JP2007134163A - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、携帯機器用電源、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される燃料電池、特に高分子電解質型燃料電池の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a fuel cell, particularly a polymer electrolyte fuel cell, used in a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, a domestic cogeneration system, and the like.
高分子電解質型燃料電池は、都市ガスなどの原料ガスを改質し水素を含む燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガスを電気化学的に反応させることで、電気と熱とを同時に発生させるものである。この燃料電池の単電池(セル)は、高分子電解質膜及び一対のガス拡散電極から構成される電解質膜電極接合体(MEA)と、ガスケットと、導電性のセパレータとを有している。そして、周縁部にガスケットが配置されたMEAが一対のセパレータで挟まれて、セルが構成されている。 A polymer electrolyte fuel cell generates electricity and heat simultaneously by reforming a source gas such as city gas and electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen such as air. It is something to be made. A unit cell (cell) of this fuel cell has an electrolyte membrane electrode assembly (MEA) composed of a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes, a gasket, and a conductive separator. The MEA having a gasket disposed at the peripheral edge is sandwiched between a pair of separators to form a cell.
このような高分子電解質型燃料電池では、出力電流が電極面積の大きさに比例することや製造原価の低減を図るために、セルの電極面積を大きくすることが一般的であり、また、セルから得られる電圧は低いため、セルを積層して締結し、隣接するMEAを互いに電気的に直列に接続することにより、必要な出力電圧を得ている。燃料電池は運転中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するために、冷却水等で冷却する必要があり、通常、1〜3セルごとに、冷却水を流す冷却流路が設けられている。 In such a polymer electrolyte fuel cell, it is common to increase the cell electrode area so that the output current is proportional to the size of the electrode area and to reduce the manufacturing cost. Since the voltage obtained from the above is low, the cells are stacked and fastened, and the adjacent MEAs are electrically connected in series to obtain the required output voltage. Since the fuel cell generates heat during operation, it is necessary to cool it with cooling water or the like in order to maintain the battery in a good temperature state. Usually, a cooling channel for flowing cooling water is provided for every 1 to 3 cells. It has been.
このため、電池(正確には、セルスタック)全体を締結するような燃料電池においては、長期に運転を行うとMEAを構成する高分子電解質膜やガス拡散電極等は、経時的に圧力がかかるためにクリープが生じて、高分子電解質膜に機械的なダメージを与える。その結果、燃料ガスや酸化剤ガスのクロスリーク等が発生することにより、燃料電池の寿命が著しく短くなるという問題が生じていた。 For this reason, in a fuel cell in which the entire battery (more precisely, a cell stack) is fastened, the polymer electrolyte membrane, gas diffusion electrode, etc. constituting the MEA are subjected to pressure over time when operated for a long period of time. As a result, creep occurs, causing mechanical damage to the polymer electrolyte membrane. As a result, there has been a problem that the life of the fuel cell is remarkably shortened by the occurrence of cross leaks of the fuel gas and the oxidant gas.
燃料電池を構成する部材のクリープによる高分子電解質膜へのダメージを軽減するものとして、MEAの周縁部にガス拡散電極の外側に位置するようにして間隔保持手段を設けた燃料電池が知られている(例えば、特許文献1参照)。また、ガスケットのセル積層方向において挟む領域を定寸構造とすることにより、クリープを防止することが知られている(例えば、特許文献2参照)。これらは、ガス拡散電極の周囲で、高分子電解質膜とセパレータとの間隔を一定にすることにより、セル内にかかる圧力を一定にし、クリープが過度に発生することを防止するものである。
しかしながら、上述した特許文献1の間隔保持手段や特許文献2の定寸構造は、MEAの周縁部にガス拡散電極の外側に位置するように設けられている。このため、特にセパレータを剛性の低い金属性のものを使用する場合やガス拡散電極面積を大きくする場合には、高分子電解質膜のガス拡散電極が形成されている部分とセパレータとの間隔(ガス拡散電極の厚み)を一定に保つことができず、クリープが過度に発生するといった問題があった。
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、高分子電解質膜のガス拡散電極の外側の部分とセパレータとの間隔と、高分子電解質膜のガス拡散電極が形成されている部分とセパレータとの間隔を一定にすることにより、セル内にかかる圧力を均一に保ち、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能な高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
However, the above-described interval holding means of
The present invention has been made to solve such a problem, and the gap between the outer portion of the gas diffusion electrode of the polymer electrolyte membrane and the separator and the gas diffusion electrode of the polymer electrolyte membrane are formed. To provide a polymer electrolyte fuel cell capable of maintaining a uniform pressure in the cell and reducing mechanical damage to the polymer electrolyte membrane by making the distance between the portion and the separator constant. Objective.
