive electrode member 43 provided on the upper side. That is, the solid polymer electrolyte membrane 41 is sandwiched between the two electrode members 42 and 43. These electrode members 42 and 43 are made of a material having both excellent gas permeability and conductivity (for example, a porous carbon material). The electrode members 42 and 43 function as a gas diffusion layer and a gas distribution layer, and also function as electrodes involved in transfer and transfer of electrons in the electrochemical reaction. Each electrode material and the polymer solid electrolyte membrane 4
A catalyst layer (not shown) for promoting an electrochemical reaction is provided in a boundary region with the catalyst layer 1.

【0016】図1及び図2に示すように、第1セパレー
タ片10と第2セパレータ片20との間には、シール材
45の配設スペースを確保しつつ電池セル40の周囲を
取り囲むようにスペーサ44が設けられている(図には
スペーサ44の一部断面のみを示す)。スペーサ44は
リジッドな絶縁材料(例えば絶縁性合成樹脂)で構成さ
れており、電池セル40を機械的圧迫から保護する。つ
まり、基礎セパレータ片30及び単位電池を積層締結す
る際の圧力によって、固体電解質膜41並びに電極材4
2及び43が押しつぶされるのを防止する保形材として
機能する。尚、スペーサ44の端部領域には燃料ガス用
のガスマニホールド51A(図1参照)及び空気用のガ
スマニホールド52A(図2参照)が垂直方向(積層方
向)に形成されている。スペーサ44の近傍に設けられ
たシール材45は、各ガスマニホールドと電池セル40
との間の連通を遮断する。
As shown in FIGS. 1 and 2, between the first separator piece 10 and the second separator piece 20, a space for disposing the sealing material 45 is secured so as to surround the battery cell 40. A spacer 44 is provided (only a partial cross section of the spacer 44 is shown in the figure). The spacer 44 is made of a rigid insulating material (for example, an insulating synthetic resin), and protects the battery cell 40 from mechanical pressure. That is, the solid electrolyte membrane 41 and the electrode 4
2 and 43 function as a shape-retaining material for preventing crushing. In the end region of the spacer 44, a gas manifold 51A for fuel gas (see FIG. 1) and a gas manifold 52A for air (see FIG. 2) are formed in a vertical direction (stacking direction). The sealing material 45 provided in the vicinity of the spacer 44 is provided between each gas manifold and the battery cell 40.
Cuts off communication with

【0017】各階層の単位電池において、電池セル40
の上側に位置する第1セパレータ片10は、図3及び図
4に示すような平面四角形状をなす。図3は第1セパレ
ータ片10の上面側の全体を示し、図4はその下面側の
一部を示す。この第1セパレータ片10は、当該電池セ
ル40と上階の電池セル40を分離する部材であると共
に、当該電池セル40の電極材43との間に空気用のガ
ス室を構成するためのガス室構成部材でもある。
In the unit cells of each level, the battery cells 40
The first separator piece 10 located on the upper side of FIG. 3 has a planar rectangular shape as shown in FIGS. 3 and 4. FIG. 3 shows the entire upper surface of the first separator piece 10, and FIG. 4 shows a part of the lower surface thereof. The first separator piece 10 is a member for separating the battery cell 40 from the battery cell 40 on the upper floor, and a gas for forming a gas chamber for air between the battery cell 40 and the electrode material 43 of the battery cell 40. It is also a chamber component.

【0018】第1セパレータ片10の一隅部には、前記
ガスマニホールド51A,52A及び冷却媒体通路53
Aが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド51B,52B及び冷却媒体
通路53Bが貫通形成されている。図4に示すように、
電極材43と対向する面である第1セパレータ片10の
下面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連
の凹部11(溝パターンとも言う)が形成されている。
図3に破線で示唆するように、一連の凹部11はS字状
に蛇行し、その両端域はセパレータ片の両対角位置にあ
るガスマニホールド群の近傍に達している。図1及び図
2に示すように、第1セパレータ片10の下面が電池セ
ル40の上面に重合されたとき、前記凹部11は、電極
材43に隣接すると共にS字状に蛇行した流路を持つガ
ス室を提供する。そして、このガス室の流路の両端域は
空気用ガスマニホールド52A及び52Bと連通する。
At one corner of the first separator piece 10, the gas manifolds 51A and 52A and the cooling medium passage 53 are provided.
A is formed to penetrate, and the gas manifolds 51B, 52B and the cooling medium passage 53B are formed to penetrate at corners at diagonal positions of one corner. As shown in FIG.
A series of recesses 11 (also referred to as groove patterns) including a plurality of grooves are formed in the central region of the lower surface of the first separator piece 10 which is the surface facing the electrode material 43.
As indicated by the broken line in FIG. 3, the series of recesses 11 meanders in an S-shape, and both end regions reach the vicinity of the gas manifold groups located at both diagonal positions of the separator pieces. As shown in FIGS. 1 and 2, when the lower surface of the first separator piece 10 is superimposed on the upper surface of the battery cell 40, the concave portion 11 forms a flow path adjacent to the electrode material 43 and meandering in an S shape. Provide a gas chamber with Then, both end regions of the flow path of the gas chamber communicate with the air gas manifolds 52A and 52B.

