JP2010135156A - Fuel cell - Google Patents

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JP2010135156A JP2008309218A JP2008309218A JP2010135156A JP 2010135156 A JP2010135156 A JP 2010135156A JP 2008309218 A JP2008309218 A JP 2008309218A JP 2008309218 A JP2008309218 A JP 2008309218A JP 2010135156 A JP2010135156 A JP 2010135156A
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博志 柏野
Toshihiro Nakai
敏浩 中井
Kohei Ugawa
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell capable of facilitating miniaturization. <P>SOLUTION: In the fuel cell formed by laminating a plurality of electrolyte integrated electrodes, a separator 10 arranged between the two adjacent electrolyte integrated electrodes of two adjacent electrodes is a square in a planar view, and consists of one sheet. A fuel supply manifold 11 is formed in the vicinity of one side among four sides forming the square on the separator, and a fuel discharge manifold is formed in the vicinity of the other side facing to the one side. A plurality of oxygen passages for connecting two sides different from two opposite sides where the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold are formed are formed parallel to each other or approximately parallel to each other on one surface of the separator, and the other surface of the separator is planar. The surface of the separator having the oxygen passage comes in contact with a positive electrode of the electrolyte integrated electrode, and the other planar surface comes in contact with a negative electrode 25 of the electrolyte integrated electrode adjacent to the electrolyte integrated electrode 20a via the separator. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、小型化が容易な燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a fuel cell that can be easily downsized.

近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池には、ますます小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。   In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, batteries that are power sources are increasingly required to be smaller and have higher capacities. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, this lithium ion secondary battery has a problem that it cannot guarantee a sufficient continuous use time for some cordless devices.

前記問題の解決の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池(PEFC)などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。そして、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料を用いるPEFCは、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。   Development of fuel cells such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) has been promoted to solve the above problems. The fuel cell can be used continuously if fuel and oxygen are supplied. A PEFC that uses a solid polymer electrolyte as an electrolyte, oxygen in the air as a positive electrode active material, and fuel as a negative electrode active material has attracted attention as a battery having a higher energy density than a lithium ion secondary battery.

一般的なPEFCでは、正極と負極と、それらの間に配置される固体高分子電解質膜とからなる電極・電解質一体化物(MEA)が複数積層されて構成されており、各MEAは、酸素流路(酸化剤流路)を形成した正極側セパレータと燃料流路を形成した負極側セパレータとの2種類のセパレータで挟持された状態で積層されている。また、負極側セパレータと正極側セパレータの間には冷却媒体を流通させるための流路も形成されることも一般的である。すなわち、通常は、1対のセパレータ内で、MEAの積層方向に、酸素流路、冷却媒体流路および燃料流路の3つの流路が形成されている。   In general PEFC, a plurality of electrode / electrolyte integrated bodies (MEAs) including a positive electrode, a negative electrode, and a solid polymer electrolyte membrane disposed between them are laminated, and each MEA has an oxygen flow. They are stacked in a state of being sandwiched between two types of separators, a positive electrode side separator that forms a channel (oxidant channel) and a negative electrode side separator that forms a fuel channel. Also, a flow path for circulating a cooling medium is generally formed between the negative electrode side separator and the positive electrode side separator. That is, normally, three flow paths, that is, an oxygen flow path, a cooling medium flow path, and a fuel flow path, are formed in the MEA stacking direction within a pair of separators.

酸素流路、冷却媒体流路および燃料流路は、セパレータの表面に溝を設けて形成することが通常であるため、各セパレータには、ある程度の厚みが必要であり、このようなセパレータを用いて挟持したMEAを複数積層して構成した燃料電池は、かさ高くなってしまう。   Since the oxygen flow path, the cooling medium flow path, and the fuel flow path are usually formed by providing grooves on the surface of the separator, each separator needs to have a certain thickness. A fuel cell configured by stacking a plurality of MEAs sandwiched in between is bulky.

また、セパレータには、その積層方向に貫通する燃料供給マニホールド、燃料排出マニホールド、酸素供給マニホールド、酸素排出マニホールド、冷却媒体供給マニホールドおよび冷却媒体排出マニホールドがそれぞれ必要であるため(例えば、特許文献1)、セパレータと重ねられる電極は、前記の各マニホールド形成部に相当する位置以外の領域に、発電に直接関与できる部分が配置される必要があり、こうした発電に直接関与できる部分の面積を十分に大きく取ることができない。   Further, the separator requires a fuel supply manifold, a fuel discharge manifold, an oxygen supply manifold, an oxygen discharge manifold, a cooling medium supply manifold, and a cooling medium discharge manifold that penetrate in the stacking direction (for example, Patent Document 1). The electrode overlapped with the separator needs to have a portion that can directly participate in power generation in a region other than the position corresponding to each of the manifold forming portions, and the area of the portion that can directly participate in power generation is sufficiently large. I can't take it.

一方、特許文献2には、酸素流路と冷却媒体流路を共通化した構造の燃料電池が提案されている。特許文献2に記載の燃料電池では、正極と接する側のセパレータの面に、複数の酸素流路を、一側端から反対側端に渡って直線状に複数平行に形成し、酸素流路の両端をセパレータの外側に露出させている。そして、ファンを用いて外部空気を酸素流路内に供給する。酸素流路内に供給される空気中の酸素が酸化剤として作用すると共に、前記空気自体が冷却媒体として作用する。そのため、酸路流路が冷却媒体流路も兼ねることになることから、別途冷却媒体流路を形成する必要がなく、燃料電池をコンパクトな構造とすることが可能となる。   On the other hand, Patent Document 2 proposes a fuel cell having a structure in which an oxygen channel and a cooling medium channel are shared. In the fuel cell described in Patent Document 2, a plurality of oxygen flow paths are formed in a straight line from one end to the opposite end on the surface of the separator in contact with the positive electrode. Both ends are exposed to the outside of the separator. And external air is supplied in an oxygen flow path using a fan. Oxygen in the air supplied into the oxygen channel acts as an oxidant, and the air itself acts as a cooling medium. Therefore, since the acid path channel also serves as the cooling medium channel, it is not necessary to separately form the cooling medium channel, and the fuel cell can be made compact.

特開2006−310288号公報JP 2006-310288 A 特開2006−86127号公報JP 2006-86127 A

しかしながら、特許文献2に記載の燃料電池においても、負極側セパレータに燃料流路が形成されているため、小型化を図るには不十分である。   However, the fuel cell described in Patent Document 2 is also insufficient for miniaturization because the fuel flow path is formed in the negative electrode separator.

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化が容易な燃料電池を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a fuel cell that can be easily downsized.

前記目的を達成し得た本発明の燃料電池は、酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有し、平面視での形状が四角形の電極・電解質一体化物を、セパレータを介して複数積層してなる燃料電池であって、隣り合う2つの電極・電解質一体化物間に配置されるセパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ1枚で構成されており、前記正極、前記負極、前記固体高分子電解質膜および前記セパレータには、四角形を形成する4辺のうちの1辺の近傍に燃料供給マニホールドが、前記1辺と対向する他辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、前記セパレータの一面には、前記燃料供給マニホールドと前記燃料排出マニホールドとが形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐ複数の酸素流路が、互いに平行または略平行に形成されており、かつ前記セパレータの他面が平面状であり、前記セパレータは、酸素流路を有する面が電極・電解質一体化物の正極と接し、前記平面状の他面が、前記セパレータを介して前記電極・電解質一体化物と隣り合う電極・電解質一体化物の負極と接していることを特徴とするものである。   The fuel cell of the present invention capable of achieving the above object is disposed between a positive electrode having a positive electrode catalyst layer for reducing oxygen, a negative electrode having a negative electrode catalyst layer for oxidizing fuel, and the positive electrode and the negative electrode. A fuel cell comprising a solid polymer electrolyte membrane and a plurality of electrode / electrolyte integrals having a quadrangular shape in plan view, with a separator interposed between two adjacent electrode / electrolyte integrals The separator disposed in the shape of the separator is a quadrangular shape in plan view, and is composed of one sheet, and the positive electrode, the negative electrode, the solid polymer electrolyte membrane, and the separator have four sides that form a quadrangle. A fuel supply manifold is formed in the vicinity of one side, a fuel discharge manifold is formed in the vicinity of the other side opposite to the one side, and the fuel supply manifold and the fuel discharge are formed on one surface of the separator. A plurality of oxygen passages that linearly connect two sides other than the two opposite sides on which the nihold is formed are formed in parallel or substantially in parallel to each other, and the other surface of the separator is planar. The separator has a surface having an oxygen channel in contact with the positive electrode of the electrode / electrolyte integrated product, and the other planar surface of the electrode / electrolyte integrated product is adjacent to the electrode / electrolyte integrated product through the separator. It is characterized by being in contact with the negative electrode.

本発明によれば、小型化が容易な燃料電池を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell that can be easily downsized.

本発明の燃料電池の一例の概略を表す斜視図を図1に示す。図1に示す燃料電池100は、複数の電極・電解質一体化物(以下、「MEA」という。)20が、セパレータ10を介して積層されており、積層されたMEA20群の両端がエンドプレート50、50で挟持され、ボルトとナットで固定された構造を有している。また、図1における60は燃料供給口、70は燃料排出口である。燃料供給口60から燃料が燃料電池内に導入され、各MEA20の負極に供給されて発電に利用される。そして、各MEA20で消費されなかった燃料が、燃料排出口70から、燃料電池外に排出される。   FIG. 1 is a perspective view schematically showing an example of the fuel cell of the present invention. A fuel cell 100 shown in FIG. 1 includes a plurality of electrode / electrolyte integrated bodies (hereinafter referred to as “MEA”) 20 stacked via a separator 10, and both ends of the stacked MEA 20 group are end plates 50, 50, and is fixed with bolts and nuts. In FIG. 1, 60 is a fuel supply port, and 70 is a fuel discharge port. Fuel is introduced into the fuel cell from the fuel supply port 60, supplied to the negative electrode of each MEA 20, and used for power generation. Then, the fuel that has not been consumed by each MEA 20 is discharged from the fuel discharge port 70 to the outside of the fuel cell.

図2に、図1の燃料電池の要部の分解図を、図3に、図1の燃料電池の要部の断面図を、それぞれ示す。図中、20aは、上から、正極触媒層(図3中、22)、固体高分子電解質膜(図3中、23)、負極触媒層(図3中、24)の順に積層された積層体であり、その上側には正極拡散層21が配置され、下側には負極拡散層25が配置されてMEAを構成している。MEAの上下には、セパレータ10、10が配置されている。なお、図3は断面図であるが、各構成要素の燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドにより形成される燃料の流路の理解を容易にする目的で、上側のセパレータ10の上端、および下側のセパレータ10の下端以外については、背面部分を省略している。   2 is an exploded view of the main part of the fuel cell of FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the main part of the fuel cell of FIG. In the figure, 20a is a laminate in which a positive electrode catalyst layer (22 in FIG. 3), a solid polymer electrolyte membrane (23 in FIG. 3), and a negative electrode catalyst layer (24 in FIG. 3) are laminated in this order from the top. The positive electrode diffusion layer 21 is disposed on the upper side and the negative electrode diffusion layer 25 is disposed on the lower side to constitute the MEA. Separators 10 and 10 are disposed above and below the MEA. Although FIG. 3 is a cross-sectional view, for the purpose of facilitating understanding of the fuel flow path formed by the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold of each component, the upper end of the upper separator 10 and the lower The back portion is omitted except for the lower end of the separator 10.

セパレータ10、10には、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12が形成されている。セパレータ10、10は平面視での形状が四角形で、それぞれが1枚で構成されている。そして、燃料供給マニホールド11が、四角形を構成する4辺のうちの1辺の近傍に形成されており、燃料排出マニホールド12が、前記1辺と対向する1辺の近傍に形成されている。   The separators 10 and 10 are formed with a fuel supply manifold 11 and a fuel discharge manifold 12. The separators 10 and 10 have a quadrangular shape in plan view, and each is composed of one sheet. The fuel supply manifold 11 is formed in the vicinity of one of the four sides forming the quadrangle, and the fuel discharge manifold 12 is formed in the vicinity of the one side facing the one side.

また、セパレータ10、10は、その片面に、溝状の酸素流路13が複数形成されており、他面が平板状である。セパレータ10、10の酸素流路13は、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12が近傍に形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐように、互いに平行または略平行に形成されている。   Moreover, the separators 10 and 10 are formed with a plurality of groove-like oxygen channels 13 on one side and the other side is flat. The oxygen flow paths 13 of the separators 10 and 10 are parallel or substantially parallel to each other so that the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are linearly connected to two sides other than the opposing two sides formed in the vicinity. Is formed.

更に、積層体20aに係る正極触媒層、固体高分子電解質および負極触媒層にも、セパレータ10、10の燃料供給マニホールド11に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド12に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。   Further, in the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte, and the negative electrode catalyst layer related to the laminate 20a, the fuel supply manifold is located at a position corresponding to the fuel supply manifold 11 of the separators 10 and 10, and the fuel discharge manifold 12 is located. Each fuel discharge manifold is formed.