このような課題を解決するために本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の周縁部より内方の部分を挟む一対のガス拡散電極を有するMEAと、該MEAの両面の周縁部に前記ガス拡散電極を囲むように配設された一対のガスケットと、前記MEAと前記ガスケットを挟むように配設され、内面に反応ガスが流れる溝状のガス流路が形成された一対の導電性のセパレータとを有するセルと、該セルが積層されたセルスタックとを備え、前記ガス拡散電極及び前記ガスケットの内部にそれぞれ1以上の対のスペーサが、前記セルの積層方向において前記一対のセパレータに接し、かつ前記高分子電解質膜を挟むように配設されている。 In order to solve such a problem, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a polymer electrolyte membrane and an MEA having a pair of gas diffusion electrodes that sandwich an inner portion from the peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, A pair of gaskets disposed at the peripheral edge portions of both surfaces of the MEA so as to surround the gas diffusion electrode, and a groove-shaped gas flow path disposed so as to sandwich the MEA and the gasket and in which a reaction gas flows on the inner surface And a cell stack in which the cells are stacked, and one or more pairs of spacers are provided inside the gas diffusion electrode and the gasket, respectively. It is disposed so as to be in contact with the pair of separators in the stacking direction and sandwich the polymer electrolyte membrane.
かかる構成とすると、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内の間隔が一定に保たれるので、セル内にかかる圧力を均一に保ち、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することができる。 With this configuration, not only the periphery of the gas diffusion electrode but also the distance in the electrode is kept constant, so that the pressure applied in the cell can be kept uniform and mechanical damage to the polymer electrolyte membrane can be reduced. .
前記溝状のガス流路は、複数の並走部分を有するように形成され、前記ガス拡散電極の内部に配設されている前記スペーサは、前記ガス流路の並走部分に接するように配設されていることが好ましい。 The groove-like gas flow path is formed so as to have a plurality of parallel running portions, and the spacer disposed inside the gas diffusion electrode is arranged so as to be in contact with the parallel running portions of the gas flow paths. It is preferable to be provided.
前記一対のガス拡散電極と前記一対のガスケットのそれぞれに前記セルの積層方向に貫通孔が設けられ、該貫通孔に前記スペーサが配設され、前記一対のセパレータは、前記貫通孔に対応する部分に突出部を有し、前記スペーサは前記突出部と接していることが好ましい。 Each of the pair of gas diffusion electrodes and the pair of gaskets is provided with a through hole in the cell stacking direction, the spacer is disposed in the through hole, and the pair of separators are portions corresponding to the through holes. Preferably, the spacer has a protrusion, and the spacer is in contact with the protrusion.
前記スペーサは、電気絶縁性を有することが好ましい。 The spacer preferably has electrical insulation.
前記スペーサのヤング率は、前記ガスケットのヤング率よりも高いことが好ましい。 The Young's modulus of the spacer is preferably higher than the Young's modulus of the gasket.
本発明の高分子電解質型燃料電池によれば、燃料電池運転時にセル内で生じるクリープによる高分子電解質膜への機械的ダメージを防止することにより、従来に比べて、長寿命で安定して発電することが可能となる。 According to the polymer electrolyte fuel cell of the present invention, by preventing mechanical damage to the polymer electrolyte membrane due to creep generated in the cell during operation of the fuel cell, it is possible to generate power stably with a longer life compared to the conventional case. It becomes possible to do.
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る高分子電解質型燃料電池の概略を示す模式図である。また、図2は、本発明の実施の形態1に係る高分子電解質型燃料電池の構造の概略を示す断面図である。図2においては、説明の便宜上、高分子電解質型電池の積層構造の一部(単電池)を示す。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing an outline of a polymer electrolyte fuel cell according to
まず、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池(以下、単に燃料電池という)の構成を、図1を参照しながら説明する。 First, the configuration of a polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment (hereinafter simply referred to as a fuel cell) will be described with reference to FIG.
