JP2003031240A - Small-sized solid polymer fuel cell and separator for fuel cell - Google Patents
Small-sized solid polymer fuel cell and separator for fuel cellInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電気化学的な反応
を利用して発電する固体高分子型燃料電池及び燃料電池
用セパレータに関し、特に教材、学習、研究用小型燃料
電池組立キットに使用されることを目的とした小型固体
高分子型燃料電池及び燃料電池用セパレータに関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell separator that generate electricity by utilizing an electrochemical reaction, and is particularly used for teaching materials, learning and research small fuel cell assembly kits. The present invention relates to a small polymer electrolyte fuel cell and a fuel cell separator for the purpose of achieving the above object.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、燃料電池はガス拡散性で電子伝導
率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配した単
電池と、一面に酸化剤ガス流路が設けられ他面に燃料ガ
ス流路が設けられたガス流路セパレータとを交互に複数
積層してなる積層体から構成されている。燃料電池の研
究では単セルで電解質の膜を変えたり、セパレータの流
路を変えたりセパレータの材質を変えたりしていた。2. Description of the Related Art Conventionally, a fuel cell has a unit cell in which electrodes having gas diffusivity and electronic conductivity are arranged on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and an oxidant gas flow channel is provided on one side and a fuel gas on the other side. It is composed of a laminated body formed by alternately laminating a plurality of gas passage separators provided with passages. In fuel cell research, the electrolyte membrane was changed in a single cell, the flow path of the separator was changed, and the material of the separator was changed.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかし、これら燃料電
池は構造が複雑となると共に、高価で且つ多くの部品点
数を必要とし、組立キットのように簡単な学習教材とし
て使用することは困難であった。また、このようなこと
から固体高分子型燃料電池の普及には障害があった。However, these fuel cells have a complicated structure, are expensive and require a large number of parts, and it is difficult to use them as a simple learning material such as an assembly kit. It was Further, because of the above, there has been an obstacle to the spread of the polymer electrolyte fuel cell.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、簡易で安価な材料を用いて構成され得る、学習、研
究用小型固体高分子型燃料電池用組立キットを実現し、
固体高分子型燃料電池の仕組み、発電を理解してもらう
ことができる小型固体高分子型燃料電池及び燃料電池用
ガスセパレータを提供することにある。Therefore, an object of the present invention is to realize an assembly kit for a small polymer electrolyte fuel cell for learning and research, which can be constructed by using a simple and inexpensive material,
It is an object of the present invention to provide a small-sized solid polymer fuel cell and a gas separator for a fuel cell so that the mechanism of the solid polymer fuel cell and power generation can be understood.
【０００５】[0005]
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明は、燃料ガス用セパレータを用いて導入さ
れた燃料ガスと酸化剤ガス用セパレータを用いて導入さ
れた酸化剤ガスとを触媒を用いて化学反応させて電力を
得る燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータにおい
て、導入される前記酸化剤ガスを燃料ガスと仕切る酸化
剤ガス用セパレータにおける酸素導入口が短冊状に貫通
して形成されていることを特徴とするものである。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a fuel gas introduced by using a fuel gas separator and an oxidant gas introduced by using an oxidant gas separator. In a fuel cell separator used in a fuel cell that obtains electric power by chemically reacting with a catalyst, an oxygen inlet in the oxidant gas separator that partitions the oxidant gas to be introduced from the fuel gas penetrates in a strip shape. It is characterized by being formed.
【０００６】また、本発明の燃料電池用セパレータにお
いて、上記酸化剤ガス用セパレータに集電板が一体化さ
れていることを特徴とするものである。Further, the fuel cell separator of the present invention is characterized in that a collector plate is integrated with the oxidant gas separator.
【０００７】また、本発明の燃料電池用セパレータにお
いて、導入される前記燃料ガスを前記酸化剤ガスと仕切
る燃料ガス用セパレータに燃料ガス導入口が数カ所設け
られていることを特徴とするものである。The fuel cell separator of the present invention is characterized in that the fuel gas separator for partitioning the introduced fuel gas from the oxidant gas is provided with several fuel gas inlets. .
【０００８】また、本発明の燃料電池用セパレータにお
いて、上記燃料ガス用セパレータに集電板が一体化され
ていることを特徴とするものである。The fuel cell separator of the present invention is characterized in that a current collector plate is integrated with the fuel gas separator.
【０００９】また、本発明の燃料電池用セパレータにお
いて、前記燃料ガス用セパレータ又は前記酸化剤ガス用
セパレータは、カーボンまたは金属から構成されること
を特徴とするものである。In the fuel cell separator of the present invention, the fuel gas separator or the oxidant gas separator is made of carbon or metal.