また、正極拡散層21は、上側のセパレータ10における酸素流路13形成部の全面を覆うように配置されている。そして、正極拡散層21における、セパレータ10の酸素流路13と平行または略平行な2辺の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール30が配置されており、正極ガスシール30の、セパレータ10、10の燃料供給マニホールド11に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド12に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。   The positive electrode diffusion layer 21 is disposed so as to cover the entire surface of the oxygen channel 13 forming portion in the upper separator 10. A positive electrode gas seal 30 for suppressing the outflow of fuel gas is disposed outside the two sides of the positive electrode diffusion layer 21 that are parallel or substantially parallel to the oxygen flow path 13 of the separator 10. A fuel supply manifold is formed at a position corresponding to the fuel supply manifold 11 of the separators 10 and 30, and a fuel discharge manifold is formed at a position corresponding to the fuel discharge manifold 12.

更に、負極拡散層25は、下側のセパレータ10の平板面と接しており、その外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール40が配置されている。そして、負極ガスシール40の、セパレータ10、10の燃料供給マニホールド11に相当する位置に燃料供給マニホールドが、燃料排出マニホールド12に相当する位置に燃料排出マニホールドが、それぞれ形成されている。   Further, the negative electrode diffusion layer 25 is in contact with the flat plate surface of the lower separator 10, and a negative electrode gas seal 40 for suppressing the outflow of fuel gas is disposed outside the outer periphery thereof. A fuel supply manifold is formed at a position corresponding to the fuel supply manifold 11 of the separators 10 and 10 of the negative electrode gas seal 40, and a fuel discharge manifold is formed at a position corresponding to the fuel discharge manifold 12.

図2および図3では、酸素を含む空気の流れを点線矢印で、燃料ガスの流れを実線矢印で示している。燃料供給マニホールド11から導入された燃料は、負極拡散層25を通って負極触媒層24に供給される。そして、発電反応に関与せず消費されなかった燃料は、負極拡散層25を通って燃料排出マニホールド12から外部へ排出される。   2 and 3, the flow of air containing oxygen is indicated by a dotted arrow, and the flow of fuel gas is indicated by a solid arrow. The fuel introduced from the fuel supply manifold 11 is supplied to the negative electrode catalyst layer 24 through the negative electrode diffusion layer 25. Then, the fuel that is not involved in the power generation reaction and not consumed is discharged from the fuel discharge manifold 12 to the outside through the negative electrode diffusion layer 25.

また、セパレータ10、10の有する酸素流路13は、平面視で、四角形のセパレータの対向する2辺を直線的に繋ぐように形成されており、その両端部が、セパレータの側面において開口している。そのため、例えば、燃料電池の側面(セパレータ10における酸素流路13が開口している側の側面)からファンなどを用いて酸素を含む空気を送ることで、酸素流路13内へ空気が導入される。そして、酸素流路13内に導入された空気(酸素)が、MEAの正極拡散層21を通じて正極触媒層22に供給される。また、発電反応に関与せず、消費されなかった酸素、および空気中の酸素以外の成分は、燃料電池の側面(空気を送り込んだ側面とは反対側の側面)における酸素流路13の開口端から外部に排出される。   Further, the oxygen flow path 13 included in the separators 10 and 10 is formed so as to linearly connect two opposing sides of the quadrangular separator in a plan view, and both ends thereof are open on the side surface of the separator. Yes. Therefore, for example, air is introduced into the oxygen channel 13 by sending air containing oxygen from the side surface of the fuel cell (the side surface of the separator 10 where the oxygen channel 13 is open) using a fan or the like. The The air (oxygen) introduced into the oxygen flow path 13 is supplied to the positive electrode catalyst layer 22 through the positive electrode diffusion layer 21 of MEA. In addition, oxygen that is not involved in the power generation reaction and that is not consumed and components other than oxygen in the air are open ends of the oxygen flow path 13 on the side surface of the fuel cell (the side surface opposite to the side on which air is fed). Is discharged to the outside.

なお、詳しくは後述するように、負極に係る負極拡散層は、撥水処理をした多孔質炭素シートのように、その内部を燃料が流通可能な材料で構成されることが一般的である。そのため、本発明の燃料電池では、例えば、燃料の供給圧力が比較的低い場合には、燃料供給マニホールドから導入された燃料は、負極拡散層内の孔を経て負極触媒層に供給され、消費されなかった燃料は、負極拡散層内の孔を経て燃料排出マニホールドから外部へ排出される。よって、図2や図3に示すように、隣り合うMEA間に介在させるセパレータには、酸素流路のみを形成すればよく、燃料流路を形成する必要はないことから、セパレータを1枚で構成でき、また、セパレータ自体を薄くすることが可能である。従って、本発明の燃料電池は、コンパクトな構造とすることができる。   As will be described in detail later, the negative electrode diffusion layer related to the negative electrode is generally composed of a material through which fuel can flow, such as a water-repellent porous carbon sheet. Therefore, in the fuel cell of the present invention, for example, when the fuel supply pressure is relatively low, the fuel introduced from the fuel supply manifold is supplied to the negative electrode catalyst layer through the holes in the negative electrode diffusion layer and consumed. The remaining fuel is discharged from the fuel discharge manifold through the hole in the negative electrode diffusion layer. Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the separator interposed between adjacent MEAs only needs to have an oxygen flow path, and it is not necessary to form a fuel flow path. The separator can be made thin. Therefore, the fuel cell of the present invention can have a compact structure.

また、本発明の燃料電池が、例えば、燃料の供給圧力が比較的高い状態で使用される場合には、後述するように、負極拡散層の表面に、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を、好ましくは複数平行または略平行に形成してもよい。   Further, when the fuel cell of the present invention is used, for example, in a state where the fuel supply pressure is relatively high, the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold are linearly arranged on the surface of the negative electrode diffusion layer, as will be described later. Preferably, a plurality of groove-like fuel flow paths connected in a shape may be formed in parallel or substantially in parallel.

なお、図2および図3に示す燃料電池では、酸素流路13を通過する空気が冷却媒体としても作用する。そのため、酸素流路13が冷却媒体流路を兼ねているため、セパレータに別途冷却媒体流路を形成する必要がないことから、セパレータを1枚の層で構成し、片面を平面状としてセパレータを薄くしても、冷却媒体による冷却が可能である。   In the fuel cell shown in FIGS. 2 and 3, the air passing through the oxygen channel 13 also acts as a cooling medium. Therefore, since the oxygen flow path 13 also serves as the cooling medium flow path, there is no need to separately form a cooling medium flow path in the separator. Therefore, the separator is formed of a single layer, and the separator is made flat on one side. Even if it is thin, cooling with a cooling medium is possible.

図2に示すセパレータ10の詳細を図4に示す。図4の(a)は酸素流路13が形成されていない面側の平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図、(c)は酸素流路13が形成されている面側の平面図である。   Details of the separator 10 shown in FIG. 2 are shown in FIG. 4A is a plan view of the surface side where the oxygen flow path 13 is not formed, FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4A, and FIG. 4C is a view where the oxygen flow path 13 is formed. It is a top view of the surface side.

セパレータ10では、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12は、平面視で四角形を構成する4辺のうちの対向する2辺の近傍に、それぞれ配置する。セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを前記のような配置とし、MEAの正極、負極および固体高分子電解質膜に形成する燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを、セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドに相当する位置に形成することで、負極における燃料が良好に流通する領域、すなわち、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとで挟まれた領域をより大きくとることができ、発電に良好に関与できる電極面積をより大きくすることが可能となって、より効率的な発電が達成できる。また、例えば水素を燃料とする燃料電池においては、発電に伴って生成した水や燃料中に含まれる水が負極で滞留して、その後の発電反応を阻害する虞がある。しかし、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを前記のように配置することで、負極の殆どの箇所で燃料の流れを、燃料供給マニホールドから燃料排出マニホールドへ直線状に向かうようにできることから、負極内の水を、燃料排出マニホールドを通じて外部へ良好に排出することができるようになり、負極内で水が滞留することによる発電効率の低下を抑制することができる。   In the separator 10, the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are arranged in the vicinity of two opposite sides of the four sides forming a quadrangle in a plan view. The fuel supply manifold and fuel discharge manifold of the separator are arranged as described above, and the fuel supply manifold and fuel discharge manifold formed on the positive electrode, negative electrode and solid polymer electrolyte membrane of the MEA are connected to the fuel supply manifold and fuel discharge manifold of the separator. By forming it in the corresponding position, the area where the fuel in the negative electrode can flow well, that is, the area sandwiched between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold can be made larger, and the electrode area that can be well involved in power generation Can be made larger, and more efficient power generation can be achieved. For example, in a fuel cell using hydrogen as a fuel, water generated during power generation or water contained in the fuel may stay in the negative electrode and hinder the subsequent power generation reaction. However, by disposing the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold as described above, the flow of fuel can be linearly directed from the fuel supply manifold to the fuel discharge manifold at almost all points of the negative electrode. Water can be discharged to the outside through the fuel discharge manifold, and a decrease in power generation efficiency due to water remaining in the negative electrode can be suppressed.

また、セパレータ10の片面は平面状であり[図4(a)]、他面[図4(c)]には、前記の通り、平面視で四角形を構成する4辺のうちの、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12が形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐ複数の酸素流路13が、互いに平行または略平行に形成されている。酸素流路13は、溝状であり、隣り合う酸素流路間には、リブ14が存在している。なお、(c)では、酸素流路13とリブ14とを識別しやすくするために、酸素流路13を、ドットを入れて示している。セパレータに係る酸素流路における「互いに平行または略平行」とは、基本的には、各酸素流路は互いに平行に形成されるが、多少平行からずれている場合であっても、本発明の効果が損なわれない範囲であれば、許容される意味である。   Further, one side of the separator 10 is planar [FIG. 4 (a)], and on the other side [FIG. 4 (c)], as described above, of the four sides constituting a quadrangle in plan view, the fuel supply A plurality of oxygen flow paths 13 that linearly connect two sides other than the two opposite sides on which the manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 are formed are formed in parallel or substantially parallel to each other. The oxygen channel 13 has a groove shape, and ribs 14 exist between adjacent oxygen channels. In (c), in order to make it easy to distinguish the oxygen flow path 13 and the rib 14, the oxygen flow path 13 is shown with dots. In the oxygen flow path related to the separator, “parallel to or substantially parallel to each other” basically means that the respective oxygen flow paths are formed in parallel to each other. It is an acceptable meaning as long as the effect is not impaired.

セパレータにおける酸素流路方向の長さ[図4(a)および(c)中、縦方向の長さ]は、電極面積を十分に確保する観点から、10mm以上であることが好ましい。また、前記の通り、酸素流路を通過する空気は、酸素(酸化剤)の供給源となる他、冷却媒体としても機能させることができるが、セパレータにおける酸素流路方向の長さが長すぎると、燃料電池の発電時における発熱を、酸素流路を通過する空気によって十分に冷却できない虞がある。そのため、セパレータにおける酸素流路方向の長さは、100mm以下であることが好ましい。   The length in the oxygen flow path direction of the separator [the length in the vertical direction in FIGS. 4A and 4C] is preferably 10 mm or more from the viewpoint of sufficiently securing the electrode area. In addition, as described above, the air passing through the oxygen channel can be used as a cooling medium in addition to supplying oxygen (oxidant), but the length of the separator in the oxygen channel direction is too long. Then, there is a possibility that the heat generated during power generation of the fuel cell cannot be sufficiently cooled by the air passing through the oxygen flow path. Therefore, the length of the separator in the oxygen flow path direction is preferably 100 mm or less.

セパレータにおける燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離(最短の距離。燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離について、以下同じ。)は、電極面積を十分に確保する観点から、10mm以上であることが好ましい。また、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間が長すぎると、燃料流路が長くなって、燃料流通の圧損が大きくなることがある。そのため、セパレータにおける燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとの間の距離は、300mm以下であることが好ましい。   The distance between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold in the separator (the shortest distance; the same applies to the distance between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold) is 10 mm from the viewpoint of securing a sufficient electrode area. The above is preferable. Further, if the distance between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold is too long, the fuel flow path becomes long, and the pressure loss of the fuel flow may increase. For this reason, the distance between the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold in the separator is preferably 300 mm or less.

セパレータにおける燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの幅[図4(a)および(c)中、横方向の長さ]は、燃料流通時の圧損を小さくするためには、後述ガスシール性を確保できる範囲でできる限り大きくすることが好ましい。   The width of the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold in the separator [the length in the lateral direction in FIGS. 4A and 4C] can secure the gas sealability described later in order to reduce the pressure loss during fuel flow. It is preferable to make it as large as possible within the range.

