JP5143336B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの改良に関し、特に、電解質膜−電極接合体の周縁部に配されているガスケットと導電性セパレータとのシール構造の改良に関する。   The present invention relates to an improvement in a separator of a solid polymer electrolyte fuel cell, and more particularly, to an improvement in a seal structure between a gasket and a conductive separator disposed on a peripheral portion of an electrolyte membrane-electrode assembly.

固体高分子電解質型燃料電池の最も代表的なものは、周縁部がシール材からなるガスケットで支持された高分子電解質膜、前記電解質膜の一方の面に接合されたアノード、前記電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる電解質膜−電極接合体(MEA)、前記MEAを挟むアノード側導電性セパレータおよびカソード側導電性セパレータから構成される。導電性セパレータは、アノードおよびカソードにそれぞれ燃料および酸化剤ガスを供給する流体供給手段を有する。セパレータは、高い導電性、反応ガスに対する高い気密性、および水素や酸素が酸化還元する際の反応に対する高い耐食性を持つ必要から、通常グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材で構成されるのが一般的である(例えば、特許文献1参照)。
特開2003−77495号公報
The most typical solid polymer electrolyte fuel cell includes a polymer electrolyte membrane supported by a gasket having a peripheral edge made of a sealing material, an anode joined to one surface of the electrolyte membrane, and the other of the electrolyte membrane. An electrolyte membrane-electrode assembly (MEA) composed of a cathode joined to the surface of the electrode, an anode-side conductive separator sandwiching the MEA, and a cathode-side conductive separator. The conductive separator has fluid supply means for supplying fuel and oxidant gas to the anode and the cathode, respectively. Separators are usually composed of carbon materials such as glassy carbon and expanded graphite because they must have high conductivity, high airtightness against reactive gases, and high corrosion resistance against reactions when hydrogen and oxygen are oxidized and reduced. (For example, see Patent Document 1).
JP 2003-77495 A

セパレータは、通常、周縁近傍にマニホールド孔を有し、中央部に流体流路を有する。従って、セパレータの周縁部は、本来導電性である必要がないにも拘わらず、気密性を確保するため、中央部の流体流路を形成する部分と一体に、高価で加工性の悪いカーボン材で形成されている。このため、固体高分子電解質型燃料電池のコスト低減の障害となっていた。安価で、加工性の良い金属製セパレータ等の開発が行われているが、高分子膜近傍は強酸性雰囲気となるため、腐食という問題がいまだ解決されていない。   The separator usually has a manifold hole in the vicinity of the peripheral edge and a fluid flow path in the center. Therefore, in order to ensure airtightness, the peripheral portion of the separator is not necessarily electrically conductive, but it is an expensive and poorly workable carbon material integrally with the portion forming the fluid flow path in the central portion. It is formed with. For this reason, it has become an obstacle to cost reduction of the solid polymer electrolyte fuel cell. Development of inexpensive metal separators with good workability has been underway, but the problem of corrosion has not yet been solved because the vicinity of the polymer film is a strongly acidic atmosphere.

そこで、本発明は、高価なカーボンのような導電性素材の使用を必要最低限の部分に限定することにより、低コストの固体高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a low-cost solid polymer electrolyte fuel cell by limiting the use of a conductive material such as expensive carbon to the minimum necessary part.

本発明は、(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む第1枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体を挟むアノード側セパレータおよびカソード側セパレータを具備する高分子電解質型燃料電池に関する。
本発明のセパレータは、膜電極接合体の電極を包含する範囲の中央部は金属、カーボンなどの導電体で構成され、周縁部は樹脂からなる第2枠体により構成されている。第2枠体は、セパレータ中央部の周縁部に設けられた薄肉部を包埋するようにして、セパレータ中央部を構成する導電体と一体に成形されている。
第1枠体には、高分子電解質膜に突出するように傾斜部が設けられ、かつセパレータの導電体には前記傾斜部と嵌合するように凹部が設けられている。
第1枠体上および高分子電解質膜上には、アノードおよびカソードを囲むようにシール部材が配置されている。シール部材は、前記傾斜部において、第1枠体上の部分および高分子電解質膜上の部分とつながっている。
The present invention includes (1) a polymer electrolyte membrane, a first frame sandwiching a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, an anode bonded to one surface of the polymer electrolyte membrane, and the other of the polymer electrolyte membranes And (2) a polymer electrolyte fuel cell comprising an anode separator and a cathode separator sandwiching the membrane electrode assembly.
In the separator of the present invention, the central part of the range including the electrode of the membrane electrode assembly is made of a conductor such as metal or carbon, and the peripheral part is made of a second frame made of resin. The second frame is formed integrally with the conductor constituting the separator central part so as to embed a thin part provided at the peripheral part of the separator central part.
The first frame is provided with an inclined portion so as to protrude from the polymer electrolyte membrane, and the conductor of the separator is provided with a recess so as to be fitted to the inclined portion.
A sealing member is disposed on the first frame and the polymer electrolyte membrane so as to surround the anode and the cathode. The seal member is connected to the portion on the first frame and the portion on the polymer electrolyte membrane in the inclined portion.

本発明によれば、電極を包含する大きさの部分にのみ高価なカーボンのような導電性素材を使用するので、低コストの燃料電池を製作することができる。   According to the present invention, since an expensive conductive material such as carbon is used only for the portion including the electrode, a low-cost fuel cell can be manufactured.

本発明による第1の形態の高分子電解質型燃料電池は、複数の単電池を積層したセルスタックを具備し、
前記単電池が、(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む第1枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体を挟むアノード側セパレータおよびカソード側セパレータからなり、
前記膜電極接合体の第1枠体並びに前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記膜電極接合体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間には、それぞれ前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路および前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路を有する。
そして、前記セパレータが、前記電極を包含する範囲の中央部は導電体で構成され、周縁部は樹脂からなる第2枠体が構成され、かつ、前記中央部の周縁部に設けられた薄肉部を包埋するように前記第2枠体が前記導電体と一体に成形されている。
第1枠体には、高分子電解質膜に突出するように傾斜部が設けられ、かつセパレータの導電体には前記傾斜部と嵌合するように凹部が設けられている。第1枠体上および高分子電解質膜上には、アノードおよびカソードを囲むようにシール部材が配置されている。シール部材は、前記傾斜部において、第1枠体上の部分および高分子電解質膜上の部分とつながっている。
A polymer electrolyte fuel cell according to a first aspect of the present invention includes a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked,
The unit cell includes: (1) a polymer electrolyte membrane, a first frame sandwiching a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly comprising a cathode joined to the other surface, and (2) an anode side separator and a cathode side separator sandwiching the membrane electrode assembly,
The first frame body of the membrane electrode assembly and the anode side separator and the cathode side separator each have a pair of manifold holes for an oxidant gas and a fuel, and the membrane electrode assembly, the anode side separator, and the cathode side separator, Between the pair of fuel manifold holes and a fluid flow path for supplying fuel to the anode and a pair of oxidant gas manifold holes for supplying an oxidant gas to the cathode. Have.
In the separator, the central portion of the range including the electrode is formed of a conductor, the peripheral portion is formed of a second frame made of resin, and the thin portion is provided at the peripheral portion of the central portion. The second frame body is formed integrally with the conductor so as to embed the material.
The first frame is provided with an inclined portion so as to protrude from the polymer electrolyte membrane, and the conductor of the separator is provided with a recess so as to be fitted to the inclined portion. A sealing member is disposed on the first frame and the polymer electrolyte membrane so as to surround the anode and the cathode. The seal member is connected to the portion on the first frame and the portion on the polymer electrolyte membrane in the inclined portion.

第1の形態の高分子電解質型燃料電池においては、前記セルスタックの圧縮下において、前記第1枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータの周縁部とが面接触するとともに隣接する単電池のアノード側セパレータとカソード側セパレータが面接触し、前記第1枠体に設けられたシール部材が積層方向に変形して、前記マニホールド孔および流体流路を含む流体の流通部分が外部と気密に隔離される構成を有することが好ましい。 In the polymer electrolyte fuel cell according to the first aspect, the first frame body and the peripheral portions of the anode-side separator and the cathode-side separator are in surface contact with each other and are adjacent to each other under the compression of the cell stack. The side separator and the cathode side separator are in surface contact, the seal member provided in the first frame is deformed in the stacking direction, and the fluid circulation portion including the manifold hole and the fluid flow path is hermetically isolated from the outside. It is preferable to have a configuration.

第1の形態の燃料電池においては、前記第1枠体並びにアノード側セパレータおよびカソード側セパレータが、それぞれ一対の冷却水のマニホールド孔を有し、隣接する単電池のアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に、前記冷却水のマニホールド孔につながる冷却水の流路を有し、前記両セパレータ間に、前記セルスタックの圧縮下において積層方向に変形して、前記冷却水のマニホールド孔および冷却水の流路を含む冷却水の流通部分が外部と液密に隔離される構成を有するシール部材が、さらに設けられていることが好ましい。 In the fuel cell of the first embodiment, the first frame body, the anode side separator, and the cathode side separator each have a pair of cooling water manifold holes, and the anode side separator and cathode side separator of adjacent unit cells between the leads to the manifold holes, the cooling water having a cooling water flow path between the front Symbol the separators, and deformed in the stacking direction under compression of the cell stack, the cooling water manifold apertures and the cooling It is preferable that a seal member having a configuration in which a circulating portion of the cooling water including the water flow path is liquid-tightly isolated from the outside is further provided .

