JP2008071508A - Solid polymer fuel cell - Google Patents

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Hiroshi Tatsui
洋 龍井
Hiroki Kusakabe
弘樹 日下部
Toshihiro Matsumoto
敏宏 松本
Yoshiteru Nagao
善輝 長尾
Norihiko Kawabata
徳彦 川畑
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a solid polymer fuel cell with a high sealing property without increasing weight or cost due to increment of the number of fastening rods. <P>SOLUTION: The solid polymer fuel cell is provided with a plurality of unit cells laminated, each of which is structured of a pair of electrodes having catalyst reaction layers arranged across a solid polymer electrolyte membrane, and a pair of conductive separators 107a, 107c equipped with a means supplying fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes and supplying oxidant gas containing oxygen to the other electrode, and a pair of end plates which gives fastening pressure to the laminated unit cells on their both end surfaces arranged. Fastening rods 16 fastening one side to the other of the end plates 123a and 123c are arranged at around the center and inside of long sides forming an outer shape of a main surface of the unit cells and the end plates. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。   The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell.

固体高分子型燃料電池は、水素などの燃料ガスと空気などの酸化ガスをガス拡散電極によって電気化学的に反応させるもので、電気と熱とを同時に発生させるものである。このような固体高分子型燃料電池の基本的な単電池の構成を図８に示した。なお、水素などの燃料ガスの関与する側をアノードと呼び、図では符号の後にａを付け表し、空気などの酸化ガスの関与する側をカソードと呼び、図では符号の後にｃを付け表した。   A solid polymer fuel cell is one in which a fuel gas such as hydrogen and an oxidizing gas such as air are reacted electrochemically by a gas diffusion electrode, and electricity and heat are generated simultaneously. The basic unit cell structure of such a polymer electrolyte fuel cell is shown in FIG. In addition, the side in which the fuel gas such as hydrogen is involved is called an anode, and in the figure, a is added after the symbol, the side in which the oxidizing gas such as air is involved is called the cathode, and in the drawing, c is added after the symbol. .

図８に於いて、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜１０１の両面には、白金系の金属触媒を担持したカーボン粉末を主成分とする触媒反応層１０２ａ，１０２ｃを密着して配置する。さらに触媒反応層１０２ａ，１０２ｃの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えた一対の拡散層１０３ａ，１０３ｃをこれに密着して配置する。この拡散層１０３ａ，１０３ｃと触媒反応層１０２ａ，１０２ｃにより電極１０４ａ，１０４ｃを構成する。電極電解質接合体１０５は（以降、ＭＥＡと称する）、電極１０４ａ，１０４ｃと高分子電解質膜１０１とで形成している。ＭＥＡ１０５外側には、ＭＥＡ１０５を機械的に固定するとともに、隣接するＭＥＡ同士を互いに電気的に直列に接続し、さらに電極に反応ガスを供給し、かつ反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路１０６ａ，１０６ｃをＭＥＡ１０５に接する面に形成した導電性セパレータ１０７ａ．１０７ｃを配置する。導電性セパレータ１０７ａでＭＥＡ１０５とは反対の面には、隣の単電池の導電性セパレータ１０７ｃが接する。導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃ同士が接する側には循環水通路１０８が備えられ、ここに循環水が流れる。循環水は導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介してＭＥＡ１０５の温度を調整するように熱を移動させる。ＭＥＡ１０５と導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃとの間にはガスを封止するＭＥＡガスケット１１０ａ，１１０ｃが備えられ、導電性セパレータ１０７ａ，１０７ｃの間には循環水を封止するセパレータガスケット１１１が備えられている。   In FIG. 8, catalyst reaction layers 102a and 102c mainly composed of carbon powder carrying a platinum-based metal catalyst are disposed in close contact with both surfaces of a polymer electrolyte membrane 101 that selectively transports hydrogen ions. To do. Further, a pair of diffusion layers 103a and 103c having both gas permeability and conductivity are disposed in close contact with the outer surfaces of the catalyst reaction layers 102a and 102c. The diffusion layers 103a and 103c and the catalyst reaction layers 102a and 102c constitute electrodes 104a and 104c. The electrode electrolyte assembly 105 (hereinafter referred to as MEA) is formed by the electrodes 104 a and 104 c and the polymer electrolyte membrane 101. The MEA 105 is mechanically fixed to the outside of the MEA 105, adjacent MEAs are electrically connected to each other in series, the reaction gas is supplied to the electrodes, and the gas generated by the reaction and excess gas are carried away. Gas separators 106a, 106c for the conductive separators 107a. 107c is arranged. A conductive separator 107c of an adjacent unit cell is in contact with the surface of the conductive separator 107a opposite to the MEA 105. A circulating water passage 108 is provided on the side where the conductive separators 107a and 107c are in contact with each other, and the circulating water flows there. The circulating water moves heat so as to adjust the temperature of the MEA 105 through the conductive separators 107a and 107c. MEA gaskets 110a and 110c for sealing gas are provided between the MEA 105 and the conductive separators 107a and 107c, and a separator gasket 111 for sealing circulating water is provided between the conductive separators 107a and 107c. Yes.

