【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、家庭内コージェネレーションシステム等に使用する高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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酸化剤ガスとを、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。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その両面に配置された一対の電極からなる。電極は、白金族金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒層、およびその外面に形成された、通気性と電子導電性を併せ持つガス拡散層から構成される。
【０００３】
供給される燃料ガスや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シール材やガスケットが配置される。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られる。これをＭＥＡ（電解質膜電極接合体）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が配置される。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が形成される。ガス流路は、セパレータ板と別に設けることもできるが、セパレータ板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。セパレータ板には、これらのガス流路に反応ガスを供給および排出するためのマニホールドと呼ばれる貫通孔が設けられている。これらのＭＥＡ、セパレータ板および冷却部を交互に重ねていき、１０〜２００セル積層し、その積層体を集電板および絶縁板を介して端板で挟み、これらを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。
【０００４】
このような高分子電解質型の燃料電池において、電解質として用いられる高分子膜は、水分を含んだ状態で水素イオン伝導性を示し、乾燥した状態では電解質の機能を果たさない。すなわち、電池性能の向上のためには、常に高分子膜を加湿し、良好な湿潤状態に保つ必要がある。
高分子電解質膜を加湿する方法としては、燃料ガスや酸化剤ガスに水蒸気を加えて加湿する方法、および冷却水の一部を多孔質のセパレータ板よりアノードやカソードにしみ出させて直接加湿する内部加湿方式がある。特公平７−９５４４７号公報や特開平６−６８８８４号公報では、アノードに多孔質のプレートを配置し、このプレートに水を圧入することによりアノードから電解質膜を加湿する方法が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の内部加湿方式を用いた高分子電解質型燃料電池のように、多孔質のプレートを用いて加湿する場合、多孔質プレートを透過する冷却水や反応ガスの電池外部への漏れは、冷却水と反応ガスとの圧力バランスによって制御されていた。このため、電池の運転条件等の変更によって、冷却水や反応ガスの圧力に変動が生じた場合、電池外部への漏れが生じる可能性があった。また、これに対して、多孔質プレートの外周に緻密なプレートを配置し、エポキシなどの接着剤によって一体化し、外部への漏れを防止する方法も考案されている。しかし、この方法によると部品点数が増加し、構造が複雑となるうえに、接着剤などからの不純物が溶出し、電池性能の低下を招く危険性が高いという問題を有していた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決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および前記水素イオン伝導性高分子電解質膜を挟むアノード及びカソードを包含する複数の膜電極接合体、並びに前記膜電極接合体を挟むアノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板を含むセルスタックを具備する高分子電解質型燃料電池であって、少なくとも一方の導電性セパレータ板は、アノードまたはカソードと接する面を含む中央部の領域の多孔度が、その周りを囲む周縁部の多孔度より大きく、前記アノードまたはカソードに接する面に、アノードまたはカソードに燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス流路を有し、背面に冷却水の流路を有する。
前記冷却水の流路を有する導電性セパレータ板は、その中央部の領域のガス透過率が、１×１０−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上であることが好ましい。
また、前記冷却水の流路を有する導電性セパレータ板は、その周辺部のガス透過率が、５×１０−１３ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ以下であることが好ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、セパレータ板のアノードおよび／またはカソードに接触する部分、すなわち燃料ガスの流路および／または酸化剤ガスの流路が形成される領域を含むセパレータ板の中央部の多孔度が、前記の領域を囲む周縁部の多孔度よりも大きいことを特徴としている。本発明者らは、そのような構成とすることによって、セパレータ板を透過する冷却水によって直接内部加湿を行う場合に、いかなる運転条件においても燃料電池外部への冷却水や反応ガスの漏洩を簡単な構造で防止できることを見出した。
【０００８】
