JP4067396B2

JP4067396B2 - Cell unit for fuel cell

Info

Publication number: JP4067396B2
Application number: JP2002374846A
Authority: JP
Inventors: 保則吉本; 陽濱田; 博和井崎
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004207041A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池用セルユニットに係り、特にガス流路の水詰まりに対して有効に対処できるようにした燃料電池用セルユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池例えば固体高分子形燃料電池は、図５に示すように固体高分子電解質膜１の両側の主面に貴金属（主として白金）を含むアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３をそれぞれ接合し、アノード側触媒層２及びカソード側触媒層３と対向してアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５をそれぞれ接合することによりアノード電極６及びカソード電極７が構成される。そして、この膜電極接合体８（ＭＥＡ）の両側を、凹溝状のガス流路９ａ、９ｂを設けたプレート９（セパレータ）と、同じく凹溝状のガス流路１０ａ、１０ｂを設けたプレート１０（セパレータ）とで挟持することによりセルユニット１１が構成される。更に、図示は省略したが上記セルユニット１１（単セル）を複数積層し、両端にエンドプレートを添え、ロッド等で締め付け一体化することにより電池スタックが構成される。
【０００３】
上記構成の電池スタックにおいて、反応ガス（燃料ガスと酸化剤ガス）が供給され、燃料ガスはアノード電極６側に対向するプレート９のガス流路９ａ内を流通し、酸化剤ガスはカソード電極７側に対向するプレート１０のガス流路１０ａ内を流通し、前記固体高分子電解質膜１を介して電気化学反応が生じることで直流電力を発電する。この発電中に、前記アノード側ガス拡散層４は燃料ガスを拡散させ、カソード側ガス拡散層５は酸化剤ガスを拡散させる。
【０００４】
前記固体高分子電解質膜１は湿潤状態にてプロトン透過機能を発揮するため、加湿した反応ガスを供給してその湿潤状態を維持するようにしている。ところが、加湿反応ガスを供給するとプレートのガス流路内で一部の加湿蒸気が結露し、ガス流路に水滴が付着して流路を狭めるばかりでなく、やがては水塊となってガス流路を閉塞することがある。特にカソード側では電池反応に伴って水が生成されるため水詰まりが生じ易い。結露水によってガス流路が隘路になったり閉塞されたりすると、反応ガスの流通が悪化し又はガス供給量が不足して燃料電池の運転が不安定になり、延いては発電性能の低下を招くことになる。
【０００５】
このような結露水対策として、例えば電池スタックに供給する反応ガス特に酸化剤ガスとしての空気を、流量調節弁を備えた加湿用空気供給管と、流量調節弁を備えた無加湿用空気供給管に分流して供給し、これら流量調節弁の開度を制御器により負荷電流に基づいて制御することによって、反応空気中の水分量を制御し、これによりガス流路への結露や流路閉塞を防止するようにした先行技術が開示されている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−１４１０８５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記先行技術による場合は流量調節弁や複数の空気供給管等を必要とし、且つこれらを含む所要の回路が必要となって構成が複雑化し、コスト高を招く原因になる。又、水詰まりが生じ易いカソード側には有効であるが、アノード側の水詰まりに対する解決方法が開示されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、極めて簡単な構成によりカソード側のみならずアノード側の水詰まりにも有効に対処できるようにした燃料電池用セルユニットを提供する
ことを目的とする。
【０００９】
本発明者らは、ガス流路に対向しているガス拡散層を通じて反応ガスの一部が隣接するガス流路側にガスリークする現象に注目し、このガスリークを防止してガス流路を流れる反応ガスの圧力を高めることにより、ガス流路に付着している結露水を押し出してガス流路の出口から排出できることを見出して本発明を完成するに至った。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための手段として、本発明の請求項１は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に設けた切り込み内にシール材が挿入されていることを特徴とする。
【００１１】
又、本発明の請求項２は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に設けた切り込み内に吸水材が挿入されていることを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の請求項３は、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記プレートのリブ部に設けた凸部がガス拡散層部に進入していることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係る燃料電池用セルユニットの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池用セルユニットのガス拡散部に設けた切り込みを示す概略断面図である。図５に示されている従来の燃料電池用セルユニットと同じ構成部材は同一の符号を付して説明する。
【００１４】
図１において、１は固体高分子電解質膜であり、例えばパーフロロカーボンスルホン酸膜（商品名ナフィオン）を用いることができ、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低下してプロトン導電性電解質として機能する。この固体高分子電解質膜１の両側の主面に、アノード電極６及びカソード電極７を接合することにより膜電極接合体８を構成する。
【００１５】
