JPH0963602A - Solid polymer electrolyte membrane fuel cell - Google Patents

Solid polymer electrolyte membrane fuel cell

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JPH0963602A
JPH0963602A JP8154624A JP15462496A JPH0963602A JP H0963602 A JPH0963602 A JP H0963602A JP 8154624 A JP8154624 A JP 8154624A JP 15462496 A JP15462496 A JP 15462496A JP H0963602 A JPH0963602 A JP H0963602A
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polymer electrolyte
electrolyte membrane
solid polymer
fuel cell
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隆文 岡本
Hideo Kato
英男 加藤
Takamasa Kawagoe
敬正 川越
Akio Yamamoto
晃生 山本
Ichiro Tanaka
一郎 田中
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a solid polymer electrolyte membrane fuel cell have a simple structure and suitable to be miniaturized and reduce the ion conduction resistance of a solid polymer electrolyte membrane itself and electrode catalytic layers and the contact resistance of an electron conductor and an ion conductor of materials which compose a solid polymer electrolyte membrane type fuel cell. SOLUTION: A first separator 16 made of a porous body is fitted in a hole part 24 formed in a second separator 18 made of a dense material and a cooling chamber 25 is composed between the first separator 16 and a second separator 18. The first separator 16 is pushed toward a solid polymer electrolyte membrane side by pressure of water introduced into the cooling chamber 25. The solid polymer electrolyte membrane is damped and swollen and the inner resistance is lowered and at the same time the contact resistance upon ion conduction and the electron conduction between the solid polymer electrolyte membrane and the first and the second separators 16, 18 is also lowered.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜型燃料電池に関する。
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.

【0002】[0002]

【従来の技術】固体高分子電解質膜型燃料電池は、固体
高分子電解質膜の両側に触媒を含む電極を接合して構成
されている。このような構成において、主として水素ガ
ス等からなる燃料ガスはアノード側電極に供給され、主
として酸素ガス等からなる酸化剤ガスはカソード側に供
給される。そこで、アノード側電極内の触媒が燃料ガス
中の水素ガスをイオン化し、このイオンは固体高分子電
解質膜を透過して該固体高分子電解質膜の反対側のカソ
ード側に送られる。このイオンの移動に伴って水の分子
が移送されるためにアノード側では乾燥状態が進むこと
になる。特に、電流密度が高くなるとともに発熱量が増
大することにより、固体高分子電解質膜の水分が不足し
てイオン伝導度が低下し、燃料電池の出力が低下するに
至る。この対策として、従来の燃料電池では、以下のよ
うな方法が採用されている。
2. Description of the Related Art A solid polymer electrolyte membrane fuel cell is constructed by joining electrodes containing a catalyst to both sides of a solid polymer electrolyte membrane. In such a configuration, the fuel gas mainly composed of hydrogen gas or the like is supplied to the anode electrode, and the oxidant gas mainly composed of oxygen gas or the like is supplied to the cathode side. Then, the catalyst in the anode electrode ionizes the hydrogen gas in the fuel gas, and the ions pass through the solid polymer electrolyte membrane and are sent to the cathode side opposite to the solid polymer electrolyte membrane. Since the water molecules are transferred along with the movement of the ions, the dry state progresses on the anode side. Particularly, as the current density increases and the amount of heat generated increases, the water content of the solid polymer electrolyte membrane becomes insufficient, the ionic conductivity decreases, and the output of the fuel cell decreases. As a countermeasure, the following method is adopted in the conventional fuel cell.

【0003】好適な一例として、燃料電池に隣接して加
湿セクションを設け、この加湿セクションによりアノー
ド側に供給される燃料ガスに加湿を行う間接的加湿方法
が提案されている。例えば、特開平6−231788号
に開示される技術的思想では、加湿器の底面に超音波振
動子を取り付け、この超音波振動子によって発生した霧
とアノード側へ供給される燃料ガスとが混合されて加湿
され、燃料電池本体へと供給されるものである。
As a preferred example, an indirect humidification method has been proposed in which a humidification section is provided adjacent to the fuel cell and the humidification section humidifies the fuel gas supplied to the anode side. For example, in the technical idea disclosed in JP-A-6-231788, an ultrasonic vibrator is attached to the bottom surface of the humidifier, and the mist generated by the ultrasonic vibrator and the fuel gas supplied to the anode side are mixed. It is then humidified and supplied to the fuel cell body.

【0004】一方、特開平6−124722号に開示さ
れている従来技術では、電気ヒータで加温された純水中
を水素、酸素または空気が通過して、これらが加湿され
ることが示されている。
On the other hand, the prior art disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 6-124722 discloses that hydrogen, oxygen or air passes through pure water heated by an electric heater to humidify them. ing.

【0005】これに対して、特開平6−231793号
では、固体高分子電解質膜に直接水分を供給して加湿す
る構造のものを採用した直接的加湿方法が開示されてい
る。この場合、固体高分子電解質膜に隣接するガスセパ
レータ要素を多孔質体で構成し且つこのガスセパレータ
要素中に冷却水供給通路を画成している。従って、該冷
却水供給通路に冷却水を供給すれば、冷却水は毛細管現
象によってガスセパレータ要素を浸透し、固体高分子電
解質膜に到達して加湿する。
On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-231793 discloses a direct humidification method employing a structure in which water is directly supplied to a solid polymer electrolyte membrane to humidify it. In this case, the gas separator element adjacent to the solid polymer electrolyte membrane is made of a porous material and the cooling water supply passage is defined in the gas separator element. Therefore, when cooling water is supplied to the cooling water supply passage, the cooling water permeates the gas separator element by the capillary phenomenon, reaches the solid polymer electrolyte membrane, and humidifies.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記の特開
平6−231793号に示される直接的加湿方法では、
ガスセパレータの酸化剤電極側から冷却水供給通路に酸
化剤ガスが混入するおそれがある。これを解決すべく、
前記特開平6−231793号の図2に示す構造を採用
して冷却水中に混入した酸化剤ガスがアノード側へと到
達することのないように構成しても、冷却水をアノード
側とカソード側に分けて供給しなければならず、構造が
複雑化し、部品点数も増加せざるを得ない。さらに、酸
化剤ガス側電極の圧力が低下すると、ガスセパレータ内
の冷却水が酸化剤ガス側へと導出されるため、酸化剤ガ
ス側電極の水は反応生成水を上回る量となり、この結
果、ガス流路が閉塞されてしまう不都合がある。
By the way, in the direct humidification method disclosed in the above-mentioned JP-A-6-231793,
The oxidant gas may enter the cooling water supply passage from the oxidant electrode side of the gas separator. To solve this,
Even when the structure shown in FIG. 2 of JP-A-6-231793 is adopted so that the oxidant gas mixed in the cooling water does not reach the anode side, the cooling water is supplied to the anode side and the cathode side. Therefore, the structure becomes complicated, and the number of parts must be increased. Further, when the pressure of the oxidant gas side electrode is lowered, the cooling water in the gas separator is led out to the oxidant gas side, so that the amount of water in the oxidant gas side electrode exceeds the reaction product water, and as a result, There is an inconvenience that the gas flow path is blocked.

【0007】一方、前記の間接的加湿方法に係る従来技
術では、燃料電池本体から離れた位置に加湿機構がある
ために、該燃料電池本体と加湿機構とを連結する配管内
で水分が凝縮し、所望の湿度を有する燃料ガスを燃料電
池本体に送ることが困難である。しかも、燃料電池本体
に対して加湿機構が別体であるために、全体としてコン
パクトにはならない。さらに、この種の装置では、燃料
電池本体の負荷変動に対応した水分を供給することが困
難であるとともに、加熱および保温部分が多くなるため
に、エネルギ効率が悪くなる不都合がある。
On the other hand, in the prior art relating to the above indirect humidification method, since the humidification mechanism is located at a position distant from the fuel cell main body, moisture is condensed in the pipe connecting the fuel cell main body and the humidification mechanism. However, it is difficult to send the fuel gas having the desired humidity to the fuel cell main body. Moreover, since the humidifying mechanism is separate from the fuel cell body, it cannot be made compact as a whole. Further, in this type of device, it is difficult to supply water corresponding to the load fluctuation of the fuel cell main body, and there are disadvantages that the energy efficiency deteriorates because the heating and heat retaining portions increase.

