JP2006092842A - Fuel cell and power generating apparatus using same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of sealing each unit cell with reliability to thereby achieve a reduction in thickness and facilitate maintenance, and also capable of providing high starting speed and high power generation efficiency by controlling the temperature of the cells, and to provide a power generating apparatus using the same. <P>SOLUTION: The fuel cell comprises: a plate-shaped solid polymer electrolyte 1; a cathode-side electrode plate 2 disposed on one side of the solid polymer electrolyte 1; an anode-side electrode plate 3 disposed on the other side of the solid polymer electrolyte 1; a cathode-side metal plate 4 disposed on the surface of the cathode-side electrode plate 2 and allowing a gas to flow to the inner surface side; and an anode-side metal plate 5 disposed on the surface of the anode-side electrode plate 3 and allowing a fuel to flow to the inner surface side. Peripheries of the metal plates 4, 5 on both sides are mechanically coupled to each other in an electrically insulated state. A surface heating element 10 is provided on the outer surface of the cathode-side metal plate 4 or the anode-side metal plate 5. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池、及びそれを用いた発電装置に関し、特に厚みを薄くすることのできる高分子型燃料電池、及びそれを用いた発電装置に関する。   The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte and a power generation device using the same, and more particularly to a polymer fuel cell capable of reducing the thickness and a power generation device using the same.

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、11に示すものが知られている(例えば、非特許文献1参照)。   Polymer fuel cells that use solid polymer electrolytes such as polymer electrolytes have high energy conversion efficiency, are thin, small, and lightweight, and are therefore being actively developed for household cogeneration systems and automobiles . As a conventional structure of such a fuel cell, one shown in 11 is known (for example, see Non-Patent Document 1).

即ち、図8に示すように、固体高分子電解質膜100を挟んでアノード101とカソード102とを配設する。さらに、ガスケット103を介して一対のセパレータ104により挟持して単位セル105を構成する。各々のセパレータ104にはガス流路溝が形成されており、アノード101との接触により、還元ガス(例えば、水素ガス)の流路が形成され、カソード102との接触により、酸化ガス(例えば、酸素ガス)の流路が形成される。各々のガスは、単位セル105内の各流路を流通しながら、アノード101又はカソード102の内部に担持された触媒の作用により電極反応(電極における化学反応)に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。   That is, as shown in FIG. 8, the anode 101 and the cathode 102 are disposed with the solid polymer electrolyte membrane 100 interposed therebetween. Further, the unit cell 105 is configured by being sandwiched by a pair of separators 104 via a gasket 103. Each separator 104 is formed with a gas flow path groove. A flow path for reducing gas (for example, hydrogen gas) is formed by contact with the anode 101, and an oxidizing gas (for example, for example, hydrogen gas) is contacted with the cathode 102. Oxygen gas) flow paths are formed. Each gas is supplied to the electrode reaction (chemical reaction at the electrode) by the action of the catalyst supported in the anode 101 or the cathode 102 while flowing through each flow path in the unit cell 105, and the generation of current and ions Conduction occurs.

この単位セル105を多数個積層し、単位セル105どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Nを構成し、電極106は、積層した両端の単位セル105から取り出すことができる。このような燃料電池Nは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。   A large number of the unit cells 105 are stacked, and the unit cells 105 are electrically connected in series to constitute the fuel cell N, and the electrode 106 can be taken out from the unit cells 105 at both ends. Such a fuel cell N is attracting attention as a power source for electric vehicles and a distributed power source for home use in various applications because of its clean and high efficiency.

一方、近年のIT技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。   On the other hand, with the recent activation of IT technology, mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras tend to be frequently used, but most of these power sources use lithium ion secondary batteries. However, as mobile devices become more sophisticated, power consumption has increased and clean and highly efficient fuel cells have been attracting attention as power sources.

しかしながら、図8に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しく、これらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減化することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。   However, in the conventional structure as shown in FIG. 8, there is no degree of freedom in the structure. Therefore, there is a problem in that it is difficult to reduce the thickness, size and weight required for the power supply of mobile devices and to increase the degree of freedom of the shape, and the maintainability is poor. There was also. In addition, it is difficult to supply the redox gas so as not to mix with each other in the fuel cell and to seal it, and it is difficult to reduce the size and weight of the fuel cell while satisfying these conditions. Met. In other words, conventionally, cell parts are mutually coupled with fastening parts of bolts and nuts, and a certain pressure is applied to the cell parts. Therefore, it is necessary to increase the rigidity of each member in order to ensure sealing performance. Thinning, miniaturization, weight reduction, and free shape design were difficult.

一方、図8に示すような燃料電池に対して、起動時にセルを加熱する加熱手段と、定常運転時にセルを冷却するプレート型ヒートパイプとを、複数のセルに積層するように設けた燃料電池が知られている(例えば、特許文献1)。このような積層型の燃料電池では、セル内の電池反応で生じた熱が外部に逃げにくく、定常運転時には冷却手段が必要となる。逆に起動時には、積層した複数のセルを効率良く加熱するのが一般に困難であるため、起動速度が遅くなる傾向がある。なお、固体高分子電解質型の燃料電池では、電解質中の水分が不足するとイオン伝導が十分行えず出力が低下するため、水分維持の観点から、電解質を一定温度以下に維持する必要があった。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日2001年6月29日、発行所:日経BP社、第3章PEFC、3.1原理と特徴p46 特開平11−214017号公報
On the other hand, with respect to the fuel cell as shown in FIG. 8, a fuel cell provided with a heating means for heating the cell at startup and a plate-type heat pipe for cooling the cell during steady operation so as to be stacked in a plurality of cells. Is known (for example, Patent Document 1). In such a stacked fuel cell, heat generated by the cell reaction in the cell is difficult to escape to the outside, and a cooling means is required during steady operation. Conversely, at the time of start-up, since it is generally difficult to efficiently heat a plurality of stacked cells, the start-up speed tends to be slow. In the solid polymer electrolyte type fuel cell, if the water in the electrolyte is insufficient, the ionic conduction cannot be sufficiently performed and the output is lowered. Therefore, from the viewpoint of maintaining the water, it is necessary to maintain the electrolyte at a certain temperature or lower.
Nikkei Mechanical separate volume "Fuel Cell Development Frontline" Date of issue: June 29, 2001, Publisher: Nikkei BP, Chapter 3, PEFC, 3.1 Principles and Features p46 Japanese Patent Laid-Open No. 11-214017

そこで、本発明の目的は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかもセルの温度制御により高い起動速度と発電効率を得ることができる燃料電池、及びそれを用いた発電装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to reliably perform sealing for each unit cell, thereby enabling a reduction in thickness, facilitating maintenance, and obtaining high startup speed and power generation efficiency by controlling the temperature of the cell. It is an object of the present invention to provide a fuel cell and a power generation apparatus using the same.