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。
図１は本発明の一実施の形態における単電池の構成を示す。この単電池は、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）１０、並びにこれを挟むカソード側導電性セパレータ板３０およびアノード側セパレータ板４０からなる。ＭＥＡ１０は、高分子電解質膜１１、電解質膜１１を挟むアノードおよびカソード、並びにこれらの電極の周縁部において電解質膜１１を挟むガスケット１５および２６からなる。カソードは電解質膜に接する触媒層１３およびガス拡散層２３からなり、アノードは電解質膜に接する触媒層１４およびガス拡散層２４からなる。
【０００９】
図２および図３は、カソード側導電性セパレータ板３０を示す。
カソード側導電性セパレータ板３０は、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のための各々一対のマニホールド孔３２、３３および３４を有する。セパレータ板３０は、さらに一方の面には、一点鎖線で囲まれたカソードに接する面を含む中央部領域３６を有し、その領域にカソードに酸化剤ガスを供給するガス流路３８を有する。前記のガス流路３８は、中央部領域３６を囲む周縁部３７に設けられたマニホールド孔３２に連絡している。
セパレータ板３０の背面には、一対のマニホールド孔３４を連絡する冷却水の流路３５を有する。セパレータ板３０は、その背面にさらに酸化剤ガスのマニホールド孔３２および燃料ガスのマニホールド孔３３をそれぞれ囲む溝３１ｃおよび３１ａ、ならびに冷却水のマニホールド孔３４および流路３５を囲む溝３１ｗを有する。
【００１０】
アノード側導電性セパレータ板４０は、図４および図５に示すように、酸化剤ガス、燃料ガスおよび冷却水のための各々一対のマニホールド孔４２、４３および４４を有する。セパレータ板４０は、さらに一方の面には、一点鎖線で囲まれたアノードに接する面を含む中央部領域４６を有し、その領域にアノードに酸化剤ガスを供給するガス流路４９を有する。前記のガス流路４９は、中央部領域４６を囲む周縁部４７に設けられたマニホールド孔４３に連絡している。
アノード側セパレータ板４０は、その背面には、一対のマニホールド孔４４と連絡する冷却水の流路４５を有する。セパレータ板４０は、その背面にさらに酸化剤ガスのマニホールド孔４２および燃料ガスのマニホールド孔４３をそれぞれ囲む溝４１ｃおよび４１ａ、ならびに冷却水のマニホールド孔４４および流路４５を囲む溝４１Ｗを有する。
セパレータ板４０に設けらた各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔４２、燃料ガスのマニホールド孔４３および冷却水のマニホールド孔４４は、セパレータ板３０に設けらた各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔３２、燃料ガスのマニホールド孔３３および冷却水のマニホールド孔３４とそれぞれ連通する。
【００１１】
カソード側導電性セパレータ板３０とアノード側導電性セパレータ板４０は、それらの背面、すなわち冷却水の流路を有する面を向き合わせて接合されて、ＭＥＡとＭＥＡとの間に挿入される。これらのセパレータ板の背面に設けられた溝３１ｃと４１ｃ、３１ａと４１ａ、および３１ｗと４１ｗとの間には、Ｏリングが挿入され、セパレータ板３０と４０の間から冷却水が外部へ漏れるのを防止する。
本実施の形態においては、セパレータ板３０と４０の双方に、冷却水を流すための１組の流路を設けたが、一方のセパレータ板にのみ冷却水の流路を設けてもよい。
【００１２】
カソード側導電性セパレータ板３０およびアノード側導電性セパレータ板４０は、ガス流路３８および４９を有する中央部領域３６および４６の多孔度は、周縁部３７および４７の多孔度より大きい。
図１に示す単電池は、カソード側導電性セパレータ板３０の背面と、隣接する単電池のアノード側導電性セパレータ板４０との間に、冷却水の流路を有しており、この冷却水の流路からセパレータ板３０を透過してカソード側に達する冷却水によって電解質膜を加湿することができる。同様に、アノード側導電性セパレータ板４０の背面と、隣接する単電池のカソード側導電性セパレータ板３０との間に、冷却水の流路を有しており、この冷却水の流路からセパレータ板４０を透過する冷却水によってアノード側から電解質膜を加湿することができる。セパレータ板３０および４０は、その周縁部３７および４７の多孔度が小さくしてあるから、冷却水はガス流路を有する部分から電解質膜側へ透過するが、周縁部から外部へ漏洩することはない。
【００１３】
前記のように、セパレータ板の中央部領域では冷却水を透過させ、周縁部では透過させないように、両者の多孔度を変えるには次のような方法がある。その１つは、カーボン粉末とバインダーの混合物を成形して多孔質カーボンセパレータ板を作製した後、周縁部に、グラッシーカーボンコーティングを施す方法である。このグラッシーカーボンコーティングによって、周縁部のガス透過率を低下させる。グラッシーカーボンコーティングとは、多孔質カーボンの表面にフェノール樹脂などの樹脂を含浸し、低酸素濃度中で焼結することによってグラッシーカーボン化する技術であり、多孔度を極端に低下させることが可能である。
【００１４】
また、多孔質カーボンセパレータ板の周縁部に、後処置によってフェノール樹脂などの樹脂を含浸し、その後２００℃で熱処理することによって、周縁部のガス透過率を低下させることが可能である。さらに、成形カーボンをセパレータ板として用いる場合は、中央部領域と周縁部であらかじめ投入材料の樹脂含有率を変更しておくことによって、周縁部のガス透過性を低減することが可能である。このようにセパレータ板の周縁部のガス透過率を低下させることによって、外部へのガスおよび冷却水の漏洩を防止することができる。
【００１５】