【0008】本発明は、この種の問題を解決するために
なされたものであって、簡単な構造で小型化に適し、応
答性が高く、しかも、エネルギ効率に優れるとともに固
体高分子電解質膜に均一に加湿可能とすることによって
該固体高分子電解質膜自体のイオン導電抵抗を低減せし
め、しかも集電体との間の接触抵抗も低減することがで
きる固体高分子電解質膜型燃料電池を提供することを目
的とする。
The present invention has been made in order to solve this kind of problem, and has a simple structure, is suitable for miniaturization, has high responsiveness, and is excellent in energy efficiency. Provided is a solid polymer electrolyte membrane fuel cell, which can reduce the ionic conductivity resistance of the solid polymer electrolyte membrane itself by uniformly moisturizing and can also reduce the contact resistance with a current collector. The purpose is to

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明は、両側面に第1と第2の電極触媒層を当
接し、若しくは一体的に形成した固体高分子電解質膜
と、前記第1の電極触媒層側に設けられた多孔質体から
形成された第1のセパレータと、前記第1のセパレータ
を変位自在または変形自在に保持し、且つ該第1のセパ
レータの一面と共に内部に冷却室を画成した緻密質から
なるとともに前記第2の電極触媒層に対向する第2のセ
パレータと、前記第1と第2のセパレータ間に設けられ
た導電性シール部材と、を有し、前記第1セパレータの
他面に燃料ガス供給通路を画成するための複数のリブを
設け、一方、前記第2セパレータの一面に酸化剤ガス供
給通路を画成するための複数のリブを設け、前記第1セ
パレータの複数のリブの先端は前記第1の電極触媒層に
当接し、前記第2セパレータの複数のリブの先端は前記
第2の電極触媒層に当接することを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention relates to a solid polymer electrolyte membrane in which first and second electrode catalyst layers are in contact with or integrally formed on both side surfaces. A first separator formed of a porous body provided on the side of the first electrode catalyst layer and the first separator movably or deformably held, and together with one surface of the first separator A second separator, which has a dense structure defining a cooling chamber therein and faces the second electrode catalyst layer, and a conductive seal member provided between the first and second separators are provided. A plurality of ribs for defining a fuel gas supply passage on the other surface of the first separator, and a plurality of ribs for defining an oxidant gas supply passage on one surface of the second separator. And a plurality of refills for the first separator. The tip contact with the first electrode catalyst layer, tips of the plurality of ribs of the second separator is characterized in that abuts against the second electrode catalyst layer.

【0010】以上のように構成することによって、第1
セパレータの他面側の複数のリブによって画成された通
路から燃料ガスが供給され、この燃料ガスは第1の電極
触媒層から固体高分子電解質膜に到達する。一方、第2
セパレータの一面側の複数のリブによって画成された通
路から酸化剤ガスが供給され、この酸化剤ガス(空気)
は第2の電極触媒層に到達して拡散される。この間に冷
却室から供給される水は多孔質体からなる第1のセパレ
ータに到達し、前記多孔質体を膨潤させるとともにこの
第1のセパレータから浸透してアノード電極としての第
1の電極触媒層に到達し、これを湿潤する。
With the above configuration, the first
Fuel gas is supplied from a passage defined by a plurality of ribs on the other surface side of the separator, and the fuel gas reaches the solid polymer electrolyte membrane from the first electrode catalyst layer. On the other hand, the second
The oxidant gas is supplied from a passage defined by a plurality of ribs on one surface of the separator, and the oxidant gas (air) is supplied.
Reaches the second electrode catalyst layer and is diffused. During this time, the water supplied from the cooling chamber reaches the first separator made of a porous body, swells the porous body and permeates from the first separator, and the first electrode catalyst layer as an anode electrode. Reach and moisten it.

【0011】この場合、第1のセパレータを構成する多
孔質体は、カーボン材、導電性多孔質焼結金属、多孔質
導電性ゴム、または多孔質導電性樹脂、およびこれらの
任意の組み合わせで構成しておけば、該第1のセパレー
タを容易に湿潤でき、アノード側の電極触媒層が必要以
上に乾燥することを阻止できる。特に、多孔質体の気孔
率が70%以下で、気孔径が40μm以下であると、湿
潤作用が一層好適に営まれる。
In this case, the porous body forming the first separator is made of carbon material, conductive porous sintered metal, porous conductive rubber, or porous conductive resin, and any combination thereof. If so, the first separator can be easily wetted, and the electrode catalyst layer on the anode side can be prevented from being dried more than necessary. In particular, when the porosity of the porous body is 70% or less and the pore diameter is 40 μm or less, the wetting action is more suitably performed.

【0012】さらに、本発明は、固体高分子電解質膜
と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に当接する燃料
ガス側電極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に当
接する酸化剤ガス側電極と、前記燃料ガス側電極に近接
して配設され且つ前記固体高分子電解質膜側へと変位さ
せる第1のセパレータと、前記酸化剤ガス側電極に近接
して配設され且つ前記固体高分子電解質膜側へと変位さ
せる第2のセパレータと、を有し、前記燃料ガス側電極
は燃料ガス側電極触媒層と燃料ガス拡散層とを積層して
構成され、前記酸化剤ガス側電極は酸化剤ガス側電極触
媒と酸化剤ガス拡散層とを積層して構成されることを特
徴とする。
Further, the present invention provides a solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas side electrode which contacts one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and an oxidant which contacts the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A gas side electrode, a first separator disposed in the vicinity of the fuel gas side electrode and displacing to the solid polymer electrolyte membrane side, and disposed in the vicinity of the oxidant gas side electrode and A second separator that is displaced toward the solid polymer electrolyte membrane side, and the fuel gas side electrode is formed by stacking a fuel gas side electrode catalyst layer and a fuel gas diffusion layer, and the oxidant gas side. The electrode is characterized by being constituted by laminating an oxidant gas side electrode catalyst and an oxidant gas diffusion layer.

【0013】このように、燃料ガス側電極を、燃料ガス
側電極触媒層と燃料ガス拡散層とを積層し、一方、固体
高分子電解質膜と分離構成しており、組み付けの際に、
この燃料ガス側電極を固体高分子電解質膜に圧接するの
で、薄膜状の該電極を製造する際に、製造工程が一層簡
素となり、容易化する。酸化剤ガス側電極においても同
様である。
As described above, the fuel gas side electrode is formed by laminating the fuel gas side electrode catalyst layer and the fuel gas diffusion layer, while being separated from the solid polymer electrolyte membrane.
Since the fuel gas side electrode is pressed against the solid polymer electrolyte membrane, the manufacturing process is further simplified and facilitated when manufacturing the thin film electrode. The same applies to the oxidant gas side electrode.

【0014】なお、燃料ガス拡散層と酸化剤ガス拡散層
とをそれぞれカーボンぺーパーで構成すれば、燃料ガス
と酸化剤ガスの拡散が円滑に行われ、且つ廉価に製造で
きる。
If the fuel gas diffusion layer and the oxidant gas diffusion layer are made of carbon paper, the fuel gas and the oxidant gas can be diffused smoothly and can be manufactured at low cost.

【0015】本発明では、水供給方向と燃料ガス、酸化
剤ガスの供給方向とを互いに対向するようにしている。
このため、上から流れる燃料ガス、酸化剤ガスは下方へ
近づくにつれて、下から上昇する低温の水に効果的に冷
却され、これによって、第1と第2のセパレータと、燃
料ガス側電極と、酸化剤ガス側電極とを効果的に冷却で
き、燃料電池全体としての発熱を抑止することが可能と
なる。さらに温度分布も均一化できるため、良好な発電
作用が営まれる。
In the present invention, the water supply direction is opposed to the fuel gas and oxidant gas supply directions.
Therefore, the fuel gas and the oxidant gas flowing from above are effectively cooled by the low-temperature water rising from below as they approach downward, whereby the first and second separators, the fuel gas side electrode, and It is possible to effectively cool the oxidant gas side electrode and suppress the heat generation of the entire fuel cell. Furthermore, since the temperature distribution can be made uniform, a good power generation effect can be achieved.

【0016】[0016]

【発明の実施の形態】本発明に係る固体高分子電解質膜
型燃料電池について好適な実施の形態を挙げ、添付の図
面を参照しながら以下詳細に説明する。
Preferred embodiments of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

【0017】該燃料電池スタック10は、図1乃至図4
に示すように、基本的には発電部12とセパレータ部1
4とから構成される。前記セパレータ部14は、多孔質
体からなる第1のセパレータ16と、比較的厚みがあり
且つ緻密質からなる第2のセパレータ18とを含む。第
1セパレータ16は、多孔質体で、例えば、気孔率が7
0%以下で気孔径が40μm以下のカーボン材からな
る。図から容易に諒解される通り、矩形状の第1セパレ
ータ16には横方向に平行に複数のリブ20が突設さ
れ、隣接するリブ20、20の間に燃料ガス供給用の通
路22が画成される。一方、第2セパレータ18は、図
4に示すように、断面が略C字状であって、一側面側に
前記第1セパレータ16が嵌合する孔部24が画成さ
れ、この孔部24は該第2セパレータ18内に画成され
た冷却室25と連通している。この第2セパレータ18
の他側面側には縦方向に平行に複数のリブ26が突設さ
れ、これによって、隣接するリブ26、26の間に酸化
剤ガス、例えば、空気供給用の通路28が画成される
(図2並びに図3参照)。
The fuel cell stack 10 is shown in FIGS.
As shown in, basically, the power generation unit 12 and the separator unit 1
And 4. The separator portion 14 includes a first separator 16 made of a porous body and a second separator 18 having a relatively thick and dense structure. The first separator 16 is a porous body having a porosity of 7
It is made of a carbon material having 0% or less and a pore diameter of 40 μm or less. As can be easily understood from the drawing, a plurality of ribs 20 are provided in parallel in the lateral direction on the rectangular first separator 16, and a passage 22 for supplying a fuel gas is defined between the adjacent ribs 20 and 20. Is made. On the other hand, as shown in FIG. 4, the second separator 18 has a substantially C-shaped cross section, and a hole 24 into which the first separator 16 is fitted is defined on one side surface side. Communicate with a cooling chamber 25 defined in the second separator 18. This second separator 18
On the other side surface, a plurality of ribs 26 are provided in parallel with each other in the vertical direction, and thereby a passage 28 for supplying an oxidant gas, for example, air, is defined between the adjacent ribs 26, 26 ( 2 and 3).

