JP2006244819A - Polymer electrolyte fuel battery - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polymer electrolyte fuel battery excellent in replacement workability of a single cell, easy to take out a single cell from a laminated body, in case a trouble occurs in a polymer electrolyte film or a separator of one of the single cells in the laminated body of the fuel battery necessitating a replacement. <P>SOLUTION: For a single cell as a constituent of the polymer electrolyte fuel battery, a cross section of at least one of the pair of separators in a lamination direction is structured in a wedge shape thinning from one end to the other in a direction nearly vertical to the lamination direction. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、ポータブル電源、電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用する高分子電解質型燃料電池に関する。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell used for a portable power source, a power source for an electric vehicle, a domestic cogeneration system, and the like.

高分子電解質を用いた燃料電池は、水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する燃料ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と熱とを同時に発生させるものである。
図５は、従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成である単電池１０１は、主として、陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送する高分子電解質膜１１８、およびその両面に配置された一対のガス拡散電極１２８、１３０からなる。ガス拡散電極（アノードおよびカソード）１２８、１３０は、電極触媒（例えば白金金属）を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒層１２０、１２２、触媒層１２０、１２２の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施したカーボンペーパーからなるガス拡散層１２４、１２６から構成される。 A fuel cell using a polymer electrolyte generates electric power and heat simultaneously by electrochemically reacting a fuel gas containing hydrogen and a fuel gas containing oxygen such as air.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing the basic structure of a conventional polymer electrolyte fuel cell. A unit cell 101, which is a basic configuration of a conventional polymer electrolyte fuel cell, mainly includes a polymer electrolyte membrane 118 that selectively transports cations (hydrogen ions), and a pair of gas diffusion electrodes disposed on both sides thereof. 128, 130. The gas diffusion electrodes (anode and cathode) 128 and 130 include catalyst layers 120 and 122 in which carbon powder supporting an electrode catalyst (for example, platinum metal) is mixed with a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and catalyst layers 120 and 122. It is composed of gas diffusion layers 124 and 126 formed on the outer surface and made of carbon paper having both air permeability and electron conductivity, for example, water-repellent treatment.

そして、燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、ガス拡散電極１２８、１３０の周囲には高分子電解質膜１１８を挟んでガスケットなどのガスシール材１４０、１４２が配置される。このシール材１４０、１４２は、ガス拡散電極１２８、１３０および高分子電解質膜１１８と一体化され、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。
ＭＥＡの外側には、当該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性セパレータ１１４、１１６が配置されている。 In order to prevent the fuel gas and the oxidant gas from leaking to the outside, and the fuel gas and the oxidant gas are not mixed with each other, the polymer electrolyte membrane 118 is sandwiched between the gas diffusion electrodes 128 and 130 and a gasket or the like. Gas seal materials 140 and 142 are arranged. The sealing materials 140 and 142 are integrated with the gas diffusion electrodes 128 and 130 and the polymer electrolyte membrane 118 to constitute a membrane electrode assembly (MEA).
Outside the MEA, conductive separators 114 and 116 for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed.

セパレータ１１４、１１６のＭＥＡと接触する部分には、それぞれガス拡散電極１２８、１３０に反応ガス（燃料ガスまたは酸化剤ガス）を供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去るためのガス流路１４４、１４６が形成される。ガス流路１４４、１４６は、セパレータ１１４、１１６と別に設けることもできるが、図５に示すようにセパレータ１１４、１１６の表面に溝を設けてガス流路１４４、１４６を構成する方式が一般的である。
そして、ＭＥＡとセパレータ１１４、１１６とが単電池１０１を構成し、セパレータ１１４、１１６のガス流路１４４、１４６とは反対側の面に設けられた冷却水用流路１４８、１５０で構成される冷却部を単電池１〜３個毎に介して、ＭＥＡとセパレータ１１４、１１６を交互に積層して（即ち単電池１０１を１０〜２００個積層して）、積層体が構成される（図示せず）。そして、図示しないが、積層体は集電板および絶縁板を介してエンドプレートで挟み、これらを締結用のボルトおよびナットで両端から固定して高分子電解質型燃料電池とするのが一般的である。 Gas flow paths 144 for supplying reaction gas (fuel gas or oxidant gas) to the gas diffusion electrodes 128 and 130 and carrying away generated gas and surplus gas to the portions of the separators 114 and 116 that contact the MEA, respectively. 146 is formed. Although the gas flow paths 144 and 146 can be provided separately from the separators 114 and 116, as shown in FIG. 5, a method of forming the gas flow paths 144 and 146 by providing grooves on the surfaces of the separators 114 and 116 is generally used. It is.
The MEA and the separators 114 and 116 constitute the unit cell 101, and the cooling water channels 148 and 150 provided on the surface of the separators 114 and 116 opposite to the gas channels 144 and 146. The MEA and the separators 114 and 116 are alternately stacked via the cooling unit for every 1 to 3 cells (that is, 10 to 200 cells 101 are stacked) to form a stack (not shown). ) Although not shown, the laminate is generally sandwiched between end plates via current collector plates and insulating plates, and these are fixed from both ends with fastening bolts and nuts to form a polymer electrolyte fuel cell. is there.

ガス流路１４４、１４６および冷却水用流路１４８、１５０にそれぞれ反応ガスおよび冷却水を供給するためは、反応ガスおよび冷却水を供給する配管を、積層体に含まれるセパレータの枚数に分岐し、その分岐先を直接セパレータ上のガス流路１４４、１４６および冷却水用流路１４８、１５０につなぐ配管治具が必要となる。この治具をマニホールドと呼び、供給配管から直接つなぐ外部マニホールドと、セパレータ１１４、１１６に孔を設け、積層されたセパレータ１１４、１１６の連続する孔で構成される内部マニホールドとがある。   In order to supply the reaction gas and the cooling water to the gas flow paths 144 and 146 and the cooling water flow paths 148 and 150, respectively, the piping for supplying the reaction gas and the cooling water is branched to the number of separators included in the laminate. In addition, a piping jig that directly connects the branch destinations to the gas flow paths 144 and 146 and the cooling water flow paths 148 and 150 on the separator is required. This jig is called a manifold, and there are an external manifold that is directly connected from a supply pipe, and an internal manifold that is formed by holes formed in the separators 114 and 116 and is formed by continuous holes of the stacked separators 114 and 116.