なお、燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドは、平面視で四角形のセパレータの、4辺のうちの対向する2辺の近傍にそれぞれ設けるが、具体的には、燃料供給マニホールドは、図4(a)および(c)中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、左側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるように配置することが好ましい。また、燃料排出マニホールドも、図4(a)および(c)中で、後述するガスシール性を確保できる範囲で、右側の縦の辺からの距離ができる限り短くなるようにすることが好ましい。   The fuel supply manifold and the fuel discharge manifold are provided in the vicinity of two opposite sides of the four sides of the rectangular separator in plan view. Specifically, the fuel supply manifold is shown in FIG. And in (c), it is preferable to arrange | position so that the distance from the vertical side of the left side may become as short as possible in the range which can ensure the gas-sealing property mentioned later. In addition, it is preferable that the distance from the vertical side on the right side of the fuel discharge manifold is as short as possible within a range in which gas sealing performance described later can be secured in FIGS. 4 (a) and 4 (c).

本発明の燃料電池において、MEAの有する正極、負極および固体高分子電解質膜に形成する燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドは、セパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの存在位置に相当する箇所に配置する。これにより、セパレータおよびMEAの燃料供給マニホールドが重なり、また、セパレータおよびMEAの燃料排出マニホールドが重なることで、燃料電池の厚み方向(セパレータおよびMEAの積層方向)に燃料流路が形成される。   In the fuel cell according to the present invention, the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold formed on the positive electrode, the negative electrode, and the solid polymer electrolyte membrane of the MEA are disposed at locations corresponding to the positions of the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold of the separator. . Thereby, the fuel supply manifold of the separator and the MEA overlaps, and the fuel discharge manifold of the separator and the MEA overlaps to form a fuel flow path in the thickness direction of the fuel cell (the stacking direction of the separator and the MEA).

なお、MEAの有する正極、負極および固体高分子電解質膜の燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールド、並びにセパレータの燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドの形成位置の決定に当たっては、後述する正極ガスシールおよび負極ガスシールの幅を考慮することが好ましい。   In determining the positions of the fuel supply manifold and fuel discharge manifold of the positive electrode, negative electrode, and solid polymer electrolyte membrane of the MEA, and the fuel supply manifold and fuel discharge manifold of the separator, the positive electrode gas seal and negative electrode gas seal described later are used. It is preferable to consider the width of.

セパレータにおいて、酸素流路の幅[図4(b)および(c)中、横方向の長さ]は、空気の流通をより良好にする観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、セパレータの強度低下を抑制する観点から、5mm以下とすることが好ましい。   In the separator, the width of the oxygen channel [the length in the lateral direction in FIGS. 4B and 4C] is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the air flow. From the viewpoint of suppressing the strength reduction of the separator, the thickness is preferably 5 mm or less.

酸素流路の高さ(溝の高さ)は、空気の流通をより良好にする観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、セパレータの厚みの増大を抑制する観点から、5mm以下とすることが好ましい。   The height of the oxygen channel (height of the groove) is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving air circulation, and 5 mm or less from the viewpoint of suppressing an increase in the thickness of the separator. It is preferable that

酸素流路間のリブの幅[図4(b)および(c)中、横方向の長さ]は、セパレータの強度低下を抑制する観点から、0.5mm以上とすることが好ましく、また、酸素流路での空気の流通を良好にする観点から、5mm以下とすることが好ましい。   The width of the rib between the oxygen flow paths [the length in the horizontal direction in FIGS. 4B and 4C] is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of suppressing the strength reduction of the separator, From the viewpoint of improving the air flow in the oxygen channel, the thickness is preferably 5 mm or less.

酸素流路部分の最薄部の厚み(酸素流路の底部から他面までの長さ)は、セパレータの強度を確保して、割れ、ゆがみなどを防止する観点から、0.2mm以上とすることが好ましく、また、セパレータの厚みの増大を抑制する観点から、5mm以下であることが好ましい。   The thickness of the thinnest part of the oxygen channel portion (the length from the bottom of the oxygen channel to the other surface) is 0.2 mm or more from the viewpoint of ensuring the strength of the separator and preventing cracking, distortion, and the like. In view of suppressing an increase in the thickness of the separator, the thickness is preferably 5 mm or less.

セパレータの材質としては、電子伝導性および耐食性の高いものであれば特に制限は無いが、例えば、黒鉛、カーボンと樹脂との混練物、ステンレス鋼、ステンレス鋼に金や白金をメッキしたもの、チタン、チタンに金や白金をメッキしたもの、ステンレス鋼−銅クラッド、ステンレス鋼−銅クラッドに金や白金をメッキしたものなどが好適である。   The material of the separator is not particularly limited as long as it has high electron conductivity and corrosion resistance. For example, graphite, a mixture of carbon and resin, stainless steel, stainless steel plated with gold or platinum, titanium Preferred are titanium plated with gold or platinum, stainless steel-copper clad, stainless steel-copper clad plated with gold or platinum, and the like.

図2に示す正極触媒層、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体20aの詳細を図5に示す。図5の(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図である。   Details of the laminate 20a of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer shown in FIG. 2 are shown in FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG.

燃料電池において、MEAを構成する正極触媒層と、固体高分子電解質膜と、負極触媒層とは、図5に示すように平面視で同一形状であることが好ましい。これにより、正極触媒層と固体高分子電解質膜と負極触媒層とで構成される積層体の全面で厚みを均一にできるため、正負極の拡散層および正負極のガスシールを介したセパレータ(MEAの両面に配置される2枚のセパレータ)による締め付けが均一になり、ガス漏れがより良好に抑制できるようになる。また、MEAの製造時において、固体高分子電解質膜を挟んで正極触媒層と負極触媒層との位置を精度よく決定する必要もなくなるため、MEAの製造、ひいては燃料電池の製造がより容易となり、その生産性を高めることができる。   In the fuel cell, the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer that constitute the MEA preferably have the same shape in plan view as shown in FIG. Thus, the thickness of the laminate composed of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer can be made uniform, so that the separator (MEA) via the positive and negative electrode diffusion layers and the positive and negative electrode gas seals can be used. Tightening by the two separators disposed on both sides of the sheet becomes uniform, and gas leakage can be suppressed better. In addition, since it is not necessary to accurately determine the positions of the positive electrode catalyst layer and the negative electrode catalyst layer across the solid polymer electrolyte membrane during the production of the MEA, the production of the MEA and thus the production of the fuel cell becomes easier. The productivity can be increased.

燃料電池の有するMEAに係る正極触媒層は、正極拡散層を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層としては、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有しており、また、必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。   The positive electrode catalyst layer according to MEA of the fuel cell has a function of reducing oxygen diffused through the positive electrode diffusion layer. The positive electrode catalyst layer contains, for example, a carbon powder carrying a catalyst (catalyst-carrying carbon powder) and a proton conductive material, and further contains a binder such as a resin as necessary. Also good.

正極触媒層の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、前記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。   The catalyst contained in the positive electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can reduce oxygen, and examples thereof include platinum fine particles. The catalyst may be fine particles composed of an alloy of platinum and at least one metal element selected from the group consisting of iron, nickel, cobalt, tin, ruthenium and gold.

触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への前記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行うことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.

前記炭素粉末と前記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが前記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。   As a content ratio of the carbon powder and the catalyst, for example, the catalyst is preferably 5 to 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. This is because such a content ratio can constitute a positive electrode catalyst layer having sufficient catalytic activity. Further, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above-mentioned content ratio. This is because it does not become too large and sufficient catalytic activity is obtained.

正極触媒層に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。   The proton conductive material contained in the positive electrode catalyst layer is not particularly limited. For example, a resin having a sulfonic acid group such as a polyperfluorosulfonic acid resin, a sulfonated polyether sulfonic acid resin, or a sulfonated polyimide resin is used. be able to. Specific examples of the polyperfluorosulfonic acid resin include “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass, and “Aciplex (trade name) manufactured by Asahi Kasei Kogyo Co., Ltd. Or the like.

正極触媒層におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が前記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。   The content of the proton conductive material in the positive electrode catalyst layer is preferably 2 to 200 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting carbon powder. If the proton conductive material is contained in the above-mentioned amount, sufficient proton conductivity is obtained in the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained. It is.

正極触媒層に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)およびポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などが用いることができる。   The binder for the positive electrode catalyst layer is not particularly limited. For example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer (FEP), fluoropolymers such as tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (E / TFE), polyvinylidene fluoride (PVDF) and polychlorotrifluoroethylene (PCTFE), polyethylene, polypropylene, nylon, polystyrene, polyester, Non-fluorinated resins such as ionomer, butyl rubber, ethylene / vinyl acetate copolymer, ethylene / ethyl acrylate copolymer, and ethylene / acrylic acid copolymer can be used.

正極触媒層におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが前記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。   The binder content in the positive electrode catalyst layer is preferably 0.01 to 100 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the catalyst-supporting carbon powder. This is because if the binder is contained in the above-mentioned amount, sufficient binding properties can be obtained for the positive electrode catalyst layer, and the electric resistance value does not become too large, and a fuel cell with good battery performance can be obtained.

正極触媒層の厚みは、1〜50μmであることが好ましい。   The thickness of the positive electrode catalyst layer is preferably 1 to 50 μm.

負極触媒層は、負極拡散層を介して拡散してきた水素などの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有しており、また、必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。   The negative electrode catalyst layer has a function of oxidizing a fuel such as hydrogen diffused through the negative electrode diffusion layer. The negative electrode catalyst layer contains, for example, a carbon powder carrying a catalyst (catalyst carrying carbon powder) and a proton conductive material, and may further contain a binder such as a resin if necessary. Good.

負極触媒層に係る触媒は、水素などの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した前記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る前記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した前記の各材料を用いることができる。   The catalyst related to the negative electrode catalyst layer is not particularly limited as long as it can oxidize a fuel such as hydrogen. For example, each of the catalysts exemplified as the catalyst related to the positive electrode catalyst layer can be used. Regarding the carbon powder, proton conductive material, and binder related to the negative electrode catalyst layer, the above-described materials exemplified as the carbon powder, proton conductive material, and binder related to the positive electrode catalyst layer can be used.

負極触媒層の厚みは、1〜50μmであることが好ましい。   The thickness of the negative electrode catalyst layer is preferably 1 to 50 μm.

固体高分子電解質膜は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体高分子電解質膜を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体高分子電解質膜の材料として用いることができる。   The solid polymer electrolyte membrane is not particularly limited as long as it is made of a material that can transport protons and does not exhibit electronic conductivity. Examples of materials that can constitute the solid polymer electrolyte membrane include polyperfluorosulfonic acid resin, specifically, “Nafion (registered trademark)” manufactured by DuPont, and “Flemion (registered trademark)” manufactured by Asahi Glass. “Aciplex (trade name)” manufactured by Asahi Kasei Corporation. In addition, sulfonated polyether sulfonic acid resin, sulfonated polyimide resin, sulfuric acid-doped polybenzimidazole, and the like can also be used as the material for the solid polymer electrolyte membrane.

固体高分子電解質膜の厚みは、5〜150μmであることが好ましい。   The thickness of the solid polymer electrolyte membrane is preferably 5 to 150 μm.

図2に示す正極拡散層および正極ガスシールの詳細を図6に示す。図6の(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図である。正極拡散層21は、前記の通り、セパレータの酸素流路の形成部全面を覆うように配置される。   Details of the positive electrode diffusion layer and the positive electrode gas seal shown in FIG. 2 are shown in FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. As described above, the positive electrode diffusion layer 21 is disposed so as to cover the entire surface of the separator in which the oxygen flow path is formed.

正極拡散層21における、セパレータの酸素流路と平行または略平行な2辺[図6(a)中、縦の2辺]の外側には、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシール30が配置され、燃料供給マニホールド31および燃料排出マニホールド32が、正極ガスシール30に形成されていることが好ましい。前記のように正極ガスシールを配置した場合、セパレータの酸素流路の開口端に相当する位置に正極ガスシールが存在しないため、固体高分子電解質膜の、燃料による圧力や水分によって生じ得る膨張収縮の応力を緩和することができる。   A positive electrode gas seal 30 for suppressing the outflow of fuel gas is provided outside two sides [two vertical sides in FIG. 6A] parallel to or substantially parallel to the oxygen flow path of the separator in the positive electrode diffusion layer 21. It is preferable that the fuel supply manifold 31 and the fuel discharge manifold 32 are formed on the positive electrode gas seal 30. When the positive electrode gas seal is arranged as described above, since the positive electrode gas seal does not exist at the position corresponding to the opening end of the oxygen flow path of the separator, the expansion and contraction of the solid polymer electrolyte membrane that may be caused by the pressure or moisture caused by the fuel The stress of can be relieved.