第2の形態(参考形態)の高分子電解質型燃料電池は、複数の単電池を積層したセルスタックを具備する高分子電解質型燃料電池であって、
前記単電池が、(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体の枠体のアノード側の内縁部およびカソード側の内縁部にそれぞれ当接される外周縁部を有し、前記アノードおよびカソードにそれぞれ面接触されるアノード側導電性セパレータおよびカソード側導電性セパレータからなる。
前記膜電極接合体の枠体は、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記枠体とアノード側導電性セパレータには、前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路が形成され、前記枠体とカソード側導電性セパレータには、前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路が形成される。
そして、前記セルスタックの圧縮下において、前記枠体同士が面接触するとともに隣接する単電池のアノード側導電性セパレータとカソード導電性側セパレータが面接触し、前記枠体に設けられたシール部材が積層方向に変形して、前記マニホールド孔および流体流路を含む流体の流通部分が外部と気密に隔離される。
前記のシール部材は、少なくともカソード側のシール部材と、アノード側のシール部材を有することが好ましい。すなわち、カソード側のシール部材は、前記枠体とカソード側導電性セパレータにわたって形成された、前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔からカソードに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガスの流路を囲むように形成される。また、アノード側のシール部材は、前記枠体とアノード側導電性セパレータにわたって形成された、一対の燃料のマニホールド孔からアノードに燃料を供給する燃料の流路を囲むように形成される。これらのシール部材は、セルスタックの圧縮下において、マニホールド孔近傍においては隣接する枠体と枠体とにより圧縮され、カソードまたはアノードを囲む部分においては枠体と導電性セパレータとにより圧縮される。
The polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment (reference embodiment) is a polymer electrolyte fuel cell comprising a cell stack in which a plurality of single cells are stacked,
The unit cell includes (1) a polymer electrolyte membrane, a frame that sandwiches a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and the other of the polymer electrolyte membranes A membrane electrode assembly composed of a cathode bonded to the surface, and (2) an outer peripheral edge portion that is in contact with the inner edge portion on the anode side and the inner edge portion on the cathode side of the frame body of the membrane electrode assembly. The anode-side conductive separator and the cathode-side conductive separator are in surface contact with the anode and the cathode, respectively.
The frame of the membrane electrode assembly has a pair of manifold holes for oxidant gas and fuel, and the frame and anode-side conductive separator are connected to the pair of fuel manifold holes and fuel to the anode. A fluid flow path is formed in the frame and the cathode-side conductive separator to connect the pair of oxidant gas manifold holes to supply the oxidant gas to the cathode.
Then, under compression of the cell stack, the frame members are in surface contact with each other, and the anode-side conductive separator and the cathode conductive-side separator of the adjacent unit cell are in surface contact, and a seal member provided on the frame body is provided. By deforming in the stacking direction, the fluid circulation portion including the manifold hole and the fluid flow path is airtightly isolated from the outside.
The sealing member preferably includes at least a cathode side sealing member and an anode side sealing member. That is, the cathode-side seal member surrounds the flow path of the oxidant gas that is formed over the frame and the cathode-side conductive separator and supplies the oxidant gas to the cathode from the pair of oxidant gas manifold holes. Formed. The anode-side seal member is formed so as to surround a fuel flow path that supplies fuel to the anode from a pair of fuel manifold holes formed across the frame and the anode-side conductive separator. Under the compression of the cell stack, these seal members are compressed by the adjacent frame body and frame body in the vicinity of the manifold hole, and are compressed by the frame body and the conductive separator in the portion surrounding the cathode or anode.

第2の形態の燃料電池においては、前記枠体が一対の冷却水のマニホールド孔を有し、隣接する単電池のアノード側導電性セパレータとカソード側導電性セパレータとの間に、前記冷却水のマニホールド孔につながる冷却水の流路を有し、前記セルスタックの圧縮下において、前記枠体に設けられたシール部材が積層方向に変形して、前記冷却水のマニホールド孔および冷却水の流路を含む冷却水の流通部分が外部と液密に隔離される構成を有することが好ましい。   In the fuel cell according to the second aspect, the frame body has a pair of cooling water manifold holes, and the cooling water is interposed between the anode side conductive separator and the cathode side conductive separator of the adjacent unit cell. A cooling water flow path connected to the manifold hole, and under compression of the cell stack, a seal member provided in the frame body is deformed in the stacking direction, whereby the cooling water manifold hole and the cooling water flow path It is preferable to have a configuration in which the circulating portion of the cooling water containing the liquid is isolated from the outside in a liquid-tight manner.

第3の形態(参考形態)の高分子電解質型燃料電池は、複数の単電池を積層したセルスタックを具備する高分子電解質型燃料電池であって、
前記単電池が、(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体の枠体のアノード側の内周面部およびカソード側の内周面部にそれぞれ第1のシール部材を介して当接される外周面部を有し、前記アノードおよびカソードにそれぞれ面接触されるアノード側導電性セパレータおよびカソード側導電性セパレータからなり、
前記膜電極接合体の枠体は、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記枠体とアノード側導電性セパレータには、前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路が形成され、前記枠体とカソード側導電性セパレータには、前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路が形成される。
そして、前記セルスタックの圧縮下において、前記枠体同士が面接触するとともに隣接する単電池のアノード側導電性セパレータとカソード導電性側セパレータが面接触し、前記第1のシール部材が積層方向と垂直な方向に変形して、前記流体流路部分が、前記枠体の内周面部と前記アノード側導電性セパレータおよびカソード側導電性セパレータの外周面部との接続部において、外部と気密に隔離される。
A polymer electrolyte fuel cell according to a third embodiment (reference embodiment) is a polymer electrolyte fuel cell including a cell stack in which a plurality of single cells are stacked.
The unit cell includes (1) a polymer electrolyte membrane, a frame that sandwiches a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and the other of the polymer electrolyte membranes A membrane electrode assembly composed of a cathode joined to the surface, and (2) a first seal member on each of the inner peripheral surface portion on the anode side and the inner peripheral surface portion on the cathode side of the frame body of the membrane electrode assembly. It has an outer peripheral surface part to be contacted, and consists of an anode side conductive separator and a cathode side conductive separator which are in surface contact with the anode and the cathode, respectively.
The frame of the membrane electrode assembly has a pair of manifold holes for oxidant gas and fuel, and the frame and anode-side conductive separator are connected to the pair of fuel manifold holes and fuel to the anode. A fluid flow path is formed in the frame and the cathode-side conductive separator to connect the pair of oxidant gas manifold holes to supply the oxidant gas to the cathode.
Then, under compression of the cell stack, the frames are in surface contact with each other, and the anode side conductive separator and the cathode conductive side separator of the adjacent unit cell are in surface contact, and the first seal member is in the stacking direction. By deforming in a vertical direction, the fluid flow path portion is airtightly isolated from the outside at a connection portion between the inner peripheral surface portion of the frame body and the outer peripheral surface portions of the anode side conductive separator and the cathode side conductive separator. The

さらに、前記枠体が第2のシール部材を有し、前記セルスタックの圧縮下において、第2のシール部材がセルスタックの積層方向に変形して、前記シール部材と協動して前記マニホールド孔および流体流路を含む流体の流通部分が外部と気密に隔離されるように構成されている。   Further, the frame has a second seal member, and the second seal member is deformed in the stacking direction of the cell stack under compression of the cell stack, and cooperates with the seal member to form the manifold hole. In addition, the fluid circulation portion including the fluid flow path is configured to be airtightly isolated from the outside.

第3の形態の燃料電池においては、前記枠体が一対の冷却水のマニホールド孔を有し、隣接する単電池のアノード側導電性セパレータとカソード側導電性セパレータとの間に、前記冷却水のマニホールド孔につながる冷却水の流路を有し、前記セルスタックの圧縮下において、前記枠体に設けられた第3のシール部材が積層方向に変形し、前記シール部材と協動して前記冷却水のマニホールド孔および冷却水の流路を含む冷却水の流通部分が外部と液密に隔離される構成を有することが好ましい。   In the fuel cell of the third embodiment, the frame body has a pair of cooling water manifold holes, and the cooling water is interposed between the anode side conductive separator and the cathode side conductive separator of the adjacent unit cell. A cooling water flow path connected to the manifold hole; and under compression of the cell stack, a third seal member provided in the frame body is deformed in the stacking direction, and cooperates with the seal member to It is preferable that the cooling water circulation portion including the water manifold hole and the cooling water flow path be separated from the outside in a liquid-tight manner.

本発明による第4の形態の高分子電解質型燃料電池は、
(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む第1枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体を挟むアノード側セパレータおよびカソード側セパレータからなり、
前記膜電極接合体の第1枠体並びに前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記膜電極接合体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間には、それぞれ前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路および前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路を有する高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータが、前記電極を包含する範囲の中央部は導電体で構成され、周縁部は樹脂からなる第2枠体が構成され、かつ、前記中央部の周縁部に設けられた薄肉部を包埋するように前記第2枠体が前記導電体と一体に成形されている。
第4の形態においても、第1枠体には、高分子電解質膜に突出するように傾斜部が設けられ、かつセパレータの導電体には前記傾斜部と嵌合するように凹部が設けられている。第1枠体上および高分子電解質膜上には、アノードおよびカソードを囲むようにシール部材が配置されている。シール部材は、前記傾斜部において、第1枠体上の部分および高分子電解質膜上の部分とつながっている。
A fourth aspect of the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is:
(1) A polymer electrolyte membrane, a first frame sandwiching a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and joined to the other surface of the polymer electrolyte membrane A membrane electrode assembly comprising a cathode, and (2) an anode side separator and a cathode side separator sandwiching the membrane electrode assembly,
The first frame body of the membrane electrode assembly and the anode side separator and the cathode side separator each have a pair of manifold holes for an oxidant gas and a fuel, and the membrane electrode assembly, the anode side separator, and the cathode side separator, Between the pair of fuel manifold holes and a fluid flow path for supplying fuel to the anode and a pair of oxidant gas manifold holes for supplying an oxidant gas to the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising:
The separator includes a conductive material at a center portion including the electrode, a second frame body made of resin at a peripheral edge portion, and a thin portion provided at a peripheral edge portion of the central portion. The second frame is formed integrally with the conductor so as to be buried.
Also in the fourth embodiment, the first frame body is provided with an inclined portion so as to protrude from the polymer electrolyte membrane, and the separator conductor is provided with a concave portion so as to be fitted to the inclined portion. Yes. A sealing member is disposed on the first frame and the polymer electrolyte membrane so as to surround the anode and the cathode. The seal member is connected to the portion on the first frame and the portion on the polymer electrolyte membrane in the inclined portion.