次に、基本動作を説明する。ガス流路１０６ｃに空気などの酸化ガスを流し、ガス流路１０６ａに水素などの燃料ガスを流す。燃料ガス中の水素は拡散層１０３ａを拡散し、触媒反応層１０２ａに達する。触媒反応層１０２ａで水素は水素イオンと電子に分けられる。電子は外部回路を通じてカソード側に移動される。水素イオンは膜１０１を透過しカソード側に移動し反応触媒層１０２ｃに達する。空気などの酸化ガス中の酸素は拡散層１０３ｃを拡散し、反応触媒層１０２ｃに達する。触媒反応層１０２ｃでは酸素が電子と反応し酸素イオンとなり、さらに酸素イオンは水素イオンと反応し水が生成される。つまりＭＥＡ１０５の周囲で酸化ガスと燃料ガスが反応し水が生成され、電子が流れる。さらに反応時に熱が生成し、ＭＥＡ１０５の温度が上昇する。そのため循環水経路１０８に水などを流すことにより反応で発生した熱を水で外部に運び出す。つまり、熱と電流（電気）が発生する。   Next, the basic operation will be described. An oxidizing gas such as air is flowed through the gas flow path 106c, and a fuel gas such as hydrogen is flowed through the gas flow path 106a. Hydrogen in the fuel gas diffuses through the diffusion layer 103a and reaches the catalytic reaction layer 102a. In the catalytic reaction layer 102a, hydrogen is divided into hydrogen ions and electrons. The electrons are moved to the cathode side through an external circuit. Hydrogen ions permeate the membrane 101, move to the cathode side, and reach the reaction catalyst layer 102c. Oxygen in an oxidizing gas such as air diffuses through the diffusion layer 103c and reaches the reaction catalyst layer 102c. In the catalyst reaction layer 102c, oxygen reacts with electrons to form oxygen ions, and the oxygen ions react with hydrogen ions to generate water. That is, the oxidizing gas and the fuel gas react around the MEA 105 to generate water, and electrons flow. Furthermore, heat is generated during the reaction, and the temperature of the MEA 105 rises. Therefore, the heat generated by the reaction is carried out by water by flowing water or the like through the circulating water path 108. That is, heat and current (electricity) are generated.

基本的な単電池を複数個積層した一般的な固体高分子型燃料電池スタックの構成を図９に示す。積層した単電池１１９の両端には発生する電気を集める導電性の集電板１２０を備えられ、絶縁板１２２を介してスタック両端に備えた一対のエンドプレート１２３で両端から挟持されている。この一対のエンドプレート１２３は、エンドプレート１２３，絶縁板１２２，集電板１２０および積層した単電池１１９の四隅を貫通する締結ロッド１２４で締結され、積層された複数の単電池１１９に締め付け圧力を与えてＭＥＡガスケット１１０ａ，１１０ｃおよびセパレータガスケット１１１のシール性を実現している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２２８５００号公報 FIG. 9 shows a configuration of a general polymer electrolyte fuel cell stack in which a plurality of basic unit cells are stacked. Conductive current collecting plates 120 that collect electricity generated are provided at both ends of the stacked unit cells 119, and are sandwiched from both ends by a pair of end plates 123 provided at both ends of the stack via insulating plates 122. The pair of end plates 123 are fastened by the end plate 123, the insulating plate 122, the current collector plate 120, and the fastening rods 124 penetrating through the four corners of the stacked unit cells 119, and tightening pressure is applied to the plurality of stacked unit cells 119. Thus, the sealing performance of the MEA gaskets 110a and 110c and the separator gasket 111 is realized (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-228500 A

しかしながら、上記従来の固体高分子型燃料電池では、以下のような課題があった。すなわち、固体高分子型燃料電池の軽量化や低コスト化には、締結ロッドの本数を極力減らしたいが、締結ロッドを上記従来の固体高分子型燃料電池のように四隅に配置すると、各締結ロッド間の距離が比較的長くなり、この締結ロッド間で、固体高分子型燃料電池の発電と停止による熱膨張・収縮や長期使用により、セパレータおよびエンドプレートの変形によるシール性能の低下が懸念されるという課題があった。 However, the conventional polymer electrolyte fuel cell has the following problems. In other words, in order to reduce the weight and cost of the polymer electrolyte fuel cell, it is desirable to reduce the number of fastening rods as much as possible, but if the fastening rods are arranged at the four corners as in the conventional polymer electrolyte fuel cell, each fastening rod The distance between the rods is relatively long, and there is a concern about the deterioration of the sealing performance due to deformation of the separator and end plate due to thermal expansion and contraction due to power generation and stopping of the solid polymer fuel cell and long-term use between the fastening rods There was a problem that.

本発明の固体高分子型燃料電池は、前記従来の課題を解決するものであり、シール性能の低下を極力抑えた、比較的軽量で低コストな固体高分子型燃料電池を提供することを目的とする。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention solves the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a relatively light weight and low cost polymer electrolyte fuel cell that suppresses a decrease in sealing performance as much as possible. And

上記課題を解決するために、本発明の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置するものである。   In order to solve the above-described problems, a solid polymer fuel cell of the present invention includes a solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes having a catalytic reaction layer disposed with the solid polymer electrolyte membrane interposed therebetween, and the electrodes A plurality of unit cells each including a pair of conductive separators having a means for supplying a fuel gas containing hydrogen to one of them and supplying an oxidant gas containing oxygen to the other are laminated on both end faces. A polymer electrolyte fuel cell in which a pair of end plates are arranged outside the stacked unit cells, wherein a fastening rod that fastens one end of the end plate to the other is a main part of the unit cell and the end plate. It is located near the center of the long side forming the outer shape of the surface and inside.

