JPH08273696A - Fuel cell stack structure - Google Patents

Fuel cell stack structure

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JPH08273696A
JPH08273696A JP7136295A JP7136295A JPH08273696A JP H08273696 A JPH08273696 A JP H08273696A JP 7136295 A JP7136295 A JP 7136295A JP 7136295 A JP7136295 A JP 7136295A JP H08273696 A JPH08273696 A JP H08273696A
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Yasuaki Hasegawa
Shogo Watanabe
正五 渡辺
太 藤川
泰明 長谷川
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Abstract

PURPOSE: To improve discharge efficiency of generating water, and effectively make a fuel cell compact in a solid high polymer type fuel cell. CONSTITUTION: When reaction gas is introduced to respective cells 4 to 7 of a fuel cell stack structure, oxygen and hydrogen react with each other in a catalytic electrode joined to both surfaces so as to sandwich a high polymer electrolyte film, and water is generated on the oxygen gas passage side. The generated water is discharged outside of a system through a main oxygen discharging passage by being accompanied by oxygen gas in a cathode electrode, that is, an oxygen gas passage. An electric current flows to the electrode by a hydrogen ion in the electrolyte film by electrochemical reaction, and electric power is generated. The electric power generated by the electrochemical reaction flows in the layering direction of an aggregate cell structure body 8 through a conductive separator. Since the respective cells 4 to 7 in the aggregate cell structure body 8 are insulated from each other, on a single cell, the electric current flows in the layering direction, and the electric power by the electrochemical reaction can be finally taken out of a pair of output terminals arranged on one end side of the fuel cell stack structure.

Description

【発明の詳細な説明】 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】 [0001]

【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

【0002】 [0002]

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、一般的に、水素イオン導電性の固体高分子を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成される発電素子すなわち固体高分子−電極接合体及び反応ガスを供給するためのガス通路溝が設けられ、発電素子を両側から支持するガス分離部材とを積層した構造を有する。 BACKGROUND ART Solid polymer fuel cells generally, power generation element or polymer composed by sandwiching the hydrogen ion conductivity of the solid polymer with carbon electrode carrying a platinum catalyst - electrode assembly and the gas passage grooves for supplying reaction gas provided, having by laminating a gas separating member for supporting the power generating element from both sides structure. そして、一方の電極に燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給して、燃料ガスの酸化にかかる化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換することによって電気エネルギーを抽出するようになっている。 Then, supplying a fuel gas to one electrode, by supplying the oxidant gas to the other electrode, so as to extract the electrical energy by converting chemical energy according to oxidation of the fuel gas directly into electrical energy there. 燃料電池において、水素と酸素による電気化学が生じると電流の発生とともに、カソード側に水が生成する。 In the fuel cell, the generation of a current when an electrochemical by hydrogen and oxygen occurs, water is produced on the cathode side. そして、固体高分子型燃料電池においては、他の燃料電池と比較して動作温度が低いため発生した水が凝縮し、ガス通路の壁面及び電極が濡れるとともに、この壁面及び電極に次々と生成水が成長して水滴となりこれが成長してガスの流れ及び電極内のガスの拡散を阻害するようになるとセル内において部分的に燃料ガスと酸化剤ガスとの電解反応が生じにくくなり、この結果、燃料電池の出力が低下するという現象が生じる。 Then, the solid in the polymer electrolyte fuel cell, the operating temperature compared to other fuel cell water condenses occurs because low, with wetted walls and electrodes of the gas passages, one after the other generated water in the walls and electrodes There growth becomes water droplets which grows partially hardly occur electrolytic reaction of fuel gas and oxidant gas within the made the cell so as to inhibit the diffusion of the gas in the flow and the electrodes of the gas, as a result, It caused a phenomenon that the output of the fuel cell is lowered.

【0003】従来のガス通路の構成は、たとえば、米国特許第4、988、583号公報に開示されるようにセル内にガス供給口とガス排出口とを連絡する1本のガス通路が平面視において蛇行しながらガス分離板が電極と接する部分の全面にわたって設けられる。 [0003] configuration of a conventional gas passages, for example, one of the gas passage for communicating the gas supply port and the gas discharge port in a cell as disclosed in U.S. Patent No. 4,988,583 is flat gas separation plate is provided over the entire surface of a portion in contact with the electrode while meandering in view. そして、生成した水を通路を流通するガスの流れによりガスに同伴せしめてガス通路から排出するようになっている。 Then, allowed entrained in the gas it is adapted to discharge from the gas passage by the flow of generated water flowing through the conduit gas. また米国特許第4、769、297号公報に開示されるように、カソード側電極で生成した水を排出するために電極の背面側に多孔質プレートを配置し、多孔質プレートを介して生成した水を排出するように構成することが知られている。 Furthermore, as disclosed in U.S. Patent No. 4,769,297, a porous plate disposed water produced in the cathode-side electrode on the back side of the electrode in order to discharge was generated through a porous plate It is configured to discharge water is known. 従来の燃料電池は、上記のような発電素子としての電解質膜とこの両側に配置される触媒電極と、さらにこの両触媒電極を挟んで両側に設けられるガス分離部材とからなるセルは、単一の構成では、工業的用途に活用できるような十分な電圧電流を発生しないので、通常は、このセルを1つの構成単位として多段に積層することによって所望の電圧、電流を確保するようになっている。 Conventional fuel cell includes a catalytic electrode disposed on the opposite sides with the electrolyte membrane serving as the power generating element as described above, is further comprising a gas separating member provided on both sides of the two catalytic electrode, a single in the arrangement, since not generate a sufficient voltage current as can be utilized for industrial applications, typically, a desired voltage by laminating the multiple stages of this cell as one structural unit, so as to ensure the current there. しかし、積層単位を、単一のセルからなる構造にすると、燃料電池が大型化するととも、発生させる電流または、電圧の自由度が低いという問題がある。 However, the lamination unit, when the structure of a single cell or an a fuel cell is increased in size, the current is generated or a problem of low flexibility voltage.

