JP2010129467A - Cell stack and fuel cell device equipped with the same - Google Patents

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Tomohiko Hirayama
智彦 平山
Nobuyasu Tajima
伸泰 田島
Terumasa Nagasaki
央雅 長崎
Takahiro Suzuki
貴博 鈴木
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cell stack of a fuel cell capable of thinning and improving power generation performance, and to provide a fuel cell device that is equipped with the cell. <P>SOLUTION: Each cell 40 of the cell stack 20 includes an anode electrode, a cathode electrode, an electrolyte layer sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, an anode-side metal separator 56 arranged piled on the anode electrode, and a cathode-side metal separator 54 arranged piled on the cathode electrode. In a plurality of cells, one anode-side metal separator and one cathode-side metal separator of the other cell are laminated, while facing each other; and further, the anode-side metal separator of one cell and the cathode-side metal separator of the other adjacent cell sandwich a flame-shaped gasket 64, having a space part 64a inside and a conductive sheet which has elasticity and conductivity, is arranged inside the space part of the gasket; and further, makes the anode-side metal separator and the cathode-side metal separator conducting. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池のセルスタックおよびこれを備えた燃料電池装置に関する。   The present invention relates to a cell stack of a fuel cell used as a power source for an electronic device or the like, and a fuel cell device including the same.

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ(以下、ノートPCと称する)、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池(以下、DMFCと称する)は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。   Currently, secondary batteries such as lithium ion batteries are mainly used as power sources for portable notebook personal computers (hereinafter referred to as notebook PCs) and mobile devices. In recent years, a small fuel cell with high output and no need for charging has been expected as a new power source due to an increase in power consumption accompanying the enhancement of functions of these electronic devices and a request for longer use. There are various types of fuel cells. In particular, a direct methanol fuel cell (hereinafter referred to as DMFC) using a methanol solution as a fuel is easier to handle than a fuel cell using hydrogen as a fuel. Since the system is simple, it is attracting attention as a power source for electronic devices.

通常、DMFCにおける単セルは、電解質板あるいは固体高分子電解質膜等の電解質層の両面に、触媒層とカーボンペーパで構成されたアノードとカソードとを一体化した膜・電極接合体(以下、MEAと称する)を備えている。単セルのアノードに対向する主面側に燃料流路と、単セルのカソードに対応する主面側に空気流路とを備えたセパレータと、単セルと、を複数ずつ交互に積層してセルスタックを構成している。この場合、アノードとカソードとが積層された双極プレート構造とし、アノード燃料流れ場に気体透過性膜を置き、この気体透過性膜に隣接した位置に気体状流出物を放出するチャネルを設ける構造が提案されている(例えば、特許文献1)。   In general, a single cell in DMFC is a membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) in which an anode and a cathode composed of a catalyst layer and carbon paper are integrated on both sides of an electrolyte layer such as an electrolyte plate or a solid polymer electrolyte membrane. Called). A cell having a fuel cell on the main surface facing the anode of the single cell, a separator having an air flow channel on the main surface corresponding to the cathode of the single cell, and a plurality of single cells stacked alternately. The stack is configured. In this case, a bipolar plate structure in which an anode and a cathode are laminated, a gas permeable membrane is placed in the anode fuel flow field, and a channel for releasing gaseous effluent is provided at a position adjacent to the gas permeable membrane. It has been proposed (for example, Patent Document 1).

セパレータに形成された溝を通して、アノードには燃料が、カソードには酸化剤が供給される。アノードでは燃料の酸化反応が起こり、メタノールが水と反応して酸化され、二酸化炭素、プロトン、電子を生成する。プロトンは高分子電解質膜を透過しカソードに移動する。カソードでは、空気中の酸素ガスが水素イオン、電子と結合して還元され水を生成する。その過程で外部回路に電子が流れて電流を取り出す。
特開2006−507625号公報
Through the groove formed in the separator, fuel is supplied to the anode and oxidant is supplied to the cathode. The fuel undergoes an oxidation reaction at the anode, and methanol reacts with water and is oxidized to produce carbon dioxide, protons, and electrons. Protons pass through the polymer electrolyte membrane and move to the cathode. At the cathode, oxygen gas in the air combines with hydrogen ions and electrons and is reduced to produce water. In the process, electrons flow to the external circuit and take out current.
JP 2006-507625 A

しかしながら、上記セルスタックのように、双極セパレータを挟んで複数のセルを積層した場合、スタックのサイズが大きくなり、小型化に適していない。間に冷却板を挟み込んで配置する構成とした場合、セルスタック全体が厚くなる。そのため、燃料電池全体を小型化する上で障害となる。   However, when a plurality of cells are stacked with a bipolar separator sandwiched as in the cell stack described above, the size of the stack increases and is not suitable for miniaturization. If the cooling plate is interposed between the two cell stacks, the entire cell stack becomes thick. Therefore, it becomes an obstacle to downsizing the entire fuel cell.

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a fuel cell stack capable of being thinned and improving power generation performance, and a fuel cell device including the same.

この発明の態様に係る燃料電池装置のセルスタックは、複数の単セルを積層して構成された燃料電池装置のセルスタックであって、各単セルは、アノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に重ねて設けられアノード側金属セパレータと、カソード極に重ねて設けられたカソード側金属セパレータと、を有し、前記複数の単セルは、前記アノード側金属セパレータと他の単セルのカソード側金属セパレータとが向かい合って積層され、
単セルの前記アノード側金属セパレータと隣り合う他の単セルのカソード側金属セパレータとの間に、内部に空間部を有する枠状のガスケットと、弾性および導電性を有しているとともに前記ガスケットの空間部に配置され、前記アノード側金属セパレータとカソード側金属セパレータとを導通する導電シートと、が挟持されている。
A cell stack of a fuel cell device according to an aspect of the present invention is a cell stack of a fuel cell device configured by stacking a plurality of single cells, and each single cell includes an anode electrode, a cathode electrode, and these anode electrodes. An electrolyte layer sandwiched between the anode and the cathode, an anode-side metal separator provided to overlap the anode, and a cathode-side metal separator provided to overlap the cathode. The cell is laminated with the anode side metal separator and the cathode side metal separator of another single cell facing each other,
Between the anode-side metal separator of the single cell and the cathode-side metal separator of another single cell adjacent to the frame-shaped gasket having a space inside, and having elasticity and conductivity, and the gasket A conductive sheet that is disposed in the space and conducts the anode-side metal separator and the cathode-side metal separator is sandwiched.