これにより、各締結ロッド間の距離が短くなり、締結ロッド間でのエンドプレートおよびセパレータの変形を抑制することができる。   Thereby, the distance between each fastening rod becomes short, and a deformation | transformation of the end plate and a separator between fastening rods can be suppressed.

本発明の固体高分子型燃料電池は、締結ロッドの本数を増やして固体高分子型燃料電池の重量やコストを増大させること無く、シール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。   The polymer electrolyte fuel cell of the present invention can provide a polymer electrolyte fuel cell with high sealing performance without increasing the number of fastening rods and increasing the weight and cost of the polymer electrolyte fuel cell. .

請求項１に記載の発明は、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置することにより、各締結ロッド間の距離を短くすることができるため、締結ロッド間でのエンドプレートおよびセパレータの変形を抑えることができ、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。   The invention described in claim 1 comprises a pair of conductive separators provided with means for supplying a fuel gas containing hydrogen to one of the electrodes and supplying an oxidant gas containing oxygen to the other. A solid polymer fuel cell in which a plurality of unit cells are stacked and a pair of end plates are arranged outside the unit cells stacked on both end faces thereof, and a fastening rod that fastens one end and the other end plate However, since the distance between the respective fastening rods can be shortened by being located near the center of the long side that forms the outer shape of the main surface of the unit cell and the end plate, the distance between the fastening rods can be reduced. A deformation of the end plate and the separator can be suppressed, and a polymer electrolyte fuel cell having a relatively light weight and low cost and high sealing performance can be provided.

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、締結ロッドが、前記電極の外側で、かつ、前記電極と前記単電池の外周との間に位置することにより、電極に締結ロッドが通る貫通穴とその貫通穴周囲の気密性を保つシール部を作る必要が無く、電極形状とシール形状の複雑化を招くことなく、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the fastening rod is fastened to the electrode by being positioned outside the electrode and between the electrode and the outer periphery of the unit cell. There is no need to create a through-hole through which the rod passes and a seal part that maintains the airtightness around the through-hole, and it is a relatively lightweight and low-cost solid polymer with high sealing performance without complicating the electrode shape and seal shape. Type fuel cell can be provided.

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明において、セパレータが、四角形の４隅を、元の４辺よりも新たに形成される辺が短くなるようにカットした略八角形であり、前記締結ロッドは、前記セパレータの長い４辺近傍に位置することにより、セパレータの重量を低減することができる。   The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the separator is formed by cutting the four corners of the quadrangle so that the sides newly formed are shorter than the original four sides. It is square and the fastening rod is located in the vicinity of the long four sides of the separator, thereby reducing the weight of the separator.

請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、締結ロッドが、前記単電池と前記エンドプレートを貫通していることにより、比較的軽量で低コストなシール性能の高い固体高分子型燃料電池を提供することができる。   According to a fourth aspect of the present invention, in the invention according to any one of the first to third aspects, the fastening rod penetrates the unit cell and the end plate. It is possible to provide a solid polymer fuel cell having a high sealing performance.

請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明において、セパレータが、前記セパレータの前記締結ロッドが位置する周囲に、前記締結ロッドの径よりも大きく、かつ前記セパレータの外周まで達する切り欠きを設けたことにより、セパレータの重量を低減することができる。更に、締結ロッドとセパレータが直接接することが無いために、締結ロッドに例えばステンレスなどの強度が高い導電性のものを用いても、周囲を絶縁処理する必要がなく、比較的単純な構成で単電池を積層した固体高分子型燃料電池を提供することができる。   The invention according to claim 5 is the invention according to any one of claims 1 to 3, wherein the separator is larger than the diameter of the fastening rod around the position where the fastening rod of the separator is located, and By providing the notch reaching the outer periphery of the separator, the weight of the separator can be reduced. Further, since the fastening rod and the separator are not in direct contact with each other, there is no need to insulate the surroundings even if a conductive material having high strength such as stainless steel is used for the fastening rod. A polymer electrolyte fuel cell in which cells are stacked can be provided.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明するが、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。なお、従来例と同一の部分については、同一符号を付してその説明を省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments. In addition, about the part same as a prior art example, the same code | symbol is attached | subjected and the description is abbreviate | omitted.

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図である。 (Embodiment 1)
FIG. 1 is an exploded view of a unit cell of a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention.