なお、正極拡散層21と正極ガスシール30との界面の位置は、セパレータの酸素流路の形成部よりも外側(燃料供給マニホールド側および燃料排出マニホールド側)に相当する位置とすることが好ましい。前記の界面がセパレータの酸素流路に相当する位置や、酸素流路と、これに隣り合う酸素流路との間に相当するリブの位置に存在していた場合、ガスシール性が低下する虞がある。   Note that the position of the interface between the positive electrode diffusion layer 21 and the positive electrode gas seal 30 is preferably a position corresponding to the outer side (fuel supply manifold side and fuel discharge manifold side) of the oxygen flow path forming part of the separator. If the interface exists at a position corresponding to the oxygen flow path of the separator or at a position of a rib corresponding to the oxygen flow path and the oxygen flow path adjacent to the oxygen flow path, the gas sealing performance may be deteriorated. There is.

正極ガスシールの幅[図6(a)中、aやbの長さ]は、ガスシール性をより良好にする観点からは、0.5mm以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、5mm以下であることが好ましい。   The width of the positive electrode gas seal [the length of a and b in FIG. 6 (a)] is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas sealability, and the electrode area is lost. From the viewpoint of reducing the thickness, it is preferably 5 mm or less.

正極拡散層の厚みは、100〜1000μmであることが好ましい。また、正極ガスシールの厚みは、50〜1000μmであることが好ましい。   The thickness of the positive electrode diffusion layer is preferably 100 to 1000 μm. Moreover, it is preferable that the thickness of a positive electrode gas seal is 50-1000 micrometers.

図2に示す負極拡散層および負極ガスシールの詳細を図7に示す。図7の(a)は平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図である。燃料電池においては、負極拡散層25が、セパレータの平面(酸素流路が形成されている面と反対の面)と接するようにセパレータが配置される。   Details of the negative electrode diffusion layer and the negative electrode gas seal shown in FIG. 2 are shown in FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. In the fuel cell, the separator is disposed so that the negative electrode diffusion layer 25 is in contact with the plane of the separator (the surface opposite to the surface on which the oxygen channel is formed).

本発明の燃料電池では、図7に示すように、平面視で四角形の負極拡散層25の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシール40を配置し、負極拡散層25の前記四角形を構成する4辺のうちの1辺[図7(a)中、左側の縦の辺]と負極ガスシール40とで燃料供給マニホールド41を形成し、かつ、負極拡散層25の前記1辺に対向する1辺[図7(a)中右側の縦の辺]と負極ガスシール40とで燃料排出マニホールド42を形成することが好ましい。   In the fuel cell of the present invention, as shown in FIG. 7, a negative electrode gas seal 40 for suppressing the outflow of fuel gas is disposed outside the outer periphery of the rectangular negative electrode diffusion layer 25 in a plan view. A fuel supply manifold 41 is formed by one side of the four sides constituting the quadrangle [the vertical side on the left side in FIG. 7A] and the negative electrode gas seal 40, and the negative electrode diffusion layer 25 of the first side is formed. The fuel discharge manifold 42 is preferably formed by one side (vertical side on the right side in FIG. 7A) facing the side and the negative electrode gas seal 40.

前記の通り、負極拡散層25は、その内部に、燃料ガスが流通可能な孔を有する材料で構成することが一般的であるが、負極拡散層25、負極ガスシール40、燃料供給マニホールド41および燃料排出マニホールド42を前記のように配置することで、負極拡散層25の全体に、燃料供給マニホールド41から燃料排出マニホールド42へ向かう燃料流路が形成されることになり、例えば、負極内に水分量の多い燃料が供給されたり、発電に伴って水が生成するなどして、負極内に水が溜まっても、これを良好に排出することができるようになる。   As described above, the negative electrode diffusion layer 25 is generally made of a material having pores through which fuel gas can flow, but the negative electrode diffusion layer 25, the negative electrode gas seal 40, the fuel supply manifold 41, and the like. By disposing the fuel discharge manifold 42 as described above, a fuel flow path from the fuel supply manifold 41 to the fuel discharge manifold 42 is formed in the entire negative electrode diffusion layer 25. For example, moisture is contained in the negative electrode. Even if water is accumulated in the negative electrode due to supply of a large amount of fuel or generation of water accompanying power generation, it can be discharged well.

なお、負極拡散層25には、図7(a)に示すように、燃料流路を形成しなくてもよく、この場合には、全面がセパレータと接することになるため、電気的な接触抵抗を最小限に抑えることが可能となる。他方、例えば、燃料ガスの供給圧が比較的高い場合には、負極拡散層の破損の虞もあるため、負極拡散層の表面に、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとを直線状に繋ぐ溝状の燃料流路を、好ましくは複数平行または略平行に形成して、負極拡散層の破損を抑制することもできる。   As shown in FIG. 7A, the negative electrode diffusion layer 25 does not need to be formed with a fuel flow path. In this case, since the entire surface is in contact with the separator, the electrical contact resistance Can be minimized. On the other hand, for example, when the supply pressure of the fuel gas is relatively high, the negative electrode diffusion layer may be damaged. Therefore, a groove shape that linearly connects the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold to the surface of the negative electrode diffusion layer. It is also possible to form a plurality of the fuel flow paths, preferably in parallel or substantially in parallel, to suppress damage to the negative electrode diffusion layer.

負極ガスシールの幅[図7(a)中、cやdの長さ]は、ガスシール性をより良好にする観点からは、0.5mm以上であることが好ましく、また、電極面積のロスを低減する観点からは、5mm以下であることが好ましい。   The width of the negative electrode gas seal [length of c and d in FIG. 7 (a)] is preferably 0.5 mm or more from the viewpoint of improving the gas sealability, and the electrode area is lost. From the viewpoint of reducing the thickness, it is preferably 5 mm or less.

負極拡散層の厚みは、100〜1000μmであることが好ましい。また、負極ガスシールの厚みは、50〜1000μmであることが好ましい。   The thickness of the negative electrode diffusion layer is preferably 100 to 1000 μm. Moreover, it is preferable that the thickness of a negative electrode gas seal is 50-1000 micrometers.

正極拡散層および負極拡散層は、多孔性の電子導電性材料で構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層および負極拡散層の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子(PTFE樹脂粒子など)を含む炭素粉末のペーストを塗布してもよい。   The positive electrode diffusion layer and the negative electrode diffusion layer are made of a porous electronic conductive material, and for example, a porous carbon sheet subjected to a water repellent treatment is used. In addition, a carbon powder paste containing fluororesin particles (such as PTFE resin particles) is applied to the positive electrode diffusion layer and the catalyst layer side of the negative electrode diffusion layer for the purpose of further improving water repellency and improving contact with the catalyst layer. May be.

正極ガスシールおよび負極ガスシールの材質には、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、PTFEフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。   As materials for the positive electrode gas seal and the negative electrode gas seal, various materials known as seal materials in the field of fuel cells, for example, silicon rubber, ethylene-propylene-diene rubber, PTFE film, polyimide film, and the like can be used.

なお、本発明の燃料電池では、燃料電池を構成するMEAにおいて、正極と負極とを、例えば、抵抗およびスイッチを介してリード体などで接続するなどして、導通可能なように構成していることが好ましい。このような構成のMEAを有する燃料電池では、燃料電池による発電の終了時に、前記のスイッチを入れるなどしてMEAに係る正極と負極とを短絡させて、燃料電池内に残留する水素などの燃料を消費することができる。そのため、燃料電池による発電の終了時に燃料電池内に残留する燃料による燃料電池の劣化を抑制することができる。   In the fuel cell of the present invention, in the MEA constituting the fuel cell, the positive electrode and the negative electrode are connected to each other by, for example, a lead body via a resistor and a switch, etc. It is preferable. In the fuel cell having the MEA having such a configuration, when the power generation by the fuel cell is finished, the positive electrode and the negative electrode related to the MEA are short-circuited by, for example, turning on the above-described fuel, and the fuel such as hydrogen remaining in the fuel cell. Can be consumed. Therefore, deterioration of the fuel cell due to fuel remaining in the fuel cell at the end of power generation by the fuel cell can be suppressed.

燃料電池に係るMEAにおいて、正極と負極とを、前記のように抵抗を介して導通可能なように構成する場合、かかる抵抗としては、例えば、燃料電池発電システムに係る燃料電池の停止後、MEAの正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよく、抵抗を用いなくても、このような時間でMEAの正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。   In the MEA according to the fuel cell, when the positive electrode and the negative electrode are configured to be conductive through the resistance as described above, the resistance may be, for example, after the fuel cell according to the fuel cell power generation system is stopped, What is necessary is just to use what has a resistance value that the time required for the voltage between the positive electrode and the negative electrode to become 0.1 V or less within 1 minute, and without using a resistor, the MEA can be used in such a time. As long as the voltage between the positive electrode and the negative electrode can be lowered as described above, the connection may be made by connecting with a lead body or the like only through a switch without using a resistor.

図8に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例を概略的に示す。図8中、100は燃料電池(本発明の燃料電池)で、600は燃料電池100へ燃料である水素を供給するための水素供給源である。水素供給源600は、水素発生物質604を収容した水素発生容器603と、水602を収容した水容器601とを有している水素製造装置である。水容器601からポンプ201を用い配管501、502を通じて水602を水素発生容器603に供給すると、水素発生物質604と水602との反応によって水素が発生し、この水素が、配管503、水トラップ(凝縮水分離器)801、配管504、505、506を通じて燃料電池100へ供給される。   FIG. 8 schematically shows an example of a fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention. In FIG. 8, reference numeral 100 denotes a fuel cell (the fuel cell of the present invention), and 600 denotes a hydrogen supply source for supplying hydrogen as a fuel to the fuel cell 100. The hydrogen supply source 600 is a hydrogen production apparatus having a hydrogen generation container 603 that contains a hydrogen generating substance 604 and a water container 601 that contains water 602. When water 602 is supplied from the water container 601 to the hydrogen generation container 603 through the pipes 501 and 502 using the pump 201, hydrogen is generated by the reaction between the hydrogen generating substance 604 and the water 602, and this hydrogen is supplied to the pipe 503, the water trap ( Condensed water separator) 801 and pipes 504, 505 and 506 are supplied to the fuel cell 100.

101は送風ファンであり、燃料電池100の正極への空気の供給、水素消費装置900への空気の供給および燃料電池100の冷却のためのものである。また、図8中の矢印は、送風ファン101により送られる空気の流れの方向を示している(後記の図10および図11においても、同じである。)。図8に示すように、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、送風ファン101を有していることが好ましい。   Reference numeral 101 denotes a blower fan for supplying air to the positive electrode of the fuel cell 100, supplying air to the hydrogen consuming device 900, and cooling the fuel cell 100. Moreover, the arrow in FIG. 8 has shown the direction of the flow of the air sent by the ventilation fan 101 (it is the same also in FIG. 10 and FIG. 11 mentioned later). As shown in FIG. 8, the fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention preferably has a blower fan 101.

図8に示す燃料電池発電システムは、燃料電池100内のガスをシステム外に排出するための排気手段を有しており、排気手段は、燃料電池100内のガスを燃料電池100外に間欠的に排出するためのパージバルブ310と、燃料電池100から排出されたガス中の水素を消費するための水素消費装置900とを備えている。   The fuel cell power generation system shown in FIG. 8 has exhaust means for discharging the gas in the fuel cell 100 to the outside of the system, and the exhaust means intermittently discharges the gas in the fuel cell 100 to the outside of the fuel cell 100. And a purge valve 310 for discharging the hydrogen gas and a hydrogen consuming device 900 for consuming hydrogen in the gas discharged from the fuel cell 100.

図8に示す燃料電池発電システムに係る排気手段は、配管507、圧力センサ400、パージバルブ310、配管509、水容器601、配管510、水素消費装置900、配管514により構成されている。   8 includes a pipe 507, a pressure sensor 400, a purge valve 310, a pipe 509, a water container 601, a pipe 510, a hydrogen consumption device 900, and a pipe 514.

図8に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池100による発電に伴って、燃料電池100の負極側にガス(発電に関与しなかった残留水素および発電の際に正極側から拡散してくる不純ガスを含むガス)や生成水が蓄積するが、これらによって燃料電池100内(および配管507内)の圧力がある程度高まった時点で、パージバルブ310によって前記のガスや生成水を配管509側に排出できる。このように、パージバルブ310の作用によって、燃料電池100内のガスや生成水を間欠的に燃料電池100外に排出できるため、例えば、水素供給源から供給する水素のうち、発電に必要な量を上回る分を低減しても、生成水を良好に排出でき、ガス中に含まれる水素量を減らすことができる。   In the fuel cell power generation system shown in FIG. 8, as power is generated by the fuel cell 100, gas (residual hydrogen not involved in power generation and impure gas diffused from the positive electrode during power generation) is generated on the negative electrode side of the fuel cell 100. Gas) and produced water accumulate, but when the pressure in the fuel cell 100 (and in the pipe 507) increases to some extent by these, the purge valve 310 can discharge the gas and produced water to the pipe 509 side. As described above, the gas and generated water in the fuel cell 100 can be intermittently discharged out of the fuel cell 100 by the action of the purge valve 310. For example, of the hydrogen supplied from the hydrogen supply source, the amount necessary for power generation is reduced. Even if the excess is reduced, the produced water can be discharged well, and the amount of hydrogen contained in the gas can be reduced.

