JP2003151570A - Solid high polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、新規な構造のセパ
レータを備えた固体高分子形燃料に関するものである。TECHNICAL FIELD The present invention relates to a polymer electrolyte fuel provided with a separator having a novel structure.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子形燃料電池は、固体高分子電
解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電極とで構
成される膜−電極接合体の両側を、一対のセパレータで
挟んだ単セルを、複数直列に積層した構造の発電装置で
ある。この装置の発電は、アノードに燃料を、カソ−ド
に酸化剤を供給することによっておこなわれる。燃料と
して水素ガス、酸化剤として酸素ガスを供給することに
よってこの装置を作動させた場合、つぎのような電気化
学反応が進行する。2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte fuel cell is a unit in which a membrane-electrode assembly composed of a solid polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes bonded to both surfaces thereof is sandwiched by a pair of separators. The power generation device has a structure in which a plurality of cells are stacked in series. The power generation of this device is performed by supplying a fuel to the anode and an oxidant to the cathode. When this device is operated by supplying hydrogen gas as a fuel and oxygen gas as an oxidant, the following electrochemical reaction proceeds.
【０００３】アノ−ド：２Ｈ２→４Ｈ＋＋４ｅ−
カソ−ド：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→Ｈ２Ｏ
ここで、従来の燃料電池スタック内におけるこれらのガ
スの流通経路を、図１を用いて説明する。図１は燃料電
池スタックの構造の一例であり、図１において、１１は
固体高分子電解質膜、１２はアノード、１３はカソー
ド、１４はアノード側セパレータ、１５はカソード側セ
パレータ、１６は燃料ガスを供給するためのマニホール
ド、１７は燃料ガスを排出するためのマニホールド、１
８は環状溝、１９はガスケットを示す。[0003] anode - de: 2H 2 → 4H + + 4e - Cathode - de: O 2 + 4H + + 4e - → H 2 O Here, the flow path of these gases in a conventional fuel cell stack, reference to FIG. 1 Explain. FIG. 1 is an example of the structure of a fuel cell stack. In FIG. 1, 11 is a solid polymer electrolyte membrane, 12 is an anode, 13 is a cathode, 14 is an anode side separator, 15 is a cathode side separator, and 16 is a fuel gas. Manifold for supplying, 17 is a manifold for discharging fuel gas, 1
Reference numeral 8 indicates an annular groove, and 19 indicates a gasket.
【０００４】燃料電池スタックは、図１のように、固体
高分子電解質膜１１とアノード１２とカソード１３とで
構成される単セルを、一対のセパレータ１４および１５
を用いて積層したものである。As shown in FIG. 1, the fuel cell stack has a unit cell composed of a solid polymer electrolyte membrane 11, an anode 12 and a cathode 13, and a pair of separators 14 and 15 formed therein.
Are laminated by using.
【０００５】外部から供給される燃料ガスは、マニホー
ルド１６を経てアノード１２に供給され、アノード電極
上で消費される。そして、余剰の燃料ガスまたは水蒸気
などの不純物は、マニホールド１７を経て外部に排出さ
れる。酸化剤ガスも同様の経路を経て供給、排出され
る。Fuel gas supplied from the outside is supplied to the anode 12 through the manifold 16 and is consumed on the anode electrode. Then, impurities such as excess fuel gas or water vapor are discharged to the outside through the manifold 17. The oxidant gas is also supplied and discharged through the same route.
【０００６】このような構造の燃料電池スタックに使用
されるセパレータには、セパレータ−単セル間のガスや
水などの漏洩を防ぐためにシール部分を設ける必要があ
る。すなわち、従来のセパレータの電極に接する面に
は、環状のガスケットを配するための溝が設けられてお
り、ガスケットがマニホールド（流体の流通経路）をと
り囲むように配置される。この構造により、ガスや水等
の流体の漏洩や混合が防止される。In the separator used in the fuel cell stack having such a structure, it is necessary to provide a seal portion to prevent leakage of gas or water between the separator and the single cell. That is, a groove for arranging an annular gasket is provided on the surface of the conventional separator in contact with the electrode, and the gasket is arranged so as to surround the manifold (fluid circulation path). This structure prevents leakage and mixing of fluids such as gas and water.
【０００７】例えば、図１に示したの従来のアノード側
セパレータ１４には、環状溝１８がマニホールド１６お
よび１７をとり囲むように設けられており、この環状溝
１８には、環状溝と同じ形状のガスケット１９が備えら
れる。For example, in the conventional anode side separator 14 shown in FIG. 1, an annular groove 18 is provided so as to surround the manifolds 16 and 17, and the annular groove 18 has the same shape as the annular groove. The gasket 19 of FIG.
【０００８】ここで、従来のセパレータのシール部分の
構造を、図２を用いて詳細に説明する。図２は従来のセ
パレータのシール部分の構造を示す図であって、セパレ
ータの固体高分子電解質膜に接する面の正面図とその断
面図とを表している。図２において、２０はマニホール
ド、２１は環状溝、Ａは環状溝の内側領域、Ｂは環状溝
の外側領域である。The structure of the seal portion of the conventional separator will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing a structure of a sealing portion of a conventional separator, and shows a front view and a cross-sectional view of a surface of the separator in contact with the solid polymer electrolyte membrane. In FIG. 2, 20 is a manifold, 21 is an annular groove, A is an inner area of the annular groove, and B is an outer area of the annular groove.
【０００９】環状溝２１はセパレータの固体高分子電解
質膜に接する面に設けられ、閉じた環状である。従来の
セパレータの固体高分子電解質膜に接する面は、環状溝
２１によってその溝で囲まれる内側領域Ａと外側領域Ｂ
とに分割されている。このような従来のセパレータで
は、図２の断面図のように、内側領域Ａの溝底部からの
高さと外側領域Ｂの溝底部からの高さは同じになるよう
に形成されている。The annular groove 21 is provided on the surface of the separator which is in contact with the solid polymer electrolyte membrane and has a closed annular shape. The surface of the conventional separator in contact with the solid polymer electrolyte membrane has an inner region A and an outer region B surrounded by the annular groove 21.