図１に示すように、単電池は一対の電極１０４で高分子電解質膜１０１を挟んで構成したＭＥＡ１０５を、一対のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとからなるセパレータ１０７で挟み込んで構成されている。アノード側セパレータ１０７ａおよびカソード側セパレータ１０７ｃには、外部から水素を含む燃料ガスを導入するための燃料ガス入口マニホールド１と、発電に使用されなかった燃料ガスを外部に排出するための燃料ガス出口マニホールド２と、酸素を含む酸化剤ガスを外部から導入するための酸化剤ガス入口マニホールド３と、発電に使用されなかった酸化剤ガスを外部に排出するための酸化剤ガス出口マニホールド４とが各セパレータ１０７ａ，１０７ｃの外周近傍に貫通して設けられている。また、アノード側セパレータ１０７ａのＭＥＡ１０５と接する面には、燃料ガス入口マニホールド１と燃料ガス出口マニホールド２とを結び、電極１０４に燃料ガスを供給するためのガス流路１０６ａが設けられている。同様にカソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面には、酸化剤ガス入口マニホールド３と酸化剤ガス出口マニホールド４とを結び、電極１０４に酸化剤ガスを供給するためのガス流路１０６ｃが設けられている。ガス流路１０６ａ，１０６ｃは、電極１０４に対して可能な限り均一にガスを供給するために、複数本の流路を蛇行させて形成している。なお、単電池に供給する燃料ガスおよび酸化剤ガスは、高分子電解質膜１０１の水素イオン伝導性を発揮させるために加湿して常に高分子電解質膜１０１を湿潤状態に保つようにしているが、ガス中の水蒸気が凝縮して、あるいは発電に伴って生成した水がガス流路１０６ａ，１０６ｃにたまって流路を閉塞し、ガスの流れを阻害しないように上方から導入して下方から排出されるようにガス流路１０６ａ，１０６ｃを構成した。   As shown in FIG. 1, the unit cell is configured by sandwiching an MEA 105 configured by sandwiching a polymer electrolyte membrane 101 between a pair of electrodes 104 between separators 107 including a pair of anode-side separators 107 a and cathode-side separators 107 c. Yes. The anode-side separator 107a and the cathode-side separator 107c have a fuel gas inlet manifold 1 for introducing a fuel gas containing hydrogen from the outside, and a fuel gas outlet manifold for discharging the fuel gas not used for power generation to the outside. 2, an oxidant gas inlet manifold 3 for introducing an oxidant gas containing oxygen from the outside, and an oxidant gas outlet manifold 4 for discharging the oxidant gas not used for power generation to the outside. 107a and 107c are provided in the vicinity of the outer periphery. Further, a gas flow path 106 a for connecting the fuel gas inlet manifold 1 and the fuel gas outlet manifold 2 and supplying fuel gas to the electrode 104 is provided on the surface of the anode separator 107 a that contacts the MEA 105. Similarly, on the surface of the cathode side separator 107 c that contacts the MEA 105, a gas flow path 106 c for connecting the oxidant gas inlet manifold 3 and the oxidant gas outlet manifold 4 and supplying the oxidant gas to the electrode 104 is provided. Yes. The gas flow paths 106 a and 106 c are formed by meandering a plurality of flow paths in order to supply gas to the electrode 104 as uniformly as possible. The fuel gas and the oxidant gas supplied to the unit cell are humidified in order to exert the hydrogen ion conductivity of the polymer electrolyte membrane 101, and the polymer electrolyte membrane 101 is always kept in a wet state. Water vapor generated in the gas condenses or water generated by power generation accumulates in the gas flow paths 106a and 106c to block the flow path, and is introduced from above and discharged from below so as not to disturb the gas flow. The gas flow paths 106a and 106c were configured as described above.

また、アノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとには、発電とともに発生する熱を取り去るための循環水を、カソード側セパレータ１０７ｃのＭＥＡ１０５と接する面と反対の面に形成した循環水流路（図示せず）に導入，排出するための循環水入口マニホールド５と循環水出口マニホールド６が、外周近傍に貫通して設けられている。   The anode side separator 107a and the cathode side separator 107c have circulating water passages (not shown) in which circulating water for removing heat generated during power generation is formed on the surface opposite to the surface of the cathode side separator 107c in contact with the MEA 105. The circulating water inlet manifold 5 and the circulating water outlet manifold 6 for introducing and discharging are provided in the vicinity of the outer periphery.

また、ＭＥＡ１０５には各マニホールド１，２，３，４，５，６に対応する位置に穴が設けられており、ＭＥＡ１０５のアノード電極１０４ａ（アノード側セパレータ１０７ａと接する側の電極１０４の面）側で、アノード電極１０４ａの外側には、燃料ガスが外部に漏れず、かつ酸化剤ガスと循環水とがこの面に進入しないように考慮したシール部であるＭＥＡガスケット１１０ａが設けられている。同様に、ＭＥＡ１０５のカソード電極１０４ｃ（カソード側セパレータ１０７ｃと接する側の電極１０４の面）側でカソード電極１０４ｃの外側には酸化剤ガスが外部に漏れず、かつ燃料ガスと循環水がこの面に浸入しないように考慮したＭＥＡガスケット（図示せず）が設けられている。なお、このＭＥＡガスケット１１０は導電性のアノード側セパレータ１０７ａとカソード側セパレータ１０７ｃとが直接接触して短絡しないようにする絶縁の役割も果たしており、図１で示した線シールではなく面シールとしても良く、また、ＭＥＡガスケット１１０とは別に絶縁体を挿入しても、シールが行えれば良い。   The MEA 105 is provided with holes at positions corresponding to the manifolds 1, 2, 3, 4, 5, and 6, and the MEA 105 has an anode electrode 104a (the surface of the electrode 104 on the side in contact with the anode-side separator 107a) side. On the outside of the anode electrode 104a, there is provided an MEA gasket 110a which is a seal portion in consideration of preventing the fuel gas from leaking to the outside and preventing the oxidant gas and the circulating water from entering this surface. Similarly, on the cathode electrode 104c (surface of the electrode 104 on the side in contact with the cathode separator 107c) side of the MEA 105, oxidant gas does not leak outside the cathode electrode 104c, and fuel gas and circulating water are on this surface. An MEA gasket (not shown) is provided to prevent intrusion. The MEA gasket 110 also plays a role of insulation so that the conductive anode side separator 107a and the cathode side separator 107c are in direct contact with each other so as not to be short-circuited. Moreover, even if an insulator is inserted in addition to the MEA gasket 110, it is sufficient that sealing can be performed.

