JP2003123801A - Polymer electrolyte stacked fuel cell - Google Patents

Polymer electrolyte stacked fuel cell

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JP2003123801A
JP2003123801A JP2001318667A JP2001318667A JP2003123801A JP 2003123801 A JP2003123801 A JP 2003123801A JP 2001318667 A JP2001318667 A JP 2001318667A JP 2001318667 A JP2001318667 A JP 2001318667A JP 2003123801 A JP2003123801 A JP 2003123801A
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Japan
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separator plate
polymer electrolyte
fuel cell
cooling water
flow path
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Withdrawn
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JP2001318667A
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Japanese (ja)
Inventor
Susumu Kobayashi
晋 小林
Kazuhito Hado
一仁 羽藤
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Hideo Obara
英夫 小原
Nobunori Hase
伸啓 長谷
Tatsuto Yamazaki
達人 山崎
Shinsuke Takeguchi
伸介 竹口
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • 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 voltage drop caused by contact resistance on the cooling surface between separator plates in a polymer electrolyte stacked fuel cell. SOLUTION: The polymer electrolyte stacked fuel cell has a conductive sheet gasket 30, preferably containing conductive carbon between contact faces of separator plates 10A, 20A equipped with channels 16, 26 of cooling water for constituting a cooling part.

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、民生用コジェネレ
ーションシステムや移動体用の発電器として有用な燃料
電池、特に高分子電解質を用いた高分子電解質型積層燃
料電池に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell useful as a power generator for a consumer cogeneration system or a mobile body, and more particularly to a polymer electrolyte type laminated fuel cell using a polymer electrolyte.

【0002】[0002]

【従来の技術】高分子電解質膜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酸化剤
ガスとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱
とを同時に発生させる。この燃料電池は、基本的には、
水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜、および
高分子電解質膜の両面に形成された一対の電極、すなわ
ちアノードとカソードから構成される。前記の電極は、
通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分
とし、高分子電解質膜の表面に形成される触媒層、およ
びこの触媒層の外面に形成される、通気性と電子伝導性
を併せ持つ、主に炭素繊維からなる拡散層からなる。電
極に供給される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリーク
したり、二種類のガスが互いに混合したりしないよう
に、電極の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスケット
が配置される。このガスケットは、拡散層、電極及び高
分子電解質膜と熱接合により一体化してあらかじめ組み
立てられることが多く、これをMEA(電解質膜−電極
接合体)と呼ぶ。
2. Description of the Related Art A fuel cell using a polymer electrolyte membrane generates electric power and heat at the same time by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen with an oxidant gas containing oxygen such as air. Let This fuel cell is basically
It is composed of a polymer electrolyte membrane that selectively transports hydrogen ions, and a pair of electrodes formed on both sides of the polymer electrolyte membrane, that is, an anode and a cathode. The electrodes are
Usually, the main component is a carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, a catalyst layer formed on the surface of the polymer electrolyte membrane, and formed on the outer surface of this catalyst layer, which has both air permeability and electron conductivity. The diffusion layer is made of carbon fiber. Gaskets are arranged around the electrodes with a polymer electrolyte membrane sandwiched therebetween so that the fuel gas and the oxidant gas supplied to the electrodes do not leak outside and the two kinds of gases do not mix with each other. This gasket is often assembled in advance by thermal bonding with the diffusion layer, the electrode and the polymer electrolyte membrane, and this is called MEA (electrolyte membrane-electrode assembly).

【0003】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
続し、電極面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガス
を運び去るために、ガス流路を有する導電性のセパレー
タ板が配置される。セパレータ板の材質としては、導電
性と化学的安定性の観点から、カーボン板が用いられる
ことが多い。その加工法は、一般にスライスされたカー
ボン板をフライス加工、ブラスト加工など機械的に加工
することによる。近年はコストの観点から、若干量の樹
脂を混合したカーボン粉を材料とし、プレス成形ないし
は射出成形等の成形技術によって、セパレータ板を製作
する検討が行われている。
In order to mechanically fix the MEA to the outside of the MEA, electrically connect adjacent MEAs to each other in series, supply a reaction gas to the electrode surface, and carry away a generated gas and a surplus gas. A conductive separator plate having a gas flow path is arranged. As a material of the separator plate, a carbon plate is often used from the viewpoint of conductivity and chemical stability. The processing method is generally by mechanically processing a sliced carbon plate such as milling and blasting. In recent years, from the viewpoint of cost, studies have been conducted to manufacture a separator plate by using a carbon powder mixed with a small amount of resin as a material and by a molding technique such as press molding or injection molding.