ここで、特許文献１においては、単電池１０１の構成を簡単にするとともに、複数個の単電池１０１を積層して容易に積層体を得ることを意図して、ＭＥＡとセパレータ１１４、１１６とをシート状の両面接着剤により接着して単電池１０１を得る技術が提案されている。
特開平9-289029号公報 Here, in Patent Document 1, the MEA and the separators 114 and 116 are combined in order to simplify the configuration of the unit cell 101 and to easily obtain a laminate by stacking a plurality of unit cells 101. A technique has been proposed in which the unit cell 101 is obtained by bonding with a sheet-like double-sided adhesive.
Japanese Patent Laid-Open No. 9-289029

しかしながら、上記特許文献１の技術によれば、例えば、積層体中の一部の単電池１０１において高分子電解質膜１１８やセパレータ１１４、１１６に不具合が発生して交換する必要が生じた場合、セパレータ１１４、１１６およびＭＥＡ全体が平板状であるため、単電池１０１を積層体から取り出しにくいという問題がある。
また、不具合が発生した高分子電解質１１８やセパレータ１１４、１１６を外すためには、両面接着剤を剥がして単電池１０１を分解しなければならず、作業に手間がかかるとともに、新たな高分子電解質膜１１８やセパレータ１１４、１１６を用いて単電池１０１を積層体に組み込む際に単電池１０１の構造に歪みが生じてしまう可能性があるという問題がある。 However, according to the technique of the above-mentioned Patent Document 1, for example, when a problem occurs in the polymer electrolyte membrane 118 and the separators 114 and 116 in some of the unit cells 101 in the laminate, the separator needs to be replaced. 114 and 116 and the entire MEA have a flat plate shape, and there is a problem that it is difficult to take out the unit cell 101 from the laminated body.
Further, in order to remove the defective polymer electrolyte 118 and separators 114 and 116, the double-sided adhesive must be peeled off to disassemble the unit cell 101, which is troublesome and requires a new polymer electrolyte. There is a problem that the structure of the unit cell 101 may be distorted when the unit cell 101 is incorporated into the laminate using the film 118 and the separators 114 and 116.

以上のような問題点に鑑み、本発明は、燃料電池の積層体中の一部の単電池において高分子電解質膜やセパレータに不具合が発生して交換する必要が生じた場合に、当該単電池を積層体から取り出し易く、単電池の交換作業性に優れた高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。
また、本発明は、不具合が発生した高分子電解質膜やセパレータを外す作業に手間がかからず、新たな高分子電解質膜やセパレータを用いて単電池を組み立てて積層体に組み込む際に単電池の構造に歪みを生じることのない、高分子電解質型燃料電池を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems, the present invention provides a unit cell in a case where a defect occurs in a polymer electrolyte membrane or a separator in some unit cells in a stack of fuel cells and the unit cell needs to be replaced. It is an object of the present invention to provide a polymer electrolyte fuel cell that can be easily taken out of the laminate and has excellent battery cell replacement workability.
In addition, the present invention does not require time and effort to remove the defective polymer electrolyte membrane or separator, and the unit cell is assembled when the unit cell is assembled using the new polymer electrolyte membrane or separator and incorporated into the laminate. An object of the present invention is to provide a polymer electrolyte fuel cell that does not cause distortion in the structure.

上記問題点を解決すべく、本発明は、
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜および高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持して積層された一対のセパレータとを含む単電池を含み、
一対のセパレータが、それぞれ一対のガス拡散電極側にガス流路を有し、
一対のセパレータのうちの少なくとも一方の積層方向における断面が、積層方向に略垂直な方向において一端から他端に向けて薄くなるように構成されているくさび型形状であること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池を提供する。 In order to solve the above problems, the present invention provides:
A unit cell comprising a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, a membrane electrode assembly having a pair of gas diffusion electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators stacked with the membrane electrode assembly sandwiched therebetween Including
A pair of separators each have a gas flow path on the side of the pair of gas diffusion electrodes,
A high wedge characterized in that the cross section in the stacking direction of at least one of the pair of separators has a wedge shape configured to become thinner from one end to the other end in a direction substantially perpendicular to the stacking direction. A molecular electrolyte fuel cell is provided.

ここで、「くさび型形状」とは、上記一対のセパレータのうちの少なくとも一方のセパレータの、上記単電池における膜電極接合体と一対のセパレータとの積層方向における断面が、上記積層方向に略垂直方向において一端から他端に向けて次第に薄くなるように構成されていればよい。
したがって、くさび型形状は、上記他端が鋭角になるように構成された二等辺三角形状などの三角形状であってもよく、また、上記一端の辺よりも上記他端の辺が短い台形状であってもよい。 Here, the “wedge shape” means that the cross section of at least one of the pair of separators in the stacking direction of the membrane electrode assembly and the pair of separators in the unit cell is substantially perpendicular to the stacking direction. What is necessary is just to be comprised so that it may become thin gradually toward the other end in the direction.
Therefore, the wedge shape may be a triangular shape such as an isosceles triangle shape configured such that the other end has an acute angle, and the trapezoidal shape in which the side of the other end is shorter than the side of the one end. It may be.

