JP2005293880A - Fuel cell and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、単位セルを備えた燃料電池や、この単位セルを複数積層したスタック構造の燃料電池およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell including unit cells, a fuel cell having a stack structure in which a plurality of unit cells are stacked, and a method for manufacturing the same.
燃料電池は、外部から燃料(水素)と空気(酸素)とを連続的に別々の電極に供給し、これらを電極に含まれた触媒を利用して、電気化学的に反応させて電気エネルギーを取り出すものである。他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。燃料電池の中でも、高分子固体電解質膜を利用した燃料電池は作動温度が室温に近く、薄型化、小型化が可能で携帯機器等への応用が期待されている。 A fuel cell continuously supplies fuel (hydrogen) and air (oxygen) to separate electrodes from the outside, and uses the catalyst contained in the electrodes to electrochemically react to generate electrical energy. It is something to take out. In recent years, environmental problems have become more prominent because of high efficiency and less carbon dioxide emissions than other power generation methods. Among fuel cells, a fuel cell using a polymer solid electrolyte membrane has an operating temperature close to room temperature, and can be reduced in thickness and size, and is expected to be applied to portable devices and the like.
燃料電池の単位セル当たりの起電力は、電気化学反応の種類によって決まるが、0.7ボルト程度と低いため、実際に電池として使用するためには出力の向上が必要である。燃料電池の出力を向上させるためには、燃料電池全体として起電力を上げることと、容量を上げることとが考えられる。起電力を上げるためには、単位セルを直列に積層する方法がよく知られている。容量を上げるためには、電極面積や反応界面の幾何学的面積を広げる、あるいは単位面積あたりの出力密度を増加させる方法が知られている。しかし、これら燃料電池の出力を向上させるための方法では、単位セルの積層や電極面積の広面積化という小型化とは相反することを行う。このため、小型化が必要な携帯機器等への応用分野においては、小型化に工夫が求められている。 The electromotive force per unit cell of the fuel cell is determined by the type of electrochemical reaction, but it is as low as about 0.7 volts, so that it is necessary to improve the output in order to actually use it as a battery. In order to improve the output of the fuel cell, it is conceivable to increase the electromotive force and the capacity of the fuel cell as a whole. In order to increase the electromotive force, a method of stacking unit cells in series is well known. In order to increase the capacity, methods are known in which the electrode area and the geometric area of the reaction interface are increased or the output density per unit area is increased. However, these methods for improving the output of the fuel cell are contrary to the miniaturization of stacking unit cells and increasing the electrode area. For this reason, in the field of application to portable devices and the like that need to be miniaturized, a device is required for miniaturization.
また、高分子固体電解質膜を利用した単位セルを積層して燃料電池の出力を向上させる場合、燃料電池の構成部材間の接触抵抗も燃料電池の発電効率に影響する。発電効率を向上させるためには、電池に均一に荷重を加えて接触抵抗を減らす必要がある。
接触抵抗を減らす例として、アノード側の燃料の供給とカソード側の空気の供給を分離するためのセパレータを用いた構造の燃料電池で、セパレータを介して荷重を構成部材に均一に加える方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
In addition, when unit cells using polymer solid electrolyte membranes are stacked to improve the output of the fuel cell, the contact resistance between the components of the fuel cell also affects the power generation efficiency of the fuel cell. In order to improve the power generation efficiency, it is necessary to uniformly apply a load to the battery to reduce the contact resistance.
As an example of reducing the contact resistance, a fuel cell having a separator for separating the supply of fuel on the anode side and the supply of air on the cathode side is known to apply a load uniformly to the constituent members via the separator. (For example, refer to Patent Document 1).
しかし、特許文献1のように、異なるガスの混合を防ぐためのセパレータを用いる方法では、セパレータの両面にガスを導くためのリブ加工が必要である。リブの構造は、セパレータ自体の強度(電池の構成部材に均一に荷重をかけるために必要な強度)、燃料や空気の電極への供給効率、あるいはそれらの混合防止等を考慮して決められ、セパレータ自体の薄型化が難しい。従って、そのセパレータを挟み込むことによって積層構造自体も厚くなり、燃料電池全体としての小型化が難しくなるという問題がある。
However, as in
本発明の第一の目的は、より薄型化できる単位セルの燃料電池を提供することにある。 A first object of the present invention is to provide a unit cell fuel cell that can be made thinner.
本発明の第二の目的は、そのような単位セルを複数積層することにより小型化できるスタック構造の燃料電池を提供することにある。 A second object of the present invention is to provide a fuel cell having a stack structure that can be miniaturized by stacking a plurality of such unit cells.