図１に示した単電池は、アノード側導電性セパレータ板およびカソード側導電性セパレータ板は、それぞれ背面に冷却水の流路を有しており、そのような単電池を積層すると、各単電池が冷却部を有することとなる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
《実施例１》
水素イオン伝導性高分子電解質膜（米国デュポン社製：ナフィオン１１２）の一方の面には、導電性カーボン粒子（オランダ国、ＡＫＺＯ Ｃｈｅｍｉｅ社：ケッチェンブラックＥＣ）に平均粒径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持させたカソード触媒を含む触媒層を、もう一方の面には、前記と同じ導電性カーボン粒子に平均粒径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とをそれぞれ２５重量％担持させたアノード触媒を含む触媒層を形成した。これらカソード触媒層およびアノード触媒層の外側には、それぞれ厚み２５０μｍのカーボン不織布からなるガス拡散層を設けた。
【００１７】
このようにして作製したＭＥＡを、図２及び図３に示す構造のカソード側多孔質カーボンセパレータ板およびアノード側多孔質カーボンセパレータ板で挟んで単電池を構成した。多孔質カーボンセパレータ板は、等方性黒鉛板（東洋炭素（（株）製ＩＳＯ−８８、かさ密度：１．９０ｇ／ｃｍ３））を切削加工によりガス流路および冷却水の流路を形成したものである。ここで、カソード側導電性セパレータ板３０の周縁部３７およびアノード側導電性セパレータ板４０の周縁部４７は、後処理によってグラッシーカーボンコーティング処理が施され、これによって、周縁部３７および４７の多孔度が中央部領域３６および４６に比較して小さくなるように構成されている。このグラッシーカーボンコーティング処理は、セパレータ板の周縁部の表面にフェノール樹脂を含浸し、低酸素濃度中において１２００〜１６００℃で数百時間焼結することにより実施した。多孔質カーボンセパレータ板のガス透過率は１．５０×１０−１１ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ、グラッシーカーボンコーティング処理後のガス透過率は３．００×１０−１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａであった。
【００１８】
ガス透過率は図６に示すような治具を用いて測定した。測定の方法を説明する。まず、一定容量の圧力容器５１の開口部に、蓋をするように試料５２をセットする。容器５１は、２つに分岐したパイプ５３により、ロータリーポンプ５４と真空計５５に連結されている。次に、コック５６を開いて、容器５１を１０−４Ｔｏｒｒになるまでロータリーポンプによって減圧する。その後、徐々に試料を透過するガスによって、圧力容器内部の圧力が上昇する値を真空計５５で計測する。そして、容器内圧力の経時変化の傾きよりガス透過率を算出する。このガス透過率によって、多孔質カーボンセパレータ板のガスおよび冷却水透過量をより正確に表現することが可能となる。
【００１９】
このような、多孔質セパレータ板を用い、冷却水の圧力を調節することによって、多孔質セパレータ板を透過して冷却水を電解質膜に供給することが可能となり、かつ、いかなる運転条件においても、燃料電池外部へガスや冷却水が漏れることを防止できる。さらに、アノードおよびカソードへの水分供給量は、それぞれ用いる多孔質セパレータ板のガス透過性を変更することによって調整が可能である。
【００２０】
図７は、図１のような構成の電池において、中央部の領域のガス透過率が異なるセパレータ板を用いた場合の加湿度合いを調べた結果を示す。図７より、ガス透過率が５×１０−１３ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ以下では加湿量は殆ど０であり、１×１０−１２ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ以上の場合から徐々に増加していることがわかる。ここに示した加湿量は一方の電極側での値である。従って、冷却水をセパレータ板を透過させて電極側に透過させることにより、セルの内部加湿が可能なことがわかる。
【００２１】
《実施例２》
本実施例では、実施例１と同じ多孔質セパレータ板の周縁部に、フェノール樹脂を含浸した後、２００℃で熱処理することによって周縁部のガス透過率を低下させた。周縁部のガス透過率は３．６０×１０−１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａであった。
【００２２】
《実施例３》
人造黒鉛粉末とバインダーのフェノール樹脂との混合物を成形してセパレータ板を作製した。中央部の領域のバインダー含有割合は１０重量％、周縁部のバインダー含有割合は２５重量％とした。このセパレータ板のガス透過率は、中央部の領域で２．１０×１０−１１ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａ、周縁部で２．８０×１０−１４ｍｏｌ・ｍ／ｍ２・ｓ・Ｐａであった。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、導電性セパレータ板のアノードまたはカソードと接する面を含む中央部の領域の多孔度を、その周りを囲む周縁部の多孔度より大きくすることによって、セパレータ板を透過させる冷却水によって直接内部加湿を行う場合に、いかなる運転条件においても燃料電池外部への冷却水や反応ガスの漏洩を簡単な構造で防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における単電池の縦断面図である。
【図２】同単電池のカソード側導電性セパレータ板の正面図である。
【図３】同セパレータ板の背面図である。
【図４】同単電池のアノード側セパレータ板の正面図である。
【図５】同セパレータ板の背面図である。