なお、図8に示すシステムでは、圧力センサ400を備えており、この圧力センサ400によって配管507内の圧力を測定しながら、適時パージバルブ310を開いて、燃料電池500からのガスや生成水を配管509側へ排出できる。このように、燃料電池発電システムでは、燃料電池100の負極側の圧力を圧力センサ400で測定し、これにより得られた圧力情報に基づいて、パージバルブ310の開閉動作を制御することが好ましい。パージバルブは、燃料電池内の負極の圧力と外部の圧力(例えば大気圧)との差圧が5〜300kPaに達した段階で開閉動作を行うよう制御されるのが望ましい。差圧が5kPa未満で開く場合は、圧力差が小さすぎて水を排出する能力が低下し、差圧が300kPaを超えるまで開かない場合は、内圧が高くなりすぎてMEAを破損する虞が生じる。   The system shown in FIG. 8 includes a pressure sensor 400. While the pressure sensor 400 measures the pressure in the pipe 507, the purge valve 310 is opened in a timely manner to supply gas and generated water from the fuel cell 500 to the pipe. Can be discharged to the 509 side. Thus, in the fuel cell power generation system, it is preferable to control the opening / closing operation of the purge valve 310 based on the pressure information obtained by measuring the pressure on the negative electrode side of the fuel cell 100 with the pressure sensor 400. The purge valve is desirably controlled so as to open and close when the pressure difference between the pressure of the negative electrode in the fuel cell and the external pressure (for example, atmospheric pressure) reaches 5 to 300 kPa. If the differential pressure is opened at less than 5 kPa, the pressure difference is too small and the ability to discharge water decreases. If the differential pressure does not open until the differential pressure exceeds 300 kPa, the internal pressure becomes too high and the MEA may be damaged. .

前記のような構成とすることで、燃料電池内の圧力情報を測定しながら適性に発電を行うことができるため、圧力が高くなりすぎて燃料電池から水素が漏れ出たり、燃料電池が破裂したりすることを抑制できる。また、燃料電池の出力状態と圧力情報とを考慮して、出力を適正に維持できるように発電させることも可能となる。   With such a configuration, it is possible to appropriately generate power while measuring pressure information in the fuel cell, so that the pressure becomes too high and hydrogen leaks from the fuel cell or the fuel cell bursts. Can be suppressed. In addition, it is possible to generate power so that the output can be properly maintained in consideration of the output state of the fuel cell and the pressure information.

図8に示すシステムでは、燃料電池100から排出されたガスや生成水は、配管509から、水素供給源600の水容器601へ導入される。水容器601は、水トラップとしても作用するため、燃料電池100から排出された生成水が水容器601で回収される。このように、燃料電池発電システムでは、燃料電池から排出されたガス中に含まれる水(生成水)を回収するために、水トラップなどの水回収手段を、パージバルブと水素消費装置との間に備えていることが好ましい。このような構成とすることで、燃料電池から排出されたガスから生成水を除去した上で、前記ガスを水素消費装置に供給できるため、水素消費装置内で生成水が溜まることによる水素消費効率の低下を抑制することができ、より効率的な水素除去が可能となる。   In the system shown in FIG. 8, the gas and generated water discharged from the fuel cell 100 are introduced from the pipe 509 to the water container 601 of the hydrogen supply source 600. Since the water container 601 also functions as a water trap, the generated water discharged from the fuel cell 100 is collected in the water container 601. As described above, in the fuel cell power generation system, in order to recover water (produced water) contained in the gas discharged from the fuel cell, water recovery means such as a water trap is provided between the purge valve and the hydrogen consuming device. It is preferable to provide. By adopting such a configuration, it is possible to supply the gas to the hydrogen consuming device after removing the generated water from the gas discharged from the fuel cell. Therefore, the hydrogen consumption efficiency due to accumulation of the generated water in the hydrogen consuming device. Can be suppressed, and more efficient hydrogen removal can be achieved.

また、燃料電池発電システムでは、水回収手段により回収した燃料電池内の生成水を、水素発生物質との反応(すなわち、水素の製造)に利用することが好ましい。図8のシステムでは、水素供給源600の水容器601が水回収手段を兼ねているため、燃料電池100から排出された生成水を、水素製造用の水として利用することができる。このような構成とすることで、システムをコンパクトにすることができると共に、エネルギーの利用率を高めることができる。   Further, in the fuel cell power generation system, it is preferable to use the generated water in the fuel cell recovered by the water recovery means for the reaction with the hydrogen generating substance (that is, the production of hydrogen). In the system of FIG. 8, since the water container 601 of the hydrogen supply source 600 also serves as the water recovery means, the generated water discharged from the fuel cell 100 can be used as water for hydrogen production. With such a configuration, the system can be made compact and the energy utilization rate can be increased.

図8に示すシステムでは、水容器601によって水(生成水)が除去されたガス(燃料電池100から排出されたガス)が、配管510を通じて水素消費装置900に導入される。図8の水素消費装置900はMEAを有しており(図示しない)、燃料電池100の有するMEAによる発電と同じ機構によって、ガス中の水素を消費する。水素消費装置900に連結されている配管514は外気と接しており、水素消費装置900によって水素が除去されたガスは、配管514を通じてシステム外に排出される。なお、図8に示すシステムでは、配管514の出口が、送風ファン101からの送風が当たるように配置しているため、水素消費装置で処理しきれずに僅かに水素が残留していても、希釈しつつシステム外に排出することができる。   In the system shown in FIG. 8, the gas from which water (product water) has been removed by the water container 601 (the gas discharged from the fuel cell 100) is introduced into the hydrogen consuming apparatus 900 through the pipe 510. The hydrogen consuming apparatus 900 of FIG. 8 has an MEA (not shown), and consumes hydrogen in the gas by the same mechanism as the power generation by the MEA of the fuel cell 100. A pipe 514 connected to the hydrogen consuming apparatus 900 is in contact with outside air, and the gas from which hydrogen has been removed by the hydrogen consuming apparatus 900 is discharged out of the system through the pipe 514. In the system shown in FIG. 8, the outlet of the pipe 514 is arranged so as to be blown from the blower fan 101, so that even if hydrogen remains slightly without being processed by the hydrogen consuming device, dilution is performed. However, it can be discharged out of the system.

なお、燃料電池では、一般に、発電が停止している際に、燃料電池内の正極に空気、負極に水素がそれぞれ貯留した状態が長時間継続すると、劣化が生じる。この原因は定かではないが、この場合、電圧が発電時よりも高い状態で維持されるために、正負極の炭素や触媒が酸化するためではないかと推測される。よって、燃料電池発電システムでは、発電の終了時に、燃料電池内への水素の侵入を防止できるように構成されていたり、燃料電池内に残留する水素を除去できるように構成されていたりすることが好ましい。   In a fuel cell, in general, when power generation is stopped, deterioration occurs when the state in which air is stored in the positive electrode and hydrogen is stored in the negative electrode in the fuel cell continues for a long time. The cause of this is not clear, but in this case, since the voltage is maintained in a higher state than during power generation, it is presumed that the positive and negative carbon and catalyst are oxidized. Therefore, the fuel cell power generation system may be configured to prevent hydrogen from entering the fuel cell at the end of power generation or may be configured to remove hydrogen remaining in the fuel cell. preferable.

図8に示すシステムでは、水素供給源600からの水素を燃料電池へ導入するための配管504と配管505との間に三方形弁302が設けられており、この三方形弁302は配管511とも接続しており、更に、この配管511は、水容器601と水素消費装置900との間に設置された配管510に接続している。そのため、燃料電池100の発電終了時に、三方形弁302を作動させて、水素供給源600からの水素を、燃料電池100に送らずに、配管511、510を通じて水素消費装置900に直接供給し、処理することができる。これにより、図8に示すシステムでは、燃料電池100による発電の終了時に、燃料電池100内への水素の侵入を防止して、かかる水素による燃料電池100の劣化を抑制することができる。   In the system shown in FIG. 8, a three-way valve 302 is provided between a pipe 504 and a pipe 505 for introducing hydrogen from the hydrogen supply source 600 into the fuel cell. Furthermore, this pipe 511 is connected to a pipe 510 installed between the water container 601 and the hydrogen consuming apparatus 900. Therefore, at the end of power generation of the fuel cell 100, the three-way valve 302 is operated to supply the hydrogen from the hydrogen supply source 600 directly to the hydrogen consuming device 900 through the pipes 511 and 510 without being sent to the fuel cell 100. Can be processed. Accordingly, in the system shown in FIG. 8, at the end of power generation by the fuel cell 100, hydrogen can be prevented from entering the fuel cell 100 and deterioration of the fuel cell 100 due to the hydrogen can be suppressed.

また、図8に示すシステムでは、水素供給源600の水容器601と水素発生容器603とを接続する配管501、502に三方形弁301が接続されており、この三方形弁301は、配管512とも接続されている。更に、配管512は、三方形弁303を介して、水素供給源600から燃料電池へ水素を供給するための配管505および配管506とも接続されている。そのため、燃料電池100の発電終了時に、三方形弁301、303を作動させ、更にパージバルブ310を作動させて、水容器601内の水を配管512および配管506を通じて、燃料電池100内に供給できる。これにより、図8に示すシステムでは、燃料電池100による発電の終了時において、燃料電池100内に残留している水素を水で置換することができるため、かかる水素が燃料電池100内に残留することによる燃料電池100の劣化も抑制できる。   Further, in the system shown in FIG. 8, a three-way valve 301 is connected to pipes 501 and 502 that connect a water container 601 and a hydrogen generation container 603 of the hydrogen supply source 600, and the three-way valve 301 is connected to a pipe 512. Are also connected. Further, the pipe 512 is connected to a pipe 505 and a pipe 506 for supplying hydrogen from the hydrogen supply source 600 to the fuel cell via the three-way valve 303. Therefore, at the end of power generation of the fuel cell 100, the three-way valves 301 and 303 are operated, and the purge valve 310 is further operated, so that the water in the water container 601 can be supplied into the fuel cell 100 through the pipe 512 and the pipe 506. Thus, in the system shown in FIG. 8, at the end of power generation by the fuel cell 100, the hydrogen remaining in the fuel cell 100 can be replaced with water, so that the hydrogen remains in the fuel cell 100. Therefore, the deterioration of the fuel cell 100 can also be suppressed.

また、前記のように、燃料電池100による発電の終了時において、燃料電池100内に水を貯留することができるため、燃料電池100の有するMEA中の固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つことが可能となる。一般に、固体高分子形燃料電池では、長時間停止していると、固体高分子電解質膜が乾燥してしまうが、このような状態となると、再起動時に発電による自己湿潤が必要となり、出力の立ち上がりに時間を要するようになる。しかしながら、図8に示すシステムでは、前記の通り、燃料電池100による発電の終了時に、燃料電池100内を水で満たすことができるため、固体高分子電解質膜の乾燥を防いで、再起動時に初期から高い出力を発揮することが可能となる。   Further, as described above, since water can be stored in the fuel cell 100 at the end of power generation by the fuel cell 100, the solid polymer electrolyte membrane in the MEA of the fuel cell 100 is kept in a wet state. Is possible. Generally, in a polymer electrolyte fuel cell, if it is stopped for a long time, the polymer electrolyte membrane is dried, but in such a state, self-wetting by power generation is required at the time of restart, and the output is reduced. It takes time to get up. However, in the system shown in FIG. 8, as described above, when the power generation by the fuel cell 100 is completed, the fuel cell 100 can be filled with water. Therefore, it becomes possible to demonstrate a high output.

更に、図8に示すシステムでは、発電の終了時に燃料電池100内に供給する水を、水素供給源600の水容器601から供給できるため、別途水容器などを備える必要がなく、コンパクトなシステムとすることができる。また、発電の終了時に燃料電池内に供給する水は、前記水回収手段(水トラップ)から直接供給してもよい。   Furthermore, in the system shown in FIG. 8, since water supplied into the fuel cell 100 at the end of power generation can be supplied from the water container 601 of the hydrogen supply source 600, there is no need to provide a separate water container or the like, can do. Further, the water supplied into the fuel cell at the end of power generation may be supplied directly from the water recovery means (water trap).

本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムにおいて、燃料電池に水素を供給するための水素供給源としては、図8に示すように、水素発生物質と水との反応により発生する水素を供給する機構を有する水素製造装置であることが好ましい。   In the fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention, as a hydrogen supply source for supplying hydrogen to the fuel cell, as shown in FIG. 8, hydrogen generated by the reaction between the hydrogen generating substance and water is supplied. It is preferable that the hydrogen production apparatus have a mechanism for

図8に示すシステムに係る水素製造装置(水素供給源)600は、前記の通り、水素発生容器603と水容器601とを有している。水素発生容器603は水素発生物質604を収容しており、ここに水容器601から水602を供給し、水素発生容器603内で水素発生物質604と水602とを反応させて水素を製造する。水素発生容器603で発生した水素は、配管503、504、505、506からなる燃料流路を経て燃料電池100に供給される。   The hydrogen production apparatus (hydrogen supply source) 600 according to the system shown in FIG. 8 includes the hydrogen generation container 603 and the water container 601 as described above. The hydrogen generating container 603 contains a hydrogen generating substance 604. Water 602 is supplied from the water container 601 to the hydrogen generating container 603, and the hydrogen generating substance 604 and the water 602 are reacted in the hydrogen generating container 603 to produce hydrogen. Hydrogen generated in the hydrogen generation container 603 is supplied to the fuel cell 100 through a fuel flow path including pipes 503, 504, 505, and 506.