この発明の他の態様に係る燃料電池装置は、セルスタックを有し、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収容する燃料タンクと、前記燃料タンクから前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、前記セルスタックに空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記セルスタックは、複数の単セルを積層して構成され、各単セルは、アノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に重ねて設けられアノード側金属セパレータと、カソード極に重ねて設けられたカソード側金属セパレータと、を有し、前記複数の単セルは、前記アノード側金属セパレータと他の単セルのカソード側金属セパレータとが向かい合って積層され、単セルの前記アノード側金属セパレータと隣り合う他の単セルのカソード側金属セパレータとの間に、内部に空間部を有する枠状のガスケットと、弾性および導電性を有しているとともに前記ガスケットの空間部に配置され、前記アノード側金属セパレータとカソード側金属セパレータとを導通する導電シートと、が挟持されている。
A fuel cell device according to another aspect of the present invention includes a cell stack, an electromotive unit that generates power by a chemical reaction, a fuel tank that contains fuel, and supplies fuel from the fuel tank to the cell stack. A fuel supply unit, and an air supply unit for supplying air to the cell stack,
The cell stack is configured by laminating a plurality of single cells, and each single cell overlaps the anode electrode with an anode electrode, a cathode electrode, and an electrolyte layer sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode. An anode-side metal separator and a cathode-side metal separator provided to overlap the cathode electrode, and the plurality of single cells include the anode-side metal separator and a cathode-side metal separator of another single cell. Are stacked facing each other, and have a frame-like gasket having a space portion between the anode-side metal separator of a single cell and the cathode-side metal separator of another single cell, and have elasticity and conductivity. And a conductive sheet disposed in the space of the gasket and electrically conducting the anode-side metal separator and the cathode-side metal separator; There has been pinched.

以上構成によれば、薄型化および発電性能の向上が可能な燃料電池のセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。   According to the above configuration, it is possible to provide a fuel cell stack capable of being thinned and improving power generation performance, and a fuel cell device including the same.

以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。
図1は燃料電池装置の構成を概略的に示している。図1に示すように、燃料電池装置10は、メタノールを液体燃料としたDMFCとして構成されている。燃料電池装置10は、起電部を構成したセルスタック20、燃料タンク12、およびセルスタック20に燃料および空気を供給する循環系24、燃料電池装置全体の動作を制御する電池制御部51を備えている。
Hereinafter, a fuel cell device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 schematically shows the configuration of a fuel cell device. As shown in FIG. 1, the fuel cell device 10 is configured as a DMFC using methanol as a liquid fuel. The fuel cell device 10 includes a cell stack 20 that constitutes an electromotive unit, a fuel tank 12, a circulation system 24 that supplies fuel and air to the cell stack 20, and a battery control unit 51 that controls the operation of the entire fuel cell device. ing.

燃料タンク12は密閉構造を有し、燃料電池装置10に対して脱着自在な燃料カートリッジとして形成されている。燃料タンク12には、液体燃料として高濃度のメタノールが収容されている。燃料を消費した際、燃料タンク12を容易に交換又は補充可能となっている。   The fuel tank 12 has a sealed structure, and is formed as a fuel cartridge that is detachable from the fuel cell device 10. The fuel tank 12 contains high-concentration methanol as liquid fuel. When the fuel is consumed, the fuel tank 12 can be easily replaced or replenished.

循環系24は、燃料タンク12から供給された燃料を、セルスタック20を通して循環させるアノード流路32、およびセルスタック20を通して空気を含む気体を循環させるカソード流路34、アノード流路内およびカソード流路内に設けられた複数の補機を有している。アノード流路32およびカソード流路34は、それぞれ配管等によって形成されている。   The circulation system 24 includes an anode flow path 32 that circulates fuel supplied from the fuel tank 12 through the cell stack 20, a cathode flow path 34 that circulates a gas containing air through the cell stack 20, an anode flow path, and a cathode flow. It has a plurality of auxiliary machines provided in the road. The anode channel 32 and the cathode channel 34 are each formed by piping or the like.

図2はセルスタック20の積層構造を示し、図3はセルスタック20を分解して示す斜視図、図4はセルスタックを構成する単セルを分解して示す斜視図、図5は図2に示すセルスタック20を破断して模式的に示す断面図、図6は各単セルの発電反応を模式的に示している。   2 shows a stacked structure of the cell stack 20, FIG. 3 is an exploded perspective view showing the cell stack 20, FIG. 4 is an exploded perspective view showing single cells constituting the cell stack, and FIG. FIG. 6 schematically shows a power generation reaction of each single cell.

図2および図3に示すように、セルスタック20は、複数、例えば、8つの単セル40と、後述するガスケット64および導電シート66とを交互に積層して構成されている。積層方向の両端には、エンドプレート43が積層され、これらエンドプレート同士をねじ止め等によって互いに締結することにより、これらエンドプレート43間に、複数の単セル40、ガスケット64および導電シート66が積層状態で保持されている。   As shown in FIGS. 2 and 3, the cell stack 20 is configured by alternately laminating a plurality of, for example, eight single cells 40, gaskets 64 and conductive sheets 66 described later. End plates 43 are stacked at both ends in the stacking direction, and the end plates are fastened together by screws or the like, whereby a plurality of single cells 40, gaskets 64, and conductive sheets 66 are stacked between the end plates 43. Held in a state.