【図６】ガス透過率の測定装置の構成を示す略図である。
【図７】セパレータ板の中央部の領域のガス透過率とセパレータ板を透過する冷却水による加湿量との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ ＭＥＡ
１１ 高分子電解質膜
１３、１４ 触媒層
１３、２４ ガス拡散層
１５、２６ ガスケット
３０ カソード側導電性セパレータ板
３５、４５ 冷却水の流路
３６、４６ 中央部の領域
３７、４７ 周縁部
３８、４９ ガス流路
４０ アノード側導電性セパレータ板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell using a polymer electrolyte used for a portable power supply, a power supply for an electric vehicle, a home cogeneration system, and the like.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell using a polymer electrolyte generates electricity and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidizing gas containing oxygen such as air. . This fuel cell basically includes a polymer electrolyte membrane for selectively transporting hydrogen ions and a pair of electrodes disposed on both surfaces thereof. The electrode is composed of a catalyst layer mainly composed of a carbon powder carrying a platinum group metal catalyst, and a gas diffusion layer formed on the outer surface thereof, having both gas permeability and electronic conductivity.
[0003]
A gas sealing material or gasket is placed around the electrodes with a polymer electrolyte membrane in between so that the supplied fuel gas and oxidizing gas do not leak out or the two types of gases do not mix with each other. . The sealing material and the gasket are assembled in advance integrally with the electrode and the polymer electrolyte membrane. This is called MEA (electrolyte membrane electrode assembly). Outside the MEA, a conductive separator plate for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series is arranged. 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 in which a groove is provided on the surface of the separator plate to form a gas flow path is generally used. The separator plate is provided with through holes called manifolds for supplying and discharging the reaction gas to and from these gas flow paths. The MEA, the separator plate and the cooling unit are alternately stacked, 10 to 200 cells are stacked, the stacked body is sandwiched between end plates via a current collector plate and an insulating plate, and these are fixed from both ends with fastening bolts. This is the structure of a general laminated battery.
[0004]
In such a polymer electrolyte fuel cell, a polymer membrane used as an electrolyte exhibits hydrogen ion conductivity in a state containing water, and does not function as an electrolyte in a dry state. That is, in order to improve the battery performance, it is necessary to constantly humidify the polymer film and keep it in a good wet state.