【0019】図3及び図4に示すように、第1セパレー
タ片10において空気用ガスマニホールド52A及び5
2Bの各々の近傍には、複数個の連通孔12(本例では
一つのガスマニホールドあたり4個)が該セパレータ片
を厚み方向(即ち積層方向)に貫通して形成されてい
る。加えて第1セパレータ片10の上面には、各連通孔
12毎に、その連通孔12とそれに対応するガスマニホ
ールド52A又は52Bとをつなぐ通路構成溝13が形
成されている。また、第1セパレータ片10の上面は、
上階層の単位電池の第2セパレータ片20の下面(又は
基礎セパレータ片30の下面)と接触する合わせ面とな
る。図2に示すように、第1セパレータ片10に形成さ
れた前記連通孔12及び通路構成溝13に対応して、第
2セパレータ片20の下面には通路構成溝23が形成さ
れている。その通路構成溝23の一端は、空気用ガスマ
ニホールド52A又は52Bに達している(図2及び図
6参照)。そして、これら上下一対の通路構成溝13及
び23が組合わされて水平なトンネル状ガス通路が構成
され、この水平ガス通路は連通孔12と空気用ガスマニ
ホールドとを連通させる。つまり、一対の空気用ガスマ
ニホールド52A,52Bの各々は、それぞれに対応す
る通路構成溝13及び23及び連通孔12を介して前記
ガス室11の端部領域とつながっている。
As shown in FIGS. 3 and 4, the first gaskets 52A and 52
In the vicinity of each of 2B, a plurality of communication holes 12 (four per gas manifold in this example) are formed penetrating the separator piece in the thickness direction (that is, the laminating direction). In addition, on the upper surface of the first separator piece 10, a passage forming groove 13 that connects the communication hole 12 and the corresponding gas manifold 52A or 52B is formed for each communication hole 12. In addition, the upper surface of the first separator piece 10
It is a mating surface that comes into contact with the lower surface of the second separator piece 20 (or the lower surface of the base separator piece 30) of the unit battery in the upper layer. As shown in FIG. 2, a passage forming groove 23 is formed on the lower surface of the second separator piece 20 corresponding to the communication hole 12 and the passage forming groove 13 formed in the first separator piece 10. One end of the passage forming groove 23 reaches the air gas manifold 52A or 52B (see FIGS. 2 and 6). The pair of upper and lower passage forming grooves 13 and 23 are combined to form a horizontal tunnel-like gas passage, and the horizontal gas passage connects the communication hole 12 with the air gas manifold. That is, each of the pair of air gas manifolds 52 </ b> A and 52 </ b> B is connected to the end region of the gas chamber 11 via the corresponding passage forming grooves 13 and 23 and the communication hole 12.

【0020】更に図1〜図4に示すように、第1セパレ
ータ片10の上面は、セパレータ片の積層方向と直交す
る面であると共に第2セパレータ片20の下面と接合す
るための合わせ面となっている。この合わせ面には、そ
の中央領域と周縁領域との境界位置において一連のシー
ル溝14が形成され、該シール溝14は、セパレータ片
上面を都合6つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部
11の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路53A,5
3Bがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの
酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料
ガス用ガスマニホールド51A又は51Bと3条の通路
構成溝15とが包含され、シール溝14はこれらを包囲
するように設けられている。又、酸化剤ガス領域の各々
には、空気用ガスマニホールド52A又は52Bと4個
の連通孔12と4条の通路構成溝13とが包含され、シ
ール溝14はこれらを包囲するように設けられている。
図1及び図2に示すように、前記一連のシール溝14内
には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手段と
してのシール材54が配設される。シール材54は、第
1セパレータ片10と第2セパレータ片20との接合領
域において前記6つの領域を互いに隔絶し、領域相互間
における流体連通を遮断する。なお、図4(第1セパレ
ータ片10の下面)に黒塗りで示す領域には、前記スペ
ーサ44の近傍に設けられるシール材45が配置され
る。シール材45の位置は、上面側のシール溝14の位
置と一部を除いてほぼ符合する。
Further, as shown in FIGS. 1 to 4, the upper surface of the first separator piece 10 is a surface orthogonal to the laminating direction of the separator pieces and a mating surface for joining to the lower surface of the second separator piece 20. Has become. A series of seal grooves 14 are formed on the mating surface at the boundary position between the central region and the peripheral region, and the seal grooves 14 divide the upper surface of the separator piece into six convenient regions. That is, the central area on the back side of the gas chamber concave portion 11 and the cooling medium passages 53A, 53
3B is a peripheral area, two fuel gas areas, and two oxidant gas areas. Each of the fuel gas regions includes a fuel gas gas manifold 51A or 51B and three passage forming grooves 15, and a seal groove 14 is provided so as to surround them. Each of the oxidizing gas regions includes an air gas manifold 52A or 52B, four communication holes 12, and four passage forming grooves 13, and a seal groove 14 is provided so as to surround them. ing.
As shown in FIGS. 1 and 2, in the series of seal grooves 14, a seal member 54 as gas sealing means corresponding to the shape of the seal grooves is provided. The sealing material 54 separates the six regions from each other in a joining region between the first separator piece 10 and the second separator piece 20, and blocks fluid communication between the regions. In a region shown in black in FIG. 4 (the lower surface of the first separator piece 10), a sealing material 45 provided near the spacer 44 is disposed. The position of the seal material 45 substantially coincides with the position of the seal groove 14 on the upper surface except for a part.

【0021】各階層の単位電池において、電池セル40
の下側に位置する第2セパレータ片20は、図5及び図
6に示すように前記第1セパレータ片10と同じ平面四
角形状をなす。図5は第1セパレータ片10の上面側の
全体を示し、図6はその下面側の一部を示す。この第2
セパレータ片20は、当該電池セル40と下階の電池セ
ル40を分離する部材であると共に、当該電池セル40
の電極材42との間に燃料ガス用のガス室を構成するた
めのガス室構成部材でもある。
In the unit cells of each layer, the battery cells 40
As shown in FIGS. 5 and 6, the second separator piece 20 located on the lower side has the same planar rectangular shape as the first separator piece 10. FIG. 5 shows the entire upper surface side of the first separator piece 10, and FIG. 6 shows a part of the lower surface side. This second
The separator piece 20 is a member that separates the battery cell 40 from the battery cell 40 on the lower floor.
It is also a gas chamber constituting member for forming a gas chamber for fuel gas between the electrode member 42 and the electrode member 42.