さらに、ＭＥＡ１０５には、ＭＥＡ１０５の主面（単電池の積層方向に対して垂直に交わる面）の外形を形成する長辺の中心付近で、かつ内側に貫通穴が設けてある。すなわち、本実施の形態１のＭＥＡ１０５は図１に示すように略正方形であるので、ＭＥＡ１０５の外周とＭＥＡガスケット１１０の間で、かつＭＥＡ１０５の外周を形成する４辺のうち、略平行な各２辺の中心を結んだ線上の４箇所に貫通穴８を設けている。さらにセパレータ１０７にも、ＭＥＡ１０５を挟み込んだときにＭＥＡ１０５に設けた貫通穴８が対応する位置に、同じく貫通穴８を設けている。   Further, the MEA 105 is provided with a through-hole in the vicinity of the center of the long side that forms the outer shape of the main surface of the MEA 105 (the surface that intersects perpendicularly to the stacking direction of the unit cells). That is, since the MEA 105 of the first embodiment is substantially square as shown in FIG. 1, each of the four sides forming the outer periphery of the MEA 105 between the outer periphery of the MEA 105 and the MEA gasket 110 is substantially parallel to each other. Through holes 8 are provided at four locations on the line connecting the centers of the sides. Further, the separator 107 is similarly provided with a through hole 8 at a position corresponding to the through hole 8 provided in the MEA 105 when the MEA 105 is sandwiched.

前記貫通穴の位置では、貫通穴８によってＭＥＡ１０５とセパレータ１０７との間のＭＥＡガスケット１１０によるシール性が阻害されることはない。   At the position of the through hole, the sealing performance by the MEA gasket 110 between the MEA 105 and the separator 107 is not hindered by the through hole 8.

図２は図１に示す単電池を積層して構成した固体高分子形燃料電池の構成を示す斜視図であり、図３（ａ）は同固体高分子形燃料電池の左側面図であり、図３（ｂ）は右側面図である。   FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a polymer electrolyte fuel cell configured by stacking the single cells shown in FIG. 1, and FIG. 3A is a left side view of the polymer electrolyte fuel cell. FIG. 3B is a right side view.

図２，図３に示すように本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、単電池を複数枚積層し、両端に位置する単電池のセパレータ１０７ａ，１０７ｃと電気的に接続したステンレス鋼に金メッキを施した集電板１２０を配置し、絶縁板１２２を介して一対のエンドプレート１２３で挟持したものである。以下、単電池を積層して一対のエンドプレート１２３で挟持した構成をスタックと称する。   As shown in FIGS. 2 and 3, the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment is made of stainless steel in which a plurality of unit cells are stacked and electrically connected to the unit cell separators 107a and 107c located at both ends. A current collecting plate 120 plated with gold is disposed and sandwiched between a pair of end plates 123 via an insulating plate 122. Hereinafter, a configuration in which the cells are stacked and sandwiched between the pair of end plates 123 is referred to as a stack.

なお、単電池の積層は、単電池を構成するアノード側セパレータ１０７ａと隣り合う単電池を構成するカソード側セパレータ１０７ｃとが電気的に接続され、かつ、カソード側セパレータ１０７ｃに形成した循環水流路から水が外部に漏れないように、かつ燃料ガスと酸化剤ガスとがこの面に侵入しないように考慮して形成したセパレータガスケット（図示せず）が設けられている。   In addition, the stack of the unit cells is formed by connecting the anode side separator 107a constituting the unit cell and the cathode side separator 107c constituting the adjacent unit cell electrically and from the circulating water flow path formed in the cathode side separator 107c. A separator gasket (not shown) is provided so that water does not leak to the outside and fuel gas and oxidant gas do not enter this surface.

