JP5206147B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等に使用される固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a stationary cogeneration system, and the like.

固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような固体高分子型燃料電池の基本的な単電池の構成を図8に示した。   A solid polymer fuel cell is one in which a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as air are reacted electrochemically by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously. The basic unit cell structure of such a polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG.

なお、水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図では符号の後にaを付け表し、空気などの酸化ガスの関与する側をカソードと呼び、図では符号の後にcを付け表した。   In addition, the side in which the fuel gas such as hydrogen is involved is called an anode, and in the figure, a is added after the symbol, the side in which the oxidizing gas such as air is involved is called the cathode, and in the drawing, c is added after the symbol. .

図8に於いて、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜31の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層32a,32cを密着して配置する。   In FIG. 8, catalyst reaction layers 32a and 32c mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst are disposed in close contact with both surfaces of a polymer electrolyte membrane 31 that selectively transports hydrogen ions. To do.

さらに触媒反応層32a,32cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層33a,33cをこれに密着して配置する。この拡散層33a,33cと触媒反応層32a,32cにより電極34a,34cを構成する。電極電解質接合体35は(以降、MEAと称する)、電極34a,34cと高分子電解質膜31とで形成している。   Further, a pair of diffusion layers 33a and 33c having both gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 32a and 32c. The diffusion layers 33a and 33c and the catalyst reaction layers 32a and 32c constitute electrodes 34a and 34c. The electrode electrolyte assembly 35 (hereinafter referred to as MEA) is formed by the electrodes 34 a and 34 c and the polymer electrolyte membrane 31.

MEA35外側には、MEA35を機械的に固定するとともに、隣接するMEA同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路36a,36cをMEA35に接する面に形成した導電性セパレータ37a.37cを配置する。導電性セパレータ37aでMEA35とは反対の面には、隣の単電池の導電性セパレータ37cが接する。   The MEA 35 is mechanically fixed to the outside of the MEA 35, adjacent MEAs are electrically connected to each other in series, the reaction gas is supplied to the electrodes, and the gas generated by the reaction and excess gas are carried away. Gas separators 36a, 36c for the conductive separators 37a. 37c is arranged. A conductive separator 37c of an adjacent unit cell is in contact with the surface of the conductive separator 37a opposite to the MEA 35.

導電性セパレータ37a,37c同士が接する側には循環水通路38が備えられ、ここに循環水が流れる。循環水は導電性セパレータ37a,37cを介してMEA35の温度を調整するように熱を移動させる。MEA35と導電性セパレータ37a,37cとの間にはガスを封止するMEAガスケット40a,40cが備えられ、導電性セパレータ37a,37cの間には循環水を封止するセパレータガスケット41a,41cが備えられている。   A circulating water passage 38 is provided on the side where the conductive separators 37a and 37c contact each other, and the circulating water flows there. The circulating water moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 35 through the conductive separators 37a and 37c. MEA gaskets 40a and 40c for sealing gas are provided between the MEA 35 and the conductive separators 37a and 37c, and separator gaskets 41a and 41c for sealing circulating water are provided between the conductive separators 37a and 37c. It has been.

次に、基本動作を説明する。ガス流路36cに空気などの酸化ガスを流し、ガス流路36aに水素などの燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層33aを拡散し、触媒反応層32aに達する。触媒反応層32aで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜31を透過しカソード側に移動し反応触媒層32cに達する。空気などの酸化ガス中の酸素は拡散層33cを拡散し、反応触媒層32cに達する。   Next, the basic operation will be described. An oxidizing gas such as air is supplied to the gas flow path 36c, and a fuel gas such as hydrogen is supplied to the gas flow path 36a. Hydrogen in the fuel gas diffuses through the diffusion layer 33a and reaches the catalytic reaction layer 32a. In the catalytic reaction layer 32a, hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons. The electrons are moved to the cathode side through an external circuit. The hydrogen ions permeate the membrane 31, move to the cathode side, and reach the reaction catalyst layer 32c. Oxygen in the oxidizing gas such as air diffuses in the diffusion layer 33c and reaches the reaction catalyst layer 32c.

触媒反応層32cでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりMEA35の周囲で酸化ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。   In the catalyst reaction layer 32c, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions to generate water. That is, the oxidizing gas and the fuel gas react around the MEA 35 to generate water, and electrons flow.

さらに反応時に熱が生成し、MEA35の温度が上昇する。そのため循環水経路38に水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流(電気)が発生する。   Further, heat is generated during the reaction, and the temperature of the MEA 35 rises. Therefore, the heat generated by the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the circulating water path 38. That is, heat and current (electricity) are generated.

ここで、発生した電力はセルの両端に配置された一対の集電板42によって取り出され、燃料電池外部の電気回路に供給される。この集電板42としては、抵抗がロスにならないように、真鍮や銅などの導電性が良好な金属に金メッキを施して接触抵抗と耐食性を向上したものが用いられていた
このような積層電池では、冷却部を含む複数の単電池モジュールを一方向に積み重ね、集電板42の外側に、一対の端板を配置し、それぞれの端板間を締結ボルト(ロッド)で固定して、それぞれの単電池モジュールを締め付けるような締め付け方式が採用されている(例えば、特許部文献1参照)。
Here, the generated electric power is taken out by a pair of current collecting plates 42 arranged at both ends of the cell and supplied to an electric circuit outside the fuel cell. As the current collector plate 42, a metal plate having a good conductivity such as brass or copper is used to improve contact resistance and corrosion resistance so that the resistance is not lost. Then, a plurality of unit cell modules including the cooling unit are stacked in one direction, a pair of end plates are arranged outside the current collector plate 42, and the end plates are fixed with fastening bolts (rods), respectively. A tightening method for tightening the single cell module is employed (for example, see Patent Document 1).

