JP3448550B2 - Polymer electrolyte fuel cell stack - Google Patents

Polymer electrolyte fuel cell stack

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JP3448550B2 JP2000178450A JP2000178450A JP3448550B2 JP 3448550 B2 JP3448550 B2 JP 3448550B2 JP 2000178450 A JP2000178450 A JP 2000178450A JP 2000178450 A JP2000178450 A JP 2000178450A JP 3448550 B2 JP3448550 B2 JP 3448550B2
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池スタックに関し、特にスタックの両端部に位置する
単セルの電池性能の低下を防止できるようにした固体高
分子型燃料電池スタックに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell stack, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell stack capable of preventing deterioration of cell performance of single cells located at both ends of the stack.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電
解質膜を電解質層として用い、この固体高分子電解質膜
の両側にアノードとカソードを設け、水素を含む燃料ガ
ス(水素リッチガス)及び酸素を含む酸化剤ガス(空
気)を供給して電気化学反応により起電力を得るもので
ある。この固体高分子型燃料電池の基本となるセル構造
は、図1に示すように固体高分子電解質膜1の両側の主
面にアノード2とカソード3とを接合してセルユニット
4が構成され、このセルユニット4の両側にセパレータ
5,6をそれぞれ配して単セル7が構成される。
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte fuel cell uses a solid polymer electrolyte membrane as an electrolyte layer, and an anode and a cathode are provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and a fuel gas containing hydrogen (hydrogen rich gas) and oxygen. An oxidant gas (air) containing is supplied to obtain an electromotive force by an electrochemical reaction. As shown in FIG. 1, the basic cell structure of this solid polymer electrolyte fuel cell has a cell unit 4 in which an anode 2 and a cathode 3 are joined to both main surfaces of a solid polymer electrolyte membrane 1. The unit cells 7 are formed by disposing the separators 5 and 6 on both sides of the cell unit 4.

【0003】前記固体高分子電解質膜1は、例えばスル
ホン酸基を有するポリスチレン系陽イオン交換膜をカチ
オン導電性膜としたもの、フロロカーボンスルホン酸と
ポリビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマ
トリックスにトリフロロエチレンをグラフト化したも
の、及びパーフロロカーボンスルホン酸膜(デュポン社
製Nafion膜)等が知られている。これら固体高分
子電解質膜1は、分子中にプロトン交換基を有してお
り、含水量を飽和させると比抵抗が常温で20Ωcm
以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。
The solid polymer electrolyte membrane 1 comprises, for example, a polystyrene cation exchange membrane having a sulfonic acid group as a cation conductive membrane, a mixed membrane of fluorocarbon sulfonic acid and polyvinylidene fluoride, and a fluorocarbon matrix with trifluorocarbon. A grafted product of ethylene, a perfluorocarbon sulfonic acid film (Nafion film manufactured by DuPont), and the like are known. These solid polymer electrolyte membranes 1 have a proton exchange group in the molecule and have a specific resistance of 20 Ωcm 2 at room temperature when the water content is saturated.
Below, it functions as a proton conductive electrolyte.

【0004】前記アノード2は、アノード触媒層2a
と、ガス拡散層2bと、これらの間に介在する混合物層
2cとから構成され、カソード3はカソード触媒層3a
と、ガス拡散層3bと、これらの間に介在する混合物層
3cとから構成される。このアノード2とカソード3
は、前記固体高分子電解質膜1の両側の主面に配置し、
ホットプレスすることにより電極/高分子膜接合体であ
るセルユニット4が形成される。
The anode 2 is an anode catalyst layer 2a.
And a gas diffusion layer 2b and a mixture layer 2c interposed therebetween, and the cathode 3 is a cathode catalyst layer 3a.
, A gas diffusion layer 3b, and a mixture layer 3c interposed therebetween. This anode 2 and cathode 3
Are arranged on both main surfaces of the solid polymer electrolyte membrane 1,
By hot pressing, the cell unit 4 which is an electrode / polymer membrane assembly is formed.

【0005】前記単セル7のセパレータ5,6は、内面
側にはガス流路5a、6aが、外面側には冷却水流路5
b、6bがそれぞれ設けられおり、アノード2側のセパ
レータ5のガス流路5aには水素を含む燃料ガス(水素
リッチガス)が、カソード側3側のセパレータ6のガス
流路6aには酸素を含む酸化剤ガス(空気)がそれぞれ
供給される。
The separators 5, 6 of the unit cell 7 have gas passages 5a, 6a on the inner surface side and a cooling water passage 5 on the outer surface side.
b and 6b are provided respectively, and the gas flow path 5a of the separator 5 on the anode 2 side contains a fuel gas containing hydrogen (hydrogen rich gas), and the gas flow path 6a of the separator 6 on the cathode side 3 contains oxygen. Oxidant gas (air) is supplied respectively.