アノード電極６は、例えばカーボンペーパーに所定の処理を施してアノード側ガス拡散層４を形成し、このアノード側ガス拡散層４の一方の面に白金担持カーボンと固体高分子からなるアノード側触媒層２を形成することで構成される。カソード電極７も同様にして構成される。
【００１６】
次に、アノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部にガス不透過機構１２を設ける。このガス不透過機構１２は、アノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部にカッター等で所定の間隔をあけて切り込みをそれぞれ設け、これらの切り込み内にシール材を挿入固定することにより構成する。この時、切り込みの間隔はプレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａ間に位置するリブ９ｃ、１０ｃのピッチ間隔に合わせて設定し、切り込みの深さはアノード側ガス拡散層４部及びカソード側ガス拡散層５部の厚さに合わせて設定する。上記シール材としては、反応ガスを透過しない材料例えば合成樹脂系接着剤、フッ素系混合物等を用いることができる。又、シール材の他にガス不透性材料からなる吸水材を用いることができる。上記吸水材としては、例えばポリエステル、レーヨン、ナイロン、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラール等を主成分とする織布、不織布、フェルトを用いることができる。
【００１７】
ガス不透過機構１２を設けた後、アノード電極６とカソード電極７を、前記固体高分子電解質膜１の両面にアノード側触媒層２及びカソード側触媒層３が固体高分子電解質膜１側に位置するようにして配置し、ホットプレスすることにより接合一体化して前記膜電極接合体８を作製することができる。
【００１８】
前記プレート９、１０は導電性で且つガス不透過性であり、例えばカーボン粉末を主体として合成樹脂を混合した材料で形成され、プレート９の両面には凹溝状のガス流路９ａ、９ｂが所定の間隔をあけて並設され、プレート１０の両面には同じく凹溝状のガス流路１０ａ、１０ｂが所定の間隔をあけて並設されている。
【００１９】
この２枚のプレート９、１０で前記膜電極接合体８を挟持してセルユニット１３が構成される。この時、前記ガス不透過機構１２はアノード電極６側ではプレート９のガス流路９ａ間に位置するリブ９ｃの上面にそれぞれ当接し、カソード電極７側ではプレート１０のガス流路１０ａ間に位置するリブ１０ｃの上面にそれぞれ当接する。更に、図示は省略したがこのセルユニット１３を複数積層すると共に、両端部に集電プレート及び絶縁プレートを介在させ、最外側にエンドプレートを添えてロッド等で締め付け一体化することで電池スタックが構成される。
【００２０】
このように構成された電池スタックにおいて、前記アノード電極６側に対向するプレート９のガス流路９ａには燃料ガスが流通し、カソード電極７側に対向するプレート１０のガス流路１０ａには酸化剤ガスが流通することで、固体高分子電解質膜１を介して電気化学反応が生じて直流電力が発電される。
【００２１】
発電中に、例えばプレート９におけるガス流路９ａのうち一部のガス流路９ａ内に結露水が発生して水詰まり（流路隘路又は流路閉塞）が生じると、そのガス流路９ａを流通する燃料ガスは水詰まり部分の手前で停滞し、行き場を失った反応ガス（燃料ガス）の一部はアノード側ガス拡散層４内に拡散して隣接するガス流路側へのガスリークが始まる。
【００２２】
しかしながら、隣接するガス流路９ａの間に位置しているリブ９ｃとアノード側ガス拡散層４との接触部分にはガス不透過機構１２が設けられているため、ガスリークの流れが遮断される。従って、反応ガスは隣のガス流路９ａへのガスリークが阻止される。
【００２３】
隣接するガス流路９ａへのガスリークが阻止されると、水詰まりが生じたガス流路９ａ内では、反応ガスの流れが止まることから水詰まり部分を境として上流側では反応ガスの供給圧が掛かり、下流側ではガス流路９ａの出口の圧力が掛かることになる。このため、水詰まり部分前後では大きな圧力差が生じることになり、水詰まり部分の水滴は下流側に向かって押し流され、ガス流路９ａの出口から排出される。これにより、ガス流路９ａは水詰まりが解消され、反応ガスの流通が正常状態に戻る。
【００２４】
これと同じことは、カソード電極７側に対向しているプレート１０のガス流路１０ａについても言える。カソード側では発電反応により水が生成され、この生成水がガス流路１０ａ中に流入する。このため、ガス流路１０ａ内で水詰まりが生じ易いが、その水詰まりを効率良く排出することができる。又、ガス不透機構１２が前記吸水材により構成されている場合には、その吸水材によって生成水が吸水されるためガスリークを阻止すると共に、ガス流路１０ａ内の含水量を減少させることができる。
【００２５】
図２は、燃料電池用セルユニットのプレートのリブ部に設けた凸部を示す概略断面図である。この形態はプレート９及びプレート１０におけるリブ９ｃ及びリブ１０ｃの上面中央部に、凸部９ｄ及び凸部１０ｄをリブ９ｃ、１０ｃの長さ方向（ガス流路９ａ、１０ａと並行方向）に沿ってそれぞれ設け、これら凸部９ｄ、１０ｄをアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５に進入させることによりガス不透過機構を構成したものである。
【００２６】
上記凸部９ｄ、１０ｄはプレート９、１０と一体に設けても或は別体に設けてもよく、アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５に進入した時に、それらのガス拡散層をほぼ押し潰すように高さ寸法を設定することが好ましい。凸部９ｄ、１０ｄの進入は前記ロッドによる締付力を調整することにより達成できる。
【００２７】
この形態の場合も、凸部９ｄ、１０ｄによりガス不透過機構が構成されて、アノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５がリブ９ｃ、１０ｃの位置で仕切られているため、水詰まり時の反応ガスのガスリークを阻止することができる。これにより、ガス流路９ａ、１０ａ内の反応ガスの圧力を高め、水詰まり部分の水滴を押し流して排除することができる。
【００２８】
図３は、燃料電池用セルユニットのガス拡散層部の平坦面を示す概略断面図である。上記図１及び図２ではガス拡散層部にガス不透過機構を設けて仕切り、隣接するガス流路間でガスリークが生じないようにしたものであるが、本実施形態ではガス拡散層の表面凹凸を無くし、プレートのリブに対するガス拡散層の密着度を高めて隣接するガス流路間でガスリークが生じないように構成したものである。