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。   The above object can be achieved by the present invention as described below.

即ち、本発明の燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とするカソード側金属板と、前記アノード側電極板の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板と、を備える燃料電池であって、前記両側の金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に結合してあると共に、前記カソード側金属板又はアノード側金属板の外面側には面状発熱体を備えることを特徴とする。   That is, the fuel cell of the present invention includes a plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode-side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, an anode-side electrode plate disposed on the other side, and the cathode A cathode-side metal plate that is disposed on the surface of the side electrode plate and allows gas to flow to the inner surface side, and an anode-side metal plate that is disposed on the surface of the anode-side electrode plate and allows fuel to flow to the inner surface side And mechanically coupled in a state where the peripheral edges of the metal plates on both sides are electrically insulated, and a surface on the outer surface side of the cathode-side metal plate or anode-side metal plate It is characterized by providing a heating element.

本発明の燃料電池によると、カソード側金属板がカソード側電極板へのガスの流通を可能とし、アノード側金属板がアノード側電極板への燃料の流通を可能とすることで、各々の電極板で電極反応を生じさせることができ、金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に結合しているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図8に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。その際、本発明のように薄型化のために金属板を用いた独立のセルにすると、金属板からの放熱量が大きくなるため、定常運転時には冷却が不要となる。また、起動時には各セルの金属板に設けた面状発熱体により直接的に加熱が行えるので、起動速度が速く、外気が低温でも十分な発電効率が得られる。   According to the fuel cell of the present invention, the cathode side metal plate enables the gas to flow to the cathode side electrode plate, and the anode side metal plate enables the fuel to flow to the anode side electrode plate. An electrode reaction can be caused by the plate, and an electric current can be extracted from the metal plate. In addition, since the peripheral edges of the metal plates are mechanically coupled in an electrically insulated state, it is possible to reliably seal each unit cell without increasing the thickness while preventing short circuit between the two. it can. This facilitates maintenance, and the cell member does not require rigidity as compared with the conventional structure shown in FIG. 8, so that each unit cell can be significantly reduced in thickness. At this time, if an independent cell using a metal plate is used to reduce the thickness as in the present invention, the amount of heat released from the metal plate increases, so that cooling is not required during steady operation. In addition, since heating can be performed directly by the sheet heating element provided on the metal plate of each cell at the time of startup, the startup speed is fast and sufficient power generation efficiency can be obtained even when the outside air is at a low temperature.

一方、本発明の発電装置は、上記の燃料電池と、前記カソード側金属板又はアノード側金属板の温度を検知する温度センサと、その温度センサからの信号に基づいて前記面状発熱体の動作を制御する制御部とを備えることを特徴とする。   On the other hand, the power generator according to the present invention includes the fuel cell, a temperature sensor that detects the temperature of the cathode-side metal plate or the anode-side metal plate, and the operation of the planar heating element based on a signal from the temperature sensor. And a control unit for controlling.

本発明の発電装置によると、上記の燃料電池を備えるため、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかもセルの温度制御により高い起動速度と発電効率を得ることができる。また、面状発熱体による加熱は、金属板の温度が30〜60℃になるように制御するのが好ましいため、それを検知する温度センサと、その信号に基づいて面状発熱体の動作を制御する制御部とを設けることによって、好適な温度制御が行えるようになる。   According to the power generation device of the present invention, since the fuel cell is provided, it is possible to reliably perform sealing for each unit cell, thereby enabling thinning, facilitating maintenance, and controlling the temperature of the cell. High start-up speed and power generation efficiency can be obtained. Moreover, since it is preferable to control the heating by the sheet heating element so that the temperature of the metal plate is 30 to 60 ° C., the temperature sensor for detecting the temperature and the operation of the sheet heating element based on the signal are controlled. By providing the control unit to control, suitable temperature control can be performed.

また、起動時には前記面状発熱体に電圧を印加し、定常運転時には発電電力による充電を行う二次電池を更に備えることが好ましい。起動時には、セルが低温になるため発電量が小さいので補助電池が必要になり、定常運転時には発電した電力の充電を行うことができる二次電池を使用することで、外部電力の供給が不要となる。   In addition, it is preferable to further include a secondary battery that applies a voltage to the planar heating element at the time of start-up and performs charging with generated power during a steady operation. When starting up, since the temperature of the cell is low, the amount of power generation is small, so an auxiliary battery is required, and the use of a secondary battery that can charge the generated power during steady operation eliminates the need for external power supply. Become.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図2は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an assembled perspective view showing an example of a unit cell of the fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a unit cell of the fuel cell of the present invention.

本発明の燃料電池は、図1〜図2に示すように、板状の固体高分子電解質1と、その固体高分子電解質1の一方側に配置されたカソード側電極板2と、他方側に配置されたアノード側電極板3と、カソード側電極板2の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とするカソード側金属板4と、アノード側電極板3の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板5とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板5に、エッチングにより燃料の流路溝9が形成され、カソード側金属板4には空気を自然供給するための開口部4cが形成されている例を示す。   As shown in FIGS. 1 to 2, the fuel cell of the present invention includes a plate-shaped solid polymer electrolyte 1, a cathode-side electrode plate 2 disposed on one side of the solid polymer electrolyte 1, and the other side. The anode side electrode plate 3 arranged, the cathode side metal plate 4 arranged on the surface of the cathode side electrode plate 2 and allowing the gas to flow to the inner surface side, and the surface of the anode side electrode plate 3 arranged on the inner surface side And an anode-side metal plate 5 that enables the fuel to flow through. In the present embodiment, an example is shown in which a fuel flow channel 9 is formed in the anode-side metal plate 5 by etching, and an opening 4 c for naturally supplying air is formed in the cathode-side metal plate 4.

