JP2001135324A - High molecular electrolyte fuel cell - Google Patents

High molecular electrolyte fuel cell

Info

Publication number
JP2001135324A
JP2001135324A JP31339699A JP31339699A JP2001135324A JP 2001135324 A JP2001135324 A JP 2001135324A JP 31339699 A JP31339699 A JP 31339699A JP 31339699 A JP31339699 A JP 31339699A JP 2001135324 A JP2001135324 A JP 2001135324A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
battery
gas flow
separator
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP31339699A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akihiko Yoshida
昭彦 吉田
Hisaaki Gyoten
久朗 行天
Eiichi Yasumoto
栄一 安本
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Osamu Sakai
修 酒井
Makoto Uchida
誠 内田
Yasushi Sugawara
靖 菅原
Junji Morita
純司 森田
Teruhisa Kanbara
輝壽 神原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP31339699A priority Critical patent/JP2001135324A/en
Publication of JP2001135324A publication Critical patent/JP2001135324A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent local stop of gas supply caused by a gas supply route clogged by water, which could deteriorate functions of a separator board, as a construction element of a solid high molecular fuel cell which has usually been a carbon plate with the surface area cut for forming a gas flow route. SOLUTION: A gas flow route of a separator is made movable.

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、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
する固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
The present invention relates to a portable power supply,
The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte used for an electric vehicle power supply, a home cogeneration system, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子電解質を用いた燃料電池は、
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃
料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱
とを同時に発生させるものである。その構造は、まず、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両面
に、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とする触媒反応層を形成する。次に、この触媒反応層の
外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ拡
散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて電
極とする。
2. Description of the Related Art A fuel cell using a solid polymer electrolyte is
Electric power and heat are simultaneously generated by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and a fuel gas containing oxygen such as air. First, its structure
On both surfaces of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, a catalyst reaction layer mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst is formed. Next, a diffusion layer having both gas permeability and electronic conductivity is formed on the outer surface of the catalyst reaction layer, and the diffusion layer and the catalyst reaction layer are combined to form an electrode.

【0003】次に、供給する燃料ガスが外にリークした
り、二種類の燃料ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEA
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEAと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成ガス
や余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス
流路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパ
レータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的
である。
Next, a gas seal material or a gasket is arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane interposed therebetween so that the supplied fuel gas does not leak outside or the two types of fuel gas do not mix with each other. This sealing material and gasket are integrated with the electrode and polymer electrolyte membrane beforehand,
This is referred to as MEA (electrode electrolyte membrane assembly). MEA
A conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs in series with each other is arranged outside the. A gas flow path for supplying a reaction gas to the electrode surface and carrying away generated gas and surplus gas is formed in a portion of the separator plate that contacts the MEA. Although the gas flow path can be provided separately from the separator plate, a method of providing a gas flow path by providing a groove on the surface of the separator is general.

【0004】この溝に燃料ガスを供給するためは、燃料
ガスを供給する配管を、使用するセパレータの枚数に分
岐し、その分岐先を直接セパレータ状の溝につなぎ込む
配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼
び、上記のような燃料ガスの供給配管から直接つなぎ込
むタイプを外部マニホールドと呼ぶ。このマニホールド
には、構造をより簡単にした内部マニホールドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホールドとは、ガス流路を形
成したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流露の
出入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスを
供給するものである。
In order to supply the fuel gas into the groove, a pipe jig for branching the pipe for supplying the fuel gas into the number of separators to be used and connecting the branch directly to the separator-shaped groove is required. . This jig is called a manifold, and the type directly connected from the fuel gas supply pipe as described above is called an external manifold. There is a type of this manifold called an internal manifold which has a simpler structure. In the internal manifold, a through hole is provided in a separator plate in which a gas flow path is formed, an inlet / outlet for gas flow is passed to the hole, and fuel gas is supplied directly from the hole.

【0005】燃料電池は運転中に発熱するので、電池を
良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する
必要がある。通常、1〜3セル毎に冷却水を流す冷却部
をセパレータとセパレータとの間に挿入するが、セパレ
ータの背面に冷却水流路を設けて冷却部とする場合が多
い。これらのMEAとセパレータおよび冷却部を交互に
重ねていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶
縁板を介し、端板でこれを挟み、締結ボルトで両端から
固定するのが一般的な積層電池の構造である。
[0005] Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool the fuel cell with cooling water or the like in order to maintain the cell in a good temperature state. Usually, a cooling unit for flowing cooling water every 1 to 3 cells is inserted between the separators. In many cases, a cooling water flow path is provided on the back surface of the separator to serve as a cooling unit. The MEA, the separator and the cooling section are alternately stacked, and after stacking 10 to 200 cells, it is common to sandwich this with an end plate via a current collector plate and an insulating plate and fix it from both ends with fastening bolts. It is a structure of a simple stacked battery.

【0006】このような固体高分子型の燃料電池では、
セパレータは導電性が高く、かつ燃料ガスに対してガス
気密性が高く、更に水素/酸素を酸化還元する際の反応
に対して高い耐食性を持つ必要がある。このような理由
で、従来のセパレータは通常グラッシーカーボンや膨張
黒鉛などのカーボン材料で構成し、ガス流路もその表面
での切削や、膨張黒鉛の場合は型による成型で作製して
いた。
In such a polymer electrolyte fuel cell,
The separator needs to have high conductivity, high gas tightness with respect to the fuel gas, and high corrosion resistance to the reaction when redoxing hydrogen / oxygen. For this reason, the conventional separator is usually made of a carbon material such as glassy carbon or expanded graphite, and the gas flow path is formed by cutting the surface of the separator or, in the case of expanded graphite, by molding using a mold.