【0006】このようにガスが供給されると、アノード
2では水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード
反応が、カソード3では酸素と水素イオンと電子から水
を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、アノード2
からカソード3に向かって外部回路を移動する電子によ
り起電力が生じると共に、カソード3側に水が生成され
る。即ち、次のような電気化学反応が行われる。 アノード:H→2H+2e(アノード反応) カソード:2H+1/2O+2e→HO(カソ
ード反応) 全体:H+1/2O→H
When the gas is supplied in this way, an anode reaction for decomposing hydrogen molecules into hydrogen ions and electrons is carried out at the anode 2, and an electrochemical reaction for producing water from oxygen, hydrogen ions and electrons is carried out at the cathode 3. I am the anode 2
The electrons moving in the external circuit from the cathode to the cathode 3 generate electromotive force, and water is generated on the cathode 3 side. That is, the following electrochemical reaction is performed. Anode: H 2 → 2H + + 2e (anode reaction) Cathode: 2H + + 1 / 2O 2 + 2e → H 2 O (cathode reaction) Whole: H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O

【0007】固体高分子電解質膜1は、上記のように含
水状態に保持することによって導電性を適正に発揮する
ため、燃料ガス及び/又は酸化剤ガスは加湿して一定の
水分を含ませた後供給し、この加湿水分によって湿潤さ
れるようにしてある。又、固体高分子電解質膜1の比抵
抗を小さくして発電効率を高く維持するために、通常5
0〜100℃で運転されるが、前記電気化学反応に伴う
発熱により温度が高温にならないように、前記セパレー
タ5,6の冷却水流路5b、6bに冷却水を供給して前
記所定の運転温度を保持するようにしている。
Since the solid polymer electrolyte membrane 1 properly exhibits conductivity by being kept in the water-containing state as described above, the fuel gas and / or the oxidant gas is humidified to contain a certain amount of water. It is supplied later and is moistened by this humidified water. Moreover, in order to reduce the specific resistance of the solid polymer electrolyte membrane 1 and maintain high power generation efficiency, it is usually required to
It is operated at 0 to 100 ° C., but cooling water is supplied to the cooling water passages 5 b and 6 b of the separators 5 and 6 so that the temperature does not rise due to the heat generated by the electrochemical reaction. Trying to hold.

【0008】前記単セル7の起電力は少量であるため、
図2のように複数の単セル7を直列方向に積層し、両側
に集電板8,9を配置すると共に、それらの外側に電気
絶縁板10,11を配置し、更にその外側に締付板1
2,13を配置し、これらの締付板12,13をボルト
14とナット15で締め付け固定してスタック16が構
成される。尚、17は皿ばねであって、スタック16に
適度の締め付け力を付与している。
Since the electromotive force of the unit cell 7 is small,
As shown in FIG. 2, a plurality of unit cells 7 are stacked in series, current collector plates 8 and 9 are arranged on both sides, and electric insulating plates 10 and 11 are arranged outside them, and further tightened on the outside. Board 1
2 and 13 are arranged, and the fastening plates 12 and 13 are fastened and fixed by the bolts 14 and the nuts 15 to form the stack 16. Reference numeral 17 is a disc spring that gives the stack 16 an appropriate tightening force.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記構成の固体高分子
型燃料電池スタックにおいて、スタック16の両端部に
位置する単セル7A、7Bは、片側端面を集電板8,9
に接触させた状態で保持されているため、両側に単セル
を配して積層された他の部分に位置する単セル7に比し
て、側面より熱伝導により放熱される割合が大きくな
る。このため、スタック16の両端部に位置する単セル
7A、7Bの温度は他の部分に位置する単セル7の温度
より低くなる傾向がある。
In the solid polymer electrolyte fuel cell stack having the above structure, the unit cells 7A and 7B located at both ends of the stack 16 have current collector plates 8 and 9 at one end face.
Since it is held in a state of being in contact with, the ratio of heat radiated by heat conduction from the side surface is larger than that of the unit cell 7 located at the other portion where the unit cells are arranged on both sides and stacked. Therefore, the temperatures of the unit cells 7A and 7B located at both ends of the stack 16 tend to be lower than the temperatures of the unit cells 7 located in other parts.

【0010】図4は、単セル7を10個積層してなる1
0セルスタックにおけるセル温度分布を測定したグラフ
であり、この場合セル番号1と10とがスタックの両端
部に位置する単セルであって、両方とも他の部分に位置
する単セル7よりも温度が低かった。
FIG. 4 shows a structure in which ten unit cells 7 are laminated 1
It is a graph which measured the cell temperature distribution in a 0 cell stack, and in this case, cell numbers 1 and 10 are unit cells located at both ends of the stack, and both are higher in temperature than unit cells 7 located in other parts. Was low.

【0011】このようにスタック16の両端部に位置す
る単セル7A、7Bの温度が低くなると、これらセルの
カソード3では、電極反応生成水及びアノード2からの
移動水の蒸気圧が低下し、カソード側触媒層3a或はガ
ス拡散層3bに凝縮水が滞留することにより、電池性能
低下を招くという問題が発生する。
When the temperatures of the unit cells 7A and 7B located at both ends of the stack 16 are lowered as described above, the vapor pressures of the electrode reaction product water and the transfer water from the anode 2 are lowered at the cathode 3 of these cells, Condensed water stays in the cathode side catalyst layer 3a or the gas diffusion layer 3b, which causes a problem that the battery performance is deteriorated.

【0012】上記問題を解決するには、従来例えば特開
平10−308229号公報に開示された技術がある。
この従来技術は、スタックの電気絶縁板に冷却水流路を
設け、この冷却水流路にスタック中を通過し電池反応の
熱を受けて温度上昇した冷却水を流すことで、スタック
両端部からの放熱を抑制し、両端部に位置する単セルの
温度低下を抑えるようにしたものである。
To solve the above problem, there is a technique disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-308229.
In this conventional technique, a cooling water flow path is provided in the electrical insulating plate of the stack, and the cooling water that has passed through the stack and has received the heat of the battery reaction to raise the temperature is flowed through this cooling water flow path to dissipate heat from both ends of the stack. To suppress the temperature drop of the unit cells located at both ends.