図3ないし図5に示すように、単セル40は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード極(空気極)42およびアノード極(燃料極)44、これらカソード極、アノード極間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜46とを一体化した膜・電極接合体(以下、MEAと称する)50を備えている。また、MEA50は、アノード極44の外面上に重ねて設けられた矩形状の気液分離膜48を一体に備えている。高分子電解質膜46は、カソード極42およびアノード極44よりも大きな面積に形成され、その周縁部は、アノード極およびカソード極の周縁部から外側に突出している。高分子電解質膜46の周縁部両面には、それぞれ矩形枠状のガスケット52a、52bが図示しない熱溶着シートにより貼付されている。   As shown in FIGS. 3 to 5, the single cell 40 includes a substantially rectangular plate-like cathode electrode (air electrode) 42 and anode electrode (fuel electrode) 44 each composed of a catalyst layer and carbon paper, these cathode electrodes, A membrane / electrode assembly (hereinafter referred to as MEA) 50 is provided which is integrated with a substantially rectangular polymer electrolyte membrane 46 sandwiched between anode electrodes. In addition, the MEA 50 is integrally provided with a rectangular gas-liquid separation film 48 that is provided on the outer surface of the anode 44. The polymer electrolyte membrane 46 is formed in a larger area than the cathode electrode 42 and the anode electrode 44, and the peripheral edge thereof projects outward from the peripheral edges of the anode electrode and the cathode electrode. Rectangular frame-shaped gaskets 52a and 52b are attached to both sides of the periphery of the polymer electrolyte membrane 46 by a heat welding sheet (not shown).

単セル40は、それぞれ細長い矩形板状に形成されたカソード側金属セパレータ54およびアノード側金属セパレータ56を有している。これらのセパレータ54、56は例えばSUSにより形成されている。カソード側金属セパレータ54はカソード極42に重ねて積層され、アノード側金属セパレータ56はアノード極44、ここでは、気液分離膜48に重ねて積層されている。これにより、MEA50は、カソード側金属セパレータ54とアノード側金属セパレータ56との間に挟持されている。なお、MEA50、ガスケット52a、52b、カソード側金属セパレータ54、およびアノード側金属セパレータ56は、図示しない熱溶着シートを間に挟んで、熱溶着(加熱および加圧する)することにより、互いに接合されている。   The single cell 40 has a cathode side metal separator 54 and an anode side metal separator 56 each formed in an elongated rectangular plate shape. These separators 54 and 56 are made of, for example, SUS. The cathode side metal separator 54 is laminated on the cathode electrode 42, and the anode side metal separator 56 is laminated on the anode electrode 44, here, the gas-liquid separation film 48. Accordingly, the MEA 50 is sandwiched between the cathode side metal separator 54 and the anode side metal separator 56. The MEA 50, the gaskets 52a and 52b, the cathode side metal separator 54, and the anode side metal separator 56 are joined to each other by heat welding (heating and pressurizing) with a heat welding sheet (not shown) interposed therebetween. Yes.

カソード側金属セパレータ54、アノード側金属セパレータ56、およびガスケット52a、52bの長手方向の一端部には、空気および燃料がそれぞれ通るカソード流入路58a、アノード流入路58bがそれぞれ形成され、長手方向他端には、カソード側およびアノード側の反応生成物がそれぞれ排出されるカソード流出路60a、アノード流出路60bが形成されている。   A cathode inflow passage 58a and an anode inflow passage 58b through which air and fuel respectively pass are formed at one end in the longitudinal direction of the cathode side metal separator 54, the anode side metal separator 56, and the gaskets 52a and 52b, respectively. Are formed with a cathode outflow passage 60a and an anode outflow passage 60b through which reaction products on the cathode side and the anode side are respectively discharged.

カソード側金属セパレータ54において、カソード極42と対向する側の壁面には、カソード極42に空気を供給する溝状の空気流路54aが形成されている。この空気流路54aは、カソード流入路58aからカソード流出路60aまで蛇腹状に延びている。   In the cathode-side metal separator 54, a groove-like air channel 54 a that supplies air to the cathode electrode 42 is formed on the wall surface facing the cathode electrode 42. The air flow path 54a extends in a bellows shape from the cathode inflow path 58a to the cathode outflow path 60a.

アノード側金属セパレータ56において、アノード極44と対向する側の壁面には、アノード極44に燃料を供給する溝状の燃料流路56aが形成されている。この燃料流路56aは、アノード流入路58bからアノード流出路60bまで蛇腹状に延びている。アノード側金属セパレータ56は、気液分離膜48で分離された気体、ここでは、水蒸気を含む二酸化炭を単セル40の外部に放出する複数の排気孔56bを有している。排気孔56bは、それぞれアノード側金属セパレータ56に貫通形成され、燃料流路56aに沿って並んで設けられている。各排気孔56bは、気液分離膜48と対向している。   In the anode-side metal separator 56, a groove-like fuel flow path 56 a for supplying fuel to the anode electrode 44 is formed on the wall surface facing the anode electrode 44. The fuel flow path 56a extends in a bellows shape from the anode inflow path 58b to the anode outflow path 60b. The anode-side metal separator 56 has a plurality of exhaust holes 56 b through which gas separated by the gas-liquid separation membrane 48, here, carbon dioxide containing water vapor is discharged to the outside of the single cell 40. The exhaust holes 56b are formed through the anode-side metal separator 56, and are provided along the fuel flow path 56a. Each exhaust hole 56 b faces the gas-liquid separation membrane 48.

