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JP4872287B2 - Separator assembly and planar polymer electrolyte fuel cell for planar polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Separator assembly and planar polymer electrolyte fuel cell for planar polymer electrolyte fuel cell Download PDF

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Description

本発明は、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対として有する平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みと、該セパレータを用いた面型の高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a planar polymer electrolyte having a pair of a fuel supply separator and an oxygen supply separator used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are planarly arranged in one direction. The present invention relates to a separator assembly for a type fuel cell and a surface-type polymer electrolyte fuel cell using the separator.

最近、地球環境保護の観点や、水素を直接燃料として用いると有利であり、エネルギー変換効率が高いという点等から、燃料電池に対する期待が急激に高まってきている。
これまでは、宇宙開発や海洋開発に利用されてきたが、最近では、自動車のエンジンの代わりに、また、家庭用発電装置へと展開され、広く使われる可能性が大きくなった。
燃料電池は、簡単には、外部より燃料(還元剤)と酸素または空気(酸化剤)を連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出す装置で、その作動温度、使用燃料の種類、用途等で分類することもあるが、最近では、主に使用される電解質の種類によって、大きく、固体酸化物型燃料電池(SOFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)、リン酸型燃料電池(PAFC)、高分子電解質型燃料電池(PEFC)、アルカリ水溶液型燃料電池(AFC)の5種類に分類されるのが一般的である。
これらは、メタン等から生成された水素ガスを燃料とするものであるが、最近では、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いるダイレクトメタノール型燃料電池(DMFC)も知られている。
Recently, expectations for fuel cells have increased rapidly from the standpoint of protecting the global environment, using hydrogen as a direct fuel, and having high energy conversion efficiency.
Until now, it has been used for space development and marine development, but recently, it has been expanded to be used as a power generator for home use instead of an automobile engine, and it has become more likely to be widely used.
A fuel cell is simply a device that continuously supplies fuel (reducing agent) and oxygen or air (oxidant) from the outside, and reacts electrochemically to extract electrical energy. Recently, depending on the type of electrolyte used, it is largely divided into solid oxide fuel cell (SOFC), molten carbonate fuel cell (MCFC), phosphoric acid. Generally, the fuel cell is classified into five types: a fuel cell (PAFC), a polymer electrolyte fuel cell (PEFC), and an alkaline aqueous fuel cell (AFC).
These use hydrogen gas generated from methane or the like as a fuel. Recently, a direct methanol fuel cell (DMFC) that directly uses an aqueous methanol solution as a fuel is also known.

このような中、燃料電池の中でも固体高分子膜を2種類の電極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ構成の固体高分子型燃料電池(これが高分子電解質型燃料電池のことであり、以下、PEFC:Polymer Electrolyte Fuel Cellとも言う)が注目されている。
このPEFCは、固体高分子膜の両側に空気極(酸素極)、燃料極(水素極)等の電極を配置して単位セルを構成し、この単位セルの両側を燃料電池用セパレータで挟んだ構成となっている。
厚さ20μm〜70μmの高分子電解質の両側に厚さ10μm〜20μmの触媒層からなる燃料極と空気極を形成し一体化し、触媒層外側に集電材として多孔質の支持層(カーボンペーパー、気孔率約80%)を付し、さらに水素や酸素といった反応ガスの供給路をかねているセパレータ(仕切り板)によって挟持されている。
燃料(水素)と酸化剤(空気)が直接反応しないように、これらを隔離し、かつ燃料極で生成する水素イオン(プロトン)を空気極側まで運ぶ必要がある。
常温(100℃以下)で作動し、固体の高分子膜中をプロトンが動く燃料電池で、固体高分子膜には、イオン交換基としてスルフォン酸基を持つパーフルオロカーボンスルフォン酸構造を持つ薄膜(厚さ50μm程度)が使用でき、コンパクトな電池をつくることができる。
出力性能は、1〜3A/cm2 、0. 6〜2. 1V/単セルで、2. 1W/cm2 の高出力密度が得られる。
PEFCのセパレータとしては、現在、グラファイト板を削り出して溝加工を行なっているが、コスト的に高価なものとなっている。
そのため、樹脂にカーボンを練り込んだカーボンコンパウンドのモールド性セパレータの開発が進められているが、これは強度の点で問題がある。
また、金属製セパレータは、これらのコストの問題、強度の問題を解決するものとして期待されているが、耐食性に問題がある。
これらのセパレータは、いずれも必要に応じて、燃料ガス供給用溝、及び/または、酸化剤ガス供給用溝が形成されている。
耐食性の面からは、金メッキ等を施す形態も採られている。
Under such circumstances, a solid polymer membrane is composed of two types of electrodes sandwiched between two types of electrodes, and these members are sandwiched between separators (this is a polymer electrolyte fuel cell). Hereinafter, PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) is also drawing attention.
In this PEFC, a unit cell is configured by arranging electrodes such as an air electrode (oxygen electrode) and a fuel electrode (hydrogen electrode) on both sides of a solid polymer membrane, and both sides of the unit cell are sandwiched between fuel cell separators. It has a configuration.
A fuel electrode and an air electrode comprising a catalyst layer having a thickness of 10 μm to 20 μm are formed and integrated on both sides of a polymer electrolyte having a thickness of 20 μm to 70 μm, and a porous support layer (carbon paper, pores) as a current collector on the outside of the catalyst layer. And a separator (partition plate) that also serves as a supply path for a reactive gas such as hydrogen or oxygen.
In order to prevent direct reaction between the fuel (hydrogen) and the oxidant (air), it is necessary to isolate them and to carry hydrogen ions (protons) generated at the fuel electrode to the air electrode side.
A fuel cell that operates at room temperature (100 ° C or less) and moves protons in a solid polymer membrane. The solid polymer membrane has a thin film (thickness) with a perfluorocarbon sulfonic acid structure that has sulfonic acid groups as ion exchange groups. Can be used, and a compact battery can be manufactured.
The output performance is 1 to 3 A / cm 2 , 0.6 to 2.1 V / single cell, and a high output density of 2.1 W / cm 2 can be obtained.
As a PEFC separator, a graphite plate is currently cut out and grooved, but it is expensive in terms of cost.
For this reason, development of a carbon compound moldable separator in which carbon is kneaded into a resin is in progress, but this is problematic in terms of strength.
In addition, metal separators are expected to solve these cost problems and strength problems, but there is a problem in corrosion resistance.
Each of these separators is formed with a groove for supplying fuel gas and / or a groove for supplying oxidant gas as required.
From the aspect of corrosion resistance, a form in which gold plating or the like is applied is also employed.

このPEFCについては、固体高分子膜の両側に、それぞれ、電極を配置した単位セルを複数個積層し、これらを電気的に接続して構成されるスタック構造のものが、一般的である。
この構造の場合、一般に燃料電池用セパレータの一方の側面には隣接する一方の単位セルに燃料ガスを供給する為の燃料ガス用溝が形成され、他方の側面には隣接する他方の単位セルに酸化剤ガスを供給する為の酸化剤ガス用溝が形成されている。
このようなセパレータでは、セパレータ面に沿って、燃料ガス、酸化剤ガスが供給される。
The PEFC generally has a stack structure in which a plurality of unit cells each having an electrode are stacked on both sides of a solid polymer film and electrically connected to each other.
In the case of this structure, a fuel gas groove for supplying fuel gas to one adjacent unit cell is generally formed on one side surface of the separator for a fuel cell, and the other unit cell adjacent to the other side cell is formed on the other side surface. An oxidant gas groove for supplying oxidant gas is formed.
In such a separator, fuel gas and oxidant gas are supplied along the separator surface.