【0022】第2セパレータ片20の一隅部には、前記
ガスマニホールド51A,52A及び冷却媒体通路53
Aが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド51B,52B及び冷却媒体
通路53Bが貫通形成されている。図5に示すように、
電極材42と対向する面である第2セパレータ片20の
上面には、その中央領域において複数条の溝を含む一連
の凹部21(溝パターンとも言う)が形成されている。
一連の凹部21はS字状に蛇行し、その両端域はセパレ
ータ片の両対角位置にあるガスマニホールド群の近傍に
達している。図1及び図2に示すように、第2セパレー
タ片20の上面が電池セル40の下面に重合されたと
き、前記凹部21は、電極材42に隣接すると共にS字
状に蛇行した流路を持つガス室を提供する。そして、こ
のガス室の流路の両端域は燃料ガス用ガスマニホールド
51A及び51Bと連通する。
At one corner of the second separator piece 20, the gas manifolds 51A and 52A and the cooling medium passage 53 are provided.
A is formed to penetrate, and the gas manifolds 51B, 52B and the cooling medium passage 53B are formed to penetrate at corners at diagonal positions of one corner. As shown in FIG.
On the upper surface of the second separator piece 20, which is the surface facing the electrode material 42, a series of concave portions 21 (also referred to as groove patterns) including a plurality of grooves are formed in the central region.
The series of concave portions 21 meander in an S-shape, and both end regions reach the vicinity of the gas manifold group located at both diagonal positions of the separator pieces. As shown in FIGS. 1 and 2, when the upper surface of the second separator piece 20 is superimposed on the lower surface of the battery cell 40, the recess 21 forms a flow path adjacent to the electrode material 42 and meandering in an S shape. Provide a gas chamber with Then, both end regions of the flow passage of the gas chamber communicate with the fuel gas gas manifolds 51A and 51B.

【0023】図5及び図6に示すように、第2セパレー
タ片20において燃料ガス用ガスマニホールド51A及
び51Bの各々の近傍には、複数個の連通孔22(本例
では一つのガスマニホールドあたり3個)が該セパレー
タ片を厚み方向(即ち積層方向)に貫通して形成されて
いる。加えて第2セパレータ片20の下面には、各連通
孔22毎に、その連通孔22とそれに対応するガスマニ
ホールド51A又は51Bとをつなぐ通路構成溝25が
形成されている。また、第2セパレータ片20の下面
は、下階層の単位電池の第1セパレータ片10の上面
(又は基礎セパレータ片30の上面)と接触する合わせ
面となる。図1に示すように、第2セパレータ片20に
形成された前記連通孔22及び通路構成溝25に対応し
て、第1セパレータ片10の上面には通路構成溝15が
形成されている。その通路構成溝15の一端は、燃料ガ
ス用ガスマニホールド51A又は51Bに達している
(図1及び図3参照)。そして、これら上下一対の通路
構成溝25及び15が組合わされて水平なトンネル状ガ
ス通路が構成され、この水平ガス通路は連通孔22と燃
料ガス用ガスマニホールドとを連通させる。つまり、一
対の燃料ガス用ガスマニホールド51A,51Bの各々
は、それぞれに対応する通路構成溝25及び15及び連
通孔22を介して前記ガス室21の端部領域とつながっ
ている。
As shown in FIGS. 5 and 6, a plurality of communication holes 22 (in this example, 3 per gas manifold) are provided in the second separator piece 20 near each of the fuel gas gas manifolds 51A and 51B. Are formed penetrating the separator piece in the thickness direction (that is, the laminating direction). In addition, on the lower surface of the second separator piece 20, for each communication hole 22, a passage forming groove 25 that connects the communication hole 22 and the corresponding gas manifold 51A or 51B is formed. Also, the lower surface of the second separator piece 20 is a mating surface that comes into contact with the upper surface of the first separator piece 10 (or the upper surface of the base separator piece 30) of the unit battery in the lower layer. As shown in FIG. 1, a passage forming groove 15 is formed on the upper surface of the first separator piece 10 corresponding to the communication hole 22 and the passage forming groove 25 formed in the second separator piece 20. One end of the passage forming groove 15 reaches the fuel gas gas manifold 51A or 51B (see FIGS. 1 and 3). The pair of upper and lower passage forming grooves 25 and 15 are combined to form a horizontal tunnel-shaped gas passage, and this horizontal gas passage communicates the communication hole 22 with the fuel gas gas manifold. That is, each of the pair of fuel gas gas manifolds 51A and 51B is connected to the end region of the gas chamber 21 via the corresponding passage forming grooves 25 and 15 and the communication hole 22.