【0013】しかしながら、この従来技術によると、電
気絶縁板に冷却水の専用通路を設ける必要があって電池
モジュール構造が複雑になる。又、内部マニホールドを
介して各セルに反応ガスを供給する場合、通常反応ガス
はスタック両端に位置する締付板側から供給される。反
応ガスが空気の場合、供給量が燃料に比べて相当多いた
め、内部マニホールド内での空気流速が高まる結果、締
付板近傍に位置するセル(7A、7Bに相当する部分)
では他の部分のセルに比べ供給量が小さくなることがあ
る。このような場合、スタック両端部からの放熱を抑制
する手段を施しても、前述したような水凝縮により電池
性能低下を招く場合がある。
However, according to this conventional technique, it is necessary to provide a dedicated passage for the cooling water in the electric insulating plate, which complicates the battery module structure. Further, when the reaction gas is supplied to each cell through the internal manifold, the reaction gas is usually supplied from the side of the clamping plates located at both ends of the stack. When the reaction gas is air, the supply amount is much larger than that of the fuel, so that the air flow velocity in the internal manifold is increased, and as a result, the cells located near the tightening plate (the parts corresponding to 7A and 7B)
In some cases, the supply amount may be smaller than that in other cells. In such a case, even if a means for suppressing heat radiation from both ends of the stack is provided, the battery performance may be deteriorated due to the water condensation as described above.

【0014】更に他の解決手段としては、例えばスタッ
クの両端部に位置する単セルの側部に、断熱部材を取り
付けて単セルの側部からの放熱を防止する手段が考えら
れるが、スタックの構成部材が増えてコスト高になった
り、スタックのサイズが大きくなる等の難点が生じる。
As another solution, for example, a means for preventing heat radiation from the side of the unit cell by attaching a heat insulating member to the side of the unit cell located at both ends of the stack is conceivable. There are problems such as an increase in the number of constituent members, an increase in cost, and an increase in the size of the stack.

【0015】そこで、本発明は、スタックの構成部材は
変えることなく、スタックの両端部に位置する単セルの
温度低下を容認しつつ、これら両端部の単セルの電池性
能の低下を防止できるようにした固体高分子型燃料電池
スタックを提供することを目的とする。
Therefore, according to the present invention, it is possible to prevent the deterioration of the battery performance of the unit cells located at the both ends of the stack while allowing the temperature decrease of the unit cells located at the both ends of the stack without changing the constituent members of the stack. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell stack having the above structure.

【0016】[0016]

【課題を解決する手段】上記の目的を達成するために本
発明は、第1の手段として、固体高分子電解質膜の両面
にカソードとアノードを接合したセルユニットと、この
セルユニットの両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガス
を流通するためのガス流路を有するセパレータとから構
成される単セルを複数積層してなる固体高分子型燃料電
池スタックであって、このスタックの両端部に位置する
単セルにおいて、前記カソードのガス拡散層を構成する
カーボン材料の比表面積を、他の部分に位置する単セル
のそれよりも大きくしたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides, as a first means, a cell unit in which a cathode and an anode are bonded to both surfaces of a solid polymer electrolyte membrane, and a cell unit is disposed on both surfaces of the cell unit. is, a polymer electrolyte fuel cell stack formed by stacking a plurality of configured single cell and a separator having a gas flow path for flowing the oxidant gas or fuel gas, positioned at both ends of the stack In a single cell to form the gas diffusion layer of the cathode
It is characterized in that the specific surface area of the carbon material is made larger than that of the unit cells located in other portions .

【0017】本発明の前記第1の手段によれば、スタッ
クの両端部に位置する単セルのカソードのガス拡散層を
構成するカーボン材料の比表面積を大きくすることで、
カーボン材料により形成される細孔部の毛細管力による
水吸収力が増大し、このため反応生成水及び移動水がガ
ス拡散層中を移動し易くなり、酸化剤ガス中に放散され
て排出され易くなる。その結果、カソード触媒層中には
過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好となる。
According to the first means of the present invention, the stack
The gas diffusion layers of the single cell cathodes located at both ends of the
By increasing the specific surface area of the constituent carbon materials,
Due to the capillary force of the pores formed by the carbon material
The water absorption capacity is increased, and as a result, reaction product water and transfer water are
It becomes easier to move in the diffusion layer and is released into the oxidant gas.
Are easily discharged. As a result, in the cathode catalyst layer
Water does not stay excessively and the gas diffusivity becomes good.

【0018】更に、前記第1の手段に加えて、第2の手
段として、上記固体高分子型燃料電池スタックにおい
て、このスタックの両端部に位置する単セルのカソード
側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルの
それよりも小さくする。
Further, in addition to the first means, as a second means, the solid polymer fuel cell stack has
The single cell cathodes located at the ends of this stack
The pressure loss of the side gas flow path should be
Make it smaller than that.

【0019】前記第2の手段によれば、スタックの両端
部に位置する単セルのカソード側ガス流路の圧力損失を
小さくすることで、ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量
が増大し、反応生成水及び移動水が排出され易くなる。
これにより、カソード触媒層中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となる。
According to the second means, both ends of the stack are
The pressure loss of the gas flow path on the cathode side of the single cell
By making it smaller, the flow rate of the oxidant gas flowing through the gas flow path
Is increased, and the reaction product water and the transfer water are easily discharged.
As a result, excessive water is retained in the cathode catalyst layer.
Therefore, the gas diffusivity is improved.

