JP6794180B2

JP6794180B2 - Fuel cell and fuel cell assembly kit

Info

Publication number: JP6794180B2
Application number: JP2016167146A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　元彦; 元彦佐藤
Original assignee: 株式会社ケミックス
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2020-12-02
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: JP2018037163A

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用した固体高分子形の燃料電池および燃料電池組み立てキットに関し、特に学習教材や初期的研究に好適に用い得る燃料電池および燃料電池組み立てキットに関する。 The present invention relates to a solid polymer fuel cell and a fuel cell assembly kit utilizing an electrochemical reaction, and more particularly to a fuel cell and a fuel cell assembly kit that can be suitably used for learning materials and initial research.

従来の固体高分子形燃料電池は、ガス拡散性で電子伝導率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配置し、一面に酸化剤ガス流路を設け、他面に燃料ガス流路を設けて構成されている。（例えば、特許文献１参照）。
しかし、特許文献１に開示された燃料電池は、単セルで構成されているために所望の出力電圧が得にくいという問題点があった。なお、複数のセルを積み重ねて燃料電池を構成すれば、高い出力電圧が得られるが、このような燃料電池は構造が複雑になり、例えば学習教材や初期的研究の分野に簡単に適用できない。例えば、燃料電池を組立キットとして構成する場合、前記のような燃料電池は多くの部品点数を必要とし、簡単に組み立てることができず、さらに分解および組み立てを繰り返すと各部品が各々の接触部で破損してしまうという問題点があった。 In a conventional polymer electrolyte fuel cell, electrodes having gas diffusivity and electron conductivity are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, an oxidizing agent gas flow path is provided on one side, and a fuel gas flow path is provided on the other side. It is provided and configured. (See, for example, Patent Document 1).
However, the fuel cell disclosed in Patent Document 1 has a problem that it is difficult to obtain a desired output voltage because it is composed of a single cell. If a fuel cell is constructed by stacking a plurality of cells, a high output voltage can be obtained, but such a fuel cell has a complicated structure and cannot be easily applied to, for example, a learning material or an initial research field. For example, when a fuel cell is configured as an assembly kit, the fuel cell as described above requires a large number of parts and cannot be easily assembled. There was a problem that it would be damaged.

特開２００５−２５９５４７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2005-259547

したがって本発明の目的は、複数のセルを積み重ねて構成される燃料電池であっても、組み立ておよび分解が容易であり、良好な出力電圧を有する燃料電池および燃料電池組み立てキットを提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a fuel cell and a fuel cell assembly kit that are easy to assemble and disassemble even if the fuel cell is configured by stacking a plurality of cells and has a good output voltage. ..

本発明者は鋭意研究の結果、酸化剤ガス極用プレート部材と燃料ガス極用プレート部材との間で複数のセルを挟持するネジ締め組立部材を用いることにより、上述の課題を解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明は以下の通りである。 As a result of diligent research, the present inventor has found that the above-mentioned problems can be solved by using a screw tightening assembly member that sandwiches a plurality of cells between the plate member for the oxidant gas electrode and the plate member for the fuel gas electrode. , The present invention has been completed.
That is, the present invention is as follows.

１．酸化剤ガス極用プレート部材と燃料ガス極用プレート部材との間に、複数のセルを積み重ねてなる燃料電池であって、
前記セルは、
固体高分子電解質膜部材と、
前記固体高分子電解質膜部材の一方の面上に配置された第１シート状電極部材と、
前記第１シート状電極部材上に配置された酸化剤ガス極用セパレータ部材と、
前記固体高分子電解質膜部材の他方の面上に配置された第２シート状電極部材と、
前記第２シート状電極部材上に配置された燃料ガス極用セパレータ部材と、
を備え、
前記酸化剤ガス極用プレート部材と前記燃料ガス極用プレート部材との間で前記複数のセルを挟持するネジ締め組立部材を有する
ことを特徴とする燃料電池。
２．前記ネジ締め組立部材が、前記複数のセルをその積み重ね方向で固定する組立ネジと、前記組立ネジを前記積み重ね方向に案内する組立ネジ用ガイドとを有することを特徴とする前記１に記載の燃料電池。
３．前記組立ネジ用ガイドが、前記酸化剤ガス極用プレート部材と前記燃料ガス極用プレート部材との間の全体にわたり、前記積み重ね方向に延びていることを特徴とする前記２に記載の燃料電池。
４．前記組立ネジ用ガイドが、前記酸化剤ガス極用プレート部材および前記燃料ガス極用プレート部材に対し着脱自在に設けられていることを特徴とする前記２または３に記載の燃料電池。
５．前記組立ネジ用ガイドが、円筒形状を有する前記２〜４のいずれかに記載の燃料電池。
６．前記１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池を構成する部材を有する燃料電池組み立てキット。 1. 1. A fuel cell in which a plurality of cells are stacked between a plate member for an oxidant gas electrode and a plate member for a fuel gas electrode.
The cell is
Solid polymer electrolyte membrane member and
A first sheet-shaped electrode member arranged on one surface of the solid polymer electrolyte membrane member,
The separator member for the oxidant gas electrode arranged on the first sheet-shaped electrode member and
A second sheet-shaped electrode member arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane member,
A fuel gas electrode separator member arranged on the second sheet-shaped electrode member and
With
A fuel cell comprising a screw tightening assembly member that sandwiches the plurality of cells between the oxidant gas electrode plate member and the fuel gas electrode plate member.
2. 2. The fuel according to 1. battery.
3. 3. 2. The fuel cell according to 2, wherein the assembly screw guide extends in the stacking direction over the entire space between the oxidant gas electrode plate member and the fuel gas electrode plate member.
4. 2. The fuel cell according to 2 or 3, wherein the assembly screw guide is detachably provided to the oxidant gas electrode plate member and the fuel gas electrode plate member.
5. The fuel cell according to any one of 2 to 4, wherein the assembly screw guide has a cylindrical shape.
6. A fuel cell assembly kit comprising the members constituting the fuel cell according to any one of 1 to 4 above.