【0024】更に図1,2,5及び6に示すように、第
2セパレータ片20の下面は、セパレータ片の積層方向
と直交する面であると共に第1セパレータ片10の上面
と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面
には、その中央領域と周縁領域との境界位置において一
連のシール溝24が形成されている。このシール溝24
は、第1セパレータ片上面のシール溝14と符合する位
置に設けられ、シール溝14と同様、第2セパレータ片
下面を都合6つの領域に区画する。即ち、ガス室用凹部
21の裏側にある中央領域と、冷却媒体通路53A,5
3Bがある周縁領域と、二つの燃料ガス領域と、二つの
酸化剤ガス領域である。燃料ガス領域の各々には、燃料
ガス用ガスマニホールド51A又は51Bと3個の連通
孔22と3条の通路構成溝25とが包含され、シール溝
24はこれらを包囲するように設けられている。又、酸
化剤ガス領域の各々には、空気用ガスマニホールド52
A又は521Bと4条の通路構成溝23とが包含され、
シール溝24はこれらを包囲するように設けられてい
る。図1及び図2に示すように、前記一連のシール溝2
4内には、そのシール溝の形状に対応したガスシール手
段としてのシール材54が配設される。尚、図5(第2
セパレータ片20の上面)に黒塗りで示す領域には、前
記スペーサ44の近傍に設けられるシール材45が配置
される。シール材45の位置は、下面側のシール溝24
の位置と一部を除いてほぼ符合する。
Further, as shown in FIGS. 1, 2, 5 and 6, the lower surface of the second separator piece 20 is a surface orthogonal to the laminating direction of the separator pieces and is used for bonding to the upper surface of the first separator piece 10. It is a mating surface. A series of seal grooves 24 are formed on the mating surface at a boundary position between the central region and the peripheral region. This seal groove 24
Is provided at a position corresponding to the seal groove 14 on the upper surface of the first separator piece, and similarly to the seal groove 14, partitions the lower surface of the second separator piece into six regions. That is, the central region on the back side of the gas chamber concave portion 21 and the cooling medium passages 53A, 53
3B is a peripheral area, two fuel gas areas, and two oxidant gas areas. Each of the fuel gas regions includes a fuel gas gas manifold 51A or 51B, three communication holes 22 and three passage forming grooves 25, and a seal groove 24 is provided so as to surround them. . In addition, each of the oxidant gas areas has a gas manifold 52 for air.
A or 521B and the four passage forming grooves 23 are included,
The seal groove 24 is provided so as to surround them. As shown in FIG. 1 and FIG.
A seal member 54 as a gas seal means corresponding to the shape of the seal groove is provided in the seal member 4. FIG. 5 (second
A sealing material 45 provided in the vicinity of the spacer 44 is disposed in a region indicated by black paint on the upper surface of the separator piece 20). The position of the sealing material 45 is determined by the position of the sealing groove 24 on the lower surface side.
It is almost the same except for the position and part.

【0025】燃料電池の組立時に単位電池間に介装され
ることになる基礎セパレータ片30は、図7及び図8に
示すように前記第1及び第2セパレータ片10,20と
同じ平面四角形状をなす。図7は基礎セパレータ片30
の上面側の全体を示し、図8はその下面側の一部を示
す。この基礎セパレータ片30は、二つの電池セル40
を分離する部材であると共に、二つの単位電池間に冷却
媒体としての冷却水の流通室を構成するための部材でも
ある。
The basic separator piece 30 to be interposed between the unit cells when assembling the fuel cell has the same planar square shape as the first and second separator pieces 10 and 20, as shown in FIGS. Make FIG. 7 shows a basic separator piece 30.
8 shows a part of the lower surface side. This base separator piece 30 is composed of two battery cells 40.
And a member for forming a flow chamber for cooling water as a cooling medium between the two unit batteries.

【0026】基礎セパレータ片30の一隅部には、前記
ガスマニホールド51A,52A及び冷却媒体通路53
Aが貫通形成され、その一隅部の対角位置にある隅部に
は、前記ガスマニホールド51B,52B及び冷却媒体
通路53Bが貫通形成されている。図8に示すように、
第1セパレータ片10の上面との合わせ面となる基礎セ
パレータ片30の下面には、その中央領域において複数
条の溝を含む一連の凹部31(溝パターンとも言う)が
形成されている。図7に破線で示唆するように一連の凹
部31はS字状に蛇行し、その両端域はセパレータ片の
両対角位置にある冷却媒体通路53A,53Bの近傍に
達している。そして、一連の凹部31の両端域と冷却媒
体通路53A,53Bとは、基礎セパレータ片30の下
面に形成された一対の連絡溝32を介して連通してい
る。基礎セパレータ片30の下面が第1セパレータ片1
0の上面に重ね合わされたとき、前記凹部31及び連絡
溝32は、二つの冷却媒体通路53A,53Bをつなぐ
と共にS字状に蛇行した流路を持つ冷却水流通室を構成
する。
At one corner of the base separator piece 30, the gas manifolds 51A and 52A and the cooling medium passage 53 are provided.
A is formed to penetrate, and the gas manifolds 51B, 52B and the cooling medium passage 53B are formed to penetrate at corners at diagonal positions of one corner. As shown in FIG.
A series of recesses 31 (also referred to as groove patterns) including a plurality of grooves are formed in the lower surface of the base separator piece 30 which is the mating surface with the upper surface of the first separator piece 10 in the central region. As indicated by the broken line in FIG. 7, the series of concave portions 31 meander in an S-shape, and both end regions thereof reach the vicinity of the cooling medium passages 53A and 53B located at both diagonal positions of the separator pieces. The two end regions of the series of recesses 31 and the cooling medium passages 53A and 53B communicate with each other through a pair of communication grooves 32 formed on the lower surface of the base separator piece 30. The lower surface of the base separator piece 30 is the first separator piece 1
When superposed on the upper surface of the cooling water flow path 0, the recess 31 and the communication groove 32 connect the two cooling medium passages 53A and 53B and constitute a cooling water flow chamber having a flow path meandering in an S shape.