【0004】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。そこで通常、1〜3セル毎に、冷却水流
路を設ける。これらのMEAとセパレータ板および冷却
部を交互に重ねて10〜200セル積層し、その積層体
を集電板と絶縁板を介して端板で挟み、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。従
って、この積層電池の一般的な形態は、図4のように、
それぞれ背面に冷却水の流路を有するアノード側セパレ
ータ板10およびカソード側セパレータ板20によりM
EA5を挟んだ単位セルが積層された構成である。ここ
では、各セル毎に冷却部を設けたが、複数セル毎に冷却
部を持つ構造の積層電池では、一方の面がアノード側セ
パレータ板、他方の面がカソード側セパレータ板となる
1枚のセパレータ板をMEAの間に挿入することにな
る。
Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool it with cooling water or the like in order to maintain the cell in a good temperature state. Therefore, usually, a cooling water flow path is provided for every 1 to 3 cells. It is common that these MEAs, separator plates, and cooling units are alternately stacked to stack 10 to 200 cells, the stacked body is sandwiched between end plates via a collector plate and an insulating plate, and fixed from both ends with fastening bolts. It is a structure of various laminated batteries. Therefore, the general form of this laminated battery is as shown in FIG.
The anode-side separator plate 10 and the cathode-side separator plate 20 each having a cooling water flow path on the back surface allow M
This is a configuration in which unit cells sandwiching the EA5 are stacked. Here, the cooling unit is provided for each cell. However, in a laminated battery having a structure having a cooling unit for each of a plurality of cells, one surface is an anode-side separator plate and the other surface is a cathode-side separator plate. The separator plate will be inserted between the MEAs.

