JP2000299118A - Solid polymer fuel cell and manufacture thereof - Google Patents

Solid polymer fuel cell and manufacture thereof

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JP2000299118A
JP2000299118A JP11095991A JP9599199A JP2000299118A JP 2000299118 A JP2000299118 A JP 2000299118A JP 11095991 A JP11095991 A JP 11095991A JP 9599199 A JP9599199 A JP 9599199A JP 2000299118 A JP2000299118 A JP 2000299118A
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JP
Japan
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power generation
fuel cell
polymer electrolyte
generation layer
electrolyte fuel
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Application number
JP11095991A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenji Nakamura
賢治 中村
Takashi Uehara
隆史 上原
Yukimasa Nishide
行正 西出
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Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
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Filing date
Publication date
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To compose a fuel cell provided with a lamination constructed of a three-dimensionally constructed power generating layers using polymer films having no physical strength. SOLUTION: A cell 21 for a solid polymer fuel cell is provided with end part supporting members 23 forming a grid horizontally and an axial supporting member 24 supporting the end part supporting members 23 vertically. The end part supporting member 23 is formed of a conductive material and installed to the end part of an oxygen electrode 30 clamping an electrolyte film 26 in the cell 21 for supporting the cell 21 and connected to a fuel electrode 28 in a cell 21 vertically adjacent to the cell 21 via the oxygen terminal 31 and a fuel electrode terminal 29. Consequently, vertical and lateral physical strength can be provided by means of the end part supporting members 23 and the axial supporting member 24, so that the cells 21 can be laminated three-dimensionally, and the cells 21 arranged horizontally can be electrically connected in parallel by means of the end part supporting member 23.

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、固体高分子型燃料
電池およびその製造方法に関し、詳しくは、固体高分子
膜と該固体高分子膜を狭持する二つの電極とからなる発
電層を直列に複数積層してなる発電層積層体を備える固
体高分子型燃料電池およびその製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a method in which a power generation layer comprising a polymer electrolyte membrane and two electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane is connected in series. And a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種の燃料電池としては、格子
状に形成された固体電解質の格子内面と外面に電極を配
置し、これを格子の軸方向に積層してなる三次元構造の
積層体を備える固体電解質型燃料電池が提案されている
(例えば、特開昭63−166159号公報など)。こ
の固体電解質型燃料電池の積層体は、電解質が固体で物
理的な強度を有することに基づいて三次元構造を構成さ
れている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell of this type has a three-dimensional structure in which electrodes are arranged on the inner and outer surfaces of a solid electrolyte formed in a grid and are stacked in the axial direction of the grid. A solid oxide fuel cell having a body has been proposed (for example, JP-A-63-166159). The laminate of the solid oxide fuel cell has a three-dimensional structure based on the fact that the electrolyte is solid and has physical strength.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、固体高
分子型燃料電池では、電解質となる高分子膜に物理的な
強度がないため、高分子膜を格子状に形成すると共に格
子状の高分子膜を格子の軸方向に積層して三次元構造の
積層体を構成することはできなかった。このため、固体
高分子型燃料電池では、高分子膜とこれを狭持する二つ
の電極とからなる発電層を、本を本棚に並べるように積
層して積層体を構成していた。
However, in the polymer electrolyte fuel cell, since the polymer membrane serving as the electrolyte has no physical strength, the polymer membrane is formed in a lattice shape and the polymer membrane in a lattice shape is formed. Could not be laminated in the axial direction of the lattice to form a laminate having a three-dimensional structure. For this reason, in the polymer electrolyte fuel cell, a power generation layer composed of a polymer membrane and two electrodes sandwiching the polymer membrane has been stacked such that books are arranged on a bookshelf to form a stacked body.

【0004】本発明の固体高分子型燃料電池は、物理的
な強度を有しない高分子膜を用いる発電層を三次元構造
的に積層した積層体を備える燃料電池を構成することを
目的とする。
[0004] A polymer electrolyte fuel cell of the present invention has an object to constitute a fuel cell including a laminate in which a power generation layer using a polymer film having no physical strength is three-dimensionally laminated. .

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本
発明の固体高分子型燃料電池は、上述の目的を達成する
ために以下の手段を採った。
Means for Solving the Problems and Their Functions and Effects The polymer electrolyte fuel cell of the present invention employs the following means to achieve the above object.

【0006】本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質
としての固体高分子膜と該固体高分子膜を狭持する二つ
の電極とからなる発電層を直列に複数積層してなる発電
層積層体を備える固体高分子型燃料電池であって、前記
発電層は筒状に形成され、前記発電層積層体は、前記発
電層を該発電層の軸方向に直列に複数積層してなり、前
記発電層積層体を支持する支持部材を備えることを要旨
とする。
The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention has a power generation layer stack in which a plurality of power generation layers each comprising a solid polymer membrane as an electrolyte and two electrodes sandwiching the solid polymer membrane are stacked in series. A polymer electrolyte fuel cell comprising a body, wherein the power generation layer is formed in a cylindrical shape, and the power generation layer laminate is formed by laminating a plurality of the power generation layers in series in the axial direction of the power generation layer, The point is to provide a support member for supporting the power generation layer laminate.

【0007】この本発明の固体高分子型燃料電池では、
支持部材が発電層積層体を支持する。この結果、固体高
分子膜に物理的な強度がなくても発電層を筒状とし、こ
の発電層を筒の軸方向に積層することができる。
In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention,
The support member supports the power generation layer laminate. As a result, even if the solid polymer film does not have physical strength, the power generation layer can be formed into a cylindrical shape, and the power generation layer can be laminated in the axial direction of the cylinder.

【0008】こうした本発明の固体高分子型燃料電池に
おいて、前記支持部材は、前記発電層の端部を支持する
端部支持部材と、該端部支持部材を前記発電層の軸方向
に支持する軸方向支持部材とを備えるものとすることも
できる。こうすれば、端部支持部材が発電層の端部を支
持し、軸方向支持部材が端部支持部材を発電層の軸方向
に支持することにより、発電層積層体を支持することが
できる。
In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the support member supports an end of the power generation layer, and supports the end support member in the axial direction of the power generation layer. An axial support member may be provided. With this configuration, the end support member supports the end of the power generation layer, and the axial support member supports the end support member in the axial direction of the power generation layer, thereby supporting the power generation layer laminate.

【0009】この態様の本発明の固体高分子型燃料電池
において、絶縁材料により形成され、前記発電層積層体
の直列に隣接して積層される発電層の固体高分子膜間に
配置される絶縁部材を備えるものとすることもできる。
この態様の本発明の固体高分子型燃料電池において、導
電性材料により形成され、前記絶縁部材に挟持されると
共に、直列に隣接して積層される発電層間の固体高分子
膜を挟んで挟持する一方の電極と他方の発電層の他方の
電極とを電気的に接続する接続部材を備えるものとする
こともでき、更にこの態様の固体高分子型燃料電池にお
いて、前記接続部材により接続される前記二つの電極の
うちの一方の該接続部材と対峙する部位が前記端部支持
部材に取り付けられてなるものとすることもできる。
In the polymer electrolyte fuel cell according to this aspect of the present invention, an insulating material formed of an insulating material and disposed between the solid polymer films of the power generation layers stacked adjacent to each other in series with the power generation layer laminate. A member may be provided.
In the polymer electrolyte fuel cell according to the aspect of the present invention, the polymer electrolyte fuel cell is formed of a conductive material, sandwiched by the insulating member, and sandwiched by a solid polymer membrane between power generation layers that are stacked in series and adjacent to each other. A connection member for electrically connecting one electrode and the other electrode of the other power generation layer may be provided, and in the polymer electrolyte fuel cell according to this aspect, the connection member is connected by the connection member. A portion of one of the two electrodes facing the connection member may be attached to the end support member.

【0010】また、本発明の固体高分子型燃料電池にお
いて、前記支持部材は多孔質材料により筒形状に形成さ
れた部材であり、前記発電層は前記支持部材の外表面に
密着形成されてなるものとすることもできる。こうすれ
ば、発電層を支持部材に密着させて形成することができ
る。しかも、支持部材は、ガスを透過する多孔質材料に
より形成されているから、筒内部を燃料の流路として用
いることができる。
In the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the support member is a member formed of a porous material in a cylindrical shape, and the power generation layer is formed in close contact with an outer surface of the support member. It can also be. In this case, the power generation layer can be formed in close contact with the support member. In addition, since the support member is formed of a gas-permeable porous material, the inside of the cylinder can be used as a fuel flow path.