As a method of humidifying the polymer electrolyte membrane, a method of humidifying by adding water vapor to the fuel gas or the oxidizing gas, or a method of directly humidifying by extruding a part of the cooling water from the porous separator plate to the anode or the cathode. There is an internal humidification method. Japanese Patent Publication No. 7-95447 and JP-A-6-68884 disclose a method in which a porous plate is disposed on an anode, and water is injected into the plate to humidify the electrolyte membrane from the anode.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
When humidification is performed using a porous plate as in a polymer electrolyte fuel cell using a conventional internal humidification method, leakage of cooling water or reaction gas permeating the porous plate to the outside of the battery is caused by cooling water. And the reaction gas was controlled by the pressure balance. For this reason, when the pressure of the cooling water or the reaction gas fluctuates due to a change in the operating conditions of the battery or the like, there is a possibility that the battery may leak outside. On the other hand, a method has been devised in which a dense plate is arranged on the outer periphery of a porous plate and integrated with an adhesive such as epoxy to prevent leakage to the outside. However, according to this method, the number of parts increases, the structure becomes complicated, and impurities from an adhesive or the like are eluted, so that there is a high risk that battery performance is reduced.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell according to the present invention comprises a plurality of membrane electrode assemblies including a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane and an anode and a cathode sandwiching the hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane. And a polymer electrolyte fuel cell including a cell stack including an anode-side conductive separator plate and a cathode-side conductive separator plate sandwiching the membrane electrode assembly, wherein at least one of the conductive separator plates is an anode or A gas for supplying a fuel gas or an oxidizing gas to the anode or the cathode on the surface in contact with the anode or the cathode, wherein the porosity of the central region including the surface in contact with the cathode is larger than the porosity of the peripheral portion surrounding the central portion. It has a flow path and a cooling water flow path on the back.
The conductive separator plate having the cooling water flow path preferably has a gas permeability of 1 × 10 −12 mol · m / m 2 · s · Pa or more in the central region.
In addition, the conductive separator plate having the cooling water flow path preferably has a gas permeability of 5 × 10 −13 mol · m / m 2 · s · Pa or less in a peripheral portion thereof.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
In the present invention, the porosity of the central portion of the separator plate including the region where the separator plate is in contact with the anode and / or the cathode, that is, the region where the flow path of the fuel gas and / or the flow path of the oxidant gas is formed, Is larger than the porosity of the peripheral portion surrounding the region. By adopting such a configuration, the present inventors can easily prevent leakage of cooling water and reaction gas to the outside of the fuel cell under any operating conditions when directly performing internal humidification with cooling water passing through the separator plate. It was found that it could be prevented with a simple structure.
[0008]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a configuration of a unit cell according to an embodiment of the present invention. This unit cell includes an electrolyte membrane electrode assembly (MEA) 10 and a cathode-side conductive separator plate 30 and an anode-side separator plate 40 sandwiching the MEA. The MEA 10 includes a polymer electrolyte membrane 11, an anode and a cathode sandwiching the electrolyte membrane 11, and gaskets 15 and 26 sandwiching the electrolyte membrane 11 at the periphery of these electrodes. The cathode comprises a catalyst layer 13 and a gas diffusion layer 23 in contact with the electrolyte membrane, and the anode comprises a catalyst layer 14 and a gas diffusion layer 24 in contact with the electrolyte membrane.
[0009]
2 and 3 show the cathode-side conductive separator plate 30. FIG.
The cathode-side conductive separator plate 30 has a pair of manifold holes 32, 33, and 34 for oxidant gas, fuel gas, and cooling water, respectively. The separator plate 30 further has, on one surface, a central region 36 including a surface in contact with the cathode surrounded by a dashed line, and has a gas flow path 38 for supplying an oxidant gas to the cathode in that region. The gas flow path 38 communicates with a manifold hole 32 provided in a peripheral portion 37 surrounding the central region 36.
On the back surface of the separator plate 30, there is a cooling water flow path 35 that connects the pair of manifold holes 34. Separator plate 30 further has grooves 31c and 31a on its back surface surrounding oxidant gas manifold hole 32 and fuel gas manifold hole 33, respectively, and groove 31w surrounding cooling water manifold hole 34 and flow path 35.
[0010]
As shown in FIGS. 4 and 5, the anode-side conductive separator plate 40 has a pair of manifold holes 42, 43, and 44 for oxidizing gas, fuel gas, and cooling water, respectively. The separator plate 40 further has, on one surface, a central region 46 including a surface in contact with the anode surrounded by a dashed line, and has a gas passage 49 for supplying an oxidant gas to the anode in that region. The gas flow passage 49 communicates with a manifold hole 43 provided in a peripheral portion 47 surrounding the central region 46.
The anode-side separator plate 40 has a cooling water flow path 45 communicating with a pair of manifold holes 44 on the back surface. The separator plate 40 further has grooves 41c and 41a respectively surrounding the manifold hole 42 for the oxidizing gas and the manifold hole 43 for the fuel gas, and a groove 41W surrounding the manifold hole 44 and the flow path 45 for the cooling water on the back surface thereof.