PEFCとしては、このスタック構造の他に、固体高分子膜の両側に、それぞれ、電極を配置した単位セルを複数個を平面状にし、これらを電気的に接続して構成される平面型のものが、最近では、起電力をそれほど必要としないで、平面型で、できるだけ薄い事が要求される、携帯端末用の電源としての用途から、その開発、改良が盛んに行われている。
しかし、平面状に単位セルを複数配列させ、これらを電気的に接続する平面型の場合には、燃料及び酸素の供給が場所により不均一となるという問題もあった。
そこで、この燃料供給の不均一性を改善するために、膜電極複合体(MEA)に接しているセパレータの面に対して、垂直方向に多数の貫通孔を形成し、この貫通孔から燃料及び酸素を供給する構造のセパレータが考えられている。(特許文献1参照)
尚、ここでは、燃料電池の燃料供給側セパレータと酸素供給側のセパレータとの間に位置する電極部を含む複合体、例えば、順に、集電体層、燃料電極、高分子電解質、酸素極、集電体層が積層されてなる膜等のような複合体を、膜電極複合体(MEA)と言う。
特開2003−203647号公報 本願出願人は、特願2004−292268号(特許文献2)等にて、このような、平面型のPFECおよびこれに用いられる平面型のセパレータを提案している。 特願2004−292268号
In addition to this stack structure, the PEFC is a planar type constructed by arranging a plurality of unit cells each having electrodes arranged on both sides of a solid polymer film and electrically connecting them. In recent years, however, development and improvement have been actively made for use as a power source for a portable terminal, which requires a thin electromotive force without requiring an electromotive force so much.
However, in the case of a planar type in which a plurality of unit cells are arranged in a plane and are electrically connected, there is a problem that the supply of fuel and oxygen becomes uneven depending on the location.
Therefore, in order to improve the non-uniformity of the fuel supply, a large number of through holes are formed in the direction perpendicular to the surface of the separator in contact with the membrane electrode assembly (MEA). A separator having a structure for supplying oxygen is considered. (See Patent Document 1)
Here, a composite including an electrode portion positioned between the fuel supply side separator and the oxygen supply side separator of the fuel cell, for example, a current collector layer, a fuel electrode, a polymer electrolyte, an oxygen electrode, A composite such as a film formed by stacking current collector layers is referred to as a membrane electrode composite (MEA).
JP, 2003-203647, A The applicant of this application has proposed such a plane type PFEC and a plane type separator used for it in Japanese Patent Application No. 2004-292268 (patent documents 2). Japanese Patent Application No. 2004-292268

このような、平面型のPEFCについて、ここでは、図7に示すような、平面型の、燃料としてメタノール水溶液をダイレクトに用いる、ダイレクトメタノール型の燃料電池(DMFC)を挙げて、簡単に説明しておく。
図7は、1対の燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30を組み込んだ平面型のPEFC(高分子電解質型燃料電池)10の例を示す構成図で、図8は、図7に示される平面型のPEFCの各部材を離間させた状態を示した図である。
図7において、PEFC(高分子電解質型燃料電池)10は、膜電極複合体(MEA)40が1対の燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30で挟持された電池本体10Aと、ケース体60を備えている。
Such a planar PEFC will be briefly described with reference to a planar methanol fuel cell (DMFC) that directly uses a methanol aqueous solution as a fuel as shown in FIG. Keep it.
FIG. 7 is a block diagram showing an example of a planar PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) 10 incorporating a pair of fuel supply side separator 20 and oxygen supply side separator 30, and FIG. 8 is shown in FIG. It is the figure which showed the state which spaced apart each member of the planar type PEFC.
In FIG. 7, PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) 10 includes a battery body 10A in which a membrane electrode assembly (MEA) 40 is sandwiched between a pair of fuel supply side separator 20 and oxygen supply side separator 30, and a case body. 60.

電池本体10Aでは、燃料供給側セパレータ20と酸素供給側セパレータ30とが接続用ヒンジ部(図示していない)で折り曲げられて、燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30の各絶縁性枠体23、33が膜電極複合体(MEA)40に対向するように配置されている。
また、燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30の集電部21A、31Aが、カーボンペーパー51、52を介して膜電極複合体(MEA)40に当接している。
また、膜電極複合体(MEA)40は、燃料供給側セパレータ20側に燃料極側触媒層43を備え、酸素供給側セパレータ30に酸素極側触媒層44を備えている。
尚、ここでは、図8に示すように、燃料供給側セパレータ20および酸素供給側セパレータ30は、それぞれ、一対の枠体22、23、および枠体32、33により挟持されているが、膜電極複合体(MEA)40側の枠体23、33はセル領域全体を開口しているが、その外側の枠体22、32、は 集電部21A、31Aの密着性を良くするために、集電部21A、31Aを押さえることができるように貫通部22a、32aを設けている。
図7、図8に示す燃料供給側のセパレータ20の導電性基板21(31)は、図9に示す斜視図のように、その両側の枠体22、23と積層される。
この場合、セル領域全体を開口しているの枠体23が膜電極複合体(MEA)40側である。
図9の各部を離間して示した斜視図は、図10のようになる。
酸素供給側のセパレータ30についても、基本的に同様で、導電性基板31は、図9に示す斜視図のように、その両側の枠体32、33と積層される。
そして、セル領域全体を開口しているの枠体33を膜電極複合体(MEA)40側として積層している。
In the battery main body 10 </ b> A, the fuel supply side separator 20 and the oxygen supply side separator 30 are bent at connecting hinge portions (not shown), and the respective insulating frames of the fuel supply side separator 20 and the oxygen supply side separator 30 are. 23 and 33 are arranged to face the membrane electrode assembly (MEA) 40.
In addition, current collectors 21 </ b> A and 31 </ b> A of the fuel supply side separator 20 and the oxygen supply side separator 30 are in contact with the membrane electrode assembly (MEA) 40 through the carbon paper 51 and 52.
The membrane electrode assembly (MEA) 40 includes a fuel electrode side catalyst layer 43 on the fuel supply side separator 20 side, and an oxygen electrode side catalyst layer 44 on the oxygen supply side separator 30.
Here, as shown in FIG. 8, the fuel supply side separator 20 and the oxygen supply side separator 30 are sandwiched between a pair of frame bodies 22 and 23 and frame bodies 32 and 33, respectively. The frame bodies 23 and 33 on the side of the composite (MEA) 40 open the entire cell region, but the outer frame bodies 22 and 32 are arranged in order to improve the adhesion of the current collectors 21A and 31A. The through portions 22a and 32a are provided so that the electric portions 21A and 31A can be pressed.
The conductive substrate 21 (31) of the separator 20 on the fuel supply side shown in FIGS. 7 and 8 is laminated with the frame bodies 22 and 23 on both sides thereof as shown in the perspective view of FIG.
In this case, the frame body 23 that opens the entire cell region is the membrane electrode assembly (MEA) 40 side.
FIG. 10 is a perspective view showing the parts in FIG. 9 apart from each other.
The same applies to the separator 30 on the oxygen supply side, and the conductive substrate 31 is laminated with frame bodies 32 and 33 on both sides thereof as shown in the perspective view of FIG.
And the frame 33 which has opened the whole cell area | region is laminated | stacked as the membrane electrode assembly (MEA) 40 side.