【0004】このような観点から例えば、特開平6−0 [0004] For example From this viewpoint, JP-6-0
52881号公報は、同一平面内に複数のセルを配置した集合セル構造体を積層した固定電解質型燃料電池を開示している。 52881 No. discloses a solid electrolyte fuel cell formed by stacking a set cell structure in which a plurality of cells in the same plane. 同一平面内に複数のセルが設けられる構造にすると、同じ大きさにした場合、セルの構成数が増大するために接続方法を適宜設定することによって、高電圧高電流型あるいは、低電圧高電流型とすることができる等、抽出できる電力の形態を適宜制御することができるという利点がある。 When the structure in which a plurality of cells are provided in the same plane, the same case of the size, by setting the connection method suitable for construction number of cells is increased, high-voltage, high current-type or low voltage, high current etc. can be of a type, there is an advantage that the form of the extract can power can be controlled appropriately.

【0005】 [0005]

【解決しようとする課題】しかし、上記特開平6−05 [SUMMARY] However, the above-mentioned JP-A-6-05
2881号に開示される燃料電池は、高温作動する固体電解質型であって、本発明にかかる低温作動型固体高分子型燃料電池とは作動条件が異なり、該従来技術の構造を本発明にかかる形式の燃料電池に適用することはできない。 The fuel cell disclosed in JP 2881 is a solid oxide to hot working, the cold working type solid polymer fuel cell according to the present invention different operating conditions, according to the present invention the structure of the prior art It can not be applied to a fuel cell format. すなわち、特開平6−052881号にかかる燃料電池では、作動温度が水の沸点以上であるので、電解質膜表面に生成する水は蒸気となるため、その排水構造を考慮する必要はない。 That is, in the fuel cell according to JP-A-6-052881, since the operating temperature is at least the boiling point of water, for water produced electrolyte membrane surface becomes steam, there is no need to consider the drainage structure. 一方、本発明にかかる低温作動型の固体高分子型電解膜燃料電池においては、上記したように電気化学反応によって発生した生成水の除去すなわち排水構造の構成が重大な問題となる。 On the other hand, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of low temperature operation type according to the present invention, the configuration of the removed or drainage structure of the product water generated by the electrochemical reaction as described above is a serious problem. また、上記公報に開示された構成では、ガス分離部材は、高温に耐えられるようにセラミック等が使用されており、このセラミック材料は一般に不良導体であるため反応による発生電流を集電するために特別の集電体をガス分離部材に担持する必要がある。 Further, in the configuration disclosed in the above publication, the gas separating member, a ceramic or the like to withstand high temperatures are to use, the generation current due to reaction for the ceramic material is generally poor conductor for current collection a special collector has to be carried on the gas separation member. 一方、本発明が対象とする形式の固体高分子型燃料電池では、上記ガス分離部材を炭素材料などの導電性材料を使用するものとは基本的に構成の仕方が異なるものである。 On the other hand, in the polymer electrolyte fuel cell of the type to which the present invention is directed, the gas separation member shall use a conductive material such as carbon materials are basically configured in ways different.

【0006】本発明は、固体高分子型燃料電池において、生成水の排出効率が良好でかつ、有効にコンパクト化を達成することを目的とする。 [0006] The present invention provides a polymer electrolyte fuel cell, the discharge efficiency of the generated water and good, and its object is to achieve an effective compact.

【0007】 [0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。 To achieve the above object, according to an aspect of the present invention is constructed as follows. すなわち、本発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜と該高分子電解質膜の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電素子と、該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給される反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成する導電性材料からなるガス分離部材と、前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に対して供給可能に設けられることによって構成される単位セルを、同一平面内に複数配置させ、これを積層した燃料電池において、前記発電素子を同一平面内に複数配置し、これらの発電素子を互いに絶縁する絶縁手段を介して一本化した発電素子集合体と、それぞれの発電素子に対応する複数の面状の導電性部材にガス流路を形成しかつこれらを絶縁する絶縁手段とを一体化したガス That is, the polymer electrolyte fuel cell of the present invention includes a power generation element composed of an electrode structure member disposed on opposite sides of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, are arranged along the power generating element, the gas separating member made of a conductive material defining between the generator element to the gas flow path for the reaction gas to be supplied to the power generation elements, each of the reaction gas on both sides of the power generating element to the power generating element the unit cell composed by being provided to be supplied Te, is more disposed in the same plane, in a fuel cell formed by stacking them, arranging a plurality of the power generating element in the same plane, the insulation of these photovoltaic elements from each other a power generating element assemblies to unify with an insulating means for, integral respectively to the plurality of planar conductive member that corresponds to the power generating element to form a gas passage and an insulating means for insulating them gas 離部材を、前記発電素子集合体の発電素子に面状導電部材を接触させて集合セル構造体を構成し、これを積層したことを特徴とする。 A release member, wherein the planar conductive member on the power generating element of the power generating element assembly into contact to constitute a collective cell structure, characterized by being laminated thereto.