The pair of oxidant gas manifold holes 42, the fuel gas manifold holes 43, and the cooling water manifold holes 44 provided on the separator plate 40 are respectively provided with the pair of oxidant gas manifold holes 32 provided on the separator plate 30. , And communicate with the fuel gas manifold hole 33 and the cooling water manifold hole 34, respectively.
[0011]
The cathode-side conductive separator plate 30 and the anode-side conductive separator plate 40 are joined with their back surfaces, that is, the surfaces having the flow paths of the cooling water, facing each other, and inserted between the MEAs. O-rings are inserted between the grooves 31c and 41c, 31a and 41a, and 31w and 41w provided on the back surface of these separator plates, and the cooling water leaks from between the separator plates 30 and 40 to the outside. To prevent
In the present embodiment, a pair of channels for flowing the cooling water is provided in both of the separator plates 30 and 40, but the channels of the cooling water may be provided only in one of the separator plates.
[0012]
In the cathode-side conductive separator plate 30 and the anode-side conductive separator plate 40, the porosity of the central regions 36 and 46 having the gas passages 38 and 49 is larger than the porosity of the peripheral portions 37 and 47.
The unit cell shown in FIG. 1 has a cooling water flow path between the back surface of the cathode-side conductive separator plate 30 and the anode-side conductive separator plate 40 of the adjacent unit cell. The electrolyte membrane can be humidified by the cooling water that passes through the separator plate 30 from the flow path and reaches the cathode side. Similarly, a cooling water flow path is provided between the back surface of the anode-side conductive separator plate 40 and the cathode-side conductive separator plate 30 of the adjacent unit cell. The electrolyte membrane can be humidified from the anode side by the cooling water passing through the plate 40. Since the porosity of the peripheral portions 37 and 47 of the separator plates 30 and 40 is reduced, the cooling water permeates from the portion having the gas flow path to the electrolyte membrane side, but does not leak to the outside from the peripheral portions. Absent.
[0013]
As described above, there are the following methods for changing the porosity of the separator plate so that the cooling water is transmitted in the central region and not in the peripheral region. One is a method in which a mixture of carbon powder and a binder is molded to produce a porous carbon separator plate, and then a glassy carbon coating is applied to the peripheral portion. This glassy carbon coating reduces the gas permeability of the peripheral portion. Glassy carbon coating is a technology that impregnates the surface of porous carbon with a resin such as phenolic resin, and sinters it in a low oxygen concentration to make it a glassy carbon. is there.
[0014]
Further, by impregnating the peripheral portion of the porous carbon separator plate with a resin such as a phenol resin by a post-treatment, and then performing a heat treatment at 200 ° C., the gas permeability of the peripheral portion can be reduced. Further, when the molded carbon is used as the separator plate, the gas permeability of the peripheral portion can be reduced by changing the resin content of the input material in the central region and the peripheral portion in advance. As described above, by reducing the gas permeability of the peripheral portion of the separator plate, leakage of gas and cooling water to the outside can be prevented.
[0015]
In the unit cell shown in FIG. 1, the anode-side conductive separator plate and the cathode-side conductive separator plate each have a cooling water flow path on the back surface. Has a cooling part.
[0016]
【Example】
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
<< Example 1 >>
On one surface of a hydrogen ion conductive polymer electrolyte membrane (Nafion 112, manufactured by DuPont, USA), conductive carbon particles (AKZO Chemie, Netherlands; Ketjen Black EC) are coated with platinum particles having an average particle size of about 30 mm. And a catalyst layer containing a cathode catalyst carrying 50% by weight of Pt and 25% by weight of platinum particles having an average particle size of about 30 ° and ruthenium particles having an average particle size of about 30 ° on the other surface on the other surface. A catalyst layer containing the anode catalyst was formed. Outside the cathode catalyst layer and the anode catalyst layer, a gas diffusion layer made of a carbon nonwoven fabric having a thickness of 250 μm was provided.