【0018】さらに、前記第2セパレータ18について
説明すると、図1乃至図3から諒解される通り、該第2
セパレータ18の左枠18aには直方体状の貫通孔34
が画成され、また、右枠18bには別の貫通孔36が画
成されている。前記左枠18aには貫通孔34から孔部
24に連通する複数の細孔38が画成され、一方、右枠
18bには貫通孔36から前記孔部24に連通する複数
の細孔40が画成されている(図1参照)。従って、前
記第2セパレータ18の孔部24に第1セパレータ16
が嵌合すると、該第1セパレータ16の通路22を介し
て細孔38と細孔40とが相互に連通するに至る。な
お、図4から容易に諒解される通り、第1セパレータ1
6が第2セパレータ18の孔部24に嵌合するとき、前
記第1セパレータ16と第2セパレータ18との間に導
電性ゴム、または導電性樹脂の如きシール部材30が係
着される。
Further, the second separator 18 will be described. As is clear from FIGS.
The left frame 18 a of the separator 18 has a rectangular parallelepiped through hole 34.
Is defined, and another through hole 36 is defined in the right frame 18b. A plurality of pores 38 communicating from the through hole 34 to the hole portion 24 are defined in the left frame 18a, while a plurality of pores 40 communicating from the through hole 36 to the hole portion 24 are defined in the right frame 18b. Well defined (see Figure 1). Therefore, the first separator 16 is inserted into the hole 24 of the second separator 18.
When is fitted, the pores 38 and the pores 40 communicate with each other through the passage 22 of the first separator 16. In addition, as easily understood from FIG. 4, the first separator 1
When 6 is fitted in the hole 24 of the second separator 18, a seal member 30 such as conductive rubber or conductive resin is attached between the first separator 16 and the second separator 18.

【0019】一方、該第2セパレータ18の上枠18c
には直方体状の貫通孔42が画成され、また、下枠18
dには別の貫通孔44が画成されている。前記上枠18
cには貫通孔42から通路28に連通する複数の細孔4
6が画成され、一方、下枠18dには貫通孔44から前
記通路28に連通する複数の細孔48が画成されてい
る。従って、複数の細孔46と細孔48とは通路28を
介して互いに連通状態にある。
On the other hand, the upper frame 18c of the second separator 18
A rectangular parallelepiped through hole 42 is defined in the lower frame 18.
Another through hole 44 is defined in d. The upper frame 18
In c, a plurality of pores 4 communicating from the through hole 42 to the passage 28 are provided.
6 are defined, while a plurality of pores 48 communicating with the passage 28 from the through hole 44 are defined in the lower frame 18d. Therefore, the plurality of pores 46 and the plurality of pores 48 are in communication with each other through the passage 28.

【0020】第2セパレータ18の上枠18cと左枠1
8aとによって形成される隅角部には連通孔50が、ま
た、下枠18dと右枠18bとによって形成される隅角
部には連通孔52が画成されている。該連通孔50と5
2とは第1セパレータ16が第2セパレータ18の孔部
24に嵌合することによって画成される冷却室25に斜
め方向から連通している(図4参照)。
The upper frame 18c of the second separator 18 and the left frame 1
A communication hole 50 is defined in the corner formed by 8a, and a communication hole 52 is defined in the corner formed by the lower frame 18d and the right frame 18b. The communication holes 50 and 5
2 is connected to the cooling chamber 25 defined by fitting the first separator 16 into the hole 24 of the second separator 18 in an oblique direction (see FIG. 4).

【0021】次に、発電部12について説明する。発電
部12は固体高分子電解質膜60とその両面に設けられ
た第1の電極触媒層62aと第2の電極触媒層62bを
備えている。前記第1と第2の電極触媒層62a、62
bの大きさは孔部24を画成する第2セパレータ18の
内側端縁と略同じ大きさである。
Next, the power generation section 12 will be described. The power generation unit 12 includes a solid polymer electrolyte membrane 60, and a first electrode catalyst layer 62a and a second electrode catalyst layer 62b provided on both sides of the solid polymer electrolyte membrane 60. The first and second electrode catalyst layers 62a, 62
The size of b is substantially the same as the inner edge of the second separator 18 defining the hole 24.

【0022】図5はガスケット66の構造を示す。な
お、ガスケット68は、実質的にガスケット66と同じ
形状である。そこで、前記ガスケット66、68は、図
8に示すように、第2セパレータ18と固体高分子電解
質膜60との間で挟持される。前記ガスケット66、6
8には、後述するように、燃料ガスおよび酸化剤ガスが
燃料電池スタック10として積層された複数の第1セパ
レータ16、第2セパレータ18の間で通流可能なよう
に、貫通孔70、72、74、76、連通孔78、80
および大孔82が画成されている。従って、発電部12
とセパレータ部14とが組み込まれた時、第2セパレー
タ18の貫通孔34とガスケット66、68の貫通孔7
0とが連通し、貫通孔36と貫通孔72とが連通し、貫
通孔42と貫通孔74とが連通し、さらに貫通孔44と
貫通孔76とが連通する。大孔82には第1セパレータ
16の複数のリブ20が入り込む。
FIG. 5 shows the structure of the gasket 66. The gasket 68 has substantially the same shape as the gasket 66. Therefore, the gaskets 66 and 68 are sandwiched between the second separator 18 and the solid polymer electrolyte membrane 60, as shown in FIG. The gasket 66, 6
As will be described later, the through holes 70, 72 are provided in the passage 8 so that the fuel gas and the oxidant gas can flow between the plurality of first separators 16 and the second separators 18 stacked as the fuel cell stack 10. , 74, 76, communication holes 78, 80
And a large hole 82 is defined. Therefore, the power generation unit 12
And the separator portion 14 are assembled, the through hole 34 of the second separator 18 and the through hole 7 of the gaskets 66, 68
0 communicates with each other, the through hole 36 and the through hole 72 communicate with each other, the through hole 42 and the through hole 74 communicate with each other, and the through hole 44 and the through hole 76 communicate with each other. The plurality of ribs 20 of the first separator 16 enter the large holes 82.

【0023】以上のように構成される発電部12とセパ
レータ部14とは、次のように組み合わされる。すなわ
ち、第2セパレータ18の孔部24に第1セパレータ1
6が嵌合し、シール部材30は第1セパレータ16と第
2セパレータ18とをシールし且つ電気的に接続する。
ガスケット66が第1セパレータ16側にあって第2セ
パレータ18に接合し、ガスケット68は第2セパレー
タ18のリブ26側の面に接合する。ガスケット66と
ガスケット68の間に発電部12が介装される。なお、
その積層固定に際しては、図6に示すように、第2セパ
レータ18の貫通孔34、36、42、44および連通
孔50、52に連通する管継手79、81、84、8
6、連通孔50、52に連通する管継手88、90を有
するエンドプレート92、および管継手が形成されてい
ないエンドプレート94をその両端に配設し、締付ボル
ト96a〜96dでその四隅を強くかつ均等に締め付け
ることにより構成される。
The power generation section 12 and the separator section 14 configured as described above are combined as follows. That is, the first separator 1 is placed in the hole 24 of the second separator 18.
6, the seal member 30 seals and electrically connects the first separator 16 and the second separator 18.
The gasket 66 is on the first separator 16 side and is joined to the second separator 18, and the gasket 68 is joined to the rib 26 side surface of the second separator 18. The power generation unit 12 is interposed between the gasket 66 and the gasket 68. In addition,
At the time of stacking and fixing them, as shown in FIG. 6, the pipe joints 79, 81, 84, 8 communicating with the through holes 34, 36, 42, 44 of the second separator 18 and the communicating holes 50, 52.
6, end plates 92 having pipe joints 88, 90 communicating with the communication holes 50, 52, and end plates 94 not having pipe joints are arranged at both ends thereof, and the four corners thereof are tightened by tightening bolts 96a to 96d. Constructed by tightening firmly and evenly.

【0024】エンドプレート94の詳細を図7に示す。
このエンドプレート94はエンドプレート92と実質的
に同一の大きさを有する平坦な板体からなる。当該エン
ドプレート94には四隅に前記締付ボルト96a〜96
dの一端部が挿入される締付用孔部112a〜112d
が画成されている。
The details of the end plate 94 are shown in FIG.
The end plate 94 is a flat plate body having substantially the same size as the end plate 92. The tightening bolts 96a to 96 are provided at the four corners of the end plate 94.
Tightening holes 112a to 112d into which one end of d is inserted.
Is defined.