また、このような積層電池においては、積層方向端部からの放熱が大きくなり、両端に位置するセルが低温になる傾向があった。これによって、端部セルに水詰まりが発生し、性能低下を生じる危険性があった。このような課題に対し、引用文献では、端部セルの外側に冷却水流路を設け、端部セルからの放熱を抑制することによって、端部セルの低温化を防ぐ方法が開示されている。
特開2002−313386号公報
Further, in such a laminated battery, heat radiation from the end portion in the stacking direction is increased, and the cells located at both ends tend to be low temperature. As a result, the end cells are clogged with water and there is a risk of performance degradation. In order to solve such a problem, the cited document discloses a method for preventing the end cell from being lowered in temperature by providing a cooling water channel outside the end cell and suppressing heat dissipation from the end cell.
JP 2002-313386 A

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。   However, the conventional polymer electrolyte fuel cell has the following problems.

集電板に加湿された反応ガスや冷却水がマニホールド孔部分で直接接触すると、金メッキなどの表面処理にはピンホールが存在するため、集電板の基材が腐食される。集電板が腐食されると、反応ガス中の水分や冷却水中に金属イオンが溶出し、MEAに供給されると、電解質膜の劣化やイオン導電性の低下を加速させ、MEAの性能を大きく低下する原因となる。さらに、腐食が進行すると集電板表面が変形し、マニホールド孔周辺でのシールが破壊し、反応ガスや冷却水リークが発生する危険性があった。   When the reaction gas or cooling water humidified on the current collector plate is in direct contact with the manifold hole portion, pinholes exist in the surface treatment such as gold plating, and the base material of the current collector plate is corroded. When the current collector plate is corroded, metal ions are eluted in the water and cooling water in the reaction gas, and when supplied to the MEA, the deterioration of the electrolyte membrane and the decrease in ionic conductivity are accelerated, and the performance of the MEA increases. It will cause a drop. Furthermore, when corrosion progresses, the current collector plate surface is deformed, the seal around the manifold hole is broken, and there is a risk of causing a reaction gas or cooling water leak.

また、先行例のように、冷却水を集電板と端部セルの間に配置した場合には、集電板に直接冷却水が接触することを避けるため、端部セパレータを設けて、この端部セパレータに冷却水流路を構成する方法が採用されているが、このような場合には、端部セパレータの冷却水マニホールド孔を塞ぐ必要があり、これにより冷却水流路に冷却水が分配されにくくなるという課題があった。   In addition, when the cooling water is arranged between the current collector plate and the end cell as in the previous example, an end separator is provided to avoid direct contact of the cooling water with the current collector plate. In this case, it is necessary to close the cooling water manifold hole of the end separator, so that the cooling water is distributed to the cooling water flow path. There was a problem of becoming difficult.

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、集電板の腐食を解消し、耐久性に優れ、低コストに作成できる固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention solves the above-mentioned conventional problems, and provides a polymer electrolyte fuel cell that eliminates corrosion of a current collector plate, has excellent durability, and can be produced at low cost. For the purpose.

上記課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、電解質膜と電極を接合させた膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように配置されたセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータを含む積層体の両端を挟持するように配置された一対の端部セパレータと、前記一対の端部セパレータの両外側に配置され、前記膜電極接合体が発生した電気出力を集電する一対の集電板を備え、前記セパレータおよび前記端部セパレータには反応ガスあるいは冷却水を供給、排出するためのマニホールド孔が構成されており、前記端部セパレータの少なくとも1つの前記マニホールド孔が封止されているものである。   In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane and an electrode are bonded, a separator disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly, A pair of end separators disposed so as to sandwich both ends of a laminate including the membrane electrode assembly and the separator, and an electric power generated by the membrane electrode assembly disposed on both outer sides of the pair of end separators The separator and the end separator are provided with a pair of current collector plates for collecting output, and are provided with manifold holes for supplying and discharging reaction gas or cooling water, and at least one of the end separators The manifold hole is sealed.

これにより、反応ガスや冷却水が集電板が直接接触することを防止し、集電板の腐食を完全に防ぐことが可能となり、燃料電池の耐久性を大幅に向上できる。   As a result, it is possible to prevent the current collector plate from coming into direct contact with the reaction gas or cooling water, and to completely prevent the current collector plate from being corroded, thereby greatly improving the durability of the fuel cell.

本発明の固体高分子型燃料電池は、端部セパレータの出入り口マニホールド孔のいずれか一方を封止することによって、反応ガスおよび冷却水と集電板が接触することを完全に防止し、耐久性を向上した固体高分子型燃料電池を提供することができる。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention completely prevents contact between the reaction gas, the cooling water, and the current collector plate by sealing any one of the inlet / outlet manifold holes of the end separator, and is durable It is possible to provide a polymer electrolyte fuel cell with improved performance.

第1の発明は、電解質膜と電極を接合させた膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するように配置されたセパレータと、膜電極接合体とセパレータを含む積層体の両端を挟持するように配置された一対の端部セパレータと、一対の端部セパレータの両外側に配置され、膜電極接合体が発生した電気出力を集電する一対の集電板を備え、セパレータおよび端部セパレータには反応ガスあるいは冷却水を供給、排出するためのマニホールド孔が構成されており、端部セパレータの少なくとも1つのマニホールド孔が封止されているものである。   1st invention clamps the both ends of the membrane electrode assembly which joined the electrolyte membrane and the electrode, the separator arrange | positioned so that a membrane electrode assembly may be clamped, and the laminated body containing a membrane electrode assembly and a separator A pair of end separators, and a pair of current collector plates that are disposed on both outer sides of the pair of end separators and collect the electrical output generated by the membrane electrode assembly, and the separator and the end separator Has a manifold hole for supplying and discharging reaction gas or cooling water, and at least one manifold hole of the end separator is sealed.