本発明によれば、複数のセルを積み重ねて構成される燃料電池であっても、組み立ておよび分解が容易であり、良好な出力電圧を有する燃料電池および燃料電池組み立てキットを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell and a fuel cell assembly kit that are easy to assemble and disassemble even if the fuel cell is configured by stacking a plurality of cells and has a good output voltage.

本実施の形態に係る燃料電池の分解斜視図である。It is an exploded perspective view of the fuel cell which concerns on this embodiment. 本実施の形態に係る燃料電池の組立後の燃料電池の斜視図である。It is a perspective view of the fuel cell after assembling the fuel cell which concerns on this embodiment. （ａ）は空気極用プレートの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は空気極用プレートの底面図である。(A) is a plan view of the air electrode plate, (b) is a sectional view taken along the line AA of (a), and (c) is a bottom view of the air electrode plate. （ａ）は空気極用セパレータの平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は空気極用セパレータの底面図である。(A) is a plan view of the air electrode separator, (b) is a sectional view taken along the line AA of (a), and (c) is a bottom view of the air electrode separator. （ａ）は、ガスケットの平面図であり、（ｂ）は各拡散層付き電極並びに導電性層の平面図であり、（ｃ）は集電板用ガスケットの平面図であり、および（ｄ）は固体高分子電解質膜の平面図である。(A) is a plan view of the gasket, (b) is a plan view of each electrode with a diffusion layer and a conductive layer, (c) is a plan view of a gasket for a current collector, and (d). Is a plan view of the solid polymer electrolyte membrane. （ａ）は水素極用セパレータの平面図であり、（ｂ）は水素極用セパレータの底面図である。(A) is a plan view of the hydrogen electrode separator, and (b) is a bottom view of the hydrogen electrode separator. 共通集電板（＋極）および共通集電板（−極）の平面図である。It is a top view of the common current collector plate (+ pole) and the common current collector plate (-pole). （ａ）は水素極用プレートの上面図であり、（ｂ）は水素極用プレートの正面図であり、（ｃ）は水素極用プレートの底面図である。(A) is a top view of the hydrogen electrode plate, (b) is a front view of the hydrogen electrode plate, and (c) is a bottom view of the hydrogen electrode plate.

以下、本実施の形態について図面を参照しつつ説明する。本実施の形態に係る燃料電池１は、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素を用いたものを一例として説明する。 Hereinafter, the present embodiment will be described with reference to the drawings. The fuel cell 1 according to the present embodiment will be described as an example in which air is used as the oxidant gas and hydrogen is used as the fuel gas.

図１は、本実施の形態に係る燃料電池１の分解斜視図である。図２は本実施の形態に係る燃料電池の組立後の燃料電池の斜視図である。
燃料電池１は、基本的に、空気極用プレート１０（酸化剤ガス極用プレート部材）と水素極用プレート５０（燃料ガス極用プレート部材）との間に、複数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を積み重ねてなる。
そのうちのセルＣ１について説明する。
セルＣ１は、固体高分子電解質膜部材３２と、
固体高分子電解質膜部材３２の一方の面上に配置された空気極用シート状電極３５（第１シート状電極部材）と、
空気極用シート状電極３５上に配置された空気極用セパレータ２０（酸化剤ガス極用セパレータ部材）と、
固体高分子電解質膜部材３２の他方の面上に配置された水素極用シート状電極３６（第２シート状電極部材）と、
水素極用シート状電極３６上に配置された水素極用セパレータ４０（燃料ガス極用セパレータ部材）と、
を備える。 FIG. 1 is an exploded perspective view of the fuel cell 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell after assembling the fuel cell according to the present embodiment.
The fuel cell 1 basically has a plurality of cells C1, C2, and C3 between the air electrode plate 10 (oxidizing agent gas electrode plate member) and the hydrogen electrode plate 50 (fuel gas electrode plate member). It is made by stacking.
Cell C1 of these will be described.
The cell C1 includes a solid polymer electrolyte membrane member 32 and
A sheet-shaped electrode 35 for an air electrode (first sheet-shaped electrode member) arranged on one surface of the solid polymer electrolyte membrane member 32,
The air electrode separator 20 (oxidizer gas electrode separator member) arranged on the air electrode sheet electrode 35,
A sheet-shaped electrode 36 for a hydrogen electrode (second sheet-shaped electrode member) arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane member 32,
A hydrogen electrode separator 40 (fuel gas electrode separator member) arranged on the hydrogen electrode sheet-shaped electrode 36, and
To be equipped.

また、セルＣ１において、空気極用シート状電極３５は、ガスケット３０および拡散層付き電極３１からなり、水素極用シート状電極３６は、ガスケット３４および拡散層付き電極３３からなる。 Further, in the cell C1, the air electrode sheet-shaped electrode 35 is composed of a gasket 30 and an electrode 31 with a diffusion layer, and the hydrogen electrode sheet-shaped electrode 36 is composed of a gasket 34 and an electrode 33 with a diffusion layer.