【0025】このように構成される燃料電池スタック1
0は、図8に示すように、前記管継手90に、冷媒であ
る、例えば、水を供給する回路が外部に設けられてい
る。すなわち、巡回する水が貯蔵されるタンク120、
冷媒を所定の圧力まで昇圧させる昇圧ポンプ122、さ
らにイオン交換樹脂124が管路126を介して、燃料
電池スタック10のエンドプレート92の管継手90に
連通されている。一方、前記エンドプレート92の管継
手88は、管路128を介して背圧弁130、タンク1
20に連通されている。
The fuel cell stack 1 having the above structure
As shown in FIG. 8, the pipe joint 90 is provided with an external circuit for supplying water, which is a refrigerant, such as water. That is, the tank 120 that stores the circulating water,
A pressure increasing pump 122 for increasing the pressure of the refrigerant to a predetermined pressure, and an ion exchange resin 124 are connected to a pipe joint 90 of an end plate 92 of the fuel cell stack 10 via a pipe 126. On the other hand, the pipe joint 88 of the end plate 92 is connected to the back pressure valve 130 and the tank 1 via the pipe 128.
It is connected to 20.

【0026】次に、本発明に係る固体高分子電解質膜型
燃料電池の作用について説明する。燃料電池スタック1
0の作動時には、図6に示すように、燃料ガスが図示し
ない燃料ガス供給源からエンドプレート92の管継手8
1、ガスケット66(68)の貫通孔72、第2セパレ
ータ18の貫通孔36、細孔40を介して第1セパレー
タ16の通路22に供給され、酸化剤ガスが図示しない
酸化剤ガス供給源からエンドプレート92の管継手8
4、ガスケット66(68)の通路74、第2セパレー
タ18、貫通孔42、細孔46を介して通路28に供給
される。
Next, the operation of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention will be described. Fuel cell stack 1
6, the fuel gas is supplied from a fuel gas supply source (not shown) to the pipe joint 8 of the end plate 92 as shown in FIG.
1, through the through hole 72 of the gasket 66 (68), the through hole 36 of the second separator 18, and the pore 40, the oxidant gas is supplied from the oxidant gas supply source (not shown) to the passage 22 of the first separator 16. Pipe joint 8 of end plate 92
4, is supplied to the passage 28 through the passage 74 of the gasket 66 (68), the second separator 18, the through hole 42, and the pore 46.

【0027】これと同時に、冷却水としての水がエンド
プレート92の管継手90から連通孔52に達し、冷却
室25に至り、当該冷却室25の内圧を上昇させる。こ
の際、前記水の圧力(PH2 O)は燃料ガスの圧力(P
2 )よりも高く設定されているため、前記水が水透過
性である薄板状の多孔質カーボンから形成された第1セ
パレータ16に浸透し、これを電極触媒層62a側に変
位、若しくは変形させるとともに、遂には該第1セパレ
ータ16に画成された通路22を流れている燃料ガスを
加湿する。加湿された前記燃料ガスは、電極触媒層62
aに到達して、固体高分子電解質膜60を加湿する。従
って、前記変位作用または変形作用によって第1セパレ
ータ16のリブ20は電極触媒層62aに均等に圧接
し、ひいては第2セパレータ18に対し、固体高分子電
解質膜60を押圧することになる。しかも、前記固体高
分子電解質膜60が適度な湿度に維持され、イオン導電
抵抗、接触抵抗が増加することはない。一方、通路22
に供給された燃料ガスの中、未反応の燃料ガスはエンド
プレート94の直前の第2セパレータ18の貫通孔34
に至り、ガスケット66の貫通孔70等を通過して管継
手79から排出される。酸化剤ガスも同様に、その一部
が第2セパレータ18の貫通孔44に至り、管継手86
から排出される。
At the same time, water serving as cooling water reaches the communication hole 52 from the pipe joint 90 of the end plate 92, reaches the cooling chamber 25, and raises the internal pressure of the cooling chamber 25. At this time, the pressure of the water (PH 2 O) is equal to the pressure of the fuel gas (P
Since it is set higher than H 2 ), the water permeates into the first separator 16 formed of water-permeable thin plate-like porous carbon and displaces or deforms it toward the electrode catalyst layer 62a side. At the same time, the fuel gas flowing in the passage 22 defined by the first separator 16 is finally humidified. The humidified fuel gas is used in the electrode catalyst layer 62.
After reaching a, the solid polymer electrolyte membrane 60 is humidified. Therefore, the ribs 20 of the first separator 16 are evenly pressed against the electrode catalyst layer 62a by the displacement action or the deformation action, and thus press the solid polymer electrolyte membrane 60 against the second separator 18. Moreover, the solid polymer electrolyte membrane 60 is maintained at an appropriate humidity, and ionic conductivity resistance and contact resistance do not increase. On the other hand, passage 22
The unreacted fuel gas among the fuel gas supplied to the through hole 34 of the second separator 18 immediately before the end plate 94.
Then, the gas passes through the through hole 70 and the like of the gasket 66 and is discharged from the pipe joint 79. Similarly, a part of the oxidant gas reaches the through hole 44 of the second separator 18, and the pipe joint 86
Emitted from.

【0028】さらに、燃料電池スタック10の作動が終
わり昇圧ポンプ122が停止され、背圧弁130の絞り
も開成されると、前記冷却室25の水が第2セパレータ
18の連通孔50を経て、エンドプレート92の管継手
88から外部に排出され、当該冷却室25の内圧が低下
する。従って、第1セパレータ16側への面圧力も低下
し、組み立て時の圧力に戻る。
Further, when the operation of the fuel cell stack 10 is finished and the booster pump 122 is stopped and the throttle of the back pressure valve 130 is opened, the water in the cooling chamber 25 passes through the communication hole 50 of the second separator 18 and ends. It is discharged from the pipe joint 88 of the plate 92 to the outside, and the internal pressure of the cooling chamber 25 decreases. Therefore, the surface pressure on the side of the first separator 16 also decreases and returns to the pressure at the time of assembly.

【0029】このように、本実施の形態に係る固体高分
子電解質膜型燃料電池によれば、第1セパレータ16と
第2セパレータ18とによって画成された冷却室25に
導入される水を水透過性の多孔質体である第1セパレー
タ16を介して発電部12に供給し、さらに水圧により
第1セパレータ16の変位作用または変形作用下に固体
高分子電解質膜60に対する押圧力を増大するとともに
電極触媒層62aが適当な湿度に保たれ、イオン導電抵
抗および接触抵抗を増加させることがない。しかも、セ
パレータ部14に設けられた冷却室25に供給される水
を直接多孔質カーボンからなる第1セパレータ16を介
して供給するので、新たな加湿手段を設ける必要がな
い。
As described above, according to the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the present embodiment, the water introduced into the cooling chamber 25 defined by the first separator 16 and the second separator 18 is water. It is supplied to the power generation unit 12 through the first separator 16 which is a permeable porous body, and further the hydraulic pressure increases the pressing force to the solid polymer electrolyte membrane 60 under the displacement or deformation of the first separator 16. The electrode catalyst layer 62a is kept at an appropriate humidity, and ionic conductivity resistance and contact resistance are not increased. Moreover, since the water supplied to the cooling chamber 25 provided in the separator portion 14 is directly supplied through the first separator 16 made of porous carbon, it is not necessary to provide a new humidifying means.

【0030】また、第1と第2のセパレータ16、18
によって画成される冷却室25から水が供給されるた
め、電極触媒層62aに均等に水分が供給される。
Further, the first and second separators 16 and 18
Since water is supplied from the cooling chamber 25 defined by, the water is evenly supplied to the electrode catalyst layer 62a.

【0031】さらに、前記発電部12の乾燥状態に応じ
て水の供給量を増減させるが、その際、各燃料電池スタ
ック10の冷却室25から直接水分を供給しているた
め、応答性が高い。
Further, the amount of water supplied is increased or decreased according to the dry state of the power generation section 12, but at this time, since water is supplied directly from the cooling chamber 25 of each fuel cell stack 10, the response is high. .

【0032】さらにまた、燃料ガスである水素ガス(P
2 )および酸化剤ガスである酸素ガス(PO2 )より
も水の圧力(PH2 O)を高く設定しており、しかも、
第2セパレータ18を緻密質で構成しているため、第1
セパレータ16の通路22に水が浸入するだけで、燃料
ガスと酸化剤ガスが前記冷却室25で混合することを確
実に阻止でき、安全性が確保される。
Further, hydrogen gas (P
H 2 ) and oxygen gas (PO 2 ) which is an oxidant gas, the water pressure (PH 2 O) is set to be higher, and
Since the second separator 18 is made of a dense material,
Only by infiltration of water into the passage 22 of the separator 16, it is possible to reliably prevent the fuel gas and the oxidant gas from mixing in the cooling chamber 25, thus ensuring safety.