It is divided into and. In such a conventional separator, as shown in the cross-sectional view of FIG. 2, the height of the inner region A from the groove bottom is the same as the height of the outer region B from the groove bottom.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】従来のセパレータを備
えた燃料電池スタックでは、単セルを挟んでいる一対の
セパレータが互いに接触することによって、短絡が発生
するという問題があった。この問題は、主に単セルの固
体高分子電解質膜が所定の位置からずれることに起因す
る。このことを図３および図４を用いて説明する。The fuel cell stack having the conventional separator has a problem that a pair of separators sandwiching a single cell come into contact with each other to cause a short circuit. This problem is mainly caused by the deviation of the solid polymer electrolyte membrane of the single cell from the predetermined position. This will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
【００１１】図３および図４は、単セルとそれを挟んで
いる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面を示
したもので、図３はセパレータ間の短絡が発生していな
い状態を示し、図４はセパレータ間の短絡が発生する可
能性が高い状態を示している。図３および図４におい
て、記号１１〜１９は図１と同じものを示し、Ｘおよび
Ｙは、セパレータ同士が接触する可能性の高い部分であ
る。FIGS. 3 and 4 are cross-sectional views of a unit cell and a pair of separators sandwiching the unit cell in the vicinity of the manifold. FIG. 3 shows a state in which no short circuit has occurred between the separators. No. 4 shows a state in which there is a high possibility that a short circuit will occur between the separators. In FIGS. 3 and 4, symbols 11 to 19 indicate the same as those in FIG. 1, and X and Y are portions where the separators are likely to contact each other.
【００１２】図３のように、固体高分子電解質膜１１が
所定の位置にある場合、一対のセパレータ１４および１
５は、固体高分子電解質膜１１によって隔離されて、セ
パレータ１４と１５は短絡することはない。しかし、図
４のように、固体高分子電解質膜１１が収縮するなどし
てずれた場合、一対のセパレータ１４および１５は、固
体高分子電解質膜を挟まずに直接対向するようになり、
その結果、図４のＸとＹの部分で、セパレータ１４と１
５とが接触する可能性が高くなる。As shown in FIG. 3, when the solid polymer electrolyte membrane 11 is in place, a pair of separators 14 and 1
5 is isolated by the solid polymer electrolyte membrane 11, and the separators 14 and 15 are not short-circuited. However, as shown in FIG. 4, when the solid polymer electrolyte membrane 11 is displaced due to contraction or the like, the pair of separators 14 and 15 directly face each other without sandwiching the solid polymer electrolyte membrane,
As a result, in the X and Y parts of FIG.
The possibility of contact with 5 becomes high.
【００１３】図４に示した固体高分子電解質膜のずれ
は、固体高分子電解質膜の中でも特にセパレータの環状
溝の内側領域（図２の領域Ａ）で頻繁に生じる。なぜな
ら、この部分の固体高分子電解質膜は、マニホールド内
を流通するガスや水などの流体に常にさらされているた
めに、収縮や膨張などの寸法変化が著しいからである。
特に、燃料電池スタックを長期間作動させた場合、内側
領域Ａ付近の電解質膜は著しく劣化するので、短絡の頻
度が極端に高くなる。The deviation of the solid polymer electrolyte membrane shown in FIG. 4 frequently occurs in the solid polymer electrolyte membrane, particularly in the inner region of the annular groove of the separator (region A in FIG. 2). This is because the solid polymer electrolyte membrane in this portion is constantly exposed to fluids such as gas and water flowing in the manifold, so that dimensional changes such as contraction and expansion are significant.
In particular, when the fuel cell stack is operated for a long period of time, the electrolyte membrane in the vicinity of the inner region A is significantly deteriorated, so that the frequency of short circuit becomes extremely high.
【００１４】本発明は、従来のセパレータを備えた固体
高分子電解質形燃料電池で生じる短絡が、主にセパレー
タの内側領域Ａの付近で生じていることを見いだした結
果なされたもので、その目的は、新規な構造のセパレー
タを用いることにより、セパレータ間の短絡を防止し、
優れた特性を示す固体高分子電解質形燃料電池を提供す
ることにある。The present invention has been made as a result of finding that a short circuit that occurs in a solid polymer electrolyte fuel cell having a conventional separator mainly occurs near the inside area A of the separator. Prevents short circuit between separators by using a separator with a new structure,
It is intended to provide a solid polymer electrolyte fuel cell exhibiting excellent characteristics.
【００１５】[0015]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、固体
高分子電解質膜とその両面に接合した一対のガス拡散電
極とで構成される膜−電極接合体の両側を一対のセパレ
ータで挟み、前記一対のセパレータの少なくとも一方の
固体高分子電解質膜と接する面に環状溝を設け、前記環
状溝の内側領域に表面から裏面へ貫通する孔を備えた固
体高分子電解質形燃料電池の単セルを複数積層した固体
高分子電解質形燃料電池において、前記一対のセパレー
タの、前記環状溝の内側領域の間隔の方が、前記環状溝
の外側領域の間隔よりも広いことを特徴とする。According to a first aspect of the present invention, a membrane-electrode assembly composed of a solid polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes bonded to both surfaces thereof is sandwiched by a pair of separators on both sides. , A single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell having an annular groove on a surface in contact with at least one solid polymer electrolyte membrane of the pair of separators, and a hole penetrating from the front surface to the back surface in an inner region of the annular groove. In the solid polyelectrolyte fuel cell in which a plurality of are stacked, the space between the inner regions of the annular groove of the pair of separators is wider than the space between the outer regions of the annular groove.