【００２９】
即ち、この形態ではアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５の表面に導電性粉末（例えばカーボン微粉末）とその結着材とからなる表層１４をそれぞれ形成し、これによりアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５の表面凹凸を被覆して平坦面に構成する。
【００３０】
上記表層１４により表面が平坦面に形成されたアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５は、プレート９、１０のリブ９ｃ、１０ｃの上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａに水詰まりが生じた時、アノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間、及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。図３では、表層１４はアノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間にのみ設けたが、電極反応に伴う反応ガスの透過量が確保できれば表層１４はガス拡散層全面に設けてもよい。又、本実施形態において前記図１のガス不透過機構１２を併用すると、ガス流路間での反応ガスのガスリークを完全に阻止することができる。
【００３１】
図４は、燃料電池用セルユニットの参考例を示す一部の模式図である。この参考例は、上記図３のものと類似するが、ガス拡散層の表面を平坦面にする手段として非導電性粉末（例えばセラミック微粉末）とその結着材とからなる混合物を用いる点で相違している。
【００３２】
図４に示すように、アノード側ガス拡散層４（カソード側ガス拡散層５も同様）の表面は凹凸状態になっている。このアノード側ガス拡散層４のうちプレート９のリブ９ｃに対向する位置に、その表面凹部４ｂに非導電性粉末とその結着材とからなる混合物１５を充填して平坦面に形成する。この場合、表面凸部４ａはプレート９のリブ９ｃ上面に接触させて絶縁構造とならないようにする。
【００３３】
上記混合物１５により表面が平坦面に形成されたアノード側ガス拡散層４及びカソード側ガス拡散層５は、プレート９、１０のリブ９ｃ、１０ｃの上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレート９、１０のガス流路９ａ、１０ａに水詰まりが生じた時、アノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間、及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。図４では、混合物１５はアノード側ガス拡散層４とリブ９ｃとの間及びカソード側ガス拡散層５とリブ１０ｃとの間にのみ設けたが、電極反応に伴う反応ガスの透過量が確保できれば混合物１５はガス拡散層全面に設けてもよい。又、本実施形態においても前記第１実施形態のガス不透過機構１２を併用すると、ガス流路間での反応ガスのガスリークを完全に阻止することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る請求項１の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に設けた切り込み内にシール材が挿入されている。
これにより、ガス拡散層部はプレートのリブ部上面に対して隙間が生じることなく密着する。これにより、プレートのガス流路に水詰まりが生じた時、ガス拡散層部とリブ部との間を通って反応ガスが隣接するガス流路側にガスリークするのを阻止することができる。
また、ガス流路に水詰まりが生じた時にガス流路間での反応ガスリークを阻止することができる。これにより、ガス流路内でのガス圧力が高まり、水詰まり部分の水滴を押し流して排除することができる。従って、反応ガスの流通が良好になって燃料電池の運転が安定し、発電性能を向上させる効果を奏する。
さらにまた、ガス不透過機構を容易に構成することができる。
【００３５】
又、本発明に係る請求項２の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記ガス拡散層部に設けた切り込み内に吸水材が挿入されている。
これにより、ガス流路に水詰まりが生じた時にガス流路間での反応ガスリークを阻止すると共に、水分を吸収してガス流路内の含水量を減少させることができる。特に、発電反応に伴って水が生成されるカソード側に適用すると有効である。
【００３６】
更に、本発明に係る請求項３の発明によれば、電解質膜の両面に触媒層及びガス拡散層を接合してなる膜電極接合体を、ガス流路を設けたプレートで両側から挟持した燃料電池用セルユニットであって、前記少なくとも一方の電極側におけるガス拡散層部のうち前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置の表面を、導電性粉末とその結着材とからなる層により被覆して平坦面にし、且つ、前記ガス拡散層部は、前記プレートのガス流路間に位置するリブ部に対向する位置に、ガス不透過機構が設けられ、当該ガス不透過機構は、前記プレートのリブ部に設けた凸部がガス拡散層部に進入している。
これにより、この凸部はプレートと一体成形することも可能であるため、シール材等を用いずにガス不透過機構を容易に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池用セルユニットのガス拡散部に設けた切り込みを示す概略断面図である。
【図２】燃料電池用セルユニットのプレートのリブ部に設けた凸部を示す概略断面図である。
【図３】燃料電池用セルユニットのガス拡散層部の平坦面を示す概略断面図である。
【図４】燃料電池用セルユニットの参考例を示す一部の模式図である。
【図５】従来の燃料電池用セルユニットの一例を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１…固体高分子電解質膜
２…アノード側触媒層
３…カソード側触媒層
４…アノード側ガス拡散層
５…カソード側ガス拡散層
６…アノード電極
７…カソード電極
８…膜電極接合体
９…プレート
９ａ、９ｂ…ガス流路