図１に示す形態では、セルＣ１と同様の構成を有する他の２つのセルＣ２、Ｃ３が、セルＣ１上に積み重ねられ、３セルの燃料電池が構成されている。 In the embodiment shown in FIG. 1, two other cells C2 and C3 having the same configuration as the cell C1 are stacked on the cell C1 to form a three-cell fuel cell.

また、空気極用プレート１０とセルＣ１との間には、集電板用ガスケット１０１を介して共通集電板（＋極）１０２が配置され、水素極用プレート５０とセルＣ３との間には、集電板用ガスケット１０３を介して共通集電板（−極）１０４が配置されている。
また、導電性層１０５およびガスケット１０６からなる中間シート部材１０７が、共通集電板（＋極）１０２と空気極用セパレータ２０との間、セルＣ１とセルＣ２との間、セルＣ２とセルＣ３との間、および共通集電板（−極）１０４とセルＣ３の水素極用セパレータ４０との間に配置されている。 Further, a common current collector plate (+ pole) 102 is arranged between the air electrode plate 10 and the cell C1 via a current collector plate gasket 101, and between the hydrogen electrode plate 50 and the cell C3. Is arranged with a common current collector plate (-pole) 104 via a current collector plate gasket 103.
Further, the intermediate sheet member 107 composed of the conductive layer 105 and the gasket 106 is provided between the common current collector plate (+ pole) 102 and the separator 20 for air poles, between cells C1 and C2, and between cells C2 and C3. It is arranged between the current collector plate (-pole) 104 and the hydrogen pole separator 40 of the cell C3.

さらに、燃料電池１は、空気極用プレート１０と水素極用プレート５０との間で複数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を挟持するネジ締め組立部材を有する。ネジ締め組立部材は、図１の形態では、２本の組立ネジ６０からなっている。そのため、水素極用プレート５０の左右端部には、組立ネジ６０による組立て時に組立ネジ６０を収納するためのネジ穴５０ｃが設けられている。また、水素極用プレート５０のネジ穴５０ｃから下に向けて組立ネジ６０を挿入し、組立ネジ６０のネジ山が空気極用プレート１０の固定メスネジ穴１０ｂのネジと螺合するようになっている。
この構成によれば、図示した燃料電池１のように、複数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を積み重ねて構成しても、組み立ておよび分解が容易であり、複数のセルを有することから良好な出力電圧を提供できる。 Further, the fuel cell 1 has a screw tightening assembly member that sandwiches a plurality of cells C1, C2, and C3 between the air electrode plate 10 and the hydrogen electrode plate 50. In the form of FIG. 1, the screw tightening assembly member is composed of two assembly screws 60. Therefore, screw holes 50c for accommodating the assembly screw 60 at the time of assembly by the assembly screw 60 are provided at the left and right ends of the hydrogen electrode plate 50. Further, the assembly screw 60 is inserted downward from the screw hole 50c of the hydrogen electrode plate 50, and the screw thread of the assembly screw 60 is screwed with the screw of the fixing female screw hole 10b of the air electrode plate 10. There is.
According to this configuration, even if a plurality of cells C1, C2, and C3 are stacked and configured as in the illustrated fuel cell 1, it is easy to assemble and disassemble, and since it has a plurality of cells, a good output voltage is obtained. Can be provided.

さらに、ネジ締め組立部材は、組立ネジ６０を複数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３の積み重ね方向に案内する２つの組立ネジ用ガイド６１を有する。組立ネジ用ガイド６１は、組立ネジ６０を収容可能な円筒形であることができる。また、組立ネジ用ガイド６１がアクリル樹脂のような透明部材から形成されていれば、複数のセルＣ１、Ｃ２、Ｃ３の積み重ね方向の固定の状況を把握でき、好ましい。この組立ネジ用ガイド６１の存在により、組立ネジ６０による空気極用プレート１０および水素極用プレート５０間の螺合が容易となるとともに、部品点数の多い燃料電池であっても、簡単な組み立てを可能とし、各部品の破損も防止できる。とくに下記で説明する各部品が位置決め半穴Ｓを有する形態によれば、これが円筒形状の組立ネジ用ガイド６１の外周と係合して、簡単かつ迅速な部品の組み立てを可能にする。 Further, the screw tightening assembly member has two assembly screw guides 61 that guide the assembly screw 60 in the stacking direction of the plurality of cells C1, C2, and C3. The assembly screw guide 61 can be cylindrical enough to accommodate the assembly screw 60. Further, if the assembly screw guide 61 is formed of a transparent member such as an acrylic resin, it is preferable that the plurality of cells C1, C2, and C3 can be fixed in the stacking direction. The presence of the assembly screw guide 61 facilitates screwing between the air electrode plate 10 and the hydrogen electrode plate 50 by the assembly screw 60, and even a fuel cell having a large number of parts can be easily assembled. It is possible and damage to each part can be prevented. In particular, according to the form in which each component described below has a positioning half-hole S, this engages with the outer circumference of the cylindrical assembly screw guide 61 to enable easy and quick assembly of the component.