【0005】セパレータ板の冷却水の流路を有する面に
おいては、冷却水のセル外およびガスのマニホールド孔
への漏洩、およびガスのセル外への漏洩を防ぐために、
シール機構が必要である。一般的には、図2に示すよう
に、セパレータ板にシール溝を設け、このシール溝にO
リングを嵌めて積層するか、またはシール溝にシーラン
トあるいは液体ガスケットを充填して積層する等の方法
によって、シールを行う。
In order to prevent the leakage of the cooling water to the outside of the cell and the gas into the manifold hole and the leakage of the gas to the outside of the cell on the surface of the separator plate having the cooling water passage,
A sealing mechanism is required. Generally, as shown in FIG. 2, a separator plate is provided with a seal groove, and the seal groove is provided with an O
Sealing is performed by a method of fitting a ring and laminating, or filling a seal groove with a sealant or a liquid gasket and laminating.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】加工法に応じて、程度
の問題はあるが、セパレータ板の表面は必ず表面粗さを
持っている。これが積層電池におけるセル間の接触抵抗
に影響し、これは積層電池の電圧損失に反映する。ME
Aの拡散層には、一般的に炭素繊維を織布ないし抄紙し
たカーボンクロスないしカーボンペーパが用いられる。
これらはセパレータ板の表面粗さを吸収するのに充分な
柔軟性を持っているため、セパレータ板/MEA間の接
触抵抗は非常に低く、通常数mΩ/cm2以下である。
しかしながら、図4に示した積層構造においては、冷却
水の流路を有する面において、殆ど柔軟性のないセパレ
ータ板同士が直接に接触することから、微視的に見る
と、図6のような接触状態となっており、接触抵抗が例
えば数十mΩ/cm2と大きいという問題があった。こ
の問題は、表面粗さのほかに、厚みの不均一や反りなど
を有する成形セパレータ板の場合に、より大きく顕在化
する。
Although there are some problems depending on the processing method, the surface of the separator plate always has surface roughness. This affects the contact resistance between cells in the laminated battery, which is reflected in the voltage loss of the laminated battery. ME
For the diffusion layer of A, carbon cloth or carbon paper made of woven or paper-made carbon fibers is generally used.
Since these have sufficient flexibility to absorb the surface roughness of the separator plate, the contact resistance between the separator plate and the MEA is very low, usually several mΩ / cm 2 or less.
However, in the laminated structure shown in FIG. 4, since the separator plates having almost no flexibility come into direct contact with each other on the surface having the flow path of the cooling water, microscopically, as shown in FIG. It is in a contact state, and there is a problem that the contact resistance is as large as several tens mΩ / cm 2 . This problem becomes more serious in the case of a molded separator plate having unevenness in thickness and warpage in addition to surface roughness.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は、冷却水の流路
を有するセパレータ板同士の間に、導電性シートガスケ
ットを挟んで積層することにより、上記の課題を解決す
る。すなわち、本発明は、水素イオン伝導性高分子電解
質膜、前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対
の電極、前記電極の一方に燃料ガスを供給する流路を有
するアノード側セパレータ板、前記電極の他方に酸化剤
ガスを供給する流路を有するカソード側セパレータ板、
および隣接するアノード側セパレータ板とカソード側セ
パレータ板の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷
却部を具備する高分子電解質型積層燃料電池において、
前記冷却部を構成するセパレータ板同士の間に導電性の
シートガスケットを介在させたことを特徴とする。導電
性シートガスケットは、導電性炭素を含むシート、殊に
黒鉛シートであることが好ましい。なかでも導電性およ
び弾性に優れた膨張黒鉛シートが適する。
The present invention solves the above-mentioned problems by laminating a conductive sheet gasket between separator plates having cooling water flow paths. That is, the present invention is a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode side separator plate having a flow path for supplying a fuel gas to one of the electrodes, A cathode side separator plate having a flow path for supplying an oxidant gas to the other of the electrodes,
And a polymer electrolyte laminated fuel cell comprising a cooling unit including a cooling water channel formed on the contact surface between the anode side separator plate and the cathode side separator plate,
A conductive sheet gasket is interposed between the separator plates forming the cooling part. The conductive sheet gasket is preferably a sheet containing conductive carbon, particularly a graphite sheet. Among them, an expanded graphite sheet having excellent conductivity and elasticity is suitable.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型積層燃料
電池を従来例と対比しながら説明する。アノード側セパ
レータ板10は、図7〜9に示すように、一対の燃料ガ
ス用マニホールド孔11、酸化剤用マニホールド孔1
2、および冷却水用マニホールド孔13を有し、アノー
ドと対向する面には一対のマニホールド孔11を連絡す
る燃料ガスの流路15を有し、背面には一対の冷却水用
マニホールド孔13を連絡する冷却水の流路16を有す
る。14はセルを締結するボルトをとおすための孔であ
る。一方、カソード側セパレータ板20は、図11〜1
2に示すように、一対の燃料ガス用マニホールド孔2
1、酸化剤用マニホールド孔22、および冷却水用マニ
ホールド孔23を有し、カソードと対向する面には一対
のマニホールド孔22を連絡する酸化剤ガスの流路25
を有し、背面には一対の冷却水用マニホールド孔23を
連絡する冷却水の流路26を有する。14はセルを締結
するボルトをとおすための孔である。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The polymer electrolyte laminated fuel cell of the present invention will be described in comparison with a conventional example. As shown in FIGS. 7 to 9, the anode side separator plate 10 includes a pair of fuel gas manifold holes 11 and an oxidant manifold hole 1.
2 and a cooling water manifold hole 13, a fuel gas passage 15 connecting the pair of manifold holes 11 to each other on the surface facing the anode, and a pair of cooling water manifold holes 13 on the back surface. It has the flow path 16 of the cooling water which connects. Reference numeral 14 is a hole for passing a bolt for fastening the cell. On the other hand, the cathode side separator plate 20 is shown in FIGS.
2, a pair of fuel gas manifold holes 2
1, a manifold hole 22 for oxidant, and a manifold hole 23 for cooling water, and a channel 25 for the oxidant gas that connects the pair of manifold holes 22 to the surface facing the cathode.
And a flow path 26 for cooling water that connects the pair of cooling water manifold holes 23 to each other. Reference numeral 14 is a hole for passing a bolt for fastening the cell.