９ｃ…リブ
９ｄ…凸部
１０…プレート
１０ａ、１０ｂ…ガス流路
１０ｃ…リブ
１０ｄ…凸部
１１…セルユニット
１２…ガス不透過機構
１３…セルユニット
１４…表層
１５…混合物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cell unit for a fuel cell, and more particularly to a cell unit for a fuel cell that can effectively cope with water clogging in a gas flow path.
[0002]
[Prior art]
In a fuel cell, for example, a solid polymer fuel cell, as shown in FIG. 5, an anode-side catalyst layer 2 and a cathode-side catalyst layer 3 containing a noble metal (mainly platinum) are joined to main surfaces on both sides of a solid polymer electrolyte membrane 1, respectively. Then, the anode-side gas diffusion layer 4 and the cathode-side gas diffusion layer 5 are joined to face the anode-side catalyst layer 2 and the cathode-side catalyst layer 3, respectively, thereby forming the anode electrode 6 and the cathode electrode 7. Then, on both sides of the membrane electrode assembly 8 (MEA), a plate 9 (separator) provided with concave groove-like gas flow paths 9a and 9b and a plate provided with concave groove-like gas flow paths 10a and 10b are provided. The cell unit 11 is configured by being sandwiched by 10 (separator). Furthermore, although not shown, a battery stack is configured by stacking a plurality of the cell units 11 (single cells), attaching end plates to both ends, and tightening and integrating them with a rod or the like.
[0003]
In the battery stack having the above-described configuration, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) is supplied, the fuel gas flows through the gas flow path 9a of the plate 9 facing the anode electrode 6 side, and the oxidant gas is the cathode electrode 7. DC power is generated by flowing through the gas flow path 10 a of the plate 10 facing the side and causing an electrochemical reaction through the solid polymer electrolyte membrane 1. During the power generation, the anode side gas diffusion layer 4 diffuses the fuel gas, and the cathode side gas diffusion layer 5 diffuses the oxidant gas.
[0004]
Since the solid polymer electrolyte membrane 1 exhibits a proton permeation function in a wet state, a humidified reaction gas is supplied to maintain the wet state. However, when the humidified reaction gas is supplied, some humidified steam is condensed in the gas flow path of the plate, and not only water droplets adhere to the gas flow path and narrow the flow path, but eventually the water flow becomes a mass of gas. May block the road. In particular, water is easily generated due to the cell reaction on the cathode side, so water clogging is likely to occur. If the gas flow path becomes a bottleneck or blockage due to condensed water, the flow of the reaction gas deteriorates, or the gas supply amount becomes insufficient, resulting in unstable operation of the fuel cell, resulting in a decrease in power generation performance. It will be.
