JP3524802B2 - Polymer electrolyte fuel cell - Google Patents
Polymer electrolyte fuel cellInfo
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- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、特に、燃料ガス及び酸化剤の両方又は一方
と共に加湿剤を供給しながら発電が行われる固体高分子
型燃料電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell, and more particularly to a polymer electrolyte fuel cell in which power is generated while supplying a humidifying agent together with one or both of a fuel gas and an oxidant.
【０００２】[0002]
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
の一方の面に燃料極が他方の面に酸化剤極が配されてな
るセルが、複数のリブが所定の間隔を置いて平行に配さ
れてなる一対のリブ付プレートで、当該リブが対向する
ように挟持されたセルユニットを基本構造体とし、実用
化されているものの多くは、このセルユニットが多数積
層され、当該積層体がその積層方向両側から挟持部材で
押圧挟持されて構成されている。2. Description of the Related Art A polymer electrolyte fuel cell is a cell in which a fuel electrode is arranged on one surface of a solid polymer membrane and an oxidant electrode is arranged on the other surface, and a plurality of ribs are arranged at predetermined intervals. A cell structure in which a pair of ribbed plates arranged in parallel are sandwiched so that the ribs face each other is used as a basic structure. The body is configured to be pressed and sandwiched by sandwiching members from both sides in the stacking direction.
【０００３】そして、隣合うリブ間と燃料極又は酸化剤
極とで形成された空間を流路とし、運転時には、燃料極
側の流路に燃料ガスとして例えば水素が供給され、酸化
剤極側の流路に酸化剤としての空気（O2）が供給され
る。このとき、燃料極において、水素が水素イオン
（H+）と電子（ｅ-）に分かれ、水素イオン（H+）は電
解質である固体高分子膜を通り酸化剤極に向かい、電子
（ｅ-）は外部回路に流れる。一方、酸化剤極において
は、酸素（O2）と燃料極からきた水素イオン（H+）と外
部回路からきた電子（ｅ-）とが反応して水（Ｈ2Ｏ）が
生成され、電気エネルギーが得られることになる。A space formed between the adjacent ribs and the fuel electrode or the oxidant electrode is used as a flow path, and during operation, for example, hydrogen is supplied as a fuel gas to the flow path on the fuel electrode side, and the oxidant electrode side is supplied. Air (O 2 ) as an oxidant is supplied to the flow path of. At this time, in the fuel electrode, hydrogen is divided into hydrogen ions (H + ) and electrons (e − ), and the hydrogen ions (H + ) pass through the solid polymer membrane, which is the electrolyte, toward the oxidizer electrode, and the electrons (e − ) Flows to an external circuit. On the other hand, at the oxidizer electrode, oxygen (O 2 ) reacts with hydrogen ions (H + ) from the fuel electrode and electrons (e − ) from the external circuit to generate water (H 2 O), and electricity is generated. Energy will be obtained.
【０００４】上記したように、水素イオンが固体高分子
膜を通過し酸化剤極に向かうのは、固体高分子膜が水和
状態の水素イオン（Ｈ+（ＸＨ2Ｏ））を選択的に透過
（拡散）させる性質を有しているからであり、このた
め、固体高分子膜を保湿させるべく、従来から燃料ガス
を加湿して供給することにより固体高分子膜を保湿する
方式や、あるいは、燃料極側の流路に燃料ガスと水とを
別々に供給して共に流通させることによって、燃料極に
対する燃料ガスの供給と固体高分子膜の保湿を効率よく
行うと共に電池の冷却も行うことのできる方式が採用さ
れている。As described above, the hydrogen ions pass through the solid polymer membrane toward the oxidizer electrode so that the solid polymer membrane selectively selects hydrogen ions (H + (XH 2 O)) in a hydrated state. This is because it has a property of permeating (diffusing). Therefore, in order to keep the solid polymer membrane moisturized, the conventional method of humidifying and supplying the fuel gas to supply the solid polymer membrane, or By supplying fuel gas and water separately to the flow path on the fuel electrode side and circulating them together, it is possible to efficiently supply the fuel gas to the fuel electrode and moisturize the solid polymer membrane, and also to cool the cell. The method that can be used is adopted.
【０００５】また、従来、上記リブ付プレートにカーボ
ン多孔体が用いられており、多孔体ゆえ、その表面に水
が吸水保持され、さらに、固体高分子膜全体の保湿性の
向上が図られている。しかしながら、一般に、上記カー
ボン多孔体でリブ付プレートを作製する場合は、先ず、
炭素繊維チップを抄紙し、フェノール樹脂で固めてシー
トを作り、これを積層し、当該積層体を焼成してカーボ
ン多孔体の板材を得、次に、この板材を切削加工するこ
とによりリブ付プレートに仕上げる製法が採られるた
め、量産性が悪く、コスト高になるといった問題があ
る。Conventionally, a carbon porous body has been used for the ribbed plate. Since it is a porous body, water is absorbed and retained on the surface of the plate, and the moisture retention of the entire solid polymer membrane is improved. There is. However, in general, when manufacturing a plate with ribs from the carbon porous body, first,
Carbon fiber chips are made into paper, solidified with phenolic resin to form sheets, which are laminated, the laminated body is fired to obtain a carbon porous plate material, and the plate material is then cut to form a ribbed plate. Since the manufacturing method for finishing is adopted, there are problems that mass productivity is poor and cost is high.
【０００６】そこで、リブ付プレートを、黒鉛やカーボ
ンブラックと樹脂との混合剤から金型を用いて成形して
リブ付プレート材を製作し、その表面に膨張黒鉛等の吸
水性を有する材料で保水層を形成して作成することが検
討されている。保水層を形成するのは、上記したような
成形品は、その組織が緻密になるため、一般に、その表
面での撥水性が高くなってしまい、保水性がなくなるか
らである。また、燃料ガス又は酸化剤の流路の幅又は奥
行きを狭くした場合、その表面が撥水性を呈すると、そ
こを流れる水により流路の一部が塞がれて燃料ガス又は
酸化剤の流れが阻害されるおそれがあるため、これを防
止するといった目的もある。Therefore, a plate with ribs is molded from a mixture of graphite or carbon black and a resin using a mold to produce a plate member with ribs, and the surface of the plate is made of a material having water absorbability such as expanded graphite. It is being studied to form a water retention layer. The reason why the water retaining layer is formed is that the molded article as described above has a dense structure, so that the surface generally has high water repellency and loses water retention. When the width or depth of the fuel gas or oxidant channel is narrowed, if the surface exhibits water repellency, the flow of fuel gas or oxidant will be blocked by the water flowing therethrough. There is also a possibility that it will be hindered, so there is also the purpose of preventing this.
【０００７】これにより、成形されたリブ付プレート材
の表面に保水層を形成させるだけでリブ付プレートが作
成されるため、切削工程を経て製作されるのと比較して
その量産性が向上されることとなる。As a result, the ribbed plate is produced only by forming the water retaining layer on the surface of the formed ribbed plate material, so that mass productivity is improved as compared with the case where the ribbed plate is manufactured through the cutting process. The Rukoto.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
にしてリブ付プレートを作成する場合、固体高分子膜の
保湿といった観点からは、その全面に保水層が形成され
ることが好ましいと考えられる。ところが、全面に形成
した場合、保水層が軟質であるため長期間の使用によ
り、クリープ変形によりセルを挟持する押圧が低下し接
触抵抗が増大するために、電池性能が低下してしまう。By the way, when a plate with ribs is produced as described above, it is considered preferable to form a water retention layer on the entire surface from the viewpoint of moisture retention of the solid polymer membrane. . However, when it is formed on the entire surface, the water retaining layer is soft, and therefore, due to creep deformation, the pressure for sandwiching the cell is reduced due to creep deformation, and the contact resistance is increased, so that the battery performance is degraded.
【０００９】本発明は、上記課題に鑑み、リブ付プレー
トの生産性を改善し、かつ、長期間の使用によってもそ
の性能が低下しにくい固体高分子型燃料電池を提供する
ことを目的とする。In view of the above problems, it is an object of the present invention to improve the productivity of ribbed plates and to provide a polymer electrolyte fuel cell whose performance is less likely to deteriorate even after long-term use. .