上記構成によれば、燃料電池の積層体中の一部の単電池において高分子電解質膜やセパレータに不具合が発生して交換する必要が生じた場合に、当該単電池を積層体から取り出し易く、単電池の交換作業性に優れた高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
また、不具合が発生した高分子電解質膜やセパレータを外す作業に手間がかからず、新たな高分子電解質膜やセパレータを用いて単電池を組み立てて積層体に組み込む際に単電池の構造に歪みを生じることのない、高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
ここで、本発明において、「積層方向」とは膜電極接合体を構成する高分子電解質膜の主面の法線方向に略平行な方向をいう。 According to the above configuration, when a problem occurs in the polymer electrolyte membrane or the separator in some of the unit cells in the fuel cell stack, and it is necessary to replace the unit cell, it is easy to take out the unit cell from the stack, A polymer electrolyte fuel cell having excellent unit cell replacement workability can be obtained.
Also, it takes less time to remove the polymer electrolyte membrane or separator where the problem occurred, and when the unit cell is assembled using a new polymer electrolyte membrane or separator and incorporated into the laminate, the structure of the unit cell is distorted. It is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell that does not cause
Here, in the present invention, the “stacking direction” refers to a direction substantially parallel to the normal direction of the main surface of the polymer electrolyte membrane constituting the membrane electrode assembly.

本発明によれば、燃料電池の積層体中の一部の単電池において高分子電解質膜やセパレータに不具合が発生して交換する必要が生じた場合に、当該単電池を積層体から取り出し易く、単電池の交換作業性に優れた高分子電解質型燃料電池を得ることができる。
また、不具合が発生した高分子電解質膜やセパレータを外す作業に手間がかからず、新たな高分子電解質膜やセパレータを用いて単電池を組み立てて積層体に組み込む際に単電池の構造に歪みを生じることのない、高分子電解質型燃料電池を得ることができる。セパレータ板として、くさび型形状にすることでスタックの部分抜取りが簡単に行い、負荷を定格の２５％に低下しても安定運転できる信頼性の向上に貢献できる。 According to the present invention, when a problem occurs in a polymer electrolyte membrane or a separator in some unit cells in a stack of fuel cells, and it is necessary to replace the unit cells, the unit cells can be easily taken out from the stack, A polymer electrolyte fuel cell having excellent unit cell replacement workability can be obtained.
Also, it takes less time to remove the polymer electrolyte membrane or separator where the problem occurred, and when the unit cell is assembled using a new polymer electrolyte membrane or separator and incorporated into the laminate, the structure of the unit cell is distorted. It is possible to obtain a polymer electrolyte fuel cell that does not cause the problem. As the separator plate, the wedge shape is used to easily remove the stack, and it can contribute to the improvement of reliability that enables stable operation even when the load is reduced to 25% of the rating.

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略することもある。
図１は、本発明の高分子電解質型燃料電池の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１に示す単電池１を複数個積層した積層体からなる本実施形態における高分子電解質型燃料電池の概略断面図である。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a basic configuration of a preferred embodiment of a polymer electrolyte fuel cell of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment, which is composed of a laminate in which a plurality of unit cells 1 shown in FIG. 1 are laminated.

図１に示すように、本実施形態における高分子電解質型燃料電池の基本構成である単電池１は、陽イオン（水素イオン）を選択的に輸送するパーフルオロカーボンスルホン酸などの水素イオン伝導性高分子電解質膜１８、およびその両面に配置された一対のガス拡散電極２８、３０からなる。
ガス拡散電極（アノードおよびカソード）２８、３０は、電極触媒（例えば白金金属）を担持したカーボン粉末に水素イオン伝導性を有する高分子電解質を混合した触媒層２０、２２と、触媒層２０、２２の外面に形成された、通気性と電子伝導性を併せ持つ、例えば撥水処理を施した多孔質のカーボンペーパーやカーボンクロスからなるガス拡散層２４、２６とから構成される。 As shown in FIG. 1, the unit cell 1 which is the basic configuration of the polymer electrolyte fuel cell in the present embodiment has a high hydrogen ion conductivity such as perfluorocarbon sulfonic acid that selectively transports cations (hydrogen ions). It comprises a molecular electrolyte membrane 18 and a pair of gas diffusion electrodes 28, 30 disposed on both sides thereof.
The gas diffusion electrodes (anode and cathode) 28 and 30 include catalyst layers 20 and 22 in which a carbon powder supporting an electrode catalyst (for example, platinum metal) is mixed with a polymer electrolyte having hydrogen ion conductivity, and catalyst layers 20 and 22. And gas diffusion layers 24 and 26 made of, for example, porous carbon paper or carbon cloth subjected to water repellent treatment and having air permeability and electronic conductivity.

そして、ガス拡散電極２８、３０および高分子電解質膜１８と一体化され、膜電極接合体（ＭＥＡ）を構成する。
また、燃料ガスや酸化剤ガスが外部に漏れたり、燃料ガスと酸化剤ガスとが互いに混合したりしないように、ガス拡散電極２８、３０の周囲には高分子電解質膜１８を挟んでガスケットなどのガスシール材４０、４２が配置される。このシール材４０、４２は、ガス拡散電極２８、３０および高分子電解質膜１８と一体化した接合体を、ＭＥＡと呼ぶこともある。 And it integrates with the gas diffusion electrodes 28 and 30 and the polymer electrolyte membrane 18 to constitute a membrane electrode assembly (MEA).
Further, a gasket or the like is interposed between the gas diffusion electrodes 28 and 30 so that the fuel gas and the oxidant gas do not leak to the outside or the fuel gas and the oxidant gas are mixed with each other. The gas seal materials 40 and 42 are arranged. For the sealing materials 40 and 42, the joined body integrated with the gas diffusion electrodes 28 and 30 and the polymer electrolyte membrane 18 may be referred to as MEA.