【0009】MEA5は、図2に示すように、高分子電
解質膜3、この膜を挟むアノード1およびカソード2、
ならびに電解質膜の周縁部を被覆するガスケット4から
構成される。このガスケットの部分には、上記のセパレ
ータ板10および20と共通の燃料ガス用、酸化剤ガス
用、および冷却水用の各マニホールド孔が設けられる。
図では、酸化剤ガス用マニホールド孔6が示されてい
る。このMEA5を上記のセパレータ板10および20
で挟んで単位セルが構成される。このような単位セルを
積層すると、両セパレータ板の冷却水の流路を有する面
(以下水冷面という)同士の接合部は、図6に示すよう
になり、接触抵抗が大きくなる。
As shown in FIG. 2, the MEA 5 comprises a polymer electrolyte membrane 3, an anode 1 and a cathode 2 sandwiching the membrane,
And a gasket 4 that covers the peripheral portion of the electrolyte membrane. Manifold holes for fuel gas, oxidant gas, and cooling water, which are common to the separator plates 10 and 20, are provided in the gasket portion.
In the figure, the oxidant gas manifold hole 6 is shown. This MEA 5 is connected to the separator plates 10 and 20 described above.
A unit cell is formed by sandwiching it with. When such unit cells are stacked, the joint between the surfaces of the two separator plates having the cooling water channels (hereinafter referred to as water cooling surfaces) becomes as shown in FIG. 6, and the contact resistance increases.

【0010】そこで、従来は、冷却水のセル外およびガ
スのマニホールド孔への漏洩、およびガスのセル外への
漏洩を防ぐために、次のようなシール機構が設けられて
いた。セパレータ板10の水冷面には、図9に示すよう
に、燃料ガス用マニホールド孔11および酸化剤ガス用
マニホールド孔12をそれぞれ囲むシール溝17および
18、ならびに冷却水用マニホールド孔13および冷却
水の流路16を囲むシール溝19が設けられる。同様
に、セパレータ板20の水冷面には、図12に示すよう
に、燃料ガス用マニホールド孔21および酸化剤ガス用
マニホールド孔22をそれぞれ囲むシール溝27および
28、ならびに冷却水用マニホールド孔23および冷却
水の流路26を囲むシール溝29が設けられる。そし
て、セパレータ板10と20との水冷面が接触する部分
には、燃料ガス用マニホールド孔および酸化剤ガス用マ
ニホールド孔をそれぞれ囲むシール溝、ならびに冷却水
用マニホールド孔および冷却水の流路を囲むシール溝に
は各々Oリングをはめる。図4および5では、酸化剤用
マニホールド孔にはめるOリング38および冷却水の流
れる部分を囲むシール溝にはめるOリング39が示され
ている。ここでは、両セパレータ板10および20にシ
ール溝を設けたが、一方のセパレータ板にのみシール溝
を設けることもある。
Therefore, conventionally, in order to prevent the leakage of the cooling water out of the cell and the gas to the manifold hole, and the leakage of the gas out of the cell, the following sealing mechanism has been provided. On the water-cooled surface of the separator plate 10, as shown in FIG. 9, seal grooves 17 and 18 surrounding the fuel gas manifold hole 11 and the oxidant gas manifold hole 12, respectively, and the cooling water manifold hole 13 and the cooling water are provided. A seal groove 19 that surrounds the flow path 16 is provided. Similarly, on the water-cooled surface of the separator plate 20, as shown in FIG. 12, seal grooves 27 and 28 surrounding the fuel gas manifold hole 21 and the oxidant gas manifold hole 22, respectively, and the cooling water manifold hole 23 and A seal groove 29 that surrounds the cooling water passage 26 is provided. Then, in a portion where the water cooling surfaces of the separator plates 10 and 20 are in contact with each other, a sealing groove that surrounds the fuel gas manifold hole and the oxidant gas manifold hole, and a cooling water manifold hole and a cooling water flow path are enclosed. Fit an O-ring in each seal groove. FIGS. 4 and 5 show an O-ring 38 that fits in the oxidant manifold hole and an O-ring 39 that fits in the seal groove that surrounds the portion where the cooling water flows. Here, the seal groove is provided in both separator plates 10 and 20, but the seal groove may be provided only in one separator plate.