図2、図3、および図5に示すように、上記のように構成された複数の単セル40は、直列的に並んで積層されている。すなわち、複数の単セル40は、1つの単セル40のカソード側金属セパレータ54と、隣り合う他の単セル40のアノード側金属セパレータ56とが向かい合うように、積層されている。対向するカソード側金属セパレータ54とアノード側金属セパレータ56は、それぞれ金属板で形成され、剛体と剛体では接触抵抗が高く、電気的コンタクトが不十分となる。そこで、隣り合う単セル40のカソード側金属セパレータ54とアノード側金属セパレータ56との間に、内部に空間部64aを有する枠状のガスケット64と、このガスケットの空間部64a内に配置された導電シート66とが挟まれている。導電シート66は、弾性および導電性を有し、アノード側金属セパレータ56とカソード側金属セパレータ54とに密着し、これらを電気的に導通している。   As shown in FIGS. 2, 3, and 5, the plurality of single cells 40 configured as described above are stacked side by side in series. That is, the plurality of single cells 40 are stacked such that the cathode side metal separator 54 of one single cell 40 and the anode side metal separator 56 of another adjacent single cell 40 face each other. The cathode-side metal separator 54 and the anode-side metal separator 56 facing each other are each formed of a metal plate, and the rigid body and the rigid body have a high contact resistance, resulting in insufficient electrical contact. Therefore, a frame-shaped gasket 64 having a space portion 64a between the cathode-side metal separator 54 and the anode-side metal separator 56 of the adjacent single cell 40, and a conductive material disposed in the space portion 64a of this gasket. The sheet 66 is sandwiched. The conductive sheet 66 has elasticity and conductivity, and is in close contact with the anode-side metal separator 56 and the cathode-side metal separator 54 to electrically connect them.

ガスケット64は、例えば、弾性を有する材料で形成され、導電シート66が単セル40のカソード側金属セパレータ54とアノード側金属セパレータ56とに密着するような、硬度および寸法に形成されている。ガスケット64の長手方向の一端部には、空気および燃料がそれぞれ通るカソード流入路58a、アノード流入路58bがそれぞれ形成され、長手方向他端には、カソード側およびアノード側の反応生成物がそれぞれ排出されるカソード流出路60a、アノード流出路60bが形成されている。   The gasket 64 is formed of, for example, a material having elasticity, and has a hardness and dimensions such that the conductive sheet 66 is in close contact with the cathode side metal separator 54 and the anode side metal separator 56 of the single cell 40. A cathode inflow passage 58a and an anode inflow passage 58b through which air and fuel respectively pass are formed at one end in the longitudinal direction of the gasket 64, and reaction products on the cathode side and the anode side are discharged at the other end in the longitudinal direction, respectively. A cathode outflow passage 60a and an anode outflow passage 60b are formed.

導電シート66は、例えば、カーボンの不織布により形成され、親水性あるいは保水性を有している。導電シート66は、アノード側金属セパレータ56の排気孔56bに対向して配置されている。排気孔56bから排気された二酸化炭素および水蒸気は、導電シート66内を通り、水蒸気の一部は導電シート66に吸収される。残りの水蒸気および二酸化炭素は、ガスケット64に形成された排気溝64bを通り、カソード流出路60aに排出される。   The conductive sheet 66 is formed of, for example, a carbon non-woven fabric and has hydrophilicity or water retention. The conductive sheet 66 is disposed to face the exhaust hole 56 b of the anode side metal separator 56. Carbon dioxide and water vapor exhausted from the exhaust holes 56 b pass through the conductive sheet 66, and a part of the water vapor is absorbed by the conductive sheet 66. The remaining water vapor and carbon dioxide pass through the exhaust groove 64b formed in the gasket 64 and are discharged to the cathode outflow passage 60a.

図2、図3および図5に示すように、セルスタック20は、8つの単セル40と、ガスケット64および導電シート66とを交互に積層して構成されている。積層方向の両端には、エンドプレート43が積層され、これらエンドプレート同士をねじ止め等によって互いに締結することにより、これらエンドプレート43間に、複数の単セル40、ガスケット64および導電シート66が積層状態で保持されている。複数の単セル40のカソード流入路58aおよびアノード流入路58bと、ガスケット64のカソード流入路58aおよびアノード流入路58bとは、それぞれ互いに連通している。同様に、複数の単セル40のカソード流出路60aおよびアノード流出路60bと、ガスケット64のカソード流出路60aおよびアノード流出路60bとは、それぞれ互いに連通している。   As shown in FIGS. 2, 3, and 5, the cell stack 20 is configured by alternately stacking eight single cells 40, gaskets 64, and conductive sheets 66. End plates 43 are stacked at both ends in the stacking direction, and the end plates are fastened together by screws or the like, whereby a plurality of single cells 40, gaskets 64, and conductive sheets 66 are stacked between the end plates 43. Held in a state. The cathode inflow passage 58a and anode inflow passage 58b of the plurality of single cells 40 and the cathode inflow passage 58a and anode inflow passage 58b of the gasket 64 are in communication with each other. Similarly, the cathode outflow passage 60a and the anode outflow passage 60b of the plurality of single cells 40 and the cathode outflow passage 60a and the anode outflow passage 60b of the gasket 64 are in communication with each other.

セルスタック20のカソード流入路58aおよびカソード流出路60aは、循環系24のカソード流路34に接続されている。セルスタック20のアノード流入路58bおよびアノード流出路60bは、循環系24のアノード流路32に接続されている。   The cathode inflow path 58 a and the cathode outflow path 60 a of the cell stack 20 are connected to the cathode flow path 34 of the circulation system 24. The anode inflow path 58 b and the anode outflow path 60 b of the cell stack 20 are connected to the anode flow path 32 of the circulation system 24.