ＭＥＡの外側には、当該ＭＥＡを機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡを互いに電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ１４、１６が配置されているが、本発明の最大の特徴はこのセパレータ１４、１６の構成にある。
図１に示すように、本実施形態における一対のセパレータ１４、１６は、例えばカーボン板や金属板で構成することができ、それぞれガス拡散電極２８、３０側に溝で構成されたガス流路４４、４６を有し、積層方向における断面が、積層方向に略垂直な方向（図１中のＸ方向）において一端Ｐ₁、Ｐ₂から他端Ｑ₁、Ｑ₂に向けて薄くなるように構成されているくさび型形状を有する。 Outside the MEA, conductive separators 14 and 16 for mechanically fixing the MEA and electrically connecting adjacent MEAs to each other in series are disposed. The greatest feature of the present invention is as follows. Is in the configuration of the separators 14 and 16.
As shown in FIG. 1, the pair of separators 14 and 16 in the present embodiment can be formed of, for example, a carbon plate or a metal plate, and gas flow paths 44 formed of grooves on the gas diffusion electrodes 28 and 30 side, respectively. , 46, and the cross section in the stacking direction is configured to become thinner from one end P ₁ , P ₂ toward the other end Q ₁ , Q ₂ in a direction substantially perpendicular to the stacking direction (X direction in FIG. 1). It has a wedge shape.

そして、単電池１は、セパレータ１４の厚い部分側の一端Ｐ₁と、セパレータ１６の厚い部分側の一端薄い他端Ｐ₂とが対向し、セパレータ１４の薄い部分側の一端Ｑ₁と、セパレータ１６の薄い部分側の一端薄い他端Ｑ₂とが対向するように、セパレータ１４、１６が配置されて構成されている。
換言すると、単電池１における高分子電解質膜１８を中心線としてみると、セパレータ１４、１６は線対称となる位置関係で配置されている。 The unit cell 1 has one end P ₁ on the thick portion side of the separator 14 and one thin end P ₂ on the thick portion side of the separator 16 facing each other, and one end Q ₁ on the thin portion side of the separator 14 and the separator Separators 14 and 16 are arranged so that one end on the thin part side of 16 is opposed to the other thin end Q ₂ .
In other words, when the polymer electrolyte membrane 18 in the unit cell 1 is taken as a center line, the separators 14 and 16 are arranged in a line-symmetric positional relationship.

セパレータ１４、１６のガス流路４４、４６とは反対側の面には、図示しないが、溝で構成された冷却水用流路が設けられており、当該冷却水用流路で構成される冷却部を単電池１〜３個毎に介して、ＭＥＡとセパレータ１４、１６を交互に積層して（即ち単電池１を１０〜２００個積層して）、図２に示すように積層体１１が構成される。なお、冷却水用流路は、特に限定されず、例えば従来公知の構造と同様の構造を有するものを私用することができる。
この際、積層体１１において隣り合う各単電池１は、薄い他端Ｑ₁、Ｑ₂側と厚い一端Ｐ₁、Ｐ₂側とが交互に位置するように積層されて、積層体１１が構成される。また、積層体１１は、積層体１１の両側面が略平行となるように、積層体１１の両側部にはセパレータ１４または１６のみが積層されて構成されている。 Although not shown in the drawing, the surface of the separators 14 and 16 opposite to the gas flow paths 44 and 46 is provided with a cooling water flow path configured by a groove, and is configured by the cooling water flow path. The MEA and the separators 14 and 16 are alternately stacked via the cooling unit for every 1 to 3 cells (that is, 10 to 200 cells 1 are stacked), and as shown in FIG. Is configured. In addition, the flow path for cooling water is not specifically limited, For example, what has a structure similar to a conventionally well-known structure can be used privately.
At this time, the unit cells 1 adjacent to each other in the stacked body 11 are stacked so that the thin other ends Q ₁ and Q ₂ side and the thick one ends P ₁ and P ₂ side are alternately positioned, thereby forming the stacked body 11. Is done. Further, the laminate 11 is configured by laminating only the separators 14 or 16 on both sides of the laminate 11 so that both side surfaces of the laminate 11 are substantially parallel.

この積層体１１を、集電板および絶縁板（図示せず）を介してエンドプレート５０、５２で挟み、積層体１１の外周部のセパレータ１４、１６の各辺に対向する位置において、締結用のボルト（ロッド）５４およびナット（図示せず）で両端から固定して高分子電解質型燃料電池１１０が構成されている。   The laminated body 11 is sandwiched between end plates 50 and 52 via current collector plates and insulating plates (not shown), and is fastened at positions facing the respective sides of the separators 14 and 16 on the outer peripheral portion of the laminated body 11. The polymer electrolyte fuel cell 110 is configured by being fixed from both ends with bolts (rods) 54 and nuts (not shown).

上記のような構成によれば、積層体１１中の複数の単電池１のいずれかにおいて高分子電解質膜１８やセパレータ１４、１６に不具合が発生して交換する必要が生じた場合に、各単電池１に均等に分散してかかっている締結力がくさび型形状の斜辺に作用するため当該単電池１を積層体１１から取り出し易く、単電池１の交換作業性が容易であるという効果が得られる。   According to the configuration as described above, when a defect occurs in the polymer electrolyte membrane 18 or the separators 14 and 16 in any one of the plurality of unit cells 1 in the laminate 11, it is necessary to replace each unit cell. Since the fastening force applied evenly distributed on the battery 1 acts on the wedge-shaped hypotenuse, it is easy to take out the unit cell 1 from the laminated body 11, and the effect that the replacement workability of the unit cell 1 is easy is obtained. It is done.

