JP4477910B2

JP4477910B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4477910B2
Application number: JP2004082882A
Authority: JP
Inventors: 卓司桶結; 正和杉本; 雅也矢野
Original assignee: Aquafairy Corp
Current assignee: Aquafairy Corp
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2024-03-22
Also published as: JP2005268176A

Description

本発明は、固体高分子電解質を用いた燃料電池に関し、特に厚みを薄くすることのできる高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte, and more particularly to a polymer fuel cell that can be made thin.

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー変換効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用コージェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、図７に示すものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。 Polymer fuel cells that use solid polymer electrolytes such as polymer electrolytes have high energy conversion efficiency, are thin, small, and lightweight, and are therefore being actively developed for household cogeneration systems and automobiles . As a conventional structure of such a fuel cell, one shown in FIG. 7 is known (for example, see Non-Patent Document 1).

即ち、図７に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。各々のセパレータ１０４にはガス流路溝が形成されており、アノード１０１との接触により、還元ガス（例えば、水素ガス）の流路が形成され、カソード１０２との接触により、酸化ガス（例えば、酸素ガス）の流路が形成される。各々のガスは、単位セル１０５内の各流路を流通しながら、アノード１０１又はカソード１０２の内部に担持された触媒の作用により電極反応（電極における化学反応）に供され、電流の発生とイオン伝導が生じる。 That is, as shown in FIG. 7, the anode 101 and the cathode 102 are disposed with the solid polymer electrolyte membrane 100 interposed therebetween. Further, the unit cell 105 is configured by being sandwiched by a pair of separators 104 via a gasket 103. Each separator 104 is formed with a gas flow path groove. A flow path for reducing gas (for example, hydrogen gas) is formed by contact with the anode 101, and an oxidizing gas (for example, for example, hydrogen gas) is contacted with the cathode 102. Oxygen gas) flow paths are formed. Each gas is supplied to the electrode reaction (chemical reaction at the electrode) by the action of the catalyst supported in the anode 101 or the cathode 102 while flowing through each flow path in the unit cell 105, and the generation of current and ions Conduction occurs.

この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成し、電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途、特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。 A large number of the unit cells 105 are stacked, and the unit cells 105 are electrically connected in series to constitute the fuel cell N, and the electrode 106 can be taken out from the unit cells 105 at both ends. Such a fuel cell N is attracting attention as a power source for electric vehicles and a distributed power source for home use in various applications because of its clean and high efficiency.

一方、近年のＩＴ技術の活発化に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジカメなどモバイル機器が頻繁に使用される傾向があるが、これらの電源は、ほとんどリチウムイオン二次電池が用いられている。ところが、モバイル機器の高機能化に伴って消費電力がどんどん増大し、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池が注目されてきている。 On the other hand, with the recent activation of IT technology, mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras tend to be frequently used, but most of these power sources use lithium ion secondary batteries. However, as mobile devices become more sophisticated, power consumption has increased and clean and highly efficient fuel cells have been attracting attention as power sources.

しかしながら、図７に示すような従来の構造では、構造に自由度が無いため、モバイル機器の電源として求められる薄型小型軽量化や形状の高自由度化に難があり、メンテナス性が悪いという問題もあった。また、燃料電池セル内で酸化還元ガスを相互に混合させないように供給し、かつ、密閉化することが難しく、これらの条件を満たしながら、燃料電池セルの大きさや重量を低減化することは困難であった。つまり、従来、セル部品をボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えていたため、シール性を確保する上で、各部材の剛性を高める必要性があり、どうしても薄型化、小型化、軽量化、自由な形状設計が困難であった。 However, in the conventional structure as shown in FIG. 7, there is no degree of freedom in the structure. Therefore, there is a problem in that it is difficult to reduce the thickness and size and increase the degree of freedom of the shape required as a power source for mobile devices, and the maintenance is poor There was also. In addition, it is difficult to supply the redox gas so as not to mix with each other in the fuel cell and to seal it, and it is difficult to reduce the size and weight of the fuel cell while satisfying these conditions. Met. In other words, conventionally, cell parts are mutually coupled with fastening parts of bolts and nuts, and a certain pressure is applied to the cell parts. Therefore, it is necessary to increase the rigidity of each member in order to ensure sealing performance. Thinning, miniaturization, weight reduction, and free shape design were difficult.