また、図２に示すように、本発明の好適な形態によれば、組立ネジ用ガイド６１は、空気極用プレート１０および水素極用プレート５０間の全体にわたり、セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３の積み重ね方向に延びている。この好適な形態によれば、組立ネジ６０による空気極用プレート１０および水素極用プレート５０間の螺合のさらなる容易化が図れるとともに、簡単な組み立て、並びに各部品の破損の防止をさらに向上できる。 Further, as shown in FIG. 2, according to a preferred embodiment of the present invention, the assembly screw guide 61 stacks cells C1, C2, and C3 over the entire space between the air electrode plate 10 and the hydrogen electrode plate 50. It extends in the direction. According to this preferred embodiment, the screwing between the air electrode plate 10 and the hydrogen electrode plate 50 by the assembly screw 60 can be further facilitated, and easy assembly and prevention of damage to each component can be further improved. ..

また、図１に示すように、本発明のとくに好適な形態によれば、組立ネジ用ガイド６１は、空気極用プレート１０および水素極用プレート５０に対し着脱自在に設けられている。このとくに好適な形態によれば、燃料電池１のセル数が変化しても、組立ネジ用ガイド６１の、セルＣ１、Ｃ２、Ｃ３の積み重ね方向における長さを調整することにより、あるいは、別に用意してある種々の長さの組立ネジ用ガイド６１を選択することにより、様々なセル数の燃料電池に対応することが可能となる。 Further, as shown in FIG. 1, according to a particularly preferable form of the present invention, the assembly screw guide 61 is detachably provided on the air electrode plate 10 and the hydrogen electrode plate 50. According to this particularly preferable form, even if the number of cells of the fuel cell 1 changes, the length of the assembly screw guide 61 in the stacking direction of the cells C1, C2, and C3 is adjusted or separately prepared. By selecting the assembly screw guides 61 having various lengths, it is possible to support fuel cells having various cell numbers.

次に、燃料電池１を構成する各部品について説明する。
まず、空気極用プレート１０について説明する。図３（ａ）は空気極用プレート１０の平面図であり、図３（ｂ）は空気極用プレート１０の図３（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図３（ｃ）は空気極用プレート１０の底面図である。空気極用プレート１０は燃料電池１の組立状態や内部がよく見えるように、絶縁性を有する透明な材質（例えば、透明塩化ビニル樹脂、透明アクリル樹脂のような樹脂系の材料やガラス等）で形成されている。空気極用プレート１０の左右端部には、固定メスネジ穴１０ｂが設けられている。水素極用プレート５０のネジ穴５０ｃから下に向けて組立ネジ６０が挿入された際に、組立ネジ６０のネジ山が固定メスネジ穴１０ｂのネジと螺合するようになっている。また、固定メスネジ穴１０ｂの中央部には、組立ネジ６０のネジ山の外径よりも若干大きい孔部１０ｃが設けられ、ここに円筒形の組立ネジ用ガイド６１が挿入され固定される。 Next, each component constituting the fuel cell 1 will be described.
First, the air electrode plate 10 will be described. 3 (a) is a plan view of the air electrode plate 10, FIG. 3 (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 3 (a) of the air electrode plate 10, and FIG. 3 (c) is an air. It is a bottom view of the electrode plate 10. The air electrode plate 10 is made of a transparent material having an insulating property (for example, a resin-based material such as transparent vinyl chloride resin or transparent acrylic resin, glass, etc.) so that the assembled state and inside of the fuel cell 1 can be clearly seen. It is formed. Fixing female screw holes 10b are provided at the left and right ends of the air electrode plate 10. When the assembly screw 60 is inserted downward from the screw hole 50c of the hydrogen electrode plate 50, the screw thread of the assembly screw 60 is screwed with the screw of the fixing female screw hole 10b. Further, in the central portion of the fixing female screw hole 10b, a hole portion 10c slightly larger than the outer diameter of the thread of the assembly screw 60 is provided, and a cylindrical assembly screw guide 61 is inserted and fixed therein.

空気極用セパレータ２０について説明する。図４（ａ）は空気極用セパレータ２０の平面図であり、図４（ｂ）は空気極用セパレータ２０の図４（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図４（ｃ）は空気極用セパレータ２０の底面図である。空気極用セパレータ２０は、不透過性の金属、導電性セラミックス、炭素、膨張黒鉛または導電性ポリマ等から形成されている。また、空気極用セパレータ２０には、厚み方向に貫通する二つの水素ガス供給穴Ｇが形成されている。 The air electrode separator 20 will be described. 4 (a) is a plan view of the air electrode separator 20, FIG. 4 (b) is a sectional view taken along the line AA of FIG. 4 (a) of the air electrode separator 20, and FIG. 4 (c) is an air. It is a bottom view of the electrode separator 20. The air electrode separator 20 is formed of an impermeable metal, conductive ceramics, carbon, expanded graphite, a conductive polymer, or the like. Further, the air electrode separator 20 is formed with two hydrogen gas supply holes G penetrating in the thickness direction.

空気極用セパレータ２０の左右端部には、円筒形の組立ネジ用ガイド６１に嵌合するように位置決め半穴Ｓが設けられている。また、空気極用セパレータ２０の中央部には空気の流通が可能な凹部２０ａが設けられ、拡散層付き電極３１に満遍なく空気を供給することができる。なお、凹部２０ａは孔部２０ｂによって空気極用セパレータ２０の厚み方向で貫通している。この空気極用セパレータ２０の形態は、パッシブ形として知られている。 Positioning half holes S are provided at the left and right ends of the air electrode separator 20 so as to fit into the cylindrical assembly screw guide 61. Further, a recess 20a through which air can flow is provided in the central portion of the air electrode separator 20, so that air can be evenly supplied to the electrode 31 with a diffusion layer. The recess 20a is penetrated by the hole 20b in the thickness direction of the air electrode separator 20. The form of the air electrode separator 20 is known as a passive type.