[0005]
As a countermeasure against such dew condensation water, for example, a reaction gas supplied to the battery stack, particularly an air as an oxidant gas, a humidifying air supply pipe provided with a flow control valve, and an unhumidified air supply pipe provided with a flow control valve The amount of water in the reaction air is controlled by controlling the opening of these flow control valves based on the load current by the controller, thereby condensing the gas flow path and blocking the flow path. The prior art which prevented this was disclosed (for example, patent document 1).
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-141085
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the above prior art, a flow rate adjusting valve, a plurality of air supply pipes, and the like are required, and a required circuit including these is required, resulting in a complicated configuration and a high cost. Further, although effective on the cathode side where water clogging is likely to occur, a solution to the water clogging on the anode side is not disclosed.
[0008]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell unit that can effectively cope with water clogging not only on the cathode side but also on the anode side with a very simple configuration.
[0009]
The present inventors pay attention to a phenomenon in which a part of the reaction gas leaks to the adjacent gas flow path side through the gas diffusion layer facing the gas flow path, and the reaction gas flowing through the gas flow path is prevented. By increasing the pressure, it was found that condensed water adhering to the gas flow path can be pushed out and discharged from the outlet of the gas flow path, and the present invention has been completed.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As means for achieving the above-mentioned object, claim 1 of the present invention is characterized in that a membrane electrode assembly formed by bonding a catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of an electrolyte membrane is formed on both sides of a plate provided with a gas flow path. A cell unit for a fuel cell sandwiched between the conductive powder and the surface of the gas diffusion layer portion on the at least one electrode side facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate. A gas impervious mechanism is provided at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate, and the gas diffusion layer portion is covered with a layer made of a binder to form a flat surface. The gas impermeability mechanism is characterized in that a sealing material is inserted into a cut provided in the gas diffusion layer portion .
[0011]
Further, claim 2 of the present invention is a cell unit for a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path. The surface of the gas diffusion layer portion on the at least one electrode side facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is covered with a layer made of conductive powder and its binder. the flat surface and, and the gas diffusion layer section, a position facing the rib portion you positioned between the gas flow path of the plate, the gas impermeable mechanism is provided, the gas impermeable mechanism, the A water-absorbing material is inserted into a cut provided in the gas diffusion layer .
[0012]
Furthermore, claim 3 of the present invention is a cell unit for a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both sides of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path. The surface of the gas diffusion layer portion on the at least one electrode side facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is covered with a layer made of conductive powder and its binder. The gas diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate, and the gas impermeable mechanism is The convex part provided in this rib part has penetrated into the gas diffusion layer part, It is characterized by the above-mentioned.
[001 3 ]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a cell unit for a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Figure 1 is a schematic sectional view showing a notch formed in the gas diffusion portion of the cell unit for fuel cells. The same components as those of the conventional fuel cell unit shown in FIG.
[001 4 ]
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a solid polymer electrolyte membrane. For example, a perfluorocarbon sulfonic acid membrane (trade name Nafion) can be used, and has a proton exchange group in the molecule. The resistance decreases and functions as a proton conductive electrolyte. A membrane electrode assembly 8 is configured by joining an anode electrode 6 and a cathode electrode 7 to the principal surfaces on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1.
[00 15 ]
The anode electrode 6 is formed, for example, by subjecting carbon paper to a predetermined treatment to form an anode side gas diffusion layer 4, and an anode side catalyst layer made of platinum-supported carbon and a solid polymer on one surface of the anode side gas diffusion layer 4. 2 is formed. The cathode electrode 7 is configured similarly.
[00 16 ]
Next, the gas impervious mechanism 12 is provided in 4 parts of the anode side gas diffusion layer and 5 parts of the cathode side gas diffusion layer. This gas-impermeable mechanism 12 is provided with notches at predetermined intervals with a cutter or the like in 4 parts of the anode side gas diffusion layer and 5 parts of the cathode side gas diffusion layer, and a sealing material is inserted and fixed in these notches. It consists of. At this time, the notch interval is set in accordance with the pitch interval of the ribs 9c, 10c located between the gas flow paths 9a, 10a of the plates 9, 10, and the notch depth is 4 parts of the anode side gas diffusion layer and the cathode side. It is set according to the thickness of 5 parts of the gas diffusion layer. As the sealing material, a material that does not permeate the reaction gas, such as a synthetic resin adhesive, a fluorine-based mixture, or the like can be used. In addition to the sealing material, a water absorbing material made of a gas impermeable material can be used. Examples of the water-absorbing material that can be used include woven fabrics, nonwoven fabrics, and felts mainly composed of polyester, rayon, nylon, polyester / rayon, polyester / acrylic, rayon / polyclar, and the like.