図2に示すように、積層方向一端側に位置した単セル40のカソード側金属セパレータ54には、電力を取り出すための陰極端子71が設けられ、積層方向他端側に位置した単セル40のアノード側金属セパレータ56には電力を取り出すための陽極端子72が設けられている。   As shown in FIG. 2, the cathode-side metal separator 54 of the single cell 40 located on one end side in the stacking direction is provided with a cathode terminal 71 for taking out power, and the single cell 40 positioned on the other end side in the stacking direction. The anode side metal separator 56 is provided with an anode terminal 72 for taking out electric power.

上記のように構成されたセルスタック20の各単セル40においては、図5および図6に示すように、アノード側では燃料流路56aを通して燃料(メタノール水溶液)がアノード極44に供給され、化学反応が起き、二酸化炭素が放出されるとともに、e-(電子)が発生し、燃料流路56aを形成するアノード側金属セパレータ56を導電する。この際、Hも発生し、それが高分子電解質膜46を通り、カソード極42側へ供給される。一方、カソード側ではカソード側金属セパレータ54を導電したe-と高分子電解質膜46を通り抜けたHと、空気流路54aより供給される空気中の酸素とがカソード極42上で化学反応し、水を形成する。この過程で、アノード極44とカソード極42との間、すなわち、アノード側金属セパレータ56とカソード側金属セパレータ54との間に電子が流れて電流を取り出すことができる。 In each single cell 40 of the cell stack 20 configured as described above, as shown in FIGS. 5 and 6, fuel (methanol aqueous solution) is supplied to the anode electrode 44 through the fuel flow path 56a on the anode side, A reaction occurs, carbon dioxide is released, and e − (electrons) are generated to conduct the anode side metal separator 56 forming the fuel flow path 56a. At this time, H + is also generated, which passes through the polymer electrolyte membrane 46 and is supplied to the cathode electrode 42 side. On the other hand, on the cathode side, e− conducted through the cathode side metal separator 54, H + passing through the polymer electrolyte membrane 46, and oxygen in the air supplied from the air flow path 54 a chemically react on the cathode electrode 42. Form water. In this process, electrons can flow between the anode 44 and the cathode 42, that is, between the anode-side metal separator 56 and the cathode-side metal separator 54, and current can be taken out.

一連の反応の中で、アノード極44で発生した二酸化炭素は、気液分離膜48により、MEA50内で、気体(二酸化炭素、水蒸気)と液体(未反応の燃料)とに分離され、二酸化炭素はアノード側金属セパレータ56の排気孔56bを通り、ガスケット64の排気溝64bからカソード流出路60aへ排出される。前述したように、排気孔56bを通過し、外部に放出される二酸化炭素は水蒸気を含んでおり、この水蒸気の少なくとも一部は導電シート66に吸収される。これにより、導電シート66は、水分を含んだ状態となる。   During a series of reactions, carbon dioxide generated at the anode 44 is separated into gas (carbon dioxide, water vapor) and liquid (unreacted fuel) in the MEA 50 by the gas-liquid separation membrane 48, and carbon dioxide Passes through the exhaust hole 56b of the anode side metal separator 56 and is discharged from the exhaust groove 64b of the gasket 64 to the cathode outflow passage 60a. As described above, the carbon dioxide that passes through the exhaust hole 56 b and is released to the outside contains water vapor, and at least a part of this water vapor is absorbed by the conductive sheet 66. Thereby, the conductive sheet 66 is in a state containing moisture.

図1に示すように、カソード流路34の上流端34aおよび下流端34bは、それぞれ大気に連通している。カソード流路34は、セルスタック20のカソード流入路58aおよびカソード流出路60aに接続されている。カソード流路34に設けられる補機は、セルスタック20の上流側でカソード流路34に接続された送気ポンプ38を含んでいる。送気ポンプ38はセルスタック30のカソード極42に空気を供給する空気供給部を構成している。   As shown in FIG. 1, the upstream end 34a and the downstream end 34b of the cathode channel 34 are each in communication with the atmosphere. The cathode flow path 34 is connected to the cathode inflow path 58 a and the cathode outflow path 60 a of the cell stack 20. The auxiliary machine provided in the cathode channel 34 includes an air supply pump 38 connected to the cathode channel 34 on the upstream side of the cell stack 20. The air supply pump 38 constitutes an air supply unit that supplies air to the cathode electrode 42 of the cell stack 30.

アノード流路32は、セルスタック20のアノード流入路58bおよびアノード流出路60bに接続され閉ループを形成している。アノード流路32に設けられた補機は、燃料タンク12の燃料供給口に配管接続された燃料ポンプ14、燃料ポンプ14の出力部に配管を介して接続された混合タンク16、混合タンク16の出力部とセルスタック20の流入側との間に接続された送液ポンプ17を備えている。混合タンク16は、燃料タンク12と共に、この発明における燃料タンクの一部を構成している。   The anode flow path 32 is connected to the anode inflow path 58b and the anode outflow path 60b of the cell stack 20 to form a closed loop. The auxiliary equipment provided in the anode flow path 32 includes a fuel pump 14 connected to the fuel supply port of the fuel tank 12, a mixing tank 16 connected to the output portion of the fuel pump 14 via the piping, and the mixing tank 16. A liquid feed pump 17 connected between the output unit and the inflow side of the cell stack 20 is provided. The mixing tank 16 together with the fuel tank 12 constitutes a part of the fuel tank in the present invention.

送液ポンプ17の出力部はアノード流路32を介してセルスタック20のアノード流入路58bに接続される。燃料ポンプ14および送液ポンプ17はセルスタック20に燃料を供給する燃料供給部を構成している。セルスタック20のアノード流出路60bの出力側は、アノード流路32を介して混合タンク16の入力部に接続されている。   The output part of the liquid feed pump 17 is connected to the anode inflow path 58 b of the cell stack 20 through the anode flow path 32. The fuel pump 14 and the liquid feed pump 17 constitute a fuel supply unit that supplies fuel to the cell stack 20. The output side of the anode outflow passage 60 b of the cell stack 20 is connected to the input portion of the mixing tank 16 via the anode passage 32.