水容器601から水素発生容器603に水を供給するための配管501、502には、水供給ポンプ201が設けられている。なお、水容器601に収容する水は、中性の水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液など、少なくとも水を含む液体であればよく、使用する水素発生物質との反応性などに応じて好適なものを選択すればよい。   A water supply pump 201 is provided in the pipes 501 and 502 for supplying water from the water container 601 to the hydrogen generation container 603. The water contained in the water container 601 may be a liquid containing at least water, such as neutral water, an acidic aqueous solution, or an alkaline aqueous solution, and suitable water depending on the reactivity with the hydrogen generating material used. Just choose.

水素発生容器603および水容器602は脱着式とすることもできる。これにより、水素発生容器603内の水素発生物質が消費されつくしたり、水容器602内の水がなくなったりした場合に、これらを取り外し、水素発生物質が充填された水素発生容器603や水が充填された水容器602を新たに取り付けることで、再び水素製造を行うことが可能となる。   The hydrogen generation container 603 and the water container 602 may be detachable. As a result, when the hydrogen generating material in the hydrogen generating container 603 is completely consumed or when the water in the water container 602 is exhausted, these are removed and the hydrogen generating container 603 filled with the hydrogen generating material or water is filled. By newly attaching the water container 602, hydrogen production can be performed again.

水素発生容器603に収容される水素発生物質としては、特に制限はないが、水と120℃以下の低温で反応して水素を発生し得るものが望ましい。例えば、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属;アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムより選ばれる1種以上の元素を50質量%以上、好ましくは80質量%以上、より好ましくは90質量%以上含有する合金;金属水素化物;などが好適に使用できる。   The hydrogen generating material accommodated in the hydrogen generating vessel 603 is not particularly limited, but is preferably a substance capable of generating hydrogen by reacting with water at a low temperature of 120 ° C. or lower. For example, a metal such as aluminum, silicon, zinc, magnesium; one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium are contained in an amount of 50% by mass or more, preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more. Alloys, metal hydrides, and the like can be preferably used.

なお、前記の金属や合金からなる水素発生物質は、表面に酸化皮膜を形成して安定化する。このため、反応性を高めるためには、水素発生物質の粒径をできるだけ小さくし、反応面積を大きくすることが好ましい。例えば、水素発生物質粒子の平均粒径は、100μm以下であることが好ましく、50μm以下であることがより好ましい。また、粒子形状は、反応効率を高めるためにフレークであることが好ましい。粒径が小さすぎると、嵩密度が小さくなり、充填密度が低下するだけでなく、取り扱いが困難になるため、水素発生物質の粒径は、0.1μm以上とすることが好ましい。   The hydrogen generating material made of the metal or alloy is stabilized by forming an oxide film on the surface. For this reason, in order to increase the reactivity, it is preferable to make the particle size of the hydrogen generating material as small as possible and increase the reaction area. For example, the average particle diameter of the hydrogen generating substance particles is preferably 100 μm or less, and more preferably 50 μm or less. The particle shape is preferably flakes in order to increase reaction efficiency. If the particle size is too small, the bulk density is reduced, the packing density is lowered, and handling becomes difficult. Therefore, the particle size of the hydrogen generating material is preferably 0.1 μm or more.

平均粒径の測定方法としては、例えば、レーザー回折・散乱法などを用いることができる。具体的には、水などの液相に分散させた測定対象物質にレーザー光を照射することによって検出される散乱強度分布を利用した粒子径分布の測定方法である。レーザー回折・散乱法による粒子径分布測定装置としては、例えば、日機装株式会社製の「マイクロトラックHRA」などを用いることができる。   As a method for measuring the average particle diameter, for example, a laser diffraction / scattering method or the like can be used. Specifically, this is a particle diameter distribution measurement method using a scattering intensity distribution detected by irradiating a measurement target substance dispersed in a liquid phase such as water with laser light. As a particle size distribution measuring apparatus using a laser diffraction / scattering method, for example, “Microtrack HRA” manufactured by Nikkiso Co., Ltd. can be used.

また、水素発生物質として用い得る金属水素化物としては、例えば、水素化ホウ素ナトリウムまたは水素化ホウ素カリウムなどが挙げられる。これらの金属水素化物は、アルカリ水溶液中では比較的安定であるが、触媒が存在する場合、速やかに水と反応して水素を発生することができる。触媒としては例えばPt、Niなどの金属や酸などを用いることができる。   Examples of the metal hydride that can be used as the hydrogen generating substance include sodium borohydride and potassium borohydride. These metal hydrides are relatively stable in an aqueous alkali solution, but when a catalyst is present, they can rapidly react with water to generate hydrogen. As the catalyst, for example, metals such as Pt and Ni, acids, and the like can be used.

水素発生物質は、前記例示のものを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   As the hydrogen generating substance, those exemplified above may be used alone or in combination of two or more.

前記の水素発生物質は、水との反応性を高めるため、水と混合された状態で加熱してもよく、加熱された水を供給してもよい。   In order to increase the reactivity with water, the hydrogen generating substance may be heated while being mixed with water, or heated water may be supplied.

また、前記の水素発生物質を、水と反応して発熱する発熱物質(水素発生物質以外の物質)と共に用いることにより、低温(例えば5℃程度)の水を供給しても、前記発熱物質の発熱によって反応系内の温度を高めて、迅速な水素発生が可能となる。   Further, by using the hydrogen generating material together with a heat generating material (a material other than the hydrogen generating material) that generates heat by reacting with water, even if low temperature (for example, about 5 ° C.) water is supplied, Heat generation increases the temperature in the reaction system, enabling rapid hydrogen generation.

水と反応して発熱する発熱物質は、例えば、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、硫酸カルシウムなど、水との反応により水酸化物となるか、あるいは、水和することにより発熱するアルカリ金属またはアルカリ土類金属の酸化物、塩化物、硫酸化合物などを例示することができる。また、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムなどの金属水素化物などのように水との反応により水素を生成するものは、前記の通り、水素発生物質として使用することが可能であるが、前記の金属や合金を水素発生物質として使用する場合の発熱物質としても用いることができる。   The exothermic substance that generates heat by reacting with water, for example, calcium oxide, magnesium oxide, calcium chloride, magnesium chloride, calcium sulfate, etc., becomes a hydroxide upon reaction with water, or generates heat when hydrated. Examples include alkali metal or alkaline earth metal oxides, chlorides, sulfate compounds, and the like. In addition, those that generate hydrogen by reaction with water, such as metal hydrides such as sodium borohydride, potassium borohydride, and lithium hydride, can be used as a hydrogen generating substance as described above. However, it can also be used as a heat generating material when the metal or alloy is used as a hydrogen generating material.

特に、水素発生物質として、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、マグネシウムといった金属や、アルミニウム、ケイ素、亜鉛、およびマグネシウムの中の1種以上の元素を主体とする合金を使用する場合には、前記発熱物質を併用することが好ましい。他方、水素発生物質として前記の金属水素化物を用いる場合には、前記発熱物質を併用しなくても、比較的良好な速度で水素を製造できるが、発熱物質を併用して、更に水素発生速度を高めてもよい。   In particular, when a metal such as aluminum, silicon, zinc, or magnesium or an alloy mainly composed of one or more elements selected from aluminum, silicon, zinc, and magnesium is used as the hydrogen generating material, the exothermic material is used. It is preferable to use together. On the other hand, when the metal hydride is used as a hydrogen generating substance, hydrogen can be produced at a relatively good rate without using the exothermic substance. May be increased.

水素発生容器603は、水素を発生させる水素発生物質を収納可能であれば、その材質や形状は特に限定されないが、水の供給口や水素の導出口以外から水や水素が漏れない材質や形状が好ましい。具体的な容器の材質としては、水および水素を透過しにくく、かつ120℃程度に加熱しても容器が破損しない材質が好ましく、例えば、アルミニウム、鉄などの金属、ポリエチレン、ポリプロピレンなどの樹脂を用いることができる。また、容器の形状としては、角柱状、円柱状などが採用できる。   The material and shape of the hydrogen generation container 603 are not particularly limited as long as it can store a hydrogen generating substance that generates hydrogen, but the material and shape from which water and hydrogen do not leak from other than the water supply port and the hydrogen outlet port. Is preferred. As a specific material of the container, a material that does not easily transmit water and hydrogen and that does not break even when heated to about 120 ° C. is preferable. For example, a metal such as aluminum or iron, or a resin such as polyethylene or polypropylene may be used. Can be used. Further, as the shape of the container, a prismatic shape, a cylindrical shape or the like can be adopted.

水容器601については特に制限はなく、例えば、従来の水素製造装置に使用されているものと同様の水を収容するタンクなどが採用できる。   There is no restriction | limiting in particular about the water container 601, For example, the tank etc. which accommodate the water similar to what is used for the conventional hydrogen production apparatus are employable.

水容器601中の水が、配管501、502を通じて水素発生容器603に供給されることで、水素発生容器603内の水素発生物質と反応して水素を発生するが、水素発生容器603内に存在する未反応の水が、発生した水素中に混入し、これらの混合物が配管503などからなる燃料流路を通じて燃料電池100に流入する場合がある。   When water in the water container 601 is supplied to the hydrogen generation container 603 through the pipes 501 and 502, it reacts with the hydrogen generating substance in the hydrogen generation container 603 to generate hydrogen, but is present in the hydrogen generation container 603. In some cases, unreacted water is mixed into the generated hydrogen, and the mixture of these flows into the fuel cell 100 through the fuel flow path including the pipe 503 and the like.

よって、水素製造装置(水素供給源)600には、燃料電池に水素を供給する燃料流路の途中に、凝縮水分離器(水トラップ)801を設けることが好ましい。図8に示すように、水素発生容器603から排出される水素ガスは、配管503を通って凝縮水分離器801に導入される。この間、水素ガスに含まれる水分は、配管503内で冷却され凝縮水となる。凝縮水は、重力によって凝縮水分離器801の下部に落下するため、水素ガスを水と分離することができる。分離された水素ガスは、配管504などを通じて燃料電池100に供給される。   Therefore, the hydrogen production apparatus (hydrogen supply source) 600 is preferably provided with a condensed water separator (water trap) 801 in the middle of the fuel flow path for supplying hydrogen to the fuel cell. As shown in FIG. 8, the hydrogen gas discharged from the hydrogen generation vessel 603 is introduced into the condensed water separator 801 through the pipe 503. During this time, the water contained in the hydrogen gas is cooled in the pipe 503 and becomes condensed water. Since condensed water falls to the lower part of the condensed water separator 801 by gravity, hydrogen gas can be separated from water. The separated hydrogen gas is supplied to the fuel cell 100 through the pipe 504 and the like.

また、図8に示すように、凝縮水分離器801と水容器601とを水回収用配管513で連結すれば、凝縮水分離器801で分離した水を水容器601に回収することができる。分離した水を回収することにより、水素発生のために供給する水の効率的な利用が可能となり、水容器601をよりコンパクトにすることができる。なお、凝縮水分離器801と水容器601とを連結する水回収用配管513には、図8に示すように、水を送り出すためのポンプ202を設置してもよい。   Further, as shown in FIG. 8, if the condensed water separator 801 and the water container 601 are connected by a water recovery pipe 513, the water separated by the condensed water separator 801 can be recovered in the water container 601. By recovering the separated water, the water supplied for hydrogen generation can be used efficiently, and the water container 601 can be made more compact. In addition, as shown in FIG. 8, the pump 202 for sending out water may be installed in the water collection | recovery piping 513 which connects the condensed water separator 801 and the water container 601. As shown in FIG.

燃料電池発電システムに係る水素消費装置は、システム内の水素を消費して除去できるものであれば特に制限はないが、例えば、MEAを有し、燃料電池に係るMEAによる発電と同じ機構により水素を消費する装置や、水素を酸化し得る触媒を有する装置などが挙げられる。   The hydrogen consuming apparatus according to the fuel cell power generation system is not particularly limited as long as it can consume and remove hydrogen in the system. For example, the hydrogen consuming apparatus has an MEA and has the same mechanism as the power generation by the MEA according to the fuel cell. And a device having a catalyst capable of oxidizing hydrogen.