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明に係る固体高分子型燃料電池は、電解質膜の
両面に電極を配したセルが、一対のリブ付プレートのリ
ブによって所定の面圧で押圧挟持され、少なくとも一方
のリブ付プレートのリブとセルの電極とで囲まれる流路
にセルの電解質膜を加湿する加湿剤が流通される固体高
分子型燃料電池であって、前記加湿剤が流通される流路
を形成する前記リブ付プレートのリブは、前記リブの頂
部において前記セルの電極を前記所定の面圧で押圧する
押圧挟持表面部と、前記リブの頂部において前記セルの
電極を押圧する面圧が前記所定の面圧まで至らない非押
圧挟持表面部と、押圧作用しない側面部と、を有し、少
なくとも前記非押圧挟持表面部と前記側面部とに前記加
湿剤を吸収して保持する保水層が形成されていることを
特徴とする。In order to achieve the above object, in a solid polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, a cell having electrodes on both sides of an electrolyte membrane has a predetermined rib by a pair of ribbed plates. A solid polymer fuel cell in which a humidifying agent for humidifying an electrolyte membrane of a cell is circulated in a flow path surrounded by a rib of at least one rib plate and an electrode of a cell, which is pressed and sandwiched by a surface pressure of, The rib of the ribbed plate that forms the flow path through which the moisturizing agent flows, the pressing and sandwiching surface portion that presses the electrode of the cell at the predetermined surface pressure at the top portion of the rib, and at the top portion of the rib, The non-pressing sandwiching surface portion where the surface pressure for pressing the electrode of the cell does not reach the predetermined surface pressure, and the side surface portion that does not press the cell, and at least the non-pressing sandwiching surface portion and the side surface portion are humidified. Absorb and store the agent Wherein the water-retaining layer is formed.
【００１１】また、前記一対のリブ付プレートは、互い
のリブ長手方向が交差するよう配置されており、前記非
押圧挟持表面部は、両リブ付プレートのリブ頂部の交差
部以外の箇所に設けられていることを特徴とする。Further, the pair of ribbed plates are arranged so that their rib longitudinal directions intersect with each other, and the non-pressing holding surface portion is provided at a position other than the intersection of the rib tops of both ribbed plates. It is characterized by being.
【００１２】そして、前記保水層は、膨張黒鉛を含む材
料からなることを特徴とし、特に、膨張黒鉛とフェノー
ル樹脂との混合材料からなり、当該混合材料に占めるフ
ェノール樹脂の重量比率は１％以上１０％以下であるこ
とを特徴とする。The water retaining layer is characterized by being made of a material containing expanded graphite, and in particular, made of a mixed material of expanded graphite and phenol resin, and the weight ratio of the phenol resin in the mixed material is 1% or more. It is characterized by being 10% or less.
【００１３】また、保水層が形成されるリブ付プレート
は、樹脂成形品、特に樹脂混合カーボン材料からなる樹
脂成形品であることを特徴とする。また、加湿剤として
は、酸化剤極で生成される反応生成水を用いることもで
きる。The ribbed plate on which the water retaining layer is formed is a resin molded product, particularly a resin molded product made of a resin-mixed carbon material. Further, as the moisturizing agent, reaction product water generated at the oxidizer electrode may be used.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】図１は、本実施の形態に係る固体
高分子型燃料電池１（以下、単に「燃料電池１」とい
う。）を構成するセルユニット１００の組立図である。
本図に示すように、セルユニット１００は、長方形状の
枠体１０の片面側（図１では上面側）に、固体高分子膜
２１に酸化剤極２２及び燃料極２３を配してなるセル２
０と、複数のリブ３１１が平行に形成された酸化剤極側
リブ付プレート３１０を有する流路基板３０とが填め込
まれ、枠体１０の他面側（図１では下面側）に、複数の
リブ４０１が平行に形成された燃料極側リブ付プレート
４０が填め込まれて構成されている。填め込まれた状態
で、リブ３１１とリブ４０１とは、その長手方向が直交
して交差する形となる。なお、本実施の形態の説明に用
いる各図においては、説明の便宜上、リブ３１１とリブ
４０１は各々８本ずつ描かれているが、通常はもっと多
数のリブが形成されている。また、図１において、燃料
極２３は固体高分子膜２１の背面側にあるので破線で表
示している。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 1 is an assembly view of a cell unit 100 which constitutes a polymer electrolyte fuel cell 1 (hereinafter simply referred to as "fuel cell 1") according to the present embodiment.
As shown in the figure, the cell unit 100 is a cell in which an oxidizer electrode 22 and a fuel electrode 23 are arranged on a solid polymer film 21 on one surface side (upper surface side in FIG. 1) of a rectangular frame body 10. Two
0 and the flow path substrate 30 having the oxidizer electrode side ribbed plate 310 in which a plurality of ribs 311 are formed in parallel are inserted, and a plurality of the plurality of ribs are provided on the other surface side (the lower surface side in FIG. 1) of the frame body 10. The plate with ribs 40 on the fuel electrode side, in which the ribs 401 are formed in parallel, is inserted and configured. In the fitted state, the ribs 311 and the ribs 401 have a shape in which their longitudinal directions intersect at right angles. It should be noted that, in each of the drawings used to describe the present embodiment, for convenience of description, eight ribs 311 and four ribs 401 are drawn, but normally, a larger number of ribs are formed. Further, in FIG. 1, since the fuel electrode 23 is on the back side of the solid polymer membrane 21, it is indicated by a broken line.
【００１５】セル２０は、流路基板３０と燃料極側リブ
付プレート４０とで押圧挟持された状態で保持されてお
り、隣接するリブ３１１と酸化剤極２２とで囲まれた空
間で酸化剤極側チャネル３１２が形成され、隣接するリ
ブ４０１と燃料極２３とで囲まれた空間で燃料極側チャ
ネル４００が形成される。酸化剤極側チャネル３１２に
は図１の太矢印で示す方向に空気が流れ、燃料極側チャ
ネル４００には、図１の白抜き矢印で示す方向に燃料ガ
スが流れ、セル２０で発電がなされるようになってい
る。The cell 20 is held in a state of being pressed and sandwiched by the flow path substrate 30 and the fuel electrode side ribbed plate 40, and the oxidizer is provided in a space surrounded by the adjacent rib 311 and the oxidizer electrode 22. The electrode side channel 312 is formed, and the fuel electrode side channel 400 is formed in the space surrounded by the adjacent ribs 401 and the fuel electrode 23. Air flows in the oxidant electrode side channel 312 in the direction indicated by the thick arrow in FIG. 1, and fuel gas flows in the fuel electrode side channel 400 in the direction indicated by the white arrow in FIG. It has become so.
【００１６】燃料ガスとしては、水素ガスあるいは天然
ガス，プロパン，ブタン，メタノールなどを改質してな
る水素を主成分とする改質ガスを用いることができる。
枠体１０は、長方形状の板体に対して、その片面側（図
１で上面側）の燃料ガス流通方向の中央部に、上記のセ
ル２０及び流路基板３０を填め込むための切欠部１０１
が形成され、他面側（図１で下面側）には、燃料極側リ
ブ付プレート４０を填め込む凹部１０３が形成され、更
に切欠部１０１の中央部には、燃料極側リブ付プレート
４０と燃料極２３とが接触できるように窓１０２が開設
された形状であって、プラスチック材料を射出成形する
ことにより作製されたものである。As the fuel gas, hydrogen gas or a reformed gas containing hydrogen as a main component obtained by reforming natural gas, propane, butane, methanol or the like can be used.
The frame body 10 is a rectangular plate body, and a cutout portion for fitting the cell 20 and the flow path substrate 30 in the center portion of the one side surface (the upper surface side in FIG. 1) in the fuel gas flow direction. 101
Is formed on the other surface side (the lower surface side in FIG. 1), and a recess 103 for fitting the fuel electrode side rib plate 40 is formed. Further, the central portion of the notch 101 has the fuel electrode side rib plate 40. The window 102 is opened so that the fuel electrode 23 and the fuel electrode 23 can come into contact with each other, and is manufactured by injection-molding a plastic material.