【００１６】請求項１の発明によれば、固体高分子電解
質膜が、セパレータの環状溝の内側領域で収縮した場合
でも、アノード側セパレータとカソード側セパレータ間
の短絡を防止することができ、優れた特性を示す固体高
分子電解質形燃料電池を得ることができる。According to the invention of claim 1, even when the solid polymer electrolyte membrane contracts in the inner region of the annular groove of the separator, a short circuit between the anode-side separator and the cathode-side separator can be prevented, which is excellent. It is possible to obtain a solid polymer electrolyte fuel cell exhibiting excellent characteristics.
【００１７】請求項２の発明は、上記固体高分子電解質
形燃料電池において、一対のセバレータの少なくとも一
方において、前記環状溝の内側領域の溝底部からの高さ
が、前記環状溝の外側領域の溝底部からの高さよりも低
いことを特徴とする。According to a second aspect of the present invention, in the solid polymer electrolyte fuel cell described above, in at least one of the pair of separators, the height of the inner region of the annular groove from the groove bottom is in the outer region of the annular groove. It is characterized by being lower than the height from the groove bottom.
【００１８】請求項２の発明によれば、アノード側セパ
レータとカソード側セパレータ間の短絡をより確実に防
止することができる。According to the invention of claim 2, a short circuit between the anode side separator and the cathode side separator can be prevented more reliably.
【００１９】請求項３の発明は、上記固体高分子電解質
形燃料電池において、セパレータの環状溝にガスケット
が配置されていることを特徴とする。According to a third aspect of the present invention, in the above solid polymer electrolyte fuel cell, a gasket is arranged in the annular groove of the separator.
【００２０】請求項３の発明によれば、ガスケットを備
えることにより、セパレータと単セル間のガスや水の漏
れを防止することができる。According to the third aspect of the present invention, by providing the gasket, it is possible to prevent gas and water from leaking between the separator and the unit cell.
【００２１】[0021]
【発明の実施の形態】本発明は、固体高分子電解質膜と
その両面に接合した一対のガス拡散電極とで構成される
膜−電極接合体の両側を一対のセパレータで挟み、前記
一対のセパレータの少なくとも一方の固体高分子電解質
膜と接する面に環状溝を設け、前記環状溝の内側領域に
表面から裏面へ貫通する孔を備えた固体高分子電解質形
燃料電池の単セルを複数積層した固体高分子電解質形燃
料電池において、前記一対のセパレータの、前記環状溝
の内側領域の間隔の方が、前記環状溝の外側領域の間隔
よりも広い構造とするものである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION In the present invention, a membrane-electrode assembly composed of a solid polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes bonded to both surfaces thereof is sandwiched on both sides by a pair of separators, An annular groove is provided on the surface in contact with at least one solid polymer electrolyte membrane, and a plurality of single cells of a solid polymer electrolyte fuel cell having a hole penetrating from the front surface to the back surface in the inner region of the annular groove are stacked solids. In the polymer electrolyte fuel cell, the space between the inner regions of the annular groove of the pair of separators is wider than the space between the outer regions of the annular groove.
【００２２】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、
シール部分の構造の断面のいくつかの例を図５〜図８に
示す。図５〜図８における記号１１〜１９は図１と同じ
ものを示し、２２はアノード側セパレータに設けたテー
パ、２３はカソード側セパレータに設けたテーパ、２４
はカソード側セパレータに設けた環状の凹部、Ｄはセパ
レータの環状溝の内側領域の間隔、Ｅはセパレータの環
状溝の外側領域の間隔である。In the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention,
Some examples of the cross section of the structure of the seal portion are shown in FIGS. Symbols 11 to 19 in FIGS. 5 to 8 are the same as those in FIG. 1, 22 is a taper provided on the anode side separator, 23 is a taper provided on the cathode side separator, 24
Is an annular recess provided in the cathode-side separator, D is a distance between inner regions of the annular groove of the separator, and E is a distance between outer regions of the annular groove of the separator.
【００２３】図５は、アノード側セパレータ１４の環状
溝１８の内側にテーパ２２を設けた構造である。図６
は、カソード側セパレータ１５のマニホールド１６側に
テーパ２３を設けた構造である。図７は、アノード側セ
パレータ１４の環状溝１８の内側にテーパ２２を設け、
同時に、カソード側セパレータ１５のマニホールド１６
側にテーパ２３を設けた構造である。図８は、カソード
側セパレータ１５のマニホールド１６側に環状の凹部２
４を設けた構造である。FIG. 5 shows a structure in which a taper 22 is provided inside the annular groove 18 of the anode separator 14. Figure 6
Is a structure in which a taper 23 is provided on the cathode side separator 15 on the manifold 16 side. In FIG. 7, a taper 22 is provided inside the annular groove 18 of the anode-side separator 14,
At the same time, the manifold 16 of the cathode side separator 15
This is a structure in which a taper 23 is provided on the side. FIG. 8 shows an annular recess 2 on the manifold 16 side of the cathode side separator 15.
4 is provided.
【００２４】図５〜図８においては、いずれも、セパレ
ータの環状溝の内側領域の間隔Ｄが環状溝の外側領域の
間隔Ｅよりも広い構造となっている。このような構造と
することにより、図４で示したような固体高分子電解質
膜のずれが生じた場合においても、一対のセパレータ間
の短絡を防止することができるものである。5 to 8, the gap D between the inner regions of the annular groove of the separator is wider than the gap E between the outer regions of the annular groove. With such a structure, it is possible to prevent a short circuit between the pair of separators even when the solid polymer electrolyte membrane is displaced as shown in FIG.