本発明のセパレータの導電体および導電性セパレータは、高い導電性、反応ガスに対する高い気密性、および水素/酸素の酸化還元反応に対する高い耐食性を持つグラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材で構成するのが好ましい。膜電極接合体の枠体および中央に導電体を有するセパレータの周縁部は、成型用樹脂材料が、またシール部材は、エラストマーや弾性を有する合成樹脂がそれぞれ好ましい。
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態においては、燃料に水素などのガスを用いるものとして説明するが、本発明はメタノール水溶液を用いるダイレクトメタノール燃料電池などの液体燃料を用いるものにも適用できることは言うまでもない。
The separator of the present invention and the conductive separator are made of a carbon material such as glassy carbon or expanded graphite having high conductivity, high hermeticity against a reactive gas, and high corrosion resistance against a hydrogen / oxygen oxidation-reduction reaction. Is preferred. The frame of the membrane electrode assembly and the peripheral portion of the separator having a conductor at the center are preferably a resin material for molding, and the seal member is preferably an elastomer or a synthetic resin having elasticity.
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the following embodiments, description will be made on the assumption that a gas such as hydrogen is used as the fuel. However, it goes without saying that the present invention can also be applied to those using a liquid fuel such as a direct methanol fuel cell using an aqueous methanol solution.

実施の形態1
実施の形態1に係る燃料電池を図1〜図10により説明する。
まず、膜電極接合体を説明する。図1は膜電極接合体のカソード側の正面図、図2はその背面図で、アノード側の正面図、図3は図2の3−3線の拡大断面図である。
膜電極接合体10は、高分子電解質膜1、膜1の周縁部を一体に被覆した枠体11、膜の一方の面に接合されたカソード2および膜の他方の面に接合されたアノード3から構成される。枠体11は、WO 02/061869に示されているように、電解質膜1の周縁部に熱可塑性樹脂を射出成形することによって一体に結合したものである。膜の周縁部には多数の透孔を設け、膜の一方の面を被覆する部分と他方の面を被覆する部分とが前記の透孔をとおして連結されているのが好ましい。
Embodiment 1
A fuel cell according to Embodiment 1 will be described with reference to FIGS.
First, the membrane electrode assembly will be described. 1 is a front view of the cathode side of the membrane electrode assembly, FIG. 2 is a rear view thereof, a front view of the anode side, and FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along line 3-3 of FIG.
The membrane electrode assembly 10 includes a polymer electrolyte membrane 1, a frame 11 integrally covering the peripheral edge of the membrane 1, a cathode 2 joined to one surface of the membrane, and an anode 3 joined to the other surface of the membrane. Consists of As shown in WO 02/061869, the frame 11 is integrally bonded to the peripheral portion of the electrolyte membrane 1 by injection molding a thermoplastic resin. It is preferable that a large number of through holes are provided in the peripheral portion of the membrane, and a portion covering one surface of the membrane and a portion covering the other surface are connected through the through holes.

枠体11は、各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔12、燃料ガスのマニホールド孔13、および冷却水のマニホールド孔14を有する。一対の各マニホールド孔の一方は入口側、他方は出口側である。さらに枠体11は締結用ボルトをとおす4個の孔15を有する。
枠体11は、カソードが位置する側の表面に、酸化剤ガスのマニホールド孔12とカソードとを連絡するガスの通路18を有する。通路18は枠体11上に形成した5本の溝で構成されている。枠体11は、カソードが位置する側の表面に、さらに、燃料ガスのマニホールド孔13を囲むシール部材24および冷却水のマニホールド孔14を囲むシール部材26を有する。酸化剤ガスの漏洩を防止するためのシール部材22は、枠体11から電解質膜1の表面にわたって、マニホールド孔12およびカソードとマニホールド孔12とを連絡するガス通路18、およびカソード2を囲むように配置されている。枠体11の表面と膜1の表面とでは、段差があるため、枠体11の内周部には、枠体から膜1上に突出するように傾斜部16が設けられ、この傾斜部において、シール部材22は、枠体上の部分と膜1上の部分とがつながっている。
The frame 11 has a pair of oxidant gas manifold holes 12, a fuel gas manifold hole 13, and a cooling water manifold hole 14. One of the pair of manifold holes is an inlet side, and the other is an outlet side. Further, the frame body 11 has four holes 15 through which fastening bolts are passed.
The frame 11 has a gas passage 18 communicating with the oxidant gas manifold hole 12 and the cathode on the surface where the cathode is located. The passage 18 is composed of five grooves formed on the frame body 11. The frame 11 further has a seal member 24 surrounding the manifold hole 13 for the fuel gas and a seal member 26 surrounding the manifold hole 14 for the cooling water on the surface where the cathode is located. The seal member 22 for preventing leakage of the oxidant gas surrounds the manifold hole 12 and the gas passage 18 connecting the cathode and the manifold hole 12 and the cathode 2 from the frame 11 to the surface of the electrolyte membrane 1. Has been placed. Since there is a step between the surface of the frame 11 and the surface of the film 1, an inclined part 16 is provided on the inner peripheral part of the frame 11 so as to protrude from the frame onto the film 1. In the seal member 22, the part on the frame body and the part on the film 1 are connected.

枠体11は、アノードが位置する側の表面には、酸化剤ガスのマニホールド孔12を囲むシール部材25および冷却水のマニホールド孔14を囲むシール部材27を有する。燃料ガスの漏洩を防止するためのシール部材23は、枠体11から電解質膜1の表面にわたって、マニホールド孔13およびアノードとマニホールド孔13とを連絡するガス通路19、およびアノード3を囲むように配置されている。通路19は枠体11上に形成した3本の溝で構成されている。枠体11の表面と膜1の表面とでは、段差があるため、枠体11の内周部には、枠体から膜1上に突出するように傾斜部17が設けられ、この傾斜部において、シール部材23は、枠体上の部分と膜1上の部分とがつながっている。
上記のシール部材24、26、23、27は、枠体11に設けられた溝に一部が埋め込まれるように、シール材を成形することにより、枠体11に一体に結合される。また、シール部材22および23は、枠体11に接する部分は前記と同様に、枠体11に設けられた溝に一部が埋め込まれるように、シール材を成形することにより枠体に一体に結合される。シール部材22および23の電解質膜上に形成される部分は、電解質膜の表裏において相対応する部分のあるところでは、電解質膜に設けられた透孔をとおして相互に連結されるようにシール材を成形することによって、電解質膜に固定される。
The frame 11 has a seal member 25 surrounding the manifold hole 12 for the oxidizing gas and a seal member 27 surrounding the manifold hole 14 for the cooling water on the surface where the anode is located. The seal member 23 for preventing leakage of the fuel gas is arranged so as to surround the manifold hole 13, the gas passage 19 connecting the anode and the manifold hole 13, and the anode 3 from the frame 11 to the surface of the electrolyte membrane 1. Has been. The passage 19 is composed of three grooves formed on the frame 11. Since there is a step between the surface of the frame body 11 and the surface of the film 1, an inclined portion 17 is provided on the inner peripheral portion of the frame body 11 so as to protrude from the frame body onto the film 1. The seal member 23 is connected to a portion on the frame body and a portion on the membrane 1.
The sealing members 24, 26, 23, and 27 are integrally coupled to the frame body 11 by forming a sealing material so that a part thereof is embedded in a groove provided in the frame body 11. In addition, the sealing members 22 and 23 are integrated with the frame body by molding a sealing material so that a part in contact with the frame body 11 is embedded in a groove provided in the frame body 11 in the same manner as described above. Combined. The seal members 22 and 23 are formed on the electrolyte membrane so that the seal members are connected to each other through the through holes provided in the electrolyte membrane where there are corresponding portions on the front and back of the electrolyte membrane. Is fixed to the electrolyte membrane.

図4はアノード側セパレータの正面図、図5は図4の5−5線の拡大断面図である。アノード側セパレータ30は、導電体からなる中央部50とその周縁部に一体に成形された樹脂からなる枠体31から構成されている。この例では、中央部50の周縁部に設けられた薄肉部52を被覆するように枠体31が形成されている。枠体31は、枠体11と同様に、各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔32、燃料ガスのマニホールド孔33および冷却水のマニホールド孔34、並びに締結用ボルトをとおす4個の孔35を有する。   4 is a front view of the anode separator, and FIG. 5 is an enlarged sectional view taken along line 5-5 of FIG. The anode-side separator 30 is composed of a central part 50 made of a conductor and a frame body 31 made of resin integrally formed on the peripheral part thereof. In this example, the frame body 31 is formed so as to cover the thin portion 52 provided at the peripheral portion of the central portion 50. Similar to the frame body 11, the frame body 31 has a pair of oxidant gas manifold holes 32, a fuel gas manifold hole 33, a cooling water manifold hole 34, and four holes 35 through which fastening bolts are passed. .

導電体50は、アノードと対向する面に、枠体11の内周部に嵌合する大きさの凸部51を有し、その表面に、並行する3本の溝で構成された燃料ガスの流路53を有する。導電体50は、アノードと対向する面に、さらに、接合体10に設けられた傾斜部17を嵌合する凹部56を有する。アノード側セパレータ30は、背面は枠体31から導電体50にわたって平坦である。   The conductor 50 has a convex portion 51 sized to fit in the inner peripheral portion of the frame 11 on the surface facing the anode, and the surface of the fuel gas composed of three parallel grooves on the surface thereof. A flow path 53 is provided. The conductor 50 further has a recess 56 that fits the inclined portion 17 provided in the joined body 10 on the surface facing the anode. The anode separator 30 has a flat back surface extending from the frame 31 to the conductor 50.

次に、図6〜図9によりカソード側セパレータを説明する。
図6はカソード側セパレータの斜視図、図7はカソード側セパレータの正面図、図8は背面図、図9は図7の9−9線の拡大断面図である。
カソード側セパレータ40は、導電体からなる中央部60とその周縁部に一体に成形された樹脂からなる枠体41から構成されている。この例では、中央部60の周縁部に設けられた薄肉部63を被覆するように枠体41が形成されている。枠体41は、枠体11と同様に、各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔42、燃料ガスのマニホールド孔43および冷却水のマニホールド孔44、並びに締結用ボルトをとおす4個の孔45を有する。
Next, the cathode separator will be described with reference to FIGS.
6 is a perspective view of the cathode side separator, FIG. 7 is a front view of the cathode side separator, FIG. 8 is a rear view, and FIG. 9 is an enlarged sectional view taken along line 9-9 of FIG.
The cathode-side separator 40 is composed of a central portion 60 made of a conductor and a frame body 41 made of a resin that is molded integrally with the peripheral portion thereof. In this example, the frame body 41 is formed so as to cover the thin portion 63 provided at the peripheral edge of the central portion 60. Similar to the frame body 11, the frame body 41 has a pair of oxidant gas manifold holes 42, a fuel gas manifold hole 43, a cooling water manifold hole 44, and four holes 45 passing through fastening bolts. .