【００１７】また、枠体１０の燃料ガス流通方向に対す
る上流部には、固体高分子膜の加湿剤としての水（以
下、「加湿水」という。）を供給するための一対のマニ
ホールド孔１１１と長孔１２１並びに燃料ガスを供給す
るための一対のマニホールド孔１１２と長孔１２２が開
設されている。長孔１２１には、当該長孔１２１よりも
幅広の水分配基板１１が、長孔１２２には、当該長孔１
２２よりも幅広のガス分配基板１２が、それぞれパッキ
ン（不図示）を介して被装されており、両基板１１，１
２には、その長手方向に渡り複数の細孔１１ａ，１１ｂ
が、前記燃料極側チャネル４００に対応する位置に開設
されている。したがって、マニホールド孔１１１を介し
て導入された加湿水は、細孔１１ａによって各燃料極側
チャネル４００に分配され、マニホールド孔１１２を介
して導入された燃料ガスは、細孔１１ｂによって各燃料
極側チャネル４００に分配されることとなる。A pair of manifold holes 111 for supplying water (hereinafter referred to as "humidifying water") as a moisturizing agent for the solid polymer membrane is provided at an upstream portion of the frame body 10 in the fuel gas flow direction. A long hole 121 and a pair of manifold holes 112 and a long hole 122 for supplying fuel gas are provided. The water distribution substrate 11 wider than the long hole 121 is in the long hole 121, and the long hole 1 is in the long hole 122.
Gas distribution substrates 12 wider than 22 are mounted via packings (not shown), respectively.
2 has a plurality of pores 11a and 11b in the longitudinal direction thereof.
Is opened at a position corresponding to the fuel electrode side channel 400. Therefore, the humidifying water introduced through the manifold hole 111 is distributed to each fuel electrode side channel 400 by the pore 11a, and the fuel gas introduced through the manifold hole 112 is divided by the pore 11b. It will be distributed to the channels 400.
【００１８】一方、枠体１０の燃料ガス流通方向に対す
る下流部には、未反応の燃料ガスを排出するための一対
のマニホールド孔１１３と長孔１２３並びに加湿水を排
出するための一対のマニホールド孔１１４と長孔１２４
が開設されている。長孔１２３には、燃料極側チャネル
４００からガスを選択的に排出する機能をもつ公知の素
材、例えば、撥水性カーボンペーパからなるガス透過基
板１３が被装されており、長孔１２４には、燃料極側チ
ャネル４００からの排水をすみやかに吸水し各チャネル
とも均一に保水すると共に円滑に排水するために、公知
の素材、例えば、ポリエステルのフェルトからなる吸水
基材１４が被装されている。したがって、燃料極側チャ
ネル４００を流通してきた未反応の燃料ガスは、長孔１
２３を介してガス透過基板１３に至り、マニホールド孔
１１３へと送出され、燃料極側チャネル４００を流通し
てきた加湿水は、長孔１２４を介して吸水基材１４に至
り、マニホールド孔１１４へと送出される。On the other hand, a pair of manifold holes 113 and a long hole 123 for discharging unreacted fuel gas and a pair of manifold holes for discharging humidifying water are provided at the downstream portion of the frame 10 in the fuel gas flowing direction. 114 and slot 124
Has been established. A gas permeable substrate 13 made of a known material having a function of selectively discharging gas from the fuel electrode side channel 400, for example, water-repellent carbon paper is covered in the long hole 123, and the long hole 124 is provided in the long hole 124. In order to promptly absorb the drainage from the fuel electrode side channel 400, uniformly retain the water in each channel and smoothly drain the drainage, a water-absorbing substrate 14 made of a known material, for example, a polyester felt is covered. . Therefore, the unreacted fuel gas flowing through the fuel electrode side channel 400 is
The humidifying water that has reached the gas permeable substrate 13 via 23, has been sent to the manifold hole 113, and has flowed through the fuel electrode side channel 400 reaches the water absorbing base material 14 via the elongated hole 124 and enters the manifold hole 114. Sent out.
【００１９】流路基板３０は、枠体３００にリブ付プレ
ート３１０が填め込まれて構成されており、当該枠体３
００は、長方形状の平板の中央に窓３０３が開設された
形状でプラスチック材料からなり、酸化剤極２２側とは
反対側の面（図１で上面側）に、空気をチャネル３１２
に導入するためのチャネル３０１及び空気をチャネル３
１２から導出するためのチャネル３０２が形成されてい
る。The flow path substrate 30 is constructed by fitting a ribbed plate 310 into a frame 300, and the frame 3 is concerned.
Reference numeral 00 denotes a rectangular flat plate having a window 303 formed in the center thereof, which is made of a plastic material, and has an air channel 312 on the surface opposite to the oxidizer electrode 22 side (upper surface side in FIG. 1).
Channel 301 for introducing into and channel 3
A channel 302 for leading out from 12 is formed.
【００２０】なお、セル２０と流路基板３０との間には
ガスケット６１が介在し、セル２０と切欠部１０１との
間にはガスケット６２が介在している。燃料極側リブ付
プレート４０は、枠体１０より若干小サイズの長方形状
をしており、複数のリブ４０１が平行に形成されてい
る。この燃料極側リブ付プレート４０は、燃料ガス流通
方向の中央に位置する中央部４０ａと、この中央部４０
ａから延設された上流部４０ｂ及び下流部４０ｃからな
り、中央部４０ａでは上流部４０ｂ及び下流部４０ｃよ
りもリブ４０１の高さが高く設定されている。そして、
このリブ４０１の高い部分４０１ａが、上記の窓１０２
に填まり込んで燃料極２３と電気的に接触するようにな
っている。A gasket 61 is interposed between the cell 20 and the flow path substrate 30, and a gasket 62 is interposed between the cell 20 and the cutout 101. The fuel electrode side ribbed plate 40 has a rectangular shape slightly smaller than the frame body 10, and a plurality of ribs 401 are formed in parallel. The fuel electrode side ribbed plate 40 includes a central portion 40a located at the center in the fuel gas flow direction and a central portion 40a.
It is composed of an upstream portion 40b and a downstream portion 40c extending from a, and the height of the rib 401 is set higher in the central portion 40a than in the upstream portion 40b and the downstream portion 40c. And
The high portion 401 a of the rib 401 is the window 102.
And is in electrical contact with the fuel electrode 23.
【００２１】固体高分子膜２１は、パーフルオロカーボ
ンスルホン酸からなる薄膜である。酸化剤極２２，燃料
極２３は、白金（Ｐｔ）担持カーボンを材料とした所定
の厚みの層であって、固体高分子膜２１の中央部にホッ
トプレスにより密着成型されている。リブ付プレート４
０，３１０は、熱硬化性樹脂とカーボンとの混合材料を
圧縮成形法によって加工して製造する。本実施の形態で
は、熱硬化性樹脂として、他の樹脂材料より比較的安価
で且つ耐酸性に優れたフェノール樹脂を用いる。また、
カーボンは、リブ付プレートに導電性を持たせるために
用いるのであるが、その種類は、当該リブ付プレートに
強度を持たせるため、比較的圧縮強度の高い黒鉛やカー
ボンブラックを用いる。黒鉛とカーボンブラックは、単
独で用いてもよいし、この二種類を混合して用いてもよ
い。The solid polymer film 21 is a thin film made of perfluorocarbon sulfonic acid. The oxidizer electrode 22 and the fuel electrode 23 are layers of platinum (Pt) -carrying carbon and have a predetermined thickness, and they are closely formed by hot pressing on the central portion of the solid polymer film 21. Plate with ribs 4
0 and 310 are manufactured by processing a mixed material of thermosetting resin and carbon by a compression molding method. In the present embodiment, as the thermosetting resin, a phenol resin which is relatively cheaper than other resin materials and has excellent acid resistance is used. Also,
Carbon is used to give conductivity to the ribbed plate, and as the type thereof, graphite or carbon black having relatively high compressive strength is used to give the ribbed plate strength. Graphite and carbon black may be used alone, or may be used by mixing these two kinds.
【００２２】リブ付プレートにおけるカーボンと樹脂の
混合比率（重量比率）は、樹脂が少なすぎると成形の際
に欠けや巣が発生しやすく、一方、樹脂が多すぎると、
電気伝導性が低下し、電池性能が低下してしまうことを
考慮し、本実施の形態では、カーボン：８０wt％／フェ
ノール樹脂：２０wt％とした。また、加湿水が流通され
るチャネル４００を形成するリブ付プレート４０のリブ
４０１のリブ側面には、図２（ａ）に示すように、加湿
水を吸収し保持する保水層４０２ａが形成されている。
なお、本図は、組立状態のセルユニット１００におい
て、リブ付プレート４０をリブ４０１の長手方向と直交
する方向に、リブ付プレート３１０のリブ３１１の中央
位置で切断した断面図である。As for the mixing ratio (weight ratio) of carbon and resin in the ribbed plate, if the resin is too small, chips and cavities are likely to occur during molding, while if the resin is too large,
Reduces the electrical conductivity, considering that arise as decreased battery performance, in this embodiment, the carbon: 80 wt% / phenolic resin: was 20 wt%. In addition, as shown in FIG. 2A, a water retention layer 402a that absorbs and retains the humidifying water is formed on the rib side surface of the rib 401 of the ribbed plate 40 that forms the channel 400 through which the humidifying water flows. There is.