この構成により、反応ガスおよび冷却水と集電板との接触を完全に防止でき、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を提供することができる。   With this configuration, it is possible to completely prevent contact between the reaction gas and cooling water and the current collector plate, and to provide a solid polymer fuel cell having excellent durability.

第2の発明は、第1の発明において、一対の端部セパレータの少なくとも一方にはマニホールド孔と連結し、反応ガスあるいは冷却水を積層体に供給、排出するための流路が形成されており、流路に接続される入口側あるいは出口側のマニホールド孔の少なくとも一方が封止されているものである。   In a second aspect based on the first aspect, at least one of the pair of end separators is connected to a manifold hole, and a flow path for supplying and discharging reaction gas or cooling water to and from the laminate is formed. , At least one of the manifold holes on the inlet side or the outlet side connected to the flow path is sealed.

この構成により、端部セパレータに反応ガスや冷却水の流路が構成された場合においても、集電板との接触を完全に防止でき、耐久性を向上した固体高分子型燃料電池を提供することができる。   With this configuration, even when a flow path of a reaction gas or cooling water is configured in the end separator, a solid polymer fuel cell that can completely prevent contact with the current collector plate and has improved durability is provided. be able to.

第3の発明は、第2の発明において、マニホールド孔の封止されている位置を、流路深さよりも深い位置としたものである。   According to a third aspect, in the second aspect, the position where the manifold hole is sealed is a position deeper than the flow path depth.

この構成により、集電板との接触を防止するとともに、端部セパレータに構成された流路へ反応ガスまたは冷却水の分配性を確保でき、端部セルの性能低下を解消した固体高分子型燃料電池を提供できる。   This configuration prevents contact with the current collector plate and ensures the ability to distribute the reaction gas or cooling water to the flow path configured in the end separator, eliminating the degradation of the end cell performance. A fuel cell can be provided.

第4の発明は、第3の発明において、流路に冷却水が供給されるものである。   In a fourth aspect based on the third aspect, the cooling water is supplied to the flow path.

この構成により、放熱による端部セルの温度低下を防止し、端部セルの性能低下を解消した高性能な固体高分子型燃料電池を提供できる。   With this configuration, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell that prevents a temperature drop of the end cell due to heat dissipation and eliminates a decrease in the performance of the end cell.

第5の発明は、第1〜第4のいずれかの発明において、端部セパレータが、2種類以上の部品で構成されており、マニホールド孔に勘合する封止部材によって、マニホールド孔が封止されているものである。   According to a fifth invention, in any one of the first to fourth inventions, the end separator is composed of two or more parts, and the manifold hole is sealed by a sealing member fitted into the manifold hole. It is what.

この構成により、端部セルの性能低下を解消した高性能な固体高分子型燃料電池を提供できる。   With this configuration, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell that eliminates the performance degradation of the end cells.

第6の発明は、第5の発明において、封止部材を樹脂としたものである。   According to a sixth invention, in the fifth invention, the sealing member is made of resin.

この構成により、端部セルの性能低下を解消した高性能な固体高分子型燃料電池を提供できる。   With this configuration, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell that eliminates the performance degradation of the end cells.

第7の発明は、第5の発明において、封止部材をゴムとしたものである。   According to a seventh aspect, in the fifth aspect, the sealing member is made of rubber.

この構成により、端部セルの性能低下を解消した高性能な固体高分子型燃料電池を提供できる。   With this configuration, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell that eliminates the performance degradation of the end cells.

第8の発明は、第5の発明において、封止部材をエラストマーとしたものである。   In an eighth aspect based on the fifth aspect, the sealing member is an elastomer.

この構成により、端部セルの性能低下を解消した高性能な固体高分子型燃料電池を提供できる。   With this configuration, it is possible to provide a high-performance polymer electrolyte fuel cell that eliminates the performance degradation of the end cells.

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が、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。
(実施の形態1)
図1は本発明による実施の形態1における固体高分子型燃料電池の単セルの分解斜視図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the embodiments. In addition, about the part same as a prior art example, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.
(Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded perspective view of a single cell of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

図1に示すように、単セルは、一対の電極104で枠体1に設けた高分子電解質膜101を挟んで構成したMEA105を、一対のアノード側セパレータ107aとカソード側セパレータ107cとで挟み込んで構成されている。   As shown in FIG. 1, a single cell includes a pair of anode-side separator 107a and cathode-side separator 107c sandwiching a MEA 105 configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane 101 provided on a frame 1 with a pair of electrodes 104. It is configured.

アノード側セパレータ107aおよびカソード側セパレータ107cには、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド孔2と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド孔3と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド孔4と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド孔5がアノード側セパレータ107aおよびカソード側セパレータ107cの外周近傍に貫通して設けられている。   The anode side separator 107a and the cathode side separator 107c are provided with a fuel gas inlet manifold hole 2 for introducing a fuel gas containing hydrogen from the outside, and a fuel gas outlet for discharging a fuel gas not used for power generation to the outside. Manifold hole 3, oxidant gas inlet manifold hole 4 for introducing oxygen-containing oxidant gas from the outside, and oxidant gas outlet manifold hole 5 for discharging oxidant gas not used for power generation to the outside Is provided in the vicinity of the outer periphery of the anode separator 107a and the cathode separator 107c.