【0008】前記絶縁手段は、前記発電素子と一体化された第1絶縁部材と、前記ガス分離部材と一体化された第2絶縁部材とを備えており、該第1及び第2絶縁部材とが協働して絶縁手段を構成するとともに、第1及び第2絶縁部材を貫通して積層される前記各構造体におけるセルに反応ガスを供給するためのガス供給通路が設けられる。 [0008] The insulation means includes a first insulating member which is integrated with the power generating element, and a second insulating member which is integrated with the gas separation member, the first and second insulating members with but for the insulating means cooperate, the gas supply passage for supplying a reaction gas to the cells in each structure to be laminated through the first and second insulating members are provided. 前記第1絶縁部材は、前記セル内を流通するガスを遮断するガスシール部材を備えている。 The first insulating member is provided with a gas seal member for blocking the gas flowing through the said cell. 好ましい態様では、前記ガス分離部材は、1つのセルに対応して該セル内ガスが流通する少なくとも1つの連続ガス流通路を画成するための凹部を備えるとともに、ガス流通路は、 In a preferred embodiment, the gas separating member, with one cell the cell gas in response to comprises a recess for defining at least one continuous gas flow path flows, the gas flow passage,
前記複数のセルが平面状に配置される構造体において、 In the structure where the plurality of cells are arranged in a plane,
前記分離部材及び絶縁手段を介して前記複数のセルに少なくとも1つのガス流通路が形成される。 At least one gas flow path is formed in said plurality of cells through the separating member and the insulating means. ガス分離部材は、部分的に導電性及び部分的に絶縁性の繊維複合部材であってプレス成形などの方法でガス分離溝を備えた構造に仕上げられることができる。 Gas separation member can be finished to a fiber composite member partially conductive and partially insulating the structure with gas separation grooves by a method such as press molding. すなわち、ガス通路を同時成形することができる。 That is, it is possible to simultaneously mold the gas passage. たとえば、導電部分に対応する部分には、カーボン粒子または繊維を配合した複合部材を配し、絶縁部分に対応する部分には、カーボン粒子を含まない非導電性材料のみを配し、これに結合剤をいれてプレス成形することによって、ガス通路のための凹部を有するガス分離部材を一体成形することができる。 For example, the portion corresponding to the conductive portions, arranged composite member blended with carbon particles or fibers, the portion corresponding to the insulating portion, arranged only non-conductive material not containing carbon particles, bonded thereto by press-molding put agent, it is possible to integrally mold the gas separating member having a recess for gas passage.

【0009】 [0009]

【作用】本発明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜及び両側に電極構成部材を備えた発電素子とこの両側に配置されるガス分離部材とを含むセルを積層状態にして構成されるが、一段の積層単位である構造体には、 [Action] a polymer electrolyte fuel cell of the present invention is constructed by a cell containing a gas separating member disposed on the opposite sides with the power generating element including a polymer electrolyte membrane and both the electrode constituting member in the stacked state that is, the structure is a multilayer unit of the one stage, the
複数のセルが組み込まれている。 A plurality of cells are incorporated. そして、積層された構造の燃料電池すなわち、スタック構造の燃料電池において、反応ガスの供給通路及び、冷却水通路は、そのスタックの積層方向に沿って設けられる。 The fuel cell of the stacked structure or, in the fuel cell stack structure, the supply passage and the cooling water passage of the reaction gas is provided along the stacking direction of the stack. すなわち、各積層構造体を貫通する方向に設けられる。 That is, provided in a direction passing through the respective lamination structure. 各セル内においてガス通路は電極面に沿って且つ例えば蛇行しつつ極力広い範囲にわたって電極面にガスが接触し、電気化学反応が効果的に生じるように形成されている。 Gas passage in each cell gas is brought into contact with the electrode surface over as wide as possible range while and for example meander along the electrode surface, an electrochemical reaction are formed to effectively occur. この場合、一つの集合セル構造体には、複数のセルが平面状に配置されており、通常は、反応ガスの供給、排出及び冷却水通路は、各セルについて設けられる。 In this case, the one set cell structure, a plurality of cells are arranged in a plane, usually, the supply of the reaction gas, exhaust and cooling water passage is provided for each cell. 好ましい態様では、 In a preferred embodiment,
ガス通路、冷却水通路を共通化して、一本のガス通路、 Gas passage, and common cooling water passage, a single gas passage,
冷却水通路、が当該集合セル構造体にある全てのセルを巡るように設けることもできる。 Cooling water passage, but can also be provided to over all cells in the aggregate cell structure. いずれにしても、電気化学反応に供する酸素及び水素ガスが互いに高分子電解膜の両側から対向方向に該電解質膜の面にまんべんなく供給されるようになっている。 Anyway, so that the oxygen and hydrogen gases subjected to the electrochemical reaction is uniformly supplied to the surface of the electrolyte membrane from both sides of the polymer electrolyte membrane in the opposite direction to each other.