It should be noted that this drawing is a cross-sectional view of the ribbed plate 40 in the assembled cell unit 100 cut in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the rib 401 at the center position of the rib 311 of the ribbed plate 310.
【００２３】上記したように、リブ付プレート４０，３
１０は、圧縮成形法により製造されるため量産性が高
く、燃料電池全体のコストダウンに寄与する。しかしな
がら、圧縮成形法では、型に材料を入れて、加熱・圧縮
・賦形によって成形するため、その表面が緻密に仕上が
ってしまう。また、樹脂と混合する黒鉛やカーボンブラ
ックも緻密なため、このままでは、その表面は撥水性を
呈するようになるが、リブ付プレート４０については、
保水層４０２ａが形成されているため、保水性及びガス
透過性が確保されることとなる。As mentioned above, the ribbed plates 40, 3
Since No. 10 is manufactured by the compression molding method, it has high mass productivity and contributes to cost reduction of the entire fuel cell. However, in the compression molding method, the material is put into a mold and the molding is carried out by heating, compression and shaping, so that the surface thereof is finely finished. Further, since graphite and carbon black mixed with the resin are also dense, the surface of the plate will be water-repellent if it is left as it is.
Since the water retention layer 402a is formed, water retention and gas permeability are secured.
【００２４】なお、上記では、リブ付プレート４０，３
１０を熱硬化性樹脂を用い圧縮成形法で製作したが、こ
れに限らず、熱可塑性樹脂を用い、さらに量産性の高い
射出成形法によって製作してもよい。保水層４０２ａ
は、フェノール樹脂と膨張黒鉛とからなり、以下のよう
にして、リブ付プレート４０の表面に形成される。In the above, the ribbed plates 40, 3 are
Although 10 is manufactured by a compression molding method using a thermosetting resin, the present invention is not limited to this, and a thermoplastic resin may be used by an injection molding method having high mass productivity. Water retaining layer 402a
Is composed of a phenol resin and expanded graphite, and is formed on the surface of the ribbed plate 40 as follows.
【００２５】先ず、圧縮成形により得られたリブ付プレ
ート４０の保水層形成予定の表面をサンドブラストによ
って適当な粗さに粗面化する。次に、フェノール樹脂と
膨張黒鉛とからなる厚み２００μmのシート材（以下、
「膨張黒鉛シート」と言う。）を、形成する保水層の形
状（面積）に合わせ、適当な形状に切断する。First, the surface of the ribbed plate 40, which is obtained by compression molding, on which the water retaining layer is to be formed, is roughened to a suitable roughness by sandblasting. Next, a sheet material (hereinafter, referred to as “200 μm thick” composed of phenol resin and expanded graphite)
It is called "expanded graphite sheet". ) Is cut into an appropriate shape according to the shape (area) of the water retention layer to be formed.
【００２６】切断され適当な大きさになった膨張黒鉛シ
ートをリブ付プレート４０の保水層形成予定面上に配置
し、当該膨張黒鉛シートを、熱を加えながらプレスする
ことにより固着させて保水層を形成する。図３は、上記
膨張黒鉛シートにおけるフェノール樹脂の最適な重量割
合（ｗｔ％）を求めるために行なった実験結果を示すグ
ラフである。An expansive graphite sheet cut into an appropriate size is placed on the surface of the ribbed plate 40 on which the water retaining layer is to be formed, and the expansive graphite sheet is fixed by pressing while applying heat to retain the water retaining layer. To form. FIG. 3 is a graph showing the results of an experiment conducted to find the optimum weight ratio (wt%) of the phenolic resin in the expanded graphite sheet.
【００２７】図３（ａ）は、面積３０ｃｍ2の膨張黒鉛
シートを８０℃、１５０ｃｃの水に５００時間浸漬させ
た後の当該水の導電率を、フェノール樹脂の含有率を変
化させて測定した結果である。当該グラフにおいて、導
電率が高い程、上記浸漬の間に膨張黒鉛シートから水に
溶け出している導電性不純物が多いことを示している。
このような不純物が水に多く含まれると固体高分子膜の
イオン交換容量が低下してしまうので好ましくない。In FIG. 3 (a), the conductivity of the expanded graphite sheet having an area of 30 cm 2 after being immersed in water of 150 cc at 80 ° C. for 500 hours was measured by changing the content ratio of the phenol resin. The result. The graph shows that the higher the conductivity, the more conductive impurities are dissolved in water from the expanded graphite sheet during the immersion.
If a large amount of such impurities is contained in water, the ion exchange capacity of the solid polymer membrane will be reduced, which is not preferable.
【００２８】図３（ｂ）は、上記の実験に用いた５００
時間浸漬後の膨張黒鉛シートと燃料極とを５ｋｇｆ／ｃ
ｍ2の圧力で押圧した状態で、両者間の接触抵抗を測定
した結果を示している。もちろん、電池性能上から当該
接触抵抗は小さい程好ましい。図３（ａ），（ｂ）に示
す結果から、膨張黒鉛シートにおけるフェノール樹脂の
重量割合は、１ｗｔ％以上１０ｗｔ％以下が好ましく、
図３（ａ）から更に好ましくは、５ｗｔ％である。本実
施の形態では、膨張黒鉛シートに、膨張黒鉛とフェノー
ル樹脂との混合比率が、膨張黒鉛：９５ｗｔ％／フェノ
ール樹脂：５ｗｔ％のものを採用した。膨張黒鉛は、黒
鉛と同様に炭素原子の六角網状構造の積層結晶体である
が、その層間隔が非常に広く、採用している膨張黒鉛シ
ートは、上記したようにその大半が膨張黒鉛で占められ
ているため、吸水性を有し、保水層を形成する素材とし
て適するのである。FIG. 3 (b) shows the 500 used in the above experiment.
5kgf / c between expanded graphite sheet and fuel electrode after soaking
while pressing at a pressure of m 2, shows the result of measuring the contact resistance therebetween. Of course, from the viewpoint of battery performance, the smaller the contact resistance, the more preferable. From the results shown in FIGS. 3A and 3B, the weight ratio of the phenolic resin in the expanded graphite sheet is preferably 1 wt% or more and 10 wt% or less,
From FIG. 3 (a), it is more preferably 5 wt%. In the present embodiment, the expansive graphite sheet has a mixture ratio of expansive graphite and phenol resin of 95 wt% expansive graphite / 5 wt% phenol resin. Expanded graphite is a laminated crystal with a hexagonal network structure of carbon atoms like graphite, but the layer spacing is very wide, and the adopted expanded graphite sheet occupies most of it as described above. Therefore, it has water absorbability and is suitable as a material for forming a water retention layer.
【００２９】燃料電池１は、図４に示すように、上記の
ように構成されたセルユニット１００が複数枚積層され
（本例では６０枚）、当該積層体の両端が一対の締付板
７１，７２で押圧挟持されて構成されている。当該締付
板７１，７２による締付けは、燃料極側リブ付プレート
４０のリブ４０１ａと酸化剤極側リブ付プレート３１０
のリブ３１１の交差部におけるセル２０との間の接触部
の面圧が所定の値になるように行われる。当該面圧は、
前記接触部における接触抵抗を少なくするためには、高
い程よいが、あまり高すぎると前記接触部のセル２０部
分において燃料ガスの流通性が阻害され、ひいては、セ
ル２０が破損してしまう。そこで、当該面圧の値は、セ
ル２０が破損しない範囲で、できるだけ高い値に設定さ
れる。当該面圧の値は、燃料電池の大きさ（発電能力）
等によって、機種毎に異なるものであるが、例えば、本
実施の形態に示すような、発電能力１５００Ｗ、反応面
積１００ｃｍ2のもので、２０ｋｇｆ／ｃｍ2である。As shown in FIG. 4, in the fuel cell 1, a plurality of cell units 100 configured as described above are laminated (60 in this example), and a pair of tightening plates 71 are provided at both ends of the laminated body. , 72 are pressed and sandwiched. The tightening by the tightening plates 71 and 72 is performed by the rib 401a of the fuel electrode side rib plate 40 and the oxidant electrode side rib plate 310.