他方、直接メタノール型燃料電池に関し、ポンプ等を用いずにカソード電極に酸素ガスを供給する技術として、セルパックの両面に多孔板を設けて、空気中の酸素を自然供給できるようにした構造も知られている（例えば、特許文献１参照）。しかし、このセルパックもボックス型（箱型）構造であり、また集電板と前記多孔板とを別部材で構成しているため、単位セルを薄型化するには限界があった。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６特開２００３−２８２１３１号公報 On the other hand, as a technology for supplying oxygen gas to the cathode electrode without using a pump or the like for a direct methanol fuel cell, there is a structure in which a porous plate is provided on both sides of the cell pack so that oxygen in the air can be supplied naturally. It is known (see, for example, Patent Document 1). However, since this cell pack also has a box-type (box-type) structure, and the current collector plate and the perforated plate are formed as separate members, there is a limit to making the unit cell thinner.
Nikkei Mechanical separate volume "Fuel Cell Development Frontline" Date of issue: June 29, 2001, Publisher: Nikkei BP, Chapter 3, PEFC, 3.1 Principles and Features p46 JP 2003-282131 A

そこで、本発明の目的は、単位セルごとに確実に封止を行うことができ、これによって薄型化が可能となり、メンテナンスも容易になり、しかも小型軽量かつ自由な形状設計が可能な燃料電池を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can reliably perform sealing for each unit cell, thereby enabling a reduction in thickness, facilitating maintenance, and enabling a compact, lightweight, and free shape design. It is to provide.

上記目的は、下記の如き本発明により達成できる。 The above object can be achieved by the present invention as described below.

即ち、本発明の燃料電池は、板状の固体高分子電解質と、その固体高分子電解質の一方側に配置されたカソード側電極と、他方側に配置されたアノード側電極板とを備える燃料電池において、前記カソード側電極板の表面に配置され開口部が設けられたカソード側金属板と、前記アノード側電極板の表面に配置され燃料の注入口及び排出口が設けられたアノード側金属板とを備え、両側の金属板の周縁を電気的に絶縁した状態でカシメにより封止してあることを特徴とする。 That is, the fuel cell of the present invention comprises a plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode side electrode disposed on one side of the solid polymer electrolyte, and an anode side electrode plate disposed on the other side. A cathode-side metal plate provided on the surface of the cathode-side electrode plate and provided with an opening; and an anode-side metal plate provided on the surface of the anode-side electrode plate and provided with a fuel inlet and outlet. And the metal plates on both sides are sealed with caulking while being electrically insulated.

本発明の燃料電池によると、カソード側金属板の開口部から空気を自然供給できるため、アノード側金属板の注入口から燃料を供給することで、各々の電極板で電極反応を生じさせることができ、電極板に接する金属板から電流を取り出すことができる。また、金属板の周縁を電気的に絶縁した状態でカシメにより封止しているため、両者の短絡を防止しながら、厚みをさほど増加させずに単位セルごとに確実に封止を行うことができる。これによってメンテナンスも容易になり、しかも図７に示す従来構造と比較してセル部材に剛性が要求されないため、各単位セルを大幅に薄型化することができる。更に、固体高分子電解質や金属板を使用するため、自由な平面形状や屈曲が可能となり、小型軽量かつ自由な形状設計が可能となる。 According to the fuel cell of the present invention, since air can be naturally supplied from the opening of the cathode side metal plate, an electrode reaction can be caused in each electrode plate by supplying fuel from the inlet of the anode side metal plate. Current can be extracted from the metal plate in contact with the electrode plate. In addition, since the metal plate is sealed with caulking while being electrically insulated, it is possible to reliably seal each unit cell without increasing the thickness while preventing short circuit between the two. it can. As a result, maintenance is facilitated, and the rigidity of the cell member is not required as compared with the conventional structure shown in FIG. 7, so that each unit cell can be significantly reduced in thickness. Furthermore, since a solid polymer electrolyte and a metal plate are used, a free planar shape and bending are possible, and a small, lightweight and free shape design is possible.

上記において、前記アノード側金属板又はアノード側電極板の少なくとも一方には、燃料の流路溝が形成されていることが好ましい。流路溝を設けることによって、アノード側金属板の注入口から供給された燃料を、所望の経路を経由させた後、排出口から排出することができる。 In the above, it is preferable that at least one of the anode side metal plate or the anode side electrode plate has a fuel flow channel. By providing the flow channel groove, the fuel supplied from the injection port of the anode side metal plate can be discharged from the discharge port after passing through a desired path.