これにより、3個の単位セル81、82、83が平面的に配列されたものとなっている。
そして、3個の単位セル81、82、83間の集電部31A(単位導電性基板31a、31b、31c)と集電部21A(単位導電性基板21a、21b、21c)は、接続用ヒンジ部(図示していない)等を介して電気的に接続されている。
尚、ここで、接続用ヒンジ部は、絶縁性の樹脂で覆って絶縁性の被覆を施してもよい。 また、上述の電池本体10Aは、膜電極複合体(MEA)40の周辺端部は、各セパレータ20、30の外周の枠部にシール部材70を介して挟持されている。
そして、電池本体10Aは、固定用ボルト90を用いてケース体60にシール部材70を介して固定されている。
Thus, the three unit cells 81, 82, 83 are arranged in a plane.
The current collector 31A (unit conductive substrates 31a, 31b, 31c) and the current collector 21A (unit conductive substrates 21a, 21b, 21c) between the three unit cells 81, 82, 83 are connected hinges. It is electrically connected via a part (not shown).
Here, the connecting hinge portion may be covered with an insulating resin to provide an insulating coating. Further, in the battery main body 10A described above, the peripheral end portion of the membrane electrode assembly (MEA) 40 is sandwiched between the outer peripheral frame portions of the separators 20 and 30 via the seal member 70.
The battery body 10 </ b> A is fixed to the case body 60 via the seal member 70 using fixing bolts 90.

また、単位セル81を構成する酸素供給側セパレータ30の単位導電性基板31aに接続している電極端子37を備えている。
また、単位セル83を構成する燃料供給側セパレータ20の単位導電性基板23aに接続している電極端子27を備えている。
これにより、以下のように3個の単位セル81、82、83が、接続用ヒンジ部による接続を含めて、電気的に直列に接続されたものとなる。
Further, an electrode terminal 37 connected to the unit conductive substrate 31a of the oxygen supply side separator 30 constituting the unit cell 81 is provided.
Further, an electrode terminal 27 connected to the unit conductive substrate 23 a of the fuel supply side separator 20 constituting the unit cell 83 is provided.
As a result, the three unit cells 81, 82, and 83 are electrically connected in series including the connection by the connecting hinge portion as follows.

このようなPEFC(高分子電解質型燃料電池)10は、3個の単位セル81、82、83が接続用ヒンジ部により接続されており、別途、接続部材による接続工程が不要であり、かつ、接触抵抗が極めて少なく発電特性の高いものとなっている。
PEFCを作製する際に、手間をかけずにヒンジを配設するため、従来、このような接続用ヒンジ部の形成は、各セパレータ20、30の単位導電性基板21a〜21c、31a〜31cを、エッチング加工等により作製する際に、
これらとともに、接続用ヒンジ部形成部を一体的に接続して形成していた。
しかし、このようにして作製された、接続用のヒンジは、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができないという問題があった。
このため、該接続用ヒンジ部形成部の所定部を更に金型プレスにて薄化して、曲がり易く形成することも行われたが、この場合は、接続用ヒンジ自体の作製に、エッチング加工等の外形加工の他に金型プレスによる薄化工程を行う必要があり、手間がかかり、問題となっていた。
In such a PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell) 10, three unit cells 81, 82, 83 are connected by a connecting hinge portion, and there is no need for a connecting step using a connecting member, and The contact resistance is extremely low and the power generation characteristics are high.
In order to arrange the hinges without taking time when manufacturing the PEFC, conventionally, the connection hinge portions are formed by connecting the unit conductive substrates 21 a to 21 c and 31 a to 31 c of the separators 20 and 30. When producing by etching process etc.
Together with these, the connecting hinge portion forming portion is integrally connected.
However, the connecting hinge manufactured in this way has a problem that it cannot withstand repeated bending when manufacturing the PEFC.
For this reason, the predetermined part of the connecting hinge part forming part is further thinned by a die press to be easily bent, but in this case, the connecting hinge itself is manufactured by etching or the like. In addition to the outer shape processing, it is necessary to perform a thinning process by a die press, which is troublesome and problematic.

上記のように、近年、燃料電池の開発、適用がますます進み、最近では、起電力をそれほど必要としないで、平面型で、できるだけ薄い事が要求される、携帯端末用の電源としての用途から、平面型のPEFCの開発、改良が盛んに行われている。
このような中、平面型のPEFCにおいては、燃料供給側セパレータと酸素供給側セパレータを電気的に接続する接続用のヒンジが用いられているが、従来のエッチング加工等による各セパレータ部材の作製の際に接続用のヒンジ部形成部を形成した場合には、ヒンジ部形成部が繰り返しの曲げに耐性が少ないという問題があり、また、更にヒンジ部形成部の所定部を金型プレスにより薄化する方法では、エッチング加工等の外形加工の他に薄化工程を行うことが必要で、手間がかかという問題があり、これらの対応が求められていた。
本発明はこれに対応するもので、具体的には、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対とするセパレータ組みであって、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部で、且つ、簡単に手間をかけずに、形成することができ、更に、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができる接続部を備えた、セパレータ組みを提供しようとするものである。
更に、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに互換性を持たせたセパレータ組みを提供しようとするものである。
更には、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池を提供しようとするものである。
As described above, in recent years, the development and application of fuel cells have progressed more and more, and recently, the use as a power source for mobile terminals, which requires flat electromotive force and is as thin as possible without requiring much electromotive force. Since then, the development and improvement of planar PEFC has been actively conducted.
Under such circumstances, in the planar type PEFC, a connecting hinge for electrically connecting the fuel supply side separator and the oxygen supply side separator is used. However, each separator member is manufactured by conventional etching processing or the like. If the connecting hinge part forming part is formed, there is a problem that the hinge part forming part is less resistant to repeated bending, and the predetermined part of the hinge part forming part is further thinned by a die press. In this method, it is necessary to perform a thinning process in addition to the outer shape processing such as etching processing, and there is a problem that it takes time and effort, and these measures have been required.
The present invention corresponds to this, and specifically, a fuel supply separator, an oxygen supply separator used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are planarly arranged in one direction, Is a pair of separators, which is a connection part that can be easily connected to a fuel supply separator and an oxygen supply separator in place of a conventional connection hinge part, and does not require much labor. In addition, the present invention seeks to provide a separator assembly having a connection portion that can be formed and that can withstand repeated bending when manufacturing a PEFC.
Furthermore, the present invention intends to provide a separator assembly in which the fuel supply separator and the oxygen supply separator are compatible.
Furthermore, an object of the present invention is to provide a planar polymer electrolyte fuel cell using such a separator assembly.

本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みは、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対として有する平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは、各々、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向にn個(nは2以上の整数)配列したセパレータ用部材と、該セパレータ用部材を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、各セパレータ部材の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものであり、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続されていることを特徴とするものである。
そして、上記の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせていることを特徴とするものである。
The separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention includes a fuel supply separator and an oxygen supply used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in one direction in a plane. A separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell having a pair of separators for fuel, wherein the fuel supply separator and the oxygen supply separator each include a plurality of fuel supply or oxygen supply separators. A separator member in which n unit conductive substrates having through holes are arranged in one direction in a plane through a gap portion (n is an integer of 2 or more) and a separator member are integrated so as to sandwich the separator member. A pair of insulating frames, each of the pair of insulating frames having a predetermined opening corresponding to the arrangement position of the unit conductive substrates of each separator member, and the fuel One separator member of the supply separator and the oxygen supply separator is the first to (n-1) th unit conductive substrate at one end in the arrangement direction among the n unit conductive substrates. Has a connection terminal portion on the direction side orthogonal to the arrangement direction, and the other separator member corresponds to the one side in the arrangement direction among the n unit conductive substrates. The second to nth unit conductive substrates at the end of the side have a connection terminal portion on the direction side orthogonal to the arrangement direction, and further, the kth (k = 1 to (n-1)) unit conductive substrate connection terminal portions and k + 1-th unit conductive substrate connection terminal portions forming the other separator member are flexible printed wiring boards (FPCs). (Also called) , And it is characterized in that it is electrically connected.
A separator assembly for the above-described planar type polymer electrolyte fuel cell, wherein the fuel supply separator and the oxygen supply separator are made compatible with each other. It is.