【0011】この態様の本発明の固体高分子型燃料電池
において、導電性材料により形成され、直列に隣接して
積層される発電層間の固体高分子膜を挟んで挟持する一
方の電極と他方の発電層の他方の電極とを電気的に接続
する接続部材を備えるものとすることもできる。この態
様の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記支持
部材は軸方向に所定間隔毎に凸部が形成されてなり、前
記発電層は前記支持部材の各凸部間に形成されてなり、
前記接続部材は前記支持部材の凸部の外表面に密着形成
されてなるものとすることもできる。
In the polymer electrolyte fuel cell according to this aspect of the present invention, one electrode and the other electrode sandwiching a solid polymer film formed of a conductive material and sandwiching a solid polymer film between power generation layers stacked adjacent in series. A connection member for electrically connecting the other electrode of the power generation layer may be provided. In the polymer electrolyte fuel cell according to the aspect of the present invention, the support member is formed with protrusions at predetermined intervals in the axial direction, and the power generation layer is formed between the protrusions of the support member. ,
The connection member may be formed in close contact with the outer surface of the projection of the support member.

【0012】これら各態様を含め本発明の固体高分子型
燃料電池において、前記発電層積層体は直列に隣接して
積層される発電層間で筒状の内部と外部とがシールされ
てなるものとすることもできる。
In the polymer electrolyte fuel cell of the present invention including these embodiments, the power generation layer laminate is formed by sealing the inside and the outside of a tubular shape between the power generation layers stacked adjacent in series. You can also.

【0013】また、本発明の固体高分子型燃料電池にお
いて、前記発電層積層体の直列に隣接して積層される発
電層の同一面内に配置される電極同士が電気的に絶縁さ
れてなるものとすることもできる。
Further, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the electrodes arranged in the same plane of the power generation layers stacked adjacent to each other in series of the power generation layer laminate are electrically insulated from each other. It can also be.

【0014】さらに、本発明の固体高分子型燃料電池に
おいて、前記発電層積層体の各層の発電層を各々複数並
列に接続することにより該発電層積層体を複数並列接続
してなるものとすることもできる。こうすれば、発電容
量の大きな燃料電池を構成することができる。この態様
の本発明の固体高分子型燃料電池において、前記端部支
持部材は、前記並列に接続される各発電層を電気的に並
列に接続する部材であるものとすることもできる。こう
すれば、各発電層を電気的に並列に接続すると共に発電
層の端部を支持することができる。
Further, in the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, a plurality of the power generation layers are connected in parallel by connecting a plurality of power generation layers of each layer of the power generation layer stack in parallel. You can also. In this case, a fuel cell having a large power generation capacity can be configured. In the polymer electrolyte fuel cell according to the aspect of the present invention, the end support member may be a member that electrically connects the power generation layers connected in parallel to each other in parallel. In this case, the power generation layers can be electrically connected in parallel and the ends of the power generation layers can be supported.

【0015】あるいは、本発明の固体高分子型燃料電池
において、前記発電層は断面が矩形の筒状に形成されて
なるものとすることもでき、前記発電層は断面が円形の
筒状に形成されてなるものとすることもできる。
Alternatively, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the power generation layer may be formed in a cylindrical shape having a rectangular cross section, and the power generation layer may be formed in a cylindrical shape having a circular cross section. It can also be made.

【0016】本発明の固体高分子型燃料電池の製造方法
は、電解質としての固体高分子膜と該固体高分子膜を狭
持する二つの電極とからなる発電層を直列に複数積層し
てなる発電層積層体を備える固体高分子型燃料電池の製
造方法であって、多孔質の材料により筒状の支持部材を
形成する支持部材形成工程と、該形成された支持部材の
外表面に、軸方向に所定間隔毎に隙間をもって前記二つ
の電極の一方を形成する第1電極形成工程と、該形成さ
れた電極の表面に前記固体高分子膜を形成する膜形成工
程と、該形成された固体高分子膜の表面に前記二つの電
極の他方を形成する第2電極形成工程と、前記隙間を介
して隣接する前記二つの電極の一方と他方とを電気的に
接続する電極接続工程とを備えることを要旨とする。
The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a plurality of power generation layers each comprising a solid polymer membrane as an electrolyte and two electrodes sandwiching the solid polymer membrane, which are stacked in series. A method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell including a power generation layer laminate, comprising: a support member forming step of forming a cylindrical support member by using a porous material; and a shaft formed on an outer surface of the formed support member. A first electrode forming step of forming one of the two electrodes with a gap at predetermined intervals in a direction, a film forming step of forming the solid polymer film on the surface of the formed electrode, A second electrode forming step of forming the other of the two electrodes on the surface of the polymer film; and an electrode connecting step of electrically connecting one and the other of the two electrodes adjacent via the gap. That is the gist.

【0017】この本発明の固体高分子型燃料電池の製造
方法では、支持部材に一方の電極,固体高分子膜,他方
の電極を重ねて形成することができる。この結果、固体
高分子膜に物理的な強度がなくても発電層を筒状とし、
この発電層を筒の軸方向に積層することができる。しか
も、支持部材はガス透過性の多孔質材料により形成され
るから、その内側を燃料の流路として用いることができ
る。
In the method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, one electrode, a polymer electrolyte membrane, and the other electrode can be formed on a support member. As a result, even if the solid polymer membrane has no physical strength, the power generation layer is made cylindrical,
This power generation layer can be laminated in the axial direction of the cylinder. Moreover, since the support member is formed of a gas-permeable porous material, the inside thereof can be used as a fuel flow path.

【0018】こうした本発明の固体高分子型燃料電池の
製造方法において、前記支持部材形成工程は軸方向に所
定間隔毎に凸部を有する支持部材を形成する工程であ
り、前記第1電極形成工程は前記支持部材の凸部が形成
された部位を前記隙間として前記電極の一方を形成する
工程であるものとすることもできる。
In the method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the supporting member forming step is a step of forming a supporting member having convex portions at predetermined intervals in the axial direction. May be a step of forming one of the electrodes by using a portion of the support member where the convex portion is formed as the gap.

【0019】また、本発明の固体高分子型燃料電池の製
造方法において、前記電極接続工程を終えた前記支持部
材を電気的に複数並列に接続する並列接続工程を備える
ものとすることもできる。こうすれば、発電容量の大き
な燃料電池を製造することができる。
The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention may further comprise a parallel connection step of electrically connecting a plurality of the support members after the electrode connection step in parallel. In this case, a fuel cell having a large power generation capacity can be manufactured.

【0020】[0020]

【発明の他の態様】本発明の他の態様としては、電解質
としての固体高分子膜と該固体高分子膜を狭持する二つ
の電極とからなる発電層を備える固体高分子型燃料電池
であって、前記二つの電極の少なくとも一方に密着して
配置され、多孔質材料により形成された多孔質部材を備
えることを要旨とする。
Another embodiment of the present invention is directed to a polymer electrolyte fuel cell having a power generation layer comprising a solid polymer membrane as an electrolyte and two electrodes sandwiching the solid polymer membrane. The gist of the invention is to provide a porous member which is disposed in close contact with at least one of the two electrodes and is formed of a porous material.

【0021】この他の態様の固体高分子型燃料電池で
は、多孔質材料により形成された多孔質部材が密着した
電極に燃料を供給する。こうした多孔質部材を備えるこ
とにより、固体高分子膜に物理的な強度がなくても、発
電層に物理的な強度を与えることができる。
In a polymer electrolyte fuel cell according to another aspect, fuel is supplied to an electrode in which a porous member formed of a porous material is in close contact. By providing such a porous member, physical strength can be given to the power generation layer even if the solid polymer film does not have physical strength.

【0022】[0022]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例を用いて説明する。図1は本発明の一実施例である固
体高分子型燃料電池20のセル21の断面を例示する断
面図であり、図2は実施例の固体高分子型燃料電池20
のセル21の構造を支持する支持枠22を例示する斜視
図であり、図3は図1のセル21におけるB−B面の断
面を示す断面図、図4は図1のセル21におけるC−C
面の断面を示す断面図、図5は図1のセル21における
D−D面の断面を示す断面図、図6は図1のセル21に
おけるE−E面の断面を示す断面図である。図1ないし
図6から解るように、セル21は四角柱形状をしてお
り、固体高分子型燃料電池20はこの四角柱形状の複数
のセル21により三次元構造的に繰りなして構成されて
いる。
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to examples. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a cross section of a cell 21 of a polymer electrolyte fuel cell 20 according to one embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a support frame 22 that supports the structure of the cell 21 of FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line BB of the cell 21 of FIG. 1, and FIG. C
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line DD in the cell 21 of FIG. 1, and FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the EE plane of the cell 21 in FIG. As can be seen from FIGS. 1 to 6, the cell 21 has a square pillar shape, and the polymer electrolyte fuel cell 20 is formed by repeating the three-dimensional structure by the plurality of square pillar-shaped cells 21. I have.