図1に示すように、本実施の形態に係る高分子電解質型燃料電池はセルスタック31を有している。セルスタック31は、板状の全体形状を有するセル24がその厚み方向に積層されてなるセル積層体41と、セル積層体41の両端に配置された第1及び第2の端板21a、21bと、セル積層体41と第1及び第2の端板21a、21bとをセル24の積層方向に置いて締結する図示されない締結具と、を有している。また、第1及び第2の端板21a、21bには、集電端子がそれぞれ配設されているが図示を省略している。
As shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment has a
セル積層体41の一方の側部の上部には、該セル積層体41の積層方向に貫通するように燃料ガス供給用マニホルド11が形成されている。燃料ガス供給用マニホルド11の一端は、第1の端板21aに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス供給用配管22が接続されている。燃料ガス供給用マニホルド11の他端は、第2の端板21bによって閉鎖されている。また、セル積層体41の他方の側部の下部には、該セル積層体41の積層方向に貫通するように燃料ガス排出用マニホルド12が形成されている。燃料ガス排出用マニホルド12の一端は、第2の端板21bに形成された貫通孔に連通し、この貫通孔に燃料ガス排出用配管23が接続されている。燃料ガス供給用マニホルド12の他端は、第1の端板21aによって閉鎖されている。
A fuel
同様に、セル積層体41の一方の側部の上部には、該セル積層体41の積層方向に貫通するように図示されない酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドが形成されている。酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドの一端は、第1の端板21aに形成された図示されない貫通孔にそれぞれ連通し、この貫通孔に図示されない酸化剤ガス供給用配管及び冷却水供給用配管がそれぞれ接続されている。酸化剤ガス供給用マニホルド及び冷却水供給用マニホルドの他端は、第2の端板21bによって閉鎖されている。また、セル積層体41の他方の側部の下部には、該セル積層体41の積層方向に貫通するように図示されない酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドが形成されている。酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドの一端は、第2の端板21bに形成された図示されない貫通孔にそれぞれ連通し、この貫通孔に図示されない酸化剤ガス排出用配管及び冷却水排出用配管がそれぞれ接続されている。酸化剤ガス排出用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドの他端は、第1の端板21aによって閉鎖されている。
Similarly, an oxidant gas supply manifold and a cooling water supply manifold (not shown) are formed on the upper portion of one side of the
図2に示すように、セル24は、MEA(電解質膜電極接合体)9と、ガスケット7と、セパレータ4とを有している。
As shown in FIG. 2, the
MEA9は、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜3とガス拡散電極8を備えている。高分子電解質膜の両面には、その周縁部より内方に位置するように1対のガス拡散電極8が設けられている。ガス拡散電極8は、高分子電解質膜3の主面上に設けられ、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層(アノード触媒層2aとカソード触媒層2b)2と、触媒反応層2の上に設けられ、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層1と、から構成されている。ガス拡散電極8の周囲には、高分子電解質膜3を挟んで一対のガスケット7が配設されている。これにより、燃料ガスや酸化剤ガスが電池外にリークされることが防止され、また、これらのガスが互いに混合されることが防止される。
The
そして、MEA9とガスケット7を挟むように、一対の導電性のセパレータ4(アノードセパレータ4aとカソードセパレータ4b)が配設されている。セパレータ4の材質は、カーボン製であっても金属製であってもよい。セパレータ4により、MEA9が機械的に固定されるとともに、隣接するMEA同士が互いに電気的に直列に接続される。
A pair of conductive separators 4 (
アノードセパレータ4aの内面(MEA9に当接する面)には、燃料ガスを流すためのガス流路5が設けられている。また、セパレータ4aの周縁部には、厚み方向の貫通孔からなる燃料ガス供給用マニホルド孔11aと燃料ガス排出用マニホルド孔12aが設けられている(図3参照)。ガス流路5は、溝状に形成されていて、燃料ガス供給用マニホルド孔11aと燃料ガス排出用マニホルド12a孔の間を結ぶように配設されている。
A
一方、カソードセパレータ4bの内面には、酸化剤ガスを流すためのガス流路6が設けられており、酸化剤ガスを供給・排出するための図示されないマニホルド孔が設けられている。ガス流路6は、溝状に形成されていて、これらのマニホルド孔の間を結ぶように配設されている。
On the other hand, on the inner surface of the
また、セパレータ4の外面には、冷却水を流すための冷却流路13が溝状に形成されており、冷却水を供給・排出するための図示されないマニホルド孔が設けられている。冷却流路13は、溝状にこれらのマニホルド孔の間を結ぶように設けられている。
Further, on the outer surface of the separator 4, a