本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用は、単位セルを平面的に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池であって、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対として有し、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続され、n個の単位セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とするものである。
そして、上記の平面型の高分子電解質型燃料電池であって、請求項1ないし2に記載の、平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みを用いたものであることを特徴とするものである。
The planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are planarly arranged, and includes a fuel supply separator and an oxygen supply separator. One separator member of the fuel supply separator and the oxygen supply separator is from the first end (n-1) of one of the n unit conductive substrates in the arranged direction. The second unit conductive substrate has a connection terminal portion on the direction side orthogonal to the arrangement direction, and the other separator member has an arrangement direction of the n unit conductive substrates. The second to nth unit conductive substrates at the end corresponding to the one side have a connection terminal portion on the direction side perpendicular to the arrangement direction, and further, the one separator member is formed. Kth (k = 1 to (n-1) The connection terminal portion of the unit conductive substrate and the connection terminal portion of the (k + 1) th unit conductive substrate forming the other separator member are wiring formed on a flexible printed wiring board (also referred to as FPC). The unit is electrically connected, and n unit cells are electrically connected in series.
And it is said planar type polymer electrolyte fuel cell, Comprising: The separator assembly for planar type polymer electrolyte fuel cells of Claim 1 thru | or 2 is used, It is characterized by the above-mentioned. Is.

本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みは、このような構成にすることにより、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対とするセパレータ組みであって、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部で、且つ、簡単に手間をかけずに、形成することができ、更に、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができる接続部を備えた、セパレータ組みの提供を可能としている。
これにより、更には、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の提供を可能とするものである。
具体的には、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは、各々、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向にn個(nは2以上の整数)配列したセパレータ用部材と、該セパレータ用部材を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、各セパレータ部材の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものであり、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続されていることにより、これを達成している。
詳しくは、前記一方のセパレータ部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続されていることにより、平面型の高分子電解質型燃料電池に供せられる場合に、隣接するセルを順に直列に接続することを可能としている。
このような、接続用端子部は、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を作製した後に、例えば、金めっき等の表面めっきを施しておき、この部分において、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)と電気的に接続する。
フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)は、各セパレータとは別に精度良く加工することができ、生産効率の面、加工精度の面で有利であり、また、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部とすることができる。
特に、フレキシブルプリント配線板を、接続として用いていることにより、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができ。
更に具体的には、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせている、請求項2の発明の形態を挙げることができる。
この場合、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、互いに同じデザインで加工して、向きを変えて使用することができるもので、これにより、セパレータ組みの、各セパレータの作製を1つのデザインに統一でき、生産面で有利となる。
The separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in one direction in a plane by having such a configuration. The separator assembly is a pair of a fuel supply separator and an oxygen supply separator, and can be easily connected to the fuel supply separator and the oxygen supply separator in place of the conventional connecting hinge portion. It is possible to provide a separator assembly including a connecting portion that can be formed easily and without trouble, and that can withstand repeated bending when manufacturing a PEFC. .
This further makes it possible to provide a flat polymer electrolyte fuel cell using such a separator assembly.
Specifically, each of the fuel supply separator and the oxygen supply separator includes a unit conductive substrate having a plurality of through holes for supplying fuel or supplying oxygen in one direction through a gap. n separators (n is an integer of 2 or more) arranged, and a pair of insulating frames integrated so as to sandwich the separator member, the pair of insulating frames The separator member has a predetermined opening corresponding to the arrangement position of the unit conductive substrate, and one separator member of the fuel supply separator and the oxygen supply separator has n units. Among the conductive substrates, the first to (n-1) th unit conductive substrates at one end in the arranged direction have a connection terminal portion on the direction side orthogonal to the arrangement direction. The other separator member is Among the n unit conductive substrates, the second to n-th unit conductive substrates at the ends corresponding to the one side in the arranged direction have connection terminals on the direction side perpendicular to the arrangement direction. A terminal portion for connection of a kth (k = 1 to (n−1)) unit conductive substrate forming the one separator member and the other separator member. This is achieved by being electrically connected to the connection terminal portion of the (k + 1) th unit conductive substrate by a wiring portion formed on a flexible printed wiring board (also referred to as FPC).
Specifically, the terminal portion for connection of the kth (k = 1 to (n−1)) unit conductive substrate forming the one separator member and the (k + 1) th unit conductivity forming the other separator member. The connection terminal portion of the substrate is electrically connected by a wiring portion formed on a flexible printed wiring board (also referred to as FPC), so that it can be used for a planar polymer electrolyte fuel cell. In addition, adjacent cells can be connected in series in order.
Such a connection terminal portion is prepared by, for example, surface plating such as gold plating after producing a unit conductive substrate having a plurality of through holes for fuel supply or oxygen supply. It is electrically connected to a flexible printed wiring board (also called FPC).
A flexible printed wiring board (also referred to as FPC) can be processed with high accuracy separately from each separator, and is advantageous in terms of production efficiency and processing accuracy. Also, instead of the conventional hinge part for connection, It can be set as the connection part which can connect easily.
In particular, by using a flexible printed wiring board as a connection, it can withstand repeated bending when manufacturing a PEFC.
More specifically, the fuel supply separator and the oxygen supply separator can be provided in the same manner and have compatibility with each other.
In this case, the fuel supply separator and the oxygen supply separator can be processed with the same design and can be used in different directions. This is advantageous in terms of production.

本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池は、このような構成にすることにより、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池で、その作製において、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に、且つ、簡単に手間をかけずに、行え、更に、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができる接続部を備えた平面型の高分子電解質型燃料電池の提供を可能としている。   The planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention is a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in one direction in a planar manner by such a configuration. Instead of the connecting hinge part, a flat type with a connecting part that can be connected easily and easily without trouble, and that can withstand repeated bending when manufacturing a PEFC. It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell.

本発明は、上記のように、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対とするセパレータ組みであって、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに、従来の接続用のヒンジ部に代わり、接続を容易に行える接続部で、且つ、簡単に手間をかけずに、形成することができ、更に、PEFCを作製する際の繰り返しの曲げに耐えることができる接続部を備えた、セパレータ組みの提供を可能とした。
更に、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとに互換性を持たせたセパレータ組みの提供を可能とした。
同時に、そのような、セパレータ組みを用いた平面型の高分子電解質型燃料電池の提供を可能とした。
As described above, the present invention provides a pair of a fuel supply separator and an oxygen supply separator used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are planarly arranged in one direction. It can be formed into a fuel supply separator and an oxygen supply separator with a connection part that can be easily connected instead of a conventional connection hinge part, and without any effort. In addition, it is possible to provide a separator assembly including a connection portion that can withstand repeated bending when a PEFC is manufactured.
Furthermore, it has become possible to provide a separator assembly in which the fuel supply separator and the oxygen supply separator are compatible.
At the same time, it has become possible to provide a planar polymer electrolyte fuel cell using such a separator assembly.