導電体60は、カソードと対向する面に、枠体11の内周部に嵌合する大きさの凸部61を有し、その表面に、並行する5本の溝で構成された酸化剤ガスの流路62を有する。導電体60は、カソードと対向する面に、さらに、接合体10に設けられた傾斜部16を嵌合する凹部66を有する。カソード側セパレータ40は、背面は枠体41から導電体60にわたって平坦である。カソード側セパレータ40は、この平坦な背面に、一対の冷却水のマニホールド孔44を連絡する冷却水の流路64を有する。流路64は並行する5本の溝で構成されている。カソード側セパレータ40は、背面にさらに、酸化剤ガスのマニホールド孔42を囲むシール部材72、燃料ガスのマニホールド孔43を囲むシール部材73、並びにマニホールド孔44と冷却水の流路64を囲むシール部材74を有する。
上記のシール部材72、73、74は、セパレータ40に設けられた溝に一部が埋め込まれるように、シール材を成形することにより、セパレータ40に一体に結合される。セパレータのうち、中央部60が炭素材料の成形により作製される場合は、シール材のための溝は、成形時に形成される。中央部60が炭素板の切削により作製される場合は、シール材のための溝は切削により形成される。
The conductor 60 has a convex portion 61 sized to fit in the inner peripheral portion of the frame 11 on the surface facing the cathode, and an oxidant gas composed of five parallel grooves on the surface thereof. The flow path 62 is provided. The conductor 60 further has a recess 66 that fits the inclined portion 16 provided in the joined body 10 on the surface facing the cathode. The back surface of the cathode-side separator 40 is flat from the frame body 41 to the conductor 60. The cathode separator 40 has a cooling water flow path 64 communicating with the pair of cooling water manifold holes 44 on the flat back surface. The flow path 64 is composed of five parallel grooves. The cathode separator 40 further includes a seal member 72 surrounding the manifold hole 42 for the oxidant gas, a seal member 73 surrounding the manifold hole 43 for the fuel gas, and a seal member surrounding the manifold hole 44 and the coolant flow path 64 on the back surface. 74.
The sealing members 72, 73, and 74 are integrally coupled to the separator 40 by molding a sealing material so that a part is embedded in a groove provided in the separator 40. When the center part 60 is produced by molding of a carbon material among the separators, the groove for the sealing material is formed at the time of molding. When the center part 60 is produced by cutting a carbon plate, the groove for the sealing material is formed by cutting.

以上の膜電極接合体10、アノード側セパレータ30およびカソード側セパレータ40を組み合わせて構成される単電池の要部の断面図が図10に示されている。図10は単電池を図4の5−5線に相当する部分で切った拡大断面図である。
膜電極接合体10並びにセパレータ30および40は、単電池を複数個積層したセルスタックを締結する締結圧により積層方向に圧迫され、それに伴って各シール部材が積層方向に圧縮され、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が外部に漏洩するのを防止される。すなわち、セルスタックは、例えば集電板および絶縁板を介して端板で挟み、端板同士を締結することにより、締結圧が加えられる。1個の単電池で燃料電池を構成する場合も同様にして締結される。燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が外部に漏洩するのを防止するシール機構について、以下に説明する。
FIG. 10 shows a cross-sectional view of the main part of a unit cell configured by combining the membrane electrode assembly 10, the anode side separator 30 and the cathode side separator 40. FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell cut along a portion corresponding to line 5-5 in FIG.
The membrane electrode assembly 10 and the separators 30 and 40 are pressed in the stacking direction by a fastening pressure for fastening a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, and accordingly, each seal member is compressed in the stacking direction, and fuel gas, oxidation The agent gas and cooling water are prevented from leaking to the outside. That is, the cell stack is sandwiched between end plates via, for example, a current collector plate and an insulating plate, and fastening pressure is applied by fastening the end plates together. When the fuel cell is constituted by one single cell, the fastening is performed in the same manner. A sealing mechanism that prevents the fuel gas, the oxidant gas, and the cooling water from leaking to the outside will be described below.

すなわち、膜電極接合体10とアノード側セパレータ30との間においては、入口側のマニホールド孔13および33から供給される燃料ガスは、接合体10の一方のガス通路19を経てセパレータ30の流路53からアノード3に供給され、余剰ガスは接合体10の他方のガス通路19から出口側のマニホールド孔13および33に排出される。上のように流れる燃料ガスは、接合体10に設けられたシール部材23がセパレータ30との間で圧縮されて、外部への漏洩が防止される。また、酸化剤ガスおよび冷却水は、接合体10に設けられたシール部材25および27がセパレータ30との間で圧縮され、酸化剤ガスのマニホールド孔12および32並びに冷却水のマニホールド孔14および34から外部へ漏れるのが防止される。   That is, between the membrane electrode assembly 10 and the anode-side separator 30, the fuel gas supplied from the inlet-side manifold holes 13 and 33 passes through one gas passage 19 of the assembly 10 and flows through the separator 30. The excess gas is supplied from 53 to the anode 3, and excess gas is discharged from the other gas passage 19 of the joined body 10 to the manifold holes 13 and 33 on the outlet side. The fuel gas flowing as above is compressed between the seal member 23 provided in the joined body 10 and the separator 30, and leakage to the outside is prevented. Further, the oxidant gas and the cooling water are compressed between the separators 30 and the sealing members 25 and 27 provided in the joined body 10, and the manifold holes 12 and 32 for the oxidant gas and the manifold holes 14 and 34 for the cooling water. Leakage from the outside is prevented.

膜電極接合体10とカソード側セパレータ40との間においては、入口側のマニホールド孔12および42から供給される酸化剤ガスは、接合体10の一方のガス通路18を経てセパレータ40のガス流路62からカソード2に供給され、余剰ガスおよび反応生成物は、接合体10の他方のガス通路18から出口側のマニホールド孔12および42に排出される。上のように流れる酸化剤ガスは、接合体10に設けられたシール部材22がセパレータ40との間で圧縮されて、外部への漏洩が防止される。また、燃料ガスおよび冷却水は、接合体10に設けられたシール部材24および26がセパレータ40との間で圧縮され、燃料ガスのマニホールド孔13および43並びに冷却水のマニホールド孔14および44から外部へ漏れるのが防止される。   Between the membrane electrode assembly 10 and the cathode separator 40, the oxidant gas supplied from the manifold holes 12 and 42 on the inlet side passes through one gas passage 18 of the assembly 10 and the gas flow path of the separator 40. The excess gas and reaction product are supplied from 62 to the cathode 2, and are discharged from the other gas passage 18 of the joined body 10 to the manifold holes 12 and 42 on the outlet side. The oxidant gas flowing as above is compressed between the seal member 22 provided in the joined body 10 and the separator 40, and leakage to the outside is prevented. The fuel gas and the cooling water are compressed between the separators 40 and the seal members 24 and 26 provided in the joined body 10, and the fuel gas manifold holes 13 and 43 and the cooling water manifold holes 14 and 44 are externally provided. Leakage is prevented.

また、隣接する単電池のアノード側セパレータ30とカソード側セパレータ40との間においては、入口側のマニホールド孔34および44から供給される冷却水は、セパレータ40の流路64を通過する過程でセパレータ30および40の背面から単電池を冷却し、出口側マニホールド孔34および44から排出される。上のように流れる冷却水は、セパレータ40に設けられたシール部材74がセパレータ30との間で圧縮されて、外部への漏洩が防止される。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、セパレータ40に設けられたシール部材73および72がセパレータ30との間で圧縮され、燃料ガスのマニホールド孔33および43並びに酸化剤ガスのマニホールド孔32および42から外部へ漏れるのが防止される。   In addition, between the anode-side separator 30 and the cathode-side separator 40 of the adjacent unit cells, the cooling water supplied from the inlet-side manifold holes 34 and 44 passes through the flow path 64 of the separator 40 in the process. The single cells are cooled from the back surfaces of 30 and 40 and discharged from the outlet side manifold holes 34 and 44. The cooling water flowing as above is compressed between the sealing member 74 provided in the separator 40 and the separator 30, and leakage to the outside is prevented. Further, the fuel gas and the oxidant gas are compressed between the separator members 30 and 72 provided in the separator 40 and the separator 30, and from the fuel gas manifold holes 33 and 43 and the oxidant gas manifold holes 32 and 42. Leakage to the outside is prevented.

本実施の形態によるセパレータは、電極を包含する範囲の中央部は、導電性、気密性、および耐食性に優れたグラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材で形成し、周縁部は、気密性と耐食性には優れているが、必ずしも導電性ではない成形可能な樹脂材料により形成し、この周縁部にマニホールド孔を形成する。このような構成により、カーボンの使用量を大幅に削減し、低コストの高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   In the separator according to the present embodiment, the central portion including the electrode is formed of a carbon material such as glassy carbon or expanded graphite having excellent conductivity, airtightness, and corrosion resistance, and the peripheral portion is airtight and corrosion resistant. However, it is made of a moldable resin material that is not necessarily conductive, and a manifold hole is formed in the peripheral portion. With such a configuration, the amount of carbon used can be greatly reduced, and a low-cost polymer electrolyte fuel cell can be provided.

実施の形態2(参考形態)
実施の形態2に係る燃料電池を図11〜図19により説明する。
まず、膜電極接合体を説明する。図11は膜電極接合体のカソード側の正面図、図12はその背面図で、アノード側の正面図、図13は図11の13−13線の拡大断面図である。
Embodiment 2 (reference form)
A fuel cell according to Embodiment 2 will be described with reference to FIGS.
First, the membrane electrode assembly will be described. 11 is a front view of the membrane electrode assembly on the cathode side, FIG. 12 is a rear view thereof, a front view of the anode side, and FIG. 13 is an enlarged sectional view taken along line 13-13 in FIG.

膜電極接合体110は、高分子電解質膜1、膜1の周縁部を一体に被覆した枠体111、膜の一方の面に接合されたカソード2および膜の他方の面に接合されたアノード3から構成される。枠体111は、実施の形態1と同様に、電解質膜1の周縁部に熱可塑性樹脂を射出成形することによって一体に結合したものである。   The membrane electrode assembly 110 includes a polymer electrolyte membrane 1, a frame body 111 integrally covering the peripheral edge of the membrane 1, a cathode 2 joined to one surface of the membrane, and an anode 3 joined to the other surface of the membrane. Consists of As in the first embodiment, the frame body 111 is integrally joined to the peripheral edge portion of the electrolyte membrane 1 by injection molding a thermoplastic resin.

