JPH11154523A - Cell and stack of solid polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

Cell and stack of solid polymer electrolyte fuel cell

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JPH11154523A
JPH11154523A JP9318477A JP31847797A JPH11154523A JP H11154523 A JPH11154523 A JP H11154523A JP 9318477 A JP9318477 A JP 9318477A JP 31847797 A JP31847797 A JP 31847797A JP H11154523 A JPH11154523 A JP H11154523A
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polymer electrolyte
cell
electrolyte fuel
solid polymer
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JP9318477A
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Yoshiaki Enami
義晶 榎並
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Fuji Electric Co Ltd
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Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent degradation of battery performance due to partial drying of an electrolytic membrane or excessive electrode leakage by a part close to a gas supply port side of a gas transmission layer of an anode and/or cathode having permeability smaller tan the part close to a gas exhaust port side. SOLUTION: A gas transmission layer 2 on a cathode side is composed of a material with its different porosity. That is, at a part close to an supply port for air that is an oxidizer, a gas transmission layer 2 is made of carbon paper to increase thickness, and the porosity is decreased to lower gas permeability. At a part close to an air exhaust port, the gas transmission layer 2 made of like carbon paper, and however, thickness is reduced, the porosity is increased, and gas permeability is increased. Thereby, gas transmission inhibit due to water at a humid water exhaust exit side generated by reaction never occurs.

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】この発明は、固体高分子電解
質型燃料電池の単セル、および固体高分子電解質型燃料
電池の単セルを複数個積層して構成される固体高分子電
解質型燃料電池のスタックに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell and a solid polymer electrolyte fuel cell constituted by stacking a plurality of single cells of a solid polymer electrolyte fuel cell. It's about the stack.

【０００２】[0002]

【従来の技術】一般に固体高分子電解質型燃料電池の最
小発電単位であるセルの構成は図４のように表わされ
る。膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assem
bly)は、電解質膜１の両面に、それぞれ貴金属（主とし
て白金）を含むカソード側触媒層１０およびアノード側
触媒層１１を接合して形成される。ＭＥＡの外側には、
カソード側触媒層１０およびアノード側触媒層１１と対
向して、それぞれカソード側ガス透過層２およびアノー
ド側ガス透過層３が配置される。これによりそれぞれカ
ソード１６およびアノード１７が構成される。これらの
ガス透過層２および３は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃
料ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働き
をする。広義のＭＥＡには、これらのガス透過層２およ
び３を含めることもある。これらをカソード側セパレー
タ１２およびアノード側セパレータ１３で挟むことで単
セルが構成される。このセルを多数積層したものをスタ
ックという。実際の発電システムでは、通常、燃料電池
といえばスタックのことを指している。2. Description of the Related Art In general, the structure of a cell which is a minimum power generation unit of a solid polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG. Membrane Electrode Assem (MEA)
bly) is formed by joining a cathode-side catalyst layer 10 and an anode-side catalyst layer 11 each containing a noble metal (mainly platinum) to both surfaces of the electrolyte membrane 1. Outside the MEA,
A cathode-side gas permeable layer 2 and an anode-side gas permeable layer 3 are disposed opposite to the cathode-side catalyst layer 10 and the anode-side catalyst layer 11, respectively. Thus, a cathode 16 and an anode 17 are respectively formed. These gas permeable layers 2 and 3 function to transmit an oxidizing gas and a fuel gas, respectively, and at the same time to transmit a current to the outside. The MEA in a broad sense may include these gas permeable layers 2 and 3. These are sandwiched between the cathode-side separator 12 and the anode-side separator 13 to form a single cell. A stack of many of these cells is called a stack. In an actual power generation system, a fuel cell usually refers to a stack.

【０００３】電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も
一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜には
デュポンのNafion（登録商標）がある。これらの電解質
膜の特徴は他の高分子電解質と比較してプロトン伝導性
が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激にプロトン伝
導性が低下することである。このため固体高分子電解質
型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状態に制御す
ることが求められる。通常は、燃料ガスや酸化剤ガスを
加湿することによって電解質膜の乾燥を防止する。[0003] Fluorine-based polymer materials are most commonly used for electrolyte membranes. A typical commercially available electrolyte membrane is DuPont's Nafion®. The characteristics of these electrolyte membranes are that they have higher proton conductivity than other polymer electrolytes, and that the proton conductivity rapidly decreases when the electrolyte membrane is dried. For this reason, in a solid polymer electrolyte fuel cell, it is required to always control the electrolyte membrane to an appropriate water-containing state. Usually, drying of the electrolyte membrane is prevented by humidifying the fuel gas or the oxidizing gas.