また、前記アノード側金属板又はカソード側金属板の少なくとも一方の周縁部は、エッチングにより他の部分より厚みを薄くしてあることが好ましい。これら金属板は、加工性の面からエッチングにより開口部や流路溝を形成するのが好ましいが、その際に周縁部をエッチングにより薄くすることで、カシメによる封止をより好適に行えるようになる。 In addition, it is preferable that at least one peripheral portion of the anode side metal plate or the cathode side metal plate has a smaller thickness than other portions by etching. These metal plates are preferably formed with openings and flow channel grooves by etching from the viewpoint of workability. At that time, the peripheral edge portion is thinned by etching so that sealing by caulking can be performed more suitably. Become.

更に、前記カソード側金属板には、前記開口部を覆うように疎水性の高分子多孔質膜が積層されていることが好ましい。ここで、疎水性の高分子多孔質膜とは、水滴を透過せずに水蒸気を透過する膜を指す。このような高分子多孔質膜で開口部を覆うことにより、水滴の漏出を防止しながら、カソード側電極板で発生する水分を適度に放出することができるようになる。 Further, it is preferable that a hydrophobic polymer porous film is laminated on the cathode side metal plate so as to cover the opening. Here, the hydrophobic polymer porous membrane refers to a membrane that does not transmit water droplets but transmits water vapor. By covering the opening with such a polymer porous membrane, water generated in the cathode side electrode plate can be appropriately released while preventing leakage of water droplets.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an assembled perspective view showing an example of a unit cell of the fuel cell of the present invention, and FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing an example of a unit cell of the fuel cell of the present invention.

本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の一方側に配置されたカソード側電極２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。 The fuel cell of the present invention includes a plate-shaped solid polymer electrolyte 1, a cathode-side electrode 2 disposed on one side of the solid polymer electrolyte 1, and a second side as shown in FIGS. The anode side electrode plate 3 is provided. In the present embodiment, a fuel flow channel 9 is formed in the anode side metal plate 5 by etching, and the peripheral portions of the anode side metal plate 5 and the cathode side metal plate 4 are made thinner than other portions by etching. Here is an example.

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。 The solid polymer electrolyte 1 may be any solid polymer membrane battery as long as it is used in conventional solid polymer membrane batteries. From the viewpoint of chemical stability and conductivity, a perfluorocarbon having a sulfonic acid group which is a super strong acid. A cation exchange membrane made of a polymer is preferably used. Nafion (registered trademark) is preferably used as such a cation exchange membrane.

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。 In addition, for example, a porous film made of a fluororesin such as polytetrafluoroethylene impregnated with the above Nafion or other ion conductive material, a porous film made of a polyolefin resin such as polyethylene or polypropylene, or a non-woven fabric. A material carrying Nafion or another ion conductive material may be used.

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。 The thinner the solid polymer electrolyte 1 is, the more effective it is to make the whole thinner. However, in consideration of ion conduction function, strength, handling property, etc., 10 to 300 μm can be used, but 25 to 50 μm is preferable. .

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。 The electrode plates 2 and 3 can function as a gas diffusion layer, and can supply and discharge fuel gas, oxidizing gas, and water vapor, and at the same time can exhibit a current collecting function. As the electrode plates 2 and 3, the same or different ones can be used, and it is preferable to support a catalyst having an electrode catalytic action on the base material. The catalyst is preferably supported at least on the inner surfaces 2 b and 3 b in contact with the solid polymer electrolyte 1.

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。 As the electrode base material, for example, conductive carbon materials such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and aggregates of conductive polymer fibers can be used. In general, the electrode plates 2 and 3 are prepared by adding a water-repellent substance such as a fluororesin to such a conductive porous material. When the catalyst is supported, a catalyst such as platinum fine particles and fluorine It is formed by mixing a water-repellent substance such as a resin, mixing it with a solvent to form a paste or ink, and then applying this to one side of an electrode substrate that should face the solid polymer electrolyte membrane. The

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられるのが好ましい。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。 In general, the electrode plates 2 and 3 and the solid polymer electrolyte 1 are designed according to the reducing gas and the oxidizing gas supplied to the fuel cell. In the present invention, it is preferable to use air as the oxidizing gas and hydrogen gas as the reducing gas. In addition, methanol, dimethyl ether, or the like can be used instead of the reducing gas.