枠体111は、各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔112、燃料ガスのマニホールド孔113、および冷却水のマニホールド孔114を有する。さらに枠体111は締結用ボルトをとおす4個の孔115を有する。
枠体111は、カソードが位置する側の表面に、酸化剤ガスのマニホールド孔112とカソードとを連絡するガスの通路118を有する。通路118は5本の溝で構成されている。枠体111は、カソードが位置する側の表面に、さらに、燃料ガスのマニホールド孔113を部分的に囲むシール部材124および冷却水のマニホールド孔114を部分的に囲むシール部材126を有する。酸化剤ガスの漏洩を防止するためのシール部材は、枠体111上において、マニホールド孔112からカソードとマニホールド孔112とを連絡するガス通路118にわたる部分を囲むシール部材122aと、通路118に対応する部分を除いて、カソード2を囲むように配置されたシール部材122bとからなる。
The frame body 111 has a pair of oxidant gas manifold holes 112, a fuel gas manifold hole 113, and a cooling water manifold hole 114. Further, the frame body 111 has four holes 115 through which fastening bolts are passed.
The frame 111 has a gas passage 118 that communicates between the manifold hole 112 for the oxidant gas and the cathode on the surface where the cathode is located. The passage 118 is composed of five grooves. The frame 111 further has a seal member 124 that partially surrounds the fuel gas manifold hole 113 and a seal member 126 that partially surrounds the cooling water manifold hole 114 on the surface where the cathode is located. The seal member for preventing leakage of the oxidant gas corresponds to the passage 118 on the frame 111 and the seal member 122a surrounding the portion extending from the manifold hole 112 to the gas passage 118 connecting the cathode and the manifold hole 112. The seal member 122b is arranged so as to surround the cathode 2 except for the portion.

枠体111は、内縁部に一段低い段部128を有し、シール部材122bはこの段部128上に設けられている。シール部材122aと122bとは、段部128上に突出するように設けられた傾斜部116c上において、つながっている。
シール部材122a、124および126は、枠体111上において相互につながっている。さらに、シール部材124の端部は、後述する燃料ガスの通路となる部分183を区画するように段部128に望む部分まで伸びている。シール部材126の端部は、冷却水の流路184を囲み、段部128上において、シール部材122bにつながっている。段部128には、前記のシール部材126の端部を案内するための傾斜部116wが設けられている。
The frame body 111 has a step portion 128 that is one step lower on the inner edge portion, and the seal member 122 b is provided on the step portion 128. The seal members 122a and 122b are connected on an inclined portion 116c provided so as to protrude on the step portion 128.
The seal members 122 a, 124 and 126 are connected to each other on the frame body 111. Further, the end portion of the seal member 124 extends to a desired portion of the stepped portion 128 so as to partition a portion 183 that becomes a fuel gas passage to be described later. The end of the seal member 126 surrounds the cooling water flow path 184 and is connected to the seal member 122b on the stepped portion 128. The step portion 128 is provided with an inclined portion 116 w for guiding the end portion of the seal member 126.

枠体111は、アノードが位置する側の表面には、内周部に一段高い突部121を有し、その内側に低い段部129を有する。この段部129上に、アノードを囲むシール部材123が設けられている。このシール部材123の端部は、マニホールド孔113とアノード3を連絡するガス通路119の両側において、段部129上の傾斜部117に終わっている。ガス通路119は、段部129と同じレベルの底面をもつ3本の溝で構成されている。   The frame 111 has, on the surface on the side where the anode is located, a projecting portion 121 that is one step higher on the inner peripheral portion, and a lower step portion 129 on the inner side. On this step part 129, the sealing member 123 surrounding the anode is provided. The end of the seal member 123 ends at an inclined portion 117 on the step portion 129 on both sides of the gas passage 119 connecting the manifold hole 113 and the anode 3. The gas passage 119 is composed of three grooves having a bottom surface at the same level as the step portion 129.

図14はアノード側セパレータの正面図、図15は図14の15−15線の拡大断面図である。アノード側セパレータ130は、導電体からなり、枠体111の段部129上において、突部121の内周面に嵌合する大きさを有する。セパレータ130は、アノードと対向する面が、枠体111の段部上に載る周縁部131と、枠体111の内周部に緩く嵌合する大きさの一段高い凸部132とから構成されている。凸部132の表面には、並行する3本の溝で構成された燃料ガスの流路153を有する。周縁部131には、枠体111の傾斜部117が嵌合する凹部156を有する。アノード側セパレータ130は、背面は平坦である。   14 is a front view of the anode separator, and FIG. 15 is an enlarged cross-sectional view taken along line 15-15 of FIG. The anode separator 130 is made of a conductor, and has a size that fits on the inner peripheral surface of the protrusion 121 on the step portion 129 of the frame body 111. The separator 130 has a surface facing the anode, which includes a peripheral portion 131 that is placed on the step portion of the frame body 111, and a convex portion 132 that is one step larger in size to be loosely fitted to the inner peripheral portion of the frame body 111. Yes. On the surface of the convex portion 132, there is a fuel gas flow path 153 composed of three parallel grooves. The peripheral portion 131 has a concave portion 156 into which the inclined portion 117 of the frame body 111 is fitted. The anode side separator 130 has a flat back surface.

次に、図16〜図18によりカソード側セパレータを説明する。
図16はカソード側セパレータの正面図、図17は背面図、図18は図16の18−18線の拡大断面図である。
Next, the cathode side separator will be described with reference to FIGS.
16 is a front view of the cathode separator, FIG. 17 is a rear view, and FIG. 18 is an enlarged sectional view taken along line 18-18 of FIG.

カソード側セパレータ140は、導電体からなり、枠体111の段部128上に嵌合する大きさを有する。セパレータ140は、カソードと対向する面が、枠体111の段部128上に載る周縁部141と、枠体111の内周部に緩く嵌合する大きさの一段高い凸部142とから構成されている。凸部142の表面には、並行する5本の溝で構成された酸化剤ガスの流路162を有する。周縁部141には、枠体111の傾斜部116cおよび116wがそれぞれ嵌合する凹部166cおよび166wを有する。カソード側セパレータ140は、背面には並行する5本の溝で構成された冷却水の流路164を有する。   The cathode-side separator 140 is made of a conductor and has a size that fits on the stepped portion 128 of the frame body 111. The separator 140 includes a peripheral surface 141 that faces the cathode on the step portion 128 of the frame body 111, and a convex portion 142 that is one step larger in size to fit loosely into the inner peripheral portion of the frame body 111. ing. On the surface of the convex portion 142, there is an oxidant gas flow path 162 composed of five parallel grooves. The peripheral portion 141 has concave portions 166c and 166w into which the inclined portions 116c and 116w of the frame body 111 are fitted, respectively. The cathode side separator 140 has a cooling water flow path 164 composed of five parallel grooves on the back surface.

以上の膜電極接合体110、アノード側セパレータ130およびカソード側セパレータ140を組み合わせて構成される単電池の要部の断面図が図19に示されている。図19は単電池を図11の19−19線に相当する部分で切った拡大断面図である。   FIG. 19 shows a cross-sectional view of the main part of a unit cell configured by combining the membrane electrode assembly 110, the anode side separator 130 and the cathode side separator 140 described above. FIG. 19 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell cut along a portion corresponding to line 19-19 in FIG.

接合体110並びにそのアノード側およびカソード側の中央部に組み合わせたアノード側セパレータ130およびカソード側セパレータ140により単電池が構成される。そして、単電池を複数積層したセルスタックを締結する締結圧により、各シール部材が積層方向に圧縮され、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が外部に漏洩するのを防止される。   A unit cell is constituted by the joined body 110 and the anode-side separator 130 and the cathode-side separator 140 that are combined at the center of the anode side and the cathode side. And by the fastening pressure which fastens the cell stack which laminated | stacked the single cell, each seal member is compressed in the lamination direction, and it is prevented that fuel gas, oxidizing agent gas, and cooling water leak outside.

すなわち、接合体110の入口側のマニホールド孔113から供給される燃料ガスは、接合体110の一方のガス通路119を経てセパレータ130の流体流路153からアノード3に供給され、余剰ガスは接合体110の他方のガス通路119から出口側のマニホールド孔113に排出される。上記のように流れる燃料ガスは、接合体110に設けられたシール部材124が隣接する接合体110との間で圧縮され、また枠体111の段部129上のシール部材123がセパレータ130の周縁部131との間で圧縮され、外部への漏洩が防止される。   That is, the fuel gas supplied from the manifold hole 113 on the inlet side of the joined body 110 is supplied to the anode 3 from the fluid flow path 153 of the separator 130 via one gas passage 119 of the joined body 110, and the surplus gas is supplied to the joined body. 110 is discharged from the other gas passage 119 to the manifold hole 113 on the outlet side. The fuel gas flowing as described above is compressed between the adjacent bonded body 110 and the sealing member 124 provided on the bonded body 110, and the sealing member 123 on the step portion 129 of the frame body 111 is the peripheral edge of the separator 130. Compressed with the unit 131 to prevent leakage to the outside.

接合体110の入口側マニホールド孔112から供給される酸化剤ガスは、接合体110の一方のガス通路118を経てセパレータ140の流路162からカソードに供給され、余剰ガスおよび反応生成物は接合体110の他方のガス通路118から出口側のマニホールド孔112に排出される。シール部材122aは、隣接する接合体との間で圧縮される。また、シール部材122bは、カソード側セパレータ140の周縁部141との間で圧縮される。こうして酸化剤ガスの外部への漏洩が防止される。   The oxidant gas supplied from the inlet-side manifold hole 112 of the joined body 110 is supplied to the cathode from the flow path 162 of the separator 140 via one gas passage 118 of the joined body 110, and the surplus gas and the reaction product are supplied to the joined body. 110 is discharged from the other gas passage 118 of 110 to the manifold hole 112 on the outlet side. The seal member 122a is compressed between the adjacent joined bodies. Further, the seal member 122b is compressed between the peripheral edge portion 141 of the cathode side separator 140. Thus, leakage of the oxidant gas to the outside is prevented.