ガスケット３０、３４、１０１、１０３および１０６、拡散層付き電極３１および３３並びに導電性層１０５、固体高分子電解質膜部材３２について説明する。図５（ａ）は、ガスケット３０、３４、１０６の平面図であり、図５（ｂ）は、各拡散層付き電極３１および３３並びに導電性層１０５の平面図であり、図５（ｃ）は集電板用ガスケット１０１および１０３の平面図であり、および図５（ｄ）は固体高分子電解質膜部材３２の平面図である。前記各ガスケットはいずれも、シリコーン樹脂材やフッ素樹脂材等で形成され、各部品の隙間をシールするものである。拡散層付き電極３１および３３は、カーボンペーパ、カーボンクロス等の黒鉛繊維による多孔質基材に、白金、白金ルテニウム合金等の触媒層が固体高分子電解質膜部材３２側の面に形成されてなる。なお、導電性層１０５は、拡散層付き電極３１および３３と同じ構成を有するが、触媒層は形成されていない。固体高分子電解質膜部材３２は親水基および疎水基を有する固体の電解質高分子膜である。固体高分子電解質膜部材３２は、拡散層付き電極３１で生成されたプロトンを拡散層付き電極３３に供給する。固体高分子電解質膜部材３２は、市販されている部材を使用することができる（例えばデュポン社製ナフィオン）。各ガスケットおよび固体高分子電解質膜部材３２には、厚み方向に貫通する二つの水素ガス供給穴Ｇが形成され、また、その左右端部には、円筒形の組立ネジ用ガイド６１に嵌合するように位置決め半穴Ｓが設けられている。 The gaskets 30, 34, 101, 103 and 106, the electrodes 31 and 33 with a diffusion layer, the conductive layer 105, and the solid polymer electrolyte membrane member 32 will be described. 5 (a) is a plan view of the gaskets 30, 34, 106, and FIG. 5 (b) is a plan view of the electrodes 31 and 33 with a diffusion layer and the conductive layer 105, FIG. 5 (c). Is a plan view of the current collector gaskets 101 and 103, and FIG. 5 (d) is a plan view of the solid polymer electrolyte membrane member 32. Each of the gaskets is made of a silicone resin material, a fluororesin material, or the like, and seals the gap between the parts. The electrodes 31 and 33 with a diffusion layer are formed on a porous substrate made of graphite fibers such as carbon paper and carbon cloth, and a catalyst layer such as platinum and platinum ruthenium alloy is formed on the surface of the solid polymer electrolyte membrane member 32 side. .. The conductive layer 105 has the same structure as the electrodes 31 and 33 with a diffusion layer, but the catalyst layer is not formed. The solid polymer electrolyte membrane member 32 is a solid electrolyte polymer membrane having a hydrophilic group and a hydrophobic group. The solid polymer electrolyte membrane member 32 supplies the protons generated by the electrode 31 with a diffusion layer to the electrode 33 with a diffusion layer. As the solid polymer electrolyte membrane member 32, a commercially available member can be used (for example, Nafion manufactured by DuPont). Two hydrogen gas supply holes G penetrating in the thickness direction are formed in each gasket and the solid polymer electrolyte membrane member 32, and the left and right ends thereof are fitted with a cylindrical assembly screw guide 61. The positioning half hole S is provided as described above.

水素極用セパレータ４０について説明する。図６（ａ）は水素極用セパレータ４０の平面図であり、図６（ｂ）は水素極用セパレータ４０の底面図である。水素極用セパレータ４０は、金属等により形成されているとともに、厚み方向に貫通する二つの水素ガス供給穴Ｇが形成されており、一方の水素ガス供給穴Ｇ１からジグザグ状の経路を経て他方の水素ガス供給穴Ｇ２に連絡している溝である水素ガス流路４０ｅが設けられている。水素ガス流路４０ｅは一方の水素ガス供給穴４０から導入された水素を水素極用シート状電極３６の表面に沿って流すための流路である。水素ガス流路４０ｅは、水素極用シート状電極３６と水素ガスとの接触面積を増加させる観点から、本実施の形態ではジグザグ状に形成されているものを例示したが、本発明はこれに限定されず、他の形状であることもできる。
また、水素極用セパレータ４０の左右端部には、円筒形の組立ネジ用ガイド６１に嵌合するように位置決め半穴Ｓが設けられている。 The hydrogen electrode separator 40 will be described. FIG. 6A is a plan view of the hydrogen electrode separator 40, and FIG. 6B is a bottom view of the hydrogen electrode separator 40. The hydrogen electrode separator 40 is made of metal or the like, and also has two hydrogen gas supply holes G penetrating in the thickness direction. One hydrogen gas supply hole G1 passes through a zigzag path to the other. A hydrogen gas flow path 40e, which is a groove connecting to the hydrogen gas supply hole G2, is provided. The hydrogen gas flow path 40e is a flow path for flowing hydrogen introduced from one of the hydrogen gas supply holes 40 along the surface of the hydrogen electrode sheet-shaped electrode 36. From the viewpoint of increasing the contact area between the hydrogen electrode sheet-shaped electrode 36 and the hydrogen gas, the hydrogen gas flow path 40e is exemplified in the present embodiment in a zigzag shape. It is not limited, and may have other shapes.
Further, positioning half holes S are provided at the left and right ends of the hydrogen electrode separator 40 so as to fit into the cylindrical assembly screw guide 61.