本発明の第三の目的は、発電効率を向上させることができる燃料電池の製造方法を提供することにある。 A third object of the present invention is to provide a fuel cell manufacturing method capable of improving power generation efficiency.
本発明の燃料電池は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ一対の膜電極接合体と、前記アノード電極同士が対向する前記一対の膜電極接合体間の外周部全周にわたって形成されたシール層と、このシール層で囲まれた袋状の領域内に燃料を供給する燃料入口とを含んで構成された単位セルを備えていることを特徴とする。
この発明では、燃料が供給される一対の膜電極接合体のアノード電極を対向させて袋状の領域を形成しているので、燃料入口から袋状領域内のアノード電極へのみ燃料供給が可能となり、カソード電極側へ供給される空気と分離するための特別なセパレータが不要なうえ、単位セルが膜や層からなる構成部材のみで形成されるため、より薄型になる。
The fuel cell of the present invention includes a pair of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and an entire outer peripheral portion between the pair of membrane electrode assemblies in which the anode electrodes face each other. And a unit cell configured to include a fuel inlet for supplying fuel into a bag-shaped region surrounded by the seal layer.
In this invention, the anode electrodes of the pair of membrane electrode assemblies to which fuel is supplied are opposed to each other to form a bag-like region, so that fuel can be supplied only from the fuel inlet to the anode electrode in the bag-like region. Further, a special separator for separating from the air supplied to the cathode electrode side is not necessary, and the unit cell is formed only by the constituent members made of a film or a layer, so that the thickness is further reduced.
本発明の燃料電池は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体と、前記アノード電極側に配置されて燃料と空気とを隔離する気体非透過性の隔離用フィルムと、前記膜電極接合体と前記隔離用フィルムとの間の外周部全周にわたって形成されたシール層と、このシール層で囲まれた袋状の領域内に燃料を供給する燃料入口とを含んで構成された単位セルを備えていることを特徴とする。
この発明では、アノード電極に供給される燃料とカソード電極に供給される空気(酸素)の分離に気体非透過性の隔離用フィルムを使用するので、薄型の単位セルが得られる。
The fuel cell of the present invention is a gas-impermeable separator for separating a fuel and air from a membrane electrode assembly in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and being disposed on the anode electrode side. A film, a seal layer formed over the entire outer periphery between the membrane electrode assembly and the isolation film, and a fuel inlet for supplying fuel into a bag-shaped region surrounded by the seal layer It is characterized by including a unit cell configured to be included.
In the present invention, since the gas non-permeable separating film is used for separating the fuel supplied to the anode electrode and the air (oxygen) supplied to the cathode electrode, a thin unit cell can be obtained.
本発明の燃料電池は、上述のそれぞれの単位セルと、当該単位セルのカソード電極側に空気を供給するためのシート状の空気透過部材とが交互に積層されていることを特徴とする。
この発明によれば、構成部材が膜である薄型の単位セルとシート状の空気透過部材とを積層して燃料電池を構成するので、出力を得るために単位セルを多数積層してスタック構造の燃料電池を構成しても、燃料電池自体が厚くならず小型の燃料電池が得られる。
The fuel cell of the present invention is characterized in that the above-described unit cells and sheet-like air permeable members for supplying air to the cathode electrode side of the unit cells are alternately stacked.
According to the present invention, since the fuel cell is configured by laminating thin unit cells whose members are membranes and sheet-like air permeable members, a large number of unit cells are laminated to obtain an output. Even if the fuel cell is configured, the fuel cell itself does not become thick and a small fuel cell can be obtained.
本発明では、前記膜電極接合体の前記電極が形成されていない部分には、気体非透過性層が設けられた構成が好ましい。
この発明では、膜電極接合体のアノード電極とカソード電極とが設けられていない高分子固体電解質膜に気体非透過性層が設けられる。高分子固体電解質膜は、プロトン透過性であり水素燃料も透過しやすい。そこで、これらの気体非透過性層を必要な場所に設けることにより、袋状の領域からの気体の漏出がより確実に防げる。
In this invention, the structure by which the gas impermeable layer was provided in the part in which the said electrode of the said membrane electrode assembly is not formed is preferable.
In the present invention, the gas impermeable layer is provided on the polymer solid electrolyte membrane in which the anode electrode and the cathode electrode of the membrane electrode assembly are not provided. The polymer solid electrolyte membrane is proton permeable and easily penetrates hydrogen fuel. Therefore, by providing these gas impermeable layers where necessary, gas leakage from the bag-like region can be prevented more reliably.