【0010】上記のように、本発明の特徴は、1つのセル構造体には、互いに絶縁状態で複数のセルが同一平面上に設けられることである。 [0010] As described above, features of the present invention is one of the cell structure is that a plurality of cells are provided on the same plane with one another insulated. この場合、上記セルは、電気化学反応によって生じた電気に関して互いに独立して構成される。 In this case, the cell is independently configured with respect to electricity generated by the electrochemical reaction. したがって、上記のようにスタック構造の燃料電池において、メインガス通路及びメイン冷却水通路は、積層方向に各構造体を貫通して設けられ、各構造体へのガス供給、排出通路及び冷却水通路が該メインガス供給排出通路及び冷却水通路に対して、直交する面内に延びる。 Accordingly, in the fuel cell stack structure as described above, the main gas passage and the main cooling water passage is provided through each structure in the stacking direction, the gas supply to each structure, the discharge passage and cooling water passage There relative to the main gas supply discharge passage and cooling water passage extends orthogonal plane. 電解反応ガス及び冷却水の各セルへの供給、 Supply to each cell in the electrolytic reaction gas and cooling water,
排出系統は独立あるいは共通に設けることもできる。 Discharge lines may be provided independently or in common. 独立して設ける場合には、本発明で複数のセルを集合化した構造体としたことで、各セルに対応するガス供給通路、冷却水通路が必要となるが、このメイン通路のレイアウトを集約して各セルを区切る境界部に設けることによって、全体構造をコンパクトにすることができる。 When the independently provided, by a plurality of cells in the present invention is a set of the structure, a gas supply passage for each cell, the cooling water passage is required, aggregates layout of the main passage by providing the boundary separating each cell and can be a whole structure compact. 各ガス、冷却水通路は、1つの構造体にある複数のセルに対して共通に設けられる場合には、各構造体に関し、それぞれ1つの水素供給口、1つの水素排出口、1つの酸素供給口、1つの酸素排出口、1つの冷却水入口及び1 Each gas, the cooling water passage, when provided in common to a plurality of cells in a single structure, for each structure, each one of the hydrogen supply port, one hydrogen outlet, one oxygen supply mouth, one oxygen outlet, one coolant inlet and 1
つの冷却水出口が設けられる。 One of the cooling water outlet is provided. このように複数のセルに対して、反応ガス及び冷却水の通路を共通に設けることによって、各集合セル構造体を小さくすることができ、 Thus for a plurality of cells, by providing a passage of the reaction gas and cooling water in common, it is possible to reduce each set cell structure,
ひいてはスタック構造全体をコンパクトにすることができる。 And thus the entire stack structure can be made compact.

【0011】そして、本発明にかかる燃料電池においては、ガス分離部材は導電性であるので、各セルにおける電気化学反応によって発生した電流は、ガス分離部材の畝部を介してこれと当接する異なる集合セル構造体のセルに流れる。 [0011] In the fuel cell according to the present invention, different gas separating member because it is electrically conductive, the current generated by the electrochemical reaction in each cell, in contact therewith through the ridge portion of the gas separating member flowing to the cell of the set cell structure. このように、順次、各セルで集電された電力は、当接するセルを介して順次積層方向に流れ、端部の構造体のセルに達する。 Thus, sequentially, electric power collector in each cell sequentially flows in the stacking direction through the abutting cells, reach the cell structure of the end portion. 好ましい態様では、端部の集合セル構造体では、他の中間の集合セル構造体と異なり、一対のセルが同一平面内において、導電状態で配設されている。 In a preferred embodiment, the aggregate cell structure of the end portion, unlike the other intermediate collection cell structure, a pair of cells in the same plane, are arranged in a conductive state. これによって、端部構造体において電流は同一平面内の他のセルに流れ、その後、該セルから再び順次当接する集合体を介して積層方向に流れるようになっている。 Thus, the current at the end structures flow to other cells in the same plane, then, it is made to flow sequentially aggregate the stacking direction through the abutment again from the cell. このように、本発明にかかる構造では、各構造体が複数のセルを含むので、積層方向に延び、かつ往復するような電流路を確立することができるので、高い電圧を取り出すことも可能である。 Thus, in the structure according to the present invention, since each structure comprises a plurality of cells extending in the stacking direction, and it is possible to establish a current path so as to reciprocally, can be taken out a high voltage is there.

【0012】 [0012]

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 EXAMPLES Hereinafter, Examples of the present invention will be described. 図1には、本発明の1実施例にかかる燃料電池のスタック構造の斜視図が示されている。 FIG 1 shows a perspective view of a stack structure of a fuel cell according to one embodiment of the present invention. 本例の燃料電池1は、一端部に電気化学反応による電力を取り出すための一対の出力端子2、3が設けられている。 The fuel cell 1 of this embodiment, a pair of output terminals 2 and 3 for taking out power is provided by the electrochemical reaction at one end. 図2に示すように、 As shown in FIG. 2,
本例の燃料電池1は、4つのセル4、5、6、7を同一平面上に配置した集合セル構造体8を所定枚数積み重ねるとともに、その両端部に一対の集電板9、10とさらにその両側にそれぞれ絶縁体であるエンドプレート1 The fuel cell 1 of this embodiment, a set cell structure 8 an arrangement of four cells 4, 5, 6, 7 in the same plane with stacking a predetermined number, a pair of current collecting plates 9 and 10 at both ends thereof further end plate 1 are each insulator on both sides
1、12を積層して構成される。 Formed by stacking the 1, 12. なお、集電板9は集電部2、3、9aと絶縁部9bが一体化され、また集電板10は集電部10a、10bと絶縁枠10cが一体化されて形成され、各セルが直列に接続されて高電圧が取り出せるように構成される。 Incidentally, the current collector plate 9 are integrated collector portion 2,3,9a an insulating part 9b is also the current collector plate 10 is collector portions 10a, 10b and the insulating frame 10c is formed integrally, each cell There configured retrieval high voltage are connected in series. 1つの集合セル構造体8は、 One set cell structure 8,
図3に示すように一枚の発電素子13とこの発電素子1 Generating elements of one of the power generating element 13 Toko 3 1
3に両側から一対のガス分離部材14、15すなわちガス流通路を形成したセパレータ14、15を張り合わせるようにして図4に示すような1つの集合セル構造体8 From both sides of the pair of 3 gas separation members 14 and 15 i.e. a set of one, as shown in FIG. 4 so as to laminating the separator 14, 15 to form a gas flow path cell structure 8
が構成される。 But composed.