共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４について説明する。図７は共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４の平面図である。
共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４は、金属等により形成され、電力取りだしコネクタ取付穴１１０が端部に開口している端子１１２が正面方向へ延出している。共通集電板（＋極）１０２の端子１１２は、共通集電板（−極）１０４のそれと線対象の位置に配置されている。また、共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４には、厚み方向に貫通する水素ガス供給穴Ｇが形成されている。なお、本実施の形態では水素ガス供給穴Ｇを四か所設けているが、これは共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４を線対象の位置に配置し、かつ両方の共通集電板に同じ部品を用いることを想定していることによる。しかし本発明は係る形態に限定されず、両方の共通集電板に同じ部品を用いることを想定していなければ、水素ガス供給穴Ｇを例えば二か所に設けることができ、また、水素ガス供給穴Ｇの設置場所は、水素の供給に悪影響を及ぼさない限り任意であり、適宜決定することができる。また、共通集電板（＋極）１０２および共通集電板（−極）１０４の左右端部には、円筒形の組立ネジ用ガイド６１に嵌合するように位置決め半穴Ｓが設けられている。 The common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (-pole) 104 will be described. FIG. 7 is a plan view of the common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (− pole) 104.
The common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (-pole) 104 are made of metal or the like, and the terminal 112 having the power extraction connector mounting hole 110 opened at the end extends in the front direction. There is. The terminal 112 of the common current collector plate (+ pole) 102 is arranged at a position symmetrical to that of the common current collector plate (-pole) 104. Further, the common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (-pole) 104 are formed with hydrogen gas supply holes G penetrating in the thickness direction. In this embodiment, the hydrogen gas supply holes G are provided at four places, and the common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (-pole) 104 are arranged at the positions targeted for the line. And because it is assumed that the same parts will be used for both common collector plates. However, the present invention is not limited to such a form, and if it is not assumed that the same parts are used for both common current collector plates, hydrogen gas supply holes G can be provided at, for example, two places, and hydrogen gas. The location of the supply hole G is arbitrary as long as it does not adversely affect the hydrogen supply, and can be appropriately determined. Further, positioning half holes S are provided at the left and right ends of the common current collector plate (+ pole) 102 and the common current collector plate (-pole) 104 so as to fit into the cylindrical assembly screw guide 61. There is.

水素極用プレート５０について説明する。図８（ａ）は水素極用プレート５０の上面図であり、図８（ｂ）は水素極用プレート５０の正面図であり、図８（ｃ）は水素極用プレート５０の底面図である。水素極用プレート５０は、空気極用プレート１０と同様に絶縁性を有する透明な材質で形成されている。 The hydrogen electrode plate 50 will be described. 8 (a) is a top view of the hydrogen electrode plate 50, FIG. 8 (b) is a front view of the hydrogen electrode plate 50, and FIG. 8 (c) is a bottom view of the hydrogen electrode plate 50. .. The hydrogen electrode plate 50 is made of a transparent material having an insulating property like the air electrode plate 10.

水素極用プレート５０の集電板用ガスケット１０３と接する面の反対側の面には、中心部に水素ガス供給穴５０ｂが設けられた２本の水素ガス供給チューブ５０ａが突出するように形成されている。水素ガス供給穴５０ｂは、水素極用プレート５０が集電板用ガスケット１０３に組み付けられたとき、集電板用ガスケット１０３の水素ガス供給穴Ｇと連通する。 Two hydrogen gas supply tubes 50a provided with a hydrogen gas supply hole 50b in the center are formed so as to protrude on the surface of the hydrogen electrode plate 50 opposite to the surface in contact with the current collector plate gasket 103. ing. The hydrogen gas supply hole 50b communicates with the hydrogen gas supply hole G of the current collector plate gasket 103 when the hydrogen electrode plate 50 is assembled to the current collector plate gasket 103.

なお、上記で説明した各部品の水素ガス供給穴Ｇはいずれも連通している。 The hydrogen gas supply holes G of the parts described above are all in communication with each other.

また、水素極用プレート５０の左右端部には、組立ネジ６０による組立て時に組立ネジ６０の頭部を収納するためのネジ穴５０ｃと、ネジ穴５０ｃに連結して組立ネジ６０に螺合する固定メスネジ穴５０ｄとを有する。 Further, at the left and right ends of the hydrogen electrode plate 50, a screw hole 50c for accommodating the head of the assembly screw 60 at the time of assembly by the assembly screw 60 and a screw hole 50c connected to the screw hole 50c and screwed into the assembly screw 60. It has a fixed female screw hole 50d.