【００２５】なお、図５〜図８においては、ガスケット
１９はアノード側セパレータ１４にのみ取り付けた例を
示したが、環状溝１８およびガスケット１９は、カソー
ド側セパレータ１５にのみ取り付けてもよいし、また、
アノード側セパレータ１４とカソード側セパレータ１５
の両方に取り付けてもよい。5 to 8, the gasket 19 is attached only to the anode side separator 14, but the annular groove 18 and the gasket 19 may be attached only to the cathode side separator 15. Also,
Anode side separator 14 and cathode side separator 15
It may be attached to both.
【００２６】また、図５〜図８で示したテーパ２１およ
び２２、環状の凹部２４の形状は特に限定されるもので
はなく、また、アノード側セパレータ１４またはカソー
ド側セパレータ１５の少なくとも一方に取り付ければよ
い。The shapes of the taper 21 and 22 and the annular recess 24 shown in FIGS. 5 to 8 are not particularly limited, and if they are attached to at least one of the anode side separator 14 and the cathode side separator 15. Good.
【００２７】さらに本発明は、固体高分子電解質形燃料
電池の一対のセバレータの少なくとも一方において、前
記環状溝の内側領域の溝底部からの高さが、前記環状溝
の外側領域の溝底部からの高さよりも低い構造とするも
のである。Furthermore, according to the present invention, in at least one of a pair of separators of a solid polymer electrolyte fuel cell, the height of the inner region of the annular groove from the groove bottom is higher than the height of the outer region of the annular groove from the groove bottom. The structure is lower than the height.
【００２８】そのような本発明のセパレータの、シール
部分の構造の正面図と断面図を図９に示す。図９におい
て、記号２０、２１、ＡおよびＢは図２と同じものを示
し、Ｃは環状溝の断面積を示す。FIG. 9 shows a front view and a sectional view of the structure of the seal portion of such a separator of the present invention. 9, symbols 20, 21, A and B indicate the same as those in FIG. 2, and C indicates a sectional area of the annular groove.
【００２９】図９に示すように、本発明のセパレータの
固体高分子電解質膜と接する面は、環状溝２８によって
内側領域Ａと環状溝の外側領域Ｂとに分割されている。
本発明のセパレータは、図９の断面図に示すように、環
状溝の内側領域Ａの溝底部からの高さが、環状溝の外側
領域Ｂの溝底部からの高さよりも低くなっている。As shown in FIG. 9, the surface of the separator of the present invention in contact with the solid polymer electrolyte membrane is divided by an annular groove 28 into an inner area A and an outer area B of the annular groove.
In the separator of the present invention, as shown in the sectional view of FIG. 9, the height of the inner region A of the annular groove from the groove bottom is lower than the height of the outer region B of the annular groove from the groove bottom.
【００３０】図１０に、本発明のセパレータを備えた固
体高分子電解質形燃料電池スタックの一例を示す。図１
０において、記号１１〜１９は図１と同じものを示して
いる。本発明のセパレータ１４および１５は、固体高分
子電解質膜１１とアノード１２とカソード１３とで構成
される単セルに、ガスケット１９を介して積層される。FIG. 10 shows an example of a solid polymer electrolyte fuel cell stack provided with the separator of the present invention. Figure 1
0, symbols 11 to 19 indicate the same as those in FIG. The separators 14 and 15 of the present invention are laminated on a single cell composed of the solid polymer electrolyte membrane 11, the anode 12 and the cathode 13 via a gasket 19.
【００３１】図１１は、図１０に示した本発明のセパレ
ータを備えた燃料電池スタックの、単セルとそれを挟ん
でいる一対のセパレータの、マニホールド付近の断面を
示す図である。図１１における記号１１〜１９は図１と
同じものを示し、記号ＡおよびＢは図２と同じものを示
している。FIG. 11 is a view showing a cross section of a fuel cell stack including the separator of the present invention shown in FIG. 10 in the vicinity of a manifold of a single cell and a pair of separators sandwiching the single cell. Symbols 11 to 19 in FIG. 11 indicate the same as in FIG. 1, and symbols A and B indicate the same as in FIG.
【００３２】図１１に示したように、本発明のセパレー
タでは、環状溝の外側領域Ｂが単セルの固体高分子電解
質膜１１と接しているが、環状溝の内側領域Ａは電解質
膜にほとんど接していない。そのため、固体高分子電解
質膜が収縮した場合でも、本発明のアノード側セパレー
タ１４の環状溝の内側領域Ａは、カソード側セパレータ
１５に接触することがない。As shown in FIG. 11, in the separator of the present invention, the outer region B of the annular groove is in contact with the solid polymer electrolyte membrane 11 of the single cell, but the inner region A of the annular groove is almost in the electrolyte membrane. I don't touch. Therefore, even if the solid polymer electrolyte membrane contracts, the inner region A of the annular groove of the anode-side separator 14 of the present invention does not contact the cathode-side separator 15.
【００３３】本発明のセパレータは、環状溝の内側領域
Ａに表面から裏面へ貫通する孔を備えている。この孔
は、特にマニホールドとして使用されるものである。な
ぜなら、マニホールドの付近はセパレータ間の短絡が頻
繁に発生する部分であり、その部分を環状溝の内側領域
Ａに備えることによって、セパレータ間の短絡の回避が
効率よくなされるからである。また、環状溝の内側領域
Ａと環状溝の外側領域Ｂとは、セパレータの少なくとも
一方に備えられていればよく、両面に備えられていても
よい。The separator of the present invention has a hole penetrating from the front surface to the back surface in the inner region A of the annular groove. This hole is used especially as a manifold. This is because short-circuiting between separators frequently occurs near the manifold, and by providing this part in the inner region A of the annular groove, short-circuiting between separators can be avoided efficiently. Further, the inner region A of the annular groove and the outer region B of the annular groove may be provided on at least one of the separators, and may be provided on both sides.