燃料電池に係るMEAによる発電と同じ機構により水素を消費する装置としては、具体的には、図2および図3に示した燃料電池を構成するMEAのように、正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層が順次積層されており、正極と負極とが、例えば、スイッチおよび抵抗を介して導通可能なように接続されている構成のMEAを有する水素消費装置が挙げられる。   As an apparatus for consuming hydrogen by the same mechanism as the power generation by the MEA related to the fuel cell, specifically, like the MEA constituting the fuel cell shown in FIGS. 2 and 3, a positive electrode diffusion layer, a positive electrode catalyst layer, Hydrogen consumption having MEA having a structure in which a solid polymer electrolyte membrane, a negative electrode catalyst layer, and a negative electrode diffusion layer are sequentially laminated, and the positive electrode and the negative electrode are connected so as to be able to conduct through, for example, a switch and a resistor Apparatus.

水素消費装置のMEAに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層については、燃料電池のMEAに係る正極拡散層、正極触媒層、固体高分子電解質膜、負極触媒層および負極拡散層として、先に記載したものと同じものが使用できる。   Regarding the positive electrode diffusion layer, the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, the negative electrode catalyst layer, and the negative electrode diffusion layer according to the MEA of the hydrogen consuming apparatus, the positive electrode diffusion layer, the positive electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte membrane according to the MEA of the fuel cell As the negative electrode catalyst layer and the negative electrode diffusion layer, the same ones as described above can be used.

前記の水素消費装置の場合、ガス中の水素を消費する必要が生じたときに、正極と負極との接続部におけるスイッチを入れ、MEAの正極−負極間を導通させることで、ガス中の水素を消費できる。これにより、燃料電池内から排気され、システム外に排出する必要のあるガス中の水素や、燃料電池による発電の終了時に、水素供給源から燃料電池内に侵入する水素を、完全に無くすか、またはそれらの水素量を大幅に低減することができる。   In the case of the hydrogen consuming apparatus described above, when it is necessary to consume hydrogen in the gas, a switch is made at the connection between the positive electrode and the negative electrode, and conduction between the positive electrode and the negative electrode of the MEA is performed. Can be consumed. This completely eliminates hydrogen in the gas that is exhausted from the fuel cell and needs to be discharged outside the system, and hydrogen that enters the fuel cell from the hydrogen supply source at the end of power generation by the fuel cell, Alternatively, the amount of hydrogen can be greatly reduced.

なお、前記のMEAを有する水素消費装置において、MEAの正極と負極とを抵抗を介して接続する場合、かかる抵抗としては、例えば、水素消費装置内に水素が導入されてから、MEAの正極−負極間の電圧が0.1V以下となるのに要する時間が1分以内となるような抵抗値を有するものを用いればよい。また、抵抗を用いなくても、このような時間でMEAの正極−負極間の電圧を前記のように下げることができるのであれば、MEAの正極と負極とは、抵抗を用いずにスイッチのみを介してリード体などで接続して、導通可能としてもよい。   In the hydrogen consuming apparatus having the MEA, when the positive electrode and the negative electrode of the MEA are connected via a resistor, the resistance may be, for example, after the hydrogen is introduced into the hydrogen consuming device and then the positive electrode of the MEA A resistor having such a resistance value that the time required for the voltage between the negative electrodes to be 0.1 V or less is within one minute may be used. Further, if the voltage between the positive electrode and the negative electrode of the MEA can be reduced as described above without using a resistor, the positive electrode and the negative electrode of the MEA are only switches without using a resistor. It is good also as a conduction | electrical_connection by connecting with a lead body etc. via this.

なお、水素消費装置は、前記の通り、燃料電池と同様にMEAを備えているため、例えば、燃料電池に複数のMEAを有するもの(スタック)を使用し、その一部のMEA(例えば、1つ、2つ、3つなど)を水素消費装置として使用する形態で、燃料電池と水素消費装置とを一体化した構成とすることもできる。   As described above, since the hydrogen consuming apparatus includes the MEA similarly to the fuel cell, for example, a fuel cell having a plurality of MEAs (stack) is used, and a part of the MEA (for example, 1) is used. 1, 2, 3, etc.) can be used as the hydrogen consuming device, and the fuel cell and the hydrogen consuming device can be integrated.

図8に示す燃料電池発電システムでは、燃料電池100と水素消費装置900との一体化物を備えているが、図9に、前記一体化物の一例を模式的に表す斜視図を示している。図9に示す一体化物では、セパレータ10を介して積層された複数のMEA20のうち、上側部分が燃料電池100を構成し、下側部分が水素消費装置900を構成している。80は燃料供給口であり、例えば図8中の配管510と接続される。また、90は燃料排出口であり、例えば図8中の配管514と接続される。   The fuel cell power generation system shown in FIG. 8 includes an integrated product of the fuel cell 100 and the hydrogen consuming apparatus 900. FIG. 9 is a perspective view schematically showing an example of the integrated product. In the integrated product shown in FIG. 9, among the plurality of MEAs 20 stacked via the separator 10, the upper part constitutes the fuel cell 100 and the lower part constitutes the hydrogen consuming apparatus 900. A fuel supply port 80 is connected to, for example, a pipe 510 in FIG. Reference numeral 90 denotes a fuel discharge port, which is connected to, for example, a pipe 514 in FIG.

燃料電池と水素消費装置との一体化物を用いて燃料電池発電システムを構成することで、前記システムの小型化がより容易となる。この場合、水素消費装置として使用するMEAと発電用に使用するMEAとは接続せず、また、水素消費装置で水素を除去したガスを効率よくシステム外に排気でき、かつ効率よく発電できるように、水素消費装置として使用するMEAと発電用に使用するMEAとは、互いに内部のガスが行き来できないように構成する。   By configuring the fuel cell power generation system using an integrated body of the fuel cell and the hydrogen consuming device, the system can be more easily downsized. In this case, the MEA used as a hydrogen consuming device is not connected to the MEA used for power generation, and the gas from which hydrogen has been removed by the hydrogen consuming device can be efficiently exhausted out of the system, and power can be generated efficiently. The MEA used as the hydrogen consuming device and the MEA used for power generation are configured so that the internal gas cannot pass back and forth.

図10に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図10に示す燃料電池発電システムは、水素供給源600からの水素を燃料電池100に供給するための配管505および配管506と接続された三方形弁303に、更に外気を取り込むための配管515が接続されている。そして、燃料電池100による発電の終了時に、三方形弁303を作動させることによって、配管515を通じて燃料電池100の燃料供給口から、その内部に空気を取り込むことができるように構成している。また、図示していないが、燃料電池100内のMEAは、前記のように、正極と負極とが導通可能なように構成されており、燃料電池100内に空気を取り込むと共に、正極と負極とを短絡させて、燃料電池100内に残留している水素を消費できる。   FIG. 10 shows a schematic diagram of another example of the fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention. In the fuel cell power generation system shown in FIG. 10, a pipe 505 for supplying hydrogen from the hydrogen supply source 600 to the fuel cell 100 and a three-way valve 303 connected to the pipe 506 are further provided with a pipe 515 for taking outside air. It is connected. At the end of power generation by the fuel cell 100, the three-way valve 303 is operated so that air can be taken into the fuel supply port of the fuel cell 100 through the pipe 515. Further, although not shown, the MEA in the fuel cell 100 is configured so that the positive electrode and the negative electrode can conduct as described above, and while taking air into the fuel cell 100, the positive electrode and the negative electrode The hydrogen remaining in the fuel cell 100 can be consumed.

図10に示す燃料電池発電システムでは、前記の燃料電池100の燃料供給口から、その内部に空気を取り込むことによる作用と、燃料電池100のMEAの正極と負極とを短絡させることによる作用とによって、燃料電池による発電の終了時に、燃料電池内に残留する水素による燃料電池の劣化を抑制することができる。   In the fuel cell power generation system shown in FIG. 10, there is an action by taking air into the fuel supply port of the fuel cell 100 and an action by short-circuiting the positive electrode and the negative electrode of the MEA of the fuel cell 100. At the end of power generation by the fuel cell, deterioration of the fuel cell due to hydrogen remaining in the fuel cell can be suppressed.

図11に、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例の概略図を示す。図11に示す燃料電池発電システムは、水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置900を備えた例である。水素消費装置900は、送風ファン101から送られる空気を取り込むことのできる位置に配されており、小さなスペースで効率よく水素を消費できるように構成されている。そのため、図11に示す構成の燃料電池発電システムによっても、その小型化が容易である。   FIG. 11 shows a schematic diagram of another example of a fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention. The fuel cell power generation system shown in FIG. 11 is an example provided with a hydrogen consuming apparatus 900 having a catalyst capable of oxidizing hydrogen. The hydrogen consuming apparatus 900 is disposed at a position where the air sent from the blower fan 101 can be taken in, and is configured to efficiently consume hydrogen in a small space. Therefore, downsizing of the fuel cell power generation system having the configuration shown in FIG. 11 is easy.

水素を酸化し得る触媒を有する水素消費装置としては、例えば、前記触媒を含有するフィルター、筒状などの外装体に前記触媒を充填したもの、などが例示できる。なお、水素を酸化し得る触媒としては、例えば、MEAの負極触媒層における触媒として先に例示した各種触媒などを用いることができる。   Examples of the hydrogen consuming apparatus having a catalyst that can oxidize hydrogen include a filter containing the catalyst, a cylinder-shaped exterior body filled with the catalyst, and the like. In addition, as a catalyst which can oxidize hydrogen, the various catalysts previously illustrated as a catalyst in the negative electrode catalyst layer of MEA can be used, for example.

なお、これまで、図1〜図11を用いて本発明の燃料電池および本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムを説明したが、図1〜図11は、本発明の燃料電池、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システム、および該システムに使用可能な構成要素の一部を示したものに過ぎず、本発明の燃料電池や、本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムは、これらの図面に示すもの、またはこれらの図面に示す構成要素を有するものに限定される訳ではない。   In the above, the fuel cell of the present invention and the fuel cell power generation system using the fuel cell of the present invention have been described with reference to FIGS. 1 to 11. However, FIGS. The fuel cell power generation system using the fuel cell of the invention and only some of the components usable in the system are shown, and the fuel cell of the present invention and the fuel cell power generation using the fuel cell of the present invention The system is not limited to those shown in these drawings or having the components shown in these drawings.

以上の通り、本発明の燃料電池であれば、燃料電池自体、および燃料電池発電システムの小型化が容易である。よって、本発明の燃料電池は、パソコン、携帯電話などのコードレス機器といった高機能のポータブル型電子機器の電源用途を始めとして、従来の燃料電池が使用されている各種用途に好ましく用いることができる。   As described above, with the fuel cell of the present invention, it is easy to reduce the size of the fuel cell itself and the fuel cell power generation system. Therefore, the fuel cell of the present invention can be preferably used in various applications in which conventional fuel cells are used, including power supply applications of highly functional portable electronic devices such as cordless devices such as personal computers and mobile phones.

以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は、本発明を制限するものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples do not limit the present invention.

実施例1
図1に示す構造の燃料電池を作製した。正極触媒層、固体高分子電解質膜、および負極触媒層の積層体には、図5に示す構成のものを用いた。固体高分子電解質膜23には、デュポン社製「ナフィオン(登録商標)112」を用いた。Pt担持カーボン(田中貴金属社製「TEC10E50E」)と、5質量%濃度のNafion溶液(Aldrich社製)とを所定量で混合し、これをポリテトラフルオロエチレンシートの片面に塗布し、乾燥させた。前記の固体高分子電解質膜の両面に、前記のポリテトラフルオロエチレンシートを、Pt担持カーボンとNafion溶液との混合物の塗布面が固体高分子電解質膜側となるように重ねてホットプレスを行い、正極触媒雄、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体を得た。その後、前記積層体を、外形が24mm×85.5mmとなるように切り出した。
Example 1
A fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced. As the laminate of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer, one having the configuration shown in FIG. 5 was used. As the solid polymer electrolyte membrane 23, “Nafion (registered trademark) 112” manufactured by DuPont was used. Pt-supported carbon (“TEC10E50E” manufactured by Tanaka Kikinzoku Co., Ltd.) and a 5 mass% Nafion solution (manufactured by Aldrich) were mixed in a predetermined amount, and this was applied to one side of a polytetrafluoroethylene sheet and dried. . Hot-press the polytetrafluoroethylene sheet on both sides of the solid polymer electrolyte membrane so that the application surface of the mixture of Pt-supported carbon and Nafion solution is on the solid polymer electrolyte membrane side, A laminate of a positive electrode male catalyst, a solid polymer electrolyte membrane, and a negative electrode catalyst layer was obtained. Thereafter, the laminate was cut out so that the outer shape was 24 mm × 85.5 mm.