また、本実施形態におけるセパレータ１４、１６におけるガス流路４４、４６は、セパレータ１４、１６の断面において、上記他端Ｑ₁、Ｑ₂から上記一端Ｐ₁、Ｐ₂に向けて次第に深くなるように構成されている。
このような構成により、ガス流路４４、４６の浅いほうの溝においてガス圧力が高まり、ガス拡散電極２８、３０の表面の水分を効率よく除去することができ、フラッディング現象による燃料電池出力低下を容易かつ確実に抑制することができる。 Further, the gas flow paths 44 and 46 in the separators 14 and 16 in the present embodiment are gradually deepened from the other ends Q ₁ and Q ₂ toward the one ends P ₁ and P ₂ in the cross section of the separators 14 and 16. It is configured.
With such a configuration, the gas pressure increases in the shallower grooves of the gas flow paths 44 and 46, the moisture on the surfaces of the gas diffusion electrodes 28 and 30 can be efficiently removed, and the fuel cell output is reduced due to the flooding phenomenon. It can be easily and reliably suppressed.

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、上述の実施形態においては、単電池１に含まれる一対のセパレータ１４、１６の両方をくさび型形状としたが、いずれか一方がくさび型形状であってもよい。また、積層体１１に含まれる単電池を、一対のくさび型形状を有するセパレータ１４、１６で構成された単電池１のみとしたが、積層体１１の両側部が略平行になってエンドプレートで締結できる範囲であれば、従来の平板状の単電池と組み合わせて用いても構わない。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described in detail, this invention is not limited to the said embodiment.
For example, in the above-described embodiment, both of the pair of separators 14 and 16 included in the unit cell 1 have a wedge shape, but either one may have a wedge shape. In addition, the unit cell included in the laminate 11 is only the unit cell 1 configured by the separators 14 and 16 having a pair of wedge shapes, but both end portions of the laminate 11 are substantially parallel and are end plates. As long as it can be fastened, it may be used in combination with a conventional flat cell.

さらに、上記実施形態においては、積層体１１の両側部に、くさび型形状のセパレータ１４または１６を配置したが、当該セパレータ１４および１６に代えて、同様のくさび型形状を有する集電板、絶縁板またはエンドプレートを用いても構わない。   Furthermore, in the above embodiment, the wedge-shaped separators 14 or 16 are arranged on both sides of the laminate 11, but instead of the separators 14 and 16, a current collecting plate having a similar wedge-shaped shape, an insulating plate A plate or an end plate may be used.

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明は、これらのみに限定されるものではない。
《実施例１》
アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０Åの白金粒子を担持させて電極触媒（Ｐｔ：２５質量％）を得た。この電極触媒をイソプロパノールに分散させて得られた分散液に、旭硝子（株）社製のパーフルオロカーボンスルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパージョン溶液を混合し、ペースト状の触媒層形成用インクを得た。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
Platinum particles having an average particle size of about 30 mm were supported on acetylene black carbon powder to obtain an electrode catalyst (Pt: 25% by mass). The dispersion obtained by dispersing this electrode catalyst in isopropanol is mixed with a dispersion solution in which perfluorocarbon sulfonic acid powder made by Asahi Glass Co., Ltd. is dispersed in ethyl alcohol. Got.

このインクを用いて、スクリーン印刷法により、ガス拡散層を構成する厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒層を形成した。形成後の触媒層中に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ²、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ²となるよう調整した。これにより、ガス拡散電極を２つ作製した。 Using this ink, a catalyst layer was formed on one surface of a 250 μm thick carbon non-woven fabric constituting the gas diffusion layer by screen printing. Amount of platinum contained in the catalyst layer after forming the 0.5 mg / cm ^2, the amount of perfluorocarbon sulfonic acid was adjusted to be 1.2 mg / cm ^2. This produced two gas diffusion electrodes.

つぎに、上記のようにして作製したガス拡散電極より一回り大きい面積を有する水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜の両面の中央部分に、触媒層が高分子電解質膜に接するように、上記一対のガス拡散層をホットプレスによって接合し、電解質膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。
ここでは、上記高分子電解質膜として、旭硝子（株）社製のパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚みに薄膜化して得られた高分子電解質膜を用いた。 Next, the catalyst layer is in contact with the polymer electrolyte membrane at the center part of both surfaces of the polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity having an area slightly larger than the gas diffusion electrode produced as described above. A pair of gas diffusion layers were joined by hot pressing to produce an electrolyte membrane electrode assembly (MEA).
Here, a polymer electrolyte membrane obtained by thinning perfluorocarbon sulfonic acid manufactured by Asahi Glass Co., Ltd. to a thickness of 25 μm was used as the polymer electrolyte membrane.

本実施例においては、上記のようにして作製したＭＥＡを用い、図１に示す構造を有する単電池、および図２に示す構造を有する高分子電解質型燃料電池を作製した。
まず、厚さ３．０ｍｍのカーボン板をプレス機で切削することにより、図１に示す構造を有する一対のセパレータを形成した。このとき、ガス流路４４、４６を構成する溝の深さは約１ｍｍとした。この溝は、直線状溝部と、隣接する直線上溝部をつなぐターン状（湾曲状）溝部とで構成した。 In this example, the single cell having the structure shown in FIG. 1 and the polymer electrolyte fuel cell having the structure shown in FIG. 2 were produced using the MEA produced as described above.
First, a carbon plate having a thickness of 3.0 mm was cut with a press to form a pair of separators having the structure shown in FIG. At this time, the depth of the grooves constituting the gas flow paths 44 and 46 was about 1 mm. This groove was composed of a straight groove portion and a turn-shaped (curved) groove portion connecting adjacent straight upper groove portions.