【0033】次に、本発明の別の実施の形態を示す。前
記の実施の形態では、発電部12には固体高分子電解質
膜60を挟んで第1電極触媒層62aと第2電極触媒層
62bが一体的に設けられていた。そして、多孔質体、
すなわち、カーボン材からなる第1セパレータ16が第
1電極触媒層62aに当接する構造を採用している。し
かしながら、この新たな実施の形態では、寧ろ、固体高
分子電解質膜と分離されて燃料ガス側電極が用意され、
一方、固体高分子電解質膜の反対側に酸化剤側電極が配
置される。
Next, another embodiment of the present invention will be shown. In the above-described embodiment, the power generation unit 12 is integrally provided with the first electrode catalyst layer 62a and the second electrode catalyst layer 62b with the solid polymer electrolyte membrane 60 interposed therebetween. And a porous body,
That is, the first separator 16 made of a carbon material is in contact with the first electrode catalyst layer 62a. However, in this new embodiment, rather, the fuel gas side electrode is prepared separately from the solid polymer electrolyte membrane,
On the other hand, the oxidant side electrode is arranged on the opposite side of the solid polymer electrolyte membrane.

【0034】すなわち、固体高分子電解質膜200は、
燃料ガス側電極202と分離構成されており、また、同
様に、酸化剤ガス側電極204とも分離構成されてい
る。燃料ガス側電極202は、電極触媒層206とカー
ボンペーパーからなるガス拡散層208とから構成され
ており、両者は予め一体的に形成される。一方、酸化剤
ガス側電極204は、電極触媒層210とカーボンペー
パーからなるガス拡散層212とから構成され、これら
の酸化剤ガス側電極触媒層210とガス拡散層212と
は、燃料ガス側電極202と同様に、予め一体的に構成
されている。従って、一般的に極めて薄い膜からなる電
極触媒層とガス拡散層とを予め一体化しておくことによ
り、固体高分子電解質膜60に第1電極触媒層62a、
第2電極触媒層62bを設けるよりもその製造がし易
く、なおかつ維持管理もし易いという利点がある。この
場合、前記構成に代えて、固体高分子電解質膜200、
燃料ガス側電極202、酸化剤ガス側電極204をそれ
ぞれ分離して用意し、燃料電池を全体として組み立てる
前に、これら固体高分子電解質膜200、燃料ガス側電
極202、酸化剤ガス側電極204をホットプレス等に
より、一体的に組み付けて発電部を形成しておくことも
できる。
That is, the solid polymer electrolyte membrane 200 is
It is configured separately from the fuel gas side electrode 202, and similarly is configured separately from the oxidant gas side electrode 204. The fuel gas side electrode 202 is composed of an electrode catalyst layer 206 and a gas diffusion layer 208 made of carbon paper, and both are integrally formed in advance. On the other hand, the oxidant gas side electrode 204 is composed of an electrode catalyst layer 210 and a gas diffusion layer 212 made of carbon paper. The oxidant gas side electrode catalyst layer 210 and the gas diffusion layer 212 are the fuel gas side electrode. Similar to 202, it is integrally configured in advance. Therefore, by integrating the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer, which are generally extremely thin films, in advance, the first electrode catalyst layer 62a on the solid polymer electrolyte membrane 60,
The second electrode catalyst layer 62b has the advantage of being easier to manufacture and easier to maintain and maintain than providing the second electrode catalyst layer 62b. In this case, instead of the above configuration, the solid polymer electrolyte membrane 200,
The fuel gas side electrode 202 and the oxidant gas side electrode 204 are separately prepared, and before the fuel cell is assembled as a whole, the solid polymer electrolyte membrane 200, the fuel gas side electrode 202, and the oxidant gas side electrode 204 are It is also possible to form the power generation unit by integrally assembling with a hot press or the like.

【0035】このように構成される発電部を、主として
セパレータとガスケット等を用いて燃料電池として組み
立てる構造を図10に示す。
FIG. 10 shows a structure in which the power generation section thus constructed is assembled as a fuel cell mainly using a separator, a gasket and the like.

【0036】先ず、固体高分子電解質膜200の周縁部
に一方の端面が当接するように、燃料ガス側電極202
側にガスケット214を配設する。このガスケット21
4には、前記燃料ガス側電極202を若干の隙間をもっ
て嵌合するための孔部216が形成されている。前記ガ
スケット214の他方の端面は、図において、断面逆コ
字状のセパレータ218の端面に当接する。セパレータ
218は、炭素またはステンレススチール等の緻密質か
らなり、その内部に多孔質からなる燃料ガス案内部材2
20と水案内部材222とを含む。セパレータ218
は、その内部に水案内流路224a、224bを有す
る。一方、燃料ガス案内部材220には、燃料ガスを通
過させるための複数のガス案内流路226が設けられ、
且つ水案内部材222にも同様に、水案内流路224
a、224bの一方から他方へと水を流下させるための
水案内流路228が設けられている。
First, the fuel gas side electrode 202 so that one end face of the solid polymer electrolyte membrane 200 is in contact with the peripheral edge of the solid polymer electrolyte membrane 200.
A gasket 214 is arranged on the side. This gasket 21
4, a hole 216 for fitting the fuel gas side electrode 202 with a slight gap is formed. The other end surface of the gasket 214 contacts the end surface of the separator 218 having an inverted U-shaped cross section in the drawing. The separator 218 is made of a dense material such as carbon or stainless steel, and has a porous fuel gas guide member 2 inside.
20 and a water guide member 222. Separator 218
Has water guide channels 224a and 224b therein. On the other hand, the fuel gas guide member 220 is provided with a plurality of gas guide passages 226 for passing the fuel gas,
Similarly, the water guiding member 222 also has a water guiding channel 224.
A water guide channel 228 is provided for allowing water to flow down from one side to the other side.

【0037】燃料ガス案内部材220と水案内部材22
2とは、セパレータ218に対して、例えば、導電性ゴ
ムまたは導電性樹脂のような導電性材質229で接合さ
れている。従って、水案内流路228から案内される水
がガス案内流路226に直接流入することが阻止され
る。
Fuel gas guide member 220 and water guide member 22
2 is joined to the separator 218 with a conductive material 229 such as a conductive rubber or a conductive resin. Therefore, the water guided from the water guide passage 228 is prevented from directly flowing into the gas guide passage 226.

【0038】なお、この場合、水案内流路228は下か
ら上へと、一方、ガス案内流路226に導入される燃料
ガスは上から下へと互いに対向するように流すことが好
ましい。燃料ガスが上から下へと流れる際、多孔質から
なる燃料ガス案内部材220に浸透する水案内部材22
2からの水で該燃料ガスは発電時には徐々に加湿され
る。この加湿された燃料ガスを下から上へと上昇する低
温の水で冷却することにより発電部の温度分付を均一に
することが可能となる。
In this case, it is preferable that the water guide passage 228 flows from the bottom to the top, while the fuel gas introduced into the gas guide passage 226 flows from the top to the bottom so as to face each other. When the fuel gas flows from top to bottom, the water guide member 22 that permeates the porous fuel gas guide member 220.
The water from 2 gradually humidifies the fuel gas during power generation. By cooling the humidified fuel gas with low-temperature water that rises from the bottom to the top, it becomes possible to make the temperature distribution of the power generation unit uniform.

【0039】セパレータ218の、ガスケット214と
は反対側の面に絶縁部材230が介装され、この絶縁部
材230はエンドプレート240に接する。エンドプレ
ート240には、前記の実施の形態と同様の形状の燃料
ガス供給・排出口、冷却水導入・導出口および酸化剤ガ
ス入出口(図示せず)が設けられる。
An insulating member 230 is interposed on the surface of the separator 218 opposite to the gasket 214, and the insulating member 230 contacts the end plate 240. The end plate 240 is provided with a fuel gas supply / exhaust port, a cooling water inlet / outlet port, and an oxidant gas inlet / outlet port (not shown) having the same shapes as those in the above-described embodiment.

【0040】燃料ガス側電極202と反対側に、前記ガ
スケット214と略同様の形状のガスケット250が設
けられる。このガスケット250は、ガスケット214
と同様に、若干の隙間をもって酸化剤ガス側電極触媒層
210とガス拡散層212とが一体化された酸化剤ガス
側電極204を受容する。従って、ガスケット250に
はガスケット214の孔部216と同様に、大きく開口
された孔部252が設けられている。
A gasket 250 having substantially the same shape as the gasket 214 is provided on the side opposite to the fuel gas side electrode 202. This gasket 250 is a gasket 214
Similarly, the oxidant gas side electrode 204 in which the oxidant gas side electrode catalyst layer 210 and the gas diffusion layer 212 are integrated is received with a slight gap. Therefore, the gasket 250 is provided with a hole 252 having a large opening like the hole 216 of the gasket 214.