The surface pressure of the contact portion between the rib 311 and the cell 20 at the intersection is set to a predetermined value. The surface pressure is
In order to reduce the contact resistance at the contact portion, the higher the better, the better. However, if it is too high, the flowability of the fuel gas in the cell 20 portion of the contact portion is hindered, and the cell 20 is damaged. Therefore, the value of the surface pressure is set as high as possible within the range where the cell 20 is not damaged. The value of the surface pressure is the size of the fuel cell (power generation capacity)
For example, the power generation capacity is 1500 W, the reaction area is 100 cm 2 , and the pressure is 20 kgf / cm 2 although it varies depending on the model.
【００３０】上記のように積層された状態で、各セルユ
ニット１００のマニホールド孔１１１，１１２，１１
３，１１４は、前記積層体全体に渡って連通され、内部
マニホールドを形成している。そして、運転時には、空
気の流通路（酸化剤極側チャネル３１２）が水平方向を
向くように設置し、図示しないファンによって、チャネ
ル３０１に空気を送り込む。送りこまれた空気は、酸化
剤極側チャネル３１２を流通しながら酸化剤極に酸素を
供給し、チャネル３０２から電池の外へ排出される。In the stacked state as described above, the manifold holes 111, 112, 11 of each cell unit 100 are formed.
3, 114 communicate with each other over the entire laminated body to form an internal manifold. Then, during operation, the air flow passage (the oxidant electrode side channel 312) is installed so as to be oriented in the horizontal direction, and air is sent to the channel 301 by a fan (not shown). The air sent in supplies oxygen to the oxidant electrode while flowing through the oxidant electrode side channel 312, and is discharged from the channel 302 to the outside of the battery.
【００３１】一方、マニホールド孔１１１からなる内部
マニホールドには、ポンプ３から加湿水が所定の水圧で
供給され、マニホールド孔１１２からなる内部マニホー
ルドには、水素ガスボンベ２からレギュレータ５を介し
て、所定の圧力に調整された水素ガスが供給される。供
給された加湿水及び水素ガスは、各セルユニット１００
に分配され、図５に示すように、水分配基板１１又はガ
ス分配基板１２を介して、燃料極側チャネル４００に供
給される。なお、図５（ａ）は、組立状態のセルユニッ
ト１００を、燃料極側リブ付プレート４０のリブ４０１
の４０１ａ部分の断面が現れるように、当該リブ４０１
の長手方向に切断した模式的な断面図であり、図５
（ｂ）は、同図（ａ）において、Ａ−Ａ線で切断した模
式的な断面図である。On the other hand, the humidifying water is supplied from the pump 3 to the internal manifold having the manifold hole 111 at a predetermined water pressure, and the internal manifold having the manifold hole 112 is supplied with a predetermined amount from the hydrogen gas cylinder 2 via the regulator 5. Hydrogen gas adjusted to the pressure is supplied. The supplied humidifying water and hydrogen gas are used for each cell unit 100.
And is supplied to the fuel electrode side channel 400 via the water distribution substrate 11 or the gas distribution substrate 12, as shown in FIG. In addition, FIG. 5A shows the assembled cell unit 100 with ribs 401 of the fuel electrode side ribbed plate 40.
The rib 401a so that the cross section of the portion 401a of
5 is a schematic cross-sectional view taken in the longitudinal direction of FIG.
FIG. 6B is a schematic cross-sectional view taken along the line AA in FIG.
【００３２】供給された加湿水の一部は、固体高分子膜
２１の加湿に供され、残りは、前述したように、長孔１
２４、吸水基材１４を通過し、マニホールド孔１１４か
らなる内部マニホールド介して電池の外へ排出される。
また、水素ガスは、燃料極側チャネル４００を流通しな
がら、発電に供され、供されずに残った未反応の水素ガ
スは、前述したように、長孔１２３、ガス透過基板１３
を通過し、マニホールド孔１１３からなる内部マニホー
ルドを介して電池の外へ排出される。なお、マニホール
ド孔１１３からなる内部マニホールドからは、水素ガス
に混ざって若干の水蒸気が排出される。A part of the supplied humidifying water is used for humidifying the solid polymer membrane 21, and the rest is the long hole 1 as described above.
24, passing through the water-absorbent substrate 14, and discharged to the outside of the battery through the internal manifold formed of the manifold holes 114.
In addition, the hydrogen gas is supplied to power generation while flowing through the fuel electrode side channel 400, and the unreacted hydrogen gas left without being supplied is the long holes 123 and the gas permeable substrate 13 as described above.
And is discharged to the outside of the battery through the internal manifold formed of the manifold holes 113. A small amount of water vapor mixed with hydrogen gas is discharged from the internal manifold formed of the manifold hole 113.
【００３３】図４に戻り、燃料電池１から排出される加
湿水と排気中に含まれた水蒸気が凝縮した水は、分離タ
ンク４で回収され、回収された水は、冷却器７で冷却さ
れて再びポンプ３から燃料電池１に供給される。排出さ
れる未反応水素の圧力は、レギュレータ６によって、燃
料電池１における水素利用率が所定の値となるように調
整される。なお、水素ガスは液体の水と分離された状態
で排出されるため、排出された水素ガスを、分離タンク
４を経由することなくそのまま回収して再利用すること
も可能である。Returning to FIG. 4, the humidifying water discharged from the fuel cell 1 and the water in which the steam contained in the exhaust gas is condensed are collected in the separation tank 4, and the collected water is cooled in the cooler 7. And is again supplied from the pump 3 to the fuel cell 1. The pressure of the unreacted hydrogen discharged is adjusted by the regulator 6 so that the hydrogen utilization rate in the fuel cell 1 becomes a predetermined value. Since hydrogen gas is discharged in a state of being separated from liquid water, the discharged hydrogen gas can be directly recovered and reused without passing through the separation tank 4.
【００３４】図５（ｂ）におけるＢ部の拡大図でもある
図２（ａ）に戻り、例えば、本図に示すような保水層が
設けられていないとすれば、リブ付プレート４０及び燃
料極２３の表面は撥水性を呈するため、チャネル４００
に供給された加湿水は一気に流れ出てしまい、固体高分
子膜の保湿にあまり供されない。これに対し、本実施の
形態のリブ付プレート４０には、図２（ａ）に示すよう
に保水層４０２ａが設けられているため、加湿水は当該
保水層４０２ａに吸収されそこで停留することとなるの
で、固体高分子膜の保湿性が向上される。Returning to FIG. 2A, which is also an enlarged view of the portion B in FIG. 5B, for example, assuming that the water retaining layer as shown in this figure is not provided, the ribbed plate 40 and the fuel electrode are provided. Since the surface of 23 exhibits water repellency, the channel 400
The humidifying water supplied to the column flows out all at once, and is not used to keep the solid polymer membrane moist. On the other hand, since the ribbed plate 40 of the present embodiment is provided with the water retaining layer 402a as shown in FIG. 2A, the humidifying water is absorbed by the water retaining layer 402a and stays there. Therefore, the moisture retention property of the solid polymer film is improved.
【００３５】また、保水層を設けていない場合、加湿水
はその表面張力により玉状になりやすく、チャネルの幅
又は奥行き（深さ）を狭くすると、そのために、水詰ま
りが発生しチャネルを塞いでしまい、燃料ガスの流れを
阻害してしまう場合が生じる。即ち、チャネルを狭くす
ると、その表面が撥水性を有することが却って、水の排
水性を悪くしてしまうのであるが、本実施の形態のよう
に保水層を設けることで、加湿水とチャネル表面の濡れ
性がよくなり、そういった事態を回避することができる
のである。In the case where the water retaining layer is not provided, the humidifying water tends to be a ball shape due to its surface tension, and when the width or depth (depth) of the channel is narrowed, water clogging occurs and the channel is blocked. In some cases, the flow of fuel gas may be hindered. That is, when the channel is narrowed, the surface has water repellency, which rather deteriorates the drainage of water. However, by providing the water retention layer as in the present embodiment, the humidification water and the channel surface are The wettability of is improved , and such a situation can be avoided.