エンドプレート１２３には、スタックの陽極側となるカソード側セパレータ１０７ｃと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陽極側エンドプレート１２３ｃと、スタックの陰極側となるアノード側セパレータ１０７ａと電気的に接続された集電板１２０と絶縁板１２２を介して接する陰極側エンドプレート１２３ａとがあり、陰極側エンドプレート１２３ａには、燃料ガスをスタックに導入する燃料ガス入口９と、酸化剤ガスをスタックに導入する酸化剤ガス入口１０と、冷却水を導入する冷却水入口１１とが設けられ、それぞれ燃料ガス入口マニホールド１，酸化剤ガス入口マニホールド３，循環水入口マニホールド５と接続されている。また、陽極側エンドプレート１２３ｃには、燃料ガスをスタックから排出する燃料ガス出口１２と、酸化剤ガスをスタックから排出する酸化剤ガス出口１３と、冷却水を排出する冷却水出口１４とが設けられ、それぞれ燃料ガス出口マニホールド２，酸化剤ガス出口マニホールド４，循環水出口マニホールド６と接続されている。   The end plate 123 includes an anode-side end plate 123c that is in contact with a current collector plate 120 electrically connected to a cathode-side separator 107c serving as an anode side of the stack through an insulating plate 122, and an anode side serving as a cathode side of the stack. There is a current collector plate 120 electrically connected to the separator 107a and a cathode side end plate 123a in contact with each other through an insulating plate 122. The cathode side end plate 123a has a fuel gas inlet 9 for introducing fuel gas into the stack, and An oxidant gas inlet 10 for introducing oxidant gas into the stack and a cooling water inlet 11 for introducing cooling water are provided, respectively, a fuel gas inlet manifold 1, an oxidant gas inlet manifold 3, a circulating water inlet manifold 5 and It is connected. The anode side end plate 123c is provided with a fuel gas outlet 12 for discharging fuel gas from the stack, an oxidant gas outlet 13 for discharging oxidant gas from the stack, and a cooling water outlet 14 for discharging cooling water. Are connected to the fuel gas outlet manifold 2, the oxidant gas outlet manifold 4, and the circulating water outlet manifold 6, respectively.

集電板１２０には、ＭＥＡ１０５の中央に対応する位置に端子１５が絶縁板１２２とエンドプレート１２３とを貫通し、エンドプレート１２３と電気的に絶縁された状態でエンドプレート１２３から突出して設けられ、外部回路に接続されている。   In the current collector plate 120, a terminal 15 is provided at a position corresponding to the center of the MEA 105 so as to protrude from the end plate 123 while being electrically insulated from the end plate 123 through the insulating plate 122 and the end plate 123. Connected to an external circuit.

また、陰極側エンドプレート１２３ａと陽極側エンドプレート１２３ｃとは、締結ロッド１６により締結している。この締結ロッド１６は、積層した単電池のセパレータ１０７およびＭＥＡ１０５に設けた貫通穴８と、この貫通穴８に対応したエンドプレート１２３，絶縁板１２２および集電板１２０にそれぞれ設けられた貫通穴（図示せず）とを、各単電池と電気的に絶縁された状態で貫通している。また、この締結ロッド１６によって締結されたエンドプレート１２３は、積層した単電池のＭＥＡガスケット１１０およびセパレータガスケットに均一な締め付け圧力を与えている。なお、単電池の主面とは、単電池の積層方向に対して垂直に交わる単電池における面を指し、エンドプレートの主面とは、単電池の積層方向に対して垂直に交わるエンドプレートにおける面を指す。   Further, the cathode side end plate 123 a and the anode side end plate 123 c are fastened by the fastening rod 16. The fastening rod 16 includes a through hole 8 provided in the separator 107 and the MEA 105 of the stacked unit cells, and a through hole provided in the end plate 123, the insulating plate 122, and the current collector plate 120 corresponding to the through hole 8 ( (Not shown) in a state of being electrically insulated from each unit cell. Further, the end plate 123 fastened by the fastening rod 16 applies a uniform fastening pressure to the MEA gasket 110 and the separator gasket of the stacked unit cells. The main surface of the unit cell refers to the surface of the unit cell that intersects perpendicularly to the stacking direction of the unit cell, and the main surface of the end plate refers to the end plate that intersects perpendicularly to the stacking direction of the unit cell. Point to the surface.

以上のように構成した固体高分子型燃料電池について、以下その動作、作用について説明する。   The operation and action of the polymer electrolyte fuel cell configured as described above will be described below.

燃料ガス入口９からスタックに供給された燃料ガスは燃料ガス入口マニホールド１を介して各単電池のアノード側セパレータ１０７ａのガス流路１０６ａを通って電極１０４のアノード側に供給される。一方、酸化剤ガス入口１０からスタックに供給された酸化剤ガスは酸化剤入口マニホールドを介して、各単電池のカソード側セパレータ１０７ｃのガス流路１０６ｃを通って電極１０４のカソード側に供給され、燃料ガス中の水素と酸化剤ガス中の酸素が電気化学反応を起こして電気と熱が発生する。   The fuel gas supplied to the stack from the fuel gas inlet 9 is supplied to the anode side of the electrode 104 through the fuel gas inlet manifold 1 through the gas flow path 106a of the anode separator 107a of each unit cell. On the other hand, the oxidant gas supplied to the stack from the oxidant gas inlet 10 is supplied to the cathode side of the electrode 104 through the gas channel 106c of the cathode side separator 107c of each unit cell via the oxidant inlet manifold, Hydrogen in the fuel gas and oxygen in the oxidant gas cause an electrochemical reaction to generate electricity and heat.

発電に伴って発生した熱は、循環水を循環水入口１１から循環水入口マニホールド５を介してアノード側セパレータ１０７ａの循環水流路に供給し、循環水出口マニホールド６を介して循環水出口１４からスタックの外へ排出することにより、セパレータ１０７ａ，１０７ｃを介して搬出する。   The heat generated by the power generation supplies the circulating water from the circulating water inlet 11 to the circulating water flow path of the anode separator 107a via the circulating water inlet manifold 5, and from the circulating water outlet 14 via the circulating water outlet manifold 6. By discharging out of the stack, it is carried out via the separators 107a and 107c.