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ一対の膜電極接合体を、前記アノード電極同士が対向するように配置するとともに、アノード電極間に取出電極を配置する工程と、配置された前記一対の膜電極接合体に対し、対向方向から荷重をかけながら当該膜電極接合体間の外周部全周にシール層を形成する工程と、この荷重を加えた状態で前記シール層を固化することにより単位セルを形成する工程とを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、膜電極接合体に荷重を加えることにより、膜電極接合体間にあるアノード電極と構成部材である取出電極とがより密着して接触抵抗が低減する。その荷重を加えた状態で膜電極接合体間をシール層で固定するので、接触抵抗が低く維持されて単位セルの発電効率が向上する。
In the method for producing a fuel cell of the present invention, a pair of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are arranged so that the anode electrodes face each other, and between the anode electrodes A step of arranging the extraction electrode, a step of forming a seal layer on the entire outer periphery of the membrane electrode assembly while applying a load from the opposing direction to the pair of membrane electrode assemblies arranged, and the load And a step of forming a unit cell by solidifying the sealing layer in a state in which is added.
According to the present invention, when a load is applied to the membrane electrode assembly, the anode electrode between the membrane electrode assemblies and the extraction electrode as the constituent member are more closely attached to reduce the contact resistance. Since the membrane electrode assembly is fixed with the seal layer in the state where the load is applied, the contact resistance is kept low and the power generation efficiency of the unit cell is improved.
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ膜電極接合体に対して、前記アノード電極と対向するように気体非透過性の隔離用フィルムを配置するとともに、この隔離用フィルムと前記アノード電極との間に取出電極を配置する工程と、配置された前記膜電極接合体および前記隔離用フィルムに対し、対向方向から荷重をかけながら当該膜電極接合体および前記隔離用フィルム間の外周部全周にシール層を形成する工程と、この荷重を加えた状態で前記シール層を固化することにより単位セルを形成する工程とを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、膜電極接合体と隔離用フィルムに荷重を加えることにより、膜電極接合体と隔離フィルムとの間にあるアノード電極と構成部材である取出電極がより密着して接触抵抗が低減する。その荷重を加えた状態で膜電極接合体と隔離用フィルムとの間をシール層で固定するので、接触抵抗が低く維持されて単位セルの発電効率が向上する。
According to the fuel cell manufacturing method of the present invention, a gas non-permeable separating film is provided so as to face the anode electrode with respect to a membrane electrode assembly in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode. And arranging the extraction electrode between the isolation film and the anode electrode, and the membrane electrode while applying a load from the opposing direction to the membrane electrode assembly and the isolation film. A step of forming a seal layer on the entire outer periphery between the joined body and the isolation film, and a step of forming a unit cell by solidifying the seal layer in a state where this load is applied. Features.
According to this invention, by applying a load to the membrane electrode assembly and the isolation film, the anode electrode between the membrane electrode assembly and the isolation film and the extraction electrode which is a constituent member are more closely attached, and the contact resistance is reduced. To reduce. Since the gap between the membrane electrode assembly and the isolation film is fixed with the seal layer in the state where the load is applied, the contact resistance is kept low and the power generation efficiency of the unit cell is improved.
本発明の燃料電池の製造方法は、高分子固体電解質膜をアノード電極とカソード電極とで挟んだ複数の膜電極接合体に対して、前記アノード電極および前記カソード電極の外側にそれぞれ取出電極を配置する工程と、前記複数の膜電極接合体と前記カソード電極側に空気を供給するためのシート状の空気透過部材とを交互に積層する工程と、積層された複数の膜電極接合体に対し、積層方向から荷重をかけながら、少なくとも前記空気透過部材を挟む前記膜電極接合体同士を固定する工程とを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、スタック構造の場合においても、膜電極接合体間にシート状の空気透過部材を介することにより、各構成部材間の導電性が必要な部分に荷重を加えた状態が維持されて固定される。積層した場合でも、構成部材間の接触抵抗が低くなり、燃料電池の発電効率が向上する。
なお、膜電極接合体同士を固定する工程は、積層した状態で一度に固定をしてもよいが、気密性の必要な部分は予め固定して単位セル化しておき、その後単位セルを積層して固定してもよい。予め気密性の必要な部分に固定を行った場合、その部分の部品のずれなどが起こりにくく、より気密性が高まる。
According to the fuel cell manufacturing method of the present invention, a plurality of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode are arranged, and extraction electrodes are respectively arranged outside the anode electrode and the cathode electrode. A step of alternately stacking the plurality of membrane electrode assemblies and a sheet-like air permeable member for supplying air to the cathode electrode side, and a plurality of stacked membrane electrode assemblies, A step of fixing at least the membrane electrode assemblies sandwiching the air permeable member while applying a load from the stacking direction.