【００３６】ところで、上記したように保水層を設ける
ことで固体高分子膜の保湿性がよくなることから、当該
保湿性の観点からは、リブ付プレート４０の燃料極２３
に面する側の全面に保水層を設けることが一見好ましい
ように考えられる。ところが、全面に設けた場合、長期
間の使用により、電池性能が低下してしまう。リブ付プ
レート４０の全面、即ち、燃料極２３と接触し、当該燃
料極２３を押圧する面にも保水層を設けると、保水層に
使用されるような素材は一般に、本例の膨張黒鉛のよう
に軟質なため、上記締付板７１，７２による締付け力に
よって徐々にクリープ変形が生じ、リブ付プレート４０
と燃料極２３の接触面における面圧が低下し、その結
果、接触抵抗が増大してしまうからである。By providing the water retaining layer as described above, the moisture retaining property of the solid polymer membrane is improved. From the viewpoint of the moisture retaining property, the fuel electrode 23 of the ribbed plate 40 is used.
It seems that it is seemingly preferable to provide a water retention layer on the entire surface facing the water. However, when it is provided on the entire surface, the battery performance deteriorates after long-term use. If a water retention layer is also provided on the entire surface of the ribbed plate 40, that is, the surface that contacts the fuel electrode 23 and presses the fuel electrode 23, the material used for the water retention layer is generally the expanded graphite of this example. Since it is soft as described above, creep deformation gradually occurs due to the tightening force of the tightening plates 71, 72, and the ribbed plate 40
This is because the surface pressure at the contact surface between the fuel electrode 23 and the fuel electrode 23 decreases, and as a result, the contact resistance increases.
【００３７】そこで、本実施の形態では、リブ付プレー
ト４０の燃料極２３に対向する側の表面であって、当該
燃料極２３と接触し燃料極２３を押圧する押圧面を除く
表面に保水層を設けることとしたのである。図２（ａ）
に示す例（以下、「参考例１」とする。）では、リブ４
０１ａの側面に保水層４０２ａを設けたが、これに限ら
ず、図２（ｂ）に示す例（以下、「参考例２」とす
る。）のように、さらに、流路底面４００ａにも設ける
ようにしてもよい（４０２ｂ）。なお、図２（ｂ）は、
組立状態のセルユニット１００を、図２（ａ）の場合と
同じ位置で切断した断面図である。Therefore, in the present embodiment, the water retaining layer is provided on the surface of the ribbed plate 40 facing the fuel electrode 23, excluding the pressing surface that contacts the fuel electrode 23 and presses the fuel electrode 23. It was decided to provide. Figure 2 (a)
In the example (hereinafter referred to as “ Reference Example 1”) shown in FIG.
Although the water retention layer 402a is provided on the side surface of 01a, the water retention layer 402a is not limited to this, and is also provided on the flow path bottom surface 400a as in the example shown in FIG. 2B (hereinafter referred to as “ reference example 2”). (402b). In addition, FIG.
It is sectional drawing which cut | disconnected the cell unit 100 of an assembly state at the same position as the case of FIG.2 (a).
【００３８】さらに、参考例１においてリブ４０１ａの
頂部に部分的に凹んだ段部を設け、図６に示すように、
当該段部にも保水層４０２ｃを設けるようにしてもよい
（以下、図６に示す例を「実施例１」とする。）。な
お、図６は、図１に示すリブ付プレート４０の上流部４
０ｂ及び下流部４０ｃを省略し、中央部４０ａのみを描
いた図である。Further, in Reference Example 1, a stepped portion that is partially recessed is provided at the top of the rib 401a, and as shown in FIG.
The water retention layer 402c may be provided on the stepped portion as well (hereinafter, the example shown in FIG. 6 is referred to as “Example 1 ”). Note that FIG. 6 shows the upstream portion 4 of the ribbed plate 40 shown in FIG.
0b and the downstream portion 40c are omitted and only the central portion 40a is depicted.
【００３９】このように実施例１では、リブ側面に設け
られた保水層４０２ａをリブ頂部に設けられた段部まで
連設させることにより、リブ側面の保水層４０２ａで吸
収された加湿水がリブ頂部まで行き渡ることとなり、一
層固体高分子膜の加湿性が向上することになる。ここ
で、「リブ側面の保水層が段部まで連設されている」と
は、リブ側面の保水層と段部の保水層とが一体的につな
がっている状態のみならず、両保水層が別体に設けられ
ていても両保水層が密接して連なっている状態をも含む
趣旨である。[0039] In this manner, the first embodiment, by continuously provided a water retaining layer 402a provided on the rib side surface to the stepped portion provided in the rib top, humidifying water ribs absorbed by the moisture-holding layer 402a of the rib side surfaces Since it reaches the top, the wettability of the solid polymer membrane is further improved. Here, "the water retaining layer on the rib side is continuously provided up to the step" means not only the state where the water retaining layer on the rib side and the water retaining layer on the step are integrally connected, but also both water retaining layers. It is intended to include a state in which both water retention layers are in close contact with each other even if they are provided separately.
【００４０】なお、図６に示す例では、段部は全て、リ
ブの一方の側面から他方の側面まで連通するように形成
されているが、必ずしも連通させる必要はない。また、
連通させる場合、図６に示す例では、一定の幅（リブ長
手方向に沿った長さ）で段部を形成しているが、必ずし
も一定の幅である必要はない。この場合、段部の最小幅
Ｔａは（幅が一定の場合も含め）、リブ付プレート３１
０（図１）のリブ頂部の幅よりも狭いことが好ましい。
こうすることにより、セルユニット１００が組立てられ
た状態で、リブ付プレート３１０のリブ３１１と段部と
がどのような位置関係にあっても、リブ３１１からの押
圧力は段部以外のリブ頂部で支えられることとなり（も
ちろん、セル２０を介してであるが）、当該段部に設け
られた保水層を当該押圧力から保護することができる。In the example shown in FIG. 6, all the stepped portions are formed so as to communicate from one side surface of the rib to the other side surface thereof, but they do not necessarily have to be communicated. Also,
When communicating with each other, in the example shown in FIG. 6, the step portion is formed with a constant width (length along the rib longitudinal direction), but the width is not necessarily constant. In this case, the minimum width Ta of the stepped portion (including the case where the width is constant) is determined by the ribbed plate 31.
It is preferably narrower than the width of the rib tops of 0 (FIG. 1).
By doing so, even if the rib 311 of the ribbed plate 310 and the step portion are in any positional relationship in the assembled state of the cell unit 100, the pressing force from the rib 311 is applied to the rib top portion other than the step portion. Thus, the water retaining layer provided on the step can be protected from the pressing force.
【００４１】また、セルユニット１００が組立てられた
状態で、両リブ付プレート４０，３１０のリブ頂部の交
差部以外の箇所に段部を設けるようにしてもよい。この
場合には、段部の最小幅の広狭にかかわらず、リブ３１
１からの押圧力は必ず段部が形成されていないリブ頂部
（交差部）で支えられることとなり、当該段部に設けら
れた保水層４０２ｃを当該押圧力から保護することがで
きる。図６に示す実施例１は、この例を示している。In the assembled state of the cell unit 100, a step may be provided at a position other than the intersection of the rib tops of the ribbed plates 40 and 310. In this case, regardless of whether the minimum width of the step portion is wide or narrow, the rib 31
The pressing force from No. 1 is always supported by the rib tops (intersections) where no step is formed, and the water retention layer 402c provided on the step can be protected from the pressing force. Example 1 shown in FIG. 6 illustrates this example.
【００４２】図７は、セルユニット１００が組立てられ
た状態で、当該セルユニット１００を図６に示すＣ−Ｃ
線を含みリブ付プレート４０の底面に垂直な平面で切断
した断面図である。本図に示すように、リブ４０１ａの
頂部に形成された段部に設けられた保水層４０２ｃは、
相手方のリブ付プレート３１０のチャネル３１２に面す
ることとなるので、リブ３１１の押圧力を直接受けるこ
とはない。また、リブ３１１からの押圧力は、段部が形
成されていない、即ち保水層が設けられていないリブ頂
部で受けることとなるため、長期間使用しても当該押圧
力が減少することによる接触抵抗の増加を防止すること
ができる。FIG. 7 shows a state in which the cell unit 100 is assembled, and the cell unit 100 is taken along line CC of FIG.