[00 17 ]
After the gas impermeable mechanism 12 is provided, the anode electrode 6 and the cathode electrode 7 are placed on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 1, and the anode side catalyst layer 2 and the cathode side catalyst layer 3 are located on the solid polymer electrolyte membrane 1 side. Thus, the membrane electrode assembly 8 can be manufactured by being integrated by bonding by hot pressing.
[00 18 ]
The plates 9 and 10 are electrically conductive and gas-impermeable, and are formed of, for example, a material mainly composed of carbon powder and mixed with a synthetic resin. On both surfaces of the plate 9, concave groove-shaped gas flow paths 9a and 9b are formed. The plate 10 is provided in parallel with the same groove-shaped gas flow paths 10a and 10b with a predetermined interval.
[00 19 ]
The cell unit 13 is formed by sandwiching the membrane electrode assembly 8 between the two plates 9 and 10. At this time, the gas impermeable mechanism 12 is in contact with the upper surface of the rib 9c positioned between the gas flow paths 9a of the plate 9 on the anode electrode 6 side, and is positioned between the gas flow paths 10a of the plate 10 on the cathode electrode 7 side. Each abuts against the upper surface of the rib 10c. Further, although not shown, a plurality of the cell units 13 are stacked, a current collecting plate and an insulating plate are interposed at both ends, an end plate is attached to the outermost side, and the battery stack is integrated by tightening with a rod or the like. Composed.
[00 20 ]
In the battery stack configured as described above, the fuel gas flows in the gas flow path 9a of the plate 9 facing the anode electrode 6 side, and the oxidation is performed in the gas flow path 10a of the plate 10 facing the cathode electrode 7 side. As the agent gas flows, an electrochemical reaction occurs through the solid polymer electrolyte membrane 1 to generate DC power.
[00 21 ]
During power generation, for example, when condensed water is generated in some of the gas flow paths 9a in the plate 9 and clogging occurs (flow channel narrowing or blockage), the gas flow path 9a is The fuel gas that circulates stagnates before the clogged portion, and a part of the reaction gas (fuel gas) that has lost its place of diffusion diffuses into the anode-side gas diffusion layer 4 and gas leaks to the adjacent gas flow path side.
[00 22 ]
However, since the gas impermeability mechanism 12 is provided at the contact portion between the rib 9c located between the adjacent gas flow paths 9a and the anode side gas diffusion layer 4, the flow of gas leak is blocked. Accordingly, the reaction gas is prevented from leaking into the adjacent gas flow path 9a.
[00 23 ]
When gas leakage to the adjacent gas flow path 9a is prevented, the reaction gas flow stops in the gas flow path 9a where water clogging occurs. Therefore, the pressure at the outlet of the gas flow path 9a is applied on the downstream side. For this reason, a large pressure difference is produced before and after the clogged portion, and the water droplets in the clogged portion are pushed downstream and discharged from the outlet of the gas flow path 9a. As a result, water clogging is eliminated in the gas flow path 9a, and the reaction gas flow returns to the normal state.
[00 24 ]
The same can be said for the gas flow path 10a of the plate 10 facing the cathode electrode 7 side. On the cathode side, water is generated by a power generation reaction, and this generated water flows into the gas flow path 10a. For this reason, although clogging is likely to occur in the gas flow path 10a, the clogging can be efficiently discharged. Further, when the gas impervious mechanism 12 is constituted by the water absorbing material, the generated water is absorbed by the water absorbing material, thereby preventing gas leak and reducing the water content in the gas flow path 10a. it can.
[00 25 ]
Figure 2 is a schematic sectional view showing a convex portion provided in the rib of the plate of the cell unit for fuel cells. The upper central portion of the rib 9c and the ribs 10c in the form state the plate 9 and the plate 10 of this convex portion 9d and the protrusions 10d of the rib 9c, and 10c in the longitudinal direction (gas passage 9a, 10a and parallel direction) A gas impermeable mechanism is configured by providing the protrusions 9d and 10d along the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5, respectively.