SGLカーボン社製の「GDL10DC」(厚み470μm)を24mm×71.5mmのサイズに切り出して正極拡散層に用いた。また、正極ガスシールには、24mm×7mmのシリコンゴムシート(厚み0.3mm)を2枚用意し、いずれにも20mm×3mmの穴(燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールド)を形成した。   “GDL10DC” (thickness: 470 μm) manufactured by SGL Carbon was cut into a size of 24 mm × 71.5 mm and used for the positive electrode diffusion layer. Further, two 24 mm × 7 mm silicon rubber sheets (thickness: 0.3 mm) were prepared for the positive electrode gas seal, and 20 mm × 3 mm holes (fuel supply manifold and fuel discharge manifold) were formed in both.

負極ガスシールには、正極ガスシールと同じシリコンゴムシートを用い、サイズを24mm×85.5mmとし、かつ、負極拡散層を挿入すると共に燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドを構成するための、20mm×81.5mmのサイズの穴を形成した。負極拡散層には、正極拡散層に用いたものと同じ材料を使用し、20mm×75.5mmのサイズに切り出して用いた。   For the negative electrode gas seal, the same silicon rubber sheet as the positive electrode gas seal is used, the size is set to 24 mm × 85.5 mm, and a negative electrode diffusion layer is inserted and a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold are formed. A hole with a size of 81.5 mm was formed. For the negative electrode diffusion layer, the same material as that used for the positive electrode diffusion layer was used, and cut into a size of 20 mm × 75.5 mm.

前記の積層体、正極拡散層、正極ガスシール、負極拡散層および負極ガスシールを、図2に示す順序および配置で積層したMEAを12個作製した。   Twelve MEAs were produced by laminating the above laminate, positive electrode diffusion layer, positive electrode gas seal, negative electrode diffusion layer and negative electrode gas seal in the order and arrangement shown in FIG.

セパレータには、カーボン製(最も厚い部分の厚みが2mm)で、図4に示す構成のものを用いた。外形は24mm×85.5mmとし、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12のサイズは20mm×3mmとした。酸素流路(冷却媒体流路を兼ねた酸素流路)13は、幅1.5mm、深さ1.5mmとし、酸素流路間のリブ14の幅は1mmとした。   A separator made of carbon (the thickness of the thickest part is 2 mm) and having the configuration shown in FIG. 4 was used. The outer shape was 24 mm × 85.5 mm, and the sizes of the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 were 20 mm × 3 mm. The oxygen flow path (oxygen flow path that also serves as a cooling medium flow path) 13 had a width of 1.5 mm and a depth of 1.5 mm, and the rib 14 between the oxygen flow paths had a width of 1 mm.

前記12個のMEAを、前記のセパレータを、酸素流路形成面側が正極拡散層側となるようにして各MEA間に介在させつつ重ね、上下を2枚のエンドプレート(アルミニウム製で、サイズが38mm×90mm)で挟持し、ボルトおよびナットを用いて固定して、図1に示す構造の燃料電池を作製した。この燃料電池の体積は143cmであった。 The twelve MEAs are stacked while the separator is interposed between the MEAs so that the oxygen flow path forming surface side is on the positive electrode diffusion layer side, and two end plates (made of aluminum and having a size) 38 mm × 90 mm) and fixed with bolts and nuts to produce a fuel cell having the structure shown in FIG. The volume of this fuel cell was 143 cm 3 .

比較例1
セパレータを図12に示す構成のものに変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。なお、図12の(a)は酸素流路13が形成されていない面側の平面図、(b)は(a)におけるA−A線断面図、(c)は酸素流路13が形成されている面側の平面図である。
Comparative Example 1
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the separator was changed to the one shown in FIG. 12A is a plan view of the surface side where the oxygen flow path 13 is not formed, FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 12A, and FIG. 12C is a view where the oxygen flow path 13 is formed. FIG.

比較例1の燃料電池に用いたセパレータは、外形が24mm×85.5mm、最も厚い部分の厚みが3mmで、燃料供給マニホールド11および燃料排出マニホールド12のサイズは20mm×3mmとした。また、酸素流路13は、幅1.5mm、深さ1.5mmとし、酸素流路間のリブ14の幅は1mmとした。更に、酸素流路13の形成面の反対面に、幅1mm、深さ1mmで、蛇行しつつ燃料供給マニホールド11から燃料排出マニホールドへ向かう燃料流路15[図12(a)中、ドットを入れて表示]を形成した。比較例1の燃料電池の体積は184cmであった。 The separator used in the fuel cell of Comparative Example 1 had an outer shape of 24 mm × 85.5 mm, the thickness of the thickest part was 3 mm, and the sizes of the fuel supply manifold 11 and the fuel discharge manifold 12 were 20 mm × 3 mm. The oxygen channel 13 was 1.5 mm wide and 1.5 mm deep, and the rib 14 between the oxygen channels was 1 mm wide. Further, on the surface opposite to the formation surface of the oxygen flow path 13, a fuel flow path 15 from the fuel supply manifold 11 to the fuel discharge manifold with a width of 1 mm and a depth of 1 mm [dots are inserted in FIG. Display] was formed. The volume of the fuel cell of Comparative Example 1 was 184 cm 3 .

本発明の燃料電池の一例の概略を表す斜視図である。It is a perspective view showing the outline of an example of the fuel cell of this invention. 図1の燃料電池の要部の分解図である。It is an exploded view of the principal part of the fuel cell of FIG. 図1の燃料電池の要部の断面図である。It is sectional drawing of the principal part of the fuel cell of FIG. 本発明の燃料電池に係るセパレータの一例の概略図で、(a)は負極拡散層に配置される側の平面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は正極拡散層に配置される側の平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic of an example of the separator concerning the fuel cell of this invention, (a) is a top view of the side arrange | positioned at a negative electrode diffused layer, (b) is the sectional view on the AA line of (a), (c) is It is a top view of the side arrange | positioned at a positive electrode diffusion layer. 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における正極触媒層、固体高分子電解質膜および負極触媒層の積層体の一例の概略図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic of an example of the laminated body of the positive electrode catalyst layer, the solid polymer electrolyte membrane, and the negative electrode catalyst layer in the electrode-electrolyte integrated object which concerns on the fuel cell of this invention, (a) is a top view, (b) is (a). It is an AA sectional view taken on the line. 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における正極拡散層の一例の概略図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic of an example of the positive electrode diffusion layer in the electrode-electrolyte integrated object which concerns on the fuel cell of this invention, (a) is a top view, (b) is the sectional view on the AA line of (a). 本発明の燃料電池に係る電極・電解質一体化物における負極拡散層の一例の概略図で、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A線断面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is the schematic of an example of the negative electrode diffused layer in the electrode-electrolyte integrated object which concerns on the fuel cell of this invention, (a) is a top view, (b) is the sectional view on the AA line of (a). 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the fuel cell power generation system using the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池と、水素消費装置との一体化物の一例の概略を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline of an example of the integrated object of the fuel cell of this invention, and a hydrogen consumption apparatus. 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the fuel cell power generation system using the fuel cell of this invention. 本発明の燃料電池を用いた燃料電池発電システムの他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other example of the fuel cell power generation system using the fuel cell of this invention. 比較例1の燃料電池に用いたセパレータの概略図で、(a)は負極拡散層に配置される側の平面図、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は正極拡散層に配置される側の平面図である。It is the schematic of the separator used for the fuel cell of the comparative example 1, (a) is a top view by the side arrange | positioned at a negative electrode diffused layer, (b) is the sectional view on the AA line of (a), (c) is It is a top view of the side arrange | positioned at a positive electrode diffusion layer.

符号の説明Explanation of symbols

10 セパレータ
11 燃料供給マニホールド
12 燃料排出マニホールド
13 酸素流路
100 燃料電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Separator 11 Fuel supply manifold 12 Fuel discharge manifold 13 Oxygen flow path 100 Fuel cell

Claims (8)

酸素を還元する正極触媒層を有する正極と、燃料を酸化する負極触媒層を有する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体高分子電解質膜とを有し、平面視での形状が四角形の電極・電解質一体化物を、セパレータを介して複数積層してなる燃料電池であって、
隣り合う2つの電極・電解質一体化物間に配置されるセパレータは、平面視での形状が四角形であり、かつ1枚で構成されており、
前記正極、前記負極、前記固体高分子電解質膜および前記セパレータには、四角形を形成する4辺のうちの1辺の近傍に燃料供給マニホールドが、前記1辺と対向する他辺の近傍に燃料排出マニホールドが形成されており、
前記セパレータの一面には、前記燃料供給マニホールドと前記燃料排出マニホールドとが形成された対向する2辺とは別の2辺を直線状に繋ぐ複数の酸素流路が、互いに平行または略平行に形成されており、かつ前記セパレータの他面が平面状であり、
前記セパレータは、酸素流路を有する面が電極・電解質一体化物の正極と接し、前記平面状の他面が、前記セパレータを介して前記電極・電解質一体化物と隣り合う電極・電解質一体化物の負極と接していることを特徴とする燃料電池。
A positive electrode having a positive electrode catalyst layer that reduces oxygen; a negative electrode having a negative electrode catalyst layer that oxidizes fuel; and a solid polymer electrolyte membrane disposed between the positive electrode and the negative electrode. A fuel cell formed by laminating a plurality of rectangular electrode / electrolyte integrated bodies via a separator,
The separator disposed between two adjacent electrode / electrolyte integrals has a quadrangular shape in plan view and is composed of one sheet,
The positive electrode, the negative electrode, the solid polymer electrolyte membrane, and the separator have a fuel supply manifold in the vicinity of one of the four sides forming a quadrangle, and a fuel discharge in the vicinity of the other side opposite to the one side. A manifold is formed,
On one surface of the separator, a plurality of oxygen flow paths that linearly connect two sides other than the two opposite sides on which the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold are formed are formed in parallel or substantially parallel to each other. And the other surface of the separator is planar,
The separator has a surface having an oxygen channel in contact with the positive electrode of the electrode / electrolyte integrated product, and the other planar surface is adjacent to the electrode / electrolyte integrated product through the separator and the negative electrode of the electrode / electrolyte integrated product. A fuel cell characterized by being in contact with
電極・電解質一体化物の負極は、負極拡散層を有しており、前記負極拡散層がセパレータと接している請求項1に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 1, wherein the negative electrode of the electrode / electrolyte integrated product has a negative electrode diffusion layer, and the negative electrode diffusion layer is in contact with the separator. 負極拡散層のセパレータと接する面に、燃料供給マニホールドと燃料排出マニホールドとを接続する燃料流路が形成されている請求項2に記載の燃料電池。   The fuel cell according to claim 2, wherein a fuel flow path for connecting the fuel supply manifold and the fuel discharge manifold is formed on a surface of the negative electrode diffusion layer in contact with the separator. 負極拡散層は、平面視で四角形であり、負極拡散層の外周外側に、燃料ガスの流出を抑制するための負極ガスシールが配置されており、負極拡散層の前記四角形を構成する4辺のうちの1辺と前記負極ガスシールとで燃料供給マニホールドが形成され、かつ、負極拡散層の前記1辺に対向する1辺と前記負極ガスシールとで燃料排出マニホールドが形成されている請求項2または3に記載の燃料電池。   The negative electrode diffusion layer is rectangular in plan view, and a negative electrode gas seal for suppressing outflow of fuel gas is disposed outside the outer periphery of the negative electrode diffusion layer. 3. A fuel supply manifold is formed by one of the sides and the negative electrode gas seal, and a fuel discharge manifold is formed by one side of the negative electrode diffusion layer facing the one side and the negative gas seal. Or 3. The fuel cell according to 3. 電極・電解質一体化物の正極は、正極拡散層を有しており、前記正極拡散層が、セパレータの酸素流路全面を覆う箇所に配置されている請求項1〜4のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode of the electrode / electrolyte integrated product has a positive electrode diffusion layer, and the positive electrode diffusion layer is disposed at a location covering the entire oxygen flow path of the separator. battery. 正極拡散層は、平面視で四角形であり、正極拡散層における、セパレータの有する酸素流路と平行または略平行な2辺の外側に、燃料ガスの流出を抑制するための正極ガスシールが配置されており、前記正極ガスシールに燃料供給マニホールドおよび燃料排出マニホールドが形成されている請求項5に記載の燃料電池。   The positive electrode diffusion layer is quadrangular in plan view, and a positive electrode gas seal for suppressing the outflow of fuel gas is disposed outside two sides of the positive electrode diffusion layer that are parallel or substantially parallel to the oxygen flow path of the separator. The fuel cell according to claim 5, wherein a fuel supply manifold and a fuel discharge manifold are formed on the positive electrode gas seal. セパレータの酸素流路が冷却媒体流路を兼ねている請求項1〜6のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 6, wherein an oxygen flow path of the separator also serves as a cooling medium flow path. 電極・電解質一体化物の有する正極触媒層と、負極触媒層と、固体高分子電解質とが、平面視で同一形状である請求項1〜7のいずれかに記載の燃料電池。   The fuel cell according to any one of claims 1 to 7, wherein the positive electrode catalyst layer, the negative electrode catalyst layer, and the solid polymer electrolyte of the electrode / electrolyte integrated product have the same shape in plan view.
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