【００１０】また、本発明に係る小型高分子型燃料電池
は、表裏の一方の面に酸化剤側触媒層が形成され、他方
の面に燃料ガス剤側触媒層が形成された固体高分子電解
質膜と、各触媒層の外側に配され、ジグザグ又はストレ
ートにガス流路が形成されたカーボンペーパ又はカーボ
ンクロスから構成される導電性のガス拡散層と、その両
側それぞれに設けられたガスケットと、その両側それぞ
れに設けられ、アノードまたはカソードの集電板を兼ね
たガス不透過性カーボンセパレータまたは金属セパレー
タとを備えてなるものである。The small polymer fuel cell according to the present invention is a solid polymer electrolyte in which an oxidant side catalyst layer is formed on one of the front and back surfaces and a fuel gas agent side catalyst layer is formed on the other surface. Membrane, a conductive gas diffusion layer composed of carbon paper or carbon cloth arranged on the outside of each catalyst layer and having a gas flow path formed in a zigzag or straight, and gaskets provided on both sides thereof, respectively, A gas impermeable carbon separator or a metal separator provided on each of both sides thereof and also serving as an anode or cathode current collector plate is provided.
【００１１】また、本発明の小型固体高分子型燃料電池
において、前記カーボンペーパやカーボンクロスに撥水
処理加工をしたことを特徴とするものである。Further, the small solid polymer fuel cell of the present invention is characterized in that the carbon paper and the carbon cloth are subjected to a water repellent treatment.
【００１２】また、本発明の小型固体高分子型燃料電池
において、前記固体高分子電解質膜及び前記ガス拡散層
及び前記ガス不透過性カーボンセパレータ又は金属セパ
レータがそれぞれ個別に分解可能に設けられることを特
徴とするものである。Further, in the small solid polymer electrolyte fuel cell of the present invention, the solid polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer, and the gas impermeable carbon separator or the metal separator are individually provided so as to be decomposed. It is a feature.
【００１３】また、本発明の小型固体高分子型燃料電池
において、前記ガス拡散層の種々の形状において交換可
能とされることを特徴とするものである。Further, the small solid polymer fuel cell of the present invention is characterized in that various shapes of the gas diffusion layer can be exchanged.
【００１４】また、本発明の小型固体高分子型燃料電池
において、燃料電池の適所を固定するために、高分子樹
脂、セラミック、絶縁コーティングネジや金属ネジに絶
縁チューブ等を挿入してなる締結具が用いられることを
特徴とするものである。Further, in the small solid polymer fuel cell of the present invention, a fastener formed by inserting an insulating tube or the like into a polymer resin, a ceramic, an insulating coating screw or a metal screw in order to fix the fuel cell at an appropriate position. Is used.
【００１５】[0015]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。なお、実施の形態に示す小型固体高
分子型燃料電池は、組立キットとして教材用、学習用、
研究用小型燃料電池として使用されることを目的として
いる。図１は本発明の小型固体高分子型燃料電池を示す
正面斜視図であり、図２は図１の裏面を示す斜視図であ
り、図３はガス拡散性と導電性を兼ねたカーボンペー
パ及びカーボンクロスからなる酸化剤ガス流路を示す正
面図、はガス拡散性と導電性を兼ねたカーボンペーパ
及びカーボンクロスからなる燃料ガス流路を示す正面図
であり、図４は小型固体高分子型燃料電池の分解斜視図
を示す図である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. The small polymer electrolyte fuel cell described in the embodiment is used as an assembly kit for teaching materials, learning,
It is intended to be used as a small fuel cell for research. 1 is a front perspective view showing a small polymer electrolyte fuel cell of the present invention, FIG. 2 is a perspective view showing the back surface of FIG. 1, and FIG. 3 is a carbon paper having both gas diffusivity and conductivity. FIG. 4 is a front view showing an oxidant gas flow path made of carbon cloth, FIG. 4 is a front view showing a fuel gas flow path made of carbon paper and carbon cloth having both gas diffusivity and conductivity, and FIG. 4 is a small solid polymer type. It is a figure which shows the disassembled perspective view of a fuel cell.