[00 26 ]
The protrusions 9d, 10d may be provided integrally with the plates 9, 10, or may be provided separately, and when entering the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5, the gas diffusion layers thereof It is preferable to set the height dimension so as to substantially crush. The approach of the convex portions 9d and 10d can be achieved by adjusting the tightening force by the rod.
[00 27 ]
Also in this embodiment, the gas impermeable mechanism is configured by the convex portions 9d and 10d, and the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 are partitioned at the positions of the ribs 9c and 10c. It is possible to prevent gas leakage of the reaction gas at the time. Thereby, the pressure of the reaction gas in the gas flow paths 9a and 10a can be increased, and water droplets in the clogged portion can be pushed away and eliminated.
[00 28 ]
Figure 3 is a schematic sectional view showing a flat surface of the gas diffusion layer of the cell unit for a fuel cell. In FIG. 1 and FIG. 2 , the gas diffusion layer portion is provided with a gas impermeability mechanism so that gas leakage does not occur between the adjacent gas flow paths. And the degree of adhesion of the gas diffusion layer to the ribs of the plate is increased so that no gas leak occurs between the adjacent gas flow paths.
[00 29 ]
That is, in this embodiment, a surface layer 14 made of conductive powder (for example, carbon fine powder) and its binder is formed on the surfaces of the anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5, respectively. Surface irregularities of the diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 are covered to form a flat surface.
[00 30 ]
The anode side gas diffusion layer 4 and the cathode side gas diffusion layer 5 whose surfaces are formed flat by the surface layer 14 are in close contact with the upper surfaces of the ribs 9c and 10c of the plates 9 and 10 without any gaps. As a result, when water clogging occurs in the gas flow paths 9a and 10a of the plates 9 and 10, the gas flows through the anode side gas diffusion layer 4 and the rib 9c and between the cathode side gas diffusion layer 5 and the rib 10c. Thus, it is possible to prevent the reaction gas from leaking to the adjacent gas flow path side. In FIG. 3, the surface layer 14 is provided only between the anode side gas diffusion layer 4 and the rib 9c and between the cathode side gas diffusion layer 5 and the rib 10c. However, if the reaction gas permeation amount accompanying the electrode reaction can be secured. The surface layer 14 may be provided on the entire surface of the gas diffusion layer. Further, in the present embodiment, when the gas impermeating mechanism 12 shown in FIG. 1 is used in combination, gas leakage of the reaction gas between the gas flow paths can be completely prevented.
[00 31 ]
Figure 4 is a schematic view of part showing a reference example of a cell unit for a fuel cell. This reference example is similar to that shown in FIG. 3 , except that a mixture of non-conductive powder (for example, ceramic fine powder) and its binder is used as a means for flattening the surface of the gas diffusion layer. It is different.
[00 32 ]
As shown in FIG. 4, the surface of the anode side gas diffusion layer 4 (the same applies to the cathode side gas diffusion layer 5) is uneven. In the anode side gas diffusion layer 4, the surface concave portion 4 b is filled with a mixture 15 composed of non-conductive powder and the binding material at a position facing the rib 9 c of the plate 9 to form a flat surface. In this case, the surface convex portion 4a is brought into contact with the upper surface of the rib 9c of the plate 9 so as not to have an insulating structure.
[00 33 ]
The anode-side gas diffusion layer 4 and the cathode-side gas diffusion layer 5 having a flat surface formed by the mixture 15 are in close contact with the upper surfaces of the ribs 9c and 10c of the plates 9 and 10 without any gaps. As a result, when water clogging occurs in the gas flow paths 9a and 10a of the plates 9 and 10, the gas flows through the anode side gas diffusion layer 4 and the rib 9c and between the cathode side gas diffusion layer 5 and the rib 10c. Thus, it is possible to prevent the reaction gas from leaking to the adjacent gas flow path side. In FIG. 4, the mixture 15 is provided only between the anode-side gas diffusion layer 4 and the rib 9c and between the cathode-side gas diffusion layer 5 and the rib 10c. However, if the permeation amount of the reaction gas accompanying the electrode reaction can be secured. The mixture 15 may be provided on the entire surface of the gas diffusion layer. Also in this embodiment, when the gas impermeability mechanism 12 of the first embodiment is used in combination, gas leakage of the reaction gas between the gas flow paths can be completely prevented.
[00 34 ]
【The invention's effect】
As described above, according to the first aspect of the present invention, the membrane electrode assembly formed by bonding the catalyst layer and the gas diffusion layer to both surfaces of the electrolyte membrane is formed on both sides of the plate provided with the gas flow path. from a cell unit for a fuel cell is sandwiched between, the at least one surface of the position facing the rib located between the gas flow path of the plate of the gas diffusion layer portion of the electrode side, the conductive powder and The gas diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion positioned between the gas flow paths of the plate. In the gas impervious mechanism, a sealing material is inserted into a cut provided in the gas diffusion layer portion.