【0020】そして、第3の手段として、固体高分子電
解質膜の両面にカソードとアノードを接合したセルユニ
ットと、このセルユニットの両面に配され、酸化剤ガス
又は燃料ガスを流通するためのガス流路を有するセパレ
ータとから構成される単セルを複数積層してなる固体高
分子型燃料電池スタックであって、このスタックの両端
部に位置する単セルにおいて、前記カソード側ガス拡散
層の撥水性を、他の部分に位置する単セルのそれよりも
低くすると共に、前記カソード側ガス流路の圧力損失
を、他の部分に位置する単セルのそれよりも小さくした
ことを特徴とする。
As a third means, a solid polymer electrolyte is used.
Cell unit with cathode and anode bonded to both sides of the electrolyte membrane
And the oxidizer gas on both sides of this cell unit.
Alternatively, a separator having a gas flow path for flowing fuel gas
The solid height formed by stacking multiple unit cells composed of
A molecular fuel cell stack, the ends of which are
In the single cell located at
The water repellency of the layer is better than that of the unit cells located in other parts.
The pressure loss in the gas passage on the cathode side as well as
Was made smaller than that of the single cell located in the other part
It is characterized by

【0021】前記第3の手段によれば、スタックの両端
部に位置する単セルのカソード側ガス拡散層の撥水性を
低くすることで、カソードでの反応生成水及びアノード
からの移動水がガス拡散層側に透過し易くなり、酸化剤
ガスとの接触面積が増加することから、酸化剤ガスと共
にガス流路を介して排出され易くなる。これにより、カ
ソード触媒層中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が
良好となる。
According to the third means, both ends of the stack are
The water repellency of the cathode side gas diffusion layer of the single cell
By lowering the reaction product water at the cathode and the anode
Transfer water from the gas diffusion layer side easily becomes
Because the contact area with the gas increases, it is
The gas is easily discharged through the gas flow path. This allows you to
Excessive water does not stay in the sword catalyst layer and gas diffusion
It will be good.

【0022】また、スタックの両端部に位置する単セル
のカソード側ガス流路の圧力損失を小さくすることで、
ガス流路を流れる酸化剤ガスの流量が増大し、反応生成
水及び移動水が排出され易くなる。これにより、カソー
ド触媒層中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好
となる。
Further , the single cells located at both ends of the stack
By reducing the pressure loss of the cathode gas flow path of
The flow rate of the oxidant gas flowing through the gas flow path increases and reaction is generated.
Water and mobile water are easily discharged. This will allow you to
Excessive amount of water does not stay in the catalyst layer and gas diffusion is good
Becomes

【0023】[0023]

【0024】[0024]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態について
説明する。固体高分子型燃料電池スタックの基本的構成
は、図2に示すスタック16と同じであり、前記の要領
にて形成される。但し、単セル7の積層数は10とし、
スタック16の両端部に位置する単セル(セル番号1及
び10とする)のセルユニット4は以下の実施例のよう
に製造する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Next, an embodiment of the present invention will be described. The basic structure of the polymer electrolyte fuel cell stack is the same as that of the stack 16 shown in FIG. 2, and is formed as described above. However, the number of stacked single cells 7 is 10,
The cell units 4 of single cells (denoted by cell numbers 1 and 10) located at both ends of the stack 16 are manufactured as in the following embodiments.

【0025】(実施例1) カソード3のガス拡散層3bとして用いるカーボン
ペーパー(東レ社製:TGP−H060)を所定寸法に
カットする。 カットしたカーボンペーパーを水との混合により比
重調整を行ったFEP(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)分散液に浸漬する。こ
の時、スタック16の両端部に位置する単セルのガス拡
散層については、FEP量を10重量%、その他に位置
する単セルのガス拡散層については、FEP量を20重
量%に調整した。その後乾燥し、380℃で約1時間熱
処理する。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン、固体高分子からなる触媒層3aを形成してカソ
ード3を完成させる。 既存の方法で作成したアノード2とで完成したカ
ソード3を固体高分子電解質膜1(デュポン社製:Na
fion112)の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット4を得る。 〜の方法で作成したセルユニット4のうち、ガ
ス拡散層3bのFEP量の少ない即ち撥水性の低いセル
ユニットを、スタックの両端部に位置する単セルのセル
ユニットとして用い、FEP量の多いセルユニットを他
の部分に位置する単セルのセルユニットとして用いて積
層を行い10セルスタックを作成した。
Example 1 A carbon paper (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) used as the gas diffusion layer 3b of the cathode 3 is cut into a predetermined size. The cut carbon paper is immersed in an FEP (tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer) dispersion whose specific gravity is adjusted by mixing with water. At this time, the FEP content was adjusted to 10% by weight for the single cell gas diffusion layers located at both ends of the stack 16, and the FEP content was adjusted to 20% by weight for the other single cell gas diffusion layers. Then, it is dried and heat-treated at 380 ° C. for about 1 hour. A catalyst layer 3a made of platinum-supporting carbon and a solid polymer is formed on the carbon paper which has been heat-treated to complete the cathode 3. The cathode 3 completed with the anode 2 prepared by the existing method is used as a solid polymer electrolyte membrane 1 (made by DuPont: Na
The cell unit 4 is obtained by arranging on both sides of the fion 112) and hot pressing. Among the cell units 4 produced by the methods (1) to (4), the cell unit having a small FEP amount of the gas diffusion layer 3b, that is, the cell unit having a low water repellency is used as a single cell unit located at both ends of the stack, and a cell having a large FEP amount is used. The unit was used as a cell unit of a single cell located in the other part, and lamination was performed to prepare a 10-cell stack.

【0026】この実施例1は、スタック16の両端部に
位置する単セルのカソードガス拡散層3bの撥水性を、
他の部分に位置する単セルのカソードガス拡散層の撥水
性よりも低く構成したものである。
In the first embodiment, the water repellency of the cathode gas diffusion layers 3b of the single cells located at both ends of the stack 16 is
It is configured to have a lower water repellency than the cathode gas diffusion layer of the single cell located in the other portion.