ガスケット7には、セパレータ4に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔11a及び燃料ガス排出用マニホルド孔12aに対応するように燃料ガス供給用マニホルド孔11b及び燃料ガス排出用マニホルド孔12bが設けられている(図4参照)。また、酸化剤ガス供給用マニホルド孔及び酸化剤ガス排出マニホルド孔と冷却水供給用マニホルド孔及び冷却水排出用マニホルド孔がそれぞれ設けられている(図示せず)。
The
また、高分子電解質膜3には、セパレータ4に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔11a及び燃料ガス排出用マニホルド孔12aに対応するように燃料ガス供給用マニホルド孔11c及び燃料ガス排出用マニホルド孔12cが設けられている(図5参照)。また、酸化剤ガス供給用マニホルド孔及び酸化剤ガス排出マニホルド孔と冷却水供給用マニホルド孔及び冷却水排出用マニホルド孔がそれぞれ設けられている(図示せず)。
The
このように形成したセル24をその厚み方向に積層することにより、セル積層体41が形成される。セパレータ4、ガスケット7及び高分子電解質膜3に設けられた燃料ガス供給用マニホルド孔11a、11b、11c及び燃料ガス排出用マニホルド孔12a、12b、12cは、セル24を積層したときに厚み方向につながって、燃料ガス供給用マニホルド11及び燃料ガス排出用マニホルド12がそれぞれ形成される。同様にして、図示されない酸化剤ガス供給用マニホルド、酸化剤ガス排出用マニホルド、冷却水供給用マニホルド及び冷却水排出用マニホルドがそれぞれ形成される。
The
これにより、燃料ガス供給用マニホルド11からガス流路5に燃料ガスが分配供給され、燃料ガス排出用マニホルド12から未使用の燃料ガスが排出される。同様に、酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給用マニホルドからガス流路6に供給され、酸化剤ガス排出用マニホルドから排出される。また、冷却水が、冷却水供給用マニホルドから冷却流路に供給され、冷却水排出用マニホルドから排出される。
As a result, fuel gas is distributed and supplied from the fuel
次に、本発明の特徴的構成について、図2乃至図5を参照して説明する。
図3は、図2に示すセルのセパレータとスペーサの構成を示す模式図である。図4は、図2に示すセルのガスケットの構成を示す模式図である。図5は、図2に示すセルのMEAの構成を示す模式図である。
Next, a characteristic configuration of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the separator and spacer of the cell shown in FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the gasket of the cell shown in FIG. FIG. 5 is a schematic diagram showing the configuration of the MEA of the cell shown in FIG.
図3に示すように、アノードセパレータ4aの内面には、溝状に形成されたガス流路5がサーペンタイン状に形成されている。同様に、カソードセパレータ4bの内面には、溝状に形成されたガス流路6がサーペンタイン状に形成されている。したがって、水平に形成されている部分は、互いに並走している。なお、ガス流路5及びガス流路6は、サーペンタイン状に限られず、ガス流路の一方の主流路と他方の主流路との間に複数の支流路を形成するような構成としてもよく、複数の流路が互いに並走するような構成としてもよい。
As shown in FIG. 3, a
セパレータ4の内面には、サーペタイン状に形成された溝状のガス流路とガス流路との間の部分、すなわち、リブ部10と呼ばれる凸部分(ガス流路の並走部分)に、第1のスペーサ100aが複数箇所(ここでは、4箇所)設けられている。このような構成とすると、ガス流路5又はガス流路6内を流れる反応ガスや未使用の反応ガス等の流れを妨げることがないので、長期に安定して燃料電池を運転することができる。
On the inner surface of the separator 4, a portion between the groove-like gas channel formed in a serpentine shape and the gas channel, that is, a convex portion called a rib portion 10 (a parallel running portion of the gas channel), One
第1のスペーサ100aは、本発明の効果を十分に得られる観点から100〜400cm2のガス拡散電極8に対して1〜10個設けられていることが好ましく、セルにかかる圧力を確実に均一にする観点から4個以上設けることがより好ましく、製造工程を容易にする観点から6個以下に設けられていることがより好ましい。
From the viewpoint of sufficiently obtaining the effects of the present invention, it is preferable that 1 to 10
また、第1のスペーサ100aの間隔は、互いに適度な間隔(ここでは、等間隔)になるように設けられている。
Further, the
第1のスペーサ100aの形状は、柱状(ここでは四角柱状)に形成されているが、その断面形状は特に限定されない。
Although the shape of the
一方、MEA9のガス拡散電極8には、第1のスペーサ100aに対応する位置に、第1のスペーサ収容孔101a(貫通孔)が設けられている(図5参照)。この第1のスペーサ収容孔101aは、ガス拡散電極8を厚み方向に貫通するように形成されている。また、第1のスペーサ収容孔101aは、第1のスペーサ100aと丁度嵌合するように形成されている。第1のスペーサ収容孔101aは、燃料電池が締結されたときに第1のスペーサ100aとの間に隙間がないような大きさであることが好ましい。
On the other hand, the