また、アノード側セパレータ107aのMEA105と接する面には、燃料ガス入口マニホールド孔2と燃料ガス出口マニホールド孔3とを結び、電極104に燃料ガスを供給するための燃料ガス流路106aが設けられている。   A fuel gas flow path 106 a for connecting the fuel gas inlet manifold hole 2 and the fuel gas outlet manifold hole 3 and supplying fuel gas to the electrode 104 is provided on the surface of the anode separator 107 a that contacts the MEA 105. Yes.

同様にカソード側セパレータ107cのMEA105と接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド孔4と酸化剤ガス出口マニホールド孔5とを結び、電極104に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス流路106cが設けられている。燃料ガス流路106aおよび酸化剤ガス流路106cは、電極104に対して可能な限り均一にガスを供給するために、複数本の流路を蛇行させて形成している。   Similarly, the surface of the cathode separator 107 c that contacts the MEA 105 is connected to the oxidant gas inlet manifold hole 4 and the oxidant gas outlet manifold hole 5, and the oxidant gas flow path 106 c for supplying the oxidant gas to the electrode 104. Is provided. The fuel gas channel 106 a and the oxidant gas channel 106 c are formed by meandering a plurality of channels in order to supply gas to the electrode 104 as uniformly as possible.

なお、単セル10に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜101の水素イオン伝導性を発揮させるために加湿して常に高分子電解質膜101を湿潤状態に保つようにしているが、ガス中の水蒸気が凝縮して、あるいは発電に伴って生成した水が燃料ガス流路106aまたは酸化剤ガス流路106cにたまって流路を閉塞し、ガスの流れを阻害しないように上方から導入して下方から排出されるように燃料ガス流路106aおよび酸化剤ガス流路106cを構成した。   The fuel gas and oxidant gas supplied to the single cell 10 are humidified in order to exert the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane 101 so that the polymer electrolyte membrane 101 is always kept wet. In order to prevent water vapor in the gas from condensing or water generated during power generation from accumulating in the fuel gas flow channel 106a or the oxidant gas flow channel 106c, the flow channel is blocked and the gas flow is not obstructed. The fuel gas channel 106a and the oxidant gas channel 106c were configured to be introduced and discharged from below.

また、アノード側セパレータ107aとカソード側セパレータ107cとには、発電とともに発生する熱を取り去るための循環水を、カソード側セパレータ107cのMEA105と接する面とは反対の面に形成した冷却水流路8に導入,排出するための冷却水入口マニホールド孔6と冷却水出口マニホールド孔7が、外周近傍に貫通して設けられている。   In addition, the anode side separator 107a and the cathode side separator 107c have circulating water for removing heat generated along with power generation in a cooling water flow path 8 formed on a surface opposite to the surface in contact with the MEA 105 of the cathode side separator 107c. A cooling water inlet manifold hole 6 and a cooling water outlet manifold hole 7 for introducing and discharging are provided in the vicinity of the outer periphery.

なお、図1では、冷却水入口マニホールド孔6および冷却水流路8が端部セパレータ108に形成されている状態を示しているが、冷却水入口マニホールド孔6は封止部11で封止されている。また、端部セパレータ108に形成された冷却水流路8は冷却水シール9で洩れを防止する構成となっている。   FIG. 1 shows a state in which the cooling water inlet manifold hole 6 and the cooling water flow path 8 are formed in the end separator 108, but the cooling water inlet manifold hole 6 is sealed by the sealing portion 11. Yes. Further, the cooling water flow path 8 formed in the end separator 108 is configured to prevent leakage by the cooling water seal 9.

すなわちアノード側セパレータ107a,カソード側セパレータ107cには電極104に対向する電極対向領域と、前記電極対向領域を囲む環状の外縁領域を有し、前記外縁領域には膜電極接合体(MEA105)に反応ガスあるいは冷却水を供給、排出するためのマニホールド孔が構成されている。   That is, the anode-side separator 107a and the cathode-side separator 107c have an electrode facing region facing the electrode 104 and an annular outer edge region surrounding the electrode facing region, and the outer edge region reacts with the membrane electrode assembly (MEA 105). A manifold hole for supplying and discharging gas or cooling water is formed.

また、MEA105には各マニホールド孔に対応する位置に孔が設けられており、MEA105のアノード電極(アノード側セパレータ107aと接する側の電極104の面(図示せず))側で、アノード電極の外側には、燃料ガスが外部に漏れず、かつ酸化剤ガスと循環水とがこの面に進入しないように考慮したシール部であるMEAガスケット(図示せず)が設けられている。   Further, the MEA 105 is provided with holes at positions corresponding to the manifold holes, on the anode electrode (surface (not shown) side of the electrode 104 in contact with the anode-side separator 107a) side of the MEA 105, outside the anode electrode. Is provided with an MEA gasket (not shown) which is a seal portion in consideration of preventing the fuel gas from leaking to the outside and preventing the oxidant gas and the circulating water from entering this surface.

同様に、MEA105のカソード電極104c(カソード側セパレータ107cと接する側の電極104の面)側でカソード電極104cの外側には酸化剤ガスが外部に漏れず、かつ燃料ガスと循環水がこの面に浸入しないように考慮したMEAガスケット109が設けられている。   Similarly, on the cathode electrode 104c (surface of the electrode 104 on the side in contact with the cathode separator 107c) side of the MEA 105, oxidant gas does not leak outside the cathode electrode 104c, and fuel gas and circulating water are on this surface. An MEA gasket 109 is provided so as not to enter.

なお、このMEAガスケット109は導電性のアノード側セパレータ107aとカソード側セパレータ107cとが直接接触して短絡しないようにする絶縁の役割も果たしており、図1で示した線シールではなく面シールとしても良く、また、MEAガスケット109とは別に絶縁体を挿入しても、シールが行えれば良い。   The MEA gasket 109 also plays a role of insulation so that the conductive anode-side separator 107a and the cathode-side separator 107c are in direct contact with each other so as not to be short-circuited. In addition, even if an insulator is inserted in addition to the MEA gasket 109, it is sufficient that sealing can be performed.