固体高分子電解質1としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン(登録商標)が好適に用いられる。   The solid polymer electrolyte 1 may be any solid polymer membrane battery as long as it is used in conventional solid polymer membrane batteries. From the viewpoint of chemical stability and conductivity, a perfluorocarbon having a sulfonic acid group which is a super strong acid. A cation exchange membrane made of a polymer is preferably used. Nafion (registered trademark) is preferably used as such a cation exchange membrane.

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。   In addition, for example, a porous film made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene impregnated with the above Nafion or other ion conductive material, a porous film made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, or a non-woven fabric. A material carrying Nafion or another ion conductive material may be used.

固体高分子電解質1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、10〜300μmが使用可能であるが、25〜50μmが好ましい。   The thinner the solid polymer electrolyte 1 is, the more effective it is to make the whole thinner. However, in consideration of ion conduction function, strength, handling property, etc., 10 to 300 μm can be used, but 25 to 50 μm is preferable. .

電極板2,3は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板2,3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質1と接する内面2b,3bに少なくとも担持させるのが好ましい。   The electrode plates 2 and 3 can function as a gas diffusion layer, and can supply and discharge fuel gas, oxidizing gas, and water vapor, and at the same time can exhibit a current collecting function. As the electrode plates 2 and 3, the same or different ones can be used, and it is preferable to support a catalyst having an electrode catalytic action on the base material. The catalyst is preferably supported at least on the inner surfaces 2 b and 3 b in contact with the solid polymer electrolyte 1.

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板2,3は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。   As the electrode base material, for example, conductive carbon materials such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and aggregates of conductive polymer fibers can be used. In general, the electrode plates 2 and 3 are prepared by adding a water-repellent substance such as a fluororesin to such a conductive porous material. When the catalyst is supported, a catalyst such as platinum fine particles and fluorine It is formed by mixing a water-repellent substance such as a resin, mixing it with a solvent to form a paste or ink, and then applying this to one side of an electrode substrate that should face the solid polymer electrolyte membrane. The

一般に、電極板2,3や固体高分子電解質1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。   In general, the electrode plates 2 and 3 and the solid polymer electrolyte 1 are designed according to the reducing gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell. In the present invention, it is preferable to use air as the oxidizing gas and hydrogen gas as the reducing gas. In addition, methanol, dimethyl ether, or the like can be used instead of the reducing gas.

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極板2では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞(フラッディング)現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。   For example, when hydrogen gas and air are used, the cathode-side electrode plate 2 on the side where air is naturally supplied causes a reaction between oxygen and hydrogen ions, so that water is generated. Is preferred. In particular, under the operating conditions of low operating temperature, high current density, and high gas utilization rate, the electrode porous body is likely to be clogged (flooded) due to the condensation of water vapor, particularly at the air electrode where water is generated. Therefore, in order to obtain stable characteristics of the fuel cell over a long period of time, it is effective to ensure the water repellency of the electrode so that the flooding phenomenon does not occur.

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。   As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.

電極板2,3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、50〜500μmが好ましい。   The thickness of the electrode plates 2 and 3 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced, but is preferably 50 to 500 μm in view of electrode reaction, strength, handling properties, and the like.

電極板2,3と固体高分子電解質1とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体(Membrane Electrode Assembly:MEA)として入手することもでき、これを使用してもよい。   The electrode plates 2 and 3 and the solid polymer electrolyte 1 may be laminated and integrated in advance by adhesion, fusion, or the like, or may simply be arranged in a stacked manner. Such a laminated body can also be obtained as a thin film electrode assembly (MEA), and may be used.

カソード側電極板2の表面にはカソード側金属板4が配置され、アノード側電極板3の表面にはアノード側金属板5が配置される。本実施形態では、アノード側金属板5には燃料の注入口5c及び排出口5dが設けられ、その間に流路溝9が設けられている。   A cathode side metal plate 4 is disposed on the surface of the cathode side electrode plate 2, and an anode side metal plate 5 is disposed on the surface of the anode side electrode plate 3. In the present embodiment, the anode side metal plate 5 is provided with a fuel inlet 5c and an outlet 5d, and a flow channel 9 is provided therebetween.

カソード側金属板4には、空気中の酸素を供給するための開口部4cが設けられている。開口部4cは、カソード側電極板2が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板2からの集電効果などを考慮すると、開口部4cの面積はカソード側電極板2の面積の10〜50%であるのが好ましく、特に20〜40%であるのが好ましい。   The cathode side metal plate 4 is provided with an opening 4c for supplying oxygen in the air. As long as the cathode side electrode plate 2 can be exposed, the number, shape, size, formation position, and the like of the opening 4c may be any. However, in consideration of the supply efficiency of oxygen in the air and the current collection effect from the cathode side electrode plate 2, the area of the opening 4c is preferably 10 to 50% of the area of the cathode side electrode plate 2, In particular, 20 to 40% is preferable.

カソード側金属板4の開口部4cは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。   The opening 4c of the cathode side metal plate 4 may be provided with a plurality of circular holes, slits, or the like regularly or randomly, or may be provided with a metal mesh.

金属板4,5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。金属板4,5には、電極板2,3との接触抵抗を低減するために、金メッキなどの貴金属メッキを施すのが好ましい。   As the metal plates 4 and 5, any metal can be used as long as it does not adversely affect the electrode reaction, and examples thereof include stainless steel plates, nickel, copper, and copper alloys. However, from the viewpoint of elongation, weight, elastic modulus, strength, corrosion resistance, press workability, etching workability and the like, a stainless steel plate, nickel and the like are preferable. The metal plates 4 and 5 are preferably subjected to noble metal plating such as gold plating in order to reduce contact resistance with the electrode plates 2 and 3.