本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
図1は本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みの実施の形態の1例を示したもので、図2(a)は図1に示す実施の形態例における酸素供給用セパレータのセパレート用部材の平面図で、図2(b)は図1に示す実施の形態例における燃料供給用セパレータのセパレート用部材の平面図で、図3(a)は図1のA1側からみた平面図で、図3(b)はフレキシブル配線板の接続の仕方を示した図3(a)の一点鎖線B1−B2間の断面図で、図4(a)はフレキシブル配線板の別の接続の仕方を示した概略断面図で、図4(b)は図4(a)のC1の拡大詳細図で、図5、図6はフレキシブル配線板の接続とセパレータの作製とを説明するための処理工程断面図である。
尚、図1〜図3における点線矢印は配列の方向を示しており、1番目〜3番目は配列方向の順番を示しており、
図2における点線四角領域は裏面側の接続用端子部175を示している。
図1〜図6中、110はセパレータ組み、110Aはフレキシブル配線基板のないセパレータセパレータ組み、120は燃料供給用セパレータ、121は(燃料供給用セパレータの)セパレータ用部材、121Aは集電部、121Bは貫通孔、121Dは金めっき部、121a〜121cは単位導電性基板、122、123は枠体(絶縁性枠体とも言う)、123aは開口、124は空隙部、125は嵌め込み部、126は導電性部材、127は端子電極、130は酸素供給用セパレータ、131は(酸素供給用セパレータの)セパレータ用部材、131Aは集電部、131Bは貫通孔、131Dは金めっき部、131a〜131cは単位導電性基板、132、133は枠体(絶縁性枠体とも言う)、133aは開口、134は空隙部、135は嵌め込み部、137は端子電極、140は膜電極複合体(MEA)、170は金めっき領域(導電性耐食性領域)、175、176は接続用端子部(金めっき部)、180はフレキシブル配線板(FPCとも言う)、181は配線部、182は基材部である。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows an example of an embodiment of a separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, and FIG. 2 (a) is for oxygen supply in the embodiment shown in FIG. FIG. 2 (b) is a plan view of a separator for a fuel supply separator according to the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 3 (a) is a plan view from the A1 side of FIG. FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the alternate long and short dash line B1-B2 in FIG. 3A showing how to connect the flexible wiring board. FIG. 4A shows another flexible wiring board. FIG. 4B is an enlarged detailed view of C1 in FIG. 4A, and FIGS. 5 and 6 are diagrams for explaining connection of a flexible wiring board and production of a separator. FIG.
In addition, the dotted line arrow in FIGS. 1-3 shows the direction of arrangement | sequence, The 1st-3rd has shown the order of the arrangement direction,
A dotted-line square region in FIG. 2 indicates the connection terminal portion 175 on the back surface side.
1 to 6, 110 is a separator assembly, 110A is a separator separator assembly without a flexible wiring board, 120 is a fuel supply separator, 121 is a separator member (of the fuel supply separator), 121A is a current collector, 121B Is a through hole, 121D is a gold plating part, 121a to 121c are unit conductive substrates, 122 and 123 are frame bodies (also referred to as insulating frame bodies), 123a is an opening, 124 is a gap part, 125 is a fitting part, 126 is Conductive member, 127 is a terminal electrode, 130 is an oxygen supply separator, 131 is a separator member (of the oxygen supply separator), 131A is a current collector, 131B is a through hole, 131D is a gold plating part, and 131a to 131c are Unit conductive substrates 132 and 133 are frames (also referred to as insulating frames), 133a is an opening, 134 is a gap, 13 Is a fitting portion, 137 is a terminal electrode, 140 is a membrane electrode assembly (MEA), 170 is a gold plating region (conductive corrosion resistance region), 175 and 176 are connection terminal portions (gold plating portion), and 180 is a flexible wiring board. (Also referred to as FPC), 181 is a wiring portion, and 182 is a base material portion.

はじめに、本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みの実施の形態の1例を、図1に基づいて説明する。
本例の例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み110は、単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータ120と、酸素供給用セパレータ130とを、一対として有するセパレータ組みである。
燃料供給用セパレータ120は、燃料供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向に3個配列したセパレータ用部材121(図2(b)参照)と、該セパレータ用部材121を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体122、124とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、セパレータ用部材121の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものである。
酸素供給用セパレータ130は、酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向に3個配列したセパレータ用部材131(図2(a)参照)と、該セパレータ用部材131を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体132、134とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、セパレータ用部材131の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものである。
First, an example of an embodiment of a separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention will be described with reference to FIG.
The separator assembly 110 for a planar polymer electrolyte fuel cell in the example of this example is a fuel supply separator 120 used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in one direction in a plane. And an oxygen supply separator 130 as a pair.
The fuel supply separator 120 includes a separator member 121 (see FIG. 2B) in which three unit conductive substrates having a plurality of through holes for fuel supply are arranged in one plane in a plane via a gap. And a pair of insulating frames 122 and 124 that are integrated so as to sandwich the separator member 121, and the pair of insulating frames are arranged in the unit conductive substrates of the separator member 121, respectively. It has a predetermined opening corresponding to the position.
The oxygen supply separator 130 includes a separator member 131 (see FIG. 2A) in which three unit conductive substrates having a plurality of through holes for supplying oxygen are arranged in one direction in a plane via a gap. And a pair of insulating frames 132 and 134 that are integrated so as to sandwich the separator member 131, and the pair of insulating frames are arranged in the unit conductive substrate of the separator member 131, respectively. It has a predetermined opening corresponding to the position.

本例においては、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121は、図2(b)に示すように、燃料供給用の複数の貫通孔121Bを有する単位導電性基板121a〜121cとして、該単位導電性基板121a〜121cを、空隙部124を介して平面的に一方向に3個配列したもので、3個の単位導電性基板121a〜121cのうち、配列した方向の一方側の端の1番目と2番目の単位導電性基板121a、121bには、
接続のために金めっきは施された接続端子部175を有している。
一方、酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131は、図2(a)に示すように、酸素供給用の複数の貫通孔131Bを有する導電性基板を単位導電性基板131a〜131cとして、該単位導電性基板131a〜131cとを、空隙部134を介して平面的に一方向に3個配列したもので、3個の単位導電性基板131a〜131cのうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目と3番目の単位導電性基板131b、131cには、接続のために金めっきは施された接続端子部176を有している。
尚、セパレータ用部材121の接続端子部175、セパレータ用部材131の接続端子部176は、いずれも、高分子電解質型燃料電池に供される場合には膜電極複合体(MEA)側とは反対側となるもので、図2(a)、図2(b)においては、その裏面側に配設されている。
そして更に、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121を形成する1番目、2番目の単位導電性基板121a、121bの接続用端子部175を、それぞれ、酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131を形成する2番目、3番目の単位導電性基板の接続用端子部176と、フレキシブルプリント配線板180に形成された配線部181により、電気的に接続している。
In this example, as shown in FIG. 2B, the separator member 121 of the fuel supply separator 120 is a unit conductive substrate 121a to 121c having a plurality of through holes 121B for fuel supply. The three conductive substrates 121a to 121c are arranged in one plane in a plane through the gap portion 124, and the first of the one end in the arranged direction among the three unit conductive substrates 121a to 121c. And the second unit conductive substrate 121a, 121b,
For the connection, the gold plating has a connection terminal portion 175 provided.
On the other hand, as shown in FIG. 2 (a), the separator member 131 of the oxygen supply separator 130 includes a plurality of through holes 131B for supplying oxygen as unit conductive substrates 131a to 131c. Three conductive substrates 131a to 131c are arranged in one direction in a plane via a gap 134, and correspond to the one side in the arranged direction among the three unit conductive substrates 131a to 131c. The second and third unit conductive substrates 131b and 131c at the end on the side to be connected have connection terminal portions 176 plated with gold for connection.
Note that the connection terminal portion 175 of the separator member 121 and the connection terminal portion 176 of the separator member 131 are both opposite to the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 2 (a) and FIG. 2 (b), it is disposed on the back side.
Further, the connection terminal portions 175 of the first and second unit conductive substrates 121a and 121b forming the separator member 121 of the fuel supply separator 120 are respectively connected to the separator member 131 of the oxygen supply separator 130. Electrical connection is established by connection terminal portions 176 of the second and third unit conductive substrates to be formed and wiring portions 181 formed on the flexible printed wiring board 180.