本実施の形態に係る燃料電池１の組立て方法の一例について説明する。この説明では、空気極用プレート１０の上に各構成部材を順に配置する方法について説明する。まず、空気極用プレート１０の孔部１０ｃに、円筒形の組立ネジ用ガイド６１を挿入し、固定する。そして各部品の位置決め半穴Ｓが、円筒形の組立ネジ用ガイド６１に嵌合するように、各部品を積み重ねていく。
空気極用プレート１０の上に、集電板用ガスケット１０１および共通集電板（＋極）１０２、中間シート部材１０７をこの順で置く。中間シート部材１０７は、ガスケット１０６の開口部に導電層１０５を嵌入して形成する。ガスケット１０６および導電層１０５はほぼ同じ厚みを有するため、両者の上面はほぼ平らになる。
次に、中間シート部材１０７の上に空気極用セパレータ２０および空気極用シート状電極３５を置く。空気極用シート状電極３５は、ガスケット３０の開口部に拡散層付き電極３１を嵌入して形成する。ガスケット３０と拡散層付き電極３１とはほぼ同じ厚みを有するため、両者の上面はほぼ平らになる。 An example of the method of assembling the fuel cell 1 according to the present embodiment will be described. In this description, a method of arranging the constituent members in order on the air electrode plate 10 will be described. First, a cylindrical assembly screw guide 61 is inserted into the hole 10c of the air electrode plate 10 and fixed. Then, the parts are stacked so that the positioning half-hole S of each part fits into the cylindrical assembly screw guide 61.
A current collector plate gasket 101, a common current collector plate (+ pole) 102, and an intermediate sheet member 107 are placed on the air electrode plate 10 in this order. The intermediate sheet member 107 is formed by fitting the conductive layer 105 into the opening of the gasket 106. Since the gasket 106 and the conductive layer 105 have substantially the same thickness, the upper surfaces of both are substantially flat.
Next, the air electrode separator 20 and the air electrode sheet-shaped electrode 35 are placed on the intermediate sheet member 107. The sheet-shaped electrode 35 for an air electrode is formed by fitting an electrode 31 with a diffusion layer into the opening of the gasket 30. Since the gasket 30 and the electrode 31 with a diffusion layer have substantially the same thickness, the upper surfaces of both are substantially flat.

続いて、ガスケット３０と拡散層付き電極３１とが形成する平面の上にシート状の固体高分子電解質膜部材３２を置く。固体高分子電解質膜部材３２の上に更にガスケット３４および拡散層付き電極３３を置く。これらのシート状の部材が平らな層をなすように置かれた上に水素極用セパレータ４０を置き、セルＣ１が形成される。 Subsequently, the sheet-shaped solid polymer electrolyte membrane member 32 is placed on the plane formed by the gasket 30 and the electrode 31 with a diffusion layer. A gasket 34 and an electrode 33 with a diffusion layer are further placed on the solid polymer electrolyte membrane member 32. The hydrogen electrode separator 40 is placed on the sheet-shaped members so as to form a flat layer, and the cell C1 is formed.

セルＣ２は、セルＣ１の水素極用セパレータ４０上に中間シート部材１０７を置いた後、セルＣ１と同様に各部品をセルＣ１上に置いて形成することができる。
セルＣ３は、セルＣ２の水素極用セパレータ４０上に中間シート部材１０７を置いた後、セルＣ１と同様に各部品をセルＣ２上に置いて形成することができる。 The cell C2 can be formed by placing the intermediate sheet member 107 on the hydrogen electrode separator 40 of the cell C1 and then placing each component on the cell C1 in the same manner as the cell C1.
The cell C3 can be formed by placing the intermediate sheet member 107 on the hydrogen electrode separator 40 of the cell C2 and then placing each component on the cell C2 in the same manner as the cell C1.

そして、セルＣ３の上に中間シート部材１０７を置いた後、その上に共通集電板（−極）１０４、集電板用ガスケット１０３を置き、さらにその上に水素極用プレート５０を置く。 Then, after the intermediate sheet member 107 is placed on the cell C3, the common current collector plate (-pole) 104 and the current collector plate gasket 103 are placed on the intermediate sheet member 107, and the hydrogen pole plate 50 is further placed on the common current collector plate (-pole) 104.

上述のように各部品が重ねられた後に、水素極用プレート５０のネジ穴５０ｃから下に向けて組立ネジ６０を、円筒形の組立ネジ用ガイド６１の円筒部分に挿入し、組立ネジ６０のネジ山が空気極用プレート１０の固定メスネジ穴１０ｂのネジと螺合するように組立てる。負荷は端子１１２間に接続される。 After the parts are stacked as described above, the assembly screw 60 is inserted downward from the screw hole 50c of the hydrogen electrode plate 50 into the cylindrical portion of the cylindrical assembly screw guide 61 to form the assembly screw 60. Assemble so that the screw thread is screwed with the screw of the fixing female screw hole 10b of the air electrode plate 10. The load is connected between the terminals 112.

このようにして組立てた燃料電池１の駆動方法について説明する。まず、一方の水素ガス供給チューブ５０ａから供給された水素は、一方の水素ガス供給穴Ｇを通過し、水素極用セパレータ４０の水素ガス流路４０ｅに導入されるとともに拡散層付き電極３３の表面に供給される。反応後の残余の水素は、他方の水素ガス供給穴Ｇを通過し、他方の水素ガス供給チューブ５０ａから排出される。 The driving method of the fuel cell 1 assembled in this way will be described. First, the hydrogen supplied from one of the hydrogen gas supply tubes 50a passes through the one hydrogen gas supply hole G and is introduced into the hydrogen gas flow path 40e of the hydrogen electrode separator 40 and the surface of the electrode 33 with a diffusion layer. Is supplied to. The residual hydrogen after the reaction passes through the other hydrogen gas supply hole G and is discharged from the other hydrogen gas supply tube 50a.

一方、空気は自然供給の形で空気極用セパレータ２０を経て拡散層付き電極３１の表面に供給される。そして、固体高分子電解質膜部材３２を介して発生するイオン電導性と電子非電導性とにより、端子１１２間に接続される負荷に電力が供給される。 On the other hand, air is naturally supplied to the surface of the electrode 31 with a diffusion layer via the air electrode separator 20. Then, electric power is supplied to the load connected between the terminals 112 due to the ionic conductivity and the electron nonconductivity generated through the solid polymer electrolyte membrane member 32.