アノード側金属板5に設けられる流路溝9は、電極板3との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板5の一辺に平行な縦溝9aと垂直な横溝9bを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本(図示した例では3本)の縦溝9aが横溝9bに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。   The channel groove 9 provided in the anode side metal plate 5 may have any planar shape or cross-sectional shape as long as a channel for hydrogen gas or the like can be formed by contact with the electrode plate 3. However, in consideration of the channel density, the lamination density at the time of lamination, the flexibility, etc., it is preferable to mainly form the vertical groove 9a parallel to one side of the metal plate 5 and the vertical groove 9b. In this embodiment, a plurality of (three in the illustrated example) vertical grooves 9a are connected in series to the horizontal grooves 9b to balance the flow path density and the flow path length.

なお、このような金属板5の流路溝9の一部(例えば横溝9b)を電極板3の外面に形成してもよい。電極板3の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板2,3の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。   A part of the channel groove 9 (for example, the lateral groove 9 b) of the metal plate 5 may be formed on the outer surface of the electrode plate 3. As a method of forming the flow channel groove on the outer surface of the electrode plate 3, a mechanical method such as a hot press or cutting may be used. However, it is preferable to perform groove processing by laser irradiation in order to suitably perform fine processing. From the viewpoint of performing laser irradiation, the base material for the electrode plates 2 and 3 is preferably an aggregate of fibrous carbon.

金属板5の流路溝9に連通する注入口5c及び排出口5dは、それぞれ1個又は複数を形成することができる。なお、金属板4,5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、0.1〜1mmが好ましい。   One or a plurality of inlets 5c and outlets 5d communicating with the channel groove 9 of the metal plate 5 can be formed. In addition, although the thickness of the metal plates 4 and 5 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced, 0.1 to 1 mm is preferable in consideration of strength, elongation, weight, elastic modulus, handling property, and the like.

金属板5に流路溝9を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝9では、幅0.1〜10mm、深さ0.05〜1mmが好ましい。また、流路溝9の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、V字形などが好ましい。   Etching is preferable as a method of forming the flow channel 9 in the metal plate 5 in view of processing accuracy and ease. In the channel groove 9 by etching, a width of 0.1 to 10 mm and a depth of 0.05 to 1 mm are preferable. The cross-sectional shape of the channel groove 9 is preferably substantially square, substantially trapezoidal, substantially semicircular, V-shaped or the like.

金属板4への開口部4cの形成、金属板4,5の外縁部の薄肉化、金属板5への注入口5c等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。   Etching is also preferably used for forming the opening 4 c in the metal plate 4, thinning the outer edge of the metal plates 4, 5, and forming the inlet 5 c to the metal plate 5.

エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板4,5の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、2種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝9の断面形状や薄肉化した外縁部の厚みをより高精度に制御することができる。   Etching can be performed using, for example, a dry film resist or the like, after forming an etching resist having a predetermined shape on the metal surface, and then using an etching solution corresponding to the type of the metal plates 4 and 5. Further, by using two or more kinds of metal laminated plates and selectively etching each metal, the cross-sectional shape of the flow channel 9 and the thickness of the thinned outer edge can be controlled with higher accuracy. it can.

図2に示す実施形態は、金属板4,5のカシメ部(外縁部)をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、0.05〜0.3mmが好ましい。   The embodiment shown in FIG. 2 is an example in which the caulking portions (outer edge portions) of the metal plates 4 and 5 are thinned by etching. In this way, the caulking portion is etched to have an appropriate thickness, whereby sealing by caulking can be performed more easily. From this viewpoint, the thickness of the crimped portion is preferably 0.05 to 0.3 mm.

本発明では、金属板4,5の周縁は、電気的に絶縁した状態で機械的に結合されており、当該結合構造としては、カシメによる封止構造、嵌合による封止構造、締結部材による封止構造などが挙げられる。本実施形態では、カシメにより封止されている例を示す。電気的な絶縁は、絶縁材料6や固体高分子電解質1の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。   In the present invention, the peripheral edges of the metal plates 4 and 5 are mechanically coupled in an electrically insulated state. The coupling structure includes a caulking sealing structure, a fitting sealing structure, and a fastening member. Examples include a sealing structure. In the present embodiment, an example of sealing with caulking is shown. Electrical insulation can be performed by interposing the insulating material 6, the peripheral edge of the solid polymer electrolyte 1, or both.

本発明では、カシメを行う際、図2に示すように、金属板4,5の外縁によって固体高分子電解質1を挟持する構造が好ましく、絶縁材料6を介在させつつ固体高分子電解質1を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板2,3の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料6の厚みとしては、薄型化の観点から、0.1mm以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である(例えば絶縁材料6の厚み1μmも可能)。   In the present invention, when caulking, as shown in FIG. 2, a structure in which the solid polymer electrolyte 1 is sandwiched between the outer edges of the metal plates 4 and 5 is preferable, and the solid polymer electrolyte 1 is sandwiched with the insulating material 6 interposed. More preferable is the structure. According to such a structure, inflow of gas or the like from one of the electrode plates 2 and 3 to the other can be effectively prevented. The thickness of the insulating material 6 is preferably 0.1 mm or less from the viewpoint of thinning. In addition, it is possible to further reduce the thickness by coating the insulating material (for example, the insulating material 6 can have a thickness of 1 μm).

絶縁材料6としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料6は、金属板4,5の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板4,5に一体化しておくことも可能である。   As the insulating material 6, a sheet-like resin, rubber, thermoplastic elastomer, ceramics, and the like can be used. However, in order to improve the sealing performance, resin, rubber, thermoplastic elastomer, and the like are preferable, and in particular, polypropylene, polyethylene, polyester, fluorine Resin and polyimide are preferable. The insulating material 6 can be integrated with the metal plates 4 and 5 in advance by sticking or coating the peripheral edges of the metal plates 4 and 5 directly or via an adhesive.