ＭＥＡガスケット１１０、およびセパレータガスケットは、締結ロッド１６による締め付け圧力により、燃料ガスと酸化剤ガス、および循環水がそれぞれ所定の経路以外に漏れ出さないようにシール性能を発揮することができるが、本実施の形態では、各締結ロッド間の距離が締結ロッドを４隅に設けることに比べて短くできるために、エンドプレートやセパレータの締結ロッド間での変形を抑制し、確実にシール性能を発揮させることが可能であり、締結ロッドの本数を増やして、スタックの重量やコストを増加させることを抑制できる。   The MEA gasket 110 and the separator gasket can exhibit a sealing performance so that the fuel gas, the oxidant gas, and the circulating water do not leak out to other than the predetermined path by the tightening pressure by the fastening rod 16. In the embodiment, since the distance between the fastening rods can be shortened compared to the case where the fastening rods are provided at the four corners, the deformation between the fastening rods of the end plate and the separator is suppressed, and the sealing performance is surely exhibited. It is possible to suppress the increase in the weight and cost of the stack by increasing the number of fastening rods.

さらに、締結ロッド１６が通る貫通穴８が４隅に無いことにより、循環水出口マニホールド６は、循環水経路よりも下方で循環水出口１４と接続することが可能であり、排水性の向上も期待できる。   Further, since the through holes 8 through which the fastening rods 16 pass are not present at the four corners, the circulating water outlet manifold 6 can be connected to the circulating water outlet 14 below the circulating water path, and the drainage performance is also improved. I can expect.

なお、本実施の形態では、各マニホールドおよび入口配管，出口配管の位置を図１から３に示すように構成したが、この位置関係に限定されるものではなく、循環水出口マニホールド６の位置に燃料ガス出口マニホールドまたは酸化剤出口マニホールドを設けることも可能であり、その場合も排水性向上の効果は期待できる。   In the present embodiment, the positions of the manifolds, the inlet pipes, and the outlet pipes are configured as shown in FIGS. 1 to 3, but are not limited to this positional relationship, and are not limited to the position of the circulating water outlet manifold 6. It is also possible to provide a fuel gas outlet manifold or an oxidant outlet manifold, and in this case, the effect of improving drainage can be expected.

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図であり、図５は同単電池を複数枚積層して構成した固体高分子型燃料電池の構成を示す斜視図である。 (Embodiment 2)
FIG. 4 is an exploded view of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention, and FIG. 5 shows the configuration of the polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of the unit cells. It is a perspective view.

図４，図５に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池の単電池の四隅をカットして略八角形とした点で異なる。その他の構成は実施の形態１を援用する。   As shown in FIGS. 4 and 5, the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment is cut into four octagons by cutting the four corners of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell shown in the first embodiment. It is different in point. The other embodiments use the first embodiment.

これにより、シール性能が低下することなく固体高分子型燃料電池の重量を軽量化できる。   Thereby, the weight of the polymer electrolyte fuel cell can be reduced without reducing the sealing performance.

なお、本実施の形態の固体高分子型燃料電池では、集電板１２０および絶縁板１２２、エンドプレート１２３は実施の形態１で示した固体高分子型燃料電池と同様に４角形としているが、単電池と同様の形状の略八角形としてもよい。   In the polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment, the current collector plate 120, the insulating plate 122, and the end plate 123 have a rectangular shape as in the polymer electrolyte fuel cell shown in the first embodiment. A substantially octagonal shape similar to that of the unit cell may be used.

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池の単電池の分解図であり、図７は同単電池を複数枚積層して構成した固体高分子型燃料電池の構成を示す斜視図である。 (Embodiment 3)
FIG. 6 is an exploded view of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 7 shows the configuration of the polymer electrolyte fuel cell configured by stacking a plurality of the unit cells. It is a perspective view.

図６，図７に示すように、本実施の形態の固体高分子型燃料電池は、実施の形態２で示した固体高分子型燃料電池の単電池の、締結ロッドが位置する周囲に切り下記を設けた点で実施の形態２の固体高分子型燃料電池と異なる。その他の構成は実施の形態１を援用する。   As shown in FIGS. 6 and 7, the polymer electrolyte fuel cell according to the present embodiment is cut around the fastening rod position of the unit cell of the polymer electrolyte fuel cell shown in the second embodiment. Is different from the polymer electrolyte fuel cell of the second embodiment in that it is provided. The other embodiments use the first embodiment.

これにより、固体高分子型燃料電池の重量を更に低減することが可能である。   Thereby, the weight of the polymer electrolyte fuel cell can be further reduced.

以上のように、本発明にかかる固体高分子型燃料電池は、ポータブル電源、電気自動車用電源、定置型コージェネレーションシステム等の用途に適用できる。   As described above, the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention can be applied to uses such as a portable power source, a power source for an electric vehicle, and a stationary cogeneration system.