It is sectional drawing cut | disconnected by the plane perpendicular | vertical to the bottom face of the plate 40 with a rib containing a line. As shown in the figure, the water retention layer 402c provided on the step formed on the top of the rib 401a is
Since it faces the channel 312 of the counterpart ribbed plate 310, the pressing force of the rib 311 is not directly received. Further, since the pressing force from the rib 311 is received by the rib top portion where the step portion is not formed, that is, the water retaining layer is not provided, even if the pressing force is reduced for a long period of time, the contact force is reduced. It is possible to prevent an increase in resistance.
【００４３】なお、リブ付きプレート４０と燃料極２３
との通電面積を確保するため、保水層４０２ｃの厚み
は、段部の深さと同じかそれよりも若干大きいのが好ま
しい。すこし大きめにすることで、当該保水層４０２ｃ
と燃料極２３との接触部での密着度が高くなり、当該接
触部における接触抵抗が低く抑えられることになる。こ
の場合でも、燃料電池１の組立て時における相手方のリ
ブ付プレート３１０のリブ３１１からの押圧力は、専ら
リブ付プレート４０の保水層が設けられていないリブ頂
部で受け止めることとなるので、長期間使用しても当該
押圧力が減少することによる接触抵抗の増加を防止する
ことができる。The ribbed plate 40 and the fuel electrode 23
In order to secure the current-carrying area with the water retaining layer 402c, the thickness of the water retaining layer 402c is preferably the same as or slightly larger than the depth of the step. By making it slightly larger, the water retaining layer 402c
The degree of adhesion at the contact portion between the fuel electrode 23 and the fuel electrode 23 becomes high, and the contact resistance at the contact portion can be suppressed low. Even in this case, since the pressing force from the rib 311 of the rib plate 310 on the other side at the time of assembling the fuel cell 1 is exclusively received by the rib top portion of the rib plate 40 where the water retaining layer is not provided, the pressing force is prolonged. Even when used, it is possible to prevent an increase in contact resistance due to a decrease in the pressing force.
【００４４】図８は、参考例１，２及び実施例１に係る
リブ付プレートを用いて燃料電池１を構成したものと比
較電池を用いて、平均セル電圧の経時変化の測定を行う
実験をした結果を示すグラフである。比較電池とは、保
水層を有しない燃料電池であり、保水層が無いことを除
いて、その他は燃料電池１と同じ構成である。なお、本
実験では、燃料ガスとして、水素と窒素との混合ガス
（Ｈ2／Ｎ2＝３６／６４）を用いた。また、作動条件
は、以下の通りである。FIG. 8 shows an experiment for measuring the change with time of the average cell voltage using a fuel cell 1 constructed by using the ribbed plates according to Reference Examples 1 and 2 and Example 1 and a comparative battery. It is a graph which shows the result. The comparative cell is a fuel cell that does not have a water retention layer, and has the same configuration as the fuel cell 1 except that it does not have a water retention layer. In this experiment, a mixed gas of hydrogen and nitrogen (H 2 / N 2 = 36/64) was used as the fuel gas. The operating conditions are as follows.
【００４５】電流密度：０．５Ａ／ｃｍ2
水素利用率 ：６０％
酸化剤利用率 ：１５％
反応面積：１００ｃｍ2
本図から、比較電池は燃料電池１（参考例１，２及び実
施例１）と比べ、経過時間全体にわたって、セル電圧が
低いことがわかる。これは、比較電池には、保水層が設
けられていないため固体高分子膜の湿潤性が燃料電池１
よりも悪いためと考えられる。Current density: 0.5 A / cm 2 Hydrogen utilization rate: 60% Oxidant utilization rate: 15% Reaction area: 100 cm 2 From this figure, the comparative cell is fuel cell 1 ( reference examples 1, 2 and
It can be seen that the cell voltage is low over the entire elapsed time as compared with Example 1 ). This is because the comparative cell does not have a water retention layer and therefore the wettability of the solid polymer membrane is higher than that of the fuel cell 1.
It is thought to be because it is worse than.
【００４６】また、比較電池では、三ヶ所でセル電圧が
急激に低下していることがわかる。これは、比較電池の
加湿水の流路（チャネル）表面が撥水性を呈するため、
流通する水がいわゆる玉状になりやすい。そのため、水
詰まりが発生しやすく、水詰まりが発生した箇所ではガ
ス拡散性が低下し、当該水詰まりが解消するまで、一時
的にセル電圧が低下するためと考えられる。一方、燃料
電池１の加湿水の流路表面には保水層が設けられている
ので、上記したように水が玉状になることがなく、水詰
まりが発生しにくいためであると考えられる。Further, in the comparative battery, it can be seen that the cell voltage drops sharply at three points. This is because the surface of the channel (channel) of the humidifying water of the comparative battery exhibits water repellency,
The circulating water tends to form so-called beads. Therefore, it is considered that water clogging is likely to occur, the gas diffusivity decreases at the location where the water clogging occurs, and the cell voltage temporarily decreases until the water clogging is resolved. On the other hand, it is considered that the water retaining layer is provided on the flow path surface of the humidifying water of the fuel cell 1, so that the water does not become a bead shape as described above and the water clogging is less likely to occur.
【００４７】さらに、図８から、参考例１，２及び実施
例１の内では、実施例１が参考例１，２と比較して、若
干セル電圧が高いことがわかる。これは、リブ頂部の段
部に設けた保水層の分、固体高分子膜の加湿性が良くな
っているためであると考えられる。以上、本発明の固体
高分子型燃料電池を実施の形態に基づいて説明してきた
が、本発明は、上記実施の形態に限られないことはもち
ろんであり、例えば、下記のようにしてもよい。
（１）上記実施の形態では、燃料極側のチャネルに燃料
ガスと加湿剤としての水を送り込む内部加湿方式の例を
示したが、本発明は、燃料ガスを加湿器で加湿してから
送り込む外部加湿方式においても適用される。
（２）上記実施の形態では、燃料極側のチャネルだけに
加湿剤を送り込むようにしたが、酸化剤極側のチャネル
に加湿剤を送り込むようにしてもよく、さらには両方の
チャネルに加湿剤を送り込むようにしてもよい。Furthermore, referring to FIG.
It can be seen that in Example 1, the cell voltage of Example 1 is slightly higher than those of Reference Examples 1 and 2. It is considered that this is because the water retention layer provided on the stepped portion of the rib top improves the moisturizing property of the solid polymer membrane. The polymer electrolyte fuel cell of the present invention has been described above based on the embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and may be as follows, for example. . (1) In the above embodiment, an example of the internal humidification method in which the fuel gas and water as a humidifying agent are sent to the channel on the fuel electrode side has been shown, but the present invention sends the fuel gas after humidifying it with a humidifier. It is also applied in the external humidification method. (2) In the above embodiment, the humidifying agent is sent only to the fuel electrode side channel, but the humidifying agent may be sent to the oxidant electrode side channel, and further, the humidifying agent may be sent to both channels. May be sent.
【００４８】また、加湿剤を送り込まない側のリブ付き
プレートにも保水層を形成するようにしてもよい。即
ち、上記実施の形態を例に言うと、酸化剤極側リブ付プ
レートに保水層を形成するようにしてもよい。このよう
にすることで、酸化剤極側で生成された生成水もこの保
水層で保持されることとなり、より一層、固体高分子膜
の湿潤度が増加し、さらに電池性能の向上が図られる。
なお、加湿剤を送り込まない側のリブ付きプレートにお
いて形成される保水層の態様は上記実施の形態で説明し
た、加湿剤を送り込む側のリブ付プレートの保水層と同
様である。
（３）上記実施の形態では、リブが片面に形成されたプ
レートを用いたが、本発明は、その両面にリブが形成さ
れたプレートを用いた燃料電池にも適用可能であること
は言うまでもない。即ち、燃料極側のリブ付プレートと
酸化剤極側のリブ付プレートとを一体的に形成したリブ
付プレートを用いた燃料電池であってもかまわない。
（４）上記実施の形態では、リブ付プレートを、カーボ
ンと樹脂との混合物で形成したが、金属材料を用い、押
出し加工やダイカスト等によって作製するようにしても
よい。A water retaining layer may be formed on the ribbed plate on the side where the moisturizing agent is not fed. That is, taking the above embodiment as an example, the water retaining layer may be formed on the plate with ribs on the oxidizer electrode side. By doing so, the water produced on the oxidant electrode side is also retained in this water retention layer, the wettability of the solid polymer membrane is further increased, and the battery performance is further improved. .