【0027】更に図1,2,7及び8に示すように、基
礎セパレータ片30の上面は、セパレータ片の積層方向
と直交する面であると共に第2セパレータ片20の下面
と接合するための合わせ面となっている。この合わせ面
には、第2セパレータ片下面のシール溝24と符合する
シール溝33が形成されている。図1及び図2に示すよ
うに、二つのシール溝24,33で構成されるトンネル
内にはガスシール手段としてのシール材54が配設され
る。他方、基礎セパレータ片30の下面は、セパレータ
片の積層方向と直交する面であると共に第1セパレータ
片10の上面と接合するための合わせ面となっている。
この合わせ面には、第1セパレータ片10上面のシール
溝14と一部を除いてほぼ符合するシール溝34が形成
されている。図1及び図2に示唆されるように、二つの
シール溝14,34で構成されるトンネル内にはガスシ
ール手段としてのシール材54が配設される。基礎セパ
レータ片30の上下に配設されたシール材54は、第1
及び第2セパレータ片10,20の境界領域に配設され
たシール材54と同じ役目を果たす。
Further, as shown in FIGS. 1, 2, 7 and 8, the upper surface of the base separator piece 30 is a surface orthogonal to the laminating direction of the separator pieces and is joined to the lower surface of the second separator piece 20. Surface. In this mating surface, a seal groove 33 is formed which matches the seal groove 24 on the lower surface of the second separator piece. As shown in FIGS. 1 and 2, a sealing material 54 as gas sealing means is provided in a tunnel formed by the two sealing grooves 24 and 33. On the other hand, the lower surface of the base separator piece 30 is a surface orthogonal to the laminating direction of the separator pieces and a mating surface for joining to the upper surface of the first separator piece 10.
In this mating surface, a seal groove 34 substantially coinciding with the seal groove 14 on the upper surface of the first separator piece 10 except for a part thereof is formed. As suggested in FIGS. 1 and 2, a sealing material 54 as a gas sealing means is provided in a tunnel formed by the two sealing grooves 14 and 34. The sealing members 54 disposed above and below the base separator piece 30 are the first
And the same function as the sealing material 54 disposed in the boundary region between the second separator pieces 10 and 20.

【0028】基礎セパレータ片30の上面は、第2セパ
レータ片20が提供するガス室21と燃料ガス用ガスマ
ニホールド51A又は51Bとをつなぐガス通路の形成
に関与する。即ち図1に示すように、第2セパレータ片
20の下面に形成された通路構成溝25の下側開口を基
礎セパレータ片30の上面が封鎖することによって、連
通孔22とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネル
状ガス通路が構成される。同様に、基礎セパレータ片3
0の下面は、第1セパレータ片10が提供するガス室1
1と空気用ガスマニホールド52A又は52Bとをつな
ぐガス通路の形成に関与する。即ち図2には直接示され
ていないがそこから理解できるように、第1セパレータ
片10の上面に形成された通路構成溝13の上側開口を
基礎セパレータ片30の下面が封鎖することによって、
連通孔12とガスマニホールドとをつなぐ水平なトンネ
ル状ガス通路が構成される。
The upper surface of the base separator piece 30 is involved in forming a gas passage connecting the gas chamber 21 provided by the second separator piece 20 and the fuel gas gas manifold 51A or 51B. That is, as shown in FIG. 1, the lower opening of the passage forming groove 25 formed on the lower surface of the second separator piece 20 is closed by the upper surface of the basic separator piece 30, so that the horizontal hole connecting the communication hole 22 and the gas manifold is formed. A simple tunnel-like gas passage is formed. Similarly, the base separator piece 3
0 is the gas chamber 1 provided by the first separator piece 10.
1 and the formation of a gas passage connecting the air gas manifold 52A or 52B. That is, although not directly shown in FIG. 2, as can be understood therefrom, by closing the upper opening of the passage forming groove 13 formed on the upper surface of the first separator piece 10 by the lower surface of the base separator piece 30,
A horizontal tunnel-like gas passage connecting the communication hole 12 and the gas manifold is formed.

【0029】上記の説明並びに図1及び図2からわかる
ように、2枚の第1セパレータ片10、2枚の第2セパ
レータ片20、1枚の基礎セパレータ片30及び二つの
電池セル40を所定の順序に従い積層することにより、
2階層の単位電池及び1階層の冷却媒体層からなる一つ
の最小積層群が構成される。かかる最小積層群が複数積
み重ねられた燃料電池では、2階層の単位電池と1階層
の冷却媒体層とが交互に配置される。その結果、二つの
電池セル40間に介在する区画壁としてのセパレータに
は二種類の構造が存在する。一つは図1及び図2に示す
ように、第1セパレータ片10の上に第2セパレータ片
20を重ねることで構成される厚さtの2層構造セパレ
ータである。もう一つは図1及び図2から類推可能なよ
うに、第1セパレータ片10と第2セパレータ片20と
の間に基礎セパレータ片30を挟み込むことで構成され
る3層構造セパレータである。前記2層構造セパレータ
の厚さtは、好ましくは0.5mm〜1.5mmに設定
(本例ではt=1.0mmに設定)されるが溝深さに応
じてこれ以外でもよい。三つのセパレータ片10,2
0,30の各々の厚さは、前記tの約半分程度に設定さ
れる。それ故、各ガス室を構成する凹部11,12や前
記通路構成溝13,15,23,25の深さは非常に浅
い。このように極めて浅い凹部11,12や通路構成溝
13,15,23,25は様々な方法で加工可能である
が、局部的な歪みを回避しつつ凹部や溝の加工精度を確
保するためには、電解エッチング加工法を採用すること
が好ましい。尚、セパレータ片10,20,30の構成
材料としては、ステンレス鋼、アルミニウム系金属、チ
タン系金属又はカーボン系材料を使用できる。又、凹部
や溝を加工した後のセパレータ片の表面には、必要に応
じてメッキが施される。
As can be seen from the above description and FIGS. 1 and 2, two first separator pieces 10, two second separator pieces 20, one basic separator piece 30 and two battery cells 40 are fixed. By laminating according to the order of
One minimum stacking group composed of two levels of unit cells and one level of cooling medium layer is configured. In a fuel cell in which a plurality of such minimum stacking groups are stacked, unit cells in two layers and cooling medium layers in one layer are alternately arranged. As a result, there are two types of structures in the separator as a partition wall interposed between the two battery cells 40. One is a two-layer structure separator having a thickness t by laminating a second separator piece 20 on a first separator piece 10 as shown in FIGS. 1 and 2. The other is a three-layer structure separator constituted by sandwiching a base separator piece 30 between a first separator piece 10 and a second separator piece 20, as can be inferred from FIGS. The thickness t of the two-layer structure separator is preferably set to 0.5 mm to 1.5 mm (t = 1.0 mm in this example), but may be other values depending on the groove depth. Three separator pieces 10, 2
The thickness of each of 0 and 30 is set to about half of t. Therefore, the depths of the concave portions 11 and 12 and the passage forming grooves 13, 15, 23 and 25 constituting each gas chamber are very shallow. As described above, the extremely shallow concave portions 11 and 12 and the passage forming grooves 13, 15, 23 and 25 can be processed by various methods. However, in order to avoid the local distortion and secure the processing accuracy of the concave portions and the grooves. Preferably employs an electrolytic etching method. Note that stainless steel, aluminum-based metal, titanium-based metal, or carbon-based material can be used as a constituent material of the separator pieces 10, 20, and 30. Further, the surface of the separator piece after processing the recesses and grooves is plated as necessary.