本発明の実施の形態１における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図1 is an exploded view of a unit cell constituting a polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. 同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図Perspective view of the polymer electrolyte fuel cell of the same embodiment （ａ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の左側面図（ｂ）同実施の形態の固体高分子型燃料電池の右側面図(A) Left side view of the polymer electrolyte fuel cell of the embodiment (b) Right side view of the polymer electrolyte fuel cell of the embodiment 本発明の実施の形態２における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図FIG. 3 is an exploded view of a unit cell constituting the polymer electrolyte fuel cell according to Embodiment 2 of the present invention. 同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図Perspective view of the polymer electrolyte fuel cell of the same embodiment 本発明の実施の形態３における固体高分子型燃料電池を構成する単電池の分解図FIG. 4 is an exploded view of a unit cell constituting the solid polymer fuel cell according to Embodiment 3 of the present invention. 同実施の形態の固体高分子型燃料電池の斜視図Perspective view of the polymer electrolyte fuel cell of the same embodiment 従来の固体高分子型燃料電池を構成する単電池の断面図Sectional view of a unit cell constituting a conventional polymer electrolyte fuel cell 従来の固体高分子型燃料電池の斜視図Perspective view of a conventional polymer electrolyte fuel cell

符号の説明Explanation of symbols

１ 燃料ガス入口マニホールド
２ 燃料ガス出口マニホールド
３ 酸化剤ガス入口マニホールド
４ 酸化剤ガス出口マニホールド
５ 循環水入口マニホールド
６ 循環水出口マニホールド
８ 貫通穴
９ 燃料ガス入口
１０ 酸化剤ガス入口
１１ 循環水入口
１２ 燃料ガス出口
１３ 酸化剤ガス出口
１４ 循環水出口
１５ 端子
１６ 締結ロッド
１０１ 高分子電解質膜（固体高分子電解質膜）
１０４ 電極
１０５ ＭＥＡ
１０６ａ，１０６ｃ ガス流路
１０７ セパレータ
１０７ａ アノード側セパレータ
１０７ｃ カソード側セパレータ
１２０ 集電板
１２２ 絶縁板
１２３ エンドプレート
１２３ａ 陰極側エンドプレート
１２３ｃ 陽極側エンドプレート DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel gas inlet manifold 2 Fuel gas outlet manifold 3 Oxidant gas inlet manifold 4 Oxidant gas outlet manifold 5 Circulating water inlet manifold 6 Circulating water outlet manifold 8 Through hole 9 Fuel gas inlet 10 Oxidant gas inlet 11 Circulating water inlet 12 Fuel Gas outlet 13 Oxidant gas outlet 14 Circulating water outlet 15 Terminal 16 Fastening rod 101 Polymer electrolyte membrane (solid polymer electrolyte membrane)
104 Electrode 105 MEA
106a, 106c Gas flow path 107 Separator 107a Anode side separator 107c Cathode side separator 120 Current collecting plate 122 Insulating plate 123 End plate 123a Cathode side end plate 123c Anode side end plate

Claims (5)

固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極と、前記電極の一方に水素を含む燃料ガスを供給し、かつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段を具備した導電性の一対のセパレータとで構成された単電池が複数積層され、その両端面に積層された前記単電池の外側に一対のエンドプレートが配された固体高分子型燃料電池であって、前記エンドプレートの一方と他方を締結する締結ロッドが、前記単電池および前記エンドプレートの主面の外形を形成する長辺の中心付近でかつ内側に位置することを特徴とする固体高分子型燃料電池。   A solid polymer electrolyte membrane, a pair of electrodes having a catalytic reaction layer disposed between the solid polymer electrolyte membranes, a fuel gas containing hydrogen supplied to one of the electrodes, and an oxidation containing oxygen on the other A plurality of unit cells each composed of a pair of conductive separators having means for supplying agent gas are stacked, and a pair of end plates are disposed outside the unit cells stacked on both end faces thereof. In the molecular fuel cell, a fastening rod for fastening one end and the other of the end plate is positioned near and inside the center of the long side forming the outer shape of the main surface of the unit cell and the end plate. A solid polymer fuel cell. 前記締結ロッドは、前記電極の外側で、かつ、前記電極と前記単電池の外周との間に位置することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。   2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the fastening rod is located outside the electrode and between the electrode and the outer periphery of the unit cell. 3. 前記セパレータは、四角形の４隅を元の４辺よりも新たに形成される辺が短くなるようにカットした略八角形であり、前記締結ロッドは、前記セパレータの長い４辺近傍に位置することを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。   The separator has a substantially octagonal shape in which four corners of a quadrilateral are cut so that a newly formed side is shorter than the original four sides, and the fastening rod is positioned in the vicinity of the long four sides of the separator. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 or 2, wherein: 前記締結ロッドが、前記単電池と前記エンドプレートを貫通していることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。   The solid polymer fuel cell according to any one of claims 1 to 3, wherein the fastening rod passes through the unit cell and the end plate. 前記セパレータの前記締結ロッドが位置する周囲に、前記締結ロッドの径よりも大きく、かつ前記セパレータの外周まで達する切り欠きを設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池。   The notch which is larger than the diameter of the said fastening rod and reaches the outer periphery of the said separator was provided in the circumference | surroundings where the said fastening rod of the said separator is located, The Claim 1 characterized by the above-mentioned. Solid polymer fuel cell.
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