【０００４】固体高分子電解質型燃料電池では、発電の
過程で次のような反応が起きる。[0004] In a solid polymer electrolyte fuel cell, the following reaction occurs in the process of power generation.

【０００５】[0005]

【化１】 Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋ ２ｅ- （アノード） ２Ｈ+ ＋ １／２Ｏ2 ＋ ２ｅ- → Ｈ2 Ｏ
（カソード） Ｈ2 ＋ １／２Ｏ2 → Ｈ2 Ｏ （全反応） 反応によって生成する水は主にカソード側に出てくる
が、一部は電解質膜を透過してアノード側にも出る。し
たがって、反応によって水素と酸素が消費され、その結
果生じる水の水蒸気が加わるために、燃料ガスや酸化剤
ガスの排出口付近では、常にその供給口付近よりも水蒸
気分圧が高くなる。Embedded image H 2 → 2H + + 2e − (anode) 2H + + 1 / 2O 2 + 2e − → H 2 O
(Cathode) H 2 + 1 / 2O 2 → H 2 O (Total reaction) Water generated by the reaction mainly flows out to the cathode side, but a part of the water passes through the electrolyte membrane and also flows out to the anode side. Therefore, hydrogen and oxygen are consumed by the reaction, and the resulting water vapor is added, so that the partial pressure of water vapor is always higher near the outlets of the fuel gas and the oxidizing gas than near the supply ports.

【０００６】[0006]

【発明が解決しようとする課題】従来技術では、セルの
電極部を構成するガス透過層は、電極の面内で均一な物
性を有している。前述のように、燃料ガスや酸化剤ガス
の排出口付近では水蒸気分圧が高くなっているので、水
蒸気の凝縮に伴うガスの透過阻害が発生しやすい。また
ガスの拡散透過を防止するために、ガスの供給口付近に
おける水蒸気分圧を低下させた場合には、ガスの供給口
部分の電解質膜が乾燥して電池性能の低下を引き起こ
す、という問題が生じる。In the prior art, the gas permeable layer constituting the electrode portion of the cell has uniform physical properties in the plane of the electrode. As described above, since the partial pressure of water vapor is high near the outlet of the fuel gas or the oxidizing gas, gas permeation inhibition due to condensation of the water vapor is likely to occur. In addition, when the partial pressure of water vapor is reduced near the gas supply port to prevent gas diffusion and permeation, the problem is that the electrolyte membrane in the gas supply port portion dries and causes a decrease in battery performance. Occurs.

【０００７】このように、燃料ガスや酸化剤ガスの供給
口付近と排出口付近とでは、反応の結果生じる水に起因
する水蒸気の分圧が必ず異なるため、それぞれの場所に
応じた電極のガス透過性が必要となる。As described above, the partial pressure of water vapor caused by water generated as a result of the reaction always differs between the vicinity of the supply port and the discharge port of the fuel gas or the oxidizing gas. Permeability is required.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は上記したような
課題を解決するために提供されるものである。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is provided to solve the above-mentioned problems.

【０００９】すなわち、本発明の第１の態様は、電解質
膜の両面にそれぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを透過さ
せるためのガス透過層と触媒層とを具えるアノードおよ
びカソードを配置して構成される固体高分子電解質型燃
料電池の単セルにおいて、前記アノードおよび／または
カソードのガス透過層のガス供給口側に近い部分が、ガ
ス排出口側に近い部分よりも、小さい透過度を有するよ
うに構成した固体高分子電解質型燃料電池の単セルであ
る。That is, the first aspect of the present invention is configured by arranging an anode and a cathode each having a gas permeable layer for allowing a fuel gas and an oxidizing gas to pass therethrough and a catalyst layer on both surfaces of an electrolyte membrane. In a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell, the portion of the gas permeable layer of the anode and / or the cathode closer to the gas supply port side has a smaller permeability than the portion closer to the gas outlet side. It is a single cell of the configured solid polymer electrolyte fuel cell.