【００３４】本発明の燃料電池用セパレータにおいて、
環状溝の内側領域Ａの溝底部からの高さと環状溝の外側
領域Ｂの溝底部からの高さの差は、効果的に短絡を防止
できることから、０．０１０ｍｍ以上であることが好ま
しく、燃料電池スタックの小形化のために５．０ｍｍ以
下であることが好ましい。また、環状溝の内側領域Ａの
表面の粗さは、どのようなものでも本発明の効果はあ
る。そのためラップ仕上げやつや出しなどの高度な表面
加工をとくに必要としないので、セパレータ製作の費用
を低減することがきる。In the fuel cell separator of the present invention,
The difference between the height of the inner region A of the annular groove from the groove bottom and the height of the outer region B of the annular groove from the groove bottom is preferably 0.010 mm or more because a short circuit can be effectively prevented. The size is preferably 5.0 mm or less in order to reduce the size of the battery stack. In addition, the surface roughness of the inner area A of the annular groove can be any effect of the present invention. Therefore, since high-level surface processing such as lapping and polishing is not particularly required, the cost of manufacturing the separator can be reduced.
【００３５】本発明の燃料電池スタックは、固体高分子
電解質膜とその両面に接合した一対の電極とで構成され
る燃料電池単セルとその単セルの両側に配置されるセパ
レータとを含む燃料電池スタックであって、燃料電池ス
タックに含まれる少なくとも一方のセパレータが本発明
のセパレータであることが好ましく、そのことにより、
短絡による出力電圧の低下が抑制される。特に、燃料電
池スタックの各単セルの両側に配置されるアノード側ま
たはカソード側のセパレータの少なくとも一方が本発明
のセパレータであることが好ましい。The fuel cell stack of the present invention includes a fuel cell unit cell composed of a solid polymer electrolyte membrane and a pair of electrodes bonded to both sides thereof, and separators arranged on both sides of the unit cell. A stack, preferably at least one separator contained in the fuel cell stack is a separator of the present invention, thereby,
The decrease in output voltage due to a short circuit is suppressed. Particularly, it is preferable that at least one of the anode-side or cathode-side separators disposed on both sides of each unit cell of the fuel cell stack is the separator of the present invention.
【００３６】本発明のセパレータに設けられた環状溝に
は、ガスケットが備えられることが好ましい。そして、
本発明の燃料電池スタックに備えられる本発明のセパレ
ータの電極と接する面に設けられた環状溝においては、
環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さが、ガスケット
の厚みよりも小さい値であればよい。これは、ガスケッ
トに圧迫を加えることができるようにするためである。A gasket is preferably provided in the annular groove provided in the separator of the present invention. And
In the annular groove provided on the surface in contact with the electrode of the separator of the present invention provided in the fuel cell stack of the present invention,
The height of the outer region B of the annular groove from the groove bottom may be smaller than the thickness of the gasket. This is to allow compression to be applied to the gasket.
【００３７】ここで、環状溝の内側領域Ａの溝底部から
の高さが、環状溝の外側領域Ｂの溝底部からの高さと同
じと仮定した場合の環状溝の断面積（図９で示したＣ）
に対するガスケットの断面積の割合は、どのようなもの
でも本発明の効果がある。特にその割合は、ガスケット
の移動を防ぐために、５％以上であることが好ましい。
また、その割合が１５０％以上の場合、ガスケットが溝
の壁面におよぼす圧力が著しく高くなり、その結果、セ
パレータが損傷することがある。すなわち、ガスケット
の断面積の割合は、環状溝の断面積の５〜１５０％であ
ることが好ましい。また、特に本発明の効果が高くなる
ことから、５〜９５％であることがさらに好ましい。Here, assuming that the height of the inner region A of the annular groove from the groove bottom is the same as the height of the outer region B of the annular groove from the groove bottom, the sectional area of the annular groove (shown in FIG. 9). C)
The ratio of the cross-sectional area of the gasket with respect to is effective for the present invention. In particular, the proportion is preferably 5% or more in order to prevent the gasket from moving.
If the ratio is 150% or more, the pressure exerted on the wall surface of the groove by the gasket becomes extremely high, and as a result, the separator may be damaged. That is, the ratio of the cross-sectional area of the gasket is preferably 5 to 150% of the cross-sectional area of the annular groove. Further, the effect of the present invention is particularly enhanced, so that it is more preferably 5 to 95%.
【００３８】さらに、本発明に使用するガスケットの材
料は、これらに限るものではないが、合成ゴム、天然ゴ
ム、金属、炭素、石綿、コルク、フェルト、合成樹脂、
皮革などを使用することができる。それらの中でも特
に、スチレンブタジエンゴム、アクリロニトリルブタジ
エンゴム、クロロプレンゴム、エチレンプロピレンゴ
ム、ブチルゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、ケ
イ素ゴム、多硫化ゴム、フッ素ゴム、水素化ニトリルゴ
ム、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂などの
高分子化合物が好ましい。また、ガスケットの形状は、
気密性を向上させるために、断面の形状が厚み方向に凸
となっていることが好ましく、とくにＯリングが好まし
い。Further, the material of the gasket used in the present invention is not limited to these, but synthetic rubber, natural rubber, metal, carbon, asbestos, cork, felt, synthetic resin,
Leather or the like can be used. Among them, especially styrene-butadiene rubber, acrylonitrile-butadiene rubber, chloroprene rubber, ethylene-propylene rubber, butyl rubber, butadiene rubber, isoprene rubber, silicon rubber, polysulfide rubber, fluorine rubber, hydrogenated nitrile rubber, fluorine such as polytetrafluoroethylene Polymer compounds such as resins are preferred. Also, the shape of the gasket is
In order to improve airtightness, the cross-sectional shape is preferably convex in the thickness direction, and an O-ring is particularly preferable.