【0023】図1ないし図6に示すように、セル21は
支持枠22により支持されている。図2に示すように、
支持枠22は、四角柱のセル21の両端部を支持する端
部支持部材23と、この端部支持部材23を軸方向に支
持する軸方向支持部材24とから構成されている。端部
支持部材23は、耐腐食性が高く導電性の高い金属(例
えば、ニッケルや鉄など)により形成されており、隣接
するセル21を電気的に並列に接続する。軸方向支持部
材24は、絶縁性を有し後述の電解質膜26と熱膨張率
が同程度の材料(例えば、フッ素樹脂など)により形成
されている。
As shown in FIGS. 1 to 6, the cell 21 is supported by a support frame 22. As shown in FIG.
The support frame 22 includes an end support member 23 that supports both ends of the square column cell 21 and an axial support member 24 that supports the end support member 23 in the axial direction. The end support member 23 is formed of a metal having high corrosion resistance and high conductivity (for example, nickel or iron), and electrically connects adjacent cells 21 in parallel. The axial support member 24 is formed of a material (for example, fluororesin or the like) having an insulating property and a thermal expansion coefficient similar to that of an electrolyte membrane 26 described later.

【0024】図1および図3ないし図6に示すように、
セル21は、大きくは、四角柱の筒状に形成された電解
質膜26と、この電解質膜26の内壁面を覆うように取
り付けられた燃料極28と、電解質膜26の外壁面を覆
うように取り付けられた酸素極30とを備える。
As shown in FIG. 1 and FIGS. 3 to 6,
The cell 21 is roughly formed so as to cover an electrolyte membrane 26 formed in the shape of a quadrangular prism, a fuel electrode 28 attached so as to cover an inner wall surface of the electrolyte membrane 26, and an outer wall surface of the electrolyte membrane 26. And an attached oxygen electrode 30.

【0025】電解質膜26は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜により形成され
ており、湿潤状態で良好な電気導電性を示す。実施例で
は、電解質膜26としてデュポン社製のNafion
122を用いて形成した。燃料極28と酸素極30は、
白金または白金と他の金属との合金を触媒として少なく
とも電解質膜26の接触面に担持するカーボンペーパー
またはカーボンクロスにより形成されている。
The electrolyte membrane 26 is formed of an ion exchange membrane formed of a polymer material, for example, a fluorine-based resin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. In the embodiment, Nafion manufactured by DuPont is used as the electrolyte membrane 26.
122. The fuel electrode 28 and the oxygen electrode 30
It is formed of carbon paper or carbon cloth supported on at least the contact surface of the electrolyte membrane 26 using platinum or an alloy of platinum and another metal as a catalyst.

【0026】電解質膜26の上下の両端部には、絶縁材
料(例えば、フッ素樹脂など)により形成された絶縁部
材32,34が設置されている。この絶縁部材32,3
4は、固体高分子型燃料電池20の上下に隣接するセル
21間を絶縁している。燃料極28の図1中下端は、絶
縁部材34を越えて延出しており、その端部の外壁面に
は導電性の高い金属により形成された燃料極端子29が
取り付けられている。酸素極30の図1中上端も、燃料
極28と同様に絶縁部材32を越えて延出しており、そ
の端部の内壁面には導電性の高い金属により形成された
酸素極端子31が取り付けられ、外壁面は端部支持部材
23の内壁面に取り付けられている。燃料極端子29と
酸素極端子31は接合されており、図1中上に位置する
セル21の内壁面に設けられた燃料極28とこのセル2
1の下に隣接するセル21の外壁面に設けられた酸素極
30とを電気的に接続している。この燃料極端子29と
酸素極端子31との接合により図1中上下のセル21が
直列に接続されている。燃料極端子29と酸素極端子3
1との接合部分は、電解質膜26の上下に配置された絶
縁部材32と絶縁部材34とにより挟持されて他の部材
から絶縁されるようになっている。なお、上下に隣接す
るセル21の燃料極28間と酸素極30間には、空間が
設けられており、この空間により燃料極28同士および
酸素極30同士を絶縁しているが、絶縁部材32や絶縁
部材34を延出してこの空間を埋めて燃料極28同士お
よび酸素極30同士を絶縁するものとしてもよい。
At both upper and lower ends of the electrolyte membrane 26, insulating members 32 and 34 made of an insulating material (for example, fluororesin) are provided. The insulating members 32, 3
Numeral 4 insulates cells 21 adjacent above and below the polymer electrolyte fuel cell 20. The lower end of the fuel electrode 28 in FIG. 1 extends beyond the insulating member 34, and a fuel electrode terminal 29 formed of a highly conductive metal is attached to the outer wall surface at the end. The upper end of the oxygen electrode 30 in FIG. 1 also extends beyond the insulating member 32 similarly to the fuel electrode 28, and an oxygen electrode terminal 31 made of a highly conductive metal is attached to the inner wall surface at the end. The outer wall surface is attached to the inner wall surface of the end support member 23. The fuel electrode terminal 29 and the oxygen electrode terminal 31 are joined, and the fuel electrode 28 provided on the inner wall surface of the cell 21 located at the upper part in FIG.
1 is electrically connected to an oxygen electrode 30 provided on the outer wall surface of the cell 21 adjacent to the cell 21 below. By joining the fuel electrode terminal 29 and the oxygen electrode terminal 31, the upper and lower cells 21 in FIG. 1 are connected in series. Fuel electrode terminal 29 and oxygen electrode terminal 3
1 is sandwiched by insulating members 32 and 34 disposed above and below the electrolyte membrane 26 so as to be insulated from other members. Note that a space is provided between the fuel electrode 28 and the oxygen electrode 30 of the vertically adjacent cells 21, and the space insulates the fuel electrode 28 and the oxygen electrode 30 from each other. Alternatively, the insulating member 34 may be extended to fill this space to insulate the fuel electrodes 28 and the oxygen electrodes 30 from each other.

【0027】図1に示すように、セル21は、四角柱の
筒状の電解質膜26とその上下に取り付けられた絶縁部
材32,34とこの絶縁部材32,34で挟持する燃料
極端子29および酸素極端子31とにより、四角柱の筒
状の内部と外部とをシールしている。こうしてシールす
ることにより、固体高分子型燃料電池20には、セル2
1の内部に図1中上下方向に水素を含有する燃料ガスの
流路である燃料ガス流路36が形成される共に、その外
部に酸素を含有する酸化ガスの流路である酸化ガス流路
38を形成される。固体高分子型燃料電池20は三次元
構造をなしているから、図3ないし図6に示すように、
電気的に並列に接続された各セル21の断面では、交互
に燃料ガス流路36と酸化ガス流路38とが形成され
る。
As shown in FIG. 1, the cell 21 has a rectangular cylindrical electrolyte membrane 26, insulating members 32 and 34 attached to the upper and lower sides thereof, and a fuel electrode terminal 29 sandwiched between the insulating members 32 and 34. The oxygen electrode terminal 31 seals the inside and the outside of the cylindrical prism. By sealing in this manner, the polymer electrolyte fuel cell 20 has the cell 2
A fuel gas flow path 36, which is a flow path of a fuel gas containing hydrogen, is formed in a vertical direction in FIG. 1 inside the fuel cell 1 and an oxidizing gas flow path, which is a flow path of an oxidizing gas containing oxygen outside thereof. 38 are formed. Since the polymer electrolyte fuel cell 20 has a three-dimensional structure, as shown in FIGS.
In the cross section of each cell 21 electrically connected in parallel, a fuel gas passage 36 and an oxidizing gas passage 38 are formed alternately.

【0028】図7は、実施例の固体高分子型燃料電池2
0の外観を例示する外観図である。図示するように、固
体高分子型燃料電池20は、上述したセル21を三次元
構造に積層した積層体40と、この積層体40の両端部
に取り付けられた負極側端部部材41および正極側端部
部材51とにより構成されている。
FIG. 7 shows a polymer electrolyte fuel cell 2 of the embodiment.
It is an external view which illustrates the external appearance of No. 0. As shown in the figure, the polymer electrolyte fuel cell 20 has a stacked body 40 in which the above-described cells 21 are stacked in a three-dimensional structure, a negative electrode side end member 41 attached to both ends of the stacked body 40, and a positive electrode side. And an end member 51.