【００１０】本発明の第２の態様は、前述した固体高分
子電解質型燃料電池の単セルにおいて、燃料ガスと酸化
剤ガスとが互いに対向する方向に通流するように構成し
た固体高分子電解質型燃料電池の単セルである。In a second aspect of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell in which the fuel gas and the oxidizing gas flow in opposite directions in the single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell described above. -Type fuel cell.

【００１１】本発明の第３の態様は、前記に記載の固体
高分子電解質型燃料電池の単セルにおいて、透過度の小
さい方のガス透過層は、気孔率を小さくおよび／または
厚さを大きく、透過度の大きい方のガス透過層は、気孔
率を大きくおよび／または厚さを小さくするように構成
した固体高分子電解質型燃料電池の単セルである。According to a third aspect of the present invention, in the single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell described above, the gas permeable layer having a smaller permeability has a smaller porosity and / or a larger thickness. The gas permeable layer having the higher permeability is a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell configured to increase the porosity and / or reduce the thickness.

【００１２】本発明の第４の態様は、前記に記載の固体
高分子電解質型燃料電池の単セルにおいて、厚さの大き
いガス透過層は、厚さの小さいガス透過層よりも弾性係
数を小さくするように構成した固体高分子電解質型燃料
電池の単セルである。According to a fourth aspect of the present invention, in the solid polymer electrolyte fuel cell described above, the gas permeable layer having a large thickness has a smaller elastic coefficient than the gas permeable layer having a small thickness. This is a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell configured as described above.

【００１３】本発明の第５の態様は、前記の固体高分子
電解質型燃料電池の単セルを複数個積層するように構成
した固体高分子電解質型燃料電池のスタックである。A fifth aspect of the present invention is a solid polymer electrolyte fuel cell stack constituted by stacking a plurality of single cells of the solid polymer electrolyte fuel cell.

【００１４】本発明の第６の態様は、電解質膜の両面に
それぞれ燃料ガスおよび酸化剤ガスを透過させるための
ガス透過層と触媒層とを具えるアノードおよびカソード
を配置して構成される固体高分子電解質型燃料電池の単
セルまたは前記単セルを複数個積層して１単位としたセ
ルブロックを、複数個積層して構成される固体高分子電
解質型燃料電池のスタックにおいて、該スタックに供給
される前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスが、前記
スタックを構成する複数の単セルまたは複数のセルブロ
ックを直列に通流し、かつ、前記燃料ガスおよび／また
は酸化剤ガスが最初に通流する単セルまたはセルブロッ
クのガス透過層の透過度を、最後に通流する単セルまた
はセルブロックのガス透過層の透過度よりも小さくする
ように構成した固体高分子電解質型燃料電池のスタック
である。According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a solid electrolyte comprising an anode and a cathode each having a gas permeable layer for permeating a fuel gas and an oxidizing gas and a catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane. In a solid polymer electrolyte fuel cell stack composed of a plurality of single cells of a polymer electrolyte fuel cell or a plurality of cell blocks stacked as a single unit by stacking a plurality of the single cells, the single cell is supplied to the stack. The fuel gas and / or the oxidizing gas flow through the plurality of single cells or the plurality of cell blocks constituting the stack in series, and the fuel gas and / or the oxidizing gas flow first. A fixed cell configured so that the permeability of the gas permeable layer of the single cell or cell block is smaller than the permeability of the gas permeable layer of the single cell or cell block that flows last. It is a stack of polymer electrolyte fuel cell.

【００１５】さらに、本発明の第７〜第９の態様は、前
記に記載の固体高分子電解質型燃料電池のスタックにお
いて、前記第２〜第４の態様と同様の構成を有するよう
した固体高分子電解質型燃料電池のスタックである。Further, according to the seventh to ninth aspects of the present invention, there is provided a solid polymer electrolyte fuel cell stack having the same structure as the second to fourth aspects. It is a stack of a molecular electrolyte fuel cell.