【0007】以上に示した高分子電解質型燃料電池は、
電解質膜が水分を含んだ状態で電解質として機能するた
め、供給する燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して供給する
必要がある。また、高分子電解質膜は、少なくとも10
0℃までの温度範囲では、含水率が高くなればなるほ
ど、イオン伝導度が増加し、電池の内部抵抗を低減さ
せ、高性能にする効果がある。そこで、電解質膜中の含
水率を高めるためには、供給ガスを高加湿にして供給す
る必要がある。
The polymer electrolyte fuel cell described above is
Since the electrolyte membrane functions as an electrolyte while containing water, it is necessary to humidify and supply the supplied fuel gas and oxidizing gas. Further, the polymer electrolyte membrane has at least 10
In the temperature range up to 0 ° C., the higher the water content, the higher the ionic conductivity, which has the effect of reducing the internal resistance of the battery and improving its performance. Therefore, in order to increase the water content in the electrolyte membrane, it is necessary to supply the supply gas with high humidification.

【0008】しかしながら、電池運転温度以上の高加湿
ガスを供給すると、電池内部で結露水が発生し、水滴が
スムーズなガスの供給を阻害する。また、酸化剤ガスを
供給する空気極側では、発電によって水が生成するた
め、生成水の除去効率が低下し、電池性能を低下させる
問題が発生する。そのため、通常は電池運転温度より若
干低めの露点に加湿してガスを供給する。
[0008] However, when a highly humidified gas at a temperature higher than the battery operating temperature is supplied, dew water is generated inside the battery, and water drops hinder the smooth gas supply. In addition, on the side of the air electrode supplying the oxidizing gas, water is generated by power generation, so that the efficiency of removing the generated water is reduced, which causes a problem of lowering the battery performance. Therefore, usually, the gas is supplied by humidifying the dew point slightly lower than the battery operating temperature.

【0009】供給ガスの加湿方法としては、所定の温度
に保った脱イオン水中に供給ガスをバブリングし加湿す
るバブラー加湿方式や、電解質膜などの水分が容易に移
動可能な膜の一方の面に所定の温度に保った脱イオン水
を流し、他方の面に供給ガスを流して加湿する膜加湿方
式が一般的である。燃料ガスとして、メタノールやメタ
ンなどの化石燃料を水蒸気改質したガスを用いる場合に
は、改質ガス中に水蒸気を含んでいるため、加湿が必要
ない場合もある。
As a method of humidifying the supply gas, a bubbler humidification method in which the supply gas is bubbled and humidified in deionized water maintained at a predetermined temperature, or a method for humidifying the water, such as an electrolyte membrane, on one surface of a film in which water can easily move. A membrane humidification system in which deionized water maintained at a predetermined temperature is flowed and a supply gas is flowed to the other surface to humidify the water is used. When a gas obtained by steam reforming a fossil fuel such as methanol or methane is used as the fuel gas, humidification may not be necessary because the reformed gas contains steam.

【0010】加湿された燃料ガスや酸化剤ガスは、高分
子電解質型燃料電池に供給され、発電に供する。このと
き、電池積層体中の任意の単電池の単一面内では、電流
密度の分布が発生する。すなわち、燃料ガスはガス供給
入り口部で所定量の加湿がなされ供給されるが、燃料ガ
ス中の水素が発電によって消費されるため、ガス上流部
ほど水素分圧が高く水蒸気分圧が低く、ガス下流部ほど
水素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる現象が発生する。
また、酸化剤ガスもガス供給入り口部で所定の加湿がな
され供給されるが、酸化剤ガス中の酸素が発電によって
消費され、発電によって生成した水が発生するため、ガ
ス上流部ほど酸素分圧が高く水蒸気分圧が低く、ガス下
流部ほど酸素分圧が低く水蒸気分圧が高くなる現象が発
生する。
[0010] The humidified fuel gas and oxidizing gas are supplied to a polymer electrolyte fuel cell and used for power generation. At this time, a current density distribution occurs in a single plane of any single cell in the battery stack. That is, the fuel gas is supplied after being humidified by a predetermined amount at the gas supply inlet, but the hydrogen in the fuel gas is consumed by power generation. The phenomenon that the partial pressure of hydrogen is lower and the partial pressure of water vapor is higher in the downstream portion occurs.
The oxidizing gas is also supplied with a predetermined humidification at the gas supply inlet, but oxygen in the oxidizing gas is consumed by power generation and water generated by the power generation is generated. And the partial pressure of steam is low, and the partial pressure of oxygen is low and the partial pressure of water vapor is high in the downstream part of the gas.

【0011】さらに、電池を冷却するための冷却水温度
は、入り口ほど低く、出口ほど高くなるため、電池の単
一面内に温度分布が発生する。以上のような理由から、
電池の単一面内では電流密度分布(性能分布)が発生す
る。
Further, the temperature of the cooling water for cooling the battery is lower at the entrance and higher at the exit, so that a temperature distribution occurs in a single plane of the battery. For the above reasons,
A current density distribution (performance distribution) occurs in a single plane of the battery.