【0011】本発明は、上のようなシール溝およびOリ
ングによるシール機構に代わり、より簡便に組み立ての
できる燃料電池を提供するものである。すなわち、隣接
するアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板
の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備
する積層燃料電池において、冷却部を構成するセパレー
タ板同士の間に導電性のシートガスケットを介在させ
る。ここに示す実施の形態においては、上で説明したシ
ール溝17、18、19をなくしたほかはセパレータ板
10と全く同じアノード側セパレータ板10A、および
シール溝27、28、29をなくしたほかはセパレータ
板20と全く同じカソード側セパレータ板20Aを用い
る。そして、セパレータ板10と20の水冷面には、導
電性のシートガスケット30を介在させる。このガスケ
ット30には、セパレータ板10Aおよび20Aと共通
の一対の燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤用マニホー
ルド孔、および冷却水用マニホールド孔を設ける。図1
および2においては、酸化剤用マニホールド孔32が示
されている。
The present invention provides a fuel cell, which can be assembled more simply, instead of the above-described sealing mechanism including the sealing groove and the O-ring. That is, in a laminated fuel cell including a cooling unit including a cooling water flow path formed on the contact surface between the anode side separator plate and the cathode side separator plate which are adjacent to each other, the conductive property is provided between the separator plates forming the cooling unit. Insert the sheet gasket of. In the embodiment shown here, except that the seal grooves 17, 18 and 19 described above are eliminated, the anode side separator plate 10A which is exactly the same as the separator plate 10 and the seal grooves 27, 28 and 29 are eliminated. The same cathode side separator plate 20A as the separator plate 20 is used. Then, a conductive sheet gasket 30 is interposed between the water-cooled surfaces of the separator plates 10 and 20. The gasket 30 is provided with a pair of fuel gas manifold holes, oxidant manifold holes, and cooling water manifold holes common to the separator plates 10A and 20A. Figure 1
In 2 and 2, the manifold hole 32 for the oxidant is shown.

【0012】上記のセパレータ板10Aおよび20Aに
よりMEA5を挟んで単位セルが構成される。単位セル
間にはセパレータ板10Aと20Aの水冷面の間に挟ま
れるシートガスケットが挿入される。このようにして組
み立てられた積層電池が図1に示されている。MEA5
には、セパレータ板10Aおよび20Aと共通の一対の
燃料ガス用マニホールド孔、酸化剤用マニホールド孔、
および冷却水用マニホールド孔を有する。図1および2
においては、酸化剤用マニホールド孔6が示されてい
る。ここでは、各セル毎に冷却部を設けたが、複数セル
毎に冷却部を持つ構造の積層電池では、一方の面がアノ
ード側セパレータ板、他方の面がカソード側セパレータ
板となる1枚のセパレータ板をMEAの間に挿入するこ
とになる。
A unit cell is formed by sandwiching the MEA 5 with the separator plates 10A and 20A. A sheet gasket sandwiched between the water-cooled surfaces of the separator plates 10A and 20A is inserted between the unit cells. The laminated battery thus assembled is shown in FIG. MEA5
Includes a pair of fuel gas manifold holes common to the separator plates 10A and 20A, an oxidant manifold hole,
And a manifold hole for cooling water. 1 and 2
In, the oxidant manifold hole 6 is shown. Here, the cooling unit is provided for each cell. However, in a laminated battery having a structure having a cooling unit for each of a plurality of cells, one surface is an anode-side separator plate and the other surface is a cathode-side separator plate. The separator plate will be inserted between the MEAs.

【0013】[0013]

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 《実施例1》 セパレータ板X:大きさ120×120mm、厚み4m
mの両面研摩グラッシ−カーボン板(東海カーボン
(株)製)を用いて、フライス加工により、実施の形態
で説明した構造のアノード側セパレータ板10およびカ
ソード側セパレータ板20を製作した。セパレータ板1
0のガス流路15は、幅2mm、深さ0.4の溝を、ピ
ッチ4mmで3本並行させて設けた。セパレータ板20
のガス流路25は、幅2mm、深さ0.6の溝を、ピッ
チ4mmで5本並行させて設けた。冷却水の流路16お
よび26は、幅2mm、深さ0.4mmの溝をピッチ4
mmで3本並行させて設けた。また、シール溝17〜1
9、および27〜29は、幅2mm、深さ0.2mmと
した。セパレータ板の平均表面粗さは5.2μmであっ
た。
EXAMPLES Examples of the present invention will be described below. Example 1 Separator plate X: size 120 × 120 mm, thickness 4 m
The anode-side separator plate 10 and the cathode-side separator plate 20 having the structure described in the embodiment were manufactured by milling using a double-sided polished glass plate of m (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd.). Separator plate 1
The zero gas flow path 15 was provided with three grooves having a width of 2 mm and a depth of 0.4 in parallel with a pitch of 4 mm. Separator plate 20
In the gas flow path 25, 5 grooves having a width of 2 mm and a depth of 0.6 were provided in parallel with a pitch of 4 mm. The cooling water flow paths 16 and 26 are formed with grooves having a width of 2 mm and a depth of 0.4 mm at a pitch of 4.
Three of them were provided in parallel in mm. Also, the seal grooves 17-1
9 and 27 to 29 had a width of 2 mm and a depth of 0.2 mm. The average surface roughness of the separator plate was 5.2 μm.