次に、隣接する単電池のアノード側セパレータ130とカソード側セパレータ140との間には、冷却水の流路164が形成される。接合体110の入口側マニホールド孔114から供給される冷却水は、冷却水の一方の通路184から前記の流路164に入り、他方の通路184から出口側のマニホールド孔114に排出される。通路184は5本の溝で構成されている。このように流れる冷却水は、マニホールド孔114から通路184にわたる部分では、接合体110のシール部材126が隣接する接合体との間で圧縮されて、外部への漏洩が防止される。接合体110の段部128上では、シール部材122bがセパレータ140との間で圧縮されるから、セパレータ140のカソード側に冷却水が浸入することはない。同様に、接合体110の段部129上のシール部材123がセパレータ130との間で圧縮されるから、セパレータ130のアノード側に冷却水が浸入することはない。   Next, a cooling water flow path 164 is formed between the anode-side separator 130 and the cathode-side separator 140 of the adjacent unit cells. The cooling water supplied from the inlet side manifold hole 114 of the joined body 110 enters the flow path 164 from one passage 184 of the cooling water, and is discharged from the other passage 184 to the manifold hole 114 on the outlet side. The passage 184 is composed of five grooves. The cooling water flowing in this way is compressed between the seal member 126 of the joined body 110 and the adjacent joined body in a portion extending from the manifold hole 114 to the passage 184, and leakage to the outside is prevented. On the stepped portion 128 of the joined body 110, the seal member 122b is compressed between the separator 140 and the cooling water does not enter the cathode side of the separator 140. Similarly, since the seal member 123 on the step portion 129 of the joined body 110 is compressed between the separator 130, the cooling water does not enter the anode side of the separator 130.

本実施の形態においては、導電性セパレータは、電極部を包含する大きさで、膜電極接合体の枠体の中央に組み合わされる。従って、カーボン材の使用量を大幅に削減することができる。また、実施の形態1における、導電性セパレータ部分とその枠体の樹脂一体成形に関する工程が不要となるので、さらに低コストの高分子電解質型燃料電池を提供することができる。   In this Embodiment, a conductive separator is a magnitude | size including an electrode part, and is combined with the center of the frame of a membrane electrode assembly. Therefore, the amount of carbon material used can be greatly reduced. In addition, since the process relating to resin integral molding of the conductive separator portion and its frame body in Embodiment 1 is not required, a further low-cost polymer electrolyte fuel cell can be provided.

実施の形態3(参考形態)
実施の形態3に係る燃料電池を図20〜図26により説明する。
まず、膜電極接合体を説明する。図20は膜電極接合体のカソード側の正面図、図21はその背面図で、アノード側の正面図、図22は図20の22−22線の拡大断面図である。
Embodiment 3 (reference form)
A fuel cell according to Embodiment 3 will be described with reference to FIGS.
First, the membrane electrode assembly will be described. 20 is a front view on the cathode side of the membrane electrode assembly, FIG. 21 is a rear view thereof, a front view on the anode side, and FIG. 22 is an enlarged sectional view taken along line 22-22 of FIG.

膜電極接合体210は、高分子電解質膜1、膜1の周縁部を一体に被覆した枠体211、膜の一方の面に接合されたカソード2および膜の他方の面に接合されたアノード3から構成される。枠体211は、実施の形態1と同様に、電解質膜1の周縁部に熱可塑性樹脂を射出成形することによって一体に結合したものである。   The membrane electrode assembly 210 includes a polymer electrolyte membrane 1, a frame body 211 integrally covering the peripheral edge of the membrane 1, a cathode 2 joined to one surface of the membrane, and an anode 3 joined to the other surface of the membrane. Consists of Similar to the first embodiment, the frame body 211 is integrally bonded to the peripheral edge portion of the electrolyte membrane 1 by injection molding a thermoplastic resin.

枠体211は、各一対の酸化剤ガスのマニホールド孔212、燃料ガスのマニホールド孔213、および冷却水のマニホールド孔214を有する。さらに枠体211は締結用ボルトをとおす4個の孔215を有する。
枠体211は、カソードが位置する側の表面に、酸化剤ガスのマニホールド孔212とカソードとを連絡するガスの通路218を有する。通路218は5本の溝で構成されている。枠体211は、カソードが位置する側の表面に、さらに、燃料ガスのマニホールド孔213を部分的に囲むシール部材224および冷却水のマニホールド孔214を部分的に囲むシール部材226を有する。酸化剤ガスの漏洩を防止するためのシール部材は、枠体211上において、マニホールド孔212からマニホールド孔212とカソードとを連絡するガス通路218にわたる部分を囲むシール部材222a、および枠体211の内周面において、前記のガス通路に対応する部分を除いて、カソード2を囲むように配置されたシール部材222bからなる。シール部材222aと222bとは、枠体の内周面において連結されている。
The frame 211 has a pair of oxidant gas manifold holes 212, a fuel gas manifold hole 213, and a cooling water manifold hole 214. Further, the frame body 211 has four holes 215 through which fastening bolts are passed.
The frame 211 has a gas passage 218 communicating with the oxidant gas manifold hole 212 and the cathode on the surface where the cathode is located. The passage 218 is composed of five grooves. The frame 211 further has a seal member 224 that partially surrounds the fuel gas manifold hole 213 and a seal member 226 that partially surrounds the cooling water manifold hole 214 on the surface where the cathode is located. The seal member for preventing leakage of the oxidant gas includes a seal member 222a surrounding a portion extending from the manifold hole 212 to the gas passage 218 connecting the manifold hole 212 and the cathode on the frame 211, and the inside of the frame 211. On the peripheral surface, the seal member 222b is arranged so as to surround the cathode 2 except for the portion corresponding to the gas passage. Seal members 222a and 222b are connected on the inner peripheral surface of the frame.

シール部材222a、224および226は、枠体211上において相互につながっている。さらに、シール部材224の端部は、後述する燃料ガスの通路となる部分283を区画するようにシール部材222bまで伸びてそれにつながっている。シール部材226の端部は、冷却水の流路284を囲み、シール部材222bにつながっている。流路284は5本の溝で構成されている。   The seal members 222a, 224 and 226 are connected to each other on the frame 211. Further, the end portion of the seal member 224 extends to the seal member 222b so as to define a portion 283 serving as a fuel gas passage, which will be described later, and is connected thereto. The end of the seal member 226 surrounds the cooling water flow path 284 and is connected to the seal member 222b. The flow path 284 is composed of five grooves.

枠体211は、アノードが位置する側の表面には、内周部に一段高い突部221を有している。枠体211の内周面には、燃料ガスの通路219に対応する部分を除いて、アノードを囲むシール部材223が設けられている。通路219は3本の溝で構成されている。   The frame 211 has a protrusion 221 that is one step higher on the inner peripheral portion on the surface on which the anode is located. A seal member 223 surrounding the anode is provided on the inner peripheral surface of the frame 211 except for the portion corresponding to the fuel gas passage 219. The passage 219 is composed of three grooves.

図23はアノード側セパレータの正面図である。アノード側セパレータ230は、導電体からなり、枠体211の内周面にシール部材223を介して嵌合する大きさを有する。セパレータ230は、アノードと対向する面に、並行する3本の溝で構成された燃料ガスの流路253を有する。アノード側セパレータ230は、背面は平坦である。   FIG. 23 is a front view of the anode separator. The anode-side separator 230 is made of a conductor and has a size to be fitted to the inner peripheral surface of the frame body 211 via the seal member 223. The separator 230 has a fuel gas flow path 253 formed of three parallel grooves on the surface facing the anode. The anode separator 230 has a flat back surface.

次に、図24および図25によりカソード側セパレータを説明する。
図24はカソード側セパレータの正面図、図25は背面図である。
カソード側セパレータ240は、導電体からなり、枠体211の内周面にシール部材222bを介して嵌合する大きさを有する。セパレータ240は、カソードと対向する面に、並行する5本の溝で構成された酸化剤ガスの流路262を有する。セパレータ240は、背面に並行する5本の溝で構成された冷却水の流路264を有する。
Next, the cathode side separator will be described with reference to FIGS.
FIG. 24 is a front view of the cathode side separator, and FIG. 25 is a rear view.
The cathode-side separator 240 is made of a conductor and has a size that fits to the inner peripheral surface of the frame body 211 via the seal member 222b. The separator 240 has an oxidant gas flow path 262 composed of five parallel grooves on the surface facing the cathode. The separator 240 has a cooling water flow path 264 configured with five grooves parallel to the back surface.

以上の膜電極接合体210、アノード側セパレータ230およびカソード側セパレータ240を組み合わせて構成される単電池の要部の断面図が図26に示されている。図26は単電池を図20の26−26線に相当する部分で切った拡大断面図である。   FIG. 26 shows a cross-sectional view of the main part of a unit cell configured by combining the membrane electrode assembly 210, the anode side separator 230, and the cathode side separator 240 described above. 26 is an enlarged cross-sectional view of the unit cell cut along a portion corresponding to line 26-26 in FIG.

接合体210並びにそのアノード側およびカソード側の中央部に組み合わせたアノード側セパレータ230およびカソード側セパレータ240により単電池が構成される。そして、単電池を複数個積層したセルスタックを締結する締結圧により、各シール部材が積層方向またはこれと垂直の方向に圧縮され、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が外部に漏洩するのが防止される。   A unit cell is constituted by the joined body 210 and the anode-side separator 230 and the cathode-side separator 240 combined in the central part on the anode side and the cathode side thereof. Then, each sealing member is compressed in a stacking direction or a direction perpendicular thereto by a fastening pressure for fastening a cell stack in which a plurality of unit cells are stacked, and fuel gas, oxidant gas and cooling water leak to the outside. Is prevented.