【0029】図8は、負極側端部部材41の構造の一部
を模式的に示す模式図である。図7および図8に示すよ
うに、負極側端部部材41は、積層体40の端部で燃料
極28に電気的に接続された支持枠22の端部支持部材
23に電気的に接続された負極端子42と、燃料ガスの
流入口43と、この流入口43と連通し流入口43から
取り入れた燃料ガスを積層体40に形成される各燃料ガ
ス流路36に分配する燃料ガス分配管45と、積層体4
0に形成される各酸化ガス流路38から排出される酸化
ガスの排ガスを収集する酸化ガス収集管47と、酸化ガ
ス収集管47と連通する酸化ガスの流出口49とを備え
る。正極側端部部材51は、負極側端部部材41と対称
の構造に構成されており、図8に相当する構成図は図示
しないが、負極側端部部材41と同様に、積層体40の
端部で酸素極30に電気的に接続された支持枠22の端
部支持部材23に電気的に接続された正極端子52と、
酸化ガスの流入口53と、この流入口53と連通し流入
口53から取り入れた酸化ガスを積層体40に形成され
る各酸化ガス流路38に分配する酸化ガス分配管55
と、積層体40に形成される各燃料ガス流路36から排
出される燃料ガスの排ガスを収集する燃料ガス収集管5
7と、燃料ガス収集管57と連通する燃料ガスの流出口
59とを備える。
FIG. 8 is a schematic view schematically showing a part of the structure of the negative electrode side end member 41. As shown in FIGS. 7 and 8, the negative electrode side end member 41 is electrically connected to the end support member 23 of the support frame 22 electrically connected to the fuel electrode 28 at the end of the stacked body 40. A negative electrode terminal 42, a fuel gas inlet 43, and a fuel gas distribution pipe communicating with the inlet 43 and distributing the fuel gas taken in from the inlet 43 to each fuel gas passage 36 formed in the laminate 40. 45 and the laminate 4
An oxidizing gas collecting pipe 47 for collecting the exhaust gas of the oxidizing gas discharged from each of the oxidizing gas channels 38 formed at zero is provided with an oxidizing gas outlet 49 communicating with the oxidizing gas collecting pipe 47. The positive-electrode-side end member 51 is configured to be symmetrical to the negative-electrode-side end member 41, and a configuration diagram corresponding to FIG. A positive electrode terminal 52 electrically connected to an end support member 23 of the support frame 22 electrically connected to the oxygen electrode 30 at an end;
An oxidizing gas inlet 53, and an oxidizing gas distribution pipe 55 communicating with the inlet 53 and distributing the oxidizing gas introduced from the inlet 53 to each of the oxidizing gas passages 38 formed in the laminate 40.
And a fuel gas collecting pipe 5 for collecting exhaust gas of fuel gas discharged from each fuel gas passage 36 formed in the stacked body 40.
7 and a fuel gas outlet 59 communicating with the fuel gas collecting pipe 57.

【0030】こうして構成された固体高分子型燃料電池
20に、負極側端部部材41の燃料ガスの流入口43か
ら燃料ガスを供給すると共に、正極側端部部材51の酸
化ガス流入口53から酸化ガス(例えば、空気)を供給
すると、各セル21の燃料極28および酸素極30で次
式(1)および式(2)に示す電極反応が生じ、固体高
分子型燃料電池20は、化学エネルギを直接電気エネル
ギに変換して発電する。
A fuel gas is supplied to the polymer electrolyte fuel cell 20 configured as described above from the fuel gas inlet 43 of the negative end member 41, and is supplied from the oxidizing gas inlet 53 of the positive end member 51. When an oxidizing gas (for example, air) is supplied, an electrode reaction represented by the following formulas (1) and (2) occurs at the fuel electrode 28 and the oxygen electrode 30 of each cell 21, and the polymer electrolyte fuel cell 20 Energy is converted directly into electrical energy to generate electricity.

【0031】 アノード反応(燃料極) H2→2H++2e- (1) カソード反応(酸素極) 2H++2e-+(1/2)O2→H2O (2)Anode reaction (fuel electrode) H 2 → 2H + + 2e (1) Cathode reaction (oxygen electrode) 2H + + 2e + (1/2) O 2 → H 2 O (2)

【0032】以上説明した実施例の固体高分子型燃料電
池20によれば、物理的な強度を持たない電解質として
の高分子膜を用いる燃料電池であっても、支持枠22を
用いることにより縦横の物理的な強度を得て、セル21
を三次元構造的に積層することができる。しかも、三次
元構造を形成したときに形成される空間を燃料ガスや酸
化ガスの流路とするから、燃料ガスや酸化ガスの流路を
形成するための部材を必要としない。この結果、固体高
分子型燃料電池20を軽量化することができる。
According to the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment described above, even if the fuel cell uses a polymer membrane as an electrolyte having no physical strength, the use of the support frame 22 allows the fuel cell to be vertically and horizontally oriented. Of the cell 21
Can be laminated three-dimensionally. Moreover, since the space formed when the three-dimensional structure is formed is used as a flow path for the fuel gas or the oxidizing gas, no member is required for forming the flow path for the fuel gas or the oxidizing gas. As a result, the weight of the polymer electrolyte fuel cell 20 can be reduced.

【0033】また、実施例の固体高分子型燃料電池20
によれば、図1中上下に位置するセル21の電解質膜2
6を絶縁部材32と絶縁部材34とにより絶縁すると共
に、燃料極28同士および酸素極30同士を空間により
絶縁するから、上下に位置するセル21が短絡すること
がない。
The polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment
According to the above, the electrolyte membranes 2 of the cells 21 located at the top and bottom in FIG.
6 is insulated by the insulating member 32 and the insulating member 34, and the fuel electrodes 28 and the oxygen electrodes 30 are insulated from each other by the space. Therefore, the upper and lower cells 21 are not short-circuited.

【0034】あるいは、実施例の固体高分子型燃料電池
20によれば、図1中上下に位置するセル21の燃料ガ
ス流路36と酸化ガス流路38は、電解質膜26と絶縁
部材32,34と燃料極端子29と酸素極端子31とに
よりシールされているから、燃料ガスと酸化ガスとが混
合することがない。
Alternatively, according to the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment, the fuel gas flow path 36 and the oxidizing gas flow path 38 of the cell 21 located at the top and bottom in FIG. The fuel gas and the oxidizing gas are not mixed because they are sealed by 34, the fuel electrode terminal 29, and the oxygen electrode terminal 31.

【0035】さらに、実施例の固体高分子型燃料電池2
0によれば、支持枠22の端部支持部材23によりセル
21が並列に接続されているから、セル間の電位のバラ
ツキをなくすことができる。しかも端部支持部材23の
一部が破断しても、端部支持部材23は図3に示すよう
に網目状に接続しているから、セル間の電位にバラツキ
が生じるのを防止することができる。
Further, the polymer electrolyte fuel cell 2 of the embodiment
According to 0, since the cells 21 are connected in parallel by the end support members 23 of the support frame 22, variations in the potential between the cells can be eliminated. Moreover, even if a part of the end support member 23 is broken, the end support members 23 are connected in a mesh shape as shown in FIG. it can.

【0036】加えて、実施例の固体高分子型燃料電池2
0では、セル21の断面の一辺の寸法を小さくすること
により、単位体積あたりの電極反応寄与面積を大きくす
ることができるから、固体高分子型燃料電池20をコン
パクトなものにすることができる。
In addition, the polymer electrolyte fuel cell 2 of the embodiment
In the case of 0, the size of one side of the cross section of the cell 21 can be reduced to increase the electrode reaction contributing area per unit volume, so that the polymer electrolyte fuel cell 20 can be made compact.

【0037】実施例の固体高分子型燃料電池20では、
セル21をその断面が四角形の角柱形状として構成した
が、その断面を三角形や五角以上の多角形,円形,楕円
形,その他の形状などとしてもよい。
In the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment,
Although the cross section of the cell 21 is configured as a rectangular prism, the cross section may be a triangle, a polygon having five or more angles, a circle, an ellipse, or any other shape.