【0041】このガスケット250の一方の端面に当接
し、前記酸化剤ガス側電極204の一部を受容するセパ
レータ254が設けられる。このセパレータ254は、
大きく酸化剤ガス側セパレータ256と、燃料ガス側セ
パレータ258とに分かれる。酸化剤ガス側セパレータ
256と燃料ガス側セパレータ258との間にOリング
260が設けられ、両セパレータ256、258を相互
に液密に遮断する。
A separator 254 is provided which is in contact with one end surface of the gasket 250 and receives a part of the oxidant gas side electrode 204. This separator 254 is
It is roughly divided into an oxidant gas side separator 256 and a fuel gas side separator 258. An O-ring 260 is provided between the oxidant gas side separator 256 and the fuel gas side separator 258, and liquid-tightly shields both the separators 256 and 258 from each other.

【0042】酸化剤ガス側セパレータ256に酸化剤ガ
ス案内部材262が設けられる。この酸化剤ガス案内部
材262には、酸化剤ガスを案内するための酸化剤ガス
案内流路264が、複数本、互いに平行にかつ垂直方向
に延在している。一方、燃料ガス側セパレータ258に
は、セパレータ218と同様に、垂直方向に延在する複
数のガス案内流路266を設けた燃料ガス案内部材26
8が設けられている。そして、前記酸化剤ガス側セパレ
ータ256と燃料ガス側セパレータ258との間に垂直
方向にかつ複数の水案内流路270を設けた水案内部材
272が設けられる。実際、水案内部材272は垂直方
向に2分割構成されている。この場合、酸化剤ガス側セ
パレータ256と燃料ガス側セパレータ258と酸化剤
ガス案内部材262と燃料ガス案内部材268および水
案内部材272とは、特に導電性の部材で接合されてい
る。この接合に際しては、好ましくは、導電性ゴムまた
は導電性樹脂からなる導電性材料273が用いられる。
An oxidant gas guide member 262 is provided on the oxidant gas side separator 256. In the oxidant gas guide member 262, a plurality of oxidant gas guide passages 264 for guiding the oxidant gas extend in parallel and vertically to each other. On the other hand, similar to the separator 218, the fuel gas side separator 258 is provided with a plurality of gas guide channels 266 extending in the vertical direction.
8 are provided. A water guide member 272 is provided between the oxidant gas side separator 256 and the fuel gas side separator 258 in the vertical direction and has a plurality of water guide channels 270. In fact, the water guide member 272 is vertically divided into two parts. In this case, the oxidant gas side separator 256, the fuel gas side separator 258, the oxidant gas guide member 262, the fuel gas guide member 268, and the water guide member 272 are joined by a particularly conductive member. At the time of this joining, preferably, a conductive material 273 made of conductive rubber or conductive resin is used.

【0043】このように、固体高分子電解質膜200と
燃料ガス側電極202と酸化剤ガス側電極204とセパ
レータ218、セパレータ254等が積層されて、図1
1に示す固体高分子電解質膜型燃料電池が構成される。
この実施の形態では、燃料ガス、酸化剤ガスおよび水の
流路についての詳細な説明は省略するが、当業者である
ならば容易に諒解されよう。
In this way, the solid polymer electrolyte membrane 200, the fuel gas side electrode 202, the oxidant gas side electrode 204, the separator 218, the separator 254, etc. are laminated, as shown in FIG.
The solid polymer electrolyte membrane fuel cell shown in 1 is constructed.
In this embodiment, detailed description of the flow paths of the fuel gas, the oxidant gas, and the water is omitted, but it will be easily understood by those skilled in the art.

【0044】以上のように構成される固体高分子電解質
膜型燃料電池の作用について説明すれば、ガス案内流路
226から燃料ガスが垂直方向下方向に向かって流さ
れ、一方、水案内部材222の水案内流路228から垂
直方向上方に向かって水が供給される。同様に、酸化剤
ガス側セパレータ256において、酸化剤ガス案内部材
262の酸化剤ガス案内流路264には上方から酸化剤
ガスが供給され、これに対向して垂直方向下方から上方
へ向けて水案内流路270から水が供給される。従っ
て、燃料ガス案内部材220と酸化材ガス案内部材26
2とは、互いに湿潤されるに至る。
The operation of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell configured as described above will be described. The fuel gas is made to flow vertically downward from the gas guide passage 226, while the water guide member 222 is provided. Water is supplied upward from the water guide flow path 228 in the vertical direction. Similarly, in the oxidant gas side separator 256, oxidant gas is supplied from above to the oxidant gas guide flow path 264 of the oxidant gas guide member 262, and the oxidant gas is supplied from above in the vertical direction to face water. Water is supplied from the guide flow path 270. Therefore, the fuel gas guide member 220 and the oxidant gas guide member 26
2 and the two are wetted together.

【0045】そこで、ガス案内流路226から投入され
る燃料ガスは、燃料ガス側電極202をその圧力で押圧
して固体高分子電解質膜200にそれ自体を圧接する。
同様に、当該固体高分子電解質膜200の他方の面に酸
化剤ガス案内流路264に導入された酸化剤ガスが満た
されて、前記酸化剤ガス側電極204を固体高分子電解
質膜200に対して圧接する。
Therefore, the fuel gas introduced from the gas guide flow path 226 presses the fuel gas side electrode 202 with its pressure to press itself against the solid polymer electrolyte membrane 200.
Similarly, the other surface of the solid polymer electrolyte membrane 200 is filled with the oxidant gas introduced into the oxidant gas guide channel 264, and the oxidant gas side electrode 204 is attached to the solid polymer electrolyte membrane 200. To press.

【0046】ここで、前記実施の形態と同様の発電作用
が営まれることになる。
Here, the same power generation action as that of the above-described embodiment is performed.

【0047】以上のように、この実施の形態によれば、
固体高分子電解質膜200と燃料ガス側電極202およ
び酸化剤ガス側電極204とを分離構成しているため
に、その製造に際して極めて容易にかつ大量に製造する
ことができる。従って、燃料電池全体としての低価格化
の達成、およびその組み立てが一層容易化するとともに
維持管理もし易い。
As described above, according to this embodiment,
Since the solid polymer electrolyte membrane 200 is separated from the fuel gas side electrode 202 and the oxidant gas side electrode 204, the solid polymer electrolyte membrane 200 can be manufactured very easily and in large quantities. Therefore, it is possible to achieve a reduction in the price of the fuel cell as a whole and to assemble the fuel cell more easily, and to easily maintain the fuel cell.

【0048】図12に本発明のまた別の実施の形態を示
す。この実施の形態では、特に、前記水案内部材272
のように溝状の水案内流路270を設けてはいない。寧
ろ、直方体状あるいは矩形体状の枠体300で構成し、
その中央部部分が大きく開口した広容積の空間302と
し、全体として水案内部材304を構成している。そし
て、枠体300の両側面は多孔質カーボン等の多孔質部
材からなる面圧発生板306a、306bで閉塞されて
いる。なお、その際、導電性ゴムあるいは導電性樹脂3
08a、308bで酸化剤ガス案内部材262と燃料ガ
ス案内部材268の境界部分をシールしておく。
FIG. 12 shows another embodiment of the present invention. In this embodiment, in particular, the water guide member 272
The groove-shaped water guide passage 270 is not provided. Rather, it is composed of a rectangular parallelepiped or rectangular frame 300,
A large volume space 302 having a large opening in its central portion is formed, and a water guide member 304 is configured as a whole. Both side surfaces of the frame 300 are closed by surface pressure generating plates 306a and 306b made of a porous member such as porous carbon. At that time, conductive rubber or conductive resin 3
08a and 308b seal the boundary between the oxidant gas guide member 262 and the fuel gas guide member 268.

【0049】このような構成において、図に直交する方
向にあって下から上へと水を流せば、空間302に水が
満たされることにより、面圧発生板306a、306b
が互いに離間する方向へと撓み、酸化剤ガス案内部材2
62と燃料ガス案内部材268とを押圧し且つこれらに
適度の水分を供給して加湿する。他の燃料ガス案内部材
268と酸化剤ガス案内部材262側の水案内部材22
2等も同様に、面圧発生板306a、306bを用いる
ことにより該水案内部材222等の構成を簡略化できる
ことはいうまでもない。
In such a structure, when the water is made to flow from the bottom to the top in the direction orthogonal to the drawing, the space 302 is filled with the water, so that the surface pressure generating plates 306a, 306b.
Are bent in a direction away from each other, and the oxidant gas guide member 2
62 and the fuel gas guide member 268 are pressed and an appropriate amount of water is supplied to them to humidify them. The other fuel gas guide member 268 and the water guide member 22 on the oxidant gas guide member 262 side.
It is needless to say that the configuration of the water guide member 222 and the like can be simplified by similarly using the surface pressure generating plates 306a and 306b for the second and the like.