【0030】かかる燃料電池においては、一方の燃料ガ
ス用ガスマニホールド51Aを経由して提供された燃料
ガスは、通路構成溝25(及び15)並びに連通孔22
を介して負極側のガス室21に流入し、そこから連通孔
22並びに通路構成溝25(及び15)を介して他方の
燃料ガス用ガスマニホールド51Bに流出する(図1参
照)。同様に、一方の空気用ガスマニホールド52Aを
経由して提供された空気は、通路構成溝13(及び2
3)並びに連通孔12を介して正極側のガス室11に流
入し、そこから連通孔12並びに通路構成溝13(及び
23)を介して他方の空気用ガスマニホールド52Bに
流出する(図2参照)。各電池セル40では、上下両側
のガス室から供給される燃料ガス及び空気を利用した公
知の電気化学反応に基づいて発電が行われる。
In such a fuel cell, the fuel gas supplied via one of the fuel gas gas manifolds 51A is supplied to the passage forming groove 25 (and 15) and the communication hole 22.
Flows into the gas chamber 21 on the negative electrode side, and flows out therefrom through the communication hole 22 and the passage forming groove 25 (and 15) to the other fuel gas gas manifold 51B (see FIG. 1). Similarly, the air provided via one air gas manifold 52A is supplied to the passage forming groove 13 (and 2).
3) and flows into the gas chamber 11 on the positive electrode side through the communication hole 12, and flows out therefrom to the other air gas manifold 52B through the communication hole 12 and the passage forming groove 13 (and 23) (see FIG. 2). ). In each of the battery cells 40, power generation is performed based on a known electrochemical reaction using fuel gas and air supplied from the upper and lower gas chambers.

【0031】(効果)本実施形態によれば以下のような
効果を得ることができる。 ・この燃料電池によれば、2層構造又は3層構造セパレ
ータの構成要素である各板状セパレータ片10,20,
30は、それぞれに平滑で互いに等価な合わせ面を持
ち、それらを相互に面接合させることによってセパレー
タが構成される。それ故、各層間の平行状態は損なわれ
難く、部分的に段差構造を採用する従来例とは異なり、
積層方向に寸法誤差が累積することがない。このこと
は、ガスシール手段の良否という観点を離れて、それ自
体で燃料電池のガスシール性を向上させるのに貢献す
る。
(Effects) According to the present embodiment, the following effects can be obtained. According to this fuel cell, each plate-like separator piece 10, 20, which is a constituent element of the two-layer structure or the three-layer structure separator,
Reference numerals 30 each have a smooth and equivalent mating surface, and a separator is formed by surface-bonding them. Therefore, the parallel state between the layers is hardly damaged, and unlike the conventional example that partially adopts the step structure,
No dimensional errors are accumulated in the stacking direction. This contributes to improving the gas sealing performance of the fuel cell by itself, apart from the viewpoint of the quality of the gas sealing means.

【0032】・第1セパレータ片10と第2セパレータ
片20との境界領域に設定されるトンネル状ガス通路に
関して言えば、それぞれの合わせ面の双方に形成された
通路構成溝(15,25)及び(13,23)が組合わ
さって一つのトンネル状ガス通路が構成される。このた
め、各通路構成溝の深さが比較的浅くても、前記トンネ
ル状ガス通路には十分なガス流通断面積が付与される。
このことは、各セパレータ片の機械的強度を低下させる
ことなくその厚さを極力薄くすることを可能とし、燃料
電池の積層密度を高めて電池性能向上に貢献する。
With respect to the tunnel-shaped gas passage set in the boundary region between the first separator piece 10 and the second separator piece 20, the passage forming grooves (15, 25) formed on both the respective mating surfaces and (13, 23) are combined to form one tunnel-like gas passage. For this reason, even if the depth of each passage forming groove is relatively shallow, a sufficient gas flow cross-sectional area is provided to the tunnel-shaped gas passage.
This makes it possible to reduce the thickness of each separator piece as much as possible without lowering the mechanical strength, thereby increasing the stacking density of the fuel cell and contributing to improved cell performance.