【００１６】図３において、酸化剤ガス流路用ガス拡
散層８の面は流路８ａが貫通してカットして設けられ、
酸化剤ガスが流れたり、触れたりする。において燃料
ガス流路用ガス拡散層４は、ガス拡散性と導電性を兼ね
たカーボンペーパ及びカーボンクロスからなり、流路４
ａがジグザグ状に貫通してカットして設けられ、燃料ガ
スが効率よく流れるようになっている。In FIG. 3, the surface of the gas diffusion layer 8 for the oxidant gas passage is provided by cutting the passage 8a.
The oxidant gas flows or touches. In the fuel gas channel, the gas diffusion layer 4 is made of carbon paper and carbon cloth having both gas diffusivity and conductivity.
The a is formed by penetrating and cutting in a zigzag shape so that the fuel gas flows efficiently.
【００１７】図４の分解斜視図に示されるように、拡散
性と導電性を兼ねたカーボンペーパまたはカーボンクロ
スに触媒層が内側に塗って形成される燃料ガス用ガス拡
散電極５及び酸化剤ガス用ガス拡散電極７が高分子電解
質膜６を挟み単電池Ａが構成されている。この単電池Ａ
の上下両側には、それぞれ酸化剤ガス流路用ガス拡散層
８および燃料ガス流路用ガス拡散層４が設けられ、これ
ら拡散層８，４には、ストレート又はジグザグに貫通し
た流路８ａ，４ａがカットして設けられている。As shown in the exploded perspective view of FIG. 4, a fuel gas gas diffusion electrode 5 and an oxidant gas formed by coating a catalyst layer on the inside of carbon paper or carbon cloth having both diffusivity and conductivity. The gas diffusion electrode 7 sandwiches the polymer electrolyte membrane 6 to form the unit cell A. This cell A
A gas diffusion layer 8 for an oxidant gas flow path and a gas diffusion layer 4 for a fuel gas flow path are provided on both upper and lower sides of the flow path 8a, which penetrate straight or zigzag. 4a is cut and provided.
【００１８】又、酸化剤ガス流路用ガス拡散層８、酸化
剤ガス用ガス拡散電極７、及び燃料ガス用ガス拡散電極
５、燃料ガス流路用ガス拡散層４の外周それぞれを覆う
ようにガスケット９，３が配置されている。そして、そ
の両側それぞれに集電板１０−１，２−１を兼ねたガス
不透過性のカーボン又は金属のカソードセパレータ（酸
化剤ガス用セパレータ）１０及びアノードセパレータ
（燃料ガス用セパレータ）２が設けられている。カソー
ドセパレータ１０は、図１に示すように、絶縁体のネジ
１１−１〜１１−８で集電板を兼ねたガス不透過性のカ
ーボン又は金属アノードセパレータ２にねじ込まれて固
定されている。１０−２，９−２，６−２，３−２はそ
れぞれ絶縁体のネジ１１−１〜１１−８が貫通する穴で
あり、２−２はそのネジ穴である。また、２−３は燃料
ガス供給穴であり、１−１，１−２はアノードセパレー
タ２に設けられた燃料ガス供給パイプである。Further, the outer peripheries of the gas diffusion layer 8 for the oxidant gas passage, the gas diffusion electrode 7 for the oxidant gas, the gas diffusion electrode 5 for the fuel gas, and the gas diffusion layer 4 for the fuel gas passage are respectively covered. Gaskets 9 and 3 are arranged. Then, a gas-impermeable carbon or metal cathode separator (oxidant gas separator) 10 and an anode separator (fuel gas separator) 2 that also serve as current collectors 10-1 and 2-1 are provided on both sides thereof. Has been. As shown in FIG. 1, the cathode separator 10 is screwed and fixed to the gas-impermeable carbon or metal anode separator 2 that also serves as a current collector plate by screws 11-1 to 11-8 of an insulator. Reference numerals 10-2, 9-2, 6-2, and 3-2 are holes through which the screws 11-1 to 11-8 of the insulating body pass, respectively, and 2-2 is the screw hole. Further, 2-3 is a fuel gas supply hole, and 1-1 and 1-2 are fuel gas supply pipes provided in the anode separator 2.