【0014】セパレータ板Y:セパレータ板Xの水冷面
全面に、サンドブラスト処理を行って、平均表面粗さを
19.3μmまで上げた。上記セパレータ板の水冷面に
おける接触面積(マニホールド孔、ボルト孔、流路部を
除いた面積)はおよそ100cm2である。
Separator plate Y: The entire water-cooled surface of the separator plate X was sandblasted to raise the average surface roughness to 19.3 μm. The contact area (area excluding manifold holes, bolt holes, and flow path portions) on the water-cooled surface of the separator plate is about 100 cm 2 .

【0015】上記2種類のセパレータ板について、以下
の2種類の実験区で、抵抗測定実験を行った。 (実験区A)セパレータ板の水冷面のシール溝にシリコ
ーン系シーラント(信越化学(株)製)を充填してアノ
ード側セパレータ板とカソード側セパレータ板の水冷面
同士を貼り合わせ、1Mpaの応力下で全抵抗を測定す
る。 (実験区B)セパレータ板の水冷面に黒鉛シートガスケ
ット(日本カーボン(株)製 ニカフイルム 0.2m
m厚)を挟み、1Mpaの応力下で全抵抗を測定する。
With respect to the above two kinds of separator plates, resistance measurement experiments were conducted in the following two kinds of experimental sections. (Experimental section A) Silicone sealant (manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.) was filled in the seal groove on the water cooling surface of the separator plate, and the water cooling surfaces of the anode side separator plate and the cathode side separator plate were pasted together under a stress of 1 Mpa. Measure total resistance with. (Experimental section B) Graphite sheet gasket (Nikafilm 0.2 m manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd.) is attached to the water-cooled surface of the separator plate.
(m thickness), and the total resistance is measured under a stress of 1 Mpa.

【0016】上記セパレータ板の接触面積(マニフォー
ルド、ボルト孔、流路部を除いた面積)を勘案して、1
cm2あたりの抵抗値に換算し、以下の結果を得た。
Considering the contact area of the separator plate (area excluding the manifold, bolt holes, and flow passages), 1
Converted into resistance value per cm 2 , the following results were obtained.

【0017】[0017]

【表1】 [Table 1]

【0018】セパレータ板Xとセパレータ板Yは、同一
の材料からできており、同一のバルク抵抗を持っている
ことから、上記各々の実験区におけるセパレータ板Xと
セパレータ板Yとの差異は、水冷面における接触抵抗の
差異である。上記の実験結果から明らかなように、本発
明の構成においては、充分に表面が平滑な場合において
も効果があるが、特に表面粗さの大きい場合の接触抵抗
の低減に有効である。これは安価な成形セパレータ板を
用いる場合、非常に有利である。
Since the separator plate X and the separator plate Y are made of the same material and have the same bulk resistance, the difference between the separator plate X and the separator plate Y in each of the above experimental sections is the difference between them. This is the difference in contact resistance between the surfaces. As is clear from the above experimental results, the structure of the present invention is effective even when the surface is sufficiently smooth, but is particularly effective in reducing the contact resistance when the surface roughness is large. This is a great advantage when using inexpensive molded separator plates.

【0019】《実施例2》次に、以下の手順により実際
に電池を組み、後述する運転条件で運転を行い、その電
池電圧を測定する試験を行った。
Example 2 Next, a battery was actually assembled according to the following procedure, the battery was operated under the operating conditions described later, and a test for measuring the battery voltage was conducted.