【0033】・ガスマニホールド51A,51B、通路
構成溝15,25及び連通孔22によって構成される燃
料ガス領域は、シール溝14,24内に収容されるシー
ル材54で包囲されることにより他領域から確実に隔絶
される。同様に、ガスマニホールド52A,52B、通
路構成溝13,23及び連通孔12によって構成される
酸化剤ガス領域も、シール溝14,24内に収容される
シール材54で包囲されることにより他領域から確実に
隔絶される。このため、燃料電池内部において二種類の
ガスが相互に混じり合う事態が確実に回避され、電池性
能の低下が防止される。
The fuel gas region defined by the gas manifolds 51A and 51B, the passage forming grooves 15 and 25, and the communication hole 22 is surrounded by the sealing material 54 housed in the sealing grooves 14 and 24 to form another region. Is reliably isolated from Similarly, the oxidizing gas region formed by the gas manifolds 52A and 52B, the passage forming grooves 13 and 23, and the communication hole 12 is also surrounded by the sealing material 54 accommodated in the sealing grooves 14 and 24 to form another region. Is reliably isolated from Therefore, a situation in which the two types of gases are mixed with each other inside the fuel cell is reliably avoided, and a decrease in cell performance is prevented.

【0034】・この燃料電池によれば、電池内部におけ
る燃料ガス領域と酸化剤ガス領域との間のガス隔絶性が
高まるのみならず、外部へのガス漏洩も効果的に防止す
ることができる。図9のグラフは、100セルの電池セ
ルを積層した燃料電池内に所要のガスを封入し各ガスマ
ニホールドの出入口を封鎖した場合における内圧の経時
変化を測定した結果を示す。内圧は圧力ゲージを用いて
測定されており、ゲージ圧力(内圧)は大気圧基準の相
対圧力を示す。本実施形態の燃料電池では、24時間後
のゲージ圧力は初期ゲージ圧力(0.2MPa=約2気
圧)にほぼ等しく、ガス漏洩はほとんどみられなかっ
た。これに対し、従来例と同じ構造を採用した燃料電池
では、24時間後のゲージ圧力は初期ゲージ圧力(0.
2MPa=約2気圧)に対してその10%以上の低下が
あり、若干のガス漏洩がみられた。この比較実験から
も、本発明の燃料電池が従来例よりも優れた気密性又は
ガスシール性を持つことが立証される。
According to this fuel cell, not only the gas isolation between the fuel gas region and the oxidizing gas region inside the cell is enhanced, but also gas leakage to the outside can be effectively prevented. The graph of FIG. 9 shows the result of measuring the change over time of the internal pressure when a required gas is sealed in a fuel cell in which 100 battery cells are stacked and the entrance and exit of each gas manifold are closed. The internal pressure is measured using a pressure gauge, and the gauge pressure (internal pressure) indicates a relative pressure based on the atmospheric pressure. In the fuel cell of this embodiment, the gauge pressure after 24 hours was almost equal to the initial gauge pressure (0.2 MPa = about 2 atm), and almost no gas leakage was observed. On the other hand, in the fuel cell employing the same structure as the conventional example, the gauge pressure after 24 hours is changed to the initial gauge pressure (0.
(2 MPa = about 2 atm), a decrease of 10% or more thereof, and slight gas leakage was observed. This comparative experiment also proves that the fuel cell of the present invention has better airtightness or gas sealability than the conventional example.

【0035】(変更例)上記実施形態を以下のように変
更実施してもよい。前記シール材45及び54として
は、ゴム、金属製Oリング又は接着剤のいずれも使用可
能である。特に樹脂系の材料を用いる場合には、耐腐食
性に優れるフッ素系又はシリコーン系樹脂が好ましい。
他方、このような一般的なシール材に代えて、金属材料
を振動溶着させた結果形成されるガスシール手段を採用
してもよい。
(Modification) The above embodiment may be modified as follows. As the seal members 45 and 54, any of rubber, metal O-ring, and adhesive can be used. In particular, when a resin material is used, a fluorine or silicone resin having excellent corrosion resistance is preferable.
On the other hand, instead of such a general sealing material, gas sealing means formed by vibration welding a metal material may be employed.

【0036】図1に示す第2セパレータ片20の下面と
接合される基礎セパレータ片30の上面に、第2セパレ
ータ片20側の通路構成溝25と符合する通路構成溝を
形成し、両セパレータ片20,30の境界領域に十分な
ガス流通断面積を確保したトンネル状通路を構成しても
よい。又、図2から示唆されるように第1セパレータ片
10の上面と接合される基礎セパレータ片30の下面
に、第1セパレータ片10側の通路構成溝13と符合す
る通路構成溝を形成し、両セパレータ片10,30の境
界領域に十分なガス流通断面積を確保したトンネル状通
路を構成してもよい。
On the upper surface of the base separator piece 30 joined to the lower face of the second separator piece 20 shown in FIG. 1, a passage forming groove corresponding to the passage forming groove 25 on the second separator piece 20 side is formed. A tunnel-like passage having a sufficient gas flow cross-sectional area in the boundary region between 20, 30 may be formed. Further, as suggested from FIG. 2, a passage forming groove corresponding to the passage forming groove 13 on the first separator piece 10 side is formed on the lower surface of the base separator piece 30 joined to the upper surface of the first separator piece 10, A tunnel-like passage having a sufficient gas flow cross-sectional area in the boundary region between the separator pieces 10 and 30 may be formed.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、単
位電池を多数積層した場合でも積層方向に寸法誤差が累
積し難く単位電池相互間の平行状態を極力維持すること
ができる。又、燃料電池内部において燃料ガス領域と酸
化剤ガス領域との間のガス隔絶性を向上させることがで
きる。
As described above in detail, according to the present invention, even when a large number of unit batteries are stacked, a dimensional error hardly accumulates in the stacking direction, and the parallel state between the unit batteries can be maintained as much as possible. Further, the gas isolation between the fuel gas region and the oxidizing gas region inside the fuel cell can be improved.

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

【図1】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing a part of a stacked structure of a fuel cell.