The form of the water retaining layer formed on the ribbed plate on the side where the moisturizing agent is not fed is the same as that of the ribbed plate on the side where the moisturizing agent is fed, which is described in the above embodiment. (3) In the above embodiment, the plate having ribs formed on one surface was used, but it goes without saying that the present invention is also applicable to a fuel cell using a plate having ribs formed on both surfaces thereof. . That is, the fuel cell may use a ribbed plate in which the ribbed plate on the fuel electrode side and the ribbed plate on the oxidizer electrode side are integrally formed. (4) In the above-described embodiment, the ribbed plate is formed of a mixture of carbon and resin, but a metal material may be used and may be formed by extrusion, die casting, or the like.
【００４９】[0049]
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る固体
高分子型燃料電池は、加湿剤が流通されるリブ付プレー
トのリブに加湿剤を吸収して保持する保水層が形成され
ている関係上、当該リブ付プレートをその表面が撥水性
を呈するような樹脂成形品とすることができるので、当
該リブ付プレートの生産性が向上する。さらに、保水層
は、セルの電極を所定の面圧で押圧する押圧挟持表面部
を除く表面に形成されているので、一般的に軟質となる
保水層が前記押圧による圧縮変形をしにくくなるので、
前記所定の面圧が低下することがなくなる。その結果、
リブ付プレートとセルの電極との接触抵抗を安定させる
ことができるので、長期間の使用によっても当該固体高
分子型燃料電池の性能が低下しにくくなる。As described above, in the polymer electrolyte fuel cell according to the present invention, the rib of the ribbed plate through which the moisturizing agent is distributed has the water retaining layer for absorbing and retaining the moisturizing agent. Relatedly, the ribbed plate can be made into a resin molded product whose surface exhibits water repellency, so that the productivity of the ribbed plate is improved. Furthermore, since the water retaining layer is formed on the surface excluding the pressing and sandwiching surface portion that presses the electrode of the cell with a predetermined surface pressure, the water retaining layer that is generally soft is less likely to be compressed and deformed by the pressing. ,
The predetermined surface pressure does not decrease. as a result,
Since the contact resistance between the ribbed plate and the electrode of the cell can be stabilized, the performance of the polymer electrolyte fuel cell is less likely to deteriorate even after long-term use.
【図１】実施の形態に係る固体高分子型燃料電池を構成
するセルユニットの組立図である。FIG. 1 is an assembly diagram of a cell unit constituting a polymer electrolyte fuel cell according to an embodiment.
【図２】（ａ）は、上記セルユニットの一例の断面図で
ある。
（ｂ）は、上記セルユニットの一例の断面図である。FIG. 2A is a sectional view of an example of the cell unit. (B) is a cross-sectional view of an example of the cell unit.
【図３】（ａ）は、保水層となる膨張黒鉛シートにおけ
るフェノール樹脂の最適な重量割合を求めるための実験
結果を示すグラフである。
（ｂ）は、保水層となる膨張黒鉛シートにおけるフェノ
ール樹脂の最適な重量割合を求めるための実験結果を示
すグラフである。FIG. 3 (a) is a graph showing an experimental result for determining an optimum weight ratio of a phenol resin in an expanded graphite sheet which is a water retention layer. (B) is a graph which shows the experimental result for calculating | requiring the optimal weight ratio of the phenol resin in the expanded graphite sheet used as a water retention layer.
【図４】上記固体高分子型燃料電池の全体的な構成及び
運転動作を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing the overall configuration and operation of the polymer electrolyte fuel cell.
【図５】上記固体高分子型燃料電池の運転動作を示す模
式図である。FIG. 5 is a schematic view showing an operation operation of the polymer electrolyte fuel cell.
【図６】上記固体高分子型燃料電池の燃料極側リブ付プ
レートの中央部の斜視図である。FIG. 6 is a perspective view of a central portion of a plate with ribs on a fuel electrode side of the polymer electrolyte fuel cell.
【図７】上記固体高分子型燃料電池のセルユニットの一
例の断面図である。FIG. 7 is a sectional view of an example of a cell unit of the polymer electrolyte fuel cell.
【図８】上記固体高分子型燃料電池と比較電池との運転
時間に対するセル電圧の変化特性を調べた実験結果を示
す図である。FIG. 8 is a diagram showing an experimental result in which the change characteristics of the cell voltage with respect to the operating time of the polymer electrolyte fuel cell and the comparative cell are examined.
１ 固体高分子型燃料電池 ２０ セル ２１ 固体高分子膜 ２２ 酸化剤極 ２３ 燃料極 ４０ 燃料極側リブ付プレート １００ セルユニット １０１ 切欠部 ３１０ 酸化剤極側リブ付プレート ３１１ リブ ３１２ 酸化剤極側チャネル ４００ 燃料極側チャネル ４０１ａ リブ ４０２ａ 保水層 ４０２ｃ 保水層 1 Polymer electrolyte fuel cell 20 cells 21 Solid polymer membrane 22 Oxidizer pole 23 Fuel pole 40 Fuel electrode side ribbed plate 100 cell units 101 Notch 310 Oxidizer electrode side ribbed plate 311 rib 312 Oxidizer electrode side channel 400 Fuel channel 401a rib 402a Water retaining layer 402c Water retaining layer
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (72)発明者 西尾 晃治 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−3931（ＪＰ，Ａ) 国際公開98／052242（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/04 H01M 8/10 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Yasuo Miyake 2-5-5 Keihan Hondori, Moriguchi City, Osaka Prefecture Sanyo Electric Co., Ltd. (72) Koji Nishio 2-5 Keihan Hondori, Moriguchi City, Osaka Prefecture No. 5 in Sanyo Electric Co., Ltd. (56) Reference JP-A-10-3931 (JP, A) International Publication 98/052242 (WO, A1) (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) H01M 8/02 H01M 8/04 H01M 8/10
Claims (5)
対のリブ付プレートのリブによって所定の面圧で押圧挟
持され、少なくとも一方の前記リブ付プレートのリブと
前記セルの電極とで囲まれる流路に前記セルの電解質膜
を加湿する加湿剤が流通される固体高分子型燃料電池で
あって、 前記加湿剤が流通される流路を形成する前記リブ付プレ
ートのリブは、 前記リブの頂部において前記セルの電極を前記所定の面
圧で押圧する押圧挟持表面部と、 前記リブの頂部において前記セルの電極を押圧する面圧
が前記所定の面圧まで至らない非押圧挟持表面部と、 押圧作用しない側面部と、を有し、 少なくとも前記非押圧挟持表面部と前記側面部とに前記
加湿剤を吸収して保持する保水層が形成されていること
を特徴とする固体高分子型燃料電池。1. A cell in which electrodes are arranged on both sides of an electrolyte membrane is pressed and sandwiched by ribs of a pair of ribbed plates at a predetermined surface pressure, and at least one rib of the ribbed plate and the electrode of the cell are formed. A solid polymer electrolyte fuel cell in which a humidifying agent for humidifying the electrolyte membrane of the cell is circulated in an enclosed flow channel, wherein the rib of the ribbed plate forming a flow channel in which the humidifying agent is circulated, A pressing and sandwiching surface portion that presses the electrode of the cell with the predetermined surface pressure at the top of the rib, and a non-pressing sandwiching surface where the surface pressure that presses the electrode of the cell at the top of the rib does not reach the predetermined surface pressure. And a side surface portion that does not act as a pressing member, and a water retention layer that absorbs and holds the moisturizing agent is formed at least in the non-pressing holding surface portion and the side surface portion. Molecular fuel cell .
長手方向が交差するよう配置されており、 前記非押圧挟持表面部は、両リブ付プレートのリブ頂部
の交差部以外の箇所に設けられていることを特徴とする
請求項１記載の固体高分子型燃料電池。2. The pair of ribbed plates are arranged so that their rib longitudinal directions intersect with each other, and the non-pressing sandwiching surface portion is provided at a position other than the intersection of the rib tops of both ribbed plates. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein
ることを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子
型燃料電池。3. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the water retention layer is made of a material containing expanded graphite.
との混合材料からなり、当該混合材料に占めるフェノー
ル樹脂の重量比率は１％以上１０％以下であることを特
徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池。4. The water retaining layer is made of a mixed material of expanded graphite and a phenol resin, and the weight ratio of the phenol resin in the mixed material is 1% or more and 10% or less. Polymer electrolyte fuel cell.
脂成形品であることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
かに記載の固体高分子型燃料電池。5. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the ribbed plate on which the water retaining layer is formed is a resin molded product.
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