【0050】図13は本発明のさらにまた別の実施の形
態を示す。この実施の形態では、図12に示す面圧発生
板306aと酸化剤ガス案内部材262とを一体化した
酸化剤ガス案内押圧板350aと、面圧発生板306b
と燃料ガス案内部材268とを一体化した燃料ガス案内
押圧板350bとから構成される。酸化剤ガス案内押圧
板350aと燃料ガス案内押圧板250bの周囲には導
電性ゴムあるいは導電性樹脂352a、352bが埋設
されている。
FIG. 13 shows still another embodiment of the present invention. In this embodiment, an oxidant gas guide pressing plate 350a in which the surface pressure generating plate 306a and the oxidant gas guide member 262 shown in FIG. 12 are integrated, and a surface pressure generating plate 306b.
And a fuel gas guide member 268 are integrated into a fuel gas guide pressing plate 350b. Conductive rubber or conductive resin 352a, 352b is embedded around the oxidant gas guide pressing plate 350a and the fuel gas guide pressing plate 250b.

【0051】このように構成すれば、図12の実施の形
態の如く、別異の独立した面圧発生板306a、306
bを設ける必要がないので、部品点数を減少させること
ができ、且つ組み付けも容易化する。
With this structure, different surface pressure generating plates 306a, 306 are provided as in the embodiment of FIG.
Since it is not necessary to provide b, the number of parts can be reduced and the assembling can be facilitated.

【0052】図14および図15は本発明のまた別の実
施の形態を示す。この実施の形態では図12の実施の形
態と異なり、面圧発生板400の略中央部に水導出口4
02を画成し、燃料ガス案内部材404に設けられた小
孔406にこの水導出口402が連通している。燃料ガ
ス案内部材404の平坦な面408は発電部のカーボン
ペーパーからなるガス拡散層に均等に当接するが、その
当接面には、図15に示すように、放射状の溝410が
複数個刻設されている。前記燃料ガス案内部材404の
周囲は緻密質の部材412で構成されている。
14 and 15 show another embodiment of the present invention. In this embodiment, unlike the embodiment shown in FIG. 12, the water outlet 4 is provided at a substantially central portion of the surface pressure generating plate 400.
02, and the water outlet 402 communicates with a small hole 406 provided in the fuel gas guide member 404. The flat surface 408 of the fuel gas guide member 404 evenly abuts the gas diffusion layer made of carbon paper of the power generation section, and the abutting surface is provided with a plurality of radial grooves 410 as shown in FIG. It is set up. The periphery of the fuel gas guide member 404 is composed of a dense member 412.

【0053】このような構成によれば、発電部に対して
直接水を供給することができ、電池としての迅速な立ち
上がりと十分な水分の供給が達成される。
According to this structure, water can be directly supplied to the power generation section, and a quick start-up as a battery and sufficient water supply can be achieved.

【0054】図16は図12の変形例である。酸化剤ガ
ス案内部材262と燃料ガス案内部材268の外側にシ
ール部材450、452を配置している。
FIG. 16 is a modification of FIG. Sealing members 450 and 452 are arranged outside the oxidant gas guide member 262 and the fuel gas guide member 268.

【0055】[0055]

【発明の効果】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料
電池によれば、以下の効果が得られる。
According to the solid polymer electrolyte membrane fuel cell of the present invention, the following effects can be obtained.

【0056】すなわち、冷却室を構成する第1のセパレ
ータが水透過性の材料、好適には多孔質カーボンから形
成されているため、前記冷却室に供給される水が多孔質
カーボンで構成された該第1のセパレータから電極を介
して固体高分子電解質膜に均一に水分が供給されるとと
もに、該供給される水圧によって起こる変位作用または
変形作用によって押圧力が増加する。このように冷却用
の水を用いて該固体高分子電解質膜を加湿するため、特
に加湿用の機構を設ける必要がなく、全体にコンパクト
にまとめることができるとともに、前記冷却室は、各単
位電池に設けられているため、各単位電池の固体高分子
電解質膜を均等に加湿することができる。従って、固体
高分子電解質膜中の電気抵抗を均等な押圧力と相俟って
低減することができるばかりか、イオン導電および電子
導電に係る接触抵抗も低く抑制することが可能となり、
エネルギ効率もよい。
That is, since the first separator forming the cooling chamber is made of a water-permeable material, preferably porous carbon, the water supplied to the cooling chamber is made of porous carbon. Water is uniformly supplied from the first separator to the solid polymer electrolyte membrane through the electrodes, and the pressing force increases due to the displacement action or the deformation action caused by the supplied water pressure. Since the solid polymer electrolyte membrane is humidified by using the cooling water in this manner, it is not necessary to provide a mechanism for humidification, and the entire structure can be compactly formed. The solid polymer electrolyte membrane of each unit battery can be uniformly moisturized. Therefore, not only the electric resistance in the solid polymer electrolyte membrane can be reduced in combination with the uniform pressing force, but also the contact resistance related to ionic conduction and electronic conduction can be suppressed low,
It is also energy efficient.

【0057】しかも、固体高分子電解質膜と、燃料ガス
側電極と、酸化剤ガス側電極とを分離構成し、電極自体
を電極触媒層と、ガス拡散層とによって分離構成してい
る。従って、発電部の製造が容易化し、製品を低価格で
提供できるとともに、維持管理がし易いという特有の効
果が得られる。
Moreover, the solid polymer electrolyte membrane, the fuel gas side electrode, and the oxidant gas side electrode are separated from each other, and the electrode itself is separated from the electrode catalyst layer and the gas diffusion layer. Therefore, the peculiar effect that the manufacturing of the power generation unit is facilitated, the product can be provided at a low price, and the maintenance is easy is obtained.

【0058】さらに、本発明では、ガス拡散層として薄
いカーボンペーパーを用いることにより、ガスの透過性
が向上し、この結果、発電性能が一層向上するという利
点もある。
Further, in the present invention, by using thin carbon paper as the gas diffusion layer, gas permeability is improved, and as a result, power generation performance is further improved.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
要部分解斜視図である。
FIG. 1 is an exploded perspective view of essential parts of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図2】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
第2セパレータの斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view of a second separator of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図3】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
第2セパレータの要部破断斜視図である。
FIG. 3 is a fragmentary perspective view showing a second separator of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図4】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
分解図である。
FIG. 4 is an exploded view of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図5】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池を
構成するガスケットの斜視図である。
FIG. 5 is a perspective view of a gasket constituting a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図6】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
スタック状態説明図である。
FIG. 6 is an explanatory view of a stack state of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図7】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池を
構成するエンドプレートの斜視図である。
FIG. 7 is a perspective view of an end plate constituting a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図8】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
冷却水供給回路の説明図である。
FIG. 8 is an explanatory diagram of a cooling water supply circuit of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention.

【図9】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池の
別の実施の形態における固体高分子電解質膜と、燃料ガ
ス側電極と酸化剤ガス側電極とが分離構成された状態を
示す横断面図である。
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a state in which a solid polymer electrolyte membrane in another embodiment of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention, a fuel gas side electrode and an oxidant gas side electrode are separated and configured. It is a side view.

【図10】本発明に係る固体高分子電解質膜型燃料電池
の図9に示す別の実施の形態における発電部をセパレー
タとガスケット等と一体的に組み立てる構造の一部省略
分解横断面図である。
FIG. 10 is a partially omitted exploded cross-sectional view of the structure of integrally assembling the power generation part with the separator, the gasket and the like in another embodiment of the solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to the present invention shown in FIG. .

【図11】図10に示す発電部等をエンドプレートによ
って挟持して燃料電池を構成した状態の一部省略横断面
図である。
FIG. 11 is a partially omitted horizontal cross-sectional view of a state in which a fuel cell is configured by sandwiching the power generation unit and the like shown in FIG. 10 with end plates.

【図12】本発明のまた別の実施の形態に係る面圧発生
板を用いた固体高分子電解質膜型燃料電池の一部省略縦
断面図である。
FIG. 12 is a partially omitted vertical cross-sectional view of a solid polymer electrolyte membrane fuel cell using a surface pressure generating plate according to still another embodiment of the present invention.

【図13】本発明のさらにまた別の実施の形態に係る面
圧発生板とガス案内部材とが兼用され、しかもその周囲
に導電性部材が配設された一部省略縦断面図である。
FIG. 13 is a partially omitted vertical sectional view in which a surface pressure generating plate and a gas guide member according to still another embodiment of the present invention are also used, and a conductive member is arranged around the same.

【図14】本発明のまた別の実施の形態に係る固体高分
子電解質膜の概略縦断面図である。
FIG. 14 is a schematic vertical cross-sectional view of a solid polymer electrolyte membrane according to still another embodiment of the present invention.

【図15】図14のXV−XV線に沿う矢視図である。FIG. 15 is a view taken along line XV-XV in FIG.