[0017]
The MEA thus produced was sandwiched between the cathode-side porous carbon separator plate and the anode-side porous carbon separator plate having the structure shown in FIGS. 2 and 3 to form a unit cell. The porous carbon separator plate forms a gas flow passage and a cooling water flow passage by cutting an isotropic graphite plate (Toyo Carbon Co., Ltd., ISO-88, bulk density: 1.90 g / cm 3 ). It was done. Here, the peripheral portion 37 of the cathode-side conductive separator plate 30 and the peripheral portion 47 of the anode-side conductive separator plate 40 are subjected to a glassy carbon coating process by post-processing, whereby the porosity of the peripheral portions 37 and 47 is reduced. Are configured to be smaller than the central regions 36 and 46. This glassy carbon coating treatment was performed by impregnating the surface of the peripheral portion of the separator plate with a phenol resin and sintering at 1200 to 1600 ° C. for several hundred hours in a low oxygen concentration. The gas permeability of the porous carbon separator plate is 1.50 × 10 −11 mol · m / m 2 · s · Pa, and the gas permeability after the glassy carbon coating treatment is 3.00 × 10 −14 mol · m / m. It was 2 · s · Pa.
[0018]
The gas permeability was measured using a jig as shown in FIG. The measuring method will be described. First, the sample 52 is set so as to cover the opening of the pressure vessel 51 having a fixed capacity. The container 51 is connected to a rotary pump 54 and a vacuum gauge 55 by a pipe 53 branched into two. Next, the cock 56 is opened, and the pressure in the container 51 is reduced by a rotary pump until the pressure reaches 10 −4 Torr. Thereafter, a value at which the pressure inside the pressure vessel rises due to the gas gradually passing through the sample is measured by the vacuum gauge 55. Then, the gas permeability is calculated from the gradient of the temporal change of the pressure in the container. This gas permeability makes it possible to more accurately express the gas and cooling water permeation amount of the porous carbon separator plate.
[0019]
By using such a porous separator plate and adjusting the pressure of the cooling water, it becomes possible to supply the cooling water to the electrolyte membrane through the porous separator plate, and under any operating conditions, Leakage of gas and cooling water to the outside of the fuel cell can be prevented. Further, the amount of water supplied to the anode and the cathode can be adjusted by changing the gas permeability of each of the porous separator plates used.
[0020]
FIG. 7 shows the result of examining the degree of humidification in the case of using a separator plate having a gas permeability different from that of the central region in the battery having the configuration shown in FIG. According to FIG. 7, the humidification amount is almost 0 when the gas permeability is 5 × 10 −13 mol · m / m 2 · s · Pa or less, and is 1 × 10 −12 mol · m / m 2 · s · Pa or more. From the case, it can be seen that it is gradually increasing. The humidification amount shown here is a value on one electrode side. Therefore, it can be seen that the inside of the cell can be humidified by allowing the cooling water to pass through the separator plate and to the electrode side.
[0021]
<< Example 2 >>
In the present example, the peripheral edge of the same porous separator plate as in Example 1 was impregnated with a phenol resin, and then heat-treated at 200 ° C. to reduce the gas permeability of the peripheral edge. The gas permeability of the peripheral portion was 3.60 × 10 −14 mol · m / m 2 · s · Pa.
[0022]
<< Example 3 >>
A mixture of artificial graphite powder and a phenol resin as a binder was molded to prepare a separator plate. The binder content in the central region was 10% by weight, and the binder content in the peripheral region was 25% by weight. The gas permeability of this separator plate was 2.10 × 10 −11 mol · m / m 2 · s · Pa in the central region and 2.80 × 10 −14 mol · m / m 2 · s in the peripheral region. -It was Pa.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the porosity of the central region including the surface in contact with the anode or the cathode of the conductive separator plate is made larger than the porosity of the peripheral portion surrounding the periphery thereof, whereby the separator plate is formed. When the internal humidification is directly performed by the permeated cooling water, it is possible to prevent the leakage of the cooling water and the reaction gas to the outside of the fuel cell with a simple structure under any operating conditions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a unit cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a front view of a cathode-side conductive separator plate of the single cell.
FIG. 3 is a rear view of the separator plate.
FIG. 4 is a front view of an anode-side separator plate of the single cell.
FIG. 5 is a rear view of the separator plate.
FIG. 6 is a schematic view showing a configuration of a gas permeability measuring device.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the gas permeability in the central region of the separator plate and the amount of humidification by the cooling water passing through the separator plate.
[Explanation of symbols]
10 MEA
11 Polymer Electrolyte Membrane 13, 14 Catalyst Layer 13, 24 Gas Diffusion Layer 15, 26 Gasket 30 Cathode Side Conductive Separator Plate 35, 45 Cooling Water Flow Paths 36, 46 Central Regions 37, 47 Peripheral Edges 38, 49 Gas flow path 40 Anode-side conductive separator plate