図2は、図1に示す単電池を積層して構成した固体高分子形燃料電池の構成を示す側面図である。   FIG. 2 is a side view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking the unit cells shown in FIG.

図2に示すように本実施の形態1の固体高分子型燃料電池は、MEA105、アノード側セパレータ107aおよびカソード側セパレータ107cを含む単電池を複数枚積層して積層体100を形成し、積層体100の両端に端部セパレータ108を配置し、さらにその外側に端部セパレータ108と電気的に接続した真鍮に金メッキを施した集電板21を配置し、一対のエンドプレート22で挟持したものである。以下、単電池を積層して一対のエンドプレート22で挟持した構成をスタックと称する。   As shown in FIG. 2, the polymer electrolyte fuel cell of the first embodiment forms a laminate 100 by laminating a plurality of unit cells including the MEA 105, the anode side separator 107a and the cathode side separator 107c. End separators 108 are disposed at both ends of 100, and current collector plates 21, which are gold-plated on brass that is electrically connected to the end separators 108, are disposed outside and sandwiched between a pair of end plates 22. is there. Hereinafter, a configuration in which the single cells are stacked and sandwiched between the pair of end plates 22 is referred to as a stack.

なお、単電池の積層は、単電池を構成するアノード側セパレータ107aと隣り合う単電池を構成するカソード側セパレータ107cとを電気的に接続し、かつ、カソード側セパレータ107cに形成した循環水流路から水が外部に漏れないように、かつ燃料ガスと酸化剤ガスとがこの面に侵入しないように考慮して形成したセパレータガスケット(図示せず)がマニホールドの周囲に設けられている。   The unit cell stacking is performed by electrically connecting the anode side separator 107a constituting the unit cell and the cathode side separator 107c constituting the adjacent unit cell, and from the circulating water channel formed in the cathode side separator 107c. A separator gasket (not shown) is provided around the manifold so as to prevent water from leaking to the outside and to prevent fuel gas and oxidant gas from entering this surface.

ここで、本実施の形態1ではエンドプレート22としてはポリフェニルサルファイド(PPS)を用いたが、その他の樹脂であっても締結圧力に対して十分な強度を有しておれば使用できる。   Here, in this Embodiment 1, although polyphenyl sulfide (PPS) was used as the end plate 22, even if it is other resin, if it has sufficient intensity | strength with respect to a fastening pressure, it can be used.

エンドプレート22のいずれか一方には、スタックに酸化剤ガス、燃料ガス、冷却水を供給するための酸化剤ガス入口配管51、冷却水入口配管52、燃料ガス入口配管53および排出するための燃料ガス出口配管54、冷却水出口配管55、酸化剤ガス出口配管56が構成されており、それぞれの配管がセパレータに構成された対応する酸化剤ガス入口マニホールド孔4、燃料ガス入口マニホールド孔2、冷却水入口マニホールド孔6および
酸化剤ガス出口マニホールド孔5、燃料ガス出口マニホールド孔3、冷却水出口マニホールド孔7と連結されている。
In any one of the end plates 22, an oxidant gas inlet pipe 51 for supplying oxidant gas, fuel gas, and cooling water to the stack, a cooling water inlet pipe 52, a fuel gas inlet pipe 53, and a fuel for discharge. A gas outlet pipe 54, a cooling water outlet pipe 55, and an oxidant gas outlet pipe 56 are configured. The corresponding oxidant gas inlet manifold hole 4, fuel gas inlet manifold hole 2, cooling, each of which is configured as a separator. The water inlet manifold hole 6, the oxidant gas outlet manifold hole 5, the fuel gas outlet manifold hole 3, and the cooling water outlet manifold hole 7 are connected.

また、端部セパレータ108とアノード側セパレータ107a、カソード側セパレータ107cの間には冷却水を流通させる流路が構成されており、放熱による端部セパレータ108の温度低下を抑制する構造となっている。   Further, a flow path for circulating cooling water is formed between the end separator 108, the anode side separator 107a, and the cathode side separator 107c so as to suppress a temperature drop of the end separator 108 due to heat radiation. .

以上のように構成した固体高分子型燃料電池にについて、以下その動作、作用について説明する。   The operation and action of the polymer electrolyte fuel cell configured as described above will be described below.

燃料ガス入口配管53からスタックに供給された燃料ガスは燃料ガス入口マニホールド孔2を介して各単電池のアノード側セパレータ107aの燃料ガス流路106aを通って電極104のアノード側に供給される。   The fuel gas supplied to the stack from the fuel gas inlet pipe 53 is supplied to the anode side of the electrode 104 through the fuel gas inlet manifold hole 2 and the fuel gas passage 106a of the anode side separator 107a of each unit cell.

一方、酸化剤ガス入口配管51からスタックに供給された酸化剤ガスは酸化剤ガス入口マニホールド孔4を介して、各単電池のカソード側セパレータ107cの酸化剤ガス流路106cを通って電極104のカソード側に供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が電気化学反応を起こして電気と熱が発生する。   On the other hand, the oxidant gas supplied to the stack from the oxidant gas inlet pipe 51 passes through the oxidant gas flow path 106c of the cathode side separator 107c of each unit cell via the oxidant gas inlet manifold hole 4 to the electrode 104. Supplyed to the cathode side, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas cause an electrochemical reaction to generate electricity and heat.