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図2に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板5の外縁部5aを他方の外縁部4aより大きくしておき、絶縁材料6を介在させつつ、一方の金属板5の外縁部5aを他方の金属板4の外縁部4aを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板4の外縁部4aに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。   As the caulking structure, the structure shown in FIG. 2 is preferable from the viewpoint of sealing performance, ease of manufacture, thickness, and the like. That is, the outer edge portion 5a of one metal plate 5 is made larger than the other outer edge portion 4a, and the insulating material 6 is interposed, while the outer edge portion 5a of one metal plate 5 is changed to the outer edge portion 4a of the other metal plate 4. A caulking structure that is folded back so as to sandwich pressure is preferable. In this caulking structure, it is preferable to provide a step in the outer edge portion 4a of the metal plate 4 by pressing or the like. Such a caulking structure itself is known as metal processing, and can be formed by a known caulking device.

本発明では、図1〜図2に示すように、カソード側金属板4又はアノード側金属板5の外面側には面状発熱体10を備える。面状発熱体10は、両方の金属板4,5に設けることも可能であるが、本実施形態のように、カソード側金属板4には空気を自然供給するための開口部4cが形成されている場合、アノード側金属板5のみに設けるのが熱効率の観点から好ましい。   In the present invention, as shown in FIGS. 1 to 2, a planar heating element 10 is provided on the outer surface side of the cathode side metal plate 4 or the anode side metal plate 5. Although the sheet heating element 10 can be provided on both the metal plates 4 and 5, the cathode side metal plate 4 is formed with an opening 4c for naturally supplying air as in the present embodiment. In this case, it is preferable to provide only the anode side metal plate 5 from the viewpoint of thermal efficiency.

面状発熱体10としては、電圧の印加等により発熱し得るものであればよく、例えばフィルムヒータ、ラバーヒータなどを使用することができる。本実施形態では、図3に示すようなフィルムヒータを用いた例を示す。   The planar heating element 10 is not particularly limited as long as it can generate heat upon application of a voltage or the like. For example, a film heater or a rubber heater can be used. In this embodiment, an example using a film heater as shown in FIG. 3 is shown.

このフィルムヒータは、ポリイミド等の耐熱性樹脂からなるフィルム12の表面に、SUS等の抵抗体11をパターニングした構造を有しており、抵抗体11のパターンによってサイズを自由に変更することができる。フィルム12の厚みは1〜500μm程度である。また、抵抗体11の厚みや面積によって、出力を変動することができる(例えば1〜100W)。   This film heater has a structure in which a resistor 11 such as SUS is patterned on the surface of a film 12 made of a heat resistant resin such as polyimide, and the size can be freely changed depending on the pattern of the resistor 11. . The thickness of the film 12 is about 1 to 500 μm. Moreover, an output can be fluctuate | varied with the thickness and area of the resistor 11 (for example, 1-100W).

抵抗体11のパターン端部は、電極11a,11bと接続されており、これにリード線13を接続することができる。抵抗体11は、直流又は交流電圧の印加によって発熱する。また、燃料の注入口5c及び排出口5dに対応する位置に、必要に応じて、開口12aを設けることも可能である。面状発熱体10は、両面テープや接着剤により金属板5に接着することができる。また、アノード側金属板5等の表面に、絶縁層を介して抵抗体11をパターニングしてもよい。   The pattern end portion of the resistor 11 is connected to the electrodes 11a and 11b, and the lead wire 13 can be connected thereto. The resistor 11 generates heat when a DC or AC voltage is applied. Moreover, it is also possible to provide the opening 12a as needed at positions corresponding to the fuel inlet 5c and the outlet 5d. The planar heating element 10 can be bonded to the metal plate 5 with a double-sided tape or an adhesive. Further, the resistor 11 may be patterned on the surface of the anode side metal plate 5 or the like via an insulating layer.

面状発熱体10は、起動時に電圧を印加するだけでも、十分な効果が得られるが、金属板の温度が30〜60℃になるように、面状発熱体10への電圧の印加を制御するのが好ましい。従って、本発明の発電装置は、図4に示すように、以上のような燃料電池と、カソード側金属板4又はアノード側金属板5の温度を検知する温度センサ15と、その温度センサ15からの信号に基づいて面状発熱体10の動作を制御する温度制御部16とを更に備える。   The planar heating element 10 can obtain a sufficient effect even by applying a voltage at the time of start-up, but the application of the voltage to the planar heating element 10 is controlled so that the temperature of the metal plate is 30 to 60 ° C. It is preferable to do this. Therefore, as shown in FIG. 4, the power generation device of the present invention includes the above fuel cell, a temperature sensor 15 that detects the temperature of the cathode side metal plate 4 or the anode side metal plate 5, and the temperature sensor 15. And a temperature control unit 16 for controlling the operation of the sheet heating element 10 based on the above signal.

また、起動時には面状発熱体10に十分な電圧を印加する必要があるため、別の電源が必要となる。このため、本実施形態では、図4に示すように、起動時には面状発熱体10に電圧を印加し、定常運転時には発電電力による充電を行う二次電池17を更に備える例を示す。   Moreover, since it is necessary to apply a sufficient voltage to the planar heating element 10 at the time of startup, a separate power source is required. For this reason, in this embodiment, as shown in FIG. 4, an example is further provided with a secondary battery 17 that applies a voltage to the planar heating element 10 at the time of startup and performs charging with generated power during steady operation.

温度センサ15としては、温度変化を電気信号に変換できるものであればよく、サーミスタや熱電対などが使用できる。温度制御部16は、温度センサ15からの信号に基づいて、面状発熱体10への電圧の印加のオンオフ制御や比例・積分・微分制御などのフィードバック制御を行うものであればよい。   The temperature sensor 15 may be any sensor that can convert a temperature change into an electrical signal, and a thermistor, a thermocouple, or the like can be used. The temperature control unit 16 only needs to perform feedback control such as on / off control of voltage application to the planar heating element 10 and proportional / integral / derivative control based on a signal from the temperature sensor 15.

この制御において、面状発熱体10へ電圧を印加する際、単位セルUCからの電圧が一定値未満の場合には、二次電池17を電源として使用し、一定以上の場合には、単位セルUCを電源として使用するのが好ましい。このような電源の切換えを行うには、単位セルUCからの出力電圧を検知して、電源供給経路を切換えるスイッチ手段を設ければよい。   In this control, when a voltage is applied to the planar heating element 10, the secondary battery 17 is used as a power source if the voltage from the unit cell UC is less than a certain value, and if the voltage is above a certain value, the unit cell is used. UC is preferably used as a power source. In order to switch the power source like this, it is only necessary to provide switch means for detecting the output voltage from the unit cell UC and switching the power supply path.