【0012】また、上述のような理由で発生した、電池
の単一面内での燃料ガス中の水素や水蒸気分圧の不均一
や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気分圧の不均一、さらに
温度分布などが、極端に大きくなり最適な状態から逸脱
すると、極端な乾きすぎ(オーバードライ)状態や、極
端な濡れすぎ(オーバーフラッディング)状態を招来
し、電流密度分布の発生程度では収まらず、場合によっ
ては電池として機能しなくなる。
In addition, the partial pressures of hydrogen and water vapor in the fuel gas and the partial pressures of oxygen and water vapor in the oxidizing gas are non-uniform in a single plane of the battery, which are generated for the reasons described above. If the temperature distribution becomes extremely large and deviates from the optimal state, it will lead to an extremely over-dried (over-dry) state or an extremely over-wet (over-flooded) state. In some cases, it will not function as a battery.

【0013】さらに、上述のような理由で発生した、電
池の単一面内での燃料ガス中の水素や水蒸気分圧の不均
一や、酸化剤ガス中の酸素や水蒸気分圧の不均一、さら
に温度分布などによって、電池の単一面内でオーバード
ライとオーバーフラッディングが共存する現象も発生す
る。
In addition, the partial pressures of hydrogen and water vapor in the fuel gas and the partial pressures of oxygen and water vapor in the oxidizing gas are non-uniform in a single plane of the battery, which are generated for the reasons described above. Due to the temperature distribution and the like, a phenomenon in which overdrying and overflooding coexist in a single plane of the battery also occurs.

【0014】電池を高積層にした場合、積層した多数の
電池の一部の電池に上述のような問題が発生すると、一
部の性能低下した電池のために、積層電池全体の運転に
支障を来す。すなわち、積層した電池の一部の電池がオ
ーバーフラッディングに陥った場合、オーバーフラッデ
ィングに陥った電池は、ガス供給のための圧力損失が増
大する。ガス供給のマニホールドは、積層電池内で共通
であるため、オーバーフラッディングに陥った電池に
は、ガスが流れにくくなり、結果として益々オーバーフ
ラッディングを招来する。逆に、積層電池の一部がオー
バードライに陥った場合、オーバードライに陥った電池
は、ガス供給のための圧力損失が減少する。従って、オ
ーバードライに陥った電池には、ガスが流れやすくな
り、結果として益々オーバードライを招来する。
When the above-mentioned problem occurs in some of a large number of stacked batteries when the batteries are highly stacked, the operation of the entire stacked battery is hindered due to the partially degraded batteries. Come. That is, when some of the stacked batteries are overflooded, the overflooded batteries have an increased pressure loss for gas supply. Since the gas supply manifold is common in the stacked battery, gas does not easily flow through the battery that has been overflooded, resulting in more and more overflooding. Conversely, when a part of the stacked battery is overdried, the overdried battery has reduced pressure loss for gas supply. Therefore, gas easily flows into the battery that has fallen into overdry, and as a result, overdrying is caused more and more.

【0015】上述のような課題は、燃料ガスを供給する
燃料極側においても、酸化剤ガスを供給する空気極側に
おいても、ガス入り口側に比べてガス出口側ほどガス中
の水蒸気分圧が高くなることに起因する場合が多い。そ
こで、特表平9−511356号に示されているよう
に、酸化剤ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方向
とし、冷却水の温度分布により酸化剤ガスの下流部の温
度を上流部に比べて高くすることで、空気極下流部のオ
ーバーフラッディングを抑制し、電池の単一面内の電流
密度分布を低減させる試みもなされてきた。
[0015] The above-mentioned problem is that the partial pressure of water vapor in the gas is higher on the gas outlet side than on the gas inlet side on both the fuel electrode side for supplying the fuel gas and the air electrode side for supplying the oxidizing gas. It is often due to the increase. Therefore, as shown in JP-A-9-511356, the flow direction of the oxidizing gas and the flow direction of the cooling water are set to the same direction, and the temperature of the downstream portion of the oxidizing gas is set to the upstream by the temperature distribution of the cooling water. Attempts have also been made to reduce over-flooding in the downstream portion of the air electrode by reducing the current density distribution in a single plane of the battery by increasing the height of the battery.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、電池に
ガスを供給する場合、ガス入り口部では必ず圧力損失が
存在するため、電池内部では、供給ガスの圧力分布も存
在し、必ず入り口側が高圧になる。空気極側では、水が
生成するため、水蒸気の分圧は出口側ほど高くなるが、
圧力分布の影響で、電池運転条件によっては、相対湿度
は必ずしも出口側が高くなるとは限らない。そのため、
入り口側ほど相対湿度が高くなる運転条件で電池を発電
させ、酸化剤ガスの流れ方向と冷却水の流れ方向を同方
向とし、冷却水の温度分布により酸化剤ガスの下流部の
温度を上流部に比べて高くすると、ガス入り口側でのオ
ーバーフラッディングが加速され逆効果となる。
However, when gas is supplied to the battery, there is always a pressure loss at the gas inlet, so the pressure distribution of the supplied gas also exists inside the battery, and the inlet side always becomes high in pressure. . On the air electrode side, water is generated, so the partial pressure of water vapor increases toward the outlet,
Due to the influence of the pressure distribution, the relative humidity does not always increase on the outlet side depending on the battery operating conditions. for that reason,
The battery is generated under operating conditions in which the relative humidity increases toward the entrance, the flow direction of the oxidizing gas and the flow direction of the cooling water are set to the same direction, and the temperature of the downstream portion of the oxidizing gas is increased by the temperature distribution of the cooling water. If it is higher than, the overflooding at the gas inlet side is accelerated, which has the opposite effect.