また、燃料電池１は、その組み立て前の状態において燃料電池組み立てキットとして好適に用いることが可能となる。 Further, the fuel cell 1 can be suitably used as a fuel cell assembly kit in a state before assembly.

本実施の形態に係る燃料電池１では、酸化剤ガスとして空気を用い、燃料ガスとして水素を用いる燃料電池について説明したが、酸化剤ガスとして酸素等、燃料ガスとしてメタンガス等を用いてもよい。メタンガスを用いる場合、拡散層付き電極３１の拡散層の膜厚を増加して出力を確保する等の手段を講じてもよい。また、燃料ガスの変わりにメタノールやエタノール等の液体燃料を用いてもよい。この場合、液体燃料の種類に応じて拡散層付き電極３１の触媒成分を白金系合金、酸化物系材料、カーボン系材料、錯体系材料等に適宜変更してもよい。 In the fuel cell 1 according to the present embodiment, the fuel cell in which air is used as the oxidant gas and hydrogen is used as the fuel gas has been described, but oxygen or the like may be used as the oxidant gas and methane gas or the like may be used as the fuel gas. When methane gas is used, measures such as increasing the film thickness of the diffusion layer of the electrode 31 with a diffusion layer to secure the output may be taken. Further, a liquid fuel such as methanol or ethanol may be used instead of the fuel gas. In this case, the catalyst component of the electrode 31 with a diffusion layer may be appropriately changed to a platinum alloy, an oxide material, a carbon material, a complex material, or the like depending on the type of liquid fuel.

本実施の形態に係る燃料電池１では、３セル構造の燃料電池を例に取り説明したが、本発明はこれに限定されず、任意の個数のセルを積み重ねて形成してもよい。この場合、上述のように、組立ネジ用ガイド６１の長さを調整することにより、あるいは、別に用意してある種々の長さの組立ネジ用ガイド６１を選択することにより、様々なセル数の燃料電池に対応することが可能となる。 In the fuel cell 1 according to the present embodiment, a fuel cell having a three-cell structure has been described as an example, but the present invention is not limited to this, and an arbitrary number of cells may be stacked to form the fuel cell 1. In this case, as described above, by adjusting the length of the assembly screw guide 61, or by selecting the assembly screw guide 61 of various lengths prepared separately, the number of cells varies. It becomes possible to correspond to a fuel cell.

本実施の形態に係る燃料電池１では、空気極セパレータ２０を介して拡散層付き電極３１の表面に空気が自然供給されるようにしたが、酸化剤ガスとして酸素を用いる場合には、閉鎖された空間で強制供給可能な形に構成してもよい。 In the fuel cell 1 according to the present embodiment, air is naturally supplied to the surface of the electrode 31 with a diffusion layer via the air electrode separator 20, but it is closed when oxygen is used as the oxidant gas. It may be configured so that it can be forcibly supplied in the space.

１燃料電池
１０空気極用プレート
２０空気極用セパレータ
３０、３４、１０１、１０３、１０６ガスケット
３１、３３拡散層付き電極
３２固体高分子電解質膜部材
３５空気極用シート状電極
３６水素極用シート状電極
４０水素極用セパレータ
５０水素極用プレート
６０組立ネジ
６１組立ネジ用ガイド
１０１、１０３集電板用ガスケット
１０２共通集電板（＋極）
１０４共通集電板（−極）
１０５導電層
１０７中間シート部材
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３セル
Ｇ水素ガス供給穴
Ｓ位置決め半穴 1 Fuel cell 10 Air electrode plate 20 Air electrode separator 30, 34, 101, 103, 106 Gasket 31, 33 Electrode with diffusion layer 32 Solid polymer electrolyte membrane member 35 Air electrode sheet electrode 36 Hydrogen electrode sheet Electrode 40 Hydrogen pole separator 50 Hydrogen pole plate 60 Assembly screw 61 Assembly screw guide 101, 103 Current collector gasket 102 Common current collector plate (+ pole)
104 Common current collector plate (-pole)
105 Conductive layer 107 Intermediate sheet members C1, C2, C3 Cell G Hydrogen gas supply hole S Positioning half hole

Claims

A fuel cell in which a plurality of cells are stacked between a plate member for an oxidant gas electrode and a plate member for a fuel gas electrode.
The cell is
Solid polymer electrolyte membrane member and
A first sheet-shaped electrode member arranged on one surface of the solid polymer electrolyte membrane member,
The separator member for the oxidant gas electrode arranged on the first sheet-shaped electrode member and
A second sheet-shaped electrode member arranged on the other surface of the solid polymer electrolyte membrane member,
A fuel gas electrode separator member arranged on the second sheet-shaped electrode member and
With
Have a screw tightening assembly members that sandwich a plurality of cells between said fuel gas electrode plate member and the oxidant gas electrode plate member,
The screw tightening assembly member has an assembly screw that fixes the plurality of cells in the stacking direction, and an assembly screw guide that guides the assembly screw in the stacking direction.
The assembly screw guide is formed of a transparent member.
A fuel cell characterized by that.

Guide the assembly screw, throughout between the fuel gas electrode plate member and the oxidant gas electrode plate member, a fuel cell according to claim 1, characterized in that extending in the stacking direction ..

The fuel cell according to claim 1 or 2 , wherein the assembly screw guide is detachably provided to the oxidant gas electrode plate member and the fuel gas electrode plate member.

The fuel cell according to claim 1 , wherein the assembly screw guide has a cylindrical shape.

A fuel cell assembly kit comprising the member constituting the fuel cell according to any one of claims 1 to 4 .