電池制御部51は、セルスタックの陰極端子71および陽極端子72に接続され、セルスタック20で発生した電力を取り出し電子機器53に供給するとともに、セルスタック20の各単セル40の電圧測定、セルスタックから引き出す電流制御を行う。   The battery control unit 51 is connected to the cathode terminal 71 and the anode terminal 72 of the cell stack, takes out the electric power generated in the cell stack 20, supplies it to the electronic device 53, and measures the voltage of each single cell 40 of the cell stack 20, and the cell Controls the current drawn from the stack.

上記構成の燃料電池装置10を電子機器53の電源として用いる場合、まず、メタノールを収容した燃料タンク12を装着し、燃料電池装置10の循環系24に接続する。この状態で、燃料電池装置10の発電を開始する。この場合、電池制御部51の制御の下、燃料ポンプ14、送液ポンプ17および送気ポンプ38を作動させる。燃料ポンプ14により、アノード流路32を通して燃料タンク12から混合タンク16に高濃度のメタノールが供給され、混合タンクで水と混合されて所定濃度に希釈される。混合タンク16内で希釈されたメタノール水溶液は、送液ポンプ17によりアノード流路32からセルスタック20内のアノード流入路58bに送られる。更に、メタノール水溶液は、各アノード側金属セパレータ56の燃料流路56aを通り、単セル40のアノード極44に供給される。その後、未反応のメタノール水溶液は、セルスタック20のアノード流出路60bに送られ、更に、アノード流路32を通って混合タンク16へ戻される。   When the fuel cell device 10 having the above configuration is used as a power source for the electronic device 53, first, the fuel tank 12 containing methanol is mounted and connected to the circulation system 24 of the fuel cell device 10. In this state, power generation of the fuel cell device 10 is started. In this case, the fuel pump 14, the liquid feed pump 17, and the air feed pump 38 are operated under the control of the battery control unit 51. High-concentration methanol is supplied from the fuel tank 12 to the mixing tank 16 through the anode flow path 32 by the fuel pump 14, mixed with water in the mixing tank, and diluted to a predetermined concentration. The aqueous methanol solution diluted in the mixing tank 16 is sent from the anode flow path 32 to the anode inflow path 58 b in the cell stack 20 by the liquid feed pump 17. Further, the methanol aqueous solution passes through the fuel flow path 56 a of each anode side metal separator 56 and is supplied to the anode electrode 44 of the single cell 40. Thereafter, the unreacted aqueous methanol solution is sent to the anode outflow passage 60 b of the cell stack 20, and further returned to the mixing tank 16 through the anode passage 32.

一方、送気ポンプ38により、カソード流路34の上流端34aからカソード流路34内に大気、つまり、空気が吸い込まれる。この空気は図示しない吸気フィルタを通過した後、カソード流路34を通してセルスタック20のカソード流入路58aに供給され、更に、各カソード側金属セパレータ54の空気流路54aを通って各単セル40のカソード極42へ供給される。カソード極42で反応して湿気を含んだ空気は、セルスタック20のカソード流出路60aへ送られ、更に、カソード流路34を通って外部に排気される。なお、単セル40の気液分離膜48によって分離された二酸化炭素は、カソード流出路60aおよびカソード流路34を通して外部に排気される。   On the other hand, the air pump 38 sucks air, that is, air, into the cathode channel 34 from the upstream end 34 a of the cathode channel 34. This air passes through an intake filter (not shown), and then is supplied to the cathode inflow path 58a of the cell stack 20 through the cathode flow path 34, and further passes through the air flow path 54a of each cathode-side metal separator 54. It is supplied to the cathode electrode 42. The air that has reacted with the cathode electrode 42 and contained moisture is sent to the cathode outflow passage 60a of the cell stack 20, and further exhausted to the outside through the cathode passage. The carbon dioxide separated by the gas-liquid separation membrane 48 of the single cell 40 is exhausted to the outside through the cathode outflow passage 60 a and the cathode passage 34.

セルスタック20に供給されたメタノール水溶液および空気は、アノード極44とカソード極42との間に設けられた高分子電解質膜46で電気化学反応し、これにより、アノード極44とカソード極42との間に電力が発生する。セルスタック20で発生した電力は、電池制御部51によりセルスタックから引き出され電子機器53に供給される。   The aqueous methanol solution and air supplied to the cell stack 20 undergo an electrochemical reaction at the polymer electrolyte membrane 46 provided between the anode electrode 44 and the cathode electrode 42, whereby the anode electrode 44 and the cathode electrode 42 are Electric power is generated between them. The electric power generated in the cell stack 20 is drawn from the cell stack by the battery control unit 51 and supplied to the electronic device 53.