【0017】すなわち、高分子電解質型燃料電池は、燃
料ガスを加湿する必要があるが、反応に伴って生成する
水と相まって、酸化剤ガスや燃料ガスの流路がこの水に
より閉塞状態に陥り、出力が低下するという課題があっ
た。
That is, in the polymer electrolyte fuel cell, it is necessary to humidify the fuel gas. However, in combination with the water generated by the reaction, the flow path of the oxidizing gas and the fuel gas is blocked by the water. However, there is a problem that the output is reduced.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】ガス流路の水による閉塞
を防止するため、本発明の高分子電解質型燃料電池は、
水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟んで配置した一対
の電極と、前記電極の一方に水素を含有した燃料を供給
排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流路を有
する一対の導電性セパレータ板とを具備した高分子電解
質型燃料電池において、前記導電性セパレータまたは前
記ガス流路の少なくとも一方は可動構造を有することを
特徴とする。
In order to prevent the gas flow path from being clogged with water, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention comprises:
A pair of electrodes disposed with a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a pair of conductive members having a gas flow path for supplying and discharging a fuel containing hydrogen to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidizing gas to the other. And a conductive separator plate, wherein at least one of the conductive separator and the gas flow path has a movable structure.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面を参照しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0020】[0020]

【実施例】(実施例1)アセチレンブラック系カ−ボン
粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担持
したものを電極の触媒とした。この触媒粉末をイソプロ
パノ−ルに分散させた溶液に、(化1)で示したパーフ
ルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに
分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状に
した。このペーストを原料としスクリ−ン印刷法をもち
いて、厚み250μmのカ−ボン不織布の一方の面に電
極触媒層を形成した。形成後の反応電極中に含まれる白
金量は0.5mg/cm2、パーフルオロカーボンスル
ホン酸の量は1.2mg/cm2となるよう調整した。
Example 1 An acetylene black-based carbon powder carrying 25% by weight of platinum particles having an average particle diameter of about 30 ° was used as a catalyst for an electrode. A dispersion solution of the perfluorocarbon sulfonic acid powder shown in Chemical Formula 1 in ethyl alcohol was mixed with a solution of this catalyst powder dispersed in isopropanol to form a paste. Using this paste as a raw material, an electrode catalyst layer was formed on one surface of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm using a screen printing method. The amount of platinum contained in the reaction electrode after the formation was adjusted to 0.5 mg / cm2, and the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to 1.2 mg / cm2.

【0021】[0021]

【化1】 Embedded image

【0022】これらの電極は、正極・負極共に同一構成
とし、電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝
導性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層
が電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合
して、電極/電解質接合体(MEA)を作成した。ここ
では、水素イオン伝導性高分子電解質として、(化2)
に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を25μmの
厚みに薄膜化したものを用いた。
These electrodes have the same structure for both the positive electrode and the negative electrode, and the catalyst layers printed on both sides of the center portion of the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane having an area slightly larger than the electrodes are in contact with the electrolyte membrane side. And an electrode / electrolyte assembly (MEA). Here, as the hydrogen ion conductive polymer electrolyte,
The perfluorocarbon sulfonic acid shown in (1) was thinned to a thickness of 25 μm.

【0023】[0023]

【化2】 Embedded image

【0024】本実施例で作製した固体高分子型燃料電池
の各構成要素の構造を図1,図2、及び図3に示した。
まず、図1に導電性セパレータの基本構成を示す。図1
に示したように厚さ3mmのカーボン製板1の中央部1
0cm×9cmの領域に、切削加工によって深さ1mm
のガス流路2(溝幅約2.8mm)を形成した。ガス圧
が一定値(0.5kgf/cm2)を超えると可動する
ようバネ3を組み込んだカーボン製薄板4(板幅約2.
8mm)を、5.6mmピッチのリブ部5に取りつけて
形成した。山の高さは約1mmに対し、可動性のカーボ
ン製薄板4は0.95mmの厚みとし、電池の締結時に
電極の拡散層とセパレータに挟まれて固定されることの
ないように配慮した。また、図1に示したように、対抗
する2辺にはガスを供給・排出するため、水素ガスのマ
ニホルド6、冷却水のマニホルド7、空気のマニホルド
8を設けた。
The structure of each component of the polymer electrolyte fuel cell manufactured in this embodiment is shown in FIGS. 1, 2 and 3.
First, FIG. 1 shows a basic configuration of a conductive separator. FIG.
As shown in the figure, the central part 1 of the carbon plate 1 having a thickness of 3 mm
1mm depth in the area of 0cm x 9cm by cutting
(A groove width of about 2.8 mm) was formed. When the gas pressure exceeds a certain value (0.5 kgf / cm 2 ), the carbon thin plate 4 (with a plate width of about 2.
8 mm) was attached to the rib portion 5 having a 5.6 mm pitch. The height of the peak was about 1 mm, and the thickness of the movable carbon thin plate 4 was 0.95 mm, so that it was not fixed between the diffusion layer of the electrode and the separator when the battery was fastened. As shown in FIG. 1, a manifold 6 for hydrogen gas, a manifold 7 for cooling water, and a manifold 8 for air are provided on two opposing sides to supply and discharge gas.