【0038】実施例の固体高分子型燃料電池20では、
電解質膜26の内壁面に燃料極28を取り付け、外壁面
に酸素極30を取り付けたが、電解質膜26の内壁面に
酸素極30を取り付け、外壁面に燃料極28を取り付け
るものとしてもよい。この場合、電解質膜26の内側が
酸化ガス流路となり、その外側が燃料ガス流路となる。
In the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment,
Although the fuel electrode 28 is mounted on the inner wall surface of the electrolyte membrane 26 and the oxygen electrode 30 is mounted on the outer wall surface, the oxygen electrode 30 may be mounted on the inner wall surface of the electrolyte membrane 26 and the fuel electrode 28 may be mounted on the outer wall surface. In this case, the inside of the electrolyte membrane 26 becomes an oxidizing gas flow path, and the outside thereof becomes a fuel gas flow path.

【0039】実施例の固体高分子型燃料電池20では、
支持枠22の端部支持部材23を導電性の高い材料によ
り形成したが、絶縁材料により形成しても差し支えな
い。この場合、隣接するセル21を電気的に並列に接続
する接続部材を備えればよい。また、こうした絶縁材料
により端部支持部材23を形成する場合、隣接するセル
21を電気的に並列に接続しないものとしてもかまわな
い。
In the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment,
The end support member 23 of the support frame 22 is formed of a material having high conductivity, but may be formed of an insulating material. In this case, a connection member for electrically connecting the adjacent cells 21 in parallel may be provided. When the end supporting members 23 are formed of such an insulating material, the adjacent cells 21 may not be electrically connected in parallel.

【0040】次に本発明の第2の実施例としての固体高
分子型燃料電池120について説明する。図9は第2実
施例の固体高分子型燃料電池120を模式的に示す構造
図である。図示するように、第2実施例の固体高分子型
燃料電池120は、複数の円筒形の発電層積層体122
と、この発電層積層体122を複数並列に束ねて支持す
る並列部材125とを備える。
Next, a description will be given of a polymer electrolyte fuel cell 120 according to a second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a structural view schematically showing a polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment. As shown, the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment has a plurality of cylindrical power generation layer stacks 122.
And a parallel member 125 that bundles and supports a plurality of the power generation layer stacks 122 in parallel.

【0041】図10は図9に例示する第2実施例の固体
高分子型燃料電池120のA−A面の一部を拡大して模
式的に示す断面模式図であり、図11は発電層積層体1
22の断面の一部を例示する断面図である。図10およ
び図11に示すように、発電層積層体122は、多孔質
材料(例えばアルミナなどの金属酸化物等)により円筒
形状に形成された支持部材123と、この支持部材12
3の外周表面に形成された単電池としてのセル121と
から構成されている。支持部材123の外周面には軸方
向に所定間隔毎に円周方向に90度の角度をもって4つ
の凸部124が形成されており、セル121はこの凸部
124の間に形成されている。セル121は、支持部材
123の外周面に密着形成された燃料極128と、この
燃料極128の外周面に密着形成された電解質膜126
と、更にこの電解質膜126の外周面に密着形成された
酸素極130とから構成されている。電解質膜126や
燃料極128,酸素極130は、第1実施例の固体高分
子型燃料電池20で説明した電解質膜26や燃料極2
8,酸素極30と同一の材料により形成されている。な
お、支持部材123の凸部124を挟んで隣接するセル
121の燃料極128と酸素極130は凸部124に密
着形成された導電性部材132により接続されており、
この隣接するセル121が支持部材123の軸方向に積
層されるようになっている。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing, on an enlarged scale, a portion of the AA plane of the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment illustrated in FIG. 9, and FIG. Laminate 1
FIG. 22 is a cross-sectional view illustrating a part of the cross-section of No. 22. As shown in FIGS. 10 and 11, the power generation layer laminate 122 includes a support member 123 formed of a porous material (eg, a metal oxide such as alumina) in a cylindrical shape, and a support member 123 formed of a porous material.
3 and a cell 121 as a unit cell formed on the outer peripheral surface. Four projections 124 are formed on the outer peripheral surface of the support member 123 at predetermined intervals in the axial direction at an angle of 90 degrees in the circumferential direction, and the cells 121 are formed between the projections 124. The cell 121 has a fuel electrode 128 formed in close contact with the outer peripheral surface of the support member 123 and an electrolyte membrane 126 formed in close contact with the outer peripheral surface of the fuel electrode 128.
And an oxygen electrode 130 formed in close contact with the outer peripheral surface of the electrolyte membrane 126. The electrolyte membrane 126, the fuel electrode 128, and the oxygen electrode 130 are the same as the electrolyte membrane 26 and the fuel electrode 2 described in the polymer electrolyte fuel cell 20 of the first embodiment.
8. It is formed of the same material as the oxygen electrode 30. The fuel electrode 128 and the oxygen electrode 130 of the cell 121 adjacent to the support member 123 with the protrusion 124 interposed therebetween are connected by a conductive member 132 formed in close contact with the protrusion 124.
The adjacent cells 121 are stacked in the axial direction of the support member 123.

【0042】図10に示すように、並列部材125は、
導電性材料により格子形状に形成された枠体であり、支
持部材123の凸部124の表面に密着形成された導電
性部材132に接着固定することにより、各発電層積層
体122を支持すると共に各発電層積層体122の対応
する各セル121を電気的に並列に接続している。この
ように並列部材125に各発電層積層体122を取り付
けることにより、発電層積層体122の内側に燃料ガス
流路136と外側に酸化ガス流路138とが形成され
る。
As shown in FIG. 10, the parallel member 125
This is a frame formed of a conductive material in a lattice shape, and supports each of the power generation layer laminates 122 by being bonded and fixed to a conductive member 132 which is formed in close contact with the surface of the convex portion 124 of the support member 123. The corresponding cells 121 of each power generation layer stack 122 are electrically connected in parallel. By attaching each of the power generation layer stacks 122 to the parallel members 125 in this manner, a fuel gas flow path 136 is formed inside the power generation layer stack 122 and an oxidizing gas flow path 138 is formed outside the power generation layer stack 122.

【0043】次に、こうして構成される第2実施例の固
体高分子型燃料電池120の製造の様子について説明す
る。図12は第2実施例の固体高分子型燃料電池120
の製造の様子を例示する製造工程図であり、図13は発
電層積層体122の製造の様子を模式的に図示する模式
図である。第2実施例の固体高分子型燃料電池120の
製造は、まず、支持部材123の形成から始まる(工程
S100)。支持部材123の形成はアルミナ粉末など
を形成して焼成するセラミックの製造工程により行なわ
れる。次に支持部材123の凸部124間に燃料極12
8を密着形成する工程が行なわれる(工程S102)。
この工程は、図13の(b)に示すように、マスク16
0により支持部材123の凸部124と凸部124の図
中右側の所定間隔(実施例では、1mmないし3mm程
度)をマスクした状態で、支持部材123を回転させな
がら燃料極128を形成する材料を吹き付けることによ
り行なわれる。
Next, the manner of manufacturing the polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment will be described. FIG. 12 shows a polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment.
FIG. 13 is a schematic view schematically illustrating a state of the production of the power generation layer laminate 122. The manufacture of the polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment starts with the formation of the support member 123 (step S100). The support member 123 is formed by a ceramic manufacturing process in which alumina powder or the like is formed and fired. Next, the fuel electrode 12 is placed between the convex portions 124 of the support member 123.
8 is formed (step S102).
In this step, as shown in FIG.
The material that forms the fuel electrode 128 while rotating the support member 123 in a state where a predetermined distance (about 1 mm to 3 mm in the embodiment) between the protrusions 124 of the support member 123 in the drawing is masked by 0. Is sprayed.

【0044】続いて、形成された燃料極128の外周面
に電解質膜126を密着形成する工程が行なわれる(工
程S104)。この工程は、図13の(c)に示すよう
に、マスク160により支持部材123の凸部124と
凸部124の図中左側の所定間隔(実施例では、1mm
ないし3mm程度)をマスクした状態で、支持部材12
3を回転させながら電解質膜126を形成する材料を吹
き付けることにより行なわれる。したがって、燃料極1
28を形成する工程でマスクした凸部124の図中右側
の所定間隔には電解質膜126が密着形成され、凸部1
24の図中左側の所定間隔の燃料極128上には電解質
膜126は密着形成されない。
Subsequently, a step of forming an electrolyte membrane 126 in close contact with the outer peripheral surface of the formed fuel electrode 128 is performed (step S104). In this step, as shown in FIG. 13C, a predetermined interval (1 mm in the embodiment) between the convex portions 124 of the support member 123 on the left side in the drawing by the mask 160 is used.
(About 3 mm) while supporting the support member 12
This is performed by spraying a material for forming the electrolyte membrane 126 while rotating 3. Therefore, fuel electrode 1
An electrolyte membrane 126 is formed in close contact with a predetermined interval on the right side of the projection 124 masked in the step of forming
The electrolyte membrane 126 is not formed on the fuel electrode 128 at a predetermined interval on the left side of FIG.