【0027】(実施例2) カソード3のガス拡散層3bとして用いるカーボン
ペーパー(東レ社製:TGP−H060で厚み約0.2
mm、TGP−H090で厚み約0.3mm)をそれぞ
れ所定寸法にカットする。 これらカーボンペーパーを水との混合により比重調
整を行ったFEP分散液に浸漬する。この時、FEP量
をいずれの厚みのカーボンペーパーにおいても20重量
%とした。その後乾燥し、380℃で約1時間熱処理す
る。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン、固体高分子からなる触媒層3aを形成してカソ
ード3を完成させる。 既存の方法で作成したアノード2とで完成したカ
ソード3を固体高分子電解質膜1(デュポン社製:Na
fion112)の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット4を得る。 〜の方法で作成したセルユニット4のうち、カ
ソードガス拡散層3bのカーボンペーパーの厚みが小さ
い即ちガス透過度の高いセルユニットを、スタック16
の両端部に位置する単セルのセルユニットとして用い、
カーボンペーパー厚みが大きいセルユニットを、他の部
分に位置する単セルのセルユニットとして用いて積層を
行い10セルスタックを作成する。
Example 2 Carbon paper used as the gas diffusion layer 3b of the cathode 3 (manufactured by Toray Industries, Inc .: TGP-H060, thickness of about 0.2).
mm, thickness of about 0.3 mm with TGP-H090). These carbon papers are immersed in FEP dispersion liquid whose specific gravity is adjusted by mixing with water. At this time, the FEP amount was set to 20% by weight in any thickness of carbon paper. Then, it is dried and heat-treated at 380 ° C. for about 1 hour. A catalyst layer 3a made of platinum-supporting carbon and a solid polymer is formed on the carbon paper which has been heat-treated to complete the cathode 3. The cathode 3 completed with the anode 2 prepared by the existing method is used as a solid polymer electrolyte membrane 1 (made by DuPont: Na
The cell unit 4 is obtained by arranging on both sides of the fion 112) and hot pressing. Among the cell units 4 produced by the methods 1 to 3, the cell unit having a small thickness of the carbon paper of the cathode gas diffusion layer 3b, that is, a cell unit having a high gas permeability,
Used as a cell unit of a single cell located at both ends of
A cell unit having a large thickness of carbon paper is used as a cell unit of a single cell located in another portion to perform stacking to form a 10 cell stack.

【0028】この実施例2は、スタック16の両端部に
位置する単セルのカソードガス拡散層3bのガス透過度
を、他の部分に位置する単セルのカソードガス拡散層の
ガス透過度よりも高く構成したものである。
In the second embodiment, the gas permeability of the single cell cathode gas diffusion layers 3b located at both ends of the stack 16 is higher than the gas permeability of the single cell cathode gas diffusion layers located in other portions. It is constructed high.

【0029】(実施例3) カソード3のガス拡散層3bとして用いるカーボン
ペーパー(東レ社製:TGP−H060)を所定寸法に
カットする。 そのカーボンペーパーを水との混合により比重調整
を行ったFEP分散液に浸漬し、その後乾燥し、熱処理
(380℃、1時間)する。 カーボンブラック(表面積700〜800m
g)粉末10gと60重量%PTFE(ポリテトラフル
オロエチレン)分散液16.7gを、数ccの界面活性
剤を添加したテルピネオールを分散剤として混合し、ペ
ーストを作成する。 又、カーボンブラック(表面積200〜300m
/g)粉末10gと60重量%PTFE分散液16.7
gを、数ccの界面活性剤を添加したテルピネオールを
分散剤として混合し、ペーストを作成する。 、で得られたペーストを、で得られたカーボ
ンペーパー上に塗布する。スタック16の両端部に位置
する単セルのセルユニットは、で得られたペーストを
用い、その他の部分に位置する単セルのセルユニット
は、で得られたペーストを用いる。 ペーストを塗布したカーボンペーパーを乾燥後、3
60℃で1時間熱処理してガス拡散層3bを完成する。 熱処理を終了したカーボンペーパー上に白金担持カ
ーボン(担持カーボン比表面積200〜300m
g)、固体高分子からなる触媒層3aを形成してカソー
ド3を完成させる。 既存の方法で作成したアノード2とで完成したカ
ソード3を固体高分子電解質膜1(デュポン社製のNa
fion112)の両面に配置し、ホットプレスするこ
とによりセルユニット4を得る。 〜の方法で作成したセルユニットのうち、カソ
ードガス拡散層3bに添加したペーストのカーボン比表
面積が大きいものは、スタック16の両端部に位置する
単セルのセルユニットとして用い、カーボン比表面積の
小さいものは他の部分に位置する単セルのセルユニット
として用いて10セルスタックを作成する。
Example 3 Carbon paper (TGP-H060 manufactured by Toray Industries, Inc.) used as the gas diffusion layer 3b of the cathode 3 is cut into a predetermined size. The carbon paper is immersed in the FEP dispersion liquid whose specific gravity is adjusted by mixing with water, then dried and heat-treated (380 ° C., 1 hour). Carbon black (surface area 700-800 m 2 /
g) 10 g of powder and 16.7 g of 60 wt% PTFE (polytetrafluoroethylene) dispersion are mixed with terpineol to which several cc of a surfactant has been added as a dispersant to prepare a paste. In addition, carbon black (surface area 200 to 300 m 2
/ G) 10 g powder and 60 wt% PTFE dispersion 16.7
g is mixed with terpineol to which several cc of a surfactant has been added as a dispersant to prepare a paste. The paste obtained in step (1) is applied onto the carbon paper obtained in step (3). The paste obtained in (1) is used for the cell units of the single cells located at both ends of the stack 16, and the paste obtained in (1) is used for the cell units of the single cells located in other portions. After drying the carbon paper coated with paste, 3
Heat treatment is performed at 60 ° C. for 1 hour to complete the gas diffusion layer 3b. Platinum-supporting carbon (supported carbon specific surface area of 200 to 300 m 2 /
g), the catalyst layer 3a made of a solid polymer is formed to complete the cathode 3. The cathode 3 completed with the anode 2 prepared by the existing method is used as the solid polymer electrolyte membrane 1 (Na
The cell unit 4 is obtained by arranging on both sides of the fion 112) and hot pressing. Among the cell units prepared by the methods (1) to (4), those having a large carbon specific surface area of the paste added to the cathode gas diffusion layer 3b are used as single cell cell units located at both ends of the stack 16 and have a small carbon specific surface area. The thing is used as a cell unit of a single cell located in the other part to create a 10 cell stack.