【0025】電池の運転中、加湿水過多や生成水によっ
てガス流路の閉塞部9ができると、閉塞部の前後で差圧
が大きくなる。その結果、それぞれのガス流路を流れて
いた空気10は、差圧がバネの設定値よりも大きくなる
と図1(b)のように可動カーボン製薄板が動いてバイ
パス流路を流れ11、ガス流路全域にわたってガスが停
滞することはなくなる。
During the operation of the battery, if the gas flow path is closed due to excessive humidification water or generated water, the pressure difference increases before and after the gas passage. As a result, when the pressure difference becomes larger than the set value of the spring, the air 10 flowing through each gas flow path moves the movable carbon thin plate as shown in FIG. Gas will not stagnate over the entire flow path.

【0026】図2(a)は別の本発明の実施例を、導電
性カーボンセパレータのガス流路部の断面図で表した図
である。触媒層12とガス拡散層13と、ガス流路2を
有するセバレータ1のリブ部5に、一部分切り欠き部1
4を設け、可撓性と弾力性を有する有機シートとしてP
ET(ポリエチレンテレフタラート)シート15を選
び、通常の状態ではPETシートが凸部(リブ部)を塞
ぎ、ガス流路管の差圧が一定値を越える(大きくなって
も小さくなっても)とPETシートが変形してバイパス
流路が形成できる構成とした。PETシート15はL字
断面の1辺16がセパレータ1に接合されており、差圧
に応じて左右には変形する構成となっている。図2
(b)には同じく別の方式を表した。即ちPETフィル
ムをブリッジ状に構成し、左右のガス流路からの差圧が
一定以上になるとPETフィルムが変形し、PETフィ
ルムと拡散層との間にバイパス流路が形成される構成で
ある。
FIG. 2A is a cross-sectional view of another embodiment of the present invention in a gas flow path portion of a conductive carbon separator. The ribs 5 of the severator 1 having the catalyst layer 12, the gas diffusion layer 13, and the gas flow path 2 are partially notched 1
4 as an organic sheet having flexibility and elasticity.
An ET (polyethylene terephthalate) sheet 15 is selected. In a normal state, the PET sheet closes the convex portion (rib portion), and when the differential pressure of the gas flow tube exceeds a certain value (whether it becomes large or small). The PET sheet was deformed to form a bypass channel. One side 16 of the L-shaped cross section of the PET sheet 15 is joined to the separator 1, and the PET sheet 15 is configured to be deformed left and right according to a differential pressure. FIG.
(B) shows another method. That is, the PET film is configured in a bridge shape, and when the pressure difference between the left and right gas flow paths becomes equal to or more than a certain value, the PET film is deformed, and a bypass flow path is formed between the PET film and the diffusion layer.

【0027】ガス流路の閉塞による差圧の変化は、単セ
ルや積層セルのガス供給量が同じ場合、ガス流路の本数
が少ないほど顕著になるので、ガス流路のバイパスを形
成し電池性能の大幅な低下や不可逆的ダメージを未然に
防ぐ本発明の効果は、ガス流路の本数の少ない構成のセ
パレータほど大きいといえる。
The change in the differential pressure due to the blockage of the gas flow path becomes more remarkable as the number of gas flow paths decreases when the gas supply amount of the single cell or the stacked cell is the same. It can be said that the effect of the present invention for preventing a significant decrease in performance and irreversible damage is greater for a separator having a smaller number of gas flow paths.

【0028】ただ、可動部のバネの弾性定数を小さく
し、わずかの差圧でも作動できるような構成にするとガ
ス流路の本数の多いセパレータにも有効となる。また、
水による閉塞まで至らなくてもガス流路間に差圧が発生
すると、ガス流路間にバイパスが形成されるようになる
のでガス流の均一化に効果がある。
However, if the configuration is such that the elastic constant of the spring of the movable portion is made small so that it can be operated even with a slight differential pressure, it is also effective for a separator having a large number of gas flow paths. Also,
If a pressure difference is generated between the gas flow paths even if the water flow is not blocked, a bypass is formed between the gas flow paths, which is effective in making the gas flow uniform.

【0029】以上は焼結カーボン製の切削セパレータを
用いた例であったが、セパレータ材料として金属を用い
ても良い。水素側となるセパレータはプレス加工によっ
て凹凸の溝とリブ部を形成し、マニホルド孔からプレス
加工によるガス流通溝まで、フェノール樹脂でできた凸
部5によってガスを誘導する溝を設けた。また、2個の
溝が互いに隣り合い、湾曲してつながるようにフェノー
ル樹脂でできた凸部を重ねた。このフェノール樹脂製の
凸部は、厚みが約1mmでセパレータ板の溝の山の高さ
と同じとした。セパレータ板の外周部、マニホルド孔の
周囲にも同様に形成し、金属板の形状に対応したガスケ
ットを構成している。
Although the above is an example using a cut separator made of sintered carbon, a metal may be used as a separator material. The separator on the hydrogen side formed uneven grooves and rib portions by press working, and provided a groove for guiding gas by the convex portion 5 made of phenol resin from the manifold hole to the gas flow groove by press working. In addition, convex portions made of a phenol resin were overlapped so that the two grooves were adjacent to each other and curved and connected. The projection made of phenolic resin had a thickness of about 1 mm and was the same as the height of the groove of the separator plate. A gasket corresponding to the shape of the metal plate is formed in the same manner on the outer peripheral portion of the separator plate and around the manifold hole.