すなわち、接合体210の一方の入口側のマニホールド孔213から供給される燃料ガスは、接合体210のガス通路219を経てセパレータ230の流路253からアノード3に供給され、余剰ガスは接合体210の他方のガス通路219から出口側のマニホールド孔213に排出される。上のように流れる燃料ガスは、接合体210に設けられたシール部材224が隣接する枠体210との間で圧縮され、また枠体210の内周面のシール部材223がセパレータ230の外周面との間で圧縮され、外部への漏洩が防止される。   That is, the fuel gas supplied from the manifold hole 213 on one inlet side of the joined body 210 is supplied to the anode 3 from the flow path 253 of the separator 230 via the gas passage 219 of the joined body 210, and the surplus gas is supplied to the joined body 210. The other gas passage 219 is discharged to the outlet manifold hole 213. The fuel gas flowing above is compressed between the adjacent frame body 210 and the seal member 223 provided on the joined body 210, and the seal member 223 on the inner peripheral surface of the frame body 210 is the outer peripheral surface of the separator 230. , And leakage to the outside is prevented.

接合体210の入口側マニホールド孔212から供給される酸化剤ガスは、接合体210の一方のガス通路218を経てセパレータ240の流路262からカソードに供給され、余剰ガスおよび反応生成物は接合体210の他方のガス通路218から出口側のマニホールド孔212に排出される。マニホールド孔212からガス通路218にわたる部分を囲むシール部材222aは、隣接する接合体との間で圧縮される。また、シール部材222bは、カソード側セパレータ240の外周面との間で圧縮される。こうして酸化剤ガスの外部への漏洩が防止される。   The oxidant gas supplied from the inlet side manifold hole 212 of the joined body 210 is supplied to the cathode from the flow path 262 of the separator 240 through one gas passage 218 of the joined body 210, and the surplus gas and the reaction product are supplied to the joined body. The gas is discharged from the other gas passage 218 of 210 to the manifold hole 212 on the outlet side. The seal member 222a surrounding the portion extending from the manifold hole 212 to the gas passage 218 is compressed between the adjacent joined bodies. Further, the seal member 222b is compressed between the outer peripheral surface of the cathode-side separator 240. Thus, leakage of the oxidant gas to the outside is prevented.

次に、隣接する単電池のアノード側セパレータ230とカソード側セパレータ240との間には、冷却水の流路264が形成される。接合体210の入口側マニホールド孔214から供給される冷却水は、冷却水の一方の通路284から前記のセパレータ240の流路264に入り、接合体210の他方の通路284から出口側のマニホールド孔214に排出される。このように流れる冷却水は、マニホールド孔214から通路284にわたる部分では、接合体210のシール部材226が隣接する接合体との間で圧縮されて、外部への漏洩が防止される。枠体211の内周面では、シール部材222bがセパレータ240の外周面との間で圧縮されるから、セパレータ240のカソード側に冷却水が浸入することはない。同様に、枠体211の内周面のシール部材223がセパレータ230の外周面との間で圧縮されるから、セパレータ230のアノード側に冷却水が浸入することはない。   Next, a cooling water flow path 264 is formed between the anode-side separator 230 and the cathode-side separator 240 of the adjacent unit cells. The cooling water supplied from the inlet side manifold hole 214 of the joined body 210 enters the flow path 264 of the separator 240 from one passage 284 of the cooling water, and exits from the other passage 284 of the joined body 210 to the outlet side manifold hole. It is discharged to 214. The cooling water flowing in this way is compressed between the sealing member 226 of the joined body 210 and the adjacent joined body in a portion extending from the manifold hole 214 to the passage 284, and leakage to the outside is prevented. On the inner peripheral surface of the frame 211, the seal member 222 b is compressed between the outer peripheral surface of the separator 240, so that cooling water does not enter the cathode side of the separator 240. Similarly, since the sealing member 223 on the inner peripheral surface of the frame 211 is compressed between the outer peripheral surface of the separator 230, the cooling water does not enter the anode side of the separator 230.

本実施の形態によれば、実施の形態2と同様に、低コストの高分子電解質型燃料電池を提供することができる。また、枠体と導電性セパレータとの間のシール部材は、セルスタックの積層方向と垂直な方向に変形させて密封を図るため、シール部材の枠体との一体成形や積層方向のシールのためなどの糊代が不要となる利点を有する。
実施の形態2および3におけるシール部材の作製方法は、実施の形態1に述べた方法と同様である。
以上の実施の形態においては、枠体とシール部材とは別個の部品として説明したが、熱可塑性エラストマーなどの同一の樹脂材料を用いて製作することもできる。
According to the present embodiment, a low-cost polymer electrolyte fuel cell can be provided as in the second embodiment. In addition, the sealing member between the frame and the conductive separator is deformed in a direction perpendicular to the stacking direction of the cell stack for sealing, so that the sealing member is integrally formed with the frame and sealed in the stacking direction. It has the advantage that no glue margin is required.
The manufacturing method of the seal member in the second and third embodiments is the same as the method described in the first embodiment.
In the above embodiments, the frame and the seal member have been described as separate parts, but they can also be manufactured using the same resin material such as a thermoplastic elastomer.

以下、本発明の実施例を説明する。   Examples of the present invention will be described below.

《実施例1》
高分子電解質膜(Dupont社のNaphion117、50μm厚)をトムソン型により、140mm角の形状に打ち抜いた。この高分子電解質膜をインサート部品として、グラスファイバーを添加したポリプロピレン(出光石油化学(株)製R250G)を用いて実施の形態1に示した構造の枠体を形成した。
Example 1
A polymer electrolyte membrane (Dupont Naphion 117, 50 μm thick) was punched into a 140 mm square shape using a Thomson mold. Using this polymer electrolyte membrane as an insert part, a frame having the structure shown in the first embodiment was formed using polypropylene (R250G manufactured by Idemitsu Petrochemical Co., Ltd.) to which glass fiber was added.

次に、比表面積800m2/g、DBP吸油量360ml/100gのケッチェンブラックEC(ケッチェンブラック・インターナショナル社製ファーネスブラック)に、白金を重量比1:1の割合で担持させた。この触媒粉末10gに、水35gおよび水素イオン伝導性高分子電解質のアルコール分散液(旭硝子(株)製、9%FSS)59gを混合し、超音波攪拌機を用いて分散させて、触媒層インクを作製した。この触媒層インクを、ポリプロピレンフィルム(東レ(株)製トレファン50−2500)に塗工し、乾燥して触媒層を形成した。得られた触媒層を120mm×120mmに切断し、上記成形品の高分子電解質膜の露出部分のアノード側およびカソード側両面に、温度135℃、圧力32kgf/cm2の条件で転写し、触媒層を形成した。触媒層を接合した高分子電解質膜に、123mm角のガス拡散層(ジャパンゴアテックス(株)製 カーベルCF400、厚み400μm)を組み合わせ、圧力20kgf/cm2の条件で圧接して、膜電極接合体を製作した。 Next, platinum was supported in a ratio of 1: 1 by weight on Ketjen Black EC (furnace black manufactured by Ketjen Black International Co., Ltd.) having a specific surface area of 800 m 2 / g and DBP oil absorption of 360 ml / 100 g. To 10 g of this catalyst powder, 35 g of water and 59 g of an alcohol dispersion of hydrogen ion conductive polymer electrolyte (9% FSS, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.) are mixed and dispersed using an ultrasonic stirrer. Produced. This catalyst layer ink was applied to a polypropylene film (Treffan 50-2500 manufactured by Toray Industries, Inc.) and dried to form a catalyst layer. The obtained catalyst layer was cut into 120 mm × 120 mm, and transferred to both the anode side and the cathode side of the exposed portion of the polymer electrolyte membrane of the molded article under the conditions of a temperature of 135 ° C. and a pressure of 32 kgf / cm 2. Formed. A membrane electrode assembly is formed by combining a polymer electrolyte membrane joined with a catalyst layer with a 123 mm square gas diffusion layer (Carbell CF400 manufactured by Japan Gore-Tex Co., Ltd., thickness 400 μm) under a pressure of 20 kgf / cm 2. Was made.

セパレータの導電体は、グラッシーカーボン(東海カーボン(株)製、厚さ3mm)を材料として用いた。アノード側用およびカソード側用の2種を製作し、ガスの流路、冷却水の流路などを切削機械加工で製作した。これらの導電体をインサート部品として、その周縁部にグラスファイバーを添加したポリプロピレンを成形してアノード側セパレータおよびカソード側セパレータを作製した。これらのセパレータには、マニホールド孔および必要なガスおよび冷却水の通路を設けた。   As the conductor of the separator, glassy carbon (manufactured by Tokai Carbon Co., Ltd., thickness: 3 mm) was used as a material. Two types, one for the anode side and one for the cathode side, were manufactured, and the gas flow path, cooling water flow path, and the like were manufactured by cutting machining. Using these conductors as insert parts, polypropylene with glass fiber added to the peripheral edge thereof was molded to produce an anode side separator and a cathode side separator. These separators were provided with manifold holes and necessary gas and cooling water passages.

以上のように製作した実施の形態1に係る膜電極接合体をアノード側セパレータおよびカソード側セパレータで挟み込むことにより、単電池とした。このような単電池を50セル積層したセルスタックの両端部には、金属製の集電板および電気絶縁材料の絶縁板を介して端板を重ね合わせ、端板同士を締結ロッドで固定して、燃料電池を作製した。   The membrane electrode assembly according to Embodiment 1 manufactured as described above was sandwiched between the anode-side separator and the cathode-side separator to obtain a single cell. End plates are stacked on both ends of a cell stack in which 50 cells of such a single cell are stacked via a metal current collector plate and an insulating plate made of an electrically insulating material, and the end plates are fixed with a fastening rod. A fuel cell was prepared.

この燃料電池のアノードに水素、カソードに空気を供給し、冷却水を循環させて電池試験を行った。水素利用率70%、酸素利用率20%、水素加湿バブラー温度85℃、酸素加湿バブラー温度75℃、電池温度75℃の条件における電池出力は、1050W(30A−35V)であった。   A battery test was conducted by supplying hydrogen to the anode of the fuel cell and air to the cathode and circulating cooling water. The battery output under the conditions of a hydrogen utilization rate of 70%, an oxygen utilization rate of 20%, a hydrogen humidification bubbler temperature of 85 ° C., an oxygen humidification bubbler temperature of 75 ° C., and a battery temperature of 75 ° C. was 1050 W (30 A-35 V).

本発明によれば、低コストで、高いガスシール性をもつ燃料電池を製作することが可能である。この燃料電池は、コージェネレーションシステムや電気自動車などに有用である。   According to the present invention, it is possible to manufacture a fuel cell having high gas sealing performance at low cost. This fuel cell is useful for cogeneration systems and electric vehicles.