【0020】MEA作成法;比表面積800m2/g、
DBP吸油量360ml/100gのケッチェンブラッ
クEC(ケッチェンブラック・インターナショナル社製
ファーネスブラック)に、白金を重量比1:1の割合で
担持させた。この触媒粉末10gに、水35gおよび水
素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液(旭硝
子(株)製、9%FSS)59gを混合し、超音波攪拌
機を用いて分散させて、触媒層インクを作製した。この
触媒インクを、ポリプロピレンフィルム(東レ(株)の
トレファン50−2500)に塗工し、乾燥して触媒層
を形成した。得られた触媒層を大きさ58×58mmに
切断し、高分子電解質膜(Dupont社のNaphi
on117、50μ厚)の両面に、温度135℃、圧力
32kgf/cm2の条件で転写して、両面に厚み10
μmの触媒層を形成した。
MEA preparation method; specific surface area 800 m 2 / g,
Platinum was supported on Ketjen Black EC (Furness Black manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) having a DBP oil absorption of 360 ml / 100 g at a weight ratio of 1: 1. To 10 g of this catalyst powder, 35 g of water and 59 g of an alcohol dispersion liquid of hydrogen ion conductive polymer electrolyte (9% FSS manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) were mixed and dispersed using an ultrasonic stirrer to form a catalyst layer ink. It was made. This catalyst ink was applied to a polypropylene film (Trephan 50-2500 manufactured by Toray Industries, Inc.) and dried to form a catalyst layer. The obtained catalyst layer was cut into a size of 58 × 58 mm, and the polymer electrolyte membrane (Napon manufactured by Dupont) was cut.
on 117, 50 μm thick) on both sides under conditions of temperature 135 ° C. and pressure 32 kgf / cm 2 and thickness 10 on both sides.
A μm catalyst layer was formed.

【0021】続いて、炭素繊維からなるガス拡散層基材
(東レ(株)のTGPH120)の一方の面に、ポリテ
トラフルオロエチレン(PTFE)微粉末(ダイキン工
業(株)製)とアセチレンブラック(電気化学工業
(株)製)が重量比1:4の比率となるような水分散液
を塗布し、350℃で20分間焼成して、厚み40μm
の撥水層を形成し、これを大きさ59×59mmに型抜
きした。次いで、エチレンープロピレンージエン三元共
重合体配合物(EPDM)/ポリエチレンテレフタレー
ト(PET)/シリコーンの三層構造を持つ厚み320
μmの面状ガスケット材を打ちぬいて、マニホールド
孔、ボルト孔、電極露出面(60×60mm)を有する
2枚のMEAガスケットを作成した。上記の触媒層露出
面に、前記の撥水層を形成した撥水性電極を、その撥水
層が触媒層に接するように位置決めし、さらにその周囲
にMEAガスケットを、EPDM面が高分子電解質膜に
接するように位置決めした。次いで、これらを一括して
ホットプレス接合(130℃、1.5MPa)をしてM
EAを形成した。
Subsequently, polytetrafluoroethylene (PTFE) fine powder (manufactured by Daikin Industries, Ltd.) and acetylene black (on one surface of the gas diffusion layer substrate (TGPH120 manufactured by Toray Industries, Inc.) made of carbon fibers ( Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.) applied an aqueous dispersion liquid in a weight ratio of 1: 4 and baked at 350 ° C. for 20 minutes to give a thickness of 40 μm.
The water-repellent layer was formed, and this was die-cut into a size of 59 × 59 mm. Next, a thickness 320 having a three-layer structure of ethylene-propylene-diene terpolymer blend (EPDM) / polyethylene terephthalate (PET) / silicone.
A sheet-shaped gasket material of μm was punched out to prepare two MEA gaskets having a manifold hole, a bolt hole, and an electrode exposed surface (60 × 60 mm). The water-repellent electrode having the water-repellent layer formed on the exposed surface of the catalyst layer is positioned so that the water-repellent layer is in contact with the catalyst layer, a MEA gasket is provided around the water-repellent electrode, and the polymer electrolyte membrane has an EPDM surface. It was positioned so that it touched. Then, these are collectively subjected to hot press bonding (130 ° C., 1.5 MPa) and M
EA was formed.

【0022】上記MEAおよび上記セパレータ板を用い
て、前記実験区Aおよび実験区Bの二種類の締結様式
で、締結荷重600kgfで締結し、40セル積層電池
を組み縦、電池電圧を測定した。運転条件は次のとおり
である。セル温度は75℃、燃料ガスは露点70℃に加
湿された純水素、酸化剤ガスは露点70℃に加湿された
空気、燃料利用率80%、空気利用率40%、電流密度
0.7A/cm2であった。
Using the MEA and the separator plate described above, fastening was performed under two fastening modes of the experimental section A and the experimental section B with a fastening load of 600 kgf, a 40-cell laminated battery was assembled, and the battery voltage was measured. The operating conditions are as follows. Cell temperature is 75 ° C, fuel gas is pure hydrogen humidified to dew point 70 ° C, oxidant gas is air humidified to dew point 70 ° C, fuel utilization rate is 80%, air utilization rate is 40%, current density is 0.7A / It was cm 2 .