【００１６】[0016]

【発明の実施の形態】本発明による固体高分子電解質型
燃料電池の単セルにおいて用いられる電解質膜は、フッ
素系イオン交換樹脂膜（パーフルオロカーボンスルホン
酸ポリマー）であり、典型的にはデュポン社製のＮａｆ
ｉｏｎ（登録商標）が用いられる。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The electrolyte membrane used in the single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention is a fluorine-based ion exchange resin membrane (perfluorocarbon sulfonic acid polymer), and is typically manufactured by DuPont. Naf
ion (registered trademark) is used.

【００１７】また、用いられる触媒層としては、貴金属
触媒からなるものであり、典型的には白金触媒、白金担
持触媒が挙げられる。The catalyst layer used is made of a noble metal catalyst, and typically includes a platinum catalyst and a platinum-supported catalyst.

【００１８】本発明では、アノードおよびカソードにお
いて、触媒層の上に、燃料ガスおよび／または酸化剤ガ
スの供給口側に近い部分と、排出口側に近い部分とで、
ガス透過度が互いに異なる多孔質のガス透過層が設けら
れる。すなわち、燃料ガスや酸化剤ガスの供給口側で
は、低い加湿量でも電極の電解質膜が乾燥しないように
するために、ガス透過膜の透過度を低くして水蒸気の透
過量を低下させる。ガスの排出口側では、生成した水に
よる電解質膜の透過阻害を防止するために、ガス透過層
の透過度を高くする。In the present invention, in the anode and the cathode, a portion near the supply port side of the fuel gas and / or the oxidizing gas and a portion near the discharge port side are provided on the catalyst layer.
Porous gas permeable layers having different gas permeability are provided. That is, on the fuel gas or oxidizing gas supply port side, in order to prevent the electrolyte membrane of the electrode from drying even with a low humidification amount, the permeability of the gas permeable membrane is reduced to reduce the amount of water vapor permeated. On the gas outlet side, the permeability of the gas permeable layer is increased in order to prevent permeation inhibition of the electrolyte membrane by the generated water.

【００１９】本発明において、ガス透過層の「ガス透過
度」とは、具体的には、該透過層の厚みおよび気孔率に
より決定される。すなわち、透過層の厚みを大きく、か
つ／または気孔率を小さくすることにより、ガス透過性
は低下し、透過層の厚みを小さく、かつ／または気孔率
を大きくすることにより、ガス透過性は上昇する。ガス
透過層のガス供給口側に近い部分と、ガス排出口側に近
い部分とのガス透過率の差は任意に設定することがで
き、ガス透過層に用いられる材料の厚みおよび／または
気孔率を適宜調整することにより、調整される。In the present invention, the "gas permeability" of the gas permeable layer is specifically determined by the thickness and porosity of the permeable layer. That is, by increasing the thickness of the permeable layer and / or decreasing the porosity, the gas permeability decreases, and by decreasing the thickness of the permeable layer and / or increasing the porosity, the gas permeability increases. I do. The difference in gas permeability between the portion near the gas supply port side and the portion near the gas outlet side of the gas permeable layer can be set arbitrarily, and the thickness and / or porosity of the material used for the gas permeable layer Is adjusted as appropriate.

【００２０】また、本発明のガス透過層は、さらに、ガ
ス供給口側に近い部分が、ガス排出口に近い部分よりも
小さな弾性係数を有する（すなわち、応力に対する歪み
が大きい）ように構成されることが好ましい。Further, the gas permeable layer of the present invention is further configured such that a portion near the gas supply port side has a smaller elastic coefficient than a portion near the gas discharge port (that is, a strain with respect to stress is larger). Preferably.

【００２１】このようなガス透過性の差異を実現する多
孔質材料は、ガス供給口側に近い部分とガス排出口側に
近い部分において、上記のような厚みおよび／または気
孔率、あるいは弾性係数の差を実現できる限りにおいて
同一の材料であっても、あるいは異なる材料であっても
よい。例えばカーボンペーパー（東レ社製ＴＧＰＨ−１
２０）などが挙げられる。The porous material which realizes such a difference in gas permeability has a thickness and / or a porosity or an elastic coefficient as described above in a portion near the gas supply port side and a portion near the gas discharge port side. The same material or different materials may be used as long as the difference can be realized. For example, carbon paper (TGPH-1 manufactured by Toray Industries, Inc.)
20).