本発明の実施の形態1に係る燃料電池の膜電極接合体のカソード側の正面図である。1 is a front view of a cathode side of a membrane electrode assembly of a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 同膜電極接合体の背面図である。It is a rear view of the membrane electrode assembly. 図2の3−3線拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2. アノード側セパレータの正面図である。It is a front view of an anode side separator. 図4の5−5線拡大断面図である。FIG. 5 is an enlarged sectional view taken along line 5-5 of FIG. カソード側セパレータの斜視図である。It is a perspective view of a cathode side separator. カソード側セパレータの正面図である。It is a front view of a cathode side separator. カソード側セパレータの背面図である。It is a rear view of a cathode side separator. 図7の9−9線拡大断面図である。FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view taken along line 9-9 in FIG. 7. 単電池の要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the principal part of a cell.

施の形態2に係る燃料電池の膜電極接合体のカソード側の正面図である。It is a front view of a cathode side of the membrane electrode assembly of a fuel cell according to Embodiment 2 of implementation. 同膜電極接合体の背面図である。It is a rear view of the membrane electrode assembly. 図11の13−13線拡大断面図である。It is a 13-13 line expanded sectional view of Drawing 11. アノード側セパレータの正面図である。It is a front view of an anode side separator. 図14の15−15線拡大断面図である。It is a 15-15 line expanded sectional view of FIG. カソード側セパレータの正面図である。It is a front view of a cathode side separator. カソード側セパレータの背面図である。It is a rear view of a cathode side separator. 図16の18−18線拡大断面図である。FIG. 18 is an enlarged cross-sectional view taken along line 18-18 in FIG. 16. 単電池の要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the principal part of a cell. 施の形態3に係る燃料電池の膜電極接合体のカソード側の正面図である。It is a front view of a cathode side of the membrane electrode assembly of a fuel cell according to Embodiment 3 of implementation.

同膜電極接合体の背面図である。It is a rear view of the membrane electrode assembly. 図20の22−22線拡大断面図である。It is a 22-22 line expanded sectional view of FIG. アノード側セパレータの正面図である。It is a front view of an anode side separator. カソード側セパレータの正面図である。It is a front view of a cathode side separator. カソード側セパレータの背面図である。It is a rear view of a cathode side separator. 単電池の要部の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the principal part of a cell.

符号の説明Explanation of symbols

1 電解質膜
2 カソード
3 アノード
10 膜電極接合体
11 枠体
12、32、42 酸化剤ガスのマニホールド孔
13、33、43 燃料ガスのマニホールド孔
14、34、44 冷却水のマニホールド孔
22、23、24、25、26、27、72、73、74 シール部材
30 アノード側セパレータ
31、41 周縁部
40 カソード側セパレータ
50、60 導電体
53 燃料ガスの流路
62 酸化剤ガスの流路
64 冷却水の流路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Cathode 3 Anode 10 Membrane electrode assembly 11 Frame body 12, 32, 42 Manifold hole of oxidant gas 13, 33, 43 Manifold hole of fuel gas 14, 34, 44 Manifold hole 22, 23 of cooling water, 24, 25, 26, 27, 72, 73, 74 Seal member 30 Anode-side separator 31, 41 Peripheral portion 40 Cathode-side separator 50, 60 Conductor 53 Fuel gas flow path 62 Oxidant gas flow path 64 Cooling water Flow path

Claims (4)

複数の単電池を積層したセルスタックを具備し、
前記単電池が、(1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む第1枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体を挟むアノード側セパレータおよびカソード側セパレータからなり、
前記膜電極接合体の第1枠体並びに前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記膜電極接合体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間には、それぞれ前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路および前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路を有する高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータが、前記電極を包含する範囲の中央部は導電体で構成され、周縁部は樹脂からなる第2枠体が構成され、かつ、前記中央部の周縁部に設けられた薄肉部を包埋するように前記第2枠体が前記導電体と一体に成形されており、
前記第1枠体には、前記高分子電解質膜に突出するように傾斜部が設けられ、かつ前記セパレータの導電体には前記傾斜部と嵌合するように凹部が設けられており、
前記第1枠体上および前記高分子電解質膜上には、前記アノードおよびカソードを囲むようにシール部材が配置されており、
前記シール部材は、前記傾斜部において、前記第1枠体上の部分および前記高分子電解質膜上の部分とつながっていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
A cell stack in which a plurality of single cells are stacked,
The unit cell includes: (1) a polymer electrolyte membrane, a first frame sandwiching a peripheral edge of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and the polymer electrolyte membrane. A membrane electrode assembly comprising a cathode joined to the other surface, and (2) an anode side separator and a cathode side separator sandwiching the membrane electrode assembly,
The first frame body of the membrane electrode assembly and the anode side separator and the cathode side separator each have a pair of manifold holes for an oxidant gas and a fuel, and the membrane electrode assembly, the anode side separator, and the cathode side separator, Between the pair of fuel manifold holes and a fluid flow path for supplying fuel to the anode and a pair of oxidant gas manifold holes for supplying an oxidant gas to the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising:
The separator includes a conductive material at a center portion including the electrode, a second frame body made of resin at a peripheral edge portion, and a thin portion provided at a peripheral edge portion of the central portion. The second frame is formed integrally with the conductor so as to be buried ;
The first frame is provided with an inclined portion so as to protrude from the polymer electrolyte membrane, and the conductor of the separator is provided with a recess so as to be fitted with the inclined portion,
On the first frame and the polymer electrolyte membrane, a seal member is disposed so as to surround the anode and the cathode,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the seal member is connected to a portion on the first frame body and a portion on the polymer electrolyte membrane in the inclined portion .
前記セルスタックの圧縮下において、前記第1枠体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータの周縁部とが面接触するとともに隣接する単電池のアノード側セパレータとカソード側セパレータが面接触し、前記第1枠体に設けられた前記シール部材が積層方向に変形して、前記マニホールド孔および流体流路を含む流体の流通部分が外部と気密に隔離される請求項1記載の高分子電解質型燃料電池。 Under the compression of the cell stack, the first frame body and the peripheral portions of the anode-side separator and the cathode-side separator are in surface contact, and the anode-side separator and cathode-side separator of an adjacent unit cell are in surface-contact with each other. 2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the seal member provided in the frame is deformed in the stacking direction, and a fluid circulation portion including the manifold hole and the fluid flow path is hermetically isolated from the outside. 前記第1枠体並びにアノード側セパレータおよびカソード側セパレータが、それぞれ一対の冷却水のマニホールド孔を有し、隣接する単電池のアノード側セパレータとカソード側セパレータとの間に、前記冷却水のマニホールド孔につながる冷却水の流路を有し、前記両セパレータ間に、前記セルスタックの圧縮下において積層方向に変形して、前記冷却水のマニホールド孔および冷却水の流路を含む冷却水の流通部分が外部と液密に隔離される構成を有するシール部材が、さらに設けられている請求項1または2記載の高分子電解質型燃料電池。 The first frame, the anode side separator, and the cathode side separator each have a pair of cooling water manifold holes, and the cooling water manifold holes are disposed between the anode side separator and the cathode side separator of the adjacent unit cell. A cooling water flow path including a cooling water manifold hole and a cooling water flow path that is deformed in the stacking direction under compression of the cell stack between the separators. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 , further comprising a seal member having a configuration in which the liquid is isolated from the outside in a liquid-tight manner. (1)高分子電解質膜、前記高分子電解質膜の周縁部を挟む第1枠体、前記高分子電解質膜の一方の面に接合されたアノード、および前記高分子電解質膜の他方の面に接合されたカソードからなる膜電極接合体、並びに、(2)前記膜電極接合体を挟むアノード側セパレータおよびカソード側セパレータを具備し、
前記膜電極接合体の第1枠体並びに前記アノード側セパレータおよびカソード側セパレータは、酸化剤ガスおよび燃料の各一対のマニホールド孔を有し、前記膜電極接合体とアノード側セパレータおよびカソード側セパレータとの間には、それぞれ前記一対の燃料のマニホールド孔につながり前記アノードに燃料を供給する流体流路および前記一対の酸化剤ガスのマニホールド孔につながり前記カソードに酸化剤ガスを供給する流体流路を有する高分子電解質型燃料電池であって、
前記セパレータが、前記電極を包含する範囲の中央部は導電体で構成され、周縁部は樹脂からなる第2枠体が構成され、かつ、前記中央部の周縁部に設けられた薄肉部を包埋するように前記第2枠体が前記導電体と一体に成形されており、
前記第1枠体には、前記高分子電解質膜に突出するように傾斜部が設けられ、かつ前記セパレータの導電体には前記傾斜部と嵌合するように凹部が設けられており、
前記第1枠体上および前記高分子電解質膜上には、前記アノードおよびカソードを囲むようにシール部材が配置されており、
前記シール部材は、前記傾斜部において、前記第1枠体上の部分および前記高分子電解質膜上の部分とつながっていることを特徴とする高分子電解質型燃料電池。
(1) A polymer electrolyte membrane, a first frame sandwiching a peripheral portion of the polymer electrolyte membrane, an anode joined to one surface of the polymer electrolyte membrane, and joined to the other surface of the polymer electrolyte membrane A membrane electrode assembly comprising a cathode, and (2) an anode side separator and a cathode side separator sandwiching the membrane electrode assembly,
The first frame body of the membrane electrode assembly and the anode side separator and the cathode side separator each have a pair of manifold holes for an oxidant gas and a fuel, and the membrane electrode assembly, the anode side separator, and the cathode side separator, Between the pair of fuel manifold holes and a fluid flow path for supplying fuel to the anode and a pair of oxidant gas manifold holes for supplying an oxidant gas to the cathode. A polymer electrolyte fuel cell comprising:
The separator includes a conductive material at a center portion including the electrode, a second frame body made of resin at a peripheral edge portion, and a thin portion provided at a peripheral edge portion of the central portion. The second frame is formed integrally with the conductor so as to be buried ;
The first frame is provided with an inclined portion so as to protrude from the polymer electrolyte membrane, and the conductor of the separator is provided with a recess so as to be fitted with the inclined portion,
On the first frame and the polymer electrolyte membrane, a seal member is disposed so as to surround the anode and the cathode,
The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the seal member is connected to a portion on the first frame body and a portion on the polymer electrolyte membrane in the inclined portion .
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