【００３９】なお、本発明の燃料電池に用いられる電極
には、触媒を備えたガス拡散電極を用いることができ
る。ここで、触媒としては、白金、ルテニウム、ロジウ
ム、イリジウム、パラジウム、オスニウム、マグネシウ
ム、アルミニウム、バナジウム、クロム、マンガン、
鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、銀、タングステン
および金からなる群より選ばれた少なくともひとつ以上
の元素を含む粒子またはそれをカーボン粒子などの担体
に担持したものを用いることができる。また、本発明の
燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜には、パーフ
ルオロカーボンスルフォン酸形またはスチレン−ジビニ
ルベンゼン系のスルフォン酸形陽イオン交換樹脂が好ま
しい。A gas diffusion electrode provided with a catalyst can be used as the electrode used in the fuel cell of the present invention. Here, as the catalyst, platinum, ruthenium, rhodium, iridium, palladium, osmium, magnesium, aluminum, vanadium, chromium, manganese,
It is possible to use particles containing at least one element selected from the group consisting of iron, cobalt, nickel, copper, zinc, silver, tungsten and gold, or particles obtained by supporting the particles on a carrier such as carbon particles. Further, a perfluorocarbon sulfonic acid type or styrene-divinylbenzene type sulfonic acid type cation exchange resin is preferable for the solid polymer electrolyte membrane used in the fuel cell of the present invention.
【００４０】[0040]
【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。
［実施例１］カーボン製の板を以下のような形状に加工
することによって、本発明のセパレータを製作した。こ
のセパレータの寸法は、縦２００ｍｍ、横１６０ｍｍ、
厚み５．０ｍｍである。その正面図、背面図および断面
図の一部を図１２に示す。EXAMPLES The present invention will be described below with reference to preferred examples. [Example 1] A separator of the present invention was manufactured by processing a carbon plate into the following shape. The dimensions of this separator are 200mm in height, 160mm in width,
The thickness is 5.0 mm. FIG. 12 shows a part of the front view, the rear view and the sectional view.
【００４１】図１２において、６６および６７はガス用
マニホールド、６８は環状溝、６００および６０４はセ
パレータ背面の流路、６０１および６０３は貫通孔、６
０２は電極面にガスを供給するための流路、６０６およ
び６０７は対極用のガス用マニホールドである。In FIG. 12, 66 and 67 are gas manifolds, 68 is an annular groove, 600 and 604 are flow paths on the back surface of the separator, 601 and 603 are through holes, and 6
Reference numeral 02 is a flow path for supplying gas to the electrode surface, and reference numerals 606 and 607 are gas manifolds for counter electrodes.
【００４２】ガス用のマニホールド６６と６７、対極用
のガス用マニホールド６０６と６０７は、すべて長円形
で、直線部分の長さが１５．０ｍｍ、幅が１０．０ｍ
ｍ、円形部分は半径５．０ｍｍの半円形で、面に対して
垂直に貫通している。環状溝６８は、幅は２．７ｍｍ、
環状溝６８の溝底部からの高さは、環状溝の外側領域が
１．５ｍｍ、環状溝の内側領域が１．０ｍｍとした。す
なわち、環状溝の内側領域の高さが、環状溝の外側領域
の高さよりも低い構造である。The gas manifolds 66 and 67 and the counter electrode gas manifolds 606 and 607 are all oval, and the length of the linear portion is 15.0 mm and the width is 10.0 m.
m, the circular portion is a semicircle with a radius of 5.0 mm and penetrates perpendicularly to the plane. The width of the annular groove 68 is 2.7 mm,
The height of the annular groove 68 from the groove bottom was 1.5 mm in the outer area of the annular groove and 1.0 mm in the inner area of the annular groove. That is, the height of the inner region of the annular groove is lower than the height of the outer region of the annular groove.
【００４３】電極面にガスを供給するための流路６０２
は、貫通孔６０１を始点、貫通孔６０３を終点とする幅
１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。またこの流路
は、セパレータ背面の流路６００と６０４とを介してマ
ニホールド６６および６７と連通している。なお、この
貫通孔は直径１．０ｍｍの円形で面に垂直に形成されて
おり、背面の流路の形状は幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍ
ｍの溝である。Flow path 602 for supplying gas to the electrode surface
Is a groove having a width of 1.0 mm and a depth of 1.0 mm, starting from the through hole 601 and ending at the through hole 603. Further, this flow path communicates with the manifolds 66 and 67 via the flow paths 600 and 604 on the back surface of the separator. The through-hole was circular with a diameter of 1.0 mm and formed perpendicular to the surface, and the shape of the flow path on the back surface was 1.0 mm in width and 1.0 m in depth.
It is a groove of m.
【００４４】［比較例１］比較例のセパレータをつぎの
ように製作した。このセパレータの寸法は、縦２００ｍ
ｍ、横１６０ｍｍ、厚み５．０ｍｍである。その正面
図、背面図および断面図の一部を図１３に示す。図１３
における記号は、すべて図１２と同じものを示してい
る。[Comparative Example 1] The separator of the comparative example was manufactured as follows. The size of this separator is 200m in height
m, width 160 mm, thickness 5.0 mm. FIG. 13 shows a part of the front view, the rear view and the sectional view. FIG.
The symbols in all indicate the same as in FIG.
【００４５】６６、６７はガス用のマニホールド、６０
６と６０７とは対極用のガスのマニホールドであり、す
べて長円形で、直線部分の長さが１５．０ｍｍ、幅が１
０．０ｍｍ、円形部分は半径５．０ｍｍの半円形で、面
に対して垂直に貫通している。６８は環状溝であり、幅
は２．７ｍｍ、環状溝の高さは、環状溝の底部から１．
５ｍｍとした。すなわち、環状溝の内側領域の高さが、
環状溝の外側領域の高さと同じである。66 and 67 are gas manifolds, and 60
Reference numerals 6 and 607 are gas manifolds for the counter electrodes, all of which are oval, and the length of the linear portion is 15.0 mm and the width is 1
The circular portion has a radius of 5.0 mm and is 0.0 mm, and penetrates perpendicularly to the surface. 68 is an annular groove, the width is 2.7 mm, and the height of the annular groove is 1. mm from the bottom of the annular groove.