According to the present invention, even in the case of the stack structure, a state in which a load is applied to a portion that requires electrical conductivity between the constituent members is maintained by interposing the sheet-like air permeable member between the membrane electrode assemblies. Fixed. Even in the case of lamination, the contact resistance between the constituent members is lowered, and the power generation efficiency of the fuel cell is improved.
The process of fixing the membrane electrode assemblies may be fixed at a time in a stacked state, but the portion requiring airtightness is fixed in advance to form unit cells, and then the unit cells are stacked. May be fixed. When a part requiring airtightness is fixed in advance, the parts of the part are not easily displaced, and the airtightness is further increased.
本発明の燃料電池およびその製造方法によれば、少ない薄型の構成部材で燃料電池を構成でき、燃料電池を薄型化および小型化ができる。また、構成部材間に荷重をかけた状態が維持できるので、構成部材間の接触抵抗が低く発電効率を向上させることができる効果がある。 According to the fuel cell and the manufacturing method thereof of the present invention, the fuel cell can be configured with a small number of thin components, and the fuel cell can be reduced in thickness and size. Moreover, since the state which applied the load between structural members can be maintained, the contact resistance between structural members is low, and there exists an effect which can improve electric power generation efficiency.
(第一実施形態)
以下、本発明の第一実施形態を図面に基づいて説明する。図1、図2には、本実施形態に係る燃料電池1の断面図、膜電極接合体2の平面図を示した。図3、図4には、単位セル7を形成する工程を示した。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show a cross-sectional view of the
図1において、燃料電池1は、高分子固体電解質膜3をアノード電極4とカソード電極5とで両側から挟んだ一対のシート状の膜電極接合体2を備えている。電極4,5の設けられていない膜電極接合体2の外周部分には、図2にも示すように、高分子固体電解質膜3から気体の漏出を防ぐための気体非透過性層6が形成されている。これら一対の膜電極接合体2は、アノード電極4を対向させ、外周をシール層8によってシールすることによって単位セル7を形成している。
In FIG. 1, a
高分子固体電解質膜3は、多孔質膜である延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン(Poly Tetra Fluoro Ethylene,PTFE)フィルムに、高分子固体電解質樹脂であるナフィオン(デュポン社商標)等のパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが含浸されることにより構成される。
アノード電極4には燃料である水素が供給され、カソード電極5には空気(酸素)が供給される。それぞれの電極は、水素酸化や酸素還元の反応を促進させるための白金または白金合金等の触媒が担持されたカーボンから構成される。
The polymer
Hydrogen, which is a fuel, is supplied to the
気体非透過性層6としては、フィルム状樹脂、金属薄膜層やそれらを組み合わせたものが使用できる。気体透過性の低い樹脂としては、EVOH(エチレン−ビニルアルコール共重合体)、アセチル化した高分子グルコマンナン等を使用できる。
シール層8は、熱で変形させた後固化できる熱可塑性の樹脂からなる熱溶着フィルム(ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、アクリル、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸共重合体、およびそれらの混合物)であってもよいし、光により固化する光硬化性型樹脂(可視光硬化型、UV硬化型)でもよい。
As the gas
The