また、アノードセパレータ4aの周縁部には、サーペタイン状のガス流路5全体を囲むように、第2のスペーサ100bが複数箇所(ここでは、8箇所)に設けられている(図3参照)。同様に、カソードセパレータ4bの周縁部にも、サーペタイン状のガス流路6全体を囲むように、第2のスペーサ100bが複数箇所(ここでは、8箇所)に設けられている。第2のスペーサ100bの設置箇所は、ここではサーペタイン状のガス流路5又はガス流路6全体を囲むように設けられているが、これに限定されるものではなく、高分子電解質膜3を挟んで互いに対抗する一対のセパレータ4の間隔が一定となるように構成すれば、その設置箇所はどのような位置に配置されていてもよい。また、第2のスペーサ100bの設置する個数についても、高分子電解質膜3を挟んで互いに対抗する一対のセパレータ4の間隔が一定となるように構成すれば、その設置個数についても特に限定されない。第2のスペーサ100bの形状は、第1のスペーサ100aの形状と同様に、柱状(ここでは四角柱状)に形成されているが、その断面形状は特に限定されない。
Moreover, the
一方、ガスケット7には、第2のスペーサ100bに対応する位置に、第2のスペーサ収容孔101b(貫通孔)が設けられている(図4参照)。この第2のスペーサ収容孔101bは、ガスケット7を厚み方向に貫通するように形成されている。また、第2のスペーサ収容孔101bは、第2のスペーサ100bと嵌合するように形成されている。なお、第2のスペーサ収容孔101bは、燃料電池が締結されたときに第2のスペーサ100bとの間に隙間がある構成としてもよい。
On the other hand, the
また、第1のスペーサ100aと第2のスペーサ100bの高さは等しいことが好ましい。
Moreover, it is preferable that the heights of the
セルスタック31に組み立てられ、締結具で締結された燃料電池においては、図2に示すように、第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bが、それぞれ高分子電解質膜3を挟むように設けられており、第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの高さh1まで、ガス拡散電極8の厚みが圧縮される。スペーサの高さh1は、ガス拡散電極8及びガスケット7の圧縮される程度を考慮して設定されることが好ましい。
In the fuel cell assembled to the
図2に示すように、第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの高分子電解質膜3と当接する部分は、例えばスペーサの形状を直方体とした場合、当接する面の角を削っていることが好ましい。これにより、高分子電解質膜を傷つけずに締結することが可能となる。
As shown in FIG. 2, the portions of the
第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの材料は、高分子電解質膜3を挟んで互いに対抗する第1のスペーサ(又は、第2のスペーサ)が、近接することによる短絡の危険性を確実に防止する観点から電気絶縁性を有することが好ましい。電気絶縁性を有するものとしては、例えばポリフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエチレンナフタレン等が挙げられる。
The material of the
また、第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの材料のヤング率は、スペーサとしての機能を十分に果たすために、ガスケット7の材料よりも高いことが好ましい。例えば、ガスケット7に使用されるフッ素ゴムのようなゴム材料のヤング率は、約10MPaであることから、第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの材料のヤング率は、それ以上であればよい。
The Young's modulus of the material of the
第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの材料が上記のようなヤング率の関係にある場合、さらに、本発明のスペーサの機能を十分に果たす観点から第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bの材料の熱膨張率は、ガスケットの材料の熱膨張率より大きいことが好ましい。
When the materials of the
なお、本発明の燃料電池におけるMEA9は、ガス拡散電極8内の第1のスペーサ100aを設置する部分に高分子電解質膜3だけからなる部分(第1のスペーサ収容孔101a)を有するが、これは電極が電気的に分割されているものではなく、一電極として機能するものである。
Note that the
このような構成とすることにより、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
(実施の形態2)
図6は、本発明の実施の形態2に係る高分子電解質型燃料電池の構造の概略を示す断面図である。図6においては、図2(実施の形態1)と同様に説明の便宜上、高分子電解質型電池の積層構造の一部(単電池)を示している。図6において、上述の実施の形態1の燃料電池と同等の構成要素には同じ符号を付しており、その基本的構成も実施の形態1と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
By adopting such a configuration, the distance between the separator and the polymer electrolyte membrane can be kept constant not only in the periphery of the gas diffusion electrode but also in the electrode, so that the fastening pressure in the cell is made uniform and high. Mechanical damage to the molecular electrolyte membrane can be reduced.