【００１９】本発明の実施の形態における小型固体高分
子型燃料電池を組み立てたところ短時間で組み立てるこ
とができた。又、水素ガスを流したところ、実施の形態
における小型高分子型燃料電池は０．５Ｗの出力が得ら
れた。さらに、長時間動作させると酸素極から水が発生
するのを観察できた。さらに水素ガスを加湿することに
より、より高出力が得られた。また、本発明の小型高分
子型燃料電池を直列又は並列につなぐことにより、高電
圧、高電流も取り出せる。なお、カーボンペーパやカー
ボンクロスにて流路を形成したため、著しく低コスト化
が実現できた。When the small solid polymer electrolyte fuel cell according to the embodiment of the present invention was assembled, it could be assembled in a short time. When hydrogen gas was flowed, the small polymer fuel cell of the embodiment obtained an output of 0.5W. Further, it was possible to observe that water was generated from the oxygen electrode when operated for a long time. Higher output was obtained by further humidifying hydrogen gas. Also, by connecting the small polymer fuel cells of the present invention in series or in parallel, high voltage and high current can be taken out. Since the flow path was made of carbon paper or carbon cloth, the cost could be significantly reduced.
【００２０】[0020]
【発明の効果】以上に詳述したように、本発明によれ
ば、簡易で安価な材料を用いて構成され得る、学習、研
究用小型固体高分子型燃料電池用組立キットを実現し、
固体高分子型燃料電池の仕組み、発電を理解してもらう
ことができる小型固体高分子型燃料電池及び燃料電池用
ガスセパレータを提供することができる。そして、本発
明は燃料電池を組み立てて、動作させることにより燃料
電池の仕組みが分かり、又発電した時の状況が観察で
き、燃料電池の挙動等を理解することが容易である。さ
らに学校や大学等で学習用に使用すればそれらの人々が
更なる燃料電池の開発へと貢献し得るため極めて有効な
教材、学習、研究用小型燃料電池キットが提供できると
いう効果を奏する。As described above in detail, according to the present invention, an assembly kit for a small-sized solid polymer electrolyte fuel cell for learning and research, which can be constructed by using a simple and inexpensive material, is realized.
It is possible to provide a small-sized solid polymer fuel cell and a gas separator for a fuel cell that allow the understanding of the mechanism and power generation of the solid polymer fuel cell. Further, according to the present invention, the mechanism of the fuel cell can be understood by assembling and operating the fuel cell, and the situation at the time of power generation can be observed, and it is easy to understand the behavior and the like of the fuel cell. Further, when used for learning at a school or university, such people can contribute to further development of fuel cells, and therefore, an extremely effective teaching material, a learning and research small fuel cell kit can be provided.
【図１】本発明の小型固体高分子型燃料電池を示す正面
斜視図である。FIG. 1 is a front perspective view showing a small polymer electrolyte fuel cell of the present invention.
【図２】図１の裏面を示す斜視図である。FIG. 2 is a perspective view showing the back surface of FIG.
【図３】（ａ）はガス拡散性と導電性を兼ねたカーボン
ペーパ及びカーボンクロスからなる酸化剤ガス流路を示
す正面図、（ｂ）はガス拡散性と導電性を兼ねたカーボ
ンペーパ及びカーボンクロスからなる燃料ガス流路を示
す正面図である。FIG. 3 (a) is a front view showing an oxidant gas flow path composed of carbon paper and carbon cloth having both gas diffusivity and conductivity, and FIG. 3 (b) is carbon paper having both gas diffusivity and conductivity. It is a front view which shows the fuel gas flow path which consists of carbon cloth.
【図４】小型固体高分子型燃料電池の分解斜視図であ
る。FIG. 4 is an exploded perspective view of a small polymer electrolyte fuel cell.
１−１，１−２ 燃料ガス供給パイプ、２ 燃料ガス用
セパレータ（アノードセパレータ）、２−１ アノード
集電板、３，９ ガスケット（パッキン）、４燃料ガス
流路用ガス拡散層、５ 燃料ガス用ガス拡散電極、６
固体高分子電解質膜、７ 酸化剤ガス用ガス拡散電極、
８ 酸化剤ガス流路用ガス拡散層、１０ 酸化剤ガス用
セパレータ（カソードセパレータ）、１０−１ カソー
ド集電板、１１ 絶縁体のネジ。1-1, 1-2 Fuel gas supply pipe, 2 Fuel gas separator (anode separator), 2-1 Anode current collector plate, 3,9 Gasket (packing), 4 Fuel gas flow path gas diffusion layer, 5 Fuel Gas diffusion electrode for gas, 6
Solid polymer electrolyte membrane, 7 gas diffusion electrode for oxidant gas,
8 oxidant gas flow path gas diffusion layer, 10 oxidant gas separator (cathode separator), 10-1 cathode current collector plate, 11 insulator screw.