【００２２】このようにして形成されるカソードおよび
アノードは、さらに外側をセパレータにより挟み込まれ
て、単セルを形成する。ここで用いられるセパレータの
材料としては、従来公知のものが使用可能であり、例え
ばカーボングラファイト材などが挙げられる。The cathode and anode thus formed are further sandwiched on the outside by a separator to form a single cell. As the material of the separator used here, conventionally known materials can be used, and examples thereof include a carbon graphite material.

【００２３】さらに、本発明では、それぞれ、カソード
および／またはアノードのガス透過層のガス透過性が異
なる固体高分子電解質型燃料電池の単セルを複数個積層
して、スタックを形成する。この場合、スタックに供給
される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの、ガス供給
口側に近い部分に配置される単セルでは、アノードおよ
びカソードのガス透過層は、ガス排出口側に近い部分に
配置される単セルにおいて用いられるガス透過層より
も、ガス透過度を小さくなるようにする。Further, in the present invention, a stack is formed by stacking a plurality of single cells of a solid polymer electrolyte fuel cell having different gas permeability of the gas permeable layers of the cathode and / or the anode. In this case, in a single cell arranged at a portion near the gas supply port side of the fuel gas and / or oxidant gas supplied to the stack, the gas permeable layers of the anode and the cathode are arranged at a portion near the gas discharge port side. The gas permeability is set to be lower than that of the gas permeable layer used in the arranged single cell.

【００２４】以下の実施例により、本発明をさらに詳細
に説明する。The following examples illustrate the invention in more detail.

【００２５】（実施例１）本実施例による単セルの構造
を図１に示す。(Embodiment 1) FIG. 1 shows the structure of a single cell according to the present embodiment.

【００２６】本実施例では、カソード（空気極）側のガ
ス透過層のみを、厚さや気孔率の異なる材料で構成し
た。すなわち、酸化剤ガスである空気の供給口に近い部
分では、ガス透過層２の材料としてカーボンペーパーを
用い、厚さを大きく（すなわち、０．４ｍｍ）および気
孔率を小さく（すなわち、６５％）して、ガスの透過性
を低くした。一方、空気の排出口に近い部分では、逆に
ガス透過層２の材料として同じカーボンペーパーではあ
るが、厚さを小さく（すなわち、０．１ｍｍ）および気
孔率を大きく（すなわち、７８％）して、ガスの透過性
を高くした。In this embodiment, only the gas permeable layer on the cathode (air electrode) side is made of materials having different thicknesses and porosity. That is, in a portion near the supply port of the air as the oxidizing gas, carbon paper is used as the material of the gas permeable layer 2, and the thickness is large (that is, 0.4 mm) and the porosity is small (that is, 65%). Thus, the gas permeability was lowered. On the other hand, in the portion near the air outlet, the same carbon paper is used as the material of the gas permeable layer 2, but the thickness is reduced (ie, 0.1 mm) and the porosity is increased (ie, 78%). To increase gas permeability.

【００２７】この実施例では、アノード側のガス透過層
３は均一な構造としたが、必要に応じて異なる透過性を
持つ構造にすることもできる。なお、図１には空気流れ
方向１４および燃料ガス流れ方向１５が示してある。In this embodiment, the gas permeable layer 3 on the anode side has a uniform structure, but may have a structure having different permeability as required. FIG. 1 shows an air flow direction 14 and a fuel gas flow direction 15.

【００２８】この方法により、ガス供給口に近い側は乾
燥をはじめることなく、また反応により生成した水分の
多い排出口側での水分によるガスの透過阻害はみられな
かった。According to this method, drying did not start on the side near the gas supply port, and no gas transmission inhibition due to water was observed on the side of the water-rich outlet formed by the reaction.

【００２９】（実施例２）図２は、本発明の実施例２に
おける単セルの断面図を示している。(Embodiment 2) FIG. 2 is a sectional view of a single cell according to Embodiment 2 of the present invention.