(Embodiment 2)
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the structure of the polymer electrolyte fuel cell according to
図6に示すように、セパレータ14には、実施の形態1に示した第1のスペーサ100aが配設される部分に、第1のスペーサ設置部201a(突出部)が形成されている。第1のスペーサ設置部201aの先端には、第1のスペーサ200aが配設されている。第1のスペーサ設置部201aは、第1のスペーサ200aと同じ断面形状で、所定の高さh4となるように設けられており、第1のスペーサ200aと一体的に柱状に形成されている。
As shown in FIG. 6, the
ガス拡散電極8の高さh2は、セルスタック締結後、第1のスペーサ設置部201aの高さh4と第1のスペーサ200aの高さh3まで圧縮される。
The height h2 of the
また、セパレータ14の周縁部には、実施の形態1に示した第2のスペーサ100bが配設される部分に、第2のスペーサ設置部201b(突出部)が形成されている。第2のスペーサ設置部201bの先端には、第2のスペーサ200bが配設されている。第2のスペーサ設置部201bの設置箇所は、ここではガス流路5又はガス流路6を囲むように設けられているが、これに限定されるものではなく、高分子電解質膜3を挟んで互いに対抗する一対のセパレータの間隔が一定となるように構成すれば、その設置箇所はどのような位置に配置されていてもよく、またその設置個数についても特に限定されない。第2のスペーサ設置部201bは、第2のスペーサ200bと同じ断面形状で、所定の高さh6となるように設けられており、第2のスペーサ200bと一体的に柱状に形成されている。
Further, a second
ガス拡散電極8の高さh2は、セルスタック締結後、第2のスペーサ設置部201bの高さh6と第2のスペーサ200bの高さh5まで圧縮される。
The height h2 of the
第1のスペーサ設置部201aの高さh4と第2のスペーサ設置部201bの高さh6は等しいことが好ましい。
It is preferable that the height h4 of the first
第1のスペーサ設置部201aの高さh4と第2のスペーサ設置部201bの高さh6は、セルスタック締結後のガス拡散電極8の高さh2よりも小さければよいが、セルの作製を容易にする観点から0%より大きいことが好ましく、スペーサの強度を十分に保ち、その機能を確実に発揮するためにガス拡散電極8の高さh2の80%以下であることが好ましい。
The height h4 of the first
なお、スペーサの材料等については、実施の形態1と同様であるので、詳細な説明は省略する。 Since the spacer material and the like are the same as those in the first embodiment, detailed description thereof is omitted.
また、このような燃料電池を作成する場合は、第1のスペーサ200aを予めMEA9に接着しておくと組み立てが簡単になる。
Further, when producing such a fuel cell, the assembly is simplified if the
上記のような構成にすることにより、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。 By configuring as described above, the gap between the separator and the polymer electrolyte membrane can be kept constant not only in the periphery of the gas diffusion electrode but also in the electrode, so that the fastening pressure in the cell is made uniform, It is possible to reduce mechanical damage to the polymer electrolyte membrane.
以下、本発明の実施例について、実施の形態の燃料電池の製造方法の例示を兼ねて説明する。 Hereinafter, examples of the present invention will be described together with an example of a method for manufacturing a fuel cell according to an embodiment.