【0045】次に、形成された電解質膜126の外周面
に酸素極130を密着形成する工程と(工程S10
6)、凸部124の外周面に導電性部材132を密着形
成する工程とが行なわれる(工程S108)。この工程
は、図13の(d)に示すように、支持部材123を回
転させながら酸素極130を形成する材料や導電性部材
132を形成する材料を吹き付けることにより行なわれ
る。この際、図13(c)の凸部124の左側の所定間
隔の燃料極128上に電解質膜126が密着形成されな
かった部分と、この部分と凸部124を挟んで密着形成
される酸素極130とが導電性部材132により電気的
に接続されるよう酸素極130と導電性部材132とが
形成される。この導電性部材132の形成により凸部1
24を挟んで隣接するセル121は積層されることにな
る。
Next, a step of forming an oxygen electrode 130 in close contact with the outer peripheral surface of the formed electrolyte membrane 126 (step S10).
6) a step of forming the conductive member 132 in close contact with the outer peripheral surface of the convex portion 124 (step S108). This step is performed by spraying a material for forming the oxygen electrode 130 and a material for forming the conductive member 132 while rotating the support member 123, as shown in FIG. At this time, a portion where the electrolyte membrane 126 is not formed in close contact with the fuel electrode 128 at a predetermined interval on the left side of the protrusion 124 in FIG. 13C, and an oxygen electrode which is formed in close contact with this portion with the protrusion 124 interposed therebetween. The oxygen electrode 130 and the conductive member 132 are formed so that the conductive member 132 and the oxygen electrode 130 are electrically connected to each other. Due to the formation of the conductive member 132, the protrusion 1
The cells 121 adjacent to each other with 24 interposed therebetween are stacked.

【0046】そして、形成された発電層積層体122を
並列部材125に組み付けて(工程S110)、第2実
施例の固体高分子型燃料電池120を完成する。図14
は発電層積層体122を並列部材125に組み付ける様
子を模式的に例示する模式図である。発電層積層体12
2は、その4つの凸部124が並列部材125が形成す
る矩形空間の四隅になるよう並列部材125に挿入さ
れ、発電層積層体122の並列部材125に対する軸方
向の位置が決まると、発電層積層体122を45度回転
させて凸部124を並列部材125に当接させる。そし
て、この状態で並列部材125と凸部124とを固着す
る。
Then, the formed power generation layer laminate 122 is assembled to the parallel member 125 (step S110) to complete the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment. FIG.
FIG. 3 is a schematic view schematically illustrating a state in which a power generation layer laminate 122 is assembled to a parallel member 125. Power generation layer laminate 12
2 is inserted into the parallel member 125 such that the four convex portions 124 are at the four corners of the rectangular space formed by the parallel member 125, and when the position of the power generation layer laminate 122 in the axial direction with respect to the parallel member 125 is determined, the power generation layer By rotating the stacked body 122 by 45 degrees, the protrusion 124 is brought into contact with the parallel member 125. Then, in this state, the parallel member 125 and the convex portion 124 are fixed.

【0047】なお、第2実施例の固体高分子型燃料電池
20も、図7に示すようにその積層端には負極側端部部
材141と正極側端部部材151とが取り付けられてい
る。図15は、負極側端部部材141の構造の一部を模
式的に示す模式図である。図7および図15に示すよう
に、負極側端部部材141は、その端部で燃料極128
に電気的に接続された負極端子142と、燃料ガスの流
入口143と、この流入口143と連通し流入口143
から取り入れた燃料ガスを各発電層積層体122の内側
に形成される各燃料ガス流路136に分配する燃料ガス
分配管145と、各発電層積層体122に形成される各
酸化ガス流路138から排出される酸化ガスの排ガスを
収集する酸化ガス収集管147と、酸化ガス収集管14
7と連通する酸化ガスの流出口149とを備える。正極
側端部部材151は、第1実施例の固体高分子型燃料電
池20と同様に、負極側端部部材141と対称の構造に
構成されている。
As shown in FIG. 7, the polymer electrolyte fuel cell 20 of the second embodiment is also provided with a negative electrode end member 141 and a positive electrode end member 151 at its lamination end. FIG. 15 is a schematic diagram schematically showing a part of the structure of the negative electrode side end member 141. As shown in FIGS. 7 and 15, the negative electrode side end member 141 has a fuel electrode 128 at its end.
Terminal 142 electrically connected to the fuel cell, an inlet 143 for fuel gas, and an inlet 143 communicating with the inlet 143.
A fuel gas distribution pipe 145 for distributing the fuel gas taken in from each other to each fuel gas flow path 136 formed inside each power generation layer stack 122, and each oxidizing gas flow path 138 formed in each power generation layer stack 122 Gas collecting pipe 147 for collecting exhaust gas of oxidizing gas discharged from
7 and an outlet 149 for oxidizing gas communicating with the oxidizing gas. The positive-electrode-side end member 151 has a symmetrical structure with the negative-electrode-side end member 141, similarly to the polymer electrolyte fuel cell 20 of the first embodiment.

【0048】こうして製造された第2実施例の固体高分
子型燃料電池120に、負極側端部部材141の燃料ガ
スの流入口143から燃料ガスを供給すると共に、正極
側端部部材151の酸化ガス流入口153から酸化ガス
(例えば、空気)を供給すると、各セル121の燃料極
128および酸素極130で上述の式(1)および式
(2)に示す電極反応が生じ、固体高分子型燃料電池1
20は、化学エネルギを直接電気エネルギに変換して発
電する。
A fuel gas is supplied from the fuel gas inlet 143 of the negative electrode end member 141 to the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment thus manufactured, and the oxidation of the positive electrode end member 151 is performed. When an oxidizing gas (for example, air) is supplied from the gas inlet 153, the electrode reactions shown in the above equations (1) and (2) occur at the fuel electrode 128 and the oxygen electrode 130 of each cell 121, and the solid polymer type Fuel cell 1
Reference numeral 20 directly converts chemical energy into electric energy to generate electric power.

【0049】以上説明した第2実施例の固体高分子型燃
料電池120によれば、十分な物理的な強度を有する支
持部材123の外周面にセル121を密着形成して支持
部材123を構成するから、物理的な強度を持たない電
解質としての高分子膜を用いる燃料電池であってもセル
121を三次元構造的に積層することができる。しか
も、支持部材123をガス透過の多孔質材料により円筒
形上に形成してその内側と外側とを燃料ガスや酸化ガス
の流路とするから、燃料ガスや酸化ガスの流路を形成す
るための部材を必要としない。この結果、固体高分子型
燃料電池120を軽量化することができる。もとより、
第2実施例の固体高分子型燃料電池120は、第1実施
例の固体高分子型燃料電池20が奏する種々の効果、例
えば、セル121の短絡の防止や、シールによる燃料ガ
スや酸化ガスの混合の防止,セル121間の電位のバラ
ツキの解消,固体高分子型燃料電池120の小型化等の
効果を奏する。
According to the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment described above, the support member 123 is formed by closely forming the cell 121 on the outer peripheral surface of the support member 123 having sufficient physical strength. Therefore, even in a fuel cell using a polymer film as an electrolyte having no physical strength, the cells 121 can be stacked in a three-dimensional structure. Moreover, since the support member 123 is formed of a gas-permeable porous material on a cylindrical shape and the inside and outside thereof are used as a flow path for the fuel gas or the oxidizing gas, the flow path for the fuel gas or the oxidizing gas is formed. No member is required. As a result, the weight of the polymer electrolyte fuel cell 120 can be reduced. Of course,
The polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment has various effects achieved by the polymer electrolyte fuel cell 20 according to the first embodiment, for example, prevention of short-circuit of the cell 121 and prevention of fuel gas and oxidizing gas by sealing. Effects such as prevention of mixing, elimination of variation in potential between the cells 121, and downsizing of the polymer electrolyte fuel cell 120 are achieved.