【0030】この実施例3は、スタックの両端部に位置
する単セルのカソード3中の混合物層3cにおけるカー
ボン材料の比表面積を、スタックの両端部に位置する単
セルでは、他の部分に位置する単セルより大きく構成し
たものである。
In Example 3, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer 3c in the cathodes 3 of the unit cells located at both ends of the stack was determined to be different from the specific surface area of the unit cells located at both ends of the stack. It is larger than the single cell.

【0031】(実施例4)実施例1において、スタック
の両端部以外の単セルに用いたセルユニット4を用いて
10セルスタックを作成する際、両端部に位置する単セ
ルのカソード3に対峙するセパレータ6のガス流路6a
の溝深さを、他の部分に位置する単セルのガス流路に比
べ10%増加させたものを用いて10セルスタックを作
成する。
(Example 4) In Example 1, when a 10-cell stack was prepared using the cell units 4 used for the unit cells other than the both ends of the stack, the cathodes 3 of the unit cells located at the both ends were confronted. Gas flow path 6a of the separator 6
A 10-cell stack is prepared by using the groove depth of which is increased by 10% as compared with the gas flow path of the single cell located in the other portion.

【0032】この実施例4は、スタック16の両端部に
位置する単セルのカソード側セパレータ6のガス流路6
aの圧力損失を、他の部分に位置する単セルのカソード
側セパレータのガス流路の圧力損失に比べて小さく構成
したものである。
In the fourth embodiment, the gas flow paths 6 of the cathode side separators 6 of the single cells located at both ends of the stack 16 are arranged.
The pressure loss of a is smaller than the pressure loss of the gas passage of the cathode side separator of the single cell located in the other part.

【0033】(比較例)これらの実施例1〜4と比較す
るために、スタック16の両端部の単セルをその他の部
分の単セルと同一仕様に形成した以外は実施例1と同一
の方法で10セルスタックを作成した。
(Comparative Example) In order to compare with these Examples 1 to 4, the same method as in Example 1 was adopted except that the unit cells at both ends of the stack 16 were formed to have the same specifications as the unit cells of the other portions. Then, a 10-cell stack was prepared.

【0034】次に、実施例1〜4で形成した10セルス
タックと、比較例で形成した10セルスタックとのセル
電圧分布試験を行った。その試験結果を図3に示す。こ
の試験結果によると、実施例1〜4では、全体として殆
ど同じ分布傾向を示し、セル番号2〜9のセル電圧は6
85〜695mVの範囲内の値が得られ、セル番号1で
は672〜680mV、セル番号10では675〜68
0mVの範囲の値が得られ、スタック16の両端部に位
置する単セルでは他の部分に位置する単セルより僅かに
低い値に過ぎなかった。これに対して比較例では、セル
番号2〜9のセル電圧は実施例1〜4でのセル番号2〜
9とほぼ同じ範囲内の値が得られたが、セル番号1では
656mVであって、実施例1〜4でのセル番号1に比
して遥かに低く、セル番号10では662mVであっ
て、実施例1〜4でのセル番号10に比して遥かに低か
った。
Next, a cell voltage distribution test was performed on the 10 cell stack formed in Examples 1 to 4 and the 10 cell stack formed in the comparative example. The test results are shown in FIG. According to this test result, in Examples 1 to 4, almost the same distribution tendency as a whole was exhibited, and the cell voltages of cell numbers 2 to 9 were 6
Values within the range of 85-695 mV were obtained, with cell number 1 672-680 mV and cell number 10 675-68 mV.
Values in the range of 0 mV were obtained, with the unit cells located at the ends of the stack 16 being only slightly lower than the unit cells located in the other parts. On the other hand, in the comparative example, the cell voltages of the cell numbers 2 to 9 are the cell numbers 2 to 9 in the examples 1 to 4.
Although a value within the substantially same range as 9 was obtained, the cell number 1 was 656 mV, which was much lower than the cell number 1 in Examples 1 to 4, and the cell number 10 was 662 mV. It was much lower than the cell number 10 in Examples 1 to 4.

【0035】このことから、実施例1〜4では、10セ
ルスタックの両端部に位置する単セルの電池性能は他の
部分に位置する単セルより多少劣るとは言え、比較例で
の10セルスタックの両端部に位置する単セルよりも遥
かに優れていることが判明した。
Therefore, in Examples 1 to 4, although the cell performance of the single cells located at both ends of the 10 cell stack is slightly inferior to that of the single cells located in other portions, the 10 cells in the comparative example are not. It turned out to be much better than the single cells located at the ends of the stack.