単位セル7において、対向するそれぞれのアノード電極4には、導電性を有するメッシュ状の中間部材9が接するように配置されている。この中間部材9により、水素拡散層およびアノード電極4に発生した電子を集める集電体が形成される。そして、中間部材9には、発生した電力を外部に取り出すための取出電極10が設けられている。また、対向する取出電極10の間には、水素を透過する支持体11が狭持されている。
In the
また、単位セル7には、水素入口12が設けられている。ここで、水素入口12と取出電極10は、シール層8に挟まれて気密性を保った状態で内側から延長され、外部に引き出されている。従って、単位セル7は、気密性のある袋状に形成され、水素入口12より水素は供給される。
両側のカソード電極5には、カソード電極5に均一に酸素を供給するための拡散層と集電体を兼ねた中間部材13がそれぞれ接するように設けられ、その外側に電池に接続された負荷から来た電子を集めるための取出電極14がそれぞれ設けられている。なお、取出電極14は、図1の紙面表裏方向に引き出されている。
The
The
中間部材9,13は、電極に水素および酸素を均一に供給するためのものであり、かつ電極4,5と取出電極10,14とを電気的に接続する。従って、多孔質の導電性材料が使用される。中間部材9,13を形成する材料としては、例えば、メッシュの金属フォーム(例えばスチールウール等)、アルミニウム、ステンレス鋼等であってもよく、またスポンジチタン等の多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロス等であってもよい。
取出電極10,14は、水素や酸素を透過する電気抵抗の低いメッシュ状部材で、例えば金属のメッシュ等が使用できるし、任意の形状の金属箔であってもよいし、リード線等の導電性を有するものであればよい。本実施形態では、支持体11に絶縁体を使用して、取出電極10の片方と取出電極14の片方とは直列に接続されている。この場合、単位セル7の起電力を増すことができる。
The
The
支持体11は、多孔性材料が使用できる。例えば、導電性の多孔性材料としては、発泡金属、金属フィルタ等であってもよく、絶縁性の多孔性材料としては、発泡樹脂、発泡石英または発泡性ガラス等発泡性セラミック、撥水性繊維のフィルタ等であってもよい。また、グラスファイバー、ビーズ等を層間に散布してもよい。さらに、多孔質材料により大きな貫通孔を開けて、空気透過性能を向上させてもよい。
The
以下には、図3、図4をも参照し、燃料電池1(単位セル7)の製造方法について説明する。
先ず、図3に示すように、一対の膜電極接合体2のアノード電極4を対向させて配置し、その間に中間部材9、取出電極10、支持体11および水素入口12を位置決めして配置し、外周にシール剤8aを配置する。
Below, the manufacturing method of the fuel cell 1 (unit cell 7) is demonstrated with reference also to FIG. 3, FIG.
First, as shown in FIG. 3, the
次に、図4に示すように、押さえ板18を介し、一対の膜電極接合体2に対して、対向方向(矢印の方向)から荷重をかける。荷重は、10Kg/cm2以上で部品を破壊しない程度の圧力が望ましい。荷重をかけた状態で、使用するシール剤8a(図3)の樹脂に応じて熱や光を照射して固化させシール層8を形成させる。シール剤8aとして熱融着フィルムを使用した場合、熱を加えた後に冷却することにより固化する。こうすることにより、荷重のかかった状態で単位セル7の取出電極10、中間部材9、およびアノード電極4を互いに密着させた状態で固定することができる。
燃料電池1は、以上のように形成した単位セル7に、カソード側の中間部材13および取出電極14を加えた状態で機能する。
Next, as shown in FIG. 4, a load is applied to the pair of
The
以下に、燃料電池1での気体の流れと電気発生の様子を説明する。
燃料である水素は、水素入口12から導入されて取出電極10を通り中間部材9を経てアノード電極4に到達する。アノード電極4では、触媒の作用により水素イオンH+と電子e−とが生じる。発生した電子e−は、中間部材9を経て取出電極10に集められる。発生した水素イオンH+は、高分子固体電解質膜3を透過してカソード電極5に移動することによりアノード電極4との間に電位差が生じる。ここで、取出電極10,14間に負荷を接続すると、電子e−は負荷を通って、取出電極14と中間部材13とを経てカソード電極5へ移動する。
Below, the state of gas flow and electricity generation in the
Hydrogen as fuel is introduced from the
一方、カソード電極5には、空気中の酸素が供給される。カソード電極5に高分子固体電解質膜3を透過して到達した水素イオンH+は、触媒の作用により空気中の酸素と負荷を通ってきた電子e−とで反応して水を生じる。生じた水と反応に寄与しなかった空気中の残りのガスは、ふたたび空気中に排出される。
On the other hand, oxygen in the air is supplied to the
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(1)水素が供給される一対の膜電極接合体2のアノード電極4を対向させて袋状の領域を形成しているので、水素入口12から袋状領域内のアノード電極4へのみ水素供給が可能となり、カソード電極5側へ供給される空気と分離するための特別なセパレータを不要にできる。また、単位セル7が膜や層からなる構成部材で形成されるため、一対の膜電極接合体2を重ね合わせてもさほど厚くなることはない。従って、燃料電池1全体をより薄型にできる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(1) Since the bag-like region is formed by facing the