発電に伴って発生した熱は、冷却水を冷却水入口配管52から冷却水入口マニホールド孔6を介してアノード側セパレータ107aの冷却水流路に供給し、冷却水出口マニホールド孔7を介して冷却水出口配管55からスタックの外へ排出することにより、アノード側セパレータ107a,カソード側セパレータ107cを介して搬出する。   The heat generated as a result of power generation supplies cooling water from the cooling water inlet pipe 52 via the cooling water inlet manifold hole 6 to the cooling water flow path of the anode side separator 107a, and the cooling water via the cooling water outlet manifold hole 7. By discharging it out of the stack from the outlet pipe 55, it is carried out via the anode side separator 107a and the cathode side separator 107c.

次に図3に端部セパレータの平面図を示す。端部セパレータ108には周辺部に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を積層体に供給するための入口マニホールドが設けられている。ここで、端部セパレータ108上で、燃料ガス入口マニホールド孔2、酸化剤ガス入口マニホールド孔4および冷却水入口マニホールド孔6は孔として貫通するように形成されているが、燃料ガス出口マニホールド孔3、酸化剤ガス出口マニホールド孔5および冷却水出口マニホールド孔7に対応する位置には、孔はなく完全に封止された形状になっている。   Next, FIG. 3 shows a plan view of the end separator. The end separator 108 is provided with an inlet manifold for supplying fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the laminated body at the periphery. Here, on the end separator 108, the fuel gas inlet manifold hole 2, the oxidant gas inlet manifold hole 4 and the cooling water inlet manifold hole 6 are formed so as to penetrate therethrough, but the fuel gas outlet manifold hole 3 The positions corresponding to the oxidant gas outlet manifold hole 5 and the cooling water outlet manifold hole 7 have no holes and are completely sealed.

これによって、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水が集電板21と接触することを完全に防止し、集電板21の腐食を防止することが可能とできる。これによって、金属イオンの溶出によるMEA105の劣化を防止でき、耐久性に優れた固体高分子型燃料電池を供給できるものである。   Thereby, it is possible to completely prevent the fuel gas, the oxidant gas and the cooling water from coming into contact with the current collector plate 21 and prevent the current collector plate 21 from being corroded. As a result, the MEA 105 can be prevented from deteriorating due to elution of metal ions, and a solid polymer fuel cell having excellent durability can be supplied.

なお、本実施の形態1では、燃料ガス出口マニホールド孔3、酸化剤ガス出口マニホールド孔5および冷却水出口マニホールド孔7を封止する形態を示したが、本実施の形態1に示した端部セパレータ108と対向する他方の端部セパレータ108では燃料ガス入口マニホールド孔2、酸化剤ガス入口マニホールド孔4および冷却水入口マニホールド孔6が封止されている。   In the first embodiment, the fuel gas outlet manifold hole 3, the oxidant gas outlet manifold hole 5 and the cooling water outlet manifold hole 7 are sealed. However, the end portion shown in the first embodiment is shown. In the other end separator 108 facing the separator 108, the fuel gas inlet manifold hole 2, the oxidant gas inlet manifold hole 4, and the cooling water inlet manifold hole 6 are sealed.

また、本実施の形態1では、全てのガスと冷却水が同じ端部セパレータ108側から流入する形態を示しているが、ガスおよび冷却水の流入方向をガス種および冷却水毎に変更することも可能であり、同様の効果が得られるものである。さらに、スタック外部とスタック積層部分への燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水の供給、排出は通常配管を用いて行われ、この配管が集電板21と燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を隔離する役目を果たしている。
(実施の形態2)
次に図4に、本発明の実施の形態2における端部セパレータ108の平面図を示す。
In the first embodiment, all the gases and cooling water flow from the same end separator 108 side. However, the inflow direction of the gas and cooling water is changed for each gas type and cooling water. The same effect can be obtained. Furthermore, supply and discharge of fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the outside of the stack and to the stack stack are performed using normal piping, and this piping supplies the current collector plate 21, fuel gas, oxidant gas, and cooling water. Plays the role of sequestration.
(Embodiment 2)
Next, FIG. 4 shows a plan view of the end separator 108 according to the second embodiment of the present invention.

端部セパレータ108には周辺部に燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を積層体に供給するための燃料ガス入口マニホールド孔2、酸化剤ガス入口マニホールド孔4および冷却水入口マニホールド孔6入口マニホールドが設けられている。さらに冷却水を流通するため冷却水流路8が表面に構成されている。   The end separator 108 has a fuel gas inlet manifold hole 2, an oxidant gas inlet manifold hole 4, and a cooling water inlet manifold hole 6 inlet manifold for supplying fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the laminate at the periphery. Is provided. Further, a cooling water flow path 8 is formed on the surface for circulating the cooling water.

ここで、端部セパレータ108上で燃料ガス出口マニホールド孔3および酸化剤ガス出口マニホールド孔5に対応する位置には、孔はなく完全に封止された形状になっている。これによって、燃料ガスおよび酸化剤ガスが集電板21と接触することを完全に防止し、集電板21の腐食を防止することが可能とできる。   Here, there is no hole at the position corresponding to the fuel gas outlet manifold hole 3 and the oxidant gas outlet manifold hole 5 on the end separator 108, and it has a completely sealed shape. As a result, it is possible to completely prevent the fuel gas and the oxidant gas from coming into contact with the current collector plate 21 and prevent the current collector plate 21 from being corroded.