【0050】第2実施例の固体高分子型燃料電池120
の製造方法によれば、マスク160により所定の範囲を
マスクしながら燃料極128や電解質膜126,酸素極
130,導電性部材132を形成する材料を吹き付けて
燃料極128や電解質膜126,酸素極130,導電性
部材132を形成するから、発電層積層体122を容易
に製造することができる。また、支持部材123に凸部
124を形成し、凸部124が並列部材125に接触し
ないよう発電層積層体122を並列部材125に挿入
し、その後発電層積層体122を45度回転させて凸部
124と並列部材125とを固着するから、簡易に発電
層積層体122を並列部材125に組み付けることがで
きる。この結果、簡易に第2実施例の固体高分子型燃料
電池120を製造することができる。
The polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment
According to the manufacturing method described above, the material for forming the fuel electrode 128, the electrolyte film 126, the oxygen electrode 130, and the conductive member 132 is sprayed while masking a predetermined range with the mask 160, and the fuel electrode 128, the electrolyte film 126, and the oxygen electrode Since the 130 and the conductive member 132 are formed, the power generation layer laminate 122 can be easily manufactured. Further, a convex portion 124 is formed on the support member 123, and the power generation layer laminate 122 is inserted into the parallel member 125 so that the convex portion 124 does not contact the parallel member 125. Since the part 124 and the parallel member 125 are fixed, the power generation layer laminate 122 can be easily assembled to the parallel member 125. As a result, the polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment can be easily manufactured.

【0051】第2実施例の固体高分子型燃料電池120
では、断面が円形の支持部材123を用いたが、その断
面を三角形や五角以上の多角形,円形,楕円形,その他
の形状の支持部材123を用いるものとしてもよい。
The polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment
In the above, the support member 123 having a circular cross section is used, but the cross section may use a support member 123 having a triangular shape, a pentagonal or more polygonal shape, a circular shape, an elliptical shape, and other shapes.

【0052】第2実施例の固体高分子型燃料電池120
では、支持部材123の外周面に燃料極128,電解質
膜126,酸素極130の順に密着形成したが、支持部
材123の外周面に酸素極130,電解質膜126,燃
料極128の順に密着形成するものとしてもよい。この
場合、形成される発電層積層体の内側が酸化ガス流路と
なり、外側が燃料ガス流路となる。
The polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment
In the embodiment, the fuel electrode 128, the electrolyte membrane 126, and the oxygen electrode 130 are formed in close contact with the outer peripheral surface of the support member 123 in this order, but the oxygen electrode 130, the electrolyte film 126, and the fuel electrode 128 are formed in close contact with the outer peripheral surface of the support member 123 in this order. It may be a thing. In this case, the inside of the formed power generation layer laminate serves as an oxidizing gas passage, and the outside serves as a fuel gas passage.

【0053】第2実施例の固体高分子型燃料電池120
では、支持部材123に凸部124を形成したが、凸部
124のない支持部材を用いて発電層積層体を形成する
ものとしてもよい。
The polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment
In the above, the convex portion 124 is formed on the support member 123. However, the power generation layer laminate may be formed using a support member without the convex portion 124.

【0054】第2実施例の固体高分子型燃料電池120
では、並列部材125を導電性の高い材料により形成し
たが、絶縁材料により形成しても差し支えない。この場
合、隣接するセル121を電気的に並列に接続する接続
部材を備えればよい。また、こうした絶縁材料により並
列部材125を形成する場合、隣接するセル121を電
気的に並列に接続しないものとしてもかまわない。
The polymer electrolyte fuel cell 120 of the second embodiment
In the above, the parallel member 125 is formed of a material having high conductivity, but may be formed of an insulating material. In this case, a connection member that electrically connects adjacent cells 121 in parallel may be provided. When the parallel member 125 is formed using such an insulating material, the adjacent cells 121 may not be electrically connected in parallel.

【0055】以上、本発明の実施の形態について実施例
を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限
定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲
内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論であ
る。
The embodiments of the present invention have been described with reference to the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various embodiments may be made without departing from the gist of the present invention. Of course, it can be carried out.

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

【図1】 本発明の一実施例である固体高分子型燃料電
池20のセル21の断面を例示する断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a cross section of a cell 21 of a polymer electrolyte fuel cell 20 according to one embodiment of the present invention.

【図2】 実施例の固体高分子型燃料電池20のセル2
1の構造を支持する支持枠22を例示する斜視図であ
る。
FIG. 2 shows a cell 2 of the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment.
FIG. 3 is a perspective view illustrating a support frame 22 that supports the structure of FIG.

【図3】 図1のセル21におけるB−B面の断面を示
す断面図である
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross section taken along a line BB in the cell 21 of FIG. 1;

【図4】 図1のセル21におけるC−C面の断面を示
す断面図である。
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line CC of the cell 21 of FIG.

【図5】 図1のセル21におけるD−D面の断面を示
す断面図である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the line DD of the cell 21 of FIG.

【図6】 図1のセル21におけるE−E面の断面を示
す断面図である。
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross section taken along the EE plane in the cell 21 of FIG.

【図7】 実施例の固体高分子型燃料電池20の外観を
例示する外観図である。
FIG. 7 is an external view illustrating the external appearance of the polymer electrolyte fuel cell 20 of the embodiment.

【図8】 負極側端部部材41の構造の一部を模式的に
示す模式図である。
FIG. 8 is a schematic view schematically showing a part of the structure of a negative electrode side end member 41.

【図9】 第2実施例の固体高分子型燃料電池120を
模式的に示す構造図である。
FIG. 9 is a structural diagram schematically illustrating a polymer electrolyte fuel cell 120 according to a second embodiment.

【図10】 図9に例示する第2実施例の固体高分子型
燃料電池120のA−A面の一部を拡大して模式的に示
す断面模式図である。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing, on an enlarged scale, a portion of the AA plane of the polymer electrolyte fuel cell 120 according to the second embodiment illustrated in FIG.

【図11】 発電層積層体122の断面の一部を例示す
る断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a part of the cross section of the power generation layer laminate 122.

【図12】 第2実施例の固体高分子型燃料電池120
の製造の様子を例示する製造工程図である。
FIG. 12 is a polymer electrolyte fuel cell 120 according to a second embodiment.
FIG. 4 is a manufacturing process diagram illustrating an example of manufacturing.

【図13】 発電層積層体122の製造の様子を模式的
に図示する模式図である。
FIG. 13 is a schematic view schematically illustrating a state of manufacturing the power generation layer laminate 122.

【図14】 発電層積層体122を並列部材125に組
み付ける様子を模式的に例示する模式図である。
FIG. 14 is a schematic view schematically illustrating a state in which the power generation layer laminate 122 is assembled to the parallel member 125.

【図15】 第2実施例の固体高分子型燃料電池120
の負極側端部部材141の構造の一部を模式的に示す模
式図である。
FIG. 15 is a polymer electrolyte fuel cell 120 of a second embodiment.
3 is a schematic view schematically showing a part of the structure of a negative electrode side end member 141 of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

20,120 固体高分子型燃料電池、21,121
セル、22 支持枠、23 端部支持部材、24 軸方
向支持部材、26,126 電解質膜、28,128
燃料極、29 燃料極端子、30,130 酸素極、3
1 酸素極端子、32,34 絶縁部材、36,136
燃料ガス流路、38,138 酸化ガス流路、40
積層体、41,141 負極側端部部材、42,142
負極端子、43,143 流入口、45,145 燃
料ガス分配管、47,147 酸化ガス収集管、49,
149 流出口、51,151 正極側端部部材、52
正極端子、53 流入口、55 酸化ガス分配管、57
燃料ガス収集管、59流出口、122 発電層積層
体、123 支持部材、124 凸部、125並列部
材、132 導電性部材。
20,120 solid polymer fuel cell, 21,121
Cell, 22 support frame, 23 end support member, 24 axial support member, 26, 126 electrolyte membrane, 28, 128
Fuel electrode, 29 Fuel electrode terminal, 30, 130 Oxygen electrode, 3
1 oxygen electrode terminal, 32, 34 insulating member, 36, 136
Fuel gas passage, 38, 138 oxidizing gas passage, 40
Laminated body, 41, 141 Negative electrode side end member, 42, 142
Negative electrode terminal, 43,143 inflow port, 45,145 fuel gas distribution pipe, 47,147 oxidizing gas collection pipe, 49,
149 Outflow port, 51, 151 Positive electrode side end member, 52
Positive electrode terminal, 53 inflow port, 55 oxidizing gas distribution pipe, 57
Fuel gas collecting pipe, 59 outlet, 122 power generation layer laminate, 123 support member, 124 convex portion, 125 parallel member, 132 conductive member.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西出 行正 愛知県豊田市トヨタ町1番地 トヨタ自動 車株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CV05  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Yukimasa Nishiide 1 Toyota Town, Toyota City, Aichi Prefecture Toyota Motor Corporation F-term (reference) 5H026 AA06 CV05