【0036】実施例1では、前記のように10セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層3
bの撥水性を、他の部分に位置する単セルよりも低く構
成したため、カソード3での反応生成水及びアノード2
からの移動水がガス拡散層3b側に透過し易くなり、酸
化剤ガスとの接触面積が増加することから、酸化剤ガス
と共にガス流路6aを介して排出され易くなる。これに
より、カソード3の触媒層3a中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となったものと考えられる。
In the first embodiment, as described above, the single cell cathode gas diffusion layers 3 located at both ends of the 10 cell stack.
Since the water repellency of b is configured to be lower than that of the unit cells located in other parts, the reaction product water at the cathode 3 and the anode 2
The moving water from the water easily permeates to the gas diffusion layer 3b side and the contact area with the oxidant gas increases, so that it easily discharges together with the oxidant gas through the gas flow path 6a. It is considered that, as a result, excess water did not stay in the catalyst layer 3a of the cathode 3 and the gas diffusibility was improved.

【0037】実施例2では、前記のように10セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソードガス拡散層3
bのガス透過度を、他の部分に位置する単セルよりも高
く構成したため、酸化剤ガスの透過量を増大し、カソー
ド3での反応生成水及びアノード2側からの移動水が酸
化剤ガスと共に移動し易くなってセパレータ6のガス流
路6aに排出され易くなり、これによりカソード触媒層
3a中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散性が良好とな
ったものと考えられる。
In the second embodiment, as described above, the single cell cathode gas diffusion layers 3 located at both ends of the 10 cell stack.
Since the gas permeability of b is higher than that of the unit cells located in other parts, the permeation amount of the oxidant gas is increased, and the reaction product water at the cathode 3 and the water transferred from the anode 2 side are oxidant gas. It is considered that the gas is easily moved together with the gas and is easily discharged to the gas flow path 6a of the separator 6, whereby excessive water does not stay in the cathode catalyst layer 3a and the gas diffusibility is improved.

【0038】実施例3では、前記のように10セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソード3中の混合物
層3cにおけるカーボン材料の比表面積を、他の部分に
位置する単セルより大きく構成したため、カーボン材料
粒子により形成される細孔部の毛細管力による水吸収力
が増大し、カソード3での反応生成水及びアノード2側
からの移動水が混合物層3c中を移動し易くなり、酸化
剤ガス中に放散されて排出され易くなり、これによりカ
ソード触媒層3a中には過剰に水が滞留せず、ガス拡散
性が良好となったものと考えられる。
In the third embodiment, as described above, the specific surface area of the carbon material in the mixture layer 3c in the cathode 3 of the unit cells located at both ends of the 10-cell stack is set larger than that of the unit cells located in other portions. Therefore, the water absorption capacity due to the capillary force of the pores formed by the carbon material particles is increased, and the reaction product water at the cathode 3 and the moving water from the anode 2 side easily move in the mixture layer 3c, and the oxidation is performed. It is considered that the gas diffuses easily into the agent gas and is easily discharged, and as a result, excessive water does not stay in the cathode catalyst layer 3a, and the gas diffusibility is improved.

【0039】実施例4では、前記のように10セルスタ
ックの両端部に位置する単セルのカソード3に対峙する
セパレータ6のガス流路6aの溝深さを、他の部分に位
置する単セルのガス流路より深くし、ガス流路6aの圧
力損失を小さく構成することで、ガス流路6aを流れる
酸化剤ガスの流量を増大し、カソード3での反応生成水
及びアノード2側からの移動水が排出され易くなり、こ
れによりカソード触媒層3a中には過剰に水が滞留せ
ず、ガス拡散性が良好となったものと考えられる。
In Example 4, as described above, the groove depth of the gas passage 6a of the separator 6 facing the cathodes 3 of the single cells located at both ends of the 10-cell stack was set to be different from that of the single cells located in other parts. Of the oxidant gas flowing through the gas flow path 6a is increased by making the pressure loss of the gas flow path 6a smaller than that of the reaction product water at the cathode 3 and the anode 2 side. It is considered that the moving water was easily discharged, so that excessive water did not stay in the cathode catalyst layer 3a and the gas diffusibility was improved.

【0040】このように本発明においては、スタック1
6の両端部に位置する単セルの温度低下は容認しつつ、
上記いずれかの手段によって両端部に位置する単セルの
電池性能を従来のものよりも向上させることができ、こ
れにより安定した運転が可能となり、且つ良好な出力特
性を備えたスタック16を形成することができる。
As described above, in the present invention, the stack 1
While accepting the temperature drop of the single cells located at both ends of 6,
By any of the above means, the battery performance of the single cells located at both ends can be improved as compared with the conventional one, and thereby stable operation is possible, and the stack 16 having good output characteristics is formed. be able to.

【0041】[0041]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、固体高
分子型燃料電池スタックにおいて、 (1)スタックの両端部に位置する単セルのカソード
ガス拡散層を構成するカーボン材料の比表面積を、他の
部分に位置する単セルよりも大きく構成する、 (2)スタックの両端部に位置する単セルのカソード側
ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルに比
べて小さく構成する、 (3)スタックの両端部に位置する単セルのカソードガ
ス拡散層の撥水性を、他の部分に位置する単セルよりも
低く構成すると共に、スタックの両端部に位置する単セ
ルのカソード側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置
する単セルに比べて小さく構成する、といったいずれか
の手段を採用することで、スタックの両端部に位置する
単セルにおけるカソードでの反応生成水及びアノード側
からの移動水を排出し易くし、電池性能の低下を防止す
る効果を奏する。
As described above, the present invention provides a polymer electrolyte fuel cell stack comprising: (1) a single cell cathode located at both ends of the stack .
The specific surface area of the carbon material that constitutes the gas diffusion layer
Constitute greater than the single cell located at the portion, the cathode side of the single cells located at both ends of the (2) Stack
Compares the pressure loss in the gas flow path with the unit cells located in other parts.
Base to constitute small, Kasodoga single cells located at both ends of the (3) Stack
The water repellency of the diffusion layer is better than that of single cells located in other areas.
It is designed to be low and located at both ends of the stack.
Pressure loss in the cathode gas flow path of the
By adopting any one of such means, which is smaller than the unit cell, the reaction product water at the cathode and the transfer water from the anode side in the unit cells located at both ends of the stack are easily discharged, This has the effect of preventing deterioration of battery performance.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】固体高分子型燃料電池の単セルの構成例を示す
分解斜視図
FIG. 1 is an exploded perspective view showing a configuration example of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell.