(2)高分子固体電解質膜3のアノード電極4とカソード電極5が設けられていない部分には、気体非透過性層6が形成されている。高分子固体電解質膜3は、プロトン透過性であり水素燃料も透過しやすいが、これらの気体非透過性層6を必要な場所に設けることにより、袋状の領域からの水素の漏出をより確実に防ぐことができる。
(2) A gas
(3)膜電極接合体2に荷重を加えることにより、膜電極接合体2間にあるアノード電極4と構成部材である中間部材9と取出電極10とをより密着させることができ、互いの接触抵抗が低減を低減できる。そして、その荷重を加えた状態で膜電極接合体2間をシール層8で固定するので、接触抵抗を低く維持でき、単位セル7の発電効率を向上させることができる。
(3) By applying a load to the
(4)単位セル7形成時に、中間部材9や取出電極10に荷重を加えてシール層8で単位セル7を固定するので、シール層8の隙間や気泡を少なくでき、単位セル7の袋状領域の気密性を向上させることができる。
(4) When the
(第二実施形態)
以下、本発明の第二実施形態を図面に基づいて説明する。図5、図6には、本実施形態に係るスタック構造の燃料電池20の全体図、断面図を示した。図7、図8には、単位セル7の積層方法を示した。なお、第一実施形態と同じ構成部材には同一符号を付し、ここでのそれらの説明を省略または簡略化する。後述する第三実施形態でも同様である。
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 5 and 6 show an overall view and a cross-sectional view of the
図5において、燃料電池20は、第一実施形態で示した単位セル7を積層したスタック構造を有している。燃料電池20は、フード17で片側が覆われている。ここで、フード17内の空気は、矢印方向に吸引されている。従って、燃料電池20への空気の供給と燃料電池20内で生成される水の排出は促進され、より効率よく反応が進む。
本実施形態では水素入口は図示されていないが、一つにまとめられ、水素は一括して導入される。水素は燃料電池1内の反応によって酸素と結合し水となって排出されるので、供給量をコントロールすれば、水素出口は必要ないが、コントロールが難しい場合、水素出口を設けてもよい。
In FIG. 5, the
In this embodiment, hydrogen inlets are not shown, but they are combined into one and hydrogen is introduced all at once. Hydrogen is combined with oxygen by the reaction in the
スタック構造の燃料電池20において、図6に示すように、カソード電極5に酸素を供給するためのシート状の空気透過部材15が挟まれて積層されている。単位セル7の間には、シート状の空気透過部材15が挟まれて積層されている。この気体透過部材15としては、支持体11と同じものを使用することができる。
単位セル7と空気透過部材15の間は、外周を接着層16で固定されている。このとき、空気透過部材15は、空気を導入するために接着層16に挟まれて外側に引き出されており、空気中の酸素は、気体透過部材15の端面から入り込んでカソード電極5に供給され、発生した水と残った空気は排出される。
接着層16は、ユニット同士を固定できればよく、空気を透過するものであってもよい。例えば、紙またはスポンジの両面に粘着層がある両面テープ等でもよい。
In the
The outer periphery is fixed with an
The
なお、図6では、三つの単位セル7と二つのカソード電極5に酸素を供給するためのシート状の空気透過部材15およびこれらを固定するための接着層16を示したが、必要に応じてこれらは何層積層してもよい。また、図では上側と下側の中間部材13および取出電極14は省略してある。
In FIG. 6, a sheet-like air
以下には、図7、図8をも参照し、燃料電池20の製造方法について説明する。
まず、図7に示すように、単位セル7、中間部材13、取出電極14および空気透過部材15と接着部材16aを積層する。ここで、単位セル7を形成する工程でシール層8内側にあるそれぞれの部品位置を、シール剤8aを固化することによって予め固定しておく。
次に図8に示すように、両側から押さえ板18を介して積層方向から均一に荷重をかけて接着を行う。荷重は、単位セル7形成時の荷重と同程度でよい。このとき、燃料電池20の構成部材間の接触抵抗を低下させるために、荷重を加えた状態が維持される必要があるが、シート状の空気透過部材15として細孔からなる部材を用いれば巨視的な凹凸が表面に存在せず、従来のリブを有するセパレータと比較して、燃料電池20を構成する部材に均一に力が加わった状態を得ることができる。
Below, the manufacturing method of the
First, as shown in FIG. 7, the
Next, as shown in FIG. 8, adhesion is performed by applying a load uniformly from the stacking direction through the
以下に、空気の流れと排出された水の流れを簡単に説明する。
空気中の酸素は、主に空気透過部材15とあるいは接着層16を通して供給される。カソード電極5に高分子固体電解質膜3を透過して到達した水素イオンH+は、触媒の作用により空気中の酸素と負荷を通ってきた電子e−とで反応して水を生じる。生じた水と反応に寄与しなかった空気中の残りのガスは、空気透過部材15と接着層16を通して排出される。
Hereinafter, the flow of air and the flow of discharged water will be briefly described.