【図2】燃料電池の積層構造の一部を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of a stacked structure of a fuel cell.

【図3】第1セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。
FIG. 3 is a plan view showing the entire upper surface side of a first separator piece.

【図4】第1セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。
FIG. 4 is a bottom view showing a part of the lower surface side of the first separator piece.

【図5】第2セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。
FIG. 5 is a plan view showing the entire upper surface side of a second separator piece.

【図6】第2セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。
FIG. 6 is a bottom view showing a part of a lower surface side of a second separator piece.

【図7】基礎セパレータ片の上面側の全体を示す平面
図。
FIG. 7 is a plan view showing the entire upper surface of the base separator piece.

【図8】基礎セパレータ片の下面側の一部を示す底面
図。
FIG. 8 is a bottom view showing a part of the lower surface of the base separator piece.

【図9】比較実験でのガス圧経時変化の測定結果を示す
グラフ。
FIG. 9 is a graph showing a measurement result of a temporal change in gas pressure in a comparative experiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10,20,30…板状セパレータ片、11,21…凹
部(ガス室)、12,22…連通孔、13,15,2
3,25…通路構成溝、14,24,33,34…シー
ル溝、40…電池セル、41…高分子固体電解質膜(プ
ロトン透過膜)、42,43…電極材、51A,51
B,52A,52B…ガスマニホールド、54…シール
材(ガスシール手段)。
10, 20, 30: plate-shaped separator piece, 11, 21, recess (gas chamber), 12, 22, communication hole, 13, 15, 2
3, 25: passage forming groove, 14, 24, 33, 34: sealing groove, 40: battery cell, 41: polymer solid electrolyte membrane (proton permeable membrane), 42, 43: electrode material, 51A, 51
B, 52A, 52B: gas manifold; 54: sealing material (gas sealing means).

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】プロトン透過膜及びそれを挟む一対の電極
材からなる電池セルと、その電池セルの一方の側に配設
されて前記電極材との間にガス室を提供するセパレータ
を交互に積層して構成されると共に、積層されたセパレ
ータ群を積層方向に貫通するガスマニホールドが設けら
れた燃料電池において、 前記セパレータは、平面形状がほぼ同じ二つの板状セパ
レータ片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの
板状セパレータ片が相互接触するそれぞれの合わせ面の
少なくとも一方には、前記ガスマニホールドとガス室と
をつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が形成さ
れていることを特徴とする燃料電池。
1. A battery cell comprising a proton permeable membrane and a pair of electrode materials sandwiching the proton permeable membrane, and a separator provided on one side of the battery cell and providing a gas chamber between the battery material and the electrode material. In a fuel cell provided with a gas manifold penetrating the stacked separator group in the stacking direction while being stacked, the separator is configured by stacking two plate-shaped separator pieces having substantially the same planar shape. In addition, at least one of the mating surfaces where the two plate-shaped separator pieces are in contact with each other, a passage forming groove for forming a gas passage connecting the gas manifold and the gas chamber is formed. Features fuel cell.
【請求項2】前記二つの板状セパレータ片の双方の合わ
せ面には、互いに符合する位置において通路構成溝がそ
れぞれ形成されており、これら通路構成溝が組合わさる
ことで前記ガスマニホールドとガス室とをつなぐガス通
路が構成されることを特徴とする請求項1に記載の燃料
電池。
2. A gas passage forming groove is formed at a position corresponding to each other on both mating surfaces of the two plate-shaped separator pieces, and the gas manifold and the gas chamber are formed by combining the gas passage constituting grooves. The fuel cell according to claim 1, wherein a gas passage connecting the fuel cell and the fuel cell is formed.
【請求項3】前記通路構成溝が形成された板状セパレー
タ片には、その通路構成溝と前記ガス室とを連通させる
べく当該セパレータ片を積層方向に貫通する連通孔が形
成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の
燃料電池。
3. A communication hole penetrating the separator piece in the laminating direction so as to communicate the gas passage with the gas chamber, in the plate-like separator piece having the passage forming groove formed therein. The fuel cell according to claim 1, wherein:
【請求項4】前記二つの板状セパレータ片の接合領域に
は、セパレータの積層方向と直交する面内において、前
記ガスマニホールド、前記通路構成溝及び前記連通孔が
存在する領域を包囲するガスシール手段が設けられてい
ることを特徴とする請求項3に記載の燃料電池。
4. A gas seal surrounding a region where the gas manifold, the passage forming groove and the communication hole are present in a plane orthogonal to the laminating direction of the separator, in a joining region of the two plate-like separator pieces. 4. The fuel cell according to claim 3, further comprising means.
【請求項5】前記二つの板状セパレータ片の合わせ面の
少なくとも一方には前記ガスシール手段を収容するため
のシール溝が形成されていることを特徴とする請求項4
に記載の燃料電池。
5. A sealing groove for accommodating said gas sealing means is formed in at least one of the mating surfaces of said two plate-shaped separator pieces.
A fuel cell according to claim 1.
【請求項6】平面形状がほぼ同じ二つの板状セパレータ
片を重ね合わせて構成されると共に、前記二つの板状セ
パレータ片が相互接触するそれぞれの合わせ面の少なく
とも一方には、燃料電池におけるガスマニホールドとガ
ス室とをつなぐガス通路を構成するための通路構成溝が
形成されていることを特徴とする燃料電池セパレータ。
6. A fuel cell according to claim 1, wherein two plate-like separator pieces having substantially the same planar shape are overlapped with each other, and at least one of the mating surfaces where said two plate-like separator pieces come into contact with each other is provided with a gas in a fuel cell. A fuel cell separator, wherein a passage forming groove for forming a gas passage connecting the manifold and the gas chamber is formed.
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