【0013】本例の構成では、燃料ガスは水素であり、 [0013] In the configuration of this embodiment, the fuel gas is hydrogen,
アノード電極側に通される。 It is passed through the anode side. また、酸化剤ガスは空気または、酸素であり、カソード電極側に通される。 Also, the oxidant gas is air or oxygen, is passed through the cathode electrode side. 1つの発電素子13は、図5に示すように、田の字状に区分されたその境界部に反応ガス(水素、酸素)及び冷却水のためのメイン通路を構成するための12個の開口16〜 One power generating element 13, as shown in FIG. 5, the reaction gas (hydrogen, oxygen) in the boundary portion is divided into shaped field and 12 openings for forming the main passageway for the cooling water 16
27がそれぞれが設けられた固体高分子電解質膜28、 27 solid polymer electrolyte membrane 28 provided respectively,
この電解質膜の両側に上記田の字状に区分されたそれぞれの領域に対応して配置される4つづつの白金粒子を担持した導電体である触媒電極板29〜32と、さらにこの外側から一対のガスケット33、34を、高分子電解質膜28を真ん中にして、その両側に触媒電極を配した膜電極接合体に張り合わせるようにして図6に示すような発電素子13を構成する。 Pair 4 by one of the platinum particles are arranged corresponding to respective regions on both sides are divided into shape of the field of the electrolyte membrane and the catalyst electrode plates 29-32 are carried by conductors, further from the outer the gasket 33, in the middle of the polymer electrolyte membrane 28 to form a power generating element 13 as shown in FIG. 6 as laminating the membrane electrode assembly arranged catalyst electrodes on both sides. 図7、図8を参照すると、 7 and 8, the
本例においては、図3及び図4に示すように発電素子の両側に、一対の導電体であるセパレータ14、15を組み合わせて集合セル構造体8を構成する。 In this example, on both sides of the power generating element as shown in FIGS. 3 and 4, constitute a set cell structure 8 in combination separator 15 are a pair of electrical conductors. この場合、セパレータ14、15には、田の字状に4つに区分されたセル領域に対応して導電体部14a、15aが各セル領域に対応して設けられており、この導電体部分14a、 In this case, the separator 14 and 15, conductive portions 14a in correspondence with the cell area is divided into four in the shape of fields, 15a are provided corresponding to each cell region, the electrical conductor portion 14a,
15aには、ガス流通路を構成するための蛇行する一本の凹部35すなわち溝が形成されている。 15a, the the one of the recesses 35 or grooves to meander for configuring a gas flow path is formed.

【0014】1対のセパレータ14、15の間に挟まれる発電素子13の触媒電極29は、ガスケットと一体化した状態で1つの発電素子組立体に組み込まれる。 [0014] A pair of catalytic electrode 29 of the power generating element 13 is sandwiched between separators 14, 15 are incorporated into one power generation element assembly in a state that is integrated with the gasket. この場合、ガスケット33、34は触媒電極29〜32を4 In this case, the gasket 33 and the catalyst electrodes 29 to 32 and 4
つに区分する絶縁枠とても機能している。 Are insulating frame very function is divided into One. そして、触媒電極がガスケット33、34に組み込まれたときには、 Then, when the catalyst electrode is incorporated into the gasket 33, 34,
ガスケット33、34の絶縁枠33a、34aと触媒電極29〜32との表面が面一になるようになっている。 Insulating frame 33a of the gasket 33, the surface of the 34a and the catalytic electrode 29 to 32 adapted to be flush.
したがって、図4のように一対のセパレータ14、15 Thus, a pair of separators 14 and 15 as shown in FIG. 4
が発電素子を挟んで両側から圧接されて集合セル構造体8が構成されたとき、該構造体8は一枚の板状になる。 When is the aggregate cell structure 8 is pressed from both sides are configured to sandwich the power generating element, the structure 8 is a single plate-like.
そして、触媒電極29の領域には、セパレータ14、1 And, in the region of the catalytic electrode 29, the separator 14, 1
5の導電体部分14a、15aが対応し、ガスケット3 5 conductor portions 14a, 15a corresponds, the gasket 3
3、34には、セパレータ14、15の絶縁枠部分14 The 3,34, insulating frame portion 14 of the separator 14, 15
b、15bの領域が対応して、セパレータ14、15 b, the region of 15b is correspondingly, the separator 14
と、発電素子13とは水密及び気密に重ねられることによって上記集合セル構造体8を構成する。 When, constituting the aggregate cell structure 8 by being superposed in a watertight and airtight and the power generating element 13. 上記のように、セパレータ14、15の導電部分14a、15aには、触媒電極面29〜32との間でガス流通路を画成するための35溝が該触媒電極面上を蛇行するように設けられているが、図9は、板状の集合セル構造体の一つの面から上記の溝の配置状況について概念的に示すものである。 As described above, as conductive portions 14a of the separator 14, the 15a, 35 a groove for defining a gas flow path between the catalytic electrode surface 29-32 meanders over the catalyst electrode surface Although provided, FIG. 9 is a conceptually showing the arrangement status of one from the surface of the groove of the plate-like aggregate cell structure. 図9において、上記のように、4つのセル4〜7 9, as described above, four cells 4-7
が設けられており、1つの水素供給用メイン通路16から2つのセル4、7の水素通路36a、37aに水素が供給されるようになっており、2つの水素の通路36 Are provided, one hydrogen passage 36a of the two cells 4, 7 from the hydrogen supply for the main passage 16, are adapted to hydrogen is supplied to 37a, the two hydrogen passage 36
a、37aの排出口が他の2つのセルの36b、37b a, outlet 37a is other two cells 36b, 37b
と共にメイン水素排出通路17あるいは21に通じている。 It leads to the main hydrogen discharge passage 17 or 21 with. また、酸素について1つの酸素供給用メイン通路1 The main passage 1 for one of the oxygen supply for oxygen
8から2つのセル4、7に酸素通路38a、39aに酸素が供給されるようになっており、2つのセル4、7からの排出酸素が他の2つのセル38b、39bと共に酸素排出用メイン通路19、あるいは23に排出されるようになっている。 Oxygen passage 38a from 8 to two cells 4, 7, 39a are adapted to oxygen is supplied to the two discharge oxygen from the cells 4 and 7 of the other two cells 38b, oxygen discharge for the main with 39b and it is discharged into the passage 19 or 23,. このように2つのセル4、7及び5、 Thus two cells 4, 7 and 5,
6がそれぞれ水素及び酸素の供給排出系について共通化されている。 6 is common for supply and discharge system of hydrogen and oxygen, respectively. また、冷却水については、図示していないが同様の共通化が図られている。 Further, the cooling water is not shown is achieved the same common. この場合図に示すように、水素、酸素、冷却水の各メイン通路16〜27は、 In this case, as shown in FIG, hydrogen, oxygen, the main passage 16 to 27 of the cooling water,
セルを区分する境界領域内に設けられている。 It is provided in the boundary region to separate the cells. これによって、境界領域を有効に活用することができ、スタック構造のコンパクト化を促進することができる。 This makes it possible to effectively utilize the boundary region can facilitate compact stack structure.