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側電極２では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。 For example, when hydrogen gas and air are used, the cathode side electrode 2 on the side where the air is naturally supplied causes a reaction between oxygen and hydrogen ions, so that water is generated. Is preferred. In particular, under the operating conditions of low operating temperature, high current density, and high gas utilization rate, the electrode porous body is likely to be clogged (flooded) due to the condensation of water vapor, particularly at the air electrode where water is generated. Therefore, in order to obtain stable characteristics of the fuel cell over a long period of time, it is effective to ensure the water repellency of the electrode so that the flooding phenomenon does not occur.

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。 As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。 The thickness of the electrode plates 2 and 3 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced, but is preferably 50 to 500 μm in view of electrode reaction, strength, handling properties, and the like.

電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。 The electrode plates 2 and 3 and the solid polymer electrolyte 1 may be laminated and integrated in advance by adhesion, fusion, or the like, or may simply be arranged in a stacked manner. Such a laminated body can also be obtained as a thin film electrode assembly (MEA), and may be used.

カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。 A cathode side metal plate 4 is disposed on the surface of the cathode side electrode plate 2, and an anode side metal plate 5 is disposed on the surface of the anode side electrode plate 3. The anode side metal plate 5 is provided with a fuel inlet 5c and a discharge port 5d, and further, in the present embodiment, a flow channel 9 is provided in the anode side metal plate 5.

カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。 The cathode side metal plate 4 is provided with an opening 4c for supplying oxygen in the air. As long as the cathode side electrode plate 2 can be exposed, the number, shape, size, formation position, and the like of the opening 4c may be any. However, in consideration of the supply efficiency of oxygen in the air and the current collection effect from the cathode side electrode plate 2, the area of the opening 4c is preferably 10 to 50% of the area of the cathode side electrode plate 2, In particular, 20 to 40% is preferable.

カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。 The opening 4c of the cathode side metal plate 4 may be provided with a plurality of circular holes, slits, or the like regularly or randomly, or may be provided with a metal mesh.

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。 As the metal plates 4 and 5, any metal can be used as long as it does not adversely affect the electrode reaction, and examples thereof include stainless steel plates, nickel, copper, and copper alloys. However, from the viewpoint of elongation, weight, elastic modulus, strength, corrosion resistance, press workability, etching workability and the like, a stainless steel plate, nickel and the like are preferable.

アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。 The channel groove 9 provided in the anode side metal plate 5 may have any planar shape or cross-sectional shape as long as a channel for hydrogen gas or the like can be formed by contact with the electrode plate 3. However, in consideration of the channel density, the lamination density at the time of lamination, the flexibility, etc., it is preferable to mainly form the vertical groove 9a parallel to one side of the metal plate 5 and the vertical groove 9b. In this embodiment, a plurality of (three in the illustrated example) vertical grooves 9a are connected in series to the horizontal grooves 9b to balance the flow path density and the flow path length.

なお、このような金属板５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝を形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。 A part of the channel groove 9 (for example, the lateral groove 9 b) of the metal plate 5 may be formed on the outer surface of the electrode plate 3. As a method of forming the flow channel groove on the outer surface of the electrode plate 3, a mechanical method such as a hot press or cutting may be used. However, it is preferable to perform groove processing by laser irradiation in order to suitably perform fine processing. From the viewpoint of performing laser irradiation, the base material for the electrode plates 2 and 3 is preferably an aggregate of fibrous carbon.

金属板５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、０．１〜１ｍｍが好ましい。 One or a plurality of inlets 5c and outlets 5d communicating with the channel groove 9 of the metal plate 5 can be formed. In addition, although the thickness of the metal plates 4 and 5 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced, 0.1 to 1 mm is preferable in consideration of strength, elongation, weight, elastic modulus, handling property, and the like.

金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。 Etching is preferable as a method of forming the flow channel 9 in the metal plate 5 in view of processing accuracy and ease. In the channel groove 9 by etching, a width of 0.1 to 10 mm and a depth of 0.05 to 1 mm are preferable. The cross-sectional shape of the channel groove 9 is preferably substantially square, substantially trapezoidal, substantially semicircular, V-shaped or the like.

金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。 Etching is also preferably used for forming the opening 4 c in the metal plate 4, thinning the peripheral portions of the metal plates 4, 5, and forming the inlet 5 c to the metal plate 5.

エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。 Etching can be performed using, for example, a dry film resist or the like, after forming an etching resist having a predetermined shape on the metal surface, and then using an etching solution corresponding to the type of the metal plates 4 and 5. Moreover, the cross-sectional shape of the flow-path groove | channel 9 can be controlled more precisely by performing a selective etching for every metal using the laminated board of 2 or more types of metals.

図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）をエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。 The embodiment shown in FIG. 2 is an example in which the caulking portions (peripheral portions) of the metal plates 4 and 5 are thinned by etching. In this way, the caulking portion is etched to have an appropriate thickness, whereby sealing by caulking can be performed more easily. From this viewpoint, the thickness of the crimped portion is preferably 0.05 to 0.3 mm.

本発明では、金属板４，５の周縁は、電気的に絶縁した状態でカシメにより封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。 In the present invention, the peripheral edges of the metal plates 4 and 5 are sealed with caulking in an electrically insulated state. Electrical insulation can be performed by interposing the insulating material 6, the peripheral edge of the solid polymer electrolyte 1, or both.

本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。絶縁材料６の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。 In the present invention, when caulking, as shown in FIG. 2, a structure in which the solid polymer electrolyte 1 is sandwiched between the peripheral edges of the metal plates 4 and 5 is preferable, and the solid polymer electrolyte 1 is sandwiched with the insulating material 6 interposed. More preferable is the structure. According to such a structure, inflow of gas or the like from one of the electrode plates 2 and 3 to the other can be effectively prevented. The thickness of the insulating material 6 is preferably 0.1 mm or less from the viewpoint of thinning. In addition, it is possible to further reduce the thickness by coating the insulating material (for example, the insulating material 6 can have a thickness of 1 μm).

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましく、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。 As the insulating material 6, a sheet-like resin, rubber, thermoplastic elastomer, ceramics, and the like can be used. However, in order to improve the sealing performance, resin, rubber, thermoplastic elastomer, and the like are preferable, and in particular, polypropylene, polyethylene, polyester, fluorine Resin and polyimide are preferable. The insulating material 6 can be integrated with the metal plates 4 and 5 in advance by sticking or coating the peripheral edges of the metal plates 4 and 5 directly or via an adhesive.

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。 As the caulking structure, the structure shown in FIG. 2 is preferable from the viewpoint of sealing performance, ease of manufacture, thickness, and the like. That is, the outer edge portion 5a of one metal plate 5 is made larger than the other outer edge portion 4a, and the insulating material 6 is interposed, while the outer edge portion 5 of one metal plate 5 is changed to the outer edge portion 4a of the other metal plate 4. A caulking structure that is folded back so as to sandwich pressure is preferable. In this caulking structure, it is preferable to provide a step in the outer edge portion 4a of the metal plate 4 by pressing or the like. Such a caulking structure itself is known as metal processing, and can be formed by a known caulking device.

本発明では、図２に示すような単位セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。 In the present invention, one or a plurality of unit cells as shown in FIG. 2 can be used. The unit cell is composed of a solid polymer electrolyte 1, a pair of electrode plates 2, 3, and a pair of metal plates 4, 5. It is also possible to stack a plurality of unit cells or arrange them on the same surface. By doing so, it is possible to provide a high-power fuel cell without the need to apply a certain pressure to the cell parts by mutually coupling with the fastening parts of the bolts and nuts.

使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のチューブを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するチューブジョイントを設けるのが好ましい。 In use, a fuel supply tube can be directly joined to the fuel inlet 5c and the outlet 5d of the metal plate 5, but the thickness of the fuel cell is reduced in order to reduce the thickness of the fuel cell. A tube joint having a pipe parallel to the surface of the metal plate 5 is preferably provided.

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器に好適に使用することができる。 Since the fuel cell of the present invention can be thinned and can be designed to be small, light and free, it can be suitably used particularly for mobile devices such as mobile phones and notebook PCs.

［他の実施形態］
（１）前述の実施形態では、図２に示すカシメ構造を採用する例を示したが、本発明では、図３（ａ）〜（ｂ）に示すようなカシメ構造を採用してもよい。 [Other Embodiments]
(1) In the above-described embodiment, an example in which the caulking structure illustrated in FIG. 2 is employed has been described. However, in the present invention, a caulking structure as illustrated in FIGS. 3A to 3B may be employed.