(実施例1)
本実施例では、実施の形態1で説明した高分子電解質型燃料電池を、以下のプロセスで作製した。
Example 1
In this example, the polymer electrolyte fuel cell described in
まず、MEA9の形成について説明する。
First, formation of the
高分子電解質膜3(米国デュポン社製 NAFION 112)に、燃料ガス供給用マニホルド孔11c及び燃料ガス排出用マニホルド孔12c等のマニホルド孔を設けた。
The polymer electrolyte membrane 3 (NAFION 112 manufactured by DuPont, USA) was provided with manifold holes such as a fuel gas
触媒となる白金粒子をカーボン粒子に適量担持させ、周知の方法でペースト状にした。この白金粒子を含むカーボン粒子のペーストを用いて、スクリーン印刷法により、高分子電解質膜3の両面に面積が400cm2で、厚みが20μmとなるように印刷し、触媒反応層2を形成した。このとき、図5に示すように、溝状のガス流路とガス流路との間の並走部分(リブ部10)に対応する位置に、1辺が2mmの正方形状の孔を4箇所設けた。この孔は、ペーストを塗装しないようなパターニングで印刷を行うことにより形成した。
An appropriate amount of platinum particles as a catalyst was supported on carbon particles and made into a paste by a well-known method. Using this carbon particle paste containing platinum particles, printing was performed on both surfaces of the
ガス拡散層1となるカーボン不織布の、上記孔に対応する位置を周知の方法(例えば、プレス加工)で除去した。この孔部分を除去したカーボン不織布を、上記高分子電解質膜3に印刷した触媒反応層2と接するようにホットプレスにより接合し、MEA9を作製した。このとき、形成されたガス拡散電極8の厚みは250μmであった。また、触媒反応層2に設けられた孔とガス拡散層1に設けられた孔とから、第1のスペーサ収容孔101aが形成された。
The position corresponding to the hole of the carbon nonwoven fabric to be the
なお、ガス拡散層1となるカーボン不織布に、上記ペーストをスクリーン印刷法で印刷することにより、ガス拡散電極8を作製し、第1のスペーサ収容孔101aが配設される部分を周知の方法で除去した後に、このガス拡散電極8を高分子電解質膜3にホットプレスにより接合し、MEA9を作製してもよい。
The paste is printed on the carbon nonwoven fabric to be the
フッ素ゴム製シートを、図4に示す燃料ガス供給用マニホルド孔11b及び燃料ガス排出用マニホルド孔12b等のマニホルド孔と第2のスペーサ100bが嵌合される第2のスペーサ収容部101bを打ち抜いて、ガスケット7を作製した。第2のスペーサ収容部101bは、ガスケット7の周縁部にガス流路5又はガス流路6を囲むように、それぞれが等間隔になるように配設した。
The fluororubber sheet is punched out through the second
このガスケット7を、ガス拡散電極5又はガス流路6の外周に露出する高分子電解質膜3の周縁部に配置し、ホットプレスで接合一体化させた。
The
セパレータ4は、厚さ3mmの等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路5又はガス流路6、燃料ガス供給用マニホルド孔11a及び燃料ガス排出用マニホルド孔12a等のマニホルド孔等を形成することによって作製した(図2及び図3参照)。ガス流路の溝幅は2mm、深さは1mm、流路間の幅は2mmとする構成とした。また、冷却流路13は、溝幅を1mmとした以外は、他の構成はガス流路と同じとした。
Separator 4 forms manifold holes, such as
第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bを、ヤング率が約18GPaであるポリエチレンナフタレンを用いて、形状が2mm角の正方形状で高さを200μmとなるように作製し、高分子電解質膜3と接触する面の角を削って丸みを帯びさせるようにした。このように作製した第1のスペーサ100a及び第2のスペーサ100bを、セパレータ4の内面であって、第1のスペーサ収容部及び第2のスペーサ収容部に対応する位置にそれぞれ接着した。
The
MEA9とガスケット7を1対のセパレータ4で挟み、セル24を形成した。セル24を積層し、セル積層体41を形成し、締結具を用いて荷重をかけて締結しセルスタック31を形成した。締結後のセル24のガス拡散電極8の厚みは、スペーサの高さh1(200μm)まで圧縮された。
The
このようにして作製した本実施例の燃料電池は、ガス拡散電極の周辺だけでなく電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。
(実施例2)
本実施例では、実施の形態2で説明した高分子電解質型燃料電池を作製した。
本実施例は、実施例1と基本的態様は同じであるが、スペーサとセパレータが以下の点が異なる。
Since the fuel cell of this example produced in this way can keep the distance between the separator and the polymer electrolyte membrane constant not only in the vicinity of the gas diffusion electrode but also in the electrode, the fastening pressure in the cell is It becomes uniform, and it becomes possible to reduce mechanical damage to the polymer electrolyte membrane.
(Example 2)
In this example, the polymer electrolyte fuel cell described in the second embodiment was manufactured.
This embodiment has the same basic aspect as that of the first embodiment, but the spacer and the separator are different in the following points.