さらに、図5に端部セパレータ108の冷却水出口マニホールド孔7部分の断面図を示す。ここで、冷却水出口マニホールド孔7は冷却水流路8と同じ深さまで掘り込まれた位置で封止されている。このような形状によって、冷却水流路8に冷却水を供給すると同時に冷却水出口マニホールド孔7の封止を可能にし、集電板21の腐食を完全に防止することができる。   Further, FIG. 5 shows a cross-sectional view of the coolant outlet manifold hole 7 portion of the end separator 108. Here, the cooling water outlet manifold hole 7 is sealed at a position dug to the same depth as the cooling water flow path 8. With such a shape, it is possible to supply the cooling water to the cooling water flow path 8 and at the same time to seal the cooling water outlet manifold hole 7 and completely prevent the current collector plate 21 from being corroded.

なお、本実施の形態2では、冷却水流路8が構成されている例を示したが、冷却水流路8を端部セパレータ108に構成することによって、放熱による端部セルの低温化を防止でき、端部セルの濡れを抑制することが可能になる。   In the second embodiment, an example in which the cooling water flow path 8 is configured has been described. However, by configuring the cooling water flow path 8 in the end separator 108, it is possible to prevent the end cell from being lowered in temperature due to heat dissipation. It becomes possible to suppress the wetting of the end cells.

また、本実施の形態2では、冷却水出口マニホールド孔7を封止する形態を示したが、本実施の形態2に示した端部セパレータ108と対向する他方の端部セパレータ108では冷却水入口マニホールド孔6が封止されている。   In the second embodiment, the cooling water outlet manifold hole 7 is sealed. However, in the other end separator 108 facing the end separator 108 shown in the second embodiment, the cooling water inlet is used. The manifold hole 6 is sealed.

また、本実施の形態2では、全てのガスと冷却水が同じ端部セパレータ108側から流入する形態を示しているが、ガスおよび冷却水の流入方向をガス種および冷却水毎に変更することも可能であり、同様の効果が得られるものである。   In the second embodiment, all the gases and cooling water flow from the same end separator 108 side. However, the inflow direction of the gas and cooling water is changed for each gas type and cooling water. The same effect can be obtained.

さらに、スタック外部とスタック積層部分への燃料ガスや酸化剤ガス、冷却水の供給、排出は通常配管を用いて行われ、この配管が集電板21と燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水を隔離する役目を果たしている。
(実施の形態3)
図6は本発明の実施の形態3における端部セパレータ108の冷却水出口マニホールド孔7部分の断面図である。ここで、冷却水出口マニホールド孔7は冷却水流路よりも深く掘り込まれた位置で封止されている。
Furthermore, supply and discharge of fuel gas, oxidant gas, and cooling water to the outside of the stack and to the stack stack are performed using normal piping, and this piping supplies the current collector plate 21, fuel gas, oxidant gas, and cooling water. Plays the role of sequestration.
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a cross-sectional view of the coolant outlet manifold hole 7 portion of the end separator 108 according to the third embodiment of the present invention. Here, the cooling water outlet manifold hole 7 is sealed at a position dug deeper than the cooling water flow path.

このような形状にすることによって、図6において上方から流れてきた冷却水が、封止部分に衝突して発生する渦の影響を受けずに、冷却水流路8にスムースに冷却水を供給することが可能となる。これにより、冷却水の等配性を確保しながら、冷却水が集電板21に接触することを完全に防止し、集電板21の腐食を防止することが可能となる。
(実施の形態4)
図7は本発明の実施の形態4における端部セパレータ108の冷却水出口マニホールド孔7部分の断面図である。冷却水出口マニホールド孔7は端部セパレータ108とは別部材の封止部材12とからなり、封止部材12を冷却水出口マニホールド孔7に勘合することによって、冷却水出口マニホールド孔7を封止している。
By adopting such a shape, the cooling water flowing from above in FIG. 6 is smoothly supplied to the cooling water flow path 8 without being affected by the vortex generated by colliding with the sealing portion. It becomes possible. Thereby, it is possible to completely prevent the cooling water from coming into contact with the current collecting plate 21 and to prevent the current collecting plate 21 from being corroded while ensuring the equal distribution of the cooling water.
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a cross-sectional view of the coolant outlet manifold hole 7 portion of the end separator 108 according to the fourth embodiment of the present invention. The cooling water outlet manifold hole 7 includes a sealing member 12 that is a separate member from the end separator 108, and the cooling water outlet manifold hole 7 is sealed by fitting the sealing member 12 into the cooling water outlet manifold hole 7. doing.

封止部材12には、樹脂、ゴム、エラストマーが使用される。樹脂としては、PPS(ポリフェニルサルファイド)、PP(ポリプロピレン)、SPS(シンジオタックポリスチレン)など、またゴムとしては、フッ素ゴム、シリコンゴム、EPDMゴムなど、エラストマーとしては、フッ素系エラストマーやオレフィン系エラストマーなどが使用できるが、これらに限らず選定することが可能である。   Resin, rubber, and elastomer are used for the sealing member 12. Examples of the resin include PPS (polyphenyl sulfide), PP (polypropylene), and SPS (syndiotack polystyrene). Examples of the rubber include fluorine rubber, silicone rubber, and EPDM rubber. Examples of the elastomer include fluorine elastomer and olefin. Although an elastomer etc. can be used, not only these but selection is possible.

このような構造を採用することによって、封止構造の自由度を向上することが可能となり、より簡単にガス、冷却水と集電板21が接触することを防止でき、集電板21の腐食を防止できる。   By adopting such a structure, the degree of freedom of the sealing structure can be improved, gas and cooling water can be prevented from coming into contact with the current collector plate 21 more easily, and the current collector plate 21 can be corroded. Can be prevented.

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。   As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to uses such as a portable power source, a power source for an electric vehicle, and a stationary cogeneration system.