【0023】[0023]

【表2】 [Table 2]

【0024】上記の結果から明らかなように、本発明に
よれば、セパレータ板の表面粗さが粗い場合にも、水冷
面における電圧降下が見られず、安定した電気的接続を
保つことが可能であった。
As is clear from the above results, according to the present invention, even when the surface roughness of the separator plate is rough, no voltage drop is observed on the water-cooled surface, and stable electrical connection can be maintained. Met.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明によれば、セパレータ板の水冷面
における接触抵抗による電圧降下を抑制し、高性能の高
分子電解質型積層燃料電池を提供することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a high performance polymer electrolyte type laminated fuel cell which suppresses voltage drop due to contact resistance on the water-cooled surface of the separator plate.

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

【図1】本発明の実施例における高分子電解質型積層燃
料電池の要部の縦断面図である。
FIG. 1 is a vertical cross-sectional view of a main part of a polymer electrolyte layered fuel cell according to an example of the present invention.

【図2】その組立過程の要部断面図である。FIG. 2 is a sectional view of an essential part of the assembling process.

【図3】セパレータ板の水冷面同士の接合部の拡大断面
図である。
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a joint between water-cooled surfaces of a separator plate.

【図4】従来の積層電池の要部の縦断面図である。FIG. 4 is a vertical cross-sectional view of a main part of a conventional laminated battery.

【図5】その組立過程の要部断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view of an essential part of the assembling process.

【図6】セパレータ板の水冷面同士の接合部の拡大断面
図である。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view of a joint between water-cooled surfaces of a separator plate.

【図7】アノード側セパレータ板の正面図である。FIG. 7 is a front view of an anode-side separator plate.

【図8】図7のVIII-VIII’線断面図である。8 is a sectional view taken along the line VIII-VIII ′ of FIG. 7.

【図9】同セパレータ板の背面図である。FIG. 9 is a rear view of the separator plate.

【図10】カソード側セパレータ板の正面図である。FIG. 10 is a front view of a cathode side separator plate.

【図11】図10のXI-VII’線断面図である。11 is a sectional view taken along line XI-VII ′ of FIG.

【図12】同セパレータ板の背面図である。FIG. 12 is a rear view of the separator plate.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 アノード 2 カソード 3 高分子電解質膜 4 ガスケット 5 MEA 10 アノード側セパレータ板 15 燃料ガスの流路 16、26 冷却水の流路 20 カソード側セパレータ板 25 酸化剤ガスの流路 30 シートガスケット 1 anode 2 cathode 3 Polymer electrolyte membrane 4 gasket 5 MEA 10 Anode side separator plate 15 Fuel gas flow path 16, 26 Cooling water flow path 20 Cathode side separator plate 25 Oxidant gas flow path 30 sheet gasket

フロントページの続き (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 小原 英夫 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 長谷 伸啓 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 山崎 達人 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 竹口 伸介 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 CX05 EE05Continued front page    (72) Inventor Hiroki Kusakabe             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Hideo Ohara             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Nobuhiro Hase             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuto Yamazaki             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Shinsuke Takeguchi             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F-term (reference) 5H026 AA06 CC03 CC08 CX05 EE05

Claims (2)

【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、前記
水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟む一対の電極、前
記電極の一方に燃料ガスを供給する流路を有するアノー
ド側セパレータ板、前記電極の他方に酸化剤ガスを供給
する流路を有するカソード側セパレータ板、および隣接
するアノード側セパレータ板とカソード側セパレータ板
の接触面に形成される冷却水の流路を含む冷却部を具備
し、前記冷却部を構成するセパレータ板同士の間に導電
性のシートガスケットを介在させたことを特徴とする高
分子電解質型積層燃料電池。
1. A hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane, an anode side separator plate having a flow path for supplying a fuel gas to one of the electrodes, the electrode A cathode side separator plate having a flow path for supplying an oxidant gas to the other side, and a cooling section including a flow path of cooling water formed on a contact surface between the adjacent anode side separator plate and cathode side separator plate, A polymer electrolyte type laminated fuel cell, wherein a conductive sheet gasket is interposed between the separator plates constituting the cooling part.
【請求項2】 導電性シートガスケットが、導電性炭素
を含むシートである請求項1記載の高分子電解質型積層
燃料電池。
2. The polymer electrolyte type laminated fuel cell according to claim 1, wherein the conductive sheet gasket is a sheet containing conductive carbon.
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