【００３０】本実施例では、アノード側もカソード側
も、ガス透過層では、ガス供給口に近い側の部分には比
較的弾性に富んだ厚い材質（高弾性ガス透過層９）とし
てカーボンクロスを、およびガス排出口に近い側の部分
では、比較的弾性に乏しく、かつ気孔率が高く透過性の
大きい材質材料としてカーボンペーパーを用いた。図示
するように、燃料ガスと空気とを対向させて流すことに
より、アノード側とカソード側の低透過性を必要とする
領域（高弾性ガス透過層９を配置した領域）が重なり合
わないようにした。In this embodiment, in the gas permeable layer on both the anode side and the cathode side, the portion close to the gas supply port is made of carbon cloth as a relatively elastic and thick material (high elastic gas permeable layer 9). The carbon paper was used as a material having relatively low elasticity, high porosity and high permeability in the portion near the gas outlet. As shown in the figure, by flowing the fuel gas and the air so as to face each other, the areas requiring low permeability on the anode side and the cathode side (areas where the high elasticity gas permeable layer 9 is disposed) do not overlap. did.

【００３１】このような構成とすることにより、酸化剤
供給口と燃料ガス排出口とが、および、酸化剤排出口と
燃料ガス供給口とが、電解質膜を挟んで対向する位置に
配置されることとなるので、電解質膜乾燥が生じ易いガ
ス供給口同士、水蒸気分圧の高くなるガス排出口同士が
対向して位置する場合に比べ、両電極の乾燥、濡れがよ
りバランスされることとなり好ましい。With such a configuration, the oxidant supply port and the fuel gas discharge port, and the oxidant discharge port and the fuel gas supply port are disposed at positions facing each other with the electrolyte membrane interposed therebetween. As a result, drying and wetting of both electrodes are more balanced than in the case where gas supply ports where electrolyte membrane drying easily occurs and gas discharge ports where the partial pressure of water vapor is high are located opposite to each other, which is preferable. .

【００３２】さらに、厚さの厚い方のガス透過層材（す
なわちガス供給口に近い側の部分）として、薄い方のガ
ス透過層材よりも弾性係数の小さいものを用いたので、
小さい締付荷重で厚い方のガス透過層を圧縮でき、両者
のガス透過層の厚さのギャップを解消することができ
る。Further, since the thicker gas permeable layer material (that is, the portion near the gas supply port) is smaller in elastic modulus than the thinner gas permeable layer material,
The thicker gas permeable layer can be compressed with a small tightening load, and the gap between the thicknesses of the two gas permeable layers can be eliminated.

【００３３】（実施例３）図３は本発明の実施例３に係
る構成図で、単セルを複数積層してスタックを構成した
ものである。(Embodiment 3) FIG. 3 is a configuration diagram according to Embodiment 3 of the present invention, in which a plurality of single cells are stacked to form a stack.

【００３４】ここにおいて、個々のセル８は均一なガス
透過層を有する。セルは２つ以上のグループに分けら
れ、スタックの酸化剤ガス（空気）の供給口６に近いグ
ループから、排出口７に近いグループへと、空気が直列
に通過する。最初に通過するグループに属するセルは、
ガス透過性の小さいガス透過層を有する電極を持ち、最
後に通過するグループに属するセルはガス透過性の大き
いガス透過層を有する電極を有する。なお、このスタッ
ク４においては両側の締め付け板５によって固定され
る。Here, each cell 8 has a uniform gas permeable layer. The cells are divided into two or more groups, with air passing in series from the group near the oxidant gas (air) inlet 6 of the stack to the group near the outlet 7. Cells belonging to the first group to pass
A cell belonging to a group having a gas permeable layer having a low gas permeability and an electrode having a gas permeable layer having a high gas permeability has an electrode having a gas permeable layer having a high gas permeability. The stack 4 is fixed by the clamping plates 5 on both sides.

【００３５】この方法により、前述した実施例１と同様
の結果を得ることができるとともに、さらに本実施例で
は、個々のセルは均一なガス透過層を有するため、上記
実施例１の単セルを積層したスタックと比較して、部品
点数が少なく、かつ組み立て工程数が少なくてすむ、と
いう利点を有する。According to this method, the same result as in the first embodiment can be obtained. Further, in this embodiment, since each cell has a uniform gas permeable layer, the single cell of the first embodiment can be used. As compared with the stacked stack, there is an advantage that the number of parts is small and the number of assembling steps is small.