It was set to 5 mm. That is, the height of the inner region of the annular groove,
It is the same as the height of the outer region of the annular groove.
【００４６】６０２は電極面にガスを供給するための流
路であり、貫通孔６０１を始点、貫通孔６０３を終点と
する幅１．０ｍｍ、深さ１．０ｍｍの溝である。またこ
の流路は、セパレータ背面の流路６００と６０４とを介
してマニホールド６６、６７と連通している。なお、こ
の貫通孔は直径１．０ｍｍの円形で面に垂直に形成され
ており、背面の流路の形状は幅１．０ｍｍ、深さ１．０
ｍｍの溝である。Reference numeral 602 denotes a flow path for supplying gas to the electrode surface, which is a groove having a width of 1.0 mm and a depth of 1.0 mm, starting from the through hole 601 and ending at the through hole 603. Further, this flow path communicates with the manifolds 66, 67 via the flow paths 600 and 604 on the back surface of the separator. The through hole is circular with a diameter of 1.0 mm and formed perpendicularly to the surface, and the shape of the flow path on the back surface is 1.0 mm in width and 1.0 mm in depth.
mm groove.
【００４７】実施例および比較例のセパレータを備えた
燃料電池スタックをつぎのように製作した。まず、固体
高分子電解質膜（デュポン社製、ナフィオン、膜厚約５
０μｍ）の両面にアノードとカソード（ともに１．０ｍ
ｇ・ｃｍ−２の白金を担持した有効面積１００ｃｍ２の
ガス拡散電極）とを接合することによって単セルを製作
した。Fuel cell stacks having the separators of Examples and Comparative Examples were manufactured as follows. First, solid polymer electrolyte membrane (Nufion, manufactured by DuPont, film thickness about 5
Anode and cathode (both 1.0 m on both sides of 0 μm)
A unit cell was produced by bonding with a gas diffusion electrode having an effective area of 100 cm 2 and carrying g · cm −2 of platinum.
【００４８】つぎに、単セルのカソード側に実施例１の
セパレータ、アノード側に比較例１のセパレータを配し
て、それを３組積層したのち、さらにそれを一対のエン
ドプレートで固定することによって本発明の燃料電池ス
タックを製作した。一方、単セルの両面に比較例のセパ
レータを配してそれを３組積層し、さらに一対のエンド
プレートで固定することによって比較例の燃料電池スタ
ックとした。各セパレータの環状溝６８には、ガスケッ
トとして線径１．５ｍｍのＯリングを配置した。Next, the separator of Example 1 was placed on the cathode side of the single cell, the separator of Comparative Example 1 was placed on the anode side, three sets of them were laminated, and then further fixed by a pair of end plates. A fuel cell stack of the present invention was manufactured by On the other hand, the separator of the comparative example was arranged on both sides of the single cell, three sets of the separators were laminated, and further fixed by a pair of end plates to obtain a fuel cell stack of the comparative example. An O-ring having a wire diameter of 1.5 mm was arranged as a gasket in the annular groove 68 of each separator.
【００４９】製作した燃料電池に酸素と水素とをそれぞ
れ０．１Ｌ・ｍｉｎ−１、０．２Ｌ・ｍｉｎ−１となる
ように供給した。エンドプレートを種々の圧力で締め付
けたときの燃料電池スタックの開回路電圧を図１４に示
す。図１４において、記号○は実施例の燃料電池スタッ
クの特性、記号△は比較例の燃料電池スタックの特性を
示す。ここで圧力は、外力をセパレータの面積（３２０
ｃｍ２）で除した値で表記した。The oxygen and the hydrogen respectively in the fabricated fuel cell 0.1 L · min -1, was supplied as a 0.2 L · min -1. FIG. 14 shows the open circuit voltage of the fuel cell stack when the end plates were clamped at various pressures. In FIG. 14, the symbol ◯ indicates the characteristics of the fuel cell stack of the example, and the symbol Δ indicates the characteristics of the fuel cell stack of the comparative example. Here, the pressure is applied to the external force of the separator area (320
It is expressed by the value divided by cm 2 ).
【００５０】本発明の燃料電池スタックの開回路電圧
は、締め付け圧力が１００．０〜１０００ｋｇ・ｃｍ
−２の範囲でほぼ一定の値を示した。これに対して、従
来の燃料電池スタックの開回路電圧は、１００．０〜５
００．０ｋｇ・ｃｍ−２の範囲でほぼ一定であったが、
１０００ｋｇ・ｃｍ−２で締め付けたときに著しく低下
した。これらの結果から、本発明のセパレータを使用す
ることによって、短絡が抑制されることが明らかとなっ
た。The open circuit voltage of the fuel cell stack of the present invention has a tightening pressure of 100.0 to 1000 kg.cm.
The value was almost constant in the range of -2 . On the other hand, the open circuit voltage of the conventional fuel cell stack is 100.0 to 5
Although it was almost constant in the range of 00.0 kg · cm −2 ,
Remarkably decreased when tightened at 1000 kg · cm −2 . From these results, it became clear that a short circuit is suppressed by using the separator of the present invention.
【００５１】[0051]
【発明の効果】本発明の固体高分子電解質形燃料電池に
おいては、セパレータを新しい構造とすることにより、
一対のセパレータの、環状溝の内側領域の間隔の方が記
環状溝の外側領域の間隔よりも広くすることにより、固
体高分子電解質膜が、セパレータの環状溝の内側領域で
収縮した場合でも、アノード側セパレータとカソード側
セパレータ間の短絡を防止することができ、出力電圧が
高く、優れた特性を示す固体高分子電解質形燃料電池を
提供することができる。また、本発明によれば、エネル
ギー効率の高い固体高分子電解質形燃料電池発電システ
ムを提供することができる。In the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by adopting a new structure for the separator,
The pair of separators, by making the spacing of the inner region of the annular groove wider than the spacing of the outer region of the annular groove, the solid polymer electrolyte membrane, even when contracted in the inner region of the annular groove of the separator, A short circuit between the anode-side separator and the cathode-side separator can be prevented, a high output voltage can be provided, and a solid polymer electrolyte fuel cell showing excellent characteristics can be provided. Further, according to the present invention, it is possible to provide a solid polymer electrolyte fuel cell power generation system having high energy efficiency.