また、二次電池17に対して定常運転時に発電電力による充電を行うには、単位セルUCからの出力電圧を検知して、これが一定値以上である場合に、二次電池17の充電回路をオンにする充放電制御部18を設ければよい。また、二次電池17の過充電を防止するには、充放電制御部18に対し、二次電池17の電圧を検出して、これが一定値以上の場合に充電回路をオフにする制御を行えばよい。   In order to charge the secondary battery 17 with the generated power during steady operation, the output voltage from the unit cell UC is detected, and when this is above a certain value, the charging circuit for the secondary battery 17 is What is necessary is just to provide the charging / discharging control part 18 to turn on. Further, in order to prevent overcharge of the secondary battery 17, the charge / discharge control unit 18 is controlled to detect the voltage of the secondary battery 17 and turn off the charging circuit when the voltage is above a certain value. Just do it.

本発明では、図2に示すような単位セルを1個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質1、一対の電極板2,3、及び一対の金属板4,5で単位セルUCを構成し、この単位セルに面状発熱体10等を接着したものを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。   In the present invention, one or a plurality of unit cells as shown in FIG. 2 can be used. The unit cell is composed of a solid polymer electrolyte 1, a pair of electrode plates 2, 3, and a pair of metal plates 4, 5. It is also possible to construct a UC and to stack a plurality of unit cells to which the sheet heating element 10 or the like is bonded, or to arrange and use them on the same surface. By doing so, it is possible to provide a high-power fuel cell without the need to apply a certain pressure to the cell parts by mutually coupling with the fastening parts of the bolts and nuts.

使用の際、金属板5の燃料の注入口5c及び排出口5dには、直接、燃料供給用のチューブを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板5の表面に平行なパイプを有するチューブジョイントを設けるのが好ましい。   In use, a fuel supply tube can be directly joined to the fuel inlet 5c and the outlet 5d of the metal plate 5, but the thickness of the fuel cell is reduced in order to reduce the thickness of the fuel cell. A tube joint having a pipe parallel to the surface of the metal plate 5 is preferably provided.

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートPC等のモバイル機器に好適に使用することができる。   Since the fuel cell of the present invention can be thinned and can be designed to be small, light and free, it can be suitably used particularly for mobile devices such as mobile phones and notebook PCs.

[他の実施形態]
(1)前述の実施形態では、図2に示すカシメ構造を採用する例を示したが、本発明では、図5(a)〜(b)に示すようなカシメ構造を採用してもよい。
[Other Embodiments]
(1) In the above-described embodiment, an example in which the caulking structure illustrated in FIG. 2 is employed has been described. However, in the present invention, a caulking structure as illustrated in FIGS. 5A to 5B may be employed.

図5(a)に示すカシメ構造は、両方の金属板4,5の外縁部4a,5aを折り返したカシメ構造である。この例では、金属板5には段差部を設けずに、金属板4のみに段差部を設けてある。なお、この単位セルでは、各々の電極板2,3から拡散したガスが混合しないように、金属板4,5の各々と固体高分子電解質1との間に、シール部材Sを介在させている。   The caulking structure shown in FIG. 5A is a caulking structure in which the outer edge portions 4a and 5a of both the metal plates 4 and 5 are folded back. In this example, the metal plate 5 is not provided with a step portion, but the metal plate 4 is provided with a step portion. In this unit cell, a sealing member S is interposed between each of the metal plates 4 and 5 and the solid polymer electrolyte 1 so that the gas diffused from each of the electrode plates 2 and 3 is not mixed. .

更に、図5(b)に示すカシメ構造は、両方の金属板4,5の外縁部4a,5aを折り返さずに、別の金属板7によって、各々の金属板4,5を絶縁する絶縁材料6a,6bを介して、挟圧したカシメ構造である。この例では、金属板4および金属板5に、緩やかに傾斜する段差部を設けてある。なお、カシメ構造では、両者の金属板4,5をプレス加工せずに平板のまま使用することも可能である。   Furthermore, the caulking structure shown in FIG. 5B is an insulating material that insulates each of the metal plates 4 and 5 by another metal plate 7 without folding the outer edge portions 4a and 5a of both the metal plates 4 and 5. It is the crimping structure clamped via 6a, 6b. In this example, the metal plate 4 and the metal plate 5 are provided with stepped portions that are gently inclined. In the caulking structure, both the metal plates 4 and 5 can be used as they are without being pressed.

(2)前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。   (2) In the above-described embodiment, an example in which the channel groove is formed in the anode side metal plate by etching has been shown. However, in the present invention, the flow is applied to the anode side metal plate by a mechanical method such as press working or cutting. A road groove may be formed.

(3)前述の実施形態では、アノード側金属板に燃料の流路溝を形成する例を示したが、本発明では、図6(a)〜(b)に示すように、アノード側電極板3に、燃料の流路溝3aを形成してもよい。その場合、アノード側金属板5には流路溝を設けないことも可能である。   (3) In the above-described embodiment, the example in which the fuel flow channel is formed in the anode side metal plate is shown. However, in the present invention, as shown in FIGS. 3, a fuel flow channel 3a may be formed. In that case, the anode side metal plate 5 may not be provided with a channel groove.

また、この例では、開口部4cを有する側のカソード側電極板2にも、流路溝2aを形成しているが、カソード側金属板の開口部4cからの空気の拡散性を高める目的で、カソード側電極板2にも流路溝2aを形成してもよい。   In this example, the channel groove 2a is also formed in the cathode side electrode plate 2 on the side having the opening 4c, but for the purpose of improving the diffusibility of air from the opening 4c of the cathode side metal plate. The channel groove 2a may also be formed in the cathode side electrode plate 2.