本発明の実施の形態1における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解斜視図1 is an exploded perspective view of a unit cell constituting a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 同固体高分子形燃料電池の構成を示す側面図Side view showing the configuration of the polymer electrolyte fuel cell 同固体高分子形燃料電池の端部セパレータの平面図Plan view of the end separator of the polymer electrolyte fuel cell 本発明の実施の形態2における固体高分子形燃料電池の端部セパレータの平面図The top view of the edge part separator of the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 2 of this invention 同固体高分子形燃料電池の端部セパレータの冷却水入口マニホールド孔部分の断面図Sectional view of the cooling water inlet manifold hole portion of the end separator of the polymer electrolyte fuel cell 本発明の実施の形態3における固体高分子形燃料電池の端部セパレータの冷却水入口マニホールド孔部分の断面図Sectional drawing of the cooling water inlet manifold hole part of the edge part separator of the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 3 of this invention 本発明の実施の形態4における固体高分子形燃料電池の端部セパレータの冷却水入口マニホールド孔部分の断面図Sectional drawing of the cooling water inlet manifold hole part of the edge part separator of the polymer electrolyte fuel cell in Embodiment 4 of this invention 従来の固体高分子形燃料電池の要部断面図Sectional view of the main part of a conventional polymer electrolyte fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

1 枠体
2 燃料ガス入口マニホールド孔
3 燃料ガス出口マニホールド孔
4 酸化剤ガス入口マニホールド孔
5 酸化剤ガス出口マニホールド孔
6 冷却水入口マニホールド孔
7 冷却水出口マニホールド孔
8 冷却水流路
9 冷却水シール
10 単セル
11 封止部
12 封止部材
21 集電板
22 エンドプレート
51 酸化剤ガス入口配管
52 冷却水入口配管
53 燃料ガス入口配管
54 燃料ガス出口配管
55 冷却水出口配管
56 酸化剤ガス出口配管
101 高分子電解質膜
104 電極
104c カソード電極
105 MEA
106a 燃料ガス流路
106c 酸化剤ガス流路
107a アノード側セパレータ
107c カソード側セパレータ
108 端部セパレータ
109 MEAガスケット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Frame 2 Fuel gas inlet manifold hole 3 Fuel gas outlet manifold hole 4 Oxidant gas inlet manifold hole 5 Oxidant gas outlet manifold hole 6 Cooling water inlet manifold hole 7 Cooling water outlet manifold hole 8 Cooling water flow path 9 Cooling water seal 10 Single cell 11 Sealing part 12 Sealing member 21 Current collector plate 22 End plate 51 Oxidant gas inlet pipe 52 Cooling water inlet pipe 53 Fuel gas inlet pipe 54 Fuel gas outlet pipe 55 Cooling water outlet pipe 56 Oxidant gas outlet pipe 101 Polymer electrolyte membrane 104 electrode 104c cathode electrode 105 MEA
106a Fuel gas flow path 106c Oxidant gas flow path 107a Anode side separator 107c Cathode side separator 108 End separator 109 MEA gasket

Claims (7)

電解質膜と電極を接合させた膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持するように配置されたセパレータと、前記膜電極接合体と前記セパレータを含む積層体の両端を挟持するように配置された一対の端部セパレータと、前記一対の端部セパレータの両外側に配置され、前記膜電極接合体が発生した電気出力を集電する一対の集電板を備え、前記セパレータおよび前記端部セパレータには反応ガスあるいは冷却水を供給、排出するためのマニホールド孔が構成されており、
前記一対の端部セパレータの少なくとも一方には、前記マニホールド孔と連結し、反応ガスあるいは冷却水を前記積層体に供給、排出するための流路が形成されており、
前記流路に接続される入口側あるいは出口側の前記マニホールド孔の少なくとも一方は、前記流路深さよりも深い位置で一方の端部が封止されていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
A membrane electrode assembly in which an electrolyte membrane and an electrode are joined, a separator disposed so as to sandwich the membrane electrode assembly, and a both ends of a laminate including the membrane electrode assembly and the separator are disposed. A pair of current separators disposed on both outer sides of the pair of end separators and collecting the electrical output generated by the membrane electrode assembly, the separator and the end portions The separator has manifold holes for supplying and discharging reaction gas or cooling water.
At least one of the pair of end separators is connected to the manifold hole, and a flow path for supplying and discharging reaction gas or cooling water to and from the laminate is formed.
At least one of the inlet or outlet manifold holes connected to the flow path is sealed at one end at a position deeper than the flow path depth. battery.
前記マニホールド孔の一方の端部が、前記マニホールド孔の封止部分で発生する渦の影響を抑制するように、前記流路深さよりも深い位置で封止されている、請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。The one end part of the said manifold hole is sealed in the position deeper than the said flow path depth so that the influence of the vortex which generate | occur | produces in the sealing part of the said manifold hole may be suppressed. Solid polymer fuel cell. 前記流路には冷却水が供給されることを特徴とする請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電池。 The solid polymer fuel cell according to claim 1 or 2, wherein cooling water is supplied to the flow path. 前記端部セパレータが、2種類以上の部品で構成されており、前記マニホールド孔に勘合する封止部材によって、前記マニホールド孔が封止されていることを特徴とする請求項1〜のいずれか1項記載の固体高分子型燃料電池。 The said edge part separator is comprised by 2 or more types of components, and the said manifold hole is sealed with the sealing member fitted to the said manifold hole, The any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 2. A polymer electrolyte fuel cell according to item 1. 前記封止部材が、樹脂であることを特徴とする請求項記載の固体高分子型燃料電池。 5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 , wherein the sealing member is a resin. 前記封止部材が、ゴムであることを特徴とする請求項記載の固体高分子型燃料電池。 5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 , wherein the sealing member is rubber. 前記封止部材が、エラストマーであることを特徴とする請求項記載の固体高分子型燃料電池。 5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 4 , wherein the sealing member is an elastomer.
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