つぎに、図示しないが、セパレータ１４、１６の、ガスシール材４０、４２の外側に位置する周縁部には、対向するように反応ガス（燃料ガスおよび酸化剤ガス）用マニホールド孔および冷却水用マニホールド孔を設けた。
また、上記のように形成した溝からなるガス流路４４を燃料ガス用マニホールド孔に連通し、上記のように形成した溝からなるガス流路４６を酸化剤ガス用マニホールド孔に連通した。したがって、セパレータ１４を燃料ガス用、セパレータ１６を酸化剤ガス用とした。 Next, although not shown in the drawings, the reaction gas (fuel gas and oxidant gas) manifold hole and the cooling water are disposed so as to face the peripheral portions of the separators 14 and 16 located outside the gas seal members 40 and 42. Manifold holes were provided.
Further, the gas flow path 44 formed of the groove formed as described above was communicated with the fuel gas manifold hole, and the gas flow path 46 formed of the groove formed as described above was communicated with the oxidant gas manifold hole. Therefore, the separator 14 is for fuel gas, and the separator 16 is for oxidant gas.

上記のようにして作製したセパレータ１４、１６で、ＭＥＡを挟持し、図１に示す構造を有する単電池１を得た。図示しないが、セパレータ１４の燃料ガス用のガス流路４４の位置と、セパレータ１６の酸化剤ガス（空気）用のガス流路４６の位置とが、対応するように単電池１を構成し、ガス拡散電極２８、３０に過剰な剪断力がかからないようにした。
また、セパレータ１４、１６におけるガス流路４４、４６とは反対側の斜面には、単電池２個毎に冷却部が形成されるように、冷却水用流路を設けた（図示せず）。 MEA was sandwiched between separators 14 and 16 produced as described above, and unit cell 1 having the structure shown in FIG. 1 was obtained. Although not shown, the unit cell 1 is configured so that the position of the gas flow path 44 for the fuel gas of the separator 14 corresponds to the position of the gas flow path 46 for the oxidant gas (air) of the separator 16. An excessive shearing force was not applied to the gas diffusion electrodes 28 and 30.
Further, on the slope opposite to the gas flow paths 44 and 46 in the separators 14 and 16, a cooling water flow path is provided (not shown) so that a cooling unit is formed for every two cells. .

このようにして、５５個の単電池１を、各単電池１のセパレータ１４、１６の薄い部分側の他端が交互になるように（セパレータ１４、１６の方向が逆さまになるように）積層し、直方体形状の積層体１１を作製した。
すなわち、図１に示すように、積層体１１においては、ある単電池１のセパレータ１４の向きと、隣接する単電池１のセパレータ１６の向きとが逆になるように、単電池１を積層した。 In this way, 55 unit cells 1 are stacked such that the other ends of the thin portions of the separators 14 and 16 of each unit cell 1 are alternated (so that the directions of the separators 14 and 16 are inverted). Then, a rectangular parallelepiped laminated body 11 was produced.
That is, as shown in FIG. 1, in the stacked body 11, the unit cells 1 are stacked so that the direction of the separator 14 of a certain unit cell 1 is opposite to the direction of the separator 16 of the adjacent unit cell 1. .

上記のようにして得た積層体１１の両側部には、セパレータ１４または１６を配置し、集電板および絶縁板を介して、ステンレス鋼製のエンドプレート、締結ボルト（ロッド）およびナットで、積層体１１を２０ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力で締結し、本発明の高分子電解質型燃料電池αを作製した。 Separators 14 or 16 are arranged on both sides of the laminate 11 obtained as described above, and through stainless steel end plates, fastening bolts (rods) and nuts, through current collector plates and insulating plates, The laminate 11 was fastened at a pressure of 20 kgf / cm ² to produce the polymer electrolyte fuel cell α of the present invention.

《比較例１》
厚さ３．０ｍｍのカーボン板をプレス機に切削して得られた平板状のセパレータを用いた以外は、実施例と同様にして単電池を作製し、さらに比較用の高分子電解質型燃料電池βを作製した。 << Comparative Example 1 >>
A unit cell was prepared in the same manner as in the example except that a flat separator obtained by cutting a carbon plate having a thickness of 3.0 mm into a press machine was used, and a polymer electrolyte fuel cell for comparison was further prepared. β was produced.

［特性評価試験］
（１）交換作業容易性
上記実施例および比較例で作製した高分子電解質型燃料電池αおよびβから、積層体の１０番目の単電池を外し、再度積層体に組み込んで高分子電解質型燃料電池を組み立て直す作業を３回行い、積層体（スタック）における単電池（セル）のずれ具合と、積層位置との関係を評価した。結果を図３に示した。
上記のずれ具合は、スタックを構成するセル（５５個）に１番から５５番の番号をつけ、スタックを構成するセル（５５個）のうち、両端に配置されている２つのセル｛スタックを挟持するエンドプレートの主面（内面）に接しているもの｝１番、５５番のセルに対するずれを測定することにより評価した。 [Characteristic evaluation test]
(1) Ease of replacement work The polymer electrolyte fuel cell is removed by removing the tenth unit cell from the polymer electrolyte fuel cells α and β produced in the above examples and comparative examples, and incorporating it again into the laminate. The operation of reassembling was performed three times, and the relationship between the degree of deviation of the single cells (cells) in the stack (stack) and the stack position was evaluated. The results are shown in FIG.
The above-mentioned deviation is obtained by assigning numbers 1 to 55 to the cells (55) constituting the stack, and out of the cells (55) constituting the stack, the two cells {stack Those in contact with the main surface (inner surface) of the end plate to be sandwiched} Evaluation was made by measuring the deviation from the 1st and 55th cells.