以上のように構成された燃料電池装置によれば、セルスタック20において、アノード・カソード一体型セルを最小単位とし、スタック化することができる。そのため、従来のような双極プレートを用いるスタックに比べ、スタックサイズを小さくすることができる。単セル40間に弾性および導電性を有する導電シート66を挟みこむことにより、単セル間の電気抵抗を下げ、セルスタック20の出力低下を抑制することができる。これにより、薄型化が可能であるとともに、発電性能の向上したセルスタック、およびこれを備えた燃料電池装置が得られる。更に、導電シート66は親水性あるいは保水性を有し、排気孔から排出された蒸気を吸収することにより、単セル40間の電気抵抗を一層低減することができる。
隣接する単セル40間に、弾性、導電性、親水性を有する導電シート66がある場合とない場合とで、単セル間の接触抵抗を比較した。導電シート66を挟んだ場合、単セル40間の電気抵抗は78mΩであるのに対して、導電シートが無い場合、単セル40間の電気抵抗は89mΩであった。導電シート66がある場合、導電シートが無い場合に比べて電気抵抗が11mΩ低下し、単セル40間の導電性が向上していることが確認された。
According to the fuel cell device configured as described above, the cell stack 20 can be stacked with the anode / cathode integrated cell as a minimum unit. Therefore, the stack size can be reduced as compared with a conventional stack using bipolar plates. By sandwiching the conductive sheet 66 having elasticity and conductivity between the single cells 40, the electrical resistance between the single cells can be lowered, and the output reduction of the cell stack 20 can be suppressed. As a result, a thin cell stack with improved power generation performance and a fuel cell device including the cell stack can be obtained. Further, the conductive sheet 66 has hydrophilicity or water retention, and can absorb the vapor discharged from the exhaust hole, thereby further reducing the electrical resistance between the single cells 40.
The contact resistance between the single cells was compared with and without the conductive sheet 66 having elasticity, conductivity, and hydrophilicity between the adjacent single cells 40. When the conductive sheet 66 was sandwiched, the electrical resistance between the single cells 40 was 78 mΩ, whereas when there was no conductive sheet, the electrical resistance between the single cells 40 was 89 mΩ. It was confirmed that when the conductive sheet 66 is present, the electrical resistance is reduced by 11 mΩ as compared with the case without the conductive sheet, and the conductivity between the single cells 40 is improved.

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

例えば、セルスタックにおいて、積層する単セルの数は、8個に限らず、必要に応じて増減可能である。各構成要素の形状、材質等は、上述した実施形態に限定されることなく、適宜選択可能である。燃料電池装置は、送気ポンプを省略し、空気の拡散、対流によりセルスタックに空気を供給する構成としてもよい。この発明に係る燃料電池装置は、パーソナルコンピュータ、モバイル機器、携帯端末等の種々の電子機器およびその他の機器の電源にも適用可能である。   For example, in the cell stack, the number of single cells to be stacked is not limited to eight and can be increased or decreased as necessary. The shape, material, and the like of each constituent element are not limited to the above-described embodiment, and can be selected as appropriate. The fuel cell device may omit the air supply pump and supply air to the cell stack by air diffusion and convection. The fuel cell device according to the present invention can also be applied to power supplies of various electronic devices such as personal computers, mobile devices, and portable terminals, and other devices.

図1は、この発明の実施形態に係る燃料電池装置の構成を概略的に示すブロック図。FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a fuel cell device according to an embodiment of the present invention. 図2は、前記燃料電池装置のセルスタックを示す斜視図。FIG. 2 is a perspective view showing a cell stack of the fuel cell device. 図3は、前記セルスタックを分解して示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view showing the cell stack in an exploded manner. 図4は、前記セルスタックの単セルを分解して示す分解斜視図。FIG. 4 is an exploded perspective view showing a single cell of the cell stack in an exploded manner. 図5は、図2の線A−Aに沿った前記セルスタックの断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view of the cell stack taken along line AA of FIG. 図6は、前記単セルの発電反応を模式的に示す図。FIG. 6 is a diagram schematically showing a power generation reaction of the single cell.

符号の説明Explanation of symbols

10…燃料電池装置、12…燃料タンク、14…燃料ポンプ、16…混合タンク、
17…送液ポンプ、20…セルスタック、24…循環系、32…アノード流路、
34…カソード流路、40…単セル、42…カソード極、43…エンドプレート、
44…アノード極、46…高分子電解質膜、48…気液分離膜、50…MEA、
51…電池制御部、54…カソード側金属セパレータ、54a…空気流路、
56…アノード側金属セパレータ、56a…燃料流路、56b…排気孔、
64…ガスケット、64a…空間部、66…導電シート
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell apparatus, 12 ... Fuel tank, 14 ... Fuel pump, 16 ... Mixing tank,
17 ... Liquid feed pump, 20 ... Cell stack, 24 ... Circulation system, 32 ... Anode flow path,
34 ... Cathode flow path, 40 ... Single cell, 42 ... Cathode electrode, 43 ... End plate,
44 ... anode electrode, 46 ... polymer electrolyte membrane, 48 ... gas-liquid separation membrane, 50 ... MEA,
51 ... Battery control unit, 54 ... Cathode side metal separator, 54a ... Air flow path,
56 ... anode side metal separator, 56a ... fuel flow path, 56b ... exhaust hole,
64 ... Gasket, 64a ... Space part, 66 ... Conductive sheet

Claims (10)