図３（ａ）に示すカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返したカシメ構造である。なお、この単位セルでは、各々の電極板２，３から拡散したガスが混合しないように、金属板４，５の各々と固体高分子電解質１との間に、シール部材Ｓを介在させている。 The crimped structure shown in FIG. 3A is a crimped structure in which the outer edge portions 4a and 5a of both the metal plates 4 and 5 are folded back. In this unit cell, a sealing member S is interposed between each of the metal plates 4 and 5 and the solid polymer electrolyte 1 so that the gas diffused from each of the electrode plates 2 and 3 is not mixed. .

更に、図３（ｂ）に示すカシメ構造は、両方の金属板４，５の外縁部４ａ，５ａを折り返さずに、別の金属板７によって、各々の金属板４，５を絶縁する絶縁材料６ａ，６ｂを介して、挟圧したカシメ構造である。なお、カシメ構造では、両者の金属板４，５をプレス加工せずに平板のまま使用することも可能である。 Further, the caulking structure shown in FIG. 3B is an insulating material that insulates each of the metal plates 4 and 5 by another metal plate 7 without folding the outer edge portions 4a and 5a of both the metal plates 4 and 5. It is the crimping structure clamped via 6a, 6b. In the caulking structure, both the metal plates 4 and 5 can be used as they are without being pressed.

（２）前述の実施形態では、エッチングによりアノード側金属板に流路溝を形成する例を示したが、本発明では、プレス加工、切削などの機械的な方法により、アノード側金属板に流路溝を形成してもよい。 (2) In the above-described embodiment, an example in which the channel groove is formed in the anode side metal plate by etching has been shown. However, in the present invention, the flow is applied to the anode side metal plate by a mechanical method such as press working or cutting. A road groove may be formed.

図４は、プレス加工による金属板５の変形により流路溝９を形成した例である。プレス加工により流路溝９を形成する場合、流路溝９としては幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．１〜１０ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。 FIG. 4 shows an example in which the channel groove 9 is formed by deformation of the metal plate 5 by press working. When the flow channel 9 is formed by pressing, the flow channel 9 preferably has a width of 0.1 to 10 mm and a depth of 0.1 to 10 mm. The cross-sectional shape of the channel groove 9 is preferably substantially square, substantially trapezoidal, substantially semicircular, V-shaped or the like.

（３）前述の実施形態では、アノード側金属板に燃料の流路溝を形成する例を示したが、本発明では、図５（ａ）〜（ｂ）に示すように、アノード側電極板３に、燃料の流路溝３ａを形成してもよい。その場合、アノード側金属板５には流路溝を設けないことも可能である。 (3) In the above-described embodiment, the example in which the fuel flow channel is formed in the anode side metal plate is shown. However, in the present invention, as shown in FIGS. 3, a fuel flow channel 3a may be formed. In that case, the anode side metal plate 5 may not be provided with a channel groove.

また、この例では、開口部４ｃを有する側のカソード側電極板２にも、流路溝２ａを形成しているが、カソード側金属板の開口部４ｃからの空気の拡散性を高める目的で、カソード側電極板２にも流路溝２ａを形成してもよい。 In this example, the channel groove 2a is also formed in the cathode side electrode plate 2 on the side having the opening 4c, but for the purpose of improving the diffusibility of air from the opening 4c of the cathode side metal plate. The channel groove 2a may also be formed in the cathode side electrode plate 2.

（４）前述の実施形態では、カソード側金属板の開口部から、そのままカソード側電極板を露出させる例を示したが、本発明では、カソード側金属板に、前記開口部を覆うように疎水性の高分子多孔質膜を積層してもよい。高分子多孔質膜の積層は、カソード側金属板の内側でも外側でもよい。 (4) In the above-described embodiment, the cathode side electrode plate is exposed as it is from the opening of the cathode side metal plate. However, in the present invention, the cathode side metal plate is hydrophobic so as to cover the opening. A porous polymer porous membrane may be laminated. The polymer porous membrane may be laminated on the inside or outside of the cathode side metal plate.

高分子多孔質膜の平均孔径は、通気性を維持しながら水滴の漏出を防止する上で、０．０１〜３μｍが好ましい。また、高分子多孔質膜の厚みは１０〜１００μｍが好ましい。高分子多孔質膜の材質としては、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン、ポリウレタン、シリコーン樹脂などが挙げられる。 The average pore diameter of the polymer porous membrane is preferably 0.01 to 3 μm in order to prevent water droplets from leaking while maintaining air permeability. The thickness of the polymer porous membrane is preferably 10 to 100 μm. Examples of the material for the polymer porous membrane include fluororesins such as polytetrafluoroethylene, polyolefins such as polypropylene and polyethylene, polyurethane, and silicone resins.