【0030】空気側となるセパレータは隣り合う6個の
溝が、湾曲して連続したガス流通溝を形成するようにし
た。空気側と水素ガス側で構造を変えているのは、空気
側と水素ガス側とでガス流量が25倍程度異なるからで
ある。逆に言えば、このような構造では、ガス流量に応
じて樹脂製のガス流通溝の形状を変えることにより、最
適なガス流速とガス圧損にする事が可能である。本発明
の実施例としてセパレータの溝やリブを可動式にして、
ガスが閉塞しないようにしたり、ガスの分配性を改善す
るために、金属板のプレス加工時にリブ部や溝部となる
部分をフラットな状態にしておき、図2で示したような
PETシートを用いてバイパス部を構成した。
In the separator on the air side, six adjacent grooves are curved to form a continuous gas flow groove. The structure is changed between the air side and the hydrogen gas side because the gas flow rate differs between the air side and the hydrogen gas side by about 25 times. Conversely, in such a structure, it is possible to obtain an optimum gas flow rate and gas pressure loss by changing the shape of the resin gas flow groove in accordance with the gas flow rate. As an embodiment of the present invention, the grooves and ribs of the separator are movable,
In order to prevent the gas from being clogged or to improve the gas distribution, the parts to be ribs and grooves during the pressing of the metal plate are kept flat, and a PET sheet as shown in FIG. 2 is used. Thus, a bypass portion was configured.

【0031】つぎに、図3に示したように、これら2種
類のセパレータ19とガスケット20により、MEA8
をはさみ電池の構成単位とした。水素側のガス流通溝1
7と空気側のガス流通溝18の位置は対応するように構
成し、電極に過剰なセンダン力がかからないようにし
た。単電池を2セル積層ごとに冷却水を流す冷却部を設
けた。冷却部にはSUS316製の金属メッシュを用い
て導電性と冷却水の流通性を確保し、外周部とガスマニ
ホルド部にフェノール樹脂製のガスケットを設けること
によってシール部とした。ガスケットとMEA、セパレ
ータ板とセパレータ板、ガスケットとセパレータ板など
のガスシールが必要な部分はグリスを薄く塗布すること
によってあまり導電性を低下させずにシール性を確保し
た。
Next, as shown in FIG. 3, the MEA 8 is formed by these two types of separators 19 and gaskets 20.
Was used as a constituent unit of the scissor battery. Gas flow groove 1 on the hydrogen side
7 and the position of the gas flow groove 18 on the air side were configured to correspond to each other so that excessive sending force was not applied to the electrode. A cooling unit for flowing cooling water was provided for every two cells stacked in a unit cell. A metal mesh made of SUS316 was used for the cooling unit to ensure conductivity and cooling water flow, and a gasket made of phenol resin was provided on the outer peripheral portion and the gas manifold portion to form a seal portion. Grease is applied thinly to portions such as the gasket and the MEA, the separator plate and the separator plate, the gasket and the separator plate, and the like, so that the sealing property is secured without significantly lowering the conductivity.

【0032】以上示したMEAを50セルを積層した
後、集電板と絶縁板を介し、ステンレス製の単板と締結
ロッドで、20kgf/cm2の圧力で締結した。締結
圧力は小さすぎるとガスがリークし、接触抵抗も大きい
ので電池性能が低くなるが、逆に大きすぎると電極が破
損したり、セパレータ板が変形したりするのでガス流通
溝の設計に応じて締結圧を変えることが重要であった。
After 50 cells of the above MEA were stacked, they were fastened with a stainless steel plate and a fastening rod at a pressure of 20 kgf / cm 2 via a current collector and an insulating plate. If the fastening pressure is too small, gas leaks and the contact resistance is large, so the battery performance will be reduced.On the contrary, if it is too large, the electrode will be damaged or the separator plate will be deformed. It was important to change the fastening pressure.

【0033】比較例の電池として、上記実施例の電池の
ようにバネを持たないカーボン板により導電性セパレー
タを構成したものを作製した。比較例の電池で、導電性
セパレータ以外は、全て上記実施例の構成と同一とし
た。
As the battery of the comparative example, a battery having a conductive separator made of a carbon plate having no spring as in the batteries of the above-described examples was manufactured. In the battery of the comparative example, the configuration was the same as that of the above example except for the conductive separator.

【0034】このように作製した本実施例と比較例の高
分子電解質型燃料電池を、85℃に保持し、一方の電極
側に83℃の露点となるよう加湿・加温した水素ガス
を、もう一方の電極側に78℃の露点となるように加湿
・加温した空気を供給した。その結果、電流を外部に出
力しない無負荷時には、50Vの電池開放電圧を得た。
The thus-prepared polymer electrolyte fuel cells of this example and the comparative example were maintained at 85 ° C., and humidified and heated to a dew point of 83 ° C. on one electrode side. Humidified and heated air was supplied to the other electrode side so as to have a dew point of 78 ° C. As a result, a battery open-circuit voltage of 50 V was obtained when there was no load in which no current was output to the outside.