【００３６】[0036]

【発明の効果】上記したように、燃料ガスおよび／また
は酸化剤ガスの供給口および／または排出口側で、それ
ぞれの水蒸気分圧に応じたガス透過性を有するガス透過
層を備えた電極を使用することにより、電解質膜の部分
的な乾燥や電極の過剰な濡れによる電池性能の低下を防
止することができる。As described above, an electrode provided with a gas permeable layer having a gas permeability corresponding to the respective partial pressures of water vapor is provided on the supply and / or discharge side of the fuel gas and / or the oxidizing gas. By using this, it is possible to prevent a decrease in battery performance due to partial drying of the electrolyte membrane and excessive wetting of the electrodes.

【００３７】またアノード側とカソード側の反応ガス流
れ方向を対向させることで電解質膜を介した水分の移動
により、電解質の乾燥防止効果を高めることができる。Further, by making the reaction gas flow directions of the anode side and the cathode side opposite to each other, the effect of preventing the drying of the electrolyte can be enhanced by the movement of moisture through the electrolyte membrane.

【００３８】さらにガス透過性の低い透過層を、厚い弾
力のある材料にすることで、低い締めつけ圧力でも確実
な電気的接触を得ることができる。すなわち、低い圧力
で大きな透過層の変形が起るので、接触面積が増加し、
電気抵抗を低減できるのである。Further, by making the permeable layer having low gas permeability a thick elastic material, a reliable electric contact can be obtained even with a low clamping pressure. In other words, large deformation of the permeable layer occurs at low pressure, so the contact area increases,
Electric resistance can be reduced.

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

【図１】実施例１の電解質と電極の平面図／断面図であ
る。FIG. 1 is a plan view / cross-sectional view of an electrolyte and an electrode of Example 1.

【図２】実施例２のセル断面図である。FIG. 2 is a sectional view of a cell according to a second embodiment.

【図３】実施例３のスタック側面を表わし空気の流れを
示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a side surface of a stack according to a third embodiment and illustrating a flow of air.

【図４】従来技術に一般的なセルの構成を示す図であ
る。FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a cell generally used in the related art.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 電解質膜 ２ カソード側ガス透過層 ３ アノード側ガス透過層 ４ スタック ５ 締め付け板 ６ スタックの空気供給口 ７ スタックの空気排出口 ８ セル ９ 高弾性ガス透過層 １０ カソード側触媒層 １１ アノード側触媒層 １２ カソード側セパレータ １３ アノード側セパレータ １４ 空気流れ方向 １５ 燃料ガス流れ方向 １６ カソード １７ アノード DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrolyte membrane 2 Cathode side gas permeable layer 3 Anode side gas permeable layer 4 Stack 5 Clamping plate 6 Stack air supply port 7 Stack air discharge port 8 Cell 9 High elastic gas permeable layer 10 Cathode side catalyst layer 11 Anode side catalyst layer 12 Cathode side separator 13 Anode side separator 14 Air flow direction 15 Fuel gas flow direction 16 Cathode 17 Anode