【図16】本発明のまたさらに別の実施の形態に係る固
体高分子電解質膜の概略縦断面図である。
FIG. 16 is a schematic vertical sectional view of a solid polymer electrolyte membrane according to still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…燃料電池スタック 16…第1…セパ
レータ 18…第2セパレータ 20、26…リブ 30…シール部材 60…固体高分子
電解質膜 62a…第1電極触媒層 62b…第2電極
触媒層 66、68…ガスケット 200…固体高分
子電解質膜 202…燃料ガス側電極 204…酸化剤ガ
ス側電極 218、256、258…セパレータ
10 ... Fuel cell stack 16 ... 1st ... Separator 18 ... 2nd separator 20, 26 ... Rib 30 ... Sealing member 60 ... Solid polymer electrolyte membrane 62a ... 1st electrode catalyst layer 62b ... 2nd electrode catalyst layer 66, 68 ... Gasket 200 ... Solid polymer electrolyte membrane 202 ... Fuel gas side electrode 204 ... Oxidant gas side electrode 218, 256, 258 ... Separator

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 晃生 埼玉県和光市中央1−4−1 株式会社本 田技術研究所内 (72)発明者 田中 一郎 埼玉県和光市中央1−4−1 株式会社本 田技術研究所内 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (72) Inventor Akio Yamamoto 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Honda R & D Co., Ltd. (72) Inventor Ichiro Tanaka 1-4-1 Chuo, Wako-shi, Saitama Co., Ltd. Honda R & D Laboratory

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】両側面に第1と第2の電極触媒層を当接
し、若しくは一体的に形成した固体高分子電解質膜と、 前記第1の電極触媒層側に設けられた多孔質体から形成
された第1のセパレータと、 前記第1のセパレータを変位自在または変形自在に保持
し、且つ該第1のセパレータの一面と共に内部に冷却室
を画成した緻密質からなるとともに前記第2の電極触媒
層に対向する第2のセパレータと、 前記第1と第2のセパレータ間に設けられた導電性シー
ル部材と、 を有し、前記第1セパレータの他面に燃料ガス供給通路
を画成するための複数のリブを設け、一方、前記第2セ
パレータの一面に酸化剤ガス供給通路を画成するための
複数のリブを設け、前記第1セパレータの複数のリブの
先端は前記第1の電極触媒層に当接し、前記第2セパレ
ータの複数のリブの先端は前記第2の電極触媒層に当接
することを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
1. A solid polymer electrolyte membrane in which first and second electrode catalyst layers are in contact with or integrally formed on both side surfaces, and a porous body provided on the first electrode catalyst layer side. A formed first separator; and a second separator that holds the first separator in a displaceable or deformable manner and that has a dense interior that defines a cooling chamber inside with one surface of the first separator. A second separator facing the electrode catalyst layer, and a conductive seal member provided between the first and second separators, and a fuel gas supply passage is defined on the other surface of the first separator. And a plurality of ribs for defining an oxidant gas supply passage are provided on one surface of the second separator, and the tips of the plurality of ribs of the first separator have the first ribs. The second separator is abutted on the electrode catalyst layer. The solid polymer electrolyte membrane fuel cell is characterized in that tips of a plurality of ribs of the lator are in contact with the second electrode catalyst layer.
【請求項2】請求項1記載の燃料電池において、前記第
1のセパレータを構成する多孔質体は、カーボン材、導
電性多孔質焼結金属、多孔質導電性ゴム、または多孔質
導電性樹脂、およびこれらの任意の組み合わせからなる
ことを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
2. The fuel cell according to claim 1, wherein the porous body forming the first separator is a carbon material, a conductive porous sintered metal, a porous conductive rubber, or a porous conductive resin. , And a solid polymer electrolyte membrane fuel cell comprising any combination thereof.
【請求項3】請求項2記載の燃料電池において、前記第
1のセパレータを構成する多孔質体は気孔率が70%以
下で気孔径が40μm以下であることを特徴とする固体
高分子電解質膜型燃料電池。
3. The solid polymer electrolyte membrane according to claim 2, wherein the porous material forming the first separator has a porosity of 70% or less and a pore diameter of 40 μm or less. Type fuel cell.
【請求項4】固体高分子電解質膜と、 前記固体高分子電解質膜の一方の面に当接する燃料ガス
側電極と、 前記固体高分子電解質膜の他方の面に当接する酸化剤ガ
ス側電極と、 前記燃料ガス側電極に近接して配設され且つ前記固体高
分子電解質膜側へと変位させる第1のセパレータと、 前記酸化剤ガス側電極に近接して配設され且つ前記固体
高分子電解質膜側へと変位させる第2のセパレータと、 を有し、前記燃料ガス側電極は燃料ガス側電極触媒層と
燃料ガス拡散層とを積層して構成され、前記酸化剤ガス
側電極は酸化剤ガス側電極触媒と酸化剤ガス拡散層とを
積層して構成されることを特徴とする固体高分子電解質
膜型燃料電池。
4. A solid polymer electrolyte membrane, a fuel gas side electrode contacting one surface of the solid polymer electrolyte membrane, and an oxidant gas side electrode contacting the other surface of the solid polymer electrolyte membrane. A first separator disposed in proximity to the fuel gas side electrode and displaced to the solid polymer electrolyte membrane side; and a solid polymer electrolyte disposed in proximity to the oxidant gas side electrode A second separator for displacing to the membrane side, the fuel gas side electrode is formed by stacking a fuel gas side electrode catalyst layer and a fuel gas diffusion layer, and the oxidant gas side electrode is an oxidizer. A solid polymer electrolyte membrane fuel cell comprising a gas-side electrode catalyst and an oxidant gas diffusion layer stacked together.
【請求項5】請求項4記載の燃料電池において、前記燃
料ガス側電極を構成する燃料ガス拡散層はカーボンペー
パーからなることを特徴とする固体高分子電解質膜型燃
料電池。
5. The solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 4, wherein the fuel gas diffusion layer forming the fuel gas side electrode is made of carbon paper.
【請求項6】請求項4または5記載の燃料電池におい
て、前記酸化剤ガス側電極を構成する酸化剤ガス拡散層
はカーボンペーパーからなることを特徴とする固体高分
子電解質膜型燃料電池。
6. The solid polymer electrolyte membrane fuel cell according to claim 4, wherein the oxidant gas diffusion layer forming the oxidant gas side electrode is made of carbon paper.
【請求項7】請求項4乃至6のいずれか1項に記載の燃
料電池において、前記第1のセパレータはその内部に垂
直方向にそれぞれ延在する燃料ガス供給流路と、水供給
流路とを有し、前記燃料ガス側電極を構成する燃料ガス
拡散層は前記燃料ガス供給流路に面していることを特徴
とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
7. The fuel cell according to any one of claims 4 to 6, wherein the first separator has a fuel gas supply passage extending vertically inside thereof and a water supply passage. And a fuel gas diffusion layer forming the fuel gas side electrode facing the fuel gas supply channel.
【請求項8】請求項7記載の燃料電池において、前記燃
料ガス供給流路を流れる燃料ガスと、水供給流路を流れ
る水とは互いに垂直方向で且つ反対方向に流れることを
特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
8. The solid fuel cell according to claim 7, wherein the fuel gas flowing through the fuel gas supply passage and the water flowing through the water supply passage flow in directions perpendicular to and opposite to each other. Polymer electrolyte membrane fuel cell.
【請求項9】請求項4乃至8のいずれか1項に記載の燃
料電池において、前記第2のセパレータはその内部に垂
直方向にそれぞれ延在する酸化剤ガス供給流路と、水供
給流路とを有し、前記酸化剤ガス側電極を構成する酸化
剤ガス拡散層は前記酸化剤ガス供給流路に面しているこ
とを特徴とする固体高分子電解質膜型燃料電池。
9. The fuel cell according to claim 4, wherein the second separator has an oxidant gas supply channel extending vertically inside and a water supply channel. And a oxidant gas diffusion layer that constitutes the oxidant gas side electrode faces the oxidant gas supply channel.
【請求項10】請求項4乃至9のいずれか1項に記載の
燃料電池において、前記酸化剤ガス供給流路を流れる酸
化剤ガスと、水供給流路を流れる水とは互いに垂直方向
で且つ反対方向に流れることを特徴とする固体高分子電
解質膜型燃料電池。
10. The fuel cell according to claim 4, wherein the oxidant gas flowing through the oxidant gas supply passage and the water flowing through the water supply passage are perpendicular to each other, and A solid polymer electrolyte membrane fuel cell characterized by flowing in opposite directions.
【請求項11】請求項4乃至10のいずれか1項に記載
の燃料電池において、前記第1と第2のセパレータと
は、それぞれカーボン材、導電性多孔質焼結金属、多孔
質導電性ゴム、または多孔質導電性樹脂およびこれらの
任意の組み合わせからなることを特徴とする固体高分子
電解質膜型燃料電池。
11. The fuel cell according to claim 4, wherein the first and second separators are a carbon material, a conductive porous sintered metal, and a porous conductive rubber, respectively. , Or a porous conductive resin and any combination thereof, a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
【請求項12】請求項11記載の燃料電池において、前
記第1のセパレータを構成する多孔質体は気孔率が70
%以下で気孔径が40μm以下であることを特徴とする
固体高分子電解質膜型燃料電池。
12. The fuel cell according to claim 11, wherein the porous body forming the first separator has a porosity of 70.
% And the pore diameter is 40 μm or less, a solid polymer electrolyte membrane fuel cell.
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