以下、本発明の構成と効果を具体的に示す実施例等について説明する。 Examples and the like specifically showing the configuration and effects of the present invention will be described below.

〔実施例１〕
耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に溝（幅０．８ｍｍ、深さ０．２ｍｍ、間隔１．６ｍｍ、本数２１本）、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをアノード側金属板とした。同様に、耐食性を有するＳＵＳ（５０ｍｍ×２６ｍｍ×０．３ｍｍ厚）に貫通孔（１．０ｍｍφ、ピッチ１．５ｍｍ、個数３５０個）、及び周辺カシメ部、ガス導入、排出孔を塩化第二鉄水溶液によるエッチングにより設け、これをカソード側金属板とした。そして絶縁シート（５０ｍｍ×２６ｍｍ×２ｍｍ幅、厚み８０μｍ）をＳＵＳに張り合わせた。 [Example 1]
Corrosion-resistant SUS (50 mm x 26 mm x 0.3 mm thick) with grooves (width 0.8 mm, depth 0.2 mm, spacing 1.6 mm, number 21), peripheral caulking part, gas introduction and discharge holes are chlorinated This was provided by etching with a ferric aqueous solution, and this was used as the anode side metal plate. Similarly, SUS (50 mm x 26 mm x 0.3 mm thickness) with corrosion resistance has through holes (1.0 mmφ, pitch 1.5 mm, number 350), peripheral caulking part, gas introduction and discharge holes in ferric chloride This was provided by etching with an aqueous solution, and this was used as a cathode side metal plate. Then, an insulating sheet (50 mm × 26 mm × 2 mm width, thickness 80 μm) was bonded to SUS.

また、薄膜電極組立体（４９．３ｍｍ×２５．３ｍｍ）は、下記のようにして作製した。白金触媒は、米国エレクトロケム社製２０％白金担持カーボン触媒（ＥＣ−２０−ＰＴＣ）を用いた。この白金触媒と、カーボンブラック（アクゾ社ケッチェンブラックＥＣ）、ポリフッ化ビニリデン（カイナー）を、それぞれ７５重量％、１５重量％、１０重量％の割合で混合し、ジメチルホルムアミドを、２．５重量％のポリフッ化ビニリデン溶液となるような割合で、上記白金触媒、カーボンブラック、ポリフッ化ビニリデンの混合物中に加え、乳鉢中で溶解・混合して、触媒ペーストを作製した。カーボンペーパー（東レ製ＴＧＰ−Ｈ−９０、厚み３７０μｍ）を２０ｍｍ×４３ｍｍに切断し、この上に、上記のようにして作製した触媒ペースト約２０ｍｇをスパチュラにて塗布し、８０℃の熱風循環式乾燥機中で乾燥した。このようにして４ｍｇの触媒組成物が担持されたカーボンペーパーを作製した。白金担持量は、０．６ｍｇ／ｃｍ²である。 A thin film electrode assembly (49.3 mm × 25.3 mm) was prepared as follows. As the platinum catalyst, a 20% platinum-supported carbon catalyst (EC-20-PTC) manufactured by US Electrochem Co., Ltd. was used. This platinum catalyst, carbon black (Akzo Ketjen Black EC), and polyvinylidene fluoride (Kayner) were mixed at a ratio of 75% by weight, 15% by weight, and 10% by weight, respectively, and dimethylformamide was added by 2.5% by weight. The catalyst paste was prepared by adding to the mixture of the platinum catalyst, carbon black, and polyvinylidene fluoride in such a ratio as to give a% polyvinylidene fluoride solution, and dissolving and mixing in a mortar. Carbon paper (TGP-H-90 manufactured by Toray, thickness 370 μm) is cut into 20 mm × 43 mm, and about 20 mg of the catalyst paste prepared as described above is applied with a spatula, hot air circulation type at 80 ° C. Dried in the dryer. Thus, a carbon paper carrying 4 mg of the catalyst composition was produced. The amount of platinum supported is 0.6 mg / cm ² .