【図１】従来の燃料電池スタックの構造の一例を示す
図。FIG. 1 is a diagram showing an example of a structure of a conventional fuel cell stack.
【図２】従来のセパレータのシール部分の構造を示す
図。FIG. 2 is a diagram showing a structure of a seal portion of a conventional separator.
【図３】単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータ
の、マニホールド付近の断面で、セパレータ間の短絡が
発生していない状態を示す図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a unit cell and a pair of separators sandwiching the unit cell in the vicinity of a manifold, showing a state in which a short circuit between the separators is not generated.
【図４】単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータ
の、マニホールド付近の断面で、セパレータ間の短絡の
可能性の高い状態を示す図。FIG. 4 is a cross-sectional view of a unit cell and a pair of separators sandwiching the unit cell in the vicinity of a manifold, showing a state in which a short circuit between the separators is likely to occur.
【図５】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シー
ル部分の断面構造の一例を示す図。FIG. 5 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a seal portion of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図６】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シー
ル部分の断面構造の一例を示す図。FIG. 6 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a seal portion of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図７】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シー
ル部分の断面構造の一例を示す図。FIG. 7 is a diagram showing an example of a sectional structure of a seal portion of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図８】本発明の固体高分子電解質形燃料電池の、シー
ル部分の断面構造の一例を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an example of a cross-sectional structure of a seal portion of the solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図９】本発明のセパレータの、シール部分の構造を示
す図。FIG. 9 is a diagram showing a structure of a seal portion of the separator of the present invention.
【図１０】本発明のセパレータを備えた燃料電池スタッ
クの一例を示す図。FIG. 10 is a diagram showing an example of a fuel cell stack including a separator of the present invention.
【図１１】本発明のセパレータを備えた燃料電池スタッ
クの、単セルとそれを挟んでいる一対のセパレータの、
マニホールド付近の断面を示す図。FIG. 11 shows a unit cell and a pair of separators sandwiching the unit cell of a fuel cell stack including the separator of the present invention,
The figure which shows the cross section near a manifold.
【図１２】実施例１のセパレータの概略を示す図。FIG. 12 is a diagram showing an outline of a separator of Example 1.
【図１３】比較例１のセパレータの概略を示す図。FIG. 13 is a diagram showing an outline of a separator of Comparative Example 1.
【図１４】種々の圧力で締め付けたときの燃料電池スタ
ックの開回路電圧を示す図。FIG. 14 is a diagram showing the open circuit voltage of the fuel cell stack when tightened at various pressures.
１１ 固体高分子電解質 １４ アノード側セパレータ １５ カソード側セパレータ １６、１７、２０ マニホールド １８、２１ 環状溝 ６００、６０２ ガスの流路 ６０１、６０３ 貫通孔 Ａ 環状溝の内側領域 Ｂ 環状溝の外側領域 11 Solid polymer electrolyte 14 Anode side separator 15 Cathode side separator 16, 17, 20 manifold 18, 21 annular groove 600,602 Gas flow path 601 and 603 through holes A Inner area of annular groove B Outside area of annular groove
Claims (3)
た一対のガス拡散電極とで構成される膜−電極接合体の
両側を一対のセパレータで挟み、前記一対のセパレータ
の少なくとも一方の固体高分子電解質膜と接する面に環
状溝を設け、前記環状溝の内側領域に表面から裏面へ貫
通する孔を備えた固体高分子電解質形燃料電池の単セル
を複数積層した固体高分子電解質形燃料電池において、
前記一対のセパレータの、前記環状溝の内側領域の間隔
の方が、前記環状溝の外側領域の間隔よりも広いことを
特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。1. A membrane-electrode assembly composed of a solid polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes bonded to both sides thereof is sandwiched by a pair of separators, and at least one of the pair of separators has a solid height. A solid polymer electrolyte fuel cell in which a plurality of unit cells of a solid polymer electrolyte fuel cell are provided, in which an annular groove is provided on the surface in contact with the molecular electrolyte membrane, and a hole penetrating from the front surface to the back surface is provided in the inner region of the annular groove. At
The solid polymer electrolyte fuel cell is characterized in that an interval between inner regions of the annular groove of the pair of separators is wider than an interval between outer regions of the annular groove.
において、前記環状溝の内側領域の溝底部からの高さ
が、前記環状溝の外側領域の溝底部からの高さよりも低
いことを特徴とする請求項1記載の固体高分子電解質形
燃料電池。2. The height of the inner region of the annular groove from the groove bottom portion of at least one of the pair of severs is lower than the height of the outer region of the annular groove from the groove bottom portion. Item 2. A solid polymer electrolyte fuel cell according to item 1.
スケットが配置されていることを特徴とする請求項１ま
たは２記載の固体高分子電解質形燃料電池。3. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein a gasket is arranged in the annular groove of the fuel cell separator.
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|---|---|---|---|---|
| JP2005203301A (en) * | 2004-01-19 | 2005-07-28 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell and fuel cell stack |
| WO2005101559A1 (en) * | 2004-04-19 | 2005-10-27 | Lg Electronics Inc. | Fuel cell |
| JP2010055856A (en) * | 2008-08-27 | 2010-03-11 | Honda Motor Co Ltd | Fuel cell |
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2001
- 2001-11-09 JP JP2001344528A patent/JP3906975B2/en not_active Expired - Fee Related
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