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 電解質膜の両面にそれぞれ燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを透過させるためのガス透過層と触媒層と
を具えるアノードおよびカソードを配置して構成される
固体高分子電解質型燃料電池の単セルにおいて、 前記アノードおよび／またはカソードのガス透過層のガ
ス供給口側に近い部分が、ガス排出口側に近い部分より
も、小さい透過度を有することを特徴とする固体高分子
電解質型燃料電池の単セル。1. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising an anode and a cathode each having a gas permeable layer for allowing a fuel gas and an oxidant gas to pass therethrough and a catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane. In the single cell, a portion of the gas permeable layer of the anode and / or the cathode which is closer to the gas supply port side has a smaller permeability than a portion which is closer to the gas discharge port side. Single battery cell. 【請求項２】 請求項１に記載の固体高分子電解質型燃
料電池の単セルにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとが互
いに対向する方向に通流することを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池の単セル。2. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fuel gas and the oxidizing gas flow in directions opposite to each other. Single battery cell. 【請求項３】 請求項１または２に記載の固体高分子電
解質型燃料電池の単セルにおいて、 透過度の小さい方のガス透過層は、気孔率を小さくおよ
び／または厚さを大きく、透過度の大きい方のガス透過
層は、気孔率を大きくおよび／または厚さを小さくした
ものであることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池の単セル。3. The single cell of the solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the gas permeable layer having a smaller permeability has a smaller porosity and / or a larger thickness, and has a higher permeability. The gas permeation layer having a larger porosity has a large porosity and / or a small thickness, and is a single cell of a solid polymer electrolyte fuel cell. 【請求項４】 請求項３記載の固体高分子電解質型燃料
電池の単セルにおいて、 厚さの大きいガス透過層は、厚さの小さいガス透過層よ
りも弾性係数が小さいことを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池の単セル。4. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 3, wherein the gas permeable layer having a large thickness has a smaller elastic coefficient than the gas permeable layer having a small thickness. Single cell of polymer electrolyte fuel cell. 【請求項５】 請求項１ないし４のいずれかに記載の固
体高分子電解質型燃料電池の単セルを複数個積層して構
成することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の
スタック。5. A solid polymer electrolyte fuel cell stack comprising a plurality of single cells of the solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 stacked. 【請求項６】 電解質膜の両面にそれぞれ燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを透過させるためのガス透過層と触媒層と
を具えるアノードおよびカソードを配置して構成される
固体高分子電解質型燃料電池の単セルまたは前記単セル
を複数個積層して１単位としたセルブロックを、複数個
積層して構成される固体高分子電解質型燃料電池のスタ
ックにおいて、 該スタックに供給される前記燃料ガスおよび／または酸
化剤ガスが、前記スタックを構成する複数の単セルまた
は複数のセルブロックを直列に通流し、 かつ、前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスが最初に
通流する単セルまたはセルブロックのガス透過層の透過
度が、最後に通流する単セルまたはセルブロックのガス
透過層の透過度よりも小さいことを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池のスタック。6. A solid polymer electrolyte fuel cell comprising an anode and a cathode each having a gas permeable layer for permeating a fuel gas and an oxidizing gas and a catalyst layer on both sides of an electrolyte membrane. A stack of a solid polymer electrolyte fuel cell constituted by stacking a plurality of single cells or a plurality of cell blocks stacked as one unit, wherein the fuel gas and / or Or, the oxidizing gas flows in series through the plurality of single cells or the plurality of cell blocks constituting the stack, and the gas of the single cell or cell block through which the fuel gas and / or the oxidizing gas flows first. A solid polymer electrolyte fuel cell characterized in that the permeability of the permeable layer is smaller than the permeability of the gas permeable layer of the single cell or cell block that flows last. Stack of. 【請求項７】 請求項６に記載の固体高分子電解質型燃
料電池のスタックにおいて、燃料ガスと酸化剤ガスとが
互いに対向する方向に通流することを特徴とする固体高
分子電解質型燃料電池のスタック。7. The solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the fuel gas and the oxidant gas flow in directions facing each other. Stack. 【請求項８】 請求項６または７に記載の固体高分子電
解質型燃料電池のスタックにおいて、 透過度の小さい方のガス透過層は、気孔率を小さくおよ
び／または厚さを大きく、透過度の大きい方のガス透過
層は気孔率を大きくおよび／または厚さを小さくしたも
のであることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
のスタック。8. The solid polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 6, wherein the gas permeable layer having a smaller permeability has a smaller porosity and / or a larger thickness, and has a smaller permeability. A polymer electrolyte fuel cell stack, wherein the larger gas permeable layer has a higher porosity and / or a smaller thickness. 【請求項９】 請求項８に記載の固体高分子電解質型燃
料電池のスタックにおいて、 厚さの大きいガス透過層は、厚さの小さいガス透過層よ
りも弾性係数が小さいことを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池のスタック。9. The solid polymer electrolyte fuel cell stack according to claim 8, wherein the gas permeable layer having a large thickness has a smaller elastic coefficient than the gas permeable layer having a small thickness. Stack of polymer electrolyte fuel cells.
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