なお、１つのセルは、互いに対向配置される１対のセパレータ（主面が略矩形状を呈するもの）の間に、膜電極接合体が配置された構成を少なくとも有している。すなわち、１つのセルを構成するセパレータは２つある。そして、この特性評価試験に用いるスタックの構成の場合には、５５個のセルに対して、１１０個のセパレータを用いる構成を採用した。ここで、図３に示した実施例及び比較例において、１つのセルを構成する１対のセパレータ同士には以下に説明するずれがないことを確認した。   One cell has at least a configuration in which a membrane electrode assembly is disposed between a pair of separators (whose main surface has a substantially rectangular shape) arranged to face each other. That is, there are two separators constituting one cell. In the case of the stack configuration used in this characteristic evaluation test, a configuration using 110 separators for 55 cells was adopted. Here, in the example and the comparative example shown in FIG. 3, it was confirmed that there is no deviation described below between a pair of separators constituting one cell.

「ずれ（の有無）」は、スタックの異なる側面（スタックをエンドプレートを底面とする略四角柱とみなしたとき、４つの側面のうちの隣り合う２つの側面｛略直交しておりかつ隣り合う２つの側面で、側面１及び側面２として表現しています。）｝からみたずれ｛１番のセル及び５５番のセルを構成するセパレータのうちのエンドプレートの側に配置されるセパレータ（以下、「セパレータ１番」、「セパレータ５５番」という）に対するずれ｝を、それぞれ側面１のずれ、側面２のずれとして表現した。   “Displacement (existence)” means different side surfaces of the stack (when the stack is regarded as a substantially quadrangular prism with the end plate as the bottom surface, two adjacent side surfaces of the four side surfaces {substantially orthogonal and adjacent The two side faces are expressed as side face 1 and side face 2)}. {Separator disposed on the end plate side of the separators constituting the first cell and the 55th cell (hereinafter, The difference between “separator No. 1” and “separator No. 55”) is expressed as side 1 offset and side 2 offset, respectively.

上述のセパレータ１番、セパレータ５５番に対するずれは以下のように決定した。すなわち、側面１のずれを測定する場合、セパレータ１番の側面（側面１に対応する面であって、側面１を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺の中点と、セパレータ５５番の側面（側面１に対応する面であって、側面１を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺の中点とを結ぶ直線を中心線（ずれの大きさ＝０ｍｍとなる点からなる線）とし、これを側面１のずれの基準（線）とした。そして、セパレータ１番とセパレータ５５番との間に配置される、２番から５４番のセルを構成するセパレータのそれぞれの側面（側面１に対応する面、側面１を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺（比較例の場合にはより外側の辺）の中点が、この中心線に対してどの程度ずれているのかを測定した。   Deviations relative to the above-mentioned separator No. 1 and separator No. 55 were determined as follows. That is, when measuring the displacement of the side surface 1, among the side surfaces of the separator 1 (the surface corresponding to the side surface 1 and constituting the side surface 1), the midpoint of the side substantially parallel to the main surface of the end plate And the straight line connecting the midpoints of the sides substantially parallel to the main surface of the end plate among the side surfaces of the separator 55 (the surface corresponding to the side surface 1 and constituting the side surface 1) , Which is a line made up of points at which the size becomes 0 mm). And among each side surface (the surface corresponding to the side surface 1, the surface configuring the side surface 1) of the separators constituting the cells 2 to 54 arranged between the separator 1 and the separator 55, The degree to which the midpoint of the side substantially parallel to the main surface of the end plate (the outer side in the case of the comparative example) deviates from this center line was measured.

また、側面２のずれを測定する場合、すなわち、側面２のずれを測定する場合、セパレータ１番の側面（側面２に対応する面であって、側面２を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺の中点と、セパレータ５５番の側面（側面２に対応する面であって、側面２を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺の中点とを結ぶ直線を中心線（ずれの大きさ＝０ｍｍとなる点からなる線）とし、これを側面２のずれの基準（線）とした。そして、セパレータ１番とセパレータ５５番との間に配置される、２番から５４番のセルを構成するセパレータのそれぞれの側面（側面２に対応する面、側面２を構成する面）のうち、エンドプレートの主面に略平行な辺（比較例の場合にはより外側の辺）の中点が、この中心線に対してどの程度ずれているのかを測定した。
図３から、本発明の高分子電解質型燃料電池αの場合は、単電池の抜取りによる作業時間が短いにもかかわらず、積層体における単電池の積層ずれがほとんど無く、信頼性が確保し易いことがわかった。 Further, when measuring the displacement of the side surface 2, that is, when measuring the displacement of the side surface 2, the end plate among the side surfaces of the separator 1 (the surface corresponding to the side surface 2 and constituting the side surface 2). Of the side substantially parallel to the main surface of the end plate and the side surface of the separator 55 (the surface corresponding to the side surface 2 and constituting the side surface 2) of the side substantially parallel to the main surface of the end plate A straight line connecting the midpoints was defined as a center line (a line composed of points at which the magnitude of deviation = 0 mm), and this was used as a reference (line) for deviation of the side surface 2. And among each side surface (the surface corresponding to the side surface 2, the surface configuring the side surface 2) of the separators constituting the cells Nos. 2 to 54 arranged between the separator No. 1 and the separator No. 55, The degree to which the midpoint of the side substantially parallel to the main surface of the end plate (the outer side in the case of the comparative example) deviates from this center line was measured.
From FIG. 3, in the case of the polymer electrolyte fuel cell α of the present invention, despite the short operation time for removing the unit cell, there is almost no stacking deviation of the unit cell in the laminate, and it is easy to ensure reliability. I understood it.