第1のスペーサ200a及び第2のスペーサ200bは、材質等は実施例1と同様のものを使用した。これらのスペーサの形状は、2mm角の正方形状で厚みが50μmとし、高分子電解質膜と当接する面の角を削って丸みを帯びさせるように作製した。
The
セパレータ14は、実施例1と同様に、等方性黒鉛板に機械加工によってガス流路5又はガス流路6、マニホルド孔等を形成したが、第1のスペーサ設置部201a及び第2のスペーサ設置部201bを、スペーサが配設されない他の部分よりも厚み方向に150μm厚くなるようにセパレータ14を形成した。すなわち、第1のセパレータ設置部201aをセパレータ14の内面から150μmだけ突出するように、柱状に形成した。同様に、第2のセパレータ設置部201bをセパレータ14の内面から150μmだけ突出するように、柱状に形成した。
As in the first embodiment, the
本実施例の燃料電池では、締結時にはガス拡散電極が、第1のスペーサ設置部201aと第1のスペーサ200a(又は第2のスペーサ設置部201bと第2のスペーサ200b)の厚みの合計である200μmまで圧縮された。
In the fuel cell of this embodiment, the gas diffusion electrode is the sum of the thicknesses of the first
なお、本実施例では、第1のスペーサ200aをMEA9に予め接着しておくとセルの作製が容易となる。
In this embodiment, if the
このようにして作製した本実施例の燃料電池は、実施例1の燃料電池と同様に、ガス拡散電極の周辺だけでなく、電極内もセパレータと高分子電解質膜との間隔を一定に保つことができるので、セル内での締結圧力が均一化され、高分子電解質膜への機械的ダメージを軽減することが可能となる。 The fuel cell of this example produced in this way maintains a constant distance between the separator and the polymer electrolyte membrane not only in the vicinity of the gas diffusion electrode but also in the electrode, as in the fuel cell of Example 1. Therefore, the fastening pressure in the cell is made uniform, and mechanical damage to the polymer electrolyte membrane can be reduced.
本発明にかかる高分子電解質型燃料電池は、携帯機器用電源、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燃料電池として有用である。 The polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is useful as a fuel cell used for a power source for portable devices, a power source for electric vehicles, a domestic cogeneration system, and the like.
1 ガス拡散層
2 触媒反応層
2a アノード触媒層
2b カソード触媒層
3 高分子電解質膜
4 セパレータ
4a アノードセパレータ
4b カソードセパレータ
5 ガス流路
6 ガス流路
7 ガスケット
8 ガス拡散電極
9 MEA
10 リブ部
11 燃料ガス供給用マニホルド
11a 燃料ガス供給用マニホルド孔
11b 燃料ガス供給用マニホルド孔
11c 燃料ガス供給用マニホルド孔
12 燃料ガス排出用マニホルド
12a 燃料ガス排出用マニホルド孔
12b 燃料ガス排出用マニホルド孔
12c 燃料ガス排出用マニホルド孔
13 冷却流路
21a 端板
21b 端板
22 燃料ガス供給用配管
23 燃料ガス排出用配管
24 セル
31 セルスタック
41 セル積層体
100a 第1のスペーサ
100b 第2のスペーサ
101a 第1のスペーサ収容孔
101b 第2のスペーサ収容孔
200a 第1のスペーサ
200b 第2のスペーサ
201a 第1のスペーサ設置部
201b 第2のスペーサ設置部
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記ガス拡散電極及び前記ガスケットの内部にそれぞれ1以上の対のスペーサが、前記セルの積層方向において前記一対のセパレータに接し、かつ前記高分子電解質膜を挟むように配設されている、高分子電解質型燃料電池。 An MEA having a polymer electrolyte membrane and a pair of gas diffusion electrodes sandwiching the inner part from the periphery of the polymer electrolyte membrane, and disposed on the periphery of both sides of the MEA so as to surround the gas diffusion electrode A cell having a pair of gaskets and a pair of conductive separators disposed so as to sandwich the MEA and the gasket and having a groove-like gas flow path on the inner surface through which a reaction gas flows, and the cells stacked Cell stack,
One or more pairs of spacers are disposed inside the gas diffusion electrode and the gasket, respectively, so as to contact the pair of separators in the cell stacking direction and sandwich the polymer electrolyte membrane. Electrolytic fuel cell.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005325991A JP2007134163A (en) | 2005-11-10 | 2005-11-10 | Polymer electrolyte fuel cell |
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2005
- 2005-11-10 JP JP2005325991A patent/JP2007134163A/en active Pending
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