上記のようにして作製した白金触媒担持カーボンペーパーと、固体高分子電解質（陽イオン交換膜）としてナフィオンフィルム（デュポン社製ナフィオン１１２、２５．３ｍｍ×４９．３ｍｍ、厚み５０μｍ）を用い、その両面に、金型を用いて、１３５℃、２ＭＰａの条件にて２分間ホットプレスした。こうして得られた薄膜電極組立体を上記のＳＵＳ板２枚の中央で挟み込み、図２に示すようにカシメ合わせることで、外寸５０ｍｍ×２６ｍｍ×１．４ｍｍ厚という薄型小型のマイクロ燃料電池を得る事ができた。 Using both the platinum catalyst-supported carbon paper produced as described above and a Nafion film (Nafion 112 manufactured by DuPont, 25.3 mm × 49.3 mm, thickness 50 μm) as a solid polymer electrolyte (cation exchange membrane), both surfaces thereof Then, hot pressing was performed for 2 minutes at 135 ° C. and 2 MPa using a mold. The thin-film electrode assembly thus obtained is sandwiched between the two SUS plates in the center and crimped as shown in FIG. 2 to obtain a thin and small micro fuel cell having an outer dimension of 50 mm × 26 mm × 1.4 mm. I was able to.

このマイクロ燃料電池の電池特性を評価した。燃料電池特性は、東陽テクニカ製燃料電池評価システムを用い、室温下、アノード側に純水素ガスを流した（カソード側は大気開放とした）。ガス流量は、０．２Ｌ／ｍｉｎとした。得られた最大出力密度は、電極面積当たり４００ｍＷ／ｃｍ²であった（図６にはセル当たりの最大出力密度を示している）。 The battery characteristics of this micro fuel cell were evaluated. The fuel cell characteristics were measured by using a fuel cell evaluation system manufactured by Toyo Technica, and flowing pure hydrogen gas to the anode side at room temperature (the cathode side was open to the atmosphere). The gas flow rate was 0.2 L / min. The maximum power density obtained was 400 mW / cm ² per electrode area (FIG. 6 shows the maximum power density per cell).

本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図Assembly perspective view showing an example of a unit cell of the fuel cell of the present invention 本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す縦断面図The longitudinal cross-sectional view which shows an example of the unit cell of the fuel cell of this invention 本発明の燃料電池のカシメ構造の他の例を示す要部断面図Sectional drawing of the principal part which shows the other example of the crimping structure of the fuel cell of this invention 本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す縦断面図The longitudinal cross-sectional view which shows the other example of the unit cell of the fuel cell of this invention 本発明の燃料電池の単位セルの他の例を示す縦断面図であり、（ａ）は組み立て斜視図、（ｂ）は縦断面図It is a longitudinal cross-sectional view which shows the other example of the unit cell of the fuel cell of this invention, (a) is an assembly perspective view, (b) is a longitudinal cross-sectional view. 本発明の実施例で得られた燃料電池の電圧と出力の関係を示すグラフThe graph which shows the relationship between the voltage and output of the fuel cell obtained in the Example of this invention 従来の燃料電池の一例を示す組み立て斜視図Assembly perspective view showing an example of a conventional fuel cell

Explanation of symbols

１固体高分子電解質
２カソード側電極板
３アノード側電極板
４カソード側金属板
４ｃ開口部
５アノード側金属板
５ｃ注入口
５ｄ排出口
６絶縁材料
９流路溝 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Solid polymer electrolyte 2 Cathode side electrode plate 3 Anode side electrode plate 4 Cathode side metal plate 4c Opening part 5 Anode side metal plate 5c Inlet 5d Outlet 6 Insulation material 9 Channel groove

Claims

In a fuel cell comprising a plate-shaped solid polymer electrolyte, a cathode side electrode plate disposed on one side of the solid polymer electrolyte, and an anode side electrode plate disposed on the other side,
A cathode-side metal plate provided on the surface of the cathode-side electrode plate and provided with an opening; and an anode-side metal plate provided on the surface of the anode-side electrode plate and provided with a fuel inlet and outlet. , Ri Ah sealed by caulking the peripheral edge of both sides of the metal plate in an electrically insulated state, the said cathode side metal plate, the hydrophobic porous polymer film to cover the opening is laminated fuel cell characterized by being.

The fuel cell according to claim 1, wherein a fuel channel groove is formed in at least one of the anode side metal plate and the anode side electrode plate.

3. The fuel cell according to claim 1, wherein at least one peripheral portion of the anode-side metal plate or the cathode-side metal plate is thinner than other portions by etching.