As a result, the gas diffusion layer portion adheres to the upper surface of the rib portion of the plate without causing a gap. Thereby, when water clogging occurs in the gas flow path of the plate, it is possible to prevent the reaction gas from leaking to the adjacent gas flow path side between the gas diffusion layer part and the rib part.
In addition, when a gas clogging occurs in the gas channel, it is possible to prevent a reaction gas leak between the gas channels. As a result, the gas pressure in the gas flow path is increased, and water droplets in the clogged portion can be pushed away and eliminated. Therefore, the distribution of the reaction gas is improved, the operation of the fuel cell is stabilized, and the power generation performance is improved.
Furthermore, the gas impermeable mechanism can be easily configured.
[00 35 ]
According to the invention of claim 2 of the present invention, a fuel in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path. A cell unit for a battery, wherein the surface of the gas diffusion layer portion on the at least one electrode side facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is made of conductive powder and its binding material. The gas diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate. In the mechanism, a water absorbing material is inserted into a notch provided in the gas diffusion layer portion.
Thereby, when water clogging occurs in the gas flow path, reaction gas leakage between the gas flow paths can be prevented, and moisture can be absorbed to reduce the water content in the gas flow path. In particular, it is effective when applied to the cathode side where water is generated along with the power generation reaction.
[00 36 ]
Further, according to the invention of claim 3 according to the present invention, a fuel in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path. A cell unit for a battery, wherein the surface of the gas diffusion layer portion on the at least one electrode side facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is made of conductive powder and its binding material. The gas diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate. In the mechanism, a convex portion provided on the rib portion of the plate enters the gas diffusion layer portion.
Thereby, since this convex part can also be integrally formed with a plate, a gas impermeability mechanism can be easily comprised, without using a sealing material etc.
[Brief description of the drawings]
1 is a schematic sectional view showing a notch formed in the gas diffusion portion of the cell unit for fuel cells.
2 is a schematic sectional view showing a convex portion provided in the rib of the plate of the cell unit for fuel cells.
3 is a schematic sectional view showing a flat surface of the gas diffusion layer of the cell unit for a fuel cell.
4 is a schematic view of a portion showing a reference example of a cell unit for a fuel cell.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing an example of a conventional fuel cell unit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Solid polymer electrolyte membrane 2 ... Anode side catalyst layer 3 ... Cathode side catalyst layer 4 ... Anode side gas diffusion layer 5 ... Cathode side gas diffusion layer 6 ... Anode electrode 7 ... Cathode electrode 8 ... Membrane electrode assembly 9 ... Plate 9a, 9b ... gas flow path 9c ... rib 9d ... convex part 10 ... plate 10a, 10b ... gas flow path 10c ... rib 10d ... convex part 11 ... cell unit 12 ... gas impervious mechanism 13 ... cell unit 14 ... surface layer 15 ... blend

Claims

A cell unit for a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path, and the fuel cell unit on the at least one electrode side The surface of the gas diffusion layer portion facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is covered with a layer made of conductive powder and its binding material to form a flat surface, and the gas The diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate, and the gas impermeable mechanism is sealed in a cut provided in the gas diffusion layer portion. A cell unit for a fuel cell, wherein a material is inserted .

A cell unit for a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path, and the fuel cell unit on the at least one electrode side The surface of the gas diffusion layer portion facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is covered with a layer made of conductive powder and its binding material to form a flat surface, and the gas The diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion positioned between the gas flow paths of the plate, and the gas impermeable mechanism absorbs water in a notch provided in the gas diffusion layer portion. fuel battery cell unit you characterized in that wood is inserted.

A cell unit for a fuel cell in which a membrane electrode assembly formed by joining a catalyst layer and a gas diffusion layer on both surfaces of an electrolyte membrane is sandwiched from both sides by a plate provided with a gas flow path, and the fuel cell unit on the at least one electrode side The surface of the gas diffusion layer portion facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate is covered with a layer made of conductive powder and its binding material to form a flat surface, and the gas The diffusion layer portion is provided with a gas impermeable mechanism at a position facing the rib portion located between the gas flow paths of the plate, and the gas impermeable mechanism has a convex portion provided on the rib portion of the plate. A cell unit for a fuel cell, which has entered the diffusion layer portion .