（２）耐久性
上記実施例および比較例で作製した高分子電解質型燃料電池αおよびβの耐久性を下記の条件での発電を行うことにより評価した。
すなわち、燃料極（アノード）側には、都市ガスに水を添加して水素生成装置で改質した改質ガス（水素８０％、二酸化炭素２０％、一酸化炭素２０ｐｐｍ、露点６５℃）を供給し、酸素極（カソード）側には露点が７０℃となるように加湿した空気をそれぞれ供給し、燃料利用率８０％、酸素利用率４０％、電流密度２００ｍＡ／ｃｍ２で発電を行った。結果を図４に示す。
図４から、負荷を定格運転に対し２５％出力を下げても、本発明の高分子電解質型燃料電池αは安定して運転できることがわかった。これは、くさび型形状のセパレータの溝を深くすることで、ガス分圧が上がり、ガス拡散電極表面の水分を除去することができ、電池電圧が低下せずに出力が保たれたからであると推測される。 (2) Durability Durability of the polymer electrolyte fuel cells α and β produced in the above examples and comparative examples was evaluated by performing power generation under the following conditions.
In other words, the reformed gas (80% hydrogen, 20% carbon dioxide, 20ppm carbon monoxide, dew point 65 ° C), which is reformed with a hydrogen generator by adding water to city gas, is supplied to the fuel electrode (anode) side. Then, humidified air was supplied to the oxygen electrode (cathode) side so that the dew point was 70 ° C., and power generation was performed at a fuel utilization rate of 80%, an oxygen utilization rate of 40%, and a current density of 200 mA / cm 2. The results are shown in FIG.
From FIG. 4, it was found that the polymer electrolyte fuel cell α of the present invention can be stably operated even when the load is lowered by 25% with respect to the rated operation. This is because, by deepening the groove of the wedge-shaped separator, the gas partial pressure is increased, moisture on the surface of the gas diffusion electrode can be removed, and the output is maintained without lowering the battery voltage. Guessed.

本発明の高分子電解質型燃料電池は、車載用燃料電池、定置型コージェネレーションシステム用燃料電池などに好適に用いることが可能である。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can be suitably used for in-vehicle fuel cells, stationary cogeneration system fuel cells, and the like.

本発明の高分子電解質型燃料電池の好適な一実施形態の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of suitable one Embodiment of the polymer electrolyte fuel cell of this invention. 図１に示す単電池１を複数個積層した積層体からなる本実施形態における高分子電解質型燃料電池の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the polymer electrolyte fuel cell in this embodiment which consists of a laminated body which laminated | stacked several unit cells 1 shown in FIG. 本発明の実施例および比較例における、高分子電解質型燃料電池の積層体（スタック）における単電池（セル）のずれ具合と、積層位置との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the shift | offset | difference degree of the single cell (cell) in the laminated body (stack) of a polymer electrolyte fuel cell, and a lamination position in the Example and comparative example of this invention. 本発明の実施例および比較例における高分子電解質型燃料電池の運転時間と、上記高分子電解質型燃料電池に含まれる単電池の電池電圧との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the operation time of the polymer electrolyte fuel cell in the Example and comparative example of this invention, and the cell voltage of the single cell contained in the said polymer electrolyte fuel cell. 従来の高分子電解質型燃料電池の基本構成を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the basic composition of the conventional polymer electrolyte fuel cell.

符号の説明Explanation of symbols

１、１０１・・・単電池、１１・・・積層体、１４、１６、１１４、１１６・・・セパレータ、１８、１１８・・・高分子電解質膜、２０、２２、１２０、１２２・・・触媒層、２４、２６、１２４、１２６・・・ガス拡散層、２８、３０、１２８、１３０・・・ガス拡散電極、４０、４２、１４０、１４２・・・シール材、４４、４６、１４４、１４６・・・ガス流路、１４８、１５０・・・冷却水用流路、５０、５２・・・エンドプレート、５４・・・締結ナット、１１０・・・高分子電解質型燃料電   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 ... Single cell, 11 ... Laminated body, 14, 16, 114, 116 ... Separator, 18, 118 ... Polymer electrolyte membrane, 20, 22, 120, 122 ... Catalyst Layer, 24, 26, 124, 126 ... gas diffusion layer, 28, 30, 128, 130 ... gas diffusion electrode, 40, 42, 140, 142 ... sealing material, 44, 46, 144, 146 ... Gas flow path, 148, 150 ... Cooling water flow path, 50, 52 ... End plate, 54 ... Fastening nut, 110 ... Polymer electrolyte fuel cell

Claims (3)

水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜および前記高分子電解質膜を挟む一対のガス拡散電極を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体を挟持して積層された一対のセパレータとを含む単電池を含み、
前記一対のセパレータが、それぞれ前記一対のガス拡散電極側にガス流路を有し、
前記一対のセパレータのうちの少なくとも一方の前記積層方向における断面が、前記積層方向に略垂直な方向において一端から他端に向けて薄くなるように構成されているくさび型形状であること、を特徴とする高分子電解質型燃料電池。 A single electrode comprising a polymer electrolyte membrane having hydrogen ion conductivity, a membrane electrode assembly having a pair of gas diffusion electrodes sandwiching the polymer electrolyte membrane, and a pair of separators stacked with the membrane electrode assembly sandwiched therebetween Including batteries,
Each of the pair of separators has a gas flow path on the pair of gas diffusion electrodes,
At least one of the pair of separators has a wedge shape configured such that a cross section in the stacking direction becomes thinner from one end to the other end in a direction substantially perpendicular to the stacking direction. A polymer electrolyte fuel cell. 前記一対のセパレータの両方の前記積層方向における断面が、前記積層方向に略垂直な方向において一端から他端に向けて薄くなるように構成されているくさび型形状であること、を特徴とする請求項１に記載の高分子電解質型燃料電池。   The cross-section in the stacking direction of both of the pair of separators has a wedge shape configured to be thinner from one end to the other end in a direction substantially perpendicular to the stacking direction. Item 4. The polymer electrolyte fuel cell according to Item 1. 前記ガス流路の深さは、前記セパレータの断面において、前記他端から前記一端に向けて深くなるように構成されていること、を特徴とする請求項１または２に記載の高分子電解質型燃料電池。   3. The polymer electrolyte mold according to claim 1, wherein the depth of the gas flow path is configured to be deeper from the other end toward the one end in the cross section of the separator. Fuel cell.

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