Oxygen in the air is supplied mainly through the air
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(5)構成部材が膜である薄型の単位セル7とシート状の空気透過部材15とを積層して燃料電池20を構成するので、出力を得るために単位セル7を多数積層してスタック構造の燃料電池20を構成しても、燃料電池20自体が厚くならず、小型の燃料電池20を得ることができる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(5) Since the
(6)燃料電池20の構成部材である取出電極10,14等や空気透過部材15に荷重を加えた状態で、各構成部材を固定するので、各構成部材間の導電性が必要な部分の接触抵抗を低減させた状態でそれらを互いに固定できる。従って、積層した場合でも、構成部材間の接触抵抗を低くでき、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
(6) Since each component member is fixed in a state where a load is applied to the
(7)単位セル7の気密性の必要な部分は予め固定して単位セル化しておき、その後単位セル7を積層して固定すれば、単位セル7内の構成部材のずれなどが起こりにくく、より単位セル7の気密性を高めることができる。
(7) If the
(第三実施形態)
以下、本発明の第三実施形態を図面に基づいて説明する。
図9に第二実施形態の単位セル7を示した。この実施形態では、アノード電極4とカソード電極5が対向して積層されている。この単位セル7を第二実施形態と同様に気体透過部材15と交互に接着層16を介して積層することによって、スタック構造の燃料電池を得ることもできるが、ここでの図示および説明は省略する。
(Third embodiment)
Hereinafter, a third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 9 shows the
図9において、高分子固体電解質膜3には、第一実施形態と同様にアノード電極4、カソード電極5が形成され、それぞれの両極側に、中間部材9,13、取出電極10,14が配置される。気体非透過性層6も同様に設けられる。本実施形態では、取出電極10と隔離用フィルム19の間に支持体11を挟んで固定する。固定の方法は、図示していないが、第一実施形態と同様にシール部材8aを用いて行い、膜電極接合体2と気体の隔離用フィルム19の間に水素入口(図示せず)を設ける。気体の隔離用フィルム19の材質、構成は、第一実施形態で例示した気体非透過性層6と同様の材質、構成を用いることができる。なお、スタック構造にした場合には、カソードへの空気(酸素)の導入もフード17(図5)を用いて第二実施形態と同様に行うことができる。
In FIG. 9, an
また、単位セル7は、膜電極接合体2と隔離用フィルム19の外周にシール層8を配置して、第一実施形態と同様に膜電極接合体2の対向方向から荷重を加えた状態でシール層8を固化することで得ることができる。
スタック構造の燃料電池とした場合も、単位セル7と空気透過部材15と接着層16を積層して、第二実施形態と同様に、積層方向から荷重をかけながら全体を固定することによって得ることができる。
In the
In the case of a fuel cell having a stack structure, the
このような本実施形態によれば、以下の効果がある。
(8)アノード電極4に供給される水素とカソード電極5に供給される空気(酸素)の分離には、従来のような厚手のセパレータではなく、気体非透過性の隔離用フィルム19を使用するので、薄型の単位セル7を得ることができる。
According to this embodiment, there are the following effects.
(8) For separation of hydrogen supplied to the
(9)膜電極接合体2と隔離用フィルム19に荷重を加えることにより、膜電極接合体2と隔離フィルム19との間にあるアノード電極4と構成部材である中間部材9と取出電極10とをより密着させることができて接触抵抗を低減できる。このため、その荷重を加えた状態で膜電極接合体2と隔離用フィルム19との間をシール層8で固定することにより、接触抵抗を低く維持でき、単位セル7の発電効率を向上させることができる。
(9) By applying a load to the
なお、本発明は前述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記第一実施形態において、支持体11を省略するか、導電性の支持体11を使用して取出電極10同士を電気的に接続することで、一対の膜電極接合体2を並列に接続することも可能である。この状態で取出電極14同士も接続して使用すれば、単位セル7としての電極面積が倍になり、単位セル7の電池容量を増すことができる。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
For example, in the first embodiment, the pair of
また、前記第二実施形態で示したスタック型の燃料電池の製造方法では、単位セル7の構成部品を予め固定しておいて積層したが、予め固定しないばらばらの状態で積層して、一気に圧着してもよい。ただし、部品のずれが生じてシール性が低下する恐れがあるので単位セル7の部品は予め固定しておいたほうが好ましい。
Further, in the stack type fuel cell manufacturing method shown in the second embodiment, the component parts of the
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
The best configuration, method and the like for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be configured for the above-described embodiments without departing from the scope and spirit of the invention. Various modifications can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description limited to the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which remove | excluded the limitation of one part or all of such restrictions is included in this invention.