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｈ０１Ｍ 8/24 Ｔ Front page continuation (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) H01M 8/24 H01M 8/24 T
Claims (10)
た燃料ガスと酸化剤ガス用セパレータを用いて導入され
た酸化剤ガスとを触媒を用いて化学反応させて電力を得
る燃料電池に用いられる燃料電池用セパレータにおい
て、 導入される前記酸化剤ガスを燃料ガスと仕切る酸化剤ガ
ス用セパレータにおける酸素導入口が短冊状に貫通して
形成されていることを特徴とする燃料電池用セパレー
タ。1. A fuel cell for obtaining electric power by chemically reacting a fuel gas introduced by using a fuel gas separator with an oxidant gas introduced by using an oxidant gas separator using a catalyst. In the fuel cell separator, the oxygen introducing port of the oxidant gas separator that partitions the introduced oxidant gas from the fuel gas is formed to penetrate in a strip shape.
において、 上記酸化剤ガス用セパレータに集電板が一体化されてい
ることを特徴とする燃料電池用セパレータ。2. The fuel cell separator according to claim 1, wherein a collector plate is integrated with the oxidant gas separator.
池用セパレータにおいて、 導入される前記燃料ガスを前記酸化剤ガスと仕切る燃料
ガス用セパレータに燃料ガス導入口が数カ所設けられて
いることを特徴とする燃料電池用セパレータ。3. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the fuel gas separator for partitioning the introduced fuel gas from the oxidant gas is provided with several fuel gas inlets. A fuel cell separator characterized by:
において、 上記燃料ガス用セパレータに集電板が一体化されている
ことを特徴とする燃料電池用セパレータ。4. The fuel cell separator according to claim 3, wherein a collector plate is integrated with the fuel gas separator.
の燃料電池用セパレータにおいて、 前記燃料ガス用セパレータ又は前記酸化剤ガス用セパレ
ータは、カーボンまたは金属から構成されることを特徴
とする燃料電池用セパレータ。5. The fuel cell separator according to claim 1, wherein the fuel gas separator or the oxidant gas separator is made of carbon or metal. Fuel cell separator.
され、他方の面に燃料ガス剤側触媒層が形成された固体
高分子電解質膜と、各触媒層の外側に配され、ジグザグ
又はストレートにガス流路が形成されたカーボンペーパ
又はカーボンクロスから構成される導電性のガス拡散層
と、その両側それぞれに設けられたガスケットと、その
両側それぞれに設けられ、アノードまたはカソードの集
電板を兼ねたガス不透過性カーボンセパレータまたは金
属セパレータとを備えてなる小型固体高分子型燃料電
池。6. A solid polymer electrolyte membrane having an oxidant side catalyst layer formed on one surface of the front and back and a fuel gas agent side catalyst layer formed on the other surface, and a solid polymer electrolyte membrane arranged outside each catalyst layer, A conductive gas diffusion layer composed of carbon paper or carbon cloth with a gas flow path formed in a zigzag or straight shape, a gasket provided on each side of the conductive gas diffusion layer, and an anode or cathode collection layer provided on each side of the gasket. A small polymer electrolyte fuel cell comprising a gas-impermeable carbon separator also serving as an electric plate or a metal separator.
電池において、 前記カーボンペーパやカーボンクロスに撥水処理加工を
したことを特徴とする小型固体高分子型燃料電池。7. The small solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the carbon paper or the carbon cloth is subjected to a water repellent treatment.
電池において、 前記固体高分子電解質膜及び前記ガス拡散層及び前記ガ
ス不透過性カーボンセパレータ又は金属セパレータがそ
れぞれ個別に分解可能に設けられることを特徴とする小
型固体高分子型燃料電池。8. The small solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein the solid polymer electrolyte membrane, the gas diffusion layer, and the gas impermeable carbon separator or metal separator are individually disassembled. A small polymer electrolyte fuel cell, which is characterized in that
の小型固体高分子型燃料電池において、 前記ガス拡散層の種々の形状において交換可能とされる
ことを特徴とする小型固体高分子型燃料電池。9. The small solid polymer fuel cell according to claim 6, wherein various shapes of the gas diffusion layer are replaceable. Type fuel cell.
載の小型固体高分子型燃料電池において、 燃料電池の適所を固定するために、高分子樹脂、セラミ
ック、絶縁コーティングネジや金属ネジに絶縁チューブ
等を挿入してなる締結具が用いられることを特徴とする
小型固体高分子型燃料電池。10. The small solid polymer electrolyte fuel cell according to claim 6, wherein a polymer resin, a ceramic, an insulation coating screw or a metal screw is used to fix the fuel cell at an appropriate position. A small polymer electrolyte fuel cell characterized in that a fastener formed by inserting an insulating tube or the like is used.
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