Claims (17)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 電解質としての固体高分子膜と該固体高
分子膜を狭持する二つの電極とからなる発電層を直列に
複数積層してなる発電層積層体を備える固体高分子型燃
料電池であって、 前記発電層は筒状に形成され、 前記発電層積層体は、前記発電層を該発電層の軸方向に
直列に複数積層してなり、 前記発電層積層体を支持する支持部材を備える固体高分
子型燃料電池。
1. A polymer electrolyte fuel cell comprising a power generation layer stack in which a plurality of power generation layers each comprising a solid polymer membrane as an electrolyte and two electrodes sandwiching the solid polymer membrane are stacked in series. The power generation layer is formed in a cylindrical shape, and the power generation layer laminate includes a plurality of the power generation layers laminated in series in the axial direction of the power generation layer, and a support member that supports the power generation layer laminate. A polymer electrolyte fuel cell comprising:
【請求項2】 前記支持部材は、前記発電層の端部を支
持する端部支持部材と、該端部支持部材を前記発電層の
軸方向に支持する軸方向支持部材とを備える請求項1記
載の固体高分子型燃料電池。
2. The power generator according to claim 1, wherein the support member includes an end support member that supports an end of the power generation layer, and an axial support member that supports the end support member in an axial direction of the power generation layer. The polymer electrolyte fuel cell according to the above.
【請求項3】 絶縁材料により形成され、前記発電層積
層体の直列に隣接して積層される発電層の固体高分子膜
間に配置される絶縁部材を備える請求項2記載の固体高
分子型燃料電池。
3. The solid polymer type according to claim 2, further comprising an insulating member formed of an insulating material and disposed between the solid polymer films of the power generation layer stacked adjacent to each other in series with the power generation layer stack. Fuel cell.
【請求項4】 導電性材料により形成され、前記絶縁部
材に挟持されると共に、直列に隣接して積層される発電
層間の固体高分子膜を挟んで挟持する一方の電極と他方
の発電層の他方の電極とを電気的に接続する接続部材を
備える請求項3記載の固体高分子型燃料電池。
4. An electrode formed of a conductive material, sandwiched by the insulating member, and sandwiched by a solid polymer film between power generation layers stacked in series and adjacent to each other. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, further comprising a connection member that electrically connects the other electrode.
【請求項5】 前記接続部材により接続される前記二つ
の電極のうちの一方の該接続部材と対峙する部位が前記
端部支持部材に取り付けられてなる請求項4記載の固体
高分子型燃料電池。
5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4, wherein a portion of one of the two electrodes connected by the connection member facing the connection member is attached to the end support member. .
【請求項6】 請求項1記載の固体高分子型燃料電池で
あって、 前記支持部材は、多孔質材料により筒形状に形成された
部材であり、 前記発電層は、前記支持部材の外表面に密着形成されて
なる固体高分子型燃料電池。
6. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the support member is a member formed in a cylindrical shape from a porous material, and the power generation layer is an outer surface of the support member. A solid polymer fuel cell formed in close contact with a fuel cell.
【請求項7】 導電性材料により形成され、直列に隣接
して積層される発電層間の固体高分子膜を挟んで挟持す
る一方の電極と他方の発電層の他方の電極とを電気的に
接続する接続部材を備える請求項6記載の固体高分子型
燃料電池。
7. An electrode, which is formed of a conductive material and sandwiches a solid polymer film between power generation layers stacked adjacent in series, and electrically connected to the other electrode of the other power generation layer. 7. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, further comprising a connecting member.
【請求項8】 請求項7記載の固体高分子型燃料電池で
あって、 前記支持部材は、軸方向に所定間隔毎に凸部が形成され
てなり、 前記発電層は、前記支持部材の各凸部間に形成されてな
り、 前記接続部材は、前記支持部材の凸部の外表面に密着形
成されてなる固体高分子型燃料電池。
8. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 7, wherein the support member is formed with protrusions at predetermined intervals in an axial direction, and the power generation layer is provided on each of the support members. A polymer electrolyte fuel cell formed between convex portions, wherein the connection member is formed in close contact with the outer surface of the convex portion of the support member.
【請求項9】 前記発電層積層体は、直列に隣接して積
層される発電層間で筒状の内部と外部とがシールされて
なる請求項1ないし8いずれか記載の固体高分子型燃料
電池。
9. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the power generation layer laminate has a cylindrical inside and an outside sealed between power generation layers stacked adjacent in series. .
【請求項10】 前記発電層積層体の直列に隣接して積
層される発電層の同一面内に配置される電極同士は電気
的に絶縁されてなる請求項1ないし9いずれか記載の固
体高分子型燃料電池。
10. The solid height according to claim 1, wherein the electrodes arranged on the same plane of the power generation layers stacked adjacent to each other in series in the power generation layer laminate are electrically insulated from each other. Molecular fuel cell.
【請求項11】 前記発電層積層体の各層の発電層を各
々複数並列に接続することにより該発電層積層体を複数
並列接続する並列部材を備える請求項1ないし10いず
れか記載の固体高分子型燃料電池。
11. The solid polymer according to claim 1, further comprising a parallel member that connects a plurality of power generation layer laminates in parallel by connecting a plurality of power generation layers of each layer of the power generation layer laminate in parallel. Type fuel cell.
【請求項12】 前記並列部材は、前記並列に接続され
る各発電層を電気的に並列に接続する部材である請求項
11記載の固体高分子型燃料電池。
12. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 11, wherein the parallel member is a member that electrically connects the power generation layers connected in parallel electrically in parallel.
【請求項13】 前記発電層は、断面が矩形の筒状に形
成されてなる請求項1ないし12いずれか記載の固体高
分子型燃料電池。
13. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the power generation layer is formed in a tubular shape having a rectangular cross section.
【請求項14】 前記発電層は、断面が円形の筒状に形
成されてなる請求項1ないし12いずれか記載の固体高
分子型燃料電池。
14. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the power generation layer is formed in a cylindrical shape having a circular cross section.
【請求項15】 電解質としての固体高分子膜と該固体
高分子膜を狭持する二つの電極とからなる発電層を直列
に複数積層してなる発電層積層体を備える固体高分子型
燃料電池の製造方法であって、 多孔質の材料により筒状の支持部材を形成する支持部材
形成工程と、 該形成された支持部材の外表面に、軸方向に所定間隔毎
に隙間をもって前記二つの電極の一方を形成する第1電
極形成工程と、 該形成された電極の表面に前記固体高分子膜を形成する
膜形成工程と、 該形成された固体高分子膜の表面に前記二つの電極の他
方を形成する第2電極形成工程と、 前記隙間を介して隣接する前記二つの電極の一方と他方
とを電気的に接続する電極接続工程とを備える固体高分
子型燃料電池の製造方法。
15. A polymer electrolyte fuel cell comprising a power generation layer laminate in which a plurality of power generation layers each including a solid polymer film as an electrolyte and two electrodes sandwiching the solid polymer film are stacked in series. A supporting member forming step of forming a cylindrical supporting member from a porous material; and forming the two electrodes with a gap at predetermined intervals in an axial direction on an outer surface of the formed supporting member. A first electrode forming step of forming one of the two electrodes; a film forming step of forming the solid polymer film on the surface of the formed electrode; and the other of the two electrodes on the surface of the formed solid polymer film. Forming a second electrode, and an electrode connecting step of electrically connecting one and the other of the two electrodes adjacent to each other via the gap.
【請求項16】 請求項15記載の固体高分子型燃料電
池の製造方法であって、 前記支持部材形成工程は、軸方向に所定間隔毎に凸部を
有する支持部材を形成する工程であり、 前記第1電極形成工程は、前記支持部材の凸部が形成さ
れた部位を前記隙間として前記電極の一方を形成する工
程である固体高分子型燃料電池の製造方法。
16. The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 15, wherein the supporting member forming step is a step of forming a supporting member having convex portions at predetermined intervals in an axial direction. The method of manufacturing a polymer electrolyte fuel cell, wherein the first electrode forming step is a step of forming one of the electrodes using a portion of the support member where the convex portion is formed as the gap.
【請求項17】 前記電極接続工程を終えた前記支持部
材を電気的に複数並列に接続する並列接続工程を備える
請求項15または16記載の固体高分子型燃料電池の製
造方法。
17. The method for manufacturing a polymer electrolyte fuel cell according to claim 15, further comprising a parallel connection step of electrically connecting a plurality of the support members after the electrode connection step in parallel.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001319664A (en) * 2000-05-08 2001-11-16 Honda Motor Co Ltd Fuel cell and its manufacturing method
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