1…燃料電池、2…膜電極接合体、3…高分子固体電解質膜、4…アノード電極、5…カソード電極、6…気体非透過性層、7…単位セル、8…シール層、9…中間部材、10…取出電極、12…水素入口、14…取出電極、15…空気透過部材、16…接着層、19…隔離用フィルム、20…スタック構造の燃料電池。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記アノード電極同士が対向する前記一対の膜電極接合体間の外周部全周にわたって形成されたシール層と、
このシール層で囲まれた袋状の領域内に燃料を供給する燃料入口とを含んで構成された単位セルを備えていることを特徴とする燃料電池。 A pair of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode;
A seal layer formed over the entire outer periphery of the pair of membrane electrode assemblies facing the anode electrodes;
A fuel cell comprising a unit cell including a fuel inlet for supplying fuel in a bag-shaped region surrounded by the seal layer.
前記アノード電極側に配置されて燃料と空気とを隔離する気体非透過性の隔離用フィルムと、
前記膜電極接合体と前記隔離用フィルムとの間の外周部全周にわたって形成されたシール層と、
このシール層で囲まれた袋状の領域内に燃料を供給する燃料入口とを含んで構成された単位セルを備えていることを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode;
A gas-impermeable separating film disposed on the anode electrode side for separating fuel and air;
A sealing layer formed over the entire outer periphery between the membrane electrode assembly and the isolation film;
A fuel cell comprising a unit cell including a fuel inlet for supplying fuel in a bag-shaped region surrounded by the seal layer.
当該単位セルのカソード電極側に空気を供給するためのシート状の空気透過部材とが交互に積層されていることを特徴とする燃料電池。 A plurality of unit cells according to claim 1 or 2,
A fuel cell, wherein sheet-shaped air permeable members for supplying air to the cathode electrode side of the unit cell are alternately stacked.
前記膜電極接合体の前記電極が形成されていない部分には、気体非透過性層が設けられていることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1, wherein:
A fuel cell, wherein a gas impermeable layer is provided in a portion of the membrane electrode assembly where the electrode is not formed.
前記アノード電極同士が対向するように配置するとともに、アノード電極間に取出電極を配置する工程と、
配置された前記一対の膜電極接合体に対し、対向方向から荷重をかけながら当該膜電極接合体間の外周部全周にシール層を形成する工程と、
この荷重を加えた状態で前記シール層を固化することにより単位セルを形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造方法。 A pair of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode,
Arranging the anode electrodes so as to face each other, and arranging a take-out electrode between the anode electrodes;
Forming a seal layer on the entire periphery of the outer periphery between the membrane electrode assemblies while applying a load from the opposing direction to the pair of membrane electrode assemblies arranged;
And a step of forming a unit cell by solidifying the sealing layer in a state where this load is applied.
配置された前記膜電極接合体および前記隔離用フィルムに対し、対向方向から荷重をかけながら当該膜電極接合体および前記隔離用フィルム間の外周部全周にシール層を形成する工程と、
この荷重を加えた状態で前記シール層を固化することにより単位セルを形成する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造方法。 A gas non-permeable separating film is disposed so as to face the anode electrode with respect to the membrane electrode assembly in which the polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode. Arranging the extraction electrode between the anode electrode;
Forming a seal layer on the entire circumference of the outer periphery between the membrane electrode assembly and the isolation film while applying a load from the opposing direction to the arranged membrane electrode assembly and the isolation film;
And a step of forming a unit cell by solidifying the sealing layer in a state where this load is applied.
前記複数の膜電極接合体と前記カソード電極側に空気を供給するためのシート状の空気透過部材とを交互に積層する工程と、
積層された複数の膜電極接合体に対し、積層方向から荷重をかけながら、少なくとも前記空気透過部材を挟む前記膜電極接合体同士を固定する工程とを備えていることを特徴とする燃料電池の製造方法。 A plurality of membrane electrode assemblies in which a polymer solid electrolyte membrane is sandwiched between an anode electrode and a cathode electrode, and a step of disposing extraction electrodes on the outside of the anode electrode and the cathode electrode,
Alternately stacking the plurality of membrane electrode assemblies and a sheet-like air permeable member for supplying air to the cathode electrode side;
And a step of fixing at least the membrane electrode assemblies sandwiching the air permeable member while applying a load from the stacking direction to the plurality of stacked membrane electrode assemblies. Production method.
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JP2004103201A JP2005293880A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Fuel cell and its manufacturing method |
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JP2007280719A (en) * | 2006-04-05 | 2007-10-25 | Tokai Rubber Ind Ltd | Adhesive sealing member and fuel cell using same |
-
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- 2004-03-31 JP JP2004103201A patent/JP2005293880A/en not_active Withdrawn
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