【0015】なお図において、実線は図示の表側の面に設けられていることを示し、破線は、裏面側に設けられていることを示す。 [0015] In FIG., A solid line indicates that provided on the front surface shown in the figure, the dashed line indicates that provided on the back side. したがって、水素を例にとると図9 Therefore, taking the hydrogen in Examples 9
に示すように、一方のセル7に対しては表側に、他方のセル4に対しては、裏面側から導入されるように共通化が行われている。 As shown in the front side in the relative one cell 7, for the other cell 4, common have been made to be introduced from the back side. 冷却水の供給排出についても同様な構成であるが、2段乃至3段の集合セル構造体の積層ごとに設けられる。 The same construction applies to the supply and discharge of cooling water is provided for each stack of the set cell structure of the two-stage or three-stage. すなわち、数段の集合セル構造体を積層した段階で導電性ガス分離部材14、15と同質材料の冷却水通路配設部材を重ね合わせ、ガス流通路同様の方式で電解領域をまんべんなく冷却するように冷却水通路を設ける。 In other words, overlay the cooling water passage mounting member of conductive gas separation member 14, 15 the same quality material at the stage of laminating the aggregate cell structure of several stages, so as to evenly cool the electrolysis region in the gas flow passage similar manner a cooling water passage. 本例のガス分離部材14、15は、導電性、 Gas separation members 14 and 15 of the present embodiment, conductive,
水密性かつ気密性の材料たとえば、樹脂含浸カーボンやCFRP、アモルファスカーボンなどで構成される。 Watertight and airtight material for example, resin impregnated carbon or CFRP, constituted like amorphous carbon. 好ましくは射出成形あるいは型成形によって一体的に構成される。 Preferably integrally formed by injection molding or molding. セパレータ導電体部分14a、15aには形成されるガス流通路に対応する部分として、上記凹部35 Separator electrical conductor portion 14a, as a portion corresponding to the gas flow path formed in 15a, the recess 35
が形成されるが、これと対照的に形成される畝部すなわち凸部40の表面は、触媒電極表面に密着状態となり、 Although but is formed, which as opposed to ridges or surface of the projecting portion 40 is formed becomes a close contact state on the catalyst surface of the electrode,
集電部を構成する。 A current collector. この集電部は、発電素子素子を介して連続的に接続されることになる。 The current collecting part would be continuously connected via a power generating element element.