【0035】この電池を燃料利用率80%、電流密度
0.5A/cm2の条件で連続発電試験を行い、出力特
性の酸素利用率依存性を図4に示した。その結果、本発
明の電池では酸素利用率が60%以上の領域、すなわち
供給する空気が少なく生成水がフラディングする領域で
も比較例の電池と比べると高い性能が維持されている。
ガス流路に生成水が閉塞する状態になると、リブ部のバ
イパス可動部が開いてガスが流通することによって水詰
まりによる急激な電池性能の低下を抑止している。さら
に酸素利用率の低いドライアップ領域でも性能が改善さ
れていた。また、比較例の電池は駆動時間と共に出力が
低下するのに比べ、本実施例の電池は、8000時間以
上にわたって1000W(22V−45A)の電池出力
を維持することを確認した。
The battery was subjected to a continuous power generation test under the conditions of a fuel utilization of 80% and a current density of 0.5 A / cm 2, and the dependence of the output characteristics on the oxygen utilization was shown in FIG. As a result, in the battery of the present invention, high performance is maintained as compared with the battery of the comparative example even in a region where the oxygen utilization rate is 60% or more, that is, in a region where the supplied air is small and the generated water is flooded.
When the generated water is blocked in the gas flow path, the bypass movable portion of the rib portion is opened to allow gas to flow, thereby suppressing a rapid decrease in battery performance due to water clogging. Further, the performance was improved even in the dry-up region where the oxygen utilization was low. Also, it was confirmed that the output of the battery of the comparative example decreased with the driving time, whereas the battery of the present example maintained the battery output of 1000 W (22 V-45 A) for 8000 hours or more.

【0036】この実施例では、ガス流通溝が複数の平行
直線の場合を試みたが、2度の湾曲部14を経て、ガス
供給マニホルドから、ガス排出マニホルド孔をガス流通
溝でつなぐ構造や、巻き貝の殻のように中央部のマニホ
ルド孔と外側のマニホルド孔とをガス流通溝でつなぐ構
造など様々な構造も可能である。
In this embodiment, the case where the gas flow groove is a plurality of parallel straight lines is tried. However, a structure in which the gas discharge manifold hole is connected to the gas discharge manifold hole by the gas flow groove via the twice curved portion 14, Various structures such as a structure in which a central manifold hole and an outer manifold hole are connected by a gas flow groove like a snail shell are also possible.

【0037】さらに本発明では、各セルに反応ガスを供
給・分配し、オフガスを集めて電池系外へ排出するマニ
ホルドについても可動部を構成し、ガスの分配を良好に
した。即ち、50セルの積層スタックを10セルごとの
5つの部分に分割し、それらの部分の間には厚み8mm
のカーボン製コネクタ板を挿入した。これら50セルを
貫通する空気側マニホルド内のカーボン製コネクタ板部
に、電池外部から開閉棒を挿入することによってガスの
分配を制御できるようにした。例えば、スタックのガス
供給側から10セルまでのセルが生成水によって閉塞し
て性能低下している状態では10セルと11セルとの間
の開閉棒を閉じて、ガスが10セルまでに優先的に導か
れるようにした。開閉棒の操作は手動で行ってもよい
し、電池の平均電圧をモニターしながら電池性能が低下
すると自動的に開閉操作が行われるような構成にしても
よい。また、このような5つの部分のマニホルドが直列
につながっている構成に対して、それぞれのマニホルド
が電池全体のガスの給排気管に対して並列につながって
おり、マニホルドの出入り口部分に開閉棒が形成されて
いる構造ではより効果的にガスを分配できる。
Further, in the present invention, a movable section is also provided for a manifold for supplying and distributing a reaction gas to each cell, collecting off-gas and discharging the off-gas to the outside of the battery system, thereby improving gas distribution. That is, the stack of 50 cells is divided into 5 parts every 10 cells, and the thickness between the parts is 8 mm.
Was inserted. Gas distribution can be controlled by inserting an open / close rod from the outside of the battery into a carbon connector plate in the air-side manifold penetrating these 50 cells. For example, in a state in which the cells from the gas supply side of the stack to 10 cells are blocked by the generated water and the performance is degraded, the open / close rod between the 10 cells and the 11 cells is closed, and the gas is given priority to the 10 cells. I was led to. The operation of the opening / closing rod may be performed manually, or the opening / closing operation may be automatically performed when the battery performance decreases while monitoring the average voltage of the battery. In contrast to the configuration in which the five parts of the manifold are connected in series, each of the manifolds is connected in parallel to the gas supply / exhaust pipe of the entire battery, and an opening / closing rod is provided at the entrance / exit portion of the manifold. The formed structure allows more effective gas distribution.

【0038】[0038]

【発明の効果】本発明によると、セパレーター板とし
て、従来のガス流通溝が固定式のものに替わり、可動式
に替えることで、ガス流通溝への水詰まりによるガスの
供給が局部的に途絶えることを防止することが可能とな
り、電極中の電力集中による劣化を防止し、信頼性に優
れた燃料電池を供給することが可能となる。
According to the present invention, the supply of gas due to water clogging in the gas flow grooves is locally stopped by replacing the conventional gas flow grooves with fixed ones and replacing them with movable ones as separator plates. This makes it possible to prevent deterioration due to concentration of power in the electrodes and to supply a highly reliable fuel cell.