燃料供給用セパレータ120における絶縁性枠体123は、高分子電解質型燃料電池に供される場合には膜電極複合体(MEA)側となるもので、単位セル領域全体が開口されているのに対し、燃料供給用セパレータ120における絶縁性枠体122は、高分子電解質型燃料電池に供される場合には膜電極複合体(MEA)側とは反対側となるもので、単位セル領域には単位導電性基板の燃料を通過させるための貫通孔(図2の121B)を開口するように複数の貫通孔部(図示していない)を設けている。
また、酸素供給用セパレータ130も、基本的には、燃料供給用セパレータ120と同様で、高分子電解質型燃料電池に供される場合に膜電極複合体(MEA)側となる絶縁性枠体133は、単位セル領域全体が開口されているのに対し、高分子電解質型燃料電池に供される場合に膜電極複合体(MEA)側とは反対側となる絶縁性枠体132は、その単位セル領域には単位導電性基板の酸素を通過させるための貫通孔(図2の131B)を開口するように複数の貫通孔部(図示していない)を設けている。
尚、本例では、枠体122と枠体132とを、および、枠体123と枠体133とを、それぞれ、向きを変えた場合に同じデザインとなるように形成してあり、燃料供給用セパレータ120と酸素供給用セパレータ130とも互いに向きを変えて使用することにより互換性がある。
The insulating frame 123 in the fuel supply separator 120 is on the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell, and the entire unit cell region is opened. On the other hand, the insulating frame 122 in the fuel supply separator 120 is on the side opposite to the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell. A plurality of through holes (not shown) are provided so as to open through holes (121B in FIG. 2) for allowing the fuel of the unit conductive substrate to pass therethrough.
The oxygen supply separator 130 is also basically the same as the fuel supply separator 120, and is an insulating frame 133 that becomes the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell. In contrast to the fact that the entire unit cell region is open, the insulating frame 132 that is the side opposite to the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell has its unit In the cell region, a plurality of through-hole portions (not shown) are provided so as to open through-holes (131B in FIG. 2) through which oxygen of the unit conductive substrate passes.
In this example, the frame body 122 and the frame body 132, and the frame body 123 and the frame body 133 are formed so as to have the same design when the directions are changed, respectively, for fuel supply. The separator 120 and the oxygen supply separator 130 can be interchanged by using different directions.

セパレータ用部材121の絶縁性枠体122、セパレータ用部材131の絶縁性枠体132は、いずれも、高分子電解質型燃料電池に供される場合には膜電極複合体(MEA)側とは反対側となるもので、図3(a)においては、いずれも、その裏面側に配設されている。
そして、図3(b)に示すように、絶縁性枠体122、132の、各接続用端子部175、176領域は、切り欠きが設けられ、その部分において、フレキシブル配線板180を嵌め込むようになっている。
尚、図1においてA1側からみた図が図3(a)に相当し、図3(a)のB1−B2断面の形状が図3(b)で、図3(b)中、125、135が、それぞれ、嵌め込み部である。
The insulating frame 122 of the separator member 121 and the insulating frame 132 of the separator member 131 are both opposite to the membrane electrode assembly (MEA) side when used in a polymer electrolyte fuel cell. In FIG. 3 (a), both are arranged on the back side.
And as shown in FIG.3 (b), each connection terminal part 175,176 area | region of the insulating frame bodies 122 and 132 is provided with a notch, and it fits the flexible wiring board 180 in the part. It has become.
1 corresponds to FIG. 3A, the shape of the B1-B2 cross section of FIG. 3A is FIG. 3B, and 125, 135 in FIG. 3B. Are the fitting portions.

次に、燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121と酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131の、各部について、簡単に説明しておく。
単位導電性基板121a〜121c、131a〜131cは、少なくとも燃料電池の電解質側となる表面部に耐食性(耐酸性)、電気導電性の樹脂層からなる保護層を備えていてもよい。
本例では金めっき部170がこれに相当するもので、保護層として金めっき層を配設している。
このような保護層としては、これに限定されない。
樹脂にカーボン粒子、耐食性の金属等の導電材を混ぜた材料を用いて電着により膜を形成し、加熱硬化する方法、あるいは、導電性高分子からなる樹脂に導電性を高めるドーパントを含んだ状態の膜を電解重合により形成する方法等により、形成された導電性かつ耐食性(耐酸性)の層を用いても良い。
さらに、金めっき層のような耐食性金属層上に、耐酸性かつ電気導電性を有する保護層を配設してもよい。
各単位導電性基板121a〜121c、131a〜131cは、機械加工、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング加工により、所定の形状に加工したものであり、燃料供給用の貫通孔121B、酸素供給用の貫通孔131Bを、これらの方法により形成したものである。
Next, each part of the separator member 121 of the fuel supply separator 120 and the separator member 131 of the oxygen supply separator 130 will be briefly described.
The unit conductive substrates 121a to 121c and 131a to 131c may include a protective layer made of a corrosion-resistant (acid-resistant) and electrically conductive resin layer at least on the surface portion on the electrolyte side of the fuel cell.
In this example, the gold plating portion 170 corresponds to this, and a gold plating layer is provided as a protective layer.
Such a protective layer is not limited to this.
A method of forming a film by electrodeposition using a material in which a conductive material such as carbon particles and corrosion-resistant metal is mixed in a resin, and then heat-curing, or a resin made of a conductive polymer containing a dopant that increases conductivity A conductive and corrosion-resistant (acid-resistant) layer formed by a method of forming a state film by electrolytic polymerization or the like may be used.
Furthermore, a protective layer having acid resistance and electrical conductivity may be provided on a corrosion-resistant metal layer such as a gold plating layer.
Each of the unit conductive substrates 121a to 121c and 131a to 131c is processed into a predetermined shape by machining or etching using a photolithography technique. The unit conductive substrates 121a to 121c and 131a to 131c have through holes 121B for supplying fuel and through holes for supplying oxygen. The hole 131B is formed by these methods.

燃料供給用セパレータ120、酸素供給用セパレータ130を構成する絶縁性枠体122、123、132、133の材質としては、絶縁性で、加工性が良く、軽く、機械的強度が大きいものが好ましい。
このような材料としては、プリント配線基板用の基板材料等が用いられ、例えば、ガラスエポキシ、ポリイミド等が挙げられる。
所望の形状を有する絶縁性枠体の形成は、機械加工、レーザ加工等により行なうことができる。
燃料供給側セパレータ120および酸素供給側セパレータ130は、個別に作製された、各セパレータ部材120a、130aと、対応する各絶縁性枠体とを、位置合せしながら固着して作製する方法が挙げられる。
各部材の固着は、例えば、エポキシ樹脂などの接着剤を塗布し、各部材を重ね合わせた状態で、接着剤を硬化させ固定する方法等がある。
この場合に用いられる接着剤は、その製造のプロセスにおいて他の部材に影響を及ぼさず、かつ、燃料電池に使用された際、その動作条件に対する耐性が優れたものであれば、特に限定はされない。
また、絶縁性枠体の一部あるいは全部を半硬化状態であるプリプレグにて形成し、各セパレータ部材121、131に圧着して、固定する方法もある。
As the material of the insulating frames 122, 123, 132, and 133 constituting the fuel supply separator 120 and the oxygen supply separator 130, it is preferable to use an insulating material that has good workability, is light, and has high mechanical strength.
As such a material, a substrate material for a printed wiring board is used, and examples thereof include glass epoxy and polyimide.
The insulating frame having a desired shape can be formed by machining, laser processing, or the like.
The fuel supply side separator 120 and the oxygen supply side separator 130 may be manufactured by fixing the separator members 120a and 130a, which are individually manufactured, and the corresponding insulating frames while aligning them. .
The fixing of each member includes, for example, a method in which an adhesive such as an epoxy resin is applied and the adhesive is cured and fixed in a state where the members are overlapped.
The adhesive used in this case is not particularly limited as long as it does not affect other members in the manufacturing process and has excellent resistance to operating conditions when used in a fuel cell. .
Further, there is a method in which a part or all of the insulating frame is formed of a semi-cured prepreg, and is crimped to the separator members 121 and 131 to be fixed.