【図2】固体高分子型燃料電池スタックの構成例を示す
説明図
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a configuration example of a polymer electrolyte fuel cell stack.

【図3】10セルスタックにおけるセル電圧分布の試験
結果を示すグラフ図
FIG. 3 is a graph showing a test result of cell voltage distribution in a 10-cell stack.

【図4】10セルスタックにおけるセル温度分布の測定
結果を示すグラフ図
FIG. 4 is a graph showing the measurement result of cell temperature distribution in a 10-cell stack.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…固体高分子電解質膜 2…アノード 3…カソード 3a…触媒層 3b…ガス拡散層 3c…混合物層 4…セルユニット 5,6…セパレータ 5a、6a…ガス流路 5b、6b…冷却水流路 7…単セル 8,9…集電板 10,11…電気絶縁板 12,13…締付板 14…ボルト 15…ナット 16…スタック 17…皿ばね 1 ... Solid polymer electrolyte membrane 2 ... Anode 3 ... Cathode 3a ... Catalyst layer 3b ... Gas diffusion layer 3c ... mixture layer 4 ... Cell unit 5, 6 ... Separator 5a, 6a ... Gas flow path 5b, 6b ... Cooling water flow path 7 ... Single cell 8, 9 ... Current collector 10, 11 ... Electrical insulation board 12, 13 ... Tightening plate 14 ... Bolt 15 ... Nut 16 ... Stack 17 ... Disc spring

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−283153(JP,A) 特開2001−57218(JP,A) 特開2001−135326(JP,A) 特開2001−118587(JP,A) 特開2001−15145(JP,A) 特開 平5−251086(JP,A) 特開 昭58−163173(JP,A) 特開 平8−167424(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24 Continuation of the front page (56) Reference JP-A-9-283153 (JP, A) JP-A-2001-57218 (JP, A) JP-A-2001-135326 (JP, A) JP-A-2001-118587 (JP, A) JP-A-2001-15145 (JP, A) JP-A-5-251086 (JP, A) JP-A-58-163173 (JP, A) JP-A-8-167424 (JP, A) (58) Fields investigated ( Int.Cl. 7 , DB name) H01M 4/86-4/98 H01M 8/00-8/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】固体高分子電解質膜の両面にカソードとア
ノードを接合したセルユニットと、このセルユニットの
両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するため
のガス流路を有するセパレータとから構成される単セル
を複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックであ
って、 このスタックの両端部に位置する単セルにおいて、 前記カソードのガス拡散層を構成するカーボン材料の比
表面積を、 他の部分に位置する単セルのそれよりも大き
したことを特徴とする固体高分子型燃料電池スタッ
ク。
1. A cell unit in which a cathode and an anode are joined to both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a separator which is arranged on both sides of the cell unit and has a gas flow path for passing an oxidant gas or a fuel gas. polymer electrolyte fuel cell stack der formed by stacking a plurality of a single cell further including a
I, the single cells located at both ends of the stack, the ratio of carbon material constituting the cathode gas diffusion layer
The surface area is larger than that of single cells located in other parts.
Ku and a polymer electrolyte fuel cell stack, characterized in that the.
【請求項2】請求項1記載の固体高分子型燃料電池スタ
ックにおいて、 このスタックの両端部に位置する単セルのカソード側ガ
ス流路の圧力損失を、他の部分に位置する単セルのそれ
よりも小さく したことを特徴とする固体高分子型燃料電
池スタック。
2. A polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 1.
, The cathode side gas of the single cells located at the ends of this stack.
The pressure loss of the flow passage is that of a single cell located in another part.
A polymer electrolyte fuel cell stack characterized by being made smaller .
【請求項3】固体高分子電解質膜の両面にカソードとア
ノードを接合したセルユニットと、このセルユニットの
両面に配され、酸化剤ガス又は燃料ガスを流通するため
のガス流路を有するセパレータとから構成される単セル
を複数積層してなる固体高分子型燃料電池スタックであ
って、 このスタックの両端部に位置する単セルにおいて、 前記カソード側ガス拡散層の撥水性を、他の部分に位置
する単セルのそれよりも低くすると共に、 前記カソード側ガス流路の圧力損失を、他の部分に位置
する単セルのそれよりも小さく したことを特徴とする固
体高分子型燃料電池スタック。
3. A cathode and an anode on both sides of the solid polymer electrolyte membrane.
The cell unit that joins the node and this cell unit
It is placed on both sides to pass the oxidant gas or fuel gas.
Unit cell composed of a separator having a gas flow path
A polymer electrolyte fuel cell stack formed by stacking a plurality of
I, the single cells located at both ends of the stack, the water repellency of the cathode side gas diffusion layer, located on other parts
Lower than that of the unit cell, and the pressure loss of the cathode side gas flow path is
The polymer electrolyte fuel cell stack is characterized by being made smaller than that of the single cell .
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