(4)前述の実施形態では、カソード側金属板の開口部から、そのままカソード側電極板を露出させる例を示したが、本発明では、カソード側金属板に、前記開口部を覆うように疎水性の高分子多孔質膜を積層してもよい。高分子多孔質膜の積層は、カソード側金属板の内側でも外側でもよい。   (4) In the above-described embodiment, the cathode side electrode plate is exposed as it is from the opening of the cathode side metal plate. However, in the present invention, the cathode side metal plate is hydrophobic so as to cover the opening. A porous polymer porous membrane may be laminated. The polymer porous membrane may be laminated inside or outside the cathode side metal plate.

高分子多孔質膜の平均孔径は、通気性を維持しながら水滴の漏出を防止する上で、0.01〜3μmが好ましい。また、高分子多孔質膜の厚みは10〜100μmが好ましい。高分子多孔質膜の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン、ポリウレタン、シリコーン樹脂などが挙げられる。   The average pore diameter of the polymer porous membrane is preferably 0.01 to 3 μm in order to prevent water droplets from leaking while maintaining air permeability. The thickness of the polymer porous membrane is preferably 10 to 100 μm. Examples of the material for the polymer porous membrane include fluororesins such as polytetrafluoroethylene, polyolefins such as polypropylene and polyethylene, polyurethane, and silicone resins.

(5)前述の実施形態では、カソード側金属板に空気を自然供給するための開口部が形成されている例を示したが、アノード側金属板と同様に、エッチングやプレス加工により、空気等の酸素含有ガスの流路溝、注入口、排出口を形成してもよい。その場合、アノード側金属板と同様に、カソード側金属板の注入口から空気等を供給しつつ発電を行う。   (5) In the above-described embodiment, an example in which an opening for naturally supplying air to the cathode side metal plate is shown. However, as with the anode side metal plate, air or the like is obtained by etching or pressing. The oxygen-containing gas channel groove, inlet, and outlet may be formed. In that case, as with the anode side metal plate, power generation is performed while supplying air or the like from the inlet of the cathode side metal plate.

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。   Examples and the like specifically showing the configuration and effects of the present invention will be described below.

〔実施例1〕
ニッケル板(50mm×26mm×0.3mm厚)に溝(幅0.8mm、深さ0.2mm、間隔1.6mm、本数21本)、及び周辺薄肉部(厚み100μm)、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設けた。その後、周辺薄肉部に対してプレス加工を行って段差部(段差150μm)と周縁部とを形成し、全面に金メッキ(メッキ厚0.5μm)してアノード側金属板とした。
[Example 1]
Nickel plate (50mm x 26mm x 0.3mm thickness) with grooves (width 0.8mm, depth 0.2mm, spacing 1.6mm, number 21), peripheral thin wall (thickness 100µm), gas introduction, discharge hole Was provided by etching with a ferric chloride aqueous solution. Thereafter, the peripheral thin portion was pressed to form a stepped portion (step 150 μm) and a peripheral portion, and the entire surface was gold-plated (plating thickness 0.5 μm) to obtain an anode side metal plate.

同様に、ニッケル板(50mm×26mm×0.3mm厚)に貫通孔(1.0mmφ、ピッチ1.5mm、個数350個)、及び周辺薄肉部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設けた。その後、周辺薄肉部に対してプレス加工を行って段差部(段差150μm)と周縁部とを形成し、全面に金メッキ(メッキ厚0.5μm)してこれをカソード側金属板とした。そして絶縁シート(50mm×26mm×2mm幅、厚み80μm)を周縁部に張り合わせた。   Similarly, a nickel plate (50 mm × 26 mm × 0.3 mm thick) with through holes (1.0 mmφ, pitch 1.5 mm, number 350), peripheral thin portions, gas introduction and discharge holes are made of ferric chloride aqueous solution. It was provided by etching. Thereafter, the peripheral thin portion was pressed to form a step portion (step 150 μm) and a peripheral portion, and the entire surface was plated with gold (plating thickness 0.5 μm) to obtain a cathode side metal plate. Then, an insulating sheet (50 mm × 26 mm × 2 mm width, thickness 80 μm) was bonded to the peripheral edge.

また、薄膜電極組立体(49.3mm×25.3mm)は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製20%白金担持カーボン触媒(EC−20−PTC)を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック(アクゾ社ケッチェンブラックEC)、ポリフッ化ビニリデン(カイナー)を、それぞれ75重量%、15重量%、10重量%の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、2.5重量%のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー(東レ製TGP−H−90、厚み300μm)を20mm×43mmに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約20mgをスパチュラにて塗布し、80℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして4mgの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、0.6mg/cm2 である。 A thin film electrode assembly (49.3 mm × 25.3 mm) was prepared as follows. As the platinum catalyst, a 20% platinum-supported carbon catalyst (EC-20-PTC) manufactured by US Electrochem Co., Ltd. was used. The platinum catalyst, carbon black (Akzo Ketjen Black EC), and polyvinylidene fluoride (Kayner) were mixed at a ratio of 75% by weight, 15% by weight, and 10% by weight, respectively, and dimethylformamide was added by 2.5% by weight. The catalyst paste was prepared by adding to the mixture of the platinum catalyst, carbon black, and polyvinylidene fluoride in such a ratio as to give a% polyvinylidene fluoride solution, and dissolving and mixing in a mortar. Carbon paper (TGP-H-90 manufactured by Toray Industries, Inc., thickness 300 μm) is cut into 20 mm × 43 mm, and about 20 mg of the catalyst paste prepared as described above is applied with a spatula and heated at 80 ° C. Dried in the dryer. Thus, a carbon paper carrying 4 mg of the catalyst composition was produced. The amount of platinum supported is 0.6 mg / cm 2 .

上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質(陽イオン交換膜)としてナフィオンフィルム(デュポン社製ナフィオン112、25.3mm×49.3mm、厚み25μm)を用い、その両面に、金型を用いて、135℃、2MPaの条件にて2分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記の金属板2枚の中央で挟み込み、図2に示すようにカシメ合わせることで、外寸50mm×26mm×1.4mm厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。   Using both the platinum catalyst-supported carbon paper produced as described above and a Nafion film (DuPont Nafion 112, 25.3 mm × 49.3 mm, thickness 25 μm) as a solid polymer electrolyte (cation exchange membrane), both surfaces thereof Then, hot pressing was performed for 2 minutes at 135 ° C. and 2 MPa using a mold. The thin film electrode assembly thus obtained is sandwiched between the two metal plates described above and crimped as shown in FIG. 2 to obtain a thin micro fuel cell having an outer dimension of 50 mm × 26 mm × 1.4 mm. I was able to.