複数の単セルを積層して構成された燃料電池装置のセルスタックであって、
各単セルは、アノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に重ねて設けられアノード側金属セパレータと、カソード極に重ねて設けられたカソード側金属セパレータと、を有し、
前記複数の単セルは、前記アノード側金属セパレータと他の単セルのカソード側金属セパレータとが向かい合って積層され、
単セルの前記アノード側金属セパレータと隣り合う他の単セルのカソード側金属セパレータとの間に、内部に空間部を有する枠状のガスケットと、弾性および導電性を有しているとともに前記ガスケットの空間部に配置され、前記アノード側金属セパレータとカソード側金属セパレータとを導通する導電シートと、が挟持されている燃料電池装置のセルスタック。
A cell stack of a fuel cell device configured by stacking a plurality of single cells,
Each single cell is provided with an anode electrode, a cathode electrode, an electrolyte layer sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, an anode side metal separator provided on the anode electrode, and an electrode layer on the cathode electrode. A cathode-side metal separator,
The plurality of single cells are laminated such that the anode side metal separator and the cathode side metal separator of another single cell face each other.
Between the anode-side metal separator of the single cell and the cathode-side metal separator of another single cell adjacent to the frame-shaped gasket having a space inside, and having elasticity and conductivity, and the gasket A cell stack of a fuel cell device, which is disposed in a space and sandwiches a conductive sheet that conducts the anode side metal separator and the cathode side metal separator.
前記ガスケットは弾性を有する材料で形成され、前記導電シートが前記単セルの前記アノード側金属セパレータと隣り合う他の単セルのカソード側金属セパレータとに密着する硬度および寸法を有している請求項1に記載の燃料電池装置のセルスタック。   The gasket is formed of an elastic material, and has a hardness and a dimension that allow the conductive sheet to be in close contact with the anode-side metal separator of another single cell adjacent to the anode-side metal separator of the single cell. 2. A cell stack of the fuel cell device according to 1. 前記アノード側金属セパレータは、前記アノード極に燃料を供給する溝状の燃料流路を有し、前記カソード側金属セパレータは、前記カソード極に空気を供給する溝状の空気流路を有している請求項1に記載の燃料電池装置のセルスタック。   The anode-side metal separator has a groove-shaped fuel flow path for supplying fuel to the anode electrode, and the cathode-side metal separator has a groove-shaped air flow path for supplying air to the cathode electrode. The cell stack of the fuel cell device according to claim 1. 前記各単セルは、前記アノード極と前記アノード側金属セパレータとの間に積層され気体と液体とを分離する気液分離膜を有し、前記アノード側金属セパレータは、前記気液分離膜で分離された気体を前記単セルの外部に放出する排気孔を有している請求項3に記載の燃料電池装置のセルスタック。   Each single cell has a gas-liquid separation membrane that is laminated between the anode electrode and the anode-side metal separator and separates gas and liquid, and the anode-side metal separator is separated by the gas-liquid separation membrane. The cell stack of the fuel cell device according to claim 3, wherein the cell stack has an exhaust hole through which the discharged gas is discharged to the outside of the single cell. 前記導電シートは、前記アノード側金属セパレータの排気孔に対向して位置し、親水性あるいは保水性を有している請求項4に記載の燃料電池装置のセルスタック。   5. The cell stack of a fuel cell device according to claim 4, wherein the conductive sheet is positioned opposite to an exhaust hole of the anode side metal separator and has hydrophilicity or water retention. 前記導電シートは、カーボン不織布により形成されている請求項5に記載の燃料電池装置のセルスタック。   The cell stack of the fuel cell device according to claim 5, wherein the conductive sheet is formed of a carbon nonwoven fabric. セルスタックを有し、化学反応により発電を行う起電部と、
燃料を収容する燃料タンクと、
前記燃料タンクから前記セルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、
前記セルスタックに空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記セルスタックは、複数の単セルを積層して構成され、
各単セルは、アノード極、カソード極、およびこれらアノード極とカソード極との間に挟持された電解質層と、前記アノード極に重ねて設けられアノード側金属セパレータと、カソード極に重ねて設けられたカソード側金属セパレータと、を有し、
前記複数の単セルは、前記アノード側金属セパレータと他の単セルのカソード側金属セパレータとが向かい合って積層され、
単セルの前記アノード側金属セパレータと隣り合う他の単セルのカソード側金属セパレータとの間に、内部に空間部を有する枠状のガスケットと、弾性および導電性を有しているとともに前記ガスケットの空間部に配置され、前記アノード側金属セパレータとカソード側金属セパレータとを導通する導電シートと、が挟持されている燃料電池装置。
An electromotive unit having a cell stack and generating power by a chemical reaction;
A fuel tank containing fuel;
A fuel supply unit for supplying fuel from the fuel tank to the cell stack;
An air supply unit for supplying air to the cell stack,
The cell stack is configured by stacking a plurality of single cells,
Each single cell is provided with an anode electrode, a cathode electrode, an electrolyte layer sandwiched between the anode electrode and the cathode electrode, an anode side metal separator provided on the anode electrode, and an electrode layer on the cathode electrode. A cathode-side metal separator,
The plurality of single cells are laminated such that the anode side metal separator and the cathode side metal separator of another single cell face each other.
Between the anode-side metal separator of the single cell and the cathode-side metal separator of another single cell adjacent to the frame-shaped gasket having a space inside, and having elasticity and conductivity, and the gasket A fuel cell device in which a conductive sheet that is disposed in the space and conducts the anode side metal separator and the cathode side metal separator is sandwiched.
前記アノード側金属セパレータは、前記アノード極に燃料を供給する溝状の燃料流路を有し、前記カソード側金属セパレータは、前記カソード極に空気を供給する溝状の空気流路を有している請求項7に記載の燃料電池装置。   The anode-side metal separator has a groove-shaped fuel flow path for supplying fuel to the anode electrode, and the cathode-side metal separator has a groove-shaped air flow path for supplying air to the cathode electrode. The fuel cell device according to claim 7. 前記各単セルは、前記アノード極と前記アノード側金属セパレータとの間に積層され気体と液体とを分離する気液分離膜を有し、前記アノード側金属セパレータは、前記気液分離膜で分離された気体を前記単セルの外部に放出する排気孔を有している請求項8に記載の燃料電池装置。   Each single cell has a gas-liquid separation membrane that is laminated between the anode electrode and the anode-side metal separator and separates gas and liquid, and the anode-side metal separator is separated by the gas-liquid separation membrane. The fuel cell device according to claim 8, further comprising an exhaust hole through which the discharged gas is discharged to the outside of the single cell. 前記導電シートは、前記アノード側金属セパレータの排気孔に対向して位置し、親水性あるいは保水性を有している請求項9に記載の燃料電池装置。   10. The fuel cell device according to claim 9, wherein the conductive sheet is positioned opposite to an exhaust hole of the anode-side metal separator and has hydrophilicity or water retention.
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