【0016】以上の構成において、上記反応ガスが燃料電池スタック構造の各セル4〜7に導入さされると高分子電解膜において酸素と水素が反応して水素ガス通路内において水が生成する。 [0016] In the above configuration, the reactive gas is oxygen and hydrogen in the the polymer electrolyte membrane is introduced into each cell 4 to 7 of the fuel cell stack to produce water in the reaction to the hydrogen gas passage. 生成した水は、カソード電極すなわち酸素ガス通路内において酸素ガスに同伴してメイン酸素排出通路を介して系外に排出される。 Produced water entrains the oxygen gas at the cathode electrode or the oxygen gas passage through the main oxygen discharge passage is discharged out of the system. この電気化学反応によって電解質膜中に水素イオンが流れ、集電部間で電流が流れ、電力が発生する。 The through an electrochemical reaction of hydrogen ions to flow into the electrolyte membrane, a current flows between the collector portion, power is generated. そして、電気化学反応で発生した電力は、導電性のセパレータ14、15を介して集合セル構造体8の積層方向に流れる。 The electric power generated by the electrochemical reaction flows in the stacking direction of the aggregate cell structure 8 via conductive separators 14 and 15. この場合、集合セル構造体8における各セル4〜7は絶縁されているので、電流は、1つのセルに関し積層方向に流れ、つぎに、端部にある導電性板において、同一へ平面において隣接するセルの方向にながれ、次に、該セル上に積層されている各セルを積層方向に流れ、さらに反対側の端部において、隣接する別のセルに流れる。 In this case, since each cell 4-7 in the set cell structure 8 is insulated, current flows in the stacking direction with respect to one cell, then the conductive plate at the end adjacent the plane to the same flows in the direction of the cell, then the flow of each cell are stacked on the cell in the stacking direction, yet the opposite end, flows into another cell adjacent. このようなメカニズムで最終的に燃料電池スタック構造の一端側に設けられた一対の出力端子から電力を取り出すことができる。 Finally power can be taken out from the pair of output terminals provided at one end side of the fuel cell stack in such a mechanism. 図10を参照すると、本発明の他の実施例が示されており、本例の構造では、セパレータの周囲の絶縁枠14b、15bの一部が開放状態で構成され、その部分には導電体部分が14a、15a外部に露出している。 Referring to FIG. 10, there is shown another embodiment of the present invention, in the structure of this embodiment, the insulating frame 14b surrounding the separator, a portion of 15b is composed of an open state, to its partial conductor portion is exposed 14a, to 15a outside. このようにすることによって、任意に場所において、適正に反応が生じているかどうかを計測することができる。 By doing so, it is possible to measure whether the optionally place, proper reaction occurs.

【0017】さらに図11を参照すると、本発明のさらに他の実施例にかかる集合セル構造体の構造の概略図が示されている。 Still referring to FIG. 11, it is further schematic view of the structure of the aggregate cell structure to another embodiment shown of the present invention. 本例の構造では、ガス供給、排出、冷却水供給、排出のメインがさらに集約され、一つの集合セル構造体に配置された4つのセル4〜7の全てに対して共通に設けられている(表側のみ示す)。 In the structure of this example, gas supply, exhaust, coolant supply, the main discharge is further aggregated, is provided in common for all disposed in one set cell structure four cells 4-7 (showing only the front side). すなわち、水素ガスの供給通路16、排出通路17、酸素ガスの供給通路18、排出通路19、冷却水供給24、排出通路2 That is, the supply passage 16 of the hydrogen gas, the discharge passage 17, the supply of the oxygen gas passage 18, the discharge passage 19, the cooling water supply 24, the discharge passage 2
5がそれぞれ1つづ設けられるだけである。 5 is only provided respectively 1 tsuzuic. これによって、集合セル構造体の境界部の面積をさらに小さくすることができ、したがって、燃料電池スタック構造全体をさらにコンパクト化することができる。 Thus, it is possible to further reduce the area of ​​the boundary of the set cell structure, therefore, it is possible to further compact the entire fuel cell stack. なお上記例では、田の字状に4つのセルを集合セル構造体に組み込んだ例について説明したが、これに限られるものではなく、同一平面上に複数のセルを組み込みこれを互いに絶縁状態に配列した構成について広く適用することができるものである。 Note in the above example, an example has been described which incorporates a set cell structure of four cells shaped field is not limited thereto, the mutually insulated state so embedded a plurality of cells on the same plane those that can be broadly applied for the case where a sequence. なお、各セルは電気的に絶縁状態にすれば本発明の目的を達成することができるものであり、反応ガス、冷却水の供給排出系は、必ずしも独立に設けることはないことは上記の説明から明らかであろう。 Each cell is one that can achieve the object of the present invention if the electrically insulated state, the reaction gas supply discharge system of cooling water, it is not necessarily be provided independently of the above description from will be apparent.

【0018】 [0018]

【発明の効果】上記したように、本発明では、固体高分子電解質膜燃料電池において、生成水のの排出がガス通路を介してスムーズに行われるとともに、導電性セパレータを配設したことによって、特別に集電機構を設けることなく、電気化学反応により発生した電力の集電効率を高めることができる。 As described above, according to the present invention, the present invention, in the solid polymer electrolyte membrane fuel cell, by discharging the produced water along with takes place smoothly through the gas passage, is disposed a conductive separator, without specially providing a current collecting mechanism, it is possible to increase the collection efficiency of the power generated by the electrochemical reaction. さらに、本発明では、同一平面上に複数のセルを構成したので、均一な電気化学反応を容易に行わせることによって、反応効率を高めることができるとともに、その接続方法を適宜選択することによって、高電圧型あるいは高電流型など電力の取り出しの自由度を高めることができる。 Furthermore, in the present invention, since the configuration in which a plurality of cells on the same plane, by causing a uniform electrochemical reaction easily, it is possible to increase the reaction efficiency, by selecting the connection method appropriate, such as high-voltage type or a high current type it is possible to increase the freedom of taking out the power.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

【図1】本発明の1実施例にかかる固体高分子型燃料電池のスタック構造の斜視図、 1 is a perspective view of a stack structure of a polymer electrolyte fuel cell according to one embodiment of the present invention,

【図2】図1の燃料電池のスタック構造の分解斜視図、 2 is an exploded perspective view of a stack structure of a fuel cell in FIG. 1,

【図3】集合セル構造体の分解斜視図、 Figure 3 is an exploded perspective view of the aggregate cell structure,

【図4】集合セル構造体の斜視図、 4 is a perspective view of a collection cell structure,

【図5】発電素子の分解斜視図、 Figure 5 is an exploded perspective view of the power generating element,