本例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み110における、燃料供給側セパレータ120および酸素供給側セパレータ130は、図6(a)〜図6(b)に示すようにして、平面型の高分子電解質型燃料電池の作製に供され、図7に示すような平面型の高分子電解質型燃料電池に作製することができる。
燃料供給側セパレータ120および酸素供給側セパレータ130を、これらの間に、膜電極複合体(MEA)140を配して、間隔を狭めて積層形成する。
尚、先に述べたが、膜電極複合体(MEA)140は、集電体層、燃料電極、高分子電解質、酸素極、集電体層が積層されてなる膜等のような複合体で、例えば、図7、図8に示すように、高分子電解質41の膜に燃料極側触媒層43、酸素極側触媒層44を配している。
燃料供給用セパレータ120のセパレータ用部材121と酸素供給用セパレータ130のセパレータ用部材131の、対応する一方の単位導電性基板から出ている接続用端子部と、他方の単位導電性基板から出ている接続用端子部とを、互いにフレキシブル配線板180にて、電気的に接続してあり、これにより、3個の単位セルは、電気的に直列接続される。
このようにして、上記図1に示す本例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み110を用いて、平面型の高分子電解質型燃料電池を作製することができるが、図5(a)のように、フレキシブル配線板180と、接続部を持たない各セパレータ120、130と膜電極複合体(MEA)140とが一体となった燃料電池110Aとを、それぞれ、別体として作製しておき、その後、フレキシブル配線板180により接続を行って平面型の高分子電解質型燃料電池を得ることもできる。(図5(a)〜図5(b))
The fuel supply side separator 120 and the oxygen supply side separator 130 in the separator assembly 110 for the flat polymer electrolyte fuel cell of this example are flat as shown in FIGS. 6 (a) to 6 (b). The polymer electrolyte fuel cell can be manufactured as a planar polymer electrolyte fuel cell as shown in FIG.
The fuel supply side separator 120 and the oxygen supply side separator 130 are laminated with a membrane electrode assembly (MEA) 140 disposed therebetween to narrow the interval.
As described above, the membrane electrode assembly (MEA) 140 is a composite such as a current collector layer, a fuel electrode, a polymer electrolyte, an oxygen electrode, and a membrane in which a current collector layer is laminated. For example, as shown in FIGS. 7 and 8, the fuel electrode side catalyst layer 43 and the oxygen electrode side catalyst layer 44 are arranged on the membrane of the polymer electrolyte 41.
The connection terminal portions of the separator member 121 of the fuel supply separator 120 and the separator member 131 of the oxygen supply separator 130 that come out of the corresponding one unit conductive substrate and the other unit conductive substrate. The connecting terminal portions are electrically connected to each other by the flexible wiring board 180, whereby the three unit cells are electrically connected in series.
In this way, a planar polymer electrolyte fuel cell can be fabricated using the separator assembly 110 for the planar polymer electrolyte fuel cell of this example shown in FIG. As shown in (a), the flexible wiring board 180, the fuel cells 110A in which the separators 120 and 130 having no connection portion and the membrane electrode assembly (MEA) 140 are integrated are manufactured as separate bodies. It is possible to obtain a planar polymer electrolyte fuel cell by connecting with the flexible wiring board 180 after that. (FIGS. 5A to 5B)

上記本例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みは1例であり、本発明はこれに限定はされない。
例えば、単位セルの配列を4個以上とする場合の形態も挙げられる。
また、フレキシブル配線板180を絶縁性枠体に嵌め込まない、図4(a)に示すような構造とする形態も挙げられる。
図4(b)は図4(a)のC1部を拡大して示した図である。
図4(b)に示す126は導電性部材であるが、例えば、導電性ペーストや半田を充填した構造が挙げられる。
勿論、Cuめっき層をこれらに代えても良い。
尚、121Dは金めっきであるが、勿論、これに代えて他の導電性耐食性膜を用いても良い。
また、本例の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みでは、燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは互いに向きを変えて使用することができる互換性があるが、互換性のない構造の形態も挙げられる。
また、本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池としては、本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みを用いないものも挙げられる。
The separator assembly for the planar polymer electrolyte fuel cell of the present example is one example, and the present invention is not limited to this.
For example, a mode in which the number of unit cell arrays is four or more is also included.
Moreover, the form made into the structure as shown to Fig.4 (a) which does not fit the flexible wiring board 180 in an insulating frame is also mentioned.
FIG. 4B is an enlarged view of the C1 portion of FIG.
Reference numeral 126 shown in FIG. 4B denotes a conductive member. For example, a structure filled with a conductive paste or solder can be given.
Of course, the Cu plating layer may be replaced with these.
Note that 121D is gold plating, but other conductive corrosion resistant films may be used instead.
In addition, in the separator assembly for the planar polymer electrolyte fuel cell of this example, the fuel supply separator and the oxygen supply separator are compatible so that they can be used in different directions. Non-structural forms are also included.
In addition, examples of the planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention include those that do not use the separator assembly for the planar polymer electrolyte fuel cell of the present invention.

本発明の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みの実施の形態の1例を示したものである。1 shows an example of an embodiment of a separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to the present invention. 図2(a)は図1に示す実施の形態例における酸素供給用セパレータのセパレート用部材の平面図で、図2(b)は図1に示す実施の形態例における燃料供給用セパレータのセパレート用部材の平面図である。2A is a plan view of a separation member of the oxygen supply separator in the embodiment shown in FIG. 1, and FIG. 2B is a separation view of the fuel supply separator in the embodiment shown in FIG. It is a top view of a member. 図3(a)は図1のA1側からみた平面図で、図3(b)はフレキシブル配線板の接続の仕方を示した図3(a)の一点鎖線B1−B2間の断面図である。3A is a plan view seen from the A1 side in FIG. 1, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along one-dot chain line B1-B2 in FIG. 3A showing how to connect the flexible wiring board. . 図4(a)はフレキシブル配線板の別の接続の仕方を示した概略断面図で、図4(b)は図4(a)のC1の拡大詳細図である。FIG. 4A is a schematic sectional view showing another connection method of the flexible wiring board, and FIG. 4B is an enlarged detailed view of C1 in FIG. 4A. フレキシブル配線板の接続とセパレータの作製とを説明するための処理工程断面図である。It is processing process sectional drawing for demonstrating the connection of a flexible wiring board, and preparation of a separator. フレキシブル配線板の接続とセパレータの作製とを説明するための処理工程断面図である。It is processing process sectional drawing for demonstrating the connection of a flexible wiring board, and preparation of a separator. 平面型のPEFC(高分子電解質型燃料電池)の1例の断面図である。1 is a cross-sectional view of an example of a planar PEFC (Polymer Electrolyte Fuel Cell). 図7に示される平面型のPEFCの各部材を離間させた状態を示した図である。It is the figure which showed the state which spaced apart each member of planar type PEFC shown by FIG. 燃料供給側のセパレータの斜視図である。It is a perspective view of the separator by the side of a fuel supply. 図9の各部を離間して示した斜視図である。FIG. 10 is a perspective view showing each part of FIG. 9 apart.