この燃料電池のアノード側金属板に、サイズ10×30mmのフィルムヒータ(6W)を耐熱性接着シートで接着すると共に、温度制御装置のセンサ部をアノード側金属板に貼り付けて、温度が50℃になるようにオンオフ制御した。   A film heater (6 W) having a size of 10 × 30 mm is adhered to the anode side metal plate of the fuel cell with a heat-resistant adhesive sheet, and a sensor part of the temperature control device is attached to the anode side metal plate, and the temperature is 50 ° C. The on / off control was performed.

その時の燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、アノード側に純水素ガスを流した(カソード側は大気開放とした)。ガス流量は、0.2L/minとした。得られた出力密度を図7に示す。   The battery characteristics of the fuel cell at that time were evaluated. For fuel cell characteristics, a fuel cell evaluation system manufactured by Toyo Technica was used, and pure hydrogen gas was allowed to flow to the anode side at room temperature (the cathode side was open to the atmosphere). The gas flow rate was 0.2 L / min. The obtained power density is shown in FIG.

〔実施例2〕
実施例1において、アノード側金属板の温度が35℃になるようにオンオフ制御すること以外は、実施例1と全く同様にして燃料電池を作製し、同様にして評価を行った。その結果を図7に示す。
[Example 2]
In Example 1, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that on / off control was performed so that the temperature of the anode side metal plate was 35 ° C., and evaluation was performed in the same manner. The result is shown in FIG.

〔比較例1〕
実施例1において、アノード側金属板の温度が25℃になるようにオンオフ制御すること以外は、実施例1と全く同様にして燃料電池を作製し、同様にして評価を行った。その結果を図7に示す。
[Comparative Example 1]
In Example 1, a fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the on / off control was performed so that the temperature of the anode side metal plate was 25 ° C., and evaluated in the same manner. The result is shown in FIG.

図7に示す結果から、本発明では30〜60℃に金属板の温度を制御するのが高出力を得る上で重要であることが分かった。   From the results shown in FIG. 7, it was found that controlling the temperature of the metal plate at 30 to 60 ° C. is important in obtaining high output in the present invention.

本発明の燃料電池(単位セル)の一例を示す組み立て斜視図Assembly perspective view showing an example of the fuel cell (unit cell) of the present invention 本発明の燃料電池(単位セル)の一例を示す縦断面図The longitudinal cross-sectional view which shows an example of the fuel cell (unit cell) of this invention 本発明で使用する面状発熱体の一例を示す平面図The top view which shows an example of the planar heating element used by this invention 本発明の発電装置の一例を示す概略構成図The schematic block diagram which shows an example of the electric power generating apparatus of this invention 本発明の燃料電池におけるカシメ構造の他の例を示す要部The principal part which shows the other example of the crimping structure in the fuel cell of this invention 本発明の燃料電池(単位セル)の他の例を示す縦断面図であり、(a)は組み立て斜視図、(b)は縦断面図It is a longitudinal cross-sectional view which shows the other example of the fuel cell (unit cell) of this invention, (a) is an assembly perspective view, (b) is a longitudinal cross-sectional view 本発明の実施例等で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the voltage of a fuel cell and output obtained by the Example etc. of this invention 従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図Assembly perspective view showing an example of a conventional fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

1 固体高分子電解質
2 カソード側電極板
3 アノード側電極板
4 カソード側金属板
4c 開口部
5 アノード側金属板
5c 注入口
5d 排出口
6 絶縁材料
9 流路溝
10 面状発熱体
15 温度センサ
16 温度制御部(制御部)
17 二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte 2 Cathode side electrode plate 3 Anode side electrode plate 4 Cathode side metal plate 4c Opening part 5 Anode side metal plate 5c Inlet 5d Outlet 6 Insulating material 9 Channel groove 10 Planar heating element 15 Temperature sensor 16 Temperature control unit (control unit)
17 Secondary battery

Claims (3)

板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極板と、他方側に配置されたアノード側電極板と、前記カソード側電極板の表面に配置され内面側へのガスの流通を可能とするカソード側金属板と、前記アノード側電極板の表面に配置され内面側への燃料の流通を可能とするアノード側金属板と、を備える燃料電池であって、
前記両側の金属板の周縁を電気的に絶縁した状態で機械的に結合してあると共に、
前記カソード側金属板又はアノード側金属板の外面側には面状発熱体を備えることを特徴とする燃料電池。
A plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, an anode side electrode plate disposed on the other side, and an inner surface disposed on the surface of the cathode side electrode plate A fuel cell comprising: a cathode-side metal plate that allows gas to flow to the side; and an anode-side metal plate that is disposed on the surface of the anode-side electrode plate and allows fuel to flow to the inner surface side. ,
Mechanically coupled with the peripheral edges of the metal plates on both sides being electrically insulated,
A fuel cell comprising a sheet heating element on an outer surface side of the cathode side metal plate or the anode side metal plate.
請求項1記載の燃料電池と、前記カソード側金属板又はアノード側金属板の温度を検知する温度センサと、その温度センサからの信号に基づいて前記面状発熱体の動作を制御する制御部とを備える発電装置。   2. The fuel cell according to claim 1, a temperature sensor for detecting a temperature of the cathode side metal plate or the anode side metal plate, and a control unit for controlling the operation of the planar heating element based on a signal from the temperature sensor. A power generator comprising: 起動時には前記面状発熱体に電圧を印加し、定常運転時には発電電力による充電を行う二次電池を更に備える請求項2に記載の発電装置。   The power generation device according to claim 2, further comprising a secondary battery that applies a voltage to the planar heating element at the time of startup and performs charging with generated power at the time of steady operation.
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