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

【図1】本発明の燃料電池で用いた導電性セパレータの
構成を示した図
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a conductive separator used in a fuel cell of the present invention.

【図2】本発明の別の構成を示した図FIG. 2 is a diagram showing another configuration of the present invention.

【図3】本発明の燃料電池の積層電池の構成を示した図FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a stacked cell of the fuel cell of the present invention.

【図4】本発明の燃料電池の性能を表した図FIG. 4 is a diagram showing the performance of the fuel cell of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 カーボン製板 2 ガス流路 3 バネ 4 カーボン製薄板 5 リブ部 6 水素ガスのマニホルド 7 冷却水のマニホルド 8 空気のマニホルド 9 ガス流路の閉塞部 10 ガス流路を流れていた空気 11 バイパス流路の流れ 12 触媒層 13 ガス拡散層 14 切り欠き部 15 PETシート 16 接合されたL字断面の1辺 17 水素側のガス流通溝 18 空気側のガス流通溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Carbon plate 2 Gas flow path 3 Spring 4 Carbon thin plate 5 Rib part 6 Manifold of hydrogen gas 7 Manifold of cooling water 8 Manifold of air 9 Blockage part of gas flow path 10 Air flowing through gas flow path 11 Bypass flow Road flow 12 Catalyst layer 13 Gas diffusion layer 14 Notch 15 PET sheet 16 One side of joined L-shaped section 17 Hydrogen-side gas flow groove 18 Air-side gas flow groove

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安本 栄一 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 日下部 弘樹 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 酒井 修 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 内田 誠 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 菅原 靖 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 森田 純司 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 神原 輝壽 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA06 CC03 CC08 CX08  ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (72) Inventor Eiichi Yasumoto 1006 Kazuma Kadoma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor: Osamu Sakai 1006, Kazuma, Kadoma, Osaka Prefecture, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. 1006, Kadoma, Kadoma, Futoma, Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. (72) Inventor Junji Morita, 1006, Kadoma, Kadoma, Kadoma, Osaka Pref. Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. F term (reference) 5H026 AA06 CC03 CC08 CX08

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟ん
で配置した一対の電極と、前記電極の一方に水素を含有
した燃料を供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排出す
るガス流路を有する一対の導電性セパレータ板とを具備
した高分子電解質型燃料電池において、前記導電性セパ
レータまたは前記ガス流路の少なくとも一方は可動構造
を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
1. A pair of electrodes arranged with a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and a gas flow path for supplying and discharging hydrogen-containing fuel to one of the electrodes and supplying and discharging an oxidizing gas to the other. A polymer electrolyte fuel cell, comprising: a pair of conductive separator plates having the following structure: at least one of the conductive separator and the gas flow path has a movable structure.
JP31339699A 1999-11-04 1999-11-04 High molecular electrolyte fuel cell Pending JP2001135324A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP31339699A JP2001135324A (en) 1999-11-04 1999-11-04 High molecular electrolyte fuel cell

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP31339699A JP2001135324A (en) 1999-11-04 1999-11-04 High molecular electrolyte fuel cell

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2001135324A true JP2001135324A (en) 2001-05-18

Family

ID=18040774

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP31339699A Pending JP2001135324A (en) 1999-11-04 1999-11-04 High molecular electrolyte fuel cell

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2001135324A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010160993A (en) * 2009-01-09 2010-07-22 Kyushu Institute Of Technology Polymer electrolyte fuel cell

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010160993A (en) * 2009-01-09 2010-07-22 Kyushu Institute Of Technology Polymer electrolyte fuel cell

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6884536B1 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US7479341B2 (en) Fuel cell, separator plate for a fuel cell, and method of operation of a fuel cell
US7521143B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US7678490B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US9876237B2 (en) Fuel cell separator and fuel cell stack and reactant gas control method thereof
JP4051076B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
US20100196774A1 (en) Fuel cell
KR20060009406A (en) Polymer electrolyte fuel cell
JPWO2002047190A1 (en) Polymer electrolyte fuel cell and method of operating the same
JP2008512830A (en) Bipolar plate with offset
WO2004075326A1 (en) Polyelectrolyte type fuel cell and operating method for polyelectrolyte type fuel cell
US6830840B1 (en) Operation method for polymer electrolytic fuel cell
KR100700073B1 (en) Fuel cell with drain structure of condensate
JP5541291B2 (en) Fuel cell and vehicle equipped with fuel cell
US20040110056A1 (en) Fuel cell and operation method thereof
JP2005056671A (en) Fuel cell
JP2002170581A (en) Polymer electrolyte type fuel battery
JP4439646B2 (en) Conductive separator, polymer electrolyte fuel cell, and method for producing polymer electrolyte fuel cell
JP3685039B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell system
CN115668561A (en) Solid polymer fuel cell stack
JP2001135324A (en) High molecular electrolyte fuel cell
JP4659376B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2007005222A (en) Fuel cell and separator for fuel cell
JP4397603B2 (en) Polymer electrolyte fuel cell
JP2004158435A (en) Fuel cell and operation method thereof