【図6】発電素子の斜視図 6 is a perspective view of the power generating element

【図7】図4の線A−Aに沿った位置において、集合セル構造体の構成部材を分解状態で示す断面図、 [7] In the position along line A-A in FIG. 4, a cross-sectional view showing the components of the aggregate cell structure in a disassembled state,

【図8】集合セル構造体の断面図、 Figure 8 is a cross-sectional view of a collection cell structure,

【図9】集合セル構造体の平面図、 Figure 9 is a plan view of the aggregate cell structure,

【図10】本発明の他の実施例にかかる集合セル構造体の平面図、 Figure 10 is a plan view of a according to another embodiment aggregate cell structure of the present invention,

【図11】本発明のさらに他の実施例にかかる集合セル構造体の平面図である。 11 is a plan view of the aggregate cell structure according to another embodiment of the present invention.

【符号の説明】 DESCRIPTION OF SYMBOLS

1 燃料電池、 2、3 出力端子、 4、5、6、7 セル 8 集合セル構造体、 13 発電素子、 14、15 ガス分離部材。 1 fuel cell 2, 3 output terminal, 4, 5, 6, 7 cell 8 aggregate cell structure, 13 power generating element, 14, 15 gas separation member.

Claims (6)

    【特許請求の範囲】 [The claims]
  1. 【請求項1】高分子電解質膜と該高分子電解膜の両側に配置される電極構成部材とから構成される発電素子と、 該発電素子に沿って配置され、前記発電素子に供給される反応ガスのためのガス流通路を発電素子との間で画成する導電性材料からなるガス分離部材と、 前記発電素子の両側にそれぞれの反応ガスが発電素子に対して供給可能に設けられることによって構成される単位セルを、同一平面内に複数配置させ、これを積層した燃料電池において、 前記発電素子を同一平面内に複数配置し、これらの発電素子を互いに絶縁する絶縁手段を介して一本化した発電素子集合体と、 それぞれの発電素子に対応する複数の面状の導電性部材にガス流路を形成しかつこれらを絶縁する絶縁手段とを一体化したガス分離部材を、前記発電素子集合体 1. A power generating element composed of an electrode structure member disposed on opposite sides of the polymer electrolyte membrane and the polymer electrolyte membrane, are arranged along the power generating element, a reaction to be supplied to the power generating element a gas separating member made of a conductive material defining between the generator element to the gas flow path for the gas, by each of the reaction gas on both sides of the power generating element is arranged to be supplied to the power generating element the constructed unit cells, is more disposed in the same plane, in a fuel cell formed by stacking them, arranging a plurality of the power generating element in the same plane, one through an insulating means for insulating these photovoltaic elements from each other a power generating element assemblies made into a plurality of planar conductive member forming a gas flow path and the gas separation member formed by integrating an insulating means for insulating them corresponding to each of the power generating element, the power generating element Aggregation の発電素子に面状導電部材を接触させて集合セル構造体を構成し、これを積層したことを特徴とする燃料電池スタック構造。 Fuel cell stack, characterized in that the power generating element is brought into contact with the planar conductive member constitute a set cell structures were laminated it of.
  2. 【請求項2】前記絶縁手段は、前記発電素子と一体化された第1絶縁部材と、前記ガス分離部材と一体化された第2絶縁部材とを備えており、 該第1及び第2絶縁部材とが協働して絶縁手段を構成するとともに、第1及び第2絶縁部材を貫通して積層される前記各構造体におけるセルに反応ガスを供給するためのガス供給通路が設けられたことを特徴とする燃料電池スタック構造。 Wherein said insulating means includes a first insulating member which is integrated with the power generating element, and a second insulating member which is integrated with the gas separation member, the first and second insulating with a member constituting the insulating means cooperate that the gas supply passage for supplying the reaction gas to the cells in each structure to be laminated through the first and second insulating members provided fuel cell stack according to claim.
  3. 【請求項3】前記第1絶縁部材は、前記セル内を流通するガスを遮断するガスシール部材を備えたことを特徴とする請求項2記載の燃料電池スタック構造。 Wherein said first insulating member, a fuel cell stack according to claim 2, further comprising a gas seal member for blocking the gas flowing through the said cell.
  4. 【請求項4】前記ガス分離部材は、1つのセルに対応して該セル内を循環するガスが流通する単一の連続ガス流通路を画成するための凹部を備えていることを特徴とする請求項1記載の燃料電池スタック構造。 Wherein said gas separating member, and characterized in that it comprises a recess for gas circulating in the cell corresponding to one cell defining a single continuous gas flow path circulating fuel cell stack according to claim 1.
  5. 【請求項5】前記ガス流通路は、前記複数のセルが平面状に配置される構造体において、前記分離部材及び絶縁手段を介して前記複数のセルに単一のガス流通路が形成されたことを特徴とする燃料電池スタック構造。 Wherein said gas flow path, said plurality of cells in the structure disposed in a plane, the separating member and a single gas flow path to the plurality of cells via an insulating means is formed fuel cell stack, characterized in that.
  6. 【請求項6】前記ガス分離部材は、部分的に導電性及び部分的に絶縁性繊維複合部材であって、プレス成形によってガス流通路を備えた構造に仕上げられることを特徴とする燃料電池スタック構造。 Wherein said gas separating member is partly a conductive and partially insulated fiber composite component, the fuel cell stack, characterized in that the finished structure provided with a gas flow path by press molding Construction.
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