符号の説明Explanation of symbols

110 セパレータ組み
110A フレキシブル配線基板のないセパレータセパレータ組み
120 燃料供給用セパレータ
121 (燃料供給用セパレータの)セパレータ用部材
121A 集電部
121B 貫通孔
121D 金めっき部
121a〜121c 単位導電性基板
122、123 枠体(絶縁性枠体とも言う)
123a 開口
124 空隙部
125 嵌め込み部
126 導電性部材
127 端子電極
130 酸素供給用セパレータ
131 (酸素供給用セパレータの)セパレータ用部材
131A 集電部
131B 貫通孔
131D 金めっき部
131a〜131c 単位導電性基板
132、133 枠体(絶縁性枠体とも言う)
133a 開口
134 空隙部
135 嵌め込み部
137 端子電極
140 膜電極複合体(MEA)
170 金めっき領域(導電性耐食性領域)
175、176 接続用端子部(金めっき部)
180 フレキシブル配線板(FPCとも言う)
181 配線部
182 基材部
10 PEFC(高分子電解質型燃料電池)
10A 電池本体
20 燃料供給側セパレータ
21 導電性基板
21a〜21c 単位導電性基板
21A 集電部
22、23 枠体(絶縁性枠体とも言う)
22a 貫通孔
23a 開口
24 空隙部
27 電極端子
30 酸素供給側セパレータ
31 導電性基板
31a〜31c 単位導電性基板
31A 集電部
32、33 枠体(絶縁性枠体とも言う)
32a 貫通孔
33a 開口
34 空隙部
37 電極端子
40 膜電極複合体(MEA)
41 固体高分子膜(高分子電解質とも言う) 43 燃料極側触媒層
44 酸素極側触媒層
51、52 カーボンペーパー
60 ケース体
61 燃料タンク
62 燃料供給口
70 シール部材
81、82、83 単位セル
90 固定用ボルト


110 Separator Assembly 110A Separator Separator Assembly without Flexible Wiring Board 120 Fuel Supply Separator 121 (Separator for Fuel Supply) Separator Member 121A Current Collector 121B Through Hole 121D Gold Plated Part 121a-121c Unit Conductive Substrate 122, 123 Frame Body (also called insulating frame)
123a opening 124 gap 125 fitting portion 126 conductive member 127 terminal electrode 130 separator for oxygen supply 131 separator member 131A (for separator for oxygen supply) current collecting portion 131B through hole 131D gold plating portions 131a to 131c unit conductive substrate 132 133 Frame (also called insulating frame)
133a Opening 134 Air gap part 135 Insertion part 137 Terminal electrode 140 Membrane electrode complex (MEA)
170 Gold plating area (conductive corrosion resistance area)
175, 176 Connection terminal (gold plated part)
180 Flexible wiring board (also called FPC)
181 Wiring part 182 Base material part 10 PEFC (Polymer electrolyte fuel cell)
10A Battery Main Body 20 Fuel Supply Side Separator 21 Conductive Substrates 21a-21c Unit Conductive Substrate 21A Current Collectors 22, 23 Frame (also referred to as insulating frame)
22a Through-hole 23a Opening 24 Cavity 27 Electrode terminal 30 Oxygen supply side separator 31 Conductive substrates 31a to 31c Unit conductive substrate 31A Current collectors 32 and 33 Frame (also referred to as insulating frame)
32a Through-hole 33a Opening 34 Gap 37 Electrode terminal 40 Membrane electrode assembly (MEA)
41 Solid polymer membrane (also referred to as polymer electrolyte) 43 Fuel electrode side catalyst layer 44 Oxygen electrode side catalyst layer 51, 52 Carbon paper 60 Case body 61 Fuel tank 62 Fuel supply port 70 Seal members 81, 82, 83 Unit cell 90 Fixing bolt


Claims (4)

単位セルを平面的に一方向に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池に用いられる、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対として有する平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとは、各々、燃料供給用あるいは酸素供給用の複数の貫通孔を有する単位導電性基板を空隙部を介して平面的に一方向にn個(nは2以上の整数)配列したセパレータ用部材と、該セパレータ用部材を挟持するように一体化された一対の絶縁性枠体とを備え、該一対の絶縁性枠体は、それぞれ、各セパレータ部材の単位導電性基板の配列位置に対応した所定の開口を有しているものであり、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続されていることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。   For a planar polymer electrolyte fuel cell having a pair of a fuel supply separator and an oxygen supply separator used in a planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in one direction in a plane. The separator for supplying fuel and the separator for supplying oxygen are each configured such that a unit conductive substrate having a plurality of through holes for supplying fuel or supplying oxygen is planarly arranged through a gap. N separators (n is an integer of 2 or more) arranged in the direction, and a pair of insulating frames integrated so as to sandwich the separator members, the pair of insulating frames Each having a predetermined opening corresponding to the arrangement position of the unit conductive substrate of each separator member, and one separator portion of the fuel supply separator and the oxygen supply separator Among the n unit conductive substrates, the first to (n-1) th unit conductive substrates at one end in the arranged direction are connected to the direction side orthogonal to the arrangement direction. The other separator member has a terminal portion, and among the n unit conductive substrates, the second to nth unit conductive substrates at the end corresponding to the one side in the arranged direction Of the k-th (k = 1 to (n−1)) unit conductive substrate having a connection terminal portion on the direction side perpendicular to the arrangement direction and further forming the one separator member. The connection terminal portion and the connection terminal portion of the (k + 1) th unit conductive substrate forming the other separator member are electrically connected by a wiring portion formed on a flexible printed wiring board (also referred to as FPC). Planar polymer electrolysis characterized by being connected Separator set for the type of fuel cell. 請求項1に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みであって、前記燃料供給用セパレータと酸素供給用セパレータとを、同じくして、互換性をもたせていることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組み。   The separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel supply separator and the oxygen supply separator are made compatible with each other. A separator assembly for a planar polymer electrolyte fuel cell. 単位セルを平面的に配列した平面型の高分子電解質型燃料電池であって、燃料供給用セパレータと、酸素供給用セパレータとを、一対として有し、前記燃料供給用セパレータ、酸素供給用セパレータの一方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の一方側の端の1番目から(n−1)番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、また、他方のセパレータ用部材は、そのn個の単位導電性基板のうち、配列した方向の前記一方側に対応する側の端の2番目からn番目の単位導電性基板には、その配列方向と直交する方向側に接続用端子部を有し、更に、前記一方のセパレータ用部材を形成するk番目(k=1〜(n−1))の単位導電性基板の接続用端子部と、前記他方のセパレータ用部材を形成するk+1番目の単位導電性基板の接続用端子部とは、フレキシブルプリント配線板(FPCとも言う)に形成された配線部により、電気的に接続され、n個の単位セルが電気的に直列に接続されていることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池。   A planar polymer electrolyte fuel cell in which unit cells are arranged in a plane, comprising a fuel supply separator and an oxygen supply separator as a pair, the fuel supply separator and the oxygen supply separator One separator member is orthogonal to the arrangement direction from the first to (n-1) th unit conductive substrate at one end in the arrangement direction among the n unit conductive substrates. A terminal portion for connection is provided on the direction side, and the other separator member is the second to nth end of the n unit conductive substrates corresponding to the one side in the arranged direction. The unit conductive substrate has k terminal (k = 1 to (n−1)) having a connection terminal portion on the direction side orthogonal to the arrangement direction and further forming the one separator member. A terminal portion for connection of the unit conductive substrate and the other The connection terminal portion of the (k + 1) th unit conductive substrate forming the separator member is electrically connected by the wiring portion formed on the flexible printed wiring board (also referred to as FPC), and the n unit cells are A planar polymer electrolyte fuel cell characterized by being electrically connected in series. 請求項3に記載の平面型の高分子電解質型燃料電池であって、請求項1ないし2に記載の、平面型の高分子電解質型燃料電池用のセパレータ組みを用いたものであることを特徴とする平面型の高分子電解質型燃料電池。

A flat polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the separator assembly for a flat polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2 is used. A planar polymer electrolyte fuel cell.

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